本发明专利技术公开了一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器及其制备方法，该电容器从下到上依次包括底电极、衬底、缓冲层、铁电薄膜层和金属点电极，所述缓冲层为掺锰钛酸锶钡薄膜，化学式为Ba0.6Sr0.4Ti(1-x)MnxO3，x为元素锰的摩尔当量，x=0.005-0.05；所述铁电薄膜层为铁酸铋基薄膜，化学式为Bi(1-y)LnyFeO3，其中，Ln为镧系元素中的一种，y为镧系元素的摩尔当量，y=0.01-0.2。本发明专利技术制备方法简单，所得的电容器是铁电场效应晶体管的存储单元，该电容器克服了一般硅衬底上铁酸铋基薄膜电容器界面性能差、工作电压高的缺点，具有良好的存储性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，特别适用于非挥发非破坏性读出高密度存储器以及集成铁电器件，属于微电子新材料
技术介绍
金属/铁电薄膜/半导体(MFS)电容器是铁电场效应晶体管(Ferroelectric field effect transistor, FFET)的基本存储单元。铁电场效应晶体管以铁电薄膜作为栅介质层材料，利用铁电薄膜的极化状态控制半导体表面电导来完成存储功能的器件。写入数据的操作为通过外加大于矫顽电压的正或负栅压使铁电薄膜处于正或负极化状态，分别代表“0”和“1”。由于除去外加栅压后，铁电薄膜仍存在剩余极化，所以铁电存储单元不需外加电压的维持，仍能保持原有的存储信息，为非挥发性的存储。读出数据的操作为通过比较所加源漏电压而形成的沟道电流的大小确定“0”和“1”，读出存储信息的过程中铁电薄膜的极化状态并未发生改变，为非破坏性的读出。FFET器件具有非挥发性、非破坏性读出、功耗低、结构简单、集成度高等优点，被认为是一种近乎理想的存储器件，在信息存储
具有重大的应用前景。目前广泛应用的性能比较优越的多为铅基薄膜材料，如1 (Zr, Ti) O3, Pb (Mg, Nb) O3 等，其中氧化铅的含量高达6(Γ70%。而铅为不可降解性化学品，这势必会在生产、使用及废弃后的处理过程中给人类和生态环境造成严重的危害。所以，探索高品质的无铅铁电薄膜材料已经成为一大研究热点。本世纪初众多研究者报道了铁酸铋(BiFeO3)基薄膜具有非常优异的铁电、压电、以及铁磁性能，新兴的BWeO3基薄膜被认为是一种很有希望取代铅基压电铁电及铁磁材料的候选材料。目前报道的金属-BiFeO3基薄膜-(缓冲层)-半导体结构电容器，存在的主要问题是界面缺陷较多，工作电压高，从而导致界面陷阱密度大、漏电流大、不符合硅基集成电路工作电压的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器，该电容器具有存储性能优良、工作电压低等优点，在未来的铁电场效应晶体管存储器中具有良好的应用前景。本专利技术还提供了该电容器的制备方法，此方法操作简单，易于实施，所得电容器性能优良。专利技术人针对现有的金属-BiFeO3基薄膜_(缓冲层)_半导体结构电容器存在的界面陷阱密度大、漏电流大、不符合硅基集成电路工作电压的要求等缺点，进行了进一步探索和研究，试图通过对电容器结构、铁电薄膜组成和介电薄膜的组成的变化来克服这些缺点。 经过大量的相关实验，通过选用镧系元素掺杂的BWeO3薄膜作为铁电层、并选用与之具有较好的晶格匹配的高介电锰元素掺杂的Baa6Sra4TiO3作为缓冲层，大大降低了漏电流。进一步的，通过优化缓冲层与BWeO3基薄膜的厚度，有效地降低了电容器的工作电压。这样，得到的无铅BWeO3基薄膜电容器具有漏电流小、存储性能优良、工作电压低的优点，在未来的铁电场效应晶体管存储器中具有良好的应用前景。下面具体介绍实现改进的具体技术方案一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器，从下到上依次包括底电极、衬底、缓冲层、铁电薄膜层和金属点电极，其特征是所述缓冲层为掺锰钛酸锶钡薄膜，化学式为B^6Sra4Ti(1_x) MnxO3，χ为元素锰的摩尔当量，x=0. 005-0. 05 ；所述铁电薄膜层为铁酸铋基薄膜，化学式为 Bia_y)LnyFe03，其中，Ln为镧系元素中的一种，y为镧系元素的摩尔当量，y=0. 01- 0. 2。上述电容器中，缓冲层的厚度为40 50nm，铁电薄膜层的厚度为200 250nm。上述电容器中，所述衬底材料为ρ型或η型的单晶硅衬底。 上述电容器中，所述底电极和点电极均为Au。一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器的制备方法，其特征是包括以下步骤(1)采用金属有机分解法制备Ba(l.6Sr(l.4Tia_x)Mnx03薄膜缓冲层a.按照B^^SruTidyMr^A的化学计量比，选取钡、锶、锰的醋酸盐和钛酸四异丙脂为原料，选取冰醋酸为溶剂，乙酰丙酮为稳定剂，乙二醇甲醚为粘度调节剂，配制浓度为 0. 02 0. lmol/L的前驱体溶液；b.将上述前躯体溶液旋涂到衬底上，然后将其在加热板上于250 300。C下烘干，再在 700 750°C的退火温度下晶化5 10分钟；c.重复上述步骤b的旋涂、烘干、退火步骤，直至B^^Si^Ti^MnA薄膜的厚度达到 40 50nm ；(2)采用金属有机分解法制备Bia_y)LnyFe03薄膜a.按照Bia_y)Ln/e03的化学计量比，选取硝酸铋、硝酸铁以及某种镧系元素的硝酸盐为原料，选取乙二醇和冰醋酸为溶剂，配制浓度为0. 05 0. 3mol/L的前躯体溶液；b.将上述前躯体溶液旋涂在缓冲层上，然后将其在加热板上于250 300V下烘干，再在500 550°C的退火温度下晶化5 10分钟；c.重复上述步骤b的旋涂、烘干、退火步骤，直至膜的厚度达到200 250nm ；d.Bi(H)LnyFeO3 薄膜达到厚度后，将得到的 Bi(H)LnyFeO3ZBEici. Ara4Ti(^)MnxO3ZSi 在 550 600°C温度下退火0. 5小时，得到致密的双层膜；(3)溅射金属电极，制备电容器将有小孔的掩模板覆盖在薄膜上，再将金属利用真空溅射法沉积到薄膜的表面，得金属点电极(也可叫做顶电极或上电极)，然后将金属溅射到衬底背面，得到底电极，最终得到本专利技术的铁酸铋基薄膜层叠结构电容器。上述方法中，沉积底电极时，利用蘸有稀释氢氟酸的棉签擦拭硅衬底的背面，除去衬底因退火等原因而增加的SiO2层，以保证电极和单晶硅直接接触，再利用真空溅射将Au 沉积到硅衬底的背面，就得到了测试所需的底电极。上述方法中，制备BEia6Sra4Tia_x)Mnx03薄膜缓冲层时，旋涂转速2000 7000转/ 分钟，时间20 40秒；制备Bi(H)LnyFeO3薄膜时，旋涂转速2000 7000转/分钟，时间 20 40秒。上述方法中，制备Biia6Sra4Ti(1_x)Mnx03薄膜缓冲层时，在氧气气氛下退火；制备Bi(H)LnyFeO3薄膜时，在氮气气氛下退火。上述方法中，制备B^l6Sra4Ti(1_x)Mnx03薄膜时，冰醋酸与乙二醇甲醚的体积用量之比为1:1 5:1 ；乙酰丙酮与钛酸四异丙脂的体积比为1:1。上述方法中，制备Bi(1_y)Ln/e03薄膜时，冰醋酸和乙二醇的用量为1:1 10:1。上述方法中，制备Bi(1_y)Ln/e03薄膜时，原料硝酸铋加入时过量2 5md%。本专利技术的铁酸铋基薄膜铁电电容器，是在单晶硅衬底上生长作为缓冲层的锰掺杂 Ba0.6Sr0. JiO3高介电薄膜和作为铁电层的Bii^eO3基薄膜。所述缓冲层为B^^Si^Tih) MnxO3，该薄膜与BWeO3同结构且具有较好的晶格匹配关系、具有良好的绝缘性、具有较大的介电常数，且结晶温度较低。进一步的，本专利技术所述的Bii^eO3基薄膜电容器的制备方法采用以下步骤 (1) BEia6Sra4Ti (1_χ)Μηχ03 (0 . 00 5 ￡ χ ￡0. 05)薄膜的制备采用金属有机分解法，分别称取一定量的钡、锶、锰的醋酸盐，并放入冰醋酸溶液中，在 60°C的温度下磁力搅拌，当完全溶解后停止加热；待溶液冷却至室温时，依次加入适量乙本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种铁酸铋基薄膜层叠结构电容器，从下到上依次包括底电极、衬底、缓冲层、铁电薄膜层和金属点电极，其特征是：所述缓冲层为掺锰钛酸锶钡薄膜，化学式为Ｂａ０．６Ｓｒ０．４Ｔｉ（１－ｘ）ＭｎｘＯ３，ｘ为元素锰的摩尔当量，ｘ＝０．００５－０．０５；所述铁电薄膜层为铁酸铋基薄膜，化学式为Ｂｉ（１－ｙ）ＬｎｙＦｅＯ３，其中，Ｌｎ为镧系元素中的一种，ｙ为镧系元素的摩尔当量，ｙ＝０．０１－０．２。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨长红，赵媛媛，吴海涛，胡广达，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：88
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