KR20160043884A - Resistive random access memory device having nano-scale tip and nanowire, memory array using the same and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 저항성 메모리 소자(RRAM)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 팁 구조와 나노 와이어를 갖는 저항성 메모리 소자 및 이를 이용한 메모리 어레이와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a resistive memory device (RRAM), and more particularly, to a resistive memory device having a nano-tip structure and a nanowire, a memory array using the same, and a manufacturing method thereof.
현재 대용량 정보 저장 장치 시장을 선도하고 있는 NAND flash memory 기술은 지속적인 scaling down을 통하여 현재 비휘발성 메모리의 대표 주자로 우뚝 서 있다. 그러나 최근 들어 소자의 크기가 20 nm 아래까지 scaling down 되면서 신뢰성 문제가 대두되고 있는 실정이다. 따라서 NAND flash memory 기술을 대체하기 위하여 다양한 차세대 비휘발성 메모리들이 제안되었고 연구가 활발히 진행 중이다.NAND flash memory technology, which is currently leading the mass storage information storage market, is currently dominating nonvolatile memory through continuous scaling down. In recent years, however, reliability problems have arisen as the device size is scaling down to 20 nm or less. Therefore, various next generation nonvolatile memories have been proposed to replace NAND flash memory technology, and studies are actively underway.
그 중에 RRAM은 간단한 구조를 가지며 scaling down 시 오히려 신뢰성이 개선된다는 장점이 있어 기존 NAND flash memory 기술의 대안으로써 유력한 후보이다. RRAM은, 도 1과 같이, 기본적으로 상부전극(metal)-저항 변화층(스위치 층: insulator)-하부전극(metal)으로 구성된 MIM 구조로 되어 있다. Among them, RRAM has a simple structure and it has a merit that reliability is improved when scaling down, which is a strong candidate as an alternative to the existing NAND flash memory technology. As shown in FIG. 1, the RRAM basically has an MIM structure composed of an upper electrode (metal), a resistance-variable layer (switch layer), and a lower electrode (metal).
RRAM의 스위칭 동작은 3단계로 구분이 된다. 도 2와 같이, 초기상태(initial state)에서 전도 필라멘트(conductive filament)를 형성하여 낮은 저항 상태가 되는 forming 과정, 전도 필라멘트를 끊어져 저항이 높아지는 reset 동작, 그리고 전도 필라멘트가 생성되어 저항이 낮아지는 set 동작이다.The switching operation of the RRAM is divided into three steps. As shown in FIG. 2, a forming process that forms a conductive filament in an initial state to form a low resistance state, a reset operation that breaks the conductive filament and increases the resistance, and a reset operation in which a conductive filament is generated, Action.
일반적인 RRAM 구조에서 metal과 insulator 사이의 계면은 평평하기 때문에 양단의 전압을 인가하였을 때 전계가 고르게 분포하며, 이 때문에 forming 및 set 동작 시 생성되는 전도 필라멘트는 임의의 위치에 형성되게 되며 컨트롤하기 힘들다. 이처럼 전도 필라멘트가 생성되는 위치를 원하는 대로 조절하기 어렵기 때문에 RRAM의 신뢰성 문제가 발생하게 되며, 이것이 RRAM의 상용화에 가장 큰 걸림돌로 남아있다. In the general RRAM structure, the interface between the metal and the insulator is flat, so the electric field is evenly distributed when the voltage is applied at both ends. Therefore, the conductive filament generated in forming and set operation is formed at an arbitrary position and is difficult to control. As such, it is difficult to adjust the position where the conduction filament is generated to a desired level, which causes a problem of reliability of the RRAM, which remains the biggest obstacle to the commercialization of the RRAM.
이러한 신뢰성 문제를 야기하는 원인은 저항 변화층을 이루는 물질(예컨대, 전이 금속 산화물)의 입자 경계(grain boundary) 사이의 조건에 따라 filament가 상하방향으로 다양하게 형성되기 때문이다.The cause of such a reliability problem is that the filaments are formed in various shapes in the vertical direction depending on the condition between the grain boundaries of the material constituting the resistance variable layer (for example, transition metal oxide).
따라서, 한국 등록특허 제10-1113014호에서는 스페이서 형태로 저항 변화층이 형성되어 상부전극과 만나는 면적을 최소로 하여 transition에 관여하는 filament의 수를 최소화하려는 시도를 하였고, 한국 공개특허 제10-2008-0048757호에서는 저항 변화층의 입자 경계(grain boundary)를 따라 홈이 형성되도록 하고 상기 홈을 채우며 상부 또는 하부 전극이 돌출되도록 형성하여, 전계가 집중되어 재현성 있는 전도경로를 형성하려는 시도가 있었으며, 한국 등록특허 제10-1263309호에서는 측벽과 스페이서 형성 공정을 통하여 각 셀당 상부전극에 하나의 돌출부가 하부전극을 향하도록 하여 전계를 집중시키는 기술이 개시되었다.Accordingly, in Korean Patent No. 10-1113014, an attempt has been made to minimize the number of filaments involved in the transition by minimizing the area where the resistance variable layer is formed in the form of a spacer to meet with the upper electrode. -0048757 has attempted to form a groove along the grain boundary of the resistance variable layer and fill the groove so that the upper or lower electrode protrudes so as to form a reproducible conductive path by concentrating the electric field. Korean Patent No. 10-1263309 discloses a technique of concentrating an electric field in such a manner that one protrusion is directed to a lower electrode on an upper electrode per cell through a process of forming a side wall and a spacer.
그러나, 한국 등록특허 제10-1113014호는 스페이서 형태로 저항 변화층이 형성되어 filament의 수를 최소화하는데 한계가 있고, 한국 공개특허 제10-2008-0048757호는 화학적 식각으로 표면에 홈을 형성하거나(상부전극 돌출부 형성시) 다수의 금속 입자가 들어있는 혼합액을 도포 후 기화시켜 남은 금속 입자로 돌출부를 형성하는 것이어서(하부전극 돌출부 형성시) 복수 개의 돌출부가 형성될 뿐만 아니라 재현성 있게 형성할 수 없어 상용화하기 어려운 문제가 있고, 한국 등록특허 제10-1263309호에서 개시된 방법으로는 하부전극에는 돌출부를 형성할 수 없는 문제가 있다.Korean Patent No. 10-1113014, however, has a limitation in minimizing the number of filaments due to the formation of a resistance-variable layer in the form of a spacer, and Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0048757 discloses that a groove is formed on the surface by chemical etching (At the time of forming the upper electrode projection portion), the mixed liquid containing a plurality of metal particles is vaporized and vaporized to form protrusions with the remaining metal particles (at the time of forming the lower electrode projection portions), so that a plurality of protrusions are formed, There is a problem that it is difficult to commercialize it, and in the method disclosed in Korean Patent No. 10-1263309, a protrusion can not be formed on the lower electrode.
그리고, RRAM은, 도 3과 같이, 전압-시간 딜레마(동작 전압과 스위칭 시간은 반비례 관계)에 의하여 빠른 속도의 동작을 위하여 높은 전압을 인가해 주어야 하는 trade-off가 존재하는데, 높은 전압은 회로의 구성을 복잡하게 하고 동작 전류의 증가를 가져오게 되는 문제점이 있다. As shown in FIG. 3, the RRAM has a trade-off in which a high voltage is applied for a high-speed operation due to a voltage-time dilemma (inversely proportional to the operating voltage and switching time) And the operation current is increased.
또한, 도 4와 같이, RRAM을 어레이로 구성하기 위해서는 상부전극과 하부전극이 수직으로 교차해야 하며 각각은 워드라인과 비트라인을 구성한다. 현재의 기술은 사진식각술(photolithography)로 피치(pitch)를 정의하는데, lithography 장비의 한계 때문에 sub 10 nm 급의 메모리 소자를 구현하는데 어려움이 있다. 더욱 높은 메모리 집적도를 얻기 위해서는 워드라인과 비트라인의 pitch를 줄이는 것이 중요하며, lithography 기술의 한계를 넘어서는 기술이 필요한 상황이다.In addition, as shown in FIG. 4, in order to configure the RRAM as an array, the upper electrode and the lower electrode must cross each other vertically and each constitute a word line and a bit line. The current technology defines pitch by photolithography, which is difficult to implement sub-10 nm memory devices because of lithography equipment limitations. To achieve higher memory densities, it is important to reduce the pitch of word lines and bit lines, and technology beyond the limits of lithography technology is required.
본 발명은 RRAM 메모리 셀을 수 나노미터 수준으로 극소화하고 전계 집중이 용이한 구조를 적용하여 높은 저항/낮은 저항 상태의 저항값들의 산포를 개선하고 스위칭 속도와 동작 전압 및 동작 전류 등의 성능을 개선하며 집적도 향상이 가능한 나노 팁 구조와 나노 와이어를 갖는 저항성 메모리 소자 및 이를 이용한 메모리 어레이와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention minimizes RRAM memory cells to a few nanometers and improves the dispersion of resistance values in high resistance / low resistance state by applying an easy electric field structure and improves the performance of switching speed, operating voltage and operating current And a nano-tip structure and a nanowire capable of improving integration, a memory array using the same, and a manufacturing method thereof.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 저항성 메모리 소자는 반도체 기판을 식각하여 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖도록 제 1 방향으로 형성된 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 저항 변화층; 및 상기 저항 변화층 상에 상기 하부전극과 교차하며 상기 팁 구조 위를 지나는 나노 와이어로 제 2 방향으로 형성된 상부전극을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, a resistive memory device according to the present invention comprises: a lower electrode formed in a first direction so as to have a tip structure protruding upward toward the top by etching a semiconductor substrate; A resistance-variable layer formed on the lower electrode; And an upper electrode formed on the resistance variable layer in a second direction, the nanowire crossing the lower electrode and passing over the tip structure.
상기 하부전극은 상기 팁 구조의 상부 일부만 남기고 주변에 층간 절연막으로 둘러싸이고, 상기 저항 변화층은 상기 팁 구조의 상부와 상기 층간 절연막 상에 형성된 것을 본 발명에 의한 저항성 메모리 소자의 다른 특징으로 한다.The lower electrode is surrounded by an interlayer insulating film leaving only a part of an upper portion of the tip structure, and the resistance variable layer is formed on the upper part of the tip structure and on the interlayer insulating film as another feature of the resistive memory device according to the present invention.
상기 팁 구조는 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형이고, 상기 나노 와이어는 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나인 것을 본 발명에 의한 저항성 메모리 소자의 다른 특징으로 한다.The tip structure is a wedge-shaped cross section having a predetermined length in the first direction and cut in the second direction, and the nanowire is formed of a metal nanowire, a carbon nanotube , CNTs, and graphene nanoribbons. The resistive memory device according to the present invention is also characterized in that the resistive memory device according to the present invention is a resistive memory device.
상기 팁 구조는 상기 제 2 방향으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기가 10 nm 이하인 것을 본 발명에 의한 저항성 메모리 소자의 다른 특징으로 한다.The tip structure has another aspect of the resistive memory device according to the present invention in which the size of the upper end in the cross section cut in the second direction is 10 nm or less.
본 발명에 의한 메모리 어레이는 반도체 기판; 상기 반도체 기판상에 제 1 방향으로 형성된 복수 개의 비트라인들; 및 상기 복수 개의 비트라인들 상에 저항 변화층을 사이에 두고 상기 비트라인들과 교차하며 제 2 방향으로 형성된 복수 개의 워드라인들을 포함하여 구성되되, 상기 각 비트라인은 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖고 불순물이 도핑된 반도체 라인으로 형성되고, 상기 각 워드라인은 상기 복수 개의 비트라인들의 각각에 형성된 팁 구조 위를 지나는 나노 와이어로 형성된 것을 특징으로 한다.A memory array according to the present invention includes: a semiconductor substrate; A plurality of bit lines formed in the first direction on the semiconductor substrate; And a plurality of word lines crossing the bit lines with a resistance variable layer interposed therebetween and formed in a second direction on the plurality of bit lines, wherein each bit line has a tip And each of the word lines is formed of a nanowire passing over a tip structure formed on each of the plurality of bit lines.
상기 각 비트라인은 상기 반도체 기판과 일체로 연결되고 격리 절연막으로 이웃과 전기적으로 절연된 반도체 라인이 식각되어 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖고 불순물이 도핑되어 하부전극 라인으로 형성되고, 상기 복수 개의 비트라인들과 상기 저항 변화층 사이에는 상기 복수 개의 비트라인들 상에 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부만 남기고 주변을 둘러싸는 층간 절연막이 더 형성되고, 상기 저항 변화층은 상기 각 비트라인의 노출된 팁 구조 상부 일부와 상기 층간 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성되고, 상기 각 워드라인은 상기 복수 개의 비트라인들의 각각에 형성된 팁 구조 위를 지나는 상부전극 라인으로 형성된 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이의 다른 특징으로 한다.Wherein each of the bit lines is integrally connected to the semiconductor substrate and has a tip structure protruding vertically as the semiconductor line is etched away electrically insulated from the neighboring semiconductor substrate by the isolation insulating film and doped with impurities to form a lower electrode line, An interlayer insulating film is formed between the bit lines and the resistance variable layer to leave only a part of the upper portion of the tip structure of each bit line on the plurality of bit lines, And the word line is formed as an upper electrode line passing over a tip structure formed on each of the plurality of bit lines, .
상기 팁 구조는 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형이고, 상기 나노 와이어는 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나인 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이의 다른 특징으로 한다.The tip structure is a wedge-shaped cross section having a predetermined length in the first direction and cut in the second direction, and the nanowire is formed of a metal nanowire, a carbon nanotube , CNTs, and graphene nanoribbons. The memory array according to the present invention is also characterized in that:
본 발명에 의한 메모리 어레이의 제조방법은 반도체 기판을 식각하여 복수 개 컨택부들과 비트라인들이 형성될 복수 개의 반도체 라인들을 돌출시키는 제 1 단계; 상기 반도체 기판상에 제 1 절연물질을 증착하고 식각하여 상기 복수 개의 반도체 라인들의 상부가 드러나며 서로 절연되도록 격리 절연막을 형성하는 제 2 단계; 상기 복수 개의 반도체 라인들의 상부에 돌출 패턴을 형성하는 제 3 단계; 상기 돌출 패턴을 이용하여 각 비트라인이 형성될 부분의 상부에 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 형성하는 제 4 단계; 상기 복수 개의 반도체 라인들 상부에 이온주입 하여 복수 개의 컨택부들과 비트라인들을 형성하는 제 5 단계; 상기 각 비트라인의 노출된 팁 구조 상부 일부를 포함한 기판상에 저항 변화 물질을 증착하여 저항 변화층을 형성하고, 상기 각 컨택부에 이르도록 복수 개의 컨택홀들을 형성하는 제 6 단계; 및 상기 저항 변화층 상에 나노 와이어로 복수 개의 워드라인들을 형성하고, 상기 복수 개의 워드라인들의 컨택부들과 상기 복수 개의 컨택홀들에 채워진 복수개의 비트라인 컨택들을 형성하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a memory array according to the present invention includes: a first step of etching a semiconductor substrate to protrude a plurality of semiconductor lines to be formed with a plurality of contacts and bit lines; A second step of depositing and etching a first insulating material on the semiconductor substrate to form an isolation insulating film so that the upper portions of the plurality of semiconductor lines are exposed and insulated from each other; A third step of forming protruding patterns on the plurality of semiconductor lines; A fourth step of forming a tip structure protruding upward from the upper portion of the portion where each bit line is to be formed by using the protruding pattern; Implanting ions onto the plurality of semiconductor lines to form a plurality of contacts and bit lines; Depositing a resistance change material on a substrate including a part of the exposed tip structure of each bit line to form a resistance variable layer and forming a plurality of contact holes to reach the respective contact portions; And a seventh step of forming a plurality of word lines with nanowires on the resistance variable layer and forming a plurality of bit line contacts filled in the contact parts of the plurality of word lines and the plurality of contact holes .
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 직사각형의 모양으로 하나 형성되고, 상기 제 7 단계의 상기 각 워드라인은 쐐기형 팁 구조를 갖는 상기 각 비트라인과 수직으로 교차하도록 형성하는 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The protrusion patterns of the third step are formed in a rectangular shape and the word lines of the seventh step are formed so as to intersect perpendicularly to the respective bit lines having the wedge type tip structure, Another aspect of the array manufacturing method is as follows.
상기 제 5 단계와 상기 제 6 단계 사이에는 상기 복수 개의 컨택부들과 비트라인들의 상부와 상기 격리 절연막 상에 제 2 절연물질을 증착하고 상기 제 2 절연물질 및 상기 격리 절연막을 식각하여 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부만 남기고 주변에 제 2 절연물질로 둘러싸는 층간 절연막을 형성하는 단계를 더 진행하되, 상기 제 2 절연물질은 상기 제 1 절연물질과 동일하고, 상기 제 2 절연물질을 증착하고 평탄화 공정을 더 진행한 후 식각하여 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부를 돌출시키는 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.Depositing a second insulating material on top of the plurality of contacts and the bit lines and the isolation insulator between the fifth step and the sixth step and etching the second insulator and the isolation insulator, Further comprising the step of forming an interlayer insulating film surrounding the second insulating material while leaving only a part of an upper portion of the tip structure of the first insulating material, wherein the second insulating material is the same as the first insulating material, And then etching a portion of the bit line to protrude a part of the tip structure of the bit line.
상기 제 7 단계의 상기 각 워드라인은 상기 나노 와이어로 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나를 전사하여 형성하는 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The word lines in the seventh step are formed by transferring any one of a metal nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene nanoribbon to the nanowire. Another aspect of the method of manufacturing a memory array according to the present invention is as follows.
상기 제 4 단계의 상기 팁 구조의 형성은 상기 복수 개의 반도체 라인들 및/또는 상기 돌출 패턴을 이방성 식각으로 형성하는 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The formation of the tip structure in the fourth step is another feature of the method of manufacturing a memory array according to the present invention that the plurality of semiconductor lines and / or the protruding pattern is formed by anisotropic etching.
상기 팁 구조는 상기 각 반도체 라인과 수직으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기가 10 nm 이하인 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The tip structure has another aspect of the method of manufacturing a memory array according to the present invention in which the size of the upper end in the cross section perpendicular to the semiconductor lines is 10 nm or less.
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 반도체 물질로 형성된 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The protruding pattern of the third step is formed of a semiconductor material, which is another feature of the method of manufacturing a memory array according to the present invention.
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 식각 마스크인 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The protruding pattern in the third step is an etch mask, which is another feature of the method for manufacturing a memory array according to the present invention.
상기 식각 마스크는 사진 식각 공정, 측벽(sidewall) 패터닝 공정 및 이빔(e-beam) 공정 중 어느 하나로 형성하는 것을 본 발명에 의한 메모리 어레이 제조방법의 다른 특징으로 한다.The etch mask may be formed by any one of a photolithography process, a sidewall patterning process, and an e-beam process, according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 반도체 기판을 식각하여 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖는 하부전극으로 하고, 나노 와이어를 상부전극으로 하여 서로 교차하는 위치에 저항성 메모리 소자가 형성되도록 함으로써, 각 메모리 셀의 면적을 수 nm X 수 nm 수준으로 극소화할 수 있게 되어, 높은 저항 상태와 낮은 저항 상태에서의 저항값의 산포를 개선할 수 있고, 동작 전압 및 전류를 낮출 수 있으며, 스위칭 속도를 향상시키고, 전체 어레이의 집적도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention is characterized in that a resistive memory element is formed at a position intersecting with a lower electrode having a tip structure protruding upward as the semiconductor substrate is etched and using the nanowire as an upper electrode, nm can be minimized to the order of several nanometers, which can improve the dispersion of the resistance value in the high resistance state and the low resistance state, lower the operating voltage and current, improve the switching speed, Can be improved.
또한, 이방성 식각으로 끝단 크기가 수 나노미터 수준의 매우 뾰족한 첨두형 구조를 갖는 하부전극을 형성할 수 있고, 상부전극은 나노 와이어 전사방법으로 용이하게 형성할 수 있으므로, 전체적으로 기존 실리콘 공정과의 호완성이 높은 공정을 설계할 수 있게 되어 공정의 용이성, 경제성 및 높은 수율을 확보할 수 있는 효과도 있다.In addition, since an anisotropic etching can form a lower electrode having a very sharp peak-like structure with a tip size of several nanometers and an upper electrode can be easily formed by a nanowire transfer method, It is possible to design a process with a high degree of completion, and thus it is possible to secure easiness of process, economical efficiency, and high yield.
도 1은 종래 저항성 메모리 소자의 기본구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 구조를 갖는 저항성 메모리 소자의 스위칭 동작 특성을 보여주는 개념도이다.
도 3은 저항성 메모리 소자의 인가 전압에 따른 리셋 시간과 에너지 관계를 보여주는 전기적 특성도이다.
도 4는 종래 저항성 메모리 소자를 단위 메모리 셀로 하는 메모리 어레이다.
도 5 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이의 제조공정을 보여주는 공정 사시도 및 일부 AA'선 단면도이다.
도 15는 도 14의 AA'선과 BB'선 단면도이다.
도 16은 종래 저항성 메모리 소자가 형성되는 구조(a)와 본 발명의 일 실시예에 의하여 저항성 메모리 소자가 형성되는 구조(b)를 비교 도시한 대비도 이다.
도 17은 실리콘을 핀(fin) 모양으로 패터닝하게 되면 식각 마스크 없이도 이방성 식각을 통하여 웨지(wedge)형 팁 구조를 형성할 수 있음을 보여주는 공정 개념도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이의 제조공정으로 구현할 수 있는 나노 쐐기형 팁 구조(a)와 그 단면 확대도(b)를 보여준다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이의 제조공정으로 나노 쐐기형 팁 구조상에 상기 팁 구조와 수직한 방향으로 탄소 나노 튜브를 전사시켜 워드라인을 형성하는 예를 보여주는 공정 개념도이다.
도 20 및 도 21은 CHEMPHYSCHEM 2003, 4, pp. 131-138에 개시된 내용을 다시 그린 것으로, 이들은 HOPG 층상의 계단을 이용하면, 메탈 나노 와이어(metal nanowire)를 규칙적으로 형성시킬 수 있음을 보여주고, 이렇게 형성된 메탈 나노 와이어를 전시시켜 본 발명에 의한 메모리 어레이의 워드라인을 형성에 적용할 수 있다.1 is a cross-sectional view showing a basic structure of a conventional resistive memory device.
2 is a conceptual diagram showing switching operation characteristics of the resistive memory device having the structure of FIG.
3 is an electrical characteristic diagram showing the reset time and the energy relationship according to the applied voltage of the resistive memory device.
4 is a memory array in which a conventional resistive memory element is a unit memory cell.
FIGS. 5 to 14 are a process perspective view and a partial cross-sectional view taken along the line AA 'illustrating a manufacturing process of a memory array according to an embodiment of the present invention.
15 is a cross-sectional view taken along line AA 'and line BB' in FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a structure (a) in which a conventional resistive memory device is formed and a structure (b) in which a resistive memory device is formed according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a process conceptual view showing that a wedge-type tip structure can be formed by anisotropic etching without patterning the silicon in the form of a fin. FIG.
FIG. 18 shows a nano wedge-shaped tip structure (a) and its enlarged cross-sectional view (b) that can be implemented in a manufacturing process of a memory array according to an embodiment of the present invention.
19 is a process conceptual diagram showing an example of forming a word line by transferring carbon nanotubes in a direction perpendicular to the tip structure on a nano wedge-shaped tip structure in a manufacturing process of a memory array according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 20 and 21 are diagrams illustrating the method of the present invention as described in CHEMPHYSCHEM 2003, 4, pp. 131-138, which show that metal nanowires can be regularly formed using the stairs on the HOPG layer, and the metal nanowires thus formed are displayed, The word line of the memory array can be applied to the formation.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
먼저, 도 5 내지 16을 참조하며, 본 발명의 일 실시예에 의한 저항성 메모리 소자에 대하여 설명한다.First, referring to FIGS. 5 to 16, a resistive memory device according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 일 실시예에 의한 저항성 메모리 소자는, 도 14 내지 도 16에 예시된 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 반도체 기판(10)을 식각하여 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조(50)를 갖도록 제 1 방향으로 형성된 하부전극(22; BL); 상기 하부전극 상에 형성된 저항 변화층(80, 82; SL); 및 상기 저항 변화층 상에 상기 하부전극(22; BL)과 교차하며 상기 팁 구조(50) 위를 지나는 나노 와이어로 제 2 방향으로 형성된 상부전극(100; WL)을 포함하여 구성된다.As shown in FIGS. 14 to 16, the resistive memory device according to an embodiment of the present invention includes a
여기서, 상기 반도체 기판(10)은 실리콘 기판 이외에 게르마늄 기판 등 다른 반도체 기판이 사용될 수도 있다. 그리고, 상기 하부전극(22; BL)은, 후술하는 바와 같이, 도 5 내지 도 11을 참조하면, 상기 반도체 기판(10)을 식각하여 형성한 반도체 라인(20)에 상기 반도체 기판(10)과 극성을 반대로 갖도록 이온주입을 하여 도전성 라인으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 반도체 기판(10)이 P형 기판이면, 상기 하부전극(22; BL)은 N형 도전성 라인으로 형성될 수 있다. 물론, 그 반대로 형성될 수도 있다.Here, the
상기 하부전극(22; BL)은, 도 15 및 도 16과 같이, 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조(50)를 갖는다. As shown in FIGS. 15 and 16, the lower electrode 22 (BL) has a
상기 팁 구조(50)는 다각뿔형이나 원뿔형도 가능하나, 도 16과 같이, 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형으로 형성됨이 나노 와이어를 상부전극(100; WL)으로 함에 있어 공정상 바람직하다.As shown in FIG. 16, the
상기 팁 구조(50)는 위로 갈수록 뾰족하게 형성되어 상기 상부전극(100; WL)의 방향인 상기 제 2 방향으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기(최소 폭)가 수 나노미터(nm), 예컨대 10 nm 이하로 얼마든지 작게 형성될 수 있다.The
상기 상부전극(100; WL)도, 도 14와 같이, 직경이 수십 nm 미만인 나노 와이어(nanowire)로 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나로 형성함이 바람직하다.14, the
따라서, 도 16과 같이, 상부전극(100; WL)과 하부전극(22; BL)은 극소화된 면적으로 교차 되고, 하부전극(22; BL)의 팁 구조(50) 끝단으로 전계가 집중되도록 하여, 종래 저항성 메모리 소자가 형성되는 구조(a)에서보다 훨씬 적은 하나 또는 최소의 전도 필라멘트(CF)가 저항 변화층(82; SL)에 형성하게 되어 종래 고질적인 신뢰성 문제를 해결할 수 있게 된다.16, the upper electrode 100 (WL) and the lower electrode 22 (BL) intersect with each other in a minimized area and the electric field is concentrated to the tip of the
상기 하부전극(22; BL)은, 도 11과 같이, 상기 팁 구조(50)의 상부 일부(52)만 남기고 주변에 층간 절연막(70)으로 둘러싸이고, 상기 저항 변화층(80)은 상기 팁 구조의 상부(52)와 상기 층간 절연막(70) 상에 형성되도록 함이 바람직하다.11, the lower electrode 22 (BL) is surrounded by an
여기서, 상기 층간 절연막(70)은 공지의 절연막(상기 반도체 기판이 실리콘 기판일 경우 실리콘 산화막)일 수 있으나, 후술하는 바와 같이, 반도체 라인을 격리하기 위한 격리 절연막과 동일한 물질이 바람직하다.Here, the
상기와 같이, 상기 층간 절연막(70)을 더 형성하고, 상기 층간 절연막(70)의 적층되는 두께를 조절하면, 상기 팁 구조(50)의 상부가 노출되는 정도를 조절할 수 있으므로, 이로써 전도 필라멘트가 형성되는 영역을 2차적으로 실효적으로 제한할 수 있게 된다.As described above, when the interlayer insulating
그리고, 상기 저항 변화층(80)도 공지의 저항 변화 물질이 사용될 수 있고, 층간 절연막(70) 위로 노출된 팁 구조(50)의 높이 이상의 두께로 증착하여 평탄화 공정 등으로 상부가 평탄화된 다음, 상기 상부전극(100)이 형성될 수도 있으나(미도시), 도 12와 같이, 상기 팁 구조(50) 위에서 상부로 돌출되도록 형성하고, 도 15(a)와 같이, 상기 상부전극(100)은 상기 저항 변화층의 돌출부(82) 상에 형성되도록 할 수 있다.A known resistance change material may be used as the
다음, 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이에 대하여 설명한다.Next, a memory array according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이는 상술한 본 발명의 저항성 메모리 소자를 단위 셀 소자로 이용한 것으로, 도 14 및 도 15에 예시된 바와 같이, 반도체 기판(10); 상기 반도체 기판상에 제 1 방향으로 형성된 복수 개의 비트라인들(22); 및 상기 복수 개의 비트라인들 상에 저항 변화층(80)을 사이에 두고 상기 비트라인들(22)과 교차하며 제 2 방향으로 형성된 복수 개의 워드라인들(100)을 포함하여 구성되되, 상기 각 비트라인(22)은 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조(50)를 갖고 불순물이 도핑된 반도체 라인으로 형성되고, 상기 각 워드라인(100)은 상기 복수 개의 비트라인들(22)의 각각에 형성된 팁 구조(50) 위를 지나는 나노 와이어로 형성된다.The memory array according to an embodiment of the present invention uses the above-described resistive memory element of the present invention as a unit cell element, and as illustrated in FIGS. 14 and 15, includes a
여기서, 상기 각 비트라인(22)은, 도 6 내지 도 11과 같이, 상기 반도체 기판(10)과 일체로 연결되고 격리 절연막(30)으로 이웃과 전기적으로 절연된 반도체 라인(20)이 식각되어 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조(50)를 갖고 불순물이 도핑되어 하부전극 라인으로 형성될 수 있다. 상기 반도체 기판(10)이 P형 기판이면, 상기 각 비트라인(22; BL)은 N형 도전성 라인으로 형성될 수 있다. 물론, 그 반대로 형성될 수도 있다.6 to 11, the bit lines 22 are integrated with the
그리고, 상기 저항성 메모리 소자에 관한 실시예에서 설명한 것과 같이, 상기 팁 구조(50)는 다각뿔형이나 원뿔형도 가능하나, 도 16과 같이, 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형으로 형성됨이 나노 와이어를 상부전극인 워드라인(100; WL)으로 함에 있어 공정상 바람직하다.As described in the embodiment of the resistive memory device, the
상기 팁 구조(50)는 위로 갈수록 뾰족하게 형성되어 워드라인(100)의 방향인 상기 제 2 방향으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기(최소 폭)가 수 나노미터(nm), 예컨대 10 nm 이하로 얼마든지 작게 형성될 수 있다.The
상기 상부전극(100; WL)도, 도 14와 같이, 직경이 수십 nm 미만인 나노 와이어(nanowire)로 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나로 형성함이 바람직하다.14, the
따라서, 도 16과 같이, 각 워드라인(100; WL)과 각 비트라인(22; BL)은 극소화된 면적으로 교차 되고, 각 비트라인(22; BL)의 팁 구조(50) 끝단으로 전계가 집중되도록 하여, 종래 저항성 메모리 소자가 형성되는 구조(a)에서보다 훨씬 적은 하나 또는 최소의 전도 필라멘트(CF)가 저항 변화층(82; SL)에 형성하게 되어 종래 고질적인 신뢰성 문제를 해결할 수 있게 된다.Thus, as shown in Figure 16, each word line 100 (WL) and each bit line 22 (BL) intersect with a minimized area, and an electric field is applied to the
상기 복수 개의 비트라인들(22)과 상기 저항 변화층(80) 사이에는, 도 11 및 도 12와 같이, 상기 복수 개의 비트라인들(22) 상에 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부(52)만 남기고 주변을 둘러싸는 층간 절연막(70)이 더 형성될 수 있다.11 and 12, between the plurality of
이렇게 함으로써, 상술한 바와 같이, 상기 층간 절연막(70)의 적층되는 두께를 조절하여 상기 팁 구조(50)의 상부가 노출되는 정도를 조절할 수 있으므로, 전도 필라멘트가 형성되는 영역을 2차적으로 실효적으로 제한할 수 있게 된다.As described above, since the thickness of the
상기 저항 변화층(80)은, 도 11 및 도 12와 같이, 상기 각 비트라인(22)의 노출된 팁 구조 상부 일부(52)와 상기 층간 절연막(70) 및 상기 격리 절연막(30) 상에 형성되고, 상기 각 워드라인(100)은, 도 13 내지 도 15와 같이, 상기 복수 개의 비트라인들(22)의 각각에 형성된 팁 구조(50, 52) 위를 지나는 상부전극 라인으로 형성하게 된다.11 and 12, the
도 14 및 도 15에서 도면번호 91은 비트라인 컨택, 92는 비트라인 컨택 플러그, 101은 워드라인 컨택부, 102는 워드라인 컨택 플러그이다.In FIGS. 14 and 15,
다음, 도 5 내지 도 15를 참조하며, 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이 제조방법에 대하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a memory array according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 15. FIG.
본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이 제조방법은 상술한 본 발명의 메모리 어레이를 제조하는 방법이다.A method of manufacturing a memory array according to an embodiment of the present invention is a method of manufacturing the memory array of the present invention described above.
먼저, 도 5와 같이, 메모리 어레이가 제조될 반도체 기판(10)을 준비하고, 도 6과 같이, 상기 반도체 기판(10)을 식각하여 복수 개 컨택부들과 비트라인들이 형성될 복수 개의 반도체 라인들(20)을 돌출시킨다(제 1 단계). 상기 반도체 기판(10)은 실리콘 기판이 바람직하나, 게르마늄 기판 등 다른 반도체 기판이 사용될 수도 있다.5, the
이어, 도 7과 같이, 상기 반도체 기판(10) 상에 제 1 절연물질을 증착하고 식각하여 상기 복수 개의 반도체 라인들(20)의 상부가 드러나며 서로 절연되도록 격리 절연막(30)을 형성한다(제 2 단계). 상기 제 1 절연물질은 산화막일 수 있고, 상기 제 1 절연물질을 증착한 후에는 공지의 CMP 공정 등으로 평탄화하고, 상기 복수 개의 반도체 라인들(20)의 상부가 드러나도록 식각함이 바람직하다.7, a first insulating material is deposited on the
이후, 도 8과 같이, 상기 복수 개의 반도체 라인들(20)에 돌출 패턴(40)를 형성한다(제 3 단계). 상기 돌출 패턴(40)은 크게 2가지 중 하나로 선택하여 형성할 수 있다. 하나는 차후 돌출 패턴(40) 자체를 식각하여 팁 구조를 형성하기 위한 것이고, 이 경우 상기 돌출 패턴(40)은 상기 반도체 기판(10)과 동일한 또는 유사한 반도체 물질로 형성한다. 다른 하나는 상기 돌출 패턴(40)을 식각 마스크로 형성하여 차후 식각 마스크 주변에 드러난 반도체 라인(20)을 식각하여 팁 구조를 형성한다. 후자일 경우, 상기 식각 마스크는 건식용 마스크일 수도 있으나, 습식용 마스크로 산화물(oxide)이나 질화물(nitride)로 형성함이 바람직하다. 구체적으로 상기 식각 마스크를 형성하기 위해서는 공지의 사진 식각 공정, 측벽(sidewall) 패터닝 공정 및 이빔(e-beam) 공정 중 어느 하나를 이용할 수 있다.8, a
그리고, 상기 돌출 패턴(40)의 모양에 따라 차후 팁 구조의 형상이 결정된다. 따라서, 상기 돌출 패턴(40)은 제조하고자 하는 팁 구조의 형상에 따라 정사각형 등 정다각형, 원형, 타원형 및 직사각형 중 어느 하나의 모양으로 상기 각 반도체 라인(20)의 길이방향으로 하나 또는 복수 개로 형성되게 할 수 있다. 그런데, 차후 나노 와이어를 상부전극인 워드라인(100; WL)으로 형성하게 되므로, 팁 구조는, 도 16과 같이, 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형으로 형성하는 것이 바람직하다.Then, the shape of the tip structure is determined in accordance with the shape of the protruding
이러한 이유로, 상기 돌출 패턴(40)은, 도 8과 같이, 상기 각 반도체 라인(20)마다 그 길이방향으로 소정의 길이를 갖는 직사각형으로 하나씩 형성함이 바람직하다.For this reason, as shown in FIG. 8, the protruding
다음, 도 9와 같이, 상기 돌출 패턴(40)을 이용하여 각 비트라인이 형성될 부분의 상부에 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조(50)를 형성한다(제 4 단계). 즉, 상기 돌출 패턴(40)이 반도체 물질로 형성된 경우에는 상기 돌출 패턴(40)과 드러난 반도체 라인들(20)을 식각하여 상기 팁 구조(50)를 형성하고, 상기 돌출 패턴(40)이 식각 마스크로 형성된 경우에는 식각 마스크 주변으로 드러난 반도체 라인들(20)을 식각하여 상기 팁 구조(50)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 9, the
도 9에서는, 도 8과 같이, 각 반도체 라인(20)에 소정의 길이를 가지고 단면이 삼각형인 하나의 웨지(wedge)형으로 팁 구조(50)가 형성된 예를 보여준다. 9 shows an example in which a
상기 제 4 단계에서 상기 팁 구조를 형성하기 위해 상기 복수 개의 반도체 라인들(20) 및/또는 상기 돌출 패턴(40)을 식각하는 경우에는 이방성 식각으로 함이 바람직하다. 여기서, 이방성 식각이라 함은 반도체의 결정면에 따라 식각 속도에 차이가 발생하는 것을 이용하는 것을 말한다. 이는 수직으로 식각하는 건식식각과 같이 방향성이 명확한 비등방성 식각과 식각 화합물이 접촉하게 되는 모든 영역에 골고루 식각하는 등방성 식각과는 다르다. 상기 이방성 식각 중에 이방성 습식식각이 더욱 바람직하고, 상기 반도체 라인들(20) 및/또는 상기 돌출 패턴(40)이 실리콘으로 형성된 경우에는 TMAH, KOH 등과 같은 용액으로 이방성 습식식각을 진행하면, 상측 끝단 크기(상기 제 2 방향으로 절단된 단면에서 상측 끝단, 즉 최소 폭)가 수 나노미터(nm), 예컨대 10 nm 이하로 매우 뽀족한 첨두형 팁 구조(50)를 구현할 수 있다.In the fourth step, when the plurality of
도 17은 실리콘을 핀(fin) 모양으로 패터닝하고 이방성 식각을 하게 되면, 식각 마스크 없이도 이방성 식각을 통하여 웨지(wedge)형 팁 구조를 형성할 수 있음을 보여주는 공정 개념도인데, 이는 상술한 바와 같이, 상기 돌출 패턴(40)을 식각 마스크가 아닌 상기 반도체 기판(10)과 동일한 또는 유사한 반도체 물질로 형성한 후, 이방성 식각을 하게 될 경우에도 원하는 팁 구조(50)를 형성할 수 있음을 보여준다.17 is a process conceptual view showing that a wedge-type tip structure can be formed by anisotropic etching without patterning an anisotropic etch mask by patterning silicon into a fin shape, as described above, It is possible to form the desired
이어, 도 10과 같이, 상기 복수 개의 반도체 라인들(20) 상부에 이온주입 하여 복수 개의 컨택부들과 비트라인들을 형성한다(제 5 단계). 여기서의 이온주입공정은 돌출된 팁 구조(50) 뿐만 아니라 반도체 라인들(20) 상부의 전기 전도도를 높여 도전성 라인(즉, 하부전극 라인)으로 복수 개의 컨택부들과 비트라인들을 형성하고, 하부 반도체 라인들(20)과 반도체 기판(10)과 절연을 위한 것이므로, 상기 반도체 기판(10)이 P형 기판이면, N형으로 복수 개의 컨택부들과 비트라인들을 형성하게 된다. 물론, 그 반대로 형성될 수도 있다.Next, as shown in FIG. 10, ion implantation is performed on the plurality of
이후 다음 단계로 진행하기 이전에, 도 11과 같이, 상기 복수 개의 컨택부들과 비트라인들(22)의 상부와 상기 격리 절연막(30) 상에 제 2 절연물질을 증착하고 상기 제 2 절연물질 및 상기 격리 절연막(30)을 식각하여 상기 각 비트라인(22)의 팁 구조 상부 일부(52)만 남기고 주변에 제 2 절연물질로 둘러싸는 층간 절연막(70)을 형성하는 것이 바람직하다. 다만, 후속 공정에서 워드라인들(100)을 돌출된 팁 구조(50)를 감쌀 수 있는 물질로 형성하지 않을 경우에는 본 추가 공정은 생략할 수 있다.11, a second insulating material may be deposited on the
도 11(b)는 도 11(a)의 AA'선 단면도이다. 도 11(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 층간 절연막(70)의 두께를 조절하여 상기 팁 구조(50)의 상부가 노출되는 정도를 조절할 수 있으므로, 이로써 전도성 필라멘트가 형성되는 영역을 2차적으로 실효적으로 제한할 수 있게 된다.11 (b) is a sectional view taken along line AA 'in Fig. 11 (a). As can be seen from FIG. 11 (b), the thickness of the
그리고, 상기 제 2 절연물질은 상기 격리 절연막(30)을 형성하기 위한 상기 제 1 절연물질과 동일한 물질로 함이 바람직하고, 이때 상기 제 2 절연물질 및 상기 격리 절연막(30)의 식각 공정은 상기 제 2 절연물질을 증착하고 평탄화 공정을 더 진행한 후 식각함으로써, 도 11(b)와 같이, 층간 절연막(70)과 격리 절연막(30)이 수평 상태를 유지하며 식각되어 상기 각 비트라인(22)의 팁 구조 상부 일부(52)를 돌출시키도록 함이 바람직하다.The second insulating material may be the same material as the first insulating material for forming the
다음, 도 12와 같이, 상기 각 비트라인(22)의 노출된 팁 구조 상부 일부(52)와 상기 층간 절연막(70) 및 상기 격리 절연막(30) 상에 저항 변화 물질을 증착하여 저항 변화층(80, 82)을 형성하고, 상기 각 컨택부에 이르도록 복수 개의 컨택홀들(60)을 형성한다(제 6 단계).12, a resistance change material is deposited on the
여기서, 상기 저항 변화층(80, 82)도 공지의 저항 변화 물질이 사용될 수 있고, 층간 절연막(70) 위로 노출된 팁 구조(50)의 높이 이상의 두께로 증착하여 평탄화 공정 등으로 상부를 평탄화시키고 이후 워드라인들(100)을 형성하기 위한 공정을 진행할 수도 있으나(미도시), 도 12와 같이, 상기 팁 구조(50) 위에서 상부로 돌출되도록 형성하고, 도 12(b)와 같이, 일정두께로 저항 변화층(80, 82)을 형성하여, 층간 절연막(70) 위로 노출된 팁 구조(50)에서 저항 변화층의 돌출부(82)가 형성되도록 하고, 도 13과 같이, 후속 공정에서 워드라인들(100)이 상기 저항 변화층의 돌출부(82) 위에 형성되도록 할 수 있다.The resistance change layers 80 and 82 may be made of a known resistance change material and may be deposited to a thickness not less than the height of the
이후, 도 15와 같이, 상기 저항 변화층(82) 상에 나노 와이어로 복수 개의 워드라인들(100)을 형성하고, 상기 복수 개의 워드라인들의 컨택부들(101)과 상기 복수 개의 컨택홀들에 채워진 복수개의 비트라인 컨택들(91)을 형성한다(제 7 단계).Thereafter, as shown in FIG. 15, a plurality of
여기서, 상기 각 워드라인(100)은 상기 나노 와이어로 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나를 전사하여 형성할 수 있다.Each of the word lines 100 may be formed by transferring one of a metal nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene nanoribbon to the nanowire .
도 19는 본 발명의 일 실시예에 의한 메모리 어레이의 제조공정으로 나노 쐐기형 팁 구조(50)를 덮은 돌출된 저항 변화층(82) 상에 상기 팁 구조(50)와 수직한 방향으로 탄소 나노 튜브(110)를 전사시켜 워드라인(100)을 형성하는 예를 보여준다.FIG. 19 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a memory array according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 19, a carbon nano-structure is formed on a protruded resistance-
도 19(a)는 석영기판(1) 상에서 수은으로 성장시킨 단중벽 탄소 나노 튜브(single-walled carbon nanotube, SWNT; 110)을 보여주고, 도 19(b)는 상기 탄소나노튜브(110) 상에 골드필름(gold film)이나 PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 폴리머 코팅으로 박막(2)을 형성한 것을 보여주고, 도 19(c)는 상기 박막(2)을 접착테이프 등을 이용 상기 박막 위에 붙인 뒤 석영기판(1)으로부터 떼어내어 내는 모습을 도시한 것이고, 도 19(d)는 떼어낸 탄소 나노 튜브(110) 예컨대, 접착테이프/PMMA/SWNT(2)를 떼어낸 것을 반도체 기판(10) 위의 나노 쐐기형 팁 구조(50)를 덮은 돌출된 저항 변화층(82) 상에 상기 팁 구조(50)와 수직한 방향으로 위치시키는 모습을 도시한 것이다. 따라서, 상기 과정을 거친 다음, 100℃의 소정의 핫 플레이트 위에서 접착테이프를 서서히 벗겨내고, 마지막으로 아세톤을 이용하여 PMMA를 제거하게 되면, 석영기판(1) 위에 합성되었던 SWNT(110)가 워드라인(100)으로 그대로 전사하게 된다.19A shows a single-walled carbon nanotube (SWNT) 110 grown on a
도 20 및 도 21은 그래핀(graphene)의 균일한 편향성 스텝 엣지(step edge)을 갖는 층상구조 형태인 HOPG(highly ordered pyrolysis graphite)에 나노입자가 각 스텝 엣지를 따라 전기화학적 스텝 엣지 장식법(ESED)에 의거하여 전착(electrodeposition)하는 것을 이용하여 원하는 직경을 갖는 균질의 금속 나노 와이어를 생성할 수 있음을 보여준다. 이에 대해서는 CHEMPHYSCHEM 2003, 4, pp. 131-138에 개시된 내용을 참조할 수 있다.Figures 20 and 21 illustrate how nanoparticles are deposited on highly ordered pyrolysis graphite (HOPG) in the form of a layered structure with uniformly biased step edges of graphene along the respective step edges by electrochemical step edge decorating Electrodeposition based on ESED can be used to produce homogeneous metal nanowires with desired diameters. For this, see
이 경우에도 도 19와 유사한 방식으로, 즉 골드필름이나 PMMA 막을 HOPG 기판 위에 형성하고 스카치 테이프와 같은 접착테이프 등을 이용하여 메탈 나노 와이어를 본 발명에 의한 메모리 어레이의 워드라인(100)로 전사할 수 있다.19, a gold film or a PMMA film is formed on the HOPG substrate and the metal nanowires are transferred to the
10: 반도체 기판
20: 반도체 라인
22: 하부전극, 비트라인
30: 격리 절연막
40: 돌출 패턴
50: 팁 구조
52: 노출된 팁 구조의 상부 일부
60: 컨택홀
70: 층간 절연막
80: 저항 변화층
82, 84: 저항 변화층의 돌출부
92: 비트라인 컨택 플러그
100: 상부전극, 워드라인
110: 탄소 나노 튜브10: semiconductor substrate
20: semiconductor line
22: lower electrode, bit line
30: Isolation insulating film
40: protruding pattern
50: Tip structure
52: a top portion of the exposed tip structure
60: contact hole
70: Interlayer insulating film
80: resistance variable layer
82, 84: protrusion of the resistance variable layer
92: bit line contact plug
100: upper electrode, word line
110: Carbon nanotubes
Claims (16)
상기 하부전극 상에 형성된 저항 변화층; 및
상기 저항 변화층 상에 상기 하부전극과 교차하며 상기 팁 구조 위를 지나는 나노 와이어로 제 2 방향으로 형성된 상부전극을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 소자.
A lower electrode formed in a first direction so as to have a tip structure protruding vertically as the semiconductor substrate is etched;
A resistance-variable layer formed on the lower electrode; And
And an upper electrode formed on the resistance variable layer in a second direction with nanowires crossing the lower electrode and over the tip structure.
상기 하부전극은 상기 팁 구조의 상부 일부만 남기고 주변에 층간 절연막으로 둘러싸이고,
상기 저항 변화층은 상기 팁 구조의 상부와 상기 층간 절연막 상에 형성된 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the lower electrode is surrounded by an interlayer insulating film around the tip structure,
Wherein the resistance variable layer is formed on the upper portion of the tip structure and on the interlayer insulating film.
상기 팁 구조는 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형이고,
상기 나노 와이어는 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the tip structure is of a wedge shape having a predetermined length in the first direction and having a triangular cross section cut in the second direction,
Wherein the nanowire is one of a metal nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene nanoribbon.
상기 팁 구조는 상기 제 2 방향으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기가 10 nm 이하인 것을 특징으로 하는 저항성 메모리 소자.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the tip structure has a top end size of 10 nm or less in a cross section cut in the second direction.
상기 반도체 기판상에 제 1 방향으로 형성된 복수 개의 비트라인들; 및
상기 복수 개의 비트라인들 상에 저항 변화층을 사이에 두고 상기 비트라인들과 교차하며 제 2 방향으로 형성된 복수 개의 워드라인들을 포함하여 구성되되,
상기 각 비트라인은 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖고 불순물이 도핑된 반도체 라인으로 형성되고,
상기 각 워드라인은 상기 복수 개의 비트라인들의 각각에 형성된 팁 구조 위를 지나는 나노 와이어로 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
A semiconductor substrate;
A plurality of bit lines formed in the first direction on the semiconductor substrate; And
And a plurality of word lines crossing the bit lines and formed in a second direction with the resistance variable layer therebetween on the plurality of bit lines,
Wherein each of the bit lines has a tip structure protruding in an upward direction and is formed of a semiconductor line doped with impurities,
Wherein each word line is formed of a nanowire extending over a tip structure formed in each of the plurality of bit lines.
상기 각 비트라인은 상기 반도체 기판과 일체로 연결되고 격리 절연막으로 이웃과 전기적으로 절연된 반도체 라인이 식각되어 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 갖고 불순물이 도핑되어 하부전극 라인으로 형성되고,
상기 복수 개의 비트라인들과 상기 저항 변화층 사이에는 상기 복수 개의 비트라인들 상에 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부만 남기고 주변을 둘러싸는 층간 절연막이 더 형성되고,
상기 저항 변화층은 상기 각 비트라인의 노출된 팁 구조 상부 일부와 상기 층간 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성되고,
상기 각 워드라인은 상기 복수 개의 비트라인들의 각각에 형성된 팁 구조 위를 지나는 상부전극 라인으로 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
6. The method of claim 5,
Each of the bit lines is integrally connected to the semiconductor substrate. The semiconductor line is electrically insulated from the neighboring semiconductor substrate by an isolation insulating film. The bit line is etched to have a tip structure protruding vertically. The bit line is doped with impurities to form a lower electrode line.
Between the plurality of bit lines and the resistance variable layer, an interlayer insulating film is formed on the plurality of bit lines so as to surround only the upper portion of the tip structure of each bit line,
Wherein the resistance variable layer is formed on an upper portion of an exposed tip structure of each bit line, the interlayer insulating film, and the isolation insulating film,
Wherein each word line is formed as an upper electrode line extending over a tip structure formed in each of the plurality of bit lines.
상기 팁 구조는 상기 제 1 방향으로 소정의 길이를 갖고 상기 제 2 방향으로 절단된 단면이 삼각형인 웨지(wedge)형이고,
상기 나노 와이어는 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
The method according to claim 5 or 6,
Wherein the tip structure is of a wedge shape having a predetermined length in the first direction and having a triangular cross section cut in the second direction,
Wherein the nanowire is one of a metal nanowire, a carbon nanotube (CNT), and a graphene nanoribbon.
상기 반도체 기판상에 제 1 절연물질을 증착하고 식각하여 상기 복수 개의 반도체 라인들의 상부가 드러나며 서로 절연되도록 격리 절연막을 형성하는 제 2 단계;
상기 복수 개의 반도체 라인들의 상부에 돌출 패턴을 형성하는 제 3 단계;
상기 돌출 패턴을 이용하여 각 비트라인이 형성될 부분의 상부에 위로 갈수록 뾰족하게 돌출된 팁 구조를 형성하는 제 4 단계;
상기 복수 개의 반도체 라인들 상부에 이온주입 하여 복수 개의 컨택부들과 비트라인들을 형성하는 제 5 단계;
상기 각 비트라인의 노출된 팁 구조 상부 일부를 포함한 기판상에 저항 변화 물질을 증착하여 저항 변화층을 형성하고, 상기 각 컨택부에 이르도록 복수 개의 컨택홀들을 형성하는 제 6 단계; 및
상기 저항 변화층 상에 나노 와이어로 복수 개의 워드라인들을 형성하고, 상기 복수 개의 워드라인들의 컨택부들과 상기 복수 개의 컨택홀들에 채워진 복수개의 비트라인 컨택들을 형성하는 제 7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
A first step of etching a semiconductor substrate to project a plurality of semiconductor lines to be formed with a plurality of contact portions and bit lines;
A second step of depositing and etching a first insulating material on the semiconductor substrate to form an isolation insulating film so that the upper portions of the plurality of semiconductor lines are exposed and insulated from each other;
A third step of forming protruding patterns on the plurality of semiconductor lines;
A fourth step of forming a tip structure protruding upward from the upper portion of the portion where each bit line is to be formed by using the protruding pattern;
Implanting ions onto the plurality of semiconductor lines to form a plurality of contacts and bit lines;
Depositing a resistance change material on a substrate including a part of the exposed tip structure of each bit line to form a resistance variable layer and forming a plurality of contact holes to reach the respective contact portions; And
And a seventh step of forming a plurality of word lines with nanowires on the resistance variable layer and forming a plurality of bit line contacts filled in the contact parts of the plurality of word lines and the plurality of contact holes Wherein said method comprises the steps of:
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 직사각형의 모양으로 하나 형성되고,
상기 제 7 단계의 상기 각 워드라인은 쐐기형 팁 구조를 갖는 상기 각 비트라인과 수직으로 교차하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The protruding pattern of the third step is formed in a shape of a rectangle,
Wherein each word line of the seventh step is formed to intersect perpendicularly to each bit line having a wedge-shaped tip structure.
상기 제 5 단계와 상기 제 6 단계 사이에는 상기 복수 개의 컨택부들과 비트라인들의 상부와 상기 격리 절연막 상에 제 2 절연물질을 증착하고 상기 제 2 절연물질 및 상기 격리 절연막을 식각하여 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부만 남기고 주변에 제 2 절연물질로 둘러싸는 층간 절연막을 형성하는 단계를 더 진행하되,
상기 제 2 절연물질은 상기 제 1 절연물질과 동일하고,
상기 제 2 절연물질을 증착하고 평탄화 공정을 더 진행한 후 식각하여 상기 각 비트라인의 팁 구조 상부 일부를 돌출시키는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Depositing a second insulating material on top of the plurality of contacts and the bit lines and the isolation insulator between the fifth step and the sixth step and etching the second insulator and the isolation insulator, Further comprising the step of forming an interlayer insulating film surrounding only the upper portion of the tip structure and surrounded by the second insulating material,
Wherein the second insulating material is the same as the first insulating material,
Depositing the second insulating material, further performing a planarization process, and etching the second insulating material to partially protrude a top portion of the tip structure of each bit line.
상기 제 7 단계의 상기 각 워드라인은 상기 나노 와이어로 메탈 나노 와이어(metal nanowire), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT) 및 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon) 중 어느 하나를 전사하여 형성하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
9. The method of claim 8,
The word lines in the seventh step are formed by transferring any one of a metal nanowire, a carbon nanotube (CNT) and a graphene nanoribbon to the nanowire Wherein said method comprises the steps of:
상기 제 4 단계의 상기 팁 구조의 형성은 상기 복수 개의 반도체 라인들 및/또는 상기 돌출 패턴을 이방성 식각으로 형성하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
The method according to any one of claims 8 to 11,
Wherein the formation of the tip structure in the fourth step forms anisotropic etching of the plurality of semiconductor lines and / or the protruding pattern.
상기 팁 구조는 상기 각 반도체 라인과 수직으로 절단된 단면에서 상측 끝단 크기가 10 nm 이하인 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the tip structure has a top end size of 10 nm or less in a cross section perpendicular to the semiconductor lines.
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 반도체 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the protruding pattern of the third step is formed of a semiconductor material.
상기 제 3 단계의 상기 돌출 패턴은 식각 마스크인 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the protruding pattern in the third step is an etch mask.
상기 식각 마스크는 사진 식각 공정, 측벽(sidewall) 패터닝 공정 및 이빔(e-beam) 공정 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이의 제조방법.16. The method of claim 15,
Wherein the etch mask is formed by any one of a photolithography process, a sidewall patterning process, and an e-beam process.
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