Pt / Nb 도핑된 SrTiO3 ReRAM 소자의 전기적 특성과 저항변화 메커니즘에 대한 연구

Abstract

현 시대에서 처리할 수 있는 정보의 크기와 그 처리 속도가 더욱더 크게 요구되는데 반해 현재의 저장매체는 그 성능적 한계를 갖고 있다. 이는 물리적, 기술적 한계에 의한 것으로 기존의 메모리 방식이 아닌 새로운 방식의 메모리 소자가 새로이 개발되어야 함을 의미한다. 그에 따라 이미 많은 차세대 메모리 소자가 개발 되고 있다. 그 중 ReRAM은 다른 소자에 비해 빠른 스위칭 속도, 큰 저항의 차이, 낮은 구동전압, 간단한 소자제작에 따른 다양한 응용가능성과 같은 많은 장점으로 인해 특히 연구가 활발히 진행되고 있다. ReRAM은 전압이나 전류와 같은 전기적 자극에 의해 저항이 변하고 이를 메모리 신호로 쓰는 메모리 소자 체제를 말한다. ReRAM은 전기적 자극에 대한 저항변화의 특성에 따라 크게 두 가지로 나뉠 수 있는데 전기자극의 크기에만 저항변화가 의존하는 단발성 저항변화, 전기자극의 극성에 따라 저항변화가 일어나는 양발성 저항변화가 있다. 단발성 저항변화의 경우 주로 박막 내부에 전도성 필라멘트의 형성과 파괴로 설명된다. 그리고 그에 대한 많은 실험적, 직접적 증거가 입증되었다. 양발성 저항변화의 경우 그 소자의 구조나 전기적 특성에 따라 전도성 구조의 형성, 파괴로 설명 될 수도 있거나, 또는 계면 전체에서 저항변화가 일어나는 homogeneous한 현상으로 설명되기도 한다. 소자 계면 전체의 영역에서 일어나는 homogeneous 현상에 대해서는 기존 연구를 통해 많은 저항변화 메커니즘이 제시되었고, 그 대부분이 계면에서의 상태변화를 주된 저항변화의 원인으로 설명하였다. 하지만 계면의 미세구조가 저항변화를 결정하는 가장 큰 요소임에도 불구하고 그 동안 직접적으로 계면에서의 이온 움직임 또는 전자구조에 대해 원자 단위에서 관찰한 연구가 매우 적다. 본 실험에서는 Pt 금속과 Nb doped SrTiO3 단결정 접합 ReRAM소자가 TEM을 통해 미세한 계면을 실험하기 위한 가장 이상적인 모델 시스템이라 생각하였고, 따라서 그에 대한 실험결과를 토대로 homogeneous 양발성 저항변화를 연구하였다. 우선 I-V characteristic으로 저항변화와 retention을 확인하였고, 직접적인 메커니즘의 연구를 위해 계면에서의 TEM, STEM/EELS를 실험하였다. 기존의 논문들에서는 금속과 SrTiO3 단결정 소자의 계면전체에서 homogeneous 저항변화 현상을 보고하였으며 이에 electro-chemical migration, trap/detrap으로 인한 포텐셜 장벽 변화 또는 tunneling current path의 변화를 저항변화의 원인으로 제시하고 있다. 하지만 이러한 메커니즘들은 본 실험의 결과로 설명될 수 없다. 따라서 우리는 실험결과로부터 기존 메커니즘과는 다른 저항변화 메커니즘을 생각해보았다. 그 결과 oxygen vacancy 농도와 Fermi pinning 효과에 따른 포텐셜 장벽 높이의 변화가 가장 타당한 메커니즘임을 제시하였다. 이러한 메커니즘 연구는 저항변화의 현상에 대해 더 자세히 알 수 있도록 도움을 줄 것 이라 생각하는 바이다.