1-1 簡述記憶體
近年來半導體市場蓬勃發展，未來發展仍被看好，廣大的半導體市場 中記憶體舉足輕重，到 2007 年為止已佔整體半導體市場的 28%[1]。在元件 微縮化下，通常記憶體的特性會變差，如何做出特性好又不占面積的記憶 體是一再被研究的，若再加上嵌入式記憶體的吸引力，記憶體市場的發展 是不容小覷的，如何做出特性好又不占面積的記憶體是眾家廠商汲汲營營 的。就資料儲存的特性，可區分為揮發性(Volatile)與非揮發性
(non-Volatile)(圖(1-1)為其樹狀圖)，揮發性記憶體是指當電源供應被切斷
時，儲存的資料就會消失，非揮發性記憶體資料儲存不需要持續供電，可 電寫入/抹除非揮發性記憶體(例:Flash)目前的產品規格最基本是儲存時間可 長達10 年，且操作次數可達 10 萬次。
近幾年手攜式電子產品蓬勃發展，例如:數位相機、手提電腦(固態硬 碟)、手機、MP3 播放器、USB 隨身蹀、電子 IC 卡都是以非揮發記憶體為 主，隨著元件微縮化、及電子產品充斥整個生活環境，愈來愈多的研究與 非揮發記憶體密度、工作速度及可靠度有關，Flash 市場愈來愈大、應用愈 來愈廣，所以Flash 非揮發記憶體已經成為半導體市場發展的一個重點，
Flash 目前朝兩個方向發展，一為作為邏輯電路的主要記憶體(1-2 節簡 述)、軟體儲存更新記憶體、儲存識別碼，另一是做成儲存單元，像固態硬
碟、隨身碟都是由快閃記憶體陣列裝配成大容量記憶體，快閃記憶體當成
0
CF DF the inversion of the surface population .1 , ( )
1 after erasing
C S F S E
1 after programming
CS FS P
一小地方介電質品質不好造成漏電，就會把所有浮動閘所儲存的電荷通通 漏光，所以就需把穿隧氧化層(Tunneling Oxide)(介於浮動閘與矽基板之間的 介電質)及阻擋氧化層(Blocking Oxide)(介於浮動閘與控制閘之間的介電質) 的厚度要厚點才能防止電荷的大量流失， 但是，如此若浮動閘想從其他地
方耦合電性就必須施加更大的電壓才可以，再者浮動閘記憶體易受到輻射 照射而使資料遺失。氮化矽記憶體(SONOS)(圖 1-4)被視為可以解決浮動閘 記憶體的種種問題，比較圖(1-2)與圖(1-4)原則上 SONOS 的 Trap layer 並不
用特別用spacer 包覆住，其用 Si3N4 取代多晶矽浮動閘，SONOS 不是靠電 容耦合來獲得儲存層電性的，SONOS 是靠著閘極/汲極/源極/基極所施加 的偏壓，來決定載子是如何穿隧到儲存層(Trape Layer)，可粗分為 FN tunneling 及 HC tunneling 及 BTBT(第二章詳述)，因為儲存層為氮化矽 (Silicion Nitride)，其對載子來說是一個不導電層，也就是儲存的電荷是區域 性的，且電荷是儲存在氮化矽的電荷捕捉層(trap level)中，所以就儲存的電 荷漏電來說已大大改善，就可以把介電層(穿隧層及阻擋層)做薄點，薄也 是有個極限(一般來30Å 在低電場會有直接穿隧的漏電現象)圖(1-5)[4]，介 電質太薄的話其穩定性、品質就變差，就無法符合使用需求，電荷是儲存 在氮化矽之深度能陷（deep traps），其電荷無法像浮動閘極記憶體元件般消 除，因此必須設計一超薄（<20Ǻ）的二氧化矽穿遂層以提供電洞直接穿遂
（hole direct tunneling）用以抹除電子。然而，超薄的穿遂層造成了元件電
荷容易遺失(30Ǻ 會有直接穿隧的漏電現象)，因此即使 SONOS 元件的發明 很早，卻不曾被採用在商業應用[5]，各界對SONOS 研究已經很多年且也 很有很多成果發表，關於SONOS 的研究發表將於第二章作更詳細的敘述。
1-2 目前記憶體發展
完美的記憶體應有以下優點，工作速度快(fast operation)、低功率消耗 (low power consumption)、高操作忍受度(endurance)、資料保存時間長 (retension)、高密度(high density)、廉價(low cost)、非揮發(non-volatil)、可 與邏輯電路製程相容(compatible with CMOS process )，就用以上八點來論述 目前記憶體的現況與發展(參考表 1-1)[6]-[8]。
1-2.1 SRAM (靜態隨機存取記憶體)
首先目前工作速度最快的是SRAM，速度可達數奈秒(ns)，但隨著元件 微縮化，元件變異度(variation)變高，其雜訊邊限(noise margin)會愈來愈窄，
且會變形，使SRAM 可靠度愈來愈差，因此 8T SRAM 、10T SRAM 問世 [9]，其都是要增加 SRAM 的可靠度，卻也增加了一單元 SRAM 所佔的面積，
再者Double-gate MOS 的發明可以減少電晶體的使用[10]，且 MOSFET 會 有漏電流，且當臨界電壓變小時漏電流會隨之變大，所以說SRAM 是隨時 都在消耗電力的，當然在電源關閉時，SRAM 所存的資料也會隨之消失。
1-2.2 DRAM (動態隨機存取記憶體)
DRAM 是目前個人電腦的主記憶體，因其元件密度約為 SRAM 的十 倍，雖速度比SRAM 慢點卻比其他使用的記憶體(快閃記憶體)快很多，工 作速度約50 奈米，原本一開始為平板電容，隨著元件微縮化下發展成堆疊 式(stacked)與溝槽式(trench)電容，電容值目前極限為 20*10-15法拉~25*10-15 法拉(fF)，才可以維持適當的可靠度，但隨著微縮化溝槽式電容製作困難度
愈高，目前已經確定要淘汰，為了增加單位面積的電容值，高介電係數材 料(High-k)將會被應用到 DRAM 的電容中，DRAM 最大的缺點就是與電容 串接的金氧半電晶體(MOSFET)會漏電，元件微縮化下漏電流與導通電流的 比例會更大，將需要更常去充電DRAM 的資料。且目前邏輯 IC 製程並不 能完全合於DRAM 製程，因為會使 SRAM 漏電更嚴重。
1-2.3 Flash Memory(Ex.浮動閘記憶體)
目前現行的快閃記憶體(Flash Memory)絕大部分是浮動閘記憶體元件 組合而成，從連接單元連接型態來區分，可分為”NOR-Flash”
與”NAND-Flash”圖(1-6)[11]，NAND-Flash 是多個元件串接，省掉很多連接 點(contact)，所以單位容量所佔的面積較低，可以有比較大的容量，
但”NOR-Flash”的讀寫速度較快，所以期間的應用有所不同，”NAND-Flash”
偏重於資料的儲存，”NOR-Flash”偏重於邏輯碼的存取，因為在寫入\抹除的
同時等同於對穿隧層(tunneling oxide)做破壞的動作，所以一個浮動閘記憶 體元件有一個使用限度(endurance)，一般為 106~107次的寫入\抹除，且其速 度實在太慢的(約 1u~100m s)，遠遠低於邏輯電路的工作速度，以上兩點大 大限制了浮動閘快閃記憶體的應用，不過最大的好處是它是”非揮發”性的，
並不需要額外電源供給才可以使儲存的資料維持不變，這是最大的好處，
但在 1-1 節說過，微縮化會使記憶體漏電，可能在短時間內儲存的資料就 消失了。為了改善現行的快閃記憶體，除了新的方法的研究之外，還有新 的材料應用，目前關於新材料的應用最熱門的有MRAM 與 PCM，將於下 段做簡單的介紹。
1-2.4 MRAM (磁阻式記憶體)
Magnetoresistive random access memory (MRAM)，圖(1-7)為早期的 MRAM 元件單元示意圖[12]，包含一個磁性穿隧接面(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)、一個提供電流路徑的電晶體及兩條作為感測或改變資料的連接 線，此單元被稱為場效切換磁阻式記憶體 (Field-Switched MRAM)，請看到 圖(1-7)下方，MTJ 大略區分成為三層-Free layer – Tunnel barrier – Fixed layer-，Tunnel barrier 的材料特性會大大影響此記憶體元件的可靠度，一般 來說MgO 比 Al2O3好很多;Fixed layer 顧名思義是此區的磁性方向是固定的;
藉由電流感應出的磁場去改變Free layer 的磁性方向，當 Free layer 與 Fixed
layer 的磁性方向是相同的，就會被感測出較小的阻值(圖(1-7)(a))，即會有
較大的感測電流，若Free layer 與 Fixed layer 的磁性方向是相反的，感測的 阻值就較大，圖(1-7)(b)要改變 MTJ 所儲存的資料就要 IEasy與IHard先後作 用，只憑任一方向電流是無法改變MTJ 的資料的，此元件是由電生磁進而 影響Free layer 的電場方向，所以需要較大的電流才行，一般約數毫安培 (mA)，所以高功率消耗、高熱是一大問題，且電感應的磁場也會影響到週 邊不工作的記憶體元件(Disturbance)，對微縮化更是一大問題，所以許多不 一樣的MRAM 記憶體單元被陸續開發出來。圖(1-8)被稱為 Spin RAM[13]，
是藉由直接通電流讓Free layer 的電子產生電子自旋進而改變其磁性方向 (Spin Torque Transfer Magnetization Switching)，所以切換電流可以降至 150~300 微安培，在讀取時用的是更小的電壓或電流，所以並不會使原資料 被改變，圖(1-9)說明 MRAM 可以使用目前 CMOS 製程來製作，還有
Perpendicular Spin Torque Switching-RAM[14]，其工作電流更可小到 30uA，
工作時間不高於30n 秒 ，MTJ 面積只要 6F2，目前摩托(MOTO)及英飛凌 (Infineon)…等，都已經有相關 MRAM 產品在市場上流通，台積電也計畫在 2008 年底上市 MRAM 記憶體，MRAM 的工作速度及單元大小可媲美 DRAM，且幾乎擁有非揮發記憶體的優點，工作方式並沒有干擾問題 (Disturbance)，且資料儲存時間與可操作次數(>1014)遠優於現行的浮動閘記 憶體，只要技術更成熟，價錢更便宜，取代DRAM 與 Flash Memory 指日可
待。
1-2.5 PCM (相變化記憶體)
相變化記憶體Phase Change Memory(PCM)，性能與 MRAM 差不多，
比MRAM 更好的有更低的工作電壓(大致符合邏輯電路的低工作電壓)、與 CMOS 製程更吻合且價錢便以的許多，所以相變化記憶體相比 MRAM 更被 看好。圖(1-10)是相變化記憶體示意圖[15]，LTO : Low Temperature Oxide、
LTN : Low Temperature Nitride，以材料 TiW 作為上電極，TaN 連接下電極 作為加熱器，圖(1-10) (a)所示的 Contact Area 作為加熱點是記憶資料的地 方，使用的相變化材料是GeSbTe (GST)，GST 面積大小會影響操作電流的 大小，當加熱器加熱使相變化材料熔解，若再結晶成非晶態則所感測到的 阻值會較單晶態高，藉此來判斷儲存的資料是”0”or”1”，由圖可以看出相變 化記憶體需要較複雜的微影技術，就目前的CMOS 製程來說應不成問題，
目前市面上並相變化記憶體產品，不過其潛能是不容小覷的。
表( 1.1) 各種記憶體(DRAM、SRAM、Flash-NOR Flash-NAND、
FRAM、MRAM、PCM)工作參數與特性比較。
圖(1-1)記憶體樹狀圖。
圖(1-2) 傳統浮動閘非揮發性記憶體薄示意圖，
浮動閘(Floating Gate)是用來儲存電荷用的。
Memory
Non-Volatile(ROM) Volatile(RAM)
DRAM SRAM
ROM
EPROM EEPROM FLASH
Si-substrate Dielectric Control Gate
Floating Gate
Dielectric
Drain
Source
(a) 浮動閘記憶體元件等效電容耦合示意圖。
(b) 浮動閘記憶體元件電流感測說明圖。
圖(1-3)(a)浮動閘記憶體元件等效電容耦合示意圖。
(b)浮動閘記憶體元件電流感測說明圖。
VB
VS
VCG
VD
VCF
CCF
CSF CBF CDF
圖(1-4) SONOS 示意圖。
`
圖(1-5) 閘極偏壓與漏電流方式、大小量測圖。
Si-substrate Drain Source
Dielectric Gate
Nitride layer
Dielectric
圖(1-6) 不同形式快閃記憶體的連接方式與所佔面積表較。
圖(1-7) 場效切換 MRAM 示意圖，(a)讀、(b)寫。
圖(1-8) Spin-RAM 單元示意圖，包含感測電路(左方)。
圖(1-9)SEM 切面圖，使用 4 層金屬的 0.18umCMOS 製程。
圖(1-10) PCM 示意圖(a)俯視圖 (b)切面圖。