[发明专利]一种高取向度PZT压电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高取向度PZT压电薄膜的制备方法

背景技术

PZT压电薄膜材料因其大的机电耦合系数大(K²为20.25％)，能够用于非易失性存储器和微机电设备、易于与Si集成，引起人们对其研究的极大兴趣。PZT薄膜同样可以通过溅射、PLD等方法制备，但目前常用的制备方法是溶胶一凝胶法。它是一种较低成本的制膜方法，具有薄膜组分易控、结构致密、易大面积成膜、与IC工艺兼容等优点，是目前MEMS技术中制备PZT薄膜广泛采用的方法。用溶胶-凝胶法可获得不错的薄膜性能，但膜厚不易控制，重复性差，性能有待提高。磁控溅射法则无此弊端，与半导体工艺的兼容性好而得到广泛关注。磁控溅射法制备PZT薄膜重复性比溶胶-凝胶法制备的PZT薄膜重复性好、压电性更好，基于磁控溅射法制备PZT薄膜的电子器件、MEMS等是最有可能取得预期效果的。目前，在PZT压电薄膜的制备上尽管尚存在许多亟待解决的问题，但不可否认的是，PZT在诸多方面仍然具有广阔的应用前景。

PZT薄膜器件的一种基本结构是压电薄膜夹在作为上下电极的导电膜间构成三层结构。因为铁电薄膜要淀积在下电极上，下电极结构对于压电薄膜至为关键。以前，人们用的电极是Au、Ag、Pt等，它们的主要优点是能抗高温氧化，电阻率小，与大规模集成电路相容性好。

由于硅与PZT间失配严重，同时Si本身会向PZT扩散，与PZT中的Ti发生反应形成TiSi化合物，因此采用Si作衬底时必须生长一层过渡层，通常采用的结构为：Pt/SiO₂/Si和Pt/Ti/SiO₂/Si。Ti能够提高Pt和SiO₂之间的结合力，SiO₂层则可以防止高温条件下电极材料与Si衬底发生反应或互扩散，改善界面特性。

PZT是PbTiO₃和PbZrO₃以任何比例形成的连续固溶体，由于PbTiO₃和PbZrO两者之间性能的差异，对于不同锆钛比例的固溶体，因为内部条件的不同，微观结构和薄膜取向也不相同，反映了从量变到质变的差异。因而人们尝试通过改变Zr/Ti比从而影响PZT薄膜的取向。

PbTiO₃薄膜结晶温度较低，利于沿c轴即(100)方向择优；而PbZrO₃结晶温度高，晶格常数较大。例如对锆钛比为(30/70)的富锆PZT薄膜，由于其和衬底的界面上产生的富钛层对(100)晶相的促进作用，在(100)方向的结晶度也较高。因而对于富锆的PZT(～70/～30)薄膜，一方面由于其晶格常数与结晶过程中产生的过渡金属相的晶格常数失配较大，所以不易形成结晶核；另一方面由于前烘温度相对较低，所以形成钙钛矿相的比例较低。

PZT薄膜结晶取向以及沿某一方向结晶度的多少对其性能影响很大。在压电材料为主形成的器件中PZT薄膜以(111)方向生长性能优势相当明显，如何获得完全(111)取向的PZT薄膜是人们长期追求的目标之一。PZT压电薄膜的其他取向如(110)、(100)对薄膜的性能有极坏的影响。因而，PZT压电薄膜的其他取向要尽量避免。

发明内容

由于PZT材料具备突出的力电耦合性能，是制作宽带宽BAW滤波器的首选材料。由于硅与PZT间失配严重，同时Si本身会向PZT扩散，与PZT中的Ti发生反应，因此采用Si作衬底时必须生长一层过渡层，通常采用的结构为：Pt/SiO₂/Si和Pt/Ti/SiO₂/Si。Ti能够提高Pt和SiO₂之间的结合力，SiO₂层则可以防止高温条件下电极材料与Si衬底发生反应或互扩散，改善界面特性。为了得到具有良好取向的薄膜，通常在Pt上再生长一层PbTiO₃(PT)作为种子层，以提高结晶性能、降低结晶温度。另外，可以调整Zr/Ti比，或进行合适的掺杂(如La、Mn、Mg、Ni等)，使材料改性，调整压电薄膜的性能；薄膜制备过程中，常采用快速退火工艺(RTP)，以降低退火温度，缩短退火时间，提高晶化质量。

本发明的目的是为克服上述传统的Si、SiO₂、Pt、PZT、上电极结构中，PZT压电薄膜的生长方向性难以得到保证。

本发明所公开的高取向性PZT压电薄膜的制备方法，在采用PZT生长中使用两步或多步法保证PZT方向性得以提高。包括以下步骤：