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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾懿霆
研究生(外文):Yi-Ting Tseng
論文名稱:電晶體控制電阻式記憶體(RRAM)之劣化機制與側壁結構電阻式記憶體的電熱場效應之研究
論文名稱(外文):Degradation Mechanism of Resistive Random Access Memory Controlled by Transistor and Electric Field/Thermal Effect for Sidewall Structure RRAM
指導教授:張鼎張
指導教授(外文):Ting-Chang Chang
學位類別:博士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:物理學系研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:109
語文別:英文
論文頁數:156
中文關鍵詞:側壁結構尺寸微縮熱載子應力電晶體電阻式記憶體
外文關鍵詞:Scaled-downHot Carrier Stress (HCS)TransistorSidewall StructureResistance Random Access Memory (RRAM)
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近年來物聯網、大數據、雲端運算三大技術蓬勃發展,在高運算速度與儲存容量大等需求下,記憶體的發展與時俱進。期望能發展出兼具操作速度快、儲存容量大且低功耗的特點之次世代記憶體,電阻式記憶體(Resistance RAM, RRAM)是非揮發性記憶體中最具相當潛力的記憶體。RRAM元件的製程與半導體後段製程匹配,可應用於嵌入式記憶體,其高操作速度與低功耗的優點,能大幅提升微處理器MCU的效能,對於未來物聯網控制晶片的發展將有相當重要的推進。
目前RRAM的元件主要以電晶體作為其控制開關(1T1R)。隨著電晶體隨著摩爾定律(Moor’s law)微縮,其操作電流亦隨之變小,但RRAM所需之操作電流較大,因此必須提高閘極電壓以穩定RRAM操作,此時元件中的電晶體可能因閘極電壓增加而劣化。此外,隨著電晶體微縮,其操作電壓下降,會嚴重影響RRAM的形成過程(Forming process),先前的研究指出當RRAM元件尺寸微縮時,RRAM的形成電壓上升,這是當元件微縮面臨的非常關鍵的問題。
在第一項研究中,討論在不同通道寬度之電晶體的可靠性與電晶體劣化對RRAM的電阻切換機制的影響。隨著電晶體的尺寸微縮下,需要增加閘極電壓維持1T1R的操作電流。同時在Reset所施加的閘極電壓會對電晶體造成可靠度的問題。經過熱載子應力測試下(Hot carrier stress, HCS),在靠近汲極端會產生大量介面缺陷,造成ION下降與S.S.劣化。而從不同通道寬度之電晶體在相同的操作電流下的劣化結果得知,源極與閘極之間的跨壓(VDG)是造成電晶體劣化程度的主要原因。除此之外,電晶體的劣化也會影響RRAM的操作。隨著HCS時間的增加,RRAM的開態電流快速下降,最後會造成RRAM無法有效的從關態(Off state)切換至開態(On state)。
在第二項研究中,透過引入高介電常數(high-k)材料作為側壁(sidewall, spacer),解決了RRAM在元件微縮下造成成形電壓上升的問題。藉由COMSOL模擬電場驗證使用high-k側壁有效集中電場,接著利用半導體製程製備出high-k側壁的RRAM。從成形電壓的統計結果證明使用high-k側壁的RRAM能有效解決成形電壓上升的問題。並且透過製程不同側壁之RRAM與不同的阻態寫入(Set)限流的實驗分析下,RRAM的導通路徑的粗細與電場與熱效應會影響電阻切換特性。藉由低阻態寫入限流形成細的導通路徑與使用高介電常數及低導熱係數之材料作為側壁,可以有效提升RRAM的記憶窗口與降低功耗。
論文審定書 i
致謝 ii
摘要 iv
Abstract vi
Contents ix
Figure Captions xii
Table Captions xix
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Overview of Memory Device 1
1.2 Research motivation and purpose 3
Chapter 2 Literature Review 5
2.1 Introduction of memory 5
2.2 Next generation memory 6
2.2.1 Phase change random access memory (PCRAM) 6
2.2.2 Magneto-resistive random access memory (MRAM) 8
2.2.3 Resistive random access memory (RRAM) 10
2.3 Introduction of MOSFETs 13
2.3.1 Introduction of semiconductor 13
2.3.2 MOSFETs scale down 17
2.3.3 Technology introduction of high k metal gate 19
2.4 Hot carrier effect (HCE) 21
Chapter 3 Parametric Extraction and Instrument Introduction 23
3.1 Parametric extraction 23
3.1.1 The threshold voltage (VT) 24
3.1.2 The subthreshold swing (S.S.) 25
3.1.3 The carrier mobility (μ) 26
3.2 Precision semiconductor parameter analyzer 28
Chapter 4 The Mechanism of Hot Carrier Stress with Different Width Transistors 33
4.1 Motivation 33
4.2 Experimental architecture 35
4.2.1 One transistor one RRAM devices 35
4.2.2 Hot carrier stress experimental parameter control 38
4.3 Basic electrical characteristic and reliability in transistors 44
4.4 Hot carrier stress in transistors 49
4.4.1 Electric characteristic of transistor after hot carrier stress 49
4.4.2 Hot carrier stress with different channel widths in transistors 56
4.4.3 True cross-voltage for RRAM in the 1T1R device 60
4.5 The mechanism of RRAM after transistor degradation by HSC in 1T1R devices 63
4.5.1 The mechanism of RRAM after small-sized transistors degradation by HSC in 1T1R devices 63
4.5.2 The mechanism of RRAM after large-sized transistors degradation by HSC in 1T1R devices 68
Chapter 5 Electric Characteristic Influenced by High-K Sidewall in Oxide-Based Resistive Random Memory 72
5.1 Motivation 72
5.2 Experimental architecture 73
5.3 Electric behavior using the sidewall structure on RRAM 78
5.3.1 Solving upward forming voltage for scaling issue with sidewall structure on RRAM 78
5.3.2 Electric characteristic affected by electric field of the high/low-k sidewall RRAM 89
5.4 Electrical field and thermal effect in reset process with sidewall RRAM. 97
5.4.1 Mechanism of electric filed and thermal effect in RRAM 97
5.4.2 Mechanism of electric filed and thermal effect in high/low-k sidewall RRAM 101
5.4.3 Electric filed and thermal effect at different set compliance current in high/low-k sidewall RRAM 107
Chapter 6 Conclusion 119
Reference 122
Publication 130
電子全文 電子全文(網際網路公開日期:20251102)
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