[发明专利]一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法

说明书

本发明所述提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，是通过射频磁控溅射法在电介质薄膜与金属电极之间制备一层纳米级厚度的氧化物绝缘层，形成金属电极‑氧化物绝缘层‑电介质薄膜‑氧化物绝缘层‑金属电极结构的电介质薄膜器件，或者形成金属电极‑氧化物绝缘层‑LaNiO₃过渡层‑电介质薄膜‑氧化物绝缘层‑金属电极结构的电介质薄膜器件。制备氧化物绝缘层的氧化物为SrTiO₃、CaZrO₃、SrZrO₃中的一种。采用本发明所述方法，在电介质薄膜器件中引入了纳米级厚度的氧化物绝缘层，因而能有效抑制强电场作用下由金属电极向电介质薄膜的电荷注入而引起的薄膜漏电流增大，提高电介质薄膜器件在强电场下的工作电压。

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种抑制电介质薄膜的漏电流，从而提高电介质薄膜器件工作电压的方法。

背景技术

薄膜型固态电介质电子器件，如薄膜型电容器、薄膜型传感器、薄膜型存储器是一类具有微型化、低功耗、多功能，可集成等特点的新一代电子器件。相比于块体电介质器件(如陶瓷材料的电子器件，厚度至少大于10μm)，薄膜型电介质器件的厚度大为减小，通常在几百nm到2μm之间，因而在同等的工作电压下，薄膜型电介质器件比块体电介质器件要承受大得多的工作电场(～10⁴-10⁵V/mm)。为了满足电子技术对电子元器件工作电压(15～30V)的要求，薄膜电介质材料应具有更高的抗电强度，即薄膜型电子器件是在强电场下工作的，而强电场下由金属电极向电介质材料的电荷注入效应不可忽视，它会直接导致电介质薄膜的漏电流增大，而漏电流增大是影响薄膜抗电强度及薄膜型电子器件使用性能的关键因素。如何提高电介质薄膜的抗电强度，抑制电荷注入所引起的漏电流增大是薄膜型电介质电子器件研制中需要解决的一个关键问题。

针对这个问题，许多学者进行了各类的研究。Hao Yang等人提出制备拥有多个垂直界面(该界面的法向方向平行于薄膜的基底)的(BaTiO₃)_0.5:(Sm₂O₃)_0.5外延复合薄膜[LiW,et al.Acs Appl Mater Inter,2014,6(8):5356]，该垂直界面可以有效吸引氧空位，从而减轻氧空位在电极界面处的累积，使得复合薄膜的漏电流相比纯的BaTiO₃薄膜下降了两个数量级，在温度30℃、抗电强度为5×10⁴V/mm时漏电流密度在1×10^-5～1×10^-4A/cm²之间。但该方案的局限性在于其薄膜制备方法无法获得大面积的薄膜，目前不能进入实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，以便抑制强电场作用下由金属电极向电介质薄膜的电荷注入而引起的薄膜漏电流增大，增强电介质薄膜器件的抗电强度。

本发明所述提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，是通过射频磁控溅射法在电介质薄膜与金属电极之间制备一层纳米级厚度的氧化物绝缘层，形成金属电极-氧化物绝缘层-电介质薄膜-氧化物绝缘层-金属电极结构的电介质薄膜器件，或者形成金属电极-氧化物绝缘层-LaNiO₃过渡层-电介质薄膜-氧化物绝缘层-金属电极结构的电介质薄膜器件。设置LaNiO₃过渡层的目的是使电介质薄膜获得更好的沉积质量。

上述方法中，氧化物绝缘层的厚度为10nm～30nm。

上述方法中，制备氧化物绝缘层的氧化物为SrTiO₃、CaZrO₃、SrZrO₃中的一种。