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研究生:張家豪
研究生(外文):Chia-Hao Chang
論文名稱:熱退火及氧電漿製程對高介電係數鈦酸鍶鋇鋯薄膜特性之影響
論文名稱(外文):The Influences of Thermal Annealing and Oxygen Plasma Treatment on the Characteristics of High Dielectric Coefficient (Ba, Sr)(Ti, Zr)O3 Thin Films
指導教授:陳英忠
指導教授(外文):Ying-Chung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:濺鍍電漿退火
外文關鍵詞:DRAMBSTZ
相關次數:
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本論文利用反應性射頻磁控濺鍍法,以最佳的濺鍍條件,在Pt/Ti/SiO2/Si基板上製備(Ba,Sr)(Ti,Zr)O3 (BSTZ)薄膜,並將製備好的薄膜分別以快速熱退火、傳統爐退火、氧電漿、氮電漿和氧化亞氮電漿進行後處理,以提升BSTZ薄膜之介電特性。
在物性研究方面,藉由XRD、SEM與AFM分析,探討不同後處理對於BSTZ薄膜的影響。在電性方面,亦藉由HP4194A以及HP4156C半導體參數分析儀,分析在不同後處理下的薄膜,其MIM (metal-insulator-metal)結構之漏電流大小,並探討薄膜本身在不同電壓下其介電常數的變化。
由實驗結果得知,BSTZ薄膜經過退火處理後,可以提升其介電常數及降低漏電流,但是過高的傳統爐退火溫度將使其漏電流過大;而在不同氣氛的電漿處理下,漏電流特性均有明顯的降低,在氧電漿處理6分鐘後再使用快速熱退火600℃持溫2分鐘,介電常數可達295,在電場0.1MV/cm下,漏電流密度為1.38×10-9A/cm2,可知適度地結合退火與電漿處理製程,將可有效地提升薄膜之介電特性。
In this thesis, the reactive rf magnetron sputtering was used to deposit (Ba,Sr)(Ti,Zr)O3 (BSTZ) thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrate with the optimal parameters. The post-treatments of rapid thermal annealing (RTA), conventional thermal annealing (CTA), O2 plasma, N2 plasma, and N2O plasma respectively were used to promote the dielectric characteristics.
The physical characteristics of BSTZ thin films were obtained by the analyses of XRD, SEM, and AFM. The influences of post-treatments on thin films were discussed. The electrical properties of BSTZ thin films were estimated through the measurement of leakage current on MIM structure with HP4194A and HP4156C semiconductor parameters analyzer. Also, the dependences of dielectric constants on applied voltage were discussed.
After annealing treatments, the dielectric constants were increased and the leakage currents were decreased respectively. But with the higher annealing temperature of CTA, the larger leakage currents were obtained. In the different atmosphere of plasma treatments, the leakage currents were decreased obviously. The dielectric constant was about 295 after O2 plasma treatment of 6 minutes succeeded with RTA at 600℃ for 2 minutes; it reveals that the leakage current was about 1.38x10-9 A/cm2 under the applied electrical field of 0.1 MV/cm. Therefore, to combine the annealing and plasma treatments properly could increase the dielectric characteristics effectively.
摘要 I
目錄 III
圖表目錄 VI
第一章 前言 1
第二章 理論 6
2.1 鈦酸鋇系(BaTiO3)陶瓷材料 6
2.1.1 鈦酸鋇(BaTiO3)之結構與特性 6
2.1.2 雜質的摻雜對鈦酸鋇(BaTiO3)特性的變化 7
2.2 介電理論 8
2.2.1 介電極化和極化機構 8
2.2.2 介電損失 10
2.3.3 漏電流 11
2.3 薄膜沉積原理 12
2.3.1 沉積現象 12
2.3.2 薄膜表面及截面結構 13
2.4 反應性射頻磁控濺鍍原理 14
2.4.1 直流輝光放電 14
2.4.2 磁控濺射 15
2.4.3 射頻濺射 15
2.4.4 反應性濺射 16
第三章 實驗 17
3.1 矽基板的清洗步驟 17
3.2 濺鍍靶材的製作 18
3.3 濺鍍系統與薄膜沉積 18
3.4 熱退火(Annealing)處理 20
3.5 電漿製程(Plasma Treatment)處理 20
3.6 X光繞射 (X-Ray Diffraction, XRD) 分析 21
3.7 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)
分析 22
3.8 膜厚量測 22
3.9 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析 23
3.10 二次離子質譜儀(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS)
分析 23
3.11 高介電薄膜的製作 23
3.12 薄膜電性測量 25
第四章 結果與討論 26
4.1 快速熱退火之影響 26
4.1.1 SEM分析 27
4.1.2 XRD分析 27
4.1.3原子力顯微鏡(AFM)分析 28
4.1.4電壓-介電常數特性分析 29
4.1.5漏電流特性分析 30
4.2 傳統爐管退火之影響 31
4.2.1 SEM分析 31
4.2.2 XRD分析 31
4.2.3電壓-介電常數特性分析 32
4.2.4漏電流特性分析 33
4.3 氧電漿表面處理之影響 33
4.3.1 SEM分析 34
4.3.2 XRD分析 34
4.3.3電壓-介電常數特性分析 35
4.3.4漏電流特性分析 35
4.4 氮電漿表面處理之影響 36
4.4.1 SEM分析 36
4.4.2 XRD分析 37
4.4.3電壓-介電常數特性分析 37
4.4.4漏電流特性分析 38
4.5 N2O電漿表面處理之影響 38
4.5.1 SEM分析 38
4.5.2 XRD分析 39
4.5.3電壓-介電常數特性分析 39
4.5.4漏電流特性分析 39
第五章 結論 41
參考文獻 43
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