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利用田口法最佳化鐵酸鉍摻雜鈮之MFIS電容器

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Academic year: 2021

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(1)國立臺灣師範大學機電科技學系 碩士論文 指導教授:劉傳璽博士 阮弼群博士 利用田口法最佳化鐵酸鉍摻雜鈮之 MFIS 電容器 The Optimization of Nb-doped BiFeO3 Film in MFIS Capacitors Using Taguchi Method. 研究生:關口育正 撰 中. 華. 民. 國. 一. 百. 零. 三. 年. 一. 月.

(2) Abstract This. study. is. to. investigate. MFIS. (Metal/Ferroelectric/Insulator/. Semiconductor) structure capacitors. Ferroelectric materials have a Perovskite structure. It generated ferroelectric polarization and remnant polarization. Those properties are suitable for nonvolatile memory materials. BiFeO3 is one of the Ferroelectric materials that have been attracted to attention recently. Although BiFeO3 possesses many merits such as high Curie temperature (about 850-860 ℃), high Neel temperature (about 370-397 ℃) and large remnant polarization, it possesses demerit of large leakage current. In order to improve this problem, we resolved it in a way of Nb-doped BiFeO3 thin film. The purpose of this study is to find the optimum combination of factors in the manufacture of MFIS capacitors (Al/BiFeO3+Nb/HfO2/p-Si substrate) using Taguchi Method, and then. discuss the effects of process conditions on leakage. current and memory window. Based on the electrical property measurements (I-V and C-V), SNR (S/N ratio) was calculated. As a Result, the leakage current and the memory window indicated same trends. We obtained the optimal recipe which was 700℃ for RTA temperature, 5 W for DC power of Nb sputtering and 15 for Argon-to-Oxygen ratio. According to physical characterization (XRD) analysis results, Nb ions replaced iron ions at annealing temperature at 700 ℃, which this means that oxygen vacancies were reduced by Nb-doping. Although the more Nb-doping, the more Nb ions replace Fe ions, but excessive Nb-doping induces the increase of the leakage current and reduces the memory widow.. Keywords: Taguchi method, BiFeO3, MFIS capacitors, memory window. i.

(3) 中文摘要 本研究主要是在探討 MFIS(金屬/鐵電/絕緣體/半導體)結構之電容器。鐵 電材料為鈣鈦礦結構所產生的極化特性及極化殘留特性,而適合當作記憶體 材料。近幾年來鐵酸鉍為引起關注的鐵電材料,它具有高居禮溫度(約 850-860 ℃)及高尼爾溫度(約 370-397 ℃)、高的極化效應的優點,但鐵酸鉍 缺點為具有很大的漏電流,為了降低漏電流,利用鐵酸鉍薄膜摻雜鈮的方式 來解決。 本研究的目標為利用田口法尋找在製造 MFIS 電容器(鋁/鐵酸鉍摻雜鈮/ 氧化鉿/p 型矽基板)中之最佳製程參數組合。探討製程參數對於漏電流及記 憶窗寬之影響。以訊雜比公式,計算電特性量測(I-V 與 C-V 曲線)所得到的 數據。此分析結果在漏電流與記憶窗寬都得到一樣的趨勢。我們得到的最佳 參數組合退火溫度為 700 ℃、摻雜鈮的直流濺鍍瓦數為 5 W、氬氧比為 15。 物理特性量(XRD)分析結果,退火溫度在 700 ℃時,可看鈮離子有取代鐵離 子,此表示摻雜鈮會減少氧空缺。雖然摻雜鈮的濃度越多越能取代鐵離子, 但鈮離子過多也會導致漏電流的增加與記憶窗寬的縮小。 關鍵字:田口法、鐵酸鉍、MFIS 電容器、記憶窗寬. ii.

(4) 目錄 第一章 緒論 ......................................................................................................... 1 1.1 記憶體的簡介 .............................................................................................. 1 1.2 鐵電隨機存取記憶體 .................................................................................. 1 1.3 MFIS 結構 .................................................................................................... 2 1.4 本論文研究方向 .......................................................................................... 2 第二章 文獻探討 ................................................................................................. 3 2.1 田口法 ........................................................................................................... 3 2.1.1 實驗設計法 ........................................................................................ 4 2.1.2 田口法概念 ........................................................................................ 8 2.1.3 田口直交表 ........................................................................................ 9 2.1.4 品質損失函數 .................................................................................. 12 2.1.5 訊雜比 .............................................................................................. 14 2.2 鐵電材料 ..................................................................................................... 16 2.2.1 鐵電材料結構與性質 ..................................................................... 17 2.2.2 鐵電材料之電滯曲線帶 ................................................................. 19 2.3 磁性的類型................................................................................................. 20 2.3.1 順磁性 .............................................................................................. 21 2.3.2 鐵磁性 .............................................................................................. 21 2.3.3 反鐵磁性 .......................................................................................... 21 2.3.4 鐵氧磁性 .......................................................................................... 21 2.4 電容器的漏電流機制 ................................................................................ 22 2.4.1 直接穿隧 .......................................................................................... 23 iii.

(5) 2.4.2 傳勒-諾德翰穿隧 ............................................................................ 23 2.4.3 蕭基發射 .......................................................................................... 24 2.4.4 普爾-夫倫克爾發射 ........................................................................ 24 2.5 介電材料的選擇 ........................................................................................ 25 2.5.1 去極化電場 ...................................................................................... 25 2.5.2 高介電材料 ...................................................................................... 27 2.6 鐵酸鉍材料特性 ........................................................................................ 28 2.7 鐵酸鉍之摻雜理論 .................................................................................... 30 第三章 實驗設計 ............................................................................................... 31 3.1 濺鍍法簡介................................................................................................. 31 3.1.1 直流濺鍍 .......................................................................................... 32 3.1.2 射頻濺鍍 .......................................................................................... 33 3.1.3 磁控濺鍍 .......................................................................................... 34 3.2 MFIS 電容器的製作步驟 ......................................................................... 35 3.2.1 二氧化鉿薄膜的製作 ..................................................................... 35 3.2.2 鐵酸鉍摻雜鈮薄膜的製作 ............................................................. 36 3.2.3 快速熱退後處理 ............................................................................. 37 3.2.3 鋁電極的製作 .................................................................................. 37 3.3 利用田口法設計實驗 ................................................................................ 38 3.3.1 選定因子與水準 ............................................................................. 38 3.3.2 選定適當的直交表 ......................................................................... 38 3.3.3 電特性量測 ...................................................................................... 41 3.3.4 物理特性量測 .................................................................................. 42 第四章 結果與討論 ........................................................................................... 44 iv.

(6) 4.1 MFIS 結構電容器漏電流-電壓曲線 ....................................................... 44 4.1.1 漏電流特性之田口法分析 ............................................................. 48 4.2 MFIS 結構電容器電容-電壓曲線............................................................ 52 4.2.1 鐵電極化對於電容器電容-電壓曲線的影響 .............................. 53 4.2.2 電荷注入對於電容器電容-電壓曲線的影響 .............................. 54 4.2.3 記憶窗寬之田口法分析 ................................................................. 56 4.3 物理性量測證實田口法最佳化結果 ....................................................... 58 第五章 結論與未來展望 ................................................................................... 61 5.1 田口法最佳化 MFIS 電容器之特性 ........................................................ 61 5.2 未來展望 ..................................................................................................... 61 參考文獻 .............................................................................................................. 62. v.

(7) 表目錄 表 2-1 一次一因子的實驗計畫例子 ..................................................................... 5 表 2-2 一次一因子實驗例子之數據及因子效應 ................................................. 6 表 2-3 三因子全因子實驗設計法 ......................................................................... 8 表 2-4 控制因子與水準配置 ................................................................................. 9 表 2-5 L8(27)直交表 ............................................................................................. 10 表 2-6 L9(34)直交表 ............................................................................................. 11 表 2-7 常見高介電係數材料介電值、能隙、導電帶的偏移量一覽表 ........... 27 表 3-1 每個因子與其變動水準 ........................................................................... 38 表 3-2 全試片之參數組合 ................................................................................... 39 表 3-3 本實驗選定的田口法直交表 ................................................................... 40 表 4-1 在電壓+3 V 時之漏電流數據 ................................................................ 44 表 4-2 在電壓-3 V 時之漏電流數據................................................................... 45 表 4-3 在電壓+3 V 時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 ..................... 50 表 4-4 在電壓-3 V 時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 ...................... 51 表 4-5 記憶窗寬之數據 ....................................................................................... 52 表 4-6 記憶窗寬各影響因子之變動水準訊雜比 ............................................... 57. vi.

(8) 圖目錄 圖 2-1 直交表表示 ............................................................................................... 10 圖 2-2 傳統品質損失函數 ................................................................................... 12 圖 2-3 田口式品質損失函數 L(y) = k. ................................................. 14. 圖 2-4 介電材料種類與關係 ............................................................................... 16 圖 2-5. 的結構.......................................................................................... 17. 圖 2-6 鐵電極化區域示意圖 ............................................................................... 18 圖 2-7 壓電材料的電壓與變形關係 ................................................................... 19 圖 2-8 鐵電材料的電滯曲線 ............................................................................... 20 圖 2-9 不同型態磁化之磁偶極矩 ....................................................................... 22 圖 2-10 四種閘極漏電流的能帶圖 ..................................................................... 23 圖 2-11 MFM 結構的示意圖 .............................................................................. 26 圖 2-12 FEMFET 的閘極電容模型 .................................................................... 26 圖 2-13 常見高介電係數材料介電值與能隙關係圖 ......................................... 28 圖 2-14 BFO 塊材結構 ........................................................................................ 29 圖 2-15 BFO 薄膜結構 ........................................................................................ 30 圖 3-1 離子撞擊現象 ........................................................................................... 32 圖 3-2 直流濺射系統 ........................................................................................... 33 圖 3-3 射頻濺鍍系統 ........................................................................................... 34 圖 3-4 磁控濺鍍系統之兩極平衡性的對稱磁鐵 ............................................... 35 圖 3-5 去除原生氧化層 ....................................................................................... 36 圖 3-6 氧化層的製作 ........................................................................................... 36 圖 3-7 鐵電層的製作 ........................................................................................... 36 圖 3-8 電極的製作 ............................................................................................... 37 vii.

(9) 圖 3-9 量測漏電流特性 Agilent B1500A ........................................................... 41 圖 3-10 量測電容特性 Agilent E4980 ................................................................ 41 圖 3-11 X 光繞射儀 ............................................................................................. 42 圖 3-12 X 光繞射儀之原理 ................................................................................. 43 圖 4-1 漏電流直較表比較(#1~#3) ...................................................................... 46 圖 4-2 漏電流直交表比較(#4~#6) ...................................................................... 46 圖 4-3 漏電流直交表比較(#7~#9) ...................................................................... 47 圖 4-4 電壓+3 V 漏電流對各因子反應圖.......................................................... 50 圖 4-5 電壓-3 V 漏電流對各因子之反應圖 ...................................................... 51 圖 4-6 p 型 MFIS 電容器理想的電滯迴帶圈 .................................................... 53 圖 4-7 鐵電極化影響較大時的 p 型 MFIS 電容器之能帶圖 ........................... 54 圖 4-8 逆時針方向之電滯曲線 ........................................................................... 55 圖 4-9 電子注入影響較大時的 p 型 MFIS 電容器之能帶圖 ........................... 55 圖 4-10 記憶窗寬對各因子之反應圖 ................................................................. 57 圖 4-11 鐵酸鉍摻雜鈮 5 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖 ........ 59 圖 4-12 鐵酸鉍摻雜鈮 10 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖 ...... 59 圖 4-13 鐵酸鉍摻雜鈮 15 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖 ...... 60. viii.

(10) 第一章. 緒論. 1.1 記憶體的簡介 記 憶 體 (Memory) 性 能 可 分 為 兩 類 , 一 類 是 揮 發 性 記 憶 體 (Volatile Memory),當電源關掉時,記憶體內所存的資料會消失,例如:動態隨機存 取記憶體(Dynamic Random Access Memory, DRAM)、靜態隨機存取記憶體 (Static Random Access Memory, SRAM) 。 另 一 類 是 非 揮 發 性 記 憶 體 (Non-Volatile Memory),當電源關掉時,所存在的資料並不會消失,重新供 應電源後,能讀取記憶體內存在的資料,例如:唯讀記憶體(Read Only Memory, ROM) 、 快 閃 記 憶 體 (Flash Memory) 、 鐵 電 隨 機 存 取 記 憶 體 (Ferroelectric Random Access Memory, FRAM)等。. 1.2 鐵電隨機存取記憶體 鐵電記憶體(FRAM)具有快速的偏程時間(μs-ns)、低偏程電壓(2-5 V)、 長時間的可用編程週期(1012 次)、快速的轉換特性(Switching Speed)的功能。 在 1963 年,Moll 和 Tarui 設計[1],其構想為半導體薄膜鍍在塊材或單晶鐵 電材料上,利用鐵電材料之殘留極化特性,調整半導體材料的場效傳導率。 在 1974 年 Wu 博士[2]發表金屬-鐵電薄膜-半導體(MFS)所構成的元件。MFS 結構為半導體基板上直接鍍一層鐵電薄膜,所以會產生一些嚴重的問題,其 中主要有兩個,第一個是鐵電薄膜與半導體介面匹配的問題,由於多數的鐵 電材料與矽基板無法互相匹配,所以直接在矽基板鍍的鐵電薄膜無法得到好 的性質,晶相也不容易生成,且晶格不匹配(Lattice-mismatch)所產生的應力 影響通道效能。第二個是鐵電薄膜與半導體之間較容易相互擴散的問題,在 製程中矽基板或鐵電薄膜內的離子可能產生介面擴散,此擴散會造成薄膜的 1.

(11) 成分改變,產生不需要的化合物,且電荷容易從矽晶穿過氧化層陷於鐵電薄 膜,導致元件未能發揮功效。. 1.3 MFIS 結構 為了解決上述的問題,後來發展出金屬-鐵電薄膜-絕緣層-半導體(MFIS) 的結構,在鐵電層與矽基板之間加一層絕緣層,絕緣層當作屏障,來減少離 子擴散。另外選擇適合的絕緣層材料,可幫助鐵電薄膜的成長,且減少鐵電 薄膜與矽基板之間由於晶格不匹配所產生的應力。在 MFIS 結構,鐵電薄膜 與半導體之間沉積一層高介電係數材料(High-k Materials),高介電係數材料 除了改善鐵電層與矽基板間的附著性和離子擴散之外,最重要是抑制漏電流, 且高介電值的特性是不會消耗電壓,所以可提高鐵電層發揮功效。. 1.4 本論文研究方向 本研究利用田口法直交表應用在鐵電層為鐵酸鉍摻雜鈮及氧化層為二 氧化鉿的 MFIS 結構電容器的製程。電特性的量測各種實驗參數組合的試片 之漏電流和記憶窗寬,再使用田口法訊雜比的概念找出最小漏電流與最大記 憶窗寬的參數組合及參數趨勢。物理特性量測為驗證田口法分析的結果。. 2.

(12) 第二章. 文獻探討. 2.1 田口法 田口法(Taguchi Method)起於 1950 年代,由田口玄一博士(Dr. Genichi Taguchi)根據一些理論所建立起一門強而有力的參數最佳化工具,其中在實 務能力上能以大量減少實驗次數就能達到最佳的品質,因此減少了實驗發展 中所需的時間、人力資源成本,同時還能兼顧品質上的追求,進而增加了企 業整體的競爭力。因善用田口方法而得以在該界脫穎而出的最佳典範莫過於 在 1990 年代初期的日本工業界。根據相關研究報告指出,在田口法薰陶之 下的日本工業,產品研發時間較短,像是汽車工業平均的研發時間上,從新 產品研究規劃到產品上市大約只有美國工業六成左右的時間,再加上所產出 商品的品質非常高且價位又低,美國汽車在還沒傳入田口法之前,不論做怎 樣的努力,積極整頓組織,想盡各種方法追上,整體的銷售量都還是落後於 日本,幾乎無法與日本汽車工業界競爭。面臨到如此困境,美國學者經過深 入了解與探討後,便發現到日本工業界已經普遍都能應用上手與實驗設計法 相似的方式追求進行品質上的極度最大化,同時也察覺到此方法所有使用到 理論出自於西方世界,卻無人注意。日本工業界竟早已將理論運用在實務上 且運用地爐火純青達幾十年了。田口玄一博士有感於第二次世界大戰後美國 對日本的重建援助,就將此套方法傳入美國並稱為田口法。. 3.

(13) 2.1.1 實驗設計法 以實驗方法來決定設計參數,我們已知的實驗安排至少有下列四種:(1) 嘗試錯誤法(Trial-and-error) (2)一次一因子法(One-time One factor) (3)全因 子法(Full-factor-at-a-time Experiments) (4)田口法(Taguchi’s Orthogonal Arrays) 實驗法. (1)試錯誤法 此法是每個人一生中無意識中常常在應用的方法:憑個人的經驗或直覺, 選擇一組設計參數,直接嘗試;如果結果不可以接受,則嘗試另一組設計參 數;如果其結果可以接受,則這組設計參數就被採用無需任何資料分析。試 誤法不是一種有系統性的方法,太過依賴個人的經驗,有時候很有效率(當 個人經驗豐富或運氣不錯的時候),但是大部份的時候浪費了很多人力、物 力資源。縱使是可以獲得一個可以接受的設計值,但是試誤過程所累積的經 驗常常是沒有系統的,這些經驗也很難傳承給其他人。. (2)一次一因子實驗法 此法也是許多工程師常常在使用的方法:每一次實驗只變動一個因子, 表2-1 為一含七個因子,每個因子有兩個變動水準的實驗計劃。第二次實驗 和第一次實驗比較,只變動了 A 因子,其他因子不變;同樣地,第三次實 驗和第二次實驗比較,只變動了 B 因子。假想這是一個塑膠射出成型機的 製程設計,目標是選擇一組使某一塑膠射出成型品的翹曲量最小的製程參數, 這些製程參數假設共有七個,分別以 A、B、C、D、E、F、G 表示,包括 射出溫度、模具溫度、射出壓力、保壓壓力、保壓時間等,而我們所要量測 的是翹曲量(mm)。假設每一組的實驗都有十個成型品,我們分別量測它 們的翹曲量,表 2-2 的最右行記錄了這十個量測值的平均值。. 4.

(14) 表2-1 一次一因子的實驗計畫例子 Exp. A. B. C. D. E. F. G. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 3. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 4. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 5. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 7. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 8. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 為了決定一組最佳的製程參數,我們需要知道每一個製程參數的變動對 翹曲量的影響。在表2-2 中,因為第一組實驗(翹曲量 1.2 mm)和第二組 實驗(翹曲量 1.5 mm)唯一的製程差異只是 A 因子由水準一變動到水準 二,因此兩翹曲量相減的量 0.3 mm(1.5 – 1.2)可以認定是 A 因子由水準 一變動到水準二對翹曲量的影響,或稱之為 A 的因子效應(Factor Effect), 我們將此值記錄在表 2.2 中 A 因子那一行的最下方。其它的因子效應亦依 此程序計算,譬如 F 的因子效應計算如下:1.6 – 2.2 = -0.6 mm。. 5.

(15) 表 2-2 一次一因子實驗例子之數據及因子效應 Exp. A. B. C. D. E. F. G. y. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.5. 3. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1. 2.0. 4. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1. 1.1. 5. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 1. 1.8. 6. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 1. 2.2. 7. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1. 1.6. 8. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 1.7. Effect. 0.3. 0.5. -0.9. 0.7. 0.4. -0.6. 0.1. 有了因子效應後,我們可以依下列程序來決定最佳的製程參數:因為我 們希望翹曲量越小越好,所以如果某一個因子由水準一變動到水準二會使得 翹曲量減少(亦即負的因子效應),則此因子應被設定在水準二;反之(正 的因子效應),則此因子應被設定在水準一。依此原理,A、B、D、E、G 應 該設定在水準一,而 C、F 應該設定在水準二換言之,最佳的製程參數組 合應該是:A1 B1 C2 D1 E1 F2 G1 「一次一因子」法其因子效應的計算有一個明顯的缺失:因子效應的值 是在特定的條件下的計算值,譬如 A 因子的因子效應(0.3)是在其它因子 (B 至 G)都在水準一時的計算值,任何人都很容易有下列疑問:「其它 因子(B 至 G)如果不是都在水準一時,A 的因子效應是不是還是 0.3?」 答案是:「可能不再是 0.3 了。」換句話說,A 的因子效應是在某種「偏 見」(bias,其它因子都是在水準一)下評估出來的。直交表的使用,主要 目的即在消除這種「偏見」。. 6.

(16) (3)全因子法 全因子法是將全部可能的因子變動水準的組合都納入實驗設計中,將每 個因子於各種變動水準時所產生的因子效應個別計算出,再針對所有得到的 實驗數據做分析探討。以塑膠射出成形機的製程為例,七因子個別只有兩個 變動水準,所以全部的實驗組合共有. =128組來尋找最佳參數組合。顯而易. 見的是實驗次數過多,成本大量提高,沒有效率。為了消除偏見所發展出的 直角表的相關理論是以此方法為出發點。現在就假設考慮三個反應因子A、 B、C的狀況,並將此實驗所有可能的參數組合列出如表2-3。 由表2-3列出 所有的可能組合排列,並且該實驗安排方法有兩種特別的性質:每一個的自 我平衡(Self-balanced)與每兩行彼此平衡(Mutual-balanced)。每一行的自我平 衡是指不論是A因子,B因子還是C因子在所有實驗當中每個變動水準的次數 都是相同的四次,每兩行彼此平衡的意思是指因子B、C這兩行各自的變動 水準的次也是相同的四次,也就是說,對因子B而言,變動水準一出現四次, 因子C變動水準一也是四次;因子B變動二水準出現四次,因子C變動水準二 出現四次。綜合上述,就不會有像一次一因子法偏見的問題。如果實驗規劃 滿足以上那兩種特性,稱為該實驗設計的表示直交的,一言以蔽之就是:每 一個因子的每一個變動水準出現的次數都是一樣的,具有這樣的特性的表即 稱直交表(Orthogonal Array)。. 7.

(17) 表 2-3 三因子全因子實驗設計法 Exp. A. B. C. 1. 1. 1. 1. 2. 1. 1. 2. 3. 1. 2. 1. 4. 1. 2. 2. 5. 2. 1. 1. 6. 2. 1. 2. 7. 2. 2. 1. 8. 2. 2. 2. 2.1.2 田口法概念 田口方法最大的特點在於以較少的實驗組合,取得有用的資訊。雖不如 全因子法真正找出確切的最佳化位置,但能以少數實驗便能指出最佳化趨勢, 可行性遠大於全因子法。 在此次實驗中,鐵電結構的品質特性決定於退火溫度、鐵電材料等,田 口法分析的結果取決於品質特性,對於本分析之理想機能型態為望小特性, 也就是期望成品的漏電流越小越佳,因此在品質的反應要求是最小化。影響 成品的因素眾多,為能有效率進行模擬分析,選擇對成品製程有影響之射出 參數三個重要的製程參數,作為本研究分析之控制因子,包含金屬退火溫度、 參雜Nb瓦數、氬氧比共三個設計參數。田口法之水準配置如表2-4所示。. 8.

(18) 表2-4. 控制因子與水準配置. 退火溫度. 參雜鈮瓦數. 氬氧比. Level 1. 500 ℃. 5W. 5. Level 2. 600 ℃. 10 W. 10. Level 3. 700 ℃. 15 W. 15. 2.1.3 田口直交表 田口直交表在統計學上是重要的,早期被用於電腦科學與密碼的研究, 在統計學它們主要被用於實驗設計,因子在實驗的配置上所謂的直交,是指 對於某一因子的任一水準而言,其他因子之全部水準所出現的次數是成比例 的。 在構建田口直交表之前,必須先知道因子數及每個因子的水準數,當此 條件知道後,便可選擇適當的直交表。決定了研究所要分析的控制因子及各 因子的水準配置後,選用合適的直交表,田口直交表的表示方式以La(bc*de) 表示,代表共有 a組實驗,其中最多可容納 b 個水準的因子c個,d個水準 的因子 e個。. 9.

(19) 圖2-1 直交表表示. 以常用的代表 L8(27)為例,如表 2-5 所示,共有 8 組實驗,其中最多可 容納 2 個水準的因子 (在全因子試驗中需有 27=128 組實驗)。. 表 2-5 L8(27)直交表. 在此次實驗當中,控制因子為金屬退火溫度、參雜 Nb 瓦數、氬氧比共 三種控制因子,每個因子各有三個水準,因此選用 L9(34)的直交表,共有 9 組實驗,其中最多可容納 3 個水準的因子 4 個,如表 2-6 所示。. 10.

(20) 表 2-6. L9(34)直交表. 田口法是藉由田口式直交表的特性改善全因子實驗設計法費時費工的 缺點,田口法僅需相較於全因子法較少的實驗次數就能優化實驗參數配方, 雖然偏差並無法完全消除,但對實際工程品質要求上,是能夠同時確保實驗 成本及精確度的解決辦法。因此田口法不是將全部所有的可能參數組合都徹 底執行的實驗,而是經由改良過的直交表完成一部分的實驗。使用直交表的 目的,除了能夠以少量實驗找出優化趨勢外,其另一項功能是在調查共同因 子彼此之間有無交互作用,檢查是否存在著比重要的主效果還要大的交互作 用。. 11.

(21) 2.1.4 品質損失函數 在傳統產品製造上,品質特性只要落在一定規範的範圍內,基本上產品 是視為沒有任何損失的;然而若是品質特性超出此制定的範圍,才會造成品 質損失(Quality Loss),而這個損失的大小為一定值。這樣的一個品質損失概 念,可以利用下圖說明之。在圖 2-2 中,y 表示所要討論的品質特性,L(y) 函數為對應的品質特性下,所造成的品質損失。m 為目標值,當品質特性遠 離目標值至某一個數值時,就會產生品質損失,所能容忍的最大品質特性, 稱為最大規格極限(Upper Spec Limit, USL),最大規格極限與目標值之差(. ),. 此差值表示所能容忍的品質特性之公差(Tolerance),同樣道理,品質特性的 範圍太高太低都不是一件好事情,過地也會造成品質損失,而此的品質特性 值稱為最小規格極限(Lower Spec Limit, LSL)。. 為當品質特性偏離目標值. 高於 USL 或是低於 LSL 時所造成的品質損失。. 圖2-2 傳統品質損失函數. 12.

(22) 假設考慮薄膜電晶體液晶顯示面板(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display, TFT-LCD)之厚度要求之規格為 500 μm ± 60 μm,其中目標值為 500 μm,公差為 60 μm,則其 USL = 500 μm + 60 μm = 560 μm,LSL = 500 μm – 60 μm = 440 μm。所以當 TFT-LCD 厚度的設計介於 560 μm 至 440 μm 之間, 其產品品質損失為零,若超出此範圍時,品質損失就會產生,並且為一個定 值。 田 口 玄 一 博 士 認 為 , 產 品 的 品 質 是 當 商 品 偏 離 本 質 功 能 (Intrinsic Function)對整個市場所造成的損失,並稱之為品質損失(Quality Loss)。假如 欲得到較高的品質,則品質的損失必然是望低的。品質損失多寡的基準點稱 為目標值(Target Value),當品質特性遠離目標值時,其品質損失函數並不像 傳統的品質損失函數一樣武斷(超過特定範圍就是有固定品質損失,未超過 品質損失即為零),而是以二次函數拋物線增加,如下圖 2-3 表示,藉此量化 與理解品質損失的程度與品質特性的關聯性。 稱為品質損失係數(Quality Loss Coefficient),L 為品質損失運算子。而基本假設為:當品質特性 y 等於 m 時,品質損失為零,即 L(y)=0。 品質特性所對應的目標值,可以利用望目特性(Nominal-the-best)來表達, 並在某個特定值時,可以分為兩種類型:望小型(Smaller-the-better)和望大型 (Larger-the-better)。當品質特性為望小型時,目標值為零(趨近於零),假設品 質特性 y 為正。例如:對於企業主來說,希望產品成本越低越好(望小);當 品質特性為望大型時。令品質特性 y 為倒數,因此當目標值無窮大時,品質 的損失是最小的。 望小型與望大型可以利用下列方程式說明: 望小型:L(y) =. ;望大型:L(y) =. 若是有為數眾多的樣品需要做品質評估,假設總共有 n 個相同的樣品 ,. 共 n 個,那麼其總損失可以用以此方程式描述: 13. ,.

(23) 若將總損失除上樣品總數目 n,則可以得到平均質量損失(Average Mass Loss), 如以下方程式:. 圖 2-3 田口式品質損失函數 L(y) = k. 2.1.5 訊雜比 訊雜比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)為電子系統中表示訊號(Signal)與雜 訊(Noise)的比值。訊雜比越大,表示訊號強度較雜訊大,則系統的品質就越 好。相反地,訊雜比越小,表示雜訊的強度較訊號大,對整體系統的干擾就 越大,雜訊比就越小。田口玄一博士將此電子系統雜訊比的概念引入品質工 程改善的評量指標,是由前述的平均損失變化而來的。即下列方程式. 觀察上列式子,可得知與平均損失函數不同之處有三項:. (1) 去掉品質損失係數 k:對一批產品而言,是相同的品質損失係數,不會對 品質有任何影響。 (2) 取對數運算:增加因子效應的加法性以及擴展產品特性的定義範圍。 14.

(24) (3) 乘以 10:與傳統電子系統定義一致。 雜訊比是個相當簡潔有力的評量指標,利用這樣的概念,即可以真實顯 示品質的優劣。 評量系統之雜訊比表示式有以下三種類型:望目型(Nominal-the-best) 、 望小型(Smaller-the-best)、望大型(Larger-the-best)。. 2.1.6 望目型 望目型是針對某個品質特性目標所設計,則此型態之訊雜比如下: (2-1) 當中 m 是品質目標值,若當產品品質特性平均值越接近目標值時,雜訊 比就會大大增加,顯現出望目型的比較性之特質。. 2.1.7 望小型 望小型則是希望品質特性目標值越低越好,最好是零,來達到最佳品質。 譬如一工廠生產的物品的成本越低越好,就是一個例子。 (2-2) 當用訊雜比來衡量望小性質時,其值越大表示品質越能滿足期望. 2.1.8 望大型 望大型是期望品質特性的目標值越大越好,比如企業期望淨利與銷量越 多越好,最好是無窮大,那麼將望小型公式中的 y 項取倒數,可得方程式: (2-3). 15.

(25) 2.2 鐵電材料 鐵電材料最近比較常見的都是稱為鈣鈦礦(Perovskite)的結構。鈣鈦礦是 本來稱為鈦酸礦(. )此名稱是紀念俄羅斯礦物學家 L. A. Perovski 而命. 名的,但這類的化合物結構並不具備鐵電性(Ferroelectric)。具有鈣鈦礦結構 的化合物最眾周知的是鈦酸鋇( 的鈮酸鋰(. )、鈦酸鍶(. ),具有光學性關注. )也業界常見。再說,金屬含有三種以上的複合氧化物是很. 重要的。許多這些化合物是用包含的金屬的首字母來表示,例如鉛-鋯-鈦 (PZT)、鋇鍶鈦(BST)、鍶鉍鉭(SBT)、鉍鑭鉭(BLT)等。此外,作為鐵電的聚 合物體系其中,周知的是聚偏二氟乙烯(PVDF)。也有一個鐵電液晶,液晶 的每個分子都極化同方向,但通過施加一個電場,同時每個分子都極化方向 會反轉。雖然並不是所謂固體的鐵電材料,但還是可說具有鐵電性的材料。 鐵電材料也屬於焦電(Pyroelectric)材料與壓電(Piezoelectric)材料,總結這些 關係由圖 2-4 所示。[6]. 圖 2-4 介電材料種類與關係 16.

(26) 2.2.1 鐵電材料結構與性質 鐵電材料鈣鈦礦結構其中最常見的鈦酸鋇(. )來看結構。一看就感. 覺有點混亂,但並不會一個很複雜的結構。首先,鋇離子( 方的角落,氧離子(. )都配置在立. )配置在此立方體面的中心,最後鈦離子(. )配置在. 立方體的中心,也可像氧離子做成的八面體中心,但在溫度超過 120℃, 才會呈現立方體對稱的鈣鈦礦結晶(圖 2-5(a)),再說一旦溫度低於 120℃,. 單元晶格內的. 離子及. 離子就會往相反方向作一微小的. 移動,結晶體內的單位晶格沒有對稱中心(圖 2-5(b)),在此情形下,單位晶 格將會具有一個相當微弱的電偶極(Electric Dipole)。產生一個微弱的電偶極 矩,在臨界溫度 120℃稱為居里溫度(Curie Temperature)時,發生這類例子位 置移動的情形,將會使得. 圖 2-5. 的結晶結構立方晶結構轉成近似正方結構。. 的結構(a)在高於 120℃下(b)在低於 120℃下[7]. 在較大尺度時,鈦酸鋇材料具有區域結構,也就是在任一區域內單位晶 格的微弱電偶極都會呈現同方向排列的情形,所以單位體積內的偶極矩就會 是所有單位晶格偶極矩的總合。假設鈦酸鋇結晶體在強大外加電場之下,緩 17.

(27) 慢降溫通過其居里溫度時,此時所有區域中的偶極都會傾向與外加電場呈現 同方向排列,這個現象可以使得材料產生一個強大的偶極矩(圖 2-6)。晶體 中同時存在著不同方向的電偶極矩,排列方向相同的區域稱為鐵電電域 (Ferroelectric Domain),界面稱為電域壁(Domain Wall)[8]。. 圖 2-6 鐵電極化區域示意圖(a)無外加電場 (b)外加電場. 鈦酸鋇還具有壓電效應(Piezoelectric effect)的性質,如圖 2-7 所示。因為 許多微小電偶極的同方向排列而產生一個偶極矩,如圖 2-7(a)所示。此時在 材料極化方向的兩端上各有多過多的正、負電荷,一旦壓縮應力加於此材料 時,如圖 2-7(b)所示,此應力將會使試件長度降低,同時也會使材料單位體 積的偶極矩減少;此材料偶極矩之量值變化將改變試件兩端的電荷密度,進 而改變試件兩端之電壓差。如果在試件的兩端加一個電場,試件兩端上的電 荷密度將會有所改變(圖 2-7(c)) ,引起電場方向上試件的長度發生變化。見 圖 2-7(c),試件因增加正/負電荷來吸引電偶極負/正極造成長度增加。因此 壓電效應可以說一種電機械效應;因作用與鐵電性材料之機械力可造成電效 果,或是作用在材料上的電力可以產生機械效果。 18.

(28) 圖 2-7 壓電材料的電壓與變形關係 (a)具有電偶極的壓電材料(b)加壓力產 生電壓(c)加電壓材料變形[9]. 2.2.2 鐵電材料之電滯曲線帶 電滯曲線(Hysteresis Loop, P-E curve)是極化強度(Polarization, P)對外 加電場(Electric Field, E)的關係,如圖 2-8 所示。鐵電材料受外加電場,當外 加電場從零開始增加時,極化向量沿著從零開始往上增加(0A),當電域轉向 正方向時,極化強度不再增加。當讓外加電場降到零時(AB),保留了極化向 量,此點稱為殘留極化(Remnant Polarization,. ),接著增加負電場(BC),電. 域極化向量到零,此時稱為矯頑電場(Coercive field,. )。當外加電場增加到. 零時,極化向量就會到殘留極化。P 軸之 A’點此鐵電材料的自發極化向量( )。 [10]. 19.

(29) 圖 2-8 鐵電材料的電滯曲線[10]. 2.3 磁性的類型 磁場與磁力源是由於電子的運動。電子流過導線,導線周圍就會產生磁 場。材料的磁性也是由於電子的運動,電子自旋及電子環繞原子核的軌道運 動會產生磁場與磁力,如圖 2-9 所示。 磁性材料的磁化強度(Intensity of Magnetization)與外加磁場之間有一個 比例關係,此比例因子稱為磁化率(Magnetic Susceptibility) (2-4) 其中, 為外加磁場, 為磁化強度。 材料中原子受到外加磁場的作用,使得軌道運動的原子微些失衡,進而 在原子內部產生出一個方向與外加磁場相反的感應小磁偶極;這種產生相反 磁場效應的作用稱為反磁性(Diamagnetism),反磁性效應產生一個非常小的 負磁化率. 約. [9]。 20.

(30) 2.3.1 順磁性 在外加磁場作用下,產生微弱的正磁化率的現象,此磁化效應稱為順磁 性(Paramagnetism)。如移去外加磁場,材料的順磁性效應就會自動消失。. 2.3.2 鐵磁性 鐵磁性(Ferromagnetism)是一種極具工程價值的磁性質,它可使材料內 的磁場保持很久的一段時間。. 2.3.3 反鐵磁性 在外加磁場下作用下,原子之磁偶極矩排列會出現與外加磁場方向相反, 這種性質稱為反鐵磁性(Antiferromagnetism)。. 2.3.4 鐵氧磁性 在有些陶瓷材料中,不同的離子會發生磁矩大小不同的情形,當這些磁 矩排列呈反向平行的狀態時,可在某方向得到一淨磁矩。具此特性之材料稱 為鐵氧磁性(Ferrites)。. 21.

(31) 圖 2-9 不同型態磁化之磁偶極矩: (a)順磁性;(b)鐵磁性;(c)反鐵磁性;(d)鐵氧磁 性[9]. 2.4 電容器的漏電流機制 近年來,為了提高電晶體性能,元件尺寸微小化與閘極氧化層(Gate Oxide)厚度也愈來愈薄,雖然氧化層為不容易導電的絕緣體,但在外加電 場時,氧化層薄膜太薄也可能會產生漏電流。在電容器主要的閘極漏電流 有四種機制,此四種漏電流的能帶圖,如圖 2-10 所示,以下說明各種漏電 流數學關係式。. 22.

(32) 圖 2-10 四種閘極漏電流的能帶圖 (a) 直接穿隧(b) 傳勒-諾德翰(c) 蕭基發 射(d) 普爾-夫倫克爾發射[11]. 2.4.1 直接穿隧 當氧化層的厚度變得很薄或能量夠高的時,電子有可能直接穿過,此現 象的漏電流稱為,直接穿隧(Direct Tunneling)。. 2.4.2 傳勒-諾德翰穿隧 當電子的能量小於能障的高度時,如在高電場的情況下,電子有可能穿 過,此現象的漏電流稱為傳勒-諾德翰(Fowler-nordheim Tunneling)。此漏電 流公式如下: (2-5) 其中 J 為電流密度, 為浦郎克常數, 為外加電場, 有效電子質量,. 為真空中的電子質量,. 此漏電流公式與電場有相關。. 23. 為電子在氧化層的. 為金屬與半導體之間的能障。.

(33) 2.4.3 蕭基發射 在電場作用下,由熱激發(Thermal Excitation)電子從金屬越過能障進入 氧化層,此現象的漏電流稱為蕭基發射(Schottky Emission),公式如下: (2-6) 其中. 為 等 效 理 查 遜 常 數 (Effect Richardson Constant) 為 值 等 於 , 為絕對溫度, 為電荷,. 為蕭. 基能障(Schottky Barrier Height), 為外加電場, 為波玆曼常數, 為真空 介電係數, 為相對介電係數,. 為電子在氧化層的有效電子質量。. 2.4.4 普爾-夫倫克爾發射 在電場作用下,由熱激發電子從陷阱中心(Trap Center)激發到氧化層, 此現象稱為普爾-夫倫克爾發射(Poole-Frenkel Emission),此現象具有較大的 能隙的絕緣體比較會發生。此漏電流公式如下: (2-7) 其中,. 為氧化陷阱密度成正比之常數, 為外加電場, 為波玆曼常. 數, 為絕對溫度, 為電荷,. 為介電層薄膜陷阱能階(Trap Energy Level),. 為真空介電係數, 為相對介電係數。. 24.

(34) 2.5 介電材料的選擇 在 FEMFET(Ferroelectric Memory Field-Effect Transistor)技術有許多理 想的功能,包括微小化、低電壓操作、快速的編程與清除、記憶保留時間等。 目前為止,沒人真正證明非揮發性 FEMFET 的技術,儘管許多研究人員的 無數次嘗試。近年來,已得相當大的進步,如石原領導的研究組[12],但在 國家最先進的 FEMFET 通常具有的保持時間不超過幾個小時,即使最佳的 FEMFET 也是幾天的記憶保留。記憶體的保留時間相對較短主要的原因為(1) 去 極 化 電 場 (Depolarization Field)[13] 與 (2) 閘 極 漏 電 流 (Gate Leakage Current)[14]。. 2.5.1 去極化電場 首先,讓我們探討去極化電場,如圖 2-11 所示。金屬-鐵電-金屬(MFM) 結構的示意圖。看出鐵電層有極化與電荷補償(Compensating Charge)存在各 電極,如有完整的電荷補償,此情況就沒有去極化電場。另一方面,在 FEMFET 的閘極可表示,去極化電場總是存在為半導體的介電係數導致的。 如圖 2-12 所示,閘極鐵電與絕緣層串聯電容的模型,且去極化電場公 式如下: (2-8) 其中, 為極化,. 為去極化電場, 為介電係數, 為鐵電的電容,. 絕緣層的電容[15]。. 25. 為.

(35) 圖 2-11 MFM 結構的示意圖[15]. 圖 2-12 FEMFET 的閘極電容模型[15]. 26.

(36) 2.5.2 高介電材料 高介電係數材料為介電常數大於 3.9(二氧化矽的介電常數)的材料。此種 材料還可稱為 High-k 材料,介電係數高的材料有許多種,但可以拿來使用 當 氧 化 層 , 還 是 要 符 合 一 些 條 件 , 諸 如 (1) 高 介 電 係 數 (2) 熱 穩 定 度 (Thermodynamic Stability)(3)與閘極的相容性(4)界面品質(Interface Quality) 與(5)材料能隙(Band Gap)。但由學者 J. Robertson 整理出的表 2-7 與圖 2-13 可看出,介電係數與能隙是成反比的,換言之介電係數越大,能隙就會降低。 當氧化層的能隙降低,則半導體與氧化層間的能障(. , Barrier Height)相對的. 就會變小,電子較容易會跨越能障,因而產生漏電流的機率會高。例如,氧 化鈦(. )雖然介電值很大,但能障很小,所以此材料不適合做氧化層。選. 擇氧化層主要在介電值與能隙之間取得平衡,文獻中常見的高介電係數材料 是氧化鈰( 氧化鋯(. )、氧化鋁(. )、氧化鑭(. )、氧化鉿(. )、氧化釔(. )、. )。[16]. 表 2-7 常見高介電係數材料介電值、能隙、導電帶的偏移量一覽表[16]. 27.

(37) 圖 2-13 常見高介電係數材料介電值與能隙關係圖[16]. 2.6 鐵酸鉍材料特性 鐵酸鉍(BFO,. )於 1960 年代提出的材料[17]。但鐵酸鉍的材料特. 性與物理特性仍有爭議。在過去幾年中,薄膜技術的進步,如脈衝雷射沉積 (PLD, Pulse Laser Deposition) 、 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 (MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)、化學溶液沉積(CSD, Chemical Solution Deposition),這些技術提供了許多對鐵酸鉍薄膜物理特性的理解[18]。 BFO 的結構是屬於鈣鈦礦結構。鐵酸鉍具有反鐵磁性( (. 與鐵電性. 的性質,此種材料稱為複鐵式材料(Multi-Ferroelectric Materials)。. 在 室 溫 下 , 鐵 酸 鉍 塊 材 屬 於 R3c 空 間 群 (Space Group) 的 菱 形 晶 (Rhomobohedral)結構,如圖 2-14 所示。此晶格可看做扭曲的鈣鈦礦結構, 其單位晶胞的格子常數(Lattice Constant)為. ,. 。R3c 的. 中心對稱的空缺允許沿著(1 1 1)方向原子次晶格(Atomic Sublattice)的相對位 28.

(38) 移,最顯著的為相對於扭曲. 的 Bi 原子。. 鐵酸鉍薄膜可想成屬於 P4mm 空間群的四方晶體(Tetoragonal)結構,如 圖 2-15 所示,薄膜厚度在 200 nm 下,量測值為. 圖 2-14 BFO 塊材結構[18]. 29. ,. 。.

(39) 圖 2-15 BFO 薄膜結構[18]. 2.7 鐵酸鉍之摻雜理論 鐵酸鉍(BFO)的居禮溫度與尼爾溫度都比其他的複鐵式材料高,但鐵酸 鉍具有漏電流較大的問題,其問題主要原因為在鐵酸鉍薄膜經過熱處理時, 鉍(Bi)元素的揮發而造成陷阱(Trap),或是鐵離子價數較易變動造成的氧空缺, 使得漏電流增加[19]。為了漏電流的改善,可用其他的離子來充填造成的氧 空缺。鉍離子造成的陷阱為鑭離子(. )、釹離子(. )、鐠離子(. 代鉍的位置[20][21][22]。鐵離子造成的氧空缺為鈦離子( 鉻離子(. )、錳離子(. )、鈮離子(. 30. )、鎳離子(. )來取 )、. )來取代鐵離子的位置[23][24][25]。.

(40) 第三章. 實驗設計. 本章分為三部分,第一部分是介紹濺鍍法種類與原理。第二部分是 MFIS 電容器製作過程。第三部分是如何利用田口法設計實驗與量測薄膜電性及物 理特性。. 3.1 濺鍍法簡介 在物理學上濺射(Sputtering)是利用離子轟擊固體表面的原子或分子,撞 出來的原子或分子沉積在基板上形成薄膜的現象。離子撞擊到固體表面會發 生的現象,如圖 3-1 所示。此現象除了濺鍍以外還利用在許多方面的技術, 其中離子注入(Ion Implantation)是在半導體製造製程常見的技術。撞出來的 離子也可會成分分析等。 圖 3-1 中粗線所示,中性原子與分子是在薄膜形成用到的。加速離子撞 擊到固體時,在表面附近發射電子而變成中性,但離子的運動量會保持,然 後直接進入靶材(Targets)表面內。離子在靶材表面的原子與分子碰撞逐漸失 去能量而停止。此時,因此不同粒子衝進靶材內部,引起結晶的損壞與靶材 晶格的原子繼續相互碰撞,最後表面的原子與分子撞出到外部。. 31.

(41) 圖 3-1 離子撞擊現象[26]. 3.1.1 直流濺鍍 直流濺射系統(DC Sputtering System)如圖 3-2 所示,靶材裝在負極側, 基板裝在陽極側,濺鍍系統基本在高真空環境下,通入工作氣體,例如氬氣 (. )從氣體入口通入腔體(Chamber)內,接著在陰極加直流電壓,陽極接地,. 使得兩電極之間會產生電場。因此電場下工作氣體氬氣解離而產生電漿 (Plasma)。氬離子(. )帶正電荷,被陰極的負電壓吸引而加速,撞擊陰極的. 靶材表面。. 32.

(42) 圖 3-2 直流濺射系統. 3.1.2 射頻濺鍍 射頻濺鍍系統(RF Sputtering System)如圖 3-3 所示,與直流濺鍍工作原 理是相同,不同的是在兩電極之間加交流電壓,在直流濺鍍系統中,非導體 靶材時,當離子不斷撞擊靶材表面,在此時會造成靶材表面有正電荷累積的 問題,對撞擊靶材表面之陽離子造成斥力,而無法繼續進行濺鍍之工作。如 將直流改成交流,則因正負電壓互相交換時,電子受正電位之吸引而往靶材 方向前進,中和了靶材上的正電荷,因此解決了正電荷在非導體靶材上累積 的問題,而射頻濺鍍系統可製造介電質薄膜。 33.

(43) 圖 3-3 射頻濺鍍系統. 3.1.3 磁控濺鍍 磁控濺鍍系統(Magnetron Sputtering System),藉由靶材背面加裝兩極平 衡性的對稱磁鐵(如圖 3-4 所示),使得靶材表面形成外磁場,促使電子運動 軌跡沿磁力線方向螺旋狀路徑迴旋前進,並將電子束縛於靶材表面特定環形 區域中,藉以增加電子與氬氣分子碰撞之機率。靶材表面亦將因該區域中, 擁有較高電子密度而生成大量離子,該局部區域將因高密度離子入射靶材而 形成明顯的消耗軌跡。磁控濺鍍之目的在利用磁場控制靶材前面的電子運動 軌跡及其分佈密度來改善靶材的濺射率,提高鍍膜的沉積速率。. 34.

(44) 圖 3-4 磁控濺鍍系統之兩極平衡性的對稱磁鐵[27]. 3.2 MFIS 電容器的製作步驟 MFIS 電容器為 Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor 結構的電容器。 本實驗採用 /. /. ,以下說明 MFIS 電容薄膜製造. /. 的步驟。. 3.2.1 二氧化鉿薄膜的製作 首先,p 型矽晶片浸泡在緩衝氧化層蝕刻液(Buffer Oxide Etching, BOE) 中,此目的是為了去除晶片表面的原生氧化層(Native Oxide),之後浸泡在離 子水(DI Water)中清洗(圖 3-5) 。並以氮氣( 晶片放入濺鍍機腔體中。接著,將. )槍吹乾矽晶片表面的水氣,將. 靶材裝置在射頻濺鍍用的槍上,然後. 腔體內的氣壓以機械幫浦(Mechanical Pump)與渦輪幫浦(Turbo Pump)抽氣至 以下。最後,調整電漿、射頻濺鍍功率、氬氣與氧氣的流量、 控制二氧化鉿厚度至 40 nm 的鍍膜時間(圖 3-6)。 35.

(45) 圖 3-5 去除原生氧化層. 圖 3-6 氧化層的製作. 3.2.2 鐵酸鉍摻雜鈮薄膜的製作 首先,以去離子水清洗鍍二氧化鉿的試片,並以氮氣槍吹乾試片表面的 水氣,再將試片放入腔體中。接著,將. 靶材裝置在射頻濺鍍用的槍上,. 將鈮(Nb)靶材放置在直流濺鍍用的槍上,然後腔體內的氣壓以機械幫浦與渦 輪幫浦抽氣至. 以下。最後,調整電漿、射頻濺鍍功率、摻雜. 鈮的濃度為用直流濺鍍功率控制分別 5 W、10 W、15 W、氬氣流量固定 30 sccm,氧氣流量分別 2、3、6 sccm、控制 間(圖 3-7)。. 圖 3-7 鐵電層的製作. 36. 的膜厚 250 nm 鍍膜時.

(46) 3.2.3 快速熱退後處理 快速退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)是很短時間完成退火,此目的 是修補沉積後的薄膜產生的一些缺陷。本實驗當薄膜沉積都完成後,將一個 試片割分成四片,將其中三片分別 500 ℃、600 ℃、700 ℃的溫度做快速 熱退火。. 3.2.4 鋁電極的製作 首先,退火處理後的試片上覆蓋含有不同面積圖形的 Shadow Mask,電 極面積分別直徑. μ 、. μ 、. μ ,然後放入濺鍍機腔體。接著,. 將鋁( )靶材裝置在射頻濺鍍用的槍上,腔體內的氣壓以機械幫浦與渦輪幫 浦抽氣至. 以下。最後,調整電漿、射頻濺鍍功率、氬氣與氧. 氣的流量、控制鋁厚度至 250 nm 的鍍膜時間(圖 3-8)。. 圖 3-8 電極的製作. 37.

(47) 3.3 利用田口法設計實驗 MFIS 電容器主要在看漏電流及記憶窗寬此兩種特性。經過文獻去找對 於此兩種特性有影響的因子。. 3.3.1 選定因子與水準 本實驗的因子數為三個,其每個因子的變動水準為三個,分別快速退火 (水準為 500 ℃、600 ℃、700 ℃)、摻雜鈮濃度為控制直流濺鍍率(水準為 5 W、10 W、15 W)、氬氧比(水準為 5、10、15),表 3-1 所示。. 表 3-1 每個因子與其變動水準 水準. 因子. 退火溫度(℃). 直流濺鍍率(W). 1. 500. 5. 5. 2. 600. 10. 10. 3. 700. 15. 15. 氬氧比(. 3.3.2 選定適當的直交表 上一步驟所選的因子及水準為三因子,三水準的實驗設計而所有因子配 對組合總共有二十七組,如表 3-2 所示。 利用田口法 L9(34)的直交表,如表 2-6 所示。本實驗因子為三個而 L9(34) 的直交表其中選定三欄,三因子三水準的總共九組的實驗,如表 3-3 所示。. 38.

(48) 表 3-2 全試片之參數組合 因子. 退火溫度(℃). 直流濺鍍率(W). 1. 500. 5. 5. 2. 500. 5. 10. 3. 500. 5. 15. 4. 500. 10. 5. 5. 500. 10. 10. 6. 500. 10. 15. 7. 500. 15. 5. 8. 500. 15. 10. 9. 500. 15. 15. 10. 600. 5. 5. 11. 600. 5. 10. 12. 600. 5. 15. 13. 600. 10. 5. 14. 600. 10. 10. 15. 600. 10. 15. 16. 600. 15. 5. 17. 600. 15. 10. 18. 600. 15. 15. 19. 700. 5. 5. 20. 700. 5. 10. 21. 700. 5. 15. 氬氧比(. 實驗組合. 39. ).

(49) 22. 700. 10. 5. 23. 700. 10. 10. 24. 700. 10. 15. 25. 700. 15. 5. 26. 700. 15. 10. 27. 700. 15. 15. 表 3-3 本實驗選定的田口法直交表 因子. 退火溫度. 直流濺鍍率. 氬氧比. #1. 1. 1. 1. #2. 1. 2. 2. #3. 1. 3. 3. #4. 2. 1. 3. #5. 2. 2. 1. #6. 2. 3. 2. #7. 3. 1. 2. #8. 3. 2. 3. #9. 3. 3. 1. 實驗組合. 40.

(50) 3.3.3 電特性量測 本實驗用的電性量測機台如圖 3-9 與圖 3-10 所示。漏電流特性(I-V Curve) 為使用 Agilent B1500A,電容特性(C-V Curve)為使用 Agilent E4980 量測試 片的電性。依照表 3-3 的參數的組合,每組試片都做十五次的量測。. 圖 3-9 量測漏電流特性 Agilent B1500A. 圖 3-10 量測電容特性 Agilent E4980 41.

(51) 3.3.4 物理特性量測 本實驗用的物理特性量測機台為 BFO 薄膜的晶粒尺寸(Grain Size)為使 用 X-ray 繞射儀(X-ray diffraction, XRD)來查結晶。 X 光繞射儀為可以量測固體材料內部的晶格結構,圖 3-11 為本實驗使 用量測的 X 光繞射儀。利用此機台,本實驗量測鐵電薄膜的晶相結構,當 薄膜到某個溫度並待續一段時間,薄膜內部會產生結晶,因此為了了解結晶 的物理特性,如結晶尺寸及結晶成長方向等。儀器原理是當 X 光撞擊固體 材料時,會產生建設性干涉(Constructive Interference)與布拉格定律(Bragg’s Law),可說明繞射光束入射角度 和波長 與結晶面間距離 d 之關係,如圖 3-12 所示,布拉格定律公式如下: d. (3-1). 其中 n 為正整數, 為 X 光波長,d 為結晶面間距離, 為 X 光入射角度。. 圖 3-11 X 光繞射儀 42.

(52) 圖 3-12 X 光繞射儀之原理[28]. 43.

(53) 第四章. 結果與討論. 本章是利用田口法設計實驗選取參數配方,透過電流-電壓及電容-電壓 的電特性量測,找出最佳參數組合與參數的趨勢。再透過物理特性量測(XRD) 驗證田口法找出的參數趨勢。. 4.1 MFIS 結構電容器漏電流-電壓曲線 利用田口法分析 MFIS 結構的閘極漏電流(Gate Leakage Current)的特性。 本實驗依照表 3-3 的參數組合量測的當電壓為漏電流數據如表 4-1 與表 4-2 所示,試片總共有 9 片,每組都量 15 次,其中空間為已去除的離群值(Outlier)。 每個試片的電流-電壓圖,如圖 4-1、圖 4-2、圖 4-3 所示。. 表 4-1 在電壓為+3 V 時之漏電流數據 單位:μA #1. #2. #3. #4. #5. #6. #7. #8. #9. 2.10. 5.14. 5.23. 2.70. 2.32. 4.94. 0.60. 0.66. 5.74. 2.79. 7.73. 5.44. 2.90. 2.48. 5.58. 0.84. 0.71. 6.98. 2.87. 7.83. 6.57. 3.64. 2.67. 5.91. 0.89. 0.95. 7.26. 3.15. 8.44. 7.09. 3.73. 2.67. 6.20. 0.96. 0.97. 7.42. 4.00. 10.13. 7.13. 5.27. 3.11. 6.44. 1.09. 1.01. 7.49. 4.63. 10.22. 7.88. 5.60. 3.13. 6.88. 1.18. 1.10. 7.77. 4.70. 11.21. 7.99. 5.73. 3.19. 7.20. 1.20. 2.08. 8.08. 5.05. 12.46. 8.17. 6.34. 3.31. 7.74. 1.64. 2.38. 8.55. 5.53. 15.14. 8.47. 6.38. 3.38. 7.81. 1.76. 2.51. 8.60. 5.72. 16.80. 8.76. 6.48. 3.50. 8.18. 1.83. 2.55. 8.64. 44.

(54) 5.82. 16.93. 9.11. 6.49. 3.53. 8.58. 1.99. 3.92. 8.76. 6.08. 19.00. 9.58. 6.64. 3.58. 9.08. 2.26. 4.98. 19.10. 6.17. 20.23. 11.91. 4.01. 11.31. 2.47. 5.25. 6.81. 26.92. 4.47. 12.49. 2.73. 5.48. 7.79. 30.81. 12.50. 表 4-2 在電壓為-3 V 時之漏電流數據 #1. #3. #4. #5. #9. 687.67 128.04 778.49 3460.85 124.14 182.94 614.13. 7.52. 580.70. 642.07 117.57 347.59. 151.35. 92.42. 122.51 467.93. 7.01. 452.23. 624.47. 73.42. 153.77. 64.06. 54.45. 120.89 392.80. 5.83. 247.64. 543.10. 41.50. 98.83. 39.69. 53.65. 112.02 373.40. 5.70. 242.98. 188.05. 27.59. 61.92. 28.71. 6.01. 56.46. 337.03. 4.74. 90.32. 155.75. 14.67. 25.49. 20.60. 5.77. 19.85. 297.85. 4.68. 55.62. 145.64. 5.05. 23.09. 17.94. 5.76. 14.42. 231.81. 4.52. 49.94. 140.50. 2.70. 21.54. 15.37. 5.35. 11.96. 209.07. 4.26. 22.05. 93.12. 2.34. 19.62. 13.17. 5.25. 11.73. 195.82. 3.17. 21.95. 81.77. 2.18. 17.04. 11.25. 4.60. 6.90. 165.34. 2.91. 20.86. 51.40. 2.07. 15.71. 5.59. 4.29. 5.18. 121.71. 2.84. 19.15. 34.18. 1.99. 10.99. 4.60. 3.93. 4.32. 59.07. 2.51. 12.29. 6.89. 1.84. 3.04. 2.89. 45.92. 8.85. 22.44. 5.82. 2.37. 3.74. 45. #6. 單位:μA #8. 5.88. #2. 5.60. #7.

(55) 1. o. #1 RTA:500 C DC Power: 5W Ar/O2: 5. 0.1. o. #2 RTA:500 C DC Power:10W Ar/O2:10. 0.01. o. #3 RTA:500 C DC Power:15W Ar/O2:15. 2. Current Density(A/cm ). 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 -4. -2. 0. 2. 4. Applied Voltage[V]. 圖 4-1 漏電流直較表比較(#1~#3). 1. o. 0.1. #4 RTA:600 C DC Power: 5W Ar/O2:15. 0.01. #5 RTA:600 C DC Power:10W Ar/O2: 5. o o. #6 RTA:600 C DC Power:15W Ar/O2:10. 2. Current Density(A/cm ). 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 -4. -2. 0. 2. Applied Voltage[V]. 圖 4-2 漏電流直交表比較(#4~#6) 46. 4.

(56) 1. 2. Current Density(A/cm ). o. 0.1. #7 RTA:700 C DC Power: 5W Ar/O2:10. 0.01. #8 RTA:700 C DC Power:10W Ar/O2:15. 1E-3. #9 RTA:700 C DC Power:15W Ar/O2: 5. o o. 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 -4. -2. 0. 2. Applied Voltage[V]. 圖 4-3 漏電流直交表比較(#7~#9). 47. 4.

(57) 4.1.1 漏電流特性之田口法分析 在電壓+3 V 時,因子與其變動水準之訊雜比計算結果如表 4-3 所示。根 據表 4-3,最佳之因子水準選取每個因子之變動水準訊雜比最大值,如圖 4-4 反應圖所示。漏電流為望小型的品質特性,所以帶入適當訊雜比公式(2-2), 此數據越高,漏電流越小,品質特性越佳。首先,當退火溫度而言,Level 1 改變 Level 2 時,訊雜比從-18.8684 dB 變成-14.4607 dB,增加了 4.4077 dB, 表示當退火溫度從 500 ℃上升到 600 ℃時,明顯的漏電流降低。Level 2 改 變 Level 3 時,訊雜比從-14.4607 dB 變成-11.3193 dB,增加了 3.1414 dB, 表示當退火溫度從 600 ℃上升到 700 ℃時,還是明顯的漏電流降低。接下, 摻雜鈮濃度的直流功率而言,Level 1 改變 Level 2 時,訊雜比從-11.0591 dB 變成-14.9153 dB,減少了 3.8562 dB,表示當直流功率 5 W 改變 10 W 時, 明顯的漏電流增加。Level 2 改變 Level 3,訊雜比從-14.9153 dB 變成-18.6739 dB,減少了 3.7586 dB 10 W 變成 15 W 時,一樣明顯的漏電流增加。最後, 當氬氧比而言,Level 1 改變 Level 2 時,從-14.6331 dB 變成-15.6908 dB,減 少了 1.0577 dB,表示氬氧比從 5 到 10 時,漏電流增加。但 Level 2 改變 Level 3 時,訊雜比從-15.6908 dB 變成-14.3244 dB,增加了 1.3664 dB,表示當氬 氧比從 10 到 15 時,漏電流降低。此看訊雜比趨勢可知退火溫度與直流功率 是線性且變動量比較多,但氬氧比的變化量比其他因子還小。換言之退火溫 度與直流功率對漏電流的影響較大,此兩因子為明顯影響因子(Significant Effect Factor),氬氧比對漏電流的影響較小為非明顯因子(Insignificant Effect Factor),以後做實驗當最佳化漏電流時,先決定此兩明顯因子之水準後,再 非明顯因子來微調。根據圖 4-4 最佳參數組合:退火溫度為 700 ℃,直流功率 為 5 W,氬氧比為 15。. 48.

(58) 在電壓-3 V 時,因子與其變動水準之訊雜比計算結果如表 4-4 所示。根 據表 4-4,最佳之因子水準選取每個因子之變動水準訊雜比最大值,如圖 4-5 反應圖所示。首先,當退火溫度而言,Level 1 變為 Level 2 時,訊雜比從-44.424 dB 變成-43.6253 dB,增加了 0.7987 dB,表示當退火溫度從 500 ℃上升到 600 ℃時,漏電流為少量降低。Level 2 變為 Level3 時,訊雜比從-43.6253 dB 變 成-36.6546 dB,大幅增加了 6.9707 dB,表示當退火溫度從 600 ℃上升到 700℃時,漏電流為明顯的降低。接下,摻雜鈮濃度的直流功率而言,Level 1 變成 Level 2 時,訊雜比從-53.3728 dB 變成-27.1762 dB,大幅減少了 26.1966dB,表示當直流功率 5 W 改 10 W 時,明顯的漏電流增加。但 Level 2 變成 Level 3 時,訊雜比從-27.1762 dB 變成-44.1548 dB,大幅增加了 16.9786 dB,表示當直流功率 10 W 變成 15 W 時,明顯的漏電流降低。最後,當氬 氧比而言,Level 1 變成 Level 2 時,從-43.5605 dB 變成-40.6189 dB,增加了 2.9416 dB,表示氬氧比從 5 變成 10 時,降低漏電流。Level 2 變為 Level 3 時,訊雜比從-40.6189 dB 變成-40.5246 dB,增加了 0.0943 dB,表示當氧氬 比從 10 到 15 時,少量的漏電流降低。由表 4-1 與表 4-2 來看,在電壓-3 V 時,跟電壓+3 V 時比量測漏電流數據誤差有一點大,所以直流功率而言, 變化量太大也找不出趨勢,但退火溫度會跟電壓+3 V 時出現一樣的趨勢, 隨著溫度上升漏電流會降低,氬氧比也對漏電流的影響不大。根據圖 4-4 最 佳參數組合:退火溫度為 700 ℃,直流功率為 15 W,氬氧比為 15。. 49.

(59) 表 4-3 在電壓+3 V 時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 單位:dB 退火溫度. 直流功率. 氬氧比. Level 1. -18.8684. -11.0591. -14.6331. Level 2. -14.4607. -14.9153. -15.6908. Level 3. -11.3193. -18.6739. -14.3244. Avrage effects bias voltage +3V 0 -2 -4. S/N Ratio[db]. -6 -8 RTA -10. DC Power. -12. Ar/O2. -14 -16 -18 -20. Each level of the factor. 圖 4-4 電壓+3 V 漏電流對各因子反應圖. 50.

(60) 表 4-4 在電壓-3 V 時,漏電流各影響因子之變動水準訊雜比 退火溫度. 直流功率. 氬氧比. Level 1. -44.424. -53.3728. -43.5605. Level 2. -43.6253. -27.1762. -40.6189. Level 3. -36.6546. -44.1548. -40.5246. Avrage effects bias voltage -3 V 0. -10. S/N Ratio[db]. -20 RTA. -30. DC Power Ar/O2. -40. -50. -60. Each level of the factor. 圖 4-5 電壓-3 V 漏電流對各因子之反應圖. 51.

(61) 4.2 MFIS 結構電容器電容-電壓曲線 利用田口法分析 MFIS 結構的記憶窗寬(Memory Window)的特性。本實 驗依照表 3-3 的參數組合量測的當電壓為記憶窗寬數據如表 4-5 所示,試片 總共有 9 片,每組都量 15 次,其中空間為已去除的離群值(Outlier)。 表 4-5 記憶窗寬之數據 單位:V #1. #2. #3. -1.24. -1.05. -1.36. -0.89. -0.89. -1.28. -0.78. -0.85. -0.51. #4. #5. #7. #8. 0.01. 2.55. 2.05. 0.12. 0.02. 2.60. 2.22. 0.29. -0.80. 0.15. 0.03. 2.90. 2.22. 0.32. -0.59. -0.61. 0.23. 0.03. 0.01. 3.09. 2.31. 0.33. -0.50. -0.57. -0.37. 0.24. 0.04. 0.03. 3.20. 2.32. 0.33. -0.44. -0.56. -0.32. 0.27. 0.07. 0.05. 3.25. 3.30. 0.34. -0.42. -0.48. -0.32. 0.27. 0.07. 0.05. 3.44. 3.31. 0.36. -0.40. -0.46. -0.30. 0.28. 0.10. 0.07. 3.48. 3.35. 0.36. -0.39. -0.45. -0.28. 0.31. 0.15. 0.10. 3.71. 3.38. 0.36. -0.38. -0.45. -0.28. 0.31. 0.18. 0.11. 3.74. 3.52. 0.43. -0.36. -0.43. -0.25. 0.32. 0.20. 0.13. 3.74. 3.64. 0.44. -0.35. -0.29. -0.23. 0.32. 0.22. 0.13. 3.78. 3.71. 0.46. -0.30. -0.27. -0.17. 0.35. 0.24. 0.18. 3.90. 3.73. 0.46. -0.27. -0.27. -0.15. 0.37. 0.24. 0.18. 3.95. 3.75. 0.47. -0.19. -0.23. -0.14. 0.39. 0.27. 4.04. 3.78. 0.50. 52. #6. #9.

(62) 4.2.1 鐵電極化對於電容器電容-電壓曲線的影響 在 p 型矽基板上的 MFIS 結構之理想的電容-電壓曲線一個順時針方向的 電滯迴圈(Hysterisis Loop),如圖 4-6 所示,此迴圈的產生時由於鐵電薄膜所 有的矯頑電場所造成的。當閘極電壓從負偏壓掃到正偏壓時,先通道累積的 電洞該受到正偏壓的影響而減少產生空間電荷,但由於鐵電層極性的影響, 會使得累積在通道的電洞比較慢消失,直到外加偏壓克服了鐵電薄膜的矯頑 電場並改變其極性的方向之後,通道才會電洞聚積(Accumulation)轉變為空 乏(Depletion)狀態,此過程當電壓從負偏壓掃到正偏壓時,曲線會往右偏移。 同樣,當電壓從正偏壓掃到負偏壓時,曲線受到鐵電層極化的影響,反轉所 以會往左偏移,此鐵電極化影響較大的能帶圖,如圖 4-7 所示。. 250.0p. Capcitance(F). 200.0p. 150.0p. 100.0p. 50.0p. 0.0 -8. -6. -4. -2. 0. 2. 4. Sweep Voltage(V). 圖 4-6 p 型 MFIS 電容器理想的電滯迴帶圈. 53. 6. 8.

(63) 圖 4-7 鐵電極化影響較大時的 p 型 MFIS 電容器之能帶圖. 4.2.2 電荷注入對於電容器電容-電壓曲線的影響 在 p 型基板上的 MFIS 結構,電荷注入(Charge Injection)會影響鐵電極性, 造成逆時針的電滯曲線,如圖 4-8 所示。由於電荷的注入會減少通道所累積 的電荷,所以從負偏壓掃到正偏壓時,提早就聚積區轉為空乏區,從正偏壓 掃到負偏壓時,提早反轉區轉為空乏區,所以會使得記憶窗寬縮小,甚至電 荷注入引起的影響大於鐵電極化量效應,使得記憶窗寬變為負值,造成逆時 針方向的電滯曲線,此電子注入影響較大時的能帶圖,如圖 4-9 所示。. 54.

(64) 500.0p. Capacitance(F). 400.0p. 300.0p. 200.0p. 100.0p. 0.0 -8. -6. -4. -2. 0. 2. 4. 6. 8. Sweep Voltage(V). 圖 4-8 逆時針方向之電滯曲線. 圖 4-9 電子注入影響較大時的 p 型 MFIS 電容器之能帶圖 55.

(65) 4.2.3 記憶窗寬之田口法分析 在記憶窗寬因子與其變動水準之訊雜比計算結果如表 4-6 所示。根據表 4-6,最佳之因子水準選取每個因子之變動水準訊雜比最大值,如圖 4-4 反應 圖所示。記憶窗寬為望大型的品質特性,所以帶入適當訊雜比公式(2-3),首 先,退火溫度而言,Level 1 的訊雜比為移除,因此在 500 ℃條件下,電容電壓曲線都出現像圖 4-8 逆時針方向電滯的曲線,所以不考慮此現象的訊雜 比。Level 2 改變 Level 3 時,訊雜比從-24.5284 dB 變成 3.687356 dB,大幅 增加了 28.215756 dB,表示當退火溫度從 600 ℃上升到 700 ℃時,明顯的記 憶窗寬明顯的擴大。接著,摻雜鈮濃度的直流功率而言,Level 1 變成 Level 2 時,訊雜比從-1.07372 dB 變成-10.1005 dB,大幅減少了 9.02678 dB,表示 當直流功率 5 W 改 10 W 時,記憶窗寬明顯的縮小。Level 2 變成 Level 3 時, 訊雜比從-10.1005 dB 變成-20.0874 dB,大幅減少了 9.9869 dB,表示當直流 功率 10 W 變成 15 W 時,記憶窗寬明顯的縮小。最後,當氬氧比而言,Level 1 變成 Level 2 時,從-18.946 dB 變成-10.6118 dB,增加了 8.3342 dB,表示 氬氧比從 5 變成 10 時,漏電流降低。Level 2 變為 Level 3 時,訊雜比從-10.6118 dB 變成-10.5493 dB,少量增加了 0.0625 dB,表示當氬氧比從 10 到 15 時, 少量的記憶窗寬擴大。此結果表示記憶窗寬對退火溫度與直流功率的影響相 當大,尤其是退火溫度 Level 2 到 Level 3 的變化量最多,依照表 4-5 只退火 溫度 700 ℃全試片都出現明顯的記憶窗寬,理想的順時針方向電滯迴圈,隨 著直流功率增加記憶窗寬也明顯的擴大。根據圖 4-10 最佳參數組合:退火溫 度為 700 ℃,直流功率為 5 W,氬氧比為 15。. 56.

(66) 表 4-6 記憶窗寬各影響因子之變動水準訊雜比 單位:dB 退火溫度 Level 1. 直流功率. 氬氧比. -1.07372. -18.946. Level 2. -24.5284. -10.1005. -10.6118. Level 3. 3.687356. -20.0874. -10.5493. Average of effects 10 5. S/N ratio[db]. 0 -5 RTA -10. DC Power. -15. Ar/O2. -20 -25 -30. Each level of the factor. 圖 4-10 記憶窗寬對各因子之反應圖. 57.

(67) 4.3 物理性量測證實田口法最佳化結果 依照田口法找出的最佳參數組合與趨勢配合 X 光繞射儀分析(XRD)結 果,如圖 4-11、圖 4-12、圖 4-13 所示。XRD 分析結果與田口法找出的明顯 影響因子來討論。 首先,在偏電壓+3 V 的退火溫度趨勢,退火溫度越高漏電流會越小。 由圖 4-11 可以發現,當退火溫度增加到 700 ℃時,鐵酸鉍的鈮離子會取代 鐵離子,在 2θ=28.175,形成. 的結晶相。此結果表示,在鐵酸鉍. 薄膜中,鈮離子取代鐵離子。在偏電壓+3 V 的摻雜鈮的瓦數的趨勢,摻雜 鈮濃度越低漏電流會越降低,此趨勢由圖 4-11、圖 4-12、圖 4-13 在 700 ℃ 的. 結晶相的結晶強度比較可知摻雜 Nb 的瓦數越高結晶強度越大. 的現象。此現象表示,摻雜瓦數鈮離子取代鐵離子的結晶較多,所以漏電流 也跟著降低,但是鈮離子是帶正電荷,摻雜鈮的濃度越多可能會造成漏電流 增加。接下來,在記憶窗寬的趨勢,退火溫度越高記憶窗寬會明顯的變大。 此現象主要的原因在鐵電層及氧化層之電荷,此些電荷會影響到鐵電的極化 性,但退火溫度越高可越減少電荷。摻雜鈮的濃度越多記憶窗寬越小,因此 帶正電荷的鈮離子過多會影響到鐵電層的極化性,導致記憶窗寬的縮小。. 58.

(68) Nb:5W-O2:6sccm. BiFeO3(104). NbO2(701). BiFeO3(021). Nb2O5(121) BiFeO3(012). Bi2O3(111). Bi8Nb18O57(006). Intensity(A.U). BiFeO3(101). o. 500 C o 600 C o 700 C. o. 700 C o. 600 C o. 500 C 20. 40. 60. 80. 2(Degree). 圖 4-11 鐵酸鉍摻雜鈮 5 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖. NbO2(701). BiFeO3(104). 500 C o 600 C o 700 C. BiFeO3(021). Bi2O3(111). o. Nb2O5(121) BiFeO3(012). BiFeO3(101). Intensity(A.U). Bi8Nb18O57(006). Nb:10W-O2:6sccm. o. 700 C o. 600 C o. 500 C 20. 40. 60. 80. 2(Degree). 圖 4-12 鐵酸鉍摻雜鈮 10 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖 59.

(69) BiFeO3(104). NbO2(701). 500 C o 600 C o 700 C. BiFeO3(021). Bi2O3(111). o. Nb2O5(121) BiFeO3(012). Intensity(A.U). BiFeO3(101). Bi8Nb18O57(006). Nb:15W-O2:6sccm. o. 700 C o. 600 C o. 500 C 20. 40. 60. 80. 2(Degree). 圖 4-13 鐵酸鉍摻雜鈮 15 W、氬氧比 15 在不同退火溫度下之 XRD 圖. 60.

(70) 第五章. 結論與未來展望. 5.1 田口法最佳化 MFIS 電容器之特性 本論文是利用田口法尋找最佳的參數組合。以漏電流來說,當電壓+3 V 時,最佳的參數組合為退火溫度 700 ℃,摻雜鈮的直流功率 5 W,氬氧比 15。當電壓-3 V 時,漏電流最佳的參數組合為退火溫度 700 ℃,摻雜鈮的 直流功率 15 W,氬氧比 15。兩種情況下,可得知關鍵的因子為退火溫度與 摻雜鈮的直流功率。當電性量測中,在電壓+3 V 時所量測的漏電流數據誤 差較小,所以與物理量測分析(XRD)結果為取在電壓+3 V 的漏電流趨勢來驗 證。當退火溫度 700 ℃時,可看. 的結晶相,此表示鐵酸鉍摻雜鈮. 離子取代鐵離子,且減少鐵離子造成的氧空缺。但是鈮離子為帶正電荷,摻 雜鈮的濃度過多會造成漏電流的增加。以記憶窗寬來說,尋找最佳參數組合 為退火溫度,退火溫度 700 ℃,摻雜鈮的直流功率 5 W,氬氧比 15。記憶 窗寬大小為鐵電薄膜極化性與電荷的影響很大。退火可減少鐵電層及氧化層 的電荷。退火溫度越高可越減少電荷。摻雜鈮的濃度越多記憶窗寬越小,因 此帶正電荷的鈮離子過多會影響鐵電層的極化性,所以造成記憶窗寬的縮 小。. 5.2 未來展望 本研究利用田口法最佳化 MFIS 電容器,之後其結果可做最佳參數組合 的實驗,驗證田口找出的最佳參數組合為正確。物理性量測部分還可以做原 子力顯微鏡(AFM),薄膜表面的粗糙度對於漏電流及記憶窗寬的影響。利用 穿透式電子顯微鏡(TEM)來看此電容器薄膜結構及成分,此實驗可看出本研 究沒有考慮到的矽基板與氧化層界面。可以探討此界面層厚度與漏電流影 響。 61.

參考文獻

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