KR100785021B1 - Ｃｕ2Ｏ를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자 - Google Patents
Ｃｕ2Ｏ를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 관한 것이다. 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 있어서, 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 Cu2O를 포함하여 형성된 제 1 Cu 화합물층; 상기 제 1 Cu 화합물 상에 형성된 제 2 Cu 화합물층; 및 상기 제 2 Cu 화합물 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자를 제공한다.
Description
도 1a는 종래 기술에 의한 가변 저항 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 종래 기술에 의한 Cu2O를 포함하는 가변 저항 메모리 소자의 전압-전류(voltage-current) 특성 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3a는 도 2의 M 영역을 4층의 Cu 화합물로 형성한 것을 나타낸 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자와 트랜지스터 구조체를 결합한 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자의 전압-전류(voltage-current) 특성 그래프이다.
도 5a는 Cu-O 화합물의 조성에 따른 상변태도이다.
도 5b는 Cu 산화물의 bipolar 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5c는 Cu 산화물의 unipolar 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 Cu2O의 X-ray 회절 특성을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10, 20... 하부 전극 12... 산화층
14, 26... 상부 전극 22... 제 1 Cu 화합물층
24... 제 2 Cu 화합물층 211... 기판
212a... 제 1불순물 영역, 212b... 제 2불순물 영역
213... 게이트 산화층 214... 게이트 전극층
215... 콘택 플러그
본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Cu2O 및 Cu 화합물을 두 층 이상의 연속적인 다층 구조로 형성하여 안정된 바이폴라(bipolar) 스위칭 특성을 구현한 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 관한 것이다.
반도체 메모리 소자는 작은 크기에 대용량의 데이타 저장 능력을 위해 단위 면적당 메모리 셀의 수, 즉 집적도가 높으며, 동작 속도가 빠르고 저전력에서 구동이 가능한 것이 바람직하다. 따라서, 이를 구현하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔 다.
통상적인 반도체 메모리 장치는 회로적으로 연결된 많은 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리 장치인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 경우, 단위 메모리 셀은 한 개의 스위치와 한 개의 커패시터로 구성되는 것이 일반적이다. DRAM은 집적도가 높고 동작 속도가 빠른 이점이 있다. 그러나, 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다.
비휘발성 메모리 소자는 전원이 꺼진 후에도 저장된 데이타가 보존될 수 있는 것으로 대표적으로 플래쉬 메모리를 들 수 있다. 플래쉬 메모리는 휘발성 메모리와 달리 비휘발성의 특성을 지니고 있으나 DRAM에 비해 집적도가 낮고 동작 속도가 느린 단점이 있다.
현재, 많은 연구가 진행되고 있는 비휘발성 메모리 소자로, MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(Resistance Random Access Memory) 등이 있다.
이중 RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항 값이 달라지는 특성(가변 저항 특성)을 이용한 것이다. 도 1a에는 일반적인 구조의 저항 변환 물질을 이용한 RRAM 소자의 구조를 나타내었다. 현재 전이 금속 산화물(Transition metal oxide : TMO)을 이용한 RRAM 소자의 경우 메모리 소자로 사용가능한 스위칭 특성을 지진 것으로 알려져 있다.
도 1a을 참조하면, 기판(미도시) 상에 하부 전극(10), 산화층(12) 및 상부 전극(14)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서 하부 전극(10) 및 상부 전극(14)은 일반적인 전도성 물질로 형성된 것이다. 그리고, 산화층(12)은 저항 변환(가변 저항) 특성을 지닌 전이 금속 산화물로 형성된다. 예를 들어 산화층(12)은 Cu2O, ZnO, TiO2, Nb2O5, ZrO2 ,CeO, VO, V2O5 또는 NiOx 등을 이용하여 형성시킬 수 있다. Perovskite-RRAM의 경우에는 스위칭 물질군으로 Perovskite 산화물을 이용하며, 대표적으로 PCMO(PrCaMnO3) 또는 Cr-STO(SrTiO3)와 같은 물질을 산화층으로 이용하며, 쇼트키 장벽 변형(Schottky Barrier Deformation)의 원리를 이용하여 메모리 노드에 가해주는 극성에 따라 메모리 특성을 구현한 예가 있다.
도 1b는 도 1a의 산화층(12)을 Cu2O로 형성한 경우의 전압-전류(voltage-current) 그래프를 나타낸 것이다. Cu2O를 사용한 가변 저항 메모리 소자는 바이폴라(bipolar) 특성을 나타내며, 도 1b에 나타낸 바와 같이 전압-전류 그래프에서 전압, 전류의 산포가 매우 크며 on-상태에서의 전류 레벨(level)이 높은 편이다. 따라서, 이를 개선하기 위한 새로운 구조의 메모리 소자가 요구된다.
본 발명에서는 전압, 전류 값의 산포가 작아 안정되게 동작할 수 있으며, on-상태의 전류 레벨(level)이 낮아서 스위칭 특성이 우수한 새로운 구조의 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,
비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 있어서,
하부 전극;
상기 하부 전극 상에 Cu2O를 포함하여 형성된 제 1 Cu 화합물층;
상기 제 1 Cu 화합물 상에 형성된 제 2 Cu 화합물층; 및
상기 제 2 Cu 화합물 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자를 제공한다.
삭제
본 발명에 있어서, 상기 제 2 Cu 화합물층은 Cu 및 5족 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2 Cu 화합물층은 Cu2S를 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2 Cu 화합물층은 Cu2S를 포함하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 상부 전극 또는 하부 전극은 Pt, Ru, Ir, Au, Ag 또는 Ti로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 Cu 화합물층 및 제 2 Cu 화합물층은 교대로 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 하부 전극은 트랜지스터 구조체 또는 다이오드 구조체와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 트랜지스터 구조체는,
제 1불순물 영역 및 제 2불순물 영역이 형성된 기판;
상기 제 1불순물 영역 및 상기 제 2불순물 영역과 접촉하며, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 게이트 산화층 및 게이트 전극층; 및
상기 제 2불순물 영역 및 상기 하부 전극 사이에 형성된 콘택 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서, 도면에 도시된 각 층이나 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 메모리 소자를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 기판(미도시) 상에 하부 전극(20), 제 1 Cu화합물층(22), 제 2 Cu 화합물층(24) 및 상부 전극(26)이 순차적으로 형성된 구조를 지니고 있다.
여기서 하부 전극(20) 및 상부 전극(26)은 통상적으로 반도체 메모리 소자의 전극으로 사용되는 전도성 물질이면 제한 없이 사용 가능하며, 구체적으로 Pt, Ru, Ir, Au, Ag 또는 Ti 등이 사용될 수 있다. 제 1 Cu 화합물층(22)은 Cu 산화물을 사용하여 형성할 수 있으며, 구체적으로 바이폴라(bipolar) 특성을 지닌 Cu2O를 사용할 수 있다.
Cu2O의 물성을 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 5a는 Cu-O 화합물의 조성에 따른 상변태도이다. 도 5a를 참조하면, Cu-O 화합물의 경우 약 34 at% 이하의 O를 포함하는 경우 바이폴라(bipolar) 특성을 지니게 되며, 그 이상의 O를 포함하는 경우 유니폴라(uinpolar) 특성을 지니게 된다.
도 5b는 하부 전극, Cu2O 산화층, 상부 전극을 순차적으로 형성시킨 메모리 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5b를 참조하면, Cu2O를 포함하는 메모리 소자의 경우, 전압이 + 인 경우 및 - 인 경우 모두 두 가지의 저항 상태를 지니게 되는 것을 알 수 있다. 예를 들어 2.0 V 보다 큰 전압을 인가한 뒤 점차적으로 인가 전압 값을 감소시키면, 상대적으로 낮은 전류 값의 곡선을 따라 전류 값이 변하며, -2.0 V 보다 작은(- 값이 큰) 전압을 인가한 뒤 점차적으로 인가 전압을 증가시키면 상대적으로 높은 전류 값의 곡선을 따라 전류 값이 변화한다. 따라서, 이러한 상태를 이용하여 메모리 소자로 사용할 수 있다.
도 5c는 하부 전극, CuO 산화층, 상부 전극을 순차적으로 형성시킨 메모리 소자의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5c를 참조하면, CuO를 포함하는 메모리 소자의 경우, 유니 폴라 특성을 나타낸다. 약 0.2 V의 인가 전압에서 다양한 저항 상태를 나타내며, 이는 인가 전압에 따라 저항 상태를 결정할 수 있다. 예를 들어 약 0.8V의 전압을 인가하게 되면 높은 저항 상태가 되며, 2.0V 이상의 전압을 인가하는 경우 낮은 저항 상태가 된다. 따라서, 이와 같은 특성을 이용하여 메모리 소자로 사용할 수 있다.
본 발명에서는 제 1 Cu화합물(22)로 Cu2O를 사용한 것을 특징으로 한다. 제 2 Cu화합물층(24)는 Cu 및 O와 동일한 5족 물질 화합물로 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로 5족 물질은 S, Se 또는 Te를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 메모리 소자의 경우 각 층의 두께는 크게 제한되지 아니하며 통상적으로 사용되는 형태로 형성시킬 수 있다. 그리고, 종래의 일반적인 반도체 소제 제조 공정을 통하여 용이하게 형성할 수 있으며, 구체적으로 스퍼터링(sputtering)과 같은 PVD(physical vapor deposition) 또는 CVD(chemical vapor deposition) 등을 이용하여 형성할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자의 변형례를 나타낸 것이다. 구체적으로 도 2의 M 영역인 제 1 Cu 화합물층(22) 및 제 2 Cu 화합물층(24)가 적층된 구조를 하나의 커플로 정의하면, 2 커플 이상의 형태로 적층시키는 것이 가능하다. 또한, 제 2 Cu 화합물층(24) 및 상부 전극(26) 사이에 Cu 및 5족 물질의 화합물로 형성된 제 3 Cu 화합물층(미도시)를 더 포함하는 것도 가능하다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자가 스위치 역할을 하는 트랜지스터와 연결된 1T(transistor) - 1R(resister)구조를 나타낸 단면도이다. 도 3b를 참조하면, Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자는 제 1불순물 영역(212a) 및 제 2불순물 영역(212b)를 포함하는 기판(211) 상에 게이트 산화층(213) 및 게이트 전극층(214)이 형성된 트랜지스터 구조가 형성되어 있다. 그리고, 제 2불순물 영역(212b)는 콘택 플러그(215)와 연결되어 있으며, 콘택 플러그(215) 상에는 하부 전극(20), 제 1 Cu 화합물층(22), 제 2 Cu 화합물층(24) 및 상부 전극(26)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 트랜지스 터 구조체 대신 p형 반도체층 및 n형 반도체층을 포함하는 다이오드 구조체와 연결되어 1D(diode) - 1R(resistor) 구조로 형성할 수 있으며, 이는 선택적인 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 Cu2O를 포함한 비휘발성 가변 저항 메모리 소자의 전압-전류(voltage-current) 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서 측정 대상 샘플은 제 1 Cu 화합물층(22)으로 Cu2O를 사용하여 형성한 것이며, 제 2 Cu 화합물층(24)은 Cu2S로 형성된 것이다. 여기서 제 1 Cu 화합물층(22) 및 제 2 Cu 화합물층(24)의 두께는 약 80nm 이하로 형성한 것이다.
도 4를 참조하면, 상하부 전극을 통한 인가 전압에 따라 두 개의 저항 상태를 나타내고 있으며, 약 0.6V에서 동일한 저항 상태를 나타내는 것을 알 수 있다. 이를 도 1b에 나타낸 종래 기술에 의한 Cu2O만을 포함하는 메모리 소자의 V-I 특성과 비교하면, 전압의 인가 횟수에 따른 전압-저항의 산포가 크게 줄어들었으며, 전류 레벨이 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 매우 안정된 동작 특성을 지닌 메모리 소자의 구현이 가능한 것을 확인할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명은 트랜지스터 구조체 및 다이오드 구조체와 연결하여 사용될 수 있다. 또한, Cu2O 및 Cu 화합물의 이층 구조로 사용될 수 있고, 이층 이상의 다층 구조로 사용될 수 있으며, Cu2O층 외에 둘 이상의 Cu 화합물층로 형성하여 사용할 수 있다. 본 발 명의 권리 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
본 발명에 따르면, Cu2O층과 Cu 및 5족 물질 화합물층을 다층 구조로 형성함으로써 전압 - 전류 산포를 감소시키고 전류 레벨을 감소시켜 매우 안정된 바이폴라 스위칭 특성을 지닌 비휘발성 메모리 소자를 제공할 수 있다. 또한, 종래의 일반적인 반도체 소자 제조 방법을 사용하여 용이하게 각 층의 두께를 조절하여 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
Claims (8)
- 비휘발성 가변 저항 메모리 소자에 있어서,하부 전극;상기 하부 전극 상에 Cu2O를 포함하여 형성된 제 1 Cu 화합물층;상기 제 1 Cu 화합물 상에 형성된 제 2 Cu 화합물층; 및상기 제 2 Cu 화합물 상에 형성된 상부 전극;을 포함하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 제 2 Cu 화합물층은 Cu 및 5족 물질을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 상부 전극 또는 하부 전극은 Pt, Ru, Ir, Au, Ag 또는 Ti로 형성된 것 을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1 Cu 화합물층 및 제 2 Cu 화합물층은 교대로 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 하부 전극은 트랜지스터 구조체 또는 다이오드 구조체와 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 제 6항에 있어서, 상기 트랜지스터 구조체는,제 1불순물 영역 및 제 2불순물 영역이 형성된 기판;상기 제 1불순물 영역 및 상기 제 2불순물 영역과 접촉하며, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 게이트 산화층 및 게이트 전극층; 및상기 제 2불순물 영역 및 상기 하부 전극 사이에 형성된 콘택 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
- 제 3항에 있어서,상기 제 2 Cu 화합물층은 Cu2S를 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 Cu2O를 포함하는 비휘발성 가변 저항 메모리 소자.
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