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研究生:董承瑋
研究生(外文):Cheng-Wei Tung
論文名稱:鋅摻雜二氧化矽薄膜電阻式記憶體之製作與研究
論文名稱(外文):Study on fabrication and characteristics of Zn-doped SiO2 thin film resistance random access memory
指導教授:蔡宗鳴
指導教授(外文):Tsung-Ming Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料與光電科學學系研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:多靶磁控濺鍍傅立葉轉換紅外線光譜超臨界二氧化碳蕭基發射普爾-法蘭克發射電阻切換X 光光電子能譜
外文關鍵詞:memorySiO2RRAMhopping conductionFTIRXPSZinc
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本論文成功使用多靶磁控濺鍍系統共鍍出 Zn:SiO2 薄膜以形成的電阻式記憶體,以鉑(Pt)金屬作為上電極,氮化鈦(TiN)為下電極製作金屬/絕緣層/金屬(MIM)結構,發現 Zn:SiO2 薄膜所製成的元件具有電阻切換特性。
透過超臨界二氧化碳處理 Zn:SiO2 薄膜,能有效的降低操作電流。而在低電阻態(LRS)發現, Zn:SiO2 薄膜未經超臨界二氧化碳處理為類金屬的歐姆傳導(Ohmic conduction),經超臨界二氧化碳處理後,載子傳導機制由歐姆傳導(Ohmic conduction)轉變為躍遷傳導(Hopping conduction)。在高電阻態時,Zn:SiO2 薄膜未經超臨界二氧化碳處理的傳導機制為普爾-法蘭克發射(Poole-Frenkel emission),這是因為 Zn 金屬摻雜入 SiO2 薄膜內造成許多缺陷,然而經超臨界二氧化碳處理後,傳導機制由普爾-法蘭克發射(Poole-Frenkel emission)轉為蕭基發射(Schottky emission),表示薄膜缺陷得到修補。從材料分析上的 X 光光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)和傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)發現超臨界二氧化碳處理具有修補薄膜缺陷和減少懸鍵的能力,與電性量測的結果相呼應。
另一方面,在超臨界二氧化碳處理的實驗中發現躍遷傳導(Hopping conduction)能讓操作電流下降,於是將 Zn:SiO2 薄膜製作成多層結構(一層摻雜金屬一層則不摻雜,共七層結構),目的想藉由製程方式讓躍遷傳導(Hopping conduction)能自發性產生,並從歐傑電子能譜(Auger Electron Spectroscopy, AES)中發現 Zn:SiO2 薄膜確實為多層結構,從 I-V 電性分析上可以發現低電阻態(LRS)是由跳躍傳導(Hopping conduction)所主導,進一步驗證跳躍傳導(Hopping conduction)方式可藉由製程控制來達成。
一般的 I-V 量測往往會造成 Forming process 的電流過大,沒辦法觀察到中間過程,最後我們利用定電流(Constant Current)的量測法方式進行 Forming process ,順利觀察到導電路徑形成時的中間過程,也發現當操作限制電流逐漸加大時,導電途徑由不連續的路徑變成連續的導電途徑。

In this thesis, the resistance switching characteristic of Zn:SiO2 -based memory was studied. The resistive memory was fabricated by sputtering to deposit the Metal/Insulator/Metal (MIM) structure. The top and bottom layers were made by Pt and TiN respectively, and the insulator was Zn:SiO2 grown by co-sputtering with SiO2 and Zinc. We found that doping Zinc into SiO2 insulator induced the resistive switching characteristic.
By the treatment of supercritical carbon dioxide (SCCO2) in Zn:SiO2 -based device,the operation current would decrease. In the result of x-ray electron spectroscopy (XPS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) , it showed that the defects in Zn:SiO2 thin-film were reduced. And the electric conduction mechanism of low resistance state made a change from ohmic conduction to hopping conduction.
To emerge spontaneous phenomenon of hopping conduction, the memory devices were fabricated with a multi-layer structure. In Auger electron spectroscopy (AES), we found the signal of zinc, split into three different kinds of peaks, which met the multi-layer structure. From I-V sweep measurement, the multi-layer structure device could be appeared the spontaneous hopping conduction mechanism.
In order to find out the initial state of electric conduction mechanism .We measured the device of Pt/Zn:SiO2/TiN with constant current forming. We found the initial state of electric conduction path out successfully, and it’s operation current below 10 uA.

論文審定書 i
致謝 ii
中文摘要 iii
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiv
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的與動機 2
第二章理論基礎與文獻回顧 3
2-1 記憶體簡介 3
2-1-1 相變化記憶體(PRAM) 4
2-1-2 鐵電記憶體(FeRAM) 4
2-1-3 磁阻式記憶體(MRAM) 5
2-1-4 電阻式記憶體(RRAM) 7
2-2 超臨界流體簡介 8
2-2-1 關於超臨界流體 8
2-2-2 超臨界流體的應用 9
2-3 絕緣體載子傳導機制 11
2-3-1 歐姆傳導(Ohmic Conduction) 11
2-3-2 普爾-法蘭克發射(Poole-Frenkel emission) 11
2-3-3 蕭基發射(Schottky emission) 12
2-3-4 躍遷傳導(Hopping conduction) 14
第三章儀器設備介紹 15
3-1 製程設備介紹 15
3-1-1 多靶磁控濺鍍系統(Multi-Target Sputter) 15
3-1-2 超臨界流體儀器介紹 17
3-2 電性量測設備介紹 18
3-3 材料分析儀器介紹 20
3-3-1 傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) 20
3-3-2 X 光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 22
第四章實驗與結果討論 23
4-1 Zn:SiO2 RRAM 特性研究 23
4-1-1 Pt/SiO2/TiN 元件 I-V 特性 23
4-1-2 Pt/Zn:SiO2/TiN 元件之 I-V 特性 25
4-2 Zn:SiO2 薄膜材料分析 30
4-2-1 傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR)分析 30
4-2-2 X 光光電子能譜(XPS)分析 31
4-3 超臨界二氧化碳(SCCO2)處理 Zn:SiO2 薄膜之 RRAM 特性研究 32
4-3-1 Zn:SiO2 薄膜之SCCO2 處理製程 32
4-3-2 SCCO2 處理後之Pt/Zn:SiO2/TiN 元件 I-V 特性 33
4-4 SCCO2 處理後 Zn:SiO2 薄膜材料分析 37
4-4-1 傅立葉轉換紅外線光譜 (FTIR)分析 37
4-4-2 X 光光電子能譜(XPS)分析 38
4-5 SCCO2 處理前後之 Zn:SiO2 RRAM比較 39
4-5-1 I-V 特性比較 39
4-5-2 傅立葉轉換紅外線光譜(FT-IR)分析比較 44
4-5-3 X 光光電子能譜(XPS)分析比較 47
4-6 多層結構 Zn:SiO2/SiO2 RRAM 特性研究 48
4-6-1 Pt/Zn:SiO2/TiN 元件之 I-V 特性 48
4-6-2 多層 Zn:SiO2/SiO2 元件之 I-V 特性 54
4-6-3 多層 Zn:SiO2/SiO2 結構歐傑電子能譜(AES)分析 59
4-7 多層 Zn:SiO2/SiO2 與單層 Zn:SiO2 結構之特性比較 60
4-8 定電流成形(constant current forming)之 Zn:SiO2 RRAM 特性 65
4-8-1 Pt/Zn:SiO2/TiN 元件之 V-t 特性 65
4-8-2 不同限流之電阻切換特性 66
4-8-3 不同限流操作下所產生的導電途徑比較 79
第五章結論 82
參考文獻(Reference) 84


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