본 연구에서는 ZrO₂/SnO₂ 이중 층 저항성 스위칭 메모리(Resistive Random Access Memory; RRAM)을 처음으로 제시한다. RRAM은 상부 전극-저항 층-하부 전극의 간단한 구조로 이루어져 있으며 용액 공정 방법으로 저항 층을 제작할 시 저온 공정이 가능하며, 저렴한 비용, 박막의 화학 성분 조절이 용이하고, 기판의 크기와 종류에 제한되지 않는 장점이 있다. 금속 산화막 저항 층을 제작한 RRAM은 주로 원자가 변화 메모리(Valence Change Memory; VCM)로 동작한다. 하지만, VCM RRAM의 문제점으로 언급되는 endurance 특성 저하를 개선하기 위해 산소 공공 농도 차이를 이용하여 이중 층 구조로 소자를 제작했다. VCM RRAM 동작은 초기의 전극-저항 층-전극 구조에 forming 전압을 인가하여 저항층 내에 있는 산소 이온이 전압이 인가된 전극 쪽으로 이동하게 되며, 그로 인해 산소 공공들로 이루어진 상부 전극과 하부 전극을 이어주는 전도성 필라멘트(Conductive Filament; CF)가 형성된다. CF가 형성되면 RRAM의 저항 상태가 변화하고, 전극에 다시 reset 전압을 인가할 경우 산소 이온이 산소 공공과 재결합을 하여 CF가 파괴된다. CF의 형성과 파열 동작 과정 중 산소 공공이 저항 층 내에 과도하게 축적되거나 산소 이온과 공공의 과잉 재결합으로 인하여 고 저항 상태의 저항 감소가 발생, 그리고 전극으로 산소 공공이 손실되어 endurance 특성이 저하되는 문제가 있다.
본 논문에서는 VCM RRAM에 인가된 전압으로 인하여 산소 공공들로 이루어진 CF 형성과 파열 과정 중 산소 공공 농도가 높은 저항 층이 산소 저장소 역할을 하여 CF 형성/파열 과정에서 산소 이온이 전극으로 손실되는 것을 절감시키는 효과를 확인하기 위해산소 공공 농도 차이를 이용하여 이중 층 소자를 제작함과 동시에 각 저항 층의 단일 층 소자도 제작하여 이중 층 소자와 특성 비교를 진행하여 성능이 개선됐는지 확인했다. 전구체 용액은 주석 (II) 아세틸-아세토네이트(Sn(AcAc)₂), 지르코늄 아세틸-아세토네이트(Zr(C5H7O2)4)를 전구체 물질로 사용했다. SnO₂ 전구체 용액은 2-메톡시 에탄올(2-ME)과 에탄올의 혼합물을 전구체 용액의 용매로 사용하였고, ZrO₂ 전구체 용액은 에탄올과 에탄올아민을 사용하였다. 상부 전극으로는 타이타늄을 사용했으며 하부 전극은 ITO를 사용하였다. 소자의 저항성 스위칭 특성은 상부 전극 위에 전압 인가 단자(텅스텐(W) 프로브 팁)를 접촉하고 하부 전극에 전압 인가 단자(텅스텐 (W) 프로브 팁)을 접촉하여 측정하였다. 각 소자의 전류-전압 특성, 내구성 특성, On/Off ratio 특성을 분석했다. 전류-전압 특성 분석 결과 SnO₂ 단일 층 소자, ZrO₂ 단일 층 소자, ZrO₂/SnO₂ 이중 층 소자 모두 저항 스위칭이 발생했다. SnO₂, ZrO₂ 단일 층 소자의 내구성 스위칭 횟수는 각각 50, 100회를 보였으며 이중 층 소자의 내구성 스위칭 횟수는 120회를 보였다. 또한 고 저항 상태/저 저항 상태의 비율을 나타내는 On/Off ratio는 각각 ~2, ~51, ~297 값을 확인함으로 이중 층 소자의 내구성과 On/Off ratio가 단일 층 소자에 비해 개선되었음을 확인했다. 이중 층 소자의 전류-전압 특성 그래프를 통해 고 저항 상태와 저 저항 상태의 전도 메커니즘을 분석한 결과, 저 저항 상태에서는 옴 전도가 우세하며 고 저항 상태에서는 옴 전도에서 공간전하 제한전도(Space Charge Limited Conduction; SCLC)가 확인되었다. 소자의 저항 변화 메커니즘이 산소 결손에 전자가 갇혀 필라멘트의 형성과 파열에 산소 결손이 관여하는 필라멘트형 RRAM, 즉 VCM임을 추론할 수 있었다. 제작한 SnO₂와 ZrO₂ 박막에 대하여 정량적으로 분석하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 이용하여 박막의 물질 조성을 분석하였고, 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM)을 이용하여 이중 층의 두께 및 각 저항 층의 두께를 확인하였다. XPS O1s spectra 분석을 통해 산소 공공 농도가 ZrO₂는 25 %, SnO₂는 17 %임을 확인했다. ZrO₂의 산소 공공 농도가 높아 전극으로 손실되는 산소 공공의 양을 절감시켜 내구성 특성과 On/Off ratio 특성이 개선되었다. 실험 목적으로 깁스 자유 에너지의 값으로 유추할 수 있는 산소 공공의 양이 많은 물질인 ZrO₂ 물질과, 비교적 적은 SnO₂ 물질을 선택하여 산소 공공 농도 차이를 설계를 하였고, 설계했던 산소 공공 농도 차이로 인하여 전극으로 손실되는 산소 공공의 양을 절감할 수 있는 목표를 실험을 통하여 예상했던 성능 개선에 성공했다는 결론을 내렸다.