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Item 相容於後段製程之雷射退火鐵電氧化鉿鋯數值模擬(2022) 唐松箖; Tang, Song-Lin將具有鐵電效應之氧化鉿鋯 (HZO) 的鐵電記憶體 (FeRAM)，並採用BEOL (Back end of line) 後段製程與邏輯 IC 整合。為了得到其良好的鐵電記憶體殘餘極化量 (Remnant Polarization)、矯頑場 (Coercive field) 以及ID-VG 遲滯特性，透過退火使 HZO 薄膜結晶化是相當重要的步驟，由於採用 BEOL 後段製成，將無法以一般 RTA (Rapid Thermal Annealing) 進行退火，因為下層的邏輯 IC 無法承受 RTA 退火的高溫，所以選擇用雷射退火 (Laser Annealing) 的方式將 HZO 薄膜結晶化。由於實驗無法準確量測 HZO 薄膜在退火時的溫度分布，因此本實驗透過模擬 Nd: YAG 雷射退火使鐵電記憶體結晶化的過程，以及下層邏輯 IC 的在退火時的溫度狀況，並模擬不同結構與不同材料，探討熱在不同結構與不同材料中的傳遞與分布。Item 鐵電氧化鉿鋯材料於非揮發性電阻式元件之未來新興記憶體應用(2021) 劉人豪; Liu, Jen-Ho鐵電二氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2)材料因具有雙穩態(Bi-stable)的特性，使其能在外加偏壓為零時仍具有兩個穩定的極化狀態，此特性使得它具備成為新興非揮發性記憶體(Non-volatile memory, NVM)的潛力，預期在未來人工智慧(Artificial intelligence, AI)和類神經運算(Neuromorphic computation)的應用中扮演至關重要的角色。截至現今已經有相當多關於鐵電材料於記憶體的研究，而本論文主要探討調變HZO中摻雜鉿(Hf)與鋯(Zr)的比例，並成功開發反鐵電(Anti-ferroelectric)材料應用於電阻式記憶體元件，且在記憶體特性上皆優於正鐵電(Ferroelectric)材料。本論文第二章研究結果為反鐵電介面二極體(Anti-ferroelectric junction diode)的記憶體具備單極性操作的能力，且記憶體的開關比例(On/Off ratio)達到100倍和耐受性(Endurance)可達到109次；而第三、四章則展示雙層反鐵電穿隧式記憶體(Bi-layer anti-ferroelectric tunneling junction)具有大於100倍的On/Off ratio和大於50倍的穿隧電阻比(Tunneling electro-resistance, TER)，耐受性與資料保存性(Retention)分別可達到108次與大於104秒，並且在調控不同寫入的脈衝電壓下，顯示具有多階儲存單元的能力（Multi-level cell）與深度學習(Deep Learning)的特性，使其具備成為高密度且低功耗的非揮發性記憶體應用於類神經運算的潛力(Neuromorphic computation)。Item 雙層鐵電氧化鉿鋯於平面式與環繞式閘極電晶體之特性研究(2021) 江仕弘; Chiang, Shih-Hung近年來，由於鐵電材料具有雙穩態特性，在記憶體領域得到廣泛的研究，鉿基氧化物的鐵電材料由於具有與CMOS製程相容，取代傳統鐵電材料鈣鈦礦成為研究的主流，因此本論文研究鉿鋯氧化物(HfZrO2, HZO)作為鐵電記憶體的應用。此論文首先調控鐵電電容器(Metal/Ferroelectric/Metal, MFM)的電極，鉬(Mo)電極與氮化鈦(TiN)電極相比具有低熱預算、增強鐵電特性(殘餘極化)與降低操作電壓。第二部份為雙層HZO之場效電晶體(ferroelectric FET, FeFET)結構來演示多位元特性於多階記憶體(Multi-Level Cell, MLC)應用。最後，將二氧化矽和多晶矽沉積於矽晶圓上來取代絕緣層上覆矽(Silicon On Insulator, SOI)晶圓，之後使用原子層沉積(Atomic Layer Deposition , ALD)沉積雙層HZO包覆整個通道來製作環繞式閘極電晶體，並在雙層HZO中的夾層，設計氧化鋁(Al2O3)和TiN兩種材料，其中量測結果顯示於Al2O3與TiN相比具有優異的記憶窗口，但是需要較大的操作電壓。Item 應用於FeRAM之鐵電氧化鉿鋯電容特性及穿隧接面元件(2020) 林彥昀; Lin, Yen-Yun隨著氧化鉿(HfO2)鐵電(Ferroelectric, FE)特性的發現，可以彌補最新技術節點與鐵電非揮發性記憶體之間的微縮瓶頸。除了非揮發性，新穎的記憶體還應該保證足夠的可靠度並同時具備低延遲及低耗能的特性，與鈣鈦礦鐵電記憶體相比，鐵電鉿基氧化物具備與CMOS製程相容且有利於尺寸微縮的優勢。 本論文第一部份使用氧化鉿鋯(Hf0.5Zr0.5O2)作為元件的鐵電層，以TiN及TaN 分別作為MFM(Metal-Ferroelectric-Metal)的上電極金屬，發現TaN的應力能使鐵電薄膜有著較大的殘餘極化(Remnant Polarization, Pr)，達到更好的記憶體特性。根據文獻，因反鐵電(Antiferroelectric, AFE)材料具有高耐久度的特性，故第二部分以高鋯濃度之氧化鉿鋯(HfxZr1-xO2)為鐵電層之MFM用於記憶體特性研究，並且達到耐久度(Endurance)超過1011次，使反鐵電材料能應用於FeRAM。另外，我們也將高鋯濃度之氧化鉿鋯，作為氧化鉿鋯鐵電穿隧接面(Ferroelectric Tunnel Junction, FTJ)元件之鐵電層，並成功區分出高阻態(High-Resistance State, HRS)與低阻態(Low-Resistance State, LRS)，證實AFTJ具有成為未來新興記憶體的潛力。Item 鐵電氧化鉿鋯之負電容效應及類神經元件應用(2019) 向國瑜; Siang, Guo-Yu鐵電材料的遲滯現象(Hysteresis)具有雙穩態的特性，滿足記憶體對於信號的存取要求和負電容特性(Negative capacitance, NC)電壓放大的概念，因此近年來對於鐵電材料進行廣泛的研究。由於負電容特性改善次臨界擺幅(subthreshold swing, SS)，使MOSFET的SS在室溫下克服Boltzmann tyranny 2.3kbT/decade的物理極限，另一方面具有穩定遲滯現象和非破壞性讀取的特性適合作為非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory, NVM)。 本論文將針對鐵電材料氧化鉿鋯(HfZrO2, HZO)作為元件絕緣層的特性進行研究，首先將研究環繞式閘極場效電晶體搭載鐵電薄膜後，達到負電容效應，再來使用鐵電材料與非揮發性記憶體結合，研究應用於深度學習(Deep Learning, DL)且搭配不同結構與波型，尋找最佳的資料演算方式。Item 鐵電電容式記憶體特性及研究(2023) 曾涵楨; Tseng, Han-Chen鐵電材料是一種具有雙穩態特性的材料，在電場的作用下能夠產生持久的極化狀態，也能夠在無外部電場的情況下保持所極化的狀態，並即在不同的極化狀態之間切換。這種特性使得鐵電材料成為理想的記憶體元件，可以實現高密度、非揮發性的數據存儲，使其廣泛應用於記憶體中。本研究選擇摻雜不同鋯濃度的氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2, HZO)作為鐵電材料，並對其特性進行了深入研究和應用。鐵電電容式記憶體（Ferroelectric Capacitive Memory, FCM）主要分為累積式FCM和反轉式FCM，同時都有低功耗、快速的寫入速度、長時間保持性和耐久度等優點，並應用於類神經運算。通過TCAD模擬的結果，觀察到反轉型FCM施加負偏壓時，n+摻雜區產生帶對帶穿隧效應。製作不同鐵電層濃度和結構的FCM元件，結果顯示MPB( Morphotropic Phase Boundary) SL(superlattice)-HZO具有較高的開關比，並且在保持度和耐久度量測中表現出更優異的性能，具有對稱性| αp - αd | = 0.03 ~ 0.35的深度學習操作，展現成為類神經突觸元件的能力。Item 鐵電氧化鉿鋯於立體結構之奈米製程(2022) 林辰穎; LIN, CHEN-YING伴隨著技術節點的演進有助於人工智慧與物聯網的快速發展，電子元件須滿足低功耗、高密度、高效能等特性，目前已經能透過鰭式電晶體、環繞式閘極電晶體等多閘極三維電晶體，有效增加閘極控制通道的能力以至於降低漏電流並且解決尺寸微縮所導致的短通道效應，進而使續摩爾定律(Moore’s Law)延續。近年來鐵電材料於記憶體領域得到廣泛的研究，由於鉿基氧化物的鐵電材料具有與CMOS製程優異的相容性，相比傳統鈣鈦礦的鐵電材料成為新興記憶體的候選者之一。本論文研究分為三個部分，第一部份透過台灣半導體中心提供的i-line(365 nm)機台開發出鰭式電晶體，第二部分透過原子層沉積系統調變不同前驅物沉積順序，分別開發奈米貼合與超晶格之鐵電氧化鉿鋯堆疊製程，由於奈米貼合(Nano-laminated)與超晶格(Superlattice)的結構有助於鐵電氧化層的結晶，進階將它們應用於三維的鰭式場效電晶體。第三部分為開發三維垂直式陣列鐵電穿隧接面架構的製程。本論文成功演示分別將奈米貼合、超晶格與鐵電穿隧接面元件應用於三維的鰭式場效電晶體與三維垂直式陣列記憶體結構，並且超晶格的結果顯示在尺寸微縮下同時保持優異的鐵電記憶體特性，而三維垂直結構的鐵電穿隧接面元件透過調變電壓使電流比明顯上升。本論文之結果有助於未來發展3D NAND的架構。Item 氧化鉿鋯之鐵電增強與多層技術於記憶體應用(2020) 闕崇育; Chueh, Chung-Yu隨著科技演進元件微縮已面臨瓶頸，各領域的專家嘗試透過不同的方式如:結構堆疊、改變通道或是介電層材料等，設法利用現有的製程來解決線寬微縮所遇到的問題。其中利用鐵電材料當作介電層的元件在近年來相當受到研究人員的關注，因為鐵電材料為高K材料又同時擁有雙穩態的特性有助於改善現行元件。 本論文使用ALD (Atomic layer deposition) supercycle方式成長鉿基氧化物材料，故具有超薄和保角特性(Conformal)之優點。而此材料和FET整合也已經被廣泛的研究已利用於當前CMOS架構。本論文展示雙層Ω型FeFET具有電晶體（1T）存儲架構的可靠性應用在環繞式電晶體，(GAA-FET)上。根據實驗結果memory window (MW)=0.9V，及電流開關比可以達到104等優勢，有機會成為未來世代鰭式電晶體與應用在記憶體計算上的目標。透過搭配TiO2氧化層來降低退火溫度，同時設法提高電容有效電荷儲存量，探討TiO2在不同堆疊位置上之不同特性，研究在鐵電電晶體和鐵電電容上的特性。並研究多層堆疊技術，搭配不同濃度Hafnium-Zirconium-Oxide (HZO)與層數，達成在有效面積上提高鐵電效應於記憶體，整合上述技術期望能應用在現今記憶體的操作上。Item 氧化鉿鋯材料系統之鐵電工程以邁向新興記憶體與邏輯應用(2022) 廖俊宇; Liao, Chun-Yu鐵電氧化鉿鋯之鐵電工程為本論文主題，主要研究於記憶體及邏輯元件應用。記憶體應用方面，將討論鐵電場效應電晶體（FeFETs）可改善方向及面臨的問題，包括記憶體密度的挑戰、電荷俘獲和去極化效應以及wake-up效應。此外於電荷增加(charge boost)的發生機制中，將在反鐵電系統上採取有別一般理論的解釋方式，並提出雙向無電滯之方案。在第二章中，將使用反鐵電-正鐵電-電晶體進行兩位元的記憶體操作，其電晶體內含有四方晶向(tetragonal phase)及正交晶向(orthorhombic phase)的混合(反)鐵電向位。而四方晶向及正交晶向分別可以提供多峰矯頑場(coercive field)及殘餘極化(remnant polarization)的特性，進而得到較穩定的多位階操作及非揮發性記憶體能力。因此，利用反鐵電-正鐵電-電晶體在± 4 V的低電壓操作下，可得到多於10^5次的操作次數及在高溫環境下(65 ℃)的穩定資料儲存能力(>10^4 s)。 而為了提高記憶體資料保存穩定性的目的，在第3章節中將使用非等厚度的雙層鐵電氧化鉿鋯作為閘極堆疊結構。雙層鐵電氧化鉿鋯結構是利用一層氧化鋁的介電質材料作為隔層，分別將兩層不等厚度的氧化鉿鋯隔開，其上層及下層的鐵電氧化鉿鋯分別為5奈米及10奈米。這種設計是為了避免單斜晶向(monoclinic phase)在較厚的氧化鉿鋯中產生，以維持鐵電極化特性。此外，上層及下層的矯頑場不同，使得每一位階更加穩定及獨立，可以有效降低讀取時的錯誤率，且與單層鐵電氧化鉿鋯的閘極設計相比，可改善600倍的錯誤率。因此，雙層鐵電氧化鉿鋯作為非揮發性記憶體的多階單元並進行2位元可靠度測試時，可得到>10^5次的循環操作及>10^4秒的資料保存能力。 此外, 鐵電電晶體與三維結構技術的結合，例如:鰭式電晶體及閘極環繞電晶體，使得記憶體元件的尺寸能持續微縮至奈米等級，以增加單位面積下的記憶體單元，持續達到密度提升的目標。在第四章中，將三維的閘極環繞奈米片鐵電電晶體結構，並搭配雙層鐵電堆疊技術以作為高密度嵌入式非揮發性記憶體。而本章節中使用氮化鈦及氧化鋁兩種不同的隔層材料，其分別可對於操作電壓及記憶窗大小進行優化及改善。然而，奈米片的轉角結構使得極化方向互相抵消，產生較弱的極化區域-死區(dead zone)。而使用雙層氧化鉿鋯，外層的氧化鉿鋯有較大的曲率半徑，這可以減緩轉角效應。因此選擇TiN隔層的雙層鐵電氧化鉿鋯，可在± 3.5 V的操作電壓下，產生1.3 V的記憶窗、>10^11次卓越的操作能力及>2×10^4秒的資料保存能力。 然而，鐵電電晶體1T架構中存在寫入後讀取(read-after-write)之資料保存流失(retention loss)問題，鐵電電晶體在給予正極性的寫入電壓後，造成電荷被捕獲且殘留在氧化層與半導體層的介面，此捕獲電荷會抵消鐵電的電偶子產生的極化反應，使得臨界電壓在「寫後讀」的不穩定，造成錯誤讀取。此外，當閘極氧化層減薄後，會產生更大的去極化場，導致鐵電極化的衰退，這必須依靠給予一個閘極偏壓去抵抗去極化場，以避免極化衰退。因此，第五章將探討n型鐵電電晶體的「寫後讀」行為，並利用-1.5 V的反向極性電壓協助電荷「去捕獲」，並同時調整基準電壓，以抵抗去極化場造成的鐵電極化衰退。 在第六章中，將嘗試使用電漿增強原子層沉積系統(plasma-enhanced atomic layer doposition)進行鐵電氧化鉿鋯的薄膜優化。研究發現，使用電漿的輔助可減少氧化鉿鋯內的氧空缺(oxygen vacancy)，並使晶相形成較多的鐵電相位，避免電壓操作時的氧空缺重新排列造成的極化喚醒過程，達到免喚醒(wake-up free)的鐵電薄膜元件。另外，其可使用300 ℃的退火溫度，即形成良好的鐵電特性，以達到後段製程(BEOL)的所需的熱預算要求。負電容(negative capacitance)效應的理論根據與起源於目前尚有爭論。在過去幾年中，Landua-Ginzburg-Devonshire理論(LGD theory)被用解釋負電容現象產生的表面電荷增加。在第七章中，將使用另一解釋方式，利用反向切換(reverse switching)的概念討論電荷提升，實驗中使用AFE和AFE-DE系統來驗證反向極化切換所產生的電荷提升將會與飽和極化及殘餘極化的差有重要關係。此外，當AFE電容進行雙極性操作，可同時得到雙極性電荷提升及沒有遲滯現象的結果，此實驗結論支持了本實驗室於之前論文發表之電晶體實驗結果。Item 高濃度鋯之鐵電氧化鉿鋯極化反應及多階操作(2020) 曾鉯茹; Tseng, Yi-Ju近幾年來在半導體的領域中，鐵電材料是非常盛行及熱門的研究主題，而鐵電氧化鉿鋯(Hf1-xZrxO2, HZO)也已被廣泛的利用，本論文將選擇摻雜高濃度鋯之HZO作為鐵電電晶體的絕緣層材料，進行其特性的研究及應用。 鐵電材料的遲滯現象(Hysteresis)具有雙穩態的特性，滿足負電容電壓放大(Negative capacitance, NC)和記憶體儲存信號的要求，本論文將以鐵電極化反應時間量測來驗證高濃度鋯之HZO鐵電電晶體的負電容效應，且將AFE(Anti-Ferroelectric)-HZO材料製作成金屬鐵電層金屬(Metal-Ferroelectric-Metal, MFM)電容結構及金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，分別進行相關電性的研究。 由於現今電晶體不斷微縮，VDD也隨之下降。透過使用具有不同功函數的上下電極材料在MFM中會產生內建偏壓讓Zr為90%之AFE原始遲滯曲線偏移並產生兩個穩定的非揮發性狀態達到降低功耗的效果。此外，透過打入脈衝電壓可將Zr為75%的FET分為四階狀態，等效的增加了記憶體晶片密度。於記憶體可靠度方面，Retention可以保持到104秒，Endurance則是可操作至106個週期。