산소 공공 농도 제어에 따른 다층 비정질 IGZO 멤리스터 특성 = Characteristics of Multilayer Amorphous IGZO Memristors Controlled by Oxygen Vacancy Concentration

국문 초록 (Abstract)

인공지능과 고성능 컴퓨팅 기술의 발전으로 기존 메모리 구조의 한계를 극복할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 가운데 멤리스터는 단순한 구조, 빠른 동작 속도, 저전력 구동 및 높은 집적 가능성으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 a-IGZO를 저 항층으로 사용하는 멤리스터 소자를 제작하고, 산소 유량 조절을 통한 산 소 공공 농도 제어가 저항 변화 특성 및 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였 다. 산소 유량을 변화시켜 a-IGZO를 증착한 결과 XPS 분석에서 산소 유량 이 증가함에 따라 박막 내 산소 공공 성분이 감소하는 경향을 확인하였다. 전기적 특성 분석 결과 10 sccm과 14 sccm 소자는 낮은 초기 저항과 낮은 구동 전압을 보였으나 on/off ratio가 각각 1.9와 1.6으로 낮아 메모리 특성 을 확보하기 어려웠다. 18 sccm과 22 sccm 소자는 각각 192와 224의 높은 on/off ratio를 보여주었으나 반복 동작 중 set-fail과 스위칭 변동 증가가 관찰되어 산소 유량 조절만으로는 신뢰성 높은 소자를 확보하는 데 한계가 있음을 확인하였다. 또한 상부 전극을 Pt로 적용한 결과 Al 전극 소자보다 높은 forming voltage와 저하된 endurance 특성을 보였으며, 이는 Pt의 낮 은 산소 친화도로 인하여 산소 공공 기반 전도 경로 형성이 충분히 이루어 지지 못했기 때문으로 해석된다. Bilayer 구조에서는 Ex-situ 및 In-situ 공 정 차이에 따른 특성을 비교하였고, XPS depth profile 결과 In-situ 소자가 Ex-situ 소자보다 상대적으로 높은 산소 공공 농도를 유지하는 것을 확인 하였다. 계면으로 추정되는 부분의 Al 2p 분석에서는 큰 차이를 보이지 못 했다. 이를 통해 a-IGZO 기반 소자의 특성은 산소 공공 농도뿐만 아니라 전극 계면 반응과 공정 방식에 따른 산소 공공 분포에 의해 복합적으로 결 정됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• II. 이론적 배경 3
• 1. 저항 변화 메모리 소자 (Memristor) 3
• 2. RRAM의 구조 및 동작 원리 7
• 3. 물질에 따른 RRAM의 특성 10
• 4. RRAM의 성능 지표 및 개선 연구 14
• 5. RRAM의 전도 메커니즘 21
• 6. 비정질 IGZO 기반 RRAM 25
• III. 소자 제작 28
• 1. 노광공정 (Photolithography) 28
• 2. 열 증발 증착법 (Thermal evaporation) 31
• 3. 스퍼터링 증착법 (Sputtering) 34
• IV. 실험 결과 38
• 1. RRAM 소자의 신뢰성 확보를 위한 전극 선정 38
• 1.1. 상부 및 하부 전극 선정 38
• 2. 산소 유량에 따른 a-IGZO 박막 특성 분석 43
• 2.1. 산소 유량 변화에 따른 a-IGZO 박막 스퍼터링 증착 43
• 2.2. X선 광전자 분광 분석법을 통한 a-IGZO 표면 분석 45
• 2.2.1. Oxygen 1s peak 분석 45
• 3. a-IGZO 소자의 전기적 특성 48
• 3.1. 저항 및 스위칭 거동 48
• 3.2. 소자의 내구성 및 Set-fail 52
• 3.3. 소자 동작 메커니즘 56
• 3.4. 소자의 Switching Variation 특성 59
• 3.5. 상부 전극 변화에 따른 저항 및 스위칭 거동 63
• 3.6. 상부 전극 변화에 따른 내구성 특성 66
• 4. 공정 차이에 따른 a-IGZO Bilayer 소자 분석 70
• 4.1. 스퍼터링 공정 차이에 따른 a-IGZO bilayer 전기적 특성 70
• 5. 공정 차이에 따른 a-IGZO Bilayer 박막 분석 74
• 5.1. Bilayer 소자의 깊이 프로파일 특성 분석 74
• 5.2. Bilayer 소자의 깊이 프로파일 O 1s peak 분석 77
• 5.3. Bilayer 소자의 깊이 프로파일 Al 2p peak 분석 81
• V. 결론 83
• VI. 참고문헌 85