KR101094658B1 - 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 - Google Patents
비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101094658B1 KR101094658B1 KR1020100035638A KR20100035638A KR101094658B1 KR 101094658 B1 KR101094658 B1 KR 101094658B1 KR 1020100035638 A KR1020100035638 A KR 1020100035638A KR 20100035638 A KR20100035638 A KR 20100035638A KR 101094658 B1 KR101094658 B1 KR 101094658B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- metal oxide
- oxide film
- resistance switching
- insulating film
- lower electrode
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 75
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 75
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 12
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 8
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 229910019044 CoSix Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910004166 TaN Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910008486 TiSix Inorganic materials 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910005889 NiSix Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 WSix Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 81
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical class [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 239000005300 metallic glass Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/041—Modification of switching materials after formation, e.g. doping
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
- H10N70/8833—Binary metal oxides, e.g. TaOx
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
본 발명에 따라서 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와; (b) 상기 기판 상에 하부 전극을 증착하는 단계와; (c) 상기 하부 전극 상에 전극 분리를 위한 제1 절연막을 증착하는 단계와; (d) 상기 하부 전극 및 제1 절연막 두께 전체에 걸쳐 원하는 패턴을 얻기 위한 패터닝 과정을 수행하는 단계와; (e) 상기 패턴화된 부분에 제2 절연막을 증착하는 단계와; (f) 상기 제1 절연막에 복수의 컨택트 홀을 패터닝하여, 상기 하부 전극을 노출시키는 단계와; (g) 상기 제1 절연막, 컨택트 홀 및 제2 절연막 전체에 걸쳐 저항 스위칭 특성을 갖는 금속 산화막을 증착하는 단계와; (h) 상기 증착된 금속 산화막에 대해 열처리를 수행하는 단계와; (i) 상기 금속 산화막을 연마하여 금속 산화막을 분리함으로써, 상기 컨택트 홀에만 금속 산화막을 남겨 두는 단계와; (j) 상기 금속 산화막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 저항 스위칭(resistance switching) 특성을 갖는 금속 산화막을 포함하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리(Resistance Switching Random Access Memory; ReRAM) 제조 방법 및 ReRAM 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 종래의 ReRAM 작동 과정 중 포밍 프로세스(forming process)가 불필요하게 하는 금속 산화막을 포함하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 ReRAM 소자에 관한 것이다.
지금까지 반도체 관련 산업은 1980년대의 소형화 및 집적화, 1990년대의 초소형화 및 고집적화를 기반으로 성공적으로 발전하여 왔다. 이러한 성공은 소자 크기가 작아지더라도 소자 작동 원리가 그대로 유지될 수 있다는 것을 기반으로 한다. 따라서, 기존의 기술 방식의 연장선상에서 그 기술을 보다 향상시키는 방향으로 모든 연구 개발이 이루어졌으며, 지금까지 매우 성공적이었다.
그러나, 정보화와 통신화가 가속됨에 따라 더 많은 정보를 더욱 빠르게 처리할 수 있는 능력을 가진 반도체 소자와 시스템의 성능 향상의 필요성이 대두되었으며, 이를 위해 핵심 부품인 메모리 소자의 초고속화, 초고집적화 및 초절전화가 필수적으로 요구되고 있다. 따라서, 고용량 정보 저장에 필요한 초고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다도 커지고 있는 실정이다.
최근 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면, 차세대 비휘발성 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자로서 PRAM(Phase Change RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory), ReRAM, PoRAM(Polymer RAM), MRAM(Magnetic RAM), Molecular RAM 등이 있으며, 이러한 차세대 메모리 개발은 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력, 플래시 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 모두 구현하기 위한 방향으로 이루어지고 있다. 특히 ReRAM 소자는 상기 메모리 소자의 장점을 모두 가지고 있어서, 유력한 차세대 메모리로 거론되고 있다.
ReRAM의 경우 저항 스위칭 특성을 가지는 금속 산화막을 이용하는데, 이러한 금속 산화막을 제조하는 방법으로 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition; PLD), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD), 분자선 에피탁시 증착법(molecular beam epitaxy; MBE)과 같은 증착 공정 방법을 이용하고 있다.
한편, 종래의 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 작동 과정을 살펴보면, 금속 산화막 본질의 높은 저항 상태(HRS: High Resistance State)에서 인가하는 전압에 의해 낮은 저항 상태(LRS: Low Resistance State)로 변화하는 포밍 프로세스(forming process), 즉 금속 산화막에서 전류 경로(current path)를 형성하는 프로세스를 거치게 되고, 이후에 인가하는 전압에 의해 LRS에서 HRS로 변하는 리셋 프로세스(reset process)와 HRS에서 LRS로 변화하는 셋 프로세스(set process)에 의해 저항 스위칭 동작을 하게 된다. 즉 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 동작시 포밍 프로세스를 필수적으로 선행되어야 한다.
그러나, 일반적으로 포밍 프로세스에 필요한 전압(forming voltage)은 리셋/셋 프로세스에 필요한 전압(reset/set voltage)과 비교하여 상대적으로 높은 전압이 요구된다. 예컨대, 기존의 포밍 프로세스 메커니즘에 따르면, 금속 산화막 두께가 50 nm라 할 때, 50 nm 두께 전체를 연결하는 전류 경로를 형성시켜주어야 하므로, 큰 전압을 박막에 가해주어야 한다. 그러나, 포밍 프로세스를 위한 이러한 높은 전압은 저항 스위칭 메모리 소자의 저항층으로 사용되는 금속 산화막의 열화(degradation)를 유발하거나 소자의 동작 전압 차제를 높일 수 있어서, 이러한 포밍 프로세스는 차세대 메모리의 요구 조건인 저전력, 고성능 메모리 구현을 위해 해결되어야 할 문제점으로 인식되고 있으나, 현재까지 그에 대한 해결 수단은 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 포밍 프로세스를 거치지 않으면서도 저항 스위칭 메모리 특성을 나타내는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 제조 방법 및 ReRAM 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와; (b) 상기 기판 상에 하부 전극을 증착하는 단계와; (c) 상기 하부 전극 상에 전극 분리를 위한 제1 절연막을 증착하는 단계와; (d) 상기 하부 전극 및 제1 절연막 두께 전체에 걸쳐 원하는 패턴을 얻기 위한 패터닝 과정을 수행하는 단계와; (e) 상기 패턴화된 부분에 제2 절연막을 증착하는 단계와; (f) 상기 제1 절연막에 복수의 컨택트 홀을 패터닝하여, 상기 하부 전극을 노출시키는 단계와; (g) 상기 제1 절연막, 컨택트 홀 및 제2 절연막 전체에 걸쳐 저항 스위칭 특성을 갖는 금속 산화막을 증착하는 단계와; (h) 상기 증착된 금속 산화막에 대해 열처리를 수행하는 단계와; (i) 상기 금속 산화막을 연마하여 금속 산화막을 분리함으로써, 상기 컨택트 홀에만 금속 산화막을 남겨 두는 단계와; (j) 상기 금속 산화막 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 금속 산화막은 NbOx 또는 NbOx에 Ti, Ni, Nb, Hf, Mg, Zn, Zr, Al, V, W, Co, Eu, Ta, Cu, Mn 및 Fe 중 하나의 금속 원소를 도핑한 doped-NbOx으로 이루어질 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (h) 단계에서의 열처리는 상기 금속 산화막의 내부 구조를 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화시키는 온도 범위에서 수행될 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (h) 단계에서의 열처리는 500~600℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 금속 산화막은 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(PLD), 증발법, 전자빔 증발법, 원자층 증착법(ALD) 및 분자선 에피탁시 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 중 하나를 이용하여 증착할 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 하부 전극과 상부 전극은 Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Pt, Si, WSix, NiSix, CoSix, TiSix 중 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라서, 저항 스위칭 특성을 가지는 금속 산화막을 포함하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자가 제공되는데, 상기 금속 산화막은 증착 후 열처리되어 그 내부에 결정 구조를 포함하고 있으며, 상기 메모리 소자는 동작시 포밍 프로세스(forming process) 없이 리셋 프로세스(reset process) 단계부터 진행하는 것을 특징으로 한다.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 상기 금속 산화막은 NbOx 또는 NbOx에 Ti, Ni, Nb, Hf, Mg, Zn, Zr, Al, V, W, Co, Eu, Ta, Cu, Mn 및 Fe 중 하나의 금속 원소를 도핑한 doped-NbOx으로 이루어질 수 있다.
한 가지 실시예에 있어서, 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 상기 금속 산화막은 500~600℃의 온도 범위에서 어닐링 열처리된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 저항 스위칭 특성을 갖는 금속 산화막이 증착 후 일정 온도 범위에서 어닐링 열처리가 된다. 이러한 열처리에 따라, 금속 산화막은 비정질 상태에서 결정 상태로 그 내부 구조가 변화되어, 추후 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자는 동작시 forming process 없이 바로 reset process 단계부터 진행된다. 그 결과, forming prcess에 필요한 고전압이 필요하지 않게 되어, 금속 산화막이 열화되는 것을 방지할 수 있고, 상기 메모리 소자의 동작 전압을 낮출 수 있으며, 차세대 메모리의 요구 조건인 저전력, 고성능 메모리 소자를 구현할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 ReRAM 제조하는 방법에 있어서, 제1 절연막에 컨택트 홀을 형성하기까지의 과정을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 ReRAM 제조하는 방법에 있어서, 금속 산화막이 컨택트 홀에 증착된 상태를 보여주는 도면으로서, 종래와 달리 금속 산화막에 대해 소정의 온도에서 열처리가 수행되었다.
도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 ReRAM 제조하는 방법에 있어서, 상부 전극과 제3 절연막을 증착한 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 NbOx 금속 산화막의 내부 구조가 열처리에 따라 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화됨을 보여주는 도면이다.
도 5는 열처리하지 않은 NbOx 금속 산화막을 포함하는 ReRAM 소자의 동작 특성을 보여주는 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 500℃ 및 550℃에서 어닐링 열처리를 수행한 NbOx 금속 산화막을 포함하는 ReRAM 소자의 동작 특성을 보여주는 도면으로서, 도 5의 것과는 달리 forming process 없이 바로 reset/set process가 이루어짐을 보여준다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 ReRAM 제조하는 방법에 있어서, 금속 산화막이 컨택트 홀에 증착된 상태를 보여주는 도면으로서, 종래와 달리 금속 산화막에 대해 소정의 온도에서 열처리가 수행되었다.
도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 ReRAM 제조하는 방법에 있어서, 상부 전극과 제3 절연막을 증착한 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 NbOx 금속 산화막의 내부 구조가 열처리에 따라 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화됨을 보여주는 도면이다.
도 5는 열처리하지 않은 NbOx 금속 산화막을 포함하는 ReRAM 소자의 동작 특성을 보여주는 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각 500℃ 및 550℃에서 어닐링 열처리를 수행한 NbOx 금속 산화막을 포함하는 ReRAM 소자의 동작 특성을 보여주는 도면으로서, 도 5의 것과는 달리 forming process 없이 바로 reset/set process가 이루어짐을 보여준다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 비휘발성 저항 스위칭 메모리(ReRAM)의 제조와 관련하여 이미 당업계에서 널리 알려진 기술적 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
먼저 도 1을 참조하면, 기판(10) 위에 하부 전극(11)을 증착한 다음 전극 패턴끼리의 분리를 위한 제1 절연막(12)을 하부 전극 위에 증착한다(도 1의 (a)). 이어서, 하부 전극 패터닝을 위해, 상기 하부 전극 및 제1 절연막 두께 전체에 걸쳐 원하는 패턴을 얻기 위한 패터닝 과정을 수행한 후, 그 패턴화된 부분에 금속 산화막끼리의 분리와 하부 전극과 후속 과정에서 형성할 상부 전극끼리의 분리를 위한 제2 절연막(13)을 증착한다(도 1의 (b)). 이어서, 하부 전극과 상부 전극을 저항 스위칭 특성을 갖는 금속 산화막으로 연결하기 위한 컨택트 홀(14)을 제1 절연막에 패터닝한다(도 1의 (c)). 도시한 바와 같이, 컨택트 홀(14)의 내부에서는 제1 절연막이 완전히 제거되어, 하부 전극(11)은 컨택트 홀에 노출된다. 도 1에 도시한 과정은 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자를 제조하는 데에 통상적으로 이용되는 과정이다.
한편, 하부 전극(11)은 일반적으로 반도체 소자 제조시 금속 배선에 사용되는 금속 물질과, Pt, Si, Si 금속 화합물이면 적용될 수 있으며, 그 대표적인 예로는 Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Pt 등과 같은 금속 물질과, Si 및 WSix, NiSix, CoSix, TiSix 등과 같은 실리콘 금속 화합물 등이 있다.
이어서, 저항층으로 사용되는 금속 산화막(15)을 형성하는 단계를 설명한다. 도 1에 도시한 과정에 따라 패터닝된 제1 절연막(12) 및 제2 절연막(13) 상부 전체에 걸쳐 금속 산화막(15)을 증착한다(도 2의 (a)). 본 발명에서는 금속 산화막 재료로서 NbOx를 사용하며, NbOx에 Ti, Ni, Nb, Hf, Mg, Zn, Zr, Al, V, W, Co, Eu, Ta, Cu, Mn 및 Fe 중 하나의 금속 원소를 도핑한 doped-NbOx를 사용한다. 본 발명의 특징적 구성에 따르면, 상기와 같이 증착한 금속 산화막(15)에 대하여 열처리(어닐링) 과정을 수행한다. 본 발명자의 연구에 따르면, 이와 같이 금속 산화막(15)에 대해 열처리를 수행하게 되면, 금속 산화막 내부의 구조가 변화된다. 즉 애초 증착된 금속 산화막은 비정질 상태인데, 본 발명에 따라서 열처리를 수행하게 되면 비정질의 금속 산화막이 결정질로 변화하게 되고, 이와 같은 비정질에서 결정질로의 미세 구조 변화로 인하여, 금속 산화막 박막 내부에 전기적인 스트레스 없이도 전류 경로(current path)가 형성되어, 종래의 ReRAM과 달리 포밍 프로세스 없이 저항 상태가 변화하는 것으로 보인다. 이와 같이, 포밍 프로세스 없이 reset/set 프로세스를 가능케 하는 메커니즘은 본 발명에 의해서 최초로 제안되는 개념으로서, 이에 대해서는 이하에서 더욱 구체적으로 설명한다. 한편, 상기 금속 산화막은 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(PLD: Pulsed Laser Deposition), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착법(ALD: Atomic Layer Deposition) 및 분자선 에피탁시 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 중 하나를 이용하여 형성할 수 있다.
상기와 같이 열처리를 수행한 후, 제1 절연막(11)의 패턴 사이의 금속 산화막의 단락을 위해 화학적 물리적 연마(CMP: Chemical Physical Polishing) 공정을 수행한다. 이를 통해 제1 절연막(11) 및 제2 절연막(13) 상에 형성된 금속 산화막이 분리되고, 금속 산화막(15)은 컨택트 홀(14)만을 채우게 된다(도 2의 (b)).
상기 금속 산화막을 형성한 후에, 도 3에 도시한 바와 같이, 전극 물질로 사용될 제2 도전막을 금속 산화막(15), 제1 절연막(11) 및 제2 절연막(13) 전체에 걸쳐 증착하고 패터닝하여 상부 전극(16)을 형성한다(도 3의 (a)). 상부 전극(16)은 하부 전극(11)과 마찬가지로 반도체 소자 제조시 금속 배선에 사용되는 금속 물질과 Pt, Si 및 Si 금속 화합물이면 적용될 수 있다. 대표적인 예로는 Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Pt 등과 같은 금속 물질과 Si, WSix, CoSix, TiSix 등과 같은 실리콘 금속 화합물 등이 있다. 이때 하부 전극과 상부 전극을 구성하는 물질로 반드시 동일한 물질을 사용할 필요는 없다.
이어서, 패터닝된 상부 전극(16) 간의 단락을 위하여, 상부 전극 상부에 제3 절연막(17)을 증착하고 화학적 물리적 연마 공정을 수행한다(도 3의 (b)).
<실시예>
기판(10)으로 Si 웨이퍼를 사용하였고, 하부 전극(11)은 스퍼터링에 의해 Pt로 형성하였고, 제1 절연막(12)과 제2 절연막(13)은 화학적 기상 증착법(CVD)에 의해 SiN으로 형성하였으며, 금속 산화막(15)은 Nb를 타겟으로 이용하여 스퍼터링에 의해 NbOx로 50 nm의 두께를 갖도록 형성하였다. 상부 전극(16)은 하부 전극(11)과 마찬가지로 스퍼터링에 의해 Pt로 형성하였고, 제3 절연막(16)은 제1 및 제2 절연막과 마찬가지로 화학적 기상 증착법(CVD)에 의해 SiN으로 형성하였다. 상기 증착 과정을 수행할 때, 베이스 압력(base pressure)은 2×10-6 torr이었고, 작업 압력(working pressure)은 5×10-3 torr 이었으며, 산소 분위기 4.41 sccm 및 아르곤 분위기 25 sccm를 이용하였고, 증착 온도는 400℃이었다.
한편, 상기와 같은 공정을 통해 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자를 적용하는 과정에서, NbOx 금속 산화막을 스퍼터링에 의해 증착한 후, 열처리를 수행하여 그 산화막 내부 구조의 결정화 진행 과정을 X선 회절 분석을 통해 확인하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 증착 후의 NbOx 금속 산화막 내부 구조는 비정질이었다. 그러나, 500~600℃의 온도에서 열처리를 수행한 경우 NbOx 금속 산화막이 결정성을 가지게 되었음을 알 수 있다. 본 발명자는 상기와 같은 조건 하에서 제작한 각각의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 구동 상태를 실험하였으며, 그 결과를 도 5 내지 도 7에 나타내었다.
도 5는 저항층으로 작용하는 NbOx 금속 산화막을 포함하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 동작 상태, 즉 전류-전압 곡선을 보여주는 도면으로서, 상기 금속 산화막은 증착된 그대로이다(즉, 열처리를 수행하지 않았다). 도시한 바와 같이, forming 전압은 약 7.5V이며, reset 전압은 약 1V, set 전압은 약 2V임을 알 수 있으며, 이는 종래의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 동작 양태와 동일하며, forming 전압이 reset/set 전압에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 5와 마찬가지로, 저항층으로 작용하는 NbOx 금속 산화막을 포함하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 동작 상태, 즉 전류-전압 곡선을 보여주는 도면이다. 그러나, 도 5에 도시한 것과는 달리, NbOx 금속 산화막을 증착한 후, 각각 500℃ 및 550℃에서 어닐링 열처리를 수행하였다. 도면을 통해 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 어닐링 열처리를 한 결과 forming process 단계 없이 바로 reset 단계가 나타났다. 이는 상기 어닐링 열처리에 의해 NbOx 금속 산화막의 내부 구조가 비정질에서 결정질로 바뀌게 되었고, 이에 따라 전기적인 스트레스 없이도 그 산화막 내부에 전류 경로가 형성되어, forming 단계 없이도 바로 reset 단계가 나타날 수 있었던 것으로 보인다. 즉 금속 산화막 내부에 이미 전류 경로가 형성되어 있기 때문에, 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자의 동작시 forming process 없이도 소자가 바로 동작할 수 있으며, 이때 높은 에너지에 의한 결정의 비정질화가 일어나 높은 저항 상태로 변화하여 reset process가 일어나게 되며, 다시 전기적인 스트레스를 가해주게 되면, 비정질이 결정화되어 낮은 저항상태로 스위칭, 즉 set process가 이루어지는 것으로 보인다. 이와 같이, ReRAM에 사용되는 저항성 금속 산화막을 증착한 대로 사용하는 것이 아니라, 증착 후 소정의 열처리, 즉 금속 산화막의 내부 구조를 비정질에서 결정질로 바꾸는 온도(상기 실시예의 경우, 500~600℃)에서 열처리를 수행하게 되면, 추후 ReRAM 소자의 동작시 forming process 없이도 바로 reset/set 동작이 이루어질 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
10: 기판
11: 하부 전극
12: 제1 절연막
13: 제2 절연막
14: 컨택트 홀
15: NbOx 금속 산화막
16: 상부 전극
17: 제3 절연막
11: 하부 전극
12: 제1 절연막
13: 제2 절연막
14: 컨택트 홀
15: NbOx 금속 산화막
16: 상부 전극
17: 제3 절연막
Claims (9)
- 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법으로서,
(a) 기판을 제공하는 단계와;
(b) 상기 기판 상에 하부 전극을 증착하는 단계와;
(c) 상기 하부 전극 상에 전극 분리를 위한 제1 절연막을 증착하는 단계와;
(d) 상기 하부 전극 및 제1 절연막 두께 전체에 걸쳐 패터닝 과정을 수행하는 단계와;
(e) 상기 패터닝 과정에 의해 형성된 패턴화된 부분에 제2 절연막을 증착하는 단계와;
(f) 상기 제1 절연막에 복수의 컨택트 홀을 패터닝하여, 상기 하부 전극을 노출시키는 단계와;
(g) 상기 제1 절연막, 컨택트 홀 및 제2 절연막 전체에 걸쳐 저항 스위칭 특성을 갖는 금속 산화막을 증착하는 단계와;
(h) 상기 증착된 금속 산화막에 대해 열처리를 수행하는 단계와;
(i) 상기 금속 산화막을 연마하여 금속 산화막을 분리함으로써, 상기 컨택트 홀에만 금속 산화막을 남겨 두는 단계와;
(j) 상기 금속 산화막 상에 상부 전극을 형성하는 단계
를 포함하고, 상기 (a) 내지 (j) 단계에 따라 제조되는 비휘발성 저항 스위칭 메모리는 동작시 포밍 프로세스 없이 리셋 프로세스 단계부터 진행하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화막은 NbOx 또는 NbOx에 Ti, Ni, Nb, Hf, Mg, Zn, Zr, Al, V, W, Co, Eu, Ta, Cu, Mn 및 Fe 중 하나의 금속 원소를 도핑한 doped-NbOx으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 (h) 단계에서의 열처리는 상기 금속 산화막의 내부 구조를 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화시키는 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법.
- 청구항 3에 있어서, 상기 (h) 단계에서의 열처리는 500~600℃의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 산화막은 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(PLD), 증발법, 전자빔 증발법, 원자층 증착법(ALD) 및 분자선 에피탁시 증착법(MBE: Molecular Beam Epitaxy) 중 하나를 이용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 하부 전극과 상부 전극은 Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Pt, Si, WSix, NiSix, CoSix, TiSix 중 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100035638A KR101094658B1 (ko) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100035638A KR101094658B1 (ko) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110116295A KR20110116295A (ko) | 2011-10-26 |
| KR101094658B1 true KR101094658B1 (ko) | 2011-12-20 |
Family
ID=45030579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100035638A KR101094658B1 (ko) | 2010-04-19 | 2010-04-19 | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101094658B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101401221B1 (ko) * | 2012-08-10 | 2014-05-28 | 성균관대학교산학협력단 | 결정질 산화막을 포함한 저항 메모리 소자 및 이의 제조 방법 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101351434B1 (ko) * | 2012-04-17 | 2014-01-15 | 연세대학교 산학협력단 | 저항 스위칭 메모리 소자 및 제조 방법 |
| KR101469711B1 (ko) * | 2013-05-14 | 2014-12-05 | 연세대학교 산학협력단 | 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법 |
| KR101508971B1 (ko) * | 2014-04-22 | 2015-04-08 | 서울대학교산학협력단 | 재구성 가능한 전자 소자 및 이의 동작 방법 |
-
2010
- 2010-04-19 KR KR1020100035638A patent/KR101094658B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101401221B1 (ko) * | 2012-08-10 | 2014-05-28 | 성균관대학교산학협력단 | 결정질 산화막을 포함한 저항 메모리 소자 및 이의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20110116295A (ko) | 2011-10-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6708722B2 (ja) | スイッチング層および中間電極層を有した抵抗性スイッチングデバイス並びにその形成方法 | |
| US8637113B2 (en) | Methods of forming a non-volatile resistive oxide memory array | |
| US8546785B2 (en) | Memristive device | |
| KR100693409B1 (ko) | 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자 및 그제조방법 | |
| US7897411B2 (en) | Non-volatile resistance switching memory | |
| WO2009096363A1 (ja) | 抵抗変化型不揮発性記憶装置とその製造方法 | |
| US10181560B2 (en) | Conductive-bridging random access memory and method for fabricating the same | |
| US8350244B2 (en) | Variable resistance device, method for manufacturing variable resistance device, and semiconductor storage device using variable resistance device | |
| US8487289B2 (en) | Electrically actuated device | |
| KR102311451B1 (ko) | 반도체 디바이스 및 반도체 디바이스를 제조하는 방법 | |
| US11588106B2 (en) | Method to effectively suppress heat dissipation in PCRAM devices | |
| WO2013019228A1 (en) | Nitride-based memristors | |
| KR101094658B1 (ko) | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 | |
| JP5549126B2 (ja) | 半導体記憶装置及びその製造方法 | |
| US11778931B2 (en) | Diffusion barrier layer in programmable metallization cell | |
| KR101207790B1 (ko) | 독립적 메모리 셀 구조를 갖는 3차원 적층 메모리 형태의 저항 스위칭 메모리 제조 방법 및 그 3차원 적층 메모리 | |
| TWI536556B (zh) | 電阻式記憶體及其製造方法 | |
| KR20100133761A (ko) | 저항 변화 메모리 소자 및 그 제조방법 | |
| KR101204749B1 (ko) | 독립적 메모리 셀 구조를 갖는 3차원 적층 메모리 형태의 저항 스위칭 메모리 제조 방법 | |
| US11107989B2 (en) | Memory cell with magnetic layers for reset operation | |
| KR20120103040A (ko) | 3ｄ 적층 구조를 이용한 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조방법 | |
| KR102432688B1 (ko) | 다중층 선택 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR101402085B1 (ko) | 환원반응을 통한 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 | |
| CN115528098A (zh) | 半导体元件及其形成方法 | |
| KR101351434B1 (ko) | 저항 스위칭 메모리 소자 및 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20141126 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20151201 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20161205 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20171129 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |