第一章 緒論 1 1.1簡介…………………………………………………………...1 1.2研究動機……………………………………………………...2 第二章 文獻回顧 4 2-1 鐵電材料及其物理機制…………………………………….4 2-2 鐵電記憶體的種類………………………………………….5 2-2.1 破壞式讀取(DRO)…………………………………...5 2-2.2 非破壞式讀取(NDRO)………………………………6 2-3 介電性質.................................................................................8 2-4 YMO之基本材料特性……………………………………..10 2-4.1基本材料特性.............................................................10 2-4.2 YMO薄膜製作...........................................................10 2-5 絕緣層在MFIS應用中的特性考量………………………12 2-4.1 絕緣層鍍製在矽基板上的熱穩定性………………13 2-4.2 絕緣層/矽基板之界面特性………………………...14 2-4.3 絕緣層的介電常數…………………………………15 2-4.4 絕緣層的厚度效應…………………………………15 2-6 Y2O3 絕緣層的性質..............................................................16 圖表………………………………………………………..18 第三章 實驗方法與流程 26 3-1 YMO薄膜的鍍製…………………………………………..26 3-1.1 YMO靶材(Target)的製備…………………………..26 3-1.2 YMO薄膜鍍製……………………………………27 3-2 Y2O3之MIS結構製作……………………………………..28 3-2.1 Y2O3靶材的製備……………………………………28 3-2.2 矽基板的處理………………………………………28 3-2.3 Y2O3薄膜鍍製………………………………………29 3-2.4 上電極(Top electrode)的製作……………………...30 3-3 Y2O3之MIM結構製作……………………………………..30 3-3.1 下電極(Bottom electrode)基板的製作……………..31 3-4 薄膜特性分析……………………………………………...32 3-4.1 薄膜晶體結構鑑定…………………………………32 3-4.2 薄膜表面型態觀察…………………………………32 3-4.3 表面粗糙度分析……………………………………33 3-5 薄膜電性分析……………………………………………...33 3-5.1 介電常數與散逸因子量測…………………………33 3-5.2 高頻率(1MHz)電容-電壓量測……………………..34 3-5.3 漏電流特性量測……………………………………34 圖表………………………………………………………..35 第四章 實驗結果與討論 41 4-1 錳酸釔(YMO)之結構特性………………………………...41 4-1-1 白金基板上成長YMO之特性…………………….41 4-1-2 矽基板上成長YMO之特性……………………….42 4-2 Y2O3之結構、電性分析……………………………………43 4-2-1薄膜結構特性……………………………………….43 4-2-1.1 晶體結構………………………………………43 4-2-1.2 表面型態………………………………………44 4-2-1.3 表面粗糙度……………………………………45 4-2-2 電性量測…………………………………………...45 4-2-2.1 介電常數………………………………………45 4-2-2.2 高頻(1MHz) C-V量測………………………...46 4-2-2.2.1 CFB及VFB之估算與定義……………….48 4-2-2.2.2 平帶電壓飄移之探討………………….50 4-2-2.2.3 C-V曲線hysterisis效應及物理機制…..52 4-2-2.3 漏電流量測……………………………………53 4-3 綜合討論…………………………………………...............54 圖表………………………………………………………..55 第五章 結論 68 參考文獻..................................................................................................70 圖表目錄 Table2-1 RMnO3(R：稀土金屬元素)系列鐵電材料的基本特性……...18 Table 2-2各種高介電材料特性..............................................................18 Fig.2-1 鐵電材料電滯曲線圖 (Hysteresis Loop)..................................19 Fig.2-2 8T-2C記憶體示意圖...................................................................19 Fig.2-3 2T-2C及1T-1C記憶體示意圖...................................................20 Fig.2-4 非破壞式讀取(NDRO)操作示意圖..........................................20 Fig.2-5 非破壞式讀取(NDRO)記憶胞之一種設計剖面示意圖..........21 Fig.2-6 四種極化機構示意圖................................................................21 Fig.2-7 頻率變化對極化機構的影響....................................................22 Fig.2-8 YMnO3晶體結構式意圖............................................................22 Fig.2-9 以PLD方式於不同氧分壓下鍍製YMO於Si(111)基板上的XRD圖及成長機制示意圖.....................................................................23 Fig.2-10 以CSD方式鍍製YMO於Pt/Al2O3基板上進行800℃熱處理的XRD圖.................................................................................................23 Fig.2-11 Ta2O5 /Si之界面反應……………………………………….....24 Fig.2-12 金屬/鐵電層/N型半導體系統能帶式意圖……………….....24 Fig.2-13 Y2O3的晶格結構示意圖...........................................................25 Fig.3-1 磁控式雙槍濺鍍系統................................................................35 Fig.3-2(a) MIS 結構……………………………………………………36 Fig.3-2(b) MIM 結構…………………………………………………..36 Fig.3-3 YMO靶材製備流程…………………………………………...37 Fig.3-4 Y2O3靶材製備流程………………………………………….....38 Fig.3-5 鍍製下電極流程圖....................................................................39 Fig.3-6(a) MIM量測示意圖…………………………………………...40 Fig.3-6(b) MIS量測示意圖…………………………………………....40 Fig.4-1 YMO薄膜在各種退火氣氛下於800℃退火10分鐘的XRD圖………………………………………………….…………………….55 Fig.4-2 YMO薄膜在Ar氣氛不同壓力下於800℃退火10分鐘的XRD圖……………………………………………………….……………….55 Fig.4-3 YMO薄膜在真空下於800℃退火10分鐘的SEM照片........56 Fig.4-4 YMO薄膜的漏電流曲線圖…………………………......……..56 Fig.4-5 YMO薄膜分別鍍製在白金基板、矽基板上通入Ar 1torr於800℃退火10分鐘的XRD圖…….....................................…………….57 Fig.4-6 YMO薄膜鍍製在Y2O3 / Si基板上通入Ar 1torr於800℃退火10分鐘的XRD圖………………………………….......……………….57 Fig.4-7 YMO鍍於Y2O3 / Si 基板上通入Ar 1 torr於800℃退火10分鐘的SEM圖.............................................................................................58 Fig.4-8(a) Y2O3薄膜於室溫下鍍製於Si基板上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖.............................................................……………..59 Fig.4-8(b) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Si基板上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖.............................................................……………..59 Fig.4-8(c) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Pt電極上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖...............................………….......…...……………..60 Fig.4-8(d) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Pt電極上之低掠角XRD圖......60 Fig.4-9經750℃退火處理Y2O3薄膜之(a)表面 及(b)截面型態的SEM圖…………………………………………………………………..........61 Fig.4-10 (a) Y2O3於基板溫度450℃鍍製之AFM 3D圖及粗糙度分析……......................................................................................................62 Fig.4-10 (b) Y2O3薄膜於600℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析…..........................................................................................................62 Fig.4-10 (c) Y2O3薄膜於750℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析..............................................................................................................63 Fig.4-10 (d) Y2O3薄膜於850℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析..............................................................................................................63 Fig.4-11相對介電常數、介電損失因子(tanδ)隨頻率響應關係圖……64 Fig.4-12以高頻(1MHz)量測電容-電壓曲線圖……..............................64 Fig.4-13(a) 450℃鍍製試片受正偏壓量測的情形.................................65 Fig.4-13(b) 450℃鍍製試片受負偏壓量測的情形.................................65 Fig.4-14(a)受負偏壓施加時，電洞於界面處陷住的能帶示意圖…….66 Fig.4-14(b)受正偏壓施加時，電子於界面處陷住的能帶示意圖…….66 Fig.4-15 Y2O3之MIS結構的漏電流與電場曲線圖…………………..67