질소 첨가된 GeSe 비정질 칼코지나이드 박막을 이용한 OTS (Ovonic threshold switching) 소자의 switiching 특성 연구

최근 PRAM의 집적도 향상 및 3차원 적층에 의한 메모리 용량 향상을 위해 셀 선택 스위치로서 박막형 Ovonic Threshold Switching (OTS) 소자를 적용한 Cross bar 구조의 PRAM이 제안된 바 있다. OTS 소자는 비정질 칼코지나이드를 핵심층으로 하는 2단자 소자로서 고저항의 Off 상태에 특정 값 (문턱스위칭 전압) 이상의 전압을 가해주면 저저항의 On 상태로 바뀌고 다시 특정 값 (유지전압) 이하로 전압을 감소시킴에 따라 고저항의 Off 상태로 복원하는 특성을 갖는다. 셀 선택용 스위치로 적용되기 위해서는 핵심적으로 On-Off 상태간의 가역적인 변화 중에도 재료가 비정질 구조를 안정하게 유지해야 하며 전기적으로는 Off 상탱의 저항이 크고 또한 전류값의 점멸비가 커야 한다. GeSe는 이원계 재료로서 단수한 구성에도 불구하고 OTS 소자가 갖추어야할 기본적인 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 GeSe로 구성된 OTS 재료에 경원소인 질소를 첨가하여 비정질 상태의 안정성과 소자특성의 개선 효과를 조사하였다. RF-puttering 시 Ar과 $N_2$의 혼합 Gas를 사용하여 조성이 $Ge_{62}Se_{38}$ ($N_2$ : 3%)인 박막을 제작하여 DSC를 통해 결정화온도(Tx)를 확인하였고, $N_2$ gas의 함유량이 각각 1 %, 2 %, 3 %인 $Ge_{62}Se_{38}$인 박막을 전극의 접촉 부 면적이 $10{\times}10\;{\mu}m^2$인 cross-bar 구조의 소자로 제작하여 Threshold switching voltage ($V_{th}$), Delay time ($t_d$), $I_{on}/I_{off}$ 그리고 Endurance 특성을 평가하였다. DSC 분석 결과 $N_2$ 가 3 % 첨가된 GeSe 박막은 Tx가 $371^{\circ}C$에서 $399^{\circ}C$로 증가되었다. $N_2$가 1% 첨가된 GeSe 소자를 측정한 결과 $V_{th}$의 변화 없는 가운데 $I_{on}/I_{off}$이 약 $2{\times}10^3$에서 $5{\times}10^4$로 향상되었다. Endurance 특성 역시 $10^4$에서 $10^5$번으로 향상되었다. $t_d$의 경우 비정질 상태의 저항 증가로 인해 약 50% 증가되었다. 이러한 $N_2$의 첨가로 인한 비정질 GeSe 박막의 변화 원인에 대한 분석 결과를 소개할 예정이다.