對於非揮發性鐵電記憶體元件的應用中，本論文已發現在 [Al/(Bi4Ti3O12+V2O5)/Ba(Zr0.1Ti0.9)O3/Silicon，MFIS]結構中，使用快速熱退火的BZT薄膜可改善此一結構的電特性。
本論文是利用射頻磁控濺鍍法沉積(Bi4Ti3O12+V2O5)鐵電薄膜，在室溫下於Mo/Ti/SiO2/Si 與BZT/Si基板上分別製作成MFMIS與MFIS結構。藉由不同濺鍍參數如氧氣濃度、濺鍍功率與沉積時間參數的改變，探討濺鍍參數對(Bi4Ti3O12+V2O5)鐵電薄膜的影響。另外在(BTV/BZT/Si ，MFIS)結構中，BZT薄膜的物性與電特性將利用不同快速熱退火溫度來改善。
在物性研究方面，藉由XRD和SEM分析，探討BTV薄膜於不同製程參數下所得的結果。在電性研究方面，利用HP4284A阻抗參數分析儀、RT66A鐵電性質量測系統以及HP4156C半導體參數分析儀，分析BTV薄膜在不同濺鍍參數下、熱退火BZT薄膜及(BTV/BZT/Si，MFIS結構) 的記憶窗口、介電常數與漏電流的變化關係。
由實驗結果可發現 BTV薄膜在氧氣濃度為40 %與濺鍍功率為130W其最佳的介電常數為10.79。另外在外加電場200 kV/cm時BTV薄膜的漏電流大小約為10-5A/cm2，殘餘極化量(2Pr)為12

In this study, the electrical properties of [Al/(Bi4Ti3O12+V2O5 ) /Ba(Zr0.1Ti0.9)O3/Silicon，MFIS ]structure using annealed-BZT films would be improved for the nonvolatile FeRAM device applications.
The radio-frequency magnetron sputtering was used to deposit BTV ferroelectric films on Mo/Ti/SiO2/Si and BZT/Si substrates, respectively, and MFMIS and MFIS structures would also be fabricated. The various sputtering parameter effects of BTV films such as the oxygen concentrations, rf power and deposition time would be discussed. Besides, the electrical and physical properties of as-deposited BZT films for (BTV/BZT/Si，MFIS) structure would be improved by different rapidly thermal annealing temperature.
The physical characteristics of BTV films and annealed-BZT films for various sputtering parameters were obtained from the XRD pattern and SEM morphology. Besides, the memory window, dielectric constant and leakage current of MFM and MFIS structure using BTV films and annealed-BZT films would be found from the HP4284A, RT66A and HP4156C.
From the experimental result obtained, the maximum dielectric constant of BTV films for 40 % oxygen concentration and 130W power were 10.79. The leakage current density was about 10-5A/cm2, as the applied electrical field of 200 kV/cm. In addition, the coercive field (Ec) and remanent polarization (2Pr) were 750 kV/cm and 12 μC/cm2 from the P-E curves, respectively. Finally, the maximum memory window and lower leakage current density of [Al/(Bi4Ti3O12+V2O5) /Ba(Zr0.1Ti0.9)O3/Silicon，MFIS) structure would be found and they were 25V and 10-8A/cm2, respectively.

目錄
摘要 I
目錄 V
圖表目錄 IX
第一章 前言 1
1.1 簡介 1
1.2 鐵電材料 1
1.2.1鐵電記憶體材料的選擇 2
1.3 鐵電材料的結構 3
1.4 薄膜沈積的方法 4
1.5 結語 4

第二章 理論分析 6
2.1 鐵電材料特性 6
2.1.1介電極化和極化理論 6
2.1.2鐵電性質 8
2.1.3漏電流理論 9
2.2 鐵電記憶體的讀寫原理 10
2.3 鈣鈦礦結構特性 11
2.3.1 Zr元素摻雜對Ba(Zr0.1Ti0.9)O3特性的影響 13
2.4 鉍層鈣鈦礦(BLFS)結構特性 14
2.4.1釩元素摻雜對Bi4Ti3O12特性的影響 14
2.5 MFIS結構的特色 15
2.6 薄膜沉積原理 16
2.6.1沉積現象 16
2.6.2薄膜表面及截面結構 17
2.7 射頻磁控濺鍍原理 17
2.7.1直流輝光放電 17
2.7.2 磁控濺射 18
2.7.3 射頻濺射 19
2.7.4 反應性濺射 19
第三章 實驗方法與步驟 21
3.1 濺鍍靶材的製作 21
3.1.1 (Bi4Ti3O12+V2O5, BTV) 靶材 21
3.1.2 (BaZr0.1Ti0.9O3, BZT)靶材 22
3.2 Si及SiO2基板清洗 23
3.3 鉬(Mo)底電極基板製備 24
3.4 鍍膜溫度 25
3.5 工作距離 25
3.6 射頻磁控濺鍍系統與鐵電薄膜沉積 25
3.7 熱退火(Annealing)處理 26
3.8 電性量測結構的製作 27
3.9 薄膜物性量測 27
3.9.1 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析 27
3.9.2掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)分析 28
3.10 薄膜電性量測 28
3.10.1介電常數量測 28
3.10.2記憶窗(Memory Window)量測 29
3.10.3漏電流特性量測 30
3.10.4電滯曲線(P-E)量測 30
3.11 元件的製作 31
第四章 結果與討論 32
4.1 (Bi4Ti3O12+V2O5 , BTV)薄膜特性探討 32
4.1.1不同氧氣濃度的影響 32
4.1.1.1 XRD分析 33
4.1.1.2 SEM分析 33
4.1.1.3電壓-電容特性分析 34
4.1.1.4漏電流特性分析 34
4.1.1.5殘餘極化量-電壓曲線特性分析 35
4.1.2不同濺鍍功率的影響 36
4.1.2.1 XRD分析 36
4.1.2.2 SEM分析 37
4.1.2.3電壓-電容特性分析 37
4.1.2.4漏電流特性分析 37
4.1.2.5殘餘極化量-電壓曲線特性分析 38
4.1.3 BTV薄膜之最佳參數 38
4.1.4沈積時間的影響 39
4.2 Ba(Zr0.1Ti0.9)O3, BZT薄膜特性探討 39
4.2.1 BZT薄膜經熱退火後之影響 39
4.2.1.1 XRD分析 39
4.2.1.2電壓-電容特性分析 40
4.2.1.3漏電流特性分析 40
4.2.2 最佳熱退火條件 41
4.3 Al/BTV/Si (MFS)結構 41
4.3.1不同沈積時間對固定量測頻率電特性的影響 41
4.4 Al/BTV/BZT/Si (MFIS)結構 42
4.5 順與逆時針方向的CV曲線 42
4.6 鐵電記憶體元件特性 43
第五章 結論 44
參考文獻 46














圖表目錄
圖2-1 不同極化機構之示意圖 51
圖2-2 不同分極率與頻率之關係圖 52
圖2-3 鐵電材料之電域示意圖 53
圖2-4 Barrier limited 傳導機構 54
圖2-5 Bulk limited 傳導機構 54
圖2-6 壓電性材料、焦電性材料與鐵電性材料的關係圖 55
圖2-7 電滯曲線圖 55
圖2-8 BaTiO3當溫度高於居里溫度時的理想鈣鈦礦結構示意圖 56
圖2-9 BaTiO3當溫度低於居里溫度時，鈦離子偏移示意圖 56
圖2-10 BaTiO3之晶格常數隨溫度變化之關係 57
圖2-11 等價置換對BaTiO3相轉換溫度之影響 57
圖2-12 鈦酸鉍(BTO)鐵電材料結構 58
圖2-13 BTV串聯BZT鐵電電容器圖 59
圖2-14 薄膜沉積步驟， (a)長晶、(b)晶粒成長、(c)晶粒聚結、(d)縫道填補、(e)薄膜的沉積。 60
圖2-15 濺鍍參數對沉積薄膜之影響 61
圖2-16 直流輝光放電結構與電位分佈圖 62
圖2-17 平面磁控結構及電子運動路徑 63
圖2-18 反應性濺射之模型 64
圖3-1 (Bi4Ti3O12+V2O5 , BTV)靶材製作流程 65
圖3-2 Ba (Zr0.1,Ti0.9)O3靶材製作流程 66
圖3-3 射頻磁控濺鍍系統結構圖 67
圖3-4 射頻磁控濺鍍系統操作之流程圖 68
圖3-5 頂部電極所用之金屬遮罩圖 69
圖3-6 (a) MFM, (b) MFIS 量測結構示意圖 70
圖3-7 RT66A電滯曲線量測圖……………………………….…. 71
圖3-8 傳統1TC FeRAM Device製作流程圖 72
圖4-1 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率條件下成長之厚度曲線圖 73
圖4-2 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為80W條件下成長之XRD圖 74
圖4-3 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為100W條件下成長之XRD圖 75
圖4-4 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為130W條件下成長之XRD圖 76
圖4-5 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為80W條件下成長之SEM圖 78
圖4-6 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為100W條件下成長之SEM圖 80
圖4-7 BTV薄膜在不同氧氣濃度，固定濺鍍功率為130W條件下成長之SEM圖 82
圖4-8 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率80W下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 83
圖4-9 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率100W下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 84
圖4-10 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率130W下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 85
圖4-11 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率80W沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 86
圖4-12 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率100W沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 87
圖4-13 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率130W沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 88
圖4-14 BTV薄膜在不同氧氣濃度下，固定濺鍍功率130W沈積之殘餘極化量隨外加電場變化關係圖 90
圖4-15 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度條件下成長之厚度曲線圖 91
圖4-16 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為0%條件下成長之XRD圖 92
圖4-17 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為25%條件下成長之XRD圖 93
圖4-18 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為40%條件下成長之XRD圖 94
圖4-19 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為0%條件下成長之SEM圖 96
圖4-20 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為25%條件下成長之SEM圖 98
圖4-21 BTV薄膜在不同濺鍍功率，固定氧氣濃度為40%條件下成長之SEM圖 100
圖4-22 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度0%下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 101
圖4-23 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度25%下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 102
圖4-24 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度40%下沈積之電容隨外加電壓變化關係圖 103
圖4-25 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度0%沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 104
圖4-26 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度25%沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 105
圖4-27 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度40%沈積之漏電流隨外加電場變化關係圖 106
圖4-28 BTV薄膜在不同濺鍍功率下，固定氧氣濃度130W沈積之殘餘極化量隨外加電場變化關係圖 107
圖4-29 (Bi4Ti3O12+V2O5, BTV)薄膜側面結構圖 109
圖4-30 BTV薄膜在固定氧氣濃度40%，濺鍍功率130W下鐵電薄膜厚度隨沉積時間增加曲線圖 110
圖4-31 BZT薄膜在不同RTA溫度(通氧氣)處理後XRD圖 111
圖4-32 BZT薄膜在不同RTA溫度(通氧氣)處理後，電容隨外加電壓變化之關係圖 112
圖4-33 BZT薄膜在不同RTA溫度(通氧氣)處理後，漏電流隨外加電場變化關係圖 113
圖4-34 當量測頻率為100kHz時，BTV薄膜在不同沈積時間下電容與記憶窗口隨外加電壓變化之曲線圖………………….....114

圖4-35 當量測頻率為100kHz時，BTV薄膜在沈積時間30min條件下，電容與記憶窗口隨外加電壓變化之曲線圖 115
圖4-36 BTV薄膜在不同沈積時間下，漏電流大小隨外加電壓變化之曲線圖 116
圖4-37 當量測頻率為100kHz時，BTV/annealed BZT結構在30 min BTV薄膜沈積時間下，電容與記憶窗口隨外加電壓變化之曲線圖 .117
圖4-38 BTV/annealed BZT結構在30 min BTV薄膜沈積時間下，漏電流大小隨外加電壓變化之曲線圖 .118
圖4-39 傳統1TC MOSFET Device之Vg-Id圖 120

表1-1 目前應用較廣的鐵電薄膜材料比較 121
表1-2 各種用於鐵電薄膜製作技術之特徵比較 122
表3-1 直流濺鍍Ti與Mo之濺鍍參數 123
表3-2 射頻濺鍍系統沉積不同條件的BTV薄膜濺鍍參數 124
表3-3 射頻濺鍍系統沉積BZT薄膜之最佳濺鍍參數 125
表3-4 射頻磁控濺鍍系統沉積BTV薄膜之最佳濺鍍參數………..126

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