专利名称：可与读出电路集成的锆钛酸铅铁电簿膜材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及铁电薄膜材料，具体是指一种可与读出电路集成的锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜材料的制备方法。
背景技术：
铁电材料是一类强介电材料，其介电常数可高达102～106。铁电材料具有优良的铁电、压电、热释电、电光、声光及非线性光学性能，具有其它材料不可比拟的优越性能。铁电材料的这些特殊性质使得它在超声换能器件、微机电耦合器件、高容量电容器、铁电存储器、电光快门、光控器件、成像与显示器件等多方面都具有广泛的应用前景。因此，它的制备技术及特性的研究得到了人们的广泛重视。
从实用的角度来说，在Si基上与先期制备的MOS器件实现单片集成化，是铁电薄膜器件的必然发展方向。要实现这一目标，在工艺上首先要解决的问题是降低铁电薄膜的结晶温度。目前广泛研究的以PZT、钛酸锶钡(BST)为代表的铁电薄膜，为了得到具有纯钙钛矿结构的铁电相，一般都需要＞600℃的高温处理过程。由于先期制备的MOS器件一般能承受的极限处理温度约450℃，在极限温度以上，随着温度的升高或热处理时间的增加，MOS器件的寿命和可靠性急剧下降。在不能降低热处理温度情况下，为了降低总的热量摄入，人们普遍采用快速退火的热处理工艺。但是，实现单片集成的根本出路还在于降低铁电薄膜的晶化处理温度，研究工作者一直在这方面进行努力。
发明内容
基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是要提供一种由溅射法制备的PZT薄膜及高压低温后处理方法，从而得到具有纯钙钛矿结构的铁电相PZT薄膜，其具体步骤如下1.PZT薄膜的制备A.取衬底为(100)取向的单晶硅片，采用常规的清洗方法，即，先用乙醇、丙酮交替进行超声清洗，然后用三氯乙烯进行化学清洗，最后在真空室内再用氩离子束刻蚀剥离清洗。
B.然后将衬底放入溅射仪的样品架上，用常规的溅射工艺，在衬底上生长LaNiO3底电极层；C.PZT薄膜的溅射原位溅射PZT薄膜，换上PZT溅射靶，将溅射腔体本底真空度抽到5×10-4Pa。同时加热带有LaNiO3底电极层的硅衬底，加热温度范围为室温至400℃，然后通入氩气并保持气压在1-2pa，进行PZT薄膜溅射沉积，直至所需厚度。
所说的PZT溅射靶由PbO、ZrO2和TiO2粉末按化学计量比配比，为补偿Pb的挥发损失，再加入10％wt的过量Pb均匀混合、压制成块状，烧结成陶瓷靶。
2.PZT薄膜的后处理将上述制备好的PZT薄膜样品放入高压罐中，加热PZT薄膜样品，加热温度为380-410℃，然后通入氧气并保持气压在4Mpa-8Mpa进行退火，退火时间为8-12小时。最后可以得到高度(100)取向的纯钙钛矿相PZT薄膜，并具有很好的铁电性。
本发明方法制备的PZT薄膜材料，具有如下的效果1.操作方法简单，性能稳定，重复性好；2.制备的铁电PZT薄膜成本低，整个生长和后处理温度低于读出电路的最高容忍温度450℃，因此可以和铁电微器件的单片集成工艺相兼容；3.电滞回线矩形性和饱和度比高温原位溅射生长的更好。
图1.衬底温度分别为室温、200℃、300℃、和400℃时溅射的PZT薄膜的X射线衍射图。
图2.衬底温度分别为室温、200℃、300℃、和400℃时溅射的PZT薄膜在高压氧热处理前后的X射线衍射图。
图3.衬底温度分别为室温、200℃、300℃、和400℃时溅射的PZT薄膜在高压氧氧压为4Mpa热处理后的电滞回线。
图4.衬底温度为300℃时溅射的PZT薄膜在高压氧氧压为4Mpa、6Mpa、8Mpa热处理后的电滞回线。
图5.优化工艺的高压处理后的PZT薄膜的电滞回线。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明见图1，衬底温度为室温、200℃、300℃和400℃时溅射沉积的PZT薄膜，从图中可以看出基本为非晶或部分结晶为焦绿石相。并且，随着衬底温度的升高，焦绿石相的峰得到增强，而当衬底温度达到400℃时，出现了部分结晶为(100)取向的钙钛矿相，但以上情况都测不出电滞回线，表明不具有铁电性。
见图2，图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是衬底温度为室温、200℃、300℃、和400℃时溅射沉积的PZT薄膜高压氧热处理前后的X射线衍射图，高压氧热处理条件氧压6Mpa，热处理温度400℃，时间10小时，可以看出PZT薄膜在高压氧处理后都转变为高度(100)取向的钙钛矿结构。图中的横坐标为衍射角2θ(度)，纵坐标为衍射强度(绝对单位)。处理后，由图2(a)看出，非晶的相变为钙钛矿结构；由图2(b、c)看出，焦绿石相得到抑制、消失，钙钛矿相得到生成和增强；由图2(d)看出，焦绿石相得到抑制、消失，钙钛矿相得到增强，从而得到的PZT薄膜结晶性更好。
从图3看出，随着溅射衬底温度的提高，由于PZT薄膜的结晶度得到改善，因而，高压氧处理后的铁电性也随着提高，400℃好于300℃，300℃好于室温。但随着衬底温度的提高，铅挥发和氧挥发会增加，这将使得铁电性降低。衬底温度为200℃的PZT薄膜，由于铅和氧的挥发较少，因而要比高的衬底温度结晶度更好，所以200℃度溅射的PZT薄膜的铁电性最好。
从图4看出，随着后处理氧压的提高，PZT膜的铁电性得到提高。因为随着后处理氧压的提高，薄膜的结晶度得到了提高、铅挥发和氧挥发得到了抑制、氧空位得到了补偿。鉴于以上各工艺条件和分析，我们提出的最佳实施方案为，首先将衬底温度设在200℃进行PZT薄膜溅射沉积，然后将所得PZT薄膜在8Mpa高压氧下，400℃的低温下进行热处理，热处理时间12小时。在此工艺条件下，所得到的PZT薄膜的电滞回线如图5所示。并对此材料进行鉴定，性能参数如下在室温633kV/cm的电场强度下，平均剩余极化(|+Pr|+|-Pr|)/2为44μC/cm2；平均矫顽场(|+Ec|-Ec|)/2为126kV/cm。
权利要求
1.一种可与读出电路集成的锆钛酸铅铁电薄膜材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下(1).PZT薄膜的制备A.取衬底为(100)取向的单晶硅片，采用常规的清洗方法，即，先用乙醇、丙酮交替进行超声清洗，然后用三氯乙烯进行化学清洗，最后在真空室内再用氩离子束刻蚀剥离清洗；B.然后将衬底放入溅射仪的样品架上，用常规的溅射工艺，在衬底上生长LaNiO3底电极层；C.原位溅射PZT薄膜，换上PZT溅射靶，将溅射腔体本底真空度抽到5×10-4Pa，同时加热带有LaNiO3底电极层的硅衬底，加热温度范围为室温至400℃，然后通入氩气，并保持气压在1-2pa，进行PZT薄膜溅射沉积，直至所需厚度；所说的PZT溅射靶由PbO、ZrO2和TiO2粉末按化学计量比配比，为补偿Pb的挥发损失，再加入10％wt的过量Pb均匀混合、压制成块状，烧结成陶瓷靶；(2).PZT薄膜的后处理将上述制备好的PZT薄膜样品放入高压罐中，加热PZT薄膜样品，加热温度为380-410℃，然后通入氧气并保持气压在4Mpa-8Mpa进行退火，退火时间为8-12小时。
全文摘要
本发明公开了一种可与读出电路集成的锆钛酸铅铁电薄膜材料的制备方法，该方法是通过低温原位磁控溅射生长，然后，进行高压低温处理而实现的。本发明方法的最大优点是在400℃的低温下，可以得到高度(100)取向的纯钙钛矿相PZT薄膜，并具有很好的铁电性；重复性好，整个制备和处理温度在450℃以下，能直接沉积在读出电路上，和铁电微器件的单片集成工艺相兼容。
文档编号C23C14/54GK1779923SQ20051002998
公开日2006年5月31日 申请日期2005年9月23日 优先权日2005年9月23日
发明者褚君浩, 张晓东, 孟祥建, 孙璟兰, 林铁 申请人:中国科学院上海技术物理研究所