[논문]전기장 광화학 증착법에 의한 직접패턴 비정질 FeOx 박막의 제조 및 저항변화 특성

김수민; 이홍섭

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.077

전기장 광화학 증착법에 의한 직접패턴 비정질 FeOx 박막의 제조 및 저항변화 특성
Electric-field Assisted Photochemical Metal Organic Deposition for Forming-less Resistive Switching Device 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.77 - 81

김수민 (강원대학교 재료공학과) , 이홍섭 (강원대학교 재료공학과)

초록
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Resistive RAM (ReRAM)은 전이금속 산화물의 저항변화 특성을 이용하는 차세대 비휘발 메모리로 전이금속산화물 내의 산소공공의 재분포를 통한 저항변화 특성을 이용한다. 따라서 저항변화 특성을 위해 전이금속산화물 내에는 일정량 이상의 산소공공이 요구되며 이를 위해서는 박막 형성 공정에서 산화 수를 조절할 수 있는 공정이 필요하다. 본 연구에서는 직접패턴이 가능한 photochemical metal organic deposition (PMOD) 공정을 사용하여 UV 노출에 의해 photochemical metal organic precursor의 ligand가 분해되는 과정에서 전기장을 인가하여 박막내의 산화 수를 조절하는 실험을 진행하였다. Electric field assisted PMOD (EFAPMOD) 법을 이용하여 FeOx 박막의 산화 수 조절이 가능함을 x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석과 I-V 측정을 통하여 확인하였으며, EFAPMOD 공정 중 인가하는 전압의 크기를 조절하여 박막의 산화 수를 조절할 수 있음을 확인하였다. 따라서 EFAPMOD 공정 중 인가전압의 크기를 이용하여 저항변화 특성에 적합한 적정한 산화수를 가지는 금속산화물 박막을 얻고 그 저항변화 특성을 조정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Resistive RAM (ReRAM) is a strong candidate for the next-generation nonvolatile memories which use the resistive switching characteristic of transition metal oxides. The resistive switching behaviors originate from the redistribution of oxygen vacancies inside of the oxide film by applied programming voltage. Therefore, controlling the oxygen vacancy inside transition metal oxide film is most important to obtain and control the resistive switching characteristic. In this study, we introduced an applying electric field into photochemical metal-organic deposition (PMOD) process to control the oxidation state of metal oxide thin film during the photochemical reaction by UV exposure. As a result, the surface oxidation state of FeOx film could be successfully controlled by the electric field-assisted PMOD (EFAPMOD), and the controlled oxidation states were confirmed by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) I-V characteristic. And the resistive switching characteristics with the oxidation-state of the surface region could be controlled effectively by adjusting an electric field during EFAPMOD process.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. (a) Initiation reaction (b) Propagation reaction of Fe(III) 2-ethylhexanoate.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the electric field-assisted photochemical metal-organic deposition process.
그림 Fig. 3. XPS spectrum of FeO_x film. (a) O 1s, (b) Fe 2p of EFAPMOD +10V film, and (c) O 1s, (d) Fe 2p of as-deposited film.
그림 Fig. 4. I-V characteristics of FeO_x films (a) as-deposited, (b) EFAPMOD +5 V, (c) EFAPMOD +10 V, (d) EFAPMOD +20 V samples.
그림 Fig. 5. Schematic diagram of resistive switching mechanism and the difference between (a) as-deposited FeO_x and (b) EFAPMOD sample.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PMOD 용액공정을 이용하여 저비용의 직접 패턴이 가능한 ReRAM 소자재료의 특성 조절을 위하여 산화물 박막내의 산소농도 분포를 조절하고자 UV 조사과정에서 전압 인가장치를 도입함으로써 EFAPMOD 공정을 개발하였다. UV 조사과정에서 인가전압에 따라 산화 수 변화가 가능함을 XPS 측정을 통하여 확인하였으며 I-V 특성측정을 통하여 인가전압의 크기가 증가함에 따라 산화 수 또한 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
현재 많은 ReRAM 용 소자 물질연구에서 산화수가 조절된 전이금속 산화물 박막 형성을 위하여 rf magnetron sputter deposition 법을 이용하고 있다. 본 연구에서는 직접 패턴이 가능한 photochemical metal organic deposition (PMOD) 법과 공정 중 전기장을 이용하여 전이금속 산화물 박막의 산화 수를 조절, 이를 통하여 증착 된 산화물 박막의 저항변화 특성을 연구하였다. PMOD 공정은 진공 증착 장비, photolithography 및 etching 공정없이 spin coating 후 UV 조사를 통하여 직접 패턴 된 박막을 저비용으로 쉽게 형성할 수 있는 기술로 UV를 통하여 반응을 개시하기 때문에 비교적 화학적으로 안정한 precursor를 이용함으로써 다른 용액공정에 비해 공정중의 습도 및 온도에 비교적 안정적이며 복잡한 산화물 박막 형성에도 쉽게 적용될 수 있다.

제안 방법

PMOD 공정은 진공 증착 장비, photolithography 및 etching 공정없이 spin coating 후 UV 조사를 통하여 직접 패턴 된 박막을 저비용으로 쉽게 형성할 수 있는 기술로 UV를 통하여 반응을 개시하기 때문에 비교적 화학적으로 안정한 precursor를 이용함으로써 다른 용액공정에 비해 공정중의 습도 및 온도에 비교적 안정적이며 복잡한 산화물 박막 형성에도 쉽게 적용될 수 있다.^{8, 9)} 본 연구에서는 electric field assisted PMOD (EFAPMOD) 공정을 도입하여 FeO_x 박막을 형성하는 과정에서 산화 수를 조절하는 실험을 진행하였다.
4는 PMOD 공정 중 0 V, +5 V, +10 V, +20 V를 인가한 FeO_x샘플의 I-V 측정 결과로 파란색 화살표와 숫자는 voltage sweep 순서를 (0V → 10V → 0V → -10V → 0V) 나타낸다. 비교적 두꺼운 박막 두께 (50 nm)로 인하여 높은 전압을 이용하여 저항변화 특성을 관찰하였다. 먼저 Fig.
전기적 특성 평가를 위해 e-beam evaporator를 이용하여 40 nm 두께, 200 um×200 um 면적의 Au 상부전극을 증착하여 metal/insulator/ metal (MIM)구조의 소자를 제작하였다.

대상 데이터

Le ligand를 의미한다. 본 실험에서는 광감응성 전구체인 Fe(Ⅲ) 2-ethythexanoate를 사용하여 실험을 진행하였다. 기판 위에 코팅된 광감응성 전구체에 UV를 조사시키면 순차적으로 개시반응과 성장반응이 진행된다.

이론/모형

잔류유기물 제거를 위한 120^oC, 60초 열처리 외에 별도의 상형 성을 위한 고온 열처리 과정없이 상온에서 진행된 공정으로 비정질의 FeO_x 박막이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 공정 중 전압이 인가 여부에 따라 표면의 산화 수의 변화를 관찰하기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Thermo Scientific K Alpha+)를 측정하였으며, 제작된 MIM 구조 소자의 저항변화특성을 측정하기 위하여 Keithley2634B를 이용하였다.

성능/효과

Photochemical reaction으로 형성된 박막이 결정성을 가지고 있는지 확인하기 위해 x-ray diffraction (XRD, PANalytical X`Pert PRO MPD)을 측정하였으며 그 결과 모든 공정조건에서 (UV 노출시 전압인가) Si 기판 피크 이외에 FeO_x 박막의 회절 피크는 관찰되지 않았다. 잔류유기물 제거를 위한 120^oC, 60초 열처리 외에 별도의 상형 성을 위한 고온 열처리 과정없이 상온에서 진행된 공정으로 비정질의 FeO_x 박막이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
개발하였다. UV 조사과정에서 인가전압에 따라 산화 수 변화가 가능함을 XPS 측정을 통하여 확인하였으며 I-V 특성측정을 통하여 인가전압의 크기가 증가함에 따라 산화 수 또한 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
PMOD 공정에서 UV 조사로 개시반응과 성장반응이 진행될 때 Fe³⁺ cation 생성되고 대기중의 산소와 결합하여 FeO_x를형성하는 과정에서 상부에 인가된 +10 V로 인하여 전압이 인가되지 않은 박막에 비해 상대적으로 높은 산화 상태를 형성하는 것으로 예상되며, 전압의 극성을 고려하였을 때 산소 음이온과의 정전기적 인력으로 인하여 상부 표면 부에 산화수가 높은 영역이 형성됨을 예상할 수 있다. 따라서 PMOD 공정에서 UV노출 시 전압을 인가할 경우 양이온 또는 음이온의 이동을 동반해 박막내의 산화 수 분포를 조절할 수 있다는 것을 XPS 결과로 확인할 수 있다.
4(a), (b), (c), (d)에서 보이는 바와 같이 UV 노출 시 인가한 전압이 증가함에 따라 저항이 증가하는 경향성 있는 결과가 관찰되었으며 이는 positive 인가전압의 증가에 따라 표면 부 FeO_x의 산화수의 증가로 인한 결과이다. 모든 조건의 박막에서 전체적으로 (high resistance state (HRS), low resistance state (LRS) 모두) 저항이 높은 I-V 특성이 관찰되었으며 이는 비정질 상태에서 기인한 것으로 판단된다. 전압을 인가하지 않은 박막의 경우 Fig.
인가전압이 높아짐에 따라 저항이 증가하였으며 UV 노출 과정에서 +5 V, +10 V가 인가된 박막은 초기저항이 HRS로 시작하여 positive voltage에서 LRS로 변화되는 counterclockwise switching curve가 관찰되었다. 표면 부에 국부적으로 산화수가 높은, 즉 저항이 높은 영역이 형성되었음을 의미하며 국부적으로 저항이 높은 영역에서 voltage drop이 발생, 이 영역에서 filament 형성 및 소멸에 의한 저항변화 특성이 나타난다.
잔류유기물 제거를 위한 120^oC, 60초 열처리 외에 별도의 상형 성을 위한 고온 열처리 과정없이 상온에서 진행된 공정으로 비정질의 FeO_x 박막이 형성되었음을 확인할 수 있었다. 공정 중 전압이 인가 여부에 따라 표면의 산화 수의 변화를 관찰하기 위해 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Thermo Scientific K Alpha+)를 측정하였으며, 제작된 MIM 구조 소자의 저항변화특성을 측정하기 위하여 Keithley2634B를 이용하였다.

후속연구

표면 부에 국부적으로 산화수가 높은, 즉 저항이 높은 영역이 형성되었음을 의미하며 국부적으로 저항이 높은 영역에서 voltage drop이 발생, 이 영역에서 filament 형성 및 소멸에 의한 저항변화 특성이 나타난다. 향후 박막 두께를 감소 시켜 동작전압을 낮추게 되면 저전력 구동이 가능하며 동시에 저항 조절이 가능한 저항변화 소자구현이 가능할 것으로 기대된다.

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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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