探討不同退火方式於Bi4-xLaxTi3-yVyO12鐵電薄膜電容器特性研究

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1、探討不同退火方式於Bi4.xLaxTi3.yVyO12鐵電薄膜電容器特性硏究鄭建民I吳光輝I陳開煌以吳宗勳I楊智益2'南台科技大學電子工程技術學系2東方技術學院帝子與資訊學系摘要本硏究是利用射頻磁控濺鍍法沉積BLTV鐵電薄膜，於二氧化矽基板上製作t=JI成(Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor,MFIS)結構，探討其特性應於非揮發性鐵電記憶體元件。本硏究中探討不同的退火方式於BLTV鐵電薄膜電容器的影響，以改善BLTV鐵電薄膜層之最佳特性。另外在BLTV鐵電薄膜物性分析可由

2、XRD關係圖中發現其具有最佳的(117)優選方相，也發現以不同的退火方式與退火溫度處理薄膜＞發現薄膜結晶特性也將不同。另外由SEM圖，發現用傳統傳統爐管退火方式退火，將可獲得較穩定得薄膜特性。關鍵詞：快速熱退火'傳統爐管退火'_'前言記憶體是一摘IJ用半導體技術做成的電了裝置，用來儲存資料。電子電路的資料是以二進位的方式儲存'記憶體的每一個儲存單元稱做記憶元或記憶胞(Cell)。而記憶體常見於一般個人電腦，筆記型電腦，通訊電子(如行動電話…等)，消費性電子(如MP3隨身聽、PDA、數位相機)…等。目前我們常利用不同記憶體元

3、件產品在這些可攜帶的產品上，但不同記憶體元件的特性'讀寫速度及讀寫次數的特性都是要求的重點。故持續提升讀寫速度、儲存容量之記憶體已是必然的趨勢。非揮發性鐵電隨機存取記憶體(NonvolatileFerroelectricRandomAccessMemories,NvFRAM)爲目前電子產業具有實用性發展潛力的記憶元件'它具有非揮發性、高讀寫速度、高積集度、高耐久性、低操作電壓、抗輻射等多項優點，同時整合了DRAM、SRAM、Flash的優點。其中具鈣钛礦結構多元金屬氧化物成份之鐵電薄膜'例如：BaTiOs、SrTiO3、(

4、Ba,Sr)TiO3(BST)、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、PbTiO3(PT)，由於具有高介電率與鐵電特性，一般被認爲便是下個世代(Giga-bitscale)DRAM的重要關鍵材料［1(］。钛酸鉛，Bi4Ti3OI2(BTO)爲另一個令人感興趣的材料，塊材的2Pr(polarization)大約有60^C/crn2°其結構內有媳的(Bi2O2)2+層包夾。Bi4Ti3O12其結構爲鎚系臍鈣欽礦(Bi-layeredperovskites)結構，在上斓層的(Bi2O2)2+層狀結構之問夾著三層的Ti・O八面體結構。

5、在BTO薄腫中，由於(Bi2O2)2+層具有網狀的電子電荷(electricalcharges)導致其在晶格中自我調整(self-regulated)以抵銷造成疲勞的空間電荷。但是，令人意外地，BTO薄膜卻產生瘵特性，且其2Pr値只有4・8

6、iC/cm2。近年的硏究Y.Noguchi等人指出，在BTO(Bi4Ti3O12)鐵電薄膜中，氧缺陷爲一影響殘餘極化量相當大的關鍵，假如能有效的對氧缺陷加以控制，必定能改善殘餘極化量'同時也能降低其漏電流。他們以高價陽離子鎬(W)或飢(V)來取代(Ti)的位置，成功地減少BTO薄膜中的

7、氧缺陷'如此不但能增加BTO鐵電薄膜的殘餘極化量(Pr)，更可以降低其矯頑電場(Ec)，保有無疲勞特性。換句話說，在應用上於相同單位的鐵電記憶體，可以以更少的能量儲存更多的資料。另外'目前用以製備鐵電材料BZT薄膜的鍍膜術，有電子槍蒸鍍法(e-beamevaporation)'溶膠■凝膠法(sol-gelprocess)、射頻磁控濺鍍(RFMagnetronSputtering)＞有機金屬分解法(MOD)以及化學氣相沈積(MOCVD)r£［9-14］。二、實驗方法本實驗採用反應性射頻磁控濺鍍法(RFmagnetronspu

8、ttering)在矽基板上光積鐵電薄膜'濺鍍之靶材製作採傳統的陶瓷粉末製程。自製靶材以傳統固態燒結製程技術採用Bi2O3、La2O3、TiO2、V2O5(>99.8%純度)作爲原始粉末'壓製成Bi3.9Lao.1Ti2.9Vo.1O15的比例靶材。首先計算與調配粉末所需要的重量與莫數將粉末之後，球磨二小時，使其混合均勻'再經由高溫爐中烘烤脫水，使其凝結成固狀'之後再球僭20分鐘後，遛亍假燒二小時'以油式壓模機製出所需要的兩吋靶材。爾後將靶材放入高溫爐持溫去除黏劑，再將去完黏劑的靶材以900和lOOOt二段不同持溫時間來進行

9、最後的燒結，以形成本實驗所需的靶材。另外濺鍍所用之矽基板，表面需保持非常潔淨'故分別使用丙酮、異丙醇與去離子水以超音波震洗器洗淨'確保基板之潔淨，並以氮氣將基板吹乾'放入100°C烤箱烘烤20到30分鐘，以去除基板上之水氣，並使用射頻磁控濺鍍系統(RFmagnetronsputteringsystem)