The recent semiconductor industry has investigated a high speed, low power consumption, high density memory devices which can retain its information without the power supply. ReRAM is one of the most attractive candidates to alternate conventional flash memory devices because of simple metal-insulator-metal structure which can guarantee the convenient fabrication and good scalability. Therefore, we focused on the development of novel capacitor for ReRAM application based on new compositions, Nb-doping and Combinatorial method.
The reversible resistance switching behavior of the BaTiO3 thin film with Pt electrodes was investigated. Pt/BaTiO3/Pt device showed the typical bipolar resistance switching behavior with the narrow distribution of SET voltages. The resistance differences between HRS and LRS were clearly identified by the HRS/LRS resistance ratio and the HRS/LRS resistance ratio was over 1000 at early cycle. It was confirmed that the reversible process of creation/elimination for the conductive paths occurred during ReRAM operation.
Nb-doped Ba0.7Sr0.3TiO3 thin film was synthesized by RF-magnetron sputtering and was characterized to ob-serve Nb doping effect for ReRAM properties. The reversible bipolar resistance switching behaviors were observed in both undoped Ba0.7Sr0.3TiO3 and Nb-doped Ba0.7Sr0.3TiO3 and the degree of hysteretic window change of I-V curve was reduced by Nb doping. Nb-doped Ba0.7Sr0.3TiO3 showed the excellent ReRAM prop-erties such as narrow SET voltage distribution, fast operation speed, stable endurance properties comparing with undoped Ba0.7Sr0.3TiO3. The oxygen migration induced by external electrical stress was evidently in-creased by Nb doping and it was verified by the increase of the non-lattice oxygen inside Ba0.7Sr0.3TiO3 layer by Nb doping.
Resistive switching characteristics of ZnO were investigated with Al doping and the various annealing temperatures. The increasing trends for the operation voltage and the resistances of HRS and LRS in both undoped and Al-doped ZnO were produced according to the increase of annealing temperature. Al doping was influenced the uniformity of the resistance switching behaviors. Especially, Al-doped ZnO annealed at 550 °C showed the uniform I-V characteristics with the narrow distribution of SET/RESET voltages. In this film, SET voltage distributed in the range of -3.2 V to -3.6 V and RESET voltage distributed in the range of +2.6 V to 3.0V, respectively. Al-doped ZnO annealed at 550 °C were the values of HRS/LRS ratio about ~ 25 and the HRS and LRS were maintained till 100th cycles, indicating the suitable stability for ReRAM application.
Nb-doped SrTiO3-SrZrO3 system was investigated to search the optimum composition for ReRAM ap-plication by Combinatorial method. This combinatorial library in which the compositional gradient for three component, Nb, SrTiO3, and SrZrO3 was attained was fabricated by multi-target sputtering system. The com-positional and structural analysis with WDS and XRD for the combinatorial library verified that the linear compositional spread was embodied. The I-V characteristics measurements were performed for 100 spots in this combinatorial library with - 5 V forming voltage and the superior region for device yield above 60% was formed in Ti-rich region (Ti:Zr atomic ratio > 1.2, predicted value) with Nb doping (Nb at.% > 0.67, predicted value).
최근의 반도체 산업에 있어서 빠른 구동 속도, 낮은 구동 전압, 높은 집적도를 가지는 새로운 비휘발성 메모리 개발의 중요성이 증가하고 있다. 그 중에서 저항성 메모리는 기존의 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 대체 메모리 중 하나로 각광받고 있으며, 이러한 저항성 메모리는 기존의 메모리에 비해 단순한 구조로 인한 제작의 편리성과 우수한 집적성을 가지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 새로운 조성, Nb의 도핑, 그리고 조합화학기법을 이용한 새로운 저항성 메모리 정보 저장 물질 개발에 초점을 맞추었다.
페로브스카이트 산화물 중 하나인 BaTiO3를 이용하여 Pt/BaTiO3/Pt 구조를 제작하고 이에 대한 저항성 메모리 특성평가를 수행하였다. Pt/BaTiO3/Pt 구조는 가역적인bipolar 저항 변화 특성을 보였으며, 우수한 SET 산포를 보이는 것으로 관찰되었다. 반복적인 싸이클 특성 실험을 통해서 고전압 상태와 저전압 상태가 외부의 전압 없이 유지되는 것을 관찰하였으며, 60 번째 싸이클 미만에서 약 1000 배 정도의 고전압/저전압 저항비를 가지는 것으로 측정되었다. 서로 다른 저항 상태 변화 시에 일어나는 내부전기 특성을 관찰하기 위하여 C-AFM이용한 표면 누설 전류 분석을 수행하였다. BaTiO3 박막 내부의 저항 상태 변화 시에 국부적인 전류 통로의 생성과 소멸이 반복되는 것을 확인하였으며, 이러한 전류 통로의 생성 및 소멸이 저항성 메모리 구동 시 고전압-저전압 상태 간의 변이의 근거로 판단하였다.
RF 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Nb가 도핑된 Ba0.7Sr0.3TiO3 박막 샘플을 제작하였고 Nb 도핑에 의한 저항성 메모리 특성 변화 연구를 수행하였다. Nb가 도핑된 Ba0.7Sr0.3TiO3 와 도핑되지 않은 Ba0.7Sr0.3TiO3 박막 샘플 모두 가역적인 bipolar 저항 변화 특성을 보였으나 Nb 도핑을 수행한 경우 전기 특성의 균일도가 향상됨을 I-V 이력 그래프 변화 정도를 통해 관찰하였다. Ba0.7Sr0.3TiO3 박막에 대한 Nb 도핑은 SET 전압 분포 균일성, 구동 속도 및 내구성 등을 향상시키는 효과가 있는 것으로 관찰되었다. 저항성 메모리의 저항 상태 변화 시에 산소 정공의 이동이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으므로 이에 주목하였다. 외부 전압에 의한 산소 이동의 증거가 되는 비격자 산소의 존재를 XPS를 통하여 확인하였으며, Nb 도핑을 통하여 외부 전압 하에서의 비격자 산소의 양이 증가 하는 것을 관찰하였다.
Al 도핑과 후열처리 온도에 따른 ZnO의 저항성 메모리 특성 변화 연구를 수행하였다. Al 도핑한 ZnO와 도핑되지 않은 ZnO 모두에서 열처리 온도 증가에 따라 구동 전압 및 고저항/저저항 상태의 저항이 증가하는 경향이 관찰되었다. 이러한 경향성은 열처리 온도에 따른 산소 정공 농도의 감소가 일어나기 때문이다. Al의 도핑은 저항성 메모리 특성의 균일성을 개선하는 것으로 관찰되었다. 특히 550 °C 에서 열처리한 Al 도핑된 ZnO의 경우, SET/RESET 전압의 산포에 대하여 SET 전압은 -3.2 V 에서 -3.6 V 범위 이내에서, 그리고 RESET 전압은 +2.6 V 에서 3.0V 범위 내에 위치함을 확인하였으며 100 번째 I-V 싸이클까지 고저항/저저항 저항비가 25배 정도의 값을 유지하면서 지속됨을 확인하였다.
조합화학기법을 이용하여 Nb가 도핑된SrTi1-xZrxO3 박막 필름을 제작하고 필름 내부의 Ti, Zr함량 및 Nb 도핑 함량을 변화시켜 저항성 메모리 특성에 대한 조성 최적화 작업을 수행하였다. WDS와 XRD를 이용한 조성 및 구조 분석을 통하여 박막 필름의 내부 농도 구배가 선형적으로 이루어져있음을 확인하였다. 조합화학 샘플 내부에 합성된 100개의 서로 다른 조성에 대하여 - 5 V의 Forming 전압을 인가한 후 I-V 이력 특성을 관찰하였으며, 장치 수율 값을 60 % 이상으로 가지는 영역은 Ti:Zr 비가 1.2 이상이며, Nb의 도핑 농도가 0.67 at.% 이상인 영역에 존재하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 새로운 조성, Nb 도핑, 그리고 조합화학 기법을 이용하여 다양한 산화물의 저항성 메모리 특성 평가를 수행하였다. 도핑에 따른 저항성 메모리 특성 균일도 증가 및 저항성 메모리 구동 시 박막 내부의 산소 이동을 규명하였다. 또한 조합화학기법을 저항성 메모리 조성 최적화에 적용시켜 조성에 따른 저항성 메모리 특성의 경향성을 분석하고 최적의 특성을 가지는 조성 영역을 발견하였다.
