Sol-Gel法制备钛酸锶钡薄膜及其掺杂介电行为

赵丽丽 高永进 张智翔 翟春雪 何崇斌 西北大学信息科学与技术学院，陕西 西安710127

Sol-Gel法制备钛酸锶钡薄膜及其掺杂介电行为

赵丽丽 高永进 张智翔 翟春雪 何崇斌 西北大学信息科学与技术学院，陕西 西安710127

采用溶胶-凝胶法制备钛酸锶钡薄膜，经XRD测试薄膜的相结构，证明薄膜具有一定的择优取向性。性能测试表明，随Mn掺杂量的增加，薄膜的介电系数稳定地增加，而介电损耗在Mn含量为7.5%时最小。

溶胶-凝胶法；钛酸锶钡薄膜；掺杂；介电性能

引言

由于集成电路集成度快速提高，动态随机存储器必须快速缩小以适应其要求，然而器件缩小会致使其漏电流增大，甚至导致器件失效。为了从根本上解决这一问题，需要采用高介电薄膜代替现有的介电层。钛酸锶钡由于其居里温度可调、介电性能突出，是人们关注的焦点之一。

钛酸锶钡薄膜的制备方法主要包括脉冲激光沉积法[1]、磁控溅射法[2]、溶胶-凝胶法[3～5]等。已有研究表明，掺杂可以显著改善薄膜的介电性能[3,5]。本文采用溶胶-凝胶法制备钛酸锶钡薄膜，研究薄膜的相结构、微观形貌及Mn掺杂对薄膜介电性能的影响规律。

1 实验部分

按锶：钡：钛＝1：1：1（物质的量比）的比例，称取醋酸锶和醋酸钡，溶于适量的冰醋酸和乙二醇甲醚混合溶液中，搅拌30分钟，加入几滴乙酰丙酮，继续搅拌30分钟。然后将混合溶液倒入钛酸丁酯中，再搅拌45分钟，得到浅黄色清澈透明的溶胶。溶胶陈化2天后在硅片上甩胶，甩胶层数分别为9层，每层均经过120℃热处理，最后在700℃(2h)煅烧获得薄膜。

薄膜的相结构采用日本Rigaku的D/max-3c型X射线衍射仪测试，微观结构采用日本Shimadzu的SPM9500J3型原子力显微镜进行观察，并采用LCR DATABRIDGE2018A测试薄膜的介电性能。

2 结果与讨论

2.1 钛酸锶钡薄膜的相结构和微观结构

采用X射线衍射仪测定薄膜的相结构，典型图谱(Sr0.5Ba0.5TiO3)如图1所示。图2是该薄膜的AFM形貌。

由图1可见，本实验制备的钛酸锶钡薄膜为钙钛矿结构，具有一定的（100）择优取向性，这种取向有利于薄膜良好介电性能的发挥。图2是该薄膜的AFM形貌。二维的AFM图像和三维AFM图像清晰地表明，实验制备的薄膜平整、致密，晶粒大小均匀。

图1 钛酸锶钡薄膜的典型XRD谱（*代表Sr0.5Ba0.5TiO3）

图2 钛酸锶钡薄膜的AFM形貌

2.2 锰掺杂对薄膜介电性能的影响

锰作为受主元素可以有效地提高薄膜的介电系数，本实验研究了锰掺杂量分别为2.5%、5%、7.5%和10%时薄膜的介电性能。图3是Mn掺杂量与介电性能的关系图，其中(a)是Mn掺杂量和介电系数的关系，(b)是Mn掺杂量和介电损耗的关系。

图3 Mn的掺杂量与介电系数（a）和介电损耗（b）的关系

由图3可见，Mn掺杂可以有效地提高薄膜的介电性能，在10KHz和100KHz条件下，薄膜具有更高的介电系数和更小的介电损耗。随着Mn掺杂量的提高，薄膜的介电系数稳定的提高，而介电损耗的最小值则出现在7.5%的Mn掺杂量处。在100KHz下，薄膜的介电系数达到744，介电损耗为0.6%。因此，综合考虑7.5%是最佳Mn掺杂量。

3 结论

采用溶胶-凝胶法制备了具有（100）择优取向的钛酸锶钡薄膜，AFM显示薄膜致密、晶粒均匀、表面平整；适量Mn掺杂可以显著改善薄膜的介电性能，研究显示，7.5%是最佳Mn掺杂量，此时Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜的介电系数最大，介电损耗最小。

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赵丽丽，山西临汾人，副教授，从事新型电子材料与元器件研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.022

陕西省教育厅自然科学项目（08JK462）；陕西省科技厅自然科学项目（SJ08-ZT04）