氮銦鎵系氧化物應用於相變化記憶元件之製作與特性研究

Abstract

我們提出一個全新的相變化材料—氮銦鎵系氧化物(InGaNO)，並以X-射線繞射測定(XRD)、圓形傳輸線法(CTLM)、示差掃描熱分析法(DSC)探討其相變化特性，與鍺銻鍗相變化合金(GST)相比。氮銦鎵系氧化物在攝氏275到290度之間發生一次相變化並結成體心立方(cubic bixbyite)晶體，而鍺銻鍗則是先後在150度及290度結為面心立方(fcc)和六角最密堆積晶體(hcp)。當這兩種不同相變型態的材料應用在記憶元件時，氮銦鎵系氧化物具有較高的開關電阻比。 在0.18微米孔柱之加熱基板成長氮銦鎵系氧化物樣品，當接觸面積為2.06平方微米之元件僅需680微安培的低重置電流(IRESET)，在具有類似接觸面積(~2.0 um^2)之相變化元件進行抹寫測試，氮銦鎵系氧化物和鍺銻鍗合金兩者之開關電阻比分別為100和30，抹寫之電壓脈衝寬度為90奈秒。利用本實驗室新開發之100奈米小孔加熱柱結構，可將相變化之臨界功率降到18微瓦以下，抹寫之脈衝寬度隨者尺度縮減降為50奈秒，結果得到氮銦鎵系氧化物可達350次壽命，鍺銻鍗相變化合金則可達500次。

We demonstrate a new type of phase change material (PCM) device based on InGaNO. The characteristic changes of InGaON-based PCM were compared with the conventional GST PCM device by using X-ray diffraction (XRD), circular transmission line method (CTLM), and differential scanning calorimeter (DSC). We denote a phase transition from amorphous structure into cubic bixbyite crystal in the InGaON system between 275 to 290 degrees in Celsius, , while for GST a fcc and a hcp phase change occurs at the temperature 150 and 300 degrees in Celsius successively. The InGaNO-based PCM device exhibits a higher ON/OFF resistance ratio of ~100 compared to a ratio of ~30 in the GST PCM system. Using a 0.18 um-dia heating structure with a contact area of 2.06 um^2, we observed a small reset current of IRESET ~ 680