一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜及其制備方法，包括基體、底電極、鐵酸鉍介電層、頂電極，用晶格常數(shù)與鐵酸鉍接近的單晶氧化物半導(dǎo)體基片作為基體，底電極為導(dǎo)電氧化物薄膜，頂電極為金屬薄膜點電極；在基體上采用同軸濺射的方法沉積底電極，再在底電極上采用離軸濺射的方法沉積鐵酸鉍介電層，最后在鐵酸鉍介電層上沉積頂電極制成。本發(fā)明制備的BiFeO3薄膜為菱方相且高度取向，室溫下具有矩形度很好的電滯回線，極化強度高，自發(fā)極化強度可高達100-110μc/cm2，耐壓性好，最高承受電壓可達50v。
【專利說明】一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁電薄膜材料及其制備，具體涉及一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵酸鉍(BiFeO3)是一種在室溫下同時具有鐵電性和反鐵磁性的多鐵性材料，而且在理論上，其薄膜的剩余極化可為現(xiàn)在廣泛使用的含鉛材料的2-3倍，因此鐵酸鉍材料在存儲器、高電容和大電感一體化的電子元器件、自旋電子器件方面有著較為廣闊的應(yīng)用前景，其研究日益受到了人們的關(guān)注。
[0003]鐵酸鉍是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一個鐵電居里溫度(Tc=1143K)和磁有序溫度(Tn=643K)均在室溫以上的多鐵性材料。鐵酸鉍薄膜的制備主要有溶膠-凝膠、脈沖激光沉積、分子束外延、化學(xué)氣相沉積和磁控濺射等方法。分子束外延法生長的薄膜速率緩慢，不適應(yīng)大量生產(chǎn)，生長系統(tǒng)需要超高真空，而且設(shè)備維護費用高，限制了其工業(yè)應(yīng)用；脈沖激光沉積雖然說設(shè)備使用方便，但是在成膜面積、均勻性和表面清潔度尚有許多缺點，削弱了其工業(yè)應(yīng)用。磁控濺射沉積具有速率快，濺射出的薄膜純度高、致密性和均一性好，工藝重復(fù)性高，對靶材的要求低，工業(yè)應(yīng)用成本低等優(yōu)點。離軸磁控濺射更是克服了傳統(tǒng)磁控濺射粒子反刻蝕的缺點，改善了外延薄膜的質(zhì)量，大大提高了磁控濺射的應(yīng)用潛能。但是鐵酸鉍薄膜的制備卻存在著很多問題，例如由于在制備過程中容易產(chǎn)生氧空位以及Fe3+離子變價等問題，很難制的純相的、漏電小的薄膜。故而一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜的制備更是難上加難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜及其制備方法。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜，包括基體、底電極、鐵酸鉍介電層、頂電極，用晶格常數(shù)與鐵酸鉍接近的單晶氧化物半導(dǎo)體基片作為基體，底電極為導(dǎo)電氧化物薄膜，頂電極為金屬薄膜點電極；所述的導(dǎo)電氧化物薄膜采用鈣鈦礦ABO3結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電陶瓷材料釕酸鍶、鎳酸鑭、鈷酸鑭鍶或錳酸鑭鍶；金屬薄膜點電極的材料為金或鉬。
[0007]所述的底電極厚度為50?400nm ;鐵酸秘介電層厚度為200nm?I μ m ;頂電極直徑 20 ?500 μ m。
[0008]所述的高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜為在基體上采用同軸濺射的方法沉積底電極，再在底電極上采用離軸濺射的方法沉積鐵酸鉍介電層，最后在鐵酸鉍介電層上沉積頂電極制成。
[0009]一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜的制備方法，包括步驟如下:
[0010](I)基體處理:[0011]選用氧化物半導(dǎo)體基片作為基體，對基體進行預(yù)處理；
[0012](2)在基體上采用同軸濺射的方法沉積底電極:
[0013]采用導(dǎo)電氧化物靶材，以射頻或直流磁控濺射的方式在預(yù)處理后的基體上沉積底電極層，采用的濺射方法為同軸濺射，沉積時氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在30?llOsccm，O2流量控制在5?30sccm，氣壓控制在0.8?3Pa，靶功率密度為3.3?
8.7W/cm2。
[0014](3)在底電極上采用離軸濺射的方法沉積鐵酸鉍介電層:
[0015]采用陶瓷BiFeO3靶，以射頻磁控濺射的方式在底電極上沉積BiFeO3層，采用的濺射方法為離軸濺射，濺射氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在30?110sCCm，02流量控制在5?30sccm，BiFeO3靶的功率密度為3.3?8.7W/cm2。
[0016](4)在鐵酸鉍介電層上沉積頂電極:
[0017]采用金屬靶，以射頻或直流磁控濺射方式沉積，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為2 ?5W/ cm2。
[0018]上述方法中步驟(I)所述的氧化物半導(dǎo)體基片為晶格常數(shù)與鐵酸鉍接近的單晶氧化物半導(dǎo)體基片，如LaNi03、SrRu03、LaSrCoO3等。所述的預(yù)處理為先用丙酮和酒精對基體進行超聲清洗，去除表面上的油性雜質(zhì)，再用去離子水對其進行最后的清洗，吹干，最后將其放至真空鍍膜腔室中，加熱到500?750°C。
[0019]上述步驟(2)中所述的導(dǎo)電氧化物靶材為采用鈣鈦礦ABO3結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電陶瓷材料釕酸鍶、鎳酸鑭、鈷酸鑭鍶或錳酸鑭鍶。
[0020]步驟(4)所述的金屬靶金或鉬。
[0021]上述底電極厚度為50?400nm ;鐵酸秘介電層厚度為200nm?I μ m ;頂電極直徑20 ?500 μ mD
[0022]本發(fā)明的主要創(chuàng)新點是沉積BiFeO3層，使用的是離軸濺射。離軸濺射制備的薄膜具有較好的致密度和表面均勻性，再結(jié)合此實驗中所取合適的參數(shù)值，就獲得了高耐壓、低漏電、高極化強度的鐵酸鉍薄膜。
[0023]本發(fā)明的有益效果為:
[0024](I)本發(fā)明制備的BiFeO3薄膜為菱方相且高度取向，室溫下具有矩形度很好的電滯回線，極化強度高，自發(fā)極化強度可高達100-110 μ c/cm2，耐壓性好，最高承受電壓可達50vo
[0025](2) BiFeO3是一種綠色環(huán)保的無鉛鐵電陶瓷材料。
[0026](3)采用磁控濺射法制備的BiFeO3薄膜具有致密性好、和基片粘附力強、平整度高、利于工業(yè)化推廣等優(yōu)點。
[0027](4)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電氧化物底電極，作為薄膜與基片之間的緩沖層，能夠優(yōu)化薄膜的取向和電學(xué)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例1中所制備BiFeO3薄膜體系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2為本發(fā)明實施例1中所用制備方法的(a)原理示意圖，(b)同軸濺射方法示意圖，(C)離[0030]軸濺射方法示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明實施例1中所制備BiFeO3薄膜的XRD圖。
[0032]圖4為本發(fā)明實施例1中所制備BiFeO3薄膜的電滯回線。
[0033]其中1-基體、2-底電極、3_BiFe03薄膜、4-頂電極。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合實施例進一步說明。
[0035]實施例1
[0036]一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜的制備方法，包括步驟如下:
[0037](a)基體的處理
[0038]清洗和安裝:采用(111)取向的LaAlO3單晶襯底，將該襯底依次用丙酮、無水乙醇超聲清洗，再用去離子水沖洗后，高純氮氣吹干，固定在樣品托盤上，將樣品托盤裝入真空鍍膜腔室的樣品托盤架上，關(guān)閉真空腔室，將系統(tǒng)用機械泵抽氣實現(xiàn)低真空?KT1Pa,再由分子泵抽真空至?10_4Pa。
[0039]加熱:向系統(tǒng)內(nèi)通入氬氣，氣壓保持在1.2?1.4Pa，然后對襯底進行加熱，使其溫度達到500?600 °C。
[0040](b)導(dǎo)電氧化物薄膜底電極的制備
[0041]采用鈣鈦礦LaNiO3靶，以射頻磁同軸控濺射的方式完成，濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量為32sccm，O2流量為8sccm，靶功率密度為3?4W/cm2，濺射氣壓為1.4Pa。LaNiO3底電極層厚度為lOOnm。
[0042](c)鐵酸鉍薄膜的制備。
[0043]采用BixFeO3靶，其中X=I?1.5，以射頻磁控離軸濺射的方式完成。濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量為32sccm，O2流量控制在8sccm，靶功率密度為3?4W/cm2，濺射氣壓為
1.4Pa。BiFeO3底電極層厚度控制在450?500nm。
[0044](d)頂電極的制備
[0045]采用金箔靶，以掩模板濺射的方式完成。即將刻有電極形狀的掩模板蓋在薄膜上方，濺射儀直接濺射，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為4W/cm2。頂電極的直徑控制在200 μ m。
[0046]本實施方式制備得到的BiFeO3薄膜，經(jīng)XRD測試分析含有雜相，最高承受電壓也只能達到30v。
[0047]實施例2
[0048]本實施例與實施例1的不同步驟是步驟(a)中使用的是(111)取向的SrTiO3單晶基底。其它步驟及參數(shù)與實施例1相同。本實施例中所得BiFeO3薄膜的XRD測試結(jié)果如圖3所示，BiFeO3薄膜呈菱方相(111)擇優(yōu)取向，經(jīng)性能測試，所得薄膜的鐵電性能顯著提高，耐壓性明顯的提高，電滯回線如圖4所示。
[0049]實施例3
[0050]一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜的制備方法，包括步驟如下:
[0051](a)基體的處理
[0052]清洗和安裝:采用(111)取向的LaAlO3單晶襯底，將該襯底依次用丙酮、無水乙醇超聲清洗，再用去離子水沖洗后，高純氮氣吹干，固定在樣品托盤上，將樣品托盤裝入真空鍍膜腔室的樣品托盤架上，關(guān)閉真空腔室，將系統(tǒng)用機械泵抽氣實現(xiàn)低真空?KT1Pa,再由分子泵抽真空至?10_4Pa。
[0053]加熱:向系統(tǒng)內(nèi)通入氬氣，氣壓保持在2Pa，然后對襯底進行加熱，使其溫度達到600 ?700。。。
[0054](b)導(dǎo)電氧化物薄膜底電極的制備
[0055]采用鈣鈦礦LaNiO3靶，以射頻磁同軸控濺射的方式完成，濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量控制在40sccm，O2流量控制在lOsccm，靶功率密度為4?5W/cm2，濺射氣壓為1.6Pa。LaNiO3底電極層厚度控制在lOOnm。
[0056](c)鐵酸鉍薄膜的制備。
[0057]采用非化學(xué)配比的BixFeO3-，其中x=l.?1.5，以射頻磁控離軸濺射的方式完成。濺射氣氛為Ar和02，Ar氣流量控制在40sCCm，O2流量控制在lOsccm，靶功率密度為4?5W/cm2，濺射氣壓為1.6Pa。BiFeO3底電極層厚度控制在450?500nm。
[0058](d)頂電極的制備
[0059]采用金箔靶，以掩模板濺射的方式完成。即將刻有電極形狀的掩模板蓋在薄膜上方，濺射儀直接濺射，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為4W/cm2。頂電極的直徑控制在200 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜，包括基體、底電極、鐵酸鉍介電層、頂電極，其特征是，用晶格常數(shù)與鐵酸鉍接近的單晶氧化物半導(dǎo)體基片作為基體，底電極為導(dǎo)電氧化物薄膜，頂電極為金屬薄膜點電極；所述的導(dǎo)電氧化物薄膜采用鈣鈦礦ABO3結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電陶瓷材料釕酸鍶、鎳酸鑭、鈷酸鑭鍶或錳酸鑭鍶；金屬薄膜點電極的材料為金或鉬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜，其特征是，所述的底電極厚度為50?400nm ;鐵酸秘介電層厚度為200nm?I μ m ;頂電極直徑20?500 μ m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜，其特征是，它為在基體上采用同軸濺射的方法沉積底電極，再在底電極上采用離軸濺射的方法沉積鐵酸鉍介電層，最后在鐵酸鉍介電層上沉積頂電極制成。
4.一種高耐壓、低漏電、高極化強度鐵酸鉍薄膜的制備方法，其特征是，包括步驟如下: (1)基體處理: 選用氧化物半導(dǎo)體基片作為基體，對基體進行預(yù)處理； (2)在基體上采用同軸濺射的方法沉積底電極: 采用導(dǎo)電氧化物靶材，以射頻或直流磁控濺射的方式在預(yù)處理后的基體上沉積底電極層，采用的濺射方法為同軸濺射，沉積時氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在30?IlOsccm, O2流量控制在5?30sccm，氣壓控制在0.8?3Pa，靶功率密度為3.3?8.7W/cm2 ； (3)在底電極上采用離軸濺射的方法沉積鐵酸鉍介電層: 采用陶瓷BiFeO3靶，以射頻磁控濺射的方式在底電極上沉積BiFeO3層，采用的濺射方法為離軸濺射，濺射氣氛為Ar和O2的混合氣體，Ar氣流量控制在30?110sCCm，02流量控制在5?30sccm, BiFeO3靶的功率密度為3.3?8.7ff/cm2 ； (4)在鐵酸鉍介電層上沉積頂電極: 采用金屬靶，以射頻或直流磁控濺射方式沉積，濺射氣氛為空氣，靶功率密度為2?5W/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟(I)所述的氧化物半導(dǎo)體基片為晶格常數(shù)與鐵酸鉍接近的單晶氧化物半導(dǎo)體基片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟(I)所述的預(yù)處理為先用丙酮和酒精對基體進行超聲清洗，去除表面上的油性雜質(zhì)，再用去離子水對其進行最后的清洗，吹干，最后將其放至真空鍍膜腔室中，加熱到500?750°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟(2)中所述的導(dǎo)電氧化物靶材為采用鈣鈦礦ABO3結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電陶瓷材料釕酸鍶、鎳酸鑭、鈷酸鑭鍶或錳酸鑭鍶。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是，步驟(4)所述的金屬靶金或鉬。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征是，所述的底電極厚度為50?400nm;鐵酸秘介電層厚度為200nm?I μ m ;頂電極直徑20?500 μ m。
【文檔編號】H01L23/64GK103839928SQ201410078830
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】歐陽俊, 康立敏 申請人:歐陽俊