이원계 산화막인 비정질$SiO_2$와 다결정 $TiO_2$의 저항 변화 특성을 연구하였다. Metal-Insulator-Metal의 저항 소자를 형성하여 전압 sweep에 의한 I-V를 측정하여 저항 상태를 확인하였다. 즉, 낮은 저항 상태 (LRS) 와 높은 저항 상태 (HRS) 의 두 가지 저항 상태가 존재하였으며, LRS는 전압에 의한 절연체의 불완전한 breakdown 후에, HRS는 전압에 의한 negative differential resistance 후에 각각 나타났다. LRS의 경우에는 Ohmic 전도 mechanism에 의해서, HRS의 경우에는 Schottky contact에 의한 potential barrier의 생성이 저항 상태를 결정한다고 제안하였다. 즉, potential barrier의 생성과 소멸이 두 저항 상태를 형성한다고 할 수 있다. 유전율이 높은 $TiO_2$가 $SiO_2$에 비하여, 낮은 동작 특성 전압을 나타내었으며, 1 V에서의 저항비도 높았다.
이원계 산화막인 비정질 $SiO_2$와 다결정 $TiO_2$의 저항 변화 특성을 연구하였다. Metal-Insulator-Metal의 저항 소자를 형성하여 전압 sweep에 의한 I-V를 측정하여 저항 상태를 확인하였다. 즉, 낮은 저항 상태 (LRS) 와 높은 저항 상태 (HRS) 의 두 가지 저항 상태가 존재하였으며, LRS는 전압에 의한 절연체의 불완전한 breakdown 후에, HRS는 전압에 의한 negative differential resistance 후에 각각 나타났다. LRS의 경우에는 Ohmic 전도 mechanism에 의해서, HRS의 경우에는 Schottky contact에 의한 potential barrier의 생성이 저항 상태를 결정한다고 제안하였다. 즉, potential barrier의 생성과 소멸이 두 저항 상태를 형성한다고 할 수 있다. 유전율이 높은 $TiO_2$가 $SiO_2$에 비하여, 낮은 동작 특성 전압을 나타내었으며, 1 V에서의 저항비도 높았다.
The resistance switching characteristics of amorphous $SiO_2$ and poly-crystalline $TiO_2$ were investigated. Both films exhibit well defined switching characteristics with low and high resistance states. From I-V curve analyses, it was found that the low resistance states of b...
The resistance switching characteristics of amorphous $SiO_2$ and poly-crystalline $TiO_2$ were investigated. Both films exhibit well defined switching characteristics with low and high resistance states. From I-V curve analyses, it was found that the low resistance states of both films obey an ohmic conduction mechanism and the high resistance states show generation of a Schottky potential barrier. Regarding the mechanism for resistance switching of the binary oxide, it is suggested that the generation and annihilation of potential barriers accounts for the changes to the high resistance state and low resistance state, respectively. The device operation characteristic parameters such as reset and set voltages of $TiO_2$ are distinctly smaller than those of $SiO_2$, indicating that the values are related to the dielectric constant.
The resistance switching characteristics of amorphous $SiO_2$ and poly-crystalline $TiO_2$ were investigated. Both films exhibit well defined switching characteristics with low and high resistance states. From I-V curve analyses, it was found that the low resistance states of both films obey an ohmic conduction mechanism and the high resistance states show generation of a Schottky potential barrier. Regarding the mechanism for resistance switching of the binary oxide, it is suggested that the generation and annihilation of potential barriers accounts for the changes to the high resistance state and low resistance state, respectively. The device operation characteristic parameters such as reset and set voltages of $TiO_2$ are distinctly smaller than those of $SiO_2$, indicating that the values are related to the dielectric constant.
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문제 정의
한다. 본 논문에서 는 SiC>2와 TiOz의 동작 전압과 저항비를 포함한 저항 특성과 ohmic conduction과 potential barrier로 저 저 항 상태 와 고저항 상태에 관한 전기 전도 특성에 대해 논의할 것이다.
본 연구에서는 이원계 산화막 중에서 유전율이 큰 편에 속하는 다결정 TiOz와 유전율이 작은 편에 속하는 비정질 SiO2를 비교하여 유전율이 다른 두 물질의 저항 변화 특성의 동질성과 이질성을 비교하고자 한다. 본 논문에서 는 SiC>2와 TiOz의 동작 전압과 저항비를 포함한 저항 특성과 ohmic conduction과 potential barrier로 저 저 항 상태 와 고저항 상태에 관한 전기 전도 특성에 대해 논의할 것이다.
제안 방법
비정질 Si。?와 다결정의 TiC>2를 절연체로 구성하고 각각의 물질에 상하부 전극으로 pt를 증착한 MIM구조의 Re-RAM device에 대한 저항 변화 특성을 조사하였다. TiC>2의 reset 그리고 set 전압이 Sit>의 전압보다 낮다는 것을 확인하였고 이것은 박막의 유전율과 관련된 것으로 보인다.
즉, PRAM의 경우에는 절연체의 상의 변화에 따라서 저 항이 달라지나 Re- RAM의 경우에는 그러한 상 변화 없이 동일한 상에서 저항이 변하기 때문이다. LRS와 HRS의 전도 mechanism을 살펴보고자 I-V 곡선들을 log-log 단위로 변환하였다. 그림 3(a)와 3(b)는 SiC>2와 TiO2 두 박막의 LRS와 HRS에서의 전류 변화 양상을 나타낸 그림 이다.
I-V 분석을 통해서 SiCb와 TiO2 모두 LRS에서 는 ohmic 특성을 나타내었고 각각의 저항은 510과 52Q을 나타내 었다. 그러나 SiCh와 TiO2의 HRS의 높은 전압 영역에서의 I-V curve에 대해서는 Schottky con- tact에 기 인한 potential barrier의 생성을 제안하였다. 이원계 산화막의 저항 변화 특성에 따르면 potential barrier의 생성과 소멸로 HRS와 LRS의 변화를 설명할 수 있다.
따라서, 저항 변화 특성이 온도에 따라서 생기는지를 후속 열처리 온도를 증가시키면서 확인하였다. Si6와 TiS의 저 항 변화 특성은 N2 분위 기 에서 각각 500°C의 furnace 열처 리 와 800°C rapid thermal annealing (RTA) 후에 처음으로 나타났다.
저항 변화는 HP 4155A semiconductor parameter analyzer 를 이용한 I-V 특성으로부터 측정 하였다. 이 측정은 상온에서 전압을 sweep하는 방법을 이용하였다. 저항 변화 특성을 보이지 않을 때는 고온에서의 N2 분위기 열처 리를 통해서 저 항 변화 특성을 나타내었다.
전기적 특성 측정 위한 상부 전극의 patterning 은 일반적인 lift-off■방법으로 실시하였다. 저항 변화는 HP 4155A semiconductor parameter analyzer 를 이용한 I-V 특성으로부터 측정 하였다. 이 측정은 상온에서 전압을 sweep하는 방법을 이용하였다.
저항 변화 특성을 보이지 않을 때는 고온에서의 N2 분위기 열처 리를 통해서 저 항 변화 특성을 나타내었다. 절연체의 조성과 결정 상태는 Auger electron spectroscopy (AES) 오+ X-ray diffraction (XRD) 를 각각 이용하여 살펴보았다.
5는 1 V에서 SiC>2와 TiC>2의 저 항 변화의 반복성을 나타낸 것으로서, 전압 sweep 회수에 따른 IV 에서의 전류값의 역수를 나타낸 그림이다. 즉, LRS와 HRS의 동일한 1 V에서의 전류값의 비교로 저항의 변화를 살펴본 것이다. 10-20회 정도의 sweep을 비교해보면, SiC)2와 TiO2 모두 급격한 저항 저 하는 없었으며, 1 order 정 도의 차이 가 있으며, TiOz의 경우가 SiO2에 비 하여 비교적 저 항차가 크다는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
P-type Si(100)을 기판으로 그리고 상하부 전극으로는 모두 Pt를 사용한 MIM Re-RAM 소자 시편을 제작하였다. 상하부 전극은 de magnetron sputtering system을 이용하였으며, 절연체인 SiO2 와 TiC)2는 rf magnetron sputtering system을 이 용하여 증착하였다.
이론/모형
각 전극과 절연체의 두께는 각각 40nm였다. 전기적 특성 측정 위한 상부 전극의 patterning 은 일반적인 lift-off■방법으로 실시하였다. 저항 변화는 HP 4155A semiconductor parameter analyzer 를 이용한 I-V 특성으로부터 측정 하였다.
성능/효과
즉, LRS와 HRS의 동일한 1 V에서의 전류값의 비교로 저항의 변화를 살펴본 것이다. 10-20회 정도의 sweep을 비교해보면, SiC)2와 TiO2 모두 급격한 저항 저 하는 없었으며, 1 order 정 도의 차이 가 있으며, TiOz의 경우가 SiO2에 비 하여 비교적 저 항차가 크다는 것을 알 수 있다. 저항차가 크다는 것은 Re-RAM 소자에서의 신호 구분이 용이하다는 것을 의미한다.
비정질이원계 산화막의 경우에 V이 (유전율)〃2에 반비례한다는 상관 관계가 알려져 있다.8)본 연구도 이러 한 결과를 바탕으로 보면, 유전율이 높을수록, 낮은 동작 전압을 얻을 수 있다고 할 수 있다. 이는 Re-RAM 소자의 동작과 관련된 특성 이므로, 낮은 전압에서 동작하는 소자 구현을 위해서는 높은 유전율을 가진 산화막에 대한 연구가 더 필요하다.
에 의 하면 TiO2 박막의 joule heating에 의 한 conducting fila- ments의 생성과 소멸에 의해 이루어진다고 설명하고 있다.9)HRS에서 의 filaments의 수가 LRS보다적 다 하여도 남아 있는 filaments를 통해 흐르는 전류는 ohmic conduction mechanism을 따른다. 그러나, HRS에서 의 ohmic 특성은 오직 낮은 전압 영역에서만 나타나고 전압이 증가할수록 추가적인 전류 전도 mechanism을 보인다.
TiC>2의 reset 그리고 set 전압이 Sit>의 전압보다 낮다는 것을 확인하였고 이것은 박막의 유전율과 관련된 것으로 보인다. I-V 분석을 통해서 SiCb와 TiO2 모두 LRS에서 는 ohmic 특성을 나타내었고 각각의 저항은 510과 52Q을 나타내 었다. 그러나 SiCh와 TiO2의 HRS의 높은 전압 영역에서의 I-V curve에 대해서는 Schottky con- tact에 기 인한 potential barrier의 생성을 제안하였다.
조사하였다. TiC>2의 reset 그리고 set 전압이 Sit>의 전압보다 낮다는 것을 확인하였고 이것은 박막의 유전율과 관련된 것으로 보인다. I-V 분석을 통해서 SiCb와 TiO2 모두 LRS에서 는 ohmic 특성을 나타내었고 각각의 저항은 510과 52Q을 나타내 었다.
Forming 과정 후에 저항 변화 특성을 확인하기 위해 또 다시 전압을 sweep하였다. 전압 sweep에 따라서 높은 저항을 가진 HRS (high resistance state)와 낮은 저 항을 가진 LRS (low resistance state)가 나타났으며 , 이 는 반복적 으로 재현되었다. Forming 과정 후에는 통상 고전류를 갖는 LRS가 먼저 나타난다.
후속연구
Si。?와 TiO2 박막의 경우 1 V에서의 저항비를 비교해보면, LRS와 HRS에서 수 십배 정도의 저항 차이가 있음을 알 수 있다. Re-RAM이 차세대 비휘발성 메모리로서 좀 더 발전하기 위해서는 다양한 유전율을 가진 산화막에서의 물리적 특성과 저항 변화 특성에 대해 심도깊은 연구가 필요하다.
8)본 연구도 이러 한 결과를 바탕으로 보면, 유전율이 높을수록, 낮은 동작 전압을 얻을 수 있다고 할 수 있다. 이는 Re-RAM 소자의 동작과 관련된 특성 이므로, 낮은 전압에서 동작하는 소자 구현을 위해서는 높은 유전율을 가진 산화막에 대한 연구가 더 필요하다.
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