KR102081020B1 - Selector and method of fabricating the same - Google Patents

Selector and method of fabricating the same Download PDF

Info

Publication number
KR102081020B1
KR102081020B1 KR1020190040141A KR20190040141A KR102081020B1 KR 102081020 B1 KR102081020 B1 KR 102081020B1 KR 1020190040141 A KR1020190040141 A KR 1020190040141A KR 20190040141 A KR20190040141 A KR 20190040141A KR 102081020 B1 KR102081020 B1 KR 102081020B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
initial
antioxidant
switch
nbo
Prior art date
Application number
KR1020190040141A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
손현철
이지민
김재연
김태호
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020190040141A priority Critical patent/KR102081020B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102081020B1 publication Critical patent/KR102081020B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/841Electrodes
    • H01L45/1253
    • H01L45/145
    • H01L45/1625
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/021Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
    • H10N70/026Formation of switching materials, e.g. deposition of layers by physical vapor deposition, e.g. sputtering
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881Switching materials
    • H10N70/883Oxides or nitrides

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

The present invention relates to a selection device using an anti-oxidation layer for preventing oxidation of a switch layer. According to an embodiment of the present invention, the selection device comprises: a first electrode; a switch layer formed on the first electrode, and including NbO_2; a first anti-oxidation layer formed on the switch layer, and including NbOx (0 <x < 2); a second electrode formed on the first anti-oxidation layer; and a first oxidation layer having at least one of oxygen introduced from the outside, non-grid oxygen in the switch layer, and second non-grid oxygen present in an initial anti-oxidation layer to have a reaction with an upper portion of the first anti-oxidation layer to be formed between the first anti-oxidation layer and the second electrode, and including NbO_y (0 < y < 2).

Description

선택 소자 및 이의 제조 방법{Selector and method of fabricating the same}Selecting device and manufacturing method thereof {Selector and method of fabricating the same}

본 발명은 비휘발성 저항 변화 메모리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선택 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile resistance change memory, and more particularly, to a selection device and a method of manufacturing the same.

종래의 비휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리를 대체하기 위한 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 차세대 메모리들이 등장하였다. 상기 차세대 메모리들 중 하나로서 저항 변화 메모리(RRAM)는 낮은 생산 비용, 간단한 공정, 및 빠른 읽기/쓰기 속도와 같은 장점을 가지고 있다. 또한, 크로스포인트(cross-point) 구조를 이용하는 경우, 대용량의 메모리 소자를 구현할 수 있어 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Next-generation memories have emerged as new nonvolatile memory devices to replace flash memory, which is a conventional nonvolatile memory device. As one of the next generation memories, resistance change memory (RRAM) has advantages such as low production cost, simple process, and fast read / write speed. In addition, when a cross-point structure is used, a large-capacity memory device can be implemented, and research on this has been actively conducted in recent years.

상기 크로스포인트 구조의 경우 워드 라인(Word line)과 비트 라인(Bit line)이 교차된 구조를 갖는다. 상기 크로스포인트 구조에서, 인접한 메모리 셀을 통해 발생하는 누설 전류(sneak current)에 의해 비선택된 메모리 셀의 소프트 프로그래밍과 같은 작동 오류를 줄여야 하는 문제가 있다. 그 해결책으로 다이오드를 메모리 셀에 결합하는 방법이 있다. 다만, 다이오드를 적용하는 경우 양극성 저항 변화 메모리 소자에 사용할 수 없고, 트랜지스터의 경우 메모리 집적도 향상에 좋지 않은 문제가 있다.The crosspoint structure has a structure in which a word line and a bit line cross each other. In the crosspoint structure, there is a problem in that operation errors such as soft programming of unselected memory cells due to leakage currents occurring through adjacent memory cells must be reduced. One solution is to couple diodes to memory cells. However, when the diode is applied, it cannot be used for the bipolar resistance change memory device, and the transistor has a problem in that the memory integration is not improved.

최근 그 해결책으로 제안된 것이 문턱 스위치(threshold switch) 특성을 갖는 선택 소자를 이용하는 것이며, 상기 문턱 스위치 특성을 갖는 물질로 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT) 물질이 있다. 상기 금속-절연체 전이 물질은 특정 온도 이상에서는 금속의 특성을 보이고, 그 이하에서는 절연체의 특성을 보인다. 또한, 전기적으로는 (+)와 (-) 외부 전계에 대칭적인 특성을 가져 단극성 저항 변화 메모리 소자는 물론 양극성 저항 변화 메모리 소자에 적용이 가능하며, 낮은 외부 전계에서는 낮은 턴오프 전류가 흐르며, 높은 외부 전계에서는 높은 턴온 전류가 흐르는 우수한 비선형 특성을 가진다. Recently, the solution proposed is to use a selection device having a threshold switch characteristic, and a material having the threshold switch characteristic is a metal-insulator transition (MIT) material. The metal-insulator transition material exhibits the properties of the metal above a certain temperature and below that of the insulator. In addition, it is electrically symmetrical to the positive and negative external electric fields, so it can be applied to unipolar resistive change memory devices as well as bipolar resistive change memory devices, and low turn-off current flows at low external electric fields. At high external electric fields, high turn-on currents have good nonlinear characteristics.

상기 금속-절연체 전이 물질이 상기 스위치 특성을 보이기 위해서는 도전 경로(conductive path)를 형성하기 위한 포밍(forming) 과정이 필요하다. 상기 포밍 과정을 위해서는 추가적인 전력이 소비되어야 한다. 또한, 상기 포밍 과정 중에 의도치 않은 전기화학적 반응에 의해 상기 금속-절연체 전이 물질의 표면 산화가 발생될 수 있으며, 이로써 형성된 산화물은 상기 메모리 소자의 작동을 저해할 수 있다. In order for the metal-insulator transition material to exhibit the switch characteristic, a forming process for forming a conductive path is required. Additional power must be consumed for the forming process. In addition, surface oxidation of the metal-insulator transition material may occur by an unintended electrochemical reaction during the forming process, and the oxide formed may inhibit the operation of the memory device.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속-절연체 전이 물질의 산화를 야기하여 선택 소자의 기능을 저하시키는 포밍(forming) 과정을 생략하여 전력 소비 효율이 향상되고 정확도 및 신뢰도가 높은 저항 변화 메모리의 구동을 위한 선택 소자를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to omit the forming process that causes the oxidation of the metal-insulator transition material to reduce the function of the selection device to improve the power consumption efficiency and to drive the resistance change memory with high accuracy and reliability It is to provide a selection device.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 이점을 갖는 선택 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a selection device having the above advantages.

상기의 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 선택 소자는, 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층, 상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성된 제 2 전극 및 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 상기 제 1 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다.In order to solve the above problems, the selection device according to the present invention is formed on the first electrode, the first electrode, a switch layer containing NbO 2 , and is formed on the switch layer, and NbO x (0 < x <2), a second electrode formed on the first antioxidant layer and oxygen introduced from outside, a first non-lattice oxygen inside the switch layer, and an initial first antioxidant layer At least one kind of oxygen of the second non-lattice oxygen existing therein is formed between the first antioxidant layer and the second electrode by reacting with an upper portion of the initial first antioxidant layer, and NbO y (0 < y <2). In one embodiment, the first oxide layer can have a larger Nb 4+ XPS peak than the first antioxidant layer, and in another embodiment, the switch layer, the first antioxidant layer and the first oxidation The sum of the thicknesses of the layers may be between 15 nm and 35 nm.

다른 실시예에서, 상기 선택 소자는, 상기 제 2 전극 상에 형성된 제 2 산화 방지 층 및 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 상기 제 1 비격자 산소 및 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 잔존하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 상기 제 2 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 더 포함할 수 있고, 또 다른 실시예에서, 상기 제 2 산화 층은 상기 제 2 산화방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있으며, 선택적으로, 상기 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 층, 상기 스위치 층, 상기 제 2 산화 방지 층 및 상기 제 2 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35nm일 수 있다.In another embodiment, the selection device may include a second anti-oxidation layer formed on the second electrode and oxygen introduced from the outside, inside the first non-lattice oxygen inside the switch layer and the initial second anti-oxidation layer. At least one kind of oxygen of the third non-lattice oxygen is reacted with the lower portion of the initial second antioxidant layer and is formed between the second antioxidant layer and the second electrode, and NbO y (0 <y <2 May further comprise a second oxide layer, and in another embodiment, the second oxide layer may have a larger Nb 4+ XPS peak than the second antioxidant layer, optionally, The sum of the thicknesses of the first antioxidant layer, the first oxide layer, the switch layer, the second antioxidant layer and the second oxide layer may be 15 nm to 35 nm.

또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 선택 소자 및 다른 실시예에 따른 선택 소자에서, 상기 스위치 층은 루타일(rutile) 결정질 상을 가질 수 있다.In addition, in the selection device according to the embodiment of the present invention and the selection device according to another embodiment, the switch layer may have a rutile crystalline phase.

본 발명의 다른 실시예에 따른 선택 소자의 제조 방법은, 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계, 상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계, 상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 및 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막과 상기 Nb 함유 박막 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착될 수 있으며, 선택적으로, 상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착될 수 있다.In another embodiment, a method of manufacturing a selection device may include forming a first electrode, forming a switch layer including NbO 2 on the first electrode, and forming NbO z (0) on the switch layer. <z <2), forming an initial first antioxidant layer, forming a second electrode on the initial first antioxidant layer, and annealing the switch layer and the initial first antioxidant layer. And a first oxide layer comprising Nb-containing thin film formed by changing the switch layer and the initial first anti-oxidation layer from an amorphous state into a crystalline state and NbO y (where 0 <y <2) on the Nb-containing thin film. And, in another embodiment, the initial first anti-oxidation layer may be deposited under a condition of oxygen partial pressure (P O 2 ) of 0% by direct current magnetron sputtering, optionally , The boss The location layer may be deposited at a condition of 2% to 5% oxygen partial pressure (P O 2 ) by direct current magnetron sputtering.

또한, 다른 실시예에서, 상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성할 수 있다.In another embodiment, at least any one of oxygen introduced from the outside of the Nb-containing thin film, first non-lattice oxygen inside the switch layer, and second non-lattice oxygen existing inside the initial first antioxidant layer. One type of oxygen may react with the top of the initial first antioxidant layer to form a first oxide layer.

또 다른 실시예에서, 상기 선택 소자는 상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 일 실시예에서, 상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성하고, 상기 Nb 함유 박막의 하부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 제 2 산화 층을 형성할 수 있다.In another embodiment, the selection device may further comprise forming an initial second antioxidant layer comprising NbO z (where 0 <z <2) between the first electrode and the switch layer, In one embodiment, at least one kind of oxygen introduced from the outside on the Nb-containing thin film, the first non-lattice oxygen inside the switch layer and the second non-lattice oxygen existing inside the initial first antioxidant layer Of oxygen reacts with an upper portion of the initial first antioxidant layer to form a first oxide layer, oxygen introduced from outside into the lower portion of the Nb-containing thin film, first non-lattice oxygen inside the switch layer, and the initial agent At least one kind of oxygen of the third non-lattice oxygen existing in the second antioxidant layer may react with the lower portion of the initial second antioxidant layer to form a second oxide layer.

일 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계는 in-situ 공정에 의해 수행될 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성될 수 있으며, 선택적으로, 상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.In one embodiment, forming the initial first antioxidant layer may be performed by an in-situ process, and in another embodiment, the initial first antioxidant layer is formed to a thickness of 10 nm to 15 nm. Optionally, the annealing may be performed at a temperature range of 650 ° C to 750 ° C.

본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT) 특성을 갖는 물질 층 사이에 상기 MIT 물질 층의 산화를 방지하는 산화 방지 층을 형성하고, 어닐링을 실행함으로써 포밍(forming) 과정이 생략된 포밍 프리(forming-free) 선택 소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, forming an anti-oxidation layer to prevent oxidation of the MIT material layer between an electrode and a material layer having a metal-insulator transition (MIT) characteristic, and forming by performing annealing A forming-free selection device in which a forming process is omitted may be provided.

또한, 상기 산화 방지 층을 스위치 층과 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 형성하여 상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 스위치 층에서 발생하는 산화 반응 방지함으로써 불필요한 전력의 소비를 방지하고, 더욱 신뢰도 및 정확도 높은 포밍 프리 선택 소자를 제공할 수 있다.In addition, by forming the anti-oxidation layer between the switch layer and the first electrode and the second electrode to prevent the oxidation reaction occurring in the first electrode and the second electrode and the switch layer to prevent unnecessary power consumption, more reliable And an accurate forming preselection device.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 2에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5a는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 제 1 산화 층에 대한 XPS 분석 결과이며, 도 5b는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 Nb 함유 박막에 대한 XPS 분석 결과이다.
도 6은 어닐링 이후 다층 선택 소자의 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과이다.
도 7a는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7b는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing the configuration of a multi-layer selection device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of a multi-layer selection device according to another embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multilayer selection device according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are scanning electron microscope (SEM) images of cross-sectional structures before annealing and after annealing, respectively, of the multilayer selection device shown in FIG. 1, and FIGS. 4C and 4D are respectively shown in FIG. Scanning electron microscope image of the cross-sectional structure before annealing and after annealing of the selected multilayer selection device.
5A is an XPS analysis result of the first oxide layer measured after annealing of the multilayer selection device illustrated in FIG. 1, and FIG. 5B is an XPS analysis of the Nb-containing thin film measured after annealing of the multilayer selection device illustrated in FIG. 1. The result is.
6 shows XPS analysis results of the surface, middle, and bottom of the multilayer selection device after annealing.
FIG. 7A is a graph illustrating an IV measurement result of a multilayer selection device after annealing, and FIG. 7B is a graph illustrating an IV measurement result of a multilayer selection device after annealing.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, the thickness or size of each layer in the drawings are exaggerated for convenience and clarity, the same reference numerals in the drawings refer to the same elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise" and / or "comprising" specify the shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or presence of these groups mentioned. It is not intended to exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, members, elements and / or groups.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, and / or parts, these members, parts, regions, and / or parts should not be limited by these terms. Is self-explanatory. These terms are only used to distinguish one member, part, region or portion from another region or portion. Thus, the first member, part, region, or portion, which will be described below, may refer to the second member, component, region, or portion without departing from the teachings of the present invention.

또한, 어떤 층이 다른 층 상에 형성 또는 배치되어 있다고 하는 경우에는, 이들 층 사이에 중간층이 형성되거나 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 어떤 재료가 다른 재료에 인접한다고 하는 경우에도 이들 재료들 사이에 중간 재료가 있을 수 있다. 반대로, 층 또는 재료가 다른 층 또는 재료 상에 "바로" 또는 "직접" 형성되거나 배치된다고 하는 경우 또는 다른 층 또는 재료에 "바로" 또는 "직접" 인접 또는 접촉된다고 하는 경우에는, 이들 재료 또는 층들 사이에 중간 재료 또는 층이 없다는 것을 이해하여야 한다. In addition, when a layer is formed or disposed on another layer, an intermediate layer may be formed or disposed between these layers. Similarly, there may be an intermediate material between these materials even if one material is said to be adjacent to another material. Conversely, when a layer or material is said to be formed or disposed "directly" or "directly" on another layer or material, or when it is said to be "directly" or "directly" adjacent or in contact with another layer or material, these materials or layers It should be understood that there are no intermediate materials or layers in between.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings, which schematically illustrate ideal embodiments of the present invention. In the drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the invention should not be construed as limited to the specific shapes of the regions shown herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자(100)의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a multi-layer selection device 100 according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of a multi-layer selection device 200 according to another embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 다층 선택 소자(100)는 제 1 전극(EL1), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 층(OL1)을 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 제 1 전극(EL1)은 기판(미도시) 상에 형성될 수 있고, 제 2 전극(EL2)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 상부에 형성될 수 있다. 상기 기판은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)와 같은 물질을 포함할 수 있으나, 전술한 물질들에 한정되지 않으며, 반도체 집적 회로 공정이 가능한 세라믹, 폴리머 또는 금속 재질의 기판을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 티타늄 질화물(TiN)과 같은 도전성 금속을 포함할 수 있으며, 본 발명에서, 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 스위치 층(SWL)의 산화를 방지하기 때문에 상기 전극들의 산소와의 반응성은 문제되지 않는다. 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)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) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1, in an embodiment, the multilayer selection device 100 may include a first electrode EL1, a first antioxidant layer OPL1, a switch layer SWL, and a first oxide layer OL1. Can be. Although not shown, the first electrode EL1 may be formed on a substrate (not shown), and the second electrode EL2 may be formed on the first antioxidant layer OPL1. The substrate may include a material such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), but is not limited to the above materials, and may include a substrate made of a ceramic, polymer, or metal material capable of semiconductor integrated circuit processing. . In addition, the first electrode EL1 and the second electrode EL2 may include a conductive metal such as aluminum (Al), zinc (Zn), magnesium (Mg), platinum (Pt), or titanium nitride (TiN). In the present invention, since the first anti-oxidation layer OPL1 and the second anti-oxidation layer OPL2 prevent oxidation of the switch layer SWL, the reactivity of the electrodes with oxygen does not matter. The first electrode EL1 and the second electrode EL2 are sputtered, RF sputtered, RF magnetron sputtering, pulsed laser deposition (PLD), chemical vapor deposition (CVD), and chemical vapor deposition (CVD). It may be formed using Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Atomic Layer Deposition (ALD) or Molecular Beam Epitaxy (MBE).

스위치 층(SWL)은 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위치 층(SWL)의 양단에 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 스위치 층(SWL)에 고전류가 흐를 수 있고, 스위치 층(SWL)은 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화할 수 있다. 이는, 스위치 층(SWL) 내부에 국부적인 산소 공공이 형성됨으로써 상기 산소 공공으로 이루어진 전도성 필라멘트가 형성되고, 상기 전도성 필라멘트를 통해 전류가 흐르기 때문이다. 상기 NbO2는 1080 K 이하의 낮은 온도에서는 반도체의 특성을 보이고, 1080 K 이상의 높은 온도에서는 금속성(metallic)을 가질 수 있다. 전술한 것과 같은 성질을 스위치(switch) 특성 또는 문턱(threshold) 특성이라고 하며, 상기 스위치 특성으로 인하여 NbO2는 저항 변화 메모리에서 선택 소자로 작동할 수 있다. The switch layer SWL is formed on the first electrode and may include NbO 2 . In one embodiment, when a voltage of a predetermined magnitude or more is applied across the switch layer SWL, a high current may flow in the switch layer SWL, and the switch layer SWL may change from a high resistance state to a low resistance state. Can be. This is because local oxygen vacancy is formed inside the switch layer SWL to form a conductive filament made of the oxygen vacancy, and current flows through the conductive filament. The NbO 2 may exhibit semiconductor characteristics at a low temperature of 1080 K or less, and may have a metallic property at a high temperature of 1080 K or more. Such properties are referred to as switch characteristics or threshold characteristics, and the switch characteristics allow NbO 2 to act as a selection device in a resistance change memory.

또한, 상기 NbO2는 낮은 온도에서는 왜곡된 루타일(distorted rutile) 상을 가지며, 높은 온도에서는 루타일(rutile) 상을 가질 수 있다. 상기 NbO2를 열처리하면 기존의 비정질이었던 상기 NbO2가 결정화되어 상기 루타일(rutile) 상으로 변화되면서 상기 스위치 특성을 가질 수 있다. 상기 NbO2의 상기 스위치 특성은 포밍(forming) 과정에 의하여 형성되거나 열처리에 의하여 상기 NbO2이 결정화되는 경우 형성될 수 있으며, 상기 열처리를 수행한 NbO2는 포밍 과정을 생략한 포밍-프리 선택 소자가 될 수 있다.In addition, the NbO 2 may have a distorted rutile phase at low temperatures and a rutile phase at high temperatures. When the NbO 2 is heat-treated, the existing amorphous NbO 2 may be crystallized and changed into the rutile phase to have the switch characteristics. Wherein the switching characteristics of the NbO 2 is forming (forming) formed by the process or by heat treatment when said NbO 2 crystallized can be formed and, NbO 2 by performing the heat treatment, forming omitting the forming process, - pre-selection device Can be

다른 실시예에서, 스위치 층(SWL)은 NbOx (약 1.8 < x < 2.2 임) 일 수 있다. 상기 x가 임계 하한 값 이하인 경우에는 도전성(metallic)을 가지는 NbO의 조성이 높아져 스위치 층(SWL)이 선택 소자로 작동할 정도의 충분한 스위치 특성을 보이기 어려우며, 상기 x가 임계 상한 값 이상인 경우 유전(dielectric)체의 성질을 띄는 Nb2O5의 조성이 높아져 스위치 층(SWL)이 선택 소자로 작동하기 어렵다. 상기 x는 화학양론비를 만족하거나 화학양론비를 만족하는 산소의 원자비보다 크거나 작을 수 있으며, 특정 값으로 한정되지 않는다.In another embodiment, the switch layer SWL may be NbO x (about 1.8 <x <2.2). When x is less than or equal to the lower threshold, the composition of NbO having a high conductivity is high, making it difficult to show sufficient switch characteristics such that the switch layer SWL acts as a selection device. As the composition of Nb 2 O 5 , which is a dielectric material, increases, it is difficult for the switch layer (SWL) to function as a selection device. The x may be greater than or less than the atomic ratio of oxygen satisfying the stoichiometric ratio or satisfying the stoichiometric ratio, and is not limited to a specific value.

제 1 산화 방지 층(OPL1)은 스위치 층(SWL) 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 산화 방지 층(OPL1)은 스위치 층(SWL)보다 부족한 산소 조성을 가지며, 산소와 반응하여 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있다. 상기 산소는 외부 또는 전극과의 반응에 의해 유입되거나, 스위치 층(SWL) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함하거나, 상기 산화 반응 전에 스위치 층(SWL) 상에 형성된 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함할 수 있다. 상기 비격자 산소는, 예를 들면, Nb 산화물 내부에서 Nb 원자와 완전히 결합하지 않은 산소 원자일 수 있다. 또한, 제 1 산화 방지 층(OPL1)은 산소와 반응성이 큰 금속, 비금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The first anti-oxidation layer OPL1 is formed on the switch layer SWL and may include NbO x (where 0 <x <2). In an embodiment, the first anti-oxidation layer OPL1 has an oxygen composition that is less than that of the switch layer SWL, and may be oxidized by reacting with oxygen to prevent oxidation of the switch layer SWL. The oxygen may be introduced by a reaction with an external electrode or an electrode, may include non-lattice oxygen present in the switch layer SWL, or may be formed on the first layer of the first antioxidant layer IOPL1 before the oxidation reaction. ) May contain non-lattice oxygen that was present inside. The non-lattice oxygen may be, for example, an oxygen atom not completely bonded to the Nb atom inside the Nb oxide. In addition, the first antioxidant layer OPL1 may include a metal, a nonmetal, or a combination thereof that is highly reactive with oxygen.

제 1 산화 층(OL1)은 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부와 반응하여 제 1 산화 방지 층(OPL1)과 제 2 전극(EL2) 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함할 수 있다. 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있고, 이에 따라 높은 스위치 특성을 가지는 선택 소자의 구현이 가능하다. 다른 실시예에서, 제 1 산화 층(OL1)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있다. 이로써 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화가 방지되고, 제 1 산화 층(OL1)이 형성되었음을 알 수 있다.The first oxide layer OL1 is at least one of oxygen introduced from the outside, first non-lattice oxygen inside the switch layer SWL, and second non-lattice oxygen existing inside the initial first antioxidant layer IOPL1. Is formed between the first antioxidant layer OPL1 and the second electrode EL2 by reacting with an upper portion of the initial first antioxidant layer IOPL1, and may include NbO y (where 0 <y <2). Can be. Oxidation of the switch layer SWL may be prevented by oxidizing the first anti-oxidation layer OPL1, and thus, it is possible to implement a selection device having high switch characteristics. In another embodiment, the first oxide layer OL1 may have a larger Nb 4+ XPS peak than the first antioxidant layer OPL1. As a result, the oxidation of the switch layer SWL is prevented by oxidizing the first antioxidant layer OPL1, and it can be seen that the first oxide layer OL1 is formed.

다른 실시예에서, 다층 선택 소자(100)의 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 1 산화 층(OL1)의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다. 상기 두께의 합이 15 nm 미만인 경우에는 스위치 층(SWL)의 산화를 방지하기 위한 충분한 두께의 제 1 산화 방지 층(OPL1)을 형성하기 어렵다. 또한, 상기 두께의 합이 35 nm를 초과하는 경우에는 결정화에 의하여 생성되는 결정의 크기가 과도하게 커져 상기 결정화로 인한 전도성 경로의 형성이 어려워질 수 있다.In another embodiment, the sum of the thicknesses of the switch layer SWL, the first antioxidant layer OPL1 and the first oxide layer OL1 of the multilayer selection device 100 may be 15 nm to 35 nm. When the sum of the thicknesses is less than 15 nm, it is difficult to form the first antioxidant layer OPL1 having a sufficient thickness to prevent oxidation of the switch layer SWL. In addition, when the sum of the thickness exceeds 35 nm, the size of the crystal formed by crystallization is excessively large, it may be difficult to form the conductive path due to the crystallization.

도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)는 제 1 전극(EL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1), 제 2 산화 방지 층(OPL2), 제 2 산화 층(OL2) 및 제 2 전극(EL2)를 포함할 수 있다. 제 1 전극(EL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1) 및 제 2 전극(EL2)에 대한 설명은 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다. Referring to FIG. 2, the multilayer selection device 200 according to another embodiment may include a first electrode EL1, a switch layer SWL, a first antioxidant layer OPL1, a first oxide layer OL1, and a second electrode. The anti-oxidation layer OPL2, the second oxide layer OL2, and the second electrode EL2 may be included. For the description of the first electrode EL1, the switch layer SWL, the first anti-oxidation layer OPL1, the first oxide layer OL1, and the second electrode EL2, refer to the foregoing disclosure unless there is a contradiction. can do.

제 2 산화 방지 층(OPL2)은 제 1 전극(EL1)과 스위치 층(SWL) 사이에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 산화 방지 층(OPL2)은 스위치 층(SWL)보다 부족한 산소 조성을 가지며, 산소와 반응하여 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있다. 상기 산소는 외부 또는 전극과의 반응에 의해 유입되거나 스위치 층(SWL) 내부에 존재하거나 상기 산화 반응 전에 스위치 층(SWL) 상에 형성된 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함할 수 있으며, 모순되지 않는 범위에서 전술한 제 1 산화 방지 층(OPL1)에 대한 설명을 참조할 수 있다.The second antioxidant layer OPL2 may be formed between the first electrode EL1 and the switch layer SWL. In an embodiment, the second anti-oxidation layer OPL2 has an oxygen composition that is less than that of the switch layer SWL, and may react with oxygen to prevent oxidation of the switch layer SWL. The oxygen is non-lattice oxygen introduced by the reaction with the outside or the electrode, inside the switch layer (SWL) or inside the initial second antioxidant layer (IOPL2) formed on the switch layer (SWL) prior to the oxidation reaction It may include, and may refer to the description of the first antioxidant layer OPL1 described above in a non-consistent range.

제 2 산화 층(OL2)은 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2) 내부에 잔존하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)의 하부와 반응하여 제 2 산화 방지 층(OPL2)과 제 2 전극(EL2) 사이에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함할 수 있다. 제 2 산화 층(OL2)에 대한 설명은 전술한 제 1 산화 층에 대한 개시 사항을 참조할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서는, 다층 선택 소자(200)의 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1), 제 2 산화 방지 층(OPL2) 및 제 2 산화 층(OL2) 및 제 2 전극(EL2)의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다. 상기 두께의 합에 대한 설명은 모순되지 않는 한, 전술한 다층 선택 소자(100)에 대한 설명을 참조한다.The second oxide layer OL2 is at least one of oxygen introduced from the outside, first non-lattice oxygen inside the switch layer SWL, and third non-lattice oxygen remaining inside the initial second anti-oxidation layer IOPL2. Oxygen is formed between the second antioxidant layer OPL2 and the second electrode EL2 by reacting with the lower portion of the initial second antioxidant layer IOPL2, and may include NbO x (where 0 <x <2). Can be. For a description of the second oxide layer OL2, reference may be made to the disclosure for the first oxide layer described above. In another embodiment, the switch layer SWL, the first anti-oxidation layer OPL1, the first oxide layer OL1, the second anti-oxidation layer OPL2, and the second oxide layer of the multilayer selection element 200 may also be used. The sum of the thicknesses of the OL2 and the second electrode EL2 may be 15 nm to 35 nm. The description of the sum of the thicknesses refers to the description of the multi-layer selection element 100 described above unless there is a contradiction.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 단, 이는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예일 뿐이며, 필요에 따라 일부 단계가 추가되거나 삭제될 수 있음은 물론이다. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multilayer selection device according to an embodiment of the present invention. However, this is only a preferred embodiment for achieving the object of the present invention, of course, some steps may be added or deleted as necessary.

도 3을 참조하면, 기판 상에 제 1 전극(EL1)을 형성한다(S100). 이후, 제 1 전극(EL1) 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층(SWL)을 형성(S200) 한다. 일 실시예에서, 다층 선택 소자(200)의 제조 방법의 경우, 제 1 전극(EL1)의 형성(S100) 후에 제 1 전극(EL1)과 스위치 층(SWL) 사이에 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)을 형성하는 단계(S100a)가 더 포함될 수도 있다. 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)의 형성 조건에 관해서는 후술하는 스위치 층 상에 NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성하는 단계 (S300)에서 개시한 내용을 참조할 수 있다. 다층 선택 소자(200)의 경우 제 1 전극 상에도 초기 산화 방지 층을 추가적으로 형성함으로써 양 전극 방향으로부터 스위치층(SWL)의 산화를 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 다층 선택 소자(200)의 양 전극은 금속, 비금속 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, 산소와 반응성의 크기에 의해 한정되지 않을 수 있다. 또한, 선택 소자 역할을 하는 스위치 층(SWL)의 산화를 효과적으로 방지함으로써 신뢰도 및 정확도 높은 포밍-프리 선택 소자의 구현이 가능하다. Referring to FIG. 3, a first electrode EL1 is formed on a substrate (S100). Thereafter, a switch layer SWL including NbO 2 is formed on the first electrode EL1 (S200). In one embodiment, in the method of manufacturing the multilayer selection device 200, after formation of the first electrode EL1 (S100), between NbO z (0 <0) between the first electrode EL1 and the switch layer SWL. A step S100a may be further formed to form an initial second antioxidant layer IOPL2 including z <2). Forming an initial first anti-oxidation layer (IOPL1) containing NbO x (0 <x <2) on the switch layer to be described later with respect to the formation conditions of the initial second anti-oxidation layer (IOPL2) (S300) See disclosure at. In the case of the multilayer selection device 200, an additional oxidation prevention layer may be additionally formed on the first electrode to effectively prevent oxidation of the switch layer SWL from both electrode directions. Accordingly, both electrodes of the multilayer selection device 200 may be made of a metal, a nonmetal, and a combination thereof, and may not be limited by the size of oxygen and reactivity. In addition, by effectively preventing the oxidation of the switch layer (SWL), which serves as a selection device, it is possible to implement a highly reliable and accurate forming-free selection device.

다른 실시예에서, 상기 스위치 층(SWL)은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %, 바람직하게는 상기 산소 분압(PO2) 2 % 내지 3 %의 조건에서 증착될 수 있다. 만약 상기 산소 분압(PO2)이 2 %보다 낮은 경우, NbO의 조성이 높아져 상기 스위치 특성이 감소할 수 있으며, 상기 산소 분압(PO2)이 3 %를 초과하는 경우 Nb2O5의 조성이 우세해질 수 있다. 일 실시예에서는, RF 스퍼터링을 이용할 수 있고, 더 높은 산소 분압 조건, 예를 들면, 산소 분압(PO2) 10 %에서 증착될 수 있다. In another embodiment, the switch layer (SWL) is 2% to 5% oxygen partial pressure (P O2 ), preferably 2% to 3% oxygen partial pressure (P O2 ) by direct current magnetron sputtering. May be deposited under conditions. If the partial pressure of oxygen (P O2 ) is lower than 2%, the composition of NbO may be increased to reduce the switch characteristics, and if the oxygen partial pressure (P O2 ) is more than 3%, the composition of Nb 2 O 5 may be Can prevail. In one embodiment, RF sputtering may be used and deposited at higher oxygen partial pressure conditions, for example, at 10% oxygen partial pressure (P O 2 ).

다시 도 3을 참조하면, 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성한다(S300). 일 실시예에서, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착될 수 있다. 다른 실시예에서는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 산소 분압(PO2) 0 % 내지 1 %에서 형성될 수 있다. 상기 박막의 증착 과정에서 외부 산소가 유입될 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성이 높아질 수 있다. 다른 실시예에서는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성하는 단계는 in-situ 공정에 의해 수행될 수 있으며, 상기 in-situ 공정에 의하는 경우 외부의 산소 유입이 차단되어 낮은 산소 조성비를 가지는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 형성이 가능하다.Referring back to FIG. 3, an initial first antioxidant layer IOPL1 including NbO z (where 0 <z <2) is formed on the switch layer (S300). In one embodiment, the initial first anti-oxidation layer (IOPL1) may be deposited under a condition of oxygen partial pressure (P O2 ) 0% by direct current magnetron sputtering (DS magnetron sputtering). In another embodiment, the initial first anti-oxidation layer IOPL1 may be formed at 0% to 1% oxygen partial pressure (PO 2 ). External oxygen may be introduced during the deposition of the thin film, thereby increasing the oxygen composition of the first antioxidant layer. In another embodiment, the step of forming the initial first anti-oxidation layer (IOPL1) may be performed by an in-situ process, when the in-situ process is a low oxygen composition ratio by blocking the inflow of oxygen from the outside The branch may form the initial first antioxidant layer IOPL1.

일 실시예에서, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 두께가 10 nm 미만인 경우 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 정도로 충분하지 않아 스위치 층(SWL)의 산화 방지 효과를 얻을 수 없으며, 상기 두께가 15 nm를 초과하는 경우에는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부가 산화되어 형성되는 제 1 산화 층(OL1) 및 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 전체 선택 소자에서 차지하는 비율이 높아지고 스위치 층(SWL)이 차지하는 비율이 작아져 충분한 스위치 특성을 얻기 어렵다. In one embodiment, the initial first antioxidant layer IOPL1 may be formed to a thickness of 10 nm to 15 nm. If the thickness is less than 10 nm, it is not sufficient to prevent the oxidation of the switch layer SWL, so that the anti-oxidation effect of the switch layer SWL cannot be obtained. If the thickness exceeds 15 nm, the initial first oxidation prevention is prevented. The first oxide layer OL1 and the first anti-oxidation layer OPL1 formed by oxidizing the upper portion of the layer IOPL1 are high in the total selection elements, and the ratio of the switch layer SWL is small, thereby providing sufficient switch characteristics. Difficult to get.

스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)이 형성된 이후, 스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 박막을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막(NTF)과 Nb 함유 박막(NTF) 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성할 수 있다(S500). 일 실시예에서, 상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 NbOx (0 < x < 2 임) 박막이 증착된 직후에는 비정질 상태를 가질 수 있고, NbO2의 경우 상온에서 왜곡된 루타일(distorted rutile) 상을 가질 수 있다. 상기 어닐링 온도가 650 ℃ 미만인 경우, 어닐링에 의한 결정화가 충분히 이루어지지 않아 상기 결정질 상태를 얻기 위하여 추가적인 포밍(forming) 과정이 요구될 수 있으며, 상기 어닐링 온도가 750 ℃를 초과하는 경우, 스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 결정 구조의 왜곡(distortion)이 일어나면서 도전성 경로가 파괴될 수 있다. 다층 선택 소자(100)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL)이 포함될 수 있으며, 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 포함될 수 있다.After the switch layer SWL and the initial first antioxidant layer IOPL1 are formed, the switch layer SWL and the initial first antioxidant layer IOPL1 thin film are annealed to form the switch layer and the initial first antioxidant layer ( The first oxide layer including NbO y (0 <y <2) may be formed on the Nb-containing thin film NTF and the Nb-containing thin film NTF formed by changing IOPL1 from an amorphous state to a crystalline state. (S500). In one embodiment, the annealing may be performed at a temperature range of 650 ℃ to 750 ℃. Immediately after the NbO x (0 <x <2) thin film is deposited, it may have an amorphous state, and in the case of NbO 2 , it may have a distorted rutile phase at room temperature. When the annealing temperature is less than 650 ℃, the crystallization by the annealing is not sufficiently made to form an additional forming process to obtain the crystalline state, when the annealing temperature exceeds 750 ℃, the switch layer ( The conductive path may be broken while distortion of the crystal structure of the SWL) and the initial first antioxidant layer IOPL1 occurs. The Nb-containing thin film NTF of the multilayer selection device 100 may include a first antioxidant layer OPL1 and a switch layer SWL, and the Nb-containing thin film NTF of the multilayer selection device 200 according to another embodiment. ) May include a first antioxidant layer OPL1, a switch layer SWL, and a second antioxidant layer OPL2.

다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부와 반응하여 제 1 산화 층(OL1)을 형성할 수 있다. 제 1 산화 층(OL1)의 산소 조성비는 Nb 함유 박막(NTF)의 산소 조성비보다 크거나 같을 수 있으며, 다른 실시예에서는 Nb 함유 박막(NTF)이 NbO2 박막일 수 있다. 제 1 산화 층(OL1)이 형성되면서 Nb 함유 박막(NTF) 중 상부의 제 1 산화 층(OL1)을 제외한 나머지 부분의 산화가 방지될 수 있다. 그에 따라, 상기 나머지 부분은 균일한 결정질 상태를 유지함으로써 스위칭 특성을 가질 수 있다.In another embodiment, oxygen introduced from outside the Nb-containing thin film NTF, the first non-lattice oxygen inside the switch layer SWL, and the second non-lattice existing inside the initial first antioxidant layer IOPL1. At least one kind of oxygen may be reacted with the upper portion of the initial first antioxidant layer IOPL1 to form the first oxide layer OL1. The oxygen composition ratio of the first oxide layer OL1 may be greater than or equal to the oxygen composition ratio of the Nb-containing thin film NTF. In another embodiment, the Nb-containing thin film NTF may be an NbO 2 thin film. As the first oxide layer OL1 is formed, oxidation of the remaining portion of the Nb-containing thin film NTF except the first oxide layer OL1 at the upper portion may be prevented. Accordingly, the remaining portion may have switching characteristics by maintaining a uniform crystalline state.

도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 2에 도시된 다층 선택 소자(200)의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경 이미지이다. 다층 선택 소자(100, 200)의 제 1 전극(EL1)은 티타늄 질화물(TiN)이고, 제 2 전극(EL2)은 백금(Pt)이고, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 및 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)은 Nb 박막일 수 있으며, 스위치 층(SWL)은 NbOx (0 < x < 2 임) 박막일 수 있다. 4A and 4B are scanning electron microscope (SEM) images of a cross-sectional structure before annealing and after annealing, respectively, of the multilayer selection device 100 shown in FIG. 1, and FIGS. 4C and 4D are respectively shown in FIG. A scanning electron microscope image of the cross-sectional structure before and after annealing of the multilayer selection device 200 shown in FIG. 2 is shown. The first electrode EL1 of the multilayer selection devices 100 and 200 is titanium nitride TiN, the second electrode EL2 is platinum Pt, the initial first anti-oxidation layer IOPL1 and the initial second oxidation. The prevention layer IOPL2 may be an Nb thin film, and the switch layer SWL may be an NbO x (0 <x <2) thin film.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이전에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막이 분명한 경계를 가지고 구분되어 있는 것을 볼 수 있다. 이와 대조적으로, 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막의 경계가 사라지고 혼합상으로 존재하는 Nb 함유 박막(NTF)이 형성되는 것을 볼 수 있다. 다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 1 산화 층(OL1)이 형성될 수 있다. 또한, Nb 함유 박막(NTF)의 두께는 상기 Nb 박막 및 상기 NbO2 박막의 두께의 합보다 작아지는 것이 확인될 수 있다. 이는, 상기 Nb 박막 및 상기 NbO2 박막의 결정 구조가 어닐링 과정에서 재구성되고, 원자 간 거리가 균일해짐으로써 나타나는 결과이다.Referring to FIGS. 4A and 4B, it can be seen that the Nb thin film and the NbO x thin film are divided with clear boundaries before annealing of the multilayer selection device 100. In contrast, it can be seen that after annealing of the multilayer selection device 100, the boundary between the Nb thin film and the NbO x thin film disappears and a Nb-containing thin film NTF exists in a mixed phase. In another embodiment, the first oxide layer OL1 having an oxygen composition higher than that of the initial first antioxidant layer IOPL1 may be formed on the Nb-containing thin film NTF. In addition, it may be confirmed that the thickness of the Nb-containing thin film NTF is smaller than the sum of the thicknesses of the Nb thin film and the NbO 2 thin film. This is a result of the crystal structure of the Nb thin film and the NbO 2 thin film reconstituted in the annealing process, and the distance between atoms becomes uniform.

도 4c 및 도 4d를 참조하면, 다층 선택 소자(200)의 열처리 이전에는 상기 Nb 박막 및 NbOx 박막들의 삼중 층 구조의 경계가 뚜렷한 것을 볼 수 있으며, 다층 선택 소자(200)의 어닐링 이후에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막들의 경계가 사라지고 혼합상으로 존재하는 Nb 함유 단일막이 형성되는 것을 볼 수 있다. 전술한 것과 같이 Nb 함유 박막(NTF)의 두께가 감소되고, 다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 1 산화 층이 형성될 수 있으며, 하부에는 초기 제 2 산화 방지층(IOPL2)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 2 산화 층이 형성될 수 있다. 4C and 4D, it can be seen that the boundary of the triple layer structure of the Nb thin film and the NbO x thin films is clear before the heat treatment of the multilayer selection device 200, and after the annealing of the multilayer selection device 200. It can be seen that the boundary between the Nb thin film and the NbO x thin film disappears and an Nb-containing single film existing in a mixed phase is formed. As described above, the thickness of the Nb-containing thin film NTF is reduced, and in another embodiment, the first oxide having a higher oxygen composition than the oxygen composition of the initial first antioxidant layer IOPL1 is formed on top of the Nb-containing thin film NTF. A layer may be formed, and a second oxide layer having an oxygen composition higher than that of the initial second oxidation prevention layer IOPL2 may be formed below.

다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 스위치 층(SWL)이 포함될 수 있으며, 다층 선택 소자(200)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 포함될 수 있다. 일 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF) 내부의 각 층들은 경계가 명확한 복수개의 박막으로 관찰될 수도 있으며, 열처리에 의한 원자의 확산으로 불분명한 경계를 가질 수도 있다. 또한, 어닐링 과정에서 결정이 재배열되어 상기 각 층들은 Nb 함유 박막(NTF)의 단일막을 형성하거나 일체화될 수도 있다. In another embodiment, the Nb-containing thin film NTF may include a first antioxidant layer OPL1 and a switch layer SWL, and the Nb-containing thin film NTF of the multilayer selection element 200 may include a first antioxidant layer. (OPL1), the switch layer (SWL) and the second antioxidant layer (OPL2) may be included. In one embodiment, each of the layers inside the Nb-containing thin film (NTF) may be observed as a plurality of thin films with clear boundaries, and may have boundaries that are unclear due to the diffusion of atoms by heat treatment. In addition, crystals may be rearranged during annealing so that each of the layers may form or integrate a single film of an Nb-containing thin film (NTF).

도 5a는 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후 측정된 제 1 산화 층(OL1)에 대한 XPS 분석 결과이며, 도 5b는 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후 측정된 Nb 함유 박막에 대한 XPS 분석 결과이다. 다층 선택 소자(100)에서, 제 1 전극(EL1)은 티타늄 질화물(TiN)이고, 제 2 전극(EL2)은 백금(Pt)일 수 있고, Nb 함유 박막(NTF)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 1 산화 층(OL1)을 포함할 수 있다. 전술한 것과 같이, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 및 스위치 층(SWL)을 어닐링하면 Nb 함유 박막(NTF)이 형성되고, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에 제 산화 층(OL1)이 형성되고, 하부에는 Nb 함유 박막(NTF)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 Nb 함유 제 1 산화 층(OL1)은 Nb2+의 비율이 높은 것을 볼 수 있으며, Nb 함유 박막(NTF)의 경우, Nb4+ 비율이 높은 것을 알 수 있다. 상기 실험예에 의하여 제 1 산화 층(OL1)에는 NbO의 조성이 높으며, Nb 함유 박막(NTF)에는 NbO2의 조성이 높음을 알 수 있다. 이에 따라, Nb 함유 박막(NTF) 내의 스위치 층(SWL)의 산화가 방지되어 스위치 특성을 유지할 수 있다.5A is an XPS analysis result of the first oxide layer OL1 measured after annealing of the multilayer selection device 100 illustrated in FIG. 1, and FIG. 5B is after annealing of the multilayer selection device 100 illustrated in FIG. 1. It is the result of XPS analysis about the measured Nb containing thin film. In the multilayer selection device 100, the first electrode EL1 may be titanium nitride (TiN), the second electrode EL2 may be platinum (Pt), and the Nb-containing thin film NTF may be formed of a first antioxidant layer ( OPL1) and a first oxide layer OL1. As described above, annealing the first first anti-oxidation layer IOPL1 and the switch layer SWL forms an Nb-containing thin film NTF, and an oxide layer OL1 is formed on the Nb-containing thin film NTF. The Nb-containing thin film NTF may be formed below. In one embodiment, it can be seen that the Nb-containing first oxide layer OL1 has a high ratio of Nb 2+ , and in the case of Nb-containing thin film NTF, the Nb 4+ ratio is high. According to the experimental example, the composition of NbO is high in the first oxide layer OL1, and the composition of NbO 2 is high in the Nb-containing thin film NTF. Accordingly, oxidation of the switch layer SWL in the Nb-containing thin film NTF may be prevented to maintain switch characteristics.

도 6은 어닐링 이후 다층 선택 소자(200)의 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과이다. 그래프 a는 상기 표면부의 XPS 분석 결과이고, 그래프 b는 상기 중간부의 XPS 분석 결과이며, 그래프 c는 상기 바닥부의 XPS 분석 결과이며, 그래프 d는 상기 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과 비교 그래프이다. 상기 표면부, 중간부, 바닥부의 두께는 달라질 수 있으며, 상기 그래프는 비제한적인 실험예일 뿐이며, 다양한 실시예는 특정 실험 조건으로 제한되지 않는다. 일 실시예에서는, 상기 표면부는 제 1 산화 층(OL1)일 수 있고, 상기 중간부는 Nb 함유 박막(NTF)일 수 있으며, 상기 바닥부는 제 2 산화 층(OL2)일 수 있다.6 is an XPS analysis result of the surface portion, the middle portion, and the bottom portion of the multilayer selection device 200 after annealing. Graph a is the XPS analysis result of the surface portion, graph b is the XPS analysis result of the middle portion, graph c is the XPS analysis result of the bottom portion, graph d is the XPS analysis result comparison graph of the surface portion, the middle portion, and the bottom portion to be. The thickness of the surface portion, the middle portion, and the bottom portion may vary, the graph is only a non-limiting experimental example, various embodiments are not limited to specific experimental conditions. In example embodiments, the surface portion may be a first oxide layer OL1, the middle portion may be an Nb-containing thin film NTF, and the bottom portion may be a second oxide layer OL2.

도 6을 참조하면, 어닐링 이후 다층 선택 소자(200)에서 Nb5+의 결합 상태(binding state)는 존재하지 않고, 상기 표면부에는 Nb4+ 결합 상태가 우세한 것을 볼 수 있으며, 이로부터 NbO2 상이 상기 표면부에 가장 많이 존재하는 것을 알 수 있다. 상기 중간부에는 Nb2+ 결합 상태 및 Nb4+결합 상태가 혼재되어 나타나는 것을 볼 수 있고, 이는 Nb 함유 단일막에 NbO2와 NbO 상이 혼재되어 존재하는 것을 의미한다. 또한, 상기 바닥부에는 Nb2+ 결합 상태가 우세한 것을 볼 수 있으며, 이로부터 NbO 상이 가장 많이 존재하는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, after the annealing, the binding state of Nb 5+ does not exist in the multilayer selection device 200, and the Nb 4+ bonding state is predominant in the surface portion, and from this, NbO 2 It can be seen that the phase is most present in the surface portion. In the middle part, it can be seen that Nb 2+ and Nb 4+ are in a mixed state, which means that the NbO 2 and NbO phases are mixed in the Nb-containing single layer. In addition, it can be seen that the Nb 2+ bonding state is predominant in the bottom part, from which the most NbO phase is present.

다른 실시예에서는, 상기 표면부에 NbO 상이 가장 많이 존재하거나 상기 바닥부에 NbO2 상이 가장 많이 존재할 수 있다. 또한, 상기 중간부의 XPS 분석 결과에서 상기 Nb2+ 결합 상태 또는 상기 Nb4+ 결합 상태의 비는 달라질 수 있고, 상기 중간부의 적어도 어느 일부가 비정질 상태로 존재할 수도 있다.In another embodiment, the most NbO phase may be present in the surface portion or the most NbO 2 phase may be present in the bottom portion. In addition, in the XPS analysis result of the intermediate part, the ratio of the Nb 2+ binding state or the Nb 4+ binding state may vary, and at least some of the intermediate parts may exist in an amorphous state.

도 7a는 어닐링 이후의 다층 선택 소자(100)의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7b는 어닐링 이후의 다층 선택 소자(200)의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 실시예에 따른 다층 선택 소자들(100, 200)의 양 전극 사이에, 0 V에서 시작하여 음 극성의 전압 신호를 증가시키고, 다시 양 극성의 전압 신호를 증가시키는 전압 스윕(sweep) 신호를 인가하여 얻어진 측정 결과이다. FIG. 7A is a graph illustrating I-V measurement results of the multilayer selection device 100 after annealing, and FIG. 7B is a graph illustrating I-V measurement results of the multilayer selection device 200 after annealing. Between the positive electrodes of the multilayer selection elements 100, 200 according to the embodiment of the present invention, a voltage sweep starting at 0 V to increase the voltage signal of negative polarity and again increase the voltage signal of positive polarity. It is the measurement result obtained by applying a signal.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 어닐링 이후의 다층 선택 소자(100) 및 어닐링 이후의 다층 선택 소자(200)는 별도의 포밍 과정 없이 안정적인 스위치 특성을 보이며, 상기 스위치 특성에 의해 저항 변화 메모리용 선택 소자로 작동할 수 있는 것을 알 수 있다. 단계 ①에서, 음(negative) 값의 문턱 전압(Vth)보다 큰 전압이 상기 선택 소자의 양단에 인가되는 경우, 전류의 크기가 급격히 증가하여 금속성 상태(metallic state)를 가지는 것을 볼 수 있다. 이후, 단계 ②에서는 절연체 상태(insulator state)를 유지하고, 단계 ③에서 양(positive) 값의 문턱 전압보다 큰 전압을 인가하는 경우 다시 금속성 상태로 변화하여 전류가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으며, 단계 ④에서 다시 상기 양의 값의 문턱 전압보다 작은 전압을 인가하는 경우 전류의 크기가 급격히 감소하며 절연체 상태로 전이되는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 포밍 과정을 생략함으로써 불필요한 전력 소모를 줄이고, 상기 포밍 과정의 생략을 위한 어닐링 과정에서 불필요하게 생기는 산화물의 생성을 방지함으로써 정확도 및 신뢰도 높은 포밍-프리 선택 소자의 구현이 가능함을 알 수 있다. 7A and 7B, the multi-layer selection device 100 after annealing and the multi-layer selection device 200 after annealing show stable switch characteristics without a separate forming process. It can be seen that it can work as an element. In step ①, when a voltage greater than the negative threshold voltage (V th ) is applied to both ends of the selection device, it can be seen that the magnitude of the current rapidly increases to have a metallic state. Subsequently, in step ②, the insulator state is maintained, and when a voltage greater than the positive threshold voltage is applied in step ③, the current is rapidly increased by changing to a metallic state. In (4), when the voltage is smaller than the positive threshold voltage again, the magnitude of the current decreases rapidly and the transition to the insulator state can be seen. Accordingly, it can be seen that it is possible to implement an accurate and reliable forming-preselection device by reducing unnecessary power consumption by eliminating the forming process and preventing the generation of unnecessary oxides during the annealing process for eliminating the forming process. .

100, 200: 다층 선택 소자
EL1: 제 1 전극
EL2: 제 2 전극
SWL: 스위치 층
OPL1: 제 1 산화 방지 층
OPL2: 제 2 산화 방지 층
OL1: 제 1 산화 층
OL2: 제 2 산화 층
IOPL1: 초기 제 1 산화 방지 층
IOPL2: 초기 제 2 산화 방지 층
NTF : Nb 함유 박막
100, 200: multilayer selection element
EL1: first electrode
EL2: second electrode
SWL: switch layer
OPL1: first antioxidant layer
OPL2: second antioxidant layer
OL1: first oxide layer
OL2: second oxide layer
IOPL1: Initial First Antioxidant Layer
IOPL2: initial second antioxidant layer
NTF: Nb-containing thin film

Claims (20)

메모리 셀 및 상기 메모리 셀에 결합하여 상기 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자를 포함하는 메모리 소자로서,
상기 선택 소자는,
제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층;
상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층;
상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성된 제 2 전극; 및
상기 제 1 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, 초기 제 1 산화 방지 층 또는 상기 스위치 층의 비격자 산소와 반응하여 상기 스위치 층의 산화를 방지하며, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 포함하고,
상기 제 1 산화 층의 산소 조성비는 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성비보다 높은 메모리 소자.
A memory device comprising a memory cell and a selection device coupled to the memory cell to select the memory cell.
The selection element,
A first electrode;
A switch layer formed on the first electrode and comprising NbO 2 ;
A first anti-oxidation layer formed on the switch layer and comprising NbO x (where 0 <x <2);
A second electrode formed on the first antioxidant layer; And
It is formed between the first antioxidant layer and the second electrode, and reacts with the non-lattice oxygen of the initial first antioxidant layer or the switch layer to prevent oxidation of the switch layer, NbO y (0 <y <2 And a first oxide layer comprising
The oxygen composition ratio of the first oxide layer is higher than the oxygen composition ratio of the first oxidation layer.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 메모리 소자.
The method of claim 1,
And the first oxide layer has a larger Nb 4+ XPS peak than the first antioxidant layer.
제 1 항에 있어서,
상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm인 메모리 소자.
The method of claim 1,
The sum of the thicknesses of the switch layer, the first antioxidant layer and the first oxide layer is 15 nm to 35 nm.
제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층;
상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층;
상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층;
상기 제 1 산화 층 상에 형성된 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 방지 층; 및
상기 제 2 산화 방지 층과 상기 제 1 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 포함하는 선택 소자.
A first electrode;
A switch layer formed on the first electrode and comprising NbO 2 ;
A first anti-oxidation layer formed on the switch layer and comprising NbO x (where 0 <x <2);
A first oxide layer formed on the first antioxidant layer and comprising NbO y (where 0 <y <2);
A second electrode formed on the first oxide layer;
A second antioxidant layer formed between the first electrode and the switch layer and comprising NbO x (where 0 <x <2); And
And a second oxide layer formed between the second antioxidant layer and the first electrode, the second oxide layer comprising NbO y (where 0 <y <2).
제 4 항에 있어서,
상기 제 2 산화 층은 상기 제 2 산화방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 선택 소자.
The method of claim 4, wherein
And the second oxide layer has a larger Nb 4+ XPS peak than the second antioxidant layer.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 층, 상기 스위치 층, 상기 제 2 산화 방지 층 및 상기 제 2 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35nm인 선택 소자.
The method of claim 5, wherein
And a sum of the thicknesses of the first antioxidant layer, the first oxide layer, the switch layer, the second antioxidant layer, and the second oxide layer is 15 nm to 35 nm.
제 4 항에 있어서,
상기 스위치 층은 루타일(rutile) 결정질 상을 가지는 선택 소자.
The method of claim 4, wherein
And the switch layer has a rutile crystalline phase.
메모리 셀 및 상기 메모리 셀에 결합하여 상기 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자를 포함하는 메모리 소자의 제조 방법으로서,
상기 선택 소자를 형성하는 단계는,
제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계;
상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막과 상기 Nb 함유 박막 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 초기 제 1 산화 방지 층 또는 상기 스위치 층의 비격자 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 상기 스위치 층의 산화를 방지하(는)며,
상기 제 1 산화 층의 산소 조성비는 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성비보다 높은 메모리 소자의 제조 방법.
A method of manufacturing a memory device comprising a memory cell and a selection device coupled to the memory cell to select the memory cell.
Forming the selection device,
Forming a first electrode;
Forming a switch layer comprising NbO 2 on the first electrode;
Forming an initial first antioxidant layer comprising NbO z (where 0 <z <2) on the switch layer;
Forming a second electrode on the initial first antioxidant layer; And
Annealing the switch layer and the initial first antioxidant layer so that the Nb-containing thin film and the Nb-containing thin film formed from the amorphous state to the crystalline state are formed on top of the NbO y (0 < forming a first oxide layer comprising y <2), and
Non-lattice oxygen of the initial first antioxidant layer or the switch layer reacts with the top of the initial first antioxidant layer to prevent oxidation of the switch layer,
The oxygen composition ratio of the first oxide layer is higher than the oxygen composition ratio of the first oxidation layer.
제 8 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착되는 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 8,
The initial first anti-oxidation layer is deposited under a condition of oxygen partial pressure (P O 2 ) 0% by direct current magnetron sputtering (DS magnetron sputtering).
제 8 항에 있어서,
상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착되는 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 8,
The switch layer is a method of manufacturing a memory device is deposited under the conditions of oxygen partial pressure (P O2 ) 2% to 5% by direct current magnetron sputtering (DS magnetron sputtering).
제 8 항에 있어서
상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성하는 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 8
At least one kind of oxygen introduced from the outside on the Nb-containing thin film, first non-lattice oxygen in the switch layer, and second non-lattice oxygen existing in the initial first antioxidant layer is the initial phase. A method of manufacturing a memory device, which reacts with an upper portion of a first antioxidant layer to form a first oxide layer.
제 8 항에 있어서
상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 메모리 소자의 제조 방법.
The method of claim 8
And forming an initial second antioxidant layer comprising NbO z (where 0 <z <2) between the first electrode and the switch layer.
제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 2 산화 방지 층 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계;
상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 스위치 층, 초기 제 1 산화 방지 층 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층을 어닐링하여 상기 스위치 층, 초기 제 1 산화 방지 층 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하고,
상기 Nb 함유 박막의 하부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 형성하는 선택 소자의 제조 방법.
Forming a first electrode;
Forming an initial second antioxidant layer comprising NbO z (where 0 <z <2) on the first electrode;
Forming a switch layer comprising NbO 2 on the initial second antioxidant layer;
Forming an initial first antioxidant layer comprising NbO z (where 0 <z <2) on the switch layer;
Forming a second electrode on the initial first antioxidant layer; And
Annealing the switch layer, the initial first antioxidant layer, and the initial second antioxidant layer to form the switch layer, the initial first antioxidant layer, and the initial second antioxidant layer from an amorphous state to a crystalline state. Forming an Nb-containing thin film,
At least one kind of oxygen introduced from the outside on the Nb-containing thin film, first non-lattice oxygen in the switch layer, and second non-lattice oxygen existing in the initial first antioxidant layer is the initial phase. React with the top of the first antioxidant layer to form a first oxide layer comprising NbO y (where 0 <y <2),
At least one kind of oxygen introduced from the outside of the Nb-containing thin film, the first non-lattice oxygen inside the switch layer, and the third non-lattice oxygen existing inside the initial second anti-oxidation layer is the initial phase. A method of manufacturing a selection device, which reacts with a lower portion of a second antioxidant layer to form a second oxide layer comprising NbO y (where 0 <y <2).
제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계는 인-시츄(in-situ) 공정에 의해 수행되는 선택 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
Forming the initial first antioxidant layer is performed by an in-situ process.
제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성되는 선택 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
And the initial first antioxidant layer is formed to a thickness of 10 nm to 15 nm.
제 13 항에 있어서,
상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행되는 선택 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
The annealing is carried out in the temperature range of 650 ℃ to 750 ℃ manufacturing method of the selection device.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 선택 소자.
The method of claim 4, wherein
And said first oxide layer has a larger Nb 4+ XPS peak than said first antioxidant layer.
제 4 항에 있어서,
상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합 은 15 nm 내지 35 nm인 선택 소자.
The method of claim 4, wherein
And the sum of the thicknesses of the switch layer, the first anti-oxidation layer and the first oxide layer is 15 nm to 35 nm.
제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착되는 선택 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
And the initial first anti-oxidation layer is deposited under a condition of oxygen partial pressure (PO 2 ) of 0% by direct current magnetron sputtering.
제 13 항에 있어서,
상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의 하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착되는 선택 소자의 제조 방법.
The method of claim 13,
The switch layer is a method of manufacturing a selection device is deposited under the conditions of oxygen partial pressure (PO 2 ) 2% to 5% by direct current magnetron sputtering (DS magnetron sputtering).
KR1020190040141A 2019-04-05 2019-04-05 Selector and method of fabricating the same KR102081020B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190040141A KR102081020B1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Selector and method of fabricating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190040141A KR102081020B1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Selector and method of fabricating the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102081020B1 true KR102081020B1 (en) 2020-02-24

Family

ID=69637225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190040141A KR102081020B1 (en) 2019-04-05 2019-04-05 Selector and method of fabricating the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102081020B1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110093620A (en) * 2010-02-09 2011-08-18 소니 주식회사 Storage element and storage device, and operating method of storage device
KR20150130113A (en) * 2014-05-13 2015-11-23 포항공과대학교 산학협력단 Resistance random access memory and method of manufacturing the same
KR101911185B1 (en) * 2017-08-01 2018-12-31 포항공과대학교 산학협력단 Insulator-to-metal transition device, method of manufacturing the same, and an application including the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110093620A (en) * 2010-02-09 2011-08-18 소니 주식회사 Storage element and storage device, and operating method of storage device
KR20150130113A (en) * 2014-05-13 2015-11-23 포항공과대학교 산학협력단 Resistance random access memory and method of manufacturing the same
KR101911185B1 (en) * 2017-08-01 2018-12-31 포항공과대학교 산학협력단 Insulator-to-metal transition device, method of manufacturing the same, and an application including the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8592282B2 (en) Nonvolatile memory elements
KR100693409B1 (en) Nonvolatile Memory Device Based on Resistance Switching of Oxide ? Method Thereof
US9112144B2 (en) Method of fabricating a resistive non-volatile memory device
US8891284B2 (en) Memristors based on mixed-metal-valence compounds
KR100913395B1 (en) Memory devices and method for fabricating the same
KR101338360B1 (en) Selection device and nonvolatile memory cell including the same and method of fabricating the same
US8422268B2 (en) Current control element, memory element, and fabrication method thereof
CN103907192A (en) Resistive switching devices having alloyed electrodes and methods of formation thereof
US20150017780A1 (en) Nonvolatile Resistive Memory Element With an Integrated Oxygen Isolation Structure
US8350244B2 (en) Variable resistance device, method for manufacturing variable resistance device, and semiconductor storage device using variable resistance device
US20100038615A1 (en) Nonvolatile storage device
TWI612701B (en) Conductive-bridging random access memory and method for fabricating the same
US8487289B2 (en) Electrically actuated device
US10535818B2 (en) Resistance change memory device
US9831426B2 (en) CBRAM device and manufacturing method thereof
KR102077957B1 (en) Resistive random-access memory and method of fabricating the same
KR102081020B1 (en) Selector and method of fabricating the same
TWI484679B (en) Non-volatile memory
US9070876B2 (en) Variable resistance element and semiconductor storage device
KR20100137608A (en) Nonvolatile resistance random access memory device
KR101009441B1 (en) Fabrication method of room temperature processed thin film structure multi-layered with metal oxide for high device yield resistive random access memory device
KR100963828B1 (en) Thin film structure for resistive random access memory device having narrow set voltage window and the fabrication method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]