WO2018169269A1 - Oxide-based resistive switching memory element using single nanopore structure and manufacturing method therefor - Google Patents

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권순방
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Abstract

An oxide-based resistive switching memory element using a single nanopore structure and a manufacturing method therefor are disclosed. The resistive switching memory element manufacturing method comprises: a lower electrode layer forming step of forming a lower electrode layer on a substrate; a memory material layer forming step of forming a memory material layer on the lower electrode layer; a pore-forming metal layer forming step of forming a pore-forming metal layer in a preset region of the memory material layer; a pore forming step of forming a pore by removing the memory material layer at a lower part of the pore-forming metal layer; and an upper electrode forming step of forming an upper electrode on the formed pore.

Description

단일 나노 공극 구조를 이용한 산화물 기반 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법 Oxide-based resistive switching memory device using single nanoporous structure and manufacturing method thereof
본 발명은 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화물 기반 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly to an oxide-based resistance switching memory device and a method of manufacturing the same.
최근 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷(IoT) 등의 발달로 데이터의 처리량이 폭발적으로 증가함에 따라, 초고속, 대용량, 초저전력 메모리 소자에 대한 수요가 폭발적으로 늘어나고 있다. Recently, with the development of artificial intelligence, autonomous vehicles, and the Internet of Things (IoT), as data throughput explosively increases, the demand for ultra-fast, large-capacity, ultra-low-power memory devices is exploding.
그런데, 기존의 메모리 소자들로서는 이러한 수요를 충분히 충족시키기에는 어려움이 있다. 예를 들어, DRAM은 고속으로는 작동하지만 집적도의 물리적인 한계에 거의 다다랐고, FLASH 메모리는 높은 전력 소모량이나 짧은 수명이 문제가 되기 때문이다.However, existing memory devices have difficulty in sufficiently satisfying this demand. For example, DRAM operates at high speeds, but has reached the physical limits of density, while FLASH memory suffers from high power consumption and short lifetimes.
이에, 비휘발성, 고집적, 초고속, 초저전력의 성능을 구현할 수 있는 ReRAM이 차세대 메모리 소자로써 주목받고 있다. ReRAM은 전하를 저장하는 방식인 종래의 DRAM, FLASH 메모리와는 달리, 절연체로 사용되는 산화물의 여러 특성 중 비휘발성을 보이는 저항 스위칭 현상을 이용한다. 보다 구체적으로, 산화물 소재의 전류 이력곡선을 이용하여 저항값이 일정하지 않는 특성을 이용하는데, 금속/절연체/금속 구조로서 그 구조 역시 비교적 간단하다.Accordingly, ReRAM capable of realizing non-volatile, high integration, ultra high speed, and ultra low power performance has attracted attention as a next generation memory device. Unlike conventional DRAM and FLASH memories that store charges, ReRAM uses a resistance switching phenomenon that exhibits non-volatile characteristics among oxides used as an insulator. More specifically, the current hysteresis curve of the oxide material is used to use a property in which the resistance value is not constant. As the metal / insulator / metal structure, the structure is also relatively simple.
그 결과 하나의 전압이 인가되어도 두 가지 상이한 저항값을 가질 수 있고, 한 번 저항값이 변한 상태에서는 다음 스위칭이 일어나기 전에는 외부전원이 공급되지 않는 상태에서도 계속해서 마지막 저항값을 유지하게 된다.As a result, even if one voltage is applied, two different resistance values can be obtained, and once the resistance value is changed, the last resistance value is continuously maintained even when no external power is supplied until the next switching occurs.
하지만, ReRAM은 그 구조와 작동방법이 간단하고 절연체로 사용되는 많은 산화물 소재가 공통적으로 전류 이력 곡선을 나타낸다는 장점에도 불구하고, 이를 설명하는 정형화된 스위칭 매커니즘이 아직까지 정립되지 않고 있다. However, despite the advantages that ReRAM has a simple structure and operation method and many oxide materials used as insulators commonly exhibit a current hysteresis curve, a formal switching mechanism to explain this has not yet been established.
또한, 산화물 소재에 내에서 스위칭 필라멘트(filament)를 형성 및 제어해야 하는데, 현재의 반도체 공정 장비를 이용하여 대면적/고집적 소자에서 이를 제어할 수 있는 기술이 아직까지 개발되어 있지 않고 있다. 또한, 스위칭 필라멘트가 대부분의 경우 산화물 소재 내에서 불균일하게 형성되어 소자별로 균일한 성능을 갖지 않을 가능성이 존재한다.In addition, a switching filament must be formed and controlled in an oxide material, and a technology for controlling it in a large area / high density device using current semiconductor processing equipment has not been developed yet. In addition, there is a possibility that the switching filament is not uniformly formed in the oxide material in most cases and does not have uniform performance for each device.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기를 효과적으로 제어하고, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적/고집적 소자를 제작할 수 있는 저항 스위칭 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, which effectively controls the formation and size of a switching filament, and is capable of fabricating a large area / high density device using conventional semiconductor equipment, and It aims at providing the manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항 스위칭 메모리 소자 제조 방법은 기판상에 하부 전극층을 형성하는 하부 전극층 형성 단계, 하부 전극층상에 메모리 물질층을 형성하는 메모리 물질층 형성 단계, 메모리 물질층의 미리 설정된 영역에 공극 형성용 금속층을 형성하는 공극 형성용 금속층 형성 단계, 공극 형성용 금속층 하부의 메모리 물질층을 제거하여 공극을 형성하는 공극 형성 단계, 및 형성된 공극에 상부 전극을 형성하는 상부 전극 형성 단계, 공극 내의 전극에 일정 이상 전압을 걸어주어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의한 나노갭을 형성하는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, a resistance switching memory device manufacturing method using a single pore structure according to the present invention includes forming a lower electrode layer on a substrate, and forming a memory material layer on the lower electrode layer. Forming a pore forming metal layer in a predetermined region of the memory material layer; forming a pore by removing the memory material layer under the pore forming metal layer; and forming an air gap in the formed void. Forming an upper electrode, forming a nanogap by electromigration (electromigration) by applying a voltage or more to the electrode in the gap.
이와 같은 구성에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 메모리 물질층의 에지가 아니라 메모리 물질층 내부, 즉 나노 갭 사이로 제한하여 저항성 메모리 소자의 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있게 된다.According to this configuration, it is possible to secure uniformity and stability of switching of the resistive memory device by limiting the formation and size control of the switching filament to the inside of the memory material layer, that is, the nanogap, not the edge of the memory material layer. .
또한, 메모리 물질층 표면에서 공극 형성용 금속층을 형성하고 제어하여 공극을 형성하기 때문에, 공극을 균일하고 안정적으로 형성할 수 있게 된다.In addition, since the voids are formed by forming and controlling the metal layer for forming the voids on the surface of the memory material layer, the voids can be formed uniformly and stably.
또한, 소자마다 단일 공극으로 형성하고 크기를 제어할 수 있으므로 소자별로 균일한 성능을 가지도록 제작할 수 있게 된다.In addition, since each device can be formed into a single gap and the size can be controlled, it can be manufactured to have a uniform performance for each device.
이때, 메모리 물질층은 실리콘 산화물층일 수 있다. In this case, the memory material layer may be a silicon oxide layer.
또한, 실리콘 산화물층의 미리 설정된 영역을 제거하여 하부 전극층을 노출시키는 하부 전극 형성 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method may further include forming a lower electrode exposing the lower electrode layer by removing a predetermined region of the silicon oxide layer.
또한, 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 상부 전극에 분리 영역을 형성하는 스위칭 영역 형성 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 메모리 물질 내부 수직 갭을 통해 스위칭이 가능하므로, 보다 낮은 전압에서 저전력 구동이 가능해 진다.The method may further include forming a switching region in which a separation region is formed in the upper electrode by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode. This configuration enables switching through the vertical gap inside the memory material, thus enabling low power operation at lower voltages.
또한, 공극 형성용 금속층의 금속은 금, 은, 백금, 텅스텐 중 적어도 하나일 수 있다.In addition, the metal of the metal layer for forming voids may be at least one of gold, silver, platinum, tungsten.
또한, 공극 형성용 금속층은 포토리소그래피 또는 전자빔리소그래피 공정을 이용하여 패터닝된 후 증착될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적 소자를 제작할 수게 된다.In addition, the pore forming metal layer may be deposited after patterning using a photolithography or electron beam lithography process. According to such a structure, a large area element can be manufactured using conventional semiconductor equipment.
또한, 공극은 나노 스케일 공극 크기를 가질 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 하나의 셀을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적 소자의 제작이 가능해 진다.In addition, the pores may have nanoscale pore sizes. According to such a structure, since one cell can be manufactured within 10 nm, manufacture of a highly integrated element is attained.
아울러, 상기 방법을 이용하여 제조한 저항 스위칭 메모리 소자가 함께 개시된다.In addition, a resistance switching memory device manufactured using the above method is disclosed.
본 발명에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 메모리 물질층의 에지가 아니라 메모리 물질층 내부로 제한하여 저항성 메모리 소자의 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있게 된다.According to the present invention, the uniformity and stability of the switching of the resistive memory device can be secured by limiting the formation and size control of the switching filament to the inside of the memory material layer rather than the edge of the memory material layer.
또한, 메모리 물질층 표면에서 공극 형성용 금속층을 형성하고 제어하여 공극을 형성하기 때문에, 공극을 균일하고 안정적으로 형성할 수 있게 된다.In addition, since the voids are formed by forming and controlling the metal layer for forming the voids on the surface of the memory material layer, the voids can be formed uniformly and stably.
또한, 소자마다 단일 공극으로 형성하고 크기를 제어할 수 있으므로 소자별로 균일한 성능을 가지도록 제작할 수 있게 된다.In addition, since each device can be formed into a single gap and the size can be controlled, it can be manufactured to have a uniform performance for each device.
또한, 메모리 물질 내부 수직 갭을 통해 스위칭이 가능하므로, 보다 낮은 전압에서 저전력 구동이 가능해 진다.In addition, switching is possible through the vertical gap inside the memory material, enabling lower power operation at lower voltages.
또한, 종래 반도체 장비를 이용하여 대면적 소자를 제작할 수게 된다.In addition, it is possible to manufacture a large area device using conventional semiconductor equipment.
또한, 하나의 셀을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적 소자의 제작이 가능해 진다.In addition, since one cell can be manufactured within 10 nm, a highly integrated device can be manufactured.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항성 메모리 스위칭 소자의 개략적인 제조 공정 개념도.1 is a schematic manufacturing process conceptual diagram of a resistive memory switching device using a single pore structure in accordance with an embodiment of the present invention.
도 2는 SiO2/Si 기판의 예가 도시된 도면.2 shows an example of a SiO 2 / Si substrate.
도 3은 기판상에 하부 전극층이 형성된 예가 도시된 도면.3 illustrates an example in which a lower electrode layer is formed on a substrate.
도 4는 하부 전극층상에 메모리 물질층이 형성된 예가 도시된 도면.4 illustrates an example in which a memory material layer is formed on a lower electrode layer.
도 5는 메모리 물질층상에 공극 형성용 금속층이 형성된 예가 도시된 도면.5 illustrates an example in which a metal layer for forming voids is formed on a memory material layer;
도 6은 메모리 물질층에 공극을 형성하는 예가 도시된 도면.6 shows an example of forming voids in a memory material layer.
도 7 및 도 8은 형성된 단일 나노 공극의 AFM 측정 데이터와 SEM 이미지.7 and 8 are AFM measurement data and SEM images of the formed single nanopores.
도 9는 메모리 물질층에 공극에 상부 전극을 형성하는 예가 도시된 도면.9 illustrates an example of forming an upper electrode in a gap in a layer of memory material.
도 10은 하부 전극을 노출시키기 위해 SiO2 층이 에칭되는 과정이 도시된 도면.FIG. 10 illustrates a process where an SiO 2 layer is etched to expose a bottom electrode.
도 11은 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 메모리 물질층에 스위칭 영역을 형성하는 예를 도시한 도면.FIG. 11 illustrates an example of forming a switching region in a memory material layer by applying a voltage between an upper electrode and a lower electrode.
도 12는 도 1의 방법에 따라 제조된 메모리 소자의 전류 전압 특성의 예가 도시된 그래프.12 is a graph showing an example of current voltage characteristics of a memory device manufactured according to the method of FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 공극 구조를 이용한 저항성 메모리 스위칭 소자의 개략적인 제조 공정 개념도이다. 도 1에서 먼저, 기판상(110)에 하부 전극층(120)을 형성한다. 이때, 기판은 SiOx/Si 기판이 사용될 수 있으며, 예를 들어, SiO2/Si 기판이 사용될 수 있다. 도 2는 SiO2/Si 기판의 예가 도시된 도면이다.1 is a schematic manufacturing process conceptual diagram of a resistive memory switching device using a single pore structure according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, first, a lower electrode layer 120 is formed on a substrate 110. In this case, a SiOx / Si substrate may be used as the substrate, for example, an SiO 2 / Si substrate may be used. 2 shows an example of a SiO 2 / Si substrate.
하부 전극층(120)은 기판(110) 위에 증착되기 때문에, 기판(110)의 두께는 다양하게 선택될 수 있으나, 기판의 면적은 포토리소그래피(photolithography)로 패터닝되는 부분의 면적보다는 커야 한다. 예를 들어, 패터닝 부분의 크기가 1cm X 1cm인 경우 1cm ~ 1.5cm 크기의 기판이 사용될 수 있다.  Since the lower electrode layer 120 is deposited on the substrate 110, the thickness of the substrate 110 may be variously selected, but the area of the substrate should be larger than the area of the portion patterned by photolithography. For example, when the size of the patterning portion is 1 cm × 1 cm, a substrate having a size of 1 cm to 1.5 cm may be used.
도 3에서 하부 전극층(120)은 Ta/Pt로 형성되었으나, 하부 전극층(120)은 Au, Pt, Cu, Al, ITO, 그래핀, TiN, 고농도 도핑된 Si, 또는 임의의 다른 적합한 금속, 합금 또는 반도체 물질로 형성될 수도 있다. 도 3은 기판상에 하부 전극층이 형성된 예가 도시된 도면이다. 도 3에서, Ta와 Pt 금속은 모두 DC 스퍼터링으로 증착될 수 있으며, 이때, 하부 전극층(120)의 두께는 메모리의 스위칭 성능에 영향을 미치지 않는다.In FIG. 3, the lower electrode layer 120 is formed of Ta / Pt, but the lower electrode layer 120 is formed of Au, Pt, Cu, Al, ITO, graphene, TiN, heavily doped Si, or any other suitable metal, alloy. Or may be formed of a semiconductor material. 3 illustrates an example in which a lower electrode layer is formed on a substrate. In FIG. 3, both Ta and Pt metal may be deposited by DC sputtering, where the thickness of the lower electrode layer 120 does not affect the switching performance of the memory.
이어서, 하부 전극층(120)상에 메모리 물질층(130)을 형성한다. 예를 들어, SiOx(130)가 SiO2/Si 기판(110) 상에 증착된 Pt/Ta 전극(120) 상에 증착되며, 40nm SiOx층(130)이 PECVD에 의해 증착되거나, 100nm SiOx층(130)이 전자빔 증발에 의해 증착될 수 있다. Next, the memory material layer 130 is formed on the lower electrode layer 120. For example, SiOx 130 is deposited on a Pt / Ta electrode 120 deposited on SiO 2 / Si substrate 110, and a 40 nm SiO x layer 130 is deposited by PECVD, or a 100 nm SiO x layer ( 130 may be deposited by electron beam evaporation.
실리콘과 산소 사이의 원자 비율 "x"는 0.2 내지 2 사이 또는 이와 동일한 범위를 가질 수 있으며, 전자빔 증발, 스퍼터링, PECVD, 및 ALD 같은 임의의 증착 시스템을 이용하여 증착될 수 있다.The atomic ratio "x" between silicon and oxygen can range between 0.2 and 2 or the same and can be deposited using any deposition system, such as electron beam evaporation, sputtering, PECVD, and ALD.
도 4는 하부 전극층상에 메모리 물질층이 형성된 예가 도시된 도면이다. 도 4에는 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 SiO2 증착한 예가 도시되어 있다. 증착하는 SiO2 두께는 보통 수십 nm이나, 도 4에서는 SiO2 두께가 75nm로 구현되어 있으며, 증착속도는 0.1nm/s 이하로 구현되어 있다.4 illustrates an example in which a memory material layer is formed on a lower electrode layer. 4 shows an example of SiO 2 deposition using an E-beam evaporator. SiO 2 thickness is usually several tens of nm, but in Fig. 4 SiO 2 thickness is implemented as 75nm, the deposition rate is implemented to less than 0.1nm / s.
다음으로, 메모리 물질층(130)의 미리 설정된 영역에 공극(pore) 형성용 금속층(140)을 형성한다. 나노 공극 구조를 형성하고자 하는 산화물의 표면에 금속박막을 증착하는 것이다. 도 5는 메모리 물질층상에 공극 형성용 금속층이 형성된 예가 도시된 도면이다.Next, a pore forming metal layer 140 is formed in a predetermined region of the memory material layer 130. It is to deposit a metal thin film on the surface of the oxide to form a nano-pore structure. 5 illustrates an example in which a metal layer for forming voids is formed on a memory material layer.
도 5에서, 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 패터닝(patterning)한 후 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 금(Au)을 증착하는 예가 도시되어 있으며, 원형의 금 패턴(Au pattern)은 직경이 1.5㎛ 이하, 높이 18nm로 구현되어 있으며, 증착속도는 5.0nm 이하로 구현되어 있다.In FIG. 5, an example of depositing gold (Au) using an E-beam evaporator after patterning by a photolithography process is shown, and the circular gold pattern (Au pattern) has a diameter. Less than 1.5㎛, it is implemented to a height of 18nm, the deposition rate is implemented to 5.0nm or less.
다음으로, 공극 형성용 금속층(140) 하부의 메모리 물질층(130)을 제거하여 공극을 형성한다. 도 6은 메모리 물질층(130)에 공극을 형성하는 예가 도시된 도면이다. 도 6에는 전기 오븐을 이용하여 상압에서 어닐링(annealing)함으로써, 메모리 물질층(130)에 공극을 형성하는 예가 도시되어 있다. 이때, 램핑업 시간(Ramping up time은) 1시간이고, 가열 시간(Heating time)은 증착된 SiO2 두께에 따라 달라진다. Next, the gap is formed by removing the memory material layer 130 under the pore forming metal layer 140. 6 illustrates an example of forming a gap in the memory material layer 130. 6 shows an example of forming an air gap in the memory material layer 130 by annealing at atmospheric pressure using an electric oven. At this time, the ramping up time (Ramping up time) is 1 hour, the heating time (Heating time) of the deposited SiO 2 Depends on the thickness.
이와 같이, 나노 공극(pore) 구조를 형성하고자 하는 산화물의 표면에 금속박막을 증착한 후 금속의 녹는점 근처의 온도까지 열을 가해주었을 때, 금속입자들이 증발하면서 일부는 산화물 표면에서 내부로 침투하면서 수많은 공극 구조를 형성하게 된다. As such, when the metal thin film is deposited on the surface of the oxide to form the nanopore structure and then heated to a temperature near the melting point of the metal, some of the metal particles evaporate and penetrate into the inside. As a result, numerous void structures are formed.
특히, 산화물 표면에 증착되는 금속입자의 크기를 적절히 조절할 경우, 증착되는 단일 금속입자로부터 단일 공극을 형성하게 된다. 이와 달리, 전기화학적인 방법으로 산화물을 식각하여 공극을 형성하는 경우, 공극의 크기와 수가 불규칙적으로 형성된다.In particular, when the size of the metal particles deposited on the oxide surface is properly adjusted, a single pore is formed from the single metal particles to be deposited. In contrast, when the oxide is etched by the electrochemical method to form pores, the size and number of the pores are irregular.
따라서, 본 발명은 공극 형성의 균일성과 재현성의 측면에서 큰 장점을 가진다. 또한, 열을 가하는 시간과 온도를 동시에 종속변인으로 하여 조절할 경우, 공극의 깊이와 형태를 제어할 수 있게 된다.Therefore, the present invention has a great advantage in terms of uniformity and reproducibility of pore formation. In addition, when adjusting the time and temperature of applying heat as a dependent variable at the same time, it is possible to control the depth and shape of the voids.
도 7 및 도 8은 형성된 단일 나노 공극의 AFM 측정 데이터와 SEM 이미지이다. 도 7에는 열처리 시간에 따라 나노 공극의 깊이가 달라지는 것이 도시되어 있으며, 도 8에는 공극의 하부의 크기를 10nm 이하로 조절한 예가 도시되어 있다.7 and 8 are AFM measurement data and SEM images of the formed single nanopores. FIG. 7 illustrates that the depth of the nanopores varies according to the heat treatment time, and FIG. 8 illustrates an example in which the size of the lower portion of the pores is adjusted to 10 nm or less.
이어서, 형성된 공극에 상부 전극(140)을 형성한다. 도 9는 메모리 물질층의 공극에 상부 전극을 형성하는 예가 도시된 도면이다. 형성된 나노 공극의 내부를 금속으로 증착하여 채우는 것으로서, 예를 들어, 원형 포토 마스크 또는 원형 쉐도우 금속 마스크 방법을 사용하여, 상부 전극층(Au 또는 Pt; 150)을 나노 단일 공극 상에 증착할 수 있다. 도 9에는 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 패터닝(patterning)한 후, 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 사용해 금(Au)을 증착하는 예가 도시되어 있으며, 이때의 증착속도는 5.0nm 이하이다.Subsequently, the upper electrode 140 is formed in the formed gap. 9 illustrates an example of forming an upper electrode in a gap of a memory material layer. By filling the inside of the formed nano-pore by depositing with metal, the upper electrode layer (Au or Pt; 150) may be deposited on the nano single pore using, for example, a circular photo mask or a circular shadow metal mask method. 9 shows an example of depositing gold (Au) using an E-beam evaporator after patterning by a photolithography process, wherein the deposition rate is 5.0 nm or less.
이어서, 메모리 물질층(130)의 미리 설정된 영역을 제거하여 하부 전극(120)을 형성한다. 이를 위해, 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching; RIE)에 의한 에칭 공정이 노출된(uncovered) SiOx층을 제거하기 위해 수행될 수 있다. 도 10은 하부 전극을 노출시키기 위해 SiO2 층이 에칭되는 과정이 도시된 도면이다. 이 경우, 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching; RIE)과 버퍼 산화 에칭(Buffer oxide etch; BOE) 모두 에칭(etching) 방법으로 사용 가능하다.Subsequently, the predetermined region of the memory material layer 130 is removed to form the lower electrode 120. To this end, an etching process by reactive ion etching (RIE) may be performed to remove the uncovered SiOx layer. FIG. 10 illustrates a process in which an SiO 2 layer is etched to expose a lower electrode. In this case, both reactive ion etching (RIE) and buffer oxide etching (BOE) may be used as an etching method.
이어서, 상부 전극(150)과 하부 전극(120) 사이에 전압을 인가하여 상부 전극(150)에 분리 영역을 형성한다. 공극 내의 전극에 일정 이상의 전압을 걸어주어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의한 나노갭을 형성하는 것이다. 도 11은 상부 전극과 하부 전극 사이에 전압을 인가하여 메모리 물질층에 스위칭 영역을 형성하는 예를 도시한 도면이다.Subsequently, a voltage is applied between the upper electrode 150 and the lower electrode 120 to form a separation region in the upper electrode 150. The nanogap by electromigration is formed by applying a predetermined voltage to the electrode in the gap. FIG. 11 illustrates an example in which a switching region is formed in a memory material layer by applying a voltage between an upper electrode and a lower electrode.
도 11에서와 같이, 금속에 바이어스(bias)를 인가할 경우, 금속의 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상에 의해 물리적인 결함(defect)이 형성된다. 이때, 금속의 결함(defect)과 공극을 둘러싼 산화물과의 접합면에 나노갭(nanogap)이 형성되는데, 이 나노갭(nanogap)에서 스위칭 현상이 일어난다. As shown in FIG. 11, when a bias is applied to the metal, physical defects are formed by the electromigration phenomenon of the metal. At this time, a nanogap is formed at the junction between the metal defect and the oxide surrounding the void, and a switching phenomenon occurs at the nanogap.
구체적으로, 일렉트로마이그레이션(electromigration)이 생긴 금속에 5V 내외의 바이어스(bias)를 인가할 경우, 나노갭(nanogap) 영역에 위치한 실리콘 산화물을 이루고 있는 실리콘과 산소 원자 간의 결합이 끊어진다. 이어서, 끊어진 실리콘 원자간의 재결합이 형성되어 나노 단결정(nano crystal) 구조가 형성되는데, 이 구조가 전도성 필라멘트(filament)의 역할을 한다. 이를 저항성 메모리의 LRS(low resistance state) 혹은 ON 상태로써, SET으로 프로그램밍 될 수 있다. Specifically, when a bias of about 5V is applied to a metal on which electromigration occurs, the bond between silicon and oxygen atoms forming silicon oxide in the nanogap region is broken. Subsequently, recombination between the broken silicon atoms is formed to form a nano single crystal structure, which serves as a conductive filament. This may be programmed as a SET by a low resistance state (LRS) or an ON state of the resistive memory.
반대로 ON 상태에서 15V 내외의 바이어스(bias)를 인가할 경우, 줄 열(Joule heating)에 의해 전도성 Si 나노 크리스탈 필라멘트(nanocrystal filament)를 이루고 있는 실리콘 원자간의 결합이 비정질 실리콘 상태로 바뀐다. 이는 HRS(high resistance state) 혹은 OFF 상태로써, RESET으로 프로그램밍 된다. 또한, SET 또는 RESET으로 프로그래밍된 상태를 알아내기 위해서, 구조 및 상태에 영향을 끼치지 않는 1V의 read 전압 펄스(pulse)를 인가할 수 있다.On the contrary, when a bias of about 15V is applied in the ON state, the bond between the silicon atoms forming the conductive Si nanocrystal filament is changed to the amorphous silicon state by Joule heating. This is a high resistance state (HRS) or OFF state, programmed as RESET. In addition, to determine the state programmed with SET or RESET, a read voltage pulse of 1V can be applied that does not affect the structure and state.
도 12는 도 1의 방법에 따라 제조된 메모리 소자의 전류 전압 특성의 예가 도시된 그래프이다. 도 12에서, read 전압은 3V 이하이고, Set 전압은 3V 내지 7V이고, reset 전압은 7V 이상으로 구현된 것을 확인할 수 있다.12 is a graph illustrating an example of current voltage characteristics of a memory device manufactured according to the method of FIG. 1. In FIG. 12, the read voltage is 3V or less, the Set voltage is 3V to 7V, and the reset voltage is 7V or more.
본 발명에 의하면, 스위칭 필라멘트(filament)의 형성 및 크기 제어를 나노 공극(nano pore) 내로만 국한하여 스위칭의 균일성과 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 단일 나노 공극을 통해 단일 필라멘트(single filament)를 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 단일 나노 공극의 형성 크기가 제어가 가능하므로 한 개의 셀(cell)을 10nm 이내로 제작할 수 있으므로, 고집적이 가능하다. According to the present invention, the uniformity and stability of the switching can be secured by limiting the formation and size control of the switching filament to only the nano pores. In addition, not only a single filament can be formed through a single nano-pore, but also the size of the single nano-pore can be controlled so that a single cell can be manufactured within 10 nm, and thus high integration is possible.
또한, 제어된 필라멘트(filament)로 기존의 실리콘 옥사이드 메모리의 특성을 향상시킬수 있으며, 기존 반도체 장비를 이용하므로 대면적 소자 제작이 가능하고, 나아가 크로스바 어레이(crossbar array) 공정의 편이성 확보와 저비용, 간결한 구조체를 기반으로 한 스위칭 소자를 개발할 수 있게 된다.In addition, the controlled filament can improve the characteristics of the existing silicon oxide memory, and by using the existing semiconductor equipment, it is possible to manufacture a large-area device, and further, to secure the convenience of the crossbar array process, low cost, and conciseness. It will be possible to develop a switching device based on the structure.
정리하자면, 본 발명은 금속 입자로 만들어진 단일 나노 공극(sub-10 nm) 구조를 이용하여 산화물 소재(ex., SiOx) 스위칭 필라멘트(filament)를 형성 및 제어하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서는 저전력 구동이 가능한 실리콘 옥사이드 소재의 스위칭 필라멘트(filament)를 sub-10nm 스케일의 단일 나노 공극 구조로 이용하여 균일하게 제조/제어할 수 있는 기술과 이를 통한 고집적 메모리 소자 기술에 특징이 있다.In summary, the present invention relates to a technique for forming and controlling oxide material (ex. SiOx) switching filaments using a single nanoporous (sub-10 nm) structure made of metal particles. In particular, the present invention is characterized by a technology capable of uniformly manufacturing and controlling the switching filament of a silicon oxide material capable of driving low power using a single nano-pore structure of a sub-10 nm scale and a highly integrated memory device technology. have.
본 발명은 현재 가장 대표적인 메모리인 DRAM과 FLASH 메모리의 장점을 두루 갖추고 있기 때문에 양산 및 상용화가 될 경우, 위 두 제품이 탑재되는 분야에 주로 적용될 것으로 예상된다. The present invention is expected to be mainly applied to the field in which the above two products are installed when mass production and commercialization are equipped with the advantages of the most representative memory DRAM and FLASH memory.
본 발명은 기존의 DRAM, FLASH 메모리가 장착된 제품에 각각 대체되어 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 두 제품의 성능 및 기능이 결합된 새로운 개념의 차세대 메모리의 개발에 적용될 수 있다. 이 경우, 컴퓨터를 비롯한 각종 모바일 기기 등의 설계시, 고집적 및 저전력, 저에너지 등의 기술적인 이점을 갖게 될 것으로 기대된다.The present invention can be applied not only to the existing DRAM and FLASH memory mounted products, but also to the development of a new concept of the next-generation memory combining the performance and functions of the two products. In this case, when designing various mobile devices including computers, it is expected to have technical advantages such as high integration, low power, and low energy.
본 발명은 기존 메모리 소자가 가장 많이 탑재되는 PC, 모바일 전자기기 시장에 가장 먼저 적용될 것으로 예상된다. 또한, 기존의 실리콘 기반의 전자소자를 넘어서는 차세대 전자소자 영역의 핵심기술로 활용될 것으로 예상된다. The present invention is expected to be applied first to the PC, mobile electronics market in which the existing memory devices are most installed. In addition, it is expected to be used as a core technology in the next generation electronic device area beyond the existing silicon-based electronic device.
나아가 향후 데이터의 고속, 대용량, 저전력 등의 고성능이 요구되는 서버시장, 제품의 신뢰성이 안전과 직결될 수 있는 자율, 무인 자동차를 제어하는 차량용 반도체 시장에도 적용될 수 있을 것이다.Furthermore, it will be applied to the server market that requires high performance such as high speed, large capacity, and low power of data, and the automotive semiconductor market that controls autonomous and driverless cars, where product reliability can be directly linked to safety.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.Although the present invention has been described in terms of some preferred embodiments, the scope of the present invention should not be limited thereby, but should be construed as modifications or improvements of the embodiments supported by the claims.

Claims (14)

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