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研究生:關口育正
論文名稱:利用田口法最佳化鐵酸鉍摻雜鈮之MFIS電容器
論文名稱(外文):The Optimization of Nb-doped BiFeO3 Film in MFIS Capacitors Using Taguchi Method
指導教授:劉傳璽劉傳璽引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:機電科技學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:田口法鐵酸鉍MFIS電容器記憶窗寬
外文關鍵詞:Taguchi methodBiFeO3MFIS capacitorsmemory window
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本研究主要是在探討MFIS(金屬/鐵電/絕緣體/半導體)結構之電容器。鐵電材料為鈣鈦礦結構所產生的極化特性及極化殘留特性,而適合當作記憶體材料。近幾年來鐵酸鉍為引起關注的鐵電材料,它具有高居禮溫度(約850-860 ℃)及高尼爾溫度(約370-397 ℃)、高的極化效應的優點,但鐵酸鉍缺點為具有很大的漏電流,為了降低漏電流,利用鐵酸鉍薄膜摻雜鈮的方式來解決。
本研究的目標為利用田口法尋找在製造MFIS電容器(鋁/鐵酸鉍摻雜鈮/氧化鉿/p型矽基板)中之最佳製程參數組合。探討製程參數對於漏電流及記憶窗寬之影響。以訊雜比公式,計算電特性量測(I-V與C-V曲線)所得到的數據。此分析結果在漏電流與記憶窗寬都得到一樣的趨勢。我們得到的最佳參數組合退火溫度為700 ℃、摻雜鈮的直流濺鍍瓦數為5 W、氬氧比為15。物理特性量(XRD)分析結果,退火溫度在700 ℃時,可看鈮離子有取代鐵離子,此表示摻雜鈮會減少氧空缺。雖然摻雜鈮的濃度越多越能取代鐵離子,但鈮離子過多也會導致漏電流的增加與記憶窗寬的縮小。

This study is to investigate MFIS (Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor) structure capacitors. Ferroelectric materials have a Perovskite structure. It generated ferroelectric polarization and remnant polarization. Those properties are suitable for nonvolatile memory materials. BiFeO3 is one of the Ferroelectric materials that have been attracted to attention recently. Although BiFeO3 possesses many merits such as high Curie temperature (about 850-860 ℃), high Neel temperature (about 370-397 ℃) and large remnant polarization, it possesses demerit of large leakage current. In order to improve this problem, we resolved it in a way of Nb-doped BiFeO3 thin film.
The purpose of this study is to find the optimum combination of factors in the manufacture of MFIS capacitors (Al/BiFeO3+Nb/HfO2/p-Si substrate) using Taguchi Method, and then discuss the effects of process conditions on leakage current and memory window. Based on the electrical property measurements (I-V and C-V), SNR (S/N ratio) was calculated. As a Result, the leakage current and the memory window indicated same trends. We obtained the optimal recipe which was 700℃ for RTA temperature, 5 W for DC power of Nb sputtering and 15 for Argon-to-Oxygen ratio. According to physical characterization (XRD) analysis results, Nb ions replaced iron ions at annealing temperature at 700 ℃, which this means that oxygen vacancies were reduced by Nb-doping. Although the more Nb-doping, the more Nb ions replace Fe ions, but excessive Nb-doping induces the increase of the leakage current and reduces the memory widow.

第一章 緒論 1
1.1記憶體的簡介 1
1.2鐵電隨機存取記憶體 1
1.3 MFIS結構 2
1.4本論文研究方向 2
第二章 文獻探討 3
2.1田口法 3
2.1.1實驗設計法 4
2.1.2田口法概念 8
2.1.3田口直交表 9
2.1.4品質損失函數 12
2.1.5訊雜比 14
2.2鐵電材料 16
2.2.1鐵電材料結構與性質 17
2.2.2鐵電材料之電滯曲線帶 19
2.3磁性的類型 20
2.3.1順磁性 21
2.3.2鐵磁性 21
2.3.3反鐵磁性 21
2.3.4鐵氧磁性 21
2.4電容器的漏電流機制 22
2.4.1直接穿隧 23
2.4.2傳勒-諾德翰穿隧 23
2.4.3蕭基發射 24
2.4.4普爾-夫倫克爾發射 24
2.5介電材料的選擇 25
2.5.1去極化電場 25
2.5.2高介電材料 27
2.6鐵酸鉍材料特性 28
2.7鐵酸鉍之摻雜理論 30
第三章 實驗設計 31
3.1濺鍍法簡介 31
3.1.1直流濺鍍 32
3.1.2射頻濺鍍 33
3.1.3磁控濺鍍 34
3.2 MFIS電容器的製作步驟 35
3.2.1二氧化鉿薄膜的製作 35
3.2.2鐵酸鉍摻雜鈮薄膜的製作 36
3.2.3快速熱退後處理 37
3.2.3鋁電極的製作 37
3.3利用田口法設計實驗 38
3.3.1選定因子與水準 38
3.3.2選定適當的直交表 38
3.3.3電特性量測 41
3.3.4物理特性量測 42
第四章 結果與討論 44
4.1 MFIS結構電容器漏電流-電壓曲線 44
4.1.1漏電流特性之田口法分析 48
4.2 MFIS結構電容器電容-電壓曲線 52
4.2.1鐵電極化對於電容器電容-電壓曲線的影響 53
4.2.2電荷注入對於電容器電容-電壓曲線的影響 54
4.2.3記憶窗寬之田口法分析 56
4.3物理性量測證實田口法最佳化結果 58
第五章 結論與未來展望 61
5.1田口法最佳化MFIS電容器之特性 61
5.2未來展望 61
參考文獻 62

表目錄
表2-1一次一因子的實驗計畫例子 5
表2-2一次一因子實驗例子之數據及因子效應 6
表2-3三因子全因子實驗設計法 8
表2-4控制因子與水準配置 9
表2-5 L8(27)直交表 10
表2-6 L9(34)直交表 11
表2-7常見高介電係數材料介電值、能隙、導電帶的偏移量一覽表 27
表3-1每個因子與其變動水準 38
表3-2全試片之參數組合 39
表3-3本實驗選定的田口法直交表 40
表4-1在電壓+3 V時之漏電流數據 44
表4-2在電壓-3 V時之漏電流數據 45
表4-3在電壓+3 V時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 50
表4-4在電壓-3 V時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 51
表4-5記憶窗寬之數據 52
表4-6記憶窗寬各影響因子之變動水準訊雜比 57

圖目錄
圖2-1直交表表示 10
圖2-2傳統品質損失函數 12
圖2-3田口式品質損失函數L(y) = k〖(y-m)〗^2 14
圖2-4介電材料種類與關係 16
圖2-5 BaTiO_3的結構 17
圖2-6鐵電極化區域示意圖 18
圖2-7壓電材料的電壓與變形關係 19
圖2-8鐵電材料的電滯曲線 20
圖2-9不同型態磁化之磁偶極矩 22
圖2-10四種閘極漏電流的能帶圖 23
圖2-11 MFM結構的示意圖 26
圖2-12 FEMFET的閘極電容模型 26
圖2-13常見高介電係數材料介電值與能隙關係圖 28
圖2-14 BFO塊材結構 29
圖2-15 BFO薄膜結構 30
圖3-1離子撞擊現象 32
圖3-2直流濺射系統 33
圖3-3射頻濺鍍系統 34
圖3-4磁控濺鍍系統之兩極平衡性的對稱磁鐵 35
圖3-5去除原生氧化層 36
圖3-6氧化層的製作 36
圖3-7鐵電層的製作 36
圖3-8電極的製作 37
圖3-9量測漏電流特性Agilent B1500A 41
圖3-10量測電容特性Agilent E4980 41
圖3-11 X光繞射儀 42
圖3-12 X光繞射儀之原理 43
圖4-1漏電流直較表比較(#1~#3) 46
圖4-2漏電流直交表比較(#4~#6) 46
圖4-3漏電流直交表比較(#7~#9) 47
圖4-4電壓+3 V漏電流對各因子反應圖 50
圖4-5電壓-3 V漏電流對各因子之反應圖 51
圖4-6 p型MFIS電容器理想的電滯迴帶圈 53
圖4-7鐵電極化影響較大時的p型MFIS電容器之能帶圖 54
圖4-8逆時針方向之電滯曲線 55
圖4-9電子注入影響較大時的p型MFIS電容器之能帶圖 55
圖4-10記憶窗寬對各因子之反應圖 57
圖4-11鐵酸鉍摻雜鈮5 W、氬氧比15在不同退火溫度下之XRD圖 59
圖4-12鐵酸鉍摻雜鈮10 W、氬氧比15在不同退火溫度下之XRD圖 59
圖4-13鐵酸鉍摻雜鈮15 W、氬氧比15在不同退火溫度下之XRD圖 60


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