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含铜铁电电容器SrRuO3/Pb(Zr0.4Ti0.6)O3/SrRuO3/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si异质结的研究

陈剑辉 刘保亭 赵庆勋 崔永亮 赵冬月 郭哲

含铜铁电电容器SrRuO3/Pb(Zr0.4Ti0.6)O3/SrRuO3/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si异质结的研究

陈剑辉, 刘保亭, 赵庆勋, 崔永亮, 赵冬月, 郭哲
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  • 应用磁控溅射法以Ni-Al同时作为Cu与SiO2/Si,Cu与SRO薄膜之间的阻挡层材料,将Cu与SiO2/Si衬底和氧化物薄膜电极隔离,避免它们在高温氧气氛中发生化学反应和互扩散,实现了Cu薄膜与氧化物铁电电容器的集成.采用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究了不同温度下快速退火的SrRuO3(SRO)/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu异质结的微结构和表面形貌,结果发现SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu多层异质结薄膜在高达750 ℃仍然具有较强的Cu衍射峰和比较平整的表面,显示出了很好的高温热稳定性.研究了室温长高温退和低温长高温退两种工艺手段,发现在制备含Cu多层氧化物薄膜异质结时,低温长高温后退火的方式要优于常规的室温长高温后退火方式,通过低温长高温退工艺可以缓解应力、削弱界面粗化和避免高温生长对阻挡层和Cu薄膜结构的破坏.最后结合sol-gel法将Pb(Zr0.4Ti0.6)O3(PZT)生长在该含Cu异质结上,制备得SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu铁电电容器,研究了电容器的薄膜结构、铁电性能和漏电特性等,发现制备的含Cu铁电电容器具有很好的铁电性能,如电滞回线趋势饱和,剩余极化强度高达~42 C/cm2,矫顽电压为~1.0 V,介电常数~1600,漏电流~1.8310-4 A/cm2,以及良好的抗疲劳特性和保持特性等,表明导电性优良的Cu薄膜可以应用于高密度高性能铁电电容器.对其漏电机理研究表明,SRO/PZT/SRO含Cu铁电电容器满足空间电荷限制传导机理.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60876055,11074063)、河北省自然科学基金(批准号: E2008000620,E2009000207)、河北省应用基础研究计划重点基础研究(批准号:10963525D)和高等学校博士点基金(批准号: 20091301110002)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-01-20
  • 修回日期:  2011-03-06
  • 刊出日期:  2011-11-15

含铜铁电电容器SrRuO3/Pb(Zr0.4Ti0.6)O3/SrRuO3/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si异质结的研究

  • 1. 河北大学物理科学与技术学院,保定 071002
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 60876055,11074063)、河北省自然科学基金(批准号: E2008000620,E2009000207)、河北省应用基础研究计划重点基础研究(批准号:10963525D)和高等学校博士点基金(批准号: 20091301110002)资助的课题.

摘要: 应用磁控溅射法以Ni-Al同时作为Cu与SiO2/Si,Cu与SRO薄膜之间的阻挡层材料,将Cu与SiO2/Si衬底和氧化物薄膜电极隔离,避免它们在高温氧气氛中发生化学反应和互扩散,实现了Cu薄膜与氧化物铁电电容器的集成.采用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)研究了不同温度下快速退火的SrRuO3(SRO)/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu异质结的微结构和表面形貌,结果发现SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu多层异质结薄膜在高达750 ℃仍然具有较强的Cu衍射峰和比较平整的表面,显示出了很好的高温热稳定性.研究了室温长高温退和低温长高温退两种工艺手段,发现在制备含Cu多层氧化物薄膜异质结时,低温长高温后退火的方式要优于常规的室温长高温后退火方式,通过低温长高温退工艺可以缓解应力、削弱界面粗化和避免高温生长对阻挡层和Cu薄膜结构的破坏.最后结合sol-gel法将Pb(Zr0.4Ti0.6)O3(PZT)生长在该含Cu异质结上,制备得SRO/PZT/SRO/Ni-Al/Cu/Ni-Al/SiO2/Si含Cu铁电电容器,研究了电容器的薄膜结构、铁电性能和漏电特性等,发现制备的含Cu铁电电容器具有很好的铁电性能,如电滞回线趋势饱和,剩余极化强度高达~42 C/cm2,矫顽电压为~1.0 V,介电常数~1600,漏电流~1.8310-4 A/cm2,以及良好的抗疲劳特性和保持特性等,表明导电性优良的Cu薄膜可以应用于高密度高性能铁电电容器.对其漏电机理研究表明,SRO/PZT/SRO含Cu铁电电容器满足空间电荷限制传导机理.

English Abstract

参考文献 (31)

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