[논문]Ag Nanocrystal이 적용된 Ge0.5Se0.5-based ReRAM 소자의 Uniformity 특성 향상에 대한 연구

정홍배; 김장한; 남기현

doi:10.4313/jkem.2014.27.8.491

Ag Nanocrystal이 적용된 Ge0.5Se0.5-based ReRAM 소자의 Uniformity 특성 향상에 대한 연구
Improved Uniformity of Resistive Switching Characteristics in Ge0.5Se0.5-based ReRAM Device Using the Ag Nanocrystal 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.8, 2014년, pp.491 - 496

정홍배 (광운대학교 전자재료공학과) , 김장한 (광운대학교 전자재료공학과) , 남기현 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The resistive switching characteristics of resistive random access memory (ReRAM) based on amorphous $Ge_{0.5}Se_{0.5}$ thin films have been demonstrated by using Ti/Ag nanocrystals/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structure. Ag nanocrystals (Ag NCs) were spread on the amorphous $Ge_{0.5}Se_{0.5}$ thin film and they played the role of metal ions source. As a result, comparing the conventional Ag/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structure, this Ti/Ag NCs/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt ReRAM device exhibits the highly uniform bipolar resistive switching (BRS) characteristics, such as the operating voltages, and the resistance values. At the same time, a stable DC endurance(> 100 cycles), and the excellent data retention (> $10^4$ sec) properties were found from the Ti/Ag NCs/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structured ReRAM device.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 그동안 시도된 적이 없는 Ag nanocrystals (Ag NCs)을 칼코지나이드 기반 ReRAM 에 적용하여 저항 변화 스위칭 특성의 균일성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 비정질 Ge_0.
본 연구에서는 비정질 Ge_0.5Se_0.5 박막을 고체전해질로하고 Ag NCs를 금속이온의 공급원으로 이용하는 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt ReRAM 소자에서 동작 전압 및 각 상태별 저항의 산포 개선을 확인하였다. Ge0.

제안 방법

Ag NCs의 크기와 밀도는 SEM (scanning electron microscope)을 통해 각각 약 30 nm, 1,190 ea/μm2 임을 확인하였고, 제안된 구조의 ReRAM 소자는 ±0.3 V 이하의 매우 낮은 동작 전압을 가지는 BRS (bipolar resistive switching) 특성을 나타내었다.
5 박막을 Pt BE 위에 증착하였다. 그 후, 금속이온의 공급원 역할을 하는 Ag NCs를 형성하기 위해 Ag nanoparticle (NP) ink를 Ge_0.5Se_0.5 고체전해질 박막 위에 도포시킨 후 1000 RPM 으로 스핀-코팅하였다. 형성된 Ag NC의 지름및 밀도는 약 30 nm와 1,190 ea/μm²임을 SEM image를 통해 확인하였다.
3 V 이하의 매우 낮은 동작 전압을 가지는 BRS (bipolar resistive switching) 특성을 나타내었다. 동작전압 및 각 상태 별 저항의 높은 균일도와 DC 100 cycles 이상의 endurance, 104 sec 이상 동안의 retention 테스트를 통해 안정적인 저항변화 특성을 확인하였다.
5/Pt-ReRAM 소자의 모식도와 Ag NCs의 SEM 이미지를 나타내었다. 또한, Ag 층을 e-beam evaporator로 증착한 Ag/Ge_0.5Se_0.5/Pt-ReRAM 소자를 제작하여 금속이온 공급원의 형태에 따른 메모리 특성을 비교 및 평가하였다. 각 소자의 current-voltage, endurance, data retention 등의 저항 변화 특성은 HP 4156B precision semiconductor parameter analyzer를 이용하여 평가하였다.
5/Pt ReRAM device를 제작 및 평가하였다. 또한, 금속이온 공급원의 형태에 따른 메모리 특성 비교를 위해 Ag/Ge_0.5Se_0.5/Pt-ReRAM 소자 역시 제작하여 Ag NCs의 효과를 확인하였다. Ag NCs의 크기와 밀도는 SEM (scanning electron microscope)을 통해 각각 약 30 nm, 1,190 ea/μm² 임을 확인하였고, 제안된 구조의 ReRAM 소자는 ±0.
마지막으로 포토 리소그라피 공정을 이용하여 250 × 160 μm2 크기의 상부 전극 (top electrode, TE) 패턴을 형성하였고, e-beam evaporator로 TE를 증착한 후 lift-off 공정을 통해 MIM 구조의 Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt-ReRAM 소자를 제작하였다.
본 연구에서 제안한 ReRAM 소자를 제작하기 위하여 300 nm 의 SiO2 층이 성장된 p-type Si 기판을 RCA cleaning하여 표면의 오염 제거한 후 e-beam evaporation system을 이용하여 100 nm의 두께를 가지는 Pt 하부 전극 (bottom electrode, BE)을 증착하였다. 비정질 Ge_0.5Se_0.5 고체전해질 형성을 위하여 용융냉각 방식을 이용하여 Ge:Se=1:1 조성비의 증착용 타겟을 제작한 후, thermal evaporation system을 이용하여 200 nm 두께의 Ge_0.5Se_0.5 박막을 Pt BE 위에 증착하였다. 그 후, 금속이온의 공급원 역할을 하는 Ag NCs를 형성하기 위해 Ag nanoparticle (NP) ink를 Ge_0.
본 연구에서는 그동안 시도된 적이 없는 Ag nanocrystals (Ag NCs)을 칼코지나이드 기반 ReRAM 에 적용하여 저항 변화 스위칭 특성의 균일성을 향상시키는 연구를 진행하였다. 비정질 Ge_0.5Se_0.5 고체전해질을 사용하였고, Ge_0.5Se_0.5 박막과 상부전극 사이에 금속이온의 공급원으로 작용하는 Ag NCs 을 국부적으로 위치시켜 CF 형성의 불균일성을 제어할수 있도록 한 새로운 구조의 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt ReRAM device를 제작 및 평가하였다. 또한, 금속이온 공급원의 형태에 따른 메모리 특성 비교를 위해 Ag/Ge_0.
5/Pt 소자에서의 DC 전압에 따른 current-voltage(I-V) 특성을 나타낸다. 측정은 Pt BE를 접지시킨 후에 TE에 전압을 인가하는 방식을 이용하여 상온에서 실시하였다. 전압 sweep은 0 →+0.

대상 데이터

본 연구에서 제안한 ReRAM 소자를 제작하기 위하여 300 nm 의 SiO2 층이 성장된 p-type Si 기판을 RCA cleaning하여 표면의 오염 제거한 후 e-beam evaporation system을 이용하여 100 nm의 두께를 가지는 Pt 하부 전극 (bottom electrode, BE)을 증착하였다. 비정질 Ge_0.

이론/모형

5/Pt-ReRAM 소자를 제작하여 금속이온 공급원의 형태에 따른 메모리 특성을 비교 및 평가하였다. 각 소자의 current-voltage, endurance, data retention 등의 저항 변화 특성은 HP 4156B precision semiconductor parameter analyzer를 이용하여 평가하였다.

성능/효과

5/Pt 소자의 endurance와 retention 특성을 나타낸다. 그림 5(a)의 endurance test 를 통해 DC 바이어스에 의한 스위칭 동작이 100 사이클 이상의 반복되는 과정에서도 소자의 열화가 보이지 않았고, HRS 저항의 경우 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt 소자에서 높은 균일성을 가지는 스위칭 특성을 나타내었다. 한편, 두 소자 모두 104 sec 이상의 긴 시간 동안에도 초기의 on/off 비를 유지하는 것을 그림 5(b)의 retention test를 통해 확인하였다.
32 × 10³)를 나타내었다. Ag NCs를 금속이온 공급원으로 사용한 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt 소자에서 저항의 SD가 낮아짐을 통해 동작 전압뿐만 아니라 각 상태의 저항의 균일성도 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 동작 전압 및 저항의 균일성 증가는 CF의 형성 경로와 관계되어 있을 것으로 추측된다.
Ag/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 경우 ±0.2 V 이내의 동작 전압을 보이는 반면, 금속이온의 공급원으로 Ag NCs 를 사용한 Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 경우, 보다 큰 동작전압을 필요함을 확인하였다.
5/Pt ReRAM 소자에서 동작 전압 및 각 상태별 저항의 산포 개선을 확인하였다. Ge0.5Se0.5박막 표면에 형성된 Ag NCs는 SEM을 통해 확인하였고, 0.28 V, -0.23 V의 동작전압을 가지는 안정적인 BRS 특성을 보였다. 또한 제안된 구조의 소자는 전압 및 저항의 우수한 균일성과 100 사이클 이상의 endurance 특성, 10⁴ sec 이상의 retention 특성을 나타내었다.
07) V임을 확인하였다. Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt 구조의 소자에서 더 작은 SD를 보이는 것을 통해 Ag⁺ 이온의 공급 원을 nanocrystal 형태로 함으로써 동작전압의 산포가개선됨을 확인하였다. 또한, Ti/Ag NCs/Ge_0.
Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 소자와 Ag/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 평균 셋 전압 VSET (standard deviation, SD)는 +0.28 (0.03) V, +0.19 (0.06) V, 평균 리셋전압 VRESET (SD)는 -0.23 (0.02) V, –0.14 (0.07) V임을 확인하였다.
두 소자 모두 온도가 증가할수록 저항이 감소하는 반도체적 저항 특성을 확인하였고, off-state의 전류는 Ioff = I0exp(- Φt/kT) 를 따르는 것을 확인하였다 (k: 볼츠만 상수, T: 절대온도, Φt: 활성화에너지).
두 소자 모두 초기에는 HRS (Ravg > 106 Ω) 상태를 나타내었고, soft break-down 을 위한 forming 과정이 없는 forming-free 특성을 확인하였다.
23 V의 동작전압을 가지는 안정적인 BRS 특성을 보였다. 또한 제안된 구조의 소자는 전압 및 저항의 우수한 균일성과 100 사이클 이상의 endurance 특성, 10⁴ sec 이상의 retention 특성을 나타내었다. 이와 같이 NC 형태의 Ag를 금속이온의 공급원으로 이용함으로써 동작전압의 산포개선을 확인할 수 있었는데, 이는 NCs가 위치한 곳에서의 전계의 증가 및 집중으로, 금속이온의 불규칙한 확산이 감소함에 따른 현상으로 추측된다.
또한, Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 평균 HRS 및 LRS 저항 (RHRS, RLRS (SD))은 RHRS= 1.45 × 106 Ω (1.86 × 106), RLRS= 4.47 × 103 Ω (2.03 × 103)이고, Ag/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 평균 HRS 및 LRS 저항은 RHRS= 6.09 × 106 Ω (8.25 × 106), RLRS= 2.36 × 103 Ω (2.32 × 103)를 나타내었다.
또한, 동일한 CC에서는 Ag NC를 금속이온의 공급원으로 하는 ReRAM 소자의 필라멘트 지름이 더 작은 것을 확인할 수 있으며, 100 μA의 CC에서 Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 소자와 Ag/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 지름은 각각 1.24 nm와 1.96 nm로, Ag NCs를 이용한 소자에서 더 작은 크기의 필라멘트가 형성됨을 확인하였다.
이와 같이 NC 형태의 Ag를 금속이온의 공급원으로 이용함으로써 동작전압의 산포개선을 확인할 수 있었는데, 이는 NCs가 위치한 곳에서의 전계의 증가 및 집중으로, 금속이온의 불규칙한 확산이 감소함에 따른 현상으로 추측된다. 뿐만 아니라, 나노스케일 이하의 필라멘트 형성의 가능성을 확인하여 본 연구에서 제안한 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt 구조의 ReRAM 소자는 차세대 비휘발성 메모리 소자에 적합한 구조로 생각된다.
특히, Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 소자의 필라멘트 지름은 CC가 5 mA에서 10 μA까지 감소함에 따라 8.61 nm에서 0.28 nm까지 선형적으로 감소하는 것을 확인하였다.
낮은 동작전압은 ReRAM 셀의 cross-bar 어레이 회로구성 시, read margin의 폭이 좁기 때문에 sneak path에 의한 잦은 에러의 원인이 된다 [10]. 하지만, 본 연구에서 제안한 Ti/Ag NCs/Ge_0.5Se_0.5/Pt 구조의 ReRAM 소자는 보다 큰 동작전압을 가짐으로써 적당한 read margin을 확보함에 따라 기존의 Ag/Ge_xSe_1-x/Pt 구조의 메모리 소자보다 회로 구성에 유리한 조건을 갖추고 있음을 확인하였다.
한편, 형성되는 필라멘트가 나노스케일 이하의 크기를 가지는 것을 고려하면 (7.7 Å at CC= 50μA), 본 연구에서 제안한 Ti/Ag NCs/Ge0.5Se0.5/Pt 구조의 ReRAM 소자는 그 집적도가 186 Gbit/in2로 기존 문헌 결과보다 (60 Gbit/in2) 높은 수치를 얻을 수 있어서 차세대 비휘발성 메모리 소자에 적합할 것으로 기대된다 [12].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	칼코지나이드 기반 고체전해질의 ReRAM은 어떤 구조인가?	한편, Ge1-xSex, Ge1-xSd, Ge1-xTex 등 칼코지나이드 기반 고체전해질의 ReRAM에 대한 연구들도 보고되고 있다 [4,5]. 이러한 칼코지나이드 기반 ReRAM은 산화할 수 있는 금속 (Ag 또는 Cu)과 이온 전도를 위한 칼코지나이드 고체 전해질, 그리고 불활성 금속(Pt, Ir, W 또는 Au)의 MIM (metal-insulator-metal) 구조를 가진다. 이러한 칼코지나이드 기반 ReRAM 소자는 인가하는 전압에 의해 HRS (high resistive state)와 LRS (low resistive state)의 두 가지 안정한 저항상태를 가질 수 있는데, 그것은 전계에 의해 상부전극의 금속원자 (Ag, Cu)가 금속이온 (Ag+, Cu+)으로 산화되어 하부전극으로 확산되고, 확산된 금속이온은 하부전극에서 다시 환원되어 고체 전해질 박막 내부에 전도성 필라멘트 (conductive filament, CF)를 형성하거나, 또는 그 반대의 경우로 소멸되기 때문이다 [6].
	ReRAM 소자의 핵심적인 재료는 무엇이 있는가?	그 중에서도 ReRAM은 비휘발성, 간단한 구조, 높은 집적도, 낮은 전력 소비, 높은 안정성 등의 특성으로 차세대 비휘발성 메모리 소자의 유력한 후보 군으로 주목을 받고 있다 [2]. 이러한 ReRAM 소자의 핵심적인 재료로서는 NiOx, Al2O3, ZnO, Ta2O5, HfOx, TiOx 등과 같은 이원계 산화물 등이 있지만, 이 재료들의 저항 변화 메커니즘에 대해서는 아직까지도 명확히 밝혀져 있지 않은 상태이다 [3].
	ReRAM의 장점은?	따라서 차세대 비휘발성 메모리 응용을 위한 PRAM (phase change random access memory), MRAM (magnetic random access memory), 또는 ReRAM (resistive random access memory)으로의 연구가 광범위하게 진행되고 있다. 그 중에서도 ReRAM은 비휘발성, 간단한 구조, 높은 집적도, 낮은 전력 소비, 높은 안정성 등의 특성으로 차세대 비휘발성 메모리 소자의 유력한 후보 군으로 주목을 받고 있다 [2]. 이러한 ReRAM 소자의 핵심적인 재료로서는 NiOx, Al2O3, ZnO, Ta2O5, HfOx, TiOx 등과 같은 이원계 산화물 등이 있지만, 이 재료들의 저항 변화 메커니즘에 대해서는 아직까지도 명확히 밝혀져 있지 않은 상태이다 [3].

참고문헌 (12)

G. I. Meijer, Science, 319, 1625 (2008).

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H. H. Lee, K. S. Chou, and K. C. Huang, Nanotechnology, 16, 2436 (2005).

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D. Wang, L. Liu, Y. Kim, Z. Huang, D. Pantel, D. Hesse, and M. Alexe, Appl. Phys. Lett., 98, 243109 (2011).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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