[发明专利]使用籽晶层形成PZT薄膜的方法

说明书

本发明涉及PZT(锆钛酸铅：Pb(Zr_xTi_1-x)O₃)薄膜的形成方法，更具体地，涉及使用籽晶层形成PZT薄膜的方法。

图1是普通PZT电容器的截面图，其中PZT薄膜沉积在电极上。PZT薄膜具有良好的热电性、压电性和铁电性，并且广泛应用于传感器、压电元件和存储器中。如图1所示，PZT薄膜14形成在铂电极13上。在图1中，标号11表示硅衬底，标号12表示二氧化硅绝缘层，而标号15表示上部铂电极。此处，为了使PZT薄膜14具有铁电性能，该PZT薄膜14必须具有特定晶体结构相，即钙钛矿晶体结构。在籽晶形成的初始阶段必须提供足够的铅(Pb)以在金属如铂(Pt)制成的衬底上适当地形成钙钛矿相。如果铅量不够，则难以形成具有完好钙钛矿相的初始薄膜，该初始薄膜在薄膜和衬底之间的界面处形成。而且该初始薄膜具有烧绿石(pyrochlore)相和钙钛矿相这两种相。

图2是表明PZT薄膜24的晶体结构之截面的扫描电镜(SEM)照片，其中PZT薄膜24形成在广泛用作电极的铂电极23上。此处，铂电极23形成在其上涂覆有二氧化硅绝缘层22的硅衬底21上。如图所示，因为PZT薄膜24具有不同尺寸的晶粒，由于凸出的大晶粒而使PZT薄膜24表面粗糙。这种晶粒尺寸的差异是由于各种晶粒的生长速率不同所致。更具体地，晶粒依据其晶体取向而以不同的生长速率生长。已经知道PZT在<100>取向的生长速率最大，该取向垂直于衬底表面，而在<111>取向的生长速率最慢。另外，对于相同取向的晶体，较早形成的晶粒较早地生长，因而其尺寸大于较后形成的晶粒的尺寸，这种状况在成核密度低的情况下尤为突出。还有，在这种情况下，其晶粒尺寸大于高成核密度情况下的晶粒尺寸，因而其凸出高度更大。

另外，如图3A所示，铂电极23的表面在预加热之前为良好状态。但是，在600℃预加热约15分钟之后，该铂电极23表面即被损坏，如图3B所示，这是由于沉积温度和预加热温度不同所致。换言之，在预加热工艺中，铂薄膜出现晶粒生长、热膨胀/收缩、扩散、氧化等，从而具有较大晶粒，晶体间缺陷增加，其表面变粗糙，这成为PZT薄膜生长的障碍。

如果由上述障碍使PZT薄膜表面粗糙，则难以用随后的制造器件的工艺进行处理。还有，如果PZT薄膜和上部电极之间的界面变得特别粗糙，会使电容器的性能降低。

迄今为止，为了解决这种问题，已经尝试通过在低温形成均匀的非晶薄膜并且在随后的热处理中使其晶化而制造籽晶层，或者通过较薄地沉积诸PbTiO₃材料作为籽晶层而便于钙钛矿籽晶生长，然后在其上沉积PZT薄膜而沉积出仅由钙钛矿相组成的良好的薄膜。

但是，在将非晶相晶化而用作籽晶的情况下，由于成分变化或再结晶的问题而不能使非晶相得到完好的结晶。因此，由于在衬底和PZT薄膜之间存留非晶相，降低了电容器的质量。另外，相对于直接将PZT沉积在铂衬底上的情况，在使用PbTiO₃的情况下更易于形成籽晶。但是，由于难以制备高质量的PbTiO₃，以及薄膜表面粗糙，PbTiO₃不适于用作籽晶层。

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种使用籽晶层形成PZT薄膜的方法，其中通过使用PbO薄膜作为籽晶层来生长PZT薄膜而制备由小晶粒构成的致密的PZT薄膜。

因此，为达到上述目的，提供了一种使用籽晶层形成PZT薄膜的方法，包括下列步骤：在衬底上形成电极，通过向室中喷射Pb前体而在电极上形成PbO籽晶层，以及在PbO籽晶层上形成PZT薄膜。

在本发明中，电极由铂(Pt)制成，形成PbO籽晶层的步骤是使用金属有机化学汽相沉积法或溅射法进行，PbO籽晶层在400-500℃温度沉积至厚度为50-500nm。

还有，在形成PbO籽晶层的步骤中，使用金属有机化学汽相沉积法，除了Pb前体之外，同时向室中喷射Zr和Ti前体形成PZT籽晶层，其中向室中喷射过量的Pb，从而使得用于形成籽晶层的Pb与Zr和Ti的该比值即Pb/(Zr+Ti)值大于用于形成PZT薄膜的该比值。

通过结合附图对本发明的优选实施方案进行详述，可使本发明的上述目的和优点更为清楚。

图1是说明形成在衬底或电极上的普通PZT薄膜的截面图；

图2是说明沉积在常规铂衬底上的PZT薄膜之截面的扫描电镜(SEM)照片；