KR101171874B1 - Non-volatile memory device and method of fabricating the same - Google Patents

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KR101171874B1
KR101171874B1 KR1020110017043A KR20110017043A KR101171874B1 KR 101171874 B1 KR101171874 B1 KR 101171874B1 KR 1020110017043 A KR1020110017043 A KR 1020110017043A KR 20110017043 A KR20110017043 A KR 20110017043A KR 101171874 B1 KR101171874 B1 KR 101171874B1
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Abstract

PURPOSE: A non-volatile memory device and a manufacturing method thereof are provided to improve data retention power and durability and to obtain device reliability by controlling thermal interference between neighboring memory cells. CONSTITUTION: A plurality of memory cells(MC1,MC2) includes a nonvolatile storage element(SE). The plurality of memory cells is arranged in an array shape consisting of a plurality of rows and columns. A transistor(TR) is formed in an active area defined by an element isolation film(11). A memory film(ML) is electrically connected to source/drain regions(S/D) of the transistor through a contact pad(20C). Contact pads and via plugs(40V1,40V2) are electrically insulated by one or more insulating layers(20,30,40).

Description

비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법{Non-volatile memory device and method of fabricating the same}Non-volatile memory device and method of manufacturing the same {Non-volatile memory device and method of fabricating the same}

본 발명은 반도체 소자 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 저항성 메모리 막을 이용한 비휘발성 메모리 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to semiconductor device technology, and more particularly, to a nonvolatile memory device using a resistive memory film and a method of manufacturing the same.

최근, 디지털 카메라, MP3 플레이어, PDA(personal digital assistants) 및 휴대폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 비휘발성 메모리 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 프로그래밍이 가능한 비휘발성 메모리로서, 비트당 제조 비용이 적은 고밀도의 플래시 메모리 소자가 널리 사용되고 있다. 그러나, 플래시 메모리는 프로그래밍을 위한 핫케리어 주입 동작을 위해 비교적 큰 용량의 트랜지스터를 요구하고, 높은 신뢰성의 데이터 유지를 보장하기 위해서는 높은 내부 전압을 견딜 수 있는 두꺼운 터널링 산화막을 필요로 하기 때문에, 그 스케일링에 기본적인 한계를 갖는다. 최근 플래시 메모리가 스케일링의 한계에 도달함에 따라 이를 대체할 수 있는 비휘발성 메모리로서 가변 저항값을 갖는 저항성 메모리 재료를 이용한 상변화 랜덤 액세스 메모리(Phase Change Random Access Memory; PRAM) 또는 저항 랜덤 액세스 메모리(Resistance Random Access Memory; RRAM)가 주목을 받고 있다.In recent years, the demand for portable digital applications such as digital cameras, MP3 players, personal digital assistants (PDAs), and cellular phones is increasing, and the nonvolatile memory market is rapidly expanding. As a programmable nonvolatile memory, high density flash memory devices with low manufacturing cost per bit are widely used. However, flash memory requires relatively large capacitance transistors for hot carrier injection operations for programming, and because it requires a thick tunneling oxide that can withstand high internal voltages to ensure reliable data retention, its scaling Has a basic limitation. As a recent flash memory reaches the limit of scaling, it is a nonvolatile memory that can replace the phase change random access memory (PRAM) or the resistive random access memory (PRAM) using a resistive memory material having a variable resistance value. Resistance Random Access Memory (RRAM) is attracting attention.

상기 저항성 메모리 재료는 이에 인가되는 전기적 펄스에 의해 저항성 상태가 가역적으로 변할 수 있는 이중 안정 저항 상태(bi-stable resistive state)를 갖기 때문에, 저항 랜덤 액세스 메모리는 트랜지스터가 없이 동작할 수 있으며, 이에 따라 메모리 소자의 스케일링이 용이한 이점이 있다. 스위치와 저항성 메모리 재료를 기본으로 하는 메모리 소자에서, 스위치의 스케일링에 관한 문제는 CMOS 기술에 있어서 공통된 것이며, 저항성 메모리 재료와 관련하여서는 프로그래밍을 위한 공급 전압을 수용할 수 있어야 하는 제한 조건하에서 설계될 수 있다. Since the resistive memory material has a bi-stable resistive state in which the resistive state can be reversibly changed by an electrical pulse applied thereto, the resistive random access memory can operate without a transistor, thus There is an advantage that the scaling of the memory device is easy. In memory devices based on switches and resistive memory materials, the problem of scaling of switches is common in CMOS technology, and in the case of resistive memory materials, they can be designed under the constraint that they must be able to accommodate the supply voltage for programming. have.

상기 저항성 메모리 재료의 스케일링과 관련하여서는 인접하는 메모리 셀들의 저항성 메모리 재료 사이의 열 간섭(thermal cross talk)이 잠재적인 문제가 될 수 있다. 65nm 이하, 더 작게는 40 nm 이하의 노드 설계는, 선택된 메모리 셀에서 발생하는 열이 인접하는 다른 메모리 셀의 상태에 영향을 줄 수 있으며, 이에 의해 발생할 수 있는 데이터의 손실 또는 오동작 문제를 고려하여야 한다.Regarding the scaling of the resistive memory material, thermal cross talk between the resistive memory material of adjacent memory cells can be a potential problem. Node designs of 65 nm or less, and even 40 nm or less, must take into account the problem of data loss or malfunction that may occur due to the heat generated in the selected memory cell affecting the state of other adjacent memory cells. do.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저항성 메모리 막을 이용한 비휘발성 메모리 소자의 고집적화에 대응하여, 인접하는 메모리 셀들간의 열 간섭을 억제함으로써 데이터 유지력 및 내구성과 같은 소자 신뢰성을 확보할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a nonvolatile memory capable of securing device reliability such as data retention and durability by suppressing thermal interference between adjacent memory cells in response to high integration of a nonvolatile memory device using a resistive memory film. It is to provide an element.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nonvolatile memory device having the aforementioned advantages.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는, 기판 및 상기 기판 상에 형성되는 복수의 메모리 셀들을 포함하며, 상기 복수의 메모리 셀들의 각각은 인접하는 다른 하부 전극들과 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극, 상부 전극, 및 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이의 저항성 메모리 막을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile memory device including a substrate and a plurality of memory cells formed on the substrate, wherein each of the plurality of memory cells is adjacent to another lower electrode. And a lower electrode, an upper electrode, and a resistive memory layer between the lower and upper electrodes.

일 실시예에서, 상기 복수의 메모리 셀들의 각각은 트랜지스터를 더 포함하며, 상기 하부 전극은 상기 트랜지스터의 소오스/드레인 영역 중 어느 하나에 전기적으로 연결될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 복수의 메모리 셀들의 각각은 다이오드를 더 포함하며, 상기 하부 전극은 상기 다이오드의 일 단자에 전기적으로 연결될 수도 있다.In example embodiments, each of the plurality of memory cells may further include a transistor, and the lower electrode may be electrically connected to any one of a source / drain region of the transistor. In another embodiment, each of the plurality of memory cells further includes a diode, and the lower electrode may be electrically connected to one terminal of the diode.

상기 비휘발성 메모리 소자는, 상기 기판 상에 형성된 복수의 제 1 도전성 라인들; 및 상기 복수의 제 1 도전성 라인들과 각각 교차하여 교차점들을 정의하는 복수의 제 2 도전성 라인들을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 메모리 셀들은 상기 교차점들에 각각 배치되고, 상기 복수의 제 1 및 제 2 도전성 라인들 중 어느 하나는 워드 라인들이고 다른 하나는 비트 라인들일 수 있다. 또한, 상기 복수의 메모리 셀들은 복수의 행들과 복수의 열들로 이루어진 어레이 형태로 배치되며, 상기 하부 전극들은 상기 복수의 행들과 상기 복수의 열들 방향으로 각각 교번하여 제 1 높이 및 제 1 높이와 다른 제 2 높이를 가질 수 있다. The nonvolatile memory device may include: a plurality of first conductive lines formed on the substrate; And a plurality of second conductive lines crossing the first plurality of conductive lines to define intersection points. In this case, the plurality of memory cells may be disposed at the intersections, and one of the plurality of first and second conductive lines may be word lines, and the other may be bit lines. In addition, the plurality of memory cells may be arranged in an array of a plurality of rows and a plurality of columns, and the lower electrodes may be alternately different from a first height and a first height in the direction of the plurality of rows and the plurality of columns, respectively. It may have a second height.

상기 하부 전극은 상기 복수의 메모리 셀들이 형성되는 영역마다 두께가 변하는 제 1 층간 절연막 내의 홀 내에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 하부 전극의 상부 표면은 상기 제 1 층간 절연막의 상부 표면과 동일한 높이를 갖고, 상기 저항성 메모리 막은 상기 제 1 층간 절연막 상에 적층될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 하부 전극들은 리세스되어 상기 홀 내에 홈을 형성하고, 상기 저항성 메모리 막은 상기 홈 내에 일부 또는 전부가 채워지도록 형성될 수 있다.The lower electrode may be formed in a hole in the first interlayer insulating layer whose thickness varies for each region where the plurality of memory cells are formed. In this case, an upper surface of the lower electrode may have the same height as an upper surface of the first interlayer insulating layer, and the resistive memory layer may be stacked on the first interlayer insulating layer. In another embodiment, the lower electrodes may be recessed to form grooves in the holes, and the resistive memory layer may be formed to partially or entirely fill the grooves.

상기 비휘발성 메모리 소자는, 상기 복수의 메모리 셀들 중 적어도 일부에, 상기 홈의 측벽과 상기 저항성 메모리 막 사이에 스페이서를 더 포함할 수도 있다. The nonvolatile memory device may further include a spacer between at least some of the plurality of memory cells, between the sidewall of the groove and the resistive memory layer.

일부 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는, 상기 제 1 층간 절연막 상에 형성되어 상기 상부 전극을 덮는 제 2 층간 절연막; 및 상기 제 2 층간 절연막을 관통하여 상기 상부 전극과 외부 회로와의 전기적 연결을 위한 비아 플러그들을 더 포함하며, 상기 비아 플러그들 각각은 하지의 하부 전극의 높이 차이를 보상하기 위하여 인접하는 메모리 셀들마다 서로 다른 높이를 가질 수도 있다.In an embodiment, the nonvolatile memory device may include: a second interlayer insulating layer formed on the first interlayer insulating layer to cover the upper electrode; And via plugs for electrically connecting the upper electrode and an external circuit through the second interlayer insulating layer, each of the via plugs being adjacent to each of the adjacent memory cells to compensate for a difference in height of the lower electrode of the lower surface. May have different heights.

상기 비휘발성 메모리 소자는 상변화 랜덤 액세스 메모리(PRAM) 또는 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)일 수 있다.
The nonvolatile memory device may be a phase change random access memory (PRAM) or a resistive random access memory (RRAM).

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은, 기판 상에 형성된 제 1 층간 절연막의 홀들 내에, 인접하는 다른 하부 전극들과 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극을 형성하는 단계; 및 상기 하부 전극 상에 순차대로 적층된 저항성 메모리 막 및 상부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nonvolatile memory device, the lower part having a different height from other adjacent lower electrodes in the holes of the first interlayer insulating layer formed on the substrate. Forming an electrode; And forming a resistive memory layer and an upper electrode sequentially stacked on the lower electrode.

상기 하부 전극을 형성하는 단계는, 상기 기판 상에 상기 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 인접하는 메모리 셀 영역들마다 두께가 서로 다르도록 상기 제 1 층간 절연막을 국부적으로 리세스시키는 단계; 상기 국부적으로 리세스된 제 1 층간 절연막 내에 상기 홀들을 형성하는 단계; 상기 제 1 층간 절연막 상에 상기 홀들을 채우도록 하부 전극 재료층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 층간 절연막의 표면이 노출될 때까지 상기 하부 전극 재료층을 제거하는 평탄화 단계에 의해 수행될 수 있다.The forming of the lower electrode may include forming the first interlayer insulating layer on the substrate; Locally recessing the first interlayer insulating layer such that thicknesses of the adjacent memory cell regions are different from each other; Forming the holes in the locally recessed first interlayer insulating film; Forming a lower electrode material layer to fill the holes on the first interlayer insulating film; And a planarization step of removing the lower electrode material layer until the surface of the first interlayer insulating film is exposed.

일부 실시예에서는, 상기 하부 전극 재료층을 과잉 식각하여 상기 제 1 층간 절연막의 표면 아래로 리세스시켜 상기 홀들 내에 홈을 정의할 수도 있다. 이 경우, 상기 홈 내에 상기 저항성 메모리 막의 일부 또는 전부가 채워질 수 있다. In some embodiments, grooves may be defined in the holes by over-etching the lower electrode material layer to recess down the surface of the first interlayer insulating film. In this case, some or all of the resistive memory layer may be filled in the groove.

상기 순차대로 적층된 저항성 메모리 막 및 상부 전극을 형성하는 단계는, 제 1 층간 절연막 상에 저항성 메모리 재료층을 형성하는 단계; 상기 저항성 메모리 재료층 상에 상부 전극 재료층을 형성하는 단계; 및 상기 저항성 메모리 재료층과 상기 상부 전극 재료층을 동시에 패터닝하는 단계에 의해 수행될 수 있다.The forming of the sequentially stacked resistive memory film and the upper electrode may include forming a resistive memory material layer on a first interlayer insulating film; Forming an upper electrode material layer on the resistive memory material layer; And simultaneously patterning the resistive memory material layer and the upper electrode material layer.

일부 실시예에서는, 상기 패터닝하는 단계 이전에, 상기 상부 전극 재료층 상에 식각 저지 재료층을 형성하는 단계; 상기 패터닝에 의해 상부 전극 재료층 상에 식각 저지막을 형성하는 단계; 상기 제 1 층간 절연막 상에 상기 식각 저지막을 덮는 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계; 상기 제 2 층간 절연막을 평탄화하는 단계; 상기 평탄화된 제 2 층간 절연막 내에 상기 식각 저지막을 노출시키는 비아 홀들을 형성하는 단계; 상기 비아 홀들을 통하여 노출된 상기 식각 저지막을 제거하는 단계; 및 상기 비아 홀들 내에 외부 회로와의 연결을 위한 비아 플러그들을 형성하는 단계가 수행될 수도 있다.In some embodiments, prior to the patterning, forming an etch stop material layer on the upper electrode material layer; Forming an etch stop layer on the upper electrode material layer by the patterning; Forming a second interlayer insulating layer on the first interlayer insulating layer to cover the etch stop layer; Planarizing the second interlayer insulating film; Forming via holes in the planarized second interlayer insulating layer exposing the etch stop layer; Removing the etch stop layer exposed through the via holes; And forming via plugs for connection with an external circuit in the via holes.

본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자에 따르면, 복수의 메모리 셀들의 각각이 인접하는 다른 하부 전극들과 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극을 가짐으로써, 상기 하부 전극 상에 적층되는 저항성 메모리 막의 기판으로부터 수직 방향으로의 위치 차이에 의해 인접하는 저항성 메모리 막들 사이의 거리가 증가된다. 그에 따라, 상기 비휘발성 메모리 소자의 용량 증가를 위해 집적도를 증가시키더라도 인접하는 저항성 메모리 막들 사이의 열 전달에 의해 나타날 수 있는 데이터의 손실 또는 오동작이 감소 또는 억제될 수 있다.According to a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention, each of a plurality of memory cells has a lower electrode having a different height from that of other adjacent lower electrodes, so that the substrate of the resistive memory layer stacked on the lower electrode. The distance between the adjacent resistive memory films is increased by the position difference in the vertical direction. Accordingly, even if the degree of integration is increased to increase the capacity of the nonvolatile memory device, data loss or malfunction that may be caused by heat transfer between adjacent resistive memory films may be reduced or suppressed.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법에 따르면, 층간 절연막의 두께를 제어하는 것만으로 높이 편차를 갖는 하부 전극을 용이하게 제공할 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the manufacturing method of the nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention, there is an advantage that it is possible to easily provide a lower electrode having a height deviation only by controlling the thickness of the interlayer insulating film.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 복수의 메모리 셀들을 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자의 등가 회로도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 복수의 메모리 셀들을 도시하는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4l은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 도시하는 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드를 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a plurality of memory cells of a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device shown in FIG. 1.
3A and 3B are cross-sectional views illustrating a plurality of memory cells of a nonvolatile memory device according to other embodiments of the present invention.
4A through 4L are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with embodiments of the present invention.
5 is a block diagram schematically illustrating a nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram illustrating a memory card according to an embodiment of the present invention.
7 is a block diagram illustrating an electronic system according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings like reference numerals refer to like elements. In addition, as used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the scope of the invention. In addition, although described in the singular in this specification, a plural form may be included unless the singular is clearly indicated in the context. Also, as used herein, the terms "comprise" and / or "comprising" specify the shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or presence of these groups mentioned. It does not exclude the presence or addition of other shapes, numbers, operations, members, elements and / or groups.

이하에서, 본 발명의 실시예들은, 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein. Also, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

본 명세서에서, "기판"이라는 용어는 실리콘, 실리콘-온-절연체(SOI) 또는 실리콘-온-사파이어(SOS)과 같은 기저 구조체 또는 반도체가 아닌 다른 기저 구조체 상에 형성된 반도체 층, 도핑되거나 도핑되지 않은 반도체층 및 변형된 반도체 층을 지칭한다. 또한, 상기 기저 구조체 및 반도체란 용어는 실리콘계 재료에 한정되지 않으며, 탄소, 폴리머, 또는 실리콘-게르마늄, 게르마늄 및 갈륨-비소계 화합물 재료와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료를 집합적으로 지칭한다.As used herein, the term "substrate" refers to a semiconductor layer formed on a base structure, such as silicon, silicon-on-insulator (SOI) or silicon-on-sapphire (SOS), or other base structure other than semiconductor, doped or undoped Semiconductor layer and modified semiconductor layer. Further, the terms base structure and semiconductor are not limited to silicon-based materials, but collectively refer to group III-V semiconductor materials such as carbon, polymer, or silicon-germanium, germanium, and gallium-arsenic compound materials.

또한, 본 명세서에서, "저항성 메모리 재료" 또는 "저항성 메모리 막"이란 용어는, 전기적 신호에 의해 전기적 저항값이 가역적으로 변하고, 비휘발성 메모리 동작 구현을 위해 외부에서 에너지가 인가되지 않더라도 상기 전기적 저항값이 그대로 유지될 수 있는 가변 저항성 재료를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 비휘발성 메모리 소자는 상기 가변 저항성 재료가 적용된 상변화 메모리(phase change memory) 또는 저항성 메모리(resistive memory)를 포함하는 개념이다.
In addition, in the present specification, the term "resistive memory material" or "resistive memory film" means that the electrical resistance value is reversibly changed by an electrical signal, and the electrical resistance is not applied even when no external energy is applied to implement a nonvolatile memory operation. It refers to a variable resistive material whose value can remain the same. In addition, in the present specification, the nonvolatile memory device is a concept including a phase change memory or a resistive memory to which the variable resistive material is applied.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 복수의 메모리 셀들(MC)을 도시하는 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 소자(100)의 등가 회로도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a plurality of memory cells MC of a nonvolatile memory device 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device 100 shown in FIG. 1. to be.

도 1을 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(100)는 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2)을 포함한다. 이들 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2)은 저항성 메모리 막(ML)을 갖는 비휘발성 기억 요소(nonvolatile storage element; SE)를 포함한다. 도 1과 함께 도 2를 참조하면, 디램(Direct Random Access memory; DRAM)과 유사하게, 비휘발성 메모리 소자(100)에서는, 메모리 막(ML)이 스위칭 소자인 트랜지스터(TR)에 결합될 수 있다.Referring to FIG. 1, the nonvolatile memory device 100 includes a plurality of memory cells MC1 and MC2. These plurality of memory cells MC1 and MC2 include a nonvolatile storage element SE having a resistive memory layer ML. Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, similar to a direct random access memory (DRAM), in the nonvolatile memory device 100, the memory film ML may be coupled to a transistor TR that is a switching device. .

트랜지스터(TR)는 기판(10) 내 얕은 트렌치 분리막(shallow trench isolation; STI)과 같은 소자 분리막(field isolation region; 11)에 의해 정의된 액티브 영역에 형성될 수 있다. 트랜지스터(TR)는 상기 액티브 영역 상에 형성된 게이트 절연막(Gox) 및 게이트 전극(GE)으로 이루어진 게이트(G) 및 게이트(G)에 의해 서로 이격된 소오스/드레인 영역들(S/D)을 갖는 전계효과 트랜지스터(FET)일 수 있다. 메모리 막(ML)은 상기 트랜지스터(TR)의 소오스/드레인 영역(S/D; 소오스 영역이라고도 할 수도 있음)에 콘택 패드(20C)를 통해 전기적으로 연결되고 트랜지스터(TR)의 다른 소오스/드레인 영역(S/D; 드레인 영역이라 지칭될 수도 있음)은 접지(GND)될 수 있다. The transistor TR may be formed in an active region defined by a field isolation region 11, such as a shallow trench isolation (STI) in the substrate 10. The transistor TR has source / drain regions S / D spaced apart from each other by a gate G and a gate G formed of a gate insulating layer Gox and a gate electrode GE formed on the active region. It may be a field effect transistor (FET). The memory layer ML is electrically connected to a source / drain region S / D (also referred to as a source region) of the transistor TR through a contact pad 20C and another source / drain region of the transistor TR. (S / D; may be referred to as a drain region) may be grounded (GND).

상기 전계효과 트랜지스터에 있어서, 그 채널의 형태(예를 들면, 평면, 트랜치형 등) 또는 불순물 영역(S/D)의 형상 및 불순물 농도는, 집적도의 증가에 따른 단채널 효과 및 누설 전류와 같은 특성 개선을 위해 적절히 선택될 수 있다. 또한, 상기 스위칭 소자는, 비파괴적 읽기 동작(non destructive read mode)이 가능한 2 이상의 결합된 트랜지스터들로 구현되거나, 상기 전계효과 트랜지스터를 대체하여 비휘발성 기억 요소(SE)에 엑세스할 수 있는 그래핀(grapheme) 또는 나노 현상을 이용한 나노 스위칭 소자일 수도 있다.In the field effect transistor, the shape of the channel (e.g., planar, trench type, etc.) or the shape and impurity concentration of the impurity region S / D is equal to the short channel effect and leakage current due to the increase in the degree of integration. It may be appropriately selected for improving the characteristics. In addition, the switching element may be implemented by two or more coupled transistors capable of a non destructive read mode, or may replace the field effect transistor to access a nonvolatile memory element (SE). It may be a nano switching device using a grapheme or a nano phenomenon.

비휘발성 기억 요소(SE)를 포함하는 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2; MC)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 행들과 복수의 열들로 이루어진 어레이 형태로 배치될 수 있으며, 각 메모리 셀(MC)의 어드레싱을 위해 트랜지스터(TR)의 게이트(G)는 워드 라인들(W/Ln-1, W/Ln.. ; W/L)에 전기적으로 결합되고, 비휘발성 기억 요소(SE)의 일 단자는 비아 플러그들(40V1, 40V2)을 통해 비트 라인들(B/Ln-1, B/Ln.. ; B/L)에 전기적으로 결합될 수 있다.As shown in FIG. 2, the plurality of memory cells MC1 and MC2 including the nonvolatile memory element SE may be arranged in an array of a plurality of rows and a plurality of columns, and each memory The gate G of the transistor TR is electrically coupled to the word lines W / Ln-1, W / Ln .. W / L for addressing the cell MC, and the nonvolatile memory element SE One terminal of) may be electrically coupled to the bit lines B / Ln-1, B / Ln .. B / L through the via plugs 40V1 and 40V2.

기판(10) 상에 형성된 도전성 부재들, 즉, 트랜지스터(TR), 비휘발성 기억 요소(SE) 및 배선들(GND, B/L, W/L) 그리고 이들 사이의 연결을 위한 콘택 패드들(20c) 및 비아 플러그들(40V1, 40V2)은 하나 이상의 절연막들(20, 30, 40)에 의해 전기적으로 절연될 수 있다. The conductive members formed on the substrate 10, that is, the transistor TR, the nonvolatile memory element SE and the wirings GND, B / L, and W / L and contact pads for connection therebetween ( 20c and via plugs 40V1 and 40V2 may be electrically insulated by one or more insulating layers 20, 30 and 40.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 복수의 메모리 셀들(MC)은 트랜지스터(TR)와 비휘발성 기억 요소(SE)를 갖는 1T/1R 구조를 갖지만, 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 스위칭 소자가 없이 동작할 수 있는 다른 크로스 바 어레이 구조(또는, 0T/1R 구조라고도 함), 또는 상기 트랜지스터를 대체하여 또는 이와 함께 스위칭 소자로서 다이오드가 적용된 공지의 다른 구조들도 본 발명에 포함될 수 있다. 1 and 2, the plurality of memory cells MC has a 1T / 1R structure having a transistor TR and a nonvolatile memory element SE, but this is exemplary, and the present invention is thus an example. It is not limited. For example, other cross bar array structures (or also referred to as 0T / 1R structures) that can operate without switching elements, or other known structures in which diodes have been applied as a switching element in place of or in combination with the transistor, are also seen. It can be included in the invention.

비휘발성 기억 요소(SE)는 하부 전극(BE), 상부 전극(TE) 및 이들 사이의 저항성 메모리 막(ML)을 포함할 수 있다. 저항성 메모리 막(ML)에 의해 비휘발성 기억 요소(SE)는 메모리 소자가 요구하는 비휘발성 동작 특성을 구현한다. The nonvolatile memory element SE may include a lower electrode BE, an upper electrode TE, and a resistive memory layer ML therebetween. By the resistive memory layer ML, the nonvolatile memory element SE implements the nonvolatile operating characteristics required by the memory device.

저항성 메모리 막(ML)은 비정질 상태에서 결정질 상태로 또는 그 반대로 가역적으로 전환될 수 있으며, 그에 따라 서로 다른 저항값을 갖는 상변화 재료일 수 있다. 상기 상변화 재료는, 예를 들면, 칼코게나이드계 화합물일 수도 있다. 상기 칼코게나이드계 화합물은, 예를 들면, GeSbTe계 재료, 예를 들면, GeSb2Te3, Ge2Sb2Te5, GeSb2Te4 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이는 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 이외에도, 상기 상변화 재료로서, GeTeAs, GeSnTe, SeSnTe, GaSeTe, GeTeSnAu, SeSb2, InSe, GeTe, BiSeSb, PdTeGeSn, InSeTiCo, InSbTe, In3SbTe2, GeTeSb2, GeTe3Sb, GeSbTePd, AgInSbTe 가 있다. 또한, 전술한 재료들에, 불순물 원소, 예를 들면, B, C, N, P와 같은 비금속 원소가 더 도핑될 수도 있다.The resistive memory layer ML may be reversibly switched from an amorphous state to a crystalline state or vice versa, and thus may be a phase change material having different resistance values. The phase change material may be, for example, a chalcogenide compound. The chalcogenide-based compound may include, for example, any one of GeSbTe-based materials, for example, GeSb 2 Te 3 , Ge 2 Sb 2 Te 5 , GeSb 2 Te 4 , or a combination thereof. This is exemplary and the present invention is not limited thereto. In addition, as the phase change material, GeTeAs, GeSnTe, SeSnTe, GaSeTe, GeTeSnAu, SeSb2, InSe, GeTe, BiSeSb, PdTeGeSn, InSeTiCo, InSbTe, In 3 SbTe 2, GeTeSb 2, GeTe 3 Sb, GeSbTePd, a AgInSbTe. In addition, the above-mentioned materials may be further doped with an impurity element, for example, a nonmetallic element such as B, C, N, P.

전술한 상변화 재료는, 일반적으로 비정질 상태에서는 고저항을 갖고, 결정질 상태에서는 저저항을 갖는다. 실시예들에서 요구되는 상변화는 완전 결정 상태와 완전 비정질 상태 사이에서의 전환에 한정되지 않으며, 완전 결정 상태 및 완전 비정질 상태의 전체 스펙트럼 내에서 차이를 검출할 수 있을 정도의 서로 다른 두 상태간의 전환도 포함한다. 또한, 상기 상변화는 저항성 메모리 막(ML) 전체에 걸쳐 일어날 수도 있으며, 일부에 걸쳐 일어날 수도 있는 것이다. The aforementioned phase change material generally has high resistance in an amorphous state and low resistance in a crystalline state. The phase change required in the embodiments is not limited to the transition between the fully crystalline state and the completely amorphous state, but between two different states such that a difference can be detected within the entire spectrum of the fully crystalline state and the completely amorphous state. It also includes conversion. In addition, the phase change may occur throughout the resistive memory layer ML or may occur over a part of the resistive memory layer ML.

다른 실시예에서, 저항성 메모리 막(ML)은 페로브스카이트계 산화물 또는 전이 금속 산화물일 수도 있다. 상기 페로브스카이트계 산화물 및 전이 금속 산화물에서도 전기적 펄스에 따른 저항값의 스위칭 특성이 나타난다. 이러한 스위칭 특성에 대하여, 저항 변화를 설명하기 위한 도전성 필라멘트, 계면 효과 및 트랩 전하와 관련된 다양한 메커니즘들이 제안되고 있다. 현재까지 이러한 메커니즘들이 명확한 것은 아니다. 그러나, 이들 재료는, 공통적으로 비휘발성 메모리 응용에 적합한 미세 구조 내에 전자에 의한 전류에 영향을 미치는 일종의 이력(hysterisis)을 갖는 인자를 가지고 있기 때문에 비휘발성 저항성 메모리 막으로서 응용된다.In another embodiment, the resistive memory film ML may be a perovskite oxide or a transition metal oxide. In the perovskite-based oxide and the transition metal oxide, the switching characteristic of the resistance value according to the electrical pulse also appears. For these switching characteristics, various mechanisms relating to conductive filaments, interfacial effects and trap charges have been proposed to account for resistance changes. To date, these mechanisms are not clear. However, these materials are commonly applied as nonvolatile resistive memory films because they have a factor with some kind of hysterisis that affects the current by electrons in microstructures suitable for nonvolatile memory applications.

이러한 특성을 나타내는 페로브스카이트계 산화물에는, 예를 들면, SrTiO3 또는 SrZrO3 가 있다. 또한, 상기 전이 금속 산화물 막에는, 예를 들면, TiO2, NiO, Ta2O5, HfO2, Al2O3, ZrO2, GaO, GdO, MnO, PrCaMnO, Nb2O5 및 ZnO이 있을 수 있다. 다른 실시예에서는, 전술한 재료들에 불순물 원소, 예를 들면, B, C, N, P와 같은 비금속 원소가 더 도핑될 수도 있다.There teugye perovskite oxide showing such properties, for example, a SrTiO 3 or SrZrO 3. In addition, the transition metal oxide film may include, for example, TiO 2 , NiO, Ta 2 O 5 , HfO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , GaO, GdO, MnO, PrCaMnO, Nb 2 O 5, and ZnO. Can be. In another embodiment, the above materials may be further doped with an impurity element, for example, a nonmetallic element such as B, C, N, P.

저항성 메모리 막(ML)에 관하여 전술한 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다. 우수한 비휘발성 메모리 소자를 구현하기 위하여, 저저항 상태의 저항값과 고저항 상태의 저항값의 비가 크며 구동 전압이 작아 소비 전력이 작은 재료는, 본 발명의 실시예들에 따른 저항성 메모리 막(ML)으로서 선택될 수 있다. The materials described above with respect to the resistive memory film ML are exemplary, and the present invention is not limited thereto. In order to implement an excellent nonvolatile memory device, a material having a high ratio of a resistance value in a low resistance state to a resistance value in a high resistance state and a small driving voltage, and thus having low power consumption, may be a resistive memory layer ML according to example embodiments. ) May be selected.

전술한 저항성 메모리 막(ML)을 위한 전극들(TE, BE)은 각각 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 몰리브데늄(Mo), 이들의 도전성 질화물(예를 들면, TiN, MoN 등), 도전성 산소질화물(예를 들면, TiON 등) 또는 이들의 조합(예를 들면, TiSiN, TiAlON 등)일 수 있으며, 이들은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 하부 전극(BE) 및 상부 전극(TE)은 콘택 패드들(20C) 및 비아 플러그들(40V1, 40V2)과 저항성 메모리 막(ML) 사이의 반응을 방지하는 장벽층으로 기능하는 적합한 물질일 수 있다.The electrodes TE and BE for the resistive memory layer ML described above are platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), silver (Ag), aluminum (Al), titanium (Ti) and tantalum, respectively. (Ta), tungsten (W), silicon (Si), copper (Cu), nickel (Ni), cobalt (Co), molybdenum (Mo), conductive nitrides thereof (for example, TiN, MoN, etc.) , Conductive oxygen nitride (for example, TiON, etc.) or a combination thereof (for example, TiSiN, TiAlON, etc.), these are merely exemplary and the present invention is not limited thereto. The lower electrode BE and the upper electrode TE may be a suitable material that functions as a barrier layer that prevents a reaction between the contact pads 20C and the via plugs 40V1 and 40V2 and the resistive memory layer ML. .

비휘발성 메모리 소자(100)의 동작과 관련하여, 전술한 저항성 메모리 막(ML)의 저항 상태를 전환시키는 것에 의해 프로그래밍 동작이 수행될 수 있으며, 각 저항 상태에 비트 값 "0"과 "1"이 기록 정보로서 할당될 수 있다. 예를 들면, 저저항 상태(일반적으로 set 상태라고도 함)를 비트 값 "1"로 할당하고, 고저항 상태(reset 상태라고도 함)를 비트 값 "0"으로 할당함으로써 정보들이 처리될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 당업자라면, 비트 값 "1"과 "0"을 반대로 할당하는 것도 본 발명에 속함을 이해할 것이다. In connection with the operation of the nonvolatile memory device 100, a programming operation may be performed by switching the resistance states of the resistive memory film ML described above, and bit values "0" and "1" in each resistance state. This can be assigned as recording information. For example, information can be processed by assigning a low resistance state (also commonly referred to as a set state) to a bit value "1", and assigning a high resistance state (also called a reset state) to a bit value "0". However, this is exemplary and one skilled in the art will understand that it is also within the present invention to assign the bit values "1" and "0" in reverse.

저항성 메모리 막(ML)이 전술한 상변화 재료인 경우, 하부 전극(BE)이 히터로서 작용하여 프로그래밍 동작이 수행된다. 구체적으로, 하부 전극(BE)을 통하여 프로그램 전류가 흐르면 저항성 메모리 막(ML)과 하부 전극(BE) 사이의 계면에서 주울 열이 생성되고, 상기 주울 열에 의해 저항성 메모리 막(ML)을 셋 상태와 리셋 상태로 변환시킬 수 있다. When the resistive memory film ML is the above-described phase change material, the lower electrode BE acts as a heater to perform a programming operation. Specifically, when a program current flows through the lower electrode BE, joule heat is generated at an interface between the resistive memory layer ML and the lower electrode BE, and the joule heat causes the resistive memory film ML to be set to a set state. You can switch to the reset state.

한편, 전술한 저항성 메모리 막(ML)이 페로브스카이트 화합물이나 전이 금속 화합물인 경우에는, 상부 전극(TE)과 하부 전극(BE) 사이에 적합한 전압 신호를 인가하여, 저항성 메모리 막(ML)에 리셋 상태와 셋 상태를 유도할 수 있다. 구체적으로, 적합한 포밍 공정을 거친 저항성 메모리 막(ML)은 리셋 전압 인가시 고저항을 갖는 리셋 상태가 되고, 이후 다시 리셋 상태의 메모리 막(ML)에 상기 리셋 전압 보다 더 큰 전압, 즉 셋 전압을 인가하면 저저항의 셋 상태가 될 수 있다. 이러한 특성과 관련하여, 저항성 메모리 막(ML)은 극성에 무관한 셋 전압 및 리셋 전압을 갖는 단극성, 또는 극성에 따라 셋 전압 및 리셋 전압이 차이를 갖는 양극성을 가질 수 있으며, 모두 본 발명의 실시예에 포함된다.On the other hand, when the resistive memory film ML is a perovskite compound or a transition metal compound, a suitable voltage signal is applied between the upper electrode TE and the lower electrode BE, so that the resistive memory film ML is applied. It can induce a reset state and a set state. Specifically, the resistive memory film ML, which has undergone a suitable forming process, becomes a reset state having a high resistance when a reset voltage is applied, and then a voltage higher than the reset voltage, that is, a set voltage, is again applied to the memory film ML in the reset state. Applying can set the low resistance set state. In relation to this characteristic, the resistive memory layer ML may have unipolarity having a set voltage and a reset voltage independent of polarity, or bipolarity having a difference in the set voltage and a reset voltage depending on polarity. Included in the Examples.

이와 같이, 어느 선택된 메모리 셀에서 프로그래밍 또는 소거 동작이 일어날 때, 이에 인접한 다른 메모리 셀의 저항성 메모리 막의 저항 상태가 영향을 받을 수 있다. 저항성 메모리 막들(ML)이 상변화 재료인 경우, 선택된 메모리 셀의 프로그래밍 동작으로부터 전달되는 열에 의해 인접하는 리셋 상태의 저항성 메모리 막이 셋 상태로 변환되어 원치 않는 소거 동작이 수행될 수 있다. 상변화 재료를 이용한 PRAM에서 이러한 문제점은 빈번히 발견된다.As such, when a programming or erase operation occurs in one selected memory cell, the resistance state of the resistive memory film of another memory cell adjacent thereto may be affected. When the resistive memory films ML are a phase change material, the resistive memory film in an adjacent reset state may be converted into a set state by a heat transferred from a programming operation of a selected memory cell so that an unwanted erase operation may be performed. This problem is frequently found in PRAM using phase change materials.

본 발명자들은, 저항성 메모리 막들(ML)이 페로브스카이트계 화합물 또는 전이 금속 산화물인 경우에도, 이러한 열 간섭에 의해 선택되지 않은 인접한 메모리 셀의 저항 상태를 변화될 수 있음을 관찰하였다. 이 경우의 열 간섭은 선택되지 않은 인접한 저항성 메모리 막의 셋 상태를 리셋 상태로 변환하는 경우도 있고, 그 반대인 경우도 있어, 크로스톡은 전술한 상변화 재료보다 더 복잡하게 나타난다. The inventors have observed that even when the resistive memory films ML are perovskite-based compounds or transition metal oxides, the resistance state of adjacent memory cells not selected by this thermal interference can be changed. In this case, thermal interference may cause the set state of an unselected adjacent resistive memory film to be changed to a reset state and vice versa, so that crosstalk appears more complicated than the above-described phase change material.

이와 같이 인접한 메모리 셀들 사이의 열 간섭 문제는 저항성 메모리 막을 이용한 비휘발성 메모리 소자 제조시 중대한 제한 사항이 된다. 하기의 특징들은 이러한 열 간섭 문제를 억제 또는 감소시키는 것과 관련된다. 다시, 도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 비휘발성 기억 요소(SE)의 저항성 메모리 막(ML)의 위치는 인접하는 메모리 셀들(MC)마다 기판(10)에 수직한 방향으로 서로 다르다. This thermal interference problem between adjacent memory cells is a significant limitation in manufacturing a nonvolatile memory device using a resistive memory film. The following features relate to suppressing or reducing this thermal interference problem. Referring again to FIG. 1, the positions of the resistive memory film ML of the nonvolatile memory element SE formed on the substrate 10 may be aligned with each other in a direction perpendicular to the substrate 10 for each adjacent memory cells MC. different.

도 2와 같이 메모리 셀들(MC)이 어레이 구조로 제공되는 경우, 하부 전극들(BE)의 높이는 복수의 행들과 복수의 열들 방향으로 각각 교번하여, 제 1 높이, 예를 들면, 도 1의 높이 H1와 상기 제 1 높이와 다른 제 2 높이, 예를 들면 높이 H1보다 더 큰 높이 H2를 가질 수 있다. 이와 같이, 하부 전극들(BE)의 높이는 2 개의 서로 다른 값을 가지고 교변할 수도 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 하부 전극들(BE)은 인접하는 메모리 셀들마다 3 이상의 다른 높이를 갖도록 배열될 수도 있다.When the memory cells MC are provided in an array structure as illustrated in FIG. 2, the heights of the lower electrodes BE are alternately arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, respectively, to form a first height, for example, the height of FIG. 1. It may have a second height different from H1 and the first height, for example a height H2 greater than the height H1. As such, the heights of the lower electrodes BE may be altered with two different values, but the present invention is not limited thereto. For example, the lower electrodes BE may be arranged to have three or more different heights in adjacent memory cells.

도 1을 참조하면, 반도체 메모리 소자(100)에서, 저항성 메모리 막(ML)의 실제 거리(D)는 하기 식 1에 의해 정의될 수 있다.Referring to FIG. 1, in the semiconductor memory device 100, the actual distance D of the resistive memory layer ML may be defined by Equation 1 below.

[식 1][Formula 1]

D = (L2 + ΔH2)1/2 D = (L 2 + ΔH 2 ) 1/2

여기서, L은 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 수평 거리이며, ΔH는 저항성 메모리 막(ML)과 접촉하고 있는 하부 전극(BE)의 높이의 차이, 즉, H1-H2 이다.Here, L is a horizontal distance between adjacent resistive memory films ML, and ΔH is a difference in height of the lower electrode BE in contact with the resistive memory film ML, that is, H 1 -H 2 .

기판(10)의 주면에 대한 저항성 메모리 막(ML)의 수직 방향의 위치 차이는 하부 전극(BE)의 높이 차이(ΔH)와 동일하다. 그에 따라, 하부 전극(BE)의 높이 차이(ΔH)가 증가함에 따라 저항성 메모리 막(ML)의 수직 방향의 위치 차이가 증가되며, 그에 따라 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 실제 거리(D)는, 식 1 같은 관계에 의해 증가될 수 있다.The positional difference in the vertical direction of the resistive memory layer ML with respect to the main surface of the substrate 10 is equal to the height difference ΔH of the lower electrode BE. Accordingly, as the height difference ΔH of the lower electrode BE increases, the position difference in the vertical direction of the resistive memory layer ML increases, and thus the actual distance D between adjacent resistive memory layers ML is increased. ) Can be increased by a relationship such as equation (1).

예를 들면, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 수평 거리(D)와 동등한 크기로 해당 하부 전극들(BE)이 일정한 높이 차이(ΔH)를 갖도록 설계한다면, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 실제 거리(D)는 높이 차이가 0일 때의 거리(이 경우, 수평 거리(D)와 같음)에 비하여 40% 이상 증가될 수 있다.For example, if the lower electrodes BE are designed to have a constant height difference ΔH, which is equal to the horizontal distance D between the adjacent resistive memory layers ML, the adjacent resistive memory layers ML may be formed. The actual distance D therebetween may be increased by at least 40% compared to the distance when the height difference is zero (in this case, equal to the horizontal distance D).

역으로, 비휘발성 메모리 소자(100)의 용량 증가를 위해 집적도를 2배 향상시키는 경우, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 수평 거리(L)는 1/2 로 감소될 수 있다. 그러나, 이 경우, 실시예와 같이, 하부 전극들(BE)이, 감소된 수평 거리(L)의 크기와 동등한 수준의 높이 차이(ΔH)를 갖도록 설계된다면, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 실제 거리(D)는 30 % 정도만이 감소된다. 이와 같이, 하부 전극들(BE)이 높이 차이(ΔH)에 의해 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 열 전달 경로는 집적도를 증가시키더라도 덜 감소될 수 있다. Conversely, when the degree of integration is doubled to increase the capacity of the nonvolatile memory device 100, the horizontal distance L between adjacent resistive memory films ML may be reduced to 1/2. In this case, however, as in the embodiment, if the lower electrodes BE are designed to have a height difference ΔH equivalent to the size of the reduced horizontal distance L, between adjacent resistive memory films ML The actual distance D is reduced by only 30%. As such, the heat transfer path between the resistive memory films ML adjacent to the lower electrodes BE by the height difference ΔH may be reduced even if the degree of integration is increased.

또한, 하부 전극(BE)과 저항성 메모리 막(ML)의 접촉 계면이 직접적인 열원임을 고려할 때, 접촉 계면과 저항성 메모리 막(ML)의 프로그래밍 영역이 실질적으로 바로 접촉하고 있더라도, 인접하는 메모리 셀들(MC)마다 기판(10)에 수직한 방향으로 상기 열원의 위치가 서로 달라, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 열 전달 경로가 실질적으로 증가될 수 있다. 그 결과, 본 발명의 실시예에 따르면, 인접하는 저항성 메모리 막들(ML)의 프로그래밍시 나타나는 열간섭이 억제 또는 감소될 수 있다.In addition, considering that the contact interface between the lower electrode BE and the resistive memory layer ML is a direct heat source, even if the contact interface and the programming region of the resistive memory layer ML are in direct contact with each other, the adjacent memory cells MC may be adjacent to each other. The heat sources may be different from each other in a direction perpendicular to the substrate 10, and thus a heat transfer path between adjacent resistive memory layers ML may be substantially increased. As a result, according to the embodiment of the present invention, thermal interference which appears during programming of adjacent resistive memory films ML can be suppressed or reduced.

도시된 실시예와 같이, 하부 전극들(BE)이 제 1 층간 절연막(30)에 의해 전기적으로 분리되는 경우, 하부 전극들(BE)의 높이 차이(ΔH)에 따라 제 1 층간 절연막(30)의 두께는 인접된 메모리 셀 영역마다 변할 수 있다. 도 1은, 인접한 메모리 셀들(MC1, MC2) 사이에 ΔH 의 크기를 갖는 단차(30st)를 갖는 제 1 층간 절연막(30)을 예시한다. As shown in the illustrated embodiment, when the lower electrodes BE are electrically separated by the first interlayer insulating layer 30, the first interlayer insulating layer 30 according to the height difference ΔH of the lower electrodes BE. The thickness of may vary for each adjacent memory cell region. 1 illustrates a first interlayer insulating film 30 having a step 30st having a size of ΔH between adjacent memory cells MC1 and MC2.

제 1 층간 절연막(30) 상에는 상기 상부 전극을 포함한 비휘발성 기억 요소(SE)를 덮는 제 2 층간 절연막(40)이 더 형성될 수 있다. 제 2 층간 절연막(40) 상에는 외부 회로와의 연결을 위한 상부 배선, 예를 들면, 비트 라인(B/L)이 더 형성될 수 있다. 이 경우, 상부 배선(B/L)과 비휘발성 기억 요소(SE)의 상부 전극(TE)은 제 2 층간 절연막(40)을 관통하는 비아 플러그들(40V1, 40V2)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.A second interlayer insulating layer 40 may be further formed on the first interlayer insulating layer 30 to cover the nonvolatile memory element SE including the upper electrode. An upper wiring, for example, a bit line B / L, may be further formed on the second interlayer insulating layer 40 to connect to an external circuit. In this case, the upper wiring B / L and the upper electrode TE of the nonvolatile memory element SE may be electrically connected by via plugs 40V1 and 40V2 passing through the second interlayer insulating layer 40. .

필요에 따라, 제 1 층간 절연막(30)의 단차(30st)에 따른 낮은 평탄도를 해소하기 위하여, 비아 플러그들(40V1, 40V2)을 높이를 메모리 셀들(MC1, MC2)마다 서로 다르게 설계할 수도 있다. 도 1에서, 메모리 셀(MC1)의 하부 전극(BE)의 작은 높이를 보상하기 위하여, 메모리 셀(MC1)의 비아 플러그(40V1)는 인접하는 다른 메모리 셀(CM2)의 비아 플러그(40V2)의 높이 보다 더 큰 높이를 갖도록 설계할 수 있다. 이에 관한 특징에 대하여는 도 4j 내지 도 4l을 참조하여 더욱 상세히 후술한다.
If necessary, the via plugs 40V1 and 40V2 may have different heights for each of the memory cells MC1 and MC2 in order to eliminate low flatness according to the step 30st of the first interlayer insulating layer 30. have. In FIG. 1, in order to compensate for the small height of the lower electrode BE of the memory cell MC1, the via plug 40V1 of the memory cell MC1 is connected to the via plug 40V2 of another adjacent memory cell CM2. It can be designed to have a height greater than the height. Features related to this will be described later in more detail with reference to FIGS. 4J to 4L.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(200A, 200B)의 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2)을 도시하는 단면도이다. 도시된 구성 요소들 중 도 1 및 도 2의 구성 요소들과 동일한 참조 번호를 갖는 구성 요소들에 관한 설명은, 모순되지 않는 한, 전술한 개시 사항을 참조할 수 있으며, 이하에서 생략하기로 한다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a plurality of memory cells MC1 and MC2 of nonvolatile memory devices 200A and 200B according to other embodiments of the inventive concept. Description of components having the same reference numerals as those of FIGS. 1 and 2 among the illustrated components may refer to the foregoing disclosure unless otherwise indicated, and will be omitted below. .

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자들(200A, 200B)은, 도 1 및 도 2에 도시된 1T/1R 구조와 달리, 서로 교차하는 제 1 배선, 예를 들면, 워드 라인들(W/L)과 제 2 배선, 예를 들면, 비트 라인들(B/L)에 의해 정의되는 교차점에 비휘발성 기억 요소(SE)를 갖는 크로스 바 구조를 갖는다. 제 1 배선과 제 2 배선은 위와 반대로 비트 라인 및 워드 라인으로 각각 정의될 수 있으며, 상기 크로스 바 구조는 크로스 포인트 구조라고 지칭되기도 한다.3A and 3B, unlike the 1T / 1R structure illustrated in FIGS. 1 and 2, the nonvolatile memory devices 200A and 200B may have first wirings intersecting with each other, eg, word lines. It has a crossbar structure having a nonvolatile memory element SE at the intersection defined by (W / L) and the second wiring, for example, bit lines B / L. The first wire and the second wire may be defined as bit lines and word lines, as opposed to the above, and the cross bar structure may be referred to as a cross point structure.

이러한 명칭에 의해 본 발명의 실시예들이 한정되는 것은 아니며, 제 1 배선(W/L)은, 도시된 바와 같이, 기판 상에 형성된 별도의 도전성 금속 패턴일 수도 있으며, 기판(10)의 불순물 영역에 의해 형성된 도전층일 수도 있다. 상기 크로스 바 구조는, 트랜지스터를 필요로 하지 않기 때문에, 각 메모리 셀들(MC1, MC2)의 디자인은 4F2까지 가능한 이점이 있다.Embodiments of the present invention are not limited by the names, and the first wiring W / L may be a separate conductive metal pattern formed on the substrate, as shown, and an impurity region of the substrate 10. It may be a conductive layer formed by. Since the cross bar structure does not require a transistor, the design of each of the memory cells MC1 and MC2 has an advantage of possible up to 4F 2 .

일부 실시예에서는, 인접하는 메모리 셀들(MC1, MC2) 사이의 크로스 톡을 방지하기 위하여, 제 1 배선(W/L)과 비휘발성 기억 요소(SE) 사이에 다이오드(DI)가 배치될 수도 있다. 또는, 도시하지는 않았지만, 제 2 배선(B/L)과 비휘발성 기억 요소(SE)에 다이오드(DI)가 배치될 수도 있다. 다이오드(DI)는 공지의 에피택셜 증착 공정 및/또는 불순물 주입 공정을 통해 제조될 수 있다. In some embodiments, a diode DI may be disposed between the first wiring W / L and the nonvolatile memory element SE to prevent crosstalk between adjacent memory cells MC1 and MC2. . Alternatively, although not shown, a diode DI may be disposed on the second wiring B / L and the nonvolatile memory element SE. The diode DI may be manufactured through a known epitaxial deposition process and / or an impurity implantation process.

스케일링에 따른 열 간섭의 문제를 해결하기 위하여, 크로스 바 구조에서도 하부 전극(BE)의 높이는 인접한 메모리 셀들(MC1, MC2)마다 다르다. 그 결과, 인접한 메모리 셀들(MC1, MC2)의 각 저항성 메모리 막들(ML) 사이의 수직 편차가 발생하여 이들 사이의 실제 거리는 수평 거리(L)보다 더 증가될 수 있다.In order to solve the problem of thermal interference due to scaling, even in a cross bar structure, the height of the lower electrode BE is different for each of the adjacent memory cells MC1 and MC2. As a result, a vertical deviation between the resistive memory films ML of the adjacent memory cells MC1 and MC2 may occur so that the actual distance between them may be increased more than the horizontal distance L. FIG.

일부 실시예에서는, 전술한 특징과 함께, 저항성 메모리 막(ML)이 셋 상태 및/또는 리셋 상태에서 각각 안정화될 수 있도록 프로그래밍되는 영역을 제한할 수도 있다. 이러한 관점은 도 1에 도시한 1T/1R 구조에서도 동일하게 적용될 수 있다. 이를 위하여, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 하부 전극(BE)을 제 1 층간 절연막(30)의 표면으로부터 깊이 d 만큼 리세스시키고, 이에 의해 형성된 제 1 층간 절연막(30)의 홈 내에 저항성 메모리 막(ML)을 채울 수 있다. In some embodiments, together with the features described above, it may be possible to limit the area in which the resistive memory film ML is programmed to be stabilized in the set state and / or the reset state, respectively. This aspect can be equally applied to the 1T / 1R structure shown in FIG. 1. To this end, as shown in FIGS. 3A and 3B, the lower electrode BE is recessed from the surface of the first interlayer insulating layer 30 by a depth d, and thus, is formed in the groove of the first interlayer insulating layer 30 formed thereby. The resistive memory layer ML may be filled.

도 3a의 소자(200A)에서는, 저항성 메모리 막(ML)의 일부만이 상기 홈을 채우면서 하부 전극(BE)과 접촉하고, 도 3b의 소자(200B)에서는 저항성 메모리 막(ML)의 전부가 상기 홈을 채운다. 이러한 구조를 얻기 위해서는, 저항성 메모리 막(ML)은 단차 피복성(step coverage)이 우수한 증착 공정인 화학기상증착 또는 원자층 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.In the element 200A of FIG. 3A, only a part of the resistive memory film ML contacts the lower electrode BE while filling the groove, and in the element 200B of FIG. 3B, the entirety of the resistive memory film ML is not shown. Fill the grooves. In order to obtain such a structure, the resistive memory layer ML may be formed by a chemical vapor deposition or an atomic layer deposition process, which is a deposition process having excellent step coverage.

선택적으로는, 도 3a에 도시한 바와 같이, 제 1 층간 절연막(30)의 상기 홈의 측벽에 스페이서(30sp)를 더 형성할 수도 있다. 스페이서(30sp)는 적합한 스페이서 재료층을 증착 후 에치백 공정을 통해 얻을 수 있다. 상기 스페이서 재료층은 전기적 절연체 및/또는 단열체일 수 있다. 이 경우, 스페이서(30sp)는 저항성 메모리 막(ML)의 프로그래밍 되는 부분에 대한 단열 구조로서 작용할 수 있다.Alternatively, as shown in FIG. 3A, a spacer 30sp may be further formed on the sidewall of the groove of the first interlayer insulating film 30. The spacer 30sp may be obtained through an etch back process after depositing a suitable layer of spacer material. The spacer material layer may be an electrical insulator and / or an insulator. In this case, the spacer 30sp may serve as a heat insulating structure for the portion of the resistive memory film ML to be programmed.

또한, 스페이서(30sp)는 저항성 메모리 막(ML)의 프로그램되는 영역을 포토리소그래피 공정의 임계 수치 이하로 제한하는 역할을 할 수도 있다. 특히, 저항성 메모리 막(ML)이 상변화 재료인 경우에, 스페이서(30sp)는 저항성 메모리 막(ML)과 하부 전극(BE)의 접촉 면적을 감소시켜 프로그램 전류의 유효 전류 밀도를 향상시킴으로써, 구동 소자들을 소형화시킬 수 있고 그에 따라 집적도를 더욱 향상시킬 수도 있다.In addition, the spacer 30sp may serve to limit the programmed region of the resistive memory film ML to a threshold value of or less than a photolithography process. In particular, in the case where the resistive memory film ML is a phase change material, the spacer 30sp is driven by reducing the contact area between the resistive memory film ML and the lower electrode BE to improve the effective current density of the program current. The devices can be miniaturized and thus the degree of integration can be further improved.

일부 실시예에서, 스페이서(30sp)는 하부 전극(BE)의 높이 차이에 따른 저항 값을 보상하기 위하여 인접하는 메모리 셀들(MC1, MC2)마다 교번하여 적용될 수 있다. 예를 들면, 메모리 셀(MC1)의 하부 전극(BE)은 인접하는 다른 메모리 셀(MC2)의 하부 전극(BE)에 비하여 높이가 작아 더 작은 저항값을 가질 수 있다. 이 경우, 상대적으로 저항값이 낮은 메모리 셀(MC1)의 저항값을 증가시키기 위하여, 해당 메모리 셀(MC1)에만 스페이서(30sp)를 형성하고, 다른 메모리 셀(MC2)에는 스페이서(30sp)를 형성하지 않아 하부 전극(BE)의 높이 편차에 따른 저항 불균일을 해소할 수 있다.In some embodiments, the spacer 30sp may be alternately applied to each of the adjacent memory cells MC1 and MC2 to compensate for the resistance value according to the height difference of the lower electrode BE. For example, the lower electrode BE of the memory cell MC1 may have a smaller resistance value than the lower electrode BE of another adjacent memory cell MC2. In this case, in order to increase the resistance value of the memory cell MC1 having a relatively low resistance value, the spacer 30sp is formed only in the memory cell MC1 and the spacer 30sp is formed in the other memory cell MC2. As a result, the resistance unevenness due to the height deviation of the lower electrode BE may be solved.

일부 실시예에서는, 전술한 스페이서(30sp)와 함께 또는 스페이서(30sp)를 대체하여, 메모리 셀들(MC1, MC2)의 하부 전극들(BE)의 저항을 균일하게 하기 위하여, 하부 전극(BE)의 폭(W1, W2), 또는 이에 의한 단면적을 서로 다르게 설계할 수도 있다. 예를 들면, 메모리 셀(MC1)의 작은 높이를 갖는 하부 전극(BE)의 폭(W1)은 메모리 셀(MC2)의 큰 높이를 갖는 하부 전극(BE)의 폭(W2) 보다 더 작게 설계함으로써 전체 메모리 셀들(MC1, MC2)의 하부 전극(BE)이 갖는 저항 값을 균일하게 할 수도 있을 것이다. 일부 실시예에서는, 일정한 저항값을 갖도록, 인접하는 하부 전극들(BE)의 단면적 차이가 이들의 높이 차이에 비례하도록 설계할 수도 있다.In some embodiments, in order to make the resistance of the lower electrodes BE of the memory cells MC1 and MC2 uniform with or in place of the spacer 30sp described above, The widths W1 and W2, or the cross-sectional areas thereby, may be designed differently. For example, the width W1 of the lower electrode BE having the small height of the memory cell MC1 is designed to be smaller than the width W2 of the lower electrode BE having the large height of the memory cell MC2. The resistance value of the lower electrode BE of all the memory cells MC1 and MC2 may be uniform. In some embodiments, the cross-sectional area difference between adjacent lower electrodes BE may be proportional to their height difference so as to have a constant resistance value.

도 3a은 하부 전극들(BE)의 높이 차이로 인한 제 2 층간 절연막(40)과 상부 배선(BL)을 포함하는 상부 구조가 낮은 평탄도를 갖는 것을 도시한다. 필요에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이, 서로 높이가 다른 비아 플러그들(40V1, 40V2)을 적용하여, 상기 상부 구조를 평탄화할 수도 있다. 이의 형성 방법에 관하여는 후술하도록 한다.
3A illustrates that the upper structure including the second interlayer insulating layer 40 and the upper wiring BL has a low flatness due to the height difference between the lower electrodes BE. If necessary, as illustrated in FIG. 3B, via plugs 40V1 and 40V2 having different heights may be applied to planarize the upper structure. The formation method thereof will be described later.

이하에서는, 전술한 특징들 및 이점들을 갖는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법들이 개시된다. 도 4a 내지 도 4l은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 도시하는 단면도들이다.Hereinafter, methods of manufacturing a nonvolatile memory device having the above-described features and advantages are disclosed. 4A through 4L are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a nonvolatile memory device in accordance with embodiments of the present invention.

도 4a를 참조하면, 높이가 다른 하부 전극(BE)을 형성하기 전에, 먼저 기판(10) 내에 소자 분리막(11)을 형성하여 활성 영역을 정의한다. 상기 활성 영역 내에 MOS 전계효과트랜지스터들(TR)과 같은 스위칭 소자들과 외부 회로에 연결하기 위한 콘택 패드들(20C), 및 이들을 절연하기 위한 절연막을 포함하는 하부 구조를 형성할 수 있다. 도시하지는 않았으나, 스위칭 소자가 없는 크로스 바 구조의 경우도 도 3a에서 설명한 바와 같이 기판(10) 상에 배선(W/L) 및/또는 다이오드(DI)를 포함하는 하부 구조를 형성한다.Referring to FIG. 4A, before forming the lower electrode BE having a different height, first, an isolation region 11 is formed in the substrate 10 to define an active region. A lower structure may be formed in the active region including switching elements such as MOS field effect transistors (TR), contact pads 20C for connecting to an external circuit, and an insulating layer for insulating them. Although not shown, the cross bar structure without the switching element also forms a lower structure including the wiring W / L and / or the diode DI on the substrate 10 as described with reference to FIG. 3A.

도 4b를 참조하면, 절연막(20) 상에 제 1 층간 절연막(30)을 형성한다. 제 1 층간 절연막(30)은 화학기상증착공정, 플라즈마강화 화학기상증착 또는 SOG(silicon on glass) 공정에 의해 형성된 절연막일 수 있다. 이후, 절연막(20) 상에 작은 높이를 갖는 하부 전극이 형성될 메모리 셀 영역(도 1의 MC1)만을 선택적으로 노출시키는 마스크 패턴, 예를 들면, 포토레지스트막(PR)을 형성한다. 이후, 공지의 식각 공정을 이용하여 노출된 절연막 표면을 부분 식각함으로써, 제 1 층간 절연막(30)은, 국부적으로 리세스되어, 인접하는 메모리 셀 영역들마다 두께 편차(H1, H2)를 가질 수 있다. Referring to FIG. 4B, a first interlayer insulating film 30 is formed on the insulating film 20. The first interlayer insulating film 30 may be an insulating film formed by a chemical vapor deposition process, a plasma enhanced chemical vapor deposition, or a silicon on glass (SOG) process. Subsequently, a mask pattern, for example, a photoresist film PR, is formed on the insulating film 20 to selectively expose only the memory cell region (MC1 of FIG. 1) in which the lower electrode having a small height is to be formed. Thereafter, by partially etching the exposed insulating film surface by using a known etching process, the first interlayer insulating film 30 may be locally recessed to have thickness variations H1 and H2 in adjacent memory cell regions. have.

도 4c를 참조하면, 제 1 층간 절연막(30) 내에 콘택 패드들(20C)을 노출시키는 홀들(미도시)을 형성한다. 이후, 상기 홀들을 채우도록 적합한 하부 전극 재료층(미도시)을 제 1 층간 절연막(30) 상에 형성하고, 제 1 층간 절연막(30)의 표면이 노출될 때까지 에치백 또는 화학기계적연마와 같은 평탄화 공정을 수행하여 상기 홀들 내에 각각 매립되는 하부 전극들(BE)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4C, holes (not shown) are formed in the first interlayer insulating layer 30 to expose the contact pads 20C. Subsequently, a lower electrode material layer (not shown) suitable to fill the holes is formed on the first interlayer insulating film 30, and the etch back or chemical mechanical polishing is performed until the surface of the first interlayer insulating film 30 is exposed. The same planarization process may be performed to form lower electrodes BE embedded in the holes, respectively.

도 4d를 참조하면, 일부 실시예에서는, 제 1 층간 절연막(30)과 하부 전극(BE)의 식각 선택비를 이용하여, 매립된 하부 전극 재료층을 과잉 식각하여 소정 깊이(d)만큼 리세스된 하부 전극(BE)을 형성할 수도 있다. 상기 리세스 공정은 에치백 공정에 의해 달성될 수 있다. 리세스된 하부 전극들(BE)에 의해 제 1 층간 절연막(30) 내에 홈(G1)이 정의된다. Referring to FIG. 4D, in some embodiments, the embedded lower electrode material layer is over-etched using the etching selectivity of the first interlayer insulating layer 30 and the lower electrode BE to recess the predetermined depth d. The lower electrode BE may be formed. The recess process may be achieved by an etch back process. The groove G1 is defined in the first interlayer insulating layer 30 by the recessed lower electrodes BE.

이러한 리세스된 하부 전극(BE)의 제조 방법은 도 3a 및 도 3b에 도시된 크로스 바 구조의 하부 전극(BE)에도 적용될 수 있으며, 이와 관련된 후속 공정은 도 4g 및 도 4h를 참조하여 설명될 것이다.The method of manufacturing the recessed lower electrode BE may also be applied to the lower electrode BE of the cross bar structure illustrated in FIGS. 3A and 3B, and subsequent processes related thereto will be described with reference to FIGS. 4G and 4H. will be.

도 4c에 이어 도 4e를 참조하면, 결과물, 즉 제 1 층간 절연막(30)의 홀들 내에 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극들(BE)이 형성된 기판(10) 상에, 하부 전극들(BE)과 각각 접촉하는 저항성 메모리 재료층(ML')을 형성한다. 연속하여, 저항성 메모리 재료층(ML') 상에 상부 전극 재료층(TE')을 더 형성할 수 있다. 이들 층들(ML', TE') 중 어느 하나 또는 이들 모두는 화학기상증착, 물리기상증착 또는 원자층 증착 공정에 의해 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 4C and to FIG. 4E, the lower electrodes BE and the lower electrodes BE are formed on the substrate 10 on which the lower electrodes BE having different heights are formed in the holes of the first interlayer insulating film 30. A resistive memory material layer ML 'is formed in contact with each other. Subsequently, an upper electrode material layer TE 'may be further formed on the resistive memory material layer ML'. Any one or both of these layers ML ', TE' may be formed by a chemical vapor deposition, physical vapor deposition or atomic layer deposition process, the present invention is not limited thereto.

일부 실시예에서는, 도 1과 같이 평탄화된 최종 상부 구조를 제공하기 위해, 상부 전극 재료층(TE') 상에 식각 저지 재료층(ES')을 더 형성할 수 있다. 식각 저지 재료층(ES')으로서, 후술할 제 2 층간 절연막(40)과 우수한 식각 선택비를 가지며, 또한, 하지의 상부 전극 재료층(TE')과 식각 선택비를 갖는 물질이 선택될 수 있다.In some embodiments, an etch stop material layer ES 'may be further formed on the upper electrode material layer TE' to provide a flattened final top structure as shown in FIG. 1. As the etch stop material layer ES ', a material having an excellent etching selectivity with the second interlayer insulating film 40 which will be described later, and having an etching selectivity with the upper electrode material layer TE' of the underlying material may be selected. have.

이후, 도 4f와 같이, 이들 층들(ML', TE', ES')을 동시에 패터닝하여 서로 전기적으로 분리되고 각각 하부 전극(BE)과 전기적으로 연결된 비휘발성 기억 요소들(SE)이 형성될 수 있다. 도 4e에서 설명한 바와 같이, 식각 저지 재료층(ES')을 더 형성한 경우에는, 식각 저지막(ES)이 비휘발성 기억 요소들(SE)을 각각 덮을 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 4F, the layers ML ′, TE ′, and ES ′ may be simultaneously patterned to form nonvolatile memory elements SE electrically separated from each other and electrically connected to the lower electrode BE, respectively. have. As illustrated in FIG. 4E, when the etch stop material layer ES 'is further formed, the etch stop layer ES may cover the nonvolatile memory elements SE, respectively.

다른 실시예로서, 도 4d에서 설명한 바와 같이, 하부 전극(BE)을 리세스한 경우에는, 다음과 같이 비휘발성 기억 요소들(SE)이 제조될 수 있다. 도 4g를 참조하면, 도 4d의 결과물 상에, 즉, 리세스된 하부 전극들(BE)이 형성된 제 1 층간 절연막(30) 상에 홈(G1)을 채우도록 저항성 메모리 재료층(ML')을 형성하고, 저항성 메모리 재료층(M1') 상에 상부 전극 재료층(TE')을 형성한다. 일부 실시예에서는, 저항성 메모리 재료층(ML')을 형성하기 전에 홈(G1)의 측벽에 스페이서(30sp)를 더 형성할 수 있다. 절연성 스페이서(30sp)를 이용하면, 포토리소그래피 공정의 임계 치수(CD) 이하로 하부 전극(BE)과 저항성 메모리 막(ML) 사이의 접촉 면적을 한정하는 것이 가능하다. As another example, as described with reference to FIG. 4D, when the lower electrode BE is recessed, the nonvolatile memory elements SE may be manufactured as follows. Referring to FIG. 4G, the resistive memory material layer ML ′ fills the groove G1 on the resultant of FIG. 4D, that is, on the first interlayer insulating layer 30 on which the recessed lower electrodes BE are formed. The upper electrode material layer TE 'is formed on the resistive memory material layer M1'. In some embodiments, the spacer 30sp may be further formed on the sidewall of the groove G1 before forming the resistive memory material layer ML '. By using the insulating spacer 30sp, it is possible to define the contact area between the lower electrode BE and the resistive memory film ML below the critical dimension CD of the photolithography process.

이후, 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 통하여, 상부 전극 재료층(TE') 및 저항성 메모리 막(ML')을 연속적으로 식각하여 패터닝하면, 도 3a에 도시된 바와 같은 상부 전극(TE)과 저항성 메모리 막(ML)의 스택을 얻을 수 있다.Subsequently, when the upper electrode material layer TE 'and the resistive memory layer ML' are sequentially etched and patterned through a photolithography process and an etching process, the upper electrode TE and the resistive memory as shown in FIG. 3A are patterned. You can get a stack of membranes (ML).

또 다른 실시예로서, 도 4h를 참조하면, 도 4g와 유사하게, 도 4d의 결과물, 즉, 리세스된 하부 전극들(BE)이 형성된 제 1 층간 절연막(30) 상에 홈(G1)을 채우도록 저항성 메모리 재료층(ML')을 형성한다. 이후, 도 4i에 도시한 바와 같이, 홈(G1)에만 저항성 메모리 재료층(ML')이 잔존하도록 제 1 층간 절연막(30)의 표면이 노출될 때까지 에치백 공정을 수행하여, 저항성 메모리 막(ML)을 형성할 수 있다. 이 결과물 상에, 상부 전극 재료층(TE')을 형성하고, 포토리소그래피 공정과 식각 공정에 의해, 도 3b에 도시된 바와 같이 홀 내만 한정된 저항성 메모리 막(ML)을 갖는 비휘발성 기억 요소(SE)를 얻을 수 있다.
As another embodiment, referring to FIG. 4H, similar to FIG. 4G, the groove G1 is formed on the resultant of FIG. 4D, that is, the first interlayer insulating layer 30 on which the recessed lower electrodes BE are formed. The resistive memory material layer ML 'is formed to fill. Thereafter, as shown in FIG. 4I, an etch back process is performed until the surface of the first interlayer insulating film 30 is exposed so that the resistive memory material layer ML 'remains only in the groove G1, thereby resisting the resistive memory film. (ML) can be formed. On this result, the upper electrode material layer TE 'is formed and, by the photolithography process and the etching process, a nonvolatile memory element SE having a resistive memory film ML defined only in the hole as shown in FIG. 3B. ) Can be obtained.

전술한 바와 같이, 다양한 구조를 갖는 하부 전극(BE), 저항성 메모리 막(ML) 및 상부 전극(ML)으로 이루어진 비휘발성 기억 요소(SE)를 형성한 후, 비트 라인과 같은 상부 배선을 형성하기 위한 후속 공정들이 수행될 수 있다.As described above, after forming the nonvolatile memory element SE including the lower electrode BE, the resistive memory layer ML, and the upper electrode ML having various structures, forming an upper wiring such as a bit line. Subsequent processes can be performed.

도 4j를 참조하면, 제 1 층간 절연막(30) 상에, 비휘발성 기억 요소들(SE)을 덮는 제 2 층간 절연 재료층(40')을 형성한다. 제 2 층간 절연 재료층(40')은 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극들(BE) 때문에, 인접하는 메모리 셀들(MC1, MC2)의 영역마다 불균일한 표면을 가질 수 있다. Referring to FIG. 4J, a second interlayer insulating material layer 40 ′ covering the nonvolatile memory elements SE is formed on the first interlayer insulating layer 30. The second interlayer insulating material layer 40 ′ may have a non-uniform surface for each region of the adjacent memory cells MC1 and MC2 because of the lower electrodes BE having different heights.

일부 실시예에서는, 도 4k에 도시한 바와 같이, 화학기계적연마(CMP)와 같은 평탄화 공정을 도 4j의 점선(PL)으로 표시한 깊이까지 수행하여, 균일한 표면을 갖는 제 2 층간 절연막(40)을 형성할 수도 있다.In some embodiments, as shown in FIG. 4K, a planarization process, such as chemical mechanical polishing (CMP), is performed to a depth indicated by the dotted line PL in FIG. 4J, so that the second interlayer insulating film 40 having a uniform surface. ) May be formed.

도 4l을 참조하면, 제 2 층간 절연막(40) 내에 메모리 셀들(MC1, MC2)을 상부 배선, 예를 들면, 비트 라인들(도 1의 B/L)에 전기적으로 연결하기 위한 비아 플러그들을 형성하기 위한 비아 홀들(G2)을 제 2 층간 절연막(40) 내에 형성한다. 비아 홀들(G2)은, 포토리소그래피 공정과 제 2 층간 절연막(40)과 식각 저지막(ES) 사이의 식각 선택비를 이용한 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.  Referring to FIG. 4L, via plugs are formed in the second interlayer insulating film 40 to electrically connect the memory cells MC1 and MC2 to the upper wiring, for example, the bit lines B / L of FIG. 1. Via holes G2 are formed in the second interlayer insulating film 40. The via holes G2 may be formed by a photolithography process and an etching process using an etching selectivity between the second interlayer insulating film 40 and the etch stop layer ES.

이후, 비아 홀들(G2)을 통해 노출된 식각 저지막(ES)의 일부를 제거한 후, 비아 홀들(G2)을 채우도록 적합한 도전성 재료층을 제 2 층간 절연막(40) 상에 형성하고, 제 2 층간 절연막(40)의 표면이 노출될 때까지 에치백 또는 화학기계적연마와 같은 평탄화 공정을 수행하여 상기 비아 홀들(G2) 내에 매립된 비아 플러그들(도 1의 40V1, 40V2)을 형성할 수 있다. 후속하여, 제 2 층간 절연막(40) 상에 비트 라인(B/L)을 형성하면 도 1에 도시된 실시예와 같은 비휘발성 메모리 소자를 제조할 수 있다. Subsequently, after removing a portion of the etch stop layer ES exposed through the via holes G2, a conductive material layer suitable to fill the via holes G2 is formed on the second interlayer insulating film 40, and the second The planarization process such as etch back or chemical mechanical polishing may be performed until the surface of the interlayer insulating layer 40 is exposed, thereby forming via plugs 40V1 and 40V2 embedded in the via holes G2. . Subsequently, when the bit line B / L is formed on the second interlayer insulating layer 40, a nonvolatile memory device as shown in FIG. 1 may be manufactured.

선택적으로는, 비아 플러그들(40V1, 40V2)과 비트 라인들(B/L)을 동일한 재료에 의해 단일 공정으로 형성할 수도 있다. 예를 들면, 비아 홀들(G2)을 채우도록 적합한 도전성 재료층을 제 2 층간 절연막(40) 상에 형성하고, 비트 라인 패터닝 공정을 수행할 수도 있다.Alternatively, via plugs 40V1 and 40V2 and bit lines B / L may be formed in a single process by the same material. For example, a conductive material layer suitable for filling the via holes G2 may be formed on the second interlayer insulating film 40, and a bit line patterning process may be performed.

전술한 제조 방법은 주로 1T/1R 구조에 대하여 설명하고 있지만, 당업자라면, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같은 크로스 바 구조에도 전술한 제조 방법이 적용될 수 있음을 이해할 수 있다.
Although the above-described manufacturing method mainly describes the 1T / 1R structure, those skilled in the art can understand that the above-described manufacturing method may be applied to the cross bar structure as shown in FIGS. 3A and 3B.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(300)를 개략적으로 나타내는 블록도이다.5 is a block diagram schematically illustrating a nonvolatile memory device 300 according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(300)는 메모리 셀 어레이(310), 로우 드라이버(320), 로우 디코더(330), 보조 디코더(340), 칼럼 디코더(350) 및 감지 증폭기/기록 드라이버(360)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the nonvolatile memory device 300 may include a memory cell array 310, a row driver 320, a row decoder 330, an auxiliary decoder 340, a column decoder 350, and a sense amplifier / write driver. 360 may be included.

메모리 셀 어레이(310)는 복수의 워드 라인들, 복수의 비트 라인들 및 상기 복수의 워드 라인들과 상기 복수의 비트 라인들의 교차 점에 배치되는 전술한 복수의 메모리 셀들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 워드 라인들은 복수의 메인 워드 라인들 및 복수의 서브 워드 라인들을 포함할 수 있다.The memory cell array 310 may include a plurality of word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of memory cells described above disposed at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines. In some embodiments, the plurality of word lines may include a plurality of main word lines and a plurality of sub word lines.

로우 드라이버(320)는 메모리 셀 어레이(310)의 복수의 워드 라인들에 인가되는 전압인 구동 전압(VD) 생성할 수 있다. 로우 디코더(330)는 로우 어드레스(X_ADD)의 소정 비트 값을 복수의 메인 워드 라인들에 대응되는 제 1 어드레스 신호로 디코딩하여 대응되는 적어도 하나의 메인 워드 라인을 활성화시킬 수 있다. 보조 디코더(340)는 로우 어드레스(X_ADD)의 나머지 비트 값을 복수의 서브 워드 라인들에 대응되는 제 2 어드레스 신호로 디코딩하여 대응되는 적어도 하나의 서브 워드 라인을 활성화시킬 수 있다. 여기서, 메인 워드 라인은 글로벌 워드 라인이고, 서브 워드 라인은 로컬 워드 라인일 수도 있다. 다른 실시예에서, 반도체 소자(300)는 보조 디코더(340)를 포함하지 않을 수 있고, 로우 디코더(330)는 로우 어드레스(X_ADD)를 복수의 워드 라인들에 대응되는 어드레스 신호로 디코딩할 수 있다.The row driver 320 may generate a driving voltage V D which is a voltage applied to the plurality of word lines of the memory cell array 310. The row decoder 330 may decode a predetermined bit value of the row address X_ADD into a first address signal corresponding to the plurality of main word lines to activate at least one main word line. The auxiliary decoder 340 may decode the remaining bit values of the row address X_ADD into second address signals corresponding to the plurality of sub word lines to activate at least one sub word line. Here, the main word line may be a global word line, and the sub word line may be a local word line. In another embodiment, the semiconductor device 300 may not include the auxiliary decoder 340, and the row decoder 330 may decode the row address X_ADD into address signals corresponding to the plurality of word lines. .

칼럼 디코더(350)는 칼럼 어드레스(Y_ADD)를 디코딩하여 대응되는 적어도 하나의 비트 라인을 선택할 수 있다. 감지 증폭기/기록 드라이버(360)는 메모리 셀 어레이(310)에 포함된 메모리 셀들에 대한 독출 동작을 수행하기 위해 메모리 셀들의 데이터를 수신하거나, 메모리 셀들에 대한 기록 동작을 수행하기 위해 메모리 셀 어레이(310)의 복수의 비트 라인들에 적합한 전압을 제공할 수 있다.
The column decoder 350 may select at least one corresponding bit line by decoding the column address Y_ADD. The sense amplifier / write driver 360 may receive data of the memory cells to perform a read operation on the memory cells included in the memory cell array 310, or may perform a write operation on the memory cells. A voltage suitable for the plurality of bit lines of 310 may be provided.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 카드(400)를 나타내는 개략도이다.6 is a schematic diagram illustrating a memory card 400 according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 메모리 카드(400)는 하우징(430) 내에 제어기(410)와 메모리부(420)를 포함할 수 있고, 제어기(410)와 메모리부(420)는 전기적인 신호를 교환할 수 있다. 예를 들어, 제어기(410)의 명령에 따라서, 메모리부(420)와 제어기(410)는 데이터를 주고받을 수 있다. 이에 따라, 메모리 카드(400)는 메모리부(420)에 데이터를 저장하거나 메모리부(420)로부터 데이터를 외부로 출력할 수 있다.Referring to FIG. 6, the memory card 400 may include a controller 410 and a memory unit 420 in the housing 430, and the controller 410 and the memory unit 420 may exchange electrical signals. Can be. For example, according to a command of the controller 410, the memory unit 420 and the controller 410 may exchange data. Accordingly, the memory card 400 may store data in the memory unit 420 or output data from the memory unit 420 to the outside.

예를 들어, 메모리부(420)는 도 1 내지 도 5을 참조하여 개시한 비휘발성 메모리 소자를 포함할 수 있다. 이러한 메모리 카드(400)는 다양한 휴대용 기기의 데이터 저장 매체로 이용될 수 있다. 예를 들어, 메모리 카드(400)는 멀티미디어 카드(multimedia card; MMC) 또는 보안 디지털(secure digital; SD) 카드로 규격화될 수 있다.
For example, the memory unit 420 may include the nonvolatile memory device disclosed with reference to FIGS. 1 to 5. The memory card 400 may be used as a data storage medium of various portable devices. For example, the memory card 400 may be standardized as a multimedia card (MMC) or a secure digital (SD) card.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 시스템(500)을 나타내는 블록도이다.7 is a block diagram illustrating an electronic system 500 according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 전자 시스템(500)은 프로세서(510), 메모리부(520) 및 입/출력 장치(530)를 포함할 수 있고, 이들은 버스(bus, 540)를 이용하여 서로 데이터 통신을 할 수 있다. 프로세서(510)는 프로그램을 실행하고 시스템(500)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 입/출력 장치(530)는 시스템(500)의 데이터를 입력 또는 출력하는데 이용될 수 있다. 시스템(500)은 입/출력 장치(530)를 이용하여 외부 장치, 예를 들면, 개인용 컴퓨터 또는 네트워크에 연결되어, 외부 장치와 서로 데이터를 교환할 수 있다. 메모리부(520)는 프로세서(510)의 동작을 위한 코드 및 데이터를 저장할 수 있다. 메모리부(520)는 전술한 비휘발성 메모리 소자를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the electronic system 500 may include a processor 510, a memory unit 520, and an input / output device 530, which communicate data with each other using a bus 540. can do. The processor 510 may execute a program and control the system 500. The input / output device 530 may be used to input or output data of the system 500. The system 500 may be connected to an external device, for example, a personal computer or a network, using the input / output device 530 to exchange data with the external device. The memory unit 520 may store code and data for the operation of the processor 510. The memory unit 520 may include the aforementioned nonvolatile memory device.

이러한 전자 시스템(500)은 메모리를 필요로 하는 다양한 전자 제어 장치를 구성할 수 있다. 예를 들면, 전자 시스템(500)은 마이크로 컨트롤러, 모바일 폰(mobile phone), 멀티미디어 데이터 플레이어, 네비게이션(navigation), 고상 드라이브(solid state drive; SSD)와 같은 저장 장치 또는 다양한 가전제품(household appliances)과 같은 전자 시스템일 수 있다.
The electronic system 500 may configure various electronic control devices that require a memory. For example, electronic system 500 may be a microcontroller, mobile phone, multimedia data player, navigation device, storage device such as a solid state drive (SSD), or various household appliances. It may be an electronic system such as.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

100, 200A, 200B, : 비휘발성 메모리 소자
MC1, MC2, MC: 메모리 셀 SE: 비휘발성 기억 요소
ML: 저항성 메모리 막 TE: 상부 전극
BE: 하부 전극 TR: 트랜지스터
30, 40: 층간 절연막 40V1, 40V2: 비아 플러그들
W/L, B/L: 비트 라인
100, 200A, 200B,: nonvolatile memory device
MC1, MC2, MC: Memory Cell SE: Nonvolatile Memory Element
ML: resistive memory film TE: upper electrode
BE: lower electrode TR: transistor
30, 40: interlayer insulating film 40V1, 40V2: via plugs
W / L, B / L: Bit Line

Claims (19)

기판 및 상기 기판 상에 형성되는 복수의 메모리 셀들을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,
상기 복수의 메모리 셀들 각각은,
상기 복수의 메모리 셀들이 형성되는 인접하는 메모리 셀 영역들마다 두께가 서로 다른 제 1 층간 절연막;
상기 제 1 층간 절연막 내의 홀 내에 정의되고 인접하는 다른 하부 전극들과 서로 다른 높이를 갖는 하부 전극;
상기 하부 전극 상의 저항성 메모리 막; 및
상기 저항성 메모리 막 상의 상부 전극을 포함하며,
상기 복수의 메모리 셀들의 상기 하부 전극들에서 작은 높이를 갖는 제 1 하부 전극이 큰 높이를 갖는 다른 제 2 하부 전극의 폭 보다 더 작은 폭을 갖거나, 상기 제 1 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적이 상기 제 2 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적보다 작게 하여, 상기 하부 전극들의 높이 차이에 따른 저항값의 차이가 보상된 비휘발성 메모리 소자.
A nonvolatile memory device comprising a substrate and a plurality of memory cells formed on the substrate.
Each of the plurality of memory cells,
A first interlayer insulating layer having a different thickness for each of the adjacent memory cell regions in which the plurality of memory cells are formed;
A lower electrode defined in the hole in the first interlayer insulating layer and having a different height from other adjacent lower electrodes;
A resistive memory film on the lower electrode; And
An upper electrode on the resistive memory layer;
A first lower electrode having a smaller height in the lower electrodes of the plurality of memory cells has a width smaller than that of another second lower electrode having a large height, or between the first lower electrode and the resistive memory layer. The contact area of the non-volatile memory device having a smaller contact area between the second lower electrode and the resistive memory layer, so that the difference in resistance value according to the height difference of the lower electrodes is compensated.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막의 접촉 계면이 인접하는 메모리 셀들마다 상기 하부 전극의 높이 차이에 따라 기판에 수직한 방향으로 위치가 달라지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
And a position in which the contact interface between the lower electrode and the resistive memory layer is adjacent to the memory cell in a direction perpendicular to the substrate according to the height difference of the lower electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 메모리 셀들의 각각은 트랜지스터를 더 포함하며,
상기 하부 전극은 상기 트랜지스터의 소오스/드레인 영역 중 어느 하나에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
Each of the plurality of memory cells further comprises a transistor,
And the lower electrode is electrically connected to any one of a source / drain region of the transistor.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 메모리 셀들의 각각은 다이오드를 더 포함하며,
상기 하부 전극은 상기 다이오드의 일 단자에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
Each of the plurality of memory cells further comprises a diode,
And the lower electrode is electrically connected to one terminal of the diode.
제 1 항에 있어서,
상기 기판 상에 형성된 복수의 제 1 도전성 라인들; 및
상기 복수의 제 1 도전성 라인들과 각각 교차하여 교차점들을 정의하는 복수의 제 2 도전성 라인들을 더 포함하며,
상기 복수의 메모리 셀들은 상기 교차점들에 각각 배치되고,
상기 복수의 제 1 및 제 2 도전성 라인들 중 어느 하나는 워드 라인들이고 다른 하나는 비트 라인들인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
A plurality of first conductive lines formed on the substrate; And
Further comprising a plurality of second conductive lines crossing each of the plurality of first conductive lines and defining intersections,
The plurality of memory cells are respectively disposed at the intersections,
Wherein one of the plurality of first and second conductive lines is a word line and the other is a bit line.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 메모리 셀들은 복수의 행들과 복수의 열들로 이루어진 어레이 형태로 배치되며,
상기 하부 전극들은 상기 복수의 행들과 상기 복수의 열들 방향으로 각각 교번하여 제 1 높이 및 제 1 높이와 다른 제 2 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
The plurality of memory cells are arranged in an array of a plurality of rows and a plurality of columns,
And the lower electrodes alternately have a first height and a second height different from the first height in alternating directions of the plurality of rows and the plurality of columns, respectively.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 하부 전극의 상부 표면은 상기 제 1 층간 절연막의 상부 표면과 동일한 높이를 갖고,
상기 저항성 메모리 막은 상기 제 1 층간 절연막 상에 적층되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
The upper surface of the lower electrode has the same height as the upper surface of the first interlayer insulating film,
And the resistive memory film is stacked on the first interlayer insulating film.
제 1 항에 있어서,
상기 하부 전극들은 리세스되어 상기 홀 내에 홈을 형성하고,
상기 저항성 메모리 막은 상기 홈 내에 일부 또는 전부가 채워지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
The lower electrodes are recessed to form a groove in the hole,
And the resistive memory layer is partially or entirely filled in the groove.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 메모리 셀들 중 상기 제 1 하부 전극 상에만 선택적으로 상기 홈의 측벽과 상기 저항성 메모리 막 사이에 스페이서를 형성하여, 상기 제 1 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적을 상기 제 2 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적보다 감소시키는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 9,
A spacer may be formed between the sidewall of the groove and the resistive memory layer only on the first lower electrode of the plurality of memory cells, thereby reducing the contact area between the first lower electrode and the resistive memory layer. And less than the contact area between the electrode and the resistive memory film.
제 1 항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리 소자는,
상기 제 1 층간 절연막 상에 형성되어 상기 상부 전극을 덮는 제 2 층간 절연막; 및
상기 제 2 층간 절연막을 관통하여 상기 상부 전극과 외부 회로와의 전기적 연결을 위한 비아 플러그들을 더 포함하며,
상기 비아 플러그들 각각은 하지의 하부 전극의 높이 차이를 보상하기 위하여 인접하는 메모리 셀들마다 서로 다른 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The memory device of claim 1, wherein the nonvolatile memory device comprises:
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film to cover the upper electrode; And
Via plugs for electrically connecting the upper electrode and an external circuit through the second interlayer insulating film,
Each of the via plugs has a different height for each of the adjacent memory cells to compensate for a difference in height of the lower electrode of the lower surface.
제 1 항에 있어서,
상기 비휘발성 메모리 소자는 상변화 랜덤 액세스 메모리(PRAM) 또는 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
The method of claim 1,
The nonvolatile memory device is a phase change random access memory (PRAM) or a resistive random access memory (RRAM).
기판 상에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계;
인접하는 메모리 셀 영역들마다 두께가 서로 다르도록 상기 제 1 층간 절연막을 국부적으로 리세스시키는 단계;
상기 제 1 층간 절연막 내에 홀들을 형성하는 단계;
상기 제 1 층간 절연막 상에 상기 홀들을 채우도록 하부 전극 재료층을 형성하는 단계;
상기 제 1 층간 절연막의 표면이 노출될 때까지 상기 하부 전극 재료층을 제거하는 평탄화하여, 상기 홀들 내에 하부 전극들을 형성하는 단계; 및
상기 하부 전극 상에 순차대로 저항성 메모리 막 및 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 홀들 중 국부적으로 리세스된 메모리 셀 영역 내 제 1 홀의 폭은 국부적으로 리세스되지 않은 메모리 셀 영역 내의 제 2 홀의 폭 보다 더 작도록 상기 홀들을 형성하거나, 상기 하부 전극들 중 국부적으로 리세스된 메모리 셀 영역 내 제 1 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적이 상기 국부적으로 리세스되지 않은 메모리 셀 영역 내의 제 2 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적보다 작게 하여, 상기 하부 전극들의 높이 차이에 따른 저항값의 차이가 보상된 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
Forming a first interlayer insulating film on the substrate;
Locally recessing the first interlayer insulating layer such that thicknesses of adjacent memory cell regions are different from each other;
Forming holes in the first interlayer insulating film;
Forming a lower electrode material layer to fill the holes on the first interlayer insulating film;
Planarization to remove the lower electrode material layer until the surface of the first interlayer insulating film is exposed to form lower electrodes in the holes; And
Forming a resistive memory film and an upper electrode sequentially on the lower electrode,
Forming the holes such that the width of the first hole in the locally recessed memory cell region is smaller than the width of the second hole in the memory cell region that is not locally recessed, or locally recessed among the lower electrodes. The contact area between the first lower electrode in the memory cell region and the resistive memory film is smaller than the contact area between the resistive memory film and the second lower electrode in the memory cell region that is not locally recessed. A method of manufacturing a nonvolatile memory device, in which a difference in resistance due to a height difference is compensated for.
삭제delete 제 13 항에 있어서,
상기 하부 전극 재료층을 과잉 식각하여 상기 제 1 층간 절연막의 표면 아래로 리세스시켜 상기 홀들 내에 홈을 정의하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Over-etching the lower electrode material layer to recess below the surface of the first interlayer insulating film to define a groove in the holes.
제 15 항에 있어서,
상기 홈 내에 상기 저항성 메모리 막의 일부 또는 전부가 채워지고,
상기 제 1 하부 전극 상에만 선택적으로 상기 홈의 측벽과 상기 저항성 메모리 막 사이에 스페이서를 형성하여, 상기 제 1 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적을 상기 제 2 하부 전극과 상기 저항성 메모리 막 사이의 접촉 면적보다 감소시키는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 15,
A portion or all of the resistive memory film is filled in the groove,
A spacer may be selectively formed between the sidewall of the groove and the resistive memory layer only on the first lower electrode, thereby forming a contact area between the first lower electrode and the resistive memory layer. A method of manufacturing a nonvolatile memory device, characterized in that it is less than the contact area between.
제 13 항에 있어서,
상기 순차대로 저항성 메모리 막 및 상부 전극을 형성하는 단계는,
상기 제 1 층간 절연막 상에 저항성 메모리 재료층을 형성하는 단계;
상기 저항성 메모리 재료층 상에 상부 전극 재료층을 형성하는 단계; 및
상기 저항성 메모리 재료층과 상기 상부 전극 재료층을 동시에 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
In the forming of the resistive memory layer and the upper electrode in sequence,
Forming a resistive memory material layer over said first interlayer insulating film;
Forming an upper electrode material layer on the resistive memory material layer; And
And simultaneously patterning the resistive memory material layer and the upper electrode material layer.
제 17 항에 있어서,
상기 패터닝하는 단계 이전에, 상기 상부 전극 재료층 상에 식각 저지 재료층을 형성하는 단계;
상기 패터닝에 의해 상부 전극 재료층 상에 식각 저지막을 형성하는 단계;
상기 제 1 층간 절연막 상에 상기 식각 저지막을 덮는 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계;
상기 제 2 층간 절연막을 평탄화하는 단계;
상기 평탄화된 제 2 층간 절연막 내에 상기 식각 저지막을 노출시키는 비아 홀들을 형성하는 단계;
상기 비아 홀들을 통하여 노출된 상기 식각 저지막을 제거하는 단계; 및
상기 비아 홀들 내에 외부 회로와의 연결을 위한 비아 플러그들을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 17,
Prior to the patterning, forming an etch stop material layer on the top electrode material layer;
Forming an etch stop layer on the upper electrode material layer by the patterning;
Forming a second interlayer insulating layer on the first interlayer insulating layer to cover the etch stop layer;
Planarizing the second interlayer insulating film;
Forming via holes in the planarized second interlayer insulating layer exposing the etch stop layer;
Removing the etch stop layer exposed through the via holes; And
Forming via plugs for connection with an external circuit in the via holes.
제 18 항에 있어서,
상기 비휘발성 메모리 소자는 상변화 랜덤 액세스 메모리(PRAM) 또는 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 18,
The nonvolatile memory device may be a phase change random access memory (PRAM) or a resistive random access memory (RRAM).
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