스퍼터링 및 용액 공정으로 형성된 Binary Oxide를 이용한 저항 변화 메모리에 관한 연구 Study on resistive random access memory (ReRAM) using binary oxide formed by sputtering and solution process원문보기
Conventional flash memory의 높은 operation voltage와 slow speed, scaling down limitation과 같은 문제점을 해결하기 위해 여러 종류의 대체 메모리가 제안 되고 있다. 그 중에서 Resistive Random Access Memory (ReRAM)는 간단한 구조, 낮은 소비 전력, standard complementary metal-oxide-semiconductor (...
Conventional flash memory의 높은 operation voltage와 slow speed, scaling down limitation과 같은 문제점을 해결하기 위해 여러 종류의 대체 메모리가 제안 되고 있다. 그 중에서 Resistive Random Access Memory (ReRAM)는 간단한 구조, 낮은 소비 전력, standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process 기술과의 호환성, 고 집적도, 빠른 쓰기-지우기 속도 등 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 차세대 고집적 비 휘발성 메모리 분야에 적용할 수 있는 유망한 메모리 디바이스로 평가 되고 있다. ReRAM의 특성을 결정짓는 중요한 요인 중 한가지는 switching medium이며, 현재까지 standard CMOS process 기술과의 호환성이 있는 이원계 산화물의 종류에 따른 메모리 특성뿐만 아니라, 형성 방법, 열처리 조건 등에 대한 연구가 지속 되고 있다. 본 연구에서는, Rf magnetron sputtering 방식을 이용하여 이원계 산화물인HfO2, TiO2, ZrO2, HfAlO switching medium을 형성 하였고, 이를 ReRAM device에 적용하여 메모리 특성을 보았다. 측정 결과, 4 V 이하의 낮은 동작 전압에서 안정적인 Bipolar 스위칭 특성을 보였고 이를 Poole-Frenkel model을 이용하여 메커니즘을 분석 하였으며, DC sweeping 방식으로 100회 이상의 endurance 특성을 확보 하였고, 실온과 85도에서 104 초 이상 retention을 측정한 결과 degradation없이 초기 resistance ratio를 유지하는 신뢰성 특성을 확보하였다. 하지만, Physical vapor deposition (PVD), Chemical vapor deposition (CVD), Rf magnetron sputtering과 같은 기존 ReRAM의 switching medium 형성 방법은 고품질의 박막을 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 고가의 진공장비 및 부대 시설이 필요하고 이로 인한 소자 제조 비용의 상승이 예상되는 단점을 가지고 있으며, 플라즈마로 인한 기판 damage 등 non-ideal effects를 유발시키는 공정상의 문제점이 발생할 수 있다. 이와 같은 신뢰성 문제점을 극복하고자 본 연구에서는 용액 공정 방식을 이용하여 switching medium을 형성한 후 이를 ReRAM device에 적용하였다. 그 결과, 고가의 진공 장비가 필요하지 않아 공정 단계에서 단가를 현저히 낮출 수 있다는 공정상의 이점을 가져올 수 있었으며, 플라즈마 damage로 인한 non-ideal effect와 같은 단점을 극복하여 표준편차 값을 0.61에서 0.48로 낮추면서 신뢰성을 향상 시키는 효과를 확인 하였다. 또한, 현재까지 ZnO, ZrOx나 TiOx와 같은 물질에 국한 되어있던 solution process based ReRAM 분야에서 HfO2, Ta2O5, Al2O3, HfAlO와 같은 물질을 용액 공정을 통해 형성하는데 성공하여, 이를 ReRAM device에 적용시켜 새로운 물질에 의한 switching memory device를 구현하였다.
Conventional flash memory의 높은 operation voltage와 slow speed, scaling down limitation과 같은 문제점을 해결하기 위해 여러 종류의 대체 메모리가 제안 되고 있다. 그 중에서 Resistive Random Access Memory (ReRAM)는 간단한 구조, 낮은 소비 전력, standard complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process 기술과의 호환성, 고 집적도, 빠른 쓰기-지우기 속도 등 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 차세대 고집적 비 휘발성 메모리 분야에 적용할 수 있는 유망한 메모리 디바이스로 평가 되고 있다. ReRAM의 특성을 결정짓는 중요한 요인 중 한가지는 switching medium이며, 현재까지 standard CMOS process 기술과의 호환성이 있는 이원계 산화물의 종류에 따른 메모리 특성뿐만 아니라, 형성 방법, 열처리 조건 등에 대한 연구가 지속 되고 있다. 본 연구에서는, Rf magnetron sputtering 방식을 이용하여 이원계 산화물인HfO2, TiO2, ZrO2, HfAlO switching medium을 형성 하였고, 이를 ReRAM device에 적용하여 메모리 특성을 보았다. 측정 결과, 4 V 이하의 낮은 동작 전압에서 안정적인 Bipolar 스위칭 특성을 보였고 이를 Poole-Frenkel model을 이용하여 메커니즘을 분석 하였으며, DC sweeping 방식으로 100회 이상의 endurance 특성을 확보 하였고, 실온과 85도에서 104 초 이상 retention을 측정한 결과 degradation없이 초기 resistance ratio를 유지하는 신뢰성 특성을 확보하였다. 하지만, Physical vapor deposition (PVD), Chemical vapor deposition (CVD), Rf magnetron sputtering과 같은 기존 ReRAM의 switching medium 형성 방법은 고품질의 박막을 성장시킬 수 있는 장점이 있지만, 고가의 진공장비 및 부대 시설이 필요하고 이로 인한 소자 제조 비용의 상승이 예상되는 단점을 가지고 있으며, 플라즈마로 인한 기판 damage 등 non-ideal effects를 유발시키는 공정상의 문제점이 발생할 수 있다. 이와 같은 신뢰성 문제점을 극복하고자 본 연구에서는 용액 공정 방식을 이용하여 switching medium을 형성한 후 이를 ReRAM device에 적용하였다. 그 결과, 고가의 진공 장비가 필요하지 않아 공정 단계에서 단가를 현저히 낮출 수 있다는 공정상의 이점을 가져올 수 있었으며, 플라즈마 damage로 인한 non-ideal effect와 같은 단점을 극복하여 표준편차 값을 0.61에서 0.48로 낮추면서 신뢰성을 향상 시키는 효과를 확인 하였다. 또한, 현재까지 ZnO, ZrOx나 TiOx와 같은 물질에 국한 되어있던 solution process based ReRAM 분야에서 HfO2, Ta2O5, Al2O3, HfAlO와 같은 물질을 용액 공정을 통해 형성하는데 성공하여, 이를 ReRAM device에 적용시켜 새로운 물질에 의한 switching memory device를 구현하였다.
Various memories have been proposed to solve problems in conventional flash memory like the scaling limit, high operation voltage, and slow speed. Among them, the resistive random access memory (ReRAM) has been regarded as a very promising candidate for next generation nonvolatile memories because o...
Various memories have been proposed to solve problems in conventional flash memory like the scaling limit, high operation voltage, and slow speed. Among them, the resistive random access memory (ReRAM) has been regarded as a very promising candidate for next generation nonvolatile memories because of its simple structure, high speed operation, low power consumption, and high density integration, as well as process compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. One of the important factors to determine the characteristics of ReRAMs is the features of the switching medium. Therefore, memory characteristics on various binary oxides which are CMOS friendly materials, have been extensively investigated with different formation methods. In this study, HfO2, TiO2, ZrO2, HfAlO switching medium were formed by RF magnetron sputtering method for ReRAM device and memory characteristics are measured. As a result, stable bipolar switching characteristics were confirmed at a low operation voltage less than 5 V, and this mechanism was investigated by the Poole-Frenkel model. Also, endurance characteristics retained by DC sweeping more than 100 times, and the retention characteristic of the two resistance states was measured and the device does not show any significant degradation either at room temperature or 85 ˚C. Although these conventional methods such as the physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and rf magnetron sputtering can grow high-quality thin films, they have required expensive equipment, high running cost, high thermal budget and long process time because of their operation under ultrahigh vacuum conditions. In addition, non-ideal effects caused by substrate plasma damage. So, switching medium were formed by solution process for ReRAM device. As a result, fabrication price reduced significantly because expensive vacuum equipment doesn’t require, and reliability characteristics was improved by reducing standard deviation value to 0.48 from 0.61 by overcoming non-ideal effect result from plasma damage. In addition, until now solution based switching medium had been limited such as ZnO, ZrOx or TiOx material in solution based ReRAM field, materials such as HfO2, Ta2O5, Al2O3, HfAlO was formed by solution process for ReRAM device, and switching memory device was developed by the new material.
Various memories have been proposed to solve problems in conventional flash memory like the scaling limit, high operation voltage, and slow speed. Among them, the resistive random access memory (ReRAM) has been regarded as a very promising candidate for next generation nonvolatile memories because of its simple structure, high speed operation, low power consumption, and high density integration, as well as process compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. One of the important factors to determine the characteristics of ReRAMs is the features of the switching medium. Therefore, memory characteristics on various binary oxides which are CMOS friendly materials, have been extensively investigated with different formation methods. In this study, HfO2, TiO2, ZrO2, HfAlO switching medium were formed by RF magnetron sputtering method for ReRAM device and memory characteristics are measured. As a result, stable bipolar switching characteristics were confirmed at a low operation voltage less than 5 V, and this mechanism was investigated by the Poole-Frenkel model. Also, endurance characteristics retained by DC sweeping more than 100 times, and the retention characteristic of the two resistance states was measured and the device does not show any significant degradation either at room temperature or 85 ˚C. Although these conventional methods such as the physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), and rf magnetron sputtering can grow high-quality thin films, they have required expensive equipment, high running cost, high thermal budget and long process time because of their operation under ultrahigh vacuum conditions. In addition, non-ideal effects caused by substrate plasma damage. So, switching medium were formed by solution process for ReRAM device. As a result, fabrication price reduced significantly because expensive vacuum equipment doesn’t require, and reliability characteristics was improved by reducing standard deviation value to 0.48 from 0.61 by overcoming non-ideal effect result from plasma damage. In addition, until now solution based switching medium had been limited such as ZnO, ZrOx or TiOx material in solution based ReRAM field, materials such as HfO2, Ta2O5, Al2O3, HfAlO was formed by solution process for ReRAM device, and switching memory device was developed by the new material.
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