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研究生:葉川慶
論文名稱:鈀電極及內插鎳層的電阻式記憶體之雙極轉換特性研究
論文名稱(外文):Bipolar Switching properties in Resistive Random Access Memory Devices with Pd electrode and Ni inserted layer
指導教授:張廖貴術
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:工程與系統科學系
學門:工程學門
學類:核子工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:147
中文關鍵詞:電阻式記憶體雙極性轉換鈀電極
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快閃記憶體﹙FLASH﹚是利用浮動閘(Floating gate)來儲存載子單元,然而其中的穿隧氧化層(Tunneling oxide)卻會影響FLASH的特性,如當FLASH微縮時,可能導致穿遂氧化層太薄而產生漏電,使記憶體記憶能力變差,且讀取方式為破壞性讀取,傷害元件結構,其他如耐久力和操作速度慢都是FLASH的缺點。
電阻式記憶體(RRAM)製成簡單,且擁有高速率、低耗能、結構簡單、高操作週期、並且擁有非破壞讀取及非揮發性等多項優勢,所以除了在記憶體特性上的突破與改進,在生產成本上亦有相當大的優勢,因此受到學術界及業界等眾多矚目,是目前唯一有機會與具備低成本競爭力的 NAND 型快閃記憶體對抗的記憶體。但因為電阻式記憶體的電阻轉換機制不明,且隨機形成的電流導通路徑將使得元件的電性的均勻度情形下降,而大部分的研究都是使用惰性金屬當元件某一邊的電極,但惰性金屬難以蝕刻限制了電極的位置以及電極材料的選擇,為此設計了以下實驗去改善。
本論文分為三部分去探討由二氧化鉿﹙HfO2﹚為介電層所組成的電阻式記憶體在雙極電阻轉換上的現象。
如同前面所述的問題,第一部分以濺鍍方式鍍製和CMOS製程相容的不同金屬下電極,以HfOX當作介電層材料,TiN當上電極形成電容結構的電阻式記憶體,討論哪個金屬材料適合製作電阻式記憶體,最後發現以Pd為下電極材料所製備出來的元件可以進行穩定的雙極性電阻轉換﹙Bipolar switching﹚,並且達到低操作電壓和230次電阻轉換周期的高低阻抗阻值比可以到達2個Order以上。
第二部分是以第一部分作為基礎,由於一般相信電阻轉換現象和介電層材料有極大關係故在第一部分嘗試了許多金屬當下電極,由結果可知以Pd作為下電極材料的元件展現出良好的電阻轉換特性,但是觀察元件特性可以發現元件的DC Endurance並不夠好,因而在此藉由改變不同金屬退火溫度調整元件的介電層內缺陷和離子分布,使元件的漏電流現象改變使得DC Endurance狀況改善,經由實驗可以看出元件的漏電流情形因為金屬退火改變使得元件的DC Endurance增加但是造成元件的高低阻抗阻值比變小。
第三部分則是建立在前兩部分基礎上,藉由插入不同金屬改變介電層的結構來達到提升元件特性的目的,最後實驗發現插入Ni在Pd/HfOX/TiN元件件電層內內將會提升元件的高低阻抗阻值比,但是Ni將會改變元件的活性使得元件的DC Endurance大幅下降,故藉著第二部分實驗的經驗在把元件進行金屬退火使元件達到最大限度的優化,可以再次驗證經由金屬退火後能使元件的DC Endurance提升但相對的元件的高低阻抗阻值比將會下降。

摘要 I
致謝 III
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 各種非揮發性記憶體介紹 2
1.2.1 電荷陷阱式快閃記憶體(Charge Trap Flash) 2
1.2.2 鐵電記憶體(Ferroelectric random access memory,FeRAM) 3
1.2.3 磁阻式記憶體(Magnetoristive random access memory,MRAM ) 3
1.2.4 相變化記憶體(Phase-change random access memory,PCRAM) 4
1.2.5 電阻式記憶體(Resistivity random access memory,RRAM) 4
1.3 電阻式記憶體﹙RRAM﹚ 4
1.3.1 Silicon 5
1.3.2 SrZrO3 and SrTiO3 6
1.3.3 PrCaMnO3 (PCMO) 6
1.3.4 Polymer 6
1.3.5 Binary Metal Oxide (BMO 單元過渡金屬氧化物) 6
1.5 電阻式記憶體之操作方式 7
1.4.1 Current Compliance 7
1.4.2 電阻轉換現象 7
1.4.3 單極性﹙Unipolar﹚電阻轉換 8
1.4.4 雙極性﹙Bipolar﹚電阻轉換 8
1.4.5 非極性﹙Nonpolar﹚電阻轉換 9
1.4.6 電阻轉換的量測方式 9
1.5 電阻轉換原理機制 10
1.5.1 導電燈絲傳導路徑(Conducting filment model) 10
1.5.2 介面型態路徑(Interface-type model) 11
1.5.3 漏電流傳導機制簡介 12
1.6 研究動機 13
1.6.1 介電層材料選擇 13
1.6.2 調變電極材料 14
1.6.3 改變介電層特性 15
1.7 各章摘要 16
第二章 實驗規劃及元件製程 32
2.1 以TiN為上電極HfOX為介電層不同下電極材料之MIM結構元件製作流程 32
2.1.1 晶圓基板選擇 32
2.1.2 基板清洗與附著層的製作 32
2.1.3 各種不同下電極沉積 33
2.1.4 介電層HfOX與上電極TiN的沉積 33
2.1.5 利用光罩定義元件圖形 33
2.2 改變不同金屬退火溫度對Pd/HfOX/TiN之MIM電容結構元件電特性研究 34
2.2.1 基板清洗與附著層材料的製作 34
2.2.2 下電極Pd與介電層HfOX的沉積 34
2.2.3 利用光罩定義元件圖形 35
2.3 插入不同金屬在HfOX介電層下之雙層MIM結構RRAM元件電特性比較 35
2.3.1 基板清洗與附著層材料的製作 35
2.3.2 下電極Pd製備 36
2.3.3 內嵌金屬的介電層以及上電極TiN製作 36
2.3.4 利用光罩定義圖形 37
第三章 以TiN為上電極HfOX為介電層不同下電極材料之MIM結構元件電特性研究 38
3.1 研究動機 38
3.2 實驗製程與量測 39
3.2.1 製程條件 39
3.2.2 測量參數條件 40
3.3 實驗結果與討論 42
3.3.1 不同下電極元件之電性分析 42
A. TaN/HfOX/TiN 42
B. Ni/HfOX/TiN 42
C. TiN/HfOX/TiN 43
D. Pd/HfOX/TiN 44
3.3.2 Pd/HfOX/TiN元件運轉模型 44
3.3.3 Pd/HfOX/TiN元件直流電特性 45
3.3.4 Pd/HfOX/TiN元件的Retention 47
3.4 結論 49
第四章 改變不同金屬退火溫度對Pd/HfOX/TiN電容結構元件的電特性研究 68
4.1 研究動機 69
4.2 實驗製程與量測 69
4.2.1 製程條件 69
4.2.2 測量參數條件 70
4.3 實驗結果與討論 71
4.3.1 不同退火條件下元件的電特性 71
4.3.2 不同量測條件下元件下的電特性 76
4.4 結論 80
第五章 插入不同金屬在HfOX介電層間之多層MIM結構RRAM元件電特性比較 104
5.1 研究動機 105
5.2 實驗製程與量測 106
5.2.1 製程條件 106
5.2.2 測量參數條件 107
5.3 實驗結果與討論 108
5.3.1 介電層內插入Ti金屬的元件 108
5.3.2 介電層內插入Ni金屬的元件﹙未經金屬退火﹚ 108
5.3.3 介電層內插入Ni金屬的元件﹙經攝氏400度金屬退火﹚ 112
5.4 結論 115
第六章 結論 137
6.1 結論 137
6.2 建議 138
參考文獻 140

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