산화물 접합 계면에 존재하는 2차원 전자가스 제어를 이용한 전자 소자 연구

Abstract

데이터 저장을 위해 반도체 메모리 소자가 필요하며 현재 대표적인 메모리 소자는 DRAM과 Nand Flash 메모리가 있다. 하지만 DRAM과 Nand Flash 메모리 모두 스케일링 현상이 심화되면서 이를 극복 및 대체하기 위하여 차세대 비휘발성 메모리 반도체에 관한 관심과 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 DRAM과 Nand Flash 메모리 소자를 대체하기 위해 차세대 비휘발성 메모리 반도체 CBRAM(Conductive Bridge Random Access Memory)이 큰 주목을 받기 시작하였는데 CBRAM은 구리(Cu) 혹은 은(Ag)과 같은 금속 이온의 migration 특성을 기반으로 한 메모리를 가리킨다. 기존에 활발히 연구가 진행된 CBRAM 소자는 대부분 MIM(Metal-Insulator-Metal) 구조로 상부 전극은 구리 혹은 은을 사용하고 하부 전극은 Pt, W, 그리고 TiN과 같은 물질을 채택하여 사용한다. 구리 혹은 은 전극에 전압을 인가하면 금속의 이온화가 발생하고 금속 이온이 하부 전극으로 migration하여 금속성의 전도성 필라멘트를 형성한다. 이를 LRS(Low-resistance state)라고 명명한다. 금속성 전도성 필라멘트는 반대 극성의 전압을 인가하여 붕괴할 수 있으며 이러한 상태는 HRS(High-resistance state)라고 명명한다. 하지만 이런 MIM 구조의 CBRAM은 과도한 금속 필라멘트의 생성 및 붕괴로 인한 신뢰성 저하라는 큰 문제에 직면해있다. 따라서 본 논문에서는 기존 금속 하부 전극을 semiconducting 특성을 보인 이차원 전자 가스(2-dimensional electron gas, 2DEG)로 대체하여 우수한 금속 필라멘트 조절 특성을 보이는 Metal electrode-free의 새로운 CBRAM 소자 구조를 제시한다. 즉, 구리 혹은 은을 상부 전극으로, Al2O3/TiO2 산화물을 ALD 공정으로 증착하여 접합 계면에서 발생하는 2DEG을 하부 전극으로 채택한 신개념 CBRAM 구조를 도입하였다. 주목할 점은, Al2O3 ALD 공정 온도에 따라 2DEG 전자 농도 조절을 통해 Al2O3 내부에 생성되는 금속성 필라멘트의 Retention 여부를 결정할 수 있는데 2DEG 저항이 낮은 영역에서는 금속 필라멘트의 Non-Volatile 특성이 보여 메모리 소자로 응용할 수 있고 2DEG 저항이 높은 영역에서는 금속 필라멘트의 Volatile 특성이 보여 선택 소자(Atomic switch 혹은 selector)로 응용할 수 있다. 구리를 상부 전극으로 채택한 구조에서는 낮은 2DEG 저항 영역에서 CBRAM 특성을 보였으며 50 DC cycling 동안 총 5 Multi-level-states 특성을 구현하여 우수한 Multi level states 특성을 구현하였다. 또한 혁신적인 Recovery 기능을 보여 무한한 Endurance 특성의 가능성을 확인하였다. 높은 2DEG 저항 영역에서는 Volatile 특성의 Atomic switch 소자 특성을 보였으며 SS 값 77 mV/dec 그리고 우수한 Endurance(>107 cycles) 특성을 보였다. 은을 상부 전극으로 채택한 구조에서는 높은 2DEG 저항 영역에서 구리 상부 전극 소자와 비교하여 낮은 문턱전압(<1 V), 매우 낮은 SS 값(<10 mV/dec)의 Atomic switch 소자 특성을 구현하였다. 매우 낮은 SS 값 특성의 Atomic switch 소자를 활용하여 기존 MOSFET의 60 mV/dec 한계값을 극복한 11 mV/dec의 SS 값을 갖는 Super-steep-slope Hyper-FETs 소자 제작에 성공하였고 우수한 Endurance(>107 cycles) 특성을 보였다. 마지막으로 구리, 은 전극 소자의 수십 ns의 switching speed 특성을 확인해 미래 차세대 비휘발성 메모리 소자의 가능성을 증명하였다.