2-1 二氧化鈦簡介
存在於自然界的二氧化鈦(Titanium dioxide, TiO2)主要具有三種晶型結構，隨 著過渡金屬Ti的不同價態，可分為正方晶系，低溫型的銳鈦礦(anatase)、高溫型 水解離(water splitting)。[20, 21]
在這種材料中，存在者許多本質缺陷，包括氧缺(oxygen vacancy)以及金屬 間隙(interstitial)，這些缺陷在能隙(band gap)中會提供缺陷中心(trap center)，提 供電子躍升到導帶(conduction band)的跳板(圖 2-1)。類似的性質常見於過渡金屬 氧化物，如二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)、二氧化鉿(HfO2)等等。至於缺陷本身 會呈現哪種類型的摻雜，端看製程過程中的氧氣分壓，105>P(O2)>10(Pa)之間的，
呈現 p 型摻雜；10-9>P(O2)>10-19(Pa)則呈現 n 型摻雜。[22]以我們製程條件來說(5 mTorr)，氧缺呈現 n 型摻雜的特性，典型反應如下式：
其中Vi代表材料中的interstitail。
12
圖2-1 anatase-TiO2的氧缺示意圖[23]
了解TiO2此種特性後，我們可以利用不同的金屬上電極，改變接面的氧缺濃 度，進而調變蕭基能障，最後改善電流的非線性，相關研究在接下來的章節有完 整的論述。
2-2 MIM 結構電流傳導機制
電流傳導機制可以分成兩大類，一類是電極限制(electrode limited)，又稱為 注入限制(injection limited)，另一類是本體限制(bulk limited)。
電極限制(electrode-limited)的電流傳導機制包括熱場發射(thermionic-field
13 2-2-1蕭基發射(Schottky emission)
金屬電極中的電子受到溫度的影響，即所謂的熱活化(thermal activation)，將 會獲得能量，這時若再施加一個負偏壓，在外加電場的幫助下，電子將得以躍遷 過金屬電極與介電層之間形成的蕭基能障，最後落在介電層的導電帶上，而形成 一股傳導電流，此傳導機制就被稱為蕭基發射。蕭基發射存在很強的溫度依賴 性，通常在高溫時較易發生蕭基發射，此機制的能帶示意如圖2-2。蕭基發射的 電流公式如下[24]:
J＝電流密度(Current Density)
A*＝有效的理查森常數(Richardson Constant) T＝絕對溫度(Absolute Temperature)
q＝電子電荷
qφB ＝能障高度(Barrier Height) E＝外加電場
k＝波茲曼常數(Boltzmann’s Constant) ε0 ＝真空中的介電常數
εr ＝動態介電常數(Dynamic Dielectric Constant)
圖2-2 蕭基發射示意圖
14
2-2-2 傅勒-諾德翰穿隧(Fowler-Nordheim tunneling)
以量子力學的角度來說，物質具有波與粒子的雙重性，當能障寬度與電子的 物質波波長相近時，就有一定機率發生所謂的「穿隧效應」。此時藉由計算薛丁 格方程式(Schrodinger’s wave equation)求解，可以算出電子位於能障前後的波函 數，進而求得電子的穿隧機率。上述情況容易發生在介電層厚度很薄的時候，然
15
2-2-4 普爾-法蘭克發射(Poole-Frenkel Emission)
公式類似蕭基發射，與蕭基發射不同的是P-F emission描述電子在材料內部
16 μ＝電子的遷移率(Electron Mobility) E＝外加電場
qΦt＝為陷阱能階(Trap Energy Level) T＝絕對溫度(Absolute Temperature) k＝波茲曼常數(Boltzmann’s Constant) ε0 ＝真空中的介電常數
εr ＝動態介電常數(Dynamic Dielectric Constant)
圖2-5 普爾-法蘭克發射示意圖
圖2-6 普爾-法蘭克發射能障下降示意圖
17
1.3 支 4 吋濺鍍陰極。
2.POWER: DC 1500W*2 台與 RF:1250W*1 台。
銅(Cu)、鎂(Mg)；以真空濺鍍系統 B(sputter B)(圖 3-2)所濺鍍的金屬：鎳(Ni)、鉭 (Ta)、鉿(Hf)、鈦(Ti)；以雙電子槍蒸鍍系統(Dual E-Gun Evaporation System) (圖 3-3)所濺鍍的金屬：鉑(Pt)、鎢(W)、鈷(Co)、鈀(Pd)。金屬電極的厚度皆為 100nm 左右。至於中間的絕緣層二氧化鈦是利用sputter B 製作。
圖 3-1 真空濺鍍系統 A
圖 3-2 真空濺鍍系統 B