• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.607-607
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• 2013

차세대 비휘발성 메모리 소자로서 각광받고 있는 저항 변화 메모리(resistive switching random access memory; ReRAM) 소자는 속도가 빠르고, 에너지 소모가 적으며, 고집적화를 이루기 용이하다는 강점을 보유하고 있다. 지금까지 저항변화 물질의 최적화를 위해 매우 다양한 물질들이 연구되고 있으며, 그 물질에 따라 스위칭 메커니즘 및 동작 방법이 다르게 보고되어 왔다. 하지만 저항변화 메모리의 스위칭 거동은 전형적인 전기적 제어 조건으로부터 구현되었기 때문에 한정된 소자 특성을 나타낼 수밖에 없었다. 본 연구에서는 새로운 메모리 제어 조건으로 빛을 이용함으로써 한정된 소자 특성으로부터 벗어나고자 하였다. 저항 변화 물질로 잘 알려진 ZnO를 표면적이 넓은 형태로 합성하기 위하여 hydrothermal 방법으로 FTO 기판 위에 수직하게 배열된 ZnO 나노와이어를 형성하고 그 위에 Au 상부 전극을 형성하여 금속-절연체-금속 소자 구조를 제작하였다. 본 연구에서는 전형적인 전기적 제어 조건에 더불어 빛의 입사 유무 조건을 바꿔가면서 Au/ZnO 나노와이어/FTO 소자의 저항 변화 특성을 평가 하였을 뿐만 아니라 전기적 인가 없이 오직 빛만으로 두 가지 안정한 저항 상태를 반복적으로 전환하는 특성을 유도하였다. 본 결과를 바탕으로 필라멘트 이론에 기초한 저항 변화 메커니즘을 설명하는 모델이 제시되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.56-56
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• 2011

투명 메모리 소자는 향후 투명 디스플레이 등 투명 전자기기와 집적화해 통합형 투명 전자시스템을 구현을 위해 지속적으로 연구가 진행 되고 있으며, 산학계에서는 다양한 메모리 소자중 큰 밴드-갭(>3 eV) 특성을 가지는 저항 변화 메모리(Resistive Random Access Memory, ReRAM)를 이용한 투명 메모리 구현 가능성을 지속적으로 보고하고 있다. 현재까지의 저항 변화 메모리 연구는 물질 최적화를 위해 다양한 금속-산화물계(Metal-Oxide) 저항 변화 물질에 대한 연구가 활발하게 진행 되고 있지만, 금속-산화물계 물질의 경우 근본 적으로 그 제조 공정상 산소에 의한 다수의 산소 디펙트 형성과 제작 시 쉽게 발생할 수 있는 표면 오염의 문제점을 안고 있으며, 또한 Endurance 및 Retention 등의 신뢰성에 문제를 보이고 있다. 따라서, 이러한 문제점을 근본 적으로 해결하기 위해 새로운 저항 변화 물질에 관한 물질 최적화 연구가 요구 되며, 본 연구진은 다양한 금속-질화물계(Metal-Nitride) 물질을 저항변화 물질로 제안해 연구를 진행 하고 있다. 이전 연구에서, 물질 고유의 우수한 열전도(285 W/($m{\cdot}K$)) 및 절연 특성, 큰 밴드-갭(6.2 eV), 높은 유전율(9)을 가지고 있는 금속-질화물계 박막인 AlN를 저항변화 물질로 이용하여 저항변화 메모리 소자 연구를 진행하였으며, 저전압 고속 동작 특성을 보이는 신뢰성 있는 저항 변화 메모리를 구현하였다. 본 연구에서는 AlN의 큰 밴드-갭 특성을 이용하여 투명 메모리 소자를 구현하기 위한 연구를 진행 하였다. 투과도 실험 결과, 가시광 영역 (380-700 nm)에서 80% 이상의 투과도를 보였으며, 이는 투명 메모리 소자로써의 충분한 가능성을 보여 준다. 또한, I-V 실험에서 전형적인 bipolar 스위칭 특성을 보이며, 스위칭 전압 및 속도는 VSET=3 V/Time=10 ns, VRESET=-2 V/Time=10ns에서 가능하였다. 신뢰성 실험에서, 108번의 endurance 특성 및 105 초의 retention 특성을 보였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.353-353
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• 2013

최근 고밀도 메모리 반도체의 재료와 빠른 응답을 요구하는 나노입자를 이용한 비휘발성 메모리 소자의 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 비휘발성 메모리 소자 중 하나인 저항 변화 메모리 소자는 인가되는 전압에 따라 저항이 급격히 변화하여 적어도 서로 다른 두 저항 상태를 스위칭할 수 있는 물질을 이용하는 소자이다. 따라서 본 연구에서는 화합물 중에서 비휘발성 메모리 장치의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 실리사이드 계열의 바나듐 실리사이드($V_3Si$) 박막을 열처리 과정을 통하여 수 nm 크기의 나노입자로 제작하여, 그래핀을 하부 전극으로 하는 저항 변화 메모리 소자를 제작하였다. p-type (100) 실리콘 기판에 단일층으로 형성되어 있는 그래핀 상에 약 10 nm 두께의 저항 변화층($SiO_2$)을 각각 초고진공 스퍼터링 방법으로 성장시킨 후 $V_3Si$ 나노입자를 제작하기 위해서 $V_3Si$ 금속 박막을 스퍼터링 방법으로 4~6 nm의 두께로 저항 변화층 사이에 증착시켰으며, 급속 열처리 방법으로 질소 분위기에서 $800^{\circ}C$로 5초 동안 열처리하여 $V_3Si$ 나노 입자를 형성하였다. 마지막으로 200 nm 두께의 Pt을 증착하였다. 하부 전극으로 형성되어 있는 그래핀은 라만 분광법을 이용하여 확인하였으며, 제작된 소자의 전기적인 측정은 Agilent E4980A LCR meter, 1-MHz HP4280A와 HP 8166A pulse generator, HP4156A precision semiconductor parameter analyzer을 이용하여 전기적인 특성을 확인하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.05a
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• pp.28.1-28.1
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• 2011

비휘발성 저항 메모리소자인 ReRAM은 간단한 소자구조와 빠른 동작특성을 나타내며 고집적화에 유리하기 때문에 차세대 메모리소자로써 각광받고 있다. 현재, 이성분계 산화물, 페로브스카이트 산화물, 고체 전해질 물질, 유기재료 등을 응용한 저항메모리소자 응용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 ZnO 박막은 이성분계 산화물로써 조성비가 간단하고, 빠른 동작특성을 나타내며, 높은 저항 변화율을 보이기 때문에 ReRAM에 응용 가능한 재료로써 기대되고 있다. 또한 가시광선 영역에서 광학적으로 투명한 특성을 보이기 때문에 투명소자 응용에도 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Metal/Insulator/Metal (Al/ZnO/Al) 구조의 소자를 제작하여 저항 메모리 특성을 평가하였다. Radio frequency (RF) sputter를 이용하여 ZnO 박막을 합성하고 박막의 결정성을 평가하였으며, resistive switching 효과를 관찰하였다. 합성된 박막 내부의 결정성은 메모리 구동 저항에 영향을 주며, 이를 제어하여 신뢰성있는 메모리 효과를 얻을 수 있었다. 특히 박막의 두께를 제어함으로써 구동전압의 변화를 관찰하였으며 소자에 적합한 두께를 평가할 수 있었다. 또한, ZnO 박막 내의 결함에 따른 on/off 저항의 변화를 관찰할 수 있었다. 제작된 저항 메모리소자는 unipolar 특성을 보였으며, 높은 on/off 저항의 차이를 유지하였다. Scanning electron microscope(SEM)을 통해 합성된 박막의 형태를 평가하였고, X-ray diffraction (XRD) 및 transmission electron microscopy (TEM)을 통해 결정성을 평가하였으며, photoluminescence (PL) spectra 분석을 통하여 박막 내부의 결함 정도를 평가하였다. 제작된 소자의 전기적 특성은 HP-4145를 이용하여 측정하고 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.403-404
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• 2013

최근 scaling down의 한계에 부딪힌 DRAM과 Flash Memory를 대체하기 위한 차세대 메모리(Next Generation Memory)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. ITRS (international technology roadmap for semiconductors)에 따르면 PRAM (phase change RAM), RRAM (resistive RAM), STT-MRAM (spin transfer torque magnetic RAM) 등이 차세대 메모리로써 부상하고 있다. 그 중 RRAM은 간단한 구조로 인한 고집적화, 빠른 program/erase 속도 (100~10 ns), 낮은 동작 전압 등의 장점을 갖고 있어 다른 차세대 메모리 중에서도 높은 평가를 받고 있다 [1]. 현재 RRAM은 주로 금속-산화물계(Metal-Oxide) 저항 변화 물질을 기반으로 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 근본적으로 공정 과정에서 산소에 의한 오염으로 인해 수율이 낮은 문제를 갖고 있으며, Endurance 및 Retention 등의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 본 연구진은 산소 오염에 의한 신뢰성 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 다양한 금속-질화물(Metal-Nitride) 기반의 저항 변화 물질을 제안해 연구를 진행하고 있으며, 우수한 열적 안정성($>450^{\circ}C$, 높은 종횡비, Cu 확산 방지 역할, 높은 공정 호환성 [2] 등의 장점을 가진 WN 박막을 저항 변화 물질로 사용하여 저항 변화 메모리를 구현하기 위한 연구를 진행하였다. WN 박막은 RF magnetron sputtering 방법을 사용하여 Ar/$N_2$ 가스를 20/30 sccm, 동작 압력 20 mTorr 조건에서 120 nm 의 두께로 증착하였고, E-beam Evaporation 방법을 통하여 Ti 상부 전극을 100 nm 증착하였다. I-V 실험결과, WN 기반의 RRAM은 양전압에서 SET 동작이 일어나며, 음전압에서 RESET 동작을 하는 bipolar 스위칭 특성을 보였으며, 읽기 전압 0.1 V에서 ~1 order의 저항비를 확보하였다. 신뢰성 분석 결과, $10^3$번의 Endurance 특성 및 $10^5$초의 긴 Retention time을 확보할 수 있었다. 또한, 고저항 상태에서는 Space-charge-limited Conduction, 저저항 상태에서는 Ohmic Conduction의 전도 특성을 보임에 따라 저항 변화 메카니즘이 filamentary conduction model로 확인되었다 [3]. 본 연구에서 개발한 WN 기반의 RRAM은 우수한 저항 변화 특성과 함께 높은 재료적 안정성, 그리고 기존 반도체 공정 호환성이 매우 높은 강점을 갖고 있어 핵심적인 차세대 메모리가 될 것으로 기대된다.

• Journal of the Korea Convergence Society
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• v.11 no.10
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• pp.1-7
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• 2020

The manufacturing process of the resistive variable memory device, which is the based of neuromorphic device, maintained the continuity of vacuum process and applied plasma module suitable for the production of the ReRAM(resistive random access memory) and process technology for the neuromorphic computing, which ensures high integrated and high reliability. The ReRAM device of the oxide thin-film applied to the plasma module was fabricated, and research to improve the properties of the device was conducted through various experiments through changes in materials and process methods. ReRAM device based on TiO₂/TiOx of oxide thin-film using plasma module was completed. Crystallinity measured by XRD rutile, HRS:LRS current value is 2.99 × 10³ ratio or higher, driving voltage was measured using a semiconductor parameter, and it was confirmed that it can be driven at low voltage of 0.3 V or less. It was possible to fabricate a neuromorphic ReRAM device using oxygen gas in a previously developed plasma module, and TiOx thin-films were deposited to confirm performance.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.257-257
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• 2010

최근 저항 변화 메모리는 종래의 비휘발성 기억소자인 Flash memory보다 access time(writing)이 105배 이상 빠르고, DRAM과 같이 2~5 V 이하의 낮은 전압 특성 및 간단한 제조 공정 등으로 차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목 받고 있지만, 여전히 소자의 Endurance 및 Retention 특성 등의 신뢰성 문제를 해결해야 할 과제로 안고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 페로브스카이트계 산화물 또는 이원 산화물 등의 다양한 저항 변화 물질에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 현재 주로 연구되고 있는 금속 산화물계 물질들은 그 제조 공정상 산소에 의한 다수의 산소 디펙트 형성과 제작 시 쉽게 발생할 수 있는 표면 오염의 문제점을 안고 있다. 본 연구는 기존의 금속 산화물계 박막의 제조 공정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 질화물계 박막을 저항변화 물질로 도입함으로써, 기존의 저항 변화 물질의 장점인 간단한 공정 및 저전압/고속 동작 특성을 동일하게 유지 할 뿐 아니라, 그 제조 공정상 발생하는 다수의 산소 디펙트와 표면 오염의 문제를 해결함으로써, 보다 고효율을 가지며 재현성이 우수한 메모리 소자를 구현 하고자 한다 [1, 2]. 본 연구를 위해 Pt/AlN/Pt 구조의 Metal/Insulator/Metal(MIM) 저항 변화 메모리를 제작 하였다. 최적의 저항 변화 특성 조건을 확인하기 위해 70~200nm까지 두께 구분과 N2 가스 분위기의 열처리 온도를 $200{\sim}600^{\circ}C$까지 진행 하였다. 본 소자의 저항 변화 특성 실험은 Keithley 4200-SCS을 이용하여 진행 하였다. 실험 결과, AlN의 최적의 두께 및 열처리 온도 조건은 130nm/$500^{\circ}C$였으며, 안정적인 unipolar 저항 변화 특성을 확인 활 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.70-70
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• 2011

차세대 저항 메모리로 활용 가능한 ZnO 박막의 저항 변화 특성을 평가하였다. ZnO 박막은 Pt/Ti/SiO2/Si 기판 위에 스퍼터링 시스템을 이용하여 약 50nm 두께로 증착되었다. 증착된 박막에 전극을 evaporator를 이용하여 패턴닝 함으로써 전극-반도체-전극 구조의 소자를 만들고 전기적 특성을 평가하였다. 비교적 높은 compliance current (이하Icomp)를 설정한 경우 unipolar 저항 변화특성을 나타낸 데 비해 비교적 낮은 Icomp를 설정한 경우 bipolar 저항 변화특성을 나타내었다. 두 서로 다른 저항 변화 특성은 100cycle 이상 안정적으로 재현성 있게 나타났으며 이때의 저항비는 약 $10^3$ 정도를 나타냈다. 본 결과를 바탕으로 필라멘트 이론에 기초한 저항 변화 메커니즘을 설명하는 모델이 제시되었다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2011.10a
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• pp.15.2-15.2
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• 2011

비휘발성 저항 메모리소자인 resistance random access memory (ReRAM)는 간단한 소자구조와 빠른 동작특성을 나타내며 고집적화에 유리하기 때문에 차세대 메모리소자로써 각광받고 있다. 현재, 이성분계 산화물, 페로브스카이트 산화물, 고체 전해질 물질, 유기재료 등을 응용한 저항 메모리소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 ZnO를 기반으로 하는 amorphous InGaZnO (a-IGZO) 박막은 active layer 로써 박막트랜지스터 적용 시 우수한 전기적 특성을 나타내며, 빠른 동작특성과 높은 저항 변화율을 보이기 때문에 ReRAM 에 응용 가능한 재료로써 기대되고 있다. 또한 가시광선 영역에서 광학적으로 투명한 특성을 보이기 때문에 투명소자로서도 응용이 기대되고 있다. 본 연구에서는 indium tin oxide (ITO) 투명 전극을 적용한 ITO/a-IGZO/ITO 구조의 투명 소자를 제작하여 저항 메모리 특성을 평가하였다. Radio frequency (RF) sputter를 이용하여 IGZO 박막을 합성하고, ITO 전극을 증착하여 투명 저항 메모리소자를 구현하였고, resistive switching 효과를 관찰하였다. 또한, 열처리를 통해 a-IGZO 박막 내의 Oxygen vacancy와 같은 결함의 정도에 따른 on/off 저항의 변화를 관찰할 수 있었다. 제작된 저항 메모리소자는 unipolar resistive switching 특성을 보였으며, 높은 on/off 저항의 차이를 유지하였다. Scanning electron microscope (SEM)을 통해 합성된 박막의 형태를 평가하였고, X-ray diffraction (XRD) 및 transmission electron microscopy (TEM)을 통해 결정성을 평가하였다. 제작된 소자의 전기적 특성은 HP-4145 를 이용하여 측정하고 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.08a
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• pp.379-379
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• 2011

차세대 저항메모리(resistive switching random access memory; ReRAM)의 개발을 위해 다양한 산화 물질들의 저항 변화 특성이 연구되고 있다. 본 연구에서는 저항 변화 물질로 잘 알려진 ZnO 박막을 이용하여 저항 변화 특성을 평가하였다. ZnO 박막은 Pt/Ti/$SiO_2$/Si 기판 위에 스퍼터링 시스템을 이용하여 약 50 nm 두께로 증착되었다. 증착된 박막 위에 전극을 evaporator를 이용하여 패턴닝함으로써 전극-반도체-전극 구조의 소자를 만들고 이의 전기적 특성을 평가하였다. Compliance current를 설정하여 저항 변화 특성을 측정한 결과 가해진 전압의 극성에 관계 없이 저항이 변화하는, dielectric breakdown에 의해 박막내 전도성 필라멘트라 불리는 전도성 길이 생성되었다가 joule-heating에 의해 필라멘트가 파열되는, 전형적인 unipolar 저항 변화특성이 나타났다. 다기능성 소자 개발을 위해 위 소자 구조를 투명한 고분자 기판위에 형성하고 표면에 초발수성 ZnO 나노막대 구조를 합성하였다. 그 결과 투명하면서 유연하고, 수분에도 안정적인 다기능성 저항 변화 소자 특성을 평가할 수 있었다. 본 결과를 바탕으로 필라멘트 이론에 기초한 저항 변화 메커니즘을 설명하는 모델이 제시되었다.