一種具有SiN緩衝層的BST薄膜材料及其製備方法

2023-07-02 01:14:21

專利名稱：一種具有SiN緩衝層的BST薄膜材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於材料技術領域，涉及鈦酸鍶鋇(BST)薄膜介電損耗與漏電流的雙層介質薄膜材料。
背景技術：
鐵電材料鈦酸鍶鋇BaxSri.xTi03 (BST)具有非常好的鐵電/介電性能，在微波可調器件與微電子材料領域有很好的應用前景。BST材料在外加一定直流偏壓下，介電常數隨電場變化而變化，且介電調諧率大，因此BST作為電調介質材料受到廣泛研究。採用BST薄膜製備的移相器、壓控振蕩器、動態隨機存儲器(DRAM)在計算機、航空、軍工國防領域具有廣泛應用。 一般移相器主要有鐵氧體移相器、PIN 二極體移相器、介質移相器三大類，與其他兩類相比，BST介質移相器具有響應速度快、功耗小、工作溫區寬、質量輕等優點；振蕩器主要有YIG型、變容二極體型、介質薄膜型，採用BST介質薄膜的壓控振蕩器具有可調範圍廣、體積小、質量輕等許多優點；採用鐵電材料BST製備的動態隨機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極化隨外電場而反向的雙穩態極化特性在斷電以後存儲數據仍被保留，還具有抗輻射、功耗和工作電壓低、工作溫度範圍寬、易與大規模集成電路兼容的特點，因而可以製作鐵電隨機儲存器、超大規模動態隨機存儲器。正因為BST優越的介電/鐵電性能，對BST材料的研究與應用開發現已成為研究熱點之一。
BST材料在微波應用中廣泛採用金屬-BST-金屬(MIM)結構。MIM結構調諧率高，而且所加驅動電壓較低。對於BST薄膜的應用的主要參數要求就是它的介電可調要滿足微波調諧的範圍要求，即同時介電損耗要低、薄膜漏電流要小。為了改善薄膜性能，目前許多研究採用改善薄膜的微觀結構、對薄膜進行慘雜或改善薄膜與下電極界面等技術措施來提高薄膜性能。但是對於MIM結構應用的BST薄膜，它的介電損耗一般在1.5%左右，相對來說還是偏高，不利於微波器件品質因素(Q值)的提高。

發明內容
本發明提供一種具有氮化矽(SiN)緩衝層BST薄膜材料，該薄膜材料是一種具有SiN緩衝層的新型雙層或多層介質薄膜材料，通過增加SiN緩衝層來降低鈦酸鍶鋇(BST)薄膜介電損耗與漏電流，可以充分滿足微波可調器件與微電子材料對BST薄膜性能的要求；本發明同時提供具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，該方法通過在常規MIM結構的BST薄膜 材料製備方法基礎上增加了 SiN緩衝層的製備步驟，易於實現。
本發明技術方案如下
一種具有SiN緩衝層的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。其特徵在於，所述下電極2與上電極5之間還具有SiN緩衝層3。
上述方案中，所述SiN緩衝層3可以位於下電極2與BST薄膜4之間，也可以位於BST 薄膜4與上電極5之間，形成具有一層SiN緩衝層3的BST薄膜材料；還可以即位於下電極 2與BST薄膜4之間，又位於BST薄膜4與上電極5之間，形成具有雙層SiN緩衝層3的 BST薄膜材料。
一種具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，該方法包括SiN緩衝層的
製備步驟。
所述SiN緩衝層的製備步驟可以在襯底1上製得下電極2之後，在製備BST薄膜之前進 行，所製備的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於下電極2與BST薄膜4之間。
所述SiN緩衝層的製備步驟也可以在製備BST薄膜之後，在製備上電極5之前進行，所 製備的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於BST薄膜4與上電極5之間。
所述SiN緩衝層的製備步驟還可以在襯底1上製得下電極2之後，在製備BST薄膜之前 進行；以及在製備BST薄膜之後，在製備上電極5之前進行，所製備的BST薄膜材料，其 第一 SiN緩衝層位於下電極2與BST薄膜4之間，第二 SiN緩衝層位於BST薄膜4與上電 極5之間。
採用理想串聯電容模型分析SiN與BST複合薄膜，從而得到SiN與BST複合模型。具體 分析如下設兩種介質薄膜的電容密度、介電損耗、薄膜厚度分別為C、 tan S (loss tangent)、 d並用下標來區分不同介質。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，本發明由於在常規MM結構的BST薄膜材料中增加了 SiN 緩衝層，由於SiN的介電損耗很低，從而有利於薄膜介質損耗的降低；同時，由於SiN可以 作為擴散阻擋層，從而有利於薄膜漏電流的降低。另外，SiN在集成電路中可以作為保護層 易於生長，能夠與鐵電薄膜實現集成生長；最後，通過調節SiN的厚度，可以調製雙層SiN/BST 薄膜的調諧率、介電損耗和漏電流。
本發明的有益效果是
1、 通過在BST薄膜上生長SiN緩衝層能夠顯著降低薄膜的介電損耗，並且通過調節SiN 層的厚度能夠調節薄膜介電損耗。
2、 通過設計合適的BST厚度與SiN厚度的比值，能夠得到介電可調率適中、介電損耗 很低的介質薄膜。
3、 SiN緩衝層的引入能顯著降低BST薄膜的漏電流。


圖l為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的結構示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩衝層，4是BST薄膜，5是上電極；所述SiN緩衝層3位於下電極2與 BST薄膜4之間。
圖2為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的結構示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩衝層，4是BST薄膜，5是上電極；所述SiN緩衝層3位於BST薄膜4 與上電極5之間。
圖3為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的結構示意圖。其中1是襯底，2是 下電極，3是SiN緩衝層，4是BST薄膜，5是上電極；所述第一 SiN緩衝層3位於下電極2 與BST薄膜4之間，第二緩衝層3位於BST薄膜4與上電極5之間。
圖4為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料中，電容密度與介電損耗與介質薄膜 厚度比值關係的模擬曲線。
圖5為本發明提供的具有SiN緩衝層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為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料中，薄膜介電可調及優質因子與SiN厚度和BST厚度比值的關係圖。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(左)與優質因子(右)；箭頭向左的曲線表示薄膜介電可調與SiN厚度和BST厚度 比值的關係，箭頭向右的曲線表示薄膜優質因子與SiN厚度和BST厚度比值的關係。
圖7為本發明提供的具有SiN緩衝層BST薄膜材料中，薄膜的漏電流與SiN厚度的關係 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)。
具體實施例方式
一種具有SiN緩衝層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。其特徵在於，所述下電極2與上電極5之間還具有SiN緩衝層3。
上述方案中，所述SiN緩衝層3可以位於下電極2與BST薄膜4之間，也可以位於BST 薄膜4與上電極5之間，形成具有一層SiN緩衝層3的BST薄膜材料；還可以即位於下電極 2與BST薄膜4之間，又位於BST薄膜4與上電極5之間，形成具有雙層SiN緩衝層3的 BST薄膜材料。
上述方案中，所述襯底1具體採用Al2Cb基片；所述下電極2可以是PtTi合金電極，也 可以是Ti/Pt兩層結構或Ti/Pt/Ti三層結構的複合電極，其中Ti層居於襯底和Pt層之間，用 於改善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 結構或Ti/Pt/Ti三層結構的複合電極，其中Ti層居於介質層和Pt層之間，用於改善Pt與介質 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緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，該方法包括SiN緩衝層的 製備步驟。
所述SiN緩衝層的製備步驟可以在襯底1上製得下電極2之後，在製備BST薄膜之前進 行，所製備的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於下電極2與BST薄膜4之間。
所述SiN緩衝層的製備步驟也可以在製備BST薄膜之後，在製備上電極5之前進行，所 製備的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於BST薄膜4與上電極5之間。
所述SiN緩衝層的製備步驟還可以在襯底1上製得下電極2之後，在製備BST薄膜之前 進行；以及在製備BST薄膜之後，在製備上電極5之前進行，所製備的BST薄膜材料，其 第一 SiN緩衝層位於下電極2與BST薄膜4之間，第二 SiN緩衝層位於BST薄膜4與上電 極5之間。
所述SiN緩衝層的製備步驟具體釆用氧等離子體化學氣相澱積(PECVD)方法。 一種更為具體的實施方式是首先採用直流濺射工藝在A1203基片上先後直流濺射沉積Ti、 Pt用作下電極2;然後採用射頻磁控濺射工藝在Al2(VPt/Ti/Al203上製備BST薄膜，BST 薄膜的製備工藝條件為在Ar和02氣氛中製備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;然後採用氧等離子體化學氣相澱 積(PECVD)方法在BST薄膜上製備SiN緩衝層，具體工藝條件參數為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; 然後對薄膜進行退火處理以改善薄膜結構與性能，即將樣品放置在磁控濺射腔內採用傳統熱 處理方法在1個大氣壓的氧氣中55(TC下退火40分鐘；最後製備上電極5。
以上製備的具有SiN緩衝層的BST薄膜材料的介電性能分析分別採用如下儀器進行分析 與測試
1) 、介電可調與介電損耗與電壓的關係採用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) 、薄膜的漏電流測量採用鐵電材料分析儀Radiant PRECISION LC 2000。
下面結合對具有SiN緩衝層的BST薄膜材料的性能測試結果進一步說明本發明的有益效 果，實例中BST薄膜化學成分為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緩衝層能夠顯著降低薄膜的介電損耗。
圖6為薄膜介電可調及優質因子與SiN厚度比上BST厚度比值的關係。 一般定義介質薄
膜的介電可調為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，薄膜的介電可調從 51%下降到12.7%。結合圖5，定義介質薄膜的優質因子(可調與介電損耗的比值)來衡量薄 膜性質的好壞，可以發現雖然薄膜的介電可調與介電損耗都隨著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，這時介電可調為24.8%，介電損耗為0.005，薄膜的優質因子約為50。
圖7為薄膜的漏電流與SiN厚度的關係圖。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，幾乎下降了兩個數量級。這說明加入緩衝層顯著降低了薄膜的漏電流大小。
權利要求
1、一種具有SiN緩衝層的BST薄膜材料，包括襯底(1)、下電極(2)、上電極(5)和BST薄膜(4)；其特徵在於，所述下電極(2)與上電極(5)之間還具有SiN緩衝層(3)。
2、 根據權利要求1所述的具有SiN緩衝層的BST薄膜材料，其特徵在於，所述SiN緩 衝層(3)位於下電極(2)與BST薄膜(4)之間。
3、 根據權利要求1所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料，其特徵在於，所述SiN緩衝 層(3)位於BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
4、 根據權利要求1所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料，其特徵在於，所述SiN緩衝 層(3)為兩層，第一SiN緩衝層(3)位於下電極(2)與BST薄膜(4)之間；第二 SiN緩 衝層(3)位於BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
5、 根據權利要求l、 2、 3或4所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料，其特徵在於，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兩層結構或Ti/Pt/Ti 三層結構的複合電極，其中Ti層居於襯底和Pt層之間，用於改善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兩層結構或Ti/Pt/Ti三層結構的複合電極，其 中Ti層居於介質層和Pt層之間，用於改善Pt與介質層之間的晶格匹配；所述BST薄膜(4) 的具體成分為Bao.5Sro.5Ti03。
6、 一種具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，該方法包括SiN緩衝 層的製備步驟。
7、 根據權利要求6所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，所 述SiN緩衝層的製備步驟在襯底(1)上製得下電極(2)之後，在製備BST薄膜之前進行， 所製備的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於下電極(2)與BST薄膜(4)之間。
8、 根據權利要求6所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，所 述SiN緩衝層的製備步驟在製備BST薄膜(4)之後，在製備上電極(5)之前進行，所製備 的BST薄膜材料，其SiN緩衝層位於BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
9、 根據權利要求6所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特徵在於，所 述SiN緩衝層的製備步驟在襯底(1)上製得下電極(2)之後，在製備BST薄膜之前進行； 以及在製備BST薄膜(4)之後，在製備上電極(5)之前進行，所製備的BST薄膜材料， 其第一SiN緩衝層位於下電極(2)與BST薄膜(4)之間，第二 SiN緩衝層位於BST薄膜(4)與上電極(5)之間。
10、 根據權利要求5、 7、 8或9所述的具有SiN緩衝層BST薄膜材料的製備方法，其特 徵在於，所述SiN緩衝層的製備步驟具體採用氧等離子體化學氣相澱積方法。
全文摘要
一種具有SiN緩衝層的BST薄膜材料及其製備方法，屬於材料技術領域，涉及鈦酸鍶鋇薄膜介電損耗與漏電流的雙層介質薄膜材料。所述具有SiN緩衝層的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緩衝層。所述具有SiN緩衝層的BST薄膜材料的製備方法包括SiN緩衝層的製備步驟。本發明在常規MIM結構的BST薄膜材料中增加了SiN緩衝層，能夠顯著降低薄膜的介電損耗，並且通過調節SiN層的厚度能夠調節薄膜介電損耗；通過設計合適的BST厚度與SiN厚度的比值，能夠得到介電可調率適中、介電損耗很低的介質薄膜；SiN緩衝層的引入還能顯著降低BST薄膜的漏電流。本發明可以滿足微波可調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 優先權日2008年11月27日
發明者斌 姜, 李言榮, 熊年登, 蔣書文 申請人:電子科技大學