Abstract
本文針對鐵電薄膜在非揮發性記憶體之應用，所會遇到電性和極化疲勞等問題，提出改善的方法，包括了(1)開發新的導電性氧化物電極、(2)開發本質缺陷濃度較低的鐵電薄膜，(3)使用施體添加劑改善鐵電薄膜中的缺陷濃度。實驗中利用射頻磁控濺鍍法，在450℃以下鍍製BaPbO3 (BPO)導電性氧化物薄膜與500℃以上鍍製(Pb,Ba)ZrO3 (PBZ)鐵電薄膜，討探BPO薄膜的晶體結構與電學特性，研究PBZ鐵電薄膜的鐵電與介電特性。 利用射頻磁控濺鍍法，在350℃濺鍍BPO薄膜，可以得到鈣鈦礦結構結晶相。當濺鍍壓力高於40mTorr，混合氣體Ar/O2=90/10，有助於Pb4+鍵結穩定形成，使BPO薄膜結晶性更佳，薄膜的電阻率與塊材相似，約為1×10-3Ωcm。霍爾效應量測指出，BPO薄膜具有金屬的傳導特性，電子為主要載子，載子濃度與塊材相同。以BPO導電性氧化物薄膜作為底電極，鍍製Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)薄膜，Pr= 25.6 μC/cm2、Ec=85 kV/cm，與白金(Pt)金屬底電極比較後，BPO薄膜可以有效的降低PZT之矯頑電場，而殘存極化量並不減少。不僅是漏電流密度較低，更重要的是，有效的改善PZT薄膜鍍製在Pt底電極上的抗疲勞特性。 利用不同Pb/Ba比例的靶材和Pt基板，在500℃以上濺鍍PBZ薄膜，可以得到鈣鈦礦結構的結晶相，並且都是單一的Pb2+鍵結狀態。PBZ薄膜的介電常數，會受到材料中Pb/Ba比例、結晶性以及相轉換溫度。以Pb/Ba=5/5、6/4靶材，分別在550與600℃鍍製PBZ薄膜，可以得到適當的Pr值與較小的Ec值，分別為Pr=17.4 μC/cm2、Ec=151 kV/cm和Pr=21.9 μC/cm2、Ec=174 kV/cm。靶材中Pb/Ba比例的減少，有助於減緩PBZ薄膜極化疲勞衰減的程度，降低漏電流密度與提昇崩潰電場，漏電流低於10-7 A/cm2、崩潰電場可達500~600 kV/cm，與PZT薄膜比較後發現，PBZ薄膜具有較緩慢的極化疲勞速率、較低的漏電流與較高的崩潰電場。 PBZ薄膜的結晶繞射強度、介電常數、介電常數對溫度的關係、P-E電滯特性、極化疲勞特性與漏電流特性，深受到靶材中的Pb/Ba比例、PbO添加量和鍍膜溫度的影響。 PBZ薄膜的介電常數會隨著La添加量的增加而變大，當添加3mol% La時，介電常數最高可達1830，散逸因子在3%以下。La添加量增加時，Pr與Ec會隨著下降，電滯曲線會有軟化的趨勢。PBZ薄膜的極化疲勞特性，也會因為La的添加而有所改善，極化衰減程度隨添加量的增加而減緩，La添加量3mol%，經過1010次極化反轉週期後，P*-P^衰減為原來的94%為最佳，但是此時的Pr值較小，致使量測得到的P*-P^也較小。PBZ薄膜的漏電流密度同樣會隨著La添加量的增加而降低，崩潰電場會增大，以添加3mol%的漏電流最低、崩潰電場最大。