[논문]용액 공정을 이용한 Indium-Zinc-Oxide 박막 기반 저항 스위칭 메모리의 전기적 특성

김한상; 김성진

doi:10.4313/jkem.2017.30.8.484

용액 공정을 이용한 Indium-Zinc-Oxide 박막 기반 저항 스위칭 메모리의 전기적 특성
Electrical Characteristics of Resistive-Switching-Memory Based on Indium-Zinc-Oxide Thin-Film by Solution Processing 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.8, 2017년, pp.484 - 490

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We investigated the rewritable operation of a non-volatile memory device composed of Al (top)/$TiO_2$/indium-zinc-oxide (IZO)/Al (bottom). The oxygen-deficient IZO layer of the device was spin-coated with 0.1 M indium nitrate hydrate and 0.1 M zinc acetate dehydrate as precursor solutions, and the $TiO_2$ layer was fabricated by atomic layer deposition. The oxygen vacancies IZO layer of an active component annealed at $400^{\circ}C$ using thermal annealing and it was proven to be in oxygen vacancies and oxygen binding environments with OH species and heavy metal ions investigated by X-ray photoelectron spectroscopy. The device, which operates at low voltages (less than 3.5 V), exhibits non-volatile memory behavior consistent with resistive-switching properties and an ON/OFF ratio of approximately $3.6{\times}10^3$ at 2.5 V.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 용액 공정을 이용하여 IZO 박막 기반의 저항 스위칭 메모리를 제안하였다. IZO 제작 시 indium과 zinc를 6 : 4의 비율로 제작하였고, I-V curve 측정을 통해 전류량과 방향에 따른 write, erase가 가능함을 확인하였다.
이는 소자의 메모리 특성이 “erase”로 변하게 되는 순간이다. 이러한 결과를 통해서 전류량과 방향에 따른 소자의 current hysteresis와 write, erase가 가능함을 확인함으로써 저항 기반의 비휘발성 메모리 소자의 특성을 확인하였다.
더해서 소비자들은 비휘발성(non- volatile)의 특성을 가지면서 SRAM (static random access memory)과 같은 빠르고 고용량의 메모리를 요구하고 있어서 이에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다. 이에 이 논문에서는 뛰어난 특성으로 위와 같은 필요조건을 충족시키는 차세대 메모리 후보 중 하나인 산화물 기반의 저항 스위칭 메모리(resistive random access memory, ReRAM) 소자에 대해서 연구하였다. ReRAM은 DRAM 메모리와 NAND Flash를 잠정적으로 대체할 수 있는 가장 믿을만한 메모리 기술이다 [1-3].

제안 방법

30 nm 두께의 IZO 박막으로 –3.5∼3.5 V의 전압을 인가하여 ±0.8 × 10^-1의 current hysteresis를 보임으로써 저항 기반의 비휘발성 메모리의 특성을 확인하였다. 전하의 이동을 유도할 filament를 형성시키기 위해 300초 동안 10 V의 전압을 양단에 인가하였다.
그림 2(b)는 제작한 ReRAM의 MIM 크로스바 배열(crossbar array) 구조의 저항 스위칭 메모리의 평면도를 보여준다. 그리고 IZO 박막 표면의 metal-oxygen bonding에 대한 정량적인 분석을 위해 PHI Quantera-II (Ulvac-PHI)의 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 실시하였다.
따라서 본 논문에서는 이러한 장점을 가진 용액 공정 기법을 통해 IZO 산화물 박막 기반의 저항 스위칭 메모리를 제작하였으며, 전기적인 특성을 평가하기 위해 I-V curve를 측정하였고 IZO 박막 표면의 metal- oxygen bonding에 대한 정량적인 분석을 위해 표면 분석법인 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 실시하였다.

대상 데이터

O], 110 mg의 zinc acetate dihydrate [Zn(CH₃COO)₂･2H₂O]를 사용하였으며, 용매로써 5 ml의 2-methoxyethanol을 이용하였다. 이후 용매를 혼합하여 각각 0.
저항 스위칭 메모리는 MIM 구조로 제작하였다. 기판으로는 n-type 실리콘(Si) 웨이퍼를 기판으로 사용하였다. 피라냐 세정(piranha cleaning)을 이용하여 표준 세정을 실시한 뒤, 상기/하부 전극 층은 100 nm 두께의 알루미늄(Al)으로 열증착하였다.
/IZO 기반의 저항 스위칭 메모리 소자의 구조를 나타낸다. 저항 스위칭 메모리는 MIM 구조로 제작하였다. 기판으로는 n-type 실리콘(Si) 웨이퍼를 기판으로 사용하였다.

이론/모형

본 논문에서는 이러한 저항 스위칭 메모리 소자에서 필요한 절연막 TiO₂를 제작하기 위해 TiO₂의 전구체인 tetrakis-dimethyl-amino-titanium (TDMAT)과 oxygen의 전구체인 H₂O 증기를 기판 위에 반복적으로 불어넣어 박막을 성장시키는 원자층 증착 공정 방법(atomic layer deposition, ALD)을 사용하였다. 유체의 양을 조절하는 mass flow controller를 통해 chamber로 50 sccm의 질소 가스를 주입하여 TDMAT 증기를 process chamber로 이동시켰으며, 이후 2.

성능/효과

36 nm인 것을 확인하였다. AFM 결과로부터 본 실험에서 제작된 용액 공정 산화물 박막은 균일하고 부드러운 표면을 보였으며, 외부의 추가적이고 급격한 열처리로 인한 분리된 다른 상이 관찰되지 않은 것으로 미루어 보아 분명한 무정형 상태임을 판단할 수 있었다. IZO 박막의 두께가 두꺼워질수록 소자의 성능 감소가 보고되었으며 얇은 박막에서는 용액 공정 중 하부 층의 pin-hole로 인해서 전기적인 특성이 나타나지 않는다.
0 × 101이다. 이를 통해 소자의 상태 변화에 따른 current hysteresis를 확인함으로써 용액 공정형 IZO 산화물 박막 기반의 저항 스위칭 메모리의 비휘발성 특성을 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만 100 nm 이하 크기의 소자와 관련된 물리적 한계의 문제로 인해서 이를 극복하기 위한 근본적인 접근이 필요하다는의견이 제시되어왔다. 더해서 소비자들은 비휘발성(non- volatile)의 특성을 가지면서 SRAM (static random access memory)과 같은 빠르고 고용량의 메모리를 요구하고 있어서 이에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다. 이에 이 논문에서는 뛰어난 특성으로 위와 같은 필요조건을 충족시키는 차세대 메모리 후보 중 하나인 산화물 기반의 저항 스위칭 메모리(resistive random access memory, ReRAM) 소자에 대해서 연구하였다.
0 × 101임을 통해 current hysteresis를 확인함으로써 저항 기반의 비휘발성 메모리 소자의 특성을 측정하였다. 향후 본 연구의 기반 기술을 이용하여 DRAM, flash memory 이후의 차세대 저항 기반의 비휘발성 메모리의 기술로 응용할 수 있다고 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 소자인 메모리가 가지는 문제는 무엇이 있는가?	최근 정보화와 통신화가 가속되면서 반도체 소자인 메모리의 중요성이 대두되고 있다. 하지만 100 nm 이하 크기의 소자와 관련된 물리적 한계의 문제로 인해서 이를 극복하기 위한 근본적인 접근이 필요하다는의견이 제시되어왔다. 더해서 소비자들은 비휘발성(non- volatile)의 특성을 가지면서 SRAM (static random access memory)과 같은 빠르고 고용량의 메모리를 요구하고 있어서 이에 대한 연구가 필요할 것으로 보인다.
	저항 기반의 스위칭 메모리 소자는 어떤 구조를 이루고 있는가?	ReRAM은 DRAM 메모리와 NAND Flash를 잠정적으로 대체할 수 있는 가장 믿을만한 메모리 기술이다 [1-3]. 이러한 저항 기반의 스위칭 메모리 소자는 두개의 금속 전극 사이에 절연체를 갖는 단순한 metal- insulator-metal (MIM) 구조를 이루고 있는데, 전압이 끊어져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리로의 응용이 가능하고 빠른 읽기/쓰기 동작도 가능한 점과 저전압 동작 특성과 빠른 속도를 가지고 있고 고 집적화를 보장하며 우수한 소자 신뢰성을 가지고 있다는 점에서 차세대 고성능 메모리 소자로서 사람들의 많은 이목을 끌고 있다 [4-6].
	ReRAM이란 무엇인가?	이에 이 논문에서는 뛰어난 특성으로 위와 같은 필요조건을 충족시키는 차세대 메모리 후보 중 하나인 산화물 기반의 저항 스위칭 메모리(resistive random access memory, ReRAM) 소자에 대해서 연구하였다. ReRAM은 DRAM 메모리와 NAND Flash를 잠정적으로 대체할 수 있는 가장 믿을만한 메모리 기술이다 [1-3]. 이러한 저항 기반의 스위칭 메모리 소자는 두개의 금속 전극 사이에 절연체를 갖는 단순한 metal- insulator-metal (MIM) 구조를 이루고 있는데, 전압이 끊어져도 정보가 유지되는 비휘발성 메모리로의 응용이 가능하고 빠른 읽기/쓰기 동작도 가능한 점과 저전압 동작 특성과 빠른 속도를 가지고 있고 고 집적화를 보장하며 우수한 소자 신뢰성을 가지고 있다는 점에서 차세대 고성능 메모리 소자로서 사람들의 많은 이목을 끌고 있다 [4-6].

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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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