本實驗成功以DC磁控濺鍍系統(DC magnetron sputtering) 改變濺鍍功率、基板溫度及氮氧比值鍍製出氮氧化鈦薄膜，利用UV-VIS得知薄膜透光率為80%，TEM繞射圖與XPS分析發現薄膜有內含有微量的TiN，並利用Pt/TiOxNy/Pt的MIM結構製做出RRAM的電阻式記憶體元件，觀察電阻轉換特性，發現薄膜具雙極性轉換特性，探討其對於電阻轉換特性的影響，比較操作電壓、耐久性、記憶時間及高低阻值比等特性。

In this study, TiOxNy thin-film were prepared under different conditions by DC magnetron sputtering. UV-VIS was applied to transmittance of 80 percentage of TiOxNy thin film. The X-ray photoelectron spectroscopy proved the valence variation of Ti, accompanied by the introduction of nitrogen ions. The bipolar resistance switching characteristics of MIM devices of Pt/TiOxNy/Pt RRAM. The resistance ratio between two memory states is about four orders of magnitude, which is stable over 104 s at 0.3 V stress of TiOxNy devices.

目　錄
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中文摘要 iv
英文摘要 v
誌謝 vi
目錄 vii
表目錄 x
圖目錄 xi
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 2
2.1記憶體簡介 2
2.1.1相變化隨機存取記憶體(PCRAM) 3
2.1.2磁性隨機存取記憶體(MRAM) 4
2.1.3鐵電隨機存取記憶體(FeRAM) 6
2.1.4電阻式隨機存取記憶體(RRAM) 8
2.2電阻式記憶體材料與種類 8
2.2.1多元素金屬氧化物材料 8
2.2.2高分子材料 9
2.2.3單元過渡金屬氧化物材料 10
2.3電阻轉換現象種類之介紹 11
2.4阻抗轉換機制之分類 12
2.5常見阻抗轉換現象的I-V量測方式 15
2.6介電薄膜之電傳導 18
2.6.1 Schottky emission 19
2.6.2 Poole-Frenkel emission 20
2.6.3 Tunneling Effect穿隧效應 21
2.6.4離子傳導電流 22
2.6.5空間電荷限制電流(SCLC) 22
2.7濺鍍 23
2.7.1電漿的產生 23
2.7.2濺鍍原理 23
2.7.3反應性濺鍍原理 24
2.7.4直流濺鍍(DC sputtering) 24
2.7.5射頻濺鍍(RF sputtering) 25
2.8薄膜的成長 26
2.8.1薄膜成長過程 26
2.8.2薄膜成長樣式 26
第三章 實驗設備介紹 29
3.1製程設備 29
3.1.1濺鍍系統 32
3.2薄膜分析儀器 34
3.2.1表面輪廓量測儀 34
3.2.2 XRD薄膜結構分析 34
3.2.3 UV-Vis光學性質分析 35
3.2.4四點探針(4-point Probe) 35
3.2.5 I-V電性分析 35
3.2.6原子力顯微鏡(AFM) 36
3.2.7 FE-SEM薄膜材料分析 38
3.2.8穿透式電子顯微鏡(TEM) 38
3.3實驗步驟與方法 39
3.3.1試片製備 39
3.4實驗參數 40
第四章 結果與討論 42
4.1改變濺鍍功率之TiOxNy薄膜特性研究 42
4.1.1濺鍍功率對薄膜結構之影響 39
4.1.2濺鍍功率對薄膜表面形貌之影響 43
4.1.3濺鍍功率對薄膜光學特性之影響 44
4.1.4濺鍍功率對薄膜電學特性之影響 46
4.1.5濺鍍功率之漏電機制分析 47
4.2改變基板溫度之TiOxNy薄膜特性研究 51
4.2.1基板溫度對薄膜結構之影響 51
4.2.2基板溫度對薄膜表面形貌之影響 52
4.2.3基板溫度對薄膜光學特性之影響 53
4.2.4基板溫度對薄膜電學特性之影響 55
4.3改變氮氧比值之TiOxNy薄膜特性研究 59
4.3.1氮氧比值對薄膜結構之影響 51
4.3.2氮氧比值對薄膜表面形貌之影響 51
4.3.3氮氧比值對薄膜光學特性之影響 51
4.3.4氮氧比值對薄膜成份之影響 63
4.3.5氮氧比值對薄膜電學特性之影響 65
4.4 TEM影像分析 71
4.3.5基板溫度對TEM影像分析之影響 71
4.3.5氮氧比值對TEM影像分析之影響 72
第五章 結論 73
參考文獻 74

表目錄
表3-1 TiOxNy薄膜改變濺鍍功率 40
表3-2 TiOxNy薄膜改變基板溫度 40
表3-3 TiOxNy薄膜改變氮氧氣比 41
表4-1 成份分析(XPS) 64

圖目錄
圖2.1 PCRAM的(a)元件示意圖及(b)操作示意圖 3
圖2.2 磁阻式隨機記憶體(MRAM)的結構示意圖 5
圖2.3 MRAM讀取機制示意圖 5
圖2.4 MRAM讀取輸入電壓示意圖 5
圖2.5 材料內自發極化 7
圖2.6 電滯曲線 7
圖2.7 BST薄膜兩種電阻轉換特性 9
圖2.8 Poly薄膜電阻轉換特性 10
圖2.9 ZrOx薄膜電阻轉換特性與耐久度測試 10
圖2.10 (a)單極阻抗交換圖；(b)雙極阻抗交換圖 11
圖2.11 (a)燈絲導電路徑示意圖；(b)界面形式傳導路徑示意圖 12
圖2.12 單極電阻轉換機制之阻抗交換過程示意圖 13
圖2.13 雙極電阻轉換機制之阻抗交換過程示意圖 13
圖2.14 單極電阻轉換機制之燈絲理論示意圖 14
圖2.15 雙極電阻轉換機制之電化學示意圖 14
圖2.16 電流上限值的種類 16
圖2.17 不同電流上限值量測之阻值比 16
圖2.18 以I-V sweeping方式量測耐久度 17
圖2.19 輸入不同脈波寬度量測之阻抗交換現象 17
圖2.20 施予0.3V量測10000秒之高低阻態曲線圖 18
圖2.21 MIM結構中Schottky emission傳導模型 19
圖2.22 Poole-Frenkel emission傳導模型 20
圖2.23 MIM結構中(a) F-N穿隧 (b)直接穿隧之傳導模型 21
圖2.24 濺鍍示意圖 23
圖2.25 直流濺鍍示意圖 24
圖2.26 射頻濺鍍示意圖 25
圖2.27 薄膜成長示意圖 26
圖2.28 島狀成長樣式示意圖 2
圖2.29 層狀成長樣式示意圖 27
圖2.30 混合成長樣式示意圖 28
圖2.31 薄膜成長時之表面、界面能示意圖 28
圖3.1 元件製備流程圖 30
圖3.2 薄膜分析流程圖 31
圖3.3 輪廓儀工作原理示意圖 34
圖3.4 布拉1格定理 35
圖3.5 AFM接觸式、非接2觸式、輕敲式作用力與距離的關係 37
圖3.6 接觸式顯微儀系統架構圖 37
圖3.7 TEM裝置其分析原理示意圖 38
圖4.1 不同濺鍍功率之TiOxNy薄膜X光繞射分析 42
圖4.1 TiOxNy薄膜3D表面形貌圖及濺鍍功率與粗糙度之關係圖 43
圖4.3 薄膜透光率 44
圖4.4 吸收係數與Eg之關係圖 45
圖4.5 Eg與濺鍍功率之關係圖 45
圖4.6 Pt/TiOxNy/Pt元件之I-V曲線 46
圖4.7 高低電阻與濺鍍功率之關係圖 47
圖4.8 開關電壓與濺鍍功率之關係圖 47
圖4.9 改變濺鍍功率，TiOxNy元件5000秒stress之高低阻值關係圖 48
圖4.10 I-V圖 50
圖4.11 不同基板溫度之TiOxNy薄膜X光繞射分析 51
圖4.12 TiOxNy薄膜3D表面形貌圖及粗糙度與基板溫度之關係圖 53
圖4.13 不同基板溫度對薄膜透光特性的影響 53
圖4.14 吸收係數與Eg之關係圖 54
圖4.15 Eg與基板溫度之關係圖 54
圖4.16 Pt/TiOxNy/Pt元件之I-V曲線 55
圖4.17 高低電阻與基板溫度之關係圖 56
圖4.18 開關電壓與基板溫度之關係圖 56
圖4.19 基板溫度之TiOxNy元件5000秒stress之高低阻值關係圖 57
圖4.20 I-V圖 58
圖4.21 不同氮氧比值之TiOxNy薄膜X光繞射分析 59
圖4.2 TiOxNy薄膜(a) 3D表面形貌圖及(b)粗糙度與氮氧比值之關係圖 60
圖4.23 薄膜透光率 61
圖4.24 吸收係數與Eg之關係圖 62
圖4.25 Eg與氮氧比值之關係圖 62
圖4.26 改變氮氧比值成份分析fitting 63
圖4.27 Pt/TiOxNy/Pt元件之I-V曲線 66
圖4.28 高低電阻氮氧與氮氧比值之關係圖 66
圖4.29 開關電壓與氮氧比值之關係圖 6
圖4.30 氮氧比值TiOxNy元件5000秒stress之高低阻值關係圖 68
圖4.31 I-V圖 69
圖4.32 改變氮氧比值之(a)脈衝偏壓波型與(b)耐久測試圖 70
圖4.33 TEM結構分析(基板溫度) 71
圖4.34 TEM結構分析(氮氧比值) 72

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