[发明专利]一种复合铁电薄膜及其低温制备方法

说明书

技术领域

本发明属于采用溶胶-凝胶法低温制备复合铁电薄膜的技术领域。

背景技术

在过去的几十年当中，各种各样的薄膜制备方法被采用来制备铁电薄膜，其中包括：不同的物理气相沉积技术等离子体溅射沉积(PSD)和离子子束溅射沉积(IBSD)、脉冲激光闪蒸沉积(PLAD)、电子束或电炉中分子束蒸发外延(MBE)、金属有机气相沉积法(MOCVD)、化学溶解法(MOD例如：溶胶-凝胶过程和金属有机沉积法)。一般而言，在利用这些方法制备薄膜的过程中，晶体生长的温度都比较高(≥550℃)，这样以来就会造成薄膜/电极/基片的界面的相互扩散，影响薄膜性能，难以满足微型器件的要求。而且由于在半导体工艺中，经常需要在集成的器件上制备薄膜，若薄膜的生长温度过高亦会与微电子工艺不相容，所以研究薄膜低温生长具有重要意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种原位生长的复合铁电薄膜。

本发明的另一目的是提供一种复合铁电薄膜的低温制备方法。

溶胶-凝胶法以其化学计量比控制准确、成膜面积大且均匀、工艺过程温度低、设备简单等优势而为人们所采用。在水热条件下，水或其它溶剂处于临界或超临界状态，反应活性提高，物质在溶剂中的物性和化学反应性能均有很大的改变，因此溶剂热反应大异于常态。这种方法已经成为合成超微粒、无机膜、单晶等材料的重要途径。而将薄膜放入高压氧环境中处理，可以减少在薄膜制备过程中产生的氧缺陷的数量，在降低薄膜漏电流的同时，提高薄膜的抗疲劳性。利用溶胶凝胶热处理温度低的特点，每一次旋转涂覆后在较低温度下处理，使其有机物完全分解，然后在水热与高压氧环境中使薄膜晶粒长大的同时，缺陷减少。从而得到性能良好的铁电薄膜。

本发明所叙述的复合铁电薄膜的低温制备方法如下：

首先采用溶胶凝胶法配制前驱体溶液并在衬底Pt/Ti/SiO₂/Si和Ti上旋转涂覆所需厚度的薄膜，每层薄膜的热处理温度为300～400℃，然后将此薄膜在90～300℃的水热溶液中浸渍10～30小时，之后再放入1～35MPa的纯氧环境中处理10～30小时，最后在其上表面溅射金作为上电极。

本发明采用溶胶凝胶-水热-高压氧处理相结合的方法。采用溶胶凝胶方法配制前驱体溶液是已知的方法，见参考文献Jiwei Zhai，Xi Yao.[J].Applied Phsics letters.2004，84：3136-3138和Jiwei Zhai，Haydn Chen.[J].Applied Phsics letters.2004，841162-1164。具体是利用无机钡盐、锶盐以及有机锆、钛等，溶剂为冰醋酸、乙二醇乙醚和乙酰丙酮等，配制不同摩尔比的Ba/Sr、Zr/Ti等(摩尔比为x∶1-x，其中x为0-0.90)前驱溶液，其前驱体溶液的最终浓度控制在0.2-0.4M之间。

旋转涂覆的方法是现有技术，见参考文献Jiwei Zhai，Xi Yao.[J].Applied Phsics letters.2004，84：3136-3138和Jiwei Zhai，Haydn Chen.[J].Applied Phsics letters.2004，841162-1164。旋转涂覆时，旋转速度为3000～4000转/分、时间10～30秒。凝胶膜直接放入300～400℃的环境中、放置2～10分钟，取出后冷却至室温，涂覆下一层凝胶膜，循环往复直到获得所需厚度的薄膜。利用溶胶凝胶热处理温度低的特点，每一次旋转涂覆后在较低温度下处理，使其有机物完全分解。

所述的水热溶液的温度、热处理时间、离子浓度、压力等都会影响晶粒生长的尺寸大小，但温度和时间是最关键的控制因数。根据不同薄膜系列的要求，水热溶液中的离子种类与浓度不同，离子种类一般与薄膜中所含的金属种类相适应，浓度一般在0.1-0.5mol/L。例如在制备BST薄膜的过程中，水热溶液中包含的离子分别可以是：0.3mol/L钡离子、0.5mol/L锶离子、0.3mol/L钛离子以及氢氧根离子等。所用的水热溶液的PH值范围在7-14之间，压力5-10MPa。

采用现有的直流溅射的方法溅射金作为上电极，上电极的直径一般为0.1～0.5mm、厚度一般为100～200nm。

在1～35MPa的纯氧环境中处理铁电薄膜时，可以是常温也可在高温下处理，为了满足微电子工艺的要求和铁电薄膜的质量，最好选择在100～400℃之间。处理时间则根据薄膜生长的具体情况做相应调整，一般在10～30个小时即可。

本发明的有益效果：