[학위논문]자외선 조사에 의한 저온 용액 공정 기반 ZrO2 RRAM 저항 변화 특성 향상 연구 A study on improvement of resistive switching characteristics of low-temperature solution-processed ZrO2 RRAM by UV irradiation원문보기
본 연구에서는 자외선을 이용하여 저온에서 용액 공정 금속 산화막 기반 저항 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM) 소자를 제작하고, 자외선이 금속 산화막 및 RRAM 소자의 저항 변화 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 용액 공정은 진공 공정에서 필요한 고가의 장비 없이 저렴한 가격으로 다양한 기판에 금속 산화막을 대량 생산할 수 있고, 박막의 화학 성분 조절이 용이하다는 장점이 있지만, 일반적으로 150 ℃ 이상에서 쉽게 손상될 수 있는 유연한 기판의 사용을 제한한다는 단점을 지니고 있다. 따라서 용액 공정의 단점이자 한계라고 알려진 고온 공정을 줄이기 위해 자외선 조사를 통해 금속 산화막을 형성하였다. 제작한 소자는 상부 전극을 별도로 제작하지 않고, ...
본 연구에서는 자외선을 이용하여 저온에서 용액 공정 금속 산화막 기반 저항 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM) 소자를 제작하고, 자외선이 금속 산화막 및 RRAM 소자의 저항 변화 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 용액 공정은 진공 공정에서 필요한 고가의 장비 없이 저렴한 가격으로 다양한 기판에 금속 산화막을 대량 생산할 수 있고, 박막의 화학 성분 조절이 용이하다는 장점이 있지만, 일반적으로 150 ℃ 이상에서 쉽게 손상될 수 있는 유연한 기판의 사용을 제한한다는 단점을 지니고 있다. 따라서 용액 공정의 단점이자 한계라고 알려진 고온 공정을 줄이기 위해 자외선 조사를 통해 금속 산화막을 형성하였다. 제작한 소자는 상부 전극을 별도로 제작하지 않고, 텅스텐프로브 팁을 RRAM 소자의 상부 전극 역할을 하는 동시에 전기적 특성을 평가하기 위해 사용하였다. 상부 전극이 있는 소자의 실질적 저항 변화 영역은 상부 전극 영역으로 정의할 수 있는데, 상부 전극의 크기가 작으면 저항 변화층에서 전기장이 집중되어 전도성 필라멘트가 국부적으로 형성될 수 있다고 알려져 있다 [4]. 따라서 상부 전극의 크기를 1 um2 이하로 만드는 것이 좋으나 연구실의 사진공정 장비로는 제작하기 어렵다. 이를 프로브 팁으로 대체함으로써, 연구실 수준에서 제조하기 쉽지 않은 나노 크기의 상부전극을 사용한 RRAM 소자에서의 저항성 스위칭 특성을 측정하였다. 소자의 저항 변화 층은 높은 유전 상수 (~25), 큰 밴드갭 (5.8 eV) 및 실리콘 기판과 접촉 시 좋은 열역학적 안정성을 가지고, CMOS (complementary metal oxide semiconductor)의 MOSFET 게이트 절연 층 적용 가능성으로 인해 널리 연구되고 있는 ZrO2을 선정하였다. ZrO2 박막은 150 ℃의 낮은 온도에서 용액 공정을 통해 제작하였으며, 후처리 공정으로 184.9 nm (10%)와 253.7 nm (90%) 파장을 갖고, 17 mW/cm2의 세기를 갖는 자외선을 조사하였다. 자외선이 ZrO2 박막의 두께 및 화학적 결합 상태에 미치는 영향을 알아보기 위해 자외선을 조사하기 전과 자외선을 1시간, 2시간, 4시간, 8시간 조사한 서로 다른 박막을 갖는 소자를 제작하였다. 이 때 박막에 전달된 자외선 에너지는 각각 61.2 J/cm2, 122.4 J/cm2, 244.8 J/cm2, 489.6 J/cm2 이다. 직류 전압법을 사용하여 각 소자에서의 전기적 특성을 확인해본 결과, 자외선을 조사하기 전 소자에서는 고 저항에서 저 저항으로 스위칭 동작이 발생하지 않았고, 자외선을 1시간, 2시간 조사한 소자에서는 스위칭 동작은 발생하였지만 저항 상태와 동작 전압이 균일하지 않은 불안정 스위칭 동작을 보였다. 이와 반대로 자외선을 4시간 이상 조사한 소자에서는 최대 1.5 V 이하의 낮은 동작 전압에서 200회 이상 저항 변화 반복 동작시에도 안정적인 저항성 스위칭 특성을 보였다. 또한 소자의 저항상태 유지 능력을 확인해본 결과, 104초 이상 고 저항 상태, 저 저항 상태에서의 저항 값을 유지할 수 있어 우수한 신뢰성을 갖는 메모리 소자임을 확인했다. 제작된 소자들 에서의 전류-전압 특성을 로그-로그형 그래프로 표현하고 고 저항 상태와 저 저항 상태로 나누어 각각의 전도 메커니즘을 분석하였다. 모든 소자의 고 저항 상태에서는 space charged limited conduction (SCLC)가 우세하였고, 저 저항 상태에서는 ohmic conduction이 우세함을 확인하였다. 위의 전도성 메커니즘을 기반으로 해당 소자의 저항 변화 메커니즘이 전도성 산소 공극 필라멘트에 의한 것임을 추론할 수 있었다 [1]. 자외선 조사가 금속 산화막에 미치는 영향에 대해 정량적으로 분석하기 위해 전계 방출 주사 현미경 (FE-SEM)을 통해 박막 두께 변화를 확인하였고, X 선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 박막의 화학적 결합 변화를 분석하였다. 그 결과, 자외선 조사시간을 증가시킬수록 박막이 치밀화 되어 두께가 감소하였고, 금속 산화 결합 양 또한 증가하는 것을 확인했다. 하지만 자외선 4시간 이상 조사한 4시간, 8시간 조사한 박막에서의 두께 차이와 금속 산화 결합율의 차이가 크지 않았다. 이를 통해 자외선을 최소 4시간 조사하여 박막 내부의 전구체 잔여물들이 줄어들어 치밀화된 고품질의 지르코늄 옥사이드를 얻을 수 있음을 알 수 있었고, 이를 기반으로 한 저항 변화 메모리의 특성을 개선시킬 수 있었음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 자외선을 이용하여 저온에서 용액 공정 금속 산화막 기반 저항 변화 메모리 (resistive random access memory; RRAM) 소자를 제작하고, 자외선이 금속 산화막 및 RRAM 소자의 저항 변화 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 용액 공정은 진공 공정에서 필요한 고가의 장비 없이 저렴한 가격으로 다양한 기판에 금속 산화막을 대량 생산할 수 있고, 박막의 화학 성분 조절이 용이하다는 장점이 있지만, 일반적으로 150 ℃ 이상에서 쉽게 손상될 수 있는 유연한 기판의 사용을 제한한다는 단점을 지니고 있다. 따라서 용액 공정의 단점이자 한계라고 알려진 고온 공정을 줄이기 위해 자외선 조사를 통해 금속 산화막을 형성하였다. 제작한 소자는 상부 전극을 별도로 제작하지 않고, 텅스텐 프로브 팁을 RRAM 소자의 상부 전극 역할을 하는 동시에 전기적 특성을 평가하기 위해 사용하였다. 상부 전극이 있는 소자의 실질적 저항 변화 영역은 상부 전극 영역으로 정의할 수 있는데, 상부 전극의 크기가 작으면 저항 변화층에서 전기장이 집중되어 전도성 필라멘트가 국부적으로 형성될 수 있다고 알려져 있다 [4]. 따라서 상부 전극의 크기를 1 um2 이하로 만드는 것이 좋으나 연구실의 사진공정 장비로는 제작하기 어렵다. 이를 프로브 팁으로 대체함으로써, 연구실 수준에서 제조하기 쉽지 않은 나노 크기의 상부전극을 사용한 RRAM 소자에서의 저항성 스위칭 특성을 측정하였다. 소자의 저항 변화 층은 높은 유전 상수 (~25), 큰 밴드갭 (5.8 eV) 및 실리콘 기판과 접촉 시 좋은 열역학적 안정성을 가지고, CMOS (complementary metal oxide semiconductor)의 MOSFET 게이트 절연 층 적용 가능성으로 인해 널리 연구되고 있는 ZrO2을 선정하였다. ZrO2 박막은 150 ℃의 낮은 온도에서 용액 공정을 통해 제작하였으며, 후처리 공정으로 184.9 nm (10%)와 253.7 nm (90%) 파장을 갖고, 17 mW/cm2의 세기를 갖는 자외선을 조사하였다. 자외선이 ZrO2 박막의 두께 및 화학적 결합 상태에 미치는 영향을 알아보기 위해 자외선을 조사하기 전과 자외선을 1시간, 2시간, 4시간, 8시간 조사한 서로 다른 박막을 갖는 소자를 제작하였다. 이 때 박막에 전달된 자외선 에너지는 각각 61.2 J/cm2, 122.4 J/cm2, 244.8 J/cm2, 489.6 J/cm2 이다. 직류 전압법을 사용하여 각 소자에서의 전기적 특성을 확인해본 결과, 자외선을 조사하기 전 소자에서는 고 저항에서 저 저항으로 스위칭 동작이 발생하지 않았고, 자외선을 1시간, 2시간 조사한 소자에서는 스위칭 동작은 발생하였지만 저항 상태와 동작 전압이 균일하지 않은 불안정 스위칭 동작을 보였다. 이와 반대로 자외선을 4시간 이상 조사한 소자에서는 최대 1.5 V 이하의 낮은 동작 전압에서 200회 이상 저항 변화 반복 동작시에도 안정적인 저항성 스위칭 특성을 보였다. 또한 소자의 저항상태 유지 능력을 확인해본 결과, 104초 이상 고 저항 상태, 저 저항 상태에서의 저항 값을 유지할 수 있어 우수한 신뢰성을 갖는 메모리 소자임을 확인했다. 제작된 소자들 에서의 전류-전압 특성을 로그-로그형 그래프로 표현하고 고 저항 상태와 저 저항 상태로 나누어 각각의 전도 메커니즘을 분석하였다. 모든 소자의 고 저항 상태에서는 space charged limited conduction (SCLC)가 우세하였고, 저 저항 상태에서는 ohmic conduction이 우세함을 확인하였다. 위의 전도성 메커니즘을 기반으로 해당 소자의 저항 변화 메커니즘이 전도성 산소 공극 필라멘트에 의한 것임을 추론할 수 있었다 [1]. 자외선 조사가 금속 산화막에 미치는 영향에 대해 정량적으로 분석하기 위해 전계 방출 주사 현미경 (FE-SEM)을 통해 박막 두께 변화를 확인하였고, X 선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 박막의 화학적 결합 변화를 분석하였다. 그 결과, 자외선 조사시간을 증가시킬수록 박막이 치밀화 되어 두께가 감소하였고, 금속 산화 결합 양 또한 증가하는 것을 확인했다. 하지만 자외선 4시간 이상 조사한 4시간, 8시간 조사한 박막에서의 두께 차이와 금속 산화 결합율의 차이가 크지 않았다. 이를 통해 자외선을 최소 4시간 조사하여 박막 내부의 전구체 잔여물들이 줄어들어 치밀화된 고품질의 지르코늄 옥사이드를 얻을 수 있음을 알 수 있었고, 이를 기반으로 한 저항 변화 메모리의 특성을 개선시킬 수 있었음을 확인할 수 있었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.