[發明專利]在Si基板上制備(110)取向鐵電薄膜的方法

無效

• 申請號: 200710040758.8
• 申請日: 2007-05-17
• 公開（公告）號: CN101060075A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: 郭益平;顧明元
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 毛翠瑩

技術領域

本發明涉及一種在Si基板上制備(110)取向鐵電薄膜的方法，具體涉及一種在硅基板上制備(110)優先取向的Pt底部電極，然后在(110)取向Pt上制備高度(110)取向鈣鈦礦型鐵電薄膜的制備方法。屬薄膜制備技術領域。

背景技術

鐵電和壓電材料是一種重要的功能材料，其陶瓷塊體材料已在電介質材料，傳感器和驅動器方面獲得非常廣泛的應用。將鐵電/壓電陶瓷集成化，其應用將更為廣泛，它可以在微電子技術中用作移相器、延遲線、可調濾波器和非揮發性鐵電存儲器(FRAM)的材料；微機電技術(MEMS)中用作驅動器和傳感器的材料，比如紅外焦平面探測技術中用作熱釋電傳感器件的材料。十余年來，世界各國都投入巨資在開展這方面的研究，盡管目前在材料的制備和器件的設計方面取得了一定的進展，然而鐵電壓電薄膜在微電子及MEMS系統中的應用卻已經被嚴重的滯后了。這主要由于目前的鐵電薄膜制備技術還很難制備出性能優越可靠的鐵電壓電薄膜所致。

眾所周知，取向化或外延的鐵電壓電薄膜是制備性能優越可靠器件的關鍵。為了實現薄膜取向化或外延生長，其方法主要包括：1)使用與鐵電材料無晶格匹配的異質層，如TiO₂，SrO和CeO₂；2)使用與鐵電材料具有較好晶格匹配的各種氧化物電極，如LaNiO₃(LNO)，SrRuO₃，YBa₂Cu₃O₇和RuO₂；3)使用與鐵電材料具有較好晶格匹配單晶基板SrTiO₃，LaAlO₃和MgO。但這些方法都存在的一定的缺陷，異質層的引入不僅使工藝復雜化，而且其引入容易造成薄膜性能的改變；氧化物電極容易與鐵電材料發生界面反應，并且其電阻率要比Pt電極高1-2個數量級，另外其化學穩定性不是很好，容易在高真空中失氧；單晶基板不僅價格昂貴，并無法直接實現傳感器部分與硅集成電路一體化。

目前在Si基板中所使用的底電極材料主要有Pt和氧化物電極。其中Pt由于具有優越的電導率和化學穩定性，是目前使用最為廣泛的電極材料。而TiO_x和Pt/TiO_x/SiO₂/Si分別是目前使用最為廣泛的粘結層材料和基板材料。由于Pt具有面心結構，因此其(111)面具有最小的自由能，所以Pt電極在通常狀況下是高度(111)取向的，然而沉積在Pt(111)/TiO_x/SiO₂/Si基板上的鐵電薄膜一般都是隨機取向的。目前也可以通過使用與Pt具有較好晶格匹配的陶瓷基板來生長(100)取向的Pt，或通過使用與Pt(1D0)取向具有良好晶格匹配的其他絕緣層如γ-Al₂O₃層替代SiO₂層來獲取(100)取向的Pt。但通過這兩種方法獲得的(100)取向Pt也同樣存在很大問題，在陶瓷基板上生長的Pt無法實現傳感器部分與Si集成電路的一體化，而直接沉積在γ-Al₂O₃層上的Pt與直接沉積在SiO₂層上的Pt一樣，與絕緣層γ-Al₂O₃之間的粘接性同樣很差。另外在(100)取向Pt上生長的鐵電薄膜同樣取向度不高。

迄今為止，尚沒有一種在Si基板上制備(110)取向的Pt底部電極，然后再在該電極上制備高度(110)取向鈣鈦礦型鐵電薄膜的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種在Si基板上制備(110)取向鐵電薄膜的方法，用(110)取向的Pt底部電極制備出高質量并且高度(110)取向的鈣鈦礦型鐵電薄膜，方法簡便，制備的鐵電薄膜具有優越的電性能，可以滿足微電子及微機械系統的大部分應用要求。

為實現這一目的，本發明的技術方案中，首先選擇LNO氧化物電極作為粘結層材料，并通過化學溶液法制備出高度(100)取向的LNO粘結層薄膜，然后再在該粘結層上濺射Pt薄膜以實現Pt薄膜的(110)取向化，高度(110)取向的鐵電薄膜則通過化學溶液沉積法沉積在(110)擇優取向的Pt電極來實現。

在本發明中，以鐵電薄膜(Ba_xSr_1-x)TiO₃(BST)的制備為例來說明在(110)取向Pt上可制備高度(110)取向鈣鈦礦型的鐵電薄膜。