[发明专利]电介质薄膜、薄膜电容器及其制作方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种具有高介电常数电介质薄膜及薄膜电容器，以及薄膜电容器的制备方法，属于电子材料及元器件的技术领域。主要应用于要求高介电常数、低损耗、稳定性好的集成电路场合。

【背景技术】

BaTiO₃(简称BT)、SrTiO₃(简称ST)以及两者的固溶物(Ba，Sr)TiO₃(简称BST)是典型的具有钙钛矿晶体结构ABO₃的材料。由以上材料组分制成的薄膜具有优良热释电、铁电、压电和介电性能。因此，近年来利用此类薄膜制备出各种器件，如超大规模动态随机存储器、高频旁路集成电容、退耦电容、微波单片集成电路等。

近年来随着高密度封装技术的发展，在有机基板内部埋入包括电容、电感和电阻等的无源元件成为实现电子器件小型化和多功能化的有效途径，其中又以电容占的比例最高。随着市场竞争日益激烈以及为了与有机基板加工工艺兼容，要求将电介质薄膜直接沉积到具有价格优势的铜箔、铝箔等柔性基板上。

制备BST薄膜的方法有射频溅射、脉冲激光沉积(PLD)等物理方法以及溶胶-凝胶(sol-gel)等湿化学方法。与其它方法相比，湿化学方法制备薄膜具有均匀性好、易实现掺杂、可实现大面积涂布等优越性。

利用湿化学方法在铜箔、铝箔等柔性基板上沉积BST薄膜，需要经过热解、退火等热处理过程，才能获得理想的钙钛矿结构。而为了防止金属箔的氧化，需严格控制退火气氛，使其保持较低的氧分压水平。然而，较低的氧分压水平将无可避免地引起晶格内部氧空位的产生，以及Ti⁴⁺被还原为Ti³⁺，导致薄膜的介电性能恶化以及漏电流大幅升高。

通过掺杂的方式可以优化钙钛矿类薄膜的结晶过程和晶体结构，从而改善薄膜的电气性能。例如降低介电损耗、降低漏电流密度等。然而，在对于降低介电损耗和漏电流所作努力的同时，通常会不可避免地引起介电常数的下降。

在已知的技术领域中，掺杂的组分通常是以“多余”的组分添加到具有化学计量比的BT、ST或BST薄膜中，而这些“多余”的组分通常不可避免地以杂质的形式存于晶界之间，或者由于占有晶格位置而使其它组分变得“多余”，引起复杂的结构和性能上的变化。

因此，为了在柔性金属基底上获得结晶和性能良好的电介质薄膜，有必要改进薄膜组分及其制备工艺，并通过选择合适的基底、合理控制退火气氛和温度，在降低介电损耗的同时，维持薄膜较高的介电常数和较低的漏电流密度，以获得具有应用价值的电介质薄膜和电容器。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有高介电常数、低损耗和低漏电流密度的电介质薄膜，以及使用这种薄膜作为电介质的电容器。本发明同时提供一种在金属箔上沉积电介质薄膜以获得高容量电容器的方法。

本发明涉及的电介质薄膜，其组分为：Ba_1-y-xSr_yMn_xTiO₃，其中0≤y＜1，0＜x≤0.05。也就是说，Ba²⁺、Sr²⁺、Mn²⁺的摩尔数之和相当于Ti⁴⁺的摩尔数。

所述的电介质薄膜厚度为1μm以下。薄膜的介电常数大于等于400，介电损耗低于等于0.02，漏电流密度小于等于100μA/cm²。

本发明同时提供一种由上述薄膜作为电介质的薄膜电容器，其底电极为金属箔，如铜箔、铝箔。顶电极则以溅射或电镀等方法沉积到电介质薄膜上。

本发明涉及的制作薄膜电容器的方法，其具体步骤如下：

提供一种含有Ba²⁺、Sr²⁺、Mn²⁺、Ti⁴⁺以及氧元素的前驱体溶液，其中Ba²⁺、Sr²⁺和Mn²⁺的摩尔数之和等于Ti⁴⁺的摩尔数；含有氧元素的目的在于确保薄膜在较低氧分压或惰性气氛中处理时，仍能形成钙钛矿晶相，氧元素可以来自于金属化合物或者溶剂、添加剂等；

将作为底电极的金属箔抛光至粗糙度＜20nm；较低的粗糙度将保证薄膜的平整度以及防止微裂纹的产生；

将所述前驱体溶液沉积于金属箔之上形成所述电介质薄膜；

在温度区间400～600℃进行预退火；