KR101742384B1 - Resistance Random Access Memory Device and Method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공한다. 저항변화 메모리 소자는 불활성 전극, 상기 불활성 전극 상에 위치하고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층 및 상기 저항변화층 상에 위치하는 활성 전극을 포함하고, 상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1인 것을 특징으로 한다. 따라서, 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 대폭 향상된 효과를 얻을 수 있다.A resistance change memory element and a method of manufacturing the same are provided. The resistance-variable memory device includes an inert electrode, a resistance-variable layer disposed on the inert electrode, the resistance-variable layer having a state change due to the formation and disappearance of a metal filament, and an active electrode disposed on the resistance- x and TaN material having a structure, wherein X may be a 0.9 to 1.1. Therefore, the on / off current ratio can be greatly improved.
Description
본 발명은 저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 높은 온/오프 전류 비와 낮은 오프 전류 레벨을 가지는 저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
최근, 디지털 정보통신 및 가전산업의 발달로 인해 기존의 전하 제어를 기반으로 한 소자의 연구는 한계점에 이른 것으로 알려지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 상 변화 및 자기장의 변화 등을 이용한 새로운 메모리 소자에 관한 연구가 진행되고 있다. 연구가 진행되는 새로운 메모리 소자들의 정보저장방식은 물질의 상태변화를 유도하여 물질 자체가 가지는 저항을 변화시키는 원리를 이용한다.Recently, the development of digital information communication and household appliances industry has led to limitations in research on devices based on conventional charge control. In order to overcome these limitations, new memory devices using phase change and magnetic field change are being studied. The information storage method of new memory devices which is under study uses the principle of changing the resistance of the material itself by inducing the change of the material state.
비휘발성 메모리의 대표소자인 플래시 메모리의 경우, 데이터의 프로그램 및 소거 동작을 위해 높은 동작전압이 요구된다. 따라서, 45 nm 이하의 선폭으로 스케일 다운(scale down)시, 인접하는 셀들 사이의 간섭으로 인해 오동작이 발생할 수 있으며, 느린 동작속도 및 과도한 소비전력이 문제가 되고 있다.In a flash memory which is a representative element of a nonvolatile memory, a high operation voltage is required for programming and erasing data. Therefore, when scale down by a line width of 45 nm or less, a malfunction may occur due to interference between adjacent cells, and slow operation speed and excessive power consumption are problematic.
다른 비휘발성 메모리인 자성 소자(Magnetic RAM, MRAM)는 복잡한 제조공정 및 다층 구조, 읽기/쓰기 동작의 작은 마진으로 인해 상용화에 일정한 문제가 있다. 따라서, 이들을 대체할 수 있는 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발은 필수적인 연구 분야라 할 수 있다.Magnetic RAM (MRAM), another nonvolatile memory, has some problems in commercialization due to complicated manufacturing process and multi-layer structure, small margin of read / write operation. Therefore, development of a next generation nonvolatile memory device that can replace them is an essential research field.
저항변화 메모리 소자(Resistive RAM, ReRAM) 소자는 박막에 상/하부 전극이 배치되고, 상/하부 전극 사이에 산화물 박막 재질의 저항변화층이 포함되는 구조를 가진다. 메모리 동작은 저항변화층에 인가되는 전압에 따라 저항변화층의 저항 상태가 변화되는 현상을 이용하여 구현된다.Resistive RAM (ReRAM) devices have a structure in which an upper / lower electrode is disposed on a thin film and a resistance variable layer made of an oxide thin film is included between upper and lower electrodes. The memory operation is realized by using the phenomenon that the resistance state of the resistance variable layer is changed according to the voltage applied to the resistance variable layer.
한편, 기존의 상하부 전극으로 불활성 전극으로 Pt 전극을 사용하고 활성 전극으로 Ta 전극을 사용하던 소자의 경우 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 작은 문제점과 Pt를 사용함에 있어서 경제적인 문제점이 있다.On the other hand, in the case of using the Pt electrode as the inactive electrode as the upper and lower electrodes and the Ta electrode as the active electrode, there is a problem in that the on / off current ratio is small, .
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 온/오프 전류 비와 낮은 오프 전류 레벨을 가지는 저항변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a resistance change memory device having a high on / off current ratio and a low off current level and a method of manufacturing the same.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 저항변화 메모리 소자를 제공한다. 상기 저항변화 메모리 소자는 불활성 전극, 상기 불활성 전극 상에 위치하고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층 및 상기 저항변화층 상에 위치하는 활성 전극을 포함하고, 상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a resistance-change memory device. Wherein the resistance change memory element comprises an inert electrode, a resistance-variable layer located on the inert electrode and having a state change due to the formation and disappearance of the metal filament, and an active electrode located on the resistance-variable layer, A TaN x material having an FCC structure, and X is 0.9 to 1.1.
또한, 상기 불활성전극은 Pt 또는 W를 포함할 수 있다.In addition, the inert electrode may include Pt or W.
또한, 상기 불활성 전극은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다.In addition, the inert electrode is a TaN y material, and Y is 1.2 to 1.4.
또한, 상기 저항변화층은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.Also, the resistance variable layer may include any one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , SiO 2 , WO 3 , TiO 2 , ZrO 2, and GdO x .
또한, 상기 금속 필라멘트는 상기 저항변화층 내부의 산소이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸되는 것을 특징으로 한다.Further, the metal filament is formed and extinguished by oxidation-reduction reaction of oxygen ions in the resistance variable layer.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 저항변화 메모리 소자를 제공한다. 상기 저항변화 메모리 소자는 불활성 전극, 상기 불활성 전극 상에 위치하고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층 및 상기 저항변화층 상에 위치하는 활성 전극을 포함하고, 상기 불활성 전극은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a resistance change memory device. Wherein the resistance variable memory element comprises an inert electrode, a resistance-variable layer located on the inert electrode, the resistance-variable layer having a state change due to the formation and disappearance of the metal filament, and an active electrode positioned on the resistance- TaN y material, and Y is 1.2 to 1.4.
또한, 상기 저항변화층은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.Also, the resistance variable layer may include any one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , SiO 2 , WO 3 , TiO 2 , ZrO 2, and GdO x .
또한, 상기 활성 전극은 Ta, Ta 합금, Cu, Cu 합금, Ag 또는 Ag 합금을 포함할 수 있다.The active electrode may include Ta, Ta alloy, Cu, Cu alloy, Ag or Ag alloy.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 저항변화 메모리 소자 제조방법을 제공한다. 상기 저항변화 메모리 소자 제조방법은 기판 상에 불활성 전극을 형성하는 단계, 상기 불활성 전극 상에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층을 형성하는 단계 및 상기 저항변화층 상에 활성 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a resistance-variable memory device. The method includes the steps of forming an inert electrode on a substrate, forming a resistance variable layer having a state change due to the formation and disappearance of a metal filament on the inert electrode, Wherein the active electrode is a TaN x material having an FCC structure and X is 0.9 to 1.1.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 또 다른 측면은 저항변화 메모리 소자 제조방법을 제공한다. 상기 저항변화 메모리 소자 제조방법은 기판 상에 불활성 전극을 형성하는 단계, 상기 불활성 전극 상에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층을 형성하는 단계 및 상기 저항변화층 상에 활성 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 불활성 전극은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating a resistance-variable memory device. The method includes the steps of forming an inert electrode on a substrate, forming a resistance variable layer having a state change due to the formation and disappearance of a metal filament on the inert electrode, Wherein the inert electrode is a TaN y material and Y is 1.2 to 1.4.
또한, 상기 저항변화층은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.Also, the resistance variable layer may include any one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , SiO 2 , WO 3 , TiO 2 , ZrO 2, and GdO x .
본 발명에 따르면, 종래의 바이폴라 저항 스위칭 메모리(bipolar resistive switching memory)에서 사용되던 활성전극 물질 대신 FCC 구조의 탄탈륨 질화물을 활성전극 물질로 사용함으로써, 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 대폭 향상된 효과를 얻을 수 있다.According to the present invention, by using an FCC structure of tantalum nitride instead of the active electrode material used in a conventional bipolar resistive switching memory as an active electrode material, an on / off current ratio A greatly improved effect can be obtained.
또한, nitrogen 함량을 조절하여 탄탈륨 질화물을 불활성전극 물질로도 사용할 수 있다. 따라서, 종래의 Pt를 대신하여 탄탈륨 질화물을 불활성 전극으로 활용할 수 있다.In addition, tantalum nitride can be used as an inert electrode material by adjusting the nitrogen content. Therefore, instead of the conventional Pt, tantalum nitride can be utilized as an inert electrode.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자를 나타낸 일 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자를 나타낸 일 단면도이다.
도 3은 비교예 1에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 제조예 1에 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 1에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 제조예 2에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 질소 공급양에 따른 TaNx의 결정구조를 나타낸 그래프이다.
도 8은 제조예 1의 TaNx의 조성비를 측정한 RBS 결과 그래프이다.
도 9는 제조예 2의 TaNx의 조성비를 측정한 RBS 결과 그래프이다.1 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance-change memory device according to Comparative Example 1. FIG.
4 is a graph showing the current-voltage characteristics of the resistance-change memory device in Production Example 1. FIG.
5 is a graph showing current-voltage characteristics of the resistance-change memory device according to Comparative Example 1. FIG.
6 is a graph showing the current-voltage characteristics of the resistance-change memory device according to Production Example 2. FIG.
7 is a graph showing the crystal structure of TaN x according to the amount of nitrogen supplied.
8 is a RBS result graph in which the composition ratio of TaN x in Production Example 1 is measured.
9 is a RBS result graph in which the composition ratio of TaN x in Production Example 2 is measured.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.
또한, 본 발명에서 사용하는 용어 "A/B/C 구조"는 A층 상에 B층 및 C층이 차례로 적층된 구조를 의미한다.The term "A / B / C structure" used in the present invention means a structure in which a B layer and a C layer are sequentially stacked on an A layer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자를 나타낸 일 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자는 기판(미도시), 불활성 전극(100), 저항변화층(200) 및 활성 전극(300)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention may include a substrate (not shown), an
기판은 지지기판 역할을 할 수 있는 물질이면 어는 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 한편, 이러한 기판은 경우에 따라 생략할 수 있다. 따라서, 도 1에서는 기판 도시를 생략하였다.The substrate may be any material that can serve as a support substrate. For example, such a substrate may be a silicon substrate. On the other hand, such a substrate may be omitted in some cases. Therefore, the substrate is not shown in Fig.
불활성 전극(100)은 기판 상에 위치한다. 이러한 불활성 전극(100)은 불활성 금속(inert metal) 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 불활성 전극(100)은 Pt 또는 W를 포함할 수 있다.The
또한, 상기 불활성 전극(100)은 탄탈륨 질화물을 사용할 수 있다. 즉, 탄탈륨 질화물의 질소의 함량을 조절하여 Pt와 같은 불활성 금속(inert metal)의 효과를 발휘할 수 있다.The
예를 들어, 불활성 전극(100)으로 사용될 수 있는 탄탈륨 질화물은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 불활성 전극(100)은 TaN1 .3층일 수 있다. 이때의 TaNy 물질은 질소 함량이 풍부한(N-rich) 경우로, 비정질 구조가 된다.For example, the tantalum nitride that can be used as the
따라서, 이러한 TaNy 물질의 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 경우, 산소 반응성이 낮은 물성을 띄는 이유로 불활성 금속의 효과를 발휘할 수 있다. 한편, 만일 TaNy 물질의 상기 Y가 1.4를 초과할 경우, 저항이 너무 높아져서 전극으로 사용하기 곤란할 수 있다.Therefore, when the Y of the TaN y material is 1.2 to 1.4, the effect of the inert metal can be exhibited because the oxygen reactivity is low. On the other hand, if the Y of the TaN y material exceeds 1.4, the resistance becomes too high to be used as an electrode.
저항변화층(200)은 불활성 전극(100) 상에 위치한다. 이러한 저항변화층(200)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항변화층(200)은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2 및 ZrO2로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The resistance-
이러한 저항변화층(200)은 전압 인가에 따른 금속 필라멘트의 형성 및 소멸에 의하여 저항 상태가 변화된다. 예를 들어, 상기 금속 필라멘트는 상기 저항변화층(200) 내부의 산소이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸될 수 있다.In this resistance-
활성 전극(300)은 저항 변화층(200) 상에 위치한다. 활성 전극(300)은 FCC 구조를 갖는 탄탈륨 질화물을 포함할 수 있다. 예컨대 활성 전극(300)은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 일 수 있다. 예를 들어, 활성 전극(300)은 TaN1층일 수 있다.The
TaNx 물질에서 Ta 대비 N 함량이 증가함에 따라 금속의 특성은 유지한채 산소 반응성이 낮아지게 된다.As the N content of TaN x increases, the oxygen reactivity decreases while keeping the characteristics of the metal.
따라서, 활성 전극 물질의 경우 적정한 산소 반응성 범위에서 온/오프 전류비를 향상시킬 수 있는데, TaNx 물질에서 X는 0.9 내지 1.1로 질소 함량을 조절할 경우, 적정한 산소 반응성을 갖게 되어 온/오프 전류 비를 향상시킬 수 있다.Therefore, in the case of the active electrode material, it is possible to improve the on / off current ratio in the proper range of the oxygen reactivity. When the nitrogen content is adjusted from 0.9 to 1.1 in the TaN x material, the on / off current ratio Can be improved.
만일, TaNx 물질에서 X가 1.1을 초과하여 질소 함량이 보다 많아질 경우, 산소 반응성이 너무 낮아져서 활성 전극 물질로 사용하기 곤란한 문제점이 있다.If the content of X in the TaN x material exceeds 1.1 and the nitrogen content is increased, the oxygen reactivity becomes too low to be used as the active electrode material.
본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자 제조방법을 설명한다. 이때, 도 1의 저항변화 메모리 소자를 참조하여 설명한다.A method of manufacturing a resistance-variable memory device according to an embodiment of the present invention will be described. Here, the description will be made with reference to the resistance change memory element of FIG.
먼저, 기판 상에 불활성 전극(100)을 형성한다.First, an
예를 들어, 불활성 전극(100)은 Pt 또는 W를 포함할 수 있다. 이러한 불활성 전극(100)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성할 수 있다. 예컨대, 실리콘 기판 상에 스퍼터링법을 이용하여 Pt 불활성 전극(100)을 형성할 수 있다.For example, the
또한, 불활성 전극(100)은 TaNy 물질을 포함할 수 있다. 이때의 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다. 이러한 TaNy 전극은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.In addition, the
예를 들어, 아르곤 가스 20 sccm과 질소 가스 3 sccm의 분위기 하에서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 TaN1 .3 불활성 전극(100)을 형성할 수 있다.For example, it is possible to under Argon gas 20 sccm and a nitrogen gas atmosphere of 3 sccm by using a tantalum sputtering target to perform a sputtering method to form a TaN 1 .3
즉, 이때 아르곤 가스와 질소 가스의 유량비율을 조절하여 형성되는 TaNy 물질을 Y가 1.2 내지 1.4 인 것으로 조절할 수 있다.That is, the TaN y material formed by controlling the flow rate ratio of the argon gas and the nitrogen gas may be controlled to be Y 1.2 to 1.4.
그 다음에, 상기 불활성 전극(100) 상에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층(200)을 형성한다.Next, a resistance-
이러한 저항변화층(200)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 저항변화층(200)은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The resistance-
이러한 저항변화층(200)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.The
예를 들어, Pt 불활성 전극(100) 상에 스퍼터링 방법을 이용하여 Ta2O5 물질로 구성된 저항변화층(200)을 형성할 수 있다.For example, the
그 다음에, 상기 저항변화층(200) 상에 활성 전극(300)을 형성한다.Then, the
이때의 활성 전극(300)은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 한다.At this time, the
이러한 활성 전극(300)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.The
예를 들어, Ta2O5 저항변화층(200) 상에 아르곤 가스 20 sccm과 질소 가스 1.6 sccm 분위기 하에서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 TaN1 활성 전극(300)을 형성할 수 있다. 즉, 이때 질소 가스의 공급양을 조절하여 조절하여 형성되는 TaNx 물질의 조성을 X가 0.9 내지 1.1 인 것으로 조절할 수 있다.For example, the TaN 1
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자를 나타낸 일 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자는 기판(미도시), 불활성 전극(110), 저항변화층(210) 및 활성 전극(310)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a resistance change memory device according to an embodiment of the present invention may include a substrate (not shown), an
기판은 지지기판 역할을 할 수 있는 물질이면 어는 것이나 가능할 것이다. 예를 들어, 이러한 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 한편, 이러한 기판은 경우에 따라 생략할 수 있다. 따라서, 도 2에서는 기판 도시를 생략하였다.The substrate may be any material that can serve as a support substrate. For example, such a substrate may be a silicon substrate. On the other hand, such a substrate may be omitted in some cases. Therefore, the substrate is not shown in Fig.
불활성 전극(110)은 기판 상에 위치한다. 이러한 불활성 전극(100)은 불활성 금속 물질을 포함할 수 있다. The
상기 불활성 전극(110)은 탄탈륨 질화물을 사용할 수 있다. 즉, 탄탈륨 질화물의 질소의 함량을 조절하여 활성 전극 물질이 아닌 불활성 전극 물질에 적합한 탄탈륨 질화물을 사용할 수 있다. 따라서, 종래에 사용되었던 Pt와 같은 불활성 금속(inert metal)의 효과를 발휘할 수 있다.The
예를 들어, 불활성 전극(110)으로 사용될 수 있는 탄탈륨 질화물은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 불활성 전극(110)은 TaN1.3층일 수 있다.For example, the tantalum nitride that can be used as the
탄탈륨 질화물의 경우, 질소 함량이 증가함에 따라 금속의 특성은 유지한채 산소 반응성이 낮아진다. 따라서, TaNy 물질에서 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 경우, 상술한 TaNx 물질의 경우보다 질소 함량이 풍부하게 되고, 산소 반응성이 보다 낮아지게 되어 불활성 금속의 효과를 발휘할 수 있다.In the case of tantalum nitride, as the nitrogen content increases, the oxygen reactivity is lowered while maintaining the characteristics of the metal. Therefore, when the Y is 1.2 to 1.4 in the TaN y material, the nitrogen content becomes richer than that of the TaN x material described above, and the oxygen reactivity becomes lower, so that the effect of the inert metal can be exhibited.
저항변화층(210)은 불활성 전극(110) 상에 위치한다. 이러한 저항변화층(210)은 전압 인가에 따른 금속 필라멘트의 형성 및 소멸에 의하여 저항 상태가 변화된다. 예를 들어, 상기 금속 필라멘트는 상기 저항변화층(200) 내부의 산소이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸될 수 있다.The resistance-
이러한 저항변화층(210)은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The
활성 전극(310)은 저항 변화층(210) 상에 위치한다. 활성 전극(310)은 활성 금속(reactive metal) 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성 전극(310)은 Ta, Ta 합금, Cu, Cu 합금, Ag 또는 Ag 합금을 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 저항변화 메모리 소자 제조방법을 설명한다. 이때, 도 2의 저항변화 메모리 소자를 참조하여 설명한다.A method of manufacturing a resistance-variable memory device according to an embodiment of the present invention will be described. Here, the description will be made with reference to the resistance change memory element of FIG.
먼저 기판 상에 불활성 전극(110)을 형성한다.First, an
이때의 불활성 전극(110)은 TaNy 물질을 포함할 수 있다. 이때의 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 불활성 전극(110)은 TaN1.3층일 수 있다.At this time, the
이러한 TaNy 전극은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.The TaN y electrode can be formed by sputtering, RF sputtering, RF magnetron sputtering, pulsed laser deposition, chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, atomic layer deposition, or molecular beam epitaxy deposition.
그 다음에, 상기 불활성 전극(110) 상에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층(210)을 형성한다.Next, a resistance-
이러한 저항변화층(210)은 금속산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 저항변화층(210)은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The resistance-
이러한 저항변화층(210)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.The
예를 들어, 불활성 전극(110) 상에 RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 Ta2O5로 구성된 저항변화층(210)을 형성할 수 있다.For example, the
그 다음에, 상기 저항변화층(210) 상에 활성 전극(310)을 형성한다. 이때의 활성 전극(310)은 Ta, Ta 합금, Cu, Cu 합금, Ag 또는 Ag 합금을 포함할 수 있다.Then, an
이러한 활성 전극(310)은 스퍼터링법, RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법, 화학 기상 증착법, 플라즈마 강화 화학 기상 증착법, 원자층 증착법 또는 분자선 에피택시 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.The
비교예 1Comparative Example 1
불활성 전극/저항변화층/활성 전극 구조로서 Pt/Ta2O5/Ta 구조를 제조하였다.Pt / Ta 2 O 5 / Ta structure was fabricated as an inert electrode / resistance variable layer / active electrode structure.
먼저, 스퍼터링법을 이용하여 100 nm 두께의 Pt 전극을 제조하였다.First, a Pt electrode having a thickness of 100 nm was manufactured by sputtering.
그 다음에, 상기 Pt 전극 층 위에 스퍼터링법을 이용하여 20 nm 두께의 Ta2O5 저항변화층을 제조하였다. Then, a Ta 2 O 5 resistance variable layer having a thickness of 20 nm was formed on the Pt electrode layer by sputtering.
그 다음에, Ta2O5 저항변화층 상에 스퍼터링법을 이용하여 100 nm 두께의 Ta 전극을 제조하였다.Then, a Ta electrode having a thickness of 100 nm was formed on the Ta 2 O 5 resistance variable layer by sputtering.
제조예 1 Production Example 1
본 발명에 따른 불활성 전극/저항변화층/활성 전극 구조로서, Pt/Ta2O5/TaN1 구조를 제조하였다.As an inert electrode / resistance variable layer / active electrode structure according to the present invention, a Pt / Ta 2 O 5 / TaN 1 structure was prepared.
먼저, 스퍼터링법을 이용하여 100 nm 두께의 Pt 전극을 제조하였다.First, a Pt electrode having a thickness of 100 nm was manufactured by sputtering.
그 다음에, 상기 Pt 전극 층 위에 스퍼터링법을 이용하여 20 nm 두께의 Ta2O5 저항변화층을 제조하였다.Then, a Ta 2 O 5 resistance variable layer having a thickness of 20 nm was formed on the Pt electrode layer by sputtering.
그 다음에, Ta2O5 저항변화층 상에 아르곤 가스 20 sccm과 질소 가스 1.6 sccm 분위기 하에서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 100 nm 두께의 TaN1 활성 전극을 제조하였다. 이때의 스퍼터링 파워는 RF 175 W이다.Then, a TaN 1 active electrode having a thickness of 100 nm was formed on the Ta 2 O 5 resistance variable layer by sputtering using a tantalum sputtering target in an atmosphere of 20 sccm of argon gas and 1.6 sccm of nitrogen gas. The sputtering power at this time is RF 175 W.
제조예 2 Production Example 2
본 발명에 따른 불활성 전극/저항변화층/활성 전극 구조로서, TaN1 .3/Ta2O5/Ta 구조를 제조하였다.TaN 1 .3 / Ta 2 O 5 / Ta structure was fabricated as an inert electrode / resistance variable layer / active electrode structure according to the present invention.
먼저, 아르곤 가스 20 sccm과 질소 가스 3 sccm 분위기 하에서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 100 nm 두께의 TaN1 .3 불활성 전극을 제조하였다. 이때의 스퍼터링 파워는 RF 175 W이다.First, the argon gas 20 sccm and 3 sccm nitrogen gas atmosphere by using a tantalum sputtering target to perform a sputtering method to prepare a TaN 1 .3 inert electrode of 100 nm thick. The sputtering power at this time is RF 175 W.
그 다음에, 상기 TaN1 .3 전극 상에 스퍼터링법을 이용하여 20 nm 두께의 Ta2O5 저항변화층을 제조하였다. Next, the TaN 0.3 were prepared the first electrode a sputtering Ta 2 O 5 layer resistance change of 20 nm thickness using a.
그 다음에, Ta2O5 저항변화층 상에 스퍼터링법을 수행하여 100 nm 두께의 Ta 활성 전극을 제조하였다.Then, a Ta active electrode having a thickness of 100 nm was formed by performing sputtering on the Ta 2 O 5 resistance variable layer.
실험예 1Experimental Example 1
비교예 1 및 제조예 1에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 분석하였다.Current-voltage characteristics of the resistance-variable memory device according to Comparative Example 1 and Manufacturing Example 1 were analyzed.
도 3은 비교예 1에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 4는 제조예 1에 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance-change memory device according to Comparative Example 1. FIG. 4 is a graph showing the current-voltage characteristics of the resistance-change memory device in Production Example 1. FIG.
도 3 및 도 4를 참조하면, 활성 전극 물질로 FCC 구조를 갖는 탄탈륨 질화물(TaN1)을 사용한 도 4의 경우, Ta 물질을 활성 전극 물질로 사용한 도 3에 비하여 온/오프 전류 비가 매우 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 and FIG. 4, in the case of FIG. 4 using tantalum nitride (TaN 1 ) having an FCC structure as the active electrode material, the on / off current ratio is significantly improved compared to FIG. 3 using a Ta material as the active electrode material Able to know.
실험예 2Experimental Example 2
비교예 1 및 제조예 2에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 분석하였다.Current-voltage characteristics of the resistance-variable memory device according to Comparative Examples 1 and 2 were analyzed.
도 5은 비교예 1에 따른 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 6은 제조예 1에 저항변화 메모리 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance-change memory device according to Comparative Example 1. FIG. 6 is a graph showing the current-voltage characteristics of the resistance-change memory element in Production Example 1. FIG.
도 5 및 도 6을 참조하면, 불활성 전극 물질으로 탄탈륨 질화물(TaN1 . 3)을 사용한 도 6의 경우, Pt 물질을 불활성 전극 물질로 사용한 도 5와 같은 정도의 효과를 발휘할 수 있음을 알 수 있다.5 and 6, the case of FIG. 6 using the tantalum nitride (TaN 1. 3) in an inert electrode materials, Pt materials to be understood that can exhibit the effect of the degree shown in FIG. 5 was used as the inert electrode material have.
실험예 3Experimental Example 3
도 7은 질소 공급양에 따른 TaNx의 결정구조를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the crystal structure of TaN x according to the amount of nitrogen supplied.
도 7을 참조하면, 질소 가스의 공급양에 따라 제조되는 TaNX 전극의 결정구조를 분석하였다.Referring to FIG. 7, the crystal structure of the TaN X electrode produced according to the supply amount of the nitrogen gas was analyzed.
이때, 아르곤 가스는 20 sccm으로 공급하고, 질소가스 공급양을 조절하면서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 TaNx 전극을 제조하였다. 이때의 스퍼터링 파워는 RF 175W이다.At this time, argon gas was supplied at a flow rate of 20 sccm, sputtering was performed using a tantalum sputtering target while controlling the amount of nitrogen gas supplied, and TaN x Electrode. The sputtering power at this time is RF 175W.
먼저, 질소가스를 공급하지 않고(0 sccm), 아르곤 가스 20 sccm 분위기 하에서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 전극을 제조한 경우, bcc 결정구조임을 알 수 있다. 또한, 질소가스를 0.4 sccm 및 0.8 sccm으로 공급하여 제조한 경우도 bcc 결정구조임을 알 수 있다.First, when the electrode is manufactured by performing the sputtering method using a tantalum sputtering target in an atmosphere of argon gas (20 sccm) without supplying nitrogen gas (0 sccm), it can be understood that the electrode has a bcc crystal structure. Also, it can be seen that the bcc crystal structure is obtained by supplying nitrogen gas at 0.4 sccm and 0.8 sccm.
그 다음에, 질소가스를 보다 증가시켜 1.2 sccm으로 공급하여 제조한 경우 fcc 결정구조임을 알 수 있다. 또한, 제조예 1과 같이 질소가스를 1.6 sccm 공급하여 제조된 TaNx의 결정구조는 fcc 구조임을 알 수 있다.Then, when the nitrogen gas was further supplied at a flow rate of 1.2 sccm, it was found to be an fcc crystal structure. It can be seen that the crystal structure of TaN x produced by supplying 1.6 sccm of nitrogen gas as in Production Example 1 is an fcc structure.
그 다음에, 질소가스를 보다 증가시켜 2 sccm으로 공급하여 제조한 경우, fcc 결정구조가 무너지면서 비정질 구조가 나타남을 알 수 있다. 또한, 제조예 2와 같이 질소가스를 3 sccm 공급할 경우(N-rich)도, fcc 구조가 무너지면서 비정질 구조가 됨을 알 수 있다. 계속하여 질소가스 공급양을 증가시킬 경우 제조되는 TaNx 전극의 결정구조는 비정질 구조임을 알 수 있다.Then, when the nitrogen gas is further supplied at a flow rate of 2 sccm, the fcc crystal structure collapses and an amorphous structure appears. Further, when nitrogen gas is supplied at 3 sccm as in Production Example 2 (N-rich), it can be understood that the fcc structure is collapsed and becomes an amorphous structure. When the amount of nitrogen gas supplied is increased, the TaN x It can be seen that the crystal structure of the electrode is an amorphous structure.
도 8은 제조예 1의 TaNx의 조성비를 측정한 RBS 결과 그래프이다.8 is a RBS result graph in which the composition ratio of TaN x in Production Example 1 is measured.
제조예 1과 같이 아르곤 가스를 20 sccm 및 질소가스를 1.6 sccm 공급하면서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 전극을 제조한 경우, 제조된 TaNX의 RBS 측정 결과(Raw data), Ta : N의 조성비(원자 조성비)는 1:1.0 이었다. 이때, simulation data 역시 Raw data와 동일하게 측정되었다.Raw data of raw TaN x (raw data), Ta (mass fraction), and Ta (mass) were measured in the case where an electrode was manufactured by performing sputtering using a tantalum sputtering target while supplying argon gas at 20 sccm and nitrogen gas at 1.6 sccm, The composition ratio of N (atomic composition ratio) was 1: 1.0. Simulation data was measured in the same way as raw data.
도 9는 제조예 2의 TaNx의 조성비를 측정한 RBS 결과 그래프이다.9 is a RBS result graph in which the composition ratio of TaN x in Production Example 2 is measured.
제조예 2와 같이 아르곤 가스를 20 sccm 및 질소가스를 3 sccm 공급하면서 탄탈륨 스퍼터링 타겟을 이용하여 스퍼터링법을 수행하여 전극을 제조한 경우, 제조된 TaNX의 RBS 측정 결과(Raw data), Ta : N의 조성비(원자 조성비)는 1:1.3 이었다. 이때, simulation data 역시 Raw data와 동일하게 측정되었다.Raw data of raw TaN x obtained when sputtering was performed using a tantalum sputtering target while supplying argon gas at 20 sccm and nitrogen gas at 3 sccm as in Production Example 2, The composition ratio of N (atomic composition ratio) was 1: 1.3. Simulation data was measured in the same way as raw data.
본 발명에 따르면, 종래의 바이폴라 저항 스위칭 메모리(bipolar resistive switching memory)에서 사용되던 활성전극 물질 대신 FCC 구조의 탄탈륨 질화물을 활성전극 물질으로 사용함으로써, 온/오프 전류비(on/off current ratio)가 대폭 향상된 효과를 얻을 수 있다.According to the present invention, by using an FCC-structured tantalum nitride instead of an active electrode material used in a conventional bipolar resistive switching memory as an active electrode material, an on / off current ratio A greatly improved effect can be obtained.
또한, 질소 함량을 조절하여 탄탈륨 질화물을 불활성전극 물질로도 사용할 수 있다. 따라서, 종래의 Pt를 대신하여 탄탈륨 질화물을 불활성 전극으로 활용할 수 있다.In addition, tantalum nitride can be used as an inert electrode material by adjusting the nitrogen content. Therefore, instead of the conventional Pt, tantalum nitride can be utilized as an inert electrode.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
100: 불활성 전극 200: 저항변화층
300: 활성 전극100: inert electrode 200: resistance variable layer
300: active electrode
Claims (11)
상기 불활성 전극 상에 위치하고, 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층; 및
상기 저항변화층 상에 위치하는 활성 전극을 포함하고,
상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자.Inert electrode;
A resistance-variable layer disposed on the inert electrode and having a state change due to the formation and disappearance of the metal filament; And
And an active electrode located on the resistance-variable layer,
Wherein the active electrode is a TaN x material having an FCC structure and X is 0.9 to 1.1.
상기 불활성전극은 Pt 또는 W를 포함하는 저항변화 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the inert electrode comprises Pt or W.
상기 불활성 전극은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the inactive electrode is a TaN y material and the Y is 1.2 to 1.4.
상기 저항변화층은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 저항변화 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the resistance variable layer comprises any one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , SiO 2 , WO 3 , TiO 2 , ZrO 2, and GdO x .
상기 금속 필라멘트는 상기 저항변화층 내부의 산소이온의 산화환원 반응에 의해 형성 및 소멸되는 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the metal filament is formed and destroyed by oxidation-reduction reaction of oxygen ions in the resistance variable layer.
상기 불활성 전극 상에 금속 필라멘트의 형성과 소멸에 따른 상태 변화를 가지는 저항변화층을 형성하는 단계; 및
상기 저항변화층 상에 활성 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 활성 전극은 FCC 구조를 갖는 TaNx 물질이고, 상기 X는 0.9 내지 1.1 인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자 제조방법.Forming an inert electrode on the substrate;
Forming a resistance variable layer having a state change due to the formation and disappearance of a metal filament on the inert electrode; And
And forming an active electrode on the resistance-variable layer,
Wherein the active electrode is a TaN x material having an FCC structure, and X is 0.9 to 1.1.
상기 불활성 전극은 TaNy 물질이고, 상기 Y는 1.2 내지 1.4 인 것을 특징으로 하는 저항변화 메모리 소자 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the inactive electrode is a TaN y material and the Y is 1.2 to 1.4.
상기 저항변화층은 Ta2O5, SiO2, WO3, TiO2, ZrO2 및 GdOx로 구성된 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 저항변화 메모리 소자 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the resistance variable layer comprises any one selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , SiO 2 , WO 3 , TiO 2 , ZrO 2, and GdO x .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150126064A KR101742384B1 (en) | 2015-09-07 | 2015-09-07 | Resistance Random Access Memory Device and Method of manufacturing the same |
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