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研究生： 盧彥良
Yen-Liang Lu
論文名稱： 不同成分鋯鈦酸鉛薄膜電場退火對微結構與電性之影響
指導教授： 胡塵滌
Chen-Ti Hu
呂正傑
Ching-Chich Leu
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： 2008
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 85
中文關鍵詞： 鋯鈦酸鉛 、鐵電薄膜 、殘留應力
外文關鍵詞： PZT, ferroelectric, residual stress
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    • 本論文探討在鐵電薄膜退火結晶過程同時，施加正/負電壓而產生正/負電場，對於不同成分與結構之PZT薄膜的影響。不同於文獻中施加的小電場，本實驗施加於試片上之電場（250kV/cm）遠大於矯頑電場；實驗結果顯示，隨著PZT成分的變化，施加電場的極性對不同結構薄膜會有不一樣的影響。
    從薄膜的結晶方位的量測中，發現對Zr％＜50％之正方晶結構，施加電場易使（100）之結晶比例降低，相反的，當Zr％＞50％的菱形晶結構，施加電場卻造成（100）結晶方向之提升。在PZT薄膜之殘留極化值上之量測，發現對Zr＜50％之薄膜而言，退火施加正電場會使其殘留極化值升高，施加負電場則導致該值降低；但若Zr＞50％，施加正負電場皆可使其殘留極化值獲得提升；顯示施加電場退火伴隨著成分不同而造成薄膜特性相異之趨勢。
    而在薄膜殘留應力的分析上，發現在Zr＝55％的試片中，施加電場者殘留應力較低，推測此可能為提高殘留極化值之主要影響因素之一。

    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 2 1-3研究方向 3 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 鐵電特性 4 2-2鐵電材料之特性 7 2-2-1 鋯鈦酸鉛（PZT）之相圖 7 2-3鐵電薄膜的製備 7 2-3-1 溶膠—凝膠法（Sol—Gel 8 2-3-2 配方溶液的配製 9 2-3-3 薄膜披覆製程 10 2-3-4 低溫焦化熱處理 11 2-3-5 高溫結晶與緻密化處理 11 2-4 鐵電記憶體 12 2-4-1 歷史沿革 12 2-4-2 記憶體元件上的應用 12 2-5鐵電薄膜的可靠度 15 2-6文獻中有關熱處理製程同時施加電場的相關研究 15 第三章 實驗程序 27 3-1基板之備製 27 3-1-1擴散阻絕層及黏著層的製備 27 3-1-2白金底電極的製備 27 3-2 PZT鐵電薄膜製備 28 3-2-1 PZT溶膠的製備 28 3-2-2 PZT薄膜的旋鍍 29 3-3 PZT薄膜的結晶退火 30 3-4 PZT鐵電薄膜性質之量測與分析 31 3-4-0試片代號介紹 31 3-3-1物性分析 31 3-3-2電性分析 33 第四章 結果與討論 42 4-1 XRD晶體結構分析 42 4-1-1 富鈦(z42、z44)的PZT薄膜 43 4-1-2 鈦鋯約等比例（z49）的PZT薄膜 44 4-1-3 MPB成分（z52）下的PZT薄膜 44 4-1-4 富鋯（z55）的PZT薄膜 44 4-1-5□ 電場退火對不同成分PZT結晶方向之影響 45 4-3表面顯微結構與粗糙度分析 45 4-2-1 z42、z44之表面分析 45 4-2-2 z49之表面分析 46 4-2-3 z52試片表面分析 46 4-2-4 z55試片表面分析 47 4-2-5電場退火對不同成分PZT表面微結構之影響 47 4-3薄膜內殘留應力之分析 48 4-4 鐵電特性量測 49 4-4-1 z42、z44之電滯曲線量測 49 4-4-2 z49之電滯曲線量測 49 4-4-3 z52之電滯曲線量測 50 4-4-4 z55之電滯曲線量測 50 4-4-5 電場與殘留極化值之影響效應 50 4-5介電特性量測 51 4-5-1 z42、z44、z49之介電常數量測 51 4-5-2 z52、z55之介電常數量測 51 4-5-3 施加電場對電容值之影響 51 4-6 電流密度（J）量測 51 4-6-1 Zr＜50％之試片（z42、z44、z49）之漏電流密度量測 51 4-6-2 Zr％＞50％之試片（z52、z55）之漏電流密度量測 51 4-6-3 漏電流與電場之關係 52 第五章 結論 81 第六章 參考文獻 82 表目錄 表2-1 MOD與Sol-Gel製程之特性比較 19 表4-1各試片（100）與（110）之FWHM 54 表4-2 試片之方均根粗糙度（Rq ) 55 表4-3 不同成分在不同電壓退火條件下之介電常數(k)值（偏壓=1.5V） 56 圖目錄 圖2-1鈣鈦礦結構 20 圖2-2鈣鈦礦結構內的鐵電域圖 20 圖2-3鐵電材料極化(P)與外加電場(E)的關係 21 圖2-4 PbZrO3-PbTiO3 雙相互溶體 22 圖2-5 浸鍍的過程 23 圖2-6 旋鍍的過程 23 圖 2-7鐵電薄膜用於DRAM之操作示意圖 24 圖2-8一般線性介電值(a)與非線性介電值(b)24 圖2-9 FET-type鐵電記憶體操作原理示意圖 25 圖2-10 1T-1C type 鐵電記憶體操作原理 26 圖3-1 PZT溶膠配置流程圖 36 圖3-2 加電場實驗之退火裝置 37 圖3-3 文獻中加電場裝置示意圖 38 圖3-4（a）繞射峰隨y 不同而產生的變化 （b）(di-dn)/dn與sin2□之間的線性關係圖 39 圖3-5 sin2□ 法之量測參數與方法 40 圖3-6 PZT退火施加電場之量測示意圖 41 圖4-1 文獻中PZT厚膜隨成分不同XRD的變化 56 圖4-2 不同成分PZT薄膜在無外加電場下退火的XRD結果 57 圖4-3 a(100)與Zr%之關係 57 圖4-4 z42薄膜在不同電壓條件下的XRD結果 58 圖4-5垂直膜面之極化分量總和 58 圖4-6 z44薄膜在不同電壓條件下的XRD結果 59 圖4-7垂直膜面之極化分量總和 59 圖4-8 z49薄膜在不同電壓條件下的XRD結果 60 圖4-9 z49 垂直膜面之極化分量總和 60 圖4-10 z52薄膜在不同電壓條件下的XRD結果 61 圖4-11 z52垂直膜面之極化分量總和 61 圖4-12 z55薄膜在不同電壓條件下的XRD結果 62 圖4-13 z55垂直膜面之極化分量總和 62 圖4-14（a）z42 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（高倍率) 63 圖4-14（b）z42 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（低倍率) 63 圖4-15（a）z44 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（高倍率) 64 圖4-15（b）z44 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（低倍率）64 圖4-16（a）z49 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（高倍率）65 圖4-16（b）z49 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（低倍率）65 圖4-17 z49 PZT不同電壓下表面AFM之分析結果 66 圖4-18（a）z52 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（高倍率）67 圖4-18（b）z52 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（低倍率）67 圖4-19 z52 PZT不同電壓下表面AFM之分析結果 68 圖4-20（a） z55 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（高倍率）69 圖4-20（b） z55 PZT不同電壓下之SEM表面形貌（低倍率）69 圖4-21 z55 PZT不同電壓下表面AFM之分析結果 70 圖4-22文獻中施一壓應力造成立方晶系的穩定，MPB的界線偏移 71 圖4-23 退火後降溫過程施一壓應力使Pr值提高 71 圖4-24 z42 PZT不同電壓條件下之鐵電特性 72 圖4-25 z44 PZT不同電壓條件下之鐵電特性 72 圖4-26 z49 PZT不同電壓條件下之鐵電特性 73 圖4-27 z52 PZT不同電壓條件下之鐵電特性 73 圖4-28 z55 PZT不同電壓條件下之鐵電特性 74 圖4-29 2Pr與不同Zr之關係圖 74 圖4-30 2Pr之變化率與不同Zr之關係 75 圖4-31 z42 不同電壓退火條件下之電容-電壓曲線 75 圖4-32 z44 不同電壓退火條件下之電容-電壓曲線 76 圖4-33 z49 不同電壓退火條件下之電容-電壓曲線 76 圖4-34 z52 不同電壓退火條件下之電容-電壓曲線 77 圖4-35 z55 不同電壓退火條件下之電容-電壓曲線 77 圖4-36 介電常數k之變化率與Zr％之關係 78 圖4-37 z42 不同電壓退火條件下之電流密度（J）-電壓曲線 78 圖4-38 z44 不同電壓退火條件下之電流密度（J）-電壓曲線 79 圖4-39 z49 不同電壓退火條件下之電流密度（J）-電壓曲線 79 圖4-40 z52 不同電壓退火條件下之電流密度（J）-電壓曲線 80 圖4-41 z55 不同電壓退火條件下之電流密度（J）-電壓曲線 80

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