KR20180000982A - 란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자 - Google Patents

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Abstract

란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자는 활성 전극, 비활성 전극, 및 활성 전극과 비활성 전극 사이의 고체 전해질층을 포함하는 비휘발성 소자로서, 활성 전극과 고체 전해질층 사이에 형성된 란타나이드 금속의 버퍼층을 더 포함한다. 활성 전극과 고체 전해질층 사이에 란타나이드 금속의 버퍼층을 형성함으로써, 활성 전극 물질의 고체 전해질층으로의 확산을 제어하여 리셋(Reset)을 이루기 위한 전력(Power) 소모를 줄이고, 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성을 개선할 수 있게 된다.

Description

란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자 {Lanthanide metal buffer layer based atomic switch device}
본 발명은 2단자 비휘발성 소자에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 양쪽 전극 사이의 전해질에 전도층이 형성되거나 끊어짐에 따라 서로 다른 저항레벨을 가지는 원자 스위치 소자에 관한 것이다.
지난 반세기에 걸쳐 성공적으로 진행되어 온 CMOS 기반 정보통신 전자소자의 끊임없는 스케일링은 물리적 한계에 직면하여, 더 이상의 성능 향상이 어려운 실정이다. 이러한 스케일링 기반 Roadmap의 한계는 늦어도 향후 6년 이내(7nm node)에 도래할 것으로 예상되며, 이로 인해 반도체 산업은 패러다임 전환 기술에 대한 대비가 절대적으로 필요한 실정이다.
스케일링이 한계에 도달하게 된 가장 큰 원인인 Silicon의 물질적 한계에 맞서, 최근 10~15년간 Silicon을 대체할 새로운 물질의 도입을 시도함으로써 기술적 한계의 돌파구를 찾으려는 노력이 계속되어 왔다.
이러한 관점에서 최근 수년간 세계적으로 부각되고 있는 이차원 소재(graphene, TMD 등)들은 특출난 물리적/화학적 특성을 지녀 세계적으로 막대한 과학적 관심을 받고 있으나, 공정기술의 한계로 인해 실질적으로 Silicon CMOS 기반 정보전달 소자를 대체하지 못하고 있다.
또한, 멤리스터 이용한 뉴로모픽 소자 및 스핀 소자는 원리적으로 초절전 소자 구현이 가능하나 실제 회로 및 아키텍쳐, 대량생산을 실현할 수 있는 수준에 이르지 못하고 있다.
또한, 정보통신 기반 전자소자의 발전은 스케일링과 집적도의 증가로 인해 지속되어 왔으나, 이로 인한 과도한 전력손실 및 소모로 인한 power management의 문제를 야기하고 있다. 이는 Bipolar 소자의 전력소모 한계를 돌파하기 위한 CMOS 소자의 출현 배경과도 같으며, CMOS 소자의 전력소모 한계를 돌파하기 위한 새로운 초절전 소자의 구현이 필요하다.
IoT 기술 확산에 따른 폭증하는 정보의 처리, 전송, 응용의 요구는 기존 CMOS 기반 소자의 정보처리 체계로는 충족할 수 없는 상태이고, 결국 이러한 요구를 만족시키기 위해 초절전 소자 및 이를 기반으로 하는 논리회로의 연구가 필수적이다.
또한, 기존 논리회로는 특정용도로 사용하기 위해 제작해야 하므로, 많은 비용과 시간이 필요하며 개발 위험부담이 큰 단점이 있기 때문에 범용 어레이를 기반으로 소비자가 반도체 칩을 프로그래밍하여 사용할 수 있는 reconfigurable FPGA (Field Programmable Gate Array) 기술이 각광받고 있으나, 이 기술은 6개의 transistor로 구성된 SRAM 소자를 기반으로 하므로 막대한 전력손실을 피할 수 없다.
또한, 현재 FPGA의 경우 논리회로의 면적은 3~4%인 반면 SRAM/routing에 사용되는 면적은 전체의 96~97%로 삼차원 집적공정 등을 통한 면적 손실을 최소화하는 연구가 요구되고 있다.
결국, 전력손실의 문제점을 지닌 SRAM을 대체할 수 있는 삼차원 집적공정이 가능한 원자스위치 어레이 기반 초절전 논리 게이트 및 비휘발성 논리회로의 구현이 필수적이다.
이러한 기술적 요구에 따라, 비휘발성 특성을 갖는 원자 스위치 소자가 개발되었다. 도 1 및 도 2는 원자 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 도 1 및 도 2에는, W capping 층/Cu 활성전극/Al2O3 전해질/Pt 비활성 전극구조를 활용하여, 비휘발성 특성을 가지는 원자 스위치 소자가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, Set Process에서는 Cu 활성 전극에 상대적으로 양의 전압을 인가하고 Pt에 상대적으로 음의 전압을 인가하여, High Resistance State (HRS)에서 Low Resistance State (LRS)로 전환되는 과정을 형성할 수 있다.
이 과정에서 Cu 활성 전극에서 Cu+ ion이 Dissolution 되어 Pt를 향해서 이동하고 Pt 표면에 도달하여 핵생성이 되면 Cu 필라멘트가 성장하게 되는 데, 이 층이 Cu 활성전극에까지 연결되면, 낮은 저항상태를 보여주게 된다.
또한, 도 2의 Reset Process는 Cu 활성 전극에 상대적으로 음의 전압을 인가하고, Pt에 상대적으로 양의 전압을 인가하여, Low Resistance State (LRS)에서 High Resistance State (HRS)로 전환되는 과정을 형성할 수 있음. 이 경우 Cu 층이 끊어져 높은 저항 상태를 보여주게 된다.
그런데 이 소자의 경우, 저저항상태의 소자 산포가 크며 Reset을 이루기 위한 Power 소모가 매우 크다는 단점이 있으며, 또한 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성도 좋지 않아, 기술적으로 해결해야 하는 이슈로 지적되고 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 리셋(Reset)을 이루기 위한 전력(Power) 소모를 줄이고, 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성을 개선할 수 있는 원자 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 원자 스위치 소자는 활성 전극, 비활성 전극, 및 활성 전극과 비활성 전극 사이의 고체 전해질층을 포함하는 비휘발성 소자로서, 활성 전극과 고체 전해질층 사이에 형성된 란타나이드 금속의 버퍼층을 더 포함한다.
이와 같이 활성 전극과 고체 전해질층 사이에 란타나이드 금속의 버퍼층을 형성함으로써, 활성 전극 물질의 고체 전해질층으로의 확산을 제어함으로써, 리셋(Reset)을 이루기 위한 전력(Power) 소모를 줄이고, 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성을 개선할 수 있게 된다.
이때, 란타나이드 금속은 네오디뮴(neodymium; Nd)이고, 두께는 50 옹스트롬 이상 100 옹스트롬 이하일 수 있다.
또한, 란타나이드 금속은 디스프로슘(dysprosium; Dy)이고, 두께는 25 옹스트롬 이상 75 옹스트롬 이하일 수 있다.
또한, 고체 전해질층은 산화 알루미늄(Al2O3)으로 형성될 수 있으며, HfO2, ZrO2, Ta2O5, TiO, Y2O3, Ln2O3 중에서 선택된 물질로 형성될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 활성 전극과 고체 전해질층 사이에 란타나이드 금속의 버퍼층을 형성함으로써, 활성 전극 물질의 고체 전해질층으로의 확산을 제어하여 리셋(Reset)을 이루기 위한 전력(Power) 소모를 줄이고, 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성을 개선할 수 있게 된다.
도 1 및 도 2는 원자 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자의 개략적인 단면도.
도 4 및 도 5는 도 3의 원자 스위치의 동작 특성을 설명하기 위한 개략적인 도면.
도 6 및 도 7은 Cu 활성전극/Nd 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자(이하 Nd 버퍼 소자)의 비휘발성 특성을 보여주는 그래프.
도 8 및 도 9는 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자의 Set/Reset 상태의 저항레벨과 Set/Reset 전압을 통계적으로 Plot한 데이터를 보여주는 그래프.
도 10은 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자에 따른 소자의 저항상태 유지 특성을 보여주는 그래프.
도 11은 Nd 버퍼 층이 삽입된 소자의 쓰기지우기 반복횟수를 보여주는 그래프.
도 12는 Cu 활성전극/Dy 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자(이하 Dy 버퍼 소자)의 비휘발성 특성을 보여주는 그래프.
도 13은 다른 구조의 원자 스위치 소자와 Dy 버퍼층 기반 원자 스위치 소자와의 특성을 비교한 그래프.
도 14 및 도 15는 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자의 Set/Reset 상태의 저항레벨과 Set/Reset 전압을 통계적으로 Plot한 데이터를 보여주는 그래프.
도 16은 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Dy 버퍼 소자에 따른 소자의 저항상태 유지 특성을 보여주는 그래프.
도 17은 Dy 버퍼 층이 삽입된 소자의 쓰기지우기 반복횟수를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3에서, 원자 스위치 소자(100)는 활성 전극(110), 비활성 전극(120), 및 활성 전극(110)과 비활성 전극(120) 사이의 고체 전해질층(130), 및 활성 전극(110)과 고체 전해질층(130) 사이에 형성된 란타나이드 금속의 버퍼층(140)을 포함한다.
이때, 버퍼층(140) 물질인 란타나이드 금속은 디스프로슘(dysprosium; Dy), 또는 네오디뮴(neodymium; Nd)일 수 있으며, 고체 전해질층(130) 물질은 HfO2, ZrO2, Ta2O5, TiO, Y2O3, Ln2O3 중에서 선택된 물질일 수 있다.
이와 같이 활성 전극(110)과 고체 전해질층(130) 사이에 란타나이드 금속의 버퍼층(140)을 형성함으로써, 활성 전극 물질의 고체 전해질층으로의 확산을 제어하여 리셋(Reset)을 이루기 위한 전력(Power) 소모를 줄이고, 소자의 고온 신뢰성과 쓰기/지우기 반복횟수 (Endurance) 특성을 개선할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서, 버퍼층으로 란타나이드 금속을 사용하였지만, 다른 물질도 고려해볼 수 있을 것이며, 예를 들어, 버퍼층으로 Dy, Nd 대신, Transition Metal(Ta, Zr, Hf, Fe, Mn, Ni)뿐만 아니라 Y, Sn, Ga, In,,,을 사용하는 구성도 고려해 볼 수 있을 것이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 원자 스위치의 동작 특성을 설명하기 위한 개략적인 도면이다. 비교를 위해 도 4에는 Cu 활성전극/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로만 구성된 원자 스위치가 도 5에는 Cu 활성 전극/Nd 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극 구조 또는 Cu 활성 전극/Dy 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 구성된 란타나이드 금속 버퍼층을 포함하는 원자 스위치가 각각 도시되어 있다.
도 5에서 란타나이드 금속 버퍼층은 확산 장벽(Diffusion barrier)으로서 기능하고, 란타나이드 금속 버퍼층에 의해 고체 전해질층에 보다 미세한 형태의 필라멘트가 생성되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 Cu 활성전극/Nd 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자(이하 Nd 버퍼 소자)의 비휘발성 특성을 보여주는 그래프이다. 도 6에서, Nd 버퍼 층의 두께에 따라서 비 휘발 소자 특성이 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 50 옹스트롬에서 100 옹스트롬 사이 구간에서 우수한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 다른 구조의 원자 스위치 소자와 Nd 버퍼층 기반 원자 스위치 소자와의 특성을 비교한 그래프이다. 도 7에서, Cu 활성전극/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자와(이하 reference 소자), Cu 활성전극/Ti 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자(이하 Ti 버퍼 소자)와 비교하여 특성이 개선됨을 확인할 수 있다.
도 6 및 도 7에서, X축은 상부 Cu 활성 전극에 가한 전압을 나타내고, Y축은 전류를 나타낸다. 0V에서 전압을 인가하기 시작하여 양의 전압으로 인가하면, 일정 전압 레벨에서 전류가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있는데, 이와 같이 High Resistance State에서 Low Resistance State로 변화하는 이 과정을 Set Process 라고 한다. 이후에 전압을 음의 방향으로 전압을 sweep하면서 전류레벨을 계속 측정하고, 0V 전압 도달 후에 계속 음의 전압을 더욱더 가하게 되면, 전류레벨이 급격하게 감소하는 구간을 관찰할 수 있는데, 이 지점을 Reset Process (Low Resistance State에서 High Resistance State로 변화하는 과정)라고 한다.
이후, 양의 전압 방향으로 전압을 인가하면서, 전류레벨을 평가하면, Set Process와 Reset Process가 반복되는 현상이 관찰된다. Set Process 또는 Reset Process 이후에, 0.1-0.2V의 전압에서 전류레벨을 읽게 되면, 서로 다른 전류레벨 (저항레벨)을 확인할 수 있는 데 이를 통해서 비휘발성 특성을 평가할 수 있게 된다.
도 6 및 도 7의 데이터 중 붉은색은 initial sweep data이고, 검정색 표시된 데이터는 10번째 측정한 데이터를 보여주는 것으로써, 어느 정도 일관성 있게 측정되고 있는지를 보여주고 있다. Initial Sweep 시에 비교적 높은 set 전압이 관찰되는 이유는 Cu filament 형성을 위한 forming 과정에 기인한다. 이후 sweep시에는 일반적으로 낮은 set 전압을 보이고 있다.
도 6에서 Nd 버퍼층의 두께가 75A인 소자가 on/off 전류 비가 가장 크고 신뢰성 있는 값을 보여주며, 도 7에서 reference 소자와, Ti 버퍼 소자와 비교해도 가장 우수한 특성을 보이고 있다.
도 8 및 도 9는 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자의 Set/Reset 상태의 저항레벨과 Set/Reset 전압을 통계적으로 Plot한 데이터를 보여주는 그래프이다. 도 8 및 도 9의 데이터에서도 Nd를 버퍼 층으로 삽입한 소자가 on/off 저항 비가 104이상을 보여주며, set/reset 저항 산포특성이 우수한 반면, 다른 소자들은 저항 산포가 크며 신뢰성 측면에서 우수하지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 10은 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자에 따른 소자의 저항상태 유지 특성을 보여주는 그래프이다. 측정 온도는 85도이며, Nd를 버퍼층으로 삽입한 소자가 가장 우수한 특성을 보여주고 있다. 도 11은 Nd 버퍼 층이 삽입된 소자의 쓰기지우기 반복횟수를 보여주는 그래프이다. 도 11에서, 쓰기지우기 반복횟수(endurance)는 300번 확보함을 확인할 수 있다.
도 12는 Cu 활성전극/Dy 버퍼 층/Al2O3 산화물 전해질/Pt 비활성 전극으로 이루어진 소자(이하 Dy 버퍼 소자)의 비휘발성 특성을 보여주는 그래프이고, 도 13은 다른 구조의 원자 스위치 소자와 Dy 버퍼층 기반 원자 스위치 소자와의 특성을 비교한 그래프이다.
소자의 특성 개선을 위해 또 다른 lanthanide metal인 Dy로 소자를 만들어서 특성 확인하였다. 도 12에서 Dy 버퍼 층의 두께를 Split하여 최적 조건을 확인하였고, 최적의 Dy 두께는 50 옹스트롬에서 100 옹스트롬 사이 구간, 특히 50A(옹스트롬)으로 확인되었다.
도 14 및 도 15는 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Nd 버퍼 소자의 Set/Reset 상태의 저항레벨과 Set/Reset 전압을 통계적으로 Plot한 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 14 및 도 15에서, reference와 Ti 버퍼 층이 삽입된 소자와 비교했을 때, Dy 버퍼 층이 삽입된 소자에서, 더 큰 on/off ratio와 set/reset 산포, 더 좋은 신뢰성을 보여줌을 확인할 수 있다. Dy 버퍼 층이 삽입된 소자가 on/off 저항 비가 105이상임을 보여주며, set/reset 저항 산포특성이 우수한 반면, 다른 조성의 소자는 저항 산포가 크며 신뢰성 측면에서 우수하지 않음을 확인할 수 있다.
도 16은 reference 소자와, Ti 버퍼 소자, Dy 버퍼 소자에 따른 소자의 저항상태 유지 특성을 보여주는 그래프이다. 측정온도는 85도이며, Dy를 버퍼 층으로 삽입한 소자가 가장 우수한 특성을 보여줌을 확인할 수 있다.
도 17은 Dy 버퍼 층이 삽입된 소자의 쓰기지우기 반복횟수를 보여주는 그래프이다. 도 17에서, 큰 면적의 소자에서 600번 가능하며, 소자의 크기가 작아짐에 따라서 신뢰성 특성이 크게 개선되는 점과 현 세대의 소자가 매우 작은 소자크기를 채택하는 것을 고려해보면, 매우 의미있는 결과임을 확인할 수 있다.
본 발명은 2단자로 이루어진 원자스위치 소자 기술에 관한 것으로서, 범용의 FPGA 기술에서 탈피하여 배선 부분을 상시 re-writing하여 소모 전력을 절감하는 아키텍쳐에 적용할 수 있는 소자 기술에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 Lanthanide metal인 Dy와 Nd를 버퍼 층으로 삽입한 비휘발성 원자 스위치 소자 구조에 관한 발명으로서, 본 발명에 따른 원자 스위치는 Cu 활성 전극/ 버퍼 층/ 산화물 고체 전해질/ Pt 비휘발성 전극 구조를 가지며, 원자 스위치의 양쪽 전극에 인가한 전압의 부호에 따라 전극 사이의 전해질에서 Cu 전도층이 형성되거나 끊어지고, 이에 따라 서로 다른 저항레벨을 가지게 된다.
본 발명이 비록 일부 바람지한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 란타나이드 금속 기반 원자 스위치 소자
110: 활성 전극
120: 비활성 전극
130: 고체 전해질층
140: 란타나이드 금속의 버퍼층

Claims (7)

  1. 활성 전극, 비활성 전극, 및 상기 활성 전극과 상기 비활성 전극 사이의 고체 전해질층을 포함하는 원자 스위치 소자로서,
    상기 활성 전극과 상기 고체 전해질층 사이에 형성된 란타나이드 금속(Lanthanide Metal)의 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 란타나이드 금속은 네오디뮴(neodymium; Nd)인 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 란타나이드 금속의 두께는 50 옹스트롬 이상 100 옹스트롬 이하인 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 란타나이드 금속은 디스프로슘(dysprosium; Dy)인 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 란타나이드 금속의 두께는 25 옹스트롬 이상 75 옹스트롬 이하인 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 산화 알루미늄(Al2O3)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 전해질층은 HfO2, ZrO2, Ta2O5, TiO, Y2O3, Ln2O3 중에서 선택된 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자 스위치 소자.

KR1020160079427A 2016-06-24 2016-06-24 란타나이드 금속 버퍼층 기반 원자 스위치 소자 KR20180000982A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114429970A (zh) * 2022-01-25 2022-05-03 中国电子科技集团公司第五十八研究所 一种抗辐射原子开关器件结构的制备方法及结构

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