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研究生: 鄭弘杰
Hung-Chieh Cheng
論文名稱: 鈦酸鍶鋇鐵電薄膜變容器之微波頻段特性研究
Microwave Characteristics of BST Ferroelectric Thin Films Varactors
指導教授: 吳泰伯
Tai-Bor 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: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 132
中文關鍵詞: 鈦酸鍶鋇微波頻段磁控濺鍍變容器調變性緩衝層
外文關鍵詞: BST, Microwave, RF-sputtering, varactor, tunability, tunable, buffer layer
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  • 本實驗主要是以磁控濺鍍法鍍製BST/(Ta2O5)1-x(TiO2)x薄膜於高阻值矽基板(n-type,電阻率>15000Ω-cm)上,以共平面的結構進行高頻(1MHz)與微波頻段(1~25GHz)的變容特性量測,其中(Ta2O5)1-x(TiO2)x層作為high-k介電緩衝層,而緩衝層的置入一般被認為可提升整體
    結構的有效介電常數,並降低微波能量在矽基板發生的損耗,進而使得此結構可以幫助鐵電薄膜與矽基板製程進行整合,藉著製程穩定性高、控制容易、技術成熟的半導體製程將薄膜型被動元件整合在單一晶片上,可滿足高頻通訊被動元件嚴格之規格要求,並藉此降低製程成本。
    實驗主要是改變high-k緩衝層的薄膜特性,來觀察其對整體BSTcoplanar結構變容特性的影響,實驗結果發現,在BST/buffer/HRS結構未進行退火熱處理時,無論在高頻(1MHz)與微波頻段(1~25GHz)下皆無明顯的調變性,推究其原因為,當矽基板為undoped時(ρ>15000Ω-cm),其表現為近中性的基板,即無法提供載子作為變容的效果,而在將BST/buffer/HRS結構進行700°C氧氣氛退火熱處理後,無論在高頻1MHz與微波頻段(1~25GHz)皆出現明顯的調變性,可解釋為當進行高溫退火處理時,中性矽基板表面形成了一層n-type Si層,因而提供了主要的調變力來源,並由於緩衝層殘留帶正電的氧空缺,形成類似正fixed oxide charge的影響,使得其串聯後的C-V圖峰值大幅提升,在高頻(1MHz)與微波(1~25GHz)下皆有顯著的調變性,而由此可證明在上述頻段中,調變力的主要來源還是n-type Si層所提供,而鐵電調變層由於水平方向電場密度太小而幾乎無貢獻於調變力。而在鍍膜條件、退火溫度、氛圍等不易避免的現象將會使得單一Metal-Oxide-Semiconductor(MOS)的平帶電壓產生偏移,使得兩個back-to-back串接而成C-V圖顯現出製程相關的結果,並反應在不同的極值電容及迥異的loss-V圖,同時也影響到微波頻段的特性。因此與矽基板緊緊相鄰的緩衝層便會對矽基板表面層載子所貢獻的變容性發生嚴重的影響,經由改變緩衝層的鍍製氣氛發現,不同的氬氧比,將會對成長於其上的BST鐵電薄膜造成些許的差異,且在高頻與微波頻段皆有不同程度的影響,而當改變緩衝層膜厚時,在高頻顯現了越厚的緩衝層將會使得調變率下降,但由於不同厚度條件差異極小,故在微波頻段時,調變率的改變不大,但略呈現先升後降,且FOM亦呈現有最佳值存在,在緩衝層厚度為50nm時,BST/(Ta2O5)0.917(TiO2)0.083/HRS結構在2.45GHz時有79.17%的調變率,FOM值為2.676,在DC bias為24V時,在25GHz下仍有45%的調變率,而FOM值為6.54,但膜厚低於50nm時,使用磁控濺鍍鍍製時,控制力不佳,不易鍍出平整的界面,而實驗結果亦顯示界面性質嚴重影響整體變容表現,故將來若能使用更高品質的方式成長厚度更薄的緩衝層,也許更能有效的控制製程條件,也更有機會將高調變性鐵電薄膜導入矽基板製程,達到有效的降低生產成本的目標,並能廣泛地運用在相關微波元件上。


    第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 動機與目標 2 第二章 文獻回顧 5 2.1 鐵電微波元件整合矽基板製程 5 2.1.1 鐵電材料作為微波元件的優勢 6 2.1.2鐵電整合矽基板製程 9 2.1.3 矽基變容器特性 10 2.1.4 矽基板整合鐵電變容器 11 2.2 鐵電材料的研究及發展 12 2.2.1 鐵電材料的結構與特性 13 2.2.2 鈦酸鋇系鐵電材料 15 2.2.2-3 鈦酸鍶鋇 17 2.3 (Ta2O5)1-x(TiO2)x的研究及發展 18 2.3.1 單成分介電材料發展緣由 18 2.3.2 (Ta2O5)1-x(TiO2)x薄膜 19 2.4極化機制 21 2.4.1 極化現象 21 2.4.2 介電常數與介電損失 23 2.5 鐵電薄膜/緩衝層/Si基板之共平面結構上的電性機制 [12,13,37] 24 第三章 實驗方法與步驟 43 3.1 緩衝層薄膜之製備 43 3.1.1 (Ta2O5)1-x(TiO2)x緩衝層靶材製備 43 3.1.2 鍍製(Ta2O5)1-x(TiO2)x薄膜 44 3.2 BST薄膜之製備 44 3.2.1 BST靶材 44 3.2.2 鍍製BST薄膜 46 3.3 薄膜熱處理 46 3.3.1 (Ta2O5)1-x(TiO2)x/HR-Si 結構退火製程 46 3.3.2 BST/(Ta2O5)1-x(TiO2)x/HR-Si 結構退火製程 47 3.4 上電極之製作 47 3.4.1 Wet etching法 47 3.5 薄膜分析量測 48 3.5.1 薄膜結構分析 48 3.5.2 薄膜成分分析 48 3.5.3 厚度量測及微觀結構—SEM分析 49 3.5.4 電性分析 50 第四章 實驗結果與討論 65 4.1 (Ta2O5)1-x(TiO2)x薄膜特性 65 4.1.1薄膜成份分析 65 4.1.2 薄膜退火熱處理 65 4.2 BST薄膜特性 66 4.2.1 薄膜成份分析 66 4.2.2 鍍膜溫度對高頻(1MHz)電性之影響 66 4.3 各種缺陷電荷對於BST/buffer/n-type Si結構之電性影響 67 4.3.1 Oxide trapped charge (Qot)之影響 69 4.3.2 Mobile ion charge (Qm)之影響 71 4.3.3 Fixed oxide charge (Qf)之影響 71 4.4 BST/(Ta2O5)1-x(TiO2)x/HRS結構之高頻、微波特性 73 4.4.1 對BST/buffer/HRS結構進行退火熱處理後對電性的影響 73 4.4.2 鍍製緩衝層時的氬氧比對BST/buffer/HRS結構的電性影響 76 4.4.3 不同緩衝層膜厚對BST/buffer/HRS結構的電性影響 82 4.5 正反調變性機制模型 85 4.5.1 lightly-accumulated interface 86 4.5.2 Heavily-accumulated interface 88 第五章 結論 127 第六章 參考文獻 129

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