편견

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 22216(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

SiO2는 반도체 소자에서 가장 많이 사용되는 절연층입니다. 그 기능은 최근 저항 스위칭 랜덤 액세스 메모리로 확장되었으며, 여기서 결함이 있는 SiO2는 저항 스위칭(RS) 층으로 활성 역할을 했습니다. 이 보고서에서는 전류-전압(IV) 스윕을 기반으로 상부 전극 W-스퍼터링된 SiO2-하부 전극 Pt(W/SiO2/Pt) 구조의 바이어스 극성 종속 RS 동작을 조사했습니다. W 전극에 음의 바이어스를 인가하여 메모리 셀을 전기주조한 경우, 메모리 셀은 ~100의 저항비와 높은 신뢰성을 갖는 전형적인 전자 스위칭 메커니즘을 보여주었습니다. 반대 바이어스 극성을 갖는 전기 주조의 경우, 일반적인 이온 결함 매개(전도성 필라멘트) RS가 낮은 신뢰성으로 관찰되었습니다. 전기 주조 바이어스 극성에 따른 이러한 독특한 RS 메커니즘은 광 조명 연구를 사용하여 추가로 확인할 수 있습니다. RS 필름 형태(~1.7nm의 제곱 평균 거칠기)를 개선하기 위해 SiO2와 Pt 전극 사이에 얇은 개재 Si 층을 갖는 유사한 전극 구조를 갖는 장치도 제작되었습니다. 이들의 RS 성능은 매우 높은 거칠기(~10nm의 평균 제곱근 거칠기)를 갖는 단일층 SiO2 샘플의 성능과 거의 동일했으며, 이는 보고된 RS 거동이 재료 특성에 내재되어 있음을 시사합니다.

반도체 소자에서 SiO2는 용도에 따라 두께, 비저항, 밀도, 유전율 등이 매우 다양한 구성을 가지고 있습니다. SiO2의 다양한 측면에도 불구하고 용량성 부품에서 절연체 또는 유전층 역할을 하기 때문에 반도체 장치의 완전한 수동 부품으로 간주되어 왔습니다. 그러나 RRAM(저항 전환 랜덤 액세스 메모리)이 차세대 비휘발성 메모리의 주요 경쟁자 중 하나로 자리매김함에 따라 SiO2와 기타 매우 다양한 금속 산화물이 능동 저항 전환(RS) 층으로 테스트되었습니다. TiO2, NiO, Ta2O5 및 HfO2와 같은 여러 전이 금속 산화물(TMO)은 RS 층으로 테스트되었습니다. 전이 금속의 다가 특성으로 인해 이러한 재료의 RS가 쉽게 달성될 수 있기 때문입니다1,2,3,4 . 또한 일반적인 RS 재료의 소위 전압-시간 딜레마는 대체 RS 재료를 찾는 데 관심을 촉발했으며 여러 그룹에서 SiO25,6,7을 테스트했습니다. TMO RS 재료의 대부분 이온 결합으로 인해 재료에 적절한 밀도의 이온 결함이 포함되어 있으면 전기장 구동 이온 이동이 더 쉽습니다. 반면, SiO2는 공유 결합이 더 강하고 장거리 질서가 부족합니다. 이러한 특성의 차이는 간략하게 설명된 것처럼 다른 TMO RS 재료에 비해 몇 가지 장점이 있는 SiO2 메모리를 제공합니다.

많은 TMO에서 일반적으로 받아들여지는 RS 메커니즘은 전도성 필라멘트(CF)의 형성 및 파열이며, 이는 산소 결손(VO), 나노 규모 전도 단계(예: TiO2의 Magnéli 단계)와 같은 결함의 집합입니다. ) 또는 전기화학적 금속화(ECM) 셀8,9,10의 금속 필라멘트(예: Cu)입니다. 이러한 CF의 세부적인 특성이 무엇이든, 이온 결함, 즉 전기장으로 인한 결함 생성 및 이동(줄 가열의 도움을 받음)과 열 운동(비극성 RS의 파열)이 관련됩니다. 메모리 작동의 중요한 요소입니다. SiO2의 경우 Tour 그룹의 선구적인 연구에서는 RS 메커니즘이 전기 주조 중 Si 클러스터의 형성과 바이어스 시퀀스에 따라 금속 및 반도체 상 사이의 후속 상 전이와 관련되어 있음을 보여주었습니다. 이는 SiO2 기반 RS 시스템의 중요한 특징으로, 구성 금속 이온의 가역적 산화환원 반응이 담당하는 많은 TMO 물질의 다른 원자가 변화 기반 또는 열화학 반응 기반 RS 메커니즘과 차별화됩니다. RS 메커니즘. 리셋[저저항 상태(LRS)에서 고저항 상태(HRS)로의 스위칭, 즉 Vreset]에 대한 전압이 더 높은 SiO2 기반 RS 소재의 비극성 스위칭의 특징 세트에 대한 전압(HRS에서 LRS 또는 Vset으로의 전환)은 이러한 위상 전이 관련 스위칭 메커니즘에 기인할 수 있는 반면, Vset은 일반적인 TMO 기반 RS 시스템에서 Vreset보다 높습니다. 이러한 거동, 즉 Vset보다 높은 Vreset이 특이한 이유는 다음과 같다. 일반적으로 거의 모든 RRAM 셀은 RS 동작 시 인가 전압(Va)의 일정 부분을 차지하는 접촉 저항, 배선 저항 등으로 인해 직렬 저항 성분을 갖고 있습니다. 재설정을 위해 RRAM 셀은 초기에 LRS에 있으므로 스위칭 전에 Va의 작은 부분을 차지하고 Va의 상당 부분이 직렬 저항에 적용됩니다. 그러나 메모리 셀이 재설정된 후에는 저항이 훨씬 높아집니다. 그런 다음 직렬 저항에 적용된 전압 부분이 이제 메모리에 덤프되기 때문에 메모리에 대한 전압이 갑자기 증가합니다. 직렬 저항의 크기가 높으면 덤프된 전압도 높아서 메모리 셀 전압이 이제 Vset보다 훨씬 높아질 수 있습니다. 이는 순간적으로 메모리 셀을 다시 설정하는데, 이는 이 경우 안정적인 재설정이 불가능함을 의미합니다. Kim et al. 그러한 어려움의 세부 사항을 설명했습니다 12. 따라서 특정 메모리 셀의 Vreset이 해당 Vset보다 높을 경우 이러한 문제는 더욱 악화될 수 있습니다. 그러나 상변화 메모리 물질은 일반적으로 Vset보다 Vreset이 더 높다는 점을 기억하는 것이 좋습니다. 여기서 상변화 물질의 열에너지 유도 가역적 상전이는 반복 가능한 스위칭을 담당합니다. SiO2 기반 RRAM의 RS는 금속 위상과 반도체 위상 사이의 Si 클러스터의 가역적 위상 전이에 기인하므로 아직 정확하게 이해할 수는 없지만 유사한 메커니즘이 작동할 가능성이 있을 수 있습니다. 본 연구에 사용된 반응적으로 스퍼터링된 SiO2 필름도 비극성 스위칭 작동의 경우와 유사한 특징을 나타냈습니다. 그러나 신뢰성이 매우 낮아서(수십 번의 스위칭 주기만 가능), 본격적으로 연구되지는 않았다. 오히려 최악의 경우에도 최소 3,000배 이상의 안정적인 스위칭을 보여주는 바이폴라 방식의 동작이 시도됐다.