KR20210133512A - 2-terminal resistive random access memory by charge trap and preparation method thereof, and cross point array structure memory system comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전하 트랩에 의한 2단자 저항변화 메모리 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a two-terminal resistance variable memory using a charge trap, a method for manufacturing the same, and a memory system having a cross-point array structure including the same.
반도체 산업은 최첨단 기술을 바탕으로 한 고도의 기술집약 산업이며, 정보화 시대의 발전을 이끌어가는 원동력이다. 1965년 제안된 무어의 법칙에 따르면, 매년 집적회로(IC)는 2배씩 집적도가 증가함을 예측하였는데, 이러한 경향을 지금까지도 유지할 수 있게 된 원동력은 반도체소자의 미세화(Scaling)기술과 공정기술의 혁신에 기인하다. 현재 우리의 삶에 크게 영향을 미치는 컴퓨터, 스마트 폰 등의 정보통신기기들을 고성능, 저전력, 적정 가격으로 생산할 수 있는 근거도 반도체 소자의 미세화를 통해 달성되어 왔다.The semiconductor industry is a highly technology-intensive industry based on cutting-edge technology and is the driving force behind the development of the information age. According to Moore's Law, which was proposed in 1965, it was predicted that the degree of integration of integrated circuits (ICs) would increase by doubling every year. due to innovation The basis for producing information and communication devices such as computers and smart phones that greatly affect our lives at present with high performance, low power, and reasonable price has also been achieved through miniaturization of semiconductor devices.
현재 널리 사용되고 있는 메모리는 트랜지스터 구조를 바탕으로 특정 장소에 전자를 저장함으로써 정보를 기억하는 공통분모를 가지고 있고, 어느 장소에 전자를 저장하느냐에 따라 크게 디램(DRAM)과 플래시(FLASH) 메모리로 분류되며, 메모리 반도체의 크기가 줄어들게 되면, 더 높은 용량을 갖게 되기 때문에 미세화가 집적도 향상에 핵심으로 작용한다. 하지만, 7nm 이하로 트랜지스터 소자를 줄이는 것은 물리적/기술적 한계로 인식되고 있다. 특히 메모리 반도체의 경우, 저장되는 전자의 개수도 감소하여, 정보를 10년간 안정적으로 저장하는 것이 어렵고, 소자 간의 간격도 줄어서, 인접 소자의 동작 특성에 크게 영향을 받는 단점이 있어서, 새로운 동작 방법을 이용한 반도체 메모리의 개발이 필요하다. Memory that is currently widely used has a common denominator for storing information by storing electrons in a specific place based on the transistor structure. , since the size of the memory semiconductor is reduced, it has a higher capacity, so miniaturization plays a key role in improving the density. However, reducing the transistor device to 7 nm or less is recognized as a physical/technological limitation. In particular, in the case of memory semiconductors, since the number of stored electrons is also reduced, it is difficult to stably store information for 10 years, and the spacing between elements is also greatly affected by the operating characteristics of adjacent elements. It is necessary to develop a semiconductor memory using
기존 3-단자 트랜지스터 구조와 전자를 이용한 정보저장방법의 문제점을 해결하기 위해, 2-단자 소자구조와 원자/이온이동을 이용한 메모리 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. In order to solve the problems of the existing three-terminal transistor structure and the method of storing information using electrons, research on a memory device using a two-terminal device structure and atomic/ion migration is being actively conducted.
2단자 소자구조는 보다 간단한 구조(금속/산화물/금속)를 이용하며, 적절한 전압/전류 조건을 인가하게 되면 저항이 커 전도가 되지 않는 상태에서 저항이 작아 전도가 가능한 상태로 저항이 바뀌게 된다. 이러한 2가지 저항 상태는 ‘0’과 ‘1’ 차이로 구분되며, 이를 인식하는 메모리 소자를 일컫는다. 물질 내에서 저항이 바뀌는 방법에 따라 상변이에 의한 효과인 PRAM(Phase Change Memory), 스핀의 변화로 인한 MRAM(Magnetic RAM), 그리고 물질 내에서 이온의 움직임에 의한 ReRAM(Resistive RAM)으로 세부적인 명명이 구분된다. 그 중 ReRAM은 원소주기율표상에 제시된 다양한 금속 물질과 산소의 산화물 형태 등에서 관찰되고 있어서, 특정 물질에서만 저항변화 현상이 관측되는 다른 저항변화 메모리 소자들의 한계를 재료적인 방법으로 극복할 수 있기에 가장 활발히 연구 되고 있다. 또한, 저항이 변하는 물리적인 원리는 특정 공간에 전자를 저장하는 것이 아니라, 외부 환경에 따라 재료 내에서 원자나 이온의 움직임을 이용한다. 기존의 메모리 소자들과 같이 전자를 저장할 별도의 공간이 필요하지 않기 때문에, 소자의 미세화 가능성이 장점으로 부각되고 있다. The two-terminal device structure uses a simpler structure (metal/oxide/metal), and when an appropriate voltage/current condition is applied, the resistance is changed from a high resistance non-conducting state to a low resistance conducting state. These two resistance states are distinguished by a difference between '0' and '1', and refers to a memory device that recognizes them. Depending on the method in which the resistance is changed in the material, it is divided into PRAM (Phase Change Memory), which is the effect of phase change, MRAM (Magnetic RAM) due to the change of spin, and ReRAM (Resistive RAM) by the movement of ions in the material. names are distinguished. Among them, ReRAM is observed in various metal materials and oxide forms of oxygen presented on the periodic table of elements. is becoming In addition, the physical principle of changing resistance does not store electrons in a specific space, but uses the movement of atoms or ions in the material according to the external environment. Since a separate space for storing electrons is not required as in conventional memory devices, the possibility of miniaturization of the device is emerging as an advantage.
하지만, 종래의 저항변화 메모리는 전압인가에 따른 산소 이온 또는 산소 공공이 직접적으로 이동하는 메커니즘을 이용하여 저항을 변화시키는 것으로, 산소 이온을 이동시키기 위한 큰 작동전압이 요구되고, 산소 이온 또는 산소 공공의 확산 효과에 따라 시간이 지날수록 안정성이 보장되지 않는 문제가 있다. However, the conventional resistance change memory changes resistance by using a mechanism in which oxygen ions or oxygen vacancies directly move according to voltage application, and a large operating voltage is required to move oxygen ions, and oxygen ions or oxygen vacancies are There is a problem that stability is not guaranteed as time goes by depending on the diffusion effect of
한편, 최근 미세화에 한계로 인한 정체된 메모리 용량을 증가시킬 방법으로, 3차원 적층형의 크로스포인트(cross point, X-point) 구조의 메모리 시스템이 공개된 바 있다. 크로스포인트 구조는 복수개의 하부전극(비트 라인)과 복수개의 상부전극(워드 라인)이 서로 교차하도록 형성되어 있고, 그 교차지점에 메모리노드가 형성되는 구조로 메모리 소자가 형성되는 구조로, 이러한 3차원 적층구조의 메모리 시스템은 초고층 빌딩을 구현하는 방식으로 원자들 몇 개로 구성된 메모리 소자를 층층이 쌓아 올릴 수 있어 같은 칩 면적에서 더 높은 용량을 실현하는 장점이 있다. 또한, RRAM은 간단한 구조로 인한 공정상의 이점이 있기 때문에 3차원이라는 구조적으로 뛰어난 방법을 접목시켜 현존하는 메모리 기술보다 더 향상된 성능을 발휘할 것으로 기대되고 있다. Meanwhile, a three-dimensional stacked cross-point (X-point) structure memory system has recently been disclosed as a method of increasing memory capacity stagnated due to limitations in miniaturization. The crosspoint structure is a structure in which a plurality of lower electrodes (bit lines) and a plurality of upper electrodes (word lines) are formed to cross each other, and a memory node is formed at the intersection points of the memory elements. The dimensional stacked memory system has the advantage of realizing a higher capacity in the same chip area as memory devices composed of several atoms can be stacked layer by layer in a way that implements a skyscraper. In addition, since RRAM has a process advantage due to its simple structure, it is expected to exhibit improved performance compared to existing memory technologies by incorporating a structurally superior method of 3D.
그러나, 이러한 크로스포인트 구조의 메모리 시스템에서는 동일한 비트 라인 또는 워드 라인상에 위치한 처리되지 않은 셀(unaddressed cells)의 간섭에 의한 기생 신호가 크로스포인트 어레이의 실행을 지연시키게 된다. 신뢰성 작동에 영향을 미치는 가장 심각한 문제로서 "스니크 전류 통로(sneak current path)"가 알려져 있으며, "스니크 전류 통로"는 크로스포인트 어레이 내에서 특정한 메모리 셀의 어드레스를 지정하는 경우에 나타나는 누설 전류를 의미한다. 스니크 전류 통로는, 예를 들면, 셀 상태의 판독 결과에 영향을 미치며, 메모리 셀 상태를 잘못 판독되도록 한다. 스니크 통로 문제는, 일반적으로 수동 어레이에서, 특히 메모리 셀의 낮은 저항 상태에서 선형이거나 거의 선형의 전류 전압 특징을 나타내는 상황에서 발생한다. 셀의 고 저항 상태에서는, 낮은 저항 상태의 인접 셀을 통과하는 누설 전류에 인해서 잘못 판독될 수 있다. However, in a memory system having such a crosspoint structure, a parasitic signal due to interference of unaddressed cells located on the same bit line or word line delays the execution of the crosspoint array. As the most serious problem affecting reliable operation, the "sneak current path" is known, and the "sneak current path" is the leakage current that occurs when addressing specific memory cells within a crosspoint array. means The sneak current path, for example, affects the read result of the cell state and causes the memory cell state to be read erroneously. The sneak path problem generally arises in passive arrays, particularly in situations that exhibit linear or near-linear current-voltage characteristics in the low-resistance state of memory cells. In the high-resistance state of a cell, it can be misread due to leakage current through adjacent cells in the low-resistance state.
따라서, 종래의 경우 '셀렉터(selector)'로서 트랜지스터나 다이오드 등을 부가하여, 회로 내의 누설 전류를 감소시키는 방법이 개시된 바 있다. 이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 제10-2013-0142761호에서는 기계적 스위치로 설렉터를 갖는 저항변화 비휘발성 메모리 소자가 개시된 바 있다. 하지만, 이렇게 크로스포인트 구조를 형성하는 공정에 별도의 트랜지스터나 다이오드 등을 부가하는 제조공정이 어려울 뿐만 아니라, 경제성이 낮고, 내구성도 저하되는 문제가 있다.Accordingly, in the conventional case, a method of reducing leakage current in a circuit by adding a transistor or a diode as a 'selector' has been disclosed. As a related art, in Republic of Korea No. 10-2013-0142761, a resistance variable nonvolatile memory device having a selector as a mechanical switch has been disclosed. However, the manufacturing process of adding a separate transistor or diode to the process of forming the crosspoint structure is difficult, and economical efficiency is low and durability is deteriorated.
본 발명의 목적은 전하 트랩에 의해 저전압에서 사용되고 자가 정류 기능을 갖는 비휘발성 2단자 저항변화 메모리 및 이의 제조방법, 이를 포함하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a nonvolatile two-terminal resistance variable memory having a self-rectifying function and used at a low voltage by a charge trap, a manufacturing method thereof, and a memory system having a cross-point array structure including the same.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명의 일 측면에서는,In one aspect of the present invention,
제 1 금속층;a first metal layer;
상기 제 1 금속층 상에 배치되며, 1 내지 15 nm의 두께를 가지며, 절연성 금속산화물을 포함하는 절연체층;an insulator layer disposed on the first metal layer, having a thickness of 1 to 15 nm, and including an insulating metal oxide;
상기 절연체층 상에 배치되는 반도체층; 및 a semiconductor layer disposed on the insulator layer; and
상기 반도체층 상에 배치되는 제 2 금속층;을 포함하는 2단자 저항변화 메모리가 제공된다.A two-terminal resistance variable memory including a second metal layer disposed on the semiconductor layer is provided.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에서는,In addition, in another aspect of the present invention,
제 2 금속층상에 반도체층을 형성하는 단계;forming a semiconductor layer on the second metal layer;
상기 반도체층 상에 1 내지 15 nm 두께의 절연체층을 형성하는 단계; 및forming an insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm on the semiconductor layer; and
상기 절연체층 상에 제 1 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 2단자 저항변화 메모리의 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a two-terminal resistance variable memory including; forming a first metal layer on the insulator layer.
또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에서는,In addition, in another aspect of the present invention,
복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 1 워드 라인;a plurality of first word lines spaced apart from each other in a first direction;
상기 워드 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향과 수직하는 제 2 방향으로 이격 배치되는 비트 라인(Bit Line);a plurality of bit lines disposed on the word line and spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction;
복수 개가 상기 제 1 워드 라인 및 비트 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 1 워드 라인방향으로 적층되는 제 1 반도체층 및 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층을 포함하는 제 1 메모리 셀; a plurality of first semiconductor layers disposed at each intersection of the first word line and the bit line, the first semiconductor layer stacked in the first word line direction from the bit line, and a first insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm a first memory cell;
상기 비트 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 2 워드 라인(Word Line); 및a plurality of second word lines disposed on the bit line and spaced apart from each other in a first direction; and
복수 개가 상기 비트 라인 및 제 2 워드 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 2 워드 라인 방향으로 적층되는 제 2 반도체층 및 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층을 포함하는 제 2 메모리 셀;을 포함하고,a plurality of second semiconductor layers disposed at intersections of the bit lines and second word lines, respectively, and stacked in a direction from the bit lines to the second word lines; and a second insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm. a second memory cell;
상기 제 1 메모리 셀 및 제 2 메모리 셀은 자가 정류 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템이 제공된다.The memory system of a crosspoint array structure is provided, wherein the first memory cell and the second memory cell perform a self-rectifying function.
본 발명은 절연체층 및 반도체층의 접합 구조를 포함하는 2단자 저항변화 메모리로, 상기 절연체층은 전자 터널링 가능하며, 전하가 트랩될 수 있는 층으로, 전압 인가 방향에 따라 상기 절연체층의 전하 트랩 유무가 결정되며, 이에 따라 상기 절연체층과 접하는 반도체층의 일면에 형성된 공핍층의 두께가 변화하여 소자의 전자 터널링 저항을 변화시키는 저항변화 메모리일 수 있다. The present invention is a two-terminal resistance variable memory including a junction structure of an insulator layer and a semiconductor layer, wherein the insulator layer is capable of electron tunneling and is capable of trapping charges. The presence or absence is determined, and accordingly, the thickness of the depletion layer formed on one surface of the semiconductor layer in contact with the insulator layer may be changed to change the electron tunneling resistance of the device.
본 발명은 상기 반도체층의 공핍층의 두께를 변화시키는 방법으로 터널링 저항을 변화시킬 수 있어, 종래의 산소 이온 또는 산소 공공을 직접 이동시켜 저항을 변화시키는 저항변화 메모리보다 전력소모가 적고, 시간에 대한 안정성이 우수한 특징이 있다.The present invention can change the tunneling resistance by changing the thickness of the depletion layer of the semiconductor layer, so it consumes less power than the conventional resistance change memory that changes the resistance by directly moving oxygen ions or oxygen vacancies, and It has excellent stability characteristics.
또한, 스위칭 속도를 향상시킬 수 있고, 15 nm 이하의 절연체층을 포함함으로써, 직접화를 향상시킬 수 있고, 생산단가를 낮출 수 있다.In addition, the switching speed can be improved, and by including the insulator layer of 15 nm or less, directization can be improved, and the production cost can be lowered.
또한, 본 발명의 저항변화 메모리는 반도체층 및 제 2 금속층의 계면에 쇼트키 장벽이 존재하며, 상기 쇼트키 장벽에 의해 자기 정류 기능이 수행될 수 있어, 크로스 포인트 메모리 시스템 제조 시 별도의 셀렉터를 적층하기 위한 추가공정이 요구되지 않아, 제조가 용이하며, 메모리 시스템의 적층 두께를 줄여 시스템의 직접도를 향상시키는 장점이 있다.In addition, in the resistance variable memory of the present invention, a Schottky barrier exists at the interface between the semiconductor layer and the second metal layer, and a self-rectifying function can be performed by the Schottky barrier. Since an additional process for lamination is not required, it is easy to manufacture, and there are advantages of reducing the lamination thickness of the memory system and improving the directivity of the system.
도 1 및 2는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 실시 예를 나타내는 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 작동 원리를 나타내는 모식도이고,
도 4는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 밴드갭 다이어그램을 나타낸 모식도이고,
도 5는 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템의 실시 예를 나타내는 모식도이고,
도 6은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 전기적 특성을 측정하기 위한 전압을 인가한 방법을 나타낸 모식도이고,
도 7은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 전압-전류 특성을 측정한 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 전압-전류 특성을 10회동안 측정한 그래프이고,
도 9는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 전압-전류 특성을 측정한 그래프이고,
도 10은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 정류비를 비교한 그래프이고,
도 11은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 온-오프 전류비를 비교한 그래프이고,
도 12는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 공핍층의 두께 변화를 비교한 그래프이고,
도 13은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해, 시간에 따른 출력 전류값을 분석한 결과를 나타낸 그래프이고,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리에서, 제 2 금속층에 따른 전압-전류 특성을 비교한 그래프이다.1 and 2 are schematic diagrams showing an embodiment of a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention,
3 is a schematic diagram showing the operating principle of a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
4 is a schematic diagram showing a bandgap diagram of a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
5 is a schematic diagram showing an embodiment of a memory system having a cross-point array structure provided in another aspect of the present invention;
6 is It is a schematic diagram showing a method of applying a voltage for measuring the electrical characteristics of the two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention,
7 is a graph measuring voltage-current characteristics of a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
8 is a graph of measuring the voltage-current characteristics of the two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention for 10 times;
9 is a graph of measuring voltage-current characteristics according to the thickness of an insulator layer for a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
10 is a graph comparing the rectification ratio according to the thickness of the insulator layer for the two-terminal resistance variable memory provided in one aspect of the present invention;
11 is a graph comparing the on-off current ratio according to the thickness of the insulator layer for the two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
12 is a graph comparing the thickness change of the depletion layer according to the thickness of the insulator layer for the two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
13 is a graph showing the result of analyzing the output current value over time for the two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention;
14 is a graph comparing voltage-current characteristics according to a second metal layer in a two-terminal resistance variable memory manufactured according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the embodiments of the present invention are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions. In addition, "including" a certain element throughout the specification means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
본 발명의 일 측면에서는In one aspect of the present invention
제 1 금속층;a first metal layer;
상기 제 1 금속층 상에 배치되며, 1 내지 15 nm의 두께를 가지며, 절연성 금속산화물을 포함하는 절연체층;an insulator layer disposed on the first metal layer, having a thickness of 1 to 15 nm, and including an insulating metal oxide;
상기 절연체층 상에 배치되는 반도체층; 및 a semiconductor layer disposed on the insulator layer; and
상기 반도체층 상에 배치되는 제 2 금속층;을 포함하는 2단자 저항변화 메모리가 제공된다.A two-terminal resistance variable memory including a second metal layer disposed on the semiconductor layer is provided.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a two-terminal resistance change memory provided in one aspect of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 일 실시 예를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 다른 실시 예를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리의 밴드갭 다이어그램을 나타낸 모식도이다. 1 is a diagram showing an embodiment of a two-terminal resistance variable memory provided in one aspect of the present invention, and FIG. 2 is a view showing another embodiment of a two-terminal resistance variable memory provided in an aspect of the present invention, 3 is a schematic diagram illustrating a bandgap diagram of a two-terminal resistance variable memory provided in one aspect of the present invention.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이, 두 개의 금속층, 즉 제 1 금속층(10) 및 제 2 금속층(40) 사이에 절연체층(20) 및 반도체층(30)이 배치된 구조를 갖는 저항 변화 메모리로, 상기 제1 금속층(10) 및 제2 금속층(40)을 통해 인가되는 전압의 방향을 변화시켜 상기 절연체층(10)의 전자 트랩 상태를 변화시킬 수 있고, 이를 통해 상기 반도체층(30)의 공핍층 두께를 변화시킴으로써 상기 절연체층(20)의 전자 터널링 저항을 변화시킬 수 있는, 비휘발성 2단자 저항변화 메모리일 수 있다.As shown in FIG. 1, the two-terminal resistance
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 제 1 금속층(10)을 포함한다. The two-terminal resistance
상기 제 1 금속층(10)은 전극으로서의 역할을 수행할 수 있다.The
상기 제 1 금속층(10)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn) 및 이의 합금일 수 있고, 상기 금속 또는 합금을 포함하는 질화물이거나 또는 산화물일 수 있다. 또한 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브 및 풀러린(fullerene) 중 어느 하나 이상일 수 있다.The
또한, 상기 제 1 금속층(10)은 다층 구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 금속층(10)은 루테늄(Ru) 및 루테늄 산화물층(RuOx), 또는 이리듐(Ir) 및 이리듐 산화물층(IrOx), 또는 텅스텐(W), 텅스텐 탄화질화물 또는 텅스텐 탄소 캐핑층(capping layer)을 갖는 백금층을 포함할 수 있고, 탄탈 질화물, 니켈 및 탄탈 질화물을 적층한 다층 구조일 수 있다. 상기 제 1 금속층(10)은 다층 구조를 통해 메모리 소자의 접착 특성 및 성능을 개선하는데 사용될 수 있다.Also, the
또한, 상기 제 1 금속층(10)은 20nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있다.Also, the
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 제 1 금속층 상에 배치되며, 1 내지 15 nm의 두께를 가지며, 절연성 금속산화물을 포함하는 절연체층(20)을 포함할 수 있다.In addition, the two-terminal resistance
이때, 상기 절연체층(20)은 절연성 금속산화물을 포함할 수 있다.In this case, the
상기 절연성 금속산화물은 절연성을 갖기 위해, 바람직하게는 5 eV이상의 밴드갭을 갖는 금속산화물일 수 있고, 보다 바람직하게는 5eV 내지 10eV의 밴드갭을 갖는 금속산화물일 수 있다.In order to have insulating properties, the insulating metal oxide may be preferably a metal oxide having a band gap of 5 eV or more, and more preferably a metal oxide having a band gap of 5 eV to 10 eV.
또한, 상기 금속산화물은 5 내지 12의 유전상수를 가질 수 있다.In addition, the metal oxide may have a dielectric constant of 5 to 12.
상기 절연성 금속산화물은 Al2O3, HfO2, ZrO2 및 MgO으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Al2O3일 수 있다.The insulating metal oxide may include at least one selected from Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 and MgO, preferably Al 2 O 3 .
상기 절연체층(20)은 전하 트랩 상태(Charge trap state)를 포함할 수 있으며, 상기 전하 트랩 상태는 트랩되어 있는 전자를 포함하는 상태일 수 있다.The
상기 절연체층(20)은 트랩된 전자를 포함하거나 또는 포함하지 않음으로써 내부 전기장이 변화될 수 있다.The
일 예로, 상기 제 1 금속층(10)에 양의 전압을 인가할 경우, 상기 절연체층(20)은 트랩된 전자를 포함하지 않은 상태로 전환될 수 있고, 음의 전압을 인가할 할 경우, 이와 반대로, 트랩된 전자를 포함하는 상태로 전환될 수 있다.For example, when a positive voltage is applied to the
또한, 상기 절연체층(20)의 두께는 1 내지 15nm일 수 있고 바람직하게는 1.3 내지 10 nm일 수 있고, 1.5 내지 10 nm일 수 있고, 2.5 내지 10nm일 수 있고, 2.7 내지 10nm일 수 있고, 3 내지 10nm일 수 있다.In addition, the thickness of the
이는 상기 절연체층(20)을 통해 전자 터널링이 가능하기 위한 것으로, 만약, 상기 두께가 1nm 미만이거나 15nm를 초과할 경우, 본원발명의 저항변화 메모리가 전자 터널링현상이 나타나지 않으며, 이에 따라 저항변화 특성이 나타나지 않을 수 있다.This is to enable electron tunneling through the
또한, 상기 절연체층(20)은 1.5nm 이상의 두께를 가짐으로써 우수한 온-오프 전류비를 나타낼 수 있고, 3 내지 5nm의 두께를 가짐으로써, 높은 정류비(rectification ratio) 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 절연체층(20) 상에 배치되는 반도체층(30)을 포함한다.In addition, the two-terminal resistance
상기 반도체층(30)은 상기 절연체층(20)과의 접하는 일면에 전자 공핍(depletion)상태가 나타나는 저항변화층(31)이 형성되도록 하기 위하여 바람직하게는 N형 반도체로 이루어진 N형 반도체층일 수 있다.The
상기 N형 반도체는 ZnO, Al:ZnO, In2O3, SnO2, TiO2, SnO2, SrTiO3, Ga2O3 및 In-Ga-Zn 산화물(IGZO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함하는 금속산화물로, 바람직하게는 보다 높은 전자이동도를 갖는 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)일 수 있다.The N-type semiconductor is ZnO, Al:ZnO, In 2 O 3 , SnO2, TiO 2 , SnO 2 , SrTiO 3 , Ga 2 O 3 and In—Ga—Zn oxide (IGZO), which may include at least one of, indium (In), gallium (Ga), tin (Sn) and zinc (Zn) as a metal oxide including at least one, preferably may be In-Ga-Zn oxide (IGZO) having higher electron mobility.
상기 N형 반도체는 바람직하게는 진성 반도체(intrinsic semiconductor) 대비 불순물이 108 내지 1016비율의 농도로 도핑된 반도체일 수 있고, 페르미 레벨(Fermi level)이 진성 반도체(intrinsic semiconductor) 대비 0.5 내지 1 eV 높을 수 있다.Preferably, the N-type semiconductor may be a semiconductor doped with impurities in a ratio of 10 8 to 10 16 compared to an intrinsic semiconductor, and a Fermi level of 0.5 to 1 compared to an intrinsic semiconductor eV can be high.
또한, 상기 반도체층(30)은 50 내지 250 nm의 두께를 가질 수 있다.In addition, the
또한, 상기 반도체층(30)은 상기 절연체층(20)과 접하는 상기 반도체층(30)의 일면에 배치되는 저항변화층을 포함할 수 있다. In addition, the
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 저항변화층(31)의 두께를 변화시켜 저항을 변화시킬 수 있다.The two-terminal
상기 저항변화층(31)은 상기 반도체층(30)의 일면에 형성된 공핍층일 수 있다. 즉, 상기 저항변화층(31)은 인가하는 전압의 방향에 따라, 또는 상기 절연체층(20)의 전하 트랩 유무에 따라 두께가 변화하는 공핍층으로, 상기 공핍층의 두께 변화에 따라 저항 변화를 나타낼 수 있다. The
상기 저항변화층(31) 또는 공핍층의 두께는 2.5 내지 5.5nm의 범위 내에서 변화될 수 있다. 일 예로, 상기 저항변화층(31) 또는 공핍층의 두께는 상기 메모리(10)가 저항 상태일때 2.5 내지 3.5nm일 수 있고, 높은 저항 상태일 때, 4.5 내지 5.5nm일 수 있다.The thickness of the
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 절연체층(20)의 전하 트랩 유무에 따라 상기 절연체의 내부전기장이 변화함에 따라 상기 절연체층과 접하는 반도체층(30)의 일면에 형성된 공핍층(depletion layer)의 두께가 변화될 수 있다. 이때, 상기 공핍층의 두께 변화에 따라 저항 변화가 나타나는 층일 수 있다. In the two-terminal resistance
이에, 상기 공핍층은 상기 인가되는 전압의 방향에 따라 전자 상태가 달라질 수 있고, 이에 따라 전자 터널링 장벽의 두께가 달라질 수 있다. Accordingly, the electron state of the depletion layer may vary according to the direction of the applied voltage, and thus the thickness of the electron tunneling barrier may vary.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리는 상기 공핍층의 두께를 조절하여 전자가 터널링되는 저항을 변화시키는 메모리 반도체일 수 있다. The two-terminal resistance variable memory provided in one aspect of the present invention may be a memory semiconductor that changes resistance through which electrons are tunneled by adjusting the thickness of the depletion layer.
즉, 제 1 금속층 또는 제 2 금속층으로 인가되는 전압의 방향에 따라 상기 공핍층의 두께가 작아지거나 커질 수 있고, 이에 따라 저항변화 메모리(100)의 저항이 작아지거나 커질 수 있어, 소자(100)를 온(On) 또는 오프(Off) 상태로 조절할 수 있다.That is, the thickness of the depletion layer may decrease or increase depending on the direction of the voltage applied to the first metal layer or the second metal layer, and accordingly, the resistance of the resistance
이에, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 저항변화를 위해 산소 이온 또는 산소 공공을 직접 이동하지 않으므로, 상기 저항변화층(31)의 산소 이온 또는 산소 공공의 농도는 상기 반도체층(30)과 동일할 수 있다.Accordingly, since the two-terminal
도 3은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)의 작동 원리를 나타내는 모식도로, 도 3을 참조하여 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)의 작동원리를 아래와 같이 설명한다.3 is a schematic diagram showing the operating principle of the two-terminal resistance
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 제 1 전극층(M1) 및 및 제 2 전극층(M2)에 의해 전압이 인가될 수 있고, 이때 인가되는 전압의 방향에 의해 상기 절연체층(20)의 전하 트랩 상태를 변화시킬 수 있다. In the two-terminal resistance
일 예로, 상기 제 1 전극(M1)을 통해 양의 전압을 인가할 경우, 상기 절연체층(20)에 트랩되어 있던 전자가 빠져나가면서 상기 반도체층(30)의 공핍층의 두께가 작아지게되며, 이에 따라 상기 저항변화 메모리(100)는 낮은 저항 상태(Low Resistive State, LRS)를 나타내어, 온(On)상태를 형성할 수 있다.For example, when a positive voltage is applied through the first electrode M1 , electrons trapped in the
이와 반대로, 상기 제 1 전극(M1)을 통해 음의 전압을 인가할 경우, 상기 절연체층(20)의 전하 트랩 상태에 전자가 트랩되며, 상기 절연체층(20)의 내부전기장에 의해 상기 반도체층(30)의 공핍층의 두께가 넓어지게 된다. 이에 따라 상기 저항변화 메모리(100)는 높은 저항 상태(High Resistive State, HRS)를 나타내어, 오프(Off) 상태를 형성할 수 있다.On the contrary, when a negative voltage is applied through the first electrode M1 , electrons are trapped in the charge trap state of the
상기와 같이, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 절연체층(20)의 전하 트랩 상태에 따라 반도체층(30)의 공핍층 두께가 변화하여 소자의 저항값을 변화시킴으로써, 메모리 소자를 온/오프 변화시킬 수 있다. 이에, 산소 이온 또는 산소 공공이 직접 이동하여 저항을 변화시키는 종래의 저항변화 메모리 소자보다 사용 안정성, 즉 수명 특성이 우수한 장점이 있다.As described above, in the two-terminal resistance
한편, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 반도체층 상에 배치되는 제 2 금속층(40)을 포함한다.Meanwhile, the two-terminal resistance
상기 제 2 금속층(40)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn) 및 이의 합금일 수 있고, 상기 금속 또는 합금을 포함하는 질화물이거나 또는 산화물일 수 있다. 또한 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브 및 풀러린(fullerene) 중 어느 하나 이상일 수 있다.The
또한, 상기 제 2 금속층(40)은 다층 구조일 수 있다. 예를 들어, 루테늄(Ru) 및 루테늄 산화물층(RuOx), 또는 이리듐(Ir) 및 이리듐 산화물층(IrOx), 또는 텅스텐(W), 텅스텐 탄화질화물 또는 텅스텐 탄소 캐핑층(capping layer)을 갖는 백금층을 포함할 수 있고, 탄탈 질화물, 니켈 및 탄탈 질화물을 적층한 다층 구조일 수 있다. 상기 제 2 금속층(40)은 다층 구조를 통해 메모리 소자의 접착 특성 및 성능을 개선하는데 사용될 수 있다.Also, the
또한, 상기 제 2 금속층(10)은 20nm 내지 100nm의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 30 내지 70nm의 두께를 가질 수 있다.In addition, the
본 발명의 일 측면에서 제공되는 2단자 저항변화 메모리(100)는 상기 반도체층(30) 및 제 2 금속층(40)의 접합으로 쇼트키 장벽(schottky barrier)이 형성하며, 이를 통해 자가 정류 기능을 수행할 수 있어, 크로스 포인트 구조의 반도체 시스템에 적용시 별도의 셀렉터(selector)를 구비하지 않아도 되, 반도체 시스템을 고집적 밀도로 형성할 수 있는 장점이 있다. In the two-terminal resistance
이를 위해, 상기 제 1 금속층(10)은 상기 제 2 금속층(40)과 같거나 보다 작은 일함수를 가질 수 있고, 상기 제 2 금속층(40)은 바람직하게는 상기 제 1 금속층(10)과 같거나 보다 큰 일함수를 가질 수 있다.To this end, the
일 예로, 상기 반도체층(30)이 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)로 이루어질 때, 상기 제 1 금속층(10)은 4.5eV이하의 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 3.5 eV 내지 4.5eV의 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 4.0 eV 내지 4.5eV의 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다.For example, when the
또한, 상기 제 2 금속층(40)은 4.5eV 이상인 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 4.5eV 내지 5 eV인 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. In addition, the
이에, 상기 반도체층(30)이 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)로 이루어질 때, 상기 제 1 금속층(10)은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo) 및 질화티타늄(TiN) 중 적어도 하나일 수 있고, 상기 제 2 금속층(40)은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Accordingly, when the
이를 통해 상기 반도체층(30) 및 상기 제 2 금속층(40)의 계면에 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 형성하여 자가 정류 기능을 수행할 수 있다. Through this, a self-rectifying function may be performed by forming a Schottky barrier at the interface between the
또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 반도체층(30)이 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)로 이루어질 때 및 제1 금속층(M1) 및 제 2 금속층(M2)는 동일한 일함수를 갖는 동일한 금속이 사용될 수 있다.In addition, as shown in FIG. 4 , when the
또한, 상기 제 1 금속층(10)은 0.7eV이상의 전자친화도를 가질 수 있고, 바람직하게는 0.7eV 내지 2.3eV의 전자친화도를 가질 수 있다.In addition, the
또한, 상기 제 2 금속층(10)은 0.7eV이상의 전자친화도를 가질 수 있고, 바람직하게는 0.7eV 내지 2.1eV의 전자친화도를 가질 수 있다.In addition, the
한편, 본 발명의 다른 일 측면에서는On the other hand, in another aspect of the present invention
제 2 금속층(40)상에 반도체층(30)을 형성하는 단계;forming a
상기 반도체층(30) 상에 1 내지 15 nm 두께의 절연체층(20)을 형성하는 단계; 및forming an
상기 절연체층(20) 상에 제 1 금속층(10)을 형성하는 단계;를 포함하는 2단자 저항변화 메모리의 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a two-terminal resistance variable memory including; forming a first metal layer (10) on the insulator layer (20).
이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 2단자 저항변화 메모리(100)의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the two-terminal resistance
본 발명의 2단자 저항변화 메모리(100)의 제조방법은 제 2 금속층(40)상에 반도체층(30)을 형성하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing the two-terminal resistance
상기 반도체층(30)은 바람직하게는 N형 반도체층일 수 있다.The
상기 N형 반도체는 상기 N형 반도체는 ZnO, Al:ZnO, In2O3, SnO2, TiO2, SnO2, SrTiO3, Ga2O3 및 In-Ga-Zn 산화물(IGZO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함하는 금속산화물로, 바람직하게는 보다 높은 전자이동도를 갖는 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)일 수 있다.The N-type semiconductor may include at least one of ZnO, Al:ZnO, In 2 O 3 , SnO2, TiO 2 , SnO 2 , SrTiO 3 , Ga 2 O 3 and In-Ga-Zn oxide (IGZO). A metal oxide including at least one of indium (In), gallium (Ga), tin (Sn) and zinc (Zn), preferably In—Ga—Zn oxide having higher electron mobility (IGZO).
상기 반도체층(30)은 화학적 기상증착법 또는 물리적 기상증착법으로 증착하여 수행될 수 있고, 바람직하게는 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 및 펄스페이저증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.The
본 발명의 2단자 저항변화 메모리(100)의 제조방법은 상기 반도체층(30) 상에 1 내지 15 nm 두께의 절연체층(20)을 형성하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing the two-terminal resistance
상기 절연체층(20)은 절연성 금속산화물을 포함하며, 상기 절연성 금속산화물은 Al2O3, HfO2, ZrO2 및 MgO으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Al2O3일 수 있다.The insulating
상기 절연체층(20)을 형성하는 단계는 화학적 기상증착법 또는 물리적 기상증착법으로 상기 절연성 금속산화물을 증착하는 방법으로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 및 펄스페이저증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD) 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 15nm 이하의 나노층의 박막을 형성하기에 보다 유리한 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD)의 방법으로 수행할 수 있다.The forming of the
상기 절연체층(20)은 1 내지 15nm의 두께로 형성할 수 있고 바람직하게는 1.3 내지 10 nm의 두께로 형성할 수 있고, 보다 바람직하게는 1.5 내지 10 nm의 두께로 형성할 수 있고, 2.5 내지 10nm의 두께로 형성할 수 있고, 2.7 내지 10nm의 두께로 형성할 수 있고, 3 내지 10nm의 두께로 형성할 수 있다.The
이는 상기 절연체층(20)을 통해 전자 터널링이 가능하기 위한 것으로, 만약, 상기 두께가 1nm 미만이거나 15nm를 초과할 경우, 본원발명의 저항변화 메모리가 전자 터널링현상이 나타나지 않으며, 이에 따라 저항변화 특성이 나타나지 않을 수 있다.This is to enable electron tunneling through the
또한, 상기 절연체층(20)은 1.5nm 이상의 두께를 가짐으로써 우수한 온-오프 전류비를 나타낼 수 있고, 3 내지 5nm의 두께를 가짐으로써, 높은 정류비(rectification ratio) 특성을 나타낼 수 있다.In addition, the
본 발명의 2단자 저항변화 메모리의 제조방법은 상기 절연체층(20) 상에 제 1 금속층(10)을 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a two-terminal resistance variable memory according to the present invention includes forming a first metal layer (10) on the insulator layer (20).
본 발명의 2단자 저항변화 메모리의 제조방법은 두 개의 금속층 사이에 절연체층(20) 및 반도체층(30)이 형성된 구조의 저항변화 메모리로, 전류를 빠르게 온 오프 스위칭할 수 있고, 자가 정류 기능을 수행할 수 있다.The method of manufacturing a two-terminal resistive memory of the present invention is a resistive memory having a structure in which an
이를 위해, 상기 상기 제 1 금속층(10)은 상기 제 2 금속층(40)과 같거나 보다 작은 일함수를 가질 수 있고, 상기 제 2 금속층(20)은 바람직하게는 상기 제 1 금속층(10)과 같거나 보다 큰 일함수를 가질 수 있다.To this end, the
일례로, 상기 반도체층(30)이 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)로 이루어질 때, 상기 제 1 금속층(10)은 4.5eV이하의 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 3.5eV 내지 4.5eV의 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 상기 제 2 금속층(40)은 4.5eV 이상인 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 바람직하게는 4.5eV 내지 5 eV인 일함수를 갖는 금속으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 상기 제 1 금속층(10)은 백금(Pt), 몰리브덴(Mo) 및 질화티타늄(TiN) 중 적어도 하나일 수 있고, 상기 제 2 금속층(40)은 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 금(Au) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. For example, when the
이를 통해 상기 반도체층(30) 및 상기 제 2 금속층(40)의 계면에 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 형성하여 자가 정류 기능을 수행할 수 있다. Through this, a self-rectifying function may be performed by forming a Schottky barrier at the interface between the
본 발명의 2단자 저항변화 메모리의 제조방법으로 제조된 저항변화 메모리는 두 개의 금속층으로 전압을 인가함에 따라, 상기 절연체층은 전자 터널링이 발생될 수 있고, 전하 트랩 상태가 변화될 수 있다. 또한, 상기 절연체층의 전하 트랩 상태의 변화에 따라 상기 절연체층과 접하는 상기 반도체층의 일면에는 저항변화층, 즉 공핍층의 두께가 변화될 수 있고 이에 따라 전자가 터널링되는 장벽 두께가 변화되어 저항 변화가 발생될 수 있다. In the resistive memory manufactured by the method of manufacturing a two-terminal resistive memory of the present invention, as a voltage is applied to two metal layers, electron tunneling may occur in the insulator layer and a charge trap state may be changed. In addition, according to the change in the charge trap state of the insulator layer, the thickness of the resistance variable layer, that is, the depletion layer, may be changed on one surface of the semiconductor layer in contact with the insulator layer, and accordingly, the thickness of the barrier through which electrons are tunneled is changed to change the resistance. Changes may occur.
또한, 본 발명의 2단자 저항변화 메모리의 제조방법으로 제조된 저항변화 메모리는 반도체층 및 제 2 금속층의 계면에 쇼트키 장벽이 형성되어 자가 정류 작용을 할 수 있다. In addition, the resistance variable memory manufactured by the method of manufacturing the two-terminal resistance variable memory of the present invention can perform a self-rectifying function by forming a Schottky barrier at the interface between the semiconductor layer and the second metal layer.
본 발명의 다른 일 측면에서는In another aspect of the present invention
복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 1 워드 라인;a plurality of first word lines spaced apart from each other in a first direction;
상기 워드 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향과 수직하는 제 2 방향으로 이격 배치되는 비트 라인(Bit Line);a plurality of bit lines disposed on the word line and spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction;
복수 개가 상기 제 1 워드 라인 및 비트 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 1 워드 라인방향으로 적층되는 제 1 반도체층 및 1 내지 10 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층을 포함하는 제 1 메모리 셀; a plurality of first semiconductor layers disposed at each intersection of the first word line and the bit line, the first semiconductor layer stacked in the first word line direction from the bit line, and a first insulator layer having a thickness of 1 to 10 nm a first memory cell;
상기 비트 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 2 워드 라인(Word Line); 및a plurality of second word lines disposed on the bit line and spaced apart from each other in a first direction; and
복수 개가 상기 비트 라인 및 제 2 워드 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 2 워드 라인 방향으로 적층되는 제 2 반도체층 및 1 내지 10 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층을 포함하는 제 2 메모리 셀;a second semiconductor layer disposed at each intersection of the bit line and the second word line, the second semiconductor layer being stacked in a direction from the bit line to the second word line; and a second insulator layer having a thickness of 1 to 10 nm. a second memory cell;
상기 제 1 메모리 셀 및 제 2 메모리 셀은 자가 정류 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템이 제공된다.The memory system of a crosspoint array structure is provided, wherein the first memory cell and the second memory cell perform a self-rectifying function.
이하, 본 발명의 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the memory system of the crosspoint array structure of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 5는 본 발명의 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템을 나타내는 모식도이다.5 is a schematic diagram showing a memory system having a cross-point array structure according to the present invention.
상기 메모리 시스템(1)은 복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 1 워드 라인(200) 및 상기 제 1 워드 라인(200)과 평행하게 배치되는 제 2 워드 라인(300)을 포함할 수 있다. 상기 제 1 워드 라인(200) 및 제 2 워드 라인(300)은 도 5에서와 같이 이격하여 평행하게 배치되는 4개의 제 1 워드 라인(201, 202, 203, 204) 및 제 2 워드 라인(301, 302, 303, 304)를 포함할 수 있으나, 상기 제 1 워드 라인(200) 및 제 2 워드 라인(300)의 개수는 이에 제한된 것이 아니며, 더 많거나 작을 수 있다.The
또한, 상기 메모리 시스템(1)은 상기 제 1 워드 라인(200) 및 상기 제 2 라이(300) 사이에 배치되며 복수 개가 제 1 방향과 수직하는 제 2 방향으로 이격 배치되는 비트 라인(Bit Line)(400)을 포함할 수 있다. 상기 비트 라인(400)은 도 5에서와 같이 이격하여 평행하게 배치되는 4개의 비트 라인(401, 402, 403, 404)를 포함할 수 있으나, 상기 비트 라인(400)의 개수는 이에 제한된 것이 아니며, 더 많거나 작을 수 있다.In addition, the
상기 제 1 워드 라인(200), 제 2 워드 라인(300) 및 비트 라인(400)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 망간(Mn), 주석(Sn) 및 이의 합금일 수 있고, 상기 금속 또는 합금을 포함하는 질화물이거나 또는 산화물일 수 있다.The
상기 제 1 워드 라인(200) 및 제 2 워드 라인(300)은 동일한 금속일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.The
상기 비트 라인(400)은 상기 제 1 워드 라인(200) 및 제 2 워드 라인(300) 보다 일함수가 클 수 있고, 바람직하게는 4.5eV 이상인 일함수를 가질 수 있고, 보다 바람직하게는 4.5eV 내지 5 eV인 일함수를 가질 수 있다. The
이는, 상기 제 1 반도체층(502) 및 비트 라인(400)의 계면, 및 상기 제 2 반도체층(602) 및 비트 라인(400)의 계면에 쇼트키 장벽을 형성하기 위한 것으로, 상기 쇼트키 장벽을 통해 본 발명의 메모리 시스템(1)은 정류 기능을 수행할 수 있다. 이에 본 발명의 메모리 시스템(1)은 별도의 다이오드등의 셀렉터(selecor)를 포함하지 않아도 정류 기능을 수행할 수 있는 자가 정류 기능을 갖는 메모리 시스템일 수 있다. This is to form a Schottky barrier at the interface between the
또한 상기 메모리 시스템(1)은 상기 제 1 워드 라인 및 비트 라인의 교차점 배치되는 제 1 메모리 셀(500), 및 제 2 워드 라인 미 비트 라인의 교차점에 배치되는 제 2 메모리 셀(600)을 포함할 수 있다.The
상기 제 1 메모리 셀(500)은 상기 비트라인(400)에서 상기 제 1 워드 라인(200)방향으로 적층되는 제 1 반도체층(502) 및 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층(501)을 포함할 수 있다.The
또한, 상기 제 2 메모리 셀(600)은 상기 비트라인(400)에서 상기 제 2 워드 라인(300) 방향으로 적층되는 제 2 반도체층(602) 및 1 내지 10 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층(601)을 포함할 수 있다.In addition, the
또한, 상기 제 1 메모리 셀(500)은 상기 비트라인에서 상기 제 1 워드 라인방향으로 적층되는 제 1-1 금속층, 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층, 제 1 반도체층 및 제 1-2 금속층을 포함할 수 있다.In addition, the
이때, 상기 제 1-2 금속층의 일함수는 상기 제 1-1 금속층의 일함수와 같거나 클 수 있고 이를 통해 상기 제 1 반도체층 및 제 1-2 금속층의 계면에는 쇼트키 장벽이 형성될 수 있다. In this case, the work function of the first and second metal layers may be equal to or greater than the work function of the first and second metal layers, whereby a Schottky barrier may be formed at the interface between the first semiconductor layer and the first and second metal layers. have.
또한, 상기 제 2 메모리 셀은 상기 비트라인에서 상기 제 2 워드 라인 방향으로 적층되는 제 2-1 금속층, 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층, 제 2 반도체층 및 제 2-2 금속층을 포함할 수 있다.In addition, the second memory cell includes a 2-1 metal layer, a second insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm, a second semiconductor layer, and a 2-2 metal layer stacked from the bit line to the second word line direction. may include.
이때, 상기 제 2-2 금속층의 일함수는 상기 제 2-1 금속층의 일함수와 같거나 클 수 있고 이를 통해 상기 제 2 반도체층 및 제 2-2 금속층의 계면에는 쇼트키 장벽이 형성될 수 있다. In this case, the work function of the 2-2 metal layer may be the same as or greater than the work function of the 2-1 metal layer, whereby a Schottky barrier may be formed at the interface between the second semiconductor layer and the 2-2 metal layer. have.
상기 메모리 시스템(1)은 제 1 메모리 셀(500) 및 제 2 메모리 셀(600)에 절연체층 및 반도체층을 포함하며, 상기 절연체층과 접하는 상기 반도체층의 일면에 저항변화층을 형성하여, 전압 인가에 따라 상기 저항변화층의 두께를 변화시켜 전자가 터널링되는 저항을 변화시킬 수 있다. The
이하, 실시 예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시 예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples.
<실시 예 1> Pt/Al2O3/IGZO/Au 구조의 2단자 저항변화 메모리<Example 1> Two-terminal resistance change memory of Pt/Al 2 O 3 /IGZO/Au structure
단계 1: 전자빔 증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 SiO2/Si기판 상에 50 nm 두께의 50nm의 백금(Pt)을 형성하여 제 2 금속층을 형성하였다.Step 1: Platinum (Pt) having a thickness of 50 nm and a thickness of 50 nm was formed on a SiO 2 /Si substrate using an e-beam evaporator to form a second metal layer.
단계 2: RF-스퍼터링(RF-sputtering)을 이용하여 상기 제 2 금속층 상에 50 nm 두께의 IGZO 반도체층을 형성하였다. 이때, 증착 조건으로, 6%의 산소분압, 5 mtorr의 작업 압력 및 상온에서 수행하였다.Step 2: Using RF-sputtering (RF-sputtering) to form a 50 nm thick IGZO semiconductor layer on the second metal layer. At this time, as the deposition conditions, the oxygen partial pressure of 6%, the working pressure of 5 mtorr, and was carried out at room temperature.
단계 3: 열- 원자층 증착기(Thermal-Atomic layer deposition, ALD)를 사용하여, TMA 및 H2O 소스를 사용하고 200℃에서 수행하는조건으로 10cycle 수행하여, 상기 IGZO 반도체층상에 1 nm 두께의 Al2O3 절연체층을 형성하였다. Step 3: Using a thermal-atomic layer deposition (ALD), using TMA and H 2 O source, and performing 10 cycles under the conditions performed at 200 ° C., 1 nm thick on the IGZO semiconductor layer An Al 2 O 3 insulator layer was formed.
단계 4: 전자빔 증착기(e-beam evaporator를 이용하여 상기 Al2O3 절연체층상에 50 nm 두께의 Au를 형성하여 제 1 금속층을 형성하여 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.Step 4: Using an electron beam evaporator (e-beam evaporator to form a first metal layer by forming 50 nm-thick Au on the Al 2 O 3 insulator layer, a two-terminal resistance variable memory was manufactured.
<실시 예 2><Example 2>
상기 실시 예 1의 단계 3에서, 상기 ALD를 15cycle 수행하여 Al2O3 절연체층의 두께를 1.5 nm으로 제조한 것을 제외하고, 실시 예 1와 동일한 방법을 수행하여, 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.In
<실시 예 3><Example 3>
상기 실시 예 1의 단계 3에서, 상기 ALD를 20cycle 수행하여 Al2O3 절연체층의 두께를 2 nm으로 제조한 것을 제외하고, 실시 예 1와 동일한 방법을 수행하여, 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.In
<실시 예 4><Example 4>
상기 실시 예 1의 단계 3에서, 상기 ALD를 25cycle 수행하여 Al2O3 절연체층의 두께를 2.5 nm으로 제조한 것을 제외하고, 실시 예 1와 동일한 방법을 수행하여, 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.A two-terminal resistance change memory was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in
<실시 예 5><Example 5>
상기 실시 예 1의 단계 3에서, 상기 ALD를 30cycle 수행하여 Al2O3 절연체층의 두께를 3 nm으로 제조한 것을 제외하고, 실시 예 1와 동일한 방법을 수행하여, 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.A two-terminal resistance change memory was manufactured in the same manner as in Example 1, except that in
<실시 예 6><Example 6>
상기 실시 예 1의 단계 1에서, 제 2 금속층을 알루미늄(Al)으로 형성한 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여, 2단자 저항변화 메모리를 제조하였다.A two-terminal resistance variable memory was manufactured in the same manner as in Example 1, except that, in
<실험예 1><Experimental Example 1>
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리의 저항변화의 전기적 특성을 분석하기 위해, 도 6에 나타난 바와 같이, 제 2 금속층(M2)을 접지시키고, 제 1 금속층(M1)에 전압을 인가하는 방법으로, 전압을 인가하여, 전압-전류 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내고, 10회 반복적으로 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.In order to analyze the electrical characteristics of the resistance change of the two-terminal resistance change memory manufactured according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. 6 , the second metal layer M2 is grounded, and the voltage applied to the first metal layer M1 is As a method of applying a voltage, voltage-current characteristics were measured, and the results are shown in FIG. 7 , and the results of repeated
도 7에 나타난 바와 같이, 양의 전압 범위에서 셋(set)상태를나타내며, 음의 전압 범위에서 리셋(reset)상태를 나타내는 것을 알 수 있으며, 도 8을 통해, 10회 반복적으로 측정하더라도, 소자가 안정적으로 작동하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 7 , it can be seen that a set state is indicated in a positive voltage range and a reset state is indicated in a negative voltage range. It can be seen that it works stably.
<실험예 2><Experimental Example 2>
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 전기적 특성을 분석하기 위해, 실시 예 1 내지 5에 의해 제조한 저항변화 메모리에 대해, 실험예 1과 같은 방법으로 전압-전류 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 9 내지 11에 나타내었다.For the two-terminal resistance variable memory manufactured according to the embodiment of the present invention, in order to analyze the electrical characteristics according to the thickness of the insulator layer, for the resistance change memory manufactured according to Examples 1 to 5, the same as in Experimental Example 1 The voltage-current characteristics were measured by this method, and the results are shown in FIGS. 9 to 11 .
도 9는 실시 예 1 내지 5에 의해 제조한 저항변화 메모리에 대한 전압-전류 곡선이고, 도 10은 도 9의 곡선 중 read Voltage = ±3V 조건에서의 절연체층의 두께에 따른 정류비(rectification ratio)를 나타낸 그래프이고, 도 11은 도 9의 곡선 중 read Voltage = -1V 조건에서의 절연체층의 두께에 따른 온/오프 전류비를 나타낸 그래프이다.9 is a voltage-current curve for the resistance variable memory manufactured according to Examples 1 to 5, and FIG. 10 is a rectification ratio according to the thickness of the insulator layer under the condition of read Voltage = ±3V among the curves of FIG. ), and FIG. 11 is a graph showing the on/off current ratio according to the thickness of the insulator layer under the condition of read Voltage = -1V among the curves of FIG. 9 .
도 9를 통해, 실시 예 1 내지 5에 의해 제조한 저항변화 메모리가 양의 전압 범위에서 셋(set)상태를나타내며, 음의 전압 범위에서 리셋(reset)상태를 나타내는 것을 알 수 있다 9 , it can be seen that the resistance variable memories manufactured according to Examples 1 to 5 exhibit a set state in a positive voltage range and a reset state in a negative voltage range.
또한, 도 10을 통해, 절연체층의 두께가 증가할수록 정류 특성이 개선됨을 알 수 있고, 특히, 상기 절연체층의 두께가 3nm 에서 30K로 1.5 내지 2.5 nm의 두께를 가질 때보다 현저히 우수한 정류 특성을 나타냄을 알 수 있다.In addition, it can be seen from FIG. 10 that the rectification characteristics are improved as the thickness of the insulator layer increases. In particular, the rectification characteristics are significantly better than when the thickness of the insulator layer has a thickness of 1.5 to 2.5 nm from 3 nm to 30K. can be seen to indicate
또한, 도 11을 통해, 상기 절연체층의 두께가 1.5nm의 두께에서, 온/오프 전류비가 900으로 현저히 높고, 1.5 nm 이상의 두께에서, 600이상의 값을 갖는 것을 알 수 있다. 11, it can be seen that, when the thickness of the insulator layer is 1.5 nm, the on/off current ratio is remarkably high as 900, and at a thickness of 1.5 nm or more, it has a value of 600 or more.
이를 통해, 상기 절연체층의 두께가 1.5nm 이상일 때, 우수한 온/오프 전류비를 가질 수 있고, 상기 절연체층의 두께가 3nm 이상일 때, 보다 우수한 정류 특성을 가질 수 있음을 알 수 있다.Through this, it can be seen that when the thickness of the insulator layer is 1.5 nm or more, an excellent on/off current ratio can be obtained, and when the thickness of the insulator layer is 3 nm or more, better rectification characteristics can be obtained.
<실험예 3> 절연체층의 두께에 따른 공핍층의 두께 변화<Experimental Example 3> Change in thickness of depletion layer according to thickness of insulator layer
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리에 대해, 절연체층의 두께에 따른 반도체층 내 공핍층의 특성을 분석하기 위해, 실시 예 1 내지 5에 의해 제조한 저항변화 메모리에 대해, 이하의 방법으로 공핍층의 두께를 추출하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다. In order to analyze the characteristics of the depletion layer in the semiconductor layer according to the thickness of the insulator layer for the two-terminal resistance variable memory manufactured according to the embodiment of the present invention, the resistance change memory manufactured according to Examples 1 to 5, The thickness of the depletion layer was extracted by the following method, and the results are shown in FIG. 12 .
즉, 캐패시턴스-전압 측정을 통해 소자의 총 캐패시턴스값을 측정한 후 단일 Al2O3에서 측정된 캐패시턴스 값을 대입하여 공핍층 캐패시턴스 값을 추출하고, 하기 식을 통해 공핍층의 두께를 계산하였다.That is, after measuring the total capacitance of the device through capacitance-voltage measurement, the capacitance value measured in a single Al 2 O 3 was substituted to extract the depletion layer capacitance value, and the thickness of the depletion layer was calculated through the following equation.
Cd= 공핍층의 캐패시턴스,εs= 반도체층의 유전율 W: 공핍층의 두께C d = capacitance of the depletion layer, ε s = dielectric constant of the semiconductor layer W: thickness of the depletion layer
도 12에 나타난 바와 같이, 실시 예 1 내지 5에 의해 제조한 저항변화 메모리는 공핍층의 두께가 저저항 상태에서 2.5 내지 3.5 nm를 나타내고, 고저항 상태에서 4.5 내지 5.5nm를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리는 상기 절연체층의 두께가 변화에 따른 공핍층의 두께 변화는 미비한 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 12 , in the resistance variable memory manufactured according to Examples 1 to 5, it can be seen that the thickness of the depletion layer is 2.5 to 3.5 nm in the low resistance state and 4.5 to 5.5 nm in the high resistance state. . That is, in the two-terminal resistance variable memory manufactured according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the thickness change of the depletion layer according to the change in the thickness of the insulator layer is insignificant.
<실험예 4><Experimental Example 4>
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리의 내구성, 즉, 시간에 따른 안정성을 확인하기 위해, 실시 예 4에 의해 제조된 저항변화 메모리에 대해, 시간에 따른 출력 전류값을 분석하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다. In order to confirm the durability of the two-terminal resistance change memory manufactured according to the embodiment of the present invention, that is, the stability over time, for the resistance change memory manufactured according to Example 4, the output current value according to time was analyzed. , the results are shown in FIG. 13 .
도 13에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리의 경우, 1000s의 시간동안 매우 안정적으로 전류값이 유지되는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 시간에 따른 안정성이 매우 우수한 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 13 , in the case of the two-terminal resistance variable memory manufactured according to the embodiment of the present invention, it can be seen that the current value is maintained very stably for a time of 1000 s, and through this, the stability over time is very excellent. it can be seen that
<실험예 5> 제 2 금속의 종류에 따른 정류 특성 평가<Experimental Example 5> Evaluation of rectification characteristics according to the type of the second metal
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 2단자 저항변화 메모리의 정류 특성을 평가하기 위해 실시 예 1 및 6에서 제조한 2단자 저항변화 메모리의 전압-전류 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 14에 나타내었다.In order to evaluate the rectification characteristics of the two-terminal resistive memory manufactured according to an embodiment of the present invention, the voltage-current characteristics of the two-terminal resistive memory manufactured in Examples 1 and 6 were measured, and the results are shown in FIG. 14 . It was.
도 14에 나타난 바와 같이, 실시 예 1은 정류 특성이 나타나는 반면, 실시 예 6은 정류 특성이 보다 낮음을 알 수 있다.As shown in FIG. 14 , it can be seen that Example 1 exhibits a rectification characteristic, whereas Example 6 has a lower rectification characteristic.
이는 실시 예 1은 제 1 금속으로 금(Au)을 사용하고 반도체층과 접하는 제 2 금속으로 상기 금(Au)보다 일함수가 큰 백금(Pt)를 사용하여 상기 IGZO반도체층 및 제 2 금속층 사이에 쇼트키 접촉(schottky contact)을 형성한 반면, 실시 예 6은 제 1 금속으로 금(Au)을 사용하고 반도체층과 접하는 제 2 금속으로 상기 금(Au)보다 일함수가 작은 알루미늄(Al)을 사용했기 때문에, 상기 IGZO반도체층 및 알루미늄(Al)Ti-Pt 금속층 사이에 오믹 접촉(omic contact)했기 때문인 것으로 볼 수 있다.In Example 1, gold (Au) is used as the first metal and platinum (Pt) having a larger work function than gold (Au) is used as the second metal in contact with the semiconductor layer, between the IGZO semiconductor layer and the second metal layer. On the other hand, in Example 6, gold (Au) was used as the first metal and aluminum (Al) having a work function smaller than that of gold (Au) as the second metal in contact with the semiconductor layer. Because it used, it can be seen that it is because of the ohmic contact (omic contact) between the IGZO semiconductor layer and the aluminum (Al) Ti-Pt metal layer.
이를 통해, 보다 우수한 자가 정류 특성을 확보하기 위해서는 제 1 금속 대비 제 2 금속의 일함수가 같거나 커야함을 알 수 있다.Through this, it can be seen that the work function of the second metal must be equal to or greater than that of the first metal in order to secure better self-rectification characteristics.
1: 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템
10: 제 1 금속층
20: 절연체층
30: 반도체층
31: 저항변화층
40: 제 2 금속층
100: 2단자 저항변화 메모리
200, 201, 202, 203, 204: 제 1 워드 라인
300, 301, 302, 303, 304: 제 2 워드 라인
400, 401, 402, 403, 404: 비트 라인
500: 제 1 메모리 셀
501: 제 1 절연체층
502: 제 1 반도체층
600: 제 2 메모리 셀
601: 제 2 절연체층
602: 제 2 반도체층1: Cross-point array structure memory system
10: first metal layer
20: insulator layer
30: semiconductor layer
31: resistance change layer
40: second metal layer
100: 2-terminal resistance change memory
200, 201, 202, 203, 204: first word line
300, 301, 302, 303, 304: second word line
400, 401, 402, 403, 404: bit line
500: first memory cell
501: first insulator layer
502: first semiconductor layer
600: second memory cell
601: second insulator layer
602: second semiconductor layer
Claims (16)
상기 제 1 금속층 상에 배치되며, 1 내지 15 nm의 두께를 가지며, 절연성 금속산화물을 포함하는 절연체층;
상기 절연체층 상에 배치되는 반도체층; 및
상기 반도체층 상에 배치되는 제 2 금속층;을 포함하는 2단자 저항변화 메모리.
a first metal layer;
an insulator layer disposed on the first metal layer, having a thickness of 1 to 15 nm, and including an insulating metal oxide;
a semiconductor layer disposed on the insulator layer; and
and a second metal layer disposed on the semiconductor layer.
상기 절연성 금속산화물은 5eV 내지 10eV의 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein the insulating metal oxide has a bandgap of 5eV to 10eV.
상기 절연성 금속산화물은 5 내지 12의 유전상수를 갖는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
The two-terminal resistance change memory, characterized in that the insulating metal oxide has a dielectric constant of 5 to 12.
상기 절연성 금속산화물은 Al2O3, HfO2, ZrO2 및 MgO으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein the insulating metal oxide comprises at least one selected from Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 and MgO.
상기 반도체층은 N형 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
The semiconductor layer is a two-terminal resistance variable memory, characterized in that made of an N-type semiconductor.
상기 반도체층은 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나를 포함하는 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein the semiconductor layer includes a metal oxide including at least one of indium (In), gallium (Ga), tin (Sn), and zinc (Zn).
상기 반도체층은 상기 절연체층과 접하는 일면에 배치되는 저항변화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein the semiconductor layer includes a resistance change layer disposed on one surface in contact with the insulator layer.
상기 2단자 저항변화 메모리는 상기 저항변화층의 두께를 변화시켜 저항을 변화시키는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein the two-terminal resistance change memory changes resistance by changing the thickness of the resistance change layer.
상기 2단자 저항변화 메모리는 자가 정류 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
The two-terminal resistance change memory is a two-terminal resistance change memory, characterized in that it has a self-rectifying function.
상기 반도체층 및 제 2 금속층 계면은 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 갖는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
wherein an interface between the semiconductor layer and the second metal layer has a Schottky barrier.
상기 제 1 금속층의 일함수는 상기 제 2 금속층의 일함수와 같거나 보다 작은 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
The two-terminal resistance variable memory, characterized in that the work function of the first metal layer is equal to or smaller than the work function of the second metal layer.
상기 제 1 금속층은 일함수가 4.0 eV 내지 4.5eV인 금속으로 이루어지고,
상기 절연체층은 Al2O3로 이루어지고,
상기 반도체층은 In-Ga-Zn 산화물(IGZO)로 이루어지고,
상기 제 2 금속층은 일함수가 4.5eV 내지 5eV인 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리.
The method of claim 1,
The first metal layer is made of a metal having a work function of 4.0 eV to 4.5 eV,
The insulator layer is made of Al 2 O 3,
The semiconductor layer is made of In-Ga-Zn oxide (IGZO),
wherein the second metal layer is made of a metal having a work function of 4.5 eV to 5 eV.
상기 반도체층 상에 1 내지 15 nm 두께의 절연체층을 형성하는 단계; 및
상기 절연체층 상에 제 1 금속층을 형성하는 단계;를 포함하는 2단자 저항변화 메모리의 제조방법.
forming a semiconductor layer on the second metal layer;
forming an insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm on the semiconductor layer; and
and forming a first metal layer on the insulator layer.
상기 2단자 저항변화 메모리의 제조방법은 자가 정류기능을 갖는 2단자 저항변화 메모리를 제조하는 것을 특징으로 하는 2단자 저항변화 메모리의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The method of manufacturing the two-terminal resistive memory is characterized in that the two-terminal resistive memory having a self-rectifying function is manufactured.
상기 워드 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향과 수직하는 제 2 방향으로 이격 배치되는 비트 라인(Bit Line);
복수 개가 상기 제 1 워드 라인 및 비트 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 1 워드 라인방향으로 적층되는 제 1 반도체층 및 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층을 포함하는 제 1 메모리 셀;
상기 비트 라인 상에 배치되며, 복수 개가 제 1 방향으로 이격 배치되는 제 2 워드 라인(Word Line); 및
복수 개가 상기 비트 라인 및 제 2 워드 라인의 교차점 각각에 배치되며, 상기 비트라인에서 상기 제 2 워드 라인 방향으로 적층되는 제 2 반도체층 및 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층을 포함하는 제 2 메모리 셀;을 포함하고,
상기 제 1 메모리 셀 및 제 2 메모리 셀은 자가 정류 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템.
a plurality of first word lines spaced apart from each other in a first direction;
a plurality of bit lines disposed on the word line and spaced apart from each other in a second direction perpendicular to the first direction;
a plurality of first semiconductor layers disposed at each intersection of the first word line and the bit line, the first semiconductor layer stacked in the first word line direction from the bit line, and a first insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm a first memory cell;
a plurality of second word lines disposed on the bit line and spaced apart from each other in a first direction; and
a plurality of second semiconductor layers disposed at intersections of the bit lines and second word lines, respectively, and stacked in a direction from the bit lines to the second word lines; and a second insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm. a second memory cell;
The memory system of a crosspoint array structure, wherein the first memory cell and the second memory cell perform a self-rectifying function.
상기 제 1 메모리 셀은 상기 비트라인에서 상기 제 1 워드 라인방향으로 적층되는 제 1-1 금속층, 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 1 절연체층, 제 1 반도체층 및 제 1-2 금속층을 포함하고,
상기 제 2 메모리 셀은 상기 비트라인에서 상기 제 2 워드 라인 방향으로 적층되는 제 2-1 금속층, 1 내지 15 nm의 두께를 갖는 제 2 절연체층, 제 2 반도체층 및 제 2-2 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스포인트 어레이 구조의 메모리 시스템.16. The method of claim 15,
The first memory cell includes a 1-1 metal layer, a first insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm, a first semiconductor layer, and a 1-2 metal layer stacked from the bit line to the first word line direction. do,
The second memory cell includes a 2-1 metal layer stacked in a direction from the bit line to the second word line, a second insulator layer having a thickness of 1 to 15 nm, a second semiconductor layer, and a 2-2 metal layer. Cross-point array structure memory system, characterized in that.
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