氧化釓薄膜應用於電阻式記憶體製程與特性之研究 指導教授:鄭建民 學生:李承穎

電阻式記憶體簡介 電阻式記憶體切換機制 材料介紹 製程簡介 材料分析

電阻式記憶體 電阻式記憶體是由元件形成高、低阻抗，代表數位訊號中的0與1形式來儲存 資料。RRAM的基本架構，使用一個電阻搭配一個電晶體， [1]。 RRAM結構為:金屬/絕緣層/金屬，稱為三明治結構。 電極 材料層 電極

項目 DRAM Flash memory MRAM OUM FeRAM RRAM 非揮 發性 無 有 寫入 電壓 低 高 功率 寫入/抹除時間 50/50ns 1us/1-100ms 30/30ns 10/50ns 10/30ns 能量 中 讀取 時間 50ns 30ns 20ns 多位元 儲存性 微小化 障礙 電晶體容量 遂道SiO2厚度 熱干擾 寫入電流 強誘電體面積 ----- 耐久性 無限大 1012 >1012 1015 面積 ( 𝑭 𝟐 ) 6~12 7~11 20以下 5-8 15-30 4-6 [1]，[2]

氧空缺傳導 氧空缺傳導絲是由絕緣層裡面晶體缺陷排列而成 電極 電極 [7]

電阻式記憶體轉換分為三個步驟，Forming、Set 、 Reset 電阻式切換方式 電阻式記憶體轉換分為三個步驟，Forming、Set 、 Reset 電阻絲傳導示意圖[3]

線性電流電壓與非線性電流電壓曲線電阻式記憶體比較{7}

單極性切換 如圖 2-1 所示，當施加正(負)偏壓，元件從高阻抗狀態切換至低阻抗(Set)，再 施加 相同正(負)偏壓後，元件從低阻抗轉換至高阻抗(Reset)。意旨在同一個極性偏 壓下 同時出現 Set 與 Reset 的現象[4-5]。 RESET LRS SET HRS HRS SET LRS RESET

雙極性切換 如圖 2-2 所示，雙極性切換是指不同極性的偏壓施加下，分別進 行 Set 與 Reset [6, 4]。 LRS SET HRS HRS LRS RESET

材料介紹(GD) 原子屬性 物質狀態 固態、磁性 原子量 157.25 原子半徑（計算值） 188 電子在每能級的排布 2，8，18，25，9，2 氧化價（氧化物） 3（弱鹼性） 晶體結構 六角形，1058K轉變為體心立方

製程簡介 RCA Clean 黃光微影 濺鍍Tin薄膜 濺鍍Pt 濺鍍GD薄膜 RTA回火 光罩設計及製作 材料分析

RCA Clean SC1 成分：NH4OH +H2O2 + H2O 用途:去除微粒子與有機物。 SC-2 成分：HCl + H2O2 + H2O 用途:去除金屬 DHF:成分：HF + H2O 去除自然氧化膜

RF Sputter 基板溫度 25 ℃ 腔室壓力 20mTorr 濺鍍功率 60W 濺鍍時間 20min 氣體流量 O₂:10 Sccm Ar: 10 Sccm

黃光微影 旋轉塗佈機 曝光機

RTA回火 快速升降溫的方式 能夠使晶格重新排列

RTA回火 快速升降溫的方式 能夠使晶格重新排列 圖一:未退火 圖2:退火600℃

I.V量測 PT Gd Tin SIO2 Wafer <100>

量測儀器 4156C半導體分析儀 四點探針

電性量測 Forming

電性量測

電性量測 連續操作

END

參考文獻 鄭建民、陳開煌，“二氧化鈦電阻式記憶體之特性”，南台學報，第三十六卷，第一期，第26-27頁，2011年。 2. 王韋婷，“應用在RRAM記憶體之氧化鋅薄膜及其電極材料開發”，國立清華大學材料科學與工程學系碩士論文， 第19頁，2009年。 3. R. D. Clark, “Emerging Applications for High K Materials in VLSI Technology,” Materials, vol. 7, no. 4, pp. 2913-2944, 2014. 4. D. Ielmini, F. Nardi, and C. Cagli, “Universal Reset Characteristics of Unipolar and Bipolar Metal-Oxide RRAM,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 58, no. 10, pp. 3246-3253, 2011. 5. C. C. Lin, Z. L. Tseng, K. Y. Lo, C. Y. Huang, and C. S. Hong, “Unipolar Resistive Switching Behavior of Pt/LixZn1-xO/Pt Resistive Random Access Memory Devices Controlled by Various Defect Types,” Appl. Phys. Lett., vol. 101, no. 20, pp. 203501, 2012. 6. K. C. Liu, W. H. Tzeng, K. M. Chang, Y. C. Chan, and C. C. Kuo, “Bipolar Resistive Switching Effect in Gd2O3 Films for Transparent Memory Application,” Microelectron. Eng., vol. 88, no. 7, pp. 1586-1589, 2011. 7.鍾裕隆、陳貞夙 “離開歐姆定律─電阻式記憶體材料 ” ，科學發展 2013 年 6 月│ 486 期第36-第37頁