KR100738116B1 - 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자 - Google Patents

가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다. 비휘발성 메모리 소자에 있어서, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극 사이에 쇼트키 장벽이 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성된 가변 저항 물질층; 가변 저항 물질층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다.

Description

가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자{Non-volatile memory device comprising variable resistance material}
도 1은 종래 기술에 의한 다이오드 구조체를 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 전류가 흐르는 형태를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 가변 저항 물질층 및 상부 전극의 계면의 오믹 콘택 구조의 에너지 준위를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 하부 전극 및 버퍼층 계면의 쇼트키 장벽의 에너지 준위를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 비휘발성 메모리 소자의 하부 전극을 TiN으로 형성시키고, 버퍼층을 CuO로 형성시킨 경우 I(current)-V(voltage) 그래프를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11, 21... 하부 전극 12... n-산화물층
13... p-산화물층 14... 중간 전극
15, 22... 버퍼층 16, 23... 가변 저항물질층
17, 24... 상부 전극
본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단순한 구조로 버퍼층 및 가변 저항 물질층을 이용하여 스토리지 노드 및 다이오드 구조를 구현하여 안정된 스위칭 특성을 지니면서 별도로 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 형성시키지 않고 동작 가능한 가변 저항 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.
일반적인 반도체 메모리 장치는 회로적으로 연결된 수많은 단위 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리 장치인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 경우, 단위 메모리 셀은 한 개의 스위치와 한 개의 커패시터로 구성되는 것이 일반적이다. DRAM은 집적도가 높고 동작 속도가 빠른 이점이 있다. 그러나, 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다.
비휘발성 메모리 소자는 전원이 꺼진 후에도 저장된 데이타가 보존될 수 있는 것으로 대표적으로 플래쉬 메모리를 들 수 있다. 플래쉬 메모리는 휘발성 메모 리와 달리 비휘발성의 특성과 집적도가 낮으나, DRAM에 비해 동작 속도가 느린 단점이 있다.
현재, 많은 연구가 진행되고 있는 비휘발성 메모리 소자는 MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(Resistance Random Access Memory) 등이 있으며 기본적으로 데이타가 저장되는 스토리지 노드 및 이를 구동시키기 위한 트랜지스터 또는 다이오드와 결합된 상태로 사용된다.
비휘발성 메모리 소자 중 RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항 값이 달라지는 특성(가변 저항 특성)을 이용한 것이다.
도 1은 일반적인 구조의 가변 저항 물질을 포함하는 스토리지 노드 및 다이오드 구조체를 포함하여 형성된 RRAM 소자의 구조를 나타낸 것이다. 통상 가변 저항 물질로 STMO 등의 물질과 전이 금속 산화물(Transition metal oxide : TMO) 등의 동일한 인가 전압에 대해 서로 다른 저항 상태를 나타내는 물질이 사용된다. 전이 금속 산화물을 예로 들면, ZnO, TiO2, Nb2O5, ZrO2 또는 NiO 등이 있다.
도 1를 참조하면, 하부 전극(11) 상에 n-산화물층(12) 및 p-산화물층으로 형성된 다이오드 구조체가 형성되어 있으며, 다이오드 구조체 상부에 중간 전극(14) 상에 버퍼층(15), 가변 저항물질층(16) 및 상부 전극이 형성되어 있다. 여기서 버퍼층(15)은 선택적인 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같은 종래 기술에 의한 메모리 소자를 크로스 포인트(cross-point)형 어레이 구조로 형성시키기 위해서는 다수의 증착 공정 및 에칭 공정이 요구되어 복잡한 공정이 되는 문제점이 있으며, 전체적인 크기가 증가하여 집적도가 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명에서는 간단한 구성을 지님으로써 고집적화에 유리하며, 보다 안정된 전기적 특성을 나타내기 위해 개선된 전극 구조를 지닌 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위해,
가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,
하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과의 계면에 쇼트키 장벽을 형성하는 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성되며 가변 저항 특성을 지닌 가변 저항물질층; 및
상기 가변 저항물질층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공한다.
본 발명항에 있어서, 상기 버퍼층 및 상기 가변 저항물질층은 p형 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가변 저항물질층은 Ni 산화물로 형성된 것을 특징으 로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 문턱 스위칭 특성을 지닌 Ni 산화물 또는 Cu 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 전극 및 상기 버퍼층 사이에 형성된 쇼트키 장벽의 높이는 0.3 내지 1 eV인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 Cu 산화물이며, 상기 하부 전극은 TiNx, Co 또는 W 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 Ni 산화물이며, 상기 하부 전극은 Ti, Ta, TaN 또는 TiN 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가변 저항물질층 및 상기 상부 전극 사이에 오믹 콘택이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 상부 전극의 일함수는 상기 가변 저항물질층의 일함수보다 큰 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 이용한 비휘발성 메모리 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서, 도면에 도시된 각 층이나 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘 발성 메모리 소자는 하부 전극(21), 상기 하부 전극 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(22), 가변 저항물질층(23) 및 상부 전극(24)을 포함하는 구조를 지니고 있다.
여기서, 본 발명은 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 계면에 쇼트키 장벽(schottky barrier) 구조를 지니도록 하부 전극(21) 및 버퍼층(22)의 구성 물질을 제어하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 가변 저항 물질층(23) 및 상부 전극(24)이 오믹 콘택(ohmic contact)을 이루도록 가변 저항 물질층(23) 및 상부 전극(24) 물질을 제어하는 것이 바람직하다. 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 전류가 흐르는 형태를 나타낸 그래프이다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 이용한 비휘발성 메모리 소자를 구성하는 각 층의 물질에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 4는 가변 저항물질층(23) 및 상부 전극(24) 사이의 오믹 콘택 구조를 나타낸 에너지 밴드 다이어그램에 관한 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자의 가변 저항물질층(23) 및 상부 전극(24)이 오믹 콘택 구조를 나타내는 것이 바람직하다. 이를 만족시키기 위해, 상부 전극(24)의 일함수(work function)가 가변 저항물질층(23)의 일함수보다 큰 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 가변 저항물질층(23)은 Ni 산화물과 같은 p형 가변 저항물질을 사용한다. 예를 들어 가변 저항물질층(23)이 p형 산화물인 NiOx인 경우, NiO보다 일함수가 큰 Pt(일함수 : 5.34)와 같은 귀금속으로 상부 전극(24)을 형성시키는 것이 바람직하다.
도 5는 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 사이의 쇼트키 장벽 구조를 나타낸 에너지 밴드 다이어그램에 관한 것이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자의 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 계면에 오믹 콘택 구조를 나타내는 것이 바람직하다. 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 계면에 오믹 콘택 구조를 나타내기 위해서 쇼트키 장벽 높이(Schottky barrier height : FB)는 0.3 내지 1eV이며, 0.5 내지 1.0eV인 것이 바람직하다. 그리고, 가변 저항물질층(23)이 p형 산화물이므로 버퍼층(22)도 p형 산화물인 것이 바람직하다. 만일 버퍼층(22)이 n형 산화물인 경우, 버퍼층(22) 및 가변 저항물질층(23) 사이에 p-n 정션이 형성될 여지가 있기 때문이다.
FB = Eg(버퍼층) + qχ(버퍼층) - ΦM(하부 전극)
실재 상황에서 표면 결함에 의한 EF 피닝(pinning)에 의해 쇼트키 장벽이 약 1/3으로 감소하는 것을 고려한다. 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 사이에 쇼트키 장벽이 형성됨에 의해 버퍼층(22)에서 하부 전극(21) 방향의 전류는 107 A/cm2 이상 흐를 수 있는 반면, 하부 전극(21)에서 버퍼층(22) 방향으로는 10-2A/cm2 보다 작은 전류가 흐르게 된다.
그리고, 가변 저항물질층(23)이 p형 산화물이므로 버퍼층(22)도 p형 산화물인 것이 바람직하다. 만일 버퍼층(22)이 n형 산화물인 경우, 버퍼층(22) 및 가변 저항물질층(23) 사이에 p-n 정션이 형성될 여지가 있기 때문이다.
버퍼층(22)이 p형 산화물인 것이 바람직하며, 버퍼층(22) 및 하부 전극(21) 사이의 쇼트키 장벽 높이가 0.3 내지 1eV를 만족하는 재료는 조사하면 다음과 같다.
버퍼층(22)으로 p형 산화물인 Cu 산화물을 사용하는 경우, 하부 전극(21)은 TiNx, Co 또는 W를 사용할 수 있다. 이 때 쇼트키 장벽 높이는 TiNx를 사용한 경우 0.67 내지 0.97eV이며, Co를 사용한 경우 0.5 내지 1.16eV이며, W를 사용한 경우 0.37 내지 1.47eV이었다. 쇼트키 장벽 높이가 다소 범위를 벗어나는 경우가 있으나 평균 값은 본 발명의 조건을 만족하고 있다.
버퍼층(22)으로 p형 산화물인 Ni 산화물을 사용하는 경우, 하부 전극(21)은 Ti, Ta, TaN 또는 TiN을 사용할 수 있다. 이 때 쇼트키 장벽 높이는 Ti를 사용한 경우 0.55 내지 1.45eV이며, Ta를 사용한 경우 0.65 내지 1.28eV이며, TaN를 사용한 경우 0.7eV 이상이며, TiN을 사용한 경우 0.8eV 보다 작았다. 여기서, Ni 산화물은 가변 저항물질층(23)에 사용되는 Ni 산화물과 차이가 있다. 가변 저항물질층(23)에 사용되는 NiOx의 경우 제조 공정 시, 산소 분압을 약 5% 내지 10% 범위로 제어하여 가변 저항 특성을 부여한 것이다. 반면, 버퍼층(22)에 사용되는 Ni 산화물은 공정 시 약 10% 이상의 산소 분압 하에서 형성시켜 문턱 스위칭(threshold switching) 특성을 나타내도록 형성시킨 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에서 하부 전극(21)을 TiN으로 형성시키고, 버퍼층(22)을 CuO로 형성시킨 경우의 인가 전압(V)에 대한 전류(A)의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 쇼트키 장벽이 0.5eV 및 1eV인 경우의 전압-전류 관계를 나타낸 그래프 사이에 0.97eV 쇼트키 장벽 값을 지닌 시편의 그래프가 위치하고 있으며, 음의 전압을 인가한 경우 거의 전류가 흐르지 않으나, 양의 전압을 인가한 경우 인가 전압에 따라 전류 값이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 다이오드와 같은 정류 작용을 하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 하부 전극(21) 및 버퍼층(22) 사이에 형성된 쇼트키 장벽에 의해 스토리지 노드인 가변 저항물질층(23) 하부에 마치 다이오드가 형성된 것과 같은 구조를 구현할 수 있다. 이러한 구조는 종래의 반도체 관련 공정을 이용하여 형성할 수 있으며, 도 1에 나타낸 종래 기술에 의한 가변 저항 메모리 소자에 비해 공정이 간단하고 단위 소자의 크기가 감소된 것을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명은 단위 소자 및 크로스 포인트(cross point) 구조의 어레이 형태로 사용될 수 있음은 명확한 것이다. 따라서, 본 발명의 구체적인 권리 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, 하부 전극 상에 형성되어 하부 전극과의 계면에 쇼트키 장벽을 형성시킴으로써 정류 작용을 하는 다이오드 구조체를 형성하여 매우 간단한 구조의 가변 저항 메모리 소자를 제공할 수 있다. 이를 통하여 크로스 포인트형으로 용이하게 어레이 구조로 형성할 수 있어 고집적화에 유리한 장점이 있다.

Claims (9)

  1. 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,
    하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성되며, 상기 하부 전극과의 계면에 쇼트키 장벽을 형성하는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되며 가변 저항 특성을 지닌 가변 저항물질층; 및
    상기 가변 저항물질층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층 및 상기 가변 저항물질층은 p형 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 저항물질층은 Ni 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 문턱 스위칭 특성을 지닌 Ni 산화물 또는 Cu 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 전극 및 상기 버퍼층 사이에 형성된 쇼트키 장벽의 높이는 0.3 내지 1 eV인 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 버퍼층은 Cu 산화물이며, 상기 하부 전극은 TiNx, Co 또는 W 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 버퍼층은 Ni 산화물이며, 상기 하부 전극은 Ti, Ta, TaN 또는 TiN 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가변 저항물질층 및 상기 상부 전극 사이에 오믹 콘택이 형성된 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 상부 전극의 일함수는 상기 가변 저항물질층의 일함수보다 큰 것을 특징으로 하는 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
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