5-1 前言
雖然在C60薄膜厚度被微縮至20 Ǻ 的元件裡，我們成功地觀察到了貢獻記 憶窗之兩種機制並存的現象，也成功地透過縮減C60厚度的方式來提升操作速度 並驗證了這類元件的 endurance，但如圖 4-4 所示，在這樣的厚度設計下，我們 卻會大幅犧牲元件原有的非揮發性維持能力。為了改善這個問題，我們嘗試在 C60厚度不會變動過大的前提下，利用共蒸鍍的方式在 C60中混入有機絕緣材料 poly(N-vinylcarbazole)(簡稱 PVK)用來減少 C60分子間的空隙，並透過這樣的方式 來減低氧離子的遷移率，在不犧牲原有優點的前提下，改善元件的非揮發性維持 能力。
5-2 實驗部分
5-2-1 Poly(N-vinylcarbazole)(PVK)簡介
poly(N-vinylcarbazole)(簡稱 PVK)為一種有機絕緣體，其結構如圖 5-1 所示。
PVK 之外觀為透明略帶黃色的粉末，具有穩定的化學特性，並不易與酸鹼產生 反應，且因其具有高達n=1.696 的折射係數，故常被用在光學方面的應用。表 5-1 列出PVK 的一些基本電性參數，雖然從中可以看到其能隙並沒有非常的大，寬 度約只有3.5 eV，但因為其與 C60同屬有機材料且也可以利用蒸鍍的方式來做薄 膜沉積，又其具有不錯的化學與溫度穩定性，所以被我們選作用來與C60相混做 為浮動閘極層的有機絕緣材料。
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 -0.8
-0.4 0.0 0.4 0.8 1.2
Δ V FB(V)
Vp(V)
stress time=1 s stress time=1 ms
圖5-2 C60與PVK 混合浮動閘極電容之ΔVFB對stress 電壓關係圖 5-2-2 C60與 PVK 混合浮動閘極電容之製作
如同其他元件，首先 P-type 矽晶圓在經過 RCA clean 後隨即送入垂直爐管以 乾式熱氧化成長4 nm 的二氧化矽用作穿隧氧化層，之後隨即利用共蒸鍍的方式 同時鍍上C60與PVK 做為浮動閘極層。其中，我們主要在調控的是 C60的鍍率，
並將其厚度控制在50 Ǻ 左右，而至於 PVK 則是在其能揮發的前提上，以極低的 鍍率混入C60中，確保整層浮動閘極的主體仍為C60。如同其他元件的製作流程，
隨後即用電子槍蒸鍍4 nm 的二氧化矽用來保護浮動閘極層不會在後續的電漿製 程中受到傷害，並再利用PECVD 沉積 11 nm 的 TEOS oxide 做為控制氧化層，
最後透過影遮罩利用sputter 沉積鎳金屬來定義上電極與電容圖形並完成元件。
5-3 實驗結果
A. 變電壓長時間 stress
Materials Ionization Potention(eV)
Optical energy gap(eV)
HOMO(eV) LUMO(eV)
PVK 5.81 3.5 -5.81 -2.31
表5-1 PVK 的基本電性參數
10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100
B. Pulse program or erase
的時間與施加電壓的大小呈現負相關，就如同在先前圖4-3(a)中所看過的。另一
100 101 102 103 104 C. Endurance
圖5-5 是 C60與PVK 混合浮動閘極電容的 endurance 測試結果，其中採用的
D. Retention
圖 5-6 為 C60與PVK 混合浮動閘極電容的 ΔVFB對非揮發性維持時間之關係 圖，其中所使用的P/E 條件分別為 Vp=-10 V, tstress=0.1 s 與 Ve=13 V, tstress=1 s，且 為 了 檢 驗 元 件 在 使 其 內 部 薄 膜 經 過 充 分 的 極 化 並 得 到 較 大 的 記 憶 窗 後 的 retention 特性，我們在量測之前預先對元件做了 1000 次的 P/E cycle。如圖所示，
在經過 1000 次的 P/E cycle 後可以得到 ΔVFB=1.73 V 的記憶窗大小，且隨著
100 101 102 103 104 此當元件被維持在retention 狀態時，其內部的氧需要更多的時間來反應去極化電 場的作用，故可以使寫入的邏輯狀態被維持較久的時間。雖然跟其他的非揮發性
第六章
結論
在本實驗中，我們利用熱蒸鍍的方式配合後續的低溫製程，成功的將C60與 傳統的浮動閘極結構做整合，並表現出具有顯著記憶窗與不錯的非揮發性維持能 力等優點。為了解釋實驗中所觀察到的順時鐘方向電容遲滯效應，我們做了各種 不同的分析，首先我們利用ESCA 與 EDS 等材料分析技術確認薄膜內氧的存在 與分佈，接著利用變頻電容量測觀察到因氧的存在而造成C60薄膜的介電常數隨 頻率變化的特性，最後在閘極堆疊結構參數相同的前提下，我們利用鉑奈米晶粒 記憶體電容來驗證電荷注入的方向為下電極注入。在經過上述分析之後，我們隨 即提出了氧離子移動模型來為觀察到的遲滯效應方向做定性上的解釋。
在第二部分，為了解決元件操作速度過慢以及endurance 特性沒辦法有效的 被驗證等問題，我們嘗試將C60薄膜的厚度做大幅微縮。實驗結果證實藉由減少 C60薄膜的厚度，我們可以成功的利用內部電場強度的提昇來加速內部極化現象 的發生與元件的 P/E 操作效率，並同時驗證了這類元件可承受 104次以上的P/E cycle 後仍能穩定操作。另一方面，在這個元件中我們亦觀察到了遲滯現象方向 的反轉，再一次的印證了在C60浮動閘極結構中，電荷注入與氧離子移動等兩種 貢獻記憶窗的機制同時存在的假設。
雖然藉由 C60 厚度的微縮可以有效提升元件的操作速度，但當元件在做 retention 操作時，由於內部殘存的去極化電場的增加，C60薄膜內的極化現象會 隨時間快速衰退，造成元件大幅的失去其原有的非揮發性維持能力。因此，在實 驗的最後一部份我們除了再次微調C60薄膜的厚度之外，我們同時利用共蒸鍍的 方式在 C60薄膜中混入有機絕緣材料 PVK，並成功地藉由 PVK 佔據 C60分子間 的空隙來降低氧在C60薄膜中的移動能力。藉由這種方式，我們能在保有元件既 有優點與特性的前提下，有效地提升元件在做retention 操作時的非揮發性維持能 力，成功的製作出具有不錯特性的有機C60浮動閘極記憶體電容。