以常壓熱化學(xué)氣相沉積法由乙炔成長奈米碳管之研究

1、氧氣濃度對NdOx薄膜電阻式記憶體之影響劉偉呈"、鄭建民1、陳開煌21南臺科技大學(xué)電子工程系臺南市永康區(qū)南臺街一號2東方設(shè)計(jì)學(xué)院電子與資訊學(xué)系高雄市湖內(nèi)區(qū)東方路110號摘要本研究利用射頻磁控濺鍍法RF magnetron sputtering於ITO/Glass基板上通入氧氣與釹進(jìn)行反應(yīng)，沉積非當(dāng)量氧化釹NdOx 薄膜而形成NdOx/ITO/Glass結(jié)構(gòu)，並在此薄膜外表上蒸鍍鋁Al作為上電極以形成 Al/NdO x/ITO/Glass之MIM金屬/絕緣層/金屬薄膜電阻式記憶體元件。本文之主要目的為探討通入不同氧氣濃度對NdOx薄膜電阻式記憶體特性之影響並分析岀最正確的製程參數(shù)，其中

2、將使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀HP4516C針對薄膜層進(jìn)行電流對電壓I-V 特性、元件連續(xù)切換次數(shù)endurance以及電流傳導(dǎo)機(jī)制等電特性分析，最後再利用場發(fā)射掃描式電子顯微鏡FE-SEM觀察薄膜的外表形態(tài)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知當(dāng)通入4 seem氧氣時記憶體具有70次以上之最正確連續(xù)切換次數(shù)，且電阻開關(guān)比值為2，並且薄膜外表晶粒形態(tài)有著較佳的均勻性，以及呈現(xiàn)岀操作電壓約為1伏特之雙極性切換特性。關(guān)鍵字：氧化釹，電阻式記憶體，氧氣濃度The Inferences of Oxygen Concentration for the NdORandom Resistive Access Memory Thin Fi

3、lms1 1 2Liou-Wei Che ng , Chie n-Min Che ng , and Kai-Hua ng Che n1Department of Electronic Engineering, Southern Taiwan University of Science and Technology, Tainan 71005, Taiwan2Department of Electronic Engineering and Computer Science, Tung Fang Design Institute, Kaohsiung 82941, TaiwanABSTRACTIn

4、 this research, by the RF magnetron sputtering technique, nonstoichiometric NdO x thin films were deposited on the ITO/Glass substrates to form the NdO x/ITO/Glass structures. Then the Aluminum was vaporized on the NdO x thin film to be the top electrode, and the Al/NdO x/ITO/Glass (MIM; Metal/Insul

5、ator/Metal) random resistive access memories were achieved. The major goal of this paper is to investigate the inferences of different oxygen contents for the NdOx thin films and obtain the optimal fabricated parameters. Additionally, the semiconductor parameter analyzer (HP4516C) was used to analyz

6、e the I-V characteristics, switching number (endurance), and current transition mechanism. And finally, the Field-Emission Scanning Electronic Microscope (FE-SEM) was used to observe the surface of thin films. From the results, whereas injected 4 sccm oxygen concentration, the memory reveals more th

7、an 70 optimal switching number, On/Off ratio of 2, better uniform grains growth can be obtained, and bipolar switching properties for about 1 V operating voltage.KEYWORDS: NdO x, Random Resistive Access Memory, Oxygen Concentration一、前言隨著時間的改變，人類的需求也不同，科技也因應(yīng)這樣 的需求而不斷的改變進(jìn)步，演變至今，電子產(chǎn)品的體積小而 薄容易攜帶、高效能、低損耗

8、，未來的技術(shù)趨勢也會往這方 向更加進(jìn)步。對隨身可攜帶的電子產(chǎn)品最重要的局部是記憶 方面，無論在何時何地都能夠輕鬆的儲存資料，而記憶體可 分為兩種：揮發(fā)性記憶體(Volatile Memory )及非揮發(fā)性記憶 體(Non-Volatile Memory )；資料會隨著電源關(guān)閉而消失稱為 揮發(fā)性記憶體，如動態(tài)隨機(jī)存取記憶體(Dynamic RandomAccess Memory， DRAM )，反之，並不會隨著電源關(guān)閉而 使資料流失稱為非揮發(fā)性記憶體，如快閃記憶體(FlashMemory )，但面對於未來產(chǎn)品體積小、大容量，必定在製程 上進(jìn)行微縮，而快閃記憶體在這方面已經(jīng)碰上瓶頸，使得其 他記憶

9、體崛起發(fā)展，例如:鐵電隨機(jī)存取記憶體(Ferroelectric Random Access Memory， FRAM )、磁性隨機(jī)存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory， MRAM )以及電 阻式隨機(jī)存取記憶體(Resistive Random Access Memory， RRAM )等，其中以電阻式隨機(jī)存取記憶體為最有潛力，因 為它擁有讀寫速度快、結(jié)構(gòu)簡單化、單元面積小、密度高、 良好的耐久性、低耗電及非揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)1-2，未來有很大的機(jī)會能取代快閃記憶體。目前應(yīng)用於電阻式記憶體上的材料大多為過渡金屬氧 化物、鈣鈦礦氧化物、鐵磁材料和稀土材

10、料，這四種以稀土 材料的資料為最少3，此材料又可稱為 High-K材料，這種 材料擁有高熱穩(wěn)定性以及高崩潰電壓(4 MV/cm)4-6，然而 使用這類材料能有較低的操作電壓7。因此本研究利用稀土材料Nd應(yīng)用在電阻式記憶體，並探討其特性。二、實(shí)驗(yàn)方法本研究利用射頻磁控濺鍍法進(jìn)行沉積氧化釹薄膜於 ITO/Glass基板上，而基板潔淨(jìng)度對於薄膜品質(zhì)有著絕對影 響，因此實(shí)驗(yàn)開始前需要將基板清洗，清洗分為兩次清洗， 第一次以丙酮做為清洗液，第二次則異丙醇清洗，兩次皆利 用超音波震洗機(jī)震洗15分鐘，再以去離子水沖洗基板，最後 利用氮?dú)鈱⒒逋獗硭执登?，再放?00 °烘箱進(jìn)行烘烤 15分鐘，將

11、水氣徹底去除。本實(shí)驗(yàn)再進(jìn)行沉積氧化釹薄膜層 時會通入不同氧氣濃度進(jìn)而探討效率最正確者，而氧化釹濺鍍 之條件為腔體壓力20 mTorr、濺鍍功率100 W、濺鍍時間為 20分鐘，最後再利用蒸鍍(thermal evaporation )在薄膜的表 面層鍍上鋁做為上電極。本研究在物性量測是利用場發(fā)射掃 描式電子顯微鏡觀察外表結(jié)晶狀態(tài)，而電性量測方面則利用 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(HP4156C)來量測元件之電特性，如:電流 對電壓(I-V)特性、連續(xù)切換特性以及電流傳導(dǎo)機(jī)制，其流程 如圖1所示。lr潰注IKVGlas基c童上方猱上HI初性重測圖1.流程圖三、結(jié)果與討論圖2為通入不同氧氣濃度時形成之NdO

12、x薄膜外表SEM圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)這四種不同氧氣濃度的外表都非常緻密， 而外表形成的晶粒也極為明顯，均勻性的局部以氧氣濃度 4sccm最為均勻。圖3為NdOx電阻式記憶體雙極性切換特性圖，雙極性切 換特性為給予元件正偏壓(負(fù)偏壓)時阻抗從HRS轉(zhuǎn)換至LRS 此過程為Set，反之，再給予元件負(fù)偏壓(正偏壓)阻抗將從LRS轉(zhuǎn)換成HRS則稱為Reseto圖3(a)(b)(c)(d)依序?yàn)檠鯘舛?、8、12、16 seem,四種元件的Set切換電壓皆為1V左右， 4 sccm與 8 sccm元件開關(guān)比為3，而12 sccm及 16 sccm元件開 關(guān)比分別為1與2四種元件不但都能清楚判別上下阻抗也有 穩(wěn)

13、定的操作狀態(tài)。圖4所示為不同氧濃度元件進(jìn)行連續(xù)操作量測圖。圖4(a)為4sccm連續(xù)操作次數(shù)達(dá) 70次左右，開關(guān)比為 2。圖4(b)為 8sccm連續(xù)操作次數(shù)達(dá) 40次左右，開關(guān)比為 3。圖4(c)為 12sccm連續(xù)操作次數(shù)達(dá) 50次左右，開關(guān)比為1。圖4(d)為16sccm連續(xù)操作次數(shù)達(dá)40次左右，開關(guān)比為2。從四種元件 的連續(xù)操作量測圖皆可以清楚判別上下阻抗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通入氧 氣濃度為4sccm時操作次數(shù)為最正確。圖5為四種元件之電流傳導(dǎo)機(jī)制圖。圖 5(a)在SET局部，低阻抗斜率為1.01，符合歐姆傳導(dǎo)，而高阻抗斜率為1.038與1.771，分別是歐姆傳導(dǎo)及SCLC傳導(dǎo)，RESET低阻抗斜

14、率 為0.951，符合歐姆傳導(dǎo)，高阻抗斜率為0.947與2.318，分別是歐姆傳導(dǎo)和SCLC傳導(dǎo)8。圖5(b)SET低阻抗斜率為 0.982,符合歐姆傳導(dǎo)，而高阻抗斜率為1.12與1.949，分別是歐姆傳導(dǎo)及SCLC傳導(dǎo)，RESET低阻抗斜率為0.956,符合 歐姆傳導(dǎo)，高阻抗斜率為1.013與1.616,分別是歐姆傳導(dǎo)和 SCLC傳導(dǎo)，而當(dāng)偏壓隨即升高時高阻抗有一段不符合歐姆 傳導(dǎo)或SCLC傳導(dǎo)，所以另將電壓及電流值取 Ln(I)-V 1/2作圖， 圖6即是，圖中可以看到取直線呈線性關(guān)係，則此段傳導(dǎo)機(jī) 制蕭特基傳導(dǎo)9。圖5(c) SET低阻抗斜率為0.991,符合歐姆 傳導(dǎo)，而高阻抗斜率為1

15、.034,是歐姆傳導(dǎo)，RESET低阻抗 斜率為0.979,符合歐姆傳導(dǎo)，高阻抗斜率為1.061，是歐姆傳導(dǎo)。圖5(d) SET低阻抗斜率為0.967,符合歐姆傳導(dǎo)，而高 阻抗斜率為1.091,是歐姆傳導(dǎo),RESET低阻抗斜率為0.941, 符合歐姆傳導(dǎo)，高阻抗斜率為1.032，是歐姆傳導(dǎo)。4-KCEIJ1!f'P-i t士&CTIH圖2. SEM 圖()1.-r. Rf爬*io10 11J丄-4-20(<二匸 OXWQVoltage (V)(a) 4 sccm-1 & 2Voltuge (V)(b) 8sccm-2flVoltage (V)(c) 12sccm*9

16、 StiRrsrt-2 0 2Voltage (V)(d) 16sccm圖3.雙極性切換特性圖(b) SirSF：Tiirlr numhiT(c) 1 lieemM-WMLMDumber(d) 1仙ee側(cè)圖4.連續(xù)切換操作量測圖h.SfT=1i!4片 J 4卜 剛 M U 10(a) 4sccm事IIaIIHIisnti-u-ma-lsiiasu1KVFHRI5ET«-(d) 16sccmM 卓 常 <81 和 加 »圖5.電流傳導(dǎo)機(jī)制圖v“圖6. 8 sccrnB勺RESET高阻抗電流傳導(dǎo)機(jī)制圖(b) 8sccm(c) 12sccm四、結(jié)論本研究利用射頻磁控濺鍍法通

17、入氧氣與釹進(jìn)行沉積於 ITO/Glass基板上，再利用蒸鍍方式在薄膜外表鍍上鋁形成 MIM結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)主要探討氧氣濃度的不同對於NdOx電阻式記憶體之影響，並利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果選取效率最正確者。氧氣濃 度為4scc m時為最正確參數(shù)，連續(xù)切換次數(shù)可達(dá) 70次以上，且電阻開關(guān)比達(dá)50,透過SEM圖，可看岀薄膜外表形態(tài)均勻 性最正確，在I-V曲線特性圖中，氧化釹薄膜為雙極性電阻切 換特性以及操作電壓約1V,在電流傳導(dǎo)機(jī)制中也符合歐姆 傳導(dǎo)與SCLC傳導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1. W. W. Zhuang, W. Pan, B. D. Ulrich, J. J. Lee, L. Stecker, A. Burmast

18、er, D. R. Evans, S. T. Hsu, M. Tajiri, A. Shimaoka, K. Inoue, T. Naka, N. Awaya, K. Sakiyama, Y . Wang, S. Q. Liu, N. J. Wu and A. Ignatiev (2002) Novel1 Colossal Magnetoresistive Thin Film Nonvolatile Resistance Random Access Memory (RRAM), IEDM Tech. Dig. ,193-196.N. Raghavan, K. L. Pey, W. Liu, X

19、. Wua, X. Li, M.2.Bosman (2021) Microelectron. Eng ., 1628-1632.3.K. C. Liu, W. H. Tzeng, K. M. Chang, Y . C. Chan, C. C.Kuo and C. W. Cheng (2021) The resistive switching characteristics of a Ti/Gd 2O3/Pt RRAM device. Microelectronics Reliability ,50,670-673.4.S. Y. Huang, T. C. Chang, M. C. Chen, S. C. Chen, H. P.Lo, H. C. Huang, D. S. Gan, S. M. Sze and M. J. Tsai (2021) Resistive switching characteristics of Sm2O3 thin films for nonvolatile memory applications. Solid-State Electronics ,63,189-191.5. H. C. Tseng, T. C. Chang, J. J. Huang, Y . T. Chen, P. C.Yang, H. C. Huang, D. S.