KR101161505B1 - A Property Analysis Method And Manufacturing Method Of ReRAM - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 저항변화메모리 소자의 특성 분석 방법과 특성 향상 방법을 제공하고자 한 것이다.
본 발명에 따르면, 저항변화메모리 소자의 동작특성의 양호/불량의 정도를 전압 인가 및 전압 스윕이 아닌 X-선 조사에 따른 흡수스펙트럼 분석을 통해 알아낼 수 있는 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 저항변화메모리 소자의 동작 특성을 신뢰성 있게 향상시키기 위하여 셋/리셋 동작을 주도하는 산화물 박막에 대해 산소 공급하에 300 ℃ 이상에서 어닐링 하여 산화물 박막 내에 있을 수 있는 결함을 제거하며, 그에 따라 윈도우 폭을 넓힘과 동시에 고신뢰도 동작 특성을 갖는 저항변화메모리 소자를 제작할 수 있다. An object of the present invention is to provide a characteristic analysis method and a characteristic improvement method of a resistance change memory device.
According to the present invention, there is provided a resistance change memory device characteristic analysis method which can determine the degree of good / poor operation characteristics of the resistance change memory device through the absorption spectrum analysis according to X-ray irradiation rather than voltage application and voltage sweep. Can be.
In addition, according to the present invention, in order to reliably improve the operating characteristics of the resistance change memory device, the oxide thin film that drives the set / reset operation is annealed at 300 ° C. or higher under oxygen supply to remove defects that may be present in the oxide thin film. As a result, a resistance change memory device having a wider window width and high reliability operation can be manufactured.
Description
본 발명은 저항변화메모리 소자(ReRAM 이라고도 함)의 특성 분석 방법 및 제조 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 저항변화메모리 소자의 동작 특성의 양호함 정도를 분석하는 방법과 그에 따라 저항변화메모리 소자의 동작 특성을 향상시키는 저항변화메모리 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a characteristic analysis method and a manufacturing method of a resistance change memory device (also referred to as a ReRAM), and more particularly, to a method for analyzing the degree of goodness of operating characteristics of a resistance change memory device and a resistance change memory device accordingly. The present invention relates to a resistance change memory manufacturing method for improving the operation characteristics of the.
정보화 산업시대의 발달과 함께 전자 산업, 특히 그 중에서도 PC 산업과 통신 산업의 발달로 Mobile 기기들이 발전하게 되었다. 즉 PC 산업과 통신 산업이 팽창되면서 기존의 기술 개발 속도를 능가하는 급속한 고기능화와 다기능화가 요구되고 있다. 전통적인 관점에서 보면 반도체 소자는 고성능화 다기능화를 위해서 주어진 면적 내에 다양한 회로를 구성하는 방법이 주된 발전의 방향이 되어 왔다. 이를 위해서 제조 공정 기술의 미세화가 가장 중점적으로 추진되어 왔으며, 지금까지는 무어의 법칙을 만족시키면서 지속되어 왔다. 특히 최근 각광받고 있는 비휘발성 메모리인 FLASH 소자의 경우 Scaling의 어려움이 있어서, 차세대 테라비트급 비휘발성 메모리를 개발하기 위해서는 새로운 반도체 소자용 특성 물질에 기반을 둔 메모리 소자의 개발이 시급한 실정이다. With the development of the information age, the development of the electronics industry, especially the PC industry and the telecommunications industry, led to the development of mobile devices. In other words, as the PC industry and the telecommunications industry expand, there is a demand for rapid high functionalization and multifunctionality that exceeds the speed of existing technology development. From the traditional point of view, the method of constructing various circuits in a given area has been a major development direction for semiconductor devices for high performance and multifunctionality. To this end, the miniaturization of manufacturing process technology has been the main focus, and until now, it has continued to satisfy Moore's law. In particular, in the case of the FLASH device, a nonvolatile memory that is in the spotlight recently, scaling is difficult. Therefore, in order to develop a next-generation terabit-class nonvolatile memory, it is urgent to develop a memory device based on a new material for a semiconductor device.
이러한 측면에서, 저항 변화 메모리(ReRAM)는 간단한 공정과 우수한 On/Off 특성으로 인해서 가장 유망한 차세대 비휘발성 메모리 소자로 부상하게 되었다. 저항변화 메모리에 대한 연구는 아직 기술 개발의 초기 단계로 세계적인 수준의 기술과 우리나라의 기술 격차가 그다지 크지 않은 상태이므로 진입 장벽이 낮은 편이어서 핵심기술을 확보하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In this respect, resistive change memory (ReRAM) has emerged as the most promising next-generation nonvolatile memory device due to its simple process and excellent on / off characteristics. The research on resistance memory is still in the early stages of technology development, so the gap between world-class technology and Korea is not so large, so the barriers to entry are low.
한편 저항변화 메모리는 아직 정확한 스위칭 메커니즘이 알려져 있지 않아 재현성에 상당한 약점을 지니고 있다. 이 밖에도 각 소자 간 동작 전압, 전류, 내구력 등 약간의 편차가 존재한다. 따라서 ReRAM 이 실재 제품화하기 위해서는 위에서 언급한 문제들을 해결하기 위한 신재료 개발, 스위칭 메카니즘 규명, 공정개발, 공정 장비, 회로 설계 등에 있어서 종합적인 연구개발이 필요한 상황이다. On the other hand, resistive change memories have significant weaknesses in reproducibility because the exact switching mechanism is not yet known. In addition, there are some variations such as operating voltage, current, and durability between the devices. Therefore, in order for ReRAM to become a real product, comprehensive research and development is required in developing new materials, identifying switching mechanisms, process development, process equipment, and circuit design to solve the above problems.
이러한 차세대 메모리 소자로서 저항변화 메모리는 현재 반도체 공정 절차를 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있고 구조적으로 간단하기 때문에 많은 연구가 진행되고 있지만 소자의 분석에 있어서는 어려움이 많은 실정이다. 특히, 분석법이 전기적 특성에 따른 분석법에 국한되어 있고 그 외에 방법들은 실제로 동작하는 소자가 아닌 유사하게 변형을 준 소자에 대한 분석이기 때문에 보다 직접적이고 실용적인 분석법이 요구되고 있다.As the next-generation memory device, the resistance change memory has a merit that it can use the semiconductor process procedure as it is and is simple in structure, but many studies are being conducted, but there are many difficulties in analyzing the device. In particular, the analysis method is limited to the analysis method according to the electrical characteristics, and other methods are required for a more direct and practical analysis method because the analysis of the similarly modified device rather than the actual device.
전기적 분석법은, 저항변화메모리 소자의 양단을 이루는 금속 전극 중 어느 한 전극은 접지시키고 다른 쪽 전극에 전압을 인가하여 전압-전류 특성 곡선을 나타내어 저항변화메모리 소자의 윈도우 폭(window width) 등의 동작 특성을 알아보는 방법이다. 이러한 전기적 분석법을 사용하여 저항변화메모리 소자의 특성을 분석할 경우, 측정 오차 등의 이유로 여러 번 반복하여 측정하게 되고, 그에 따라 여러 번 전압을 인가하게 되어 저항변화메모리 소자의 특성을 변형시키는 문제가 있고, 심지어 측정 횟수가 수백 번 내지 1000 번에 이를 경우 저항변화메모리 소자가 파괴되기도 한다. In the electrical analysis method, one of the metal electrodes forming both ends of the resistance change memory device is grounded and a voltage is applied to the other electrode to display a voltage-current characteristic curve, thereby operating the window width of the resistance change memory device. How to find out the characteristics. When analyzing the characteristics of the resistance change memory device using the electrical analysis method, the measurement is repeated several times for reasons such as measurement error, and accordingly the voltage is applied several times, thereby deforming the characteristics of the resistance change memory device. In some cases, the resistance change memory device may be destroyed when the number of measurements reaches several hundred to 1000 times.
뿐만 아니라 이러한 전기적 분석법의 경우, 미리 저항변화메모리 소자의 동작범위가 어느 범위 내인지(예를 들면, -2 내지 +2 볼트) 알고 있어야 인가 전압을 그 정도에 맞추어 설정할 수 있다. 동작범위와 벗어난 범위의 전압을 인가할 경우 저항변화메모리 소자의 동작 특성을 전혀 알아낼 수 없고 동작범위에서 크게 벗어난 전압을 인가할 경우 저항변화메모리 소자가 파괴될 위험이 따른다. In addition, in the case of such an electrical analysis method, it is necessary to know in advance the operating range of the resistance change memory device (for example, -2 to +2 volts) to set the applied voltage accordingly. Applying a voltage outside the operating range does not reveal the operating characteristics of the resistance-changing memory device at all, and applying a voltage that is significantly out of the operating range carries the risk of destroying the resistance-changing memory device.
또한, 상기와 같은 전기적 분석법의 경우, 대개 저항변화메모리 소자 제작의 완성 전에 저항변화메모리 특성을 지니는 박막을 제작한 직후 적용되기 때문에 더더욱 저항변화메모리 소자의 완성 후에는 이미 상당히 박막 특성이 변성되었을 가능성을 지니게 된다.In addition, since the electrical analysis method is generally applied immediately after fabrication of a thin film having resistance change memory characteristics before the completion of the fabrication of the resistance change memory device, the thin film characteristics may already be considerably modified after the completion of the resistance change memory device. Will have.
또한, 저항변화메모리 소자의 동작특성은 윈도우 폭이 어느 정도 커야만 신뢰성 높은 데이터 기록을 할 수 있으며, 저항 특성이 소정의 값에 대해 밀착되게 나타나야 오차 범위가 작은 소자를 만들 수 있다. In addition, the operation characteristics of the resistance change memory device can be reliably recorded data only when the window width is somewhat large, and the device having a small error range can be manufactured only when the resistance characteristics are closely adhered to a predetermined value.
이러한 특성 향상을 위해 저항변화메모리 소자를 이루는 물질의 내부에 있을 수 있는 결함(defect)을 줄이고자 노력하고 있다. 저항변화메모리 소자를 이루는 물질은 대개 금속산화물로 이루어지며, 산소와 결합하는 금속원소에 결합가능한 만큼의 최대한의 산소가 결합하지 못한 경우 결함이 존재하게 되고, 이러한 결함은 셋 상태와 리셋 상태를 나타내는 소정의 저항값에 대해 밀착하지 않는 산만한 저항값 분포를 만든다. In order to improve such characteristics, efforts are being made to reduce defects that may be present in the materials constituting the resistive change memory device. The material constituting the resistance change memory device is usually made of a metal oxide, and a defect exists when the maximum amount of oxygen that can be bonded to a metal element that combines with oxygen is not present. These defects represent a set state and a reset state. Create a dispersive distribution of resistance values that do not adhere to a given resistance value.
대한민국 특허출원공개 제10-2009-0098243호에 따르면, 저항변화메모리 소자의 특성 향상을 위해 제조공정 중 결함에 의한 문제를 해결하기 위해 열 처리 공정을 개시하고 있다. 상기 공보에서는 백금(Pt) 전극 위에 산화물 박막으로 망간산화물(MnOx)을 증착한 후 산소분위기 하에서 열 처리하여 결함을 줄이고자 하는 저항변화메모리 소자 제조 방법을 개시한다.According to Korean Patent Application Publication No. 10-2009-0098243, a heat treatment process is disclosed to solve a problem caused by a defect in a manufacturing process to improve the characteristics of a resistance change memory device. This publication discloses a method of manufacturing a resistance change memory device for reducing defects by depositing manganese oxide (MnO x ) with an oxide thin film on a platinum (Pt) electrode and then heat treating the same in an oxygen atmosphere.
그러나 상기 공보에 개시된 방법은 백금(Pt) 전극 위에 형성된 산화물 박막에 대한 열처리로 효과에 있어 다음과 같은 문제가 있다.However, the method disclosed in the above publication has the following problems in heat treatment effect on the oxide thin film formed on the platinum (Pt) electrode.
즉, 백금과 함께 산화물 박막이 산소분위기 하에서 열 처리되기 때문에 백금의 특성상 산소와의 결합이 활발히 이루어지지 않는다. 백금 자체가 산소와 거의 결합하지 않기 때문에 산화물 박막은 백금 전극과 접해진 면을 통해서는 산소를 공급받지 못해 다른 한 면을 통해서만 산소를 공급받을 수 있어 결함 제거 효율이 낮을 수밖에 없다. 게다가 백금과 타이타늄(Ti)을 양쪽 전극으로 하고 그 사이에 망간산화물을 샌드위치 시켜 제작한 저항변화메모리 소자는 동작전압을 항상 플러스(+)로 인가해야 하는 단극성(unipolar) 특성을 지니게 되어 응용상 양극성(bipolar) 소자에 비해 불리한 점이 있다. That is, since the oxide thin film is thermally treated together with platinum in an oxygen atmosphere, the bonding with oxygen is not actively performed due to the characteristics of platinum. Since platinum itself hardly bonds with oxygen, the oxide thin film does not receive oxygen through the surface in contact with the platinum electrode, and thus oxygen can be supplied only through the other side, so that defect removal efficiency is low. In addition, the resistance change memory device fabricated by using platinum and titanium (Ti) as both electrodes and sandwiching manganese oxide between them has a unipolar characteristic that requires an operating voltage to be positively applied at all times. There are disadvantages compared to bipolar devices.
따라서 본 발명의 목적은 저항변화메모리 소자의 동작특성을 분석함에 있어 저항변화메모리 소자의 물성을 해하지 않으며, 측정 오차를 대비하여 반복적으로 측정하지 않고도 1 회적으로 동작특성을 분석할 수 있는 저항변화메모리 소자 특성 분석방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is not to damage the physical properties of the resistance change memory device in analyzing the operation characteristics of the resistance change memory device, resistance change memory that can analyze the operation characteristics once without having to repeatedly measure for the measurement error It is to provide a device characteristic analysis method.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 방법에 의해 특성을 분석한 저항변화메모리 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 저항변화메모리 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a resistance change memory device capable of improving the characteristics of the resistance change memory device analyzed by the above method.
본 발명은, 저항변화메모리 소자에 X-선을 조사하여 흡수스펙트럼을 얻고,According to the present invention, an absorption spectrum is obtained by irradiating X-rays to a resistance change memory device,
흡수스펙트럼의 피크 유무를 분석하여 저항변화메모리 소자 내의 결함 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법을 제공할 수 있다. The resistance change memory device characteristic analysis method may be provided by analyzing the presence or absence of a peak of an absorption spectrum to determine whether there is a defect in the resistance change memory device.
또한, 본 발명은, 저항변화메모리 소자에 X-선을 조사하여 흡수스펙트럼을 얻고,In addition, the present invention, by absorbing the X-ray to the resistance change memory device to obtain the absorption spectrum,
흡수스펙트럼의 제1 피크에 Jahn-Teller 효과(effect)를 적용하여 나타낸 가우시안 피크(Gaussian peak)의 강도(intensity) 변화를 추가적으로 관찰하여 저항변화메모리 소자 내의 결함 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법을 제공할 수 있다.Resistance change characterized in that the presence or absence of a defect in the resistance change memory device is determined by additionally observing the change in intensity of the Gaussian peak, which is applied by applying the Jahn-Teller effect to the first peak of the absorption spectrum. A memory device characteristic analysis method can be provided.
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본 발명의 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법에 따르면, 저항변화메모리 소자의 물성 내지는 특성을 해하지 않고 1 회적으로 저항변화메모리 소자의 내부 결함 유무를 알아낼 수 있다.According to the resistance change memory device characteristic analysis method of the present invention, it is possible to find out whether there is an internal defect of the resistance change memory device once without deteriorating the properties or characteristics of the resistance change memory device.
또한, 본 발명의 저항변화메모리 소자 제조 방법에 따르면, 저항변화메모리 소자 내부 결함을 줄여 윈도우 폭이 넓고 동작특성이 우수한 저항변화메모리 소자를 제조할 수 있다. In addition, according to the method of manufacturing the resistance change memory device of the present invention, it is possible to manufacture a resistance change memory device having a wide window width and excellent operation characteristics by reducing internal defects of the resistance change memory device.
도 1은 본 발명에 의해 제작된 저항변화메모리 소자의 적층단면도이자 종래 전기적 분석 방법에 의해 전기적 특성을 측정하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 TiO2 박막을 어닐링 처리하지 않고 제작한 저항변화메모리 소자의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 3은 도 2의 저항변화메모리 소자에 대한 X-선 흡수스펙트럼이다.
도 4는 TiO2 박막을 어닐링 처리하여 제작한 저항변화메모리 소자의 전류-전압 특성 곡선이다.
도 5는 도 4의 저항변화메모리 소자에 대한 X-선 흡수스펙트럼이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a stacked cross-sectional view of a resistance change memory device fabricated by the present invention and a method of measuring electrical characteristics by a conventional electrical analysis method.
2 is a current-voltage characteristic curve of a resistance change memory device fabricated without annealing a TiO 2 thin film.
3 is an X-ray absorption spectrum of the resistance change memory device of FIG. 2.
4 is a current-voltage characteristic curve of a resistance change memory device fabricated by annealing a TiO 2 thin film.
FIG. 5 is an X-ray absorption spectrum of the resistance change memory device of FIG. 4.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따라 제작되는 저항변화메모리 소자의 적층구조를 나타내는 단면도로, Si/SiO2 기판(100) 위에 TiN 전극(200)을 형성하고, 상기 TiN 전극(200) 위에 셋/리셋 동작을 일으킬 수 있는 산화물 박막 TiO2(300)를 형성하고, 백금(Pt) 전극을 형성하여 완성된다. 상기와 같은 저항변화메모리 소자의 전압-전류 특성을 알기 위해, 종래 방법은 TiN 전극을 접지시키고 Pt 전극에 전압을 인가하고, 전압 범위를 스윕(sweep) 하여 도 2 또는 도 4와 같은 전류-전압 특성 곡선을 얻는 것이다. 이러한 전기적 분석법의 문제점은 이미 앞에서 설명하였다. Figure 1 is a cross-sectional view showing a layered structure of the resistance variable memory device is fabricated according to the present invention, Si / SiO 2 On the substrate 100
따라서, 본 발명에 따르면, 도 1의 저항변화메모리 소자에 X-선을 조사(助射)하여 도 3 또는 도 5와 같은 X-선 흡수스펙트럼을 얻을 수 있다. 이러한 스펙트럼을 분석하여 저항변화메모리 소자의 산화물 박막 내에 결함 유무 내지는 다소(多少) 정도를 알 수 있고, 그에 따라 저항변화메모리 소자의 동작특성의 신뢰성 정도를 알 수 있다. Therefore, according to the present invention, X-ray absorption spectrum as shown in FIG. 3 or 5 can be obtained by irradiating X-rays to the resistance change memory device of FIG. By analyzing the spectrum, the presence or absence of defects in the oxide thin film of the resistance change memory device may be known, and thus, the degree of reliability of the operating characteristics of the resistance change memory device may be determined.
즉, 저항변화메모리 소자의 산화물 박막에 결함이 많으면, 도 2에서와 같이 셋/리셋 동작의 기준이 되는 저항 곡선에 대한 저항값의 분포가 산만하여 윈도우 폭이 좁고 신뢰성이 낮은 동작 특성을 나타낸다. 이에 대한 원인으로는 산화물 박막을 이루는 금속 원소에 결합 되어야 할 산소가 충분히 결합 되지 못하여 금속 원소가 다른 원소와 결합할 수 있기 때문에 결정 구조가 안정화되지 않은 결함을 다수 갖기 때문인 것으로 짐작하고 있다. That is, when the oxide thin film of the resistance change memory device has many defects, as shown in FIG. 2, the distribution of resistance values for the resistance curve, which is a reference for the set / reset operation, is scattered, and thus the window width is narrow and the reliability is low. The reason for this is that the oxygen to be bonded to the metal element constituting the oxide thin film is not sufficiently bonded and the metal element can be combined with other elements, it is assumed that the crystal structure has a large number of defects that are not stabilized.
즉, 산화물을 이루는 금속 원소에서, 밴드 갭(band gap)을 두고 존재하는 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)만이 전자들이 가질 수 있는 상태(state)가 되어야 하는데, 결함으로 인해 밴드 갭 내에 여러 상태가 존재하여 셋/리셋 동작의 기준이 되는 저항 곡선의 분포가 일정한 갭을 가지고 두 가지 상태에 밀착되게 나타나는 것이 아니라 여러 개의 곡선으로 산만하게 나타난다고 볼 수 있다. That is, in an oxide metal element, only conduction bands and valence bands existing in a band gap should be in a state that electrons can have. The distribution of resistance curves, which are the basis for the set / reset operation, exist in several states within the state, and the distribution of resistance curves does not appear to be in close contact with the two states with a constant gap.
그에 따라 도 2와 같은 동작 특성을 갖는 저항변화메모리 소자에 대한 X-선 흡수스펙트럼을 나타내는 도 3을 보면 기본적으로 4 개의 큰 피크가 나타나며, 그 중 제1 피크는 산소의 K 껍질의 전자 에너지 변화에 따른 피크이고, 그 앞쪽인 포톤 에너지가 520 내지 580 eV 근방의 스펙트럼에는 다수의 작은 피크(peak)들이 나타난다. 이러한 피크는 저항변화메모리 소자의 셋/리셋 동작 특성이 나쁘다는 것을 의미한다. 상기 분석의 타당성은 후술하게 될 어닐링 공정을 도입하여 제작한 저항변화메모리 소자에 대한 전류-전압 특성 곡선인 도 4 및 그에 따른 X-선 흡수스펙트럼인 도 5를 비교하여 볼 때 명확하게 알 수 있다.Accordingly, in FIG. 3, which shows the X-ray absorption spectrum of the resistance change memory device having the operating characteristics as shown in FIG. 2, four large peaks are basically displayed, and the first peak is the change in electron energy of the K shell of oxygen. And the photon energy in front of it is in the spectrum around 520 to 580 eV, where many small peaks appear. These peaks indicate that the set / reset operation characteristics of the resistance change memory device are poor. The validity of the analysis can be clearly seen by comparing FIG. 4 and the X-ray absorption spectrum thereof with FIG. 4, which is a current-voltage characteristic curve for a resistance change memory device fabricated by introducing an annealing process, which will be described later. .
이에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. This will be described in more detail as follows.
X-선 조사에 의해, 원자구조에서 가장 안쪽의 원자궤도인 K 껍질에 존재하는 전자의 에너지가 전도대(conduction level)까지 변화할 수 있을 때 그러한 변화에 따라 나타나는 제1 피크(가장 앞쪽인 저에너지 쪽의 큰 피크)를 oxygen-K edge 피크라 부르며, 이러한 oxygen-K edge의 앞쪽에 이른바 pre-edge 라고 부르는 영역에서 작은 피크들이 나타나는 것은 산소(oxygen)에 구속되어 있지 않거나 덜 구속되어서 적은 에너지만으로 전자를 떼어낼 수 있는 여러 상태가 존재한다는 것을 뜻한다. X-ray irradiation reveals the first peak (the most low-energy side) that occurs when the energy of electrons in the K shell, the innermost orbit of the atomic structure, can change to the conduction level. The large peak of is called the oxygen-K edge peak, and the small peaks appearing in the so-called pre-edge in front of the oxygen-K edge are not oxygen-constrained or less constrained, This means that there are several states that can be removed.
즉, 산소가 빠진 상태에서 보통 그 자리를 전자들이 채우고 있는데, 이러한That is, the electrons are usually filling in the place where oxygen is missing.
산소 공백(oxygen vacancy)은 대표적인 결함(defect) 중 하나이다. 결함이 많은 산화물 박막의 경우, 도 2에서 보듯이 저항 곡선은 셋/리셋 상태를 나타낼 수 있는 소정의 특성 값에 밀착되게 나타나지 않고 산만한 값을 나타내고 있고, 이에 대한 X-선 흡수스펙트럼인 도 3을 보면 프리에지(pre-edge)에 작은 피크들이 나타나있다. Oxygen vacancy is one of the typical defects. In the case of the oxide film having a large number of defects, as shown in FIG. 2, the resistance curve does not appear to be in close contact with a predetermined characteristic value which may indicate a set / reset state, but shows a scattered value, and FIG. 3 is an X-ray absorption spectrum thereof. Shows small peaks at the pre-edge.
이에 비해, 산화물 박막에 대한 전류-전압 특성 곡선이 산만하지 않고 소정의 특성 값에 밀착하여 나타나는 도 3의 저항변화메모리 소자에 대한 X-선 흡수스펙트럼인 도 5의 경우, 프리에지에 피크가 나타나지 않고 있음을 볼 수 있다. In contrast, in FIG. 5, in which the current-voltage characteristic curve of the oxide thin film does not distract and closely adheres to a predetermined characteristic value, X-ray absorption spectrum of the resistance change memory device of FIG. It can be seen that.
또한, 녹색의 흡수스펙트럼 아래에 나타난 붉은색으로 표시된 피크의 높이 자체는 저항 곡선이 산만할 경우 더 높게 나타나 이러한 피크 자체의 변화를 통해서도 저항변화메모리 소자의 동작특성의 우열 여부를 알 수 있다. In addition, the height of the peak itself, which is indicated in red under the absorption spectrum of green, is higher when the resistance curve is distracted. Therefore, it is possible to know whether the operation characteristics of the resistance change memory device are superior through the change of the peak itself.
또한, TiO2의 흡수스펙트럼은 보통, 도 3 또는 5에서처럼 4개의 피크로In addition, the absorption spectrum of TiO 2 is usually 4 peaks as in FIG. 3 or 5.
나타나는데, Ti의 3d 준위의 전자들과 산소(O)의 2p 준위의 전자들이 상호작용하여 생기는 현상이다. 특히, Ti 와 O의 결합에 대칭성이 깨져 결합에It appears that the electrons of the 3d level of Ti and the electrons of the 2p level of oxygen (O) are the interaction. In particular, the symmetry of the Ti and O bond is broken,
왜곡(distortion)이 생기면 위 4 개의 피크들은 각각 3, 2, 1, 2 개로 갈라지게If distortion occurs, the four peaks split into three, two, one, and two, respectively.
되는데 이것을 Jahn-Teller 효과(또는 Jahn-Teller distortion)라고 한다. 이러한 Jahn-Teller 효과를 이용하면, 전기적인 측정 없이도 저항변화메모리 소자의 동작특성의 양호/불량 상태를 분석할 수 있다. This is called the Jahn-Teller effect (or Jahn-Teller distortion). Using the Jahn-Teller effect, it is possible to analyze the good / bad state of the operating characteristics of the resistance change memory device without the electrical measurement.
즉, X-선 흡수스펙트럼의 제1 피크의 상승기울기가 가파를수록 결함으로 인한 밴드 갭 내의 상태 수가 적다고 할 수 있고, 그에 따라 제1 피크를 3 개의 가우시안(Gaussian) 곡선으로 분해하여 그중 가장 앞쪽에 가장 큰 강도(intensity)를 갖고 나타나는 피크(도 3 및 도 5의 붉은 색 피크)의 강도가 작을수록 제1 피크의 상승기울기가 가파르다. 따라서, X-선 흡수스펙트럼의 제1 피크를 구성하는 가우시안 곡선의 피크의 높낮이로부터도 저항변화메모리 소자의 특성의 양호/불양의 상태를 알아낼 수 있다. 가우시안 곡선의 피크의 높낮이에 대한 기준은 제1 피크의 최고높이의 반(half)이 되는 강도 값이 된다. That is, the steeper the rising slope of the first peak of the X-ray absorption spectrum is, the smaller the number of states in the band gap due to the defect. Accordingly, the first peak is decomposed into three Gaussian curves, The smaller the intensity of the peak (red peaks of FIGS. 3 and 5) appearing with the greatest intensity in front, the steeper the rising slope of the first peak. Therefore, even from the height of the peak of the Gaussian curve constituting the first peak of the X-ray absorption spectrum, the good / bad state of the characteristics of the resistance change memory element can be found. The criterion for the height of the peak of the Gaussian curve is an intensity value that is half the maximum height of the first peak.
상기와 같이, 저항변화메모리 소자의 전류-전압 특성을 여러 번에 걸친 전압 인가 방식으로 측정하지 않고 X-선을 조사하여 1 회적으로 특성의 양호/불량 상태를 측정 내지는 분석하여 우수한 동작 특성을 나타내는 소자를 선별할 수 있고, 그에 대해 직접적인 전류-전압 특성 곡선을 얻기 위한 전압 인가 및 스윕 또한 1 회적으로 실행하여 소자의 물성을 해하지 않고 특성을 알아낼 수 있다. As described above, instead of measuring the current-voltage characteristics of the resistance change memory device by a voltage application method several times, X-rays are irradiated once to measure or analyze the good / bad state of the characteristics to exhibit excellent operating characteristics. The device can be screened, and voltage application and sweep to obtain a direct current-voltage characteristic curve can also be performed once to characterize without compromising the device's properties.
다음으로는, 상술한 방법으로 알아낸 저항변화메모리 소자의 동작 특성을 개선하기 위한 저항변화메모리 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. Next, a method of manufacturing the resistance change memory device for improving the operation characteristics of the resistance change memory device found by the above-described method will be described.
Si 위에 1000 Å 두께로 적층 된 SiO2 기판(이하, Si/SiO2 기판이라 함) 위에 TiN 전극을 약 900 Å 두께로 형성하고, 산화물 박막층인 TiO2을 형성한다. A TiN electrode is formed to a thickness of about 900 GPa on a SiO 2 substrate (hereinafter referred to as a Si / SiO 2 substrate) stacked on the Si at a thickness of 1000 GPa, to form an oxide thin film layer, TiO 2 .
TiO2 박막의 제작은, 산소를 진공 챔버 안으로 흘려주면서 Ti 타겟을 스퍼터링하여 진행하게 되는데, 동작시 챔버 내 압력이 1 mTorr 정도가 되도록 하고, 기판온도는 300 ℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 270 ℃로 유지하였다. TiO 2 The production of the thin film, The Ti target is sputtered while flowing oxygen into the vacuum chamber. In operation, the pressure in the chamber is about 1 mTorr, and the substrate temperature is preferably maintained at 300 ° C. or lower. In this example, it was maintained at 270 ℃.
TiO2 박막의 제작 방법은 TiO2 자체를 타겟으로 하여 스퍼터링할 수도 있고, 스퍼터링 이외의 방법을 사용할 수도 있다. TiO 2 The method of manufacturing the thin film is TiO 2 Sputtering may be used as a target, or a method other than sputtering may be used.
위와 같이 제작된 TiO2 박막에 대해, 충분한 산소를 공급하여 박막 내부 결함을 소거하기 위해 백금 전극 형성 전에 다음과 같이 어닐링 처리한다. The TiO2 thin film manufactured as described above is annealed as follows before the platinum electrode is formed in order to supply sufficient oxygen to eliminate defects in the thin film.
RTP(Rapid Thermal Processor) 장비 안에 제작된 TiO2 박막 샘플을 넣고, RTP 장비 내부를 진공 상태로 만든 후, 산소 분압을 700 내지 103 Torr 정도로 대기압과 비슷한 정도의 산소를 공급하는 상태에서 온도를 300 ℃ 이상으로 높여 15 분 동안 어닐링 하였다. After placing the TiO2 thin film sample manufactured in the RTP (Rapid Thermal Processor) device and making the inside of the RTP device in a vacuum state, the temperature was 300 ° C while supplying oxygen at a pressure similar to atmospheric pressure of about 700 to 10 3 Torr. The annealing was carried out for 15 minutes by raising above.
어닐링 온도는 300 내지 600 ℃로 할 수 있으며, 처리 시간도 15 분 이상으로 할 수 있다. 즉, 300 ℃에서 4~5 분 동안 어닐링 하게 되면서부터 결함 억제 효과를 얻을 수 있으며, 공정을 효율적으로 진행하면서도 결함 소거 효과를 높일 수 있는 어닐링 조건으로 300 ℃에서 15 분간 어닐링 하는 것을 제안할 수 있다. Annealing temperature can be 300-600 degreeC, and processing time can also be 15 minutes or more. In other words, the annealing for 4 to 5 minutes at 300 ℃ can obtain a defect suppression effect, and annealing conditions can be proposed to anneal at 300 ℃ for 15 minutes as an annealing condition that can enhance the defect elimination effect while proceeding efficiently the process. .
이후, TiO2 박막 위에 백금 전극을 형성한다.Thereafter, a platinum electrode is formed on the TiO 2 thin film.
상술한 바와 같이, 산소 공급하에 어닐링 처리한 저항변화메모리 소자에 대한 전류-전압 특성 곡선 도 4는 어닐링 처리하지 않은 저항변화메모리 소자에 대한 전류-전압 특성 곡선인 도 2에 비해, 저항 특성 값이 소정 값에 밀착하여 나타나고, 윈도우 폭도 넓어 고신뢰도를 기대할 수 있다. As described above, the current-voltage characteristic curve for the resistance change memory element annealed under oxygen supply is shown in FIG. 4. Appears in close contact with a predetermined value, the window width is also wide, high reliability can be expected.
이와 같은 동작 특성의 우수함은 도 5의 X-선 흡수스펙트럼에 의해서도 프리에지에 피크가 나타나지 않으며, 붉은 색의 피크가 낮아진 것으로부터도 잘 알 수 있다.
The superiority of such operating characteristics is well seen from the fact that the peak does not appear in the pre-edge even by the X-ray absorption spectrum of FIG. 5, and the red peak is lowered.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.
100: Si/SiO2 기판
200: TiN 전극
300: TiO2 박막
400: Pt 전극 100: Si / SiO 2 substrate
200: TiN electrode
300: TiO2 thin film
400: Pt electrode
Claims (5)
흡수스펙트럼의 프리에지(pre-edge) 피크 유무로부터 저항변화메모리 소자 내의 결함 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법. The absorption spectrum is obtained by irradiating the resistance change memory device with X-rays,
A resistance change memory device characteristic analysis method, characterized in that the presence of a defect in the resistance change memory device is determined from the presence of a pre-edge peak of an absorption spectrum.
흡수스펙트럼의 제1 피크에 Jahn-Teller 효과(effect)를 적용하여 나타낸 가우시안 피크(Gaussian peak)의 강도(intensity) 변화를 추가적으로 관찰하여 저항변화메모리 소자 내의 결함 유무를 판단하는 것을 특징으로 하는 저항변화메모리 소자 특성 분석 방법. The resistance spectrum memory device is irradiated with X-rays to obtain an absorption spectrum.
Resistance change characterized in that the presence or absence of a defect in the resistance change memory device is determined by additionally observing the change in intensity of the Gaussian peak, which is applied by applying the Jahn-Teller effect to the first peak of the absorption spectrum. Memory Device Characterization Method.
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