• The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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• v.65 no.8
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• pp.1369-1375
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• 2016

A rapid progress of the next-generation non-volatile memory device has been made in recent years. Metal/insulator/Metal multi-layer structure resistive RAM(ReRAM) has attracted a great deal of attention because it has advantages of simple fabrication, low cost, low power consumption, and low operating voltage. This paper describes the working principle of the ReRAM device, a review of fabrication techniques, and characteristics of flexible ReRAM devices using graphene oxide as an insulating layer and ReRAM devices using multi-layered insulator. The switching characteristics of the above ReRAM devices have been compared. The oxidized graphene could be employed as an insulator of next generation ReRAM devices.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.257-257
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• 2016

최근에 메모리의 초고속화, 고집적화 및 초절전화가 요구되면서 resistive random access memory (ReRAM), ferroelectric RAM (FeRAM), phase change RAM (PRAM)등과 같은 차세대 메모리 기술이 활발히 연구되고 있다. 다양한 메모리 중에서 특히 resistive random access memory (ReRAM)는 빠른 동작 속도, 낮은 동작 전압, 대용량화와 비휘발성 등의 장점을 가진다. ReRAM 소자는 절연막의 저항 스위칭(resistance switching) 현상을 이용하여 동작하기 때문에 SiOx, AlOx, TaOx, ZrOx, NiOx, TiOx, 그리고 HfOx 등과 같은 금속 산화물에 대한 연구들이 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같이 다양한 산화물 중에서 AlOx는 ReRAM의 절연막으로 적용되었을 때, 우수한 저항변화특성과 안정성을 가진다. 하지만, AlOx 박막을 형성하기 위하여 기존에 많이 사용되어지던 PVD (physical vapour deposition) 또는 CVD (chemical vapour deposition) 방법에서는 두께가 균일하고 막질이 우수한 박막을 얻을 수 있지만 고가의 진공장비 사용 및 대면적 공정이 곤란하다는 문제점이 있다. 한편, 용액 공정 방법은 공정과정이 간단하여 경제적이고 대면적화가 가능하며 저온에서 공정이 이루어지는 장점으로 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 sputtering 방법과 용액 공정 방법으로 형성한 AlOx 기반의 ReRAM에서 메모리 특성을 비교 및 평가하였다. 먼저, p-type Si 기판 위에 습식산화를 통하여 SiO2 300 nm를 성장시킨 후, electron beam evaporation으로 하부 전극을 형성하기 위하여 Ti와 Pt를 각각 10 nm와 100 nm의 두께로 증착하였다. 이후, 제작된 AlOx 용액을 spin coating 방법으로 1000 rpm 10 초, 6000 rpm 30 초의 조건으로 증착하였다. Solvent 및 불순물 제거를 위하여 $180^{\circ}C$의 온도에서 10 분 동안 열처리를 진행하였고, 상부 전극을 형성하기 위해 shadow mask를 이용하여 각각 50 nm, 100 nm 두께의 Ti와 Al을 electron beam evaporation 방법으로 증착하였다. 측정 결과, 용액 공정 방법으로 형성한 AlOx 기반의 ReRAM에서는 기존의 sputtering 방법으로 제작된 ReRAM에 비해서 저항 분포가 균일하지는 않았지만, 103 cycle 이상의 우수한 endurance 특성을 나타냈다. 또한, 1 V 내외로 동작 전압이 낮았으며 104 초 동안의 retention 측정에서도 메모리 특성이 일정하게 유지되었다. 결론적으로, 간단한 용액 공정 방법은 ReRAM 소자 제작에 많이 이용될 것으로 기대된다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.29 no.3
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• pp.135-140
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• 2016

In this study, we developed the solution-processed PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM devices to overcome the respective drawbacks of organic and inorganic materials. The performances of PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM were compared to those of PMMA- and $HfO_x$-based ReRAMs. Bipolar resistive switching behavior was observed from these ReRAMs. The PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAMs showed a larger operation voltage margin and memory window than PMMA-based and $HfO_x$-based ReRAMs. The reliability and electrical instability of ReRAMs were remarkably improved by blending the $HfO_x$ into PMMA. An Ohmic conduction path was commonly generated in the LRS (low resistance state). In HRS (high resistance state), the PMMA-based ReRAM showed SCLC (space charge limited conduction). the PMMA-$HfO_x$ hybrid ReRAM and $HfO_x$-based ReRAM revealed the Pool-Frenkel conduction. As a result of flexibility test, serious defects were generated in $HfO_x$ film deposited on PI (polyimide) substrate. On the other hand, the PMMA and PMMA-$HfO_x$ films showed an excellent flexibility without defect generation.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.368.1-368.1
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• 2014

We proposed amorphous GeSe-based ReRAM device of metal-insulator-metal (M-I-M) structure. The operation characteristics of memory device occured unipolar switching characteristics. By introducing the concepts of valance-alternation-pairs (VAPs) and chalcogen vacancies, the unipolar resistive switching operation had been explained. In addition, the current transport behavior were analyzed with space charge effect of VAPs, Schottky emission in metal/GeSe interface and P-F emission by GeSe bulk trap in mind. The GeSe ReRAM device of M-I-M structure indicated the stable memory switching characteristics. Furthermore, excellent stability, endurance and retention characteristics were also verified.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2016.02a
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• pp.255-255
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• 2016

Resistive random access memory (ReRAM)는 낮은 동작 전압, 빠른 동작 속도, 고집적화 등의 장점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리 소자로써 많은 관심을 받고 있다. 최근에 ReRAM 절연막으로 NiOx, TiOx, AlOx TaOx, HfOx와 같은 binary metal oxide 물질들을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, HfOx는 안정적인 동작 특성을 나타낸다는 점에서 ReRAM 절연막 물질로 적합하다고 보고되고 있다. ReRAM 절연막을 형성할 때, 물리 기상 증착 방법 (PVD)이나 화학 기상 증착법 (CVD)과 같은 방법이 많이 이용된다. 이러한 증착 방법들은 고품질의 박막을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만, 높은 온도에서의 공정과 고가의 진공 장비가 이용되기 때문에 경제적인 문제가 있으며, 기판 또는 금속에 플라즈마 손상으로 인한 문제가 발생할 수 있다. 따라서 이러한 문제점들을 개선하기 위해 용액 공정이 많은 관심을 받고 있다. 용액 공정은 공정과정이 간단할 뿐만 아니라 소자의 대면적화가 가능하고 공정온도가 낮으며 고가의 진공장비가 필요하지 않은 장점을 가진다. 따라서 본 연구에서는, 용액공정을 이용하여 HfOx 기반의 ReRAM 제작하였고 $25^{\circ}C$와 $85^{\circ}C$에서 ReRAM의 동작특성에 미치는 compliance current의 영향을 평가하였다. 실험 방법으로는, hafnium chloride (0.1 M)를 2-methoxyethanol에 충분히 용해시켜서 precursor를 제작하였다. 이후, p-type Si 기판 위에 습식산화를 통하여 300 nm 두께의 SiO2 절연층을 성장시킨 후, 하부전극을 형성하기 위해 electron beam evaporation을 이용하여 10/100 nm 두께의 Ti/Pt 전극을 증착하였다. 순차적으로, 제작된 산화물 precursor를 이용하여 Pt 위에 spin coating 방법으로 1000 rpm 10 초, 6000 rpm 30초의 조건으로 두께 35 nm의 HfOx 막을 증착하였다. 최종적으로, solvent 및 불순물을 제거하기 위해 $180^{\circ}C$의 온도에서 10 분 동안 열처리를 진행하였으며, 상부 전극을 형성하기 위해 electron beam evaporation을 이용하여 Ti와 Al을 각각 50 nm, 100 nm의 두께로 증착하였다. ReRAM 동작에서 compliance current가 미치는 영향을 평가하기 위하여 compliance current를 10mA에서 1mA까지 변화시키면서 측정한 결과, $25^{\circ}C$에서는 compliance current의 크기와 상관없이 일정한 메모리 윈도우와 우수한 endurance 특성을 얻는 것을 확인하였다. 한편, $85^{\circ}C$의 고온에서 측정한 경우에는 1mA의 compliance current를 적용하였을 때, $25^{\circ}C$에서 측정된 메모리 윈도우 크기를 비슷하게 유지하면서 더 우수한 endurance 특성을 얻는 것을 확인하였다. 결과적으로, 용액공정 방법으로 제작된 ReRAM을 측정하는데 있어서 compliance current를 줄이면 보다 우수한 endurance 특성을 얻을 수 있으며, ReRAM 소자의 전력소비감소에 효과적이라고 기대된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.181.1-181.1
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• 2015

용액 공정을 이용한 Resistive random access memory (ReRAM)은 간단한 공정 과정, 대면적화, 저렴한 가격 등의 장점으로 인해 큰 관심을 받고 있으며, HfOx, TiOx, AlOx 등의 산화물이 ReRAM 절연 막으로 주로 연구되고 있다. 더 나아가 최근에는 organic 물질을 메모리 소자로 사용한 연구가 보고되고 있다. 이는 경제적이며, wearable 또는 flexible system에 적용이 용이하다. 그럼에도 불구하고, organic 물질을 갖는 메모리 소자는 기존의 산화물 소자에 비해 열에 취약하며 전기적인 특성과 신뢰성이 우수하지 못하다는 단점을 가지고 있다. 이를 위한 방안으로 본 연구에서는 AlOx - polymethylmethacrylate (PMMA) blended thin film ReRAM을 제안하였다. 이는 organic물질의 전기적 특성을 개선시킬 뿐 아니라, inorganic 물질을 wearable 소자에 적용했을 때 발생하는 crack과 같은 기계적 물리적 결함을 해결할 수 있는 새로운 방법이다. 먼저, P-type Si 위에 습식산화를 통하여 SiO2 300 nm 성장시킨 기판을 사용하여 electron beam evaporation으로 10 nm의 Ti, 100 nm의 Pt 층을 차례로 증착하였다. 그리고 PMMA 용액과 AlOx 용액을 초음파를 이용하여 혼합한 뒤, 이 용액을 Pt 하부 전극 상에서 spin coating방법으로 1000 rpm 10초, 5000 rpm 30초의 조건으로 증착하였다. Solvent 및 불순물 제거를 위하여 150, 180, $210^{\circ}C$의 온도로 30 분 동안 열처리를 진행하였고, shadow mask를 이용하여 상부 전극인 Ti를 sputtering 방식으로 100 nm 증착하였다. 150, 180, $210^{\circ}C$로 각각 열처리한 AlOx - PMMA blended ReRAM의 전기적 특성은 HP 4156B semiconductor parameter analyzer를 이용하여 측정하였다. 측정 결과 제작된 소자 전부에서 2 V이하의 낮은 동작전압, 안정된 DC endurance (>150cycles), 102 이상의 높은 on/off ratio를 확인하였고, 그 중 $180^{\circ}C$에서 열처리한 ReRAM은 더 높은 on/off ratio를 갖는 것을 확인하였다. 결론적으로 baking 온도를 최적화하였으며 AlOx - PMMA blended film ReRAM의 우수한 메모리 특성을 확인하였다. AlOx-PMMA blended film ReRAM은 organic과 inorganic의 장점을 갖는 wearable 및 system용 비휘발성 메모리소자에 적용이 가능한 경제적인 기술로 판단된다.

• 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.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.22 no.12
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• pp.1014-1017
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• 2009

In this study, we studied the nature of thin films formed by holographic photodoping chalcogenide thin films with for use in programmable metallization cell devices(PMC), a type of ReRAM. We formatted straight conduction pathway from the internal interferences of the diffraction gratings which is builded by the holographic lithography method. We investigated the resistance change of solid-electrolyte chalcogenide thin films varied in the applied voltage bias direction from about $1\;M{\Omega}$ to several hundreds of $\Omega$. The switching characteristics of the devices applied holographic lithography method was more improved than ultraviolet exposure condition. As a result of improved resistance change effects, we can analogize that the diffraction gratings is a kind of pattern for straight conduction pathway formation inside the chalcogenide thin films.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.27 no.2
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• pp.81-84
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• 2014

The bipolar resistive switching characteristics of resistive random access memory (ReRAM) based on $HfO_2$ thin films have been demonstrated by using Ag/$HfO_2$/Pt structured ReRAM device. MIcrowave irradiation (MWI) treatment at low temperature was employed in device fabrication with $HfO_2$ thin films as a transition layer. Compared to the as-deposited Ag/$HfO_2$/Pt device, highly improved uniformity characteristics of resistance values and operating voltages were obtained from the MWI treatment Ag/$HfO_2$/Pt ReRAM device. In addition, a stable DC endurance (> 100 cycles) and a high data retention (> $10^4$ sec) were achieved.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.27 no.8
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• pp.491-496
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• 2014

The resistive switching characteristics of resistive random access memory (ReRAM) based on amorphous $Ge_{0.5}Se_{0.5}$ thin films have been demonstrated by using Ti/Ag nanocrystals/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structure. Ag nanocrystals (Ag NCs) were spread on the amorphous $Ge_{0.5}Se_{0.5}$ thin film and they played the role of metal ions source. As a result, comparing the conventional Ag/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structure, this Ti/Ag NCs/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt ReRAM device exhibits the highly uniform bipolar resistive switching (BRS) characteristics, such as the operating voltages, and the resistance values. At the same time, a stable DC endurance(> 100 cycles), and the excellent data retention (> $10^4$ sec) properties were found from the Ti/Ag NCs/$Ge_{0.5}Se_{0.5}$/Pt structured ReRAM device.