KR101041742B1 - Resistance change memory device, method of operating and manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저항 변화 메모리 소자에 관한 것으로, 특히 더블 패터닝(douple patterning) 및 사이드월 스페이서(sidewall spacer)를 이용하여 미세 패턴을 형성한 저항 변화 메모리 소자, 그 제조 방법 및 구동 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 플래쉬 메모리 소자에 비해 소비 전력이 낮고 집적도가 높은 차세대 비휘발성 메모리 소자가 연구되고 있다. 이러한 차세대 비휘발성 메모리 소자로는 칼코제나이드 합금(chalcogenide alloy)과 같은 상변화 물질의 상태 변화를 이용하는 상변화 메모리(Phase change RAM; PRAM), 강자성체의 자화 상태에 따른 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 박막의 저항 변화를 이용하는 자기 변화 메모리(Magnetic RAM; MRAM), 강유전체 물질의 분극 현상을 이용하는 강유전체 메모리(Ferroelectric RAM), 가변 저항 물질의 저항 변화를 이용하는 저항 변화 메모리(Resistance change RAM; ReRAM) 등이 있다.Recently, next-generation nonvolatile memory devices having low power consumption and high integration compared to flash memory devices have been studied. Such next-generation nonvolatile memory devices include phase change RAM (PRAM) using a state change of a phase change material such as a chalcogenide alloy, and a magnetic tunnel junction (MTJ) thin film according to the magnetization state of a ferromagnetic material. Magnetic change memory (MRAM) using a change in resistance of a ferroelectric material, ferroelectric memory using polarization of a ferroelectric material, resistance change memory (ReRAM) using a change in resistance of a variable resistance material, and the like. .
그 중에서 저항 변화 메모리 소자는 상부 전극 및 하부 전극 사이에 가변 저항 물질이 형성된 저항 변화 메모리 셀을 포함하고, 상부 전극 및 하부 전극에 인가되는 전압에 따라 가변 저항 물질의 저항이 변화하는 특성을 갖는다. 이러한 저항 메모리 소자는 제조된 후 저항 변화 메모리 셀에 상당히 높은 레벨의 필라멘트 형성 전압을 인가함으로써 가변 저항 물질 내에 필라멘트를 형성한다. 필라멘트는 상부 전극과 하부 전극 사이를 흐르는 셀 전류의 전류 경로(current path)가 된다. 필라멘트가 형성된 후 리셋 전압을 인가하여 가변 저항 물질을 리셋 상태로 만들거나, 셋 전압을 인가하여 가변 저항 물질을 셋 상태로 만들 수 있다.Among them, the resistance change memory device includes a resistance change memory cell in which a variable resistance material is formed between an upper electrode and a lower electrode, and the resistance of the variable resistance material changes according to a voltage applied to the upper electrode and the lower electrode. Such resistive memory devices are fabricated to form filaments in the variable resistive material by applying a fairly high level of filament forming voltage to the resistive change memory cells. The filament becomes a current path of cell current flowing between the upper electrode and the lower electrode. After the filament is formed, the variable resistance material may be reset by applying a reset voltage, or the variable resistance material may be set by applying a set voltage.
이러한 저항 변화 메모리 소자는 필라멘트 형태의 스위칭 메카니즘을 가짐으로써 빠른 스위칭 특성, 안정적인 리텐션(retention) 특성 등의 장점을 가지고 있지만, 원천적으로 랜덤(random)하게 형성되는 필라멘트로 인해 안정적인 스위칭 특성의 확보가 어렵다. 그런데, 금속 팁(metal tip)을 가변 저항 물질 내에 형성하면 스위칭 특성의 균일도를 개선할 수 있다. 이를 위해 피뢰침과 유사한 날카로운 금속 팁을 가지는 저항 변화 메모리에 대해 연구가 진행되었다.Such a resistance change memory device has a filament-type switching mechanism, which has advantages such as fast switching characteristics and stable retention characteristics.However, it is possible to secure stable switching characteristics due to randomly formed filaments. it's difficult. However, forming the metal tip in the variable resistance material may improve the uniformity of the switching characteristics. To this end, research was conducted on resistance change memories with sharp metal tips similar to lightning rods.
그런데, 현재 반도체 소자의 제조 공정에서 사진(lithography) 공정의 한계로 인하여 1F(feature size) 이하의 소자 구현이 어렵다. 1F란 사진 공정을 적용할 수 있는 최소 사이즈를 말한다. 예를 들어 배선의 폭 및 간격이 30nm의 소자의 경우 30nm가 1F가 되는데, 소자의 단위 면적을 계산할 때 배선의 폭 및 간격을 같이 고려하여 피치 단위로 계산하게 된다. 한편, 메모리 소자의 단위 면적이 예를 들어 30㎚×30㎚로 매우 작은 경우, 여기에 형성해야 하는 금속 팁의 크기는 이보다 작 은 10㎚ 이하이어야 한다. 또한, 기가비트(Gbit), 테라비트(Tbit)급 소자의 균일한 스위칭 특성을 확보하기 위해서는 모든 금속 팁의 크기가 아토믹 스케일(atomic scale)로 균일해야 한다. 그러나, 기존의 반도체 기술을 이용하는 경우 균일한 10㎚급의 소자를 제조하는 것은 거의 불가능하고, 금속 팁을 균일하게 형성하는 것도 거의 불가능하다.However, due to the limitation of the lithography process in the current semiconductor device manufacturing process, it is difficult to implement a device having a feature size (1F) or less. 1F is the minimum size to which the photographic process can be applied. For example, in the case of a device having a width and a distance of 30 nm, 30 nm becomes 1F. When calculating the unit area of the device, the width and the distance of the wire are considered in the unit of pitch. On the other hand, if the unit area of the memory element is very small, for example 30 nm x 30 nm, the size of the metal tip to be formed here should be less than 10 nm. In addition, in order to ensure uniform switching characteristics of Gbit and terabit (Tbit) devices, all metal tips must be uniform on an atomic scale. However, in the case of using the conventional semiconductor technology, it is almost impossible to manufacture a uniform 10 nm class device, and it is almost impossible to uniformly form a metal tip.
본 발명은 1F 이하의 패턴 형성이 가능한 가변 저항 메모리 소자, 그 구동 방법 및 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a variable resistance memory device capable of forming a pattern of 1F or less, a driving method and a manufacturing method thereof.
본 발명은 더블 패터닝(double patternig) 및 사이드월 스페이서(sidewall spacer)를 이용하여 1F 이하의 패턴 형성이 가능한 가변 저항 메모리 소자, 그 구동 방법 및 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a variable resistance memory device capable of forming a pattern of 1F or less using a double patternig and a sidewall spacer, a driving method thereof, and a manufacturing method thereof.
본 발명은 소정 면적 내에 복수의 단위 소자를 형성함으로써 소정의 면적 내에 멀티 비트의 데이터 저장이 가능한 가변 저항 메모리 소자, 그 구동 방법 및 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a variable resistance memory device capable of storing multi-bit data in a predetermined area by forming a plurality of unit devices in a predetermined area, a driving method thereof, and a manufacturing method thereof.
본 발명은 소정의 면적 내에 복수의 단위 소자가 형성된 일 소자층을 복수 적층하여 집적도를 향상시킬 수 있는 3차원 구조의 가변 저항 메모리 소자, 그 구동 방법 및 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a variable resistance memory device having a three-dimensional structure that can improve the degree of integration by stacking a plurality of device layers in which a plurality of unit devices are formed in a predetermined area, and a driving method and a manufacturing method thereof.
한편, 본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있다.On the other hand, the technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, other technical problems that are not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 양태에 따른 가변 저항 메모리 소자는 일 방향으로 배열된 복수의 제 1 배선; 상기 제 1 배선과 연결 형성된 복수의 도전 패턴; 상기 도전 패턴 상에 형성된 가변 저항층; 상기 가변 저항층 상의 상기 도전 패턴의 일부를 지나도록 상기 제 1 배선과 교차되는 방향으로 배열된 복수의 제 2 배선; 및 상기 가변 저항층 상의 상기 도전 패턴의 나머지 일부를 지나도록 상기 제 1 배선과 교차되는 방향으로 배열된 복수의 제 3 배선을 포함한다.A variable resistance memory device according to an aspect of the present invention includes a plurality of first wirings arranged in one direction; A plurality of conductive patterns connected to the first wirings; A variable resistance layer formed on the conductive pattern; A plurality of second wirings arranged in a direction crossing the first wiring so as to pass a portion of the conductive pattern on the variable resistance layer; And a plurality of third wires arranged in a direction crossing the first wire so as to pass through the remaining portion of the conductive pattern on the variable resistance layer.
상기 도전 패턴은 상기 제 1 배선의 측면으로부터 상부로 돌출되며, 상기 제 1 배선의 높이보다 높게 형성되고, 상기 도전 패턴은 4F2의 면적에 복수 형성된다.The conductive pattern protrudes upward from the side surface of the first wiring, is formed higher than the height of the first wiring, and a plurality of conductive patterns are formed in an area of 4F 2 .
상기 도전 패턴은 상기 제 1 배선의 상부로부터 돌출되어 형성된다.The conductive pattern is formed to protrude from an upper portion of the first wiring.
상기 가변 저항층은 금속 산화물, PCMO(Pr1 - XCaXMnO3, 0<X<1), 칼코게나이드(chalcogenide), 페로브스카이트(perovskite) 및 금속 도핑된 고체 전해질의 적어도 어느 하나로 형성된다.The variable resistance layer is formed of at least one of a metal oxide, PCMO (Pr 1 - X Ca X MnO 3 , 0 <X <1), chalcogenide, perovskite, and a metal doped solid electrolyte. Is formed.
상기 도전 패턴과 상기 가변 저항층 사이에 터널링 배리어가 더 형성된다.A tunneling barrier is further formed between the conductive pattern and the variable resistance layer.
상기 제 2 배선은 평면 방향에서 상기 제 1 배선과 예각을 이루며 연장 형성되고, 상기 제 3 배선은 평면 방향에서 상기 제 1 배선과 예각을 이루고 상기 제 2 배선과 직교하는 방향으로 연장 형성된다.The second wiring extends at an acute angle with the first wiring in a planar direction, and the third wiring extends at an acute angle with the first wiring in a plane direction and orthogonal to the second wiring.
상기 제 2 배선 및 제 3 배선 사이에 마련된 절연층을 더 포함한다.The semiconductor device may further include an insulating layer provided between the second wiring and the third wiring.
상기 제 3 배선은 상기 절연층 내에 형성된 홀 또는 트렌치를 통해 상기 도전 패턴 상의 상기 가변 저항층 상에 접하여 형성된다.The third wiring is formed in contact with the variable resistance layer on the conductive pattern through a hole or a trench formed in the insulating layer.
상기 제 2 배선은 상기 복수의 제 1 배선의 일 측면에 형성된 상기 도전 패턴 상을 지나도록 형성되고, 상기 제 3 배선은 상기 복수의 제 1 배선의 타 측면에 형성된 상기 도전 패턴 상을 지나도록 형성된다.The second wiring is formed to pass through the conductive patterns formed on one side of the plurality of first wirings, and the third wiring is formed to pass through the conductive patterns formed on the other side of the plurality of first wirings. do.
상기 복수의 제 1 배선, 도전 패턴, 가변 저항층, 제 2 배선 및 제 3 배선이 일 소자층을 이루고, 복수의 상기 소자층이 적층되어 3차원 구조를 이루며, 상기 복수의 소자층 각각의 사이에 형성된 층간 절연막을 더 포함한다.The plurality of first wirings, conductive patterns, variable resistance layers, second wirings, and third wirings form one device layer, and the plurality of device layers are stacked to form a three-dimensional structure, between each of the plurality of device layers. It further comprises an interlayer insulating film formed on.
본 발명의 다른 양태에 따른 가변 저항 메모리 소자는 일 방향으로 배열된 복수의 하부 배선; 상기 복수의 하부 배선과 교차되는 방향으로 배열된 복수의 제 1 상부 배선; 상기 복수의 하부 배선과 교차하고, 상기 복수의 제 1 상부 배선과 직교하는 방향으로 배열된 복수의 제 2 상부 배선; 및 상기 하부 배선과 제 1 및 제 2 상부 배선 사이에 형성된 복수의 가변 저항 소자를 포함한다.According to another aspect of the present invention, a variable resistance memory device includes a plurality of lower wires arranged in one direction; A plurality of first upper wires arranged in a direction crossing the plurality of lower wires; A plurality of second upper interconnections crossing the plurality of lower interconnections and arranged in a direction orthogonal to the plurality of first upper interconnections; And a plurality of variable resistance elements formed between the lower interconnection and the first and second upper interconnections.
상기 가변 저항 소자는 상기 제 1 배선 상에 형성된 도전 패턴과, 상기 도전 패턴 상에 형성된 가변 저항층을 포함하고, 상기 도전 패턴은 4F2의 면적에 복수로 형성되어 4F2의 면적당 복수 비트의 프로그램이 가능하다.The variable resistance element has the first wiring comprises a conductive pattern formed on the variable resistance layer formed on the conductive pattern, the conductive pattern is formed in a plurality in the area of 4F 2 programs of a plurality of bits per unit area of 4F 2 This is possible.
본 발명의 또다른 양태에 따른 가변 저항 메모리 소자의 구동 방법은 일 방향으로 배열된 복수의 하부 배선; 상기 복수의 하부 배선과 교차되는 방향으로 배열된 복수의 제 1 상부 배선; 상기 복수의 하부 배선과 교차하고, 상기 복수의 제 1 상부 배선과 직교하는 방향으로 배열된 복수의 제 2 상부 배선; 및 상기 하부 배선과 제 1 및 제 2 상부 배선 사이에 형성된 복수의 가변 저항 소자를 포함하고, 상기 하부중 선택된 적어도 어느 하나에 제 1 프로그램 전압을 인가하고, 상기 제 1 및 제 2 상부 배선중 선택된 적어도 어느 하나에 제 2 프로그램 전압을 인가하여 선택된 적어도 하나의 가변 저항 소자를 프로그램하며, 선택된 상기 가변 저항 소자와 연결된 상기 하부 배선에 읽기 전압을 인가하고, 상기 선택된 가변 저항 소자와 연결된 상기 제 1 또는 제 2 상부 배선에 접지 전압을 인가하여 상기 가변 저항 소자의 프로그램 상태를 읽는다.According to still another aspect of the present invention, there is provided a method of driving a variable resistance memory device, including: a plurality of lower wires arranged in one direction; A plurality of first upper wires arranged in a direction crossing the plurality of lower wires; A plurality of second upper interconnections crossing the plurality of lower interconnections and arranged in a direction orthogonal to the plurality of first upper interconnections; And a plurality of variable resistance elements formed between the lower interconnection and the first and second upper interconnections, applying a first program voltage to at least one of the lower interconnections, and selecting one of the first and second upper interconnections. A second programming voltage is applied to at least one of the at least one selected variable resistance element, a read voltage is applied to the lower line connected to the selected variable resistance element, and the first or second variable voltage is connected to the selected variable resistance element. The ground voltage is applied to the second upper wiring to read the program state of the variable resistance element.
상기 제 1 프로그램 전압은 포지티브 전압이고, 상기 제 2 프로그램 전압은 네가티브 전압이며, 상기 선택되지 않은 하부 배선과 선택되지 않은 제 1 및 제 2 상부 배선에 접지 전압을 인가한다.The first program voltage is a positive voltage, the second program voltage is a negative voltage, and a ground voltage is applied to the unselected lower interconnections and the unselected first and second upper interconnections.
상기 선택된 가변 저항 소자와 연결된 상기 제 1 상부 배선 또는 제 2 상부 배선의 전위 변화를 센싱하여 상기 가변 저항 소자의 프로그램 상태를 읽으며, 상기 선택되지 않은 가변 저항 소자와 연결된 상기 하부 배선, 제 1 및 제 2 상부 배선에는 읽기 전압보다 낮은 전압을 인가한다.Reading a program state of the variable resistance element by sensing a potential change of the first upper line or the second upper line connected with the selected variable resistance element, and reading the program state of the variable resistance element and the lower line, first and second 2 Apply a voltage lower than the read voltage to the upper wiring.
본 발명의 또다른 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법은 기판 상에 일 방향으로 연장되는 복수의 하부 배선을 형성하는 단계; 상기 하부 배선과 연결되도록 사이드월 스페이서를 이용하여 복수의 도전 패턴을 형성하는 단계; 상기 복수의 도전 패턴 상에 가변 저항층을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 도전 패턴 상을 지나도록 더블 패터닝을 이용하여 상기 가변 저항층 상에 복수의 상부 배선을 형성하는 단계를 포함한다.Method of manufacturing a variable resistance memory device according to another embodiment of the present invention comprises the steps of forming a plurality of lower wiring extending in one direction on the substrate; Forming a plurality of conductive patterns using sidewall spacers to be connected to the lower wirings; Forming a variable resistance layer on the plurality of conductive patterns; And forming a plurality of upper interconnections on the variable resistance layer by using double patterning to pass over the plurality of conductive patterns.
상기 상부 배선은 상기 복수의 도전 패턴의 일부를 지나도록 상기 더블 패터닝을 이용하여 상기 가변 저항층 상에 복수의 제 1 상부 배선을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 도전 패턴의 나머지 일부를 지나도록 상기 제 1 상부 배선과 절연되면서 직교하는 방향으로 연장하는 복수의 제 2 상부 배선을 형성하는 단계를 포함한다.Forming a plurality of first upper interconnections on the variable resistance layer using the double patterning to pass the upper interconnections to a part of the plurality of conductive patterns; And forming a plurality of second upper wires insulated from the first upper wires and extending in a direction orthogonal to pass through the remaining portions of the plurality of conductive patterns.
상기 복수의 도전 패턴을 형성하는 단계는, 제 1 사이드월 스페이서 공정으로 상기 하부 배선의 양 측면에 도전층 사이드월 스페이서를 형성하는 단계; 상기 도전층 사이드월 스페이서와 교차하는 제 2 사이드월 스페이서 공정으로 절연층 사이드월 스페이서를 형성하는 단계; 상기 절연층 사이드월 스페이서에 의해 노출된 도전층 사이드월 스페이서를 제거한 후 상기 절연층 사이드월 스페이서를 제거하는 단계를 포함한다. The forming of the plurality of conductive patterns may include forming conductive layer sidewall spacers on both sides of the lower wiring by a first sidewall spacer process; Forming an insulating layer sidewall spacer by a second sidewall spacer process crossing the conductive layer sidewall spacer; And removing the insulating layer sidewall spacer after removing the conductive layer sidewall spacer exposed by the insulating layer sidewall spacer.
상기 복수의 도전 패턴을 형성하는 단계는, 상기 복수의 하부 배선 상에 복수의 제 1 마스크막을 적층하고 이들 측면에 상기 도전층 사이드월 스페이서를 형성하는 단계; 상기 하부 배선과 직교하는 방향으로 복수의 제 2 마스크막을 형성한 후 그 측벽에 상기 절연층 사이드월 스페이서를 형성하는 단계; 상기 절연층 사이드월 스페이서에 의해 노출된 상기 도전층 사이드월 스페이서를 제거하는 단계; 및 상기 절연층 사이드월 스페이서, 제 1 및 제 2 마스크막을 제거하는 단계를 포함한다.The forming of the plurality of conductive patterns may include: stacking a plurality of first mask films on the plurality of lower interconnections and forming the conductive layer sidewall spacers on the side surfaces thereof; Forming a plurality of second mask films in a direction orthogonal to the lower wirings, and forming the insulating layer sidewall spacers on sidewalls of the plurality of second mask films; Removing the conductive layer sidewall spacers exposed by the insulating layer sidewall spacers; And removing the insulating layer sidewall spacers and the first and second mask layers.
상기 도전 패턴이 일부 노출되도록 상기 기판 상에 절연층을 형성하는 단계를 더 포함한다.The method may further include forming an insulating layer on the substrate to partially expose the conductive pattern.
상기 제 1 상부 배선을 형성하는 단계는, 상기 가변 저항층 상에 도전층 및 감광막을 형성하는 단계; 상기 감광막을 1차 노광하여 제 1 폭의 노광 영역과 제 2 폭의 비노광 영역을 형성하는 단계; 상기 감광막의 비노광 영역을 제 1 폭으로 2차 노광하는 단계; 상기 1차 및 2차 노광 영역을 현상하여 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 상기 도전층을 식각하는 단계를 포함한다.The forming of the first upper interconnection may include forming a conductive layer and a photosensitive film on the variable resistance layer; First exposing the photosensitive film to form an exposure area of a first width and an unexposed area of a second width; Secondarily exposing the non-exposed areas of the photosensitive film to a first width; Developing the primary and secondary exposure regions to form a photoresist pattern; Etching the conductive layer using the photoresist pattern as an etching mask.
상기 제 1 상부 배선 상에 절연층을 형성한 후 상기 절연층 내에 상기 도전 패턴의 다른 일부를 개방하는 콘택홀을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 2 상부 배선은 상기 콘택홀이 매립되도록 상기 절연층 상에 형성한다.After forming an insulating layer on the first upper interconnection, forming a contact hole in the insulating layer to open another portion of the conductive pattern, wherein the second upper interconnection is formed so that the contact hole is buried. It forms on an insulating layer.
상기 콘택홀을 형성하는 단계는, 상기 도전 패턴의 다른 일부 상의 상기 가변 저항층이 노출되도록 상기 절연층을 식각하여 상기 콘택홀보다 큰 제 1 콘택홀을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 콘택홀의 측면에 사이드월을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the contact hole may include forming a first contact hole larger than the contact hole by etching the insulating layer to expose the variable resistance layer on another portion of the conductive pattern; And forming a sidewall on a side surface of the first contact hole.
상기 제 2 상부 배선을 형성하는 단계는, 상기 콘택홀이 매립되도록 상기 절연층 상에 도전층 및 감광막을 형성하는 단계; 상기 감광막을 1차 노광하여 제 1 폭의 노광 영역과 제 2 폭의 비노광 영역을 형성하는 단계; 상기 감광막의 비노광 영역을 제 1 폭으로 2차 노광하는 단계; 상기 1차 및 2차 노광 영역을 현상하여 감광막 패턴을 형성하는 단계; 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 상기 도전층을 식각하는 단계를 포함한다.The forming of the second upper wiring may include forming a conductive layer and a photoresist film on the insulating layer to fill the contact hole; First exposing the photosensitive film to form an exposure area of a first width and an unexposed area of a second width; Secondarily exposing the non-exposed areas of the photosensitive film to a first width; Developing the primary and secondary exposure regions to form a photoresist pattern; Etching the conductive layer using the photoresist pattern as an etching mask.
상기 복수의 하부 배선은 더블 패터닝을 이용하여 형성한다.The plurality of lower interconnections are formed using double patterning.
상부 배선 상에 층간 절연막을 형성하는 단계; 및 상기 하부 배선, 도전 패 턴, 가변 저항층 및 상부 배선을 순차적으로 형성하여 소자층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 층간 절연막과 상기 소자층을 복수 적층하여 3차원 구조를 제조한다.Forming an interlayer insulating film on the upper wiring; And forming a device layer by sequentially forming the lower wiring, the conductive pattern, the variable resistance layer, and the upper wiring, and manufacturing a three-dimensional structure by stacking a plurality of the interlayer insulating film and the device layer.
본 발명의 또다른 실시 예에 따른 전자 제품은 저항 변화 메모리 소자 및 이에 접속된 프로세서를 구비하는 전자 제품이고, 상기 저항 변화 메모리 소자는 일 방향으로 배열된 복수의 하부 배선; 상기 복수의 하부 배선과 교차되는 방향으로 배열된 복수의 제 1 상부 배선; 상기 복수의 제 1 상부 배선과 직교하는 방향으로 배열된 복수의 제 2 상부 배선; 및 상기 하부 배선과 제 1 및 제 2 상부 배선 사이에 형성된 복수의 가변 저항 소자를 포함한다.An electronic product according to another embodiment of the present invention is an electronic product including a resistance change memory device and a processor connected thereto, the resistance change memory device comprising: a plurality of lower wirings arranged in one direction; A plurality of first upper wires arranged in a direction crossing the plurality of lower wires; A plurality of second upper interconnections arranged in a direction orthogonal to the plurality of first upper interconnections; And a plurality of variable resistance elements formed between the lower interconnection and the first and second upper interconnections.
본 발명의 실시 예들은 일 방향으로 연장되는 제 1 배선을 형성한 후 제 1 배선 상에 복수의 도전 패턴을 형성하고, 복수의 도전 패턴의 일부를 지나도록 복수의 제 2 배선을 형성한 후 복수의 도전 패턴의 나머지 일부를 지나도록 복수의 제 3 배선을 형성하여 일 소자층을 형성한다. 또한, 이러한 소자층을 복수 적층하여 3차원 구조의 가변 저항 메모리 소자를 제작한다. 여기서, 제 2 배선 및 제 3 배선, 더욱 바람직하게는 제 1 배선도 더블 패터닝을 이용하여 1F 이하의 폭 및 간격으로 형성할 수 있고, 도전 패턴은 사이드월 스페이서를 이용하여 바람직하게는 0.1F의 미세 패턴으로 형성할 수 있다.Embodiments of the present invention form a plurality of conductive patterns on the first wiring after forming the first wiring extending in one direction, and after forming a plurality of second wirings to pass through a portion of the plurality of conductive patterns, A plurality of third wirings are formed to pass through the remaining part of the conductive pattern, thereby forming one element layer. In addition, a plurality of such device layers are stacked to fabricate a variable resistance memory device having a three-dimensional structure. Here, the second wiring and the third wiring, more preferably, the first wiring can also be formed with a width and an interval of 1F or less by using double patterning, and the conductive pattern is preferably fine with 0.1F using sidewall spacers. It can be formed in a pattern.
본 발명의 실시 예들에 의하면, 더블 패터닝 및 사이드월 스페이서를 이용하여 1F 이하, 바람직하게는 0.1F의 미세 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 4F2의 면적에서 복수 비트의 데이터를 저장할 수 있다.According to the exemplary embodiments of the present invention, a fine pattern of 1F or less, preferably 0.1F, may be formed using double patterning and sidewall spacers, and multiple bits of data may be stored in an area of 4F 2 using the double patterning and sidewall spacers.
따라서, 사진 공정의 한계를 극복하여 1F 이하의 패턴을 형성할 수 있고, 이에 따라 면적 대비 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다.Therefore, the pattern of 1F or less can be formed by overcoming the limitation of the photolithography process, thereby improving the integration degree of the area-to-area device.
또한, 균일한 패턴 형성이 가능하므로 스위칭 특성의 균일성을 개선할 수 있고, 이에 따라 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the uniform pattern can be formed, the uniformity of the switching characteristics can be improved, thereby improving the operational reliability of the device.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 “상부에” 또는 “상에” 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 “바로 상부” 또는 “바로 위에” 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information. In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., may be exaggerated for clarity, and like reference numerals designate like elements. In addition, if a part such as a layer, film, area, etc. is expressed as “upper” or “on” another part, each part is different from each part as well as being “right up” or “directly above” another part. This includes the case where there is another part between parts.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자의 평면도이 고, 도 2는 등가 회로도이다.1 is a plan view of a resistance change memory device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자는 일 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 배선(100)과, 제 1 배선(100)의 측면에 접하여 돌출 형성된 복수의 도전 패턴(200)과, 적어도 복수의 도전 패턴(200) 상에 형성된 가변 저항층(300)과, 복수의 도전 패턴(200)의 일부를 지나도록 제 1 배선(100)과 예각을 이루고 연장 형성된 복수의 제 2 배선(400)과, 가변 저항층(300) 상부에 형성되고 복수의 도전 패턴(200)의 나머지 일부를 지나도록 제 2 배선(400)과 직교하는 방향으로 연장 형성된 복수의 제 3 배선(500)을 포함한다. 여기서, 제 1 배선(100)은 가변 저항층(300) 하부에 형성된 하부 배선이고, 제 2 및 제 3 배선(400 및 500)은 가변 저항층(300) 상부에 형성된 상부 배선이다.Referring to FIG. 1, a resistance change memory device according to a first exemplary embodiment may include a plurality of
복수의 제 1 배선(110, 120 및 130; 100)은 일 방향, 예를들어 가로 방향으로 연장 형성될 수 있다. 복수의 제 1 배선(100)은 각각 소정의 폭, 간격 및 두께로 형성될 수 있는데, 예를들어 1F(feature size)의 폭, 간격 및 두께로 형성될 수 있다. 1F는 사진(lithography) 공정으로 형성할 수 있는 최소 사이즈(minimum size)를 말하며, 소자에 따라 30㎚, 45㎚ 등일 수 있다. 또한, 제 1 배선(100)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를들어 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄 나이트라이드(TiN) 및 폴리실리콘의 적어도 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 형성할 수 있다.The plurality of
복수의 도전 패턴(210, 220 및 230; 200)은 제 1 배선(100)의 측면에서 소정 의 폭 및 간격으로 돌출 형성된다. 즉, 도전 패턴(200)은 제 1 배선(100)의 길이 방향을 따라 제 1 배선(100)의 위쪽 측면 및 아래쪽 측면으로부터 돌출 형성된다. 예를들어 첫번째 제 1 배선(110)의 위쪽 측면 및 아래쪽 측면에서 복수의 도전 패턴(211 및 212)이 형성되고, 두번째 제 1 배선(120)의 위쪽 측면 및 아래쪽 측면에서 복수의 도전 패턴(221 및 222)이 형성되며, 세번째 제 1 배선(130)의 위쪽 측면 및 아래쪽 측면에서 복수의 도전 패턴(231 및 232)이 형성된다. 한편, 이러한 도전 패턴(200) 각각은 제 1 배선(100)의 폭 및 간격을 고려하여 서로 인접한 도전 패턴(200)이 서로 단락되지 않도록 형성되며, 이를 위해 예를들어 0.3F 이하의 폭, 바람직하게는 0.2F 또는 0.1F의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 도전 패턴(200) 사이의 간격은 도전 패턴(200)의 폭과 동일하게 하거나, 도전 패턴(200)과 상부에서 중첩되는 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)의 폭 및 간격 등을 고려하여 도전 패턴(200) 사이의 간격은 도전 패턴(200)의 폭보다 넓게 형성할 수 있다. 따라서, 4F2의 면적에 적어도 네 개의 도전 패턴(200)을 형성할 수 있다. 또한, 복수의 도전 패턴(200)은 각각이 제 1 배선(100)과 제 2 배선(400) 또는 제 3 배선(500)에 인가되는 전압에 따라 각각의 데이터를 저장하는 단위 소자로 기능할 수 있다. 따라서, 4F2의 면적에 적어도 4비트의 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 복수의 도전 패턴(200)은 제 1 배선(100)의 두께보다 두껍게 형성할 수 있다. 이러한 도전 패턴(200)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를들어 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄 나이트라이드(TiN) 및 폴리실 리콘의 적어도 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 도전 패턴(200)은 제 1 배선(100)과 동일 물질로 형성할 수 있다.The plurality of conductive patterns 210, 220, and 230; 200 protrude from the side surfaces of the
가변 저항층(300)은 복수의 제 1 배선(100)과 복수의 도전 패턴(200)을 포함한 전체 상부에 형성된다. 가변 저항층(300)은 제 1 배선(100)과 제 2 및 제 3 배선(400 및 500) 사이에 인가되는 전압에 따라 저항이 변화되는 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 가변 저항층(300)은 금속 산화물, PCMO(Pr1 - XCaXMnO3, 0<X<1), 칼코게나이드(chalcogenide), 페로브스카이트(perovskite) 또는 금속 도핑된 고체 전해질을 이용할 수 있다. 금속 산화물은 SiO2, Al2O3 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있고, 전이 금속 산화물은 HfO2, ZrO2, Y2O3, TiO2, NiO, Nb2O5, Ta2O5, CuO, Fe2O3 또는 란타노이드 산화물(lanthanoids oxide)을 포함할 수 있으며, 란타노이드는 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디움(Pr), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 가돌리움(Gd) 또는 디스프로슘(Dy)를 포함할 수 있다. 또한, 칼코게나이드는 GeSbTe를 포함할 수 있고, 페로브스카이트는 SrTiO3, Cr 또는 Nb 도핑된 SrZrO3를 포함할 수 있으며, 금속 도핑된 고체 전해질은 GeSe 내에 Ag가 도핑된, 즉 AgGeSe을 포함할 수 있다. 한편, 도시되지 않았지만, 가변 저항층(300) 하부, 즉 가변 저항층(300)과 제 1 배선(100) 및 도전 패턴(200) 사이에 터널링 배리어(미도시)가 더 형성될 수 있다. 터널링 배리어는 그 양단에 걸리는 전계가 소정 전압 이상일 때 전위 장벽(potential barrier)이 변화되어 전자를 터널링시킬 수 있는 막으로, 예를 들어 약 2∼5nm 정도의 SiO2, Al2O3, HfO2 또는 SiO2/HfO2 등의 적층 구조를 가질 수 있다. 이러한 터널링 배리어가 형성되는 경우에는 선택되지 않은 셀에 소정 전압 미만의 전계를 가하여 누설 전류를 최소화할 수 있다.The
복수의 제 2 배선(410 내지 470; 400)은 제 1 배선(100)과 예각, 예를들어 45°의 각도를 이루는 사선 방향으로 연장 형성되는데, 예를들어 좌측 상향으로부터 우측 하향으로 연장 형성된다. 복수의 제 2 배선(400)은 제 1 배선(100)의 상측에 형성된 도전 패턴(210)을 지나도록 형성된다. 예를들어, 두번째 제 2 배선(420)는 첫번째 제 1 배선(110)의 도전 패턴(211a), 두번째 제 1 배선(120)의 도전 패턴(221b) 및 세번째 제 1 배선 라인(130)의 도전 패턴(231c) 상을 지나도록 연장 형성된다. 즉, 제 2 배선(400)은 n번째 제 1 배선(100, n) 상의 n번째 도전 패턴(200, n)으로부터 n+1번째 제 1 배선(100, n+1) 상의 n+1 번째 도전 패턴(200, n+1), n+2 번째 제 1 배선(100, n+2) 상의 n+2번째 도전 패턴(200, n+2)을 지나도록 연장 형성된다. 이러한 복수의 제 2 배선(400)은 도전성 물질로 형성되는데, 제 1 배선(100) 및 도전 패턴(200)과 동일 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 배선(400)은 도전 패턴(200)의 폭 및 간격 등을 고려하여 소정 폭으로 형성될 수 있는데, 예를 들면 도전 패턴(200)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.The plurality of
복수의 제 3 배선(510 내지 570; 500)은 제 1 배선(100)과 예각, 예를들어 45°의 각도를 이루고, 제 2 배선(400)과 수직을 이루는 방향으로 연장 형성되는데, 예를들어 우상향으로부터 좌하향으로 연장 형성된다. 또한, 제 3 배선(500)은 제 2 배선(400)과 연결되지 않은 도전 패턴(200)의 일부, 즉 제 1 배선(100)의 하측에 형성된 도전 패턴(212, 222 및 232) 상을 지나도록 연장 형성된다. 예를들어, 두번째 제 3 배선(520)는 첫번째 제 1 배선(110) 상의 도전 패턴(212c), 두번째 제 1 배선(120) 상의 도전 패턴(222b) 및 세번째 제 1 배선(130) 상의 도전 패턴(232a) 상을 지나도록 연장된다. 즉, 제 3 배선(500)은 n번째 제 1 배선(100, n) 상의 n+2번째 도전 패턴(200, n+2)으로부터 n+1번째 제 1 배선(100, n+1) 상의 n+1 번째 도전 패턴(200, n+1), n+2 번째 제 1 배선(100, n+2) 상의 n번째 도전 패턴(200, n)을 지나도록 연장 형성된다. 이러한 복수의 제 3 배선(500) 또한 도전성 물질로 형성되는데, 제 1 배선(100), 도전 패턴(200) 및 제 2 배선(400)과 동일 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제 3 배선(500)은 도전 패턴(200) 및 제 2 배선(400)의 폭 및 간격 등을 고려하여 소정 폭으로 형성될 수 있는데, 예를 들면 도전 패턴(200) 및 제 2 배선(400)과 동일한 폭으로 형성될 수 있다.The plurality of
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자는 제 1 배선(100)과 제 2 배선(400) 또는 제 3 배선(500)에 인가되는 전압에 따라 제 1 배선(100)과 도전 패턴(200)의 적어도 어느 하나와 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)의 적어도 어느 하나 사이의 가변 저항층(300) 내에 도전성 경로가 형성(저저항 상태)되거나 형성된 도전성 경로가 단절(고저항 상태)된다. 예를 들어, 제 1 배선(100)에 소정 전압이 인가되고, 제 2 배선(400)의 선택된 하나에 소정 전압이 인가되면 선택된 제 1 배선(100) 및 제 2 배선(400) 사이의 도전 패턴(200)과 제 2 배선(400) 사이의 가변 저항층(300)에 도전성 경로가 생겨 1비트의 데이터를 저장하게 된다. 따라서, 도전 패턴(200) 하나는 1비트의 데이터를 저장할 수 있고, 4F2의 면적에서 적어도 네 개의 도전 패턴(200)을 형성할 수 있으므로 4F2의 면적에서 적어도 4비트의 데이터를 저장할 수 있다.As described above, the resistance change memory device according to the first exemplary embodiment may include the
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 메모리 소자의 등가 회로도로서 일 방향, 예를 들어 가로 방향으로 배열된 복수의 제 1 배선(D11 내지 및 D15; D10)과, 제 1 배선(D10)과 상하로 이격되고 예각을 이루는 사선 방향으로 배열된 복수의 제 2 배선(D21 내지 D24; D20)과, 제 1 배선(D10)과 상하로 이격되고 제 2 배선(D20)과 평면상에서 직교하는 방향으로 배열된 복수의 제 3 배선(D31 내지 D34; D30)이 마련되고, 인접한 각각 두 개의 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)이 이루는 영역(A)과 제 1 배선(D10) 사이에 네 개의 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)가 마련된다. 이러한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 메모리 소자는 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)의 선택된 적어도 어느 하나에 데이터를 프로그램시킬 수 있고, 그 데이터를 읽어내거나 소거할 수도 있다. 즉, 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)를 독립적으로, 또는 동시에 구동시킬 수 있다.FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a resistance memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention, and a plurality of first wirings D11 to D15 and D10 arranged in one direction, for example, a horizontal direction, and a first wiring D10. A plurality of second wirings D21 to D24 arranged in an oblique direction spaced up and down and formed at an acute angle, and vertically spaced apart from the first wiring D10 and perpendicular to the second wiring D20 in a plane. A plurality of third wirings D31 to D34 (D30) arranged in a direction are provided, and the region A and the first wiring D10 formed by two adjacent second wirings D20 and D30 are respectively formed. Four unit elements R1, R2, R3 and R4 are provided in between. The resistive memory device according to the first exemplary embodiment may program data into at least one selected from the unit devices R1, R2, R3, and R4, and may read or erase the data. That is, the unit elements R1, R2, R3, and R4 can be driven independently or simultaneously.
이러한 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 메모리 소자의 구동 방법을 도 3 내지 도 5를 이용하여 설명하면 다음과 같다. The driving method of the resistive memory device according to the first exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5 as follows.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자의 프로그램 방법을 설명하기 위한 등가 회로도로서, 선택된 일 단위 소자에 1비트의 데이터를 저장하는 예를 설명하기 위한 것이다.3 is an equivalent circuit diagram illustrating a method of programming a resistance change memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention, and illustrates an example of storing one bit of data in a selected unit device.
도 3을 참고하면, 선택된 단위 소자(R1)와 연결된 제 1 배선(D12)에 소정 전압, 예를들어 1/2Vwrite를 인가하고, 그 외의 제 1 배선(D11, D13, D14 및 D15)에는 접지 전압(0V)을 인가한다. 그리고, 선택된 단위 소자(R1)와 연결된 제 2 배선(D22)에 소정 전압, 예를들어 -1/2Vwrite를 인가하고, 제 2 배선(D22) 이외의 나머지 제 2 배선(D21, D23 및 D24)과 제 3 배선(D31, D32, D33 및 D34)에 접지 전압(0V)를 인가한다. 이렇게 하면 선택된 단위 소자(R1)에 프로그램 전압, 즉 Vwrite의 전압이 인가된다. 따라서, 하나의 단위 소자(R1)에 데이터가 저저항 상태 또는 고저항 상태로 프로그램된다. 이때, 선택된 제 1 배선(D12)과 선택되지 않은 제 2 및 제 3 배선(D20 및 D30) 사이의 단위 소자에는 1/2Vwrite의 전계가 인가되지만, 데이터 프로그램에 필요한 전위가 되지 않아 프로그램되지 않는다. 또한, 선택되지 않은 제 1 배선(D11, D13 및 D14)과 선택되지 않은 제 2 및 제 3 배선(D20 및 D30) 사이의 나머지 단위 소자들에는 전압이 인가되지 않아 데이터가 프로그래밍되지 않는다.Referring to FIG. 3, a predetermined voltage, for example, 1 / 2V write is applied to the first wiring D12 connected to the selected unit device R1, and the other first wirings D11, D13, D14, and D15 are applied. Apply ground voltage (0V). Then, a predetermined voltage, for example, -1 / 2V write is applied to the second wiring D22 connected to the selected unit device R1, and the remaining second wirings D21, D23, and D24 other than the second wiring D22 are applied. ) And the ground voltage (0V) is applied to the third wirings (D31, D32, D33, and D34). In this case, a program voltage, that is, a voltage of V write is applied to the selected unit device R1. Therefore, data is programmed in one unit element R1 in a low resistance state or a high resistance state. At this time, an electric field of 1/2 V write is applied to the unit elements between the selected first wiring D12 and the unselected second and third wirings D20 and D30, but the electric potential required for the data program does not become programmed. . In addition, no voltage is applied to the remaining unit elements between the unselected first wires D11, D13 and D14 and the unselected second and third wires D20 and D30, so that data is not programmed.
또한, 이러한 방식으로 단위 소자(R2)와 연결된 제 1 배선(D12)에 소정 전압(1/2Vwrite)을 인가하고 단위 소자(R2)와 연결된 제 3 배선(D31)에만 소정 전압(- 1/2Vwrite)을 인가하면 선택된 단위 소자(R2)에 데이터가 프로그램된다. 같은 방식으로 제 1 배선(D12)에 소정 전압(1/2Vwrite)을 인가하고 제 2 배선(D23) 및 제 3 배선(D32)에 소정 전압(-1/2Vwrite)을 각각 인가하면 단위 소자(R3) 및 단위 소자(R4)에 각각 데이터가 프로그램된다.In addition, a predetermined voltage (1 / 2V write ) is applied to the first wiring D12 connected to the unit device R2 in this manner, and the predetermined voltage (−1 / only) is applied only to the third wiring D31 connected to the unit device R2. When 2V write is applied, data is programmed in the selected unit device R2. Applying a first wiring (D12) the predetermined voltage (1 / 2V write) and the applied predetermined voltage (-1 / 2V write) to the second wiring (D23) and a third wiring (D32) in the same way, when each unit element Data is programmed in each of R3 and the unit element R4.
뿐만 아니라 제 1 배선(D12)에 소정 전압(1/2Vwrite)을 인가하고 제 2 배선(D22 및 D23)과 제 3 배선(D31 및 D32)에 소정 전압(-1/2Vwrite)을 인가하면, 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)에 데이터를 프로그램할 수 있다.As well as applying a first wiring (D12) the predetermined voltage (1 / 2V write) the application and a second wiring (D22 and D23) and the third wiring predetermined voltage (-1 / 2V write) to (D31 and D32) in Data can be programmed into the unit elements R1, R2, R3, and R4.
따라서, 제 1 배선(D10)과 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)에 인가되는 전압에 따라 적어도 하나의 단위 소자를 프로그램할 수 있다.Accordingly, at least one unit device may be programmed according to voltages applied to the first wiring D10, the second wiring D20, and the third wiring D30.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자의 읽기 동작의 일 예를 설명하기 위한 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of a read operation of a resistance change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 선택된 소자(R1)가 연결된 제 1 배선(D12)에 소정의 읽기 전압, 예를들어 Vread를 인가하고, 선택된 소자(R1)가 연결되지 않은 나머지 제 1 배선(D110, D13, D14 및 D15)에는 접지 전압(0V)를 인가한다. 그리고, 선택된 소자(R1)가 연결된 제 2 배선(D22)에는 접지 전압(OV)를 인가하고, 나머지 제 2 배선(D21, D23, D24)과 제 3 배선(D30)에는 읽기 전압(Vread)과 접지 전압(OV) 사이의 전압, 예를들어 1/2Vread를 인가한다. 이렇게 하면 선택된 소자(R1)을 사이에 두고 제 1 배선(D12)과 제 2 배선(D22) 사이에 읽기 전압(Vread)의 전위차가 존재하게 된다. 이때, 선택된 소자(R1)가 저저항 상태로 프로그램된 경우 제 1 배선(D12)과 제 2 배선(D22)에는 도전 경로가 존재하고, 이에 따라 제 2 배선(D22)은 읽기 전압(Vread)의 레벨을 갖게 된다. 따라서, 선택된 소자(R1)가 저전압 상태로 프로그램된 것으로 인식하게 된다. 또한, 선택된 소자(R1)가 고저항 상태로 프로그램된 경우 제 1 배선(D12)과 제 2 배선(D22)에는 도전 경로가 존재하지 않게 되고, 이에 따라 제 2 배선(D22)은 접지 전압(0V)의 레벨을 갖게 된다.Referring to FIG. 4, a predetermined read voltage, for example, V read is applied to the first wiring D12 to which the selected device R1 is connected, and the remaining first wiring D110, to which the selected device R1 is not connected, is applied. The ground voltage (0V) is applied to D13, D14, and D15. The ground voltage OV is applied to the second wiring D22 to which the selected element R1 is connected, and the read voltage V read is applied to the remaining second wirings D21, D23, and D24 and the third wiring D30. Apply a voltage between ground and OV, for example 1 / 2V read . In this case, a potential difference between the read voltage V read exists between the first wire D12 and the second wire D22 with the selected element R1 interposed therebetween. At this time, when the selected element R1 is programmed to a low resistance state, a conductive path exists in the first wiring D12 and the second wiring D22, and accordingly, the second wiring D22 is read voltage V read . You will have a level of. Thus, it is recognized that the selected element R1 is programmed to a low voltage state. In addition, when the selected element R1 is programmed to a high resistance state, conductive paths do not exist in the first wiring D12 and the second wiring D22, and accordingly, the second wiring D22 has a ground voltage (0V). ) Level.
물론, 선택된 제 1 배선(D12) 상에 형성된 복수의 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)의 프로그램 상태를 한꺼번에 읽기할 수도 있는데, 이 경우 제 1 배선(D12)에 읽기 전압(Vread)을 인가하고, 읽기 하고자하는 단위 소자와 연결된 모든 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)에 접지 전압(0V)를 인가한다. 그리고, 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)의 저항 상태에 따른 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)의 전압 변화를 센싱하여 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)를 센싱하게 된다. 즉, 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)이 고전압 상태, 즉 읽기 전압(Vread)의 레벨을 유지하면 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)가 저저항 상태로 프로그램되고, 제 2 배선(D20) 및 제 3 배선(D30)이 저전압 상태, 즉 접지 전압(0V)의 레벨을 유지하면 단위 소자(R1, R2, R3 및 R4)가 저저항 상태로 프로그램된 것으로 판단하게 된다.Of course, the program states of the plurality of unit elements R1, R2, R3, and R4 formed on the selected first wiring D12 may be read at a time. In this case, the read voltage V read is applied to the first wiring D12. The ground voltage (0V) is applied to all the second wirings D20 and the third wirings D30 connected to the unit device to be read. In addition, the unit devices R1, R2, R3, and R4 are sensed by sensing a voltage change of the second wiring D20 and the third wiring D30 according to the resistance state of the unit devices R1, R2, R3, and R4. Done. That is, when the second wiring D20 and the third wiring D30 maintain the high voltage state, that is, the level of the read voltage V read , the unit elements R1, R2, R3, and R4 are programmed to a low resistance state. When the second wiring D20 and the third wiring D30 maintain the low voltage state, that is, the level of the
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리의 소거 동작의 일 예를 설명하기 위한 등가 회로도이다.FIG. 5 is an equivalent circuit diagram illustrating an example of an erase operation of a resistance change memory according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 제 1 배선(D10)에 접지 전압(0V)를 인가하고, 제 2 배선 및 제 3 배선(D20 및 D30)에 소거 전압, 예를들어 Verase를 인가하여 모든 단위 소자들에 Verase의 전계를 인가하면 모든 단위 소자들에 기입된 데이터를 소거할 수 있다.Referring to FIG. 5, all unit elements are applied by applying a ground voltage (0V) to the first wiring D10 and an erase voltage, for example, V erase , to the second wiring and the third wiring D20 and D30. Applying an electric field of V erase to erases data written to all unit elements.
상기한 바와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자는 제 1 배선(100), 도전 패턴(200), 가변 저항층(300), 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)이 적층되어 일 소자층이 형성되고, 이러한 소자층이 복수 적층되어 3차원 구조의 저항 변화 메모리 소자가 제조될 수 있다. 이때, 도전 패턴(200), 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)은 더블 패터닝(double patterning) 및 사이드월 스페이서(sidewall spacer) 공정을 선택적으로 이용하여 1F 이하, 바람직하게는 0.1F의 폭으로 형성할 수 있는데, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법을 도면을 이용하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.As described above, the resistance change memory device according to the first exemplary embodiment may include a
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 저항 변화 메모리 소자의 사시도로서, 복수의 소자층이 적층된 3차원 구조의 저항 변화 메모리 소자를 도시하였다. 또한, 또한, 도 7a 내지 도 7n은 도 6의 A-A' 및 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 공정 순서에 따른 단면도들이다.FIG. 6 is a perspective view of a resistance change memory device according to a first embodiment of the present invention, and illustrates a resistance change memory device having a three-dimensional structure in which a plurality of device layers are stacked. Also, FIGS. 7A to 7N are cross-sectional views of a process sequence of a state cut along the lines A-A 'and B-B' of FIG. 6.
도 6 및 도 7a를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 기판(10)이 제공된다. 기 판(11)은 통상의 반도체 메모리 소자에 적용되는 모든 것이 가능하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않으나, 예를들어 Si 기판, SiO2 기판, Si/SiO2의 다층 기판, 폴리실리콘 기판 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판(10) 상에는 정류 소자(미도시)가 형성될 수 있다. 정류 소자는 다이오드 또는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 다이오드는 기판(10) 내에 불순물 이온 주입 공정으로 p 불순물 영역(미도시) 및 n 불순물 영역(미도시)을 형성하여 제조할 수 있다. 또한, 트랜지스터는 기판(10) 상부에 게이트 절연막(미도시) 및 게이트 전극(미도시)을 적층 형성하고, 게이트 전극 양측의 기판(10) 내에 불순물 이온 주입 공정으로 소오스/드레인 영역(미도시)을 형성함으로써 제조할 수 있다. 또한, 정류 소자를 덮도록 기판(10) 상에 절연막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 이러한 기판(10) 상에 도전층(100a) 및 제 1 마스크막(20)을 형성한다. 도전층(100a)은 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄 나이트라이드(TiN) 및 폴리실리콘의 적어도 어느 하나를 포함하는 도전층을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 형성할 수 있다. 또한, 제 1 마스크막(20)은 도전층(100a)과 식각률이 다르고, 이후 형성될 제 2 마스크막과 식각률이 다른 물질을 이용할 수 있는데, 예를들어 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연 물질을 이용할 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 도전 패턴의 두께를 고려하여 제 1 마스크막(20)의 두께를 조절할 수 있다. 6 and 7A, a
도 6 및 도 7b를 참조하면, 제 1 마스크막(20) 상에 감광막(미도시)을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 제 1 마스크막(20) 및 도전 층(100a)을 패터닝한다. 이에 따라 제 1 배선(100)이 형성되고, 그 상부에 제 1 마스크막(20)이 패터닝되어 잔류하게 된다. 여기서, 제 1 배선(100) 및 제 1 마스크막(20)은 일 방향, 예를 들어 가로 방향으로 연장 형성되며, 예를들어 1F의 폭 및 간격으로 복수 형성될 수 있다. 6 and 7B, after forming a photoresist film (not shown) on the
도 6 및 도 7c를 참조하면, 패터닝된 제 1 마스크막(20)을 포함한 전체 상부에 도전층(미도시)을 형성한다. 도전층은 제 1 배선(100)과 동일 물질을 포함한 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서, 도전층을 전면 식각(etchback)한다. 따라서, 도전층은 적층된 제 1 배선(100) 및 제 1 마스크막(20)의 측벽에 잔류하여 제 1 사이드월 스페이서(200a)가 형성된다. 이때, 제 1 사이드월 스페이서(200a)의 폭은 도전층의 두께, 제 1 배선(100) 및 제 1 마스크막(150)의 적층 높이에 따라 달라질 수 있는데, 특히 도전층의 두께를 조절하여 예를들어 0.3F, 바람직하게는 0.1F의 폭으로 형성되도록 한다. 이는 1F의 간격을 유지하는 제 1 배선(100) 사이에 형성된 제 1 사이드월 스페이서(200a)가 서로 단락되지 않도록 하기 위함이다.6 and 7C, a conductive layer (not shown) is formed over the entire surface including the patterned
도 6 및 도 7d를 참조하면, 제 1 사이드월 스페이서(200a) 및 제 1 마스크막(20)을 포함한 전체 상부에 제 2 마스크막(30)을 형성한다. 제 2 마스크막(30)은 예를들어 제 1 마스크막(20)과 식각률이 차이나는 물질로 형성할 수 있다. 예를들어, 제 1 마스크막(20)이 실리콘 질화막으로 형성되면 제 2 마스크막(30)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 뿐만 아니라, 제 2 마스크막(30)은 실리콘 산화막 뿐만 아니라 식각이 용이한 다양한 물질로 형성될 수 있다. 이어서, 제 2 마스크 막(30) 상에 감광막(미도시)을 형성한 후 소정의 마스크를 이용한 사진 및 식각 공정으로 제 2 마스크막(30)을 패터닝한다. 이때, 제 2 마스크막(30)은 제 1 마스크막(20)과 직교하는 방향으로 잔류하며, 바람직하게는 제 1 마스크막(30)과 동일 폭 및 간격, 예를들어 1F의 폭 및 간격으로 패터닝된다. 6 and 7D, the
도 6 및 도 7e를 참조하면, 전체 상부에 절연층(미도시)을 형성한 후 전면 식각하여 제 2 마스크막(30) 측벽에 제 2 사이드월 스페이서(200b)를 형성한다. 여기서, 절연층은 제 2 마스크막(30)과 식각률이 다른 물질로 형성할 수 있다. 예를들어 절연층은 제 1 마스크막(20)과 마찬가지로 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다. 6 and 7E, an insulating layer (not shown) is formed over the entire surface, and then the entire surface is etched to form
도 6 및 도 7f를 참조하면, 제 2 사이드월 스페이서(200b)를 식각 마스크로 제 2 마스크막(30)을 식각하여 제거한다. 여기서, 제 2 사이드월 스페이서(200b) 및 제 1 마스크막(20)은 제 2 마스크막(30)과 식각 선택비가 다른 물질로 형성되기 때문에 제 2 마스크막(30)이 제거될 때 제 2 사이드월 스페이서(200b) 및 제 1 마스크막(20)은 식각에 의해 손상되지 않는다. 이어서, 제 2 마스크막(30)이 제거되어 노출된 제 1 사이드월 스페이서(200a)의 일부를 식각하여 기판(10)을 노출시킨다. 6 and 7F, the
도 6 및 도 7g를 참조하면, 제 2 사이드월 스페이서(200b) 및 제 1 마스크막(20)을 제거한다. 따라서 복수의 도전 패턴(200)이 완성된다. 도전 패턴(200)는 기판(10) 상으로부터 제 1 배선(100)의 측벽을 따라 형성되며, 예를들어 0.1F의 가로 및 세로 폭으로 형성되고, 적어도 0.1F 이상의 간격으로 복수 형성된다.6 and 7G, the
도 6 및 도 7h를 참조하면, 복수의 도전 패턴(200)을 포함한 전체 상부에 가변 저항층(300)을 형성한다. 가변 저항층(300)은 도전 패턴(200)의 두께보다 두껍게 형성한다. 이는 도전 패턴(200)과 그 상부의 제 2 배선(400) 또는 제 3 배선(500) 사이의 전압에 따라 가변 저항층(300)에 도전 경로가 형성되도록 하기 위함이다. 만약, 가변 저항층(300)이 도전 패턴(200)과 동일 높이로 형성되거나 도전 패턴(200)보다 낮은 두께로 형성되면, 도전 패턴(200)과 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)이 단락(short)될 수 있어 소자의 동작 불량을 유발할 수 있다. 이러한 가변 저항층(300)은 금속 산화물, PCMO(Pr1 - XCaXMnO3, 0<X<1)막, 칼코게나이드(chalcogenide)막, 페로브스카이트(perovskite)막 또는 금속 도핑된 고체 전해질막을 포함하는 물질을 이용할 수 있다. 또한, 가변 저항층(300)은 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition; PLD), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD), 분자선 에피택시 증착법(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD) 등의 다양한 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.6 and 7H, the
도 6 및 도 7i를 참조하면, 가변 저항층(300)을 포함한 전체 상부에 도전층(400a)을 형성한다. 도전층(400a)은 제 1 배선(100) 및 도전 패턴(200)과 동일 물질을 포함한 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서, 도전층(400a) 상에 감광막(40)을 형성한다.6 and 7I, the
도 6 및 도 7j를 참조하면, 감광막(40)을 2회의 노광 및 현상 공정으로 패터닝한다. 즉, 감광막(40)은 예를들어 1F의 폭과 2F의 간격으로 1차 노광한 후 노광되지 않은 2F의 영역을 1F의 폭으로 2차 노광한다. 이렇게 하면 1F의 폭으로 노광된 영역과 0.5F의 폭으로 노광되지 않은 영역이 존재하게 된다. 마찬가지로, 예를들어 1F의 폭과 1.2F의 간격으로 1차 노광한 후 노광되지 않은 1.2F의 영역을 1F의 폭으로 2차 노광하면 1F의 폭으로 노광된 영역과 0.1F의 폭으로 노광되지 않은 영역이 존재하게 된다. 이러한 더블 패터닝(douple patterning) 방법으로 미세 폭의 감광막 패턴(40a)을 형성할 수 있다. 이어서, 소정의 현상액을 이용하여 1차 및 2차 노광된 영역을 현상한다. 따라서, 0.5F의 폭, 바람직하게는 0.1F의 폭을 갖는 감광막 패턴(40a)이 형성된다. 이때, 감광막 패턴(40a)은 제 1 배선(100)과 예각, 예를들어 45°의 각도를 이루면서 예를들어 좌측 상방으로부터 우측 하방으로 사선 방향으로 연장되도록 패터닝된다. 또한, 감광막 패턴(40a)은 복수의 도전 패턴(200)의 일부, 예를들어 배선(100)의 일 측면에 접하여 형성된 도전 패턴(200)을 지나도록 형성된다.6 and 7J, the
도 6 및 도 7k를 참조하면, 감광막 패턴(40a)를 식각 마스크로 이용한 식각 공정으로 도전층(400a)을 패터닝한다. 따라서, 도전 패턴(200)의 일부를 지나면서 제 1 배선(100)과 예각을 이루도록 사선 방향으로 형성된 제 2 배선(400)이 형성된다. 6 and 7K, the
도 6 및 도 7l를 참조하면, 제 2 배선(400)을 포함한 전체 상부에 절연막(50)을 형성한다. 절연막(50)은 가변 저항층(300)과 식각 선택비가 큰 물질을 이 용하여 형성하는 것이 바람직한데, 예를들어 비정질 탄소막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서, 절연막(460)의 소정 영역을 식각하여 복수의 트렌치(60)을 형성한다. 복수의 트렌치(60)은 제 2 배선(400)과 직교하는 방향으로 연장되며, 제 2 배선(400)이 그 상부를 지나지 않는 도전 패턴(200) 상의 가변 저항층(300)이 노출되도록 형성한다. 이때, 트렌치(60)는 절연막(50) 상에 감광막(미도시)을 형성한 후 2회의 노광 및 현상 공정, 즉 더블 패터닝 공정으로 형성할 수 있다. 즉, 예를들어 1F의 폭과 1.2F의 간격으로 1차 노광한 후 노광되지 않은 1.2F의 영역을 1F의 폭으로 2차 노광하면 1F의 폭으로 노광된 영역과 0.1F의 폭으로 노광되지 않은 영역이 존재하게 된다. 이어서, 소정의 현상 공정으로 감광막의 노광된 영역을 제거하여 감광막 패턴을 형성하고, 감광막 패턴을 식각 마스크로 절연막(50)을 식각하여 복수의 트렌치(60)를 형성한다. 한편, 절연막(50)과 가변 저항층(300) 사이에 식각 정지막(미도시)을 더 형성하여 절연막(50) 식각 시 그 하부의 가변 저항층(300)이 식각에 의해 손상되지 않도록 할 수 있다. 이때, 식각 정지막은 절연막(50)과 식각 선택비가 큰 물질로 형성할 수 있는데, 예를들어 절연막(50)을 실리콘 산화막으로 형성하는 경우 식각 정지막은 실리콘 질화막으로 형성할 수 있다.6 and 7L, an insulating
도 6 및 도 7m을 참조하면, 절연막(50) 상부에 복수의 트렌치(60)을 매립하도록 도전층(미도시)을 형성한다. 도전층 상부에 감광막(미도시)을 형성한 후 복수의 트렌치(60)를 형성하기 위한 공정과 동일한 더블 패터닝 공정으로 감광막을 패터닝한다. 이에 따라 제 2 배선(400)과 직교하는 방향으로 연장 형성된 복수의 제 3 배선(500)이 형성된다. 즉, 제 3 배선(500)은 제 1 배선(100)과 예를들어 45°의 예각을 이루면서 우측 상방으로부터 좌측 하방으로 연장되도록 형성된다. 또한, 제 3 배선(500)은 트렌치(60) 내부에 매립된 부분을 고려하여 제 2 배선(400)과 저항이 동일하도록 형성한다. 이는 제 2 배선(400)과 제 3 배선(500)의 저항을 동일하게 하여 신호 전송 속도를 동일하게 유지하기 위함이다.6 and 7M, a conductive layer (not shown) is formed to fill the plurality of
이렇게 가로 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 배선(100)과, 제 1 배선(100)의 측면으로부터 형성된 복수의 도전 패턴(200)과, 도전 패턴(200) 상에 형성된 가변 저항층(300)과, 가변 저항층(300) 상에 형성되어 도전 패턴(200)의 일부를 지나도록 제 1 배선(100)과 예각을 이루도록 연장 형성된 제 2 배선(400)과, 제 2 배선(400)과 절연막(50)을 사이에 두고 절연되어 제 2 배선(400)과 직교하는 방향으로 연장 형성된 제 3 배선(500)으로 일 층의 소자층(1000)을 형성할 수 있다.Thus, the plurality of
도 6 및 도 7n을 참조하면, 소자층(1000) 상부에 층간 절연막(600)을 형성하고, 층간 절연막(600) 상에 제 1 배선(100), 도전 패턴(200), 가변 저항층(300), 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)을 적층 형성하여 복수의 소자층(2000 및 3000)을 형성한다. 이렇게 적층하여 복수의 소자층(1000, 2000 및 3000)이 적층된 가변 저항 메모리 소자가 제조된다.6 and 7N, an
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예는 사이드월 스페이서를 이용하여 복수의 도전 패턴(200)을 형성하고, 더블 패터닝을 이용하여 제 2 배선(400) 및 제 3 배선(500)을 형성하여 이들이 적층된 3차원 구조의 가변 저항 소자를 제조하였 다. 그러나, 사이드월 스페이서 및 더블 패터닝을 이용하여 본 발명의 제 1 실시 예의 구조 뿐만 아니라 소자의 사이즈를 줄일 수 있는 다양한 구조의 가변 저항 메모리 소자를 제조할 수 있다.As described above, in the first embodiment of the present invention, the plurality of
이하, 사이드월 스페이서 및 더블 패터닝을 이용하여 배선의 사이즈를 줄일 수 있는 본 발명의 다른 실시 예들에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, other embodiments of the present invention that can reduce the size of the wiring by using sidewall spacers and double patterning will be described.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 평면도이고, 도 9는 도 8의 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도이다. 여기서는 일 소자층의 평면도 및 단면도만을 도시하였으나, 일 소자층이 복수 적층되어 가변 저항 메모리 소자가 구성될 수 있다.FIG. 8 is a plan view of a variable resistance memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'and line B-B' of FIG. 8. Here, only a plan view and a cross-sectional view of one device layer are illustrated, but a plurality of device layers may be stacked to form a variable resistance memory device.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자는 일 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 배선(100)과, 제 1 배선(100) 상의 소정 영역에 형성된 복수의 도전 패턴(200)과, 복수의 도전 패턴(200) 사이에 형성되며 복수의 도전 패턴(200)이 일부 노출되도록 형성된 절연층(250)과, 절연층(450) 및 복수의 도전 패턴(200) 상에 형성된 가변 저항층(300)과, 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 형성되며 복수의 도전 패턴(200) 상을 지나도록 형성된 복수의 제 2 배선(400)을 포함한다. 여기서, 제 1 배선(100) 및 제 2 배선(400)은 더블 패터닝을 이용하여 1F 이하의 폭, 예를들어 0.5F의 폭으로 형성하고, 도전 패턴(200)은 사이드월 스페이서를 이용하여 형성할 수 있다.8 and 9, the variable resistance memory device according to the second exemplary embodiment may include a plurality of
이러한 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the variable resistance memory device according to the second exemplary embodiment of the present invention will be described below.
도 10a 내지 도 10i는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도로서, 도 9의 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 절취한 상태의 공정 순으로 도시한 소자의 단면도이다.10A to 10I are cross-sectional views of devices sequentially illustrating a method of manufacturing a variable resistance memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention, and are taken along lines AA ′ and BB ′ of FIG. 9. It is sectional drawing of the element shown in the order of process.
도 10a를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 기판(10) 상에 제 1 도전층(100a)을 형성한다. 기판(10)은 Si 기판, SiO2 기판, Si/SiO2의 다층 기판, 폴리실리콘 기판 등을 이용할 수 있다. 또한, 기판(10) 상에는 다이오드 또는 트랜지스터 등의 정류 소자(미도시)가 형성될 수 있고, 정류 소자를 덮도록 기판(10) 상에 절연막(미도시)이 더 형성될 수 있다. 정류 소자는 다이오드 또는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 그리고, 제 1 도전층(100a)은 예를들어 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 티타늄 나이트라이드(TiN) 및 폴리실리콘의 적어도 어느 하나의 도전 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 단일층 또는 복수의 층으로 형성할 수 있다. 이어서, 제 1 도전층(100a) 상에 제 1 감광막(40)을 형성한다.Referring to FIG. 10A, a first
도 10b를 참조하면, 제 1 감광막(40)을 2회의 노광 및 현상 공정, 즉 더블 패터닝 공정으로 패터닝한다. 여기서, 제 1 감광막(40)은 예를들어 1F의 폭과 2F의 간격으로 1차 노광한 후 노광되지 않은 2F 영역을 1F의 폭으로 2차 노광한다. 이렇게 하면 1F의 폭으로 노광된 영역과 0.5F의 폭으로 노광되지 않은 영역이 존재하게 된다. 이어서, 소정의 현상액을 이용하여 1차 및 2차 노광된 영역을 현상한다. 따 라서, 0.5F의 폭을 갖는 제 1 감광막 패턴(40a)이 형성된다. 이때, 제 1 감광막 패턴(40a)은 일 방향, 예를들어 가로 방향으로 연장된 형태로 패터닝되며, 제 1 감광막 패턴(40a) 사이는 1F의 폭을 유지하게 된다.Referring to FIG. 10B, the first
도 10c를 참조하면, 제 1 감광막 패턴(40a)을 식각 마스크로 이용하여 하부의 제 1 도전층(100a)을 식각한다. 따라서, 0.5F의 폭을 가지고 1F의 간격으로 이격된 복수의 제 1 배선(100)이 형성된다. 제 1 감광막 패턴(40a)을 제거한 후 복수의 제 1 배선(100)이 형성된 기판(10) 상부에 제 1 마스크막(20)을 형성한다. 제 1 마스크막(20)은 제 1 배선(100)과 식각률이 다른 물질을 이용할 수 있는데, 예를들어 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연 물질을 이용할 수 있다. 또한, 제 1 마스크막(20)은 형성하고자 하는 도전 패턴의 두께를 고려하여 두께를 조절할 수 있다. 이어서, 사진 및 식각 공정으로 제 1 마스크막(20)을 패터닝한다. 이때, 제 1 마스크막(20)은 제 1 배선(100)과 직교하는 방향, 즉 세로 방향으로 연장 형성되며, 예를들어 1F의 폭 및 간격을 유지하도록 패터닝된다. Referring to FIG. 10C, the lower first
도 10d를 참조하면, 패터닝된 제 1 마스크막(20)을 포함한 전체 상부에 도전층(미도시)을 형성한다. 도전층은 제 1 배선(100)과 동일 물질을 포함한 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서, 도전층을 전면 식각(etchback)한다. 따라서, 도전층은 제 1 마스크막(20)의 측벽에 잔류하여 제 1 사이드월 스페이서(200a)가 형성된다. 이때, 제 1 사이드월 스페이서(200a)의 폭은 도전층의 두께, 제 1 배선(100)과 제 1 마스크막(20)의 적층 높이 등에 따라 달라질 수 있는데, 예를들어 0.3F, 바람직하게는 0.1F의 폭으로 잔류하게 된다.Referring to FIG. 10D, a conductive layer (not shown) is formed over the entire surface including the patterned
도 10e를 참조하면, 제 1 마스크막(20)을 제거한 후 제 1 배선(100) 상에 제 2 감광막 패턴(45)을 형성한다. 즉, 전체 상부에 제 2 감광막(미도시)을 형성한 후 제 1 배선(100) 형성 시 이용된 더블 패터닝 공정을 이용하여 제 2 감광막을 패터닝한다. 따라서, 제 2 감광막 패턴(45)은 제 1 배선(100)과 동일 형상으로 제 1 배선(100) 상에 형성된다. 이어서, 제 2 감광막 패턴(45)을 식각 마스크로 노출된 제 1 사이드월 스페이서(200a)을 식각한다. 즉, 기판(10) 상에 잔류하는 사이드월 스페이거(200a)를 제거한다.Referring to FIG. 10E, after removing the
도 10f를 참조하면, 제 2 감광막 패턴(250)을 제거한 후 제 1 마스크막(20)을 제거한다. 이에 따라 제 1 배선(100) 상에 소정 간격, 예를들어 1F의 간격을 유지하고, 0.3F 이하의 폭을 갖는 도전 패턴(200)이 형성된다.Referring to FIG. 10F, after removing the
도 10g 참조하면, 도전 패턴(200) 사이의 영역, 즉 도전 패턴(200) 사이의 기판(10) 및 제 1 배선(100) 상에 절연층(450)을 형성한다. 이때, 절연층(450)은 도전 패턴(200)의 상부 일부가 노출되도록 형성하며, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등의 절연 물질을 이용할 수 있다. 이어서, 전체 상부에 가변 저항층(300)을 형성한다. 가변 저항층(300)은 금속 산화물, PCMO(Pr1 - XCaXMnO3, 0<X<1)막, 칼코게나이드(chalcogenide)막, 페로브스카이트(perovskite)막 또는 금속 도핑된 고체 전해질막을 포함할 수 있다. 또한, 가변 저항층(300)은 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition; PLD), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD), 분자선 에피택시 증착법(Molecular Beam Epitaxy; MBE) 또는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 10G, an insulating
도 10h를 참조하면, 전체 상부에 제 2 마스크막(25)을 형성한다. 이어서, 제 2 마스크막(25)을 더블 패터닝을 이용하여 제 1 마스크막(20)이 패터닝된 형상과 동일 형상으로 패터닝한다. 즉, 더블 패터닝을 이용하여 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 연장되며, 도전 패턴(200)이 형성된 부분이 노출되도록 패터닝된다. 이때, 제 2 마스크막(25) 사이의 간격은 도전 패턴(200)의 폭보다 넓게 패터닝될 수 있으며, 바람직하게는 제 1 배선(100)의 폭과 동일하게, 예를들어 0.5F의 폭으로 패터닝될 수 있다. 따라서, 제 2 마스크막(25)은 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 연장되며, 하부의 도전 패턴(200)이 노출되는 형상으로 형성된다. 제 2 마스크막(25)을 포함한 전체 상부에 제 2 도전층(미도시)을 형성한다. 이어서, 제 2 도전층을 전면 식각하여 제 2 마스크막의 측벽에 제 2 사이드월 스페이서(400a)를 형성한다. Referring to FIG. 10H, the
10i를 참조하면, 제 2 마스크막(25)을 제거하면 하부 도전 패턴(200)과 중첩되어 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 제 2 배선(400)을 형성할 수 있다. 이렇게 하나의 소자층을 형성한 후 층간 절연막(600)을 형성하고, 복수의 소자층을 적층하여 3차원 구조의 가변 저항 메모리 소자를 제조할 수 있다.Referring to 10i, when the
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 평면도이고, 도 12는 도 11의 A-A' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도로서, 복수의 소자층 이 적층된 가변 저항 메모리 소자의 일 소자층의 평면도 및 단면도이다.FIG. 11 is a plan view of a variable resistance memory device according to a third exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a cross-sectional view of the variable resistance memory device taken along line AA ′ of FIG. 11. It is a top view and sectional drawing of one element layer.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자는 일 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 배선(100)과, 제 1 배선(100) 사에 형성된 복수의 도전 패턴(200)과, 도전 패턴을 포함한 전체 상부에 형성된 절연층(250)과, 절연층(250)의 소정 영역에 형성되어 도전 패턴(200)을 노출시키는 콘택홀(260)과, 콘택홀(260) 내의 도전 패턴(200) 상에 형성된 가변 저항층(300)과, 콘택홀(260)을 매립하도록 형성되며 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 형성된 복수의 제 2 배선(400)을 포함한다. 또한, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자는 제 1 배선(100) 및 제 2 배선(400)을 더블 패터닝을 이용하여 1F 이하의 폭, 바람직하게는 0.5F의 폭으로 형성할 수 있다.11 and 12, the variable resistance memory device according to the third exemplary embodiment may include a plurality of
이러한 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.The manufacturing method of the variable resistance memory device according to the third exemplary embodiment of the present invention will be described below.
도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 순서적으로 도시한 소자의 단면도이다.13A to 13D are cross-sectional views of devices sequentially illustrated to explain a method of manufacturing a variable resistance memory device according to a third embodiment of the present invention.
도 13a를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 기판(10) 상에 더블 패터닝을 이용하여 일 방향으로 연장 형성된 복수의 제 1 배선(100)을 형성한다. 즉, 기판(10) 상에 도전층(미도시) 및 감광막(미도시)을 형성하고 감광막을 2회의 노광 및 현상 공정으로 패터닝한 후 패터닝된 감광막을 식각 마스크로 도전층을 식각하여 제 1 배선(100)을 형성한다. 여기서, 감광막은 예를들어 1F의 폭과 2F의 간격으로 1차 노광한 후 노광되지 않은 2F 영역을 1F의 폭으로 2차 노광하여 1F의 폭으로 노광된 영역과 0.5F의 폭으로 노광되지 않은 영역이 존재하도록 한 후 소정의 현상액을 이용하여 1차 및 2차 노광된 영역을 현상함으로써 0.5F의 폭을 갖도록 패터닝된다. 따라서, 제 1 배선(100)은 예를들어 0.5F의 폭을 가지고 1F의 간격으로 이격되어 형성된다.Referring to FIG. 13A, a plurality of
도 13b는 제 1 배선(100) 상에 복수의 도전 패턴(200)을 형성한다. 도전 패턴(200)은 사이드월 스페이서를 이용하여 형성할 수 있는데, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 제 1 배선(100)을 포함한 기판(10) 상에 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 복수의 제 1 마스크막(미도시)을 형성하고 전체 상부에 도전층(미도시)을 형성한 후 도전층을 전면 식각하여 제 1 마스크막 측벽에 사이드월 스페이서(미도시)를 형성한다. 이어서, 제 1 배선(100)과 동일한 형상으로 제 1 배선(100) 상에 제 2 마스크막(미도시)을 형성하고 제 2 마스크막에 의해 노출된 사이드월 스페이서를 식각한다. 이어서, 제 1 및 제 2 마스크막을 제거하면 제 1 배선(100) 상에 복수의 도전 패턴(200)이 형성된다.FIG. 13B forms a plurality of
도 13c를 참조하면, 전체 상부에 절연층(250)을 형성한 후 절연층(250)의 소정 영역을 식각하여 도전 패턴(200)을 노출시키는 제 1 콘택홀(260a)을 형성한다. 여기서, 제 1 콘택홀(260a)은 도전 패턴(200)의 폭보다 넓은 직경으로 형성된다. 이는 도전 패턴(200)이 사이드월 스페이서를 이용하여 형성되기 때문에 1F보다 작은 폭, 예를들어 0.3F 이하의 폭으로 형성되고, 제 1 콘택홀(260a)은 사진 공정의 한계로 인하여 예를들어 1F의 직경으로 형성되기 때문이다. 따라서, 인접한 제 1 콘택홀(260a)은 일부 중첩되어 형성될 수도 있다.Referring to FIG. 13C, after forming the insulating
도 13d를 참조하면, 제 1 콘택홀(260a)을 포함한 전체 상부에 제 1 콘택홀(260a)이 완전히 매립되지 않도록 소정 두께의 제 2 절연층(미도시)을 형성한다. 이어서, 제 2 절연층을 전면 식각하여 제 1 콘택홀(260a) 측벽에 사이드월(260b)을 형성한다. 따라서, 제 1 콘택홀(260a) 내에 사이드월(260b)이 형성되어 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 콘택홀(260)이 형성된다. 또한, 인접한 콘택홀(260)이 접촉되지 않게 된다.Referring to FIG. 13D, a second insulating layer (not shown) having a predetermined thickness is formed on the entire upper portion including the
도 13e를 참조하면, 콘택홀(260) 내에 가변 저항층(300)을 형성한 후 콘택홀(260)을 매립하도록 도전층을 형성하고 도전층을 패터닝하여 제 1 배선(100)과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 배선(400)을 형성한다. 여기서, 제 2 배선(400) 또한 더블 패터닝을 이용하여 형성할 수 있다.Referring to FIG. 13E, after the
상기한 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 저항 메모리 소자의 제조 방법은 도전 패턴(200)보다 큰 직경의 제 1 콘택홀(260a)이 형성되어 인접한 제 1 콘택홀(260a)이 중첩될 수 있으나, 제 1 콘택홀(260a) 내에 사이드월(260b)이 형성되어 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 콘택홀(260)이 형성되기 때문에 인접한 콘택홀(260)이 단락되지 않게 된다.In the method of manufacturing the resistive memory device according to the third exemplary embodiment, the
한편, 상기한 본 발명의 실시 예들의 특징을 일부를 각각 이용하여 본 발명의 다른 실시 예들을 구현할 수 있다. 예를들어 본 발명의 제 1 실시 예에서 제 1 배선(100)을 더블 패터닝을 이용하여 0.5F 이하의 폭을 갖도록 형성할 수도 있고, 제 1 실시 예에서 도전 패턴(200)을 포함한 전체 상부에 가변 저항층(300)을 형성하기 이전에 본 발명의 제 2 실시 예와 같이 도전 패턴(200)의 일부를 노출시키도록 절연층을 형성한 후 그 상부에 가변 저항층을 형성할 수도 있다. 또한, 제 1 실시 예에서 트렌치(60)를 형성하지 않고 제 3 실시 예의 콘택홀 형성 방법, 즉 콘택홀을 형성한 후 콘택홀 측벽에 사이드월을 형성하여 콘택홀의 사이즈를 줄이는 방법을 이용할 수도 있다.Meanwhile, other embodiments of the present invention can be implemented using some of the features of the above-described embodiments of the present invention. For example, in the first embodiment of the present invention, the
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 저항 변화 메모리 소자를 데이터 저장 매체로(data storage media) 이용하는 전자 제품(electronic product)의 개략적인 블럭도이다.FIG. 14 is a schematic block diagram of an electronic product using a resistance change memory device as a data storage medium according to embodiments of the present disclosure.
도 14를 참조하면, 전자 제품(700)은 데이터 저장 매체인 적어도 하나의 저항 변화 메모리 소자(710), 저항 변화 메모리 소자(710)에 접속된 프로세서(720) 및 프로세서(720)에 접속된 입/출력 장치(730)를 포함한다. 여기서, 저항 변화 메모리 소자(710)는 상술한 본 발명의 실시 예들에 따른 저항 변화 메모리 소자들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 14, the
프로세서(720)은 저항 변화 메모리 소자(710)를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 전자 제품(700)은 입/출력 장치(730)를 통해 다른 전자 제품과 데이터를 교환할 수 있다. 프로세서(720) 및 저항 변화 메모리 소자(710) 사이의 데이터 통신과 아울러서 프로세서(720) 및 입/출력 장치(730) 사이의 데이터 통신은 데이 터 버스 라인들을 사용하여 이루어질 수 있다.The
전자 제품(710)은 메모리 카드 등의 데이터 저장 장치, 컴퓨터 등의 정보 처리 장치, 디지털 카메라 또는 휴대용 전화기(cellular phone)일 수 있다. The
이러한 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 평면도.1 is a plan view of a variable resistance memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 등가 회로도.2 is an equivalent circuit diagram of a variable resistance memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 구동 방법을 설명하기 위한 등가 회로도.3 to 5 are equivalent circuit diagrams for describing a method of driving a variable resistance memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 사시도.6 (a) and 6 (b) are perspective views of a variable resistance memory device according to a first embodiment of the present invention.
도 7(a) 내지 도 7(m)은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도 6(a)의 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 공정 순으로 도시한 단면도.7 (a) to 7 (m) are cut along the AA 'and BB' lines of FIG. 6 (a) to explain a method of manufacturing a variable resistance memory device according to a first exemplary embodiment of the present invention. Sectional view in order of process.
도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 평면도.8 is a plan view of a variable resistance memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention.
도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.9 (a) and 9 (b) are cross-sectional views taken along the lines A-A 'and B-B' of the variable resistance memory device according to the second embodiment of the present invention.
도 10(a) 내지 도 10(i)는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도 8의 A-A' 라인 및 B-B' 라인을 따라 절취한 상태의 공정 순으로 도시한 단면도.10 (a) to 10 (i) illustrate a process sequence of cutting along the AA ′ and BB ′ lines of FIG. 8 to explain a method of manufacturing a variable resistance memory device according to a second exemplary embodiment of the present invention. Shown as a cross-section.
도 11은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 평면도.11 is a plan view of a variable resistance memory device according to a third embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 A-A' 라인을 따라 절취한 상태의 단면도.12 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of the variable resistance memory device according to the third embodiment of the present invention.
도 13(a) 내지 도 13(d)은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위해 도 11의 A-A' 라인을 따라 절취한 상태의 공정 순으로 도시한 단면도.13 (a) to 13 (d) are cross-sectional views in the order of steps taken along line AA ′ of FIG. 11 to explain a method of manufacturing a variable resistance memory device according to a third exemplary embodiment of the present invention. .
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 제 1 배선 200 : 도전 패턴100: first wiring 200: conductive pattern
300 : 가변 저항층 400 : 제 2 배선300: variable resistance layer 400: second wiring
500 : 제 3 배선500: third wiring
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