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鋯酸鍶基電阻式記憶元件特性與機制之研究

為了解決street 750缺點的問題，作者林孟漢 這樣論述：

近年來，手機、數位相機和MP3隨身聽等消費性電子產品逐漸流行，使得非揮發性記憶體需求量大增，非揮發性記憶體必須具有於無電源供應時仍能維持其記憶狀態和操作時必須低耗能等特性，理想的非揮發性記憶體具備操作電壓低、低耗能、操作速度快、耐久力佳、記憶時間長、非破壞性讀取、製程簡單、可微縮及低成本等條件，目前並無任何非揮發性記憶體元件完全達到上述條件。目前市場主流的非揮發性記憶體仍以快閃式記憶體為主流，但其操作電壓大、高耗能和操作速度慢等缺點，將限制快閃式記憶體未來的發展。此外在元件微縮製程趨勢下，過薄的穿透閘極氧化層將導致資料存取性不佳，亦是當前嚴重的問題。目前已有許多非揮發性記憶體材料和元件正被積

極研發中，包括鐵電記憶體、磁記憶體、相變化記憶體和電阻式記憶體等。其中電阻式非揮發性記憶體具有操作電壓低、功率消耗低、寫入抹除時間短、可微縮、耐久力長、記憶時間長、記憶時間長、非破壞性讀取、製程簡單及製作成本低等優點，因此電阻式非揮發性記憶體是目前新興非揮發性記憶體元件中的研究重點。本論文第一章根據已發表之論文，把現今電阻式記憶體研究之重點、現況與理論做一整理、歸納與比較。第二章為實驗步驟，介紹元件製作、材料分析儀器與量測方法。第三章探討釩摻雜對於鋯酸鍶薄膜物理與電阻轉態特性之影響，釩摻雜之鋯酸鍶薄膜有著穩定元件耐久力特性，但其操作電壓卻遠高於未摻雜鋯酸鍶薄膜，無法達到低電壓操作之需求。為了改

善此問題，第四章提出氧氣快速熱退火製程提升薄膜品質，雖改善元件兩記憶狀態在連續操作下不穩定之問題，但氧氣退火鋯酸鍶薄膜其操作電壓相較於未退火處理薄膜高出1V左右。第五章利用2奈米厚鉑金屬之內嵌製程，經快速熱退火處理，於鋯酸鍶薄膜內形成鉑奈米團簇，可縮短電阻轉態區域，進而降低操作電壓，但鉑金屬並不適用於傳統互補式金氧半場效電晶體製程。第六章提出利用氧氣流量製程技術製作多氧層與少氧層之堆疊結構，限制元件電阻轉態特性於多氧之鋯酸鍶薄膜內。大幅降低鋯酸鍶薄膜之形成電壓與寫入電壓並提升鋯酸鍶薄膜的電阻轉態穩定度。本論文係利用最簡單之方式，在不增加任何製程前提下，成功地限制導電路徑導通與破裂之區域，進而減

少兩記憶狀態於操作過程中所發生之變異與寫入失敗之危險。可大幅減少成本、有效減少變異並適合於大量生產。鋯酸鍶薄膜電阻式記憶體具有良好的電阻轉態特性，可應用於下世代非揮發性記憶體。最後為本論文總結，並對未來研究工作提出具體建議。

以準分子雷射結晶法製作高載子移動率低溫複晶矽與矽鍺薄膜電晶體之研究

為了解決street 750缺點的問題，作者常鼎國 這樣論述：

在本篇論文中，我們以準分子雷射結晶法為基礎，探討準分子雷射結晶法對於低溫複晶矽薄膜電晶體電特性與均勻性的影響，並依據元件通道材料以及結晶結構兩個主題，分別提出改善的方法與技術，進一步的提升低溫複晶矽薄膜電晶體之電特性。此外我們也利用短時間電漿處理法，以期改善低溫閘極氧化層之電特性與可靠度。首先，我們以準分子雷射結晶法製作低溫複晶矽薄膜電晶體，探討各項雷射製程參數對於元件電特性的影響。根據材料分析的結果，我們發現複晶矽薄膜的晶粒大小及結晶性與雷射能量密度有很大的關連性，只有在某一個很狹小的雷射能量範圍內才能夠得到最大的晶粒。而在此能量範圍內，由於雷射本身的不穩定性，造成晶粒大小的分佈相當不均勻

，這也同時導致低溫複晶矽薄膜電晶體之電特性變異性很大，尤其是當元件尺寸微縮至接近晶粒大小的時候，此變異程度更為明顯。在雷射結晶時，適當的提升基板溫度可以有效的降低元件電特性的變異程度。此外，相較於其他結晶技術，準分子雷射結晶法雖然可以得到較佳的薄膜結晶性，但是卻會導致較大的表面粗糙度。這使得當元件尺寸微縮時，為了避免閘極漏電流過大，閘極氧化層的厚度無法隨之縮小，間接地降低元件的驅動能力。因此我們利用短時間的電漿處理法，期待改善薄閘極氧化層的電特性與可靠度。由實驗的結果發現，以氨氣電漿處理後，閘極氧化層的電特性與可靠度均可以有效的提升。為了進一步的提升複晶矽薄膜電晶體的驅動能力，我們首先從元件通

道材料進行改善。相較於複晶矽薄膜，複晶矽鍺擁有相當高的載子移動率，因此在此論文中我們以複晶矽鍺薄膜做為電晶體主動區的材料。首先我們針對非晶矽鍺薄膜的沉積及以準分子雷射結晶法製作之複晶矽鍺薄膜做深入的探討。由於鍺原子在氧化層薄膜上的成核能力較弱，因此在沈積非晶矽鍺薄膜前，必須將氧化層基板暴露於純矽甲烷氣體中，在其上形成一層薄的非晶矽薄膜，以利於後續之非晶矽鍺薄膜沉積。此外，實驗結果發現，由於鍺原子具有催化的效應，故相較於非晶矽薄膜沉積，利用低壓化學氣相沉積法可於較低的溫度下沉積非晶矽鍺薄膜，且沉積速度隨著隨著鍺甲烷的氣流增加而增加。根據材料分析的結果顯示，準分子雷射結晶法可有效將非晶矽鍺薄膜轉變

成複晶矽鍺薄膜。然而，由於矽跟鍺兩種元素熔點上的差異，在利用準分子雷射結晶的同時，我們會在薄膜表面以及晶粒邊界觀察到很嚴重的鍺偏析現象。此外，相較於傳統利用準分子雷射結晶法所製備的複晶矽薄膜，複晶矽鍺薄膜經準分子雷射結晶後呈現較差的結晶性。因此，利用準分子雷射直接對非晶矽鍺薄膜進行再結晶時，由於製程上所引起的問題 (如:鍺偏析，結晶性差..等)，會導致薄膜電晶體元件有較差的電特性。為了改善鍺偏析以及結晶性較差的問題，我們提出兩種新型的製程方法來製備高效能的複晶矽鍺薄膜電晶體。在第一種方法中，我們先對非晶矽鍺薄膜進行第一次準分子雷射結晶，而後在其上沉積第二層非晶矽薄膜，接著再進行第二次準分子雷射

再結晶。如此一來，下層的鍺原子在第二次雷射結晶時，可以擴散至上層的矽薄膜中形成矽鍺薄膜。而由於第二次雷射結晶時的照射次數少且固化速度較快，可以有效的改善鍺偏析的情形，進而改善元件的特性。然而，受限於複晶矽鍺的本身較差的結晶性，元件的電特性表現仍然不符合需求。因此，我們進一步提出第二種製程方式來改善上述的缺點。我們將第一個製程方法中的薄膜位置互相調換，此時上層非晶矽鍺薄膜中的鍺原子可以在第二次雷射結晶時向下擴散至複晶矽薄膜中，同時由於複晶矽薄膜擁有較佳的結晶性，因此結晶性與鍺偏析的問題均可以獲得有效的改善。利用準分子雷射摻雜鍺之複晶矽鍺薄膜電晶體於小尺寸元件上呈現出相當優秀的元件特性。而相較於利

用準分子雷射製備的複晶矽薄膜電晶體，利用準分子雷射摻雜鍺之複晶矽鍺薄膜電晶體於載子移動率及驅動電流上分別提升了41%及52%。雖然利用鍺摻雜技術可以有效的提升複晶矽薄膜電晶體的載子移動率，但是對於元件的均勻性卻沒有辦法改善。因此我們提出了一個新穎的側向結晶方式，在想要的區域上控制晶粒的橫向成長，如此一來，除了可以提高元件之載子移動率外，還可以進一步的改善元件的變異性。此一結構為利用傳統間隙壁製程，在局部微小區域產生兩種厚度不同的非晶矽薄膜，當準分子雷射照射在此一結構上使較薄的區域完全熔融時，晶粒便會以這些非晶矽間隙壁為結晶起始點，做橫向成長。由實驗的結果發現，當我們適當的選擇間隙壁的高度，可以

形成2.5um長之長型晶粒。此外，由於在此結晶方法中，間隙壁是作為結晶的起始點，因此適當的安排間隙壁與元件通道的相關位置，我們將可以在通道中除去所有垂直於電流方向的晶粒邊界，更進一步的改善元件的驅動能力。以通道長度為2um的元件為例，以此結晶方法做出的元件其載子移動率可以到達280 cm2/V-s，而傳統的元件只有128 cm2/V-s.此間隙壁結晶法除了能形成單一的橫向晶粒外，由於其晶粒成核點的尺寸很小，故當我們適當的調整相鄰間隙壁的位置，還可以形成週期性的長型橫向晶粒排列。因此，除了可以應用於小尺寸的元件外，大尺寸的複晶矽薄膜電晶體也可以使用此種結晶方式來提升其驅動能力，如此一來，此結晶技

術將非常適用於未來system-on-panel (SOP)的應用上。