4-1 鈦酸鍶鋇薄膜與鉭電極間的關係 4-1-1 BST 薄膜的沉積速率與微結構
圖 4-1 為BST薄膜在不同沉積瓦數及氣氛下的沉積速率，藉SEM 觀察濺鍍120 分鐘的薄膜厚度所計算，可以發現不論通氧與否，沉積 速率隨沉積瓦數增加而提高。在Ar/O2 = 50/0 的工作氣氛中，500 W、
700 W與 1000 W的沉積速率分別為 5.34 Å/min、7.3 Å/min與 17 Å/min，而在Ar/O2 = 40/10 的工作氣氛中，則分別為 2.125 Å/min、3.62 Å/min與 6.67 Å/min。其中濺鍍條件為 1000 W、Ar/O2 = 50/0 的沉積 速率增加最快，因為氬離子的動能隨沉積瓦數增加而提高，為濺射率 較高的原因，但1000 W、Ar/O2 = 40/10 的沉積速率並未增加太多，
因此氧對於沉積速率的影響很大。在M. C. Wang[30]的研究中提到，
當沉積瓦數增加使氬離子的動能增加，會使BST薄膜的緻密度越高，
因此濺鍍條件為1000 W、Ar/O2 = 50/0 沉積出的BST薄膜為最緻密。
經過XRD的鑑定後，在所有的沉積條件下，BST薄膜皆呈非晶質 (amorphous)結構，這是因為在沉積過程中基材並未升溫的關係；此 外，M. Yamato[31]的文章指出，濺鍍過程中基材溫度為 450℃時，BST 薄膜沉積在鉭電極上的結晶性並不好。當預沉積BST薄膜分別經過 400℃與 500℃、持溫 30 分鐘，在N2/O2的氣氛中退火後，仍呈現非晶
質狀態，在文獻[32]中指出退火溫度要 600℃以上BST薄膜才會開始 產生結晶，因此本研究後續的電性分析，BST薄膜皆為非晶質結構。
4-1-2 BST/Ta 結構之 AFM 表面分析與 AES 縱深分析
圖4-2 為 500 W、Ar/O2 = 50/0 沉積的BST薄膜經不同溫度退火後
的表面粗糙度的變化及表面型態。預沉積BST薄膜的粗糙度最小
(0.756 nm)，隨著退火溫度上升，粗糙度隨之增加，主要的因素是經 過退火後，BST薄膜與Ta底電極間有形成金屬氧化物，在稍後的AES 縱深分析可證實。圖4-3 則是 500 W、Ar/O2 = 40/10 沉積的BST薄膜 經不同溫度退火後的表面型態，可以明顯看出其表面粗糙度的變化，
預沉積BST薄膜的表面粗糙度(0.61 nm)亦比退火 400℃處理後(1.162 nm)小。
圖 4-4 分別為 700 W與 1000 W在Ar/O2 = 50/0 氣氛中沉積的BST 薄膜，經不同溫度退火後的表面粗糙度比。預沉積BST薄膜的表面粗 糙度分別為0.614 nm與 0.461 nm，退火 400℃後的表面粗糙度分別為 1.388 nm與 1.524 nm，經過退火後的表面粗糙度皆變大。此外比較圖 4-2 與 4-4 可以發現，預沉積BST薄膜的表面粗糙度隨著瓦數的增加 而變得較平。
圖 4-5 則是 500 W、Ar/O2 = 50/0 所沉積的BST薄膜經不同電漿條 件處理後的表面型態，圖(a)為表面粗糙度比，由此圖可以看出經過電
漿處理後的粗糙度明顯變大。電漿表面處理的過程有兩種機制在互相 競 爭 ， 分 別 為 物 理 方 式 與 化 學 方 式 ， 物 理 方 式 即 離 子 轟 擊(ion bombardment)會使BST薄膜表面受到損害，而化學方式即電漿中解離 出的O-2離子，O-2會填補BST薄膜表面的氧空孔，減少表面氧空孔的 濃度。因此電漿處理過程，BST薄膜表面會因離子轟擊的效應造成表 面粗糙度增加，但電漿功率為500 W時的電漿處理條件，BST薄膜表 面粗糙度(0.65 nm)要比未處理的BST薄膜(0.756 nm)低，顯示電漿功 率增加使O-2填補氧空孔的效應比離子轟擊效應的影響較大，而經由 N2電漿處理後，BST薄膜表面變粗糙，顯示離子轟擊效應影響較大。
圖 4-6 則是在沉積瓦數為 1000 W、Ar/O2 = 50/0 所沉積的BST薄 膜，經不同電漿功率的N2O電漿處理後的表面型態，發現到N2O電漿 處理後，表面粗糙度會些微增加，代表離子轟擊效應對於較緻密之薄 膜的影響較大。
圖4-7 為 500 W、Ar/O2 = 50/0 所沉積的BST薄膜經不同溫度退火 後的歐傑縱深分析，圖(a)為預沉積的縱深分析，在BST薄膜與Ta底電 極的界面處可看出氧並未擴散進去Ta底電極，而界面處的訊號並非很 陡峭，這是由於檢測縱深(probe depth)與離子混和(ion mixing)所引起 [33]。圖(b)則是經退火 400℃後的縱深分析，在BST薄膜與Ta底電極 的界面處可看出有一層Ta2O5形成，故此溫度下氧已可以穿過BST薄
膜擴散進去Ta底電極，並生成金屬氧化物。圖(c)是經退火 500℃後的 縱深分析，Ta底電極形成的Ta2O5很厚。由AES縱深分析，發現到氧 在退火500℃後擴散的情形很嚴重，因此本研究後續的退火處理，不 再進行 500℃的退火處理。從AES亦可以知道，經過退火處理的BST 薄膜粗糙度增加，原因為BST薄膜與Ta底電極的界面間形成Ta2O5， 造成BST薄膜表面起伏較大。
圖4-8 為Ar/O2 = 40/10 氣氛中沉積之BST薄膜的歐傑縱深分析，可 發現在通氧的氣氛下，底電極未有形成金屬氧化物，說明了柱狀晶結 構的Ta底電極[34]在基材未加溫的情況，氧不會與Ta底電極產生化學 反應，形成TaOx。
4-1-3 Ta/BST/Ta 結構之 I-V 量測
圖 4-9 為BST薄膜在不同沉積瓦數、相同氣氛(Ar/O2 = 50/0)下沉積 的漏電流密度-電場強度圖，負偏壓為上電極與BST薄膜的界面關 係，由於電子係由上電極灌入BST薄膜電容，因此負偏壓量測為上電 極與BST薄膜的漏電流，正偏壓則相反。在 1 MV/cm的電場下，沉積 瓦數為500 W、700 W與 1000 W的漏電流表現(指上電極與BST薄膜 間的關係)，分別約為 2×10-6、6×10-7與 1×10-8 A/cm2。此外，本研究 定義10-6 A/cm2的電場強度為崩潰電場，因此沉積瓦數為500 W與 700 W沉積的BST薄膜在崩潰電場(指上電極與BST薄膜間的關係)的表現
上，分別為1 MV/cm及 2 MV/cm，1000 W則大於 3 MV/cm。圖中可 看出在沉積瓦數為500 W時，漏電流圖形並非對稱，造成不對稱的原 因有三：(1)上下電極的功函數(work function)不同、(2)表面粗糙度的 影響、(3)在界面處形成化合物及(4)界面氧空孔濃度[35,36]。本研究 中MIM電容的上、下電極為相同材料，故功函數相同，且AES的結果 顯示未經退火處理，在BST薄膜與Ta底電極的界面處未形成氧化物，
從AFM可知Ta底電極的表面粗糙度比BST薄膜要高，顯示Ta底電極與 BST薄膜界面粗糙度造成漏電流較高。另一原因為Ta底電極與BST薄 膜 間 的 氧 空 孔 濃 度 比Ta 上 電 極 與 BST薄 膜 間 的 氧 空 孔 濃 度 要 高 [36,37,38,39,40]，導致漏電流較高。圖中可看出不對稱性隨著沉積瓦 數的增加而減少，顯示沉積瓦數愈高所沉積出來的BST薄膜較不受Ta 底電極與BST薄膜間的界面粗糙度影響，且氧空孔濃度亦較低。
圖 4-10 是沉積瓦數為 500 W在不同氣氛下沉積的BST薄膜，經不 同退火溫度處理後的漏電流密度-電場強度圖，圖 4-10 (a)中在 1 MV/cm的電場下，退火 400℃與 500℃後的漏電流表現，分別約為 1×10-6與4×10-7 A/cm2，崩潰電場則分別約為 1 MV/cm及 3 MV/cm。
因為經退火 400℃後，氧分子填補BST薄膜內的氧空孔，所以BST薄 膜經退火 400℃後的漏電流密度比預沉積BST薄膜低。在退火 400℃
後，BST薄膜與下電極界面處雖有形成一層Ta2O5，漏電流仍呈現不
對稱。而BST薄膜在退火 500℃後，因界面處形成一層相當厚的 Ta2O5，使漏電流圖形呈現對稱，原因除了Ta2O5功函數與Ta不同，由 AFM結果可看出經退火後的BST薄膜表面粗糙度變大，使上、下電極 與BST薄膜的界面粗糙度差異縮小亦是原因之一。雖然退火 500℃在 高電場下有較優異的表現，但形成的Ta2O5太厚，意味此溫度下，Ta 並無法有效阻擋氧的擴散，故在後續銅整合製程上會導致氧擴散至 Cu電極。圖 4-10 (b)則是在Ar/O2 = 40/10 氣氛中沉積之BST薄膜，可 看到預沉積BST薄膜的漏電流密度比未通氧所沉積之BST薄膜要 低。在1 MV/cm的電場下，預沉積與退火 400℃後的漏電流表現，分 別約為1×10-7與2×10-8 A/cm2，崩潰電場則分別約為2.2 MV/cm及 2.1 MV/cm。比較圖 4-10 (a)與 4-10 (b)，可發現預沉積BST薄膜的對稱性 較好，經圖4-8 發現在Ar/O2 = 40/10 的氣氛中，Ta底電極與預沉積BST 薄膜間並未生成一層Ta2O5，意味Ta底電極與BST薄膜間的氧空孔濃 度減少[36]。
圖4-11 為沉積瓦數是 500 W、Ar/O2 = 50/0 氣氛中沉積之BST薄 膜，經不同電漿條件處理後的漏電流密度-電場強度圖。在 1 MV/cm 的電場下，N2與N2O電漿處理後的漏電流表現，則分別約為 1×10-5與 2×10-5 A/cm2，由圖 4-11 (a)可知經過N2電漿處理後漏電流較高，因電 漿處理過程中僅N-離子轟擊效應，並未能提供O-2離子填補薄膜內的
氧空孔，由AFM的結果可得知經N2電漿處理後，表面粗糙度變的相 當大，故導致漏電流變高。BST薄膜經N2O電漿處理，由於解離出的 O-2離子會填補BST薄膜表面的氧空孔，減少氧空孔的濃度，且表面粗 糙度未增加太多，因此漏電流變化不大。若比較基材加熱與否，如圖 4-11 (b)所示，在 1 MV/cm的電場下，室溫與加熱 300℃電漿處理後的 漏電流表現，分別約為 1×10-5與 9×10-5 A/cm2，可看出加熱 300℃電 漿處理下並沒辦法有效改善漏電流。圖4-11 (c)則是不同的電漿處理 時間，在 1 MV/cm電場下的漏電流表現，經N2O電漿處理 1 分鐘、5 分鐘與10 分鐘後，分別為 4×10-5、1×10-5與1×10-6 A/cm2，高電場下 的漏電流隨電漿處理時間的增加而變低。從AFM的結果，經過 10 分
鐘電漿處理後的粗糙度與 5 分鐘差不多，由於電漿處理時間增加，
O-2離子所能填補的氧空孔愈多，故較能改善漏電流。圖4-11 (d)則是 經不同電漿功率處理後的漏電流密度-電場強度圖，當電漿功率為 300 W與 500 W時，在 1 MV/cm電場下的漏電流表現，分別為 1×10-5與 2×10-7 A/cm2，崩潰電場分別約為0.75 與 2 MV/cm，隨著電漿功率增 加，漏電流表現較好。顯示離子轟擊效應的影響小於O-2離子填補氧 空孔的效應，且O2-解離率隨電漿功率提高而增加，越高的O2-離子密 度能填補的氧空孔越多，使漏電流密度降低。
圖4-12 是沉積瓦數為 1000 W在不同氣氛下沉積之BST薄膜，在不
同退火溫度處理後的漏電流密度-電場強度圖。圖 4-12 (a)是以Ar/O2 = 50/0 為濺鍍氣體，預沉積BST薄膜在 1 MV/cm電場下的漏電流為 1×10-8 A/cm2，崩潰電場則大於3 MV/cm，經過 400℃退火處理後，1 MV/cm電場的漏電流為 3×10-9 A/cm2，崩潰電場則大於3 MV/cm。圖 中可看到預沉積的漏電流呈對稱，原因為上、下電極與BST薄膜間的 功函數一致。而 400℃退火處理後的漏電流因Ta2O5形成，由於Ta與 Ta2O5的功函數不同導致不對稱圖形。圖 4-12 (b)則是以Ar/O2 = 40/10 為濺鍍氣體，預沉積與退火 400℃處理後之BST薄膜在 1 MV/cm電場 下的漏電流，分別為 5×10-8與 3×10-9 A/cm2，崩潰電場亦大於 3 MV/cm。預沉積BST薄膜的漏電流呈現對稱，400℃退火處理後的圖
同退火溫度處理後的漏電流密度-電場強度圖。圖 4-12 (a)是以Ar/O2 = 50/0 為濺鍍氣體，預沉積BST薄膜在 1 MV/cm電場下的漏電流為 1×10-8 A/cm2，崩潰電場則大於3 MV/cm，經過 400℃退火處理後，1 MV/cm電場的漏電流為 3×10-9 A/cm2，崩潰電場則大於3 MV/cm。圖 中可看到預沉積的漏電流呈對稱，原因為上、下電極與BST薄膜間的 功函數一致。而 400℃退火處理後的漏電流因Ta2O5形成，由於Ta與 Ta2O5的功函數不同導致不對稱圖形。圖 4-12 (b)則是以Ar/O2 = 40/10 為濺鍍氣體，預沉積與退火 400℃處理後之BST薄膜在 1 MV/cm電場 下的漏電流，分別為 5×10-8與 3×10-9 A/cm2，崩潰電場亦大於 3 MV/cm。預沉積BST薄膜的漏電流呈現對稱，400℃退火處理後的圖