新式非揮發性記憶體元件之研究(I)

Abstract

在矽超大型積體電路（VLSI）元件的研究方面中，除了互補式金氧半場 效電晶體元件（CMOS）外，記憶體元件（Memory）的發展也已成為另一主流。 半導體記憶體元件可區分為揮發性（Volatile）及非揮發性（Non-volatile）記憶 體兩種。若電源關閉時，揮發性記憶體如動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory，DRAM），以及靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory，SRAM ），將會失去所儲存的資料：而另一方面，非揮發性記憶體卻 可持續保持所儲存的資料。目前，動態隨機存取記憶體及靜態隨機存取記憶體被 廣泛的使用在個人電腦，而非揮發性記憶體則大量的應用在行動或攜帶式電子產 品中。由於非揮發性記憶體元件為單一電晶體結構（1T），其較動態隨機存取記 憶體具有節省單元面積（Cell Area）的功效以增加積集度，所以擁有非常好的潛 力去取代具有一個電晶體和一個電容（1T1C）結構的傳統式動態隨機存取記憶 體。本實驗室研究群即是希望能發展出新世代的單一電晶體記憶體或其他記憶體 元件以應用於動態隨機存取記憶體中。 其次，在非揮發性記憶體元件的領域中，除了以浮停閘當作電荷儲存層的 快閃式記憶體元件外（Flash Memory），還有一具有電荷捕捉層結構的元件，即 所謂的多晶矽-二氧化矽-氮化矽-二氧化矽-矽記憶體（Si-SiO2-Si3N4-SiO2-SiSONOS Memory）。一般快閃式記憶體由於浮停閘的熱載子（Hot Carrier）問題， 需有較長的抹除時間（Erase Time）以及需較厚的穿遂氧化層已維持良好的電荷 儲存能力（Retention），所以造成元件難以縮微到奈米尺寸，此外，閃式記憶體 必需操作在較高的編碼（Program）和抹除電壓下（電場超過6MV/cm）。因此近 年來，由於SONOS 結構可以解決平面微縮的問題、具有良好電荷儲存能力的特 性、低工作電壓以及符合目前互補式金氧半場效電晶體元件的製程，已開始受到 大家的關注。本實驗室研究群也將應用之前豐富的製程經驗和技術投入到此領 域，由於之前已與加拿大國立研究中心一起合作記憶性電容元件。因此在本計畫 中，我們將繼續互相合作，期望能結合雙方的優點，增進研究的深度與廣度，並 能集思廣益，在此領域研發出更快速，低工作電壓、高電荷儲存能力且符合微縮 的新式SONOS 結構記憶體。此外，我們在此計畫中也將與英國劍橋大學(註： 英國劍橋大學為目前全世界大學排名第六)的Dr. John Robertson 合作（附件一）， Dr. John Robertson 主要的研究領域為高介電係數介電質材料及能帶結構分析，由 於這項合作的促成，我們將得到一個非常有利且具有實質上的幫助。而且我們也 將與Prof. Hiroshi Iwai (President of IEEE Electron Device Society) 一起合作（附件 2）。Iwai 教授日前有一個Plenary Section Talk 在International Electron Devices Meeting (IEDM)，同時他也是一個擁有IEEE Erbers 獎的得主，他在high-k 及記 憶體方面的研究屬於全世界數一數二的學者。最後，此計畫也將由國立交通大學 張俊彥校長及電資學院吳重雨院長所共同協助指導與背書，因為與國際知名大學 的合作一直以為台灣所追求的目標。