KR20180134123A - 저항 변화 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 있어서, 저항 변화 메모리 소자는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치되고 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층, 상기 저항 변화 물질층 상에 배치되고, 산소와의 가역적인 산화 및 환원 반응이 가능한 전도체를 포함하는 장벽층, 및 상기 장벽층 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다.
Description
본 개시(disclosure)는 대체로(generally) 저항 변화 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소를 포함하는 저항 변화 물질층을 구비하는 저항 변화 메모리 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 저항 메모리는 외부에서 인가되는 전압 또는 전류에 의해, 내부 저항이 가변적으로 변화하며, 상기 변화된 저항이 비휘발적으로 기록됨으로써, 복수의 로직 정보를 저장할 수 있는 비휘발성 메모리를 의미한다. 상기 저항 메모리는, 상기 내부 저항이 변화하는 방식에 따라, 저항 변화 메모리 소자(Resistive Change RAM), 상변화 메모리 소자(Phase Change RAM), 자기 변화 메모리 소자(Magnetic RAM) 등으로 분류될 수 있다.
한편, 상기 저항 변화 메모리 소자에서는, 가변 저항 물질층의 양단에 전압을 인가하여 상기 가변 저항 물질층 내에 전도성 브릿지(conductive bridge) 또는 절연성 계면층을 생성함으로써, 서로 다른 저항을 구현할 수 있다. 또한, 상기 인가 전압이 제거된 후에도, 상기 가변 저항 물질층 내에 상기 전도성 브릿지 또는 상기 절연성 계면층이 잔존하도록 함으로써, 상기 저항 상태를 비휘발적으로 저장할 수 있다.
본 개시의 실시 예는 고저항 및 저저항 상태에서 구현되는 동작 전류값을 제어할 수 있는, 탄소를 포함하는 저항 변화 물질층을 구비하는 저항 변화 메모리 소자를 제공한다.
본 개시의 일 측면에 따르는 저항 변화 메모리 소자는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치되고 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층, 상기 저항 변화 물질층 상에 배치되고, 산소와의 가역적인 산화 및 환원 반응이 가능한 전도체를 포함하는 장벽층, 및 상기 장벽층 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다.
본 개시의 다른 측면에 따르는 저항 변화 메모리 소자는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치되고 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층, 상기 저항 변화 물질층 상에 배치되며, 상기 하부 전극과 비교하여 산소와의 반응성이 큰 전도체를 포함하는 장벽층, 및 상기 장벽층 상에 배치되는 상부 전극을 포함한다. 이 때, 상기 장벽층에 상기 전도체의 절연성 산화물이 존재하는 지 여부, 및 상기 저항 변화 물질층 내에 상기 하부 전극과 상기 장벽층을 연결하는 전도성 브릿지가 배치되는 지 여부에 따라, 서로 다른 저항이 가역적으로 저장된다.
상술한 본 개시의 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자는, 하부전극, 산소가 부착된 탄소를 포함하는 저항 변화 물질층, 산소와의 반응하는 전도체를 포함하는 장벽층 및 상부 전극을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극에 양의 바이어스 극성을 가진 제1 동작 전압을 인가하여 저항 변화 물질층 내에 상기 하부 전극과 상기 장벽층을 연결하는 전도성 브릿지를 형성하고, 동시에 장벽층에 상기 전도체의 절연성 산화물을 형성함으로써, 상기 저항 변화 메모리 소자에 상대적으로 저저항 상태를 구현할 수 있다. 상기 절연성 산화물은 상기 저저항 상태에서 상기 전도성 브릿지에 의해 구현되는 높은 동작 전류를 소자 적용이 가능한 수준으로 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 저저항 상태가 저장된 상기 저항 변화 메모리 소자에 상기 제1 바이어스 극성과 반대인 제2 바이어스 극성을 가진 제2 동작 전압을 인가하여, 상기 전도성 브릿지를 단절시키고 상기 절연성 산화물을 환원시킴으로써, 상기 저항 변화 메모리 소자의 저항 상태를 상기 고저항 상태로 스위칭할 수 있다.
상술한 바와 같이, 탄소를 저항 변화 물질층으로 적용할 때, 저저항 상태 및 고저항 상태에서 발생하는 동작 전류를 효과적으로 제어함으로써, 저전력 고신뢰성의 저항 변화 메모리 소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면이다.
도 2 및 도 3은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 전압-전류 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8의 비휘발성 메모리 장치의 부분 확대도이다.
도 2 및 도 3은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 전압-전류 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8의 비휘발성 메모리 장치의 부분 확대도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서는 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, "하부" 또는 "상부"는 절대적인 개념이 아니라, 관찰자의 시점에 따라, 각각"상부" 또는 "하부"로 치환하여 해석될 수 있는 상대적인 개념일 수 있다.
본 개시의 실시 예는 탄소를 포함하는 저항 변화 물질층을 구비하는 저항 변화 메모리 소자를 제공한다. 상기 저항 변화 메모리 소자가 고저항 상태 또는 저저항 상태일 때, 상기 저항 변화 메모리 소자로부터 발생하는 동작 전류를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면이다. 도 1을 참조하면, 저항 변화 메모리 소자(1)는, 하부 전극(110), 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층(120), 및 상부 전극(130)을 구비한다.
하부 전극(110)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 물질은, 일 예로서, 백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
저항 변화 물질층(120)은 산소가 부착된 탄소 구조체를 포함할 수 있다. 일반적으로, 탄소 구조체는 탄소 원자간 결합으로 sp2 결합(bond) 또는 sp3 결합(bond)을 가질 수 있다. 이때, 상기 탄소 구조체가 상기 sp2 결합을 가지는 지 또는 sp3 결합을 가지는 지 여부에 따라, 상기 탄소 구조체는 서로 다른 저항을 가질 수 있다. 일 예로서, sp2 결합을 가지는 경우 상기 탄소 구조체는 상대적으로 저저항 상태를 가지며, sp3 결합을 가지는 경우 상기 탄소 구조체는 상대적으로 고저항 상태를 가질 수 있다.
마찬가지로, 산소가 부착된 탄소 구조체는, 내부의 탄소 원자간 결합으로서 sp2 탄소 결합을 가지는 지 또는 sp3 탄소 결합을 가지는 지 여부에 따라, 서로 다른 저항을 가질 수 있다. 이 때, 상기 탄소 구조체가 가지는 산소의 함유량이 감소할수록, 상기 탄소 구조체가 가지는 sp2 결합의 비율이 증가할 수 있다. 반면에, 상기 탄소 구조체가 가지는 산소의 함유량이 증가할수록, 상기 탄소 구조체가 가지는 sp3 결합의 비율이 증가할 수 있다.
즉, 상기 탄소 구조체가 가지는 산소의 함유량이 상대적으로 작은 경우, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 저저항 상태를 가질 수 있다. 반면에, 상기 탄소 구조체가 가지는 산소의 함유량이 상대적으로 큰 경우, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 고저항 상태를 가질 수 있다.
또한, 상기 탄소 구조체에 산소를 부착시키거나 탈착시킴으로써, 상기 탄소 구조체의 저항을 가역적으로 변화시킬 수 있다. 일 예로서, 상기 탄소 구조체에 산소 부착량을 증가시킬수록, 상기 탄소 구조체를 sp3 탄소 결합을 가지는 고저항체로 변환시킬 수 있다. 다른 예로서, 산소를 구비하는 상기 탄소 구조체로부터 산소 탈착량을 증가시킬수록, 상기 탄소 구조체를 sp2 탄소 결합을 가지는 저저항체로 변환시킬 수 있다.
한편, 상기 탄소 구조체에 상기 산소를 부착시키거나, 상기 탄소 구조체로부터 산소를 탈착시키는 방법은, 저항 변화 물질층(120)에 대하여 외부에서 소정 극성의 바이어스를 인가하는 방법이 있다. 일 예로서, 양의 극성을 가진 바이어스의 인가에 의해 산소가 부착된 상기 탄소 구조체로부터 상기 산소를 탈착시킬 수 있다. 상기 탄소 구조체로부터 탈착된 산소는 산소 이온의 형태로 저항 변화 물질층(120) 내부에 분포할 수 있다. 다른 예로서, 음의 극성을 가지는 바이어스의 인가에 의해 상기 탄소 구조체에 산소를 부착시킬 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 저항 변화 물질층(120)은 탄소 원자간 sp2 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체와 탄소 원자간 sp3 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체가 소정 비율로 혼합된 상태를 가질 수 있다. 이때, 상기 sp3 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체의 비율이 증가할수록 저항 변화 물질층(120)은 상대적으로 고저항을 가질 수 있다. 마찬가지로, 상기 sp2 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체의 비율이 증가할수록 저항 변화 물질층(120)은 상대적으로 저저항을 가질 수 있다.
상기 산소가 부착된 탄소 구조체의 전기적 특성은 일 예로서, 2015년 10월 23일 공개된 Nature Communations DOE: 10.1038/ncomms9600 의 논문에 개시되고 있다. 상기 논문에 개시되는 상기 산소가 부착된 탄소 구조체의 구성은 본 개시의 실시예들에 적용될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 산소가 부착된 탄소 구조체는 산소 분위기에서 흑연(graphite) 타겟을 이용하는 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition)을 수행함으로써, 획득할 수 있다. 이때, 획득된 산소 부착된 탄소 구조체는 sp3 탄소 결합 비율이, sp2 탄소 결합 비율보다 높을 수 있다. 이에 따라, 저항 변화 물질층(120)은 고저항 상태를 가지도록 형성될 수 있다.
다른 실시 예에서, 상기 산소가 부착된 탄소 구조체는 흑연 산화물의 형태로 형성될 수 있다. 상기 흑연 산화물은 일 예로서, 흑연 플레이크(flake)를 습식 산화하여 형성할 수 있다. 이때, 획득된 산소 부착된 탄소 구조체는 sp2 탄소 결합의 비율이, sp3 탄소 결합의 비율보다 높을 수 있다. 이에 따라, 저항 변화 물질층(120)은 저저항 상태를 가지도록 형성될 수 있다.
도 1를 다시 참조하면, 저항 변화 물질층(120) 상에 상부 전극(130)이 배치된다. 상부 전극(130)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 물질은, 일 예로서, 백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 상부 전극(130)은 하부 전극(110)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 상부 전극(130)은 하부 전극(110)과 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 개시의 제1 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 상부 전극(130)에 양의 바이어스를 가지는 제1 동작 전압을 인가한다. 하부 전극(110)은 전기적으로 접지되거나, 상대적으로 음의 전위를 가질 수 있다.
상기 양의 바이어스가 인가될 때, 저항 변화 물질층(120) 내의 탄소 구조체로부터 산소가 탈착될 수 있다. 탈착된 산소는 저항 변화 물질층(120) 내에서 산소 이온(12)으로 존재할 수 있다. 이어서, 산소 이온(12)은 상기 제1 동작 전압의 인가에 의해 형성된 전계에 의해, 상부 전극(130)과의 계면으로 이동할 수 있다. 한편, 상기 탄소 구조체로부터 상기 산소가 탈착함으로써, 상기 탄소 구조체 내의 원자간 탄소 결합이 저저항의 sp2 결합으로 변환될 수 있다. 그 결과, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 저저항 상태로 변환될 수 있다.
상기 산소가 탈착된 상기 탄소 구조체는 상기 전계를 따라 하부 전극(110)과 상부 전극(130) 사이에 배열되어, 전도성 브릿지(10)를 형성할 수 있다. 즉, 전도성 브릿지(10)는 상기 탄소 구조체의 전도성 환원물을 포함할 수 있다. 전도성 브릿지(10)의 형성에 따라 전하가 전도함으로써, 저항 변화 메모리 소자(1)는 상대적으로 저저항 상태를 나타낼 수 있다. 상기 제1 동작 전압이 제거된 후에도, 저항 변화 물질층(120) 내에 전도성 브릿지(10)가 잔존함으로써, 저항 변화 메모리 소자(1)는 상기 저저항 상태에 대한 정보를 저장할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 저항 변화 메모리 소자(1)가 저저항 상태를 유지한 상태에서, 상부 전극(130)에 음의 바이어스를 가지는 제2 동작 전압을 인가한다. 하부 전극(110)은 전기적으로 접지되거나, 상대적으로 양의 전위를 가질 수 있다.
상기 음의 바이어스가 인가될 때, 저항 변화 물질층(120) 내의 전도성 브릿지(10)에 산소가 부착될 수 있다. 전도성 브릿지(10)를 구성하는 상기 탄소 구조체에 산소가 부착함으로써, 상기 탄소 구조체가 재산화될 수 있다. 상기 재산화에 의해, 상기 탄소 구조체의 탄소 원자간 결합이 고저항의 sp3 결합으로 변환될 수 있다. 그 결과, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 고저항 상태로 변환되며, 상기 탄소 구조체의 산화에 재산화에 의해 전도성 브릿지(10)의 적어도 일부분이 분해될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 전극(130)에 상기 양의 바이어스가 인가될 때 상부 전극(130)의 인근 영역으로 이동한 산소 이온은, 도 3에 도시된 상기 음의 바이어스 인가시에 상부 전극(130)에 인접한 전도성 브릿지(10)에 쉽게 부착될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극(130)에 인접한 전도성 브릿지(10)의 일부분이 먼저 분해되면서, 하부 전극(110)과 상부 전극(130) 사이의 저저항 전도 패스(path)가 단절될 수 있다. 이에 따라, 저항 변화 메모리 소자(1)는 상대적으로 고저항 상태로 변환될 수 있다. 한편, 상기 제2 동작 전압이 제거된 후에도, 저항 변화 물질층(120) 내에, 상기 전도성 브릿지(10)가 단절된 상태를 유지함으로써, 저항 변화 메모리 소자(1)는 상기 고저항에 대한 정보를 저장할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(1)에서는, 외부 바이어스의 인가에 의해 상대적으로 저저항 상태와 고저항 상태가 가역적으로 스위칭될 수 있다. 다만, 후술하는 본 개시의 제2 실시예의 저항 변화 메모리 소자와 대비하여 제1 실시예의 저항 변화 메모리 소자(1)의 경우, 상기 저저항 상태에서 전도성 브릿지(10)에 의해 발생하는 동작 전류값이 상대적으로 높은 특징을 가진다. 일 예로서, 상기 동작 전류값은 소자 구조에 따라 1 내지 10 mA 수준까지 증가할 수 있다. 이와 같이, 저저항 상태에서 과도하게 높은 동작 전류값은, 저항 변화 메모리 소자의 저전력, 고신뢰성 구동을 저해할 수 있으므로, 적정 범위 수준으로 상기 동작 전류값을 감소시킬 필요가 있다.
도 4는 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 저항 변화 메모리 소자(2)는, 하부 전극(210), 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층(220), 장벽층(240) 및 상부 전극(230)을 구비한다. 장벽층(240)은 산소와의 가역적인 산화 및 환원 반응이 가능한 전도체를 포함한다.
하부 전극(210)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 물질은, 일 예로서, 백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물, 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
저항 변화 물질층(220)은 산소가 부착된 탄소 구조체를 포함할 수 있다. 저항 변화 물질층(220)의 구성은 본 개시의 제1 실시 예와 관련하여 상술한 저항 변화 물질층(120)의 구성과 실질적으로 동일하다.
즉, 상기 산소가 부착된 탄소 구조체는 탄소 원자간 결합으로, sp2 결합을 가지는 지 또는 sp3 결합을 가지는 지 여부에 따라 서로 다른 저항을 가질 수 있다. 일 예로서, sp2 결합을 가지는 경우 상기 탄소 구조체는 상대적으로 저저항 상태를 가지며, sp3 결합을 가지는 경우 상기 탄소 구조체는 상대적으로 고저항 상태를 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 저항 변화 물질층(220)은 탄소 원자간 sp2 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체와 탄소 원자간 sp3 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체가 소정 비율로 혼합된 상태를 가질 수 있다. 이때, 상기 sp3 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체의 비율이 증가할수록 저항 변화 물질층(120)은 상대적으로 고저항을 가질 수 있다. 마찬가지로, 상기 sp2 탄소 결합을 가지는 산소 부착 탄소 구조체의 비율이 증가할수록 저항 변화 물질층(120)은 상대적으로 저저항을 가질 수 있다.
저항 변화 물질층(220) 상에 장벽층(240)이 배치된다. 일 실시 예에서, 장벽층(240)은 저항 변화 물질층(220)과 계면을 이루도록 배치될 수 있다. 장벽층(240)은 산소와의 가역적인 산화 및 환원 반응이 가능한 전도체를 포함한다. 상기 전도체는 하부 전극(210)과 대비하여, 산소와의 반응성이 클 수 있다. 상기 전도체는 일 예로서, 하프늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 하프늄-티타늄 합금, 탄탈륨-알루미늄 합금, 티타늄-탄탈륨 합금, 티타늄-알루미늄 합금, 하프늄-알루미늄 합금, 텅스텐-티타늄 합금, 텅스텐 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 티타늄실리사이드, n형 도핑된 실리콘 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
상기 전도체는, 후술하는 도 5 및 도 6의 동작 방법에서와 같이, 외부 바이어스가 인가될 때, 저항 변화 물질층(220)로부터 이동한 산소 이온과 반응할 수 있다. 일 예로서, 상기 전도체와 상기 산소 이온이 결합함으로써, 상기 전도체는 절연성 산화물로 산화될 수 있다. 다른 예로서, 상기 절연성 산화물로부터 산소 이온이 탈착됨으로써, 상기 전도체로 환원될 수 있다.
장벽층(240) 상에 상부 전극(230)이 배치될 수 있다. 상부 전극(230)은 장벽층(240)을 캡핑하도록 배치될 수 있다. 상부 전극(230)은 산소와의 반응성이 장벽층(240)의 상기 전도체보다 작을 수 있다. 일 예로서, 상부 전극(230)은 백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 티타늄 질화물 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 개시의 제2 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 동작 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 상부 전극(230)에 양의 바이어스를 가지는 제1 동작 전압을 인가한다. 하부 전극(210)은 전기적으로 접지되거나, 상대적으로 음의 전위를 가질 수 있다.
상기 양의 바이어스가 인가될 때, 저항 변화 물질층(220) 내의 탄소 구조체로부터 산소가 탈착될 수 있다. 탈착된 산소는 저항 변화 물질층(220) 내에서 산소 이온(22)으로 변환될 수 있다. 이어서, 산소 이온(22)은 상기 제1 동작 전압의 인가에 의해 형성된 전계에 의해, 장벽층(240)과의 계면으로 이동할 수 있다. 상기 계면으로 이동한 산소 이온(22)은 장벽층(240)의 전도체와 반응하여, 절연성 산화물을 형성할 수 있다. 즉, 상기 절연성 산화물은 상기 전도체가 산화됨으로써 형성될 수 있다. 상기 절연성 산화물은 절연성 계면 산화물층(242)을 형성할 수 있다.
한편, 상기 탄소 구조체로부터 상기 산소가 탈착함으로써, 상기 탄소 구조체 내의 원자간 탄소 결합이 저저항의 sp2 결합으로 변환될 수 있다. 그 결과, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 저저항 상태로 변환될 수 있다. 상기 산소가 탈착된 상기 탄소 구조체는 상기 제1 동작 전압의 인가에 의해 형성된 전계에 의해, 하부 전극(210)과 장벽층(240) 사이에 배열됨으로써 전도성 브릿지(20)를 형성할 수 있다. 즉, 전도성 브릿지(20)는 상기 탄소 구조체의 전도성 환원물을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상부 전극(230)에 양의 바이어스 극성을 가지는 제1 동작 전압이 인가될 때, 저항 변화 물질층(220) 내에 전도성 브릿지(20)가 형성됨으로써, 저항 변화 메모리 소자(2)는 저저항 상태를 구현할 수 있다. 다만, 상기 절연성 산화물 및 계면 산화물층(242)은 저저항 상태에서의 동작 전류를 감소시킬 수 있다.
이에 따라, 저항 변화 메모리 소자(2)가 저저항 상태일 때, 저항 변화 메모리 소자(2)는 상술한 제1 실시예의 경우보다, 감소된 동작 전류를 가질 수 있다. 상기 동작 전류를 제어하는 요소는, 일 예로서, 상기 절연성 산화물의 생성량, 계면 산화물층(242)의 두께 등일 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 저항 변화 메모리 소자(2)가 저저항 상태를 유지한 상태에서, 상부 전극(230)에 음의 바이어스를 가지는 제2 동작 전압을 인가한다. 하부 전극(210)은 전기적으로 접지되거나, 상대적으로 양의 전위를 가질 수 있다.
상기 음의 바이어스가 인가될 때, 계면 산화물층(242)의 상기 절연성 산화물로부터 산소가 탈착될 수 있다. 즉, 상기 절연성 산화물이 상기 전도체로 환원될 수 있다. 한편, 탈착된 산소는 산소 이온으로 변환되어 저항 변화 물질층(220) 내부로 이동할 수 있다. 상기 절연성 산화물의 환원이 진행되면서, 계면 산화물층(242)이 분해될 수 있다.
한편, 저항 변화 물질층(220) 내로 이동한 산소 이온은 전도성 브릿지(10)로 이동할 수 있다. 이어서, 전도성 브릿지(10)를 구성하는 상기 탄소 구조체에 산소가 부착되어, 상기 탄소 구조체가 재산화될 수 있다. 상기 재산화에 의해, 상기 탄소 구조체의 탄소 원자간 결합이 고저항의 sp3 결합으로 변환될 수 있다. 그 결과, 상기 탄소 구조체는 상대적으로 고저항 상태로 변환되며, 상기 탄소 구조체의 재산화에 의해 전도성 브릿지(10)의 적어도 일부분이 분해될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상부 전극(230)에 상기 음의 바이어스가 인가될 때, 장벽층(240)의 인근 영역에 위치한 상기 절연성 산화물로부터 탈착된 산소 이온은, 장벽층(240)의 인근 영역에 위치한 전도성 브릿지(20)에 부착될 수 있다. 이에 따라, 장벽층(240)에 인접한 전도성 브릿지(20)의 일부분이 분해되면서, 하부 전극(210)과 장벽층(240) 사이의 저저항 전도 패스(path)가 단절될 수 있다. 이에 따라, 저항 변화 메모리 소자(2)는 상대적으로 고저항 상태로 변환될 수 있다. 한편, 상기 제2 동작 전압이 제거된 후에도, 저항 변화 물질층(220) 내에, 상기 전도성 브릿지(20)가 단절된 상태를 유지함으로써, 저항 변화 메모리 소자(2)는 상기 고저항에 대한 정보를 저장할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제2 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(2)에서는, 외부 바이어스의 인가에 의해 상대적으로 저저항 상태와 고저항 상태가 가역적으로 스위칭될 수 있다. 상기 저저항 상태에서는, 상기 절연성 산화물 및 전도성 브릿지(20)가 형성될 수 있다. 상기 고저항 상태에서는 상기 절연성 산화물이 환원되고, 전도성 브릿지(20)가 서로 단절될 수 있다.
상기 절연성 산화물은 상기 저저항 상태에서 전도성 브릿지(20)에 의해 구현되는 높은 동작 전류를 감소시키는 역할을 수행할 수 있다. 상기 동작 전류를 감소시키는 정도(degree)는, 일 예로서, 상기 절연성 산화물의 생성량 및 상기 절연성 산화물에 의해 형성되는 계면 산화물층의 두께 등에 의해 결정될 수 있다. 결과적으로, 제2 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(2)의 저저항 상태에서의 동작 전류는 제1 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(1)의 저저항 상태에서의 동작 전류보다 작을 수 있다. 이와 같이, 상기 절연성 산화물을 이용하여 저저항 상태에서의 동작 전류의 제어가 가능해짐으로써, 저항 변화 메모리 소자(2)의 저전력, 고신뢰성 구동이 가능해질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자의 전압-전류 특성을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 7a는 상술한 제1 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(1)의 전압-전류 특성 그래프이며, 도 7는 상술한 제2 실시 예의 저항 변화 메모리 소자(2)의 전압-전류 특성 그래프이다.
일 예로서, 하부 전극(110, 210) 및 상부 전극(130, 230)으로 티티늄질화물층이 각각 적용될 수 있으며, 제2 실시 예의 장벽층(240)은 전도체로서 탄탈륨을 포함할 수 있다. 저항 변화 물질층(120, 220)은 산소 부착된 탄소 구조체를 포함할 수 있다.
도 7a를 참조하면, 제1 실시예의 저항 변화 메모리 소자(1)에 대해, 고저항 상태의 제1 그래프(710a) 및 저저항 상태의 제2 그래프(710b)가 개시된다. 저항 변화 메모리 소자(1)에 동작 전압의 범위 내, 즉 -Vc 내지 Vc의 범위에서 전압이 인가될 때의 전류 특성이 도시되고 있다. 일 예로서, 셋(set) 동작 전압(Vc)가 인가될 때 고저항 상태는 저저항 상태로 변환되며, 판독 전류는 제1 동작 전류(Ic1)로부터 제2 동작 전류(Ic2)로 증가할 수 있다. 한편, 도 7b를 참조하면, 제2 실시예의 저항 변화 메모리 소자(2)에 대해, 고저항 상태의 제1 그래프(720a) 및 저저항 상태의 제2 그래프(720b)가 개시된다. 저항 변화 메모리 소자(2)에 동작 전압의 범위 내, 즉, -Ve 내지 -Ve의 범위 내에서 전압이 인가될 때의 전류 특성이 도시되고 있다. 일 예로서, 셋(set) 동작 전압(Ve)가 인가될 때, 고저항 상태는 저저항 상태로 변환되어, 판독 전류는 제1 동작 전류(Ie1)로부터, 제2 동작 전류(Ie2)로 증가할 수 있다.
상술한 바와 같이, 저항 변화 메모리 소자(2)가 저저항 상태에 있을 때 가지는 동작 전류(Ie2)의 크기는, 저항 변화 메모리 소자(1)가 저저항 상태에 있을 가지는 동작 전류(Ic2)의 크기보다 감소할 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시 예에 의하면, 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층을 채용하는 저항 변화 메모리 소자에서, 저저항 상태에서 발생하는 과도한 동작 전류를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
한편, 본 개시의 실시 예에 따르는 저항 변화 메모리 소자는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치에 적용될 수 있다. 도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 3차원 구조의 비휘발성 메모리 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 9는 도 8의 비휘발성 메모리 장치의 부분 확대도이다.
도 8을 참조하면, 비휘발성 메모리 장치(10)는 x-방향으로 배열되는 제1 전도 라인(810), y-방향으로 배열되는 제2 전도 라인(820), 및 제1 및 제2 전도 라인(810, 820)이 교차되는 영역에서 z-방향을 따라 배치되는 필라 구조물(80)을 포함한다. 도면의 실시 예에서는, x-방향과 y-방향은 서로 직교하는 직교 좌표계로서 도시되고 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, x-방향과 y-방향이 비평행한 조건을 만족하는 한 다양한 변형예가 존재할 수 있다. 한편, 필라 구조물(80)은 x-방향 및 y 방향을 따라 복수의 어레이를 구성할 수 있다. 필라 구조물(80)은, 비휘발성 메모리 장치(10)의 메모리 셀을 구성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 필라 구조물(80)은 제1 전도 라인(810) 상에 순차적으로 배치되는, 하부 전극(910), 저항 변화 물질층(920), 장벽층(940) 및 상부 전극(930)을 포함한다. 하부 전극(910), 저항 변화 물질층(920), 장벽층(940) 및 상부 전극(930)의 구성은 도 4 내지 6과 관련하여 상술한 저항 변화 메모리 소자(2)의 하부 전극(210), 저항 변화 물질층(220), 장벽층(240) 및 상부 전극(230)의 구성과 실질적으로 동일하다.
상술한 바와 같이, 제1 및 제2 전도 라인(810, 820) 사이에 인가되는 전압에 의해, 저항 변화 물질층(930) 내에 전도성 브릿지가 생성 또는 단절되는지 여부와 장벽층(940) 내의 도전체의 산화 또는 환원 여부에 따라, 필라 구조물(80)의 저항 상태가 결정될 수 있다.
본 실시 예에서는, 필라 구조물(80)의 저항 변화 물질층(920)이 산소가 부착된 탄소 구조체를 포함할 경우, 필라 구조물(80)이 저저항 상태를 가질 때 필라 구조물(80) 내에 과도하게 높은 동작 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 필라 구조물(80)에 대한 저전력, 고신뢰성 메모리 거동이 가능해질 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 2: 저항 변화 메모리 소자,
10 20: 전도성 브릿지, 12 22: 산소 이온,
12110 210: 하부 전극, 120 220: 저항 변화 물질층
130 230: 상부 전극, 240: 장벽층, 242: 계면 산화물층.
10 20: 전도성 브릿지, 12 22: 산소 이온,
12110 210: 하부 전극, 120 220: 저항 변화 물질층
130 230: 상부 전극, 240: 장벽층, 242: 계면 산화물층.
Claims (20)
- 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 배치되고 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층;
상기 저항 변화 물질층 상에 배치되고, 산소와의 가역적인 산화 및 환원 반응이 가능한 전도체를 포함하는 장벽층; 및
상기 장벽층 상에 배치되는 상부 전극을 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 저항 변화 물질층과 상기 장벽층은 계면을 이루도록 배치되는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 산소가 부착된 탄소 구조체는 탄소 원자간 sp2 결합 및 sp3 결합 여부에 따라 서로 다른 저항을 가지는
저항 변화 메모리 소자
- 제1 항에 있어서,
상기 산소는 외부 바이어스의 인가에 의해, 상기 탄소 구조체로부터 탈착되어 산소 이온으로 변환되는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 저항 변화 물질층 내에 배치되고 상기 하부 전극과 상기 장벽층을 연결하는 전도성 브릿지; 및
상기 장벽층에 위치하는 상기 전도체의 절연성 산화물을 더 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제5 항에 있어서,
상기 절연성 산화물은, 상기 전도성 브릿지에 의한 상기 저항 변화 물질층의 저항 감소를 상쇄시키는,
저항 변화 메모리 소자.
- 제6 항에 있어서,
상기 전도성 브릿지는 상기 탄소 구조체의 전도성 환원물을 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 저항 변화 물질층 내에 배치되는 전도성 브릿지를 더 포함하되,
상기 전도성 브릿지는 상기 하부 전극과 상기 장벽층 사이에서 상기 전도성 브릿지의 적어도 일부분이 서로 전기적으로 단절된 형태를 가지는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 전도체는 상기 하부 전극과 대비하여, 상기 산소와의 반응성이 큰
저항 변화 메모리 소자.
- 제9 항에 있어서,
상기 전도체는
하프늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 하프늄-티타늄 합금, 탄탈륨-알루미늄 합금, 티타늄-탄탈륨 합금, 티타늄-알루미늄 합금, 하프늄-알루미늄 합금, 텅스텐-티타늄 합금, 텅스텐 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 티타늄실리사이드, 및 n형 도핑된 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제9 항에 있어서,
상기 하부 전극은
백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 및 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 상부 전극은
백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 및 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 배치되고 산소가 부착된(oxygenated) 탄소 구조체를 포함하는 저항 변화 물질층;
상기 저항 변화 물질층 상에 배치되며, 상기 하부 전극과 비교하여 산소와의 반응성이 큰 전도체를 포함하는 장벽층; 및
상기 장벽층 상에 배치되는 상부 전극을 포함하되,
상기 장벽층에 상기 전도체의 절연성 산화물이 존재하는 지 여부, 및 상기 저항 변화 물질층 내에 상기 하부 전극과 상기 장벽층을 연결하는 전도성 브릿지가 배치되는 지 여부에 따라, 서로 다른 저항이 가역적으로 저장되는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 산소가 부착된 탄소 구조체는 탄소 원자간 sp2 결합 및 sp3 결합 여부에 따라 서로 다른 저항을 가지는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 상부 전극에 양의 바이어스 극성을 가지는 동작 전압이 인가될 때,
상기 절연성 산화물 및 상기 전도성 브릿지가 형성되는
저항 변화 메모리 소자.
- 제14 항에 있어서,
상기 전도성 브릿지는 상기 탄소 구조체의 전도성 환원물을 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 산소는 외부 바이어스의 인가에 의해, 상기 탄소 구조체로부터 탈착되어 이온의 형태를 가지는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 전도체는
하프늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 하프늄-티타늄 합금, 탄탈륨-알루미늄 합금, 티타늄-탄탈륨 합금, 티타늄-알루미늄 합금, 하프늄-알루미늄 합금, 텅스텐-티타늄 합금, 텅스텐 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드, 티타늄실리사이드, 및 n형 도핑된 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 하부 전극은
백금, 텅스텐, 탄탈륨 질화물, 및 티타늄 질화물 중 적어도 하나를 포함하는
저항 변화 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 전도성 브릿지가 형성된 경우 상대적으로 저저항을 가지며,
상기 전도성 브릿지의 적어도 일부분이 단절된 경우, 상대적으로 고저항을 가지는
저항 변화 메모리 소자.
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