열산화 AlOx 메모리 셀에서 줄 열이 저항 스위칭에 미치는 영향

요약

AlO_x 기반 저항 스위칭 메모리 소자는 ITO 기판에 Al 박막을 증착하고 진공에서 400 °C로 어닐링하는 산화 확산 공정으로 제조됩니다. 약 20 nm 두께의 AlO_x 계면층이 저항 스위칭 층으로 형성됩니다. 순응 전류를 제한할 때(≥ 1 mA) 양극성 및 단극성 저항 스위칭(RS) 거동이 얻어집니다. 단극성 RS 거동에서 소자는 저온(40 K)에서 세트/리셋 사이클을 수행하지 못하며, 이는 줄 열이 단극성 RS 거동에 필수적임을 시사합니다. 양극성 RS 거동에서 급격한 리셋은 온도 감소에 따라 점진적 리셋으로 변하며, 이는 줄 열이 전도성 필라멘트 파열에 영향을 미침을 시사합니다. 또한 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)의 전도 메커니즘은 I-V 곡선의 온도 의존성으로 밝혀집니다. LRS의 전도 메커니즘은 전자 호핑 메커니즘에 기인하며, 호핑 활성화 에너지는 9.93 meV입니다. HRS의 수송 메커니즘은 공간전하제한 전도(SCLC) 메커니즘이 지배적입니다.

배경

저항 스위칭 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 차세대 비휘발성 메모리의 가장 유망한 후보 중 하나로 광범위한 주목을 받고 있습니다[1,2,3,4]. 기존 상용화된 플래시 메모리와 다른 신흥 비휘발성 메모리와 비교할 때, RRAM 소자는 단순한 구조(MIM), 빠른 쓰기/지우기 속도, 우수한 내구성과 유지 성능을 가집니다[5,6,7,8]. 기존 상보적 금속-산화막 반도체 기술과 호환되는 저항 스위칭 재료 중 하나로, AlO_x 기반 RRAM도 광범위하게 연구되어 왔으며, 다중 레벨 저장 능력과 자기 정류 특성으로 인해 더 매력적인 응용 잠재력을 가집니다[9, 10]. 일반적으로 금속-산화물 소자에서 두 가지 스위칭 유형이 관찰됩니다: (1) 단극성 스위칭, 인가 전압 극성에 의존하지 않음; (2) 양극성 스위칭, 인가 전압 극성에 의존함. 이들의 고유한 스위칭 메커니즘은 다릅니다. 소자 구조, 전극 재료, 프로그래밍 전류 등 많은 요인이 저항 스위칭 유형에 영향을 미칠 수 있습니다[11]. HfO₂, NiO, ZnO 등 일부 금속-산화물 재료에서 단극성과 양극성 스위칭의 공존이 보고되었습니다[12,13,14,15,16]. 양극성 저항 스위칭(RS) 거동은 산소 공공으로 구성된 전도성 필라멘트 형성/파열과 관련이 있습니다. 단극성 RS 거동은 종종 전도성 필라멘트의 열적 손상이나 상 구조 전이에 기인합니다. 양극성 RS 거동은 보통 AlO_x 기반 RRAM에서 관찰됩니다. AlO_x RRAM에서 단극성과 양극성 거동의 공존은 드물게 보고되었으며, 단극성 RS 거동의 물리적 스위칭 메커니즘은 여전히 규명되지 않았습니다.

본 논문에서는 AlO_x 기반 RRAM에서 단극성과 양극성 RS 거동의 공존을 보고합니다. 서로 다른 순응 전류에서 단극성과 양극성 스위칭의 저항 스위칭 특성을 연구하여, 줄 열을 단극성 RS 거동의 리셋 공정에서 전도성 필라멘트 파열을 설명하는 데 사용합니다. 전도성 필라멘트 내 국소 온도가 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트가 파열되고 단극성 RS 거동이 발생합니다. 게다가 양극성 RS 거동의 리셋 공정에서 전도성 필라멘트 파열을 돕기 위해 줄 열을 이용하는 것을 제안합니다. 줄 열의 효과는 소자를 서로 다른 온도에 배치하여 잘 검증되었습니다. 한편, AlO_x RRAM의 서로 다른 온도에서의 성능 효과도 조사했습니다. RS 거동의 안정성과 제어 가능성은 미래 RRAM 어레이 적용에 필수적입니다. 저항 스위칭 공정에서 줄 열 효과에 대한 더 깊은 이해는 중요하고 필요합니다. 또한 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)의 전도 메커니즘을 전류의 온도 의존성으로 조사했습니다.

방법

AlO_x 기반 저항 스위칭 메모리 소자는 다음 공정으로 제조됩니다. 공정 개요도는 그림 1(a)–(d)에 나와 있습니다. Al과 Pt를 섀도 마스크를 이용해 ITO 유리 기판 표면에 순차적으로 스퍼터링하여 직경 200-μm 원형 스팟을 형성합니다. Al을 덮는 Pt 층은 후속 어닐링 공정 중 Al 표면 산화를 방지할 수 있습니다. 소자를 진공에서 400 °C로 4시간 어닐링합니다. 비어닐링 시료를 참조용으로 사용합니다. 단면 주사전자현미경(SEM) 사진으로 소자 구조를 드러냅니다. 어닐링된 Pt/Al/ITO 소자의 3층 구조가 그림 1(e) 삽입도에 나와 있습니다. 최상층은 Pt 전극(~66 nm), 중간층은 어닐링된 Al 층(~256 nm), 최하층은 ITO 전극(~161 nm)입니다. 소자 미세구조는 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)으로 분석합니다. 원소 분포는 같은 장비의 에너지 분산형 X-선(EDX) 분광법으로 얻습니다. I-V 테스트는 실온에서 Agilent B1500A 반도체 파라미터 분석기로 DC 스위프 모드로 수행합니다. I-V 특성의 온도 의존성은 5 × 10⁻⁵ Torr 진공 하에서 Lake Shore CRX-4K 시스템으로 검출합니다.

제조 공정 개요도. (a) ITO/유리 기판. (b) 스퍼터링으로 Al 전극 증착. (c) Al 전극 덮는 Pt. (d) 진공에서 400 °C 어닐링으로 AlO_x 계면층 형성. (e) 어닐링된 Pt/Al/ITO 소자 SEM 이미지. Pt, Al, ITO 두께는 각각 약 66 nm, 256 nm, 161 nm

결과 및 고찰

Pt/Al/ITO 소자 어닐링 후 미세구조 변화를 확인하기 위해 HRTEM으로 Al과 ITO 유리 기판 사이 영역을 확인했습니다. 그림 2a와 b는 각각 비어닐링 및 어닐링 시료를 보여줍니다. 비어닐링 시료와 비교해 4시간 후 어닐링 시료에서 명확한 계면층이 발견되었습니다. 계면층 두께는 ~20 nm입니다. EDX 스펙트럼으로 Al과 ITO 사이 원소 분포를 식별했습니다(그림 2c). 어닐링 공정 중 Al/ITO 계면에서 산소 원자의 명백한 확산이 발생했습니다. 다른 원소(In, Sn)는 EDX 스펙트럼에서 유의미한 확산을 보이지 않았습니다. 다른 금속과 비교해 Al은 해당 금속 산화물 형성에 더 낮은 표준 깁스 자유 에너지(−1582.9 kJ/mol)를 가집니다[17]. 어닐링 공정 중 계면 AlO_x 층이 형성되었다고 추론합니다.

a 비어닐링 Pt/Al/ITO 단면 HRTEM 이미지. b 4시간 후 어닐링 시료 단면 HRTEM 이미지. 계면층 형성. c 5개 원소(Al, O, In, Sn, Si) 에너지 분산형 X-선(EDX) 스펙트럼

그림 3a는 비어닐링 시료 전류-전압(I-V) 특성을 보여줍니다. 저항 스위칭 거동이 관찰되지 않으며, 이는 비어닐링 TEM 결과와 일치합니다. AlO_x 저항 스위칭 층이 형성되지 않았습니다. 삽입도는 전기 측정 개요도를 보여줍니다. I-V 측정 중 전압은 상부 전극(Pt)에 인가되고 하부 전극(ITO)은 접지됩니다. 어닐링된 소자들도 같은 조건에서 측정됩니다. 어닐링된 소자는 단극성과 양극성 RS 거동의 공존을 보입니다. 두 RS 거동은 독립적으로 활성화될 수 있습니다. 그림 3b는 단극성 RS 거동의 50사이클 스위프 곡선을 보여줍니다. 세트 공정 중 소자 하드 브레이크다운 방지를 위해 순응 전류를 10 mA로 설정합니다. 화살표는 전압 스위핑 방향을 나타냅니다. 양전압 스위핑(0 V → 3.5 V)을 Pt 전극에 인가합니다. 소자는 고저항 상태에서 저저항 상태로 스위칭됩니다(세트 공정 또는 프로그래밍 공정). 이후 순응 전류 제거 후 또 다른 전압 스위핑(0 V → 1 V)으로 급격한 전류 감소가 발생합니다. 소자는 HRS로 스위칭됩니다(리셋 공정 또는 지우기 공정). 소자 활성화를 위해 명백한 큰 포밍 전압이 필요하지 않습니다. 삽입도는 80사이클 내구성 특성을 보여주며, 읽기 전압 0.1 V에서 R_on/R_off 비율은 약 10³입니다. 그림 3c는 양극성 RS 거동을 보여줍니다. RS 거동은 반대 전압 극성에서 관찰됩니다. 세트 및 리셋 스위핑 전압은 0 V → +3.4 V → 0 V → −2.5 V → 0 V 순서를 따릅니다. Pt 상부 전극에 양바이어스 전압 인가 시 소자는 HRS에서 LRS로 스위칭됩니다. 이후 음바이어스 전압 하에서 HRS로 다시 스위칭됩니다. 단극성 경우와 유사하게 명백한 전기적 포밍 공정은 관찰되지 않습니다. 삽입도는 150사이클 내구성 특성을 보여주며, 읽기 전압 0.1 V에서 R_on/R_off 비율은 약 10³입니다.

a 비어닐링 Pt/Al/ITO 소자 I-V 곡선. 삽입도는 전기 측정 개요도. Pt 상부 전극에 바이어스 전압 인가, ITO 접지. b 단극성 스위칭 50-사이클 I-V 곡선(4시간 어닐링). 점선은 순응 전류 Icc = 10 mA 표시. 빨간 선은 첫 세트 및 리셋 공정 표시. 화살표는 전압 스위핑 방향. 읽기 전압 0.1 V 설정. 삽입도는 내구성 특성. c 양극성 스위칭 50-사이클 I-V 곡선(4시간 어닐링). 삽입도는 내구성 특성. 읽기 전압 0.1 V 설정

일반적으로 양극성 RS 거동은 AlO_x 기반 RRAM 소자에서 자주 관찰됩니다. 양극성 스위칭 메커니즘은 산소 공공으로 구성된 전도성 필라멘트 형성/파열에 기인합니다[11, 16]. 상부 전극에 양전압 인가 시 산소 이온(O²⁻)이 상부 전극으로 이동해 산소 공공을 남깁니다. 산소 공공이 축적되어 전도성 필라멘트를 형성합니다. 소자는 LRS로 스위칭됩니다. 상부 전극에 음전압 인가 시 산소 이온이 AlO_x로 다시 추출되고 전도성 필라멘트가 파열됩니다. 양극성 스위칭 메커니즘은 전기화학적 메커니즘과 관련이 있습니다. 그러나 단극성 스위칭 거동에서는 세트 공정과 리셋 공정이 같은 전압 극성으로 발생합니다. 단극성 저항 스위칭은 전도성 필라멘트 열적 파괴에 의해 촉발됩니다. 스위칭 메커니즘은 다른 RRAM 소자에서 열 기반 메커니즘으로 설명됩니다[16]. AlO_x RRAM에서 단극성 스위칭 거동에 줄 열이 기여하는지 검증하기 위해 서로 다른 순응 전류로 소자 통과 전류를 제어했습니다.

그림 4a는 서로 다른 순응 전류에서 양극성 스위칭 거동의 I-V 특성을 보여줍니다. 전도성 필라멘트 저항은 세트 순응 전류로 제어할 수 있습니다. 순응 전류 증가로 LRS 저항을 낮출 수 있습니다(Icc = 10 mA, R_LRS ~ 40 Ω; Icc = 1 mA, R_LRS ~ 300 Ω; Icc = 100 μA, R_LRS ~ 8 kΩ). LRS 저항(R_LRS)은 서로 다른 순응 전류에서 수십 옴에서 수천 옴까지 변합니다. 서로 다른 R_LRS 값은 서로 다른 순응 전류 하에서 서로 다른 크기의 전도성 필라멘트 형성과 관련이 있습니다. 줄 열은 필라멘트 크기 감소에 따라 감소합니다[18]. 주목할 점은 순응 전류 Icc = 100 μA와 Icc = 1 mA에서 양극성 RS 거동의 리셋 공정 중 점진적 리셋 공정이 관찰되며, 이는 Icc = 10 mA에서의 급격한 리셋과 다릅니다. 점진적 리셋은 전도성 필라멘트의 점진적 파열로 설명됩니다[19]. 급격한 리셋은 줄 열 보조 파열과 관련이 있습니다[20]. 줄 열이 양극성 RS 거동에 미치는 영향은 급격한 리셋 공정에 반영됩니다. 양극성 RS 거동은 높은 프로그래밍 전류에서 전기화학적 메커니즘과 줄 열의 조합으로 간주될 수 있습니다[13, 21].

a 서로 다른 순응 전류에서 양극성 I-V 곡선: Icc = 10 mA(점선), Icc = 1 mA(파란 선), Icc = 100 μA(녹색 선). 읽기 0.1 V에서 서로 다른 순응 전류의 LRS 저항(Icc = 10 mA, RLRS ~ 40 Ω; Icc = 1 mA, RLRS ~ 300 Ω; Icc = 100 μA, RLRS ~ 8 kΩ). b 서로 다른 순응 전류에서 단극성 거동 I-V 곡선: Icc = 10 mA(점선), Icc = 1 mA(파란 선), Icc = 100 μA(검은 선)

그림 4b는 서로 다른 순응 전류(ICC = 10 mA, Icc = 1 mA, Icc = 100 μA)에서 단극성 특성을 보여줍니다. 단극성 스위칭은 순응 전류 Icc = 10 mA와 1 mA에서만 관찰됩니다. 순응 전류 Icc = 10 mA의 리셋 전압이 1 V 이내인 것과 비교해, 순응 전류 Icc = 1 mA의 리셋 전압은 명백히 1.5 V 이상으로 증가하고 리셋 후 리셋 전류는 약 2개 주문만큼 감소(~724 μA)합니다. 리셋 공정 후 전류 값은 순응 전류에 근접합니다. 소자는 초기 상태(~100 kΩ)로 리셋되지 못합니다. Russo 등은 자가가속 열용해 모델에서 단극성 리셋 공정의 임계 온도(T_crit)를 제안했습니다[22]. 두 전극 사이에 인가된 리셋 전압 하에서 전도성 필라멘트 내 온도가 임계값에 도달하면 전도성 필라멘트가 리셋 상태에서 용해되고 파열됩니다. 임계 온도, 전압, 전류, 저항 간 함수 관계는 다음과 같이 설명될 수 있습니다:

$$ {T}_{\mathrm{crit}}={T}_0+{P}_{\mathrm{reset}}\cdotp {R}_{\mathrm{th}} $$

T₀은 실온, R_th는 전도성 필라멘트의 유효 열 저항으로 크기 의존성이 약하며, 전기적 파워는 P_reset = V_reset · I_reset로 쓸 수 있습니다. 더 낮은 순응 전류 Icc = 1 mA에서 더 큰 리셋 전압이 필요합니다. 전도성 필라멘트 최열점이 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트의 열적 안정성이 나빠집니다. 전도성 필라멘트는 이후 파열됩니다. 단극성 RS 거동이 발생합니다. 그러나 순응 전류 Icc = 100 μA에서는 LRS 전류가 더 작습니다. 리셋 전압이 증가하더라도 전류 값은 더 큰 순응 전류(Icc = 1 mA, Icc = 10 mA)에서의 전류 수준에 도달하기 어렵습니다. 생성된 줄 열이 임계 온도에 도달하기에 충분하지 않습니다. 따라서 단극성 RS 거동이 관찰되지 않습니다. 리셋 전압을 더 높이면 소자가 파손될 수 있습니다. 따라서 AlO_x RRAM에서 단극성 RS 거동은 줄 열에 의해 구동됩니다.

RS 거동에 대한 줄 열 영향에 대한 추가 연구를 위해 소자를 서로 다른 온도에 배치했습니다. 세트 공정 중 순응 전류 Icc = 10 mA를 사용했습니다. 양극성 거동의 I-V 곡선은 그림 5a에 나와 있습니다. 주목할 점은 급격한 리셋 공정이 온도 감소에 따라 40 K까지 점진적 리셋 공정으로 변환된다는 것입니다. 300 K와 340 K와 비교해 40 K에서 줄 열이 잘 분산될 수 있습니다. 줄 열 효과를 최소화할 수 있습니다. 따라서 양극성 스위칭 거동의 리셋 공정에서 전기화학적 메커니즘이 주요 역할을 합니다. 점진적 리셋 공정은 부분적으로 파열된 전도성 필라멘트로 설명됩니다. 소자는 같은 리셋 전압에서 초기 상태로 리셋될 수 없습니다. 이 현상은 다른 금속-산화물 재료에서도 관찰됩니다[23]. 그림 5b와 c는 서로 다른 온도에서 양극성 스위칭의 동작 전류(HRS, LRS)와 전압(SET, RESET) 통계적 분포를 보여줍니다. 분명히 HRS 전류는 온도 증가에 따라 감소합니다. 또한 SET 전압은 온도 증가에 따라 증가합니다. 이러한 관찰은 줄 열이 전도성 필라멘트 파열에 영향을 미침을 시사합니다. 온도가 상승하면 리셋 공정 중 AlO_x 저항 스위칭 층에 더 적은 전도성 필라멘트가 남습니다. 더 절연된 고저항 상태를 얻습니다. SET 전압이 명백히 증가합니다. LRS 전류는 온도 증가에 따라 약간 증가하며, 이는 반도체 특성 수송에 해당합니다. 그림 5d는 서로 다른 온도에서 단극성 거동의 I-V 특성을 보여줍니다. 300 K와 340 K와 비교해 40 K에서 소자는 초기 상태로 리셋될 수 없으며, 이는 열 방산 때문입니다. 전도성 필라멘트 내 온도가 임계 온도에 도달하지 않습니다. 전도성 필라멘트가 완전히 파열될 수 없습니다. 순응 전류 Icc = 10 mA에서 소자는 다시 LRS로 스위칭될 수 없습니다(파란 점선). 그림 5e와 f는 서로 다른 온도에서 단극성 스위칭의 동작 전류(HRS, LRS)와 전압(SET, RESET) 통계적 분포를 보여줍니다. 유사하게 온도 증가에 따라 더 높은 HRS 전류와 더 큰 SET 전압이 관찰됩니다. 따라서 줄 열은 단극성 RS 거동에 필수적인 것으로 간주됩니다.

a 서로 다른 온도(40 K(파란 선), 300 K(빨간 점선), 340 K(녹색 선))에서 양극성 거동 I-V 곡선, 순응 전류 Icc = 10 mA. b 서로 다른 온도(40 K, 300 K, 340 K)에서 20 양극성 스위칭 사이클 HRS 및 LRS 전류 통계 결과. c 서로 다른 온도(40 K, 300 K, 340 K)에서 20 양극성 스위칭 사이클 SET 및 RESET 전압 통계 결과. d 서로 다른 온도(40 K(파란 선), 300 K(빨간 점선), 340 K(녹색 선))에서 단극성 거동 I-V 곡선, 순응 전류 Icc = 10 mA. 파란 점선은 리셋 조작 후 다음 세트 공정 표시. e 서로 다른 온도(300 K, 340 K)에서 20 단극성 스위칭 사이클 HRS 및 LRS 전류 통계 결과. f 서로 다른 온도(300 K, 340 K)에서 20 단극성 스위칭 사이클 SET 및 RESET 전압 통계 결과

전도 메커니즘을 더 잘 연구하기 위해 I-V 곡선 피팅으로 스위칭 메커니즘을 예비적으로 추정했습니다. I-V 곡선을 이중 로그 플롯으로 재플로팅했습니다(그림 6a). LRS는 기울기 약 1의 옴 전도 거동을 보이며, 이는 전도성 필라멘트 형성에 기인할 가능성이 높습니다[24]. HRS는 두 영역으로 나눌 수 있습니다: 저전압 영역(< 0.4 V, 영역 1)에서 옴 전도 거동이 관찰되는 반면, 고전압 영역(> 0.4 V, 영역 2)에서 기울기는 2에 가깝습니다. 수송 거동은 공간전하제한 전도(SCLC)와 일치합니다[25]. SCLC 모델에서 트랩 제어 SCLC 방출의 전류 밀도 J는 다음과 같이 설명될 수 있습니다:

$$ {J}_{\mathrm{ohm}}=q{n}_0\mu \frac{V}{d} $$ $$ J=\frac{9}{8}{\varepsilon}_r{\varepsilon}_0\mu \theta \left(\frac{V^2}{d^3}\right) $$

a 양바이어스에서 로그-로그 스케일로 I-V 곡선 선형 피팅. b 250 K~340 K에서 HRS 전류 온도 의존성. c 서로 다른 전압에서 활성화 에너지 E_α 요약. 삽입도는 HRS에서 서로 다른 전압의 전류-온도 데이터 아레니우스 플롯. d 250 K~340 K에서 LRS 전류 온도 의존성. e 전도도 ln I 대 온도 T^−1/4 관계. 읽기 전압 0.1 V. f 활성화 에너지 E_α = 9.93 meV 계산

여기서 q는 기본 전하, n₀은 열적으로 생성된 자유 캐리어, μ는 전자 이동도, ε_r은 정적 유전율, ε₀은 진공 유전율, θ는 자유 캐리어 밀도와 총 캐리어 밀도 비율, V는 인가 전압, d는 박막 두께입니다. 영역 1(낮은 인가 전압)은 옴의 법칙(I ∝ V¹)에 해당하며, 이 영역에서 열적 여기로 인해 소량의 캐리어가 생성되어 가전자대 또는 불순물 준위에서 전도대로 여기될 수 있습니다. 인가 전압이 증가하면 주입된 캐리어가 트랩됩니다. 전도는 공간전하제한이 됩니다. HRS 전류는 영역 2에서 제곱 법칙(I ∝ V²)을 따릅니다. 그림 6b는 HRS 전류의 온도 의존성을 보여줍니다. 전류는 온도 증가에 따라 증가하며, 이는 반도체 같은 전도 거동을 시사합니다[26, 27]. 데이터의 아레니우스 타입 플롯 기울기에서(그림 6c 삽입도), 0.01 V ~ 2 V에서 활성화 에너지(E_α)는 그림 6c에 요약된 바와 같습니다. 결과는 E_α가 저전압 영역에서 상대적으로 높음(~0.15 eV)을 나타내며 옴 전도 거동을 보입니다. 전압 증가에 따라 E_α가 감소하며, 이는 SCLC의 특징적 특성입니다[28]. 온도 의존적 I-V 분석은 HRS에서 SCLC 전도 메커니즘을 명확히 지지합니다.

그림 6d는 LRS 전류가 온도 증가에 따라 약간 증가하며 반도체 같은 전도 거동을 보임을 보여줍니다. 금속 전도성 필라멘트는 배제됩니다. 그림 6e는 ln(I)와 T^−1/4 간 선형 관계를 보여주며, 이는 LRS 메커니즘이 모트의 가변 범위 호핑 모델을 따름을 시사합니다[29, 30]. 두 국소화 상태 에너지 준위가 충분히 가깝고 파동 함수가 중첩되면, 전자는 열 에너지의 도움으로 두 사이트 사이를 호핑할 수 있습니다. LRS 활성화 에너지 E_α 값은 9.93 meV로(그림 6f), 실온 활성화 에너지 26 meV보다 작습니다. 이 값은 실온에서 전자의 가변 범위 호핑을 보장합니다. 다른 금속-산화물 반도체에서도 LRS에서 호핑 메커니즘이 관찰되며, I-V 곡선 피팅은 실온에서 옴 전도 거동을 보입니다[31]. 따라서 LRS 저항 스위칭 메커니즘은 전도성 필라멘트 내 산소 공공과 관련이 있습니다.

그림 7은 단극성 및 양극성 저항 스위칭 모델을 보여줍니다. 단극성 및 양극성 RS 거동의 세트 공정에서, 산소 이온은 전기장 하에서 상부 전극으로 이동합니다. 최종적으로 산소 이온은 환원되어 AlO_x 저항 스위칭 층에 산소 공공을 남깁니다. 대량의 산소 공공 축적이 ITO와 비산화 Al 층 사이 산소 전도성 필라멘트를 형성합니다. 소자는 LRS로 세트됩니다. 전자는 그림 7(a)와 (c)에 보인 것처럼 산소 공공으로 구성된 전도성 필라멘트를 통해 호핑합니다. 단극성 RS 거동의 리셋 공정에서, 순응 전류가 제거됩니다. 양바이어스가 다시 인가되고 전압 증가에 따라 전류가 증가합니다. 전도성 필라멘트 내 최고 온도점이 임계 온도에 도달하면 전도성 필라멘트 안정성이 나빠지고 쉽게 파열됩니다. 전도성 필라멘트 파괴 후 소자는 HRS로 스위칭됩니다(그림 7(b)). 양극성 RS 거동에서, 음바이어스가 상부 전극에 인가됩니다. 산소 이온이 AlO_x 계면층으로 다시 추출됩니다. 전도성 필라멘트가 파열됩니다(그림 7(d)). 소자는 HRS로 리셋됩니다. 리셋 전류가 상대적으로 클 때, 줄 열이 전도성 필라멘트 파열 공정을 강화합니다. 리셋 공정에서 급격한 전이가 나타납니다. 두 RS 거동에서 HRS 전자 수송 메커니즘은 SCLC 메커니즘이 지배적입니다.

AlO_x 기반 RRAM 소자 스위칭 메커니즘 개요도. (a) 양전압 하 단극성 스위칭 세트 공정. 전도성 필라멘트는 산소 공공으로 구성. 검은 화살표는 전자 이동 방향 표시. (b) 양전압 하 단극성 스위칭 리셋 공정. 전도성 필라멘트가 줄 열로 파열. 전자가 결함에 트랩됨. HRS 전도 메커니즘은 SCLC 지배. (c) 양전압 하 양극성 스위칭 세트 공정. (d) 음전압 하 양극성 스위칭 리셋 공정. 전도성 필라멘트 파열

결론

본 논문에서 AlO_x 기반 RRAM에서 단극성 및 양극성 저항 스위칭 거동의 공존을 관찰했습니다. 서로 다른 순응 전류와 다양한 작동 온도에서 단극성 및 양극성 스위칭의 전류-전압 특성을 연구하여, 줄 열이 AlO_x 기반 RRAM에서 단극성 저항 스위칭 거동에 필수적임을 제안합니다. 리셋 공정 중 전도성 필라멘트를 통해 높은 프로그래밍 전류가 흐를 때 전도성 필라멘트 내 국소 온도가 임계 온도에 도달하고 전도성 필라멘트가 파열됩니다. 단극성 RS 거동이 발생합니다. 양극성 저항 스위칭 거동에서 리셋 공정은 전기화학적 메커니즘뿐만 아니라 줄 열에도 기인합니다. 소자가 높은 지우기 전류를 가질 때 열이 전도성 필라멘트 파열을 촉진하여 AlO_x 기반 RRAM에서 더 높은 HRS 저항과 더 큰 SET 동작 전압을 초래합니다. 따라서 줄 열은 RS 성능의 무시할 수 없는 요소입니다. 이러한 결과는 AlO_x 기반 RRAM에서 저항 스위칭 거동에 대한 줄 열 영향 줄 열은 RS 성능의 무시할 수 없는 요소입니다. 이러한 결과는 AlO_x 기반 RRAM에서 저항 스위칭 거동에 대한 줄 열 영향을 깊이 이해하는 데 도움이 될 것입니다. 또한 전도 메커니즘을 연구했습니다. LRS 전도 메커니즘은 전도 경로를 통한 전자 호핑에 기인합니다. HRS 전도 메커니즘은 SCLC 메커니즘이 지배적입니다.