Sol-Gel法制備鈦酸鍶鋇薄膜及其摻雜介電行為

趙麗麗 高永進 張智翔 翟春雪 何崇斌 西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710127

Sol-Gel法制備鈦酸鍶鋇薄膜及其摻雜介電行為

趙麗麗 高永進 張智翔 翟春雪 何崇斌 西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710127

采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鍶鋇薄膜，經(jīng)XRD測試薄膜的相結(jié)構(gòu)，證明薄膜具有一定的擇優(yōu)取向性。性能測試表明，隨Mn摻雜量的增加，薄膜的介電系數(shù)穩(wěn)定地增加，而介電損耗在Mn含量為7.5%時最小。

溶膠-凝膠法；鈦酸鍶鋇薄膜；摻雜；介電性能

引言

由于集成電路集成度快速提高，動態(tài)隨機存儲器必須快速縮小以適應(yīng)其要求，然而器件縮小會致使其漏電流增大，甚至導(dǎo)致器件失效。為了從根本上解決這一問題，需要采用高介電薄膜代替現(xiàn)有的介電層。鈦酸鍶鋇由于其居里溫度可調(diào)、介電性能突出，是人們關(guān)注的焦點之一。

鈦酸鍶鋇薄膜的制備方法主要包括脈沖激光沉積法[1]、磁控濺射法[2]、溶膠-凝膠法[3～5]等。已有研究表明，摻雜可以顯著改善薄膜的介電性能[3,5]。本文采用溶膠-凝膠法制備鈦酸鍶鋇薄膜，研究薄膜的相結(jié)構(gòu)、微觀形貌及Mn摻雜對薄膜介電性能的影響規(guī)律。

1 實驗部分

按鍶：鋇：鈦＝1：1：1（物質(zhì)的量比）的比例，稱取醋酸鍶和醋酸鋇，溶于適量的冰醋酸和乙二醇甲醚混合溶液中，攪拌30分鐘，加入幾滴乙酰丙酮，繼續(xù)攪拌30分鐘。然后將混合溶液倒入鈦酸丁酯中，再攪拌45分鐘，得到淺黃色清澈透明的溶膠。溶膠陳化2天后在硅片上甩膠，甩膠層數(shù)分別為9層，每層均經(jīng)過120℃熱處理，最后在700℃(2h)煅燒獲得薄膜。

薄膜的相結(jié)構(gòu)采用日本Rigaku的D/max-3c型X射線衍射儀測試，微觀結(jié)構(gòu)采用日本Shimadzu的SPM9500J3型原子力顯微鏡進行觀察，并采用LCR DATABRIDGE2018A測試薄膜的介電性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈦酸鍶鋇薄膜的相結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)

采用X射線衍射儀測定薄膜的相結(jié)構(gòu)，典型圖譜(Sr0.5Ba0.5TiO3)如圖1所示。圖2是該薄膜的AFM形貌。

由圖1可見，本實驗制備的鈦酸鍶鋇薄膜為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有一定的（100）擇優(yōu)取向性，這種取向有利于薄膜良好介電性能的發(fā)揮。圖2是該薄膜的AFM形貌。二維的AFM圖像和三維AFM圖像清晰地表明，實驗制備的薄膜平整、致密，晶粒大小均勻。

圖1 鈦酸鍶鋇薄膜的典型XRD譜（*代表Sr0.5Ba0.5TiO3）

圖2 鈦酸鍶鋇薄膜的AFM形貌

2.2 錳摻雜對薄膜介電性能的影響

錳作為受主元素可以有效地提高薄膜的介電系數(shù)，本實驗研究了錳摻雜量分別為2.5%、5%、7.5%和10%時薄膜的介電性能。圖3是Mn摻雜量與介電性能的關(guān)系圖，其中(a)是Mn摻雜量和介電系數(shù)的關(guān)系，(b)是Mn摻雜量和介電損耗的關(guān)系。

圖3 Mn的摻雜量與介電系數(shù)（a）和介電損耗（b）的關(guān)系

由圖3可見，Mn摻雜可以有效地提高薄膜的介電性能，在10KHz和100KHz條件下，薄膜具有更高的介電系數(shù)和更小的介電損耗。隨著Mn摻雜量的提高，薄膜的介電系數(shù)穩(wěn)定的提高，而介電損耗的最小值則出現(xiàn)在7.5%的Mn摻雜量處。在100KHz下，薄膜的介電系數(shù)達到744，介電損耗為0.6%。因此，綜合考慮7.5%是最佳Mn摻雜量。

3 結(jié)論

采用溶膠-凝膠法制備了具有（100）擇優(yōu)取向的鈦酸鍶鋇薄膜，AFM顯示薄膜致密、晶粒均勻、表面平整；適量Mn摻雜可以顯著改善薄膜的介電性能，研究顯示，7.5%是最佳Mn摻雜量，此時Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的介電系數(shù)最大，介電損耗最小。

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趙麗麗，山西臨汾人，副教授，從事新型電子材料與元器件研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.022

陜西省教育廳自然科學(xué)項目（08JK462）；陜西省科技廳自然科學(xué)項目（SJ08-ZT04）