文獻回顧

1.4.1 RTP 方面

經由前面對傳統熱爐管及 RTP 加熱系統的介紹，大致可將這兩者做一簡單的比較。在 設計方面，RTP 是針對晶圓尺寸加大及線路直徑縮小的趨勢而設計，因此可以滿足製程對 規格精確度的要求，相對的傳統熱爐管則無法達到此要求。在加熱方式方面，RTP 是以熱 輻射直接加熱晶圓，而傳統熱爐管則是加熱爐壁而間接爐內氣體，利用氣體的熱對流來加 熱晶圓。

雖然 RTP 有種種優於傳統熱爐管之處，但在目前它仍有一些問題急待解決，而最大的 問題便在於輻射熱源及晶圓放射不均勻，造成晶圓表面的溫度不均[11、16~17]。一般來說，

薄膜沈積的速率與溫度有關，在製程中若溫度不均可能使薄膜沈積厚度不均，造成製程的 困擾。另一方面，溫度不均亦會產生熱應力的問題，當晶圓的單位距離上的溫差超過某特 定值時會產生塑性變形造成晶格滑動，晶圓甚至有可能因此扭曲變形而損壞，此臨界的應 力稱之為"剪切屈服應力"(Yield Shear Stress)[18]。

近年來因溫度不均所產生的問題已逐漸的受到重視，因而投入這項研究的人也越來越 多。而促使晶圓表面溫度不均的最大主因在於晶圓邊緣所產生的熱損失，而邊緣熱損失的 方式有輻射、對流以及因氣體流動所造成的冷卻。而為了彌補邊緣的熱損失，1988 年 Lord[19]

分析晶圓在 RTP 製程中的熱及應力，並以防護環(Shield Ring)置於晶圓外圍預期增加燈源對 晶圓邊緣的熱輻射，結果顯示加了防護環之後確實可以減少晶圓中心與邊緣的溫度差異。

而

Z o && l ln er

稱的圓盤，所以燈源的排列方式也是以中心軸對稱的方式排列，且因為晶圓邊緣的熱損失 較大，因此在外圍的燈源需提供較多的熱源，故將燈源分成三個圓環並且以高低位置排列，

而最外圍的燈源最靠近晶圓，最內圍的燈源則離晶圓最遠。而 Cho[22]等人更進一步對燈源 的輸出功率加以控制，以求晶圓表面的溫度能更加的均勻。

此外，還可將光管置於燈源前，利用多重的反射將能量重新分配而得到一個均勻的輻

射熱源。以及降低熱處理時的壓力，可減少熱對流對邊緣熱損失的影響。

1.4.2 鋇鍶鈦薄膜方面

由於鋇鍶鈦薄膜在常溫下具有高介電常數及低漏損電流等特性，所以鋇鍶鈦薄膜最近 幾年來常被研究，以作為 DRAM 中電容器材料的應用。同時也因為鋇鍶鈦薄膜具有較大的 折射率、光電係數，所以鋇鍶鈦薄膜也常常被應用在光電元件上。例如，多層系統的鋇鍶 鈦薄膜也可以用來製作平面的光導管及光學開關，但是在這些方面的應用，都必須在瞭解 鋇鍶鈦薄膜的基本性質之後，才可達到良好的應用。

關於電學性質方面之研究：

1995 年 Won 等人[23]利用 R.F.磁控濺鍍法在 Pt/Ti/Si、Pt/TiSi2/Si 及 Pt/Ti/SiO2/Si 三種 基材上分別鍍上 Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜，其中基材溫度為室溫，薄膜的厚度為 0.24µm，鍍完之 後再對此三種不同基材的薄膜作快速回火(Rapid Thermal Annealing，RTA) 650℃30 秒。本 實驗主要是利用 X-ray diffraction (XRD)、Scanning Electron Microscopy (SEM)及 X-ray fluorescence spectroscopy (XRF)觀察在 RTA 650℃30 秒後鋇鍶鈦薄膜的結構情況及薄膜的化 學成分。由 XRD 量測的結果可以發現前二者有 Pt-Si 及 Pt-Ti 的峯值出現，這是由於內部表

面的反應所致，而後者除了 Pt 及 BST 的峯值之外，沒有 Pt-Si 及 Pt-Ti 的峯值出現。由 SEM 的量測結果可以發現，前二者的電性會降低，這是因為在 RTA 650℃之後基材的 Si 會擴散 至鋇鍶鈦薄膜層而導致，後者因基材的 Si 不會擴散至鋇鍶鈦薄膜層，所以電性較穩定。XRF 量測 BST 薄膜後退火 650℃1 小時之後 Ba/Sr 及(Ba+Sr)/Ti 的質量分率，由結果可以發現薄 膜中 Ba/Sr 的質量分率幾乎等於靶材的構成成分，(Ba+Sr)/Ti 的質量分率略小於靶材的構成 成分。

1996 年 Lee 等人[24]利用 R.F.磁控濺鍍法在 Pt/SiO2/Si 基材，以沉積溫度為 600℃時鍍 上 Ba0.5Sr0.5TiO3薄膜，利用 XRD、Rutherford back-scattering (RBS)、SEM、metal-insulator-metal

(MIM)及 Transmission electron microscopy (TEM)觀察不同的鋇鍶鈦薄膜厚度與 grain size、

介電常數之間的關係以及薄膜微小結構的情況。由 XRD 量測的結果可以發現 Pt (111)在任 何厚度中皆會出現，BST (110)隨著厚度的增加而增加，BST (111)只出現在厚度大於 0.15µm 時。RBS 光譜量測厚度為 0.05µm 及 0.1µm 之鋇鍶鈦薄膜在狹小的能量範圍中之情況，可

以發現在寬闊的能量範圍中鋇、鍶及鈦的峯值隨著厚度的變化並不明顯，且在寬闊的能量 範圍中有部分的 Pt 及 Ba 的峯值會重疊，所以通常 RBS 光譜較喜愛應用於較狹小的能量範 圍中，以方便弄清在此成分中薄膜厚度之影響。由 TEM 觀察厚度為 0.1µm 之鋇鍶鈦薄膜的

結構是以隨機方向成長。由 SEM 量測發現當薄膜的厚度增加則晶粒尺寸也隨之增加，而漏 電流與晶粒尺寸有關，當晶粒尺寸由 0.032µm 增加至 0.082µm 時，介電常數會由 348 提升

至 758。MIM 量測電性結果可由 I-V 特徵曲線發現在低偏壓場中，當晶粒尺寸增加則會有 較高的漏電流。

1997 年 Joo 等人[25]利用 R.F.磁控濺鍍法在 TiN/Ti/Poly-Si/SiO2/Si 基材，以沉積溫度為 550℃時鍍上厚度為 0.05µm 的鋇鍶鈦薄膜，量測在不同的退火環境下之 I-V 特徵曲線以及

退火先後次序與漏電流之間的關係。由實驗發現鋇鍶鈦薄膜在 Ar/H2及 N2中退火會有較高 的漏電流，而在 O2中退火的漏電流會比較小。由退火的先後次序可以發現在組裝上部電極 之前先將鋇鍶鈦薄膜退火會比組裝上部電極之後再將鋇鍶鈦薄膜退火會有較高的漏電流。

2000 年 Ezhivalavan and Tseng [26]蒐集過去幾年來有關鋇鍶鈦薄膜研究的資料，做文獻 回顧與整理，文中提到鋇鍶鈦薄膜的性質會受到製作方式、鍍膜參數、組成成分、回火條 件、電極材料選擇、微結構、介面結構等因素影響，所以，在較早期對於鋇鍶鈦薄膜的研 究大部分是針對於鍍膜的方式、鍍膜時的參數條件、薄膜的電性、薄膜結構與薄膜組成成 分等，以獲得介電性、結構性較好的鋇鍶鈦薄膜。

關於光學性質方面之研究：

1998 年 Panda 等人[27]利用 R.F.磁控濺鍍法在 p-Si 和 glass 基材，分別鍍上 BaxSr1-xTiO3

薄膜，其中 x=0.0，0.5，0.8 和 0.95。利用 Double beam ultraviolet-visible spectrometer 量測

Ba0.8Sr0.2TiO3 薄 膜 的 光 學 穿 透 特 性 ， 其 儀 器 量 測 的 波 長 範 圍 為 0.19 ∼ 0.9µm， 利 用 Perkin-Elmer 833 spectrometer 量測 BST/glass 的 IR 穿透光譜，再利用 XRD，AFM 及 RBS 來量測薄膜的結構其組成成分分析。這篇文章的主要目的是探討薄膜的生長方向及組成成 分是否會強烈的影響到薄膜的光學特性。由實驗可以發現折射係數和薄膜的組成成分有 關，當鋇的濃度佔鋇鍶鈦薄膜的 80%時，折射係數開始下降，也藉 Perkin-Elmer 833 spectrometer 找到結構上關於鍵結部分的吸收頻帶。

1999 年 Kuo and Tseng[28]利用 R.F.磁控濺鍍法在 SiO2/Si 基材，以基材溫度為 500℃時 鍍上厚度為 0.415µm 的 Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜，再分別退火 500、550、650 及 750℃。本篇主

要是探討不同的退火溫度與鋇鍶鈦薄膜的光學性質和結晶性的關係。利用 Nikon N&K 分 析儀，其量測範圍為 0.18∼0.9µm，量測出薄膜的折射係數、吸收係數與厚度。利用 single

oscillator dispersion model of Wemple and DiDomentico 來找 dispersion parameter。由實驗結果 發現鋇鍶鈦薄膜的 grain size、折射係數會隨著退火溫度的升高而增加，也發現薄膜的厚度 會隨著退火溫度的升高而減小，同時會造成鋇鍶鈦薄膜的填充密度(Packing density)增加。

為了證實 Nikon N&K 分析儀所量測的厚度值之準確性，也利用 SEM 來驗證所量測到的薄 膜厚度。

1999 年 Wang and Tseng[29]利用 R.F.磁控濺鍍法在 Al2O3及 Fused-Quartz 基材，分別以 不同的溫度條件鍍上 Ba0.7Sr0.3TiO3薄膜，其中基材溫度為 350∼650℃、退火溫度為 450∼

650℃。本篇文章主要是探討不同的基材溫度及退火溫度對鋇鍶鈦薄膜光學性質及結構的影 響。利用 Double beam spectrometer 量測鋇鍶鈦薄膜的穿透率及反射率，其量測的波長範圍 為 0.25∼0.9 µm。利用 XRD 觀察鋇鍶鈦薄膜的結構性質。利用 Interference-fringe equation

計算求得薄膜的厚度並使用 SEM 來實際驗證計算所得的厚度。由結果發現鋇鍶鈦薄膜的 基材溫度由 350℃增加至 650℃時，其折射係數會由 2.17 增加至 2.59 且反射率也會隨之增 加。在基材溫度為 350℃、退火溫度為 650℃時穿透率減小而且有移向較長波長的趨勢。在 不同的基材溫度之鋇鍶鈦薄膜厚度由理論計算值和實際量測值比較可知差異並不大。

2000 年 Tian 等人[30]利用溶凝膠旋鍍法在 Si 在基材鍍上 Ba0.8Sr0.2TiO3薄膜，利用 FTIR

(NIC 7199-C)量測在前置→sol→gel→結晶各步驟中之穿透率，其儀器量測的波長範圍為 2.5

∼25 µm。由實驗可知在 gel 步驟中，穿透率會隨著乾燥溫度的上升而提高，同時也比較在

乾燥溫度為 70℃時，sol 及 gel 步驟之穿透率。

2001 年 Tian 等人[31]利用溶凝膠旋鍍法在 Si 在基材，鍍上厚度為 0.092µm 的

Ba0.9Sr0.1TiO3薄膜，再分別退火 500、600 及 730℃。本篇文章主要的目的是量測在不同的 退火溫度下鋇鍶鈦薄膜的光學性質，以求得折射係數及吸收係數與電性之間的關係。其中 利用 Spectroscopic Ellipsometry 量測鋇鍶鈦薄膜的光學性質，其量測的波長範圍為 0.24∼

0.6 µm。利用 single oscillator dispersion model of Wemple and DiDomentico 來求得 dispersion

parameter。由實驗結果可知，當鋇鍶鈦薄膜由退火溫度 500℃升至 730℃的時候，鋇鍶鈦薄 膜的折射係數會由 1.99 增加至 2.18。也可知折射係數和消散係數與光子的能量和薄膜的厚 度有關。當光子的能量越大時，退火溫度越高折射係數越高，當光子的能量到達 4eV 時，

退火溫度越高消散係數也會越高。最後本文的作者在此篇中依量測得到的實驗數據找到一 個 Fit line，只要在相同的量測波長及製作條件與成份下，可以利用這條 Fit line 來找到所需 之波長與其對應之折射係數。