HfO₂를 이용한 저항 변화 메모리 소자의 전기적 특성 연구

Abstract

기존에 사용되고 있는 Dynamic Random Access Memory (DRAM) 공 정은 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 따 라 Capacitor 공정의 난이도가 점점 더 올라가게 되고 높은 수율을 가지는 DRAM cell의 제작이 어렵게 된다. 특히 기존의 poly-Si gate 및 SiO₂ 산 화막 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 소 비전력이 큰 휘발성 (volatile) 메모리 소자라는 단점을 가지고 있다. 그 래서 기존의 DRAM을 대체할 수 있는 비휘발성 메모리 (Non-volatile)에 대한 연구 개발의 필요성이 크게 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이원계 금속산화막 중 HfO₂ film을 사용해서 Resistance Switching RAM(ReRAM)의 전기적 특성에 대해서 연구하였다. 우선, Growth parameter의 영향에 따른 I-V 특성을 평가하였다. ALD 공정에서 oxidant effect를 확인하기위해서 상하부전극을 Mo로 증착하고 HfO₂를 Atomic Layer Deposition(ALD)를 이용해서 증착하였다. 이 때 HfO₂를 이용한 저항 변화 메모리 소자를 제작 시 oxidant에 따른 defect 에 의해서 ReRAM소자의 동작유무가 결정된다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 HfO₂의 두께에 따른 I-V 특성결과 두께가 얇아질수록 저항차는 작아지고, 동작전압의 차이가 작아지기 때문에 너무 얇은 박막의 경우, 메모리로서 부적합하다고 알 수 있었다. 저항 변화 메모리 소자는 외부에서 가해지는 전계에 의해서도 스위칭 특성이 달라지는데, 이를 확인하기 위하여 Conduction path가 형성되는 forming 과정의 current compliance 값에 따른 스위칭 특성을 평가했다. Current compliance 값이 커짐에 따라 LRS의 current 값이 커지고 reset voltage또한 커진다. 이는 외부 전계의 세기가 증가됨으로 인해 박 막 내 형성되는 conduction path가 증가되고, 증가된 conduction path를 끊기 위해 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 일반적으로 저항 스위칭 특성을 결정짓는 부분은 anode라고 알려져 있 다. 이를 확인하기 위해 Mo로 하부전극(Cathode)을 일정하게 한 뒤, HfO₂를 증착한 후, 일함수가 다른 Ru을 상부전극(Anode)으로 증착하였 다. 그리고 negative, positive voltage를 인가했을 때 anode 부분의 전 극 특성에 따른 스위칭 특성을 나타냈다. 이 결과로 인해 저항 스위칭 특 성을 결정짓는 요인이 anodic side라는 결론을 얻을 수 있었다. 하부 전극을 Mo으로 증착한 후, 각기 다른 일함수를 가진 Mo, Ru, Pt 를 I-V 특성을 평가한 결과, 상부전극의 일함수의 변화에 따라 전기적 특 성이 변화했다. 일함수가 커짐에 따라 동작전압이 커졌고, Vr와 Vs 분포 를 측정한 결과 Pt 전극은 재현성을 평가하기 적합하지 않다는 사실을 알 게 되었다. Mo전극의 경우, Vr와 Vs의 차이가 너무 작아서 실제 pulse에 의한 동작 시 ReRAM 소자로 적합하지 않다는 사실도 알 수 있었다. 위 와 같은 결과에 의해 Ru전극은 적당한 Vr와 Vs 차이와 균일한 분포로 인 해 실제 ReRAM 소자 제작시 적합한 물질이라고 생각된다. 위와 같은 사 실을 바탕으로 Ru/HfO₂/Mo 구조를 통해 신뢰성 평가를 하였다. 100회 정도 voltage sweep을 통해 0.5V에서 read한 결과, 1 order의 저항비를 가졌고, retension 측정결과 104sec의 시간이 지난 후에도 메모리 특성을 기억하고 있는 것으로 보아 메모리로서 동작이 가능하다고 예상된다. 마지막으로 ReRAM 소자의 conduction mechanism에 대해서 알아보았다. HRS에서 저전계는 ohmic conduction mechanism을 따르고 고전계 에서 Poole-Frankel mechanism을 따른다는 것을 알 수 있었다. 이는 Poole-Frankel mechanism이 bulk 산화막의 trap과 detrap에서 기인하 는 전도 mechanism이므로, 전극에 따라서 conduction mechanism이 차 이를 보이지 않는다는 결과와 일치한다. ReRAM의 사용되는 여러 저항 물질과 metal 전극의 폭넓은 이해와 연구를 통해서 저항 변화 특성과 동작 원리에 대한 분석과 ALD 등과 같 이 양산 적합한 증착 방법 개발이 이루어진다면 초고집적 소자로의 가능 성이 더욱 커질 것이며, ReRAM의 간단한 구조와 단순한 공정을 이용하 면 차세대 비휘발성 메모리로서의 채택 가능성이 높아질 것이다.; Recently, much attention has been paid to the resistance switching behaviors of various binary metal oxides such as TiO₂, NiO, and HfO₂ and their application to non-volatile memories. The resistor component is composed of oxide sandwiched between two metal electrodes, which is the same metal-insulator-metal (MIM) structure as the capacitor in a charge-stored conventional DRAM device. However, a plausible origin of resistance switching and an optimized device structure with suitable materials has not yet been fully solved. In this study, the resistance switching behaviors of HfO₂ thin film grown by ALD(Atomic Layer Deposition) technique between metal electrodes were studied. In order to confirm that resistance switching phenomena are related to formation of conducting path composed of various defects of HfO₂ film, the influence of defects in HfO₂ film on resistance switching properties was investigated. The oxidant effect on the resistance switching behaviors of Mo/HfO₂/Mo resistors was investigated with HfO₂ films deposited using H₂O, D₂O, and O₃ during ALD process. It was confirmed that the oxidant during ALD process plays an important role to determine the film quality and the resistance switching of resistor. Repeatable resistance switching behaviors were successfully obtained with H₂O- and D₂O-processed HfO₂ films but not with O₃-processed film which only breaks down without any repeatable switchings. The AES results implied that the carbon content near top interface of HfO₂ film may help the conduction path to form through defect percolation. With the presence of the carbon content at the interface between insulator and metal electrode, H₂O- and D₂O-processed HfO₂ films showed reliable switching performance. It is suggested that a comparison of the resistance switching behaviors of oxide films deposited with different oxidants during deposition would provide useful information to understand which material properties cause the resistance switching. The resistance switching behavior HfO₂ films according to their thickness shows that the difference in operating voltage(Vr/Vs) and resistance ratio decreases with HfO₂ thickness. Therefore it is concluded that too thin films(~100A) of HfO₂ would not be suitable for memory application. In additon, the reset voltage as well as the LRS current was increased with the increase the compliance forming current. This was attributed to the increase in density of conducting path with increasing external electric field. Observing electrical characteristics such as switching voltages, voltage width(△V=Vs-Vr), resistance ratio and variation of I-V curves significantly depends on the electrode. This is evidenced by the distributions of switching voltages for three different electrodes; Mo, Ru, and Pt with the same Mo cathode. This means that the switching behaviors are greatly governed by the anodic electrode. In addition, the mean values of △V are 0.2, 2.2, and 4.8V for Mo, Ru, and Pt respectively. The switching voltages and △V are assumed to be related to the effective work function of the anode. Metal electrode with higher work function gives rise to a wider △V. Here, the wider △V with narrower distribution of both switching voltages can enhance the stability and reliability of device operation derived by the monopolar voltage sweep or pulse. However, this study shows that the metal with higher work function exhibits higher switching voltages. Therefore, Ru is promising as an anode with the reasonable Vr and Vs (< 5V) and relatively wider voltage gap between them. Reliable and robust ReRAM device characteristics with Ru top electrode are also obtained from the retention and endurance tests. From I-V characteristics, reproducible resistance switching behaviors with on/off ratio of above 10 were observed for long lifetime. The results of the test shows that HfO₂ films have good memory characteristics suitable for non-volotile memory devices. The ReRAM device with Ru as an anode follows ohmic conduction mechanism at low electric field and Poole-Frankel(P-F) conduction mechanism at the high electric field. Considering the P-F mechanism explaining the conduction according to trap and detrap properties of bulk oxide, it is concluded that the conduction mechanism of ReRAM devices is dependent of the bulk oxide and irrelevant to metal electrode.