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技术

本发明专利技术公开了铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用。其方法为：在300～400℃条件下，在基体表面由下向上依次磁控溅射底电极、缓冲层、铁酸铋膜，降低温度至室温，在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极，所述缓冲层的材质为能够与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物。本发明专利技术能够降低制备铁酸铋膜材料的温度至450℃以下，且该铁酸铋膜材料具有较高的极化强度。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及电子材料开发和薄膜材料制备技术，具体涉及铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。近年来，铁电材料，尤其是铁电膜因具有良好的铁电、压电、介电、光电、热释电等特性，在高容量存储器、高密度电容器、微机电系统等方面有着广泛的应用前景，是目前科学研究的前沿和热点之一。其中，铁酸铋是一种在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的多铁性材料，具有剩余极化大、介电常数高、压电响应快、能带带隙窄、结晶温度低、环境友好等优点。多种性质的共存、耦合可以实现新型器件设计的小型化、集成化和多功能化。因此，多种铁性的共存以及优异的性能决定了铁酸铋在传感器、存储器、驱动器、光学器件、自旋电子器件等领域的广阔应用前景。本专利技术的专利技术人经过研究发现，在铁酸铋的实际应用中，存在着制备温度高、漏电流大等问题。高的热处理温度不仅会加剧漏电、界面扩散等问题，还会由于挥发性Bi2O3的损失而导致缺陷扩散、化学价态与元素计量比不稳定等问题，而且高温也使铁酸铋膜与CMOS-Si技术、大规模集成电路的兼容性面临巨大挑战。这些问题使铁酸铋膜难以获得理想的电滞回线且易被击穿，难以与应用技术接轨，严重时将导致器件失效。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用，能够降低制备铁酸铋膜材料的温度至300～400℃，使铁酸铋膜与CMOS-Si技术、大规模集成电路相兼容，且该铁酸铋膜材料具有较高的极化强度。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一方面，一种低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，在300～400℃条件下，在基体表面由下向上依次磁控溅射底电极、缓冲层、铁酸铋膜，降低温度至室温，在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极，所述缓冲层的材质为能够与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物。首先，经过研究发现，若将铁酸铋直接与底电极接触，在低温(≤400℃)下，不利于铁酸铋结晶，从而难以制备铁酸铋膜。本专利技术添加与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物作为缓冲层，能够保证铁酸铋在低温下结晶长大，从而形成铁酸铋膜。经过实验发现，本专利技术能够实现铁酸铋膜的低温制备，增强低温制备的铁酸铋膜材料的极化强度。另一方面，一种铁酸铋膜材料，由上述低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法获得。本专利技术提供的铁酸铋膜材料具有较高的极化强度，尤其是具有较高的剩余极化值。由于本专利技术提供的铁酸铋膜材料具有较高的剩余极化值，即具有较高的铁电性能，有利于传感器、存储器、驱动器、光学器件、自旋电子器件等性能的提高，因而本专利技术第三方面，一种上述铁酸铋膜材料在传感器、存储器、驱动器、光学器件或自旋电子器件中的应用。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术制备工艺中材料体系的沉积温度较低(300～400℃)，有利于大面积硅集成电路的应用；低的制备温度大大降低了体系中元素的挥发，避免了界面扩散、材料氧空位等缺陷的产生，获得了具有优异性能的膜材料，其剩余极化强度高达60～70μC/cm2。2.本专利技术以与铁酸铋晶格匹配的导电氧化物作为缓冲层，利于铁酸铋在低温下结晶，优化电学性能。3.本专利技术铁酸铋膜材料不含毒性元素，绿色环保；制备工艺流程、设备操作简单，所用原材料均为市场所售，成本较低，易于器件集成，适合于工业化推广及生产。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例1制备铁酸铋膜材料体系的结构示意图，1-基体、2-底电极、3-缓冲层、4-铁酸铋膜、5-顶电极。图2为本专利技术实施例1制备铁酸铋膜的XRD图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。鉴于现有铁酸铋在集成技术或应用中，以及铁酸铋膜材料中，存在制备温度与极化强度无法同时满足的问题，本专利技术提出了铁酸铋膜材料、低温在硅基底上集成制备铁酸铋膜的方法及应用。本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，在300～400℃条件下，在基体表面由下向上依次磁控溅射底电极、缓冲层、铁酸铋膜，降低温度至室温，在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极。所述缓冲层的材质为能够与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物。本专利技术添加与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物作为缓冲层，能够诱导铁酸铋在低温下结晶，从而形成结晶良好的铁酸铋膜，从而使低温制备的铁酸铋膜材料具有较高的极化强度。本专利技术所述的基体材质为硅和或二氧化硅等硅材料。由于硅材料的处理温度需要在低温下进行，因而本专利技术的方法能够有助于铁酸铋膜在硅集成电路中的应用。本专利技术中的参数范围若下限数据中指明单位，则默认为与上限数据单位一致，例如10～30min中“10”的单位默认为min。经过实验发现，降低铁酸铋膜的制备温度带来的极化强度降低的问题，为了解决该问题，该实施方式的一种或多种实施例中，磁控溅射铁酸铋膜后，进行保温，再降温，然后在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极，所述保温为含氧气氛下，保持温度300～400℃，保持时间10～30min。增加保温过程能够使低温制备的铁酸铋膜材料具有较高的极化强度。含氧气氛是指纯氧气氛或氧气与其他气体的混合气氛(例如空气)。该系列实施例中，保温过程中，氧气的气压或氧气的分压为为1Pa～30kPa。例如1～9Pa、1～7Pa、1～5Pa、1～3Pa、2～9Pa、2～7Pa、2～5Pa、2～3Pa、3～9Pa、3～7Pa、3～5Pa、5～9Pa、5～7Pa、5～6Pa、7～9Pa、7～8Pa、8～9Pa、2.5～10Pa、2.5～100Pa、2.5Pa～10kPa、2.5Pa～30kPa、5Pa～30kPa、10Pa～30kPa、100Pa～30kPa、1～30kPa、10～30kPa、20～30kPa等。该系列实施例中，降温至50～100℃，将气氛改为空气氛围，再降低至室温，然后在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极。该实施方式的一种或多种实施例中，磁控溅射铁酸铋膜中，气氛为氩气和氧气的混合气氛，氩气和氧气的体积比为30～110：5～30。该实施方式的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，其特征是，在300～400℃条件下，在基体表面由下向上依次磁控溅射底电极、缓冲层、铁酸铋膜，降低温度至室温，降低温度至室温，在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极；所述缓冲层的材质为能够与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物。/n

【技术特征摘要】
1.一种低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，其特征是，在300～400℃条件下，在基体表面由下向上依次磁控溅射底电极、缓冲层、铁酸铋膜，降低温度至室温，降低温度至室温，在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极；所述缓冲层的材质为能够与铁酸铋晶格匹配的钙钛矿结构的导电氧化物。


2.如权利要求1所述的低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，其特征是，磁控溅射铁酸铋膜后，进行保温，再降温，然后在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极，所述保温为含氧气氛下，保持温度300～400℃，保持时间10～30min。


3.如权利要求2所述的低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，其特征是，保温过程中，气压为1Pa～30kPa；
或，降温至50～100℃，将气氛改为空气氛围，再降低至室温，然后在铁酸铋膜表面磁控溅射顶电极。


4.如权利要求1所述的低温在硅基上集成制备铁酸铋膜的方法，其特征是，磁控溅射铁酸铋膜中，气氛为氩气和氧气的混合气氛，氩气和氧气的体积比为30～110：5～30；
或，磁控溅射铁酸铋膜中，磁控溅射的气压为0.3～2Pa；
或，磁控溅射铁酸铋膜中，溅射功率为60～150W。


5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳俊，牛淼淼，朱汉飞，
申请(专利权)人：欧阳俊，
类型：发明
国别省市：山东;37