KR20170068346A - 스위칭 소자, 및 스위칭 소자를 선택 소자로서 구비하는 저항 변화 메모리 장치 - Google Patents

스위칭 소자, 및 스위칭 소자를 선택 소자로서 구비하는 저항 변화 메모리 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 있어서, 스위칭 소자는 기판 상에 배치되는 제1 전극, 스위칭층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 스위칭층은 제1 원자의 산화물 또는 질화물, 및 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함한다. 상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다르다.

Description

스위칭 소자, 및 스위칭 소자를 선택 소자로서 구비하는 저항 변화 메모리 장치{switching device and resistive random access memory having the switching device as selection device}
본 개시(disclosure)는 대체로(generally) 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자를 선택 소자로서 구비하는 저항 변화 메모리 장치에 관한 것이다.
크로스 포인트 반도체 어레이 구조는 고집적도를 요구하는 메모리 장치의 셀 영역에 채택되고 있다. 구체적으로, 크로스 포인트 반도체 어레이 구조는 최근에 등장하는 저항 변화 메모리(Resistive RAM), 상변화 메모리(Phase Change RAM), 자기 변화 메모리(Magnetic RAM) 등에서, 서로 다른 평면 상에서 교차하는 전극 사이에서 형성되는 필라(pillar) 형태의 셀 구조로 적용되고 있다.
한편, 크로스 포인트 반도체 어레이 구조에서는, 인접하는 셀 사이에 발생하는 누설 전류(sneak current)에 의해, 셀 정보에 대한 쓰기 오류 및 읽기 오류가 발생할 가능성이 있다. 이러한 오류를 억제하기 위해, 상기 셀 내에 선택 소자를 추가적으로 배치하려는 연구가 진행되고 있다. 이러한 선택 소자로는, 트랜지스터, 다이오드, 터널 장벽 소자(tunnel barrier device), 오보닉 문턱 스위치(ovonic threshold switch) 등과 같은 스위칭 소자가 제안되고 있다.
본 개시의 일 실시 예는, 전류-전압(I-V) 스윙시 비선형적 거동 특성 및 비메모리 거동 특성을 구현하는 스위칭 소자를 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는, 상술한 스위칭 소자를 선택 소자로서 구비하는 저항 변화 메모리 장치를 제공한다.
본 개시의 일 측면에 따른 스위칭 소자가 개시된다. 상기 스위칭 소자는 기판 상에 배치되는 제1 전극, 스위칭층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 스위칭층은 제1 원자의 산화물 또는 질화물, 및 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함한다. 상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다르다.
본 개시의 다른 측면에 따른 스위칭 소자가 개시된다. 상기 스위칭 소자는 기판 상에 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고 산화물 또는 질화물을 포함하는 스위칭층을 포함한다. 상기 스위칭층은 도펀트 원자에 의해 생성되는 복수의 트랩 사이트를 구비한다. 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 소정의 문턱 전압 미만의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 전도성 캐리어를 포획하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 상기 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 전도시킨다.
본 개시의 다른 측면에 따른 저항 변화 메모리 장치가 개시된다. 상기 저항 변화 메모리 장치는 기판 상에 적층된 선택 소자 및 가변 저항 소자를 포함한다. 상기 선택 소자는 기판 상에 배치되는 제1 전극, 스위칭층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 스위칭층은 제1 원자의 산화물 또는 질화물, 및 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함한다. 상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다르다.
상술한 본 개시의 실시 예에 따르는 스위칭 소자에서는, 외부에서 인가되는 전압의 크기에 따라 상기 스위칭층 내의 트랩 사이트에 전도성 캐리어가 포획되거나 또는 포획된 상기 전도성 캐리어가 전도할 수 있다. 일 예로서, 상기 트랩 사이트는 문턱 전압 미만에서 전도성 캐리어의 전도를 억제하는 역할을 수행하고, 문턱 전압 이상에서, 전도성 캐리어의 공급원 또는 전도성 캐리어의 이동 경로로서 기능할 수 있다. 결과적으로, 본 개시의 실시 예에 따르는 스위칭 소자는 문턱 전압 미만에서 턴-오프 되며, 문턱 전압 이상에서 턴-온 되는 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2a, 3a, 4a, 및 5a는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자의 동작을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 2b, 3b, 4b 및 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자의 전압-전류 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서는 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 스위칭 소자(10)은 기판(101) 상에 배치되는 제1 전극(110), 스위칭층(120) 및 제2 전극(130)을 포함한다.
기판(101)은 일 예로서, 실리콘, 갈륨비소 등의 기판일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 반도체 공정이 가능한, 세라믹, 폴리머, 또는 금속 재질의 기판 일 수도 있다. 상기 기판은 내부에 형성되는 집적 회로를 구비할 수 있다.
제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 금속, 전도성 금속 질화물, 전도성 금속 산화물 등을 포함할 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 동일한 재질이거나, 또는 서로 다른 재질일 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 일 예로서, 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 질화티타늄(TiN), 질화탄탈륨(TaN) 등을 포함할 수 있다.
스위칭층(120)은 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 배치될 수 있다. 스위칭층(120)은 제1 원자의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 원자의 산화물 또는 질화물은 전기적 절연성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 원자의 산화물은 실리콘 산화물 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 일 예로서, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 망간 산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물 또는 철 산화물 일 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 실리콘 산화물 또는 상기 금속 산화물은 화학양론비를 만족하지 않는 조성을 구비할 수 있다. 상기 실리콘 산화물 또는 상기 금속 산화물은 비정질 구조를 가질 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 상기 제1 원자의 질화물은 실리콘 질화물 또는 알루미늄 질화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 원자의 질화물은 비정질 구조를 가질 수 있다.
스위칭층(120)의 상기 제1 원자의 산화물 또는 질화물에는 도펀트로서 제2 원자가 도핑될 수 있다. 이때, 제2 원자의 원자가는 상기 제1 원자의 원자가와 서로 다를 수 있다. 상기 제2 원자는 상기 제1 원자의 산화물 또는 질화물 내에 균일한 농도 분포를 가지도록 배치될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제2 원자는 스위칭층(120)에서, n 형 또는 p 형의 도펀트로서 기능할 수 있다. 일 예로서, 스위칭층(120)이 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하는 경우, 상기 제2 원자는 알루미늄(Al), 란타늄(La), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 스위칭층(120)이 실리콘 산화물층인 경우, p형 도펀트로서 알루미늄, 또는 란타늄이 적용될 수 있다. 다르게는, 스위칭층(120)이 실리콘 산화물층인 경우, n 형 도펀트로서 니오븀(Nb), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나가 적용될 수 있다. 다른 예로서, 스위칭층(120)이 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물을 포함하는 경우, 상기 제2 원자는 티타늄(Ti), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 원자는 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물 내에서 n 형 도펀트로서 기능할 수 있다.
상술한 스위칭 소자(10)의 구조에서, 스위칭층(120) 내에 도핑된 상기 제2 원자는, 제1 전극(110)과 제2 전극(120) 사이를 이동하는 전도성 캐리어를 포획하거나 전도시키는 트랩 사이트로 기능할 수 있다. 구체적인 일 예에서, 스위칭 소자(10)가 턴-오프 상태를 유지할 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 포획함으로써 누설 전류를 억제할 수 있다. 반면에, 스위칭 소자(10)가 턴-온 상태를 유지할 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어의 공급원 또는 상기 전도성 캐리어의 이동 경로로서 기능할 수 있다. 상기 트랩 사이트를 통해 전도하는 전도성 캐리어에 의해, 턴-온 전류가 비선형적으로 증가할 수 있다.
한편, 인가되는 외부 전압에 의해 스위칭층(120)이 파괴되지 않는 한, 스위칭 소자(10)는 상기 문턱 전압을 경계로 턴-온 상태와 턴-오프 상태를 가역적으로 나타낼 수 있다. 이러한 전압-전류의 스위칭 특성은, 스위칭 소자(10)가 전자 장치 내에서 전기적 스위치로서의 기능을 수행하도록 할 수 있다.
도 2a, 3a, 4a, 및 5a는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자의 동작을 개략적으로 나타내는 모식도이다. 도 2b, 3b, 4b 및 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자의 전압-전류 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
이하에서는 일 실시 예로서, 스위칭층으로서 n 형 도펀트가 도핑된 산화물층을 구비하는 스위칭 소자의 동작을 설명한다. 다만, 본 개시의 사상은 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 도 1과 관련하여 상술한 다양한 실시 예를 포괄할 수 있다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 제1 전극(110), 스위칭층(120) 및 제2 전극(130)이 순차적으로 적층된 스위칭 소자가 제공된다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(120)은 일 예로서, 백금 전극, 은 전극 등과 같은 귀금속 재질 일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 금속, 전도성 금속 질화물, 전도성 금속 산화물이 적용될 수 있다.
도 2a에 도시되는 바와 같이, 외부 전압을 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 인가한다. 상기 외부 전압을 인가할 때, 제1 전극(110)에 음의 바이어스를 인가하고, 제2 전극(130)에 양의 바이어스를 인가할 수 있다. 상기 외부 전압에 의해, 제1 전극(110)의 페르미 레벨(EF110)이 제2 전극(130)의 페르미 레벨(EF130)보다 상부에 위치하도록, 에너지 밴드를 굽힘(bending) 변형시킬 수 있다. 이때, 제1 전극(110)으로부터 전자(1)가 스위칭층(120) 내부로 유입될 수 있다.
소정의 문턱 전압(Vth1) 미만의 전압에서, 스위칭층(120) 내부로 유입된 전자(1)는 n형 도펀트에 의해 형성된 트랩 사이트(125)에 포획될 수 있다. 상기 문턱 전압(Vth1) 미만의 인가 전압에 의해 스위칭층(120) 내부에 전계가 형성될 수 있지만, 상기 전계는 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)를 충분히 탈트랩(detrap)시켜 제2 전극(130)까지 전도시키지 못할 수 있다.
한편, 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)는 음의 전하를 가짐으로써, 주변의 다른 전자(1)에 정전기적 반발력을 작용할 수 있다. 따라서, 상기 정전기적 반발력에 의해, 제1 전극(110)로부터 스위칭층(120) 내부로의 다른 전자(1)의 유입이 억제되거나, 스위칭층(120) 내부에서의 다른 전자(1)의 이동이 억제될 수 있다.
결과적으로, 스위칭층(120) 내부에 유입된 전자(1) 중 일부 만이 트랩 사이트(125)를 따라 제2 전극(130)으로 이동하여, 누설 전류를 발생시킬 수 있다. 도 2b에서는, 소정의 문턱 전압(Vth1) 미만에서, 스위칭층(120) 내부의 전자(1) 전도가 억제됨으로써, 상대적으로 낮은 전류가 흐르는 모습을 도시하고 있다. 소정의 문턱 전압(Vth1) 미만의 전압에서, 스위칭 소자는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에, 소정의 문턱 전압(Vth1) 이상의 전압을 인가한다. 도 3a에 도시되는 바와 같이, 상기 외부 전압에 의해, 에너지 밴드의 굽힘(Bending) 변형의 정도는 보다 증가할 수 있다. 상기 문턱 전압(Vth1) 이상의 전압에 의해 스위칭층(120) 내부에 형성되는 전계는, 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)를 탈트랩(detrap)시켜 제2 전극(130)으로 전도시키기에 충분한 크기를 가질 수 있다. 문턱 전압(Vth1) 이상의 인가 전압에서, 트랩 사이트(125)는 전자(1)의 공급원 또는 전자(1)의 이동 경로로서 작용할 수 있다. 구체적으로, 상기 외부 전압에 의해, 전자(1)는 포획된 트랩 사이트(125)로부터 터널링에 의해 제2 전극(130)으로 전도하거나, 전자(1)는 복수의 트랩 사이트(125)를 경유하여 제2 전극(130)으로 전도할 수 있다.
도 3b에서는, 소정의 문턱 전압(Vth1) 이상에서, 스위칭층(120) 내부에서 전자(1)의 전도가 활성화됨으로써, 상대적으로 높은 전류가 흐르는 모습을 도시하고 있다. 스위칭 소자는 문턱 전압(Vth1) 이상의 전압에서, 비선형적으로 증가하는 전압-전류 특성을 나타낼 수 있다. 이로써, 소정의 문턱 전압(Vth1) 이상의 전압에서, 스위칭 소자는 턴-온 상태를 유지할 수 있다.
한편, 도 3b의 그래프에서, 턴-온 상태의 스위칭 소자에 인가 전압을 감소시키는 경우, 동작 전류는 감소할 수 있다. 상기 인가 전압을 계속 감소시켜 상기 인가 전압을 제거하는 경우, 스위칭 소자에는 전류가 흐르지 않을 수 있다. 즉, 스위칭 소자의 전압-전류 특성이 미메모리적 특성을 나타낼 수 있다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 외부 전압을 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 인가할 수 있다. 상기 외부 전압을 인가할 때, 제1 전극(110)에 양의 바이어스를 인가하고 제2 전극(130)에 음의 바이어스를 인가할 수 있다. 즉, 도 2a 및 2b에 도시되는 경우와 반대 방향으로 바이어스를 인가할 수 있다. 도 4b에 도시되는 바와 같이, 0 V로부터 음의 방향으로 인가 전압의 절대치를 증가시킬 수 있다.
도 4a에 도시되는 바와 같이, 상기 외부 전압에 의해, 제2 전극(130)의 페르미 레벨(EF130)이 제1 전극(110)의 페르미 레벨(EF110)보다 상부에 위치하도록, 에너지 밴드를 굽힘(Bending) 변형시킬 수 있다. 이때, 제2 전극(130)으로부터 전자(1)가 스위칭층(120) 내부로 유입될 수 있다.
인가 전압의 절대치가 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치보다 작은 경우, 스위칭층(120) 내부로 유입된 전자(1)는 n형 도펀트에 의해 형성된 트랩 사이트(125)에 포획될 수 있다. 상기 문턱 전압(Vth2)의 절대치 미만으로 인가된 인가 전압에 의해 스위칭층(120) 내부에 형성되는 전계는, 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)를 충분히 탈트랩(detrap)시켜 제1 전극(110)까지 전도시키지 못할 수 있다.
한편, 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)는 음의 전하를 가짐으로써, 주변의 다른 전자(1)에 정전기적 반발력을 작용할 수 있다. 따라서, 상기 정전기적 반발력에 의해, 제1 전극(110)로부터 스위칭층(120) 내부로의 다른 전자(1)의 유입이 억제되거나, 스위칭층(120) 내부에서의 다른 전자(1)의 이동이 억제될 수 있다.
결과적으로, 스위칭층(120) 내부에 유입된 전자(1) 중 일부 만이 트랩 사이트(125)를 따라 제1 전극(110)으로 이동하여, 소정 수준의 누설 전류를 발생시킬 수 있다. 도 4b에서는, 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치 미만의 인가 전압에서, 스위칭층(120) 내부의 전자(1)의 전도가 억제됨으로써, 상대적으로 낮은 전류가 흐르는 모습을 도시하고 있다. 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치 미만의 인가 전압에서, 스위칭 소자는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에, 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 전압을 인가한다. 도 5a에 도시되는 바와 같이, 상기 외부 전압에 의해, 에너지 밴드의 굽힘(Bending) 변형은 보다 증가할 수 있다. 상기 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 인가 전압에 의해 스위칭층(120) 내부에 형성되는 전계는, 트랩 사이트(125)에 포획된 전자(1)를 탈트랩(detrap)시켜 제1 전극(110)으로 전도시키기에 충분한 크기를 가질 수 있다. 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 인가 전압에서, 트랩 사이트(125)는 전자(1)의 공급원 또는 전자(1)의 이동 경로로서 작용할 수 있다. 구체적으로, 상기 외부 전압에 의해, 전자(1)는 포획된 트랩 사이트(125)로부터 터널링에 의해 제1 전극(110)으로 전도하거나, 전자(1)는 복수의 트랩 사이트(125)를 경유하여 제1 전극(110)으로 전도할 수 있다.
도 5b에서는, 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 인가 전압이 인가될 때, 스위칭층(120) 내부에서 전자(1)의 전도가 활성화됨으로써, 상대적으로 높은 전류가 흐르는 모습을 도시하고 있다. 스위칭 소자는 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 전압에서, 비선형적으로 증가하는 전압-전류 특성을 나타낼 수 있다. 소정의 문턱 전압(Vth2)의 절대치 이상의 전압에서, 스위칭 소자는 턴-온 상태를 유지할 수 있다.
비록, 상술한 일 실시 예에서는, 절연성 산화물 내에 n 형 도펀트가 도핑되는 경우를 설명하고 있지만, 다른 실시 예에서는 상기 절연성 산화물 내에 p 형 도펀트가 도핑될 수도 있다. 이 경우, p 형 도펀트는 스위칭층 내에서, 전도성 캐리어인 전자를 재결합하는 트랩 사이트로서 작용할 수 있다. 즉, 소정의 문턱 전압 이하에서는, p 형 도펀트는 상기 전자를 재결합하여, 전자에 의한 전도를 억제할 수 있다. 소정의 문턱 전압 이상에서는, 터널링에 의해 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에서 전자 전도가 높은 빈도로 발생함으로써 상대적으로 높은 턴-온 전류를 발생시킬 수 있다.
또한, 상술한 설명과는 달리, 스위칭층으로서 절연성 질화물이 적용될 수 도 있다. 이때, 상기 절연성 질화물 내에, n 형 또는 p 형의 도펀트가 도핑될 수도 있다. 마찬가지로, n 형 또는 p 형의 도펀트는 스위칭층 내에서, 전자에 대한 트랩 사이트로서 작용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시의 실시 예에 따르는 스위칭 소자에서, 외부에서 인가되는 전압의 크기에 따라 스위칭층 내의 트랩 사이트에 전도성 캐리어가 포획되거나 또는 포획된 상기 전도성 캐리어가 전도할 수 있다. 상기 트랩 사이트는 문턱 전압 미만에서 전도성 캐리어의 전도를 억제하는 역할을 수행하고, 문턱 전압 이상에서, 전도성 캐리어의 공급원 또는 전도성 캐리어의 이동 경로로서 기능할 수 있다. 이를 통해, 스위칭 소자는 문턱 전압 미만의 인가 전압에서 턴-오프 되며, 문턱 전압 이상의 인가 전압에서 턴-온 되는 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 6을 참조하면, 저항 변화 메모리 장치(30)는 기판(101) 상에 적층된 선택 소자(31) 및 가변 저항 소자(32)를 포함할 수 있다. 가변 저항 소자(32)는 비휘발성 메모리 요소로 기능할 수 있으며, 선택 소자(31)는 가변 저항 소자(32)에 결합하여, 저항 변화 메모리 장치의 복수의 셀 구조 사이에서 누설 전류에 의해 정보 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
기판(101)은 일 예로서, 실리콘, 갈륨비소 등의 기판일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 반도체 공정이 가능한, 세라믹, 폴리머, 또는 금속 재질의 기판 일 수도 있다. 상기 기판은 내부에 형성되는 집적 회로를 구비할 수 있다.
선택 소자(31)는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 스위칭 소자(10)를 적용할 수 있다. 일 실시 예로서, 도 6에 도시되는 선택 소자(31)는 제1 전극(110), 스위칭층(120) 및 제2 전극(130)을 포함할 수 있다. 제1 전극(110) 및 제2 전극(130)은 금속, 전도성 금속 질화물, 전도성 금속 산화물 등을 포함할 수 있다.
스위칭층(120)은 제1 원자의 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다. 또한, 스위칭층(120)은 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다를 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제2 원자는 스위칭층(120) 내에서 전도성 캐리어의 트랩 사이트로 기능할 수 있다. 외부에서, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 소정의 문턱 전압 미만에서는 전도성 캐리어의 전도를 억제하는 역할을 수행하고, 상기 문턱 전압 이상에서는, 상기 전도성 캐리어의 공급원 또는 전도성 캐리어의 이동 경로로서 기능할 수 있다. 이를 통해, 스위칭 소자(31)는 상기 문턱 전압 미만의 인가 전압에서 턴-오프 되며, 상기 문턱 전압 이상의 인가 전압에서 턴-온 되는 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.
제2 전극(130) 상에는 확산 방지막(201)이 배치될 수 있다. 확산 방지막(201)은 선택 소자(31)를 구성하는 물질과 저항 변화 소자(32)를 구성하는 물질 간의 확산을 억제하는 역할을 수행할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예에서, 선택 소자(31)를 구성하는 물질과 저항 변화 소자(32)를 구성하는 물질의 열적, 화학적 안정성이 확보되는 경우, 확산 방지막(201)은 생략될 수도 있다.
확산 방지막(201) 상에 가변 저항 소자(32)가 배치될 수 있다. 가변 저항 소자(32)는 제1 메모리 전극(210), 저항 변화 메모리층(220) 및 제2 메모리 전극(230)을 포함할 수 있다.
저항 변화 메모리층(220)은 일 예로서, 티타늄 산화물, 알루미늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 지르코늄 산화물, 망간 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐 산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물, 철산화물과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 저항 변화 메모리층(220)은 다른 예로서, PCMO(Pr0 . 7Ca0 . 3MnO3), LCMO(La1 -xCaxMnO3), BSCFO(Ba0 . 5Sr0 . 5Co0 . 8Fe0 . 2O3 -δ), YBCO(YBa2Cu3O7 -x), (Ba,Sr)TiO3(Cr, Nb-doped), SrZrO3(Cr,V-doped), (La, Sr)MnO3, Sr1 - xLaxTiO3, La1 - xSrxFeO3, La1 - xSrxCoO3, SrFeO2.7, LaCoO3, RuSr2GdCu2O3, YBa2Cu3O7 등과 같은 페로브스카이트 물질을 포함할 수 있다. 저항 변화 메모리층(220)은 또다른 예로서, GexSe1 -x(Ag,Cu,Te-doped)와 같은 셀레나이드 계열의 물질 또는 Ag2S, Cu2S, CdS, ZnS 등과 같은 금속황화물을 포함할 수 있다.
제1 메모리 전극(210) 및 제2 메모리 전극(220)은 금속, 질화물, 전도성 산화물 등을 포함할 수 있다. 제1 메모리 전극(210) 및 제2 메모리 전극(220)은 일 예로서, 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 질화티타늄(TiN) 및 질화탄탈륨(TaN)에서 선택된 어느 하나를 각각 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예에 있어서는, 확산 방지막(201) 및 제1 메모리 전극(210)이 생략되고, 선택 소자(31)의 제2 전극(130)이 가변 저항 소자(32)의 제1 메모리 전극(210)의 기능을 함께 수행할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 저항 변화 메모리 장치는 문턱 전압을 전후하여 비선형적 거동 특성을 나타내며, 비메모리적 특성을 나타내는 선택 소자를 구비할 수 있다.
상술한 선택 소자의 구조에서, 제1 원자의 산화물 또는 질화물 내에 도핑된 제2 원자는, 선택 소자의 제1 전극과 제2 전극 사이를 이동하는 전도성 캐리어를 포획하거나 전도시키는 트랩 사이트로 기능할 수 있다. 구체적으로, 상기 선택 소자가 문턱 전압 이하에서 턴-오프 상태를 유지할 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 포획하여 누설 전류를 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 선택 소자가 문턱 전압 이상에서 턴-온 상태를 유지할 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어의 공급원 또는 상기 전도성 캐리어의 이동 경로로서 기능할 수 있다. 이에 따라, 상기 트랩 사이트를 통해 전도하는 전도성 캐리어에 의해, 턴-온 전류가 비선형적으로 증가할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 전자, 10: 스위칭 소자, 30: 저항 변화 메모리 장치,
31: 선택 소자, 32: 가변 저항 소자,
101: 기판, 110: 제1 전극,
120: 스위칭층, 125: 트랩 사이트,
130: 제2 전극,
201: 확산 방지막, 210: 제1 메모리 전극,
220: 저항 변화 메모리층, 230: 제2 메모리 전극.

Claims (20)

  1. 기판 상에 배치되는 제1 전극, 스위칭층 및 제2 전극을 포함하고,
    상기 스위칭층은 제1 원자의 산화물 또는 질화물, 및 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함하며,
    상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다른
    스위칭 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 원자의 산화물은 실리콘 산화물, 또는 금속 산화물을 포함하는
    스위칭 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 망간 산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물 및 철 산화물 중에서 선택된 어느 하나인
    스위칭 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 원자의 질화물은 실리콘 질화물 또는 금속 질화물을 포함하는
    스위칭 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하고,
    상기 제2 원자는 알루미늄, 란타늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 크롬 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는
    스위칭 소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭층은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물을 포함하고,
    상기 제2 원자는 티타늄, 구리, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 크롬 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는
    스위칭 소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 원자는
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 이동하는 전도성 캐리어를 포획하거나 전도시키는 트랩 사이트로 기능하는
    스위칭 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 인가되는 전압이 문턱 전압 이하에서는 턴-오프 되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 인가되는 전압이 상기 문턱 전압 이상에서는 턴-온 되는 전류-전압 특성을 가지는
    스위칭 소자.
  9. 기판 상에 서로 대향하는 제1 전극 및 제2 전극; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고 절연성 산화물 또는 절연성 질화물을 포함하는 스위칭층을 포함하되,
    상기 스위칭층은 도펀트 원자에 의해 생성되는 복수의 트랩 사이트를 구비하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 소정의 문턱 전압 미만의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 전도성 캐리어를 포획하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 상기 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 전도시키는
    스위칭 소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 스위칭층은
    실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 및 금속 질화물 중 어느 하나를 포함하는
    스위칭 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은
    알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄 산화물, 텅스텐 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 망간 산화물, 탄탈륨 산화물, 니오븀 산화물 및 철 산화물 중에서 선택된 적어도 하나인
    스위칭 소자.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 사이에 상기 문턱 전압 이하의 전압이 인가될 때 턴-오프 되며, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 상기 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때 턴-온 되는 전류-전압 특성을 가지며,
    상기 전류-전압 특성은 상기 문턱 전압 이상에서 전압의 증가에 따라 비선형적으로 증가하는 전류 특성을 가지는
    스위칭 소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전압-전류 특성은 상기 전압의 크기에 따라 변화하는 비메모리적 특성을 구비하는
    스위칭 소자.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 도펀트 원자의 원자가는 상기 산화물층의 원자의 원자가와 서로 다른
    스위칭 소자.
  15. 기판 상에 적층된 선택 소자 및 가변 저항 소자를 포함하되,
    상기 선택 소자는
    기판 상에 배치되는 제1 전극, 스위칭층 및 제2 전극을 포함하고,
    상기 스위칭층은 제1 원자의 산화물 또는 질화물, 및 상기 산화물 또는 질화물에 도펀트로서 도핑되는 제2 원자를 포함하되,
    상기 제1 원자의 원자가와 상기 제2 원자의 원자가는 서로 다른
    저항 변화 메모리 장치.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 가변 저항 소자는
    상기 제2 전극 상에 배치되는 제1 메모리 전극, 저항 변화 메모리층, 및 제2 메모리 전극을 포함하는
    저항 변화 메모리 장치.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 제2 원자는
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이를 이동하는 전도성 캐리어를 포획하거나 전도시키는 트랩 사이트로 기능하는
    저항 변화 메모리 장치.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 소정의 문턱 전압 미만의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 포획하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 상기 문턱 전압 이상의 전압이 인가될 때, 상기 트랩 사이트는 상기 전도성 캐리어를 전도시키는
    저항 변화 메모리 장치.
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 스위칭층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하고,
    상기 제2 원자는 알루미늄, 란타늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 크롬 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는
    스위칭 소자.
  20. 제15 항에 있어서,
    상기 스위칭층은 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 질화물을 포함하고,
    상기 제2 원자는 티타늄, 구리, 지르코늄, 하프늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 크롬 및 몰리브덴 중 적어도 하나를 포함하는
    스위칭 소자.

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