전계 집중형 소자 공학 및 TiO2 이종접합 구조를 이용한 NbO2 IMT 셀렉터 소자의 특성 활성화 및 최적화 연구
Activation and Optimization of NbO2 IMT Selector Devices using Field-Concentration Engineering and TiO2 Heterojunction Structure
- 주제(키워드) 1S1R
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 공학대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035949
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구는 초고밀도 교차점 배열(Crossbar Array) 기반 차세대 비휘발성 메모리(NVM)의 필수 요소인 1S1R (One-Selector One-Resistor) 구조의 성능 최적화를 목표로, 이산화니오븀(NbO2)을 활성층으로 사용하는 절연체-금속 전이(Insulator – Metal Trasition, IMT) 기반 셀렉터 소자 연구를 수행하였다. NbO2는 고속 스위칭과 높은 Ion/Ioff 비를 제공하는 유망한 물질이나, 박막 증착 시 안정한 Nb2O5와 준안정상(metastable phase)인 NbO2가 혼합된 NbOX 상태로 형성되어 원하는 IMT 특성이 발현되기 어렵다는 근본적인 한계가 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 전계 집중형(FieldConcentration) MIM (Metal-Insulator-Metal) 소자 구조를 독창적으로 설계 및 제작하였다. 마이크로미터(um) 스케일의 전극을 패터닝함으로써 국소적으로 강한 전계(Local Electric Field)를 유발하였고, 이 강한 전계는 NbOX 박막 내에서 산소 이온의 재분배(Oxygen Redistribution) 과정을 촉진하고 결함 형성을 유도하여 국소적으로 NbO2준안정상의 조성비를 높이는 역할을 수행하였다. 그 결과, 일반적인 평면 소자 구조에서 관찰이 어려웠던 NbOX 혼합상 박막임에도 불구하고 재현성이 높고 명확한 IMT 소자의 Threshold Switching(TS) 거동을 성공적으로 구현할 수 있었다. 나아가 NbO2 기반 셀렉터의 고질적인 문제인 OFF State 에서의 높은 누설 전류(High Leakage Current)를 효과적으로 저감시키기 위해, TiO2 유전체 층을 삽입한 이종접합(Heterojunction) 구조를 제안하였다. 삽입된 TiO2 층은 소자 작동 시 전도성 필라멘트(Conductive Filament)의 형성을 용이하게 하여 IMT 스위칭의 안정성을 확보하는 동시에, 높은 절연 특성으로 인해 OFF 전류를 수십 배 이상 효과적으로 감소시키는 것을 확인하였다. 본 연구는 전계 집중형 소자 공학과 이종 접합 구조 설계라는 두 가지 혁신적인 전략을 통해 준안정상 물질인 NbO2의 잠재적 IMT 특성을 성공적으로 활성화하고, OFF 전류 최적화를 통해 NbO2 셀렉터 소자의 실질적인 상업적 응용 가능성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 입증하였다.
more목차
제 1 장 서 론 1
1. 1S1R 소자의 필요성 1
2. 이론적 배경 3
2.1 차세대 반도체 기술의 동향 3
2.1.1 IMT Characteristics and Materials Types 4
2.1.2 Importance of Selector (1S1R) 6
2.1.3 Niobium Dioxide(NbO2) 7
2.2 RF-magnetron Sputtering 9
2.3 Photo lithography 11
2.4 Rapid Thermal Annealing (RTA) 13
2.5 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 15
2.6 Transmission Electron Microscopy (TEM) 16
2.7 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) 18
제 2 장 RF Sputtering 기반 NbO2 박막 제조 및 특성 분석 19
1. 서 론 19
2. 실험 방법 21
2.1 RF-Magnetron Sputtering. 21
2.2 Photo lithography. 22
2.3 Active Film Deposition(by sputtering) 23
2.4 Lift Off 24
3. 실험 결과 및 고찰 25
3.1. XPS 25
3.2. AFM 27
3.3. I-V Measurement 29
3.4. AC Measurement, Endurance Test 34
3.5. TEM- EDS 36
3.6. FEM 38
4. 결 론 40
제 3 장 TiO2 Interalyer 삽입을 통한 Off – Current 저감 및 수율 향상 42
1. 서론 42
2. 실험 방법 44
2.1. RF-Magnetron Sputtering 44
2.2. Rapid Thermal Annealing (RTA) 44
3. 실험 결과 및 고찰 45
3.1. Electrical Measurement 45
3.1. PF – Emission Model 48
4. 결 론 51
제 4 장 결 론 53
Reference 54
