KR20240026063A - Variable resistance memory device and electronic apparatus including the same - Google Patents
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Abstract
가변 저항 메모리 소자 및 이를 포함한 전자 장치를 개시한다. 본 가변 저항 메모리 소자는, 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 9%이상인 금속 산화물로 구성된 저항 변화층, 저항 변화층상에 배치되는 반도체층, 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층 및 게이트 절연층상에 이격 배치되는 복수 개의 전극을 포함한다. Disclosed is a variable resistance memory device and an electronic device including the same. This variable resistance memory device includes a resistance change layer composed of a metal oxide having an oxygen deficiency ratio of 9% or more, a semiconductor layer disposed on the resistance change layer, a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer, and a gate insulating layer spaced apart from each other. It includes a plurality of electrodes disposed.
Description
본 개시는 가변 저항 물질을 포함하는 메모리 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다. The present disclosure relates to a memory device including a variable resistance material and an electronic device including the same.
비휘발성 메모리 장치는 전원이 끊어진 상태에서도 정보를 유지하고 있어 전원이 공급되면 다시 저장된 정보를 사용할 수 있는 다수의 메모리 셀들을 포함한다. 비휘발성 메모리 장치는 휴대폰, 디지털 카메라, 휴대용 정보 단말기(PDA), 이동식 컴퓨터 장치, 고정식 컴퓨터 장치 및 기타 장치에서 사용될 수 있다. A non-volatile memory device includes a number of memory cells that retain information even when power is turned off and can use the stored information again when power is supplied. Non-volatile memory devices can be used in cell phones, digital cameras, digital assistants (PDAs), portable computer devices, stationary computer devices, and other devices.
최근에는 차세대 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing) 플랫폼 혹은 뉴럴 네트워크(Neural Network)를 형성하는 칩에 3차원(또는 수직형, Vertical) NAND(VNAND)를 사용하는 연구가 진행 중이다.Recently, research is underway on using 3D (or vertical) NAND (VNAND) in chips that form the next-generation Neuromorphic Computing platform or neural network.
산소 공공(Oxygen vacany)이 많이 발생할 수 있는 저항 변화층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다. Provided is a variable resistance memory device including a resistance change layer in which many oxygen vacancies can occur, and an electronic device including the same.
일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자는, 제1 금속 원소 및 제2 금속 원소를 포함하고, 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 9%이상인 금속 산화물로 구성된 저항 변화층; 상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층; 상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층상에 이격 배치되는 복수 개의 전극;을 포함한다.A variable resistance memory device according to an embodiment includes a resistance change layer composed of a metal oxide containing a first metal element and a second metal element and having an oxygen deficiency ratio of 9% or more; a semiconductor layer disposed on the resistance change layer; a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and a plurality of electrodes spaced apart from each other on the gate insulating layer.
그리고, 상기 저항 변화층 중 전체 금속에 대한 상기 제1 금속 원소의 함량은 50 at%이상일 수 있다. Additionally, the content of the first metal element relative to the total metal in the resistance change layer may be 50 at% or more.
또한, 상기 저항 변화층 중 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 원소의 함량은 35 at%이하일 수 있다. Additionally, the content of the second metal element relative to the total metal in the resistance change layer may be 35 at% or less.
그리고, 상기 제1 금속 원소는, 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있다. And, the first metal element may include one of tantalum (Ta), titanium (Ti), stanium (Sn), chromium (Cr), and manganese (Mn).
또한, 상기 제2 금속 원소는, 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 바나늄(V), 몰리브데넘 (Mo) 중 하나를 포함할 수 있다. In addition, the second metal element is hafnium (Hf), aluminum (Al), niobium (Nb), lanthanum (La), zirconium (Zr), scandium (Sc), tungsten (W), vananium (V), Molybdenum (Mo) may be included.
그리고, 상기 저항 변화층은, 실리콘(Si)를 더 포함할 수 있다. And, the resistance change layer may further include silicon (Si).
또한, 상기 반도체층에는 절대값이 4V이하인 쓰기 전압 또는 인가될 수 있다. Additionally, a write voltage with an absolute value of 4V or less may be applied to the semiconductor layer.
그리고, 상기 반도체층과 상기 저항 변화층 사이에 배치되는 산화물층;을 더 포함할 수 있다.In addition, it may further include an oxide layer disposed between the semiconductor layer and the resistance change layer.
또한, 상기 산화물층의 두께는 상기 저항 변화층의 두께보다 작을 수 있다. Additionally, the thickness of the oxide layer may be smaller than the thickness of the resistance change layer.
그리고, 상기 저항 변화층은, 상기 반도체층으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 배열된 제1 저항 변화층 및 제2 저항 변화층을 포함하고, 상기 제1 저항 변화층의 산소 결핍율은 상기 제2 저항 변화층의 산소 결핍율보다 클 수 있다.And, the resistance change layer includes a first resistance change layer and a second resistance change layer sequentially arranged in a direction away from the semiconductor layer, and the oxygen deficiency rate of the first resistance change layer is determined by the second resistance change layer. It may be greater than the oxygen deficiency rate of the layer.
또한, 상기 복수 개의 게이트 전극의 피치는, 20nm이하일 수 있다.Additionally, the pitch of the plurality of gate electrodes may be 20 nm or less.
그리고, 필라;을 더 포함하고, 상기 저항 변화층, 상기 반도체층, 상기 게이트 절연층은 상기 필라를 쉘 형상으로 순차적으로 쉘 형상으로 감싸고, 상기 복수 개의 게이트 전극과 상기 절연 소자는 상기 게이트 절연층을 쉘 형상으로 감쌀 수 있다. and a pillar; wherein the resistance change layer, the semiconductor layer, and the gate insulating layer sequentially surround the pillar in a shell shape, and the plurality of gate electrodes and the insulating element are formed by the gate insulating layer. can be wrapped into a shell shape.
또한, 상기 필라는, 절연성 물질을 포함할 수 있다.Additionally, the pillar may include an insulating material.
그리고, 상기 필라는, 전도성 물질을 포함할 수 있다. Additionally, the pillar may include a conductive material.
또한, 상기 필라에는, 상기 반도체층에 인가되는 전압이상의 전압이 인가될 수 있다. Additionally, a voltage higher than that applied to the semiconductor layer may be applied to the pillar.
다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자는, 실리콘을 포함하고, 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 9%이상인 금속 산화물로 구성된 저항 변화층; 상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층; 상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층상에 이격 배치되는 복수 개의 전극;을 포함한다.A variable resistance memory device according to another embodiment includes a resistance change layer comprising silicon and a metal oxide having an oxygen deficiency ratio of 9% or more; a semiconductor layer disposed on the resistance change layer; a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and a plurality of electrodes spaced apart from each other on the gate insulating layer.
그리고, 상기 저항 변화층은, 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Additionally, the resistance change layer may include at least one of tantalum (Ta), titanium (Ti), stanium (Sn), chromium (Cr), and manganese (Mn).
또한, 상기 저항 변화층 중 금속과 실리콘의 합에 대한 실리콘의 함량은 35 at%이하일 수 있다. Additionally, the content of silicon relative to the sum of metal and silicon in the resistance change layer may be 35 at% or less.
다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자는, 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 9%이상인 제1 금속 산화물과 산소 결핍율이 9%미만인 제2 금속 산화물을 포함하고, 상기 제1 금속 산화물의 함량이 상기 제2 금속 산화물의 함량보다 큰 저항 변화층; 상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층; 상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및상기 게이트 절연상에 이격 배치되는 복수 개의 게이트 전극;을 포함한다. A variable resistance memory device according to another embodiment includes a first metal oxide having an oxygen deficiency ratio of 9% or more and a second metal oxide having an oxygen deficiency ratio of less than 9%, and the content of the first metal oxide is a resistance change layer greater than the content of the second metal oxide; a semiconductor layer disposed on the resistance change layer; a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and a plurality of gate electrodes spaced apart from each other on the gate insulation.
그리고, 상기 저항 변화층에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 35 at%이하일 수 있다. Additionally, the content of the metal contained in the second metal oxide relative to the total metal contained in the resistance change layer may be 35 at% or less.
일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자는 절대값이 작은 전압이 인가되어도 동작할 수 있다. A variable resistance memory device according to an embodiment can operate even when a voltage with a small absolute value is applied.
일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자는 저전력, 고집적도를 구현하기 용이하다.A variable resistance memory device according to an embodiment is easy to implement with low power and high integration.
도 1은 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 가변 저항 메모리 소자에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 가변 저항 메모리 소자(100)의 동작을 예시적으로 설명하는 개념도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 금속 산화물의 산소 결핍율과 포밍 전압과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 금속 산화물의 산소 결핍율과 포밍 전압간의 관계를 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 금속 산화물이 산소 형성 에너지와 산소 결핍율의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 다양한 금속 산화물의 산소 형성 에너지의 차이를 나타내는 도면이다.
도 8a는 하프늄 산화물을 저항 변화층으로 이용한 가변 저항 메모리 소자의 IV특성을 도시한 도면이다.
도 8b는 탄타늄 산화물을 저항 변화층으로 이용한 가변 저항 메모리 소자의 IV특성을 도시한 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9의 가변 저항 메모리 소자에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 다층의 저항 변화층을 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 일부를 도시한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 산화물층을 더 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 일부를 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 전도성 필라를 포함하는 가변 저항 메모리 소자를 도시한 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 전자 장치를 도식적으로 설명한 블록도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템을 도식적으로 설명한 블록도이다.1 is a diagram showing a schematic configuration of a variable resistance memory device according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit for the variable resistance memory device of FIG. 1.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the operation of the variable
Figure 4 is a diagram showing the relationship between the oxygen deficiency rate of metal oxide and forming voltage according to one embodiment.
Figure 5 is a diagram showing the relationship between the oxygen deficiency rate of metal oxide and forming voltage according to one embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between oxygen formation energy and oxygen deficiency rate of a metal oxide according to an embodiment.
Figure 7 is a diagram showing the difference in oxygen formation energy of various metal oxides according to an embodiment.
Figure 8a is a diagram showing the IV characteristics of a variable resistance memory device using hafnium oxide as a resistance change layer.
Figure 8b is a diagram showing the IV characteristics of a variable resistance memory device using tantanium oxide as a resistance change layer.
Figure 9 is a diagram showing the structure of a variable resistance memory device according to another embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit for the variable resistance memory device of FIG. 9.
FIG. 11 is a diagram illustrating a portion of a variable resistance memory device including a multi-layer resistance change layer according to an embodiment.
FIG. 12 is a diagram illustrating a portion of a variable resistance memory device further including an oxide layer according to an embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating a variable resistance memory device including a conductive pillar according to an embodiment.
FIG. 14 is a block diagram schematically illustrating an electronic device including a non-volatile memory device according to an embodiment.
FIG. 15 is a block diagram schematically illustrating a memory system including a non-volatile memory device according to an embodiment.
본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.Phrases such as “in some embodiments” or “in one embodiment” that appear in various places in this specification do not necessarily all refer to the same embodiment.
본 개시의 일부 실시예는 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들의 일부 또는 전부는, 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 하나 이상의 마이크로프로세서들에 의해 구현되거나, 소정의 기능을 위한 회로 구성들에 의해 구현될 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 개시의 기능 블록들은 다양한 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능 블록들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 개시는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단” 및 “구성”등과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다.Some embodiments of the present disclosure may be represented by functional block configurations and various processing steps. Some or all of these functional blocks may be implemented in various numbers of hardware and/or software configurations that perform specific functions. For example, the functional blocks of the present disclosure may be implemented by one or more microprocessors, or may be implemented by circuit configurations for certain functions. Additionally, for example, functional blocks of the present disclosure may be implemented in various programming or scripting languages. Functional blocks may be implemented as algorithms running on one or more processors. Additionally, the present disclosure may employ conventional technologies for electronic environment setup, signal processing, and/or data processing. Terms such as “mechanism,” “element,” “means,” and “configuration” may be used broadly and are not limited to mechanical and physical components.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다. Additionally, connection lines or connection members between components shown in the drawings merely exemplify functional connections and/or physical or circuit connections. In an actual device, connections between components may be represented by various replaceable or additional functional connections, physical connections, or circuit connections.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Terms such as “consists of” or “includes” used in the specification should not be construed as necessarily including all of the components or steps described in the specification, and only some of the components or steps may be used in the specification. may not be included, or may further include additional components or steps.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the term "above" or "above" may include not only those immediately above/below/left/right in contact, but also those above/below/left/right without contact. Hereinafter, a detailed description will be given by way of example only with reference to the attached drawings.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. Terms are used only to distinguish one component from another.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자(100)의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 가변 저항 메모리 소자(100)에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1의 가변 저항 메모리 소자(100)의 동작을 예시적으로 설명하는 개념도이다. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a variable
도 1를 참조하면, 가변 저항 메모리 소자(100)는 저항 변화층(122), 저항 변화층(122) 상에 배치된 반도체층(123), 반도체층(123) 상에 배치된 게이트 절연층(124), 게이트 절연층(124)상에 형성된 복수의 게이트 전극(131)을 포함한다. 복수의 게이트 전극(131) 사이의 공간에는 인접하는 게이트 전극(131)를 분리하는 절연 소자(132)가 더 배치될 수 있다. 다만, 이는 예시적이고 절연 소자(132)는 생략될 수도 있다. Referring to FIG. 1, the variable
저항 변화층(122)은 인가되는 전압에 따라 저항이 달라지는 물질로 형성될 수 있다. 저항 변화층(122)은 게이트 전극(131)에 인가된 전압에 따라 고저항 상태에서 저저항 상태 또는 저저항 상태에서 고저항 상태로 변할 수 있다. The
저항 변화층(122)은, 기존의 전하 트랩 기반의 가변 저항 메모리 소자 또는 상변화물질을 사용하는 가변 저항 메모리 소자에 비해 얇은 두께로 원하는 저항 변화 범위를 구현할 수 있다. 저항 변화층(122)의 두께는 100nm이하일 수 있고, 또는 5nm이하일 수 있다. 저항 변화층(122)의 두께는 1nm 이상일 수 있다.The
저항 변화층(122)은 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항 변화층(122)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 저항 변화층(122)은 탄탈럼 산화물(TaOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx), 망간 산화물(MnOx), 하프늄 산화물(HfOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화물(SiOx), 니오븀 산화물(NbOx), 란탄 산화물(LaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 스칸듐 산화물(ScOx), 텅스텐 산화물(WOx), 바나늄 산화물(VOx), 몰리브데넘 산화물 (MoOx) 중 적어도 두 개를 포함할 수 있다. The
저항 변화층(122)의 저항 변화는 산소 공공(Oxygen vacancies)에 의한 현상일 수 있다. 저항 변화층(122)내에 산소 공공이 많아지면, 이에 따라 전도성 필라멘트가 용이하게 형성될 수 있다. 상기한 전도성 필라멘트는 저항 변화층(122)을 저저항 상태로 변화시켜 저항 변화층(122)에 전류가 흐르게 되어, 가변 저항 메모리 소자(100)가 동작할 수 있다. 저항 변화층(122)이 산소 공공이 잘 발생되는 물질로 형성된다면, 저항 변화층(122)에 인가되는 전압 또는 반도체층(123)에 인가되는 전압의 절대값을 작게 하더라도 가변 저항 메모리 소자(100)는 잘 동작할 수 있다. 산소 공공을 잘 발생시키는 저항 변화층(122)의 물질에 대해서는 후술하기로 한다. The change in resistance of the
반도체층(123)은 poly-Si로 이루어질 수 있다. 반도체층(123) 물질은 poly-Si에 한정되지 않으며, 예를 들어, Ge, IGZO, 또는 GaAs 등 다양한 반도체 물질을 포함할 수 있다. The
반도체층(123)의 양단에 소스 전극(S), 드레인 전극(D)이 연결될 수 있다. A source electrode (S) and a drain electrode (D) may be connected to both ends of the
게이트 절연층(124)은 다양한 종류의 절연물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물이 게이트 절연층(124)에 사용될 수 있다. The
복수의 게이트 전극(131) 각각에는 반도체층(123)을 온/오프하는 전압이 선택적으로 인가될 수 있다.A voltage that turns on/off the
도시된 가변 저항 메모리 소자(100)는 복수의 메모리 셀(MC)이 어레이된 구조로서, 각각의 메모리 셀(MC)은 도 2의 등가 회로에 표시한 바와 같이, 트랜지스터와 가변 저항이 병렬 연결된 형태가 될 수 있다. The illustrated variable
가변 저항 메모리 소자(100)의 동작은 도 3을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.The operation of the variable
메모리 셀을 선택하기 위해, 제어 로직(미도시)은 특정 메모리 셀(MC2)의 게이트 전극(131)에 턴-오프 전압(OFF)를 인가하고, 나머지 메모리 셀(MC1, MC2)의 게이트 전극(131)에 턴-온 전압(ON)를 인가하도록 제어할 수 있다. 턴-오프 전압(OFF)은 트랜지스터를 턴-오프시키는 전압으로서, 선택 메모리 셀(MC2)에 포함된 트랜지스터의 반도체층(123)에 전류가 흐르지 않도록 하는 전압이다. 턴-온 전압(ON)은 트랜지스터를 턴-온시키는 전압으로서, 비선택 메모리 셀(MC1, MC3)에 포함된 트랜지스터의 반도체층(123)에 전류가 흐르도록 하는 전압이다. 그리하여, 선택 메모리 셀(MC2)에 대응하는 반도체층(123)은 절연 특성을 갖고, 비선택 메모리 셀(MC1, MC3)에 대응하는 반도체층(123)은 도체 특성을 가질 수 있다. To select a memory cell, control logic (not shown) applies a turn-off voltage (OFF) to the
턴-오프 전압(OFF) 및 턴-온 전압(ON)은 저항 변화층(122), 반도체층(123), 게이트 절연층(124) 및 게이트 전극(131)을 구성하는 물질의 종류, 두께 등에 의해 달라질 수 있다. 예를 들어, 턴-오프 전압(OFF)이 음의 전압인 경우, 턴-오프 전압(OFF)은 -10V이상 -2V이하일 수 있다. 턴-온 전압(ON)이 양의 전압인 경우, 턴-온 전압(ON)은 0V 이상 10V이하일 수 있다. 비선택 메모리 셀(MC1, MC3)에는 동일한 값의 턴-온 전압(ON)이 인가될 수도 있고, 서로 다른 값의 턴-온 전압(ON)이 인가될 수도 있다.The turn-off voltage (OFF) and turn-on voltage (ON) depend on the type and thickness of the materials constituting the
쓰기 동작에서, 소스 전극(S), 드레인 전극(D) 사이에 쓰기 전압이 인가되면, 도시된 화살표(A)와 같이 전류 경로가 형성됨으로써 저항 변화층(122)의 저항이 변할 수 있다. 상기한 원리를 이용하여 저항 변화층(122)에 정보가 저장될 수 있다. 저항 변화층(122)의 저항이 변하는 이유는 저항 변화층(122)에 전류가 흐르게 되면 산소 공공(oxygen vacancy)(Vo)과 침입형 산소 이온(interstitial oxygen ion)이 형성되고 산소 공공이 모여서 전도성 필라멘트를 형성하게 된다. 산소 공공으로 이루어진 전도성 필라멘트는 저항이 낮기 때문에 저항 변화층(122)의 저항이 변하게 된다. In a write operation, when a write voltage is applied between the source electrode (S) and the drain electrode (D), a current path is formed as shown by the arrow (A), thereby changing the resistance of the
가변 저항 메모리 소자(100)가 상용화하기 위해서는 저항 변화층(122)의 고저항 상태와 저저항 상태에서의 저항 차이가 큰 것이 바람직하며, 이를 위해서는 저항 변화층(122)의 산소 공공이 잘 발생하는 것이 바람직하다. 특히, 가변 저항 메모리 소자(100)에 인가되는 동작 전압, 예를 들어, 쓰기 전압 또는 지우기 전압의 절대값을 낮춰 반도체층(123)의 열화를 방지하기 위해서는 저항 변화층(122)의 산소 공공이 잘 발생하는 것이 바람직하다. In order for the variable
일 실시예에 따른 저항 변화층(122)은 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 큰 금속 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 저항 변화층(122)은 산소 결핍율이 9at%이상인 금속 산화물로 형성될 수 있다. 산소 결핍율은 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다. The
[수학식 1][Equation 1]
여기서, M1, M2, M3, M4, M5, O 각각은, 1가 금속 원소 함량, 2가 금속 원소 함량, 3가 금속 원소 함량, 4가 금속 원소 함량, 5가 금속 원소 함량, 산소 함량이다. Here, M1, M2, M3, M4, M5, and O are the monovalent metal element content, divalent metal element content, trivalent metal element content, tetravalent metal element content, pentavalent metal element content, and oxygen content, respectively.
산소 결핍율이 크다는 것은 동일 금속 양이온 대비 산소 이온이 적다는 것을 의미하는 바, 산소 결핍율이 큰 금속 산화물은 산소 공공 함량이 많을 수 있다. 저항 변화층(122)에 산소 공공이 많으면 저항 변화층(122)의 저항 상태가 쉽게 바뀔 수 있으므로 가변 저항 메모리 소자(100)의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 산소 공공이 많으면, 전압 인가시 전도성 필라멘트가 용이하게 형성되기 때문에 포밍 전압(forming voltage)이 낮아지게 되어 가변 저항 메모리 소자(100)의 동작 전압도 낮아질 수 있다. A high oxygen deficiency rate means that there are fewer oxygen ions compared to the same metal cation, and a metal oxide with a large oxygen deficiency rate may have a high oxygen vacancy content. If there are many oxygen vacancies in the
일 실시예에 따른 저항 변화층(122)은 산소 결핍율이 9%이상인 이원계 금속 산화물 또는 산소 결핍율이 9%이상인 삼원계 금속 산화물을 포함할 수 있다.The
저항 변화층(122)에 포함된 이원계 금속 산화물은 탄탈럼 산화물(TaOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx), 망간 산화물(MnOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The binary metal oxide included in the
저항 변화층(122)은, 삼원계 금속 산화물로서, 서로 다른 제1 금속 원소, 제2 금속 원소 및 산소 원소를 포함할 수 있다. 금속 산화물에서 제1 금속 원소의 함량은 제2 금속 원소의 함량보다 클 수 있다. 예를 들어, 저항 변화층에서 전체 금속에 대한 제1 금속 원소의 함량은 50at% 이상이고, 저항 변화층에서 전체 금속에 대한 제2 금속 원소의 함량은 35at% 이하일 수 있다. 제1 금속 원소는 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 금속 원소는 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 바나늄(V), 몰리브데넘 (Mo) 중 하나를 포함할 수 있다. The
다른 관점에서, 저항 변화층(122)은, 삼원계 금속 산화물로서, 금속 원소, 실리콘 원소 및 산소 원소를 포함할 수 있다. 저항 변화층(122)에 금속 원소의 함량은 실리콘 원소의 함량보다 클 수 있다. 저항 변화층(122)에서 금속 원소와 실리콘 원소의 합에 대한 금속 원소의 함량은 50at% 이상이고, 저항 변화층(122)에서 금속 원소와 실리콘 원소의 합에 대한 실리콘 원소의 함량은 35at% 이하일 수 있다. 상기한 금속 원소는 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있다. From another perspective, the
또는 저항 변화층(122)은 산소 결핍율이 9%이상인 제1 금속 산화물과 산소 결핍율이 9%미만인 제2 금속 산화물을 포함할 수 있다. 제1 금속 산화물의 함량은 제2 금속 산화물의 함량보다 클 수 있다. 저항 변화층(122)에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제1 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 50at%이상이고, 저항 변화층(122)에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 35 at%이하일 수 있다. 제1 금속 산화물은 탄탈럼 산화물(TaOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx), 망간 산화물(MnOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 금속 산화물은 하프늄 산화물(HfOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화물(SiOx), 니오븀 산화물(NbOx), 란탄 산화물(LaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 스칸듐 산화물(ScOx), 텅스텐 산화물(WOx), 바나늄 산화물(VOx), 몰리브데넘 산화물 (MoOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Alternatively, the
도 4는 일 실시예에 따른 금속 산화물의 산소 결핍율과 포밍 전압과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 이원계인 하프늄 산화물(HfOx)은 산소 결핍율이 약 2.1%로 낮으며, 포밍 전압(Vforming)은 약 7.4V로 높다. 하프늄 산화물은 대표적인 가변 저항 물질이나, 포밍 전압이 높아 가변 저항 메모리 소자(100)에 적용하면, 가변 저항 메모리 소자(100)의 반도체층(123)을 열화시킬 수 있다.Figure 4 is a diagram showing the relationship between the oxygen deficiency rate of metal oxide and forming voltage according to one embodiment. Referring to FIG. 4, hafnium oxide (HfOx), a binary system, has a low oxygen deficiency rate of about 2.1% and a high forming voltage (V forming ) of about 7.4V. Hafnium oxide is a representative variable resistance material, but has a high forming voltage, so when applied to the variable
한편, 탄탈럼 산화물(TaOx)은 산소 결핍율이 약 16.5%로 높으며, 포밍 전압(Vforming)은 약 1.65V로 낮다. 탄탈럼 산화물(TaOx)을 일 실시예에 따른 저항 변화층(122)의 물질로 이용하면 낮은 동작으로 가변 저항 메모리 소자(100)를 구현할 수 있음을 예상할 수 있다. Meanwhile, tantalum oxide (TaOx) has a high oxygen deficiency rate of about 16.5% and a low forming voltage (V forming ) of about 1.65V. It can be expected that the variable
하프늄 산화물(HfOx)은 산소 결핍율이 낮아 단독으로 저항 변화층의 물질로 이용될 수 없지만, 산소 결핍율이 높은 탄탈럼과 함께 저항 변화층의 물질로 이용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 산화물에 포함된 물질의 종류에 따라 산소 결핍율 및 포밍 전압이 달라질 수 있다. 예를 들어, 실리콘 함량이 12at%인 TaSiO의 산소 결핍율은 약 12.13%이고, 포밍 전압은 약 1.55V인 반면, 알루미늄 함량이 12at%인 TaAlO의 산소 결핍율은 약 13.92%이고, 포밍 전압은 약 0.95V이다. 탄탈럼 산화물(TaO)에 실리콘 보다 알루미늄이 포함되면 산소 결핍율은 높이고 포밍 전압은 낮출 수 있음을 확인할 수 있다. 일반적으로 산소 결핍율이 높을수록 포밍 전압이 낮아짐을 확인할 수 있다. Hafnium oxide (HfOx) has a low oxygen deficiency rate and cannot be used alone as a material for the resistance change layer. However, it can be used as a material for the resistance change layer together with tantalum, which has a high oxygen deficiency rate. As shown in FIG. 4, the oxygen deficiency rate and forming voltage may vary depending on the type of material contained in the metal oxide. For example, the oxygen deficiency rate of TaSiO with a silicon content of 12 at% is about 12.13% and the forming voltage is about 1.55 V, while the oxygen deficiency rate of TaAlO with an aluminum content of 12 at% is about 13.92% and the forming voltage is It is approximately 0.95V. It can be confirmed that if aluminum rather than silicon is included in tantalum oxide (TaO), the oxygen deficiency rate can be increased and the forming voltage can be lowered. In general, it can be seen that the higher the oxygen deficiency rate, the lower the forming voltage.
저항 변화층(122)은 서로 다른 복수 개의 금속을 포함하는 금속 산화물로 구성된 경우, 금속들의 함량비에 따라 포밍 전압이 달라질 수 있다. 예를 들어, TaAlO 중 전체 금속에 대한 알루미늄 함량이 5 at%인 경우, TaAlO의 포밍 전압은 약 1.5V이며, TaAlO 중 전체 금속에 대한 알루미늄 함량이 12at%인 경우, TaAlO의 포밍 전압은 약 0.95V이다. 알루미늄 함량이 추가되면 포밍 전압이 낮아짐을 확인할 수 있다. 그러나, 알루미늄 함량이 35at%인 TaAlO의 포밍 전압은 약 3.5V로서, 알루미늄 함량이 너무 많으면 포밍 전압이 오히려 높아짐을을 확인할 수 있다.When the
일 실시예에 따른 저항 변화층(122)은 서로 다른 제1 금속 원소와 제2 금속 원소를 포함하고, 산소 결핍율이 9%이상을 포함할 수 있다. 금속 산화물에서 제1 금속 원소의 함량은 제2 금속 원소의 함량보다 클 수 있다. 또는, 저항 변화층(122)에서 전체 금속에 대한 제1 금속 원소의 함량은 50at% 이상이고, 저항 변화층(122)에서 전체 금속에 대한 제2 금속 원소의 함량은 35at% 이하일 수 있다. 제1 금속 원소는 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 금속 원소는 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 바나늄(V), 몰리브데넘 (Mo) 중 하나를 포함할 수 있다. The
다른 관점에서 저항 변화층(122)은 산소 결핍율이 큰 금속 산화물을 모질(matrix)로 하고, 산소 결핍율이 작은 금속 또는 금속 산화물을 도핑시켜 포밍 전압을 낮출 수 있다. 그러나, 도핑된 금속 또는 금속 산화물의 함량이 너무 많으면 포밍 전압이 오히려 높아질 수 있는 바, 가변 저항층의 전체 금속에 대한 도핑된 금속의 함량은 약 35at%이하일 수 있다. From another perspective, the
일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자(100)의 동작 전압, 예를 들어, 쓰기 전압 또는 지우기 전압의 절대값이 약 4V이하일 수 있다. 또는 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자(100)의 쓰기 전압 또는 지우기 전압의 절대값은 약 2V이하일 수 있다. The absolute value of the operating voltage, for example, the write voltage or the erase voltage, of the variable
도 5는 일 실시예에 따른 금속 산화물의 산소 결핍율과 포밍 전압간의 관계를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 산소 결핍율이 클수록 포밍 전압이 낮아짐을 확인할 수 있다. 그러나, 산소 결핍율과 포밍 전압은 대략적으로 반비례 관계일 뿐 완전한 반비례 관계는 아니다. 저항 변화층(122)의 금속 산화물의 종류 및 함량을 적절히 조절하여 포밍 전압을 낮출 수 있다. Figure 5 is a diagram showing the relationship between the oxygen deficiency rate of metal oxide and forming voltage according to one embodiment. Referring to Figure 5, it can be seen that the greater the oxygen deficiency rate, the lower the forming voltage. However, the oxygen deficiency rate and forming voltage are only approximately inversely proportional and not completely inversely proportional. The forming voltage can be lowered by appropriately adjusting the type and content of the metal oxide of the
금속 산화물의 산소 결핍율은 동일 금속의 원자가가 서로 다른 복수 개의 금속 산화물간의 산소 형성 에너지와 관련이 있다. The oxygen deficiency rate of a metal oxide is related to the oxygen formation energy between a plurality of metal oxides with different valences of the same metal.
도 6은 일 실시예에 따른 금속 산화물이 산소 형성 에너지와 산소 결핍율의 관계를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 원자가가 다른 복수 개의 탄탈럼 산화물(TaOx), 예를 들어, Ta2O5와 TaO2간의 산소 형성 에너지의 차이는 4.42 kJ/mol로 작은 반면 산소 결핍율은 16.5%로 크다. 반면에, 알루미늄 산화물(AlOx)에 대한 산소 형성 에너지의 차는 약 123.79로 큰 반면, 산소 결핍율은 약 2.1%로 작다. 금속 산화물의 산소 형성 에너지의 차이는 산소 결핍율과 반비례함을 확인할 수 있다. FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between oxygen formation energy and oxygen deficiency rate of a metal oxide according to an embodiment. Referring to FIG. 6, the difference in oxygen formation energy between a plurality of tantalum oxides (TaOx) with different valences, for example, Ta 2 O 5 and TaO 2 , is as small as 4.42 kJ/mol, while the oxygen deficiency rate is 16.5%. big. On the other hand, the difference in oxygen formation energy for aluminum oxide (AlOx) is large at about 123.79, while the oxygen deficiency rate is small at about 2.1%. It can be seen that the difference in oxygen formation energy of metal oxide is inversely proportional to the oxygen deficiency rate.
알루미늄 산화물(AlOx)과 하프늄 산화물(HfOx)의 산소 결핍율은 약 2.1%로서 동일하지만, 알루미늄 산화물(AlOx)에 대한 산소 형성 에너지의 차이는 약 123.79kJ/mol로서, 산소 형성 에너지의 차이가 34.38kJ/mol인 하프늄 산화물(HfOx)로 크다. 즉, 산소 결핍률이 동일하다 할지라도 산소 형성 에너지의 차이는 다를 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 산소 형성 에너지의 차이는 약 10kJ/mol이상인 금속 산화물은 저항 변화층(122)의 모질로 이용하고, 산소 형성 에너지의 차이는 약 10kJ/mol미만인 금속 산화물 또는 금속은 저항 변화층(122)의 도펀트로 이용될 수 있다. The oxygen deficiency rate of aluminum oxide (AlOx) and hafnium oxide (HfOx) is the same at about 2.1%, but the difference in oxygen formation energy for aluminum oxide (AlOx) is about 123.79 kJ/mol, which is 34.38 It is large as hafnium oxide (HfOx) in kJ/mol. In other words, even if the oxygen deficiency rate is the same, the difference in oxygen formation energy may be different. Therefore, in one embodiment, a metal oxide having a difference in oxygen formation energy of about 10 kJ/mol or more is used as the matrix of the
도 7은 일 실시예에 따른 다양한 금속 산화물의 산소 형성 에너지의 차이를 나타내는 도면이다. 도 7를 참조하면, 망간 산화물(MnOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx)에 대한 산소 형성 에너지의 차이는 10kJ/mol미만이다. 망간 산화물(MnOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx)는 일 실시예에 따른 저항 변화층(122)의 도펀트로 이용될 수 있다. Figure 7 is a diagram showing the difference in oxygen formation energy of various metal oxides according to an embodiment. Referring to FIG. 7, the difference in oxygen formation energy for manganese oxide (MnOx), titanium oxide (TiOx), stannium oxide (SnOx), and chromium oxide (CrOx) is less than 10 kJ/mol. Manganese oxide (MnOx), titanium oxide (TiOx), stanium oxide (SnOx), and chromium oxide (CrOx) may be used as dopants for the
몰리브데넘 산화물(MoOx), 바나늄 산화물(VOx), 스칸듐 산화물(ScOx), 텅스텐 산화물(WOx), 란탄 산화물(LaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx)에 대한 산소 형성 에너지의 차이는 10kJ/mol이상이다. 몰리브데넘 산화물 (MoOx), 바나늄 산화물(VOx), 스칸듐 산화물(ScOx), 텅스텐 산화물(WOx), 란탄 산화물(LaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx)는 일 실시예에 따른 저항 변화층(122)의 모질로 이용될 수 있다. The difference in oxygen formation energy for molybdenum oxide (MoOx), vananium oxide (VOx), scandium oxide (ScOx), tungsten oxide (WOx), lanthanum oxide (LaOx), and zirconium oxide (ZrOx) is more than 10 kJ/mol. am. Molybdenum oxide (MoOx), vananium oxide (VOx), scandium oxide (ScOx), tungsten oxide (WOx), lanthanum oxide (LaOx), and zirconium oxide (ZrOx) are the
도 8a는 하프늄 산화물을 저항 변화층으로 이용한 가변 저항 메모리 소자의 IV특성을 도시한 도면이고, 도 8b는 탄타늄 산화물을 저항 변화층으로 이용한 가변 저항 메모리 소자의 IV특성을 도시한 도면이다. 하프늄 산화물을 포함하는 가변 저항 메모리 소자는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 포밍 전압의 절대값이 약 7 내지 8V임을 확인할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 하프늄 산화물의 산소 결핍율은 약 2.1%로 낮다.FIG. 8A is a diagram showing the IV characteristics of a variable resistance memory device using hafnium oxide as a resistance change layer, and FIG. 8B is a diagram showing the IV characteristics of a variable resistance memory device using tantanium oxide as a resistance change layer. It can be confirmed that the absolute value of the forming voltage of the variable resistance memory device containing hafnium oxide is about 7 to 8V, as shown in FIG. 8A. As previously described, the oxygen deficiency rate of hafnium oxide is low, approximately 2.1%.
탄타늄 산화물을 포함하는 가변 저항 메모리 소자는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 포밍 전압의 절대값이 약 2V보다 작음을 확인할 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 하프늄 산화물의 산소 결핍율은 약 16.5%로 높다. 이것은 산소 결핍율이 클수록 저항 변화층(122)내에 산소 공공이 많아져서 낮은 동작 전압에서도 전도성 필라멘트가 잘 형성된다는 것을 예상할 수 있다. It can be confirmed that the absolute value of the forming voltage of the variable resistance memory device containing tantanium oxide is less than about 2V, as shown in FIG. 8B. As previously described, the oxygen deficiency rate of hafnium oxide is high at approximately 16.5%. This can be expected that as the oxygen deficiency rate increases, the number of oxygen vacancies within the
도 9는 다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자(100a)의 구조를 나타내는 도면이고, 도 10은 도 9의 가변 저항 메모리 소자(100a)에 대한 등가 회로를 나타내는 도면이다. FIG. 9 is a diagram showing the structure of a variable
본 실시예의 가변 저항 메모리 소자(100a)는 가변저항물질을 구비하는 복수의 메모리 셀(MC)이 수직방향으로 어레이된 수직형 NAND(vertical NAND, VNAND) 메모리이다. The variable
먼저, 도 9를 참조하면, 기판(101) 상에 복수의 셀 스트링(CS)이 형성된다.First, referring to FIG. 9, a plurality of cell strings CS are formed on the
기판(101)은 제1형 불순물로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(101)은 p형 불순물로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 기판(101)은 p형 우물(well)(예를 들면, 포켓 p 웰)일 수 있다. 이하에서, 기판(101)은 p형 실리콘인 것으로 가정한다. 그러나 기판(101)은 p형 실리콘으로 한정되지 않는다.The
기판(101) 상에 소스 영역인 도핑 영역(110)이 제공된다. 도핑 영역(110)은 기판(101)과 상이한 n형 일 수 있다. 이하에서, 도핑 영역(110)은 n 형으로 가정한다. 그러나 도핑 영역(110)은 n형으로 한정되지 않는다. 이러한 도핑 영역(110)은 공통 소스 라인(CSL)에 연결될 수 있다. A doped
셀 스트링(CS)은 도 10의 등가 회로도에 표시한 것처럼 k*n개가 구비되어 매트릭스 형태로 배열될 수 있고, 각 행, 열 위치에 따라 CSij(1≤i≤k, 1≤j≤n)로 명명될 수 있다. 각 셀 스트링(CSij)은 비트 라인(BL), 스트링 선택 라인(SSL), 워드 라인(WL), 그리고 공통 소스 라인(CSL)에 연결된다.As shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 10, the cell string (CS) may be provided in k*n pieces and arranged in a matrix form, and CSij (1≤i≤k, 1≤j≤n) according to the position of each row and column. It can be named as . Each cell string (CSij) is connected to a bit line (BL), string select line (SSL), word line (WL), and common source line (CSL).
각 셀 스트링(CSij)은 메모리 셀(MC)들 및 스트링 선택 트랜지스터(SST)를 포함한다. 각 셀 스트링(CSij)의 메모리 셀(MC)들 및 스트링 선택 트랜지스터(SST)는 높이 방향으로 적층될 수 있다.Each cell string CSij includes memory cells MC and a string select transistor SST. The memory cells MC and string select transistor SST of each cell string CSij may be stacked in the height direction.
복수 개의 셀 스트링(CS)의 행들은 서로 다른 스트링 선택 라인들(SSL1~SSLk)에 각각 연결된다. 예를 들어, 셀 스트링들(CS11~CS1n)의 스트링 선택 트랜지스터들(SSTs)은 스트링 선택 라인(SSL1)에 공통으로 연결된다. 셀 스트링 (CSk1~CSkn)의 스트링 선택 트랜지스터들(SST)은 스트링 선택 라인(SSLk)에 공통으로 연결된다. Rows of a plurality of cell strings (CS) are respectively connected to different string selection lines (SSL1 to SSLk). For example, the string selection transistors SSTs of the cell strings CS11 to CS1n are commonly connected to the string selection line SSL1. The string selection transistors (SST) of the cell strings (CSk1 to CSkn) are commonly connected to the string selection line (SSLk).
복수 개의 셀 스트링(CS)의 열들은 서로 다른 비트 라인들(BL1~BLn)에 각각 연결된다. 예를 들어, 셀 스트링들(CS11~CSk1)의 메모리 셀들 및 스트링 선택 트랜지스터들(SST)은 비트 라인(BL1)에 공통으로 연결될 수 있으며, 셀 스트링들(CS1n~CSkn)의 메모리 셀(MC)들 및 스트링 선택 트랜지스터들(SST)은 비트 라인(BLn)에 공통으로 연결될 수 있다. The columns of the plurality of cell strings CS are respectively connected to different bit lines BL1 to BLn. For example, the memory cells and string selection transistors SST of the cell strings CS11 to CSk1 may be commonly connected to the bit line BL1, and the memory cells MC of the cell strings CS1n to CSkn may be connected to the bit line BL1. and the string select transistors SST may be commonly connected to the bit line BLn.
복수 개의 셀 스트링(CS)의 행들은 서로 다른 공통 소스 라인들(CSL1~CSLk)에 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 셀 스트링들(CS11~CS1n)의 스트링 선택 트랜지스터들(SST)은 공통 소스 라인(CSL1)에 공통으로 연결될 수 있으며, 셀 스트링들(CSk1~CSkn)의 스트링 선택 트랜지스터들(SST)은 공통 소스 라인(CSLk)에 공통으로 연결될 수 있다. Rows of the plurality of cell strings CS may be respectively connected to different common source lines CSL1 to CSLk. For example, the string selection transistors SST of the cell strings CS11 to CS1n may be commonly connected to the common source line CSL1, and the string selection transistors SST of the cell strings CSk1 to CSkn may be connected to the common source line CSL1. may be commonly connected to the common source line (CSLk).
기판(101) 또는 스트링 선택 트랜지스터들(SST))으로부터 동일한 높이에 위치한 메모리 셀(MC)들의 게이트 전극(131)들은 하나의 워드 라인(WL)에 공통으로 연결되고, 서로 다른 높이에 위치한 메모리 셀(MC)들의 게이트 전극(131)들은 서로 다른 워드 라인들(WL1~WLm)에 각각 연결될 수 있다. The
도시된 회로 구조는 예시적인 것이다. 예를 들어, 셀 스트링들(CS)의 행들의 수는 증가 또는 감소될 수 있다. 셀 스트링(CS)의 행들의 수가 변경됨에 따라, 셀 스트링(CS)의 행들에 연결되는 스트링 선택 라인들의 수, 그리고 하나의 비트 라인에 연결되는 셀 스트링(CS)의 수 또한 변경될 수 있다. 셀 스트링(CS)들의 행들의 수가 변경됨에 따라, 셀 스트링들(CS)의 행들에 연결되는 공통 소스 라인들의 수 또한 변경될 수 있다.The circuit structure shown is exemplary. For example, the number of rows of cell strings (CS) can be increased or decreased. As the number of rows of the cell string (CS) changes, the number of string selection lines connected to the rows of the cell string (CS) and the number of cell strings (CS) connected to one bit line may also change. As the number of rows of cell strings (CS) changes, the number of common source lines connected to the rows of cell strings (CS) may also change.
셀 스트링(CS)들의 열들의 수도 증가 또는 감소될 수 있다. 셀 스트링(CS)의 열들의 수가 변경됨에 따라, 셀 스트링들(CS)의 열들에 연결되는 비트 라인들의 수, 그리고 하나의 스트링 선택 라인에 연결되는 셀 스트링(CS)의 수 또한 변경될 수 있다.The number of columns of cell strings (CS) may also be increased or decreased. As the number of columns of cell strings (CS) changes, the number of bit lines connected to the columns of cell strings (CS) and the number of cell strings (CS) connected to one string selection line may also change. .
셀 스트링(CS)의 높이도 증가 또는 감소될 수 있다. 예를 들어, 셀 스트링(CS) 각각에 적층되는 메모리 셀(MC)들의 수는 증가 또는 감소될 수 있다. 셀 스트링(CS) 각각에 적층되는 메모리 셀(MC)들의 수가 변경됨에 따라, 워드 라인(WL)들의 수 또한 변경될 수 있다. 예를 들어, 셀 스트링(CS)들 각각에 제공되는 스트링 선택 트랜지스터는 증가될 수 있다. 셀 스트링(CS)들 각각에 제공되는 스트링 선택 트랜지스터의 수가 변경됨에 따라, 스트링 선택 라인 또는 공통 소스 라인의 수 또한 변경될 수 있다. 스트링 선택 트랜지스터의 수가 증가하면, 스트링 선택 트랜지스터들은 메모리 셀(MC)들과 같은 형태로 적층될 수 있다.The height of the cell string (CS) may also be increased or decreased. For example, the number of memory cells (MC) stacked in each cell string (CS) may be increased or decreased. As the number of memory cells (MC) stacked in each cell string (CS) changes, the number of word lines (WL) may also change. For example, the string select transistor provided to each of the cell strings CS may be increased. As the number of string selection transistors provided to each of the cell strings CS changes, the number of string selection lines or common source lines may also change. As the number of string selection transistors increases, the string selection transistors may be stacked in the same form as memory cells (MC).
예시적으로, 쓰기 및 읽기는 셀 스트링(CS)들의 행의 단위로 수행될 수 있다. 공통 소스 라인(CSL)에 의해 셀 스트링(CS)들이 하나의 행들의 단위로 선택되고, 스트링 선택 라인(SSL)들에 의해 셀 스트링(CS)들이 하나의 행 단위로 선택될 수 있다. 또한, 공통 소스 라인(CSL)들은 적어도 두 개의 공통 소스 라인들을 하나의 단위로 전압이 인가될 수 있다. 공통 소스 라인들(CSL)은 전체를 하나의 단위로 전압이 인가될 수 있다.By way of example, writing and reading may be performed in units of rows of cell strings (CS). Cell strings (CS) may be selected in units of one row by the common source line (CSL), and cell strings (CS) may be selected in units of one row by the string selection lines (SSL). Additionally, voltage may be applied to the common source lines (CSL) as a unit of at least two common source lines. Voltage may be applied to the common source lines (CSL) as a single unit.
셀 스트링들(CS)의 선택된 행에서, 쓰기 및 읽기는 페이지의 단위로 수행될 수 있다. 페이지는 하나의 워드 라인(WL)에 연결된 메모리 셀들의 하나의 행일 수 있다. 셀 스트링들(CSs)의 선택된 행에서, 메모리 셀들은 워드 라인들(WLs)에 의해 페이지의 단위로 선택될 수 있다.In the selected row of cell strings (CS), writing and reading can be performed in units of pages. A page may be one row of memory cells connected to one word line (WL). In the selected row of cell strings (CSs), memory cells may be selected in units of pages by word lines (WLs).
셀 스트링(CS)은 도 9에 도시된 바와 같이, 원통형의 채널홀(CH) 및 이를 링 형상으로 둘러싸는 복수 개의 게이트 전극(131) 및 복수 개의 절연 소자(132)를 포함한다. 절연 소자(132)는 복수 개의 게이트 전극(131) 사이를 분리하기 위한 것으로, 게이트 전극(131) 및 복수 개의 절연 소자(132)는 수직 방향(Z 방향)을 따라 서로 교차하며 적층될 수 있다. 원통형의 채널홀(CH)는 수직 방향을 따라 연장된 실린더 형상의 절연성 필라(121) 및 절연성 필라(121)을 실린더 쉘 형상으로 순차적으로 둘러싸는 형상의 저항 변화층(122), 반도체층(123), 게이트 절연층(124)을 포함한다. As shown in FIG. 9, the cell string CS includes a cylindrical channel hole CH, a plurality of
게이트 전극(131)은 금속 물질 또는 고농도로 도핑된 실리콘 물질로 이루어질 수 있다. 각 게이트 전극(131)은 워드 라인(WL), 스트링 선택 라인(SSL) 중 하나와 연결된다.The
절연 소자(132)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등 다양한 절연 물질로 이루어질 수 있다. The insulating
채널홀(CH)는 복수 개의 층으로 구성될 수 있다. 채널홀(CH)의 최외각층은 게이트 절연층(124)일 수 있다. 예를 들어, 게이트 절연층(124)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산질화물 등 다양한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 게이트 절연층(124)은 채널홀(CH)에 콘포말(conformal)하게 증착될 수 있다. The channel hole (CH) may be composed of multiple layers. The outermost layer of the channel hole (CH) may be the
게이트 절연층(124)의 내부 면을 따라 반도체층(123)이 콘포말하게 증착될 수 있다. 반도체층(123)은 제 1 타입으로 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다. 반도체층(123)은 기판(101)과 동일한 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 기판(101)이 p-타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함하는 경우, 반도체층(123) 역시 p-타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 또는 반도체층(123)은 Ge, IGZO, GaAs 등의 물질을 포함할 수도 있다. The
반도체층(123)의 내부면을 따라 저항 변화층(122)이 배치될 수 있다. 저항 변화층(122)은 반도체층(123)과 접하게 배치될 수 있고, 반도체층(123)에 콘포말하게 증착될 수 있다. A
저항 변화층(122)은 인가된 전압에 따라 고저항 상태 또는 저저항 상태로 변하는 층으로, 산소 결핍률이 높은 금속 산화물로 형성될 수 있다. The
저항 변화층(122)의 물질 및 특징은 전술한 가변 저항층(130)과 실질적으로 동일하다. 가변 저항층(122)은 산소 결핍율이 9%이상인 이원계 금속 산화물 또는 산소 결핍율이 9%이상인 삼원계 금속 산화물을 포함할 수 있다.The material and characteristics of the
저항 변화층(122)에 포함된 이원계 금속 산화물은 탄탈럼 산화물(TaOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx), 망간 산화물(MnOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The binary metal oxide included in the
저항 변화층(122)에 포함된 삼원계 금속 산화물은 서로 다른 제1 금속 원소, 제2 금속 원소 및 산소 원소를 포함할 수 있다. 금속 산화물에서 제1 금속 원소의 함량은 제2 금속 원소의 함량보다 클 수 있다. 예를 들어, 저항 변화층(122)에서 전체 금속에 대한 제1 금속 원소의 함량은 50at% 이상이고, 저항 변화층(122)에서 전체 금속에 대한 제2 금속 원소의 함량은 35at% 이하일 수 있다. 제1 금속 원소는 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 금속 원소는 하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 바나늄(V), 몰리브데넘 (Mo) 중 하나를 포함할 수 있다. The ternary metal oxide included in the
저항 변화층(122)에 금속 원소의 함량은 실리콘 원소의 함량보다 클 수 있다. 저항 변화층(122)에서 금속 원소와 실리콘 원소의 합에 대한 금속 원소의 함량은 50at% 이상이고, 저항 변화층에서 금속 원소와 실리콘 원소의 합에 대한 실리콘 원소의 함량은 35at% 이하일 수 있다. 상기한 금속 원소는 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함할 수 있다. The content of metal elements in the
또는 저항 변화층(122)은 산소 결핍율이 9%이상인 제1 금속 산화물과 산소 결핍율이 9%미만인 제2 금속 산화물을 포함할 수 있다. 제1 금속 산화물의 함량은 제2 금속 산화물의 함량보다 클 수 있다. 저항 변화층(122)에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제1 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 50at%이상이고, 저항 변화층(122)에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 35 at%이하일 수 있다. 제1 금속 산화물은 탄탈럼 산화물(TaOx), 티타늄 산화물(TiOx), 스타늄 산화물(SnOx), 크롬 산화물(CrOx), 망간 산화물(MnOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 금속 산화물은 하프늄 산화물(HfOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 실리콘 산화물(SiOx), 니오븀 산화물(NbOx), 란탄 산화물(LaOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 스칸듐 산화물(ScOx), 텅스텐 산화물(WOx), 바나늄 산화물(VOx), 몰리브데넘 산화물 (MoOx) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. Alternatively, the
가변 저항 메모리 소자(100a)는 산소 공공 형성이 용이한 저항 변화층(122)을 구비하므로 고저항 상태와 저저항 상태의 저항값의 차이를 크게 할 수 있고, 낮은 셋 전압, 리셋 전압 특성을 가질 수 있다. The variable
저항 변화층(122)의 내부 면을 따라 절연성 필라(121)이 증착될 수 있다. 절연성 필라(121)은 채널홀(CH)의 가장 안쪽의 공간을 채울 수 있다. An insulating
저항 변화층(122) 및 반도체층(123)은 도핑 영역(110), 즉 공통 소스 영역과 접할 수 있다. The
셀 스트링(CS)의 채널홀(CH) 상에 드레인 영역(140)이 제공될 수 있다. 드레인 영역(140)은 제 2 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 드레인 영역(140)은 n 타입으로 도핑된 실리콘 물질을 포함할 수 있다. A
드레인 영역(140) 상에, 비트 라인(150)이 제공될 수 있다. 드레인 영역(140) 및 비트 라인(150)은 콘택 플러그들(contact plug)을 통해 연결될 수 있다. On the
각각의 게이트 전극(131) 및 이와 수평 방향(X 방향)으로 마주하는 위치의 게이트 절연층(124), 반도체층(123) 및 저항 변화층(122) 영역은 메모리 셀(MC)을 구성한다. 즉, 메모리 셀(MC)은 게이트 전극(131), 게이트 절연층(124) 및 반도체층(123)을 포함하는 트랜지스터와 저항 변화층(122)에 의한 가변 저항이 병렬 연결된 회로 구조를 갖는다. Each
이러한 병렬 연결 구조는 수직 방향(Z 방향)으로 연속적으로 배열되어 셀 스트링(CS)을 구성한다. 그리고, 셀 스트링(CS)의 양단은 도 10의 회로도에 나타난 바와 같이, 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL)이 연결될 수 있다. 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL)에 전압을 인가됨으로써 복수 개의 메모리 셀(MC)에 프로그램, 독출, 소거 과정이 이루어질 수 있다. This parallel connection structure is continuously arranged in the vertical direction (Z direction) to form a cell string (CS). Additionally, both ends of the cell string CS may be connected to the common source line CSL and the bit line BL, as shown in the circuit diagram of FIG. 10 . By applying voltage to the common source line (CSL) and the bit line (BL), program, read, and erase processes can be performed on the plurality of memory cells (MC).
예를 들어, 기록할 메모리 셀(MC)이 선택되면, 선택된 셀에서는 채널이 형성되지 않게, 즉, 채널 오프되도록 해당 셀의 게이트 전압값이 조절되고, 선택되지 않은 셀들은 채널 온 되도록 선택되지 않은 셀들의 게이트 전압값이 조절된다. 이에 따라 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL)에 인가된 전압에 의한 전류 경로는 선택된 메모리 셀(MC)의 저항 변화층(122) 영역을 지나게 되며, 이 때 인가 전압을 Vset 또는 Vreset 값으로 하여 저저항 상태 또는 고저항 상태를 만들 수 있고, 선택된 메모리 셀(MC)에 원하는 1 또는 0의 정보를 기록할 수 있다.For example, when a memory cell (MC) to be written is selected, the gate voltage value of that cell is adjusted so that a channel is not formed in the selected cell, that is, the channel is turned off, and the unselected cells are adjusted so that the channel is turned on. The gate voltage values of the cells are adjusted. Accordingly, the current path caused by the voltage applied to the common source line (CSL) and the bit line (BL) passes through the
읽기 동작에서도, 이와 유사하게, 선택된 셀에 대한 읽기가 수행될 수 있다. 즉, 선택된 메모리 셀(MC)은 채널 오프, 선택되지 않은 메모리 셀들은 채널 온 상태가 되도록 각 게이트 전극(131)에 인가되는 게이트 전압이 조절된 후, 공통 소스 라인(CSL)과 비트 라인(BL) 사이의 인가 전압(Vread)에 의해 해당 셀(MC)에 흐르는 전류를 측정함으로써 셀 상태(1 또는 0)를 확인할 수 있다.In the read operation, similarly, reading of the selected cell may be performed. That is, after the gate voltage applied to each
상술한 바와 같이, 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자(100a)는 산소 공공에 의한 전도성 필라멘트가 용이하게 형성할 수 있는 물질의 저항 변화층(122)을 이용하여 메모리 셀(MC)을 구성하고 이를 어레이하여 메모리 소자를 구현함으로써, 기존 구조, 예를 들어, 상변화물질 기반, 또는 전하 트랩 기반의 메모리 소자에 비해 저항 변화층(122)을 얇게 형성할 수 있고, 낮은 동작 전압을 가질 수 있다. 예를 들어, 가변 저항 메모리 소자(100a)는 절대값이 약 4V이하의 동작 전압, 예를 들어, 쓰기 전압 또는 지우기 전압을 가질 수 있다. 또는 가변 저항 메모리 소자(100)는 절대값이 약 2V이하의 동작 전압, 예를 들어, 쓰기 전압 또는 지우기 전압을 가질 수 있다. As described above, the variable
이러한 VNAND 구조에서, 셀 스트링(CS)의 높이에 따른 패키징(packaging) 한계에 의해, 셀 스트링(CS)에 포함되는 게이트 전극(131)의 수를 증가시키는 것은 한계가 있다. 더욱이, 전하 트랩 기반의 메모리 소자의 경우 간섭(interference)에 의해 인접하는 게이트 전극(131) 간의 거리를 줄이는데 한계가 있다. 예를 들어, 수직 방향(Z방향)으로 인접하는 게이트 전극들의 피치가 약 38nm 이하로 줄이기는 어려운 것으로 알려져 있어 메모리 용량에 한계가 있다.In this VNAND structure, there is a limit to increasing the number of
실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자(100a)는 이러한 저항 변화층(122)을 사용함으로써, 게이트 전극(131)들간의 피치를 최소화할 수 있다. 실시예의 경우 이 길이를 20nm 이하, 예를 들어 약 15nm까지로 감소시킬 수 있으며, 이 경우 메모리 용량이 2배 이상 향상될 수 있다. The variable
이와 같이, 가변 저항 메모리 소자(100a)는 차세대 VNAND에서의 메모리 셀 간의 스케일링 이슈(scaling issue)를 해결할 수 있어 집적도(density)를 증가시킬 수 있고, 저전력을 구현할 수 있다. In this way, the variable
도 11은 일 실시예에 따른 다층의 저항 변화층(122)을 포함하는 가변 저항 메모리 소자(100b)의 일부를 도시한 도면이다. 도 9와 도 11을 참조하면, 도 11의 가변 저항 메모리 소자(100)는 다층의 저항 변화층(122a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항 변화층(122a)은 반도체층(123)으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 배열된 제1 저항 변화층(RS1) 및 제2 저항 변화층(RS2)을 포함할 수 있다. FIG. 11 is a diagram illustrating a portion of a variable resistance memory device 100b including a multi-layered
제1 저항 변화층(RS1) 및 제2 저항 변화층(RS2) 중 적어도 하나는 산소 결핍율이 9%이상인 금속 산화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 저항 변화층(RS1)은, 산소 결핍율(oxygen deficient ratio)이 9%이상인 제1 금속 산화물을 모질(matrix)로 하고, 산소 결핍율이 9%미만인 제2 금속 산화물이 도핑될 수 있다. 상기 제1 저항 변화층(RS1)에 포함된 제1 금속 산화물의 산소 결핍율은 상기 제2 저항 변화층(RS2)에 포함된 제1 금속 산화물의 산소 결핍율보다 더 클 수 있다. 반도체층(123)과 인접한 제1 저항 변화층(RS1)에 산소 공공이 잘 발생하는 바, 가변 저항 메모리 소자(100)의 동작 전압을 낮출 수 있다. At least one of the first resistance change layer (RS1) and the second resistance change layer (RS2) may be formed of a metal oxide having an oxygen deficiency rate of 9% or more. For example, the first resistance change layer RS1 uses a first metal oxide with an oxygen deficiency ratio of 9% or more as a matrix, and a second metal oxide with an oxygen deficiency ratio of less than 9%. Can be doped. The oxygen deficiency rate of the first metal oxide included in the first resistance change layer (RS1) may be greater than the oxygen deficiency rate of the first metal oxide included in the second resistance change layer (RS2). Since oxygen vacancies are easily generated in the first resistance change layer RS1 adjacent to the
도 12는 일 실시예에 따른 산화물층(125)을 더 포함하는 가변 저항 메모리 소자(100c)의 일부를 도시한 도면이다. 도 9와 도 12를 참조하면, 도 12의 가변 저항 메모리 소자(100a)는 반도체층(123)과 저항 변화층(122) 사이에 산화물층(125)을 더 포함할 수 있다. 산화물층(125)은 실리콘 산화물을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 산화물층(125)은 가변 저항 메모리 소자(100c)가 적용되는 소자 내에서, 산화물층(125)에 접하는 물질, 예를 들어, 반도체층(123)에 포함된 물질의 산화물을 포함할 수 있다. 산화물층(125)의 두께는 저항 변화층(122)의 두께보다 작을 수 있다. 예를 들어, 산화물층(125)의 두께는 약 5nm이하일 수 있다. FIG. 12 is a diagram illustrating a portion of a variable
도 13은 일 실시예에 따른 전도성 필라를 포함하는 가변 저항 메모리 소자를 도시한 도면이다. 도 9와 도 13을 비교하면, 도 13의 가변 저항 메모리 소자(100d)를 절연성 필라 대신에 전도성 필라(126)를 포함할 수 있다. FIG. 13 is a diagram illustrating a variable resistance memory device including a conductive pillar according to an embodiment. Comparing FIGS. 9 and 13 , the variable
전도성 필라(126)는 저항 변화층(122)과 접할 수 있다. 전도성 필라(126)는 저항 변화층(122)에 콘포말하게 증착될 수 있다. 전도성 필라(126)는 전기적 전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전도성 필라(126)는 W, Ti, TiN, Ru, RuO2, Ta, TaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전도성 필라(126)는 게이트 전극(131)과 동일한 물질로 형성될 수 있다.The
전도성 필라(126)의 모든 영역은 저항 변화층(122)에 의해 반도체층(123)의 모든 영역과 공간적으로 이격 배치될 수 있다. 전도성 필라(126)와 반도체층(123)은 전기적으로 절연되어 있기 때문에 전도성 필라(126)와 반도체층(123)에는 독립적으로 전압이 인가될 수 있다. All areas of the
가변 저항 메모리 소자(100d)는 전도성 필라(126)에 전기적으로 연결되어 전도성 필라(126)에 전압을 제공하는 제1 비트 라인(미도시) 및 제1 비트 라인과는 전기적으로 절연되면서 반도체층(123)과 전기적으로 연결되어 반도체층(123)에 전압을 제공하는 제2 비트 라인(미도시)을 더 포함할 수 있다. The variable
가변 저항 메모리 소자(100d)가 동작할 때, 전도성 필라(126)에도 전압이 인가될 수 있다. 전도성 필라(126)에 인가되는 전압은 선택 메모리 셀의 게이트 전압, 즉 턴 오프 전압보다 크고, 반도체층(123)에 인가되는 전압이상일 수 있다. 그리하여, 선택 메모리 셀에 대응하는 저항 변화층(122)에는 반도체층(123)으로 향하는 수평 방향의 전기장이 형성될 수 있다. 선택 메모리 셀에 대응하는 저항 변화층(122)내에서의 산소 공공은 저항 변화층(122) 중 반도체층(123)과 가까운 영역에 집중되는 바, 전도성 필라멘트의 형성이 보다 용이할 수 있다. When the variable
도 14는 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 전자 장치(200)를 도식적으로 설명한 블록도이다.FIG. 14 is a block diagram schematically illustrating an
도 14를 참조하면, 일 실시에에 따른 전자 장치(200)는 PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), 유무선 전자 기기 또는 이들 중의 적어도 둘을 포함하는 복합 전자 장치 중의 하나일 수 있다. 전자 장치(200)는 버스(210)를 통해서 서로 결합한 제어기(220), 키패드, 키보드, 화면(display) 같은 입출력 장치(230), 메모리(240), 무선 인터페이스(250)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 14, the
제어기(220)는 예를 들면 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 메모리(240)는 예를 들면 제어기(220)에 의해 실행되는 명령어를 저장하는데 사용될 수 있다.
메모리(240)는 사용자 데이터를 저장하는 데 사용될 수 있다. 메모리(240)는 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전자 장치(200)는 RF 신호로 통신하는 무선 통신 네트워크에 데이터를 전송하거나 네트워크에서 데이터를 수신하기 위해 무선 인터페이스(250)를 사용할 수 있다. 예를 들어 무선 인터페이스(250)는 안테나, 무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다. 전자 장치(200)는 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDAM, CDMA2000 같은 3세대 통신 시스템 같은 통신 인터페이스 프로토콜에서 사용될 수 있다.The
도 15는 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치를 포함하는 메모리 시스템(300)을 도식적으로 설명한 블록도이다.FIG. 15 is a block diagram schematically illustrating a
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치들은 메모리 시스템(memory system)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 메모리 시스템(300)은 대용량의 데이터를 저장하기 위한 메모리(310) 및 메모리 컨트롤러(320)를 포함할 수 있다. 메모리 컨트롤러(320)는 호스트(330)의 읽기/쓰기 요청에 응답하여 메모리(310)로부터 저장된 데이터를 읽기 또는 기입하도록 메모리(310)를 제어한다. 메모리 컨트롤러(320)는 호스트(330), 가령 모바일 기기 또는 컴퓨터 시스템으로부터 제공되는 어드레스를 메모리(310)의 물리적인 어드레스로 맵핑하기 위한 어드레스 맵핑 테이블(Address mapping table)을 구성할 수 있다. 메모리(310)는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 메모리 장치들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 15, non-volatile memory devices according to one embodiment may be used to implement a memory system. The
지금까지 설명한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 칩 형태로 구현되어 뉴로모픽 컴퓨팅 플랫폼으로 사용될 수 있다. The non-volatile memory device according to the embodiment described so far can be implemented in chip form and used as a neuromorphic computing platform.
도 16은 실시예에 따른 메모리 장치를 포함하는 뉴로모픽 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 16을 참조하면, 뉴로모픽 장치(400)는 프로세싱 회로(410) 및/또는 메모리(420)를 포함할 수 있다. 뉴로모픽 장치(400)의 메모리(420)는 실시예에 따른 메모리 시스템을 포함할 수 있다.FIG. 16 is a diagram schematically showing a neuromorphic device including a memory device according to an embodiment. Referring to FIG. 16, the
프로세싱 회로(410)는 뉴로모픽 장치(400)를 구동시키기 위한 기능들을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(410)는 뉴로모픽 장치(400)의 메모리(420)에 저장된 프로그램을 실행시킴으로써 뉴로모픽 장치(400)를 제어할 수 있다. The
프로세싱 회로(410)는 논리 회로와 같은 하드웨어, 소프트웨어를 실행시키는 프로세서와 같은 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 이들의 결합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 중앙처리 유닛(CPU, central processing unit), 그래픽 처리 유닛(GPU, graphics processing unit), 뉴로모픽 장치(400) 내의 응용 프로세서(AP, application processor), 산술 논리 유닛(ALU, arithmetic logic unit), 디지털 프로세서, 마이크로 컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), SoC(System-on-Chip), 프로그램가능 논리 유닛(programmable logic unit), 마이크로 프로세서(microprocessor), 주문형 반도체(ASIC, application-specific integrated circuit) 등을 포함할 수 있다. The
또한, 프로세싱 회로(410)는 외부 장치(1230)에서 다양한 데이터를 읽고 쓰며 그 데이터를 이용해 뉴로모픽 장치(400)를 실행시킬 수 있다. 외부 장치(1230)는 외부의 메모리 및/또는 이미지 센서(예컨대, CMOS 이미지 센서 회로)를 구비한 센서 어레이를 포함할 수 있다.Additionally, the
도 16에 도시된 뉴로모픽 장치(400)는 머신 러닝 시스템에 적용될 수 있다. 머신 러닝 시스템은, 예컨대, 합성곱 신경망(CNN, convolutional neural network), 역합성곱 신경망(deconvolutional neural network), 장단기 메모리(long short-term memory, LSTM) 및/또는 GRU(gated recurrent unit)를 선택적으로 포함하는 순환 신경망(RNN, recurrent neural network), SNN(stacked neural network), SSDNN(state-space dynamic neural network), DBN(deep belief network), GANs(generative adversarial networks), 및/또는 RBM(restricted Boltzmann machines) 등을 포함하는 다양한 인공 신경망 조직과 처리 모델을 활용할 수 있다.The
이러한 머신 러닝 시스템은, 예컨대, 선형 회귀분석(linear regression) 및/또는 로지스틱 회귀분석(logistic regression), 통계적 군집화(statistical clustering), 베이즈 분류(Bayesian classification), 의사결정 나무(decision trees), 주성분 분석(principal component analysis)과 같은 차원 축소(dimensionality reduction), 및 전문가 시스템과 같은 다른 종류의 머신 러닝 모델, 및/또는 랜덤 포레스트(random forest)와 같은 앙상블 기법을 포함하는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 머신 러닝 모델은, 예컨대, 영상 분류 서비스, 생체 정보 또는 생체 데이터에 기반한 사용자 인증 서비스, 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS, advanced driver assistance system), 음성 인식 비서 서비스(voice assistant service), 자동 음성 인식(ASR, automatic speech recognition) 서비스 등과 같은 다양한 서비스를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 다른 전자 장치에 장착되어 실행될 수 있다. These machine learning systems include, for example, linear regression and/or logistic regression, statistical clustering, Bayesian classification, decision trees, principal components, etc. It may include dimensionality reduction, such as principal component analysis, and other types of machine learning models, such as expert systems, and/or combinations of these, including ensemble techniques such as random forests. there is. These machine learning models include, for example, image classification services, user authentication services based on biometric information or biometric data, advanced driver assistance systems (ADAS), voice assistant services, and automatic voice recognition ( It can be used to provide various services such as ASR (automatic speech recognition) service, and can be installed and executed in other electronic devices.
전술한 가변 저항 메모리 소자 및 이를 포함한 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 따라서 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.The variable resistance memory device and the electronic device including the same have been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely examples, and those skilled in the art will be able to make various modifications and other equivalent embodiments therefrom. You will understand that it is possible. Although many details are described in detail in the above description, they should be construed as examples of specific embodiments rather than limiting the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be determined by the described embodiments, but rather by the technical idea stated in the patent claims.
121: 절연성 필라
122: 저항 변화층
123: 반도체층
124: 게이트 절연층
125: 산화물층
126: 전도성 필라
131: 게이트 전극
132: 절연 소자 121: Insulating pillar
122: Resistance change layer
123: semiconductor layer
124: Gate insulation layer
125: oxide layer
126: Conductive pillar
131: Gate electrode
132: insulation element
Claims (20)
상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층;
상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층상에 이격 배치되는 복수 개의 전극;을 포함하는 가변 저항 메모리 소자. A resistance change layer composed of a metal oxide containing a first metal element and a second metal element and having an oxygen deficiency ratio of 9% or more;
a semiconductor layer disposed on the resistance change layer;
a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and
A variable resistance memory device comprising a plurality of electrodes spaced apart from each other on the gate insulating layer.
상기 저항 변화층 중 전체 금속에 대한 상기 제1 금속 원소의 함량은 50 at%이상인 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
A variable resistance memory device wherein the content of the first metal element relative to the total metal in the resistance change layer is 50 at% or more.
상기 저항 변화층 중 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 원소의 함량은 35 at%이하인 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
A variable resistance memory device wherein the content of the second metal element relative to the total metal in the resistance change layer is 35 at% or less.
상기 제1 금속 원소는,
탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 하나를 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
The first metal element is,
A variable resistance memory element containing one of tantalum (Ta), titanium (Ti), stanium (Sn), chromium (Cr), and manganese (Mn).
상기 제2 금속 원소는,
하프늄(Hf), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb), 란탄(La), 지르코늄(Zr), 스칸듐(Sc), 텅스텐(W), 바나늄(V), 몰리브데넘 (Mo) 중 하나를 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
The second metal element is,
One of hafnium (Hf), aluminum (Al), niobium (Nb), lanthanum (La), zirconium (Zr), scandium (Sc), tungsten (W), vananium (V), or molybdenum (Mo). A variable resistance memory element comprising:
상기 저항 변화층은,
실리콘(Si)를 더 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
The resistance change layer is,
A variable resistance memory device further comprising silicon (Si).
상기 반도체층에는 절대값이 4V이하인 쓰기 전압이 인가되는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
A variable resistance memory device in which a write voltage with an absolute value of 4V or less is applied to the semiconductor layer.
상기 반도체층과 상기 저항 변화층 사이에 배치되는 산화물층;을 더 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
A variable resistance memory device further comprising an oxide layer disposed between the semiconductor layer and the resistance change layer.
상기 산화물층의 두께는 상기 저항 변화층의 두께보다 작은 가변 저항 메모리 소자. According to clause 8,
A variable resistance memory device in which the thickness of the oxide layer is smaller than the thickness of the resistance change layer.
상기 저항 변화층은,
상기 반도체층으로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 배열된 제1 저항 변화층 및 제2 저항 변화층을 포함하고,
상기 제1 저항 변화층의 산소 결핍율은 상기 제2 저항 변화층의 산소 결핍율보다 큰 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
The resistance change layer is,
It includes a first resistance change layer and a second resistance change layer sequentially arranged in a direction away from the semiconductor layer,
A variable resistance memory device wherein the oxygen deficiency rate of the first resistance change layer is greater than the oxygen deficiency rate of the second resistance change layer.
상기 복수 개의 게이트 전극의 피치는,
20nm이하인 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
The pitch of the plurality of gate electrodes is,
Variable resistance memory device of 20 nm or less.
필라;을 더 포함하고,
상기 저항 변화층, 상기 반도체층, 상기 게이트 절연층은 상기 필라를 쉘 형상으로 순차적으로 쉘 형상으로 감싸고,
상기 복수 개의 게이트 전극과 상기 절연 소자는 상기 게이트 절연층을 쉘 형상으로 감싸는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 1,
It further includes pillar;
The resistance change layer, the semiconductor layer, and the gate insulating layer sequentially surround the pillar in a shell shape,
A variable resistance memory device wherein the plurality of gate electrodes and the insulating element surround the gate insulating layer in a shell shape.
상기 필라는,
절연성 물질을 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 12,
The pillar is,
A variable resistance memory element containing an insulating material.
상기 필라는,
전도성 물질을 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 12,
The pillar is,
A variable resistance memory element containing a conductive material.
상기 필라에는,
상기 반도체층에 인가되는 전압이상의 전압이 인가되는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 14,
In the above pillar,
A variable resistance memory device to which a voltage higher than the voltage applied to the semiconductor layer is applied.
상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층;
상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층상에 이격 배치되는 복수 개의 전극;을 포함하는 가변 저항 메모리 소자. A resistance change layer containing silicon and composed of a metal oxide with an oxygen deficiency ratio of 9% or more;
a semiconductor layer disposed on the resistance change layer;
a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and
A variable resistance memory device comprising a plurality of electrodes spaced apart from each other on the gate insulating layer.
상기 저항 변화층은,
탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 스타늄(Sn), 크롬(Cr), 망간(Mn) 중 적어도 하나를 포함하는 가변 저항 메모리 소자. According to clause 16,
The resistance change layer is,
A variable resistance memory element containing at least one of tantalum (Ta), titanium (Ti), stanium (Sn), chromium (Cr), and manganese (Mn).
상기 저항 변화층 중 금속과 실리콘의 합에 대한 실리콘의 함량은 35 at%이하인 가변 저항 메모리 소자. According to clause 16,
A variable resistance memory device in which the content of silicon relative to the sum of metal and silicon in the resistance change layer is 35 at% or less.
상기 저항 변화층상에 배치되는 반도체층;
상기 반도체층상에 배치되는 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연상에 이격 배치되는 복수 개의 게이트 전극;을 포함하는 가변 저항 메모리 소자. A resistance comprising a first metal oxide having an oxygen deficiency ratio of 9% or more and a second metal oxide having an oxygen deficiency ratio of less than 9%, wherein the content of the first metal oxide is greater than the content of the second metal oxide. change layer;
a semiconductor layer disposed on the resistance change layer;
a gate insulating layer disposed on the semiconductor layer; and
A variable resistance memory device comprising: a plurality of gate electrodes spaced apart from each other on the gate insulation.
상기 저항 변화층에 포함된 전체 금속에 대한 상기 제2 금속 산화물에 포함된 금속의 함량은 35 at%이하인 가변 저항 메모리 소자.
According to clause 19,
A variable resistance memory device wherein the content of the metal contained in the second metal oxide relative to the total metal contained in the resistance change layer is 35 at% or less.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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