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非揮發性記憶體薄膜特性之研究

96 學年度專題製作競賽. 非揮發性記憶體薄膜特性之研究. 指導老師：許正興 博士 大學電機四甲 U9321023 何毅達 大學電機四甲 U9321010 楊淑鳳. 研究目的. 鍺具有優於矽的導電能力及載子移動率，且為最早被使用的半導體材料。我們使用溶膠凝膠法製作 GeO 2 薄膜， 探討不同熱處理方式對薄膜成長及其相關特性之影響。期望找出符合需求的薄膜以應用於記憶體元件上。. 非揮發性記憶體.

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非揮發性記憶體薄膜特性之研究

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  1. 96學年度專題製作競賽 非揮發性記憶體薄膜特性之研究 指導老師：許正興 博士 大學電機四甲 U9321023 何毅達 大學電機四甲 U9321010 楊淑鳳

  2. 研究目的 鍺具有優於矽的導電能力及載子移動率，且為最早被使用的半導體材料。我們使用溶膠凝膠法製作 GeO2 薄膜，探討不同熱處理方式對薄膜成長及其相關特性之影響。期望找出符合需求的薄膜以應用於記憶體元件上。

  3. 非揮發性記憶體 當電流關掉後，儲存在記憶體裡面的資料不會消失者，這類型的記憶體稱為非揮發性記憶體。非揮發性記憶體中，依記憶體內的資料是否能在使用電腦時隨時改寫為標準，又可分為二大類產品，即ROM（Read Only Memory）和Flash（快閃記憶體）。

  4. 薄膜製作技術 • 物理氣相沉積法 • 化學氣相沉積法 • 有機金屬分解法與溶膠凝膠法 溶膠-凝膠法是由金屬的有機及無機化合物溶液開始，首先將溶液中的金屬化合物加水分解以後再進行縮合反應，而產生可溶解的金屬氧化物或水氧化物微粒子溶膠，並進一步反應得到凝膠。

  5. 實驗流程圖 1:8 Ge + 異丙醇 旋鍍薄膜 前轉(3000rpm/15sec) 後轉(4000rpm/20sec) 鍺及其氧化物之基本性質 1.鍺屬於四價元素，具半導體特性。 2.其晶體結構為六方晶系。 3.鍺未摻雜（本質）時的電阻係數大約 47Ω-cm。 4.鍺(Ge)的氧化物，二氧化鍺(GeO2 )會溶於水，因此極易受到環境中溼度的影響。 基板的製作 本實驗所採用的基板為ITO/Glass 清潔基板的流程如下： 1.將基板放入裝有丙酮的燒杯中，在超音波震盪機震洗10分鐘，以去除基板上的油性物質。 2. 將基板接著放入異丙醇內震洗10分鐘，以去除丙酮和可能其它的殘留油漬。 3. 將ITO/Glass基板放入去離子水內震洗20分鐘 。 4.以氮氣槍吹乾並置入烤箱，即可得乾淨基板。 震盪20分鐘 每層鍍膜完後就放入高溫爐中進行薄膜的焦化處理，以除去薄膜內有機溶液並使薄膜收縮，避免在高溫退火處理時造成薄膜急速收縮而破裂。重複旋鍍五層薄膜，即可得到非晶二氧化鍺(GeO2)薄膜。 薄膜須經適當溫度的加熱處理，以促使薄膜結晶與晶相成長，加熱方式為以每分鐘2℃之升溫速率加熱至500℃、600℃、700℃且持溫10分鐘，再緩慢降至室溫，薄膜即製備完成。 重複五次 清洗ITO/Glass基板 焦化處理 退火處理 量測

  6. 量測-物理特性分析 • X光繞射分析 • 薄膜表面粗糙度分析 • 薄膜表面型態分析 • 穿透率分析

  7. X光繞射分析 (Intensity) ITO (101) (100) (111) (110) (200) (102) 退火溫度600℃、不同焦化溫度之XRD圖

  8. X光繞射分析 (Intensity) ITO (101) (100) (110) (111) (200) (102) 焦化處理溫度100℃、不同退火溫度之XRD圖

  9. 薄膜表面粗糙度分析

  10. 薄膜剖面圖 焦化處理溫度100℃、退火700℃之薄膜剖面SEM圖

  11. 薄膜表面型態分析 焦化75度 退火500 退火600 退火700 焦化100度 退火700 退火 500 退火600 焦化200度 退火 500 退火600 退火700

  12. 穿透率分析 焦化處理溫度200℃、退火500℃之介電薄膜穿透率圖

  13. 量測-介電特性分析 • 漏電流分析 • 記憶體特性分析 薄膜上電極之製作 將完成後之薄膜，以hard mask作為遮罩，利用濺鍍機鍍上面積大小為直徑2mm之pt上電極，如圖所示，而得到電性量Metal-Insulator-Metal (MIM)的結構，藉由上下電極，可對薄膜材料的介電性質進行分析。 Pt Pt Thin film ITO Glass

  14. 漏電流分析 焦化處理溫度200℃、退火溫度700℃時之電場與漏電流密度關係圖

  15. 記憶體特性分析 焦化處理溫度200℃、退火溫度500℃時之電壓與漏電流關係圖

  16. 結論 • 由XRD繞射分析的結果可看出：當焦化處理溫度在100℃且退火700℃時薄膜的結晶情況較好 • 由SEM表面形態分析可看出：焦化處理溫度的降低則會造成孔洞的增加 ，導致漏電流上升 • 由AFM表面粗糙度分析可看出：當焦化處理溫度200℃時，其薄膜的表面相當地平滑，所以薄膜表面粗糙度也皆在10nm以下 • 當焦化處理溫度200℃、退火700℃時，其在室溫下有較小的漏電流密度及較佳的記憶特性。

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