專利名稱：一種高取向度pzt壓電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高取向度PZT壓電薄膜的制備方法
背景技術(shù)：
PZT壓電薄膜材料因其大的機(jī)電耦合系數(shù)大(K2為20. 25% )，能夠用于非易失性 存儲(chǔ)器和微機(jī)電設(shè)備、易于與Si集成，引起人們對(duì)其研究的極大興趣。PZT薄膜同樣可以通 過(guò)濺射、PLD等方法制備，但目前常用的制備方法是溶膠一凝膠法。它是一種較低成本的制 膜方法，具有薄膜組分易控、結(jié)構(gòu)致密、易大面積成膜、與IC工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是目前MEMS 技術(shù)中制備PZT薄膜廣泛采用的方法。用溶膠_凝膠法可獲得不錯(cuò)的薄膜性能，但膜厚不 易控制，重復(fù)性差，性能有待提高。磁控濺射法則無(wú)此弊端，與半導(dǎo)體工藝的兼容性好而得 到廣泛關(guān)注。磁控濺射法制備PZT薄膜重復(fù)性比溶膠_凝膠法制備的PZT薄膜重復(fù)性好、 壓電性更好，基于磁控濺射法制備PZT薄膜的電子器件、MEMS等是最有可能取得預(yù)期效果 的。目前，在PZT壓電薄膜的制備上盡管尚存在許多亟待解決的問(wèn)題，但不可否認(rèn)的是，PZT 在諸多方面仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。PZT薄膜器件的一種基本結(jié)構(gòu)是壓電薄膜夾在作為上下電極的導(dǎo)電膜間構(gòu)成三層 結(jié)構(gòu)。因?yàn)殍F電薄膜要淀積在下電極上，下電極結(jié)構(gòu)對(duì)于壓電薄膜至為關(guān)鍵。以前，人們用 的電極是Au、Ag、Pt等，它們的主要優(yōu)點(diǎn)是能抗高溫氧化，電阻率小，與大規(guī)模集成電路相 容性好。由于硅與PZT間失配嚴(yán)重，同時(shí)Si本身會(huì)向PZT擴(kuò)散，與PZT中的Ti發(fā)生反應(yīng)形 成TiSi化合物，因此采用Si作襯底時(shí)必須生長(zhǎng)一層過(guò)渡層，通常采用的結(jié)構(gòu)為Pt/Si02/ Si和Pt/Ti/Si02/Si。Ti能夠提高Pt和Si022間的結(jié)合力，3土02層則可以防止高溫條件 下電極材料與Si襯底發(fā)生反應(yīng)或互擴(kuò)散，改善界面特性。PZT是PbTi03和Pb&03以任何比例形成的連續(xù)固溶體，由于PbTi03和Pb&0兩者 之間性能的差異，對(duì)于不同鋯鈦比例的固溶體，因?yàn)閮?nèi)部條件的不同，微觀結(jié)構(gòu)和薄膜取向 也不相同，反映了從量變到質(zhì)變的差異。因而人們嘗試通過(guò)改變比從而影響PZT薄 膜的取向。PbTi03薄膜結(jié)晶溫度較低，利于沿c軸即(100)方向擇優(yōu)；而Pb&03結(jié)晶溫度高， 晶格常數(shù)較大。例如對(duì)鋯鈦比為(30/70)的富鋯PZT薄膜，由于其和襯底的界面上產(chǎn)生的 富鈦層對(duì)(100)晶相的促進(jìn)作用，在(100)方向的結(jié)晶度也較高。因而對(duì)于富鋯的PZT( 70/ 30)薄膜，一方面由于其晶格常數(shù)與結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)渡金屬相的晶格常數(shù)失配 較大，所以不易形成結(jié)晶核；另一方面由于前烘溫度相對(duì)較低，所以形成鈣鈦礦相的比例較 低。PZT薄膜結(jié)晶取向以及沿某一方向結(jié)晶度的多少對(duì)其性能影響很大。在壓電材料 為主形成的器件中PZT薄膜以(111)方向生長(zhǎng)性能優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，如何獲得完全(111)取 向的PZT薄膜是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo)之一。PZT壓電薄膜的其他取向如(110)、(100)對(duì)薄 膜的性能有極壞的影響。因而，PZT壓電薄膜的其他取向要盡量避免。

發(fā)明內(nèi)容
由于PZT材料具備突出的力電耦合性能，是制作寬帶寬BAW濾波器的首選材料。由 于硅與PZT間失配嚴(yán)重，同時(shí)Si本身會(huì)向PZT擴(kuò)散，與PZT中的Ti發(fā)生反應(yīng)，因此采用Si作 襯底時(shí)必須生長(zhǎng)一層過(guò)渡層，通常采用的結(jié)構(gòu)為Pt/Si02/Si和Pt/Ti/Si02/Si。Ti能夠提 高Pt和Si02之間的結(jié)合力，Si02層則可以防止高溫條件下電極材料與Si襯底發(fā)生反應(yīng)或 互擴(kuò)散，改善界面特性。為了得到具有良好取向的薄膜，通常在Pt上再生長(zhǎng)一層PbTi03 (PT) 作為種子層，以提高結(jié)晶性能、降低結(jié)晶溫度。另外，可以調(diào)整比，或進(jìn)行合適的摻雜 (如La、Mn、Mg、Ni等)，使材料改性，調(diào)整壓電薄膜的性能；薄膜制備過(guò)程中，常采用快速退 火工藝(RTP)，以降低退火溫度，縮短退火時(shí)間，提高晶化質(zhì)量。本發(fā)明的目的是為克服上述傳統(tǒng)的Si、Si02、Pt、PZT、上電極結(jié)構(gòu)中，PZT壓電薄 膜的生長(zhǎng)方向性難以得到保證。本發(fā)明所公開(kāi)的高取向性PZT壓電薄膜的制備方法，在采用PZT生長(zhǎng)中使用兩步 或多步法保證PZT方向性得以提高。包括以下步驟采用IC工業(yè)Si片常規(guī)清洗方法清洗Si片；在硅片上熱生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)Si02層；隨 后使用濺射法或CVD法淀積Ti層；之后使用濺射法或CVD法淀積Pt層；PZT層的生長(zhǎng)采用 兩步法。即采用M0CVD或?yàn)R射方法慢速生長(zhǎng)PT籽晶層(種子層)，然后提高濺射速率或旋 涂PZT層。在生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)PT層和PZT層進(jìn)行快速退火工藝(RTP)處理。RTP處理可以使得PZT材料具有更好的方向性。采用快速退火工藝，以降低退火溫 度到約300 400°C，縮短退火時(shí)間，提高晶化質(zhì)量。RTP溫度不同、鋯鈦比變化的PZT薄膜的多種溫度與鋯鈦比組合的樣品的x射線 衍射譜顯示，薄膜的晶向隨鋯鈦比、RTP溫度不同變化很大，即不同鋯鈦比PZT薄膜的(100) 和(111)取向相對(duì)強(qiáng)度的峰強(qiáng)變化很大。鋯鈦比為 30/ 70( 代表“大約”，下同)的 PZT薄膜擇優(yōu)是隨機(jī)的，(100)峰和(111)峰的強(qiáng)度相差不大。鋯鈦比為 50/ 50組分 的PZT薄膜呈高度(111)擇優(yōu)。在相圖中位于準(zhǔn)同型相界附近，其(111)晶相與過(guò)渡金屬 Pt的晶格失配率低于0.4%，大量(111)核在襯底與薄膜的界面形成，最終導(dǎo)致(111)高擇 優(yōu)取向的形成。而富鋯的鋯鈦比為 70/ 30的PZT薄膜的鈣鈦礦相結(jié)晶度不高，出現(xiàn)了 一些Pb-Pt過(guò)渡金屬相。溫度下不同鋯鈦比的PZT薄膜的x射線衍射譜?？梢钥闯觯∧さ木螂S鋯鈦比 的不同變化很大。因而，在RTP為300 400°C與鋯鈦比為 50/ 50的PZT薄膜呈高度 (111)擇優(yōu)取向。PZT壓電薄膜具有更高的擇優(yōu)取向，為(111)。該方法與傳統(tǒng)的Si、Si02、Pt、PZT、上電極結(jié)構(gòu)相比，PZT壓電薄膜具有更高的擇 優(yōu)取向和更大的機(jī)電耦合系數(shù)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法所述的PZT壓電薄膜的生長(zhǎng)材料順序圖。圖中1和2分別 為Si和Si02層；3為Ti層；4為Pt層；5為Pt層；六為PZT層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 采用IC工業(yè)Si片常規(guī)清洗方法清洗Si片，在硅片上熱生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)3102層lum 厚，隨后使用濺射法或CVD法淀積Ti層lOnm，之后使用濺射法或CVD法淀積Pt層lOOnm， PZT層的生長(zhǎng)采用兩步法。即采用MOCVD或?yàn)R射方法慢速生長(zhǎng)PT籽晶層(種子層)50nm， 然后提高濺射速率生長(zhǎng)或旋涂PZT層。在生長(zhǎng)PT結(jié)束之后、PZT之前，對(duì)PT層進(jìn)行快速退火工藝(RTP)處理一次。PZT 層生長(zhǎng)中，每300nm進(jìn)行一次快速退火工藝(RTP)處理實(shí)施例2:采用IC工業(yè)Si片常規(guī)清洗方法清洗Si片，在硅片上熱生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)Si02層 0. 5um厚，隨后使用濺射法或CVD法淀積TiO、Ti層各為75nm、lOOnm,之后使用濺射法或CVD 法淀積Pt層lOOnm，PZT層的生長(zhǎng)采用兩步法。即采用濺射方法慢速生長(zhǎng)PT籽晶層(種子 層)50nm,然后提高濺射速率生長(zhǎng)或旋涂PZT層。在生長(zhǎng)PT結(jié)束之后、PZT之前，對(duì)PT層進(jìn)行快速退火工藝(RTP)處理一次。PZT 層生長(zhǎng)中，每300nm進(jìn)行一次快速退火工藝(RTP)處理。
權(quán)利要求
高取向度PZT壓電薄膜的制備方法。其特征在于在硅片上從下而上先后生長(zhǎng)SiO2層、Ti層、Pt層、PbTiO3層(又名PT層，用作籽晶層、種子層，采用MOCVD或?yàn)R射、或MBE方法制作)、PZT層(旋涂或?yàn)R射)、上電極層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在PT和PZT生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)PT層、PZT層進(jìn)行快速退火處理 (RTP) 一次到多次，退火溫度控制在300 400°C。該方法與傳統(tǒng)的硅、二氧化硅、Pt、PZT、 上電極結(jié)構(gòu)相比，PZT壓電薄膜具有更高的擇優(yōu)取向和更大的機(jī)電耦合系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在PZT生長(zhǎng)過(guò)程所用材料中通過(guò)調(diào)整比，并可進(jìn)行合 適的摻雜(如La、Mn、Mg、Ni等)，使壓電薄膜PZT的性能得到提高。Zr/Ti比為 0/ 50、 RTP退火溫度約300 400°C時(shí)得到PZT壓電薄膜的擇優(yōu)取向?yàn)?111)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高取向度PZT壓電薄膜的制備方法。其特征在于在硅片上先后生長(zhǎng)SiO2層、Ti層、Pt層、PbTiO3(簡(jiǎn)寫PT層，用作籽晶層或稱種子層，采用MOCVD或?yàn)R射或MBE方法制作)、PZT層(旋涂或?yàn)R射)、上電極層。在PT和PZT生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)PT層、PZT層進(jìn)行一次或多次快速退火處理(RTP)。該方法與傳統(tǒng)的硅/二氧化硅/Pt/PZT/上電極結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明公開(kāi)的PZT壓電薄膜具有更高的擇優(yōu)取向和更大的機(jī)電耦合系數(shù)。
文檔編號(hào)C23C16/44GK101864568SQ20091002948
公開(kāi)日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者馮士維, 鐘素娟 申請(qǐng)人:馮士維;鐘素娟