专利名称：一种具有周期叠层铁电薄膜的电容及其制备方法
技术领域：
本发明涉及ー种具有周期叠层铁电薄膜的电容及其制备方法，属于微电子材料与器件、系统级封装集成技术领域。
背景技术：
目前，铁电薄膜材料已成为功能材料与微电子器件研究方面的热点之一，研究的核心就是将铁电薄膜材料与半导体集成エ艺技术相结合，通过其铁电、压电、热释电、介电、电光及非线性光学等效应，发挥其在信号存储、转换、调制、开关、传感等应用领域中的作用。此外，随着系统级封装的发展，无源器件埋入技术已经成为解决电子产品小型化的有效方案之一，而铁电薄膜材料较高的介电常数、超薄的厚度等优势使其成为制备埋入式电容的优良介质层材料。制备铁电薄膜的方法有很多，主要包括磁控溅射法、脉冲激光沉积法、 化学气相沉积法、金属有机物化学气相沉积法及溶胶-凝胶法等，而溶胶-凝胶法具有使用普遍、易于大面积成膜、化学计量比准确、易进行微量掺杂、成本低等优点，成为其中最主要的方法之一。钛酸钡(BT)、钛酸锶(ST)、钛酸锶钡(BST)等铁电薄膜材料由于其丰富的物理性能而具有广泛的应用前景。其中，钛酸钡具有较高的介电常数，钛酸锶具有较低的介电损耗和晶化温度，而钛酸锶钡兼有钛酸钡的高介电常数及钛酸锶的低介电损耗和结构稳定性。近年来，采用超晶格或多层异质膜的方法来提高铁电薄膜的介电常数，即介电增强效应，受到了广泛的关注，但此种方法也同时带来了较高的介电损耗问题。从应用的角度来看，在硅基片上制备的铁电多层薄膜在具有介电常数增强的同时，如能保持较低的介电损耗，则具有非常实际的应用前景。
发明内容
本发明针对从应用的角度来看，在硅基片上制备的铁电多层薄膜在具有介电常数增强的同时，如能保持较低的介电损耗，则具有非常实际的应用前景的需要，提供ー种具有周期叠层铁电薄膜的电容及其制备方法。本发明解决上述技术问题的技术方案如下ー种具有周期叠层铁电薄膜的电容包括衬底，设置于所述衬底上的阻挡层，设置于所述阻挡层上的粘附层，设置于所述粘附层上的下部电极，设置于所述下部电极上的铁电薄膜，设置于所述铁电薄膜上的上部电极，所述铁电薄膜为包括至少ー个周期性结构单元的叠层结构，所述周期性结构单元为BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的排列组合，其中，O < x < I。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进ー步，所述衬底为硅衬底，所述阻挡层为ニ氧化硅阻挡层，所述粘附层为钛粘附层，所述下部电极和上部电极为钼、金或铜中的ー种。进ー步，所述BaTi03、SrTi03和BaxSr1-JiO3三种铁电材料层的排列组合为BaTiO3/SrTIO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3ZBaxSr1^xTi03/SrTiO3 > SrTi03/BaTiO3ZBaxSr1^xTiO3 > BaxSr1-JiO3/BaTi03/SrTi03> SrTiO3ZBaxSr1^xTi03/BaTiO3 或者 BaxSr1^xTi03/SrTi03/BaTiO3 进ー步，所述BaTi03、SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的厚度分别为20nm 200nm,所述铁电薄膜的厚度为O. I μ m 2 μ m。进ー步，在所述BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的排列组合中，相邻两层铁电材料的厚度差小于或等于中间铁电材料层厚度的20%。所述三层铁电材料层的排列组合从上至下依次为上层、中间层和下层，上层和中间层之间、中间层和下层之间的厚度差小于或等于中间层厚度的20%。本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下ー种具有周期叠层铁电薄 膜的电容的制备方法包括
步骤10 :提供衬底，通过热氧化在衬底上形成阻挡层； 步骤11 :在所述阻挡层上溅射形成粘附层；步骤12 :在所述粘附层上溅射形成下部电极；步骤13 :配置钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶步骤14 :将钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶经过滤除去杂质后依次旋涂在基片上;步骤15 :重复步骤14，直到形成预定厚度的周期叠层铁电薄膜为止；步骤16 :将所述铁电薄膜进行晶化退火；步骤17 :在所述周期叠层铁电薄膜上溅射形成上部电极，从而得到具有周期叠层铁电薄膜的电容。进ー步，所述步骤13包括步骤131 :称取一定量的こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶混合物，分别溶解于50°C 70°C的热こ酸中，搅拌30分钟 60分钟，以形成澄清均匀的盐溶液，其中，こ酸钡/こ酸锶混合物中钡和锶的摩尔比为O I ;步骤132 :量取与所述こ酸钡、こ酸锶和こ酸钡/こ酸锶等摩尔的钛酸四丁酷，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟至形成稳定的溶液；步骤133 :将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到对应等摩尔钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；步骤134 :量取分子量小于400的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的30% 50%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟；步骤135 :用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 15mol/L O. 4mol/L。利用此种方法配制的溶胶溶液性能稳定并可长期存放，制备出来的铁电薄膜成膜性能好，形成的铁电电容具有优异的介电性能，且能与CMOSエ艺技术相兼容，适用于新型高密度存储器和集成铁电器件。进ー步，所述步骤14 中按照 BaTi03/SrTi03/BaxSivxTi03、BaTiO3ZBaxSr1^xTiO3/SrTiO3' SrTi03/BaTi03/BaxSivxTi03、BaxSr1_xTi03/BaTi03/SrTi03> SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3/BaTiO3或者BaxSrhTiCVSrTiCVBaTiO3的排列组合中的一种依次在所述基片上旋涂前驱体溶胶。进一歩，所述步骤14中旋涂转速为3000转/分 5000转/分，时间为30秒，每次旋涂后将基 片在100°C 150°C下干燥5分钟 10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期性结构单元，并将薄膜在300°C 450°C下热解10分钟 15分钟。进ー步，所述步骤16中将所述铁电薄膜在600°C 800°C空气气氛中进行10分钟 30分钟的晶化退火。本发明的有益效果是本发明采用BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三种材料的周期叠层结构作为介电层制备了铁电薄膜电容，同単一的BT、ST或BST薄膜电容相比，在兼备较高介电常数、较低介电损耗的同时，显著降低了铁电薄膜的退火温度，从而提高了铁电薄膜的制备エ艺与微电子エ艺的兼容性。这种周期叠层铁电薄膜结构电容及其制备方法将在半导体器件、系统级封装无源器件集成技术等领域具有潜在的应用前景。
图I为本发明实施例周期叠层铁电薄膜的电容的结构示意图；图2为本发明实施例周期叠层铁电薄膜的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图I及2所示，周期叠层铁电薄膜的电容包括硅衬底1，设置于硅衬底I上的ニ氧化硅阻挡层2，设置于ニ氧化硅阻挡层2上的粘附层3，设置于粘附层3上的下部电极4，设置于下部电极4上的铁电薄膜5，设置于铁电薄膜5上的上部电极6，铁电薄膜包括多个501/502/503 结构周期性地相互叠加，501/502/503 结构为 ST/BT/BST、ST/BST/BT、BT/ST/BST、BT/BST/ST、BST/ST/BT 和 BST/BT/ST 中的ー种，其中 BT 为钛酸钡 BaTiO3 的缩写、ST 为钛酸锶SrTiO3的缩写、BST为钛酸锶钡BaxSivxTiO3的缩写。实施例I根据本发明实施例I的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有一个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为SrTiCVBaTiCVBaxSrhTiO3(ST/BT/BST)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，即该周期的BST与下电极接触，ST与上电极接触)，所述X为O. 5，所述周期结构单元ST/BT/BST中每ー层材料的厚度约为150nm，所述铁电薄膜的总厚度约为450nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片为衬底，厚度为450±20 μ m，经过标准半导体エ艺清洗后，热氧化形成ニ氧化硅氧化层，氧化层的厚度为300nm ；12)溅射钛Ti粘附层，厚度约为50nm ；13)溅射下部电极，电极材料为钼Pt，厚度为150nm ；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，包括以下五步21)称取3. 870gこ酸钡、3. 270gこ酸锶以及I. 953gこ酸钡/I. 635gこ酸锶(钡和锶的摩尔比为I : I)混合物，分别在60°c下溶解于20ml的热こ酸中，搅拌40分钟，以形成澄清均匀的盐溶液；22)量取5.21ml的钛酸四丁酯3份，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在60°C下搅拌60分钟至形成稳定的溶液；23)将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到所述钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在60°C下搅拌40分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；24)量取分子量为200的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的45%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在60°C下搅拌60分钟； 25)用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 3mol/L ；3)成膜和热处理工艺，包括以下两步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸锶钡、钛酸钡、钛酸锶前驱体溶胶，旋涂转速为3000转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥5分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解10分钟；32)将所述铁电薄膜在700°C空气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为150nm，得到具有ー个周期叠层结构ST/BT/BST的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为840，介电损耗约为O. 09。实施例2根据本发明实施例2的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有两个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为SrTiCVBaxSrhTiCVBaTiO3(ST/BST/BT)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，依次为第一周期和第二周期，即第二个周期的BT与下电极接触，第一周期的ST与上电极接触)，所述X为O. 55，所述周期结构单元ST/BST/BT中每ー层材料的厚度约为90nm，所述铁电薄膜的总厚度约为540nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片为衬底，厚度为450±20 μ m，经过标准半导体エ艺清洗后，热氧化形成ニ氧化硅氧化层，氧化层的厚度为300nm ；12)溅射钛Ti粘附层，厚度约为50nm ；13)派射下部电极，电极材料为钼Pt,厚度为150nm ；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，包括以下五步21)称取3. 870gこ酸钡、3. 270gこ酸锶以及2. 322gこ酸钡/I. 308gこ酸锶(钡和锶的摩尔比为3 2)混合物，分别在70°C下溶解于20ml的热こ酸中，搅拌30分钟，以形成澄清均匀的盐溶液；22)量取5. 21ml的钛酸四丁酯3份，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在70°C下搅拌40分钟至形成稳定的溶液；23)将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下搅拌30分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；24)量取分子量为200的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的45%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在70°C下搅拌60分钟；25)用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 3mol/L ；3)成膜和热处理工艺，包括以下三步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸锶前驱体溶胶，旋涂转速为4000转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解15分钟；
32)重复步骤31) —次，形成的铁电薄膜具有两个周期叠层结构；33)将所述薄膜在650°C空气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为150nm，得到具有两个周期叠层结构ST/BST/BT的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为960，介电损耗约为O. 11。实施例3根据本发明实施例3的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有三个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为BaTiCVSrTiCVBaxSrhTiO3(BT/ST/BST)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，依次为第一周期、第二周期和第三周期，即第三个周期的BST与下电极接触，第一周期的BT与上电极接触)，所述X为O. 6，所述周期结构单元BT/ST/BST中每ー层材料的厚度约为60nm，所述铁电薄膜的总厚度约为540nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片为衬底，厚度为450±20 μ m，经过标准半导体エ艺清洗后，热氧化形成ニ氧化硅氧化层，氧化层的厚度为300nm ；12)溅射钛Ti粘附层，厚度约为50nm ；13)派射下部电极，电极材料为铜Cu,厚度为150nm ；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，包括以下五步21)称取2. 580gこ酸钡、2. 180gこ酸锶以及I. 677gこ酸钡/0. 763gこ酸锶(钡和锶的摩尔比为13 7)混合物，分别在70°C下溶解于20ml的热こ酸中，搅拌30分钟，以形成澄清均匀的盐溶液；22)量取3. 48ml的钛酸四丁酯3份，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在70°C下搅拌40分钟至形成稳定的溶液；23)将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下搅拌30分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；24)量取分子量为200的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的40%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在70°C下搅拌60分钟；25)用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 2mol/L ；
3)成膜和热处理工艺，包括以下三步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸锶钡、钛酸锶、钛酸钡前驱体溶胶，旋涂转速为4200转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解10分钟；32)重复步骤31)两次，形成的铁电薄膜具有三个周期叠层结构；33)将所述薄膜在700°C氩气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为 150nm，得到具有三个周期叠层结构BT/ST/BST的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为920，介电损耗约为O. 12。实施例4根据本发明实施例4的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有四个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为BaTi03/BaxSivxTi03/SrTi03(BT/BST/ST)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，依次为第一周期、第二周期、第三周期和第四周期，即第四个周期的ST与下电极接触，第一周期的BT与上电极接触)，所述X为O. 6，所述周期结构单元BT/BST/ST中每ー层材料的厚度约为40nm，所述铁电薄膜的总厚度约为480nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，包括以下三步11)采用P型(100)硅片为衬底，厚度为450±20 μ m，经过标准半导体エ艺清洗后，热氧化形成ニ氧化硅氧化层，氧化层的厚度为300nm ；12)溅射钛Ti粘附层，厚度约为50nm ；13)溅射下部电极，电极材料为钼Pt，厚度为150nm ；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，包括以下五步21)称取I. 935gこ酸钡、I. 635gこ酸锶以及I. 355gこ酸钡/0. 491gこ酸锶(钡和锶的摩尔比为13 7)混合物，分别在70°C下溶解于20ml的热こ酸中，搅拌30分钟，以形成澄清均匀的盐溶液；22)量取2. 61ml的钛酸四丁酯3份，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在70°C下搅拌40分钟至形成稳定的溶液；23)将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在70°C下搅拌30分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；24)量取分子量为200的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的40%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在70°C下搅拌60分钟；25)用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 15mol/L ；3)成膜和热处理工艺，包括以下三步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钡前驱体溶胶，旋涂转速为4500转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解10分钟；
32)重复步骤31)三次，形成的铁电薄膜具有四个周期叠层结构；33)将所述薄膜在700°C空气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为150nm，得到具有四个周期叠层结构BT/BST/ST的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为1100，介电损耗约为
O.15。实施例5根据本发明实施例5的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有一 个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为BaxSrhTiCVSrTiCVBaTiO3(BST/ST/BT)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，即该的BT与下电极接触，BST与上电极接触)，所述X为O. 7，所述周期结构单元BST/ST/BT中每ー层材料的厚度约为150nm，所述铁电薄膜的总厚度约为450nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，同实施例I中步骤I)；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，同实施例I中步骤2)；3)成膜和热处理工艺，包括以下两步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶，旋涂转速为3000转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥5分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解10分钟；32)将所述铁电薄膜在600°C空气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为150nm，得到具有ー个周期叠层结构BST/ST/BT的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为770，介电损耗约为O. I。实施例6根据本发明实施例6的周期叠层铁电薄膜的电容的结构依次包含硅Si衬底、ニ氧化硅SiO2阻挡层、钛粘附层、下部电极、铁电薄膜、上部电极，所述的铁电薄膜为含有两个周期结构单元的叠层结构，周期结构单元为SrTiCVBaxSrhTiCVBaTiO3(BST/BT/ST)(该排列方向为上电极指向下电极的方向，依次为第一周期和第二周期，即第二个周期的ST与下电极接触，第一周期的BST与上电极接触)，所述X为O. 8，所述周期结构单元BST/BT/ST中每ー层材料的厚度约为90nm，所述铁电薄膜的总厚度约为540nm。具体的制备步骤如下I)基片处理，同实施例2中步骤I)；2)钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶配置，同实施例2中步骤2)；3)成膜和热处理工艺，包括以下两步31)将前驱体溶胶经过滤除去杂质，依次在所述基片上旋涂钛酸锶、钛酸钡、钛酸锶钡前驱体溶胶，旋涂转速为4000转/分，时间为30秒，毎次旋涂后将基片在120°C下干燥10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期结构单元，并将薄膜在430°C下热解15分钟；32)重复步骤31) —次，形成的铁电薄膜具有两个周期叠层结构；33)将所述薄膜在550°C空气气氛中进行20分钟的晶化退火；4)上电极制备在周期叠层铁电薄膜上溅射上部电极，电极材料为金，厚度为150nm，得到具有两个周期叠层结构BST/BT/ST的铁电薄膜电容。通过上述方法制备得到的铁电薄膜电容的介电常数约为660，介电损耗约为
O.08。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.ー种具有周期叠层铁电薄膜的电容，包括衬底，设置于所述衬底上的阻挡层，设置于所述阻挡层上的粘附层，设置于所述粘附层上的下部电极，设置于所述下部电极上的铁电薄膜，设置于所述铁电薄膜上的上部电极，其特征在于，所述铁电薄膜为包括至少ー个周期性结构单元的叠层结构，所述周期性结构单元为BaTiO3, SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的排列组合，其中，O < X < I。
2.根据权利要求I所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容，其特征在于，所述衬底为硅衬底，所述阻挡层为ニ氧化硅阻挡层，所述粘附层为钛粘附层，所述下部电极和上部电极为钼、金或铜中的ー种。
3.根据权利要求I所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容，其特征在干，所述BaTiO3,SrTiO3 和 BaxS1-JiO3 三种铁电材料层的排列组合为 BaTi03/SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3/BaxSr1_xTi03/SrTi03> SrTi03/BaTi03/BaxSr1_xTi03> BaxSr1_xTi03/BaTi03/SrTi03> SrTiO3/BaxSr1-Ji03/BaTiO3 或者 BaxSr1^xTi03/SrTi03/BaTiO3
4.根据权利要求I所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容，其特征在于，所述BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的厚度分别为20nm 200nm，所述铁电薄膜的厚度为O. I μ m 2 μ m。
5.根据权利要求I所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容，其特征在于，在所述BaTiO3,SrTiO3和BaxSivxTiO3三种铁电材料层的排列组合中，相邻两层铁电材料的厚度差小于或等于中间铁电材料层厚度的20 %。
6.ー种具有周期叠层铁电薄膜的电容的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括 步骤10 :提供衬底，通过热氧化在衬底上形成阻挡层； 步骤11:在所述阻挡层上溅射形成粘附层； 步骤12 :在所述粘附层上溅射形成下部电极； 步骤13 :配置钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶 步骤14 :将钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶经过滤除去杂质后依次旋涂在基片上； 步骤15 :重复步骤14，直到形成预定厚度的周期叠层铁电薄膜为止； 步骤16 :将所述铁电薄膜进行晶化退火； 步骤17 :在所述周期叠层铁电薄膜上溅射形成上部电极，从而得到具有周期叠层铁电薄膜的电容。
7.根据权利要求6所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容的制备方法，其特征在于，所述步骤13包括 步骤131 :称取一定量的こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶混合物，分别溶解于50°C 70°C的热こ酸中，搅拌30分钟 60分钟，以形成澄清均匀的盐溶液，其中，こ酸钡/こ酸锶混合物中钡和锶的摩尔比为O I ; 步骤132 :量取与所述こ酸钡、こ酸锶和こ酸钡/こ酸锶等摩尔的钛酸四丁酷，分别溶于等体积的こ酰丙酮，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟至形成稳定的溶液； 步骤133 :将所述こ酸钡、こ酸锶以及こ酸钡/こ酸锶的こ酸溶液加入到对应等摩尔钛酸四丁酯的こ酰丙酮溶液中，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟，以形成黄色透明的钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶；步骤134 :量取分子量小于400的聚こニ醇PEG作为增韧剂，其质量分别为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡质量的30% 50%，并加入到对应的前驱体溶胶中，在50°C 70°C下搅拌30分钟 60分钟； 步骤135 :用こ酸调节所述钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡前驱体溶胶的浓度至O. 15mol/L O. 4mol/L。
8.根据权利要求6所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容的制备方法，其特征在于，所述步骤 14 中按照 BaTi03/SrTiO3ZBaxSr1^xTiO3> BaTiO3ZBaxSr1^xTi03/SrTiO3> SrTi03/BaTi03/BaxSr1-JiO3、BaxSr1-Ji03/BaTi03/SrTiO3、SrTiO3ZBaxSr1^xTi03/BaTiO3 或者 BaxSr1-JiO3/SrTi03/BaTi03的排列组合中的一种依次在所述基片上旋涂前驱体溶胶。
9.根据权利要求6所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容的制备方法，其特征在于，所述步骤14中旋涂转速为3000转/分 5000转/分，时间为30秒，每次旋涂后将基片在100°C 150°C下干燥5分钟 10分钟，经3次旋涂后形成ー个周期性结构单元，并将薄膜在300°C 450°C下热解10分钟 15分钟。
10.根据权利要求6所述的具有周期叠层铁电薄膜的电容的制备方法，其特征在于，所述步骤16中将所述铁电薄膜在550°C 700°C空气气氛中进行10分钟 30分钟的晶化退火。
全文摘要
本发明涉及一种具有周期叠层铁电薄膜的电容及其制备方法。所述电容包括衬底，阻挡层，粘附层，下部电极，铁电薄膜和上部电极，铁电薄膜为包括至少一个周期性结构单元的叠层结构，周期性结构单元为BaTiO3、SrTiO3和BaxSr1-xTiO3三种铁电材料层的排列组合。本发明采用BaTiO3、SrTiO3和BaxSr1-xTiO3三种材料的周期叠层结构制备的铁电薄膜电容，在兼备较高介电常数、较低介电损耗的同时，显著降低了铁电薄膜的退火温度，从而提高了铁电薄膜的制备工艺与微电子工艺的兼容性。这种周期叠层铁电薄膜结构电容及其制备方法将在半导体器件、系统级封装无源器件集成技术等领域具有潜在的应用前景。
文档编号H01G4/33GK102693837SQ20111007050
公开日2012年9月26日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者万里兮, 曹立强, 赵宁 申请人:中国科学院微电子研究所