臺灣博碩士論文加值系統

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

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