비휘발성메모리 응용을 위한 MgO 박막의 저항 스위칭 특성 연구

Abstract

모바일 및 디지털 정보 통신 산업, 가전산업의 급속한 발달로 인하여 기존 반도체 산업은 큰 위기를 맞을 수 있다. 그 이유로 기존 DRAM 이나 플래시 메모리(Flash Memory)의 장단점을 보완 할 수 있는 즉, 전원이 차단된 상태에서도 안정적으로 장기간 데이터를 보존할 수 있는 비휘발성, 저 전력, DRAM과 같은 빠른 동작속도, Gb급 이상의 높은 집적도, 낮은 생산원가 등 DRAM과 플래시 메모리의 태생적 한계를 원천적으로 극복할 수 있고, 기존 COMS 공정에 접목할 수 있는 새로운 비휘발성 메모리가 개발되어야 하는 당위성에는 의심의 여지가 없다. 현재 개발되고 있는 차세대 메모리는 모두 DRAM의 고집적성과 낮은 소비전력의 특성, FLASH 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 결합하려는 시도들이 이루어지고 있다. 현재 비휘발성 차세대 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자는 PRAM (phase change RAM), NFGM (nano floating gate memory), ReRAM(resistive RAM), PoRAM(polymer RAM) 등이 있고 그 중 우리가 연구 중인 차세대 메모리 분야가 ReRAM 이며, RF sputtering system을 이용하여 MgO 박막에서의 Resistance switching 특성을 알아보았다. 우선적으로 MgO 박막의 두께, 증착 시 파워, 산소량에 따른 MgO 박막의 특성에 대해 확인 해 보았으며, 자체적으로 최적의 조건상에서 MgO 박막을 성장 하여 MIM 구조상에서의 전형적인 저항 스위칭 특성을 확인 할 수 있었다. 특히, 전극 size effect, 물질의 접합 계면에서 일함수 차에 따른 변화, compliance current control에 대한 부분까지 일반적인 ReRAM 특성 분석과 열처리와 플라즈마 처리에 따른 MgO 박막의 질적 향상을 통한 저항 스위칭 특성 변화를 분석 할 수 있었다. 또한, C-V 측정을 통해 MgO 박막 내 열처리에 따른 defect 감소를 확인 할 수 있었으며. 메카니즘 해석 부분에 있어서 ‘trap/detrap of charge’ 에 대한 해석이 약간의 의심의 여지가 남아 있게 되었고, 최종적으로 질적 향상된 MgO 박막을 이용한 MIM 구조상에서 I-V 측정, set/reset/read voltage 안정성, retention time 측정을 통해 차세대 메모리로써의 가능성 여부를 확인 할 수 있었다.; This dissertation describes an experimental study about resistance switching property in Metal-Insulator-Metal (MIM) sandwich structure for nonvolatile memory (NVM) application. The binary oxide MgO thin films was chosen such as an insulator. The MIM sandwich structure with MgO thin films were deposited on SiO2 substrate by utilizing a reactive sputtering system at room temperature. The MIM structures with MgO thin films were depended on electrodes, electrode sizes, film growth condition, thermal effect, and so on. Current-voltage (I-V), capacitance-voltage (C-V) and X-ray diffraction measurements were carried out to analyze the resistance switching behavior and the structural property. In result of term, the resistive switching behaviors in Metal-Insulator-Metal structure as insulator MgO clearly have been revealed. In addition, we could faintly identify the switching mechanism of the resistance switching phenomenon through this investigation. We assumed that the oxygen vacancies with the trapped charge would be strong perform an important role for the resistive switching mechanism in MgO sandwich structure. As a result, we could observe experimentally that these resistive switching phenomenon would be dependence of oxygen vacancies. But, the resistance switching phenomenon is not concerned with the trapping sites of the charge in MgO thin film. In conclusion, we could observe the potentiality of nonvolatile memory application through the resistance switching property in Metal-MgO-Metal structure.