銅導電橋CBRAM之製作與特性研究

銅導電橋隨機存取記憶體之製作與特性研究

鍾心瑜

指導教授 ： 吳孟奇

國立清華大學/電機資訊學院/光電工程研究所/碩士(2011年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2011.00293

摘要

近來非揮發性記憶體於消費性電子扮演著相當重要的角色，對於可攜式電子產品更是不可或缺。現今最普遍的非揮發性記憶體元件為快閃記憶體，但隨著半導體元件的微縮，快閃記憶體的穿隧介電層的厚度將隨之下降，導致漏電現象嚴重而無法滿足記憶功能。「電阻式記憶體 (RRAM)」由於結構簡單，存取速度快，以及省電的特性，被認為是最有可能成為下一個世代的非揮發性記憶體元件之一。本篇論文將研究電阻式記憶體中的導電橋式記憶體 (CBRAM)，且展現它在次世代記憶體中的競爭優勢。
本論文中，CBRAM為金屬/絕緣層/金屬(MIM) 多層結構所堆疊而成，其中CMOS製程所常用的銅、鎢分別用來充當上、下電極，銅原子擴散係數較高的介電材料當作固態電解質，為了探討固態電解材料對元件操作的特性差異，本論文中採用了兩種不同的固態電解質材料系統，包括了『二氧化銅/氧化銅』以及『鍺-銻-碲/氧化鉿』。對於『二氧化銅/氧化銅』為固態電解質的元件，此研究是以反應式濺鍍法 ( Reactive sputtering ) 鍍製氧化銅相關材料，並輔以材料分析來了解氧氣比例與所形成的氧化銅之狀態相關性，以及不同材料組成的氧化銅造成電阻率差異。此外，『鍺-銻-碲/氧化鉿』元件是以濺鍍法鍍製完成。實驗量測討論上，第一部份討論『二氧化銅/氧化銅』固態電解質之元件，包含其直流電性、數據儲存持久性以及編輯/抹除耐久性等電性分析。第二部份則討論『鍺-銻-碲/氧化鉿』為固態電解質之高性能CBRAM元件。首先，為驗證CBRAM的高度可微縮性，此元件下電極從「微米」等級被微縮至「奈米」等級；此外，亦包含直流電性(包含不同氧化鉿厚度的比較)、數據儲存持久性以及編輯/抹除耐久性等分析。
結果顯示，以『二氧化銅/氧化銅』為固態電解質的元件，由於氧化銅材料的熱穩定性差，使得元件特性不如以『鍺-銻-碲/氧化鉿』為固態電解質材料的元件。以『鍺-銻-碲/氧化鉿』為固態電解質材料的導電橋式記憶體，有較低的操作電壓、可達到107的高低阻態差、達五小時以上的持久性、良好的微縮性、直流與交流次數的耐久性分析上，皆可達到102次以上。

關鍵字

導電橋式記憶體 ； 固態電解質 ； 非揮發性記憶體

並列摘要

無資料

並列關鍵字

CBRAM ； Solid electrolyte ； Non-volatile memory

參考文獻

2. D. Kahng, S.M. Sze, Bell Syst. Tech. J. 46, 1288, (1967).

5. 張文淵, 以LaNiO3底電極開發(Pr,Ca)MnO3非揮發性電阻式記憶體特性之研究. 清華大學, 碩士論文, (2006)

8. Z. Fang, H. Y. Yu, W. J. Liu, Z. R. Wang, X. A. Tran, B. Gao, and J. F. Kang, IEEE Electron Device Lett., Vol. 31, No. 5, May (2010).

15. M.N. Kozicki, M. Balakrishnan, C. Gopalan, C. Ratnakumar, M. Mitkova, in: Proceedings of the 2005 Non-Volatile Memory Technology Symposium, pp. 1–7, (2005).

16. D. Lee, D. J. Seong, I. Jo, F. Xiang, R. Dong, S. Oh, and H. Hwang, Appl. Phys. Lett. 90, 122104 (2007).