Electrical Reliability and Multilevel Cell Characteristics of Conductive Bridge Random Access Memory (CBRAM)

Abstract

저항 스위칭 메모리(RRAM)는 기존의 메모리를 대체할 새로운 차세대 메모리인데, 특히 고밀도 메모리 응용에서 기존 메모리보다 뛰어난 성능을 발휘한다.. RRAM은 재료와 저항 스위칭 메커니즘에 따라 다른 종류들로 분류 될 수 있다. 전기 화학 금속화 셀 (electrochemical metallization cell)로도 알려진 CBRAM (Conductive Bridge Random Access Memory)은 유망되는 RRAM 중 한 종류인데, 빠른 스위칭 속도와 저전력, 높은 ON / OFF 비율, 스케일링 가능성 및 multi-level 기능을 가지고 있다. 기존의 NVM과 비교하여CBRAM은 여러 장점들과 스케일링 가능성을 가지고 있기 때문에, CBRAM 은 메모리, 논리, 신경모방, 전산 같은 다양한 응용에 가능한 비 휘발성 메모리의 유망주로서 주목 받았다. 본 논문에서는 HfO2을 고체전해질로서 이용한 Cu 계 CBRAM의 전기 신뢰성 및 다중 비트 응용에 대한 물리적 이해를 목표로 한다. CBRAM 장치의 스위칭 메커니즘은 나노 금속 필라멘트의 전기 화학적 생성과 용해 반응인데, 산화 가능한 Cu 전극과 전기 화학적으로 비활성인 PT 전극 사이에서 일어난다. 측정 조건으로부터 오는 영향과 더불어Cu / HfO2 계면에서의 얇은 Ti- diffusion barrier 층은 유지 특성, 장치의 균일성 및 multi-level 데이터 저장 능력과 같은 저항 스위칭 특성을 향상시킨다. 응용 장치 개발은 Fail 메커니즘과 최적화에 연관된 주요 매개 변수의 이해에 달려 있습니다. ON-state 저항의 데이터 보존 시간에 대한 상세 분석이 고온에서 이루어졌는데, 데이터 보유 시간의 개선은 전도성 필라멘트 (CF) 크기뿐만 아니라 전도성 필라멘트 내의 Cu 원자 농도 밀도에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 이는 Cu +와 결합 된 구리 원자가 겹쳐졌으며, Cu 금속 필라멘트의 산화를 방지하는 Extended-state가 형성되었음을 의미한다.. 재료 적층과 다른 측정 조건 이용하여 균일성을 향상시키고, 이를 통한 장치 성능 최적화가 입증되었다. 실험적 관찰은 다중 또는 수지상 결정과 같은 필라멘트의 무작위 생성이 스위칭 매개 변수의 변화에 대한 이유임을 보여준다. 우리는 1) 다른 compliance current에서의 다른 재료 적층 및 측정과 2) 낮은 compliance current에서 Ti- diffusion buffer 층을 갖는 장치가 균일성을 향상시킴을 제안한다. 또한, CBRAM에서의 multi-level 셀 거동이 제안되었다. 안정적이며 재현성 있는 양자화된 전도도(conductance) 상태는 기초 전도도의 정수 배를 가지는데, Cu / HfO2 계면에서 전압 상승 속도와 Ti 확산 장벽을 최적화하여 얻어진다. 상승 속도 최적화와Ti-diffusion에 의한 구리 이온diffusion제어를 통하여 구리이온 감소를 제어할 수 있기 때문에, 전도도 상태의 불연속적인 변화가 적어도 3 비트에서는 분명하게 관찰되었다. 다른 경우에서는, 낮은 compliance current에서 sweep 속도 제한 효과를 통한 셀 안의 multi-bits 프로세스가 연구되었다. Sweep 속도 이용한 확률적 필라멘트 형성 제어는 옴 영역에서 상이한 전도도를 만들었다. 이는 Sweep속도가 느려짐에 따라, 긴 스위칭 시간에 있는 많은 수의 원자 수가 두꺼운 필라멘트가 만들기 때문이다. 전도성 필라멘트의 미세 구조 변경을 통한 multi-level 데이터 저장의 물리적 이해를 명확히 하기 위해 물리 기반 모델링이 수행었다. 한정된 필라멘트의 영역에서 양자점 접촉을 계산함으로써, 원자 재배열에 의한 필라멘트의 수축 크기의 변경은 불연속적인 전도도 변화를 만듦을 알아냈다. Potential barrier는 주입 된 원자 수와 관련되어 있는데, 수축 크기는 potential barrier를 조절함으로써 변화된다. 이 접근법은 mutil-level 응용을 위한 탁월한 양자화 전도도를 가진 미래 CBRAM 장치의 실현 가능성을 확인하였다.

Resistive switching memory is the new class of memories for future memory replacement, in particular for high density memory application. RRAM technology could be categorized to different groups regarding to material and mechanism for resistance switching. Conductive bridge random access memory (CBRAM) which also known as electrochemical metallization cell is one sub-class of emerging RRAM which involve fast switching speed, low power, high ON/OFF ratio, scaling potential and multi-level capability. From the point view of its advantage and scaling potential with respect of the conventional NVM, CBRAM concept has drawn attention for a potential candidate for non-volatile memory carrying different application like, memory, logic concepts, neuromorphic and computing application. In this thesis, we attempt to develop physical understanding for electrical reliability and multi-bits application with Cu-based CBRAM using HfO2 as solid electrolyte. The switching mechanism of CBRAM device is an electrochemical formation and dissolution of nanometallic filament between an oxidizable Cu electrode and an electrochemically inert electrode (Pt). Thin Ti-diffusion barrier layer at interface of Cu/HfO2 with combined effect of measuring condition was improve the resistive switching characteristics, such as retention properties, uniformity of the device and multilevel data storage application. The development of the device for application depends on the understanding of the failure mechanism and the key parameters for device optimization. The detail analysis of data retention time of ON-state resistance investigated at high temperature. It is found that the improvement of data retention time depends not only on the conductive filament (CF) size but also on Cu atoms concentration density in the conductive filament. That means, the copper atoms associated with Cu+ overlap and an extended state formed which is prevent the easily oxidation Cu metal filament. The optimization of device performance through the improvement of the uniformity based on the material stack and different measuring condition are demonstrate. The experimental observation shows the random generation of filament like multiple or dendrite kinds are the reason for variation of switching parameters. We propose different material stack and measurements at different compliance current and the device with Ti-diffusion buffer layer at low compliance current show the improvement of uniformity.

Furthermore, multilevel cell behavior in conductive bridge random access memory was proposed. Stable and reproducible quantized conductance states with integer multiples of fundamental conductance obtained by optimizing the voltage ramping rate and the Ti-diffusion barrier at the Cu/HfO2 interface. Owing to controlled Cu ions diffusion by the Ti-diffusion and the optimize ramping rate, through which it was possible to control the time delay of Cu ion reduction, a discrete change of conductance states was clearly observed at least for three bits. In other case, through sweep rate limiting effect at low compliance current, multi-bits process studied in the cell. Controlling the stochastic filament formation through sweep rate gives different conductance level at the ohmic region. This is due to more number of atoms make thicker and thicker filament in the long time of switch as sweep rate become lower and lower. Physics based compact modeling was performed to clarify the physics of multilevel data storage through the microstructure modification of conductive filament. By accounting quantum point contact at the confined region of the filament, the modification of constriction size of the filament through atomic rearrangement makes the discrete change of conductance. The constriction size modulate through the control of the potential barrier in the constriction which is related to the number of atoms injected in the constriction. The approach confirmed the feasibility of future CBRAM device with excellent quantized conductance for multi-level application.