臺灣博碩士論文加值系統

近年來，三氧化二釓被應用在次世代的電阻式隨機存取記憶體，而此記憶體上電極的材料被深入探討研究，因為具有不同的電阻態轉換特性以及機制上的差異。
在本實驗中，在三氧化二釓電阻式記憶體中探討對於不同的鉑鋁合金上電極材料成分組成與後金屬熱退火處理溫度高低的特性。雙極特性在電壓-電流曲線中可以得知，其電阻態轉換操作可能是由上電極與介電層之界面的氧空缺所主導，高阻態阻值被發現增加是由於鋁元素擴散進界面形成氧化鋁而蕭特基能障高度變高的關係，另外因為在界面形成一層氧化鋁，可以有效的阻止氧離子經由上電極的晶界往外擴散，而能使讓其數據保存時間變長。
為了去改善且提高一開始的量測的良率，去增加上電極與介電層的界面內所含可移動氧離子，是利用後金屬熱退火通入不同的氣體去達成這件事，確實也發現良率提高了。

Recently, gadolinium oxide has been proposed to be applied in the resistive switching random-access memory (RRAM). It exhibits different resistive switching properties depending on the properties of electrodes.
In this work, the characteristics of gadolinium oxide resistive switching memory with different component of Pt-Al alloy electrode and post-metallization annealing (PMA) were investigated. The current-voltage (I-V) characteristics demonstrate the bipolar resistance switching behavior of all samples. This can be responsible for the oxygen vacancies induced resistance switching between the Pt-Al alloy/GdxOy interface. The more Al diffused into the GdxOy resistive switching film will result in the formation of thicker interface domain on the interface, which will contribute to the increase of Schottky barrier height and the resistance of HRS.
Moreover, the retention characteristics of the GdxOy RRAM with Pt-Al alloy electrode were significantly improved owing to the formation of interface domain between the Pt-Al alloy/GdxOy interface to prevent the oxygen ions from out-diffusing through Pt grain boundary to atmosphere.
In order to increase the quantity of movable oxygen ions on the interface to improve the yield and electrical characteristic, PMA with different gas was applied.

目錄
誌謝 ...........................................iv
中文摘要 ...........................................v
Abstract ...........................................vi
目錄 ...........................................vii
圖目錄 ...........................................x
第一章 簡介 ........................................... 1
1.1 背景 ............................................. 1
1.2 次世代記憶體 ...................................... 1
1.2.1 鐵電隨機存取式記憶體 ............................... 2
1.2.2 磁阻式隨機存取記憶體 ............................... 3
1.2.3 相變化記憶體 .......................................4
1.3 電阻式記憶體之相關介紹 ................................ 5
1.3.1 電阻式記憶體之材料選擇 .............................. 5
1.3.2 電阻式記憶體之基本操作 .............................. 7
1.4 研究動機............................................. 9
1.5論文結構.............................................. 9
第二章 調變上電極之鉑鋁合金比例在三氧化二釓電阻式記憶體特性之研究探討 ..................................................... 22
2.1簡介 ................................................ 22
2.2實驗 ................................................ 22
2.2.1 下電極及基板的製備 ................................. 23
2.2.2 介電層三氧化二釓(Gd2O3)的沉積 ....................... 23
2.2.3 上電極的製備 ....................................... 23
2.2.4 後金屬熱退火處理.................................... 24
2.3結果與討論............................................. 24
2.3.1 鉑鋁(5%)合金上電極在電阻式記憶體之特性 .............. 24
2.3.2鉑鋁(10%)合金上電極在電阻式記憶體之特性 ............. 28
2.3.3 比較純鉑與鉑鋁合金上電極在電阻式記憶體之特性探討 ................................................... 31
2.4摘要 .............................................. 32
第三章 調變不同熱退火氣體與溫度去改善鉑鋁合金上電極之三氧化二釓電阻式記憶體 介 ................................................... 57
3.2實驗 .............................................. 58
3.2.1 下電極及基板的製備 ............................... 58
3.2.2 介電層三氧化二釓(Gd2O3)的沉積 .................... 58
3.2.3 上電極的製備 .................................... 58
3.2.4 後金屬熱退火處理................................. 59
3.3結果與討論......................................... 59
3.4摘要 .............................................. 64
第四章 結論與未來展望 .................................. 85
viii
4.1本篇研究的結論 ..................................... 85
4.2未來展望........................................... 85
參考文獻 ............................................. 87
-
圖目錄
第一章
圖1-1鐵電材料結構[3]…………………………………..………. ……11
圖1-2磁滯曲線[4]……………………………...……………………….11
圖1-3磁阻式記憶體的高低阻態 [5]……………………….………….12
圖1-4電子的自旋方向相同，記為"1"[6]. ………. ……………………13
圖1-5電子的自旋方向相反，記為"0"[6]………………………..……13
圖1-6相變化記憶體示意圖[8]……. ………………………………….14
圖1-7相變化記憶體操作原理[9].…………………………….………..14
圖1-8：相變化記憶體晶相示意圖[7] ………………………….………15
圖1-9 燈絲理論示意圖[12] …………………………………………...16
圖1-10電阻式記憶體電路元件圖：（a）1D1R，（b）1T1R[13] …………16
圖1-11：交叉堆疊結構和電阻式記憶體(RRAM)示意圖[14] ………17
圖1-12鈣鈦礦結構示意圖[23] ………………………………………..17
圖1-13(a)低阻態(b)高阻態的TEM[24] ………………………………18
圖1-13(c)Set(d)Reset的機制圖[25] …………………………………...18
圖1-14鈣鈦礦結構的I-V操作特性圖[24] ……………………………19
圖1-15 NiO 藉由設定不同限流之單極性轉換圖[31] ……………….19
圖1-16 Set、Reset、Forming圖[36] ……………………………………20
圖1-17 unipolar示意圖[37] ……………………………………………20
圖1-18 bipolar示意圖[36] …………………………………………….21
圖1-19 nonpolar示意圖[39] …………………………………………..21
第二章
圖2-1實驗流程………………………………………………………....33
圖2-2結構圖………………………..…………………………………..34
圖2-3 TEM分析顯示實際厚度………………………………………..34
圖2-4 EDX分析顯示鋁在合金內含量大約佔百分之五…….……......35
圖2-5鉑鋁合金上電極之I-V特性曲線…………………….…………35
圖2-6高阻態之分佈……………………………………………………36
圖2-7低阻態之分佈……………………………………………………36
圖2-8高低阻態之阻值比………………………………………………37
圖2-9 蕭特基發射(Schottky emission)之電流機制關係圖，PMA 10分鐘 300~400度……………………………………………….………….37
圖2-10 顯示斜率為一的關係代表低阻態為歐姆機制……….………38
圖2-11高阻態轉換低阻態所需電壓分布圖………………….……….39
圖2-12低阻態轉換高阻態所需電壓分布圖…………………………..39
圖2-13PMA 300度之XPS分析氧1S軌域……………………………40
圖2-14 PMA300~400度non-lattice peak面積…………………………40
圖2-15 鋁5%所有元件的時間retention………………………………41
圖2-16鋁5%所有元件的溫度retention………………………………41
圖2-17 SIMS分析溫度與鋁含量的關係………………………………42
圖2-18 顯示溫度的調變元件能操作次數多寡……………….………42
圖2-19 EDX分析顯示鋁在合金內含量大約佔百分之十…….………43
圖2-20 鋁10%之IV特性曲線…………………………………………43
圖2-21高阻態分佈圖………………………………………..…………44
圖2-22低阻態分佈圖…………………………………………..………44
圖2-23 阻值比分佈圖…………………………………………………45
圖2-24PMA溫度之蕭特基能障高度差別…………………….……....45
圖2-25 低阻態是歐姆機制主導……………………………….………46
圖2-26 高阻態轉低阻態操作電壓分佈……………………….………47
圖2-27低阻態轉高阻態操作電壓分佈……………………………….47
圖2-28 PMA 300度之XPS分析氧1S軌域……………………………48
圖2-29 PMA300~400度non-lattice peak面積…………………………48
圖2-30鋁10%所有元件的時間retention………………………………49
圖2-31鋁10%所有元件的溫度retention………………………………49
圖2-32顯示溫度的調變元件能操作次數多寡………………..………50
圖2-33 PMA400度操作次數達到一千次………………….………….50
圖2-34不同上電極材料之阻態分佈……………………………….....51
圖2-35不同上電極之蕭特基能障高度特性…………………………..51
圖2-36 歐姆機制特性…………………………………………………52
圖2-37 不同上電極之操作電壓分佈…………………………………52
圖2-38 數據保存時間之比較…………………………………………53
圖2-39數據在高溫保存力…………………………………………….53
圖2-40純鉑上電極示意圖…………………………………………….54
圖2-41鉑鋁合金上電極示意圖……………………………………….55
圖2-42不同上電極之操作次數………………………………………..56
第三章
圖3-1實驗流程…………………………………………………………65
圖3-2 結構圖……………………………………………….…………..66
圖3-3 PMA300度之IV特性曲線…………………………….………..66
圖3-4 PMA350度之IV特性曲線…………………………….……….67
圖3-5 PMA400度之IV特性曲線………………………….………….67
圖3-6 PMA通氮氣各個溫度的良率…………………………..……….68
圖3-7 PMA通氮氧氣各個溫度的良率……………………….……….68
圖3-8 PMA通氧氣各個溫度的良率……………………………….......69
圖3-9 PMA300度每種氣體的良率……………………………………69
圖3-10 PMA350度每種氣體的良率…………………………………..70
圖3-11 PMA300度每種氣體的良率…………………………………..70
圖3-12 同溫度不同條件高阻態阻值分佈比較………………………71
圖3-13同溫度不同條件低阻態阻值分佈比較………………………..71
圖3-14同溫度不同條件阻值比分佈比較……………………………..72
圖3-15同溫度不同條件Set電壓分佈比較……………………………72
圖3-16同溫度不同條件Reset電壓分佈比較…………………………73
圖3-17同條件不同溫度高阻態阻值分佈比較………………………..73
圖3-18同條件不同溫度低阻態阻值分佈比較………………………..74
圖3-19同條件不同溫度阻值比分佈比較…………………………….74
圖3-20同條件不同溫度Set電壓分佈比較………………………......75
圖3-21同條件不同溫度Reset分佈比較………………………………75
圖3-22 PMA300度高阻態蕭特基發射………………………………..76
圖3-23 PMA350度高阻態蕭特基發射………………………………..76
圖3-24 PMA400度高阻態蕭特基發射………………………………..77
圖3-25 PMA300度低阻態歐姆機制………………………………….77
圖3-26 PMA350度低阻態歐姆機制………………………………….78
圖3-27 PMA400度低阻態歐姆機制………………………………….78
圖3-28 PMA300度數據保存時間比較……………………………….79
圖3-29 PMA350度數據保存時間比較……………………………….79
圖3-30 PMA400度數據保存時間比較……………………….……….80
圖3-31 PMA300度數據保存溫度比較……………………………….80
圖3-32 PMA350度數據保存溫度比較…………………….………….81
圖3-33 PMA300度數據保存溫度比較…………………….…………..81
圖3-34 氮氣不同溫度經過10次數據保存時間比較………………...82
圖3-35氧氣不同溫度經過10次數據保存時間比較………………….82
圖3-36氮氧氣不同溫度經過10次數據保存時間比較………………83
圖3-37 PMA300度操作次數比較……………………………………...83
圖3-38 PMA350度操作次數比較………………………………….......84
圖3-39 PMA400度操作次數比較……………………………………...84

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