KR20110030162A - 저항성 메모리 장치 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저항층 내부에서 균일한 분포 및 형상을 갖는 도전성 필라멘트를 형성할 수 있는 저항성 메모리 장치 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위한 본 발명의 저항성 메모리 장치 제조방법은, 하부전극 상에 저항층을 형성하는 단계; 1차 열처리를 실시하여 상기 저항층 내부에 다수의 공공을 형성하는 단계; 상기 저항층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및 상기 저항층에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시하는 단계를 포함하고 있으며, 상술한 본 발명에 따르면, 저항층에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층 내부에 형성되는 도전성 필라멘트의 형상 및 분호의 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
필라멘트, 공공
Description
본 발명은 반도체 장치의 제조 기술에 관한 것으로, 저항 변화를 이용하는 저항성 메모리 장치의 제조방법에 관한 것이다.
최근 디램과 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 차세대 메모리 장치에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 이러한 차세대 메모리 장치 중 하나는, 인가되는 전압에 따라 저항이 급격히 변화하여 적어도 서로 다른 두 저항 상태 사이에서 스위칭(switching)할 수 있는 가변 저항 물질을 이용하는 저항성 메모리 장치이다.
도 1은 종래기술에 따른 저항성 메모리 장치를 도시한 단면도이고, 도 2는 종래기술에 따른 저항성 메모리 장치의 저항층 내부에 형성된 도전성 필라멘트를 간략히 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 저항성 메모리 장치는 하부전극(11)과 상부전극(13) 사이에 개재된 저항층(12)을 포함한다. 이때, 저항층(12)은 전이금속산화물을 포함하는 이원계 산화물로 형성되며, 저항층(12)은 내부에 다수의 산소공공(12A)을 포함하고 있다.
상술한 구조를 갖는 저항성 메모리 장치의 스위칭 매커니즘(mechanism)을 간략히 설명하면 다음과 같다.
하부 및 상부전극(11, 13)에 바이어스가 인가되면, 인가되는 바이어스에 따라서 저항층(12) 내에 산소공공(12A)에 의한 도전성 필라멘트(14)가 생성되거나, 산소공공(12A)이 제거되어 기 생성된 도전성 필라멘트(14)가 소멸된다. 이와 같이 도전성 필라멘트(14)의 생성 또는 소멸에 의하여 저항층(12)은 서로 구별될 수 있는 두 저항 상태를 나타낸다. 즉, 도전성 필라멘트(14)가 생성된 경우 저항이 낮은 상태를 나타내고 도전성 필라멘트(14)가 소멸된 경우 저항이 높은 상태를 나타내는 것이다. 여기서, 저항층(12) 내에 도전성 필라멘트(14)가 생성되어 저항이 낮은 상태가 되는 것을 셋(set) 동작이라 하고, 반대로 기 생성된 도전성 필라멘트(14)가 소멸되어 저항이 높은 상태가 되는 것을 리셋(reset) 동작이라 한다.
하지만, 종래기술은 저항층(12) 내부 산소공공(12A)의 재배열을 통해 도전성 필라멘트(14)를 형성하나, 격자결함(lattice defect)인 산소공공(12A)을 저항층(12) 내부에 균일한 분포를 갖도록 형성하기 어렵기 때문에 저항층(12) 내부에서 균일한 분포 및 형상을 갖는 도전성 필라멘트(14)를 생성하기 어렵다는 문제점이 있다. 이로 인해, 생성된 도전성 필라멘트(14)가 불균일한 분포 및 형상을 가짐에 따라 저항성 메모리 장치의 스위칭 특성이 열화되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 저항층 내부에서 균일한 분포 및 형상을 갖는 도전성 필라멘트를 형성할 수 있는 저항성 메모리 장치 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명의 저항성 메모리 장치 제조방법은, 하부전극 상에 저항층을 형성하는 단계; 1차 열처리를 실시하여 상기 저항층 내부에 다수의 공공을 형성하는 단계; 상기 저항층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및 상기 저항층에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시하는 단계를 포함한다.
상기 2차 열처리는 상기 1차 열처리보다 낮은 온도에서 실시할 수 있다. 구체적으로, 상기 1차 열처리는 300℃ ~ 800℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있고, 상기 2차 열처리는 100℃ ~ 300℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있다.
상기 2차 열처리는 플라즈마 분위기에서 실시할 수 있다.
상기 1차 및 2차 열처리는 진공분위기에서 실시하거나, 질소가스(N2), 수소가스(H2) 및 암모니아가스(NH3)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 가스분위기 또는 이들이 혼합된 혼합가스 분위기에서 실시할 수 있다.
상기 저항층은 산화물을 포함할 수 있고, 상기 공공은 산소공공을 포함할 수 있다.
상기 2차 열처리는 상기 상부전극 및 상기 하부전극에 각각 서로 다른 크기의 전압을 인가한 상태에서 실시할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단을 바탕으로 하는 본 발명은, 저항층에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층 내부에 형성되는 도전성 필라멘트의 형상 및 분포의 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 1차 열처리와 더불어 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층 내부의 단위체적당 공공밀도를 증가시킴으로써, 저항층 내 공공의 분포 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이를 통해, 저항층 내부에 형성되는 도전성 필라멘트의 형상 및 분포의 균일성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
결과적으로, 본 발명은 저항층 내부에 형성되는 도전성 필라멘트의 형상 및 분포의 균일성을 향상시킴으로써, 저항성 메모리 장치의 스위칭 특성을 향상시킬수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
후술할 본 발명은 저항층 내부에서 균일한 분포 및 형상을 갖는 도전성 필라멘트를 형성할 수 있는 저항성 메모리 장치의 제조방법을 제공한다. 이를 위해 본 발명은 저항층에 전계를 인가항 상태에서 열처리를 실시하여 저항층 내 공공의 재배열을 용이하게 함을 기술적 원리로 한다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 저항성 메모리 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 하부전극(21) 상에 저항층(22)을 형성한다. 하부전극(21)은 백금막(Pt), 루테늄막(Ru), 알루미늄막(Al), 이리듐막(Ir)을 포함하는 금속막, 티타늄질화막(TiN), 탄탈륨질화막(TaN), 하프늄질화막(HfN)을 포함하는 금속질화막 및 루테늄산화막(RuO2), 스트론듐루테늄산화막(SrRuO3)을 포함하는 금속산화막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있다.
저항층(22)으로는 가변저항특성을 갖는 절연물질은 모두 사용할 수 있다. 구체적으로, 저항층(22)은 가변저항특성을 갖는 산화물로 형성할 수 있으며, 산화물로는 티타늄(Ti)산화물, 니켈(Ni)산화물, 하프늄(Hf)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 탄탈륨(Ta)산화물을 포함하는 이원계 금속산화물 또는 바륨티타늄(BaTi)산화물, 란탄망간(LaMn)산화물, 스트론듐티타늄(SrTi)산화물, 스트론듐망간(SrMn)산화물을 포 함하는 페로브스카이트 계열 산화물을 사용할 수 있다. 이하, 본 발명의 일실시예에서는 저항층(22)을 티타늄산화물(TiO2)로 형성한 것으로 한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 1차 열처리를 실시하여 저항층(22) 내부에 다수의 공공(vacancy, 22A)을 형성한다. 이때, 공공(22A)은 산소공공(oxygen vacancy) 또는 금속공공(metal vacancy)을 포함할 수 있으며, 저항층(22)을 산화물 예컨대, 티타늄산화물로 형성함에 따라 저항층(22) 내 공공(22A)의 대다수는 산소공공으로 이루어진다.
1차 열처리는 퍼니스열처리법 또는 급속열처리법을 사용하여 실시할 수 있으며, 300℃ ~ 800℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있다. 이때, 1차 열처리는 진공분위기에서 실시하거나, 질소가스(N2), 수소가스(H2) 및 암모니아가스(NH3)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 가스분위기 또는 이들이 혼합된 혼합가스 분위기에서 실시할 수 있다. 이때, 질소가스, 수소가스 및 암모니아가스는 저항층(22) 내 산소에 대한 환원가스로 작용한다.
여기서, 1차 열처리를 통해 저항층(22) 내부에 공공(22A) 즉, 산소공공이 생성되는 원리는 저항층(22)에 가해지는 열에너지에 의해 저항층(22) 내 티타늄과 산소결합이 분리되고, 결합이 분리된 산소는 저항층 외부로 빠져나와 휘발되어 제거되며, 저항층(22) 내 산소결합이 분리된 자리에 산소공공이 생성된다. 이때, 1차 열처리를 질소가스, 수소가스, 암모니아가스등의 환원가스 분위기에서 실시하면 저항층(22) 내 산소결합의 분리 및 분리된 산소의 휘발이 용이하기 때문에 저항 층(22) 내 공공(22A) 생성효율을 향상시킬 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 저항층(22) 상에 상부전극(23)을 형성한다. 상부전극(23)은 백금막(Pt), 루테늄막(Ru), 알루미늄막(Al), 이리듐막(Ir)을 포함하는 금속막, 티타늄질화막(TiN), 탄탈륨질화막(TaN), 하프늄질화막(HfN)을 포함하는 금속질화막 및 루테늄산화막(RuO2), 스트론듐루테늄산화막(SrRuO3)을 포함하는 금속산화막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 단일막 또는 이들이 적층된 적층막으로 형성할 수 있으며, 하부전극(21)과 동일한 물질로 형성할 수도 있다.
다음으로, 저항층(22)에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시한다. 이때, 저항층(22)에 전계를 인가하는 이유는 저항층(22)을 구비하는 저항성 메모리 장치의 셋/리셋동작은 원활하게 수행하기 위해 저항층(22)의 초기 상태를 저저항 상태로 셋팅하기 위함이다. 즉, 셋/리셋동작을 위한 최초 도전성 필라멘트(24)를 형성하기 위한 것으로, 하부전극(21) 및 상부전극(23)에 일정 크기의 전압 예컨대, 하부전극(21) 및 상부전극(23)에 각각 접지전압(VSS) 및 전원전압(VDD)를 일정시간 동안 인가하여 저항층(22)에 전계를 인가할 수 있다. 참고로, 상하부전극(21, 23)에 인가된 전압에 의해 발생된 전계에 의해서 저항층(22) 내 공공(22A) 즉, 산소공공이 재배열되면서 도전성 필라멘트(24)가 생성된다.
여기서, 본 발명은 도전성 필라멘트(24)가 균일한 분포 및 형상을 갖도록 형성하기 위해 저항층(22)에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시함을 특징으 로 한다. 이처럼, 저항층(22)에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시하게되면 저항층(22)에 가해지는 열에너지의 의해 공공(22)의 이동을 보다 용이하게 할 수 있기 때문에 도전성 필라멘트(24)의 생성이 용이해지고, 생성되는 도전성 필라멘트(24)의 분포 및 형상의 균일성을 향상시킬 수 있다. 이때, 2차 열처리는 기형성된 구조물에 가해지는 열적 부담을 경감시키고, 열적 부담에 기인한 저항층(22)의 특성 열화를 방지하기 위해 1차 열처리보다 낮은 온도 구체적으로, 100℃ 내지 300℃ 범위의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층(22) 내 공공(22A)의 갯수(즉, 단위체적당 공공밀도)를 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 2차 열처리는 진공분위기에서 실시하거나, 질소가스, 수소가스 및 암모니아가스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 가스분위기 또는 이들이 혼합된 혼합가스 분위기에서 실시할 수 있다. 이때, 2차 열처리가 1차 열처리보다 낮은 온도에서 진행되기 때문에 2차 열처리시 효과적으로 공공(22A)을 추가 생성하기 위해 2차 열처리는 플라즈마 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 이는 플라즈마에 의하여 활성이온 즉, 라디칼(radical)이 행성됨으로 인해 저온(100℃ ~ 300℃)에서도 저항층(22) 내 산소를 환원시킬 수 있기 때문이다. 이처럼, 저항층(22) 내 공공(22A)의 갯수를 증가시킴으로써, 저항층(22) 내 공공(22A)의 불균일한 분포를 개선시킬 수 있으며, 이를 통해 도전성 필라멘트(24)의 형상 및 분포의 균일성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 저항층(22)에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층(22) 내부에 형성되는 도전성 필라멘트(24)의 형상 및 분포의 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 1차 열처리와 더불어 2차 열처리를 실시함으로써, 저항층(22) 내 공공(22A)의 갯수 즉, 단위체적당 공공밀도를 증가시킴으로써, 저항층(22) 내 공공(22A)의 분포 균일성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 저항층(22) 내부에 형성되는 도전성 필라멘트(24)의 형상 및 분포의 균일성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 저항층(22) 내부에 형성되는 초기 도전성 필라멘트(24)의 형상 및 분포의 균일성을 향상시킴으로써, 저항성 메모리 장치의 스위칭 특성을 향상시킬수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 저항성 메모리 장치를 도시한 단면도.
도 2는 종래기술에 따른 저항성 메모리 장치의 저항층 내부에 형성된 도전성 필라멘트를 간략히 도시한 단면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 저항성 메모리 장치의 제조방법을 도시한 공정단면도.
*도면 주요 부분에 대한 부호 설명*
21 : 하부전극
22 : 저항층
22A : 공공
23 : 상부전극
24 : 도전성 필라멘트
Claims (9)
- 하부전극 상에 저항층을 형성하는 단계;1차 열처리를 실시하여 상기 저항층 내부에 다수의 공공을 형성하는 단계;상기 저항층 상에 상부전극을 형성하는 단계; 및상기 저항층에 전계를 인가한 상태에서 2차 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 2차 열처리는 상기 1차 열처리보다 낮은 온도에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 1차 열처리는 300℃ ~ 800℃ 범위의 온도에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제2항에 있어서,상기 2차 열처리는 100℃ ~ 300℃ 범위의 온도에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 2차 열처리는 플라즈마 분위기에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 1차 및 2차 열처리는 진공분위기에서 실시하거나, 질소가스(N2), 수소가스(H2) 및 암모니아가스(NH3)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 가스분위기 또는 이들이 혼합된 혼합가스 분위기에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 저항층은 산화물을 포함하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 공공은 산소공공을 포함하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 2차 열처리는 상기 상부전극 및 상기 하부전극에 각각 서로 다른 크기의 전압을 인가한 상태에서 실시하는 저항성 메모리 장치 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101382835B1 (ko) * | 2012-11-26 | 2014-04-08 | 포항공과대학교 산학협력단 | 저항 변화 메모리 소자 및 이의 제조방법 |
| KR101439530B1 (ko) * | 2013-02-26 | 2014-09-17 | 고려대학교 산학협력단 | 투명 전극을 구비하는 수광소자 및 그 제조 방법 |
| WO2020243417A1 (en) * | 2019-05-31 | 2020-12-03 | Tokyo Electron Limited | Method for controlling the forming voltage in resistive random access memory devices |
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2009
- 2009-09-17 KR KR1020090088168A patent/KR20110030162A/ko not_active Application Discontinuation
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