차세대 비휘발성 메모리를 위한 Te-SiN 박막 기반 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 있는데, 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 본 연구에서는 이종호 박사와 박지운 박사가 보고한 OTS 소자에 대해서 연구하였다. 두 소자 모두 matrix 내에 Te이 혼합되어 있는 구조로 이루어져 있고, TS 거동이 잘 일어났기에 박막에서 Te이 중요한 역할을 하는 것으로 생각이 되어 Oxide matrix가 아닌, 다른 matrix에도 적용해 보고자 Silicon nitride matrix에 Te을 doping한 Te:SiN 박막을 제작하여 TS 거동을 확인해보았다. Te:SiN 박막을 magnetron sputtering으로 증착하여 그 전기적 특성을 평가하고자 하였다. 결론적으로, TS 거동이 확보되었는데 이는 전계를 가해주면 Te cluster 사이로 비정질 Te filament가 형성이 됨에 따라 TS 거동이 일어나는 것이라 생각되었다. 또한, 실험 진행 중에 본래 oxide matrix가 아닌 silicon nitride matrix에서도 TS 거동을 확보하고자 하였는데, 결론적으로 TS 거동은 안정적으로 확보가 되었다. 이 안정적인 TS 거동에 가장 핵심적인 역할을 한 것은 Nitrogen인데, 이 Nitrogen이 Si과 결합하면서 Te의 결정립 성장을 억제하고 비정질 상태로 존재하게 하였다. 이에 따라 안정적인 TS 거동을 얻어낼 수 있게 되었다. TS 거동에서 Forming이 존재하는 것으로 보아, Te이 군데군데 비정질 상태로 분포되어 존재하고 있고, 이 Te들이 모여 filament로 형성되는 과정이 있다는 것을 유추해볼 수 있었다.