【文献解读】通过优化TiO2/Pt模板优化PZT薄膜择优取向

文章来自美国陆军实验室，Army Research Laboratory。

https://doi.org/10.21236/ADA536343

摘要

通过在热生长氧化硅（SiO₂）基底上溅射沉积15-45纳米厚的钛薄膜制备二氧化钛种子层/粘附层。沉积参数包括沉积时间、阴极功率和氩气压力气体流量。通过管式炉退火将钛薄膜氧化转化为金红石型TiO₂相，并采用X射线衍射和椭圆偏振技术进行表征。随后在500°C条件下溅射沉积100纳米铂电极层于TiO₂种子层上。Pt{111}晶向由底层{100}织构TiO₂薄膜外延生长形成，该织构产生于{0002}织构钛薄膜的氧化过程。对Pt {222} X射线衍射峰的分析表明：相较于相同工艺沉积在钛模板上的铂层，沉积在约30纳米TiO₂模板上的铂层其衍射峰强度提升8倍，摇摆曲线半高宽（FWHM）从9°减小至2°。采用Pt/TiO₂电极生长PZT(52/48)时，可获得织构体积分数达90%的薄膜，这将显著改善PZT薄膜的电学性能。

引言

提高PZT的性能，需要减少Pb损耗，抑制PZT/Pt界面扩散，促进PZT沿Pt{111}的生长，从而形成{111}织构的PZT。

PZT电容器的底电极: Pt、Ir、IrO2、RuO2、Pd以及其他贵金属和导电氧化物。高温生长PZT会导致其与底电极金属之间的黏附系数剧烈变化，从而导致界面成分的变化。退火处理造成界面处的互扩散，进一步加剧成分偏离设定。因此底电极必须具有高密度，扩散路径(孔洞、晶界)少的特点，并且保持稳定。底电极密度低，会导致Pb扩散通过Pt进入SiO2。Pb和SiO2反应会形成铅的硅化物，从而影响基底电性能。

实验

硅基底生长500nm热氧化硅，溅射沉积Ti并在管式炉中退火氧化成TiO2。炉体以5SLM的氮气流量加热至设定温度(650°C–800°C)后，晶舟装载完毕并在10分钟内推入石英管高温区。开始推进晶圆时，关闭氮气气流并将氧气流量逐步提升至10SLM。晶圆推入完成后，在高温区保持15或30分钟。最后用10分钟时间将晶舟从高温区移出。当晶圆完全收回后，氧气流被关闭，氮气流恢复5SLM的流量。溅射沉积Pt: 500 W, 50 sccm Ar, 沉积时间30.5 s，基底温度500 °C。Ti和Pt为Umicore靶，直径250mm，厚度12mm，3片挡片暖机。溅射机台为Unaxis Clusterline 200。

结果

溅射功率1000W，Ar 30sccm，基底温度40℃沉积Ti的厚度和Rs。

Ti的方块电阻的倒数与溅射功率之间呈线性关系

Ti的方块电阻的倒数与沉积时间呈线性关系

TiO2的厚度与Ti的沉积时间成线性关系

Ti的溅射功率对方块电阻的影响不大

Ti的电阻率随厚度的增加而减小，当厚度超过100nm时，其电阻率与块体Ti金属相当(40μΩ•cm)

溅射功率500W，Ar 30sccm，沉积时间24s，基座温度室温，沉积在Si/SiO2上的Ti膜方块电阻为89.9Ω/sq。hcp结构的Ti表现为{0002}取向。

{0002}取向。

{0002}取向的Ti在管式炉中650-800℃退火形成{200}取向的金红石TiO2。

750-800℃退火时，TiO2的峰位达到平稳，峰强最大，半高宽达到最小值。选择750℃退火30min来形成{200}TiO2以促进{111} Pt的生长。

TiO2厚度对其峰位、峰强和半高宽的影响。

相比于1000W，500W沉积Pt的峰强更高，半高宽更小。

TiO2厚度对Pt峰强和半高宽的影响，从而优化0.5kW TiO2的厚度，以获得更优的Pt取向。

{111} PZT / {111} Pt / {200} TiO2 /  SiO2 / Si的XRD图谱。

结论

对{222}铂X射线衍射峰的分析表明，当二氧化钛薄膜厚度约为30纳米时，Pt峰高达到最大值且半高宽最小。与美国陆军研究实验室（ARL）现行使用的钛基底铂电极工艺基准相比，经优化的二氧化钛基底铂电极工艺使{222}铂峰高度提升近8倍，并将摇摆曲线半高宽从9°缩小至2°。采用二氧化钛基底铂电极生长锆钛酸铅(52/48)薄膜时，其{111}织构体积分数预估可达90%，而钛基底铂电极制备的锆钛酸铅薄膜几乎呈现100%随机取向。

各膜层工艺参数