KR101124403B1 - 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리 - Google Patents
크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 관한 것으로서, 기판상에 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나를 증착하여 p형 산화물층을 형성시키는 p형 산화물층 형성단계; 상기 p형 산화물층 상부에 n형 반응성메탈을 증착하여 n형 메탈층을 형성시키는 n형 메탈층 형성단계; 상기 p형 산화물층과 상기 n형 반응성메탈과 반응하여 쇼트키장벽(Schottky barrier)을 형성하는 쇼트키장벽 형성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, PCMO 등을 증착시킨 p형 산화물층과 n형 반응성메탈을 증착시킨 n형 메탈층간의 산화환원반응을 통해 쇼트키장벽이 자가형성됨으로써, 트랜지스터나 다이오드를 형성하는 공정없이 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조할 수 있으며, 별도의 다이오드나 트랜지스터의 부가공정이 필요하지 않아, 경제성이 높고, 제조수율이 향상되는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, PCMO 등을 증착시킨 p형 산화물층과 n형 반응성메탈을 증착시킨 n형 메탈층간의 산화환원반응을 통해 쇼트키장벽이 자가형성됨으로써, 트랜지스터나 다이오드를 형성하는 공정없이 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조할 수 있으며, 별도의 다이오드나 트랜지스터의 부가공정이 필요하지 않아, 경제성이 높고, 제조수율이 향상되는 장점이 있다.
Description
본 발명은 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PCMO 등을 증착시킨 p형 산화물층과 n형 반응성메탈을 증착시킨 n형 메탈층간의 산화환원반응을 통해 쇼트키장벽이 자가형성됨으로써, 별도로 트랜지스터나 다이오드를 형성하는 공정없이 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 제조할 수 있는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 관한 것이다.
최근 반도체 메모리의 응용 분야는 PC에 국한되지 않고 각종 전자 기기에 사용되면서 그 수요가 급격히 증가해 왔으며 이러한 시장의 요구에 따라 반도체 소자의 집적도는 반도체 공정 기술의 발전에 힘입어 무어의 법칙(Moore’s law)과 황의 법칙(Hwang’s law)에서 묘사된 바와 같이 해마다 급격한 증가를 거듭해 오고 있다.
ITRS(international technology roadmap for semiconductors)에 따르면 2015년에는 25nm 급 소자 구현을 할 것으로 전망된다.
하지만, 2000년대에 들어서면서부터 100nm 이하 소자의 크기와 관련된 물리적 한계의 문제는 쉽게 해결하기는 힘들 것으로 보고 이를 극복하기 위한 근본적인 접근이 필요하다는 의견들이 대두되어왔다. 더불어 각종 전자기기를 사용하는 소비자들은 비휘발성의(non-volatile) 특성을 가지면서 SRAM(Static Random Access Memory)과 같이 빠른 고용량의 메모리를 기업에게 요구하고 있어 이에 대한 연구가 요구되고 있으며, 이러한 요구를 충족시키기 위한 차세대 메모리 후보군 중 하나로써, 산화물 기반의 저항 변화 메모리(RRAM, Resistance Random Access Memory)가 연구되고 있다.
소자의 고집적도를 위해 지금까지는 소자의 크기를 줄이는 데 많은 연구를 해 왔으나, 상기에서 언급한 바와 같이, 물리적인 한계에 다 달아, 최근에는 소자의 크기 이외의 조건을 바꾸어 집적도를 향상시키고자 하는 연구가 활발히 진행 되고 있다. 그 중 주로 연구되고 있는 3가지는 다음과 같다.
하나의 셀에 여러 개의 정보를 저장할 수 있도록 소자의 정보 저장 능력를 향상시키는 연구(Multi Level Cell)가 있는데, 이는 한 셀(cell)을 전기적인 동작을 통해 두 개의 상태를 만들어 "0"과 "1"만 저장했던 예전 방식과는 다르게, 네 개의 상태를 만들어 "0","1","10","11", 즉 4가지의 정보를 한 셀에 저장 할 수 있도록 만들어 집적도를 높이는 방식이다. MLC 방법은 각 셀의 특성을 향상시키되 기존의 공정 크기는 변하지 않기 때문에 상당히 효율이 높은 방식이다.
다음으로, Wafer bonding/Die stacking 방식이 있는데, 이는 기존의 방식대로 각각의 웨이퍼 단위로 공정을 마친 뒤 물리적으로 본딩 통해 웨이퍼 및 다이를 적층하여 집적도를 높이는 방식이다. 이 방법 역시 기존 공정을 그대로 가져가면서 본딩 기술을 향상시켜 안정적으로 집적도의 증가를 가져올 수 있어 많은 곳에서 응용되고 개발되고 있으나, 비용측면에서 가장 비효율적이라는 문제가 있다.
다음으로, 적층구조(3D cell stacking) 방식으로 적층이 가능한 물질을 이용한 메모리를 공정을 통해 셀들을 층층이 쌓아 올리는 방식이 있는데, 이는 아파트를 지어 좁은 땅에서도 많은 사람들이 살 수 있도록 하는 것과 같은 개념으로 웨이퍼 본딩 방식을 통해 적층하는 방식과 유사 한 면이 있지만, 웨이퍼 본딩을 통한 적층 시 적층 수가 많을수록 기판의 전극 패드가 차지하는 면적이 점점 커지게 되어 많은 층을 적층하지 못하는 한계를 넘어 설 수 있는 방식으로 최근 각광받고 있다.
특히, 크로스포인트 구조의 RRAM에 대한 연구가 다수 진행되고 있는데, 크로스포인트 구조는 복수개의 하부전극과 복수개의 상부전극이 서로 교차하도록 형성되어 있고, 그 교차지점에 메모리노드가 형성되는 구조로 메모리소자가 형성된다.
그러나, 이러한 크로스포인트 구조의 RRAM을 제조하기 위해서는 크로스포인트 구조를 형성하는 공정에 트랜지스터나 다이오드 등을 부가하는 제조공정이 어려울 뿐만 아니라, 경제성이 낮고, 내구성도 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, PCMO 등을 증착시킨 p형 산화물층과 n형 반응성메탈을 증착시킨 n형 메탈층간의 산화환원반응을 통해 쇼트키장벽이 자가형성됨으로써, 별도로 트랜지스터나 다이오드를 형성하는 공정없이 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 별도의 다이오드나 트랜지스터의 부가공정이 필요하지 않아, 경제성이 높고, 제조수율이 향상된 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 제조하는 것을 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 쇼트키장벽이 반응을 통해 자가형성됨으로써, PCMO 등과 일체화되어 내구성과 안전성이 향상된 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 제조하는 것을 목적으로 한다.
또한, 다수의 층을 적층하기 용이할 뿐만 아니라, 별도의 다이오드나 트랜지스터없이도 종래의 저항변화메모리와 동등하거나 우수한 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 제조하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법은, 기판상에 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나를 증착하여 p형 산화물층을 형성시키는 p형 산화물층 형성단계; 상기 p형 산화물층 상부에 n형 반응성메탈을 증착하여 n형 메탈층을 형성시키는 n형 메탈층 형성단계; 상기 p형 산화물층과 상기 n형 반응성메탈과 반응하여 쇼트키장벽(Schottky barrier)을 형성하는 쇼트키장벽 형성단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 n형 메탈층은 상기 p형 산화물층 상면의 전체 또는 일부에 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 기판은 비반응성메탈로 이루어지며, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3) 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)에서 x는 0보다 크고, 1보다 작은 값인 것을 특징으로 하며, 증착온도는 300℃ 내지 800℃이고, 증착시간은 5분 내지 80분인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 p형 산화물층은 10nm 내지 120nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 n형 메탈층 형성단계에서, 상기 n형 반응성메탈은 알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 n형 메탈층 형성단계에서, 상기 n형 메탈층은 1nm 내지 10nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하며, 증착시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쇼트키장벽 형성단계 이후에, 상기 n형 메탈층 상부에 메탈을 증착하여 캐핑메탈층을 형성시키는 캐핑메탈층 형성단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 캐핑메탈층 형성단계에서, 상기 메탈은 비반응성메탈로 이루어지며, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 쇼트키장벽 형성단계에서, 상기 쇼트키장벽은 상기 p형 산화물층의 산소와 상기 n형 반응성메탈이 반응함으로써 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 쇼트키장벽은 다이오드 또는 트랜지스터 기능과 레지스터(Resistor) 기능을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 p형 산화물층 형성단계, n형 메탈층 형성단계, 쇼트키장벽 형성단계 또는 캐핑메탈층 형성단계 중 적어도 하나를 반복하고, 적층하여 크로스포인트 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는,
비반응성메탈로 구성된 제 1전극; PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나로 구성된 p형 산화물층; 알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나로 구성된 n형 메탈층; 상기 p형 산화물층 상면의 전체 또는 일부와 n형 메탈층이 반응하여 형성된 쇼트키장벽; 비반응성메탈로 구성된 제 2전극;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1전극, p형 산화물층, n형 메탈층, 쇼트키장벽, 제 2전극을 포함하여 이루어진 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는, 다수가 배열되고, 적층됨으로써, 크로스포인트 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1전극 또는 제 2전극에서, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 따르면, PCMO 등을 증착시킨 p형 산화물층과 n형 반응성메탈을 증착시킨 n형 메탈층간의 산화환원반응을 통해 쇼트키장벽이 자가형성됨으로써, 트랜지스터나 다이오드를 형성하는 공정없이 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 별도의 다이오드나 트랜지스터의 부가공정이 필요하지 않아, 경제성이 높고, 제조수율이 향상되는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 쇼트키장벽이 반응을 통해 자가형성됨으로써, PCMO 등과 일체화되어 내구성과 안전성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 다수의 층을 적층하기 용이할 뿐만 아니라, 별도의 다이오드나 트랜지스터없이도 종래의 저항변화메모리와 동등하거나 우수한 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 적층구조를 간략하게 모사한 단면도
도 2는 본 발명에 따른 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 3은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 FIB(Focus Ion Beam) 분석 장비로 촬영한 사진
도 4는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 2차 이온 질량 분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)을 실시한 결과 그래프
도 5는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 전류-전압(I-V)를 측정한 그래프
도 6은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 저저항상태(LRS) 및 고저항상태(HRS)의 변화를 모사한 모식도
도 7은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 데이터리딩상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 셋 또는 리셋 상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 2는 본 발명에 따른 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 순차적으로 나타낸 순서도
도 3은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 FIB(Focus Ion Beam) 분석 장비로 촬영한 사진
도 4는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 2차 이온 질량 분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)을 실시한 결과 그래프
도 5는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 전류-전압(I-V)를 측정한 그래프
도 6은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 저저항상태(LRS) 및 고저항상태(HRS)의 변화를 모사한 모식도
도 7은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 데이터리딩상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 셋 또는 리셋 상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 의한 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대하여 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법은, p형 산화물층 형성단계(S10), n형 메탈층 형성단계(S20), 쇼트키장벽 형성단계(S30) 및 캐핑메탈층 형성단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
먼저, p형 산화물층 형성단계(S10)는 기판상에 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나를 증착하여 p형 산화물층을 형성시키는 단계이다. 이는 저항변화메모리 제조를 위한 기초과정이다.
여기서, 증착방식은 상기 물질을 적절하게 증착시킬 수 있는 방식이면 어떠한 방식을 사용해도 무방하나, 본 발명을 효과적으로 구현하기 위해서는 화학 기상 증착법(CVD Chemical Vapor Deposition)을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
상기 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3) 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)에서 x는 0보다 크고, 1보다 작은 값인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 x가 0.2 내지 0.4, 가장 바람직하게는 x가 0.3인 것이 효과적이다.
상기 x가 0인 경우에는 레지스터로써의 역할을 수행하기 어려우며, x가 1을 초과하는 경우에는 물질이 구성될 수 없는 문제가 있다.
또한, 상기 기판은 비반응성메탈로 구성되는 것이 본 발명의 효율을 극대화하는데 바람직하며, 상기 비반응성메탈은, 상기 반응성메탈과 반대되는 개념으로, 상대적으로 전기음성도가 큰 전극으로, 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것이 가장 바람직하다. 여기서 기판은 전극으로 활용될 수 있다.
상기 p형 산화물층 형성단계(S10)에서, 증착온도는 300℃ 내지 800℃인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 400℃ 내지 700℃, 가장 바람직하게는 650℃인 것이 효과적이다. 증착온도가 300℃미만인 경우에는 저온으로 인해 상기 기판에 p형 산화물이 고르게 증착되기 어려운 문제가 있으며, 800℃를 초과하는 경우에는 고온으로 인해 p형 산화물과 기판이 손상될 수 있으며 증착효율이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 증착시간은 5분 내지 80분인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10분 내지 60분, 가장 바람직하게는 15분인 것이 효과적이다. 증착시간이 5분미만인 경우에는 충분한 두께의 p형 산화물층이 형성되지 못 하는 문제가 있으며, 80분을 초과하는 경우에는 두께가 과도하게 두꺼워지는 문제가 있다.
상기 p형 산화물층 형성단계(S10)에서, 상기 p형 산화물층은 10nm 내지 120nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30nm 내지 100nm, 가장 바람직하게는 50nm의 두께로 형성되는 것이 효과적이다. 두께가 10nm미만인 경우에는 p형 산화물층이 레지스터로서의 기능을 충분히 수행하기 어려운 문제가 있으며, 120nm를 초과하는 경우에는 두께가 과도하게 두꺼워져, 크로스포인트 구조의 저항변화메모리를 형성하기 어려울 뿐만 아니라, 경제성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 p형 산화물층 형성단계(S10)에서 산소를 2sccm 내지 10sccm 범위에서 추가로 공급할 수 있다.
다음으로, n형 메탈층 형성단계(S20)는 상기 p형 산화물층 상부에 n형 반응성메탈을 증착하여 n형 메탈층을 형성시키는 단계이다. 이는 n형 반응성메탈을 증착시킴으로써, p형 산화물층과의 산화환원반응을 유도하고 n형 메탈층을 형성하기 위한 과정이다.
여기서, 상기 n형 반응성메탈은 상기 p형 산화물보다 일함수가 큰 n형 메탈이면 어느 것이든 무방하나, 수차례의 실험결과, 본 발명에는 알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 사용하는 것이 가장 효과적이다.
또한, n형 메탈층 형성단계(S20)에서, 증착시간은 1분 내지 5분인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2분 내지 4분, 가장 바람직하게는 3분인 것이 효과적이다. 증착시간이 1분미만인 경우에는 충분한 두께의 n형 메탈층이 형성되지 못 하고 p형산화물층과의 반응을 통한 쇼트키장벽의 형성이 제대로 이루어지지 못 하는 문제가 있으며, 5분을 초과하는 경우에는 두께가 과도하게 두꺼워져서 이하 산화환원반응의 효율성이 떨어질 뿐만 아니라, 경제성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 n형 메탈층은 1nm 내지 10nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 2nm 내지 6nm, 가장 바람직하게는 4nm인 것이 효과적이다. 두께가 1nm미만인 경우에는 p형산화물층과의 반응을 통한 쇼트키장벽의 형성이 제대로 이루어지지 못 하는 문제가 있으며, 10nm를 초과하는 경우에는 두께가 과도하게 두꺼워져서 이하의 산화환원반응에서 효율성이 떨어질 뿐만 아니라, 경제성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 n형 메탈층은 상기 p형 산화물층의 상면 전부에 형성될 수도 있으나, 상기 p형 산화물층 상면의 일부에만 형성되는 것이 가장 바람직하다. 이는 n형 메탈층과 p형 산화물층이 반응하여 쇼트키장벽이 형성되므로, 쇼트키장벽이 형성되는 부분과 레지스터로서 기능할 부분이 공존하기 위함이며, 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조하기 위해 일부에만 형성되는 것이 효과적이다.
다음으로, 쇼트키장벽 형성단계(S30)는 상기 p형 산화물층과 상기 n형 반응성메탈과 반응하여 쇼트키장벽(Schottky barrier)을 형성하는 단계이다. 이는 본 발명의 핵심과정으로, 상기 n형 메탈층 형성단계(S20)와 동시에 일어날 수 있으며, n형 반응성메탈의 산소가 p형 산화물층으로, 또는 p형 산화물층의 산소가 n형 반응성메탈층으로 이동함으로써, 쇼트키장벽이 자가형성되는 공정이다.
여기서, 상기 쇼트키장벽은 상기 p형 산화물층의 산소와 상기 n형 반응성메탈이 반응함으로써 형성된다. 즉, p형 산화물이 가지고 있는 산소원자가 상기 n형 반응성메탈로 이동하여 반응함으로써, 쇼트키장벽이 형성되는 것이다.
상기 쇼트키장벽은 다이오드 또는 트랜지스터 기능과 레지스터(Resistor) 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 별도의 다이오드나 트랜지스터 없이도 크로스포인트 구조의 저항변화메모리 제조가 가능한 장점이 있다.
마지막으로, 캐핑메탈층 형성단계(S40)는 상기 쇼트키장벽 형성단계(S30) 이후에, 상기 n형 메탈층 상부에 메탈을 증착하여 캐핑메탈층을 형성시키는 단계이다. 이는 필수적 단계는 아니나, n형 메탈층의 산화를 방지하고, 전극으로써 기능하기 위해 수행하는 것이 바람직하다.
상기 캐핑메탈층 형성단계(S40)에서, 상기 메탈은 비반응성메탈로 구성되는 것이 본 발명의 효율을 극대화하는데 바람직하며, 상기 비반응성메탈은, 상기 반응성메탈과 반대되는 개념으로, 상대적으로 전기음성도가 큰 전극으로, 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것이 가장 바람직하다. 여기서 상기 캐핑메탈층은 전극으로 활용될 수 있다.
상기 p형 산화물층 형성단계(S10), n형 메탈층 형성단계(S20), 쇼트키장벽 형성단계(S30), 캐핑메탈층 형성단계(S40)는 순차적으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이들 중 적어도 하나의 단계를 반복실시함으로써, 저항변화메모리 어레이를 구성할 수 있고, 이들을 크로스포인트 구조로 적층함으로써, 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는,
비반응성메탈로 구성된 제 1전극(10), PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나로 구성된 p형 산화물층(20), 알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나로 구성된 n형 메탈층(30), 상기 p형 산화물층 상면의 전체 또는 일부와 n형 메탈층이 반응하여 형성된 쇼트키장벽, 비반응성메탈로 구성된 제 2전극(40)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제 1전극, p형 산화물층, n형 메탈층, 쇼트키장벽, 제 2전극을 포함하여 이루어진 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는, 다수가 배열되고, 적층됨으로써, 크로스포인트 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제 1전극 또는 제 2전극에서, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
상기 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대한 구체적인 내용은 상기 본 발명의 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법에서 설명한 바와 같다.
이하에서는 본 발명의 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법을 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 우수성에 대한 실험결과를 살펴보도록 한다.
먼저, 도 3은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 FIB(Focus Ion Beam) 분석 장비로 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 2차 이온 질량 분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) 및 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)을 실시한 결과 그래프로써, 저저항상태(LRS)와 고저항상태(HRS)에서의 차이가 n형 메탈층과 p형 산화물층 사이의 산소이동에 의한 것임을 알 수 있으며, 이러한 데이터로 인해 저항변화메모리가 작동함을 알 수 있다.
또한, 도 5는 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 전류-전압(I-V)를 측정한 그래프이고, 도 6은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 저저항상태(LRS) 및 고저항상태(HRS)의 변화를 모사한 모식도로써, I영역은 ON상태로, 메탈-세미컨덕터의 형태로 쇼트키 다이오드가 형성됨을 나타내며, II영역은 OFF상태로, 메탈-산화물-세미컨덕터의 형태로 산화알루미늄이 형성됨을 나타내고, III영역은 산소가 메탈쪽으로 이동하는 중간단계를 나타내고 있다.
즉, 산소의 이동으로 인해 저항변화메모리가 작동하는 것을 전기적 특성을 통해 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 데이터리딩상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리에 대해 셋 또는 리셋 상태를 측정한 결과를 나타낸 그래프로써, 본 발명의 크로스포인트 구조에서의 데이터리딩과 셋, 리셋 상태를 구현함으로써, 상기 그래프에 나타난 바와 같이 정상적으로 메모리특성이 나타남을 알 수 있었다.
따라서, 상기 실험에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는 다이오드나 트랜지스터없이도 정상적으로 작동할 뿐만 아니라, 그 효율 또한 우수한 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
10: 기판 (제 1전극)
20: p형 산화물층
30: n형 메탈층
40: 캐핑메탈 (제 2전극)
20: p형 산화물층
30: n형 메탈층
40: 캐핑메탈 (제 2전극)
Claims (17)
- 기판상에 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나를 증착하여 p형 산화물층을 형성시키는 p형 산화물층 형성단계;
상기 p형 산화물층 상부에 n형 반응성메탈을 증착하여 n형 메탈층을 형성시키는 n형 메탈층 형성단계; 및
상기 p형 산화물층과 상기 n형 반응성메탈과 반응하여 쇼트키장벽(Schottky barrier)을 형성하는 쇼트키장벽 형성단계;를 포함하여 이루어지며,
상기 n형 메탈층 형성단계에서, 상기 n형 반응성메탈은 알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나이고,
상기 쇼트키장벽 형성단계에서, 상기 쇼트키장벽은 상기 p형 산화물층의 산소와 상기 n형 반응성메탈이 반응함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 n형 메탈층은 상기 p형 산화물층 상면의 전체 또는 일부에 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 기판은 비반응성메탈로 이루어지며, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3) 및 LSMO(La1-xSrxMnO3)에서 x는 0보다 크고, 1보다 작은 값인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 p형 산화물층 형성단계에서, 증착온도는 300℃ 내지 800℃이고, 증착시간은 5분 내지 80분인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 p형 산화물층 형성단계에서, 상기 p형 산화물층은 10nm 내지 120nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 n형 메탈층 형성단계에서, 상기 n형 메탈층은 1nm 내지 10nm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 n형 메탈층 형성단계에서, 증착시간은 1분 내지 5분인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항에 있어서,
상기 쇼트키장벽 형성단계 이후에, 상기 n형 메탈층 상부에 메탈을 증착하여 캐핑메탈층을 형성시키는 캐핑메탈층 형성단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 10항에 있어서,
상기 캐핑메탈층 형성단계에서, 상기 메탈은 비반응성메탈로 이루어지며, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 쇼트키장벽 형성단계에서, 상기 쇼트키장벽은 다이오드 또는 트랜지스터 기능과 레지스터(Resistor) 기능을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 p형 산화물층 형성단계, 상기 n형 메탈층 형성단계 및 상기 쇼트키장벽 형성단계를 반복하고, 적층하여 크로스포인트 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법
- 비반응성메탈로 구성된 제 1전극;
PCMO(Pr1-XCaXMnO3), LCMO(La1-XCaXMnO3), LSMO(La1-xSrxMnO3) 중 적어도 하나로 구성된 p형 산화물층;
알루미늄(Al), 사마륨(Sm), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 트리튬(T), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 란타넘(La) 또는 이트륨(Y) 중 적어도 하나로 구성된 n형 메탈층;
상기 p형 산화물층 상면의 전체 또는 일부의 산소와 상기 n형 메탈층이 반응하여 형성된 쇼트키장벽;
비반응성메탈로 구성된 제 2전극;을 포함하여 이루어진 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리
- 제 15항에 있어서,
상기 제 1전극, p형 산화물층, n형 메탈층, 쇼트키장벽, 제 2전극을 포함하여 이루어진 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리는, 다수가 배열되고, 적층됨으로써, 크로스포인트 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리
- 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
상기 제 1전극 또는 제 2전극에서, 상기 비반응성메탈은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 금(Au), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 또는 질화텅스텐(WN) 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100055292A KR101124403B1 (ko) | 2010-06-11 | 2010-06-11 | 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 크로스포인트 구조를 갖는 저항변화메모리 |
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