알루미늄 도핑된 산화하프늄 기반 자가정류 메모리 소자의 동작 성능 및 산포 향상을 위한 스위칭 메커니즘 이해

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid advancement of a artificial intelligence computing, the development of next-generation memory devices characterizes by high integration and low power consumption is required. Among various candidates, resistive random-access memory (ReRAM) is considered advantageous for implementation in crossbar array (CBA) structures due to its high-speed operation, non-volatile nature, and simple devie architecture. However, CBAs suffer from sneak current, where unintended current paths cause read/write errors. To address this, external selection devices such as transistors or diodes, selector have been introduces to restrict current paths, but these are accompanied by limitations such as increased device area, process complexity, and cost.
In 2014, a device exhibiting self-rectifying characteristics, in which leakage current is suppressed by a Schottky barrier formed between the top electrode and the switching layer, was proposed by Yoon et al[1]. The switching mechanism, driven by trapping and de-trapping of electrons through traps formed at the hafnium oxide (HfO2) interface during the sputtering deposition of a Tantalum pentoxide (Ta2O5) layer on a HfO2 thin film, was identified.
Despite advantages such as leakage current prevention, high integration, and low power consumption, such charge-trap-based self-rectifying ReRAM are limited by poor device-to-device and cycle-to-cycle uniformity depending on the formation of trap sites. Therefore, improving switching uniformity and operational reliability is essential.
Recently, in 2024, the improvement of LRS variation in charge-trap-based self-rectifying devices by inserting Au nanodots into a Pt/Ta2O5/HfO2/TiN structure to restrict current paths through electric filed concentrations was reported by Park et al[2]. However, this approach is limited by challenges in controlling the distribution of nanodots and the resulting process steps. Additionally the improvement of variation and reliability in self-rectifying devices using aluminum (Al)-doped HfO2 as a switching layer was reported by Kim et al[3]. By doping Al into the HfO2 layer, the depth of deep trap sites is modulated, allowing electrons to be trapped stably. Nevertheless, constraints remain regarding practical application due to the addition of a Ta2O5 layer and the use of platinum (Pt) as a top electrode.
In this study, the improvement of operational performance and stability is aimed for by introducing an Al-doped HfO2 switching layer and optimizing the electrode-switching layer interface. To identify electrode materials with enhanced complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatibility that can replace Pt, rectification characteristics according to the work function of the top electrode materials were evaluated. Furthermore, the electrical characteristics of the device were assessed based on the doping concentration and the state of the electrode-oxide interface. Through the analysis of the electrical and material properties of the fabricated devices, methods for performance enhancement are explored, and the rectification and switching mechanisms are investigated. Based on these results, an optimal device structure with high reliability suitable for high-density integration is proposed.

국문 초록 (Abstract)

인공지능 컴퓨팅의 급속한 발전으로 고집적, 저전력 특성을 갖는 차세대 메모리 소자의 개발이 요구된다. 이 중 저항 변화 메모리는 빠른 동작 속도와 비휘발성 특성, 그리고 단순한 소자 구조를 바탕으로 크로스바 어레이(crossbar array; CBA) 구조로 구현하기에 유리하다. 허나 CBA는 원하지 않는 소자로 전류가 흐르는 누설 전류 (sneak current)로 인해 읽기 및 쓰기 과정에서 정보에 오류가 발생하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 경로를 제한하는 트랜지스터나 다이오드와 같은 외부 선택 소자를 도입하였으나 이는 소자 면적 증가와 공정 복잡도 및 비용 증가라는 한계를 수반한다.
2014년 Yoon 등은 상부 전극 물질인 백금 (platinum; Pt)과 저항 변화층 산화 하프늄 (hafnium oxide; HfO2) 사이에 형성되는 쇼트키 장벽 (schottky barrier)에 의해 누설 전류를 억제하여 단방향으로 전류가 잘 흐르는 자가 정류 특성을 갖는 소자를 제안하였다[1]. 질화티타늄 (titanium nitride; TiN) 하부 전극 위 증착한 HfO2 박막에 산화 탄탈륨 (tantalum oxide; Ta2O5) 층을 스퍼터링으로 증착하는 과정에서 HfO2 계면에 형성된 트랩 (trap)을 통해 전자의 포획과 탈포획으로 인해 Pt/Ta2O5/HfO2/TiN 구조의 저항 변화 메모리 (Resistive Random Access Memory; ReRAM)에서 저항 변화가 발생하는 스위칭 메커니즘을 규명하였다.
이와 같은 전하 포획 기반 자가정류형 저항 변화 메모리는 누설 전류 방지, 고집적구현 및 저전력 소모 등 장점에도 불구하고, 트랩 사이트 (trap site) 형성에 따라 소자 및 사이클 간의 산포가 나쁘다는 한계를 갖는다. 따라서 소자의 동작 신뢰성 및 균일성 향상이 필수적이다.
최근 2024년 Park 등은 금 (gold; Au) 나노닷 (nanodot)을 삽입한 Pt/Ta2O5/HfO2/TiN 구조의 ReRAM으로 전계 집중을 통해 전류 이동 경로를 제한하여 전하 포획 기반 자가정류 소자의 LRS 산포 개선을 보고하였으나 나노닷의 분포 제어 및 공정 단차 등의 한계를 갖는다[2].
또한 Kim 등은 2022년에 알루미늄 (alluminum; Al) 도핑한 HfO2를 저항 변화층으로 적용한 전하 포획 기반 자가정류 소자의 산포 및 신뢰성 개선을 보고한 바 있다[3]. HfO2 저항 변화층에 Al 도핑 시 생성된 산소 공공으로 깊은 트랩의 깊이를 조절하여 전자를 안정적으로 가둬 산포를 개선하는 효과를 얻었으나, 다만 Ta2O5 층의 추가와 Pt 상부 전극 사용으로 인한 실용화 측면에 제약이 남아있다.
본 연구에서는 산화 하프늄에 알루미늄을 도핑한 저항 변화층을 도입하고 전극-저항 변화층 계면 최적화를 통해 소자 간 및 사이클 간 산포를 개선하여 동작 성능 및 안정성을 향상하는 것을 목적으로 한다. 상부 전극 물질의 일함수 변화에 따른 정류 특성을 평가하여 Pt를 대체할 수 있는 상보형 금속 산화막 반도체 공정 (complementary metal–oxide–semiconductor; CMOS) 호환성을 높인 전극 물질을 모색하였으며, 도핑 농도와 전극-산화막 계면 상태에 따른 소자의 전기적 특성을 평가하였다. 제작한 소자의 전기적, 재료적 특성을 분석하여 성능 개선 방안을 탐색하고 정류 및 스위칭 메커니즘을 탐색한다. 이를 바탕으로 고집적에 적합한 신뢰성 높은 최적의 소자 구조를 제안한다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅱ
• 표목차 ⅵ
• 국문초록 ⅶ
• 제 1 장 서론
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 제 2 장 연구 배경
• 2.1. 자가정류형 메모리 소자 6
• 2.2. 연구 동향 10
• 제 3 장 실험 방법
• 3.1. 실험 설계 13
• 3.2. 박막 증착 및 소자 제작 15
• 3.3. 소자 특성 분석 18
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰
• 4.1. 전하 트랩 자가 정류 메모리 소자 제작 조건 19
• 4.2. 쇼트키 장벽 조절을 통한 정류 특성 개선 관찰 27
• 4.3. 저항 변화층 전하 트랩에 따른 특성 변화 36
• 4.4. 저항 변화층 전하 트랩에 따른 신뢰성, 안정성 개선 관찰 43
• 제 5 장 결론 47
• 참고문헌 49
• Abstract 52