专利名称：一种具有SiN缓冲层的BST薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料技术领域，涉及钛酸锶钡(BST)薄膜介电损耗与漏电流的双层介质薄膜材料。
背景技术：
铁电材料钛酸锶钡BaxSri.xTi03 (BST)具有非常好的铁电/介电性能，在微波可调器件与微电子材料领域有很好的应用前景。BST材料在外加一定直流偏压下，介电常数随电场变化而变化，且介电调谐率大，因此BST作为电调介质材料受到广泛研究。采用BST薄膜制备的移相器、压控振荡器、动态随机存储器(DRAM)在计算机、航空、军工国防领域具有广泛应用。 一般移相器主要有铁氧体移相器、PIN 二极管移相器、介质移相器三大类，与其他两类相比，BST介质移相器具有响应速度快、功耗小、工作温区宽、质量轻等优点；振荡器主要有YIG型、变容二极管型、介质薄膜型，采用BST介质薄膜的压控振荡器具有可调范围广、体积小、质量轻等许多优点；采用铁电材料BST制备的动态随机存储器的快速读写功能，又具有可檫除只读存储器器的非易失性，既利用铁电薄膜材料自发极化随外电场而反向的双稳态极化特性在断电以后存储数据仍被保留，还具有抗辐射、功耗和工作电压低、工作温度范围宽、易与大规模集成电路兼容的特点，因而可以制作铁电随机储存器、超大规模动态随机存储器。正因为BST优越的介电/铁电性能，对BST材料的研究与应用开发现已成为研究热点之一。
BST材料在微波应用中广泛采用金属-BST-金属(MIM)结构。MIM结构调谐率高，而且所加驱动电压较低。对于BST薄膜的应用的主要参数要求就是它的介电可调要满足微波调谐的范围要求，即同时介电损耗要低、薄膜漏电流要小。为了改善薄膜性能，目前许多研究采用改善薄膜的微观结构、对薄膜进行惨杂或改善薄膜与下电极界面等技术措施来提高薄膜性能。但是对于MIM结构应用的BST薄膜，它的介电损耗一般在1.5%左右，相对来说还是偏高，不利于微波器件品质因素(Q值)的提高。
发明内容
本发明提供一种具有氮化硅(SiN)缓冲层BST薄膜材料，该薄膜材料是一种具有SiN缓冲层的新型双层或多层介质薄膜材料，通过增加SiN缓冲层来降低钛酸锶钡(BST)薄膜介电损耗与漏电流，可以充分满足微波可调器件与微电子材料对BST薄膜性能的要求；本发明同时提供具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，该方法通过在常规MIM结构的BST薄膜 材料制备方法基础上增加了 SiN缓冲层的制备步骤，易于实现。
本发明技术方案如下
一种具有SiN缓冲层的BST薄膜材料，如图1至图3所示，包括衬底l、下电极2、上 电极5和BST薄膜4。其特征在于，所述下电极2与上电极5之间还具有SiN缓冲层3。
上述方案中，所述SiN缓冲层3可以位于下电极2与BST薄膜4之间，也可以位于BST 薄膜4与上电极5之间，形成具有一层SiN缓冲层3的BST薄膜材料；还可以即位于下电极 2与BST薄膜4之间，又位于BST薄膜4与上电极5之间，形成具有双层SiN缓冲层3的 BST薄膜材料。
一种具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，该方法包括SiN缓冲层的
制备步骤。
所述SiN缓冲层的制备步骤可以在衬底1上制得下电极2之后，在制备BST薄膜之前进 行，所制备的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于下电极2与BST薄膜4之间。
所述SiN缓冲层的制备步骤也可以在制备BST薄膜之后，在制备上电极5之前进行，所 制备的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于BST薄膜4与上电极5之间。
所述SiN缓冲层的制备步骤还可以在衬底1上制得下电极2之后，在制备BST薄膜之前 进行；以及在制备BST薄膜之后，在制备上电极5之前进行，所制备的BST薄膜材料，其 第一 SiN缓冲层位于下电极2与BST薄膜4之间，第二 SiN缓冲层位于BST薄膜4与上电 极5之间。
采用理想串联电容模型分析SiN与BST复合薄膜，从而得到SiN与BST复合模型。具体 分析如下设两种介质薄膜的电容密度、介电损耗、薄膜厚度分别为C、 tan S (loss tangent)、 d并用下标来区分不同介质。由此得到双层薄膜电容密度与介电损耗的计算式
11 1从上述分析模型可以看出，本发明由于在常规MM结构的BST薄膜材料中增加了 SiN 缓冲层，由于SiN的介电损耗很低，从而有利于薄膜介质损耗的降低；同时，由于SiN可以 作为扩散阻挡层，从而有利于薄膜漏电流的降低。另外，SiN在集成电路中可以作为保护层 易于生长，能够与铁电薄膜实现集成生长；最后，通过调节SiN的厚度，可以调制双层SiN/BST 薄膜的调谐率、介电损耗和漏电流。
本发明的有益效果是
1、 通过在BST薄膜上生长SiN缓冲层能够显著降低薄膜的介电损耗，并且通过调节SiN 层的厚度能够调节薄膜介电损耗。
2、 通过设计合适的BST厚度与SiN厚度的比值，能够得到介电可调率适中、介电损耗 很低的介质薄膜。
3、 SiN缓冲层的引入能显著降低BST薄膜的漏电流。
图l为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的结构示意图。其中1是衬底，2是 下电极，3是SiN缓冲层，4是BST薄膜，5是上电极；所述SiN缓冲层3位于下电极2与 BST薄膜4之间。
图2为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的结构示意图。其中1是衬底，2是 下电极，3是SiN缓冲层，4是BST薄膜，5是上电极；所述SiN缓冲层3位于BST薄膜4 与上电极5之间。
图3为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的结构示意图。其中1是衬底，2是 下电极，3是SiN缓冲层，4是BST薄膜，5是上电极；所述第一 SiN缓冲层3位于下电极2 与BST薄膜4之间，第二缓冲层3位于BST薄膜4与上电极5之间。
图4为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料中，电容密度与介电损耗与介质薄膜 厚度比值关系的模拟曲线。
图5为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料中，不同SiN厚度下Bao.5Sr().5Ti03/SiN 双层薄膜的C-V和TanS-V特性曲线图。图5 (a)为不同SiN厚度下Bao.5Sra5Ti03/SiN双层 薄膜的C-V特性曲线，其中X轴表示薄膜上下电极所加电场(单位MV/cm) ,y轴表示电容 密度(单位nF/cm2);图5 (b)为不同SiN厚度下Bao.5Sra5Ti03/SiN双层薄膜的TanS-V特性 曲线图，其中X轴表示薄膜上下电极所加电场(单位MV/cm) ,y轴表示薄膜的介电损耗。
图6为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料中，薄膜介电可调及优质因子与SiN厚度和BST厚度比值的关系图。其中X轴表示SiN厚度与BST厚度比值,y轴表示薄膜的介 电可调(左)与优质因子(右)；箭头向左的曲线表示薄膜介电可调与SiN厚度和BST厚度 比值的关系，箭头向右的曲线表示薄膜优质因子与SiN厚度和BST厚度比值的关系。
图7为本发明提供的具有SiN缓冲层BST薄膜材料中，薄膜的漏电流与SiN厚度的关系 图。其中X轴表示薄膜上下电极所加电场(单位kV/cm)， y轴表示漏电流密度(单位A/cm2)。
具体实施例方式
一种具有SiN缓冲层BST薄膜材料，如图1至图3所示，包括衬底1、下电极2、上电 极5和BST薄膜4。其特征在于，所述下电极2与上电极5之间还具有SiN缓冲层3。
上述方案中，所述SiN缓冲层3可以位于下电极2与BST薄膜4之间，也可以位于BST 薄膜4与上电极5之间，形成具有一层SiN缓冲层3的BST薄膜材料；还可以即位于下电极 2与BST薄膜4之间，又位于BST薄膜4与上电极5之间，形成具有双层SiN缓冲层3的 BST薄膜材料。
上述方案中，所述衬底1具体采用Al2Cb基片；所述下电极2可以是PtTi合金电极，也 可以是Ti/Pt两层结构或Ti/Pt/Ti三层结构的复合电极，其中Ti层居于衬底和Pt层之间，用 于改善Pt与衬底之间的晶格匹配；所述上电极5可以是PtTi合金电极，也可以是Ti/Pt两层 结构或Ti/Pt/Ti三层结构的复合电极，其中Ti层居于介质层和Pt层之间，用于改善Pt与介质 层之间的晶格匹配；所述BST薄膜4的具体成分为Bao.5Sra5Ti03。
一种具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，该方法包括SiN缓冲层的 制备步骤。
所述SiN缓冲层的制备步骤可以在衬底1上制得下电极2之后，在制备BST薄膜之前进 行，所制备的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于下电极2与BST薄膜4之间。
所述SiN缓冲层的制备步骤也可以在制备BST薄膜之后，在制备上电极5之前进行，所 制备的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于BST薄膜4与上电极5之间。
所述SiN缓冲层的制备步骤还可以在衬底1上制得下电极2之后，在制备BST薄膜之前 进行；以及在制备BST薄膜之后，在制备上电极5之前进行，所制备的BST薄膜材料，其 第一 SiN缓冲层位于下电极2与BST薄膜4之间，第二 SiN缓冲层位于BST薄膜4与上电 极5之间。
所述SiN缓冲层的制备步骤具体釆用氧等离子体化学气相淀积(PECVD)方法。 一种更为具体的实施方式是首先采用直流溅射工艺在A1203基片上先后直流溅射沉积Ti、 Pt用作下电极2;然后采用射频磁控溅射工艺在Al2(VPt/Ti/Al203上制备BST薄膜，BST 薄膜的制备工艺条件为在Ar和02气氛中制备BST薄膜，Ar/02的流量比为35/15，溅射气 压为4Pa，基片衬底温度为75(TC，射频溅射功率为200W;然后采用氧等离子体化学气相淀 积(PECVD)方法在BST薄膜上制备SiN缓冲层，具体工艺条件参数为Ar+N2+SiH4气体 流量比为237.5/200/12.5，三种气体的总气压为80Pa，衬底温度为300°C，等离子功率为60W; 然后对薄膜进行退火处理以改善薄膜结构与性能，即将样品放置在磁控溅射腔内采用传统热 处理方法在1个大气压的氧气中55(TC下退火40分钟；最后制备上电极5。
以上制备的具有SiN缓冲层的BST薄膜材料的介电性能分析分别采用如下仪器进行分析 与测试
1) 、介电可调与介电损耗与电压的关系采用HP4284ALCR仪(测试信号电压0.1V、 频率10kHz、直流偏压-20 +20 V，直流偏压步径为0.4V)。
2) 、薄膜的漏电流测量采用铁电材料分析仪Radiant PRECISION LC 2000。
下面结合对具有SiN缓冲层的BST薄膜材料的性能测试结果进一步说明本发明的有益效 果，实例中BST薄膜化学成分为Bao.5Sra5Ti03。
图5显示不同SiN厚度下SiN/Bao.5Sro.5Ti03双层薄膜的C-V(TanS-V)特性曲线。图中所有 样品的BST厚度都为150nm，而SiN厚度的厚度分别为10nm、 20nm、 30nm、 50nm、 60nm， 随着SiN厚度的增加，薄膜在静态条件下(电场为0MV/cm)的电容密度与介电损耗都逐渐 降低。从图中可以看出，随着SiN的厚度从Onm到60nm，薄膜的介电损耗从0.015降低到 0.0035，这说明了 SiN缓冲层能够显著降低薄膜的介电损耗。
图6为薄膜介电可调及优质因子与SiN厚度比上BST厚度比值的关系。 一般定义介质薄
膜的介电可调为KCmax-Qnin)/CmaxplOO。/c，式中Cmax和Cmin分别为0MV/cm和最大电场下
SiN/Bao.5Sra5Ti03薄膜的电容密度。随着SiN的厚度从Onm增加到60nm，薄膜的介电可调从 51%下降到12.7%。结合图5，定义介质薄膜的优质因子(可调与介电损耗的比值)来衡量薄 膜性质的好坏，可以发现虽然薄膜的介电可调与介电损耗都随着SiN厚度增加而降低，但介 电损耗相对降低更显著。在dsiN/dBST为0.2时，即BST厚度为150nm， SiN厚度为30nm时， 薄膜性能最优，这时介电可调为24.8%，介电损耗为0.005，薄膜的优质因子约为50。
图7为薄膜的漏电流与SiN厚度的关系图。随着SiN厚度的增加，薄膜的漏电流急剧下 降。比如在100kV/cm下，在没有SiN与30nmSiN下薄膜的漏电流密度从2.9xl(T6 A/cn^下降 到5.6xl(TSA/cm2，几乎下降了两个数量级。这说明加入缓冲层显著降低了薄膜的漏电流大小。
权利要求
1、一种具有SiN缓冲层的BST薄膜材料，包括衬底(1)、下电极(2)、上电极(5)和BST薄膜(4)；其特征在于，所述下电极(2)与上电极(5)之间还具有SiN缓冲层(3)。
2、 根据权利要求1所述的具有SiN缓冲层的BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN缓 冲层(3)位于下电极(2)与BST薄膜(4)之间。
3、 根据权利要求1所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN缓冲 层(3)位于BST薄膜(4)与上电极(5)之间。
4、 根据权利要求1所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料，其特征在于，所述SiN缓冲 层(3)为两层，第一SiN缓冲层(3)位于下电极(2)与BST薄膜(4)之间；第二 SiN缓 冲层(3)位于BST薄膜(4)与上电极(5)之间。
5、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料，其特征在于，所 述衬底(1)为A1203基片；所述下电极(2)是PtTi合金电极，或是Ti/Pt两层结构或Ti/Pt/Ti 三层结构的复合电极，其中Ti层居于衬底和Pt层之间，用于改善Pt与衬底之间的晶格匹配； 所述上电极(5)是PtTi合金电极，或是Ti/Pt两层结构或Ti/Pt/Ti三层结构的复合电极，其 中Ti层居于介质层和Pt层之间，用于改善Pt与介质层之间的晶格匹配；所述BST薄膜(4) 的具体成分为Bao.5Sro.5Ti03。
6、 一种具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，该方法包括SiN缓冲 层的制备步骤。
7、 根据权利要求6所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，所 述SiN缓冲层的制备步骤在衬底(1)上制得下电极(2)之后，在制备BST薄膜之前进行， 所制备的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于下电极(2)与BST薄膜(4)之间。
8、 根据权利要求6所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，所 述SiN缓冲层的制备步骤在制备BST薄膜(4)之后，在制备上电极(5)之前进行，所制备 的BST薄膜材料，其SiN缓冲层位于BST薄膜(4)与上电极(5)之间。
9、 根据权利要求6所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特征在于，所 述SiN缓冲层的制备步骤在衬底(1)上制得下电极(2)之后，在制备BST薄膜之前进行； 以及在制备BST薄膜(4)之后，在制备上电极(5)之前进行，所制备的BST薄膜材料， 其第一SiN缓冲层位于下电极(2)与BST薄膜(4)之间，第二 SiN缓冲层位于BST薄膜(4)与上电极(5)之间。
10、 根据权利要求5、 7、 8或9所述的具有SiN缓冲层BST薄膜材料的制备方法，其特 征在于，所述SiN缓冲层的制备步骤具体采用氧等离子体化学气相淀积方法。
全文摘要
一种具有SiN缓冲层的BST薄膜材料及其制备方法，属于材料技术领域，涉及钛酸锶钡薄膜介电损耗与漏电流的双层介质薄膜材料。所述具有SiN缓冲层的BST薄膜材料包括衬底、下电极、上电极和BST薄膜，其中下电极与上电极之间还具有SiN缓冲层。所述具有SiN缓冲层的BST薄膜材料的制备方法包括SiN缓冲层的制备步骤。本发明在常规MIM结构的BST薄膜材料中增加了SiN缓冲层，能够显著降低薄膜的介电损耗，并且通过调节SiN层的厚度能够调节薄膜介电损耗；通过设计合适的BST厚度与SiN厚度的比值，能够得到介电可调率适中、介电损耗很低的介质薄膜；SiN缓冲层的引入还能显著降低BST薄膜的漏电流。本发明可以满足微波可调器件与微电子材料对BST薄膜性能的要求。
文档编号H01P1/00GK101478065SQ20081014769
公开日2009年7月8日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者斌 姜, 李言荣, 熊年登, 蒋书文 申请人:电子科技大学