비소(As)를 포함하지 않는 오보닉 문턱 스위치(Ovonic Threshold Switch) 선택 소자 개발을 위한 칼코지나이드 기반 신물질 연구

Abstract

최근 3D crossbar array 구조를 기반으로 하는 PcRAM 등의 뉴-메모리가 기존의 NAND Flash를 대표로 하는 실리콘 계열의 전통적 비휘발성 메모리를 대체할 방법으로 제시되면서 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 3D crossbar array 는 높은 집적도와 2-terminal 구조에서 오는 효율성에도 불구하고, 각 셀(Cell) 간에서 발생하는 누설전류와 이것이 읽기(Reading) 과정에 미치는 노이즈 및 이로 인한 읽기 실패 문제로 인해 실제 구현에 어려움을 겪고 있다. 이에 대한 해결책으로 제시되는 것이 선택소자(Selector)인데, 선택소자에는 다양한 종류와 각각의 특성이 있으나 현재의 PcRAM 기반 3D crossbar array 소자에 가장 알맞은 형태는 오보닉 문턱 스위치 (OTS : Ovonic Threshold Switch) 효과를 이용하는 OTS 소자이다. OTS 소자는 높은 선택비에 더불어 높은 전류밀도와 고속동작을 보장하기 때문에 순간적인 고출력을 요구하는 PcRAM에 적용하기에 매우 적절하다. 이러한 수요에 맞추어 개발되고 발표된 대표적인 물질 중 하나가 As-Ge-Te-Si-N 의 5원소 물질인데, 이러한 물질들의 경우 비교적 전류 밀도가 충분치 않고 5원소 이상으로 물질 조성이 복잡하며 독성이 강한 비소(As)를 포함하기 때문에 완성된 소자로 구현되기에는 부족함이 있다. 이 때문에 연구자는 최초 설계단계에 있어서 고선택비, 고전류밀도, 고속동작을 달성하면서도 비소를 포함하지 않는 소자를 고려하였으며, 결론적으로 Ga-N-Sb-Te (GNST) 를 조합하여 최초에 목적한 바를 달성하였다. 본 연구는 (1) 기본 물질 선정 및 합성단계 (2) 최적화 단계에 걸쳐 진행되었으며 이 과정에서 비정질 기반 OTS 소자에 있어서의 구동 원리에 대한 독자적인 고찰이 수행되었다. 첫 번째 단계에서는 기반 물질인 텔러륨화 안티모니(Sb2Te3)에 질화 갈륨(GaN)을 합성하고 그 전기적 광학적 특성을 분석하였다. 이 연구에서 질화 갈륨(GaN)의 함량에 따른 밴드 갭의 변화와 전기적 특성의 변화가 관찰되었고, 소자 특성을 유지할 수 있는 조성의 경계값이 확인되었다. 두 번째 단계에서는 본 연구에서 사용한 동시 스퍼터링 (Co-Sputtering) 방법 중 공정 시의 질소 유량을 조절하여 최적 조건을 찾아내는 연구와, 전극을 텅스텐(W), 금(Au)으로 교체하여 소자 특성의 최적 조건을 확인하는 연구, 마지막으로 전극과 스위치 물질 사이에 탄소층을 증착하여 소자 성능을 꾀하는 연구를 진행하였다. 마지막으로, 첫 번째 단계의 연구와 두 번째 단계의 연구를 분석하는 과정에서 연구자는 기존에 발표된 Anderson Localization 혹은 D. Ielmini의 Poole-Frenkel emission과는 차별화 되는 독자적인 모델을 구현하였다. 이 모델은 비록 수리화에는 도달하지 못하였으나 정성적으로는 설명 될 수 있으며, 소자의 발열과 열전도도를 분석의 기반으로 삼는다.