KR101531154B1 - 저항변화 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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주영창
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 양호한 소자 특성을 가지는 비정질 산화물 박막 기반의 저항변화 소자 및 그 제조방법을 위하여, 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상의 제 2 전극, 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 비정질 산화물 박막을 포함하는 저항변화 소자를 제공한다. 상기 비정질 산화물 박막은 내부에 금속 입자들이 분산되어 분포하며, 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 금속 입자들이 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트)의 적어도 일부를 형성할 수 있다.

Description

저항변화 소자 및 그 제조방법{Resistive switching device and method of fabricating the same}
본 발명은 저항변화 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 산화물 박막을 포함하는 저항변화 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
저항변화 소자는 인가되는 바이어스에 따라 저항이 급격하게 변화하여 서로 다른 두 저항 상태를 스위칭할 수 있는 물질을 이용하여 메모리 소자 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 저항변화 메모리 소자는 데이터를 저장하기 위한 복수의 저항변화 소자와 원하는 저항변화 소자를 선택하기 위한 복수의 선택 소자를 포함한다. 복수의 저항변화 소자는 각각 하나의 선택 소자에 연결되어 하나의 셀(Cell)을 구성할 수 있다.
저항변화 소자에서는 상부 전극과 하부 전극 사이에 인가되는 바이어스에 따라 저항층 내에 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 필라멘트 전류 통로가 생성되거나 생성된 산소 공공이 제거되어 이미 형성된 필라멘트 전류 통로가 사라지는데, 이와 같은 필라멘트 전류 통로의 생성 또는 소멸에 의하여 상기 저항층은 서로 구별될 수 있는 두 저항 상태를 갖게 된다. 즉, 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작에 의해 데이터를 저장하게 된다.
필라멘트 전류 통로가 생성되거나 소멸되는 상기 저항층으로 산화물 박막 또는 칼코겐 화합물 박막이 적용될 수 있다. 예를 들어, 산화물 박막 기반의 저항변화 소자는 투명하고 유연한 디바이스에 적합하다. 저항변화 소자에서 산화물 박막이 결정질인 경우에는 입계 효과(grain boundary effect) 등에 의하여 소자의 균일성과 기계적 안정성 측면에서 불리하므로, 입계가 없는 비정질 산화물 박막을 구비하는 저항변화 소자에 대한 연구가 진행되고 있다.
그러나, 예를 들어, 결정질인 산화티타늄(TiO2) 박막에 비하여 비정질인 산화알루미늄(Al2O3) 박막을 구비하는 저항변화 소자에서 리셋(RESET) 상태의 전류의 흔들림(fluctuation)이 나타나는 것처럼, 비정질 산화물 박막 기반의 저항변화 소자는 결정질 산화물 박막 기반의 저항변화 소자에 비해서 소자 특성이 양호하지 못한 것으로 알려져 있다. 즉, 비정질 박막 내부의 전기적 균일성 때문에 저항변화 소자의 소자 특성이 오히려 열화되는 문제점이 나타난다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 양호한 소자 특성을 가지는 비정질 산화물 박막 기반의 저항변화 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 저항변화 소자가 제공된다. 상기 저항변화 소자는 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상의 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 비정질 산화물 박막;을 포함한다. 상기 비정질 산화물 박막은 내부에 금속 입자들이 분산되어 분포하며, 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 금속 입자들이 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(conducting filament)의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 균일할 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 균일하지 않고 가변적일 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 증가하는 경향을 가질 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 감소하는 경향을 가질 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 감소하다가 증가하는 경향을 가질 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 비정질 산화물 박막은 비정질 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막을 포함하고, 상기 금속 입자는 구리 입자를 포함할 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 제 1 전극은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극 보다 산화가 상대적으로 더 용이할 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 제 1 전극은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 상기 제 2 전극은 상기 비정질 산화물 박막과 반응하여 산소 공공(oxygen vacancy)을 형성할 수 있는 금속을 함유하여 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 금속 입자들이 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(conducting filament)의 일부를 형성하고 상기 산소 공공이 상기 전도성 필라멘트의 나머지 부분을 형성할 수 있다.
상기 저항변화 소자에서, 상기 금속 입자들은 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 전기장에 의하여 이동할 수 있는 금속 이온들을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 저항변화 소자의 제조방법이 제공된다. 상기 저항변화 소자의 제조방법은 제 1 전극을 형성하는 단계; 비정질 산화물 박막의 타겟과 금속의 타겟을 동시에 스퍼터링하여, 상기 금속이 내부에 분산되어 분포된 상기 비정질 산화물 박막을 상기 제 1 전극 상에 형성하는 단계; 및 상기 금속이 내부에 분산되어 분포된 상기 비정질 산화물 박막 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 저항변화 소자의 제조방법에서, 상기 비정질 산화물 박막의 타겟과 금속의 타겟을 동시에 스퍼터링하여, 상기 금속이 내부에 분산되어 분포된 상기 비정질 산화물 박막을 상기 제 1 전극 상에 형성하는 단계;는 상기 스퍼터링의 파워를 조절함으로써 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속의 농도를 조절하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양호한 소자 특성을 가지는 비정질 산화물 박막 기반의 저항변화 소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 저항변화 소자들을 도해하는 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일부 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 구리 입자들이 분산되어 분포된 비정질 IGZO 박막의 조성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일부 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 구리 입자들이 분산되어 분포된 비정질 IGZO 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일부 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 파장에 따른 투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일부 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 광 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 12 내지 도 18은 본 발명의 일부 실험예들에 따른 저항변화 소자들의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함(comprise)" 이라 함은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면들이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자(100)는 제 1 전극(110), 제 1 전극(110) 상의 제 2 전극(150), 및 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150) 사이에 개재된 비정질 산화물 박막(120)을 포함한다. 비정질 산화물 박막(120)의 상면은 제 2 전극(150)과 접하고, 비정질 산화물 박막(120)의 하면은 제 1 전극(110)과 접할 수 있다. 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들이 분산되어 분포한다. 이러한 금속 입자(130)들은 비정질 산화물 박막(120)을 기준으로 볼 때 전도성 결함(conducting defect)으로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자(100)에서, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일할 수 있다. 즉, 비정질 산화물 박막(120)과 전극(110, 150)들이 이루는 계면들과 평행한, 비정질 산화물 박막(120)의 임의의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 항상 균일할 수 있다.
도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자(100)에서, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 금속 입자(130)들은 상기 전기장에 의하여 비정질 산화물 박막(120) 내에서 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 금속 입자(130)들은 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 상기 전기장에 의하여 이동할 수 있는 금속 이온들을 포함할 수 있으며, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 적어도 일부가 이온 형태로 존재하는 금속 입자(130)들이 상기 전기장에 의하여 비정질 산화물 박막(120) 내에서 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)를 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 1의 (b)를 참조하면, 적어도 일부가 이온 형태로 존재하는 금속 입자(130)들이 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하도록 배치되며, 도 1의 (c)를 참조하면, 제 1 전극(110) 및 제 2 전극(150) 중 적어도 어느 하나의 전극에 의하여 상기 금속 이온들이 환원됨으로써 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)가 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도와 분포가 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일하므로, 금속 입자(130)들에 의하여 형성된 전도성 필라멘트(130a)의 폭도 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 소자(100)에서, 제 1 전극(110)은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 제 2 전극(150)은 제 1 전극(110) 보다 산화가 상대적으로 더 용이할 수 있다. 또한, 예를 들어, 비정질 산화물 박막(120)은 비정질 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막을 포함하고, 금속 입자(130)는 구리 입자를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 전극(110)은, 예컨대, 텅스텐(W)을 포함하는 하부 전극일 수 있으며, 제 2 전극(150)은, 예컨대, 구리(Cu)를 포함하는 상부 전극일 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 저항변화 소자(100)를 제조하는 방법은 제 1 전극(110)을 형성하는 제 1 단계; 비정질 산화물 박막의 타겟(220)과 금속의 타겟(230)을 동시에 스퍼터링(Co-sputtering)하여, 금속의 타겟(230)으로부터 스퍼터된 금속 입자(130)가 내부에 분산되어 분포된 비정질 산화물 박막(120)을 제 1 전극(110) 상에 형성하는 제 2 단계; 및 금속 입자(130)가 내부에 분산되어 분포된 비정질 산화물 박막(120) 상에 제 2 전극(150)을 형성하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 제 2 단계는 상기 스퍼터링의 파워를 조절함으로써 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 존재하는 금속 입자(130)의 농도 및 분포를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비정질 산화물 박막의 타겟(220)과 금속의 타겟(230)을 동시에 스퍼터링(Co-sputtering)하는 공정에서 파워를 균일하게 제어하는 경우, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면들이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 제조하는 방법을 도해하는 도면이다. 도 3 및 도 4의 저항변화 소자(100)는 도 1 및 도 2의 저항변화 소자(100)를 참조할 수 있고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 저항변화 소자(100)에서, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일하지 않고 가변적일 수 있다. 즉, 비정질 산화물 박막(120)과 전극(110, 150)들이 이루는 계면들과 평행한, 비정질 산화물 박막(120)의 임의의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 항상 균일한 것이 아니며, 적어도 어느 하나의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 나머지 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포와 비교하여 상이할 수 있다.
예를 들어, 도 3의 (a)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하는 경향을 가질 수 있다. 계속하여, 도 3의 (b)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 금속 입자(130)들은 상기 전기장에 의하여 비정질 산화물 박막(120) 내에서 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)를 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하는 경향을 가지므로, 금속 입자(130)들에 의하여 형성된 전도성 필라멘트(130a)의 폭도 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하는 경향을 가질 수 있다.
저항변화 소자(100)의 동작은 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작으로 구분될 수 있는 바, 리셋 동작에서는 전도성 필라멘트(130a)의 적어도 일부분이 파괴(rupture)되어 전류 통로가 소멸되어야 한다.
비정질 산화물 박막(120) 내에 생성된 전도성 필라멘트(130a) 파괴의 주요한 구동력은 줄 가열(Joule heating)이다. 도 3의 (b)를 참조하면, 전도성 필라멘트(130a)의 단면적이 가장 작은 영역(R)에서 줄 가열이 가장 많이 발생하여 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 용이하게 발생할 수 있다. 전도성 필라멘트(130a)의 생성과 파괴가 용이하게 발생한다는 것은 저항변화 소자(100)의 스위칭 성능이 양호하다는 것을 의미하는 바, 도 3에 개시된 저항변화 소자(100)는 국부적으로 약한 부분을 가지는 전도성 필라멘트(130a)를 포함한다는 점에서 유리하다. 도 3에 개시된 저항변화 소자(100)에서는 비정질 산화물 박막(120)과 제 2 전극(150)이 맞닿은 부분(R)에서 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 발생할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 저항변화 소자(100)를 제조하는 방법은 제 1 전극(110)을 형성하는 제 1 단계; 비정질 산화물 박막의 타겟(220)과 금속의 타겟(230)을 동시에 스퍼터링(Co-sputtering)하여, 금속의 타겟(230)으로부터 스퍼터된 금속 입자(130)가 내부에 분산되어 분포된 비정질 산화물 박막(120)을 제 1 전극(110) 상에 형성하는 제 2 단계; 및 금속 입자(130)가 내부에 분산되어 분포된 비정질 산화물 박막(120) 상에 제 2 전극(150)을 형성하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 제 2 단계는 상기 스퍼터링의 파워를 조절함으로써 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 존재하는 금속 입자(130)의 농도 및 분포를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비정질 산화물 박막의 타겟(220)과 금속의 타겟(230)을 동시에 스퍼터링(Co-sputtering)하는 공정에서, 금속의 타겟(230)에 대한 파워를 점점 감소하도록 제어하는 경우, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 점점 감소하는 경향을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면이다. 도 5의 저항변화 소자(100)는 도 3 내지 도 4의 저항변화 소자(100)를 참조할 수 있고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 5에 도시된 저항변화 소자(100)에서, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일하지 않고 가변적일 수 있다. 즉, 비정질 산화물 박막(120)과 전극(110, 150)들이 이루는 계면들과 평행한, 비정질 산화물 박막(120)의 임의의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 항상 균일한 것이 아니며, 적어도 어느 하나의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 나머지 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포와 비교하여 상이할 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 증가하는 경향을 가질 수 있다. 계속하여, 도 5의 (b)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 금속 입자(130)들은 상기 전기장에 의하여 비정질 산화물 박막(120) 내에서 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)를 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 증가하는 경향을 가지므로, 금속 입자(130)들에 의하여 형성된 전도성 필라멘트(130a)의 폭도 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 증가하는 경향을 가질 수 있다.
저항변화 소자(100)의 동작은 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작으로 구분될 수 있는 바, 리셋 동작에서는 전도성 필라멘트(130a)의 적어도 일부분이 파괴(rupture)되어 전류 통로가 소멸되어야 한다.
비정질 산화물 박막(120) 내에 생성된 전도성 필라멘트(130a) 파괴의 주요한 구동력은 줄 가열(Joule heating)이다. 도 5의 (b)를 참조하면, 전도성 필라멘트(130a)의 단면적이 가장 작은 영역(R)에서 줄 가열이 가장 많이 발생하여 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 용이하게 발생할 수 있다. 전도성 필라멘트(130a)의 생성과 파괴가 용이하게 발생한다는 것은 저항변화 소자(100)의 스위칭 성능이 양호하다는 것을 의미하는 바, 도 5에 개시된 저항변화 소자(100)는 국부적으로 약한 부분을 가지는 전도성 필라멘트(130a)를 포함한다는 점에서 유리하다. 도 5에 개시된 저항변화 소자(100)에서는 비정질 산화물 박막(120)과 제 1 전극(110)이 맞닿은 부분(R)에서 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면이다. 도 6의 저항변화 소자(100)는 도 3 내지 도 4의 저항변화 소자(100)를 참조할 수 있고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 6에 도시된 저항변화 소자(100)에서, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 균일하지 않고 가변적일 수 있다. 즉, 비정질 산화물 박막(120)과 전극(110, 150)들이 이루는 계면들과 평행한, 비정질 산화물 박막(120)의 임의의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 항상 균일한 것이 아니며, 적어도 어느 하나의 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포는 나머지 횡단면에서의 금속 입자(130)들의 농도와 분포와 비교하여 상이할 수 있다.
예를 들어, 도 6의 (a)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하다가 다시 증가하는 경향을 가질 수 있다. 계속하여, 도 6의 (b)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 금속 입자(130)들은 상기 전기장에 의하여 비정질 산화물 박막(120) 내에서 이동하여 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)를 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하다가 다시 증가하는 경향을 가지므로, 금속 입자(130)들에 의하여 형성된 전도성 필라멘트(130a)의 폭도 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 감소하다가 다시 증가하는 경향을 가질 수 있다.
저항변화 소자(100)의 동작은 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작으로 구분될 수 있는 바, 리셋 동작에서는 전도성 필라멘트(130a)의 적어도 일부분이 파괴(rupture)되어 전류 통로가 소멸되어야 한다.
비정질 산화물 박막(120) 내에 생성된 전도성 필라멘트(130a) 파괴의 주요한 구동력은 줄 가열(Joule heating)이다. 도 6의 (b)를 참조하면, 전도성 필라멘트(130a)의 단면적이 가장 작은 영역(R)에서 줄 가열이 가장 많이 발생하여 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 용이하게 발생할 수 있다. 전도성 필라멘트(130a)의 생성과 파괴가 용이하게 발생한다는 것은 저항변화 소자(100)의 스위칭 성능이 양호하다는 것을 의미하는 바, 도 6에 개시된 저항변화 소자(100)는 국부적으로 약한 부분을 가지는 전도성 필라멘트(130a)를 포함한다는 점에서 유리하다. 도 6에 개시된 저항변화 소자(100)에서는 비정질 산화물 박막(120)과 전극들(110, 150)이 맞닿지 않은 부분(R)에서 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 발생할 수 있다.
한편, 도 6에 도시된 저항변화 소자(100)에서 변형된 실시예에 따르면, 비정질 산화물 박막(120)의 내부에서 금속 입자(130)들의 농도는 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 증가하다가 다시 감소하는 경향을 가질 수 있다. 이 경우, 금속 입자(130)들에 의하여 형성된 전도성 필라멘트(130a)의 폭도 제 1 전극(110)에서 제 2 전극(150)으로 나아가는 방향을 따라 증가하다가 다시 감소하는 경향을 가질 수 있으며, 비정질 산화물 박막(120)과 제 1 전극(110)이 맞닿은 부분과 비정질 산화물 박막(120)과 제 2 전극(150)이 맞닿은 부분에서 전도성 필라멘트(130a)의 파괴가 발생할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 저항변화 소자를 도해하는 도면이다. 도 7의 저항변화 소자(100)는 도 1 내지 도 2의 저항변화 소자(100)를 참조할 수 있고, 따라서 두 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 7의 (a)를 참조하면, 제 1 전극(110)은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 제 2 전극(150)은 비정질 산화물 박막(120)과 반응하여 산소 공공(oxygen vacancy)을 형성할 수 있는 금속을 함유하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 비정질 산화물 박막(120)은 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막을 포함할 수 있으며, 제 2 전극(150)은 알루미늄을 함유하는 전극일 수 있다. 알루미늄은 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 물질보다 산화가 더 용이한 특성을 가지므로, 알루미늄을 포함하는 제 2 전극(150)과 인접한 IGZO 박막(120)의 영역에서는 산소가 결핍된 공공(vacancy, 140)이 존재한다. 계속하여, 도 7의 (b)를 참조하면, 비정질 산화물 박막(120)에 전기장이 인가될 때 금속 입자(130)들이 제 1 전극(110)과 제 2 전극(150)을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(130a)의 일부를 형성하고 산소 공공(140)이 전도성 필라멘트(130a)의 나머지 부분을 형성할 수 있다. 도 7에 도시된 저항변화 소자(100)는 산화물 고유의 전도성 결함인 산소 공공과 상술한 실시예에 따른 전도성 결함인 금속 입자(130)가 함께 전도성 필라멘트(130a)를 형성한다는 점에서 하이브리드 저항변화 소자로 이해될 수 있다.
이하에서, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 구리 입자들이 분산되어 분포된 비정질 IGZO 박막의 조성을 나타내는 그래프이다.
본 실험예들의 조건은 다음과 같다. 도 1 및 도 2에 도시된 저항변화 소자(100)들로서, 제 1 전극(110)은 텅스텐을 함유하는 하부 전극이며, 제 2 전극(150)은 구리를 함유하는 상부 전극이며, 비정질 산화물 박막(120)은 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막이며, 금속 입자(130)는 구리 입자를 포함한다.
실험예1에서는 구리 스퍼터링 파워를 2.7W로 설정하여 구리 입자가 내부에 분산된 IGZO 박막를 형성하였는바, 박막 내의 구리(Cu)의 원자 농도는 5.4±0.5 at%, 인듐(In)의 원자 농도는 13.0±2.2 at%, 갈륨(Ga)의 원자 농도는 18.3±2.3 at%, 아연(Zn)의 원자 농도는 8.5±0.5 at%, 산소(O)의 원자 농도는 38.4±2.7 at% 이다.
실험예2에서는 구리 스퍼터링 파워를 6.0W로 설정하여 구리 입자가 내부에 분산된 IGZO 박막를 형성하였는바, 박막 내의 구리(Cu)의 원자 농도는 13.0±2.8 at%, 인듐(In)의 원자 농도는 15.1±2.1 at%, 갈륨(Ga)의 원자 농도는 15.3±2.2 at%, 아연(Zn)의 원자 농도는 7.9±0.7 at%, 산소(O)의 원자 농도는 40.3±3.0 at% 이다.
실험예3에서는 구리 스퍼터링 파워를 10.0W로 설정하여 구리 입자가 내부에 분산된 IGZO 박막를 형성하였는바, 박막 내의 구리(Cu)의 원자 농도는 19.6±2.0 at%, 인듐(In)의 원자 농도는 14.4±1.9 at%, 갈륨(Ga)의 원자 농도는 13.4±2.0 at%, 아연(Zn)의 원자 농도는 7.6±0.8 at%, 산소(O)의 원자 농도는 40.1±4.7 at% 이다.
도 9는 본 발명의 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 구리 입자들이 분산되어 분포된 비정질 IGZO 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 비정질 IGZO 박막 뿐만 아니라 상술한 실험예1, 실험예2 및 실험예3에 따라 구리가 도핑된 IGZO 박막들도 모두 비정질상임을 확인하였다.
도 10은 본 발명의 상술한 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 파장에 따른 투과율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명의 상술한 실험예들에 따른 저항변화 소자들에서 광 에너지 밴드갭을 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, IGZO 박막 내에 구리의 농도가 높아질수록(실험예1 → 실험예2 → 실험예3), IGZO 박막의 투과율이 감소함을 확인할 수 있다. 한편, 도 11을 참조하면, IGZO 박막 내에 구리의 농도가 높아질수록(실험예1 → 실험예2 → 실험예3), IGZO 박막의 광 에너지 밴드갭이 감소함을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 상술한 실험예1에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이며, 도 13은 본 발명의 상술한 실험예2에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이며, 도 14는 본 발명의 상술한 실험예3에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프들이다. 도 12 내지 도 14를 참조하면, IGZO 박막 내에 구리의 농도가 높아질수록(실험예1 → 실험예2 → 실험예3), 전압 VSET이 전압 VRESET에 가까워짐을 확인할 수 있다.
도 15는 본 발명의 상술한 실험예1에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이며, 도 16은 본 발명의 상술한 실험예2에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이며, 도 17은 본 발명의 상술한 실험예3에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다. 도 15 내지 도 17을 참조하면, 실험예1 내지 실험예3에 따른 저항변화 소자(100)에서, 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작이 정상적으로 수행됨을 확인할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실험예4에 따른 저항변화 소자의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
상기 실험예4의 조건은 다음과 같다. 도 7에 도시된 하이브리드 저항변화 소자(100)로서, 제 1 전극(110)은 텅스텐을 함유하는 하부 전극이며, 제 2 전극(150)은 알루미늄을 함유하는 상부 전극이며, 비정질 산화물 박막(120)은 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막이며, 금속 입자(130)는 구리 입자를 포함한다. 실험예4에서 IGZO 박막 내의 구리 원자 농도는 약 13.0 at%이다.
도 18을 참조하면, 실험예4에 따른 저항변화 소자(100)에서, 필라멘트 전류 통로를 생성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화하는 셋(SET) 동작 또는 필라멘트 전류 통로를 소멸시켜 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화하는 리셋(RESET) 동작이 정상적으로 수행됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 저항변화 소자
110 : 제 1 전극
120 : 비정질 산화물 박막
130 : 금속 입자
130a : 전도성 필라멘트
140 : 산소 공공
150 : 제 2 전극

Claims (13)

  1. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상의 제 2 전극; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재된 비정질 산화물 박막;
    을 포함하고,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 금속 입자들이 분산되어 분포하며, 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 금속 입자들이 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(conducting filament)의 적어도 일부를 형성할 수 있고,
    상기 금속 입자들은 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 전기장에 의하여 이동할 수 있는 금속 이온들을 포함하는, 저항변화 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 균일한, 저항변화 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 균일하지 않고 가변적인, 저항변화 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 증가하는 경향을 가지는, 저항변화 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 감소하는 경향을 가지는, 저항변화 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속 입자들의 농도는 상기 제 1 전극에서 상기 제 2 전극으로 나아가는 방향을 따라 감소하다가 증가하는 경향을 가지는, 저항변화 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막은 비정질 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 박막을 포함하고, 상기 금속 입자는 구리 입자를 포함하는, 저항변화 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 상기 제 2 전극은 상기 제 1 전극 보다 산화가 상대적으로 더 용이한, 저항변화 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 전기적으로 그라운드 전원에 연결되고, 상기 제 2 전극은 상기 비정질 산화물 박막과 반응하여 산소 공공(oxygen vacancy)을 형성할 수 있는 금속을 함유하여 형성된, 저항변화 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 금속 입자들이 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 연결하는 전도성 필라멘트(conducting filament)의 일부를 형성하고 상기 산소 공공이 상기 전도성 필라멘트의 나머지 부분을 형성할 수 있는, 저항변화 소자.
  11. 삭제
  12. 제 1 전극을 형성하는 단계;
    비정질 산화물 박막의 타겟과 금속의 타겟을 동시에 스퍼터링하여, 상기 금속이 내부에 분산되어 금속입자들이 분포된 상기 비정질 산화물 박막을 상기 제 1 전극 상에 형성하는 단계; 및
    상기 비정질 산화물 박막 상에 제 2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 금속 입자들은 상기 비정질 산화물 박막에 전기장이 인가될 때 상기 전기장에 의하여 이동할 수 있는 금속 이온들을 포함하는, 저항변화 소자의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 비정질 산화물 박막의 타겟과 금속의 타겟을 동시에 스퍼터링하여, 상기 금속이 내부에 분산되어 상기 금속입자들이 분포된 상기 비정질 산화물 박막을 상기 제 1 전극 상에 형성하는 단계;는
    상기 스퍼터링의 파워를 조절함으로써 상기 비정질 산화물 박막의 내부에 상기 금속의 농도를 조절하는 단계;를 포함하는,
    저항변화 소자의 제조방법.
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