杜層虎,陳瀟洋,徐樽平,嚴東旭,朱建國,余萍

(四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610064)

0 引言

鈦酸鍶鋇(Ba1-xSrxO3)鐵電薄膜具有良好的介電、鐵電性能,如介電常數(shù)高,介電損耗小,介電調(diào)諧率高、漏電流密度低、熱釋電性能好等,可以制作多種電子元器件,如動態(tài)隨機存儲器(DRAMS),介電調(diào)諧器件,非制冷紅外探測器陣列[1-4].但由于制備高質(zhì)量的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜時需要較高的溫度,這就造成鐵電薄膜很難和硅集成加工工藝兼容,極大地制約了鐵電薄膜器件的微型化和集成化[5-6].近年來,BST薄膜的低溫制備技術(shù)受到廣泛的關(guān)注,為降低鐵電薄膜的制備溫度,人們在緩沖層技術(shù)及其作用機理方面作了較多的研究[7-8],如Pang Lin等人采用LaNiO3(簡稱LNO)作為緩沖層的方法,在200 ℃獲得了晶化的BaSrTiO3薄膜[9].本文中通過引入LNO作為緩沖層,室溫條件下濺射制備Ba0.67Sr0.33TiO3(簡稱BST)薄膜,然后通過采用兩步法快速退火(RTA,Rapid thermal annealing)[10]與常規(guī)退火相結(jié)合的退火工藝對制備的BST薄膜進行熱處理,并通過熱退火工藝的優(yōu)化,制備出具有較好電學(xué)性能的BST薄膜.

1 實驗

1.1BST薄膜的制備本實驗采用粉末靶材作為濺射靶材,使用的LaNiO3和Ba0.67Sr0.33TiO3粉末靶材分別采用溶膠凝膠工藝制備[11].LNO緩沖層和BST薄膜均采用射頻磁控濺射的方法制備,背底真空為2.0×10-4Pa,工作氣壓2 Pa,濺射功率20 W的條件下做反濺處理10 min,然后在準備好的襯底片上濺射一層LNO做緩沖層,工作氣體為99.99%的Ar和99.99%的O2,工作溫度為室溫,分別在SiO2/Si和Pt/Ti/SiO2/Si襯底上制備了BST/LNO薄膜(濺射參數(shù)見表1).退火工藝為:以40 ℃/s的速率升溫,分別先升溫到高溫(700、750、800、850 ℃),再立即降溫到較低溫度(450、500、550、600 ℃),然后保溫(60、120、180、240 s),循環(huán)3次,最后再進行450 ℃常規(guī)退火(CTA,Conventional thermal annealing)3 h,使薄膜充分結(jié)晶,(工藝參數(shù)見表2).

表1 BST、LNO薄膜的濺射參數(shù)

表2BST、LNO薄膜的退火工藝參數(shù)

工藝abcd起始溫度/℃室溫室溫室溫室溫峰值溫度/℃700750800850保溫溫度/℃450～600450～600450～600450～600保溫時間/s60～24060～24060～24060～240循環(huán)次數(shù)3333

1.2BST薄膜的表征利用X射線衍射儀(DX-2500,中國丹東)分析薄膜樣品的相結(jié)構(gòu).采用掃描電子顯微鏡(FSEM,JSM-7500F,Japan)和原子力顯微鏡(SPA-300HV,Seiko Instruments,Japan)對制備薄膜的表面形貌進行觀察.采用HP4294A精密阻抗分析儀及鐵電工作站(Radiant Precision Workstation,USA)對薄膜的介電特性和鐵電特性進行了測試.

2 結(jié)果與討論

圖1 不同快速退火溫度下的BST薄膜的原子力顯微鏡貌照片:(a)RTA750 ℃;(b)RTA850 ℃

2.1快速退火工藝(RTA)對薄膜表面形貌的影響實驗研究表明,通過引入LNO過渡層,室溫濺射的BST薄膜在快速退火時,高溫溫度低于750 ℃時,即使保溫溫度達600 ℃,薄膜也沒有呈現(xiàn)出明顯的結(jié)晶特征,高溫溫度在750 ℃以上,450 ℃保溫時間不少于180 s即可獲得較好地結(jié)晶.圖1所示的是分別經(jīng)750 ℃和850 ℃高溫快速退火450 ℃保溫180 s,循環(huán)3次的BST薄膜的原子力顯微鏡表面形貌照片.由照片可以清楚地看到,薄膜已結(jié)晶,晶粒尺寸大約在10～20 nm范圍,薄膜的晶粒粒徑分布窄,晶粒大小較為均勻,晶粒形貌呈近似球形.對比圖1(a)與圖1(b)可看出,850 ℃溫度下進行快速退火的薄膜晶粒的晶界更為清晰,薄膜更為致密.

2.2常規(guī)退火工藝(CTA)對薄膜后續(xù)熱處理的研究圖2所示的是經(jīng)快速退火后不同常規(guī)退火溫度熱處理的薄膜樣品的掃描電鏡照片.圖2(a)和圖2(c)為薄膜先經(jīng)850 ℃快速退火450 ℃保溫180 s,3個循環(huán)后再分別在450 ℃和500 ℃溫度下常規(guī)熱處理3 h的BST薄膜的斷面形貌照片,圖2(b)為圖2(a)中薄膜的表面形貌照片,圖2(d)為圖2(c)中薄膜的表面形貌照片.從圖中可以看出通過引入LNO緩沖層和采用快速退火與常規(guī)退火相結(jié)合的方式可以獲得結(jié)晶良好且致密的BST薄膜.比較圖2(a)與圖2(c)可看到,經(jīng)快速退火后,500 ℃溫度下常規(guī)熱處理3 h的薄膜更為致密、均勻.由圖2(c)可看出,BST薄膜表面致密,晶粒生長均勻.

圖2 不同退火工藝下的薄膜掃描電鏡照片(a)RTA850 ℃+CTA450 ℃,3 h,斷面;(b)RTA850 ℃+CTA450 ℃,3 h,表面;(c)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h斷面;(d)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h,表面.

圖3 不同熱退火工藝熱處理的BST/LNO薄膜的X線衍射譜(a)RTA850 ℃;(b)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h

圖3為僅進行850 ℃快速退火450 ℃保溫180 s 3個循環(huán)(圖3(a))和850 ℃快速退火450 ℃保溫180 s 3個循環(huán)后再進行500 ℃溫度下常規(guī)熱處理3 h的BST薄膜的X線衍射譜.從圖中可以看出,采用兩種不同的熱處理工藝都可以獲得鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BST薄膜,其中快速退火與常規(guī)退火結(jié)合的退火工藝熱處理的BST薄膜的衍射峰更為尖銳,具有更高的峰強度,且LNO的衍射峰也清晰可見,說明該工藝下BST/LNO薄膜具有更好的結(jié)晶度.

2.3電學(xué)性能的表征圖4所示為圖2(c)所述BST薄膜的介頻曲線,BST薄膜濺射工藝的參數(shù)如表1所示,退火工藝為快速退火與常規(guī)退火工藝相結(jié)合,即850 ℃快速退火、450 ℃保溫180 s,3個循環(huán)后再進行500 ℃溫度,3 h常規(guī)退火.從圖中可以看出介電常數(shù)在低頻時隨頻率增加快速減小,約50 Hz以后隨頻率變化很小,頻率為100 Hz時,介電常數(shù)約為300,介電損耗為0.03.圖5所示的是圖4所述BST薄膜的電滯回線,從圖中可以看出室溫濺射制得的薄膜經(jīng)上述退火工藝熱處理后具有鐵電性(測試電壓16 V,3 ms),但鐵電性較弱.

圖4 室溫磁控濺射的BST薄膜的介頻曲線

圖5 室溫磁控濺射的BST薄膜的電滯回線

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