KR101787751B1 - Resistive RAM of having Ohmic Contact Layer - Google Patents
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Abstract
저항변화 특성과 다이오드에 의한 선택특성을 동시에 구비하는 저항변화 메모리가 구비된다. 저항변화 메모리를 구성하는 저항변화 다이오드는 산화물 반도체들로 구성되며, p형 저항변화 반도체층 및 n형 저항변화 반도체층의 접합에 의해 달성된다. p형 저항변화 반도체층은 금속 공공에 따른 정공의 주도적 거동에 의해 전하의 이동이 수행되며, n형 저항변화 반도체층은 산소 공공에 의한 전자의 이동에 의해 전하의 이동이 수행된다. 저항변화 반도체층과 오믹 접합을 달성하고, 쇼트키 베리어의 형성을 억제하기 위해 오믹 접합층이 저항변화 다이오드 상부에 형성된다. 이를 통해 각각의 메모리 셀이 낮은 판독전압 하에서도 정보의 오독 없이 정보판독을 가능하게 하며, 메모리 구조의 구동 전력을 감소시켜 대용량, 고밀도의 메모리 실현이 가능하며, 제조공정 상의 복잡함과 고비용을 회피할 수 있다.There is provided a resistance change memory that simultaneously includes a resistance change characteristic and a diode selection characteristic. The resistance-variable diode constituting the resistance-change memory is composed of oxide semiconductors and is achieved by joining the p-type resistance-variable semiconductor layer and the n-type resistance-variable semiconductor layer. In the p-type resistance-variable semiconductor layer, charge transfer is performed by the dominant behavior of holes according to the metal vacancies, and charge transfer is performed in the n-type resistance-variable semiconductor layer by movement of electrons by oxygen vacancies. An ohmic contact layer is formed on the resistance-variable diode in order to achieve ohmic contact with the resistance-variable semiconductor layer and suppress formation of a Schottky barrier. This makes it possible for each memory cell to read information without misreading even under a low reading voltage and to reduce the driving power of the memory structure to realize a large capacity and high density memory and to avoid the complexity and high cost of the manufacturing process .
Description
본 발명은 비휘발성 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이오드 구조를 가지는 저항변화 메모리(Resistive Random Access Memory)에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory, and more particularly, to a resistive random access memory having a diode structure.
비휘발성 메모리는 디지털 정보통신 분야에 필수적으로 사용되는 소자이다. 이는 전원이 제거되더라도 저장된 정보가 유지되는 특성을 가진다. 특히, 대표적인 비휘발성 메모리라 할 수 있는 플래시 메모리는 전하 제어를 기반으로 한 동작 거동을 보인다. 전하 제어를 기반으로 한 기존의 비휘발성 메모리는 디자인 룰을 축소, 다양한 적용처에서의 까다로운 사용 조건 등으로 인해 한계점에 이를 것으로 전망된다.Nonvolatile memory is an essential element used in the field of digital information communication. This has the characteristic that the stored information is retained even if the power supply is removed. In particular, flash memory, which is a typical non-volatile memory, exhibits a behavior based on charge control. Conventional nonvolatile memories based on charge control are expected to reach a critical point due to reduced design rules and difficult usage conditions in various applications.
이러한 한계점을 극복하기 위해 상변화, 자기장의 변화 등을 이용한 새로운 메모리 소자에 관한 연구가 진행되고 있다. 연구가 진행되는 새로운 메모리 소자들의 정보저장방식은 물질의 상태 변화를 유도하여 물질 자체가 가지는 저항을 변화시키는 원리를 사용한다.In order to overcome these limitations, new memory devices using phase change and magnetic field change are being studied. The information storage method of new memory devices under study uses the principle of changing the resistance of the material itself by inducing the state change of the material.
대표적인 비휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리의 경우, 데이터의 프로그램 및 소거 동작에서 높은 동작전압이 요구된다. 따라서, 45nm 이하로 스케일 다운(scale down)시, 이웃하는 셀들 사이의 간섭으로 인해 일정한 한계에 노출되며, 느린 동작속도 및 큰 소비전력이 여전히 문제가 되고 있다. 새롭게 연구되고 있는 비휘발성 메모리인 MRAM(Magnetic RAM)은 복잡한 제조공정 및 다층 구조, 읽기/쓰기 동작의 마진이 작다는 한계가 있다.In a flash memory, which is a typical non-volatile memory device, a high operating voltage is required for programming and erasing data. Therefore, when scaling down to 45 nm or less, it is exposed to certain limits due to interference between neighboring cells, and slow operation speed and large power consumption are still a problem. MRAM (Magnetic RAM), a newly studied nonvolatile memory, has a limitation in that it has a complicated manufacturing process, a multi-layer structure, and a small margin of read / write operation.
저항변화 메모리 소자는 상부 전극 및 하부 전극 사이에 산화물로 구성된 저항 변화층을 포함하는 구조를 가진다. 저항 변화층의 저항은 인가되는 전압에 따라 변경되는데, 이를 이용하여 메모리의 동작이 실현된다. 저항변화 메모리는 이론적으로 무한대의 기록 및 재생이 가능하며, 반복되는 동작에 따른 특성의 열화가 없고, 고온 동작이 가능하다는 잇점을 가진다. 이외에도 비휘발성의 특성 및 데이터의 안정성을 가진다. 특히, 입력 펄스 인가시 1000배 이상의 저항변화에 10 내지 20ns 정도의 고속 동작이 가능하다.The resistance change memory element has a structure including a resistance change layer composed of an oxide between an upper electrode and a lower electrode. The resistance of the resistance variable layer is changed according to the applied voltage, and the operation of the memory is realized by using the resistance. The resistance change memory is advantageous in that it can theoretically record and reproduce at an infinite time, and there is no deterioration of characteristics due to repeated operation, and high temperature operation is possible. In addition, it has non-volatile characteristics and data stability. Particularly, when the input pulse is applied, a high-speed operation of about 10 to 20 ns is possible with a change in resistance of 1000 times or more.
상기 저항변화 메모리의 저항 변화층은 단일막 또는 다층막 구조를 가지며, 고집적화 및 고속화가 가능하다. 또한, 기존의 CMOS 공정과 유사한 공정기술이 적용되므로, 제조공정이 용이하다는 장점이 있다.The resistance-variable layer of the resistance-change memory has a single-layer or multi-layer structure, which enables high integration and high-speed operation. In addition, since the process technology similar to the conventional CMOS process is applied, there is an advantage that the manufacturing process is easy.
상기 저항 변화층의 재질은 이원계 산화물 또는 페로브스카이트이며, 초기에 소정의 전압이 인가되는 과정(Electroforming : 이하 ‘포밍’)을 거치면 저항 변화층 내부에 전도성 필라멘트가 형성된다. 또한, 전도성 필라멘트에 대한 전압 조절을 통해 전도성 필라멘트는 파괴(reset) 및 재생성(set)된다. 이를 통해 저항 변화층에 흐르는 전류를 제어함으로써 비휘발성 메모리로의 동작이 이루어진다.The material of the resistance variable layer is binary oxide or perovskite. When a predetermined voltage is initially applied ('forming'), a conductive filament is formed in the resistance variable layer. In addition, the voltage regulation of the conductive filament causes the conductive filament to be reset and set. By doing so, the operation of the nonvolatile memory is achieved by controlling the current flowing through the resistance variable layer.
또한, 고집적의 이상적인 메모리 소자의 구성을 위해 4F2의 메모리 셀 크기를 가지는 직교 막대 셀 어레이의 개발이 중요한데, 직교 막대 셀 어레이가 가지는 고유의 특성으로 인해 인접한 셀들 사이의 간섭현상이 발생된다. 이는 메모리에 저장된 데이터의 읽기 동작에 오류를 유발하는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 각각의 셀들을 선택적으로 읽을 수 있는 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 선택소자가 부가적으로 각 셀들마다 구비된다. 그러나, 트랜지스터는 소자의 크기가 작아질수록 제작 및 특성 구현에 어려움이 나타나며, 상대적으로 간단한 구조를 지닌 다이오드를 선택소자로 사용하는 것이 유리하다.Also, for the highly integrated ideal memory device, it is important to develop an orthogonal bar cell array having a memory cell size of 4F 2. Due to the inherent characteristics of the orthogonal bar cell array, an interference phenomenon occurs between adjacent cells. This causes an error in the reading operation of the data stored in the memory. To solve this problem, a selection device such as a diode or a transistor capable of selectively reading each cell is additionally provided for each cell. However, the smaller the size of the transistor, the more difficult it is to fabricate and characterize it, and it is advantageous to use a diode having a relatively simple structure as a selection device.
상술한 바와 같이 직교막대 셀 어레이에 p-n 다이오드 구조를 갖는 저항변화 메모리 소자를 제작하게 되면, 정보 판독시 주변 소자의 영향으로 인한 정보 오독의 우려는 감소하지만, 산화물과 전극물질 사이에 형성되는 schottky barrier는 정보 판독시, 판독 전압이 커지는 문제가 발생한다.As described above, when a resistance change memory element having a pn diode structure is fabricated in an orthogonal bar cell array, there is a fear of information misreading due to the influence of peripheral elements in reading information. However, the schottky barrier formed between the oxide and the electrode material There arises a problem that the read voltage becomes large at the time of reading information.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 직교막대 셀 어레이 구조에서도 주변 소자의 영향을 배제하고, 간단한 구조를 통해 정보 오독의 우려를 제거할 수 있는 저항변화 메모리를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to solve the above-described problems and to provide a resistance change memory which can eliminate the influence of peripheral elements in a rectangular bar cell array structure and eliminate the possibility of information misreading through a simple structure.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 저항변화 다이오드; 및 상기 저항변화 다이오드 상에 형성되고, 저항변화 다이오드와 오믹 접합을 달성하는 상부 전극층을 포함하는 저항변화 메모리를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a plasma display panel comprising: a lower electrode formed on a substrate; A resistance variable diode formed on the lower electrode; And a top electrode layer formed on the resistance-changing diode, the top-electrode layer achieving ohmic contact with the resistance-changing diode.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되고, 인가전압에 따른 저항변화와 다이오드 특성을 동시에 가지는 저항변화 다이오드; 및 상기 저항변화 다이오드 상에 형성되고, 저항변화 다이오드와 오믹 접합을 달성하는 오믹 접합층을 포함하는 저항변화 메모리의 제공을 통해서도 달성된다.The above object of the present invention can also be achieved by a plasma display panel comprising: a lower electrode formed on a substrate; A resistance change diode formed on the lower electrode and having a resistance change according to an applied voltage and a diode characteristic at the same time; And an ohmic contact layer formed on the resistance-variable diode and achieving ohmic contact with the resistance-change diode.
상술한 본 발명에 따르면, 저항변화 동작과 소자의 선택동작인 다이오드 특성 동작은 하나의 구조에서 동시에 수행된다. 또한, 이를 수행하는 저항변화 다이오드 상부에는 오믹 접합이 달성된다. 따라서, 이를 통해 schottky barrier를 억제하여 순방향과 역방향의 정류 특성을 유지하면서도 낮은 순방향 바이어스에서도 높은 순방향 전류를 얻을 수 있다. 오믹 접합층 적용을 통한 저항변화 다이오드 메모리 소자의 특성 향상은 각각의 메모리 셀이 낮은 판독전압 하에서도 정보의 오독 없이 정보판독을 가능하게 한다. 이러한 특성의 향상은 최종적으로 전체 메모리 구조의 구동 전력을 감소시켜 대용량, 고밀도의 메모리 실현이 가능하며, 제조공정 상의 복잡함과 고비용을 회피할 수 있다.According to the present invention described above, the resistance change operation and the diode characteristic operation, which is a selection operation of the element, are performed simultaneously in one structure. In addition, an ohmic junction is achieved over the resistance-varying diode that does this. Therefore, it is possible to suppress the schottky barrier to obtain a high forward current even at a low forward bias while maintaining forward and reverse rectification characteristics. Improvement of the characteristics of the resistance variable diode memory device through application of the Ohmic junction layer enables each memory cell to read information without misreading the information even under a low read voltage. The improvement of these characteristics can finally realize a memory of a large capacity and a high density by reducing the driving power of the entire memory structure, and it is possible to avoid the complication and the high cost in the manufacturing process.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 오믹 접합층을 포함하는 저항변화 메모리의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드의 저항변화 스위칭 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 다른 그래프들이다.1 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory according to a preferred embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a resistance change memory according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a graph showing voltage-current characteristics of a resistance-change memory including an Ohmic junction layer according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is another graph showing voltage-current characteristics for confirming the resistance change switching characteristic of the diode of the resistance change memory according to the preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예Example
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 하부 전극(110), 저항변화 다이오드(120) 및 상부 전극층(130)이 구비된다. 상기 저항변화 다이오드(120)는 p형 저항변화 반도체층(121) 및 n형 저항변화 반도체층(122)을 포함한다. 또한, 상기 상부 전극층(130)은 오믹 접합층(131) 및 상부 전극(132)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a
상기 기판(100)은 통상의 반도체 메모리 소자에 적용되는 것이라면, 어느 것이나 사용가능하다. 따라서, 재질 등에 특별한 한정은 없으며, Si, SiO2, Si/SiO2 다층 기판 또는 폴리 실리콘 기판 등이 사용될 수 있다.The
또한, 상기 기판(100)은 물리적인 기판이 아닌 특정의 막질일 수 있다. 즉, 기판(100) 상에 형성되어 소정의 적층 구조를 가지며, 하부 전극(110)을 물리적으로 지지할 수 있는 막질일 수 있다.In addition, the
상기 기판(100) 상에는 하부 전극(110)이 형성된다. 상기 하부 전극(110)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함화는 질화물 전극일 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 선택되는 재질에 따라 20nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다.A
상기 하부 전극(110) 상에는 저항변화 다이오드(120)가 구비된다. 상기 저항변화 다이오드(120)는 p형 저항변화 반도체층(121) 및 n형 저항변화 반도체층(122)을 가진다.A resistance-
먼저, 상기 하부 전극(110) 상에는 p형 저항변화 반도체층(121)이 구비된다. 상기 p형 저항변화 반도체층(121)은 CoOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), MgOx(1≤ x < 2, x는 실수), CuAlOx(1.8≤ x < 3, x는 실수), MnOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), SnOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), FeOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), WOx(1.8≤ x < 3, x는 실수), PbOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), Pr1 -xCaxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수), La1 -xCaxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수), La1 -xSrxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수) 또는 PbZr1 -xTixO3(0.6≤ x < 1, x는 실수)를 포함한다.First, a p-type resistance-
즉, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)은 산화물 반도체로 구성되며, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)에서는 정공을 통한 전하의 이동이 주도적으로 일어난다. 특히, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)을 구성하는 물질은 비화학양론적인 구성을 가짐이 바람직하다. 특히, 금속원자의 공공(vacancy)을 이용한 정공의 이동이 주도적으로 발생된다.That is, the p-type resistance-
상기 p형 저항변화 반도체층(121) 상부에는 n형 저항변화 반도체층(122)이 구비된다. 상기 n형 저항변화 반도체층(122)은 TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수), CeOx(1.5≤ x < 2, x는 실수), ZnOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), TaOx(x는 1.2 ≤ x < 2.5, x는 실수), AlOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), LaOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), NbOx(1.2≤ x ≤ 2, x는 실수), Sn-도핑된 InOx(1<x≤ 1.5, x는 실수), InxZn1 -xO2(0<x≤ 0.5, x는 실수), LixNb1 -xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), SrxTi1 -xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), BaxSr1 -xTiO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), Nb-도핑된 SrxTi1 -xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), Cr-도핑된 SrxTi1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), SrxZr1 -xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수) 또는 Cr-도핑된 SrxZr1 -xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수)를 포함한다.The n-type resistance-
상기 n형 저항변화 반도체층(122)은 산화물 반도체로 구성되며, 전자를 통한 전하의 이동이 주도적으로 일어난다. 따라서, 산소원자의 공공에 따른 비화학양론적인 구성을 가짐이 바람직하다.The n-type resistance-
상기 n형 저항변화 반도체층(122) 상에는 상부 전극층(130)이 형성된다. The
특히, n형 저항변화 반도체층(122) 상부에는 쇼트키 베리어(schottky barrier) 형성을 억제하기 위한 오믹 접합층(131)이 배치된다. 오믹 접합층(131)은 전도성 물질로 이루어지며, n형 저항변화 반도체층(122)과 오믹 접합을 형성한다. 오믹 접합층(131)은 비교적 낮은 일함수를 가지는 Al, In, Ti 또는 Mn 등의 금속 물질이거나, WN, TiN와 같은 nitride 물질, TiOx(0.5 < x <1.4), (In,Sn)2O3, RuO2 또는 SrRuO3 등과 같은 산화물 전극물질을 포함한다. 오믹 접합층(131)의 두께는 3nm 내지 250nm인 것이 적합하다. 만일 오믹 접합층(131)의 두께가 3nm 미만인 경우, 쇼트키 베리어의 억제 효과가 감소하며, 250nm를 상회하는 경우, 소자의 다이오드 특성이 영향을 받거나 전체적인 소자의 크기가 증가하는 문제가 발생한다. 특히, n형 저항변화 반도체층(122)이 TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수)인 경우, 오믹 접합층(131)으로는 동종의 TiOx(0.5 < x <1.4)를 사용하는 것이 바람직하다.In particular, an
오믹 접합층(131) 상부에는 상부 전극(132)이 형성된다. 상기 상부 전극(132)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다. 또한, 상부 전극(132)은 20nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있으며, 새도우 마스크, 통상의 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝, 나노 임프린팅 또는 e-빔 리소그래피 등의 방법을 통해 미세 직교막대 어레이로 구성될 수 있다. 즉, 하부 전극(110)과 상부 전극(132)은 상호간에 신장방향이 서로 교차하도록 형성될 수 있다.An
상기 도 1에서 상기 p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(122)은 그 배치가 서로 바뀔 수 있다. 즉, 하부 전극(110) 상에 형성된 오믹 접합층(131) 상에 n형 저항변화 반도체층(122)이 먼저 형성되고, n형 저항변화 반도체층(122) 상부에 p형 저항변화 반도체층(121)이 배치될 수 있다.1, the arrangement of the p-type resistance-
또한, 저항변화 반도체층들(121, 122)의 저항변화는 인가되는 전압에 의한 전도성 필라멘트의 형성과 소멸에 의해 달성된다. 즉, 인가되는 고전압 또는 바이어스에 의해 소재 내부의 전하의 이동경로가 형성되는 전도성 필라멘트의 형성 및 소멸에 의해 저항의 변화가 일어난다.The resistance change of the resistance-variable semiconductor layers 121 and 122 is achieved by the formation and disappearance of the conductive filament by the applied voltage. That is, the resistance changes due to the formation and disappearance of the conductive filament in which the path of the charge in the material is formed by the applied high voltage or bias.
또한, 상술한 p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(122)의 접합은 다이오드 특성을 가진다. 즉, 전도성 필라멘트가 형성되더라도, p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(122)은 다이오드 특성을 유지하면서 저항 변화층으로 기능하는 저항변화 다이오드(120)를 형성한다.The junction of the p-type resistance-
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views illustrating a method for fabricating a resistance change memory according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 전극(110)이 형성된다. 상기 기판(100)은 물리적인 기판일 수 있으며, 하부 전극(110)을 지지하는 특정의 막질일 수 있다. 상기 하부 전극(110)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다.Referring to FIG. 2, a
또한, 상기 하부 전극(110)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 즉, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법, 증발법, 전자빔 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법 등이 사용될 수 있으며, 바람직하기로는 스퍼터링을 이용한 Pt 재질이 하부 전극으로 사용된다.In addition, the
도 3을 참조하면, 상기 하부 전극(110) 상에 저항변화 다이오드(120)가 형성된다. 상기 저항변화 다이오드(120)는 정바이어스가 인가될 때의 전류량과 역바이어스가 인가될 때의 전류량의 차이를 가진다. 또한, 인가되는 전압에 따라 자체적으로 저항이 변하는 특성을 가진다. 이를 통해 저항변화 다이오드(120)는 인가되는 바이어스에 따라 전도성 필라멘트가 형성되거나 파괴되는 셋/리셋 동작을 수행할 수 있으며, 다이오드 고유의 특성에 따른 셀의 선택적 동작을 유발할 수 있다.Referring to FIG. 3, a resistance-
상기 저항변화 다이오드(120)는 p형 저항변화 반도체층(121) 및 n형 저항변화 반도체층(122)을 가진다.The resistance-
예컨대, 하부 전극(110) 상에는 p형 저항변화 반도체층(121)이 형성된다. 상기 p형 저항변화 반도체층(121)은 상기 도 1에 도시된 물질을 포함한다. 또한, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성은 알려진 바에 따른 다양한 증착법을 통해 달성될 수 있다. For example, the p-type resistance-
예컨대, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법, 증발법, 전자빔 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 애피택시 증착법 등이 사용될 수 있으며, 바람직하기로는 CoOx 재질이 p형 저항변화 반도체층으로 사용된다.For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, a sputtering method, a pulse laser deposition method, an evaporation method, an electron beam deposition method, an atomic layer deposition method or a molecular beam epitaxy deposition method may be used. Preferably, the CoO x material is a p- Is used.
p형 저항변화 반도체층(121) 상부에는 n형 저항변화 반도체층(122)이 형성된다. 상기 n형 저항변화 반도체층(122)은 상기 도 1에 도시된 물질을 포함한다. 또한, n형 저항변화 반도체층(122)은 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성에 관해 언급된 바와 같이 다양한 증착법을 통해 형성될 수 있다. 바람직하기로는 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성법과 동일한 방법을 통해 n형 저항변화 반도체층(122)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 n형 저항변화 반도체층(122)은 TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수)를 포함함이 바람직하다.The n-type resistance-
도 4를 참조하면, 상기 저항변화 다이오드(120) 상에는 상부 전극층(130)이 형성된다. 상부 전극층(130)은 오믹 접합층(131) 및 상부 전극(132)을 가진다. 특히, 저항변화 다이오드(120) 상부에는 오믹 접합층(131)이 먼저 형성된다. 오믹 접합층(131)은 낮은 일함수를 갖는 Al, In, Ti 또는 Mn 등의 금속 물질이나, WN 또는 TiN와 같은 nitride 물질, TiOx (0.5 < x <1.4), (In,Sn)2O3, RuO2 또는 SrRuO3 등과 같은 산화물 전극물질을 포함한다. 오믹 접합층(131)의 두께는 3nm 내지 250nm인 것이 적합하다. 이때 오믹 접합층(131)의 두께가 3nm 미만이 되면 쇼트키 베리어 억제 효과가 감소하며, 250nm를 상회하면 소자의 다이오드 특성에 영향을 주거나 소자의 전체적인 크기에 영향을 주기 때문에 바람직하지 않다. Referring to FIG. 4, an
또한, 상기 오믹 접합층은(131)은 새도우 마스크 또는 통상의 포토리소그래피및 e-beam 리소그래피를 통해 패터닝된 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 금속물의 증착을 통해 오믹 접합층(131)의 전단계인 도전성 막질을 형성하고, 통상의 포토리소그래피에 따른 패터닝을 통해 오믹 접합층(131)이 형성될 수 있다. 또는, 증착공정시 새도우 마스크를 이용하여 증착과 동시에 패턴화된 오믹 접합층(131)이 형성될 수 있다. 특히, n형 저항변화 반도체층(122)이 TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수)인 경우 오믹 접합층(131)으로는 TiOx 를 사용하는 것이 바람직하다. In addition, the
오믹 접합층(131) 상에 상부 전극(132)이 형성된다. 상기 상부 전극(132)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다. 또한, 상기 상부 전극(132)은 새도우 마스크 또는 통상의 포토리소그래피를 통해 패터닝된 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 금속물의 증착을 통해 상부 전극(132)의 전단계인 도전성 막질을 형성하고, 통상의 포토리소그래피에 따른 패터닝을 통해 상부 전극(132)이 형성될 수 있다. 또는, 증착 공정시 새도우 마스크를 이용하여 증착과 동시에 패턴화된 상부 전극(132)이 형성될 수 있다.An
상부 전극(132)이 형성된 이후, 제조된 저항변화 메모리에 대한 후열처리가 수행될 수 있다.After the
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 오믹 접합층을 포함하는 저항변화 메모리의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프들이다.5 is a graph showing voltage-current characteristics of a resistance-change memory including an Ohmic junction layer according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 기판으로는 폴리 실리콘이 사용되면, 기판의 상부에 직접 하부 전극이 형성된다. 상기 하부 전극의 재질은 Pt이며, 두께는 100nm로 설정된다.Referring to FIG. 5, when polysilicon is used as a substrate, a lower electrode is directly formed on a substrate. The material of the lower electrode is Pt, and the thickness is set to 100 nm.
하부 전극의 상부에는 저항변화 다이오드가 구비되며, 하부 전극 상에는 p형 저항변화 반도체층이 먼저 형성된다. 상기 p형 저항변화 반도체층의 재질은 CoO를 포함하고, 그 두께는 30nm로 설정된다. 또한, 상기 p형 저항변화 반도체층 상부에는 n형 저항변화 반도체층이 형성된다. n형 저항변화 반도체층의 재질은 TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수)를 포함하고, 그 두께는 10nm이다.A resistance-variable diode is provided on the upper portion of the lower electrode, and a p-type resistance-variable semiconductor layer is formed on the lower electrode. The material of the p-type resistance-variable semiconductor layer includes CoO, and its thickness is set to 30 nm. Further, an n-type resistance-variable semiconductor layer is formed on the p-type resistance-variable semiconductor layer. The material of the n-type resistance variable semiconductor layer includes TiO x (1.2? x? 1.89, x is a real number) and its thickness is 10 nm.
저항변화 다이오드 상부에는 오믹 접합층이 5nm의 두께를 가지는 TiOx (0.5 < x < 1.4)로 형성되며, 상부에 형성된 상부전극은 Pt를 포함한다. 또한, 상부전극의 두께는 100nm로 설정된다.On the resistance variable diode, an ohmic contact layer is formed of TiO x (0.5 <x <1.4) having a thickness of 5 nm, and the upper electrode formed on the upper part includes Pt. The thickness of the upper electrode is set to 100 nm.
상술한 구조를 가지는 저항변화 메모리의 상/하부 전극에 전압차를 인가하여 흐르는 전류를 측정한다. 음의 전압이 인가되는 방향이 정방향이며, 양의 전압이 인가되는 방향은 역방향이다. 또한, 상기 도 5에서 도시되는 저항변화 메모리는 포밍이 수행되기 이전상태이다.The voltage difference is applied to the upper and lower electrodes of the resistance change memory having the above-described structure to measure the current flowing. The direction in which the negative voltage is applied is the positive direction, and the direction in which the positive voltage is applied is the reverse direction. The resistance change memory shown in FIG. 5 is in a state before the forming is performed.
오믹 접합층이 삽입된 저항변화 다이오드 소자의 경우 정방향 전압의 인가(- 단위로 표시됨)에 의해 저항변화 다이오드는 높은 정방향 전류를 형성한다. 예컨대, 2V의 전압차에 의해 1 mA 이상의 정방향 전류가 흐르게 된다. 반면, 역방향 전압이 인가(+ 단위로 표시됨)되는 경우, 정류 특성에 의해 낮은 양의 역방향 전류가 흐른다. 예컨대, 2V의 전압차에 의해 1 uA 이하의 역방향 전류가 흐른다. 상술한 바와 같이 저항변화 메모리는 저항변화 반도체들로 구성된 저항변화 다이오드에 의해 정방향 및 역방향 바이어스의 인가시, 약 1000배 이상의 전류량의 차이를 가져온다. 이를 통해 저항변화 다이오드가 인가되는 바이어스의 방향성에 대해 정류작용을 수행하는 것을 확인할 수 있으며, 특히 저 전압 영역 예컨대, 0.5V 이하에 영역에서의 순방향 전류량을 비교해 보면 오믹 접합층이 삽입된 저항변화 다이오드 소자의 전류량이 오믹 접합층을 포함하지 않는 저항변화 다이오드 소자보다 매우 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 전극물질과 저항변화 물질 사이에 존재하는 schottky barrier의 유무에 따른 것으로서 사용된 오믹 접합층이 schottky barrier의 형성을 억제하고 오믹 접촉을 형성하여 순방향 바이어스시 낮은 전압에서도 높은 순방향 전류가 흐를 수 있도록 하기 때문이다.In the case of a resistance-variable diode element with an ohmic junction layer inserted, the resistance-changing diode forms a high positive current due to the application of positive voltage (expressed in units of -). For example, a positive current of 1 mA or more flows due to a voltage difference of 2V. On the other hand, when the reverse voltage is applied (expressed in units of +), a low amount of reverse current flows due to the rectifying characteristic. For example, a reverse current of 1 uA or less flows due to a voltage difference of 2V. As described above, the resistance change memory causes a difference in the amount of current to be about 1000 times or more when the forward bias and the reverse bias are applied by the resistance-change diode composed of resistance-changing semiconductors. As a result, it can be seen that the rectifying action is performed with respect to the directionality of the bias to which the resistance variable diode is applied. In particular, when comparing the amount of forward current in the low voltage region such as 0.5 V or less, It can be seen that the current amount of the device is much larger than that of the resistance-variable diode device not including the ohmic junction layer. This is due to the presence or absence of a schottky barrier between the electrode material and the resistance-changing material. The ohmic junction layer suppresses the formation of a Schottky barrier and forms an ohmic contact so that a high forward current can flow at a low voltage during forward bias Because.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드의 저항변화 스위칭 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 다른 그래프들이다.6 is another graph showing voltage-current characteristics for confirming the resistance change switching characteristic of the diode of the resistance change memory according to the preferred embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 상기 도 5에 개시된 저항변화 메모리에 대해 포밍과정이 수행되고, 포밍이 수행된 저항변화 메모리의 다이오드 특성이 측정된다. 포밍은 역방향 바이어스 인가에 의해 수행되며, 약 4.6V에서 발생된다. 이후에 정방향 바이어스 1.5V의 인가에 따라 리셋 과정이 수행된다. 포밍에 의해 형성된 전도성 필라멘트는 리셋 과정을 통해 일부가 파괴된다. Referring to FIG. 6, a forming process is performed on the resistance change memory shown in FIG. 5, and the diode characteristics of the resistance change memory in which the forming is performed are measured. Foaming is performed by application of reverse bias and occurs at about 4.6V. Thereafter, the reset process is performed according to the application of the forward bias of 1.5V. The conductive filament formed by the foaming is partially broken through the reset process.
리셋 과정이 수행된 이후의 저항변화 메모리는 다시 셋과 리셋 과정이 반복적으로 수행될 수 있다. 포밍이 수행되고, 리셋이 수행된 저항변화 메모리의 정방향 및 역방향 특성이 측정된다. 정방향 바이어스가 인가되는 경우(- 단위로 표시됨)의 전류량이 역방향 바이어스가 인가(+ 단위로 표시됨)되는 전류량에 비해 높은 값을 가짐을 알 수 있다. 특히 저항변화 메모리의 정보를 판독하는 순방향의 낮은 전압 영역(< 0.5 V)에서 HRS 상태에서의 전류량은 오믹 접합층이 삽입된 경우가 삽입되지 않은 경우 10배 이상 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 저항변화 메모리 소자의 동작에서 낮은 판독 전압으로도 메모리 셀의 정보를 판독하기에 유용하다는 것을 나타낸다.The resistance change memory after the reset process is performed can be repeatedly reset and reset. The forwarding is performed, and the forward and reverse characteristics of the resistance change memory in which the reset is performed are measured. It can be seen that the amount of current when a forward bias is applied (indicated by a unit) has a higher value than the amount of reverse bias applied (expressed in units of +). In particular, the amount of current in the HRS state in the forward low voltage region (< 0.5 V) for reading the information of the resistance change memory is 10 times or more larger when the case where the ohmic junction layer is inserted is not inserted. This indicates that the operation of the resistance change memory element is useful for reading information of the memory cell even at a low read voltage.
상술한 바대로 본 발명은 다이오드 특성과 저항변화 특성을 동시에 구현하는 저항변화 메모리소자에서 오믹 접합층을 사용을 통해 schottky barrier를 억제하여 순방향과 역방향의 정류 특성을 유지하면서도 낮은 순방향 바이어스에서도 높은 순방향 전류를 얻을 수 있다. 오믹 접합층 적용을 통한 저항변화 다이오드 메모리 소자의 특성 향상은 각각의 메모리 셀이 낮은 판독전압 하에서도 정보의 오독 없이 정보판독을 가능하게 한다. 이러한 특성의 향상은 최종적으로 전체 메모리 구조의 구동 전력을 감소시켜 대용량, 고밀도의 메모리 실현이 가능하며, 제조공정 상의 복잡함과 고비용을 회피할 수 있다.As described above, according to the present invention, a schottky barrier is suppressed through the use of an ohmic contact layer in a resistance-variable memory device that simultaneously realizes both diode characteristics and resistance change characteristics, so that forward current and reverse current rectification characteristics are maintained, Can be obtained. Improvement of the characteristics of the resistance variable diode memory device through application of the Ohmic junction layer enables each memory cell to read information without misreading the information even under a low read voltage. The improvement of these characteristics can finally realize a memory of a large capacity and a high density by reducing the driving power of the entire memory structure, and it is possible to avoid the complication and the high cost in the manufacturing process.
100 : 기판 110 : 하부 전극
120 : 저항변화 다이오드 130 : 상부 전극층100: substrate 110: lower electrode
120: resistance-variable diode 130: upper electrode layer
Claims (14)
상기 하부 전극 상에 형성되며, 정공을 통한 전하의 이동이 주도적으로 발생되는 산화물 반도체로 구성된 p형 저항변화 반도체층;
상기 p형 저항변화 반도체층 상에 형성되고, 전자를 통한 전하의 이동이 주도적으로 발생되는 산화물 반도체로 구성된 n형 저항변화 반도체층;
상기 n형 저항변화 반도체층 상에 형성되고, 저항변화 다이오드와 쇼트키 베리어의 형성을 억제하는 오믹 접합층; 및
상기 오믹 접합층 상부에 형성되는 상부 전극을 포함하는 것을 특징으로 하고,
상기 오믹 접합층은, Al, In, Ti 또는 Mn을 가지는 금속 물질, WN 또는 TiN을 가지는 nitride 물질 또는 TiOx(0.5 < x <1.4), (In,Sn)2O3, RuO2 또는 SrRuO3을 가지는 산화물 전극물질을 포함하고,
상기 p형 저항변화 반도체층은, CoOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), MgOx(1≤ x < 2, x는 실수), CuAlOx(1.8≤ x < 3, x는 실수), MnOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), SnOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), FeOx(1≤ x ≤ 1.5, x는 실수), WOx(1.8≤ x < 3, x는 실수), PbOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), Pr1-xCaxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수), La1-xCaxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수), La1-xSrxMnO3(0.6≤ x < 1, x는 실수) 또는 PbZr1-xTixO3(0.6≤ x < 1, x는 실수)를 포함하며,
상기 n형 저항변화 반도체층은, TiOx(1.2≤ x ≤ 1.89, x는 실수), CeOx(1.5≤ x < 2, x는 실수), ZnOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), TaOx(x는 1.2 ≤ x < 2.5, x는 실수), AlOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), LaOx(1.2≤ x < 2, x는 실수), NbOx(1.2≤ x ≤ 2, x는 실수), Sn-도핑된 InOx(1<x≤ 1.5, x는 실수), InxZn1-xO2(0<x≤ 0.5, x는 실수), LixNb1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), SrxTi1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), BaxSr1-xTiO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), Nb-도핑된 SrxTi1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), Cr-도핑된 SrxTi1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수), SrxZr1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수) 또는 Cr-도핑된 SrxZr1-xO3(0<x≤ 0.5, x는 실수)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.A lower electrode formed on a substrate;
A p-type resistance-variable semiconductor layer formed on the lower electrode, the p-type resistance-variable semiconductor layer being composed of an oxide semiconductor in which charge transfer through holes is dominant;
An n-type resistance-variable semiconductor layer formed on the p-type resistance-variable semiconductor layer, the n-type resistance-variable semiconductor layer being composed of an oxide semiconductor in which charge transfer through electrons is predominantly generated;
An ohmic contact layer formed on the n-type resistance-variable semiconductor layer and suppressing formation of a resistance-variable diode and a Schottky barrier; And
And an upper electrode formed on the ohmic contact layer,
The ohmic contact layer may be formed of a metal material having Al, In, Ti or Mn, a nitride material having WN or TiN or an oxide electrode material having TiOx (0.5 <x <1.4), (In, Sn) 2O3, RuO2 or SrRuO3 / RTI >
Wherein the p-type resistance variable semiconductor layer is made of CoO x (1? X? 1.5 and x is a real number), MgO x (1? X <2, x is a real number), CuAlO x , MnO x (1≤ x ≤ 1.5 , x is a real number), SnO x (1.2≤ x < 2, x is a real number), FeO x (1≤ x ≤ 1.5, x is a real number), WO x (1.8≤ x < 3, x is a real number), PbO x (1.2≤ x < 2, x is a real number), Pr 1-x Ca x MnO 3 (0.6≤ x <1, x is a real number), La 1-x Ca x MnO 3 ( (Where x is a real number), La 1-x Sr x MnO 3 (0.6 x <1, x is a real number), or PbZr 1-x Ti x O 3 / RTI >
The n-type semiconductor layer has a resistance change, TiO x (1.2≤ x ≤ 1.89 , x is a real number), CeO x (1.5≤ x < 2, x is a real number), ZnO x (1.2≤ x < 2, x is a real number) , TaO x (x is 1.2 ≤ x <2.5, x is a real number), AlO x (1.2≤ x < 2, x is a real number), LaO x (1.2≤ x < 2, x is a real number), NbO x (1.2≤ x ≤ 2, x is a real number), Sn- doped InO x (1 <x≤ 1.5, x is a real number), In x Zn 1-x O 2 (0 <x≤ 0.5, x is a real number), Li x Nb 1-x O 3 (0 < x≤ 0.5, x is a real number), Sr x Ti 1-x O 3 (0 <x≤ 0.5, x is a real number), Ba x Sr 1-x TiO 3 (0 <x≤ 0.5, x is a real number), Nb-doped Sr x Ti 1-x O 3 (0 <x? 0.5, x is a real number), Cr-doped Sr x Ti 1-x O 3 x is a real number), Sr x Zr 1-x O 3 (0 < x 0.5, x is a real number) or Cr-doped Sr x Zr 1-x O 3 And the resistance change memory.
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