KR20160142424A

KR20160142424A - 크로스바 어레이 구조의 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리

Info

Publication number: KR20160142424A
Application number: KR1020150077669A
Authority: KR
Inventors: 박형호; 이홍섭
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-13

Abstract

크로스바 어레이 구조의 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리가 제공된다. 본 발명에 따른 다층 박막 구조는 상부 전극, 중간층 및 하부 전극을 포함하고, 상기 중간층은 페로브스카이트 구조로서 p-타입 층, 강유전체층 및 n-타입 층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다층 박막 구조를 이용하면 크로스 어레이 구조에서 저 전력 동작이 가능하고 스니크 전류의 양을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 다층 박막 구조를 이용하면 전류량에 관계없이 전압만으로 저항변화 특성을 얻어낼 수 있으므로 저전력 동작이 가능하고, 매우 낮은 전류 레벨에서 동작이 가능하므로 전압 강하가 최소화된 쓰기 동작이 가능하다.

Description

크로스바 어레이 구조의 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리 {Multi-layer thin film structure used in ReRAM having cross-point array structure and ReRAM using the multi-layer thin film structure}

본 발명은 크로스바 어레이 구조의 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리에 관한 것이다.

최근 미디어의 발달 등으로 인하여 고집적, 저전력, 비휘발 특성의 차세대 메모리가 절실히 요구되고 있다. 현재 연구되고 있는 차세대 메모리에는 ferroelectric RAM(FeRAM), phase change RAM(PCRAM), magnetic RAM(MRAM), resistive RAM(ReRAM)등이 있는데, 이들은 메모리 이름에서도 알 수 있듯이 기존의 차지 트랩(charge trap) 방식이 아닌 재료의 상태변화를 이용하는 메모리로써 재료의 특성이 차세대 메모리 실현에 중요한 요소가 된다.

한편으로, 메모리의 재료특성만큼 주목받는 것이 차세대 메모리 구조인 크로스 포인트 어레이(cross point array) 구조인데 차세대 메모리 후보 중 ReRAM이 크로스 포인트 어레이 구조를 구현하는데 가장 근접해 있는 것으로 알려져 있다. 크로스 포인트 어레이 구조는 기존에 각 셀마다 필요했던 셀 선택 트랜지스터 없이 워드 라인(word line)과 비트 라인(bit line) 만으로 동작하기 때문에 가장 높은 집적도를 구현할 것으로 기대되는 구조이다.

하지만 도 1a와 같이 크로스 포인트 어레이 구조는 셀 선택 트랜지스터 없이 워드 라인(word line)과 비트 라인(bit line) 만으로 동작하기 때문에 크로스 토크(cross talk)가 발생하게 되고, 크로스 포인트 어레이 구조를 구현하는데 큰 걸림돌이 되고 있다. 즉, 크로스 토크란 읽기와 쓰기 같은 구동과정에서 셀 간의 간섭을 의미한다. 도 1a와 같은 크로스 포인트 어레이 구조에서는 읽기 쓰기 동작에서 워드 라인과 비트 라인에 전압을 걸어 셀 선택을 하여야 하는데 이때 선택된 셀의 비트 라인과 워드 라인을 공유하는 셀들은 1/2 읽기전압 또는 1/2 쓰기 전압을 받게된다. 이 경우 도 1a와 같이 전류 경로 B를 통하여 1/2 전압에 해당하는 스니크 전류(스니크 전류)가 발생한다. 이 스니크 전류는 읽기과정에서 검출 차이(sensing margin)를 갉아먹으며 쓰기 과정에서 전압 강하를 야기하는데, 도 1b와 같이 선택된 셀의 전류 경로 A는 스니크 전류(전류 경로 B))와 병렬구조를 이루기 때문에 ‘N’의 수가 커질수록 스니크 전류는 커지게 된다.

이러한 현상은 고집적 N을 갖는 크로스 포인트 어레이 구조의 구현에 있어 가장 큰 기술적 문제점으로 작용하고 있으며, 종래의 전이금속 산화물의 ReRAM 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 비선형 특성을 제안한 바 있다. 비선형 특성은 저항변화 물질에 추가적으로 전위 장벽(전위 장벽)을 적층하여 I-V 커브에서 커브의 기울기를 높임으로서 1/2 전압에서 멤리스터(memristor)를 통과하는 전류를 최소화하는 방법이다. 이 경우 기울기가 높을수록 N x N 어레이에서 N을 높일 수 있다. 하지만, 기존의 레독스(redox) 기반의 저항변화 특성의 경우, 전류의 제어가 필요하기 때문에 스니크 전류의 양을 최소화하는데 한계가 있고 저전력 동작도 곤란하다는 단점이 있다. 또한, 내구성 측면에서 기존의 DRAM을 따라잡을 수 없다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 종래의 ReRAM이 갖는 문제점을 해결하고, 크로스 어레이 구조에서 저 전력 동작이 가능하고 스니크 전류의 양을 최소화할 수 있는 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조는 상부 전극, 중간층 및 하부 전극을 포함하고,

상기 중간층은 페로브스카이트 구조로서 p-타입 층, 강유전체층 및 n-타입 층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 p-타입 층은 R_1-xA_xMnO₃계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0 < x < 0.5)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 p-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr_1-xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La_1-xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La₁ _- _xCa_xMnO₃), 란타늄바륨망가나이트란타늄(La_1-xBa_xMnO₃) (단, 0 < x < 0.5) 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 n-타입 층은 R_1- _xA^xMnO₃ _- _y계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0.6 < x < 1) 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트(Nb doped SrTiO₃)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 n-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr₁ _- _xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La_1-xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La₁ _- _xCa_xMnO₃), 란타늄바륨망가나이트란타늄(La_1-xBa_xMnO₃) (단, 0.6 < x < 1) 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트(Nb doped SrTiO₃)중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 강유전체층은 BaTiO₃인 것이 바람직하다.

또한, 상기 강유전체층의 두께는 3 nm ~ 10 nm 것이 바람직하다.

또한, 상기 p-type 층의 조성 x가 0에 가까울수록 그리고 n-type 층의 조성 x가 1에 가까 울수록 큰 저항변화를 얻을수 있다.

또한, 본 발명은 앞에서 설명한 다층 박막 구조를 포함하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리는 크로스 어레이 구조에서 저 전력 동작이 가능하고 스니크 전류의 양을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다층 박막 구조를 이용하면 전류량에 관계없이 전압만으로 저항변화 특성을 얻어낼 수 있으므로 저전력 동작이 가능하고, 매우 낮은 전류 레벨에서 동작이 가능하므로 전압 강하가 최소화된 쓰기 동작이 가능하다.

도 1a는 크로스바 어레이 구조에서 스트크 전류의 흐름을 도시하는 모식도;
도 1b는 크로스바 어레이 구조의 회로를 도시하는 모식도;
도 1c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극/절연층/전극 구조에서 전극 1에 음의 전압을 인하한 경우의 터널링 전도 기구 및 밴드 모식도;
도 1d는 전류 전압 곡선 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면;
도 1e는 전극/강유전층/전극 구조에서 강유전 분극에 따른 포텐셜 배리어의 높이변화를 도시하는 모식도;
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조를 도시하는 모식도;
도 2b는 도 2a에 도시된 구조의 GIWAXD 측정결과를 도시하는 도면;
도 2c는 도 2a에 도시된 구조의 입사각 0.0001°에서 GIWAXD를 측정한 결과를 도시하는 도면;
도 2d는 도 2a에 도시된 구조의 입사각 0.02°에서 GIWAXD를 측정한 결과를 도시하는 도면;
도 2e는 도 2a에 도시된 구조의 입사각 0.7°에서 GIWAXD를 측정한 결과를 도시하는 도면;
도 2f는 도 2a에 도시된 구조의 입사각 0.04°에서 입사각 0.24°까지의 GIWAXD를 측정한 결과를 도시하는 도면;
도 2g는 도 2f의 GIWAXD 이미지를 도시하는 도면;
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr_0.98Ca_0.02MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조의 secondary cut-off 데이터를 도시하는 도면;
도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr_0.98Ca_0.02MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조의 valence band 데이터를 도시하는 도면;
도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조의 NEXAFS 데이터를 1차 미분한 값을 도시하는 도면;
도 3d는 도 1a, b, c에 도시된 데이터를 이용하여 구성한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr_0.98Ca_0.02MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조의 밴드 모식도;
도 3e는 강유전 분극 방향에 따라 낮아진 강유전 터널 베리어의 밴드모식도
도 3f는 강유전 분극 방향에 따라 높아진 강유전 터널 베리어의 밴드모식도
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr_0.98Ca_0.02MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조에서 +1.5, -1.5 V 전압을 가했을 때 전류전압 곡선을 도시하는 도면;
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조에서 +2 -2 V 전압을 가했을 때 전류전압 곡선을 도시하는 도면;
도 4c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조에서 +2.5, -2.5 V 전압을 가했을 때 전류전압을 도시하는 도면;
도 4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr_0.98Ca_0.02MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조에서 +2.5, -2.5 V 전압을 가했을 때의 전류전압 곡선에 시뮬레이션 전류전압 곡선을 피팅한 그래프;
도 4e는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃/BaTiO₃/ Pr_0.02Ca_0.98MnO₃/Pt 구조에서 두께변화에 따라 변화하는 전류전압 곡선을 도시하는 도면이다.

본 발명은 강유전성 터널 접합(ferroelectric tunnel junction; FTJ)의 터널 전기저항(tunnel electroresistance; TER)을 이용한 비선형 특성의 저항 변화(resistive switching) 특성을 크로스 포인트 어레이 구현에 응용하였다. 강유전성 터널 접합의 터널 전기저항 특성은 기본적으로 강유전 층의 분극방향에 따라 저항 변화 특성을 얻는데 이 경우 전류량에 관계없이 전압만으로 저항변화 특성을 얻어낼 수 있다. 따라서 저전력 동작이 가능하며 매우 낮은 전류 레벨에서 동작이 가능하므로 전압 강하가 최소화된 쓰기 동작이 가능하다.

도 1c는 전극 1/절연층/전극 2 구조에서 전극 1에 (-) 전압이 가해 졌을 때 전극 1로부터 절연층의 전위 장벽을 통과하는 캐리어 이동 방법을 간략히 나타낸 밴드 모식도이다. 일반적으로 절연층의 전위 장벽을 통과하는 캐리어 이동 방법은 직접 터닐링(Direct tunneling; DT), FN 터닐링(Fowler-Nordheim tunneling; FNT) 및 열전자 방출(thermionic emission; TI)의 세가지가 있으며, 이 세 가지의 JDT, JFNT, JTI은 아래의 수학식 1, 2, 3으로 각각 표현된다.

여기서, JFN은 JDT와 같은 물리적 현상으로 수학식 2를 따라 전위 장벽의 높이와 두께의 함수로 나타난다. 다만, JFN은 사각형 또는 사다리꼴 전위 장벽이 전기장에 의하여 기울어져 삼각형 형태를 가질 때 전기장에 의해 터널링 두께가 감소하여 터널링 전류가 기하급수적으로 증가한다. 따라서 사각형 또는 사다리꼴 전위 장벽에서 IV 커브는 저 전압 구간에서 JDT의 거동을 나타내다가 JFN으로 이동하게 된다.

도 1d는 위의 수학식 1, 2, 3을 이용하여 I-V 곡선을 도시한 도면이다. 또한, d=3.2nm, φ_B,1=φ_B,2= 1eV, me,ox=mer, ε_ifl=10, A^**=10⁶Am^-2K^-2로 가정하였다. 상기 수학식 1 내지 수학식 3을 참고하면, 온도가 고정되었을 때 JDT, JFNT, JTI은 모두 두께 d와 전위 장벽의 높이에 의존한다. 따라서 전위 장벽의 높이와 두께를 충분히 높게 구성한다면 저 전압 구간에서 JDT와 JTI가 최소화되고 JDT, JTI, JFNT 중 가장 큰 기울기를 갖는 JFNT의 I-V curve를 얻을 수 있다. 여기서 강유전 초박막의 터널 전기저항을 이용한다면 정전기 효과에 의한 전위 장벽의 높이가 변화하는 효과를 통하여 변화된 JFNT를 얻을 수 있다. 또한, 저 전압 구간에서 스니크 전류를 최소화 할 수 있는 큰 기울기의 저항 변화 특성을 기대할 수 있다. 강유전성 터널 접합의 터널 전기저항 효과는 멤리스티브(memristive) 효과로 강유전 재료의 분극 방향에 따라 터널링 전류량을 변화시킨다. 강유전성 터널 접합의 터널 전기저항은 도 1e와 같이 정전(elerostactic) 효과에 의한 전위 장벽의 높이 변화 모델로 그 과정이 설명될 수 있다. 도 1e는 강유전성 터널 접합의 정전 효과에 의한 전위 장벽의 높이 변화를 나타낸 밴드 모식도이다. 강유전 박막 상 하부에 전극 1과 2가 서로 다른 물질로 구성되어 (Φ1 < Φ2) 사다리꼴 장벽을 나타낸다. 이때 전극 2의 토마스-페르미 스크리닝 길이(Tomas-Fermi screening length) δ2는 전극 1의 δ1 보다 작다.

본 발명은 충분한 장벽 높이(저저항 상태에서 φ_L > 1eV)를 적용하기 위하여 산화물 반도체/강유전체/산화물 반도체 구조로 강유전성 터널 접합을 구성하였다. 이때 산화물 반도체 전극으로 페로브스카이트 망가나이트 족(perovskite manganite family)을 이용하여 비대칭 전극을 구성하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 상부전극으로 소량 도핑된 p-타입 반도체인 Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃를 하부 전극으로, 소량 도핑된 n-타입 반도체인 Ca₀ _. ₉₈Pr₀ _. ₀₂MnO₃를 사용하였다. 도 2a 및 도 2b는 각각 제 1 전극으로 Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃과 제 2 전극으로 Ca_0.98Pr_0.02MnO₃를 이용한 Mn 3d 밴드의 모식도를 간략히 도시한 도면이다. 페로브스카이트 망가나이트 족인 AMnO₃ 조성에서 A-사이트에 2가 3가 양이온의 비율에 따라 생성되는 홀 또는 전자는 Mn 3d에 위치한다. 따라서 A-사이트의 조성에 따라 Mn 3d 밴드의 사용량이 조절된다. 페로브스카이트 망가나이트 구조에서 Mn-O 팔면체는 결정장 이론에 따라 t2g, eg 밴드로 분리되는데 A-사이트가 3가의 양이온으로만 구성되어 있는 Mn3+-O2 팔면체의 경우 현지 쿨롱 반발력(on-site coulomb repulsion; U)에 의해 도 1e와 같이 eg 밴드가 e1g, e2g 밴드로 분리되어 결과적으로 모트 갭(Mott gap)에 의한 모트 절연체(Mott insulator)로 분류되며, A-site 2가의 양이온에 의한 Mn4+-O2_ 팔면체의 경우 Mn 3d t2g, eg 갭에 의한 밴드 절연체로 분류된다.

본 실시예에 따르면 위 두 가지의 끝 성분에 각각 홀과 전자를 소량 도핑하여 p-타입(Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃)과 n-타입(Ca₀ _. ₉₈Pr₀ _. ₀₂MnO₃)의 전극을 각각 상부 전극 및 하부 전극으로 사용하였다. 이 경우 각각의 캐리어 농도(carrier concentration)는 이상적인 격자상수를 적용하면 3.33x10²⁰/cm³의 홀 캐리어 농도와 3.85x10²⁰/cm³의 전자 캐리어 농도를 갖지만 Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃의 경우 전도메커니즘 특성상 매우 높은 절연 특성을 보여준다. 따라서 p-타입 Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃는 n-type Ca₀ _. ₉₈Pr₀ _. ₀₂MnO₃보다 큰 토마스-페르미 스크리닝 길이를 가질 수 있다.

본 실시예는 BaTiO₃를 강유전 터널 장벽으로 사용하여 Au/Pr₀ _. ₉₈Ca₀ _. ₀₂MnO₃ (이하 PMO)/BaTiO₃/Ca₀ _. ₉₈Pr₀ _. ₀₂MnO₃(이하 CMO)/Pt 구조를 형성하고 JFNT가 주도적인 전압구간에서 Δφ에 따른 전류의 차이를 크로스 포인트 어레이 구조에 적용하였다. 또한, 본 실시예에 따르면 상부 및 하부 전극의 산화 및/또는 환원을 방지하기 위하여 귀금속인 Au와 Pt를 각각 사용하였다.

각 PMO, BTO, CMO 박막은 고주파 마그네트론 스퍼터링(rf magnetron sputtering)의 인-시츄 공정을 통하여 Pt(111)/Ti/SiO₂/Si(100) 기판 위에 증착되었다. 이때 각 층의 두께는 XRR 분석 결과 10 x 10mm sample에서 PMO 4nm/ BTO 4.3nm/ CMO 3nm로 분석되었다.

상부전극은 PMO와 계면의 산화환원 반응을 피하기 위하여 Au를 지름 50μm, 두께: 50nm의 도트 형태로 증착하였다. 결과적으로 완성된 강유전성 터널 접합 장치의 형태는 도 2a와 같다. 완성된 박막의 상형성 확인을 위하여 그림 2b 내지 2e와 같이 GI-WAXD(Grazing Incidence Wide Angle X-Ray Diffraction)를 측정하였다. 도 2b는 PMO/Pt(111), BTO/Pt(111), CMO/Pt(111) 참조용 박막에 대한 GI-WAXD의 측정결과이다. PMO/Pt(111), CMO/Pt(111) 박막의 경우 수직 컷의 데이터이지만 BTO/Pt(111)의 경우 Pt(111)방향과 동일한 방향으로 성장하여 xy 컷 데이터를 표시한다. Pt(111) 기판 위의 PMO, BTO, CMO는 각각 (130), (111), (310) 단일 피크만 관찰되었다. 도 S3에서 보듯이, BTO(111)은 Pt(111)과 동일 방향으로 성장하여 기판에 수평방향으로 존재함을 알 수 있으며, PMO(130)/Pt(111), CMO(310) /Pt(111) 박막의 경우, 측정에 사용된 파장은 0.620831Å이므로 λ=2dsinθ에 의해 위의 면들은 기판에 평행방향에서 약 7.6° 틀어져서 성장되어 있음을 알 수 있다. 각각의 면간 거리는 PMO(130) 2.319Å, BTO(111) 2.315Å, CMO(310) 2.381Å 이었다. 정방정상인 BaTiO₃의 (111)면은 2.314 Å이므로 본 실시예에서 증착된 BaTiO₃ 초박막은 정방정상임을 확인할 수 있다.

도 2 c, 2d, 2e는 완성된 Au/PMO/BTO/CMO/Pt(111) 다층박막에 대하여 입사각 변화에 따른 회절 피크를 관찰한 결과를 도시하는 도면이다. 각각의 기판에 대한 입사각은 0.00001°, 0.02°, 0.7°로 측정되었다. 0.00001°에서는 PMO 박막의 피크만 관찰되며, 0.02°, 0.7°에서는 각각 BTO, CMO 막의 피크가 관찰되었으며 앞에서 설명한 참조용 피크와 동일한 면간 거리를 갖는 것으로 측정되었다. 따라서 깊이 방향으로 박막의 상형성이 확인되었으며 각각 PMO(103)/BTO(111)/CMO(310)/ Pt (111)로 성장되어 있음을 확인할 수 있다. 도 2f와 2e는 BTO/CMO 계면의 입사각 0.04°~ 0.24°에서 0.02° 간격으로 측정된 회절피크를 도시하는 도면이다. CMO 상측에서 박막이 끝나면서 BTO 하측(111) 면이 시작되는데, 이때 BTO(111) 2.314° 보다 작은 면간 거리 2.248°(peak 'A')의 면이 함께 나타난다. 이 피크는 BTO 박막이 성장함에 따라 점차적으로 면간 거리가 증가하여 BTO(111) 2.314° 피크에 합류한다. 이는 박막 성장 시 상호 확산(interdiffusion), 격자 부정합(lattice mismatch), 계면 결함(interface defect) 등에 의한 것으로 BTO/CMO 계면에 불활성층이 형성되어 있음을 보여준다. 반대로 PMO/BTO 계면에서는 이러한 현상이 관찰되지 않았으며 매우 매끄러운 계면이 관찰된다.

Au/PMO/BTO/CMO/Pt(111) 다층박막의 밴드 모식도를 구현하기 위하여 PMO/Pt(111), BTO/Pt(111), CMO/Pt(111) 박막의 제2 컷-오프, 밸런스 밴드(valence band) 및 O 1s NEXAFS(near edge absorption fine structure)의 1차 미분 값을 측정하여 도 3a, 3b 및 3c에 도시하였다. 앞에서 설명한 것과 같이 p-타입 PMO는 n-type CMO 보다 약 0.76eV 작은 일함수를 갖는다. 또한, 도 3b에서 보듯이 모든 f박막의 페로미 레벨은 Au 포일을 기준으로 정렬하였으며, PMO, BTO, CMO 박막의 페르미로부터 최대 밸런스 밴드(valence band maximum; VBM)까지의 거리는 각각 0.12eV, 2.26 eV, 1.18 eV 였다. 도 3c는 페로미 레벨로부터 최소 전도성 밴드(conduction band minimum; CBM)까지의 거리를 도시한다. 각각의 O 1s 코어 전자로부터 보정된 값으로 PMO, BTO는 각각 0.56eV, 1.28eV 만큼 페르미 레벨로부터 떨어져 있으며 CMO의 경우 페르미 레벨과 거의 근접하여 측정되었다.

도 3d는 도 3a, 3b 및 3c의 제2 컷오프, 밸런스 밴드, O 1s NEXAFS 데이터를 기반으로 적층된 PMO/BTO/CMO 구조의 band 모식도이다. 강유전 박막 양단에 각각 4.40eV, 5.16eV의 일함수를 갖는 p-타입 및 n-타입 반도체가 접합하면 0.76eV의 전위차에 의해 사다리꼴 장벽이 형성될 것으로 예상되고, 양단의 전위 장벽의 높이인 φ1과 φ2는 각각 1.22eV 1.98eV로 형성된다. 이 경우 전위 장벽의 평균 높이((φ1 + φ2)/2)는 1.6 eV가 된다. PMO의 경우 매우 높은 저항을 가지므로 CMO에 비해 매우 큰 토마스-페르미 스크리닝 길이를 가질 것으로 예상된다. 또한 BTO 하측 비활성층은 BTO/CMO 계면에서 전하 트래핑 및 디트래핑 될 경우 강유전 분극을 스크린할 것으로 예상되며 이 경우 CMO 층의 토마스-페르미 스크리닝 길이는 작아 질 수 있다.

따라서 상부 Au 전극에 (-) 전압에 의한 분극 up 상태는 도 3e와 같이 낮은 장벽 높이를 가질 것으로 예상할 수 있으며 (-) 전압에 의한 분극 down 상태는 도3f와 같이 높은 장벽 높이를 가질 것으로 예상된다. 그런데 JTI는 장벽의 높이가 낮아질수록 기하급수적으로 증가하므로, 크로스 포인트 어레이 구조에 적용될 경우 경우 스니크 전류로 작용할 수 있다. 수학식 3에 따르면 저 저항 상태의 장벽 높이가 1eV 이상인 경우 효과적으로 저 전압구간의 전류를 차단할 수 있을 것으로 판단되며, 적층 과정에서 계면의 쇼트키 피닝(Schottky pinning)과 같은 현상이 없다면, 본 실시예에 따른 Au/PMO/BTO/CMO/Pt(111)는 이에 적합한 높은 전위 장벽을 가질 수 있다. 또한 상부 전극은 매우 저항이 높은 저항체 이므로 PMO/BTO/CMO 구조의 경우 직렬로 연결된 저항체와 같다. 따라서 상부 및 하부에 인가되는 전기장은 PMO/BTO/CMO 세 층에 분포되게 되는데 수학식 2와 같이 전기장에 의존하는 JFN의 경우 높은 저항체 산화물 전극으로 인하여 메탈 전극에 직접 접촉하는 경우보다 더 작은 전기장을 받을 것으로 예상된다.

도 4a, 4b, 4c는 Au/PMO/BTO/CMO/Pt의 I-V 관계를 도시한 도면으로서 매우 높은 저항을 나타내면서 동시에 저항 변화도 확인할 수 있다. 또한, 저 전압구간은 측정 범위를 벗어난 높은 저항을 나타내며. 효과적으로 전류를 차단하면서 낮은 전류 레벨에서 동작이 가능한 것을 보여준다.

평균 전위 장벽 높이를 알아보기 위하여 수학식 2를 이용하여 측정된 I-V 곡선을 도 4d에 나타내었다. 도 4d에서 보듯이 FN 터널링 곡선과 피팅이 잘되는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 PMO/BTO/CMO를 통과하는 캐리어 이동은 FN 터널링이 지배적임을 알 수 있다. 저 저항 상태에서 하부로부터 상부로 통과 시 φL는 1.35eV였으며 상부로부터 바닥으로 통과하는 전류는 φL=1.15eV로 피트되었다. 또한, 고 저항 상태에서 φH=2.25 eV, φH=2.15 eV이므로 Δφ는 약 1 eV이었다.

도 4e는 각 박막의 서로 다른 전극에서 측정된 I-V 곡선 중 서로 다른 특성을 중복하여 도시한 도면이다. 도 4e를 참조하면 JDT가 최소화 되는 범위에서 얇은 두께의 전위 장벽이 크로스 포인트 어레이 구조에 적합할 것으로 예상할 수 있으며 이는 더 높은 비선형 특성을 달성할 수 있음을 보여준다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조 및 상기 다층 박막 구조를 이용한 저항 변화 메모리에 대하여 상세하게 설명하였다. 하지만 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 구성에 대한 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims

저항변화 메모리에 적용가능한 다층 박막 구조로서,
상기 다층 박막 구조는 상부 전극, 중간층 및 하부 전극을 포함하고,
상기 중간층은 페로브스카이트 구조로서 p-타입 층, 강유전체층 및 n-타입 층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 p-타입 층은 R_1- _xA_xMnO₃계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0 < x < 0.5)인 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
청구항 2에 있어서, 상기 p-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr₁ _-xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La₁ _- _xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La₁ _-xCa_xMnO₃) (단, 0 < x < 0.5) 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 n-타입 층은 R_1-xA_xMnO₃계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0.6 < x < 1), 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트 (Nb doped SrTiO₃)인 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
청구항 4에 있어서, 상기 n-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr_1-xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La_1-xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La_1-xCa_xMnO₃), 란타늄바륨망가나이트(La_1-xBa_xMnO₃) (단, 0.6 < x < 1), 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트 (Nb doped SrTiO₃) 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 강유전체층은 BaTiO₃인 것을 특징으로 하는 다층 박막 구조.
상부 전극, 중간층 및 하부 전극을 포함하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자로서,
상기 중간층은 페로브스카이트 구조로서 p-타입 층, 강유전체층 및 n-타입 층이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 7에 있어서, 상기 p-타입 층은 R_1- _xA_xMnO₃계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0 < x < 0.5)인 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 8에 있어서, 상기 p-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr₁ _-xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La₁ _- _xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La₁ _-xCa_xMnO₃) (단, 0 < x < 0.5) 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 7에 있어서, 상기 n-타입 층은 R_1-xA_xMnO₃계 재료(단, R은 3가의 희토류 금속, A는 2가의 양이온 알카리 금속, 0.6 < x < 1), 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트 (Nb doped SrTiO₃)인 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 8에 있어서, 상기 n-type 층은 프라세다이뮴칼슘망가나이트(Pr_1-xCa_xMnO₃), 란타늄스트론튬망가나이트(La_1-xSr_xMnO₃), 란타늄칼슘망가나이트(La_1-xCa_xMnO₃), 란타늄바륨망가나이트(La₁ _- _xBa_xMnO₃) (단, 0.6 < x < 1), 또는 니오비움이 도핑된 스트론튬 타이타네이트 (Nb doped SrTiO₃) 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 7에 있어서, 상기 강유전체층은 BaTiO₃인 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.
청구항 7에 있어서, 상기 강유전체층의 두께는 3 nm ~ 10 nm인 것을 특징으로 하는 크로스바 어레이 구조의 저항 변화 메모리 소자.