KR102072091B1 - 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 안정적인 리드 마진을 확보 할 수 있는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리를 제공한다. 이는 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 절연체-금속 변화층으로 구성된 선택소자와 저항 변화 메모리 소자를 1S-1R 구조로 형성하고, 턴온이 되는 임계전압이 펄스폭에 따라 일정한 수치를 갖는 선택소자의 특징과 펄스폭이 감소할수록 동작전압이 증가하는 저항 변화 메모리 소자의 특징을 이용함으로써 낮은 리드 펄스폭 조건에서 안정적인 리드마진을 확보할 수 있기 때문에 1S-1R 단위 소자에서 선택소자나 저항변화 메모리 소자의 스위칭 산포특성에 의해 발생하는 리드 디스터번스(read disturbance) 현상을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1S-1R 단위 소자에서 안정적인 리드 마진(read-margin)을 확보할 수 있는 동작 조건을 갖는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리에 관한 것이다.
최근 RRAM (Resistive Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Acess Memory) 등과 같은 가변 저항 메모리 장치에 대한 개발이 이루어지고 있다. 이러한 저항 변화 메모리 장치는 전압 인가를 통해서 상부전극과 하부전극 사이의 저항 변화층이 낮은 저항상태 또는 높은 저항상태로 스위칭 되는 특징을 갖는다.
저항변화 메모리는 기본적으로 금속/절연체(산화물 박막)/금속의 간단한 2단자 구조로 되며, 외부 전압에 의한 소자 내부의 산소 공공(Oxygen vacancy)의 이동에 의해 전도성 필라멘트(Filament)가 형성 또는 소멸 되는 것을 이용하여 낮은 저항 상태와 높은 저항 상태를 구현한다.
이와 같은 저항 변화 메모리 장치는 셋/리셋(set/reset) 동작이 하나의 극성 (polarity)에서 일어나는 유니폴라(unipolar)와, 셋/리셋(set/reset) 동작이 서로 다른 극성에서 발생하는 바이폴라(bipolar)로 나눠진다. 바이폴라의 경우 저항 변화 메모리 장치에서 발생하는 산포 특성을 해결할 수 있기 때문에 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같은 저항변화 메모리 소자를 크로스-포인트 어레이(cross-point array)에 집적화 하기 위해서는 누설전류를 억제할 수 있는 스위치 역할을 하는 선택소자가 필요하다. 따라서 선택소자와 저항변화 메모리 소자를 집적화(1S-1R) 하였을 때, 누설 전류를 억제할 수 있다. 하지만 1S-1R 단위 소자에서 선택소자나 저항변화 메모리 소자의 스위칭 산포특성에 의해 발생하는 리드 디스터번스(read disturbance) 현상을 해결해야 한다. 즉 1S-1R 단위 소자에서 안정적인 리드 마진(read-margin)을 확보할 수 있어야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 1S-1R 단위 소자에서 안정적인 리드 마진(read-margin)을 확보 할 수 있는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리를 제공함에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 절연체-금속 전이 특성을 갖고, 펄스폭이 변화되더라도 일정한 임계전압을 갖는 선택소자 및 상기 선택소자와 연결되어 1S-1R 구조를 형성하고, 펄스폭이 감소함에 따라 셋(set) 전압이 증가하는 저항변화 메모리 소자를 포함한다.
상기 선택소자는, 제1 하부 전극, 상기 제1 하부 전극 상에 형성되고, 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 절연체-금속 변화층 및 상기 절연체-금속 변화층 상에 형성된 제1 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 절연체-금속 변화층은 NbOx(2≤x≤2.5) 또는 VOx(2≤x≤2.5) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 상부 전극은 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 하부 전극은 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 저항변화 메모리 소자는, 제2 하부 전극, 상기 제2 하부 전극 상에 형성되고, 전도성 플리멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 저항 변화층, 상기 저항 변화층 상에 형성되고, 전압 방향에 따라 산소 공공 이온 공급 및 전압 분배 역할을 갖는 산소공공 이온 공급층 및 상기 산소공공 이온 공급층 상에 형성된 제2 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 저항 변화층은 TiOx, ZrOx, AlOx, TaOx, HfOx 또는 NiOx 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 산소공공 이온 공급층은 Ti, Hf, Ni 또는 Ta 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 선택소자는 상기 저항변화 메모리 소자보다 임계 전압에서 먼저 턴온되어 상기 저항변화 메모리 소자가 턴온 되기 전까지 리드 마진(read-margin)을 갖을 수 있다.
상기 1S-1R 구조에서 펄스폭이 감소할수록 리드 마진이 증가될 수 있다.
상기 절연체-금속 변화층은 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 저항 변화층은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 절연체-금속 변화층으로 구성된 선택소자와 저항변화 메모리 소자를 1S-1R 구조로 형성하고, 턴온이 되는 임계전압이 펄스폭에 따라 변화되지 않고 일정한 선택소자의 특징과 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로 변화되는 동작전압이 펄스폭에 따라 변화되는 저항 변화 메모리 소자의 특징을 이용함으로써 낮은 리드 펄스폭 조건에서 안정적인 리드마진을 확보할 수 있다. 따라서, 1S-1R 단위 소자에서 선택소자나 저항변화 메모리 소자의 스위칭 산포특성에 의해 발생하는 리드 디스터번스(read disturbance) 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 저항변화 메모리 소자의 펄스폭 조건에 따른 셋 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 선택소자의 펄스폭 조건에 따른 턴온 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에서 형성된 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에 따른 다양한 펄스폭 조건에서 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 저항변화 메모리 소자의 펄스폭 조건에 따른 셋 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 선택소자의 펄스폭 조건에 따른 턴온 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에서 형성된 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에 따른 다양한 펄스폭 조건에서 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선택소자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선택소자(100)는 제1 하부 전극(110), 절연체-금속 변화층(120) 및 제1 상부 전극(130)을 포함한다.
제1 하부 전극(110)의 물질로 이온화도가 작고, 확산성이 낮은, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대, 상기 제1 하부 전극(110)은 Pt, Ir, W, Au, Ru 또는 TiN을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 하부 전극(110)은 기판(미도시)상에 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 20nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.
절연체-금속 변화층(120)은 상기 제1 하부 전극(110) 상에 형성될 수 있다. 또한, 절연체-금속 변화층(120)은 절연체-금속 전이(Insulator-Metal-Transition, IMT) 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있으며, IMT 기반의 절연체-금속 변화층(120)의 물질로는 NbOx(2≤x≤2.5) 또는 VOx(2≤x≤2.5) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
IMT 특성을 갖는 절연체-금속 변화층(120)은 임계 전압(threshold voltage,Vth)보다 낮은 전압을 인가받을 때 절연체와 같은 고저항을 갖지만, 상기 임계 전압(Vth)보다 큰 전압을 인가받으면 금속과 같은 저저항을 갖는다. 이러한 IMT 반도체 특성을 갖는 상기 절연체-금속 변화층(120)은 반도체층 없이 전류가 흐를 수 있기 때문에 소자의 크기를 줄일 수 있어 고집적화 된 소자 형성이 가능하다.
또한, 선택소자(100)를 저항변화 메모리 소자(200)와 연결하여 1S-1R 구조를 형성했을 시, 선택소자(100)의 제1 상부 전극(130)에 양극 전압을 인가하게 되면 상대적으로 저항변화 메모리 소자(200)보다 높은 저항 상태를 갖는 선택소자(100)가 임계 전압(Vth)에서 먼저 턴온하게 된다. 따라서, 높은 저항 상태의 저항변화 메모리 소자(200)가 셋(set) 전압에 도달하기 전까지의 전압 구간에서 리드마진(read-margin)을 확보할 수 있다. 즉, 1S-1R 단위 소자에서 선택소자(100)나 저항변화 메모리 소자(200)의 스위칭 산포특성에 의해 발생하는 리드 디스터번스(read disturbance) 현상을 방지할 수 있다.
이는, 저항변화 메모리 소자(200)는 전극에 양극 전압을 인가했을 때 산소 공공 이온들이 저항 변화층(220)에서 전도성 필라멘트를 형성하여 셋 동작이 일어나게 되는데, 이러한 이온 기반으로 동작하는 저항변화 메모리 소자(200)의 경우 펄스폭(pulse width) 조건에 따라 셋 동작이 발생되는 전압이 다르게 형성된다. 좀 더 상세하게는, 펄스폭이 감소할수록 셋 동작이 발생되는 전압이 증가하는 특성을 갖는다. 허나, IMT 기반의 절연체-금속 변화층(120)을 갖는 선택소자(100)의 경우 전극에 전압을 인가했을 때, 절연체-금속 전이(IMT)가 형성되는 임계 스위칭(threshold switching)이 발생되기 때문에 다양한 펄스폭 조건에서도 임계 전압(Vth)이 일정한 전압을 갖는다.
또한, 상술한 리드마진을 갖는 1S-1R 구조의 특성은 펄스폭이 감소할수록 리드마진이 증가하는 경향을 갖는다. 이는 펄스폭이 감소할 때, IMT 기반의 절연체-금속 변화층(120)을 갖는 선택소자(100)의 경우 일정한 임계 전압(Vth)을 갖지만, 저항변화 메모리 소자(200)의 경우 셋 전압이 증가하는 특성을 갖는 것에 기인한다.
상기 절연체-금속 변화층(120)은 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착법 (PLD, Pulsed Laser Deposition), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리기상증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 분자선 에피탁시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy), 또는 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)등이 이용될 수 있으나, 바람직하게는, Nb, V 금속 타겟에 적정량의 산소를 공급하여 공급한 산소 양에 따라 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 가지는 조성을 조절하기 위해 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)이 이용될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 절연체-금속 변화층(120) 상에는 제1 상부 전극(130)이 형성될 수 있다.
제1 상부 전극(130)은 제1 하부 전극(110)과 동일하게 이온화도가 작고, 확산성이 낮은, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대, 상기 제1 상부 전극(130)은 Pt, Ir, W, Au, Ru 또는 TiN을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 상부 전극(130)은 절연체-금속 변화층(120) 상에 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 선택소자(100)를 포함하는 저항변화 메모리 소자(200)는 제2 하부 전극(210), 저항 변화층(220), 산소공공 이온 공급층(230) 및 제2 상부 전극(240)을 포함한다.
제2 하부 전극(210)은 Pt, Ir, W, Au, Ru, TaN 또는 TiN을 포함할 수 있다. 상기 제2 하부 전극(210)은 이 물질들에 한정되지 않고, 불활성도가 높은 전도성 물질이라면 어느 것이나 가능하다. 또한, 제2 하부 전극(210)은 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD), 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
저항 변화층(220)은 상기 제2 하부 전극(210) 상에 형성되고, 필라멘트의 생성 및 소멸을 통해 저항 변화가 발생된다. 즉, 저항 변화층(220)은 문턱 전압 이상이 인가되었을 때 활성 금속 이온 필라멘트를 형성하고, 형성된 필라멘트에 의해 저항 변화층(220)의 저항값이 변화하게 된다. 형성된 필라멘트는 전압이 제거되어도 유지되어, 비휘발성 메모리 소자로 사용될 수 있다.
저항 변화층(220)으로는 TiOx, ZrOx, AlOx, TaOx, HfOx 및 NiOx 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 저항 변화층(220)은 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition: ALD)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 저항 변화층(220)의 경우 산소 공공과 같은 결함이 발생되면 저항변화 메모리 소자(200)의 신뢰성을 악화시킬 수 있기 때문에 원자층 증착 공정을 통해 결함을 최소화할 수 있다. 이러한 저항 변화층(220)의 조성은 상술한 화학 양론적 조성비에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 저항 변화층(220)은 일예로, 1nm 내지 100nm의 두께로 형성시킬 수 있는 바, 만일 상기 저항 변화층(220)의 두께가 1nm 미만이면 절연층의 역할을 하지 못하는 문제가 있고, 100nm를 초과하는 경우에는 저항이 커져서 전계효과가 충분히 발생하지 못하여 필라멘트 형성이 어려운 문제가 있다.
산소공공 이온 공급층(230)은 상기 저항 변화층(220) 상에 형성되고, 전압 방향에 따라 산소 공공 이온 공급 및 전압 분배 역할을 갖는다. 산소공공 이온 공급층(230)으로는 Ti, Hf, Ni 또는 Ta 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 일예로, 스퍼터링 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
산소공공 이온 공급층(230) 상에는 제2 상부 전극(240)이 형성될 수 있다. 제2 상부 전극(240)은 Pt, Ir, W, Au, Ru, TaN 또는 TiN을 포함할 수 있다. 상기 제2 하부 전극(210)은 이 물질들에 한정되지 않고, 불활성도가 높은 전도성 물질이라면 어느 것이나 가능하다.
이러한 제2 상부 전극(240)은 상기 선택소자(100)의 제1 하부 전극(110)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 저항변화 메모리 소자(200)와 선택소자(100)는 서로 연결될 수 있다.
제조예
선택소자 제조
먼저, 기판 상에 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN을 포함하는 제1 하부 전극(110)을 형성한다. 예컨대 제1 하부 전극(110)은 확산성이 낮은, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 제1 하부 전극(110)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition), 전자빔 증착법(Electron Beam Evaporator) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 하부 전극(110)을 형성한 후에, 제1 하부 전극(110) 상에는 절연체-금속 변화층(120)을 형성한다. 절연체-금속 변화층(120)은 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 물질로 형성되며, IMT 기반의 절연체-금속 변화층(120)의 물질로는 일예로, NbOx(2≤x≤2.5) 또는 VOx(2≤x≤2.5) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 절연체-금속 변화층(120)은 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착법 (PLD, Pulsed Laser Deposition), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리기상증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 분자선 에피탁시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy), 또는 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)등이 이용될 수 있으나, 바람직하게는 NbOx(2≤x≤2.5) 또는 VOx(2≤x≤2.5) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 경우 Nb, V 금속 타겟에 적정량의 산소를 공급하여 공급한 산소 양에 따라 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 가지는 조성을 조절하기 위해 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)이 이용될 수 있다.
제1 하부 전극(110) 상에 절연체-금속 변화층(120)을 형성한 후에, 절연체-금속 변화층(120) 상에 제1 상부 전극(130)을 형성한다. 제1 상부 전극(130)은 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN을 포함하며, 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition), 전자빔 증착법(Electron Beam Evaporator) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.
저항변화 메모리 소자 제조
기판 상에 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN을 포함하는 제2 하부 전극(210)을 형성한다. 예컨대 제2 하부 전극(210)은 확산성이 낮은, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 제2 하부 전극(210)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition), 전자빔 증착법(Electron Beam Evaporator) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.
제2 하부 전극(210)을 형성한 후에, 저항 변화층(220)을 제2 하부 전극(210) 상에 형성한다. 저항 변화층(220)으로는 TiOx, ZrOx, AlOx, TaOx, HfOx 및 NiOx 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 저항 변화층(220)은 스퍼터링법, 알에프 스퍼터링법, 알에프 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 전자빔 증착법 또는 분자선 에피택스 증착법을 이용하여 형성될 수 있으나, 바람직하게는 원자층 증착 공정(Atomic Layer Deposition: ALD)을 이용하여 1nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다. 이는, 저항 변화층(220)의 경우 산소 공공과 같은 결함이 발생되면 저항변화 메모리 소자(200)의 신뢰성을 악화시킬 수 있기 때문에 원자층 증착 공정을 통해 결함을 최소화하여 제조하는 것이 바람직하다.
저항 변화층(220)을 형성한 후에, 저항 변화층(220) 상에 산소공공 이온 공급층(230)을 형성한다. 산소공공 이온 공급층(230)으로는 Ti, Hf, Ni 또는 Ta 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 일예로, 스퍼터링 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
산소공공 이온 공급층(230)을 형성한 후에, 산소공공 이온 공급층(230) 상에는 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN을 포함하는 제2 상부 전극(240)을 형성한다. 또한, 제2 상부 전극(240)을 상기 선택소자(100)의 제1 하부 전극(110)과 전기적으로 연결함으로써 저항변화 메모리 소자(200)는 선택소자(100)와 서로 연결될 수 있다.
이러한 제2 상부 전극(240)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition), 전자빔 증착법(Electron Beam Evaporator) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.
실험예
도 3은 본 발명의 스위치 역할을 하는 선택소자를 저항변화 메모리 소자와 연결하여 1S-1R 구조를 형성했을 시, 이에 따른 저항변화 메모리 소자의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 선택소자(100)의 제1 상부 전극(130)에 양극 전압을 인가하게 되면 상대적으로 저항변화 메모리 소자(200)보다 높은 저항 상태를 갖는 선택소자(100)가 임계 전압(Vth)에서 먼저 턴온하게 되고, 선택소자(100)가 턴온 된 후 증가된 전압에 따라 저항변화 메모리 소자(200)가 턴온하게 된다. 즉, 높은 저항 상태의 저항변화 메모리 소자(200)가 셋 전압에 도달하기 전까지의 전압 구간에서 리드마진(read-margin)이 확보됨을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 저항변화 메모리 소자의 펄스폭 조건에 따른 셋 전압을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 저항변화 메모리 소자(200)의 제2 상부 전극(240)에 양극 전압을 인가하게 되면 산소 공공 이온들이 저항 변화층(220)에서 전도성 필라멘트를 형성하여 셋 동작이 발생된다. 따라서, 도 4에 도시한 바와 같이, 이온 기반으로 동작하는 저항변화 메모리 소자(200)의 경우 펄스폭 조건에 따라 셋 동작이 발생되는 전압이 다른 것을 확인할 수 있다. 좀 더 상세하게는 펄스폭이 감소할수록 셋 동작이 발생되는 전압이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 선택소자의 펄스폭 조건에 따른 턴온 전압을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 IMT 기반의 선택소자(100)의 경우 선택소자(100)의 제1 상부 전극(130)에 음극 전압 또는 양극 전압을 인가하였을 때, 절연체-금속 전이(IMT)가 형성되는 임계 스위칭(threshold switching)이 발생된다. 이러한 임계 스위칭이 형성되는 선택소자(100)를 다양한 펄스폭 조건에서 임계 전압(Vth)을 측정해본 결과 펄스폭 조건에 관계없이 일정한 임계 전압(Vth)을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에서 형성된 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 선택소자를 포함하는 저항변화 메모리 소자에 따른 다양한 펄스폭 조건에서 리드 마진을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 IMT 기반의 선택소자(100)와 저항변화 메모리 소자(200)를 1S-1R 구조로 연결했을 때, 선택소자(100)가 임계 전압(Vth)에서 먼저 턴온 된 후에 저항변화 메모리 소자(200)가 셋 전압에 도달하기 전까지의 구간에서 0.35V의 리드 마진이 확보됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 본 발명의 IMT 기반의 선택소자(100)와 저항변화 메모리 소자(200)를 1S-1R 구조로 연결했을 때 펄스폭 10μs, 5μs, 1μs에서 리드 마진을 각각 측정한 결과, 펄스폭이 감소할수록 IMT 기반의 선택소자(100)의 경우 일정한 임계 전압(Vth)을 갖지만, 저항변화 메모리 소자(200)의 경우 펄스폭이 감소할수록 셋 전압이 증가하기 때문에 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 1S-1R 구조는 펄스폭이 감소할수록 리드 마진이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 선택소자(100)를 포함하는 저항변화 메모리 소자(200)는 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 절연체-금속 변화층(120)으로 구성된 선택소자(100)와 저항 변화 메모리 소자를 1S-1R 구조로 형성하고, 턴온이 되는 임계 전압(Vth)이 펄스폭에 따라 일정한 선택소자(100)의 특징과 펄스폭이 감소할수록 동작전압이 증가하는 저항 변화 메모리 소자의 특징을 이용함으로써 낮은 리드 펄스폭 조건에서 안정적인 리드마진을 확보할 수 있다. 따라서, 1S-1R 단위 소자에서 선택소자(100)나 저항변화 메모리 소자(200)의 스위칭 산포특성에 의해 발생하는 리드 디스터번스(read disturbance) 현상을 방지할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 선택소자 110 : 제1 하부 전극
120 : 절연체-금속 변화층 130 : 제1 상부 전극
200 : 저항변화 메모리 소자 210 : 제2 하부 전극
220 : 저항 변화층 230 : 산소공공 이온 공급층
240 : 제2 상부 전극
120 : 절연체-금속 변화층 130 : 제1 상부 전극
200 : 저항변화 메모리 소자 210 : 제2 하부 전극
220 : 저항 변화층 230 : 산소공공 이온 공급층
240 : 제2 상부 전극
Claims (12)
- 절연체-금속 전이 특성을 갖고, 펄스폭이 변화되더라도 일정한 임계전압을 갖는 선택소자; 및
상기 선택소자와 연결되어 1S-1R 구조를 형성하고, 펄스폭이 감소함에 따라 셋(set) 전압이 증가하는 저항변화 메모리 소자를 포함하고,
상기 선택소자는 상기 저항변화 메모리 소자보다 임계 전압에서 먼저 턴온되어 상기 저항변화 메모리 소자가 턴온 되기 전까지 전압 구간에서 리드 마진(read-margin)을 갖고, 상기 1S-1R 구조에서 펄스폭이 감소할수록 리드 마진이 증가하는 것이며,
상기 리드 마진은 상기 선택소자의 턴온 전압과 상기 저항변화 메모리 소자의 셋(set) 전압과의 전압 차이인 것인 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제1항에 있어서, 상기 선택소자는,
제1 하부 전극;
상기 제1 하부 전극 상에 형성되고, 절연체-금속 전이(IMT) 특성을 갖는 절연체-금속 변화층; 및
상기 절연체-금속 변화층 상에 형성된 제1 상부 전극을 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제2항에 있어서,
상기 절연체-금속 변화층은 NbOx(2≤x≤2.5) 또는 VOx(2≤x≤2.5) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제2항에 있어서,
상기 제1 상부 전극은 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제2항에 있어서,
상기 제1 하부 전극은 Pt, Ir, W, Ru, TaN 또는 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제1항에 있어서, 상기 저항변화 메모리 소자는,
제2 하부 전극;
상기 제2 하부 전극 상에 형성되고, 전도성 플리멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 저항 변화층;
상기 저항 변화층 상에 형성되고, 전압 방향에 따라 산소 공공 이온 공급 및 전압 분배 역할을 갖는 산소공공 이온 공급층; 및
상기 산소공공 이온 공급층 상에 형성된 제2 상부 전극을 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제6항에 있어서,
상기 저항 변화층은 TiOx, ZrOx, AlOx, TaOx, HfOx 또는 NiOx 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제6항에 있어서,
상기 산소공공 이온 공급층은 Ti, Hf, Ni 또는 Ta 중 적어도 어느 하나를 포함하는 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 삭제
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 절연체-금속 변화층은 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 이용하여 형성되는 것인 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리. - 제6항에 있어서,
상기 저항 변화층은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정을 이용하여 형성되는 것인 스위치 역할을 하는 선택소자가 포함된 저항변화 메모리.
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