Study on the resistive switching mechanism and the switching reliability improvement of the Cu based conductive bridge random access memory

Abstract

The resistance switching random access memory is a next-generation nonvolatile memory that changes the resistance state of the device by the external electrical stimulation. Due to the possible scaling down to 10 nm or less, low power operation, and simple MIM (metal-insulator-metal) structure ReRAM has been attracted enormous attention as a highly integrated memory to replace NAND flash memory. Conductive bridge random access memory (CBRAM), operating based on the redox reaction of the cation generated from the anode, has been regarded as a promising candidate for the next-generation nonvolatile memory technology. Even with the great switching performance, due to the global generation and over-injection of cations after repetitive switching, CBRAMs have been suffered for commercialization. The over-injection of cations into an electrolyte layer causes high-resistance-state resistance (RHRS) degradation, on/off ratio reduction, and eventual switching failure and the switching uniformity degradation.

As the first part of this study, the fundamental resistance switching behavior mediated by the Cu conducting filament (CF) based electrochemical metallzation was confirmed. Then, the ECM switching governed by the various switching parameters was studied in detail through current-voltage sweep, of which results were interpreted according to the general electrochemical principles. Based on the electrical characterization, resistvie switching mechanism determined by the interplay between the electric field and thermal effect was proposed, which was supplemented by the two-dimensional simulation of the field and temperature distributions within the device. Finally, the overall reset switching model describing the filament-shape dependent reset polarity is presented, and a detailed explanation of each reset switching mechanism is provided. This part elucidates the detailed switching model based on the Cu CF configuration and the interplay between the Joule heating and electric field effects in the Pt/TiO2/Cu ECM cell, which can explain the switching behaviors both in accordance and discordance with the conventional ECM theory. The Cu CF configuration was varied from the conventional conical one for a small compliance current to the hourglass or even cylindrical one by adopting a high Icc value. The rupture process of the Cu CF could be precisely modeled by considering the mutual constructive interference or the competition between the Joule heating and electric field effects for the rupture and rejuvenation of the Cu CF. These models were supported by an extensive thermal-field simulation in two dimensions, and an hourglass-shaped CF was identified by a transmission electron microscopy, which was in accordance with the suggested model with a moderate Icc. The detailed geometry of the formed CF and relative bias polarity during the reset step played a critical role in determining the bipolar or unipolar switching mode.

On the basis of the filamentary behavior and the switching mechanism proposed in the first part of this study, CBRAM device with a Cu-cone-shaped structure embedded in it, whose stack is Pt/TiN/TiO2/Cu cone/TiN/Pt, is suggested for improving the switching reliability and uniformity of the device in the second part of this work. The fabrication method of the device, which is useful for laboratory scale experiment, was developed, and its superior switching performance and reliability compared with the conventional planar device was presented. The insertion of the Cu cone structure allowed the placement of only a limited amount of cation source in each cell, and the embedded conical structure also concentrates the applied electric field, which limited the filament growth within specific area. Furthermore, the concentrated field localizes the resistive switching on the tip area of the cone structure, which makes the effective switching area about tens of nanometers even for the much larger area of the entire electrode (several μm2). Considering the switching mechanism of CBRAM as mentioned above, controlling the total amount of switching medium is easier than for other ReRAM devices. The Cu conical structure made through wet etching was expected to function not only as a field-concentrating tip but as a limited switching medium source. By arranging each cation source in each cell instead of random distribution (one cone per one cell), further enhancement of the device-to-device uniformity and reduction of the distribution of the switching parameters were accomplished. Moreover, through simple electrode engineering, the effective switching area was reduced to tens of nanometers even though the entire electrode area was several tens of μm2, and the scalability effect was also achieved. In addition, Si-process-compatible top-down approach this is a type of top-down approach, strengthens the advantages of this work.

The strong field concentration effect of the inserted Cu cone induced a single and strong Cu CF near the tip of the Cu cone, making the device feature very different from the planar Cu CBRAM. The Cu cone device showed gradual set and reset performance both in direct current – voltage sweep, and in open and closed loop pulse switching making the device to have stable multiple intermediate resistance states. Instead of the digital switching composed of 0 and 1, which is the common resistance change of the conventional CBRAM, analog switching was shown in the conical cation source inserted CBRAM. Such a feature could be used to explore further its usefulness as an artificial synaptic device. In the final part of this study, the fluent potentiation and depression was achieved by using voltage pulses, respectively, which was not possible for the planar Cu device. By exploiting the distinctive switching, the synaptic behavior of the device was characterized, and the expanded range of the possible application of the CBRAM was suggested. Furthermore, the digital/analog switching mechanism shown in the planar CBRAM and the conical structure implemented CBRAM induced by the geometric effect was analyzed, and the respective switching model was suggested.

저항 변화 스위칭 메모리의 한 갈래인 전도성 브릿지 메모리는 산화 전극에서 발생한 양이온의 산화 환원 반응을 기반으로 동작한다. 산화 전극에서 발생한 양이온의 산화 환원 반응을 기반으로 동작하는 방식으로 전극 물질 자체가 저항 변화 현상에 참여한다는 점에서 기타 스위칭 메커니즘 기반의 저항 변화 메모리와 차이를 갖는다. 빠른 동작 속도와 저전력 동작이 가능하고, MIM의 구조로 인한 고집적화가 가능하며 열적 안정성이 우수하다는 장점이 있으나 소자의 동작 신뢰성 면에서 약점을 갖는다. 산화 전극에서 발생한 양이온의 산화 환원 방식으로 기반으로 한 소자의 동작 메커니즘에 의거하여 반복 스위칭 시 과도한 양이온의 주입과 금속 클러스터의 형성에 의해 소자의 동작 신뢰성 저하가 발생하고 있으며 이로 인해 소자의 스위칭 윈도우와 신뢰성 사이의 상호 보완성이 개선되어야 할 문제점으로 꼽혀왔다.

CBRAM의 동작 신뢰성을 개선하기 위해서는 필라멘트의 형성과 소멸에 대한 근본적인 이해와 함께, CBRAM 의 스위칭 메커니즘에 대한 깊이 있는 이해가 필요하다. Active metal에서 발생하는 양이온의 산화환원 반응 기반이라는 CBRAM의 동작 메커니즘을 기반으로 일반적으로 받아들여져 온 electrochemical metallization 이론에 따르면 양이온의 환원에 의해 형성된 전도성 필라멘트는 inert metal 계면에서 형성되어 active metal 방향으로 성장한다. 이러한 필라멘트의 성장을 기반으로 필라멘트의 성장과 소멸에 의한 소자의 set과 reset은 항상 반대 전압이 걸렸을 때 일어나는 bipolar resistive switching을 기반으로 동작한다는 것이 기존에 널리 받아들여진 electrochemical metallization 기반의 CBRAM 소자 동작 메커니즘이다. 그러나 실제 소자의 동작은 항상 bipolar 방식으로 일어나지 않고 set과 reset의 방향이 서로 영향을 받지 않는 nonpolar 혹은 unipolar 방식의 연구 결과가 보고되어 왔다. 또한, Spectroscopy 기술 발전으로 새로이 보고된 결과들에 의하면 필라멘트의 성장 역시 항상 inert metal 계면에서 시작되어 반대 계면으로 성장하지 않고 active metal 계면에서 성장이 시작되어 inert metal 방향으로 필라멘트가 자라는 전해질 물질 종류와 active metal 물질 종류에 따라 필라멘트의 성장 시작점과 성장 방향 및 필라멘트의 최종 성장 형태가 달라지는 연구 결과가 in-situ TEM 또는 CAFM 등의 연구 결과를 통해 밝혀졌는데 이는 기존의 ECM 기반 CBRAM 스위칭 메커니즘 이론으로는 설명되지 않는 연구 결과이다.

본 연구에서는 전도성 필라멘트의 성장 시 전계와 열의 분포에 의한 필라멘트의 성장 이론과 이 때의 필라멘트 모양에 따라 reset 동작에서 인가하는 전압의 극성에 따른 필라멘트 소멸 메커니즘 모두를 포괄할 수 있는 전도성 브릿지 소자의 스위칭 메커니즘을 전계와 줄열의 상호 작용으로 설명하였다. Pt/TiO2/Cu 소자의 전기적 특성을 측정하고 on-state 저항의 온도에 따른 변화와 단면 TEM 분석에서 관찰한 필라멘트의 형태를 통하여 제시한 스위칭 메커니즘 모델을 뒷받침 하였다. 또한, COMSOL simulation 을 이용하여 필라멘트의 성장과 소멸 시 전계 및 온도 분포가 제안한 모델과 일치하는 것을 확인하였다. 이 모델을 이용하여 기존의 ECM 이론에 부합하면서도 완벽하게 설명되지 않았던 필라멘트의 성장과 소자의 전기적 특성에 대한 설명이 가능하다.

앞서 언급된 CBRAM 소자의 단점인 신뢰성 문제를 개선하기 위한 방법으로 본 연구에서는 양이온의 주입을 제어할 수 있는 방법으로 cone 형태의 양이온 공급원이 삽입된 형태의 CBRAM 소자 형태와 이것의 공정 방법을 제안하였다. 간단한 전극 공정을 이용하여 하부 전극 위에 양이온 공급원을, 하나의 소자에 하나씩 위치하게 하는 방식으로 이를 이용하여 소자 간 양이온의 삽입을 균일하게 유지할 수 있을 뿐 아니라 cone 모양의 구조체 삽입으로 소자의 동작 시 인가되는 전계를 한 부분으로 집중시킬 수 있다. 이 소자의 실제 전기적 특성 측정 결과 소자의 동작 특성 및 신뢰성이 개선되었을 뿐 아니라 산화물 기반 CBRAM의 장점인 열적 안정성 역시 높이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이는 전계 집중 효과에 의한 멀티 필라멘트 및 클러스터의 형성을 억제하였기 때문으로 소자의 신뢰성과 균일성이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 동작 시 전계를 집중시키는 구조체의 삽입으로 인해 실제 소자의 면적에 비해 저항 변화 현상이 일어나는 유효 스위칭 면적은 수십 nm 대로 크게 감소하였다. 극단적인 소자의 축소화 혹은 트랜지스터와의 직렬 연결 없이 비교적 간단한 전극 공정으로 축소화 효과와 함께 신뢰성을 향상 시켰다. 이렇게 cone 구조체가 삽입된 CBRAM 소자를 이용하여 멀티 필라멘트의 형성을 억제시키고 싱글 필라멘트의 성장이 유도된 것은 HRTEM 과 AFM 및 CAFM 결과로 확인이 가능하였다. 하나의 필라멘트의 성장과 소멸이 소자의 스위칭 메커니즘을 관장하기 때문에 소자의 동작이 기존의 편평한 CBRAM 소자와의 동작에 차이를 이끌어 냈다. 전기적 특성 측정 결과 reset 과정에서 전류가 급격하게 감소하는 기존의 CBRAM 소자와 다르게 전류의 점진적인 감소가 나타나는 아날로그 동작이 나타난다. 또한 소자의 동작 시 스위칭 인자 조절에 의한 저항 크기 조절이 기존의 평면 CBRAM 소자에 의해 개선되었고 멀티 레벨 저항 변화 구현이 가능해졌다. 또한 반복적인 펄스 인가에 따른 점진적인 저항 변화를 보였는데 이러한 특성을 이용하여 인공 시냅스 소자 및 뉴로모픽 디바이스에 적용 가능하다.