电子三乙黄奕钧D997332专题周记系统-逢甲大学.PDF

逢甲大學電子工程學系 101學年度畢業專題 軟性電阻式記憶體材料評估及特性研究 專 題 生： 電子三乙 黃奕鈞（ D9973324 ） 電子三乙 許嘉修（ D9978572 ） 指導老師：林成利老師 中 華 民 國 1 0 2 年 1 0 月 2 1 日 一、 專題報告 進度 電阻式記憶體的元件特性 1.1 電阻式記憶體元件簡介 電阻式記憶體屬於非揮發式記憶體，主要是利用本身電阻值的可變及可維持特 性來輸出訊號。其主要結構分成三層，上電極、絕緣層和下電極可以合稱 Metal-Insulator-Metal(MIM)結構，元件的操作方式是將上下電極施加電壓，使電 流流過絕緣層，當牙值捯到一定數值時，電阻值得以改變，此改變具有可逆性， 故可以施加一個反向電壓使電阻值回復原本的值。電阻值可以分成高阻態(HRS) 和低阻態(LRS) ，當施加電壓達到某值使電阻值從HRS 變成LRS ，此過程稱為set 而 電壓值稱為set voltage ；由LRS 轉變成HRS 此過程稱為reset 而電壓值稱為reset voltage 。 由不同的材料所組成的記憶體有不同的特性，可以從電壓電流的特性將記憶體 的特性分成單極性操作(Unipolar)和雙極性操作(Bipolar) ，而絕緣層內的電流傳導 機制的不同也將會影響記憶體的特性。 1.1.1 單極性操作電阻式記憶體(缺圖找) 單極性操作將一端電極接地，另一端加電壓，且不需改變極性方向，初始阻態 是高阻態，當施加電壓到一定的值時，氧空缺會在絕緣層內形成燈絲通道，電阻 值會從高阻態轉成低阻態，此時會產生一個極大的電流稱為崩潰(Breakdown) ， 為防止元件損毀，通常會設置一個限制電流；當低阻態時持續施加電壓，電壓到 達一定值時會絕緣層的燈絲通道會斷裂，此時阻態會由低阻態轉成高阻態。 1.1.2 雙極性操作電阻式記憶體(缺圖找) 雙極性操作是藉由電極方向的改變達成電阻的切換，先將一端電極施加偏壓， 當完成set 後，將原本的電壓逐漸縮小並施加一個反向的偏壓，直到reset 完成。 出來的I-V 曲線圖set 與reset 應在相反方向 1.2 電阻轉換現象機制 目前已經有很多不同的電極換介電層的組合搭配形成的元件，由於鍵電層和金 屬的結構和材料特性不同，使電阻的轉換機制也有所不同，以下將介紹導電機制 與電阻轉換機制 1.2.1 焦耳熱效應(畫) 此效應用來解釋Unipolar 時轉換機制 ，在通道還沒形成時屬於HRS ，這時電 流比較小便是半導體中的漏電流；當通道形成後電阻態轉為LRS ，會突然有大電 流流通，為了防止元件損毀通常會加限制電流，當介電層內的導電通道會因大電 流通過造成焦耳熱，便會從通道最脆弱的地方開始斷裂，應此LRS 轉變回HRS 。 由於第一次要形成完整的燈絲通道需要較大的電壓 ，這成為forming process ；而 要進行之後的set 過程時因為只需將reset 時斷開部分重新連結，所以只需要較 小的電壓 。 1.2.2 金屬離子電化效應(畫) 此效應用來解釋Bipolar 時轉換機制，當施加電壓時陽極的金屬會發生氧化反 應，陰極則會發生還原反應，當陽極的金屬離子到陰極還原成金屬原子，堆積在 介電層中，當堆積形成通道連結上下電極時HRS 將轉為LRS ，當施加偏壓後，連 結兩端電極的金屬園子開始發生氧化反應 ，導致通道斷裂，從LRS 轉為HRS 。 1.3 導電機制介紹 1.3.1 歐姆電流(Ohmic current) Ohmic condution是在施加電場下，使熱電子在從缺陷中跳躍，當I-V 曲線圖取 lnI-lnV時斜率為一，即為歐姆傳導，可以利用傳統之電流關係J=qunE 。q 為單位 電荷量、u 為載子遷移率、n 為載子濃度、E 為外加電場。一般來說介電薄膜材 料與電極的接觸不容易形成歐姆接觸，但是如果介電薄膜材料的能帶彎曲在電極 附近，接面足夠陡峭，則接面附近之載子可以透過載子的穿隧來傳導。 1.3.2 空間限制電荷(spa