次世代量產型操作於低電壓電流之高速奈米非揮發性記憶體

奈米尺寸的非揮發性記憶體元件有著較低的操作電壓及電流，高速的寫入及抹除數據的能力，並且對CMOS科技有高度的相容性，可做為下世代半導體產業的代替產品。那些輕便的記憶產品，像是數位相機、攝影機、手機、個人數位助理器、iPOD、高品質筆記型電腦、高速電腦等，現今都運用在我們日常生活當中。懸浮閘極非揮發性元件是其中一種常運用在這些輕便電子產品的記憶體。根據英特爾的宣佈，這種懸浮閘極非揮發性記憶元件可以被微縮到32nm。由於半導體市場對懸浮閘極非揮發性記憶元件有著高度的需求，因此多晶矽-氧化層-氮化矽-氧化層-矽，這種載子補陷記憶元件被許多學校及公司所研究，像是旺宏電子、台積電、三星、南韓等，都嘗試生產大尺寸的SONOS 記憶元件，但是由於對氮化矽材料的了解有限，以及記憶能力和微縮的問題，導致這些公司只能生產一些。SONOS一直以來被懷疑可否微縮至45 nm，為了克服這些在SONOS 載子補陷記憶元件所出現的問題，我們對於下世代大量產品提出新型的非揮發性記憶元件，像是快閃式記憶體和導電橋式記憶體。在本計劃中，我們會將重點放在單層高介電層或雙層奈米晶體量子井深埋在高能障的高介電氧化層，並且有著高功函數的金屬閘極。高介電薄膜將以濺鍍系統/原子層累積技術來沉積。奈米尺寸的金氧半場效電晶體(通道長度小於100 nm)或是鰭式場效電晶體(通道寬度小於10nm)快閃記憶元件也將會被製造。最後，NOR 和NAND 陣列電路將也會利用高介電奈米晶體設計並製作出。為了得到較好的NAND 特性，在金屬/高介電/金屬奈米晶體陣列/高介電/矽，這種快閃記憶體元件中的金屬奈米晶體也將以蛋白質模板的方式製作。因此，有著低操作電壓和電流、高速、高度非揮發性的奈米尺寸的金氧半場效電晶體和鰭式場效電晶體快閃記憶元件將被製造以及了解。為了下世代大量產品，一個新型非揮發性記憶元件的計畫，導電橋式記憶體，在高介電材料中或是硫屬化合物材料中有著銅或銀的奈米橋，將被設計並製作出。此導電橋式記憶體元件可以在極低的電壓和電流下被操作，可高速的寫入和抹除數據，並且有高度的非揮發性。上述奈米尺寸快閃記憶體、導電橋式記憶體元件和它們的電路將被製作出。所有我們了解及製成的這些新型記憶體元件的方式，將在下述各點做討論。第一部份: 高介電奈米晶體量子井快閃記憶體元件及電路1. 利用濺鍍系統/原子層累積技術來設計和探討高介電奈米晶體量子井結構2. 調整高介電穿隧氧化層Al2O3和高介電Al2O3或HfAlO 阻隔氧化層的厚度，使其電容相對厚度小於6 nm以便利用於22 nm的技術。3. 評估快閃記憶體電容的記憶特性。4. 調高金屬閘極的功函數，像是鉑、鎳、鎢和氧化銥等，以降低從閘極流回的穿隧電流。5. 設計並製作以高介電奈米晶體量子井和氧化銥為金屬閘極的新型長短通道的金氧半場效電晶體。6. 設計並製作鰭式場效電晶體記憶元件，其通道寬度小於100 nm。7. 測量及了解奈米尺寸快閃記憶體元件的特性。8. 利用高介電奈米晶體量子井來設計和製作NOR和NAND快閃記憶體陣列電路。9. 設計並製作記憶電路以用來生產，與台灣的半導體公司合作生產。10. 將可以非常低的電壓和電流來操作，並且有著極快的速度的奈米尺寸快閃記憶體元件。11. 多層載子儲存和高密度的運用。12. 可被利用在低於32 nm的技術。第二部份:組成金屬奈米晶體陣列和快閃記憶體元件1. 為了運用在22 nm NAND技術下，新型奈米晶體陣列將利用蛋白質模板方式來設計及了解。2. 利用物理性量測去探討金屬奈米晶體的大小及分佈。3. 設計並製作有著高介電穿隧和阻隔氧化層及高功函數金屬閘極的金屬奈米晶體快閃記憶電容器。4. 利用原子力顯微鏡來研究金屬奈米晶體的儲存載子和釋放載子的效應。單層金屬奈米晶體的記憶特性也將以原子力顯微鏡來分析。5. 埋藏在高介電氧化層中的金屬奈米晶體陣列，將可有非常低的電子厚度(小於6 nm)6. 利用單層或雙層金屬奈米晶體陣列可設計並製作出金氧半場效電晶體記憶原件。7. 測量及了解奈米晶體快閃記憶體的記憶特性。8. 有著低操作電壓和電流、高速度、高非揮發性的金屬奈米晶體陣列的金氧半場效電晶體可被預期達到。9. 設計並製作出金屬奈米晶體陣列的奈米級鰭式場效電晶體記憶體。10. 有著低操作電壓的多層載子儲存將可達到。11. 可重複記憶陣列將可被了解。12. 可利用於小於32 nm的技術。第三部份:利用硫屬化合物材料和高介電材料做為固態電解質的導電橋式隨機存取記憶體元件和電路1. 利用硫屬化合物材料和新型高介電材料做為固態電解質來設計並製作金屬-絕緣層-金屬的結構。2. 銅和銀可在高介電材料及硫屬化合物材料中，用來當做移動離子。3. 貴金屬像是氮化鈦和鎢可用來當做是導電橋式記憶體的下電極，並且這些金屬是非常合適於CMOS技術。4. 評估固態電解質在導電橋式記憶體的運用。5. 在不同退火溫度下，了解好的記憶元件。6. 完全地研究新型高介電材料和硫屬化合物材料。7. 固態電解質元件的記憶特性。8. 設計和製作通道大小小於100 nm的奈米尺寸的導電橋式記憶體。9. 利用不同固態材料來完全的研究好的導電橋式記憶體元件。10. 測量和了解運用在陣列電路中的奈米晶體記憶體特性。11. 設計和製作陣列電路。12. 了解為了生產的記憶電路，並且與台灣的公司合作開發與生產。13. 導電橋式記憶體電路有著極低的操作電壓和電流，高度的非揮發性，可運用於22nm的技術。14. 可以運用在多層載子儲存。15. 相信我們團隊在非揮發性的持續成果可為下世代記憶體帶來貢獻。

系統編號:PB9709-3569
原計畫編號:NSC97-2221-E182-051-MY3