氧化鉭與氧化鋅雙層結構電阻式記憶體性質之研究

  • 詹 盛安

學生論文: Master's Thesis

摘要

在傳統的電阻式記憶體當中,元件的主動層通常是單層材料(single oxide layer),但是單層材料的主動層無法滿足現今微縮化製程所需的多?能需求。因此在近年來有?多人投入了雙層主動層(bilayer oxide)的研究領域,希望能夠藉由兩種不同材料的特性結合來達到所需的?能並改善元件的性質,但對於雙層主動層的電阻轉換機制與電性表現的關係鮮有探討。 本實驗以磁控濺鍍法鍍製氧化鉭(TaOx)薄膜和以旋轉塗佈的方式製備溶液法合成的氧化鋅奈米顆粒(ZnO)薄膜,分別製作單層主動層元件: Ta/TaOx/Pt和Ta/ZnO/Pt;以及雙層主動層元件: Ta/TaOx/ZnO/Pt和Ta/ZnO/TaOx/Pt。藉由電性的表現與材料分析的結果嘗試探討電阻轉換機制。 在電性量測方面,利用精密半導體參數分析儀(Agilent 4156 C)量測電阻式記憶體元件的電流-電壓特性曲線及統計各元件電阻轉換時的寫入電壓(Vset)、寫入電流(Iset)、抹除電壓(Vreset)、抹除電流(Ireset)以及抹除?率(Preset)的結果並計算各電阻轉換參數的標準差值。在材料分析方面,利用穿透式電子顯微鏡鑑定各元件薄膜厚度和結晶情況與觀察界面平整度,利用X-ray繞射分析儀鑑定ZnO的晶體結構,利用X光光電子能譜儀(XPS)鑑定Ta/TaOx/ZnO/Pt和Ta/ZnO/TaOx/Pt元件在Ta/TaOx、Ta/ZnO、TaOx/ZnO、ZnO/TaOx界面處Ta的價數。最後利用同步輻射X光來分析Ta/TaOx/Pt與Ta/ZnO/Pt兩種不同元件的O K-edge吸收圖譜隨著入射光角度改變的變化。 由電性分析的結果顯示,Ta/ZnO/Pt元件不具電阻轉換行為,且元件的初始狀態為低電阻態。Ta/TaOx/Pt、Ta/TaOx/ZnO/Pt和Ta/ZnO/TaOx/Pt元件皆具有電阻轉換的行為,且元件初始的狀態皆為高電阻態,元件操作的特性皆有正偏壓寫入、負偏壓抹除以及負偏壓寫入、負偏壓抹除的行為。從元件I-V特性的比較,Ta/TaOx/Pt元件在負偏壓抹除之後於高阻態的電流最小,而Ta/TaOx/ZnO/Pt元件於高阻態的電流最大。在正偏壓寫入、負偏壓抹除的方式下掃描元件,統計的結果顯示,Ta/TaOx/Pt元件具有最大的平均寫入電壓(Vset),其值為3 77 V,Ta/TaOx/ZnO/Pt元件有最小的平均寫入電壓,其值為3 03 V。由寫入電壓(Vset)、寫入電流(Iset)、抹除電壓(Vreset)、抹除電流(Ireset)以及抹除?率(Preset)所計算的標準差結果,Ta/TaOx/Pt元件所有電阻轉換參數的標準差皆為最小,Ta/TaOx/ZnO/Pt元件的標準差皆為最大。 在材料分析方面,由TEM橫剖面影像圖的結果觀察到Ta/TaOx/ZnO/Pt元件在Ta/TaOx與TaOx/ZnO界面都相當不平整,Ta/ZnO/TaOx/Pt元件在Ta/ZnO和ZnO/TaOx界面較為平整,TEM與X-ray繞射分析結果顯示ZnO薄膜為多晶結構。從XPS縱深分析及能譜分峰來看,Ta 4f的分峰結果顯示Ta/TaOx/ZnO/Pt元件與Ta/ZnO/TaOx/Pt元件在TaOx內部皆有Ta2+、Ta4+和Ta5+的化學鍵結能態,在Ta/TaOx/ZnO/Pt元件中,Ta5+的含量在TaOx/ZnO界面處為最高,其比例為47 5%,在Ta/TaOx界面處為最低,其比例為31 9%;在Ta/ZnO/TaOx/Pt元件中,Ta5+的含量在ZnO/TaOx界面為最高,其比例為51 5%,Ta/ZnO界面為最低,其比例為35 7%。從O 1s的分峰結果顯示,兩組元件的ZnO內部的氧空缺濃度皆比TaOx內部的氧空缺濃度大。最後XAS的分析結果觀察到Ta(20 nm)/TaOx/Pt結構的O K-edge的吸收圖譜在Ta/TaOx界面處有兩層不同氧含量的界面存在。 從電性分析的結果與材料分析的結果,我們建立了氧空缺移動的電阻轉換機制模型來解釋Ta/TaOx/Pt、Ta/TaOx/ZnO/Pt與Ta/ZnO/TaOx/Pt元件在高電阻態的電流大小與電阻轉換參數的差異。
獎項日期2015 七月 17
原文Chinese
監督員Jen-Sue Chen (Supervisor)

引用此

氧化鉭與氧化鋅雙層結構電阻式記憶體性質之研究
盛安, 詹. (Author). 2015 七月 17

學生論文: Master's Thesis