고분자 유기전해질을 사용한 비휘발성 전도성 브릿지 메모리의 전기적 필라멘트 형성과 파괴 메커니즘에 대한 연구

Abstract

최근, 낸드플래시 메모리가 직면한 직접화의 물리적 한계를 극복하고자 차세대 비휘발성 메모리 소자에 대한 많은 연구가 진행 되고 있으며, 또한 차세대 비휘발성 메모리로써 상변화 메모리 (PCRAM), 스핀전달 토크형 자기저항 메모리 (STT-MRAM), 강유전체 메모리 (FeRAM), 저항변화 메모리 (ReRAM), 고분자 메모리 (PoRAM), 전도성 브릿지 메모리 (CBRAM), 등이 보고 되고 있다. 이 중 전도성 브릿지 메모리는 반응성 상부 전극과 전해질 그리고 비활성 하부 전극으로 구성된 간단한 구조, 빠른 동작 속도, 3차원 적층 용이성으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 하지만 전도성 브릿지 메모리는 불분명한 메커니즘, 반응성 전극으로 사용되는 물질의 영향을 크게 받는 특성을 보여 이에 대한 연구가 지속되고 있다. 본 학위 논문에서는 반응성 전극을 사용하지 않고 고분자 전해질 내에 은 이온을 도핑하여 전도성 브릿지 메모리를 특성을 구현하는 것과 물리적 화학적 분석을 통해 필라멘트의 형성에 대하여 연구하였다. 우선 반응성 전극을 사용하지 않고 고분자 전해질 내에 은 이온의 농도가 전도성 브릿지 소자의 양방향 스위칭 거동에 미치는 영향을 각 도핑 농도별로 제작한 전도성 브릿지 메모리를 비교 함으로써 확인하였다. 고분자 전해질 내의 은 이온의 농도에 따른 Forming, Set, Reset 전압 변화와 비휘발성 메모리 거동 변화를 통하여 필라멘트 형성과 전류 전도 특성을 규명하였다. 이 결과를 바탕으로 전도성 브릿지 메모리를 제작하여 forming이 필요 없으며, 1 x 105 초 이상의 데이터 유지시간, 4 x 102 회 이상의 읽기와 쓰기가 가능한 전도성 브릿지 메모리를 구현하였다. 이러한 특성 확인과 필라멘트의 메커니즘 분석을 통하여 전도성 브릿지 메모리의 상용화 가능성을 제시하고 있다.; Recently, CBRAM has been intensively studied to replace current NAND flash memory because of their bipolar non-volatile memory characteristic, minimum 4F2 memory cell size, large memory margin, multi-level-cell (MLC) operation, sufficient write/erase endurance cycles and fast write/erase speed of less than several hundred nanoseconds (ns). A CBRAM cell with a top metal electrode/ solid or polymer electrolyte/ bottom inert metal electrode structure is operated by switching nanoscale metal filaments in the solid or polymer electrolyte [21, 22]. The materials used for top electrodes supplying metal ions to form metal filaments have been Cu [23-26], CuTe [27], and Ag [21, 28-30]. The electrolyte materials that have been used are CuO, Al2O3 [23, 23-2, 27], a-Si [28, 29], Ag-Ge-S [30], Cu2S [24, 25], TaOx [25], and polymer [26, 31]. The materials used for inert bottom electrodes not supplying metal ions have been W, Pt [21, 24, 25] and TiN [23]. Its nonvolatile memory characteristics originates from ionic conduction through drift and electrochemical redox due to the reactive electrode causing metal ion filaments to form (electro-forming) and break (electro-breaking) in the solid electrolytes between the top and bottom electrode[5,9-11]. In particular, the reactive electrode plays an important role in determining the nonvolatile memory characteristics. Only oxidative materials can be used as reactive electrodes in CBRAM. Moreover, only a few materials such as Cu [23-26], CuTe [27], and Ag [21, 28-30] have been used in the reactive electrodes; i.e., there is a limitation on the usable electrode materials [17,18]. In addition, it has been reported that the electroforming voltage (Vforming) of CBRAM cells is higher than the set voltage (Vset), thereby requiring an electro-forming program prior to memory-cell operation, which places a burden on nonvolatile memory operation. To overcome these disadvantages, many researchers have tried to make electro-forming free CBRAM cells [19,20,21,22]. Thus, with the goal of overcoming the limitation on usable electrode materials (i.e., Ag, Cu, and CuTe etc.) and achieving an electro-forming free CBRAM cell, we devised a novel CBRAM cell with a sandwiched structure including a top inert electrode (Pt), Ag-doped PEO polymer electrolyte, and a bottom inert electrode (Pt). In particular, we investigated how varying the Ag doping concentration affects the bipolar switching characteristics such as Vforming, Vset, reset voltage (Vreset), high resistance state (HRS), and low resistance state (LRS). In addition, although morphologies have been reported for conductive metallic filaments in a solid electrolyte of a CBRAM cell, the mechanism behind electro-forming and electro-breaking of the conductive metallic filaments has not been explained through any morphology observation [4,12,23,24]. Thus, we intentionally designed a lateral CBRAM cell using Ag-doped PEO polymer electrolyte between inert Pt electrodes. Then, we investigated the detailed morphologies of the Ag filaments in the PEO polymer electrolyte after a set or reset bias was applied by using top-view secondary-electron-microscopy (SEM) and by conducting a chemical composition analysis using energy-dispersive-x-ray-spectroscopy (EDS) depending on Ag doping concentration. The current conduction mechanism of set (electro-forming of Ag filaments), LRS, reset (breaking of Ag filaments), and HRS could be explained by fitting the results to bi-stable switching behavior. Finally, we examined the correlation of the current conduction mechanism with the morphologies of the Ag filaments in the PEO polymer electrolyte after set and reset biases were applied.