專利名稱：與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種采用溶膠一凝膠方法制備非鉛鐵電復(fù)合薄膜的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過去的幾十年當(dāng)中，各種各樣的薄膜制備方法被采用來制備鐵電薄膜，其中包括不 同的物理氣相沉積技術(shù)等離子體濺射沉積(PSD)和離子束濺射沉積(IBSD)、脈沖激光閃蒸 沉積(PLAD)、電子束或電爐中分子束蒸發(fā)外延(MBE)、金屬有機(jī)氣相沉積法(MOCVD)、 化學(xué)溶解法(MOD例如溶膠一凝膠過程和金屬有機(jī)沉積法)。文獻(xiàn)ChenCL，ShenJ,ChenS Y,et al. [J]. Appl Phys Lett, 2001,78(5):652-654、 Kim W J， Chang W, Qadri S B， et al. [J]. Appl Phys Lett, 2000,76(9): 1185-1187、 Srivastava A， Cracium V, Howard J M， et al. [J]. Appl Phys Lett, 1999,75(19):3002-3004、 Lee W J, Kim H G Yoon S G [J]. J Appl Phys, 19%，80(10):5891-5894等 均有報(bào)道。 一般而言，在利用這些方法制備薄膜的過程中，晶體生長的溫度都比較高(》550 °C),這樣以來就會(huì)造成薄膜/電極/基片的界面相互擴(kuò)散，影響薄膜性能，難以滿足微型器 件的要求。而且由于在半導(dǎo)體工藝中，經(jīng)常需要在集成的器件上制備薄膜，若薄膜的生長溫 度過高亦會(huì)與微電子工藝不相容，所以研究薄膜低溫生長具有重要意義。
溶膠一凝膠以其化學(xué)計(jì)量比控制準(zhǔn)確、成膜面積大且均勻、工藝過程溫度低、設(shè)備簡單 等優(yōu)勢(shì)而為越來越多的人們所采用。

發(fā)明內(nèi)容
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將薄膜放入高壓氧環(huán)境中處理，可以降低薄膜的結(jié)晶溫度，并且可以減少在 薄膜制備過程中產(chǎn)生的氧空位的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)降低薄膜漏電流的同時(shí)，提高薄膜的抗疲勞性。 經(jīng)過此過程的處理往往可以改善薄膜的鐵電性能，從而得到性能良好的非鉛系鐵電薄膜。本 發(fā)明正是基于這一發(fā)現(xiàn)得以完成。目前還沒有利用溶膠凝膠一高壓氧處理相結(jié)合的方法生長 非鉛系鐵電薄膜的報(bào)道。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種能與半導(dǎo)體工藝相兼容的原位生長的非鉛系鐵電薄膜。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠與半導(dǎo)體工藝集成的非鉛鐵電薄膜的低溫制備方法。
本發(fā)明所述的與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，其技術(shù)方案如下 一種與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，先用溶膠凝膠法配制前驅(qū)體溶液，
在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆所需厚度的薄膜，然后將涂覆好的薄膜放在200-400°C、 5-15Mpa的純氧環(huán) 境中熱處理10-30小時(shí)，最后在其上表面濺射金作為上電極。
上述用溶膠凝膠法配制前驅(qū)體溶液和在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆凝膠膜均為現(xiàn)有技術(shù)。例如配制 不同Ba/Sr、 Zr/Ti比的前驅(qū)體溶液，可采用無機(jī)鋇鹽、鍶鹽以及有機(jī)鋯、鈦，溶劑為冰醋酸、 乙二醇乙醚和乙酰丙酮，配制不同Ba/Sr、 Zr/Ti比(摩爾比為x: l-x，其中x為0-0.90)的前 驅(qū)溶液，其前驅(qū)體溶液的最終濃度控制在0.2-0.4M之間。配制其它的前驅(qū)體溶液，則采用其 它的無機(jī)或有機(jī)鹽與相應(yīng)的溶劑混合。采用的襯底可以是LaNi03/Pt/Ti/Si02/Si等。在襯底(基 片)上涂覆薄膜， 一般采取旋轉(zhuǎn)涂覆的方式，旋轉(zhuǎn)涂覆時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度為3500轉(zhuǎn)/分、時(shí)間20 秒。凝膠膜直接放入500。C的管式爐內(nèi)、放置5分鐘，取出后冷卻至室溫，涂覆下一層凝膠 膜，循環(huán)往復(fù)直到獲得所需厚度的薄膜。
本發(fā)明的有益效果
與傳統(tǒng)的薄膜制備方法如電子束或電爐中分子束蒸發(fā)外延(MBE)、金屬有機(jī)氣相沉積 法(MOCVD)、化學(xué)溶解法(MOD例如溶膠一凝膠過程和金屬有機(jī)沉積法)等相比，本發(fā)明具 有二個(gè)明顯的特點(diǎn)第一、薄膜制備溫度低，為解決鐵電薄膜與半導(dǎo)體集成電路工藝相容的 技術(shù)問題提供了一條有效的途徑。第二、將薄膜放入高壓氧環(huán)境中處理，可以減少薄膜制備 過程中產(chǎn)生的氧空位的數(shù)量，在降低薄膜漏電流的同時(shí)，提高薄膜的抗疲勞性。


圖1是制備在LaNi03/Pt/Ti/Si02/Si (100)基片上BT的X射線衍射圖譜(XRD)。 圖2是制備在LaNi03/Pt/Ti/Si02/Si(100)上的BT的介電頻譜。 圖3是制備在LaNiO3/Pt/Ti/Si(VSi(100)上的BT介電常數(shù)隨電場(chǎng)的變化圖譜。 圖4是制備在LaNi03/Pt/Ti/Si02/Si (100)上的BT的漏電流隨電場(chǎng)變化圖譜。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
制備BaTi03鐵電薄膜
所采用的化學(xué)原料為醋酸鋇[Ba (CH3C00) 2]和異丙醇鈦[Ti (0C3H7) J ，溶劑為冰醋酸和乙二
醇乙醚。先將醋酸鋇(按照一定的化學(xué)計(jì)量比)在冰醋酸溶液中加熱至沸騰，5分鐘后停止加 熱，并冷卻至室溫，Ba與冰醋酸的摩爾比為l: 10。再將異丙醇鈦、乙二醇乙醚以及乙酰丙 酮(AcAc)的混合溶液加入到含鋇的冰醋酸溶液中，其中Ti與AcAc的摩爾比為1:2，異丙 醇鈦乙二醇乙醚的摩爾比為l:l()。最后加入乙二醇乙醚將最終溶液的濃度調(diào)整到0.3M。放 置24小時(shí)后用來制備薄膜。
所使用的襯底為LaNiO3/Pt/Ti/SiO2/Si(100)和Ti金屬片，其中LaNi03, Pt， Ti, Si02和 Si片的厚度分別是100nm, 150ran， 50咖，150 nm和3500 nm。采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方法制備薄膜， 旋轉(zhuǎn)速度為3000轉(zhuǎn)/分、時(shí)間15秒。凝膠膜直接放入500。C的管式爐內(nèi)、放置5分鐘，取出 后冷卻至室溫，涂覆下一層凝膠膜，循環(huán)往復(fù)直到獲得所需厚度的薄膜。
將此薄膜放入高壓釜中，溫度為350-400°C,純氧壓力為6Mpa條件下處理18小時(shí)。最后 在其上表面采用直流濺射的方法濺射上金電極作為上電極，其直徑為0. 5mm、厚度約為100nm。
實(shí)施例2
采用同實(shí)施例1涂覆好的薄膜，將其放入高壓釜中，溫度為250-300°C,純氧壓力為10Mpa 條件下處理12小時(shí)。最后在其上表面采用直流濺射的方法濺射上金電極作為上電極，其直徑 為0. 5mm、厚度約為100nm。
由以上方法制備的BT鐵電薄膜制備溫度低，其結(jié)晶溫度在400'C以下，與半導(dǎo)體集成電 路工藝相適應(yīng)。同時(shí)，制備的鐵電薄膜減少了薄膜制備過程中產(chǎn)生的氧空位的數(shù)量，降低了 薄膜漏電流，提高了薄膜的抗疲勞性。
權(quán)利要求
1、一種與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，該方法是先用溶膠凝膠法配制前驅(qū)體溶液，在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆所需厚度的薄膜，然后將涂覆好的薄膜放在200-400℃、5-15Mpa的純氧環(huán)境中熱處理10-30小時(shí)，最后在其上表面濺射金作為上電極。
2、 如權(quán)利要求1所述的與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，其特征在于所說 的基片是LaNi03/Pt/Ti/Si02/Si(100)和Ti金屬片。
3、 如權(quán)利要求2所述的與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，其特征在于-LaNi(yPt/Ti/SiO2/Si(100)和Ti金屬片中La線Pt, Ti, Si02和Si片的厚度分別是 100nm, 150nm, 50nm， 150 nm和3500 nm。
4、 如權(quán)利要求l所述的與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，其特征在于前驅(qū) 體溶液的溶質(zhì)是醋酸鋇[Ba(CH3C00) 2]和異丙醇鈦[Ti (0C3H7) 4]，溶劑為冰醋酸和乙二醇乙 醚。
5、 權(quán)利要求1 4所述的任一與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法所制得的鐵電 薄膜。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種采用溶膠-凝膠方法制備非鉛鐵電復(fù)合薄膜的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述的與半導(dǎo)體工藝兼容的非鉛系鐵電薄膜的制備方法，先用溶膠凝膠法配制前驅(qū)體溶液，在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆所需厚度的薄膜，然后將涂覆好的薄膜放在200-400℃、5-15MPa的純氧環(huán)境中熱處理10-30小時(shí)，最后在其上表面濺射金作為上電極。本發(fā)明具有二個(gè)明顯的特點(diǎn)第一，薄膜制備溫度低，能與半導(dǎo)體集成電路工藝相容；第二，將薄膜放入高壓氧環(huán)境中處理，可以減少薄膜制備過程中產(chǎn)生的氧空位的數(shù)量，在降低薄膜漏電流的同時(shí)，提高薄膜的抗疲勞性。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101114582SQ20061002931
公開日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者徐金寶, 翟繼衛(wèi) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)