오늘날의 나노-전자소자 (nano-electronics) 시대에, 비 휘발성 메모리 (Non-Volatile Memories: NVMs) 소자는 다양한 전자기기에 광범위하게 사용되어지고 있다. 그 중 플래시 메모리는 실리콘 기반의 대표적인 비 휘발성 메모리 소자로써 고집적 및 저비용의 장점을 가지고 있어 현재 가장 일반적인 메모리 소자이다. 하지만 물리적 소형화의 한계에 다다르고 있어 해결책이 필요하다. 특히, ...
오늘날의 나노-전자소자 (nano-electronics) 시대에, 비 휘발성 메모리 (Non-Volatile Memories: NVMs) 소자는 다양한 전자기기에 광범위하게 사용되어지고 있다. 그 중 플래시 메모리는 실리콘 기반의 대표적인 비 휘발성 메모리 소자로써 고집적 및 저비용의 장점을 가지고 있어 현재 가장 일반적인 메모리 소자이다. 하지만 물리적 소형화의 한계에 다다르고 있어 해결책이 필요하다. 특히, ReRAM (resistive switching random access memory)은 최근 대두되고 있는 차세대 비 휘발성 메모리 소자 중에서 높은 집적도와 빠른 스위칭 속도, 낮은 파워 소비, 높은 재현성, 긴 데이터 보유 시간, 간단한 제조 공정, 저비용, CMOS 공정과의 호환성 등 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 차세대 비 휘발성 소자로의 적용을 위해서는 적절한 저항 변화 재료와 제조 공정의 선택과 낮은 온도에서 가능한 PDA, 집적도를 높일 수 있는 셀 디자인 및 어레이 등 다양한 과제가 남아있다. 본 논문에서는, 산화물을 이용하여 제작한 투명한 ReRAM 소자의 저항변화 특성과, micro wave irradiation (MWI)를 이용한 post deposition anneal 을 통한 특성 향상에 대해 연구하였다. 또한 집적도 향상을 위해 세 개의 transistor (3T) cell을 가지는 새로운 임베디드 ReRAM 어레이를 구현하고, 한 개의 transistor와 한 개의 resistor (1T-1R) 구조를 가지는 기존의 ReRAM 어레이 구조와 비교하였다. 첫째로, 두 가지 공정 방법 (sputtering과 solution 공정)을 통해 형성된 다양한 이진 금속 산화물을 이용한 resistor cell에 대해 연구하였고, I-V hysteresis, endurance, retention, switching mechanism 과 같은 이들의 전기적 특성에 대해 조사하였다. 이때 상부와 하부의 전극은 e-beam evaporation을 이용하여 형성된 Pt를 사용하였다. 둘째로, PDA로써의 MWI의 효과에 대해 알아보기 위하여, 용액공정을 이용하여 제작된 HfOx 와 AlOx ReRAM 소자를 준비하고, 일반적인 열처리 (conventional thermal annealing: CTA) 공정과 MWI의 효과를 비교하였다. 두 가지 모두에서 전형적인 BRS 특성이 확인 되었으며, LRS 상태와 HRS 상태에서의 전도 메커니즘이 각각 ohmic 전도와 Poole-Frenkel emission에 의한 전도임을 확인 하였다. 그리고 MWI 처리한 소자가 CTA 처리한 소자보다 저항 변화 특성과 동작 전압이 더 균일하고 endurance 와 retention 특성이 더 안정됨을 확인 하였다. 셋째로, 두 가지 공정 방법 (sputtering과 solution 공정)을 통해 형성된 다양한 이진 금속 산화물을 이용한 thin film transistor (TFT) cell에 대해 연구하고, 전달 특성과 출력특성, subthreshold swing (SS), field effect mobility (μFE) 와 같은 전기적 특성들이 MWI에 의해 향상됨을 관찰하였다. 또한, positive gate biasstress (PGBS) 와 negative gate bias stress (NGBS) 평가를 통해 amorphous-InGaZnO (a-IGZO) TFTs에 있어 또 하나의 중요한 특성인 reliability 특성에 대해서 조사하였다. 마지막으로, 앞서 연구한 결과들을 바탕으로, 투명 IGZO 기반 1T-1R 구조의 메모리 어레이에 대하여 연구하였다. 이 구조에서 Ta2O5/IGZO 의 이중 막은 TFT 동작에서는 게이트 절연막과 채널로 사용되어 졌으며, ReRAM 동작에서는 저항변화 물질로 사용되었다. 투명한 TFT 구조의 소자를 제작하기 위하여, InSnO (ITO) 투명전극을 Source/Drain 그리고 Gate 전극으로 사용하였고, 이 소자의 광학적 투과도는 80 % 이상임을 확인하였다. 또한 1T-1R 소자로써 트랜지스터 동작특성, 저항변화 특성과 이 둘의 동시동작 특성에 대해 기술하였고, 그 결과 IGZO 박막트랜지스터를 통한 메모리 소자의 안정적인 제어를 확인하였다. 또한 집적도 향상을 위하여 세 개의 transistor cell을 가지는 새로운 임베디드 ReRAM 어레이를 구현하였다. 이상의 연구를 통한 결과로써, 새로운 3T 단위 cell을 통해 집적된 어레이 구조를 가지는 산화물을 이용한 투명한 1T-1R ReRAM이 차세대 비 휘발성 메모리 소자로 효과적인 기술이라는 결론을 얻었다.
오늘날의 나노-전자소자 (nano-electronics) 시대에, 비 휘발성 메모리 (Non-Volatile Memories: NVMs) 소자는 다양한 전자기기에 광범위하게 사용되어지고 있다. 그 중 플래시 메모리는 실리콘 기반의 대표적인 비 휘발성 메모리 소자로써 고집적 및 저비용의 장점을 가지고 있어 현재 가장 일반적인 메모리 소자이다. 하지만 물리적 소형화의 한계에 다다르고 있어 해결책이 필요하다. 특히, ReRAM (resistive switching random access memory)은 최근 대두되고 있는 차세대 비 휘발성 메모리 소자 중에서 높은 집적도와 빠른 스위칭 속도, 낮은 파워 소비, 높은 재현성, 긴 데이터 보유 시간, 간단한 제조 공정, 저비용, CMOS 공정과의 호환성 등 많은 장점을 가지고 있다. 하지만 차세대 비 휘발성 소자로의 적용을 위해서는 적절한 저항 변화 재료와 제조 공정의 선택과 낮은 온도에서 가능한 PDA, 집적도를 높일 수 있는 셀 디자인 및 어레이 등 다양한 과제가 남아있다. 본 논문에서는, 산화물을 이용하여 제작한 투명한 ReRAM 소자의 저항변화 특성과, micro wave irradiation (MWI)를 이용한 post deposition anneal 을 통한 특성 향상에 대해 연구하였다. 또한 집적도 향상을 위해 세 개의 transistor (3T) cell을 가지는 새로운 임베디드 ReRAM 어레이를 구현하고, 한 개의 transistor와 한 개의 resistor (1T-1R) 구조를 가지는 기존의 ReRAM 어레이 구조와 비교하였다. 첫째로, 두 가지 공정 방법 (sputtering과 solution 공정)을 통해 형성된 다양한 이진 금속 산화물을 이용한 resistor cell에 대해 연구하였고, I-V hysteresis, endurance, retention, switching mechanism 과 같은 이들의 전기적 특성에 대해 조사하였다. 이때 상부와 하부의 전극은 e-beam evaporation을 이용하여 형성된 Pt를 사용하였다. 둘째로, PDA로써의 MWI의 효과에 대해 알아보기 위하여, 용액공정을 이용하여 제작된 HfOx 와 AlOx ReRAM 소자를 준비하고, 일반적인 열처리 (conventional thermal annealing: CTA) 공정과 MWI의 효과를 비교하였다. 두 가지 모두에서 전형적인 BRS 특성이 확인 되었으며, LRS 상태와 HRS 상태에서의 전도 메커니즘이 각각 ohmic 전도와 Poole-Frenkel emission에 의한 전도임을 확인 하였다. 그리고 MWI 처리한 소자가 CTA 처리한 소자보다 저항 변화 특성과 동작 전압이 더 균일하고 endurance 와 retention 특성이 더 안정됨을 확인 하였다. 셋째로, 두 가지 공정 방법 (sputtering과 solution 공정)을 통해 형성된 다양한 이진 금속 산화물을 이용한 thin film transistor (TFT) cell에 대해 연구하고, 전달 특성과 출력특성, subthreshold swing (SS), field effect mobility (μFE) 와 같은 전기적 특성들이 MWI에 의해 향상됨을 관찰하였다. 또한, positive gate bias stress (PGBS) 와 negative gate bias stress (NGBS) 평가를 통해 amorphous-InGaZnO (a-IGZO) TFTs에 있어 또 하나의 중요한 특성인 reliability 특성에 대해서 조사하였다. 마지막으로, 앞서 연구한 결과들을 바탕으로, 투명 IGZO 기반 1T-1R 구조의 메모리 어레이에 대하여 연구하였다. 이 구조에서 Ta2O5/IGZO 의 이중 막은 TFT 동작에서는 게이트 절연막과 채널로 사용되어 졌으며, ReRAM 동작에서는 저항변화 물질로 사용되었다. 투명한 TFT 구조의 소자를 제작하기 위하여, InSnO (ITO) 투명전극을 Source/Drain 그리고 Gate 전극으로 사용하였고, 이 소자의 광학적 투과도는 80 % 이상임을 확인하였다. 또한 1T-1R 소자로써 트랜지스터 동작특성, 저항변화 특성과 이 둘의 동시동작 특성에 대해 기술하였고, 그 결과 IGZO 박막트랜지스터를 통한 메모리 소자의 안정적인 제어를 확인하였다. 또한 집적도 향상을 위하여 세 개의 transistor cell을 가지는 새로운 임베디드 ReRAM 어레이를 구현하였다. 이상의 연구를 통한 결과로써, 새로운 3T 단위 cell을 통해 집적된 어레이 구조를 가지는 산화물을 이용한 투명한 1T-1R ReRAM이 차세대 비 휘발성 메모리 소자로 효과적인 기술이라는 결론을 얻었다.
Nowadays, the nonvolatile memory device (NVM) has been widely used in various electronic devices. Among them, the flash memory in Si based NVM technology is most common memory concept due to its advantages such as high density and low fabrication cost. However, there are some problems which is physi...
Nowadays, the nonvolatile memory device (NVM) has been widely used in various electronic devices. Among them, the flash memory in Si based NVM technology is most common memory concept due to its advantages such as high density and low fabrication cost. However, there are some problems which is physical scaling limits of downscaling The metal oxide based resistive switching random access memory (ReRAM) devices have a lot of advantages such as high scalability, high switching speed, low power consumption, high reproducibility, long data retention, simple fabrication process, low cost, transparency and good compatibility with complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) processes. However, there are some key challenges in transparent ReRAM device for NVMs applications such as material selection for good resistive switching (RS) characteristics, fabrication process for low cost, post deposition anneal (PDA) method for defects treatment in low temperature to fabricate with glass or plastic substrate and embedded cell design for integration without sneak path. In this thesis, the RS characteristics of transparent ReRAM device based on metal oxides were studied and it was improved using micro wave irradiation (MWI) PDA. In addition, it was integrated with novel embedded ReRAM with array architecture comprising a 3T unit cell and compared with conventional one transistor - one resistor (1T-1R) structured ReRAM. Firstly, the resistor cells using different fabrication process (sputtering and solution process) with various binary metal oxide materials for insulator were prepared and their electrical characteristics such as RS characteristic, endurance and retention properties and switching mechanism analysis were investigated. For both of top and bottom electrodes, Pt was deposited by e-beam evaporation for bipolar RS behavior. Secondly, to investigate the effect of MWI as a PDA process, the MWI treatment was adopted in solution process based on HfO2 and Al2O3 ReRAM as a PDA process and the memory characteristics were compared with conventional thermal annealing (CTA) treatment. Typical BRS behavior was observed at as-dep, CTA and MWI treated device. The dominant conduction of these devices is described by ohmic conduction in the low resistance state. On the other hand, in the high resistance state, both of the ohmic conduction at low voltage region and the Poole-Frenkel emission at high voltage region dominate. The electrical characteristics such as uniformity of RS distribution and operating voltages, stable DC endurance and reliability retention were more improved in MWI treated ReRAM compare with CTA. Thirdly, the thin film transistor (TFT) cells using different fabrication process (sputtering process and solution process) with various binary metal oxide materials for channel were prepared and their electrical characteristics such as transfer characteristic, output characteristic, SS and μFE as a function of MWI power were investigated. In addition, reliability is one of the most important issues in relation to amorphous-InGaZnO (a-IGZO) TFTs. Thus, to investigate the long-term reliability of a-IGZO TFTs, the bias stress effect was observed through positive gate bias stress (PGBS) and negative gate bias stress (NGBS) tests. Finally, the transparent 1T-1R structured ReRAM based on Ta2O5/IGZO was studied. The Ta2O5/IGZO double layer was used to gate oxide/active channel layer as well as RS layer. The transparent ReRAM based on IGZO with 1T-1R cell structure was fabricated and InSnO (ITO) was used to form Source/Drain and Gate electrodes. Its transmittance was greater than 80 % in the visible light region. The electrical characteristics of single resistor cell, TFT and 1T-1R were considered, respectively. Moreover the progressive embedded ReRAM which is comprised of a 3T unit cell is proposed. In addition, the electrical characteristics of ReRAM devices were improved using MWI PDA process. According to results of researches, the transparent ReRAM device based on metal oxides integrated with novel embedded ReRAM with array architecture comprising a 3T unit cell in 1T-1R operation are effective method for next-NVMs applications.
Nowadays, the nonvolatile memory device (NVM) has been widely used in various electronic devices. Among them, the flash memory in Si based NVM technology is most common memory concept due to its advantages such as high density and low fabrication cost. However, there are some problems which is physical scaling limits of downscaling The metal oxide based resistive switching random access memory (ReRAM) devices have a lot of advantages such as high scalability, high switching speed, low power consumption, high reproducibility, long data retention, simple fabrication process, low cost, transparency and good compatibility with complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) processes. However, there are some key challenges in transparent ReRAM device for NVMs applications such as material selection for good resistive switching (RS) characteristics, fabrication process for low cost, post deposition anneal (PDA) method for defects treatment in low temperature to fabricate with glass or plastic substrate and embedded cell design for integration without sneak path. In this thesis, the RS characteristics of transparent ReRAM device based on metal oxides were studied and it was improved using micro wave irradiation (MWI) PDA. In addition, it was integrated with novel embedded ReRAM with array architecture comprising a 3T unit cell and compared with conventional one transistor - one resistor (1T-1R) structured ReRAM. Firstly, the resistor cells using different fabrication process (sputtering and solution process) with various binary metal oxide materials for insulator were prepared and their electrical characteristics such as RS characteristic, endurance and retention properties and switching mechanism analysis were investigated. For both of top and bottom electrodes, Pt was deposited by e-beam evaporation for bipolar RS behavior. Secondly, to investigate the effect of MWI as a PDA process, the MWI treatment was adopted in solution process based on HfO2 and Al2O3 ReRAM as a PDA process and the memory characteristics were compared with conventional thermal annealing (CTA) treatment. Typical BRS behavior was observed at as-dep, CTA and MWI treated device. The dominant conduction of these devices is described by ohmic conduction in the low resistance state. On the other hand, in the high resistance state, both of the ohmic conduction at low voltage region and the Poole-Frenkel emission at high voltage region dominate. The electrical characteristics such as uniformity of RS distribution and operating voltages, stable DC endurance and reliability retention were more improved in MWI treated ReRAM compare with CTA. Thirdly, the thin film transistor (TFT) cells using different fabrication process (sputtering process and solution process) with various binary metal oxide materials for channel were prepared and their electrical characteristics such as transfer characteristic, output characteristic, SS and μFE as a function of MWI power were investigated. In addition, reliability is one of the most important issues in relation to amorphous-InGaZnO (a-IGZO) TFTs. Thus, to investigate the long-term reliability of a-IGZO TFTs, the bias stress effect was observed through positive gate bias stress (PGBS) and negative gate bias stress (NGBS) tests. Finally, the transparent 1T-1R structured ReRAM based on Ta2O5/IGZO was studied. The Ta2O5/IGZO double layer was used to gate oxide/active channel layer as well as RS layer. The transparent ReRAM based on IGZO with 1T-1R cell structure was fabricated and InSnO (ITO) was used to form Source/Drain and Gate electrodes. Its transmittance was greater than 80 % in the visible light region. The electrical characteristics of single resistor cell, TFT and 1T-1R were considered, respectively. Moreover the progressive embedded ReRAM which is comprised of a 3T unit cell is proposed. In addition, the electrical characteristics of ReRAM devices were improved using MWI PDA process. According to results of researches, the transparent ReRAM device based on metal oxides integrated with novel embedded ReRAM with array architecture comprising a 3T unit cell in 1T-1R operation are effective method for next-NVMs applications.
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