[實用新型]一種用于電子元器件的硅基鐵電夾心結構

無效

• 申請號: 00231330.8
• 申請日: 2000-03-31
• 公開（公告）號: CN2414513Y
• 公開（公告）日: 2001-01-10
• 發明（設計）人: 任天令;張林濤;劉理天;李志堅
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L41/00
• 分類號: H01L41/00;C04B35/01
• 代理公司: 清華大學專利事務所
• 代理人: 羅文群

本實用新型涉及一種用于電子元器件的硅基鐵電夾心結構，屬半導體器件領域。

近年來，鐵電薄膜因其所具有的良好的介電、壓電、鐵電及光電特性而在微傳感器、微執行器、存儲器及光電器件等方面有著廣泛的應用前景。其中鈦鋯酸鉛(Pb_x(Zr_yTi_1-y)O₃，以下簡稱PZT)是研究得最多的一種鐵電材料。微電子工藝已發展到了很成熟的程度，如果能用與微電子工藝兼容的方法制備出品質良好的PZT鐵電薄膜，那么就可以使PZT鐵電薄膜得到更廣泛的應用。饒韞華等用溶膠-凝膠法(sol-gel)制備了一種硅基PZT鐵電薄膜結構，這種結構直接在硅基襯底上制備PZT鐵電薄膜，見圖1，參閱文獻“鈦鋯酸鉛鐵電薄膜的制備及性能研究”，《膜科學與技術》，1995，15(4)：55-59。雖然制備的工藝步驟比較簡單，但是制備過程中的退火溫度高達900℃，難以與微電子工藝兼容。而且這種傳統結構中的鐵電薄膜由于經過高溫退火，品質會受到很大影響，難以得到理想的性能。這樣直接在硅襯底上制備的鐵電薄膜結構就很難應用到存儲器、傳感器等半導體器件中，限制了PZT鐵電材料的發展。

本實用新型的目的是提出一種用于電子元器件的硅基鐵電PT／PZT／PT夾心結構(其中的PT為PbTiO₃，以下簡稱PT)。這種結構中的PZT鐵電薄膜具有良好的鐵電特性，而且其制備方法可以比較容易的同集成電路工藝兼容，使PZT鐵電薄膜能夠應用于存儲器、傳感器等半導體元器件。

本實用新型設計的用于電子元器件的硅基鐵電夾心結構，包括頂層Pt／Ti電極、PZT鐵電薄膜、底層Pt／Ti電極、二氧化硅層、硅襯底，上述各層依次排列，還包括PT層，所述的PT層分別置于頂層Pt／Ti電極與PZT鐵電薄膜之間以及PZT鐵電薄膜與底層Pt／Ti電極之間。其中的PZT層厚度為0．15～2μm，PT層厚度為0．01～0．1μm，PZT層與PT層厚度之比為：10～30。其中的底層電極中Pt層厚度為1000～2000，Ti層厚度為50～100。其中的頂層電極中Pt層厚度為800～1000，Ti層厚度為50～100。

采用本實用新型的設計的PT／PZT／PT夾心結構顯著降低了鐵電薄膜的退火溫度，從而提高了鐵電薄膜的制備工藝與微電子工藝的兼容性，同時測試結果表明PZT鐵電薄膜表現出良好的介電和鐵電性能。這種鐵電夾心結構及其制備方法為鐵電薄膜應用于存儲器、傳感器等半導體器件領域提供了可能性。

附圖說明。

圖1是已有的硅基鐵電薄膜結構。

圖2是本實用新型的鐵電夾心結構。

圖1-圖2中：1為頂層Pt／Ti電極；2為PZT鐵電薄膜；3為底層Pt／Ti電極；4為二氧化硅層；5為硅襯底；6為PT層。

下面結合附圖，詳細介紹本實用新型的原理和實施例。

本實用新型所依據的原理是：鈦酸鉛鐵電體具有與PZT相似的品格結構，而且它的晶化溫度比PZT低(600℃左右)，在PZT薄膜的上下表面各加一層PT層后，PT層會從兩個方向為PZT的晶化提供晶核，從而顯著降低PZT的品化溫度，改善PZT薄膜的晶化品質。而且通過控制PT溶膠的濃度和勻膠速度，可以使PT層的厚度遠小于PZT薄膜的厚度，從而使得PT層的加入對PZT薄膜表觀性能的影響可以忽略，不會導致PZT薄膜表觀性能的下降。

本實用新型設計的用于電子元器件的硅基鐵電夾心結構，如圖1所示，包括頂層Pt／Ti電極1、PZT鐵電薄膜2、底層Pt／Ti電極3、二氧化硅層4、硅襯底5，上述各層依次排列，還包括PT層6，所述的PT層6分別置于頂層Pt／Ti電極1與PZT鐵電薄膜2之間以及PZT鐵電薄膜2與底層Pt／Ti電極3之間。

本實用新型設計的用于電子元器件的硅基鐵電夾心結構，其制備方法如下：

(1)制備PZT先驅溶膠，使其中x=0．9～1．1，y=0．4～0．6，根據PZT組分稱取相應量的醋酸鉛，硝酸鋯和鈦酸四丁酯溶于適量的有機溶劑乙二醇甲醚中，原料中鈦酸四丁酯亦可選用異丙醇鈦等含鈦鹽，溶劑可以用乙二醇乙醚等其它有機溶劑。

(2)制備PT先驅溶膠，使其中Pb的含量在0．9～1．1之間，根據PT組分稱取相應量的醋酸鉛和鈦酸四丁酯溶于適量的乙二醇甲醚中，原料中鈦酸四丁酯亦可選用異丙醇鈦等含鈦鹽，溶劑可以用乙二醇乙醚等其它有機溶劑。

(3)在單晶硅襯底上熱氧化生長一層5000的二氧化硅，氧化過程由干氧-濕氧-干氧三步組成。