KR20130095432A - 비휘발성 저항변화 스위치 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
비휘발성 저항변화 스위치 소자 및 그 제조방법을 제공한다. 비휘발성 저항변화 스위치 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극층, 상기 하부 전극층 상에 형성되고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태변화를 가지는 Ge2Sb2Te5(GST) 또는 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5(N-GST) 저항변화층 및 상기 GST 또는 N-GST 저항변화층 상에 형성된 상부 전극층을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 포함한다. 따라서, GST 물질을 저항변화층으로 하여 낮은 동작전압 및 빠른 스위치가 가능한 메모리 소자를 구현할 수 있다. 또한, GST 물질에 질소를 도핑한 물질(N-GST)을 저항변화층으로 사용함으로써, 적절한 동작전압 및 높은 저항비의 특성을 갖는 메모리 소자를 구현하여 프로그래머블 스위치 소자로 사용하기에 적합하다.
Description
본 발명은 비휘발성 저항변화 스위치 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ge2Sb2Te5(GST) 물질로 구성된 저항변화층을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자에 관한 것이다.
빠르게 변화하는 전자 부품의 발전 경향에 따라 다양화된 기능을 구현하기 위하여 새로운 제품의 개발 시마다 반도체 칩 전체를 새로 제작하는 대신, 회로의 일부 기능을 사용자의 요구에 맞게 재구성하여 다양한 기능을 구현할 수 있는 재구성형 LSI(Reconfigurable large scale integration)가 각광받고 있다.
종래의 재구성형 LSI를 대표하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)는 LSI의 회로 일부를 재구성하기 위한 프로그래머블 스위치 매트릭스를 내장하며, 프로그래머블 스위치 매트릭스를 구성하는 단위 스위치 소자로서 SRAM 및 패스-게이트(pass-gate)로 구성된 스위치 소자를 사용한다.
그러나, FPGA는 거대한 칩 면적으로 인해 제조 비용이 높고, 트랜지스터 스위치 소자가 갖는 높은 저항값 및 거대한 칩 면적에서 야기되는 배선 길이 증가에 따라 기생 성분이 증가하여 동작 속도가 저하되는 단점이 있다.
또한, FPGA는 스위치 매트릭스 자체의 점유 면적이 논리 LSI의 점유 면적보다 현저히 넓어 논리 회로를 구성하는 데 있어서 효율이 떨어지고 병렬 연산 능력이 저하되며, 스위치에 사용되는 메모리 자체가 휘발성 메모리이기 때문에 전원 차단시 정보 유실의 위험이 많아 LSI 외부에 별도의 외장 메모리를 필요로 한다.
이러한 FPGA의 단점들을 고려해 볼 때, 재구성형 LSI를 구성하는 스위치 소자는 다음과 같은 성능이 요구된다.
우선, 스위치 소자의 온(ON) 상태의 저항값이 낮아야 한다. 온 상태의 저항값이 높으면 스위치 매트릭스의 구동시 각 스위치 소자에서 상당한 양의 전압 강하가 발생하여 전체 매트릭스 구동에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 스위치 소자의 저항값 때문에 현저한 신호 지연 현상이 발생한다.
두 번째로, 스위치 소자의 셀 면적이 작아야 한다. 상술한 바와 같이 종래의 재구성형 LSI는 스위치 매트릭스를 구성하는 면적이 논리 회로 부분에 비해 지나치게 크기 때문에 전체 LSI의 구성 효율을 떨어뜨린다. 또한, 스위치 소자의 크기가 감소되는 경우 논리 회로 영역 사이의 거리가 단축되어 배선 부분에서 발생하는 기생 성분이 감소함으로써 전체 LSI의 동작 지연 시간이 줄어들 수 있다.
세 번째로, 스위치 소자는 비휘발성이어야 한다. 종래의 스위치 소자는 전원을 차단하면 저장된 메모리가 소실되는 구조이기 때문에, 이를 방지하기 위해 별도의 비휘발성 메모리를 LSI 외부에 탑재해야 할 필요가 있다. 그러나, 이러한 구조는 별도의 비휘발성 메모리를 LSI 외부에 탑재함으로써 전체 LSI의 면적이 증가하는 것은 물론 동작 전압 측면에서도 불리하다. 또한, 외부에 탑재된 비휘발성 메모리는 부정 엑세스를 통한 정보 유출의 가능성이 높아, 신규 제품 개발 과정에서 주로 사용되는 재구성형 LSI의 보안성을 크게 떨어뜨리는 원인이 된다.
네 번째로, 스위치 소자는 저전압 동작이 가능해야 한다. 최근 플래시메모리를 스위치 소자로 사용하여 비휘발성 스위치 매트릭스를 탑재한 재구성형 LSI가 등장하고 있으나, 플래시메모리는 기본적으로 동작 전압이 높아 회로 내부에 별도의 승압 회로를 마련해야 할 필요가 있다. 따라서, 저전압으로 구동하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 구현할 필요가 있다.
다섯 번째로, 스위치 소자는 반복 기록 동작에 대한 충분한 신뢰성을 갖추어야 한다. 따라서, 고신뢰성의 반복 기록 동작을 담보할 수 있는 신규 스위치 소자를 구현할 필요가 있다.
여섯 번째로, 스위치 소자는 기억된 정보를 장시간에 걸쳐 보존할 수 있는 능력을 갖추어야 한다는 점이다. 보통 이러한 특성을 리텐션(retention) 특성이라고 한다. 재구성형 LSI에 탑재되는 스위치 소자는 메모리 소자와는 달리 LSI 회로 내부에 탑재되어 사용하기 때문에 언제나 일정 조건의 전압 바이어스가 인가된 상태에서 사용하는 경우가 많다. 따라서, 재구성형 LSI용 스위치 소자는 바이어스 인가 상태에서도 저장된 정보를 안정적으로 보존하는 고도의 리텐션 특성이 요구된다.
상술한 성능들을 만족시킬 수 있는 스위치 소자로서 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0063613호(2010.06.11.) 등에서는 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자가 개시되었다. 상변화 메모리 소자(Phase-Change Memory)는 결정 상태에 따라 저항값이 바뀌는 상변화 물질을 이용하여 정보를 저장하는 메모리 소자이다. 여기서, 상변화 물질은 결정 상태에서 저저항 특성을 갖고, 비정질 상태에서 고저항 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용하면 비휘발성의 정보 저장 기능은 물론, 저저항 상태와 고저항 상태의 온/오프 동작을 이용하여 효과적인 스위치 동작을 실현할 수 있다. 또한, 상변화 메모리의 제작에 있어서 CD-RW 또는 DVD 등의 광저장 정보 장치에 주로 사용되어 오던 칼코게나이드(Chalcogenide) 금속 합금계의 상변화 재료를 그대로 사용할 수 있으며, 소자의 제작 공정이 기존의 실리콘 기반 소자 제작 공정과 비슷하기 때문에, DRAM과 동등한 정도의 높은 집적도를 쉽게 구현할 수 있다는 점이 장점이다.
다만, 상변화 메모리 소자로 구성되는 스위치 소자는 저항체에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전기적 주울-열(joule-heat)을 이용하여 상변화 물질의 결정 상태를 제어하는 방법으로 구동되는바 열을 발생시키기 위하여 많은 전력을 소모한다. 따라서, 재구성형 LSI에 실장되는 스위치 소자로서 동작하기 위해서는 상변화 물질의 결정 상태를 제어하는 열을 발생시키기 위해 소비되는 전력을 감소시켜야 하는 문제가 있다.
따라서, 종래의 스위치 소자가 갖는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 비휘발성 스위치 소자의 구조가 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비휘발성 저항변화 메모리 소자를 이용한 프로그래머블 스위치 소자를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 적절한 작동 전압을 갖고, 안정된 데이터 유지 특성을 갖는 비휘발성 저항변화 메모리 소자를 이용한 프로그래머블 스위치 소자를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 전극층; 상기 하부 전극층 상에 형성되고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태변화를 가지는 Ge2Sb2Te5 물질로 구성된 저항변화층; 및 상기 저항변화층 상에 형성된 상부 전극층을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 제공한다.
상기 금속 필라멘트는 상기 상부전극으로부터 침투된 금속이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸되는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 전극층은 Pt, Ru, Ir, W 또는 TiN을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극층은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다.
상기 Ge2Sb2Te5 물질은 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 물질인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 기판 상에 하부 전극층을 형성하는 단계; 상기 하부 전극상에 Ge2Sb2Te5 물질로 구성된 저항변화층을 형성하는 단계; 및 상기 저항변화층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 저항변화층은 상기 상부 전극으로부터 침투된 금속이온의 산화환원반응에 의해 금속 필라멘트를 생성 및 소멸시키는 것을 특징으로 한다.
상기 하부 전극층은 Pt, Ru, Ir, W 또는 TiN을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극층은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다.
상기 Ge2Sb2Te5 물질은 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 물질인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, Ge2Sb2Te5(GST) 물질을 저항변화층으로 하는 비휘발성 메모리 소자를 이용하여 스위치 소자를 구현할 수 있다.
상기 GST 물질은 열전기 가열(thermoelectric heating) 및 열 차폐(thermal barrier) 특징을 갖고 있어서, 스위치 동작 동안 열손실(heat loss)을 최소화시킬 수 있고, Cu 이온과 같은 금속이온의 이동 스피드를 증가시킬 수 있다. 그 결과로 낮은 동작전압 및 빠른 스위치가 가능한 소자를 구현할 수 있다.
또한, Ge2Sb2Te5 물질에 질소가 도핑된 N-GST 물질을 저항변화층으로 사용함으로써, 적절한 동작전압 및 높은 저항비의 특성을 갖는 비휘발성 저항변화 메모리 소자를 구현하여 논리 스위치로 사용하기에 적합하다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 나타낸 일 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4는 상기 도 2의 특성 그래프에 따른 저항변화 스위치 소자의 물리적 거동을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스의 이중 로그 플롯(double logarithmic plot)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 상부 전극의 종류에 따른 메모리 윈도우를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 N-GST의 질소 도핑농도에 따른 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 XPS로 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 라만 분광법으로 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 TEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 펄스 사이클(Pulse cycles)에 대한 전류값을 측정한 그래프이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 리텐션(retention) 특성을 측정한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3 및 도 4는 상기 도 2의 특성 그래프에 따른 저항변화 스위치 소자의 물리적 거동을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스의 이중 로그 플롯(double logarithmic plot)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 상부 전극의 종류에 따른 메모리 윈도우를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 N-GST의 질소 도핑농도에 따른 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 XPS로 측정한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 라만 분광법으로 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 TEM 이미지이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 펄스 사이클(Pulse cycles)에 대한 전류값을 측정한 그래프이다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 리텐션(retention) 특성을 측정한 그래프이다.
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, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 나타낸 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 비휘발성 저항변화 메모리 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 형성된 하부 전극층(200), 상기 하부 전극층(200) 상에 형성된 저항변화층(300) 및 상기 저항변화층(300) 상에 형성된 상부 전극층(400)을 포함한다.
상기 기판(100)은 Si를 포함할 수 있으며, Si 상에 SiO2가 형성된 SiO2/Si 기판일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적의 반도체 소자 등에 적용되는 것이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
상기 하부 전극층(200)은 Pt, Ru, Ir, W 또는 TiN을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 하부 전극층의 물질로 이온화도가 작고, 확산성이 낮은 전극 물질이면 어느 것이나 가능할 것이다.
상기 저항변화층(300)은 Ge2Sb2Te5(GST) 물질로 구성될 수 있다.
상기 저항층(300)은 상기 저항변화층(300) 내부에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태변화를 가질 수 있다.
상기 금속 필라멘트는 상기 상부전극으로부터 침투된 금속이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸되는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 상부전극이 Cu 전극인 경우, GST로 구성된 저항변화층 내부에 Cu 전극으로부터 침투된 Cu 이온이 환원 반응에 의해 Cu 금속 필라멘트가 형성되고, 산화반응에 의해 형성된 Cu 금속 필라멘트가 소멸될 수 있다.
상기 GST 물질은 열전기 가열(thermoelectric heating) 및 열 장벽(thermal barrier) 특징을 갖고 있어서, 스위치 동작 동안 열손실(heat loss)을 최소화시킬 수 있고, Cu 이온과 같은 금속이온의 이동 스피드를 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 GST 물질을 저항변화층(300)으로 사용하는 경우, 3차원 크로스-포인트 어레이(cross-point array) 형성에 유리하며, 2nm 이하까지 소자의 스케일을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 저항변화층(300)은 질소가 도핑된 GST 물질(N-GST)로 구성될 수 있다. N-GST층은 Ge-N 공유결합이 발생하여 결정립 성장(crystalline grain growth)을 억제하여 질소가 도핑되지 않은 GST층(undoped GST)에 비하여 저항을 증가시킬 수 있다. 따라서, 질소의 도핑 농도를 조절함으로써, 저항을 증가시켜 스위치 소자의 동작전압을 조절할 수 있다.
상기 상부 전극층은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 이온화도가 좋고, 확산성이 높아서 전계 인가시 저항변화층에 금속 필라멘트를 형성할 수 있는 전극물질이면 어느 것이나 가능할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 제조방법을 설명한다.
먼저 기판(100)을 준비한다. 예컨대, 상기 기판(100)은 실리콘 기판일 수 있다.
상기 기판(100) 상에 하부 전극층(200)을 형성한다.
상기 하부 전극층(200)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 실리콘 기판 상에 PECVD법을 이용하여 Pt 하부 전극층을 형성할 수 있다.
상기 하부 전극층(200) 상에 Ge2Sb2Te5 물질로 구성된 저항변화층(300)을 형성한다.
상기 저항변화층(300)은 상부 전극층(400)으로부터 침투된 금속 이온의 산화환원반응에 의해 금속 필라멘트(500)를 생성 및 소멸시키는 것을 특징으로 한다.
상기 저항변화층(300)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성할 수 있다.
예컨대, Pt 전극층 상에 Ar 분위기하에서 Ge2Sb2Te5 타겟을 가지고 RF 마그네트론 스퍼터링하여 GST 물질로 구성된 저항변화층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 Ge2Sb2Te5 물질은 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 물질일 수 있다. 예컨대, Pt 전극층 상에 Ar/N 분위기하에서 Ge2Sb2Te5 타겟을 가지고 RF 마그네트론 스퍼터링하여 N-GST 물질로 구성된 저항변화층(300)을 형성할 수 있다. 이때, Ar/N 비율을 조절하여 질소의 도핑 농도를 조절할 수 있다.
상기 저항변화층(300) 상에 상부 전극층(400)을 형성한다.
상기 상부 전극층(400)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성할 수 있다.
예컨대, GST 물질로 구성된 저항변화층 상에 DC 스퍼터링을 이용하여 Cu 상부 전극층을 형성할 수 있다.
제조예
1
직경 250nm의 비아-홀(via-hole) 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 제조하였다.
먼저, 실리콘 기판 상에 PECVD법을 이용하여 Pt 전극층 및 SiO2 절연층을 순서대로 적층하였다.
상기 SiO2 절연층에 250nm 비아-홀을 포토리소그라피(photolithography) 공정과 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 형성하였다.
그 다음에 Ar가스 분위기하에서 Ge2Sb2Te5 타겟을 가지고 RF 마그네트론 스퍼터링하여 상기 비아-홀 내에 노출된 Pt 전극층 상에 약 30nm 두께의 Ge2Sb2Te5 저항변화층을 형성하였다.
Cu 상부전극을 상기 Ge2Sb2Te5 저항변화층 상에 DC 스퍼터링을 이용하여 증착하여 Cu/GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 제조하였다.
제조예
2
저항변화층을 형성할 때, 질소 가스를 추가하여 스퍼터링하여 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 고체전해질을 저항변화층으로 형성한 점을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 수행하여 Cu/N-GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 제조하였다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실험예
1
제조예 1의 Cu/GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 특성을 측정 및 분석하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
Cu/GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 스위치 동작에 대한 전류-전압 특성을 측정하였다. 도 2를 참조하면, 양쪽 전기적 바이어스에 따라, 각각 셋(SET) 과 리셋(RESET) 동작이 일어나 비휘발성 메모리 소자로써 동작함을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 상기 도 2의 특성 그래프에 따른 저항변화 스위치 소자의 물리적 거동을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상부 전극(400)으로부터 하부 전극(200)으로 정 바이어스를 인가하면, 특정 전압 이상에서 전류는 급격히 증가한다. 이는 저항변화층(300) 내부에 형성된 금속 필라멘트(metallic filament)(500)를 통해 전하가 이동하는 현상으로 설명된다.
이는 상부 전극(400)으로부터 이온화된 금속 이온이 저항변화층(300) 내부로 확산 침투한 후, 환원반응에 의해 금속 필라멘트(500)가 형성되어 전류 경로(current path)를 형성한다.
이는 저항변화층(300)이 낮은 저항 상태(Low Resistance Sate; LRS)로 진입함을 의미한다. 이를 셋(set) 상태라 지칭한다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 다시, 상부 전극(400) 및 하부 전극(200) 사이에 인가되는 정바이어스의 레벨을 감소킨다. 지속적인 감소는 상부 전극(400)과 하부 전극(200) 사이에 부바이어스가 인가될 때까지 진행된다. 계속하여 상기 부바이어스의 레벨을 증가시키면, 특정 전압 이상에서 전류는 급격히 감소한다.
이는 기 형성된 금속 필라멘트(500)가 산화반응으로 금속이온으로 바뀌면서 금속 필라멘트가 소멸되어 전류 경로가 단절되는 현상으로 설명된다.
이는 저항 변화층(300)이 높은 저항 상태(High Resistance State; HRS)로 진입함을 의미한다. 이를 리셋(reset) 상태라 지칭한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스의 이중 로그 플롯(double logarithmic plot)을 나타낸 그래프이다.
Cu/GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 스위칭 동작에 대하여 I-V 히스테리시스의 이중 로그 플롯(double logarithmic plot)을 측정하였다. 도 5를 참조하면, GST 고체전해질 내에 전기화학 반응(electrochemical reaction)에 의하여 Cu 금속 필라멘트(Cu metallic filament)가 생성되었다는 것을 간접적으로 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 상부 전극의 종류에 따른 메모리 윈도우를 나타낸 그래프이다.
제조예 1과 같은 구조의 비휘발성 저항변화 스위치에서 상부 전극으로 Ag, Cu, Pt 또는 W을 사용한 경우의 메모리 윈도우(Memory window) 특성을 측정하였다.
도 6을 참조하면, 상부 전극으로 Pt 또는 W를 상부 전극으로 사용할 경우 금속 필라멘트의 형성/소멸(formation/rupture)이 발생하지 않고, Ag 또는 Cu를 전극을 사용하였을 때만 금속 필라멘트의 형성/소멸이 발생하여 저항변화 스위치 동작이 수행됨을 알 수 있다.
실험예
2
제조예 2의 Cu/N-GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 특성을 측정 및 분석하였다.
도 7은 본 발명의 일 실예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 N-GST의 질소 도핑 농도에 따른 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, N-GST에서 질소 도핑 농도가 증가할수록 저항값이 증가함을 명백히 알 수 있다. 질소가 도핑되지 않은 GST(undoped GST)의 저항값은 25.7㏁인데, 질소가 30% 도핑된 N-GST(30% N-GST)는 3.85 GΩ으로 매우 큰 저항값을 보여준다. 이는 질소가 30% 도핑된 N-GST를 포함하는 저항변화 스위치 소자가 높은 HRS값을 가짐을 알 수 있다.
따라서, 질소의 도핑 농도를 조절하여 인위적으로 저항변화층의 저항을 조절할 수 있고, 동작 전압(operation voltage)도 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 XPS로 측정한 그래프이다.
Cu/GST/Pt 구조 및 Cu/질소가 30% 도핑된 N-GST/Pt 구조의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 XPS 스펙트라를 분석하였다.
도 8을 참조하면, Cu/GST/Pt 구조는 약 1217.9eV의 바인딩 에너지에서 Ge-Ge 결합 주 피크(main peak)가 나타났다. 반면에, Cu/질소가 30% 도핑된 N-GST/Pt 구조는 약 1218.9eV에서 Ge-N 결합의 주 피크가 나타났다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 라만 분광법에 의해 측정한 그래프이다.
Cu/N-GST/Pt 구조에서, 상기 질소의 도핑농도가 0%, 20%, 30% 및 50%인 경우의 비휘발성 저항변화 스위치 소자를 라만 분광법으로 측정하였다.
도 9를 참조하면, 질소 도핑 비율이 증가할수록 152cm-1에서 피크의 세기(peak intensity)가 명백하게 감소됨을 알 수 있다. 이는 질소의 도핑으로 Ge-N 결합이 증가하여 GST의 원자구조를 부분적으로 변화시킴을 알 수 있다. 따라서, 질소 도핑으로 Ge-N 결합이 생성되어 결정 그레인 성장(crystalline grain growth)을 억제하여 저항을 증가시킴을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 TEM 이미지이다. 도 10을 참조하면 실제 250nm 스케일(scale) 의 비아-홀에 Cu/N-GST/Pt의 구조의 나노소자가 제작됨을 알 수 있다. 여기서 N-GST층의 두께는 약 29nm이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 I-V 히스테리시스 곡선을 나타낸 그래프이다.
Cu/GST/Pt 구조와 Cu/질소가 30% 도핑된 N-GST(30% N-GST)/Pt 구조의 스위치 소자의 전기적인 특성을 비교하였다.
도 11을 참조하면, Cu/GST/Pt 구조와 Cu/30% N-GST/Pt 구조의 스위치 소자간의 셋 전압(SET voltage) 및 HRS 저항값에서 차이가 있음을 알 수 있다.
즉, Cu/30% N-GST/Pt 구조의 소자의 HRS값이 Cu/GST/Pt 구조의 소자의 HRS값보다 약 4000배 큼을 알 수 있다. 따라서, Cu/30% N-GST/Pt 구조의 소자는 Cu/GST/Pt 구조의 소자와 비교하여 저항비(107이상)도 급격히 상승함을 알 수 있다.
또한, 셋 전압(VSET) 역시 약 0.6V에서 약 2.7V로 상승함을 알 수 있다. 이는 Cu/30% N-GST/Pt 구조의 소자의 경우 셋 전압이 1V를 상회하게 되므로 1V 이상의 동작전압을 요구하는 논리 스위치에 응용하기에 적합함을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 펄스 사이클(Pulse cycles)에 대한 전류값을 측정한 그래프이다.
Cu/30% N-GST/Pt 구조의 저항변화 스위치 소자를 100회 펄스 사이클(Pulse cycles)동안의 전류값을 측정하였다. 그 결과, 온/오프 비(on/off ratio)가 1E7 이상으로 우수한 특성을 보임을 알 수 있다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 리텐션(retention) 특성을 측정한 그래프이다.
Cu/30% N-GST/Pt 구조의 소자를 85℃에서 데이터 유지 특성을 측정하였다.
도 13을 참조하면, 저항 변화 스위치 소자의 저저항 상태(LRS)와 고저항 상태(HRS) 사이의 차이는 비교적 고온인 85℃에서 적어도 104초에 이르기까지 유지됨을 알 수 있다.
이로부터 본원의 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 고온 데이터 유지 특성이 우수함을 알 수 있다. 즉, 신뢰할 만한 데이터 유지 특성을 확인할 수 있다.
따라서, Ge2Sb2Te5(GST) 물질을 저항변화층으로 하는 비휘발성 메모리 소자를 이용하여 스위치 소자를 구현할 수 있다. 상기 GST 물질은 열전기 가열(thermoelectric heating) 및 열 차폐(thermal barrier) 특징을 갖고 있어서, 스위치 동작 동안 열손실(heat loss)을 최소화시킬 수 있고, Cu 이온과 같은 금속이온의 이동 스피드를 증가시킬 수 있다. 그 결과로 낮은 동작전압 및 빠른 스위치가 가능한 메모리 스위치 소자를 구현할 수 있다.
특히, Ge2Sb2Te5 물질에 질소를 도핑함으로써, 동작전압을 조절하여 1V 이상의 동작전압을 요구하는 논리 스위치의 요건을 충족시킬 수 있고, 높은 저항비의 특성 및 안정적인 데이터 유지 특성을 가지므로, FPGA 어플리케이션의 스위치 소자로 사용되기에 적합하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.
100: 기판 200: 하부 전극층
300: 저항변화층 400: 상부 전극층
500: 금속 필라멘트
300: 저항변화층 400: 상부 전극층
500: 금속 필라멘트
Claims (9)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 하부 전극층;
상기 하부 전극층 상에 형성되고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태변화를 가지는 Ge2Sb2Te5 물질로 구성된 저항변화층; 및
상기 저항변화층 상에 형성된 상부 전극층을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자. - 제1항에 있어서,
상기 금속 필라멘트는 상기 상부전극으로부터 침투된 금속이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자. - 제1항에 있어서,
상기 하부 전극층은 Pt, Ru, Ir, W 또는 TiN을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자. - 제1항에 있어서,
상기 상부 전극층은 Cu 또는 Ag를 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자. - 제1항에 있어서,
상기 Ge2Sb2Te5 물질은 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 물질인 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자. - 기판 상에 하부 전극층을 형성하는 단계;
상기 하부 전극상에 Ge2Sb2Te5 물질로 구성된 저항변화층을 형성하는 단계; 및
상기 저항변화층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 저항변화층은 상기 상부 전극으로부터 침투된 금속 이온의 산화환원반응에 의해 금속 필라멘트를 생성 및 소멸시키는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 하부 전극층은 Pt, Ru, Ir, W 또는 TiN을 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 상부 전극층은 Cu 또는 Ag를 포함하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 Ge2Sb2Te5 물질은 질소가 도핑된 Ge2Sb2Te5 물질인 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항변화 스위치 소자의 제조방법.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101521383B1 (ko) * | 2014-03-12 | 2015-05-19 | 한양대학교 산학협력단 | 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자 |
| US9117513B2 (en) | 2011-07-22 | 2015-08-25 | SK Hynix Inc. | Resistive RAM, method for fabricating the same, and method for driving the same |
| US9318700B2 (en) | 2014-06-16 | 2016-04-19 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of manufacturing a phase change memory device |
| US9741764B1 (en) | 2016-02-22 | 2017-08-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Memory device including ovonic threshold switch adjusting threshold voltage thereof |
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-
2012
- 2012-02-20 KR KR1020120016849A patent/KR20130095432A/ko not_active Application Discontinuation
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