비휘발성 메모리 소자 응용을 위한 MgO resistive switching 특성 연구

Abstract

현재 대부분의 computing 시스템은 DRAM, SRAM 그리고 플래쉬 메모리 (Flash Memory)로 이루어져 있으며, 지금까지 이 메모리들은 그 역할을 효과적으로 잘 수행해왔다. 그러나 모바일 기기의 발달과 그 기능의 복합성으로 인하여 현재까 지의 메모리는 한계점에 다다르고 있다. 기존의 메모리 중에서는 빠른 속도, 비휘 발성, 큰 집적도 그리고 저전력 소비의 장점을 모두 가진 것이 없기 때문이다. 이 런 단점을 극복할 새로운 메모리의 연구가 필요한 시점이다. 최근 차세대 비휘발성 메모리 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예들 들어, 상변화 메모리(Phase hange RAM), 저항변화 메모리(Resistance RAM), 자기변화 메모리(Magnetic RAM), 폴리머 메모리(Polymer RAM) 그리고 Nano Floating Gate Memory(NFGM) 등이 있다. 이 메모 리들은 고집적이며, 빠른 동작속도, 비휘발성 그리고 저전력 소비의 특성이 있다. 그러나 아직까지 상용화 단계 까지는 연구가 더 필요한 시점이다. 차세대 비휘발성 메모리 가운데 저항변화 메모리(ReRAM)는 간단한 구조, 고집적, 저전력 소비 등의 장점을 가지고 있다. 저항에 기초한 동작 원리를 가지고 있기 때문에 캐패시터가 필요한 DRAM에 비해서 구조적으로 간단하며, 기존의 산업장비를 그대로 이용할 수 있는 장점이 있다. 저항 변화에 의한 메모리 특성을 보이는 물질은 여러 가지 물질이 있다. 그 중에서 binary oxide 계통의 물질은 그 구조가 간단하고 만드는 과정 역시 간단하여 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이 논문에서는 저항변화 메모리 응용을 위하여 MgO 박막을 유전체 물질로 사용되었다. 스퍼터링 장비를 이용하여 박막을 증착하였으며, XRD와 SEM을 통하여 박막을 분석하였고, Metal-MgO-Metal stack 구조를 만들어 전류-전압 특성이 분석되었다. 거의 모든 sample 에서 저항변화 의한 메모리 현상이 관찰되었으며, 동작 전압과 저항 특성에 있어서 변화가 크게 나타났다. 저항 변화 메모리 동작은 current compliance가 필요한 unipolar 스위칭 특성이 나타났다. 박막 증착 과정에서 압력과 기판 온도에 변화를 주면서, MgO 박막 특성에 변화를 주었다. 그 결과 저항 변화 메모리 특성에서 변화가 나타났으며, 특정 조건에서 동작 전압과 저항 특성에서 개선된 모습이 나타났다. 그리고 박막 특성의 개선을 통해서 저항 변화 메모리 스위칭 특성이 개선될 수 있는 가능성이 있음이 확인되었다.; In this thesis, electrical characteristics of Metal-Insulator-Metal (MIM) stack structure were studied for the use of Resistance Random Access Memory (ReRAM) which is one of the promising next-generation non-volatile memory devices. For insulator materials in MIM stack structure, MgO thin films were deposited by reactive sputtering system. In order to investigate crystallity and microstructure of MgO thin films, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) have been examined respectively. By observing Current-Voltage measurement, resistive switching properties are investigated. First, typical resistive switching properties of Metal-MgO-Metal stack structure were studied. From most of the samples, negative resistance phenomenon and non-volatile memory switching behavior were observed. The ratio between the high-resistance state (OFF state) and the low-resistance state (ON state) were larger than 100. It has a unipolar resistive switching behavior (need a current compliance to prevent permanent dielectric breakdown) and large fluctuation of memory switching parameters such as Set/Reset voltage and resistance. Through applying various current compliance value and metal electrode, it can be thought that charge-discharge of defects and metal-insulator interface driving mechanisms are not suitable for resistive switching mechanism of our MIM structure. Second, correlation between working pressure during MgO thin film deposition and resistive switching property were studied. The resistive switching characteristics have depended on working pressure, but failed to find out best working pressure conditions for stable resistive switching operation. Third, substrate temperature effects for resistive switching property were studied. Heated substrate have an some effect on crystallity of MgO thin films, and at 350℃ substrate temperature, our Metal-MgO-Metal stack structure showed better resistive switching operation. In conclusion, growth conditions, such as working pressure, oxygen gas ratio and substrate temperature, have an effect on resistive switching property, so it can be thought that resistive switching mechanism of Metal-MgO-Metal stack structure is Bulk-limited mechanism.