KR20220026722A - 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 하부전극의 상부 전면에 위치하는 저항성 변화 물질층과, 상기 저항성 변화 물질층의 상부 전면에 위치하는 금속산화물층과, 상기 금속산화물층의 상부 일부에 다수 배치되는 상부전극을 포함할 수 있다.

Description

비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법{A nonvolaitle resistance change memory and manufacturing method thereof}
본 발명은 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 상부 전극과 저항성 변화 물질 층 사이에 금속 산화물 층을 삽입하여 온/오프 비를 증가시키는 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
비휘발성 메모리는 파워가 차단될 때 메모리의 콘텐츠를 계속 유지하는 반도체 메모리이다. 비휘발성 메모리는, 일반적인 컴퓨터 시스템, 내장 시스템 및 지속적 저장을 필요로 하는 그 밖의 전자 장치뿐 아니라 카메라, 셀룰러 폰 및 음악 플레이어와 같은 전자 장치에서 저장을 위해 사용된다. 비휘발성 반도체 메모리는 제거 가능하고 휴대용인 메모리 카드 또는 그 밖의 메모리 모듈의 형태를 취할 수 있고, 다른 타입의 회로 또는 장치에 통합될 수 있으며, 또는 임의의 다른 희망 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 반도체 메모리는, 작은 크기와 영속성이라는 그들의 이점 때문에 더욱 널리 유포되고 있고, 어떠한 이동 부품도 갖지 않으며, 동작에 적은 전력을 요구하고 있다.
플래시 메모리는 다양한 장치에서 사용되는 통상적인 타입의 비휘발성 메모리이다. 플래시 메모리는 긴 액세스, 소거 및 기입 시간을 야기할 수 있는 아키텍처를 사용한다. 전자 장치의 동작 속도 및 사용자의 저장 요구는 급속히 증가하고 있다. 플래시 메모리는, 많은 경우, 비휘발성 메모리 요구에 부적절한 것으로 밝혀지고 있다. 또한, 휘발성 메모리(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM))는, 비휘발성 메모리의 속도가 RAM 및 휘발성 메모리를 현재 사용하는 다른 애플리케이션에 대한 요건을 충족시키도록 증가한다면, 비휘발성 메모리로 대체될 가능성이 있다.
새로운 타입의 비휘발성 메모리로서, 전압의 인가에 응답하여 저항 상태의 변경을 보이는 소자를 포함하는 저항 변화 메모리가 제안되었다.
저항 변화 메모리는 플래시 메모리 소자에 비해 소비전력이 낮고 집적도가 높은 특징이 있으며, 저항 변화 메모리 소자들의 예로는 상변화형 메모리 소자(phasechange RAM; PRAM), 자기저항 메모리 소자(Magnetoresistive Random Access Memory; MRAM) 및 저항 변화 메모리 소자(resistance change RAM; ReRAM)가 알려져 있다.
도 1은 종래 저항 변화 메모리의 단면 구성도이다.
도 1을 참조하면 종래 저항 변화 메모리는 하부전극(100)과, 상기 하부전극(100)의 상부에 위치하는 제1저항성 변화 물질층(200)과, 제1저항성 변화 물질층(200)의 상부에 위치하는 제2저항성 변화 물질층(300)과, 상기 제2저항성 변화 물질층(300)의 상부에 위치하는 상부전극(400)을 포함하여 구성된다.
이와 같은 구조는 제1저항성 변화 물질층(200) 및 제2저항성 변화 물질층(300)의 저항성 스위칭(Resistive Switching, RS) 효과를 이용하여 2극 스위칭 소자를 제공할 수 있다.
즉, 제1저항성 변화 물질층(200)과 제2저항성 변화 물질층(300)은 상부전극(400)과 하부전극(100) 사이의 전압에 따른 저항 변화에 의하여 스위칭 특성을 나타낸다.
제1저항성 변화 물질층(200)과 제2저항성 변화 물질층(300)은 공통적으로 InGaZnO일 수 있으며, 산소의 함유량이 제1저항성 변화 물질층(200)이 제2저항성 변화 물질층(300)에 비하여 더 많은 것으로 할 수 있다.
또한, 하부전극(100)과 상부전극(400)은 각각 금속층을 사용하며, 구체적으로 팔라듐(Pd)을 사용할 수 있다.
제1저항성 변화 물질층(200)과 제2저항성 변화 물질층(300)은 금속 산화물이며, 알려진 바와 같이 IGZO(InGaZnO)는 금속 산화물 재료 중에서 대면적 균일성 및 저온 처리가 가능한 장점이 있다.
그러나 IGZO 기반의 저항성 랜덤 액세스 메모리(RRAM)는 온/오프 비(on/off ratio)가 매우 낮고, 전류 범위의 제한에 따라 실제 응용 분야가 매우 제한적인 문제점이 있었다.
이와 같은 구조의 종래 저항 변화 메모리의 동작 특성은 이후 본 발명의 특성과 함께 비교하는 것으로 한다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 온/오프 비를 개선할 수 있는 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 온/오프 비를 개선하여 회로의 리드(read) 마진을 높일 수 있는 비휘발성 저항 변화 메모리 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리는, 하부전극의 상부 전면에 위치하는 저항성 변화 물질층과, 상기 저항성 변화 물질층의 상부 전면에 위치하는 금속산화물층과, 상기 금속산화물층의 상부 일부에 다수 배치되는 상부전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 하부전극과 상기 상부전극의 재질 팔라듐이며, 상기 저항성 변화 물질층의 재질은 비정질 InGaZnO이며, 상기 금속산화물층은 Al2O3일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 하부전극과 상기 상부전극의 두께는 40nm이며, 상기 저항성 변화 물질층의 두께는 80nm이고, 상기 금속산화물층의 두께는 10nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 금속산화물층은 전자빔 증착법으로 증착된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리 제조방법은, a) 절연기판의 상부에 Pd를 증착하여 하부전극을 형성하는 단계와, b) 상기 하부전극의 상부에 InGaZnO를 증착하여 저항성 변화 물질층을 형성하는 단계와, c) 상기 저항성 변화 물질층의 상부 전면에 Al2O3를 전자빔 증착법으로 증착하여 금속산화물층을 형성하는 단계와, d) 상기 금속산화물층의 상부에 부분적으로 위치하는 Pd 재질의 상부전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 하부전극과 상기 상부전극의 두께는 40nm, 상기 저항성 변화 물질층의 두께는 80nm, 상기 금속산화물층의 두께는 10nm로 형성할 수 있다.
본 발명은 저항성 변화 물질층과 상부전극 사이에 금속산화물층을 더 삽입하여, 높은 저항 상태에서 저항성 변화 물질층에 인가되는 전압을 분배하여, 전계 감소에 의한 오프 전류를 감소시키고, 낮은 저항 상태에서는 삽입된 금속산화물층에 관계없이 큰 온 전류를 제공함으로써, 온/오프 저항 비율을 개선하여 회로의 리드 마진을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저항성 변화 물질층과 상부전극 사이에 금속산화물층을 더 증착하되, 전자빔 증발법(e-beam evaporation)으로 증착하여 온/오프 저항 비율을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 저항 변화 메모리의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리의 단면 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리의 제조공정 수순 사시도이다.
도 7은 본 발명과 종래 비휘발성 저항 변화 메모리의 전압-전류 특성 비교 그래프이다.
도 8은 고저항 상태와 저저항 상태에서의 금속산화물층의 작용 모식도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리의 단면 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리는, 기판(10)과, 상기 기판(10)의 상면 전체에 형성된 하부전극(20)과, 상기 하부전극(20)의 상부 전면에 위치하는 저항성 변화 물질층(30)과, 상기 저항성 변화 물질층(30)의 상부 전면에 위치하는 금속산화물층(40)과, 상기 금속산화물층(40)의 상부에 위치하는 상부전극(50)을 포함하여 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 기판(10)은 절연 기판을 사용한다. 절연 기판으로 고농도 p형 도핑된 실리콘 기판(11)의 상부에 실리콘산화막(SiO2, 12)이 증착된 것을 사용할 수 있다.
위의 실리콘 기판과 실리콘산화막의 증착 구조는 하나의 예이며, 다양한 반도체 기판과 절연막의 적층 구조를 본 발명에 적용할 수 있다.
예를 들어 실리콘 기판의 상부에 질화막이 증착된 것이거나, 실리콘 기판의 상부에 산화막, 질화막, 산화막이 순차 증착되어 적층된 ONO 구조를 사용할 수도 있을 것이다.
상기 기판(10)의 상부에는 하부전극(20)이 위치한다.
상기 하부전극(20)의 전극물질은 금속을 사용할 수 있으며, 특히 Pd를 사용할 수 있다. 상기 하부전극(20)의 두께는 40nm일 수 있다.
상기 하부전극(20)의 상부에는 저항성 변화 물질층(30)으로서, 비정질 IGZO가 80nm의 두께로 위치할 수 있다.
상기 저항성 변화 물질층(30)은 단일층 또는 다층으로 형성된 것일 수 있으며, 하부전극(20)과 접하는 측인 하부측이 산소 함유량이 더 많은 IGZO층일 수 있다.
상기 저항성 변화 물질층(30)의 상부에는 금속산화물층(40)이 위치한다.
금속산화물층(40)은 Al2O3를 사용하는 것이 바람직하다. 금속산화물층(40)의 두께는 10nm인 것으로 한다.
그 다음, 금속산화물층(40)의 상부에는 상부전극(50)이 위치한다.
상부전극(50)의 전극물질은 상기 하부전극(20)과 동일한 Pd를 사용할 수 있으며, 두께 또한 하부전극(20)과 동일하게 형성한 것일 수 있다.
이와 같은 구조에서, 상기 상부전극(50)과 하부전극(20) 사이의 전압차에 따라 상기 저항성 변화 물질층(30)은 저항성이 변화되어, 스위칭 특성을 가지게 된다.
상기 저항성 변화 물질층(30)은 비정절 IGZO이며, 비정질 IGZO의 밴드갭 에너지는 약 3eV의 광학적 밴드갭을 가지고 있다.
저항성 변화 물질층(30)의 상부에 위치하는 금속산화물층(40)은, 상기 저항성 변화 물질층(30)이 높은 저항 상태에서는 저항성 변화 물질층(30)에 인가되는 전압을 분배하여 전계(electric field) 감소에 따른 오프 전류를 감소시킨다.
또한, 저항성 변화 물질층(30)이 낮은 저항 상태에서는 금속산화물층(40)이 산소 공공(Oxygen Vacancy)에 의한 콘덕팅 필라멘트 패스(conducting filament path)의 역할을 하기 때문에 그 금속산화물층(40)과 관계없이 큰 온 전류를 제공할 수 있다.
따라서 온/오프 전류의 비를 크게 할 수 있다.
온/오프 전류의 비는 메모리의 리드 마진을 높일 수 있다.
이와 같은 본 발명의 구조를 제조하는 제조 방법에 대하여 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 저항 변화 메모리의 제조 공정 수순 사시도이다.
도 3 내지 도 6을 통해 설명되는 제조방법은 실제 제조공정에서의 일부만을 나타낸 것으로, 세 개의 상부전극(50)만 도시된다.
먼저, 도 3을 참조하면 기판(10)의 상부에 Pd를 증착하여, 두께가 40nm인 하부전극(20)을 형성한다.
상기 하부전극(20)은 바람직하게는 기판(10)의 상부 전면에 증착하는 것으로 한다.
상기 기판(10)은 절연기판으로 실리콘 웨이퍼 상에 실리콘 산화막을 증착한 것일 수 있다.
그 다음, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 하부전극(20)의 상부 전면에 InGaZnO(IGZO)를 스퍼터 증착하여 80nm 두께의 저항성 변화 물질층(30)을 형성한다.
상기 저항성 변화 물질층(30)은 RF 스퍼터(sputter)를 사용하여 증착할 수 있으며, 이때 증착공정은 실내 온도(room temperature)에서 진행되며, 아르곤-산소 혼합가스 공급 환경에서 진행된다.
그 다음, 도 5에 도시한 바와 같이 저항성 변화 물질층(30)의 상부에 금속산화물층(40)을 증착한다.
이때 금속산화물층(40)은 전자빔 증착법을 통해 Al2O3를 증착한다. 증착 두께는 10nm로 한다.
상기 금속산화물층(40)의 다른 증착방법으로 원자층 증착법(ALD)을 고려할 수 있으나, ALD로 증착하는 경우 수소이온이 저항성 변화 물질층(30)에 도너(donor) 역할을 하여 저항을 감소시키는 것으로 확인되었다.
따라서 ALD를 사용하는 것에 비하여 전자빔 증착법으로 증착하는 것이 바람직하다.
즉, 저항성 변화 물질층(30)의 저항이 감소한다는 것은 높은 오프 전류가 필요하기 때문에 온/오프 비율이 낮아지게 되며, 전자빔 증착법을 이용하여 온/오프 비율이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
그 다음, 도 6에 도시한 바와 같이 금속산화물층(40)의 상부에 Pd를 증착하고, 선택적 식각하여 금속산화물층(40)의 상부에 부분적으로 위치하는 복수의 상부전극(50)을 형성한다.
상기 상부전극(50)의 면적과 상부전극(50) 사이의 간격은 필요에 따라 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명과 종래 기술의 전압 전류 특성 비교 그래프이다.
도 7에서 A 샘플은 종래 Pd/IGZI/Pd 구조를 나타내며, B-1 샘플은 본 발명의 Pd/Al2O3/IGZO/Pd 구조에서 Al2O3를 원자층 증착법으로 증착한 구조의 특성을 나타낸다.
마지막을 B-2 샘플은 본 발명의 Pd/Al2O3/IGZO/Pd 구조에서 Al2O3를 전자빔 증착법으로 증착한 예이다.
도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 상부전극(50), 금속산화물층(40), 저항성 변화 물질층(30), 하부전극(20)의 구조일 때가 종래에 비하여 온/오프 비율이 더 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 금속산화물층(40)을 전자빔 증착법으로 증착한 구조가 원자층 증착법으로 증착한 결과물에 비하여 더 큰 온/오프 비율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 고저항 상태와 저저항 상태에서의 금속산화물층(40)의 작용 모식도이다.
도 8의 (a)에 도시한 고저항 상태에서 Al2O3인 금속산화물층(40)은 직렬 저항으로 작용하여 오프 전류를 감소시킬 수 있다. 이는 저항성 변화 물질층(30)의 전계를 감소시키기 때문이다.
또한, 도 8의 (b)에 도시한 저저항 상태에서 Al2O3인 금속산화물층(40)은 콘덕팅 필라멘트 패스(conducting filament path)를 형성한다. 이때의 콘덕팅 필라멘트 패스는 금속산화물층(40)이 산소 공공에 의해 형성된다.
따라서 저저항 상태에서 전계가 인가되면 저항성 변화 물질층(30)과 금속산화물층(40)에 형성된 콘덕팅 필라멘트 패스를 통해 큰 전류가 흐르게 된다.
본 발명은 두께가 얇은 금속산화물층을 저항성 변화 물질층과 상부전극의 사이에만 형성하여, 개선된 온/오프 저항비(또는 전류비)를 얻을 수 있으며, 회로의 리드 마진을 높일 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10:기판 20:하부전극
30:저항성 변화 물질층 40:금속산화물층
50:상부전극

Claims (6)

  1. 하부전극의 상부 전면에 위치하는 저항성 변화 물질층;
    상기 저항성 변화 물질층의 상부 전면에 위치하는 금속산화물층; 및
    상기 금속산화물층의 상부 일부에 다수 배치되는 상부전극을 포함하는 비휘발성 저항 변화 메모리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부전극과 상기 상부전극의 재질 팔라듐이며,
    상기 저항성 변화 물질층의 재질은 비정질 InGaZnO이며,
    상기 금속산화물층은 Al2O3인 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 변화 메모리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부전극과 상기 상부전극의 두께는 40nm이며,
    상기 저항성 변화 물질층의 두께는 80nm이고,
    상기 금속산화물층의 두께는 10nm인 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 변화 메모리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속산화물층은 전자빔 증착법으로 증착된 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 변화 메모리.
  5. a) 절연기판의 상부에 Pd를 증착하여 하부전극을 형성하는 단계;
    b) 상기 하부전극의 상부에 InGaZnO를 증착하여 저항성 변화 물질층을 형성하는 단계;
    c) 상기 저항성 변화 물질층의 상부 전면에 Al2O3를 전자빔 증착법으로 증착하여 금속산화물층을 형성하는 단계; 및
    d) 상기 금속산화물층의 상부에 부분적으로 위치하는 Pd 재질의 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 저항 변화 메모리 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하부전극과 상기 상부전극의 두께는 40nm, 상기 저항성 변화 물질층의 두께는 80nm, 상기 금속산화물층의 두께는 10nm로 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 저항 변화 메모리 제조방법.
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