一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法与流程

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种抑制电介质薄膜的漏电流，从而提高电介质薄膜器件工作电压的方法。

背景技术：

薄膜型固态电介质电子器件，如薄膜型电容器、薄膜型传感器、薄膜型存储器是一类具有微型化、低功耗、多功能，可集成等特点的新一代电子器件。相比于块体电介质器件(如陶瓷材料的电子器件，厚度至少大于10μm)，薄膜型电介质器件的厚度大为减小，通常在几百nm到2μm之间，因而在同等的工作电压下，薄膜型电介质器件比块体电介质器件要承受大得多的工作电场(～10⁴-10⁵v/mm)。为了满足电子技术对电子元器件工作电压(15～30v)的要求，薄膜电介质材料应具有更高的抗电强度，即薄膜型电子器件是在强电场下工作的，而强电场下由金属电极向电介质材料的电荷注入效应不可忽视，它会直接导致电介质薄膜的漏电流增大，而漏电流增大是影响薄膜抗电强度及薄膜型电子器件使用性能的关键因素。如何提高电介质薄膜的抗电强度，抑制电荷注入所引起的漏电流增大是薄膜型电介质电子器件研制中需要解决的一个关键问题。

针对这个问题，许多学者进行了各类的研究。haoyang等人提出制备拥有多个垂直界面(该界面的法向方向平行于薄膜的基底)的(batio3)0.5:(sm2o3)0.5外延复合薄膜[liw,etal.acsapplmaterinter,2014,6(8):5356]，该垂直界面可以有效吸引氧空位，从而减轻氧空位在电极界面处的累积，使得复合薄膜的漏电流相比纯的batio3薄膜下降了两个数量级，在温度30℃、抗电强度为5×10⁴v/mm时漏电流密度在1×10^-5～1×10^-4a/cm²之间。但该方案的局限性在于其薄膜制备方法无法获得大面积的薄膜，目前不能进入实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，以便抑制强电场作用下由金属电极向电介质薄膜的电荷注入而引起的薄膜漏电流增大，增强电介质薄膜器件的抗电强度。

本发明所述提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，是通过射频磁控溅射法在电介质薄膜与金属电极之间制备一层纳米级厚度的氧化物绝缘层，形成金属电极-氧化物绝缘层-电介质薄膜-氧化物绝缘层-金属电极结构的电介质薄膜器件，或者形成金属电极-氧化物绝缘层-lanio3过渡层-电介质薄膜-氧化物绝缘层-金属电极结构的电介质薄膜器件。设置lanio3过渡层的目的是使电介质薄膜获得更好的沉积质量。

上述方法中，氧化物绝缘层的厚度为10nm～30nm。

上述方法中，制备氧化物绝缘层的氧化物为srtio3、cazro3、srzro3中的一种。

上述方法中，电介质薄膜为pbtio3薄膜、batio3薄膜、pbxzr1-xtio3薄膜、baxsr1-xtio3薄膜或ba1-ysry(zrxti1-x)o3薄膜，所述pbxzr1-xtio3和baxsr1-xtio3中，0<x<1，所述ba1-ysry(zrxti1-x)o3中，0<x<1、0<y<1。

上述方法中，电极材料为pt、au、ni-cr或al等工业上常用电极材料。

上述方法的工艺步骤如下：

(1)在已制备有第一金属电极的衬底上采用射频磁控溅射法依次制备第一氧化物绝缘层、电介质薄膜、第二氧化物绝缘层，或者依次制备第一氧化物绝缘层、lanio3过渡层、电介质薄膜、第二氧化物绝缘层；

(2)对步骤(1)所制备的多层薄膜结构在大气气氛中进行退火处理；

(3)在经步骤(2)退火后的多层薄膜结构的第二氧化物绝缘层上制备第二金属电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于采用本发明所述方法，在电介质薄膜器件中引入了纳米级厚度的氧化物绝缘层，因而能有效抑制强电场作用下由金属电极向电介质薄膜的电荷注入而引起的薄膜漏电流增大，提高了电介质薄膜器件在强电场下的工作电压(见各实施例、对比例)，实验表明，电介质薄膜器件的工作电压为35v时漏电流密度不大于1×10^-5a/cm²(见各实施例)，部分电介质薄膜器件可耐受的最大直流电压可达80v。

2、由于本发明所述方法中氧化物绝缘层的制备与电介质薄膜的制备均采用射频磁控溅射法，因而氧化物绝缘层与电介质薄膜之间结合牢固并具有电学性能的稳定性，有利于抑制电介质薄膜器件在强电场下的漏电流，提高工作电压。

3、由于本发明所述方法通过射频磁控溅射法制备电介质薄膜和氧化物绝缘层，因而不仅能获得大面积的薄膜，而且所使用的设备为常规设备，操作简单，便于实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明所述方法形成的电介质薄膜器件的示意图，图中，1—si衬底，2—第一金属电极，3—第一氧化物绝缘层，4—lanio3过渡层，5—电介质薄膜，6—第二氧化物绝缘层，7—第二金属电极。

图2是实施例1中形成的具有srtio3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图3是对比例1中形成的无srtio3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图4是实施例2中形成的具有srtio3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图5是对比例2中形成的无srtio3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图6是实施例3中形成的具有cazro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图7是对比例3中形成的无cazro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图8是实施例4中形成的具有cazro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的的关系曲线。

图9是对比例4中形成的无cazro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图10是实施例5中形成的具有srzro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

图11是对比例5中形成的无srzro3绝缘层的电介质薄膜器件的漏电流密度与工作电压的关系曲线。

具体实施方式

以下通过实施例、对比例并结合附图对本发明所述提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法作进一步说明。

实施例1

本实施例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的第一srtio3层、厚度为60nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的pbtio3薄膜、厚度为30nm的第二srtio3层；制备第一srtio3层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间15min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备pbtio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:30(体积比)；制备第二srtio3层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间15min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的第二srtio3层上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-srtio3层-lanio3过渡层-pbtio3薄膜-srtio3层-au电极结构的电介质薄膜器件，如图1所示；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本实施例形成的电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图2所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为8×10^-7a/cm²，外加工作电压35v时，漏电流密度值约为2×10^-6a/cm²，最大可耐受电压80v(直流电压)，此时抗电强度为1.2×10⁵v/mm。

对比例1

本对比例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为60nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的pbtio3薄膜；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备pbtio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:30(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的pbtio3薄膜上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-lanio3过渡层-pbtio3薄膜-au电极结构的电介质薄膜器件，所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本对比例形成的电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图3所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为4×10^-2a/cm²。

实施例2

本实施例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为10nm的第一srtio3层、厚度为60nm的lanio3过渡层、厚度为800nm的pb0.52zr0.48tio3薄膜、厚度为10nm的第二srtio3层；制备第一srtio3层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间6min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备pb0.52zr0.48tio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度500℃，溅射时间300min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备第二srtio3层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间6min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于650℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的第二srtio3层上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-srtio3层-lanio3过渡层-pb0.52zr0.48tio3薄膜-srtio3层-au电极结构的电介质薄膜器件，如图1所示；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本实施例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图4所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为1×10^-6a/cm²，外加工作电压35v时，漏电流密度值约为6×10^-6a/cm²，最大可耐受电压35v(直流电压)，此时抗电强度为4×10⁴v/mm。

对比例2

本对比例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为60nm的lanio3过渡层、厚度为800nm的pb0.52zr0.48tio3薄膜；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率40w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备pb0.52zr0.48tio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度500℃，溅射时间300min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于650℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的pb0.52zr0.48tio3薄膜上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-lanio3过渡层-pb0.52zr0.48tio3薄膜-au电极结构的电介质薄膜器件，所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本对比例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图5所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为0.2a/cm²。

实施例3

本实施例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为10nm的第一cazro3层、厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为800nm的batio3薄膜、厚度为10nm的第二cazro3层；制备第一cazro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备batio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度500℃，溅射时间300min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备第二cazro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于650℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的第二cazro3层上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-cazro3层-lanio3过渡层-batio3薄膜-cazro3层-au电极结构的电介质薄膜器件，如图1所示；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本实施例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图6所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为2×10^-7a/cm²，外加工作电压35v时，漏电流密度值约为1.25×10^-6a/cm²，最大可耐受电压80v(直流电压)，此时抗电强度为9.4×10⁴v/mm。

对比例3

本对比例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为800nm的batio3薄膜；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备batio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度500℃，溅射时间300min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于650℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的batio3薄膜上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-lanio3过渡层-batio3薄膜-au电极结构的电介质薄膜器件，所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本对比例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图7所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为2×10^-2a/cm²。

实施例4

本实施例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的第一cazro3层、厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的ba0.67sr0.33tio3薄膜、厚度为30nm的第二cazro3层；制备第一cazro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备ba0.67sr0.33tio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备第二cazro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的第二cazro3层上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-cazro3层-lanio3过渡层-ba0.67sr0.33tio3薄膜-cazro3层-au电极结构的电介质薄膜器件，如图1所示；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本实施例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图8所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为3×10^-6a/cm²，外加工作电压35v时，漏电流密度值约为7×10^-6a/cm²，最大可耐受电压80v(直流电压)，此时抗电强度为1.25×10⁵v/mm。

对比例4

本对比例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的ba0.67sr0.33tio3薄膜；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备ba0.67sr0.33tio3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的ba0.67sr0.33tio3薄膜上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-lanio3过渡层-ba0.67sr0.33tio3薄膜-au电极结构的电介质薄膜器件；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本对比例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图9所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为1×10^-4a/cm²。

实施例5

本实施例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的第一srzro3层、厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜、厚度为30nm的第二srzro3层；制备第一srzro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:40(体积比)；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备第二srzro3层的工艺参数为：气压2pa，功率70w，衬底温度550℃，溅射时间30min，ar:o2＝40:40(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的第二srzro3层上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-srzro3层-lanio3过渡层-ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜-srzro3层-au电极结构的电介质薄膜器件，如图1所示；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本实施例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图10所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为1.5×10^-7a/cm²，外加工作电压35v时，漏电流密度值约为1.5×10^-6a/cm²，最大可耐受电压80v(直流电压)，此时抗电强度为1.25×10⁵v/mm。

对比例5

本对比例的步骤如下：

(1)在制备有第一金属电极pt电极的si衬底上采用射频溅射法(jgp-560c10超高真空多功能磁控溅射设备)依次制备厚度为30nm的lanio3过渡层、厚度为550nm的ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜；制备lanio3过渡层的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间10min，ar:o2＝40:10(体积比)；制备ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜的工艺参数为：气压2pa，功率50w，衬底温度550℃，溅射时间180min，ar:o2＝40:10(体积比)；

(2)将步骤(1)所制备的多层薄膜结构放入烧结炉，在大气气氛中于700℃退火1小时，然后随炉自然冷却至室温后取出；

(3)在经步骤(2)退火处理后的多层薄膜结构的ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜上制备图形化的第二金属电极au电极即形成pt电极-lanio3过渡层-ba0.3sr0.7zr0.18ti0.82o3薄膜-au电极结构的电介质薄膜器件；所述au电极为多个直径0.3mm的圆台，用kykysbc-12小型离子溅射仪制备，工艺参数为：气压5～6pa，等离子体电流6～8ma，溅射时间12min。

用铁电工作站对本对比例形成的铁电电介质薄膜器件进行漏电流特性测试，每次保压20s。测试结果如图11所示，外加工作电压10v时，漏电流密度值约为1×10^-5a/cm²。

从上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法能有效抑制强电场作用下由金属电极向电介质薄膜的电荷注入而引起的薄膜漏电流增大，提高了电介质薄膜器件在强电场下的工作电压。