Copper-oxide를 전해질로 사용한 비휘발성 전도성 브릿지 메모리에 대한 연구

Abstract

최근, ReRAM은 물리적 한계에 부딪힌 낸드플래시 메모리를 대체하기 위한 유력한 후보로서 4F2의 셀사이즈, 100배 이상의 메모리 마진 및 빠른 응답속도 등의 장점을 가지고 있다. ReRAM은 산소공공 필라멘트 모델, 표면변화에 따른 저항변화 모델 및 금속 필라멘트 형성 모델의 세 가지 모델로 분류 되는데, 그 중 금속 필라멘트 모델로서 전도성 브릿지 메모리 (CBRAM)은 가장 우수한 특성을 갖는다. 전도성 브릿지 메모리는 반응성 전극과 전해질 그리고 비활성 전극으로 구성된 간단한 구조, 10나노초의 빠른 동작 속도, 3차원 적층이 용이함으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 본 학위 논문에서는 고체 전해질을 사용한 전도성 브릿지 메모리의 스위칭 거동과 그에 따른 비휘발성 메모리 특성에 대해 연구 하였다. 우선 고체 전해질을 금속공공을 포함하고 있는 p형 물질인 구리산화물로 사용함으로서 전기장에 의한 금속이온의 확산 및 표동을 유도하여 n형의 고체전해질을 포함한 전도성 브릿지 메모리보다 우수한 비휘발성 메모리 특성을 확보 하였다. 250 나노미터의 셀사이즈를 갖는 Cu2O 고체전해질은 1000배 이상의 큰 메모리 마진을 가질 뿐만 아니라 105회 이상의 쓰고 읽기가 가능한 고신뢰성의 비휘발성 메모리 소자이다. 고체전해질 내에 실버필라멘트 형성 유무를 TEM 및 EDS 분석을 통해 확인하였고, 저온에서의 전류-전압 측정을 통하여 금속 이온의 고체전해질 내에서의 전달 메커니즘을 규명하였다. CuO 고체전해질을 사용한 전도성 브릿지 메모리는 100배 이상의 큰 메모리 마진을 갖고, 상용화 수준에 근접한 106회 이상의 쓰고 읽기가 가능하다. 또한 34부터 1414 나노까지의 셀사이즈를 갖는 전도성 브릿지 메모리를 제작하여 전류-전압 특성을 확인한 결과, 셀사이즈와 무관하게 동일한 비휘발성 메모리 거동을 보이는 것을 확인하였다. 이것은 20 나노미터 이하의 셀사이즈를 갖는 전도성 브릿지 메모리의 실현 가능성을 시사하는 것으로서 테라비트급의 집적도를 가능하게 하는 요소이다. 뿐만 아니라 테라비트급의 집적도를 위해 필수적인 멀티레벨 특성을 소거 전압의 크기에 따라 4개의 고저항 레벨을 구현하였다. Cu2O 및 CuO 고체전해질을 사용한 전도성 브릿지 메모리 모두 수십에서 수백나노초 이하에서도 스위칭 거동을 보이고 섭씨 85도에서 약 7년 정도의 데이터 유지기간을 가지는 것을 확인하여, 향후 낸드 플래시를 대체할 수 있는 상용화 메모리로서의 가능성을 제시하고 있다.