차세대 비휘발성 메모리를 위한 Cu-Ge-S Mixed Ionic Electronic Conductor 선택 소자의 특성 평가

Abstract

향후 기존의 메모리들의 스케일링에 있어 한계를 맞을 것으로 예상되기 때문에, 이를 대체하고자 Resistive Random Access Memory (RRAM) 또는 Phase Change Random Access Memory (PRAM) 과 같은 차세대 비휘발성 메모리의 연구가 진행되고 있다. 이러한 메모리들은 교차 배열 구조를 통해 소자의 밀도를 비약적으로 상승시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 교차 배열 구조상 선택된 소자의 인접한 소자에서 누설 전류가 발생하는 문제점을 가지고 있다. 따라서 메모리 소자에 정류 특성을 갖는 선택 소자를 직렬 연결하여 누설 전류를 줄이는 것이 필요하다. 선택 소자에는 transistor, diode, Ovonic threshold switching (OTS) 소자, metal-insulator-transition (MIT) 소자, mixed ionic electronic conductor (MIEC) 와 같이 여러 종류가 존재한다. 그 중 IBM 사에서 보고한 Cu가 포함된 MIEC 소자의 경우 다른 선택 소자와 견주어 높은 ON 전류 밀도와 ON/OFF ratio, endurance, backend-of-line (BEOL) 친화성에 많은 장점들을 가지고 있다. MIEC 소자에 전계를 가해주면 Cu+ 이온이 끌려가고 전하를 띄는 Cu vacancy가 acceptor 역할을 하여 hole을 생성시키고 이에 따른 hole 전류가 발생한다. 이러한 MIEC 특성은 박막 내부의 결함 모델에 의해 결정된다. 본 논문에서는 MIEC 물질 중 하나인 Cu8GeS6 박막을 RF magnetron sputtering으로 증착하여 그 전기적 특성을 평가하고자 하였다. 하지만 Cu8GeS6의 조성을 갖는 박막을 증착할 수 없었고, XPS를 통한 화학 결합 분석과 전기적 특성의 관찰을 통해 박막이 Cu, Cu2S, GeS2, GeO2로 이루어져 있음을 알 수 있었다. Cu에 의해 박막은 매우 높은 누설 전류를 갖는 것으로 보이며, negative sweep 동안 Cu가 밀려나가 저항이 높은 Cu2S와 GeS2, GeO2가 누설 전류를 억제하는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 조성의 Cu-Ge-S 삼성분계 박막의 경우 electrochemical metallization (ECM) system에서 찾아볼 수 있다. 따라서 이 박막의 메모리 특성을 확인해보았고 이를 통해 Cu가 전계에 따라 밀려나가고 (RESET) 필라멘트를 형성하는 것 (SET) 을 알 수 있었다. 다음으로 박막에 반복적인 positive sweep을 수행하면 I-V curve에 독특한 hump가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 hump는 MIEC 고유의 지수 함수적 I-V를 갖는 것으로 보아 Cu2S에 의한 mixed conducting한 특성을 보이는 것으로 생각된다.