室温下Ba0.67Sr0.33TiO3薄膜的射频磁控溅射法制备及其电学性能研究

杜层虎,陈潇洋,徐樽平,严东旭,朱建国,余萍

(四川大学材料科学与工程学院,四川 成都 610064)

0 引言

钛酸锶钡(Ba1-xSrxO3)铁电薄膜具有良好的介电、铁电性能,如介电常数高,介电损耗小,介电调谐率高、漏电流密度低、热释电性能好等,可以制作多种电子元器件,如动态随机存储器(DRAMS),介电调谐器件,非制冷红外探测器阵列[1-4].但由于制备高质量的钛酸锶钡铁电薄膜时需要较高的温度,这就造成铁电薄膜很难和硅集成加工工艺兼容,极大地制约了铁电薄膜器件的微型化和集成化[5-6].近年来,BST薄膜的低温制备技术受到广泛的关注,为降低铁电薄膜的制备温度,人们在缓冲层技术及其作用机理方面作了较多的研究[7-8],如Pang Lin等人采用LaNiO3(简称LNO)作为缓冲层的方法,在200 ℃获得了晶化的BaSrTiO3薄膜[9].本文中通过引入LNO作为缓冲层,室温条件下溅射制备Ba0.67Sr0.33TiO3(简称BST)薄膜,然后通过采用两步法快速退火(RTA,Rapid thermal annealing)[10]与常规退火相结合的退火工艺对制备的BST薄膜进行热处理,并通过热退火工艺的优化,制备出具有较好电学性能的BST薄膜.

1 实验

1.1BST薄膜的制备本实验采用粉末靶材作为溅射靶材,使用的LaNiO3和Ba0.67Sr0.33TiO3粉末靶材分别采用溶胶凝胶工艺制备[11].LNO缓冲层和BST薄膜均采用射频磁控溅射的方法制备,背底真空为2.0×10-4Pa,工作气压2 Pa,溅射功率20 W的条件下做反溅处理10 min,然后在准备好的衬底片上溅射一层LNO做缓冲层,工作气体为99.99%的Ar和99.99%的O2,工作温度为室温,分别在SiO2/Si和Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备了BST/LNO薄膜(溅射参数见表1).退火工艺为:以40 ℃/s的速率升温,分别先升温到高温(700、750、800、850 ℃),再立即降温到较低温度(450、500、550、600 ℃),然后保温(60、120、180、240 s),循环3次,最后再进行450 ℃常规退火(CTA,Conventional thermal annealing)3 h,使薄膜充分结晶,(工艺参数见表2).

表1 BST、LNO薄膜的溅射参数

表2BST、LNO薄膜的退火工艺参数

工艺abcd起始温度/℃室温室温室温室温峰值温度/℃700750800850保温温度/℃450～600450～600450～600450～600保温时间/s60～24060～24060～24060～240循环次数3333

1.2BST薄膜的表征利用X射线衍射仪(DX-2500,中国丹东)分析薄膜样品的相结构.采用扫描电子显微镜(FSEM,JSM-7500F,Japan)和原子力显微镜(SPA-300HV,Seiko Instruments,Japan)对制备薄膜的表面形貌进行观察.采用HP4294A精密阻抗分析仪及铁电工作站(Radiant Precision Workstation,USA)对薄膜的介电特性和铁电特性进行了测试.

2 结果与讨论

图1 不同快速退火温度下的BST薄膜的原子力显微镜貌照片:(a)RTA750 ℃;(b)RTA850 ℃

2.1快速退火工艺(RTA)对薄膜表面形貌的影响实验研究表明,通过引入LNO过渡层,室温溅射的BST薄膜在快速退火时,高温温度低于750 ℃时,即使保温温度达600 ℃,薄膜也没有呈现出明显的结晶特征,高温温度在750 ℃以上,450 ℃保温时间不少于180 s即可获得较好地结晶.图1所示的是分别经750 ℃和850 ℃高温快速退火450 ℃保温180 s,循环3次的BST薄膜的原子力显微镜表面形貌照片.由照片可以清楚地看到,薄膜已结晶,晶粒尺寸大约在10～20 nm范围,薄膜的晶粒粒径分布窄,晶粒大小较为均匀,晶粒形貌呈近似球形.对比图1(a)与图1(b)可看出,850 ℃温度下进行快速退火的薄膜晶粒的晶界更为清晰,薄膜更为致密.

2.2常规退火工艺(CTA)对薄膜后续热处理的研究图2所示的是经快速退火后不同常规退火温度热处理的薄膜样品的扫描电镜照片.图2(a)和图2(c)为薄膜先经850 ℃快速退火450 ℃保温180 s,3个循环后再分别在450 ℃和500 ℃温度下常规热处理3 h的BST薄膜的断面形貌照片,图2(b)为图2(a)中薄膜的表面形貌照片,图2(d)为图2(c)中薄膜的表面形貌照片.从图中可以看出通过引入LNO缓冲层和采用快速退火与常规退火相结合的方式可以获得结晶良好且致密的BST薄膜.比较图2(a)与图2(c)可看到,经快速退火后,500 ℃温度下常规热处理3 h的薄膜更为致密、均匀.由图2(c)可看出,BST薄膜表面致密,晶粒生长均匀.

图2 不同退火工艺下的薄膜扫描电镜照片(a)RTA850 ℃+CTA450 ℃,3 h,断面;(b)RTA850 ℃+CTA450 ℃,3 h,表面;(c)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h断面;(d)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h,表面.

图3 不同热退火工艺热处理的BST/LNO薄膜的X线衍射谱(a)RTA850 ℃;(b)RTA850 ℃+CTA500 ℃,3 h

图3为仅进行850 ℃快速退火450 ℃保温180 s 3个循环(图3(a))和850 ℃快速退火450 ℃保温180 s 3个循环后再进行500 ℃温度下常规热处理3 h的BST薄膜的X线衍射谱.从图中可以看出,采用两种不同的热处理工艺都可以获得钙钛矿结构的BST薄膜,其中快速退火与常规退火结合的退火工艺热处理的BST薄膜的衍射峰更为尖锐,具有更高的峰强度,且LNO的衍射峰也清晰可见,说明该工艺下BST/LNO薄膜具有更好的结晶度.

2.3电学性能的表征图4所示为图2(c)所述BST薄膜的介频曲线,BST薄膜溅射工艺的参数如表1所示,退火工艺为快速退火与常规退火工艺相结合,即850 ℃快速退火、450 ℃保温180 s,3个循环后再进行500 ℃温度,3 h常规退火.从图中可以看出介电常数在低频时随频率增加快速减小,约50 Hz以后随频率变化很小,频率为100 Hz时,介电常数约为300,介电损耗为0.03.图5所示的是图4所述BST薄膜的电滞回线,从图中可以看出室温溅射制得的薄膜经上述退火工艺热处理后具有铁电性(测试电压16 V,3 ms),但铁电性较弱.

图4 室温磁控溅射的BST薄膜的介频曲线

图5 室温磁控溅射的BST薄膜的电滞回线

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