新穎材料DyMn2O5 在電阻式記憶體上的機制研究與應用

Abstract

電阻式記憶體具備了可微縮化，低功率的消耗，快速操作特性以及穩定的容 忍度的這些特點，使得它能夠成為下一世代的記憶體結構。在這篇論文研究中， 我們將進一步的去研究這種金屬-介電質-金屬Pt/DyMn2O5 (DMO)/TiN 的電阻 式記憶體的結構。 在這篇論文裡，這類新型材料DMO 的特性和電性特性的是藉由XPS，TEM 等 材料分析系統和安捷倫B1500 電性測量系統所分析得到。在第二章描述中，可經 由X-射線光電子能譜（XPS）觀察到一些氧空缺存在於原始DMO 的薄膜層中。我 們的元件也可藉由變溫的電性量測方式測得低電阻狀態（LRS）是較屬於金屬的 特性而在高電阻狀態下則是偏向半導體類特性機制。我們也可經由容忍度測試以 及開關特性的穩定度於高溫狀態下，來探討此類的電阻式記憶體的可靠度，從它 的容忍度可達到十萬次的操作下，一樣可以維持穩定的開關特性，而它的開關特 性也可以在高溫（850C）環境下，穩定維持到104 秒的。 以DyMn2O5 為基底下的電阻式記憶體，其電流電壓特性有出現一個特殊的現 象，稱為負微分電阻（NDR）現象。事實上，NDR 的現象是由於氧離子斷鍵，飄 移和聚集所造成的現象。這種DyMn2O5 組成的電阻式記憶體可以產生出雙重電阻 轉態機制行為也可以經由電性量測方式觀察到。事實上雙極電阻開關的雙重轉態 的特性是由於金屬絲和介面的轉態的機制所共存在的一種現象，然而我們也可經 由不同的操作電壓來產生出這兩種轉態機制的出現。甚至它可以經由不同的厚度 元件而產生單一主導的轉態機制。 在最後一章節裡，我們針對它的容忍度作進一步的研究發現，氧離子與氧空 缺結合時間與熱的效應，也是影響整個容忍度的一項重要因素。因此，我們採用 不同的脈衝週期條件，來提升容忍度的效應，甚至可讓我們的元件達到107 的操 作次數的測試，這類物理的研究而能夠優化我們元件特性。

The resistive switching random access memories (RRAMs) possess some advantages of scalability, low power consumption, fast operating time and stable endurance. The RRAM with these advantages has high potential for next generation memory applications. The switching mechanism and electrical characteristics of Pt/DyMn2O5 (DMO)/TiN RRAM devices are investigated by material analysis and electrical measurement system. In chapter1, some oxygen vacancies are observed in the pristine DMO film through x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The low resistive state (LRS) of RRAM is found metal-like and the high resistive state is semiconductor-like properties by electric measurement at different temperatures. The endurance of the RRAM can achieve 105 times and its retention time can also achieve 10000 seconds under high temperature (850C) thermal stress. For the DyMn2O5-based RRAM, the current-voltage characteristics possess a special phenomenon which is called Negative Differential Resistance (NDR). In fact,the NDR phenomenon is due to the breaking bond, migration and accumulation of oxygen ions. The dual resistive switching behaviors are also observed in the device structure. The dual bipolar resistance switching behaviors of filament-type and homogenous-type can coexist in the devices by applying appropriate sweep voltages.It can be found that the thicker DMO films possess only homogenous-type mechanism. In last chapter, we can find that the recovery time of oxygen and oxygen vacancy is an important factor for the endurance of the RRAM devices. Therefore, we apply different pulse conditions to enhance the endurance and the device can achieve 107 times endurance tests at optimized condition.