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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
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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
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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
![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。](http://slidesplayer.com/slide/16636160/96/images/3/%E9%9B%BB%E9%98%BB%E5%BC%8F%E8%A8%98%E6%86%B6%E9%AB%94+%E9%9B%BB%E9%98%BB%E5%BC%8F%E8%A8%98%E6%86%B6%E9%AB%94%E6%98%AF%E7%94%B1%E5%85%83%E4%BB%B6%E5%BD%A2%E6%88%90%E9%AB%98%E3%80%81%E4%BD%8E%E9%98%BB%E6%8A%97%EF%BC%8C%E4%BB%A3%E8%A1%A8%E6%95%B8%E4%BD%8D%E8%A8%8A%E8%99%9F%E4%B8%AD%E7%9A%840%E8%88%871%E5%BD%A2%E5%BC%8F%E4%BE%86%E5%84%B2%E5%AD%98+%E8%B3%87%E6%96%99%E3%80%82RRAM%E7%9A%84%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E6%9E%B6%E6%A7%8B%EF%BC%8C%E4%BD%BF%E7%94%A8%E4%B8%80%E5%80%8B%E9%9B%BB%E9%98%BB%E6%90%AD%E9%85%8D%E4%B8%80%E5%80%8B%E9%9B%BB%E6%99%B6%E9%AB%94%EF%BC%8C+%5B1%5D%E3%80%82+RRAM%E7%B5%90%E6%A7%8B%E7%82%BA%3A%E9%87%91%E5%B1%AC%2F%E7%B5%95%E7%B7%A3%E5%B1%A4%2F%E9%87%91%E5%B1%AC%EF%BC%8C%E7%A8%B1%E7%82%BA%E4%B8%89%E6%98%8E%E6%B2%BB%E7%B5%90%E6%A7%8B%E3%80%82.jpg "電極. 材料層. 電極.")
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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]
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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]
![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]](http://slidesplayer.com/slide/16636160/96/images/5/%E6%B0%A7%E7%A9%BA%E7%BC%BA%E5%82%B3%E5%B0%8E+%E6%B0%A7%E7%A9%BA%E7%BC%BA%E5%82%B3%E5%B0%8E%E7%B5%B2%E6%98%AF%E7%94%B1%E7%B5%95%E7%B7%A3%E5%B1%A4%E8%A3%A1%E9%9D%A2%E6%99%B6%E9%AB%94%E7%BC%BA%E9%99%B7%E6%8E%92%E5%88%97%E8%80%8C%E6%88%90+%E9%9B%BB%E6%A5%B5+%E9%9B%BB%E6%A5%B5+%5B7%5D.jpg "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]")
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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]
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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}
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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
![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]。](http://slidesplayer.com/slide/16636160/96/images/8/%E5%96%AE%E6%A5%B5%E6%80%A7%E5%88%87%E6%8F%9B+%E5%A6%82%E5%9C%96+2-1+%E6%89%80%E7%A4%BA%EF%BC%8C%E7%95%B6%E6%96%BD%E5%8A%A0%E6%AD%A3%28%E8%B2%A0%29%E5%81%8F%E5%A3%93%EF%BC%8C%E5%85%83%E4%BB%B6%E5%BE%9E%E9%AB%98%E9%98%BB%E6%8A%97%E7%8B%80%E6%85%8B%E5%88%87%E6%8F%9B%E8%87%B3%E4%BD%8E%E9%98%BB%E6%8A%97%28Set%29%EF%BC%8C%E5%86%8D+%E6%96%BD%E5%8A%A0+%E7%9B%B8%E5%90%8C%E6%AD%A3%28%E8%B2%A0%29%E5%81%8F%E5%A3%93%E5%BE%8C%EF%BC%8C%E5%85%83%E4%BB%B6%E5%BE%9E%E4%BD%8E%E9%98%BB%E6%8A%97%E8%BD%89%E6%8F%9B%E8%87%B3%E9%AB%98%E9%98%BB%E6%8A%97%28Reset%29%E3%80%82%E6%84%8F%E6%97%A8%E5%9C%A8%E5%90%8C%E4%B8%80%E5%80%8B%E6%A5%B5%E6%80%A7%E5%81%8F+%E5%A3%93%E4%B8%8B+%E5%90%8C%E6%99%82%E5%87%BA%E7%8F%BE+Set+%E8%88%87+Reset+%E7%9A%84%E7%8F%BE%E8%B1%A1%5B4-5%5D%E3%80%82.jpg "RESET. LRS. SET. HRS. HRS. SET. LRS. RESET.")
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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
![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](http://slidesplayer.com/slide/16636160/96/images/9/%E9%9B%99%E6%A5%B5%E6%80%A7%E5%88%87%E6%8F%9B+%E5%A6%82%E5%9C%96+2-2+%E6%89%80%E7%A4%BA%EF%BC%8C%E9%9B%99%E6%A5%B5%E6%80%A7%E5%88%87%E6%8F%9B%E6%98%AF%E6%8C%87%E4%B8%8D%E5%90%8C%E6%A5%B5%E6%80%A7%E7%9A%84%E5%81%8F%E5%A3%93%E6%96%BD%E5%8A%A0%E4%B8%8B%EF%BC%8C%E5%88%86%E5%88%A5%E9%80%B2+%E8%A1%8C+Set+%E8%88%87+Reset+%5B6%2C+4%5D%E3%80%82+LRS+SET.jpg "HRS. HRS. LRS. RESET.")
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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
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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
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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
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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
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黃光微影 旋轉塗佈機 曝光機
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RTA回火 快速升降溫的方式 能夠使晶格重新排列
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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℃
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I.V量測 PT Gd Tin SIO2 Wafer <100>
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量測儀器 4156C半導體分析儀 四點探針
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電性量測 Forming
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電性量測
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電性量測 連續操作
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END
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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 , 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 , 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 , 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 , 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
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