KR102301109B1 - Resistive random access memory and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치는, 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 전압에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 도전성 경로가 형성되는 가변 저항체를 포함한다. 상기 가변 저항체는 제 1 금속을 제 2 금속에 도핑하거나 상기 제 1 및 제 2 금속이 고용체(solid solution)를 형성하는 금속 산화물층을 포함하고, 상기 금속 산화물층에서 상기 제 1 금속은 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 5~15%의 범위 내이고, 상기 금속 산화물층의 산소는 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 1~2.5배 범위 내이다. 본 발명에 의하면, 포밍 동작을 수행하지 않아도 되는 가변 저항체을 구비함으로, 저항성 메모리 셀의 리텐션 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명은 포밍 동작으로 인한 오버슈팅 전류를 제어함으로써 가변 저항체 내에 작은 사이즈의 도전성 경로를 형성하고, 오프 전류를 줄임으로 읽기 마진을 개선할 수 있다.A resistive memory device according to an embodiment of the present invention includes first and second electrodes; and a variable resistor in which a conductive path is formed by oxygen vacancy according to a voltage applied to the first and second electrodes. The variable resistor includes a metal oxide layer in which a first metal is doped with a second metal or in which the first and second metals form a solid solution, and in the metal oxide layer, the first metal is the first metal. and 5 to 15% of the sum of the second metal, and oxygen in the metal oxide layer is in the range of 1 to 2.5 times the sum of the first and second metals. According to the present invention, it is possible to improve the retention characteristics of the resistive memory cell by including the variable resistor that does not need to perform the forming operation. In addition, according to the present invention, a small size conductive path is formed in the variable resistor by controlling an overshooting current caused by the forming operation, and the read margin can be improved by reducing the off current.
Description
본 발명은 저항성 메모리 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 저항성 메모리 장치 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resistive memory device, and more particularly, to a resistive memory device and a method of manufacturing the same.
저항성 메모리 장치(ReRAM)는 금속 산화물을 이용하여 금속/금속산화물/금속(MIM)의 구조로서, 적당한 전기적 신호를 금속 산화물에 인가하면, 금속 산화물이 높은 저항 상태(HRS; High Resistance State)에서 낮은 저항 상태(LRS; Low Resistance State), 또는 그 반대의 상태로 변하는 가변 저항 특성이 나타난다. 저항성 메모리 장치의 가변 저항 특성에 대한 연구가 오랫동안 진행되어 왔으며 그 결과 다음과 같은 전도성 필라멘트(conducting filament) 모델이 제시되고 있다. A resistive memory device (ReRAM) is a metal/metal oxide/metal (MIM) structure using a metal oxide. When an appropriate electrical signal is applied to the metal oxide, the metal oxide changes from a high resistance state (HRS) to a low resistance state (HRS). A variable resistance characteristic that changes to a low resistance state (LRS) or vice versa appears. Studies on the variable resistance characteristics of resistive memory devices have been conducted for a long time, and as a result, the following conducting filament model has been proposed.
금속 산화물 내에서 구조적인 변화가 생겨 본래의 금속 산화물과 저항 상태가 다른 도전성 경로(CP: Conductive Path), 즉 전도성 필라멘트가 형성될 수 있다. 이 모델에 따르면, 전기적 프로세스(일반적으로, forming process라고 함)에 의해 박막 내부로 전극 금속 물질이 확산 또는 주입되거나 박막 내 결함 구조의 재배열에 의해 전도성이 매우 높은 전도성 필라멘트가 형성될 수 있다. 이 전도성 필라멘트는 국부적 영역에서의 줄 히팅(joule heating)에 의해 파괴되고, 박막 내 온도, 박막 외부 온도, 인가된 전기장, 공간 전하(space charge) 등과 같은 요인에 의해 다시 생성됨에 따라, 가변 저항 특성이 나타날 수 있다.Structural change may occur in the metal oxide to form a conductive path (CP) having a different resistance state from that of the original metal oxide, that is, a conductive filament. According to this model, an electrode metal material is diffused or injected into the thin film by an electrical process (generally referred to as a forming process), or a conductive filament with very high conductivity can be formed by rearrangement of the defect structure in the thin film. This conductive filament is destroyed by joule heating in the local area and is regenerated by factors such as the temperature inside the thin film, the temperature outside the thin film, applied electric field, space charge, etc. may appear.
이러한 가변 저항 특성을 갖는 저항성 메모리 장치는 기존의 플래시 메모리보다 매우 빠른 동작 속도를 갖고, DRAM과 같이 낮은 전압에서도 동작하고, SRAM과 같이 빠르게 읽고 쓸 수 있다. 또한, 저항성 메모리 장치는 비교적 간단한 구조를 가지기 때문에 공정상 발생할 수 있는 결함을 줄이고, 제조 비용을 낮출 수 있다. 이러한 장점으로 인해 저항성 메모리 장치는 차세대 플래시 메모리를 대체하는 메모리 소자로 주목을 받고 있다. A resistive memory device having such a variable resistance characteristic has an operation speed much faster than that of a conventional flash memory, operates at a low voltage like DRAM, and can read and write quickly like SRAM. In addition, since the resistive memory device has a relatively simple structure, defects that may occur in a process may be reduced, and manufacturing costs may be lowered. Due to these advantages, the resistive memory device is attracting attention as a memory device replacing the next-generation flash memory.
그러나 이러한 장점에도 불구하고 저항성 메모리 장치는 정확한 스위칭 메커니즘이 규명되지 않아 재현성에 약점을 가지고 있다. 그리고 저항성 메모리 장치 사이에 동작 전압이나 내구성(endurance) 등에 약간의 편차가 존재한다. 또한, 저항성 메모리 장치가 저전력에서 동작하는 경우에 리텐션(retention) 특성이 열화 되는 문제점이 나타나고 있다.However, despite these advantages, the resistive memory device has a weakness in reproducibility because the exact switching mechanism has not been identified. In addition, there is a slight variation in operating voltage or durability between resistive memory devices. In addition, when the resistive memory device operates at low power, there is a problem in that retention characteristics are deteriorated.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 저전력에서 동작하는 경우에도 메모리 셀의 리턴션 특성의 열화를 줄이는 저항성 메모리 장치 및 그것의 제조 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described technical problem, and an object of the present invention is to provide a resistive memory device and a method of manufacturing the same that reduce deterioration of return characteristics of a memory cell even when operating at low power.
본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치는, 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 전압에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 도전성 경로가 형성되는 가변 저항체를 포함한다. 상기 가변 저항체는 제 1 금속을 제 2 금속에 도핑하거나 상기 제 1 및 제 2 금속이 고용체(solid solution)를 형성하는 금속 산화물층을 포함하고, 상기 금속 산화물층에서 상기 제 1 금속은 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 5~15%의 범위 내이고, 상기 금속 산화물층의 산소는 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 1~2.5배 범위 내이다.A resistive memory device according to an embodiment of the present invention includes first and second electrodes; and a variable resistor in which a conductive path is formed by oxygen vacancy according to a voltage applied to the first and second electrodes. The variable resistor includes a metal oxide layer in which a first metal is doped with a second metal or in which the first and second metals form a solid solution, and in the metal oxide layer, the first metal is the first metal. and 5 to 15% of the sum of the second metal, and oxygen in the metal oxide layer is in the range of 1 to 2.5 times the sum of the first and second metals.
실시 예로서, 산소 친화도(oxygen affinity)는 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속보다 크고, 산소 공공 확산 장벽(oxygen vacancy diffusion barrier)은 상기 제 1 금속이 상기 제 2 금속보다 높다. 상기 제 1 또는 제 2 금속 원자는 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 중 적어도 하나일 수 있다. ALD 프로세스의 경우에, 제 1 금속 산화물과 제 2 금속 산화물을 라미네이트 구조로 층을 형성하고, PVD 또는 CVD 프로세스의 경우에, 제 1 금속 산화물과 제 2 금속 산화물의고용체 구조로 층을 형성할 수 있다. 상기 제 1 금속은 Ti이고, 상기 제 2 금속은 Al일 수 있다.In an embodiment, the oxygen affinity of the second metal is greater than that of the first metal, and the oxygen vacancy diffusion barrier of the first metal is higher than that of the second metal. The first or second metal atom may be at least one of Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, and W. In the case of an ALD process, a layer of a first metal oxide and a second metal oxide may be formed into a laminate structure, and in the case of a PVD or CVD process, a layer may be formed of a solid solution structure of the first metal oxide and the second metal oxide. have. The first metal may be Ti, and the second metal may be Al.
본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치의 다른 일면은, 제 1 및 제 2 전극; 및 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 전압에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 도전성 경로가 형성되는 가변 저항체를 포함하되, 상기 가변 저항체는 제 1 금속을 제 2 금속에 도핑하거나 상기 제 1 및 제 2 금속이 고용체(solid solution)를 형성하는 제 1 물질층; 및 상기 제 1 물질층에서 이동한 산소 공공을 저장하기 위한 제 2 물질층을 포함할 수 있다. 상기 제 1 물질층에서 상기 제 1 금속은 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 5~15%의 범위 내이고, 상기 제 1 물질층에서 산소는 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 1~2.5배 범위 내일 수 있다. Another aspect of a resistive memory device according to an embodiment of the present invention may include: first and second electrodes; and a variable resistor in which a conductive path is formed by oxygen vacancy according to voltages applied to the first and second electrodes, wherein the variable resistor is formed by doping a first metal into a second metal or and a first material layer in which the second metal forms a solid solution; and a second material layer for storing oxygen vacancies moved from the first material layer. In the first material layer, the first metal is in the range of 5 to 15% of the sum of the first and second metals, and oxygen in the first material layer is 1 to 2.5 times the sum of the first and second metals. May be within range tomorrow.
실시 예로서, 상기 제 2 물질층은 제 3 금속을 포함하고, 상기 제 3 금속은 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 중 적어도 하나일 수 있다. 저항성 메모리 장치는 초기 상태에서 별도의 포밍 동작을 수행하지 않을 수 있다. 상기 제 1 전극과 상기 제 1 물질층 사이에 제 1 장벽층을 포함하고, 상기 제 2 전극과 상기 제 2 물질층 사이에 제 2 장벽층을 포함할 수 있다.In an embodiment, the second material layer may include a third metal, and the third metal may be selected from among Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, and W. There may be at least one. The resistive memory device may not perform a separate forming operation in an initial state. A first barrier layer may be included between the first electrode and the first material layer, and a second barrier layer may be included between the second electrode and the second material layer.
본 발명의 또 다른 일면은 저항성 메모리 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 가변 저항체를 형성하는 단계; 및 상기 가변 저항체 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 가변 저항체를 형성하는 단계는, 산소 공공을 저장하기 위한 산소 부족형 금속 산화물층을 형성하는 단계; 및 제 1 금속을 제 2 금속에 도핑하거나 상기 제 1 및 제 2 금속이 고용체(solid solution)를 형성하는 산소 리치형 금속 산화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 산소 리치형 금속 산화물층에서 상기 제 1 금속은 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 5~15%의 범위 내이고, 상기 제 1 산소 리치형 금속 산화물층에서 산소는 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 1~2.5배 범위 내일 수 있다.Another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a resistive memory device, comprising: forming a first electrode on a substrate; forming a variable resistor on the first electrode; and forming a second electrode on the variable resistor, wherein the forming of the variable resistor includes: forming an oxygen-deficient metal oxide layer for storing oxygen vacancies; and doping a first metal into a second metal or forming an oxygen-rich metal oxide layer in which the first and second metals form a solid solution, wherein the first oxygen-rich metal oxide layer In the first metal is in the range of 5 to 15% of the sum of the first and second metals, and oxygen in the first oxygen-rich metal oxide layer is in the range of 1 to 2.5 times the sum of the first and second metals can tomorrow
본 발명의 실시 예에 따르면, 포밍 동작을 수행하지 않아도 되는 가변 저항체을 구비함으로, 저항성 메모리 셀의 리텐션 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명은 포밍 동작으로 인한 오버슈팅 전류를 제어함으로써 가변 저항체 내에 작은 사이즈의 도전성 경로를 형성하고, 오프 전류를 줄임으로 읽기 마진을 개선할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the retention characteristic of the resistive memory cell can be improved by providing the variable resistor that does not need to perform the forming operation. In addition, according to the present invention, a small size conductive path is formed in the variable resistor by controlling an overshooting current caused by the forming operation, and the read margin can be improved by reducing the off current.
도 1은 본 발명에 따른 저항성 메모리 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 저항성 메모리 셀을 예시적으로 보여주는 회로도이다.
도 3은 도 2a에 도시된 저항성 메모리 셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 4은 도 3에 도시된 가변 저항체를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 가변 저항체의 전류-전압 곡선을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치의 가변 저항체를 예시적으로 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 저항성 메모리 장치의 동작 특성을 종래와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 프로그램 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 리프레시 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 소거 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 저항성 메모리 장치를 포함하는 컴퓨팅 시스템(400)을 간략히 보여주는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a resistive memory device according to the present invention.
2A and 2B are circuit diagrams exemplarily showing the resistive memory cell shown in FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view exemplarily illustrating the structure of the resistive memory cell shown in FIG. 2A.
4 is a cross-sectional view illustrating the variable resistor shown in FIG. 3 by way of example.
5 is a graph exemplarily showing a current-voltage curve of the variable resistor shown in FIG. 4 .
6 is a cross-sectional view illustrating an example of a variable resistor of a resistive memory device according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are graphs for explaining the operation characteristics of the resistive memory device shown in FIG. 6 in comparison with the related art.
FIG. 9 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining a program operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 .
FIG. 10 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining a refresh operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 .
11 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining an erase operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 .
12 is a schematic block diagram illustrating a
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described clearly and in detail to the extent that those skilled in the art can easily practice the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 저항성 메모리 장치를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 저항성 메모리 장치(100)는 메모리 셀 어레이(110), 어드레스 디코더(120), 비트 라인 선택 회로(130), 쓰기 드라이버(140), 감지 증폭기(150), 데이터 입출력 회로(160), 그리고 제어 유닛(170)을 포함한다.1 is a block diagram illustrating a resistive memory device according to the present invention. Referring to FIG. 1 , the
메모리 셀 어레이(110)는 복수의 워드 라인(WL1-WLn)과 복수의 비트 라인(BL1-BLm) 사이에 연결된 복수의 메모리 셀을 포함할 수 있다. 각각의 메모리 셀은 저항 변화 특성을 이용하여 데이터를 저장할 수 있는 물질(예를 들면, Pt/HfO2/Ta/TiN)로 구성될 수 있다. 이러한 저항성 메모리 셀에는 싱글-비트 데이터 또는 멀티-비트 데이터가 저장될 수 있다. 멀티-비트 데이터를 저장할 수 있는 메모리 셀을 멀티-레벨 메모리 셀(MLC; multi-level memory cell)라고 한다. The
싱글 레벨 셀(SLC)은 하나의 메모리 셀에 데이터 0 또는 1을 저장할 수 있다. 한편, 저항성 메모리 셀은 셋 상태와 리셋 상태의 중간에 복수의 중간 상태들(intermediate states)을 가질 수 있다. 이와 같은 멀티 레벨 셀(MLC)은 하나의 메모리 셀에 2 비트 이상의 데이터를 저장할 수 있다. 저항성 메모리 셀은 MLC 프로그램 동작에 의해 멀티 상태(multi_state) 중에서 어느 하나를 갖는다. 예를 들면, 하나의 메모리 셀에 2 비트 데이터가 저장된다고 가정하면, 메모리 셀은 4개의 상태(11, 10, 01, 00)를 가질 수 있다. (1,1) 상태는 가장 높은 저항값을 갖고, (0,0) 상태는 가장 낮은 저항값을 가질 수 있다. 그리고 (1,0) 및 (0,1) 상태는 각각 제 1 및 제 2 중간 상태(intermediate state)로서, 제 1 및 제 2 중간 저항값을 가질 수 있다. (1,0) 상태의 저항값은 (0,1) 상태의 저항값보다 클 수 있다.The single level cell SLC may store
어드레스 디코더(120)는 워드 라인(WL1~WLn)을 통해 메모리 셀 어레이(110)와 연결된다. 어드레스 디코더(120)는 외부에서 입력된 어드레스(ADDR)를 디코드하고, 선택된 워드 라인으로 워드 라인 전압(Vw)을 제공할 수 있다. 또한, 어드레스 디코더(120)는 비트 라인(BL1~BLm)을 선택하기 위한 선택 신호(Yi)를 발생할 수 있다. 선택 신호(Yi)는 비트 라인 선택 회로(130)에 제공된다.The
비트 라인 선택 회로(130)는 비트 라인(BL1~BLm)을 통해 메모리 셀 어레이(110)와 연결된다. 비트 라인 선택 회로(130)는 어드레스 디코더(120)로부터 제공되는 선택 신호(Yi)에 응답하여 비트 라인을 선택할 수 있다. 비트 라인 선택 회로(130)는 복수의 NMOS 트랜지스터(도시되지 않음)를 이용하여 비트 라인을 선택할 수 있다. 여기에서, NMOS 트랜지스터는 선택 신호(Yi)에 응답하여, 쓰기 동작 시에는 비트 라인(BL)과 데이터 라인(DL)을 연결하고 읽기 동작 시에는 비트 라인(BL)과 감지 라인(SL)을 연결할 수 있다.The bit
도 1의 예에서는, 어드레스 디코더(120)에 의해 제 3 워드 라인(WL3)이 선택되고, 비트 라인 선택 회로(130)에 의해 제 3 비트 라인(BL3)이 선택된다. 저항성 메모리 장치(100)는 어드레스(ADDR)를 통해 제 3 워드 라인(WL3)과 제 3 비트 라인(BL3)에 공통으로 연결되는 하나의 메모리 셀(111)을 선택할 수 있다. 이하에서, 하나의 워드 라인과 하나의 비트 라인에 의해 선택된 메모리 셀(예를 들면, 111)을 선택 메모리 셀(selected memory cell)이라 한다.In the example of FIG. 1 , the third word line WL3 is selected by the
쓰기 드라이버(140)는 펄스 제어 신호(P_SET, P_RST)를 입력받고, 데이터 라인(DL)으로 프로그램 전류(I_PGM)를 제공할 수 있다. 펄스 제어 신호(P_SET, P_RST)는 제어 유닛(170)으로부터 제공될 수 있다. 여기에서, 프로그램 전류(I_PGM)는 선택 메모리 셀(111)을 멀티 상태(multi_state) 중 어느 하나로 프로그램하기 위한 것이다. 쓰기 드라이버(140)는 MLC 프로그램 동작 시에, 선택 메모리 셀(111)의 멀티 상태에 따라 한 번 또는 그 이상의 프로그램 전류(I_PGM)를 제공할 수 있다.The
감지 증폭기(150)는 읽기 동작 시에 감지 라인(SL)의 전압과 기준 전압(Vref)의 차이를 감지함으로, 선택 메모리 셀(111)에 저장된 데이터를 읽을 수 있다. 여기에서, 기준 전압(Vref)은 기준 전압 발생회로(미도시)에서 제공될 수 있다. 감지 증폭기(150)는 제어 유닛(170)으로부터 제공된 제어 신호에 응답하여 동작할 수 있다.The
데이터 입출력 회로(160)는 입출력 단자(DQ)로부터 데이터를 입력받거나 출력할 수 있다. 입출력 단자(DQ)의 수는 저항성 메모리 장치(100)의 종류에 따라 달라질 수 있다. 데이터 입출력 회로(160)는 데이터 입출력 제어 신호(CON)에 응답하여 쓰기 드라이버(140)에 데이터(DI)를 제공하거나 감지 증폭기(150)로부터 제공된 데이터(DO)를 외부로 출력할 수 있다. 데이터 입출력 제어 신호(CON)는 제어 유닛(170)으로부터 제공될 수 있다.The data input/
제어 유닛(170)은 외부 제어 신호(CTRL)에 응답하여 펄스 제어 신호(P_SET, P_RST)를 쓰기 드라이버(140)로 제공하고, 데이터 입출력 제어 신호(CON)를 데이터 입출력 회로(160)로 제공할 수 있다. 제어 유닛(170)은 MLC 프로그램 동작 시에 펄스 제어 신호(P_SET, P_RST)를 제어함으로, 선택 메모리 셀(111)을 프로그램할 수 있다.The
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 저항성 메모리 셀을 예시적으로 보여주는회로도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 저항성 메모리 셀(111, 112)은 기억 소자(ME; memory element)와 선택 소자(SE; select element)를 포함할 수 있다. 2A and 2B are circuit diagrams exemplarily showing the resistive memory cell shown in FIG. 1 . 2A and 2B , the
도 2a를 참조하면, 저항성 메모리 셀(111)의 기억 소자(ME)는 비트 라인(BL)과 선택 소자(SE) 사이에 연결되며, 선택 소자(SE)는 기억 소자(ME)와 접지 사이에 연결된다. 선택 소자(SE)는 NMOS 트랜지스터로 구성될 수 있다. NMOS 트랜지스터의 게이트에는 워드 라인(WL)이 연결된다. 워드 라인(WL)에 소정의 전압이 인가되면, NMOS 트랜지스터는 턴 온(turn on) 된다. NMOS 트랜지스터가 턴 온(turn on) 되면, 기억 소자(ME)는 비트 라인(BL)을 통해 전압 또는 전류를 공급받을 수 있다. 도 2a에서는 기억 소자(ME)가 비트 라인(BL)과 선택 소자(SE) 사이에 연결되어 있다. 그러나 선택 소자(SE)가 비트 라인(BL)과 기억 소자(ME) 사이에 연결될 수도 있다.Referring to FIG. 2A , the memory element ME of the
도 2b를 참조하면, 저항성 메모리 셀(112)의 기억 소자(ME)는 비트 라인(BL)과 선택 소자(SE) 사이에 연결되며, 선택 소자(SE)는 기억 소자(ME)와 워드 라인(WL) 사이에 연결된다. 선택 소자(SE)는 다이오드(D)로 구성될 수 있다. 다이오드(D)의 애노드(Anode)에는 기억 소자(ME)가 연결되고, 캐소드(Cathode)에는 워드 라인(WL)이 연결된다. 다이오드(D)의 애노드와 캐소드 사이의 전압 차가 다이오드(D)의 문턱 전압보다 높아지면, 다이오드(D)는 턴 온(turn on) 된다. 다이오드(D)가 턴 온 되면, 기억 소자(ME)는 비트 라인(BL)을 통해 전압 또는 전류를 공급받을 수 있다.Referring to FIG. 2B , the memory element ME of the
도 2a 및 도 2b에서, 기억 소자(ME)는 가변 저항 특성을 갖는 저항성 물질을 포함할 수 있다. 기억 소자(ME)는 인가되는 전압에 따라 흐르는 전류가 히스테레시스 루프를 형성할 수 있다. 예를 들어, 기억 소자(ME)는 TiAlOx일 수 있다. 기억 소자(ME)는 도전성 경로(CP)의 생성 또는 소멸에 의해 그 저항이 변화할 수 있다. 도전성 경로(CP)가 생성되면, 기억 소자(ME)는 저저항 상태(LRS)로 될 수 있다. 반대로, 도전성 경로(CP)가 소멸하면, 기억 소자(ME)는 고저항 상태(HRS)로 될 수 있다. 기억 소자(ME)는 한 종류 이상의 금속 원자가 도핑(doping)되거나, 두 종류 이상의 금속 원자가 고용체(solid solution)를 형성하는 금속 산화물층(metal oxide layer)을 포함할 수 있다. 금속 산화물층에 사용되는 금속 원자는 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 등일 수 있다. 2A and 2B , the memory element ME may include a resistive material having a variable resistance characteristic. In the memory element ME, a current flowing according to an applied voltage may form a hysteresis loop. For example, the memory element ME may be TiAlOx. The resistance of the memory element ME may be changed by the generation or disappearance of the conductive path CP. When the conductive path CP is generated, the memory element ME may be in the low resistance state LRS. Conversely, when the conductive path CP disappears, the memory element ME may be in the high resistance state HRS. The memory device ME may include a metal oxide layer in which one or more types of metal atoms are doped or two or more types of metal atoms form a solid solution. The metal atom used in the metal oxide layer may be Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W, or the like.
도 3은 도 2a에 도시된 저항성 메모리 셀의 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 저항성 메모리 셀(111)은 반도체 기판(205)의 분리 영역(210)에 의해 활성 영역(215)이 형성될 수 있다. 활성 영역(215) 내에는 소오스/드레인(220)이 형성될 수 있다. 소오스/드레인(220)사이의 활성 영역(215) 상에 게이트(230)가 형성될 수 있다. 3 is a cross-sectional view exemplarily illustrating the structure of the resistive memory cell shown in FIG. 2A. Referring to FIG. 3 , in the
게이트(230)에 인가되는 전압에 따라 소오스/드레인(220) 사이에 전류 통로(current path)가 형성될 수 있다. 즉, 게이트(230)에 인가되는 워드 라인 전압에 따라 턴 온 또는 턴 오프 되는 선택 소자(SE)가 형성될 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 선택 소자(SE)는 NMOS 트랜지스터일 수 있다. 기억 소자(ME)는 가변 저항체(260)를 포함할 수 있다. 가변 저항체(260)는 제 1 전극(250) 및 플레이팅 패드(plating pad)로 이용되는 제 2 전극(280)에 사이에 위치할 수 있다. A current path may be formed between the source/
제 2 전극(280)과 가변 저항체(260) 사이에는 도전성 제 1 콘택(270)이 존재할 수 있다. 제 1 전극(250)은 도전성 제 2 콘택(240)을 통해 소오스/드레인(220)과 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 전극(250, 280)은 백금(Pt)으로 형성될 수 있다. 제 2 전극(280)과 반도체 기판(205) 사이에는 게이트(230), 제 1 및 제 2 콘택(240, 270), 및 제 1 전극(250)들 각각을 절연시키기 위한 절연막층(290)이 형성될 수 있다. A conductive
도 4는 도 3에 도시된 가변 저항체를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다. 도 4를 참조하면, 가변 저항체(260)는 제 1 전극(250)과 제 2 전극(280) 사이에 위치한다. 가변 저항체(260)는 적어도 하나 이상의 물질층으로 구성될 수 있다. 가변 저항체(260)는 제 1 및 제 2 전극(250, 280)을 통하여 공급되는 전압 또는 전류에 따라 서로 다른 저항 상태로 변하는 가변 저항 특성을 가질 수 있다. 4 is a cross-sectional view illustrating the variable resistor shown in FIG. 3 by way of example. Referring to FIG. 4 , the
가변 저항체(260)는 내부의 도전성 경로(CP)의 생성 또는 소멸에 의해 그 저항이 변화할 수 있다. 제 1 전극(250)과 제 2 전극(280)을 전기적으로 도통시키는 도전성 경로(CP)가 생성된 경우, 가변 저항체(260)는 저저항 상태(LRS)를 가질 수 있다. 반대로, 이 도전성 경로(CP)가 소멸한 경우, 가변 저항체(260)는 고저항 상태(HRS)를 가질 수 있다. 가변 저항체(260)는 다량의 산소 공공(oxygeon vacancy)을 함유하는 금속 산화물층을 포함할 수 있다. 이때, 도전성 경로(CP)는 산소 공공의 거동에 의해 형성될 수 있다. 그러나 도전성 경로(CP)는 가변 저항체(260)의 종류나, 막 구조, 동작 특성에 따라, 다양한 방식으로 형성될 수 있다. The resistance of the
가변 저항체(260)에 형성되는 산소 공공(oxygen vacancy)의 양이 최대로 되도록 고압 수소 열처리(High-pressure hydrogen annealing, HPHA)를 할 수 있다. 가변 저항체(260)는 전이금속 산화물로 이루어 질 수 있다. 전이금속 산화물은 화학양론 산화막으로서 HfO2, ZrO2, TiO2, Al2O3 또는 Ta2O5로 이루어질 수 있으며, 비화학양론 산화막으로서 AlOx, ZrOx, TiOx, NiOx, ZnOx, MnOx, WOx, TaOx, CuOx 또는 HfOx로 이루어질 수 있다. High-pressure hydrogen annealing (HPHA) may be performed to maximize the amount of oxygen vacancy formed in the
고압 수소 열처리(HPHA)는 150~400℃, 1~25atm의 H2 분위기에서 5-120분 동안, 바람직하게는 200℃, 10atm의 H2 분위기에서 30분 동안 실행될 수 있다. 예로서, Si로 이루어진 기판 상에 SiO2로 이루어진 제 1 절연층을 형성하고, 제 1 절연층 상에 Pt로 이루어진 제 2 전극(280)을 스퍼터링 방법으로 퇴적한다. 이어서, 제 2 전극(280) 상에 예를 들어 ALD(Atomic Layer Deposition) 방법에 의해 HfO2을 퇴적하여 가변 저항체(260)를 형성할 수 있다. 그 다음에, 가변 저항체(260)에서 형성되는 산소 공공의 양이 최대로 되도록 고압 수소 열처리(HPHA)를 실행할 수 있다.High-pressure hydrogen heat treatment (HPHA) may be performed for 5-120 minutes in an H 2 atmosphere of 150 to 400° C., 1 to 25 atm, preferably 200° C., in an H 2 atmosphere of 10 atm for 30 minutes. For example, a first insulating layer made of SiO 2 is formed on a substrate made of Si, and a
도 5는 도 4에 도시된 가변 저항체의 전류-전압 곡선을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 초기에 가변 저항체(260)는 고저항 상태(HRS)에 있다가, 제 1 전극(도 3 참조, 250)에 인가되는 전압이 소정 플러스 전압에 도달하면 가변 저항체(260)의 저항 상태가 고저항 상태(HRS)에서 저저항 상태(LRS)로 변하는 셋(set) 동작이 수행될 수 있다. 셋 동작 시의 전압을 이하, 셋 전압(Vset)이라 하기로 한다.5 is a graph exemplarily showing a current-voltage curve of the variable resistor shown in FIG. 4 . Referring to FIG. 5 , the
가변 저항체(260)의 저저항 상태(LRS)는 전압이 감소하여도 유지되다가, 소정 마이너스 전압에서 다시 고저항 상태(HRS)로 변하는 리셋(reset) 동작이 수행될 수 있다. 리셋 동작 시의 전압을 이하, 리셋 전압(Vreset)이라 하기로 한다. 이와 같은 방식으로 가변 저항체(260)는 고저항 상태(HRS)와 저저항 상태(LRS)로 저항 상태가 변할 수 있다.The low-resistance state LRS of the
가변 저항체(260)는 셋 동작에 의한 저저항 상태(LRS) 및 리셋 동작에 의한 고저항 상태(HRS) 중 어느 하나의 저항 상태를 갖고, 셋 전압(Vset) 또는 리셋 전압(Vreset)이 인가되기 전까지는 직전의 저항 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 가변 저항체(260)는 저항 상태에 따라 서로 다른 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 가변 저항체(260)는 전원이 제거되어도 저장된 데이터를 유지하는 비휘발성 메모리 소자로 사용될 수 있다. The
가변 저항체(260)에 저장된 데이터는 읽기 전압(Vread)을 통해 독출할 수 있다. 읽기 전압(Vread)은 셋 전압(Vset)과 리셋 전압(Vreset) 사이의 전압일 수 있다. 읽기 동작 시에, 직전 동작에 따라 가변 저항체(260)의 저항 상태가 다르므로, 동일한 읽기 전압(Vread)에서 서로 다른 데이터를 읽을 수 있다.Data stored in the
한편, 저항성 메모리 장치(도 1 참조, 100)는 초기 상태(initial state)에서 셋 동작을 수행하는 데, 최초의 셋 동작을 포밍(forming) 동작이라 한다. 포밍 동작 시의 포밍 전압(Vforming)은 셋 전압(Vset)보다 클 수 있다. 이는 후술할 가변 저항체(260) 내의 도전성 경로를 최초로 생성하는 것이 이후의 동작들보다 더 큰 전압을 필요로 하기 때문이다. 포밍 동작 이후의 셋 동작 및 리셋 동작에서 셋 전압(Vset) 및 리셋 전압(Vreset) 각각은 거의 일정하게 유지될 수 있다. 그런데 포밍 전압은 고전압이므로, 가변 저항체(260)의 리텐션 특성을 열화시킬 수 있다. 저항성 메모리 장치(100)가 저전력에서 동작하는 경우에 고전압의 포밍 동작은 저항성 메모리 셀의 특성에 영향을 줄 수 있다. Meanwhile, the resistive memory device 100 (refer to FIG. 1 ) performs a set operation in an initial state, and the initial set operation is referred to as a forming operation. The forming voltage Vforming during the forming operation may be greater than the set voltage Vset. This is because initially generating a conductive path in the
또한, 포밍 동작 시에, 과도한 오버슈팅(overshooting) 전류가 발생할 수 있다. 오버슈팅 전류는 가변 저항체(260) 내에 형성되는 도전성 경로(CP)의 사이즈를 증가시킬 수 있다. 도전성 경로(CP)의 사이즈가 큰 경우, 저항성 메모리 장치(100)의 오프 전류가 상승하여 누설 전류를 증가시키는 문제를 초래할 수 있다. 게다가, 오프 전류 상승은 곧 온 전류와 오프 전류 사이의 차이가 감소하는 것을 의미하므로, 저항성 메모리 장치(100)의 데이터 읽기 마진을 좁게 할 수도 있다. In addition, during the forming operation, an excessive overshooting current may occur. The overshooting current may increase the size of the conductive path CP formed in the
본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치는, 포밍 동작을 수행하지 않아도 되는 가변 저항체을 구비함으로, 저항성 메모리 셀의 리텐션 특성을 개선할 수 있다. 또한, 본 발명은 포밍 동작으로 인한 오버슈팅 전류를 제어함으로써 가변 저항체 내에 작은 사이즈의 도전성 경로를 형성하고, 오프 전류를 줄임으로 읽기 마진을 좋게 할 수 있는 저항성 메모리 장치를 제공할 수 있다.The resistive memory device according to an embodiment of the present invention includes a variable resistor that does not need to perform a forming operation, so that retention characteristics of the resistive memory cell can be improved. In addition, the present invention can provide a resistive memory device capable of forming a small conductive path in a variable resistor by controlling an overshooting current due to a forming operation and improving a read margin by reducing an off current.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 저항성 메모리 장치의 가변 저항체를 예시적으로 보여주는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 가변 저항체(260)는 제 1 전극(250)과 제 2 전극(280)사이에 제 1 물질층(261)과 제 2 물질층(262)을 포함한다. 제 1 물질층(261)은 제 1 전극(250)과 제 2 물질층(262) 사이에 있고, 제 2 물질층(262)은 제 1 물질층(261)과 제 2 전극(280) 사이에 있을 수 있다. 한편, 가변 저항체(260)는 제 1 전극(250)과 제 1 물질층(261) 사이에 제 1 장벽층(barrier layer)을 더 포함하고, 제 2 전극(280)가 제 2 물질층(262) 사이에 제 2 장벽층(barrier layer)을 더 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 장벽층은 유전율이 낮은 물질(예를 들면, AlOx)로 구성될 수 있다.6 is a cross-sectional view illustrating an example of a variable resistor of a resistive memory device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the
제 1 및 제 2 전극(250, 280)은 제 1 물질층(261)의 양단으로 전압 또는 전류를 전달하기 위한 것으로, 다양한 도전 물질 예컨대, W, Al, Ti, Pt 등과 같은 금속, TiN 등과 같은 금속 질화물, 또는 이들의 조합 등을 포함하는 단일막 구조 또는 다중막 구조를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 전극(250, 280)은 앞에서 설명한 도 4의 전극들과 실질적으로 동일할 수 있다. The first and
제 1 및 제 2 물질층(261, 262)은 적층된 이중막 구조를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 물질층(261, 262)의 조합에 의하여, 또는 제 1 및 제 2 물질층(261, 262) 각각이 가변 저항 특성을 나타낼 수 있다. 예컨대, 제 2 물질층(262)은 다량의 산소 공공(oxygen vacancy)을 저장하는 산소 부족형 금속 산화물층이고, 제 1 물질층(261)은 제 2 물질층(262)보다 더 많은 산소를 함유하는 산소 리치형 금속 산화물층일 수 있다. 제 2 물질층(262)은 TiOx(여기서, x<2), TaOy(여기서, y<2.5), HfOz(여기서, z<2) 등과 같이 화학양론비보다 산소가 부족한 물질로 형성될 수 있다. The first and second material layers 261 and 262 may have a stacked double layer structure. A combination of the first and second material layers 261 and 262 or each of the first and second material layers 261 and 262 may exhibit variable resistance characteristics. For example, the
제 1 물질층(261)은 가변 저항 특성을 가질 수 있다. 제 1 물질층(261)은 도전성 경로(CP)의 생성 또는 소멸에 의해 그 저항이 변화할 수 있다. 제 1 전극(250)에 마이너스 전압이 인가되고 제 2 전극(280)에 플러스 전압이 인가되면, 제 2 물질층(262)의 산소 공공이 제 1 물질층(261) 내로 주입되므로, 제 1 물질층(261) 내에 산소 공공에 의한 도전성 경로(CP)가 생성될 수 있다. 그에 따라 가변 저항체(260)는 저저항 상태(LRS)로 될 수 있다. 반대로, 제 1 전극(250)에 플러스 전압이 인가되고 제 2 전극(280)에 마이너스 전압이 인가되면, 산소 공공이 제 2 물질층(262)을 향하여 이동하므로 기 생성된 도전성 경로(CP)가 소멸할 수 있다. 이에 따라 가변 저항체(260)는 고저항 상태(HRS)로 될 수 있다.The
제 1 물질층(261)은 한 종류 이상이 금속 원자가 도핑(doping)되거나, 두 종류 이상의 금속 원자가 고용체(solid solution)를 형성하는 금속 산화물층(metal oxide layer)일 수 있다. 여기에서, 제 1 물질층(261)에 사용되는 금속 원자는 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 등일 수 있다. ALD 프로세스의 경우에는 AOx와 BOx를 라미네이트(laminate) 구조로 층을 형성할 수 있다. 또한, PVD나 CVD 프로세스의 경우에는 AOx와 BOx의 고용체(solid solution) 구조로 층을 형성할 수 있다. 제 1 물질층(261)은 다음과 같은 화학식으로 표현될 수 있다.The
제 1 물질층(261)은 B금속 산화물 베이스(Box base)에 A금속을 도핑하거나, A금속과 B금속으로 고용체(Aox + Box)로 형성할 수 있다. A금속의 비율이 α이고 B금속의 비율이 β라고 하자. 여기에서, α+β이다. α가 증가하면 저항성 메모리 셀의 저항 레벨이 감소하는 경향을 갖는다. 제 1 물질층(261)은 다음과 같은 조건으로 형성될 수 있다. 먼저, A와 B의 관계에서, A의 비율은 5~15%로 할 수 있다. 즉, 0.05≤α≤0.15이고, α/(α+β)는 5~15%일 수 있다. 다음으로, O와 (A+B)의 관계에서, O의 비율은 (A+B)의 1~2.5배일 수 있다. 즉, γ/(α+β)= γ/1, 1≤γ≤2.5로, O의 비율은 금속 A+B 비율의 1~2.5배일 수 있다. 다음으로, 산소 친화도는 B원자(atom)가 A원자보다 크다. 즉, 산소 친화도(oxygen affinity)는 B-atom > A-atom이고, 산소 공공 확산 장벽(oxygen vacancy diffusion barrier)은 AOx > BOx일 수 있다.The
예를 들면, 제 1 물질층(261)은 Tiα-AlβOγ로 형성될 수 있다. 여기에서, Ti는 4.1, Al은 36.6, O는 59.3일 수 있다. α, β, γ는 다음과 같이 계산될 수 있다. For example, the
α=4.1/(41.+36.6)=0.101α=4.1/(41.+36.6)=0.101
β=36.6/(4.1+36.6)=0.899β=36.6/(4.1+36.6)=0.899
γ=59.3/(4.1+36.6)=1.457 γ=59.3/(4.1+36.6)=1.457
위 식에서, 0.05≤α≤0.15이고, 1≤γ≤2.5임을 알 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 제 1 물질층(261)을 포함하는 저항성 메모리 장치(100)는 별도의 포밍 동작을 필요로 하지 않는다.From the above equation, it can be seen that 0.05≤α≤0.15 and 1≤γ≤2.5. The
도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 저항성 메모리 장치의 동작 특성을 종래와 비교하여 설명하기 위한 그래프이다. 도 7은 포밍 동작을 설명하기 위한 그래프이고, 도 8은 가변 저항체의 리텐션 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 7을 참조하면, 종래(a)에는 초기 상태에서 셋 전압보다 높은 고전압의 포밍 전압을 필요로 하지만, 화학식 1로 표현되는 본 발명(b)의 저항성 메모리 장치에서는 포밍 전압이 셋 전압과 거의 같기 때문에 별도의 포밍 동작을 필요로 하지 않는다. 도 8을 참조하면, 종래(a)에 비해, 본 발명(b)의 저항성 메모리 장치에서의 저항성 메모리 셀의 리텐션 특성이 개선된 것을 알 수 있다.7 and 8 are graphs for explaining the operation characteristics of the resistive memory device shown in FIG. 6 in comparison with the related art. 7 is a graph for explaining a forming operation, and FIG. 8 is a graph for explaining a retention characteristic of a variable resistor. Referring to FIG. 7 , in the related art (a), a forming voltage of a higher voltage than the set voltage is required in the initial state, but in the resistive memory device of the present invention (b) expressed by
도 9는 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 프로그램 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 프로그램 동작 동안에, 선택 소자(SE)에 펄스형 워드 라인 전압(Vw)이 인가될 수 있다. 선택 소자(SE)는 턴 온 되고, 비트 라인(BL)의 프로그램 전압(Vpgm)이 기억 소자(ME)에 인가될 수 있다. 워드 라인 전압(Vw)은 문턱 전압(Vth)보다는 높은 전압이다. FIG. 9 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining a program operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 9 , a pulsed word line voltage Vw may be applied to the selection element SE during a program operation. The selection element SE is turned on, and the program voltage Vpgm of the bit line BL may be applied to the memory element ME. The word line voltage Vw is higher than the threshold voltage Vth.
이때, 기억 소자(ME)의 컨덕턴스(conductance, 1/R) 또는 기억 소자(ME)를 통한 전류는, 프로그램 전압(Vpgm)이 인가되는 동안은 높아졌다가 프로그램 전압(Vpgm)이 제거됨에 따라서 천천히 감소한다. 기억 소자(ME)의 컨덕턴스의 감소 속도를 느리게 함으로써 프로그램 동작의 효율을 높일 수 있다. 이때, 기억 소자(ME)의 컨덕턴스, 즉 기억 소자(ME)를 통한 전류가 너무 낮아지면 리프레시(refresh) 동작이 필요해진다.At this time, the conductance (1/R) of the memory element ME or the current through the memory element ME increases while the program voltage Vpgm is applied, and then decreases slowly as the program voltage Vpgm is removed. do. The efficiency of the program operation may be increased by slowing the rate of decrease of the conductance of the memory element ME. At this time, when the conductance of the memory element ME, that is, the current through the memory element ME becomes too low, a refresh operation is required.
도 10은 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 리프레시 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 프로그램 동작 후 기억 소자(ME)의 컨덕턴스가 임계값으로 감소되면, 워드 라인 전압(Vw)을 주기적으로 선택 소자(SE)에 인가함으로 리프레시 동작을 수행할 수 있다. 주기적인 리프레시 동작을 통해서, 기억 소자(ME)의 컨덕턴스 즉, 기억 소자(ME)에 인가한 전류를 임계값 이상으로 유지하여 프로그램 상태를 유지할 수 있다.FIG. 10 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining a refresh operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 10 , when the conductance of the memory element ME is reduced to a threshold value after the program operation, the refresh operation may be performed by periodically applying the word line voltage Vw to the selection element SE. Through the periodic refresh operation, the conductance of the memory element ME, that is, the current applied to the memory element ME, is maintained above a threshold value to maintain the program state.
도 11은 도 1에 도시된 저항성 메모리 장치의 소거 동작을 설명하기 위한, 시간에 따른 전압 및 1/저항 특성을 나타내는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 선택 소자(SE)에 펄스형 워드 라인 전압(Vw)이 인가됨에 따라 프로그램 상태가 된다. 이후, 프로그램 상태를 소거하기 위해서는 기억 소자(ME)에 소거 전압(Ve)을 인가한다. 소거 전압(Ve)은 소거 속도를 높이기 위해서 펄스형 음의 전압일 수 있다. 소거 전압(Ve)이 인가됨에 따라, 천천히 감소하던 기억 소자(ME)의 컨덕턴스는 급격하게 감소한다. 이후에는 소거 상태가 유지된다.11 is a graph illustrating voltage and 1/resistance characteristics according to time for explaining an erase operation of the resistive memory device shown in FIG. 1 . Referring to FIG. 11 , as the pulsed word line voltage Vw is applied to the selection element SE, the program state is entered. Thereafter, in order to erase the program state, an erase voltage Ve is applied to the memory element ME. The erase voltage Ve may be a pulsed negative voltage to increase the erase speed. As the erase voltage Ve is applied, the conductance of the memory element ME, which was slowly decreased, abruptly decreases. Thereafter, the erased state is maintained.
도 12는 본 발명에 따른 저항성 메모리 장치를 포함하는 컴퓨팅 시스템(400)을 간략히 보여주는 블록도이다. 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 컴퓨팅 시스템(400)은 저항성 메모리 장치(411) 및 메모리 컨트롤러(412)로 구성되는 플래시 메모리 시스템(410), 시스템 버스(450)에 전기적으로 연결된 중앙처리장치(430), 사용자 인터페이스(440), 전원 공급 장치(420)를 포함한다.12 is a schematic block diagram illustrating a
저항성 메모리 장치(411)에는 사용자 인터페이스(440)를 통해서 제공되거나 또는, 중앙처리장치(430)에 의해서 처리된 데이터가 메모리 컨트롤러(412)를 통해 저장된다. 메모리 시스템(410)이 반도체 디스크 장치(SSD)로 구성될 수 있으며, 이 경우 컴퓨팅 시스템(400)의 부팅 속도가 획기적으로 빨라질 것이다. 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 컴퓨팅 시스템에는 응용 칩셋(Application Chipset), 카메라 이미지 프로세서(Camera Image Processor: CIS), 모바일 디램 등이 더 제공될 수 있음은 이 분야의 통상적인 지식을 습득한 자들에게 자명하다.Data provided through the
상술한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술한 실시 예들 이외에도, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.The above are specific embodiments for carrying out the present invention. In addition to the above-described embodiments, the present invention will also include simple design changes or easily changeable embodiments. In addition, the present invention will include techniques that can be easily modified and implemented using the embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents of the present invention.
100: 저항성 메모리 장치
110: 메모리 셀 어레이
120: 어드레스 디코더
130: 비트 라인 선택 회로
140: 쓰기 드라이버
150: 감지 증폭기
160: 데이터 입출력 회로
170: 제어 유닛100: resistive memory device
110: memory cell array
120: address decoder
130: bit line selection circuit
140: write driver
150: sense amplifier
160: data input/output circuit
170: control unit
Claims (20)
제 1 및 제 2 전극; 및
상기 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 전압에 따라 산소 공공(oxygen vacancy)에 의한 도전성 경로가 형성되는 가변 저항체를 포함하되,
상기 가변 저항체는,
상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 형성되고, 산소 공공에 의한 도전성 경로가 형성되는 산소 리치형 금속 산화물층;
상기 산소 리치형 금속 산화물층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, 상기 산소 리치형 금속 산화물층에서 이동한 산소 공공을 저장하기 위한 산소 부족형 금속 산화물층;
상기 제 1 전극과 상기 산소 리치형 금속 산화물층 사이에 형성되는 제 1 장벽층; 및
상기 제 2 전극과 상기 산소 부족형 금속 산화물층 사이에 형성되는 제 2 장벽층을 포함하고,
상기 저항성 메모리 장치가 초기 상태에서 상기 가변 저항체 내에 도전성 경로를 최초로 생성하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 최초의 셋 전압(이하, 포밍 전압이라 함)과 포밍 전압 이후의 셋 전압이 일정해지도록, 상기 가변 저항체의 제조 시에, 상기 산소 리치형 금속 산화물층에서 상기 제 2 금속의 산화물 베이스에 상기 제 1 금속을 도핑하거나 상기 제 1 금속과 상기 제 2 금속으로 고용체를 형성하고, 상기 제 1 금속의 비율이 증가하면 상기 가변 저항체의 저항 레벨은 감소하고, 상기 제 2 금속이 상기 제 1 금속보다 산소 친화도(oxygen affinity)가 크고, 상기 제 1 금속이 상기 제 2 금속보다 산소 공공 확산 장벽(oxygen vacancy diffusion barrier)이 높고, 상기 제 1 금속은 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 5~15%이고, 산소는 상기 제 1 및 제 2 금속의 합의 1~2.5배로 함으로, 상기 저항성 메모리 장치의 초기 상태에서 별도의 포밍 동작을 수행하지 않고,
상기 산소 부족형 금속 산화물층은 제 3 금속을 포함하고, 상기 제 3 금속은 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 장치.A resistive memory device comprising:
first and second electrodes; and
a variable resistor in which a conductive path is formed by oxygen vacancy according to the voltage applied to the first and second electrodes;
The variable resistor is
an oxygen-rich metal oxide layer formed between the first and second electrodes and having a conductive path formed by oxygen vacancies;
an oxygen-poor metal oxide layer formed between the oxygen-rich metal oxide layer and the second electrode and configured to store oxygen vacancies moved in the oxygen-rich metal oxide layer;
a first barrier layer formed between the first electrode and the oxygen-rich metal oxide layer; and
a second barrier layer formed between the second electrode and the oxygen-deficient metal oxide layer;
An initial set voltage (hereinafter referred to as a forming voltage) applied to the first and second electrodes in order to initially create a conductive path in the variable resistor in the initial state of the resistive memory device and a set voltage after the forming voltage are constant doping the first metal into the oxide base of the second metal in the oxygen-rich metal oxide layer or forming a solid solution with the first metal and the second metal, When the ratio of the first metal increases, the resistance level of the variable resistor decreases, the second metal has a greater oxygen affinity than the first metal, and the first metal has oxygen vacancies than the second metal. A diffusion barrier (oxygen vacancy diffusion barrier) is high, the first metal is 5 to 15% of the sum of the first and second metals, and oxygen is 1 to 2.5 times the sum of the first and second metals, so that the resistivity Without performing a separate forming operation in the initial state of the memory device,
The oxygen-deficient metal oxide layer includes a third metal, and the third metal is at least one of Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, and W A resistive memory device, characterized in that
상기 제 1 및 제 2 금속은 Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, W 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 장치.9. The method of claim 8,
The first and second metals are at least one of Al, Si, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Hf, Ta, and W.
ALD 프로세스의 경우에 제 1 금속 산화물과 제 2 금속 산화물을 라미네이트 구조로 층을 형성하고,
PVD 또는 CVD 프로세스의 경우에 상기 제 1 금속 산화물과 상기 제 2 금속 산화물의 고용체 구조로 층을 형성하는 저항성 메모리 장치.9. The method of claim 8,
In the case of an ALD process, forming a layer of a first metal oxide and a second metal oxide in a laminate structure,
A resistive memory device for forming a layer with a solid solution structure of the first metal oxide and the second metal oxide in the case of a PVD or CVD process.
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