KR20180105400A - An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device - Google Patents

An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device Download PDF

Info

Publication number
KR20180105400A
KR20180105400A KR1020170032424A KR20170032424A KR20180105400A KR 20180105400 A KR20180105400 A KR 20180105400A KR 1020170032424 A KR1020170032424 A KR 1020170032424A KR 20170032424 A KR20170032424 A KR 20170032424A KR 20180105400 A KR20180105400 A KR 20180105400A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
forming
layer
lower electrode
memory material
material layer
Prior art date
Application number
KR1020170032424A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101948638B1 (en
Inventor
왕건욱
권순방
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020170032424A priority Critical patent/KR101948638B1/en
Priority to PCT/KR2018/002894 priority patent/WO2018169269A1/en
Publication of KR20180105400A publication Critical patent/KR20180105400A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101948638B1 publication Critical patent/KR101948638B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/011Manufacture or treatment of multistable switching devices
    • H10N70/021Formation of switching materials, e.g. deposition of layers
    • H01L45/1608
    • H01L45/1253
    • H01L45/145
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/841Electrodes
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N70/00Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
    • H10N70/801Constructional details of multistable switching devices
    • H10N70/881Switching materials
    • H10N70/883Oxides or nitrides

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Disclosed are an oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and a manufacturing method thereof. The manufacturing method of the resistive switching memory device comprises a lower electrode layer forming step of forming a lower electrode layer on a substrate; a memory material layer forming step of forming a memory material layer on the lower electrode layer; a pore forming metal layer forming step of forming a metal layer for forming a pore in a predetermined region of the memory material layer; a pore forming step of forming the pore by removing the memory material layer at a lower portion of the pore forming metal layer; and an upper electrode forming step of forming an upper electrode at the formed pore. Therefore, the resistive switching memory device can manufacture a highly integrated device with a large area.

Description

단일 나노 공극 구조를 이용한 산화물 기반 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법 {AN OXIDE-BASED RESISTIVE SWITCHING MEMORY DEVICE USING A SINGLE NANO-PORE STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE DEVICE}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an oxide-based resistance switching memory device using a single nano-pore structure, and a manufacturing method thereof. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물 기반 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an oxide-based resistance switching memory device and a method of manufacturing the same.

최근 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷(IoT) 등의 발달로 데이터의 처리량이 폭발적으로 증가함에 따라, 초고속, 대용량, 초저전력 메모리 소자에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나고 있다. Recently, as the throughput of data explosively increases due to the development of artificial intelligence, autonomous driving vehicle, and Internet (IoT), demand for ultra-high speed, large capacity, and ultra low power memory devices is explosively increasing.

그런데, 기존의 메모리 소자들로서는 이러한 수요를 충분히 충족시키기에는 어려움이 있다. 예를 들어, DRAM은 고속으로는 작동하지만 집적도의 물리적인 한계에 거의 다다랐고, FLASH 메모리는 높은 전력 소모량이나 짧은 수명이 문제가 되기 때문이다.However, existing memory devices have difficulty satisfying such a demand sufficiently. For example, DRAMs operate at high speeds, but are nearing the physical limitations of integration, and FLASH memory is a problem with high power consumption and short life spans.

이에, 비휘발성, 고집적, 초고속, 초저전력의 성능을 구현할 수 있는 ReRAM이 차세대 메모리 소자로써 주목받고 있다. ReRAM은 전하를 저장하는 방식인 종래의 DRAM, FLASH 메모리와는 달리, 절연체로 사용되는 산화물의 여러 특성 중 비휘발성을 보이는 저항 스위칭 현상을 이용한다. 보다 구체적으로, 산화물 소재의 전류 이력곡선을 이용하여 저항값이 일정하지 않는 특성을 이용하는데, 금속/절연체/금속 구조로서 그 구조 역시 비교적 간단하다.Therefore, ReRAM, which can realize nonvolatile, highly integrated, super high speed and ultra low power performance, is attracting attention as a next generation memory device. Unlike conventional DRAM or FLASH memory, which is a method of storing a charge, ReRAM utilizes a resistance switching phenomenon that exhibits nonvolatility among various characteristics of an oxide used as an insulator. More specifically, a characteristic that the resistance value is not constant using the current hysteresis curve of the oxide material is used, and the structure of the metal / insulator / metal structure is also relatively simple.

그 결과 하나의 전압이 인가되어도 두 가지 상이한 저항값을 가질 수 있고, 한 번 저항값이 변한 상태에서는 다음 스위칭이 일어나기 전에는 외부전원이 공급되지 않는 상태에서도 계속해서 마지막 저항값을 유지하게 된다.As a result, even if one voltage is applied, it can have two different resistance values. In a state where the resistance value changes once, the last resistance value is continuously maintained even when no external power is supplied until the next switching occurs.

하지만, ReRAM은 그 구조와 작동방법이 간단하고 절연체로 사용되는 많은 산화물 소재가 공통적으로 전류 이력 곡선을 나타낸다는 장점에도 불구하고, 이를 설명하는 정형화된 스위칭 매커니즘이 아직까지 정립되지 않고 있다. However, despite the advantages that ReRAM has a simple structure and operation method, and that many oxide materials used as an insulator exhibit a common current hysteresis curve, a formal switching mechanism that explains this is not yet established.

또한, 산화물 소재에 내에서 스위칭 필라멘트(filament)를 형성 및 제어해야 하는데, 현재의 반도체 공정 장비를 이용하여 대면적/고집적 소자에서 이를 제어할 수 있는 기술이 아직까지 개발되어 있지 않고 있다. 또한, 스위칭 필라멘트가 대부분의 경우 산화물 소재 내에서 불균일하게 형성되어 소자별로 균일한 성능을 갖지 않을 가능성이 존재한다.In addition, a switching filament is required to be formed and controlled in an oxide material. However, a technology capable of controlling this in a large-area / highly integrated device using current semiconductor processing equipment has not yet been developed. In addition, there is a possibility that the switching filaments are formed non-uniformly in the oxide material in most cases, so that they do not have uniform performance per device.

KRKR 101570903101570903 B1B1

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기를 효과적으로 제어하고, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적/고집적 소자를 제작할 수 있는 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a resistance switching memory device capable of effectively controlling the formation and size of a switching filament and fabricating a large-area / highly integrated device using conventional semiconductor equipment, And a manufacturing method thereof.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법은 기판상에 하부 전극층을 형성하는 하부 전극층 형성 단계, 하부 전극층상에 메모리 물질층을 형성하는 메모리 물질층 형성 단계, 메모리 물질층의 미리 설정된 영역에 공극 형성용 금속층을 형성하는 공극 형성용 금속층 형성 단계, 공극 형성용 금속층 하부의 메모리 물질층을 제거하여 공극을 형성하는 공극 형성 단계, 및 형성된 공극에 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 단계, 공극 내의 전극에 일정 이상 전압을 걸어주어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의한 나노갭을 형성하는 단계를 포함한다. In order to accomplish the above object, a method of fabricating a resistance switching memory device using a single pore structure according to the present invention includes: forming a lower electrode layer on a substrate; forming a memory material layer on the lower electrode layer; Forming a cavity-forming metal layer in a predetermined region of the memory material layer; forming a cavity by removing a memory material layer under the cavity-forming metal layer; and forming an upper electrode Forming an upper electrode, and forming a nanogap by electromigration by applying a voltage higher than a predetermined voltage to the electrode in the gap.

이와 같은 구성에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 메모리 물질층의 에지가 아니라 메모리 물질층 내부, 즉 나노 갭 사이로 제한하여 저항성 메모리 소자의 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있게 된다.According to this structure, the formation and size control of the switching filaments are limited to the inside of the memory material layer, that is, the nano gap, not the edge of the memory material layer, thereby ensuring the uniformity and stability of switching of the resistive memory element .

또한, 메모리 물질층 표면에서 공극 형성용 금속층을 형성하고 제어하여 공극을 형성하기 때문에, 공극을 균일하고 안정적으로 형성할 수 있게 된다.In addition, since the cavity forming metal layer is formed and controlled on the surface of the memory material layer to form the cavity, the cavity can be uniformly and stably formed.

또한, 소자마다 단일 공극으로 형성하고 크기를 제어할 수 있으므로 소자별로 균일한 성능을 가지도록 제작할 수 있게 된다.In addition, since each device can be formed with a single cavity and its size can be controlled, the device can be manufactured with uniform performance for each device.

이때, 메모리 물질층은 실리콘 산화물층일 수 있다. At this time, the memory material layer may be a silicon oxide layer.

또한, 실리콘 산화물층의 미리 설정된 영역을 제거하여 하부 전극층을 노출시키는 하부 전극 형성 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a lower electrode by removing a predetermined region of the silicon oxide layer to expose the lower electrode layer.

또한, 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 상부 전극에 분리 영역을 형성하는 스위칭 영역 형성 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 메모리 물질 내부 수직 갭을 통해 스위칭이 가능하므로, 보다 낮은 전압에서 저전력 구동이 가능해 진다.The method may further include a switching region forming step of forming a separation region in the upper electrode by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode. With such a configuration, switching can be performed through the vertical gap in the memory material, thereby enabling low-power driving at a lower voltage.

또한, 공극 형성용 금속층의 금속은 금, 은, 백금, 텅스텐 중 적어도 하나일 수 있다.Further, the metal of the metal layer for void formation may be at least one of gold, silver, platinum, and tungsten.

또한, 공극 형성용 금속층은 포토리소그래피 또는 전자빔리소그래피 공정을 이용하여 패터닝된 후 증착될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적 소자를 제작할 수게 된다.Further, the metal layer for forming voids may be patterned and then deposited using photolithography or electron beam lithography. According to such a configuration, a large-area device can be manufactured using conventional semiconductor equipment.

또한, 공극은 나노 스케일 공극 크기를 가질 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 하나의 셀을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적 소자의 제작이 가능해 진다.Also, the pores may have nanoscale pore size. According to this structure, one cell can be fabricated within 10 nm, making it possible to manufacture a highly integrated device.

아울러, 상기 방법을 이용하여 제조한 저항 스위칭 메모리 소자가 함께 개시된다.In addition, a resistance switching memory device manufactured using the above method is also disclosed.

본 발명에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 메모리 물질층의 에지가 아니라 메모리 물질층 내부로 제한하여 저항성 메모리 소자의 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있게 된다.According to the present invention, the formation and size control of the switching filament are restricted to the inside of the memory material layer, not the edge of the memory material layer, thereby ensuring uniformity and stability of switching of the resistive memory device.

또한, 메모리 물질층 표면에서 공극 형성용 금속층을 형성하고 제어하여 공극을 형성하기 때문에, 공극을 균일하고 안정적으로 형성할 수 있게 된다.In addition, since the cavity forming metal layer is formed and controlled on the surface of the memory material layer to form the cavity, the cavity can be uniformly and stably formed.

또한, 소자마다 단일 공극으로 형성하고 크기를 제어할 수 있으므로 소자별로 균일한 성능을 가지도록 제작할 수 있게 된다.In addition, since each device can be formed with a single cavity and its size can be controlled, the device can be manufactured with uniform performance for each device.

또한, 메모리 물질 내부 수직 갭을 통해 스위칭이 가능하므로, 보다 낮은 전압에서 저전력 구동이 가능해 진다.In addition, switching through the vertical gap in the memory material is possible, enabling low power driving at lower voltages.

또한, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적 소자를 제작할 수게 된다.In addition, a large-area device can be manufactured using conventional semiconductor equipment.

또한, 하나의 셀을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적 소자의 제작이 가능해 진다.In addition, since one cell can be fabricated within 10 nm, highly integrated devices can be manufactured.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항성 메모리 스위칭 소자의 개략적인 제조 공정 개념도.
도 2는 SiO2/Si 기판의 예가 도시된 도면.
도 3은 기판상에 하부 전극층이 형성된 예가 도시된 도면.
도 4는 하부 전극층상에 메모리 물질층이 형성된 예가 도시된 도면.
도 5는 메모리 물질층상에 공극 형성용 금속층이 형성된 예가 도시된 도면.
도 6은 메모리 물질층에 공극을 형성하는 예가 도시된 도면.
도 7 및 도 8은 형성된 단일 나노 공극의 AFM 측정 데이터와 SEM 이미지.
도 9는 메모리 물질층에 공극에 상부 전극을 형성하는 예가 도시된 도면.
도 10은 하부 전극을 노출시키기 위해 SiO2 층이 에칭되는 과정이 도시된 도면.
도 11은 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 메모리 물질층에 스위칭 영역을 형성하는 예를 도시한 도면.
도 12는 도 1의 방법에 따라 제조된 메모리 소자의 전류 전압 특성의 예가 도시된 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic fabrication process of a resistive memory switching device using a single pore structure according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 shows an example of a SiO 2 / Si substrate.
3 shows an example in which a lower electrode layer is formed on a substrate.
4 illustrates an example in which a memory material layer is formed on a lower electrode layer.
5 shows an example in which a metal layer for forming voids is formed on a memory material layer;
6 illustrates an example of forming voids in a layer of memory material;
Figures 7 and 8 are AFM measurement data and SEM image of a single nanopore formed.
9 illustrates an example of forming an upper electrode in a void in a layer of memory material;
SiO 2 to expose the lower electrode 10 is Lt; RTI ID = 0.0 > etch < / RTI >
11 is a view showing an example of forming a switching region in a memory material layer by applying a voltage between an upper electrode and a lower electrode.
FIG. 12 is a graph showing an example of the current-voltage characteristics of a memory device manufactured according to the method of FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항성 메모리 스위칭 소자의 개략적인 제조 공정 개념도이다. 도 1에서 먼저, 기판상(110)에 하부 전극층(120)을 형성한다. 이때, 기판은 SiOx/Si 기판이 사용될 수 있으며, 예를 들어, SiO2/Si 기판이 사용될 수 있다. 도 2는 SiO2/Si 기판의 예가 도시된 도면이다.FIG. 1 is a schematic diagram of a fabrication process of a resistive memory switching device using a single pore structure according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. In FIG. 1, a lower electrode layer 120 is formed on a substrate 110. In this case, the substrate may be a SiOx / Si substrate, for example, a SiO 2 / Si substrate may be used. 2 is a view showing an example of a SiO 2 / Si substrate.

하부 전극층(120)은 기판(110) 위에 증착되기 때문에, 기판(110)의 두께는 다양하게 선택될 수 있으나, 기판의 면적은 포토리소그래피(photolithography)로 패터닝되는 부분의 면적보다는 커야 한다. 예를 들어, 패터닝 부분의 크기가 1cm X 1cm인 경우 1cm ~ 1.5cm 크기의 기판이 사용될 수 있다.  Since the lower electrode layer 120 is deposited on the substrate 110, the thickness of the substrate 110 may be varied, but the area of the substrate must be greater than the area of the portion to be patterned by photolithography. For example, a substrate having a size of 1 cm to 1.5 cm may be used when the size of the patterning portion is 1 cm X 1 cm.

도 3에서 하부 전극층(120)은 Ta/Pt로 형성되었으나, 하부 전극층(120)은 Au, Pt, Cu, Al, ITO, 그래핀, TiN, 고농도 도핑된 Si, 또는 임의의 다른 적합한 금속, 합금 또는 반도체 물질로 형성될 수도 있다. 도 3은 기판상에 하부 전극층이 형성된 예가 도시된 도면이다. 도 3에서, Ta와 Pt 금속은 모두 DC 스퍼터링으로 증착될 수 있으며, 이때, 하부 전극층(120)의 두께는 메모리의 스위칭 성능에 영향을 미치지 않는다.3, the lower electrode layer 120 is formed of Ta / Pt, but the lower electrode layer 120 is formed of Au, Pt, Cu, Al, ITO, graphene, TiN, heavily doped Si, Or a semiconductor material. 3 is a diagram showing an example in which a lower electrode layer is formed on a substrate. In FIG. 3, both Ta and Pt metals can be deposited by DC sputtering, wherein the thickness of the lower electrode layer 120 does not affect the switching performance of the memory.

이어서, 하부 전극층(120)상에 메모리 물질층(130)을 형성한다. 예를 들어, SiOx(130)가 SiO2/Si 기판(110) 상에 증착된 Pt/Ta 전극(120) 상에 증착되며, 40nm SiOx층(130)이 PECVD에 의해 증착되거나, 100nm SiOx층(130)이 전자빔 증발에 의해 증착될 수 있다. A memory material layer 130 is then formed on the lower electrode layer 120. For example, a SiOx 130 may be deposited on a Pt / Ta electrode 120 deposited on a SiO 2 / Si substrate 110, a 40 nm SiOx layer 130 may be deposited by PECVD, 130 may be deposited by electron beam evaporation.

실리콘과 산소 사이의 원자 비율 "x"는 0.2 내지 2 사이 또는 이와 동일한 범위를 가질 수 있으며, 전자빔 증발, 스퍼터링, PECVD, 및 ALD 같은 임의의 증착 시스템을 이용하여 증착될 수 있다.The atomic ratio "x " between silicon and oxygen can be between 0.2 and 2 or the same range and can be deposited using any deposition system such as electron beam evaporation, sputtering, PECVD, and ALD.

도 4는 하부 전극층상에 메모리 물질층이 형성된 예가 도시된 도면이다. 도 4에는 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 SiO2 증착한 예가 도시되어 있다. 증착하는 SiO2 두께는 보통 수십 nm이나, 도 4에서는 SiO2 두께가 75nm로 구현되어 있으며, 증착속도는 0.1nm/s 이하로 구현되어 있다.4 is a view showing an example in which a memory material layer is formed on the lower electrode layer. FIG. 4 shows an example of SiO 2 deposition using an electron beam evaporator (E-beam evaporator). The thickness of SiO 2 to be deposited is usually several tens nm, but in FIG. 4, the SiO 2 thickness is 75 nm and the deposition rate is 0.1 nm / s or less.

다음으로, 메모리 물질층(130)의 미리 설정된 영역에 공극(pore) 형성용 금속층(140)을 형성한다. 나노 공극 구조를 형성하고자 하는 산화물의 표면에 금속박막을 증착하는 것이다. 도 5는 메모리 물질층상에 공극 형성용 금속층이 형성된 예가 도시된 도면이다.Next, a metal layer 140 for forming a pore is formed in a predetermined area of the memory material layer 130. Next, A metal thin film is deposited on the surface of an oxide to be formed with a nanopore structure. 5 is a diagram showing an example in which a metal layer for forming voids is formed on the memory material layer.

도 5에서, 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 패터닝(patterning)한 후 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 금(Au)을 증착하는 예가 도시되어 있으며, 원형의 금 패턴(Au pattern)은 직경이 1.5㎛ 이하, 높이 18nm로 구현되어 있으며, 증착속도는 5.0nm 이하로 구현되어 있다.5, an example is shown in which gold (Au) is deposited using an E-beam evaporator after patterning by a photolithography process. A circular gold pattern (Au pattern) has a diameter 1.5 μm or less, and 18 nm in height, and the deposition rate is 5.0 nm or less.

다음으로, 공극 형성용 금속층(140) 하부의 메모리 물질층(130)을 제거하여 공극을 형성한다. 도 6은 메모리 물질층(130)에 공극을 형성하는 예가 도시된 도면이다. 도 6에는 전기 오븐을 이용하여 상압에서 어닐링(annealing)함으로써, 메모리 물질층(130)에 공극을 형성하는 예가 도시되어 있다. 이때, 램핑업 시간(Ramping up time은) 1시간이고, 가열 시간(Heating time)은 증착된 SiO2 두께에 따라 달라진다. Next, the memory material layer 130 under the cavity formation metal layer 140 is removed to form a cavity. FIG. 6 is a diagram illustrating an example of forming voids in the memory material layer 130. FIG. FIG. 6 shows an example of forming a gap in the memory material layer 130 by annealing at normal pressure using an electric oven. At this time, the ramping up time is 1 hour, and the heating time is the time of deposition of the deposited SiO 2 Depends on thickness.

이와 같이, 나노 공극(pore) 구조를 형성하고자 하는 산화물의 표면에 금속박막을 증착한 후 금속의 녹는점 근처의 온도까지 열을 가해주었을 때, 금속입자들이 증발하면서 일부는 산화물 표면에서 내부로 침투하면서 수많은 공극 구조를 형성하게 된다. As described above, when a metal thin film is deposited on the surface of an oxide to be formed with a nano-pore structure and heat is applied to a temperature near the melting point of the metal, the metal particles are evaporated, While forming a number of void structures.

특히, 산화물 표면에 증착되는 금속입자의 크기를 적절히 조절할 경우, 증착되는 단일 금속입자로부터 단일 공극을 형성하게 된다. 이와 달리, 전기화학적인 방법으로 산화물을 식각하여 공극을 형성하는 경우, 공극의 크기와 수가 불규칙적으로 형성된다.Particularly, when the size of the metal particles deposited on the surface of the oxide is appropriately controlled, a single pore is formed from the single metal particles to be deposited. Alternatively, when an oxide is etched by an electrochemical method to form a void, the size and number of the voids are irregularly formed.

따라서, 본 발명은 공극 형성의 균일성과 재현성의 측면에서 큰 장점을 가진다. 또한, 열을 가하는 시간과 온도를 동시에 종속변인으로 하여 조절할 경우, 공극의 깊이와 형태를 제어할 수 있게 된다.Thus, the present invention has great advantages in terms of uniformity and reproducibility of void formation. In addition, when the time and temperature of applying heat are simultaneously adjusted as the dependent variable, the depth and shape of the cavity can be controlled.

도 7 및 도 8은 형성된 단일 나노 공극의 AFM 측정 데이터와 SEM 이미지이다. 도 7에는 열처리 시간에 따라 나노 공극의 깊이가 달라지는 것이 도시되어 있으며, 도 8에는 공극의 하부의 크기를 10nm 이하로 조절한 예가 도시되어 있다.Figures 7 and 8 are AFM measurement data and SEM images of a single nanopore formed. FIG. 7 shows that the depth of the nano-void varies with the heat treatment time, and FIG. 8 shows an example in which the size of the lower portion of the void is adjusted to 10 nm or less.

이어서, 형성된 공극에 상부 전극(140)을 형성한다. 도 9는 메모리 물질층의 공극에 상부 전극을 형성하는 예가 도시된 도면이다. 형성된 나노 공극의 내부를 금속으로 증착하여 채우는 것으로서, 예를 들어, 원형 포토 마스크 또는 원형 쉐도우 금속 마스크 방법을 사용하여, 상부 전극층(Au 또는 Pt; 150)을 나노 단일 공극 상에 증착할 수 있다. 도 9에는 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 패터닝(patterning)한 후, 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 금(Au)을 증착하는 예가 도시되어 있으며, 이때의 증착속도는 5.0nm 이하이다.Then, the upper electrode 140 is formed on the formed gap. Fig. 9 is a view showing an example of forming an upper electrode in a gap of a memory material layer. An upper electrode layer (Au or Pt) 150 may be deposited on a single nano-sized pore using, for example, a circular photomask or a circular shadow metal mask method, by depositing and filling the interior of the formed nanopore with a metal. FIG. 9 shows an example of patterning by photolithography and then depositing gold (Au) using an electron beam evaporator (E-beam evaporator) at a deposition rate of 5.0 nm or less.

이어서, 메모리 물질층(130)의 미리 설정된 영역을 제거하여 하부 전극(120)을 형성한다. 이를 위해, 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching; RIE)에 의한 에칭 공정이 노출된(uncovered) SiOx층을 제거하기 위해 수행될 수 있다. 도 10은 하부 전극을 노출시키기 위해 SiO2 층이 에칭되는 과정이 도시된 도면이다. 이 경우, 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching; RIE)과 버퍼 산화 에칭(Buffer oxide etch; BOE) 모두 에칭(etching) 방법으로 사용 가능하다.Subsequently, a predetermined region of the memory material layer 130 is removed to form the lower electrode 120. For this, an etching process by reactive ion etching (RIE) may be performed to remove the uncovered SiOx layer. SiO 2 to expose the lower electrode 10 is Lt; RTI ID = 0.0 > etched. ≪ / RTI > In this case, both reactive ion etching (RIE) and buffer oxide etch (BOE) etching can be used.

이어서, 상부 전극(150)과 하부 전극(120) 사이에 전압을 인가하여 상부 전극(150)에 분리 영역을 형성한다. 공극 내의 전극에 일정 이상의 전압을 걸어주어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의한 나노갭을 형성하는 것이다. 도 11은 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 메모리 물질층에 스위칭 영역을 형성하는 예를 도시한 도면이다.Subsequently, a voltage is applied between the upper electrode 150 and the lower electrode 120 to form an isolation region in the upper electrode 150. A voltage exceeding a certain level is applied to the electrode in the pore to form a nanogap by electromigration. 11 is a view illustrating an example of forming a switching region in a memory material layer by applying a voltage between an upper electrode and a lower electrode.

도 11에서와 같이, 금속에 바이어스(bias)를 인가할 경우, 금속의 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상에 의해 물리적인 결함(defect)이 형성된다. 이때, 금속의 결함(defect)과 공극을 둘러싼 산화물과의 접합면에 나노갭(nanogap)이 형성되는데, 이 나노갭(nanogap)에서 스위칭 현상이 일어난다. As shown in FIG. 11, when a bias is applied to a metal, physical defects are formed by electromigration of the metal. At this time, a nanogap is formed on the interface between the defect of the metal and the oxide surrounding the void, and switching phenomenon occurs in this nanogap.

구체적으로, 일렉트로마이그레이션(electromigration)이 생긴 금속에 5V 내외의 바이어스(bias)를 인가할 경우, 나노갭(nanogap) 영역에 위치한 실리콘 산화물을 이루고 있는 실리콘과 산소 원자 간의 결합이 끊어진다. 이어서, 끊어진 실리콘 원자간의 재결합이 형성되어 나노 단결정(nano crystal) 구조가 형성되는데, 이 구조가 전도성 필라멘트(filament)의 역할을 한다. 이를 저항성 메모리의 LRS(low resistance state) 혹은 ON 상태로써, SET으로 프로그램밍 될 수 있다. Specifically, when a bias of about 5 V is applied to a metal having electromigration, the bond between silicon and oxygen atoms forming silicon oxide located in the nanogap region is broken. Then, recombination between the broken silicon atoms is formed to form a nano crystal structure, which serves as a conductive filament. It can be programmed to SET with low resistance state (LRS) or ON state of resistive memory.

반대로 ON 상태에서 15V 내외의 바이어스(bias)를 인가할 경우, 줄 열(Joule heating)에 의해 전도성 Si 나노 크리스탈 필라멘트(nanocrystal filament)를 이루고 있는 실리콘 원자간의 결합이 비정질 실리콘 상태로 바뀐다. 이는 HRS(high resistance state) 혹은 OFF 상태로써, RESET으로 프로그램밍 된다. 또한, SET 또는 RESET으로 프로그래밍된 상태를 알아내기 위해서, 구조 및 상태에 영향을 끼치지 않는 1V의 read 전압 펄스(pulse)를 인가할 수 있다.Conversely, when a bias of about 15 V is applied in the ON state, the bond between the silicon atoms constituting the conductive Si nanocrystal filament is transformed into an amorphous silicon state by Joule heating. It is programmed to RESET with HRS (high resistance state) or OFF state. In addition, to determine the programmed state with SET or RESET, a read voltage pulse of 1V that does not affect the structure and state can be applied.

도 12는 도 1의 방법에 따라 제조된 메모리 소자의 전류 전압 특성의 예가 도시된 그래프이다. 도 12에서, read 전압은 3V 이하이고, Set 전압은 3V 내지 7V이고, reset 전압은 7V 이상으로 구현된 것을 확인할 수 있다.12 is a graph showing an example of the current-voltage characteristics of a memory element manufactured according to the method of FIG. In FIG. 12, it is confirmed that the read voltage is 3 V or less, the set voltage is 3 V to 7 V, and the reset voltage is 7 V or more.

본 발명에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 나노 공극(nano pore) 내로만 국한하여 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 단일 나노 공극을 통해 단일 필라멘트(single filament)를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 단일 나노 공극의 형성 크기가 제어가 가능하므로 한 개의 셀(cell)을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적이 가능하다. According to the present invention, uniformity and stability of switching can be ensured by limiting the formation and size control of a switching filament only within a nano pore. In addition, a single filament can be formed through a single nano-pore, and since the formation size of a single nano-pore can be controlled, a single cell can be fabricated within 10 nm, thereby enabling high integration.

또한, 제어된 필라멘트(filament)로 기존의 실리콘 옥사이드 메모리의 특성을 향상시킬수 있으며, 기존 반도체 장비를 이용하므로 대면적 소자 제작이 가능하고, 나아가 크로스바 어레이(crossbar array) 공정의 편이성 확보와 저비용, 간결한 구조체를 기반으로 한 스위칭 소자를 개발할 수 있게 된다.In addition, it is possible to improve the characteristics of the conventional silicon oxide memory with the controlled filament, and it is possible to manufacture a large-sized device by using the existing semiconductor equipment. Further, it is possible to secure the convenience of the crossbar array process, A switching device based on a structure can be developed.

정리하자면, 본 발명은 금속 입자로 만들어진 단일 나노 공극(sub-10 nm) 구조를 이용하여 산화물 소재(ex., SiOx) 스위칭 필라멘트(filament)를 형성 및 제어하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서는 저전력 구동이 가능한 실리콘 옥사이드 소재의 스위칭 필라멘트(filament)를 sub-10nm 스케일의 단일 나노 공극 구조로 이용하여 균일하게 제조/제어할 수 있는 기술과 이를 통한 고집적 메모리 소자 기술에 특징이 있다.In summary, the present invention relates to techniques for forming and controlling oxide (ex., SiOx) switching filaments using a single nanopore (sub-10 nm) structure made of metal particles. Particularly, the present invention is characterized in that a switching filament of a silicon oxide material capable of low-power driving can be uniformly manufactured / controlled by using a single nano-void structure of a sub-10 nm scale, and is characterized by a highly integrated memory device technology have.

본 발명은 현재 가장 대표적인 메모리인 DRAM과 FLASH 메모리의 장점을 두루 갖추고 있기 때문에 양산 및 상용화가 될 경우, 위 두 제품이 탑재되는 분야에 주로 적용될 것으로 예상된다. Since the present invention has the advantages of DRAM and FLASH memory, which are the most representative memories at present, it is expected to be mainly applied to the field where the above two products are mounted in the case of mass production and commercialization.

본 발명은 기존의 DRAM, FLASH 메모리가 장착된 제품에 각각 대체되어 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 두 제품의 성능 및 기능이 결합된 새로운 개념의 차세대 메모리의 개발에 적용될 수 있다. 이 경우, 컴퓨터를 비롯한 각종 모바일 기기 등의 설계시, 고집적 및 저전력, 저에너지 등의 기술적인 이점을 갖게 될 것으로 기대된다.The present invention can be applied not only to replace existing DRAM and FLASH memory products, but also to develop a new concept of next generation memory combined with performance and function of both products. In this case, when designing various mobile devices including a computer, it is expected to have technical advantages such as high integration, low power, and low energy.

본 발명은 기존 메모리 소자가 가장 많이 탑재되는 PC, 모바일 전자기기 시장에 가장 먼저 적용될 것으로 예상된다. 또한, 기존의 실리콘 기반의 전자소자를 넘어서는 차세대 전자소자 영역의 핵심기술로 활용될 것으로 예상된다. It is expected that the present invention will be applied first to the PC and mobile electronic device market where existing memory devices are most loaded. In addition, it is expected to be used as a core technology for next-generation electronic devices beyond existing silicon-based electronic devices.

나아가 향후 데이터의 고속, 대용량, 저전력 등의 고성능이 요구되는 서버시장, 제품의 신뢰성이 안전과 직결될 수 있는 자율, 무인 자동차를 제어하는 차량용 반도체 시장에도 적용될 수 있을 것이다.Furthermore, it can be applied to the server market, which requires high performance such as high-speed, large capacity, and low-power data in the future, and the automobile semiconductor market, which controls autonomous and unmanned automobiles in which product reliability can be directly linked to safety.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.Although the present invention has been described in terms of some preferred embodiments, the scope of the present invention should not be limited thereby but should be modified and improved in accordance with the above-described embodiments.

100: 단일 공극 구조를 이용한 저항 스위칭 메모리 소자
110: 기판
120: 하부 전극층
130: 메모리 물질층
140: 공극 형성용 금속층
150: 상부 전극
100: Resistance switching memory element using single pore structure
110: substrate
120: lower electrode layer
130: memory material layer
140: metal layer for forming voids
150: upper electrode

Claims (14)

기판상에 하부 전극층을 형성하는 하부 전극층 형성 단계;
상기 하부 전극층상에 메모리 물질층을 형성하는 메모리 물질층 형성 단계;
상기 메모리 물질층의 미리 설정된 영역에 공극 형성용 금속층을 형성하는 공극 형성용 금속층 형성 단계;
상기 공극 형성용 금속층 하부의 상기 메모리 물질층을 제거하여 공극을 형성하는 공극 형성 단계; 및
상기 형성된 공극에 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
A lower electrode layer forming step of forming a lower electrode layer on a substrate;
Forming a memory material layer on the lower electrode layer;
Forming a void-forming metal layer in a predetermined area of the memory material layer;
A cavity forming step of forming a cavity by removing the memory material layer under the cavity forming metal layer; And
And forming an upper electrode on the gap formed between the upper electrode and the lower electrode.
청구항 1에 있어서,
상기 메모리 물질층은 실리콘 산화물층인 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the memory material layer is a silicon oxide layer.
청구항 2에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 미리 설정된 영역을 제거하여 상기 하부 전극층을 노출시키는 하부 전극 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method of claim 2,
And forming a lower electrode by removing a predetermined region of the silicon oxide layer to expose the lower electrode layer.
청구항 3에 있어서,
상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 상기 상부 전극에 분리 영역을 형성하는 스위칭 영역 형성 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method of claim 3,
And forming a separation region in the upper electrode by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode.
청구항 4에 있어서,
상기 공극 형성용 금속층의 금속은 금, 은, 백금, 텅스텐 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method of claim 4,
Wherein the metal of the cavity forming metal layer is at least one of gold, silver, platinum, and tungsten.
청구항 5에 있어서,
상기 공극 형성용 금속층은 포토리소그래피 공정 또는 전자빔리소그래피 공정을 이용하여 패터닝된 후 증착되는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method of claim 5,
Wherein the cavity forming metal layer is patterned using a photolithography process or an electron beam lithography process and then deposited.
청구항 6에 있어서,
상기 공극은 나노 스케일 공극 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법.
The method of claim 6,
RTI ID = 0.0 > 1, < / RTI > wherein the pores have nanoscale pore size.
기판상에 형성된 하부 전극층;
상기 하부 전극층상에 형성되고 내부에 단일 공극이 형성된 메모리 물질층;
상기 단일 공극에 형성되는 상부 전극을 포함하며,
상기 단일 공극은 상기 메모리 물질층의 미리 설정된 영역에 형성된 공극 형성용 금속층 하부의 상기 메모리 물질층을 제거하여 형성된 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
A lower electrode layer formed on a substrate;
A memory material layer formed on the lower electrode layer and having a single gap formed therein;
And an upper electrode formed on the single void,
Wherein the single void is formed by removing the memory material layer under the cavity formation metal layer formed in the predetermined area of the memory material layer.
청구항 8에 있어서,
상기 메모리 물질층은 실리콘 산화물층인 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
The method of claim 8,
Wherein the memory material layer is a silicon oxide layer.
청구항 9에 있어서,
상기 실리콘 산화물층의 미리 설정된 영역이 제거되어 형성된 하부 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
The method of claim 9,
And a lower electrode formed by removing a predetermined region of the silicon oxide layer.
청구항 10에 있어서,
상기 상부 전극은 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 형성된 분리 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
The method of claim 10,
Wherein the upper electrode includes an isolation region formed by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode.
청구항 11에 있어서,
상기 공극 형성용 금속층 물질은 금, 은, 백금, 텅스텐 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
The method of claim 11,
Wherein the cavity-forming metal layer material is at least one of gold, silver, platinum, and tungsten.
청구항 12에 있어서,
상기 공극 형성용 금속층은 포토리소그래피 공정 또는 전자빔리소그래피 공정을 이용하여 패터닝된 후 증착되는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.
The method of claim 12,
Wherein the metal layer for forming voids is patterned using a photolithography process or an electron beam lithography process and then deposited.
청구항 13에 있어서,
상기 공극은 나노 스케일 공극 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 저항 스위칭 메모리 소자.


14. The method of claim 13,
Wherein the cavity has a nanoscale pore size.


KR1020170032424A 2017-03-15 2017-03-15 An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device KR101948638B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170032424A KR101948638B1 (en) 2017-03-15 2017-03-15 An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device
PCT/KR2018/002894 WO2018169269A1 (en) 2017-03-15 2018-03-12 Oxide-based resistive switching memory element using single nanopore structure and manufacturing method therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170032424A KR101948638B1 (en) 2017-03-15 2017-03-15 An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180105400A true KR20180105400A (en) 2018-09-28
KR101948638B1 KR101948638B1 (en) 2019-02-15

Family

ID=63523809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170032424A KR101948638B1 (en) 2017-03-15 2017-03-15 An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101948638B1 (en)
WO (1) WO2018169269A1 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7964867B2 (en) * 2004-12-28 2011-06-21 Nec Corporation Switching element, switching element fabriction method, reconfigurable logic integrated circuit, and memory element
US20090029031A1 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Tyler Lowrey Methods for forming electrodes in phase change memory devices
DE102010061572A1 (en) * 2009-12-29 2011-07-14 Samsung Electronics Co., Ltd., Kyonggi Phase change structure, method of forming a phase change layer, phase change memory device, and method of manufacturing a phase change memory device
EP2784835B1 (en) * 2012-05-31 2016-03-16 Japan Science and Technology Agency Thermoelectric material, method for producing same, and thermoelectric conversion module using same
TW201532327A (en) * 2013-11-19 2015-08-16 Univ Rice William M Porous SiOx materials for improvement in SiOx switching device performances

Also Published As

Publication number Publication date
KR101948638B1 (en) 2019-02-15
WO2018169269A1 (en) 2018-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10181569B2 (en) Two-terminal switching devices comprising coated nanotube elements
US9755143B2 (en) On/off ratio for nonvolatile memory device and method
US7405418B2 (en) Memory device electrode with a surface structure
US7737428B2 (en) Memory component with memory cells having changeable resistance and fabrication method therefor
KR100789045B1 (en) Connection electrode for phase change material, associated phase change memory element, and associated production process
WO2016123881A1 (en) Nonvolatile resistive memory device and manufacturing method therefor
EP2408035A2 (en) Two terminal resistive switching device structure and method of fabricating
US20150144861A1 (en) Resistive memory and method for fabricating the same
US8119528B2 (en) Nanoscale electrodes for phase change memory devices
US11004506B2 (en) Switching resistor and method of making such a device
US6858465B2 (en) Elimination of dendrite formation during metal/chalcogenide glass deposition
US20230403953A1 (en) Memory device having a switching element thicker at a first side than at a second side and method of forming the same
KR101948638B1 (en) An oxide-based resistive switching memory device using a single nano-pore structure and method for fabricating the device
CN106887519B (en) Preparation method of resistive random access memory for realizing multi-value storage
US9673255B2 (en) Resistive memory device and fabrication methods
KR100545151B1 (en) Phase change memory device and manufacturing method thereof
US8927346B2 (en) Electrically and/or thermally actuated device
US9385319B1 (en) Filamentary based non-volatile resistive memory device and method
CN102487123A (en) Nanoscale non-volatile resistive random access memory unit and preparation method thereof
US20220416163A1 (en) Method for manufacturing a memory resistor device
CN111564556A (en) Pyramid-shaped resistive random access memory and preparation method thereof
KR20160043884A (en) Resistive random access memory device having nano-scale tip and nanowire, memory array using the same and fabrication method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant