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표제지

목차

국문 요지 10

제1장 서론 12

제2장 이론적 배경 14

2.1. 선택소자 14

2.1.1. 선택소자의 필요성 14

2.1.2. 선택소자의 조건 16

2.1.3. 선택소자의 종류 16

2.2. 비정질 산화물 반도체 25

2.2.1. a-IGZO의 전자 구조 27

2.2.2. a-IGZO 물질 내 산소 및 산소 공공 29

2.3. 분석 장비 31

2.3.1. Atomic Force Microscopy (AFM) 분석 원리 31

2.3.2. Photoluminescence (PL) 분석 원리 33

2.3.3. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 분석 원리 35

제3장 실험방법 38

3.1. 시편 제작 38

3.1.1. a-IGZO/SiO₂ 선택소자 제작 38

3.1.2. 분석 시편 제작 42

3.2. 전기적 특성 평가 43

3.3. 분석 방법 44

3.3.1. AFM 분석 44

3.3.2. PL 분석 44

3.3.3. XPS 분석 45

제4장 결과 및 고찰 46

4.1. a-IGZO 증착 시 산소 분압에 따른 전기적 특성 평가 46

4.2. 산소 분압에 따른 전기적 특성 변화 원인 분석 51

4.2.1. AFM 분석을 활용한 a-IGZO 박막의 표면 거칠기 변화 51

4.2.2. PL 분석을 활용한 a-IGZO 박막의 결함 변화 53

4.2.3. XPS 분석을 활용한 a-IGZO 박막의 산소 공공 농도 변화 55

4.3. a-IGZO 증착 시 증착 파워에 따른 전기적 특성 평가 58

4.4. 증착 파워에 따른 전기적 특성 변화 원인 분석 61

4.4.1. AFM 분석을 활용한 a-IGZO 박막의 표면 거칠기 변화 61

4.4.2. XPS 분석을 활용한 a-IGZO 박막의 산소 공공 농도 변화 63

제5장 결론 65

참고문헌 67

ABSTRACT 72

표목차

Table 4-1. Electrical properties of a-IGZO/SiO₂ selector varying Ar:O₂... 50

Table 4-2. Electrical properties of a-IGZO/SiO₂ selector varying RF... 60

그림목차

Fig. 2-1. (a) Generalized cross bar memory structure whose one bit cell... 15

Fig. 2-2. Energy band diagrams for an isolated n-type and p-type... 18

Fig. 2-3. Formation of Schottky barrier from metal and semiconductor (a)... 20

Fig. 2-4. I-V characteristic of an OTS. 22

Fig. 2-5. I-V characteristics of MIEC selector. 24

Fig. 2-6. Structures of (a) crystalline IGZO and (b) amorphous IGZO 26

Fig. 2-7. Schematic electronic structures of (a) silicon and (b) ionic... 28

Fig. 2-8. Local coordination structures of some oxygen deficiencies 30

Fig. 2-9. Principle of atomic force spectroscopy measured in photodiode... 32

Fig. 2-10. Principle of photoluminescence spectroscopy. 34

Fig. 2-11. Principle of X-ray photoelectron spectroscopy by which... 37

Fig. 3-1. The schematic of a-IGZO/SiO₂ selector. 41

Fig. 4-1. The electrical characteristics of a-IGZO/SiO₂ selector... 48

Fig. 4-2. The comparison of the SS and Von in the a-IGZO/SiO₂ selector... 49

Fig. 4-3. The AFM images of a-IGZO thin film deposition at different... 52

Fig. 4-4. RT PL spectra of a-IGZO thin film deposited with different... 54

Fig. 4-5. XPS O1s chemical state of a-IGZO thin film deposited at the... 56

Fig. 4-6. Schematic of movement of negatively charged oxygen by... 57

Fig. 4-7. The electrical characteristics of a-IGZO/SiO₂ selector... 59

Fig. 4-8. The AFM images of a-IGZO thin film deposition at different RF... 62

Fig. 4-9. XPS O1s chemical state of a-IGZO thin film deposited at the RF... 64

초록보기

 최근 인공지능, 사물인터넷, 스마트 자동차, 가상현실 등이 연구 개발됨에 따라 이러한 기기에 들어가는 주변 소자 중 하나인 메모리의 전력소모, 크기 등의 성능 향상에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이 중에서도 phase change random access memory (PRAM) 은 차세대 반도체 메모리 중 하나로 많은 연구개발이 되고 있으며, 크로스바 어레이를 적용해 높은 소자 집적도를 가지는 장점을 가진다. 하지만, 어레이에 단독으로 메모리 소자를 적용시킬 경우 인접한 메모리 간 누설 전류가 발생하기 때문에 이를 방지하기 위한 선택소자에 대한 관심 또한 증가하고 있다.

한편, 산화물 반도체를 적용함으로써 낮은 off-current 를 가지며, 높은 selectivity 특성을 가져 누설 전류를 방지하는데 효과적인 신개념 산화물 반도체 기반 다이오드가 개발된 바 있다. 하지만, 낮은 off-current 를 가져 누설 전류를 방지하는 것뿐만 아니라, 전력 소모 감소를 위해 낮은 SS 와 Von 의 조정 가능성을 확보해 낮은 전압에서도 소자가 동작할 수 있어야 하며, 메모리 소자에 맞는 Von 를 확보하는 것 또한 중요하다. 일반적으로 산화물 반도체는 산소 공공에 대한 영향이 크기 때문에 산화물 반도체 증착 시 산소 분압과 증착 파워 조절을 통한 선택소자의 전기적 특성의 변화를 확인해 볼 필요성이 있다.

본 연구에서는 a-IGZO 증착 시 산소 분압과 증착 파워 조절을 통해 제작된 a-IGZO/SiO₂ 선택소자의 전기적 특성을 평가하였으며, 전기적 특성 중 최근 이슈가 집중되고 있는 전력 소모에 영향을 많이 미치는 switching slope (SS) 와 on-voltage (Von) 에 대해 중점적으로 평가하였다. 산소 분압에 따른 전기적 특성에서 산소의 분압비가 아르곤의 분압비보다 높아지면 Von 가 증가하는 경향을 보였으며, SS 는 산소 분압이 증가함에 따라 감소한다. 그리고 증착파워에 따른 전기적 특성은 증착 파워가 높아질수록 Von 가 감소하며, SS 는 증가하는 경향을 보인다. 산소의 분압비가 아르곤의 분압비보다 높을 때, Von 가 증가 하는 경향은 일반적인 산화물 반도체 소자에서 산소 분압이 증가함에 따라 캐리어의 농도가 감소하여 Von 가 감소하는 경향과는 반대의 경향을 나타낸다. 이에 대한 원인과 앞서 언급한 전기적 특성의 변화에 대해 이해 위해 a-IGZO 증착 시 산소 분압과 증착 파워를 조절하여 제작한 후 atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL), 그리고 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 분석을 진행하였다. 이를 바탕으로 산소 분압 증가로 인한 SS 의 증가는 산소 원자와 증착 물질 간 산란, 산소 플라즈마 내 minority O2+ 로 인해 전자가 trap 될 수 있으며, Ar:O₂ 분압비가 9:1 에서 5:5 까지 Von 의 감소는 증착 시 산소가 많아 산소 공공의 형성이 감소하고 캐리어 농도의 감소로 인한 것으로 사료된다. Ar:O2 분압비가 5:5 에서 1:9 까지 산소 분압이 높을 때, Von 의 증가는 두 물질을 접합 시 물질 내에 존재 하는 산소 원자 밀도 차에 의한 interface dipole 로 a-IGZO 박막 쪽으로 O- 원자가 이동하여 페르미 준위 상승으로 사료된다. 또한, 증착 파워가 높아짐으로 인한 SS 증가는 증착되는 원자 유동의 과포화로 인해 trap 의 영향인 것으로, Von 의 증가는 증착되는 입자들의 높은 운동에너지로 인한 산소 이탈에 의한 것으로 사료된다.

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