鋯鈦酸鍶系鈣鈦礦薄膜單極電阻轉換特性研究

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研究生：	官翔彬 Kuan, Hsaing-Pin
論文名稱：	鋯鈦酸鍶系鈣鈦礦薄膜單極電阻轉換特性研究
指導教授：	吳振名 Wu, Jenn-Ming
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	152
中文關鍵詞：	鋯鈦酸鍶、電阻轉換、記憶體
外文關鍵詞：	SZT, resistance switching, RRAM
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電阻轉換現象於記憶體上應用的概念被提出後，由於記憶單元的體積小，寫入和抹除的時間短，以及結構簡單等等優勢，造成電阻轉換記憶體成為近年來許多學界、業界研究的新目標，此電阻式非揮發性記憶體亦成為下一代新型記憶體發展最有潛力的一顆新星。但因目前對於單極(unipolar)或是雙極(bipolar)轉換機制，並沒有明確具體且有力的證據來解釋，也使得尋找出電阻轉換機制以及材料特性對於電阻轉換的影響都是研究的大方向。
本實驗以溶膠-凝膠法將鋯鈦酸鍶溶液鍍製在Pt/Ti/SiO2/Si基板上，形成鈣鈦礦結構的薄膜，並且以sputter 搭配金屬 mask 鍍製Pt上電極，構成金屬/絕緣層/金屬(M/I/M)結構。薄膜成分有四種包含: SrZrO3、SrZr0.6Ti0.4O3、SrZr0.05Ti0.95O3、SrTiO3，並在500℃、600℃、700℃三種溫度下熱處理10分鐘，使用V-sweep方式量測，發現這些試片均有單極(unipolar)電阻轉換現象，高低阻值比可達1000倍以上，且經量測發現不同Zr/Ti比對於電阻轉換現象影響並不大，反而是退火溫度會有比較大的影響。
之後以SrZrO3成分為主，鍍製不同厚度的絕緣層膜，以及設定不同電流上限值(current compliance)來探討這些參數的改變，對電阻轉換現象有何影響。並搭配高低阻態的變溫量測，找出高低阻態漏電機制，並且經由這些機制來建構出可能造成原始阻態以及高低阻態轉變的形成原因。在本實驗認為單極電阻轉換機制可能就是和燈絲理論導通路徑形成有關。
最後，因為很多文獻指出電阻轉換現象和金屬/絕緣層之間的介面有關，故改變後續Pt上電極的鍍製參數，來量測觀察是否對於電阻轉換現象有影響。

目錄
第一章 前言    1
1-1 簡介    1
1-2 研究動機    2
第二章 文獻回顧    4
2-1記憶體種類介紹    4
2-1-1 鐵電記憶體(FeRAM)    4
2-1-2 相變化記憶體(OUM)    5
2-1-3 磁阻式記憶體(MRAM)    5
2-1-4 電阻式記憶體(RRAM)    6
2-2電阻轉換現象    7
2-2-1電阻轉換    7
2-2-2 Current compliance    7
2-2-3 unipolar和bipolar特性    8
2-3 電阻式記憶體材料    9
2-3-1單元金屬氧化物    9
2-3-2多元金屬氧化物    11
2-4 電阻轉換效應可能機制    13
2-4-1 燈絲理論    13
2-4-2 介面因素    18
2-6漏電流機制    20
2-6-1 Interface-Limited為主導的漏電機制    20
2-6-2 bulk-limited 漏電機制    22
第三章 實驗方法    41
3-1試片製備    41
3-1-1基板與底電極    41
3-1-2 溶液配製    41
3-1-3 薄膜鍍製參數    42
3-1-4 上電極鍍製方法    43
3-2 薄膜性質分析    44
3-2-1 薄膜晶體結構分析    44
3-2-2掃描式電子顯微鏡    44
3-2-3 原子力顯微鏡    45
3-3 電性分析    45
3-3-1　電流-電壓(I-V)量測    45
3-3-2 介電特性量測(C-V，F-sweep)    46
第四章 結果與討論    53
4-1 SZO~STO材料結構分析    53
4-1-1 X光繞射分析    53
4-1-2 SEM分析    54
4-1-3 AFM    55
4-2 unipolar 電性    56
4-2-1不同退火溫度unipolar    57
4-2-2 低阻態電流階梯式下降    62
4-2-2 以Voltage Pulse驅動電阻轉換現象    65
4-3 各阻態電流曲線漏電機制探討    66
4-3-1 原始阻態漏電分析    67
4-3-2 低阻態漏電與變溫量測    67
4-3-3高阻態漏電與變溫量測    68
4-3-4 阻態改變和漏電分析相關性探討    72
4-4介電量測    73
4-4-1阻抗＆相角    73
4-4-2 C-V量測和掃頻    74
4-5 compoliance和厚度對電阻轉換效應的影響    75
4-5-2 不同電流上限值對低阻態影響    75
4-5-2 厚度影響    78
4-6 改變上電極條件對電阻轉換的影響    79
4-6-1 鍍製Pt上電極升溫500℃    80
4-6-2高溫鍍製和常溫鍍製的介電    81
4-6-3 高溫500℃和常溫鍍製SIMS分析    81
4-6-4 高溫500℃和常溫鍍製XPS分析    82
第五章    結論    147
參考文獻    150

                                

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