플라즈마 원자층 증착법을 이용한 바나듐옥사이드 박막 제조 및 Ge 도핑을 통한 비휘발성 메모리 특성 연구
The Study of Non-Volatile Memory Properties in Vanadium Oxide Thin Films using PEALD and Ge Doping.
- 주제(키워드) 바나듐옥사이드 , VO2 , Metal-insulator transition (MIT) , Plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) , 비휘발성 메모리
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034644
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
빅데이터, 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI)과 같은 컴퓨팅 기술 발달로 방대한 데이터 처리 및 저장량이 요구되고 있다. 이에 따라 기존의 폰 노이만 구조를 기반으로 한 장 치가 한계에 직면하면서 메모리 반도체 연구의 중요성이 증가하고 있다. 현재의 대표적 인 메모리에는 DRAM과 NAND Flash memory가 있다. 속도가 빠른 DRAM은 결국 휘발 성 특성을 가진다는 제한점과 비휘발성 특성, 집적도 측면 매우 우수한 NAND Flash는 속도가 느리다는 점이 있어 지속적인 Scaling down이 이루어지고 있지만 물리적 한계 에 도달해 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 대체 가능한 차세대 메모리 연구가 필수 적이며 NAND Flash보다 빠르고 비휘발성 특성을 가지는 FeRAM, ReRAM, PRAM 등의 연구가 이루어지고 있다. 그중 ReRAM은 제조 공정이 간단하고, Scaling down 이점과 높은 데이터 저장 밀도와 에너지 효율 특징이 있다. 하지만 일반적인 ReRAM에서의 가 변성과 내구성, 지속된 스위칭 사이클에 따른 산화물 구조 변화 등 해결되어야 할 사항 들이 존재한다. 따라서 더욱 안정적인 저항성 스위칭을 갖춘 재료 연구가 필요하며 이 번 연구는 MIT 급속 스위칭이 가능한 VO2를 적용하고자 한다. 또한 68°C의 MIT 온도 를 가지는 VO2는 CMOS와의 호환성 제한에 따라 도핑 방법을 이용한 MIT 온도 조정 으로 열안정성 향상과 비휘발성 메모리 특성 평가를 통해 차세대 메모리로의 적용 가 능성을 제공하고자 한다. 제1장에서는 PEALD 증착법을 기반으로 TEMAV precursor와 O2 plasma를 이용하여 VOx 10nm 증착과 RTA를 통한 VO2가 지배적인 혼합상의 VOx 박막을 형성함에 따른 MIT 현상을 확인했다. 또한 Si 기판과 ALD precursor의 반응성을 위해 진행한 RIE 처리 가 Si/VOx 계면에 미치는 영향과 ReRAM 수직 구조의 I-V 측정에 나타나는 특성에 대 한 분석을 진행했다. 기판 RIE 처리에 따른 불안정한 Si 산화막 형성과 VOx 증착 과정 에 의한 화학적 반응에 의해 높은 VO2 조성과 Oxygen vacancy를 형성하여 안정적인 급속 스위칭이 가능한 ReRAM bipolar 특성을 확인할 수 있었다. 40cycle DC sweep 측 정을 진행하여 Set 과정의 4.7V 부근 102배 급격한 전류 레벨 스위칭과 -3.5V 부근의 전류 레벨 회복을 보였으며 104s 이상의 Retention time 측정을 통해 우수한 내구성을 확인했다. 제2장에서는 이 VOx 박막의 MIT 온도를 상승시키고자 Ge 도핑 방법을 고안했다. PEALD 기반 VOx 박막에 Sputtering을 이용하여 Ge 1nm를 증착했다. RTA를 이용하여 VO2 조성제어, Ge의 확산과 이에 따른 도핑효과를 통해 MIT 온도를 상승시켰다. 이온 반지름이 다른 두 원자(V, Ge)의 치환에 따라 격자 왜곡이 발생하여 MIT 온도 특성 변 조를 확인하였고 성공적인 80°C의 MIT 온도 확보했다. 또한 40cycle DC sweep 측정을 통해 103배의 우수한 on/off 스위칭이 가능한 ReRAM bipolar 특성과 104s 이상의 Retention time 측정으로 내구성 평가를 진행했다. 따라서 이번 연구의 PEALD 기반의 성공적인 VOx 박막 제작과 도핑 방법을 이용한 특성 향상의 결과는 안정적인 저항성 스위칭 비휘발성 메모리 적용과 차세대 메모리 반도체 응용을 위한 새로운 방향성을 제공한다.
more목차
제1장. 서 론 1
1. 차세대 메모리 반도체 연구의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
2.1. ReRAM 3
2.2. Vanadium dioxide(VO2) 5
2.3. Element doping VO2 7
2.4. Atomic Layer Deposition(ALD) 8
2.5. Sputtering 10
2.6. Reactive Ion Etching(RIE) 11
2.7. Transmission Electron Microscope(TEM) 12
2.8. X-ray Diffraction(XRD) 14
2.9. X-ray Photoelectron Spectroscopy(XPS) 15
2.10. Raman spectroscopy 16
제2장. PEALD 기반 VOx 박막 제조 및 특성 분석 18
1. 서론 18
2. 실험 방법 19
2.1. 기판 준비 19
2.2. VOx deposition using PEALD 19
2.3. Rapid thermal Annealing(RTA) 20
2.4. E-beam Evaporator 21
2.5. Temperature-Resistance measurement 21
2.6. I-V measurement 22
2.7. Retention time 22
3. 실험결과 및 고찰 23
3.1. VOx deposition GPC using PEALD 23
3.2. TEM 24
3.3. GI-XRD 28
3.4. Raman spectroscopy 29
3.5. Temperature-Resistance measurement 31
3.6. I-V measurement 32
3.7. XPS 35
4. 결론 39
제3장. Ge 도핑 VOx 박막 제조 및 특성 분석 41
1. 서론 41
2. 실험 방법 42
2.1. VOx deposition using PEALD 42
2.2. Ge deposition using Sputtering 42
2.3. Rapid thermal Annealing(RTA) 43
2.4. E-beam Evaporator 44
2.5. Temperature-Resistance measurement 44
2.6. I-V measurement 45
2.7. Retention time 46
3. 실험 결과 및 고찰 47
3.1. Ge deposition using Sputtering 47
3.2. TEM 48
3.3. GI-XRD 50
3.4. Raman spectroscopy 52
3.5. Temperature-Resistance measurement 53
3.6. XPS 54
3.7. I-V measurement 56
4. 결론 58
제4장. 결론 59
제5장. 참고 문헌 60
