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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:熊昌鉑
論文名稱:應用於金屬/鐵電層/絕緣層/半導體場效電晶體之氧化釔(Y2O3)絕緣層薄膜特性
論文名稱(外文):The Characteristics of Y2O3 Thin Films for Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor Field Effect Transistor (MFIS-FET)
指導教授:甘炯耀
指導教授(外文):Jon-Yiew Gan
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
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:71
中文關鍵詞:氧化釔高介電材料錳酸釔鐵電材料非揮發性記憶體金屬/鐵電層/絕緣層/半導體場效電晶體
外文關鍵詞:Y2O3High-k dielectricYMnO3ferroelectricnon-volatile memoryMFISFET
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由於金屬/鐵電層/絕緣層/半導體場效電晶體(MFIS-FETs)為結構所製作的鐵電記憶體,具有非破壞式讀取、高積集度等許多優點,因此受到研究上的興趣。結構中所選用的鐵電材料又以錳酸釔(YMnO3, YMO)具低介電係數的特性,最引人興趣。然而,製作以YMO為主之MFIS-FET存在的問題,有中間介電層材料的選用及匹配性等課題。本研究即以射頻磁控濺鍍的方式鍍製YMO為鐵電層,探討YMO的薄膜結構特性。並以氧化釔(Y2O3)做為絕緣層,討論其做為MFIS之絕緣層的適當性,並探討該絕緣層的結構性質與電性表現。
實驗結果顯示,YMO無法直接在矽基板上結晶生長,而若Y2O3薄膜先鍍製於矽基板上之後卻可以有效幫助YMO的結晶生長,並呈現C軸晶粒指向的分佈。成長的Y2O3薄膜具有(222)晶面的優選指向,並具有粒徑約為25nm的微小晶粒與10-10m(Å)等級的極小表面粗糙度,優於絕緣層的利用。
Y2O3製作MIS結構的電性表現,於450℃基板溫度下鍍製的薄膜,無法顯現正常的C-V曲線特性,推測為矽基板界面處釔矽化物之產生所致。然而,在高溫熱處理後,可使C-V特性回復。並隨著熱處理溫度的提高,改善了VFB飄移的特性及由矽基板而來的電荷注入(charge injection)陷住的現象。此外,漏電流特性亦有改善的趨勢。
第一章 緒論 1
1.1簡介…………………………………………………………...1
1.2研究動機……………………………………………………...2
第二章 文獻回顧 4
2-1 鐵電材料及其物理機制…………………………………….4
2-2 鐵電記憶體的種類………………………………………….5
2-2.1 破壞式讀取(DRO)…………………………………...5
2-2.2 非破壞式讀取(NDRO)………………………………6
2-3 介電性質.................................................................................8
2-4 YMO之基本材料特性……………………………………..10
2-4.1基本材料特性.............................................................10
2-4.2 YMO薄膜製作...........................................................10
2-5 絕緣層在MFIS應用中的特性考量………………………12
2-4.1 絕緣層鍍製在矽基板上的熱穩定性………………13
2-4.2 絕緣層/矽基板之界面特性………………………...14
2-4.3 絕緣層的介電常數…………………………………15
2-4.4 絕緣層的厚度效應…………………………………15
2-6 Y2O3 絕緣層的性質..............................................................16
圖表………………………………………………………..18
第三章 實驗方法與流程 26
3-1 YMO薄膜的鍍製…………………………………………..26
3-1.1 YMO靶材(Target)的製備…………………………..26
3-1.2 YMO薄膜鍍製……………………………………27
3-2 Y2O3之MIS結構製作……………………………………..28
3-2.1 Y2O3靶材的製備……………………………………28
3-2.2 矽基板的處理………………………………………28
3-2.3 Y2O3薄膜鍍製………………………………………29
3-2.4 上電極(Top electrode)的製作……………………...30
3-3 Y2O3之MIM結構製作……………………………………..30
3-3.1 下電極(Bottom electrode)基板的製作……………..31
3-4 薄膜特性分析……………………………………………...32
3-4.1 薄膜晶體結構鑑定…………………………………32
3-4.2 薄膜表面型態觀察…………………………………32
3-4.3 表面粗糙度分析……………………………………33
3-5 薄膜電性分析……………………………………………...33
3-5.1 介電常數與散逸因子量測…………………………33
3-5.2 高頻率(1MHz)電容-電壓量測……………………..34
3-5.3 漏電流特性量測……………………………………34
圖表………………………………………………………..35
第四章 實驗結果與討論 41
4-1 錳酸釔(YMO)之結構特性………………………………...41
4-1-1 白金基板上成長YMO之特性…………………….41
4-1-2 矽基板上成長YMO之特性……………………….42
4-2 Y2O3之結構、電性分析……………………………………43
4-2-1薄膜結構特性……………………………………….43
4-2-1.1 晶體結構………………………………………43
4-2-1.2 表面型態………………………………………44
4-2-1.3 表面粗糙度……………………………………45
4-2-2 電性量測…………………………………………...45
4-2-2.1 介電常數………………………………………45
4-2-2.2 高頻(1MHz) C-V量測………………………...46
4-2-2.2.1 CFB及VFB之估算與定義……………….48
4-2-2.2.2 平帶電壓飄移之探討………………….50
4-2-2.2.3 C-V曲線hysterisis效應及物理機制…..52
4-2-2.3 漏電流量測……………………………………53
4-3 綜合討論…………………………………………...............54
圖表………………………………………………………..55
第五章 結論 68

參考文獻..................................................................................................70





圖表目錄

Table2-1 RMnO3(R:稀土金屬元素)系列鐵電材料的基本特性……...18
Table 2-2各種高介電材料特性..............................................................18
Fig.2-1 鐵電材料電滯曲線圖 (Hysteresis Loop)..................................19
Fig.2-2 8T-2C記憶體示意圖...................................................................19
Fig.2-3 2T-2C及1T-1C記憶體示意圖...................................................20
Fig.2-4 非破壞式讀取(NDRO)操作示意圖..........................................20
Fig.2-5 非破壞式讀取(NDRO)記憶胞之一種設計剖面示意圖..........21
Fig.2-6 四種極化機構示意圖................................................................21
Fig.2-7 頻率變化對極化機構的影響....................................................22
Fig.2-8 YMnO3晶體結構式意圖............................................................22
Fig.2-9 以PLD方式於不同氧分壓下鍍製YMO於Si(111)基板上的XRD圖及成長機制示意圖.....................................................................23
Fig.2-10 以CSD方式鍍製YMO於Pt/Al2O3基板上進行800℃熱處理的XRD圖.................................................................................................23
Fig.2-11 Ta2O5 /Si之界面反應……………………………………….....24
Fig.2-12 金屬/鐵電層/N型半導體系統能帶式意圖……………….....24
Fig.2-13 Y2O3的晶格結構示意圖...........................................................25
Fig.3-1 磁控式雙槍濺鍍系統................................................................35
Fig.3-2(a) MIS 結構……………………………………………………36
Fig.3-2(b) MIM 結構…………………………………………………..36
Fig.3-3 YMO靶材製備流程…………………………………………...37
Fig.3-4 Y2O3靶材製備流程………………………………………….....38
Fig.3-5 鍍製下電極流程圖....................................................................39
Fig.3-6(a) MIM量測示意圖…………………………………………...40
Fig.3-6(b) MIS量測示意圖…………………………………………....40
Fig.4-1 YMO薄膜在各種退火氣氛下於800℃退火10分鐘的XRD圖………………………………………………….…………………….55
Fig.4-2 YMO薄膜在Ar氣氛不同壓力下於800℃退火10分鐘的XRD圖……………………………………………………….……………….55
Fig.4-3 YMO薄膜在真空下於800℃退火10分鐘的SEM照片........56
Fig.4-4 YMO薄膜的漏電流曲線圖…………………………......……..56
Fig.4-5 YMO薄膜分別鍍製在白金基板、矽基板上通入Ar 1torr於800℃退火10分鐘的XRD圖…….....................................…………….57
Fig.4-6 YMO薄膜鍍製在Y2O3 / Si基板上通入Ar 1torr於800℃退火10分鐘的XRD圖………………………………….......……………….57
Fig.4-7 YMO鍍於Y2O3 / Si 基板上通入Ar 1 torr於800℃退火10分鐘的SEM圖.............................................................................................58
Fig.4-8(a) Y2O3薄膜於室溫下鍍製於Si基板上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖.............................................................……………..59
Fig.4-8(b) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Si基板上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖.............................................................……………..59
Fig.4-8(c) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Pt電極上與經600℃∼850℃退火15分鐘之XRD圖...............................………….......…...……………..60
Fig.4-8(d) Y2O3薄膜於450℃鍍製於Pt電極上之低掠角XRD圖......60
Fig.4-9經750℃退火處理Y2O3薄膜之(a)表面 及(b)截面型態的SEM圖…………………………………………………………………..........61
Fig.4-10 (a) Y2O3於基板溫度450℃鍍製之AFM 3D圖及粗糙度分析……......................................................................................................62
Fig.4-10 (b) Y2O3薄膜於600℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析…..........................................................................................................62
Fig.4-10 (c) Y2O3薄膜於750℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析..............................................................................................................63
Fig.4-10 (d) Y2O3薄膜於850℃退火15分鐘之AFM 3D圖及粗糙度分析..............................................................................................................63
Fig.4-11相對介電常數、介電損失因子(tanδ)隨頻率響應關係圖……64
Fig.4-12以高頻(1MHz)量測電容-電壓曲線圖……..............................64
Fig.4-13(a) 450℃鍍製試片受正偏壓量測的情形.................................65
Fig.4-13(b) 450℃鍍製試片受負偏壓量測的情形.................................65
Fig.4-14(a)受負偏壓施加時,電洞於界面處陷住的能帶示意圖…….66
Fig.4-14(b)受正偏壓施加時,電子於界面處陷住的能帶示意圖…….66
Fig.4-15 Y2O3之MIS結構的漏電流與電場曲線圖…………………..67
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