以有機金屬化學氣相沈積ZrO2為絕緣層對鐵電記憶體場效式電晶體影響之研究

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研究生：	林睿哲
論文名稱：	以有機金屬化學氣相沈積ZrO2為絕緣層對鐵電記憶體場效式電晶體影響之研究
指導教授：	吳泰伯
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：	2003
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	45
中文關鍵詞：	鐵電記憶體
外文關鍵詞：	MFIS, PZT, FeRAM, C-V curve
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本實驗利用旋鍍的方法，將PZT鍍附在Pt/Ti/SiO2/Si基板上，在550℃時並無法成perovskite相，在600℃ 30min 氧氣氛下的熱處理，可形成多晶的Perovskite相。隨著熱處理溫度越高，其繞射峰有越來越強的趨勢。利用RT66A量測已成相的試片，可獲得完整的電滯曲線，殘留極化量Pr~19-21μC/cm2，矯頑電場Ec視熱處理條件與鐵電層厚度，而有所不同。而介電常數的大小，會隨著鐵電層增加，而有越來越大的趨勢；散逸因子(tanδ)在1MHz的量測頻率下，皆小於0.125。
利用bubbler系統的CVD，使用ZTB(zirconium tert-tetra butoxide)先驅物，在基板溫度275℃，工作壓力2torr下，鍍出具有低缺陷密度的ZrO2的薄膜。其結構經由XRD鑑定為正方晶(tetragonal)結構，為(111)指向。其中介電常數鍍附在Pt/Ti/SiO2/Si基板上，利用HP4192可量測到約為21，散逸因子(tanδ)皆小於0.1。利用AFM觀察ZrO2薄膜，可發現ZrO2薄膜未經過熱處理下，表面粗糙度(Rrms)為0.552nm。經過熱處理之後，可改善表面粗糙度。在氧氣氛作600℃ 30min的熱處理，表面粗糙度(Rrms)為0.412nm，在forming gas (H2:N2=1:99)氣氛作600℃ 30min的熱處理，表面粗糙度(Rrms)為0.476nm。

最後將PZT利用旋鍍在ZrO2/p-Si(100)基板上，發現ZrO2具有加強PZT(110)結晶性的效果。量測CV曲線，對p-type Si基板，順時針的曲線代表鐵電所帶來的影響。在大於5V的操作電壓下，CV曲線皆為逆時針，為電荷注入(charge injection)的機制。

圖表目錄.................................................iv
 第一章 緒論...........................................1

1簡介...........................................1

2 研究動機.......................................2

 第二章 文獻回顧.......................................4

1 鐵電材料.......................................4

1.1 電滯曲線..................................4

2 鐵電記憶體的發展...............................5

3 鐵電記憶體的種類...............................6

3.1 破壞式讀取(DRO)...........................7

3.2 非破壞式讀取(NDRO)........................7

4 鐵電材料的選擇.................................9

5 鐵電薄膜的可靠度..............................10

5.1 疲勞.....................................11

5.2 保持性...................................12

5.3 偏印.....................................13

6 絕緣層的選擇..................................14

7 化學氣相沈積..................................15

8 原子層化學氣相沈積............................17

 第三章 實驗流程

1 MFIS結構製作..................................19

1.1 矽基板的處理.............................19

1.2 電極的製作...............................19

1.3 ZrO2薄膜製作.............................20

1.4 絕緣層的熱處理...........................20

1.5 PZT製程..................................21

1.6 PZT的熱處理..............................23

2 薄膜特性分析..................................24

2.1 結構分析及鑑定...........................24

2.2 膜厚量測.................................24

2.3 表面粗糙度...............................24

3 薄膜電性分析..................................25

3.1 介電常數與散逸因子量測...................25

3.2 記憶窗量測...............................25

3.3 鐵電遲滯曲線量測.........................25

3.4 漏電流特性量測...........................26

 第四章 實驗與討論....................................27

1 PZT特性鑑定..................................27

1.1 膜厚鑑定.................................27

1.2 晶體結構.................................28

1.3 介電常數與散逸因子.......................28

1.4 P-E曲線..................................28

1.5 綜合討論.................................29

2 ZrO2特性鑑定...................................30

2.1 膜厚鑑定.................................30

2.2 晶體結構.................................30

2.3 表面粗糙度...............................31

2.4 薄膜成份分析.............................31

2.5 電性量測.................................32

3 Al/PZT/ZrO2/Si(MFIS)結構.......................35

3.1 晶體結構.................................35

3.2 電性量測.................................35

 第五章 結論..........................................42

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