Fabrication and Characterization of InGaNO-based Phase Change Memory Devices

我們提出一個全新的相變化材料—氮銦鎵系氧化物(InGaNO)，並以X-射線繞射測定(XRD)、圓形傳輸線法(CTLM)、示差掃描熱分析法(DSC)探討其相變化特性，與鍺銻鍗相變化合金(GST)相比。氮銦鎵系氧化物在攝氏275到290度之間發生一次相變化並結成體心立方(cubic bixbyite)晶體，而鍺銻鍗則是先後在150度及290度結為面心立方(fcc)和六角最密堆積晶體(hcp)。當這兩種不同相變型態的材料應用在記憶元件時，氮銦鎵系氧化物具有較高的開關電阻比。 在0.18微米孔柱之加熱基板成長氮銦鎵系氧化物樣品，當接觸面積為2.06平方微米之元件僅需680微安培的低重置電流(IRESET)，在具有類似接觸面積(~2.0 um^2)之相變化元件進行抹寫測試，氮銦鎵系氧化物和鍺銻鍗合金兩者之開關電阻比分別為100和30，抹寫之電壓脈衝寬度為90奈秒。利用本實驗室新開發之100奈米小孔加熱柱結構，可將相變化之臨界功率降到18微瓦以下，抹寫之脈衝寬度隨者尺度縮減降為50奈秒，結果得到氮銦鎵系氧化物可達350次壽命，鍺銻鍗相變化合金則可達500次。We demonstrate a new type of phase change material (PCM) device based on InGaNO. The characteristic changes of InGaON-based PCM were compared with the conventional GST PCM device by using X-ray diffraction (XRD), circular transmission line method (CTLM), and differential scanning calorimeter (DSC). We denote a phase transition from amorphous structure into cubic bixbyite crystal in the InGaON system between 275 to 290 degrees in Celsius, , while for GST a fcc and a hcp phase change occurs at the temperature 150 and 300 degrees in Celsius successively. The InGaNO-based PCM device exhibits a higher ON/OFF resistance ratio of ~100 compared to a ratio of ~30 in the GST PCM system. Using a 0.18 um-dia heating structure with a contact area of 2.06 um^2, we observed a small reset current of IRESET ~ 680第一章 緒論 1 1.1 相變化記憶體發展歷史 1 1.2 相變化記憶體研究概況 2 1.3 本論文研究動機及論文概述 5 1.3.1 相變材料設計 5 1.3.2 結構設計以提升加熱效率 7 第二章 相變化材料之研製 9 2.1 簡介 9 2.2 相變化材料薄膜鍍製 11 2.2.1 鍺銻鍗相變化合金(GST) 11 2.2.2 氮銦鎵系氧化物(InGaNO) 12 2.3 相變化溫度測定 13 2.3.1 熱烘烤 13 2.3.2 X-射線繞射測定 14 2.3.3 圓形傳輸線法 18 2.3.4 示差掃描熱分析法 23 2.4 薄膜表面之掃描式電子顯微鏡圖片 27 第三章 相變化記憶元件之製作方法 30 3.1簡介 30 3.2 元件結構及製作 32 第四章 相變化記憶元件之電性量測 36 4.1 簡介 36 4.2 脈衝波量測系統架構 39 4.3 元件電性量測結果 41 4.3.1 電壓-電流曲線與接觸面積的關係 41 4.3.2 臨界功率與薄膜厚度的關係 43 4.3.3 脈衝波設置/重置與元件壽命測試 45 4.3.4 各結構之臨界功率比較 50 第五章 結論與未來展望 52 5.1 結論 52 5.2 未來展望 5