KR20130021864A - Memristor device including resistance random access memory and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A memristor device and a manufacturing method thereof are provided to simultaneously implement a resistor property, a memory property, and a diode property in one cell by using a schottky diode and a resistance change memory with various resistance switching properties. CONSTITUTION: A bottom electrode(200) is formed on a substrate. A resistance change semiconductor layer(300) has a resistance change memory region and a diode region. An insulation layer(500) is formed in the resistance change memory region of the resistance change semiconductor layer. A quantum dot(400) is formed in the insulation layer. A top electrode forms a metal oxide layer by reacting on the insulation layer. A metal electrode(700) is formed in the diode region of the resistance change semiconductor layer. [Reference numerals] (Circuit11) Second ReRAM; (Circuit12) Fourth ReRAM; (Circuit3) First or third ReRAM

Description

멤리스터 소자 및 이의 제조방법{Memristor Device including Resistance random access memory and Method of manufacturing the same}Memristor device and method for manufacturing same {Memristor Device including Resistance random access memory and Method of manufacturing the same}

본 발명은 멤리스터 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 저항 스위칭 특성을 가지는 2 이상의 저항 변화 메모리 및 쇼트키(schottky) 다이오드로 구성되는 멤리스터 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a memristor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a memristor device composed of two or more resistance change memories and a schottky diode having various resistance switching characteristics, and a method of manufacturing the same.

멤리스터(Memristor)는 전하와 자속을 연결하는 나노 스케일의 수동소자로서, 전하의 양을 기억하고 기억된 전하량에 따라 저항이 변화하는 특성을 가진다.Memristors are nanoscale passive devices that connect charges and magnetic fluxes. They memorize the amount of charge and change the resistance according to the stored amount of charge.

멤리스터는 레지스터(resistor), 커패시터(capacitor) 및 인덕터(inductor)와 함께 전기 회로의 기본 구성요소의 하나이다. 상기 멤리스터는 일반적으로 레지스터가 담당하는 다양한 역할을 수행하는 점에서는 상기 레지스터와 유사하나, 레지스터와는 다르게 인가된 전압의 방향과 크기에 따라 저항을 변경할 수 있으며, 전압이 차단되더라도 그의 저항을 기억하는 능력이 있다. 따라서, 멤리스터는 이를 이용하여 테라비트(terabit) 메모리, 신경망 회로 구성에 의한 결함 인정 소자 등 새로운 논리회로 구성을 가능하게 하는 신개념 소자이며, 나노 기술을 기반으로 하는 차세대 메모리 관련 분야에 속한다.Memristors, together with resistors, capacitors and inductors, are one of the basic components of an electrical circuit. The memristor is generally similar to the resistor in that it plays various roles in which the resistor plays a role. However, unlike the resistor, the memristor can change the resistance according to the direction and magnitude of the applied voltage. Have the ability to Therefore, memristor is a new concept device that enables new logic circuit configuration such as terabit memory and defect recognition device by neural network configuration, and belongs to the next generation memory related field based on nano technology.

한편, 개별 멤리스터는 다기능 트랜지스터의 역할을 수행할 수 있기 때문에 7개에서 12개까지의 트랜지스터들을 대신할 수 있으며, 에너지 소모 및 부팅 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 등 소자의 기능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 트랜지스터는 항상 전력을 필요로 하므로 누설 전류를 통한 전력 손실이 큰 반면, 멤리스터는 전력 없이도 기억을 유지할 수 있는 이점이 있다. On the other hand, individual memristors can act as multi-function transistors, replacing seven to twelve transistors, which can dramatically improve energy savings and boot time. There is an advantage. In addition, since transistors always require power, power loss through leakage current is large, while memristors have an advantage of maintaining memory without power.

종래의 멤리스터는 백색 페인트의 안료인 이산화티타늄 이중층으로 구성되며, 이를 통용되는 실리콘 반도체 칩 상에 추가하여 개량된 소자를 제조할 수 있다. 상기 멤리스터 배열은 100×100개의 도선들로 이루어진 십자 형태의 교차 지점에 형성된다. 즉, 두 도선들 사이의 각 교차 지점에는 이산화티타늄이 샌드위치 구조로 형성되어 있으며, 이는 멤리스터의 역할을 수행한다. 또한, 칩의 내부 장치들과 멤리스터와의 연결은 일련의 구리 연결선들이 담당한다. The conventional memristor consists of a double layer of titanium dioxide, which is a pigment of white paint, and can be added to a conventional silicon semiconductor chip to manufacture an improved device. The memristor array is formed at the cross point of the cross shape of the 100 × 100 conductors. That is, titanium dioxide is formed in a sandwich structure at each intersection point between the two conductors, which serves as a memristor. In addition, the chip's internals are connected to memristors by a series of copper leads.

그러나, 상기와 같은 구조의 멤리스터 1만개의 패턴을 통상적인 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary metal oxide semiconductor, 이하 CMOS) 칩 상에 형성하는 경우, CMOS 칩의 표면이 매우 불규칙하여 0.01 mm 높이의 융기부를 평탄화하기 위해 복잡한 물리 화학적 연마가 필요한 기술적인 어려움이 따르는 문제점이 있었다. However, in the case where 10,000 patterns of memristors having the above structure are formed on a conventional complementary metal oxide semiconductor (CMOS) chip, the surface of the CMOS chip is very irregular and thus a ridge having a height of 0.01 mm is formed. There has been a problem with technical difficulties that require complex physicochemical polishing to planarize.

한편, 특정 전류 및 온도범위에서 가역적인 스위칭 효과가 나타나는 나노입자를 이용하여 멤리스터의 특성에 관한 연구를 진행하였다. 대한민국 공개특허 제10-2010-0061405호에서는 화학적으로 합성된 나노입자 어셈블리 내부에 매우 적은 양의 전류를 가하는 경우에도 상온에서 매우 큰 저항 변화를 구현하여 전류량에 따른 저항값의 스위칭 효과와 전류 방향에 따라 저항값이 변하는 이력현상(Hysteresis)이 나타남을 확인하였으며, 이는 나노입자를 펠렛 형태(Pellet)로 제조하여 멤리스터를 간단하게 개발할 수 있는 가능성을 가시화하였다. 그러나, 나노입자를 이용한 멤리스터는 나노입자의 크기 및 표면의 특성 제어가 어려운 문제점이 있어 높은 성능을 가지는 기술의 개발이 여전히 필요한 실정이다. On the other hand, the study of the characteristics of the memristor using nanoparticles exhibiting a reversible switching effect in a specific current and temperature range. In Korean Patent Laid-Open No. 10-2010-0061405, even when a very small amount of current is applied to a chemically synthesized nanoparticle assembly, a very large resistance change is realized at room temperature, thereby changing the switching effect of the resistance value and the current direction. As a result, hysteresis, which shows a change in resistance value, was shown, which visualized the possibility of simply developing a memristor by preparing nanoparticles in pellet form. However, the memristor using the nanoparticles is difficult to control the size and characteristics of the surface of the nanoparticles, so there is still a need for the development of a technology having high performance.

또한, 차세대 비휘발성 메모리인 저항 변화 메모리(RRAM, Resistance Random Access Memory)를 이용하여 멤리스터 박막 소자를 제조하는 기술이 개시되었다[Nature materials vol 10, August 2011 p625-630]. 그러나, 이는 저항 변화 메모리 자체의 기능과 구별될 만한 차이점이 부족하여 멤리스터 고유의 기능에 대한 문제점이 제기되었다. In addition, a technology for manufacturing a memristor thin film device using a resistance random access memory (RRAM), which is a next-generation nonvolatile memory, has been disclosed [Nature materials vol 10, August 2011 p625-630]. However, this lacks a distinguishable difference from that of the resistive change memory itself, which raises the problem of memristor-specific functions.

이에 본 발명의 제1 목적은 다양한 저항 스위칭 특성을 가지는 2 이상의 저항 변화 메모리 및 쇼트키(schottky) 다이오드를 포함하는 멤리스터 소자를 제공하는 데 있다.Accordingly, a first object of the present invention is to provide a memristor device including two or more resistance change memories and a schottky diode having various resistance switching characteristics.

또한, 본 발명의 제2 목적은 상부 전극과 절연층과의 계면에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 형성된 저항 변화 메모리와 저항 변화 반도체층의 일부 영역에 금속층을 배치하여 형성된 쇼트키 다이오드를 포함하는 멤리스터 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.In addition, a second object of the present invention is a Mem including a Schottky diode formed by placing a metal layer in a portion of the resistive change memory and the resistive change semiconductor layer formed through the spontaneous oxidation reaction occurring at the interface between the upper electrode and the insulating layer. The present invention provides a method for manufacturing a Lister element.

상기의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성되며, 저항 변화 메모리 영역과 다이오드 영역을 가지는 저항 변화 반도체층, 상기 저항 변화 반도체층 상의 저항 변화 메모리 영역에 형성되는 절연층, 상기 절연층 내에 형성되는 양자점, 상기 절연층 상에 형성되며, 상기 절연층과 반응하여 금속 산화물층을 형성하는 상부 전극 및 상기 저항 변화 반도체층 상의 다이오드 영역에 형성되는 금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above first object is a resistance change semiconductor layer formed on a substrate, a lower electrode formed on the substrate, the lower electrode, having a resistance change memory region and a diode region, the resistance change semiconductor layer An insulating layer formed in the resistance change memory region of the phase, a quantum dot formed in the insulating layer, an upper electrode formed on the insulating layer and reacting with the insulating layer to form a metal oxide layer, and a diode region on the resistance changing semiconductor layer It characterized in that it comprises a metal electrode formed on.

또한, 상기의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계, 상기 하부 전극 상에 저항 변화 메모리 영역과 다이오드 영역을 가지는 저항 변화 반도체층을 형성하는 단계, 상기 저항 변화 반도체층 상의 저항 변화 메모리 영역에 양자점을 포함하는 절연층을 형성하는 단계, 상기 절연층 상에 상부 전극을 형성하는 단계 및 상기 저항 변화 반도체층 상의 다이오드 영역에 금속 전극을 배치하여 쇼트키 접합을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above second object is to form a lower electrode on a substrate, forming a resistance change semiconductor layer having a resistance change memory region and a diode region on the lower electrode, the resistance change Forming a schottky junction by forming an insulating layer including quantum dots in a resistive change memory region on the semiconductor layer, forming an upper electrode on the insulating layer, and disposing a metal electrode in a diode region on the resistive change semiconductor layer Characterized in that it comprises a step.

본 발명에 의한 멤리스터 소자는 다양한 저항 스위칭 특성을 가지는 2 이상의 저항 변화 메모리 및 쇼트키(schottky) 다이오드를 이용하여 하나의 셀에서 저항, 메모리 및 다이오드의 특성을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.The memristor device according to the present invention has the effect of simultaneously implementing the characteristics of a resistor, a memory, and a diode in one cell by using two or more resistance change memories having various resistance switching characteristics and a schottky diode.

또한, 본 발명에 의한 멤리스터 소자의 제조방법은 고분자 절연체를 포함하는 절연층과 금속을 포함하는 상부 전극과의 사이에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 저항 변화 메모리 소자를 형성하고, 금속 산화물 반도체를 포함하는 저항 변화 반도체층의 일부 영역에 금속층을 배치하여 다이오드를 형성함으로써 간단하고 용이하게 저항 변화 메모리와 다이오드가 통합된 멤리스터 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다. In addition, the method of manufacturing a memristor device according to the present invention forms a resistance change memory device through a spontaneous oxidation reaction generated between an insulating layer including a polymer insulator and an upper electrode including a metal, thereby forming a metal oxide semiconductor. By forming a diode by disposing a metal layer in a portion of the resistive change semiconductor layer, it is possible to easily and easily manufacture a memristor device in which the resistive change memory and the diode are integrated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 나타내는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자의 에너지 밴드 다이어그램 및 소자 특성 분석을 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 구성하는 제1 저항 변화 메모리의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 히스테리시스 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 구성하는 제2 저항 변화 메모리의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 히스테리시스 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자의 에너지 밴드 다이어그램 및 소자 특성 분석을 위한 회로도이다.
1 is a perspective view showing a memristor device according to an embodiment of the present invention.
2A to 2G are process diagrams illustrating a method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention.
3 is a circuit diagram for energy band diagram and device characteristic analysis of a memristor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a hysteresis graph showing current-voltage (IV) characteristics of a first resistance change memory constituting a memristor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a hysteresis graph showing current-voltage (IV) characteristics of a second resistance change memory constituting a memristor device according to an embodiment of the present invention.
6 is a perspective view showing a memristor device according to another embodiment of the present invention.
7 is a circuit diagram for energy band diagram and device characteristic analysis of a memristor device according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층들 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

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 구성요소에 대해 유사한 참조부호를 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In describing the drawings, like reference numerals refer to like elements.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자는 기판(100), 하부 전극(200), 저항 변화 메모리 영역(A)과 다이오드 영역(B)을 가지는 저항 변화 반도체층(300)이 순차적으로 형성되며, 상기 저항 변화 메모리 영역(A) 상에는 양자점(400)을 포함하는 절연층(500), 상부 전극(600)이 순차적으로 적층되며, 상기 다이오드 영역(B) 상에는 금속 전극(700)이 형성되어 저항 변화 메모리 및 쇼트키 다이오드가 통합된 구조를 가진다.Referring to FIG. 1, a memristor device according to an embodiment of the present invention includes a resistance change semiconductor layer 300 having a substrate 100, a lower electrode 200, a resistance change memory region A, and a diode region B. FIG. ) Is sequentially formed, and the insulating layer 500 including the quantum dot 400 and the upper electrode 600 are sequentially stacked on the resistance change memory area A, and the metal electrode (B) is disposed on the diode area B. 700 is formed to have a structure in which a resistance change memory and a Schottky diode are integrated.

상기 기판(100)은 소자를 지지하기 위해 사용된다. 예컨대, 상기 기판(100)은 투명하고 단단한(solid) 성질을 가지는 유리, 석영(quartz) 및 Al2O3 중에서 선택되는 무기물 기판일 수 있으며, 투명하고 플렉서블(flexible)한 성질을 가지는 PET(polyethylene terephthlate), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate) 및 PAR(polyarylate) 중에서 선택되는 유기물 기판일 수 있다. The substrate 100 is used to support the device. For example, the substrate 100 may be an inorganic substrate selected from glass, quartz, and Al 2 O 3 having a transparent and solid property, and PET having a transparent and flexible property. It may be an organic substrate selected from terephthlate (PES), polyethersulfone (PES), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), and polyarylate (PAR).

상기 기판(100) 상에 형성되는 하부 전극(200)은 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리 소자의 하부 전극으로 사용되며, 전도성을 가지는 것으로 금속 계열 또는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide)을 포함할 수 있다. 상기 금속은 Pt, Ru, Al, Ir, W 또는 Cu 일 수 있으며, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO, 도핑된 ZnO(AZO: Al 도핑, GZO: Ga 도핑, IZO: In 도핑, IGZO: In 및 Ga 도핑, MZO: Mg 도핑), Al 또는 Ga가 도핑된 MgO, Sn이 도핑된 In2O3, F가 도핑된 SnO2 또는 Nb가 도핑된 TiO2 일 수 있다. The lower electrode 200 formed on the substrate 100 is used as the lower electrode of the resistance change memory device constituting the memristor element, and has a conductivity and may include a metal-based or transparent conducting oxide. Can be. The metal may be Pt, Ru, Al, Ir, W, or Cu, wherein the transparent conductive oxide is ITO, doped ZnO (AZO: Al doped, GZO: Ga doped, IZO: In doped, IGZO: In and Ga doped , MZO: Mg doped), MgO doped with Al or Ga, In 2 O 3 doped with Sn, SnO 2 doped with F Or TiO 2 doped with Nb Lt; / RTI >

상기 하부 전극(200) 상에 형성되는 저항 변화 반도체층(300)은 저항 변화 메모리 영역(A)과 다이오드 영역(B)을 가진다. 즉, 상기 저항 변화 반도체층(300)은 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리 소자에서 전압 인가에 따라 전류가 흐르는 경로인 전도성 필라멘트(conducting filament)가 생성 또는 소멸되는 층으로서의 역할과 멤리스터 소자를 구성하는 쇼트키 다이오드에서 금속-반도체 접합을 형성하는 반도체층의 역할을 동시에 수행한다. The resistance change semiconductor layer 300 formed on the lower electrode 200 has a resistance change memory region A and a diode region B. That is, the resistance change semiconductor layer 300 serves as a layer in which a conductive filament, which is a path through which current flows, is generated or extinguished in response to voltage application in a resistance change memory device constituting a memristor device. In the Schottky diode constituting, the semiconductor layer forming the metal-semiconductor junction is simultaneously performed.

따라서, 상기 저항 변화 반도체층(300)은 저항 스위칭 특성을 나타낼 수 있으며, 후술하는 금속 전극(700)과의 관계에서 쇼트키 접합을 형성하는 반도체의 성질을 나타낼 수 있는 다양한 물질들 중에서 선택될 수 있다.Accordingly, the resistance change semiconductor layer 300 may exhibit resistance switching characteristics, and may be selected from various materials that may exhibit properties of a semiconductor forming a Schottky junction in relation to a metal electrode 700 to be described later. have.

예컨대, 상기 저항 변화 반도체층(300)은 2원계 금속산화물 계열 또는 페로브스카이트 산화물 계열을 포함할 수 있다. 상기 2원계 금속산화물 계열은 TiO2, NiO, ZnO, HfO2, SiO2, ZrO2, Al2O3, Y2O3, Ta2O5, Nb2O5를 포함할 수 있으며, 페로브스카이트막은 SrTiO3, BiFeO3, BaTiO3, LaMnO3, SrMnO3, PrTiO3을 포함할 수 있다. 또한 Pr1 - xCaxMnO3(0≤x≤1), La1 - xCaxMnO3(0≤x≤1)을 포함할 수 있다. For example, the resistance change semiconductor layer 300 may include a binary metal oxide series or a perovskite oxide series. The binary metal oxide series may include TiO 2 , NiO, ZnO, HfO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and perovskite Sky agent film SrTiO 3, BiFeO 3, BaTiO 3 , LaMnO 3, may include a SrMnO 3, PrTiO 3. It may also include Pr 1 - x Ca x MnO 3 (0 ≦ x ≦ 1) and La 1 - x Ca x MnO 3 (0 ≦ x ≦ 1).

상기 저항 변화 반도체층(300) 상의 저항 변화 메모리 영역(A)에 형성되는 절연층(500)은 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리 소자에서 전압이 인가되는 경우 전하를 통과시키는 일종의 터널링 장벽으로서의 역할을 수행한다. The insulating layer 500 formed in the resistance change memory region A on the resistance change semiconductor layer 300 serves as a kind of tunneling barrier for passing charge when a voltage is applied in the resistance change memory device constituting the memristor device. Do this.

또한, 상기 절연층(500)은 상기 절연층(500) 상에 형성되는 상부 전극(600)과의 계면에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 금속 산화물층(미도시)을 형성하는 역할을 수행한다. 상기의 금속 산화물층으로 인해 절연층(500)과 상부 전극(600)의 계면에서도 저항 스위칭 특성이 일어나 저항 변화 메모리로서 기능할 수 있게 된다. In addition, the insulating layer 500 serves to form a metal oxide layer (not shown) through a spontaneous oxidation reaction occurring at an interface with the upper electrode 600 formed on the insulating layer 500. Due to the metal oxide layer, a resistance switching characteristic occurs at an interface between the insulating layer 500 and the upper electrode 600, and thus may function as a resistance change memory.

상기 절연층(500)은 상부 전극(600)과의 계면 반응을 위해 소프트(soft)한 특성을 가지도록 비교적 낮은 온도에서 짧은 시간동안 큐어링(curing)하는 것이 바람직한 바, 100℃ 내지 300℃에서 1시간 이내로 큐어링할 수 있다.The insulating layer 500 is preferably cured for a short time at a relatively low temperature so as to have a soft characteristic for interfacial reaction with the upper electrode 600, at 100 ℃ to 300 ℃ Can cure within 1 hour.

예컨대, 상기 절연층(500)은 절연 특성을 가지는 유기물을 포함할 수 있으며, PES(polyethersulfone), PET(polyethylene terephthlate), PS(polystyrene), PI(polyimide) 또는 PMMA(poly(methyl methacrylate))를 포함하는 고분자 절연체일 수 있다. For example, the insulating layer 500 may include an organic material having insulating properties, and may include polyethersulfone (PES), polyethylene terephthlate (PET), polystyrene (PS), polyimide (PI), or poly (methyl methacrylate) (PMMA). It may include a polymer insulator.

상기 절연층(500) 내의 하부 영역에 형성되는 양자점(400)은 깊은 양자 우물 내의 양자 준위에 전하를 포획하고, 인가되는 전압에 따라 전하의 이동을 차단 또는 통전하는 역할을 수행한다. 따라서, 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리는 특정 전압 영역대에서 비대칭형의 저항 스위칭 특성이 나타나게 된다. 상기 양자점(400)은 금속, 금속 실리사이드, 금속 산화물 또는 금속 산화물 반도체를 포함하며, 단일층 또는 다층으로 형성될 수 있다.The quantum dot 400 formed in the lower region of the insulating layer 500 traps charge at the quantum level in the deep quantum well and serves to block or conduct the movement of charge according to the applied voltage. Accordingly, the resistance change memory constituting the memristor element exhibits an asymmetric resistance switching characteristic in a specific voltage range. The quantum dot 400 includes a metal, a metal silicide, a metal oxide, or a metal oxide semiconductor, and may be formed in a single layer or multiple layers.

예컨대, 상기 금속 양자점은 Au, Pt, Zn, Al, Co, W, Ni, Ag, Cd, Au, Ti, Sn, Te, Ge, Ga, Se 및 Fe 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 금속 실리사이드 양자점은 CoSi, NiSi, WSi, TiSi, V3Si2, MnSi. Cu5Si, CaSi, SrSi, YSi, Mg2Si, Ge2Si, Sn2Si, Pb2Si, SrSi2, ThSi2 및 PtSi 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 금속 산화물 또는 금속 산화물 반도체 양자점은 In2O3, CuO, Cu2O3, PbO, Bi12SiO20, ZnO2, SnO2, GaO, MgO, GeO, V2O5, BaO, SrO, Bi12GeO20, Bi12SiO20, Cd2SnO4, CdSnO3, GaO 및 Li3CuO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. For example, the metal quantum dot may be at least one selected from Au, Pt, Zn, Al, Co, W, Ni, Ag, Cd, Au, Ti, Sn, Te, Ge, Ga, Se, and Fe. Silicide quantum dots include CoSi, NiSi, WSi, TiSi, V 3 Si 2 , MnSi. Cu 5 Si, CaSi, SrSi, YSi, Mg 2 Si, Ge 2 Si, Sn 2 Si, Pb 2 Si, SrSi 2 , ThSi 2 And PtSi, and the metal oxide or the metal oxide semiconductor quantum dot is In 2 O 3 , CuO, Cu 2 O 3 , PbO, Bi 12 SiO 20 , ZnO 2 , SnO 2 , GaO, MgO, GeO , V 2 O 5 , BaO, SrO, Bi 12 GeO 20 , Bi 12 SiO 20 , Cd 2 SnO 4 , CdSnO 3 , GaO and Li 3 CuO 3 At least one selected from among.

상기 절연층(500) 상에 형성되는 상부 전극(600)은 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리의 상부 전극으로 기능한다. 또한, 상술한 절연층(500)과의 계면에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 금속 산화물층(미도시)을 형성하는 역할을 수행한다. 상기의 금속 산화물층으로 인해 절연층(500)과 상부 전극(600)의 계면에서도 저항 스위칭 특성이 일어나 저항 변화 메모리로서 기능할 수 있게 된다.The upper electrode 600 formed on the insulating layer 500 functions as an upper electrode of the resistance change memory constituting the memristor element. In addition, it serves to form a metal oxide layer (not shown) through a spontaneous oxidation reaction occurring at the interface with the insulating layer 500 described above. Due to the metal oxide layer, a resistance switching characteristic occurs at an interface between the insulating layer 500 and the upper electrode 600, and thus may function as a resistance change memory.

상기 상부 전극(600)은 절연층(500)과의 계면 반응을 위해 상기 절연층(500)과 반응하여 산화물을 형성하기 용이한 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 상부 전극(600)은 Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe 및 V를 포함하는 금속 계열 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. The upper electrode 600 may include a metal that is easily reacted with the insulating layer 500 to form an oxide for interfacial reaction with the insulating layer 500. For example, the upper electrode 600 may be any one selected from the group of metals including Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, and V.

상기 저항 변화 반도체층(300) 상의 다이오드 영역(B)에 형성되는 금속 전극(700)은 저항 변화 반도체층(300)과의 관계에서 금속-반도체 접합을 형성하여 쇼트키 다이오드로서 동작할 수 있도록 일함수가 큰 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 금속 전극(700)은 In, Au 및 Pt 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The metal electrode 700 formed in the diode region B on the resistance change semiconductor layer 300 forms a metal-semiconductor junction in a relationship with the resistance change semiconductor layer 300 so as to operate as a Schottky diode. It is preferable to form a metal with a large water content. For example, the metal electrode 700 may be any one selected from In, Au, and Pt.

따라서, 본 발명의 실시예에 의한 멤리스터 소자는 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/금속 산화물층(미도시)/상부 전극(600)으로 구성되는 제1 저항 변화 메모리와, 상기 절연층(500)과 상부 전극(600)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/상부 전극(600)을 포함하는 제2 저항 변화 메모리를 가지는 저항 변화 메모리 영역(A) 및 상기 저항 변화 반도체층(300)의 일부 영역에서 저항 변화 반도체층(300)-금속 전극(700)으로 반도체-금속 접합을 가지는 쇼트키 다이오드를 가지는 다이오드 영역(B)을 포함하는 하나의 셀로 구성된다. Therefore, the memristor device according to the embodiment of the present invention is a lower electrode 200 / resistance change semiconductor layer 300 / quantum dot 400 / insulating layer 500 / metal oxide layer (not shown) / upper electrode 600 And a second resistance change memory including a first resistance change memory including a metal oxide layer (not shown) and an upper electrode 600 formed at an interface between the insulating layer 500 and the upper electrode 600. A diode region (B) having a Schottky diode having a semiconductor-metal junction from the resistive change memory region (A) to a portion of the resistive change semiconductor layer (300) to the resistive change semiconductor layer (300) to the metal electrode (700) It consists of one cell containing).

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자는 하나의 기판 상에 제1 저항 변화 메모리, 제2 저항 변화 메모리 및 쇼트키 다이오드가 통합된 구조를 가지는 바, 상기 쇼트키 다이오드로 그 특성을 제어할 수 있다. 또한, 상기 멤리스터 소자는 다수개의 터미널 단자를 가지므로, 이를 다양하게 컨택하여 용도에 맞게 저항, 메모리 또는 다이오드로서 사용할 수 있다. As described above, the memristor device according to an embodiment of the present invention has a structure in which a first resistance change memory, a second resistance change memory, and a Schottky diode are integrated on one substrate. Its properties can be controlled. In addition, since the memristor element has a plurality of terminal terminals, it can be used as a resistor, a memory, or a diode according to various applications by contacting it in various ways.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다. 2A to 2G are process diagrams illustrating a method of manufacturing a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 기판(100) 상에 하부 전극(200)을 형성한다. 이는 저항 변화 메모리의 하부 전극으로 사용되며, 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 통해 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2A, the lower electrode 200 is formed on the substrate 100. It is used as a lower electrode of the resistance change memory, and may be formed through thermo-phase deposition, electron beam deposition, RF sputtering, or magnetron sputtering.

상기 기판(100)은 투명하고 솔리드(solid)한 특성을 가지는 무기물 기판일 수 있으며, 투명하고 플렉서블(flexible)한 특성을 가지는 유기물 기판일 수 있다. 또한, 상기 기판(100) 상에 형성되는 하부 전극(200)은 전도성을 가지는 금속 또는 투명 전도성 산화물을 포함할 수 있다. 상기 하부 전극(200)은 크로스 포인트(cross-point) 형태를 가지도록 일정한 간격을 두고 이격 형성할 수 있다. The substrate 100 may be an inorganic substrate having transparent and solid characteristics, and may be an organic substrate having transparent and flexible characteristics. In addition, the lower electrode 200 formed on the substrate 100 may include a conductive metal or a transparent conductive oxide. The lower electrode 200 may be spaced apart at regular intervals to have a cross-point shape.

도 2b를 참조하면, 하부 전극(200) 상에 저항 변화 반도체층(300)을 형성한다. 상기 저항 변화 반도체층(300)은 스퍼터링법, 펄스레이저 증착법(PLD), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리적 기상 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition) 또는 화학적 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition) 등을 사용하여 형성할 수 있다. Referring to FIG. 2B, a resistance change semiconductor layer 300 is formed on the lower electrode 200. The resistance change semiconductor layer 300 may be formed by physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition, such as sputtering, pulsed laser deposition (PLD), thermal evaporation, and electron-beam evaporation. It may be formed using a deposition method (CVD, Chemical Vapor Deposition).

이 때, 저항 변화 반도체층(300)은 소자 제조 공정을 용이하게 하기 위하여 1nm 내지 500nm의 두께를 가지는 것이 바람직하며, 크로스-포인트 형태의 메모리 소자를 형성하기 위하여 리소그래피 및 식각 공정을 통해 일정 거리 이격 배치된 기둥 형태로 형성할 수도 있다. 상기 저항 변화 반도체층(300)은 2원계 금속산화물 계열 또는 페로브스카이트 산화물 계열을 포함할 수 있다. In this case, the resistance change semiconductor layer 300 preferably has a thickness of 1nm to 500nm in order to facilitate the device manufacturing process, spaced apart a predetermined distance through the lithography and etching process to form a cross-point type memory device It may be formed in the form of arranged columns. The resistance change semiconductor layer 300 may include a binary metal oxide series or a perovskite oxide series.

도 2c를 참조하면, 양자점을 형성하기 위하여 저항 변화 반도체층(300) 상에 금속층(400a)을 형성한다. 이 때, 후술하는 다이오드를 형성하기 위해 상기 금속층(400a)은 상기 저항 변화 반도체층(300)의 일부 영역에 형성됨이 바람직하다. 즉, 상기 저항 변화 반도체층(300)의 일부가 노출되도록 금속층(400a)을 형성한다. Referring to FIG. 2C, a metal layer 400a is formed on the resistance change semiconductor layer 300 to form a quantum dot. In this case, in order to form a diode to be described later, the metal layer 400a is preferably formed in a portion of the resistance change semiconductor layer 300. That is, the metal layer 400a is formed to expose a portion of the resistance change semiconductor layer 300.

상기 금속층(400a)은 물리적 기상 증착법 또는 화학적 기상 증착법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 금속층(400a)은 1nm 내지 5nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 금속층(400a)의 두께가 얇을수록 양자점(400)의 크기는 작아지며, 금속층(400a)의 두께가 두꺼울수록 양자점의 크기는 커지므로, 상기 금속층(400a)의 두께는 이후 공정에서 상기 금속층(400a)이 변화되어 양자점을 형성할 때, 양자점의 크기를 제어할 수 있는 두께로 형성되는 것이 바람직하다. The metal layer 400a may be formed using a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method. The metal layer 400a is preferably formed to a thickness of 1nm to 5nm. At this time, the thinner the thickness of the metal layer 400a, the smaller the size of the quantum dot 400, and the thicker the thickness of the metal layer 400a, the larger the size of the quantum dot, the thickness of the metal layer 400a in a subsequent process When the metal layer 400a is changed to form a quantum dot, the metal layer 400a is preferably formed to a thickness capable of controlling the size of the quantum dot.

상기 금속층(400a)은 후술하는 절연체 전구체층(500a)과 반응하여 양자점을 형성할 수 있는 Au, Pt, Zn, Al, Co, W, Ni, Ag, Cd, Au, Ti, Sn, Te, Ge, Ga, Se, Fe, V, Mn, Cu, Ca, Sr, Y, Mg, Pb, Ba 및 Li 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 크로스-포인트 형태의 메모리 소자를 형성하기 위하여 일정 거리 이격 배치된 기둥 형태로 형성되는 저항 변화 반도체층(300) 상에 금속층(400a)을 형성할 수도 있다. The metal layer 400a may be formed of Au, Pt, Zn, Al, Co, W, Ni, Ag, Cd, Au, Ti, Sn, Te, or Ge, which may react with the insulator precursor layer 500a to be described later. At least one of Ga, Se, Fe, V, Mn, Cu, Ca, Sr, Y, Mg, Pb, Ba, and Li. In addition, in order to form a cross-point type memory device, the metal layer 400a may be formed on the resistance change semiconductor layer 300 formed in a pillar shape spaced at a predetermined distance.

도 2d를 참조하면, 양자점을 형성하기 위하여 금속층(400a) 상에 절연체 전구체층(500a)을 형성한다. 상기 절연체 전구체층(500a)은 스핀 코팅법으로 형성할 수 있으며, 10nm 내지 50nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이 때, 절연체 전구체의 용매에 대한 wt% 비율을 조절하여 상기 두께를 제어할 수 있다. 상기 절연체 전구체층(500a)은 폴리이미드 전구체층일 수 있다. Referring to FIG. 2D, an insulator precursor layer 500a is formed on the metal layer 400a to form quantum dots. The insulator precursor layer 500a may be formed by spin coating, and the thickness of the insulator precursor layer 500a may be 10 nm to 50 nm. In this case, the thickness may be controlled by adjusting the wt% ratio of the insulator precursor to the solvent. The insulator precursor layer 500a may be a polyimide precursor layer.

상기 폴리이미드 전구체층은 BPDA-PDA(poly(p-phenylene biphenylene carboximide)), PMDA-PDA(poly(p-phenylene pyromellitimide)), ODPA-PDA(poly(p-phenylene 3,3',4,4'-oxydiphthalimide)), 6FDA-PDA(poly(p-phenylene 4,4'-hexafluoro isopropylidene diphthalimide)), BTDA-ODA(3,3',4,4'-Benzophenonetetracarboxylic dianhydride-4,4'-oxydianiline), DMAc(Dimethylacetamide), BDSDA-ODA(4,4'-bis(3,4-dicarboxyphenoxy)diphenylsulfide-oxydianhydride), DSDA(3,3',4,4'-diphenylsulfone tetracarboxylic acid dianhydride), BPDA-Bz (poly(4,4'-biphenylene biphenyltetracarboximide), TMA-PPD(trimellitic anhydride-p-phenylene diamine) 또는 ODA-PI (4,4'-oxydianiline-polyimide)를 함유할 수 있다. The polyimide precursor layer is BPDA-PDA (poly (p-phenylene biphenylene carboximide)), PMDA-PDA (poly (p-phenylene pyromellitimide)), ODPA-PDA (poly (p-phenylene 3,3 ', 4,4 '-oxydiphthalimide)), 6FDA-PDA (poly (p-phenylene 4,4'-hexafluoro isopropylidene diphthalimide)), BTDA-ODA (3,3', 4,4'-Benzophenonetetracarboxylic dianhydride-4,4'-oxydianiline) , DMAc (Dimethylacetamide), BDSDA-ODA (4,4'-bis (3,4-dicarboxyphenoxy) diphenylsulfide-oxydianhydride), DSDA (3,3 ', 4,4'-diphenylsulfone tetracarboxylic acid dianhydride), BPDA-Bz ( poly (4,4'-biphenylene biphenyltetracarboximide), trimethylellitic anhydride-p-phenylene diamine (TMA-PPD) or ODA-PI (4,4'-oxydianiline-polyimide).

이 때, PES(polyethersulfone) 기판과 같이 화학적 내성이 약한 유기물 기판을 사용하는 경우 기판의 보호를 위하여 포토 레지스트 물질을 기판 상에 도포하고 양자점이 형성된 표면을 노출시켜 스핀 코팅법으로 폴리이미드 전구체층을 형성하는 것이 바람직하다. In this case, when using an organic substrate with weak chemical resistance, such as a polyethersulfone (PES) substrate, a photoresist material is coated on the substrate to protect the substrate, and a surface of the quantum dots is formed to expose the polyimide precursor layer by spin coating. It is preferable to form.

도 2e를 참조하면, 상기 절연체 전구체층(500a)이 형성된 기판(100)을 열처리하면 상기 금속층(400a)은 상기 절연체 전구체층(500a)과 반응하여 양자점(400)을 형성하고, 상기 절연체 전구체층(500a)은 상기 금속층(400a)과 반응하여 절연층(500)을 형성한다. 상기 열처리 전에 소프트 베이킹(soft baking) 공정을 수행하여 상기 절연체 전구체층(500a) 내의 용매를 제거할 수 있으며, 상기 소프트 베이킹은 125℃ 내지 135℃의 온도에서 10분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.Referring to FIG. 2E, when the substrate 100 on which the insulator precursor layer 500a is formed is heat-treated, the metal layer 400a reacts with the insulator precursor layer 500a to form a quantum dot 400, and the insulator precursor layer 500a reacts with the metal layer 400a to form an insulating layer 500. Before the heat treatment, a soft baking process may be performed to remove the solvent in the insulator precursor layer 500a, and the soft baking may be performed at a temperature of 125 ° C to 135 ° C for 10 minutes to 60 minutes. .

또한, 상기 열처리는 절연층(500)을 형성하기 위한 큐어링(curing) 공정일 수 있다. 이 때, 상기 절연층(500)은 상기 절연층(500) 상에 형성되는 상부 전극(600)과의 계면 산화 반응을 위하여 충분히 경화되지 않은 상태로서 소프트(soft)한 특성을 가지도록 100℃ 내지 300℃의 온도에서 10분 내지 60분간 상기 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. In addition, the heat treatment may be a curing process for forming the insulating layer 500. At this time, the insulating layer 500 is not hardened sufficiently for the interfacial oxidation reaction with the upper electrode 600 formed on the insulating layer 500 to have a soft (soft) characteristics to 100 to It is preferable to perform the heat treatment for 10 to 60 minutes at a temperature of 300 ℃.

그러나, 양자점을 형성하기 위한 공정은 이에 한정되는 것은 아니며, 증발법(thermal evaporation)으로 금속층(400a)을 증착한 후, 대기 중에 노출시킴으로써 산소와의 산화 반응을 이용하여 형성할 수 있다. However, the process for forming the quantum dot is not limited thereto, and the metal layer 400a may be deposited by thermal evaporation, and then exposed to the atmosphere, thereby forming the quantum dot by using an oxidation reaction with oxygen.

도 2f를 참조하면, 절연층(500) 상에 상부 전극(600a, 600b)을 형성한다. 상기 상부 전극(600a, 600b)은 동종 또는 이종의 물질로 형성될 수 있으며, 절연층(500)과의 계면 반응을 위해 상기 절연층(500)과 반응하여 산화물을 형성하기 용이한 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 상부 전극(600a, 600b)은 Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe 및 V를 포함하는 금속 계열 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. Referring to FIG. 2F, upper electrodes 600a and 600b are formed on the insulating layer 500. The upper electrodes 600a and 600b may be formed of the same or different materials, and include a metal that is easy to form an oxide by reacting with the insulating layer 500 for an interface reaction with the insulating layer 500. It is preferable. For example, the upper electrodes 600a and 600b may be any one selected from a metal series including Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, and V.

상기 상부 전극(600a, 600b)은 열기상 증착, 전자빔 증착, RF 스퍼터링법 또는 마그네트론 스퍼터링법 등을 이용하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 상부 전극(600a, 600b)은 크로스 포인트(cross-point) 형태의 메모리 소자를 제조하기 위하여 상술한 하부 전극(200)과 수직 교차하게 형성할 수 있다. The upper electrodes 600a and 600b may be formed by using thermal image deposition, electron beam deposition, RF sputtering, or magnetron sputtering. In this case, the upper electrodes 600a and 600b may be formed to vertically cross the lower electrode 200 described above in order to manufacture a cross-point type memory device.

도 2g를 참조하면, 상기 노출된 저항 변화 반도체층(300)의 영역에 다이오드용 금속 전극(700)을 형성하여 금속-반도체의 접합으로 이루어지는 쇼트키 다이오드를 제조한다. 상기 금속 전극(700)은 스퍼터링 또는 증발법으로 형성될 수 있으며, 저항 변화 반도체층(300)과의 관계에서 금속-반도체 접합을 형성하여 쇼트키 다이오드로서 동작할 수 있도록 일함수가 큰 금속으로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 금속 전극(700)은 In, Au 및 Pt 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. Referring to FIG. 2G, a diode metal electrode 700 is formed in the exposed resistance change semiconductor layer 300 to manufacture a Schottky diode made of a metal-semiconductor junction. The metal electrode 700 may be formed by sputtering or evaporation, and may be formed of a metal having a large work function to operate as a Schottky diode by forming a metal-semiconductor junction in a relationship with the resistance change semiconductor layer 300. It is preferable to be. For example, the metal electrode 700 may be any one selected from In, Au, and Pt.

또한, 소자를 지지, 보호하고, 소자의 구조적 안정성을 유지하기 위해 보호막(미도시)으로 소자의 내부 공간을 충진할 수 있다. 상기 보호막은 PI(polyimide) 또는 PMMA(poly(methyl methacrylate))를 포함하는 고분자 절연체일 수 있다.
In addition, the inner space of the device may be filled with a protective film (not shown) to support and protect the device and to maintain structural stability of the device. The protective layer may be a polymer insulator including PI (polyimide) or PMMA (poly (methyl methacrylate)).

실험예Experimental Example

PES 기판 상에 ITO 투명 전극을 형성하였다. 이어서, 상기 ITO 투명 전극 상에 초고진공 스퍼터링법을 이용하여 160nm 두께의 ZnO층을 증착하였다. 이 때 초기 진공상태는 5x10-10 Torr이며, 증착 진공도는 2x10-3 Torr였다. 또한 Ar 가스의 유량은 10 sccm이며 RF 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 50W로 증착하였다. 이후, 상기 ZnO층 상에 증발법을 이용하여 5nm의 두께로 Sn 금속층을 증착하고, 대기중에 노출시켜 SnO2 양자점을 형성하였다. 이후, 폴리이미드 전구체인 BPDA-PDA에 비휘발성 용매인 NMP(N-Methyl pyrrolidone)을 1:3 wt%의 비율로 섞은 혼합 용액을 50nm의 두께로 스핀 코팅하여 폴리이미드 전구체층을 형성하였다. 이어서, 핫플레이트(hot plate)에서 125℃로 30분간 소프트베이킹(soft baking)하여 용매를 제거하고, 질소분위기에서 200℃로 30분동안 큐어링하여 상기 폴리이미드 전구체층을 표면이 소프트한 폴리이미드(PI)층으로 형성하였다. 이어서 상기 폴리이미드층 상에 증발법을 이용하여 Al 전극을 200nm 두께로 형성하였다. 이후, ZnO층 상에 In 전극을 배치하여 쇼트키 다이오드를 형성함으로써 멤리스터 소자를 완성한다.
An ITO transparent electrode was formed on the PES substrate. Subsequently, a 160 nm thick ZnO layer was deposited on the ITO transparent electrode using an ultra-high vacuum sputtering method. At this time, the initial vacuum state was 5x10 -10 Torr and the deposition vacuum was 2x10 -3 Torr. In addition, the Ar gas flow rate was 10 sccm and was deposited at 50 W using RF magnetron sputtering. Subsequently, a Sn metal layer is deposited to a thickness of 5 nm on the ZnO layer by using an evaporation method, and exposed to air to SnO 2. Quantum dots were formed. Thereafter, a polyimide precursor layer was spin-coated to a thickness of 50 nm of a mixed solution of BPDA-PDA which is a polyimide precursor and NMP (N-Methyl pyrrolidone), which is a nonvolatile solvent, in a ratio of 1: 3 wt%. Then, the solvent is removed by soft baking at 125 ° C. for 30 minutes on a hot plate and cured at 200 ° C. for 30 minutes in a nitrogen atmosphere to form the polyimide precursor layer having a soft surface. It was formed as a (PI) layer. Subsequently, an Al electrode was formed to a thickness of 200 nm on the polyimide layer by using an evaporation method. Thereafter, an In electrode is disposed on the ZnO layer to form a Schottky diode to complete the memristor element.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자의 에너지 밴드 다이어그램 및 소자 특성 분석을 위한 회로도이다.3 is a circuit diagram for energy band diagram and device characteristic analysis of a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 3을 참조하면, 절연층(500)으로 인하여 HOMO(highest occupied molecular orbital) 및 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 사이에 밴드갭이 형성되고, 상부 전극(600)과 절연층(500)의 계면에 금속 산화 반응으로 인하여 금속 산화물층이 형성된다. 1 and 3, a band gap is formed between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lower unoccupied molecular orbital (LUMO) due to the insulating layer 500, and the upper electrode 600 and the insulating layer 500 are formed. The metal oxide layer is formed due to the metal oxidation reaction at the interface of.

회로 11은 상기 절연층(500)과 상부 전극(600)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/상부 전극(600)을 포함하는 제2 저항 변화 메모리를 나타내며, 회로 3은 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/금속 산화물층(미도시)/상부 전극(600)으로 구성되는 제1 저항 변화 메모리를 나타낸다. 상기 제1 저항 변화 메모리 및 제2 저항 변화 메모리는 쇼트키 다이오드를 통해 회로적으로 연결되며, 상기 쇼트키 다이오드로 그 특성을 제어할 수 있다. Circuit 11 illustrates a second resistance change memory including a metal oxide layer (not shown) / upper electrode 600 formed at an interface between the insulating layer 500 and the upper electrode 600, and the circuit 3 represents a lower electrode ( 200) / the first resistance change memory composed of the resistance change semiconductor layer 300, the quantum dot 400, the insulation layer 500, the metal oxide layer (not shown), and the upper electrode 600. The first resistance change memory and the second resistance change memory may be connected to each other through a Schottky diode, and the characteristics of the Schottky diode may be controlled.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 구성하는 제1 저항 변화 메모리의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 히스테리시스 그래프이다.FIG. 4 is a hysteresis graph showing current-voltage (I-V) characteristics of a first resistance change memory constituting a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 전압 스윕(sweep)을 -4V 내지 4V의 범위로 하여 20회 실시한 전류-전압 특성 곡선에서, 하부 전극/저항 변화 반도체층/양자점/절연층/금속 산화물층/상부 전극으로 구성되는 제1 저항 변화 메모리는 비대칭(asymmetric)적인 바이폴라 형태의 저항 스위칭 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, in the current-voltage characteristic curve performed 20 times with a voltage sweep in a range of −4 V to 4 V, the lower electrode / resistance change semiconductor layer / quantum dot / insulation layer / metal oxide layer / upper electrode It can be seen that the configured first resistance change memory exhibits asymmetric bipolar type resistance switching characteristics.

고저항 상태(HRS; High Resistance State) 와 저저항 상태(LRS; Low Resistance State) 는 1V인 경우 8.0x10-5A와 4.3x10-6 A인 것을 확인할 수 있으며, 문턱전압과 이 때의 전류는 각각 Vth1의 경우 0.7V에서 2.25x10-9A이고, Vth2의 경우 3 V에서 3.8x10-8A임을 확인할 수 있다. The high resistance state (HRS) and the low resistance state (LRS) are 8.0x10 -5 A and 4.3x10 -6 A at 1 V. The threshold voltage and current at this time 2.25x10 -9, and a in each case of 0.7V V th1, is found to be 3.8x10 -8 a at 3 V V th2 for.

또한, LRS/HRS 비율은 1V 일 때 1.8x104 임을 알 수 있다. 상기와 같이 큰 저항 변화가 나타난 이유는 절연층 내부에 형성된 양자점에 의한 양자 구속 효과(quantum confinement effect) 및 쿨롱 차폐 효과(coulomb blockade effect)에 의한 저항 변화 효과와 더불어 저항 변화 반도체층 내부에 존재하는 산소 이온의 이동 때문인 것으로 풀이된다. In addition, it can be seen that the LRS / HRS ratio is 1.8x10 4 at 1V. The reason for the large resistance change as described above is due to the resistance change effect due to the quantum confinement effect and the coulomb blockade effect caused by the quantum dots formed inside the insulating layer. Oxygen This is due to the movement of ions.

0V에서 4V로 전압을 인가하면 저항 변화 반도체층 내부의 산소 공공에 의한 산소 이온의 이동이 시작되면서 전하들이 양자점에 구속된다. 시간이 가면서 저장된 전하에 의하여 양자점에 더 이상 전하가 구속되지 못하는 쿨롱 차폐 효과가 발생하여 높은 저항이 유지되고, 문턱전압(Vth2)에 도달하면 인가된 전압에 의하여 절연층을 통과하여 전류가 흐르게 된다. 또한 4V에서 0V로 전압이 인가되면 F-N(Fowler-Nordheim) 터널링에 의하여 전하들이 절연층을 통과하며, 문턱전압(Vth1)에 도달하면 절연층에 의하여 전하의 흐름이 억제되고, 양자점에 의하여 저장된 전하에 의한 양자 구속 효과로 인해 비대칭적인 바이폴라 형태의 저항 스위칭 효과가 관찰되게 된다. When a voltage is applied from 0V to 4V, charges are constrained to the quantum dots as oxygen ions are moved by oxygen vacancy inside the resistance change semiconductor layer. As time goes by, the Coulomb shielding effect that the charges are no longer confined to the quantum dots by the stored charges is maintained and high resistance is maintained. When the threshold voltage (V th2 ) is reached, the current flows through the insulating layer by the applied voltage. do. In addition, when a voltage is applied from 4V to 0V, charges pass through the insulation layer by Fowler-Nordheim (FN) tunneling. When the threshold voltage (V th1 ) is reached, the flow of charge is suppressed by the insulation layer and stored by the quantum dot. Due to the quantum confinement effect by the charge, an asymmetric bipolar type resistance switching effect is observed.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 멤리스터 소자를 구성하는 제2 저항 변화 메모리의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 히스테리시스 그래프이다.FIG. 5 is a hysteresis graph showing current-voltage (I-V) characteristics of a second resistance change memory constituting a memristor device according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 전압 스윕(sweep)을 -4V 내지 4V의 범위로 하여 20회 실시한 전류-전압 특성 곡선에서, 절연층과 상부 전극의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/상부 전극으로 구성되는 제2 저항 변화 메모리 구조는 바이폴라(bipolar) 형태의 저항 스위칭 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 최대 및 최소 전류값은 4V에서 4x10-4A, 0V에서 9.3x10-9A임을 확인할 수 있다. 또한 0V 내지 4V의 전압 영역대에서 전류의 온/오프(on/off) 비는 2.45이다. Referring to FIG. 5, a metal oxide layer (not shown) / upper electrode formed at an interface between an insulating layer and an upper electrode in a current-voltage characteristic curve performed 20 times with a voltage sweep in a range of −4 V to 4 V. It can be seen that the second resistive change memory structure configured to have a bipolar type resistive switching characteristic. At this time, it can be seen that the maximum and minimum current values are 4x10 -4 A at 4V and 9.3x10 -9 A at 0V. In addition, the on / off ratio of the current in the voltage range of 0V to 4V is 2.45.

상기와 같이 상부 전극/금속 산화물층/절연층 구조에서 저항 스위칭 특성이 나타나는 것은 충분히 경화되지 않아 소프트한 상태의 절연층과 산화물 형성이 용이한 금속 전극의 계면에서 자발적인 산화 반응이 일어나 금속 산화물층이 형성되었기 때문인 것으로 풀이된다.As described above, the resistance switching characteristics in the upper electrode / metal oxide layer / insulation layer structure are not sufficiently cured, so that the metal oxide layer is spontaneously oxidized at the interface between the soft electrode and the metal electrode that is easily formed. It is solved because it was formed.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자를 나타내는 사시도이다.6 is a perspective view showing a memristor device according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자는 기판(100), 하부 전극(200), 저항 변화 메모리 영역(A)과 다이오드 영역(B)을 가지는 저항 변화 반도체층(300)이 순차적으로 적층되며, 상기 저항 변화 메모리 영역(A)에 양자점(400)을 포함하는 절연층(500), 이종의 물질로 형성되는 제1 상부 전극 및 제2 상부 전극(600a, 600b)이 형성되고, 상기 저항 변화 반도체층(300)의 다이오드 영역(B)에 금속 전극(700)이 형성되어 하나의 셀을 구성한다. Referring to FIG. 6, a memristor device according to another embodiment of the present invention includes a resistance change semiconductor layer 300 having a substrate 100, a lower electrode 200, a resistance change memory region A, and a diode region B. FIG. ) Are sequentially stacked, and the insulating layer 500 including the quantum dots 400 and the first and second upper electrodes 600a and 600b formed of different materials are disposed in the resistance change memory region A. The metal electrode 700 is formed in the diode region B of the resistance change semiconductor layer 300 to form one cell.

따라서, 하나의 셀에 제1 저항 변화 메모리, 제2 저항 변화 메모리, 제3 저항 변화 메모리, 제4 저항 변화 메모리 및 쇼트키 다이오드가 통합된 구조를 가진다.Therefore, the first resistor change memory, the second resistor change memory, the third resistor change memory, the fourth resistor change memory, and the Schottky diode are integrated in one cell.

상기 멤리스터 소자를 구성하는 기판(100), 하부 전극(200), 저항 변화 반도체층(300), 양자점(400), 다이오드 형성을 위한 금속 전극(700)에 대한 설명은 상술한 바와 같으므로 생략하기로 한다.The description of the substrate 100, the lower electrode 200, the resistance change semiconductor layer 300, the quantum dot 400, and the metal electrode 700 for forming the diode constituting the memristor element is omitted as described above. Let's do it.

상기 저항 변화 반도체층(300) 상의 저항 변화 메모리 영역(A)에 형성되는 절연층(500)은 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리 소자에서 전압이 인가되는 경우 전하를 통과시키는 일종의 터널링 장벽으로서의 역할 외에 상기 절연층(500) 상에 형성되는 상부 전극(600)과의 계면에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 금속 산화물층(미도시)을 형성하는 역할을 수행할 수 있다. The insulating layer 500 formed in the resistance change memory region A on the resistance change semiconductor layer 300 serves as a kind of tunneling barrier for passing charge when a voltage is applied in the resistance change memory device constituting the memristor device. In addition, a metal oxide layer (not shown) may be formed through a spontaneous oxidation reaction occurring at an interface with the upper electrode 600 formed on the insulating layer 500.

상기 절연층(500)은 절연체 전구체층(500a)을 열처리하여 얻어질 수 있으며, 상기 열처리 조건을 조절하여 표면의 굳기(hardness)를 변화시킬 수 있다. The insulating layer 500 may be obtained by heat treatment of the insulator precursor layer 500a, and may change the hardness of the surface by adjusting the heat treatment conditions.

예컨대, 열처리 조건을 조절하여 표면이 완전히 경화된 절연층(500)을 형성할 수 있으며, 이 때의 열처리 온도 및 시간은 상기 절연층(500)이 화학적으로 안정하도록 그 표면을 완전히 경화시키기에 충분한 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 300℃ 내지 500℃의 온도에서 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있다. 상기의 경우는 화학적으로 안정한 이점이 있으며, 이 때, 상부 전극(600)과의 계면에서 산화 반응은 일어나지 않는다. For example, the heat treatment conditions may be adjusted to form an insulating layer 500 whose surface is completely cured, and the heat treatment temperature and time at this time are sufficient to completely cure the surface so that the insulating layer 500 is chemically stable. It is preferable to select from the range. The heat treatment may be performed for 30 to 120 minutes at a temperature of 300 ℃ to 500 ℃. In this case, there is a chemically stable advantage, and at this time, the oxidation reaction does not occur at the interface with the upper electrode 600.

따라서, 상기의 경우 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자는 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/제1 상부 전극(600a)을 포함하는 제1 저항 변화 메모리와, 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/제2 상부 전극(600b)을 포함하는 제3 저항 변화 메모리 및 상기 저항 변화 반도체층(300)의 일부 영역에서 저항 변화 반도체층(300)-금속 전극(700)으로 반도체-금속 접합을 가지는 쇼트키 다이오드를 포함하는 하나의 셀로 구성된다. Therefore, in the above case, the memristor device according to another embodiment of the present invention uses the lower electrode 200 / resistance change semiconductor layer 300 / quantum dot 400 / insulating layer 500 / first upper electrode 600a. A third resistance change memory including a first resistance change memory including a lower electrode 200, a resistance change semiconductor layer 300, a quantum dot 400, an insulation layer 500, and a second upper electrode 600b; In one region of the resistive change semiconductor layer 300, the resistive change semiconductor layer 300 is composed of one cell including a Schottky diode having a semiconductor-metal junction to the metal electrode 700.

한편, 열처리 조건을 조절하여 표면이 충분히 경화되지 않은 소프트한 상태의 절연층(500)을 형성할 수 있으며, 이 경우 상기 절연층(500) 상에 형성되는 상부 전극(600)과의 계면에서 산화 반응이 일어나 금속 산화물층(미도시)이 형성된다. 상기의 금속 산화물층으로 인해 절연층(500)과 상부 전극(600)의 계면에서도 저항 스위칭 특성이 일어나 저항 변화 메모리로서 기능할 수 있는 이점이 있다. 상기 열처리는 100℃ 내지 300℃에서 10분 내지 60분 동안 수행될 수 있다. On the other hand, by controlling the heat treatment conditions can be formed in the insulating layer 500 of the soft state that the surface is not sufficiently cured, in this case, the oxidation at the interface with the upper electrode 600 formed on the insulating layer 500 The reaction occurs to form a metal oxide layer (not shown). Due to the metal oxide layer, a resistance switching characteristic occurs at an interface between the insulating layer 500 and the upper electrode 600, and thus may function as a resistance change memory. The heat treatment may be performed for 10 to 60 minutes at 100 ℃ to 300 ℃.

따라서, 상기의 경우 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자는 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/금속 산화물층(미도시)/제1 상부 전극(600a)으로 구성되는 제1 저항 변화 메모리, 상기 절연층(500)과 제1 상부 전극(600a)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/제1 상부 전극(600a)을 포함하는 제2 저항 변화 메모리, 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/금속 산화물층(미도시)/제2 상부 전극(600b)으로 구성되는 제3 저항 변화 메모리, 상기 절연층(500)과 제2 상부 전극(600b)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/제2 상부 전극(600b)을 포함하는 제4 저항 변화 메모리 및 상기 저항 변화 반도체층(300)의 일부 영역에서 저항 변화 반도체층(300)-금속 전극(700)으로 반도체-금속 접합을 가지는 쇼트키 다이오드를 포함하는 하나의 셀로 구성된다. Therefore, in the above case, the memristor device according to another embodiment of the present invention may include the lower electrode 200 / resistance change semiconductor layer 300 / quantum dot 400 / insulating layer 500 / metal oxide layer (not shown) / A first resistance change memory including a first upper electrode 600a, and a metal oxide layer (not shown) / first upper electrode 600a formed at an interface between the insulating layer 500 and the first upper electrode 600a. A second resistance change memory including a lower electrode 200, a resistance change semiconductor layer 300, a quantum dot 400, an insulation layer 500, a metal oxide layer (not shown), and a second upper electrode 600b. A fourth resistance change memory including a third resistance change memory configured to be formed and a metal oxide layer (not shown) / second upper electrode 600b formed at an interface between the insulating layer 500 and the second upper electrode 600b And a Schottky having a semiconductor-metal junction from a portion of the resistance change semiconductor layer 300 to the resistance change semiconductor layer 300 to the metal electrode 700. It consists of a single cell containing the odd.

예컨대, 상기 절연층(500)은 절연 특성을 가지는 유기물을 포함할 수 있으며, PES(polyethersulfone), PET(polyethylene terephthlate), PS(polystyrene), PI(polyimide) 또는 PMMA(poly(methyl methacrylate))를 포함하는 고분자 절연체일 수 있다. For example, the insulating layer 500 may include an organic material having insulating properties, and may include polyethersulfone (PES), polyethylene terephthlate (PET), polystyrene (PS), polyimide (PI), or poly (methyl methacrylate) (PMMA). It may include a polymer insulator.

상기 절연층(500) 상에 형성되는 제1 상부 전극(600a) 및 제2 상부 전극(600b)은 이종의 물질로 형성되며, 멤리스터 소자를 구성하는 저항 변화 메모리의 상부 전극으로 기능한다. 또한, 상술한 절연층(500)이 소프트한 특성을 가지도록 형성되는 경우 상기 절연층(500)과의 계면에서 발생하는 자발적인 산화 반응을 통해 금속 산화물층(미도시)을 형성하는 역할을 수행할 수 있다.The first upper electrode 600a and the second upper electrode 600b formed on the insulating layer 500 are formed of different materials and function as upper electrodes of the resistance change memory constituting the memristor element. In addition, when the above-described insulating layer 500 is formed to have soft characteristics, it may serve to form a metal oxide layer (not shown) through a spontaneous oxidation reaction occurring at an interface with the insulating layer 500. Can be.

상기와 같이 상부 전극을 이종의 물질로 형성하는 경우, 각 물질이 가지는 산화 특성의 차이 또는 절연체층(500)과의 접합에 따른 일함수 차이로 인하여 전류-전압 특성이 변화하게 된다. 이를 통해 저항 스위칭시 LRS/HRS 비율이 서로 다르게 나타나거나, 전압의 최댓값 또는 최솟값의 차이가 나타나게 되므로, 이를 통해다기능(multi-functional) 저항 변화 메모리를 구현하여 멤리스터의 동작 특성을 다양하게 조절할 수 있는 이점이 있다.When the upper electrode is formed of a heterogeneous material as described above, the current-voltage characteristic is changed due to the difference in oxidation characteristics of each material or the work function due to the bonding with the insulator layer 500. This results in different LRS / HRS ratios when switching the resistors, or differences in the maximum or minimum voltages. Therefore, the multi-functional resistance change memory can be implemented to vary the operation characteristics of the memristor. There is an advantage to that.

상기 제1 상부 전극(600a) 및 제2 상부 전극(600b)은 우수한 도전성을 가지는 금속 계열을 포함할 수 있으며, 절연층(500)과의 계면 반응을 위해 상기 절연층(500)과 반응하여 산화물을 형성하기 용이한 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 제1 상부 전극(600a) 및 제2 상부 전극(600b)은 Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe 및 V를 포함하는 금속 계열 중에서 각각 선택될 수 있다.The first upper electrode 600a and the second upper electrode 600b may include a metal series having excellent conductivity, and react with the insulating layer 500 to interface with the insulating layer 500. It is preferable to include a metal which is easy to form. For example, the first upper electrode 600a and the second upper electrode 600b may be selected from metal series including Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe, and V, respectively.

상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자는 절연층의 열처리 조건을 조절하여 금속 산화물층을 형성하지 않는 경우에는 하나의 기판 상에 제1 저항 변화 메모리, 제3 저항 변화 메모리 및 쇼트키 다이오드가 통합된 구조를 가진다. 또한, 금속 산화물층을 형성하는 경우에는 하나의 기판 상에 제1 저항 변화 메모리, 제2 저항 변화 메모리, 제3 저항 변화 메모리, 제4 저항 변화 메모리 및 쇼트키 다이오드가 통합된 구조를 가진다.As described above, in the memristor device according to another embodiment of the present invention, when the metal oxide layer is not formed by adjusting the heat treatment conditions of the insulating layer, the first resistance change memory and the third resistance change memory on one substrate. And a Schottky diode integrated structure. In addition, when the metal oxide layer is formed, the first resistive change memory, the second resistive change memory, the third resistive change memory, the fourth resistive change memory, and the Schottky diode are integrated on one substrate.

상기 다수개의 저항 변화 메모리로 구성된 멤리스터 소자는 저항 변화 반도체층의 일부 영역에 형성된 쇼트키 다이오드로 그 특성을 제어할 수 있다. 또한, 상기 멤리스터 소자는 다수개의 터미널 단자를 가지므로, 이를 다양하게 컨택하여 용도에 맞게 저항, 메모리 또는 다이오드로서 사용할 수 있다. The memristor device composed of the plurality of resistance change memories may be controlled by a Schottky diode formed in a portion of the resistance change semiconductor layer. In addition, since the memristor element has a plurality of terminal terminals, it can be used as a resistor, a memory, or a diode according to various applications by contacting it in various ways.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 멤리스터 소자의 에너지 밴드 다이어그램 및 소자 특성 분석을 위한 회로도이다.7 is a circuit diagram for energy band diagram and device characteristic analysis of a memristor device according to another embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7을 참조하면, 절연층(500)으로 인하여 HOMO(highest occupied molecular orbital) 및 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 사이에 밴드갭이 형성되고, 상부 전극(600)과 절연층(500)의 계면에 금속 산화 반응으로 인하여 금속 산화물층이 형성된다. 6 and 7, a band gap is formed between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lower unoccupied molecular orbital (LUMO) due to the insulating layer 500, and the upper electrode 600 and the insulating layer 500 are formed. The metal oxide layer is formed due to the metal oxidation reaction at the interface of.

회로 11은 상기 절연층(500)과 제2 상부 전극(600b)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/제2 상부 전극(600b)을 포함하는 제4 저항 변화 메모리를 나타내며, 회로 12는 상기 절연층(500)과 제1 상부 전극(600a)의 계면에서 형성되는 금속 산화물층(미도시)/제1 상부 전극(600a)을 포함하는 제2 저항 변화 메모리를 나타낸다. 또한, 회로 3은 하부 전극(200)/저항 변화 반도체층(300)/양자점(400)/절연층(500)/금속 산화물층(미도시)/제1 또는 제2 상부 전극(600a, 600b)으로 구성되는 제1 또는 제3 저항 변화 메모리를 나타낸다. Circuit 11 illustrates a fourth resistance change memory including a metal oxide layer (not shown) / second upper electrode 600b formed at an interface between the insulating layer 500 and the second upper electrode 600b. 2 illustrates a second resistance change memory including a metal oxide layer (not shown) / first upper electrode 600a formed at an interface between the insulating layer 500 and the first upper electrode 600a. In addition, circuit 3 includes a lower electrode 200 / resistance change semiconductor layer 300 / quantum dot 400 / insulating layer 500 / metal oxide layer (not shown) / first or second upper electrode 600a, 600b It represents a first or third resistance change memory consisting of.

상기 다수개의 저항 변화 메모리들은 쇼트키 다이오드를 통해 회로적으로 연결되며, 상기 쇼트키 다이오드로 그 특성을 제어할 수 있다. 따라서, 각 용도에 맞게 저항, 메모리 또는 다이오드로서 사용할 수 있는 이점이 있다. The plurality of resistance change memories are circuitically connected through a Schottky diode, and the characteristics thereof can be controlled by the Schottky diode. Therefore, there is an advantage that can be used as a resistor, a memory or a diode for each application.

100: 기판 200: 하부 전극
300: 저항 변화 반도체층 400: 양자점
500: 절연층 600: 상부 전극
700: 금속 전극
100 substrate 200 lower electrode
300: resistance change semiconductor layer 400: quantum dots
500: insulating layer 600: upper electrode
700: metal electrode

Claims (11)

기판;
상기 기판 상에 형성되는 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성되며, 저항 변화 메모리 영역과 다이오드 영역을 가지는 저항 변화 반도체층;
상기 저항 변화 반도체층 상의 저항 변화 메모리 영역에 형성되는 절연층;
상기 절연층 내에 형성되는 양자점;
상기 절연층 상에 형성되며, 상기 절연층과 반응하여 금속 산화물층을 형성하는 상부 전극; 및
상기 저항 변화 반도체층 상의 다이오드 영역에 형성되는 금속 전극을 포함하는 멤리스터 소자.
Board;
A lower electrode formed on the substrate;
A resistance change semiconductor layer formed on the lower electrode and having a resistance change memory region and a diode region;
An insulating layer formed in the resistance change memory region on the resistance change semiconductor layer;
A quantum dot formed in the insulating layer;
An upper electrode formed on the insulating layer and reacting with the insulating layer to form a metal oxide layer; And
And a metal electrode formed in the diode region on the resistance change semiconductor layer.
제1항에 있어서,
상기 상부 전극은 동종 또는 이종의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자.
The method of claim 1,
The upper electrode is a memristor element, characterized in that formed of the same or different materials.
제2항에 있어서,
상기 상부 전극은 Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe 및 V 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자.
The method of claim 2,
The upper electrode is any one selected from Al, In, Sn, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Fe and V.
제1항에 있어서,
상기 절연층은 고분자 절연체를 포함하며, 완전히 경화되지 않은 소프트한 특성을 가져 상기 상부 전극과의 계면에서 금속 산화물층을 형성하는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자.
The method of claim 1,
The insulation layer includes a polymer insulator, and has a soft property that is not completely cured to form a metal oxide layer at the interface with the upper electrode.
제1항에 있어서,
상기 저항 변화 반도체층은 2원계 금속 산화물 또는 페로브스카이트 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자.
The method of claim 1,
The resistance change semiconductor layer is a memristor device comprising a binary metal oxide or a perovskite oxide.
제1항에 있어서,
상기 금속 전극은 In, Au 및 Pt 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자.
The method of claim 1,
The metal electrode is selected from In, Au and Pt memristor element.
기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 상에 저항 변화 메모리 영역과 다이오드 영역을 가지는 저항 변화 반도체층을 형성하는 단계;
상기 저항 변화 반도체층 상의 저항 변화 메모리 영역에 양자점을 포함하는 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 및
상기 저항 변화 반도체층 상의 다이오드 영역에 금속 전극을 배치하여 쇼트키 접합을 형성하는 단계를 포함하는 멤리스터 소자의 제조방법.
Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a resistance change semiconductor layer having a resistance change memory region and a diode region on the lower electrode;
Forming an insulating layer including a quantum dot in a resistance change memory region on the resistance change semiconductor layer;
Forming an upper electrode on the insulating layer; And
Forming a schottky junction by disposing a metal electrode in a diode region on the resistance change semiconductor layer.
제7항에 있어서,
상기 저항 변화 반도체층 상의 다이오드 영역에 금속 전극을 형성하는 단계 이후에, 소자의 내부 공간을 충진하는 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
And after forming the metal electrode in the diode region on the resistance change semiconductor layer, forming a protective film filling the internal space of the device.
제7항에 있어서,
상기 상부 전극은 동종 또는 이종의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The upper electrode is a method of manufacturing a memristor element, characterized in that formed of the same or different materials.
제7항에 있어서,
상기 절연층을 형성하는 단계는 절연체 전구체층을 열처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The forming of the insulating layer is a method of manufacturing a memristor device, characterized in that formed by heat treatment the insulator precursor layer.
제10항에 있어서,
상기 열처리는 100℃ 내지 300℃의 온도에서 10분 내지 60분간 수행되어 표면이 완전히 경화되지 않은 소프트한 특성을 가지는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 멤리스터 소자의 제조방법.

The method of claim 10,
The heat treatment is performed for 10 minutes to 60 minutes at a temperature of 100 ℃ to 300 ℃ to produce an insulating layer having a soft characteristic that the surface is not completely cured.

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