氧氣氣氛下退火溫度對BST薄膜結(jié)構(gòu)及物理性能的影響

1、氧氣氣氛下退火溫度對 薄 膜 結(jié) 構(gòu)及物理性能的影響 婁 建 忠，李 俊 穎，代 鵬 超，孫 杰，劉 保 亭（河北大學 電子信息工程學院 ，河 北 保 定 ；河北大學 物理科學與技術(shù)學院 ，河 北 保 定 ）摘要 ：利 用 溶 膠 凝 膠 法 在 （）襯 底 上 制 備 了 （）的 （）薄膜 ，采 用 磁 控 濺 射 法 構(gòu) 建 了 （）電 容 器 ，研 究 了 在 氧 氣 氣 氛 中 不 同 退 火 溫 度 對 薄 膜 結(jié) 構(gòu) 及 物 理 性 能 的 影 響 結(jié) 果 發(fā) 現(xiàn) ， 退 火樣品 具有良好的結(jié) 晶 質(zhì)量和 介電性能 退 火 樣 品 在 電 場 強 度 為 時漏電流密度為 關(guān) 鍵 詞

2、 ： 薄 膜 ；溶 膠 凝 膠 ；常 規(guī) 退 火中 圖 分 類 號 ：文 獻 標 志 碼 ：文 章 編 號 ：（），（ ， ，；，）：（） ， ，（） ，（） ， （） ：；鐵電 薄膜材料 由于其特有的物理性質(zhì)在可調(diào)微波 器件方面具有很大的 應 用 潛 力 ，受 到 了 人 們 的 關(guān) 注 和研 究 鈦 酸 鍶 鋇 （）簡 稱（）具有高的介電常數(shù) 、高 的 調(diào) 諧 能 力 、低漏電流密度 和 低介 電損 收 稿 日 期 ：基 金 項 目 ：河北省教育廳科學研究計劃 （）；河 北 省 科學技術(shù)廳科學技術(shù)研究與發(fā)展指導計劃 （）；河 北 大 學 博 士 基 金 （，）第 一 作 者 ：婁 建 忠

3、（），男 ，河 北 唐 縣 人 ，河 北 大 學 教 授 ，主要從事微電子機械系統(tǒng)與鐵電薄膜材料方向研究 ：第 期婁 建 忠 等 ：氧氣氣氛下退火溫度對 薄膜結(jié)構(gòu)及物理性能的影響 耗 等 特 性 ，可 應 用 于 動 態(tài) 隨 機 存 儲 器和多種可調(diào)微波元件 ，如 ：移 相 器 、濾波器和壓控振蕩器等近 年 來 人 們 利 用 各 種 技 術(shù) ，例 如 ：磁 控 濺 射 、激 光 脈 沖 沉 積 （）、分 子 束 外 延 和 溶 膠 凝 膠 法 等 ，在 ， 等 單 晶 基 片 上 制 備 了 薄 膜盡 管 這 些在非硅基襯底 上 制 備 的 薄 膜 具 有 優(yōu) 良的 性 能 ，但 是現(xiàn) 代微

4、電子 領(lǐng) 域中最為常用的襯底 還 是 單 晶 硅 ，因此如何 在硅襯底上生 長 高質(zhì)量的 薄 膜受 到 了 人 們 的 廣 泛 關(guān) 注 隨著微電 子集成技術(shù)的高 速 發(fā) 展 ，各種元器件的集成 度 不 斷 加 大 ，器 件 的 尺 寸 不 斷 變 小 ，這 就 要 求 薄 膜 厚 度 盡 可 能 的 小 ，但 是 ，研 究 發(fā) 現(xiàn) 薄 膜和 金屬 電極界面處會產(chǎn)生一 層 低 介 電 常 數(shù) 的 “介 電 死 層 ”，使 得 薄 膜 的介電性能對厚度存在 強 烈 的 依 賴 性 的 介 電 常 數(shù) 隨 著 薄膜厚度的減小而 急 劇 減 小 ，一 般 可 以 用 “串 聯(lián) 電 容 模 型 ”來 解

5、 釋由 于 這 層 低 介 電 常 數(shù) 層 的 存 在 對 薄 膜 的 介 電 常 數(shù) 有 極 大 影 響 ，并且隨薄 膜 的 厚度減小這種 影 響急劇增大 ，因 此 ，人 們 對 薄 膜的研究大多集中在 左 右 ，很 少 低 于 此 外 ，使 用 電 極 構(gòu) 建 電容器能夠改善 界 面 、減 小 介 電 死 層 厚 度， 但 是 ，制 備 電 極 時 薄 膜 中 的 氧 會 向 電 極 擴 散 ，在 薄 膜中形成氧空位使 其 形 成 型 導 電 ，從 而 導 致 漏 電 流 增 大 等研 究 了 退 火 對 電 容 器 漏 電 流 的 影 響 ，發(fā)現(xiàn)在氧氣中 退 火有利于 減少 薄 膜 中

6、的 氧 空 位 ，從而減 小 電容器的漏電流 本 文 利 用 溶 膠 凝 膠 法 在 （）基 片 上 制 備 了 較 ?。ǎ┑?薄 膜 ，在 氧 氣 氣 氛 中 不 同 溫 度 下 對 樣 品 進 行 退 火 處 理 ，通 過 構(gòu) 建 （）電 容器進一步研究了退火溫度對電容器性能的 影 響 實 驗實 驗 采 用 溶 膠 凝 膠 法 在 （）襯 底 上 制 備 鈦 酸 鍶 鋇 薄 膜 使用分析純的乙酸鋇 （）、乙 酸 鍶 （） ）和 鈦 酸 丁 酯 （ ） ）提 供 所 需 離 子 ，溶 劑 為 冰 乙 酸（）和 乙 二 醇 甲 醚 （），按 如 下 工 藝 制 備 前 驅(qū) 液 ：）將 乙 酸

7、鍶 和 乙 酸 鋇 按 化 學 計 量 比 溶 于 冰 乙 酸 中 ；）按化學計量比緩慢加入鈦酸丁酯 ；）加入 適 量 的 乙二醇甲醚溶液使 其 溶 液 的 濃 度 為 ；）使 用型恒溫磁力攪拌器將配 制 好 的 溶液連續(xù)攪拌 使 其 充 分 混 合 ，最 后 得 到 淺 黃 色 的 前 驅(qū) 體 溶 液 采 用 丙 酮 ，乙 醇 對 （）基 片 （下 面 記 為 ）進 行 超 聲 清 洗 ，即 丙 酮 超 聲 清 洗 ，乙 醇 超 聲 清 洗 ，然 后 再 重 復 次 以 保 證 清 洗 干 凈 最 后 用 高 純 吹 干 供 實 驗 使 用 利 用 型 勻 膠 機 將 前 驅(qū) 液 均 勻 涂

8、 在 襯 底 上 ，在 下進 行 熱 處 理 以 除 去 殘 余 的 有 機 物 ，重復上述過程最終得到厚度約 的 薄 膜 將 樣 品 分 別 在 ， 氧 氣 氣氛下進行常規(guī)退火 ，即 升 溫 速 率 ，降 溫 速 率 ，時 間 利 用 線 衍 射 （ ）和 掃描電子顯微鏡 （）表 征 薄 膜 晶 體 結(jié) 構(gòu) 和 結(jié) 晶 質(zhì) 量 ，利 用 磁 控 濺 射 法 生 長 電 極 ，構(gòu) 造 電 容器并分別使用 公 司 生 產(chǎn) 的 鐵 電 測 試 儀 和 公 司 生 產(chǎn) 的 精 密 表 測量電容器的鐵電性能 和 介 電 性 能 結(jié) 果 與 討 論利 用 線 衍 射 儀 對 實 驗 所 得 樣 品 進

9、行 表 征 ，其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 由 圖 中 可 以 看 出 在 時 沒 有 的 峰 出 現(xiàn) ，為 非 晶 結(jié) 構(gòu) ； 退 火 樣 品 出 現(xiàn) 了 （）和 較 弱 的 （） 個 衍 射 峰 ，隨 著溫度的提高， 退火樣品 （）衍射峰 明 顯 增 強，但 是 當 溫 度 達 到 時 的 個 衍 射 峰 強 度 并未增強，反而有所下降，分析認為過高的退火溫度導致界面反應和結(jié)晶退化 ，因此反映為峰值強度降低 河 北 大 學 學 報 （自 然 科 學 版 ） 年圖 不 同 退 火 溫 度 薄 膜 的 衍 射 圖 給出了 不 同 退火溫度 下樣品的掃描電子顯微鏡 （）的 表 面 形 貌 從 圖

10、中 可 以 看 出 下 退 火 樣品 表面 光滑沒有 明顯的晶粒形成 ，這 說 明 此 溫 度 不 足 以 使 結(jié) 晶 ，樣 品 為 非 晶 ，這 與 圖 所 示 結(jié) 果相吻合；隨著退火溫度的增加 出現(xiàn)結(jié)晶并隨著溫度的增加晶粒尺寸變大 ； 下退火樣品表 面 結(jié) 構(gòu) 致 密且結(jié)晶較均勻； 下退火樣品晶粒尺寸較大但彼此相差較大 ，并且可以明顯地看到其結(jié)晶分布不均勻 ； ； ； 圖 不同溫度下退火樣品的掃描電子顯微鏡 （）形 貌 在 下 對 不 同 溫 度 下 退 火 的 電 容 器 進 行 了 電 滯 回 線 的 測 量 ，如 圖 所 示 從 圖 中 可 以 看 出 下 退 火 樣 品 的 電 滯

11、 回 線 近 似 為 線 性 ，沒 有 鐵 電 性 ，是 完 全 介 電 行 為 ， 下 退 火 的 樣 品 電 滯 回 線 較 細 ，呈 現(xiàn) 弱 的 鐵 電 性 下退火的樣品少許漏電 ， 下 退 火 的 樣 品 表 現(xiàn) 為 完 全 漏 電 ，這 與 和 掃 描 結(jié) 果 相 吻 合 在 下 ，采 用 循 環(huán) 掃 描 模 式 ，從 到 再 回 到 ，測 量 了 不 同 退 火 溫 度 電 容 器 的 介 電 常 數(shù) ，如 圖 所 示 從圖中可以看到 ， 下退火的 樣品介電常數(shù) 隨 電場變化 較明顯 ， 下 退 火 的 樣 品 變 化 不 大 ，近 似 于 直 線 ； 下 退火 樣品介電常 數(shù)在不

12、同 電場下呈現(xiàn)一 條 直線且最 低 ，這 是 由 于 下 所得樣品為非晶結(jié)構(gòu) 在外加電場為零時 ，和 下 退 火 的 樣 品 的 最 大 介 電 常 數(shù) 分 別 為 ，和 在薄 膜厚度相同的條件下 結(jié) 晶 質(zhì) 量對薄膜的介電性 能 有 顯 著 影 響 從 與 分 析 結(jié) 果 可 以 看 到 下退火樣品晶粒尺寸較大且分布不 均 勻 ，這 是由 于溫度過高使薄膜 的 結(jié) 晶 質(zhì) 量 變 差 ，進 而 造 成 了 介 電 常 數(shù) 的 下 降 第 期婁 建 忠 等 ：氧氣氣氛下退火溫度對 薄膜結(jié)構(gòu)及物理性能的影響 圖 不同退火溫度下 電容器介電常數(shù) 隨電場強度的變化關(guān)系曲線 圖 不 同 退 火 溫 度

13、 電容器的電滯回線 圖 為 不 同 退 火 溫 度 下 電容器的介電損耗 隨 外加 電場的變化曲 線 ，插 圖 為 在 下 退 火的電 容器 介電損耗 隨外加電場的變化曲線 從 圖 中 可 以看出隨著退火溫度的增 加 電 容 器 的 介 電 損 耗 同 樣 逐 漸 變 大 在 外 加 電 場 為 零 時 ，和 樣品的介電損 耗 分別 為 ， 和 退火 樣品 的介電損 耗要遠遠大于其他樣品 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有 個 ：）在 較 高 的 退火溫度下晶粒過 度 生 長 ，增 加 了 薄 膜 的 本 征 損 耗 ；）晶粒生長不均勻致使薄膜表面粗糙 ，增 加 了 額 外 的 表 面 能 ；）過 高 的

14、退 火 溫 度 不 但 沒 有 消 除 缺 陷 ，反而 破 壞了薄膜的結(jié)構(gòu)引 入 更 多 缺 陷 ，導 致 介 電 損 耗 變 大 退 火 樣 品 介 電 損 耗 低 于 退 火 樣 品 ，但 是 其 介 電 常 數(shù) 同 樣 低 于 退 火 樣 品 薄膜介電常數(shù) 與 其極 性大 小 有關(guān) ，介 電 常 數(shù) 小 的 電 介 質(zhì) 極 性 較 弱 ，因 此 薄 膜 極 化 強 度 的 減 小 同 時 降 低 了 樣 品 的 介 電 常 數(shù) 和 介 電 損 耗 在 負 場 方 向 隨 著 電 場 強 度 的 不 斷 增 加 ，和 退 火 樣 品 介 電 損 耗 突 然 增 大 ，這 是 由 于 樣 品

15、 結(jié) 晶 不 均 勻 ，由 較 大 尺 寸 晶粒 引入 的內(nèi)建電 場在外加高場下發(fā)生變化所致 圖 不同退火溫度下 電容器的介電損耗隨外加電場的變化曲線 電容 器的漏電 流特性是反映電學性能的重要參數(shù) ，在實際器件應用 中 要 求 電容 器具有較小的漏電流 圖給 出 了 不 同 退 火 溫 度 下 電容器的漏電流密度隨外加 電 場 強 度 變 化 的 關(guān) 系 曲 線 可 以 看 出 電 容 器的漏 電流密 度 隨 著退火溫 度的增加而增加 ， 退 火 樣 品為非晶結(jié)構(gòu)故而 漏 電流 密 度 最 低 ， 退 火 樣 品 漏 電 流 密 度 最 大 薄膜內(nèi)氧 空位濃度和晶粒尺寸大小對薄膜漏電 流 有

16、 較 大影 響 ，在氧氣氣氛中退 火 可 以 有 效 減 小 薄 膜 中 的 氧 空 位 ，因 此 ，漏電流密度隨著 退 火溫度的提高而 變 大 的 原 因 是 的 晶 粒 尺 寸 隨 溫 度 的 升 高 而 變 大 ，較大的晶粒尺寸 提 供了 較短的電流 通道 ，致 使 漏 電 流 較 大 在 外 加 電 場 為 河 北 大 學 學 報 （自 然 科 學 版 ） 年時 退火 樣品的漏電流密度為 ，這 與 文 獻 報 道 的 薄 膜 漏 電 流 相 比 要 低個 數(shù) 量 級為 了 進 一 步 分 析 電容器在不同 電場范圍內(nèi)的導電 機 制 ，對 圖中 正 向 電 場 部 分 進 行 線 性 擬

17、 合 圖為（）和（）的關(guān)系 曲 線，和 退 火 樣 品 擬 合 直 線 斜 率 分 別 為 ，和 ，說 明 ，和 下退火樣品滿足歐姆導電機制 退 火 樣 品 在 低 場 下 擬 合 直 線 斜 率 為 ，低 場 下 同 樣 滿 足 歐 姆 導 電 機 制 ；在高場范圍內(nèi)擬合 直 線 斜 率為 ，符 合 空 間電荷限制電流導 電 機制為 了 更 進 一 步 證 明 退火樣品在高場下 的 導 電 機 制 ，給 出 了 其 和 的 關(guān) 系 曲 線 ，如 圖 所 示 根 據(jù) 空 間 電 荷 限 制 電 流 導 電 機 制 公 式，（） 式 中 ， 為 載 流 子 遷 移 率 ， 為真空介電常數(shù) ， 為

18、 材 料 的 介 電 常 數(shù) ， 為 電 壓 ， 為 薄 膜 厚 度 可 以 看 出 與 呈 正 比 ，與 圖 所擬合的直線相吻合 ，說 明 在 高 場 下 退火樣 品滿足空 間電荷限制電 流 導電機制 此 種導電 機制是 由 于 電極中大 量的自由電子在電場或熱輻射的作用下被激活 ，快 速 注 入 并 穿 過 薄 膜 所 引 起 的 ，此 現(xiàn) 象 在 較 大 電 場 強 度 下 表 現(xiàn) 明 顯圖 不同退火溫度下 電容器的漏電流密度隨外加電場強度變化的關(guān)系曲線 ；（）和（）關(guān) 系 曲 線 ； 退 火 樣 品 和 關(guān) 系 曲 線 ；（）（）； 結(jié) 論利 用 凝 膠 溶 膠 法 制 備 了 較 薄 （）的 薄 膜 ，利 用 磁 控 濺 射 制 備 了 （）電 容 器 ；研究 了不同溫度下常規(guī)退火對薄膜的結(jié)晶質(zhì)量及介電性 能 的影 響 實 驗 發(fā) 現(xiàn) ：隨 著 退 火 溫 度 的第 期婁 建 忠 等 ：氧氣氣氛下退火溫度對 薄膜結(jié)構(gòu)及物理性能的影響 增 加 的 結(jié) 晶 質(zhì) 量 先 變 好 后 變 壞 ， 時 結(jié) 晶 質(zhì) 量 較