實驗儀器介紹

本實驗的元件無論是 Al/HfO2:Zr/Mo/p-Si 或是 Al/TiN (ZrN/HfN)/HfO2/ TiN (ZrN/HfN)/Mo/p-Si 的 MIM 電容，在製作的過程中皆會使用到快速熱退 火 (RTA)的系統來對元件做製程後的處理。沉積完的薄膜經過 RTA 處理後，

薄膜晶格的結構將會變得更穩定。而元件材料沉積完後，各層的膜厚測試則 是使用表面輪廓儀器 (α-Step)來做薄膜厚度的量測。最後當我們的元件完全 製作完時，就要開始量測元件的特性。元件特性大致上可分為物性的量測與 電性的量測，物性方面的量測將藉由 X 光繞射分析儀 (X-Ray Diffraction, XRD)來 判斷 薄膜 的 晶格相 、穿 隧式 電 子顯微 鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM)和原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM)分別鑑定 物質內部的細微結構與薄膜表面的情況；電性方面的量測是做鐵電性的量測，

使用Precision RT66B 量測元件得到遲滯曲線來探討鐵電的性質。

3.2.1 快速熱退火 (RTA)

RTA 是將物件加熱到較高的溫度，並根據材料與物件採用不同的保溫時 間，接著進行快速的冷卻。目的是要使得物件內部的組織接近或甚至是達到 平衡狀態，獲得良好的材料性質表現。我們在製作試片的薄膜沉積時，會有 一些缺陷的產生以及雜質的混入，使用快速熱退火的處理可以彌補這些缺陷，

藉由材料內部原子的重新排列。然而若是長時間的暴露在熱處理之加熱下，

材料間可能會有擴散現象的產生，在高溫下摻雜物的原子擴散較快，並導致 材料原本的特性遭到破壞，同時材料的耐溫程度也是影響電容器特性表現的 因素之一。所以藉由對材料施以不同的對火溫度，在改善薄膜缺陷的同時，

還能了解材料的熱穩定性。本實驗在試片沉積薄膜完之後，使用切割器將試 片做等分切割，其中三份分別做不同的退火溫度處理 (350℃、450℃、550℃)，

通入的環境氣體為Ar，快速熱退火的機台如圖 3.7 所示，詳細快速熱退火處 理敘述如下:

1. 350℃之 RTA:首先我們會在要做熱處理的腔體中通入 Ar，接著在 15 秒內升溫到 350℃，然後保持這溫度 60 秒。最後於充滿著 Ar 的 腔體中放置2500 秒直到腔體溫度降為室溫。

2. 450℃之 RTA:一樣在腔體中通入 Ar，然後在 30 秒內升溫到 400℃，

然後持溫 60 秒。最後於充滿著 Ar 的腔體中放置 2500 秒直到腔體 溫度降為室溫。

3. 550℃之 RTA:與上述的兩個溫度的步驟相似，一樣是在充滿 N2 的 腔體中，30 秒達到 550℃，持溫 1 分鐘，最後於充滿 Ar 腔體內降溫 2500 秒至室溫。放置於氮氣環境中，是為了避免試片與大氣接觸進 而表面產生氧化。

圖3.7 RTA 快速熱退火機台

上面描述的快速熱退火處理中，退火溫度最高只到達550℃。但若是退火溫 度需要達到600℃以上時，就需要做分段式的加熱。此步驟的目的在於保護 升溫的感應器。

3.2.2 表面輪廓儀 (α-Step)

本實驗的試片的薄膜厚度要量測時所使用的儀器為 KOSAKA-ET3000，

此機台的量測原理是利用探針以接觸的方式掃過試片表面，探針在薄膜的凹 低處時，會隨著試片的高低起伏進階量測到步階的高低差，而這個高低差就 是薄膜的厚度。表面輪廓儀α-Step 如圖 3.8 所示。

圖 3.8 表面輪廓儀 α-Step