臺灣博碩士論文加值系統

隨著記憶體容量的需求逐漸增加，高密度的記憶體研究也如火如荼地進行中其中電阻式記憶體是目前次世代記憶體中最具有潛力的項目之一。電阻式記憶體具有非揮發性、架構簡單、極快的讀取速度、低電壓與極快的操作速度等優於其他次世代記憶體的特性。
因金屬矽化物其具有低接面接觸電阻與有效降低閘極片電阻且其製程過程具有自對準特性，目前廣泛應用於半導體製程中。若我們能以其作為電阻式記憶體的電極，我們則可以省下許多的製程轉換成本。
而本實驗於工研院基板上利用鉿參雜於氧化矽作為轉態層而矽化鈷作為上電極，可觀察到其需要極大的操作電壓並且可以觀察到Overeset的現象。接下來利用改變矽化鈷不同厚度做比較其切換特性。發現其操作電壓下降並且有自限流現象。並且利用不同的量測方式並且利用數學方式輔助來研究電阻式記憶體的切換機制與特性

目錄

目錄 3
圖目錄 7
表目錄 11
式目錄………………………………………………11
第一章 序論 13
1-1 前言 13
1-2 研究目的與動機 14
第二章 文獻回顧 15
2-1 記憶體簡介 15
2-2 電阻式記憶體材料 20
2-3 絕緣體載子傳輸機制 22
第三章 實驗設備與原理 29
3-1 多靶磁控濺鍍系統( Multi-Target Sputter) 29
3-2 N&;K 薄膜特性分析儀(N &; K analyzer) 30
3-3 傅立葉轉換紅外光譜儀 (Fourier-Transform Infrared Spectrometer) 30
3-4 X 光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 31
3-5 半導體電性量測系統 32
第四章 CoSi/Hf:SiO2/TiN 結構電阻式記憶體特性之研究 33
4-1 矽化鈷電極之電阻式記憶體製作流程 33
4-1-1 氧化矽摻鉿薄膜備製 34
4-1-2 CoSi2 電極薄膜備製 34
4-2 矽化鈷電極RRAM之材料分析 35
4-2-1 FTIR 分析 35

4-2-2 XPS 分析 36
4-3 矽化鈷電極之 RRAM 電性分析 38
4-3-1 Forming Process： 38
4-3-2 Reset 與 Set Process 39
4-3-3 記憶窗口(On/Off Ratio)與耐操度 41
4-4 以快速熱退火後進行基本電性分析並互相比較 42
4-4-1 基本電性比較 42
4-4-2 RTA處理前後差異比較 44
4-4-3 轉態電壓模型推倒……………………………………………………..45
第五章 Pt/CoSi/Hf:SiO2/TiN 結構電阻式記憶體特性之研究 47
5-1 薄化矽化鈷電極電阻式記憶體製作流程 47
5-1-1 氧化矽摻鉿薄膜備製 48
5-1-2 矽化鈷薄膜嵌入 48
5-1-3 Pt 電極薄膜製備…………………………………………….49
　 5-2 矽化鈷電極RRAM之材料分析……………………………..50
5-2-1 FTIR 分析……………………………………...50
5-2-2 XPS分析…………………………………………...51
5-3 矽化鈷電極RRAM之電性分析 53
5-3-1 Forming Process 53
5-3-2 Reset 與 Set Process 54
5-3-3記憶窗口(On/Off Ratio) 54
5-3-4 Size effect分析 55
5-3-5 不同截止電壓於Set process 57
第六章 Reset Process 臨界轉態電壓之研究 67
6-1 串聯外加電阻之RRAM製作流程 67
6-2 臨界轉態電壓測試分析比較 68
6-2-1 RRAM單獨操作量測 68
6-2-1串聯外加電阻之RRAM之量測與分析 68
6-2-3 元件轉態模型 75
第七章 結論 77
References 79

圖目錄

圖 2- 1 PCRAM記憶體操作方式 17

圖 2- 2 MRAM 記憶體操作示意圖 18

圖 2- 3 RRAM的電阻絲理論 19

圖 2- 4 RRAM阻值與數位訊號對應圖 20

圖 2- 5 鈣鈦礦結構示意圖 21

圖 2- 6 Cr:SZO 電壓-電流切換圖 22

圖 2- 7 歐姆傳導示意圖 23

圖 2- 8 蕭基發射示意圖 24

圖 2- 9 普爾-法蘭克發射示意圖 25

圖 2- 10 跳躍傳導示意圖 26

圖 2- 11 穿隧傳導示意圖 26

圖 2- 12 SCLC傳導示意圖 27

圖 3- 1 多靶磁控濺鍍系統 29

圖 3- 2 N&;K Analyzer 30

圖 3- 3 傅立葉轉換紅外光譜儀 31

圖 3- 4 顯微鏡探針平台 32

圖 4-1 矽化鈷電極RRAM結構 33

圖 4- 2 Hf:SiO2FTIR 分析 35
圖 4- 3 CoSi2 FTIR分析 36
圖 4-4 Hf:SiO2 XPS 分析 37
圖 4- 5 CoSi2 XPS 分析 37
圖 4-6 CoSi2/Hf:SiO2/TiN矽化鈷電極RRAM之forming 過程 39

圖 4-7 CoSi2/Hf:SiO2/TiN矽化鈷電極RRAM I-V Curve 40
圖 4- 8 CoSi2/Hf:SiO2/TiN矽化鈷電極RRAM穩定I-V Curve 40
圖 4- 9 CoSi2/Hf:SiO2/TiN矽化鈷電極RRAM記憶窗口及耐操度 41
圖 4- 10 RTA處理後矽化鈷電極RRAM之Forming操作 42
圖 4- 11 RTA處理後矽化鈷電極RRAM之I-V curve 43
圖 4- 12 RTA處理後矽化鈷電極RRAM穩定I-V curve 43
圖 4- 13 RTA處理前後矽化鈷電極RRAM之I-V curve比較 44
圖 4- 14 RTA處理前後endurance比較 45
圖 4- 15矽化鈷電極RRAM轉態模型 46
圖 5- 1 薄化矽化鈷電極RRAM結構 47
圖 5- 2 Hf:SiO2 FTIR分析 50
圖 5- 3 CoSi2 FTIR 分析 51
圖 5- 4 Hf:SiO2 XPS分析 52
圖 5- 5 CoSi2 XPS 分析 52
圖 5- 6 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM之Forming process 53
圖 5- 7 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM之I-V curve 54
圖 5- 8 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM之On/Off ratio 55
圖 5 -9 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM各size之I-V
curve 56
圖 5- 10 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM各size之阻值
Box plot圖 56
圖 5- 11 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM結止電壓測試

I-V 圖 57
圖 5- 12 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM密集截止電壓測試Set process I-V圖 58
圖 5- 13 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM截止電壓對Set voltage之Box plot圖 58
圖 5- 14 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM截止電壓對On current之Box plot圖 59
圖 5- 15 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM密集截止電壓測試
Reset process I-V圖 59
圖 5- 16 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM截止電壓對Reset
Voltage 之Box plot 圖 60
圖 5- 17 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM對施與能量差異
I-V圖 60
圖 5- 18 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM定rising time 改變
截止電壓之I-V圖 61
圖 5- 19 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM轉態電壓判斷示意
圖 62
圖 5- 20 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM LRS電阻求法示
意圖 62
圖 5- 21 I-V修正前後之比較圖 65
圖 6- 1 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM額外外加電阻示意
圖 67
圖 6- 2 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM無額外外加電阻變
截止電I-V圖 68
圖 6- 3 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM額外外加電阻變截
止電壓I-V圖 69
圖 6- 4 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM無額外外加電阻
Reset參數萃取 70
圖 6- 5 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM額外外加電阻
Reset參數萃取 70
圖 6- 6 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/TiN薄化矽化鈷電極RRAM額外外加電阻之
轉態電壓推導 71
圖 6- 7 驗證串聯電阻影響之測試流程圖 72
圖 6- 8 驗證串聯電阻影響之實驗值I-V圖 73
圖 6- 9 額外電阻對元件影響之I-V圖 74
圖 6- 10 電阻自動匹配有無之影響 74
圖 6- 11 元件reset process模型圖 75
圖 6- 12 元件set process模型圖 76


表目錄

表 2- 1 各類記憶體特性比較 16

表 4- 1氧化系摻鉿薄膜製備實驗參數表 34

表 4- 2 CoSi2電極製備參數表 34

表 5- 1氧化系摻鉿薄膜製備實驗參數表 48

表 5- 2 CoSi2電極製備參數表 49

表 5- 3 Pt電極製備參數表 49

表 5- 4 截止電壓與其對應電阻 63

表 5- 5 截止電壓與其對應臨界電壓 64

表 6- 1 Pt/CoSi2/Hf:SiO2/ TiN薄化矽化鈷電極RRAM額外外加電阻串連
前後阻值比較 71



式目錄

式2-1歐姆傳導機制電流關係式 23

式2-2蕭基發射方程式 24

式2-3普爾-法蘭克發射方程式 25

式5-1臨界電壓計算式 63

式5-2臨界電壓聯立式 64

式5-3轉態區電壓修正公式 65

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