[发明专利]在Si基板上制备(110)取向铁电薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在Si基板上制备(110)取向铁电薄膜的方法，具体涉及一种在硅基板上制备(110)优先取向的Pt底部电极，然后在(110)取向Pt上制备高度(110)取向钙钛矿型铁电薄膜的制备方法。属薄膜制备技术领域。

背景技术

铁电和压电材料是一种重要的功能材料，其陶瓷块体材料已在电介质材料，传感器和驱动器方面获得非常广泛的应用。将铁电/压电陶瓷集成化，其应用将更为广泛，它可以在微电子技术中用作移相器、延迟线、可调滤波器和非挥发性铁电存储器(FRAM)的材料；微机电技术(MEMS)中用作驱动器和传感器的材料，比如红外焦平面探测技术中用作热释电传感器件的材料。十余年来，世界各国都投入巨资在开展这方面的研究，尽管目前在材料的制备和器件的设计方面取得了一定的进展，然而铁电压电薄膜在微电子及MEMS系统中的应用却已经被严重的滞后了。这主要由于目前的铁电薄膜制备技术还很难制备出性能优越可靠的铁电压电薄膜所致。

众所周知，取向化或外延的铁电压电薄膜是制备性能优越可靠器件的关键。为了实现薄膜取向化或外延生长，其方法主要包括：1)使用与铁电材料无晶格匹配的异质层，如TiO₂，SrO和CeO₂；2)使用与铁电材料具有较好晶格匹配的各种氧化物电极，如LaNiO₃(LNO)，SrRuO₃，YBa₂Cu₃O₇和RuO₂；3)使用与铁电材料具有较好晶格匹配单晶基板SrTiO₃，LaAlO₃和MgO。但这些方法都存在的一定的缺陷，异质层的引入不仅使工艺复杂化，而且其引入容易造成薄膜性能的改变；氧化物电极容易与铁电材料发生界面反应，并且其电阻率要比Pt电极高1-2个数量级，另外其化学稳定性不是很好，容易在高真空中失氧；单晶基板不仅价格昂贵，并无法直接实现传感器部分与硅集成电路一体化。

目前在Si基板中所使用的底电极材料主要有Pt和氧化物电极。其中Pt由于具有优越的电导率和化学稳定性，是目前使用最为广泛的电极材料。而TiO_x和Pt/TiO_x/SiO₂/Si分别是目前使用最为广泛的粘结层材料和基板材料。由于Pt具有面心结构，因此其(111)面具有最小的自由能，所以Pt电极在通常状况下是高度(111)取向的，然而沉积在Pt(111)/TiO_x/SiO₂/Si基板上的铁电薄膜一般都是随机取向的。目前也可以通过使用与Pt具有较好晶格匹配的陶瓷基板来生长(100)取向的Pt，或通过使用与Pt(1D0)取向具有良好晶格匹配的其他绝缘层如γ-Al₂O₃层替代SiO₂层来获取(100)取向的Pt。但通过这两种方法获得的(100)取向Pt也同样存在很大问题，在陶瓷基板上生长的Pt无法实现传感器部分与Si集成电路的一体化，而直接沉积在γ-Al₂O₃层上的Pt与直接沉积在SiO₂层上的Pt一样，与绝缘层γ-Al₂O₃之间的粘接性同样很差。另外在(100)取向Pt上生长的铁电薄膜同样取向度不高。

迄今为止，尚没有一种在Si基板上制备(110)取向的Pt底部电极，然后再在该电极上制备高度(110)取向钙钛矿型铁电薄膜的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种在Si基板上制备(110)取向铁电薄膜的方法，用(110)取向的Pt底部电极制备出高质量并且高度(110)取向的钙钛矿型铁电薄膜，方法简便，制备的铁电薄膜具有优越的电性能，可以满足微电子及微机械系统的大部分应用要求。

为实现这一目的，本发明的技术方案中，首先选择LNO氧化物电极作为粘结层材料，并通过化学溶液法制备出高度(100)取向的LNO粘结层薄膜，然后再在该粘结层上溅射Pt薄膜以实现Pt薄膜的(110)取向化，高度(110)取向的铁电薄膜则通过化学溶液沉积法沉积在(110)择优取向的Pt电极来实现。

在本发明中，以铁电薄膜(Ba_xSr_1-x)TiO₃(BST)的制备为例来说明在(110)取向Pt上可制备高度(110)取向钙钛矿型的铁电薄膜。