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[국내논문] 뉴로모픽 기반의 저항 변화 메모리 소자 제작 및 플라즈마 모듈 적용 공정기술에 관한 융합 연구
Convergence Study on Fabrication and Plasma Module Process Technology of ReRAM Device for Neuromorphic Based 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.10, 2020년, pp.1 - 7  

김근호 (충북대학교 컴퓨터공학과) ,  신동균 (고산테크) ,  이동주 (성균관대학교 물리학과) ,  김은도 (더원과학 기술연구소)

초록
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뉴로모픽 소자 초기 단계인 저항 변화형 메모리 소자의 제작 공정으로, 진공 공정의 연속성을 유지하였고, 고집적, 고신뢰성을 보장하는 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 저항 변화 메모리 소자 제작 및 공정 기술에 적합한 플라즈마 모듈을 적용하였다. 플라즈마 모듈을 적용한 저항메모리(ReRAM) 소자의 제작과 연구는 ReRAM 소자 기반의 TiO2/TiOx 산화물박막의 제작방법과 소재의 변화를 통한 다양한 실험을 통하여 완성되었다. XRD를 이용하여 rutile결정을 측정하였고, 반도체 파라미터 측정기로 저항 메모리의 HRS : LRS 비율이 2.99 × 103 이상이고, 구동 전압 측정이 0.3 V이하에서 구동이 가능한 저항 변화형 메모리 소자의 제작을 확인 하였다. 산소 플라즈마 모듈을 적용한 뉴로모픽 저항메모리 제작과 TiOx 박막을 증착하여 성능을 확인하였다.

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The manufacturing process of the resistive variable memory device, which is the based of neuromorphic device, maintained the continuity of vacuum process and applied plasma module suitable for the production of the ReRAM(resistive random access memory) and process technology for the neuromorphic com...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 뉴로모픽 소자개발의 초기단계에 해당하는 저항 변화형 메모리 소자의 제작은 실리콘 기판위에 제 1전극에 해당하는 Al(알루미늄)을 진공 증착하고, 금속산화물층의 산소 보유층에 해당하는 IZO를 Sol-Gel 방법으로 제작하며, 절연막에 해당하는 TiO2를 진공 증착하며, 제 2전극에 해당하는 Al을 진공 증착한다. Sol-Gel 방법 기반의 IZO 산화물 박막 제작으로 저항스위칭 메모리를 제작하는데, 이온 필라멘트를 매개로 하는 전도성 기작을 이해하기 위한 이온화 된 산소 양의 제어가 매우 어려운 실정인데, IZO, TiOx 등의 산화물 제작 공정에서 플라즈마 모듈을 이용한 박막을 제작하여, 후열처리과정이 필요 없는 최적의 산화물 제작 공정으로 진행하고자 하였다. 진공 공정에서 산화물의 증착방법은 evaporation 방법 또는 sputtering 방법을 이용하였고, 증착 공정에서 동시에 플라즈마 모듈을 이용한 방법을사용하거나, 증착 공정 전후의 박막 제작에 적용하여, 최적화되는 박막의 특성에 적합한 공정 기술을 확보하고자 하였다[6-8].
  • 뉴로모픽 컴퓨팅은 그야말로 컴퓨터 아키텍처를 새롭게 구상하는 것이다. 뉴런과 시냅스로 구성되는 인간두뇌 활동에 적용한 신경모사칩에 해당하는 것으로, 신경 과학의 최신 인사이트를 적용함으로써, 고전적인 컴퓨터보다 인간의 두뇌와 같은 기능을 하는 칩을 만드는 것이 최종 목표이다. 뉴로모픽칩은 상황에 따라 조절 가능한 스파이크와 플라스틱 시냅스를 사용하고 뇌의 뉴런들이 어떻게 의사소통하고 배우는지를 학습을 통하여 모델링한다.
  • 본 연구에서는 진공증착공정에서 플라즈마 모듈을 이용하여 저항 변화형 메모리 제작에 적합한 플라즈마 처리 공정을 적용한 생체모방 저항변화 메모리 소자의 제작으로, 가해준 전류량과 전류 방향에 따라서 저항 값의 스위치 효과를 이용하게 되는데, 전자가 이동할 수 있는 통로인 필라멘트의 생성과 소멸을 이용해 메모리의 쓰기(Write), 지우기(Erase) 특성을 나타내는 비휘발성 메모리 소자가 된다. Positive bias를 인가하면 활성층인 금속 산화물층에서 전자가 이동하는 통로인 필라멘트가 생성되어 전류가 흐르게 되고(쓰기), 이때를 저항이 낮은 상태인 LRS(Low resistance state)라 하고, negative bias를 인가하여 필라멘트가 소멸되면 저항이 높아져 전류가 흐르지 않는 상태가 되며(지우기), 이때를 저항이 높은 상태인 HRS(High resistance state)라고 한다.
  • 본 연구에서는 플라즈마 모듈을 적용한 산화물 박막의 저항변화형 메모리 소자를 제작하였고, 소자의 특성을 향상시키기 위하여 연구재료와 공정 방식의 변화를 통하여 실험을 진행하였다.
  • Positive bias를 인가하면 활성층인 금속 산화물층에서 전자가 이동하는 통로인 필라멘트가 생성되어 전류가 흐르게 되고(쓰기), 이때를 저항이 낮은 상태인 LRS(Low resistance state)라 하고, negative bias를 인가하여 필라멘트가 소멸되면 저항이 높아져 전류가 흐르지 않는 상태가 되며(지우기), 이때를 저항이 높은 상태인 HRS(High resistance state)라고 한다. 효과적인 산소 결핍에 따른 양 극 저항의 스위칭 작동속도에 따른 필라멘트 파열로 인한 HRS 상태로 전환되는 전류 값과 필라멘트 형성으로 인한 LRS 상태로 전환되는 전류 값에 영향을 주게 되는 플라즈마 모듈이 적용된 산화물 제작 공정 장비를 이용하고, 이와 관련된 공정 기술을 확보하고자 하였다. 산소의 양을 제어할 뿐만 아니라 박막의 특성, 메모리 소자의 특성 및 유연한 플랫폼 응용에 큰 독창적인 역할을 기대할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ReRAM의 일반적인 구조는 무엇인가? 뉴로모픽 소자 개발의 초기 단계에 해당하는 저항 변화형 메모리 소자의 제작에 많은 연구가 진행되고 있다. 1960년대부터 연구되어온 ReRAM(Resistive randomaccess memory) 소자는 일반적으로, 금속 산화물을 이용한 MIM(metal insulator metal) 적층 구조로서 적당한 전기적 신호를 인가하게 되면, 저항이 큰 전도가 되지않는 상태(OFF state)에서 저항이 작은 전도가 가능한 상태(ON state)로 바뀌게 되는 메모리 특성이 나타난다[1-4].
뉴로모픽칩의 모델링 과정은 어떻게 되는가? 뉴런과 시냅스로 구성되는 인간두뇌 활동에 적용한 신경모사칩에 해당하는 것으로, 신경 과학의 최신 인사이트를 적용함으로써, 고전적인 컴퓨터보다 인간의 두뇌와 같은 기능을 하는 칩을 만드는 것이 최종 목표이다. 뉴로모픽칩은 상황에 따라 조절 가능한 스파이크와 플라스틱 시냅스를 사용하고 뇌의 뉴런들이 어떻게 의사소통하고 배우는지를 학습을 통하여 모델링한다. 또한 이 칩들은 학습된 패턴과 연관성에 대응하여 스스로 구성하고 결정을 내리도록 디자인되고 있다.
뉴로모픽 컴퓨팅의 최종 목표는 무엇인가? 뉴로모픽 컴퓨팅은 그야말로 컴퓨터 아키텍처를 새롭게 구상하는 것이다. 뉴런과 시냅스로 구성되는 인간두뇌 활동에 적용한 신경모사칩에 해당하는 것으로, 신경 과학의 최신 인사이트를 적용함으로써, 고전적인 컴퓨터보다 인간의 두뇌와 같은 기능을 하는 칩을 만드는 것이 최종 목표이다. 뉴로모픽칩은 상황에 따라 조절 가능한 스파이크와 플라스틱 시냅스를 사용하고 뇌의 뉴런들이 어떻게 의사소통하고 배우는지를 학습을 통하여 모델링한다.
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참고문헌 (15)

  1. W. W. Zhuanget, et al. (2002). Novel colossal magnetoresistive thin film nonvolatile resistance random access memory (RRAM). Digest. International Electron Devices Meeting, 193-196. DOI : 10.1109/IEDM.2002.1175811 

  2. M. Terai, Y. Sakotsubo, Y. Saito, S. Kotsuji, & H. Hada. (2010). Memory-State Dependence of Random Telegraph Noise of $Ta_2O_5/TiO_2$ Stack ReRAM. IEEE Electron Device Letters, 31(11), 1302-1304. DOI : 10.1109/led.2010.2068033 

  3. S. Tanakamaru, M. Doi, & K. Takeuchi. (2014). NAND Flash Memory/ReRAM Hybrid Unified Solid-State-Storage Architecture. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 61(4), 1119-1132. DOI : 10.1109/TCSI.2013.2285891 

  4. J. Park, et al. (2011). Multibit Operation of TiOx-Based ReRAM by Schottky Barrier Height Engineering. IEEE Electron Device Letters, 32(4), 476-478. DOI : 10.1109/LED.2011.2109032 

  5. M. Trapatseli, S. Cortese, A. Serb, A. Khiat, & T. Prodromakis. (2017), Impact of ultra-thin $Al_2O_3$ - y layers on $TiO_$ -xReRAM switching characteristics. Journal of Applied Physics, 121(18), 184505 DOI : 10.1063/1.4983006 

  6. Y. S. Rim, H. S. Lim, & H. J. Kim. (2013). Low-Temperature Metal-Oxide Thin-Film Transistors Formed by Directly Photopatternable and Combustible Solution Synthesis. ACS Applied Materials & Interfaces, 5(9), 3565-3571. DOI : 10.1021/am302722h 

  7. M. Katayama, S. Ikesaka, J. Kuwano, Y. Yamamoto, H. Koinuma, & Y. Matsumoto. (2006). Field-effect transistor based on atomically flat rutile TiO2. Applied Physics Letters, 89(24), 242103 DOI : 10.1063/1.2404980 

  8. Y. C. Shin, et al. (2008). $(In,Sn)_2O_3/TiO_2$ /Pt Schottky-type diode switch for the TiO2 resistive switching memory array. Applied Physics Letters, 92(16), 162904. DOI : 10.1063/1.2912531 

  9. D. Y. Kim et al. (2009). Optical Emission Spectra of Oxygen Plasma Produced by Radio-Frequency Plasma. Applied Science and Convergence Technology, 18(2), 102-107. DOI : 10.5757/JKVS.2009.18.2.102 

  10. D. V. Ponomarev, G. E. Remnev, R. V. Sazonov, & G. E. Kholodnaya. (2013). Pulse Plasma-Chemical Synthesis of Ultradispersed Powders of Titanium and Silicon Oxide. IEEE Transactions on Plasma Science, 41(10), 2908-2912. DOI : 10.1109/TPS.2013.2273559 

  11. S. Park, B. Magyari-Kope, & Y. Nishi, (2011). Impact of Oxygen Vacancy Ordering on the Formation of a Conductive Filament in TiO2 for Resistive Switching Memory. IEEE Electron Device Letters, 32(2), 197-199. DOI : 10.1109/led.2010.2091489 

  12. Y. C. Bae, A. R. Lee, J. S. Kwak, H. Im, & J. P. Hong. (2011). Dependence of resistive switching behaviors on oxygen content of the Pt/TiO2-x/Pt matrix. Current Applied Physics, 11(2), e66-e69 DOI : 10.1016/j.cap.2010.11.125 

  13. H. Zhang, et al. (2018). Understanding the Coexistence of Two Bipolar Resistive Switching Modes with Opposite Polarity in Pt/TiO2/Ti/Pt Nanosized ReRAM Devices. ACS Applied Materials & Interfaces, 10(35), 29766-29778 DOI : 10.1021/acsami.8b09068 

  14. Q. Liu et. al. (2009). Improvement of Resistive Switching Properties in ZrO2-Based ReRAM With Implanted Ti Ions. IEEE Electron Device Letters, 30(12), 1335-1337 DOI : 10.1109/LED.2009.2032566 

  15. S. R. Joshi et. al. (2016). Optical studies of cobalt implanted rutile TiO2 (110) surfaces. Applied Surface Science, 387(30), 938-943 DOI : 10.1016/j.apsusc.2016.07.038 

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