KR20220059879A - Semiconductor device including chalcogen compound and semiconductor appratus inclduing the same - Google Patents
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Abstract
Description
칼코겐 화합물층을 포함하는 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다. To a semiconductor device including a chalcogen compound layer and a semiconductor device including the same.
전자 제품의 경박 단소화 경향에 따라 반도체 소자의 고집적화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에, 다양한 형태의 반도체 소자가 제시되고 있으며, 일례로 가변 저항층과 선택 소자층을 포함하는 반도체 소자를 들 수 있다.Demand for high integration of semiconductor devices is increasing according to the trend of light, thin and compact electronic products. Accordingly, various types of semiconductor devices have been proposed, for example, a semiconductor device including a variable resistance layer and a selection device layer.
오보닉(ovonic) 문턱 스위칭 특성을 나타내는 칼코겐 화합물층 및 이를 포함한 스위칭 소자를 제공한다. Provided are a chalcogen compound layer exhibiting ovonic threshold switching characteristics and a switching device including the same.
낮은 오프 전류 및 우수한 신뢰성(내구성)을 갖는 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치를 제공한다.A semiconductor device, and/or a semiconductor device, having a low off-state current and excellent reliability (durability) is provided.
일 실시예에 따른 반도체 소자는 오보닉 문턱 스위칭 특성을 나타내는 선택 소자층을 포함할 수 있다. 선택 소자층은 에너지 밴드갭이 상이한 칼코겐 화합물층을 2개 이상 포함할 수 있다. A semiconductor device according to an embodiment may include a selection device layer exhibiting an ovonic threshold switching characteristic. The selection device layer may include two or more chalcogen compound layers having different energy band gaps.
구체적으로, 선택 소자층은 서로 다른 조성을 갖는 제 1 칼코겐 화합물층과 제 2 칼코겐 화합물층을 포함할 수 있으며, 이칼코겐 화합물층들은 각각 독립적으로 저마늄(Ge) 및/또는 틴(Sn)을 포함하는 제 1 원소와, 설퍼(S), 셀레늄(Se) 및/또는 텔루르(Te)를 포함하는 제 2 원소를 포함할 수 있다.Specifically, the selection device layer may include a first chalcogen compound layer and a second chalcogen compound layer having different compositions, and the chalcogen compound layers are each independently germanium (Ge) and/or tin (Sn). It may include a first element and a second element including sulfur (S), selenium (Se), and/or tellurium (Te).
제 1 칼코겐 화합물층 및/또는 제 2 칼코겐 화합물층은 각각 독립적으로 아세닉(As), 안티모니(Sb), 실리콘(Si) 및 비스무스(Bi)로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제 3 원소를 더 포함할 수 있다. 또한, 제 2 칼코겐 화합물층은 보론(B), 알루미늄(Al), 스캄듐(Sc), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 하나 또는 이상 선택되는 제 4 원소를 더 포함할 수 있고, 제 1 칼코겐 화합물층은 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P), 및 황(S) 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제 5 원소를 더 포함할 수 있다.The first chalcogen compound layer and/or the second chalcogen compound layer are each independently selected from the group consisting of arsenic (As), antimony (Sb), silicon (Si), and bismuth (Bi). It may contain more elements. In addition, the second chalcogen compound layer is one or more selected from the group consisting of boron (B), aluminum (Al), scandium (Sc), manganese (Mn), strontium (Sr), and indium (In). It may further include an element, and the first chalcogen compound layer is one or two or more selected from the group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P), and sulfur (S). It may further include 5 elements.
제 1 칼코겐 화합물층은 제 2 칼코겐 화합물층보다 에너지 밴드갭이 0.1eV 이상이고 1.0eV 이하만큼 클 수 있다.The first chalcogenide compound layer may have an energy bandgap of 0.1 eV or more and 1.0 eV or less than the second chalcogen compound layer.
제 1 칼코겐 화합물층은 화학식 1, 화학식 3 및/또는 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있고, 제 2 칼코겐 화합물층은 화학식 1 및/또는 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.The first chalcogen compound layer may include a compound of Formula 1, Formula 3, and/or Formula 4, and the second chalcogen compound layer may include a compound of Formula 1 and/or Formula 2.
[화학식 1][Formula 1]
AaBbCc A a B b C c
[화학식 2][Formula 2]
AaBbCcDd A a B b C c D d
[화학식 3][Formula 3]
AaBb A a B b
[화학식 4][Formula 4]
AaBbCcEe A a B b C c E e
화학식 1, 화학식 2, 화학식 3, 또는 화학식 4에서 A는 제 1 원소, B는 제 2 원소, C는 제 3 원소, D는 제 4 원소, E는 제 5 원소이고, 화학식 1에서 a+b+c=1, 화학식 2에서 a+b+c+d=1, 화학식 3에서 a+b=1, 화학식 4에서 a+b+c+e=1이다. 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 4에서 0.05≤ a≤ 0.30, 0.20≤ b≤ 0.70, 0.05≤ c≤ 0.50, 0.01≤ d≤ 0.10, 0.01≤ e≤ 0.10일 수 있다. 화학식 3에서 0.05 a≤ 0.70, 0.05≤ b≤ 0.70일 수 있다.In Formula 1, Formula 2, Formula 3, or Formula 4, A is a first element, B is a second element, C is a third element, D is a fourth element, E is a fifth element, and in Formula 1, a+b +c=1, a+b+c+d=1 in Formula 2, a+b=1 in Formula 3, a+b+c+e=1 in Formula 4. In Formula 1, Formula 2, or Formula 4, 0.05≤a≤0.30, 0.20≤b≤0.70, 0.05≤c≤0.50, 0.01≤d≤0.10, 0.01≤e≤0.10. 0.05 in Formula 3 a ≤ 0.70 and 0.05 ≤ b ≤ 0.70.
반도체 소자는 가변 저항층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 반도체 소자는 제 1 전극층, 제 2 전극층, 및 제 3 전극층을 더 포함하고, 선택 소자층은 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에, 가변 저항층은 제 2 전극층과 제 3 전극층 사이에 배치될 수 있다. The semiconductor device may further include a variable resistance layer. Specifically, the semiconductor device further includes a first electrode layer, a second electrode layer, and a third electrode layer, wherein the selection device layer is between the first electrode layer and the second electrode layer, and the variable resistance layer is between the second electrode layer and the third electrode layer. can be placed.
가변 저항층은 온도 변화에 따라 가역적으로 결정질과 비정질 간의 상변화가 가능한 물질을 포함할 수 있다. 가변 저항층은 Te 및/또는 Se와, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O 및 C로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상의 원소가 조합된 화합물을 포함할 수 있다.The variable resistance layer may include a material capable of reversibly changing a crystalline phase and an amorphous phase according to a change in temperature. The variable resistance layer is one or more of the group consisting of Te and/or Se and Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O and C. It may include compounds in which elements are combined.
오보닉 문턱 스위칭 특성을 나타내는 칼코겐 화합물층이 제공될 수 있다. A chalcogen compound layer exhibiting ovonic threshold switching characteristics may be provided.
낮은 오프 전류값(누설 전류값)을 가지면서, 우수한 내구성 특성(endurance)를 갖는 스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치가 제공될 수 있다. 이러한 소자 및/또는 장치는 향상된 집적도를 구현할 수 있으며, 전자 장치의 소형화에 기여할 수 있다.A switching element, semiconductor element, and/or semiconductor device having excellent durability while having a low off-state current value (leakage current value) can be provided. Such devices and/or devices may realize an improved degree of integration and may contribute to miniaturization of electronic devices.
도 1은 일 실시예에 따른 반도체 장치의 등가 회로도이다.
도 2는 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 물질의 전압-전류 곡선을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 실시예들에 따른 반도체 소자 및/또는 스위칭 소자에 대한 모식도들이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 반도체 장치에 대한 사시도이다.
도 4b는 도 3a의 반도체 장치의 1X-1X' 및 1Y-1Y'선을 따라 자른 단면도이다.
도 4c는 다른 실시예에 따른 반도체 장치에 대한 단면 모식도이다.
도 5a 내지 도 5c는 일 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 과정을 보여주는 모식도들이다.1 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
2 is a graph schematically illustrating a voltage-current curve of a material having an ovonic threshold switching characteristic.
3A to 3C are schematic diagrams of a semiconductor device and/or a switching device according to example embodiments.
4A is a perspective view of a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
4B is a cross-sectional view taken along
4C is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device according to another embodiment.
5A to 5C are schematic diagrams illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 기술적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the technical idea. What is described as "upper" or "upper" may include those directly above/below/left/right in contact as well as above/below/left/right in non-contact.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms such as "comprises" or "have" are intended to indicate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, components, materials, or combinations thereof described in the specification exist unless otherwise stated. , one or more other features, or numbers, steps, acts, elements, parts, components, materials, or combinations thereof, or combinations thereof, are not to be understood as precluding the possibility of addition.
"제 1", "제 2", "제 3" 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 구성 요소의 순서, 종류 등이 한정되는 것은 아니다. 또한, "유닛", "수단", "모듈", "...부" 등의 용어는 어떤 하나의 기능이나 동작을 처리하는 포괄적인 구성의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Terms such as "first", "second", "third", etc. may be used to describe various elements, but are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements, and the order of elements; The type and the like are not limited. In addition, terms such as "unit", "means", "module", "unit", etc. mean a unit of a comprehensive configuration that processes any one function or operation, which is implemented as hardware or software, or It can be implemented by a combination of and software.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기(층, 영역 등의 폭, 두께 등)는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the sizes (widths, thicknesses, etc. of layers, regions, etc.) of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Meanwhile, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments.
일 측면에 따르면, 우수한 신뢰성(내구성)을 갖는 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 장치가 제공된다. 구체적으로, 반도체 장치는 두 개의 이격된 전극 라인 사이에 복수 개의 반도체 소자를 포함할 수 있고, 반도체 소자는 서로 전기적으로 연결된 가변 저항층과 선택 소자층을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치는 두 전극 라인이 크로스 포인트를 갖는 3차원 구조를 가질 수 있다. 이러한 반도체 소자 및/또는 반도체 장치는 메모리 소자일 수 있다.According to one aspect, a semiconductor device having excellent reliability (durability) and a semiconductor device including the same are provided. Specifically, the semiconductor device may include a plurality of semiconductor elements between two spaced apart electrode lines, and the semiconductor elements may include a variable resistance layer and a selection element layer electrically connected to each other. Also, the semiconductor device may have a three-dimensional structure in which two electrode lines have cross points. Such a semiconductor device and/or a semiconductor device may be a memory device.
도 1은 일 실시예에 따른 반도체 장치의 등가 회로도이다. 1 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
도 1을 참고하면, 반도체 장치(100)는 제 1 방향(X 방향)으로 상호 평행하게 연장되는 복수의 제 1 전극 라인들(WL1, WL2)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체 장치(100)는 제 1 전극 라인들(WL1, WL2)과 제 3 방향(Z 방향)으로 이격되어, 제 2 방향으로 상호 평행하게 연장되는 제 2 전극 라인들(BL1, BL2, BL3, BL4)을 포함할 수 있다. 반도체 소자(MC)는 제 1 전극 라인(WL1, WL2)과 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, 반도체 소자(MC)들은 제 1 전극 라인(WL1, WL2)과 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)과 전기적으로 연결되면서, 이들 라인들 사이의 교차점에 각각 배치될 수 있다. 또한, 반도체 소자(MC)는 서로 전기적으로 연결되는 가변 저항층(ME)과 선택 소자층(SW)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(ME)과 선택 소자층(SW)은 제 3 방향(Z 방향)을 따라 직렬로 연결되어 배치될 수 있으며, 선택 소자층(SW)은 제 1 전극 라인(WL1, WL2)과 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4) 중 하나에 전기적으로 연결되고, 가변 저항층(ME)은 다른 전극 라인에 전기적으로 연결될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
반도체 장치(100)의 구동 방법에 대하여 간단히 설명하면, 제 1 전극 라인(WL1, WL2)과 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)을 통해 반도체 소자(MC)의 가변 저항층(ME)에 전압이 인가되고 전류가 흐를 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극 라인(WL1, WL2) 및 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)의 선택에 의해 임의의 반도체 소자(MC)가 어드레스 될 수 있고, 제 1 전극 라인(WL1, WL2) 및 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4) 사이에 소정의 신호를 인가하여, 반도체 소자(MC)를 프로그래밍할 수 있다. 또한, 제 2 전극 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)을 통하여 전류 값을 측정함으로써, 해당 반도체 소자(MC)의 가변 저항층(ME)의 저항값에 따른 정보, 즉 프로그래밍된 정보를 판독할 수 있다.Briefly describing the driving method of the
가변 저항층(ME)은 정보를 저장하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 가변 저항층(ME)은 인가된 전압에 따라 저항값이 달라질 수 있다. 반도체 소자(MC)는 가변 저항층(ME)의 저항 변화에 따라 '0' 또는 '1'과 같은 디지털 정보를 기억할 수 있고 소거할 수도 있다. 예를 들어, 반도체 소자(MC)는 가변 저항층(ME)의 고저항 상태를 '0'으로, 저저항 상태를 '1'로 데이터 기입할 수 있다. 여기서, 고저항 상태 '0'에서 저저항 상태 '1'로의 기입을 '셋(set) 동작'이라 칭할 수 있고, 저저항 상태 '1'에서 고저항 상태 '0'으로의 기입을 '리셋(reset) 동작'이라 칭할 수 있다. The variable resistance layer ME may serve to store information. Specifically, the resistance value of the variable resistance layer ME may vary according to an applied voltage. The semiconductor device MC may store or erase digital information such as '0' or '1' according to a change in the resistance of the variable resistance layer ME. For example, the semiconductor device MC may write data in the high resistance state of the variable resistance layer ME as '0' and the low resistance state as '1'. Here, writing from the high resistance state '0' to the low resistance state '1' can be referred to as a 'set operation', and writing from the low resistance state '1' to the high resistance state '0' is 'reset ( reset) operation'.
선택 소자층(SW)은 해당 선택 소자층(SW)과 전기적으로 연결된 반도체 소자(MC)에 대한 전류의 흐름을 제어하여, 해당 반도체 소자(MC)를 선택(어드레싱)하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 선택 소자층(SW)은 양단에 걸린 전압의 크기에 따라 저항이 변화할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 선택 소자층(SW)은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching, OTS) 특성을 가질 수 있다. The selection element layer SW may serve to select (address) the semiconductor element MC by controlling the flow of current to the semiconductor element MC electrically connected to the selection element layer SW. . Specifically, the selection element layer SW may include a material whose resistance can change according to the magnitude of the voltage applied across both ends. For example, the selection element layer SW may have an Ovonic Threshold Switching (OTS) characteristic.
도 2는 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 선택 소자층의 전압-전류 곡선을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 2를 참고하면, 제 1 곡선(21)은 선택 소자층(SW)에 전류가 거의 흐르지 않는 상태의 전압-전류 관계를 나타낸다. 전압과 전류가 0인 상태에서 전압이 서서히 증가할 때, 전압이 문턱 전압(Vth)(제 1 전압 레벨(23))에 도달할 때까지 선택 소자층(SW)은 고저항 상태로, 거의 전류가 흐르지 않을 수 있다. 그러나, 전압이 문턱 전압(Vth)을 초과하자마자, 선택 소자층(SW)은 저저항 상태가 되어, 선택 소자층(SW)에 흐르는 전류가 급격히 증가할 수 있고, 선택 소자층(SW)에 인가되는 전압은 포화 전압(VS)(제 2 전압 레벨(24))까지 감소하게 된다. 제 2 곡선(22)은 선택 소자층(SW)에 전류가 보다 원할히 흐르는 상태에서의 전압-전류 관계를 나타낸다. 선택 소자층(SW)에 흐르는 전류가 제 1 전류 레벨(26)보다 커짐에 따라 선택 소자층(SW)에 인가되는 전압은 제 2 전압 레벨(24)보다 약간 증가할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자층(SW)에 흐르는 전류가 제 1 전류 레벨(26)로부터 제 2 전류 레벨(27)까지 상당히 증가하는 동안 선택 소자층(SW)에 인가되는 전압은 제 2 전압 레벨(24)로부터 미미하게 증가할 수 있다. 다시 말해, 선택 소자층(SW)을 통해 전류가 일단 흐르게 되면, 선택 소자층(SW)에 인가되는 전압은 포화 전압(VS)으로 거의 유지될 수 있다. 만약 전류가 유지 전류 레벨(제 1 전류 레벨(26)) 이하로 감소하게 되면, 선택 소자층(SW)은 다시 고저항 상태로 전환되어, 전압이 문턱 전압(Vth)으로 증가할 때까지 전류를 효과적으로 블로킹할 수 있다. 이러한 특성으로 인해, 선택 소자층(SW)은 제 1 전압 레벨(23)의 문턱 전압(Vth)을 갖는 스위칭 소자로 작용할 수 있다.2 is a graph schematically illustrating a voltage-current curve of a selection device layer having an ovonic threshold switching characteristic. Referring to FIG. 2 , the
그러나, 반도체 소자에 문턱 전압(Vth)보다 낮은 전압이 인가되는 상태인 경우(반도체 소자가 오프 상태일 때)에도 도 2에 도시된 바와 같이 선택 소자층(SW) 내에는 일정 수준의 전류가 흐를 수 있다. 이러한 오프 상태의 전류(누설 전류)가 크면, 반도체 장치는 포함되는 반도체 소자의 갯수가 많을수록 한 번에 동작되기 어려울 수 있다. 또한, 선택 소자층(SW)은 반도체 소자의 누적 사용 시간, 누적 on/off 횟수 등에 따라 문턱 전압(Vth)이 변하거나 오프 전류 대비 온 전류(Ion / Ioff)의 비율이 변하면서 신뢰성, 내구성이 악화될 수 있다. However, even when a voltage lower than the threshold voltage V th is applied to the semiconductor device (when the semiconductor device is in an off state), as shown in FIG. 2 , a certain level of current is generated in the selection device layer SW. can flow If the off-state current (leakage current) is large, it may be difficult to operate the semiconductor device at once as the number of semiconductor devices included increases. In addition, the selection element layer SW is reliable as the threshold voltage (V th ) or the ratio of the on current (I on / I off ) to the off current (I on / I off ) changes depending on the accumulated use time of the semiconductor device, the accumulated on/off number, etc. , the durability may deteriorate.
일 실시예에 따른 선택 소자층(SW)은 2개 이상의 칼코겐 화합물층을 포함하여, 낮은 오프 전류값(누설 전류값)을 가지면서도, 안정적인 스위칭 특성을 구현할 수 있다. 구체적으로, 일 실시예에 따른 선택 소자층(SW)은 저마늄(Ge) 및/또는 틴(Sn)을 포함하는 제 1 원소와, 설퍼(S), 셀레늄(Se) 및/또는 텔루르(Te)를 포함하는 제 2 원소를 각각 독립적으로 포함하고, 서로 다른 조성을 갖는 칼코겐 화합물층을 2개 이상 포함할 수 있다. The selection device layer (SW) according to an embodiment includes two or more chalcogenide compound layers, so that it has a low off-state current value (leakage current value) and can implement stable switching characteristics. Specifically, the selection device layer SW according to an embodiment includes a first element including germanium (Ge) and/or tin (Sn), sulfur (S), selenium (Se), and/or tellurium (Te). ) each independently including a second element including, and may include two or more chalcogen compound layers having different compositions.
GeAsSe 3성분의 칼코겐 화?d물로 된 1층의 선택 소자층(SW)은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching, OTS) 특성을 가질 수 있으나, 높은 오프 전류값(누설 전류값)과 부족한 내구성을 가져, 실제 반도체 소자에 적용하기에는 어려움이 있다. 일 실시예에 따른 선택 소자층(SW)은 에너지 밴드갭(Eg) 및/또는 조성이 서로 다른 칼코겐 화합물층을 2개 이상 포함하여, 낮은 오프 전류값(누설 전류값)과 향상된 내구성을 가질 수 있다. 특정 이론에 구속되려 함은 아니지만, 일 실시예에 따른 선택 소자층(SW)은 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 칼코겐 화합물층들간의 에너지 밴드갭 차이를 통해, 이들 사이의 전자 이동을 제어함으로써 낮은 누설 전류값과 향상된 내구성을 가질 수 있다. The first-layer selective element layer (SW) made of chalcogenide and d water of three components of GeAsSe may have Ovonic Threshold Switching (OTS) characteristics, but a high off-state current value (leakage current value) and insufficient durability Therefore, it is difficult to apply it to an actual semiconductor device. The selection element layer (SW) according to an embodiment may include two or more chalcogen compound layers having different energy band gaps (Eg) and/or compositions, so as to have a low off current value (leakage current value) and improved durability. there is. Although not wishing to be bound by a particular theory, the selection device layer (SW) according to an embodiment has a low leakage by controlling electron movement between them through an energy bandgap difference between the chalcogen compound layers having an ovonic threshold switching characteristic. It can have a current value and improved durability.
도 3a 내지 도 3c는 실시예들에 따른 반도체 소자의 모식도이다. 도 3a를 참조하면, 선택 소자층(SW)은 각각 다른 에너지 밴드갭을 갖는 칼코겐 화합물층을 2개 이상 포함할 수 있다. 다시 말해, 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)보다 큰 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 칼코겐 화합물층의 에너지 밴드갭은 제 2 칼코겐 화합물층보다 0.1eV 이상, 0.2eV 이상, 0.3eV 이상, 0.4eV 이상, 0.5eV 이상, 0.6eV 이상, 1.0eV 이하, 0.9eV 이하, 0.8eV 이하, 또는 0.7eV 이하로 클 수 있다. 3A to 3C are schematic diagrams of semiconductor devices according to example embodiments. Referring to FIG. 3A , the selection device layer SW may include two or more chalcogen compound layers each having different energy band gaps. In other words, the first chalcogen compound layer (SWa) may have a larger energy band gap than the second chalcogen compound layer (SWb). For example, the energy band gap of the first chalcogenide compound layer is 0.1eV or more, 0.2eV or more, 0.3eV or more, 0.4eV or more, 0.5eV or more, 0.6eV or more, 1.0eV or less, 0.9eV or more than the second chalcogen compound layer. or less, 0.8 eV or less, or 0.7 eV or less.
제 1 칼코겐 화합물층(SWa)과 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 각각 독립적으로 저마늄(Ge) 및/또는 틴(Sn)을 포함하는 제 1 원소와, 설퍼(S), 셀레늄(Se) 및/또는 텔루르(Te)를 포함하는 제 2 원소를 포함할 수 있다. The first chalcogenide compound layer (SWa) and the second chalcogen compound layer (SWb) are each independently a first element including germanium (Ge) and / or tin (Sn), sulfur (S), selenium (Se) and/or a second element including tellurium (Te).
제 1 칼코겐 화합물층(SWa)과 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)의 제 1 원소 함량은 각각 독립적으로 총 원소 함량 대비 5.0at% 이상이고 30.0at% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제 1 원소 함량은 총 원소 대비 7.0at% 이상, 10.0at% 이상, 25.0at% 이하, 23.0at% 이하, 또는 20.0at% 이하일 수 있다.The first element content of the first chalcogenide compound layer (SWa) and the second chalcogen compound layer (SWb) may each independently be 5.0at% or more and 30.0at% or less relative to the total element content. For example, the content of the first element may be 7.0at% or more, 10.0at% or more, 25.0at% or less, 23.0at% or less, or 20.0at% or less relative to the total elements.
제 1 칼코겐 화합물층(SWa)과 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)의 제 2 원소 함량은 각각 독립적으로 총 원소 대비 0.0at% 초과이고 70.0at% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제 2 원소 함량은 총 원소 대비 10.0at% 이상, 15at% 이상, 20.0at% 이상, 25.0at% 이상, 30.0at% 이상, 35.0at% 이상, 40.0at% 이상, 65.0at% 이하, 60.0at% 이하, 또는 55.0at% 이하일 수 있다. The content of the second element of the first chalcogenide compound layer (SWa) and the second chalcogen compound layer (SWb) may each independently exceed 0.0at% and 70.0at% or less with respect to the total element. For example, the content of the second element relative to the total element is 10.0at% or more, 15at% or more, 20.0at% or more, 25.0at% or more, 30.0at% or more, 35.0at% or more, 40.0at% or more, 65.0at% or less , 60.0at% or less, or 55.0at% or less.
제 1 칼코겐 화합물층(SWa) 및/또는 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 각각 독립적으로 아세닉(As), 안티모니(Sb), 실리콘(Si) 및 비스무스(Bi)로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제 3 원소를 더 포함할 수 있다. 제 1 칼코겐 화합물층(SWa) 및/또는 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)의 제 3 원소 함량은 각각 독립적으로 총 원소 함량 대비 5.0at% 이상이고 50.0at% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제 3 원소 함량은 총 원소 대비 7.0at% 이상, 10.0at% 이상, 15.0at% 이상, 20.0at% 이상, 45.0at% 이하, 40.0at% 이하, 또는 35.0at% 이하일 수 있다. The first chalcogenide compound layer (SWa) and / or the second chalcogen compound layer (SWb) is each independently one or It may further include a third element selected from two or more. The content of the third element of the first chalcogenide compound layer (SWa) and/or the second chalcogen compound layer (SWb) may each independently be 5.0at% or more and 50.0at% or less relative to the total element content. For example, the content of the third element may be 7.0at% or more, 10.0at% or more, 15.0at% or more, 20.0at% or more, 45.0at% or less, 40.0at% or less, or 35.0at% or less relative to the total element.
제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 금속 도펀트를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 보론(B), 알루미늄(Al), 스캄듐(Sc), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제 4 원소를 더 포함할 수 있다. 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)의 제 4 원소 함량은 총 원소 함량 대비 0.1at% 이상이고 10.0at% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제 3 원소 함량은 총 원소 대비 0.5at% 이상, 1.0at% 이상, 1.5at% 이상, 2.0at% 이상, 7.0at% 이하, 6.0at% 이하, 또는 5.0at% 이하일 수 있다. The second chalcogen compound layer SWb may further include a metal dopant. Specifically, the second chalcogen compound layer (SWb) is one or two from the group consisting of boron (B), aluminum (Al), scandium (Sc), manganese (Mn), strontium (Sr), and indium (In). It may further include a fourth element selected above. The content of the fourth element of the second chalcogenide compound layer (SWb) may be 0.1at% or more and 10.0at% or less relative to the total element content. For example, the content of the third element may be 0.5at% or more, 1.0at% or more, 1.5at% or more, 2.0at% or more, 7.0at% or less, 6.0at% or less, or 5.0at% or less relative to the total element.
제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 비금속 도펀트를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P), 및 황(S) 로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 제 5 원소를 더 포함할 수 있다. 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)의 제 5 원소 함량은 총 원소 함량 대비 0.1at% 이상이고 10.0at% 이하일 수 있다. 예를 들어, 제 5 원소 함량은 총 원소 대비 0.5at% 이상, 1.0at% 이상, 1.5at% 이상, 2.0at% 이상, 7.0at% 이하, 6.0at% 이하, 또는 5.0at% 이하일 수 있다. The first chalcogenide compound layer SWa may further include a non-metal dopant. Specifically, the first chalcogen compound layer (SWa) is one or two or more selected from the group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P), and sulfur (S) a fifth element may further include. The content of the fifth element of the first chalcogenide compound layer (SWa) may be 0.1at% or more and 10.0at% or less relative to the total element content. For example, the content of the fifth element may be 0.5at% or more, 1.0at% or more, 1.5at% or more, 2.0at% or more, 7.0at% or less, 6.0at% or less, or 5.0at% or less relative to the total element.
제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 화학식 1, 화학식 3 및/또는 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 화학식 1 및/또는 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.The first chalcogen compound layer (SWa) may include a compound of
[화학식 1][Formula 1]
AaBbCc A a B b C c
[화학식 2][Formula 2]
AaBbCcDd A a B b C c D d
[화학식 3][Formula 3]
AaBb A a B b
[화학식 4][Formula 4]
AaBbCcEe A a B b C c E e
화학식 1, 화학식 2, 화학식 3, 또는 화학식 4에서 A는 제 1 원소, B는 제 2 원소, C는 제 3 원소, D는 제 4 원소, E는 제 5 원소이고, 화학식 1에서 a+b+c=1, 화학식 2에서 a+b+c+d=1, 화학식 3에서 a+b=1, 화학식 4에서 a+b+c+e=1이다. 화학식 1, 화학식 2, 또는 화학식 4에서 0.05≤ a≤ 0.30, 0.20≤ b≤ 0.70, 0.05≤ c≤ 0.50, 0.01≤ d≤ 0.10, 0.01≤ e≤ 0.10일 수 있다. 화학식 3에서 0.05 a≤ 0.70, 0.05 b≤ 0.70일 수 있다.In
일 실시예에 따르면, 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 화학식 1의 화합물을 포함하고, 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 화학식 3의 화합물 및/또는 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 화학식 2의 화합물을 포함하고, 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)은 화학식 1의 화합물, 화학식 3의 화합물 및/또는 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the second chalcogen compound layer (SWb) may include the compound of
제 1 칼코겐 화합물층(SWa) 및/또는 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 원하는 성능에 따라 적절한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 칼코겐 화합물층(SWa) 및/또는 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)의 두께는 각각 독립적으로 0.5nm 이상, 1.0nm 이상, 2.0nm 이상, 3.0nm 이상, 5.0nm 이상, 7.0nm 이상, 10.0nm 이상, 15.0nm 이상, 30.0nm 이하, 28.0nm 이하, 25.0nm 이하, 23.0nm 이하, 20.0nm 이하, 17.0nm 이하, 15.0nm 이하, 13.0nm 이하, 10.0nm 이하, 또는 8.0nm 이하일 수 있다. 또한, 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)은 제 1 칼코겐 화합물층(SWa) 대비 0.1배 이상, 0.2배 이상, 0.3배 이상, 0.5배 이상, 1.5배 이하, 1.2배 이하, 1.0배 이하, 0.8배 이하의 부피비(또는 두께비)를 가질 수 있다.The first chalcogen compound layer (SWa) and/or the second chalcogen compound layer (SWb) may have an appropriate thickness depending on desired performance. For example, the thickness of the first chalcogenide compound layer (SWa) and / or the second chalcogen compound layer (SWb) is each independently 0.5 nm or more, 1.0 nm or more, 2.0 nm or more, 3.0 nm or more, 5.0 nm or more, 7.0 nm or more, 10.0 nm or more, 15.0 nm or more, 30.0 nm or less, 28.0 nm or less, 25.0 nm or less, 23.0 nm or less, 20.0 nm or less, 17.0 nm or less, 15.0 nm or less, 13.0 nm or less, 10.0 nm or less, or 8.0 nm may be below. In addition, the second chalcogenide compound layer (SWb) compared to the first chalcogen compound layer (SWa) 0.1 times or more, 0.2 times or more, 0.3 times or more, 0.5 times or more, 1.5 times or less, 1.2 times or less, 1.0 times or less, 0.8 times or more It may have the following volume ratio (or thickness ratio).
도 3b를 참조하면, 선택 소자층(SW)은 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)과 인접하고 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)과 이격되어 배치되는 제 3 칼코겐 화합물층(SWc)을 더 포함할 수 있다. 다시 말해, 선택 소자층(SW)은 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)/ 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)/ 제 3 칼코겐 화합물층(SWc)의 적층 구조물을 가질 수 있다. Referring to FIG. 3b , the selection element layer SW may further include a third chalcogen compound layer SWc disposed adjacent to the second chalcogen compound layer SWb and spaced apart from the first chalcogen compound layer SWa. there is. In other words, the selection device layer (SW) may have a stacked structure of the first chalcogen compound layer (SWa) / the second chalcogen compound layer (SWb) / the third chalcogen compound layer (SWc).
제 3 칼코겐 화합물층(SWc)은 앞서 언급한 화학식 1, 화학식 3, 및/또는 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다. 제 3 칼코겐 화합물층(SWc)은 제 2 칼코겐 화합물층(SWb)보다 큰 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 또한, 제 3 칼코겐 화합물층(SWc)의 에너지 밴드갭은 제 1 칼코겐 화합물층(SWa)보다 크거나 같을 수 있다.The third chalcogen compound layer (SWc) may include the aforementioned compounds of
다른 실시예에 따르면, 선택 소자층(SW)은 제 1 원소, 제 2 원소, 제 3 원소, 및 제 4 원소를 포함하고, 제 4 원소는 선택 소자층(SW)의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 3c을 참고하면, 선택 소자층(SW)은 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)과 각각 대면하는 제 1 면(SW1) 및 제 2 면(SW2)을 가지며, 제 4 원소는 제 1 면(SW1)과 제 2 면(SW2) 사이의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 4 원소는 제 2 면(SW2)에서의 농도가 제 1 면(SW1)에서보다 더 크거나 작을 수 있고, 제 1 면(SW1)에서는 제 4 원소의 농도가 0일 수 있다. 또한, 제 4 원소는 소정의 두께 위치(SW1`와 SW2` 사이)에서 최대 농도를 갖고 제 1 면(SW1) 및/또는 제 2면(SW2)으로 갈수록 농도가 감소하거나 0이 될 수도 있다. 또한, 제 4 원소의 이러한 농도 구배는 제 1 면(또는 제 2 면)(SW1, SW2)에서부터 소정의 두께만큼 떨어진 위치(SW1`, SW2`)에서부터 나타날 수 있다. 다시 말해, 제 4 원소는 제 1 면(및/또는 제 2 면)(SW1, SW2)에서 및/또는 제 1 면(및/또는 제 2 면)에서부터 소정의 두께(SW1`, SW2`) 사이에는 존재하지 않을 수 있다. SW1`와 SW2`의 위치는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 각각 제 1 전극(10)과 제 2 전극(20)으로부터 선택 소자층(SW) 총 두께의 0% 초과, 1% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 7% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 75% 이하, 70% 이하, 65% 이하, 60% 이하, 58% 이하, 55% 이하, 53% 이하, 50% 이하, 48% 이하, 45% 이하, 43% 이하, 40% 이하, 38% 이하, 또는 35% 이하일 수 있다. According to another embodiment, the selection element layer SW includes a first element, a second element, a third element, and a fourth element, and the fourth element has a concentration gradient in the thickness direction of the selection element layer SW. can have Specifically, referring to FIG. 3C , the selection element layer SW has a first surface SW1 and a second surface SW2 facing the
선택 소자층(SW)은 제 5 원소를 더 포함하고, 제 5 원소도 선택 소자층(SW)의 두께 방향으로 농도 구배를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 5 원소는 제 1 면(SW1)에서의 농도가 제 2 면(SW2)에서보다 더 크거나 작을 수 있고, 제 2 면(SW2)에서 제 5 원소의 농도가 0일 수 있다. 또한, 제 5 원소는 소정의 두께 위치(SW1`와 SW2` 사이)에서 농도가 최소이거나 0일 수 있다. 제 5 원소의 농도 구배 방향은 제 4 원소와 다른 방향일 수 있으며. 예를 들어 제 4 원소와 반대 방향일 수 있다. 구체적으로, 제 1 면(SW1)에서부터 제 2 면(SW2)까지 제 5 원소의 농도는 감소하고, 제 4 원소의 농도는 증가할 수 있다.The selection element layer SW may further include a fifth element, and the fifth element may also have a concentration gradient in the thickness direction of the selection element layer SW. For example, the concentration of the fifth element on the first surface SW1 may be greater or less than that on the second surface SW2, and the concentration of the fifth element on the second surface SW2 may be 0. . In addition, the concentration of the fifth element may be minimum or zero at a predetermined thickness position (between SW1′ and SW2′). A concentration gradient direction of the fifth element may be different from that of the fourth element. For example, the direction may be opposite to that of the fourth element. Specifically, from the first surface SW1 to the second surface SW2 , the concentration of the fifth element may decrease and the concentration of the fourth element may increase.
일 실시예에 따른 선택 소자층(SW)은 열적 안정성이 우수하여 반도체 소자 등의 제조 공정에서 손상 또는 열화가 적을 수 있다. 구체적으로, 각 칼코겐 화합물층 또는 선택 소자층(SW)은 결정화 온도는 350도씨 이상이고, 600도씨 이하일 수 있다. 예를 들어, 결정화 온도가 380도씨 이상, 400도씨 이상, 580도씨 이하 또는 550도씨 이하일 수 있다. 또한, 각 칼코겐 화합물층 또는 선택 소자층(SW)은 승화(sublimation) 온도가 250도씨 이상이고, 400도씨 이하일 수 있다. 예를 들어, 승화 온도는 280도씨 이상, 300도씨 이상, 380도씨 이하 또는 350도씨 이하일 수 있다. The selection element layer SW according to an exemplary embodiment may have excellent thermal stability, and thus may be less damaged or deteriorated in a manufacturing process of a semiconductor device or the like. Specifically, the crystallization temperature of each chalcogen compound layer or the selection element layer SW may be 350 degrees C or more, and 600 degrees C or less. For example, the crystallization temperature may be 380 degrees C or more, 400 degrees C or more, 580 degrees C or less, or 550 degrees C or less. In addition, each chalcogen compound layer or the selection element layer (SW) may have a sublimation temperature of 250 degrees C or more, and 400 degrees C or less. For example, the sublimation temperature may be 280 degrees C or more, 300 degrees C or more, 380 degrees C or less, or 350 degrees C or less.
일 실시예에 따른 반도체 소자 및 반도체 장치는 각 구성 요소를 전기적으로 연결하는 전극을 더 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 반도체 장치에 대한 사시도 및 단면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참고하면, 반도체 장치(100)는 기판(101) 상에 제 1 전극 라인층(110L), 제 2 전극 라인층(120L) 및 반도체 소자층(MCL)을 포함할 수 있다.The semiconductor device and the semiconductor device according to an embodiment may further include an electrode electrically connecting each component. 4A and 4B are perspective and cross-sectional views of a semiconductor device according to an exemplary embodiment. 4A and 4B , the
제 1 전극 라인층(110L)은 제 1 방향(X 방향)으로 상호 평행하게 연장하는 복수의 제 1 전극 라인들(110)을 포함할 수 있다. 제 2 전극 라인층(120L)은 제 1 전극 라인층(110L)과 이격되어 배치되고 제 2 방향으로 상호 평행하게 연장하는 복수의 제 2 전극 라인들(120)을 포함할 수 있다. 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 다를 수 있으며, 도 4a의 X 방향과 Y 방향과 같이 서로 수직으로 교차할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 반도체 장치의 구동 측면에서, 제 1 전극 라인들(110)은 워드 라인과 비트 라인 중 하나에 해당할 수 있고, 제 2 전극 라인들(120)은 다른 하나에 해당할 수 있다.The first
제 1 전극 라인들(110) 및 제 2 전극 라인들(120)은 각각 독립적으로 금속, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제 1 전극 라인들(110) 및 제 2 전극 라인들(120)은 각각 독립적으로 W, WN, Au, Ag, Cu, Al, TiAlN, Ir, Pt, Pd, Ru, Zr, Rh, Ni, Co, Cr, Sn, Zn, ITO, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 전극 라인들(110) 및 제 2 전극 라인들(120)은 각각 독립적으로 금속막과, 금속막의 일부 또는 전부를 덮는 도전성 장벽층을 포함할 수 있다. 도전성 장벽층은 예컨대, Ti, TiN, Ta, TaN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The
반도체 소자층(MCL)은 복수 개의 반도체 소자(MC)를 포함할 수 있다. 반도체 소자(MC)들은 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 제 1 전극 라인들(110)과 제 2 전극 라인들(120) 사이에 제 1 전극 라인들(110)과 제 2 전극 라인들(120)이 교차하는 부분들에 배치되는 3차원 구조를 가질 수 있다. The semiconductor device layer MCL may include a plurality of semiconductor devices MC. The semiconductor devices MC may be disposed to be spaced apart from each other, and the
반도체 소자(MC)는 선택 소자층(143, 도 1의 SW)과 가변 저항층(149, 도 1의 ME) 사이에, 이들을 전기적으로 연결하는 전극층을 더 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극 라인들(110)과 선택 소자층(143) 사이 및/또는 제 2 전극 라인들(120)과 가변 저항층(149) 사이에 전극층이 더 포함될 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극층(141)과 제 2 전극층(145) 사이에 선택 소자층(143)이 배치되고, 제 2 전극층(145)과 제 3 전극층(148) 사이에 가변 저항층(149)이 배치될 수 있다. The semiconductor device MC may further include, between the selection device layer 143 (SW of FIG. 1 ) and the variable resistance layer 149 (ME of FIG. 1 ), an electrode layer electrically connecting them. In addition, an electrode layer may be further included between the
제 1 전극층(141), 제 2 전극층(145) 및 제 3 전극층(148)은 전류가 흐르는 통로가 될 수 있으며, 도전성 물질을 포함할 수 있다. 제 1 전극층(141), 제 2 전극층(145) 및 제 3 전극층(148)은 각각 독립적으로 금속, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 이들은 각각 독립적으로 탄소(C), 티타늄나이트라이드(TiN), 티타늄실리콘나이트라이드(TiSiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN), 티타늄카본실리콘나이트라이드(TiCSiN), 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 텅스텐(W) 및 텅스텐나이트라이드(WN) 중에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. The
선택 소자층(143)은 앞서 설명한 내용을 참고할 수 있다. 예를 들어, 제 1 칼코겐 화합물층(143a)과 제 2 칼코겐 화합물층(143b)의 도입 위치는 특별히 제한되지 않으나, 제 1 칼코겐 화합물층(143a)은 제 2 칼코겐 화합물층(143b)에 비해 제 1 전극층(141)에 더 인접하게 배치되거나, 제 2 칼코겐 화합물층(143b)은 가변 저항층(149) 및/또는 제 2 전극층(145)에 더 인접하게 배치될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 선택 소자층(143)는 제 4 원소의 농도가 제 1 전극층(141)보다 제 2 전극층(145)에 인접한 위치에서 더 크거나, 선택 소자층(143) 내부의 소정의 두께 위치에서 제 4 원소가 최대 농도를 가질 수 있다. 또한, 선택 소자층(143)는 제 5 원소의 농도가 제 1 전극층(141)보다 제 2 전극층(145)에 인접한 위치에서 더 작거나, 선택 소자층(143) 내부의 소정의 두께 위치에서 제 5 원소가 최소 농도를 가질 수 있다.For the
또한, 반도체 소자(MC)는 제 1 전극층(141)과 선택 소자층(143) 사이 및/또는 제 2 전극층(145)과 선택 소자층(143) 사이에 절연 물질을 포함하지 않을 수 있다. 절연 물질은 금속 산화물 및/또는 금속 질화물일 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질산화물 등일 수 있다. Also, the semiconductor device MC may not include an insulating material between the
가변 저항층(149)은 인가되는 조건에 따라 저항 변화 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. The
일 실시예에 따르면, 가변 저항층(149)은 온도에 따라 가역적으로 상(phase)이 변할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 다시 말해, 가변 저항층(149)은 가열 시간(인가 열량)에 따라 가역적으로 결정질과 비정질 간의 상변화가 가능한 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 가변 저항층(149)은 외부에서 전기적 펄스(Electrical pulse) 인가 시 발생하는 줄 가열(Joule heating)에 의해 가역적으로 비정질(amorphous) 상태와 결정질(crystalline) 상태로 변할 수 있고, 이러한 상변화에 의해 저항이 변할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상변화 물질은 비정질 상에서 고저항 상태가 되고, 결정질 상에서 저저항 상태가 될 수 있다. 고저항 상태를 '0'으로, 저저항 상태 '1'로 정의함으로써, 가변 저항층(149)에 데이터가 저장될 수 있다. According to an embodiment, the
상변화 물질은 셀레늄(Se) 및/또는 텔루르(Te)를 포함하고, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O 및 C 중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 원소를 포함할 수 있다. 상변화 물질은 Ge-Sb-Te(GST)를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ge-Sb-Te(GST)는 Ge, Sb, 및 Te를 포함하는 화합물이며, Ge2Sb2Te5, Ge2Sb2Te7, Ge1Sb2Te4, 및/또는 Ge1Sb4Te7를 포함할 수 있다. Phase change materials include selenium (Se) and/or tellurium (Te), Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O and C It may include one or two or more elements selected from among them. The phase change material may include Ge-Sb-Te (GST). For example, Ge-Sb-Te (GST) is a compound comprising Ge, Sb, and Te, Ge 2 Sb 2 Te 5 , Ge 2 Sb 2 Te 7 , Ge 1 Sb 2 Te 4 , and/or Ge 1 Sb 4 Te 7 may be included.
상변화 물질은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 탈륨(Tl), 및 폴로늄(Po) 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 금속 원소를 더 포함할 수 있다. 금속 원소는 가변 저항층(149)의 전기 전도성 및 열전도성을 높일 수 있고, 결정화 속도를 높일 수도 있다.Phase change materials are aluminum (Al), zinc (Zn), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), palladium One or more metal elements selected from (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), iridium (Ir), platinum (Pt), zirconium (Zr), thallium (Tl), and polonium (Po) are further added may include The metal element may increase the electrical conductivity and thermal conductivity of the
상변화 물질을 이루는 각 원소는 다양한 화학적 조성비 (stoichiometry)를 가질 수 있다. 각 원소의 화학적 조성비에 따라 상변화 물질의 결정화 온도, 용융점, 결정화 에너지에 따른 상변화 속도, 및 정보 보유력(retention)이 조절될 수 있다. 예를 들어, 상변화 물질의 용융점이 500℃ 내지 약 800℃일 수 있게 화학적 조성비가 조절될 수 있다.Each element constituting the phase change material may have various stoichiometry. According to the chemical composition ratio of each element, the crystallization temperature, melting point, phase change rate according to the crystallization energy, and information retention of the phase change material may be controlled. For example, the chemical composition ratio may be adjusted so that the melting point of the phase change material is 500° C. to about 800° C.
가변 저항층(149)은 서로 다른 물질을 포함하는 복수의 층들이 교대로 적층되는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149)은 Ge-Te으로 이루어지는 층과 Sb-Te으로 이루어지는 층이 교대로 적층되는 구조를 포함할 수 있다. 이러한 적층 구조는 초격자(Super-Lattice) 구조일 수 있다. 또한, 복수의 층들 사이에 배리어층이 더 포함될 수 있다. 배리어층은 복수의 층들 간에 물질 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다.The
반도체 소자(MC)는 가변 저항층(149)을 가열할 수 있는 가열 전극층(147)을 더 포함할 수 있다. 가열 전극층(147)은 제 2 전극층(145)과 가변 저항층(149) 사이에, 가변 저항층(149)과 접하도록 배치될 수 있다. 가열 전극층(147)은 가변 저항층(149)과 반응하지 않으면서, 가변 저항층(149)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 가열 전극층(147)은 탄소 계열의 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열 전극층(147)은 TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, 탄소(C), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘카본나이트라이드(SiCN), 카본나이트라이드(CN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN), 탄탈륨카본나이트라이드(TaCN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The semiconductor device MC may further include a
제 2 전극층(145)은 가열 전극층(147)에 의한 발열이 선택 소자층(143)에 실질적으로 영향을 미치지 않을 두께로 형성될 수 있다. 제 2 전극층(145)은 제 1 전극층(141)이나 제 3 전극층(148)보다 두껍게 형성될 수 있으며 약 10㎚ 내지 약 100㎚ 정도의 두께를 가질 수 있다. 또한, 제 2 전극층(145)은 열적 장벽(thermal barrier)층을 더 포함할 수 있고, 열적 장벽층과 전극 물질층이 번갈아 적층되는 구조를 가질 수 있다. 가열 전극층(147)은 열에 의한 상변화 물질인 가변 저항층(149)을 가열하기 위한 것이며, 가변 저항층(149)의 물질이 이와 다른 물질인 이하의 실시예들에서 가열 전극층(147)은 생략될 수 있다.The
다른 실시예에 따르면, 가변 저항층(149)은 외부 인가 전압에 따라 화합물 내 결함(defect)이 이동하면서 전기 저항의 크기가 가역적으로 변할 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149)은 전이 금속 산화물(transition metal oxide)을 포함할 수 있다. 전이 금속 산화물은 외부 인가 전압에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)이 이동하면서, 전기적 통로가 생성/소멸되고, 가역적으로 저저항 상태와 고저항 상태로 변할 수 있다. 전이 금속 산화물은 Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, 및 Cr 중에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전이 금속 산화물은 Ta2O5-x, ZrO2-x, TiO2-x, HfO2-x, MnO2-x, Y2O3-x, NiO1-y, Nb2O5-x, CuO1-y, 및 Fe2O3-x 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. (0≤x≤1.5, 0≤y≤0.5일 수 있다.)According to another embodiment, the
또 다른 실시예에 따르면, 가변 저항층(149)은 외부 인가 전압에 따라 분극 상태가 변하면서 전기 저항이 가역적으로 변할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149)은 페로브스카이트(perovskite) 화합물을 포함할 수 있다. 가변 저항층(149)은 니오븀 산화물(niobium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 니켈 산화물(nikel oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 스트론튬-티타늄 산화물(strontium-titanium oxide), 바륨-스트론튬-티타늄 산화물(barium-strontium-titanium oxide), 스트론튬-지르코늄 산화물(strontium-zirconium oxide), 바륨-지르코늄 산화물(barium-zirconium oxide), 및 바륨-스트론튬-지르코늄 산화물(barium-strontium-zirconium oxide) 중에서 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. According to another embodiment, the
또 다른 실시예에 따르면, 가변 저항층(149)은 외부 인가 전압에 따라 자화 상태가 변하면서 전기 저항이 가역적으로 변할 수 있는 물질일 수 있다. 이러한 가변 저항층(149)은 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 가변 저항층(149)은 자성체로 이루어지는 2개의 전극과, 이들 2개의 자성체 전극 사이에 개재되는 유전체를 포함할 수 있다. 자성체로 이루어지는 2개의 전극은 각각 자화 고정층과 자화 자유층일 수 있으며, 이들 사이에 개재된 유전체는 터널 배리어층일 수 있다. 자화 고정층은 일 방향으로 고정된 자화 방향을 갖고, 자화 자유층은 내부 전자들의 스핀 토크(spin torque)에 의하여 자화 방향이 변할 수 있다. 구체적으로, 자화 자유층의 자화 방향은 자화 고정층의 자화 방향에 평행 또는 반평행하도록 가역적으로 변할 수 있고, 자화 자유층의 자화 방향에 따라 가변 저항층(149)이 고저항 상태와 저저항 상태로 가역적으로 변할 수 있다. 자화 고정층 및 자화 자유층은 강자성 물질을 포함할 수 있고, 자화 고정층은 내부 강자성 물질의 자화 방향을 고정시키는 반강자성 물질을 더 포함할 수 있다. 또한, 터널 배리어층은 Mg, Ti, Al, MgZn, 및 MgB 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 산화물을 포함할 수 있다.According to another embodiment, the
반도체 소자(MC)는 필라(pillar) 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자(MC)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 사각기둥 형상을 가질 수 있고, 원기둥, 타원기둥, 다각기둥 등의 다양한 기둥 형상을 가질 수도 있다. The semiconductor device MC may have a pillar shape. For example, the semiconductor device MC may have a quadrangular prism shape as shown in FIGS. 4A and 4B , and may have various prism shapes such as a cylinder, an elliptical prism, and a polygonal prism.
또한, 반도체 소자(MC)는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 측면이 기판(101)에 대해 수직일 수 있다. 다시 말해, 반도체 소자(MC)는 적층 방향(Z 방향)에 수직인 단면의 면적이 일정할 수 있으나, 이는 예시적인 것이며, 하부가 상부보다 넓거나, 또는 상부가 하부보다 넓은 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 1 전극층(141), 제 2 전극층(145), 가열 전극층(147), 제 3 전극층(148), 선택 소자층(143), 및 가변 저항층(149)은 각각 독립적으로 상부와 하부의 넓이가 동일하거나 다를 수 있다. 이러한 형상은 각 구성 요소의 형성 방법에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극층(141)과 선택 소자층(143)은 다마신(damascene) 공정을 통해 형성되어 상부가 하부보다 넓은 구조를 가질 수 있고, 제 2 전극층(145), 가열 전극층(147), 제 3 전극층(148), 및 가변 저항층(149)은 양각 식각 공정을 통해 형성되어 측면이 기판(101)에 대해 수직인 구조를 가질 수 있다. Also, the side of the semiconductor device MC may be perpendicular to the
제 1 전극 라인들(110) 사이, 제 2 전극 라인들(120) 사이, 및/또는 반도체 소자(MC)들 사이에는 절연층이 더 배치될 수 있다. 구체적으로, 제 1 전극 라인들(110) 사이에 제 1 절연층(160a)이, 반도체 소자층(MCL)의 이격된 반도체 소자(MC) 사이에 제 2 절연층(160b)이, 제 2 전극 라인들(120) 사이에는 제 3 절연층(160c)이 배치될 수 있다. 제 1 절연층(160a), 제 2 절연층(160b), 및/또는 제 3 절연층(160c)은 산화물 및/또는 질화물을 포함하는 유전체 물질을 포함할 수 있으며, 동일한 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1 절연층(160a), 제 2 절연층(160b), 및/또는 제 3 절연층(160c)은 에어갭일 수도 있다. 이 경우 제 1 전극 라인들(110), 제 2 전극 라인들(120), 또는 반도체 소자(MC)와 에어갭 사이에는 절연 라이너(미도시)가 형성될 수 있다.An insulating layer may be further disposed between the
기판(101)은 예를 들어, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 실리콘 게르마늄(SiGe), 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 비소(InAs), 인듐포스파이드(InP) 등과 같은 반도체 물질을 포함할 수 있고, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물 등과 같은 절연성 물질을 포함할 수도 있다.The
반도체 장치(100)는 기판(101) 상에 층간 절연층(105)을 더 포함할 수 있다. 층간 절연층(105)은 기판(101)과 제 1 전극 라인층(110L) 사이에 배치되어, 이들을 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 층간 절연층(105)은 실리콘옥사이드와 같은 산화물 및/또는 실리콘나이트라이드와 같은 질화물을 포함할 수 있다. The
반도체 장치는 반도체 소자층(MCL)을 2개 이상 포함할 수 있다. 도 4c를 참조하면, 반도체 장치(400)는 기판(101) 상에 제 1 전극 라인층(110L), 제 2 전극 라인층(120L), 제 3 전극 라인층(130L), 제 1 반도체 소자층(MCL1), 및 제 2 반도체 소자층(MCL2)을 포함할 수 있다. 제 1 반도체 소자층(MCL1)은 복수개의 제1 반도체 소자(MC-1)을 포함할 수 있고, 제 2 반도체 소자층(MCL2)는 복수개의 제 2 반도체 소자(MC-2)를 포함할 수 있다. 제1 반도체 소자(MC-1)는 제 1 전극층(141-1), 선택 소자층(143-1), 제 2 전극층(145-1), 가열 전극층(147-1), 가변 저항층(149-1) 및 제 3 전극층(148-1)을 포함하고, 제2 반도체 소자(MC-2)는 제 1 전극층(141-2), 선택 소자층(143-2), 제 2 전극층(145-2), 가열 전극층(147-2), 가변 저항층(149-2) 및 제 3 전극층(148-2)을 포함할 수 있다. 이들 재질은 전술한 제 1 전극층(141), 선택 소자층(143), 제 2 전극층(145), 가열 전극층(147), 가변 저항층(149) 및 제 3 전극층(148)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제 1 반도체 소자층(MCL1)은 제 1 전극 라인층(110L)과 제 2 전극 라인층(120L) 사이에 배치되고, 제 2 반도체 소자층(MCL2)는 제 2 전극 라인층(120L)과 제 3 전극 라인층(130L) 사이에 배치될 수 있다. 제2반도체 소자(MC-2) 사이에 제4 절연층(160d)이 배치되고, 제 3 전극 라인들(130) 사이에 제 5 절연층(160e)이 배치될 수 있다. The semiconductor device may include two or more semiconductor device layers MCL. Referring to FIG. 4C , the
구체적으로, 제 1 전극 라인층(110L)과 제 3 전극 라인층(130L)은 동일한 방향(제 1 방향, X방향)으로 연장되고, 제 3 방향(Z 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 제 2 전극 라인층(120L)은 제 2 방향(Y방향)으로 연장되고, 제 1 전극 라인층(110L)과 제 3 전극 라인층(130L) 사이에, 제 3 방향(Z 방향)으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 반도체 소자층(MCL1)은 제 1 전극 라인층(110L)과 제 2 전극 라인층(120L) 사이에서 이들이 교차되는 부분에, 제 2 반도체 소자층(MCL2)은 제 2 전극 라인층(120L)과 제 3 전극 라인층(130L) 사이에서 이들이 교차되는 부분에 배치될 수 있다. 반도체 장치(400)의 구동 측면에서 제 1 전극 라인층(110L) 및 3 전극 라인층(130L)은 워드 라인(또는 비트 라인)이고, 제 2 전극 라인층(120L)은 공통 비트 라인(또는 공통 워드 라인)일 수 있다. Specifically, the first
도 4c는 두 개의 반도체 소자층(MCL1, MCL2)을 갖는 반도체 장치(400)를 예시하였으나, 반도체 소자층의 개수 및 전극 라인층의 개수는 원하는 성능 수준에 따라 적절히 조절될 수 있다.Although FIG. 4C illustrates the
반도체 장치는 기판 상에 구동 회로 영역을 더 포함할 수 있다. 도 4c를 참고하면, 구동 회로 영역(410)은 반도체 소자(MC-1, MC-2)를 구동하거나, 연산 처리를 하는 주변 회로, 구동 회로, 코어 회로 등의 회로부를 포함할 수 있다. 이러한 회로는 예를 들어, 페이지 버퍼(page buffer), 래치 회로(latch circuit), 캐시 회로(cache circuit), 칼럼 디코더(column decoder), 감지 증폭기(sense amplifier), 데이터 인/아웃 회로(data in/out circuit) 또는 로우 디코더(row decoder) 등을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 회로들은 기판과 반도체 소자층(MCL) 사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 기판(101) 상에 구동 회로 영역(410)과 반도체 소자층(MCL1, MCL2)이 순차적으로 배치될 수 있고, 이러한 배치 구조는 COP(Cell On Peri) 구조일 수 있다. The semiconductor device may further include a driving circuit region on the substrate. Referring to FIG. 4C , the driving circuit region 410 may include circuit parts such as peripheral circuits, driving circuits, and core circuits that drive the semiconductor devices MC-1 and MC-2 or perform arithmetic processing. Such circuits include, for example, a page buffer, a latch circuit, a cache circuit, a column decoder, a sense amplifier, and a data in/out circuit. /out circuit) or a row decoder. Also, these circuits may be disposed between the substrate and the semiconductor device layer MCL. In other words, the driving circuit region 410 and the semiconductor device layers MCL1 and MCL2 may be sequentially disposed on the
구동 회로 영역(410)은 하나 또는 둘 이상의 트랜지스터(TR)와 이러한 트랜지스터(TR)에 전기적으로 연결되는 배선 구조(414)를 포함할 수 있다. The driving circuit region 410 may include one or more transistors TR and a
트랜지스터(TR)는 소자 분리막(104)에 의해 정의되는 기판(101)의 활성 영역(AC) 상에 배치될 수 있다. 트랜지스터(TR)는 게이트(G), 게이트 절연막(GD), 및 소스/드레인(SD)을 포함할 수 있다. 또한, 절연 스페이서(106)가 게이트(G)의 양 측벽에 배치될 수 있고, 식각 정지막(108)이 게이트(G) 및/또는 절연 스페이서(106) 상에 배치될 수 있다. 식각 정지막(108)은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다. The transistor TR may be disposed on the active region AC of the
배선 구조(414)는 구동 회로 영역(410)의 레이아웃, 게이트(G)의 종류 및 배열 등에 따라 적절한 수와 위치에 배치될 수 있다. 배선 구조(414)는 2층 이상의 다층 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 배선 구조(414)는 도 4c에 도시된 바와 같이 상호 전기적으로 연결되는 제 1 콘택(416A), 제 1 배선층(418A), 제 2 콘택(416B), 및 제 2 배선층(418B)을 포함하고, 기판(101) 상에 순차적으로 적층될 수 있다. 제 1 콘택(416A), 제 1 배선층(418A), 제 2 콘택(416B), 및 제 2 배선층(418B)은 각각 독립적으로 금속, 도전성 금속 질화물, 금속 실리사이드, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있고, 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 코발트, 탄탈륨, 니켈, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 코발트 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 니켈 실리사이드 등과 같은 도전 물질을 포함할 수 있다.The
배선 구조(414)는 각 구성 요소를 전기적으로 분리하는 층간 절연막(412A, 412B, 412C)을 포함할 수 있다. 도 4c를 참조하면, 층간 절연막(412A, 412B, 412C)은 복수의 트랜지스터(TR) 사이, 복수의 배선층(418A, 418B) 사이, 및/또는 복수의 콘택(416A, 416B) 사이에 배치될 수 있다. 층간 절연막(412A, 412B, 412C)은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 산질화물 등을 포함할 수 있다. The
반도체 장치(400)는 반도체 소자들(MC-1, MC-2)과 구동 회로 영역(410)을 전기적으로 연결하는 배선 구조(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 배선 구조(미도시)는 층간 철연층(105)을 관통하여 배치될 수 있다. The
앞서 설명한 선택 소자층은 도 3a 내지 도 3c와 같이 양 측면에 배치되는 두 전극과 함께 스위칭 소자를 구성할 수 있다. 구체적으로, 스위칭 소자는 전류 및/또는 전압 변화에 따라 전류 흐름을 제어하는 목적으로, 다양한 기술 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어. 스위칭 소자는 P-N 다이오드가 사용되는 기술 분야에 P-N 다이오드를 대신하여 사용될 수 있다. 스위칭 소자의 두 전극 및 선택 소자층은, 도 4a의 제 1 전극층(141), 제 2 전극층(145), 및 선택 소자층(143)의 내용을 참고할 수 있다. The above-described selection element layer may constitute a switching element together with two electrodes disposed on both sides as shown in FIGS. 3A to 3C . Specifically, the switching element may be used in various technical fields for the purpose of controlling a current flow according to a change in current and/or voltage. for example. The switching element may be used in place of a P-N diode in a technical field where a P-N diode is used. For the two electrodes and the selection element layer of the switching element, the contents of the
실시예들에 따른 스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치는 문턱 전압(Vth)이 2.5V 이상, 2.6V 이상, 2.7V 이상, 2.8V 이상, 2.9V 이상, 3.0V 이상, 5.0V 이하, 4.9V 이하, 4.7V 이하, 4.6V 이하, 또는 4.5V이하일 수 있다. In the switching device, the semiconductor device, and/or the semiconductor device according to the embodiments, the threshold voltage V th is 2.5V or more, 2.6V or more, 2.7V or more, 2.8V or more, 2.9V or more, 3.0V or more, 5.0V or more. or less, 4.9V or less, 4.7V or less, 4.6V or less, or 4.5V or less.
실시예들에 따른 스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치는 내구성이 우수할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치는 내구성 특성(Endurance)이 5.0 x 107회 이상, 1.0x 108회 이상, 5.0x 108회 이상, 1.0x 109회 이상, 또는 5.0x 108회 이상일 수 있다. 이러한 내구성 특성(Endurance)은 전압의 상승 및 하강 시간이 10㎱이고 너비가 100㎱인 펄스를 이용하여 문턱 전압(Vth)이 초기 문턱 전압(1000회 온-오프 사이클 동안의 문턱 전압 평균값)의 ±15% 내에서 온-오프 동작 가능한 횟수로 정의될 수 있다. 또한, 스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치는 문턱 전압의 변동율(Vth_drift 값)이 60mV/dec, 또는 55mV/dec 이하일 수 있다. The switching device, the semiconductor device, and/or the semiconductor device according to the embodiments may have excellent durability. For example, the switching element, the semiconductor element, and/or the semiconductor device may have an endurance of 5.0 x 10 7 times or more, 1.0x 10 8 times or more, 5.0x 10 8 times or more, 1.0x 10 9 times or more, or 5.0x10 8 times or more. This endurance characteristic (Endurance) is the threshold voltage (V th ) of the initial threshold voltage (average threshold voltage for 1000 on-off cycles) using a pulse with a voltage rise and fall time of 10 ns and a width of 100 ns It can be defined as the number of on-off operation possible within ±15%. In addition, the switching element, the semiconductor element, and/or the semiconductor device may have a threshold voltage variation rate (V th _drift value) of 60 mV/dec or 55 mV/dec or less.
스위칭 소자, 반도체 소자, 및/또는 반도체 장치는 당업계에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c은 일 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 과정을 보여주는 단면도들이다. The switching element, the semiconductor element, and/or the semiconductor device may be manufactured according to a conventional method known in the art. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
도 5a를 참고하면, 기판(101) 상에 층간 절연층(105)을 형성한다. 층간 절연층(105) 상에 제 1 방향(X 방향)으로 연장되고 서로 이격된 복수의 제 1 전극 라인들(110)을 포함하는 제 1 전극 라인층(110L)을 형성한다. 제 1 전극 라인층(110L)은 제 1 전극 라인용 도전층을 형성하고, 식각을 통해 패터닝함으로써 형성할 수 있다. 제 1 전극 라인들(110) 사이에는 제 1 절연층(160a)이 채워질 수 있다. 제 1 절연층(160a)은 제 1 전극 라인들(110) 사이를 절연 물질로 채우고, CMP 공정 등을 통해 제 1 전극 라인들(110)의 상면이 노출되는 정도로 평탄화하여 형성할 수 있다. 제 1 전극 라인층(110L) 및 제 1 절연층(160a) 상에 제 1 전극용 물질층(141k), 선택 소자용 물질층(143k), 제 2 전극용 물질층(145k), 가열 전극용 물질층(147k), 가변 저항용 물질층(149k) 및 제 3 전극용 물질층(148k)을 순차적으로 적층하여 적층 구조체(140k)를 형성한다. Referring to FIG. 5A , an
도 5b를 참고하면, 적층 구조체(140k) 상에 제 1 방향(X 방향)과 제 2 방향(Y 방향)으로 서로 이격된 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 이를 이용하여 제 1 절연층(160a)과 제 1 전극 라인들(110)의 상면 일부가 노출되도록 적층 구조체(140k)를 식각한다. 마스크 패턴의 구조에 따라 제 1 방향과 제 2 방향으로 서로 이격된 복수의 반도체 소자(MC)들이 제조될 수 있다. 복수의 반도체 소자(MC)들은 각각 제 1 전극층(141), 선택 소자층(143), 제 2 전극층(145), 가열 전극층(147), 가변 저항층(149) 및 제 3 전극층(148)을 포함하고, 제 1 전극 라인들(110)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 남은 마스크 패턴은 애싱(ashing) 및 스트립(strip) 공정을 통해 제거될 수 있다. Referring to FIG. 5B , a mask pattern (not shown) spaced apart from each other in a first direction (X direction) and a second direction (Y direction) is formed on the
도 5c를 참조하면, 복수의 반도체 소자(MC) 사이에는 제 2 절연층(160b)이 채워질 수 있다. 제 2 방향(X 방향)으로 연장되고 서로 이격된 복수의 제 2 전극 라인들(120)을 포함하는 제 2 전극 라인층(120L)을 반도체 소자(MC)와 제 2 절연층(160b) 상에 형성한다. 제 2 전극 라인들(120) 사이에는 제 3 절연층(160c)이 채워질 수 있다.Referring to FIG. 5C , a second insulating
제 1, 2 전극 라인(110,120), 제 1, 2, 3 전극층(141, 145, 148), 가열 전극층(147), 절연층(105, 160a, 160b, 160c), 선택 소자층(143), 가변 저항층(149) 등 각 구성 요소는 당업계에 알려진 방법을 통해 형성될 수 있다. 이들 구성 요소는 각각 독립적으로 원자층 증착(ALD), 화학 기상 증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 또는 스퍼터링 등의 증착 방법들을 통하여 원하는 조성과 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 선택 소자용 물질층(143k)은 물리 기상 증착법(PVD) 혹은 스퍼터링 공정을 통해, 제 1 전극층(141) 상에, 제 1 원소, 제 2 원소, 제 3 원소, 및 제 5 원소를 포함하는 소스 혹은 타겟과, 제 1 원소, 제 2 원소, 제 3 원소, 및 제 4 원소를 포함하는 소스 혹은 타겟을 순차적으로 이용하여, 형성될 수 있다.First,
또한, 이들 구성 요소는 각각 독립적으로 당업계에 알려진 방법을 통해 패터닝될 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 패터닝 방법뿐 아니라, 다마신(damascene) 방법도 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극 라인들(120)을 다마신 공정으로 형성하는 경우, 복수의 반도체 소자(MC) 사이 및 그 상부에 절연 물질층을 두껍게 형성한 후, 절연 물질층을 식각하여 트렌치를 형성한다. 트렌치는 제 2 방향으로 연장하고 가변 저항층(149)의 상면이 노출되도록 형성될 수 있다. 이 트렌치에 도전 물질을 채우고 평탄화하여, 제 2 전극 라인들(120)이 형성될 수 있다. 제 2 절연층(160b)과 제 3 절연층(160c)은 일체형(one-body type)으로 형성될 수 있다.In addition, each of these components may be independently patterned through methods known in the art. Specifically, in addition to the patterning method described above, a damascene method may be used. For example, when the
이하 구현한 실시예를 통하여 반도체 소자의 기술적 내용을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the technical contents of the semiconductor device will be described in more detail through the implemented embodiments. However, the following examples are for illustrative purposes only and do not limit the scope of rights.
실시예 1 Example 1
DC 스퍼터나 ALD 방법을 통해 제 1 전극층을 형성하였다.The first electrode layer was formed by DC sputtering or ALD method.
제 1 전극층 위에 스퍼터링을 이용하여 선택 소자층을 형성하였다. 구체적으로, 제 1 전극층 위에 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟을 이용하여 제 1 칼코겐 화합물층을 형성하고, 인듐(In), 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟을 이용하여 제 2 칼코겐 화합물층을 형성하였다. 결과적으로, 선택 소자층에서 인듐(In)은 제 1 전극층에 인접한 위치에서보다 제 2 전극층에 인접한 위치에서 더 큰 농도를 가질 수 있다. A selection element layer was formed on the first electrode layer by sputtering. Specifically, a first chalcogen compound layer is formed on the first electrode layer using a target including germanium (Ge), arsenic (As), and selenium (Se), and indium (In), germanium (Ge) A second chalcogen compound layer was formed using a target including , arsenic (As), and selenium (Se). As a result, indium (In) in the selection element layer may have a higher concentration at a position adjacent to the second electrode layer than at a position adjacent to the first electrode layer.
선택 소자층 위에 DC 스퍼터나 ALD 방법을 통해 제 2 전극층을 형성하였다.A second electrode layer was formed on the selection element layer by DC sputtering or ALD method.
실시예 2 Example 2
선택 소자층 형성시, 타겟의 도입 순서를 변경한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 반도체 소자를 제조하였다. 구체적으로, 제 1 전극층 위에 인듐(In), 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟을 이용하여 제 1 칼코겐 화합물층을 형성하고, 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟을 이용하여 제 2 칼코겐 화합물층을 형성하였다. 결과적으로, 선택 소자층에서 인듐(In)은 제 2 전극층에 인접한 위치에서보다 제 1 전극층에 인접한 위치에서 더 큰 농도를 가질 수 있다. A semiconductor device was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the order of introduction of the target was changed when the selection device layer was formed. Specifically, a first chalcogen compound layer is formed on the first electrode layer using a target including indium (In), germanium (Ge), arsenic (As), and selenium (Se), and germanium (Ge) A second chalcogen compound layer was formed using a target including , arsenic (As), and selenium (Se). As a result, indium (In) in the selection element layer may have a higher concentration at a position adjacent to the first electrode layer than at a position adjacent to the second electrode layer.
비교예 1 Comparative Example 1
제조 과정 중 타겟의 조성 변경 없이, 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟만을 이용하여 선택 소자층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 반도체 소자를 제조하였다. The same method as in Example 1, except that the selection device layer was formed using only a target including germanium (Ge), arsenic (As), and selenium (Se) without changing the composition of the target during the manufacturing process. to fabricate a semiconductor device.
비교예 2 Comparative Example 2
제조 과정 중 타겟의 조성 변경 없이, 인듐(In), 저마늄(Ge), 아세닉(As), 및 셀레늄(Se)을 포함하는 타겟만을 이용하여 선택 소자층을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 반도체 소자를 제조하였다. Without changing the composition of the target during the manufacturing process, except that the selection device layer was formed using only a target including indium (In), germanium (Ge), arsenic (As), and selenium (Se), A semiconductor device was manufactured in the same manner as in Example 1.
전기적 특성 평가 1
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 및 비교예 2의 반도체 소자에 대해, 문턱 전압(Vth), 오프 전류(Ioff), 문턱 전압의 변화율(Vth_drift), 및 내구성(Endurance) 특성을 측정하여 표 1에 기재하였다. For the semiconductor devices of Examples 1, 2, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, threshold voltage (V th ), off current (I off ), threshold voltage change rate (V th _drift), and durability (Endurance) ) properties were measured and described in Table 1.
표 1을 참고하면, 실시예 1과 실시예 2의 반도체 소자는 비교예 1 및/또는 비교예 2와 유사한 수준의 높은 문턱 전압(Vth)과 비교예 1과 비교예 2에 비해 내구성 특성(Endurance)을 보였다. 또한, 실시예 1과 실시예 2의 반도체 소자는 비교예 1에 비해 우수한 문턱 전압의 변화율(Vth_drift)을 가지며, 실시예 1의 반도체 소자는 실시예 2에 비해 낮은 오프 전류값(Ioff)을 보였다. Referring to Table 1, the semiconductor devices of Examples 1 and 2 had a high threshold voltage (V th ) at a level similar to that of Comparative Examples 1 and/or 2 and durability characteristics ( Endurance) was shown. In addition, the semiconductor devices of Examples 1 and 2 have an excellent threshold voltage change rate (V th _drift) compared to Comparative Example 1, and the semiconductor device of Example 1 has a lower off-current value (I off ) compared to Example 2 ) was shown.
(V)Threshold voltage (V th )
(V)
(A)off current (I off )
(A)
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다. Although the embodiments have been described in detail above, the scope of the rights is not limited thereto, and various modifications and improved forms of those skilled in the art using the basic concepts defined in the following claims also belong to the scope of the rights.
100, 400: 반도체 장치, MC, MC-1, MC- 2: 반도체 소자
141: 제 1 전극층, 145: 제 2 전극층,
148: 제 3 전극층, 147: 가열 전극층,
143, SW: 선택 소자층, 149, ME: 가변 저항층
143a, 143b, 143c, SW1, SW2 : 칼코겐 화합물층
110: 제 1 전극 라인, 120: 제 2 전극 라인100, 400: semiconductor device, MC, MC-1, MC- 2: semiconductor device
141: a first electrode layer, 145: a second electrode layer;
148: a third electrode layer, 147: a heating electrode layer;
143, SW: selection element layer, 149, ME: variable resistance layer
143a, 143b, 143c, SW1, SW2: chalcogen compound layer
110: first electrode line, 120: second electrode line
Claims (34)
상기 제 1 전극과 이격되어 배치된 제 2 전극, 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치되는 제 1 칼코겐 화합물층과 제 2 칼코겐 화합물층을 포함하고,
상기 제 1 칼코겐 화합물층과 제 2 칼코겐 화합물층은 각각 독립적으로 저마늄(Ge) 및 틴(Sn)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 1 원소와 설퍼(S), 셀레늄(Se) 및 텔루르(Te)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 2 원소를 포함하고,
상기 제 1 칼코겐 화합물층과 제 2 칼코겐 화합물층은 서로 다른 조성을 갖는 반도체 소자. a first electrode;
a second electrode spaced apart from the first electrode, and
Comprising a first chalcogen compound layer and a second chalcogen compound layer disposed between the first electrode and the second electrode,
The first chalcogen compound layer and the second chalcogen compound layer are each independently selected from the group consisting of germanium (Ge) and tin (Sn) and at least one first element selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium ( Te) comprising at least one second element selected from the group consisting of,
The first chalcogen compound layer and the second chalcogen compound layer is a semiconductor device having a different composition.
오보닉 문턱 스위칭 특성을 나타내는 반도체 소자. The method of claim 1,
A semiconductor device exhibiting ovonic threshold switching characteristics.
상기 제 1 칼코겐 화합물층은 제 2 칼코겐 화합물층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 소자.The method of claim 1,
The first chalcogen compound layer is a semiconductor device having a larger energy band gap than the second chalcogen compound layer.
상기 제 1 칼코겐 화합물층은 제 2 칼코겐 화합물층보다 에너지 밴드갭이 0.1eV 이상이고 1.0eV 이하 큰 반도체 소자.The method of claim 1,
The first chalcogenide compound layer has an energy bandgap of 0.1eV or more and 1.0eV or less larger than that of the second chalcogenide compound layer.
상기 제 1 칼코겐 화합물층 및 제 2 칼코겐 화합물층 중 어느 하나 이상은 각각 독립적으로 아세닉(As), 안티모니(Sb), 실리콘(Si) 및 비스무스(Bi)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 3 원소를 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
Any one or more of the first chalcogen compound layer and the second chalcogen compound layer are each independently selected from the group consisting of arsenic (As), antimony (Sb), silicon (Si) and bismuth (Bi). A semiconductor device further comprising three elements.
상기 제 2 칼코겐 화합물층은 보론(B), 알루미늄(Al), 스캄듐(Sc), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 4 원소를 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
The second chalcogen compound layer contains at least one fourth element selected from the group consisting of boron (B), aluminum (Al), scandium (Sc), manganese (Mn), strontium (Sr), and indium (In). Further comprising a semiconductor device.
상기 제 1 칼코겐 화합물층은 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P), 및 황(S) 로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 5 원소를 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
The first chalcogen compound layer is a semiconductor device further comprising at least one fifth element selected from the group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P), and sulfur (S).
상기 제 2 칼코겐 화합물층은 하기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 포함하는 반도체 소자.
[화학식 1]
AaBbCc
[화학식 2]
AaBbCcDd
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서 A는 제 1 원소, B는 제 2 원소, C는 제 3 원소, D는 제 4 원소이고, 화학식 1에서 a+b+c=1, 화학식 2에서 a+b+c+d=1이다.The method of claim 1,
The second chalcogen compound layer is a semiconductor device comprising a compound of Formula 1 or Formula 2.
[Formula 1]
A a B b C c
[Formula 2]
A a B b C c D d
In Formula 1 or Formula 2, A is a first element, B is a second element, C is a third element, and D is a fourth element, a+b+c=1 in Formula 1, a+b+ in Formula 2 c + d = 1.
상기 제 1 칼코겐 화합물층은 하기 화학식 1, 화학식 3 및 화학식 4의 화합물 중 하나를 포함하는 반도체 소자.
[화학식 1]
AaBbCc
[화학식 3]
AaBb
[화학식 4]
AaBbCcEe
상기 화학식 1, 화학식 3, 또는 화학식 4에서 A는 제 1 원소, B는 제 2 원소, C는 제 3 원소, E는 제 5 원소이고, 화학식 1에서 a+b+c=1, 화학식 3에서 a+b=1, 화학식 4에서 a+b+c+e=1이다.The method of claim 1,
The first chalcogen compound layer is a semiconductor device comprising one of the compounds of Formula 1, Formula 3, and Formula 4.
[Formula 1]
A a B b C c
[Formula 3]
A a B b
[Formula 4]
A a B b C c E e
In Formula 1, Formula 3, or Formula 4, A is a first element, B is a second element, C is a third element, and E is a fifth element, in Formula 1, a+b+c=1, in Formula 3 a+b=1, in Formula 4, a+b+c+e=1.
상기 제 2 칼코겐 화합물층은 제 1 칼코겐 화합물층 대비 0.1배 이상이고1.5배 이하의 부피비를 갖는 반도체 소자.The method of claim 1,
The second chalcogen compound layer is a semiconductor device having a volume ratio of 0.1 times or more and 1.5 times or less compared to the first chalcogen compound layer.
상기 제 2 칼코겐 화합물층과 인접하고 상기 제 1 칼코겐 화합물층과 이격되어 배치되는 제 3 칼코겐 화합물층을 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
A semiconductor device further comprising a third chalcogen compound layer disposed adjacent to the second chalcogen compound layer and spaced apart from the first chalcogen compound layer.
상기 제 3 칼코겐 화합물층은 하기 화학식 1, 화학식 3 및 화학식 4의 화합물 중 하나 이상을 포함하는 반도체 소자.
[화학식 1]
AaBbCc
[화학식 3]
AaBb
[화학식 4]
AaBbCcEe
상기 화학식 1, 화학식 3, 또는 화학식 4에서 A는 제 1 원소, B는 제 2 원소, C는 제 3 원소, E는 제 5 원소이고, 화학식 1에서 a+b+c=1, 화학식 3에서 a+b=1, 화학식 4에서 a+b+c+e=1이다.12. The method of claim 11,
The third chalcogen compound layer is a semiconductor device comprising at least one of the following Chemical Formula 1, Chemical Formula 3, and Chemical Formula 4.
[Formula 1]
A a B b C c
[Formula 3]
A a B b
[Formula 4]
A a B b C c E e
In Formula 1, Formula 3, or Formula 4, A is a first element, B is a second element, C is a third element, and E is a fifth element, in Formula 1, a+b+c=1, in Formula 3 a+b=1, in Formula 4, a+b+c+e=1.
상기 제 3 칼코겐 화합물층은 제 2 칼코겐 화합물층보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 소자.12. The method of claim 11,
The third chalcogen compound layer is a semiconductor device having a larger energy band gap than the second chalcogen compound layer.
상기 제 1 전극과 이격되어 배치된 제 2 전극, 및
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 배치되는 칼코겐 화합물층을 포함하고,
상기 칼코겐 화합물층은
저마늄(Ge) 및 틴(Sn)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 1 원소, 설퍼(S), 셀레늄(Se) 및 텔루르(Te)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 2 원소, 아세닉(As), 안티모니(Sb), 실리콘(Si) 및 비스무스(Bi)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 3 원소, 및 보론(B), 알루미늄(Al), 스캄듐(Sc), 망간(Mn), 스트론튬(Sr), 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 4 원소를 포함하고, 상기 제 4원소가 칼코겐 화합물층의 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 반도체 소자.a first electrode;
a second electrode spaced apart from the first electrode, and
and a chalcogen compound layer disposed between the first electrode and the second electrode,
The chalcogen compound layer is
At least one first element selected from the group consisting of germanium (Ge) and tin (Sn), and at least one second element selected from the group consisting of sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te), arsenic (As), antimony (Sb), silicon (Si), and at least one third element selected from the group consisting of bismuth (Bi), and boron (B), aluminum (Al), scandium (Sc), manganese ( A semiconductor device comprising at least one fourth element selected from the group consisting of Mn), strontium (Sr), and indium (In), wherein the fourth element has a concentration gradient in the thickness direction of the chalcogen compound layer.
상기 칼로겐 화합물층은 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 인(P), 및 황(S) 로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 제 5 원소를 더 포함하고, 상기 제 5 원소는 칼코겐 화합물층의 두께 방향으로 농도 구배를 갖는 반도체 소자.15. The method of claim 14,
The calogen compound layer further includes at least one fifth element selected from the group consisting of carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O), phosphorus (P), and sulfur (S), the fifth element is a semiconductor device having a concentration gradient in the thickness direction of the chalcogen compound layer.
상기 제 5 원소의 농도 구배는 제 4 원소의 농도 구배와 반대 방향인 반도체 소자.16. The method of claim 15,
The concentration gradient of the fifth element is in a direction opposite to the concentration gradient of the fourth element.
가변 저항층 및 상기 가변 저항층과 전기적으로 연결되도록 배치되는 선택 소자층을 포함하고,
상기 선택 소자층은 상기 제 1 칼코겐 화합물층 및 상기 제 2 칼코겐 화합물층을 포함하는 반도체 소자. The method of claim 1,
a variable resistance layer and a selection element layer disposed to be electrically connected to the variable resistance layer;
The selection device layer is a semiconductor device comprising the first chalcogen compound layer and the second chalcogen compound layer.
상기 제 2 칼코겐 화합물층은 상기 제 1 칼코겐 화합물층에 비해 가변 저항층에 인접하게 배치되는 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The second chalcogenide compound layer is a semiconductor device disposed adjacent to the variable resistance layer compared to the first chalcogenide compound layer.
제 3 전극을 더 포함하고,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 상기 선택 소자층이 배치되고, 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 상기 가변 저항층이 배치되는 반도체 소자.18. The method of claim 17,
Further comprising a third electrode,
A semiconductor device in which the selection element layer is disposed between the first electrode and the second electrode, and the variable resistance layer is disposed between the second electrode and the third electrode.
상기 제 1 칼코겐 화합물층은 제 2 칼코겐 화합물층에 비해 제 1 전극에 인접하게 배치되는 반도체 소자.20. The method of claim 19,
The first chalcogen compound layer is a semiconductor device disposed adjacent to the first electrode compared to the second chalcogen compound layer.
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극은 각각 독립적으로 탄소(C), 티타늄나이트라이드(TiN), 티타늄실리콘나이트라이드(TiSiN), 티타늄카본나이트라이드(TiCN), 티타늄카본실리콘나이트라이드(TiCSiN), 티타늄알루미늄나이트라이드(TiAlN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨나이트라이드(TaN), 텅스텐(W) 및 텅스텐나이트라이드(WN)로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함하는 반도체 소자.20. The method of claim 19,
The first electrode, the second electrode and the third electrode are each independently carbon (C), titanium nitride (TiN), titanium silicon nitride (TiSiN), titanium carbon nitride (TiCN), titanium carbon silicon nitride A semiconductor device comprising at least one from the group consisting of lithium (TiCSiN), titanium aluminum nitride (TiAlN), tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tungsten (W), and tungsten nitride (WN).
상기 가변 저항층은 온도 변화에 따라 가역적으로 결정질과 비정질 간의 상변화가 가능한 물질을 포함하는 반도체 소자. 18. The method of claim 17,
The variable resistance layer includes a material capable of reversibly changing a phase between crystalline and amorphous according to temperature change.
상기 가변 저항층은 Te 및 Se 중 하나 이상과, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O 및 C로 이루어진 군에서 하나 이상이 조합된 화합물을 포함하는 반도체 소자. 23. The method of claim 22,
The variable resistance layer includes at least one of Te and Se, and at least one of Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, In, Ti, Ga, P, B, O and C. A semiconductor device comprising this combined compound.
상기 가변 저항층은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 탈륨(Tl), 및 폴로늄(Po)로 이루어진 군에서 하나 이상을 더 포함하는 반도체 소자.24. The method of claim 23,
The variable resistance layer includes aluminum (Al), zinc (Zn), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), Palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), iridium (Ir), platinum (Pt), zirconium (Zr), thallium (Tl), and polonium (Po) comprising one or more from the group consisting of semiconductor device.
상기 가변 저항층과 접촉하도록 배치되는 가열 전극층을 더 포함하는 반도체 소자.23. The method of claim 22,
The semiconductor device further comprising a heating electrode layer disposed in contact with the variable resistance layer.
상기 가변 저항층은 외부 인가 전압에 따라 전기 저항의 크기가 가역적으로 변할 수 있는 물질을 포함하는 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The variable resistance layer may include a material whose electrical resistance can be reversibly changed according to an externally applied voltage.
상기 가변 저항층은 Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, 및 Cr으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 금속의 산화물을 포함하는 반도체 소자.27. The method of claim 26,
The variable resistance layer includes an oxide of at least one metal selected from the group consisting of Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, and Cr.
상기 가변 저항층은 외부 인가 전압에 따라 분극 상태가 가역적으로 변할 수 있는 물질을 포함하는 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The variable resistance layer includes a material whose polarization state can be reversibly changed according to an externally applied voltage.
상기 가변 저항층은 니오븀 산화물(niobium oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide), 니켈 산화물(nikel oxide), 지르코늄 산화물(zirconium oxide), 바나듐 산화물(vanadium oxide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 스트론튬-티타늄 산화물(strontium-titanium oxide), 바륨-스트론튬-티타늄 산화물(barium-strontium-titanium oxide), 스트론튬-지르코늄 산화물(strontium-zirconium oxide), 바륨-지르코늄 산화물(barium-zirconium oxide), 및 바륨-스트론튬-지르코늄 산화물(barium-strontium-zirconium oxide)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 페로브스카이트 화합물을 포함하는 반도체 소자. 29. The method of claim 28,
The variable resistance layer includes niobium oxide, titanium oxide, nickel oxide, zirconium oxide, vanadium oxide, PCMO((Pr,Ca)MnO3), strontium-titanium oxide, barium-strontium-titanium oxide, strontium-zirconium oxide, barium-zirconium oxide, and barium - A semiconductor device comprising at least one perovskite compound selected from the group consisting of -strontium-zirconium oxide (barium-strontium-zirconium oxide).
상기 가변 저항층은 외부 인가 전압에 따라 자화 상태가 가역적으로 변할 수 있는 물질을 포함하는 반도체 소자.18. The method of claim 17,
The variable resistance layer includes a material whose magnetization state can be reversibly changed according to an externally applied voltage.
상기 가변 저항층은 자성체로 이루어지는 두 개의 전극, 상기 두 개 전극 사이에 개재되는 유전체를 포함하는 반도체 소자.31. The method of claim 30,
The variable resistance layer includes two electrodes made of a magnetic material, and a dielectric interposed between the two electrodes.
상기 복수의 제 1 전극 라인 상에 형성되며, 상기 기판의 상면에 평행하고 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 연장되는 복수의 제 2 전극 라인; 및
상기 복수의 제 1 전극 라인과 상기 복수의 제 2 전극 라인 사이에 이들의 교차 지점에 배치되고, 제 1항의 반도체 소자를 포함하는 제1 반도체 소자;를 포함하는 반도체 장치. a plurality of first electrode lines formed on the substrate, parallel to the upper surface of the substrate and extending in a first direction;
a plurality of second electrode lines formed on the plurality of first electrode lines and extending in a second direction parallel to the upper surface of the substrate and different from the first direction; and
A semiconductor device comprising a; a first semiconductor element disposed between the plurality of first electrode lines and the plurality of second electrode lines at their crossing points, the first semiconductor element comprising the semiconductor element of claim 1 .
상기 복수의 제 1 전극 라인 및 제 2 전극 라인 상에 형성되며, 상기 제 1 방향으로 연장되는 복수의 제 3 전극 라인; 및
상기 복수의 제 2 전극 라인과 상기 복수의 제 3 전극 라인 사이에 이들의 교차 지점에 배치되고, 제 1항의 반도체 소자를 포함하는 제 2 반도체 소자;를 더 포함하는 반도체 장치.33. The method of claim 32,
a plurality of third electrode lines formed on the plurality of first and second electrode lines and extending in the first direction; and
A semiconductor device further comprising a; a second semiconductor device disposed between the plurality of second electrode lines and the plurality of third electrode lines at intersections thereof, the second semiconductor device including the semiconductor device of claim 1 .
상기 반도체 소자를 구동하거나, 연산 처리를 하기 위한 회로부를 더 포함하는 반도체 장치.33. The method of claim 32,
The semiconductor device further comprising a circuit unit for driving the semiconductor element or performing an arithmetic process.
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