Study on Improvement of Switching Characteristics of Conductive Bridge Random Access Memory by Inserting Nano-size Cu-cone Structure

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 재료공학부(하이브리드 재료),2020. 2. 황철성.저항 변화 메모리의 한 종류인 CBRAM(Conductive Bridge Random Access Memory)은 전압을 인가하였을 시 전극에서의 산화/환원 반응이 일어나 금속성의 전도성 필라멘트가 생성 및 성장하는 것을 이용한 소자이다. 반복 스위칭 동작으로 인해 기존 CBRAM은 절연체 안으로 양이온들이 Global injection 및 Over-injection 되어 Multiple Filament들이 형성된다. 이렇게 형성된 다수의 필라멘트들 때문에 소자의 Reliability 및 Endurance 특성을 저하시키는 문제점을 가지고 있으며 이를 개선하기 위한 방법에 대해 연구가 필요한 상황이다. 앞서 언급된 CBRAM 소자의 문제점을 개선하기 위해서 본 연구에서는 기존 Planar 구조의 Active metal 위에 Cu-cone의 구조체를 삽입함으로써 Cation의 절대적인 양을 제한하여 반복 동작 시 과도한 양이온이 절연체로 유입되어 Multiple Filament들의 형성 및 소자 OFF 동작 시 저항 저하를 방지하고자 하는 목적으로 하였다. 또한 동일한 모양을 가지는 다수의 Cu-cone을 제작하는 공정을 확보함으로써 향후 CBRAM의 집적화를 통한 Application 용도로의 활용 가능성을 확인하고자 하였다. 첫번째, 최적화된 Cu-cone을 형성하기 위해서 COMSOL simulation을 이용하여 전계 집중 효과를 극대화할 수 있는 Cone 구조체의 모양을 확인하였다. 새로 확보한 공정 방법을 이용하여 공정 Variation에 의해 균일하지 못한 크기와 모양을 가지는 Cu-cone의 Uniformity 개선할 수 있었으며 상부 크기가 100nm 수준의 균일한 Cu-cone들을 다수 확보할 수 있었다. 두번째, Cu-cone이 삽입된 나노 크기의 축소된 소자를 제작하였으며 전기적인 특성 측정을 통해 기존 Planar 전극 구조인 Conventional CBRAM과 비교를 하였다. FESEM과 STEM 분석을 통해 두 소자의 구조적인 차이를 확인할 수 있었다. 또한 Cone 구조체로 인해 나타나는 전계 집중 효과 때문에 Electroforming 조건을 낮은 전압에서 확보할 수 있었으며 Cation의 절대적인 양을 제한하는 동시에 전계 집중 효과를 유발시켜 소자의 안정적인 Switching 동작을 기반으로 Endurance 및 Retention 개선 결과를 확보할 수 있었다.A CBRAM (Conductive Bridge Random Access Memory), which is a type of resistance change memory, is a device that utilizes the generation and growth of metallic conductive filaments due to an oxidation/reduction reaction at an electrode when a voltage is applied. Due to the repetitive switching operation, cations are globally injected and over-injected into the insulator of the conventional CBRAM, thereby forming multiple filaments. Because of the large number of filaments formed as described above, there is a problem of degrading the reliability and endurance characteristics of the device, and it is necessary to study a method for improving the problem. In order to improve problems of CBRAM device, this study limits the absolute amount of cation by inserting a Cu-cone structure on the active metal of the planar structure. The purpose is to prevent the formation of multiple filaments and the reduction in resistance during the element OFF operation. In addition, by securing a process for fabricating a large number of Cu-cones with the same shape, we tried to confirm the possibility of application through integration of CBRAM. First, to form the optimized Cu-cone, we confirmed the shape of the Cone structure to maximize the electric field concentration effect by using COMSOL simulation. Using the newly secured process method, uniformity of Cu-cone with a non-uniform size and shape due to process variation can be improved, and a large number of uniform Cu-cones with a top size of 100nm could be secured. Second, a reduced nanoscale device with Cu-cone is fabricated and it compared to conventional CBRAM with planar electrode structure by measuring electrical characteristics. FESEM and STEM analysis showed structural differences between the two devices. Also, due to the electric field concentration effect caused by the cone structure, the electroforming condition could be secured at low voltage and at the same time as limiting the absolute amount of cation, an electric field concentration effect was induced, and a reliable switching characteristic of the device was obtained. In addition, it was possible to obtain the result that the endurance and retention characteristics of CBRAM were improved.1. 서론 1 2. 문헌 연구 6 2.1 RRAM의 기본 동작 원리 6 2.2 Conductive Bridge Random Access Memory 11 2.2.1 CBRAM의 기본 동작 원리 11 2.2.2 기존 CBRAM의 문제점 13 2.2.3 Cu-cone 구조체를 삽입한 CBRAM 16 2.3 증착 물질의 특성 18 2.3.1 구리 18 2.3.1-1 열 증발 방식에 의한 구리 증착 21 2.3.2 이산화 타이타늄(TiO2) 23 3. Cu-cone 구조체의 최적화 방안에 대한 연구 25 3.1 실험 설계 25 3.1.1 Mask Design 27 3.1.2 E-Gun Evaporator를 이용한 구리 증착 30 3.2 시뮬레이션 결과 35 3.3 Cu-cone 제작 결과 43 3.3.1 Process Flow 43 3.3.1-1 PR Hard mask를 이용한 Wet etching 방법 43 3.3.1-2 PR의 Image reverse 후 증착을 통한 방법 45 3.3.2 제작 결과 48 3.3.1-1 PR Hard mask를 이용한 Wet etching 방법 48 3.3.1-2 PR의 Image reverse 후 증착을 통한 방법 53 3.4 결론 61 4. Cu-cone이 삽입된 CBRAM 제작과 스위칭 특성 향상에 관한 연구 63 4.1 제작 결과 63 4.1.1 Process Flow 63 4.1.2 제작한 CBRAM의 기본 구조 66 4.2 CBRAM의 전기적 특성 측정 결과 68 4.2.1 측정 조건 68 4.2.2 CBRAM의 기본적인 동작 특성 68 4.2.3 Endurance 특성 평가 결과 72 4.2.4 Retention 특성 평가 결과 76 4.3 결론 80 5. 결론 82 6. 참고문헌 84 Abstract 90Maste