目 錄 摘 要 致 謝 目 錄…………………………………………………………………….i 表目錄…………………………………………………………………..v 圖目錄………………………………………………………………….vi 第一章 緒論…………………………………………………………….1 第二章 文獻回顧……………………………………………………….3 2-1鐵電性質……………………………………………………….3 2-2鐵電薄膜之製作與發展……………………………………….4 2-3鐵電薄膜在記憶元件中的應用……………………………….5 2-4層鈣鈦礦晶體狀晶體結構…………………………………….8 2-5使用於鐵電記憶體的材料…………………………………….9 2-6有關於SBT鐵電薄膜的研究………………………………..10 2-6-1高溫退火下的問題…………………………………..10 2-6-2降低製程溫度及增加殘餘極化量的方法…………..11 2-6-2-1利用不同的成分組成……………………….11 2-6-2-2使用不同的緩衝層或電極………………….12 2-6-2-3使用不同的製程方法……………………….13 2-7可靠度………………………………………………………..13 2-8薄膜的製程…………………………………………………..17 2-8-1配方溶液的研製與調配………………………………….17 2-8-1-1溶膠凝膠法…………………………………………….18 2-8-1-2溶膠-凝膠法的基本原理………………………………..18 2-8-2薄膜披覆製程………………………………………………….19 2-8-3低溫焦化熱處理……………………………………………….20 2-8-4高溫結晶與緻密化熱處理……………………………………..20 第三章實驗程序 3-1基板的準備…………………………………………………..29 3-1-1擴散阻絕層及黏著層的製備………………………….30 3-1-2白金電極的製備……………………………………….30 3-2以溶凝膠法備製SBT薄膜…………………………………..31 3-3薄膜性質之量測分析………………………………………..32 3-3-1電性量測……………………………………………….32 3-3-2薄膜物性分析………………………………………….34 第四章結果與討論 4-1退火溫度對鐵電特性的影響……………………………….46 4-1-1製程條件……………………………………………….46 4-1-2電性分析……………………………………………….46 4-1-3結晶結構……………………………………………….47 4-1-4微觀結構……………………………………………….48 4-2不同擴散阻絕層及黏著層對薄膜性質的影響……………..49 4-2-1製程條件……………………………………………….49 4-2-2電性分析……………………………………………….49 4-2-3結晶結構……………………………………………….52 4-2-4微觀結構……………………………………………….52 4-3不同鉭厚度對鐵電性的影響……………………………….54 4-3-1製程條件……………………………………………….54 4-3-2電性分析……………………………………………….54 4-3-3結晶結構……………………………………………….54 4-3-4微觀結構……………………………………………….55 4-4低壓退火對鐵電性的影響………………………………….55 4-4-1製程條件……………………………………………….55 4-4-2電性分析……………………………………………….56 4-4-3結晶結構……………………………………………….57 4-4-4微觀結構……………………………………………….57 4-5不同成分的鉍對鐵電特性的影響…………………………..58 4-5-1製程條件……………………………………………….58 4-5-2電性分析……………………………………………….58 4-5-3結晶結構……………………………………………….58 4-5-4微觀結構……………………………………………….58 4-6結合過量的鉍成分及低壓退火的條件探討其對鐵電特性的 影響………………………………………………………….59 4-6-1製程條件……………………………………………….59 4-6-2電性分析……………………………………………….59 4-6-3結晶結構……………………………………………….60 4-6-4微觀結構……………………………………………….60 4-7不同退火氣氛對鐵電性的影響……………………………..61 4-7-1製程條件……………………………………………….61 4-7-2電性分析……………………………………………….61 4-7-3結晶結構……………………………………………….61 4-7-4微觀結構……………………………………………….62 第五章結論………………………………………………………..113 參考文獻…………………………………………………………..114 表目錄 表4-1以鈦為黏著層之製程參數………………………………..63 表4-2各種不同黏著層與擴散阻絕層之製程參數………………63 表4-3不同厚度鉭黏著層之製程參數……………………………64 表4-4低壓退火之製程參數………………………………………64 表4-5採用過量鉍之製程參數……………………………………65 表 4-6 結合過量鉍與低壓退火之製程參數…………………….65 表4-7不同退火氣氛替代氧氣之製程……………………………66 圖目錄 圖2-1 鐵電材料極化（P）與外加電場（E）之關係圖…………….22 圖2-2 FET-type鐵電記憶體操作原理..…………………………. 22 圖2-3 1T-1C type鐵電記憶體操作原理………………………….. 23 圖2-4 鈣鈦礦結構…………………………………………………….24 圖2-5 SrBi2Ta2O9的層狀鈣鈦礦結晶構造…………………………..25 圖2-6 SBT薄膜Sr及Bi含量與電滯曲線變化關係圖……………..26 圖2-7 Pt/SBT/Pt結構薄膜外加電壓0.8V下照光10分鐘出現光學 疲勞…………………………………………………..…….. 26 圖2-8浸鍍的過程…………………………………………………… 27 圖2-9旋鍍的過程………………………………………………….. 27 圖2-10 PbTiO3 的TGA圖…………………………………………… 28 圖3-1以不同方法沈積白金電極在Ti/SiO2/Si基板上之X-ray繞射 圖…………………………………………………………….. 38 圖3-2以不同方法沈積白金電極在Ta/SiO2/Si基板上之X-ray繞射 圖……………………………………………………………… 38 圖3-3以不同方法沈積白金電極在Ti/SiO2/Si基板上之SEM照片39 圖3-4以不同方法沈積白金電極在Ta/SiO2/Si基板上之SEM照片40 圖3-5以基板溫度400℃沈積白金電極在不同基板上之側面SEM照 片……………………………………………………………….41 圖3-6實驗流程圖…………………………………………………….42 圖3-7薄膜電容示意圖……………………………………………….43 圖3-8 RT66之Vitual Ground Mode的等效電路圖……………..43 圖3-9遲滯行為的量測曲線………………………………………..44 圖3-10脈衝行為的量測曲線……………………………………...44 圖3-11疲勞行為量測曲線………………………………………….45 圖4-1鈦黏著層上不同退火溫度沈積鍶鉍鉭氧化物之電滯曲線圖 ………………………………………………………………..67 圖4-2鈦黏著層上低溫下長時間退火沈積鍶鉍鉭氧化物之電滯曲 線.…………………………………………………………….68 圖4-3不同退火溫度沈積對鈦黏著層上鍶鉍鉭氧化物薄膜與2Pr及 2Ec之效應曲線……………………..……………………….69 圖4-4不同退火溫度對鈦黏著層上沈積鍶鉍鉭氧化物薄膜對介電常 數的影響曲線…………………………………………………69 圖4-5不同退火溫度處理以鈦為黏著層試片之漏電流密度對電壓關 係曲線…………………………………………………………70 圖4-6較長時間作不同低溫退火處理以鈦為黏著層試片之漏電流密 度對電壓關係…………………………………………………70 圖4-7以鈦為黏著層不同退火溫度鉭酸鍶鉍薄膜的疲勞曲線圖…71 圖4-8以鈦為黏著層不同退火溫度下鉭酸鍶鉍鉭薄膜之x-ray繞射 圖……………………………………………………………..72 圖4-9長時間較低退火溫度下以鈦為黏著層鉭酸鍶鉍薄膜之x-ray 繞射圖…………………………………………………………72 圖4-10 以鈦為黏著層鉭酸鍶鉍薄膜經不同退火溫度退火後之SEM 照片………………………………………………………….73 圖4-11以鉭作為黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度之電滯 曲線之電滯曲線……………………………………… …..74 圖4-12以鉭作為黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過低溫下長時間退 火之電滯曲線……………………………………………….75 圖4-13 以Pt/Ta/Si3N4/SiO2/Si為下電極結構的各種退火溫度 之電滯曲線………………………………………………….76 圖4-14殘餘極化量在不同下電極結構對溫度的關係圖………….77 圖4-15矯頑電場在不同下電極結構對溫度的關係圖…………….77 圖4-16介電常數在不同下電極結構對溫度的關係……………….78 圖4-17以鉭作為黏著層經過不同退火溫度後漏電流密度對電壓關 係…………………………………………………………….79 圖4-18 以鉭作為黏著層長時間經過長時間不同退火溫度後漏電流 密度對電壓關係…………………………………………….79 圖4-19以Pt/Ta/SiO2/Si為下電極結構經過不同退火溫度後漏電流 密度對電壓關係…………………………………………….80 圖4-20 以鉭為黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜不同退火溫度疲勞曲線 圖………… …………….…………………………………81 圖4-21不同下電極結構經過退火溫度750℃ 1min的X-ray繞射 圖…………….………………………………………………82 圖4-22沈積鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層之SEM照片…………….83 圖4-23不同電極結構經過退火溫度800℃後的SEM照片………..84 圖4-24 鉭酸鍶鉍薄膜以Pt/Ti/Si3N4為下電極結構經過800℃ 1min 退火後的SEM照片………………………………..85 圖4-25以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經750℃ 1min退火後之 SIMS 縱深分析圖………………………………………...86 圖4-26鉭酸鍶鉍薄膜不同鉭厚度退火溫度750℃ 1min後之電滯 曲線圖………………………………………………………..87 圖4-27沈積鉭酸鍶鉍薄膜不同鉭層厚度其2Pr及2Ec之關係圖….88 圖4-28不同鉭層厚度經退火溫度750℃ 1min 後X-ray繞射圖….88 圖4-29鉭酸鍶鉍薄膜在不同Ta層厚度經過退火溫度750℃ 1min 之SEM照……………………………………………………..89 圖4-30不同厚度Ta層經退火溫度800℃後的SEM照片…………..90 圖4-31以不同鉭層厚度沈積鉭酸鍶鉍薄膜經750℃ 1min退火後 之 SIMS縱深分析圖………………………………………….91 圖4-32鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過退火溫度700℃ 10min 45 torr 氧氣氛後之電滯曲線圖……………………….….92 圖4-33鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過退火溫度650℃ 20min 45torr後之電滯曲線圖………………………. ……………93 圖4-34鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過退火溫度700℃ 10min 45torr或760 torr後之漏電流密度對電壓關係曲線……..94 圖4-35鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過退火溫度650℃ 20min 45 torr或760 torr 後之漏電流密度對電壓關係曲線….94 圖4-36鉭酸鍶鉍薄膜以鈦為黏著層在700℃ 10min 不同壓力下退 火的疲勞曲線圖(a)45torr(b)760torr…………………….95 圖4-37鉭酸鍶鉍薄膜以鉭為黏著層在650℃ 20min 不同壓力下退 火的疲勞曲線圖(a)45torr(b)760torr…………………….96 圖4-38鉭酸鍶鉍薄膜以不同黏著層在700℃ 10min 不同壓力下退 火之X-ray繞射圖…………………………………………..97 圖4-39鉭酸鍶鉍薄膜以不同黏著層在650℃ 20min 不同壓力下退 火之X-ray繞射圖…………………………………………..97 圖4-40鉭酸鍶鉍薄膜以不同黏著層在700 ℃ 10min不同壓力下退 火後之SEM照片……………………………………………….98 圖4-41鉭酸鍶鉍薄膜以不同黏著層在650 ℃ 200min不同壓力下 退火後之SEM照片…………………………………………..99 圖4-42不同鉍成分之鉭酸鍶鉍薄膜在經過750 1min退火後之漏 電流密度對電壓圖………………………………………….100 圖4-43不同鉍成分之鉭酸鍶鉍薄膜在經過750 1min退火後之 X-ray繞射圖………………………………………………100 圖4-44鉍較多之鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過750 1min退 火後之SEM圖………………………………………………..101 圖4-45鉍較多之鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過650torr退火 後之電滯曲線………………………………………………..102 圖4-46鉍較多之鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過650℃ 20min 45torr退火後再經650℃ 20min 760 torr退火之電滯曲 線…………………………………………………………….103 圖4-47不同鉍成分之鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過650℃ 20min 45torr退火後之漏電流密度對電壓圖…………..104 圖4-48鉭酸鍶鉍薄膜有無經過第二次650℃ 20min 760torr 退火之漏電流密度對電壓圖……………………………..104 圖4-49不同鉍成分之鉭酸鍶鉍薄膜在不同黏著層經過650℃ 20min 45torr退火後之X-ray繞射圖…………………..105 圖4-50具有過量鉍成分之鉭酸鍶鉍薄膜經過650℃ 20min 45torr 退火後之SEM照片……………………………….106 圖4-51以鉭為黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度 一氧化二 的退火後之電滯曲線……………………….…107 圖4-52以鈦為黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度 一氧化二氮的退火後之電滯曲線………………………….108 圖4-53以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度一 氧化二鉭退火後之漏電流密度對電壓圖………………….109 圖4-54以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度氬氣 氛退火後之漏電流密度對電壓圖………………………….109 圖4-55以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經750℃ 1min氬氣氛 退火 後之X-ray圖………………………………………..110 圖4-56以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過不同退火溫度一 氧化二氮氣氛退火後之X-ray繞射圖…………………….110 圖4-57以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過750℃ 1min一氧 化二氮氣氛退火後之SEM照片…………………………….111 圖4-58以不同黏著層沈積鉭酸鍶鉍薄膜經過750℃ 1min氬氣 氛退火後之SEM照片…………………………………….112