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研究生: 林國棟
Kuo-Tong Lin
論文名稱: 射頻磁控濺鍍TiO2薄膜電容器之研究
指導教授: 吳振名
Jenn-Ming Wu
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: 2001
畢業學年度: 89
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 二氧化鈦高介電薄膜濺鍍射頻動態隨機存取記憶體金紅石電容器磁控
外文關鍵詞: titanium dioxide, dielectric, thin film, sputter, DRAM, rutile, capacitor, magnetron
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  • 本論文是利用射頻磁控濺鍍法,以二氧化鈦粉末燒結而成的靶材,鍍製二氧化鈦薄膜電容器。電容器結構為MIM,上下電極均為白金。文中首先探討濺鍍時間、工作壓力、Ar/O2比、濺鍍功率、及基板溫度等鍍膜參數的改變對薄膜結晶行為、微觀結構以及介電性質的影響。
    XRD分析顯示二氧化鈦薄膜在低溫下為非晶質組成。隨著基板溫度的上升,整個薄膜逐漸轉變為Rutile相的結構,相轉變溫度約在400~500℃。薄膜中Rutile(tetragonal結構)的指向為(110)方向,最高的介電常數介於90(a軸指向)與189(c軸指向)之間。

    實驗可得知最佳的鍍膜參數為Ar/O2=60/40,鍍膜功率70~140W,工作壓力10mtorr情況下濺鍍2小時。可以得到均勻性良好的二氧化鈦薄膜。介電常數值為85左右。在電場100kV/cm時,漏電流密度為為1E-9A/cm2。

    第二部分探討的是靶材中添加低電阻Al2O3及Mn2O3粉末,探討對鍍製出的二氧化鈦薄膜結晶性及電性影響。發現主要的影響在於介電常數及漏電流性質方面。添加Mn2O3 及Al2O3都會降低一些薄膜的介電常數,在電場100kV/cm下,摻雜1% Mn2O3的薄膜電流密度為1E-5A/cm2。添加1%的Al2O3的薄膜仍可維持在1E-9A/cm2。繼續過量添加,雖然散逸因子繼續降低,但漏電流開始增大,薄膜電性變差。

    第三部份探討下電極Ti的擴散對二氧化鈦薄膜性質的影響。實驗以Pt/TiN/Ti及Pt/Ti兩種基板加以比較,同時以高濺鍍功率(140W)鍍製薄膜。結果發現Rutile結晶性在Pt/Ti基板上較好,介電常數較高。Pt/TiN/Ti基板的漏電流性質不及Pt/Ti基板,電場在100kV/cm時漏電流密度約為1E-5A/cm2,高於濺鍍在Pt/Ti基板上的1E-6A/cm2。

    最後一部份探討的是N2O氣體500℃電漿熱退火對二氧化鈦薄膜的影響。結果發現退火後介電常數下降、漏電流上升2-3個次方,薄膜電性劣化,代表熱處理的效果不佳,今後應以較低溫、長時間熱處理來改善其電性。


    目錄………………………………………………………………………… i 表目錄……………………………………………………………………… iii 圖目錄………………………………………………………….…………… iv 第一章 緒論…………………………………………………………… 1 1-1 薄膜電容器基本結構……………………………………………… 1 1-2 二氧化鈦薄膜………………………………………………… 2 第二章 文獻回顧……………………………………………………… 3 2-1 二氧化鈦結構…………………………………………………… 3 2-2 二氧化鈦性質…………………………………………………… 3 2-3 薄膜製程 ……………………………………………………… 4 2-3.1 蒸鍍(Evaporation)………………………………………… 4 2-3.2 化學氣相沈積法(CVD)……………………………………… 5 2-3.3 濺鍍(Sputtering)………………………………………… 6 2-3.4 蒸鍍、化學氣相沈積、濺鍍二氧化鈦薄膜的比較………… 9 2-3.5 其他鍍膜方法……………………………………………… 10 第三章 實驗步驟……………………………………………………… 13 3-1 二氧化鈦靶材製作…………………………………………… 13 3-2 鍍膜過程……………………………………………………… 13 3-3 熱處理………………………………………………………… 15 3-4 各項性質的量測……………………………………………… 15 第四章 結果與討論…………………………………………………… 21 4-1 濺鍍參數對薄膜性質的影響…………………………………… 21 4-2 靶材摻雜(doping)對薄膜性質的影響……………………… 29 4-3 基板的選擇對薄膜的影響…………………………………… 33 4-4 熱處理對薄膜性質的影響…………………………………… 36 第五章 結論…………………………………………………………… 90 參考文獻………………………………………………………………… 92

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