KR102207216B1 - 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자 - Google Patents

전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자 Download PDF

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Abstract

전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 상변화 메모리 소자는, 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 상변화 물질층; 및 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 상변화 물질층의 사이에 배치된 채, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 상변화 물질층에 대한 선택 소자로 동작하는 반도체 물질층을 포함한다.

Description

전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자{SELECTOR USING SCHOTTKY DIODE OF INTERFACE WITH ELECTRODE AND PHASE CHANGE RANDOM ACCESS MEMORY INCLUDING THE SAME}
아래의 실시예들은 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 대한 기술이다.
IT 기술의 급격한 발전에 따라 대용량의 정보를 무선으로 처리하는 휴대 정보 통신 시스템 및 기기의 개발에 적합한 초고속, 대용량 및 고집적 등의 특성을 갖는 차세대 메모리 장치가 요구되고 있다. 이에, 3차원 V-NAND 메모리가 현재 최고 집적도를 구현하고 있으나, 고단으로 갈수록 String Height가 증가되며, 100단 이상의 고단을 형성하기 위한 공정적 어려움으로 인해 초 고집적도의 구현에 한계를 갖게 될 것으로 예상되고 있다.
이를 대체하기 위하여, 일반적인 메모리 장치에 비해 전력, 데이터의 유지 및 기록/판독 특성이 우수한 STT-MRAM, FeRAM, ReRAM 및 PCRAM 등의 차세대 메모리 소자들이 연구되고 있다.
이 중 PCRAM(이하, 상변화 메모리 소자)은 상부 전극 및 하부 전극 사이의 전류 흐름 또는 인가되는 전압 차에 의해 야기되는 열이 상변화 물질층으로 공급됨에 따라, 상변화 물질층의 결정 상태가 결정질 및 비결정질 사이에서 변화되어, 결정질일 때 저 저항성을 갖고 비결정질일 때 고 저항성을 갖게 됨으로써, 각각의 저항 상태에 대응하는 이진 값을 나타낼 수 있다(예컨대, 상변화 물질층의 결정 상태가 결정질로 저 저항성을 갖는 경우, 이진 값 [0]의 셋 상태를 나타내고, 상변화 물질층의 결정 상태가 비결정질로 고 저항성을 갖는 경우, 이진 값 [1]의 리셋 상태를 나타냄).
이러한, 상변화 메모리 소자는 저렴한 비용으로 제조되며, 고속 동작이 가능하므로 차세대 반도체 메모리 장치로 활발히 연구되고 있으며, 2차원상 스케일링(Scaling) 한계를 개선하기 위하여 다양한 3차원 아키텍처로 구현된 상변화 메모리로 제안되고 있다.
그러나, 상변화 메모리(또는 상변화 메모리 소자)는, 선택 소자로 사용되는 종래의 OTS(Ovonic Threshold Switch)가 상변화 물질층과 맞닿는 사이에 배치되는 중간 전극을 요구하기 때문에, 고집적도를 구현하는데 있어 적합하지 못한 단점과, 중간 전극을 제거할 경우, 상변화층 물질층들 사이의 열 영향에 의해 오동작이 발생되는 문제점을 갖는다.
따라서, 고집적 3차원 아키텍처에서 이용될 새로운 선택 소자의 개발이 시급한 상황이다.
일 실시예들은, 종래 OTS의 문제점 및 단점을 개선시키기 위하여, 중간 전극을 요구하지 않아 집적도를 향상시킨 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자를 제안한다.
또한, 일 실시예들은 구동하고자 하는 상변화 물질층 이외의 상변화 물질층으로 유입되는 누설 전류를 차단하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자를 제안한다.
또한, 일 실시예들은 상기 선택 소자를 기반으로, 3차원 아키텍처로 구현되는 상변화 메모리를 제안한다.
일 실시예에 따르면, 상변화 메모리 소자는, 제1 전극; 제2 전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 상변화 물질층; 및 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 상변화 물질층의 사이에 배치된 채, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 상변화 물질층에 대한 선택 소자로 동작하는 반도체 물질층을 포함한다.
일측에 따르면, 상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은, PN 다이오드의 구조를 형성함으로써, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로부터 공급되는 열을 상기 상변화 물질층에 선택적으로 스위칭하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은, 상기 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성되고 상기 반도체 물질층이 N 타입으로 형성됨에 따라, PN 다이오드의 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 반도체 물질층은, Zn, In 또는 Ga 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는 N 타입의 산화물 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 반도체 물질층은, ZnOx 계열의 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 ZnOx 계열의 물질은, AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자에서 사용되는 선택 소자는, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 상변화 물질층의 사이에 배치된 채, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로부터 공급되는 열을 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 상변화 물질층에 선택적으로 스위칭하는 반도체 물질층을 포함한다.
일측에 따르면, 상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은, PN 다이오드의 구조를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은, 상기 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성되고 상기 반도체 물질층이 N 타입으로 형성됨에 따라, PN 다이오드의 구조를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 반도체 물질층은, Zn, In 또는 Ga 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는 N 타입의 산화물 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 반도체 물질층은, ZnOx 계열의 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 ZnOx 계열의 물질은, AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고집적 3차원 아키텍처를 갖는 상변화 메모리는, 수평 방향으로 연장 형성된 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 적어도 하나의 제1 전극에 대해 수직 방향으로 연장 형성된 제2 전극; 상기 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 적어도 하나의 상변화 물질층; 및 상기 적어도 하나의 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 적어도 하나의 상변화 물질층 사이에 배치된 채, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 적어도 하나의 상변화 물질층에 대한 선택 소자로 동작하는 적어도 하나의 반도체 물질층을 포함한다.
일 실시예들은, 중간 전극을 요구하지 않아 집적도를 향상시킴으로써, 종래 OTS의 문제점 및 단점을 개선시킨 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자를 제안할 수 있다.
또한, 일 실시예들은 구동하고자 하는 상변화 물질층 이외의 상변화 물질층으로 유입되는 누설 전류를 차단하는 선택 소자 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자를 제안할 수 있다.
또한, 일 실시예들은 상기 선택 소자를 기반으로, 3차원 아키텍처로 구현되는 상변화 메모리를 제안할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 선택 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 선택 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 5는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 장점을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 선택 소자를 포함한 채 고집적 3차원 아키텍처를 갖도록 구현된 상변화 메모리를 나타낸 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 나타낸 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 선택 소자를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 일 실시예에 따른 선택 소자의 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4 내지 5는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 장점을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자(100)는, 제1 전극(110), 제2 전극(120), 상변화 물질층(130) 및 반도체 물질층(140)을 포함한다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 각각은, W, TaN, TiN 등과 같이 전도성을 갖는 금속 물질로 형성될 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 도면과 같이 상변화 물질층(130)을 기준으로 상하부에 배치되는 바, 상부 전극 및 하부 전극으로 명명될 수 있다. 특히, 후술되지만, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극과의 게면이 반도체 물질층(140)과 PN 다이오드 구조를 형성하도록 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 P 타입의 금속 물질로 형성될 수 있다.
상변화 물질층(130)은 제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이에 개재된 채, 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)으로부터 공급되는 열(제1 전극(110) 및 제2 전극(120) 사이의 전류 흐름 또는 인가되는 전압 차에 의해 야기되는 열)에 의해 결정 상태가 변화되도록 상변화 물질로 형성되어, 메모리 셀의 기능을 수행한다.
예를 들어, 상변화 물질층(130)은 Ge, Sb 및/또는 Te와 같은 상변화 물질(Ge2Sb2Te5)로 형성되어, 결정 상태가 결정질일 때 저 저항성을 갖고, 결정 상태가 비결정질일 때 고 저항성을 갖는 상 변화 특성을 보이게 된다. 여기서, 상 변화 물질층(130)의 결정 상태가 결정질일 때 저 저항성을 갖는다는 것은, 결정 상태가 비결정질일 때 갖게 되는 저항성을 기준으로 상대적으로 낮은 저항성을 갖는 것을 의미하고, 상변화 물질층(130)의 결정 상태가 비결정질일 때 고 저항성을 갖는다는 것은, 결정 상태가 결정질일 때 갖게 되는 저항성을 기준으로 상대적으로 높은 저항성을 갖는 것을 의미한다. 즉, 상변화 물질층(130)의 결정 상태에 따라 저 저항성을 갖거나, 고 저항성을 갖는다는 것은, 서로 상대적으로 비교된 저항성의 값이 낮거나, 높음을 의미한다.
반도체 물질층(140)은 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극 및 상변화 물질층(130)의 사이에 배치된 채, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상변화 물질층(130)에 대한 선택 소자로 동작한다. 이하, 상변화 물질층(130)에 대한 선택 소자로 동작한다는 것은, 제1 전극(110) 및 제2 전극(1200으로부터 공급되는 열을 상변화 물질층(130)에 선택적으로 스위칭하는 동작을 수행하는 것을 의미한다.
보다 상세하게, 반도체 물질층(140)이 N 타입으로 형성되고, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성됨에 따라, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극과 반도체 물질층(140)은 도 2와 같이 PN 다이오드 구조를 형성할 수 있다(도 2는 상변화 물질층(130) 및 반도체 물질층(140)의 등가회로를 나타낸 도면임). 따라서, 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극과의 접촉 계면에서 PN 다이오드 구조를 갖는 반도체 물질층(140)은 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)으로부터 공급되는 열을 상변화 물질층(130)에 선택적으로 스위칭하는 선택 소자의 기능을 수행할 수 있다.
이 때, 반도체 물질층(140)은 낮은 누설 전류 특성을 갖는 Zn, In 또는 Ga 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는 N 타입의 산화물 반도체 물질로 형성됨으로써, 넓은 밴드 갭으로 우수한 누설 전류 특성을 도모할 수 있다. 예를 들어, 반도체 물질층(140)은 AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 ZnOx 계열의 물질로 형성될 수 있다.
이와 같이 제1 전극(110) 또는 제2 전극(120) 중 어느 하나의 전극과의 접촉 계면에서 PN 다이오드 구조를 형성하는 반도체 물질층(140)은, 쇼트키 다이오드 특성을 이용함으로써 도 3과 같이 매우 빠른 스위칭 전환을 특징으로 하기 때문에, 상변화 메모리 소자(100)에서 상변화 물질층(130)에 열을 선택적으로 스위칭하는 선택 소자의 기능을 최적화하여 수행할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 반도체 물질층(140)은 별도의 중간 전극을 요구하지 않기 때문에, 반도체 물질층(140)을 포함하는 상변화 메모리 소자(100)는 스케일링에서 집적도를 향상시킬 수 있는 효과를 도모할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 반도체 물질층(140)을 포함하지 않으며 상변화 물질층들이 어레이를 이루는 기존의 상변화 메모리에서는, 도 4와 같이 선택된 상변화 물질층(410)을 판독하는 과정에서, 선택되지 않은 상변화 물질층들(420, 430)으로 누설 전류가 유입되는 문제점이 발생될 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 반도체 물질층(140)을 포함한 채 상변화 물질층들이 어레이를 이루는 상변화 메모리는, 선택된 상변화 물질층(510)으로만 전류를 흐르게 하며 판독을 수행함으로써, 누설 전류를 차단하는 장점을 가질 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 선택 소자를 포함한 채 고집적 3차원 아키텍처를 갖도록 구현된 상변화 메모리를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 아키텍처를 갖도록 구현된 상변화 메모리(600)는, 수평 방향으로 연장 형성된 적어도 하나의 제1 전극(610), 적어도 하나의 제1 전극(610)에 대해 수직 방향으로 연장 형성된 제2 전극(620), 적어도 하나의 제1 전극(610) 및 제2 전극(620) 사이에 개재되는 적어도 하나의 상변화 물질층(630) 및 적어도 하나의 제1 전극(610) 또는 제2 전극(620) 중 어느 하나의 전극 및 적어도 하나의 상변화 물질층(630) 사이에 배치되는 적어도 하나의 반도체 물질층(640)을 포함한다.
이와 같은 구조의 상변화 메모리(600)에서 650 영역이 도 1 내지 5를 참조하여 상술된 상변화 메모리 소자에 해당되게 된다. 즉, 상변화 메모리(600)는 복수의 상변화 메모리 소자들을 포함하는 3차원 아키텍처로 구현됨으로써, 복수의 상변화 메모리 소자들 각각에 대응하는 반도체 물질층의 스위칭 동작에 따라 복수의 상변화 메모리 소자들 각각을 선택적으로 구동시킬 수 있다.
이상, 적어도 하나의 반도체 물질층(640)이 적어도 하나의 상변화 물질층(630)에 대응하는 개수로 적어도 하나의 제1 전극(610) 및 적어도 하나의 상변화 물질층(630) 사이에 배치되는 것으로 설명되었으나 이에 제한되거나 한정되지 않고, 제2 전극(620)과 같이 적어도 하나의 제1 전극(610)에 대해 수직 방향으로 단일로 연장 형성되어 제2 전극(620) 및 적어도 하나의 상변화 물질층(630) 사이에 배치될 수도 있다. 이러한 경우, 적어도 하나의 반도체 물질층(640)은, 적어도 하나의 상변화 물질층(630)에 대응하는 영역 별로 스위칭 동작을 수행하여, 적어도 하나의 상변화 물질층(630) 각각에 선택적으로 열을 공급할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 제1 전극;
    제2 전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 상변화 물질층; 및
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 상변화 물질층의 사이에 배치된 채, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 상변화 물질층에 대한 선택 소자로 동작하는 반도체 물질층
    을 포함하고,
    상기 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성되고 상기 반도체 물질층이 N 타입으로 형성됨에 따라,
    상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은,
    PN 다이오드의 구조를 형성함으로써, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로부터 공급되는 열을 상기 상변화 물질층에 선택적으로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은,
    Zn, In 또는 Ga 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는 N 타입의 산화물 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은,
    ZnOx 계열의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 ZnOx 계열의 물질은,
    AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 상변화 메모리 소자.
  7. 제1 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자에서 사용되는 선택 소자에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 상변화 물질층의 사이에 배치된 채, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로부터 공급되는 열을 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 상변화 물질층에 선택적으로 스위칭하는 반도체 물질층
    을 포함하고,
    상기 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성되고 상기 반도체 물질층이 N 타입으로 형성됨에 따라,
    상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은,
    PN 다이오드의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 선택 소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은,
    Zn, In 또는 Ga 중 적어도 하나의 양이온을 포함하는 N 타입의 산화물 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 선택 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 물질층은,
    ZnOx 계열의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 선택 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 ZnOx 계열의 물질은,
    AZO, ZTO, IZO, ITO, IGZO 또는 Ag-ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 선택 소자.
  13. 고집적 3차원 아키텍처를 갖는 상변화 메모리에 있어서,
    수평 방향으로 연장 형성된 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 적어도 하나의 제1 전극에 대해 수직 방향으로 연장 형성된 제2 전극;
    상기 적어도 하나의 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 개재되는 적어도 하나의 상변화 물질층; 및
    상기 적어도 하나의 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나의 전극 및 상기 적어도 하나의 상변화 물질층 사이에 배치된 채, 상기 어느 하나의 전극과의 접촉 계면의 쇼트키 다이오드 특성을 이용하여 상기 적어도 하나의 상변화 물질층에 대한 선택 소자로 동작하는 적어도 하나의 반도체 물질층
    을 포함하고,
    상기 어느 하나의 전극이 P 타입으로 형성되고 상기 반도체 물질층이 N 타입으로 형성됨에 따라,
    상기 어느 하나의 전극 및 상기 반도체 물질층은,
    PN 다이오드의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리.
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