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研究生:呂佳峰
論文名稱:絕緣層對於SrBi2Ta2O9鐵電場效應電晶體(Metal/Ferroelectric/Insulator/Si)特性影響之研究
指導教授:胡塵滌胡塵滌引用關係
指導教授(外文):Chen-Ti Hu
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:117
中文關鍵詞:鐵電絕緣層電晶體記憶體
外文關鍵詞:SBTferroelectricMFISinsulator
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本論文共分為四部分,第一部份探討以不同厚度的Si3N4作為SBT與Si間的擴散阻絕層,其對SBT鐵電性質的影響。由實驗結果發現Si3N4無法阻擋Si與SBT間的擴散,同時由於Si3N4本身存在內應力及容易捕捉載子的特性,因此造成鐵電記憶視窗的大幅縮減,所以可知Si3N4並不適合作為1T-FeRAM的buffer layer。
第二部分與第一部份相似,只不過把擴散阻絕層由Si3N4置換成SiO2,同樣探討SiO2對SBT鐵電性質的影響。由這一部份的結論可知Si3N4如同SiO2一樣,無法完全阻擋Si與SBT間的擴散,但較厚的SiO2能夠使SBT忍受較長熱處理時間而不置於明顯劣化,但太厚的SiO2將使SBT無法獲得足夠電場發生極化,因此仍會造成記憶視窗的減小,因此SiO2依然不適合作為1T-FeRAM的buffer layer。
第三部分仍延續之前的研究,只不過把擴散阻絕層材料再次改變成為HfO2。由實驗結果可知,HfO2雖然無法完全阻擋Si與SBT間的擴散,但阻絕效果比起Si3N4及SiO2來得更好,同時其記憶視窗更遠比以Si3N4及SiO2為擴散阻絕層試片來得大,這表示SBT能夠得到足夠的電場產生極化,所以HfO2應適合作為1T-FeRAM的buffer layer材料。
最後一部分分別將三種不同材料做一比較,由這一部分及以上結果不難得到,以HfO2為擴散阻絕層試片,在各項性質上均優於其他兩種材料,因此HfO2或許是將來1T-FeRAM上一個重要的材料。
目錄

第一章 序論……………………………………………………………1
第二章 文獻回顧………………………………………………………4
2-1 鐵電材料……………..…………………………………………4
2-1-1 鐵電材料結構及特徵…………………………………………4
2-1-2 鐵電特性………………………………………………………6
2-2 鐵電記憶體的發展…………………………………………………8
2-2-1 鐵電記憶體發展的歷史………………………………………8
2-2-2 鐵電記憶體的種類…………………………………………...8
2-2-3 目前鐵電記憶體發展所遭遇的問題……………………………9
2-2-4 目前改善的方法及新衍生的問題………………………………11
2-3 鐵電薄膜於記憶體元件上的應用…………………………….….13
2-4 鐵電薄膜的製程…………………………………………………..16
2-4-1 配方溶液的研製與調配……………………………………..16
2-4-2 有機金屬裂解法……………………………………………..17
2-4-3 有機金屬裂解法的基本原理………………………………..17
2-4-4 薄膜披覆製程………………………………………………..18
2-4-5 低溫焦化熱處理……………………………………………..19
2-4-6 高溫結晶與緻密化處理……………………………………..20
2-5 SBT鐵電薄膜之相變化…………………………………………...21
2-6 目前對已有絕緣層之研究………………………………………..22
2-7 實驗目的…………………………………………………………..23
第三章 實驗程序……………………………………………………….31
3-1 實驗簡介…………………………………………………………..31
3-2 基板之準備………………………………………………………..31
3-2-1 擴散阻絕層的製備…………………………………………..31
3-3 SBT鐵電薄膜製備………………………………………………...32
3-3-1 SBT溶液之TG/DTA分析…………………………….….......32
3-3-2 以有機金屬裂解法製備SBT薄膜…………………………..34
3-4 白金電極製備……………………………....................34
3-4-1 底電極的製備……………………………………….……….34
3-4-2 頂電極的製備………………………………………………..35
3-5 試片代號表示……………………………………………………..36
3-6 薄膜性質之量測分析……………………………………………..38
3-6-1 薄膜電性量測………………………………………………..38
3-6-2 薄膜物性分析………………………………………………..38
第四章 結果與討論-Si3N4……………………………………………..................49
4-0 簡介………………………………………………………………..49
4-1 不同Si3N4厚度之及熱處理時間對SBT薄膜結晶的影響………49
4-2不同Si3N4厚度及熱處理條件對SBT 薄膜表面及剖面形貌的影響……………………………………………………………………….49
4-3 不同Si3N4厚度及熱處理對SBT 薄膜之縱深成分分析……….51
4-4 Pt/Si3N4/Si(MIS)結構電性量測………………………………51
4-5 Pt/SBT/Si3N4/Si(MFIS)電性量測………………………………53
4-5-1 電容-電壓曲線圖量測………………………………………53
4-5-2 記憶視窗量測………………………………………………..54
4-5-3漏電流密度量測………………………………………………55
4-6 結論………………………………………………………………..57
第五章 結果與討論-SiO2………………………………………………69
5-0 簡介………………………………………………………………..69
5-1 不同SiO2厚度之及熱處理時間對SBT薄膜結晶的影響………69
5-2不同SiO2厚度及熱處理條件對SBT薄膜表面及剖面形貌的影響……………………………………………………………………….69
5-3 不同SiO2厚度及熱處理對SBT薄膜之縱深成分分析…………70
5-4 Pt/SiO2/Si(MIS)結構電性量測…………………………………71
5-5 Pt/SBT/SiO2/Si(MFIS)電性量測…………………………………72
5-5-1 電容-電壓曲線圖量測………………………………………72
5-5-2 記憶視窗量測………………………………………………..73
5-5-3漏電流密度量測………………………………………………74
5-6 結論………………………………………………………………..75
第六章 結果與討論-HfO2……………………………………………..85
6-0 簡介………………………………………………………………..85
6-1 不同HfO2厚度之及熱處理時間對SBT薄膜結晶的影響………85
6-2 不同HfO2厚度及熱處理條件對SBT 薄膜表面及剖面形貌的影響……………………………………………………………………….85
6-3 不同HfO2厚度及熱處理對SBT 薄膜之縱深成分分析………..86
6-4 Pt/HfO2/Si(MIS)結構電性量測…………………………………87
6-5 Pt/SBT/HfO2/Si(MFIS)電性量測…………………………………88
6-5-1 電容-電壓曲線圖量測………………………………………88
6-5-2 記憶視窗量測………………………………………………..89
6-5-3漏電流密度量測………………………………………………90
6-6 結論………………………………………………………………..91
第七章 綜合比較……………………………………………………..101
7-0 簡介………………………………………………………………101
7-1 不同擴散阻絕層對SBT薄膜結晶的影響……………………...101
7-2 不同擴散阻絕層對SBT薄膜表面形貌的影響………………...101
7-3 不同擴散阻絕層對SBT薄膜之縱深成分分析………………...102
7-4 不同擴散阻絕層之Pt/Insulator/Si(MIS)結構電性量測………..102
7-5 不同擴散阻絕層之Pt/SBT/Insulator/Si(MIFS)結構電性量測......................................................103
第八章 結論…………………………………………………………..111
參考文獻……………………………………………………………….113
























圖目錄

圖2-1 鈣鈦礦結構…………………………………………………….24
圖2-2 SrBi2Ta2O9的層狀鈣鈦礦結構……………………………..….25
圖2-3 鐵電材料極化(P)與外加電場(E)的關係……………………...26
圖2-4 鐵電薄膜用於DRAM之操作示意圖…………………………27
圖2-5 一般線性介電值(a)與非線性介電值(b)………………………27
圖2-6 FET-type鐵電記憶體操作原理示意…………………………28
圖2-7 1T-1C type 鐵電記憶體操作原理…………………………...29
圖2-8 浸鍍的過程………………………………………………….....30
圖2-9 旋鍍的過程………………………...…………………………..30
圖3-1 DTA原理示意圖..….………………………………………44
圖3-2 SBT溶液之TG分析………………………………………...45
圖3-3 SBT溶液之DTA分析…….…………………………………45
圖3-4 SBT薄膜電晶體結構…...……………………….…………...46
圖3-5 實驗步驟流程圖……………….................................................47
圖3-6 記憶視窗(a)順時針(b)逆時針.…………………………….......48
圖4-1 (a)SN13A1m (b)SN22A1m (c)SN50A1m (d)SN75A1m之X光繞射圖形,SBT薄膜熱處理條件為RTA 750℃ 1min………..58
圖4-2 (a)SN13A3m (b)SN22A3m (c)SN50A3m (d)SN75A3m之X光繞射圖形,SBT薄膜熱處理條件為RTA 750℃ 3min………..58
圖4-3 SBT在不同厚度Si3N4上熱處理一分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率 (b)為高倍率………………………………………..59
圖4-4 薄膜受應力下,局部剝落之剖面圖…………………………...60
圖4-5 SBT在不同厚度Si3N4上熱處理三分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率…………………………………………61
圖4-6 SBT於不同厚度Si3N4及不同熱處理條件下的 FESEM 剖面形貌…………………………………………………………….62
圖4-7 SBT(RTA 750℃ 1min)於不同厚度Si3N4之縱深成分分析圖(a)SN13A1m(b)SN22A1m(c)SN50A1m(d)SN75A1m………..63
圖4-8 不同厚度Si3N4下之MIS結構C-V loop,其厚度分別為(a)22Å(b)50Å(c)75Å…………………………………………...64
圖4-9 不同厚度Si3N4之記憶視窗-電壓關係圖……………………..65
圖4-10 不同厚度Si3N4之漏電流密度-電壓關係圖…………………65
圖4-11 熱處理RTA 750℃ 1min之SBT於不同厚度Si3N4下,其MFIS結構之電容-電壓關係曲線圖(a)SN13A1m(b)SN22A1m (c)SN50A1m(d)SN75A1m ………………………………….66
圖4-12 熱處理RTA 750℃ 3min之SBT於不同厚度Si3N4下,其MFIS結構之電容-電壓關係曲線圖(a)SN13A3m(b)SN22A3m (c)SN50A3m(d)SN75A3m…………………………………..67
圖4-13 SBT於不同厚度Si3N4下,其MFIS結構之記憶視窗-電壓關係曲線圖………………………………………………….68
圖4-14 SBT於不同厚度Si3N4下,其MFIS結構漏之電流密度-電壓關係曲線圖……………………………………………….68
圖5-1 不同厚度SiO2 (a)OX20A1m(b)OX46A1m(c)OX72A1m 之SBT薄膜熱處理一分鐘X光繞射圖形……………………...76
圖5-2 不同厚度SiO2 (a)OX20A3m(b)OX46A3m(c)OX72A3m 之SBT薄膜熱處理三分鐘X光繞射圖形……………………...76
圖5-3 SBT在不同厚度SiO2上熱處理一分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率………………………………………77
圖5-4 SBT在不同厚度SiO2上熱處理三分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率………………………………………78
圖5-5 SBT於不同厚度SiO2及不同熱處理條件下的 FESEM 剖面形貌………………………………………………………….79
圖5-6 SBT(RTA 750℃ 1min)於不同厚度SiO2之縱深成分分析圖
(a)OX20A1m(b)OX46A1m(c)OX72A1m……………………..80
圖5-7 不同厚度SiO2下之MIS結構C-V loop,其厚度分別為(a)20Å(b)46Å(c)72Å…………………………………………...81
圖5-8 不同厚度SiO2之記憶視窗-電壓關係圖……………………...82
圖5-9 不同厚度SiO2之漏電流密度-電壓關係圖…………………...82
圖5-10 SBT於不同厚度SiO2及熱處理條件下,其MFIS結構之電容-電壓關係曲線圖(a)OX20A1m(b)OX20A3m(c)OX46A1m (d)OX46A3m(e)OX72A1m (f)OX72A3m………………….83
圖5-11 SBT於不同厚度SiO2下,其MFIS結構之記憶視窗-電壓關係曲線圖…………………………………………………….84
圖5-12 SBT於不同厚度SiO2下,其MFIS結構之漏電流密度-電壓關係曲線圖………………………………………………….84
圖6-1 (a)HO53A1m(b)HO83A1m(c)HO113A1m 之X光繞射圖,形SBT薄膜熱處理條件為RTA 750℃ 1min…………………92
圖6-2 (a)HO53A3m(b)HO83A3m(c)HO113A3m 之X光繞射圖形,SBT薄膜熱處理條件為RTA 750℃ 3min…………………92
圖6-3 SBT在不同厚度HfO2上熱處理一分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率………………………………………..93
圖6-4 SBT在不同厚度HfO2上熱處理三分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率………………………………………..94
圖6-5 SBT於不同厚度HfO2及不同熱處理條件下的 FESEM 剖面形貌…………………………………………………………..95
圖6-6 SBT於不同厚度HfO2之縱深成分分析圖(a)HO53A1m (b)HO53A3m (c)HO83A1m(d)HO83A3m(e)HO113A1m (f)HO113A3m………………………………………………...96
圖6-7 不同厚度HfO2下之MIS結構C-V loop,其厚度分別為(a)53Å(b)83Å(c)113Å………………………………………….97
圖6-8 不同厚度HfO2之記憶視窗-電壓關係圖……………………...98
圖6-9 不同厚度HfO2之漏電流密度-電壓關係圖…………………...98
圖6-10 SBT於不同厚度HfO2及熱處理條件下,其MFIS結構之電容-電壓關係曲線圖(a)HO53A1m(b)HO53A3m(c)HO83A1m (d)HO83A3m(e)HO113A1m (f)HO113A3m………………..99
圖6-11 SBT於不同厚度HfO2下,其MFIS結構之記憶視窗-電壓關係曲線圖…………………………………………………...100
圖6-12 SBT於不同厚度HfO2下,其MFIS結構之漏電流密度-電壓關係曲線圖………………………………………………...100
圖7-1 SBT於不同絕緣層及Si上,RTA 750℃ 1min熱處理之XRD繞射圖形(a)Si1m(b)HO53A1m(c)OX20A1m(d)SN22A1m................105
圖7-2 SBT於不同絕緣層及Si上熱處理一分鐘之FESEM表面形貌(a)為低倍率(b)為高倍率…………………………………..106
圖7-3 SBT於不同絕緣層及Si上熱處理一分鐘之FESEM剖面形貌…………………………………………………………...107
圖7-4 SBT於不同絕緣層及Si上縱深成分分析圖(a)Si1m (b)SN22A1m(c)OX20A1m(d)HO53A1m…………………108
圖7-5 不同絕緣層之記憶視窗-電壓關係圖………………………..109
圖7-6 不同絕緣層之漏電流密度-電壓關係圖……………………..109
圖7-7 SBT於不同絕緣層下,其MFIS結構之記憶視窗-電壓關係曲線圖………………………………………………………...110
圖7-8 SBT於不同絕緣層下,其MFIS結構之漏電流密度-電壓關係曲線圖……………………………………………………...110
參考文獻

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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