CN110349750B - 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法 - Google Patents

一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110349750B
CN110349750B CN201910623375.6A CN201910623375A CN110349750B CN 110349750 B CN110349750 B CN 110349750B CN 201910623375 A CN201910623375 A CN 201910623375A CN 110349750 B CN110349750 B CN 110349750B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thin film
film
dielectric thin
insulating layer
metal electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910623375.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110349750A (zh
Inventor
余萍
陈潇洋
张仪
丁明建
庄彤
莫桃兰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangzhou Tianji Electronic Technology Co ltd
Sichuan University
Original Assignee
Guangzhou Tianji Electronic Technology Co ltd
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangzhou Tianji Electronic Technology Co ltd, Sichuan University filed Critical Guangzhou Tianji Electronic Technology Co ltd
Priority to CN201910623375.6A priority Critical patent/CN110349750B/zh
Publication of CN110349750A publication Critical patent/CN110349750A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110349750B publication Critical patent/CN110349750B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/088—Oxides of the type ABO3 with A representing alkali, alkaline earth metal or Pb and B representing a refractory or rare earth metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/58—After-treatment
    • C23C14/5806—Thermal treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/08—Inorganic dielectrics
    • H01G4/12—Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1218—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on titanium oxides or titanates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/08—Inorganic dielectrics
    • H01G4/12—Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1236—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on zirconium oxides or zirconates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002—Details
    • H01G4/018—Dielectrics
    • H01G4/06—Solid dielectrics
    • H01G4/08—Inorganic dielectrics
    • H01G4/12—Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • H01G4/1236—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on zirconium oxides or zirconates
    • H01G4/1245—Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material based on zirconium oxides or zirconates containing also titanates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/33—Thin- or thick-film capacitors 

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

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。制备氧化物绝缘层的氧化物为SrTiO3、CaZrO3、SrZrO3中的一种。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，提高电介质薄膜器件在强电场下的工作电压。

Description

一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法
技术领域
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。Hao Yang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,et al.Acs Appl Mater Inter,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。
发明内容
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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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KYKY SBC-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。

Claims (2)

1.一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，其特征在于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；所述电介质薄膜为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；制备氧化物绝缘层的氧化物为SrTiO3、CaZrO3、SrZrO3中的一种。
2.根据权利要求1所述提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法，其特征在于氧化物绝缘层的厚度为10nm～30nm。
CN201910623375.6A 2019-07-10 2019-07-10 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法 Active CN110349750B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910623375.6A CN110349750B (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910623375.6A CN110349750B (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110349750A CN110349750A (zh) 2019-10-18
CN110349750B true CN110349750B (zh) 2021-03-19

Family

ID=68175813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910623375.6A Active CN110349750B (zh) 2019-07-10 2019-07-10 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110349750B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111739736B (zh) * 2020-06-29 2021-11-30 陕西理工大学 一种具有高储能密度的柔性薄膜电容器及制备方法
CN112921288B (zh) * 2021-01-25 2023-04-07 齐鲁工业大学 一种制备高储能密度BaTiO3铁电薄膜的方法及其产品与应用
CN113012939B (zh) * 2021-02-22 2022-09-09 四川大学 高耐电压低损耗硅基薄膜电容器及其制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH059724A (ja) * 1991-07-09 1993-01-19 Shinkuron:Kk 透明導電膜の形成方法
CN1692506A (zh) * 2002-11-07 2005-11-02 富士通株式会社 薄膜叠层体、采用该薄膜叠层体的电子装置、及调节器以及调节器的制造方法
CN1732540A (zh) * 2002-12-27 2006-02-08 Tdk株式会社 薄膜电容器及其制造方法
CN1741271A (zh) * 2004-07-06 2006-03-01 三星电子株式会社 具有混合电介质层的半导体集成电路器件及其制造方法
CN101295763A (zh) * 2007-04-25 2008-10-29 台湾积体电路制造股份有限公司 电阻式存储器装置及电阻式随机存取存储器堆叠结构
CN101364657A (zh) * 2008-09-28 2009-02-11 电子科技大学 具有复合电极结构的介电薄膜及其制备方法
CN103839928A (zh) * 2014-03-05 2014-06-04 欧阳俊 一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH059724A (ja) * 1991-07-09 1993-01-19 Shinkuron:Kk 透明導電膜の形成方法
CN1692506A (zh) * 2002-11-07 2005-11-02 富士通株式会社 薄膜叠层体、采用该薄膜叠层体的电子装置、及调节器以及调节器的制造方法
CN1732540A (zh) * 2002-12-27 2006-02-08 Tdk株式会社 薄膜电容器及其制造方法
CN1741271A (zh) * 2004-07-06 2006-03-01 三星电子株式会社 具有混合电介质层的半导体集成电路器件及其制造方法
CN101295763A (zh) * 2007-04-25 2008-10-29 台湾积体电路制造股份有限公司 电阻式存储器装置及电阻式随机存取存储器堆叠结构
CN101364657A (zh) * 2008-09-28 2009-02-11 电子科技大学 具有复合电极结构的介电薄膜及其制备方法
CN103839928A (zh) * 2014-03-05 2014-06-04 欧阳俊 一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110349750A (zh) 2019-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110349750B (zh) 一种提高强电场下电介质薄膜器件工作电压的方法
CN112447413B (zh) 高储能密度、高储能效率的afe电容器的制备、反铁电薄膜层及制备、柔性afe电容器
KR20010097673A (ko) 박막형 슈퍼 캐패시터 및 그 제조방법
CN109234679B (zh) 一种双层pnzst钙钛矿反铁电薄膜及其制备方法
Li et al. Dielectric properties and electrical behaviors of tunable Bi1. 5MgNb1. 5O7 thin films
CN1790569B (zh) 电介质薄膜、薄膜电介质元件及其制造方法
CN111676456B (zh) 一种自组装Ba(Hf,Ti)O3:HfO2纳米复合无铅外延单层薄膜及其制备方法
CN106601903A (zh) c轴高度取向的钛酸钡薄膜及其在中低温下的原位制法
CN111525024B (zh) 铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用
JP4665866B2 (ja) バルブ金属複合電極箔の製造方法
JP2017535048A (ja) Ｒｆ電力アプリケーションのための可変電力用コンデンサ
Wu et al. High-performance flexible dielectric tunable BTS thin films prepared on copper foils
US9595399B2 (en) Solid-state ion capacitor
JP4604939B2 (ja) 誘電体薄膜、薄膜誘電体素子およびその製造方法
CN116264132A (zh) 电容器及其制备方法
CN112921288B (zh) 一种制备高储能密度BaTiO3铁电薄膜的方法及其产品与应用
JP3471655B2 (ja) 高誘電体薄膜コンデンサの製造方法
JP2008252019A (ja) 薄膜キャパシタの製造方法
JP4665854B2 (ja) バルブ金属複合電極箔およびその製造方法
TWI737571B (zh) 電容器之高比容正負極薄膜製造方法
KR20210019152A (ko) 높은 유전상수 및 낮은 누설전류를 갖는 스트론튬 티타네이트 기반 유전막의 제조방법 및 상기 스트론튬 티타네이트 기반 유전막을 구비하는 커패시터의 제조방법
KR100567394B1 (ko) 박막형 슈퍼 캐패시터
WO2023223677A1 (ja) キャパシタ、電気回路、回路基板、機器、及び蓄電デバイス
JP2003218227A (ja) 高誘電体薄膜コンデンサ及びその製造方法
WO2015198882A1 (ja) Ｐｚｔ薄膜積層体及びｐｚｔ薄膜積層体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 610065, No. 24, south section of first ring road, Chengdu, Sichuan, Wuhou District

Applicant after: SICHUAN University

Applicant after: Guangzhou Tianji Electronic Technology Co.,Ltd.

Address before: 610065, No. 24, south section of first ring road, Chengdu, Sichuan, Wuhou District

Applicant before: SICHUAN University

Applicant before: AURORA TECHNOLOGIES Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant