저항 변화 메모리 적용을 위한 산화물간 산소 공공의 이동에 따른 전류 이력 현상에 관한 연구

Abstract

저항 변화 메모리 (resistance random access memory-ReRAM) 는 낮은 전력 소모, 빠른 스위칭 속도, MIM (metal-insulator-metal) 구조로써 높은 직접도 및 간단한 구조로 인해 공정 상의 결함을 줄일 수 있는 등의 많은 장점들을 가지고 있어 차세대 메모리 후보 중에 가장 각광 받고 있으며 이에 따라 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 저항 변화 메카니즘이 명확하지 않아 특성 향상 및 상용화를 위해 어려움을 겪고 있다.

본 연구에서는 우수한 bipolar ReRAM 특성을 보이는 TaOx를 응용한 소자에 sneak current path문제를 해결 할 수 있는 self-rectifying 특성을 부여하기 위해 a-IGZO층을 첨가함으로써 Pt/a-IGZO/TaOx/Al2O3/W 구조를 제작하여 전기적 특성 평가를 하였다. 또한, 저항 변화 특성을 발현하는 요인이 무엇인가를 규명하기 위해 예비실험 결과에 기초하여 실험을 설계하고 그에 따른 특성의 변화를 고찰하여 궁극적으로 switching model을 제시하였다. Pt/a-IGZO/TaOx/Al2O3/W 구조를 가지는 ReRAM은 일반적인 ReRAM 특성 이외에도 저항 변화가 일어나기 위해 forming process가 필요하지 않은 forming-free, crossbar array에 적용하였을 때, 대칭적인 I-V 특성에 의해 발생하는 misreading 현상을 막아주는 self-rectifying 등과 같은 유용한 특성을 보인다. 이러한 self-rectifying 특성은 일반적인 self-rectifying 특성을 나타내는 ReRAM과 달리 산화물과 산화물 접합에 의해 일어난다. 이러한 특성들은 보이는 Pt/a-IGZO/TaOx/Al2O3/W 구조를 가지는 ReRAM의 switching mechanism을 밝히기 위해 각 층을 분리하여 하나의 oxide층만으로 MIM구조를 가지는 소자를 제작하여 전기적 특성평가를 하였고, a-IGZO와 TaOx 사이에 형성되는 계면을 AES, XPS방법을 이용하여 심도있는 분석을 하였다. 또한 SiNx와 산소 열처리를 통하여 극단적인 실험을 진행함으로 resistive switching에 대한 a-IGZO와 TaOx 사이에 형성되는 계면의 영향을 확인하였다. 그 결과 본 소자에서의 resistive switching은 a-IGZO 와 TaOx의 두 산화물간의 산소 공공 exchange에 기인하는 것을 알 수 있었다. 즉, 인가되는 전압의 극성에 따라 positively charged oxygen vacancy가 이동함으로써 a-IGZO와 TaOx간의 oxygen vacancy exchange가 일어나 그에 따른 TaOx층의 저항이 변화하여 resistive switching이 나타나게 된다.