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研究生： 陸漢威
Han-Wei Lu
論文名稱： 金紅石相二氧化鈦薄膜之研究
Study of rutile phase titanium dioxide thin films
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： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 95
中文關鍵詞： 二氧化鈦 、薄膜 、介電 、金紅石
外文關鍵詞： titanium dioxide, thin film, dielectric, rutile
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    • 本實驗採用射頻磁控濺鍍法鍍製二氧化鈦薄膜，以二氧化鈦粉末乾壓製作陶瓷靶，沉積在Pt / Ti / SiO2 / Si基板上。上電極材料同樣為Pt以組成MIM薄膜電容器結構。文中將改變不同參數，探討對於薄膜結晶性、微觀結構、介電特性及漏電流性質的影響。
    實驗結果顯示，在基板溫度為300℃，鍍膜功率為130W下，可以直接鍍製出金紅石相（Rutile）的二氧化鈦薄膜，並沒有介穩態的銳鈦礦相（Anatase）出現；此外，搭配較高的氬/氧比（95/5）可以使薄膜表面更加平整。薄膜介電常數約在90~110之間。漏電流密度在電場500 kV/㎝時小於1×10 -7A/㎝2。

    以熱壓靶做為靶材，所鍍製出的薄膜性質較為穩定，靶材本身的使用壽命也較長。對於結晶性、電性及微結構上的改變不大，但可略為提昇崩潰電場的大小。

    將基板改用Ti / Pt / Ti / SiO2 / Si，利用底電極與薄膜有相同元素（Ti）的優點，可以使薄膜有較佳的平整度。但Ti與TiO2介面會形成氧空缺，造成電性的劣化，若降低氬/氧比則可有效恢復性質，在電場500 kV/㎝時漏電流密度約為1×10 -7A/㎝2。經由變溫量測可計算出缺陷活化能約為0.5 eV。

    在靶材中加入添加劑（Al2O3、Mn2O3、CeO2），藉以改善薄膜漏電流的問題。其中以添加5 mole%的CeO2在經過RTA熱處理後可以得到最佳的性質。介電常數約為95，在電場為1500 kV/㎝時，漏電流密度為1×10 –8A/㎝2。

    摘要…………………………………………………………………………壹 目錄…………………………………………………………………………貳 表目錄………………………………………………………………………肆 圖目錄………………………………………………………………………伍 第一章 緒論……………………………………………………………..1 1-1 薄膜電容器結構…………………………………………………..1 1-2 二氧化鈦薄膜……………………………………………………..2 第二章 文獻回顧………………………………………………………..5 2-1 二氧化鈦性質……………………………………………………..5 2-2 現今二氧化鈦薄膜介電性質之研究……………………………..6 2-3 低溫下鍍製Rutile相二氧化鈦薄膜……………………………10 第三章 實驗步驟…………………………………………………………14 3-1 二氧化鈦陶瓷靶材製作…………………………………………14 3-2 MIM結構的製作…………………………………………………15 3-3 薄膜特性分析……………………………………………………16 3-4 薄膜電性量測……………………………………………………17 第四章 結果與討論………………………………………………………23 4-1 尋找最佳濺鍍條件………………………………………………23 4-2 膜厚的影響………………………………………………………30 4-3 熱壓靶的影響……………………………………………………31 4-4 基板的影響………………………………………………………34 4-5 添加劑的影響……………………………………………………37 第五章 結論…………………………………………………………...93 參考文獻………………………………………………………………….95 表1-1：幾種典型之高介電薄膜材料………………………..……….…..3 表4-1：不同氬/氧比與工作壓力下薄膜厚度……………..……………41 圖1-1：DRAM記憶包的（a）截面構造與（b）電路圖……………….……4 圖1-2：DRAM尺寸隨密度變化的走勢圖…….………………….….…..…4 圖2-1：（a）金紅石（Rutile）相晶體結構 （b）金紅石（Rutile）相結構為許多八面體經角落及 鄰邊共享所組成……………………………………………………12 圖2-2：鍍膜方式、基板溫度與粒子能量的關係圖…………………….…13 圖3-1：粉末製備流程……………………………………………………….19 圖3-2：800℃燒結靶材之XRD圖……………………………………………20 圖3-3：黃光微影（lithography）製程流程…….……………………….21 圖3-4：在不同的電壓下，電流對時間之關係圖（I-t圖）…………….22 圖4-1：濺鍍功率（W）與膜厚（nm）之關係圖……………………………42 圖4-2：濺鍍功率對薄膜結晶性的影響…………………………………….42 圖4-3：不同濺鍍功率下的表面型態………………………………….….43 圖4-4：濺鍍功率（W）對介電常數（εr）與散逸因子（tan δ） 隨頻率變化之關係圖…………………………………………………44 圖4-5：不同濺鍍功率之J-E圖………………………………………….44 圖4-6：（a）300℃、130 W、60 / 40、不同工作壓力之XRD圖 （b）300℃、130 W、75 / 25、不同工作壓力之XRD圖………..45 （c）300℃、130 W、95 / 5、不同工作壓力之XRD圖………….46 圖4-7：（a）300℃、130 W、10 mtorr、不同氬氧比之XRD圖 （b）300℃、130 W、20 mtorr、不同氬氧比之XRD圖…………47 （c）300℃、130 W、40 mtorr、不同氬氧比之XRD圖…….……48 圖4-8：300℃ 130 W 為濺鍍條件，做RTA後之XRD圖.………………..49 圖4-9：300℃、130 W、氬氧比：60 / 40、不同工作壓力之SEM圖 （a） 工作壓力：10 mtorr（b）工作壓力：20 mtorr…………...50 （c）工作壓力：40 mtorr…………………………………….……….51 圖4-10：300℃、130 W、氬氧比：95 / 5、不同工作壓力之SEM圖 （a） 工作壓力：10 mtorr（b）工作壓力：20 mtorr……….…..52 （c）工作壓力：40 mtorr……………………………………….…….53 圖4-11：300℃、130 W、氬氧比：60 / 40、不同工作壓力之AFM圖 （a） 工作壓力：10 mtorr（b）工作壓力：20 mtorr………..….54 （c）工作壓力：40 mtorr……………………………………….…….55 圖4-12：300℃、130 W、氬氧比：95/5、不同工作壓力之AFM圖 （a） 工作壓力：10 mtorr（b）工作壓力：20 mtorr…….….….56 （c）工作壓力：40 mtorr…………………………………….….……57 圖4-13：（a）300℃、130W、60/40、不同工作壓力下C- tan δ 對頻率的關係圖………………………………………….………58 （b） 300℃、130W、75/25、不同工作壓力下C- tan δ 對頻率的關係圖………………………………………….……..58 （c） 300℃、130W、95/5、不同工作壓力下C- tan δ 對頻率的關係圖…………………………………………….…..59 圖4-14：（a）300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比下C- tan δ 對頻率的關係圖………………………………….………………60 （b） 300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下C- tan δ 對頻率的關係圖………………………………….……….…….60 （c） 300℃、130W、40 mtorr、不同氬氧比下C- tan δ 對頻率的關係圖………………………………….…….……….61 圖4-15：（a）300℃、130W、60/40、不同工作壓力下之J-E圖…………62 （b） 300℃、130W、75/25、不同工作壓力下之J-E圖………...62 （c）300℃、130W、95/5、不同工作壓力下之J-E圖……….……63 圖4-16：（a）300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比下之J-E圖………64 （b）300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下之J-E圖……….…64 （c）300℃、130W、40 mtorr、不同氬氧比下之J-E圖………….65 圖4-17：300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比之XRD圖………….…….66 圖4-18：300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比之J-E圖………….……67 圖4-19：300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比鍍製相同膜厚之J-E圖.67 圖4-20：（a）300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比， 薄膜XPS分析（Ti）…………………………………….………68 （b）300℃、130W、10 mtorr、不同氬氧比， 薄膜XPS分析（O）……………………………………….……69 圖4-21：300℃、130W、20 mtorr、95/5改變膜厚之SEM圖 （a） 濺鍍時間：0.5小時（b）濺鍍時間：1小時………..………70 （c）濺鍍時間：1.5小時（d）濺鍍時間：2小時…………..……..71 圖4-22：300℃、130W、20 mtorr、95/5改變膜厚之J-E圖…….……...72 圖4-23：熱壓靶鍍製（300℃、130W、20 mtorr、95/5） 不同時間之XRD圖………………………………………….………..73 圖4-24：熱壓靶鍍製（300℃、130W、20 mtorr）， 不同氬/氧比之SEM圖……………………………………….……….74 圖4-25：熱壓靶 300℃、130W、95/5、不同工作壓力下 C- tan δ對頻率的關係圖……………………………………….…….76 圖4-26：熱壓靶 300℃、130W、20 mtorr、不同氬/氧比下 C- tan δ對頻率的關係圖……………………………………….…….76 圖4-27：熱壓靶 300℃、130W、95/5、不同工作壓力下之J-E圖…….…77 圖4-28：熱壓靶 300℃、130W、20 mtorr、不同氬/氧比下之J-E圖.…77 圖4-29：（a）300℃、130W、20mtorr、不同氬氧比， 薄膜XPS分析（Ti）………………………………….………..78 （b） 300℃、130W、20mtorr、不同氬氧比， 薄膜XPS分析（O）……………………………………………79 圖4-30：（a）300℃、130W、95/5、不同壓力下Ti / Pt / Ti基板 上之XRD圖………………………………….………………….80 （b）300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下Ti / Pt / Ti 基板上之XRD圖………………………………………………..80 圖4-31：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比在Ti / Pt / Ti 基板上之SEM圖………………………………….………………….81 圖4-32：300℃、130W、20 mtorr、95/5鍍製0.5hr在Ti / Pt / Ti 基板上之SEM圖……………………………………………………..83 圖4-33：300℃、130W、20 mtorr、95/5鍍製0.5hr在Pt / Ti 基板上之SEM圖……………………………………………………..83 圖4-34：300℃、130W、20 mtorr、95/5鍍製0.5hr在Ti / Pt / Ti 基板上之AFM圖……………………………………………………..84 圖4-35：300℃、130W、20 mtorr、95/5鍍製0.5hr在Pt / Ti 基板上之AFM圖……………………………………………………..84 圖4-36：300℃、130W、95/5、不同工作壓力鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上之C- tan δ對頻率的關係圖………………………………….85 圖4-37：300℃、130W、20 mtorr、不同氬/氧比鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上之C- tan δ對頻率的關係圖………………………………….85 圖4-38：300℃、130W、20 mtorr、95/5，鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上在不同溫度下之C- tan δ對頻率的關係圖………………….86 圖4-39：300℃、130W、20 mtorr、80/20，鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上在不同溫度下之C- tan δ對頻率的關係圖……………….…86 圖4-40：300℃、130W、20 mtorr、不同氬/氧比鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上，其空間電荷知活化能……………………………………….87 圖4-41：300℃、130W、95/5、不同工作壓力鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上之J-E圖…………………………………………………….…88 圖4-42：300℃、130W、20 mtorr、不同氬/氧比鍍製在Ti / Pt / Ti 基板上之J-E圖………………………………………………….……88 圖4-43：不同成份5 mole%添加劑在不同氬/氧比下之XRD圖…….……..89 圖4-44：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製 Al2O3添加薄膜之C- tan δ對頻率的關係圖………………………..90 圖4-45：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製. Mn2O3添加薄膜之C- tan δ對頻率的關係圖………………………90 圖4-46：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製 CeO2添加薄膜之C- tan δ對頻率的關係圖……….……………….91 圖4-47：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製 Al2O3添加薄膜之J-E圖……………………………………………..92 圖4-48：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製 Mn2O3添加薄膜之J-E圖……………………………………………92 圖4-49：300℃、130W、20 mtorr、不同氬氧比下鍍製 CeO2添加薄膜之J-E圖……………95

    1. Y. Chiang, D. Birnie, W. D. Kingery, Physical ceramic , p37（1996）
    2. J. D. Deloach, C. R. Aita, J. Vac. Sci. Technol. A, 16（3）, p1963-1968（1998）
    3. V. V. Yakovlev, G. Scarel, C. R. Aita, Appl. Phys. Lett. , 76（9）, p1107-1109（2000）
    4. C. C. Ting, S. Y. Chen, J. Appl. Phys., 88（8）, p4628-4633（2000）
    5. B. R. Weinberger, R. B. Garber, Appl. Phys. Lett. , 66（18）, p2409-2411（1995）
    6. A. J. Moulson, J. M. Herbert, Electroceramics, p226（1990）
    7. 陳繼仁, “TiO2陶瓷的燒結、電性及晶界偏析理論模型之研究”, 清華大學材料所博士論文（1989）
    8. M. Z. Atashba, H. T. Sun, B. Gong, W. Wlodarski, R. Lamb, Thin Solid Films, 326, p238-244（1998）
    9. 許玉麟, “溶凝膠法二氧化鈦薄膜研究”, 清華大學材料所碩士論文（1993）
    10. N. Negishi, K. Takeuchi, Materials Letters, 38, p150-153（1999）
    11. O. Treichel, V. Kirchhoff, Surface and Coating Technol., 123, p268-272（2000）
    12. K. Yokota, T. Yamada, F. Miyashita, K. Hirai, H. Takano, M. Kumagai, Thin Solid Films, 334, p109-112（1998）
    13. J. V. Grahn, M. Linder, J. Vac. Sci. Technol. A, 16（4）, p2495-2500（1998）
    14. G. P. Burns, J. Appl. Phys., 65（5）, p2095-2097（1989）
    15. G. P. Burns, I. S. Baldwin, M. P. Hastings, J. G. Wilkes, J. Appl. Phys., 66（6）, p2320-2324（1989）
    16. T. Kamada, M. Kitagawa, M. Shibuya, T. Hirao, Jpn. J. Appl. Phys., 30（12B）, p3594-3596（1991）
    17. N. Rausch, E. P. Burte, J. Electrochem. Soc., 140（1）, p145-149（1993）
    18. C. C. Ting, S. Y. Chen, J. Appl. Phys., 88（8）, p4628-4633（2000）
    19. M. D. Stamate, Thin solid Films, 372, p246-249（2000）
    20. 李雅明, 固態電子學, p515-523（1995）
    21. 陳啟明,“以磁控濺鍍法製備二氧化鈦薄膜電容器及電性分析”, 清華大學材料所碩士論文（1993）
    22. S. K. TiKu, G. C. Smith, Journal of Electronic Materials, 13（2）, p273-279（1984）
    23. H. Ha, B. K. Moon, T. Inushima, H. Ishiwara, H. Koinuma, Materials Science and Engineering B, （B41）, p143-147
    24. R. B. van Dover, Appl. Phys. Lett., 74（20）, p3041-3043（1999）
    25. J. Kim, S. Lee, H. Im, Applied Surface Science, 151, p6-16（1999）
    26. K. Yokota, K. Nakamura, T. Sasakawa, T. Kamatani, Jpn. J. Appl. Phys., 40, p718-723（2001）
    27. 林國棟,“射頻磁控濺鍍TiO2薄膜電容器之研究”, 清華大學材料所碩士論文（2001）
    28. F. A. Grant, Reviews of Modern Physics, 31（3）, p646-673（1959）
    29. J. M. Wu, C. J. Chen, Journal of materials science, 23, p4157-4164（1988）

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