[논문]산소공공을 이용한 V2O5 저항성 메모리의 전기적인 동작특성 해석

오데레사

doi:10.6109/jkiice.2017.21.10.1827

산소공공을 이용한 V2O5 저항성 메모리의 전기적인 동작특성 해석
Electrical Characteristics Analysis of Resistive Memory using Oxygen Vacancy in V2O5 Thin Film 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.10, 2017년, pp.1827 - 1832

오데레사 (Department of Semicnoductor Engineering, Cheongju University)

초록
AI-Helper

본 연구는 산화물반도체의 저항을 이용한 메모리소자를 만들기 위해서 $V_2O_5$ 를 산소가스를 이용하여 증착하고 열처리를 하였다. 산소의 유량이 많을수록 산소공공의 형성을 위하여 높은 열처리온도가 필요하였으며, 산소공공은 쇼키접합을 형성하면서 전기적인 특성이 저항성 메모리소자에 적합한 구조로 만들어지고 있었다. $V_2O_5$ 박막은 열에 의한 이온화 반응에 의하여 산소공공이 형성되었으며, 전압 혹은 전류제어 가능한 저항성 메모리 소자를 위하여 쇼키접합이 +전압과 -전압에서 균형있게 이루어지는 것이 요구되며, 쇼키접합은 150도 혹은 200도에서 열처리가 이루어진 경우 쇼키접합이 잘 형성되는 것을 확인할 수 있었다. $V_2O_5$ 음이온인 산소공공은 역방향전압 혹은 순방향 전압인지에 따라서 저항이 변하면서 쓰기/지우기 상태로 전기적인 동작이 이루어졌으며 저항성메모리로서 구동을 하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To observe the characteristics to be a resistive memory of $V_2O_5$ deposited by oxygen various gas flows and annealed, the hysteresis curves of $V_2O_5$ were analyzed. The good resistive memory was obtained from the electrical characteristics of $V_2O_5$ films with the Schottky contact as a result of electron-hole pair, and the oxygen vacancy generated from the annealing process contributes the high quality of Schottky contact and the formation of resistive memories. The balanced Schottky contacts owing to the oxygen vacancy effect as the result of an ionic reaction were formed at the $V_2O_5$ film annealed at $150^{\circ}C$ and $200^{\circ}C$ and the balanced Schottky contact with negative to positive voltages enhanced the electrical operation with write/erase states according to the forward or reverse bias voltages for the resistive memory behavior due to the oxygen vacancy.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 산화물반도체의 산소공공의 형성과 저항성 메모리에 대하여 조사하기 위해서 V₂O₅ 박막을 증착하고 산소공공을 형성하기 위해서 열처리를 하였다. 히스테리시스효과를 연구하여 계면특성에 따른 전도메카니즘을 연구하고 V₂O₅를 사용한 저항성 메모리소자의 제작 방법에 대하여 살펴보았다.
이는 소자의 메모리 특성이 “erase”로 변하게 되는 순간이다. 이러한 결과를 통해서 전류량과 방향이 따른 소자의 전류 히스테리시스와 write, erase가 가능함을 확인함으로써 저항 기반의 비휘발성 메모리 소자의 특성을 확인하였다.

가설 설정

resistive memory, (a) high resistance state, (b) low resistance state.

제안 방법

V2O5 박막을 증착하여 –4V ~ +4V의 전압을 인가하여 전류의 히스테리시스를 보임으로써 저항기반의 비휘발성 메모리의 특성을 확인하였다.
박막을 증착하여 열처리를 하여 저항성 메모리 특성에 대하여 조사하였다. V₂O₅ 타겟을 사용하고 아르곤와 산소 혼합가스를 이용하여 증착하기 위해 아르곤은 5 sccm을 고정하고 산소의 유량을 변화시켜가면서 증착하고 열처리 온도도 100도, 150도, 200도와 250도에서 변화하면서 제작하였다. 산화물반도체의 특성상 산소공공이 전도성에 미치는 효과가 크며, 산소공공이 많이 발생하는 V₂O₅ 박막에서 메모리소자에 유리한 히스테리시스특성이 크게 나타났다.
n-type Si기판은 증착하기전에 SC₁, SC₂ 클리닝과정을 수행하였으며, V₂O₅박막을 증착하기 위해서 n-type Si기판 위에 rf 마크네트론 스퍼터링으로 V₂O₅ 타겟을 사용하고 반응가스로는 Ar은 5 sccm으로 고정시키고 산소의 유량은 20 sccm과 25 sccm으로 변화시키면서 70W 파워에서 10분간 증착하고 100도~250도까지 변화시키면서 열처리를 진공 중에서 실시하였다. 초기진공은 ~10^-5 Torr이며, 증착시에 진공도는 ~10^-2 Torr 이다.
V₂O₅ 박막은 열처리 온도에 따라서 전기적인 상태가 많이 변하였으며, 열처리를 통하여 산소공공이 형성됨으로써 소자의 상태가 변화되고 있는 것을 확인하였다. 그리고 소자의 상태 변화에 따른 전류 히스테리시스를 통하여 스퍼터를 이용하여 증착된 V₂O₅ 박막이 저항성 스위칭 메모리의 비휘발성 특성을 확인하였다.
스퍼터링을 이용한 V₂O₅ 박막을 증착하여 열처리를 하여 저항성 메모리 특성에 대하여 조사하였다. V₂O₅ 타겟을 사용하고 아르곤와 산소 혼합가스를 이용하여 증착하기 위해 아르곤은 5 sccm을 고정하고 산소의 유량을 변화시켜가면서 증착하고 열처리 온도도 100도, 150도, 200도와 250도에서 변화하면서 제작하였다.
전기적인 특성을 관찰하기 위해서 MIM(Metal- V₂O₅ -Si wafer) 구조의 전극을 만들어 커패시터를 제작하였다. 전기적인 특성은 I-V 곡선으로 얻었으며, 미시영역에서의 접합특성을 조사하고 접합특성과 산소공공의 연관성 그리고 메모리특성에 대하여 연구하였다.
증착한 박막은 산소공공 발생을 다르게 하기 위하여 다양한 온도에서 열처리를 하였다. 전기적인 특성을 관찰하기 위해서 MIM(Metal- V₂O₅ -Si wafer) 구조의 전극을 만들어 커패시터를 제작하였다. 전기적인 특성은 I-V 곡선으로 얻었으며, 미시영역에서의 접합특성을 조사하고 접합특성과 산소공공의 연관성 그리고 메모리특성에 대하여 연구하였다.
초기진공은 ~10^-5 Torr이며, 증착시에 진공도는 ~10^-2 Torr 이다. 증착한 박막은 산소공공 발생을 다르게 하기 위하여 다양한 온도에서 열처리를 하였다. 전기적인 특성을 관찰하기 위해서 MIM(Metal- V₂O₅ -Si wafer) 구조의 전극을 만들어 커패시터를 제작하였다.
박막을 증착하고 산소공공을 형성하기 위해서 열처리를 하였다. 히스테리시스효과를 연구하여 계면특성에 따른 전도메카니즘을 연구하고 V₂O₅를 사용한 저항성 메모리소자의 제작 방법에 대하여 살펴보았다.

성능/효과

산소공공은 열처리에 의해서 만들어지는 만큼 열처리온도가 상당히 중요한 것을 알 수 있으며, 저항 기반의 비휘발성 메모리특성을 얻을 수 있었던 박막은 산소가 20 sccm인 경우 150도 열처리된 박막과 산소가 25 sccm인 경우 200도에서 열처리한 V₂O₅ 박막이었다. V₂O₅ 박막에 존재하는 산소공공이 순방향 바이어스 때와 역방향 바이어스인 경우에서 필라멘트를 형성하는 작용이 분극특성에 따라 다르게 작용하기 때문에 히스테리시스특성이 나타나는 것을 확인하였다.
박막에서 히스테리시스특성도 잘 나타는 것을 확인할 수 있다. V₂O₅ 박막은 열처리 온도에 따라서 전기적인 상태가 많이 변하였으며, 열처리를 통하여 산소공공이 형성됨으로써 소자의 상태가 변화되고 있는 것을 확인하였다. 그리고 소자의 상태 변화에 따른 전류 히스테리시스를 통하여 스퍼터를 이용하여 증착된 V₂O₅ 박막이 저항성 스위칭 메모리의 비휘발성 특성을 확인하였다.
V₂O₅ 타겟을 사용하고 아르곤와 산소 혼합가스를 이용하여 증착하기 위해 아르곤은 5 sccm을 고정하고 산소의 유량을 변화시켜가면서 증착하고 열처리 온도도 100도, 150도, 200도와 250도에서 변화하면서 제작하였다. 산화물반도체의 특성상 산소공공이 전도성에 미치는 효과가 크며, 산소공공이 많이 발생하는 V₂O₅ 박막에서 메모리소자에 유리한 히스테리시스특성이 크게 나타났다. 전류-전압의 히스테리시스특성은 산소유량과 열처리 온도에 따라서 다르게 나타났으며, 저항성 메모리소자로 사용하기 위해 필요한 산소공공의 형성을 위해서 열처리를 150도 혹은 200도에서 처리하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있었다.
산화물반도체의 특성상 산소공공이 전도성에 미치는 효과가 크며, 산소공공이 많이 발생하는 V₂O₅ 박막에서 메모리소자에 유리한 히스테리시스특성이 크게 나타났다. 전류-전압의 히스테리시스특성은 산소유량과 열처리 온도에 따라서 다르게 나타났으며, 저항성 메모리소자로 사용하기 위해 필요한 산소공공의 형성을 위해서 열처리를 150도 혹은 200도에서 처리하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있었다. 산소공공은 열처리에 의해서 만들어지는 만큼 열처리온도가 상당히 중요한 것을 알 수 있으며, 저항 기반의 비휘발성 메모리특성을 얻을 수 있었던 박막은 산소가 20 sccm인 경우 150도 열처리된 박막과 산소가 25 sccm인 경우 200도에서 열처리한 V₂O₅ 박막이었다.

후속연구

V₂O₅는 온도에 대한 반응이 민감하여 스마트 윈도우에 쓰인다. 전도성이 우수한 산화물 반도체를 메모리에 적용할 수 있는데, 특히 IGZO를 이용한 멀티 레벨 저장력을 가진 저항성 메모리장치(RRAM resistive random access memory)는 네 개의 다른 저항 상태가 전압펄스 또는 규정 전류(compliance current)에 의해 얻어지며, 프로그램/지우기 내구성(endurance)과 리텐션 (retention-저장한 정보를 얼마나 오래도록 유지할 수 있는지를 시간으로 측정)의 우수한 특성은 멀티레벨 비휘발성 메모리 기술의 응용에 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 기존 플래시 메모리의 스케일링이 한계에 다다르고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대량 고집적화에도 충분히 보장할 수 있는 ReRAM의 특징은?	특히나 ReRAM은 DRAM이나 NAND Flash를 대처할 수 있을 것이라는 기대감이 되어지는 메모리소자이기도 하다. 빠른 읽기/쓰기가 가능하고 전압이 끊어져도 정보가 유지되는 비휘발성 특성과 저전압에서 동작한다는 특징은 매우 매력적인 것으로 대량 고집적화에도 충분히 보장할 수 있는 것으로 보고되고 있다[3,4]. 비정질 IGZO는 ZnO 기반의 산화물반도체로서 산소공공에 의한 전도성이 우수하고 투명하고 휘어질 수 있는 특징으로 인하여 차세대 반도체 소자로 주목받고 있는 물질이다.
	SRAM은 무엇인가?	최근에 산화물반도체의 쓰임이 다양해지면서 메모리소자에 적용하려는 연구가 많아지고 있다[1,2]. 반도체소자의 크기가 작아지는 것은 물론 비휘발성 (non volatile)의 특성을 가지면서 빠르고 용량이 큰 메모리 SRAM (static random access memory) 에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 특성을 갖는 메모리를 ReRAM (resistive random access memory)이 있는데 산화물을 사용하여 저항을 변화시켜가면서 스위칭이 일어나게 하는 메모리소자이다.
	V2O5는 어떤 특징으로 어디에 쓰이는가?	대부분의 산화물반도체는 n형반도체 특징을 나타내는 반면에 SnO2는 p형 반도체 특징을 갖는다. V2O5는 온도에 대한 반응이 민감하여 스마트 윈도우에 쓰인다. 전도성이 우수한 산화물 반도체를 메모리에 적용할 수 있는데, 특히 IGZO를 이용한 멀티 레벨 저장력을 가진 저항성 메모리장치(RRAM resistive random access memory)는 네 개의 다른 저항 상태가 전압펄스 또는 규정 전류(compliance current)에 의해 얻어지며, 프로그램/지우기 내구성(endurance)과 리텐션 (retention-저장한 정보를 얼마나 오래도록 유지할 수 있는지를 시간으로 측정)의 우수한 특성은 멀티레벨 비휘발성 메모리 기술의 응용에 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

참고문헌 (8)

T. Oh, "Tunneling Condition at High Schottky Barrier and Ambipolar Transfer Characteristics in Zinc Oxide Semiconductor Thin Film Transistor," Materials Research Bulletin, vol. 77, pp.1-7, May 2016.

상세보기
R. I. Revilla, X. J. Li, Y. L. Yang, C. Wang, "Large electric field enhanced hardness effect in a $SiO_2$ film," Scientific Reports, vol. 4, 4523, Mar. 2014.

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J. C. K. Lam, M. Y. M. Huang, T. H. Ng, M. K. B. Dawood, F. Zhang, A. Du, H. Sun, Z. Shen, and Z. Mai1, "Evidence of ultra-low-k dielectric material degradation and nanostructure alteration of the Cu/ultra-low-k interconnects in time-dependent dielectric breakdown failure," Applied Physics Letters, vol. 102, 022908, Jan. 2013.

상세보기
T. Oh, "Tunneling Phenomenon of Amorphous Indium-Gallium-Zinc-Oxide Thin Film Transistors for Flexible Display," Electronic Materials Letters, vol. 11, pp. 853-861, Sep. 2015.

상세보기
J. H. Kim, J. B. Bang, J. H. Lee, and Y. S. Lee, "Fabrication of Nickel Oxide Film Microbolometer Using Amorphous Silicon Sacrificial Layer," Journal of Sensor Science and Technology, vol. 24, no. 6, pp. 379-384, June 2015.

원문보기 상세보기
J. Robertson, R. M. Wallace, "High-K materials and metal gates for CMOS applications," Materials Science and Engineering R, vol. 88, pp.1-41, Nov. 2015.

상세보기
D. H. Lee, S. M. Park, D. K. Kim, Y. S. Lim, and M. S. Yi, "Effects of Ga Composition Ratio and Annealing Temperature on the Electrical Characteristics of Solutionprocessed IGZO Thin-film Transistors," Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 14, no. 2, pp.163-168, Feb. 2014.

원문보기 상세보기
K. H. Lee, T. G. Kang, K, Y. Lee and J. T. Park, "Hot carrier induced device degradation in amorphous InGaZnO thin film transistors with source and drain electrode materials," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 21, no. 1, pp.82-89, Jan. 2017.

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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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