硅基PZT铁电薄膜的制备与性能研究

涛张武全李志

坚

北京　１０００８４

用溶胶-凝胶(Sol-Gel)方法制备了硅基Pb(Zr

0.53Ti

0.47

)O

3

(PZT)铁电薄膜

晶化程度基于上述分析结果提出并实现了低温退火处理制备有PT过渡层的PZT铁电薄膜的工艺流程漏电等电性能

有助于提高P ZT薄膜的品质

S o l-G e l法ＰＴ

TN304.9 A 文章编号

压电热释电声光及非线性光学性能而受

到高度的重视

在非挥发存储器

微传感器等领域具有很广泛的应用

目前常用的有Sol-Gel½ðÊôÓлúÎﻯѧÆûÏàµí»ý(MOCVD)分子束外延(MBE)等技术[1]

×é·Ö¿É¾«È·¿ØÖƵÄÓÅÊÆ

ÆÕͨSol-Gel法制备PZT铁电薄膜一般需要在有一层二氧化硅的硅衬底上预先溅射铂一方面作为底电极

我们用Sol-Gel法分别在金属铂

通过实验检验了薄膜的铁电性

研究了在PZT与衬底间加入PT过渡层以降低薄膜退火温度的工艺

(1)配胶

６９８０６００７

Semiconductor Technology Vol. 26 No. 1 January 200149时常用丙醇锆等有机锆醇盐为原料[3]

ÎÒÃÇÔÚÅäÖÆPZT溶胶时用锆代替锆的醇盐引入锆

溶胶的主要原料是锆钛酸四丁酯

溶解过程中可采用搅拌

溶胶中铅钛(Pb/Zr/Ti)的摩尔比为106/53/47

ï¯

Ïà¶Ô½éµç³£ÊýµÈ²ÎÊý´ïµ½×î´óÖµ

³Äµ×Ñ¡ÓÃÇå½àµÄ¹èƬ

Ò»ÖÖÊǽ¦ÉäÔÚÈÈÑõ»¯µÄSiO

2

上的钛铂层

然后把配好的溶胶用匀胶机以3000转/分

(3)热处理

再经

9002分钟的高温处理彻底去除有机组分

多次重复匀胶

(4)退火高温炉中退火30分钟使胶体充分氧化分解即可得到PZT 铁电薄膜

分析与讨论

３．１　表观形貌分析

从扫描电镜(SEM)结果可以看出两种底电极上的P ZT铁电薄膜致密厚度均匀

从照片中我们还可以看出Pt/Ti衬底电极退火处理后没有出现针孔３．２　ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分析

采用日本理学公司的D/MAX RB型x射线衍射仪对两种衬底上的PZT铁电薄膜样品进行了分析

由图中可以看出退火30分钟后两种衬底上的PZT 薄膜均已完全形成钙钛矿结构

图2(a)中PZT/Si 的衬底硅为方向

100晶向的衍射峰(22.5o)强度明显高于其他晶向

100

001

¶øÔÚ¹úÄÚÍâµÄÎÄÏ×ÖÐÕâÁ½¸öÑÜÉä·åÒ»°ãÊǼò²¢µÄ

ÔÚͼ2(b)中Pt 衬底为方向

111

晶向的衍射峰(39 o)强度明显高于其他晶向

发现界面处生成了一层薄的低介电

半导体技术第２６卷第１期二ＯＯ一年　一月50

Semiconductor Technology Vol. 26 No. 1

January 2001

51

常数的SiO x (x =1~2)层

此时空气中的

O 原子就可以透过这层松散的结构到达PZT 与硅的界面这个低

介电常数层对PZT/Si 结构的电性能将产生很大影响一种方法是在PZ T

与硅衬底之间加上一层结构致密的钙钛矿结构的铁

电材料

以下

在较低的温度下结晶的PT 层就会

为PZT 的晶化提供晶核

我们在

720

XRD 结果(图3a)表明

720

¶Ô±Èͼ3(a )和(b )ʱ¼äÍêÈ«ÏàͬµÄÇé¿öÏÂ

ÓÐ

½Ï¸ßµÄ·Ç¾§±³¾°1

00

01

¶øÔÚ¼ÓÁËP T 过渡层的铁电薄膜的

XRD 图中(图3a)¶ø

ÇÒ

和

晶向的衍射峰已分开

这说明

降低

铁电薄膜的退火温度

钛再用正胶剥离的方法形成顶电极对应不同的衬

底可得到金属-铁电薄膜-金属(M-F-S)两种电容结

构

当偏置电压从正到负与从负到正扫

描时所得的曲厚为0.8µm

图4(b)中

PZT/PT/Si 样品的相对介电常数约为320

这是由于在PZT/PT/Si 界面可能存在着低介电常数的SiO x (x =1~2)缘故

钛再用正

胶剥离的方法形成顶电极

对应不同的衬

底可得到金属-铁电薄膜-金属(M-F-M)和金属-铁电薄膜-半导体(M-F-S)两种电容结构

从

图4中的曲线可以明显看出电容随电压呈现非线性

关系

万方数据

峰值大小不等

这可能是因为顶层铂电极与底层铂电极的溅射条件与处理过程不同

图4(b)为M-F-S电容的C-V曲线

只是PZT铁电薄膜与SiO

2

介质相比存在自发极化

当偏置电压从正到负与从负到正扫描时所得的曲线并不重合

图4(a)中PZT/PT/Pt样品的电极面积为0.09mm2从而可得出PZT薄膜零伏偏压时的相对介电常数约为920

¸ù¾ÝÑùÆ·µÄµç¼«Ãæ»ý(1mm2)和厚度(0.8ｍm)

需要指出的是PZT/PT/Pt的介电常数要高于PZT/PT/Si

３．５　ＰＺＴ铁电薄膜漏电流的测试

用HP4l45A测试了PZT/PT/Si的铁电薄膜的漏电流特性

PZT/PT/Si的漏电流特性类似于MOSFET的漏电流特性

漏电流与外加场强的一次方成正比

漏电流与外加场强的二次方成正比

另外

这可能是因为最终退火温度的降低减少了铅的挥发在PZT薄膜中所形成的铅空位４　　结　论

以无机锆盐为原料

并在此基础上研究了PZT铁电膜的形貌

实现了在PZT与衬底间加入PT 过渡层的低温制备工艺

发现两种结构的PZT都具有良好的铁电和介电性能

这是由于底电极钛铂层阻止了PZT与衬底硅之间的界面反应

从而提高了PZT铁电薄膜的相对介电常数的测量值

使得PZT铁电薄膜的电性能也有所提高

任天令半导体学报２０（３）：１７７

２Ｋｕｏ　Ｙ　Ｆ，　Ｔｓｅｎｇ　Ｔ　Ｙ．　Ｊ　Ｍａｔｅｒ　Ｓｃｉ，　１９９６；　３１：　３６１

３Ｂｏｙｌｅ　Ｔ　Ｊ，　Ａｌ－ｓｈａｒｅｅｆ　　Ｈ　Ｎ．　Ｊ　Ｍａｔｅｒ　Ｓｃｉ，　１９９７；　Ａ５８：　２２９４Ｔｈｏｍａｓ　Ｒ，　Ｄｕｂｅ　Ｄ　Ｃ．　Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，　１９９９；　２２５：　

９９

国际整流器公司近期宣布新一阶段直流-直流转换技术开发计划

以及新型IRF7822 HEXFET功率MOSFET 系列

这些专用的高效器件

以及宽频网络设备的处理器和定制集成电路

同步整流　　集成电路

半导体技术第２６卷第１期二ＯＯ一年　一月52

硅基PZT铁电薄膜的制备与性能研究

作者：涛， 任天令， 张武全， 刘理天， 李志坚

作者单位：清华大学微电子所,

刊名：

半导体技术

英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY

年，卷(期)：2001,26(1)

被引用次数：8次

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bdtjs200101016.aspx