Abstract
摘要 鐵電薄膜的應用中研究最多且最富市場潛力者，首推關於記憶方面之研究。應用於非揮發性記憶體（nonvolatile memory）的鐵電材料中，鋯鈦酸鉛（Pb( Zr,Ti )O3，PZT）是最受重視之一。 本實驗共分兩部份，第一部份是利用射頻磁控濺鍍法（RF magnetron sputtering），於室溫下濺鍍PZT薄膜於 Pt / Ti / SiO2 / Si基板上，再經不同溫度，空氣氣氛下，箱型爐熱處理5min，對其物理性質與電氣特性加以探討。第二部份是將性質較佳之PZT薄膜濺鍍於LNO / Si 基板上，以TiN為蝕刻罩幕，使用Ar/O/CF4氣體組合進行PZT薄膜之乾式蝕刻( RIE )研究。藉由調變不同之source power、bias power、gas pressure及Ar/O2/CF4氣體流量比探討各變因對PZT 薄膜之蝕刻速率及蝕刻選擇比之影響，最後並完成Pt /PZT/ Pt 堆疊結構之電容的蝕刻。 實驗結果顯示:溫度高於500℃熱處理後即可得 PZT鈣鈦礦結構之薄膜。由SEM 圖可知薄膜之晶粒隨熱處理溫度升高而漸漸變大。 由ICP-MS之成分定量分析知，使用Pb1.05(Zr0.5Ti0.5)O3陶瓷靶所濺鍍出之薄膜成分為Pby(Zr0.4Ti0.6)O3，其中1.1 < y < 1.8，y值隨熱處理溫度升高而下降，這應是PbO 於高溫處理下易揮發之結果。 隨著熱處理溫度升在10k Hz之頻率下所量得之相對介電常數值在200 ~ 550，且散逸因子 (Loss Factor) 幾乎小於5％。介電常數隨熱處理溫度增加而增加。 而在漏電流量測上，膜厚分別為1200 A、1800 A及2400 A分別在550℃、600℃及650℃有最佳之特性，其崩潰電場皆在400 kV/cm 左右。故J-E 特性隨膜厚增加而對溫度有一依存性。 於電滯曲線之量測上，隨著外加電場增加，Pr 值範圍從1.2 ~ 20μC/cm2，Ec從20 ~ 200 kV/cm。其中以厚度較大之薄膜( 2400 A )有較佳之性質，其Ec值從 20 ~ 60 kV/cm。 在疲勞性質量測上，以2400 A，650℃ 熱處理5min後之薄膜有最佳之抗疲勞特性。 於PZT薄膜之蝕刻方面，蝕刻速率隨source power及 bias power 增加而增加。 對於gas pressure 方面，蝕刻速率隨著pressure 增加有先增後減之趨勢。不過整體而言，蝕刻速率差異不大。 於Ar/O2/CF4氣體流量比之調變上，以含30％Ar/O2/CF4氣體具最高之蝕刻速率，由此可知：PZT 薄膜之蝕刻除了需要高密度之蝕刻氣體以提供較多的自由基外，亦需能量粒子之撞擊。其蝕刻選擇比可高達5.6，且profile 在70°左右。如此高之選擇比是因為O2之加入而使TiN反應成TiO2而增加蝕刻阻抗，故TiN 為一不錯之蝕刻罩幕選擇。 於Pt/PZT/Pt 堆疊結構蝕刻上，使用Ar/O2/CF4氣體組合蝕刻PZT，CF4/CHF3蝕刻Pt，用AES分析結果無殘留物留下，且profile 達70°。此亦顯示TiN 為一不錯之蝕刻罩幕選擇。