Universal Relation between Reset Current and Initial Resistance in Forming-Free Resistance Random Access Memory

Kenichi KITAMURA, Kentaro KINOSHITA, Kazufumi DOBASHI, Takatoshi YODA, Satoru KISHIDA
2011 Journal of the Vacuum Society of Japan  
86 228 平成22年11月 6 日 第51回真空に関する連合講演会で発表  1 鳥取大学工学部電気電子工学科(〒680 8550 鳥取県鳥取市湖 山南 4 丁目101)  2 鳥取大学電子ディスプレイ研究センター(〒680 0941 鳥取県 鳥取市湖山町北 2 丁目522番地 2 セコム山陰 IT ラボラトリー 内 2F) 86 228 -( )-J. Vac. Soc. Jpn. Recently, the idea that the resistance change phenomenon is caused by oxidation/reduction of theˆlament formed in the transition metal oxide has been widely accepted. However, it is di‹cult to cause the forming equally for every cell in a high-density memory cell array. Therefore, the existence of
more » ... he forming is high barrier for resistive random access memory (ReRAM) to be put into practical use. In this paper, the initial resistance dependence of the reset current and the distribution of the forming and set voltages were investigated for the forming-free ReRAM cells, which start with the reset process. As a result, it was clariˆed that the reset current is proportional to the reciprocal of initial resistance independently of theˆlm thickness and theˆlm formation temperature. In addition, it was suggested that there are two kinds ofˆlaments in the forming-free ReRAM. One is theˆlament which is completely restored by thê rst reset process. The other continues to operate even after theˆrst reset. . 序 論 抵抗変化現象はフォーミングと呼ばれる絶縁破壊と類似の 現象を経て発現する 1 3) .大容量メモリにおいて全素子に均 一なフォーミングを行うことは困難であり,この事実がメモ リ特性の素子間ばらつきを生じさせる要因となっている.現 在,この問題の解決策として大きく二つの方向性で検討が進 められている.一つはフォーミング電圧及びその素子間ばら つきを減らす方向性である.Gao 等は HfO 2 及び ZrO 2 にお ける 4 価の金属イオンを Al 等の 3 価の金属イオンで置換す ることでフォーミング電圧が減少し,更に,フォーミング電 圧 のば らつ きが 低減 す るこ とを 報告 して いる 4) . また , Shima 等は電極の堆積手法をスパッタ法から EB 蒸着法へ変 更することによっても Gao 等と類似の効果が得られること を示した 5) .もう一つはフォーミングそのものを無くす方向 性である.Kawai 等は Pt/NiO/Pt 構造をベーキング処理す ること 6,7) で,また,Yoda 等は物理エッチングにより NiO 膜に欠陥を導入することで,フォーミングが消失し,リセッ トからスタートする素子の作製が可能であることを報告し た 8) .ここで,初期状態で高抵抗を示しフォーミングからス タートする素子をフォーミングスタート素子とし,初期状態 で低抵抗を示しリセットからスタートする素子をリセットス タート素子とする.リセットスタート素子ではフォーミング を行う前に既にフィラメント(NFI: Native Filament)が形 成されていると考えられる.しかし,最初のリセット過程に おけるリセット電流(I reset )の制御方法及びリセットスター ト素子におけるメモリ特性のばらつきに関しては未だ明らか にされていない. 本研究では,物理エッチングによってフォーミングレス 化,リセットスタート化を実現した素子に対して,I reset の 初期抵抗(R initial )依存性を評価した.また,NFI とフォー ミングによって形成された通常のフィラメントでセット電圧 (V set ) ,フォーミング電圧 (V form ) の測定及び比較を行った. その結果,I reset は膜厚や成膜温度に依存せず,初期抵抗の 逆数(1/R initial )に比例することが明らかになった.また, NFI には最初のリセットで完全に修復されるものと,最初 のリセット以降も継続的に動作するものが存在することが分 かった. . 実 験 NiO を膜厚(t)10, 20 nm で0.5 Pa のアルゴン,酸素混 合ガス(ArO 2 =0.450.05 Pa)雰囲気中において RF 反 応性スパッタリング法により Pt/Ti/SiO 2 基板上に基板加熱 温度(T sub )25, 300°Cで成膜した.ここで,パワーを 1 kW とした.続いて,Pt 上部電極層を50 nm スパッタ堆積した 後,フォトリソグラフィと0.6 Pa の Cl 2 +Ar ガス(Cl 2 Ar =0.480.12 Pa)中での反応性イオンエッチング(RIE) により Pt 上部電極層及び NiO メモリ層を,2×2, 4×4, 8× 8, 10×10, 20×20 mm 2 サイズに形成した (Fig. 1) .ここで, エッチングパワーはソース/バイアス=700 W/400 W とし
doi:10.3131/jvsj2.54.228 fatcat:js57t323d5g3tmkpm2nwaexxnq