專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有周期疊層鐵電薄膜的電容及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有周期疊層鐵電薄膜的電容及其制備方法，屬于微電子材料與器件、系統(tǒng)級(jí)封裝集成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，鐵電薄膜材料已成為功能材料與微電子器件研究方面的熱點(diǎn)之一，研究的核心就是將鐵電薄膜材料與半導(dǎo)體集成エ藝技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)其鐵電、壓電、熱釋電、介電、電光及非線性光學(xué)等效應(yīng)，發(fā)揮其在信號(hào)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、調(diào)制、開(kāi)關(guān)、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中的作用。此外，隨著系統(tǒng)級(jí)封裝的發(fā)展，無(wú)源器件埋入技術(shù)已經(jīng)成為解決電子產(chǎn)品小型化的有效方案之一，而鐵電薄膜材料較高的介電常數(shù)、超薄的厚度等優(yōu)勢(shì)使其成為制備埋入式電容的優(yōu)良介質(zhì)層材料。制備鐵電薄膜的方法有很多，主要包括磁控濺射法、脈沖激光沉積法、 化學(xué)氣相沉積法、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法及溶膠-凝膠法等，而溶膠-凝膠法具有使用普遍、易于大面積成膜、化學(xué)計(jì)量比準(zhǔn)確、易進(jìn)行微量摻雜、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為其中最主要的方法之一。鈦酸鋇(BT)、鈦酸鍶(ST)、鈦酸鍶鋇(BST)等鐵電薄膜材料由于其豐富的物理性能而具有廣泛的應(yīng)用前景。其中，鈦酸鋇具有較高的介電常數(shù)，鈦酸鍶具有較低的介電損耗和晶化溫度，而鈦酸鍶鋇兼有鈦酸鋇的高介電常數(shù)及鈦酸鍶的低介電損耗和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。近年來(lái)，采用超晶格或多層異質(zhì)膜的方法來(lái)提高鐵電薄膜的介電常數(shù)，即介電增強(qiáng)效應(yīng)，受到了廣泛的關(guān)注，但此種方法也同時(shí)帶來(lái)了較高的介電損耗問(wèn)題。從應(yīng)用的角度來(lái)看，在硅基片上制備的鐵電多層薄膜在具有介電常數(shù)增強(qiáng)的同時(shí)，如能保持較低的介電損耗，則具有非常實(shí)際的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)從應(yīng)用的角度來(lái)看，在硅基片上制備的鐵電多層薄膜在具有介電常數(shù)增強(qiáng)的同時(shí)，如能保持較低的介電損耗，則具有非常實(shí)際的應(yīng)用前景的需要，提供ー種具有周期疊層鐵電薄膜的電容及其制備方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下ー種具有周期疊層鐵電薄膜的電容包括襯底，設(shè)置于所述襯底上的阻擋層，設(shè)置于所述阻擋層上的粘附層，設(shè)置于所述粘附層上的下部電極，設(shè)置于所述下部電極上的鐵電薄膜，設(shè)置于所述鐵電薄膜上的上部電極，所述鐵電薄膜為包括至少ー個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，所述周期性結(jié)構(gòu)單元為BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的排列組合，其中，O < x < I。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。進(jìn)ー步，所述襯底為硅襯底，所述阻擋層為ニ氧化硅阻擋層，所述粘附層為鈦粘附層，所述下部電極和上部電極為鉬、金或銅中的ー種。進(jìn)ー步，所述BaTi03、SrTi03和BaxSr1-JiO3三種鐵電材料層的排列組合為BaTiO3/SrTIO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3ZBaxSr1^xTi03/SrTiO3 > SrTi03/BaTiO3ZBaxSr1^xTiO3 > BaxSr1-JiO3/BaTi03/SrTi03> SrTiO3ZBaxSr1^xTi03/BaTiO3 或者 BaxSr1^xTi03/SrTi03/BaTiO3 進(jìn)ー步，所述BaTi03、SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的厚度分別為20nm 200nm,所述鐵電薄膜的厚度為O. I μ m 2 μ m。進(jìn)ー步，在所述BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的排列組合中，相鄰兩層鐵電材料的厚度差小于或等于中間鐵電材料層厚度的20%。所述三層鐵電材料層的排列組合從上至下依次為上層、中間層和下層，上層和中間層之間、中間層和下層之間的厚度差小于或等于中間層厚度的20%。本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下ー種具有周期疊層鐵電薄 膜的電容的制備方法包括
步驟10 :提供襯底，通過(guò)熱氧化在襯底上形成阻擋層； 步驟11 :在所述阻擋層上濺射形成粘附層；步驟12 :在所述粘附層上濺射形成下部電極；步驟13 :配置鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠步驟14 :將鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)后依次旋涂在基片上;步驟15 :重復(fù)步驟14，直到形成預(yù)定厚度的周期疊層鐵電薄膜為止；步驟16 :將所述鐵電薄膜進(jìn)行晶化退火；步驟17 :在所述周期疊層鐵電薄膜上濺射形成上部電極，從而得到具有周期疊層鐵電薄膜的電容。進(jìn)ー步，所述步驟13包括步驟131 :稱(chēng)取一定量的こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶混合物，分別溶解于50°C 70°C的熱こ酸中，攪拌30分鐘 60分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液，其中，こ酸鋇/こ酸鍶混合物中鋇和鍶的摩爾比為O I ;步驟132 :量取與所述こ酸鋇、こ酸鍶和こ酸鋇/こ酸鍶等摩爾的鈦酸四丁酷，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘至形成穩(wěn)定的溶液；步驟133 :將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到對(duì)應(yīng)等摩爾鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；步驟134 :量取分子量小于400的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的30% 50%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘；步驟135 :用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 15mol/L O. 4mol/L。利用此種方法配制的溶膠溶液性能穩(wěn)定并可長(zhǎng)期存放，制備出來(lái)的鐵電薄膜成膜性能好，形成的鐵電電容具有優(yōu)異的介電性能，且能與CMOSエ藝技術(shù)相兼容，適用于新型高密度存儲(chǔ)器和集成鐵電器件。進(jìn)ー步，所述步驟14 中按照 BaTi03/SrTi03/BaxSivxTi03、BaTiO3ZBaxSr1^xTiO3/SrTiO3' SrTi03/BaTi03/BaxSivxTi03、BaxSr1_xTi03/BaTi03/SrTi03> SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3/BaTiO3或者BaxSrhTiCVSrTiCVBaTiO3的排列組合中的一種依次在所述基片上旋涂前驅(qū)體溶膠。進(jìn)一歩，所述步驟14中旋涂轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分 5000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，每次旋涂后將基 片在100°C 150°C下干燥5分鐘 10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在300°C 450°C下熱解10分鐘 15分鐘。進(jìn)ー步，所述步驟16中將所述鐵電薄膜在600°C 800°C空氣氣氛中進(jìn)行10分鐘 30分鐘的晶化退火。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三種材料的周期疊層結(jié)構(gòu)作為介電層制備了鐵電薄膜電容，同単一的BT、ST或BST薄膜電容相比，在兼?zhèn)漭^高介電常數(shù)、較低介電損耗的同時(shí)，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エ藝與微電子エ藝的兼容性。這種周期疊層鐵電薄膜結(jié)構(gòu)電容及其制備方法將在半導(dǎo)體器件、系統(tǒng)級(jí)封裝無(wú)源器件集成技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例周期疊層鐵電薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖I及2所示，周期疊層鐵電薄膜的電容包括硅襯底1，設(shè)置于硅襯底I上的ニ氧化硅阻擋層2，設(shè)置于ニ氧化硅阻擋層2上的粘附層3，設(shè)置于粘附層3上的下部電極4，設(shè)置于下部電極4上的鐵電薄膜5，設(shè)置于鐵電薄膜5上的上部電極6，鐵電薄膜包括多個(gè)501/502/503 結(jié)構(gòu)周期性地相互疊加，501/502/503 結(jié)構(gòu)為 ST/BT/BST、ST/BST/BT、BT/ST/BST、BT/BST/ST、BST/ST/BT 和 BST/BT/ST 中的ー種，其中 BT 為鈦酸鋇 BaTiO3 的縮寫(xiě)、ST 為鈦酸鍶SrTiO3的縮寫(xiě)、BST為鈦酸鍶鋇BaxSivxTiO3的縮寫(xiě)。實(shí)施例I根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有一個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為SrTiCVBaTiCVBaxSrhTiO3(ST/BT/BST)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，即該周期的BST與下電極接觸，ST與上電極接觸)，所述X為O. 5，所述周期結(jié)構(gòu)單元ST/BT/BST中每ー層材料的厚度約為150nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為450nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片為襯底，厚度為450±20 μ m，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體エ藝清洗后，熱氧化形成ニ氧化硅氧化層，氧化層的厚度為300nm ；12)濺射鈦Ti粘附層，厚度約為50nm ；13)濺射下部電極，電極材料為鉬Pt，厚度為150nm ；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，包括以下五步21)稱(chēng)取3. 870gこ酸鋇、3. 270gこ酸鍶以及I. 953gこ酸鋇/I. 635gこ酸鍶(鋇和鍶的摩爾比為I : I)混合物，分別在60°c下溶解于20ml的熱こ酸中，攪拌40分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液；22)量取5.21ml的鈦酸四丁酯3份，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在60°C下攪拌60分鐘至形成穩(wěn)定的溶液；23)將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到所述鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在60°C下攪拌40分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；24)量取分子量為200的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的45%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在60°C下攪拌60分鐘； 25)用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 3mol/L ；3)成膜和熱處理工藝，包括以下兩步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇、鈦酸鍶前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥5分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解10分鐘；32)將所述鐵電薄膜在700°C空氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為150nm，得到具有ー個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)ST/BT/BST的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為840，介電損耗約為O. 09。實(shí)施例2根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為SrTiCVBaxSrhTiCVBaTiO3(ST/BST/BT)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，依次為第一周期和第二周期，即第二個(gè)周期的BT與下電極接觸，第一周期的ST與上電極接觸)，所述X為O. 55，所述周期結(jié)構(gòu)單元ST/BST/BT中每ー層材料的厚度約為90nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為540nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片為襯底，厚度為450±20 μ m，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體エ藝清洗后，熱氧化形成ニ氧化硅氧化層，氧化層的厚度為300nm ；12)濺射鈦Ti粘附層，厚度約為50nm ；13)派射下部電極，電極材料為鉬Pt,厚度為150nm ；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，包括以下五步21)稱(chēng)取3. 870gこ酸鋇、3. 270gこ酸鍶以及2. 322gこ酸鋇/I. 308gこ酸鍶(鋇和鍶的摩爾比為3 2)混合物，分別在70°C下溶解于20ml的熱こ酸中，攪拌30分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液；22)量取5. 21ml的鈦酸四丁酯3份，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在70°C下攪拌40分鐘至形成穩(wěn)定的溶液；23)將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下攪拌30分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；24)量取分子量為200的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的45%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在70°C下攪拌60分鐘；25)用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 3mol/L ；3)成膜和熱處理工藝，包括以下三步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇、鈦酸鍶前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解15分鐘；
32)重復(fù)步驟31) —次，形成的鐵電薄膜具有兩個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)；33)將所述薄膜在650°C空氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為150nm，得到具有兩個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)ST/BST/BT的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為960，介電損耗約為O. 11。實(shí)施例3根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有三個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為BaTiCVSrTiCVBaxSrhTiO3(BT/ST/BST)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，依次為第一周期、第二周期和第三周期，即第三個(gè)周期的BST與下電極接觸，第一周期的BT與上電極接觸)，所述X為O. 6，所述周期結(jié)構(gòu)單元BT/ST/BST中每ー層材料的厚度約為60nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為540nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片為襯底，厚度為450±20 μ m，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體エ藝清洗后，熱氧化形成ニ氧化硅氧化層，氧化層的厚度為300nm ；12)濺射鈦Ti粘附層，厚度約為50nm ；13)派射下部電極，電極材料為銅Cu,厚度為150nm ；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，包括以下五步21)稱(chēng)取2. 580gこ酸鋇、2. 180gこ酸鍶以及I. 677gこ酸鋇/0. 763gこ酸鍶(鋇和鍶的摩爾比為13 7)混合物，分別在70°C下溶解于20ml的熱こ酸中，攪拌30分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液；22)量取3. 48ml的鈦酸四丁酯3份，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在70°C下攪拌40分鐘至形成穩(wěn)定的溶液；23)將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下攪拌30分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；24)量取分子量為200的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的40%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在70°C下攪拌60分鐘；25)用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 2mol/L ；
3)成膜和熱處理工藝，包括以下三步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鍶鋇、鈦酸鍶、鈦酸鋇前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為4200轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解10分鐘；32)重復(fù)步驟31)兩次，形成的鐵電薄膜具有三個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)；33)將所述薄膜在700°C氬氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為 150nm，得到具有三個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)BT/ST/BST的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為920，介電損耗約為O. 12。實(shí)施例4根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例4的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有四個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為BaTi03/BaxSivxTi03/SrTi03(BT/BST/ST)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，依次為第一周期、第二周期、第三周期和第四周期，即第四個(gè)周期的ST與下電極接觸，第一周期的BT與上電極接觸)，所述X為O. 6，所述周期結(jié)構(gòu)單元BT/BST/ST中每ー層材料的厚度約為40nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為480nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片為襯底，厚度為450±20 μ m，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體エ藝清洗后，熱氧化形成ニ氧化硅氧化層，氧化層的厚度為300nm ；12)濺射鈦Ti粘附層，厚度約為50nm ；13)濺射下部電極，電極材料為鉬Pt，厚度為150nm ；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，包括以下五步21)稱(chēng)取I. 935gこ酸鋇、I. 635gこ酸鍶以及I. 355gこ酸鋇/0. 491gこ酸鍶(鋇和鍶的摩爾比為13 7)混合物，分別在70°C下溶解于20ml的熱こ酸中，攪拌30分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液；22)量取2. 61ml的鈦酸四丁酯3份，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在70°C下攪拌40分鐘至形成穩(wěn)定的溶液；23)將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下攪拌30分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；24)量取分子量為200的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的40%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在70°C下攪拌60分鐘；25)用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 15mol/L ；3)成膜和熱處理工藝，包括以下三步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇、鈦酸鋇前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為4500轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解10分鐘；
32)重復(fù)步驟31)三次，形成的鐵電薄膜具有四個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)；33)將所述薄膜在700°C空氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為150nm，得到具有四個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)BT/BST/ST的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為1100，介電損耗約為
O.15。實(shí)施例5根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例5的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有一 個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為BaxSrhTiCVSrTiCVBaTiO3(BST/ST/BT)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，即該的BT與下電極接觸，BST與上電極接觸)，所述X為O. 7，所述周期結(jié)構(gòu)單元BST/ST/BT中每ー層材料的厚度約為150nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為450nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，同實(shí)施例I中步驟I)；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，同實(shí)施例I中步驟2)；3)成膜和熱處理工藝，包括以下兩步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥5分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解10分鐘；32)將所述鐵電薄膜在600°C空氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為150nm，得到具有ー個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)BST/ST/BT的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為770，介電損耗約為O. I。實(shí)施例6根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例6的周期疊層鐵電薄膜的電容的結(jié)構(gòu)依次包含硅Si襯底、ニ氧化硅SiO2阻擋層、鈦粘附層、下部電極、鐵電薄膜、上部電極，所述的鐵電薄膜為含有兩個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期結(jié)構(gòu)單元為SrTiCVBaxSrhTiCVBaTiO3(BST/BT/ST)(該排列方向?yàn)樯想姌O指向下電極的方向，依次為第一周期和第二周期，即第二個(gè)周期的ST與下電極接觸，第一周期的BST與上電極接觸)，所述X為O. 8，所述周期結(jié)構(gòu)單元BST/BT/ST中每ー層材料的厚度約為90nm，所述鐵電薄膜的總厚度約為540nm。具體的制備步驟如下I)基片處理，同實(shí)施例2中步驟I)；2)鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠配置，同實(shí)施例2中步驟2)；3)成膜和熱處理工藝，包括以下兩步31)將前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)，依次在所述基片上旋涂鈦酸鍶、鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠，旋涂轉(zhuǎn)速為4000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，毎次旋涂后將基片在120°C下干燥10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在430°C下熱解15分鐘；32)重復(fù)步驟31) —次，形成的鐵電薄膜具有兩個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)；33)將所述薄膜在550°C空氣氣氛中進(jìn)行20分鐘的晶化退火；4)上電極制備在周期疊層鐵電薄膜上濺射上部電極，電極材料為金，厚度為150nm，得到具有兩個(gè)周期疊層結(jié)構(gòu)BST/BT/ST的鐵電薄膜電容。通過(guò)上述方法制備得到的鐵電薄膜電容的介電常數(shù)約為660，介電損耗約為
O.08。 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種具有周期疊層鐵電薄膜的電容，包括襯底，設(shè)置于所述襯底上的阻擋層，設(shè)置于所述阻擋層上的粘附層，設(shè)置于所述粘附層上的下部電極，設(shè)置于所述下部電極上的鐵電薄膜，設(shè)置于所述鐵電薄膜上的上部電極，其特征在于，所述鐵電薄膜為包括至少ー個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，所述周期性結(jié)構(gòu)單元為BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的排列組合，其中，O < X < I。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容，其特征在于，所述襯底為硅襯底，所述阻擋層為ニ氧化硅阻擋層，所述粘附層為鈦粘附層，所述下部電極和上部電極為鉬、金或銅中的ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容，其特征在干，所述BaTiO3,SrTiO3 和 BaxS1-JiO3 三種鐵電材料層的排列組合為 BaTi03/SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3/BaxSr1_xTi03/SrTi03> SrTi03/BaTi03/BaxSr1_xTi03> BaxSr1_xTi03/BaTi03/SrTi03> SrTiO3/BaxSr1-Ji03/BaTiO3 或者 BaxSr1^xTi03/SrTi03/BaTiO3
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容，其特征在于，所述BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的厚度分別為20nm 200nm，所述鐵電薄膜的厚度為O. I μ m 2 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容，其特征在于，在所述BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三種鐵電材料層的排列組合中，相鄰兩層鐵電材料的厚度差小于或等于中間鐵電材料層厚度的20 %。
6.ー種具有周期疊層鐵電薄膜的電容的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括 步驟10 :提供襯底，通過(guò)熱氧化在襯底上形成阻擋層； 步驟11:在所述阻擋層上濺射形成粘附層； 步驟12 :在所述粘附層上濺射形成下部電極； 步驟13 :配置鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠 步驟14 :將鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠經(jīng)過(guò)濾除去雜質(zhì)后依次旋涂在基片上； 步驟15 :重復(fù)步驟14，直到形成預(yù)定厚度的周期疊層鐵電薄膜為止； 步驟16 :將所述鐵電薄膜進(jìn)行晶化退火； 步驟17 :在所述周期疊層鐵電薄膜上濺射形成上部電極，從而得到具有周期疊層鐵電薄膜的電容。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容的制備方法，其特征在于，所述步驟13包括 步驟131 :稱(chēng)取一定量的こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶混合物，分別溶解于50°C 70°C的熱こ酸中，攪拌30分鐘 60分鐘，以形成澄清均勻的鹽溶液，其中，こ酸鋇/こ酸鍶混合物中鋇和鍶的摩爾比為O I ; 步驟132 :量取與所述こ酸鋇、こ酸鍶和こ酸鋇/こ酸鍶等摩爾的鈦酸四丁酷，分別溶于等體積的こ酰丙酮，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘至形成穩(wěn)定的溶液； 步驟133 :將所述こ酸鋇、こ酸鍶以及こ酸鋇/こ酸鍶的こ酸溶液加入到對(duì)應(yīng)等摩爾鈦酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘，以形成黃色透明的鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠；步驟134 :量取分子量小于400的聚こニ醇PEG作為增韌劑，其質(zhì)量分別為鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇質(zhì)量的30% 50%，并加入到對(duì)應(yīng)的前驅(qū)體溶膠中，在50°C 70°C下攪拌30分鐘 60分鐘； 步驟135 :用こ酸調(diào)節(jié)所述鈦酸鋇、鈦酸鍶、鈦酸鍶鋇前驅(qū)體溶膠的濃度至O. 15mol/L O. 4mol/L。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容的制備方法，其特征在于，所述步驟 14 中按照 BaTi03/SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3ZBaxSr1^xTi03/SrTiO3> SrTi03/BaTi03/BaxSr1-JiO3、BaxSr1-Ji03/BaTi03/SrTiO3、SrTiO3ZBaxSr1^xTi03/BaTiO3 或者 BaxSr1-JiO3/SrTi03/BaTi03的排列組合中的一種依次在所述基片上旋涂前驅(qū)體溶膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容的制備方法，其特征在于，所述步驟14中旋涂轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分 5000轉(zhuǎn)/分，時(shí)間為30秒，每次旋涂后將基片在100°C 150°C下干燥5分鐘 10分鐘，經(jīng)3次旋涂后形成ー個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元，并將薄膜在300°C 450°C下熱解10分鐘 15分鐘。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有周期疊層鐵電薄膜的電容的制備方法，其特征在于，所述步驟16中將所述鐵電薄膜在550°C 700°C空氣氣氛中進(jìn)行10分鐘 30分鐘的晶化退火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有周期疊層鐵電薄膜的電容及其制備方法。所述電容包括襯底，阻擋層，粘附層，下部電極，鐵電薄膜和上部電極，鐵電薄膜為包括至少一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)單元的疊層結(jié)構(gòu)，周期性結(jié)構(gòu)單元為BaTiO3、SrTiO3和BaxSr1-xTiO3三種鐵電材料層的排列組合。本發(fā)明采用BaTiO3、SrTiO3和BaxSr1-xTiO3三種材料的周期疊層結(jié)構(gòu)制備的鐵電薄膜電容，在兼?zhèn)漭^高介電常數(shù)、較低介電損耗的同時(shí)，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。這種周期疊層鐵電薄膜結(jié)構(gòu)電容及其制備方法將在半導(dǎo)體器件、系統(tǒng)級(jí)封裝無(wú)源器件集成技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01G4/33GK102693837SQ20111007050
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者萬(wàn)里兮, 曹立強(qiáng), 趙寧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所