KR20250020083A - Fabrication method of resistance variable memory device - Google Patents
Fabrication method of resistance variable memory device Download PDFInfo
- Publication number
- KR20250020083A KR20250020083A KR1020230101519A KR20230101519A KR20250020083A KR 20250020083 A KR20250020083 A KR 20250020083A KR 1020230101519 A KR1020230101519 A KR 1020230101519A KR 20230101519 A KR20230101519 A KR 20230101519A KR 20250020083 A KR20250020083 A KR 20250020083A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- forming
- variable resistor
- electrode
- insulating layer
- laminated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/011—Manufacture or treatment of multistable switching devices
- H10N70/041—Modification of switching materials after formation, e.g. doping
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/20—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes
- H10B63/24—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having two electrodes, e.g. diodes of the Ovonic threshold switching type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
- H10B63/84—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays arranged in a direction perpendicular to the substrate, e.g. 3D cell arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
- H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 소자 제조 방법은 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 제1 단계, 상기 제1 절연층 상에 제1 도전 라인을 형성하는 제2 단계, 상기 제1 도전 라인 상에 차례로 적층되는 하부 전극, 선택 소자, 중간 전극, 가변 저항, 및 상부 전극을 포함하는 적층 구조물을 형성하는 제3 단계, 적층 구조물들의 측벽을 덮도록 적층 구조물들 사이에 제2 절연층을 형성하는 제4 단계, 적층 구조물 상에 제2 도전 라인을 형성하는 제5 단계, 및 상기 제1 단계 내지 제5 단계에 의해서 제조된 메모리 소자를 소정의 시간 동안 -270도에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리 후, 상온에 소정의 시간 동안 방치하는 제6 단계를 포함한다.A method for manufacturing a memory device according to one embodiment of the present invention includes a first step of forming a first insulating layer on a substrate, a second step of forming a first conductive line on the first insulating layer, a third step of forming a laminated structure including a lower electrode, a selection element, an intermediate electrode, a variable resistor, and an upper electrode that are sequentially laminated on the first conductive line, a fourth step of forming a second insulating layer between the laminated structures to cover sidewalls of the laminated structures, a fifth step of forming a second conductive line on the laminated structure, and a sixth step of subjecting the memory device manufactured by the first to fifth steps to a low-temperature treatment at a temperature of -270 degrees to -100 degrees for a predetermined period of time and then leaving it at room temperature for a predetermined period of time.
Description
본 발명은 가변 저항 메모리 소자 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 크로스 포인트 구조의 가변 저항 메모리 소자 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a variable resistance memory element, and more particularly, to a method for manufacturing a variable resistance memory element having a cross-point structure.
최근 휴대용 디지털 기기의 보급과 디지털 데이터의 저장 필요성이 증가하면서 전원이 차단된 후에도 저장된 데이터가 소실되지 않는 비휘발성 메모리 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, with the spread of portable digital devices and the increasing need to store digital data, interest in nonvolatile memory devices that do not lose stored data even when power is turned off is increasing.
반도체 소자로서 디램 메모리 소자와 같이 실리콘 공정을 기반으로 함으로써 저비용으로 제조할 수 있는 플래시 메모리 소자가 널리 이용되고 있다. 그러나, 플래시 메모리 소자는 휘발성 메모리 소자인 디램 메모리 소자에 비하여 상대적으로 집적도가 낮고 동작속도가 느리며 데이터의 저장에 상대적으로 고전압이 요구되는 단점이 있다.As semiconductor devices, flash memory devices are widely used because they can be manufactured at low cost based on silicon processes, such as DRAM memory devices. However, flash memory devices have the disadvantages of having relatively low integration, slow operation speed, and requiring relatively high voltage for data storage compared to DRAM memory devices, which are volatile memory devices.
이와 같은 플래시 메모리 소자의 단점을 극복하기 위해 상변화 메모리 소자(phase changeable RAM, PRAM), 자기 메모리 소자(magnetic RAM, MRAM) 및 저항 메모리 소자(resistance changeable RAM, RRAM)와 같은 다양한 차세대 반도체 소자가 제안되고 있다. 이와 같은 차세대 비휘발성 메모리 소자는 비교적 낮은 전압에서 동작이 가능하고 액세스 타임(access time)이 빨라서 플래시 메모리 소자의 단점을 상당부분 상쇄하고 있다.To overcome the shortcomings of such flash memory devices, various next-generation semiconductor devices such as phase changeable RAM (PRAM), magnetic RAM (MRAM), and resistance changeable RAM (RRAM) have been proposed. Such next-generation nonvolatile memory devices can operate at relatively low voltages and have fast access times, which significantly offsets the shortcomings of flash memory devices.
특히, 고집적화 요구에 따라 3차원 크로스 포인트 어레이 구조를 갖는 차세대 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 크로스 포인트 어레이(cross point array) 구조는 복수의 상부전극과 복수의 하부전극이 서로 교차하도록 배치하고 상부 및 하부전극의 교차 지점(cross point)에 메모리 셀을 배치한 구조로써, 각 메모리 셀에 대한 임의의 액세스(random access)가 가능하여 데이터의 저장(program) 및 판독(read)을 용이하게 구현할 수 있다.In particular, research on next-generation nonvolatile memory devices having a three-dimensional cross-point array structure has been actively conducted recently in response to high integration demands. The cross-point array structure is a structure in which a plurality of upper electrodes and a plurality of lower electrodes are arranged to intersect each other, and memory cells are arranged at the cross points of the upper and lower electrodes, so that random access to each memory cell is possible, making it easy to implement data storage (program) and reading (read).
이와 같은 크로스 포인트 어레이 구조는 단위 셀을 상부 및 하부 전극 사이에 수직방향을 따라 적층구조로 형성하고, 단일한 크로스 포인트 어레이 구조를 수직방향을 따라 다수 적층함으로써 용이하게 3차원 구조로 형성할 수 있다. 이에 따라, 차세대 비활성 메모리 소자를 고밀도로 집적할 수 있다.Such a cross-point array structure can be easily formed into a three-dimensional structure by forming unit cells in a stacked structure along the vertical direction between the upper and lower electrodes, and stacking a plurality of single cross-point array structures along the vertical direction. Accordingly, next-generation non-volatile memory elements can be integrated at a high density.
본원의 배경이 되는 기술은 공개특허 제10-2017-0108599호에 개시되어 있다.The background technology of this application is disclosed in Patent Publication No. 10-2017-0108599.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 절연층을 나노 섬유 재질로 함에 따라 메모리 소자의 지연 상수를 최소화하여 동작 속도 향상 및 발열양의 감소를 도모하고, 금속 재질의 캡핑층이 가변 저항 상부 및 하부에 적층됨에 따라 상변화 물질층의 조성 변화를 방지할 수 있는 가변 저항 메모리 소자를 제공하는데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a variable resistance memory device which minimizes the delay constant of the memory device by using a nano fiber material as the insulating layer, thereby improving the operating speed and reducing the amount of heat generated, and prevents a change in the composition of the phase change material layer by stacking a capping layer made of a metal material on the upper and lower portions of the variable resistor.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따른 기변 저항 메모리 소자 제조 방법은 기판 상에 제1 절연층을 형성하는 제1 단계, 상기 제1 절연층 상에 제1 도전 라인을 형성하는 제2 단계, 상기 제1 도전 라인 상에 차례로 적층되는 하부 전극, 선택 소자, 중간 전극, 가변 저항, 및 상부 전극을 포함하는 적층 구조물을 형성하는 제3 단계, 적층 구조물들의 측벽을 덮도록 적층 구조물들 사이에 제2 절연층을 형성하는 제4 단계, 적층 구조물 상에 제2 도전 라인을 형성하는 제5 단계, 및 상기 제1 단계 내지 제5 단계에 의해서 제조된 메모리 소자를 소정의 시간 동안 -270도에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리 후, 상온에 소정의 시간 동안 방치하는 제6 단계를 포함한다.A method for manufacturing a variable resistance memory device according to one embodiment of the present invention includes a first step of forming a first insulating layer on a substrate, a second step of forming a first conductive line on the first insulating layer, a third step of forming a laminated structure including a lower electrode, a selection element, an intermediate electrode, a variable resistor, and an upper electrode that are sequentially laminated on the first conductive line, a fourth step of forming a second insulating layer between the laminated structures to cover sidewalls of the laminated structures, a fifth step of forming a second conductive line on the laminated structure, and a sixth step of subjecting the memory device manufactured by the first to fifth steps to a low-temperature treatment at a temperature of -270 degrees Celsius to -100 degrees Celsius for a predetermined period of time and then leaving it at room temperature for a predetermined period of time.
상기 제3 단계의 상기 하부 전극, 상기 선택 소자, 상기 중간 전극, 상기 가변 저항, 및 상기 상부 전극을 형성하는 과정에서 -270에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리가 진행된다.In the process of forming the lower electrode, the selection element, the middle electrode, the variable resistor, and the upper electrode in the third step, low-temperature treatment is performed at a temperature between -270 and -100 degrees.
상기 제6 단계에서 저온 처리에 사용되는 냉각제로는 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 산소, 및 액체 수소 중 어느 하나이다.The coolant used for the low-temperature treatment in the sixth step is any one of liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, and liquid hydrogen.
본 발명의 메모리 소자는 냉각제에 의해서 1~60분간 침지되어 극저온 처리가 되고, 극저온 처리가 완료된 후 1~120분 간 상온에 방치하면 서서히 온도가 증가하는 과정을 통하여 메모리 소자의 결정들이 온도 상승에 다라 재배열 되고, 소자 내부의 응력이 제거되며, 나아가 정공 및 전자의 이동도가 증가하여 메모리 소자의 성능이 향상될 수 있다.The memory element of the present invention is subjected to cryogenic treatment by being immersed in a coolant for 1 to 60 minutes, and after the cryogenic treatment is completed, is left at room temperature for 1 to 120 minutes, and through a process in which the temperature gradually increases, the crystals of the memory element are rearranged according to the increase in temperature, the stress inside the element is removed, and furthermore, the mobility of holes and electrons increases, so that the performance of the memory element can be improved.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법의 순서도이다.FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a variable resistance memory element according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view taken along line I-I' of Figure 2.
FIG. 4 is a flowchart of a method for manufacturing a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본원 명세서에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한, 본원 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this specification, when it is said that an element is “on” another element, this includes not only cases where the element is in contact with the other element, but also cases where another element exists between the two elements. Also, in this specification, when it is said that a part “includes” a certain element, this does not mean that the other element is excluded, but rather that the other element can be included, unless otherwise specifically stated.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때, 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms “about,” “substantially,” and the like, as used throughout this specification, are used in a meaning that is at or near the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the meanings referred to are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting the disclosure, which states precise or absolute values to aid understanding of this specification.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다. FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 도전 라인들(CL1), 및 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되는 제2 도전 라인들(CL2)이 제공될 수 있다. 제2 도전 라인들(CL2)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 제1 도전 라인들(CL1)로부터 이격될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2) 사이에 제공될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2)의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 행과 열을 이루며 이차원적으로 배열될 수 있다. 본 실시예에서 하나의 메모리 셀 스택(MCA)을 도시하나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 메모리 셀 스택(MCA)은 복수 개로 제공되어 수직 적층될 수 있다.Referring to FIG. 1, first conductive lines (CL1) extending in a first direction (D1) and second conductive lines (CL2) extending in a second direction (D2) intersecting the first direction (D1) may be provided. The second conductive lines (CL2) may be spaced apart from the first conductive lines (CL1) along a third direction (D3) perpendicular to the first direction (D1) and the second direction (D2). A memory cell stack (MCA) may be provided between the first conductive lines (CL1) and the second conductive lines (CL2). The memory cell stack (MCA) may include memory cells (MC) provided at each of the intersections of the first conductive lines (CL1) and the second conductive lines (CL2). The memory cells (MC) may be arranged two-dimensionally to form rows and columns. Although one memory cell stack (MCA) is illustrated in the present embodiment, embodiments of the present invention are not limited thereto. Memory cell stacks (MCAs) can be provided in multiples and stacked vertically.
메모리 셀들(MC)의 각각은 가변 저항 패턴(VR) 및 스위칭 패턴(SW)을 포함할 수 있다. 가변 저항 패턴(VR) 및 스위칭 패턴(SW)은 이들에 연결되는 한 쌍의 도전 라인들(CL1, CL2) 사이에서 서로 직렬로 연결될 수 있다. Each of the memory cells (MC) may include a variable resistance pattern (VR) and a switching pattern (SW). The variable resistance pattern (VR) and the switching pattern (SW) may be connected in series with each other between a pair of conductive lines (CL1, CL2) connected thereto.
일 예로, 메모리 셀들(MC)의 각각에 포함된 가변 저항 패턴(VR) 및 스위칭 패턴(SW)은 대응하는 제1 도전 라인(CL1)과 대응하는 제2 도전 라인(CL2) 사이에서 서로 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 도전 라인(CL1)은 비트 라인(bit line)이고, 제2 도전 라인(CL2)은 워드 라인(word line)이거나 혹은 그 반대일 수 있다. 또한, 도 1에는 가변 저항 패턴(VR) 위에 스위칭 패턴(SW)이 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 도 1에 도시된 바와 달리, 스위칭 패턴(SW) 위에 가변 저항 패턴(VR)이 제공될 수도 있다.For example, a variable resistance pattern (VR) and a switching pattern (SW) included in each of the memory cells (MC) may be connected in series with each other between a corresponding first conductive line (CL1) and a corresponding second conductive line (CL2). Here, the first conductive line (CL1) may be a bit line, and the second conductive line (CL2) may be a word line, or vice versa. In addition, although FIG. 1 illustrates that the switching pattern (SW) is provided on the variable resistance pattern (VR), embodiments of the present invention are not limited thereto. Unlike FIG. 1, the variable resistance pattern (VR) may also be provided on the switching pattern (SW).
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)을 통해 메모리 셀(MC)의 가변 저항 패턴(VR)에 전압이 인가되어 가변 저항 패턴(VR)에 전류가 흐를 수 있으며, 인가되는 전압에 따라 선택된 메모리 셀(MC)의 가변 저항 패턴(VR)의 저항이 변화될 수 있다.Voltage is applied to the variable resistance pattern (VR) of the memory cell (MC) through the first challenge line (CL1) and the second challenge line (CL2), so that current can flow through the variable resistance pattern (VR), and the resistance of the variable resistance pattern (VR) of the selected memory cell (MC) can change depending on the applied voltage.
가변 저항 패턴(VR)의 저항 변화에 따라, 메모리 셀(MC)에서는 "0" 또는 "1"과 같은 디지털 정보를 기억할 수 있게 되며, 메모리 셀(MC)으로부터 디지털 정보를 소거할 수 있게 된다. 예를 들면, 메모리 셀(MC)에서 고저항 상태 "0"과 저저항 상태 "1"로 데이터를 기입할 수 있다. 여기서, 고저항 상태 "0"에서 저저항 상태 "1"로의 기입을 "세트 동작"이라 칭할 수 있고, 저저항 상태 "1"에서 고저항 상태 "0"으로의 기입을 "리셋 동작"이라 칭할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀(MC)은 예시된 고저항 상태 "0" 및 저저항 상태 "1"의 디지털 정보에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 저항 상태들을 저장할 수 있다.According to the change in resistance of the variable resistance pattern (VR), the memory cell (MC) can store digital information such as "0" or "1", and the digital information can be erased from the memory cell (MC). For example, data can be written in the memory cell (MC) in a high resistance state "0" and a low resistance state "1". Here, writing from the high resistance state "0" to the low resistance state "1" can be called a "set operation", and writing from the low resistance state "1" to the high resistance state "0" can be called a "reset operation". However, the memory cell (MC) according to the embodiments of the present invention is not limited to the digital information of the exemplified high resistance state "0" and low resistance state "1", and can store various resistance states.
일 예로, 가변 저항 패턴(VR)은 전이 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 이 경우 프로그램 동작에 의하여 적어도 하나의 전기적 통로가 가변 저항 패턴(VR) 내에 생성되거나 소멸될 수 있다. 전기적 통로가 생성된 경우에 가변 저항 패턴(VR)은 낮은 저항값을 가질 수 있으며, 전기적 통로가 소멸된 경우에 가변 저항 패턴(VR)은 높은 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 가변 저항 패턴(VR)의 저항 값 차이를 이용하여 가변 저항 메모리 소자는 데이터를 저장할 수 있다. For example, the variable resistance pattern (VR) may include a transition metal oxide, in which case at least one electrical passage may be created or destroyed within the variable resistance pattern (VR) by a program operation. When the electrical passage is created, the variable resistance pattern (VR) may have a low resistance value, and when the electrical passage is destroyed, the variable resistance pattern (VR) may have a high resistance value. By utilizing the difference in resistance values of the variable resistance pattern (VR), the variable resistance memory element may store data.
다른 예로, 가변 저항 패턴(VR)은 제1 상태와 제2 상태 간에 가역적으로 천이할 수 있는 상변화 물질층을 포함할 수 있다. 그러나, 가변 저항 패턴(VR)은 이에 한정되는 것은 아니며, 인가된 전압에 따라 저항값이 달라지는 가변 저항체라면 어떠한 것도 포함할 수 있다. As another example, the variable resistance pattern (VR) may include a phase change material layer that can reversibly transition between a first state and a second state. However, the variable resistance pattern (VR) is not limited thereto, and may include any variable resistor whose resistance value changes depending on an applied voltage.
스위칭 패턴(SW)은 전류의 흐름을 제어할 수 있는 전류 조정 소자일 수 있다. 본 발명에서, 스위칭 패턴(SW)은 오보닉 문턱 스위칭(ovonic threshold switching, OTS) 특성을 갖는 스위칭 소자일 수 있다. The switching pattern (SW) may be a current control element capable of controlling the flow of current. In the present invention, the switching pattern (SW) may be a switching element having ovonic threshold switching (OTS) characteristics.
즉, 스위칭 패턴(SW)은 스위칭 패턴(SW)의 양단에 걸린 전압의 크기에 따라 저항이 변화할 수 있는 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 스위칭 패턴(SW)에 문턱 전압보다 작은 전압이 인가될 때 스위칭 패턴(SW)은 고저항 상태에 있고, 스위칭 패턴(SW)에 문턱 전압보다 큰 전압이 인가될 때, 저저항 상태에 있으며 전류가 흐르기 시작한다. 또한, 스위칭 패턴(SW)을 통해 흐르는 전류가 유지 전류(holding current)보다 작아질 때, 스위칭 패턴(SW)은 고저항 상태로 변화될 수 있다.That is, the switching pattern (SW) may include a material having an ovonic threshold switching characteristic in which the resistance can change depending on the magnitude of the voltage applied to both ends of the switching pattern (SW). Accordingly, when a voltage smaller than the threshold voltage is applied to the switching pattern (SW), the switching pattern (SW) is in a high resistance state, and when a voltage larger than the threshold voltage is applied to the switching pattern (SW), it is in a low resistance state and current starts to flow. In addition, when the current flowing through the switching pattern (SW) becomes smaller than the holding current, the switching pattern (SW) can change to a high resistance state.
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)의 선택에 의해 임의의 메모리 셀(MC)이 어드레싱될 수 있으며, 제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2) 사이에 소정의 신호를 인가하여, 메모리 셀(MC)을 프로그래밍하고, 제1 도전 라인(CL1)을 통하여 전류 값을 측정함으로써 해당 메모리 셀(MC)을 구성하는 가변 저항체의 저항값에 따른 정보가 판독될 수 있다.Any memory cell (MC) can be addressed by selecting a first challenge line (CL1) and a second challenge line (CL2), and by applying a predetermined signal between the first challenge line (CL1) and the second challenge line (CL2), the memory cell (MC) is programmed, and by measuring a current value through the first challenge line (CL1), information according to the resistance value of a variable resistor constituting the corresponding memory cell (MC) can be read.
이하 도 2, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자를 설명한다. Referring to FIGS. 2 and 3 below, a variable resistance memory element according to one embodiment of the present invention will be described.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자를 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 2의 I-I'선에 따른 단면도이다.FIG. 2 is a plan view showing a variable resistance memory element according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line I-I' of FIG. 2.
도 2 및 도 3을 참조하면, 기판 상에는 제1 도전 라인들(CL1) 및 제2 도전 라인들(200)이 차례로 제공될 수 있다. 제1 도전 라인들(CL1)은 기판(100)의 상면에 실질적으로 평행한 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있고, 기판(100)의 상면에 실질적으로 평행하고 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 제2 도전 라인들(200)은 제2 방향(D2)으로 연장되고 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 도전 라인들(CL1) 및 제2 도전 라인들(200)은 기판(100)의 상면에 수직한 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. Referring to FIGS. 2 and 3, first conductive lines (CL1) and second conductive lines (200) may be sequentially provided on a substrate. The first conductive lines (CL1) may extend in a first direction (D1) substantially parallel to a top surface of the substrate (100) and may be spaced apart from each other in a second direction (D2) substantially parallel to the top surface of the substrate (100) and intersecting the first direction (D1). The second conductive lines (200) may extend in the second direction (D2) and be spaced apart from each other in the first direction (D1). The first conductive lines (CL1) and the second conductive lines (200) may be spaced apart from each other in a third direction (D3) perpendicular to the top surface of the substrate (100).
기판(100)은 Si 기판, Ge 기판, Si-Ge 기판, 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-on-Insulator: SOI) 기판, 게르마늄-온-인슐레이터(Germanium-On-Insulator: GOI) 기판 등과 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 기판(100)은 InP, GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 III-V족 화합물을 포함할 수도 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 기판(100) 상부에 p형 또는 n형 불순물을 주입하여 웰(well)을 형성할 수도 있다.The substrate (100) may include a semiconductor substrate, such as a Si substrate, a Ge substrate, a Si-Ge substrate, a Silicon-on-Insulator (SOI) substrate, a Germanium-On-Insulator (GOI) substrate, etc. The substrate (100) may also include a III-V group compound, such as InP, GaP, GaAs, GaSb, etc. Meanwhile, although not shown, a p-type or n-type impurity may be injected into the upper portion of the substrate (100) to form a well.
제1 및 제2 도전 라인들(CL1, CL2)의 각각은 금속(예를 들어, 구리, 텅스텐, 또는 알루미늄) 및/또는 금속 질화물(예를 들어, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 또는 텅스텐 질화물)을 포함할 수 있다.Each of the first and second challenge lines (CL1, CL2) may include a metal (e.g., copper, tungsten, or aluminum) and/or a metal nitride (e.g., tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten nitride).
기판(100) 상에 제1 절연층(101)이 개재될 수 있다. 이 경우, 제1 도전 라인(102)은 제1 절연층(101) 상에 형성될 수 있다. 또한, 기판(100) 상에는 트랜지스터, 콘택, 배선 등을 포함하는 주변 회로(도시되지 않음)가 형성될 수 있다.A first insulating layer (101) may be interposed on the substrate (100). In this case, a first conductive line (102) may be formed on the first insulating layer (101). In addition, a peripheral circuit (not shown) including a transistor, a contact, a wiring, etc. may be formed on the substrate (100).
메모리 셀들(MC)이 제1 도전 라인들(102) 및 제2 도전 라인들(200) 사이에 배치될 수 있고, 제1 도전 라인들(102)과 제2 도전 라인들(200)의 교차점들에 각각 위치할 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 이차원적으로 배열될 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 하나의 메모리 셀 스택(MCA)을 구성할 수 있다. 설명의 편의를 위해 하나의 메모리 셀 스택(MCA)만이 도시되었으나, 복수의 메모리 셀 스택들(MCA)이 기판(100) 상에 제3 방향(D3)을 따라 적층될 수 있다. 이 경우, 제1 도전 라인들(102), 제2 도전 라인들(200), 및 메모리 셀들(MC)에 상응하는 구조들이 기판(100) 상에 반복적으로 적층될 수 있다.Memory cells (MC) may be arranged between first conductive lines (102) and second conductive lines (200), and may be located at intersections of the first conductive lines (102) and second conductive lines (200), respectively. The memory cells (MC) may be two-dimensionally arranged along a first direction (D1) and a second direction (D2). The memory cells (MC) may form one memory cell stack (MCA). For convenience of explanation, only one memory cell stack (MCA) is illustrated, but a plurality of memory cell stacks (MCAs) may be stacked on a substrate (100) along a third direction (D3). In this case, structures corresponding to the first conductive lines (102), the second conductive lines (200), and the memory cells (MC) may be repeatedly stacked on the substrate (100).
메모리 셀들 각각은 적층 구조물(ST)을 포함할 수 있으며, 이들의 적층 구조물(ST)은 그에 연결되는 한 쌍의 도전 라인들(102, 200) 사이에서 직렬로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 도전 라인들(102, 200), 가변 저항(180) 및 선택 소자(135)는 도 1의 제1 및 제2 도전 라인들(CL1, CL2), 가변 저항 패턴(VR) 및 스위칭 패턴(SW)에 대응될 수 있다.Each of the memory cells may include a stacked structure (ST), and the stacked structure (ST) may be connected in series between a pair of conductive lines (102, 200) connected thereto. In the present embodiment, the first and second conductive lines (102, 200), the variable resistor (180), and the selection element (135) may correspond to the first and second conductive lines (CL1, CL2), the variable resistor pattern (VR), and the switching pattern (SW) of FIG. 1.
적층 구조물(ST)은 제1 도전 라인(102) 상에 차례로 적층되는 하부 전극(125), 선택 소자(135), 중간 전극(145), 가변 저항(180) 및 상부 전극(195)을 포함할 수 있다.The laminated structure (ST) may include a lower electrode (125), a selection element (135), a middle electrode (145), a variable resistor (180), and an upper electrode (195) that are sequentially laminated on a first challenge line (102).
하부 전극(125)은 제1 도전 라인(102)의 상부면과 접촉할 수 있다.The lower electrode (125) can be in contact with the upper surface of the first conductive line (102).
선택 소자(135)는 하부 전극(125)의 상부면과 접촉하여 하부 전극(125) 상에 배치되고, 중간 전극(145)은 선택 소자(135)의 상부면과 접촉하여 선택 소자(135) 상에 배치될 수 있다. The selection element (135) may be placed on the lower electrode (125) in contact with the upper surface of the lower electrode (125), and the middle electrode (145) may be placed on the selection element (135) in contact with the upper surface of the selection element (135).
중간 전극(145) 상에는 가변 저항(180) 및 상부 전극(195)이 적층될 수 있다.A variable resistor (180) and an upper electrode (195) can be laminated on the middle electrode (145).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 하부 전극(125), 중간 전극(145), 및 상부 전극(195)은 금속, 도전성 금속 질화물, 도전성 금속 산화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 하부 전극(125), 중간 전극(145) 및 상부 전극(195) 중 적어도 하나는 각각 금속 또는 도전성 금속 질화물로 이루어지는 도전막과 도전막의 적어도 일부를 덮는 적어도 하나의 도전성 배리어막을 포함할 수 있다. 도전성 배리어막은 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the lower electrode (125), the middle electrode (145), and the upper electrode (195) may be formed of a metal, a conductive metal nitride, a conductive metal oxide, or a combination thereof. At least one of the lower electrode (125), the middle electrode (145), and the upper electrode (195) may include a conductive film formed of a metal or a conductive metal nitride, and at least one conductive barrier film covering at least a portion of the conductive film. The conductive barrier film may be formed of, but is not limited to, a metal oxide, a metal nitride, or a combination thereof.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상부 전극(195) 또는 중간 전극(145)은 가변 저항(180)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(195) 또는 중간 전극(145)은 TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, 혹은 이들의 조합과 같은 고융점 금속 또는 이들의 질화물, 또는 카본계 도전 물질로 이루어질 수 있다. 도면에는 도시되지 않았지만, 가변 저항(180)과 상부 전극(195) 사이에, 또는 가변 저항(180)과 중간 전극(145) 사이에는 히터 전극(미도시)가 개재될 수 있고, 히터 전극은 가변 저항(180)을 상변화시키기에 충분한 열을 발생시킬 수 있는 도전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 히터 전극(170)은 TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, 혹은 이들의 조합과 같은 고융점 금속 또는 이들의 질화물, 또는 카본계 도전 물질로 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper electrode (195) or the middle electrode (145) may include a conductive material capable of generating sufficient heat to phase-change the variable resistor (180). For example, the upper electrode (195) or the middle electrode (145) may be made of a high-melting-point metal, such as TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, or a combination thereof, or a nitride thereof, or a carbon-based conductive material. Although not shown in the drawing, a heater electrode (not shown) may be interposed between the variable resistor (180) and the upper electrode (195), or between the variable resistor (180) and the middle electrode (145), and the heater electrode may include a conductive material capable of generating heat sufficient to phase-change the variable resistor (180). For example, the heater electrode (170) may be made of a high-melting-point metal, such as TiN, TiSiN, TiAlN, TaSiN, TaAlN, TaN, WSi, WN, TiW, MoN, NbN, TiBN, ZrSiN, WSiN, WBN, ZrAlN, MoAlN, TiAl, TiON, TiAlON, WON, TaON, C, SiC, SiCN, CN, TiCN, TaCN, or a combination thereof, or a nitride thereof, or a carbon-based conductive material.
선택 소자(135)는 전류의 흐름을 제어할 수 있는 전류 조정 소자일 수 있다. 선택 소자(135)는 예를 들어 오보닉 문턱 스위칭(ovonic threshold switching, OTS) 특성을 갖는 전류 조정 소자일 수 있다.The selection element (135) may be a current regulating element capable of controlling the flow of current. The selection element (135) may be, for example, a current regulating element having ovonic threshold switching (OTS) characteristics.
선택 소자(135)는 선택 소자(135) 양단에 걸린 전압의 크기에 따라 저항이 변화할 수 있는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 오보닉 문턱 스위칭 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자(135)에 문턱 전압보다 작은 전압이 인가될 때 선택 소자(135)는 고저항 상태에 있고, 선택 소자(135)에 문턱 전압보다 큰 전압이 인가될 때, 저저항 상태에 있으며 전류가 흐르기 시작한다. 또한, 선택 소자(135)를 통해 흐르는 전류가 유지 전류(holding current)보다 작아질 때, 선택 소자(135)는 고저항 상태로 변화될 수 있다.The selection element (135) may include a material whose resistance can change depending on the magnitude of the voltage applied across the selection element (135), and may include, for example, a material having an ovonic threshold switching characteristic. For example, when a voltage smaller than the threshold voltage is applied to the selection element (135), the selection element (135) is in a high resistance state, and when a voltage larger than the threshold voltage is applied to the selection element (135), it is in a low resistance state and current starts to flow. In addition, when the current flowing through the selection element (135) becomes smaller than the holding current, the selection element (135) may change to a high resistance state.
본 발명의 일 예로, 선택 소자(135)는 실리콘(Si), 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 인듐(In), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자(135)는 약 14% 농도의 실리콘(Si), 약 39% 농도의 텔레륨(Te), 약 37% 농도의 비소(As), 약 9% 농도의 저머늄(Ge), 및 약 1% 농도의 인듐(In)을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the selection element (135) can include silicon (Si), tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), indium (In), or a combination of these elements. For example, the selection element (135) can include silicon (Si) at a concentration of about 14%, tellurium (Te) at a concentration of about 39%, arsenic (As) at a concentration of about 37%, germanium (Ge) at a concentration of about 9%, and indium (In) at a concentration of about 1%.
여기서, 백분율 비는 원자 구성 요소가 총 100%인 원자 백분율 비이고, 이하에서도 마찬가지이다. 선택 소자(135)는 실리콘(Si), 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 황(S), 셀레늄(Se), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자(135)는 약 5% 농도의 실리콘(Si), 약 34% 농도의 텔레륨(Te), 약 28% 농도의 비소(As), 약 11% 농도의 저머늄(Ge), 약 21% 농도의 황(S), 및 약 1% 농도의 셀레늄(Se)을 포함할 수 있다.Here, the percentage ratio is the atomic percentage ratio where the atomic components total 100%, and the same applies hereinafter. The selection element (135) may include silicon (Si), tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), or a combination of these elements. For example, the selection element (135) may include silicon (Si) at a concentration of about 5%, tellurium (Te) at a concentration of about 34%, arsenic (As) at a concentration of about 28%, germanium (Ge) at a concentration of about 11%, sulfur (S) at a concentration of about 21%, and selenium (Se) at a concentration of about 1%.
더 나아가, 선택 소자(135)는 실리콘(Si), 텔레륨(Te), 비소(As), 저머늄(Ge), 황(S), 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 선택 소자(135)는, 약 2% 농도의 황(S), 약 50% 농도의 셀레늄(Se), 및 약 2% 농도의 안티몬(Sb)을 포함할 수 있다.Furthermore, the selection element (135) may include silicon (Si), tellurium (Te), arsenic (As), germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), antimony (Sb), or a combination of these elements. For example, the selection element (135) may include sulfur (S) at a concentration of about 2%, selenium (Se) at a concentration of about 50%, and antimony (Sb) at a concentration of about 2%.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 가변 저항(180)은 가열 시간에 따라 비정질 상태와 결정질 상태 사이에서 가역적으로 변화하는 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 가변 저항(180)은 가변 저항(180)의 양단에 인가되는 전압에 의해 발생하는 줄 열(Joule heat)에 의해 상(phase)이 가역적으로 변화될 수 있고, 이러한 상변화에 의해 저항이 변화될 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상변화 물질은 비정질(amorphous) 상에서 고저항 상태가 되고, 결정질(crystalline) 상에서 저저항 상태가 될 수 있다. 고저항 상태를 "0"으로, 저저항 상태 "1"로 정의함으로써, 가변 저항(180)에 데이터가 저장될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the variable resistor (180) may include a phase change material that reversibly changes between an amorphous state and a crystalline state depending on a heating time. For example, the variable resistor (180) may include a material whose phase may be reversibly changed by Joule heat generated by a voltage applied to both ends of the variable resistor (180), and whose resistance may be changed by this phase change. Specifically, the phase change material may become a high resistance state in an amorphous phase, and a low resistance state in a crystalline phase. By defining a high resistance state as “0” and a low resistance state as “1”, data may be stored in the variable resistor (180).
본 발명의 일부 실시예들에서, 가변 저항(180)은 주기율표의 Ⅵ족로부터의 하나 이상의 원소(칼코겐 원소) 및 선택적으로 Ⅲ, Ⅳ 또는 Ⅴ족로부터의 하나 이상의 화학적 개질제(chemical modifier)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항(180)은 Ge-Sb-Te를 포함할 수 있다. 여기서 사용되는 하이픈(-)표시된 화학적 조성 표기는 특정 혼합물 또는 화합물에 포함된 원소를 표시하고, 표시된 원소를 포함하는 모든 화학식 구조를 나타낼 수 있다. 예를 들어, Ge-Sb-Te는 Ge2Sb2Te5, Ge2Sb2Te7, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7 등의 물질일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the variable resistor (180) can include one or more elements (chalcogen elements) from Group VI of the Periodic Table and optionally one or more chemical modifiers from Groups III, IV or V. For example, the variable resistor (180) can include Ge-Sb-Te. The hyphenated chemical composition notation used herein indicates an element included in a particular mixture or compound and can represent any chemical formula structure that includes the indicated element. For example, Ge-Sb-Te can be a material such as Ge2Sb2Te5, Ge2Sb2Te7, Ge1Sb2Te4, Ge1Sb4Te7, etc.
가변 저항(180)은 전술한 Ge-Sb-Te 외에도 다양한 상변화 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항(180)은 Ge-Te, Sb-Te, In-Se, Ga-Sb, In-Sb, As-Te, Al-Te, Bi-Sb-Te(BST), In-Sb-Te(IST), Ge-Sb-Te, Te-Ge-As, Te-Sn-Se, Ge-Se-Ga, Bi-Se-Sb, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge, In-Ge-Te, Ge-Sn-Te, Ge-Bi-Te, Ge-Te-Se, As-Sb-Te, Sn-Sb-Bi, Ge-Te-O, Te-Ge-Sb-S, Te-Ge-Sn-O, Te-Ge-Sn-Au, Pd-Te-Ge-Sn, In-Se-Ti-Co, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb-Te-Co, Sb-Te-Bi-Se, Ag-In-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn-Ni, Ge-Te-Sn-Pd, Ge-Te-Sn-Pt, In-Sn-Sb-Te, As-Ge-Sb-Te 중 적어도 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다.The variable resistor (180) may include various phase change materials in addition to the aforementioned Ge-Sb-Te. For example, the variable resistor 180 may be Ge-Te, Sb-Te, In-Se, Ga-Sb, In-Sb, As-Te, Al-Te, Bi-Sb-Te(BST), In-Sb-Te(IST), Ge-Sb-Te, Te-Ge-As, Te-Sn-Se, Ge-Se-Ga, Bi-Se-Sb, Ga-Se-Te, Sn-Sb-Te, In-Sb-Ge, In-Ge-Te, Ge-Sn-Te, Ge-Bi-Te, Ge-Te-Se, As-Sb-Te, Sn-Sb-Bi, Ge-Te-O, Te-Ge-Sb-S, Te-Ge-Sn-O, Te-Ge-Sn-Au, Pd-Te-Ge-Sn, In-Se-Ti-Co, Ge-Sb-Te-Pd, Ge-Sb-Te-Co, Sb-Te-Bi-Se, It may include at least one or a combination of Ag-In-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Te-Sn-Ni, Ge-Te-Sn-Pd, Ge-Te-Sn-Pt, In-Sn-Sb-Te, and As-Ge-Sb-Te.
가변 저항(180)을 이루는 각 원소는 다양한 화학적 조성비 (stoichiometry)를 가질 수 있다. 각 원소의 화학적 조성비에 따라 가변 저항(180)의 결정화 온도, 용융 온도, 결정화 에너지에 따른 상변화 속도, 및 데이터 리텐션(retention) 특성이 조절될 수 있다.Each element forming the variable resistor (180) may have a variety of chemical composition ratios (stoichiometry). Depending on the chemical composition ratio of each element, the crystallization temperature, melting temperature, phase change speed according to crystallization energy, and data retention characteristics of the variable resistor (180) may be controlled.
가변 저항(180)은 탄소(C), 질소(N), 실리콘(Si), 산소(O), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 중 적어도 어느 하나의 불순물을 더 포함할 수 있다. 불순물에 의해 메모리 소자의 구동 전류가 변화될 수 있다. 또한, 가변 저항(180)은 금속을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 가변 저항(180)은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 탈륨(Tl), 납(Pd), 및 폴로늄(Po) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이러한 금속 물질들은 가변 저항(180)의 전기 전도성 및 열전도성을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 결정화 속도를 증가시켜 셋 속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 금속 물질들은 가변 저항(180)의 데이터 리텐션 특성을 향상시킬 수 있다.The variable resistor (180) may further include at least one impurity among carbon (C), nitrogen (N), silicon (Si), oxygen (O), bismuth (Bi), and tin (Sn). The driving current of the memory element may be changed by the impurity. In addition, the variable resistor (180) may further include a metal. For example, the variable resistor (180) may include at least one among aluminum (Al), gallium (Ga), zinc (Zn), titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), palladium (Pd), hafnium (Hf), tantalum (Ta), iridium (Ir), platinum (Pt), zirconium (Zr), thallium (Tl), lead (Pd), and polonium (Po). These metal materials can increase the electrical conductivity and thermal conductivity of the variable resistor (180), thereby increasing the crystallization speed and thus increasing the set speed. In addition, the metal materials can improve the data retention characteristics of the variable resistor (180).
가변 저항(180)은 서로 다른 물성을 가지는 두 개 이상의 층들이 적층된 다층 구조를 가질 수 있다. 복수의 층들의 수 또는 두께는 자유롭게 선택될 수 있다. 복수의 층들 사이에는 배리어층이 더 형성될 수 있다. 배리어층은 복수의 층들간에 물질 확산을 방지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 배리어층은 복수의 층들 중 후속층을 형성할 때 선행층의 확산을 감소시킬 수 있다.The variable resistor (180) may have a multilayer structure in which two or more layers having different properties are laminated. The number or thickness of the plurality of layers may be freely selected. A barrier layer may be further formed between the plurality of layers. The barrier layer may play a role in preventing material diffusion between the plurality of layers. That is, the barrier layer may reduce diffusion of a preceding layer when forming a subsequent layer among the plurality of layers.
또한, 가변 저항(180)은 서로 다른 물질을 포함하는 복수의 층들이 교대로 적층되는 초격자(Super-Lattice) 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 가변 저항(180)은 Ge-Te으로 이루어지는 제1 층과 Sb-Te으로 이루어지는 제2 층이 교대로 적층되는 구조를 포함할 수 있다. 다만, 제1 층 및 제2 층의 물질이 Ge-Te 및 Sb-Te에 한정되는 것은 아니며, 전술한 다양한 물질들을 각각 포함할 수 있다.In addition, the variable resistor (180) may have a super-lattice structure in which a plurality of layers including different materials are alternately laminated. For example, the variable resistor (180) may include a structure in which a first layer made of Ge-Te and a second layer made of Sb-Te are alternately laminated. However, the materials of the first layer and the second layer are not limited to Ge-Te and Sb-Te, and may each include various materials described above.
이상, 가변 저항(180)으로서 상변화 물질을 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 메모리 소자의 가변 저항(180)은 저항 변화 특성을 가지는 다양한 물질을 포함할 수 있다.Above, a phase change material is exemplified as a variable resistor (180), but the technical idea of the present invention is not limited thereto. The variable resistor (180) of the memory element may include various materials having resistance change characteristics.
본 발명의 일부 실시예들에서, 가변 저항(180)이 전이 금속 산화물 (transition metal oxide)을 포함하는 경우, 메모리 소자는 ReRAM (Resistive RAM)이 될 수 있다. 전이 금속 산화물을 포함하는 가변 저항(180)은 프로그램 동작에 의하여 적어도 하나의 전기적 통로가 가변 저항(180) 내에 생성되거나 소멸될 수 있다. 전기적 통로가 생성된 경우에 가변 저항(180)은 낮은 저항값을 가질 수 있으며, 전기적 통로가 소멸된 경우에 가변 저항(180)은 높은 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 가변 저항(180)의 저항 값 차이를 이용하여 메모리 소자는 데이터를 저장할 수 있다.In some embodiments of the present invention, when the variable resistor (180) includes a transition metal oxide, the memory element may be a ReRAM (Resistive RAM). The variable resistor (180) including the transition metal oxide may have at least one electrical passage created or destroyed within the variable resistor (180) by a program operation. When the electrical passage is created, the variable resistor (180) may have a low resistance value, and when the electrical passage is destroyed, the variable resistor (180) may have a high resistance value. The memory element may store data by utilizing the difference in resistance value of the variable resistor (180).
가변 저항(180)이 전이 금속 산화물로 이루어지는 경우, 전이 금속 산화물은 Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, 또는 Cr 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전이 금속 산화물은 Ta2O5-x, ZrO2-x, TiO2-x, HfO2-x, MnO2-x, Y2O3-x, NiO1-y, Nb2O5-x, CuO1-y, 또는 Fe2O3-x 중에서 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 예시된 물질들에서, x 및 y는 각각 0≤x≤1.5 및 0≤y≤0.5의 범위 내에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.When the variable resistor (180) is made of a transition metal oxide, the transition metal oxide may include at least one metal selected from Ta, Zr, Ti, Hf, Mn, Y, Ni, Co, Zn, Nb, Cu, Fe, or Cr. For example, the transition metal oxide may be made of a single layer or multiple layers made of at least one material selected from Ta2O5-x, ZrO2-x, TiO2-x, HfO2-x, MnO2-x, Y2O3-x, NiO1-y, Nb2O5-x, CuO1-y, or Fe2O3-x. In the exemplified materials, x and y may be selected within the ranges of 0≤x≤1.5 and 0≤y≤0.5, respectively, but are not limited thereto.
본 발명의 다른 실시예들에서, 가변 저항(180)이 자성체로 이루어지는 2개의 전극과, 이들 2개의 자성체 전극 사이에 개재되는 유전체를 포함하는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조를 가지는 경우, 메모리 소자는 MRAM(Magnetic RAM)이 될 수 있다.In other embodiments of the present invention, when the variable resistor (180) has a MTJ (Magnetic Tunnel Junction) structure including two electrodes made of a magnetic material and a dielectric interposed between the two magnetic material electrodes, the memory element can be an MRAM (Magnetic RAM).
2개의 전극은 각각 자화 고정층 및 자화 자유층일 수 있으며, 이들 사이에 개재된 유전체는 터널 배리어층일 수 있다. 자화 고정층은 일 방향으로 고정된 자화 방향을 갖고, 자화 자유층은 자화 고정층의 자화 방향에 평행 또는 반 평행하도록 변경 가능한 자화 방향을 가질 수 있다. 자화 고정층 및 자화 자유층의 자화 방향들은 터널 배리어층의 일면에 평행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 자화 고정층 및 자화 자유층의 자화 방향들은 터널 배리어층의 일면에 수직할 수 있다.The two electrodes may be a magnetized pinned layer and a magnetized free layer, respectively, and the dielectric interposed between them may be a tunnel barrier layer. The magnetized pinned layer may have a magnetization direction fixed in one direction, and the magnetized free layer may have a magnetization direction that can be changed to be parallel or antiparallel to the magnetization direction of the magnetized pinned layer. The magnetization directions of the magnetized pinned layer and the magnetized free layer may be parallel to one surface of the tunnel barrier layer, but is not limited thereto. The magnetization directions of the magnetized pinned layer and the magnetized free layer may be perpendicular to one surface of the tunnel barrier layer.
자화 자유층의 자화 방향이 자화 고정층의 자화 방향과 평행한 경우, 가변 저항(180)의 제1 저항값을 가질 수 있다. 한편, 자화 자유층의 자화 방향이 자화 고정층의 자화 방향에 반 평행한 경우, 가변 저항(180)은 제2 저항값을 가질 수 있다. 이러한 저항값의 차이를 이용하여 메모리 소자는 데이터를 저장할 수 있다. 자화 자유층의 자화 방향은 프로그램 전류 내 전자들의 스핀 토크(spin torque)에 의하여 변경될 수 있다.When the magnetization direction of the magnetized free layer is parallel to the magnetization direction of the magnetized fixed layer, the variable resistor (180) can have a first resistance value. On the other hand, when the magnetization direction of the magnetized free layer is anti-parallel to the magnetization direction of the magnetized fixed layer, the variable resistor (180) can have a second resistance value. The memory element can store data by utilizing the difference in these resistance values. The magnetization direction of the magnetized free layer can be changed by the spin torque of electrons in the program current.
자화 고정층 및 자화 자유층은 자성 물질을 포함할 수 있다. 이때, 자화 고정층은 자화 고정층 내 강자성 물질의 자화 방향을 고정시키는 반강자성 물질을 더 포함할 수 있다. 터널 배리어는 Mg, Ti, Al, MgZn, 및 MgB 중에서 선택되는 어느 하나의 물질의 산화물로 이루어질 수 있으나, 예시된 바에 한정되는 것은 아니다.The magnetized pinned layer and the magnetized free layer may include a magnetic material. In this case, the magnetized pinned layer may further include an antiferromagnetic material that fixes the magnetization direction of the ferromagnetic material in the magnetized pinned layer. The tunnel barrier may be formed of an oxide of any one material selected from Mg, Ti, Al, MgZn, and MgB, but is not limited to the examples.
본 발명에 따른 메모리 소자의 가변 저항(180)과 선택 소자(135)의 측벽 상에는 캡핑벽(105a, 105b)이 형성될 수 있고, 적층 구조물들(ST) 사이에는 제2 절연층(122)이 형성될 수 있다. 제2 절연층(122)은 적층 구조물(ST)의 측벽들을 덮도록 형성될 수 있다.A capping wall (105a, 105b) may be formed on the sidewalls of the variable resistor (180) and the selection element (135) of the memory element according to the present invention, and a second insulating layer (122) may be formed between the laminated structures (ST). The second insulating layer (122) may be formed to cover the sidewalls of the laminated structures (ST).
본 발명의 일 예로 제1 절연층(101) 및 제2 절연층(122)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. As an example of the present invention, the first insulating layer (101) and the second insulating layer (122) may include silicon nitride or silicon oxide.
또한 본 발명은 중간 전극(145)과 가변 저항(180) 사이에 금속 재질의 제1 캡핑층(106a)이 적층되고, 가변 저항(180)과 상부 전극(195) 사이에 금속 재질의 제2 캡핑층(106b)이 적층됨에 따라 상변화 물질층의 조성 변화를 방지할 수 있고, 이에 따라 안정된 상변화 메모리 소자의 특성을 확보할 수 있다.In addition, the present invention can prevent a change in the composition of a phase change material layer by stacking a first capping layer (106a) made of a metal material between an intermediate electrode (145) and a variable resistor (180), and a second capping layer (106b) made of a metal material between a variable resistor (180) and an upper electrode (195), thereby ensuring the characteristics of a stable phase change memory device.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법의 순서도이다.FIG. 4 is a flowchart of a method for manufacturing a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
도 4에서는 앞선 설명과 중복되는 부분은 생략하도록 한다.In Fig. 4, any parts that overlap with the previous explanation are omitted.
본 발명의 실시예에 따른 메모리 소자 제조 방법은 기판 상에 제1 절연층(101)을 형성하는 제1 단계(S11), 제1 절연층(101) 상에 제1 도전 라인(102)을 형성하는 제2 단계(S12), 제1 도전 라인(102) 상에 차례로 적층되는 하부 전극(125), 선택 소자(135), 중간 전극(145), 가변 저항(180), 및 상부 전극(195)을 포함하는 적층 구조물(ST)을 형성하는 제3 단계(S13), 적층 구조물(ST)들의 측벽을 덮도록 적층 구조물(ST)들 사이에 제2 절연층(123)을 형성하는 제4 단계(S14), 적층 구조물(ST) 상에 제2 도전 라인(200)을 형성하는 제5 단계(S15), 및 제1 단계 내지 제5 단계(S11 ~ S15)에 의해서 제조된 메모리 소자를 소정의 시간 동안 -270도에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리 후, 상온에 소정의 시간 동안 방치하는 제6 단계(S16)를 포함할 수 있다. A method for manufacturing a memory device according to an embodiment of the present invention comprises: a first step (S11) of forming a first insulating layer (101) on a substrate; a second step (S12) of forming a first conductive line (102) on the first insulating layer (101); a third step (S13) of forming a laminated structure (ST) including a lower electrode (125), a selection element (135), an intermediate electrode (145), a variable resistor (180), and an upper electrode (195) sequentially laminated on the first conductive line (102); a fourth step (S14) of forming a second insulating layer (123) between the laminated structures (ST) to cover side walls of the laminated structures (ST); a fifth step (S15) of forming a second conductive line (200) on the laminated structure (ST); and a sixth step of subjecting the memory device manufactured by the first to fifth steps (S11 to S15) to a low-temperature treatment at a temperature between -270 degrees Celsius and -100 degrees Celsius for a predetermined period of time and then leaving it at room temperature for a predetermined period of time. It may include step (S16).
제6 단계(S16)에서 저온 처리에 사용되는 냉각제로는 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 산소, 및 액체 수소 중 어느 하나일 수 있고, 액체 상태에서 안정성이 높은 액체 질소 또는 액체 헬륨을 사용하는 것이 바람직하다. In step 6 (S16), the coolant used for low-temperature treatment may be any one of liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, and liquid hydrogen, and it is preferable to use liquid nitrogen or liquid helium that has high stability in a liquid state.
또한 3단계의 하부 전극(125), 선택 소자(135), 중간 전극(145), 가변 저항(180), 및 상부 전극(195)을 형성하는 과정에서 -270에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리가 진행될 수 있다. In addition, during the process of forming the lower electrode (125), selection element (135), middle electrode (145), variable resistor (180), and upper electrode (195) in the third stage, low-temperature treatment can be performed at a temperature between -270 and -100 degrees.
제 6단계(S16)에서 메모리 소자는 냉각제에 의해서 1~60분간 침지되어 극저온 처리가 되고, 극저온 처리가 완료된 후 1~120분 간 상온에 방치하면 서서히 온도가 증가하는 과정을 통하여 메모리 소자의 결정들이 온도 상승에 다라 재배열 되고, 소자 내부의 응력이 제거되며, 나아가 정공 및 전자의 이동도가 증가하여 메모리 소자의 성능이 향상될 수 있다.In step 6 (S16), the memory element is subjected to cryogenic treatment by being immersed in a coolant for 1 to 60 minutes, and after the cryogenic treatment is completed, it is left at room temperature for 1 to 120 minutes, and through a process in which the temperature gradually increases, the crystals of the memory element are rearranged according to the increase in temperature, the stress inside the element is removed, and furthermore, the mobility of holes and electrons increases, so that the performance of the memory element can be improved.
이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments and application examples described above are exemplary in all respects and are not limiting.
Claims (3)
상기 제1 절연층 상에 제1 도전 라인을 형성하는 제2 단계;
상기 제1 도전 라인 상에 차례로 적층되는 하부 전극, 선택 소자, 중간 전극, 가변 저항, 및 상부 전극을 포함하는 적층 구조물을 형성하는 제3 단계;
적층 구조물들의 측벽을 덮도록 적층 구조물들 사이에 제2 절연층을 형성하는 제4 단계;
적층 구조물 상에 제2 도전 라인을 형성하는 제5 단계; 및
상기 제1 단계 내지 제5 단계에 의해서 제조된 메모리 소자를 소정의 시간 동안 -270도에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리 후, 상온에 소정의 시간 동안 방치하는 제6 단계를 포함하는 메모리 소자 제조 방법.A first step of forming a first insulating layer on a substrate;
A second step of forming a first conductive line on the first insulating layer;
A third step of forming a laminated structure including a lower electrode, a selection element, an intermediate electrode, a variable resistor, and an upper electrode, which are sequentially laminated on the first challenge line;
A fourth step of forming a second insulating layer between the laminated structures to cover the side walls of the laminated structures;
Step 5 of forming a second challenge line on the laminated structure; and
A method for manufacturing a memory device, comprising a sixth step of subjecting the memory device manufactured through the first to fifth steps to a low-temperature treatment at a temperature between -270 degrees and -100 degrees for a predetermined period of time and then leaving it at room temperature for a predetermined period of time.
상기 제3 단계의 상기 하부 전극, 상기 선택 소자, 상기 중간 전극, 상기 가변 저항, 및 상기 상부 전극을 형성하는 과정에서 -270에서 -100도 사이의 온도로 저온 처리가 진행되는 것을 특징으로 하는 메모리 소자 제조 방법.In the first paragraph,
A method for manufacturing a memory element, characterized in that, in the process of forming the lower electrode, the selection element, the middle electrode, the variable resistor, and the upper electrode in the third step, low-temperature treatment is performed at a temperature between -270 and -100 degrees.
상기 제6 단계에서 저온 처리에 사용되는 냉각제로는 액체 질소, 액체 헬륨, 액체 산소, 및 액체 수소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 메모리 소자 제조 방법.In the second paragraph,
A method for manufacturing a memory element, characterized in that the coolant used for the low-temperature treatment in the sixth step is any one of liquid nitrogen, liquid helium, liquid oxygen, and liquid hydrogen.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230101519A KR20250020083A (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Fabrication method of resistance variable memory device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230101519A KR20250020083A (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Fabrication method of resistance variable memory device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20250020083A true KR20250020083A (en) | 2025-02-11 |
Family
ID=94614165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230101519A Ceased KR20250020083A (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Fabrication method of resistance variable memory device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20250020083A (en) |
-
2023
- 2023-08-03 KR KR1020230101519A patent/KR20250020083A/en not_active Ceased
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11183223B2 (en) | Memory devices | |
| US10644069B2 (en) | Memory devices having crosspoint memory arrays therein with multi-level word line and bit line structures | |
| US9991315B2 (en) | Memory device including ovonic threshold switch adjusting threshold voltage thereof | |
| CN107644934B (en) | Memory device | |
| KR102507303B1 (en) | Memory device | |
| US20170244026A1 (en) | Variable resistance memory device and method of manufacturing the same | |
| KR20180109287A (en) | Memory device | |
| KR20180013035A (en) | Variable resistance memory devices and methods of manufacturing the same | |
| US20240147735A1 (en) | Metal-doped switching device and semiconductor device including the same | |
| KR102792395B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR102778954B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR102792393B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250020083A (en) | Fabrication method of resistance variable memory device | |
| KR102672267B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250113178A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250113177A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250113179A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20240115516A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250113180A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20240115517A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR20250113181A (en) | Resistance variable memory device | |
| KR102792381B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR102678527B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR102778953B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR20250020085A (en) | Resistance variable memory device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20230803 |
|
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20230803 Comment text: Patent Application |
|
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20241007 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20250325 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D |