梯度組分BST薄膜的制備及其電學性能的研究

項超

(湖北師范學院 研究生處,湖北 黃石 435002)

隨著通信技術的日益發展，越來越要求微波調制器件具有優異的綜合介電性能，從而要求器件的介質薄膜具有高的介電調諧率、低的介質損耗及低的介電溫度系數.因此,研發具有該性能特征的薄膜材料已成為材料研究領域競相角逐的一個對象[1].無鉛系鐵電薄膜Ba1-xSrxTiO3(簡稱BST)由于具有非線性強、漏電流小、不易疲勞、居里溫度在100～400 K內可調等特點[2]，BST薄膜被認為是微波調制器件的首選材料[3].

要實現BST薄膜在微波調制器件領域的應用，BST薄膜必須滿足上述性能要求.單層BST薄膜雖然具有較高的介電調諧率,但也具有較高的介質損耗及介電溫度系數,而且該介質損耗及介電溫度系數通過制備工藝及晶化工藝的改善都難以降低,難以滿足應用要求[4].目前,一種比較可行的方法是制備梯度組分薄膜材料.考慮到每一組分膜越薄,組分越多，梯度變化越緩慢越有利于梯度薄膜的形成.同時綜合各個組成成份的特點,得到整體的平均性能,緩解材料兩側的應力差,有利于提高薄膜材料的電學性能.在制作薄膜器件方面梯度組分薄膜有著非常大的應用前景,引起了廣泛的關注[5].

制備梯度組分BST薄膜的方法有很多,包括脈沖激光沉積(PLD)、磁控濺射(RF)、溶膠-凝膠法(sol-gel)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)等，其中磁控濺射法由于具有組分均勻、膜層質量好、可大面積成膜、與IC工藝兼容性好等優點而成為制備薄膜的首選方法.本文采用射頻磁控濺射法制備了梯度組分BST薄膜,研究了不同梯度組分對薄膜的結構和電性能的影響.

1 實驗

選用Si(100)為襯底,用標準的RCA工藝清洗片，SiO2層是通過普通的半導體熱氧化工藝——干氧/濕氧/干氧,在Si(100)基片上氧化而成,厚約300 nm.Pt層和Ti層均由直流濺射法制備,厚度分別約為200 nm和300 nm.在此結構中SiO2既是擴散阻檔層也是熱絕緣層,Ti膜起著緩沖并增加Pt膜附著力的作用.隨后應用射頻磁控濺射法在Pt/Ti/SiO2襯底上沉積梯度組分BST薄膜,其具體工藝條件如表1所示.

沉積后的梯度組分薄膜在管式爐中升溫到700 ℃退火1 h，自然冷卻到室溫.梯度組分薄膜的結晶取向通過日本理學公司生產的D/max-Ⅲc型X射線衍射(XRD)儀分析;梯度薄膜的厚度用臺階儀測量;用原子力顯微鏡(AFM)觀察羅文梯度薄膜的表面形貌.用HP4192A 低頻阻抗分析儀測試梯度組分BST薄膜的介電性能,測試前采用掩模通過直流濺射法在梯度組分BST薄膜表面鍍上圓形的Pt電極(φ=0.3 mm),測試頻率為1 kHz～1 MHz,測試溫度為-1～25 ℃.

表1 射頻磁控濺射法沉積薄膜工藝參數

2 實驗結果與討論

圖1 在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上沉積的上梯度和下梯度組分BST薄膜的XRD圖

2.1 X射線衍射分析圖1給出了相同條件下沉積在Pt/Ti/SiO2/Si襯底上的上梯度和下梯度BST薄膜的XRD圖.從圖中可以看出,上、下梯度BST薄膜都具有比較明顯的鈣鈦礦相衍射峰，且為多晶結構，無第二相形成.但是下梯度BST薄膜具有較高的(100)、(110)和(200)衍射峰,顯示下梯度組分薄膜晶化程度較好.下梯度膜的沉積順序是從BT到Ba0.7Sr0.3TiO3,先沉積的BT影響著后來沉積的其它不同組分的BST,因此BT膜層充當了較好的種子層,改善了BST薄膜的晶化程度和致密性.

2.2 AFM微觀形貌分析圖2給出了對應于上、下梯度組分BST薄膜的掃描圖，梯度薄膜表面無裂紋，相比而言，下梯度組分BST薄膜的晶粒更加均勻，表面更加平整.

圖2 上、下梯度組分BST薄膜的SEM圖

圖3 上、下梯度組分BST薄膜的AFM 3-D圖

圖3是上、下梯度組分薄膜的3D原子力顯微圖，結果顯示下梯度薄膜表面更加平整，其RMS為3.385 nm,小于上梯度薄膜的RMS(4.678),這可能是由于在下梯度組分BST薄膜中,底層的BT膜可以作為種子層,對接下來的BST薄膜層的晶化有促進作用,這將會使梯度薄膜表面更加平整.

圖4 上、下組分梯度BST薄膜的介電頻譜圖

2.3 BST組分梯度薄膜的介電性能分析圖4是相同條件下沉積在襯底上的上梯度和下梯度BST薄膜的介電頻譜圖，在低頻(<100 kHz)時，介電常數和介電損耗都隨頻率的增加呈指數減小，這是由于空間電荷和Maxwell-Wagner類型的界面極化造成的[6].空間電荷極化與非均勻的電荷堆積、梯度組分薄膜中的多界面相聯系.在高頻(>100 kHz)區,介電常數和介電損耗都沒有明顯的色散現象.相比較而言,下梯度薄膜的介電常數比上梯度薄膜的大,而介電損耗比上梯度薄膜的小.BST薄膜的熱膨脹系數為aBST=3.8～4.0×10-6/℃，它比Pt(111)的熱膨脹系數(aPt=9.0×10-6/℃)要小，而BST的晶格常數(aBST=0.395 2 nm，aBT=0.398 2 nm)比Pt的晶格常數(aPt=0.392 3 nm)要大，因此，熱膨脹系數的差異和晶格失配導致薄膜中不同的應力場，而這種應力場對梯度組分BST薄膜的電學性能有著顯著的影響.不僅如此,下梯度組分薄膜中,BT層不僅作為一個底層,而且是一個很好的種子層,它有助于接下來的BST層的晶化,增強了梯度組分BST薄膜的介電性能.在200 kHz時，上、下梯度組分BST薄膜的介電常數分別為253.3和343.75，介電損耗分別為0.063和0.025.

圖5給出了在室溫下、1 MHz、10 V(200 kV/cm)偏壓時上、下梯度組分BST薄膜的C-E曲線，測得上、下梯度薄膜的介電可調分別是49.2%和45.86%.此時盡管下梯度薄膜的可調特性稍微小于上梯度薄膜,但下梯度薄膜的損耗(0.025)要遠小于上梯度薄膜(0.063).薄膜的調諧性能通常用優值因子(FOM)來衡量,因此可以得到下梯度組分薄膜的優值因子為18.34,要遠大于上梯度組分薄膜的優值因子7.81.

圖5 上、下組分梯度BST薄膜的C-E曲線

3 結論

采用射頻磁控濺射法在Pt/Ti/SiO2襯底上制備了上、下梯度組分BST薄膜，研究表明：上、下梯度組分BST薄膜所有的特征衍射峰都清晰可見，下梯度組分BST薄膜具有較強的(100)、(110)和(200)衍射峰，表面無裂紋，結構較為致密，晶化程度良好；在200 kHz時，上、下梯度組分薄膜的介電常數分別為253.3和343.75,介電損耗分別為0.063和0.025;在250 kV/cm偏置電場下，上、下梯度組分薄膜的介電可調分別為49.2%和45.86%,比較接近.但是下梯度組分薄膜的優值因子遠大于上梯度組分薄膜的優值因子,說明下梯度組分BST薄膜是比較理想的介電調諧材料,用于微波調制器件是可行的.

參考文獻：

[1] 張慧,廖家軒,田忠,等.梯度多層BST薄膜介電性能研究[J].電子元件與材料,2006,10(1):10-13.

[2] 劉梅冬,許毓春.壓電鐵電材料與器件[M].武漢:華中理工大學出版社,1990:44-154.

[3] Kumar A,Manavalan S G.Dielectric and structure properties of pulsed laser deposition and sputtered barium strontium titanate thin films[J].Materials Science and Engineering B,2007,139(2/3):177-185.

[4] 肖定全.鐵電薄膜的物理性能及應用[J].物理,1995,24(7)：433-438.

[5] Hashimoto,Kazuhiko,Xu H,et al.Simonolithic micro-bolometers of ferroelectric BST thin films combined with readout FET for uncooled infrared image sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical 2001,88(1):10-19.

[6] Liao J X,Yang C R,Zhang J H.The interfacial structures of (Ba,Sr)TiO3films deposited by radio frequency magnetron sputtering[J].Applied Surface,2006,252(20):7407-7417.