Si衬底上RF磁控溅射MgO薄膜的研究.pdfVIP

侯 捷 等 ：Si衬底上 RF磁控溅射 MgO薄膜 的研究 Si衬底上 RF磁控溅射 MgO薄膜的研究 侯 捷，张丛春，杨春生，丁桂甫 (上海交通大学 微纳科学技术研究院微米 ／纳米加工技术 国家重点实验室， 薄膜与微细技术教育部重点实验室 ，上海 200240) 摘 要： 采 用射 频磁 控溅 射 (rfmagnetronsputte— 采用丙酮和去离子水超声清洗。射频磁控溅射时，本 ring)在 Si(100)衬底上生长得到MgO薄膜 。将在不 底真空度低于 2×1O Pa。溅射所用 的MgO靶材直 同气压和 Ar分压条件下得到 的样 品在氧气氛 围下 径为 5．08cm，纯度达到99．99 ，靶材和基底之间距离 1000℃退火并进 行 X射线衍射 (XRD)分析，结果表 15cm，溅射射频功率是 150W，溅射总气压在 1Pa以 明，溅射总气压和 o2分压影响 MgO薄膜 的择优取 下。由于靶材和基底距离较大，所以溅射速率很低 ，只 向，控制总气压和 Ar分压可以控制 MgO薄膜的晶格 有 0．6～1．5nm／min。实验时，通过改变不 同总气压、 取向，Si衬底取 向也对薄膜的择优取 向产生影响。通 Ar分压以及衬底温度，并于 1000℃在 O 氛围快速退 过扫描 电子显微镜(SEM)分析发现，MgO薄膜经过高 火 10min，之后进行 了XRD和 SEM 测试。 温退火形成结晶并产生了表面裂纹。 3 实验结果和讨论 关键词 ： 射频磁控溅射 ；MgO；XRD；SEM 中图分类号： O78；TQl1 文献标识码 ：A 3．1 不 同总气压下薄膜取向 文章编号 ：1001-9731(2010)07-1205-03 图 1所示薄膜在不 同溅射气压下的晶格取 向，溅 射总气压从 0．10～0．93Pa的范围内改变 ，并保持 n 1 引 言 (Ar)：7z(O。)一9：I不变 ，基底温度为室温 ，将溅射所 近年来 ，随着微电子工业的爆炸式发展 ，传统的Si 得薄膜进行快速退火 ，对不同条件下的薄膜进行 XRD 基半导体电子器件 的特征尺寸进入 了微米、纳米数量 扫描 ，扫描角度为 2O～60。，测试结果如图 1所示。由 级，客观要求器件具有较低的损耗和漏流 ，同时兼容性 图 1中可以看出，用磁控溅射法生长并进行退火处理 要求许多薄膜微电子器件在 Si衬底上有 良好 的集成 ， 得到的MgO薄膜 ，呈现出了两种取向，并且随着总气 但是许多薄膜材料都和 si单晶存在晶格失配 ，影响了 压的改变 ，薄膜 晶格 的取 向随之改变 。在较高气压 薄膜材料的性能[1]。MgO作为一种具有低损耗和高 (0．90Pa)下，呈现 MgO(111)取 向，MgO(200)强度几 热稳定性 的氧化物介质，近年来得到广泛 的应用[3]。 乎为零。随着气压的减小 ，Mg0(200)取 向逐渐增强 ， 研究表明，以掺杂 MgO和MgO作为基底外延生长铁 超过 MgO(1ii)取向，薄膜呈现两种晶格取向，在低至 电材料薄膜可以显著改善微波铁 电材料的性能[4]，但 0．30Pa下，薄膜呈现 Mg0(200)择优取向。 是单晶MgO衬底成本高 ，不利于大规模生产和集成 ， 所以在 Si基底上生长出性能优 良的MgO薄膜具有重 要的意义。 MgO 晶格呈立方结构 ，晶格 常数一般为0．421 nm，与多数钙钛矿结构的铁 电材料都有相近的晶格参 数 ，且热稳定性好 ，微波波段介电损耗低。已经报道较 多的是采用脉冲激光溅射 (PLD)等[7]，制备 MgO薄 膜 ，较少有系统研究磁控溅射工艺对 MgO薄膜生长 和结构的工作。本文通过改变溅射气氛条件和基底温