Study on Gradual Switching Behavior in Reset Transition of TiO2-based Resistive Switching Memory and its Mechanism

Abstract

DRAM 및 NAND 플래시 메모리와 같이 상업화된 메모리들은 수십 년 동안 다양하고 넓은 분야에서 활용되어 왔고 그 수요는 폭발적으로 증가해 오고 있다. 그러나, 최근에, 이러한 상업화된 메모리들은 가까운 미래에 기술적, 물리적 한계에 도달할 것으로 예상된다. 종래의 메모리들의 한계를 극복하기 위해, 3차원 구조 기술, 다층 셀 (MLC) 기술 및 새로운 메모리 연구를 포함한 새로운 접근이 시도되고 있다. 새로운 메모리 중에서, 저항 변화 메모리 (RRAM)는 단순한 구조, 기존의 CMOS 공정과의 호환성, 그리고 3차원 구조와 MLC 동작으로의 확장성 때문에 최근에 관심을 많이 끌고 있으며 그에 대한 연구 보고서들도 급격히 증가하고 있다. MLC는 평탄한 구조를 기반으로 하는 메모리 셀의 스케일링 한계를 극복할 수 있는 유용한 기술 중의 하나이다. NAND 플래시 메모리의 경우, MLC 기술이 이미 폭넓게 사용되고 있다. 따라서, 새로운 메모리 연구 분야에서도 MLC의 가능성이 필수적으로 고려되어야 한다. RRAM의 경우, 리셋 전환 시의 점진적인 스위칭 현상은 MLC를 실현할 수 있는 중요한 특성들 중 하나이다. 이 논문에서는, 티타늄 산화막을 기반으로 하는 RRAM 셀의 점진적인 리셋 스위칭 특성이 산화량 효과와 스케일링 효과와 함께 연구되었다. 티타늄 산화막이 산소 이온을 적게 함유했을 때, 점진적인 리셋 스위칭 동작이 더욱 쉽게 얻어질 수 있고 ON/OFF 전류비도 증가한다. 전기적 분석으로부터 리셋 전환시의 점진적인 스위칭은 앏은 전도성 필라멘트들 혹은 전도성 필라멘트 가지들의 순차적인 끊어짐 때문이라는 것을 알 수 있었고 그 메카니즘에 대한 모델을 세웠다. 여러 가지 분석을 통해 리셋 전환시의 타입을 결정하는 요소가 컴플라이언스 파워라는 사실을 알 수 있었다. 약 40 nm 지름의 바닥 길이를 가지는 스케일된 RRAM 셀에서도 점진적인 스위칭 현상이 여전히 관찰되며 이것은 전도성 필라멘트의 작은 가지들의 순차적인 끊어짐 또는 줄어듦 때문이다. 즉, 40 nm 설계 룰까지는 심지어 ON/OFF 전류비가 증가된 상태로 점진적인 리셋 스위칭 동작을 이용한 MLC 동작이 사용 가능하다. 그러나, 더욱 작아진 셀에서는 작은 가지를 가지는 전도성 필라멘트가 제한되는 효과 때문에 점진적인 스위칭이 더 이상 일어나지 않을 것으로 예상한다.

Commercial memories such as dynamic random access memory (DRAM) and NAND flash memory have been utilized in various and wide fields for several decades and demand for the memories has been rising explosively. However, in recent years, these commercial memories are expected to face the technical and physical limits in near future. In order to overcome limits of conventional memories, novel approaches including 3-dimensional (3D) structure technology, multi-level cell (MLC) technology, and emerging new memory research have been conducted. Among emerging new memories, resistive random access memory (RRAM) has attracted more interests and its research reports have been exponentially increasing recently because of its simple structure, conventional CMOS process compatibility, and extendibility to the 3D structure and MLC operation. MLC is one of the useful technologies which can overcome the scaling limits of planar-structure-based memory cell. In NAND flash memory field, MLC technology has already been utilized extensively. Accordingly, in the emerging new memory research, the applicability of MLC should be considered. In RRAM, gradual switching phenomenon in reset transition is one of the important properties which are able to realize the MLC. In this Ph. D. thesis, the gradual reset switching characteristics of TiO2-based RRAM cell are investigated with the effect of oxidation amount and scaling. When TiO2 film contains less oxygen ions (more oxygen vacancies), the gradual reset switching behavior is more easily achieved and the ON/OFF current ratio is increased. The electrical analysis results indicate that the gradual switching in reset transition is due to the sequential rupturing of thin conductive filaments (CFs) or CF branches and the model about the mechanism is established. By using various analyses, it is found that the factor determining the reset type (abrupt and gradual) is the compliance power during forming and set process. In about 40 nm bottom diameter RRAM cell, the gradual switching phenomenon is still observed and is due to the sequential rupturing or the shrinking of micro-branches of conductive filament. That is, to the 40 nm design rule, MLC operation can be employed by using the gradual reset switching behavior with even increased ON/OFF current ratio. However, in further shrunk cell, it is expected that the gradual switching would vanish because of the confinement effect of the conductive filament with micro-branches.