KR102507303B1 - Memory device - Google Patents
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Abstract
메모리 소자는 제1 방향으로 연장되는 제1 도전 라인, 상기 제1 도전 라인 상에서 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 라인, 상기 제2 도전 라인 상에서 상기 제1 방향으로 연장되는 제3 도전 라인;,상기 제1 도전 라인과 상기 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층을 포함하는 제1 메모리 셀; 및 상기 제3 도전 라인과 상기 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층을 포함하는 제2 메모리 셀을 포함하고, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 및 제2 방향들에 수직한 제3 방향을 따른 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제3 방향을 따른 제2 높이와 다르다.The memory device includes a first conductive line extending in a first direction, a second conductive line extending in a second direction crossing the first direction on the first conductive line, and extending in the first direction on the second conductive line. a third conductive line; a first memory cell disposed at an intersection of the first conductive line and the second conductive line and including a first selection element layer and a first variable resistance layer; and a second memory cell disposed at an intersection of the third conductive line and the second conductive line and including a second selection element layer and a second variable resistance layer; A first height along a third direction perpendicular to the first and second directions is different from a second height along the third direction of the second selection element layer.
Description
본 발명의 기술적 사상은 메모리 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 크로스 포인트 어레이(cross point array) 구조를 갖는 메모리 소자에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a memory device, and more particularly, to a memory device having a cross point array structure.
전자 제품의 경박 단소화 경향에 따라 반도체 소자의 고집적화에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 서로 교차하는 2개의 전극 사이의 교차점에 메모리 셀을 배치하는 3차원 크로스 포인트 구조의 메모리 소자가 제안되었다. 그러나, 크로스 포인트 구조의 메모리 소자의 다운 스케일링(down-scaling)이 지속적으로 요구됨에 따라 상기 메모리 소자를 구성하는 모든 층들의 두께가 감소될 필요가 있고, 따라서 상기 메모리 소자의 제조 과정에서 고온에 노출되어 상기 층들이 쉽게 열화되거나 손상되어 상기 메모리 소자의 전기적 특성이 저하될 수 있다.[0003] With the trend of light, thin and miniaturized electronic products, there is an increasing demand for high integration of semiconductor devices. In addition, a memory device having a three-dimensional cross-point structure in which a memory cell is disposed at an intersection between two electrodes crossing each other has been proposed. However, as down-scaling of the memory device of the cross-point structure is continuously required, the thickness of all layers constituting the memory device needs to be reduced, and thus exposure to high temperatures during the manufacturing process of the memory device. As a result, the layers are easily deteriorated or damaged, and electrical characteristics of the memory device may be deteriorated.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 균일한 동작 특성을 갖는 크로스 포인트 어레이 타입의 메모리 소자를 제공하는 데에 있다.A technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a cross point array type memory device having uniform operating characteristics.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 메모리 소자는, 기판 상에서 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향으로 연장되고 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향에서 서로 분리되는 복수의 제1 도전 라인; 상기 복수의 제1 도전 라인 상에서 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 방향에서 서로 분리되는 복수의 제2 도전 라인; 상기 복수의 제2 도전 라인 상에서 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 제2 방향에서 서로 분리되는 복수의 제3 도전 라인; 상기 복수의 제1 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층을 포함하는 복수의 제1 메모리 셀; 및 상기 복수의 제3 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층을 포함하는 복수의 제2 메모리 셀을 포함하고, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 및 제2 방향에 수직한 제3 방향을 따른 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제3 방향을 따른 제2 높이와 다르다.Memory device according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, a plurality of first direction extending in a first direction parallel to the upper surface of the substrate on a substrate and separated from each other in a second direction crossing the first direction 1 conductive line; a plurality of second conductive lines extending in the second direction on the plurality of first conductive lines and separated from each other in the first direction; a plurality of third conductive lines extending in the first direction on the plurality of second conductive lines and separated from each other in the second direction; a plurality of first memory cells disposed at intersections of the plurality of first conductive lines and the plurality of second conductive lines, each including a first selection element layer and a first variable resistance layer; and a plurality of second memory cells disposed at intersections of the plurality of third conductive lines and the plurality of second conductive lines, each including a second selection element layer and a second variable resistance layer; A first height of the first selection element layer along a third direction perpendicular to the first and second directions is different from a second height of the second selection element layer along the third direction.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 제1 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 제2 문턱 전압의 차이는 상기 제1 문턱 전압의 10%보다 작을 수 있다.In example embodiments, a difference between a first threshold voltage of the first selection device layer and a second threshold voltage of the second selection device layer may be less than 10% of the first threshold voltage.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 차이는 0.5 V보다 작을 수 있다.In example embodiments, a difference between a threshold voltage of the first selection device layer and a threshold voltage of the second selection device layer may be less than 0.5 V.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기는 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 90% 내지 110%일 수 있다.In example embodiments, the level of the threshold voltage of the first selection element layer may be 90% to 110% of the level of the threshold voltage of the second selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이보다 클 수 있다.In example embodiments, the first height of the first selection element layer may be greater than the second height of the second selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 도전 라인의 하나 또는 상기 복수의 제3 도전 라인의 하나에 워드라인 선택 전압이 인가되며, 상기 복수의 제2 도전 라인에 차단 전압이 인가되도록 구성되며, 상기 워드 라인 선택 전압이 상기 차단 전압보다 클 수 있다.In example embodiments, a word line selection voltage is applied to one of the plurality of first conductive lines or one of the plurality of third conductive lines, and a cut-off voltage is applied to the plurality of second conductive lines. and the word line selection voltage may be greater than the cut-off voltage.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이는 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이의 50% 내지 90%일 수 있다.In example embodiments, the second height of the second selection element layer may be 50% to 90% of the first height of the first selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이보다 작을 수 있다.In example embodiments, the first height of the first selection element layer may be smaller than the second height of the second selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이의 50% 내지 90%일 수 있다.In example embodiments, the first height of the first selection element layer may be 50% to 90% of the second height of the second selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 도전 라인의 하나 또는 상기 복수의 제3 도전 라인의 하나에 워드라인 선택 전압이 인가되며, 상기 복수의 제2 도전 라인에 차단 전압이 인가되도록 구성되며, 상기 워드 라인 선택 전압이 상기 차단 전압보다 작을 수 있다.In example embodiments, a word line selection voltage is applied to one of the plurality of first conductive lines or one of the plurality of third conductive lines, and a cut-off voltage is applied to the plurality of second conductive lines. and the word line selection voltage may be smaller than the cut-off voltage.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층 및 상기 제2 선택 소자층은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching) 특성을 가질 수 있다.In example embodiments, the first selection device layer and the second selection device layer may have ovonic threshold switching characteristics.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제1 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제3 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of first conductive lines, and Each of the second memory cells may further include a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of third conductive lines.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, each of the plurality of first memory cells may further include a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines, and Each of the second memory cells may further include a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 메모리 소자는, 기판 상에서 상기 기판의 상면에 평행한 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인; 상기 복수의 제1 도전 라인 상에서 상기 제1 방향과는 다르고 상기 기판의 상면에 평행한 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 도전 라인; 상기 복수의 제2 도전 라인 상에서 상기 제1 방향으로 연장되는 복수의 제3 도전 라인; 상기 복수의 제1 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 상기 제1 및 제2 방향들에 수직한 제 3 방향으로 차?m로 적층된 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층을 포함하는 복수의 제1 메모리 셀; 및 상기 복수의 제3 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 상기 제1 및 제2 방향들에 수직한 제 3 방향으로 차?m로 적층된 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층을 포함하는 복수의 제2 메모리 셀을 포함하고, 상기 제1 선택 소자층의 상기 제3 방향의 두께가 상기 제2 선택 소자층의 상기 제3 방향의 두께보다 크다.A memory device according to the technical spirit of the present invention for achieving the above technical problem includes a plurality of first conductive lines extending in a first direction parallel to an upper surface of the substrate on a substrate; a plurality of second conductive lines extending on the plurality of first conductive lines in a second direction different from the first direction and parallel to the upper surface of the substrate; a plurality of third conductive lines extending in the first direction on the plurality of second conductive lines; The first selection element layers are disposed at intersections of the plurality of first conductive lines and the plurality of second conductive lines and are laminated at a difference ? m in a third direction perpendicular to the first and second directions. and a plurality of first memory cells including a first variable resistance layer; and second selection elements disposed at intersections of the plurality of third conductive lines and the plurality of second conductive lines, each stacked at a difference ? m in a third direction perpendicular to the first and second directions. and a plurality of second memory cells including a layer and a second variable resistance layer, wherein a thickness of the first selection element layer in the third direction is greater than a thickness of the second selection element layer in the third direction.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제2 선택 소자층의 두께는 상기 제1 선택 소자층의 두께의 50 내지 90%일 수 있다.In example embodiments, the thickness of the second selection element layer may be 50 to 90% of the thickness of the first selection element layer.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 차이는 0.5 V보다 작을 수 있다.In example embodiments, a difference between a threshold voltage of the first selection device layer and a threshold voltage of the second selection device layer may be less than 0.5 V.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 선택 소자층의 두께는 10 내지 500 nm이고, 상기 제2 선택 소자층의 두께는 5 내지 450 nm일 수 있다.In example embodiments, the thickness of the first selection device layer may be 10 to 500 nm, and the thickness of the second selection device layer may be 5 to 450 nm.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 선택소자층과 상기 가변 저항층은 칼코겐 원소를 포함할 수 있다.In example embodiments, the selection element layer and the variable resistance layer may include a chalcogen element.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제1 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제3 도전 라인들의 각각의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of first conductive lines, and Each of the second memory cells may further include a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of third conductive lines.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인들 각각의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고, 상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인들 각각의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함할 수 있다.In example embodiments, each of the plurality of first memory cells may further include a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines, and Each of the second memory cells may further include a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines.
본 발명의 기술적 사상에 의한 메모리 소자에 따르면, 제1 메모리 셀에서의 제1 선택 소자층의 제1 문턱 전압의 크기와 제2 메모리 셀에서의 제2 선택 소자층의 제2 문턱 전압의 크기가 거의 동일하도록 상기 제1 선택 소자층과 상기 제2 선택 소자층이 서로 다른 수직 방향 높이를 가질 수 있다. 제1 메모리 셀과 제2 메모리 셀의 문턱 전압들의 차이가 작으므로, 메모리 소자의 읽기/쓰기 동작에서의 센싱 마진이 향상될 수 있고, 작은 센싱 마진에 기인한 읽기/쓰기 고장이 방지될 수 있다. 상기 메모리 소자는 신뢰성이 우수할 수 있다.According to the memory device according to the technical concept of the present invention, the magnitude of the first threshold voltage of the first selection element layer in the first memory cell and the magnitude of the second threshold voltage of the second selection element layer in the second memory cell The first selection element layer and the second selection element layer may have different vertical heights such that they are substantially the same. Since the difference between the threshold voltages of the first memory cell and the second memory cell is small, a sensing margin in a read/write operation of the memory device may be improved, and a read/write failure due to the small sensing margin may be prevented. . The memory device may have excellent reliability.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자의 등가 회로도이다.
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 A-A' 선 및 B-B' 선을 따른 단면도이다.
도 4는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 나타내는 OTS 소자의 전압-전류 곡선을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 5b는 크로스 포인트 적층 구조를 갖는 메모리 소자의 동작 방법을 나타내는 개략도들이다.
도 6은 OTS 소자에 각각 양의 전압과 음의 전압을 인가할 때의 전압-전류 그래프이다.
도 7 내지 도 13은 은 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자를 각각 나타내는 단면도들이다.
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(200)를 나타내기 위한 사시도이고, 도 15는 도 14의 2A-2A' 선을 따른 단면도이다.
도 16a 내지 도 16i는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 17은 예시적인 실시예에 따른 메모리 소자에 대한 블록 구성도이다.
도 18은 예시적인 실시예들에 따른 전자 시스템에 대한 블록 구성도이다.1 is an equivalent circuit diagram of a memory device according to example embodiments.
FIG. 2 is a perspective view illustrating a memory device according to example embodiments, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along lines AA′ and BB′ of FIG. 2 .
4 is a graph schematically illustrating a voltage-current curve of an OTS device exhibiting ovonic threshold switching (OTS) characteristics.
5A and 5B are schematic diagrams illustrating an operating method of a memory device having a cross-point stacked structure.
6 is a voltage-current graph when a positive voltage and a negative voltage are applied to the OTS device, respectively.
7 to 13 are cross-sectional views illustrating memory devices according to example embodiments.
FIG. 14 is a perspective view illustrating a
16A to 16I are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a memory device according to exemplary embodiments according to a process sequence.
Fig. 17 is a block configuration diagram of a memory device according to an exemplary embodiment.
18 is a block diagram of an electronic system according to example embodiments.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성 요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다. In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various forms and various changes may be applied. However, the description of the present embodiments is provided to complete the disclosure of the present invention, and to completely inform those skilled in the art of the scope of the invention to which the present invention belongs. In the accompanying drawings, the size of the components is enlarged from the actual size for convenience of description, and the ratio of each component may be exaggerated or reduced.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "상에" 있다거나 "접하여" 있다고 기재된 경우, 다른 구성 요소에 상에 직접 맞닿아 있거나 또는 연결되어 있을 수 있지만, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재할 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "바로 위에" 있다거나 "직접 접하여" 있다고 기재된 경우에는, 중간에 또 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 예를 들면, "~사이에"와 "직접 ~사이에" 등도 마찬가지로 해석될 수 있다.It should be understood that when an element is described as being “on” or “adjacent to” another element, it may be in direct contact with or connected to the other element, but another element may exist in the middle. something to do. On the other hand, when a component is described as being “directly on” or “directly in contact with” another component, it may be understood that another component does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" can be interpreted similarly.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may only be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. The terms "include" or "has" are used to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and includes one or more other features or numbers, It can be interpreted that steps, actions, components, parts, or combinations thereof may be added.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those skilled in the art unless otherwise defined.
도 1은 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100)의 등가 회로도이다. 1 is an equivalent circuit diagram of a
도 1을 참조하면, 메모리 소자(100)는 하부 워드라인(WL1, WL2), 상부 워드라인(W21, WL22), 공통 비트라인((BL1, BL2, BL3, BL4), 제1 메모리 셀(MC1), 및 제2 메모리 셀(MC2)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the
하부 워드 라인(WL1, WL2)은 제1 방향(즉, 도 1의 X 방향)을 따라 연장되고 제1 방향에 수직한 제2 방향(즉, 도 1의 Y 방향)으로 이격되고, 상부 워드라인(WL21, W22)은 하부 워드 라인 (WL11, WL12) 상에서 제1 방향에 수직한 제3 방향(즉, 도 1의 Z 방향)으로 이격되어, 제1 방향을 따라 연장되며 제2 방향으로 서로 이격될 수 있다. 또한, 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)은 상부 워드 라인(WL21, WL22) 및 하부 워드 라인 (WL11, WL12)과 제3 방향으로 이격되고, 제2 방향을 따라 연장될 수 있다. 공통 비트 라인 (BL1, BL2, BL3, BL4)은 제1 방향으로 서로 이격될 수 있다.The lower word lines WL1 and WL2 extend along a first direction (ie, the X direction in FIG. 1 ) and are spaced apart in a second direction perpendicular to the first direction (ie, the Y direction in FIG. 1 ), and the upper word line (WL21, W22) are spaced apart in a third direction perpendicular to the first direction (ie, Z direction in FIG. 1) on the lower word lines (WL11, WL12), extend along the first direction, and are spaced apart from each other in the second direction. It can be. Also, the common bit lines BL1 , BL2 , BL3 , and BL4 may be spaced apart from the upper word lines WL21 and WL22 and the lower word lines WL11 and WL12 in a third direction and may extend along the second direction. The common bit lines BL1 , BL2 , BL3 , and BL4 may be spaced apart from each other in the first direction.
제1 및 제2 메모리 셀들(MC1, MC2)은 공통 비트 라인 (BL1, BL2, BL3, BL4)과 하부 워드 라인 (WL11, WL12)과의 사이 및 공통 비트 라인 (BL1, BL2, BL3, BL4)과 상부 워드 라인 (WL21, WL22)과의 사이에 각각 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 메모리 셀 (MC1)은 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)과 하부 워드 라인 (WL11, WL12)의 교차점에 배치될 수 있고, 정보 저장을 위한 가변 저항층(ME)과 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자(SW)를 각각 포함할 수 있다. 또한, 제2 메모리 셀 (MC2)은 공통 비트 라인들(BL1, BL2, BL3, BL4)과 상부 워드 라인 (WL21, WL22)의 교차점에 배치될 수 있고, 정보 저장을 위한 가변 저항층(ME)과 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자(SW)를 각각 포함할 수 있다. 한편, 선택 소자(SW)는 스위칭 소자층 또는 억세스 소자층으로 명명될 수도 있다.The first and second memory cells MC1 and MC2 are formed between common bit lines BL1 , BL2 , BL3 , and BL4 and lower word lines WL11 and WL12 and common bit lines BL1 , BL2 , BL3 , and BL4 and the upper word lines WL21 and WL22, respectively. Specifically, the first memory cell MC1 may be disposed at an intersection of the common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4 and the lower word lines WL11 and WL12, and may include a variable resistance layer ME for storing information. and a selection element (SW) for selecting a memory cell. In addition, the second memory cell MC2 may be disposed at an intersection of the common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4 and the upper word lines WL21 and WL22, and may include a variable resistance layer ME for storing information. and a selection element (SW) for selecting a memory cell. Meanwhile, the selection element SW may also be referred to as a switching element layer or an access element layer.
제1 메모리 셀 (MC1)과 제2 메모리 셀 (MC2)은 제3 방향으로 서로 동일한 구조를 갖도록 배치될 수 있다. 도 1에 예시적으로 도시된 것과 같이, 하부 워드 라인(WL11)과 공통 비트 라인(BL1) 사이에 배치되는 제1 메모리 셀(MC1)에서, 가변 저항층(ME)은 공통 비트 라인(BL1)에 전기적으로 연결되어 있고, 선택 소자(SW)가 하부 워드 라인(WL11)에 전기적으로 연결되어 있으며, 가변 저항층(ME)과 선택 소자(SW)는 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 상부 워드 라인(WL21)과 공통 비트 라인(BL1) 사이에 배치되는 제2 메모리 셀(MC2)에서, 가변 저항층(ME)은 상부 워드 라인(WL21)에 전기적으로 연결되어 있고, 선택 소자(SW)가 공통 비트 라인(BL1)에 전기적으로 연결되어 있으며, 가변 저항층(ME)과 선택 소자(SW)는 직렬로 연결될 수 있다. The first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 may be arranged to have the same structure in the third direction. As exemplarily shown in FIG. 1 , in the first memory cell MC1 disposed between the lower word line WL11 and the common bit line BL1, the variable resistance layer ME includes the common bit line BL1 , the selection element SW is electrically connected to the lower word line WL11, and the variable resistance layer ME and the selection element SW may be connected in series. In addition, in the second memory cell MC2 disposed between the upper word line WL21 and the common bit line BL1, the variable resistance layer ME is electrically connected to the upper word line WL21, and the selection element (SW) is electrically connected to the common bit line BL1, and the variable resistance layer ME and the selection element SW may be connected in series.
그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 1에 도시된 것과는 달리, 제1 메모리 셀(MC1)과 제2 메모리 셀(MC2) 각각에서 선택 소자(SW)과 가변 저항층(ME)의 위치가 바꿀 수 있다. 예를 들면, 제1 메모리 셀(MC1)과 제2 메모리 셀(MC2)은 제3 방향을 따라 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)을 중심으로 대칭인 구조로 배치될 수 있다. 즉, 제1 메모리 셀(MC1)에서 가변 저항층(ME)이 하부 워드 라인(WL11)에 연결되고 선택 소자(SW)이 공통 비트 라인(BL1 BL2, BL3, BL4)과 연결되며, 제2 메모리 셀(MC2)에서 가변 저항층(ME)이 상부 워드 라인(WL21, W22)에 연결되고 선택 소자(SW)이 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)에 연결됨으로써, 공통 비트 라인(BL1)을 중심으로 제1 메모리 셀 (MC1)과 제2 메모리 셀 (MC2)이 서로 대칭으로 배치될 수도 있다.However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto. Unlike that shown in FIG. 1 , the positions of the selection element SW and the variable resistance layer ME in each of the first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 may be changed. For example, the first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 may be disposed in a symmetrical structure about the common bit lines BL1 , BL2 , BL3 , and BL4 along the third direction. That is, in the first memory cell MC1, the variable resistance layer ME is connected to the lower word line WL11, the selection element SW is connected to the common bit lines BL1 BL2, BL3, and BL4, and the second memory In the cell MC2, the variable resistance layer ME is connected to the upper word lines WL21 and W22 and the selection element SW is connected to the common bit lines BL1, BL2, BL3 and BL4, thereby forming the common bit line BL1. ), the first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 may be disposed symmetrically with each other.
이하에서는 메모리 소자(100)의 구동 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of driving the
예를 들어, 워드 라인(WL11, WL12, WL21, WL22)과 공통 비트 라인 (BL1, BL2, BL3, BL4)을 통해 제1 메모리 셀(MC1) 또는 제2 메모리 셀(MC1, MC2)의 가변 저항층(ME)에 전압이 인가되어, 가변 저항층(ME)에 전류가 흐를 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(ME)은 제1 상태와 제2 상태 간에 가역적으로 천이할 수 있는 상변화 물질층을 포함할 수 있다. 그러나, 가변 저항층(ME)은 이에 한정되는 것은 아니며, 인가된 전압에 따라 저항값이 달라지는 가변 저항체라면 어떠한 것도 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택된 메모리 셀(MC1, MC2)의 가변 저항층(ME)에 인가되는 전압에 따라 가변 저항층(ME)의 저항이 제1 상태와 제2 상태 간에 가역적으로 천이할 수 있다. For example, through the word lines WL11, WL12, WL21, and WL22 and the common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4, the variable resistance of the first memory cell MC1 or the second memory cell MC1 or MC2 When a voltage is applied to the layer ME, a current may flow through the variable resistance layer ME. For example, the variable resistance layer ME may include a phase change material layer capable of reversibly transitioning between a first state and a second state. However, the variable resistance layer ME is not limited thereto, and may include any variable resistance body whose resistance value varies according to an applied voltage. For example, the resistance of the variable resistance layer ME may reversibly transition between a first state and a second state according to a voltage applied to the variable resistance layer ME of the selected memory cells MC1 and MC2.
가변 저항층(ME)의 저항 변화에 따라, 메모리 셀(MC1, MC2)에서는 "0" 또는 "1"과 같은 디지털 정보가 저장되며, 메모리 셀(MC1, MC2)로부터 디지털 정보를 소거할 수 있게 된다. 예를 들면, 메모리 셀(MC1, MC2)에서 고저항 상태 "0"과 저저항 상태 "1"로 데이터를 기입할 수 있다. 여기서, 고저항 상태 "0"에서 저저항 상태 "1"로의 기입을 "세트 동작"이라 칭할 수 있고, 저저항 상태 "1"에서 고저항 상태 "0"으로의 기입을 "리셋 동작"이라 칭할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀(MC1, MC2)은 상기 예시된 고저항 상태 "0" 및 저저항 상태 "1"의 디지털 정보에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 저항 상태들을 저장할 수 있다.According to the resistance change of the variable resistance layer ME, digital information such as “0” or “1” is stored in the memory cells MC1 and MC2, and the digital information can be erased from the memory cells MC1 and MC2. do. For example, data can be written in the memory cells MC1 and MC2 in a high-resistance state “0” and a low-resistance state “1”. Here, writing from the high-resistance state “0” to the low-resistance state “1” may be referred to as a “set operation”, and writing from the low-resistance state “1” to the high-resistance state “0” may be referred to as a “reset operation”. can However, the memory cells MC1 and MC2 according to the embodiments of the present invention are not limited to the digital information of the high resistance state “0” and the low resistance state “1”, and can store various resistance states. .
워드 라인(WL11, WL12, WL21, WL22) 및 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)의 선택에 의해 임의의 메모리 셀(MC1, MC2)이 어드레싱될 수 있으며, 워드 라인(WL11, WL12, WL21, WL22) 및 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4) 사이에 소정의 신호를 인가하여, 메모리 셀(MC1, MC2)을 프로그래밍하고, 공통 비트 라인(BL1, BL2, BL3, BL4)을 통하여 전류 값을 측정함으로써 해당 메모리 셀(MC1, MC2)을 구성하는 가변 저항체의 저항값에 따른 정보가 판독될 수 있다.Arbitrary memory cells MC1 and MC2 can be addressed by selecting word lines WL11, WL12, WL21, and WL22 and common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4, and word lines WL11, WL12, A predetermined signal is applied between the WL21 and WL22 and the common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4 to program the memory cells MC1 and MC2 and the common bit lines BL1, BL2, BL3, and BL4. Information according to the resistance value of the variable resistor constituting the corresponding memory cells MC1 and MC2 may be read by measuring the current value.
본 발명에 따른 메모리 소자(100)에서, 제1 메모리 셀(MC1)의 선택 소자 (SW)는 제2 메모리 셀(MC2)의 선택 소자(SW)와 실질적으로 동일한 문턱 전압(threshold voltage)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 메모리 셀(MC1)의 선택 소자(SW)의 제1 문턱 전압의 크기와 제2 메모리 셀(MC2)의 선택 소자(SW)의 제2 문턱 전압의 크기 차이는 제1 문턱 전압의 크기의 10%보다 작을 수 있다. 예를 들어 상기 문턱 전압 크기 차이는 약 0.5 V보다 작을 수 있다. 제1 메모리 셀(MC1)과 제2 메모리 셀(MC2)의 문턱 전압들의 차이가 작으므로, 메모리 소자(100)의 읽기/쓰기 동작에서의 센싱 마진이 향상될 수 있고, 작은 센싱 마진에 기인한 읽기/쓰기 고장이 방지될 수 있다. 상기 메모리 소자(100)는 신뢰성이 우수할 수 있다.In the
도 2는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100)를 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 A-A' 선 및 B-B' 선을 따른 단면도이다. FIG. 2 is a perspective view illustrating a
도 2 및 도 3을 참조하면, 메모리 소자(100)는 기판(101) 상에 배치된 제1 도전 라인층(110L), 제2 도전 라인층(120L), 제3 도전 라인층(130L), 제1 메모리 셀층(MCL1), 및 제2 메모리 셀층(MCL2)을 포함할 수 있다.2 and 3 , the
도시된 바와 같이, 기판(101) 상에는 층간 절연막(105)이 배치될 수 있다. 층간 절연막(105)은 실리콘 산화물과 같은 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 질화물로 형성될 수 있고, 제1 도전 라인층(110L)을 기판(101)으로부터 전기적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. As shown, an
제1 도전 라인층(110L)은 제1 방향(X 방향)으로 연장되고 제2 방향(Y)으로 서로 분리되는 복수의 제1 도전 라인들(110)을 포함할 수 있다. 제2 도전 라인층(120L)은 제1 도전 라인층(110L) 상에 배치되고, 제1 방향에 수직한 제2 방향(Y 방향)으로 연장되며 제1 방향(X)으로 서로 분리되는 복수의 제2 도전 라인들(120)을 포함할 수 있다. 또한, 제3 도전 라인층(130L)은 제2 도전 라인층(120L) 상에 배치되고, 제1 방향(X 방향)으로 연장되며 제2 방향(Y)으로 서로 분리되는 복수의 제3 도전 라인들(130)을 포함할 수 있다. 한편, 복수의 제3 도전 라인들(130)은 연장 방향이나 배치 구조에서 복수의 제1 도전 라인들(110)과 실질적으로 동일할 수 있다.The first
메모리 소자의 구동 측면에서, 복수의 제1 도전 라인들(110)과 복수의 제3 도전 라인들(130)은 워드 라인들(예를 들어, 도1의 워드라인(W11, W12, W21, W22))에 해당할 수 있고, 복수의 제2 도전 라인들(120)은 비트 라인들(예를 들어 도1의 비트라인(BL1, BL2, BL3, Bl4))에 해당할 수 있다. 또한, 반대로 복수의 제1 도전 라인들(110)과 복수의 제3 도전 라인들(130)이 비트 라인들(예를 들어, 도1의 비트라인(BL1, BL2, BL3, Bl4))에 해당하고, 복수의 제2 도전 라인들(120)이 워드 라인들(예를 들어, 도1의 워드라인(W11, W12, W21, W22))에 해당할 수도 있다. 복수의 제1 도전 라인들(110)과 복수의 제3 도전 라인들(130)이 워드 라인들에 해당하는 경우에, 복수의 제1 도전 라인들(110)은 하부 워드 라인들 예를들어 도 1의 하부 워드라인(W11, W12))에 해당하고, 복수의 제3 도전 라인들(130)은 상부 워드 라인들(예를들어 도 1의 상부 워드라인(W21, W22))에 해당하며, 복수의 제2 도전 라인들(120)은 하부 워드 라인들과 상부 워드 라인들에 공유되므로 공통 비트 라인에 해당할 수 있다.In terms of driving the memory device, the plurality of first
복수의 제1 도전 라인들(110), 복수의 제2 도전 라인들(120) 및 복수의 제3 도전 라인들(130)은 각각 금속, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 복수의 제1 도전 라인들(110), 복수의 제2 도전 라인들(120) 및 복수의 제3 도전 라인들(130)은 각각 W, WN, Au, Ag, Cu, Al, TiAlN, Ir, Pt, Pd, Ru, Zr, Rh, Ni, Co, Cr, Sn, Zn, ITO, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 제1 도전 라인들(110), 복수의 제2 도전 라인들(120) 및 복수의 제3 도전 라인들(130)은 각각 금속막과, 상기 금속막의 적어도 일부를 덮는 도전성 장벽층을 포함할 수 있다. 상기 도전성 장벽층은 예컨대, Ti, TiN, Ta, TaN, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The plurality of first
제1 메모리 셀층(MCL1)은 제1 방향 및 제2 방향으로 서로 이격되어 2차원적으로 배열된 복수의 제1 메모리 셀들(140-1, 도 1에서 MC1)을 포함할 수 있다. 제2 메모리 셀층(MCL2)은 제1 방향 및 제2 방향으로 서로 이격된 복수의 제2 메모리 셀들(140-2, 도 1에서 MC2)을 포함할 수 있다. The first memory cell layer MCL1 may include a plurality of first memory cells 140 - 1 (MC1 in FIG. 1 ) arranged two-dimensionally apart from each other in the first and second directions. The second memory cell layer MCL2 may include a plurality of second memory cells 140 - 2 (MC2 in FIG. 1 ) spaced apart from each other in the first and second directions.
도 2에 도시된 바와 같이 복수의 제1 도전 라인들(110)과 복수의 제2 도전 라인들(120)은 서로 교차하며, 복수의 제2 도전 라인들(120)과 복수의 제3 도전 라인들(130)은 서로 교차할 수 있다. 제1 메모리 셀들(140-1)은 제1 도전 라인층(110L)과 제2 도전 라인층(120L) 사이의 복수의 제1 도전 라인들(110)과 복수의 제2 도전 라인들(120)이 교차하는 부분들에 배치될 수 있다. 제2 메모리 셀들(140-2)은 제2 도전 라인층(120L)과 제3 도전 라인층(130L) 사이의 복수의 제2 도전 라인들(120)과 복수의 제3 도전 라인들(130)이 교차하는 부분들에 배치될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the plurality of first
제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 사각기둥 형태의 필라(pillar) 구조로 형성될 수 있다. 물론, 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)의 구조가 사각기둥 형태에 한하는 것은 아니다. 예컨대, 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 원기둥, 타원 기둥, 다각 기둥 등의 다양한 기둥 형태를 가질 수 있다. 또한, 형성 방법에 따라 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 하부가 상부보다 넓은 구조, 또는 상부가 하부보다 넓은 구조를 가질 수 있다. 또한, 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 측면이 거의 수직이 되도록 형성되어 상부와 하부의 넓이 차이가 거의 없을 수도 있다. 도 2 및 3을 포함하여 이하의 모든 도면들에서 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 측면이 수직인 형태로 도시되고 있지만, 이는 도시의 편의를 위한 것으로서, 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)은 하부가 상부보다 넓거나, 또는 상부가 하부보다 넓은 구조를 가질 수 있다.The first memory cells 140 - 1 and the second memory cells 140 - 2 may be formed in a square pillar-shaped pillar structure. Of course, the structures of the first memory cells 140-1 and the second memory cells 140-2 are not limited to rectangular pillars. For example, the first memory cells 140-1 and the second memory cells 140-2 may have various pillar shapes, such as cylindrical pillars, elliptical pillars, and polygonal pillars. Also, depending on the formation method, the first memory cells 140 - 1 and the second memory cells 140 - 2 may have a structure in which the lower part is wider than the upper part or the upper part is wider than the lower part. In addition, the first memory cells 140 - 1 and the second memory cells 140 - 2 may be formed such that side surfaces are substantially vertical, so that there is little difference in area between the top and bottom. 2 and 3, the first memory cells 140-1 and the second memory cells 140-2 are illustrated with vertical sides in all of the drawings below, but this is for convenience of illustration. , the first memory cells 140-1 and the second memory cells 140-2 may have a structure in which a lower part is wider than an upper part or an upper part is wider than a lower part.
제1 메모리 셀들(140-1)은 제1 전극층(141-1), 제1 선택 소자층(143-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1), 제1 가변 저항층(149-1) 및 제4 전극층(148-1)을 포함하고, 제2 메모리 셀들(140-2)은 제5 전극층(141-2), 제2 선택 소자층(143-2), 제6 전극층(145-2), 제7 전극층(147-2), 제2 가변 저항층(149-2) 및 제8 전극층(148-2)을 포함할 수 있다. 제1 메모리 셀들(140-1)과 제2 메모리 셀들(140-2)의 구조는 실질적으로 동일하므로, 설명의 편의를 위해 이하에서 제1 메모리 셀들(140-1)을 가지고 설명한다.The first memory cells 140-1 include a first electrode layer 141-1, a first selection device layer 143-1, a second electrode layer 145-1, a third electrode layer 147-1, a first It includes a variable resistance layer 149-1 and a fourth electrode layer 148-1, and the second memory cells 140-2 include a fifth electrode layer 141-2 and a second selection element layer 143-2. , the sixth electrode layer 145-2, the seventh electrode layer 147-2, the second variable resistance layer 149-2, and the eighth electrode layer 148-2. Since the structures of the first memory cells 140-1 and the second memory cells 140-2 are substantially the same, for convenience of description, the first memory cells 140-1 will be described below.
예시적인 실시예들에 있어서, 가변 저항층(149-1, 도 1에서 ME에 해당)은 가열 시간에 따라 비정질 상태와 결정질 상태 사이에서 가역적으로 변화하는 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 가변 저항층(149-1)은 가변 저항층(149-1)의 양단에 인가되는 전압에 의해 발생하는 줄 열(Joule heat)에 의해 상(phase)이 가역적으로 변화될 수 있고, 이러한 상변화에 의해 저항이 변화될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 상변화 물질은 비정질(amorphous) 상에서 고저항 상태가 되고, 결정질(crystalline) 상에서 저저항 상태가 될 수 있다. 고저항 상태를 "0"으로, 저저항 상태 "1"로 정의함으로써, 가변 저항층(149-1)에 데이터가 저장될 수 있다. In example embodiments, the variable resistance layer 149 - 1 (corresponding to ME in FIG. 1 ) may include a phase change material that reversibly changes between an amorphous state and a crystalline state according to a heating time. For example, the phase of the variable resistance layer 149-1 can be reversibly changed by Joule heat generated by a voltage applied to both ends of the variable resistance layer 149-1. A material whose resistance can be changed by a phase change may be included. Specifically, the phase change material may be in a high-resistance state in an amorphous state and may be in a low-resistance state in a crystalline state. By defining the high resistance state as “0” and the low resistance state as “1”, data can be stored in the variable resistance layer 149-1.
일부 실시예들에서, 가변 저항층(149-1)은 주기율표의 족로부터의 하나 이상의 원소(칼코겐 원소) 및 선택적으로 , Ⅳ 또는 족로부터의 하나 이상의 화학적 개질제(chemical modifier)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149-1)은 Ge-Sb-Te를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 하이픈(-)표시된 화학적 조성 표기는 특정 혼합물 또는 화합물에 포함된 원소를 표시하고, 표시된 원소를 포함하는 모든 화학식 구조를 나타낼 수 있다. 예를 들어, Ge-Sb-Te는 Ge2Sb2Te5, Ge2Sb2Te7, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7 등의 물질일 수 있다.In some embodiments, the variable resistance layer 149 - 1 may include one or more elements (chalcogen elements) from a group of the periodic table and optionally, one or more chemical modifiers from a group IV or group. . For example, the variable resistance layer 149-1 may include Ge-Sb-Te. The chemical composition notation indicated by a hyphen (-) used herein indicates an element contained in a specific mixture or compound, and may indicate all chemical structures including the indicated element. For example, Ge-Sb-Te may be a material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 , Ge 2 Sb 2 Te 7 , Ge 1 Sb 2 Te 4 , or Ge 1 Sb 4 Te 7 .
가변 저항층(149-1)은 전술한 Ge-Sb-Te 외에도 다양한 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149-1)은 Ge-Te, Sb-Te, In-Se, Ga-Sb, In-Sb, As-Te, Al-Te, Bi-Sb-Te(BST), In-Sb-Te(IST), Ge-Sb-Te, Te-Ge-As, Te-Sn-Se, Ge-Se-Ga, Bi-Se-Sb, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge, In-Ge-Te, Ge-Sn-Te, Ge-Bi-Te, Ge-Te-Se, As-Sb-Te, Sn-Sb-Bi, Ge-Te-O, Te-Ge-Sb-S, Te-Ge-Sn-O, Te-Ge-Sn-Au, Pd-Te-Ge-Sn, In-Se-Ti-Co, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb-Te-Co, Sb-Te-Bi-Se, Ag-In-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn-Ni, Ge-Te-Sn-Pd, and Ge-Te-Sn-Pt, In-Sn-Sb-Te, As-Ge-Sb-Te 중 적어도 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.The variable resistance layer 149 - 1 may include various phase change materials in addition to the aforementioned Ge-Sb-Te. For example, the variable resistance layer 149-1 may be Ge-Te, Sb-Te, In-Se, Ga-Sb, In-Sb, As-Te, Al-Te, Bi-Sb-Te (BST), In-Sb-Te (IST), Ge-Sb-Te, Te-Ge-As, Te-Sn-Se, Ge-Se-Ga, Bi-Se-Sb, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te , In-Sb-Ge, In-Ge-Te, Ge-Sn-Te, Ge-Bi-Te, Ge-Te-Se, As-Sb-Te, Sn-Sb-Bi, Ge-Te-O, Te -Ge-Sb-S, Te-Ge-Sn-O, Te-Ge-Sn-Au, Pd-Te-Ge-Sn, In-Se-Ti-Co, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb -Te-Co, Sb-Te-Bi-Se, Ag-In-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn-Ni, Ge-Te-Sn -Pd, and at least one of Ge-Te-Sn-Pt, In-Sn-Sb-Te, and As-Ge-Sb-Te, or a combination thereof.
가변 저항층(149-1)을 이루는 각 원소는 다양한 화학적 조성비 (stoichiometry)를 가질 수 있다. 각 원소의 화학적 조성비에 따라 가변 저항층(149-1)의 결정화 온도, 용융 온도, 결정화 에너지에 따른 상변화 속도, 및 데이터 리텐션(retention) 특성이 조절될 수 있다. Each element constituting the variable resistance layer 149-1 may have various chemical composition ratios (stoichiometry). The crystallization temperature, melting temperature, phase change rate according to crystallization energy, and data retention characteristics of the variable resistance layer 149 - 1 may be adjusted according to the chemical composition ratio of each element.
가변 저항층(149-1)은 탄소(C), 질소(N), 실리콘(Si), 산소(O), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 중 적어도 어느 하나의 불순물을 더 포함할 수 있다. 상기 불순물에 의해 메모리 소자(100)의 구동 전류가 변화될 수 있다. 또한, 가변 저항층(149-1)은 금속을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149-1)은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 탈륨(Tl), 납(Pb), 및 폴로늄(Po) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 금속 물질들은 가변 저항층(149-1)의 전기 전도성 및 열전도성을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 결정화 속도를 증가시켜 셋 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 금속 물질들은 가변 저항층(149-1)의 데이터 리텐션 특성을 향상시킬 수 있다.The variable resistance layer 149-1 may further include at least one impurity among carbon (C), nitrogen (N), silicon (Si), oxygen (O), bismuth (Bi), and tin (Sn). . The driving current of the
가변 저항층(149-1)은 서로 다른 물성을 가지는 두 개 이상의 층들이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 복수의 층들의 수 또는 두께는 자유롭게 선택될 수 있다. 복수의 층들 사이에는 배리어층이 더 형성될 수 있다. 상기 배리어층은 복수의 층들간에 물질 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 배리어층은 복수의 층들 중 후속층을 형성할 때 선행층의 확산을 감소시킬 수 있다.The variable resistance layer 149-1 may have a multilayer structure in which two or more layers having different physical properties are stacked. The number or thickness of the plurality of layers can be chosen freely. A barrier layer may be further formed between the plurality of layers. The barrier layer may serve to prevent material diffusion between the plurality of layers. That is, the barrier layer may reduce diffusion of a preceding layer when forming a subsequent layer among a plurality of layers.
또한, 가변 저항층(149-1)은 서로 다른 물질을 포함하는 복수의 층들이 교대로 적층되는 초격자(Super-Lattice) 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 가변 저항층(149-1)은 Ge-Te으로 이루어지는 제1 층과 Sb-Te으로 이루어지는 제2 층이 교대로 적층되는 구조를 포함할 수 있다. 다만, 상기 제1 층 및 제2 층의 물질이 상기 Ge-Te 및 Sb-Te에 한정되는 것은 아니며, 전술한 다양한 물질들을 각각 포함할 수 있다. Also, the variable resistance layer 149 - 1 may have a super-lattice structure in which a plurality of layers including different materials are alternately stacked. For example, the variable resistance layer 149 - 1 may include a structure in which a first layer made of Ge-Te and a second layer made of Sb-Te are alternately stacked. However, the materials of the first layer and the second layer are not limited to Ge-Te and Sb-Te, and may include various materials described above, respectively.
이상 가변 저항층(149-1)으로서 상변화 물질을 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 메모리 소자(100)의 가변 저항층(149-1)은 저항 변화 특성을 가지는 다양한 물질을 포함할 수 있다. Although a phase change material has been exemplified as the variable resistance layer 149 - 1 above, the technical spirit of the present invention is not limited thereto. The variable resistance layer 149 - 1 of the
일부 실시예들에서, 가변 저항층(149-1)이 전이 금속 산화물 (transition metal oxide)을 포함하는 경우, 메모리 소자(100)는 ReRAM (Resistive RAM)이 될 수 있다. 전이 금속 산화물을 포함하는 가변 저항층(149-1)은 프로그램 동작에 의하여 적어도 하나의 전기적 통로가 가변 저항층(149-1) 내에 생성되거나 소멸될 수 있다. 상기 전기적 통로가 생성된 경우에 가변 저항층(149-1)은 낮은 저항값을 가질 수 있으며, 상기 전기적 통로가 소멸된 경우에 가변 저항층(149-1)은 높은 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 가변 저항층(149-1)의 저항 값 차이를 이용하여 메모리 소자(100)는 데이터를 저장할 수 있다. In some embodiments, when the variable resistance layer 149 - 1 includes a transition metal oxide, the
가변 저항층(149-1)이 전이 금속 산화물로 이루어지는 경우, 상기 전이 금속 산화물은 Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, 또는 Cr 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전이 금속 산화물은 Ta2O5-x, ZrO2 -x, TiO2 -x, HfO2 -x, MnO2 -x, Y2O3 -x, NiO1 -y, Nb2O5 -x, CuO1 -y, 또는 Fe2O3 -x 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 상기 예시된 물질들에서, x 및 y는 각각 0≤x≤1.5 및 0≤y≤0.5의 범위 내에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. When the variable resistance layer 149-1 is made of a transition metal oxide, the transition metal oxide is selected from Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, or Cr. It may contain at least one metal. For example, the transition metal oxide may be Ta 2 O 5-x , ZrO 2 -x , TiO 2 -x , HfO 2 -x , MnO 2- x , Y 2 O 3 -x , NiO 1 -y , Nb 2 O 5 -x , Cu O1 -y , or Fe 2 O 3 -x may be formed of a single layer or multiple layers made of at least one material selected. In the materials exemplified above, x and y may be selected within the ranges of 0≤x≤1.5 and 0≤y≤0.5, respectively, but are not limited thereto.
다른 실시예들에서, 가변 저항층(149-1)이 자성체로 이루어지는 2개의 전극과, 이들 2개의 자성체 전극 사이에 개재되는 유전체를 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조를 가지는 경우, 메모리 소자(100)는 MRAM (Magnetic RAM)이 될 수 있다. In other embodiments, when the variable resistance layer 149-1 has a magnetic tunnel junction (MTJ) structure including two electrodes made of a magnetic material and a dielectric material interposed between the two magnetic electrodes, the memory element ( 100) may be MRAM (Magnetic RAM).
상기 2개의 전극은 각각 자화 고정층 및 자화 자유층일 수 있으며, 이들 사이에 개재된 상기 유전체는 터널 배리어층일 수 있다. 상기 자화 고정층은 일 방향으로 고정된 자화 방향을 갖고, 상기 자화 자유층은 상기 자화 고정층의 자화 방향에 평행 또는 반 평행하도록 변경 가능한 자화 방향을 가질 수 있다. 상기 자화 고정층 및 상기 자화 자유층의 자화 방향들은 상기 터널 배리어층의 일면에 평행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 자화 고정층 및 상기 자화 자유층의 자화 방향들은 상기 터널 배리어층의 일면에 수직할 수 있다. Each of the two electrodes may be a magnetization-fixed layer and a magnetization-free layer, and the dielectric interposed therebetween may be a tunnel barrier layer. The magnetization pinned layer may have a magnetization direction fixed in one direction, and the magnetization free layer may have a magnetization direction changeable so as to be parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetization pinned layer. Magnetization directions of the magnetization-fixed layer and the magnetization-free layer may be parallel to one surface of the tunnel barrier layer, but are not limited thereto. Magnetization directions of the magnetization pinned layer and the magnetization free layer may be perpendicular to one surface of the tunnel barrier layer.
상기 자화 자유층의 자화 방향이 상기 자화 고정층의 자화 방향과 평행한 경우, 가변 저항층(149-1)의 제1 저항값을 가질 수 있다. 한편, 상기 자화 자유층의 자화 방향이 상기 자화 고정층의 자화 방향에 반 평행한 경우, 가변 저항층(149-1)은 제2 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값의 차이를 이용하여 메모리 소자(100)는 데이터를 저장할 수 있다. 상기 자화 자유층의 자화 방향은 프로그램 전류 내 전자들의 스핀 토크(spin torque)에 의하여 변경될 수 있다. When the magnetization direction of the free magnetization layer is parallel to the magnetization direction of the fixed magnetization layer, the variable resistance layer 149 - 1 may have a first resistance value. Meanwhile, when the magnetization direction of the free magnetization layer is antiparallel to the magnetization direction of the magnetization pinned layer, the variable resistance layer 149 - 1 may have a second resistance value. The
상기 자화 고정층 및 상기 자화 자유층은 자성 물질을 포함할 수 있다. 이때, 상기 자화 고정층은 상기 자화 고정층 내 강자성 물질의 자화 방향을 고정시키는 반강자성 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 터널 배리어는 Mg, Ti, Al, MgZn, 및 MgB 중에서 선택되는 어느 하나의 물질의 산화물로 이루어질 수 있으나, 상기 예시된 바에 한정되는 것은 아니다.The magnetization-fixed layer and the magnetization-free layer may include a magnetic material. In this case, the magnetization-fixed layer may further include an antiferromagnetic material for fixing a magnetization direction of the ferromagnetic material in the magnetization-fixed layer. The tunnel barrier may be made of an oxide of any one material selected from Mg, Ti, Al, MgZn, and MgB, but is not limited to the above example.
선택 소자층(143-1, 도 1에서 SW에 해당)은 전류의 흐름을 제어할 수 있는 전류 조정 층일 수 있다. 선택 소자층(143-1)은 선택 소자층(143-1) 양단에 걸린 전압의 크기에 따라 저항이 변화할 수 있는 물질층을 포함할 수 있다. 예컨대, 선택 소자층(143-1)은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching: OTS) 특성을 갖는 물질층을 포함할 수 있다. OTS 물질층을 기반으로 하는 선택 소자층(143-1)의 기능을 간단히 설명하면, 선택 소자층(143-1)에 문턱 전압보다 작은 전압이 인가될 때 선택 소자층(143-1)은 전류가 거의 흐르지 않은 고저항 상태를 유지하고, 선택 소자층(143-1)에 문턱 전압보다 큰 전압이 인가될 때, 저저항 상태가 되어 전류가 흐르기 시작한다. 또한, 선택 소자층(143-1)을 통해 흐르는 전류가 유지 전류(holding current)보다 작아질 때, 선택 소자층(143-1)은 고저항 상태로 변화될 수 있다. 한편, 선택 소자층(143-1)의 오보닉 문턱 스위칭 특성은 이후에 도 4를 참조로 상세히 설명하도록 한다.The selection element layer 143-1 (corresponding to SW in FIG. 1) may be a current control layer capable of controlling the flow of current. The selection element layer 143-1 may include a material layer whose resistance may change according to the magnitude of a voltage applied across the selection element layer 143-1. For example, the selection element layer 143-1 may include a material layer having ovonic threshold switching (OTS) characteristics. Briefly explaining the function of the selection element layer 143-1 based on the OTS material layer, when a voltage smaller than the threshold voltage is applied to the selection element layer 143-1, the selection element layer 143-1 generates a current maintains a high resistance state in which almost no flows, and when a voltage greater than a threshold voltage is applied to the selection element layer 143-1, it becomes a low resistance state and current begins to flow. In addition, when the current flowing through the selection element layer 143-1 becomes smaller than the holding current, the selection element layer 143-1 may change to a high resistance state. Meanwhile, the ovonic threshold switching characteristics of the selection element layer 143-1 will be described later with reference to FIG. 4 in detail.
선택 소자층(143-1)은 OTS 물질층로서 칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다. 대표적인 칼코케나이드 물질은 주기율표의 족로부터의 하나 이상의 원소(칼코겐 원소) 및 선택적으로 III, Ⅳ 또는 V 족로부터의 하나 이상의 화학적 개질제(chemical modifier)를 포함할 수 있다. 황(S), 셀레늄(Se), 및 텔레륨(Te)이 선택 소자층(143-1)에 포함될 수 있는 가장 일반적인 칼코겐 원소들이다. 칼코겐 원소들은 2가 결합(divalent bonding) 및 고립 전자쌍(lone pair electron)의 존재를 특징으로 한다. 2가 결합은 칼코게나이드 물질을 형성하기 위하여 칼코겐 원소들을 결합시켜 사슬 및 고리 구조의 형성을 이끌고, 고립 전자쌍은 전도성 필라멘트를 형성하기 위한 전자 소스를 제공한다. 예컨대, 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 저머늄(Ge), 주석(Sn), 실리콘(Si), 인(P), 비소(As) 및 안티몬(Sb)과 같은 3가 및 4가 개질제들은 칼코겐 원소의 사슬 및 고리 구조에 들어가 칼코게나이드 물질의 구조적 강성을 결정하고, 결정화 또는 다른 구조적 재배열을 할 수 있는 능력에 따라 칼코게나이드 물질을 스위칭 물질과 상변화 물질로 분류한다.The selection device layer 143-1 may include a chalcogenide material as an OTS material layer. Representative chalcocenide materials may include one or more elements from groups of the periodic table (chalcogen elements) and optionally one or more chemical modifiers from groups III, IV or V. Sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) are the most common chalcogen elements that can be included in the selection element layer 143-1. Chalcogen elements are characterized by divalent bonding and the presence of a lone pair electron. Divalent bonds combine chalcogen elements to form chalcogenide materials, leading to the formation of chain and ring structures, and lone pairs of electrons provide an electron source to form conductive filaments. For example, aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), germanium (Ge), tin (Sn), silicon (Si), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb). The valent and tetravalent modifiers determine the structural rigidity of the chalcogenide material by entering the chain and ring structures of the chalcogen element, and their ability to undergo crystallization or other structural rearrangements results in a phase change of the chalcogenide material with the switching material. classified as a substance.
일부 실시예들에서, 선택 소자층(143-1)은 실리콘(Si), 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 인듐(In), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자층(143-1)은 약 14% 농도의 실리콘(Si), 약 39% 농도의 텔레륨(Te), 약 37% 농도의 비소(As), 약 9% 농도의 저머늄(Ge), 및 약 1% 농도의 인듐(In)을 포함할 수 있다. 여기서, 백분율 비는 원자 구성 요소가 총 100%인 원자 백분율 비이고, 이하에서도 마찬가지이다.In some embodiments, the selection device layer 143-1 may include silicon (Si), tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), indium (In), or a combination of these elements. can For example, the selection element layer 143-1 includes silicon (Si) at a concentration of about 14%, tellurium (Te) at a concentration of about 39%, arsenic (As) at a concentration of about 37%, and low concentration of about 9%. It may include munium (Ge), and indium (In) at a concentration of about 1%. Here, the percentage ratio is an atomic percentage ratio in which the atomic constituents are 100% in total, and the same applies below.
일부 실시예들에 있어서, 선택 소자층(143-1)은 실리콘(Si), 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 황(S), 셀레늄(Se), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자층(143-1)은 약 5% 농도의 실리콘(Si), 약 34% 농도의 텔레륨(Te), 약 28% 농도의 비소(As), 약 11% 농도의 저머늄(Ge), 약 21% 농도의 황(S), 및 약 1% 농도의 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다. In some embodiments, the selection element layer 143-1 may be formed of silicon (Si), tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), or these Can contain any combination of elements. For example, the selection element layer 143-1 includes silicon (Si) at a concentration of about 5%, tellurium (Te) at a concentration of about 34%, arsenic (As) at a concentration of about 28%, and low concentration of about 11%. It may include munium (Ge), sulfur (S) at a concentration of about 21%, and selenium (Se) at a concentration of about 1%.
일부 실시예들에 있어서, 선택 소자층(143-1)은 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 황(S), 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자(134)는 약 21% 농도의 텔레륨(Te), 약 10% 농도의 비소(As), 약 15% 농도의 저머늄(Ge), 약 2% 농도의 황(S), 약 50% 농도의 셀레늄(Se), 및 약 2% 농도의 안티몬(Sb)을 포함할 수 있다.In some embodiments, the selection element layer 143-1 is made of tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), antimony (Sb), or these Can contain any combination of elements. For example, the selection element 134 includes tellerium (Te) at a concentration of about 21%, arsenic (As) at a concentration of about 10%, germanium (Ge) at a concentration of about 15%, and sulfur (S) at a concentration of about 2%. ), selenium (Se) at a concentration of about 50%, and antimony (Sb) at a concentration of about 2%.
한편, 본 실시예의 메모리 소자(100)에서, 선택 소자층(143-1)은 OTS 물질층에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 선택 소자층(143-1)은 OTS 물질층에 한정되지 않고, 소자를 선택할 수 있는 기능을 할 수 있는 다양한 물질층을 포함할 수 있다. 예컨대, 선택 소자층(143-1)은 다이오드, 터널 정션(tunnel junction), PNP 다이오드 또는 BJT, MIEC(Mixed Ionic-Electronic Conduction) 등을 포함할 수 있다.Meanwhile, in the
제1 전극층(141-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1) 및 제4 전극층(148-1)은 전류 통로의 기능을 하는 층으로서 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 제1 전극층(141-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1) 및 제4 전극층(148-1)은 각각 금속, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 전극층(141-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1) 및 제4 전극층(148-1)은 각각 TiN 막을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 제1 전극층(141-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1) 및 제4 전극층(148-1)은 각각 금속 또는 도전성 금속 질화물로 이루어지는 도전막과, 상기 도전막의 적어도 일부를 덮는 적어도 하나의 도전성 장벽층을 포함할 수 있다. 상기 도전성 장벽층은 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The first electrode layer 141-1, the second electrode layer 145-1, the third electrode layer 147-1, and the fourth electrode layer 148-1 are layers functioning as current passages and may be formed of a conductive material. there is. For example, each of the first electrode layer 141-1, the second electrode layer 145-1, the third electrode layer 147-1, and the fourth electrode layer 148-1 may be a metal, a conductive metal nitride, a conductive metal oxide, or It may consist of a combination of these. For example, each of the first electrode layer 141-1, the second electrode layer 145-1, the third electrode layer 147-1, and the fourth electrode layer 148-1 may include a TiN film, but is not limited thereto. no. In some embodiments, the first electrode layer 141-1, the second electrode layer 145-1, the third electrode layer 147-1, and the fourth electrode layer 148-1 are each made of a metal or conductive metal nitride. It may include a conductive layer and at least one conductive barrier layer covering at least a portion of the conductive layer. The conductive barrier layer may be made of metal oxide, metal nitride, or a combination thereof, but is not limited thereto.
예시적인 실시예들에 있어서, 가변 저항층(149-1)과 접촉하는 제3 전극층(147-1) 또는 제4 전극층(148-1)은 가변 저항층(149-1)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 전극층(147-1) 또는 제4 전극층(148-1)은 TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, 혹은 이들의 조합과 같은 고융점 금속 또는 이들의 질화물, 또는 카본계 도전 물질로 이루어질 수 있다. 그러나 제3 전극층(147-1) 또는 제4 전극층(148-1)의 재질이 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다.In example embodiments, the third electrode layer 147-1 or the fourth electrode layer 148-1 in contact with the variable resistance layer 149-1 causes the variable resistance layer 149-1 to undergo a phase change. It may contain a conductive material capable of generating sufficient heat. For example, the third electrode layer 147-1 or the fourth electrode layer 148-1 may include TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, or a combination thereof, or a nitride thereof, or a carbon-based conductive material. there is. However, the material of the third electrode layer 147-1 or the fourth electrode layer 148-1 is not limited to these materials.
예시적인 실시예들에 있어서, 가변 저항층(149-1)과 제4 전극층(148-1) 사이에, 또는 가변 저항층(149-1)과 제3 전극층(147-1) 사이에 가열 전극층(미도시)이 더 개재될 수 있다. 상기 가열 전극층은 가변 저항층(149-1)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 전극층은 TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, 혹은 이들의 조합과 같은 고융점 금속 또는 이들의 질화물, 또는 카본계 도전 물질로 이루어질 수 있다. 그러나 상기 가열 전극층의 재질이 상기 물질들에 한정되는 것은 아니다.In example embodiments, a heating electrode layer is provided between the variable resistance layer 149-1 and the fourth electrode layer 148-1 or between the variable resistance layer 149-1 and the third electrode layer 147-1. (not shown) may be further interposed. The heating electrode layer may include a conductive material capable of generating enough heat to change the phase of the variable resistance layer 149-1. For example, the heating electrode layer may include TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, It may be made of a high melting point metal such as TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, or a combination thereof, or a nitride thereof, or a carbon-based conductive material. However, the material of the heating electrode layer is not limited to these materials.
도 2 및 도 3에는, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)을 사이에 두고 가변 저항층(149-1)이 선택 소자층(143-1) 상에 배치된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2 및 도 3에 도시된 것과는 달리, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)을 사이에 두고 선택 소자층(143-1)이 가변 저항층(149-1) 상에 배치될 수도 있고. 가변 저항층(149-1)은 제1 전극층(141-1)과 제2 전극층(145-1) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 경우에, 가변 저항층(149-1)과 접촉하는 제1 전극층(141-1) 및 제2 전극층(145-1)은 가변 저항층(149-1)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 또한, 가변 저항층(149-1)과 제1 전극층(141-1) 사이에, 또는 가변 저항층(149-1)과 제2 전극층(145-1) 사이에 상기 가열 전극층이 더 개재될 수도 있다.2 and 3, the variable resistance layer 149-1 is disposed on the selection element layer 143-1 with the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 interposed therebetween. Although illustrated as an example, the technical spirit of the present invention is not limited thereto. Unlike those shown in FIGS. 2 and 3 , the selection element layer 143-1 is formed on the variable resistance layer 149-1 with the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 interposed therebetween. may be placed in The variable resistance layer 149-1 may be disposed between the first electrode layer 141-1 and the second electrode layer 145-1. In this case, the first electrode layer 141-1 and the second electrode layer 145-1 in contact with the variable resistance layer 149-1 generate enough heat to change the phase of the variable resistance layer 149-1. It may contain a conductive material that can be made. In addition, the heating electrode layer may be further interposed between the variable resistance layer 149-1 and the first electrode layer 141-1 or between the variable resistance layer 149-1 and the second electrode layer 145-1. there is.
제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 선택적으로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 생략될 수도 있다. 다만, 선택 소자층(143-1) 및/또는 가변 저항층(149-1)이 도전 라인들과 직접 콘택함에 따라 발생할 수 있는 오염이나 접촉 불량 등을 방지하기 위하여, 제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 도전 라인들과 선택 소자층(143-1) 또는 가변 저항층(149-1) 사이에 배치될 수 있다.The first electrode layer 141-1 and the fourth electrode layer 148-1 may be selectively formed. In other words, the first electrode layer 141-1 and the fourth electrode layer 148-1 may be omitted. However, in order to prevent contamination or contact failure that may occur as the selection element layer 143-1 and/or the variable resistance layer 149-1 directly contact the conductive lines, the first electrode layer 141-1 ) and the fourth electrode layer 148-1 may be disposed between the conductive lines and the selection element layer 143-1 or the variable resistance layer 149-1.
제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 중 적어도 하나는 선택 소자층(143-1) 및 가변 저항층(149-1) 사이에 필수적으로 구비되어야 한다. 일반적으로, 선택 소자층(143-1)이 OTS 특성을 기반으로 할 때, 선택 소자층(143-1)은 비정질 상태의 칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다. 그러나 메모리 소자(100)의 다운 스케일링 경향에 따라 가변 저항층(149-1), 선택 소자층(143-1), 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)의 두께, 폭 및 이들 사이의 거리가 감소할 수 있다. 따라서, 메모리 소자(100)의 구동 과정에서, 상기 가열 전극층(또는 상기 가열 전극층이 형성되지 않는 경우 제3 전극층(147-1))이 발열하여 가변 저항층(149-1)을 상변화 시킬 때 이에 인접하게 배치되는 선택 소자층(143-1)에도 상기 발열에 의한 영향이 가해질 수 있다. 예컨대, 인접한 상기 가열 전극층으로부터의 열에 의해 선택 소자층(143-1)이 부분적으로 결정화되는 등의 선택 소자층(143-1)의 열화 및 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 중 적어도 하나는 선택 소자층(143-1) 및 가변 저항층(149-1) 사이에 필수적으로 구비되어 선택 소자층(143-1)의 열화 및 손상을 방지할 수 있다.At least one of the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 must be provided between the selection element layer 143-1 and the variable resistance layer 149-1. In general, when the selection device layer 143-1 is based on OTS characteristics, the selection device layer 143-1 may include an amorphous chalcogenide material. However, the thickness of the variable resistance layer 149-1, the selection device layer 143-1, the second electrode layer 145-1, and the third electrode layer 147-1 according to the downscaling tendency of the
또한, 제1 내지 제4 전극층(141-1, 145-1, 147-1, 148-1)의 재질 및/또는 상기 가열 전극층의 배열에 따라 제1 내지 제4 전극층(141-1, 145-1, 147-1, 148-1) 각각의 두께는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 제3 전극층(147-1)과 가변 저항층(149-1) 사이에 상기 가열 전극층이 배열되는 경우에, 상기 가열 전극층의 열이 선택 소자층(143-1)에 전달되지 않도록 제3 전극층(147-1) 및 제2 전극층(145-1)이 두껍게 형성될 수 있다. 만약, 상기 가열 전극층이 형성되지 않고 제3 전극층(147-1)이 가변 저항층(149-1)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함하도록 형성되는 경우에, 제3 전극층(147-1)의 열이 선택 소자층(143-1)에 전달되지 않도록 제2 전극층(145-1)이 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 은 10 내지 100 ㎚ 정도의 두께를 가질 수 있다. 그러나 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)의 두께가 상기 수치에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)은 열 차단 기능을 위해 적어도 하나의 열적 장벽(Thermal Barrier)층을 포함할 수 있다. 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)이 2개 이상의 열적 장벽층을 포함하는 경우에, 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)은 열적 장벽층과 전극 물질층이 번갈아 적층되는 구조를 가질 수 있다. In addition, according to the material of the first to fourth electrode layers 141-1, 145-1, 147-1, and 148-1 and/or the arrangement of the heating electrode layers, the first to fourth electrode layers 141-1, 145-1 1, 147-1, 148-1) Each thickness may be variously changed. For example, when the heating electrode layer is arranged between the third electrode layer 147-1 and the variable resistance layer 149-1, heat from the heating electrode layer is not transferred to the selection element layer 143-1. The third electrode layer 147-1 and the second electrode layer 145-1 may be formed thickly. If the heating electrode layer is not formed and the third electrode layer 147-1 is formed to include a conductive material capable of generating enough heat to phase change the variable resistance layer 149-1, the third The second electrode layer 145-1 may be formed thick so that heat from the electrode layer 147-1 is not transmitted to the selection element layer 143-1. For example, the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 may have a thickness of about 10 to 100 nm. However, the thicknesses of the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 are not limited to the above values. In addition, the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 may include at least one thermal barrier layer for a heat blocking function. When the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 includes two or more thermal barrier layers, the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 is a thermal barrier It may have a structure in which layers and electrode material layers are alternately stacked.
복수의 제1 도전 라인들(110) 사이에는 제1 절연층(162-1)이 배치될 수 있다. 제1 메모리 셀층(MCL1)의 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에는 제1 절연층(162-1) 및 제3 절연층(163)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 방향(도 2의 Y 방향)을 따라 배치되는 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에 제1 절연층(162-1)이 배치되고, 제1 방향(도 2의 X 방향)을 따라 배치되는 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에 제3 절연층(163)이 배치될 수 있다. 또한 제3 절연층(163)은 제2 도전 라인들(120) 사이에도 배치될 수 있다. 제2 메모리 셀층(MCL2)의 제2 방향으로 배치되는 제2 메모리 셀들(140-2) 사이와 제2 방향으로 배치되는 제3 도전 라인들(130) 사이에는 제2 절연층(162-2)이 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163)은 동일 물질의 절연층으로 형성되거나 적어도 하나는 다른 물질의 절연층으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163)은 예컨대, 산화물 또는 질화물의 유전체 물질로 형성되며, 각층의 소자들을 서로 전기적으로 분리하는 기능을 할 수 있다. 한편, 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163) 중 적어도 하나를 대신하여 에어 스페이스들(미도시)이 형성될 수도 있다. 에어 스페이스들이 형성되는 경우, 상기 에어 스페이스들과 제1 메모리 셀들(140-1) 사이, 및/또는 상기 에어 스페이스들과 제2 메모리 셀들(140-2) 사이에 소정의 두께를 갖는 절연 라이너(미도시)가 형성될 수도 있다.A first insulating layer 162 - 1 may be disposed between the plurality of first
도 3에 예시적으로 도시된 것과 같이, 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 선택 소자층(143-1)은 제3 방향(도 2의 Z 방향)을 따라 제1 높이(또는 두께)(H1) 를 가질 수 있고, 제2 메모리 셀(140-2)의 제2 선택 소자층(143-2)은 상기 제3 방향을 따라 제1 높이(H1)보다 작은 제2 높이(또는 두께)(H2)를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)는 10 내지 500 ㎚일 수 있고, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 5 내지 450 ㎚일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. As exemplarily shown in FIG. 3 , the first selection element layer 143-1 of the first memory cell 140-1 has a first height (or thickness) along the third direction (Z direction in FIG. 2). )(H1), and the second selection device layer 143-2 of the second memory cell 140-2 has a second height (or thickness) smaller than the first height H1 along the third direction. ) (H2). In example embodiments, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 may be 10 to 500 nm, and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 ) may be 5 to 450 nm. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)의 약 50% 내지 90%일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. In example embodiments, the second height H2 of the second selection element layer 143-2 is about 50% to 90% of the first height H1 of the first selection element layer 143-1. can be However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 실질적으로 동일한 값을 갖도록 조절될 수 있다. The first height H1 of the first selection element layer 143-1 and the second height H2 of the second selection element layer 143-2 are The level of the threshold voltage (V T1 ) and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to have substantially the same value.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기의 차이가 0.5 V 이하이도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기보다 0.5V 더 작을 수 있다. 이와는 달리, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기보다 0.5V 더 클 수도 있다.In example embodiments, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 are the first selection device layer ( The difference between the level of the first threshold voltage (V T1 ) of 143-1 and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to be 0.5 V or less. For example, the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is 0.5V greater than the level of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. can be smaller Unlike this, the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is 0.5V higher than the level of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. may be large
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 80% 내지 약 120%의 범위이도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 90% 내지 약 110%의 범위일 수 있다. In example embodiments, the first height H1 of the first selection element layer 143-1 and the second height H2 of the second selection element layer 143-2 are the second selection element layer ( 143-2) is adjusted so that the magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) is in the range of about 80% to about 120% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection device layer 143-1. can For example, the magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 is about 90% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection device layer 143-1. % to about 110%.
제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 80% 내지 약 120%의 범위인 경우에, 제1 메모리 셀(MC1)과 제2 메모리 셀(MC2)의 전기적 특성 편차가 감소되어 메모리 소자(100)의 읽기/쓰기 동작을 위한 센싱 마진이 향상될 수 있다. The magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is about 80% to about 120% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. In the case of % range, the difference in electrical characteristics between the first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 is reduced, so that a sensing margin for a read/write operation of the
아래에서는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 갖는 선택 소자층(143-1, 143-2)의 문턱 전압과 전기적 특성의 관계를 도 4 내지 도 6을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, the relationship between the threshold voltage and electrical characteristics of the selection device layers 143-1 and 143-2 having ovonic threshold switching (OTS) characteristics will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 나타내는 OTS 소자의 전압-전류 곡선(40)을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 4에는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 갖는 OTS 소자 양단 간에 인가된 전압에 따라 OTS 소자에 흐르는 전류를 개략적으로 도시하였다.4 is a graph schematically illustrating a voltage-
도 4를 참조하면, 제1 곡선(41)은 OTS 소자에 전류가 흐르지 않는 상태의 전압-전류 관계를 나타낸다. 여기서, OTS 소자는 제1 전압 레벨(43)의 문턱 전압(VT)을 갖는 스위칭 소자로 작용한다. 전압과 전류가 0인 상태에서 전압이 서서히 증가할 때, 전압이 문턱 전압(VT)(즉, 제1 전압 레벨(43))에 도달할 때까지 OTS 소자에 거의 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 전압이 문턱 전압(VT)을 초과하자마자, OTS 소자에 흐르는 전류가 급격히 증가될 수 있고, OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)(또는 포화 전압(VS))까지 감소된다.Referring to FIG. 4 , a
제2 곡선(42)은 OTS 소자에 전류가 흐르는 상태에서의 전압-전류 관계를 나타낸다. OTS 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 레벨(46)보다 커짐에 따라 OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)보다 약간 증가될 수 있다. 예를 들어, OTS 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 레벨(46)로부터 제2 전류 레벨(47)까지 상당히 증가하는 동안 OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)로부터 미미하게 증가될 수 있다. 즉, OTS 소자를 통해 전류가 일단 흐르게 되면, OTS 소자에 인가되는 전압은 포화 전압(VS)(즉, 제2 전압 레벨(44))으로 거의 유지될 수 있다. 만약 전류가 유지 전류 레벨(즉, 제1 전류 레벨(46)) 이하로 감소되면, OTS 소자는 다시 저항 상태로 전환되어, 전압이 문턱 전압(VT)까지 증가할 때까지 전류를 효과적으로 블로킹할 수 있다.A
도 5a 및 5b는 크로스 포인트 적층 구조를 갖는 메모리 소자의 동작 방법을 나타내는 개략도이다. 5A and 5B are schematic diagrams illustrating an operating method of a memory device having a cross-point stacked structure.
도 5a 및 5b 에는 제1 및 제2 하부 메모리 셀들 (MC11, MC12)및 제1 및 제2상부 메모리 셀들(MC21, MC22)의 각각이 공통 비트 라인(BL)과 그 아래의제1 및 제2 하부 워드 라인들(WL11, WL12) 사이 및 공통 비트라인(BL)과 그 아래의 제1 및 제2 상부 워드 라인들(WL21, WL22) 사이에 배치되는 크로스 포인트 적층 구조를 갖는 메모리 소자의 읽기 또는 쓰기 동작 방법을 도시하였다. 5A and 5B , each of the first and second lower memory cells MC11 and MC12 and the first and second upper memory cells MC21 and MC22 is connected to a common bit line BL and the first and second upper memory cells MC21 and MC22 therebelow. Read or A write operation method is shown.
도 5a를 참조하면, 제1 하부 워드 라인(WL11)과 공통 비트 라인(BL) 사이에 배치되는 제1 하부 메모리 셀(MC11)이 선택된다. 제1 하부 메모리 셀(MC11)이 선택되기 위하여 공통 비트 라인(BL)에는 로우 전압(Vlow)(예를 들어, 비트 라인 선택 전압 또는 차단 전압(inhibit voltage))이 인가되고, 제1 하부 워드 라인(WL11)에는 워드 라인 선택 전압(VWL(Sel))이 인가될 수 있다. Referring to FIG. 5A , the first lower memory cell MC11 disposed between the first lower word line WL11 and the common bit line BL is selected. To select the first lower memory cell MC11, a low voltage Vlow (eg, a bit line selection voltage or an inhibit voltage) is applied to the common bit line BL, and the first lower word line A word line select voltage (V WL(Sel) ) may be applied to WL11.
예를 들어, 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 데이터를 저장하기 위하여(예를 들어 리셋 동작 및 세트 동작에 의하여) 쓰기 동작을 수행하거나, 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 저장된 데이터를 판독하기 위하여 읽기 동작이 수행될 수 있다. 선택된 제1 하부 워드 라인(WL11)에는 상대적으로 높은 값을 갖는 워드 라인 선택 전압(VWL(Sel))이 인가되며, 공통 비트 라인(BL)에는 상대적으로 낮은 값을 갖는 로우 전압(Vlow)이 인가될 수 있고, 이에 따라 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 (VWL ( Sel ) - Vlow)의 값을 갖는 제1 스위칭 전압이 인가될 수 있다. 상기 제1 스위칭 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 클 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되어 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 가변 저항층(R)에 제1 전류(IMC11)가 흐를 수 있다. For example, performing a write operation to store data in the first lower memory cell MC11 (for example, by a reset operation and a set operation) or reading data stored in the first lower memory cell MC11. A read operation may be performed for this purpose. A word line selection voltage V WL(Sel) having a relatively high value is applied to the selected first lower word line WL11, and a low voltage Vlow having a relatively low value is applied to the common bit line BL. Accordingly, a first switching voltage having a value of (V WL ( Sel ) - Vlow) may be applied to the first lower memory cell MC11 . The level of the first switching voltage may be greater than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is turned on and the variable resistance of the first lower memory cell MC11 is turned on. A first current I MC11 may flow through the layer R.
이때, 선택되지 않은 제2 하부 워드 라인(WL12), 제1 상부 워드 라인(WL21) 및 제2 상부 워드 라인(WL22)에는 워드 라인 비선택 전압(VWL ( Unsel ))이 인가되고, 이에 따라 선택되지 않은 메모리 셀들(MC12, MC21, MC22)에는 (VWL ( Unsel ) - Vlow)의 값을 갖는 오프 전압이 인가될 수 있다. 상기 오프 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 작을 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되지 않으므로 선택되지 않은 메모리 셀들(MC12, MC21, MC22)의 가변 저항층(R)에 전류가 흐르지 않는다. At this time, the word line unselect voltage V WL ( Unsel ) is applied to the unselected second lower word line WL12 , first upper word line WL21 , and second upper word line WL22 . An off voltage having a value of (V WL ( Unsel ) - Vlow) may be applied to the unselected memory cells MC12 , MC21 , and MC22 . The level of the off voltage may be smaller than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is not turned on, so that the memory cells MC12, MC21, and MC22 that are not selected Current does not flow through the variable resistance layer R of
도 5b를 참조하면, 제1 상부 워드 라인(WL21)과 공통 비트 라인(BL) 사이에 배치되는 제1 상부 메모리 셀(MC21)이 선택된다. 제1 상부 메모리 셀(MC21)이 선택되기 위하여 공통 비트 라인(BL)에는 로우 전압(Vlow)이 인가되고, 제1 상부 워드 라인(WL21)에는 워드 라인 선택 전압(VWL ( Sel ))이 인가될 수 있다. 따라서 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 (VWL ( Sel ) - Vlow)의 값을 갖는 제2 스위칭 전압이 인가될 수 있다. 상기 제2 스위칭 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 클 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되어 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 가변 저항층(R)에 제2 전류(IMC21)가 흐를 수 있다. Referring to FIG. 5B , the first upper memory cell MC21 disposed between the first upper word line WL21 and the common bit line BL is selected. To select the first upper memory cell MC21, a low voltage Vlow is applied to the common bit line BL and a word line selection voltage V WL ( Sel ) is applied to the first upper word line WL21. It can be. Accordingly, the second switching voltage having a value of (V WL ( Sel ) - Vlow) may be applied to the first upper memory cell MC21 . The level of the second switching voltage may be greater than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is turned on and the variable resistance of the first upper memory cell MC21 is turned on. A second current I MC21 may flow through the layer R.
도 5의 (A)와 (B)를 비교하면, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 인가된 상기 제1 스위칭 전압의 크기와 선택된 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 인가된 상기 제2 스위칭 전압의 크기는 동일하다. 그러나, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 흐르는 제1 전류(IMC11)의 방향은 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 흐르는 제2 전류(IMC21)의 방향과는 다르다. 이에 의하여, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 흐르는 제1 전류(IMC11)의 양이 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 흐르는 제2 전류(IMC21)의 양과는 달라질 수 있다. Comparing (A) and (B) of FIG. 5 , the magnitude of the first switching voltage applied to the selected first lower memory cell MC11 and the second switching voltage applied to the selected upper memory cell MC21 The magnitude of the voltage is the same. However, the direction of the first current I MC11 flowing through the selected first lower memory cell MC11 is different from the direction of the second current I MC21 flowing through the first upper memory cell MC21 . Accordingly, the amount of the first current I MC11 flowing through the selected first lower memory cell MC11 may be different from the amount of the second current I MC21 flowing through the first upper memory cell MC21 .
예를 들어, 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 선택 소자(SW)에서 제1 하부 워드 라인(WL11)에 상대적으로 높은 전압이 인가되는 반면, 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 선택 소자(SW)에서 제1 상부 워드 라인(WL21)에 상대적으로 높은 전압이 인가된다. 따라서, 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 선택 소자(SW)와 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 선택 소자(SW)에는 서로 다른 방향의 전계(electric field)가 작용할 수 있다. OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)에 작용하는 전계 방향의 영향은 도 6을 참조로 설명한다.For example, while a relatively high voltage is applied to the first lower word line WL11 from the selection element SW of the first lower memory cell MC11, the selection element SW of the first upper memory cell MC21 ), a relatively high voltage is applied to the first upper word line WL21. Accordingly, electric fields in different directions may act on the selection element SW of the first lower memory cell MC11 and the selection element SW of the first upper memory cell MC21. The influence of the direction of the electric field acting on the selection element SW having the OTS characteristic will be described with reference to FIG. 6 .
도 6은 OTS 소자에 각각 양의 전압과 음의 전압을 인가할 때의 전압-전류 그래프(60)이다.6 is a voltage-
제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 선택적으로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 생략될 수도 있다. 다만, 선택 소자층(143-1) 및/또는 가변 저항층(149-1)이 도전 라인들과 직접 콘택함에 따라 발생할 수 있는 오염이나 접촉 불량 등을 방지하기 위하여, 제1 전극층(141-1)과 제4 전극층(148-1)은 도전 라인들과 선택 소자층(143-1) 또는 가변 저항층(149-1) 사이에 배치될 수 있다.The first electrode layer 141-1 and the fourth electrode layer 148-1 may be selectively formed. In other words, the first electrode layer 141-1 and the fourth electrode layer 148-1 may be omitted. However, in order to prevent contamination or contact failure that may occur as the selection element layer 143-1 and/or the variable resistance layer 149-1 directly contact the conductive lines, the first electrode layer 141-1 ) and the fourth electrode layer 148-1 may be disposed between the conductive lines and the selection element layer 143-1 or the variable resistance layer 149-1.
제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 중 적어도 하나는 선택 소자층(143-1) 및 가변 저항층(149-1) 사이에 필수적으로 구비되어야 한다. 일반적으로, 선택 소자층(143-1)이 OTS 특성을 기반으로 할 때, 선택 소자층(143-1)은 비정질 상태의 칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다. 그러나 메모리 소자(100)의 다운 스케일링 경향에 따라 가변 저항층(149-1), 선택 소자층(143-1), 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)의 두께, 폭 및 이들 사이의 거리가 감소할 수 있다. 따라서, 메모리 소자(100)의 구동 과정에서, 상기 가열 전극층(또는 상기 가열 전극층이 형성되지 않는 경우 제3 전극층(147-1))이 발열하여 가변 저항층(149-1)을 상변화 시킬 때 이에 인접하게 배치되는 선택 소자층(143-1)에도 상기 발열에 의한 영향이 가해질 수 있다. 예컨대, 인접한 상기 가열 전극층으로부터의 열에 의해 선택 소자층(143-1)이 부분적으로 결정화되는 등의 선택 소자층(143-1)의 열화 및 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 중 적어도 하나는 선택 소자층(143-1) 및 가변 저항층(149-1) 사이에 필수적으로 구비되어 선택 소자층(143-1)의 열화 및 손상을 방지할 수 있다.At least one of the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 must be provided between the selection element layer 143-1 and the variable resistance layer 149-1. In general, when the selection device layer 143-1 is based on OTS characteristics, the selection device layer 143-1 may include an amorphous chalcogenide material. However, the thickness of the variable resistance layer 149-1, the selection device layer 143-1, the second electrode layer 145-1, and the third electrode layer 147-1 according to the downscaling tendency of the
또한, 제1 내지 제4 전극층(141-1, 145-1, 147-1, 148-1)의 재질 및/또는 상기 가열 전극층의 배열에 따라 제1 내지 제4 전극층(141-1, 145-1, 147-1, 148-1) 각각의 두께는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 제3 전극층(147-1)과 가변 저항층(149-1) 사이에 상기 가열 전극층이 배열되는 경우에, 상기 가열 전극층의 열이 선택 소자층(143-1)에 전달되지 않도록 제3 전극층(147-1) 및 제2 전극층(145-1)이 두껍게 형성될 수 있다. 만약, 상기 가열 전극층이 형성되지 않고 제3 전극층(147-1)이 가변 저항층(149-1)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함하도록 형성되는 경우에, 제3 전극층(147-1)의 열이 선택 소자층(143-1)에 전달되지 않도록 제2 전극층(145-1)이 두껍게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1) 은 10 내지 100 ㎚ 정도의 두께를 가질 수 있다. 그러나 제2 전극층(145-1) 및 제3 전극층(147-1)의 두께가 상기 수치에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)은 열 차단 기능을 위해 적어도 하나의 열적 장벽(Thermal Barrier)층을 포함할 수 있다. 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)이 2개 이상의 열적 장벽층을 포함하는 경우에, 제2 전극층(145-1) 또는 제3 전극층(147-1)은 열적 장벽층과 전극 물질층이 번갈아 적층되는 구조를 가질 수 있다. In addition, according to the material of the first to fourth electrode layers 141-1, 145-1, 147-1, and 148-1 and/or the arrangement of the heating electrode layers, the first to fourth electrode layers 141-1, 145-1 1, 147-1, 148-1) Each thickness may be variously changed. For example, when the heating electrode layer is arranged between the third electrode layer 147-1 and the variable resistance layer 149-1, heat from the heating electrode layer is not transferred to the selection element layer 143-1. The third electrode layer 147-1 and the second electrode layer 145-1 may be formed thickly. If the heating electrode layer is not formed and the third electrode layer 147-1 is formed to include a conductive material capable of generating enough heat to phase change the variable resistance layer 149-1, the third The second electrode layer 145-1 may be formed thick so that heat from the electrode layer 147-1 is not transmitted to the selection element layer 143-1. For example, the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 may have a thickness of about 10 to 100 nm. However, the thicknesses of the second electrode layer 145-1 and the third electrode layer 147-1 are not limited to the above values. In addition, the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 may include at least one thermal barrier layer for a heat blocking function. When the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 includes two or more thermal barrier layers, the second electrode layer 145-1 or the third electrode layer 147-1 is a thermal barrier It may have a structure in which layers and electrode material layers are alternately stacked.
복수의 제1 도전 라인들(110) 사이에는 제1 절연층(162-1)이 배치될 수 있다. 제1 메모리 셀층(MCL1)의 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에는 제1 절연층(162-1) 및 제3 절연층(163)이 배치될 수 있다. 구체적으로, 제2 방향(도 2의 Y 방향)을 따라 배치되는 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에 제1 절연층(162-1)이 배치되고, 제1 방향(도 2의 X 방향)을 따라 배치되는 제1 메모리 셀들(140-1) 사이에 제3 절연층(163)이 배치될 수 있다. 또한 제3 절연층(163)은 제2 도전 라인들(120) 사이에도 배치될 수 있다. 제2 메모리 셀층(MCL2)의 제2 방향으로 배치되는 제2 메모리 셀들(140-2) 사이와 제2 방향으로 배치되는 제3 도전 라인들(130) 사이에는 제2 절연층(162-2)이 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163)은 동일 물질의 절연층으로 형성되거나 적어도 하나는 다른 물질의 절연층으로 형성될 수 있다. 이러한 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163)은 예컨대, 산화물 또는 질화물의 유전체 물질로 형성되며, 각층의 소자들을 서로 전기적으로 분리하는 기능을 할 수 있다. 한편, 제1 내지 제3 절연층(162-1, 162-2, 163) 중 적어도 하나를 대신하여 에어 스페이스들(미도시)이 형성될 수도 있다. 에어 스페이스들이 형성되는 경우, 상기 에어 스페이스들과 제1 메모리 셀들(140-1) 사이, 및/또는 상기 에어 스페이스들과 제2 메모리 셀들(140-2) 사이에 소정의 두께를 갖는 절연 라이너(미도시)가 형성될 수도 있다.A first insulating layer 162 - 1 may be disposed between the plurality of first
도 3에 예시적으로 도시된 것과 같이, 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 선택 소자층(143-1)은 제3 방향(도 2의 Z 방향)을 따라 제1 높이(또는 두께)(H1) 를 가질 수 있고, 제2 메모리 셀(140-2)의 제2 선택 소자층(143-2)은 상기 제3 방향을 따라 제1 높이(H1)보다 작은 제2 높이(또는 두께)(H2)를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)는 10 내지 500 ㎚일 수 있고, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 5 내지 450 ㎚일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. As exemplarily shown in FIG. 3 , the first selection element layer 143-1 of the first memory cell 140-1 has a first height (or thickness) along the third direction (Z direction in FIG. 2). )(H1), and the second selection device layer 143-2 of the second memory cell 140-2 has a second height (or thickness) smaller than the first height H1 along the third direction. ) (H2). In example embodiments, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 may be 10 to 500 nm, and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 ) may be 5 to 450 nm. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
예시적인 실시예들에 있어서, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)의 약 50% 내지 90%일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. In example embodiments, the second height H2 of the second selection element layer 143-2 is about 50% to 90% of the first height H1 of the first selection element layer 143-1. can be However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 실질적으로 동일한 값을 갖도록 조절될 수 있다. The first height H1 of the first selection element layer 143-1 and the second height H2 of the second selection element layer 143-2 are The level of the threshold voltage (V T1 ) and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to have substantially the same value.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기의 차이가 0.5 V 이하이도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기보다 0.5V 더 작을 수 있다. 이와는 달리, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기보다 0.5V 더 클 수도 있다.In example embodiments, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 are the first selection device layer ( The difference between the level of the first threshold voltage (V T1 ) of 143-1 and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to be 0.5 V or less. For example, the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is 0.5V greater than the level of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. can be smaller Unlike this, the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is 0.5V higher than the level of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. may be large
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)는 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 80% 내지 약 120%의 범위이도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 90% 내지 약 110%의 범위일 수 있다. In example embodiments, the first height H1 of the first selection element layer 143-1 and the second height H2 of the second selection element layer 143-2 are the second selection element layer ( 143-2) is adjusted so that the magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) is in the range of about 80% to about 120% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection device layer 143-1. can For example, the magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 is about 90% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection device layer 143-1. % to about 110%.
제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 80% 내지 약 120%의 범위인 경우에, 제1 메모리 셀(MC1)과 제2 메모리 셀(MC2)의 전기적 특성 편차가 감소되어 메모리 소자(100)의 읽기/쓰기 동작을 위한 센싱 마진이 향상될 수 있다. The magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection element layer 143-2 is about 80% to about 120% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection element layer 143-1. In the case of % range, the difference in electrical characteristics between the first memory cell MC1 and the second memory cell MC2 is reduced, so that a sensing margin for a read/write operation of the
아래에서는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 갖는 선택 소자층(143-1, 143-2)의 문턱 전압과 전기적 특성의 관계를 도 4 내지 도 6을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, the relationship between the threshold voltage and electrical characteristics of the selection device layers 143-1 and 143-2 having ovonic threshold switching (OTS) characteristics will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 나타내는 OTS 소자의 전압-전류 곡선(40)을 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 4에는 오보닉 문턱 스위칭(OTS) 특성을 갖는 OTS 소자 양단 간에 인가된 전압에 따라 OTS 소자에 흐르는 전류를 개략적으로 도시하였다.4 is a graph schematically illustrating a voltage-
도 4를 참조하면, 제1 곡선(41)은 OTS 소자에 전류가 흐르지 않는 상태의 전압-전류 관계를 나타낸다. 여기서, OTS 소자는 제1 전압 레벨(43)의 문턱 전압(VT)을 갖는 스위칭 소자로 작용한다. 전압과 전류가 0인 상태에서 전압이 서서히 증가할 때, 전압이 문턱 전압(VT)(즉, 제1 전압 레벨(43))에 도달할 때까지 OTS 소자에 거의 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 전압이 문턱 전압(VT)을 초과하자마자, OTS 소자에 흐르는 전류가 급격히 증가될 수 있고, OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)(또는 포화 전압(VS))까지 감소된다.Referring to FIG. 4 , a
제2 곡선(42)은 OTS 소자에 전류가 흐르는 상태에서의 전압-전류 관계를 나타낸다. OTS 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 레벨(46)보다 커짐에 따라 OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)보다 약간 증가될 수 있다. 예를 들어, OTS 소자에 흐르는 전류가 제1 전류 레벨(46)로부터 제2 전류 레벨(47)까지 상당히 증가하는 동안 OTS 소자에 인가되는 전압은 제2 전압 레벨(44)로부터 미미하게 증가될 수 있다. 즉, OTS 소자를 통해 전류가 일단 흐르게 되면, OTS 소자에 인가되는 전압은 포화 전압(VS)(즉, 제2 전압 레벨(44))으로 거의 유지될 수 있다. 만약 전류가 유지 전류 레벨(즉, 제1 전류 레벨(46)) 이하로 감소되면, OTS 소자는 다시 저항 상태로 전환되어, 전압이 문턱 전압(VT)까지 증가할 때까지 전류를 효과적으로 블로킹할 수 있다.A
도 5a 및 5b는 크로스 포인트 적층 구조를 갖는 메모리 소자의 동작 방법을 나타내는 개략도이다. 5A and 5B are schematic diagrams illustrating an operating method of a memory device having a cross-point stacked structure.
도 5a 및 5b 에는 제1 및 제2 하부 메모리 셀들 (MC11, MC12)및 제1 및 제2상부 메모리 셀들(MC21, MC22)의 각각이 공통 비트 라인(BL)과 그 아래의제1 및 제2 하부 워드 라인들(WL11, WL12) 사이 및 공통 비트라인(BL)과 그 아래의 제1 및 제2 상부 워드 라인들(WL21, WL22) 사이에 배치되는 크로스 포인트 적층 구조를 갖는 메모리 소자의 읽기 또는 쓰기 동작 방법을 도시하였다. 5A and 5B , each of the first and second lower memory cells MC11 and MC12 and the first and second upper memory cells MC21 and MC22 is connected to a common bit line BL and the first and second upper memory cells MC21 and MC22 therebelow. Read or A write operation method is shown.
도 5a를 참조하면, 제1 하부 워드 라인(WL11)과 공통 비트 라인(BL) 사이에 배치되는 제1 하부 메모리 셀(MC11)이 선택된다. 제1 하부 메모리 셀(MC11)이 선택되기 위하여 공통 비트 라인(BL)에는 로우 전압(Vlow)(예를 들어, 비트 라인 선택 전압 또는 차단 전압(inhibit voltage))이 인가되고, 제1 하부 워드 라인(WL11)에는 워드 라인 선택 전압(VWL(Sel))이 인가될 수 있다. Referring to FIG. 5A , the first lower memory cell MC11 disposed between the first lower word line WL11 and the common bit line BL is selected. To select the first lower memory cell MC11, a low voltage Vlow (eg, a bit line selection voltage or an inhibit voltage) is applied to the common bit line BL, and the first lower word line A word line select voltage (V WL(Sel) ) may be applied to WL11.
예를 들어, 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 데이터를 저장하기 위하여(예를 들어 리셋 동작 및 세트 동작에 의하여) 쓰기 동작을 수행하거나, 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 저장된 데이터를 판독하기 위하여 읽기 동작이 수행될 수 있다. 선택된 제1 하부 워드 라인(WL11)에는 상대적으로 높은 값을 갖는 워드 라인 선택 전압(VWL(Sel))이 인가되며, 공통 비트 라인(BL)에는 상대적으로 낮은 값을 갖는 로우 전압(Vlow)이 인가될 수 있고, 이에 따라 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 (VWL ( Sel ) - Vlow)의 값을 갖는 제1 스위칭 전압이 인가될 수 있다. 상기 제1 스위칭 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 클 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되어 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 가변 저항층(R)에 제1 전류(IMC11)가 흐를 수 있다. For example, performing a write operation to store data in the first lower memory cell MC11 (for example, by a reset operation and a set operation) or reading data stored in the first lower memory cell MC11. A read operation may be performed for this purpose. A word line selection voltage V WL(Sel) having a relatively high value is applied to the selected first lower word line WL11, and a low voltage Vlow having a relatively low value is applied to the common bit line BL. Accordingly, a first switching voltage having a value of (V WL ( Sel ) - Vlow) may be applied to the first lower memory cell MC11 . The level of the first switching voltage may be greater than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is turned on and the variable resistance of the first lower memory cell MC11 is turned on. A first current I MC11 may flow through the layer R.
이때, 선택되지 않은 제2 하부 워드 라인(WL12), 제1 상부 워드 라인(WL21) 및 제2 상부 워드 라인(WL22)에는 워드 라인 비선택 전압(VWL ( Unsel ))이 인가되고, 이에 따라 선택되지 않은 메모리 셀들(MC12, MC21, MC22)에는 (VWL ( Unsel ) - Vlow)의 값을 갖는 오프 전압이 인가될 수 있다. 상기 오프 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 작을 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되지 않으므로 선택되지 않은 메모리 셀들(MC12, MC21, MC22)의 가변 저항층(R)에 전류가 흐르지 않는다. At this time, the word line unselect voltage V WL ( Unsel ) is applied to the unselected second lower word line WL12 , first upper word line WL21 , and second upper word line WL22 . An off voltage having a value of (V WL ( Unsel ) - Vlow) may be applied to the unselected memory cells MC12 , MC21 , and MC22 . The level of the off voltage may be smaller than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is not turned on, so that the memory cells MC12, MC21, and MC22 that are not selected Current does not flow through the variable resistance layer R of
도 5b를 참조하면, 제1 상부 워드 라인(WL21)과 공통 비트 라인(BL) 사이에 배치되는 제1 상부 메모리 셀(MC21)이 선택된다. 제1 상부 메모리 셀(MC21)이 선택되기 위하여 공통 비트 라인(BL)에는 로우 전압(Vlow)이 인가되고, 제1 상부 워드 라인(WL21)에는 워드 라인 선택 전압(VWL ( Sel ))이 인가될 수 있다. 따라서 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 (VWL ( Sel ) - Vlow)의 값을 갖는 제2 스위칭 전압이 인가될 수 있다. 상기 제2 스위칭 전압의 크기는 OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)의 문턱 전압의 크기보다 클 수 있고, 이에 따라 선택 소자(SW)가 턴-온되어 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 가변 저항층(R)에 제2 전류(IMC21)가 흐를 수 있다. Referring to FIG. 5B , the first upper memory cell MC21 disposed between the first upper word line WL21 and the common bit line BL is selected. To select the first upper memory cell MC21, a low voltage Vlow is applied to the common bit line BL and a word line selection voltage V WL ( Sel ) is applied to the first upper word line WL21. It can be. Accordingly, the second switching voltage having a value of (V WL ( Sel ) - Vlow) may be applied to the first upper memory cell MC21 . The level of the second switching voltage may be greater than the level of the threshold voltage of the selection element SW having the OTS characteristic, and accordingly, the selection element SW is turned on and the variable resistance of the first upper memory cell MC21 is turned on. A second current I MC21 may flow through the layer R.
도 5의 (A)와 (B)를 비교하면, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 인가된 상기 제1 스위칭 전압의 크기와 선택된 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 인가된 상기 제2 스위칭 전압의 크기는 동일하다. 그러나, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 흐르는 제1 전류(IMC11)의 방향은 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 흐르는 제2 전류(IMC21)의 방향과는 다르다. 이에 의하여, 선택된 제1 하부 메모리 셀(MC11)에 흐르는 제1 전류(IMC11)의 양이 제1 상부 메모리 셀(MC21)에 흐르는 제2 전류(IMC21)의 양과는 달라질 수 있다. Comparing (A) and (B) of FIG. 5 , the magnitude of the first switching voltage applied to the selected first lower memory cell MC11 and the second switching voltage applied to the selected upper memory cell MC21 The magnitude of the voltage is the same. However, the direction of the first current I MC11 flowing through the selected first lower memory cell MC11 is different from the direction of the second current I MC21 flowing through the first upper memory cell MC21 . Accordingly, the amount of the first current I MC11 flowing through the selected first lower memory cell MC11 may be different from the amount of the second current I MC21 flowing through the first upper memory cell MC21 .
예를 들어, 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 선택 소자(SW)에서 제1 하부 워드 라인(WL11)에 상대적으로 높은 전압이 인가되는 반면, 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 선택 소자(SW)에서 제1 상부 워드 라인(WL21)에 상대적으로 높은 전압이 인가된다. 따라서, 제1 하부 메모리 셀(MC11)의 선택 소자(SW)와 제1 상부 메모리 셀(MC21)의 선택 소자(SW)에는 서로 다른 방향의 전계(electric field)가 작용할 수 있다. OTS 특성을 갖는 선택 소자(SW)에 작용하는 전계 방향의 영향은 도 6을 참조로 설명한다.For example, while a relatively high voltage is applied to the first lower word line WL11 from the selection element SW of the first lower memory cell MC11, the selection element SW of the first upper memory cell MC21 ), a relatively high voltage is applied to the first upper word line WL21. Accordingly, electric fields in different directions may act on the selection element SW of the first lower memory cell MC11 and the selection element SW of the first upper memory cell MC21. The influence of the direction of the electric field acting on the selection element SW having the OTS characteristic will be described with reference to FIG. 6 .
도 6은 OTS 소자에 각각 양의 전압과 음의 전압을 인가할 때의 전압-전류 그래프(60)이다.6 is a voltage-
도 6을 참조하면, 각각 소자 치수를 달리한 제1 실험예(62)의 제1 OTS 소자 및 제2 실험예(64)의 OTS 소자에서 양의 전압을 인가한 때와 음의 전압을 인가한 때 서로 다른 전압-전류 프로파일이 얻어짐을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제1 실험예(62)의 OTS 소자는 양의 전압 구간에서 제1 문턱 전압(56(V1))을 가지며, 음의 전압 구간에서 제2 문턱 전압(58(V2))을 갖는다. 제1 문턱 전압(56(V1))의 크기가 제2 문턱 전압(58(V2))의 크기보다 큼을 명백히 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the first OTS device of the first experimental example 62 and the OTS device of the second experimental example 64 having different device dimensions, when a positive voltage is applied and a negative voltage is applied, It can be seen that different voltage-current profiles are obtained when Specifically, the OTS device of the first experimental example 62 has a first threshold voltage 56(V 1 ) in a positive voltage range and a second threshold voltage 58(V 2 ) in a negative voltage range. have It can be clearly seen that the magnitude of the first threshold voltage 56 (V 1 ) is greater than that of the second threshold voltage 58 (V 2 ).
다시 말하면, 선택 소자(SW)에 작용하는 전계 방향에 따라 선택 소자(SW)에 흐르는 전류 및 문턱 전압이 달라질 수 있다. 즉, 도 5a 및 5b에서 하부 워드 라인(WL11)과 상부 워드 라인(W21)에 동일한 크기의 선택 전압(VWL ( Sel ))이 인가되더라도 하부 워드 라인(WL11)에 연결된 하부 메모리 셀(MC11)과 상부 워드 라인(W21)에 연결된 상부 메모리 셀(MC21)은 서로 다른 전류 프로파일을 가질 수 있고, 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다. In other words, the current and threshold voltage flowing through the selection element SW may vary according to the direction of the electric field acting on the selection element SW. 5A and 5B , even when the selection voltage V WL ( Sel ) of the same magnitude is applied to the lower word line WL11 and the upper word line W21 , the lower memory cell MC11 connected to the lower word line WL11 and the upper memory cell MC21 connected to the upper word line W21 may have different current profiles and different threshold voltages.
이러한 현상은 선택 소자(SW) 내의 비대칭적인 결함 밀도 및 조성 분포에서 기인하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 선택 소자(SW)는 칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다. 칼코게나이드 물질의 스위칭 메커니즘에서, 높은 전계가 인가될 때 상기 칼코게나이드 물질 내에서 전자 트랩 위치들(trap sites)이 불균일하게 분포되며, 상기 전자 트랩 위치들을 따라 전자들이 상대적으로 높은 속도로 이동하는 것으로 알려져 있다. It can be understood that this phenomenon is caused by an asymmetric defect density and composition distribution in the selection element SW. For example, the selection element SW having ovonic threshold switching characteristics may include a chalcogenide material. In the switching mechanism of chalcogenide materials, when a high electric field is applied, electron trap sites are non-uniformly distributed in the chalcogenide material, and electrons move at a relatively high speed along the electron trap sites. It is known to do
또한 선택 소자(SW) 내에 결함들(defects)이 더 많이 형성되는 경우에, 상기 전자 트랩 위치들의 밀도가 증가될 수 있고, 이러한 경우 작은 전계에도 상기 전자 트랩 위치들을 따라 전자들이 이동할 수 있으므로 선택 소자(SW)의 문턱 전압은 감소될 수 있다.In addition, when more defects are formed in the selection element SW, the density of the electron trap sites may increase, and in this case, since electrons can move along the electron trap sites even with a small electric field, the selection element The threshold voltage of (SW) may be reduced.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 메모리 셀(140-1) 내의 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)는 제2 메모리 셀(140-2) 내의 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 크다. 이는 선택 소자층(143-1, 143-2)의 결함 밀도를 고려하여 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압의 크기와 실질적으로 동일하도록 제1 높이(H1) 및 제2 높이(H2)가 조절된 결과일 수 있다. Referring back to FIGS. 2 and 3 , the first height H1 of the first selection device layer 143-1 in the first memory cell 140-1 is equal to the second height H1 in the second memory cell 140-2. It is greater than the second height H2 of the selection element layer 143-2. This is because the threshold voltage of the first selection device layer 143-1 is equal to the threshold voltage of the second selection device layer 143-2 in consideration of the defect density of the selection device layers 143-1 and 143-2. It may be a result of adjusting the first height H1 and the second height H2 to be substantially equal to .
일반적으로, 기판(101)의 제1 레벨에 위치하는 제1 선택 소자층(143-1)의 결함 밀도는 제2 레벨에 위치하는 제2 선택 소자층(143-2)의 결함 밀도와 동일하지 않을 수 있다. 여기서, 상기 제2 레벨은 상기 제1 레벨보다 기판(101) 상면으로부터 더 멀리 위치하는 것을 의미하며, 제1 선택 소자층(143-1)은 제2 선택 소자층(143-2) 기판(101) 상면에 가까움을 의미한다. In general, the defect density of the first selection device layer 143-1 located on the first level of the
일반적으로, 상기 제1 레벨에 위치하는 제1 선택 소자층(143-1)은 후속 층들의 증착 공정 또는 식각 공정들과 같은 공정 분위기에 더욱 오래 노출된다. 또한 일반적으로 수십 내지 수백 섭씨 도에 이르는 공정 온도를 유지하기 위하여, 기판(101)의 바닥면에 배치된 척(chuck) 또는 히터에 의해 기판(101)의 바닥면으로부터 열이 공급된다. 따라서, 기판(101)의 제1 레벨에 위치하는 제1 선택 소자층(143-1)은 제2 레벨에 위치하는 제2 선택 소자층(143-2)과 비교할 때 높은 온도 분위기에서 식각 분위기 및 증착 공정 분위기에, 더욱 오래 노출될 수 있다. 따라서, 기판(101)의 제1 레벨에 위치하는 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 레벨에 위치하는 제2 선택 소자층(143-2)보다 더 높은 밀도의 결함들을 포함할 수 있다.In general, the first selection device layer 143-1 located on the first level is exposed to process atmospheres such as deposition processes or etching processes of subsequent layers for a longer period of time. In addition, heat is supplied from the bottom surface of the
전술한 바와 같이, 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 선택 소자층(143-1, 143-2)의 스위칭 메커니즘에 의하면, 기판(101)의 제1 레벨에 위치하는 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 레벨에 위치하는 제2 선택 소자층(143-2)보다 더 높은 밀도의 결함들을 포함하는 경우, 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압이 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압보다 더 낮아질 수 있다. 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압과 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압의 크기 차이가 클수록, 쓰기 동작 및/또는 읽기 동작에서의 센싱 마진이 감소하여 메모리 소자(100)의 쓰기 및/또는 읽기 고장이 발생할 수 있다. As described above, according to the switching mechanism of the selection element layers 143-1 and 143-2 having ovonic threshold switching characteristics, the first selection element layer 143-1 located on the first level of the substrate 101 ) includes defects of higher density than the second selection device layer 143-2 located at the second level, the threshold voltage of the first selection device layer 143-1 is increased by the second selection device layer 143 -2) may be lower than the threshold voltage. As the difference in magnitude between the threshold voltage of the first selection device layer 143-1 and the threshold voltage of the second selection device layer 143-2 increases, the sensing margin in the write operation and/or the read operation decreases, so that the memory device ( 100) write and/or read failures may occur.
그러나, 전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 선택 소자층(143-1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압들이 실질적으로 동일하도록 제1 메모리 셀(140-1) 내의 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)와 제2 메모리 셀(140-2) 내의 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)가 조절될 수 있다. However, according to the above-described exemplary embodiments, the first memory cell 140-1 is configured so that the threshold voltages of the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 are substantially the same. The first height H1 of the first selection device layer 143-1 in the second memory cell 140-2 and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 in the second memory cell 140-2 may be adjusted. there is.
예를 들어, 제1 메모리 셀(140-1) 내의 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)가 제2 메모리 셀(140-2) 내의 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 크므로, 제1 선택 소자층(143-1)과 제2 선택 소자층(143-2)의 동일한 스위칭 전압이 인가되더라도 제1 선택 소자층(143-1)에 작용하는 전계의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)에 작용하는 전계의 크기보다 더 작을 수 있다. 따라서, 제1 선택 소자층(143-1)이 더 큰 밀도의 결함들을 포함하는 경우에도 상기 결함들에 기인한 문턱 전압의 감소가 방지될 수 있으며, 제1 선택 소자층(143-1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압들의 편차가 감소할 수 있다.For example, the first height H1 of the first selection element layer 143-1 in the first memory cell 140-1 is equal to the second selection element layer 143-1 in the second memory cell 140-2. Since it is greater than the second height H2 of 2), even if the same switching voltage is applied to the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2, the first selection device layer 143-1 ) may be smaller than the magnitude of the electric field acting on the second selection device layer 143-2. Therefore, even when the first selection device layer 143-1 includes a higher density of defects, a decrease in threshold voltage due to the defects can be prevented, and the first selection device layer 143-1 and A deviation of threshold voltages of the second selection device layer 143-2 may decrease.
또한, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)의 차이는, 선택 소자층(143-1, 143-2)에 인가되는 전계의 방향을 고려하여 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)의 크기와 실질적으로 동일하도록 제1 높이(H1) 및 제2 높이(H2)가 조절된 결과일 수 있다.In addition, the difference between the first height H1 of the first selection device layer 143-1 and the second height H2 of the second selection device layer 143-2 according to exemplary embodiments of the present invention is , Considering the direction of the electric field applied to the selection device layers 143-1 and 143-2, the size of the threshold voltage of the first selection device layer 143-1 is the size of the second selection device layer 143-2. It may be a result of adjusting the first height H1 and the second height H2 to be substantially equal to .
도 5A, 5B 및 6을 참조로 설명한 것과 같이, 선택 소자층(143-1, 143-2)에 음의 전압이 인가되는 경우에, 선택 소자층(143-1, 143-2)에 양의 전압이 인가되는 경우와 비교할 때, 선택 소자층(143-1, 143-2)은 더 낮은 문턱 전압을 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 제1 선택 소자층(143-1)과 제2 선택 소자층(143-2)이 동일한 높이를 갖는 일반적인 메모리 소자에서는, 제1 선택 소자층(143-1)에 음의 전압이 인가되고 제2 선택 소자층(143-2)에 양의 전압이 인가될 때 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압(예로, 도 6의 58(V2))의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압(예로, 도 6의 56(V1))의 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어 제2 도전 라인(120)에 상대적으로 낮은 전압이 인가되고, 제3 도전 라인(130)과 제1 도전 라인(110)에 상대적으로 높은 전압이 인가되는 경우(즉, 제2 도전 라인(120)에 차단 전압이 인가되고, 제1 및 제3 도전 라인(110, 130)에 상기 차단 전압보다 큰 워드 라인 선택 전압이 인가되는 경우에), 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압(예로, 도 6의 58(V2))의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압(예로, 도 6의 56(V1))의 크기보다 작을 수 있다.As described with reference to FIGS. 5A, 5B, and 6, when a negative voltage is applied to the selection device layers 143-1 and 143-2, a positive voltage is applied to the selection device layers 143-1 and 143-2. It can be seen that the selection element layers 143-1 and 143-2 have lower threshold voltages compared to the case where voltage is applied. Therefore, in a general memory device in which the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 have the same height, a negative voltage is applied to the first selection device layer 143-1 and When a positive voltage is applied to the second selection element layer 143-2, the magnitude of the threshold voltage (eg, 58(V 2 ) of the first selection element layer 143-1) of the second selection element layer 143-2 is It may be smaller than the threshold voltage (eg, 56 (V 1 ) of FIG. 6 ) of (143-2). For example, when a relatively low voltage is applied to the second
그러나, 전술한 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)가 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 크므로, 제1 선택 소자층(143-1)에 음의 전압이 인가되고 제2 선택 소자층(143-2)에 양의 전압이 인가될 때 제1 선택 소자층(143-1)에 작용하는 전계의 크기가 제2 선택 소자층(143-2)에 작용하는 전계의 크기보다 더 작을 수 있다. 즉, 제1 선택 소자층(143-1)과 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압의 크기 차이가 감소될 수 있고, 제1 메모리 셀(140-1)과 제2 메모리 셀(140-2)의 전기적 특성 편차가 감소될 수 있다 However, according to the above exemplary embodiments, the first height H1 of the first selection element layer 143-1 is greater than the second height H2 of the second selection element layer 143-2. , An electric field acting on the first selection device layer 143-1 when a negative voltage is applied to the first selection device layer 143-1 and a positive voltage is applied to the second selection device layer 143-2. The size of may be smaller than the size of the electric field acting on the second selection device layer 143-2. That is, a difference in threshold voltage between the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 may be reduced, and the first memory cell 140-1 and the second memory cell ( 140-2) electrical characteristic deviation can be reduced
결론적으로, 제1 선택 소자층(143-1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압들의 크기 차이가 감소하므로, 메모리 소자(100)의 읽기/쓰기 동작에서의 센싱 마진이 향상될 수 있고, 작은 센싱 마진에 기인한 읽기/쓰기 고장이 방지될 수 있다. 상기 메모리 소자(100)는 신뢰성이 우수할 수 있다.Consequently, since the difference between the threshold voltages of the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 is reduced, the sensing margin in the read/write operation of the
도 7 내지 도 13은 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자들(100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G)를 나타내는 단면도들이며, 도 2의 A-A' 선 및 B-B' 선을 따른 단면들에 대응되는 단면들을 나타낸다. 도 7 내지 도 13에서, 도 1 내지 도 6에서와 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 의미한다. 7 to 13 are cross-sectional views illustrating
도 7을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100A)에서, 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A)는 제2 메모리 셀(140-2)의 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)보다 작을 수 있다. Referring to FIG. 7 , in the
제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A)와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)는, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 실질적으로 동일한 값을 갖도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기의 약 80% 내지 약 120%의 범위이거나, 또는 약 90% 내지 약 110%의 범위일 수 있다. The first height H1A of the first selection element layer 143-1 and the second height H2A of the second selection element layer 143-2 are The level of the threshold voltage (V T1 ) and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to have substantially the same value. For example, the magnitude of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 is about 80% of the magnitude of the first threshold voltage (V T1 ) of the first selection device layer 143-1. % to about 120%, or from about 90% to about 110%.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)는 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 문턱 전압(VT1)의 크기와 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 문턱 전압(VT2)의 크기의 차이가 0.5 V 이하이도록 조절될 수 있다. In example embodiments, the first height H1A of the first selection device layer 143-1 and the second height H2A of the second selection device layer 143-2 are the first selection device layer ( The difference between the level of the first threshold voltage (V T1 ) of 143-1 and the level of the second threshold voltage (V T2 ) of the second selection device layer 143-2 may be adjusted to be 0.5 V or less.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A)는 5 내지 450 ㎚일 수 있고, 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)는 10 내지 500 ㎚일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A)는 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)의 약 50% 내지 90%일 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. In example embodiments, the first height H1A of the first selection device layer 143-1 may be 5 to 450 nm, and the second height H2A of the second selection device layer 143-2 ) may be 10 to 500 nm. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto. For example, the first height H1A of the first selection device layer 143-1 may be about 50% to 90% of the second height H2A of the second selection device layer 143-2. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
도 5A, 5B 및 6을 참조로 설명한 것과 같이, 선택 소자층(143-1, 143-2)에 음의 전압이 인가되는 경우에, 선택 소자층(143-1, 143-2)에 양의 전압이 인가되는 경우와 비교할 때, 선택 소자층(143-1, 143-2)은 더 낮은 문턱 전압을 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 제1 선택 소자층(143-1)과 제2 선택 소자층(143-2)이 동일한 높이를 갖는 일반적인 메모리 소자에서는, 제1 선택 소자층(143-1)에 양의 전압이 인가되고 제2 선택 소자층(143-2)에 음의 전압이 인가될 때 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압(예로, 도 6의 58(V2))의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압(에로 도 6의 56(V1))의 크기보다 작을 수 있다. 예를 들어 제2 도전 라인(120)에 상대적으로 높은 전압이 인가되고, 제3 도전 라인(130)과 제1 도전 라인(110)에 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 경우(즉, 제2 도전 라인(120)에 차단 전압이 인가되고, 제1 및 제3 도전 라인(110, 130)에 상기 차단 전압보다 작은 워드 라인 선택 전압이 인가되는 경우에), 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압의 크기가 제1 선택 소자층(143-1)의 문턱 전압의 크기보다 작을 수 있다.As described with reference to FIGS. 5A, 5B, and 6, when a negative voltage is applied to the selection device layers 143-1 and 143-2, a positive voltage is applied to the selection device layers 143-1 and 143-2. It can be seen that the selection element layers 143-1 and 143-2 have lower threshold voltages compared to the case where voltage is applied. Therefore, in a general memory device in which the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 have the same height, a positive voltage is applied to the first selection device layer 143-1 and When a negative voltage is applied to the second selection element layer 143-2, the magnitude of the threshold voltage (eg, 58 (V 2 ) in FIG. 6) of the second selection element layer 143-2 is the first selection element layer It may be smaller than the threshold voltage of (143-1) (e.g. 56 (V 1 ) in FIG. 6). For example, when a relatively high voltage is applied to the second
그러나, 예시적인 실시예들에 따르면, 제2 메모리 셀(140-2)의 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2A)가 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1A)보다 크므로, 제1 선택 소자층(143-1)에 양의 전압이 인가되고 제2 선택 소자층(143-2)에 음의 전압이 인가될 때 제2 선택 소자층(143-2)에 작용하는 전계가 제1 선택 소자층(143-1)에 작용하는 전계보다 작아질 수 있다. 즉, 제1 선택 소자층(143-1)과 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압의 크기 차이가 감소될 수 있고, 제1 메모리 셀(140-1)과 제2 메모리 셀(140-2)의 전기적 특성 편차가 감소될 수 있다. However, according to example embodiments, the second height H2A of the second selection element layer 143-2 of the second memory cell 140-2 is equal to the first height H2A of the first memory cell 140-1. Since it is greater than the first height H1A of the selection element layer 143-1, a positive voltage is applied to the first selection element layer 143-1 and a negative voltage is applied to the second selection element layer 143-2. When this is applied, the electric field acting on the second selection device layer 143-2 may be smaller than the electric field acting on the first selection device layer 143-1. That is, a difference in threshold voltage between the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 may be reduced, and the first memory cell 140-1 and the second memory cell ( 140-2) may reduce electrical characteristic deviation.
결론적으로, 제1 선택 소자층(143-1) 및 제2 선택 소자층(143-2)의 문턱 전압들의 크기 차이가 감소하므로, 메모리 소자(100)의 읽기/쓰기 동작에서의 센싱 마진이 향상될 수 있고, 작은 센싱 마진에 기인한 읽기/쓰기 고장이 방지될 수 있다. 상기 메모리 소자(100A)는 신뢰성이 우수할 수 있다.Consequently, since the difference between the threshold voltages of the first selection device layer 143-1 and the second selection device layer 143-2 is reduced, the sensing margin in the read/write operation of the
도 8을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100B)에서, 제1 메모리 셀(140-1)의 측벽 상에는 제1 내부 스페이서(152-1)가 형성되고, 제2 메모리 셀(140-2)의 측벽 상에는 제2 내부 스페이서(152-2)가 형성될 수 있다. 제1 내부 스페이서(152-1)는 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 전극층(141-1)과 제1 선택 소자층(143-1)의 측벽들을 덮고, 제2 내부 스페이서(152-2)는 제2 메모리 셀(140-2)의 제5 전극층(141-2)과 제2 선택 소자층(143-2)의 측벽들을 덮을 수 있다. 제1 내부 스페이서(152-1)와 제2 내부 스페이서(152-2)는 메모리 셀들(140-1, 140-2)의 측면을 둘러쌈으로써, 메모리 셀들(140-1, 140-2), 특히 선택 소자층(143-1, 143-2)을 보호하는 기능을 할 수 있다.Referring to FIG. 8 , in a
도 8에는 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 큰 제1 높이(H1)를 갖도록 형성된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 것과는 달리, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)가 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 작을 수도 있다. 8 shows that the first selection element layer 143-1 is formed to have a first height H1 greater than the second height H2 of the second selection element layer 143-2, but this The technical idea of the invention is not limited thereto. Unlike the drawing, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 may be smaller than the second height H2 of the second selection device layer 143-2.
도 8에는 제1 전극층(141-1)과 제5 전극층(141-2)이 동일한 두께로 형성된 것이 예시적으로 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 것과는 달리, 제1 전극층(141-1)이 제5 전극층(141-2)보다 큰 두께를 갖도록 형성될 수도 있고, 제1 전극층(141-1)이 제5 전극층(141-2)보다 작은 두께를 갖도록 형성될 수도 있다. Although FIG. 8 exemplarily shows that the first electrode layer 141-1 and the fifth electrode layer 141-2 are formed to have the same thickness, the technical spirit of the present invention is not limited thereto. Unlike the drawing, the first electrode layer 141-1 may be formed to have a greater thickness than the fifth electrode layer 141-2, and the first electrode layer 141-1 may be formed to have a thickness greater than that of the fifth electrode layer 141-2. It may be formed to have a small thickness.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 전극층(141-1), 제5 전극층(141-2) 및 제1 및 제2 선택 소자층들(143-1, 143-2)은 다마신 공정으로 형성되고, 제2 내지 제4 전극층들(145-1, 147-1, 148-1), 제6 내지 제8 전극층들(145-2, 147-2, 148-2), 및 제1 내지 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)은 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 그에 따라, 제1 전극층(141-1), 제5 전극층(141-2) 및 제1 및 제2 선택 소자층들(143-1, 143-2)은 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 구조를 가질 수 있다. In example embodiments, the first electrode layer 141-1, the fifth electrode layer 141-2, and the first and second selection element layers 143-1 and 143-2 are formed by a damascene process. and the second to fourth electrode layers 145-1, 147-1, and 148-1, the sixth to eighth electrode layers 145-2, 147-2, and 148-2, and the first to second electrode layers. The variable resistance layers 149-1 and 149-2 may be formed through an etching process. Accordingly, the first electrode layer 141-1, the fifth electrode layer 141-2, and the first and second selection element layers 143-1 and 143-2 have a structure in which the width decreases toward the bottom. can
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 전극층(141-1) 및 제1 선택 소자층(143-1)이 다마신 공정으로 형성될 때, 트렌치(미도시) 내 측벽에 제1 내부 스페이서(152-1)가 형성되고, 이후 제1 내부 스페이서(152-1)를 가지는 트렌치 내에 제1 전극층(141-1) 및 제1 선택 소자층(143-1)이 순차적으로 형성되어 상기 트렌치를 채울 수 있다. 이후, 제2 내지 제4 전극층들(145-1, 147-1, 148-1) 및 제1 가변 저항층(149-1)이 형성될 수 있다. 제2 전극층(141-2) 및 제2 선택 소자층(143-2)은 제1 전극층(141-1) 및 제1 선택 소자층(143-1)의 형성 방법과 유사한 방법으로 형성될 수 있다.In example embodiments, when the first electrode layer 141-1 and the first selection device layer 143-1 are formed by a damascene process, the first internal spacer 152 is formed on a sidewall of a trench (not shown). -1) is formed, and then the first electrode layer 141-1 and the first selection device layer 143-1 are sequentially formed in the trench having the first inner spacer 152-1 to fill the trench. there is. Then, the second to fourth electrode layers 145-1, 147-1, and 148-1 and the first variable resistance layer 149-1 may be formed. The second electrode layer 141-2 and the second selection element layer 143-2 may be formed in a method similar to the method of forming the first electrode layer 141-1 and the first selection element layer 143-1. .
도 9를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100C)에서, 제1 메모리 셀(140-1)의 측벽 상에는 제1 상부 스페이서(155-1)가 형성되고, 제2 메모리 셀(140-2)의 측벽 상에는 제2 상부 스페이서(155-2)가 형성될 수 있다. 제1 상부 스페이서(155-1)는 제1 메모리 셀(140-1)의 제1 가변 저항층(149-1)의 측벽을 덮고, 제1 상부 스페이서(155-1)는 제2 메모리 셀(140-2)의 제2 가변 저항층(149-2)의 측벽을 덮을 수 있다. 제1 상부 스페이서(155-1)와 제2 상부 스페이서(155-2)는 메모리 셀들(140-1, 140-2)의 측면을 둘러쌈으로써, 메모리 셀들(140-1, 140-2), 특히 가변 저항층(149-1, 149-2)을 보호하는 기능을 할 수 있다.Referring to FIG. 9 , in a
도 9에는 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 큰 제1 높이(H1)를 갖도록 형성된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도시된 것과는 달리, 제1 선택 소자층(143-1)의 제1 높이(H1)가 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 작을 수도 있다. 9 shows that the first selection element layer 143-1 is formed to have a first height H1 greater than the second height H2 of the second selection element layer 143-2, but this The technical idea of the invention is not limited thereto. Unlike the drawing, the first height H1 of the first selection device layer 143-1 may be smaller than the second height H2 of the second selection device layer 143-2.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 및 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)은 다마신 공정으로 형성되고, 제1 내지 제4 전극층들(141-1, 145-1, 147-1, 148-1), 제1 및 제2 선택 소자층들(143-1, 143-2) 및 제5 내지 제8 전극층들(141-2, 145-2, 147-2, 148-2)은 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 그에 따라, 제1 및 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)은 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 구조를 가질 수 있다. In example embodiments, the first and second variable resistance layers 149-1 and 149-2 are formed by a damascene process, and the first to fourth electrode layers 141-1, 145-1, 147-1, 148-1), first and second selection element layers 143-1 and 143-2, and fifth to eighth electrode layers 141-2, 145-2, 147-2, 148- 2) may be formed through an etching process. Accordingly, the first and second variable resistance layers 149-1 and 149-2 may have a structure in which a width becomes narrower toward the bottom.
예시적인 실시예들에 있어서, 제1 가변 저항층(149-1)이 다마신 공정으로 형성될 때, 트렌치(미도시) 내 측벽에 제1 상부 스페이서(155-1)가 형성되고, 이후 제1 상부 스페이서(155-1)를 가지는 트렌치 내에 상기 트렌치를 채우는 제1 가변 저항층(149-1)이 형성될 수 있다. 제2 가변 저항층(149-1)은 제1 가변 저항층(149-1)의 형성 방법과 유사한 방법으로 형성될 수 있다.In example embodiments, when the first variable resistance layer 149-1 is formed by a damascene process, a first upper spacer 155-1 is formed on a sidewall of a trench (not shown), and then a second upper spacer 155-1 is formed. A first variable resistance layer 149 - 1 filling the trench may be formed in the trench having one upper spacer 155 - 1 . The second variable resistance layer 149-1 may be formed in a method similar to that of the first variable resistance layer 149-1.
도 10을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100D)에서, 가변 저항층(149-1, 149-2)이 "L"형 단면의 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 내지 제4 전극층들(141-1, 145-1, 147-1, 148-1), 제1 및 제2 선택 소자층들(143-1, 143-2) 및 제5 내지 제8 전극층들(141-2, 145-2, 147-2, 148-2)은 식각 공정을 통해 형성될 수 있고, 제1 및 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)은 다마신 공정으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 10 , in the
제1 및 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)의 측면에 상부 스페이서들(155-1, 155-2)이 형성될 수 있다. 다만, 제1 및 제2 가변 저항층들(149-1, 149-2)이 "L"형 단면 구조로 형성됨에 따라, 상부 스페이서들(155-1, 155-2)은 비대칭 구조로 형성될 수 있다. Upper spacers 155-1 and 155-2 may be formed on side surfaces of the first and second variable resistance layers 149-1 and 149-2. However, as the first and second variable resistance layers 149-1 and 149-2 are formed in an “L” cross-sectional structure, the upper spacers 155-1 and 155-2 are formed in an asymmetric structure. can
가변 저항층(149-1, 149-2)을 형성하기 위한 예시적인 공정에서, 제3 전극층(147-1) 및 제7 전극층(147-2)의 각각 상에 절연층을 형성하고, 절연층에 트렌치를 형성한다. 트렌치는 인접하는 제1 선택 소자층들(143-1) 및 인접하는 제2 선택 소자층들(143-2)?? 각각을 오버랩하도록 넓게 형성한다. 다음, 트렌치 내부 및 절연층 상에 가변 저항층을 구성할 제1 물질층으로 얇게 형성한 후, 제1 물질층 상에 상부 스페이서를 구성할 제2 물질층을 형성한다. 이후 절연층의 상면이 노출되도록 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 등을 통해 평탄화한다. 평탄화 후, 메모리 셀들(140-1, 140-2)과 정렬되는 마스크 패턴을 이용하여 제1 물질층과 제2 물질층을 식각함으로써, "L"형 단면을 구조의 가변 저항층(149-1, 149-2) 및 가변 저항층(149-1, 149-2) 측벽들 상에 상부 스페이서(155-1, 155-2)를 각각 형성할 수 있다.In an exemplary process for forming the variable resistance layers 149-1 and 149-2, an insulating layer is formed on each of the third electrode layer 147-1 and the seventh electrode layer 147-2, and the insulating layer form a trench in The trench is formed between the adjacent first selection device layers 143-1 and the adjacent second selection device layers 143-2. Widely formed to overlap each other. Next, a first material layer to form a variable resistance layer is thinly formed inside the trench and on the insulating layer, and then a second material layer to form an upper spacer is formed on the first material layer. Thereafter, planarization is performed through CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like so that the upper surface of the insulating layer is exposed. After planarization, the first material layer and the second material layer are etched using a mask pattern aligned with the memory cells 140-1 and 140-2 to form an “L” cross-section of the variable resistance layer 149-1. , 149-2) and sidewalls of the variable resistance layers 149-1 and 149-2, upper spacers 155-1 and 155-2 may be formed, respectively.
도 11을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100E)에서, 가변 저항층(149-1, 149-2)이 "I"형 단면 구조를 갖도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 11 , in the
"I"형 단면 구조의 가변 저항층(149-1, 149-2)은 "L"형 단면 구조로 형성하는 방법과 유사한 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 트렌치 내부 및 절연층 상에 가변 저항층을 구성할 제1 물질층을 얇게 형성한 후, 이방적 식각을 통해 트렌치 측벽으로만 상기 제1 물질층을 남긴다. 이후, 남은 상기 제1 물질층을 덮도록 제2 물질층을 형성한다. 이후 상기 절연층의 상면이 노출되도록 CMP 등을 통해 평탄화한다. 평탄화 후, 메모리 셀들(140-1, 140-2)에 정렬되는 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 이용하여 상기 제2 물질층을 식각함으로써, "I"형 단면 구조의 가변 저항층(149-1, 149-2) 및 상부 스페이서(155-1, 155-2)를 형성할 수 있다.The variable resistance layers 149-1 and 149-2 having an “I” cross-sectional structure may be formed in a similar manner to the method of forming the “L” cross-sectional structure. For example, after forming a thin first material layer to form a variable resistance layer on the inside of the trench and on the insulating layer, only the sidewall of the trench is left through anisotropic etching. Thereafter, a second material layer is formed to cover the remaining first material layer. Thereafter, planarization is performed through CMP or the like so that the upper surface of the insulating layer is exposed. After planarization, a mask pattern aligned with the memory cells 140-1 and 140-2 is formed, and the second material layer is etched using the mask pattern, thereby forming the variable resistance layer 149 having an “I” cross-sectional structure. -1 and 149-2) and upper spacers 155-1 and 155-2 may be formed.
도 12를 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100F)에서, 제1 가변 저항층(149-1)과 제3 전극층(147-1) 사이에 제1 가열 전극층(146-1)이 더 형성되고, 제2 가변 저항층(149-2)과 제8 전극층(148-2) 사이에 제2 가열 전극층(146-2)이 더 형성될 수 있다. Referring to FIG. 12 , in the
도 12에 예시적으로 도시된 것과 같이, 제2 도전 라인(120)으로부터 제1 도전 라인(110)을 향하는 방향을 따라 제1 가변 저항층(149-1)과 제1 가열 전극층(146-1)이 순서대로 배열되며, 제2 도전 라인(120)으로부터 제3 도전 라인(130)을 향하는 방향을 따라 제2 가변 저항층(149-2)과 제2 가열 전극층(146-2)이 순서대로 배열될 수 있다. 12, the first variable resistance layer 149-1 and the first heating electrode layer 146-1 along the direction from the second
제1 메모리 셀(140-1)에서의 제1 가변 저항층(149-1)과 제1 가열 전극층(146-1)의 배열이 제2 도전 라인(120)을 중심으로 제2 메모리 셀(140-2)에서의 제2 가변 저항층(149-2)과 제2 가열 전극층(146-2)의 배열과 대칭 구조를 가짐에 따라, 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2) 사이의 저항값 차이가 감소될 수 있다. 예를 들어, 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2)이 GeSbTe 물질을 포함할 때, 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2) 내에서 양이온(예를 들어 Sb+)의 확산 속도와 음이온(예를 들어 Te-)의 확산 속도는 다를 수 있다. 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2)에 각각 음의 전압과 양의 전압이 인가되는 경우에, 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2) 내에서의 양이온과 음이온의 확산 속도 차이에 의해 국부적인 농도 변화가 유발될 수 있고, 이에 따라 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2)의 저항값이 서로 달라질 수 있다. The arrangement of the first variable resistance layer 149-1 and the first heating electrode layer 146-1 in the first memory cell 140-1 is centered on the second
그러나, 예시적인 실시예들에 따르면, 제1 메모리 셀(140-1)에서의 제1 가변 저항층(149-1)과 제1 가열 전극층(146-1)의 적층 구조가 제2 도전 라인(120)을 중심으로 제2 메모리 셀(140-2)에서의 제2 가변 저항층(149-2)과 제2 가열 전극층(146-2)의 적층 구조와 대칭 구조를 가질 수 있고, 따라서 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2) 사이의 저항값 차이가 감소되어 제1 메모리 셀(140-1)과 제2 메모리 셀(140-2)은 균일한 동작 특성을 가질 수 있다.However, according to exemplary embodiments, the stack structure of the first variable resistance layer 149-1 and the first heating electrode layer 146-1 in the first memory cell 140-1 is the second conductive line ( 120) may have a stacked structure of the second variable resistance layer 149-2 and the second heating electrode layer 146-2 in the second memory cell 140-2, and a symmetrical structure. Since the resistance difference between the variable resistance layer 149-1 and the second variable resistance layer 149-2 is reduced, the first memory cell 140-1 and the second memory cell 140-2 operate uniformly. may have characteristics.
도 13을 참조하면, 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100G)에서, 제1 가변 저항층(149-1)과 제4 전극층(148-1) 사이에 제1 가열 전극층(146-1)이 더 형성되고, 제2 가변 저항층(149-2)과 제7 전극층(147-2) 사이에 제2 가열 전극층(146-2)이 더 형성될 수 있다. Referring to FIG. 13 , in the
도 13에 예시적으로 도시된 것과 같이, 제1 메모리 셀(140-1)에서의 제1 가변 저항층(149-1)과 제1 가열 전극층(146-1)의 배열이 제2 도전 라인(120)을 중심으로 제2 메모리 셀(140-2)에서의 제2 가변 저항층(149-2)과 제2 가열 전극층(146-2)의 배열과 대칭을 이룰 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 가변 저항층(149-1) 및 제2 가변 저항층(149-2) 사이의 저항값 차이가 감소되어 제1 메모리 셀(140-1)과 제2 메모리 셀(140-2)은 균일한 동작 특성을 가질 수 있다.13, the arrangement of the first variable resistance layer 149-1 and the first heating electrode layer 146-1 in the first memory cell 140-1 is the second conductive line ( 120 as the center, the arrangement of the second variable resistance layer 149-2 and the second heating electrode layer 146-2 in the second memory cell 140-2 may be symmetrical. As described above, the difference in resistance value between the first variable resistance layer 149-1 and the second variable resistance layer 149-2 is reduced so that the first memory cell 140-1 and the second memory cell 140 -2) may have uniform operating characteristics.
도 10 내지 도 13에서, 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 큰 제1 높이(H1)를 갖도록 형성된 것이 예시적으로 도시되었으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 선택 소자층(143-1)이 제2 선택 소자층(143-2)의 제2 높이(H2)보다 작은 제1 높이(H1)을 갖도록 형성될 수도 있다.10 to 13, the first selection device layer 143-1 is formed to have a first height H1 greater than the second height H2 of the second selection device layer 143-2 by way of example. Although illustrated, the technical spirit of the present invention is not limited thereto, and the first selection element layer 143-1 has a first height H1 smaller than the second height H2 of the second selection element layer 143-2. It may be formed to have.
도 1 내지 도 13을 참조로 설명한 실시예들에서 제1 내지 제3 도전 라인(110, 120, 130) 사이에서 제1 및 제2 메모리 셀(140-1, 140-2)이 수직 방향으로 배열된 구조에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 제3 도전 라인(130) 상에 절연층(미도시)이 형성되고, 상기 절연층 상에 도 1 내지 도 13을 참조로 설명한 크로스 포인트 어레이를 갖는 적층 구조 중 적어도 하나의 적층 구조가 추가로 배치될 수도 있다. In the embodiments described with reference to FIGS. 1 to 13 , the first and second memory cells 140 - 1 and 140 - 2 are vertically arranged between the first to third
도 14는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(200)를 나타내기 위한 사시도이다. 도 15는 도 14의 2A-2A' 선을 따른 단면도이다.14 is a perspective view illustrating a
도 14 및 도 15를 참조하면, 메모리 소자(200)는 기판(102) 상의 제1 레벨에 형성된 구동 회로 영역(210)과, 기판(102) 상의 제2 레벨에 형성된 메모리 셀 어레이 영역(MCA)을 포함할 수 있다. 14 and 15 , the
여기서, 용어 "레벨"은 기판(102)으로부터 수직 방향(도 14 및 도 15에서 Z 방향)을 따르는 높이를 의미한다. 기판(102) 상에서 상기 제1 레벨은 상기 제2 레벨보다 기판(102)에 더 가깝다.Here, the term “level” means a height from the
구동 회로 영역(210)은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)의 메모리 셀들을 구동하기 위한 주변 회로들 또는 구동 회로들이 배치되는 영역들일 수 있다. 예를 들어, 구동 회로 영역(210)에 배치되는 주변 회로들은 메모리 셀 어레이 영역(MCA)으로 입력/출력되는 데이터를 고속으로 처리할 수 있는 회로들일 수 있다. 예를 들어 상기 주변 회로들은 페이지 버퍼(page buffer), 래치 회로(latch circuit), 캐시 회로(cache circuit), 칼럼 디코더(column decoder), 감지 증폭기(sense amplifier), 데이터 인/아웃 회로(data in/out circuit) 또는 로우 디코더(row decoder) 등일 수 있다.The driving
기판(102)에는 소자 분리막(104)에 의해주변회로(또는 구동 회로)용 활성 영역(AC)이 정의될 수 있다. 기판(102)의 활성 영역(AC) 위에는 구동회로 영역 210의주변회로를구성하는 복수의 트랜지스터(TR)가 형성될 수 있다. 복수의 트랜지스터(TR)는 각각 게이트(G), 게이트 절연막(GD), 및 소스/드레인 영역(SD)을 포함할 수 있다. 게이트(G)의 양 측벽은 절연 스페이서(106)로 덮일 수 있고, 게이트(G) 및 절연 스페이서(106) 위에 식각 정지막(108)이 형성될 수 있다. 식각 정지막(108)은 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등의 절연 물질을 포함할 수 있다.An active region AC for a peripheral circuit (or a driving circuit) may be defined on the
식각 정지막(108) 상에 복수의 층간 절연막(212A, 212B, 212C)이 순차적으로 적층될 수 있다. 복수의 층간 절연막(212A, 212B, 212C)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물 등을 포함할 수 있다.A plurality of
구동 회로 영역(210)은 복수의 트랜지스터(TR)에 전기적으로 연결되는 다층 배선 구조(214)를 포함한다. 다층 배선 구조(214)는 복수의 층간 절연막(212A, 212B, 212C)에 의해 덮힐 수 있다.The driving
다층 배선 구조(214)는 기판(102) 상에 차례로 순차적으로 적층되고 상호 전기적으로 연결되는 제1 콘택(216A), 제1 배선층(218A), 제2 콘택(216B), 및 제2 배선층(218B)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1 배선층(218A) 및 제2 배선층(218B)은 금속, 도전성 금속 질화물, 금속 실리사이드, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 배선층(218A) 및 제2 배선층(218B)은 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 코발트, 탄탈륨, 니켈, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 코발트 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 니켈 실리사이드 등과 같은 도전 물질을 포함할 수 있다.The
도 15에서, 다층 배선 구조(214)가 제1 배선층(218A) 및 제2 배선층(218B)을 포함하는 2 층의 배선 구조를 가지는 것으로 예시되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 도 15에 예시된 바에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 구동 회로 영역(210)의 레이아웃, 게이트(G)의 종류 및 배열에 따라 다층 배선 구조(214)가 3 층 또는 그 이상의 다층 배선 구조를 가질 수도 있다.In FIG. 15, the
복수의 층간 절연막(212A, 212B, 212C) 상에는 상부 층간 절연막(220)이 형성될 수 있다. 메모리 셀 어레이 영역(MCA)은 상부 층간 절연막(220) 상에 배치될 수 있다. 메모리 셀 어레이 영역(MCA)에 도 1 내지 도 13을 참조로 설명한 메모리 소자(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G) 또는 이들의 조합이 배치될 수 있다.An upper
도시되지는 않았지만, 메모리 셀 어레이 영역(MCA)의 메모리 셀들과 구동 회로 영역(210)의 주변회로들과의 사이에 연결되는 배선 구조물(미도시)이 상부 층간 절연막(220)을 관통하여 배치될 수 있다.Although not shown, a wiring structure (not shown) connected between the memory cells of the memory cell array area MCA and the peripheral circuits of the driving
예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(200)에 따르면, 구동 회로 영역(210) 상부에 메모리 셀 어레이 영역(MCA)이 배치됨에 따라, 메모리 소자(200)의 집적도가 더욱 높아질 수 있다.According to the
도 16a 내지 도 16i는 예시적인 실시예들에 따른 메모리 소자(100)의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.16A to 16I are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of the
도 16a 내지 도 16i를 참조하여 도 2 및 도 3에 예시한 메모리 소자(100)의 제조 방법을 설명한다. 도 16a 내지 도 16i에는 각각 도 2의 A-A' 선 단면에 대응하는 부분의 단면 구성과, 도 2의 B-B' 선 단면에 대응하는 부분의 단면 구성이 공정 순서에 따라 도시되어 있다. 도 16a 내지 도 16i에 있어서, 도 1 내지 도 15에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 따라서 여기서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.A method of manufacturing the
도 16a를 참조하면, 기판(101) 상에 층간 절연막(105)을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예들에 있어서, 기판(101) 상에 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물 및 실리콘 질화물 중 적어도 하나를 이용하여 층간 절연막(105)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 16A , an
층간 절연막(105) 상에 제1 도전층(110P)을 형성하고, 상기 제1 도전층(110P) 위에 예비 제1 전극층(141-1P), 예비 제1 선택 소자층(143-1P), 예비 제2 전극층(145-1P), 예비 제3 전극층(147-1P), 예비 제1 가변 저항층(149-1P) 및 예비 제4 전극층(148-1P)이 차례로 적층된 크로스 포인트 어레이 형성용 제1 적층 구조(CPS1)를 형성한다.A first
제1 도전층(110P), 예비 제1 전극층(141-1P), 예비 제1 선택 소자층(143-1P), 예비 제2 전극층(145-1P), 예비 제3 전극층(147-1P), 예비 제1 가변 저항층(149-1P) 및 예비 제4 전극층(148-1P)의 물질은 각각 도 2 및 도 3에서 설명한 제1 도전 라인(110), 제1 전극층(141-1), 제1 선택 소자층(143-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1), 제1 가변 저항층(149-1) 및 제4 전극층(148-1)에 대하여 설명한 것과 동일하다.A first
이후, 제1 적층 구조(CPS1) 위에 제1 마스크 패턴(410)을 형성한다.Thereafter, a
제1 마스크 패턴(410)은 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)을 따라 연장되고 제2 방향(Y방향)(도2 참조)으로 서로 이격된 복수의 라인 패턴으로 이루어질 수 있다. 제1 마스크 패턴(410)은 단일층 또는 복수의 막들이 적층된 다중층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 마스크 패턴(410)은 포토레지스트 패턴, 실리콘 산화물 패턴, 실리콘 질화물 패턴, 실리콘 산질화물 패턴, 폴리실리콘 패턴, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 상기 예시된 물질들에 한정되는 것은 아니며, 다양한 물질들을 사용하여 제1 마스크 패턴(410)을 구성할 수 있다.The
도 16b를 참조하면, 제1 적층 구조(CPS1)가 복수의 제1 적층 라인(CPL1)으로 분리되고 제1 도전층(110P)이 복수의 제1 도전 라인(110)으로 분리되도록 제1 마스크 패턴(410)을 식각 마스크로 이용하여 제1 적층 구조(CPS1), 및 제1 도전층(110P)을 차례로 이방성 식각한다.Referring to FIG. 16B , the first mask pattern is such that the first stacked structure CPS1 is separated into a plurality of first stacked lines CPL1 and the first
그 결과, 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인(110) 및 복수의 제1 적층 라인(CPL1)이 형성될 수 있다. 복수의 제1 적층 라인(CPL1)은 각각 제1 전극층 라인(141-1L), 제1 선택 소자층 라인(143-1L), 제2 전극층 라인(145-1L), 제3 전극층 라인(147-1L), 제1 가변 저항층 라인(149-1L) 및 제4 전극층 라인(148-1L)을 포함할 수 있고 제2 방향(Y방향)(도 2 참조)으로 서로 분리될 수 있다. 복수의 도전 라인(110)은 제1 방향으로 연장되고 제2 방향으로 서로 분리되어 제1 도전 라인층(110L)을 형성한다.As a result, a plurality of first
또한, 이방성 식각 공정에 의해 복수의 제1 도전 라인(110) 및 복수의 제1 적층 라인(CPL1) 각각의 사이에 제1 방향(X 방향)으로 연장되고 제2 방향(Y 방향)으로 서로 분리되는 는 복수의 제1 갭(GX1)이 형성될 수 있다. 복수의 제1 갭(GX1)이 형성됨에 따라, 기판(101)의 상면 일부분이 복수의 제1 갭(GX1) 내에 다시 노출될 수 있다.In addition, by the anisotropic etching process, each of the plurality of first
도 16c를 참조하면, 제1 마스크 패턴(410)(도 16b 참조)을 제거하고, 제4 전극층 라인(148-1L)의 상면을 노출시킨 후, 복수의 제1 갭(GX1)을 각각 채우는 제1 절연층(162-1)을 형성한다.Referring to FIG. 16C , after removing the first mask pattern 410 (see FIG. 16B ), exposing the upper surface of the fourth electrode layer line 148-1L, and then filling the plurality of first gaps GX1, respectively, 1 insulating layer 162-1 is formed.
예시적인 실시예들에 있어서, 기판(101) 상에 절연 물질을 사용하여 복수의 제1 갭(GX1)을 채우고, 복수의 제1 적층 라인(CPL1) 상면이 노출될 때까지 상기 절연 물질 상부를 평탄화하여 제1 절연층(162-1)을 형성할 수 있다.In example embodiments, a plurality of first gaps GX1 are filled using an insulating material on the
제1 절연층(162-1)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 이루어질 수 있다. 제1 절연층(160P)은 한 종류의 절연층, 또는 복수의 절연층으로 이루어질 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.The first insulating layer 162-1 may be formed of a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, or a silicon oxynitride layer. The first insulating layer 160P may include one kind of insulating layer or a plurality of insulating layers. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
도 16d를 참조하면, 제4 전극층 라인(148-1L)의 노출된 상면 및 제1 절연층(162-1)의 노출된 상면 위에 제2 도전층(120P)을 형성한다.Referring to FIG. 16D , a second
이후, 제2 도전층(120P) 위에 예비 제5 전극층(141-2P), 예비 제2 선택 소자층(143-2P), 예비 제6 전극층(145-2P), 예비 제7 전극층(147-2P), 예비 제2 가변 저항층(149-2P) 및 예비 제8 전극층(148-2P)이 차례로 적층된 제2 적층 구조(CPS2)를 형성한다.Subsequently, a preliminary fifth electrode layer 141-2P, a preliminary second selection element layer 143-2P, a preliminary sixth electrode layer 145-2P, and a preliminary seventh electrode layer 147-2P are formed on the second
제2 도전층(120P), 예비 제5 전극층(141-2P), 예비 제2 선택 소자층(143-2P), 예비 제6 전극층(145-2P), 예비 제7 전극층(147-2P), 예비 제2 가변 저항층(149-2P) 및 예비 제8 전극층(148-2P)의 물질은 각각 도 2 및 도 3에서 설명한 제2 도전 라인(120), 제5 전극층(141-2), 제2 선택 소자층(143-2), 제6 전극층(145-2), 제7 전극층(147-2), 가변 저항층(149-2) 및 제8 전극층(148-2)에 대하여 설명한 것과 동일하다.A second
이후, 제2 적층 구조(CPS2) 위에 제2 마스크 패턴(420)을 형성한다. 제2 마스크 패턴(420)은 제2 방향(Y 방향)(도 2 참조)을 따라 연장되고 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)으로 서로 이격된 복수의 라인 패턴으로 이루어질 수 있다.Thereafter, a
도 16e를 참조하면, 제2 적층 구조(CPS2)가 복수의 제2 적층 라인(CPL2)으로 분리되고 제2 도전층(120P)이 복수의 제2 도전 라인(120)으로 분리되며, 복수의 제1 적층 라인(CPL1) 각각이 복수의 제1 적층 패턴(CPP1)으로 분리되도록 제2 마스크 패턴(420)을 식각 마스크로 이용하여 제2 적층 구조(CPS2), 제2 도전층(120P) 및 복수의 제1 적층 라인(CPL1)을 차례로 이방성 식각한다.Referring to FIG. 16E , the second stacked structure CPS2 is divided into a plurality of second stacked lines CPL2, the second
그 결과, 제2 방향(Y 방향)(도 2 참조)으로 연장되고 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)으로 이격된 복수의 제2 적층 라인(CPL2), 제2 방향으로 연장되고 제1 방향으로 이격된 복수의 제2 도전 라인(120)이 형성된다. , 또한, 제1 방향)과 제2 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 제1 적층 패턴(CPP1)이 형성될 수 있다 복수의 제2 도전 라인(120)은 제2 도전 라인층(120L)을 형성할 수 있다. 복수의 제2 적층 라인(CPL2)은 각각 제5 전극층 라인(141-2L), 제2 선택 소자층 라인(143-2L), 제6 전극층 라인(145-2L), 제7 전극층 라인(147-2L), 제2 가변 저항층 라인(149-2L) 및 제8 전극층 라인(148-2L)을 포함할 수 있다. 복수의 제1 적층 패턴(CPP1)은 각각 제1 전극층(141-1), 제1 선택 소자층(143-1), 제2 전극층(145-1), 제3 전극층(147-1), 제1 가변 저항층(149-1) 및 제4 전극층(148-1)을 포함할 수 있다.As a result, a plurality of second stacked lines CPL2 extending in the second direction (Y direction) (see FIG. 2 ) and spaced apart in the first direction (X direction) (see FIG. 2 ), extending in the second direction and A plurality of second
또한, 이방성 식각 공정에 의해 복수의 제2 적층 라인(CPL2), 및 복수의 제2 도전 라인(120) 사이, 및 복수의 제1 적층 패턴(CPP1) 사이에서 제2 방향으로 연장되고 제1 방향에서 서로 분리되는 복수의 제2 갭(GY1)이 형성될 수 있다.In addition, the anisotropic etching process extends in the second direction between the plurality of second stacked lines CPL2 and the plurality of second
예시적인 실시예들에서, 상기 이방성 식각 공정은 복수의 제1 도전 라인(110)의 상면이 노출될 때까지 수행될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 이방성 식각 공정에 의하여 복수의 제1 도전 라인(110) 상측에 소정의 깊이를 가지는 리세스부(도시 생략)가 형성될 수도 있다.In example embodiments, the anisotropic etching process may be performed until upper surfaces of the plurality of first
다른 실시예들에 있어서, 제1 전극층 라인(141-1L)(도 16g 참조)의 상면이 노출될 때까지 상기 이방성 식각 공정이 수행되고, 이후, 복수의 제1 도전 라인(110)에 대하여 제1 전극층 라인(141-1L)이 식각 선택비를 갖는 식각 공정을 수행하여 복수의 제2 갭(GY1) 내에 노출된 제1 전극층 라인(141-1L) 부분을 제거하여, 복수의 제1 도전 라인(110)의 상면이 노출될 수 있다.In other embodiments, the anisotropic etching process is performed until the upper surface of the first electrode layer line 141 - 1L (see FIG. 16G ) is exposed, and then the plurality of first
도 16f를 참조하면, 제2 마스크 패턴(420)(도 16e 참조)을 제거하여 제2 적층 라인(CPL2)의 상면을 노출시킨 후, 복수의 제2 갭(GY1)을 채우는 제2 절연층(163)을 형성한다.Referring to FIG. 16F, after the second mask pattern 420 (see FIG. 16E) is removed to expose the upper surface of the second stacking line CPL2, a second insulating layer (which fills the plurality of second gaps GY1) 163) form.
예시적인 실시예들에 있어서, 복수의 제1 도전 라인(110), 복수의 제1 적층 패턴(CPP1) 및 복수의 제2 적층 라인(CPL2) 상에 절연 물질을 사용하여 복수의 제2 갭(GY1)을 채우고, 복수의 제2 적층 라인(CPL2) 상면이 노출될 때까지 상기 절연 물질 상부를 평탄화하여 제2 절연층(163)을 형성할 수 있다.In example embodiments, a plurality of second gaps ( The second
도 16g를 참조하면, 복수의 제2 적층 라인(CPL2) 및 제2 절연층(163) 상에 제3 도전층(130P)을 형성한다.Referring to FIG. 16G , a third
이후, 제3 도전층(130P) 상에 제3 마스크 패턴(430)을 형성한다. 제3 마스크 패턴(430)은 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)을 따라 연장되고 제2 방향(Y 방향)(도2 참조)로 이격된 복수의 라인 패턴으로 이루어질 수 있다.Thereafter, a
도 16h를 참조하면, 제3 도전층(130P)이 복수의 제3 도전 라인(130)으로 분리되고 복수의 제2 적층 라인(CPL2) 각각이 복수의 제2 적층 패턴(CPP2)으로 분리되도록 제3 마스크 패턴(430)을 식각 마스크로 이용하여 제3 도전층(130P) 및 복수의 제2 적층 라인(CPL2)을 차례로 이방성 식각한다.Referring to FIG. 16H , the third
그 결과, 제1 방향(X 방향)(도 2 참조)으로 연장되고 제2 방향으로 이격되는 복수의 제3 도전 라인(130)과, 제1 방향 및 제2 방향으로 이격되어 배치되는 복수의 제2 적층 패턴(CPP2)이 형성된다. 복수의 제3 도전 라인(130)은 제3 도전 라인층(130L)을 형성할 수 있다. 복수의 제2 적층 패턴(CPP2)은 각각 제5 전극층(141-2), 제2 선택 소자층(143-2), 제6 전극층(145-2), 제7 전극층(147-2), 제2 가변 저항층(149-2) 및 제8 전극층(148-2)을 포함할 수 있다.As a result, a plurality of third
또한, 이방성 식각 공정에 의해 복수의 제3 도전 라인(130) 각각의 사이 및 복수의 제2 적층 패턴(CPP2) 각각의 사이에서 제1 방향으로 연장되고 제2 방향으로 이격된 복수의 제3 갭(GX2)이 형성될 수 있다.In addition, a plurality of third gaps extending in the first direction and spaced apart in the second direction between each of the plurality of third
예시적인 실시예들에서, 상기 이방성 식각 공정은 복수의 제2 도전 라인(120)의 상면이 노출될 때까지 수행될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 상기 이방성 식각 공정에 의하여 복수의 제2 도전 라인(120) 상측에 소정의 깊이를 가지는 리세스부(도시 생략)가 형성될 수도 있다. In example embodiments, the anisotropic etching process may be performed until upper surfaces of the plurality of second
다른 실시예들에 있어서, 제5 전극층 라인(141-2L)의 상면이 노출될 때까지 상기 이방성 식각 공정이 수행되고, 이후, 복수의 제2 도전 라인(120)에 대하여 제5 전극층 라인(141-2L)의 식각 선택비를 갖는 식각 공정을 수행하여 복수의 제3 갭(GX2) 내에 노출된 제5 전극층 라인(141-2L) 부분을 제거할 수 있고, 이에 따라 복수의 제2 도전 라인(120)의 상면이 노출될 수 있다.In other embodiments, the anisotropic etching process is performed until the upper surface of the fifth electrode layer line 141 - 2L is exposed, and then the fifth electrode layer line 141 is applied to the plurality of second
도 16i를 참조하면, 제3 마스크 패턴(430)(도 16h 참조)을 제거하여 복수의 제2 적층 패턴(CPP2)(도 16h 참조)의 상면을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 16I , upper surfaces of the plurality of second stacked patterns CPP2 (see FIG. 16H ) may be exposed by removing the third mask pattern 430 (see FIG. 16H ).
이후, 복수의 제3 갭(GX2)을 채우는 제3 절연층(162-2)을 형성할 수 있다.Thereafter, a third insulating layer 162 - 2 may be formed to fill the plurality of third gaps GX2 .
예시적인 실시예들에 있어서, 복수의 제3 도전 라인(130) 및 복수의 제2 적층 패턴(CPP2) 상에 절연 물질을 사용하여 복수의 제3 갭(GX2)을 채우고, 복수의 제3 도전 라인(130) 상면이 노출될 때까지 상기 절연 물질 상부를 평탄화하여 제3 절연층(162-2)을 형성할 수 있다.In example embodiments, the plurality of third gaps GX2 are filled by using an insulating material on the plurality of third
전술한 공정을 수행하여, 메모리 소자(100)가 완성될 수 있다.By performing the above process, the
복수의 제1 적층 패턴들(CPP1)은 복수의 제1 메모리 셀들(140-1)이 되고, 복수의 제2 적층 패턴(CPP2)은 복수의 제2 메모리 셀들(140-2)이 될 수 있다. 또한 복수의 제1 메모리 셀들(140-1)은 제1 메모리 셀층(MCL1)을 이루고, 복수의 제1 메모리 셀들(140-1)은 제1 메모리 셀층(MCL2)을 이룰 수 있다.The plurality of first stacking patterns CPP1 may become the plurality of first memory cells 140 - 1 , and the plurality of second stacking patterns CPP2 may become the plurality of second memory cells 140 - 2 . . Also, the plurality of first memory cells 140 - 1 may form the first memory cell layer MCL1 , and the plurality of first memory cells 140 - 1 may form the first memory cell layer MCL2 .
상기 메모리 소자(100)의 제조 방법에 따르면, 제1 방향으로 연장되는 제1 마스크 패턴(410)을 이용한 제1 패터닝 공정, 제2 방향으로 연장되는 제2 마스크 패턴(420)을 이용한 제2 패터닝 공정, 및 제1 방향으로 연장되는 제3 마스크 패턴(430)을 이용한 제3 패터닝 공정을 순차적으로 수행할 수 있다. 그 결과, 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 도전 라인(110), 제2 방향으로 연장되는 복수의 제2 도전 라인(120), 제1 방향으로 연장되는 복수의 제3 도전 라인(130), 복수의 제1 도전 라인(110)과 복수의 제2 도전 라인(120) 사이의 교차 지점에 각각 배치되는 복수의 제1 메모리 셀(140-1), 및 복수의 제2 도전 라인(120)과 복수의 제3 도전 라인(130) 사이의 교차 지점에 각각 배치되는 복수의 제2 메모리 셀(140-2)이 형성될 수 있다.According to the method of manufacturing the
상기 제조 방법에 따르면, 총 3회의 패터닝 공정 만을 사용하여 복수의 메모리 셀들(140-1, 140-2)을 형성할 수 있기 때문에, 패터닝 공정에서 가변 저항층(149-1, 149-2) 및/또는 선택 소자층(143-1, 143-2)이 식각 분위기에 노출될 때 발생할 수 있는 가변 저항층(149-1, 149-2) 및/또는 선택 소자층(143-1, 143-2)의 열화 또는 손상이 방지될 수 있다. 또한, 메모리 소자(100)의 제조 비용이 절감될 수 있다.According to the manufacturing method, since the plurality of memory cells 140-1 and 140-2 can be formed using only three patterning processes, the variable resistance layers 149-1 and 149-2 and / or the variable resistance layers 149-1 and 149-2 and/or the selection device layers 143-1 and 143-2 that may occur when the selection device layers 143-1 and 143-2 are exposed to an etching atmosphere ) can be prevented from deterioration or damage. In addition, the manufacturing cost of the
도 17은 예시적인 실시예에 따른 메모리 소자에 대한 블록 구성도이다.Fig. 17 is a block configuration diagram of a memory device according to an exemplary embodiment.
도 17을 참조하면, 메모리 소자(800)는 메모리 셀 어레이(810), 디코더(820), 리드/라이트 회로(830), 입출력 버퍼(840), 및 컨트롤러(850)를 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(810)는 도 1 내지 도 15에 예시한 메모리 소자(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 200) 중 적어도 하나의 메모리 소자를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 17 , a
메모리 셀 어레이(810) 내의 복수의 메모리 셀은 워드 라인(WL)을 통해 디코더(820)와 접속되고, 비트 라인(BL)을 통해 리드/라이트 회로(830)에 접속될 수 있다. 디코더(820)는 외부 어드레스(ADD)를 인가받으며, 제어 신호(CTRL)에 따라 동작하는 컨트롤러(850)의 제어에 의해 메모리 셀 어레이(810) 내의 접근하고자 하는 로우 어드레스 및 컬럼 어드레스를 디코딩할 수 있다. A plurality of memory cells in the
리드/라이트 회로(830)는 입출력 버퍼(840) 및 데이터 라인(DL)으로부터 데이터(DATA)를 제공받아, 컨트롤러(850)의 제어에 의해 메모리 셀 어레이(810)의 선택된 메모리 셀에 데이터를 기록하거나, 컨트롤러(850)의 제어에 따라 메모리 셀 어레이(810)의 선택된 메모리 셀로부터 독출한(read) 데이터를 입출력 버퍼(840)로 제공할 수 있다. The read/
도 18은 예시적인 실시예들에 따른 전자 시스템에 대한 블록 구성도이다.18 is a block diagram of an electronic system according to example embodiments.
도 18을 참조하면, 전자 시스템(1100)은 메모리 시스템(1110), 프로세서(1120), RAM(1130), 입출력 장치(1140) 및 전원 장치(1150) 포함할 수 있다. 또한, 메모리 시스템(1110)은 메모리 소자(1112) 및 메모리 컨트롤러(1114)를 포함할 수 있다. 한편, 도 18에는 도시되지 않았지만, 전자 시스템(1100)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다. 전자 시스템(1100)은 퍼스널 컴퓨터로 구현되거나, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA(personal digital assistant) 및 카메라 등과 같은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 18 , an
프로세서(1120)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1120)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1120)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus) 등과 같은 버스(1160)를 통하여 RAM(1130), 입출력 장치(1140) 및 메모리 시스템(1110)과 통신을 수행할 수 있다. 여기서, 메모리 시스템(1110)은 도 1 내지 도 15에 예시한 메모리 소자(100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E, 100F, 100G, 200) 중 적어도 하나의 메모리 소자를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세서(1120)는 주변 구성요소 상호연결 (Peripheral Component Interconnect: PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. In some embodiments,
RAM(1130)은 전자 시스템(1100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. RAM(1130)은 디램(DRAM), 모바일 디램, 에스램(SRAM), 알램(ReRAM), 에프램(FRAM), 엠램(MRAM), 또는 피램(PRAM)을 포함할 수 있다. The
입출력 장치(1140)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치(1150)는 전자 시스템(1100)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.The input/
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. this is possible
101, 102: 기판 110: 제1 도전 라인
120: 제2 도전 라인 130: 제3 도전 라인
140-1, 140-2: 메모리 셀 143-1, 143-2: 선택 소자층
146-1, 146-2: 가열 전극층 149-1, 149-2: 가변 저항층101, 102: substrate 110: first conductive line
120: second conductive line 130: third conductive line
140-1, 140-2: memory cell 143-1, 143-2: selection element layer
146-1, 146-2: heating electrode layer 149-1, 149-2: variable resistance layer
Claims (20)
상기 복수의 제1 도전 라인 상에서 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 방향에서 서로 분리되는 복수의 제2 도전 라인;
상기 복수의 제2 도전 라인 상에서 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 제2 방향에서 서로 분리되는 복수의 제3 도전 라인;
상기 복수의 제1 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층을 포함하는 복수의 제1 메모리 셀; 및
상기 복수의 제3 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층을 포함하는 복수의 제2 메모리 셀을 포함하고,
상기 제1 선택 소자층과 상기 제2 선택 소자층 각각은 양 단자에 인가되는 전압에 기초하여 저항이 달라지는 물질층을 포함하고,
상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 및 제2 방향들에 수직한 제3 방향을 따른 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제3 방향을 따른 제2 높이와 다른 메모리 소자.a plurality of first conductive lines extending on a substrate in a first direction parallel to an upper surface of the substrate and separated from each other in a second direction crossing the first direction;
a plurality of second conductive lines extending in the second direction on the plurality of first conductive lines and separated from each other in the first direction;
a plurality of third conductive lines extending in the first direction on the plurality of second conductive lines and separated from each other in the second direction;
a plurality of first memory cells disposed at intersections of the plurality of first conductive lines and the plurality of second conductive lines, each including a first selection element layer and a first variable resistance layer; and
a plurality of second memory cells disposed at intersections of the plurality of third conductive lines and the plurality of second conductive lines, each including a second selection element layer and a second variable resistance layer;
Each of the first selection element layer and the second selection element layer includes a material layer having a different resistance based on a voltage applied to both terminals,
A first height of the first selection element layer along a third direction perpendicular to the first and second directions is different from a second height of the second selection element layer along the third direction.
상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 차이는 상기 제1 선택 소자층의 상기 문턱 전압의 10%보다 작은 메모리 소자.According to claim 1,
A difference between the threshold voltage of the first selection element layer and the threshold voltage of the second selection element layer is less than 10% of the threshold voltage of the first selection element layer.
상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 차이는 0.5 V보다 작은 메모리 소자.According to claim 1,
A difference between a threshold voltage of the first selection element layer and a threshold voltage of the second selection element layer is less than 0.5 V.
상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기는 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 90% 내지 110%인 메모리 소자.According to claim 1,
The magnitude of the threshold voltage of the first selection element layer is 90% to 110% of the magnitude of the threshold voltage of the second selection element layer.
상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이보다 큰 메모리 소자.According to claim 1,
The first height of the first selection element layer is greater than the second height of the second selection element layer.
상기 복수의 제1 도전 라인 또는 상기 복수의 제3 도전 라인에 워드 라인 선택 전압이 인가되며, 상기 복수의 제2 도전 라인에 상기 워드 라인 선택 전압보다 작은 차단 전압이 인가되도록 구성되는 메모리 소자.According to claim 5,
A word line select voltage is applied to the plurality of first conductive lines or the plurality of third conductive lines, and a cut-off voltage lower than the word line select voltage is applied to the plurality of second conductive lines.
상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이는 상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이의 50% 내지 90%인 메모리 소자.According to claim 5,
The second height of the second selection element layer is 50% to 90% of the first height of the first selection element layer.
상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이보다 작은 메모리 소자.According to claim 1,
The first height of the first selection element layer is smaller than the second height of the second selection element layer.
상기 제1 선택 소자층의 상기 제1 높이는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제2 높이의 50% 내지 90%인 메모리 소자.According to claim 8,
The first height of the first selection element layer is 50% to 90% of the second height of the second selection element layer.
상기 복수의 제1 도전 라인 또는 상기 복수의 제3 도전 라인에 워드 라인 선택 전압이 인가되며, 상기 복수의 제2 도전 라인에 상기 워드 라인 선택 전압보다 큰 차단 전압이 인가되도록 구성되는 메모리 소자.According to claim 8,
A memory device configured such that a word line select voltage is applied to the plurality of first conductive lines or the plurality of third conductive lines, and a cut-off voltage greater than the word line select voltage is applied to the plurality of second conductive lines.
상기 제1 선택 소자층 및 상기 제2 선택 소자층은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching) 특성을 갖는 메모리 소자.According to claim 1,
The first selection element layer and the second selection element layer have ovonic threshold switching characteristics.
상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제1 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고,
상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제3 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함하는 메모리 소자.According to claim 1,
Each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of first conductive lines;
Each of the plurality of second memory cells further includes a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of third conductive lines.
상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고,
상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함하는 메모리 소자.According to claim 1,
Each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines;
Each of the plurality of second memory cells further includes a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines.
상기 복수의 제1 도전 라인 상에서 상기 제2 방향으로 연장되고 상기 제1 방향으로 서로 이격되는 복수의 제2 도전 라인;
상기 복수의 제2 도전 라인 상에서 상기 제1 방향으로 연장되고 상기 제2 방향으로 서로 이격되는 복수의 제3 도전 라인;
상기 복수의 제1 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 상기 제1 및 제2 방향들에 수직한 제 3 방향으로 차례로 적층된 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층을 포함하는 복수의 제1 메모리 셀; 및
상기 복수의 제3 도전 라인과 상기 복수의 제2 도전 라인의 교차 지점에 배치되며, 각각이 상기 제 3 방향으로 차례로 적층된 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층을 포함하는 복수의 제2 메모리 셀을 포함하고,
상기 제1 선택 소자층과 상기 제2 선택 소자층 각각은 양 단자에 인가되는 전압에 기초하여 저항이 달라지는 물질층을 포함하고,
상기 제1 선택 소자층 및 상기 제2 선택 소자층은 오보닉 문턱 스위칭(Ovonic Threshold Switching) 특성을 갖고,
상기 제1 선택 소자층의 상기 제3 방향의 두께는 상기 제2 선택 소자층의 상기 제3 방향의 두께보다 큰 메모리 소자.a plurality of first conductive lines extending on a substrate in a first direction parallel to an upper surface of the substrate and spaced apart from each other in a second direction crossing the first direction;
a plurality of second conductive lines extending in the second direction on the plurality of first conductive lines and spaced apart from each other in the first direction;
a plurality of third conductive lines extending in the first direction on the plurality of second conductive lines and spaced apart from each other in the second direction;
A first selection element layer disposed at an intersection of the plurality of first conductive lines and the plurality of second conductive lines and sequentially stacked in a third direction perpendicular to the first and second directions; a plurality of first memory cells including a variable resistance layer; and
a plurality of second selection element layers and a second variable resistance layer disposed at intersections of the plurality of third conductive lines and the plurality of second conductive lines and sequentially stacked in the third direction; contains a memory cell;
Each of the first selection element layer and the second selection element layer includes a material layer having a different resistance based on a voltage applied to both terminals,
The first selection element layer and the second selection element layer have ovonic threshold switching characteristics,
A thickness of the first selection element layer in the third direction is greater than a thickness of the second selection element layer in the third direction.
상기 선택소자층과 상기 가변 저항층은 적어도 하나의 칼코겐 원소를 포함하는 메모리 소자.According to claim 14,
The selection element layer and the variable resistance layer include at least one chalcogen element.
상기 제2 선택 소자층의 상기 두께는 상기 제1 선택 소자층의 상기 두께의 50 내지 90%인 메모리 소자.According to claim 14,
The thickness of the second selection element layer is 50 to 90% of the thickness of the first selection element layer.
상기 제1 선택 소자층의 문턱 전압의 크기와 상기 제2 선택 소자층의 문턱 전압의 크기의 차이는 0.5 V보다 작은 메모리 소자.According to claim 14,
A difference between a threshold voltage of the first selection element layer and a threshold voltage of the second selection element layer is less than 0.5 V.
상기 제1 선택 소자층의 상기 두께는 10 내지 500 nm이고 상기 제2 선택 소자층의 상기 두께는 5 내지 450 nm인 메모리 소자.According to claim 14,
The thickness of the first selection element layer is 10 to 500 nm, and the thickness of the second selection element layer is 5 to 450 nm.
상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 선택 소자층과 제1 가변 저항층 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고,
상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 가변 저항층과 상기 복수의 제3 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함하는 메모리 소자.According to claim 14,
Each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first selection element layer and the first variable resistance layer;
Each of the plurality of second memory cells further includes a second heating electrode layer disposed between the second variable resistance layer and each of the plurality of third conductive lines.
상기 복수의 제1 메모리 셀 각각은 상기 제1 가변 저항층과 상기 복수의 제2 도전 라인 각각과의 사이에 배치된 제1 가열 전극층을 더 포함하고,
상기 복수의 제2 메모리 셀 각각은 상기 제2 선택 소자층과 제2 가변 저항층 사이에 배치된 제2 가열 전극층을 더 포함하는 메모리 소자.According to claim 14,
Each of the plurality of first memory cells further includes a first heating electrode layer disposed between the first variable resistance layer and each of the plurality of second conductive lines;
Each of the plurality of second memory cells further includes a second heating electrode layer disposed between the second selection element layer and the second variable resistance layer.
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