[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 Based원문보기
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.
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.
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...
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 computing, which ensures high integrated and high reliability. The ReRAM device of the oxide thin-film applied to the plasma module was fabricated, and research to improve the properties of the device was conducted through various experiments through changes in materials and process methods. ReRAM device based on TiO2/TiOx of oxide thin-film using plasma module was completed. Crystallinity measured by XRD rutile, HRS:LRS current value is 2.99 × 103 ratio or higher, driving voltage was measured using a semiconductor parameter, and it was confirmed that it can be driven at low voltage of 0.3 V or less. It was possible to fabricate a neuromorphic ReRAM device using oxygen gas in a previously developed plasma module, and TiOx thin-films were deposited to confirm performance.
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 computing, which ensures high integrated and high reliability. The ReRAM device of the oxide thin-film applied to the plasma module was fabricated, and research to improve the properties of the device was conducted through various experiments through changes in materials and process methods. ReRAM device based on TiO2/TiOx of oxide thin-film using plasma module was completed. Crystallinity measured by XRD rutile, HRS:LRS current value is 2.99 × 103 ratio or higher, driving voltage was measured using a semiconductor parameter, and it was confirmed that it can be driven at low voltage of 0.3 V or less. It was possible to fabricate a neuromorphic ReRAM device using oxygen gas in a previously developed plasma module, and TiOx thin-films were deposited to confirm performance.
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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.
제안 방법
Drain voltage를 0 V부터 5 V까지 double sweep으로 인가하여, HRS 상태에서 가장 낮은 current 값과 LRS 상태에서 가장 높은 current 값을 측정하였다. 프로브 스테이션을 이용하여 저항변화형 메모리 소자를 접촉하였으며, 반도체 파라미터 측정기(Keithley 4200A)를이용하여 저항변화형 메모리 소자의 HRS : LRS ratio를 측정하여 계산하였다.
각 시료들에 대한 최대치와 최소치를 제외한 HRS평균값을 측정하였고, 최대치와 최소치를 제외한 LRS평균값을 측정하였으며, 이를 이용하여 HRS : LRS의 비율을 계산하였다.
공정 시간을 단축시킬 수 있는 공정 개발의 필요성 때문에 진공 공정을 적용한 산화물층 제작 공정에서 플라즈마 모듈을 이용하여 산화물층을 제작하여, 후열처리 과정이 필요 없는 최적의 산화물 제작 공정을 실현하였다. 또한, 진공 공정의 연속성을 실현할 수 있는 최적의 공정기술을 확보하였다.
차세대 메모리 기술로 각광 받고 있는 저항 변화형 메모리의 제작은 진공 증착, 용액 및 후처리 공정으로 이루어지고 있다. 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.
1과 같고, 이러한 비진공 (Non vacuum) 공정 및 후열처리 공정은 진공 공정의 연속성을 유지하며, 공정 시간을 단축시킬 수 있는 공정개발의 필요성이 높아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 고집적, 고신뢰성을 보장하는 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 저항 변화메모리 소자 제작 및 공정 기술에 적합한 플라즈마 모듈을 적용하였다.
공정 시간을 단축시킬 수 있는 공정 개발의 필요성 때문에 진공 공정을 적용한 산화물층 제작 공정에서 플라즈마 모듈을 이용하여 산화물층을 제작하여, 후열처리 과정이 필요 없는 최적의 산화물 제작 공정을 실현하였다. 또한, 진공 공정의 연속성을 실현할 수 있는 최적의 공정기술을 확보하였다. 산소의 양을 제어할 뿐만 아니라 박막의 특성, 메모리 소자의 특성 및 유연한 플랫폼 응용에 독창적인 역할을 기대할 수 있을 것이고, 향후 양자 컴퓨팅에 적용 가능하며, 시냅스 모델링 구현이 가능할 것으로 기대된다.
산소 플라즈마의 이온화된 산소 분자에 해당하는 스펙트럼선이 776 nm에서 관측되고, 각종 이온화된 입자들 중에서 선택된 입자들이 박막 형성에 영향을 주는 플라즈마 모듈을 이용하였다. 제작 과정에서 TiOx 박막에 플라즈마 모듈을 이용하여, 산소 주입량을 20 sccm으로 고정하였고, 0, 30, 60, 9, 120, 150 W를 인가한 6개의시료를 제작하였으며, 각종 분석 장비를 통한 비교분석이 이루어졌다. 결정성은 XRD로 측정하여 rutile 2theta =27.
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]. 이러한 공정은 Fig.
Drain voltage를 0 V부터 5 V까지 double sweep으로 인가하여, HRS 상태에서 가장 낮은 current 값과 LRS 상태에서 가장 높은 current 값을 측정하였다. 프로브 스테이션을 이용하여 저항변화형 메모리 소자를 접촉하였으며, 반도체 파라미터 측정기(Keithley 4200A)를이용하여 저항변화형 메모리 소자의 HRS : LRS ratio를 측정하여 계산하였다. 그 결과는 Table 1과 같고, 이때의 구동 전압 조건은 0.
플라즈마를 각각 RF전력 0, 30, 60, 90, 120, 150W로 인가한 TiOx 박막에 XRD(X-ray diffraction)를 이용하여 박막 결정성을 측정하였고, 그 결과는 Fig. 5와 같다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 플라즈마 모듈은 13.56 MHz의 RF 전력을 인가하였을 때 발생되는 산소 플라즈마의 이온화된 산소 분자에서 여기된(excited) 산소 원자의 발광 스펙트럼이 776㎚에서 3p5P-3s5S0 천이로 인한 산소원자 발광 선을 이용하였고, 일반적으로 산소 플라즈마상태에서의 산소 원자는 주로 다음과 같은 반응식에 의해 형성되는데, 이때 사용된 플라즈마 스펙트럼은 Fig. 3과 같다[9].
본 연구에서는, Fig. 4와 같은 저항변화형 메모리소자구조(Si/MoW/TiO2/TiOx/MoW)에서 TiOx 박막에 플라즈마 모듈을 이용하고, 산소 주입량을 20 sccm으로 고정하였으며, 각각 0, 30, 60, 90, 120, 150W의 RF전력을 인가한 6개의 시료를 제작하였다.
산소 플라즈마의 이온화된 산소 분자에 해당하는 스펙트럼선이 776 nm에서 관측되고, 각종 이온화된 입자들 중에서 선택된 입자들이 박막 형성에 영향을 주는 플라즈마 모듈을 이용하였다. 제작 과정에서 TiOx 박막에 플라즈마 모듈을 이용하여, 산소 주입량을 20 sccm으로 고정하였고, 0, 30, 60, 9, 120, 150 W를 인가한 6개의시료를 제작하였으며, 각종 분석 장비를 통한 비교분석이 이루어졌다.
플라즈마 모듈을 적용한 산화물 박막의 저항변화형 메모리소자 [Si/MoW/TiO2/TiOx/MoW]를 제작 완료하였고, 제작한 소자로 반도체 파라미터 측정기로 저항 메모리의 HRS : LRS ratio는 2.99 × 103 ratio 이상이고, 구동 전압은 0.3 V이하에서 구동이 가능한 저항 변화형메모리 소자를 제작하였다.
성능/효과
각종 이온화된 입자들 중에서 선택된 에너지를 가진 입자들이 박막 형성에 영향을 준 것으로 예상되었다.
결정성은 XRD로 측정하여 rutile 2theta =27.5° 결정임을 확인하였다.
하지만 amorphous에서 rutile 구조로 상변화가 일어나게 되면, 전기적 저항 값이 현저하게 줄어들고 대체로 모든 온도에서 안정적인 것으로 인하여 전하 전이(Charge transport)가 지속적으로 높아지게 됨으로 최종적으로는 저항 스위칭 메모리의 성능에 전기적으로 우수한 영향을 주게 된다. 따라서 post-annealing으로 plasma RF전력이 높아질수록, TiOx 채널 층이 rutile구조로 점차 상변화가 진행되는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에 적용된 플라즈마 모듈은 산소 가스를 이용하여 TiOx 박막을 증착하여 성능을 확인하였고, 뉴로모픽 컴퓨팅을 위한 저항 변화 메모리 소자를 제작하는 것이 가능하였다.
종합적으로 보았을 때, rutile TiOx 박막의 (110)면에 해당하는 2theta = 27.5°에서 상대적으로 높은 peak가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
또한, 진공 공정의 연속성을 실현할 수 있는 최적의 공정기술을 확보하였다. 산소의 양을 제어할 뿐만 아니라 박막의 특성, 메모리 소자의 특성 및 유연한 플랫폼 응용에 독창적인 역할을 기대할 수 있을 것이고, 향후 양자 컴퓨팅에 적용 가능하며, 시냅스 모델링 구현이 가능할 것으로 기대된다.
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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