本研究利用射頻磁控濺鍍法沉積Ba(Zr0.1,Ti0.9)O3 (BZT)鐵電薄膜於ITO/Glass基板上製作Metal-Ferroelectric-Metal (MFM)電容結構，並對其電性、物性作分析。藉由不同濺鍍參數如氧氧氣濃度、基板溫度、濺鍍功率與腔室壓力參數的改變，探討濺鍍參數對鐵電薄膜的影響，以獲得最佳濺鍍參數。並將最佳濺鍍條件之薄膜以快速熱退火(RTA)和傳統爐退火(CTA)進行熱處理，以提升BZT薄膜之鐵電特性。
在物性研究方面，藉由SEM、XRD、AFM等儀器分析薄膜的表面型態、側面結構、結晶性與粗糙度。在電特性分析方面，採用阻抗分析儀HP4284A和半導體參數分析儀HP4156C分別來量測BZT薄膜的電容對電壓(C -V)特性與電流密度對電場(J-E)特性，並使用RT66A (Radiant-tech)鐵電性質量測系統量測BZT薄膜之殘留極化量與矯頑電場 (P -E) 電滯曲線，並探討MFM結構的特性。
由實驗結果得知，在最佳濺鍍參數條件下，薄膜之介電常數為84與外加電場0.4 MV/cm下的漏電流大小為6 × 10-8 A/cm2，且由電滯曲線圖可得殘餘極化量(Pr)為2.87 μC/cm2與矯頑電場(Ec)為259 kV/cm。此外，BZT薄膜經過快速熱退火(RTA) 550℃持溫3分鐘處理後，將有效地提升薄膜之鐵電特性，其殘餘極化量(remanent polarization, Pr)為3.42 μC/cm2、矯頑電場(coercive field, Ec)為266 kV/cm與飽和極化量(saturated polarization, Ps)為6.99 μC/cm2。

In this study, the reactive rf magnetron sputtering was used to deposit Ba(Zr0.1,Ti0.9)O3 (BZT) ferroelectric thin films on ITO/Glass substrate, and MFM structure was fabricated. The effects of various sputtering parameters on the characteristics of thin films, such as the oxygen concentrations, substrate temperature, rf power and chamber pressure were discussed, and then the optimal sputtering parameters were determined. The annealing process of rapid thermal annealing (RTA) and conventional thermal annealing (CTA) were used to promote the ferroelectric characteristics.
The physical characteristics of BZT thin films were obtained by the analyses of SEM, XRD patterns and AFM morphologies. The surfaces, cross-section, crystallization and surface roughness of thin films were discussed. To investigate the electrical properties, the capacitance-voltage (C-V), current-voltage (I-V) and P-E hysteresis characteristics of BZT thin films were measured by the HP4284A impedance analyzer, HP4156C semiconductor parameter analyzer and computerized radiant technology (RT66), respectively. Furthermore, characteristics of the MFM structure were discussed.
From the experimental results, the dielectric constant with optimal sputtering parameters was about 84, and the leakage current of thin film was about 6 × 10-8 A/cm2 when the applied electrical field of thin film was at 0.4 MV/cm. The remanent polarization (Pr) and coercive field (Ec) were 2.87 μC/cm2 and 259 kV/cm from the P-E hysteresis loops, respectively.
In addition, the ferroelectric characteristics of the thin film could be improved after rapid thermal annealing at 550℃ for 3 minutes. The remanent polarization (Pr), coercive field (Ec) and saturated polarization (Ps) were 3.42 μC/cm2, 266 kV/cm and 6.99 μC/cm2, respectively.

摘要 Ⅰ
目錄 Ⅴ
圖表目錄 Ⅹ
第一章 緒論 1
1.1 簡介 1
1.1.1 鐵電記憶體之應用 2
1.1.2 鐵電材料的種類 3
1.1.3 薄膜沉積方法 4
1.1.4 本論文架構 5
第二章 理論分析 6
2.1 鈦酸鋇系Ba(Zr,Ti)O3陶瓷材料 6
2.1.1 鈦酸鋇BaTiO3之鈣鈦礦結構特性 6
2.1.2 鋯(Zirconium)元素摻雜對Ba(Zr,Ti)O3特性的影響 8
2.2 鐵電材料特性 9
2.2.1 介電極化和極化理論 9
2.2.2 鐵電性質 11
2.2.3 漏電流 12
2.3 薄膜沉積原理 13
2.3.1 沉積現象 13
2.3.2 薄膜表面及截面結構 14
2.4 射頻磁控濺鍍原理 14
2.4.1 磁控濺射 14
2.4.2 射頻濺射 15
2.4.3 反應性濺射 16
第三章 實驗 17
3.1 Ba(Zr,Ti)O3薄膜沉積與元件結構製作 17
3.1.1 基板的清洗步驟 17
3.1.2 濺鍍靶材的製作 18
3.1.3 射頻磁控濺鍍系統與薄膜沉積 19
3.1.4 熱退火(Annealing)處理 20
3.2 鐵電薄膜的製作流程 21
3.3 薄膜物性量測 22
3.3.1 X光繞射(X-Ray Diffraction, XRD)分析 22
3.3.2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,
SEM)分析 23
3.3.3 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)分析
23
3.3.4 二次離子質譜儀(Seccondary Ion Mass Spectroscopy,
SIMS)分析 24
3.4 薄膜電性量測 24
3.4.1 介電常數(εr)量測 24
3.4.2 漏電流(Leakage Current Density, J)特性量測 25
3.4.3 極化對電場強度(P-E)曲線量測 26
第四章 結果與討論 27
4.1 氧氣濃度之影響 27
4.1.1 X光繞射(XRD)分析 27
4.1.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 28
4.1.3 原子力顯微鏡(AFM)分析 28
4.1.4 介電常數-電壓(εr-V)特性分析 29
4.1.5 漏電流(J)特性分析 29
4.1.6 極化對電場強度(P-E)特性分析 30
4.2 基板溫度之影響 30
4.2.1 X光繞射(XRD)分析 31
4.2.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 31
4.2.3 原子力顯微鏡(AFM)分析 32
4.2.4 介電常數-電壓(εr-V)特性分析 32
4.2.5 漏電流(J)特性分析 33
4.2.6 極化對電場強度(P-E)特性分析 33
4.3 濺鍍功率之影響 33
4.3.1 X光繞射(XRD)分析 34
4.3.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 34
4.3.3 原子力顯微鏡(AFM)分析 35
4.3.4 介電常數-電壓(εr-V)特性分析 35
4.3.5 漏電流(J)特性分析 36
4.3.6 極化對電場強度(P-E)特性分析 36
4.4 腔室壓力之影響 37
4.4.1 X光繞射(XRD)分析 37
4.4.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析 38
4.4.3 原子力顯微鏡(AFM)分析 39
4.4.4 介電常數-電壓(εr-V)特性分析 39
4.4.5 漏電流(J)特性分析 40
4.4.6 極化對電場強度(P-E)特性分析 40
4.5 快速熱退火(RTA)之影響 41
4.6 傳統爐退火(CTA)之影響 41
第五章 結論 43




圖表目錄

圖1-1 電滯曲線圖 50
圖2-1 壓電性、焦電性與鐵電性的關係圖 51
圖2-2 BaTiO3當溫度高於居里溫度時的理想鈣鈦礦結構示圖 51
圖2-3 BaTiO3當溫度低於居里溫度時，鈦離子偏移示意圖 52
圖2-4 BaTiO3晶體結構示意圖 53
圖2-5 BaTiO3之晶格常數隨溫度變化之關係 54
圖2-6 等價置換對BaTiO3相轉換溫度之影響 54
圖2-7 不同極化機構之示意圖 55
圖2-8 不同分極率與頻率之關係圖 56
圖2-9 鐵電材料之電域示意圖 56
圖2-10 Barrier limited 傳導機構 57
圖2-11 Bulk limited 傳導機構 57
圖2-12 薄膜沉積步驟， (a)成核、(b)晶粒成長、(c)晶粒聚結、
(d)縫道填補、(e)薄膜的沉積 58
圖2-13 濺鍍參數對沉積薄膜之影響 58
圖2-14 平面磁控結構及電子運動路徑 59
圖2-15 反應性濺射之模型 60
圖3-1 Ba(Zr0.1,Ti0.9)O3靶材製作流程 61
圖3-2 射頻磁控濺鍍系統構造圖 62
圖3-3 射頻磁控濺鍍系統操作之流程圖 63
圖3-4 Al/BZT/ITO薄膜電性量測示意圖 64
圖3-5 頂部電極所用之金屬遮罩圖 65
圖3-6 RT66A (Radiant-tech)鐵電性質量測系統 66
圖4-1 BZT薄膜在不同氧氣濃度下之XRD圖，(a) 0%、(b) 25%、
(c) 40%、(d) 60% 67
圖4-2 BZT薄膜厚度在不同氧氣濃度下之變化圖 68
圖4-3 BZT薄膜在不同氧氣濃度下之SEM表面結構圖，(a) 0%、
(b) 25%、(c) 40%、(d) 60% 69
圖4-4 BZT薄膜在不同氧氣濃度下之AFM圖，(a) 0%、(b) 25%、
(c) 40%、(d) 60% 70
圖4-5 在不同氧氣濃度下所得BZT薄膜之電容隨外加電壓變化
關係圖 71
圖4-6 在不同氧氣濃度下所得BZT薄膜之介電常數變化圖 72
圖4-7 在不同氧氣濃度下所得BZT薄膜之漏電流隨外加電場變
化關係圖 73
圖4-8 在不同氧氣濃度下所得BZT薄膜之極化量隨外加電場變
化關係圖 74
圖4-9 在不同基板溫度下成長所得BZT薄膜之SIMS縱深分佈
圖 75
圖4-10 BZT薄膜在不同基板溫度下之XRD圖，(a) 400℃、(b)
450℃、(c) 500℃、(d) 550℃ 76
圖4-11 BZT薄膜厚度在不同基板溫度下之變化圖 77
圖4-12 BZT薄膜在不同基板溫度下之SEM表面結構圖，(a)
400℃、(b) 450℃、(c) 500℃、(d) 550℃ 78
圖4-13 BZT薄膜在不同基板溫度下之AFM圖，(a) 400℃、(b)
450℃、(c) 500℃、(d) 550℃ 79
圖4-14 在不同基板溫度下所得BZT薄膜之電容隨外加電壓變
化關係圖 81
圖4-15 在不同基板溫度下所得BZT薄膜之介電常數變化圖 81
圖4-16 在不同基板溫度下所得BZT薄膜之漏電流隨外加電場
變化關係圖 82
圖4-17 在不同基板溫度下所得BZT薄膜之極化量隨外加電場
變化關係圖 83
圖4-18 BZT薄膜在不同濺鍍功率下之XRD圖，(a) 100 W、(b)
130 W、(c) 160 W、(d) 180 W 84
圖4-19 BZT薄膜厚度在不同濺鍍功率下變化圖 85
圖4-20 BZT薄膜在不同濺鍍功率下之SEM表面結構圖，(a) 100
W、(b) 130 W、(c) 160 W、(d) 180 W 86
圖4-21 BZT薄膜在不同濺鍍功率下之AFM圖，(a) 100 W、(b)
130 W、(c) 160 W、(d) 180 W 87
圖4-22 在不同濺鍍功率下所得BZT薄膜之電容隨外加電壓變
化關係圖 88
圖4-23 在不同濺鍍功率下所得BZT薄膜之介電常數變化圖 89
圖4-24 在不同濺鍍功率下所得BZT薄膜之漏電流隨外加電場
變化關係圖 90
圖4-25 在不同濺鍍功率下所得BZT薄膜之極化量隨外加電場
變化關係圖 91
圖4-26 BZT薄膜在不同腔室壓力下之XRD圖，(a) 3 mTorr、
(b) 6 mTorr、(c) 10 mTorr、(d) 15 mTorr 92
圖4-27 BZT薄膜厚度在不同腔室壓力下變化圖 93
圖4-28 BZT薄膜在不同腔室壓力下之SEM表面結構圖，(a) 3
mTorr、(b) 6 mTorr、(c) 10 mTorr、(d) 15 mTorr 94
圖4-29 BZT薄膜在不同腔室壓力下之AFM圖，(a) 3 mTorr、
(b) 6 mTorr、(c) 10 mTorr、(d) 15 mTorr 95
圖4-30 在不同腔室壓力下所得BZT薄膜之電容隨外加電壓變
化關係圖 96
圖4-31 在不同腔室壓力下所得BZT薄膜之介電常數變化圖 97
圖4-32 在不同腔室壓力下所得BZT薄膜之漏電流隨外加電場
變化關係圖 98
圖4-33 在不同腔室壓力下所得BZT薄膜之極化量隨外加電場
變化關係圖 99
圖4-34 BZT薄膜之最佳參數經熱退火處理後之極化量隨外加
電場變化關係圖 100
表一 不同氧氣濃度下沉積Ba(Zr,Ti)O3薄膜之濺鍍參數 101
表二 不同氧氣濃度下沉積Ba(Zr,Ti)O3薄膜之濺鍍參數 101
表三 不同氧氣濃度下沉積Ba(Zr,Ti)O3薄膜之濺鍍參數 102
表四 不同氧氣濃度下沉積Ba(Zr,Ti)O3薄膜之濺鍍參數 102
表五 X-RAY DATAS OF BZT POWDER

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