Ge-Sb-Te 박막의 저항 변화 현상에 관한 연구

Abstract

통칭 GST 라 불리는 Ge, Sb, Te 의 삼성분계 화합물은 상변화 메모리의 기록층에 사용되는 물질로 가장 널리 알려진 칼코제나이드 계열 물질이다. GST 를 이용한 상변화 메모리는 그 우수한 동작 특성 및 축소화 한계에 영향을 받지 않는 고집적 기억 소자로서의 가능성 등의 장점으로 가장 주목받는 차세대 메모리 중 하나이지만, RESET 과정에 필요한 높은 전력 소모량 등의 단점 역시 가지고 있다. 최근, 상변화를 수반하지 않는 GST 에서의 저항 변화 현상이 보고되어, 이러한 단점들을 극복할 수 있는 새로운 가능성이 제시되고 있다. 본 연구에서는 GST 의 상변화를 수반하지 않는 양극성 저항 변화 거동 특성에 대해 살펴보고, 이러한 저항 변화 현상의 메커니즘을 제시하였다. 다양한 전극 면적을 갖는 크로스바 형태의 Ti/Ge2Sb2Tex/Pt (x=5 or 7) 소자를 제작하여 GST 에서의 양극성 저항 변화 거동 및 그 특성에 대해 평가하였다. 특히 Te 함량이 높은 Ge2Sb2Te7 조성을 통해 과량의 Te 이 소자 구동에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하였다. 제작된 두 소자에서는 모두 저항비(RHRS/RLRS)가 매우 높은 전형적인 양극성 저항 변화 거동이 관찰된 반면, 단극성 저항 변화 거동은 나타나지 않았다. 또한 두 조성 모두 동일한 저항 변화 특성을 나타냈으나, Te 조성이 증가함에 따라 electroforming 과정에서 필요한 전압이 감소하는 경향을 나타내었다. 고저항상태의 저항은 전극 면적 의존성을 나타내지 않는 반면 저저항상태의 저항은 전극 면적 의존성을 나타내었고, 이를 통해 저항 변화가 전도성 필라멘트의 생성과 소멸에 의한 현상임을 밝힐 수 있었다. 또한 소자는 저저항상태서 온도가 증가함에 따라 전도도가 증가하는 반도체적인 특성(dσ/dT>0)을 나타내었는데, 이를 통해 생성된 전도성 필라멘트가 반도체 물질로 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과와 더불어 온도의존성을 통한 전도의 활성화 에너지 계산 등을 통하여 GST 에서의 양극성 저항 변화 거동이 강한 전계 아래서의 Te 원자들의 이동에 의한 전도성 필라멘트의 생성과 소멸에 의한 현상임을 제시하였으며, HRTEM 분석을 통해 제시된 메커니즘의 타당성을 다시 한 번 검증하였다.