专利名称:一种高取向度pzt压电薄膜的制备方法
技术领域:
本发明涉及一种高取向度PZT压电薄膜的制备方法
背景技术:
PZT压电薄膜材料因其大的机电耦合系数大(K2为20. 25% ),能够用于非易失性 存储器和微机电设备、易于与Si集成,引起人们对其研究的极大兴趣。PZT薄膜同样可以通 过溅射、PLD等方法制备,但目前常用的制备方法是溶胶一凝胶法。它是一种较低成本的制 膜方法,具有薄膜组分易控、结构致密、易大面积成膜、与IC工艺兼容等优点,是目前MEMS 技术中制备PZT薄膜广泛采用的方法。用溶胶_凝胶法可获得不错的薄膜性能,但膜厚不 易控制,重复性差,性能有待提高。磁控溅射法则无此弊端,与半导体工艺的兼容性好而得 到广泛关注。磁控溅射法制备PZT薄膜重复性比溶胶_凝胶法制备的PZT薄膜重复性好、 压电性更好,基于磁控溅射法制备PZT薄膜的电子器件、MEMS等是最有可能取得预期效果 的。目前,在PZT压电薄膜的制备上尽管尚存在许多亟待解决的问题,但不可否认的是,PZT 在诸多方面仍然具有广阔的应用前景。PZT薄膜器件的一种基本结构是压电薄膜夹在作为上下电极的导电膜间构成三层 结构。因为铁电薄膜要淀积在下电极上,下电极结构对于压电薄膜至为关键。以前,人们用 的电极是Au、Ag、Pt等,它们的主要优点是能抗高温氧化,电阻率小,与大规模集成电路相 容性好。由于硅与PZT间失配严重,同时Si本身会向PZT扩散,与PZT中的Ti发生反应形 成TiSi化合物,因此采用Si作衬底时必须生长一层过渡层,通常采用的结构为Pt/Si02/ Si和Pt/Ti/Si02/Si。Ti能够提高Pt和Si022间的结合力,3土02层则可以防止高温条件 下电极材料与Si衬底发生反应或互扩散,改善界面特性。PZT是PbTi03和Pb&03以任何比例形成的连续固溶体,由于PbTi03和Pb&0两者 之间性能的差异,对于不同锆钛比例的固溶体,因为内部条件的不同,微观结构和薄膜取向 也不相同,反映了从量变到质变的差异。因而人们尝试通过改变比从而影响PZT薄 膜的取向。PbTi03薄膜结晶温度较低,利于沿c轴即(100)方向择优;而Pb&03结晶温度高, 晶格常数较大。例如对锆钛比为(30/70)的富锆PZT薄膜,由于其和衬底的界面上产生的 富钛层对(100)晶相的促进作用,在(100)方向的结晶度也较高。因而对于富锆的PZT( 70/ 30)薄膜,一方面由于其晶格常数与结晶过程中产生的过渡金属相的晶格常数失配 较大,所以不易形成结晶核;另一方面由于前烘温度相对较低,所以形成钙钛矿相的比例较 低。PZT薄膜结晶取向以及沿某一方向结晶度的多少对其性能影响很大。在压电材料 为主形成的器件中PZT薄膜以(111)方向生长性能优势相当明显,如何获得完全(111)取 向的PZT薄膜是人们长期追求的目标之一。PZT压电薄膜的其他取向如(110)、(100)对薄 膜的性能有极坏的影响。因而,PZT压电薄膜的其他取向要尽量避免。
发明内容
由于PZT材料具备突出的力电耦合性能,是制作宽带宽BAW滤波器的首选材料。由 于硅与PZT间失配严重,同时Si本身会向PZT扩散,与PZT中的Ti发生反应,因此采用Si作 衬底时必须生长一层过渡层,通常采用的结构为Pt/Si02/Si和Pt/Ti/Si02/Si。Ti能够提 高Pt和Si02之间的结合力,Si02层则可以防止高温条件下电极材料与Si衬底发生反应或 互扩散,改善界面特性。为了得到具有良好取向的薄膜,通常在Pt上再生长一层PbTi03 (PT) 作为种子层,以提高结晶性能、降低结晶温度。另外,可以调整比,或进行合适的掺杂 (如La、Mn、Mg、Ni等),使材料改性,调整压电薄膜的性能;薄膜制备过程中,常采用快速退 火工艺(RTP),以降低退火温度,缩短退火时间,提高晶化质量。本发明的目的是为克服上述传统的Si、Si02、Pt、PZT、上电极结构中,PZT压电薄 膜的生长方向性难以得到保证。本发明所公开的高取向性PZT压电薄膜的制备方法,在采用PZT生长中使用两步 或多步法保证PZT方向性得以提高。包括以下步骤采用IC工业Si片常规清洗方法清洗Si片;在硅片上热生长方法生长Si02层;随 后使用溅射法或CVD法淀积Ti层;之后使用溅射法或CVD法淀积Pt层;PZT层的生长采用 两步法。即采用M0CVD或溅射方法慢速生长PT籽晶层(种子层),然后提高溅射速率或旋 涂PZT层。在生长过程中,对PT层和PZT层进行快速退火工艺(RTP)处理。RTP处理可以使得PZT材料具有更好的方向性。采用快速退火工艺,以降低退火温 度到约300 400°C,缩短退火时间,提高晶化质量。RTP温度不同、锆钛比变化的PZT薄膜的多种温度与锆钛比组合的样品的x射线 衍射谱显示,薄膜的晶向随锆钛比、RTP温度不同变化很大,即不同锆钛比PZT薄膜的(100) 和(111)取向相对强度的峰强变化很大。锆钛比为 30/ 70( 代表“大约”,下同)的 PZT薄膜择优是随机的,(100)峰和(111)峰的强度相差不大。锆钛比为 50/ 50组分 的PZT薄膜呈高度(111)择优。在相图中位于准同型相界附近,其(111)晶相与过渡金属 Pt的晶格失配率低于0.4%,大量(111)核在衬底与薄膜的界面形成,最终导致(111)高择 优取向的形成。而富锆的锆钛比为 70/ 30的PZT薄膜的钙钛矿相结晶度不高,出现了 一些Pb-Pt过渡金属相。温度下不同锆钛比的PZT薄膜的x射线衍射谱。可以看出,薄膜的晶向随锆钛比 的不同变化很大。因而,在RTP为300 400°C与锆钛比为 50/ 50的PZT薄膜呈高度 (111)择优取向。PZT压电薄膜具有更高的择优取向,为(111)。该方法与传统的Si、Si02、Pt、PZT、上电极结构相比,PZT压电薄膜具有更高的择 优取向和更大的机电耦合系数。
图1是根据本发明方法所述的PZT压电薄膜的生长材料顺序图。图中1和2分别 为Si和Si02层;3为Ti层;4为Pt层;5为Pt层;六为PZT层。
具体实施例方式实施例1 采用IC工业Si片常规清洗方法清洗Si片,在硅片上热生长方法生长3102层lum 厚,随后使用溅射法或CVD法淀积Ti层lOnm,之后使用溅射法或CVD法淀积Pt层lOOnm, PZT层的生长采用两步法。即采用MOCVD或溅射方法慢速生长PT籽晶层(种子层)50nm, 然后提高溅射速率生长或旋涂PZT层。在生长PT结束之后、PZT之前,对PT层进行快速退火工艺(RTP)处理一次。PZT 层生长中,每300nm进行一次快速退火工艺(RTP)处理实施例2:采用IC工业Si片常规清洗方法清洗Si片,在硅片上热生长方法生长Si02层 0. 5um厚,随后使用溅射法或CVD法淀积TiO、Ti层各为75nm、lOOnm,之后使用溅射法或CVD 法淀积Pt层lOOnm,PZT层的生长采用两步法。即采用溅射方法慢速生长PT籽晶层(种子 层)50nm,然后提高溅射速率生长或旋涂PZT层。在生长PT结束之后、PZT之前,对PT层进行快速退火工艺(RTP)处理一次。PZT 层生长中,每300nm进行一次快速退火工艺(RTP)处理。
权利要求
高取向度PZT压电薄膜的制备方法。其特征在于在硅片上从下而上先后生长SiO2层、Ti层、Pt层、PbTiO3层(又名PT层,用作籽晶层、种子层,采用MOCVD或溅射、或MBE方法制作)、PZT层(旋涂或溅射)、上电极层。
2.根据权利要求1所述的在PT和PZT生长过程中,对PT层、PZT层进行快速退火处理 (RTP) 一次到多次,退火温度控制在300 400°C。该方法与传统的硅、二氧化硅、Pt、PZT、 上电极结构相比,PZT压电薄膜具有更高的择优取向和更大的机电耦合系数。
3.根据权利要求1所述的在PZT生长过程所用材料中通过调整比,并可进行合 适的掺杂(如La、Mn、Mg、Ni等),使压电薄膜PZT的性能得到提高。Zr/Ti比为 0/ 50、 RTP退火温度约300 400°C时得到PZT压电薄膜的择优取向为(111)。
全文摘要
本发明公开了一种高取向度PZT压电薄膜的制备方法。其特征在于在硅片上先后生长SiO2层、Ti层、Pt层、PbTiO3(简写PT层,用作籽晶层或称种子层,采用MOCVD或溅射或MBE方法制作)、PZT层(旋涂或溅射)、上电极层。在PT和PZT生长过程中,对PT层、PZT层进行一次或多次快速退火处理(RTP)。该方法与传统的硅/二氧化硅/Pt/PZT/上电极结构相比,本发明公开的PZT压电薄膜具有更高的择优取向和更大的机电耦合系数。
文档编号C23C16/44GK101864568SQ20091002948
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者冯士维, 钟素娟 申请人:冯士维;钟素娟