[학위논문]산소 플라즈마를 이용한 용액 공정 SnOx RRAM 소자 제작 및 특성 향상 연구 A study on the method and improvement of characteristics of solution-processed SnOx RRAM using oxygen plasma원문보기
기존 실리콘 기반의 플래시 메모리가 비휘발성 메모리 시장에서 고 집적, 낮은 공정 비용으로 주목을 받았지만, 낮은 동작 속도, 짧은 수명, 높은 동작 전압 등의 문제를 가져 이를 극복하기 위해 저항성 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM)과 같은 차세대 메모리들이 연구되기 시작했다. RRAM은 두 금속 전극 사이에 존재하는 저항 변화 층의 양단에 인가하는 외부 전압에 의해 저항 변화층의 금속 이온 혹은 산소 이온이 이동하여 저항 상태가 저 저항 상태 (low resistance state, or LRS) 또는 고 저항 상태 (high resistance state, or ...
기존 실리콘 기반의 플래시 메모리가 비휘발성 메모리 시장에서 고 집적, 낮은 공정 비용으로 주목을 받았지만, 낮은 동작 속도, 짧은 수명, 높은 동작 전압 등의 문제를 가져 이를 극복하기 위해 저항성 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM)과 같은 차세대 메모리들이 연구되기 시작했다. RRAM은 두 금속 전극 사이에 존재하는 저항 변화 층의 양단에 인가하는 외부 전압에 의해 저항 변화층의 금속 이온 혹은 산소 이온이 이동하여 저항 상태가 저 저항 상태 (low resistance state, or LRS) 또는 고 저항 상태 (high resistance state, or HRS)로 안정적으로 설정되는데, 이 저항 상태에 따라 메모리 소자의 1과 0의 역할을 하는 것이 RRAM의 동작원리이다. 하지만 이러한 이온 이동에 의한 동작 메커니즘으로 인해 RRAM의 LRS, HRS 저항 사이의 차이가 줄어들어 endurance failure 현상이 발생한다. 이 문제의 원인은 RRAM의 산화막 내 산소 이온의 이동에 의해 저항 상태가 바뀌는 valence change RRAM (VCM RRAM)에서 저항 변화 동작이 반복될수록 박막 내 산소 이온이 산화막 표면에서 산소 가스 형태로 분출되어 산소 이온의 영구적 손실이 발생한다. 이는 결과적으로 RRAM 소자가 더 이상 저항 변화 동작을 반복할 수 없는 상태가 되도록 만든다. 이러한 문제점을 해결하는 방법 가운데 하나의 수단으로 산소 플라즈마를 이용해서 저항 변화층에 산소 이온을 공급하는 방법이 있다. 산소 플라즈마는 저항 변화층 내 산소 이온을 공급함으로써 금속 이온과 산소 이온의 결합을 유도하여 안정적이고 균일한 박막을 형성하며, 추가로 공급된 산소 이온이 RESET 과정에서 산소 공극과 결합하여 RRAM의 endurance failure 현상을 완화시키는데 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 진공 증착 방법에 비해 비교적 단순하고 저비용으로 박막 형성이 가능한 용액 공정을 이용하여 SnOx RRAM을 제작하여 실험을 진행하였다. 또한, 저항 변화 물질로는 높은 열안정성을 갖으며 산소 이온의 이동에 의해 전도성을 갖는 반도체 물질로 알려진 SnOx를 사용했다. 용액 공정 SnOx RRAM의 소자 특성을 측정함으로써 VCM RRAM의 저항 변화 동작에서의 문제점을 실험을 통해 확인하고, 이를 해결하기 위해 제작된 RRAM 소자에 산소 플라즈마 처리를 진행하였다. VCM RRAM의 저항 변화 동작의 문제점을 확인하기 위해 산소 플라즈마 처리 전 소자에서 내구성 특성 (endurance)을 측정하였고, 그 결과 50회의 저항 변화 동작 이전에 HRS/LRS 저항의 비가 1에 가까워지는 현상이 관찰되었다. 이 후, 산소 플라즈마 파워를 50 W로 고정하고 처리 시간을 1, 2, 3, 5, 10, 20분으로 다르게 처리하여 SnOx RRAM의 전류-전압 특성이 어떻게 변화하는지 분석하였다. 이를 통해 본 연구에서 실험한 공정 조건에서는 50 W에서 10분 처리했을 때, 저항 변화 동작 특성이 개선되는데 필요한 최소의 시간이라고 판단하였고, 이를 근거로 10분 처리한 소자의 신뢰성 테스트를 진행하였다. 그 결과, 해당 소자는 200회의 저항 변화 동작을 안정적으로 반복하였고 104초 동안 저항 특성을 유지하는 것을 확인하였다. 산소 플라즈마 처리 시간에 따른 소자의 전도 메커니즘을 분석한 결과, 고 저항 상태에서는 옴 전도, 저 저항 상태에서는 공간전하 제한 전도(space charge limited conduction; SCLC) 전도가 나타났다. 용액 공정 SnOx 박막에 산소 플라즈마가 미치는 영향을 확인하기 위하여 산소 플라즈마 처리 시간별로 XPS 분석 및 FE-SEM 촬영을 진행하였고, 그 결과 산소 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 Sn-O 결합이 증가하였고 이러한 이유로 박막이 더 균질하고 밀도 있는 막으로 변화했다고 판단했다. 위 근거를 토대로 산소 플라즈마가 효과적으로 SnOx 박막 내에 산소 이온을 공급하여 더 균질하고 안정적인 격자를 가진 박막을 형성할 수 있었으며, 결과적으로 본 연구에서 진행한 공정 조건에서는 용액공정 SnOx RRAM의 저항 변화 특성이 개선되는데 필요한 최소의 산소 플라즈마 처리 시간이 50 W에서 10분이라고 결론지었다.
기존 실리콘 기반의 플래시 메모리가 비휘발성 메모리 시장에서 고 집적, 낮은 공정 비용으로 주목을 받았지만, 낮은 동작 속도, 짧은 수명, 높은 동작 전압 등의 문제를 가져 이를 극복하기 위해 저항성 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM)과 같은 차세대 메모리들이 연구되기 시작했다. RRAM은 두 금속 전극 사이에 존재하는 저항 변화 층의 양단에 인가하는 외부 전압에 의해 저항 변화층의 금속 이온 혹은 산소 이온이 이동하여 저항 상태가 저 저항 상태 (low resistance state, or LRS) 또는 고 저항 상태 (high resistance state, or HRS)로 안정적으로 설정되는데, 이 저항 상태에 따라 메모리 소자의 1과 0의 역할을 하는 것이 RRAM의 동작원리이다. 하지만 이러한 이온 이동에 의한 동작 메커니즘으로 인해 RRAM의 LRS, HRS 저항 사이의 차이가 줄어들어 endurance failure 현상이 발생한다. 이 문제의 원인은 RRAM의 산화막 내 산소 이온의 이동에 의해 저항 상태가 바뀌는 valence change RRAM (VCM RRAM)에서 저항 변화 동작이 반복될수록 박막 내 산소 이온이 산화막 표면에서 산소 가스 형태로 분출되어 산소 이온의 영구적 손실이 발생한다. 이는 결과적으로 RRAM 소자가 더 이상 저항 변화 동작을 반복할 수 없는 상태가 되도록 만든다. 이러한 문제점을 해결하는 방법 가운데 하나의 수단으로 산소 플라즈마를 이용해서 저항 변화층에 산소 이온을 공급하는 방법이 있다. 산소 플라즈마는 저항 변화층 내 산소 이온을 공급함으로써 금속 이온과 산소 이온의 결합을 유도하여 안정적이고 균일한 박막을 형성하며, 추가로 공급된 산소 이온이 RESET 과정에서 산소 공극과 결합하여 RRAM의 endurance failure 현상을 완화시키는데 중요한 역할을 한다. 본 논문에서는 진공 증착 방법에 비해 비교적 단순하고 저비용으로 박막 형성이 가능한 용액 공정을 이용하여 SnOx RRAM을 제작하여 실험을 진행하였다. 또한, 저항 변화 물질로는 높은 열안정성을 갖으며 산소 이온의 이동에 의해 전도성을 갖는 반도체 물질로 알려진 SnOx를 사용했다. 용액 공정 SnOx RRAM의 소자 특성을 측정함으로써 VCM RRAM의 저항 변화 동작에서의 문제점을 실험을 통해 확인하고, 이를 해결하기 위해 제작된 RRAM 소자에 산소 플라즈마 처리를 진행하였다. VCM RRAM의 저항 변화 동작의 문제점을 확인하기 위해 산소 플라즈마 처리 전 소자에서 내구성 특성 (endurance)을 측정하였고, 그 결과 50회의 저항 변화 동작 이전에 HRS/LRS 저항의 비가 1에 가까워지는 현상이 관찰되었다. 이 후, 산소 플라즈마 파워를 50 W로 고정하고 처리 시간을 1, 2, 3, 5, 10, 20분으로 다르게 처리하여 SnOx RRAM의 전류-전압 특성이 어떻게 변화하는지 분석하였다. 이를 통해 본 연구에서 실험한 공정 조건에서는 50 W에서 10분 처리했을 때, 저항 변화 동작 특성이 개선되는데 필요한 최소의 시간이라고 판단하였고, 이를 근거로 10분 처리한 소자의 신뢰성 테스트를 진행하였다. 그 결과, 해당 소자는 200회의 저항 변화 동작을 안정적으로 반복하였고 104초 동안 저항 특성을 유지하는 것을 확인하였다. 산소 플라즈마 처리 시간에 따른 소자의 전도 메커니즘을 분석한 결과, 고 저항 상태에서는 옴 전도, 저 저항 상태에서는 공간전하 제한 전도(space charge limited conduction; SCLC) 전도가 나타났다. 용액 공정 SnOx 박막에 산소 플라즈마가 미치는 영향을 확인하기 위하여 산소 플라즈마 처리 시간별로 XPS 분석 및 FE-SEM 촬영을 진행하였고, 그 결과 산소 플라즈마 처리 시간이 증가할수록 Sn-O 결합이 증가하였고 이러한 이유로 박막이 더 균질하고 밀도 있는 막으로 변화했다고 판단했다. 위 근거를 토대로 산소 플라즈마가 효과적으로 SnOx 박막 내에 산소 이온을 공급하여 더 균질하고 안정적인 격자를 가진 박막을 형성할 수 있었으며, 결과적으로 본 연구에서 진행한 공정 조건에서는 용액공정 SnOx RRAM의 저항 변화 특성이 개선되는데 필요한 최소의 산소 플라즈마 처리 시간이 50 W에서 10분이라고 결론지었다.
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