樣品製備

第三章實驗過程

3.1 樣品製備

此次實驗中我們所使用的製程器材包含:高頻清洗機、蒸鍍系統(HPVD-350)、

高真空多靶材式磁控電漿濺鍍系統(型號 KD-SPUTTER、序號 W-27H09)。量測器材則分別為可程式數位電錶(KEITHLEY)、HP(HEWLETT PACKARD)4284A，基板是使用

圖 4-0-1 有氧碳 0.6nmRRAM 之 I-V 曲線

而後在本研究中 SET 過的樣品所繪製的電性圖在電壓及電流都取 Log 以後，

再次繪製成圖時會有兩段的趨勢，斜度較高(直線斜率接近 2)的部分遵守空間電荷限制電流傳導，而斜度較低(直線斜率接近 1)的部分則遵守歐姆定律，這象徵著電流在內部流通時的傳導方式。

以上為筆者在進行論述不同溫度及製程環境氣體變化會對 RRAM 造成什麼影響之前，先行對實驗樣品的探討和相關背景知識的補足描述，而後將說明溫度和氣體造就的影響及電性方面的分析討論，而關於 4284A 的阻抗測量，也同樣會以附圖的方式把一些觀察到的現象在進行整理討論後，寫在電性分析討論後才進行描述。

4.1 常溫無氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

下圖 4-1-1 為在常溫下製作的 RRAM 電性圖，由可穩定進行開關行為的樣品 (可進行 100 次開關測試實驗)測量中取出，可看出此樣品的 Set 現象是處於在較後段位置才有，推論是內部燈絲雖然大體形成了，但富氧層並沒有因為開關行為出現太大的變化，所以開關行為是由富氧層及有燈絲通路的氧化鋅層之間的一小塊區域的燈絲斷裂/重組來主導的，也因此開關現象才會不是很明顯。而在 RESET 方面直線部分長度與 SET 部分有著相似的斜率，因此推論此樣品內部進行開關的部分確實是在同樣的區塊有著相似的範圍。

圖 4-1-1 常溫無氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

在將電性圖取 Log 後(圖 4-1-2)，發現中間有個凹槽存在，我們推測那可能是在內部的碳跟鋁的接面處所導致的(根據之後阻抗分析發現介面確實會對樣品開關時所需電壓(流)產生影響)，而後根據這張圖我們可以發現斜率基本上並沒有相差太多，還都是在可用歐姆傳導來解釋的範圍之內。

圖 4-1-2 常溫無氧碳 1nm 厚度 RRAM 取 LOG 後的 I-V 曲線

下圖 4-1-3 為在常溫下製作的 RRAM 的電性變化示意圖，為避免過於圖片內容過於雜亂，由可穩定進行開關行為的樣品(可進行 100 次開關測試實驗)中，每十進位取一次數據的方式，繪製而成(之後的常溫有氧 RRAM 樣品也是採取相同的方式來處理)。可看出除了第一次與最後一次，大部分可供讀寫的開關都約在兩者之間遊蕩，可得知內部燈絲通路是穩定的形成，而在進行開關變化的過程上大致是相似的，而後會漸漸的趨向富氧層的消散而無法再進行讀寫。

圖 4-1-3 常溫無氧碳 1nm 厚度 RRAM 電性變化示意圖

圖 4-1-4 為在常溫下製作的 RRAM 的開關電阻變化示意圖，如圖所示高低電阻的數值的差別並不是很明顯，甚至能說是混雜成一塊，但大體上高電阻態還是都有著相較於低電阻態還大的電阻。由此可得知內部在行開關變化時結構可能並沒有太大的差別，但從電性圖中還是可以看出有著開關現象的存在，而這一部分也會成為我們建構內部模型時的指標之一。

圖 4-1-4 常溫無氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖

4.2 200℃無氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

圖 4-2-1 是 200℃環境下製程的 RRAM I-V 圖，有著很漂亮如同教科書般的圖形，但卻只能讀寫三次，討論後的結果可能是碳層在此溫度下，可能擴散入氧化鋅結構內，才使其阻擋氧離子的能力下降，進而導致開關次數降低。

圖 4-2-1 200℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

在取 Log 的 IV 圖(圖 4-2-2)方面，已不見常溫圖中的凹槽，研判可能因為溫度方面使介面部分彼此摻雜，使原本該有的凹槽因此消失了，此處與其說是 200℃無氧碳 1nm 厚度的開關行為，更像是不摻入碳層前的，只有鋁-氧化鋅-鋁的 RRAM 結構的開關模式。

圖 4-2-2 200℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 取 LOG 後的 I-V 曲線

圖 4-2-3 為 200℃無氧碳 1nm 厚度的 RRAM 電性變化示意圖，此樣品最大的開關次數只有兩次，所以圖中的次數較為稀少，就圖所示，似乎第一次開關後就會使內部的燈絲穩定，而第二次雖然還有存在著複寫的可能性，但在這之後卻再也無法進行複寫了。

圖 4-2-3 200℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 電性變化示意圖

圖 4-2-4 為 200℃無氧碳 1nm 厚度的 RRAM 開關電阻變化示意圖，一開始還有著很大的電阻差別，但經過一次複寫後，就變得很不明顯了，在這之後就幾乎不會有變化了，顯示內部已被完全導通，已經不會再有其他變化了。

圖 4-2-4 200℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖

4.3 300℃無氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

下圖 4-3-1 是 300℃環境下製程的 RRAM I-V 圖，可看的出來線條無法呈現一個漂亮的直線拔升，而有著許多的段落，推論是在無氧的情況下進行濺鍍製作時，內部的氧化鋅結構本身就無法保存太多的氧(原)離子，再加上高溫製程，使得內部結構有些變化而導致更多的氧(原)離子逸散，使内部的燈絲結構比起常溫製成的樣品更加曲折，才會像是爬樓梯般一段一段的爬升，但同樣不變的是此 RRAM 依然是用一小部分的區塊來行 RESET 行為。

圖 4-3-1 300℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

下圖 4-3-2 是 300℃環境下製程的 RRAM I-V 取 Log 圖，可看到 Set 時線段有許多曲折，在後段甚至有斜率特別大的區域，也因此使我充分地認為碳層很有可能因為製作過程中的溫度增加進而改變了自身結構抑或著是逸散於作業環境中，而相較之下 RESET 的圖示則相對地安定許多，也讓我更加地認為導引開關行為的區塊是只集中於部分而非整體，就如同其他論文所示。

圖 4-3-2 300℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 取 LOG 後的 I-V 曲線

在圖 4-3-3，可看得出來內部似乎沒有穩定的通路(相較於常溫無氧製程)，

同時因為可供參考的次數也不是很多，所以不太能看出內部變化規律，因此只能了解到過高溫度是不利於 RRAM 製程。

圖 4-3-3 300℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 電性變化示意圖

而圖 4-3-4 裡，則發現如同 200℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖一樣，高低電阻會漸趨於不明顯，所以能夠得知加溫製程的 RRAM，可能都會因為加溫的這個要素而產生某種相似的變化。

圖 4-3-4 300℃無氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖

4.4 常溫有氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

對照無氧常溫下製作，圖 4-4-1 中不僅可發現它的開關變化相當明顯，同時有著不同於一般 RRAM 電性圖的模樣，對比於 SET，RESET 需要更大的電流才能燒斷；此圖也顯示內部的燈絲結構已相當穩定，同時也能知道氧氣環境對 RRAM 製作有著很大的影響。

圖 4-4-1 常溫有氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

將含氧常溫下製作的 RRAM 電性圖取 LOG 後(圖 4-4-2)，發現其相當穩定，

由斜率就可看出，只有非常微小的差距，隸屬於歐姆傳導，相較其他的樣品來說，

這應該是斜率最為穩定的 RRAM 電性圖吧。

圖 4-4-2 常溫有氧碳 1nm 厚度 RRAM 取 LOG 後的 I-V 曲線

在電阻變化示意圖方面(圖 4-4-3)，能了解到含氧常溫下製作的 RRAM 的電性似乎都很穩定，甚至幾近重合，對記憶元件來說十分適合，圖片中也展現出了第一次 set 的過程是需要較多的電壓的，而後會因為之前讀寫所殘存的燈絲，降低轉換開關所要求的電壓，此圖可說是非常漂亮的 RRAM 電性示意圖。

圖 4-4-3 常溫有氧碳 1nm 厚度 RRAM 電性變化示意圖

另一方面，相較於常溫無氧的電阻變化示意圖，此處的圖示中(圖 4-4-4)高低電阻值比較分開，換言之，就是開關變化較為明顯，而這些也都是此樣品較為突出且能當作有氧製程環境的模型建構的要素之一。

圖 4-4-4 常溫有氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖

4.5 200℃有氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

對比無氧環境下製作的樣品，有氧環境下製作的 RRAM 都比較穩定，而在圖 4-5-1 中可看出，中間有個兩段式的 RESET，推測是加溫度的製程可能使得碳的結構或介面的部分出現了變化，但也不排除為氧化鋅內部因為溫度增加而產生變化，在測量上並沒有太大的影響。

圖 4-5-1 200℃有氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

下面是取 LOG 後的電性圖(圖 4-5-2)，可看出在 Set 及 Reset 的部分有顯示出一個明顯的不同斜率，Set 的後半部分比較接近空間電荷限制電流傳導，因此推論在加溫度的過程中，部分的碳會開始擴散或因為鄰近的氧化鋅及鋁層而改變自身結構，所以才會在測量時發現到此種不同於常溫製作的樣品的現象。

圖 4-5-2 200℃有氧碳 1nm 厚度 RRAM 取 LOG 後的 I-V 曲線

將含氧 200℃下製作的 RRAM 的電性變化作圖之後(圖 4-5-3)，發現其內部似乎也不是很穩定，能看出一開始不僅需要較大的電壓來進行開關，而在多次複寫後，會大幅度的減少所需的開關電壓，也許是因為燈絲大量的被構成的緣故吧，

才會導致這種所需電壓大幅下降的圖示。

圖 4-5-3 200℃有氧碳 1nm 厚度 RRAM 電性變化示意圖

在電阻變化圖的部分(圖 4-5-4)，若要以高低電阻兩者的變化來進行論述的話，一開始還有些區別，而後此區別就漸漸的越來越小了，看來加溫製程後的樣品，在內部都會因為變溫的影響而產生改變，而這些改變都會促使記憶能力快速喪失，也許是碳層結構變化而使其作為屏障的能力下降，致使氧(原)離子無法再回填有關。這個發現也將成為我們建立模型所需思考的要點之一。

圖 4-5-4 200℃有氧碳 1nm 厚度 RRAM 開關電阻變化示意圖

4.6 300℃有氧環境下製程的 RRAM I-V 特性

圖 4-6-1 是 300℃有氧環境下製程的 RRAM I-V 圖，可看到 SET 途中已呈現非穩定的狀態，而可供量測的次數也不超過五次，猜測可能是因為碳層逸散或混入氧化鋅中，而失去原本可使 RRAM 穩定開關用的機制，而後雖然是在有氧環境製成，但也不排除因為碳與氧氣鍵結，進而導致開關次數下降的情況。

圖 4-6-1 300℃有氧碳 1nm 厚度 RRAM 之 I-V 曲線

這是 300℃有氧環境下製程的 RRAM 取 LOG 的 I-V 圖(圖 4-6-2)，可看出在 Set 時內部就像是有多層結構，斜率一開始比較接近歐姆傳導，但之後卻又介於

在文檔中變溫環境C/ZnO/C結構之電阻轉換特性研究 (頁 24-0)

第三章 實驗過程