KR20060083368A - 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 저항변화를 이용한 ReRAM 소자를 구현하기 위하여, 산소가 많이 부족하여 조성비(stoichiometry)가 맞지 않고 이로 인해 전도성이 높은 제 1층(bottom oxide)과 조성비가 맞고 저항이 큰 제 2층(top oxide)으로 구성된 다층의 조성비가 서로 다른 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 기억소자 및 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 ReRAM용 소자를 제작하기 위하여 실리콘 웨이퍼(Silicon wafer) 또는 전도성 전극위에 여러 가지 금속산화물과 증착방법을 이용하여 약 50∼100nm 두께의 금속산화물의 박막을 증착시킨다. 증착시 고온에서 산소의 양을 최소화함으로써, 금속산화물 보다 산소의 조성이 현저히 낮은 금속산화물을 형성시켜 전도성이 높은 산화막을 형성하게 된다. 이 산화막을 산소분위기에서 저온으로 저온산화시켜 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 산화막층을 형성하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 ReRAM 소자는 비휘발성 메모리로 필수적인 10년 동안의 데이터 유지(data retention) 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 소자의 전기적 특성은 저항변화로 인해 현저한 MOSFET의 드레인 전류의 변화를 나타냄으로써 양질의 메모리 소자로 제공될 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 ZrOx 산화막의 단면 SEM 사진으로 두층의 oxide를 가진 단면구조를 나타낸 것이다.
도 2는 XPS를 이용한 ZrOx의 조성 분석으로 (a) 표면 oxide 층, (b) bulk oxide층을 나타낸 것이다.
도 3은 대표적인 ReRAM소자의 switching cycle에 따른 전류와 저항 변화특성을 나타낸 것이다.
도 4는 대표적인 ReRAM소자의 data retention 특성을 나타낸 것이다.
도 5의 (a)는 1T-1R ReRAM 소자의 단면 구조이고, (b)는 1T-1R 소자의 On/Off 특성을 나타낸 것이다.
본 발명은 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 산소가 많이 부족하여 조성비(stoichiometry)가 맞지 않고 이로 인해 전도성이 높은 제 1층(bottom oxide)과 조성비가 맞고 저항이 큰 제 2층(top oxide)으로 구성된 다층의 조성비가 서로 다른 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 기억소자 및 제조방법에 관한 것이다.
지금까지 비휘발성 메모리로 상용화된 플래쉬(FLASH) 메모리의 경우, 플로우팅 폴리실리콘(floating polysilicon)이나 질화실리콘(silicon nitride)에 전자를 저장하거나 제거하여 문턱전압(Vth)을 변화시켜 기억소자로 이용한다. 이에 반하여 최근 연구 되고 있는 PRAM(phase change memory), MRAM(magnetic memory)등은 외부에서 인가한 열/자기장을 이용하여 저항변화를 발생시켜 기억소자로 사용한다.
본 발명은 저항변화를 이용하는 측면에서는 위 2개의 차세대 기억 소자와 유사하지만, 전압 펄스(pulse)를 이용하여 절연막의 저항변화를 일으키는 것이 특징으로, 상대적으로 PRAM/MRAM 보다 간단한 구조와 제조공정을 구현할 수 있다.
본 발명의 산화물(Oxide)의 저항변화를 이용한 ReRAM 소자는 1960-1970년대 연구되었다가 최근 다시 활발히 연구가 시작되고 있는 분야이다. 지금까지 발표된 연구결과를 종합해 보면, 기본적인 스위칭(switching) 특성을 다양한 산화물 재료에 대해 ReRAM 특성을 연구하였으나, 구체적인 스위칭기작(switching mechanism)에 대해서는 원인 규명이 미흡하고, 제작된 소자의 전기적 특성이 불균일하여, 스위칭 횟수와 셋/리셋(set/reset) 전압, 리셋커런트(reset current)등이 차세대 Giga/Tera-bit급 메모리로 상용화하기에는 많은 문제점을 가지고 있었다.
본 발명은 ReRAM 산화물(oxide)의 스위칭 메카니즘(switching mechanism)의 물리적인 이해를 바탕으로, 이상적인 ReRAM 소자의 구조와 공정을 게시한다. ReRAM 소자의 최적 동작조건을 위하여 2층의 oxide 형성이 필수적이다. 즉 산소가 많이 부족하여 조성비(stoichiometry)가 맞지 않고 이로 인해 전도성이 높은 제 1층(bottom oxide)과 조성비가 맞고 저항이 큰 제 2층(top oxide)으로 구성된 다층의 조성비가 서로 다른 산화막을 형성시킨다.
본 발명은 기억소자에 고전압 펄스를 인가하여 저항이 큰 산화물 절연체 박막에 국부적으로 적정 수준의 전류가 흐를 수 있도록 전도성 필라멘트(filament)를 형성한 후, 기억소자에 적정수준의 전압 펄스를 인가하여, 전도성 산화막내에 전자가 트랩 (trap)되어 전류가 낮게 흐르게 하거나, 트랩된 전자가 소멸되어 전류가 크게 흐르게 조절한다. 이러한 저항 변화 특성을 이용하여 비휘발성 기억 소자로 사용한다.
즉, ReRAM을 상용화하기 위해서는, 산화물을 이용하여 안정적이고 높은 스위칭 횟수, 저전력 동작 특성을 가지는 새로운 oxide 제조공정에 대한 필요성과 소자의 스위칭 및 전도기작(conduction mechanism)에 대한 체계적인 연구와 이해가 필요하다.
본 발명과 관련된 종래기술로는 미국특허 3,336,514(Bistable metal-niobium oxide-Bismuth thin film device)는 Nb-metal 전극위에 Nb2O5 단일 산화막을 이용하여 ReRAM 특성을 확인한 것이고, 로셀(C. Rossel et al., Electrical current distribution across a metal-insulator-metal structure during bistable switching, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 90, NUMBER 6, 15 SEPTEMBER 2001, p.2892, IBM)등은 에피택시(epitaxy)로 성장된 cr-doped SrZrO3 산화물(Oxide)을 이용한 ReRAM 동작 특성을 확인하고, 스위칭 메카니즘으로 산화물 내에 존재하는 크롬(Cr) 이온이 전자를 trap/detrap 한다고 이해하고 있으나, 이는 단일 박막공정이라는 점에서 본 발명의 이론에 따를 경우, 단일 박막공정은 스위칭 특성이 상대적으로 불안정할 것으로 판단되어 본 발명과는 기술적 구성이 다른 것들이다.
본 발명은 ReRAM 소자의 전도/스위칭 기작에 대한 체계적인 이해를 바탕으로 최적의 소자 구조 및 공정을 구현함에 있어서, 산소가 많이 부족하여 조성비(stoichiometry)가 맞지 않고 이로 인해 전도성이 높은 제1층(bottom oxide)과 조성비가 맞고 저항이 큰 제2층(top oxide)으로 구성된 다층의 조성비가 서로 다른 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 기억소자 및 제조방법에 관한 기술이다.
즉 다층의 조성비가 다르고 이로 인해 저항이 다른 산화물 층을 형성함으로써, NDR(negative differential resistance)효과를 유발하여, 저항변화 메모리로 사용할 수 있다. 기억소자에 고전압 펄스를 인가하여, 저항이 큰 산화물 박막에 국부적으로 적정 수준의 전류가 흐를 수 있도록 전도성 필라멘트를 형성한 후, 소자에 적정수준의 전압 펄스를 인가하여, 전도성 산화막내에 전자가 트랩(trap)되어 전류가 낮게 흐르게 하거나, 트랩된 전자가 소멸되어 전류가 크게 흐르게 조절한다. 이러한 저항 변화 특성을 이용하여 비휘발성 기억소자로 사용하는 데 있다.
본 발명은 기억소자에 고전압 펄스를 인가하여, 저항이 큰 산화물 절연체 박막에 국부적으로 적정 수준의 전류가 흐를 수 있도록 전도성 필라멘트를 형성한 후, 기억소자에 적정수준의 전압 펄스를 인가하여, 전도성 산화막내에 전자가 트랩 (trap)되어 전류가 낮게 흐르게 하거나, 트랩된 전자가 소멸되어 전류가 크게 흐르게 조절한다. 이러한 저항변화 특성을 이용하여 아래와 같은 단계별 공정을 이용하여 ReRAM용 소자를 제작한다.
본 발명은 산소가 많이 부족하여 조성비(stoichiometry)가 맞지 않고 이로 인해 전도성이 높은 제 1층(bottom oxide)과 조성비가 맞고 저항이 큰 제 2층(top oxide)으로 구성된 다층의 조성비가 서로 다른 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 기억소자 및 제조방법에 관한 기술이다.
* 제 1층(Bottom Oxide) 증착공정
실리콘 웨이퍼(Silicon wafer) 또는 전도성 전극위에 여러 가지 증착공정중에서 반응성 스퍼터링(reactive sputtering)을 이용하여 박막을 약 50∼100nm 두께 의 ZrOx로 증착시켰다. 상기에서 반응 스퍼터링 이외에도 증착방법은 PLD(pulsed-laser deposition), ALD(atomic layer deposition), CVD(chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), e-beam evaporation 중에서 선택하여 사용할 수도 있다.
스퍼터링시 공정조건은 증착온도 400∼500℃, 아르곤과 산소의 혼합비율은 30:1 정도로 산소의 양을 최소화함으로써, ZrO2 보다 산소의 조성이 현저히 낮은 ZrOx를 형성함으로써, 전도성이 높은 제 1층(Bottom Oxide)의 산화막을 형성한다.
산화물 박막재료로 여러 금속산화물을 사용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 금속산화물의 일예로서 ZrOx, NiOx, HfOx, TiOx, Ta2
Ox, Al2Ox, La2Ox, Nb2O
x, SrTiOx, Cr-doped SrTiOx, Cr-doped SrZrOx 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 산화물 박막재료의 금속산화물에 있어서, 적정 조성비 x는 1.5∼1.9이다. 즉 화학양론적인 산소의 조성인 2보다 약 5∼25％ 작은 경우를 이용할 수 있다.
* 제 2층(Top Oxide) 증착공정
상기와 같이 형성된 전도성이 높은 산화막을 산소분위기에서 200∼300℃의 온도로 저온산화시켜, 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제 2층(Top Oxide)의 산화막을 형성한다. 일예로 제1층의 산화막으로 ZrOx을 증착하는 경우 제 2층의 산화막은 ZrO2층을 형성한다.
이하 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로써 본 발명의 설명을 보다 용이하게 설명하기 위할 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
실리콘 웨이퍼 위에 금속산화물로 ZrO2을 반응성 스퍼터링으로 박막을 증착함에 있어서 스퍼터링시 공정조건은 증착온도 400℃, 아르곤과 산소의 혼합비율은 30 : 1로 산소의 양을 최소화함으로써, 약 50∼100nm 두께의 ZrOx 박막을 증착시켰다. ZrO2 보다 산소의 조성이 현저히 낮은 제 1층(Bottom Oxide)의 산화막인 ZrOx를 형성시켜 전도성이 높은 산화막을 얻었다. 이때 적정 조성비 x는 1.5∼1.9이다. 즉 화학양론적인 산소의 조성인 2보다 약 5∼25％ 작은 경우이다.
상기의 제 1층의 산화막을 산소분위기에서 300℃의 저온에서 산화시켜, 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제 2층(Top Oxide)의 산화막인 ZrO2층을 형성시켰다.
<실시예 2>
실시예 1과 동일하게 reactive sputtering으로 증착하고 제 1층의 산화막인 ZrOx를 형성시켜 전도성이 높은 산화막을 얻었다. 상기의 제 1층의 산화막위에 아르곤과 산소의 혼합비율은 4 : 1로 산소의 분압을 현저히 증가시켜 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제 2층의 산화막인 ZrO2층을 표면에 형성시켰다.
<실시예 3>
실시예 1과 동일하게 reactive sputtering으로 증착하고 제 1층의 산화막인 TiOx를 형성시켜 전도성이 높은 산화막을 얻었다. 상기의 제 1층의 산화막을 산소분위기에서 300℃로 저온에서 산화시켜, 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제 2층의 산화막인 TiO2층을 형성시켰다.
<실시예 4>
실시예 1과 동일하게 reactive sputtering으로 증착하고 제 1층의 산화막인 NiOx를 형성시켜 전도성이 높은 산화막을 얻었다. 상기의 제 1층의 산화막을 산소분위기에서 300℃로 저온에서 산화시켜, 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제 2층의 산화막인 NiO2층을 형성시켰다.
<실시예 5>
실시예 1과 동일하게 PLD로 증착하고 제 1층의 산화막인 SrTiOx를 형성시켜
전도성이 높은 산화막을 얻었다. 상기의 제 1층의 산화막을 산소분위기에서 300℃로 저온에서 산화시켜, 표면에 약 10∼30nm 두께의 저항이 높은 제2층의 산화막인 SrTiO3층을 형성시켰다.
본 발명의 실시예 1의 공정을 통해 형성한 산화막의 단면 전자현미경(SEM) 사진이 도 1로서 두층의 산화막으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
도 2a 및 2b는 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy) 결과로서 표면에서 관찰한 도 2a의 경우, 조성비가 맞는 ZrO2를 형성하는데 반해 bulk에서 관찰한 도 2b의 경우, 조성비가 맞지 않고, 금속 Zr에서 주로 관찰되는 XPS peak이 보인다. 즉, 표면과 bulk가 조성이 다른 산화막으로 형성됨을 알 수 있다.
본 발명에서 구현한 다층 산화물 박막의 증착공정을 이용하여 제작한 비휘발성 기억소자의 전기적 특성을 도 3에 나타내었다. 인가한 전압의 크기에 따라 저항이 다른 두개의 state를 형성함을 알 수 있었다.
다층의 저항이 다른 산화물 박막을 형성한 후, 고전압 펄스를 인가할 경우, 대부분의 전압이 고저항 박막에 인가되고, 이로 인해, 고저항 산화막에 국부적인 전도성 필라멘트(filament)가 형성된다. 이때, 적정수준의 커렌트 컴플라이언스(current compliance)를 인가함으로써 필라멘트의 물리적인 크기와 이를 통해 흐를 수 있는 전류의 최대치가 결정된다.
조성비가 맞지 않는 산화물 박막에는 다량의 트랩 스테이트(state)가 존재한 다. 특히 존재하는 산소 공공은 아래와 같이 양(+)의 전하를 띤 산소공공과 전자로 유기될 수 있다.
ZrO2-X Vo ↔Vo+2 + 2e-
즉, 외부에서 인가한 전기장은 산화막내에 존재하는 전자를 이동시켜, 산화막내에 양의 전하가 남게 되고, 이는 산화막 내의 유효 전기장의 증가를 유발시켜, 외부에서 인가된 낮은 전기장에서도, 많은 전류가 흐르게 되고 이로 인해 저항이 낮은 상태를 유지할 수 있다.
그러나 전류의 임계치 이상으로 전압을 인가하면, 상부에 존재하는, 필라멘트를 가진 고저항 산화막에 의해 더 이상의 전류 증가를 막게 되고, 전자가 전도성 절연막에 모이게 되어, 전자와 양의 전하를 띤 산소공공이 결합하여 중성의 산소공공을 형성한다. 즉 산화막 내에 존재하는 양의 전하가 없어짐으로서, 유효전기장이 감소하게 되어, 외부에서 걸어준 낮은 전압하에서는 절연막의 저항이 상대적으로 증가하게 된다.
본 발명을 통해 제작한 ReRAM 소자의 데이터 리텐션(data retention) 특성이 도 4에 나타나 있다. 비휘발성 메모리로 필수적인 10년 동안의 테이타 리텐션 특성을 가지고 있음을 확인하였다.
또한 본 발명을 이용하여 제작한 1Tr-1R 단위소자의 개략도와 소자의 전기적 특성은 도 5에 나타나 있다. 도 5의 (a)는 1T-1R ReRAM 소자의 단면 구조이고, (b)는 1T-1R 소자의 On/Off 특성을 나타낸 것이다. 저항변화로 인해 현저한 MOSFET의 드레인 전류의 변화를 보여줌으로, 메모리 소자로 사용될 수 있다.
본 발명에서 구현한 다층 산화물 박막으로 제작한 ReRAM 소자는 NDR(negative differential resistance)효과를 유발시켜 비휘발성 메모리의 필수적인 10년 동안의 data retention특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 소자의 전기적 특성은 저항변화로 인해 현저한 MOSFET의 드레인 전류의 변화를 나타냄으로써 양질의 메모리 소자로 제공될 수 있다.
Claims (12)
- 상부와 하부에 전극이 있고 그 사이에 다층의 조성이 다른 산화막을 형성하는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자
- 제 1항에 있어서, 다층의 제 1층은 화학양론적 조성비 보다 금속 성분이 많아서 저항이 적은 박막이고, 제 2층은 화학양론적 조성비가 균일하고 저항이 큰 절연체 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자
- 제 1항에 있어서, 산화물 박막재료는 ZrOx, NiOx, HfOx, TiOx , Ta2Ox, Al2Ox, La2Ox, Nb2Ox, SrTiOx, Cr-doped SrTiOx 또는 Cr-doped SrZrOx 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자상기의 박막재료에서 x는 1.5∼1.9이다.
- 제 2항에 있어서, 제 1층의 산화물 박막재료의 산소의 조성비가 화학양론적인 조성비보다 5∼25％ 작은 양을 가지는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자
- 다층의 산화물 박막의 증착공정은 실리콘웨이퍼 또는 전도성 전극위에서 금속산화물의 박막증착시 고온에서 산화시켜 금속산화물과 산소의 조성이 불균일한 산화막의 제 1층을 형성시키는 단계와,상기의 조성이 불균일한 산화막을 저온에서 산화시켜 금속산화물과 산소의 조성이 균일한 산화막의 제 2층을 형성시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법
- 제 5항에 있어서, 다층의 산화물 박막의 증착공정은 reactive sputtering, PLD, ALD, CVD, MBE 또는 e-beam evaporation 중에서 선택된 어느 하나의 방법인 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법
- 제 5항에 있어서, 제 1층의 산화물 박막을 형성시킴에 있어 산소의 양은 400∼500℃에서 아르곤과 산소의 혼합비율을 30 : 1로 하여 50∼100nm 두께로 증착시키는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법
- 제 5항에 있어서, 제 2층의 산화물 박막을 형성시킴에 있어 산소분위기에서 200∼300℃로 저온에서 산화시켜, 표면에 10∼30nm 두께로 증착시키는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법
- 제 5항에 있어서, 제 2층의 산화물 박막을 형성시킴에 있어 증착공정중의 아르곤과 산소의 혼합비율을 4 : 1 조절하여 조성비가 맞는 저항이 높은 약 10∼30nm의 박막을 증착시키는 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법
- 제 5항에 있어서, 산화물 박막 재료는 ZrOx, NiOx, HfOx, TiOx , Ta2Ox, Al2Ox, La2Ox, Nb2Ox, SrTiOx, Cr-doped SrTiOx , 또는 Cr-doped SrZrOx 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 산화막의 저항변화를 이용한 비휘발성 기억소자의 제조방법상기의 박막재료에서 x는 1.5∼1.9이다.
- 제 1항의 기억소자에 고전압 펄스를 인가하여, 제 1층의 저항이 큰 산화물 박막에 국부적으로 적정 수준의 전류가 흐를 수 있도록 전도성 필라멘트를 형성하여, NDR특성을 유발시켜 기억소자로 사용하는 방법
- 제 1항의 기억소자에 적정수준의 전압 펄스를 인가하여, 제 2층의 전도성 산화막내에 전자가 트랩 (trap)되어 전류가 낮게 흐르게 하거나 또는 트랩된 전자가 소멸되어 전류가 크게 흐르게 하여 비휘발성 기억소자로 사용하는 방법
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Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100818271B1 (ko) * | 2006-06-27 | 2008-03-31 | 삼성전자주식회사 | 펄스전압을 인가하는 비휘발성 메모리 소자의 문턱 스위칭동작 방법 |
| EP2063467A1 (en) * | 2007-06-05 | 2009-05-27 | Panasonic Corporation | Nonvolatile storage element, its manufacturing method, and nonvolatile semiconductor device using the nonvolatile storage element |
| EP2077580A1 (en) * | 2006-11-17 | 2009-07-08 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, nonvolatile semiconductor device, and method for manufacturing nonvolatile memory element |
| WO2010126232A2 (ko) * | 2009-04-28 | 2010-11-04 | 한양대학교 산학협력단 | 저항변화 메모리 소자 및 이의 제조방법 |
| US7869255B2 (en) | 2006-11-24 | 2011-01-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Non-volatile memory devices, method of manufacturing and method of operating the same |
| US7883929B2 (en) | 2007-02-27 | 2011-02-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Methods of manufacturing non-volatile memory devices by implanting metal ions into grain boundaries of variable resistance layers |
| KR101034838B1 (ko) * | 2009-12-08 | 2011-05-17 | 서울대학교산학협력단 | 고속 스위칭 저항 변화 기록소자 및 저항 변화 기록소자 스위칭 방법 |
| US7948789B2 (en) | 2007-04-09 | 2011-05-24 | Panasonic Corporation | Resistance variable element, nonvolatile switching element, and resistance variable memory apparatus |
| US7960774B2 (en) | 2005-12-05 | 2011-06-14 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Memory devices including dielectric thin film and method of manufacturing the same |
| US20110233510A1 (en) * | 2008-12-04 | 2011-09-29 | Yoshihiko Kanzawa | Nonvolatile memory element |
| US20130082230A1 (en) * | 2010-10-01 | 2013-04-04 | Koji Katayama | Method of manufacturing nonvolatile memory element, and nonvolatile memory element |
| US8456891B2 (en) | 2010-06-01 | 2013-06-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nonvolatile memory cells having oxygen diffusion barrier layers therein |
| US8466461B2 (en) | 2006-11-28 | 2013-06-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Resistive random access memory and method of manufacturing the same |
| WO2014051725A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Intel Corporation | Low voltage embedded memory having conductive oxide and electrode stacks |
| KR101402085B1 (ko) * | 2012-10-15 | 2014-06-02 | 연세대학교 산학협력단 | 환원반응을 통한 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 |
| KR20140074954A (ko) * | 2011-09-19 | 2014-06-18 | 인터몰레큘러 인코퍼레이티드 | 메모리 애플리케이션들을 위한 하프늄 및 지르코늄 산화물들의 원자층 증착 |
| KR101432344B1 (ko) * | 2007-03-05 | 2014-08-20 | 인터몰레큘러 인코퍼레이티드 | 저항 스위칭 금속 산화물을 가진 비휘발성 메모리 소자를 형성하는 방법 |
| KR101487626B1 (ko) * | 2013-11-28 | 2015-01-29 | 포항공과대학교 산학협력단 | 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| US9484087B2 (en) | 2011-06-16 | 2016-11-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Multi-bit memory elements, memory devices including the same, and methods of manufacturing the same |
| KR20170137562A (ko) * | 2016-06-03 | 2017-12-13 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 스위칭 소자 및 저항 변화 메모리 장치의 제조 방법 |
| US10355205B2 (en) | 2014-12-18 | 2019-07-16 | Intel Corporation | Resistive memory cells including localized filamentary channels, devices including the same, and methods of making the same |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120010050A (ko) | 2010-07-23 | 2012-02-02 | 삼성전자주식회사 | 비휘발성 메모리요소 및 이를 포함하는 메모리소자 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004241396A (ja) | 2002-02-07 | 2004-08-26 | Sharp Corp | 抵抗変化素子の製造方法および不揮発性抵抗変化メモリデバイスの製造方法、並びに不揮発性抵抗変化メモリデバイス |
| US6972238B2 (en) * | 2003-05-21 | 2005-12-06 | Sharp Laboratories Of America, Inc. | Oxygen content system and method for controlling memory resistance properties |
| KR100773537B1 (ko) * | 2003-06-03 | 2007-11-07 | 삼성전자주식회사 | 한 개의 스위칭 소자와 한 개의 저항체를 포함하는비휘발성 메모리 장치 및 그 제조 방법 |
| KR101051704B1 (ko) * | 2004-04-28 | 2011-07-25 | 삼성전자주식회사 | 저항 구배를 지닌 다층막을 이용한 메모리 소자 |
-
2005
- 2005-01-14 KR KR1020050003886A patent/KR100693409B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7960774B2 (en) | 2005-12-05 | 2011-06-14 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Memory devices including dielectric thin film and method of manufacturing the same |
| KR100818271B1 (ko) * | 2006-06-27 | 2008-03-31 | 삼성전자주식회사 | 펄스전압을 인가하는 비휘발성 메모리 소자의 문턱 스위칭동작 방법 |
| KR101012896B1 (ko) * | 2006-11-17 | 2011-02-08 | 파나소닉 주식회사 | 비휘발성 기억 소자, 비휘발성 기억 장치, 비휘발성 반도체장치, 및 비휘발성 기억 소자의 제조 방법 |
| JP2013102181A (ja) * | 2006-11-17 | 2013-05-23 | Panasonic Corp | 不揮発性記憶素子、不揮発性記憶装置、不揮発性半導体装置、および不揮発性記憶素子の製造方法 |
| EP2077580A1 (en) * | 2006-11-17 | 2009-07-08 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element, nonvolatile memory device, nonvolatile semiconductor device, and method for manufacturing nonvolatile memory element |
| EP2077580A4 (en) * | 2006-11-17 | 2009-11-11 | Panasonic Corp | NON-VOLATILE MEMORY ELEMENT, NON-VOLATILE MEMORY DEVICE, NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR DEVICE, AND METHOD FOR MANUFACTURING NON-VOLATILE MEMORY ELEMENT |
| US9236381B2 (en) | 2006-11-17 | 2016-01-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Nonvolatile memory element, nonvolatile memory apparatus, nonvolatile semiconductor apparatus, and method of manufacturing nonvolatile memory element |
| US7869255B2 (en) | 2006-11-24 | 2011-01-11 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Non-volatile memory devices, method of manufacturing and method of operating the same |
| US8466461B2 (en) | 2006-11-28 | 2013-06-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Resistive random access memory and method of manufacturing the same |
| US7883929B2 (en) | 2007-02-27 | 2011-02-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Methods of manufacturing non-volatile memory devices by implanting metal ions into grain boundaries of variable resistance layers |
| KR101432344B1 (ko) * | 2007-03-05 | 2014-08-20 | 인터몰레큘러 인코퍼레이티드 | 저항 스위칭 금속 산화물을 가진 비휘발성 메모리 소자를 형성하는 방법 |
| US7948789B2 (en) | 2007-04-09 | 2011-05-24 | Panasonic Corporation | Resistance variable element, nonvolatile switching element, and resistance variable memory apparatus |
| EP2063467A4 (en) * | 2007-06-05 | 2009-12-16 | Panasonic Corp | NON-VOLATILE MEMORY ELEMENT, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF, AND NON-VOLATILE SEMICONDUCTOR DEVICE WITH THE NON-VOLATILE MEMORY ELEMENT |
| US8022502B2 (en) | 2007-06-05 | 2011-09-20 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element, manufacturing method thereof, and nonvolatile semiconductor apparatus using the nonvolatile memory element |
| EP2063467A1 (en) * | 2007-06-05 | 2009-05-27 | Panasonic Corporation | Nonvolatile storage element, its manufacturing method, and nonvolatile semiconductor device using the nonvolatile storage element |
| US8445319B2 (en) | 2007-06-05 | 2013-05-21 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element, manufacturing method thereof, and nonvolatile semiconductor apparatus using the nonvolatile memory element |
| US8445885B2 (en) * | 2008-12-04 | 2013-05-21 | Panasonic Corporation | Nonvolatile memory element having a thin platinum containing electrode |
| US20110233510A1 (en) * | 2008-12-04 | 2011-09-29 | Yoshihiko Kanzawa | Nonvolatile memory element |
| WO2010126232A3 (ko) * | 2009-04-28 | 2011-01-06 | 한양대학교 산학협력단 | 저항변화 메모리 소자 및 이의 제조방법 |
| WO2010126232A2 (ko) * | 2009-04-28 | 2010-11-04 | 한양대학교 산학협력단 | 저항변화 메모리 소자 및 이의 제조방법 |
| US8749023B2 (en) | 2009-04-28 | 2014-06-10 | Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University | Resistance-variable memory device and a production method therefor |
| KR101034838B1 (ko) * | 2009-12-08 | 2011-05-17 | 서울대학교산학협력단 | 고속 스위칭 저항 변화 기록소자 및 저항 변화 기록소자 스위칭 방법 |
| US8456891B2 (en) | 2010-06-01 | 2013-06-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Nonvolatile memory cells having oxygen diffusion barrier layers therein |
| US20130082230A1 (en) * | 2010-10-01 | 2013-04-04 | Koji Katayama | Method of manufacturing nonvolatile memory element, and nonvolatile memory element |
| US9484087B2 (en) | 2011-06-16 | 2016-11-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Multi-bit memory elements, memory devices including the same, and methods of manufacturing the same |
| KR20140074954A (ko) * | 2011-09-19 | 2014-06-18 | 인터몰레큘러 인코퍼레이티드 | 메모리 애플리케이션들을 위한 하프늄 및 지르코늄 산화물들의 원자층 증착 |
| US9231204B2 (en) | 2012-09-28 | 2016-01-05 | Intel Corporation | Low voltage embedded memory having conductive oxide and electrode stacks |
| WO2014051725A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Intel Corporation | Low voltage embedded memory having conductive oxide and electrode stacks |
| US9647208B2 (en) | 2012-09-28 | 2017-05-09 | Intel Corporation | Low voltage embedded memory having conductive oxide and electrode stacks |
| KR101402085B1 (ko) * | 2012-10-15 | 2014-06-02 | 연세대학교 산학협력단 | 환원반응을 통한 비휘발성 저항 스위칭 메모리 제조 방법 |
| KR101487626B1 (ko) * | 2013-11-28 | 2015-01-29 | 포항공과대학교 산학협력단 | 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| US10355205B2 (en) | 2014-12-18 | 2019-07-16 | Intel Corporation | Resistive memory cells including localized filamentary channels, devices including the same, and methods of making the same |
| KR20170137562A (ko) * | 2016-06-03 | 2017-12-13 | 에스케이하이닉스 주식회사 | 스위칭 소자 및 저항 변화 메모리 장치의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100693409B1 (ko) | 2007-03-12 |
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