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ReRAM-OTS selector
Ovonic Threshold Switching Selector based on Chalcogenide Materials
1. Selector의 필요성
기존의 ReRAM연구분야는 재료의 switching ratio (RH/RL ratio), endurance, operation current와 voltage 개선 연구에 집중 되어왔다. 하지만 최근 ReRAM소자의 실제 구현에 있어 sneak current가 반드시 해결해야 하는 문제로 부각되고 있다. ReRAM의 경우 cross-point array 구조를 통하여 다른 차세대 메모리 (PRAM, MRAM, FRAM)에 비해 높은 집적도를 가질 수 있다는 것이 큰 장점으로 알려져 있지만 cross-point array 구조 적용 시2개의 word line, bit line으로 셀 선택을 포함한 읽기 쓰기 동작을 해야 하므로 읽기과정에 sneak current, 쓰기과정에 voltage drop이 발생하게 된다.
따라서, Sneak current 가 감소하면, 집적할 수 있는 셀의 개수를 늘릴 수 있다. 최근 이를 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 1R 구조에서는 interfacial 저항 스위칭 소자, Tunnering barrier 역할을 하는 산화물이 저항체와 적층된 구조를 갖는 소자, complementary 저항 스위칭 소자 등이 연구되고 있고, 1R 구조에서의 한계를 극복하기 위해 선택소자와의 적층을 통한 1S1R 구조가 연구되고 있다.
현재까지 연구되고 있는 선택소자에는 초기에 연구되었던 diode를 바탕으로, 산화물의 적층 구조와 밴드 엔지니어링을 이용한 터널 배리어 선택소자, 특정 전압 이상에서 급격하게 전류가 흐르는 threshold 스위칭 선택 소자 등이 있다.
<Microelectronic Engineering 107(2013),
33–36> <NATURE
COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms3629>
그 중에서도, threshold 스위칭 선택소자는 낮은 전압 영역에서 매우 낮은 양의 전류 흐름을 보이고 특정 전압 이상에서 급격한 전류 상승을 보여, 가장 이상적인 선택소자의 특성을 가지는 것으로 판단되고 있다. 이런 threshold 스위칭 선택소자에는 NbOx, VOx 등의 산화물의 금속-절연체 전이(이하 MIT) 현상을 이용한 산화물 기반 threshold 스위칭 선택소자와 비정질 칼코지나이드 물질의 Ovonic threshold 스위칭(이하 OTS) 특성을 이용한 비정질 칼코지나이드 기반 threshold 스위칭 선택소자가 연구되고 있다. 이 중 OTS 특성을 이용한threshold 스위칭 선택소자는, MIT 기반 선택소자에 비해 Ioff가 더 낮은 장점을 가지고 있어 1S1R 구조의 ReRAM 적층에 가장 최적합한 모델로 주목 받고 있다.
<NATURE COMMUNICATIONS | DOI:
10.1038/ncomms3629>
OTS 기반 선택소자의 메커니즘으로 hot electron conduction에 의한 thermal assisted 메커니즘, double injection model을 이용한 non-thermal assisted메커니즘 등이 발표되고 있는데 현재까지 정확한 메커니즘이 확립되지 못하고 있는 상황이다. 칼코지나이드 계열 원소를 포함한 다양한 물질의 조합에 따른 OTS 특성을 분석하고 여러 범위의 조성을 가지는 박막 중에서, OTS가 가능한 조성에서의 변수들을 정리하고, 조성 및 두께를 최적화하여 Ioff를 감소시킬 방안을 모색한다. 또한, 비정질 칼코지나이드 기반 박막의 OTS 동작 메커니즘을 분석하여 다른 물질의 OTS 특성 구현 가능성을 판단하는 연구를 진행한다.
