探討不同退火方式於Bi4-xLaxTi3-yVyO12鐵電薄膜電容器特性研究

1、探討不同退火方式於bi4.xlaxti3.yvyo12鐵電薄膜電容器特性硏究鄭建民i吳光輝i陳開煌以吳宗勳i楊智益2'南台科技大學電子工程技術學系2東方技術學院帝子與資訊學系摘 要本硏究是利用射頻磁控濺鍍法沉積bltv鐵電薄膜，於二氧化矽基板上製作t=ji1=1回成(metal-ferroelectric-insulator-semiconductor, mfis)結構，探討其特性應 於非揮發性鐵電記憶體元件。本硏究中探討不同的退火方式於bltv鐵電薄 膜電容器的影響，以改善bltv鐵電薄膜層之最佳特性。另外在bltv鐵電 薄膜物性分析可由xrd關係圖中發現其具有最佳的(117)優選方

2、相，也發現 以不同的退火方式與退火溫度處理薄膜 發現薄膜結晶特性也將不同。另外 由sem圖，發現用傳統傳統爐管退火方式退火，將可獲得較穩定得薄膜特 性。關鍵詞：快速熱退火'傳統爐管退火'_'前言記憶體是一摘ij用半導體技術做成的電 了裝置，用來儲存資料。電子電路的資料是以 二進位的方式儲存'記憶體的每一個儲存單元 稱做記憶元或記憶胞(cell)。而記憶體常見 於一般個人電腦，筆記型電腦，通訊電子(如 行動電話等)，消費性電子(如mp3隨身 聽、pda、數位相機)等。目前我們常利用 不同記憶體元件產品在這些可攜帶的產品 上，但不同記憶體元件的特性'讀寫速度

3、及讀 寫次數的特性都是要求的重點。故持續提升讀 寫速度、儲存容量之記憶體已是必然的趨勢。非揮發性鐵電隨機存取記憶體 (nonvolatile ferroelectric random access memories, nvfram)爲目前電子產業具有實 用性發展潛力的記憶元件'它具有非揮發性、 高讀寫速度、高積集度、高耐久性、低操作電 壓、抗輻射等多項優點，同時整合了dram、 sram、flash的優點。其中具鈣钛礦結構 多元金屬氧化物成份之鐵電薄膜'例如：batios、srtio3、(ba,sr)tio3 (bst)、pb(zr,ti)o3 (pzt)、pbtio3 (pt

4、)，由於具有高 介電率與鐵電特性，一般被認爲便是下個世代(giga-bit scale) dram的重要關鍵材料 钛酸鉛，bi4ti3o12 (bto)爲另一個令人感興趣的材料，塊材的2pr (polarization)大約有60 c/crn2 °其結構內有媳的(bi2o2)2+層包(bi-layered perovskites)結構在上 層的(bi2o2)2+層狀結構之間夾著三層的tio八面體結構。在bto薄膜中，由於(bi2o2)2+層 具有網狀的電子電荷(electrical charges)導致 其在晶格中自我調整(self-regulated)以抵銷造 成疲勞的空間電荷。但

5、是'令人意外地，bto 薄膜卻產生蹌特性，且其2pr値只有48 |ic/cm2。近年的硏究y.noguchi等人指出?在 bto(bi4ti3o12)鐵電薄膜中，氧缺陷爲一影響殘餘極化量相當人的關鍵，假如能有效的對氧 缺陷加以控制，必定能改善殘餘極化量'同時 也能降低其漏電流。他們以高價陽離子鎬(w) 或鋭(v)來取代(ti)的位置，成功地減少bto薄膜中的氧缺陷，如此不但能增加bto 鐵電薄膜的殘餘極化量(pq，更可以降低其矯 頑電場(ec)，保有無疲勞特性。換句話說，在 應用上於相同單位的鐵電記憶體，可以以更少 的能量儲存更多的資料。另外'目前用以製備 鐵電材料bz

6、t薄膜的鍍膜術'有電子槍蒸鍍 法(e-beam evaporation) ' 溶膠凝膠法(sol-gel process) ' 射頻磁控濺鍍(rfmagnetron sputtering) 有機金屬分解法(mod)以及化學 氣相沈積(mocvd)*9-14。二、實驗方法本實驗採用反應性射頻磁控濺鍍法(rfmagnetron sputtering)在矽基板上尢積鐵電薄 膜'濺鍍之靶材製作採傳統的陶瓷粉末製程。夾。bi4ti3o12其結構爲鉞系瘧鈣钛礦bltv在ct a不同退火溫度下xrd°圖七爲自製靶材以傳統固態燒結製程技術採用 bi2o3、la2o3、

7、tio2、v2o5 (>99.8% 純度)作 爲原始粉末'壓製成bi3.9lao.1ti2.9vo. 1015的 比例靶材。首先計算與調配粉末所需要的重量 與莫數將粉末之後'球磨二小時'使其混合均 勻'再經由高溫爐中烘烤脫水，使其凝結成固 狀'之後再球磨20分鐘後，進厅嘏燒二小 時'以油式壓模機製出所需要的兩吋靶材。爾 後將靶材放入高溫爐持溫去除黏劑'再將去完 黏劑的靶材以900和looot二段不同持溫時 間來進行最後的燒結，以形成本實驗所需的靶 材。另外濺鍍所用之矽基板，表面需保持非常 潔淨'故分別使用丙酮、異丙醇與去離子

8、水以 超音波震洗器洗淨'確保基板之潔淨'並以氮 氣將基板吹乾'放入100°c烤箱烘烤20到 30分鐘，以去除基板上之水氣，並使用射頻 磁控濺鍍系統(rf magnetron sputtering system) 沉積鐵電薄膜，其濺鍍條件爲pre-sputtenng時 間20分鐘、濺鍍時間2小時、濺鍍塀 100w、腔室壓力10 mtorr、基板溫度爲室溫 與反應氣體爲氧氣濃度40%，探討其對物性及(117)晶向強度愈強，但當溫度到達800°c時卻 變弱'可能rta升溫太快導致bltv中的元素 揮發掉。如圖sem所示rta的溫度在退火時 700c

9、時'就因升溫過快產生孔隙，而如圖四 所示時開始有揮發現象。如圖五爲bltv在不 同退火溫度750°c下sem圖。隨著cta的溫度 增加，晶向強度愈強'溫度到達800°c時爲最 佳溫度'完全沒有rta因升溫太快，而導致 bltv中的元素揮發掉的情形。如圖六爲bltv在cta不同退火溫度700°c下sem圖。 由實驗結果可知當cta溫度700°c時'飢(圓扁 狀)尙未揮發'而當cta溫度750°c時，bltv 各個元素持平。圖九與圖十爲bltv在不同退 火方式與不同溫度下je圖，由圖中可發現著 不同退火溫度的

10、增加，鐵電薄膜漏電流將上 升'不管是何種退火方式，將造成薄膜晶粒成 長，因而造成其漏電流增加。四、糸吉本硏究劉用射頻磁控濺鍍法沉積bi3.9lao.1ti2.9vo.io15 (bltv)鐵電薄膜,矽基電性之影響。物,糧測以x光繞射分析儀(x-ray diffraction,xrd)來分析薄膜之晶向排 列與排向'以決定薄膜沈積的最佳參數。另外從掃瞄式電子顯微鏡(scanning electronmicroscopy, sem)察薄膜表面型態。另外使用hp4156b阻抗分析儀來量測mfis結構'求得cv曲線與vt。量測時所施加的電壓s1-20v 至+20v和+20v至-2

11、0v.h.step voltage爲0.2伏特 來回掃瞄'其量測頻率爲100 khz。量測可得 電容對電壓變化的圖形。三、結果與討論板上製作成mfis結構，探討其結構特性於非 揮發性鐵電記憶體元件之應用。藉由不同的退 火方式(cta,rta)探討結構中bltv鐵電薄 膜的影嚮。以期改善非揮發性鐵電記憶體元件 中bltv薄膜在閘極氧化層中之最佳電性。 薄膜物理分析方面，由xrd關係圖，可發現 不同的退火方式'得到的最佳溫度不一樣，薄 膜結晶特性也不同。由sem關係圖，發現用 傳統cta方式退火，比用rta快速退火穩定。本硏究使用射頻磁控濺鍍法(rf sputtering) 以相同

12、的濺鰐數下沉積bltv薄膜在矽基板上，形成金-鐵電層半導體層(metal-ferroelectric-semiconductor, mfs)結 構。經快速熱退火處理(rta和cta)後最佳化的bltv薄以期取傩氧半場效電晶體(mosfet)之閘極氧化層'形成一mfis-fet元件'以期改善bltv薄膜在閘極氧化層中之最佳電性。結合成長最佳化所沉積bltv 薄g，形成(mfis)結構,取代傳統具有sio2層 的(mfis)結構。並探討不同退火方式的優缺 點。圖三中xrd所示隨著rta的溫度增加'誌謝 本硏究感謝國科會計劃nsc97-2221 - e-272-001經費補助

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