금속 필라멘트 기반 저항변화 메모리의 스위칭 메커니즘 및 열적 거동 분석
Analysis of Switching Mechanisms and Thermal Behavior in Metal Filament-Based Resistive Switching Memory
- 주제(키워드) 저항변화 메모리 , 시뮬레이션 , Joule heating
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이상운
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036382
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Conductive bridge random access memory （CBRAM） has attracted significant attention as a next-generation nonvolatile memory due to its simple structure, low power consumption, and high scalability. However, the switching characteristics of CBRAM are strongly affected by the formation and rupture of metallic filaments, and the thermal behavior of nanoscale filaments has not been fully understood. In this study, a CBRAM device employing a two-dimensional electron gas （2DEG） formed at the Al2O3/TiO2 interface as a bottom electrode was fabricated and investigated. The electrical properties of the 2DEG were controlled by optimizing the deposition conditions of TiO2 and Al2O3 thin films. The fabricated device exhibited stable bipolar resistive switching characteristics. The switching mechanism was analyzed through electrical measurements and structural characterization. Temperature coefficient of resistance （TCR）, electrode area dependence, and transmission electron microscopy （TEM） analyses confirmed that the resistive switching originated from the formation and rupture of localized Cu metallic filaments. In addition, TEM observations revealed that the filament possessed a cone-shaped geometry due to the trap-based conduction of the 2DEG electrode. To investigate the thermal contribution to the RESET process, thermal RESET experiments using heated H2/N2 gas were performed. The results demonstrated that both the applied voltage and gas flow rate significantly influenced the RESET behavior, indicating the important role of Joule heating in filament rupture.
more초록/요약
전도성 브릿지 메모리（CBRAM）는 RRAM의 종류 중 하나로, 금속 이온의 산화, 환원 반응을 통해 필라멘트의 형성 유무로 저항 상태를 저장하는 소자이 다. CBRAM은 단순한 구조로 인하여 고집적에 유리하고, 낮은 소비전력과 빠 른 스위칭이 가능하다는 장점이 있어 차세대 메모리 소자로 주목받고 있다. 그 러나 반복 동작 시 필라멘트의 불균일한 성장 및 파열이 발생하고, 이는 스위 칭 전압 변화, 고저항 상태의 저항 감소 등 신뢰성 문제로 이어진다는 한계가 있다. 이러한 신뢰성 문제는 스위칭 동작 과정에서 발생하는 열적 거동과 밀접 한 관련이 있는 것으로 알려져 있으나, 필라멘트 파열 과정에 대한 이해는 아 직 부족하다. 본 연구에서는 Al2O3/TiO2 계면에 형성된 2차원 전자 가스（2DEG）를 하부 전극으로 이용한 CBRAM 소자를 제작하고, 금속 필라멘트의 형성 및 열적 스 위칭 메커니즘을 분석하였다. 먼저 온도계수저항（TCR） 측정과 면적 의존성 분 석을 통해 스위칭이 국부적으로 형성된 Cu 금속 필라멘트에 의해 발생함을 검 증하였다. 또한 가열된 수소 가스를 이용한 실험을 통해 필라멘트의 RESET 동작 과정이 Joule heating에 기인한 열 활성화 현상임을 확인하였다. 또한, 전기-열 연성 다중물리 시뮬레이션을 구축하여 소자 내부의 온도 분 포를 분석하였다. 선행 연구에 따르면 Cu 필라멘트는 약 600-700K 이상의 온도에서 ns 수준의 시간 내에 파열될 수 있는 것으로 보고되었으며, 본 연구 에서 도출된 시뮬레이션 결과는 실험적으로 관찰된 0.6V에서의 점진적인 저항 감소 특성과 잘 일치하였다. 본 연구는 2DEG 기반 CBRAM의 필라멘트 전도 특성과 열 활성화 스위칭 메커니즘에 대한 이해를 제공하며, 고신뢰성 차세대 비휘발성 메모리 구조 개 발 가능성을 제시한다.
more목차
제 1 장 서 론 1
제１절 저항변화 메모리 기술 개발 배경 1
제１항 차세대 메모리의 개발 필요성 1
제２항 저항변화 메모리의 동작 원리 2
제３항 CBRAM 의 신뢰성 문제 4
제２절 2DEG 기반 CBRAM 의 도입 배경 6
제１항 2DEG 기반 필라멘트 성장 제어 6
제２항 Al2O3/TiO2 계면 2DEG 특성 7
제 2 장 소자 제작 및 시뮬레이션 방법 8
제１절 2DEG 기반 CBRAM 소자 제작 및 평가 8
제１항 Al2O3/TiO2 계면 2DEG 형성 및 소자 제작 8
제２항 전기적 및 구조적 특성 평가 10
제２절 전기-열 연성 시뮬레이션 11
제１항 시뮬레이션 모델 구축 11
제２항 재료 물성 및 경계 조건 13
제 3 장 실험 결과 및 분석 16
제１절 2DEG 기반 CBRAM 의 스위칭 특성 분석 16
제１항 Al2O3/TiO2 계면 2DEG 특성 분석 16
제２항 금속 필라멘트 형성 검증 18
제３항 열적 파열 기반 스위칭 특성 22
제２절 전기-열 연성 시뮬레이션 기반 열 거동 분석 25
제１항 전기-열 연성 모델 검증 25
제２항 필라멘트 형상에 따른 열 거동 분석 29
제３항 Array 구조에서의 열 안정성 분석 31
제 4 장 결 론 36
References 38
Abstract 42
