원자층 증착법 기반의 Vanadium oxide 박막 제조 및 비휘발성 메모리 특성 평가 연구

Abstract

4차 산업 혁명으로 IoT, 빅데이터, 인공지능, 자율 주행 등의 기술이 발달하고 있으며 전자 기기의 정보 처리량이 증가함에 따라, 메모리 반도체의 중요성은 나날이 증가하고 있다. 현재 대표적인 메모리 반도체는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), NAND Flash로 DRAM은 고속 연산의 휘발성 메모리, NAND Flash는 반영구적인 데이터 저장 역할을 하는 비휘발성 메모리이다. 하지만 두 소자 모두 현재 Scaling down이 지속해서 이루어지는 가운데 측정할 수 있는 전압 차와 전하량을 유지하기 위해서는 물리적으로 제약이 있다. 이를 극복하고자 지속적인 Scaling down과 더불어 차세대 메모리에 대한 연구가 이루어지고 있다. 현재 연구 중인 차세대 메모리는 FRAM, MRAM, PRAM, ReRAM 등이 있다. 그 중, 저항 변화 메모리(ReRAM; Resistive Switching RAM)는 간단한 구조를 기반으로 수직 형태로 되어있어 Scaling 측면과 적층 구조 제작이 가능하다는 점에서 차세대 메모리로서 경쟁력을 가지고 있다. 이번 연구는 ALD 장비를 이용한 대표적인 전이 금속 산화물 VO2 기반의 혼합 상의 vanadium oxide 박막을 제작하여 비휘발성 메모리 특성 평가를 진행했다. 다양한 조성으로 존재하는 vanadium oxide 중 바나듐과 산소가 1 : 2 비율로 존재하는 VO2는 금속 절연체 전이(MIT; Metal Insulator Transition)현상이 68℃ 즉, 상온 근처에서 발생하여 많은 연구가 이루어지고 있다. MIT란 외부로부터 열적, 전기적, 광학적 등의 에너지가 가해지면 절연체에서 금속으로 가역적인 상전이가 발생하는 현상을 의미한다. vanadium oxide는 바나듐과 산소가 다양한 비율로 존재하기 때문에 조성 제어 및 균일한 박막의 성장이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 이 논문에서는 균일한 vanadium oxide 박막을 제작하기 위한 해결책과 비휘발성 메모리 특성 평가를 통해 차세대 메모리 소자로서 응용 가능성을 보여준다. 첫째로, ALD(Atomic Layer Deposition) 기법을 이용하여 균일한 박막을 증착하고 후속 열처리를 통해 결정화 및 화학적 조성을 제어한 뒤 특성 평가를 진행했다. 열처리를 진행하기 전에는 VO2의 특성이 나타나지 않지만, 열처리를 진행한 뒤에는 온도 경향성, 구조적 특성 및 전기적 특성 분석 시 VO2의 특성이 나타나는 결과를 확인했다. 이를 통해 ALD를 이용하여 균일한 vanadium oxide 박막 제작에 성공했다. 마지막으로, Si/VOx 소자의 비휘발성 메모리 응용 가능성을 확인하기 위해 수직 구조로 전기적 특성 평가를 진행했다. +1.6V에서 급격한 전류 레벨이 증가한 뒤 0V로 감소하는 동안에도 전류 레벨이 회복되지 않다가 -1.6V에서 원래 상이 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 ReRAM의 Bipolar 특성을 나타내며 DC Sweep, AC pulse 및 Retention time 측정을 진행하여 내구성 및 신뢰성 확보를 진행했고, 차세대 메모리 반도체인 ReRAM으로서의 가능성을 보여주었다. 기술의 발전으로 차세대 메모리 반도체를 통해 고성능 ∙ 고용량 ∙ 저전력의 동시 구현이 가능한 소자 개발은 필수적인 상황이다. 본 논문에서는 ALD 기반의 균일한 대면적의 vanadium oxide 박막 제작에 대한 가능성과 다양한 차세대 메모리 중 ReRAM의 새로운 소재로서 가능성을 보여주었다. 이 결과가 차세대 메모리 소자의 개발에 있어 새로운 초석을 제공해줄 것이라 기대한다.