一種具有高度(110)擇優(yōu)取向的釕酸鍶薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功能薄膜材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及在硅基上制備可作為鐵電、壓電、熱釋電等薄膜材料與器件的電極使用的具有高度(I1)擇優(yōu)取向的釕酸鍶(SrRuO3)薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電壓電材料的性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對于強(qiáng)各向異性的鐵電壓電氧化物而言，不同的晶體學(xué)取向會帶來其鐵電性、壓電性的極大差異。為了得到某些良好的物性，必須控制薄膜的取向。一般情況下，在制備薄膜的過程中控制其取向主要通過以下方法來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)具體的薄膜材料的結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)囊r底，利用襯底自身的取向來影響和控制所制備薄膜的取向。例如使用取向不同的SrTi03、LaAlO3等單晶襯底材料來誘導(dǎo)壓電薄膜的取向。這種方法被用來制備高品質(zhì)外延、單晶或擇優(yōu)取向鐵電壓電薄膜，并為研究鐵電壓電薄膜中的物理問題，如鐵電疇結(jié)構(gòu)、相變行為及疇反轉(zhuǎn)動力學(xué)等創(chuàng)造了良好的條件。然而，單晶襯底材料價(jià)格昂貴，且不利于與半導(dǎo)體工業(yè)集成。所以，如何在半導(dǎo)體工業(yè)廣泛使用的Si襯底上實(shí)現(xiàn)薄膜的取向控制生長，依然是一個亟待解決的問題。
[0003]SrRuO3 (SRO)具有高的電導(dǎo)率，高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，與目前廣泛研究的鐵電壓電材料(如PZT，BST等)具有類似的晶體結(jié)構(gòu)和良好的晶格匹配，可誘導(dǎo)其擇優(yōu)取向生長。因此，SRO被公認(rèn)為是鐵電壓電薄膜器件理想的電極材料之一，如用在非制冷紅外焦平面陣列，微電子機(jī)械系統(tǒng)器件及非易失性鐵電隨機(jī)存儲器等器件方面。
[0004]雖然SRO具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，但在高溫下當(dāng)SRO直接濺射在硅片上時(shí)，由于存在式⑴所示的化學(xué)反應(yīng)，會引起SRO和Si之間不穩(wěn)定的界面接觸:
SrRu03+Si — Sr0+Ru+Si02 (I)。
[0005]因此如何在硅基上選用合適的緩沖層來改善兩者間的界面問題與促進(jìn)薄膜的擇優(yōu)取向生長是目前存在的兩方面技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]面對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種以硅片為襯底、以S12S緩沖層且能夠在低溫下制備高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜的方法。
[0007]在此，本發(fā)明提供一種低溫下制備具有高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜的方法:以表面有一層S12緩沖層的硅片為襯底，采用SrRuO 3靶材在400?700°C的溫度范圍內(nèi)濺射獲得所述具有高度(110)擇優(yōu)取向的SrRuOJ^膜所述SRO薄膜可通過如下方法制備:將清潔的襯底樣品放入濺射儀中，抽真空至3X10 4?6X10 4Pa ;通入氬氣與氧氣作為濺射氣體，控制濺射氣體的總壓為5Pa?15Pa，且氧分壓為50%以下，優(yōu)選10?30%，采用SrRuO3靶材利用射頻磁控濺射的方式沉積SrRuO3薄膜，其中濺射功率70?90W。
[0008]較佳地，所述S1gl沖層的厚度為300nm。
[0009]較佳地，所述SrRuOjE材通過如下方法制備:以SrCO 3和RuO 2為原料，混合研磨后壓制成塊體，然后在1400?1600°C高溫下燒結(jié)10?15小時(shí)，制成SrRuO3靶材，SrCOjPRuO2的摩爾比為1:1。
[0010]較佳地，所述SrCOjP RuO 2原料的純度為99.0%以上。
[0011]較佳地，在采用射頻磁控濺射的方式沉積SRO薄膜中，濺射時(shí)間為30?90分鐘。
[0012]本發(fā)明的有益效果:通過采用磁控濺射的方法，通過調(diào)整濺射工藝，可在較低的溫度范圍內(nèi)(400?700°C )濺射獲得晶態(tài)的且具有高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜。本發(fā)明在硅片上生長的SRO薄膜具有結(jié)晶溫度低，高度(110)擇優(yōu)取向以及低表面電阻率等優(yōu)點(diǎn)，能夠在硅基上誘導(dǎo)鐵電壓電薄膜的擇優(yōu)取向生長，且表面粗糙度低，非常有望實(shí)現(xiàn)與硅基半導(dǎo)體集成電路兼容，作為一種良好的電極材料而被應(yīng)用在非易失性鐵電存儲器或其它基于壓電薄膜的微型電子器件中。
【附圖說明】
[0013]圖1為采用本發(fā)明方法在不同的沉積溫度下所制備的SRO薄膜的表面電阻率變化圖；
圖2為采用本發(fā)明方法在不同的沉積溫度下所制備的SRO薄膜的XRD圖；
圖3為采用本發(fā)明方法在不同的沉積溫度下所制備的SRO薄膜的表面SEM圖；
圖4為本發(fā)明的最佳實(shí)例所得樣品的XRD圖；
圖5為本發(fā)明的最佳實(shí)例所得樣品的斷面SEM圖；
圖6為本發(fā)明的最佳實(shí)例所得樣品的AFM圖；
圖7為本發(fā)明的最佳實(shí)例所得樣品在5K?300K范圍內(nèi)的表面電阻率變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖及下述【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式和/或附圖僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0015]在此，本發(fā)明提供一種低溫下制備具有高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜的方法:以表面有一層S12作為緩沖層的硅片為襯底，采用SRO靶材在400?700°C的溫度范圍內(nèi)濺射獲得所述具有高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜。
[0016]本發(fā)明通過采用磁控濺射的方法，通過調(diào)整濺射工藝，可在較低的溫度范圍內(nèi)(400?700°C )濺射獲得晶態(tài)的且具有高度(110)擇優(yōu)取向的SRO薄膜。本發(fā)明在硅片上生長的SRO薄膜具有結(jié)晶溫度低，高度(110)擇優(yōu)取向以及低表面電阻率等優(yōu)點(diǎn)，能夠在硅基上誘導(dǎo)鐵電壓電薄膜的擇優(yōu)取向生長，且表面粗糙度低，非常有望實(shí)現(xiàn)與硅基半導(dǎo)體集成電路兼容，作為一種良好的電極材料而被應(yīng)用在非易失性鐵電存儲器或其它基于壓電薄膜的微型電子器件中。
[0017]具體而言，本發(fā)明的方法可以包括如下步驟:
(I)SrRuO3(SRO)濺射用靶材的制備:用純度為99.0%的SrCO3和RuO2粉末按1:1的Sr、Ru原子比混合研磨(例如球磨10?14h)球磨10?14h后，在700?900°C下保溫10?14h合成；細(xì)磨22?26h后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?8%的PVA水溶液造粒，預(yù)成型后在150?250MPa的壓力下冷等靜壓成型，最后在1400?1600°C高溫下燒結(jié)10?15小時(shí)，制成SRO靶材； (2)SRO薄膜的制備:將購置的Si02/Si(100)襯底(購置于合肥科晶，其中S12緩沖層的厚度為300nm)分別置于三氯乙烯、丙酮、酒精、去離子水中超聲洗凈，烘干，然后放入濺射儀中，抽真空至3X 10 4?6X 10 4Pa ;然后對襯底加熱，使其保持在400?700°C ;再通入氬氣和氧氣作為濺射氣體，其中氧分壓為O?50%，優(yōu)選10?30%，并使濺射氣體的總氣壓保持在5?15Pa，采用SRO靶材利用射頻磁控濺射的方式沉積SRO薄膜，濺射功率為70?90W，濺射時(shí)間根據(jù)薄膜厚度而定，例如30?90分鐘。
[0018]圖1為采用本發(fā)明方法在不同的沉積溫度下所制備的SRO薄膜的表面電阻率變化曲線?？梢钥闯霰∧さ谋砻骐娮杪孰S著沉積溫度的上升呈降低的趨勢。
[0019]圖2為