專利名稱：一種具有SiN緩沖層的BST薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及鈦酸鍶鋇(BST)薄膜介電損耗與漏電流的雙層介質(zhì)薄膜材料。
背景技術(shù)：
鐵電材料鈦酸鍶鋇BaxSri.xTi03 (BST)具有非常好的鐵電/介電性能，在微波可調(diào)器件與微電子材料領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。BST材料在外加一定直流偏壓下，介電常數(shù)隨電場變化而變化，且介電調(diào)諧率大，因此BST作為電調(diào)介質(zhì)材料受到廣泛研究。采用BST薄膜制備的移相器、壓控振蕩器、動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)在計算機(jī)、航空、軍工國防領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。 一般移相器主要有鐵氧體移相器、PIN 二極管移相器、介質(zhì)移相器三大類，與其他兩類相比，BST介質(zhì)移相器具有響應(yīng)速度快、功耗小、工作溫區(qū)寬、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)；振蕩器主要有YIG型、變?nèi)荻O管型、介質(zhì)薄膜型，采用BST介質(zhì)薄膜的壓控振蕩器具有可調(diào)范圍廣、體積小、質(zhì)量輕等許多優(yōu)點(diǎn)；采用鐵電材料BST制備的動態(tài)隨機(jī)存儲器的快速讀寫功能，又具有可檫除只讀存儲器器的非易失性，既利用鐵電薄膜材料自發(fā)極化隨外電場而反向的雙穩(wěn)態(tài)極化特性在斷電以后存儲數(shù)據(jù)仍被保留，還具有抗輻射、功耗和工作電壓低、工作溫度范圍寬、易與大規(guī)模集成電路兼容的特點(diǎn)，因而可以制作鐵電隨機(jī)儲存器、超大規(guī)模動態(tài)隨機(jī)存儲器。正因為BST優(yōu)越的介電/鐵電性能，對BST材料的研究與應(yīng)用開發(fā)現(xiàn)已成為研究熱點(diǎn)之一。
BST材料在微波應(yīng)用中廣泛采用金屬-BST-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)。MIM結(jié)構(gòu)調(diào)諧率高，而且所加驅(qū)動電壓較低。對于BST薄膜的應(yīng)用的主要參數(shù)要求就是它的介電可調(diào)要滿足微波調(diào)諧的范圍要求，即同時介電損耗要低、薄膜漏電流要小。為了改善薄膜性能，目前許多研究采用改善薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、對薄膜進(jìn)行慘雜或改善薄膜與下電極界面等技術(shù)措施來提高薄膜性能。但是對于MIM結(jié)構(gòu)應(yīng)用的BST薄膜，它的介電損耗一般在1.5%左右，相對來說還是偏高，不利于微波器件品質(zhì)因素(Q值)的提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有氮化硅(SiN)緩沖層BST薄膜材料，該薄膜材料是一種具有SiN緩沖層的新型雙層或多層介質(zhì)薄膜材料，通過增加SiN緩沖層來降低鈦酸鍶鋇(BST)薄膜介電損耗與漏電流，可以充分滿足微波可調(diào)器件與微電子材料對BST薄膜性能的要求；本發(fā)明同時提供具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，該方法通過在常規(guī)MIM結(jié)構(gòu)的BST薄膜 材料制備方法基礎(chǔ)上增加了 SiN緩沖層的制備步驟，易于實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
一種具有SiN緩沖層的BST薄膜材料，如圖1至圖3所示，包括襯底l、下電極2、上 電極5和BST薄膜4。其特征在于，所述下電極2與上電極5之間還具有SiN緩沖層3。
上述方案中，所述SiN緩沖層3可以位于下電極2與BST薄膜4之間，也可以位于BST 薄膜4與上電極5之間，形成具有一層SiN緩沖層3的BST薄膜材料；還可以即位于下電極 2與BST薄膜4之間，又位于BST薄膜4與上電極5之間，形成具有雙層SiN緩沖層3的 BST薄膜材料。
一種具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，該方法包括SiN緩沖層的
制備步驟。
所述SiN緩沖層的制備步驟可以在襯底1上制得下電極2之后，在制備BST薄膜之前進(jìn) 行，所制備的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于下電極2與BST薄膜4之間。
所述SiN緩沖層的制備步驟也可以在制備BST薄膜之后，在制備上電極5之前進(jìn)行，所 制備的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于BST薄膜4與上電極5之間。
所述SiN緩沖層的制備步驟還可以在襯底1上制得下電極2之后，在制備BST薄膜之前 進(jìn)行；以及在制備BST薄膜之后，在制備上電極5之前進(jìn)行，所制備的BST薄膜材料，其 第一 SiN緩沖層位于下電極2與BST薄膜4之間，第二 SiN緩沖層位于BST薄膜4與上電 極5之間。
采用理想串聯(lián)電容模型分析SiN與BST復(fù)合薄膜，從而得到SiN與BST復(fù)合模型。具體 分析如下設(shè)兩種介質(zhì)薄膜的電容密度、介電損耗、薄膜厚度分別為C、 tan S (loss tangent)、 d并用下標(biāo)來區(qū)分不同介質(zhì)。由此得到雙層薄膜電容密度與介電損耗的計算式
11 1從上述分析模型可以看出，本發(fā)明由于在常規(guī)MM結(jié)構(gòu)的BST薄膜材料中增加了 SiN 緩沖層，由于SiN的介電損耗很低，從而有利于薄膜介質(zhì)損耗的降低；同時，由于SiN可以 作為擴(kuò)散阻擋層，從而有利于薄膜漏電流的降低。另外，SiN在集成電路中可以作為保護(hù)層 易于生長，能夠與鐵電薄膜實(shí)現(xiàn)集成生長；最后，通過調(diào)節(jié)SiN的厚度，可以調(diào)制雙層SiN/BST 薄膜的調(diào)諧率、介電損耗和漏電流。
本發(fā)明的有益效果是
1、 通過在BST薄膜上生長SiN緩沖層能夠顯著降低薄膜的介電損耗，并且通過調(diào)節(jié)SiN 層的厚度能夠調(diào)節(jié)薄膜介電損耗。
2、 通過設(shè)計合適的BST厚度與SiN厚度的比值，能夠得到介電可調(diào)率適中、介電損耗 很低的介質(zhì)薄膜。
3、 SiN緩沖層的引入能顯著降低BST薄膜的漏電流。
圖l為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩沖層，4是BST薄膜，5是上電極；所述SiN緩沖層3位于下電極2與 BST薄膜4之間。
圖2為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩沖層，4是BST薄膜，5是上電極；所述SiN緩沖層3位于BST薄膜4 與上電極5之間。
圖3為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩沖層，4是BST薄膜，5是上電極；所述第一 SiN緩沖層3位于下電極2 與BST薄膜4之間，第二緩沖層3位于BST薄膜4與上電極5之間。
圖4為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料中，電容密度與介電損耗與介質(zhì)薄膜 厚度比值關(guān)系的模擬曲線。
圖5為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料中，不同SiN厚度下Bao.5Sr().5Ti03/SiN 雙層薄膜的C-V和TanS-V特性曲線圖。圖5 (a)為不同SiN厚度下Bao.5Sra5Ti03/SiN雙層 薄膜的C-V特性曲線，其中X軸表示薄膜上下電極所加電場(單位MV/cm) ,y軸表示電容 密度(單位nF/cm2);圖5 (b)為不同SiN厚度下Bao.5Sra5Ti03/SiN雙層薄膜的TanS-V特性 曲線圖，其中X軸表示薄膜上下電極所加電場(單位MV/cm) ,y軸表示薄膜的介電損耗。
圖6為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料中，薄膜介電可調(diào)及優(yōu)質(zhì)因子與SiN厚度和BST厚度比值的關(guān)系圖。其中X軸表示SiN厚度與BST厚度比值,y軸表示薄膜的介 電可調(diào)(左)與優(yōu)質(zhì)因子(右)；箭頭向左的曲線表示薄膜介電可調(diào)與SiN厚度和BST厚度 比值的關(guān)系，箭頭向右的曲線表示薄膜優(yōu)質(zhì)因子與SiN厚度和BST厚度比值的關(guān)系。
圖7為本發(fā)明提供的具有SiN緩沖層BST薄膜材料中，薄膜的漏電流與SiN厚度的關(guān)系 圖。其中X軸表示薄膜上下電極所加電場(單位kV/cm)， y軸表示漏電流密度(單位A/cm2)。
具體實(shí)施例方式
一種具有SiN緩沖層BST薄膜材料，如圖1至圖3所示，包括襯底1、下電極2、上電 極5和BST薄膜4。其特征在于，所述下電極2與上電極5之間還具有SiN緩沖層3。
上述方案中，所述SiN緩沖層3可以位于下電極2與BST薄膜4之間，也可以位于BST 薄膜4與上電極5之間，形成具有一層SiN緩沖層3的BST薄膜材料；還可以即位于下電極 2與BST薄膜4之間，又位于BST薄膜4與上電極5之間，形成具有雙層SiN緩沖層3的 BST薄膜材料。
上述方案中，所述襯底1具體采用Al2Cb基片；所述下電極2可以是PtTi合金電極，也 可以是Ti/Pt兩層結(jié)構(gòu)或Ti/Pt/Ti三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，其中Ti層居于襯底和Pt層之間，用 于改善Pt與襯底之間的晶格匹配；所述上電極5可以是PtTi合金電極，也可以是Ti/Pt兩層 結(jié)構(gòu)或Ti/Pt/Ti三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，其中Ti層居于介質(zhì)層和Pt層之間，用于改善Pt與介質(zhì) 層之間的晶格匹配；所述BST薄膜4的具體成分為Bao.5Sra5Ti03。
一種具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，該方法包括SiN緩沖層的 制備步驟。
所述SiN緩沖層的制備步驟可以在襯底1上制得下電極2之后，在制備BST薄膜之前進(jìn) 行，所制備的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于下電極2與BST薄膜4之間。
所述SiN緩沖層的制備步驟也可以在制備BST薄膜之后，在制備上電極5之前進(jìn)行，所 制備的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于BST薄膜4與上電極5之間。
所述SiN緩沖層的制備步驟還可以在襯底1上制得下電極2之后，在制備BST薄膜之前 進(jìn)行；以及在制備BST薄膜之后，在制備上電極5之前進(jìn)行，所制備的BST薄膜材料，其 第一 SiN緩沖層位于下電極2與BST薄膜4之間，第二 SiN緩沖層位于BST薄膜4與上電 極5之間。
所述SiN緩沖層的制備步驟具體釆用氧等離子體化學(xué)氣相淀積(PECVD)方法。 一種更為具體的實(shí)施方式是首先采用直流濺射工藝在A1203基片上先后直流濺射沉積Ti、 Pt用作下電極2;然后采用射頻磁控濺射工藝在Al2(VPt/Ti/Al203上制備BST薄膜，BST 薄膜的制備工藝條件為在Ar和02氣氛中制備BST薄膜，Ar/02的流量比為35/15，濺射氣 壓為4Pa，基片襯底溫度為75(TC，射頻濺射功率為200W;然后采用氧等離子體化學(xué)氣相淀 積(PECVD)方法在BST薄膜上制備SiN緩沖層，具體工藝條件參數(shù)為Ar+N2+SiH4氣體 流量比為237.5/200/12.5，三種氣體的總氣壓為80Pa，襯底溫度為300°C，等離子功率為60W; 然后對薄膜進(jìn)行退火處理以改善薄膜結(jié)構(gòu)與性能，即將樣品放置在磁控濺射腔內(nèi)采用傳統(tǒng)熱 處理方法在1個大氣壓的氧氣中55(TC下退火40分鐘；最后制備上電極5。
以上制備的具有SiN緩沖層的BST薄膜材料的介電性能分析分別采用如下儀器進(jìn)行分析 與測試
1) 、介電可調(diào)與介電損耗與電壓的關(guān)系采用HP4284ALCR儀(測試信號電壓0.1V、 頻率10kHz、直流偏壓-20 +20 V，直流偏壓步徑為0.4V)。
2) 、薄膜的漏電流測量采用鐵電材料分析儀Radiant PRECISION LC 2000。
下面結(jié)合對具有SiN緩沖層的BST薄膜材料的性能測試結(jié)果進(jìn)一步說明本發(fā)明的有益效 果，實(shí)例中BST薄膜化學(xué)成分為Bao.5Sra5Ti03。
圖5顯示不同SiN厚度下SiN/Bao.5Sro.5Ti03雙層薄膜的C-V(TanS-V)特性曲線。圖中所有 樣品的BST厚度都為150nm，而SiN厚度的厚度分別為10nm、 20nm、 30nm、 50nm、 60nm， 隨著SiN厚度的增加，薄膜在靜態(tài)條件下(電場為0MV/cm)的電容密度與介電損耗都逐漸 降低。從圖中可以看出，隨著SiN的厚度從Onm到60nm，薄膜的介電損耗從0.015降低到 0.0035，這說明了 SiN緩沖層能夠顯著降低薄膜的介電損耗。
圖6為薄膜介電可調(diào)及優(yōu)質(zhì)因子與SiN厚度比上BST厚度比值的關(guān)系。 一般定義介質(zhì)薄
膜的介電可調(diào)為KCmax-Qnin)/CmaxplOO。/c，式中Cmax和Cmin分別為0MV/cm和最大電場下
SiN/Bao.5Sra5Ti03薄膜的電容密度。隨著SiN的厚度從Onm增加到60nm，薄膜的介電可調(diào)從 51%下降到12.7%。結(jié)合圖5，定義介質(zhì)薄膜的優(yōu)質(zhì)因子(可調(diào)與介電損耗的比值)來衡量薄 膜性質(zhì)的好壞，可以發(fā)現(xiàn)雖然薄膜的介電可調(diào)與介電損耗都隨著SiN厚度增加而降低，但介 電損耗相對降低更顯著。在dsiN/dBST為0.2時，即BST厚度為150nm， SiN厚度為30nm時， 薄膜性能最優(yōu)，這時介電可調(diào)為24.8%，介電損耗為0.005，薄膜的優(yōu)質(zhì)因子約為50。
圖7為薄膜的漏電流與SiN厚度的關(guān)系圖。隨著SiN厚度的增加，薄膜的漏電流急劇下 降。比如在100kV/cm下，在沒有SiN與30nmSiN下薄膜的漏電流密度從2.9xl(T6 A/cn^下降 到5.6xl(TSA/cm2，幾乎下降了兩個數(shù)量級。這說明加入緩沖層顯著降低了薄膜的漏電流大小。
權(quán)利要求
1、一種具有SiN緩沖層的BST薄膜材料，包括襯底(1)、下電極(2)、上電極(5)和BST薄膜(4)；其特征在于，所述下電極(2)與上電極(5)之間還具有SiN緩沖層(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有SiN緩沖層的BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN緩 沖層(3)位于下電極(2)與BST薄膜(4)之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN緩沖 層(3)位于BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN緩沖 層(3)為兩層，第一SiN緩沖層(3)位于下電極(2)與BST薄膜(4)之間；第二 SiN緩 沖層(3)位于BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料，其特征在于，所 述襯底(1)為A1203基片；所述下電極(2)是PtTi合金電極，或是Ti/Pt兩層結(jié)構(gòu)或Ti/Pt/Ti 三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，其中Ti層居于襯底和Pt層之間，用于改善Pt與襯底之間的晶格匹配； 所述上電極(5)是PtTi合金電極，或是Ti/Pt兩層結(jié)構(gòu)或Ti/Pt/Ti三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，其 中Ti層居于介質(zhì)層和Pt層之間，用于改善Pt與介質(zhì)層之間的晶格匹配；所述BST薄膜(4) 的具體成分為Bao.5Sro.5Ti03。
6、 一種具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，該方法包括SiN緩沖 層的制備步驟。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，所 述SiN緩沖層的制備步驟在襯底(1)上制得下電極(2)之后，在制備BST薄膜之前進(jìn)行， 所制備的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于下電極(2)與BST薄膜(4)之間。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，所 述SiN緩沖層的制備步驟在制備BST薄膜(4)之后，在制備上電極(5)之前進(jìn)行，所制備 的BST薄膜材料，其SiN緩沖層位于BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特征在于，所 述SiN緩沖層的制備步驟在襯底(1)上制得下電極(2)之后，在制備BST薄膜之前進(jìn)行； 以及在制備BST薄膜(4)之后，在制備上電極(5)之前進(jìn)行，所制備的BST薄膜材料， 其第一SiN緩沖層位于下電極(2)與BST薄膜(4)之間，第二 SiN緩沖層位于BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5、 7、 8或9所述的具有SiN緩沖層BST薄膜材料的制備方法，其特 征在于，所述SiN緩沖層的制備步驟具體采用氧等離子體化學(xué)氣相淀積方法。
全文摘要
一種具有SiN緩沖層的BST薄膜材料及其制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及鈦酸鍶鋇薄膜介電損耗與漏電流的雙層介質(zhì)薄膜材料。所述具有SiN緩沖層的BST薄膜材料包括襯底、下電極、上電極和BST薄膜，其中下電極與上電極之間還具有SiN緩沖層。所述具有SiN緩沖層的BST薄膜材料的制備方法包括SiN緩沖層的制備步驟。本發(fā)明在常規(guī)MIM結(jié)構(gòu)的BST薄膜材料中增加了SiN緩沖層，能夠顯著降低薄膜的介電損耗，并且通過調(diào)節(jié)SiN層的厚度能夠調(diào)節(jié)薄膜介電損耗；通過設(shè)計合適的BST厚度與SiN厚度的比值，能夠得到介電可調(diào)率適中、介電損耗很低的介質(zhì)薄膜；SiN緩沖層的引入還能顯著降低BST薄膜的漏電流。本發(fā)明可以滿足微波可調(diào)器件與微電子材料對BST薄膜性能的要求。
文檔編號H01P1/00GK101478065SQ20081014769
公開日2009年7月8日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者斌 姜, 李言榮, 熊年登, 蔣書文 申請人:電子科技大學(xué)