Ru 기반 RRAM 소자에서 음성 미분 저항 현상 관찰: 원자층 증착 제조 공정 통찰

초록

본 연구에서는 원자층 증착(ALD) AlOᵧ/HfOₓ 기능층을 가진 Ru 기반 RRAM 소자를 제조하고 연구했습니다. 전압 세트 과정에서 음성 미분 저항(NDR) 거동이 관찰되었으며, 그 물리적 기원을 탐구했습니다. 저항 스위칭의 물리적 이해를 바탕으로, 측정된 NDR 거동은 부분적인 단극성 리셋 효과와 연관된 것으로 여겨지며, 이는 RuO₂ 계면층에서 열적으로 방출된 산소 이온과 산소 공공의 재결합 때문입니다. 측정된 전기적 특성과 X선 광전자 분광(XPS) 결과가 이 물리적 해석을 검증했습니다.

서론

가장 유망한 신흥 비휘발성 메모리 중 하나인 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 소재 최적화, 성능 개선, 소자 통합 측면에서 광범위하게 연구되어 왔습니다. 단순한 셀 구조, 빠른 동작 속도, 낮은 전력 소비, 비교할 수 없는 소형화 잠재력 등의 장점으로 뇌영향 신경형 컴퓨팅, 재구성 가능한 불리언 논리, 스토리지 클래스 메모리(SCM) 응용에 큰 잠재력을 보입니다. 그러나 2017년 국제 소자 및 시스템 로드맵에 따르면, 확장성, 소자 신뢰성, 공정 호환성 등의 과제가 여전히 RRAM 발전을 저해하고 있습니다. 따라서 우수한 성능의 CMOS 호환 RRAM 소자 구축은 1T1R 구조 기반 응용에 큰 의의가 있습니다. 선행 연구에 따르면 Ru 기반 RRAM 소자는 Pt 기반 대비 큰 잠재력을 보이나, 전압 세트 과정에서 NDR이 나타남을 보고했습니다. 저항 스위칭을 동반한 NDR 현상은 다른 RRAM 구조에서도 연구되었는데, 주로 이식된 금속 나노입자에 의한 깊게 국소화된 상태 사이의 전자 캐리어 트랩/디트랩이나, 결함 축적에 의한 접합 재설치 때문이었습니다. 그러나 큰 전류 하에서 Ru 기반 RRAM 셀의 NDR 출현은 아직 규명되지 않았습니다. 본 연구에서는 ALD 기술로 제조된 Ru 기반 RRAM 소자의 전기적 성능을 평가했습니다. XPS 특성 분석과 다양한 자극 하 전기적 측정을 바탕으로, Ru 기반 RRAM의 NDR 현상을 산소 공공 전도성 필라멘트 모델 프레임워크에서 설명할 수 있습니다.

방법

소자 구조 개략도와 제조된 RRAM 어레이는 그림 1a, b에 나와 있습니다. Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN RRAM 소자는 열산화 300 nm SiO₂ 기판 위에 제조했습니다. 20 nm Ti 접착층 위에 80 nm Ru 박막을 DC 마그네트론 스퍼터링(Ru 금속 타겟)으로 증착해 하부 전극으로 사용했습니다. PECVD로 성장시킨 SiO₂가 전극 격리용 유전체로 사용되고 비아를 형성합니다. 이후 저항층인 2 nm AlOᵧ와 3 nm HfOₓ를 원자층 증착 시스템(PICOSUN R200)으로 300°C에서 트리메틸알루미늄(TMA)과 테트라키스[에틸메틸아미노]하프늄(TEMAH) 전구체로 증착했습니다. 그 후 80 nm TiN을 Ti 타겟으로 반응성 스퍼터링하고 패터닝해 상부 전극을 형성했습니다. 또 다른 건식 에칭으로 하부 전극을 노출시켜 전기적 접촉을 만들었습니다.

원소 분석은 XPS 시스템(Thermo Scientific ESCALAB 250Xi)으로 상부 전극 없는 신선한 시료를 사용해 수행했습니다. 측정 전 Ar 플라즈마로 표면 세정을 해 탄소 영향을 제거했습니다. Al 2p 피크 위치를 교정용으로 사용했습니다. 전기적 측정은 실온에서 반도체 소자 분석기(Agilent B1500A)와 펄스 함수 임의 파형 발생기(Agilent 81160A)로 수행했습니다.

결과 및 토의

Ru 기반 RRAM 소자의 전형적인 IV 특성은 그림 2a에 나와 있습니다. 전기적 포밍 후, 양전압(2.5 V)을 세트 공정에 적용해 셀을 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 스위칭했으며, 전도성 필라멘트(CF) 형성 중 영구 파괴를 방지하기 위해 준수 전류 1 mA를 설정했습니다. 세트 전이 후, 음전압(-2.3 V)으로 LRS에서 HRS로 스위칭했으며 전류가 점진적으로 감소했습니다. 소자 간 저항 변동성 평가를 위해 10개 Ru 기반 RRAM 셀을 임의 선택했습니다. 그림 2b에 나타난 통계 결과는 HRS와 LRS의 우수한 균일성을 보여주며, 저항 윈도우가 10³ 이상으로 NVM 기반 논리 응용에 유망한 후보입니다. 앞서 보고된 Pt 기반 소자와 비교해 주목할 점은 세트 과정에서 NDR 현상이 관찰되었다는 점입니다. 전압 증가에 따라 전류가 감소하는 구간(세트-페이즈 1)이 제한된 전압 범위에서 나타난 후 준수 전류까지 증가합니다(세트-페이즈 2).

Ru 기반 RRAM 소자의 사이클-투-사이클 변동성도 펄스 모드에서 조사해 사이클링 균일성을 연구했습니다. 세트용 펄스(2.4 V, 15 ns)와 리셋용 펄스(-3 V, 100 ns)를 사용해 각 펄스 후 0.1 V 읽기 전압으로 LRS와 HRS 간 스위칭했습니다. 그림 3a에서 1000 사이클 소자는 LRS와 HRS에 대해 각각 379 Ω와 3×10⁵ Ω 표준편차로 균일한 분포를 보이며, 100 이상의 안정적인 메모리 윈도우를 가집니다. 10⁶ 스위칭 사이클 후에도 내구성 열화가 발생하지 않았으며(참조 [15] 선행 보고), 그림 3b와 같이 120°C에서 10⁵초 동안 LRS와 HRS 저항이 일정하게 유지되는 우수한 보존 특성도 보입니다.

NDR 현상 탐구를 위해 전압 스위프 모드와 전류 스위프 모드에서 I-V 곡선을 측정했습니다. 그림 4a는 무작위 선택한 5개 신선한 RRAM 셀의 포밍 과정을 보여줍니다. 전류가 점진적으로 증가하다 급격히 변해 CF 형성을 나타내며, NDR은 관찰되지 않았습니다. 포밍 후, 같은 셀에서 서로 다른 스위프 모드로 세트 동작을 수행해 전류 변화를 관찰했습니다(그림 4b). 전류 구동 세트에서는 전류가 천천히 증가하다 전압이 급격히 감소해 HRS에서 LRS로의 저항 전이를 보여줍니다. 이 거동은 전압 구동 특성과 구별되며, CF를 통한 줄 열 발생 차이가 자극에 따라 다르기 때문일 수 있습니다. 또한 NDR 영역의 중간 저항 상태를 조사하기 위해 연속적인 세트/리셋 동작을 다른 바이어스로 수행했습니다. 세트 과정에서 1 V의 적절한 정지 전압을 적용해(그림 4c) 전류 골짜기 바닥에서 스위프를 마쳤습니다. 전압 제거 후 비휘발성 저항 상태를 얻었으며, 단극성 저항 스위칭 거동을 보였습니다. 따라서 이 NDR 현상은 세트 과정 중 CF의 두 번째 리셋에 기인한다고 잠정적으로 귀속됩니다.

서로 다른 모드 측정과 소자 제조 공정, RuO₂ 특성을 종합해 NDR 현상의 물리적 기원을 제안했습니다(그림 5). 선행 연구[19, 20]에 따르면, 전자 고갈 산소 공공(Vₒ)과 산소 이온(O²⁻)의 생성과 재결합이 서로 다른 전기 극성 하에서 통상적인 HfOₓ 기반 양극성 RRAM 소자의 세트-페이즈 2와 리셋 과정을 담당합니다. 그러나 통상적인 세트 과정과 달리, CF의 두 번째 파열이 발생해 Ru 전극과 CF를 분리시키고 NDR을 유도합니다. 일반적으로 산소 원자는 전기장 하에서 Vₒ와 O²⁻로 해리되고 O²⁻가 상부 전극으로 드리프트하며, Vₒ가 남아 전자 수송용 CF를 형성합니다. 하지만 전기장으로 인한 줄 열로 형성된 RuO₂ 계면층이 ~600°C에서 서서히 분해되어 O²⁻를 방출하고, 이는 Ru 전극 근처의 전자 고갈 Vₒ(Vₒ²⁺)와 재결합할 수 있습니다(세트-페이즈 1)[21], 이로 인해 전류가 감소합니다. 이 과정은 부분적인 단극성 리셋 과정으로도 볼 수 있습니다. 전압이 더 증가하면 Vₒ 축적에 의해 TE와 BE 사이의 CF가 재구성되어(세트-페이즈 2) RRAM 셀이 LRS로 스위칭됩니다. 리셋 시 두 과정이 동시에 일어납니다: (1) TiN 전극에서 방출된 O²⁻가 향상된 포획 단면 때문에 양전하 Vₒ와 빠르게 재결합하고, (2) BE 쪽으로 드리프트하는 O²⁻가 국소 줄 열로 Ru와 반응해 RuO₂ 계면층을 재형성합니다[22]. 이 조건에서 RRAM 셀은 HRS로 스위칭됩니다.

소자 제조 공정 중 형성된 RuO₂ 계면층의 XPS 분석도 제안된 NDR 효과 설명을 뒷받침합니다. 그림 6a는 O 1s, Ru 3d, Al 2p, Hf 4f 코어 레벨을 포함한 시료의 XPS 전체 스펙트라를 보여줍니다. 다른 표시 없는 피크들은 모두 이 원소들의 다른 전자 궤도에 해당합니다. 그림 6b의 피팅 곡선은 실험 데이터와 완벽히 일치하며 네 개의 피크로 나뉘는데, 이는 Ru 3d₅/₂(280.01 eV Ru, 280.75 eV RuO₂)와 Ru 3d₃/₂(284.3 eV Ru, 285.26 eV RuO₂) 코어 레벨에 해당해 박막 내 Ru와 RuO₂의 공존을 입증합니다[23]. Ru 3d₅/₂ 피크의 낮은 강도는 예상대로 형성된 RuO₂ 계면층이 매우 얇음을 나타냅니다.

결론

본 연구에서 CMOS 호환 Ru/AlOᵧ/HfOₓ/TiN RRAM 소자를 제조했습니다. 균일한 소자 간 저항과 큰 저항 윈도우, 우수한 고온 보존 특성으로 훌륭한 스위칭 성능을 달성했습니다. 전기적 측정과 XPS 분석을 바탕으로, 세트 과정의 NDR 현상은 전기 유도 줄 열로 인한 RuO₂ 계면층에서 방출된 산소 이온과 산소 공공의 재결합으로 설명할 수 있습니다.

약어

ALD:

원자층 증착

CF:

전도성 필라멘트

HRS:

고저항 상태

LRS:

저저항 상태

NDR:

음성 미분 저항

PECVD:

플라즈마 강화 화학기상증착

RRAM:

저항성 랜덤 액세스 메모리

SCM:

스토리지 클래스 메모리

XPS:

X선 광전자 분광