비정질 GexSe1-x 박막의 조성에 따른 문턱 스위칭 거동에 관한 연구

Abstract

Amorphous chalcogenide materials have attracted much interest as a key element in novel thin-film switching devices, through which 3D-stackable memory of crossbar architecture can be achieved. In this regard, several amorphous chalcogenide materials have been examined to give a conclusion that the controllability of the threshold voltage (Vth) and the stability of the amorphous phase are prerequisites for the successful implementation of the switching devices. In this work, we investigated the thermal stability of GexSe1-x thin films with varying x and the threshold switching characteristics of devices composed of TiN/GexSe1-x/TiN (MIM) with a crosspoint structure. We found that the crystallization temperature (Tx) increased and the threshold voltage of the MIM device decreased with increasing Ge contents. In addition, the off-state resistance (Roff) and the delay time (tdel) were found to be decrease with Ge contents. These results are attributed to the decrease of the localized states as a result of the decrease in the number of Se-Se bondings.; Amorphous chalcogenide materials have attracted much interest as a key element in novel thin-film switching devices, through which 3D-stackable memory of crossbar architecture can be achieved. In this regard, several amorphous chalcogenide materials have been examined to give a conclusion that the controllability of the threshold voltage (Vth) and the stability of the amorphous phase are prerequisites for the successful implementation of the switching devices. In this work, we investigated the thermal stability of GexSe1-x thin films with varying x and the threshold switching characteristics of devices composed of TiN/GexSe1-x/TiN (MIM) with a crosspoint structure. We found that the crystallization temperature (Tx) increased and the threshold voltage of the MIM device decreased with increasing Ge contents. In addition, the off-state resistance (Roff) and the delay time (tdel) were found to be decrease with Ge contents. These results are attributed to the decrease of the localized states as a result of the decrease in the number of Se-Se bondings.|본 연구에서는 고성능 박막 스위칭 소자 개발을 위해 문턱 스위칭 특성을 갖는 GexSe1-x (x = 0.4, 0.5, 0.6, 0.7) 박막을 동시 스퍼터 (Co-RF Sputter)를 이용하여 제작한 후 기본적인 박막 물성조사와 소자 특성을 조사 하였다. 재료의 열적 특성 분석을 위해 시차 주사 열량측정법 (Differential Scanning Calorimetry, DSC) 방법을 이용하였다. Ge 농도가 증가함에 따라 결정화 온도는 증가하다가 감소하는 경향을 보였으며, Ge0.7Se0.3 박막의 경우, 결정화 온도는 399 ℃로 측정되었다. 본 스위칭 재료를 이용한 Metal- GexSe1-x –Metal (MIM)구조를 가진 소자의 특성에 있어서는, Ge 농도가 증가함에 따라 off-state의 저항(Roff)과 문턱 스위칭 전압 (Vth), 밴드 갭이 작아지는 것으로 나타났다 이는 Ge 농도가 증가함에 따라 Band gap energy가 감소하며, 또한 localized state 의 감소가 문턱 스위칭 전압 (Vth)을 감소 시키는 것으로 판단된다. 각 조성군의 소자 특성을 분석한 결과 Ge0.4Se0.6 소자의 경우 높은 off-state의 저항(Roff)로 인해 문턱 스위칭 전압 (Vth)이 높아졌고, Pulse generator가 인가해 줄 수 있는 최대 전압인 20V를 넘어 서면서 측정을 할 수 없었다. 그 외의 조성인 GexSe1-x (x = 0.5, 0.6, 0.7) 박막을 입힌 소자의 경우, 인가전압 10V에서 스위칭을 시킨 후 Delay time(Td), Threshold voltage(Vth)를 구하였다. 각 조성별 동작 내구성을 측정한 결과, Ge 농도가 증가함에 동작 내구성이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 Ge 함유량이 증가함에 따라서 문턱 스위칭 전압 (Vth)의 감소와 더불어 Delay time(Td) 감소가 소자의 stress 측면에 긍정적인 결과를 가져온 것으로 판단된다.