KR101176543B1 - 저항성 메모리소자 - Google Patents

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Abstract

저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(Resistance Random Access Memory)(RRAM)에 관해 개시된다. 상기 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM)는 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 NiOx, ZrOx, Nb2O5-x, HfO, ZnO, WO3, CoO, CuO2 및 TiO2 중 어느 하나로 형성된 것으로, 두 개의 저항 상태에 의해 정보를 저장하는 제 1 산화물층; 상기 제 1 산화물층 상에 제 2 산화물 재료로 형성된 전류 제어층; 및 상기 전류 제어층에 적층되는 상부 전극;을 구비하고, 상기 전류 제어층은 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 흐르는 온-커런트(ON-current)를 감소시키도록 구성된다. 본 발명에 따르면, RRAM의 온-커런트를 종래에 비해 100 배 이상 감소시킬 수 있다.

Description

저항성 메모리소자{Resistance Random Memory Device}
도 1a는 종래 기술에 의한 저항성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 종래 저항성 메모리 소자의 전류-전압 특성을 보이는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항성 메모리 소자의 개략적 단면도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자의 전기적 등가회로도이다.
도 2c는 본 발명의 여러 실시예들에 따른 저항성 메모리 소자의 전류-전압 특성을 보이는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 구체적 한 실시예에 따른 저항성 메모리 소자의 전류-전압 특성 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자와 종래 저항성 메모리 소자의 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태에서의 저항 변화를 보이는 저항-스위칭 사이클 특성 그래프이다.
본 발명은 저항성 메모리 소자(Resistance Memory Device)에 관한 것으로 상세히는 저전력 구동이 가능한 저항성 랜덤 엑세스 메모리(Resistance Random Access Memory Device; RRAM)에 관한 것이다.
RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항값이 달라지는 특성(저항 변환 특성)을 이용한 것으로, 중앙의 산화물층과 상하의 전극을 갖춘 구조를 갖춘다.
도 1a를 참조하면, 메모리 소자(10)는 하부 전극(11), 산화물층(12) 상부 전극(13)이 순차적으로 적층 된 구조를 가진다. 산화물층(12)은 메모리 노드로 작용하는 것으로 통상 저항 변환(가변 저항) 특성을 지닌 전이 금속 산화물, 예를 들어 ZnO, TiO2, Nb2O5, ZrO2 또는 NiOx 등으로 형성된다.
NiOx, ZrOx, Nb2O5 -x 등을 이용한 RRAM은 뛰어난 스위칭 특성(endurance)와 보유력(retention) 등 비휘발성 메모리로서 많은 장점을 가지며, 이를 위한 다양한 물질이 연구되고 있다. 도 1b는 메모리 노드로서 NiOx 를 이용하는 종래 저항성 메모리 소자의 전류-전압 특성을 보이는 그래프이다. 도 1b에 도시된 바와 같이 저항성 메모리의 작동을 위해 3mA 이상의 전류가 요구됨으로 알 수 있다. 즉 메모리 소자는 소정 값 이상의 전압, 전류에서 작동하는데, 바람직하게는 전류를 낮추는 것이 필요하다. 전류를 낮추게 되면 메모리 소자가 소모하는 전력량이 감소하게 될 것이다.
따라서 여타 종류의 메모리 소자에서와 마찬가지로 저항성 메모리 소자의 저전력화에 대한 연구가 요구된다.
본 발명은 저소비전력의 저항성 메모리 소자를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면,
하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성된 것으로 두 개의 저항 상태에 의해 정보를 저장하는 제 1 산화물층;
상기 제 1 산화물층 상에 형성되는 제 2 산화물 재료로 된 전류 제어층; 그리고
상기 전류 제어층에 적층되는 상부 전극;을 구비하는 저항성 메모리 소자가 제공된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 제 1 산화물층은 NiOx , ZrOx, Nb2O5 -x, HfO, ZnO, WO3, CoO, CuO2, TiO2 중의 어느 하나로 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전류 제어층은 전이 금속이 도핑된 ZnOx 와 RuOx 중의 어느 하나의 물질 또는 전이금속 산화물로 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전류 제어층은 Al과 In 중의 어느 하나가 도핑되는 것으로 ZnO 과 RuOx 중의 어느 하나의 물질 또는 금속이 도핑된 SiO2, Zr-rich ZrO2로 중의 어느 하나의 물질로 형성된다.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 전류 제어층은 10 ohm 내지 10 kohm 범위의 저항을 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 저항성 메모리 소자에 대해 상세히 설명한다. 여기서, 도면에 도시된 각 층의 두께 및 폭은 설명을 위하여 다소 과장되게 표현되었음을 유의하여야 한다.
도 2a는 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자(20)를 나타낸 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자(20)는 하부 전극(21), 제 1 산화물층(22), 전류 제어층(23) 및 상부 전극(24)을 포함한다.
상기 제 1 산화물층(22)은 기본적으로 가변 저항 특성을 지닌 물질로서 두 개의 저항 상태를 가지는 전이 금속 산화물에 의한 메모리 노드이며 그 재료에는 NiOx , ZrOx, Nb2O5 -x, HfO, ZnO, WO3, CoO, CuO2, TiO2 등이 있다. 따라서 본 발명은 제 1 산화물층(22)의 재료로 NiOx , ZrOx, Nb2O5 -x, HfO, ZnO, WO3, CoO, CuO2, TiO2 중의 어느 하나를 이용한다.
이러한 제 1 산화물층(22) 위에는 본 발명을 특징지우는 것으로 제 2 산화물질로 된 전류 제어층(23)이 형성된다. 전류 제어층(23)은 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 다른 실시예에 따르면 In, Al 이나 전이 금속이 도핑된 ZnOx 또는 RuOx 등의 물질로 형성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상기 전류 제어층은 금속이 도핑된 SiO2 또는 Zr-rich ZrO2로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 전류 제어층은 10 ohm 내지 10 kohm 범위의 저항을 가지는 것이 바람직하다.
된다. 상기 하부 전극(21) 또는 상부 전극(24)은 전기 전도성을 지닌 금속 또는 금속 산화물로 형성되며, 구체적으로 Ir, Ru, Pt 또는 이들의 산화물로 형성된다.
상기 전류 제어층(23)의 저항은 10 옴 내지 10킬로옴의 범위내의 값을 가지며 따라서 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자(20)은 도 2b에 도시된 바와 같은 등가회로를 갖는다. 도 2b에서 RTE는 상부전극의 저항, RR은 전류 제어층의 저항, RNIO은 제 1 산화물층의 저항 그리고 RBE는 하부 전극의 저항을 나타낸다. 상기 저항 성분(RTE, RR, RNIO, RBE)들은 직렬로 연결되며, 제 1 산화물층의 저항(RNIO) 상태에 따라서 1 비트의 정보를 저장한다.
도 2c는 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자에서 제 1 산화물층이 NiO 로 형성되며 전류 제어층은 Al 이 도핑된 ZnO 로 형성된 경우 전류 제어층의 저항 변화(1, 10, 56, 120, 22, 300 (옴))에 따른 전류-전압 특성 그래프를 보인다.
도 2c에 도시된 바와 같이 저항이 낮은 상태(low R state)에서는 전류 제어층의 저항이 커질수로 전류가 감소함을 알수 있고, 그리고 저항이 높은 상태(high R state)에서는 저항에 무관하게 전류가 흐르지 않음을 알수 있다.
도 3은 Al 이 도핑된 ZnO 막을 15nm의 두께로 NiO RRAM 물질층 위에 증착한 후 스위칭 거동을 측정한 결과로서 본 발명에 따른 저항성 메모리 소자의 전류-전압 특성을 보인다. 이러한 도 3을 통해서 피이크 커런트가 100 마이크로 암페어이하에도 스위칭이 일어남을 알 수 있다. 이러한 전류는 공정 최적화를 통해 조절이 가능하다.
도 4는 Al 이 도핑된 ZnO (Al:ZnO)층의 유무(有無))가 NiO RRAM 물질의 스위칭 특성에 미치는 영향을 비교해 보인 그래프이다. 도 4를 통해서, 기존 NiO RRAM 물질의 온/오프(ON/OFF) 시 저항 값과 전류 제어용 Al 도핑된 ZnO 박막을 NiO 위에 증착하여 온/오프 저항 값을 비교 하면 온-커런트(ON current)를 최소 100배 이상 줄일 수 있음을 알 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 새로운 메모리 기술로 대두 되고 있는 RRAM에서 두 저항 상태 구현을 위한 NiO, ZrOx, Nb2O5-x 등과 같은 박막에서의 높은 온 커런트((peak current >3mA) 을 예를 들어 100 ㎂로, 크게 낮추어 종래 저항성 메모리 소자가 가지는 고전력소자의 문제를 해결하는 저전력 메모리 소자를 구현할 수 있다.　 이는 비저항이 산화물과 절연막 사이의 값을 가지는 도핑된 산화물 박막에 의한 것으로 NiO, ZrOx, Nb2O5-x와 같은 RRAM 박막이 가지고 있는 종래 메모리 소자의 높은 온 커런트 값을 최소 100배 줄일 수 있으며, 실제 온 커런트를 수 백 ㎂로 낮춤으로써 종래에 비해 획기적인 저전력 메모리 소자 구현이 가능하다.　
본 발명에 따른 저항성 메모리 소자의 제조 공정은 종래의 일반적인 DRAM 제조 공정 등의 많이 알려진 반도체 공정을 그대로 이용할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
기존의 NiOx, ZrOx, Nb2O5-x 등 저항 변화 소자 (RRAM) 은 뛰어난 스위칭 특성(endurance) 와 보유력 (retention), 동작 전압 등을 가지고 있음에도 불구하고, 높은 ON current 때문에 (peak current >3 mA) 실제 저전력 소자 구현에 어려움이 있었다. 그러나 본 발명에 따르면 전류 제어를 위한 도핑된 산화물층을 RRAM 물질 위에 형성함으로서 기존의 RRAM 소자가 가지고 있는 뛰어난 메모리 특성 가지면서도 이에 비해 우수한 저전력 메모리 소자의 구현이 가능하다.
본 발명은 NiO, ZrOx, Nb2O5 -x와 같은 ReRAM 박막이 가지고 있는 높은 온-커런트(On current) 값을 산화물과 절연막 사이의 값을 가지는 비저항의 도핑된 산화물층을 이용함으로써 온커런트를 최소 100배 이상 줄일 수 있으며, 실제로 온커런트를 수백 ㎂로 낮출 수 있다. 이러한 본 발명은 2 개의 저항상태를 가지는 산화물을 이용한 저항성 메모리 소자에 적용된다.
이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 단지 넓은 발명을 예시하고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 배열에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이며, 이는 다양한 다른 수정이 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

Claims (8)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 NiOx, ZrOx, Nb2O5-x, HfO, ZnO, WO3, CoO, CuO2 및 TiO2 중 어느 하나로 형성된 것으로, 두 개의 저항 상태에 의해 정보를 저장하는 제 1 산화물층;
    상기 제 1 산화물층 상에 제 2 산화물 재료로 형성된 전류 제어층; 그리고
    상기 전류 제어층에 적층되는 상부 전극;을 구비하고,
    상기 전류 제어층은 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이에 흐르는 온-커런트(ON-current)를 감소시키는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어층은 전이 금속이 도핑된 ZnOx 와 RuOx 중의 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어층은 전이금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어층은 Al과 In 중의 어느 하나가 도핑되는 것으로 ZnO 과 RuOx 중의 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  6. 제 5 항 있어서,
    상기 전류 제어층은 10 ohm 내지 10 kohm 범위의 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  7. 제1항, 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전류 제어층은 10 ohm 내지 10 kohm 범위의 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제어층은 금속이 도핑된 SiO2 및 Zr-rich ZrO2 중의 어느 하나의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자(RRAM).
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