KR102517217B1 - Memristor device for reducing variations of the device parameters - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 멤리스터 소자는, 하부 전극, 상기 하부 전극의 상부에 형성되는 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층, 상기 실리콘-게르마늄 층의 상부에 형성되는 유전체 층, 상기 실리콘 질화막 층에 형성되는 비아홀, 그리고 상기 비아홀의 상부에 형성되는 상부 전극 층을 포함하되, 상기 실리콘-게르마늄 층은 상기 상부 전극 층의 금속 이온의 통로로 제공되는 저차원 결함을 유도하기 위한 게르마늄 이온 주입 공정을 통해서 형성된다. 상술한 구조의 멤리스터 소자에 따르면, 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층은 저차원 결함이 유도되고, 이 결함을 따라 상부 전극 이온이 이동한다. 그 결과 고전압에서 수행되는 필라멘트 형성 과정이 생략될 수 있으며, 작동 전압과 작동 전압 변동이 감소한다. 또한, 시냅스 가중치 업데이트의 선형성이 크게 개선되는 멤리스터 장치를 구현할 수 있다.A memristor device according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode, an epitaxially grown silicon-germanium layer formed on the lower electrode, a dielectric layer formed on the silicon-germanium layer, and a silicon nitride film layer formed on the A via hole and an upper electrode layer formed on top of the via hole, wherein the silicon-germanium layer is formed through a germanium ion implantation process for inducing low-dimensional defects provided as a passage for metal ions in the upper electrode layer. do. According to the memristor device having the above-described structure, low-dimensional defects are induced in the epitaxially grown silicon-germanium layer, and ions of the upper electrode move along the defects. As a result, the filament formation process performed at high voltage can be omitted, and the operating voltage and operating voltage fluctuations are reduced. In addition, it is possible to implement a memristor device in which linearity of synaptic weight update is greatly improved.

Description

매개 변수 변동이 감소되는 멤리스터 소자{MEMRISTOR DEVICE FOR REDUCING VARIATIONS OF THE DEVICE PARAMETERS}Memristor device with reduced parameter variation {MEMRISTOR DEVICE FOR REDUCING VARIATIONS OF THE DEVICE PARAMETERS}

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소자의 매개 변수 변동을 줄일 수 있는 멤리스터(Memristor) 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a memristor device capable of reducing variations in device parameters.

컴퓨팅 패러다임이 운영 중심 시스템에서 데이터 중심 시스템으로 전환함에 따라, 기존의 폰 노이만 시스템은 에너지 효율과 확장성 측면에서 가까운 장래에 성능 한계에 직면하게 될 것이다. 폰 노이만 병목 현상이라고 하는 이 성능 제한은 중앙 프로세서와 메모리 사이의 데이터 버스의 제한된 처리량에 기인한다. 이 문제를 다루기 위해, 뇌에서 영감을 받은 신경 모사 컴퓨팅 아키텍처 제안되었다. As the computing paradigm shifts from operations-centric systems to data-centric systems, existing von Neumann systems will face performance limitations in the near future in terms of energy efficiency and scalability. This performance limitation, called the von Neumann bottleneck, is due to the limited throughput of the data bus between the central processor and memory. To address this problem, a brain-inspired neuromimetic computing architecture has been proposed.

신경 모사 컴퓨팅 아키텍처는 물리적으로 분리된 메모리와 프로세서는 없지만, 이들은 상호 공존한다. Loihi, BrainScales, Spinnaker, Truenorth 및 Tianjic로 명명된 많은 다른 컴퓨팅 칩들이 전 세계 산업 및 학술 연구 기관에 의해 개발되었다. 그러나 입증된 신경 형태 하드웨어 칩의 대부분은 CMOS 뉴런과 시냅스를 기반으로 하고 있다. CMOS 기반 신경 모사 칩은 기존의 폰 노이만 기반 시스템에 비해 더 높은 컴퓨팅 효율성을 가지고 있지만, 인간의 뇌를 모방하는 것을 목표로 하여 광범위한 추가 개선이 필요하다. A neuromorphic computing architecture does not have a physically separate memory and processor, but they coexist. Loihi, BrainScales, Spinnaker, Truenorth and many other computing chips named Tianjic have been developed by industrial and academic research institutions around the world. However, most of the proven neuromorphic hardware chips are based on CMOS neurons and synapses. Although CMOS-based neuromimetic chips have higher computing efficiency compared to existing von Neumann-based systems, they aim to mimic the human brain and require extensive further improvements.

CMOS 기반 시냅스 소자 또는 트랜지스터는 신경 모사 컴퓨팅 시스템의 전력 효율을 제한하는 비휘발성이 아니기 때문에 유휴 시간에도 정보를 유지하기 위해 전력을 소비한다. 또한, 시냅스CMOS 회로에 기초한 단위 메모리가 다중 트랜지스터를 포함하기 때문에 CMOS 기반 시냅스 소자의 면적 비용은 높다. CMOS 시냅스를 높은 확장성의 신흥 비휘발성 메모리 장치와 교체하는 것은 효율성을 향상시킬 솔루션 중 하나로 보고되었다.CMOS-based synaptic devices or transistors are not non-volatile, which limits the power efficiency of neuromimetic computing systems, consuming power to retain information even when idle. In addition, since the unit memory based on the synaptic CMOS circuit includes multiple transistors, the area cost of the CMOS-based synaptic device is high. Replacing CMOS synapses with highly scalable, emerging non-volatile memory devices has been reported as one solution to improve efficiency.

비휘발성 메모리 중, 저항성 메모리(ReRAM) 또는 멤리스터(Memristor) 장치는 신경 모사 응용 프로그램에 대한 시냅스 장치로 사용되는 많은 요구 사항을 충족한다는 점에서 가장 유망한 시냅스 소자 중 하나이다. ReRAM 소자는 많은 연구 그룹에 의해 매우 유망한 멤리스터(memristor) 파라미터를 가지고 있음이 입증되었다(긴 내구성, 빠른 읽기 및 쓰기 시간, 높은 온/오프 비율, 낮은 시냅스 작동 에너지 및 다단계 상태). 그러나, 모든 파라미터는 아직 단일 ReRAM 소자에서는 실현되지 않았다. 더욱이, 소자 파라미터의 변동은 대규모 크로스바 어레이로 ReRAM 소자들을 구현하는 데 걸림돌이 되어왔다.Among non-volatile memories, resistive memory (ReRAM) or memristor devices are one of the most promising synaptic devices in that they meet many requirements to be used as synaptic devices for neuromimetic applications. ReRAM devices have been demonstrated by many research groups to have very promising memristor parameters (long endurance, fast read and write times, high on/off ratio, low synaptic actuation energy and multi-level states). However, all parameters have not yet been realized in a single ReRAM device. Furthermore, variations in device parameters have been an obstacle to implementing ReRAM devices with large-scale crossbar arrays.

전도성 브리징 랜덤 액세스 메모리(이하, CBRAM)는 상부 전극, 스위칭 활성층 및 하부 전극으로 구성된 대표적인 ReRAM 장치 중 하나이다. 은(Ag) 및 구리(Cu)와 같은 활성 금속은 일반적으로 상부 전극으로 사용되며, 불활성 금속은 하부 전극으로 사용된다. 상하부 전극들 사이의 활성층으로서, 비정질 실리콘(a- Si), SiOx, TiOx, WOx 및 SiGex와 같은 반도체 또는 유전체 박막 층이 삽입된다. 일반적으로 초기 소자(Virgin device)는 전도성 경로가 없기 때문에 높은 저항값을 가진다. 활성 금속으로 구성된 전도성 필라멘트는 강력한 전기적 바이어스가 장치에 인가되는 형성 프로세스에 의해 형성된다. 반대 극성의 전기적 바이어스가 인가되면 전도성 필라멘트가 파열되어 높은 저항 상태가 발생한다. A conductive bridging random access memory (hereinafter referred to as CBRAM) is one of representative ReRAM devices composed of an upper electrode, a switching active layer, and a lower electrode. An active metal such as silver (Ag) or copper (Cu) is generally used as an upper electrode, and an inert metal is used as a lower electrode. As an active layer between the upper and lower electrodes, a semiconductor or dielectric thin film layer such as amorphous silicon (a-Si), SiOx, TiOx, WOx, and SiGex is inserted. In general, a virgin device has a high resistance value because there is no conductive path. A conductive filament composed of an active metal is formed by a forming process in which a strong electrical bias is applied to the device. When an electrical bias of opposite polarity is applied, the conductive filament ruptures, resulting in a high resistance state.

ReRAM 소자에서 전도성 필라멘트의 형성과 파열은 본질적으로 확률론적(Stochastic)이다. 이로 인해 셋(Set), 리셋(Reset) 전압 및 저항 상태와 같은 소자 파라미터가 크게 변한다. 또한, 형성 프로세스는 일반적으로 장치를 손상시킬 수 있는 셋, 리셋 프로세스보다 더 공격적이다. 소자의 변동을 줄이고 포밍-프리(Forming-free)한 소자의 구현을 위해, 다층 구조, 나노 입자들의 혼합, 나노 구조 등과 같은 다양한 접근법이 제안되고 있다. Formation and rupture of conductive filaments in ReRAM devices are inherently stochastic. As a result, device parameters such as set and reset voltages and resistance states change greatly. Also, the build process is generally more aggressive than the set and reset process, which can damage the device. Various approaches, such as a multilayer structure, a mixture of nanoparticles, and a nanostructure, have been proposed to reduce device variation and realize a forming-free device.

최근에는 금속 이온에 대한 전도성 경로로 저차원 결함을 채용하는 몇 가지 흥미로운 연구가 보고되었다. 전위(Dislocation) 및 입자 경계와 같은 저차원 결함은 구조적으로 더 개방적이기 때문에, 저항 메모리 장치에서 금속 및 산소 이온을 위한 빠른 운송 파이프라인 역할을 할 수 있다. 에피택셜 SiGe 합금 필름과 SrTiO3 단일 결정 필름, 그리고 금속-유도 결정 폴리 실리콘 박막에서 결정립계에서 스레딩 전위(Dislocation)는 전도성 필라멘트 형성 부위로 작용하는 것이 입증되었다. 이온 전달은 소자의 초기 상태(Virgin state)에 존재하는 저차원적 결함을 따라 제한되고, 따라서, 확률론적인 필라멘트 형성에서 발생하는 셀들간, 사이클들간 변화는 SiGe 및 폴리 실리콘(poly-Si) 기반 CBRAM 소자에서 감소될 수 있다.Recently, several interesting studies have been reported employing low-dimensional defects as conductive pathways for metal ions. Because lower-order defects such as dislocations and grain boundaries are structurally more open, they can serve as fast transport pipelines for metal and oxygen ions in resistive memory devices. In epitaxial SiGe alloy films, SrTiO3 single crystal films, and metal-derived crystalline polysilicon films, threading dislocations at grain boundaries act as conductive filament formation sites. Ion transport is limited along the low-dimensional defects that exist in the virgin state of the device, and therefore, cell-to-cell and cycle-to-cycle changes that occur in stochastic filament formation are SiGe and poly-Si based CBRAM devices can be reduced in

본 발명의 목적은, 작동 전압과 작동 전압의 변동이 적으며, 시냅스 가중치의 업데이트시 선형성이 크게 개선된 멤리스터 소자를 형성할 수 있는 기술을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a technique capable of forming a memristor device having a small operating voltage and a small change in operating voltage and significantly improved linearity when synaptic weights are updated.

본 발명의 일 실시 예에 따른 멤리스터 소자는, 하부 전극, 상기 하부 전극의 상부에 형성되는 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층, 상기 실리콘-게르마늄 층의 상부에 형성되는 유전체 층, 상기 실리콘 질화막 층에 형성되는 비아홀, 그리고 상기 비아홀의 상부에 형성되는 상부 전극 층을 포함하되, 상기 실리콘-게르마늄 층은 상기 상부 전극 층의 금속 이온의 통로로 제공되는 저차원 결함을 유도하기 위한 게르마늄 이온 주입 공정을 통해서 형성된다. A memristor device according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode, an epitaxially grown silicon-germanium layer formed on the lower electrode, a dielectric layer formed on the silicon-germanium layer, and the silicon nitride film layer. A formed via hole, and an upper electrode layer formed on top of the via hole, wherein the silicon-germanium layer is formed through a germanium ion implantation process for inducing low-dimensional defects provided as a passage for metal ions in the upper electrode layer. is formed

실시 예에서, 상기 이온 주입 공정은 상기 기판과 상기 실리콘-게르마늄 층 사이에 위치하는 계면 산화물을 제거하는 위한 조건으로 수행된다.In an embodiment, the ion implantation process is performed under conditions for removing interfacial oxide located between the substrate and the silicon-germanium layer.

실시 예에서, 상기 상부 전극 층은 은(Ag), 구리(Cu), 은-구리(Ag-Cu) 합금 그리고 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 반응성 금속으로 구성된다.In an embodiment, the upper electrode layer is composed of at least one reactive metal of silver (Ag), copper (Cu), silver-copper (Ag-Cu) alloy, and nickel (Ni).

실시 예에서, 상기 유전체 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 들 중 적어도 하나의 소재로 구성된다.In an embodiment, the dielectric layer is made of at least one of a silicon nitride film (SiNx), a silicon oxide film (SiOx), and a silicon oxynitride film (SiOxNy).

실시 예에서, 상기 게르마늄 이온의 주입에 따른 이온 조성 반치폭의 두께는 상기 실리콘-게르마늄 층의 두께의 1.5배이다. In an embodiment, the thickness of the ion composition at half maximum according to the implantation of the germanium ions is 1.5 times the thickness of the silicon-germanium layer.

상술한 본 발명의 실시 예에 따르면, 작동 전압과 작동 전압의 변동이 적으며, 시냅스 가중치의 업데이트 시 선형성이 크게 개선된 멤리스터 소자를 구현할 수 있다.According to the above-described embodiments of the present invention, it is possible to implement a memristor device having a small operating voltage and a small change in operating voltage and significantly improved linearity when synaptic weights are updated.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멤리스터 어레이를 간략한 구조를 보여준다.
도 2는 도 1의 멤리스터 소자의 단면을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 방법을 간략히 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 공정을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막을 형성하는 방법과 특징을 보여주는 도면들이다.
도 6은 이온 주입을 통한 고체상 에피택시의 성장을 보여주는 도면이다.
도 7은 SPE-SiGe 박막의 확대된 HRTEM 이미지를 보여준다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막 기반의 멤리스터 소자의 전류-전압 거동 및 파라미터를 보여주는 도면들이다.
도 9a 내지도 9c는 형성 프로세스 후에 a-Si 기반의 CBRAM 소자와 SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자들에 대한 DC 전압-전류 스윕 측정 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 10a 내지 도 10b는 전압이 a-Si 소자 및 SPE-SiGe 소자에 인가될 때 스위칭 레이어에 형성된 전도성 경로를 보여주는 도면들이다.
도 10c 내지 도 10d는 a-Si 기반 소자와 SPE-SiGe 소자에 대해 강화/약화 테스트의 결과를 보여준다.
도 11은 SPE-SiGe 박막의 에칭 특성을 간략히 보여주는 도면이다.
1 shows a simplified structure of a memristor array according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a cross section of the memristor device of FIG. 1 .
3 is a flowchart briefly showing a manufacturing method for forming the memristor device of the present invention.
4 is a diagram schematically showing a manufacturing process for forming the memristor device of the present invention.
5a to 5c are views showing a method and characteristics of forming the SPE-SiGe thin film of the present invention.
6 is a diagram showing the growth of solid-phase epitaxy through ion implantation.
7 shows an enlarged HRTEM image of the SPE-SiGe thin film.
8a to 8c are diagrams showing current-voltage behavior and parameters of the memristor device based on the SPE-SiGe thin film of the present invention.
9A to 9C are graphs showing DC voltage-current sweep measurement results for a-Si-based CBRAM devices and SPE-SiGe-based CBRAM devices after a formation process.
10A to 10B are diagrams showing conductive paths formed in the switching layer when voltage is applied to the a-Si device and the SPE-SiGe device.
10c to 10d show the results of strengthening/weakening tests for a-Si-based devices and SPE-SiGe devices.
11 is a diagram briefly showing etching characteristics of an SPE-SiGe thin film.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, the same components may have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description may be omitted.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.Also, in describing the components of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, order, or number of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element is or may be directly connected to that other element, but intervenes between each element. It will be understood that may be "interposed", or each component may be "connected", "coupled" or "connected" through other components.

본 발명에서는 이온 빔 주입을 이용한 고체상 에피택시 공정으로 실리콘-게르마늄(SiGe) 에피택시 박막을 형성하고 CBRAM 소자의 활성층으로 활용하는 새로운 접근법이 제안될 것이다. SiGe 에피택시 박막은 비정질 실리콘(a-Si) 증착, 게르마늄(Ge)이온 주입, 고온 어닐링 등의 순차적 과정에 의해 형성된다. 주입된 게르마늄(Ge) 이온은 a-Si 필름과 실리콘 단결정 웨이퍼 사이의 계면 산화물을 제거하여 SiGe 에피택시 박막의 성장에 도움이 된다. Ge 이온의 주입은 또한 표면 영역 근처의 전위(Dislocation) 루프와 같은 저차원 결함을 유도한다. 결함의 수와 형성 위치는 주입 이온 밀도(fluence) 및 선택적인 주입 영역을 조정하여 제어될 수 있다. 구체적으로 노광 공정을 통해 제작한 미세 패턴된 마스크를 이용하여 선택적으로 주입영역을 조정할 수 있다. 또한, Ge 이온 빔의 가속 전압 및 밀도(fluence)를 조정하여 구조적 결함의 수와 분포를 조정할 수 있다. 여기서, a-Si 기반 CBRAM에 비해 SiGe 에피택시(Epitaxy) 기반 CBRAM의 보다 신뢰할 수 있는 소자 동작이 설명될 것이다. SiGe 에피택시 박막의 사전 형성된 결함 덕분에 SiGe 에피택시 CBRAM 소자는 거의 포밍-프리 동작(forming-free behavior)을 하고 셋 및 리셋 전압의 변화도 줄일 수 있다. 또한, SiGe CBRAM 소자는 a-Si CBRAM에 비해 생물학적 시냅스를 모방하기 위해 요구되는 전도도 업데이트 곡선에서 향상된 선형성을 제공한다.In the present invention, a new approach to form a silicon-germanium (SiGe) epitaxial thin film by a solid-state epitaxial process using ion beam implantation and utilize it as an active layer of a CBRAM device will be proposed. The SiGe epitaxial thin film is formed by sequential processes such as amorphous silicon (a-Si) deposition, germanium (Ge) ion implantation, and high-temperature annealing. The implanted germanium (Ge) ions remove interfacial oxide between the a-Si film and the silicon single crystal wafer, which is helpful for the growth of the SiGe epitaxial thin film. Implantation of Ge ions also induces low-order defects such as dislocation loops near the surface region. The number and location of defects can be controlled by adjusting the implantation ion density (fluence) and selective implantation area. Specifically, the injection region may be selectively adjusted using a finely patterned mask manufactured through an exposure process. In addition, the number and distribution of structural defects can be adjusted by adjusting the acceleration voltage and the fluence of the Ge ion beam. Here, a more reliable device operation of SiGe Epitaxy based CBRAM compared to a-Si based CBRAM will be described. Thanks to the pre-formed defects in the SiGe epitaxial thin film, the SiGe epitaxial CBRAM device has an almost forming-free behavior and can reduce set and reset voltage variations. In addition, SiGe CBRAM devices offer improved linearity in the conductance update curves required to mimic biological synapses compared to a-Si CBRAM.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멤리스터 어레이를 간략한 구조를 보여준다. 도 1을 참조하면, 멤리스터 어레이(100)는 금속 이온의 통로 역할을 하는 유도된 저차원 결함을 갖는 멤리스터 소자들(110~190)을 포함할 수 있다. 1 shows a simplified structure of a memristor array according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , the memristor array 100 may include memristor elements 110 to 190 having induced low-dimensional defects serving as passages for metal ions.

멤리스터 소자(110)의 단면을 살펴보면, 하부 전극으로 제공되는 기판과, 기판의 상부에 형성되는 반도체 층, 실리콘 질화막(SiNx)층 그리고 상부 전극으로 제공되는 반응성 금속 층을 포함한다. 예시적인 실시 예에서, 기판으로는 고농도(p++)로 도핑된 실리콘(Si) 층이 형성될 수 있다. 반도체 층은 에피택셜 성장 실리콘-게르마늄(SiGe) 층으로 구성될 수 있다. 에피택셜 성장 실리콘-게르마늄(SiGe) 층은 비정질 실리콘 층에 게르마늄(Ge) 이온의 주입 및 열처리를 통해서 형성될 수 있다. 그리고 상부 전극으로 제공되는 반응성 금속 층은 은(Ag)으로 구성될 수 있다. 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층의 상부에 실리콘 질화막(SiNx)이 증착되고, 실리콘 질화막(SiNx)에 대한 에칭을 통해서 비아홀(Via hole)이 형성될 수 있다. Looking at the cross-section of the memristor device 110, it includes a substrate provided as a lower electrode, a semiconductor layer formed on top of the substrate, a silicon nitride (SiNx) layer, and a reactive metal layer provided as an upper electrode. In an exemplary embodiment, a silicon (Si) layer doped with a high concentration (p++) may be formed as the substrate. The semiconductor layer may consist of an epitaxially grown silicon-germanium (SiGe) layer. The epitaxially grown silicon-germanium (SiGe) layer may be formed through implantation of germanium (Ge) ions into the amorphous silicon layer and heat treatment. And, the reactive metal layer provided as the upper electrode may be composed of silver (Ag). A silicon nitride layer (SiNx) may be deposited on the epitaxially grown silicon-germanium layer, and a via hole may be formed through etching of the silicon nitride layer (SiNx).

본 발명의 멤리스터 소자(110)에 따르면, 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층에는 저차원 결함이 유도되고 이 결함을 따라 상부 전극 이온이 이동한다. 그 결과 고전압에서 수행되는 필라멘트 형성 과정이 생략될 수 있으며, 작동 전압과 작동 전압 변동을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 시냅스 가중치 업데이트의 선형성이 크게 개선되는 멤리스터 소자를 구현할 수 있다.According to the memristor device 110 of the present invention, low-dimensional defects are induced in the epitaxially grown silicon-germanium layer, and upper electrode ions move along the defects. As a result, the filament formation process performed at a high voltage can be omitted, and the operating voltage and operating voltage fluctuations can be reduced. In addition, according to the present invention, it is possible to implement a memristor device in which linearity of synaptic weight update is greatly improved.

여기서, 하부 전극은 실리콘(Si), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN), 텅스텐(W) 들 중 적어도 하나의 소재로 형성될 수 있다. 반도체 층은 비정질 실리콘(a-Si), 비정질 게르마늄(a-Ge), 비정질 실리콘-게르마늄(a-SixGey) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유전체 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 반응성 금속 층으로는 은(Ag), 구리(Cu), 구리-은(Ag-Cu) 합금 그리고 니켈(Ni) 중 적어도 하나가 사용될 수 있을 것이다.Here, the lower electrode may be formed of at least one of silicon (Si), platinum (Pt), titanium nitride (TiN), and tungsten (W). The semiconductor layer may include at least one of amorphous silicon (a-Si), amorphous germanium (a-Ge), and amorphous silicon-germanium (a-Si x Ge y ). The dielectric layer may include at least one of a silicon nitride layer (SiN x ), a silicon oxide layer (SiO x ), and a silicon oxynitride layer (SiO x N y ). Also, as the reactive metal layer, at least one of silver (Ag), copper (Cu), a copper-silver (Ag-Cu) alloy, and nickel (Ni) may be used.

도 2는 도 1의 멤리스터 소자의 단면을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 반도체 층으로 고체 상태 에피택셜(Solid Phase Epitaxial: SPE) 성장한 실리콘-게르마늄(이하, SPE-SiGe) 층을 갖는 멤리스터 소자(110)가 예시적으로 설명될 것이다. 멤리스터 소자(110)는 하부 전극으로 제공되는 기판(111)과, 기판(111)의 상부에 형성되는 SPE-SiGe 층(112), 실리콘 질화막(SiNx) 층(113), 그리고 은(Ag) 전극 층(114)을 포함한다. FIG. 2 is a view showing a cross section of the memristor device of FIG. 1 . Referring to FIG. 2 , a memristor device 110 having a silicon-germanium (hereinafter, SPE-SiGe) layer grown as a semiconductor layer by solid phase epitaxial (SPE) will be described as an example. The memristor element 110 includes a substrate 111 serving as a lower electrode, an SPE-SiGe layer 112 formed on the substrate 111, a silicon nitride (SiNx) layer 113, and silver (Ag) electrode layer (114).

기판(111)은 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 기판(111)은 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 이어서 SPE-SiGe 층(112)은 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 비정질 실리콘(a-Si) 층을 형성한 후에 게르마늄(Ge) 이온의 주입 및 고온 어닐링의 순차적 과정을 통해 형성될 수 있다. SPE-SiGe 층(112)을 형성하기 위해 주입된 게르마늄(Ge) 이온은 비정질 실리콘(a-Si) 박막과 실리콘 단결정 웨이퍼 사이에서 고체 상태 에피택시의 성장을 방해하는 계면 산화물을 제거할 수 있다. 따라서, 주입된 게르마늄(Ge) 이온에 의하여 SPE-SiGe 층(112)을 형성하기 위한 실리콘-게르마늄(SiGe) 에피택시 박막의 성장이 활성화될 수 있다. 주입된 게르마늄(Ge) 이온은 또한 표면 영역 근처의 전위(Dislocation) 루프와 같은 저차원 결함을 유도할 수 있다. The substrate 111 may be provided with highly doped p++ type silicon. For example, the substrate 111 may be a silicon wafer. Subsequently, the SPE-SiGe layer 112 is formed through a sequential process of implantation of germanium (Ge) ions and high-temperature annealing after forming an amorphous silicon (a-Si) layer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process on a silicon wafer. It can be. Germanium (Ge) ions implanted to form the SPE-SiGe layer 112 can remove interfacial oxides that hinder the growth of solid-state epitaxy between an amorphous silicon (a-Si) thin film and a silicon monocrystalline wafer. Accordingly, growth of a silicon-germanium (SiGe) epitaxial thin film for forming the SPE-SiGe layer 112 may be activated by the implanted germanium (Ge) ions. Implanted germanium (Ge) ions can also induce low-order defects such as dislocation loops near surface regions.

SPE-SiGe 층(112)의 상부에는 실리콘 질화막(SiNx, 113)이 형성된다. 실리콘 질화막(113)이 형성된 이후에 에칭 공정을 통해서 비아홀 구조가 형성된다. 이후, 실리콘 질화막(113)의 상부에는 반응성 금속 층으로 은 전극 층(114)이 형성될 것이다. On top of the SPE-SiGe layer 112, a silicon nitride film (SiNx, 113) is formed. After the silicon nitride film 113 is formed, a via hole structure is formed through an etching process. Thereafter, a silver electrode layer 114 may be formed as a reactive metal layer on top of the silicon nitride film 113 .

이상에서는 설명의 편의를 위해 SPE-SiGe 층(112)을 반도체 층으로 갖는 멤리스터 소자(110)가 예시적으로 설명되었다. 하지만, 본 발명의 멤리스터 소자(110)는 다양한 소재들로 조정되거나 변경될 수 있을 것이다. 예를 들면, 하부 전극으로 제공되는 기판(111)은 실리콘(Si), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN), 텅스텐(W) 들 중 적어도 하나의 소재로 형성될 수 있다. 유전체 층으로 제공되는 실리콘 질화막(SiNx, 113) 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나로 형성될 수 있을 것이다. 그리고 반응성 금속 층으로 제공되는 은 전극 층(114)은 구리(Cu)나 구리-은(Ag-Cu) 합금, 니켈(Ni) 등으로 형성될 수 있다. 더불어, 주입되는 이온으로는 게르마늄(Ge) 대신에 실리콘(Si), 탄소(C) 등이 사용될 수 있음은 잘 이해될 것이다. In the above, for convenience of description, the memristor device 110 having the SPE-SiGe layer 112 as a semiconductor layer has been described as an example. However, the memristor element 110 of the present invention may be adjusted or changed to various materials. For example, the substrate 111 serving as the lower electrode may be formed of at least one of silicon (Si), platinum (Pt), titanium nitride (TiN), and tungsten (W). The silicon nitride film (SiNx, 113) layer serving as the dielectric layer may be formed of at least one of a silicon nitride film (SiN x ), a silicon oxide film (SiO x ), and a silicon oxynitride film (SiO x N y ). Also, the silver electrode layer 114 serving as a reactive metal layer may be formed of copper (Cu), a copper-silver (Ag-Cu) alloy, or nickel (Ni). In addition, it will be well understood that silicon (Si), carbon (C), or the like can be used instead of germanium (Ge) as the implanted ion.

도 3은 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 방법을 간략히 보여주는 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제조 방법에 의해서 형성된 SPE-SiGe 층(112)을 통해서 고전압에서 수행되는 필라멘트 형성 과정이 생략될 수 있고, 셋 전압과 리셋 전압과 같은 작동 전압의 변동을 줄일 수 있다. 따라서, 멤리스터 소자의 이상적인 아날로그 시냅스 특성을 구현할 수 있다. 3 is a flowchart briefly showing a manufacturing method for forming the memristor device of the present invention. Referring to FIG. 3, the filament formation process performed at a high voltage can be omitted through the SPE-SiGe layer 112 formed by the manufacturing method of the present invention, and fluctuations in operating voltages such as set voltage and reset voltage can be reduced there is. Therefore, ideal analog synaptic characteristics of a memristor device can be implemented.

S110 단계에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 기판이 제공된다. In step S110, a heavily doped p++ type silicon substrate is provided.

S120 단계에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 기판 상에 비정질 실리콘(a-Si) 층이 형성된다. 비정질 실리콘(a-Si) 층의 바람직한 두께는, 예를 들면, 60nm로 형성될 수 있다. 비정질 실리콘(a-Si) 층을 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 형성될 수 있다. 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 위해, 예를 들면, 550℃의 증착 온도와 150 mTorr의 공정 압력이 적용될 수 있다. In step S120, an amorphous silicon (a-Si) layer is formed on the heavily doped p++ type silicon substrate. A preferred thickness of the amorphous silicon (a-Si) layer may be formed to, for example, 60 nm. An amorphous silicon (a-Si) layer may be formed on a silicon wafer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process. For a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, for example, a deposition temperature of 550° C. and a process pressure of 150 mTorr may be applied.

S130 단계에서, 비정질 실리콘(a-Si) 층에 게르마늄(Ge) 이온이 주입된다. 비정질 실리콘(a-Si) 층에 가속된 게르마늄(Ge) 이온 빔을 조사하는 방식으로 게르마늄(Ge) 이온을 주입할 수 있다. 게르마늄(Ge) 이온의 주입을 통한 주입 이온 조성의 반치폭 두께는 비정질 실리콘(a-Si) 박막 두께의 3/2 배가 될 수 있다. 그리고 주입 Ge 이온의 피크 조성은 2.6 at% 내외(0.5 at% ~ 10 at%)일 수 있다. 이온 주입에 의한 결함 피크 위치는 박막의 두께와 유사할 수 있다. 그리고 이온 주입에 의한 결함 피크 비율은 78.5%(50~100%)일 수 있다. 게르마늄(Ge) 이온의 높은 주입 가속 전압에 의해 a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 계면에서 효과적으로 계면 산화물을 제거할 수 있다.In step S130 , germanium (Ge) ions are implanted into the amorphous silicon (a-Si) layer. Germanium (Ge) ions may be implanted into an amorphous silicon (a-Si) layer by irradiating an accelerated germanium (Ge) ion beam. The thickness at half maximum of the implanted ion composition through the implantation of germanium (Ge) ions may be 3/2 times the thickness of an amorphous silicon (a-Si) thin film. In addition, the peak composition of the implanted Ge ions may be around 2.6 at% (0.5 at% to 10 at%). The defect peak position due to ion implantation may be similar to the thickness of the thin film. And the defect peak ratio by ion implantation may be 78.5% (50 to 100%). Interfacial oxide can be effectively removed from the interface between the a-Si thin film and the c-Si wafer by the high implantation acceleration voltage of germanium (Ge) ions.

S140 단계에서, 이온 주입의 후속으로 열처리(Annealing)가 진행된다. 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 a-SiGe 층에 고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy: SPE)를 유도하기 위해 고온 조건(예를 들면, 900℃)에서의 열처리가 적용될 수 있다. 열처리(Annealing)를 통해서 SPE-SiGe 박막을 형성할 수 있다.In step S140, annealing is performed following the ion implantation. In order to induce solid phase epitaxy (SPE) on the a-SiGe layer implanted with germanium (Ge) ions, heat treatment under high temperature conditions (eg, 900° C.) may be applied. An SPE-SiGe thin film may be formed through annealing.

S150 단계에서, SPE-SiGe 성장층 상부에 실리콘 질화막(113)이 형성된다. In step S150, a silicon nitride film 113 is formed on the SPE-SiGe growth layer.

S160 단계에서, 실리콘 질화막(113)에 비아홀을 형성한다. 비아홀의 형성을 위해, 예를 들면, 실리콘 질화막(SiNx, 113)은 포토 리소그래피에 의해 패턴화된 원형 홀 어레이를 갖는 포토레지스트 마스크를 사용하여 BOE 용액에서 선택적으로 에칭될 수 있다. In step S160 , via holes are formed in the silicon nitride film 113 . For formation of via holes, for example, a silicon nitride film (SiNx, 113) may be selectively etched in a BOE solution using a photoresist mask having a circular hole array patterned by photolithography.

S170 단계에서, 비아홀이 형성된 실리콘 질화막(113)의 상부에는 상부 전극이 형성된다. 즉, 비아홀의 상부에 은 전극 층(114)이 형성될 수 있다. 여기서, 은 전극 층(114)은 열 증발기에 의해서 은이 실리콘 질화막(113)에 원통형으로 증착되도록 리프트 오프(Lift-off) 공정을 사용하여 형성될 수도 있다.In step S170, an upper electrode is formed on the silicon nitride film 113 in which the via hole is formed. That is, the silver electrode layer 114 may be formed on the via hole. Here, the silver electrode layer 114 may be formed using a lift-off process so that silver is deposited in a cylindrical shape on the silicon nitride film 113 by a thermal evaporator.

도 4는 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 공정을 도식적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제조 방법에 의해서 통해서 SPE-SiGe 성장층에 저차원 결함을 유도할 수 있고, 결함을 따라 상부 전극 이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 따라 형성된 멤리스터 소자는 이상적인 아날로그 시냅스 특성을 구현할 수 있다. 4 is a diagram schematically showing a manufacturing process for forming the memristor device of the present invention. Referring to FIG. 4 , low-dimensional defects can be induced in the SPE-SiGe growth layer through the manufacturing method of the present invention, and a path for upper electrode ions to move along the defects can be provided. The memristor device formed according to the manufacturing method of the present invention can implement ideal analog synaptic characteristics.

(a) 공정에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 웨이퍼가 제공된다. In process (a), a heavily doped p++ type silicon wafer is provided.

(b) 공정에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 웨이퍼 상에 비정질 실리콘(a-Si) 층(112a)이 형성된다. a-Si 층(112a)은 게르마늄(Ge) 이온이 주입되기 전의 비정질 실리콘 층이다. a-Si 층(112a)은 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 형성될 수 있다. In process (b), an amorphous silicon (a-Si) layer 112a is formed on a heavily doped p++ type silicon wafer. The a-Si layer 112a is an amorphous silicon layer before germanium (Ge) ions are implanted. The a-Si layer 112a may be formed on a silicon wafer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process.

(c) 공정에서, a-Si 층(112a)에 게르마늄(Ge) 이온이 주입된다. 고에너지로 가속된 게르마늄(Ge) 이온 빔을 조사하는 방식으로 a-Si 층(112a)에 게르마늄(Ge) 이온을 주입하여 게르마늄(Ge) 주입된 a-SiGe 층(112b)이 형성될 수 있다. In step (c), germanium (Ge) ions are implanted into the a-Si layer 112a. A germanium (Ge) implanted a-SiGe layer 112b may be formed by implanting germanium (Ge) ions into the a-Si layer 112a by irradiating a germanium (Ge) ion beam accelerated with high energy. .

(d) 공정에서, 게르마늄(Ge) 이온 주입의 후속으로 열처리(Annealing)가 진행된다. 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 a-SiGe 층에 고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy: SPE)를 유도하기 위해 고온 조건(예를 들면, 900℃)에서의 열처리가 적용될 수 있다. 열처리(Annealing)를 통해서 SPE-SiGe 박막을 형성할 수 있다.In the step (d), annealing is performed following the germanium (Ge) ion implantation. In order to induce solid phase epitaxy (SPE) on the a-SiGe layer implanted with germanium (Ge) ions, heat treatment under high temperature conditions (eg, 900° C.) may be applied. An SPE-SiGe thin film may be formed through annealing.

(e) 공정에서, 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 SPE-SiGe 층(112)의 상부에는 실리콘 질화막(SiNx, 113)이 형성된다. 실리콘 질화막(113)은 플라즈마 화학증착(PECVD) 기법에 의해서 형성될 수 있을 것이다.In process (e), a silicon nitride film (SiNx, 113) is formed on the SPE-SiGe layer 112 into which germanium (Ge) ions are implanted. The silicon nitride film 113 may be formed by a plasma chemical vapor deposition (PECVD) technique.

(f) 공정에서, 실리콘 질화막(SiNx, 113)에 비아홀이 형성된다. 비아홀의 형성을 위해, 예를 들면, 실리콘 질화막(SiNx, 113)은 포토 리소그래피에 의해 패턴화된 원형 홀 어레이를 갖는 포토레지스트 마스크를 사용하여 BOE(Bufferd Oxide-Etchant) 용액에서 선택적으로 에칭될 수 있다. In step (f), via holes are formed in the silicon nitride film (SiNx, 113). For formation of via holes, for example, a silicon nitride film (SiNx, 113) may be selectively etched in a buffered oxide-etchant (BOE) solution using a photoresist mask having a circular hole array patterned by photolithography. there is.

(g) 공정에서, 상부 전극 층이 형성된다. 즉, 비아홀의 상부에 은 전극 층(114)이 형성될 수 있다. 여기서, 은 전극 층(114)은 열 증발기에 의해서 은이 실리콘 질화막(113)에 원통형으로 증착되도록 리프트 오프(Lift-off) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.In process (g), an upper electrode layer is formed. That is, the silver electrode layer 114 may be formed on the via hole. Here, the silver electrode layer 114 may be formed using a lift-off process so that silver is deposited in a cylindrical shape on the silicon nitride film 113 by a thermal evaporator.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막을 형성하는 방법과 특징을 보여주는 도면들이다. 도 5a를 참조하면, 이온 주입에 의한 계면 산화물의 제거 효과를 보여준다. 고체상 에피택시(SPE)는 단일 결정의 기판(111)에 a-Si 층(112a)의 증착과 결정화를 위한 후속 어닐링에 의해 에피택시 박막을 생산하는 공정 중 하나이다. 높은 품질의 에피택시 박막을 얻기 위해, 증착된 a-Si 층(112a)의 격자 크기는 기판(111)의 것과 일치해야 한다. 더욱이, 증착된 a-Si 층(112a) 박막과 기판 사이의 계면에는 이물질이 없도록 제어되어야 한다. 실리콘 웨이퍼의 네이티브 산화물은 실온에서도 빠르게 형성되어 a-Si 층(112a)의 상피 성장을 방해한다. 네이티브 산화물을 제거하기 위해, 공정 챔버에서 고온에서 수소 표면 처리가 비정질 실리콘 산화물의 증착 전에 이루어진다. 이온 주입은 계면 산화물(115)을 제거하는 기술 중 하나이다. 5a to 5c are views showing a method and characteristics of forming the SPE-SiGe thin film of the present invention. Referring to FIG. 5A, the effect of removing interfacial oxide by ion implantation is shown. Solid-state epitaxy (SPE) is one of the processes for producing an epitaxial thin film by depositing an a-Si layer 112a on a single crystal substrate 111 and subsequent annealing for crystallization. To obtain a high quality epitaxial thin film, the lattice size of the deposited a-Si layer 112a should match that of the substrate 111 . Moreover, the interface between the deposited a-Si layer 112a thin film and the substrate must be controlled so that there are no foreign substances. The native oxide of the silicon wafer is rapidly formed even at room temperature and hinders epithelial growth of the a-Si layer 112a. To remove the native oxide, a hydrogen surface treatment at high temperature in the process chamber is performed prior to the deposition of the amorphous silicon oxide. Ion implantation is one of the techniques for removing the interfacial oxide 115 .

도 5b를 참조하면, Ge 이온이 주입된 a-Si 층(112a)은 고체상 에피택시를 유도하기 위해 적정 온도(예를 들면, 900℃)에서 어닐링될 수 있다. 높은 가속 전압으로 주입된 입자는 호스트 요소와 충돌하고, 호스트 요소의 전위를 유도하고 운동 에너지를 잃는다. 이온 충돌에 의해서 계면 산화물이 감소될 수 있다. 더불어, SPE-SiGe 층(112)의 표면에서 특정 깊이까지의 [111] 결정 방향과 함께 조밀하게 분포된 저차원 결함(116)을 유도한다. SPE-SiGe 층(112)의 표면 근처의 저차원 결함(116)은 부분 전위(Partial dislocation)에 이해 둘러싸인 결함을 적층하고 있으며, 이는 일반적으로 애피택셜 성장에서 관찰된다. SPE-SiGe 층(112)의 표면으로 확장된 많은 수의 저차원 결함(116)은 도 5c와 같이 바이어스 조건에서 은(Ag)의 이동 경로로 작용할 것으로 예상된다. Referring to FIG. 5B , the a-Si layer 112a implanted with Ge ions may be annealed at an appropriate temperature (eg, 900° C.) to induce solid phase epitaxy. Particles injected with a high accelerating voltage collide with the host element, induce a potential in the host element and lose kinetic energy. Interfacial oxides can be reduced by ion bombardment. In addition, it induces densely distributed low-order defects 116 with a [111] crystal orientation from the surface of the SPE-SiGe layer 112 to a certain depth. The low-dimensional defects 116 near the surface of the SPE-SiGe layer 112 are stacked defects surrounded by partial dislocations, which are commonly observed in epitaxial growth. A large number of low-dimensional defects 116 extending to the surface of the SPE-SiGe layer 112 are expected to act as a moving path of silver (Ag) under bias conditions as shown in FIG. 5C.

도 6은 이온 주입을 통한 고체상 에피택시의 성장을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 어닐링 전의 (a)에서 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 원래 인터페이스가 확대되었다. 도 6은 고전압(120kV) 주입에 의한 실리콘 웨이퍼 상의 a-Si 박막의 XTEM 이미지를 보여주는 도면들이다. (a)는 어닐링 전의 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 초기 계면을 보여준다. (b)는 어닐링 후의 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 초기 계면의 형태를 보여준다. 그리고 (c)는 (b)의 계면 부분을 확대한 도면이다. 6 is a diagram showing the growth of solid-phase epitaxy through ion implantation. Referring to FIG. 6, the original interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer in (a) before annealing is enlarged. 6 are diagrams showing XTEM images of an a-Si thin film on a silicon wafer by high voltage (120 kV) implantation. (a) shows the initial interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer before annealing. (b) shows the morphology of the initial interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer after annealing. And (c) is an enlarged view of the interface part of (b).

도시된 바와 같이 고전압(예를 들면, 120kV) 주입의 경우 계면 산화물은 확대된 배율에서도 관찰되지 않았고, LPCVD a-Si 박막은 기판 배향을 따라 에피택셜 성장을 보였다. 어닐링 후 비정질화된 실리콘 웨이퍼는 단일 결정 회절 패턴을 보여준다. 주입된 Ge 이온은 SiGe 합금을 만들고 Ge 분률에 따라 격자 크기를 증가시킨다. SiGe 합금의 격자 파라미터는 Ge의 양에 비례하여 변화하고, 결정된 격자 파라미터는 'Vegard'의 법칙에서 추정된 값과 잘 일치하였다. As shown, in the case of high voltage (eg, 120 kV) implantation, interfacial oxide was not observed even at magnified magnification, and the LPCVD a-Si thin film showed epitaxial growth along the substrate orientation. The amorphized silicon wafer after annealing shows a single crystal diffraction pattern. The implanted Ge ions create a SiGe alloy and increase the lattice size according to the Ge fraction. The lattice parameter of the SiGe alloy changes in proportion to the amount of Ge, and the determined lattice parameter agrees well with the value estimated from 'Vegard's law.

도 7은 SPE-SiGe 박막의 확대된 HRTEM 이미지를 보여준다. 도 7을 참조하면, 도시된 바와 같이 SPE-SiGe의 표면에 저차원 결함이 형성될 수 있다.7 shows an enlarged HRTEM image of the SPE-SiGe thin film. Referring to FIG. 7 , as shown, low-dimensional defects may be formed on the surface of SPE-SiGe.

(a)에 제시된 바와 같이 표면에서 40nm의 깊이까지의 [111] 결정 방향과 함께 조밀하게 분포된 결함을 보여준다. 표면 근처의 저차원 결함은 부분 전위(Partial Dislocation)에 의해 둘러싸인 스태킹 결함(Stacking Fault: SF)이며, 이는 일반적으로 애피택셜 성장에서 관찰된다. (b)와 (c)는 (a)에서 '1' 및 '2'로 표시된 영역의 확대된 이미지를 보여준다. (b)의 X-HRTEM 이미지는 애피택셜 박막의 표면 근처에서 관찰된 저차원 결함이 스태킹(Stacking) 결함임을 나타낸다. 전위(Dislocation)는 표면 근처의 스태킹 결함을 둘러싸고 있다. SPE-SiGe 박막에서의 결함의 수 밀도는 수정된 쉬멜 에칭 기술에 의해 실험적으로 결정된다. SPE 박막의 표면으로 확장된 많은 수의 결함은 은(Ag)의 이동 경로로 작용할 것으로 예상된다. It shows densely distributed defects with the [111] crystal orientation from the surface to a depth of 40 nm, as presented in (a). Low-dimensional defects near the surface are stacking faults (SF) surrounded by partial dislocations, which are commonly observed in epitaxial growth. (b) and (c) show enlarged images of the regions marked '1' and '2' in (a). The X-HRTEM image of (b) indicates that the low-dimensional defects observed near the surface of the epitaxial thin film are stacking defects. Dislocations surround stacking faults near the surface. The number density of defects in SPE-SiGe thin films is experimentally determined by a modified Schimmel etching technique. A large number of defects extending to the surface of the SPE thin film are expected to act as a migration path for silver (Ag).

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막 기반의 멤리스터 소자의 전류-전압 거동 및 파라미터를 보여주는 도면들이다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, SPE-SiGe 및 a-Si 박막을 기반으로 하는 CBRAM 소자의 DC 전류-전압 특성과 파라미터 값들이 도시되어 있다. 8a to 8c are diagrams showing current-voltage behavior and parameters of the memristor device based on the SPE-SiGe thin film of the present invention. Referring to FIGS. 8A to 8C , DC current-voltage characteristics and parameter values of CBRAM devices based on SPE-SiGe and a-Si thin films are shown.

도 8a는 70nm 두께의 a-Si 기반 CBRAM 소자에 대한 전류-전압 특성을 보여준다. 도 8a를 참조하면, 초기 상태에서 a-Si 기반 CBRAM 소자는 일반적인 저항 스위칭 동작을 위한 형성 프로세스(Forming process)가 필요하다. 형성 전압은 활성층 두께에 의존하며 일반적으로 설정된 전압보다 훨씬 높다. 8a shows the current-voltage characteristics of a 70 nm thick a-Si based CBRAM device. Referring to FIG. 8A , in an initial state, an a-Si-based CBRAM device requires a forming process for a general resistance switching operation. The forming voltage depends on the active layer thickness and is generally much higher than the set voltage.

도 8b는 동일한 두께의 SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자에 대한 전류-전압 특성을 보여준다. SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자에서는 설정 전압과 거의 비슷한 훨씬 낮은 형성 전압을 나타낸다. SPE-SiGe 기반의 박막의 경우, TEM 이미지에서 관찰된 저차원 결함이 전도성 경로로 작용할 것으로 예상된다. 스태킹 결함으로의 금속 이동의 활성화 에너지는 비정질 실리콘 매트릭스 또는 결정상보다 훨씬 낮을 수 있다. a-Si 박막 및 SPE-SiGe 기반 소자의 평균 형성 전압 값은 각각 8.5V(±1.6) 및 2.7V(±0.3)이며 도 8c에 요약되어 있다. 8b shows the current-voltage characteristics of a CBRAM device based on SPE-SiGe with the same thickness. CBRAM devices based on SPE-SiGe show much lower formation voltages that are close to the set voltages. In the case of SPE-SiGe-based thin films, low-dimensional defects observed in TEM images are expected to act as conductive pathways. The activation energy of metal migration into stacking faults can be much lower than in an amorphous silicon matrix or crystalline phase. The average formation voltage values of a-Si thin film and SPE-SiGe-based devices were 8.5 V (±1.6) and 2.7 V (±0.3), respectively, summarized in Fig. 8c.

도 9a 내지도 9c는 형성 프로세스 후에 a-Si 기반의 CBRAM 소자와 SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자들에 대한 DC 전압-전류 스윕 측정 결과를 보여주는 그래프들이다. 도 9a 및 도 9b에서 알 수 있듯이, SPE-SiGe 기반의 소자는 전류-전압 곡선에서 훨씬 적은 변동을 나타낸다. 셋 및 리셋 전압 측면에서 SPE-SiGe 기반 소자의 변동 대 평균(Variation to average) 비율은 a-Si 기반 소자보다 낮은 것을 알 수 있다. SPE-SiGe 기반 소자의 감소된 변동은 저차원 결함의 존재 때문인 것으로 간주된다. 상술한 바와 같이 거의 포밍 프리(Forming-free) 특성으로부터 확인된 것처럼 다수의 결함이 소자의 동작 전에 형성된다. a-Si 기반 소자의 경우, 전도성 필라멘트가 형성되어 확률적 방식으로 파열되는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, SPE-SiGe 기반 소자는 은(Ag) 이온에 대한 선택적 확산 경로 역할을 하는 스태킹 결함이 있다. 따라서, 반복된 스위칭 작업 중에 주로 저차원 결함을 통해 은(Ag) 마이그레이션이 발생할 수 있다. 이는 셋 및 리셋 전압의 변동이 감소한 이유가 될 수 있다. 9A to 9C are graphs showing DC voltage-current sweep measurement results for a-Si-based CBRAM devices and SPE-SiGe-based CBRAM devices after a formation process. As can be seen in Figures 9a and 9b, the device based on SPE-SiGe exhibits much less variation in the current-voltage curve. It can be seen that the variation to average ratio of SPE-SiGe-based devices in terms of set and reset voltages is lower than that of a-Si-based devices. The reduced variation of SPE-SiGe-based devices is attributed to the presence of low-order defects. As confirmed from the almost forming-free characteristics as described above, a number of defects are formed before operation of the device. In the case of a-Si based devices, it is well known that conductive filaments form and rupture in a stochastic manner. However, SPE-SiGe-based devices have stacking defects that serve as selective diffusion paths for silver (Ag) ions. Therefore, silver (Ag) migration may occur mainly through low-dimensional defects during repeated switching operations. This may be the reason for the decrease in variation of the set and reset voltages.

신경형 컴퓨팅을 위한 멤리스터 신경망을 구현하기 위한 중요한 장치 파라미터 중 하나는 연속 전압 펄스와 관련하여 전도도 변화의 비선형성이다. 연속 셋 및 리셋 펄스는 시냅스 강화 모드와 약화를 모방하도록 강제된다. 강화 및 약화 모드에서 비선형성은 기억 신경망의 학습 정확도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 멤리스터 어레이를 간략한 구조를 보여준다. 도 1을 참조하면, 멤리스터 어레이(100)는 금속 이온의 통로 역할을 하는 유도된 저차원 결함을 갖는 멤리스터 소자들(110~190)을 포함할 수 있다. One of the important device parameters for implementing memristor neural networks for neuromorphic computing is the nonlinearity of the conductivity change with respect to successive voltage pulses. Consecutive set and reset pulses are forced to mimic synaptic potentiation and attenuation. Nonlinearity in the enhancement and weakening modes shows a simplified structure of the memristor array according to an embodiment of the present invention with a learning accuracy of 1 of the memory neural network. Referring to FIG. 1 , the memristor array 100 may include memristor elements 110 to 190 having induced low-dimensional defects serving as passages for metal ions.

멤리스터 소자(110)의 단면을 살펴보면, 하부 전극으로 제공되는 기판과, 기판의 상부에 형성되는 반도체 층, 실리콘 질화막(SiNx)층 그리고 상부 전극으로 제공되는 반응성 금속 층을 포함한다. 예시적인 실시 예에서, 기판으로는 고농도(p++)로 도핑된 실리콘(Si) 층이 형성될 수 있다. 반도체 층은 에피택셜 성장 실리콘-게르마늄(SiGe) 층으로 구성될 수 있다. 에피택셜 성장 실리콘-게르마늄(SiGe) 층은 비정질 실리콘 층에 게르마늄(Ge) 이온의 주입 및 열처리를 통해서 형성될 수 있다. 그리고 상부 전극으로 제공되는 반응성 금속 층은 은(Ag)으로 구성될 수 있다. 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층의 상부에 실리콘 질화막(SiNx)이 증착되고, 실리콘 질화막(SiNx)에 대한 에칭을 통해서 비아홀(Via hole)이 형성될 수 있다. Looking at the cross-section of the memristor device 110, it includes a substrate provided as a lower electrode, a semiconductor layer formed on top of the substrate, a silicon nitride (SiNx) layer, and a reactive metal layer provided as an upper electrode. In an exemplary embodiment, a silicon (Si) layer doped with a high concentration (p++) may be formed as the substrate. The semiconductor layer may consist of an epitaxially grown silicon-germanium (SiGe) layer. The epitaxially grown silicon-germanium (SiGe) layer may be formed through implantation of germanium (Ge) ions into the amorphous silicon layer and heat treatment. And, the reactive metal layer provided as the upper electrode may be composed of silver (Ag). A silicon nitride layer (SiNx) may be deposited on the epitaxially grown silicon-germanium layer, and a via hole may be formed through etching of the silicon nitride layer (SiNx).

본 발명의 멤리스터 소자(110)에 따르면, 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층에는 저차원 결함이 유도되고 이 결함을 따라 상부 전극 이온이 이동한다. 그 결과 고전압에서 수행되는 필라멘트 형성 과정이 생략될 수 있으며, 작동 전압과 작동 전압 변동을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 시냅스 가중치 업데이트의 선형성이 크게 개선되는 멤리스터 소자를 구현할 수 있다.According to the memristor device 110 of the present invention, low-dimensional defects are induced in the epitaxially grown silicon-germanium layer, and upper electrode ions move along the defects. As a result, the filament formation process performed at a high voltage can be omitted, and the operating voltage and operating voltage fluctuations can be reduced. In addition, according to the present invention, it is possible to implement a memristor device in which linearity of synaptic weight update is greatly improved.

여기서, 하부 전극은 실리콘(Si), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN), 텅스텐(W) 들 중 적어도 하나의 소재로 형성될 수 있다. 반도체 층은 비정질 실리콘(a-Si), 비정질 게르마늄(a-Ge), 비정질 실리콘-게르마늄(a-SixGey) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유전체 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 반응성 금속 층으로는 은(Ag), 구리(Cu), 구리-은(Ag-Cu) 합금 그리고 니켈(Ni) 중 적어도 하나가 사용될 수 있을 것이다.Here, the lower electrode may be formed of at least one of silicon (Si), platinum (Pt), titanium nitride (TiN), and tungsten (W). The semiconductor layer may include at least one of amorphous silicon (a-Si), amorphous germanium (a-Ge), and amorphous silicon-germanium (a-SixGey). The dielectric layer may include at least one of a silicon nitride layer (SiNx), a silicon oxide layer (SiOx), and a silicon oxynitride layer (SiOxNy). Also, as the reactive metal layer, at least one of silver (Ag), copper (Cu), a copper-silver (Ag-Cu) alloy, and nickel (Ni) may be used.

도 2는 도 1의 멤리스터 소자의 단면을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 반도체 층으로 고체 상태 에피택셜(Solid Phase Epitaxial: SPE) 성장한 실리콘-게르마늄(이하, SPE-SiGe) 층을 갖는 멤리스터 소자(110)가 예시적으로 설명될 것이다. 멤리스터 소자(110)는 하부 전극으로 제공되는 기판(111)과, 기판(111)의 상부에 형성되는 SPE-SiGe 층(112), 실리콘 질화막(SiNx) 층(113), 그리고 은(Ag) 전극 층(114)을 포함한다. FIG. 2 is a view showing a cross section of the memristor device of FIG. 1 . Referring to FIG. 2 , a memristor device 110 having a silicon-germanium (hereinafter, SPE-SiGe) layer grown as a semiconductor layer by solid phase epitaxial (SPE) will be described as an example. The memristor element 110 includes a substrate 111 serving as a lower electrode, an SPE-SiGe layer 112 formed on the substrate 111, a silicon nitride (SiNx) layer 113, and silver (Ag) electrode layer (114).

기판(111)은 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 기판(111)은 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 이어서 SPE-SiGe 층(112)은 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 비정질 실리콘(a-Si) 층을 형성한 후에 게르마늄(Ge) 이온의 주입 및 고온 어닐링의 순차적 과정을 통해 형성될 수 있다. SPE-SiGe 층(112)을 형성하기 위해 주입된 게르마늄(Ge) 이온은 비정질 실리콘(a-Si) 박막과 실리콘 단결정 웨이퍼 사이에서 고체 상태 에피택시의 성장을 방해하는 계면 산화물을 제거할 수 있다. 따라서, 주입된 게르마늄(Ge) 이온에 의하여 SPE-SiGe 층(112)을 형성하기 위한 실리콘-게르마늄(SiGe) 에피택시 박막의 성장이 활성화될 수 있다. 주입된 게르마늄(Ge) 이온은 또한 표면 영역 근처의 전위(Dislocation) 루프와 같은 저차원 결함을 유도할 수 있다. The substrate 111 may be provided with highly doped p++ type silicon. For example, the substrate 111 may be a silicon wafer. Subsequently, the SPE-SiGe layer 112 is formed through a sequential process of implantation of germanium (Ge) ions and high-temperature annealing after forming an amorphous silicon (a-Si) layer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process on a silicon wafer. It can be. Germanium (Ge) ions implanted to form the SPE-SiGe layer 112 can remove interfacial oxides that hinder the growth of solid-state epitaxy between an amorphous silicon (a-Si) thin film and a silicon monocrystalline wafer. Accordingly, growth of a silicon-germanium (SiGe) epitaxial thin film for forming the SPE-SiGe layer 112 may be activated by the implanted germanium (Ge) ions. Implanted germanium (Ge) ions can also induce low-order defects such as dislocation loops near surface regions.

SPE-SiGe 층(112)의 상부에는 실리콘 질화막(SiNx, 113)이 형성된다. 실리콘 질화막(113)이 형성된 이후에 에칭 공정을 통해서 비아홀 구조가 형성된다. 이후, 실리콘 질화막(113)의 상부에는 반응성 금속 층으로 은 전극 층(114)이 형성될 것이다. On top of the SPE-SiGe layer 112, a silicon nitride film (SiNx, 113) is formed. After the silicon nitride film 113 is formed, a via hole structure is formed through an etching process. Thereafter, a silver electrode layer 114 may be formed as a reactive metal layer on top of the silicon nitride film 113 .

이상에서는 설명의 편의를 위해 SPE-SiGe 층(112)을 반도체 층으로 갖는 멤리스터 소자(110)가 예시적으로 설명되었다. 하지만, 본 발명의 멤리스터 소자(110)는 다양한 소재들로 조정되거나 변경될 수 있을 것이다. 예를 들면, 하부 전극으로 제공되는 기판(111)은 실리콘(Si), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN), 텅스텐(W) 들 중 적어도 하나의 소재로 형성될 수 있다. 유전체 층으로 제공되는 실리콘 질화막(SiNx, 113) 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 중 적어도 하나로 형성될 수 있을 것이다. 그리고 반응성 금속 층으로 제공되는 은 전극 층(114)은 구리(Cu)나 구리-은(Ag-Cu) 합금, 니켈(Ni) 등으로 형성될 수 있다. 더불어, 주입되는 이온으로는 게르마늄(Ge) 대신에 실리콘(Si), 탄소(C) 등이 사용될 수 있음은 잘 이해될 것이다. In the above, for convenience of description, the memristor device 110 having the SPE-SiGe layer 112 as a semiconductor layer has been described as an example. However, the memristor element 110 of the present invention may be adjusted or changed to various materials. For example, the substrate 111 serving as the lower electrode may be formed of at least one of silicon (Si), platinum (Pt), titanium nitride (TiN), and tungsten (W). The silicon nitride layer (SiNx, 113) serving as the dielectric layer may be formed of at least one of a silicon nitride layer (SiNx), a silicon oxide layer (SiOx), and a silicon oxynitride layer (SiOxNy). Also, the silver electrode layer 114 serving as a reactive metal layer may be formed of copper (Cu), a copper-silver (Ag-Cu) alloy, or nickel (Ni). In addition, it will be well understood that silicon (Si), carbon (C), or the like can be used instead of germanium (Ge) as the implanted ion.

도 3은 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 방법을 간략히 보여주는 순서도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제조 방법에 의해서 형성된 SPE-SiGe 층(112)을 통해서 고전압에서 수행되는 필라멘트 형성 과정이 생략될 수 있고, 셋 전압과 리셋 전압과 같은 작동 전압의 변동을 줄일 수 있다. 따라서, 멤리스터 소자의 이상적인 아날로그 시냅스 특성을 구현할 수 있다. 3 is a flowchart briefly showing a manufacturing method for forming the memristor device of the present invention. Referring to FIG. 3, the filament formation process performed at a high voltage can be omitted through the SPE-SiGe layer 112 formed by the manufacturing method of the present invention, and fluctuations in operating voltages such as set voltage and reset voltage can be reduced there is. Therefore, ideal analog synaptic characteristics of a memristor device can be implemented.

S110 단계에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 기판이 제공된다. In step S110, a heavily doped p++ type silicon substrate is provided.

S120 단계에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 기판 상에 비정질 실리콘(a-Si) 층이 형성된다. 비정질 실리콘(a-Si) 층의 바람직한 두께는, 예를 들면, 60nm로 형성될 수 있다. 비정질 실리콘(a-Si) 층을 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 형성될 수 있다. 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 위해, 예를 들면, 550℃의 증착 온도와 150 mTorr의 공정 압력이 적용될 수 있다. In step S120, an amorphous silicon (a-Si) layer is formed on the heavily doped p++ type silicon substrate. A preferred thickness of the amorphous silicon (a-Si) layer may be formed to, for example, 60 nm. An amorphous silicon (a-Si) layer may be formed on a silicon wafer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process. For a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process, for example, a deposition temperature of 550° C. and a process pressure of 150 mTorr may be applied.

S130 단계에서, 비정질 실리콘(a-Si) 층에 게르마늄(Ge) 이온이 주입된다. 비정질 실리콘(a-Si) 층에 가속된 게르마늄(Ge) 이온 빔을 조사하는 방식으로 게르마늄(Ge) 이온을 주입할 수 있다. 게르마늄(Ge) 이온의 주입을 통한 주입 이온 조성의 반치폭 두께는 비정질 실리콘(a-Si) 박막 두께의 3/2 배가 될 수 있다. 그리고 주입 Ge 이온의 피크 조성은 2.6 at% 내외(0.5 at% ~ 10 at%)일 수 있다. 이온 주입에 의한 결함 피크 위치는 박막의 두께와 유사할 수 있다. 그리고 이온 주입에 의한 결함 피크 비율은 78.5%(50~100%)일 수 있다. 게르마늄(Ge) 이온의 높은 주입 가속 전압에 의해 a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 계면에서 효과적으로 계면 산화물을 제거할 수 있다.In step S130 , germanium (Ge) ions are implanted into the amorphous silicon (a-Si) layer. Germanium (Ge) ions may be implanted into an amorphous silicon (a-Si) layer by irradiating an accelerated germanium (Ge) ion beam. The thickness at half maximum of the implanted ion composition through the implantation of germanium (Ge) ions may be 3/2 times the thickness of an amorphous silicon (a-Si) thin film. In addition, the peak composition of the implanted Ge ions may be around 2.6 at% (0.5 at% to 10 at%). The defect peak position due to ion implantation may be similar to the thickness of the thin film. And the defect peak ratio by ion implantation may be 78.5% (50 to 100%). Interfacial oxide can be effectively removed from the interface between the a-Si thin film and the c-Si wafer by the high implantation acceleration voltage of germanium (Ge) ions.

S140 단계에서, 이온 주입의 후속으로 열처리(Annealing)가 진행된다. 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 a-SiGe 층에 고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy: SPE)를 유도하기 위해 고온 조건(예를 들면, 900℃에서의 열처리가 적용될 수 있다. 열처리(Annealing)를 통해서 SPE-SiGe 박막을 형성할 수 있다.In step S140, annealing is performed following the ion implantation. In order to induce solid phase epitaxy (SPE) on the a-SiGe layer implanted with germanium (Ge) ions, high-temperature conditions (eg, heat treatment at 900 ° C.) may be applied. Through annealing SPE-SiGe thin films can be formed.

S150 단계에서, SPE-SiGe 성장층 상부에 실리콘 질화막(113)이 형성된다. In step S150, a silicon nitride film 113 is formed on the SPE-SiGe growth layer.

S160 단계에서, 실리콘 질화막(113)에 비아홀을 형성한다. 비아홀의 형성을 위해, 예를 들면, 실리콘 질화막(SiNx, 113)은 포토 리소그래피에 의해 패턴화된 원형 홀 어레이를 갖는 포토레지스트 마스크를 사용하여 BOE 용액에서 선택적으로 에칭될 수 있다. In step S160 , via holes are formed in the silicon nitride film 113 . For formation of via holes, for example, a silicon nitride film (SiNx, 113) may be selectively etched in a BOE solution using a photoresist mask having a circular hole array patterned by photolithography.

S170 단계에서, 비아홀이 형성된 실리콘 질화막(113)의 상부에는 상부 전극이 형성된다. 즉, 비아홀의 상부에 은 전극 층(114)이 형성될 수 있다. 여기서, 은 전극 층(114)은 열 증발기에 의해서 은이 실리콘 질화막(113)에 원통형으로 증착되도록 리프트 오프(Lift-off) 공정을 사용하여 형성될 수도 있다.In step S170, an upper electrode is formed on the silicon nitride film 113 in which the via hole is formed. That is, the silver electrode layer 114 may be formed on the via hole. Here, the silver electrode layer 114 may be formed using a lift-off process so that silver is deposited in a cylindrical shape on the silicon nitride film 113 by a thermal evaporator.

도 4는 본 발명의 멤리스터 소자를 형성하는 제조 공정을 도식적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제조 방법에 의해서 통해서 SPE-SiGe 성장층에 저차원 결함을 유도할 수 있고, 결함을 따라 상부 전극 이온이 이동하는 경로를 제공할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에 따라 형성된 멤리스터 소자는 이상적인 아날로그 시냅스 특성을 구현할 수 있다. 4 is a diagram schematically showing a manufacturing process for forming the memristor device of the present invention. Referring to FIG. 4 , low-dimensional defects can be induced in the SPE-SiGe growth layer through the manufacturing method of the present invention, and a path for upper electrode ions to move along the defects can be provided. The memristor device formed according to the manufacturing method of the present invention can implement ideal analog synaptic characteristics.

(a) 공정에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 웨이퍼가 제공된다. In process (a), a heavily doped p++ type silicon wafer is provided.

(b) 공정에서, 고농도로 도핑된 p++ 타입의 실리콘 웨이퍼 상에 비정질 실리콘(a-Si) 층(112a)이 형성된다. a-Si 층(112a)은 게르마늄(Ge) 이온이 주입되기 전의 비정질 실리콘 층이다. a-Si 층(112a)은 실리콘 웨이퍼 상에 저압 화학 증착(LPCVD) 공정을 통해서 형성될 수 있다. In process (b), an amorphous silicon (a-Si) layer 112a is formed on a heavily doped p++ type silicon wafer. The a-Si layer 112a is an amorphous silicon layer before germanium (Ge) ions are implanted. The a-Si layer 112a may be formed on a silicon wafer through a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process.

(c) 공정에서, a-Si 층(112a)에 게르마늄(Ge) 이온이 주입된다. 고에너지로 가속된 게르마늄(Ge) 이온 빔을 조사하는 방식으로 a-Si 층(112a)에 게르마늄(Ge) 이온을 주입하여 게르마늄(Ge) 주입된 a-SiGe 층(112b)이 형성될 수 있다. In step (c), germanium (Ge) ions are implanted into the a-Si layer 112a. A germanium (Ge) implanted a-SiGe layer 112b may be formed by implanting germanium (Ge) ions into the a-Si layer 112a by irradiating a germanium (Ge) ion beam accelerated with high energy. .

(d) 공정에서, 게르마늄(Ge) 이온 주입의 후속으로 열처리(Annealing)가 진행된다. 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 a-SiGe 층에 고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy: SPE)를 유도하기 위해 고온 조건(예를 들면, 900℃에서의 열처리가 적용될 수 있다. 열처리(Annealing)를 통해서 SPE-SiGe 박막을 형성할 수 있다.In the step (d), annealing is performed following the germanium (Ge) ion implantation. In order to induce solid phase epitaxy (SPE) on the a-SiGe layer implanted with germanium (Ge) ions, high-temperature conditions (eg, heat treatment at 900 ° C.) may be applied. Through annealing SPE-SiGe thin films can be formed.

(e) 공정에서, 게르마늄(Ge) 이온이 주입된 SPE-SiGe 층(112)의 상부에는 실리콘 질화막(SiNx, 113)이 형성된다. 실리콘 질화막(113)은 플라즈마 화학증착(PECVD) 기법에 의해서 형성될 수 있을 것이다.In process (e), a silicon nitride film (SiNx, 113) is formed on the SPE-SiGe layer 112 into which germanium (Ge) ions are implanted. The silicon nitride film 113 may be formed by a plasma chemical vapor deposition (PECVD) technique.

(f) 공정에서, 실리콘 질화막(SiNx, 113)에 비아홀이 형성된다. 비아홀의 형성을 위해, 예를 들면, 실리콘 질화막(SiNx, 113)은 포토 리소그래피에 의해 패턴화된 원형 홀 어레이를 갖는 포토레지스트 마스크를 사용하여 BOE(Bufferd Oxide-Etchant) 용액에서 선택적으로 에칭될 수 있다. In step (f), via holes are formed in the silicon nitride film (SiNx, 113). For formation of via holes, for example, a silicon nitride film (SiNx, 113) may be selectively etched in a buffered oxide-etchant (BOE) solution using a photoresist mask having a circular hole array patterned by photolithography. there is.

(g) 공정에서, 상부 전극 층이 형성된다. 즉, 비아홀의 상부에 은 전극 층(114)이 형성될 수 있다. 여기서, 은 전극 층(114)은 열 증발기에 의해서 은이 실리콘 질화막(113)에 원통형으로 증착되도록 리프트 오프(Lift-off) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.In process (g), an upper electrode layer is formed. That is, the silver electrode layer 114 may be formed on the via hole. Here, the silver electrode layer 114 may be formed using a lift-off process so that silver is deposited in a cylindrical shape on the silicon nitride film 113 by a thermal evaporator.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막을 형성하는 방법과 특징을 보여주는 도면들이다. 도 5a를 참조하면, 이온 주입에 의한 계면 산화물의 제거 효과를 보여준다. 고체상 에피택시(SPE) 성장은 단일 결정의 기판(111)에 a-Si 층(112a)의 증착과 결정화를 위한 후속 어닐링에 의해 에피택시 박막을 생산하는 공정 중 하나이다. 높은 품질의 에피택시 박막을 얻기 위해, 증착된 a-Si 층(112a)의 격자 크기는 기판(111)의 것과 일치해야 한다. 더욱이, 증착된 a-Si 층(112a) 박막과 기판 사이의 계면에는 이물질이 없도록 제어되어야 한다. 실리콘 웨이퍼의 네이티브 산화물은 실온에서도 빠르게 형성되어 a-Si 층(112a)의 에피텍셜 성장을 방해한다. 이온 주입은 계면 산화물(115)을 제거하는 기술 중 하나이다. 5a to 5c are views showing a method and characteristics of forming the SPE-SiGe thin film of the present invention. Referring to FIG. 5A, the effect of removing interfacial oxide by ion implantation is shown. Solid-state epitaxial (SPE) growth is one of the processes for producing an epitaxial thin film by deposition of an a-Si layer 112a on a single crystal substrate 111 and subsequent annealing for crystallization. To obtain a high quality epitaxial thin film, the lattice size of the deposited a-Si layer 112a should match that of the substrate 111 . Moreover, the interface between the deposited a-Si layer 112a thin film and the substrate must be controlled so that there are no foreign substances. The native oxide of the silicon wafer is rapidly formed even at room temperature and hinders the epitaxial growth of the a-Si layer 112a. Ion implantation is one of the techniques for removing the interfacial oxide 115 .

도 5b를 참조하면, Ge 이온이 주입된 a-Si 층(112a)은 고체상 에피택시를 유도하기 위해 적정 온도(예를 들면, 900℃에서 어닐링될 수 있다. 높은 가속 전압으로 주입된 입자는 호스트 요소와 충돌하고, 호스트 요소의 변위를 유도하고 운동 에너지를 잃는다. 이온 충돌에 의해서 계면 산화물이 감소될 수 있다. 더불어, SPE-SiGe 층(112)의 표면에서 특정 깊이까지의 [111] 결정 방향과 함께 조밀하게 분포된 저차원 결함(116)을 유도한다. SPE-SiGe 층(112)의 표면 근처의 저차원 결함(116)은 부분 전위(Partial dislocation)에 의해 둘러싸인 적층 결함이며, 이는 일반적으로 에피택셜 성장에서 관찰된다. SPE-SiGe 층(112)의 표면으로 확장된 많은 수의 저차원 결함(116)은 도 5c와 같이 바이어스 조건에서 은(Ag)의 이동 경로로 작용할 것으로 예상된다. Referring to FIG. 5B, the a-Si layer 112a implanted with Ge ions may be annealed at an appropriate temperature (eg, 900° C.) to induce solid-state epitaxy. The implanted particles at a high acceleration voltage may be host Collide with element, induce displacement of host element and lose kinetic energy.Interfacial oxide can be reduced by ion bombardment.In addition, [111] crystal orientation from the surface of SPE-SiGe layer 112 to a certain depth induced densely distributed low-order defects 116. The low-order defects 116 near the surface of the SPE-SiGe layer 112 are stacking faults surrounded by partial dislocations, which are generally Observed in the epitaxial growth, a large number of low-dimensional defects 116 extending to the surface of the SPE-SiGe layer 112 are expected to act as a migration path for silver (Ag) under bias conditions, as shown in FIG.

도 6은 이온 주입을 통한 고체상 에피택시의 성장을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 어닐링 전의 (a)에서 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 원래 인터페이스가 확대되었다. 도 6은 고전압(120kV) 주입에 의한 실리콘 웨이퍼 상의 a-Si 박막의 XTEM 이미지를 보여주는 도면들이다. (a)는 어닐링 전의 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 초기 계면을 보여준다. (b)는 어닐링 후의 LPCVD a-Si 박막과 c-Si 웨이퍼 사이의 초기 계면의 형태를 보여준다. 그리고 (c)는 (b)의 계면 부분을 확대한 도면이다. 6 is a diagram showing the growth of solid-phase epitaxy through ion implantation. Referring to FIG. 6, the original interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer in (a) before annealing is enlarged. 6 are diagrams showing XTEM images of an a-Si thin film on a silicon wafer by high voltage (120 kV) implantation. (a) shows the initial interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer before annealing. (b) shows the morphology of the initial interface between the LPCVD a-Si thin film and the c-Si wafer after annealing. And (c) is an enlarged view of the interface part of (b).

도시된 바와 같이 고전압(예를 들면, 120kV) 주입의 경우 계면 산화물은 확대된 배율에서도 관찰되지 않았고, LPCVD a-Si 박막은 기판 배향을 따라 에피택셜 성장을 보였다. 어닐링 후 결정화된 실리콘 웨이퍼는 단일 결정 회절 패턴을 보여준다. 주입된 Ge 이온은 SiGe 합금을 만들고 Ge 분률에 따라 격자 크기를 증가시킨다. SiGe 합금의 격자 파라미터는 Ge의 양에 비례하여 변화하고, 결정된 격자 파라미터는 'Vegard'의 법칙에서 추정된 값과 잘 일치하였다. As shown, in the case of high voltage (eg, 120 kV) implantation, interfacial oxide was not observed even at magnified magnification, and the LPCVD a-Si thin film showed epitaxial growth along the substrate orientation. A crystallized silicon wafer after annealing shows a single crystal diffraction pattern. The implanted Ge ions create a SiGe alloy and increase the lattice size according to the Ge fraction. The lattice parameter of the SiGe alloy changes in proportion to the amount of Ge, and the determined lattice parameter agrees well with the value estimated from 'Vegard's law.

도 7은 SPE-SiGe 박막의 확대된 HRTEM 이미지를 보여준다. 도 7을 참조하면, 도시된 바와 같이 SPE-SiGe의 표면에 저차원 결함이 형성될 수 있다.7 shows an enlarged HRTEM image of the SPE-SiGe thin film. Referring to FIG. 7 , as shown, low-dimensional defects may be formed on the surface of SPE-SiGe.

(a)에 제시된 바와 같이 표면에서 40nm의 깊이까지의 [111] 결정 방향과 함께 조밀하게 분포된 결함을 보여준다. 표면 근처의 저차원 결함은 부분 전위(Partial Dislocation)에 의해 둘러싸인 스태킹 결함(Stacking Fault: SF)이며, 이는 일반적으로 에피택셜 성장에서 관찰된다. (b)와 (c)는 (a)에서 '1' 및 '2'로 표시된 영역의 확대된 이미지를 보여준다. (b)의 X-HRTEM 이미지는 에피택셜 박막의 표면 근처에서 관찰된 저차원 결함이 스태킹(Stacking) 결함임을 나타낸다. 전위(Dislocation)는 표면 근처의 스태킹 결함을 둘러싸고 있다. SPE-SiGe 박막에서의 결함의 수 밀도는 수정된 쉬멜 에칭 기술에 의해 실험적으로 결정된다. SPE 박막의 표면으로 확장된 많은 수의 결함은 은(Ag)의 이동 경로로 작용할 것으로 예상된다. It shows densely distributed defects with the [111] crystal orientation from the surface to a depth of 40 nm, as presented in (a). Low-order defects near the surface are stacking faults (SF) surrounded by partial dislocations, which are commonly observed in epitaxial growth. (b) and (c) show enlarged images of the regions marked '1' and '2' in (a). The X-HRTEM image in (b) indicates that the low-dimensional defects observed near the surface of the epitaxial thin film are stacking defects. Dislocations surround stacking faults near the surface. The number density of defects in SPE-SiGe thin films is experimentally determined by a modified Schimmel etching technique. A large number of defects extending to the surface of the SPE thin film are expected to act as a migration path for silver (Ag).

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 SPE-SiGe 박막 기반의 멤리스터 소자의 전류-전압 거동 및 파라미터를 보여주는 도면들이다. 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, SPE-SiGe 및 a-Si 박막을 기반으로 하는 CBRAM 소자의 DC 전류-전압 특성과 파라미터 값들이 도시되어 있다. 8a to 8c are diagrams showing current-voltage behavior and parameters of the memristor device based on the SPE-SiGe thin film of the present invention. Referring to FIGS. 8A to 8C , DC current-voltage characteristics and parameter values of CBRAM devices based on SPE-SiGe and a-Si thin films are shown.

도 8a는 60nm 두께의 a-Si 기반 CBRAM 소자에 대한 전류-전압 특성을 보여준다. 도 8a를 참조하면, 초기 상태에서 a-Si 기반 CBRAM 소자는 일반적인 저항 스위칭 동작을 위한 형성 프로세스(Forming process)가 필요하다. 형성 전압은 활성층 두께에 의존하며 일반적으로 셋 전압보다 훨씬 높다. 8a shows the current-voltage characteristics of a 60 nm thick a-Si based CBRAM device. Referring to FIG. 8A , in an initial state, an a-Si-based CBRAM device requires a forming process for a general resistance switching operation. The formation voltage depends on the active layer thickness and is generally much higher than the set voltage.

도 8b는 동일한 두께의 SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자에 대한 전류-전압 특성을 보여준다. SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자에서는 셋 전압과 거의 비슷한 훨씬 낮은 형성 전압을 나타낸다. SPE-SiGe 기반의 박막의 경우, TEM 이미지에서 관찰된 저차원 결함이 전도성 경로로 작용할 것으로 예상된다. 스태킹 결함으로의 금속 이동의 활성화 에너지는 비정질 실리콘 매트릭스 또는 결정상보다 훨씬 낮을 수 있다. a-Si 박막 및 SPE-SiGe 기반 소자의 평균 형성 전압 값은 각각 8.5V(±1.6) 및 2.7V(±0.3)이며 도 8c에 요약되어 있다. 8b shows the current-voltage characteristics of a CBRAM device based on SPE-SiGe with the same thickness. In SPE-SiGe-based CBRAM devices, the formation voltage is much lower than the set voltage. In the case of SPE-SiGe-based thin films, low-dimensional defects observed in TEM images are expected to act as conductive pathways. The activation energy of metal migration into stacking faults can be much lower than in an amorphous silicon matrix or crystalline phase. The average formation voltage values of a-Si thin film and SPE-SiGe-based devices were 8.5 V (±1.6) and 2.7 V (±0.3), respectively, summarized in Fig. 8c.

도 9a 내지도 9c는 형성 프로세스 후에 a-Si 기반의 CBRAM 소자와 SPE-SiGe 기반의 CBRAM 소자들에 대한 DC 전압-전류 스윕 측정 결과를 보여주는 그래프들이다. 도 9a 및 도 9b에서 알 수 있듯이, SPE-SiGe 기반의 소자는 전류-전압 곡선에서 훨씬 적은 변동을 나타낸다. 셋 및 리셋 전압 측면에서 SPE-SiGe 기반 소자의 변동 대 평균(Variation to average) 비율은 a-Si 기반 소자보다 낮은 것을 알 수 있다. SPE-SiGe 기반 소자의 감소된 변동은 저차원 결함의 존재 때문인 것으로 간주된다. 상술한 바와 같이 거의 포밍 프리(Forming-free) 특성으로부터 확인된 것처럼 다수의 결함이 소자의 동작 전에 형성된다. a-Si 기반 소자의 경우, 전도성 필라멘트가 형성되어 확률적 방식으로 파열되는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, SPE-SiGe 기반 소자는 은(Ag) 이온에 대한 선택적 확산 경로 역할을 하는 스태킹 결함이 있다. 따라서, 반복된 스위칭 작업 중에 주로 저차원 결함을 통해 은(Ag) 마이그레이션이 발생할 수 있다. 이는 셋 및 리셋 전압의 변동이 감소한 이유가 될 수 있다. 9A to 9C are graphs showing DC voltage-current sweep measurement results for a-Si-based CBRAM devices and SPE-SiGe-based CBRAM devices after a formation process. As can be seen in Figures 9a and 9b, the device based on SPE-SiGe exhibits much less variation in the current-voltage curve. It can be seen that the variation to average ratio of SPE-SiGe-based devices in terms of set and reset voltages is lower than that of a-Si-based devices. The reduced variation of SPE-SiGe-based devices is attributed to the presence of low-order defects. As confirmed from the almost forming-free characteristics as described above, a number of defects are formed before operation of the device. In the case of a-Si based devices, it is well known that conductive filaments form and rupture in a stochastic manner. However, SPE-SiGe-based devices have stacking defects that serve as selective diffusion paths for silver (Ag) ions. Therefore, silver (Ag) migration may occur mainly through low-dimensional defects during repeated switching operations. This may be the reason for the decrease in variation of the set and reset voltages.

신경 모사 컴퓨팅을 위한 멤리스터 신경망을 구현하기 위한 중요한 장치 파라미터 중 하나는 연속 전압 펄스와 관련하여 전도도 변화의 비선형성이다. 연속 셋 및 리셋 펄스는 시냅스 강화 모드와 약화 모드를 모방하도록 강제된다. 강화 및 약화 모드에서 비선형성은 기억 신경망의 학습 정확도와 관련이 있다. SPE-SiGe 박막에 있는 스태킹 결함은 소수의 강한 전도성 필라멘트가 아닌 다수의 전도성 필라멘트로 작동할 수 있다. 따라서 일반적인 저항 메모리 장치에서 관찰되는 갑작스러운 스위칭 동작은 SPE-SiGe 기반의 메모리 장치에서 억제될 수 있다.One of the important device parameters for implementing memristor neural networks for neuromimetic computing is the nonlinearity of the conductance change with respect to continuous voltage pulses. Consecutive set and reset pulses are forced to mimic the synaptic potentiation and weakening modes. Non-linearity in the strengthening and weakening modes is related to the learning accuracy of the memory neural network. Stacking faults in SPE-SiGe films can operate with many conductive filaments rather than a few strong conductive filaments. Therefore, sudden switching behavior observed in typical resistive memory devices can be suppressed in SPE-SiGe-based memory devices.

도 10a 내지 도 10b는 전압이 a-Si 소자 및 SPE-SiGe 소자에 인가될 때 스위칭 레이어에 형성된 전도성 경로를 보여주는 도면들이다. 그리고 도 10c 내지 도 10d는 전압이 a-Si 소자 및 SPE-SiGe 소자에 전도도 업데이트 곡선을 보여주는 도면들이다. 10A to 10B are diagrams showing conductive paths formed in the switching layer when voltage is applied to the a-Si device and the SPE-SiGe device. And Figures 10c to 10d are diagrams showing the conductivity update curves for the voltage a-Si device and the SPE-SiGe device.

도 10a 내지 도 10b를 참조하면, a-Si 기반 소자에는 강력한 전도성 필라멘트(210)가 존재하지만, SPE-SiGe 소자에는 다수의 약한 필라멘트들(220)이 존재한다. 이것은 반복적인 동일 전압 펄스들에 대해 강화 모드 및 약화 모드에서 점진적인 전도성 업데이트를 이끌어 낼 것으로 예상된다. Referring to FIGS. 10A to 10B , strong conductive filaments 210 exist in a-Si-based devices, but multiple weak filaments 220 exist in SPE-SiGe devices. This is expected to lead to a gradual conductivity update in the enhancement and weakening modes for repetitive equal voltage pulses.

도 10c 내지 도 10d는 a-Si 기반 소자와 SPE-SiGe 소자에 대해 강화/약화 테스트의 결과를 보여준다. 도시된 바와 같이, 도 10c의 a-Si 소자의 경우, 동일한 전압 펄스가 연속적으로 인가될 때, 단지 몇 번의 펄스 후에도 강화 모드 및 약화 모드 모두에서 전도도의 급격한 증가 및 감소가 관찰되었다. 그러나 도 10d의 SPE-SiGe 소자의 경우, 강화 모드 및 약화 모드 모두에서 전도도의 점진적 증가 및 감소가 관찰되었다. SPE-SiGe 소자의 비선형 값은 아래의 수학식 1 내지 수학식 3의 회전 방정식들에서 추출될 수 있다.10c to 10d show the results of strengthening/weakening tests for a-Si-based devices and SPE-SiGe devices. As shown, in the case of the a-Si device of FIG. 10C, when the same voltage pulse is continuously applied, rapid increases and decreases in conductivity are observed in both the enhancement mode and the weakening mode after only a few pulses. However, in the case of the SPE-SiGe device of FIG. 10d, a gradual increase and decrease in conductivity were observed in both the enhanced and weakened modes. The nonlinear value of the SPE-SiGe device can be extracted from the rotation equations of Equations 1 to 3 below.

Figure 112021062377372-pat00001
Figure 112021062377372-pat00001

Figure 112021062377372-pat00002
Figure 112021062377372-pat00002

Figure 112021062377372-pat00003
Figure 112021062377372-pat00003

여기서, GP와 GD는 각각 강화 및 약화에 대한 컨덕턴스이다. Gmax 및 Gmin은 실험 결과에서 추출된 최대 및 최소 컨덕턴스이다. P와 Pmax는 각각의 모드에서 펄스 수와 최대 펄스 수이다. νP 및 νD는 각각 강화 및 약화에서 멤리스터 컨덕턴스 업데이트의 비선형성이며, 위의 수학식들을 충족하는 값으로 결정될 것이다. Here, G P and G D are conductances for strengthening and weakening, respectively. G max and G min are the maximum and minimum conductances extracted from the experimental results. P and P max are the number of pulses and the maximum number of pulses in each mode. ν P and ν D are the nonlinearity of the memristor conductance update in strengthening and weakening, respectively, and will be determined as values satisfying the above equations.

상술한 방정식으로부터, SPE-SiGe 소자의 강화 모드에서의 비선형성은 7.8이고, 약화 모드에서의 비선형성은 -4.1이다. 같은 방식으로, a-Si 소자의 비선형값은 강화 및 약화 모드에서 18.9 및 -108.4로 결정되었다. 이 결과는 다중 스태킹 결함이 있는 SPE-SiGe 기반 CBRAM 소자가 저차원 결함과 함께 선택적 Ag 마이그레이션으로 인해 보다 점진적인 전도도 업데이트 동작을 가짐을 의미한다. From the above equation, the nonlinearity in the enhancement mode of the SPE-SiGe device is 7.8, and the nonlinearity in the weakening mode is -4.1. In the same way, the nonlinear values of the a-Si device were determined to be 18.9 and -108.4 in the enhanced and weakened modes. This result implies that the SPE-SiGe based CBRAM device with multiple stacking defects has a more gradual conductivity update behavior due to selective Ag migration with low-order defects.

도 11은 SPE-SiGe 박막의 에칭 특성을 간략히 보여주는 도면이다. 도 11을 참조하면, 실리콘(Si) 기판 상의 SPE-SiGe 박막을 5초 동안 쉬멜(Schimmel) 에칭액으로 에칭한 결과를 보여준다. (a)에 도시된 SPE-SiGe 박막의 에칭된 표면에 생성된 단위 면적당 식공(Etch pit)의 갯수를 구할 수 있다. (b)에는 순수 실리콘에 대해 60초 동안 동일한 에칭액으로 에칭한 후에 측정된 식공 밀도(Etch pit)와 SPE-SiGe 박막의 식공 밀도(Etch pit)가 비교되어 있다. SPE-SiGe 박막의 식공 밀도(Etch pit)가 순수 실리콘(Baer Si)에 비해 더 높게 나타남을 알 수 있다. 식공 밀도(Etch pit)를 고려하면, SPE-SiGe 박막을 사용하는 멤리스터 소자에서 균일(Uniform)한 결함을 제공하기에 충분히 조밀한 것을 알 수 있다. 11 is a diagram briefly showing etching characteristics of an SPE-SiGe thin film. Referring to FIG. 11, a result of etching an SPE-SiGe thin film on a silicon (Si) substrate with a Schimmel etchant for 5 seconds is shown. The number of etch pits per unit area generated on the etched surface of the SPE-SiGe thin film shown in (a) can be obtained. In (b), the etch pit density measured after etching with the same etchant for 60 seconds for pure silicon and the etch pit density of the SPE-SiGe thin film are compared. It can be seen that the etch pit of the SPE-SiGe thin film is higher than that of pure silicon (Baer Si). Considering the etch pit, it can be seen that the memristor device using the SPE-SiGe thin film is dense enough to provide uniform defects.

상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.The foregoing are specific embodiments for carrying out the present invention. The present invention will include not only the above-described embodiments, but also embodiments that can be simply or easily changed in design. In addition, the present invention will also include techniques that can be easily modified and practiced using the embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments and should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to the claims of the present invention.

Claims (5)

멤리스터 소자에 있어서:
하부 전극;
상기 하부 전극의 상부에 형성되는 에피택셜 성장한 실리콘-게르마늄 층;
상기 실리콘-게르마늄 층의 상부에 형성되는 유전체 층;
상기 유전체 층에 형성되는 비아홀; 그리고
상기 비아홀의 상부에 형성되는 상부 전극 층을 포함하되,
상기 실리콘-게르마늄 층은 상기 상부 전극 층의 금속 이온의 통로로 제공되는 [111] 결정 방향의 저차원 결함을 특정 깊이까지 유도하기 위한 게르마늄 이온 주입 공정 및 고체상 에피택시(Solid Phase Epitaxy: SPE)를 유도하기 위한 고온 열처리를 통해서 형성되는 멤리스터 소자.
For memristor devices:
lower electrode;
an epitaxially grown silicon-germanium layer formed on the lower electrode;
a dielectric layer formed on top of the silicon-germanium layer;
a via hole formed in the dielectric layer; and
Including an upper electrode layer formed on top of the via hole,
The silicon-germanium layer undergoes a germanium ion implantation process and solid phase epitaxy (SPE) for inducing low-dimensional defects in the [111] crystal direction to a specific depth, which are provided as passages for metal ions of the upper electrode layer. A memristor element formed through high-temperature heat treatment for induction.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 주입 공정은 상기 하부 전극과 상기 실리콘-게르마늄 층 사이에 위치하는 계면 산화물을 제거하는 위한 조건으로 수행되는 멤리스터 소자.
According to claim 1,
The ion implantation process is performed under conditions for removing interfacial oxide located between the lower electrode and the silicon-germanium layer.
제 1 항에 있어서,
상기 상부 전극 층은 은(Ag), 구리(Cu), 은-구리(Ag-Cu) 합금 그리고 니켈(Ni) 중 적어도 하나의 반응성 금속으로 형성되는 멤리스터 소자.
According to claim 1,
The upper electrode layer is formed of at least one reactive metal of silver (Ag), copper (Cu), silver-copper (Ag-Cu) alloy, and nickel (Ni).
제 1 항에 있어서,
상기 유전체 층은 실리콘 질화막(SiNx), 실리콘 산화막(SiOx), 실리콘 산화질화막(SiOxNy) 들 중 적어도 하나의 소재로 형성되는 멤리스터 소자.
According to claim 1,
The dielectric layer is a memristor device formed of at least one of a silicon nitride film (SiNx), a silicon oxide film (SiOx), and a silicon oxynitride film (SiO x N y ).
제 1 항에 있어서,
상기 게르마늄 이온의 주입에 따른 이온 조성 반치폭의 두께는 상기 실리콘-게르마늄 층의 두께의 1.5배인 멤리스터 소자.
According to claim 1,
The memristor device of claim 1 , wherein a thickness of the ion composition at half maximum according to the implantation of the germanium ions is 1.5 times the thickness of the silicon-germanium layer.
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