[发明专利]低温下制备具有高度(001)择优取向的钌酸锶薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电氧化物钌酸锶薄膜的制备，具体涉及在低温下制备用于铁电存储器电极的具有高度(001)择优取向的钌酸锶薄膜的方法。

背景技术

铁电薄膜由于具有一系列重要的功能特性而被广泛研究，电极材料的选择对其功能的发挥起着非常重要的作用。由于金属电极与铁电薄膜在结构上的不匹配，难以在电极上生长外延铁电薄膜，并且金属电极存在易氧化，附着能力差，与薄膜之间互扩散严重的缺点，于是人们将注意力转移到与铁电薄膜具有相近结构，且化学和热稳定性良好的导电氧化物材料。作为一种导电氧化物，SrRuO₃(SRO)具有高的电导率，高的化学稳定性和热稳定性，与目前广泛研究的铁电材料(PZT，BST等)具有类似的晶体结构和良好的晶格匹配，因此，SRO具有广泛的应用价值，如用作高温超导薄膜的缓冲层，高温超导Josephson结的金属层，非制冷红外焦平面阵列，微电子机械系统器件及非易失性铁电随机存储器等器件的电极材料。SRO被公认为是铁电薄膜器件理想的电极材料之一。此外，SRO也是一种磁性氧化物，室温下为顺磁性，当温度低于160K，则表现为铁磁性。铁磁性SRO具有垂直剩余磁化强度大和磁光系数大的特点，因此可以在磁性隧道结和磁阻存储器件中得到应用。

SRO薄膜可以生长在多种单晶基片上，常用的有SrTiO₃(001)、LaAlO₃(001)和MgO(001)等。这些单晶基片上生长的SRO薄膜通常具有高度的(001)择优取向，而(001)取向的SRO薄膜又能够诱导高度(001)取向的铁电薄膜外延生长，如PZT、BST等。但是，单晶基片成本太高，且难以与传统的半导体集成工艺兼容，人们尝试直接在硅基片上制备SRO薄膜。

由于SRO与硅片之间存在不稳定的界面接触，需要引入缓冲层来改善两者间的界面。目前，人们通过引入掺钇的氧化锆(YSZ)作为缓冲层，制备了高度(110)取向的SRO薄膜；通过引入CeO₂和YSZ作为双缓冲层，制备了高度(001)取向的SRO薄膜。另外，不论利用何种基片，SRO薄膜的沉积温度均大于650℃，很难与传统的半导体集成工艺兼容。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种以硅片为衬底、且能够在低温下制备具有高度(001)择优取向的钌酸锶薄膜的方法。

在此，本发明提供一低温下制备具有高度(001)择优取向的SrRuO₃薄膜的方法：以硅片为衬底，引入LaNiO₃缓冲层后采用SrRuO₃靶材在400～600℃的温度范围内溅射获得所述具有高度(001)择优取向的SrRuO₃薄膜。

本发明通过采用磁控溅射的方法，通过引入LaNiO₃缓冲层，可在较低的温度范围内（400～600℃）溅射获得晶态的且具有高度(001)择优取向的SRO薄膜。本发明在硅片上生长的SRO薄膜具有结晶温度低，高度(001)择优取向以及低电阻率等优点，非常有望实现与硅基半导体集成电路兼容，作为一种良好的电极材料而被应用在非挥发铁电存储器或其它基于压电薄膜的微型电子器件中。

较佳地，所述方法可以包括：

利用直流溅射的方式沉积LaNiO₃缓冲层：将洗净的硅衬底放入溅射仪中，抽真空至10^-4Pa以下；保持所述硅衬底的温度在300～450℃；通入氧气与氩气作为溅射气体，控制氧分压为15～25%，并使溅射气体的总气压保持在2.5～3.5Pa，采用LaNiO₃靶材利用直流溅射的方式沉积LaNiO₃薄膜，其中溅射功率为70～90W，溅射时间为10～20分钟；以及

采用射频磁控溅射的方式沉积SrRuO₃薄膜：将上述沉积有LaNiO₃缓冲层的硅衬底升温至400～600℃，控制溅射气体的总气压为5～20Pa，且氧分压为20～50%，采用SrRuO₃靶材利用射频磁控溅射的方式沉积SrRuO₃薄膜，其中溅射功率为60～90W。