KR101568234B1 - Resistive change device and method of fabricating the same - Google Patents

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KR101568234B1
KR101568234B1 KR1020140156426A KR20140156426A KR101568234B1 KR 101568234 B1 KR101568234 B1 KR 101568234B1 KR 1020140156426 A KR1020140156426 A KR 1020140156426A KR 20140156426 A KR20140156426 A KR 20140156426A KR 101568234 B1 KR101568234 B1 KR 101568234B1
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박배호
황인록
이상익
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

According to one embodiment, a resistive change device comprises: a lower electrode layer; and a conductive oxide layer in which oxygen can move wherein the conductive oxide layer is arranged on the lower electrode layer. In addition, the resistive change device is arranged on an interface between the lower electrode layer and the conductive oxide layer. The resistive change device consists of the same constitution elements as the conductive oxide layer. The resistive change device comprises a variable resistive layer wherein oxygen concentration of the variable resistive layer is higher than oxygen concentration of conductive oxide layer.

Description

저항 변화 소자 및 그 제조 방법{Resistive change device and method of fabricating the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a resistive element,

본 출원은 대체로(generally) 저항 변화 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] The present invention relates generally to a resistance variable element and a method of manufacturing the same.

저항 변화 소자는, 외부에서 인가되는 전압 또는 전류에 따라 전기적 저항이 변화하는 저항 변화층을 구비하는 소자를 의미한다. 상술한 저항 변화 특성 때문에, 상기 저항 변화 소자는 비휘발성 메모리 소자에 적용되고 있다. 상기 저항 변화 소자는 넓은 의미로는 저항성 메모리(Resistive RaM, RERAM), 상변화메모리(Phase Change Ram, PCRAM), 자기메모리(Magnetic RaM, MRAM) 등을 포괄하는 의미로 해석될 수 있으며, 좁은 의미로는 상기 RERAM만을 의미할 수 있다. The resistance-variable element means an element having a resistance-variable layer whose electrical resistance changes according to a voltage or an electric current applied from the outside. Because of the resistance change characteristics described above, the resistance variable element is applied to a nonvolatile memory element. The resistance-variable element may be interpreted in a broad sense to mean a resistive memory (RERAM), a phase change memory (PCRAM), a magnetic memory (MRAM), and the like. May only mean the RERAM.

구체적으로, 상기 RERAM으로서의 저항 변화 소자는, 외부에서 인가되는 전압 또는 전류에 대응하여, 복수의 내부 셀(Cell)에 저저항 상태와 고저항 상태의 신호를 저장할 수 있다. 이때, 상기 저저항 상태 및 상기 고저항 상태를 각각 셋(SET) 상태와 리셋(RESET) 상태로 지칭할 수 있다.Specifically, the resistance-variable element as the RERAM can store signals of a low-resistance state and a high-resistance state in a plurality of internal cells (Cells) in response to an externally applied voltage or current. At this time, the low resistance state and the high resistance state may be referred to as a SET state and a RESET state, respectively.

일반적으로 상기 저항 변화 소자는 상부 및 하부 전극층과 상기 상하부 전극층 사이에 개재되는 저항 변화층으로 구성된다. 상기 저항 변화층은 외부에서 인가되는 전압 또는 전류에 반응하여, 저저항 상태와 고저항 상태를 가변적으로 가질 수 있다. 이때, 상기 상부 전극층, 상기 하부 전극층 및 상기 저항 변화층은 반도체 공정을 통해, 진공 상태에서 기상 증착 방법을 통해 형성된다. 또한, 상기 상하부 전극층은 상기 저항 변화층과의 계면 반응을 억제하기 위해 통상 귀금속으로 이루어진다. 한편, 상술한 바와 같이, 귀금속 재질의 전극을 선택하여 복수회에 걸친 진공 공정을 진행 하는 것은, 양산을 준비함에 있어 소자 제조 비용 증가로 이어질 수 있는 우려가 있다. Generally, the resistance-variable element is composed of a resistance-variable layer interposed between the upper and lower electrode layers and the upper and lower electrode layers. The resistance-variable layer may variably have a low-resistance state and a high-resistance state in response to an externally applied voltage or current. At this time, the upper electrode layer, the lower electrode layer, and the resistance variable layer are formed through a semiconductor process and a vapor deposition method in a vacuum state. The upper and lower electrode layers are usually made of a noble metal in order to suppress the interface reaction with the resistance variable layer. On the other hand, as described above, it is feared that selecting a noble metal electrode and proceeding the vacuum process for a plurality of times may lead to an increase in device manufacturing cost in preparation for mass production.

본 출원이 이루고자 하는 기술적 과제는, 보다 간단한 적층 구성을 가지는 저항 변화 소자를 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present application is to provide a resistance-variable element having a simpler lamination structure.

본 출원이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 저항 변화 소자의 제조시에, 통상의 증착 방법을 적용하지 않고, 저항 변화층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a resistance variable layer without applying a conventional deposition method in manufacturing a resistance variable element.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따르는 저항 변화 소자는 하부 전극층, 및 상기 하부 전극층 상에 배치되고 내부에서 산소 이동이 가능한 전도성 산화물층을 포함한다. 또한, 저항 변화 소자는 상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층의 계면에 배치되어, 상기 전도성 산화물층과 동일한 구성 원소를 구비하며 상기 전도성 산화물층보다 산소 농도가 높은 가변저항층을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a resistance variable device including a lower electrode layer, and a conductive oxide layer disposed on the lower electrode layer and capable of moving oxygen therein. The resistance variable element includes a variable resistance layer disposed at an interface between the lower electrode layer and the conductive oxide layer and having the same constituent elements as the conductive oxide layer and having a higher oxygen concentration than the conductive oxide layer.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따르는 저항 변화 소자는 하부 전극층, 및 상기 하부 전극층 상에 배치되고 내부에서 산소 이동이 가능한 전도성 산화물층을 포함한다. 상기 전도성 산화물층에 음의 극성을 가지는 외부 전기장이 인가될 때, 상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층의 계면에 개재되는 가변저항층을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a resistance variable device including a lower electrode layer, and a conductive oxide layer disposed on the lower electrode layer and capable of moving oxygen therein. And a variable resistance layer interposed between the lower electrode layer and the conductive oxide layer when an external electric field having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 또다른 측면에 따르는 저항 변화 소자의 제조 방법이 개시된다. 상기 저항 변화 소자의 제조 방법에 있어서, 기판 상에 귀금속을 포함하는 하부 전극층을 형성한다. 상기 하부 전극층 상에 전도성 산화물층을 형성한다. 외부에서 전기장을 인가하여, 산화물층인 가변저항층을 형성한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a resistance-variable element is disclosed. In the method of manufacturing the resistance variable element, a lower electrode layer including a noble metal is formed on a substrate. And a conductive oxide layer is formed on the lower electrode layer. An electric field is applied from the outside to form a variable resistance layer which is an oxide layer.

본 출원의 일 실시 예에 의하면, 저항 변화 소자는 하부 전극층과 전도성 산화물층 사이에 가변저항층을 구비한다. 상기 가변저항층은 외부 전기장에 의해 상기 전도성 산화물층 내의 산소를 계면으로 이동시켜 형성함으로써, 상기 전도성 산화물층과 동일한 구성 원소를 구비하는 동시에 상기 전도성 산화물층보다 산소 농도가 높을 수 있다. According to one embodiment of the present application, the resistance-variable element has a variable resistance layer between the lower electrode layer and the conductive oxide layer. The variable resistance layer may be formed by moving oxygen in the conductive oxide layer by an external electric field to the interface, thereby providing the same constituent elements as the conductive oxide layer and having a higher oxygen concentration than the conductive oxide layer.

이와 같이, 외부 전기장에 의해 상기 가변저항층을 형성함으로써, 종래와 같은 진공 증착 방법을 배제할 수 있다. 이로써, 종래에 비해 반도체 공정 단계를 생략할 수 있어, 종래보다 적층 구성을 단순화할 수 있고, 저항 변화 소자의 제조 비용을 절감할 수 있다.Thus, by forming the variable resistance layer by an external electric field, it is possible to exclude the conventional vacuum evaporation method. As a result, the semiconductor processing step can be omitted compared with the conventional method, the stacking configuration can be simplified, and the manufacturing cost of the resistance variable element can be reduced.

도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 동작 기작을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 일 예를 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 4의 저항 변화 소자의 전압-전류 거동을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자 구조의 단면을 투과전자현미경으로 관찰한 사진이다. 1 schematically shows a resistance-variable element according to an embodiment of the present application.
2 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a resistance-variable element according to an embodiment of the present application.
3 is a schematic diagram schematically showing an operation mechanism of a resistance-variable element according to an embodiment of the present application.
4 is a schematic diagram schematically showing an example of a resistance-variable element according to an embodiment of the present application.
5 is a graph showing the voltage-current behavior of the resistance-variable element of FIG.
6 is a photograph of a cross section of a resistance variable element structure according to an embodiment of the present application, observed by a transmission electron microscope.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. Embodiments of the present application will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the width, thickness, and the like of the components are enlarged in order to clearly illustrate the components of each device. It is to be understood that when an element is described as being located on another element, it is meant that the element is directly on top of the other element or that additional elements can be interposed between the elements . In the drawings, the same reference numerals denote substantially the same elements.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1” 또는 “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 서로 치환되어 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 치환되어 명명될 수도 있다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows. The terms " first " or " second " and the like are intended to distinguish one element from another and should not be limited by these terms. For example, the first component may be named as being replaced with the second component, and similarly, the second component may also be named as the first component.

또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다”등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the singular forms "a," "an," and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise, and the terms "comprise" Or combinations thereof, and does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

또, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
Further, in carrying out the method or the manufacturing method, each of the steps constituting the above method may occur differently from the stated order unless clearly specified in the context. That is, each process may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in the opposite order.

도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 저항 변화 소자(10)는 하부 전극층(110) 및 전도성 산화물층(120)을 포함한다. 1 schematically shows a resistance-variable element according to an embodiment of the present application. Referring to FIG. 1 (a), the resistance-variable element 10 includes a lower electrode layer 110 and a conductive oxide layer 120.

하부 전극층(110)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 전도성 물질은 백금(Pt), 금(Au) 등의 귀금속(noble metal)을 포함하는 금속층일 수 있다. 일 예로서, 상기 전도성 물질은 산소와 반응하여 산화되지 않는 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 하부 전극층(110)은 금층 또는 백금층으로 이루어질 수 있다. The lower electrode layer 110 may include a conductive material. As an example, the conductive material may be a metal layer including a noble metal such as platinum (Pt) and gold (Au). In one example, the conductive material may include a metal that is not oxidized by reaction with oxygen. Specifically, the lower electrode layer 110 may be formed of a gold layer or a platinum layer.

하부 전극층(110)은 기판 상에 스퍼터링 또는 화학기상증착법과 같은 증착법에 의해서 형성될 수 있다. 상기 기판은, 반도체 기판, 부도체 기판, 또는 전도성 기판을 포괄할 수 있다. 또한, 하부 전극층(110)은 상기 기판 상에서, 귀금속을 포함하는 박막의 패턴층일 수 있다.The lower electrode layer 110 may be formed on the substrate by a deposition method such as sputtering or chemical vapor deposition. The substrate may include a semiconductor substrate, a nonconductive substrate, or a conductive substrate. In addition, the lower electrode layer 110 may be a patterned layer of a thin film containing a noble metal on the substrate.

전도성 산화물층(120)은 전이금속산화물을 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 전이금속산화물은 아연산화물(ZnO), 니켈산화물(NiO), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3) 등과 같은 이원계 금속 산화물(binary metal oxide)을 포함할 수 있다. 상기 전이금속산화물은 내부에 산소 공공(oxygen vacancy) 또는 금속 공공(metal vacancy)과 같은 끊어진 결합이 존재하도록, 화학양론비를 완성하지 않을 수 있다. 따라서, 상기 전이금속산화물에 전기장이 인가될 때, 상기 전기금속산화물 내의 산소가 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 전이금속산화물 내부에서, 일부분의 산소가 금속과 온전한 결합을 이루지 않아 음의 전하를 가지도록 결합되는 경우, 외부로부터 전기장이 인가될 때 상기 산소는 상기 전기장에 의해 인가되는 힘에 의해 상기 전이금속산화물 내부를 이동할 수 있다.The conductive oxide layer 120 may comprise a transition metal oxide. As an example, the transition metal oxide may include a binary metal oxide such as zinc oxide (ZnO), nickel oxide (NiO), titanium oxide (TiO2), aluminum oxide (Al2O3) The transition metal oxide may not complete the stoichiometric ratio so that there is a broken bond such as an oxygen vacancy or a metal vacancy inside. Therefore, when an electric field is applied to the transition metal oxide, oxygen in the electrochemical oxide can move. Specifically, in the transition metal oxide, when a part of oxygen is combined so as to have a negative charge without forming a perfect bond with the metal, when an electric field is applied from the outside, the oxygen is decomposed by a force applied by the electric field It is possible to move inside the transition metal oxide.

한편, 전도성 산화물층(120)은 전기 전도성을 가지도록, 도펀트가 도핑될 수 있다. 일 예로서, 상기 도펀트는 구리, 알루미늄 등을 포함할 수 있다. 전도성 산화물층(120)은 외부로부터 전기장이 인가될 때, 전극층으로서 기능할 수도 있다.On the other hand, the conductive oxide layer 120 may be doped with a dopant so as to have electrical conductivity. As one example, the dopant may include copper, aluminum, and the like. The conductive oxide layer 120 may function as an electrode layer when an electric field is applied from the outside.

도 1의 (b)를 참조하면, 하부 전극층(110)과 전도성 산화물층(120) 사이에 전기장이 인가될 때, 하부 전극층(110)과 전도성 산화물층(120)의 계면 영역에 가변저항층(122)이 형성되도록 할 수 있다. 일 예로서, 도시되는 바와 같이, 전원(200)을 이용하여 전도성 산화물층(120)에 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가한다. 이때, 전도성 산화물층(120) 내부의 산소가 상기 바이어스에 의해 하부 전극층(110)과 전도성 산화물층(120)의 계면으로 이동하여 축적됨으로써, 가변저항층(122)이 형성될 수 있다. 가변저항층(122)은 전도성 산화물층(120)과 동일한 구성 원소를 구비하되, 전도성 산화물층(120)보다 산소 농도가 높을 수 있다.Referring to FIG. 1B, when an electric field is applied between the lower electrode layer 110 and the conductive oxide layer 120, a variable resistance layer (not shown) is formed in the interface region between the lower electrode layer 110 and the conductive oxide layer 120 122 may be formed. As an example, as shown, a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer 120 using the power source 200. [ At this time, oxygen in the conductive oxide layer 120 moves and accumulates at the interface between the lower electrode layer 110 and the conductive oxide layer 120 by the bias, so that the variable resistance layer 122 can be formed. The variable resistance layer 122 has the same constituent elements as the conductive oxide layer 120, but may have a higher oxygen concentration than the conductive oxide layer 120.

최종적으로, 도 1의 (b)에서와 같이, 본 출원의 실시 예에 따르는 저항 변화 소자(10)는 하부 전극층(110), 전도성 산화물층(120), 및 하부 전극층(110)과 전도성 산화물층(120)의 계면에 배치되는 산화물층으로서의 가변저항층(122)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 외부에서 인가되는 전기장에 의해, 가변저항층(122) 에 포밍(forming) 동작, 셋(set) 동작 또는 리셋(reset) 동작이 이루어지며, 결과적으로 이에 대응하여, 가변저항층(122) 내의 전기적 저항이 가변적으로 변화하게 된다.
1 (b), the resistance-variable element 10 according to the embodiment of the present application includes a lower electrode layer 110, a conductive oxide layer 120, and a lower electrode layer 110 and a conductive oxide layer And a variable resistive layer 122 as an oxide layer disposed at the interface of the variable resistance layer 120. A forming operation, a set operation, or a reset operation is performed on the variable resistance layer 122 by an externally applied electric field, as a result, So that the electrical resistance in the resistor 122 varies variably.

도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 2를 참조하면, S210 단계에서, 기판 상에 귀금속을 포함하는 하부 전극층을 형성한다. 상기 기판은 일 예로서, 반도체 기판, 부도체 기판 또는 전도성 기판일 수 있으며, 회로 패턴과 같은 전도층 및 이를 절연하는 층간절연층과 같은 패턴 구조물을 포함할 수 있다.2 is a flowchart schematically showing a method of manufacturing a resistance-variable element according to an embodiment of the present application. Referring to FIG. 2, in step S210, a lower electrode layer including a noble metal is formed on a substrate. The substrate may be, for example, a semiconductor substrate, a nonconductive substrate, or a conductive substrate, and may include a patterned structure such as a conductive layer such as a circuit pattern and an interlayer insulating layer insulating the same.

상기 하부 전극층은 일 예로서, 금층 또는 백금층으로 이루어질 수 있다. 상기 하부 전극층은 기판 상에 스퍼터링 또는 화학기상증착법과 같은 증착법에 의해서 형성될 수 있다. 상기 하부 전극층은 증착 후에, 상기 기판 상에서 포토리스그래피법 및 식각법을 적용하여 패터닝될 수 있다.The lower electrode layer may be, for example, a gold layer or a platinum layer. The lower electrode layer may be formed on the substrate by a deposition method such as sputtering or chemical vapor deposition. The lower electrode layer may be patterned by applying a photolithography method and an etching method on the substrate after the deposition.

S220 단계에서, 상기 하부 전극층 상에 전도성 산화물층을 형성한다. 상기 전도성 산화물층을 형성하는 과정은, 일 예로서, 전이금속산화물을 포함하는 도전층을 형성하는 과정으로 진행될 수 있다. 일 예로서, 상기 전이금속산화물은 아연산화물(ZnO), 니켈산화물(NiO), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3) 등과 같은 이원계 금속 산화물(binary metal oxide)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전도성 산화물층 내에 구리 또는 아연과 같은 도펀트를 도핑함으로써, 전도성을 가지도록 할 수 있다.In step S220, a conductive oxide layer is formed on the lower electrode layer. The conductive oxide layer may be formed by, for example, forming a conductive layer including a transition metal oxide. As an example, the transition metal oxide may include a binary metal oxide such as zinc oxide (ZnO), nickel oxide (NiO), titanium oxide (TiO2), aluminum oxide (Al2O3) Further, by doping the conductive oxide layer with a dopant such as copper or zinc, conductivity can be obtained.

일 실시 예로서, 상기 전도성 산화물층은 스퍼터링 또는 화학기상증착법과 같은 증착법에 의해 형성될 수 있다. 이때, 증착 과정 또는 후열처리 과정에서 도펀트를 기상으로 제공함으로써, 상기 전도성 산화물층 내에 상기 도펀트가 도핑될 수 있다. In one embodiment, the conductive oxide layer may be formed by a deposition method such as sputtering or chemical vapor deposition. At this time, the dopant may be doped into the conductive oxide layer by providing the dopant in the vapor phase during the deposition process or the post-heat treatment process.

S230 단계에서, 외부에서 전기장을 인가하여 산화물층인 가변저항층을 형성한다. 구체적으로, 상기 전기장을 인가하는 방법은, 상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층 사이에 전압을 인가하되, 상기 전도성 산화물층에 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 음의 극성의 바이어스에 의해, 상기 전도성 산화물층 내부의 산소가 상기 하부 전극층과의 계면으로 이동할 수 있다. 계면으로 이동한 산소는 축적되어, 상기 전도성 산화물층과 동일한 구성 원소를 구비하지만 상기 전도성 산화물층보다 산소 농도가 높은 가변저항층을 형성한다.In step S230, an electric field is applied from the outside to form a variable resistance layer which is an oxide layer. Specifically, the method of applying the electric field may include applying a voltage between the lower electrode layer and the conductive oxide layer, and applying a bias having a negative polarity to the conductive oxide layer. By the bias of the negative polarity, oxygen inside the conductive oxide layer can move to the interface with the lower electrode layer. The oxygen moved to the interface is accumulated to form a variable resistance layer having the same constituent elements as the conductive oxide layer but higher in oxygen concentration than the conductive oxide layer.

상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르면, 저항 변화 소자의 저항변화층을, 전도성 산화물층 내의 산소를 하부 전극층과의 계면 부근에 밀집시킴으로써 형성할 수 있다. 형성되는 전도성 산화물층은 일 예로서, 화학양론비를 만족하지 않는 전이금속산화물일 수 있다. 종래의 경우, 아연산화물(ZnO), 니켈산화물(NiO), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3) 등과 같은 이원계 전이금속산화물은 저항 변화 소자의 저항변화층으로 적용되고 있는 실정이다. As described above, according to one embodiment of the present application, the resistance variable layer of the resistance-variable element can be formed by densifying oxygen in the conductive oxide layer in the vicinity of the interface with the lower electrode layer. The formed conductive oxide layer may be, for example, a transition metal oxide that does not satisfy the stoichiometric ratio. Conventionally, binary transition metal oxides such as zinc oxide (ZnO), nickel oxide (NiO), titanium oxide (TiO2), aluminum oxide (Al2O3) and the like have been applied as resistance change layers of resistance variable elements.

본 출원의 실시 예에서는, 상기 전이금속산화물을 도핑하여, 상부 전극층으로 기능하는 상기 전도성 산화물층을 형성한다. 이어서, 외부 전기장을 인가하여 상기 전도성 산화물층 내부의 산소를 하부 전극층과의 계면으로 이동시켜, 저항변화층으로 기능하는 상대적으로 고농도의 전이금속산화물층을 생성할 수 있다.
In the embodiment of the present application, the transition metal oxide is doped to form the conductive oxide layer functioning as an upper electrode layer. Subsequently, by applying an external electric field, oxygen in the conductive oxide layer can be moved to the interface with the lower electrode layer to produce a relatively high-concentration transition metal oxide layer functioning as a resistance-variable layer.

도 3은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 동작 기작을 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 기판(101) 상에 하부 전극층(110) 및 전도성 산화물층(120)이 순차적으로 적층된 저항 변화 소자를 준비한다. 상기 저항 변화 소자는 도 1의 (a)의 저항 변화 소자의 구조물과 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.3 is a schematic diagram schematically showing an operation mechanism of a resistance-variable element according to an embodiment of the present application. Referring to FIG. 3A, a resistance variable element in which a lower electrode layer 110 and a conductive oxide layer 120 are sequentially stacked on a substrate 101 is prepared. The resistance-variable element may have substantially the same configuration as the structure of the resistance-variable element of Fig. 1A.

이어서, 상기 저항 변화 소자에 전압을 인가하되, 전도성 산화물층(120)에 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가하면, 전도성 산화물층(120) 내의 산소가 하부 전극층(110)과의 계면으로 이동할 수 있다. Subsequently, when a voltage is applied to the resistance variable element and a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer 120, oxygen in the conductive oxide layer 120 can move to the interface with the lower electrode layer 110 .

도 3의 (b)를 참조하면, 계면으로 이동한 산소가 집적되어 산소 농도가 상대적으로 높은 산화물층이 형성됨으로써, 저항변화층(122)이 생성될 수 있다.Referring to FIG. 3 (b), the oxygen transferred to the interface is accumulated to form an oxide layer having a relatively high oxygen concentration, so that the resistance variable layer 122 can be generated.

도 3의 (c)를 참조하면, 상기 저항 변화 소자에 인가하는 전압을 증가시킴에 따라, 저항변화층(122)에 인가되는 음의 극성을 가지는 바이어스의 세기가 증가한다. 일정 문턱 전압 이상에서, 저항변화층(122) 내에 저항변화층(122)을 관통하는 전도성 필라멘트(20)가 형성될 수 있다. 이때의 전압을 저항 변화 소자의 포밍 전압(forming)으로 정의할 수 있다. 전도성 필라멘트(20)의 생성에 따라 저항변화층(122)의 저항이 감소할 수 있다. 도 3의 (a)에 도시되는 최초의 적층 구조로부터 바이어스의 인가에 의해 도 3의 (c)에 도시되는 전도성 필라멘트(20)의 생성에 이르는 과정을 포밍 동작으로 지칭할 수 있다.Referring to FIG. 3 (c), as the voltage applied to the resistance-variable element is increased, the intensity of the negative polarity applied to the resistance-variable layer 122 increases. The conductive filament 20 passing through the resistance variable layer 122 may be formed in the resistance variable layer 122 at a predetermined threshold voltage or higher. The voltage at this time can be defined as the forming voltage (forming) of the resistance variable element. The resistance of the resistance variable layer 122 can be reduced as the conductive filament 20 is generated. A process from the initial lamination structure shown in FIG. 3A to the generation of the conductive filament 20 shown in FIG. 3C by application of a bias can be referred to as a forming operation.

도 3의 (d)를 참조하면, 상기 포밍 동작을 수행하여 저저항 상태를 유지하는 저항 변화층(122)을 구비하는 저항 변화 소자에 대하여, 전압을 다시 인가할 수 있다. 구체적으로, 저항변화층(122)에 음의 극성을 가지는 바이어스가 인가되도록 전도성 산화물층(120)과 하부 전극(110) 사이에 전압을 걸고, 상기 전압을 증가시킬 수 있다. 소정의 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때, 전도성 필라멘트(20)의 적어도 일부분이 단절될 수 있다. 상기 전도성 필라멘트(20)의 단절에 의해 저항변화층(122)의 저항이 다시 증가할 수 있다. 상기 포밍 동작 이후에 저항변화층(122)의 저항을 저저항 상태로부터 고저항 상태로 변화시키는 동작을 리셋(reset) 동작이라 지칭할 수 있다. Referring to FIG. 3 (d), the voltage can be applied again to the resistance-variable element having the resistance-variable layer 122 maintaining the low-resistance state by performing the forming operation. Specifically, the voltage may be increased by applying a voltage between the conductive oxide layer 120 and the lower electrode 110 so that a bias having a negative polarity is applied to the resistance variable layer 122. At least a portion of the conductive filament 20 can be disconnected when a voltage above a predetermined threshold voltage is applied. The resistance of the resistance variable layer 122 may increase again due to the disconnection of the conductive filament 20. The operation of changing the resistance of the resistance variable layer 122 from the low resistance state to the high resistance state after the forming operation can be referred to as a reset operation.

도시되지 않았지만, 도 3의 (d)에서와 같이, 리셋 동작을 수행하여 고저항 상태를 유지하는 저항변화층(122)을 구비하는 저항 변화 소자에 대하여, 전압을 다시 인가할 수 있다. 구체적으로, 전도성 산화물층(120)에 대하여 음의 극성을 가지는 바이어스가 인가되도록 전도성 산화물층(120)과 하부 전극(110) 사이에 전압을 걸고, 상기 전압을 증가시킬 수 있다. 소정의 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때, 단절된 전도성 필라멘트(20)의 부분이 다시 연결되고, 저항변화층(122)의 저항이 다시 감소할 수 있다. 상기 리셋 동작 이후에 저항변화층(122)의 저항을 고저항 상태로부터 저저항 상태로 변화시키는 동작을 셋(reset) 동작이라 지칭할 수 있다. Although not shown, the voltage can be applied again to the resistance-variable element having the resistance-variable layer 122 maintaining the high-resistance state by performing the reset operation, as shown in Fig. 3 (d). Specifically, the voltage may be increased by applying a voltage between the conductive oxide layer 120 and the lower electrode 110 so that a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer 120. When a voltage equal to or higher than a predetermined threshold voltage is applied, the portion of the disconnected conductive filament 20 is connected again, and the resistance of the resistance-variable layer 122 can be reduced again. The operation of changing the resistance of the resistance variable layer 122 from the high resistance state to the low resistance state after the reset operation may be referred to as a reset operation.

상술한 바와 같이, 저항 변화 소자는 상기 음의 극성을 가지는 바이어스의 인가에 따라, 포밍 동작, 리셋 동작, 및 셋 동작이 이루어지는 단극성(unipolar) 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
As described above, the resistance-variable element can perform a unipolar switching operation in which a forming operation, a reset operation, and a set operation are performed according to the application of the bias having the negative polarity.

이하에서는, 본 출원의 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 전기적 특성 및 구조적 특성을 측정 및 관찰한 구체적 결과를 설명한다.
Hereinafter, concrete results of measuring and observing the electrical characteristics and structural characteristics of the resistance-variable element according to the embodiment of the present application will be described.

도 4는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자의 일 예를 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 5는 도 4의 저항 변화 소자의 전압-전류 거동을 나타내는 그래프이며, 도 6은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자 구조의 단면을 투과전자현미경으로 관찰한 사진이다. 4 is a schematic diagram schematically showing an example of a resistance-variable element according to an embodiment of the present application. FIG. 5 is a graph showing voltage-current behavior of the resistance-variable element of FIG. 4, and FIG. 6 is a photograph of a cross-section of a resistance-variable element structure according to an embodiment of the present application, observed by a transmission electron microscope.

도 4를 참조하면, 하부 전극층(410)으로서, 백금 전극을 제공한다. 이어서, 상기 백금 전극 상에 알루미늄 도핑된 아연산화물층을 전도성 산화물층(420)으로 형성함으로써, 제1 실시예를 제조하였다. 또한, 상기 백금 전극 상에 구리 도핑된 아연산화물층을 전도성 산화물층(420)으로 형성함으로써, 제2 실시 예를 제조하였다. Referring to FIG. 4, as a lower electrode layer 410, a platinum electrode is provided. Subsequently, the first embodiment was fabricated by forming an aluminum-doped zinc oxide layer on the platinum electrode with a conductive oxide layer 420. Further, a second embodiment was fabricated by forming a copper-doped zinc oxide layer on the platinum electrode with a conductive oxide layer 420.

제1 실시 예 및 제2 실시 예에서의 전도성 산화물층(420)은 각각 패터닝되어 복수개의 전도성 패턴을 형성할 수 있다.The conductive oxide layer 420 in each of the first and second embodiments may be patterned to form a plurality of conductive patterns.

이어서, 상기 제1 실시 예 및 상기 제2 실시 예에 있어서, 하부 전극층(410)과 전도성 산화물층(420) 사이에 전압을 인가하되, 전도성 산화물층(420)에 음의 극성을 구비하는 바이어스를 인가하였다. 이어서, 전압의 절대치를 점진적으로 증가시키면서, 저항 변화 소자에 흐르는 전류 변화를 관찰하였다. 도 5의 (a)는 제1 실시 예의 전기적 특성 측정 결과이며, 도 5의 (b)는 제2 실시 예의 전기적 특성 측정 결과이다.In the first embodiment and the second embodiment, a voltage is applied between the lower electrode layer 410 and the conductive oxide layer 420, and a bias having a negative polarity to the conductive oxide layer 420 Respectively. Subsequently, the change in the current flowing through the resistance-variable element was observed while the absolute value of the voltage was gradually increased. FIG. 5A shows the electrical property measurement result of the first embodiment, and FIG. 5B shows the electrical property measurement result of the second embodiment.

먼저, 도 5의 (a)를 참조하면, 제1 그래프(510a)는 포밍 동작에 따르는 전압-전류의 변화를 나타낸다. 초기 상태에서, 제1 그래프(510a)를 따라 전압이 증가함에 따라, 전류는 점진적으로 증가하는 모습을 보인다. 여기서, 본 명세서에서, 초기 상태라 함은, 하부 전극층(410) 상에 전도성 산화물층(420)이 형성된 후에, 하부 전극층(410)과 전도성 산화물(420) 사이에 어떠한 전압도 아직 인가되지 않은 상태를 의미할 수 있다. First, referring to FIG. 5A, a first graph 510a shows a change in voltage-current due to a forming operation. In the initial state, as the voltage increases along the first graph 510a, the current gradually increases. Herein, the initial state refers to a state in which no voltage is applied between the lower electrode layer 410 and the conductive oxide 420 after the conductive oxide layer 420 is formed on the lower electrode layer 410 . ≪ / RTI >

한편, 전압의 크기가 약 -2.8 V로 증가하면, 전류가 약 100배 정도 증가하는 모습을 보인다. 즉, 포밍 동작이 이루어져서, 전류가 상대적으로 급격히 증가하며, 저저항 상태로 변환되었음을 알 수 있다.On the other hand, when the magnitude of the voltage increases to about -2.8 V, the current increases by about 100 times. That is, it can be seen that the forming operation is performed, the current increases relatively rapidly, and the current is converted into the low resistance state.

제2 그래프(520a)는 리셋 동작에 따르는 전압-전류 변화를 나타낸다. 제1 그래프(510a)를 따르는 포밍 동작이 완료된 후에, 전압이 0 V로부터 재인가됨에 따라 전류가 제2 그래프(520a)를 따라 동일 전압에서의 제1 그래프(510a)의 경우보다 급격히 증가하는 저저항 상태의 모습을 나타낸다. 이어서, 약 -1.7V 부근에서, 전류가 약 10배 정도 감소되는 양상을 보이며, 이에 따라 리셋 동작이 이루어졌음을 확인할 수 있다. The second graph 520a represents the voltage-current change due to the reset operation. After completion of the forming operation along the first graph 510a, the current rapidly increases over the second graph 520a as the voltage is reapplied from 0 V, as compared to the first graph 510a at the same voltage It shows the state of the resistance state. Then, at about -1.7 V, the current is reduced by about 10 times, and thus it can be confirmed that the reset operation has been performed.

리셋 동작이 완료된 후에, 전압이 0 V로부터 재인가됨에 따라 전류가 제3 그래프(530a)를 따라 증가한다. 하지만, 제3 그래프(530a)을 따르는 전류 증가 속도 및 전류 세기는 동일 전압에서의 제2 그래프(520a)의 전류 증가 속도 및 전류 세기보다 낮다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 고저항 상태를 거동을 보임을 확인할 수 있다.After the reset operation is completed, the current increases along the third graph 530a as the voltage is reapplied from 0V. However, it can be seen that the current increase rate and current intensity along the third graph 530a are lower than the current increase rate and current intensity of the second graph 520a at the same voltage. That is, it can be confirmed that it behaves in a high resistance state.

한편, 제4 그래프(540a)는 전도성 산화물층(420)에 양의 극성을 가지는 바이어스를 인가하도록 전원을 연결하고, 초기 상태에서, 전압을 점진적으로 증가시키면서 전류를 측정한 그래프이다. 제4 그래프를 따라, 전압이 0 V로부터 증가함에 따라 전류가 증가한다. 제4 그래프(540a)의 전류 증가 속도 및 전류 크기는, 제3 그래프(530a)의 전류 증가 속도 및 전류 세기에 대응될 수 있다. 다만, 전도성 산화물층(420)에 양의 극성을 가지는 바이어스를 인가하는 경우, 초기 상태로부터 전류가 점진적으로 증가하는 양상을 보이지만, 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가할 때와 같이, 포밍 동작은 발생하지 않았다.Meanwhile, the fourth graph 540a is a graph in which the power is connected to apply a bias having a positive polarity to the conductive oxide layer 420, and the current is measured while gradually increasing the voltage in the initial state. Along the fourth graph, the current increases as the voltage increases from 0V. The current increase rate and current magnitude of the fourth graph 540a may correspond to the current increase rate and current intensity of the third graph 530a. However, when a bias having a positive polarity is applied to the conductive oxide layer 420, the current gradually increases from the initial state. However, as in the case of applying a bias having a negative polarity, Did not do it.

도 5의 (b)를 참조하면, 제1 그래프(510b)는 포밍 동작에 따르는 전압-전류의 변화를 나타낸다. 초기 상태에서, 제1 그래프(510b)를 따라 전압이 증가함에 따라, 전류는 점진적으로 증가하는 모습을 보이다가, 전압의 크기가 약 -2.7 V에서, 전류가 상대적으로 크게 증가하는 모습을 보인다. 즉, 포밍 동작이 이루어져서, 저저항 상태로 변환되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 5B, the first graph 510b shows a change in voltage-current due to the forming operation. In the initial state, as the voltage increases along the first graph 510b, the current gradually increases, and the current increases relatively at about -2.7 V in magnitude. That is, it can be seen that the forming operation is performed and the state is converted to the low resistance state.

제2 그래프(520b)는 리셋 동작에 따르는 전압-전류 변화를 나타낸다. 제1 그래프(510b)를 따르는 포밍 동작이 완료된 후에, 전압이 0 V로부터 재인가됨에 따라 전류가 제2 그래프(520b)를 따라 동일 전압의 제1 그래프(510b)보다 급격히 증가하는 저저항 상태의 모습을 나타낸다. 이어서, 약 -0.8V 부근에서, 전류가 약 10배 정도 감소되는 양상을 보이며, 이에 따라 리셋 동작이 이루어졌음을 확인할 수 있다. The second graph 520b represents the voltage-current change due to the reset operation. After completion of the forming operation along the first graph 510b, the current is reduced to a low resistance state in which the current abruptly increases along the second graph 520b from the first graph 510b of the same voltage as the voltage is reapplied from 0 V It shows the appearance. Then, at about -0.8 V, the current is reduced by about 10 times, and it can be confirmed that the reset operation has been performed.

리셋 동작이 완료된 후에, 전압이 0 V로부터 재인가됨에 따라 전류가 제3 그래프(530b)를 따라 증가한다. 하지만, 제3 그래프(530b)을 따르는 전류 증가 속도 및 전류 세기는 제2 그래프(520b)의 전류 증가 속도 및 전류 세기보다 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이어서, 약 -1.1 V 부근에서, 전류가 약 10배 정도 증가하는 양상을 보인다. 즉, 셋 동작이 이루어져서 다시 저저항 상태로 변환되었음을 알 수 있다.After the reset operation is completed, the current increases along the third graph 530b as the voltage is reapplied from 0V. However, it can be seen that the current increase rate and current intensity along the third graph 530b are lower than the current increase rate and current intensity in the second graph 520b. Then, at about -1.1 V, the current shows an increase of about 10 times. That is, it can be seen that the set operation is performed and then the resistance state is changed to the low resistance state again.

한편, 제4 그래프(540b)는 전도성 산화물층(420)에 양의 극성을 가지는 바이어스를 인가하도록 전원을 연결하고, 초기 상태에서, 전압을 점진적으로 증가시키면서 전류를 측정한 그래프이다. 제4 그래프(540b)를 따라, 전압이 0 V로부터 증가함에 따라 전류가 증가한다. 제4 그래프(540a)의 전류 증가 속도 및 전류 크기는, 제3 그래프(530a)의 전류 증가 속도 및 전류 세기에 대응될 수 있다. 다만, 전도성 산화물층(420)에 양의 극성을 가지는 바이어스를 인가하는 경우, 초기 상태로부터 전류가 점진적으로 증가하는 양상을 보이지만, 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가할 때와 같이, 포밍 동작은 발생하지 않는다.Meanwhile, the fourth graph 540b is a graph in which the power is connected to apply a bias having a positive polarity to the conductive oxide layer 420, and the current is measured while gradually increasing the voltage in the initial state. Along the fourth graph 540b, the current increases as the voltage increases from 0V. The current increase rate and current magnitude of the fourth graph 540a may correspond to the current increase rate and current intensity of the third graph 530a. However, when a bias having a positive polarity is applied to the conductive oxide layer 420, the current gradually increases from the initial state. However, as in the case of applying a bias having a negative polarity, I never do that.

상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 소자는, 전도성 산화물층(420)에 음의 극성을 가지는 바이어스의 인가에 따라, 포밍 동작, 리셋 동작 및 셋 동작이 이루어지는 단극성(unipolar) 스위칭 동작을 수행함을 알 수 있다.As described above, the resistance-variable element according to one embodiment of the present application has a unipolar structure in which a forming operation, a reset operation, and a set operation are performed according to the application of a bias having a negative polarity to the conductive oxide layer 420 ) Switching operation is performed.

한편, 도 6은 상기 제2 실시 예의 저항 변화 소자의 단면을 서로 다른 극성의 바이어스를 인가한 후에 관찰한 투과전자현미경 사진이다. 즉, 초기 상태에서, 저항 변화 소자는 백금 전극층인 하부 전극층(610) 및 구리가 도핑된 아연산화물층인 전도성 산화물층(620)을 포함할 수 있다.On the other hand, FIG. 6 is a transmission electron micrograph of a section of the resistance-variable element of the second embodiment observed after applying a bias of different polarity. That is, in the initial state, the resistance-variable element may include a lower electrode layer 610, which is a platinum electrode layer, and a conductive oxide layer 620, which is a copper-doped zinc oxide layer.

구체적으로, 도 6의 (a) 도면은 음의 극성을 가지는 바이어스를 도 5의 (b)의 제1 그래프(510b)를 따라 저항 변화 소자의 전도성 산화물층(620)에 인가하여 포밍 동작이 이루어진 후에, 저항 변화 소자의 단면을 절단하여 관찰한 투과전자현미경 사진이며, 도 6의 (b)는 양의 극성을 가지는 바이어스를 도 5의 (b)의 제4 그래프(540b)를 따라 스윕하여, 저항 변화 소자의 전도성 산화물층(620)에 인가한 후에 저항 변화 소자의 단면을 절단하여 관찰한 투과전자현미경 사진이며, 도 6의 (c)는 초기 상태의 저항 변화 소자의 단면을 절단하여 관찰한 투과전자현미경 사진이다.Specifically, FIG. 6 (a) shows a case where a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer 620 of the resistance-variable element along the first graph 510b of FIG. 5 (b) 6B is a transmission electron microscope photograph obtained by cutting off a cross section of the resistance variable element. FIG. 6B shows a case where the bias having a positive polarity is swept along the fourth graph 540b in FIG. 5B, 6C is a transmission electron microscope photograph obtained by cutting the cross section of the resistance variable element after application to the conductive oxide layer 620 of the resistance variable element and FIG. It is a transmission electron microscope photograph.

도 6의 (a)를 참조하면, 음의 극성을 가지는 바이어스를 전도성 산화물층(620)에 인가한 경우, 하부 전극층(610)과 전도성 산화물층(620) 사이에 약 2 내지 5nm 두께의 산소 농도가 상대적으로 높은 산화물층(630)이 생성되었음을 확인할 수 있다. 도 6의 (b) 및 (c)에서는 하부 전극층(610)과 전도성 산화물층(620) 사이에 산화물층이 발견되지 않았기 때문에, 도 6의 (a)에서 관찰되는 산화물층(630)은 음의 극성의 바이어스에 의해 전도성 산화물층(620)의 산소가 계면으로 이동해서 형성된 것으로 판단할 수 있다. Referring to FIG. 6A, when a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer 620, an oxygen concentration of about 2 to 5 nm thick between the lower electrode layer 610 and the conductive oxide layer 620 It can be confirmed that a relatively high oxide layer 630 is formed. 6 (b) and 6 (c), no oxide layer was found between the lower electrode layer 610 and the conductive oxide layer 620, so that the oxide layer 630 observed in FIG. 6 (a) It can be determined that the oxygen of the conductive oxide layer 620 is formed by the movement of the interface to the interface due to the polarity of the bias.

한편, 도 5의 (a) 또는 (b)의 그래프를 통해, 음의 극성을 가지는 바이어스에 의해, 포밍 동작, 셋 동작 또는 리셋 동작의 거동이 나타나는 것을 확인할 수 있으므로, 산화물층(630)이 저항 변화 소자의 저항 변화층으로 기능하고 있음을 확인할 수 있다.
5 (a) or 5 (b), the behavior of the forming operation, the set operation, or the reset operation can be confirmed by the bias having the negative polarity, It can be confirmed that the layer functions as a resistance variable layer of the changing element.

본 출원의 실시예들은 상술한 저항 변화 소자 이외에 반도체 공정에 적용될 수 있다. 일 예로서, 산소 이동이 가능한 전도성 산화물층을 먼저 형성하고, 외부에서 전기장을 인가함으로써, 상기 산소를 이동시켜 상기 전도성 산화물층 내에 전기적 저항이 서로 차별되는 산화막을 형성할 수 있다. 이러한, 응용은 최근 초박막을 구비하는 초소형 전기소자의 제조 방법에 적용될 수 있다. 구체적인 예로서, 초소형 트랜지스터의 게이트 유전층을 제조 함에 있어서, 게이트 유전층의 증착 없이, 게이트 전극층으로서 상기 전도성 산화물층을 먼저 형성하고 상기 전도성 산화물층 내의 산소를 전기장에 의해 이동시켜 게이트 유전층을 형성할 수 있다.Embodiments of the present application can be applied to a semiconductor process other than the resistance change element described above. As an example, an oxide layer capable of moving oxygen may be formed first, and an electric field may be applied from the outside to move the oxygen to form an oxide layer having electrical resistance different from each other in the conductive oxide layer. Such an application can be applied to a method of manufacturing an ultra-small electric device having an ultra-thin film. As a specific example, in fabricating the gate dielectric layer of a micro-transistor, the conductive oxide layer may first be formed as a gate electrode layer and the oxygen in the conductive oxide layer may be moved by an electric field to form a gate dielectric layer, without depositing a gate dielectric layer .

이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It can be understood that

10: 저항 변화 소자, 101: 기판,
110 410 610: 하부 전극층, 120 420 620: 전도성 산화물층,
122 630: 가변저항층. 10: resistance variable element, 101: substrate,
110 410 610: lower electrode layer, 120 420 620: conductive oxide layer,
122 630: variable resistance layer.

Claims (15)

하부 전극층; 및
상기 하부 전극층 상에 배치되고 내부에서 산소 이동이 가능한 전도성 산화물층을 포함하되,
외부에서 인가되는 전기장에 의해 상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층사이에 형성되며, 상기 전도성 산화물층과 동일한 구성 원소를 구비하되 상기 전도성 산화물층보다 산소 농도가 높은 가변저항층을 포함하는
저항 변화 소자.
A lower electrode layer; And
And a conductive oxide layer disposed on the lower electrode layer and capable of oxygen transfer therein,
And a variable resistance layer formed between the lower electrode layer and the conductive oxide layer by an external electric field and having the same constituent elements as the conductive oxide layer and having a higher oxygen concentration than the conductive oxide layer
Resistance change element.
제1 항에 있어서,
상기 하부 전극층은 귀금속(noble metal)층을 포함하고,
상기 전도성 산화물층은 전이금속산화물을 포함하는
저항 변화 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the lower electrode layer includes a noble metal layer,
Wherein the conductive oxide layer comprises a transition metal oxide
Resistance change element.
제1 항에 있어서,
상기 하부 전극층은 금 또는 백금을 포함하고,
상기 전도성 산화물층은 구리 또는 알루미늄이 도핑되는 아연산화물을 포함하는
저항 변화 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the lower electrode layer comprises gold or platinum,
Wherein the conductive oxide layer comprises zinc oxide doped with copper or aluminum
Resistance change element.
제1 항에 있어서,
상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층 사이에 포밍 전압 또는 셋 전압이 인가될 때, 상기 가변저항층은 상대적으로 저저항 상태를 가지고
상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층 사이에 리셋 전압이 인가될 때, 상기 가변저항층은 상대적으로 고저항 상태를 가지는
저항 변화 소자.
The method according to claim 1,
When the forming voltage or the set voltage is applied between the lower electrode layer and the conductive oxide layer, the variable resistance layer has a relatively low resistance state
Wherein when the reset voltage is applied between the lower electrode layer and the conductive oxide layer, the variable resistance layer has a relatively high resistance state
Resistance change element.
제4 항에 있어서,
상기 포밍 전압, 상기 셋 전압 및 상기 리셋 전압은 음의 극성을 가진 바이어스가 상기 전도성 산화물층에 인가되도록 구성되는
저항 변화 소자.
5. The method of claim 4,
Wherein the forming voltage, the set voltage, and the reset voltage are configured such that a bias having a negative polarity is applied to the conductive oxide layer
Resistance change element.
제5 항에 있어서,
상기 포밍 전압 또는 상기 셋 전압에 의해, 상기 가변저항층 내에 상기 가변저항층을 관통하는 전도성 필라멘트가 형성됨으로써, 상대적으로 저저항 상태를 가지고,
상기 리셋 전압에 의해, 상기 가변저항층 내에 상기 전도성 필라멘트의 적어도 일부분이 단절됨으로써, 상대적으로 고저항 상태를 가지는
저항 변화 소자.
6. The method of claim 5,
The conductive filament passing through the variable resistance layer is formed in the variable resistance layer by the forming voltage or the set voltage so that the conductive filament has a relatively low resistance state,
By the reset voltage, at least a part of the conductive filament is disconnected in the variable resistive layer, whereby the conductive filament having a relatively high resistance state
Resistance change element.
하부 전극층; 및
상기 하부 전극층 상에 배치되고 내부에서 산소 이동이 가능한 전도성 산화물층을 포함하되,
상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층의 계면 영역에 개재되며 상기 전도성 산화물층보다 산소 농도가 높은 가변저항층을 포함하고,
상기 가변저항층 내에서 전도성 필라멘트의 생성 및 단절에 근거하여 저항이 변화하는
저항 변화 소자.
A lower electrode layer; And
And a conductive oxide layer disposed on the lower electrode layer and capable of oxygen transfer therein,
And a variable resistance layer interposed in the interface region between the lower electrode layer and the conductive oxide layer and having a higher oxygen concentration than the conductive oxide layer,
The resistance is changed based on the generation and disconnection of the conductive filament in the variable resistance layer
Resistance change element.
제7 항에 있어서,
상기 가변저항층은 상기 전도성 산화물층에 인가되는 음의 극성을 가지는 바이어스에 의해, 저저항 상태와 고저항 상태로 저항이 가변적으로 변화하는
저항 변화 소자.
8. The method of claim 7,
The variable resistance layer has a resistance varying in a low resistance state and a high resistance state by a bias having a negative polarity applied to the conductive oxide layer
Resistance change element.
제7 항에 있어서,
상기 하부 전극층은 귀금속층을 포함하고,
상기 전도성 산화물층은 전이금속산화물을 포함하는
저항 변화 소자.
8. The method of claim 7,
Wherein the lower electrode layer comprises a noble metal layer,
Wherein the conductive oxide layer comprises a transition metal oxide
Resistance change element.
기판 상에 귀금속을 포함하는 하부 전극층을 형성하는 단계;
상기 하부 전극층 상에 전도성 산화물층을 형성하는 단계; 및
외부에서 전기장을 인가하여, 산화물층인 가변저항층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 전기장을 인가하는 단계는
상기 하부 전극층과 상기 전도성 산화물층 사이에 전압을 인가하되, 상기 전도성 산화물층에 음의 극성을 가지는 바이어스를 인가하는 단계를 포함하는
저항 변화 소자의 제조 방법.
Forming a lower electrode layer including a noble metal on a substrate;
Forming a conductive oxide layer on the lower electrode layer; And
Applying an electric field from the outside to form a variable resistance layer which is an oxide layer,
The step of applying the electric field
Applying a voltage between the lower electrode layer and the conductive oxide layer and applying a bias having a negative polarity to the conductive oxide layer,
A method of manufacturing a resistance variable element.
제10 항에 있어서,
상기 가변저항층을 형성하는 단계는
상기 전기장을 이용하여 상기 전도성 산화물층 내부의 산소를 상기 하부 전극층과의 계면으로 이동시키는 단계를 포함하는
저항 변화 소자의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of forming the variable resistance layer
And moving the oxygen in the conductive oxide layer to the interface with the lower electrode layer using the electric field
A method of manufacturing a resistance variable element.
삭제delete 제10 항에 있어서,
상기 하부 전극층을 형성하는 단계는
금 또는 백금을 포함하는 금속층을 형성하는 단계를 포함하는
저항 변화 소자의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of forming the lower electrode layer
Comprising the step of forming a metal layer comprising gold or platinum
A method of manufacturing a resistance variable element.
제10 항에 있어서,
상기 전도성 산화물을 형성하는 단계는
전이금속산화물을 포함하는 도전층을 형성하는 단계를 포함하는
저항 변화 소자의 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The step of forming the conductive oxide
Forming a conductive layer comprising a transition metal oxide
A method of manufacturing a resistance variable element.
제10 항에 있어서,
상기 전도성 산화물은 구리 또는 알루미늄이 도핑되는 아연산화물을 포함하는
저항 변화 소자의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the conductive oxide comprises zinc oxide doped with copper or aluminum
A method of manufacturing a resistance variable element.
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