산화물 기반의 저항 메모리의 동작 특성과 스케일링 효과를 기반으로 한 저항 메모리의 저전력화 연구

저항 메모리는 여러가지 물질의 고유한 특성을 메모리 연구에 이용하고자 하는 연구방향에서 착안된 메모리로, 현재 그 잠재적인 다양한 장점으로 인하여 향후 기존의 메모리를 대체할 수 있는 유망한 메모리로 관심과 함께 다양한 방법론적인 방법에서의 접근이 시도되고 있는 메모리 연구분야이다. 하지만 아직 저항메모리는 다양한 물질의 동작 메커니즘을 비롯한 물리적인 특성에 대한 연구가 미흡하여, 기본적인 특성에 대한 연구가 아직 미진하며, 따라서 이러한 부분에 대한 다양한 연구 방법 및 방향이 명확하지 않아, 연구에 어려움이 있다. 특히 저항메모리가 기존의 메모리들을 대체하기 위해서는 먼저 다양한 물질의 동작 메커니즘과 함께, 이러한 동작 전류의 감소를 통한 소비전력의 감소가 이루어져야 하며, 이를 통해 고집적 저전력 메모리로서의 가능성에 대한 다양한 연구 및 증명이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 저항메모리 소자에 대한 기본적인 쓰기/지우기 동작 특성의 개선을 통한 새로운 메모리로서의 가능성에 대해서 제시하고 이를 위해 전도성 필라멘트를 효과적으로 제어할 수 있는 구조의 제안을 통해 이를 증명하였다. 먼저, 저전력, 고집적화가 가능한 단극성 저항 메모리의 특징을 살펴본후, 단극성 저항 메모리가 가지는 단점인 높은 쓰기전류 및 산포에 대해서 확인한후, 이러한 특성의 원인이 스위칭 동작에 관여하는 전도성 필라멘트의 형성 및 형태, 면적등의 요소와 이와 연계된 메커니즘과 관련이 있음을 설명하였다. 특히 이러한 메모리 동작에 관여하는 전도성 필라멘트의 다양한 제어기구를 단일소자와 제안된 이중층을 가지는 저항메모리를 통해 확인한후, 이러한 전도성 필라멘트와 쓰기면적의 감소와의 관계에 대해서 고찰하였다. 이러한 전도성 필라멘트의 감소를 통한 저전력 쓰기동작이 가능함을 면적을 효과적으로 제한할 수 있는 제시된 두가지의 국소화 면적 구조를 통해서 검증하고, 이를통한 면적과 전도성 필라멘트의 형성기전에 대해서 설명하였다. 해당 구조를 통해서 향후 고집적화를 위한 저항층의 면적감소는 동작특성에 관여하는 전도성 필라멘트의 양과 모양을 보다 저전력에 동작 가능한 형태로 변형시켜, 이를 통한 고집적 저전력화의 동작이 가능함을 설명하였고, 특히 이러한 단극성 저항메모리에서 주울 히팅에 의한 전도성 필라멘트의 끊어짐 현상을 설명할 때, 실험결과와 보다 일치하는 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다. 이 논문에서 제시한 구조와 제반 분석에 관한 연구는 새로운 저항 메모리의 저전력 고집적화에 있어 이의 가능성을 보다 실증적으로 예측할 수 있는 토대를 마련해주며, 근래 및 가까운 미래에 개발될 저항메모리의 저전력화를 통한 효과적인 양산화에 있어, 효과적인 방향을 제시할 수 있는 방법과 토대에 근거한 연구 결과를 제시한다.Over the recent years, rapid progress of information technology (IT) has enabled many researchers to focus on developing the new memories. Compared to other conventional memories such as dynamic random access memory (DRAM) and flash memory, new memory has numerous advantages such as low writing power, fast access time, and superb scalability. In particular, the development of resistive random access memory (RRAM), which is a low cost memory using resistance difference depending on the applied electrical signals, may enable the massive production due to its great compatibility with the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process. However, even though RRAM is very promising in many respects as described above, some shortcomings such as limited understanding of switching mechanism and relatively high switching current still need to be improved. In addition, in unipolar resistive switching, it is very difficult to implement high-density RRAM with conventional metal-insulator-metal (MIM) structure due to large reset/set distribution, large access device related with current compliance, and relatively high power consumption. To solve these problems in RRAM research, a few breakthroughs based on the correct understandings of resistive switching mechanism should occur. In these respects, the relations of analytical resistive switching parameters and switching characteristics, which are very important factors for understanding conductive filament (CF) in unipolar RRAM cell, are investigated. In addition, the effects of CF modulation at the switching interface and its area- and structure-related switching characteristics are also discussed. Particularly in this thesis, the evidence of switching area scaling effect on reset current (IRESET) reduction in unipolar RRAM is investigated. Especially, a novel metal-insulator-metal (MIM) structure designed for low-power RRAM application (called crown shape RRAM structure) is proposed to elucidate the area effect for the first time. We demonstrate that the control of contact size and deposition orientation of resistive material is useful in improving the initial CF formation in a crown shape cell. Simple fabrication flow and device performances are also evaluated in terms of forming-less process. Numerical simulation is also performed using 3D random circuit breaker model (RCB) to verify the proposed structure. In the end, IRESET reduction is finally confirmed by using highly scaled hole contact cell structure. We fabricated this scaled hole contact cell, which makes it possible to reduce the total area of CF (ACF) by reducing the switching area. It is verified that the decrease of CF area in the critical switching region contributes to IRESET reduction. It is clear that the effect of switching area reduction is significant. Various evidances of ACF modulation such as increase in on-state resistance (RON) and reset voltage (VRESET), decrease in IRESET and switching power are investigated. Elimination of unwanted leakage current in a scaled contact hole structure is realized by adopting a double-deposited inter layer dielectric (ILD) mold process. These results strongly support the scaling approach, which contributes to the IRESET reduction in low-power unipolar RRAM application.Abstract i Chapter 1 Introduction 1.1 Overview of RRAM 1 Chapter 2 Unipolar Resistive Switching 2.1 Conductive Filament (CF) in Initial Resistive Cell States 14 2.2 CF Control in Switching Interface in Single Layer Cell 19 2.3 CF Control in Switching Interface in Bi-layer Cell 32 2.3.1 Bi-layer cell with conductive defect effect 32 2.3.2 Bi-layer cell with thickness effect 38 2.3.3 Experimental results: Al inserted bi-layer structure 44 2.3.4 Experimental results: statistical analysis 50 2.4 Reset Current Reduction and CF Modulation 56 2.5 Summary 61 Chapter 3 Scaling Feasibility in Crown Shape RRAM 3.1 Introduction 63 3.2 Experimental Results 65 3.3 Summary 91 Chapter 4 Scaling Characterisitics in Trench Contact RRAM 4.1 Introduction 93 4.2 Experimental Results 95 4.3 Summary 119 Chapter 5 Conclusion 121 Bibliography 123 Abstract in Korean 134Docto