KR20090126530A - 저항성 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저항성 메모리 소자에 관한 것이다. bi-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 스위치 영역; 및 uni-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 메모리 저항체;를 포함하는 저항성 메모리 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 스위치 구조를 포함하는 저항성 메모리 소자에 관한 것이다.
반도체 메모리 어레이는 회로적으로 연결된 수많은 단위 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리 소자인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)은 한 개의 스위치와 한 개의 커패시터로 구성되며, 집적도가 높고 동작 속도가 빠른 장점을 지니고 있다. 그러나, DRAM은 비휘발성 메모리 소자로서 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다. 이에 반해 비휘발성 메모리는 전원이 꺼진 후 에도 저장된 데이타가 보존될 수 있다. 비휘발성 메모리 소자의 대표적인 것으로 플래쉬 메모리를 들 수 있다. 그러나, 플래쉬 메모리는 DRAM에 비해 집적도가 낮고 동작 속도가 느린 단점이 있다.
비휘발성 메모리 소자로는 MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(resistance random access memory) 등이 있다. 여기서 RRAM(resistance random access memory: 저항성 메모리 소자)은 주로 전이 금속 산 화물의 저항 변환(variable resistance) 특성, 즉 상태에 따라 저항 값이 변화하는 특성을 이용한 것이다.
일반적인 저항성 메모리 소자는, 가변 저항 특성(variable resistive property)을 지닌 전이 금속 산화물 등으로 형성된 메모리 저항체와 스위치 구조체를 포함하는 구조를 지니고 있다. 스위치 구조체는 통상적으로 트랜지스터(transistor) 또는 다이오드(diode)를 이용하고 있다. 다이오드는 p형 반도체 물질 및 n형 반도체 물질의 이중층(bilayer) 구조로 사용되고 있으며, 통상 크로스 포인트형 메모리 구조에서 채용되고 있다.
본 발명에서는 저항성 메모리 소자에 사용되는 새로운 구조의 스위치 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 저항성 메모리 소자에 있어서,
bi-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 스위치 영역; 및
uni-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 메모리 저항체;를 포함하는 저항성 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 스위치 영역은 SiO2, CuO, SrZrO3, SrTiO3, SrLaTiO3, PrCaMnO, ZrO2, TiO2 또는 TiON으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 메모리 저항체는 Ni 산화물, Ti 도핑된 Ni 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Al 산화물, V 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Ta 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서,
상기 스위치 영역의 하부에 형성된 하부 전극;
상기 메모리 저항체의 상부에 형성된 하부 전극; 및
상기 스위치 영역 및 상기 메모리 저항체 사이에 형성된 중간 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 저항성 메모리 소자에 있어서,
전해질을 포함하는 중간층 및 상기 중간층 상에 형성된 나노 브리지를 포함하는 스위치 영역; 및
가변 저항 특성을 지닌 메모리 저항체;를 포함하는 저항성 메모리 소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 중간층은 AgS, As2S 또는 GsSe으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 나노 브리지는 Ag로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 메모리 저항체는 Ni 산화물, Ti 도핑된 Ni 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Al 산화물, V 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Ta 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자에 대해 보다 상세하게 설명하고자 한다. 각 도면에 도시된 층 또는 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 하부 전극(11) 상에 스위치 영역(12)이 형성되어 있으며, 스위치 영역(12) 상에 중간 전극(13), 메모리 저항체(14) 및 상부 전극(15)이 순차적으로 형성되어 있다.
여기서, 하부 전극(11), 중간 전극(13) 및 상부 전극(15)는 반도체 소자의 전극에 사용되는 전도성 물질 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어 Al, Hf, Zr, Zn, W, Co, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Ir, Ti 또는 전도성 금속 산화물 등을 사용할 수 있다. 메모리 저항체(14)는 저항성 메모리 소자에 사용되는 가변 저항 물질(variable resistance material)로 형성할 수 있다. 여기서, 가변 저항 물질은 전류 인가에 따라 두 가지 이상의 저항 특성을 지닌 것이다. 구체적으로 전이금속 산화물(TMO : transition metal oxide)을 사용할 수 있으며, Ni 산화물, Ti 도핑된 Ni 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Al 산화물, V 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Ta 산화물들도 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자에서 스위치 영역(12)은 통상적인 메모리 소자에서 사용되는 이중층 구조의 다이오드 또는 트랜지스터가 아니라, bi-polar 특성을 지닌 물질로 형성한 것이다. 구체적으로 bi-polar resistance change 특성을 지닌 물질은 SiO2, CuO, SrZrO3, SrTiO3, SrLaTiO3, PrCaMnO, ZrO2, TiO2 또는 TiON 등이 있다.
본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자는 CVD(chemical vapor deposition), PVD(physical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition) 등의 반도체 공정 기술을 이용하여 제조할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하여, 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 구동 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 2a는 메모리 저항체(14)의 인가 전압에 대한 전류 값을 나타낸 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 메모리 저항체(14)는 uni-polar 특성을 나타내며, 메모리 저항체(14)에 전압을 인가하는 경우, 전류 값이 증가하다가 리셋 상태가 되면 갑자기 저항이 증가하는 현상(3->4)이 발생한다. 그리고, 리셋 상태에서 전압을 증가시키다 셋 상태가 되면 갑자기 저항이 감소하는 현상(1->2)이 관찰된다.
도 2b를 참조하면, 스위치 영역(12)은 bi-polar 특성을 나타내며, 인가 전압을 증가시키다 셋 상태가 되면 저항이 감소하는 현상(1->2)이 발생하며, 다시 전압을 감소시키면 2->3의 경로를 따라 전류 값이 감소하는 현상이 관찰된다. 그리고, -V를 인가하게되면, 전류 값이 증가하면서 리셋 상태가 되면, 저항 값이 증가하여 4->5의 경로를 따라 전류 값이 감소하는 현상이 관찰된다. 그리고, -V의 전압을 0V로 감소시키면 6번의 경로를 따라 전류 값이 감소하는 현상이 관찰된다.
도 2a 및 도 2b의 특성을 지닌 메모리 저항체(14) 및 스위치 영역(12)을 포함하는 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 전기적 특성은 도 2a 및 도 2b를 결합한 형태가 된다. 이를 도 2c에 나타내었다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 동작 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2c를 참조하면, +V 영역에서는 리셋 상태 및 셋 상태를 모두 포함하는 전기적 특성을 나타내고 있으며, -V 영역에서는 높은 저항 상태를 지닌 HRS(high resistance state) 특성을 나타내고 있다. 즉, +V 영역에서는 메모리 저항체(14)의 저항 특성을 변화시켜 높은 저항 상태 및 낮은 저항 상태의 메모리로 사용을 가능케 하고, -V 상태에서는 높은 저항 값을 지니도록 하는 switch off 상 태가 되는 다이오드 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
만일 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 다수의 셀들을 포함하는 어레이 구조로 형성한 경우, switch off 상태의 높은 저항으로 인해 단위 셀들 간의 간섭(interference) 현상을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 하부 전극(31) 상에 스위치 영역(32, 33)이 형성되어 있으며, 스위치 영역(32, 33) 상에 중간 전극(34), 메모리 저항체(35) 및 상부 전극(35)이 형성되어 있다.
하부 전극(31), 중간 전극(34) 및 상부 전극(36)는 반도체 소자의 전극에 사용되는 전도성 물질 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어 Al, Hf, Zr, Zn, W, Co, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Ir, Ti이나 전도성 금속 산화물 등을 사용할 수 있다. 메모리 저항체(35)는 저항성 메모리 소자에 사용되는 가변 저항 물질 특성을 지닌 물질로 형성할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 산화물을 사용할 수 있다.
스위치 영역(32, 33)은 QCAS(quantized conductance atomic switch) 물질로 형성된 나노 스위치 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 중간층(32)은 AgS, As2S 또는 GsSe 등의 전해질(electrolyte) 물질로 형성하며, 나노 브리지(33)는 Ag 등으로 형성한다. 나노 브리지(33)는 매우 얇은 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 Ag를 수 nm 이하의 두께로 형성할 수 있다. 이 때, 하부 전극(31)은 Ag로 형성하는 것이 바람직하다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 스위치 영 역을 off 시킨 상태에서의 구조를 나타낸 것이며, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 스위치 영역을 on 시킨 상태에서의 구조를 나타낸 것이다. 또한, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4a 내지 도 4c 및 도 5를 참조하여, 본원의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 구동 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 4a를 참조하면, 하부 전극(31) 및 상부 전극(36)을 통하여 +V를 인가한 경우, 나노 브리지(33)의 Ag는 중간층(32) 영역으로 이동한다. 나노 브리지(33)는 예를 들어 Ag를 1nm로 매우 얇게 형성한 것으로, 수개의 원자층의 두께로 형성한 것으로, +V의 인가에 의해 Ag+ 이온이 중간층(32) 영역으로 이동하게 되면, 중간층(32) 및 중간 전극(34) 사이에 물리적으로 빈공간이 생기게 된다. 따라서, +V에서는 도 5에 나타낸 바와 같이, 저항 값이 크게 증가하여 스위치 off 상태가 된다.
도 4b를 참조하면, 하부 전극(31) 및 상부 전극(36)을 통하여 -V를 인가한 경우, 중간층(32) 영역의 Ag 이온이 중간층(32) 상부로 이동을 하게 되어 나노 브리지(33')을 재형성시킨다. 도 4c는 이를 보다 상세히 나타낸 것으로, -V의 인가에 의해 중간층(32) 상부로 이동한 Ag 이온에 의해 중간층(32) 상에 피라미드 형태의 나노 브리지(33')가 형성된 것을 알 수 있다. 따라서, 도 5에 나타낸 바와 같이, -V의 인가에 의해 스위치 영역(32, 33)에 저항 값이 낮아져서, 메모리 저항체(35)의 특성에 따른 uni-polar 특성의 저항 변환 그래프가 나타나는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자를 다중 어레이 구조로 형성한 것을 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자는 다수의 단위 셀을 지닌 어레이 구조로 형성할 수 있으며, 어레이가 다중 구조로 형성된 다중 어레이 구조로도 형성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제 1방향으로 형성된 제 1전극 라인(51) 상에 제 2방향으로 형성된 제 2전극 라인(55)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1전극 라인(51) 및 제 2전극 라인(55)들이 교차하는 부분에는 스위치 영역(52), 중간 전극(53) 및 메모리 저항체(54)가 형성되어 있다. 그리고, 제 2전극 라인(55) 상에는 다시 제 1방향으로 형성된 제 3전극 라인(59)들이 형성되어 있으며, 제 2전극 라인(55) 및 제 3전극 라인(59)들이 교차하는 영역에는 스위치 영역(56), 중간 전극(57) 및 메모리 저항체(58)가 형성된 다중 어레이 구조를 형성할 수 있다.
만일 스위치 영역(52, 56)이 없으며, LRS(high resistance state) 상태의 메모리 셀들 간의 간섭 현상으로 데이타 저장 및 재생에 어려움이 있으나, 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자는 매우 간단한 구조로 형성된 스위치 영역을 포함하며, 안정된 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 메모리 저항체의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 스위치 영역의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 전기적 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 스위치 영역을 off 시킨 상태에서의 구조를 나타낸 것이다.
도 4b 및 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 스위치 영역을 on 시킨 상태에서의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 저항성 메모리 소자의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 저항성 메모리 소자를 다중 어레이 구조로 형성한 것을 나타낸 것이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11, 31... 하부 전극 12, 32, 33... 스위치 영역
13, 34... 중간 전극 14, 35... 메모리 저항체
15, 36... 상부 전극 51... 제 1전극 라인
55... 제 2전극 라인 59... 제 3전극 라인
Claims (9)
- 저항성 메모리 소자에 있어서,bi-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 스위치 영역; 및uni-polar 특성을 지닌 물질로 형성된 메모리 저항체;를 포함하는 저항성 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 스위치 영역은 SiO2, CuO, SrZrO3, SrTiO3, SrLaTiO3, PrCaMnO, ZrO2, TiO2 또는 TiON으로 형성된 저항성 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 메모리 저항체는 Ni 산화물, Ti 도핑된 Ni 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Al 산화물, V 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Ta 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저항성 메모리 소자.
- 제 1항에 있어서,상기 스위치 영역의 하부에 형성된 하부 전극;상기 메모리 저항체의 상부에 형성된 하부 전극; 및상기 스위치 영역 및 상기 메모리 저항체 사이에 형성된 중간 전극을 더 포함하는 저항성 메모리 소자.
- 저항성 메모리 소자에 있어서,전해질을 포함하는 중간층 및 상기 중간층 상에 형성된 나노 브리지를 포함하는 스위치 영역; 및가변 저항 특성을 지닌 메모리 저항체;를 포함하는 저항성 메모리 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 중간층은 AgS, As2S 또는 GsSe으로 형성된 저항성 메모리 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 나노 브리지는 Ag로 형성된 저항성 메모리 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 메모리 저항체는 Ni 산화물, Ti 도핑된 Ni 산화물, Co 산화물, Hf 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Nb 산화물, Al 산화물, V 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Ta 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 저항성 메모리 소자.
- 제 5항에 있어서,상기 스위치 영역의 하부에 형성된 하부 전극;상기 메모리 저항체의 상부에 형성된 하부 전극; 및상기 스위치 영역 및 상기 메모리 저항체 사이에 형성된 중간 전극을 더 포함하는 저항성 메모리 소자.
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