산화물 접합 계면에 존재하는 2차원 전자 기체 제어와 전자 이동도 연구

Abstract

4차 산업 혁명으로 인해 크게 폭증하는 데이터를 빠르고 효율적으로 처리하기 위해 기존 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 빠른 처리속도 특성과 플래시 메모리 비휘발성 특성을 가지는 SCM(Storage Class memory)이 등장했다. 최근에는 기존 메모리 소자 공정의 스케일링 한계를 대비하기 위해 차세대 비휘발성 메모리 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 차세대 비휘발성 메모리에는 대표적으로 RRAM(Resistive Random Access Memory), MRAM(Magnetic Random Access Memory), 그리고 PRAM(Phase Change Random Access Memory)이 있다. 전도성 금속 필라멘트 형성 여부에 따라 고저항일 때를 ‘0’, 저저항일 때를 ‘1’로 구분하는 CBRAM(Conductive Bridge Random Access Memory)소자는 빠른 스위칭 속도와 높은 On/Off current 비율 등의 우수한 특성을 갖는 RRAM의 한 종류이다. 기존 CBRAM의 경우, 하부전극으로 금속을 이용하여 반복 동작 시 과도한 양의 필라멘트 형성 및 분해로 산포 문제가 발생하여 non-uniform한 특성을 가진다. 본 연구는 금속 대신 semiconducting한 특성을 가진 이차원 자유 전자(2-dimensional electron gas, 2DEG)층을 하부전극으로 활용하여 적은 양의 금속 필라멘트가 연결되고 끊어짐으로써 낮은 산포의 연속 동작 특성을 확인했다. 2DEG은 z축 방향으로는 1~2 nm 영역에서 갇혀있지만 x, y축 방향으로는 자유롭게 움직이는 2차원의 전자 층이다. 산화물 접합 계면에 존재하는 2DEG는 단결정 SrTiO3(STO) 기판에 LaAlO3(LAO)를 에피(epitaxial)공정으로 증착시켜 처음으로 구현되었다. 이 때 기존 반도체 접합에 비해 100배가량 높은 고농도의 2차원 전자층 (1013~1014/㎠)으로 주목받았지만, 단결정 기판 사용과 고온 에피공정 사용으로 인해 실제 소자로 응용하는 데 한계점이 있었다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 단결정 기판을 사용하지 않고 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정을 이용해 Al2O3/TiO2 산화물 이종 접합 계면에서 2DEG을 형성함으로써 공정 온도를 낮추고 2차원 전자층의 농도를 제어하고자 하였다. 트랜지스터로의 응용을 위해 2DEG의 mobility를 증가시키는 소재를 발굴하고자 하였다. 2DEG의 mobility는 하부물질의 특성을 따라간다. 따라서, 본 실험에서는 ZnO로 하부물질을 대체하여 ~10cm2/Vs의 mobility를 갖는 2DEG을 구현했다. ZnO기반 2DEG소자는 고성능 thin film transistor에도 활용될 수 있을 것으로 생각된다. ZnO로 대체했을 때에 CBRAM소자 제작 시, 10-4~10-3A의 높은 on current가 나타났고 낮은 산포의 연속 동작 특성을 확인했다.