HfO₂를 이용한 금속-절연체-금속 소자의 저항 스위칭 특성 연구

Abstract

기존에 사용되고 있는 Dynamic Random Access Memory (DRAM) 공정은 1-Transistor/1-Capacitor 구조의 단위 cell을 이루고 있으며, cell의 면적이 0.025㎛²로 집적도가 뛰어나고 70ns 정도의 write/erase 시간을 가지고 있다는 장점을 지니고 있다. 하지만 소자의 집적도가 높아짐에 따라 Capacitor 공정의 난이도가 점점 더 올라가게 되고 4G이상의 고용량을 가지는 DRAM cell의 제작이 어렵게 된다. 특히 기존의 poly-Si gate 및 SiO₂ 산화막 구조의 stack gate는 여러 가지 물리적 한계점에 도달하였다. 즉 SiO₂의 물리적 두께가 15Å이 되었을 때, direct tunneling current가 약 1A/cm2에 이르게 된다. 또한 poly-Si gate의 경우 poly depletion 및 dopant가 channel 영역으로 침투하는 현상이 발생하게 된다. 또한 DRAM은 규칙적으로 refresh를 해야만 축적된 정보를 보관할 수 있는 소비전력이 큰 휘발성 (volatile) 메모리 소자라는 단점을 가지고 있다. 그래서 기존의 DRAM을 대체할 수 있는 비휘발성 메모리 (Non-volatile)에 대한 연구 개발의 필요성이 크게 대두되고 있다. 현재 연구되고 있는 차세대 비휘발성 메모리는 Nano Floating Gate Memory(NFGM), Phase change Random Access Memory(PRAM), Polymer Random Access Memory(PoRAM), Resistive Random Access Memory(ReRAM)등이 있다. 그중에서도 ReRAM은 기존의 CMOS 공정과 호환이 가능하고 고온에서도 소자가 잘 작동하며 Metal-Insulator-Metal(MIM) 구조로 매우 간단하여 높은 집적도를 가진다는 장점이 있다. ReRAM의 절연체로는 이원계, 삼원계, 사원계 금속 산화막 등이 쓰인다. 그중에서 이원계 금속산화막은 구조가 간단하여 결정구조와 화학양론을 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 이원계 금속산화막 중 HfO₂ film을 사용해서 Resistive RAM(ReRAM)의 전기적 특성에 대해서 연구하였다. 우선, 전극물질에 따른 저항 스위칭 특성을 평가하였다. Metal electrode/HfO₂/Metal electrode의 stack 구조에서 상하부전극로 Mo, Ru, Pt를 DC magnetron sputter로 증착하고, HfO₂는 oxidant로 O₃을 사용해서 ALD를 이용해서 증착하였다. 제작한 소자의 Current-Voltage(I-V)를 측정을 통해서 전극이 Mo인 소자인 경우는 스위칭이 일어나지 않았고, Ru과 Pt 소자인 경우는 스위칭이 일어났다. Ru과 Pt의 endurance 측정을 통해서 Ru이 소자의 스위칭 횟수가 더 많이 일어남을 알 수 있었다. 또한 측정한 point들의 스위칭 전압들의 분포를 나타낸 switching voltage distribution을 통해서 Ru의 스위칭 전압이 더 안정적이고 스위칭 전압이 더 낮아 저전력을 요구하는 차세대 비휘발성 메모리의 전극으로 Ru이 적합함을 알 수 있다. 두 번째로, 소자의 동작 속도를 향상시키기 위해 pulse를 이용한 소자의 스위칭 특성을 평가하였다. 소자를 sweep mode로 측정하면 0V에서부터 스위칭이 일어나는 전압까지 step voltage 만큼 증가 또는 감소시키면서 측정하게 되면 소자의 데이터를 쓰고 지우는데 많은 시간이 걸린다. 그래서 특정 전압을 원하는 시간만큼 인가 할 수 있는 pulse pattern generator를 사용해서 측정하였다. 그 결과 Ru/HfO₂/Ru 소자는 Low Resistance State(LRS)에서 High Resistance State(HRS)로 스위칭하는 Reset의 경우는 pulse에 의해서 스위칭이 일어나지 않았지만, HRS에서 LRS로 스위칭하는 경우 pulse를 7V의 전압을 30ns동안 인가할 때 스위칭이 일어나 pulse에 의한 소자작동의 가능성을 확인하였다. 마지막으로, 소자의 resistance ratio를 향상시키기 위해서 스위칭 특성을 향상시키기 위해서 기존의 MIM 구조에서 절연층을 다음과 같이 Ti 층을 삽입함으로써 HfO₂/Ti/HfO₂ 층 stack을 형성 후 열처리 하여 소자를 제작하였다. ReRAM은 저항의 차이를 이용한 소자로 resistance ratio가 커야 소자의 상태 구분이 가능해서 소자의 신뢰성이 높아진다. Ti를 삽입이 하고 열처리를 하게 되면 Ti 원자들이 열에 의해 HfO₂과 Ti 계면에 defect이 발생하게 된다. 이렇게 발생한 defect는 절연층 내에 conducting path가 형성되기 쉽게 해준다. 이는 Formig 공정에서 Ti 삽입 후 전압을 인가하였을 때 정한 전류의 compliance 값인 1mA까지 전류가 바로 증가함을 통해서 conducting path가 생겼음을 알 수 있다. 즉 안정적으로 conducting path가 형성된다. resitance ratio는 HRS와 LRS에서 0.5V일 때 전류값을 통해서 계산한다. Ti를 삽입하기 전에는 conducting path의 형성이 일정하지 않아 최소 resistance ratio는 10배 정도 되었으나 Ti 삽입한 후 소자의 최소 resistance ratio가 10²이상 된다. 즉 Ti 삽입으로 resistance ratio가 10배 이상 증가함을 확인 하였다.; Resistive random access memory (Re-RAM) device that has bistable resistive switching characteristics has basically metal-insulator-metal (MIM) structure. This Re-RAM is on of the most promising novel non-volatile memory devices because it shows higher a potential performance than conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) devices for the next generation memory application due to its non-volatility, low power, high density, and high temperature performance. Recently, bistable resistance switching behaviors have been investigated from various materials of advantages including easier controllability of stoichiometry than the other resistive material systems. Resistive switching behaviors have been observed for many binary oxide system such as NiO, Al₂O₃, and Nb₂O_(5). First, bistable resistance switching behaviors depending on electrode materials(Mo, Ru, Pt) were studied. Mo/HfO₂/Mo device doesn't appear resistance switching. but Ru/HfO₂/Ru and Pt/HfO₂/Pt devices appear resistatnce switching.