KR101402085B1 - Manufacturing method of resistance switching random access memory using reduction reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명에서는 ReRAM 소자를 제조함에 있어서 화학양론 산화막과 비화학양론 산화막의 이중 구조 산화막을 형성하고, 비화학양론 산화막을 형성함에 있어 H2를 이용한 환원반응을 이용하여 산화막의 산소 조성을 조절한다. 또한, 후속 열공정 단계에서 N2/H2 혼합가스의 H2 양에 따른 산화막의 추가적인 환원반응을 유도한다. 본 발명에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법은, 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극 위에 제1 산화막을 형성하는 단계, 상기 제1 산화막 위에 제2 산화막을 형성하는 단계, 및 상기 제2 산화막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.In the present invention, the dual structure oxide film of a stoichiometric oxide film and a non-stoichiometric oxide film is formed in the production of a ReRAM device, and the oxygen composition of the oxide film is controlled by a reduction reaction using H 2 in forming a non-stoichiometric oxide film. Further, in the subsequent thermal processing step, an additional reduction reaction of the oxide film depending on the amount of H 2 in the N 2 / H 2 mixed gas is induced. A method of manufacturing a ReRAM device according to the present invention includes the steps of forming a lower electrode on a substrate, forming a first oxide film on the lower electrode, forming a second oxide film on the first oxide film, And forming an upper electrode on the oxide film.
Description
본 발명은 저항 스위칭(resistance switching) 특성을 가지는 금속 산화막을 이용한 비휘발성 저항 스위칭 메모리 (Resistance Switching Random Access Memory: ReRAM) 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
지금까지 반도체 관련 산업은 1980년대의 소형화, 집적화, 1990년대의 초소형화, 고집적화를 기반으로 성공적으로 발전되었다. 이런 성공은 소자 크기가 작아지더라도 소자 작동 원리가 그대로 유지될 수 있다는 것을 기반으로 한다. 따라서 기존의 기술 방식의 연장선상에서 그 기술을 보다 향상시키는 방향으로 모든 연구 개발이 이루어졌으며 지금까지 매우 성공적이었다. 하지만, 정보화와 통신화가 가속됨에 따라 더 많은 정보를 더욱 빠르게 처리할 수 있는 능력을 가진 반도체 소자와 시스템의 성능 향상의 필요성이 대두되었으며, 이를 위해 핵심부품인 메모리 소자의 초고속화, 초고집적화 및 초절전화가 필수적이다. 따라서, 고용량 정보 저장에 필요한 초고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다도 커지고 있는 실정이다. 최근 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면 비휘발성 차세대 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자로서 PRAM(Phase Change RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory), ReRAM, PoRAM(Polymer RAM), MRAM(Magnetic RAM), Molecular memory 등이 있으며 이러한 차세대 메모리 개발은 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력, Flash 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 모두 구현하기 위한 방향으로 이루어지고 있다. 특히, ReRAM 소자는 상기 메모리 소자의 장점을 모두 가지고 있어서 유력한 차세대 메모리로 거론되고 있다.So far, the semiconductor industry has been successfully developed based on miniaturization and integration in the 1980s, miniaturization in the 1990s, and high integration. This success is based on the fact that the principle of device operation can be maintained even if the device size is reduced. Therefore, all the research and development has been carried out in the direction of improving the technology on the extension of the existing technology, and it has been very successful so far. However, as information and communication have accelerated, there has been a need to improve the performance of semiconductor devices and systems capable of processing more information faster. To achieve this, the memory devices, which are core components, Anger is essential. Therefore, there is a growing need for the development of nonvolatile memory devices capable of ultra-high integration required for high-capacity information storage. According to the recent International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), devices that are emerging as the next generation of nonvolatile memory are Phase Change RAM (PRAM), Nano Floating Gate Memory (NFGM), ReRAM, Polymer RAM (PoRAM) ), And Molecular memory. These next-generation memory developments are aimed to realize high integration of DRAM, low power consumption, nonvolatility of flash memory, and high-speed operation of SRAM. In particular, the ReRAM device has been considered as a next-generation memory, which has all the advantages of the memory device.
종래의 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 산화막 형성 방법을 살펴보면, 대표적으로 스퍼터와 원자층 증착 장비를 이용하여 전이 금속 산화막을 형성하고 있다. 스퍼터는 전이 금속 산화막의 조성 조절에는 용이하나 화학양론적 산화막 형성에 어려움이 있다. 반면, 원자층 증착 장비는 안정적인 화학양론 산화막 형성에는 용이하나 산화막의 조성 조절에는 어려움이 있다. In a conventional method of forming an oxide film of a nonvolatile resistance switching memory, a transition metal oxide film is formed using sputter and atomic layer deposition equipment. Sputtering is easy to control the composition of the transition metal oxide film, but it is difficult to form a stoichiometric oxide film. On the other hand, atomic layer deposition equipment is easy to form stable stoichiometric oxide film, but it is difficult to control the composition of oxide film.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 산화막의 산소 조성을 조절할 수 있는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above technical background, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a nonvolatile resistance switching memory capable of adjusting an oxygen composition of an oxide film.
본 발명은 또한 비휘발성 저항 스위칭 메모리의 효율적인 저항 스위칭 동작 특성을 구현할 수 있는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법을 제공하고자 한다. The present invention also seeks to provide a non-volatile resistance switching memory fabrication method capable of realizing efficient resistance switching operating characteristics of a non-volatile resistance switching memory.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 ReRAM 소자를 제조함에 있어서 화학양론 산화막과 비화학양론 산화막의 이중 구조 산화막을 형성하고, 비화학양론 산화막을 형성함에 있어 H2를 이용한 환원반응을 이용하여 산화막의 산소 조성을 조절한다. 또한, 후속 열공정 단계에서 N2/H2 혼합가스의 H2 양에 따른 산화막의 추가적인 환원반응을 유도한다.According as this produced a ReRAM device according to the present invention to solve the problems stoichiometric oxide film by a reduction reaction it using H 2 as an oxide film is formed as a double structure oxide of non-stoichiometric oxide layer, and forming a non-stoichiometric oxide layer Of oxygen. Further, in the subsequent thermal processing step, an additional reduction reaction of the oxide film depending on the amount of H 2 in the N 2 / H 2 mixed gas is induced.
즉, 본 발명의 일면에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법은, 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극 위에 제1 산화막을 형성하는 단계, 상기 제1 산화막 위에 제2 산화막을 형성하는 단계, 및 상기 제2 산화막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.That is, a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention includes forming a lower electrode on a substrate, forming a first oxide film on the lower electrode, forming a second oxide film on the first oxide film, And forming an upper electrode on the second oxide film.
여기에서, 상기 하부 전극은 Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta, Ni 중 적어도 하나의 금속물질로 형성될 수 있다.The lower electrode may be formed of at least one metal material selected from Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta and Ni.
상기 하부 전극 위에는 상기 하부 전극과 상기 상부 전극의 전기적 분리를 위한 제1 절연막을 증착할 수 있으며, 상기 제1 절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 중 하나를 사용하는 것이 바람직하다.A first insulating layer may be deposited on the lower electrode to electrically isolate the lower electrode from the upper electrode. The first insulating layer may be formed of one of a silicon oxide layer and a silicon nitride layer.
상기 제1 산화막은 current barrier 용 화학양론 산화막으로서, HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3 또는 Ta2O5으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 산화막은 원자층 증착 장비를 사용하여 plasma enhanced 원자층 증착 방법으로 형성될 수 있다.The first oxide film is a stoichiometric oxide film for current barrier, and includes HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 Or Ta 2 O 5 , and the first oxide layer may be formed by a plasma enhanced atomic layer deposition method using an atomic layer deposition apparatus.
상기 제2 산화막은 저항 스위칭용 비화학양론 산화막으로서, AlOx, ZrOX, TiOX, NiOx, ZnOX, MnOX, WOX, Ta-OX 또는 HfOX 로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 산화막은 plasma enhanced 원자층 증착의 H2 환원 반응을 통해 증착될 수 있다. The second oxide film may be made of AlO x , ZrO x , TiO x , NiO x , ZnO x , MnO x , WO x , Ta - O x or HfO x as the nonstoichiometric oxide film for resistance switching, The oxide layer can be deposited by H 2 reduction reaction of plasma enhanced atomic layer deposition.
또한, 상기 제2 산화막은 상기 증착 후 N2/H2 혼합 가스를 사용한 열공정을 통한추가적인 H2 환원 반응에 의해 산소 조성이 조절될 수 있다. Further, the oxygen composition of the second oxide layer can be controlled by an additional H 2 reduction reaction through a thermal process using the N 2 / H 2 mixed gas after the deposition.
상기 상부 전극은 TiN, TaN, Ti, Al, Ta 중 적어도 하나의 금속물질로 형성될 수 있다. The upper electrode may be formed of at least one metal material selected from TiN, TaN, Ti, Al, and Ta.
본 발명의 plasma enhanced 원자층 증착 장비와 N2/H2 후속 열공정을 이용한 H2를 통한 환원 반응을 통해 비화학양론 금속 산화막의 조성을 조절하는 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법은 종래의 저항 스위칭 동작 특성에서 오는 비효율적인 동작 특성을 개선함으로써 보다 효율적인 저항 스위칭 동작 특성을 구현할 수 있다.The nonvolatile resistive switching memory fabrication method of controlling the composition of the non-stoichiometric metal oxide film through the H 2 reduction reaction using the plasma enhanced atomic layer deposition apparatus of the present invention and the N 2 / H 2 subsequent thermal process, It is possible to realize a more efficient resistance switching operation characteristic by improving the inefficient operating characteristic from the characteristic.
Plasma enhanced 원자층 증착 장비를 이용하여, 전이 금속 산화막 증착 과정에 H2 가스를 이용한 환원 반응을 통해 전이 금속 산화막의 산소 공공과 같은 결함 정량을 조절하여 PVD 장비를 이용하는 것보다 용이하게 집적도를 높이고 효율적으로 저항 스위칭 동작 특성을 구현할 수 있다. By using plasma enhanced atomic layer deposition equipment, it is possible to control defect quantities such as oxygen vacancies of transition metal oxide films through reduction reaction using H 2 gas during the transition metal oxide film deposition process, The resistance switching operation characteristic can be realized.
H2 환원 반응은 후속 열공정 상에서는 600도 이상의 고온에서 일어나지만, 플라즈마를 이용할 경우 원자층 증착 온도 구간에서도 쉽게 환원 반응을 시킬 수 있다. 그러므로, 원자층 증착 장비 내에서 in-situ 공정으로 비화확양론 산화막과 화확양론 산화막을 증착할 수 있고 표면 처리 역시 추가적으로 진행할 수 있다. 이에 따라 스위칭 전류를 원자층 증착 장비로만 조절할 수 있고 writing 시에 1/2전압 인가에 의한 sneak 전류를 줄이기 위한 구조를 형성시키기에도 유용하게 사용될 수 있다.Although the H 2 reduction reaction occurs at a high temperature of 600 ° C. or higher in the subsequent thermal process, the reduction reaction can be easily performed even at the atomic layer deposition temperature range using the plasma. Therefore, in-situ processes in non-atomic layer deposition equipment can be used to deposit non-sputtering oxide and nitride-oxide films, and additional surface treatments can be performed. Accordingly, the switching current can be controlled only by the atomic layer deposition apparatus, and it can be useful for forming a structure for reducing the sneak current due to the application of the half voltage at the time of writing.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 ReRAM 소자를 나타낸 것으로서, 도 1a는 비화학양론 산화막과 화학양론 산화막의 이중 구조를 이용한 단일 저항 스위칭 소자를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 저항 스위칭 소자를 포함하는 cross-point ReRAM 소자를 나타내며, 도 1c는 도 1b에 나타난 소자의 등가 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법에서 H2를 통한 환원반응을 통한 비화학양론 산화막의 형성과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 H2를 통한 환원 반응을 통해 비화확양론 산화막을 형성한 ReRAM 소자의 저항 변화 특성을 나타낸다.1A to 1C show a ReRAM device manufactured according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a single-resistance switching device using a dual structure of a non-stoichiometric oxide film and a stoichiometric oxide film. FIG. Point ReRAM device including a resistance switching element, and Fig. 1C is an equivalent circuit diagram of the device shown in Fig. 1B.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a process of forming a non-stoichiometric oxide film by a reduction reaction through H 2 in a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the resistance change characteristics of a ReRAM device in which a non-random oxide film is formed through a reduction reaction through H 2 according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. It is noted that the terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification are intended to be inclusive in a manner similar to the components, steps, operations, and / Or additions.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법에서는 비화학양론 산화막과 화확양론 산화막의 이중 구조 산화막을 생성하며, 산화막의 생성에는 Plasma enhanced 원자층 증착 장비를 사용한다. In the method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention, a dual structure oxide film of a non-stoichiometric oxide film and a nitrided oxide film is formed, and a plasma enhanced atomic layer deposition apparatus is used to form an oxide film.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 ReRAM 소자를 나타낸 것으로서, 도 1a는 비화학양론 산화막과 화학양론 산화막의 이중 구조를 이용한 단일 저항 스위칭 소자를 나타내고, 도 1b는 도 1a의 저항 스위칭 소자를 포함하는 cross-point ReRAM 소자를 나타내며, 도 1c는 도 1b에 나타난 소자의 등가 회로도이다.1A to 1C show a ReRAM device manufactured according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows a single-resistance switching device using a dual structure of a non-stoichiometric oxide film and a stoichiometric oxide film. FIG. Point ReRAM device including a resistance switching element, and Fig. 1C is an equivalent circuit diagram of the device shown in Fig. 1B.
도 1a 내지 도 1b에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 ReRAM 소자는 하부 전극(110), 하부 전극 위에 형성된 제1 산화막(120), 제1 산화막 위에 형성된 제2 산화막(130) 및 제2 산화막(130) 위에 형성된 상부 전극(140)을 포함하여 이루어진다.1A and 1B, a ReRAM device manufactured according to an embodiment of the present invention includes a
여기에서, 제1 산화막은 current barrier 용 화학양론 산화막으로서 HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3 또는 Ta2O5로 이루어질 수 있으며, 제2 산화막은 저항 스위칭용 비화학양론 산화막으로서 AlOx, ZrOX, TiOX, NiOx, ZnOX, MnOX, WOX, Ta-OX 또는 HfOX 로 이루어질 수 있다. Here, the first oxide film may be a stoichiometric oxide film for current barrier, such as HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 Or Ta 2 O 5 , and the second oxide film may be a non-stoichiometric oxide film for resistance switching, such as AlO x , ZrO x , TiO x , NiO x , ZnO x , MnO x , WO x , Ta - O x, or HfO x ≪ / RTI >
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 나타난 바와 같이, 먼저 하부 전극을 형성한다(S210). 하부 전극 형성 단계에는 기판 위에 제1 전도막 물질을 증착하고, 전극 패턴끼리의 분리를 위한 제 1 절연막을 증착한 다음 하부 전극 형성을 위한 패터닝 후 이후 하부 전극 위에 형성될 금속 산화막끼리의 분리와 하부 전극과 상부 전극을 금속 산화막으로 연결하기 위한 컨택홀(contact hole)의 패터닝 과정이 포함된다. 하부 전극을 형성하는 물질로는 Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta, Ni 등의 금속이 사용될 수 있다.As shown in FIG. 2, a lower electrode is formed first (S210). In the lower electrode forming step, the first conductive film material is deposited on the substrate, the first insulating film for separating the electrode patterns is deposited, and after the patterning for forming the lower electrode, the metal oxide films to be formed on the lower electrode are separated from each other, And a patterning process of a contact hole for connecting the electrode and the upper electrode to the metal oxide film. As the material for forming the lower electrode, metals such as Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta, and Ni may be used.
다음, 패터닝된 하부 전극 위에 제1 산화막인 화학양론 산화막을 형성한다(S220). 화학양론 산화막은 HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3 또는 Ta2O5 로 형성할 수 있으며, 안정된 화학양론 산화막의 형성을 위해 원자층 증착 장비 또는 plasma enhanced 원자층 증착 장비를 사용할 수 있다. Next, a stoichiometric oxide film, which is a first oxide film, is formed on the patterned lower electrode (S220). The stoichiometric oxide film may be formed of HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 Or Ta 2 O 5 , and an atomic layer deposition apparatus or a plasma enhanced atomic layer deposition apparatus can be used to form a stable stoichiometric oxide film.
그리고, 제1 산화막인 화학양론 산화막 위에 제2 산화막인 비화학양론 산화막을 형성한다(S230). 비화학양론 산화막은 AlOx, ZrOX, TiOX, NiOx, ZnOX, MnOX, WOX, Ta-OX 또는 HfOX 으로 형성할 수 있으며, plasma enhanced 원자층 증착의 H2 환원 반응을 통해 증착되는 것과 N2/H2의 후속 열공정을 통해 추가적으로 H2 환원 반응하는 것을 포함한다.Then, a non-stoichiometric oxide film which is a second oxide film is formed on the stoichiometric oxide film which is the first oxide film (S230). The nonstoichiometric oxide film can be formed of AlO x , ZrO x , TiO x , NiO x , ZnO x , MnO x , WO x , Ta - O x, or HfO x and the H 2 reduction reaction of plasma enhanced atomic layer deposition to that deposited via involves additional H 2 reduction through subsequent thermal processing of the N 2 / H 2.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조 방법에서 H2를 통한 환원반응을 통한 비화학양론 산화막의 형성과정을 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a view showing a process of forming a non-stoichiometric oxide film by a reduction reaction through H 2 in a method of manufacturing a ReRAM device according to an embodiment of the present invention.
Plasma enhanced 원자층 증착 장비의 서셉터(susceptor)(310) 위에 하부 전극과 화학양론 산화막이 형성된 기판(100)을 위치시키고, 두 가지 소스물질을 샤워헤드(320)를 통해 분사한다. 본 발명의 실시예에 따른 ReRAM 소자의 제조방법에서는 비화학양론 금속 산화막을 생성하고자 하므로, 소스물질로는 금속 물질과 O2 등이 사용될 수 있다. 소스물질을 공급하는 것과 동시에 서셉터와 샤워헤드 사이에 N2/H2 혼합가스 플라즈마를 발생시킨다. A
이와 같은 plasma enhanced 원자층 증착 공정 중에 H2를 통한 환원반응에 따라 산화막의 조성이 조절될 수 있다. 즉, H2를 통한 환원반응에 따라 전이 금속 산화막의 산소 공공과 같은 결함 정량을 조절하여 PVD 장비를 이용하는 것보다 용이하게 집적도를 높이고 효율적으로 저항 스위칭 동작 특성을 구현할 수 있다. During the plasma enhanced atomic layer deposition process, the composition of the oxide film can be controlled by the reduction reaction through H 2 . That is, it is possible to control the defect quantification such as the oxygen vacancies of the transition metal oxide film according to the reduction reaction through H 2 , so that the integration degree can be easily increased and the resistance switching operation characteristics can be realized more easily than using the PVD equipment.
또한, 비화학양론 산화막 증착의 후속 열공정으로 N2/H2 혼합가스를 사용하여 산화막의 추가적인 환원 반응을 유도할 수 있으며, 이 때 H2 양을 조절함에 따라 산화막의 조성을 조절할 수 있다. In the subsequent thermal process of the non-stoichiometric oxide deposition, an additional reduction reaction of the oxide film can be induced by using a N 2 / H 2 mixed gas. The composition of the oxide film can be controlled by adjusting the amount of H 2 .
한편, H2 환원 반응은 후속 열공정 상에서는 600도 이상의 고온에서 일어나지만, 플라즈마를 이용할 경우 원자층 증착 온도 구간에서도 쉽게 환원 반응을 시킬 수 있다. 그러므로, 원자층 증착 장비 내에서 in-situ 공정으로 비화확양론 산화막과 화확양론 산화막을 증착할 수 있고 표면 처리 역시 추가적으로 진행할 수 있다. 이에 따라 스위칭 전류를 원자층 증착 장비로만 조절할 수 있고 writing시에 1/2전압 인가에 의한 sneak 전류를 줄이기 위한 구조를 형성시키기에도 유용하게 사용될 수 있다.On the other hand, the H 2 reduction reaction occurs at a high temperature of 600 ° C. or higher in the subsequent thermal process, but the reduction reaction can be easily performed even at the atomic layer deposition temperature range using plasma. Therefore, in-situ processes in non-atomic layer deposition equipment can be used to deposit non-sputtering oxide and nitride-oxide films, and additional surface treatments can be performed. Accordingly, the switching current can be controlled only by the atomic layer deposition apparatus, and it can be useful for forming a structure for reducing the sneak current due to the application of the half voltage at the time of writing.
마지막으로, 제2 산화막 위에 상부 전극을 형성한다(S240). 상부 전극을 형성하는 단계는 제2 산화막 위에 전극 물질로 사용될 제2 전도막을 증착하고 패터닝하는 과정을 포함한다. 상부 전극은 상기 하부 전극과 마찬가지로 반도체 소자 제조 시 금속 배선에 사용되는 금속 물질과 TiN, TaN, Ti, Al, Ta 등과 산소에 반응성이 높고 저항 스위칭 특성이 잘 나타나는 금속 물질이 상부 전극으로 사용될 수 있다. Finally, an upper electrode is formed on the second oxide film (S240). The forming of the upper electrode includes depositing and patterning a second conductive film to be used as an electrode material on the second oxide film. The upper electrode, like the lower electrode, may be a metal material used for metal wiring in manufacturing semiconductor devices and a metal material having high resistance to oxygen and exhibiting resistance switching characteristics such as TiN, TaN, Ti, Al, .
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 H2를 통한 환원 반응을 통해 비화확양론 산화막을 형성한 ReRAM 소자의 저항 변화 특성을 나타낸다.FIG. 4 shows the resistance change characteristics of a ReRAM device in which a non-random oxide film is formed through a reduction reaction through H 2 according to an embodiment of the present invention.
도 4에 나타난 바와 같이, 종래의 저항 스위칭 동작 특성의 비효율성이 개선되고 매우 효율적인 저항 스위칭 동작 특성이 나타남을 알 수 있다. As shown in Fig. 4, it can be seen that the inefficiency of the conventional resistance switching operation characteristic is improved and a highly efficient resistance switching operation characteristic appears.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다. While the invention has been described in terms of the preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims are intended to embrace all such modifications and variations as fall within the true spirit of the invention.
Claims (10)
형성된 상기 하부 전극 상에 원자층 증착 장비를 사용하여 plasma enhanced 원자층 증착 방법으로 화학양론 산화막인 제1산화막을 형성하는 단계,
형성된 상기 제1산화막 위에 plasma enhanced 원자층 증착의 H2 환원 반응을 통해 증착되는 비화학양론 산화막인 제2산화막을 형성하는 단계; 및
상기 제2산화막 위에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 제2산화막은 증착 후 N2 / H2 혼합 가스를 사용한 열공정을 통한 추가적인 H2 환원 반응에 의해 산소 조성이 조절되는 것
인 ReRAM 소자의 제조 방법.
Forming a lower electrode on the substrate,
Forming a stoichiometric oxide layer on the lower electrode using a plasma enhanced atomic layer deposition method using an atomic layer deposition apparatus,
Forming a second oxide film, which is a non-stoichiometric oxide film, deposited through the H 2 reduction reaction of the plasma enhanced atomic layer deposition on the formed first oxide film; And
Forming an upper electrode on the second oxide film,
The second oxide film is formed by an additional H 2 reduction reaction through a thermal process using an N 2 / H 2 mixed gas after deposition to control the oxygen composition
Lt; / RTI >
상기 하부 전극은 Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta, Ni 중 적어도 하나의 금속물질로 형성되는 ReRAM 소자의 제조 방법.The method according to claim 1,
Wherein the lower electrode is formed of at least one metal material selected from Pt, Au, Ir, TiN, TaN, Ti, Al, Ta, and Ni.
상기 하부 전극 위에 상기 하부 전극과 상기 상부 전극의 전기적 분리를 위한 제1 절연막을 증착하는 ReRAM 소자의 제조 방법.The method according to claim 1,
And depositing a first insulating layer on the lower electrode for electrical isolation between the lower electrode and the upper electrode.
상기 제1 절연막은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 중 하나를 사용하는 ReRAM 소자의 제조 방법.The method of claim 3,
Wherein the first insulating film is one of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
상기 제1 산화막은 current barrier 용 화학양론 산화막으로서,
HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3 또는 Ta2O5인 ReRAM 소자의 제조 방법.The method according to claim 1,
The first oxide film is a stoichiometric oxide film for current barrier,
HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 Or Ta 2 O 5 .
상기 제2 산화막은 저항 스위칭용 비화학양론 산화막으로서,
AlOx, ZrOX, TiOX, NiOx, ZnOX, MnOX, WOX, TaOX 또는 HfOX 인 (여기서, x는 양의 실수)
ReRAM 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second oxide film is a non-stoichiometric oxide film for resistance switching,
AlO x , ZrO x , TiO x , NiO x , ZnO x , MnO x , WO x , TaO x or HfO x (where x is a positive real number)
A method of manufacturing a ReRAM device.
상기 상부 전극은 TiN, TaN, Ti, Al, Ta 중 적어도 하나의 금속물질로 형성되는 ReRAM 소자의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the upper electrode is formed of at least one metal material selected from the group consisting of TiN, TaN, Ti, Al, and Ta.
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