KR20120043343A - 정류특성을 가지는 저항변화 메모리 - Google Patents

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홍진표
배윤철
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이아람
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

바이어스의 방향에 따른 정류특성과 저항변화특성을 동시에 가지는 저항변화 메모리가 개시된다. 상하부에 구비된 전극들 사이에 저항변화 다이오드가 개재된다. 저항변화 다이오드는 p형 저항변화 반도체층과 n형 저항변화 반도체층이 접합된 형태를 가진다. 저항변화 다이오드에 높은 역바이어스가 인가될 경우, 저항변화 다이오드는 전도성 필라멘트를 형성한다. 이후에 정바이어스의 인가시, 형성된 전도성 필라멘트의 일부가 파괴되는 리셋이 일어나고, 이를 통해 고저항 상태가 형성된다. 또한, 다시 역바이어스의 인가시 전도성 필라멘트가 재생성되는 셋 동작이 일어난다. 이를 통해 저저항 상태가 구현된다. 전도성 필라멘트의 형성과 무관하게 저항변화 다이오드는 바이어스의 방향에 따라 전류차가 발생되는 정류특성을 가진다. 이를 통해 하나의 저항변화 다이오드를 통해 셀 선택과 정보의 저장이 가능해진다.

Description

정류특성을 가지는 저항변화 메모리{ReRAM of having Rectifying Characteristics}
본 발명은 비휘발성 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화물 다이오드 구조를 이용한 저항변화 메모리에 관한 것이다.
최근 디지털 정보통신 및 가전 산업의 발달로 인해, 기존의 전하제어를 기초로 한 비휘발성 메모리에 관한 연구는 한계점에 이른 것으로 평가되고 있다. 즉, 전하의 이동을 기초로 구성되는 비휘발성 메모리는 동작속도, 소비전력 및 집적화에 대한 일정한 한계를 노출하고 있다. 최근에는 물질의 상태변화를 이용한 메모리에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 새로운 메모리는 상변화 또는 자기장의 변화 등을 이용하고 있다. 이는 물질의 상태 변화를 유도하여 물질 자체가 가지는 저항을 변화시키는 원리를 이용한다.
대표적인 비휘발성 메모리인 플래시 메모리는 데이터의 프로그램 및 소거 동작시에 높은 동작전압을 요구한다. 따라서, 45 nm 이하의 스케일 다운시, 이웃하는 셀들 사이의 간섭으로 오동작이 발생할 수 있으며, 느린 동작 속도 및 큰 소비전력이 요구되는 문제점이 있다. 이외에 MRAM(Magnetic RAM)은 복잡한 제조공정, 다층구조 및 읽기/쓰기 동작의 마진이 작다는 한계를 가진다.
저항변화 메모리(ReRAM)는 산화물로 구성된 저항 변화층을 중심으로 상/하부 전극을 가진다. 또한, 저항 변화층에 인가되는 전압에 따라, 저항 변화층의 저항값이 변화되는 현상을 이용하여 메모리의 동작이 구현된다. 특히, 저항변화 메모리는 기록 및 재생횟수가 이론적으로 무한대이므로 메모리의 열화가 실질적으로 없으며, 고온 동작이 가능하고, 데이터의 안정성 등에서 탁월한 잇점을 가진다. 특히, 입력펄스의 인가시, 1000배 이상의 저항변화에 요구되는 시간은 10ns 내지 20ns 이므로 고속 동작이 가능하다는 잇점이 있다.
상기 저항변화 메모리의 저항 변화층은 단일막 또는 다층막이며, 고집적화 및 고속화가 가능하다. 또한, 기존의 CMOS 공정과 유사한 공정기술이 적용되는 장점이 있다. 상기 저항 변화층의 재질은 이원계 산화물 또는 페로브스카이트이며, 초기에 소정의 전압이 인가되는 과정(Electroforming: 이하 ‘포밍’)을 거치면 저항 변화층 내부에 전도성 필라멘트가 형성된다. 또한, 전도성 필라멘트에 대한 전압 조절을 통해 전도성 필라멘트는 파괴(reset) 및 재생성(set)된다. 이를 통해 저항 변화층에 흐르는 전류를 제어함으로써 비휘발성 메모리로서의 동작이 이루어진다.
또한, 고집적의 이상적인 메모리 소자의 구성을 위해 4F2의 메모리 셀 크기를 가지는 직교 막대 셀 어레이의 개발이 중요한데, 직교 막대 셀 어레이가 가지는 고유의 특성으로 인해 인접한 셀들 사이의 간섭현상이 발생된다. 이는 메모리에 저장된 데이터의 읽기 동작에 오류를 유발하는 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 각각의 셀들을 선택적으로 읽을 수 있는 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 선택소자가 부가적으로 각 셀들마다 구비된다. 이러한 선택소자로는 p-n 접합 다이오드, Schottky 다이오드 또는 트랜지스터 등이 사용된다.
다만, 저항 변화층 상부 또는 하부에 구비되는 선택소자는 제조공정이 매우 까다롭다는 단점을 가진다. 즉, 실리콘을 기반으로 한 반도체 소자를 이용하여 다이오드 또는 트랜지스터를 형성하기 위해서는 에피텍셜 공정이 필수적으로 요구된다. 또한, 에피텍셜 공정 이외에 이를 패터닝하는 공정이 추가적으로 요구되며, 상하에 서로 상이한 막질들이 배치되는 문제로 인해 하나의 식각 공정을 통해 패터닝하는 것이 실질적으로 곤란한 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2010-31698호는 저항 변화층 상부에 다이오드가 형성된 저항변화 메모리를 개시한다. 특히, 다이오드는 p-i-n 접합을 이용한 다이오드이며, 다결정 실리콘 기반의 반도체 소자임을 알 수 있다. 상기 저항변화 메모리는 다결정을 형성하기 위한 에피텍셜 공정에서 상당한 기술적 곤란성이 있다.
대한민국 공개특허 제2010-45717호는 저항변화층, 중간전극 및 산화물 다이오드로 구성된 저항변화 메모리를 개시한다. 특히, 산화물 다이오드는 CuO 재질의 p형 산화물층 및 InZnO 재질의 n형 산화물층을 가진다. 상술한 저항변화 메모리는 다수의 적층구조가 요구되며, 패터닝시 다수의 막질들로 인해 패터닝의 곤란성을 유발한다.
또한, 대한민국 공개특허 제2009-29558호는 산화물 반도체를 조합한 다이오드의 구성을 개시한다. 다이오드를 구성하는 산화물 반도체는 MIT(metal-insulator transition) 특성을 가진다. MIT 특성이라 함은 VO2와 같은 물질 등에서 나타나는 현상으로 산화물 반도체에 인가되는 열에너지에 의해 부도체가 도체의 특성을 가지는 것을 지칭한다.(science direct, accepted 25 July 2005, "Abrupt metal-insulator transition observed in VO2 thin films induced by a switching voltage pulse") 이를 이용하여 산화물 반도체로 구성된 다이오드를 제조하고자 하는 기술이 개시된다. 즉, p형 산화물 반도체 또는 n형 산화물 반도체에 임계전압 이상의 전압을 인가하는 경우, 저항이 급격히 감소하고, 이를 이용하여 다이오드 특성을 구현하게 된다. 다만, 이는 메모리 소자에서 다이오드를 형성하기 위해 구비되는 것으로 메모리를 형성하기 위해서는 스위칭 소자인 다이오드 이외에 별도의 저항변화 소자가 구비되어야 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 산화물 p-n 다이오드가 자체적으로 저항변화 특성을 가지도록 하여, 간단한 구조로 저항변화가 실현되고, 각각의 셀들이 선택적으로 엑세스될 수 있는 저항변화 메모리를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 저항변화 다이오드; 및 상기 저항변화 다이오드 상에 형성된 상부 전극을 포함하고, 상기 저항변화 다이오드는 p-n 접합에 따른 정류특성과 전도성 필라멘트의 형성에 따른 저항변화를 동시에 구현하는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기 목적은, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 p형 저항변화 반도체층; 상기 p형 저항변화 반도체층과 접합되는 n형 저항변화 반도체층; 및 상기 n형 저항변화 반도체층 상부에 형성되는 상부 전극을 포함하고, 상기 p형 저항변화 반도체층 또는 상기 n형 저항변화 반도체층은 역바이어스의 인가에 따라 전도성 필라멘트가 형성되는 포밍이 수행되며, 정류 특성과 상기 전도성 필라멘트의 형성과 파괴가 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리의 제공을 통해서도 달성된다.
상술한 본 발명에 따르면 저항변화 다이오드는 셀의 선택기능을 담당하는 정류특성과 메모리 특성을 담당하는 저항변화 특성을 동시에 가진다. 저항변화 다이오드를 구성하는 p형 저항변화 반도체층과 n형 저항변화 반도체층은 역바이어스의 인가에 따라 전도성 필라멘트를 형성한다. 이는 단순히 역바이어스를 인가하여 전도성 필라멘트를 형성하는 것이 아니라 ReRAM에의 electro-forming 과정에 의해 마치 soft breakdown 과 같은 효과로 전도성 필라멘트를 형성하는 것이다. 또한 본 발명에서 개시된 구조를 통해 이러한 electro-forming 과정은 순방향에서는 일어나지 않고, 오로지 역방향에서 발생된다. 이후에 역바이어스 및 정바이어스의 반복적 인가에 따라 전도성 필라멘트가 형성 또는 소멸되는 셋/리셋 동작이 반복된다. 이를 통해 저항상태의 변화가 구현된다. 또한, 저항상태의 변화와 동시에 저항변화 다이오드는 정방향 전압에 따라 상대적으로 높은 전류가 흐르고, 역방양 전압의 인가에 따라 상대적으로 낮은 전류가 흐르는 정류특성을 가진다. 따라서, 이를 통해 해당하는 메모리 셀의 선택성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 다른 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 동작특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 하부전극(110), p형 저항변화 반도체층(121), n형 저항변화 반도체층(123) 및 상부전극(130)이 구비된다.
상기 기판(100)은 통상의 반도체 메모리 소자에 적용되는 것이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 따라서, 재질 등에 특별한 한정은 없으며, Si, SiO2, Si/SiO2 다층기판 또는 폴리 실리콘 기판 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 기판(100)은 물리적인 기판이 아닌 특정한 막질일 수 있다. 즉, 기판(100) 상에 형성되고, 이후에 적층되는 하부전극(110) 등을 물리적으로 지지할 수 있는 막질일 수 있다.
상기 기판(100) 상에는 하부전극(110)이 형성된다. 상기 하부전극(110)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다. 상기 하부전극(110)은 선택되는 재질에 따라 20nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 하부전극(110) 상에는 저항변화 다이오드(120)가 구비된다. 상기 저항변화 다이오드(120)는 p형 저항변화 반도체층(121) 및 n형 저항변화 반도체층(123)을 가진다.
먼저, 상기 하부전극(110) 상에는 p형 저항변화 반도체층(121)이 구비된다. 상기 p형 저항변화 반도체층(123)은 CoOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), MgOx(1 ≤ x < 2, x는 실수), CuAlOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), MnOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), SnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), FeOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), WOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), PbOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), Pr1 -xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1 -xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1 -xSrxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수) 또는 PbZr1-xTixO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수)를 포함한다. 상기 p형 저항변화 반도체층(121)에서는 정공을 통해 전하의 이동이 주도적으로 일어난다. 특히, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)을 구성하는 물질은 비화학양론적인 구성을 가짐이 바람직하다. 특히, 금속원자의 공공(vacancy)을 이용한 정공의 이동이 주도적으로 발생된다.
상기 p형 저항변화 반도체층(121) 상부에는 n형 저항변화 반도체층(123)이 구비된다. 상기 n형 산화물 반도체층(123)은 TiOx(1.2 ≤ x ≤ 1.89, x는 실수), CeOx(1.5 ≤ x < 2, x는 실수), ZnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), TaOx(x는 1.2 ≤ x < 2.5, x는 실수), AlOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), LaOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), NbOx(1.2 ≤ x ≤ 2, x는 실수), Sn-도핑된 InOx(1 < x ≤ 1.5, x는 실수), InxZn1 -xO2(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), LixNb1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), BaxSr1 -xTiO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Nb-도핑된 SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Cr-도핑된 SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxZr1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수) 또는 Cr-도핑된 SrxZr1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수)를 포함한다. 상기 n형 저항변화 반도체층(123)에서는 전자를 통한 전하의 이동이 주도적으로 일어난다. 따라서, 산소원자의 공공(vacancy)에 따른 비화학양론적인 구성을 가짐이 바람직하다.
상기 n형 저항변화 반도체층(123) 상부에는 상부전극(130)이 배치된다. 상기 상부전극(130)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다. 또한, 상기 상부전극(130)은 20nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있으며, 새도우마스크 또는 통상의 포토리소그래피 공정을 통한 패터닝, nano-imprinting 등의 방법에 의해 미세 직교막대 어레이로 구성될 수 있다.
상기 도 1에서 상기 p형 산화물 반도체층(121)과 n형 산화물 반도체층(123)은 그 배치가 서로 바뀔 수 있다. 즉, 하부전극(110) 상에 n형 저항변화 반도체층(123)이 먼저 배치되고, n형 저항변화 반도체층(123) 상부에 p형 산화물 반도체층(121)이 배치될 수 있다.
또한, 상기 도 1에서 n형 저항변화 반도체층(123)과 p형 산화물 반도체층(121)이 상호간에 동일한 캐리어 농도를 가지는 경우, 2개의 저항변화 반도체층(121, 123)의 두께는 서로 다르게 설정됨이 바람직하다. 예컨대, 서로 다른 두께를 가지는 저항변화 반도체들(121, 123) 중 큰 두께를 가지는 저항변화 반도체층에서 저항 변화가 주도적으로 발생될 수 있다.
마찬가지로, 상기 도 1에서 n형 저항변화 반도체층(123)과 p형 저항변화 반도체층(121)이 상호간에 동일한 두께를 가진다 하더라도, 2개의 저항변화 반도체층들(121, 123)의 캐리어 농도는 서로 다르게 설정됨이 바람직하다. 이를 통해 낮은 캐리어 농도를 가지는 층이 실질적이 절연층이 됨으로 저항변화 반도체층 내에서 저항 변화가 주도적으로 발생될 수 있다.
다른 전도형을 가지는 저항변화 반도체층들(121, 123) 사이의 캐리어 농도의 변화는 산소 공공의 농도 변화 또는 금속 원자 공공의 농도 변화의 유도를 통해 달성된다. 특히, 금속 원자 공공의 농도 변화는 화학양론을 벗어나는 산소 원자의 공급을 통해 달성됨이 바람직하다.
또한, 저항변화 반도체층(121, 123)의 저항변화는 인가되는 고전압에 의한 전도성 필라멘트의 형성에 의해 달성된다. 즉, MIT 특성과 같이 소재에 대한 열에너지의 인가에 의한 물성의 변화가 아닌, 인가되는 고전압 또는 바이어스에 의해 소재 내부의 전하의 이동경로가 되는 전도성 필라멘트의 형성 및 소멸에 의해 저항의 변화가 일어난다.
또한, 상술한 p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(123)의 접합은 다이오드 특성을 구현한다. 즉, 전도성 필라멘드의 형성이 이루어지더라도, p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(123)은 p-n 접합에 따른 정류특성을 유지한다. 따라서, p형 저항변화 반도체층(121)과 n형 저항변화 반도체층(123)은 다이오드 특성을 유지하면서 저항변화층으로서 기능하는 저항변화 다이오드(120)를 형성한다. 저항변화는 MIT 특성과는 전혀 다른 전도성 필라멘트의 형성과 소멸에 의해 달성된다. 즉, MIT 특성에서는 전류의 인가에 의해 소재 내부에 열에너지를 공급하고, 소재에서 발생된 온도의 상승에 의해 물성의 변화를 유도하는 프로세스이다. 이외에도 MIT 특성은 doping 된 금속 원자의 이동 또는 물질 조성의 불규칙성에 의한 Anderson localization의 유무에 따른 저항변화 등 다양한 원인에 의해 발생된다. 반면, 저항변화소자는 인가되는 바이어스에 의해 소재 내부에 전도성 필라멘트가 형성되고, 형성된 전도성 필라멘트를 통해 전하가 이동하는 현상을 이용한다.
따라서, 기존의 MIT 특성을 가지는 다이오드는 전도성 필라멘트가 생성되는 셋 및 전도성 필라멘트가 파괴되는 리셋의 과정을 거치지 않으며, 저항변화소자와는 전혀 다른 전기적 특성을 가지게 된다. 본 발명에 의해 구현되는 저항변화 다이오드(120)는 정방향 및 역방향의 인가전압에 따른 정류특성을 유지하면서, 인가되는 특정의 바이어스에 따라 전도성 필라멘트의 형성과 소멸이 반복될 수 있는 특성을 가진다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 하부전극(110)이 형성된다. 상기 기판(100)은 물리적인 기판일 수 있으며, 하부전극(110)을 지지하는 특정한 막질일 수 있다. 상기 하부전극(110)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다.
또한, 상기 하부전극(110)은 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있다. 즉, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법, 증발법, 전자빔 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법 등이 사용될 수 있으며, 바람직하기로는 스퍼터링을 이용한 TiN 재질이 하부전극으로 사용된다.
도 3을 참조하면, 상기 하부전극(110) 상에 저항변화 다이오드(120)가 형성된다.
상기 저항변화 다이오드(120)는 정바이어스가 인가될 때의 전류량과 역바이어스가 인가될 때의 전류량의 차이를 가진다. 또한, 인가되는 전압에 따라 자체적으로 저항이 변하는 특성을 가진다. 이를 통해 저항변화 다이오드(120)는 인가되는 바이어스에 따라 전도성 필라멘트가 형성되거나 파괴되는 셋/리셋 동작을 수행할 수 있으며, 다이오드 고유의 특성에 따른 셀의 선택적 동작을 유발할 수 있다.
또한, 저항변화 다이오드(120)는 p형 저항변화 반도체층(121) 및 n형 저항변화 반도체층(123)을 가진다.
예컨대, 하부전극(110) 상에는 p형 저항변화 반도체층(121)이 형성된다. 상기 p형 산화물 반도체층(121)은 상기 도 1에 도시된 물질을 포함한다. 또한, 상기 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성은 알려진바에 따른 다양한 증착법을 통해 달성될 수 있다. 예컨대, 물리적 기상 증착법, 화학적 기상 증착법, 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법, 증발법, 전자빔 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법 등이 사용될 수 있으며, 바람직하기로는 CoOx 재질이 p형 저항변화 반도체층(121)으로 사용된다.
p형 저항변화 반도체층(121) 상부에는 n형 저항변화 반도체층(123)이 형성된다. 상기 n형 저항변화 반도체층(123)은 상기 도 1에 도시된 물질을 포함한다. 또한, n형 저항변화 반도체층(123)은 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성에 관해 언급된 바와 같이 다양한 증착법을 통해 형성될 수 있다. 바람직하기로는 p형 저항변화 반도체층(121)의 형성법과 동일한 방법을 통해 n형 저항변화 반도체층(123)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 n형 저항변화 반도체층(123)은 TiOx를 포함함이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 상기 저항변화 다이오드(120) 상부에는 상부전극(130)이 형성된다. 상기 상부전극(130)은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극일 수 있다. 또한, 상기 상부전극(130)은 새도우 마스크 또는 통상의 포토리소그래피를 통해 패터닝된 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 금속물의 증착을 통해 상부전극(130)의 전단계인 도전성 막질을 형성하고, 통상의 포토리소그래피에 따른 패터닝을 통해 상부전극(130)이 형성될 수 있다. 또는, 증착공정시 새도우 마스크를 이용하여 증착과 동시에 패턴화된 상부전극(130)이 형성될 수 있다.
상부전극(130)이 형성된 이후, 제조된 저항변화 메모리에 대한 후열처리가 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 그래프들이다.
도 5를 참조하면, 먼저, 기판으로는 폴리 실리콘이 사용되면, 기판의 상부에 직접 하부전극이 형성된다. 상기 하부전극의 재질은 Pt이며, 두께는 100nm로 설정된다.
하부전극의 상부에는 저항변화 다이오드가 구비되며, 하부전극 상에는 p형 저항변화 반도체층이 먼저 형성된다. 상기 p형 저항변화 반도체층의 재질은 CoO를 포함하고, 그 두께는 30nm로 설정된다. 또한, 상기 p형 저항변화 반도체층 상부에는 n형 저항변화 반도체층이 형성된다. n형 저항변화 반도체층의 재질은 TiOx를 포함하고, 그 두께는 10nm이다.
저항변화 다이오드 상부에는 상부전극이 형성되며, 형성된 상부전극은 Pt를 포함한다. 또한, 상부전극의 두께는 100nm로 설정된다.
상술한 구조를 가지는 저항변화 메모리의 상/하부 전극에 전압차를 인가하여 흐르는 전류를 측정한다. 음의 전압이 인가되는 방향이 정방향이며, 양의 전압이 인가되는 방향은 역방향이다. 또한, 상기 도 3에서 도시되는 저항변화 메모리는 포밍이 수행되기 이전상태이다.
정방향 전압의 인가(- 단위로 표시됨)에 의해 저항변화 다이오드는 높은 정방향 전류를 형성한다. 예컨대, 3V의 전압차에 의해 7.64mA의 정방향 전류가 흐르게 된다. 반면, 역방향 전압이 인가(+ 단위로 표시됨)되는 경우, 상대적으로 낮은 양의 역방향 전류가 흐른다. 예컨대, 3V의 전압차에 의해 34.6uA의 역방향 전류가 흐른다. 상술한 바와 같이 저항변화 메모리는 저항변화 반도체들로 구성된 저항변화 다이오드에 의해 정방향 및 역방향 바이어스의 인가시, 약 200배 이상의 전류량의 차이를 가져온다. 이를 통해 저항변화 다이오드가 인가되는 바이어스의 방향성에 대해 소정의 정류작용을 수행하는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 다이오드 특성을 확인하기 위한 전압-전류 특성을 도시한 다른 그래프들이다.
도 6을 참조하면, 상기 도 5에 개시된 저항변화 메모리에 대해 포밍과정이 수행되고, 포밍이 수행된 저항변화 메모리의 다이오드 특성이 측정된다. 포밍은 역방향 바이어스 인가에 의해 수행되며, 약 4.6V에서 발생된다. 이후에 정방향 바이어스 1.5V의 인가에 따라 리셋 과정이 수행된다. 포밍에 의해 형성된 전도성 필라멘트는 리셋 과정을 통해 일부가 파괴된다. 리셋 과정이 수행된 이후의 저항변화 메모리는 다시 셋과 리셋 과정이 반복적으로 수행될 수 있다. 포밍이 수행되고, 리셋이 수행된 저항변화 메모리의 정방향 및 역방향 특성이 측정된다. 정방향 바이어스가 인가되는 경우(- 단위로 표시됨)의 전류량이 역방향 바이어스가 인가(+ 단위로 표시됨)되는 전류량에 비해 높은 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 전도성 필라멘트가 형성된다 하더라도, 바이어스의 인가되는 방향에 따른 정류특성은 다이오드의 특성에 의해 유지된다.
이는 저항변화 다이오드가 정류특성 및 저항변화 특성을 동시에 가지기 때문이다. 즉, 저항변화 다이오드 자체에 전도성 필라멘트가 형성되고, 전도성 필라멘트의 변화에 따른 저항의 변화와 다이오드 특성에 따른 정류특성이 동시에 나타나게 된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리의 동작특성을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 도 5에 개시된 저항변화 메모리에 대해 정바이어스가 인가된다. 정바이어스가 인가되는 경우, 전압의 증가에 따라 흐르는 전류량이 증가한다(①). 즉, 저항변화 다이오드에 정바이어스만을 인가하는 경우, 필라멘트는 형성되지 않으며, 전압의 증가에 따라 전류가 증가되는 특성만이 나타난다.
이어서, 저항변화 메모리에 역바이어스가 인가된다. 높은 크기의 역바이어스가 인가되는 경우, 저항변화 메모리의 저항변화 다이오드에는 포밍이 발생한다. 즉, 약 4.6V에서 급격하게 전류가 증가하는 현상이 발생된다(②). 이는 역방향 바이어스의 인가시 저항변화 다이오드가 가지는 다이오드 성분에 의해 저항변화 다이오드를 흐르는 전류가 제한되고, 정방향에 비해 상대적으로 적은 전류에 비해 높은 역방향 바이어스가 인가되는 현상에 기인한 것으로 추측된다. 즉, 저항변화 반도체 소자에 높은 역바이어스가 인가된 상태에서 낮은 전류량이 흐르는 경우, 일정 크기 이상의 바이어스 상태에서는 전도성 필라멘트의 형성에 의해 저저항 상태가 실현되는 것이다.
포밍이 수행된 이후에 정바이어스를 인가하는 경우, 저항변화 다이오드는 매우 낮은 저항상태를 유지한다. 또한, 정방향으로 바이어스의 크기를 증가시키는 경우, 전류량이 급격히 감소하여 상대적으로 높은 저항상태를 가진다(③). 이를 리셋이라 지칭한다. 이는 포밍과정에서 형성된 전도성 필라멘트가 파괴되는 것으로 해석된다. 또한, 그래프 ①보다 낮은 저항상태를 유지하는 것을 볼 때, 그래프 ②의 과정에서 생성된 전도성 필라멘트의 일부만이 파괴되는 것을 알 수 있다.
물론, 다시 정바이어스를 인가하는 경우, 상승된 저항상태에 따른 전압-전류 특성이 나타나게 된다(④). 즉, 한번의 리셋이 일어난 직후에는 정바이어스를 다시 인가하더라도 리셋이 발생되지 않는다. 이는 리셋동작은 일회로 완료되며, 연속하여 추후의 리셋동작이 발생하지 않음을 의미한다. 이러한 리셋 동작을 통하여 고저항 상태는 실현된다.
또한, 역방향의 전압의 인가에 의해 저항변화 다이오드는 셋 동작이 수행된다(⑤). 즉, 높은 역바이어스의 인가에 의해 저항변화 다이오드에는 다시 전도성 필라멘트가 형성되고, 저저항 상태가 실현된다. 따라서, 정바이어스의 인가 시에는 저저항 상태가 유지된다.
만일, 저저항 상태가 유지되는 셋 동작이 수행된 저항변화 다이오드에 높은 정바이어스를 인가하는 경우, 저항변화 다이오드는 다시 리셋된다(⑥). 리셋 동작을 통해 저저항 상태의 저항변화 다이오드는 다시 고저항 상태로 변환된다. 상술한 셋 동작 이후의 리셋 동작은 저항변화 다이오드에 역바이어스의 재인가에 의해 달성된다(⑦).
상술한 바대로 본 발명의 저항변화 메모리는 다이오드 특성과 저항변화 특성을 통시에 구현할 수 있다. 즉, 보유되는 정류특성에 따라 소자의 선택성을 확보할 수 있으며, 선택된 소자의 셋과 리셋 과정을 통해 저저항과 고저항 상태를 실현할 수 있다. 즉, 하나의 저항변화 다이오드를 통해 소자의 선택과 정보의 기록/저장/읽기 동작이 실현될 수 있다. 이를 통해 단순한 구조의 실현이 가능하며, 제조공정 상의 복잡함과 고비용을 회피할 수 있다.
100 : 기판 110 : 하부전극
120 : 저항변화 다이오드 121 : p형 저항변화 반도체층
123 : n형 저항변화 반도체층 130 : 상부전극

Claims (11)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 저항변화 다이오드; 및
    상기 저항변화 다이오드 상에 형성된 상부 전극을 포함하고,
    상기 저항변화 다이오드는 p-n 접합에 따른 정류특성과 전도성 필라멘트의 형성에 따른 저항변화를 동시에 구현하는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저항변화 다이오드는,
    상기 하부 전극 상에 형성되는 p형 저항변화 반도체층; 및
    상기 p형 저항변화 반도체층 상에 형성되는 n형 저항변화 반도체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  3. 제2항에 있어서, 상기 p형 저항변화 반도체층은 CoOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), MgOx(1 ≤ x < 2, x는 실수), CuAlOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), MnOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), SnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), FeOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), WOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), PbOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), Pr1-xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1-xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1-xSrxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수) 또는 PbZr1-xTixO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수)을 포함하고, 금속원자의 공공에 따른 정공의 이동이 주도적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  4. 제2항에 있어서, 상기 n형 저항변화 반도체층은 TiOx(1.2 ≤ x ≤ 1.89, x는 실수), CeOx(1.5 ≤ x < 2, x는 실수), ZnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), TaOx(x는 1.2 ≤ x < 2.5, x는 실수), AlOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), LaOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), NbOx(1.2 ≤ x ≤ 2, x는 실수), Sn-도핑된 InOx(1 < x ≤ 1.5, x는 실수), InxZn1 -xO2(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), LixNb1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), BaxSr1 -xTiO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Nb-도핑된 SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Cr-도핑된 SrxTi1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxZr1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수) 또는 Cr-도핑된 SrxZr1 -xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수)을 포함하고, 산소원자의 공공에 따른 전자의 이동이 주도적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  5. 제2항에 있어서, 상기 p형 저항변화 반도체층 또는 n형 저항변화 반도체층은, 역바이어스의 인가에 따라 상기 전도성 필라멘트가 형성되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하부 전극 또는 상부 전극은 Pt, Au, Al, Cu, Ti 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, TiN 또는 WN을 포함하는 질화물 전극인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  7. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성된 p형 저항변화 반도체층;
    상기 p형 저항변화 반도체층과 접합되는 n형 저항변화 반도체층; 및
    상기 n형 저항변화 반도체층 상부에 형성되는 상부 전극을 포함하고,
    상기 p형 저항변화 반도체층 또는 상기 n형 저항변화 반도체층은 역바이어스의 인가에 따라 전도성 필라멘트가 형성되는 포밍이 수행되며, 정류 특성과 상기 전도성 필라멘트의 형성과 파괴가 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 p형 저항변화 반도체층은 상기 n형 저항변화 반도체층과 다른 캐리어 농도를 가지거나, 다른 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  9. 제7항에 있어서, 상기 p형 저항변화 반도체층 또는 상기 n형 저항변화 반도체층은, 상기 포밍이 수행된 이후, 정바이어스에 의해 상기 전도성 필라멘트가 파괴되거나, 역바이어스에 의해 상기 전도성 필라멘트가 생성되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  10. 제7항에 있어서, 상기 p형 저항변화 반도체층은 CoOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), MgOx(1 ≤ x < 2, x는 실수), CuAlOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), MnOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), SnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), FeOx(1 ≤ x ≤ 1.5, x는 실수), WOx(1.8 ≤ x < 3, x는 실수), PbOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), Pr1 -xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1 -xCaxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수), La1 -xSrxMnO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수) 또는 PbZr1 -xTixO3(0.6 ≤ x < 1, x는 실수)을 포함하고, 금속원자의 공공에 따른 정공의 이동이 주도적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
  11. 제7항에 있어서, 상기 n형 저항변화 반도체층은 TiOx(1.2 ≤ x ≤ 1.89, x는 실수), CeOx(1.5 ≤ x < 2, x는 실수), ZnOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), TaOx(x는 1.2 ≤ x < 2.5, x는 실수), AlOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), LaOx(1.2 ≤ x < 2, x는 실수), NbOx(1.2 ≤ x ≤ 2, x는 실수), Sn-도핑된 InOx(1 < x ≤ 1.5, x는 실수), InxZn1-xO2(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), LixNb1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxTi1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), BaxSr1-xTiO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Nb-도핑된 SrxTi1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), Cr-도핑된 SrxTi1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수), SrxZr1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수) 또는 Cr-도핑된 SrxZr1-xO3(0 < x ≤ 0.5, x는 실수)을 포함하고, 산소원자의 공공에 따른 전자의 이동이 주도적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리.
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