전기 메모리 재료에서의 상 변화현상의 분석방법에 관한 연구 = (A)Study on the Analysis Method of Phase Changes in Electrical Memory Materials

국문 초록 (Abstract)

최근 비휘발성 메모리 시장에서 각광 받고 있는 PRAM(Phase Change Random Access Memory)은 비정질과 결정질 상태간에 광학적, 전기적 스위칭 현상을 나타내는 칼코게나이드(chalcogenide)재료를 이용한 것으로 이에 수반한 전기저항도 차이로 정보를 기록/소거/재생하는 기본 작동원리를 갖는다. 정보의 기록(리셋)과 소거(세트)상태는 전기적 기록, 소거동작시 재료의 용융에 이은 비정질화와 결정화과정을 통해 각각 형성되기 때문에, 전기적 재생특성은 상변화 과정의 동력학(kinetics) 및 형성된 상구조와 밀접한 상관관계를 갖게 된다. 따라서, 전기적 동작 상태에서 상변화 특성을 분석할 수 있는 장치를 이용함으로써 이러한 상관관계에 대한 보다 구체적이며 직접적인 이해가 가능해지고 이를 바탕으로 한 고성능의 메모리 재료 및 소자구조의 설계, 개발이 가능하다.
본 연구에서는 이러한 목적을 위해 칼코게나이드 물질의 비정질상과 결정질상이 전기적 물성외에도 광학적으로도 구분가능하다는 사실에 근거하여 고유의 소자 동작 특성평가 기법을 개발하였다. 개발된 특성평가기법은 투명도전 산화물 전극을 채용한 소자구조를 이용하여 전기적 동작을 위한 가열용 전기 펄스에너지 인가시 상변화에 따른 재료의 반사/투과도 변화를 안정화 연속 probe 레이저를 통해 광학적으로 실시간 검출하는 전기-광학적 측정 장치와 함께 기록/소거동작을 통해 형성된 상구조 이미지의 비파괴적 일괄(in-situ) 관찰이 가능한 광학 현미경부를 갖추고 있다. 본 실험의 목적을 위하여 일반 금속 전극 재료를 대신하여 광학적 투명성과 전기적 전도성을 동시에 가지는 투명전극재료인 IZO(indium Zinc Oxide)가 상부전극재료로 사용되었다. 우선 소자에 대한 전기적 특성과 광학적 특성이 측정되었고, 그로 인해 나온 결과들을 광학상수 분석 소프트웨어인 Film Wizard를 통해 상변화 영역에서 발생하는 결정화 현상에 대한 기구(mechanism)를 3가지로 가정하여 시뮬레이션 한 결과들과 연계 시켜 분석 함으로써 실제로 기존에 사용되는 전기적 특성 평가 방법에서는 얻을 수 없는 결정화 기구에 대하여 규명할 수 있었다. 실제로 결정화가 되는 기구에 따라 소거 속도의 차이가 나타나고, 소거 속도를 빠르게 하는 것이 PRAM개발에 있어 가장 중요한 과제라고 본다면 이러한 특성 분석 장치의 개발은 고속 상변화 소자 제작을 위한 상변화재료의 선택에 있어서 유용한 정보를 제공 한다는 점 에서 큰 의의를 가진다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 이 론 4
• 2-1. 전기 스위칭 현상 4
• 2-1-1. 직류 I-V 특성 5
• 2-1-2. 문턱전압과 형성 9
• 2-1-3. 교류 on/off 특성 (pulse test) 12
• 2-2. 상변화재료 (Phase Change Materials) 14
• 2-3. 투명전극 (Transparent Conducting Oxide) 16
• 2-3-1. 투명전극의 일반적 특성 16
• 제 3 장 실 험 18
• 3-1. 투명전극(Transparent Conducting Oxide)의 제반물성 측정용 시편의 제작 18
• 3-1-1. 박막 제작 18
• 3-1-2. 투명전극재료의 특성 측정 19
• 3-2. 투명전극 채용 3층 소자구조의 전기적 스위칭 특성 및 접합특성 측정 20
• 3-2-1. 시편 제작 20
• 3-2-2. 전기적 특성 측정 20
• 3-3. 전기-광학적 특성 분석을 위한 장치 구성 22
• 3-4. 전기-광학적 특성 분석을 위해 제작된 시편과 특성 측정 25
• 3-4-1. 제작된 소자를 이용한 예비 실험 29
• 3-4-2. 전기-광학적 특성 측정 29
• 제 4 장 결과 및 고찰 33
• 4-1. 투명 전극 재료(Transparent Conducting Oxide)의 특성 33
• 4-2. TCO 채용 3층 소자구조에 대한 전기적 스위칭 특성 분석 37
• 4-3. GeSbTe계 화합물재료를 이용한 특성 평가 및 분석 41
• 4-3-1. 전기-광학적 특성 측정결과 및 분석 42
• 제 5 장 결 론 49
• 참 고 문 헌 51