KR100669854B1 - 단위 셀 구조물과 그 제조 방법 및 이를 갖는 비휘발성메모리 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
단위 셀 구조물로서 전기 저항의 변화에 따라 데이터를 기억하는 가변 저항체를 갖는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 단위 셀 구조물은 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 가변 저항체를 포함한다. 특히, 상기 가변 저항체는 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 실질적으로 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조로 형성한다. 그러므로, 가변 저항체의 저항이 변화하는 특성에 대한 재현성을 안정적으로 확보할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물에 대한 판독 방법을 나타내는 개략적인 회로도이다.
도 3은 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물에 인가되는 전압 대 전류에 따른 저항 상태를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 사용하여 재현성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5의 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 개 략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 61 : 제1 전극 12, 63 : 가변 저항체
12a, 63a : 제1 절연물 12b, 63b : 제2 절연물
12c, 63c : 제3 절연물 14, 65 : 제2 전극
50 : 반도체 기판 52 : 접합 영역
54 : 층간 절연막 56 : 개구부
58 : 플러그
본 발명은 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 단위 셀 구조물로서 전기 저항의 변화에 따라 데이터를 기억하는 가변 저항체(variable resistor)를 갖는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 메모리 소자는 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 구분할 수 있다. 상기 휘발성 메모리 소자의 예로서는 디램(DRAM) 소자, 에스램(SRAM) 소자 등이 있고, 이들은 전원이 공급되는 상태에서만 정보를 유지하는 특성이 있다. 그리고, 상기 비휘발성 메모리 소자의 예로서는 에프램(FRAM) 소자, 엠램(MRAM) 소자, 피램(PRAM) 소자 등이 있고, 이들은 전원이 공급되는 상태 뿐만 아니라 전원의 공급이 중단된 상태에서도 정보를 유지하는 특성이 있다.
특히, 최근에는 상기 비휘발성 메모리 소자로서 외부 영향에 의해 변화될 수 있는 저항 특성을 가지는 물질을 적용한 알램(RRAM : Resistance RAM) 소자가 개발 중에 있다. 상기 알램 소자에 대한 예는 미국특허 6,849,891호, 미국특허 6,868,025호 등에 개시되어 있다.
상기 알램 소자는 주로 금속의 전극들 사이에 절연물의 가변 저항체가 개재되는 구조를 갖는다. 그리고, 상기 알램 소자는 인가되는 전압에 따라 상기 가변 저항체의 저항이 높은 상태 또는 낮은 상태로 변화하는 특성을 이용한다.
그러나, 현재까지 개발되어 있는 알램 소자의 경우에는 상기 가변 저항체의 저항이 높은 상태 또는 낮은 상태로 변화하는 특성이 다소 안정적이지 못함으로 인한 재현성의 결여가 문제점으로 지적되고 있고, 그 이유는 상기 가변 저항체가 단일 구조를 갖기 때문으로 판단하고 있다.
본 발명의 제1 목적은 가변 저항체의 저항이 변화하는 특성에 대한 재현성을 안정적으로 확보하기 위한 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 상기 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 용이하게 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제3 목적은 상기 단위 셀 구조물을 포함하는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 제4 목적은 상기 단위 셀 구조물을 포함하는 비휘발성 메모리 소 자를 용이하게 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물은 제1 전극과 제2 전극 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 개재되는 가변 저항체를 포함한다. 특히, 상기 가변 저항체는 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 실질적으로 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조인 것이 바람직하다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법은 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극 상에 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 실질적으로 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체를 형성하고, 상기 가변 저항체 상에 제2 전극을 형성한다.
상기 제3 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는 불순물이 도핑된 접합 영역을 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 접합 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 층간 절연막 및 상기 개구부에 충분하게 매립되고, 상기 접합 영역과 연결되는 도전물의 플러그를 포함한다. 그리고, 상기 층간 절연막 상에 형성되고, 상기 플러그와 연결되는 제1 전극과, 상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제 1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 실질적으로 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체 및 상기 가변 저항체 상에 형성되는 제2 전극을 포함한다.
상기 제4 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은 반도체 기판에 불순물을 도핑하여 접합 영역을 형성하고, 상기 반도체 기판 상에 상기 접합 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 층간 절연막을 형성한 후, 상기 개구부에 도전물을 충분하게 매립시켜 상기 접합 영역과 연결되는 플러그를 형성한다. 그리고, 상기 층간 절연막 상에 상기 플러그와 연결되는 제1 전극을 형성하고, 상기 제1 전극 상에 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 실질적으로 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체를 형성한 후, 상기 가변 저항체 상에 제2 전극을 형성한다.
언급한 본 발명에서, 상기 제1 전극과 제2 전극 각각은 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것이 바람직하고, 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등을 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 가변 저항체는 원자층 적층 공정을 수행하여 50 내지 300Å의 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하고, 상기 가변 저항체의 제1 절연물과 제3 절연물 각각은 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 가변 저항체의 제2 절연물은 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3), 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3) 등을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 상기 비휘발성 메모리 소자에서, 상기 접합 영역은 보론, 포스포러스 등과 같은 불순물을 이온 주입을 수행하여 도핑시켜 형성하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 플러그는 상기 개구부를 갖는 층간 절연막 상에 폴리 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티티늄, 티타늄 질화물 등을 사용하여 박막으로 적층시킨 후, 상기 층간 절연막의 표면이 노출될 때까지 상기 박막을 연마하여 형성한다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 비휘발성 메모리 소자는 알램 소자에 해당한 것으로서, 상기 가변 저항체를 종래의 단일 구조와는 달리 샌드위치 구조의 다층 구조로 형성한다. 그러므로, 본 발명에서의 가변 저항체는 저항의 높은 상태 또는 낮은 상태를 보다 극명하게 나타낸다. 그리고, 상기 가변 저항체는 상대적으로 항 복 전압이 높은 제1 절연물과 제3 절연물 사이에 상대적으로 항복 전압이 낮은 제2 절연물을 개재함으로서 상기 가변 저항체의 저항이 높은 상태 또는 낮은 상태로 변화하는 특성을 안정적으로 확보할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 박막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한 박막이 다른 박막 또는 기판 상에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 박막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3 박막이 개재될 수도 있다.
단위 셀 구조물 및 그 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 비휘발성 메모리 소자는 인가되는 전압에 따라 가변 저항체(12)의 저항이 높은 상태 또는 낮은 상태로 변화하는 특성을 이용한 알램(RRAM) 소자로서, 본 실시예에 따른 단위 셀 구조물은 제1 전극(10), 가변 저항체(12) 및 제2 전극(14)을 포함한다.
상기 제1 전극(10)은 하부 전극에 해당하는 부재로서, 주로 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터(silicon on insulator : SOI) 기판 등과 같은 반도체 기판 상에 형성될 수 있다. 이때, 상기 반도체 기판 상에는 트랜지스터, 금속 배선, 접합 영역 등과 같은 단위 소자들이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(10)은 주로 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하고, 경우에 따라서는 원자층 적층 공정을 수행하여 형성할 수도 있다. 다만, 본 실시예에서는 생산성 측면을 고려하여 원자층 적층 공정 대신에 화학기상증착 공정을 수행하여 상기 제1 전극(10)을 형성한다.
그리고, 상기 제1 전극(10)은 금속 질화물, 귀금속 등을 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 금속 질화물의 예로서는 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 등을 들 수 있고, 상기 귀금속의 예로서는 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등을 들 수 있다. 특히, 이들은 단독으로 사용하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 제1 전극(10) 상에 상기 가변 저항체(12)가 형성된다. 상기 가변 저항체(12)는 제1 절연물(12a), 제2 절연물(12b) 및 제3 절연물(12c)을 포함하고, 특히 상기 제1 절연물(12a)과 제3 절연물(12c) 사이에 제2 절연물(12b)이 개재되는 샌드위치 구조를 갖는다.
상기 가변 저항체(12)는 그 전체 두께가 약 50 내지 300Å인 것이 바람직하고, 약 100 내지 200Å인 것이 보다 바람직하고, 약 150 내지 170Å인 것이 가장 바람직하다. 특히, 상기 가변 저항체(12)의 전체 두께가 약 160Å로 설계될 경우에는 상기 제1 절연물(12a)과 상기 제3 절연물(12c) 각각은 약 50Å의 두께를 갖고, 상기 제2 절연물(12b)은 약 60Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 가변 저항체는, 언급한 바와 같이, 약 50 내지 300Å의 매우 얇은 두께를 갖기 때문에 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것에 비해 원자층 적층 공정을 수행하여 형성하는 것이 유리하다. 즉, 상기 원자층 적층 공정이 생산성 측면에서는 상기 화학기상증착 공정에 비해 다소 불리하지만, 두께 제어가 용이하기 때문에 상기 원자층 적층 공정을 수행하여 상기 가변 저항체(12)를 형성한다.
상기 가변 저항체(12)에서, 상기 제1 절연물(12a)과 제3 절연물(12c)은 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1 절연물(12a)과 제3 절연물(12c) 각각은 제1 항복 전압을 갖는다. 이에 비해, 상기 제2 절연물(12b)은 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는다.
따라서, 상기 제1 절연물(12a)과 제3 절연물(12c) 각각에 대한 예로서는 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 상기 제2 절연물(12b)의 예로서는 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3), 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3) 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 제2 절연물(12b)에서, 페로브스카이트(pervoskite)의 경우에는 불순물로서 크롬, 망간 등이 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가변 저항체(12)는 스택 구조, 실린더 구조 등과 같이 다양한 형태로 형성할 수 있다.
상기 가변 저항체(12) 상에 제2 전극(14)이 형성된다. 상기 제2 전극(14)은 상부 전극에 해당하는 부재로서, 상기 제1 전극(10)과 마찬가지로 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것이 바람직하고, 경우에 따라서는 원자층 적층 공정을 수행하여 형성할 수도 있다.
그리고, 상기 제2 전극(14) 또한 상기 제1 전극(10)과 마찬가지로 금속 질화물, 귀금속 등을 포함한다. 그러므로, 상기 제2 전극(14)에 포함되는 금속 질화물의 예로서는 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 등을 들 수 있고, 상기 제2 전극(14)에 포함되는 귀금속의 예로서는 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등을 들 수 있다. 특히, 이들은 단독으로 사용하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
언급한 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 제1 전극(10)과 제2 전극 사이(14)에 샌드위치 구조를 갖는 가변 저항체(12)를 개재시킨다. 이에 따라, 상기 제1 전극(10)과 샌드위치 구조의 가변 저항체(12) 및 제3 전극(14)을 포함하는 단위 셀 구조물을 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자에 적용할 경우, 상기 가변 저항체(12)의 저항 특성에 대한 재현성을 안정적으로 확보할 수 있다.
단위 셀 구조물에 대한 판독 방법
도 2는 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물에 대한 판독 방법을 나타내는 개략적인 회로도이다.
언급한 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자의 단위 셀 구조물에 대한 판독 방법은 주로 상기 단위 셀 구조물에 정전류 또는 정전압을 인가한 후, 그에 대응하는 응답을 감지한다. 그리고, 상기 감지한 응답을 기준 신호와 비교하고, 그 결과로서 가변 저항체의 저항 상태를 판독한다. 여기서, 상기 단위 셀 구조물에 정전류를 인가할 경우에는 전압을 감지하고, 정전압을 인가할 경우에는 전류를 감지한다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 본 실시예에서의 알램 소자의 단위 셀 구조물(20)의 경우에는 정전압을 인가하여 전류를 감지하는 회로로서, 정전압원(21)을 사용하여 상기 단위 셀 구조물(20)에 정전압를 인가하여 상기 단위 셀 구조물(20)로부터 생성되는 전류(Imem)(25)를 감지한다. 그리고, 비교기(22)를 사용하여 기준 전류원(27)으로부터 생성된 기준 전류(Iref)(23)와 상기 감지 전류(25)를 비교하고, 그 결과가 상기 비교기(22)로부터 출력(26)되어 저장부(24)에 저장된다. 만약, 상기 감지 전류(25)가 상기 기준 전류(23)에 비해 크면 상기 단위 셀 구조물(20)의 저항 상태를 낮은 상태로 판독하고, 상기 저장부(24)에 논리 '0'이 저장되고, 상기 감지 전류(25)가 상기 기준 전류(23)에 비해 작으면 상기 단위 셀 구조물(20)의 저항 상태를 높은 상태로 판독하고, 상기 저장부(24)에 논리 '1'이 저장된다.
언급한 바와 같이, 본 실시예에서의 알램 소자의 단위 셀 구조물은 인가되는 전압 또는 전류에 따라 상기 가변 저항체의 저항이 높은 상태 또는 낮은 상태로 변화하는 특성을 용이하게 이용할 수 있다.
단위 셀 구조물에 대한 저항 상태 평가
도 3은 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물에 인가되는 전압 대 전류에 따른 저항 상태를 나타내는 그래프이다.
도 3에서의 저항 상태를 평가하기 위하여 백금을 사용한 화학기상증착 공정을 수행하여 제1 전극인 백금 박막을 형성하고, 상기 백금 박막 상에 원자층 적층 공정을 수행하여 약 50Å의 두께를 갖는 탄탈륨 산화막, 약 60Å의 두께를 갖는 니오브 산화막 및 약 50Å의 두께를 갖는 탄탈륨 산화막을 포함하는 가변 저항체를 형성하고, 루테늄을 사용한 화학기상증착을 수행하여 상기 가변 저항체 상에 제2 전극인 루테늄 박막을 형성한다. 이와 같이, 시료로서 백금 박막의 제1 전극과, 탄탈륨 산화막, 니오브 산화막 및 탄탈륨 산화막을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체 및 루테늄 박막의 제2 전극을 포함하는 단위 셀 구조물을 마련한다.
도 3을 참조하면, 상기 시료를 사용하여 전압 대 전류에 따른 저항 상태를 평가한 결과, 저항이 낮은 상태에서의 전류값과 저항이 높은 상태에서의 전류값의 차이가 약 10E9로 극명하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서와 같이 상기 단위 셀 구조물의 가변 저항체를 종래의 단일 구조와는 달리 샌드위치 구조로 형성할 경우에는 상기 단위 셀 구조물의 저항 상태가 보다 극명하게 구분되어 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자에 적극적으로 적용할 수 있다.
단위 셀 구조물에 대한 재현성 평가
도 4는 도 1의 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물을 사용하여 재현성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3에서의 백금 박막의 제1 전극과, 탄탈륨 산화막, 니오브 산화막 및 탄탈륨 산화막을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체 및 루테늄 박막의 제2 전극을 포함하는 단위 셀 구조물을 시료로 마련한다.
도 4를 참조하면, 상기 시료를 대상으로 약 300회에 걸쳐 전압을 인가한 결과, 전류값의 상태가 꾸준한 차이를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
그러므로, 본 발명에서와 같이 상기 단위 셀 구조물의 가변 저항체를 종래의 단일 구조와는 달리 샌드위치 구조로 형성할 경우에는 상기 단위 셀 구조물의 사용에 따른 충분한 재현성을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 5를 참조하면, 언급한 단위 셀 구조물을 포함하는 비휘발성 메모리 소자로서 최근에 개발되고 있는 알램(RRAM) 소자를 나타낸다.
상기 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자는 불순물이 도핑된 접합 영역(52)을 갖는 반도체 기판(50)을 포함한다. 상기 반도체 기판(50)은 주로 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터 기판 등을 포함한다. 그리고, 상기 접합 영역(52)의 경우에는 이온 주입을 수행하여 형성한다. 이때, 사용할 수 있는 상기 불순물의 예로서는 보론, 포스포러스 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하는 것이 바람직하고, 경우에 따라서 둘을 혼합하여 사용할 수도 있다.
도시하지 않았지만, 상기 반도체 기판(50)에는 액티브 영역과 필드 영역을 한정하기 위한 소자 분리막이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 소자 분리막의 예로서는 필드 산화막, 트렌치 소자 분리막 등을 들 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 상기 소자 분리막으로서 상기 필드 산화막에 비해 집적도 측면에서 유리한 상기 트렌치 소자 분리막을 형성한다.
또한, 도시하지 않았지만, 상기 반도체 기판(50) 상에는 트랜지스터, 금속 배선, 접합 영역 등과 같은 단위 소자들이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 반도체 기판(50) 상에는 상기 접합 영역을 노출시키는 개구부(56)를 갖는 층간 절연막(54)이 형성된다. 상기 층간 절연막(54)은 주로 산화물을 포함한다. 따라서, 상기 층간 절연막(54)의 예로서는 비피에스지(BPSG : borophosphor silicate glass) 박막, 피에스지(PSG : phosphor silicate glass) 박막, 유에스(USG : undoped silicate glass) 박막, 에스오지(SOG : spin on glass) 박막 등을 들 수 있다. 또한, 상기 개구부(56)를 갖는 층간 절연막(54)은 주로 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 층간 절연막(54)의 개구부(56)에는 상기 접합 영역(52)과 연결되는 도전물의 플러그(58)가 매립된다. 상기 플러그(58)로 사용할 수 있는 도전물의 예로서는 폴리 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티티늄, 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로서 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 티타늄과 티타늄 질화물의 경우에는 장벽막으로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 플러그(58)는 적층과 평탄화를 수행하여 형성하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 후술하는 제조 방법에서 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 상기 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자의 단위 셀 구조물(60)로서 상기 플러그(58)와 연결되는 제1 전극(61)과, 상기 제1 전극(61) 상에 형성되고, 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물(63a)과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물(63b) 및 상기 제1 절연물(63a)과 실질적으로 동일한 제3 절연물(63c)을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체(63) 및 상기 가변 저항체(63) 상에 형성되는 제2 전극(62)을 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 전극(61)은 하부 전극에 해당하는 부재로서, 생산성 측면을 고려하여 원자층 적층 공정 대신에 화학기상증착 공정을 수행하여 형성한다. 그리고, 상기 제1 전극(60)은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스 텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 등과 같은 금속 질화물 또는 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등과 같은 귀금속을 사용하여 형성한다. 이때, 상기 금속 질화물과 귀금속은 단독으로 사용하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 혼합하여 사용할 수도 있다.
그리고, 상기 가변 저항체(63)는 샌드위치 구조로서, 그 전체 두께가 약 50 내지 300Å인 것이 바람직하다. 특히, 상기 가변 저항체(63)의 전체 두께가 약 160Å로 설계될 경우에는 상기 제1 절연물(63a)과 상기 제3 절연물(63c) 각각은 약 50Å의 두께를 갖고, 상기 제2 절연물(63b)은 약 60Å의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 가변 저항체(63)는 매우 얇은 두께를 갖기 때문에 원자층 적층 공정을 수행하여 형성하는 것이 유리하다. 그리고, 상기 가변 저항체(63)에서, 사용할 수 있는 상기 제1 절연물(63a)과 제3 절연물(63c) 각각에 대한 예로서는 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 가변 저항체(63)에서, 사용할 수 있는 상기 제2 절연물(62b)의 예로서는 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물 (BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3), 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3) 등을 들 수 있다.
상기 가변 저항체(63) 상에 형성되는 제2 전극(65)은 상부 전극에 해당하는 부재로서, 상기 제1 전극(61)과 마찬가지로 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제2 전극의 경우에도 상기 제1 전극과 동일한 금속 산화물, 귀금속 등을 포함한다.
언급한 바와 같이, 본 실시예에서의 비휘발성 메모리 소자인 알램 소자에서는 상기 제1 전극(61)과 제2 전극 사이(65)에 샌드위치 구조를 갖는 가변 저항체(63)를 개재시킨다.
따라서, 상기 알램 소자의 경우에는 언급한 평가 결과에 근거할 때 단위 셀 구조물(60)의 저항 상태가 보다 극명하게 구분되고, 그 사용에 따른 충분한 재현성을 확보할 수 있다.
이하, 언급한 알램 소자에 대한 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5의 비휘발성 메모리 소자를 제조하는 방법을 나타내는 개략적인 단면도들이다. 도 6a 내지 도 6e에서는 도 5와 동일한 부재들에 대해서 동일한 참조 부호를 사용한다.
도 6를 참조하면, 반도체 기판(50)을 마련한다. 상기 반도체 기판(50)은 주로 실리콘 기판을 선택하고, 경우에 따라서 실리콘-온-인슐레이터 기판을 선택하기도 한다.
이어서, 도시하지는 않았지만, 상기 반도체 기판(50)에 소자 분리막으로서 트렌치 소자 분리막을 형성하여 액티브 영역과 필드 영역을 한정한다. 상기 트렌치 소자 분리막은 형성하는 것은 언급한 바와 같이 집적도 측면을 고려하기 때문이다.
구체적으로, 상기 반도체 기판(50) 상에 패드 산화막과 패드 질화막을 형성한 후, 패터닝을 수행하여 상기 반도체 기판(50)의 표면을 부분적으로 노출시키는 패드 산화막 패턴과 패드 질화막 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 패드 산화막 패턴과 패드 질화막 패턴을 마스크로 사용하는 식각을 수행하여 상기 반도체 기판(50)에 트렌치를 형성한다. 계속해서, 상기 트렌치를 형성할 때 상기 반도체 기판(50)에 가해진 손상 등을 보상하기 위한 공정을 수행한다. 이어서, 상기 트렌치가 형성된 결과물 상에 매립 특성이 우수한 산화물의 박막을 형성한다. 그 결과, 상기 트렌치 내에도 상기 박막이 충분하게 매립된다. 여기서, 상기 산화물의 박막은 주로 플라즈마 증대 화학기상증착(PECVD)을 수행하여 형성한다. 계속해서, 상기 패드 질화막 패턴의 표면이 노출될 때까지 상기 산화물의 박막을 제거한다. 상기 산화물의 박막은 주로 화학기계적 연마를 수행하여 제거한다. 이어서, 상기 패드 질화막 패턴과 패드 산화막 패턴을 제거한다. 상기 패드 질화막 패턴과 패드 산화막 패턴은 주로 인산을 사용하는 식각 공정을 수행하여 제거한다. 그 결과, 상기 반도체 기판(50)의 트렌치에만 상기 산화물이 박막이 매립된 트렌치 소자 분리막이 형성된다.
이어서, 상기 반도체 기판(50)에 불순물이 도핑된 접합 영역(52)을 형성한다. 이때, 상기 접합 영역(52)은 상기 트렌치 소자 분리막에 의해 한정된 액티브 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 접합 영역(52)의 형성은 주로 이온 주입을 수행한다. 그리고, 사용할 수 있는 불순물의 예로서는 언급한 바와 같이 보론, 포스포러스 등을 들 수 있는데, 상기 알램 소자가 엔모스 타입일 경우에는 보론을 선택하고, 피모스 타입일 경우에는 포스포러스를 선택한다.
그리고, 도시하지는 안았지만, 상기 반도체 기판(50) 상에 트랜지스터, 금속 배선, 접합 영역 등과 같은 단위 소자들을 형성한다.
도 6b를 참조하면, 상기 접합 영역(52)을 노출시키는 개구부(56)를 갖는 층간 절연막(54)을 상기 반도체 기판(50) 상에 형성한다.
구체적으로, 상기 반도체 기판(50) 상에 층간 절연막(54)을 형성한다. 상기 층간 절연막(54)은 주로 산화물을 사용한 화학기상증착 공정을 수행하여 형성한다. 그러므로, 본 실시예에서 형성할 수 있는 상기 층간 절연막(54)의 예로서는 비피에스지(BPSG : borophosphor silicate glass) 박막, 피에스지(PSG : phosphor silicate glass) 박막, 유에스(USG : undoped silicate glass) 박막, 에스오지(SOG : spin on glass) 박막 등을 들 수 있다.
언급한 바와 같이, 상기 반도체 기판(50) 상에 층간 절연막(54)을 형성한 후, 사진 식각 공정을 수행하여 상기 층간 절연막(54)에 상기 반도체 기판(50)의 접합 영역(52)을 노출시키는 개구부(56)를 형성한다. 구체적으로, 상기 층간 절연막(54) 상에 포토레지스트 패턴(도시되지 않음)을 형성한다. 이때, 상기 포토레지스트 패턴은 하부에 접합 영역(52)이 위치하는 부위를 노출시킨다. 그리고, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용한 식각 공정을 수행하여 상기 노출된 부위의 층간 절연막(54)을 제거한다. 그 결과, 상기 접합 영역(52)을 노출시키는 개구 부(56)가 형성된다.
도 6c를 참조하면, 상기 개구부(56)를 갖는 층간 절연막(54) 상에 도전물의 박막(58a)을 형성한다. 따라서, 상기 개구부(56)에 상기 도전물의 박막(58a)이 충분하게 매립된다. 여기서, 상기 도전물의 예로서는 폴리 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티타늄, 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하거나 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 특히, 상기 티타늄과 티타늄 질화물의 경우에는 상기 개구부(56)의 측벽과 저면에 연속적으로 형성하는 장벽막으로 사용할 수도 있다. 그리고, 상기 도전물의 박막(58a)은 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하거나 경우에 따라서 스퍼터링을 수행하여 형성할 수도 있다.
만약, 상기 도전물의 박막(58a)을 형성할 때 상기 개구부(56)에만 상기 도전물의 박막(58a)이 매립되게 형성할 수 있다면 후술하는 평탄화 공정을 생략할 수 있다. 그러나, 현실적으로 상기 개구부(56)에만 상기 도전물의 박막(58a)을 매립하는 것이 용이하지는 않다.
도 6d를 참조하면, 상기 층간 절연막(54)의 표면이 노출될 때까지 평탄화 공정을 수행하여 상기 도전물의 박막(58a)을 제거한다. 상기 평탄화는 주로 화학기계적 연마를 수행하고, 경우에 따라서 전면 식각을 수행하기도 한다. 이와 같이, 상기 평탄화를 수행함으로써 상기 개구부(56)에만 도전물의 박막(58a)이 매립되는 플러그(58)가 형성된다. 즉, 상기 접합 영역(52)과 전기적으로 연결되는 플러그(58)가 형성되는 것이다.
도 6e를 참조하면, 상기 플러그(58)를 갖는 층간 절연막(54) 상에 알램 소자의 단위 셀 구조물의 제1 전극, 가변 저항체 및 제2 전극으로 형성하기 위한 박막들(61a, 63a', 63b', 63c', 65a)을 적층한다.
구체적으로, 화학기상증착 공정을 수행하여 상기 플러그(58)를 갖는 층간 절연막(54) 상에 제1 전극용 박막(61a)을 형성한다. 이때, 상기 제1 전극용 박막(61a)으로 사용할 수 있는 물질의 예로서는 언급한 바와 같이 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 등과 같은 금속 질화물 또는 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등을 들 수 있다.
그리고, 원자층 적층을 수행하여 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에 상기 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a')을 형성한다. 특히, 상기 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a')은 상대적으로 높은 항복 전압을 갖는 물질을 선택한다. 그러므로, 상기 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a')으로 사용할 수 있는 물질의 예로서는 언급한 바와 같이 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 산질화물(SiON) 등을 들 수 있다.
이하, 상기 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a')으로서 원자층 적층을 수행하여 탄탈륨 산화물의 박막을 형성하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 챔버 내에 상기 반도체 기판(50)을 위치시킨다. 이때, 상기 챔버 내부의 온도가 약 200℃ 미만이면 상기 챔버 내부로 제공되는 반응 물질의 반응성이 양 호하지 않기 때문에 바람직하지 않고, 상기 챔버 내부의 온도가 약 600℃를 초과하면 상기 제1 절연물용 박막(63a')인 탄탈륨 산화물의 박막이 결정화되기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 본 실시예에서는 상기 챔버 내부의 온도를 약 200 내지 600℃로 조절한다. 또한, 상기 챔버 내부의 압력이 약 0.1torr 미만이면 상기 챔버 내부로 제공되는 반응 물질의 반응성이 양호하지 않기 때문에 바람직하지 않고, 상기 챔버 내부의 압력이 약 3.0torr을 초과하면 공정 조건의 제어가 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 챔버 내부의 압력을 약 0.1 내지 약 3.0torr로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 챔버 내부의 온도와 압력을 언급한 바와 같이 조절한 상태에서 상기 챔버 내부에 위치시킨 상기 반도체 기판(50)의 제1 전극용 박막(61a)의 상부로 반응 물질을 제공한다. 특히, 상기 제1 절연물용 박막(63a')으로서 탄탈륨 산화물의 박막을 형성하기 때문에 상기 반응 물질은 탄탈륨 전구체 물질을 사용한다. 이때, 상기 반응 물질은 약 0.5 내지 3초 동안 상기 제1 전극용 박막(61a)의 상부로 제공한다.
이와 같이, 상기 제1 전극용 박막(61a)의 상부로 상기 반응 물질을 제공함으로서 상기 반응 물질의 제1 부분이 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에 화학 흡착한다. 그리고, 상기 반응 물질의 제1 부분을 제외한 제2 부분은 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에 화학 흡착된 제1 부분에 물리 흡착되거나 상기 챔버 내부에 표류한다.
이어서, 상기 챔버 내부로 퍼지 가스를 제공한다. 상기 퍼지 가스의 예로서 는 아르곤 가스를 들 수 있다. 이때, 상기 퍼지 가스는 약 0.5 내지 20초 동안 제공한다. 이와 같이, 상기 챔버 내부로 상기 퍼지 가스를 제공함으로서 상기 챔버 내에 표류하거나 상기 반응 물질의 제1 부분에 물리 흡착된 제2 부분은 제거된다. 그 결과, 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에는 상기 화학 흡착된 반응 물질의 제1 부분인 탄탈륨 전구체 분자들이 남는다.
계속해서, 상기 챔버 내부로 약 1 내지 7초 동안 산화제를 제공한다. 상기 산화제의 예로서는 O3, O2, H2O, 플라즈마 O2, 리모트 플라즈마 O2 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용하는 것이 바람직하고, 경우에 따라서 둘 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이와 같이, 상기 제1 전극용 박막(61a) 상부로 상기 산화제를 제공함으로서 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에 화학 흡착된 반응 물질의 제1 부분인 탄탈륨 전구체 분자들과 상기 산화제가 화학적으로 반응하여 상기 탄탈륨 전구체 분자들을 산화시킨다.
이어서, 상기 챔버 내부로 퍼지 가스를 제공한다. 상기 퍼지 가스의 종류 및 도입 시간은 언급한 바와 동일하다. 이와 같이, 상기 챔버 내부로 퍼지 가스를 제공함으로서 화학적으로 반응하지 않은 상기 산화제가 제거된다. 그 결과, 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에는 탄탈륨 산화물을 포함하는 고체 물질이 형성된다.
그리고, 언급한 반응 물질의 제공, 퍼지, 산화제의 제공 및 퍼지를 적어도 1회 반복하여 수행한다. 그 결과, 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에는 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a')으로서 상기 탄탈륨 산화물을 포함하는 고체 물질들로 이 루어지는 탄탈륨 산화물의 박막이 형성된다.
계속해서, 상기 제1 절연물용 박막(63a') 상에 제2 절연물용 박막(63b')을 형성한다. 상기 제2 절연물용 박막(63b')의 경우에도 원자층 적층을 수행하여 형성한다. 특히, 상기 가변 저항체의 제2 절연물용 박막(63b')은 상기 제1 절연물용 박막(63a')에 비해 상대적으로 낮은 항복 전압을 갖는 물질을 선택한다. 그러므로, 상기 가변 저항체의 제2 절연물용 박막(63b')으로 사용할 수 있는 물질의 예로서는 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3), 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3) 등을 들 수 있다.
여기서, 상기 제2 절연물용 박막(63b')을 형성하는 방법은 상기 제1 절연물용 박막(63a')의 형성할 때 사용하는 반응 물질을 달리하는 것을 제외하고는 제1 절연물용 박막(63a')을 형성하는 방법과 거의 동일하다.
이어서, 상기 제2 절연물용 박막(63b') 상에 제3 절연물용 박막(63c')을 형성한다. 상기 제3 절연물용 박막(63c')의 경우에는 제1 절연물용 박막(63a')과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 상기 제3 절연물용 박막(63c')을 형성하는 방법은 상기 제1 절연물용 박막(63a')을 형성하는 방법과 동일하다.
이와 같이, 상기 원자층 적층을 수행하여 상기 제1 전극용 박막(61a) 상에 상기 가변 저항체의 제1 절연물용 박막(63a'), 제2 절연물용 박막(63b'), 제3 절연물용 박막(63c')을 순차적으로 적층한다. 이때, 상기 제1 절연물용 박막(63a'), 제2 절연물용 박막(63b'), 제3 절연물용 박막(63c')의 전체 두께는 약 50 내지 300Å을 갖도록 조절한다. 구체적으로, 상기 제1 절연물용 박막(63a')과 제3 절연물용 박막(63c') 각각은 상기 제2 절연물용 박막(63b')에 비해 약 0.5 내지 0.9배의 두께를 갖도록 조절한다. 예를 들어, 상기 전체 두께가 약 160Å으로 설정될 경우에는 상기 제1 절연물용 박막(63a')과 제3 절연물용 박막(63c') 각각은 약 50Å의 두께를 갖도록 형성하고, 상기 제2 절연물용 박막(63b')은 약 60Å의 두께를 갖도록 형성한다.
그리고, 화학기상증착 공정을 수행하여 상기 제3 절연물용 박막(63c') 상에 제2 전극용 박막(65a)을 형성한다. 이때, 상기 제2 전극용 박막(65a)으로 사용할 수 있는 물질은 상기 제1 전극용 박막(61a)으로 사용할 수 있는 물질과 동일하다. 그러므로, 상기 제2 전극용 박막(65a)으로 사용할 수 있는 물질은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN) 등과 같은 금속 질화물 또는 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 오스뮴(Os) 등을 포함한다.
이와 같이, 본 실시예에서는 적층 공정을 순차적으로 수행하여 상기 플러그(58)를 갖는 층간 절연막(54) 상에 제1 전극용 박막(61a), 제1 절연물용 박막 (63a'), 제2 절연물용 박막(63b'), 제3 절연물용 박막(63c') 및 제2 전극용 박막(65a)을 형성한다.
그리고, 패터닝을 수행하여 상기 제1 전극용 박막(61a), 제1 절연물용 박막(63a'), 제2 절연물용 박막(63b'), 제3 절연물용 박막(63c') 및 제2 전극용 박막(65a) 각각을 도 5에 도시된 바와 같이 상기 플러그(58)와 연결되는 제1 전극(61), 제1 절연물(63a), 제2 절연물(63b), 제3 절연물(63c) 및 제2 전극(65)으로 형성한다. 특히, 상기 제1 절연물(63a), 제2 절연물(63b) 및 제3 절연물(63c)은 가변 저항체(63)로서 샌드위치 구조를 갖는다.
이와 같이, 본 실시예에서는 언급한 공정들을 수행함으로써 상기 샌드위치 구조의 가변 저항체(63)를 단위 셀 구조물(60)로 포함하는 비휘발성 메모리 소자인 알램(RRAM) 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
언급한 본 실시예에서의 알램 소자의 경우에는 단위 셀 구조물로서 스택 구조에 대해서 설명하고 있지만, 다른 실시예로서 상기 스택 구조 대신에 도 7에 도시된 바와 같이 실린더 구조로도 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 개략적인 단면도이다. 그리고, 도 7에 있어, 도 5와 동일한 부재들에 대해서 동일한 참조 부호를 사용한다.
도 7을 참조하면, 단위 셀 구조물(70)로서 실린더 타입의 제1 전극(71)과 상기 제1 전극(71) 상에 형성되는 가변 저항체(73) 및 상기 가변 저항체(73) 상에 형성되는 제2 전극(75)을 포함한다. 그리고, 상기 가변 저항체(73)는 상대적으로 높 은 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물(73a)과 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물(73b) 및 상기 제1 절연물(73a)과 실질적으로 동일한 제3 절연물(73c)을 포함한다.
따라서, 상기 실린더 타입의 단위 셀 구조물(70)을 갖는 알램 소자의 경우에도 도 5에서의 스택 구조의 단위 셀 구조물(50)을 갖는 알램 소자와 거의 유사한 성능을 갖는다.
이하, 상기 실린더 타입의 단위 셀 구조물을 갖는 알램 소자를 제조하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
언급한 도 6a 내지 도 6d와 동일한 공정을 수행하여 반도체 기판(50) 상에 개구부(56)를 갖는 층간 절연막을 형성하고, 상기 개구부 내에 접합 영역과 연결되는 플러그를 형성한다.
이어서, 상기 층간 절연막 상에 몰드막(도시되지 않음)을 형성한다. 상기 몰드막은 주로 산화물을 포함하고, 화학기상증착을 수행하여 형성한다. 그리고, 상기 몰드막을 대상으로 패터닝을 수행하여 상기 플러그(58)를 노출시키는 개구부를 형성한다. 구체적으로, 상기 몰드막 상에 포토레지스트막(도시되지 않음)을 형성한 후, 사진 식각 공정을 수행하여 상기 포토레지스트막을 포토레지스트 패턴으로 형성한다. 이때, 상기 포토레지스트 패턴에 의해 노출되는 부위는 하부에 플러그(58)가 위치하는 부분이다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하는 식각을 수행하여 상기 플러그(58)가 노출될 때까지 상기 몰드막을 제거한다. 그 결과, 상기 반도체 기판(50) 상부에 상기 플러그(58)를 노출시키는 개구부를 갖는 몰 드막이 형성된다.
이하에서는 상기 층간 절연막(54)에 형성되는 개구부(56)와 구분하기 위하여 상기 몰드막에 형성되는 개구부(도시되지 않음)를 제2 개구부로 나타낸다.
계속해서, 상기 제2 개구부의 측벽과 저면 및 상기 몰드막의 상부 표면에 제1 전극용 박막을 연속적으로 형성한다. 본 실시예에서의 제1 전극용 박막을 형성하는 방법은 도 6d에서의 제1 전극용 박막을 형성하는 방법과 동일하다. 그러므로, 본 실시예에서의 제1 전극용 박막은 화학기상증착 공정을 수행하여 형성한다.
이어서, 상기 제1 전극용 박막이 형성된 결과물 상에 희생막(도시되지 않음)을 형성한다. 상기 결과물 상에 희생막을 형성하면 상기 제2 개구부 내에도 상기 희생막이 충분하게 매립된다. 여기서, 상기 희생막은 상기 몰드막과 실질적으로 동일한 식각 선택비를 갖는 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 희생막을 형성한 후, 상기 몰드막의 상부에 형성된 희생막과 제1 전극용 박막을 순차적으로 제거한다. 그 결과, 상기 반도체 기판(50) 상부에는 노드가 분리된 제1 전극용 박막이 형성되고, 상기 개구부 내에는 희생막이 잔류한다. 여기서, 상기 제1 전극용 박막의 노드 분리를 위한 제거는 화학기계적 연마, 전면 식각 등을 수행한다.
계속해서, 상기 반도체 기판(50) 상에 잔류하는 몰드막과 희생막을 제거한다. 그 결과, 상기 반도체 기판(50) 상에는 상기 플러그(58)와 연결되는 실린더 타입의 제1 전극(71)이 형성된다. 즉, 상기 노드가 분리된 제1 전극용 박막이 상기 실린더 타입의 제1 전극(71)으로 형성되는 것이다.
그리고, 상기 실린더 타입의 제1 전극(71)의 표면 상에 제1 절연물용 박막, 제2 절연물용 박막, 제3 절연물용 박막 및 제2 전극용 박막을 형성한 후, 패터닝을 수행한다. 이에 따라, 상기 반도체 기판 상에는 실린더 타입의 단위 셀 구조물(70)이 형성된다.
본 발명에서는 비휘발성 메모리 소자로서 알램 소자에 대해서 설명하고 있다. 특히, 상기 알램 소자의 단위 셀 구조물에 포함되는 가변 저항체의 경우에는 종래의 단일 구조와는 달리 샌드위치 구조로 형성한다. 그러므로, 본 발명에서는 성능이 우수하고, 안정적인 재현성을 갖는 알램 소자의 제공이 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (25)
- 제1 전극;상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체; 및상기 가변 저항체 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 각각은 금속 질화물, 귀금속 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제2 항에 있어서, 상기 금속 질화물은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN) 및 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 귀금속은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 오스뮴(Os)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제1 항에 있어서, 상기 가변 저항체는 스택 구조 또는 실린더 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제1 항에 있어서, 상기 가변 저항체는 50 내지 300Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제1 항에 있어서, 상기 가변 저항체의 제1 절연물과 제3 절연물 각각은 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 산질화물(SiON)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 가변 저항체의 제2 절연물은 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3) 및 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물.
- 제1 전극을 형성하는 단계;상기 제1 전극 상에 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체를 형성하는 단계; 및상기 가변 저항체 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 각각은 금속 질화물, 귀금속 또는 이들의 혼합물 중에서 어느 하나를 사용한 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법.
- 제8 항에 있어서, 상기 금속 질화물은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN) 및 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 귀금속은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 오스뮴(Os)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서, 상기 가변 저항체는 원자층 적층 공정을 수행하여 50 내지 300Å의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서, 상기 가변 저항체의 제1 절연물과 제3 절연물 각각은 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 산질화물(SiON)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 가변 저항체의 제2 절연물은 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3) 및 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀 구조물의 제조 방법.
- 불순물이 도핑된 접합 영역을 갖는 반도체 기판;상기 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 접합 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 층간 절연막;상기 개구부에 충분하게 매립되고, 상기 접합 영역과 연결되는 도전물의 플러그;상기 층간 절연막 상에 형성되고, 상기 플러그와 연결되는 제1 전극;상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체; 및상기 가변 저항체 상에 형성되는 제2 전극을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 접합 영역의 불순물은 보론, 포스포러스 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 플러그의 도전물은 폴리 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티티늄 및 티타늄 질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 각각은 금속 질화물, 귀금속 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제15 항에 있어서, 상기 금속 질화물은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN) 및 티타늄 알루미늄 질화물 (TiAlN)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 귀금속은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 오스뮴(Os)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 가변 저항체는 스택 구조 또는 실린더 구조로 형성되고, 50 내지 300Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 가변 저항체의 제1 절연물과 제3 절연물 각각은 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 산질화물(SiON)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 가변 저항체의 제2 절연물은 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3) 및 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
- 반도체 기판에 불순물을 도핑하여 접합 영역을 형성하는 단계;상기 반도체 기판 상에 상기 접합 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 층간 절연막을 형성하는 단계;상기 개구부에 도전물을 충분하게 매립시켜 상기 접합 영역과 연결되는 플러그를 형성하는 단계;상기 층간 절연막 상에 상기 플러그와 연결되는 제1 전극을 형성하는 단계;상기 제1 전극 상에 제1 항복 전압을 갖는 제1 절연물과, 상기 제1 항복 전압에 비해 낮은 제2 항복 전압을 갖는 제2 절연물 및 상기 제1 절연물과 동일한 제3 절연물을 포함하는 샌드위치 구조의 가변 저항체를 형성하는 단계; 및상기 가변 저항체 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제19 항에 있어서, 상기 접합 영역은 보론, 포스포러스 또는 이들의 혼합물을 포함하는 불순물을 사용한 이온 주입을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제19 항에 있어서, 상기 플러그를 형성하는 단계는,상기 개구부를 갖는 층간 절연막 상에 폴리 실리콘, 알루미늄, 텅스텐, 구 리, 티티늄 및 티타늄 질화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 박막으로 적층시키는 단계; 및상기 층간 절연막의 표면이 노출될 때까지 상기 박막을 연마하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제19 항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 각각은 금속 질화물, 귀금속 또는 이들의 혼합물 중에서 어느 하나를 사용한 화학기상증착 공정을 수행하여 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제22 항에 있어서, 상기 금속 질화물은 티타늄 질화물(TiN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 알루미늄 질화물(AlN) 및 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 귀금속은 루데늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 오스뮴(Os)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제19 항에 있어서, 상기 가변 저항체는 원자층 적층 공정을 수행하여 50 내지 300Å의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
- 제19 항에 있어서, 상기 가변 저항체의 제1 절연물과 제3 절연물 각각은 탄탈륨 산화물(Ta2O5), 알루미늄 산화물(Al2O3), 하프늄 산화물(HfO2), 실리콘 산화물(SiO2) 및 실리콘 산질화물(SiON)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하고, 상기 가변 저항체의 제2 절연물은 니오브 산화물(Nb2O5), 티타늄 산화물(TiO2), 니켈 산화물(NiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 바나듐 산화물(V2O5), 비정질 실리콘(amorphous Si), 황화 구리(Cu sulfide), PCMO((Pr,Ca)MnO3), 칼코겐나이드(chalcogenide), 스트론튬 티타늄 산화물(SrTiO3), 바륨 스트론튬 티타늄 산화물(BaSrTiO3), 스트론튬 지르코늄 산화물(SrZrO3), 바륨 지르코늄 산화물(BaZrO3) 및 바륨 스트론튬 지르코늄 산화물(BaSrZrO3)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법.
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