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KR100724528B1 - 저항변화 기억소자용 박막 구조물 및 그 제조 방법 - Google Patents

저항변화 기억소자용 박막 구조물 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100724528B1
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Abstract

본 발명은 자연 산화막이 형성된 실리콘 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 형성된 페로브스카이트 산화물 박막과, 그리고 상기 페로브스카이트 산화물 박막 상에 형성된 상부 박막을 포함하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물을 제공한다. 본 발명에 따르면, ReRAM 소자용 박막 구조를 개선함으로써 집적화가 용이하고 On/Off 저항변화비율이 향상되어 ReRAM 소자의 응용성 및 활용성을 극대화시킬 수 있다.
저항변화 기억소자(ReRAM), 실리콘 기판, On/Off 저항변화비율

Description

저항변화 기억소자용 박막 구조물 및 그 제조 방법{THIN FILMS STRUCTURE FOR RESISTIVE RANDOM ACCESS MEMORY AND FABRICATION METHOD THEREOF}
도 1은 실리콘 기판 위에 증착된 페로브스카이트 박막을 이용한 저항변화 기억소자의 구조를 보인 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 박막 구조물의 전류-전압 특성을 보인 그래프.
본 발명은 페로브스카이트 산화물을 이용한 ReRAM 소자 구조에 관한 것으로서, 기판으로 자연 산화막이 있는 실리콘을 사용하여 그 위에 박막 구조물을 형성하여 집적성 및 저항변화 비율을 향상시킨다.
저항변화 기억소자 (ReRAM: resistive random access memory device)는 외부 전압을 가함으로써 물질의 전기저항을 변화시켜 그 저항차이를 On/Off로 이용하는 비휘발성 기억소자이다. ReRAM은 DRAM과 플래쉬 메모리 중심의 현재 기억소자 시장을 대체할 차세대 비휘발성(non-volatile) 기억소자의 후보 가운데 하나로서, 다른 종류의 비휘발성 메모리에 비해서 간단한 구조로 인해 높은 집적도를 구현할 수 있으리라 크게 기대되고 있다.
ReRAM은 여러 가지 물질과 구조로 구현될 수 있으나, 넓게 보아서 바이너리 산화물(binary oxides) 계열, 망간이 함유된 페로브스카이트 산화물, 그리고 금속이 소량 도핑된 페로브스카이트 산화물의 3종류로 구분할 수 있다. 이 가운데 세 번째인 금속이 소량 도핑된 페로브사카이트 산화물을 이용한 ReRAM 소자는 바이너리 산화물 계열의 ReRAM 소자와 달리 회로 구동시에 전류상한값 (compliance)를 설정할 필요가 없고, 다른 두 종류의 물질을 이용한 소자에 비해서 소비전력(power consumption)이 현저히 낮은 장점이 있어서 상업화 가능성이 높다.
산화물 계열의 물질을 이용한 ReRAM 소자의 개발은 비휘발성 메모리의 집적도를 한층 높여서 새로운 메모리 소자의 시장을 열고 여러 종류의 전자기기의 성능을 비약적으로 향상시킬 것으로 기대되고 있다.
기존의 보고 혹은 공개된, 소량의 금속이 도프된 페로브스카이트를 이용한 ReRAM 기억소자는 모두 SrTiO3 등의 페로브스카이트형 산화물 기판 위에 제작된 것들로서, 기존의 Si-based 전자소자들과 기판의 종류가 다르기 때문에 같은 기판 위에 동시에 집적(integration)되기 어렵다는 문제가 있으며, 기억소자의 On/Off 비율인 저항변화비율이 20배 정도에 불과하여 상대적으로 작은 한계점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 이러한 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 집적화(접합성)가 용이하고 On/Off 저항변화비율이 향상된, 개선된 ReRAM 소자 구 조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 자연 산화막(SiO2)이 형성된 실리콘 기판과, 상기 기판 상에 형성된 하부 전극과, 상기 하부 전극 상에 형성된 페로브스카이트 산화물 박막과, 그리고 상기 페로브스카이트 산화물 박막 상에 형성된 상부 박막을 포함하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물을 제공한다.
상기 저항변화 기억소자의 전기저항 변화비율은 적어도 100배 이상 150000배 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 자연 산화막(SiO2)이 형성된 실리콘 기판에 상압보다 낮은 저압 상태에서 상온 이상의 높은 온도로 가열하면서 하부 전극 박막을 형성하고, 상기 하부 전극 위에 페로브스카이트 산화물 박막을 형성하고, 상기 페로브스카이트 산화물 박막 위에 상부 전극 박막을 형성하는 것을 포함하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물 제조 방법을 제공한다.
상기 각 박막은 스퍼터링, 펄스레이저증착법, 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron-beam evaporation), 원자층 증착범(atomic layer deposition : ALD), 분자선 에피탁시 증착법(molecular beam epitaxy : MBE) 중의 어느 하나의 방법을 이용하여 형성된다.
상기 각 박막을 증착할 때 실리콘 기판을 100 ℃ 이상 1500 ℃ 이하로 가열하며, 각 박막 증착시 산소분압은 1 mTorr 이상 700 mTorr 이하로 유지한다.
본 발명의 특징은 상부전극/페로브스카이트산화물/하부전극 구조를 실리콘 기판 위에 형성 구현하는 것이다.
기판으로 사용되는 실리콘 기판은 상업적으로 판매되는 것이며, 공기와의 접촉으로 산화되는 Si의 성질 때문에 기판 표면에 SiO2 완충층(layer)이 자연적으로 형성되어 SiO2/Si기판 구조로 되어있다.
이러한 SiO2/Si 기판을 기압이 상압보다 낮은 저압 상태에서 상온 이상의 높은 온도로 가열하면서, 그 위에 먼저 하부전극으로 SrRuO3 박막을 증착시킨다. SrRuO3 하부전극 박막이 증착되면 다음엔 그 위에 전기저항변화 기억소자의 핵심인 페로브스카이트 산화물 박막을 증착시킨다. 필요에 따라서 페로브스카이트 산화물 박막에는 소량의 금속이 도핑될 수 있다. 이때 기존에 만들어져 있는 SrRuO3/SiO2/Si기판 구조물은 계속 상온 이상의 고온으로 가열되고 있으며 분위기 압력은 상압보다 낮은 저압상태여야 한다.
저압이 필요한 이유는, 박막의 증착과정에서 타겟으로부터 박막을 형성하는 물질이 기판구조물에 날아가 증착되는 것을 중간의 공기가 가로막는 것을 방지하기 위한 것이다. 상압 이상의 고압에서는 공기가 타겟 물질이 날아가 증착되는 것을 방해하기 때문에 박막증착이 잘 이루어지지 않기 때문이다.
또한, 고온의 조건이 필요한 이유는, 박막에 도달한 타겟 물질들이 충분한 열역학적 에너지를 가지고 열역학적으로 안정된 위치를 찾아갈 수 있도록 하기 위 함이다. 많은 경우 기판 온도가 낮으면 열역학적 에너지 부족 때문에 박막이 결정화되지 못하고 비정질 상태로 형성되는 문제점이 있다.
최종적으로 상부의 금속 전극을 증착하면 상부전극/페로브스카이트산화물/SrRuO3/SiO2/Si기판 구조가 완성되며, 그 구조는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 각 기판과 박막층들의 두께는 이해를 돕기 위해서 과장된 것이며 실제 두께 비례와 일치하지 않음을 밝혀둔다.
도 2에는 위에서 언급한 방법으로 실리콘 기판 위에 제작된 박막층 구조의 전류-전압 특성 (I-V characteristics)의 일예가 도시되어 있다. 이 특성은 상온의 대기중에서 SrRuO3 하부전극과 상부전극을 측정장비에 연결하고 양자간에 전압을 외부에서 가함으로써 두 전극 사이의 페로브스카이트 산화물 박막의 저항을 변화시키면서 전류량을 측정하면 얻을 수 있다. 도 2에 나타난 바와 같이 제작된 박막층 구조의 저항변화는 On/Off 두 가지 상태로 확실하게 구분되며 외부의 전압변화에 의해 가역적으로 변화될 수 있고, 이 때의 전기저항 변화는 10000배를 넘는 큰 변화를 보인다.
따라서 상기와 같은 방법으로 제작된 실리콘 기판 위의 박막층 구조는 페터닝(patterning), 식각, 추가 증착 등의 후속공정을 거쳐 여러 가지 저항변화 전자소자 제작에 이용될 수 있으며, 기존의 저항변화소자보다 높은 On/Off 저항변화비율을 갖고 기존의 Si-기반 전자 소자와 함께 집적될 수 있다는 장점을 보유하게 된다.
실시예
상기한 실리콘 기판을 이용한 비휘발성 메모리 제작을 위한 박막구조 증착의 일 실시예로서 다음과 같은 제조 방법을 제시한다.
1) 공기와의 접촉에 의해 표면에 자연적으로 SiO2 산화막이 형성된 Si(100) 기판을 사용한다.
2) 100 mTorr의 산소분압 하에서 기판을 600 ℃로 가열한 후에 상기 기판 위에 펄스레이저증착법(pulsed laser deposition)으로 SrRuO3 박막을 200 nm 두께로 증착시킨다. 이때 레이저는 엑시머(excimer) 레이저를 사용하며 파워는 200 mJ 주파수는 5 Hz로 한다.
3) 산소분압을 250 mTorr로 증가시킨 후에 기판온도를 600 ℃로 유지하면서 같은 파워와 주파수로 펄스레이저 증착법을 이용하여 Cr이 0.2 at% 도핑된 SrZrO3 페로브스카이트 산화물 박막을 300 nm 두께로 증착시킨다.
4) 이렇게 제작된 실리콘 기판 위의 박막층 구조 위에, 상압 이하의 저압환경에서 열증착법(thermal evaporation)으로 금(Au) 박막을 증착시켜 상부전극으로 이용한다. 도 1과 같은 실리콘 기판 위의 박막층 구조물이 형성된다.
5) 이 실리콘 기판 위의 박막층 구조의 I-V characteristics를 Keithley 237 Current Source 장비를 이용하여 측정하면 도 2와 같은 특성을 보인다. 기울기를 갖는 부분(붉은 색)은 저저항상태 (low resistance state: LRS)을 나타내며, 기울기가 없는 전류가 0인 부분(검은 색)은 고저항상태 (high resistance state: HRS) 을 표시한다. 이때 낮은 저항 상태의 비저항(resistivity) 값은 4.8×103 Ωcm 이고 높은 저항 상태의 비저항 값은 6×108 Ωcm 이며, 두 값 사이의 저항비율(resistance ratio = on/off ratio)은 125000 배에 달하는 큰 값이다.
위에서 설명한 내용은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예로서 해석되어야 할 것이다. 예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상부의 금속전극을 금(Au) 대신에 다른 적절한 금속으로 대체하여 사용할 수 있을 것이고, 하부의 SrRuO3 박막에도 적절한 물질을 첨가하여 유효한 하부전극으로 사용할 수 있을 것이다. 또한, 각 박막층의 두께나 증착온도, 또는 증착시의 산소분압 등을 약간 변화시켜 증착하여도 유사한 특성을 갖는 ReRAM용 박막구조를 실리콘 기판 위에 형성할 수도 있을 것이고, 데이터 저장 매체 자체도 전자 트랩이 가능한 복층의 절연막을 사용할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 의하여 개발된 제작방법을 적용할 경우 금속이 소량 도프된 페로브스카이트를 이용한 ReRAM 소자는 다음과 같은 2가지 성질이 향상되는 장점을 갖는다.
1) 실리콘 기판위에 저항변화 기억소자를 제작할 수 있게 됨으로 인해서 기존의 Si-기반 전자 소자와 동시에 실리콘 기판 위에 용이하게 집적(integration) 될 수 있다.
2) ReRAM 소자의 On/Off 비율인 전기저항(변화)비율이 종래의 20배에서 100000배까지 향상된다.
이러한 전기저항(변화)비율의 증가는 Si 기판 위에 증착된 SrZrO3 박막의 결정축 방향에 약간 변하여 전극과 SrZrO3 박막의 계면에서 전자구조가 변화하기 때문인 것으로 여겨진다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 집적화(접합성)가 용이하고, On/Off 저항변화비율이 현저히 개선된 ReRAM 소자구조를 제공한다. 따라서, 기존의 Si 기반의 전자 소자와 동시에 실리콘 기판 상에 집적이 가능하여 다양한 형태의 각종 전자 소자 개발에 응용될 수 있다. 또한, On/Off 비율인 전기저항(변화)비율이 획기적으로 향상되어 ReRAM 소자의 활용성을 크게 향상시킨다.

Claims (11)

  1. 자연 산화막(SiO2)이 형성된 일 방향으로 배향된 실리콘 기판과,
    상기 기판상에 형성된 SrRuO3로 이루어진 하부 전극과,
    상기 하부 전극 상에 형성된 페로브스카이트 산화물 박막과, 그리고
    상기 페로브스카이트 산화물 박막 상에 형성된 상부 전극을 포함하는
    저항변화 기억소자용 박막 구조물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 산화물 박막은 SrZrO3로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 페로브스카이트 산화물 박막에 도핑되는 금속은 Cr인 것을 특징으로 하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 전극은 Au로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트 산화물 박막에는 금속 물질이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 저항변화 기억소자용 박막 구조물.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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