Ag 도핑 Ga₂Te₃ 셀렉터: 3D 크로스포인트 메모리를 위한 초고내구성 임계 스위칭

초록

칼코게나이드의 임계 스위칭은 고밀도 및 3차원 적층형 크로스포인트 어레이 구조에 적용할 잠재력 때문에 상당한 주목을 받아왔습니다. 그러나 우수한 임계 스위칭 특성에도 불구하고, 실용화를 위해서는 이러한 셀렉터의 선택도와 내구성 특성을 개선해야 합니다. 본 연구에서는 선택도와 내구성 측면에서 Ag가 Ga₂Te₃ 셀렉터의 임계 스위칭 거동에 미치는 영향을 조사했습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터는 10⁸의 높은 선택도, 100 fA 미만의 낮은 오프 상태 전류, 0.19 mV/dec의 급격한 턴온 기울기, 그리고 10⁹ 사이클의 높은 내구성을 나타냈습니다. 과도 응답은 펄스 입력 전압과 측정 온도에 의존하는 것으로 검증되었습니다. 이러한 우수한 임계 스위칭 특성을 고려할 때, Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터는 크로스포인트 어레이 구조의 응용 분야에서 유망한 후보입니다.

서론

저항 변화 메모리(ReRAM)는 단순한 동작, 낮은 전력 소비, 3차원(3D) 적층 가능성, 확장성, 단순한 구조 덕분에 차세대 비휘발성 메모리의 유망한 후보로 연구되어 왔습니다[1-4]. 그러나 높은 셀 밀도를 가진 3D 크로스포인트 어레이(CPA) 구조에서 발생할 수 있는 잠재적인 동작 오류를 방지하기 위해서는 인접 셀을 통과하는 스니크 전류를 줄여야 합니다[5, 6]. 낮은 오프 상태 전류와 높은 온/오프 비율을 가진 양단자 셀렉터 소자는 이러한 스니크 전류 문제를 해결하는 데 선호됩니다[7, 8].

임계 스위칭(TS) 특성을 가진 다양한 유형의 셀렉터 소자가 제안되어 왔습니다. 오보닉 임계 스위치(OTS)[9], 금속-절연체 전이(MIT)[10], 전계 보조 초선형 임계 스위치(FAST)[11], 전기화학적 금속화(ECM)[12], 혼합 이온-전자 전도(MIEC)[13] 등이 있습니다. 그러나 OTS와 MIT 셀렉터의 선택도와 누설 전류는 실용화를 위해 개선되어야 합니다[9, 10]; FAST 셀렉터에 사용되는 물질의 본질은 알려지지 않았습니다[11]. 한편, Ag나 Cu를 사용한 ECM 및 MIEC 소자는 낮은 누설 전류, 높은 온/오프 비율, 급격한 턴온 기울기, 임계 전압(V_TH)과 홀드 전압(V_Hold) 사이의 큰 히스테리시스 등 바람직한 TS 특성 때문에 상당한 주목을 받아왔습니다[14-16]. 원셀렉터-원저항(1S1R) 구조에서 읽기 동작을 위한 전압 윈도우는 메모리의 세트 전압(V_Set)과 셀렉터의 V_TH에 의해 결정됩니다. V_Set은 메모리 소자에 사용된 재료에 따라 달라지므로, 1S1R 소자의 동작을 용이하게 하기 위해서는 V_TH의 조절이 필요합니다[17]. 또한 V_TH와 V_Hold 사이의 큰 차이는 CPA 구조의 동작 복잡성을 완화하고 엄격한 전압 매칭 요구 사항을 완화할 수 있습니다[18, 19].

Ag나 Cu 같은 활성 금속을 사용하는 이러한 셀렉터 소자의 스위칭 메커니즘은 금속 전도 채널의 형성과 용해에 기반합니다. 따라서 전해질 물질의 매트릭스는 활성 금속의 이동과 셀렉터의 스위칭 속도에 큰 영향을 미칩니다. 산화물 기반 전해질을 기반으로 한 셀렉터의 스위칭 속도는 일반적으로 마이크로초 단위보다 느립니다[20-22], 이는 이전에 보고된 OTS[23]나 MIT 셀렉터 소자[24]에 비해 상대적으로 느립니다. 한편, 칼코게나이드 박막의 결함(예: 비결합 Te, NBT)은 활성 금속 이온의 이동을 위한 활성화 에너지를 낮출 수 있으므로, 칼코게나이드 물질이 활성 금속 이온의 빠른 이동에 더 유리합니다[18]. 그러나 무작위로 형성된 금속 전도 채널 때문에 이러한 물질은 셀렉터의 중요한 요소인 스위칭 내구성 특성 측면에서 불리합니다[14, 18, 25]. 중간 버퍼 층을 사용하여 ECM 소자의 내구성을 10³에서 10⁶ 사이클로 개선할 수 있습니다[26]. 그러나 CPA 구조에서 이러한 소자의 실용화를 위해서는 내구성을 더 개선해야 합니다[5].

본 연구에서는 고결함 비정질 Ga₂Te₃를 스위칭 층으로 사용하고 Ag 층을 삽입하여 낮은 누설 전류(오프 상태 전류), 높은 선택도, V_TH와 V_Hold의 조절, 높은 내구성 측면에서 TS 특성을 조사했습니다. 비정질 Ga₂Te₃는 여러 NBT가 Ag 이동의 활성화 에너지를 낮추고, 비정질 Ga₂Te₃ 박막에서 Ag의 이동 위치로 작용하는 Ga 공공이 있기 때문에 전해질 물질로 유리합니다[27-29].

실험 방법

그림 1a에 도시된 바와 같이 TiN/Ag/Ga₂Te₃/TiN 적층 구조의 셀렉터 소자를 비아 홀 구조로 제작하여 TS 특성을 조사했습니다. 먼저, 0.42 μm × 0.42 μm 크기의 TiN 플러그를 하부 전극(BE)으로 형성했습니다. Ga₂Te와 Te 타겟을 사용하여 RF 마그네트론 공동 스퍼터링으로 두께 40 nm의 Ga₂Te₃ 박막을 증착했습니다. 이후 DC 마그네트론 스퍼터링으로 Ga₂Te₃ 박막 위에 두께 10 nm의 Ag 박막을 증착했습니다. 마지막으로 DC 마그네트론 스퍼터링과 리프트오프 공정으로 TiN 상부 전극(TE)을 형성했습니다.

전기적 특성은 298 K에서 Keysight B1500A 분석기를 사용하여 조사했습니다. DC 스위칭 테스트는 TS 소자의 하드 브레이크다운을 방지하기 위해 순응 전류(I_comp)를 설정하여 수행했습니다. 또한, 소자의 브레이크다운을 방지하기 위해 1 MΩ의 외부 부하 저항을 사용하여 AC I-V 측정을 수행했습니다. 소자의 미세 구조는 투과 전자 현미경(TEM; JEOL FEM-F200)을 사용하여 그림 1b와 같이 조사했습니다. 소자의 단면 TEM 시편은 집속 이온 빔 시스템으로 제작했습니다. Ga₂Te₃ 박막 내 Ag의 원자 분포는 TEM-에너지 분산 분광법(EDS) 측정으로 조사했습니다.

결과 및 고찰

그림 2a는 셀렉터 소자의 프리스타인 TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN 적층의 단면 TEM 이미지를 보여줍니다. 두께 10 nm의 Ag 중간층이 Ga₂Te₃ 박막 위에 관찰되지 않았습니다. 그림 2b는 그림 2a의 빨간 직사각형 영역에 대한 Ga, Te, Ag, Ti 원소의 EDS 매핑을 보여줍니다. EDS 매핑 이미지는 Ag의 공동 스퍼터링 공정이 적용되지 않았음에도 불구하고 Ag가 Ga₂Te₃ 박막에 균일하게 분포되어 있음을 보여줍니다. 이러한 균질한 Ag-Ga₂Te₃ 박막은 적층 형성 중 Ag의 확산 때문에 형성되었을 가능성이 높습니다. Ag의 이러한 빠른 균질화는 GeTe 박막에서도 보고된 바 있습니다[30-32]. Ag는 Ga₂Te₃ 박막의 NBT 및 Ga 공공 같은 결함으로 인해 Ga₂Te₃ 박막으로 확산될 수 있습니다[18, 27-29].

그림 3a는 바닥 전극 면적 0.42 µm × 0.42 µm인 Ag-Ga₂Te₃ 소자의 전류-전압(I-V) 특성을 100회 연속 DC 스위핑 사이클로 보여줍니다. 소자는 포밍 공정 없이 TS 특성을 보였습니다. TE의 전압이 0에서 1.5 V로 스위핑될 때, 전도 전류가 V_TH ≈ 0.87 V에서 I_comp(1 µA로 설정)로 급격히 증가하여 소자가 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 전환됨을 나타냈습니다. 전압이 1.5 V에서 0 V로 감소할 때 소자는 V_Hold ≈ 0.12 V에서 HRS로 복귀하여 V_TH와 V_Hold 사이에 상당한 차이가 있음을 보여주었습니다. V_TH에서의 오프 상태 전류는 100 fA 미만으로 측정되었으며, 이는 Ag나 Cu 같은 활성 금속을 사용한 이전에 보고된 칼코게나이드 기반 셀렉터 중 가장 낮은 값 중 하나에 해당합니다[14, 18, 25, 30, 33]. 선택도(온 상태 전류와 오프 상태 전류의 비율)는 약 10⁸이었습니다. 그림 3b에 표시된 바와 같이, I-V 곡선은 10 nA에서 10 µA까지 다양한 I_comp 값에서 안정적인 TS 특성을 보여주어 동작 전류 측면에서의 유연성을 입증했습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자의 포밍 프리 TS와 V_TH와 V_Hold 사이의 큰 히스테리시스는 Ga₂Te₃ 단독 OTS 셀렉터 소자의 TS 특성보다 뚜렷이 유리합니다[34]. 포밍 공정은 실제 소자 응용의 잠재적 장애물로 간주되므로[35], 포밍 공정이 필요한 셀렉터 소자보다 Ag-Ga₂Te₃ 소자의 포밍 프리 특성이 더 유리합니다. 또한 Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자의 큰 히스테리시스를 가진 TS 특성은 CPA 구조의 동작 복잡성을 낮추고 엄격한 전압 매칭 요구 사항을 완화할 수 있습니다[18, 19]. 추가로 Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터는 그림 3c와 같이 1.5 mV/측정 단계의 스캔 속도에서 0.19 mV/dec의 급격한 턴온 기울기를 보입니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자는 높은 선택도(10⁸), 낮은 오프 상태 전류(<100 fA), 급격한 턴온 기울기(0.19 mV/dec), 포밍 프리 특성 등 우수한 특성을 입증했습니다.

소자 성능의 변동은 셀렉터를 CPA 구조에 적용하는 데 중요한 요소이므로, 25개의 무작위 소자에 대해 V_TH, V_Hold, 고저항 상태 저항(R_HRS), 저저항 상태 저항(R_LRS)의 분포를 조사했습니다. 그림 4a에 따르면 임계 전압 분포는 0.75~1.08 V 범위였고, 홀드 전압 분포는 0.06~0.375 V 범위였습니다. 또한 그림 4b와 같이 HRS에서의 저항 분포는 10¹¹~10¹⁴ Ω 범위였고, LRS에서의 저항은 약 10⁶ Ω였습니다. Ag나 Cu 같은 활성 금속을 사용하는 셀렉터 소자는 금속 전도 채널의 형성으로 인해 상대적으로 넓은 변동 특성을 보입니다[36, 37]. 따라서 도핑이나 버퍼 층 삽입을 통해 이러한 특성의 신뢰성을 개선하는 연구가 보고되었습니다[37, 38].

Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터의 과도 응답을 조사하기 위해, 그림 5a와 같이 파형 생성기 고속 측정 장치(WGFMU)를 사용하여 전압 펄스(높이 3 V, 상승-하강 시간 100 ns, 지속 시간 1.5 μs, 외부 부하 저항 1 MΩ) 동안 전류를 측정했습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자의 전도 전류는 전압이 최대값 3 V에 도달한 후 406 ns에 피크 값에 도달했습니다. 또한 인가 전압이 제거된 후 605 ns 이내에 소자는 오프 상태로 전환되었습니다. 따라서 Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터의 스위칭 온 시간과 스위칭 오프 시간은 각각 약 400 ns와 600 ns로 추정되었습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터의 느린 스위칭은 전도 채널 형성을 위한 Ag의 이동과 산화환원 반응에 기인할 수 있습니다. 또한 1.5~5 V의 입력 전압과 298~375 K의 측정 온도에서 스위칭 시간에 대한 인가 전압과 측정 온도의 영향을 조사했습니다. 그림 5b와 같이 펄스 전압이 1.5에서 3.5 V로 증가함에 따라 스위칭 온 시간은 1 μs에서 294 ns로 감소한 반면, 스위칭 오프 시간은 400 ns에서 849 ns로 증가했습니다. 인가 전압에 대한 스위칭 속도의 의존성은 Ag 층이 있는 HfO₂와 TiO₂에 대한 이전에 보고된 결과와 비교 가능합니다[39]. 또한 그림 5c는 측정 온도가 증가함에 따라 스위칭 온 및 오프 시간이 감소함을 보여줍니다. 그림 5d의 측정 온도에 대한 스위칭 속도의 아레니우스 플롯에 따르면, 스위칭 속도의 측정 온도에 대한 지수적 의존성은 전해질 박막 매트릭스 내 Ag 원자의 확산 같은 열적 촉진 과정에 기인할 수 있습니다[40]. 스위칭 온과 오프의 활성화 에너지는 각각 0.50 eV와 0.40 eV로 추정되었으며, 이는 Ag 필라멘트 기반 소자에 대한 이전 보고와 비교 가능합니다[41]. 전기적 바이어스 하에서 HfO₂, SiO₂, TiO₂에서 Ag 전도 채널이 형성된다고 보고되었습니다[15, 42, 43]. 그러나 본 연구에서는 Ag가 프리스타인 Ga₂Te₃ 박막에 균일하게 분포된 것으로 관찰되었습니다. Ag가 균일하게 분포된 Ga₂Te₃ 박막에서의 TS 메커니즘은 명확히 이해되지 않았지만, Ag는 전기적 바이어스 하에서 Ga₂Te₃ 박막 내 전도 채널 형성과 관련될 수 있습니다. 따라서 Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자의 입력 전압과 측정 온도에 대한 스위칭 속도 의존성은 전도 채널의 형성에 기인할 수 있습니다.

AC 내구성 특성은 스위칭 속도 테스트와 동일한 전압 펄스 조건에서 조사했습니다. HRS와 LRS의 읽기 전압은 각각 0.5 V와 3 V였습니다. 측정된 HRS와 LRS의 저항을 10년마다 450 포인트로 플로팅한 결과를 그림 6에 나타냈습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자는 10⁹ 사이클까지 10⁸의 선택도를 유지하며 안정적인 내구성 특성을 보여주어, 칼코게나이드와 활성 금속을 활용한 다른 셀렉터들과 비교하여 우수한 스위칭 내구성 특성을 입증했습니다[18, 25, 30].

결론

본 연구에서는 이온 이동도가 높은 Ag와 고결함 비정질 Ga₂Te₃를 스위칭 층으로 사용하여 제작된 셀렉터 소자의 안정적인 TS 특성을 입증했습니다. TiN/Ag-Ga₂Te₃/TiN 구조의 TEM 분석 결과, 매립된 Ag 중간층이 후속 TE TiN 증착 중 비정질 Ga₂Te₃의 고결함 구조로 인해 Ga₂Te₃ 박막으로 완전히 확산되어 Ga₂Te₃ 층에 균일한 Ag 분포를 생성함을 보였습니다. Ag-Ga₂Te₃ 셀렉터 소자는 포밍 프리 TS, 큰 히스테리시스(1 V), 높은 선택도(10⁸), 낮은 오프 상태 전류(<100 fA), 급격한 턴온 기울기(0.19 mV/dec), 우수한 내구성 특성(10⁹ 사이클)을 나타냈습니다. 또한 AC I-V 측정 결과 스위칭 속도가 수백 나노초 단위임이 밝혀졌습니다. 펄스 전압에 대한 스위칭 속도 의존성은 Ag 이동과 산화환원 반응의 복합 효과일 수 있습니다. 또한 측정 온도에 기반한 스위칭 속도의 아레니우스 거동은 TS가 열적 촉진 과정과 관련됨을 시사했습니다. 결론적으로 우수한 TS와 내구성 특성을 가진 Ag-Ga₂Te₃ 소자는 CPA 메모리 응용 분야에서 셀렉터로 유망한 후보입니다.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.

약어

3D:

3차원

CPA:

크로스포인트 어레이

TS:

임계 스위칭

OTS:

오보닉 임계 스위치

MIT:

금속-절연체 전이

FAST:

전계 보조 초선형 임계 스위치

ECM:

전기화학적 금속화

MIEC:

혼합 이온-전자 전도

V_TH:

임계 전압

V_Hold:

홀드 전압

1S1R:

원셀렉터-원저항

V_Set:

세트 전압

NBT:

비결합 Te

TE:

상부 전극

BE:

하부 전극

I_comp:

순응 전류

HRS:

고저항 상태

LRS:

저저항 상태

R_HRS:

고저항 상태 저항

R_LRS:

저저항 상태 저항