加電場退火製程暨多層電極結構對鐵電薄膜微結構與電性之效應

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研究生：	吳宗達
論文名稱：	加電場退火製程暨多層電極結構對鐵電薄膜微結構與電性之效應
指導教授：	胡塵滌 Chen-Ti Hu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2006
畢業學年度：	94
語文別：	中文
論文頁數：	115
中文關鍵詞：	鐵電薄膜、加電場、多層電極結構
外文關鍵詞：	SBT, PZT
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本論文共分為兩部分，第一部分為鐵電薄膜於結晶退火的過程中同時施加正或負電壓造成電場，分別對SBT及PZT鐵電薄膜所形成影響之探討。SBT的結果，退火施加電場能夠有效使SBT鐵電薄膜的（200）結晶比例增加，但是也會形成額外的二次相；顯微結構方面，發現有球狀晶粒轉變成棒狀晶粒的趨勢；由於觀察到SBT鐵電薄膜中對極化值最有貢獻的（200）結晶比例增加，因此各種退火施加電場的製程均能改善SBT鐵電薄膜的鐵電及介電性質。PZT的部結果，退火施加電場無法顯著改變其結晶方向，而（110）繞射峰的半高寬明顯的減小，印証顯微結構中退火施加電場能使晶粒有變大的趨勢；由鐵電及介電特性量測結果得知各種退火施加電場的製程均能改善PZT鐵電薄膜的鐵電及介電性質，其中除了殘餘極化值明顯的提升，且矯顽電場值也顯著的下降，推測可能是PZT鐵電薄膜中的鐵電域方向改變所致。
第二部份為多層電極結構對SBT鐵電薄膜影響之探討。於SIMS結果中可以明確顯示此一中間層的存在，但是在晶體繞射與顯微觀察中，發現此多層電極結構對SBT鐵電薄膜特性並未產生顯著的影響；於鐵電及介電性質量測中，觀察到Pt Plate此組試片之殘餘極化值及介電常數相較參考試片有明顯的提升，Pt Dot此組試片之表現則是和參考試片相差不多；漏電流的特性上，Pt Plate此組試片隨著厚度增加而觀察到漏電流增加，Pt Dot此組試片則是隨著厚度增加發現漏電流下降；於電場模擬結果中，發現Pt Plate此組試片的電場分佈遠較Pt Dot此組試片及參考試片還要廣。推測此電場分布的範圍以及漏電流的特性是造成殘餘極化值及介電常數有所改變的原因。

目錄

第一章 緒論……………………………………………….……………..1
1-1 前言…..………………………………………….……………….....1
1-2 鐵電記憶體材料的選擇…………………...…………………….....1
1-3 研究方向……………...………..…………..…………………….....2
第二章 文獻回顧………………………….……………………………..4
2-1 鐵電薄膜之簡介...………..……….…………...……………….…..4
   2-1-1 鐵電薄膜之歷史演進…….……………...……………………4
2-1-2 鐵電材料之結構………………………………….…………...4
2-1-3 鐵電性…………………………………………………………5
2-1-4 鐵電材料之特徵………………………………………………7
  2-1-5 鐵電薄膜的可靠度……………………………………………8
2-2 鐵電薄膜之製備…..……………………………………….….…....9
2-2-1 配方溶液的研製與調配…………………..…………………10
2-2-2 薄膜在基板的被覆………….…..……………………..….…11
2-2-3 低溫焦化處理…………….…………….…...……….………12
2-2-4 高溫結晶與緻密化處理.……………….…….…..…….……12
2-3 SBT鐵電薄膜之相變化………....………………………………..13
2-3-1 SBT鐵電薄膜之相變化…………………..…….……………13
2-3-2 PZT鐵電薄膜之相變化…………………..….….………....…14
2-5文獻中的相關研究..……………………………….………………18
2-5-1 鐵電薄膜文獻有關製程中同時施加電場的相關研究……..18
2-5-2 鐵電薄膜文獻中有關多層電極結構的已有研究….….……20

第三章 實驗程序………………………………………………………31
第一部分 施加電場退火效應實驗簡介……………………………....31
3-1 SBT薄膜..………..………………………………………………..31
  3-1-1 基板之準備..……………………………………………..…..31
  3-1-2 白金（Pt）底電極的製備……………………………….…..32
  3-1-3 SBT薄膜的製備………..………………………………..…...32
    3-1-3-1 SBT溶液之TG/DTA分析……………………….…...…32
  3-1-3-2有機金屬裂解法製備SBT薄膜的流程……………...….33
3-2 PZT薄膜…………………………………………………….....…..34
  3-2-1 Pt/Ti/SiO2/Si基板的準備..………………………………..…..34
  3-2-2 PZT溶凝膠的製備……………………………………..……..34
  3-1-3 PZT薄膜的旋鍍………..……………………………..……....36
3-3 SBT及PZT薄膜的結晶退火……………..………………………36
第二部分 多層電極層效應實驗簡介………………………..………...37
3-4 SBT薄膜..…………..……...…………………………………..…..37
  3-4-1 基板之準備..………………..………………………………..37
  3-4-2 白金底電極的製備…………………………………………..38
  3-4-3 SBT薄膜的製備………..……………..……………………...38
  3-4-3-1 有機金屬裂解法製備SBT薄膜的流程…………….….38
  3-4-3-2  Pt中間層的製備……………………………..………...39
  3-4-3-3  SBT多層結構的製備……………………………..…...39
    3-4-4 SBT薄膜的結晶退火……..……………......…..……….....40
 3-5 SBT及PZT鐵電薄膜性質之量測與分析……………………….40
  3-5-1物性分析...………….…………………………………………40
  3-5-2電性量測………………………………………………………41
  3-5-3 表面顯微結構觀察…………………………………………..43
  3-5-4 軟體模擬分析………………………………………………..43
第四章 實驗結果與討論……….……………………………………....50
第一部分 施加電場退火效應實驗簡介…………………………...…50
4-1 SBT鐵電薄膜施加電場退火效應…………………..……….……50
  4-1-1 試片代號介紹……………………………………………..…50
  4-1-2 XRD晶體結構分析…………………………………………..51
  4-1-3 SEM微觀結構分析………………………………………..….54
  4-1-4 鐵電特性量測結果……………………………………..……55
  4-1-5 介電特性量測結果…………………………………….…….58
  4-1-6 結論…………………………………………………………..59
4-2 PZT鐵電薄膜退火施加電場效應…………………………...……60
  4-2-1 試片代號介紹……………………………………………..…60
  4-2-2 XRD晶體結構分析…………………………………………..60
  4-2-3 SEM顯微結構觀察………………………………...…………62
  4-2-4 鐵電特性量測結果……………………………………..……64
  4-2-5 介電特性量測結果………………………………….……….66
  4-2-6 結論…………………………………………………………..66
第二部分 多層電極結構效應實驗簡介...............................................68
4-3 多層電極結構效應………………………………………………..68
  4-3-1 試片代號介紹…………………………..……………………68
  4-3-2 XRD晶體結構分析…………………………………………...70
  4-3-3 SEM顯微結構觀察………………………………….………..71
  4-3-4 SIMS縱深成分分析…………………………………………..71
  4-3-5 鐵電特性量測結果…………………………….…………….72
  4-3-6 介電特性量測結果……………………….………………….74
  4-3-7 漏電流特性量測結果………………………………………..76
  4-3-8 Tecplot軟體電場模擬結果…………………………..………77
  4-3-8 結論……………………………………………………..……81
第五章 結論………………………………………………….………108
參考文獻………………………………..…………………………….110















圖目錄

圖2-1 鈣鈦礦結構…………………………………………………….22
圖2-2鈣鈦礦結構內的鐵電域圖，AA’為90度域壁，BB’為180度域壁……………………………………………………………….23
圖2-3 鐵電材料極化(P)與外加電場(E)的關係……………..……….24
圖2-4 浸鍍的過程……………………………………….……………25
圖2-5 旋鍍的過程………………………………………………….…25
圖 2-6 SBT內三種相之XRD繞射峰圖形…………………..…….....26
圖2-7 PZT之二元相圖……………......................................................27
圖2-8 鐵電薄膜用於DRAM之操作圖…………………..…………..28
圖2-9 一般線性介電值(a)與非線性介電值(b)…..……….………….28
圖2-10 FET-type鐵電記憶體操作原理示意圖………………....……29
圖2-11 1T-1C type 鐵電記憶體操作原理……………………............30
圖3-1 DTA原理示意圖..…….…………………………………..……44
圖3-2 SBT溶液之TG分析………..………………………………….45
圖3-3 SBT溶液之DTA分析..………………………………………..45
圖3-4 加電場實驗之退火裝置…...…………………………………..46
圖3-5 (a) Pt Double Plate結構之示意圖……………………………...47
      (b) Pt Plate與Pt Dot結構之示意圖……….…………………..47
圖3-6 (a) SBT退火施加電場之量測示意圖…...…………..…….……48
     (b) PZT退火施加電場之量測示意圖……...………………..….48
     (c)多層電極結構之量測示意圖…………...……..…………….49
圖4-1文獻中加電場實驗的裝置示意圖……………………………..82
圖4-2 標準SBT晶體結構……………………………………...……..82
圖4-3 (a) SBT-F40m不同電壓條件之XRD結果…………..………...83
      (b) SBT-R1sF40m不同電壓條件之XRD結果……….….…...83
圖4-4 (a) SBT-F40m不同電壓條件之二次相分析…….......................84
      (b) SBT-R1sF40m不同電壓條件之二次相分析………..…….84
圖4-5 (a) SBT-F40m不同電壓條件之結晶優選方向分析…….......…85
      (b) SBT-R1sF40m不同電壓條件之結晶優選方向分析…...…85
圖4-6 (a) SBT不同電壓條件之SEM表面形貌（低倍率）………...….86
      (b) SBT不同電壓條件之SEM表面形貌（高倍率）……….….87
圖4-7 SBT-F40m不同電壓條件之鐵電特性……………..………......88
圖4-8 SBT-F40m不同電壓條件之鐵電特性(反接)……………...…..88
圖4-9 (a) SBT-F40m不同電壓條件之極化示意圖(正接)……......…..89
      (b) SBT-F40m不同電壓條件之極化示意圖(反接)……..……89
圖4-10 SBT-F40m不同電壓條件之電容-電壓曲線……………...…..90
圖4-11 PZT-F30m不同電壓條件之XRD結果……………………….91
圖4-12 PZT-F30m不同電壓條件之XRD強度分析………………….91
圖4-13 (a) PZT-F30m不同電壓條件之SEM表面形貌（低倍率）…....92
       (b) PZT-F30m不同電壓條件之SEM表面形貌（高倍率）…..92
圖4-14 PZT-F30m不同電壓條件之SEM剖面結構（高倍率）…….....93
圖4-15 (a) PZT-F30m不同電壓條件試片在不同驅動電壓下之電滯曲
         線…………………..……………………………..………...94
       (b) PZT-F30m不同電壓條件試片在不同驅動電壓下之飽和
         趨勢……………..……………………………..…………...95
圖4-16 PZT-F30m不同電壓條件試片在驅動電壓為15V下之電滯曲
       線……………………...………………………………………95
圖4-17 PZT-F30m不同電壓條件之電容-電壓曲線……….………....96
圖4-18 SBT多層電極Pt Plate各條件試片之晶體結構分析結果…...97
圖 4-19 SBT多層電極Pt Double Plate各條件試片之晶體結構分析結
       果……………………………………………………………...97
圖4-20 (a) Pt Plate各條件試片之顯微結構分析(低倍率)…………...98
       (b) Pt Plate各條件試片之顯微結構分析(高倍率)…………..99
圖4-21 Pt Plate各條件試片之SIMS縱深分析...................................100
圖4-22 (a) Pt Plate各條件試片之電滯曲線趨勢……………………100
       (b) Pt Double Plate各條件試片之電滯曲線趨勢…………..101
       (c) Pt Dot各條件試片之電滯曲線趨勢……………….……101
圖4-23 (a) Pt Plate各條件試片之電容-電壓曲線..............................102
       (b) Pt Dot各條件試片之電容-電壓曲線…………………...102
圖4-24 (a) Pt Plate各條件試片介電常數(k)及介電損失(tan□)對頻率(f)
         的關係………………………………………………….....103
       (b) Pt Dot各條件試片介電常數(k)及介電損失(tan□)對頻率(f)
         的關係………………………………………………….…104
圖4-25 (a) Pt Plate各條件試片漏電流(I)對電壓(V)的關係………..105
       (b) Pt Dot各條件試片漏電流(I)對電壓(V)的關係………...105
圖4-26 (a) Tecplot軟體所模擬出各條件試片上電極中間位置之電場
         分布趨勢………………………………………………….106
       (b) Tecplot軟體所模擬出各條件試片上電極邊緣位置之電場
         分布趨勢………………………………………………..107

                                

參考文獻

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