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研究生: 蔡濬名
Jui-Ming Tsai
論文名稱: 氧化鋅薄膜於非揮發電阻式記憶體特性之研究
Resistance switching characteristics in ZnO thin films for nonvolatile random access memory applications
指導教授: 吳泰伯
Tai-Bor Wu
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: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 非揮發電阻式記憶體氧化鋅電阻轉換效應
外文關鍵詞: ZnO, RRAM, resistive switching, nonvolatile
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  • 隨著時代的演進,人類對於電子產品的需求量越來越大,從以前無法隨身帶著移動的電視,桌上型電腦,到現代強調可攜式的手機、智慧型個人數位助理(PDA)、數位相機、筆記型電腦等,都強調功能的多樣化,尤其是手機從單純的撥打電話到數位相機,到後來的內建視窗軟體,要處理這些複雜的功能相對對記憶體的需求量也越來越高。
    在現代減碳節能的趨勢下,資料在移除電源就會消失的揮發性記憶體就不符合需求,非揮發記憶體也慢慢成為電子產品裡的重要元件,理想的非揮發記憶體應具備結構簡單、操作速度快、操作電壓低、耐久性好、記憶時間長、非破壞性讀取等優點,不過還沒有一種非揮發記憶體可以完全達到這些條件,而且還有很多材料可以被應用在非揮發性記憶體上(電極及氧化薄膜),因此還有很大的研究空間。
    本實驗成功以rf磁控濺鍍系統(rf magnetron sputtering)鍍製出氧化鋅(002)軸向薄膜,利用XRD繞射得知薄膜為(002)軸向,SEM及TEM則發現到薄膜有類似柱狀晶的結構,並利用白金/氧化鋅/白金的三明治結構製作出RRAM電阻式記憶體元件,觀察到電阻轉換效應,發現為雙極性轉換效應(Bipolar resistance switching),再利用厚度不同的薄膜來觀察其對於電阻轉換機制有何影響,並比較其操作電壓、耐久性、記憶時間能力及高低電阻值分佈等特性,最後藉由氧氣氛下退火觀察與未退火薄膜電性的差異,試圖從中找出電阻轉換效應的轉換機制。


    目錄 目錄 I 第1章 1 第2章 文獻回顧 2 2.1 記憶體簡介 2 2.1.1 鐵電記憶體(FeRAM) 3 2.1.2 磁記憶體(MRAM) 3 2.1.3 相變化記憶體(PCRAM) 3 2.1.4 電阻式記憶體(RRAM) 4 2.2電阻式記憶體 4 2.2.1 鈣鈦礦氧化物型電阻式記憶體 4 2.2.2 鋯酸鍶型電阻式記憶體 5 2.2.3 有機物型電阻式記憶體 6 2.2.4 過度金屬氧化物型電阻式記憶體 6 2.2.4.1 電阻轉換效應機制 7 A. 燈絲理論 7 B. Conducting path 8 C. Charge-trap in small domains 8 第3章 實驗方法與步驟 20 3.1 基板的準備 20 3.2 氧化鋅靶材的製作 20 3.3 氧化鋅薄膜的製備 21 3.4 Pt上電極的製備 21 3.5 爐管熱處理 22 3.6 薄膜量測分析 23 3.6.1 薄膜結構及結晶性分析 23 3.6.2 薄膜厚度及微觀結構分析 23 3.6.3. 薄膜成分分析 23 3.6.4 電性分析 23 第4章 結果與討論 25 4.1 薄膜特性分析 25 4.1.1 薄膜結晶性分析 25 4.1.2 薄膜厚度及微結構分析 26 4.1.2薄膜成分分析 29 4.2 薄膜電性探討 31 4.2.1 不同薄膜厚度對電性的影響 31 4.2.1.1 膜厚200 nm 32 A. 基本IV圖特性 32 B. 改變限制電流的影響 33 C. 薄膜耐用度測試(endurance test) 35 4.2.1.2 膜厚100 nm 39 A. 基本IV圖特性 39 B. 改變限制電流的影響 41 C. 薄膜耐用度測試(endurance test) 42 4.2.1.3 50 nm 46 A. 改變限制電流的影響 46 B. 薄膜耐用度測試(endurance test) 48 4.2.1.3 25 nm 52 A. 改變限制電流的影響 52 B. 薄膜耐用度測試(endurance test) 53 4.2.1.5 綜合比較 57 A. 初始狀態(initial state)及forming voltage 57 B. IV圖比較 58 C. 薄膜耐久度測試(endurance test)電阻分佈比較 60 D. reset操作電壓分佈比較 61 E. 各厚度高低阻值平均、標準差及比例 62 F. 各厚度操作電壓比較 63 G. 各厚度reset電流比較 65 H. 記憶時間測試 65 I. 電阻轉換機制討論 68 4.2.2 25 nm進階測試 68 4.2.2.1 小電流範圍改變限制電流的影響 68 4.2.2.2 小限制電流耐久度測試 72 4.2.3 退火處理對於電性的影響 76 4.2.3.1 XRD比較 76 4.2.3.2 記憶時間測試 76 4.2.3.3 初始狀態(initial state)及forming voltage 78 4.2.3.4 退火後試片耐久度測試 79 4.2.3.5 退火後試片小電流範圍改變電流限制的影響 83 4.2.4 電阻轉換機制討論 85 第5章 結論 90 第6章 參考文獻 92

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