Abstract
本文針對鐵電薄膜在動態隨機存取記憶體(DRAM)上之應用，利用射頻磁控濺鍍法(rf magnetron sputtering)成長鋯鈦酸鋇(BZT)薄膜，以鎳酸鑭(LaNiO3，簡稱LNO)導電氧化物作為底電極，改變靶材成份、製程溫度、薄膜厚度、以及氬氧氣氛比，對薄膜之結晶行為與電性加以探討。此外，亦對不同電極材料對漏電流特性的影響作一探討。以xBaZrO3+(1-x)Ba2TiO4比例製成的Ba-rich 鋯鈦酸鋇靶材，所濺鍍的薄膜可達計量比，其中含鋯量為靶材含鋯量之2~2.4倍，在x=0.05時濺鍍薄膜成份為Ba(Zr0.12Ti0.88)O3之介電常數最大，隨著製程溫度的上升，介電常數隨之增大，而漏電流之初始電場隨著製程溫度上升而降低。以鎳酸鑭為底電極所濺鍍之BZT薄膜，其結晶度、介電常數、電極界面平整性及漏電流特性等，均較白金或RuO2為底電極所濺鍍之BZT薄膜為佳，且後兩者也較易產生崩潰現象。正偏壓下，下電極為LNO之BZT薄膜具有約5V(1MV/cm)之初始電場，負偏壓下，初始電場隨金屬上電極功函數之增加而增大，在純氬氧氛下濺鍍之金屬上電極，其正負偏壓漏電流差異甚大，若為氧化物電極或在氧氣氛充分下濺鍍Pt，則其正負偏壓漏電流特性相似。BZT薄膜之結晶度及介電常數隨鍍膜溫度或氧分壓之增加而增加。晶格常數及高電流放射J-V關係之初始電場隨鍍膜溫度的增加或氧分壓之減低而降低。此乃因高溫或低氧分壓，造成氧空位增加所致。對BZT電容而言，在450℃以下之鍍膜溫度，氬氧氣氛比為50/50，在~1MV/cm之高初始電場下，維持在~10-9A/cm2低漏電流。BZT薄膜隨膜厚的增加，結晶度隨之增大。介電常數值也增高，均方根粗糙度略為增大，其粗糙度/膜厚比值則變小，在正偏壓下，高電流放射之初始電場也隨著增大。假設濺鍍的薄膜係由良好及有缺陷的兩部分構成，可推導出良好的薄膜介電常數值為369，有缺陷的薄膜僅為132，與薄膜最薄、結晶度最差的薄膜131很接近，並可解釋薄膜愈厚，其介電常數愈大之原因。在正、負偏壓下，不同上、下電極時，其J-V曲線皆不對稱，但在相同的LNO上、下電極時，其J-V曲線對稱，顯示其漏電流機制為電極限制。從變溫測試可推論出，常溫下，蕭特基發射應為主要導電機構，隨著溫度的增高，漏電流機制由電極限制轉為本體限制，至420K時，則以普爾-夫倫克爾機構為主。以LNO為底電極，分別濺鍍50nm及34nm厚Ba(Zr0.12 Ti0.88)O3之薄膜，介電常數約為250及200，在1MV/cm的電場下，漏電流分別為10-9A/cm2及10-7A/cm2，與SiO2比較之等效厚度為0.95nm及0.65nm，均可達到G-bit DRAM 特性的要求。