KR20120006476A - 복수의 금속층을 포함하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리에 관한 것으로서 금속을 포함하는 고체 전해질 및 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극을 포함하고, 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하며, 전극과 전극 사이에 있는 고체 전해질 내의 고저항 영역과 저저항 영역의 분포를 균일하게 만들 수 있어 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값 마진이나 레벨 내 저항값의 산포를 줄일 수 있다.

Description

복수의 금속층을 포함하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리{Resistive switching memory of using solid electrolyte including multiple metallic layers}
본 발명은 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극과 전극 사이의 고체 전해질 내에 존재하는 고저항 영역과 저저항 영역 분포의 균일성을 향상시켜 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값 마진이나 레벨 내 저항값의 산포를 줄이는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리에 관한 것이다.
저항 변화 메모리는 저전력, 초고속, 비휘발성, 및 단순한 구조 등의 특징을 가지고 플래쉬 메모리와 경쟁 혹은 우월한 차세대 비휘발성 메모리 소자 중 한 종류이다. 저항변화 메모리는 금속 산화물(TiO, CuO)을 이용한 경우와 고체 전해질을 이용한 경우, 두 가지로 분류할 수 있다. 선행연구에 따르면 일정한 세기, 즉 문턱 전압(Vth) 이상의 전압신호가 가해질 경우 고체 전해질에 포함된 구리 혹은 은이 전극의 방향으로 수직하게 이동, 집중됨으로써 저항이 낮은 일정영역을 형성하고 그에 따라 소자 양단 간의 저항값의 변화를 유도하게 된다. 문턱 전압을 넘어서는 전압이 인가될 경우 그 세기와 시간에 따라 고저항영역(구리나 은이 자연적으로 퍼져있는 영역)과 저저항영역(구리나 은이 인가된 전압에 의한 전기장에 의해 밀집된 영역)의 경계면 이동으로 인해 소자의 저항값은 다양한 값을 가질 수 있다. 즉, 인가 전압에 따라 여러 레벨의 저항값을 세팅하고 유지할 수 있어서 멀티 비트 동작이 가능해진다. 하지만 전극의 형태나 금속(구리나 은)의 분포에 따라 각각의 소자 내에서 형성되는 저저항층은 특히 수직방향으로 두께나 폭의 산포(dispersion)가 발생할 수 있는 가능성이 높다. 두께나 폭의 산포를 줄이는 방법으로는 전해질의 두께를 줄이는 방법이 있는데 이 경우 전압이 인가되지 않는 상태(OFF)의 저항값이 필요 이상으로 커질 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 고체 전해질의 두께를 줄이지 않으면서, 고체 전해질 내 저저항층의 두께나 폭의 산포가 발생하지 않도록 하는 방법이 필요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 전극과 전극 사이의 고체 전해질 내에 존재하는 고저항 영역과 저저항 영역 분포의 균일성을 향상시켜 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값 마진이나 레벨 내 저항값의 산포를 줄일 수 있는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 전극과 전극 사이의 고체 전해질 내에 존재하는 고저항 영역과 저저항 영역 분포의 균일성을 향상시켜 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값 마진이나 레벨 내 저항값의 산포를 줄일 수 있는 고체 전해질을 이용한 스위칭 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 금속을 포함하는 고체 전해질, 및 상기 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극을 포함하고, 상기 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 적어도 하나 이상의 금속층은 상기 고체 전해질의 길이 방향에 수직하게 삽입될 수 있다.
또한, 상기 고체 전해질은 텔룰라이드(Te) 계열 또는 캘코지나이드(chalcogenide) 계열일 수 있고, 상기 고체 전해질이 포함하는 금속은 구리 또는 은이 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 적어도 하나 이상의 금속층은 일정한 간격마다 상기 고체 전해질 내에 위치할 수 있다.
상기 전극에 인가하는 전압이 일정 전압을 초과하는 경우에 온 상태가 되고, 상기 일정 전압 이하인 경우에 오프 상태가 될 수 있다.
상기 전극에 인가하는 전압이 증가함에 따라 상기 고체 전해질이 포함한 금속에 의한 저저항 영역이 증가함으로써, 상기 고체 전해질을 통과하는 전류가 증가할 수 있다.
상기 삽입된 금속층에 의해 상기 전극에 전압을 인가하는 경우 상기 고체 전해질 내의 금속 분포의 균일성이 증가할 수 있다.
상기 전극에 인가하는 전압에 따라 상기 고체 전해질에 흐르는 전류가 변화하는 특성을 이용하여 멀티 비트를 구현할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 금속을 포함하는 고체 전해질, 및 상기 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극을 포함하고, 상기 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 고체 전해질을 이용한 스위칭 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극에 인가하는 전압이 일정 전압을 초과하는 경우에 온 상태가 되고, 상기 일정 전압 이하인 경우에 오프 상태가 될 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나 이상의 금속층은 상기 고체 전해질의 길이 방향에 수직하게 삽입될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극과 전극 사이의 고체 전해질 내에 존재하는 고저항 영역과 저저항 영역 분포의 균일성을 향상시켜 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값 마진이나 레벨 내 저항값의 산포를 줄일 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 저항 변화 메모리의 멀티 비트 동작을 보다 효과적으로 구현할 수 있다.
도 1은 저항 변화 메모리에 인가하는 전압에 따른 저항 변화 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 2는 저항 변화 메모리의 IV 특성을 도시한 것이다.
도 3은 하나의 전극이 있는 경우 종래의 저항 변화 메모리와 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 메모리를 도시한 것이다.
도 4는 다수의 전극이 있는 경우 종래의 저항 변화 메모리와 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 메모리를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항 변화 메모리를 도시한 것이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리는 구리와 은과 같은 금속 물질을 포함하는 고체 전해질과 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극으로 구성되며, 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 아울러 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예로서 제시하는 저항변화 메모리와 스위칭 소자는 고체 전해질이 상단과 하단의 전극 사이에 위치하고, 고체 전해질은 구리 또는 은이 포함된 금속 물질을 포함하고 있는 구조로써 인가되는 전압의 크기와 시간에 따라 저항의 변화가 유도되고 전압이 끊긴 경우에도 그 저항특성을 유지하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자이다.
도 1은 저항 변화 메모리에 인가하는 전압에 따른 저항 변화 메커니즘을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 저항 변화 메모리는 저저항 영역(110)과 고저항 영역(120)으로 구분된다.
도 1(a)는 OFF 상태에서 저항 변화 메모리의 고저항 영역(120)의 분포를 나타낸 것이다. OFF 상태는 전극에 인가된 전압(Vapp)이 문턱 전압(Vth)보다 작을 때 발생하는 상태이다.
OFF 상태에서는 고체 상태 전해질(solid-state electrolyte) 영역이 저항 변화 메모리의 대부분을 차지하는 것을 알 수 있으며, 전압 인가시 저전류가 흐르게 된다. 고체 상태 전해질은 GeTe를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 1(b)와 도 1(c)는 ON 상태 저항 변화 메모리의 저저항 영역(110)과 고저항 영역(120)의 분포를 나타낸 것이다.
도 1(b)는 전극에 인가된 전압(Vapp)이 문턱 전압(Vth)보다 클 때의 분포이고, 도 1(c)는 전극에 인가된 전압(Vapp)이 도 1(b)에서의 전극에 인가된 전압(Vapp)보다 더 클 때의 분포이다. 전극에 인가된 전압(Vapp)이 커질수록 저저항 영역(110)의 넓이가 넓어지는 것을 알 수 있다.
도 1(b)와 도 1(c)에 도시된 저저항 영역(110)은 금속이 많은 영역(metal-rich)이므로, 낮은 저항값을 갖는다. 저저항 영역(110)의 금속은 구리와 은을 예로 들 수 있으나, 고저항 영역(120)보다 낮은 저항을 갖는 금속이라면, 다른 금속도 사용 가능할 것이다.
도 1(b)의 전극에 인가된 전압보다 도 1(c)의 전극에 인가된 전압이 크기 때문에 저저항 영역(110)의 크기도 더 넓게 분포가 되어 있음을 알 수 있다. 그 결과 도 1(c)에 흐르는 전류가 도 1(b)에 흐르는 전류보다 고전류가 흐르는 것을 개념적으로 도시하였다.
도 2는 저항 변화 메모리의 IV 특성을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 저항 변화 메모리의 전극에 인가된 전압이 문턱 전압에 이르기 전까지는 전류가 거의 흐르지 않는다.
저항 변화 메모리의 전극에 인가된 전압이 문턱 전압을 넘어서게 되면, 전류가 급격하게 증가하기 시작함을 알 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 메모리는 스위칭 소자로도 이용이 가능하다.
전극에 인가된 전압(Vapp)이 문턱 전압(Vth)보다 작을 때는 전류가 거의 흐르지 않으므로, 오프 상태가 되고, 전극에 인가된 전압(Vapp)이 문턱 전압(Vth)보다 클 때 온 상태가 되는 것을 이용하여 스위칭할 수 있다.
한편, 금속 산화물을 이용한 저항 변화 메모리는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리가 갖는 온-오프 전압의 약 5배 정도의 전압으로 초기화하여야 하므로, 고체 전해질을 이용하는 경우 낮은 온-오프 전압을 갖는 이점이 있다.
도 3은 하나의 전극이 있는 경우 종래의 저항 변화 메모리와 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리를 도시한 것이다. 도 3(a)는 종래의 저항 변화 메모리이고, 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리이다.
도 3(b)를 참조하면, 금속층이 고체 전해질의 길이 방향에 수직한 상태로 삽입된 것이 나타나 있다. 금속층이 삽입되는 간격은 일정할 수도 있고, 일정하지 않을 수도 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 저항 변화 메모리는 금속층으로 구분되는 다층의 고체 전해질을 이용한 것이다. 고체 전해질에는 구리나 은과 같은 금속이 포함되어 있으며, 이러한 고체 전해질을 이용한 저항변화 메모리 소자의 신뢰성있는 멀티 비트 동작을 위해 고체 전해질 층에 적어도 하나의 층 이상의 다수의 금속층을 포함한다.
도 4는 다수의 전극이 있는 경우 종래의 저항 변화 메모리와 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 메모리를 도시한 것이다. 도 4(a)는 종래의 저항 변화 메모리이고, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 메모리이다.
도 4(a)를 참조하면, 고체 전해질은 고저항 영역으로 분류되고, 고체 전해질 내에 분포되어 있는 금속이 풍부한 영역은 저저항 영역이 된다. 그러나 금속이 풍부한 영역의 분포가 일정하지 않음을 알 수 있다.
반면, 도 4(b)를 참조하면, 금속층이 기판층에 평행하게 전해질 내에 삽입되어 있다. 삽입된 금속층은 수직 방향의 저저항 영역 분포의 불균일성을 줄여준다.
고체 전해질 하부에는 SiO2와 Si 기판층이 형성되어 있다. 도 4(b)에는 2개의 금속층이 기판층에 평행하게 삽입되어 있으나 다수의 금속층이 삽입될 수 있을 것이다.
고체 전해질 층에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있고, 구리나 은이 포함된 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리에 있어서, 고체 전해질은 텔룰라이드 계열 혹은 캘코지나이드 계열 화합물이고, 금속층은 전기를 통할 수 있는 모든 종류의 금속층을 포함할 수 있다.
또한, 전극과 전극 사이에 수직한 방향(소자에 평행한 방향)으로 다수의 금속층을 일정한 혹은 선택된 간격을 가지고 삽입을 하게 되면 각각의 레벨에 따른 수직방향의 고저항/저저항 영역의 분포를 어느 수준 이하로 균일하게 만들 수 있어 멀티 레벨 동작에 필요한 레벨 간 저항값의 마진이나 레벨내 저항값의 산포를 줄일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항 변화 메모리를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 전극에 대응하는 금속층의 갯수를 전극별로 다르게 할 수 있다. 전극에 대응하는 금속층을 다르게 하면, 용도나 필요에 따라 전극을 선택적으로 이용할 수 있을 것이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
저항변화 메모리는 기본적으로 저전력, 초고속, 그리고 비휘발성 특성을 가지고 있어 급속히 그 시장이 확대되고 있는 모바일 디바이스를 위한 메모리 소자의 필요 특성을 포함하고 있어 기존 플래쉬 메모리의 대체 혹은 병행 사용이 기대된다. 또한, 멀티 비트 동작을 통한 고집적화 실현으로 초고밀도 고용량을 통한 모바일 기기용 메모리 및 고속의 스위칭 소자에도 활용이 가능하다.

Claims (12)

  1. 금속을 포함하는 고체 전해질; 및
    상기 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극을 포함하고,
    상기 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 금속층은 상기 고체 전해질의 길이 방향에 수직하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 텔룰라이드 계열 또는 캘코지나이드(chalcogenide) 계열인 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질이 포함하는 금속은 구리 또는 은인 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 금속층은 일정한 간격마다 상기 고체 전해질 내에 위치한 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극에 인가하는 전압이 일정 전압을 초과하는 경우에 온 상태가 되고, 상기 일정 전압 이하인 경우에 오프 상태가 되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극에 인가하는 전압이 증가함에 따라 상기 고체 전해질이 포함한 금속에 의한 저저항 영역이 증가함으로써, 상기 고체 전해질을 통과하는 전류가 증가하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극에 전압을 인가하는 경우 상기 삽입된 금속층에 의해 상기 고체 전해질 내의 금속 분포의 균일성이 증가하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극에 인가하는 전압에 따라 상기 고체 전해질에 흐르는 전류가 변화하는 특성을 이용하여 멀티 비트를 구현하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 저항 변화 메모리.
  10. 금속을 포함하는 고체 전해질; 및
    상기 고체 전해질에 전압을 인가하는 전극을 포함하고,
    상기 고체 전해질에 적어도 하나 이상의 금속층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 스위칭 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극에 인가하는 전압이 일정 전압을 초과하는 경우에 온 상태가 되고, 상기 일정 전압 이하인 경우에 오프 상태가 되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 스위칭 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 금속층은 상기 고체 전해질의 길이 방향에 수직하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 고체 전해질을 이용한 스위칭 소자.
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