KR101239962B1 - 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항메모리 소자 - Google Patents

하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항메모리 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다. 비휘발성 메모리 소자에 있어서, 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 산화물로 형성된 버퍼층; 상기 버퍼층 상에 형성되며 가변 저항 특성을 지닌 산화층; 및 상기 산화층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 가변 저항 메모리 소자를 제공한다.

Description

하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자{Variable resistive memory device comprising buffer layer on lower electrode}
도 1a은 종래 기술에 의한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 종래 기술에 의한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 가변 저항 메모리 소자의 동작 원리를 설명하기 위한 V-I 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 의한 Ru 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 문턱 전압 값을 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 Ru 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 저항 값을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 의한 W 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하 는 가변 저항 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 문턱 전압 값을 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 W 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 스위칭 사이클에 따른 저항 값을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 20... 하부 전극 12, 24... 산화층
14, 26... 상부 전극 22... 버퍼층
본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변 저항 특성을 지닌 전이 금속 산화물을 포함하는 메모리 소자의 하부 전극 상에 버퍼층을 도입함으로써 리셋 전류 값을 감소시킨 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 관한 것이다.
반도체 메모리 소자는 단위 면적당 메모리 셀의 수, 즉 집적도가 높으면서 고속 동작 특성을 지니며, 저전력에서 구동이 가능한 것이 바람직하므로 이에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다.
일반적인 반도체 메모리 장치는 회로적으로 연결된 많은 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리 장치인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 경우, 단위 메모리 셀은 한 개의 스위치와 한 개의 커패시터로 구성되는 것이 일반적 이다. DRAM은 집적도가 높고 동작 속도가 빠른 이점이 있다. 그러나, 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다.
비휘발성 메모리 소자는 전원이 꺼진 후에도 저장된 데이타가 보존될 수 있는 것으로 대표적으로 플래쉬 메모리를 들 수 있다. 플래쉬 메모리는 휘발성 메모리와 달리 비휘발성의 특성을 지니고 있으나 DRAM에 비해 집적도가 낮고 동작 속도가 느린 단점이 있다.
현재, 많은 연구가 진행되고 있는 비휘발성 메모리 소자로, MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(Resistance Random Access Memory) 등이 있다.
상술한 비휘발성 메모리 소자 중 RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항 값이 달라지는 특성(가변 저항 특성)을 이용한 것이다.
도 1a에는 일반적인 구조의 가변 저항 메모리 소자(RRAM)의 구조를 나타낸 것이다. 가변 저항 물질로 전이 금속 산화물(Transition metal oxide : TMO)을 이용한 RRAM 소자의 경우 메모리 소자로 사용가능한 스위칭 특성을 지니고 있다.
도 1a를 참조하면, 하부 전극(10), 산화층(12) 및 상부 전극(14)을 포함하는 구조를 지니고 있다. 여기서 하부 전극(10) 및 상부 전극(14)은 일반적인 전도성 물질로, 주로 금속으로 형성된 것이다. 그리고, 산화층(12)은 가변 저항 특성을 지 닌 전이 금속 산화물로 형성된다. 전이 금속 산화물의 구체적인 예로 ZnO, TiO2, Nb2O5, ZrO2 또는 NiO 등을 들 수 있다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 종래 기술에 의한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프이다. 구체적으로 약 20nm 두께의 Ru으로 하부 전극을 형성하고, 그 상부에 약 50nm 두께의 NiO로 산화층 형성한 뒤 그 상부에 약 20nm 두께의 Ru으로 상부 전극을 형성한 시편에 대해 전압을 인가하여 전류 값을 측정하였다. 도 1b를 참조하면, 첫번째 스위칭 사이클에서 약 0.7V를 인가한 경우 리셋(reset) 전류 값은 약 3mA였다. 그러나, 50회의 스위칭을 반복한 결과 리셋 전류는 약 50mA로 크게 상승한 결과를 나타내었다. 따라서, 스위칭 동작을 반복하게 되면 산화층(12)의 저항 상태가 계속적으로 변하여 가동 전압이 증가하고 리셋 전압이 증가함으로써 메모리 소자의 신뢰성에 문제가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 메모리 소자로서 동작 특성을 안정화시킬 수 있는 구조가 요구된다.
본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하부 전극 및 산화층 사이에 버퍼층을 도입하여 스위칭 동작을 반복하는 경우에도 안정된 리셋 전류 값을 나타낼 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,
하부 전극;
상기 하부 전극 상에 산화물로 형성된 버퍼층;
상기 버퍼층 상에 형성되며 가변 저항 특성을 지닌 산화층; 및
상기 산화층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자를 제공한다.
본 발명에 있어서,상기 버퍼층의 일함수는 상기 하부 전극의 일함수보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 상부 전극의 일함수는 상기 산화층의 일함수보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 전극은 일함수가 5.0eV보다 작은 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 전극은 W, Ta, Cu, Hf, Mo, Sr, Ag, In 또는 Cr로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 일함수가 5.0보다 큰 물질로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버퍼층은 Ru 산화물, Ir 산화물, Cu 산화물, Mn 산화물 또는 Ta 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 산화층은 가변 저항 특성을 지닌 p형 전이금속 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 산화층은 Ni 산화물 또는 Cu 산화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 상부 전극은 Ru, Rh, Co, Pd, Ni, Re, Pt, Ru-Ta 합금, Pt-Hf 합금, Pt-Ti 합금, Co-Ni 합금 또는 Ni-Ta 등의 물질 또는 이들의 합금으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서, 도면에 도시된 각 층이나 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자는 하부 전극(20), 하부 전극 상에 순차적으로 형성된 버퍼층(22), 산화층(24) 및 상부 전극(26)을 포함하는 구조를 지닌다.
하부 전극(20)은 W, Ta, Cu, Hf, Mo, Sr, Ag, In 또는 Cr과 같이 일함수가 5.0eV보다 낮은 물질로 형성된 것이 바람직하다. 버퍼층(22)은 하부 전극(20)보다 높은 일함수를 지닌 n형 산화물로 형성시키는 것이 바람직하며, 구체적으로 예를 들면, Ru 산화물, Ir 산화물, Cu 산화물, Mn 산화물 또는 Ta 산화물 등으로 형성된 것이다. 금속과 n형 반도체 물질의 접합의 경우 그 계면에는 쇼트키 접합 또는 오믹 접합이 형성된다. 상술한 바와 같이 버퍼층(22)이 하부 전극(20)보다 높은 일함수를 지닌 n형 산화물로 형성된 경우에는 하부 전극(20) 및 버퍼층(22) 사이에는 오믹 접합(ohmic contact) 구조가 형성된다.
산화층(24)은 가변 저항 특성을 지닌 전이 금속 산화물로 형성된 것이 바람직하며, 구체적으로 p형 산화물인 Ni 산화물 또는 Cu 산화물와 같은 물질로 형성된다. 상부 전극(26)은 산화층(26)보다 높은 일함수를 지닌 물질로 형성된 것이 바람직하다. 예를 들어, 산화층(26)이 NiO로 형성된 경우, NiO의 일함수가 약 4.2eV이므로 이보다 큰 일함수를 지닌 물질로 형성된 것이 바람직하다. 예를 들어 상부 전극(26)으로는 Ru, Rh, Co, Pd, Ni, Re, Pt, Ru-Ta 합금, Pt-Hf 합금, Pt-Ti 합금, Co-Ni 합금 또는 Ni-Ta 등의 물질 또는 이들의 합금을 포함한다. 금속과 p형 반도체 물질의 접합의 경우 그 계면에는 쇼트키 접합 또는 오믹 접합이 형성된다. 상술한 바와 같이 상부 전극(26)이 산화층(24)보다 높은 일함수를 지닌 경우에는 상부 전극(26) 및 산화층(24) 사이에는 오믹 접합(ohmic contact) 구조가 형성된다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자는 하부 전극(20) 및 버퍼층(22) 사이와 산화층(24) 및 상부 전극(26) 사이에 오믹 접합 구조가 형성된 것을 특징으로 한다. 그리고, 버퍼층(22)이 n형 산화물로 형성되고, 산화층(24)이 p형 산화물로 형성됨으로써 자체적으로 다이오드 구조를 포함하고 있다. 도 2에서는 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 메모리 소자의 단위 소자만을 도시하고 있으나, 실재 응용시 다수의 하부 전극(20)을 제 1방향으로 형성시키고, 다수의 상부 전극(26)을 하부 전극(20)과 교차하는 제 2방향으로 형성시키고, 하부 전극(20) 및 상부 전극(26)이 교차하는 영역에 버퍼층(22) 및 산화층(24)이 형성된 크로스 포인트형으로 형성시켜 사용할 수 있다. 별도의 스위칭 소자가 필요 없으므로 집적도를 크게 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자는 스퍼터링(sputtering) 등의 PVD, ALD(atomic layer deposition) 또는 CVD 공정 등을 이용하여 용이하게 제조할 수 있다
도 3은 가변 저항 메모리 소자의 일반적인 동작 원리를 나타내는 그래프이다. 여기서 가로축은 가변 저항 메모리 소자의 하부 전극(20) 및 상부 전극(26)을 통하여 인가하는 전압을 나타냈으며, 세로축은 산화층(24)에 흐르는 전류 값을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 전압을 0V에서 점차적으로 증가시키면, 전압에 비례하여 G1 그래프를 따라 전류 값이 증가한다. 그러나, V1 이상의 전압을 가하게 되면, 저항의 갑작스런 증가하여 전류 값이 감소하는 현상을 나타낸다. V1 ~ V2 범위의 인가 전압에서는 전류 값이 G2 그래프를 따라 증가한다. 그리고, V2(V2 > V1) 이상의 전압을 가하게 되면, 저항이 갑자기 감소하여 전류가 증가하게 되어 다시 G1 그래프를 따르는 것을 알 수 있다. 여기서, G1 그래프에 따른 상태를 on 상태로 정의하고, G2 그래프에 따른 상태를 off 상태라 정의한다. 그리고, V1을 셋전압이라 정의하고 V2를 리셋 전압으로 정의한다.
한편, V1보다 큰 전압 범위에서 인가하는 전압의 크기에 따라 메모리 소자의 전기적 특성이 이후의 V1 보다 작은 전압 인가 시 전기적 특성에 영향을 미치게 되는데, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저, V1 ~ V2 범위의 전압을 메모리 소자에 인가한 후, V1 보다 작은 전압을 다시 인가하면, 측정되는 전류는 G2 그래프에 따른 전류 값이 측정된다. 반면 그리고, V2보다 큰 범위의 전압(예를 들어 V3)을 메모리 소자에 인가한 후, V1 보다 작은 전압을 다시 인가하면, 측정되는 전류는 도 3의 G1 그래프에 따른 전류 값이 측정된다. 이를 통하여 V1 보다 큰 전압 범위에서 인가하는 전압의 크기(V1 ~ V2 범위 또는 V2보다 큰 범위)에 따라 메모리 소자에 미치는 전기적 특성이 영향을 미침을 알 수 있다. 따라서, 이러한 결과를 통하여 전이 금속 산화물을 메모리 소자에 사용하여 저항 구배를 지닌 다층막을 비휘발성 메모리 소자에 응용할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 도 3의 V1 ~ V2 범위에서 전압을 인가한 경우의 메모리 소자의 상태를 "0"으로 지정하고, V2보다 큰 범위의 전압을 인가한 경우의 메모리 소자의 상태를 "1"로 지정하여 데이타를 기록한다. 데이타를 재생하는 경우에는, V1보다 작은 범위의 전압을 인가하여 산화층에 흐르는 전류 값을 측정하여 메모리 소자에 저장된 데이타가 "0"의 상태인지 "1"의 상태인지를 알 수 있게 되는 것이다. 여기서 상태 "1" 및 "0"의 지정은 선택적인 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 Ru 하부 전극(20nm) 상에 Ru 산화물로 버퍼층(20nm)을 형성하고 그 상부에 NiO 산화층(50nm) 및 Ru 상부 전극(20nm)을 형성한 가변 저항 메모리 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4a는 스위칭 동작을 500회까지 반복하였을 때의 문턱 전압의 크기를 나타낸 것으로, 스위칭 동작 횟수가 250회 이하에서는 셋 전압의 경우 다소 편차가 있으나 200회 이상에서는 일정하게 유지되며, 리셋 전압 값은 약 0.5 V로 대부분의 경우 일정하게 유지되는 것을 알 수 있 다. 도 4b는 스위칭 동작을 500회까지 반복하였을 때, 셋 전류 값 및 리셋 전류 값을 나타낸 것으로, 스위칭 동작 횟수가 증가할수록 리셋 전류 값이 점차 증가하고 있으나, 약 10mA의 크기에서 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이는 종래 기술에 의한 스위칭 소자의 리셋 전류 값이 50mA에 비해 크게 감소한 것이다. 도 4c는 스위칭 동작을 500회까지 반복하였을 때의 온 상태 및 오프 상태의 저항 값을 나타낸 그래프이다. 도 4c를 참조하면 스위칭 동작의 횟수가 증가할수록 안정된 저항 특성을 나타내게 되는 것을 확인할 수 있다. 그래프에서는 도시하지 않고 있으나, 약 1000회의 스위칭 동작 실험에서도 매우 안정된 특성을 나타내었다. 도 1b에 나타낸 종래 기술에 의한 가변 저항 메모리 소자에 비해 리셋 전류 값이 크게 감소하였고 및 스위칭 동작시의 안정성이 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 W 하부 전극(20nm) 상에 Ru 산화물로 버퍼층(20nm)을 형성하고 그 상부에 NiO 산화층(50nm) 및 Ru 상부 전극(20nm)을 형성한 가변 저항 메모리 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5a는 스위칭 동작을 250회까지 반복하였을 때의 문턱 전압의 크기를 나타낸 것으로, 스위칭 동작 횟수에 따라 셋 전압의 경우 다소 편차가 있으나 일정하게 유지되며, 리셋 전압 값도 대체로 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 도 5b는 스위칭 동작을 250회까지 반복한 경우, 셋 전류 값 및 리셋 전류 값을 나타낸 그래프이다. 도 5b를 참조하면, 스위칭 동작 횟수에 관계없이 꾸준히 리셋 전류 값이 1 내지 3mA의 범위에 집중적으로 분포하는 것을 알 수 있다. 이는 종래 기술에 의한 스위칭 소자의 리셋 전류 값이 50mA에 비해 크게 감소한 것임을 알 수 있다. 도 5c는 스위칭 동작을 250회까지 반복하였을 때의 온 상태 및 오프 상태의 저항 값을 나타낸 그래프이다. 도 5c를 참조하면 스위칭 동작의 횟수에 상관없이 온 상태 및 오프 상태의 저항 값이 매우 안정된 특성을 나타내게 되는 것을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 권리 범위에 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, 매우 간단한 구조로 안정된 스위칭 특성을 지니며, 크로스 포인트형 메모리 소자로 사용가능하여 고집적화에 유리한 장점이 있다. 또한, 상부 전극 및 메모리 노드 사이에 버퍼층을 형성하여 경제적이며 안정된 동작 특성을 지닌 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (10)

  1. 가변 저항 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 소자에 있어서,
    하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 산화물로 형성된 버퍼층;
    상기 버퍼층 상에 형성되며 가변 저항 특성을 지닌 산화층; 및
    상기 산화층 상에 형성된 상부 전극;을 포함하며,
    상기 버퍼층은 n형 산화물로 형성되고, 상기 산화층은 가변 저항 특성을 지닌 p형 전이금속 산화물로 형성되며, 상기 하부 전극 및 상기 버퍼층 사이에 오믹 접합 구조가 형성된 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층의 일함수는 상기 하부 전극의 일함수보다 큰 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 전극의 일함수는 상기 산화층의 일함수보다 큰 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 전극은 일함수가 5.0eV보다 작은 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하부 전극은 W, Ta, Cu, Hf, Mo, Sr, Ag, In 또는 Cr로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 일함수가 5.0보다 큰 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 버퍼층은 Ru 산화물, Ir 산화물, Cu 산화물, Mn 산화물 또는 Ta 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 산화층은 Ni 산화물 또는 Cu 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 Ru, Rh, Co, Pd, Ni, Re, Pt, Ru-Ta 합금, Pt-Hf 합금, Pt-Ti 합금, Co-Ni 합금 또는 Ni-Ta을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.
KR1020060040389A 2006-05-04 2006-05-04 하부 전극 상에 형성된 버퍼층을 포함하는 가변 저항메모리 소자 KR101239962B1 (ko)

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