Te-Based Binary OTS Selector Devices for High-Density Memory Array

Abstract

The fourth industrial revolution (4IR) is driving the explosive increase of demand for revolutionary breakthrough in memory technology. Nevertheless, the limitations of conventional charge-based memory devices are approaching, especially in terms of scaling. To overcome the limitations and to fulfill the explosive demand, the concept of high density X-point memory array with non-volatility, high-density, and reasonable performance has been proposed. One of the key challenges in realizing the X-point memory array is to develop a selector device that can effectively suppress the unintended sneak path leakage currents, and to do so, the selector device must meet a number of requirements including: bipolar selector characteristics, low off current (Joff), high on current (Jon), fast operating speed, sharp switching slope, high thermal stability, and especially, simple material / structure / process for low cost mass production. However, none of the reported selector devices, including mixed-ionic-electronic-conduction (MIEC), tunnel barrier, insulator-metal transition (IMT), field assisted superlinear threshold (FAST), and Ovonic threshold switching (OTS), could satisfy all the requirements above. As an example, one of the promising candidates for selector device, OTS materials suffered from their complex material composition despite of their favorable electrical switching mechanism, which is field-dependent, instant, volatile, abrupt, fast, repeatable, and thus suitable for leakage current suppression in X-point array. In addition, theoretical studies were lacking such as the origin of OTS phenomenon, the factors determining device performance, and the effect of microstructure on device performance. In this thesis, I have investigated Te-based binary OTS materials and their device performance for selector application. In chapter II, a literature survey was conducted on the causes and principles of OTS phenomenon to secure theoretical background for future research. The status of OTS technology was inspected and the research goals and plans were designed. In chapter III, simple binary materials showing OTS phenomenon were designed and compared electrically and thermodynamically. As a result, several Te-based binary materials showed OTS phenomenon with comparable device performance. The possibility of replacing the complicated material composition of conventional OTS selector devices was shown, overcoming their major weakness. In chapter IV, process optimization was employed for binary OTS material, SiTe, and following improvements in device characteristics were evaluated. SiTe OTS selector device with performance superior to the previous devices was developed. Furthermore, conduction mechanism of the OTS device was explained by analytical modelling, clarifying the origin of the exceptionally low off current. In chapter V, the correlation between the material parameters of binary OTS materials and the characteristics of the selector devices was clarified experimentally and theoretically. The changes of device characteristics according to their compositional change were assessed and their material parameters were extracted using optical and electrical analysis methods. Afterwards, their correlation was explained by comparing the prediction of theoretical modelling and the experimental data. As a result, existence of the performance-determining material parameters, the concentration of sub-gap trap states and the bandgap energy, was revealed. In chapter VI, the correlation between the microstructure of OTS material and the device performance was investigated. The microstructure of OTS material according to the change in their material process was analysed and evaluated by various material characterization methods including: scanning electron microscope (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray reflectivity (XRR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and ellipsometry. Then, the relationship between the microstructure and the electrical characteristics of the selector device was analysed. Through these various approaches, a deeper understanding on OTS phenomenon was achieved and applied to improve the selector device technology. According to the results, the origin of the OTS phenomenon and the reason of the exceptionally low off current in binary OTS material were identified. Moreover, it was possible to develop an OTS selector device with remarkably superior performance compared to the previously reported devices.

제 4차 산업 혁명이라 불리는 정보통신 기술의 폭발적인 발전은 그 속도는 하루가 다르게 가속화되고 있으며 빅 데이터, 클라우드 컴퓨팅, 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI)과 같은 새로운 기술로 인해, 요구되는 데이터의 양과 처리 속도 또한 유례없이 증가하고 있다. 이에 따라 메모리의 성능과 용량에 대한 수요 역시 폭발적으로 증가하고 있다. 그럼에도 불구하고 종래의 전하 기반 메모리 소자의 한계가 다가오고 있으며, 특히 스케일링 측면에서 그러하다. 이러한 한계를 극복하고 수요를 충족시키기 위해 비 휘발성, 고밀도 및 합리적인 성능을 갖는 고집적 X-포인트 메모리 어레이의 개념이 메모리 기술의 혁신적인 발전을 위한 돌파구로 제안되었다. 이러한 X-포인트 메모리 어레이를 구현하는 데 있어 중요한 과제 중 하나는 어레이 내부의 누설 전류를 효과적으로 억제 할 수 있는 선택소자를 개발하는 것이다. 이를 위해 선택 소자가 필수적으로 만족해야 하는 특성은 bipolar 선택 특성, 낮은 오프 전류 (Joff), 높은 온 전류 (Jon), 빠른 작동 속도, 가파른 스위칭 기울기, 높은 열적 안정성, 그리고 무엇보다 우선적으로, 저렴한 대량 생산을 위한 간단한 소재 / 구조 / 공정 등을 포함한다. 하지만 기존에 보고된 선택소자 물질 중 위 조건을 모두 만족하는 물질은 없기에 혁신적인 선택소자 물질의 개발이 필요한 실정이다. 이 논문에서는 선택소자의 가장 유망한 후보 중 하나인 OTS (오보닉 임계 스위칭) 물질의 단점인 4-5원계의 복잡한 재료 구성을 해결하고, 소자 성능을 더욱 향상시키기 위해 아래의 다양한 접근 방식으로 연구를 진행했다. II 장에서는 연구를 위한 이론적 배경의 확보를 위해 OTS 현상의 원인과 원리에 대한 문헌 조사를 수행한 결과를 서술하였다. OTS 기술의 현황이 조사되었으며 이를 활용하여 연구 계획이 고안되었다. III 장에서는 간단한 2원계 재료 구성을 지니는 OTS 물질들을 설계하고, 물질 특성을 전기적 및 열역학적으로 비교하였다. 이를 통해 다양한 Te 기반 2원계 OTS 물질 후보군을 개발하였고, 기존 OTS 물질들의 약점인 복잡한 재료 구성을 극복, 대체할 가능성을 확인하였다. IV 장에서는 OTS 특성을 보이는 2원계 재료 SiTe를 공정 최적화를 통해 개발하였고, 이에 따른 소자 특성 향상을 평가하였다. 이를 통해 기존에 보고된 OTS 물질들보다 우수한 성능을 지니는 SiTe OTS 선택소자를 개발하였다. 또한, analytical modeling을 통해 OTS 소자의 전도 메커니즘을 설명하고, 매우 낮은 오프 전류의 원인을 규명하였다. V 장에서는 2원계 OTS 재료의 물질 파라미터와 선택소자 특성 사이의 상호 관계를 실험적, 이론적으로 밝혀내었다. 조성 변화에 따른 소자 특성의 변화를 평가하고 광학적 및 전기적 분석 방법을 사용하여 물질 파라미터를 추출하였다. 그 후, 이론적 모델링의 예측과 실험 데이터를 비교함으로써 상관 관계를 설명하였다. 그 결과, 성능을 결정하는 물질 파라미터의 존재(서브 갭 트랩 상태의 농도 및 밴드 갭 에너지)를 밝혀내었다. VI 장에서는 OTS 재료의 미세 구조와 소자 성능 간의 상관 관계를 규명하였다. 공정 조건에 따른 물질의 미세 구조 변화를 scanning electron microscope (SEM), atomic force microscopy (AFM), X-ray reflectivity (XRR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ellipsometry 등 다양한 물성 측정 방법을 통해 분석, 평가하였다. 이를 통해 미세 구조와 선택소자의 전기적 특성 사이의 관계를 밝혀내었다. 위의 다양한 접근 방식의 연구를 통해 OTS 현상에 대해 보다 깊은 이해를 이루었으며 이를 적용하여 선택소자 기술을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 결과적으로, 기존에 보고된 소자들에 비해 단순한 물질 조성과 간단한 공정에도 불구하고 현저하게 우수한 성능을 가진 OTS 선택소자 물질을 개발하였으며, 더 나아가 소자의 성능을 결정하는 물질 파라미터를 규명하고, 물질의 미세구조가 소자 성능에 미치는 영향을 밝혀내었으며, 이를 조절할 수 있는 공정 기술을 개발하였다.