KR102700006B1 - Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same - Google Patents
Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102700006B1 KR102700006B1 KR1020230101514A KR20230101514A KR102700006B1 KR 102700006 B1 KR102700006 B1 KR 102700006B1 KR 1020230101514 A KR1020230101514 A KR 1020230101514A KR 20230101514 A KR20230101514 A KR 20230101514A KR 102700006 B1 KR102700006 B1 KR 102700006B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- mit
- material layer
- selection element
- challenge
- metal nanoparticles
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/80—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays
- H10B63/84—Arrangements comprising multiple bistable or multi-stable switching components of the same type on a plane parallel to the substrate, e.g. cross-point arrays arranged in a direction perpendicular to the substrate, e.g. 3D cell arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B63/00—Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
- H10B63/10—Phase change RAM [PCRAM, PRAM] devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
- H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/883—Oxides or nitrides
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 스위칭 소자로서 금속 절연체 전이 현상을 이용한 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a variable resistance memory device having an MIT selection element including dispersed metal nanoparticles and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a variable resistance memory device having an MIT selection element utilizing a metal-insulator transition phenomenon as a switching element and a method for manufacturing the same.
최근 휴대용 디지털 기기의 보급과 디지털 데이터의 저장 필요성이 증가하면서 전원이 차단된 후에도 저장된 데이터가 소실되지 않는 비휘발성 메모리 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, with the spread of portable digital devices and the increasing need to store digital data, interest in nonvolatile memory devices that do not lose stored data even when power is turned off is increasing.
상기 반도체 소자로서 디램 메모리 소자와 같이 실리콘 공정을 기반으로 함으로써 저비용으로 제조할 수 있는 플래시 메모리 소자가 널리 이용되고 있다. 그러나, 플래시 메모리 소자는 휘발성 메모리 소자인 디램 메모리 소자에 비하여 상대적으로 집적도가 낮고 동작속도가 느리며 데이터의 저장에 상대적으로 고전압이 요구되는 단점이 있다.Among the semiconductor devices mentioned above, flash memory devices that can be manufactured at low cost by being based on a silicon process, such as DRAM memory devices, are widely used. However, flash memory devices have the disadvantages of having a relatively low integration level, slow operating speed, and requiring a relatively high voltage to store data compared to DRAM memory devices, which are volatile memory devices.
이와 같은 플래시 메모리 소자의 단점을 극복하기 위해 상변화 메모리 소자(phase changeable RAM, PRAM), 자기 메모리 소자(magnetic RAM, MRAM) 및 저항 메모리 소자(resistance changeable RAM, RRAM)와 같은 다양한 차세대 반도체 소자가 제안되고 있다. 이와 같은 차세대 비휘발성 메모리 소자는 비교적 낮은 전압에서 동작이 가능하고 액세스 타임(access time)이 빨라서 플래시 메모리 소자의 단점을 상당부분 상쇄하고 있다.To overcome the shortcomings of such flash memory devices, various next-generation semiconductor devices such as phase changeable RAM (PRAM), magnetic RAM (MRAM), and resistance changeable RAM (RRAM) have been proposed. Such next-generation nonvolatile memory devices can operate at relatively low voltages and have fast access times, which significantly offsets the shortcomings of flash memory devices.
특히, 고집적화 요구에 따라 3차원 크로스 포인트 어레이 구조를 갖는 차세대 비휘발성 메모리 소자에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 크로스 포인트 어레이(cross point array) 구조는 복수의 비트 라인과 복수의 워드 라인이 서로 교차하도록 배치하고 비트 및 워드 라인의 교차 지점(cross point)에 메모리 셀을 배치한 구조로써, 각 메모리 셀에 대한 임의의 액세스(random access)가 가능하여 데이터의 저장(program) 및 판독(read)을 용이하게 구현할 수 있다.In particular, research on next-generation nonvolatile memory devices having a three-dimensional cross-point array structure has been actively conducted recently in response to high integration demands. The cross-point array structure is a structure in which multiple bit lines and multiple word lines are arranged to intersect each other and memory cells are arranged at the cross points of the bit and word lines, thereby enabling random access to each memory cell, making it easy to implement data storage (program) and reading (read).
이러한 크로스포인트 구조의 메모리 시스템에서는 동일한 비트 라인 또는 워드 라인상에 위치한 처리되지 않은 셀(unaddressed cells)의 간섭에 의한 기생 신호가 크로스포인트 어레이의 실행을 지연시키게 된다. 신뢰성 작동에 영향을 미치는 가장 심각한 문제로서 "스니크 전류 통로(sneak current path)"가 알려져 있으며, "스니크 전류 통로"는 크로스포인트 어레이 내에서 특정한 메모리 셀의 어드레스를 지정하는 경우에 나타나는 누설 전류를 의미한다. 스니크 전류 통로는, 예를 들면, 셀 상태의 판독 결과에 영향을 미치며, 메모리 셀 상태를 잘못 판독되도록 한다. 스니크 통로 문제는, 일반적으로 수동 어레이에서, 특히 메모리 셀의 낮은 저항 상태에서 선형이거나 거의 선형의 전류 전압 특징을 나타내는 상황에서 발생한다. 셀의 고 저항 상태에서는, 낮은 저항 상태의 인접 셀을 통과하는 누설 전류에 인해서 잘못 판독될 수 있다.In such a crosspoint structured memory system, parasitic signals due to interference of unaddressed cells located on the same bit line or word line delay the execution of the crosspoint array. The most serious problem affecting the reliable operation is known as a "sneak current path", and a "sneak current path" means a leakage current that appears when a specific memory cell is addressed within the crosspoint array. The sneak current path affects, for example, the read result of the cell state, causing the memory cell state to be read incorrectly. The sneak path problem generally occurs in passive arrays, especially in situations where the memory cell exhibits linear or nearly linear current-voltage characteristics in the low resistance state. In the high resistance state of the cell, a misread can occur due to leakage current passing through the adjacent cell in the low resistance state.
따라서, 이와 같은 가변 저항 메모리 장치를 크로스-포인트 어레이(cross-point array)에 집적화 하기 위해서는 누설전류를 억제할 수 있는 스위치 역할을 하는 선택 소자가 필요하다. Therefore, in order to integrate such variable resistance memory devices into a cross-point array, a selection element that acts as a switch capable of suppressing leakage current is required.
본원의 배경이 되는 기술은 등록특허 제10-1481920호에 개시되어 있다.The background technology of this invention is disclosed in registered patent No. 10-1481920.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 스위칭 특성 및 전기적 특성의 향상이 향상된 가변 저항 메모리 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a variable resistance memory device with improved switching characteristics and electrical characteristics and a method for manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자는 제1 방향으로 연장되는 제1 도전 라인들; 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 라인들; 및 상기 제1 도전 라인들과 상기 제2 도전 라인들 사이의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들을 포함하고, 상기 메모리 셀들의 각각은 대응하는 제1 도전 라인과 제2 도전 라인 사이에서 직렬로 연결된 MIT 선택 소자 및 가변 저항체를 포함하고, 상기 MIT 선택 소자는 금속 절연체 전이 특성을 갖는 물질로 형성된 MIT 물질층 및 상기 MIT 물질층 내에 분산된 금속 나노 입자를 포함하되, 상기 MIT 물질층은 VO, VO2, V2O3, 또는 V2O5와 같은 바나듐 산화물을 포함하고, 상기 금속 나노 입자는 백금(Pt)을 포함한다. According to embodiments of the present invention for achieving the above object, a variable resistance memory device includes: first conductive lines extending in a first direction; second conductive lines extending in a second direction intersecting the first direction; and memory cells respectively provided at intersections between the first conductive lines and the second conductive lines, each of the memory cells including an MIT selection element and a variable resistor connected in series between corresponding first and second conductive lines, wherein the MIT selection element includes an MIT material layer formed of a material having metal-insulator transition characteristics and metal nanoparticles dispersed within the MIT material layer, wherein the MIT material layer includes a vanadium oxide such as VO, VO 2 , V 2 O 3 , or V 2 O 5 , and the metal nanoparticles include platinum (Pt).
일 실시예에 따르면, 상기 제1 도전 라인은 상기 기판 상에 차례로 적층된 배리어막 패턴 및 하부 도전막 패턴을 포함하고, 상기 가변 저항체는 상기 MIT 선택 소자 상에 차례로 적층된 하부 전극, 가변 저항 패턴 및 상부 전극을 포함하되, 상기 MIT 선택 소자는 그의 상부면 및 하부면이 각각 상기 하부 전극 및 상기 하부 도전막 패턴과 접하는 몸체부 및 상기 몸체부의 하부면으로부터 돌출되어 상기 하부 도전막 패턴 내로 삽입되는 돌출부를 포함할 수 있다. According to one embodiment, the first conductive line includes a barrier film pattern and a lower conductive film pattern sequentially laminated on the substrate, and the variable resistor includes a lower electrode, a variable resistor pattern, and an upper electrode sequentially laminated on the MIT selection element, wherein the MIT selection element may include a body portion whose upper surface and lower surface are in contact with the lower electrode and the lower conductive film pattern, respectively, and a protrusion portion that protrudes from the lower surface of the body portion and is inserted into the lower conductive film pattern.
일 실시예에 따르면, 상기 MIT 물질층은 단결정질 또는 다결정질 막일 수 있다.In one embodiment, the MIT material layer can be a single-crystalline or polycrystalline film.
본 발명의 실시예들에 따르면, MIT 선택 소자가 금속 절연체 전이 특성을 갖는 MIT 물질층 및 MIT 물질층 내에 분산된 금속 나노 입자를 포함하도록 구현됨에 따라, 더 작은 전압으로도 같은 양의 전류가 흐를 수 있도록 동작이 가능하고 선행 동작을 기억할 수 있는 메모리 효과를 이전보다 더 오래 유지할 수 있어 스위칭 특성이 더욱 향상될 수 있다.According to embodiments of the present invention, since the MIT selection element is implemented to include an MIT material layer having metal-insulator transition characteristics and metal nanoparticles dispersed within the MIT material layer, it is possible to operate so that the same amount of current can flow even with a smaller voltage, and the memory effect capable of remembering a previous operation can be maintained for a longer period of time than before, so that the switching characteristics can be further improved.
또한, 이와 같이 구현된 MIT 선택 소자는 스위칭 소자의 전압 강하를 최소화 함과 더불어 소자의 문턱 전압값을 감소시켜 스니크전류의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.In addition, the MIT selection element implemented in this manner has the effect of suppressing the occurrence of sneak current by minimizing the voltage drop of the switching element and reducing the threshold voltage value of the element.
나아가, MIT 선택 소자가 하부 도전막 패턴 내로 삽입되는 형태의 돌출부를 구비함에 따라, 접촉 면적의 증대에 따른 접촉 저항의 감소로 인해 전기적 특성이 향상될 수 있다. Furthermore, since the MIT selection element has a protrusion in the form of being inserted into the lower conductive film pattern, the electrical characteristics can be improved due to a decrease in contact resistance resulting from an increase in the contact area.
결과적으로, 스위칭 특성 및 전기적 특성이 향상된 가변 저항 메모리 소자의 제공이 가능할 수 있다.As a result, it may be possible to provide a variable resistance memory device with improved switching characteristics and electrical characteristics.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자를 나타내는 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 I-I'선 및 II-II'선에 따른 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 MIT 선택 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 내지 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다.
도 5b 내지 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2의 II-II' 선에 대응하는 단면도들이다.FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a plan view illustrating a variable resistance memory device having an MIT selection element including dispersed metal nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
Figures 3a and 3b are cross-sectional views taken along lines I-I' and II-II' of Figure 2, respectively.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating an MIT selection device according to embodiments of the present invention.
FIGS. 5A to 11A are cross-sectional views corresponding to line II' of FIG. 2, illustrating a method for manufacturing a variable resistance memory device having an MIT selection element including dispersed metal nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
FIGS. 5b to 11b are cross-sectional views corresponding to line II-II' of FIG. 2, illustrating a method for manufacturing a variable resistance memory device having an MIT selection element including dispersed metal nanoparticles according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention, and the methods for achieving them, will become clearer with reference to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and the present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
본원 명세서에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한, 본원 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In this specification, when it is said that an element is “on” another element, this includes not only cases where the element is in contact with the other element, but also cases where another element exists between the two elements. Also, in this specification, when it is said that a part “includes” a certain element, this does not mean that other elements are excluded, but rather that other elements can be included, unless otherwise specifically stated.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때, 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. The terms “about,” “substantially,” and the like, as used throughout this specification, are used in a meaning that is at or near the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the meanings referred to are presented, and are used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting the disclosure, which contains precise or absolute values to aid understanding of this specification.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다. FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating a variable resistance memory element according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 도전 라인들(CL1), 및 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되는 제2 도전 라인들(CL2)이 제공될 수 있다. 제2 도전 라인들(CL2)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 제1 도전 라인들(CL1)로부터 이격될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2) 사이에 제공될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2)의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 행과 열을 이루며 이차원적으로 배열될 수 있다. 본 실시예에서 하나의 메모리 셀 스택(MCA)을 도시하나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 메모리 셀 스택(MCA)은 복수 개로 제공되어 수직 적층될 수 있다.Referring to FIG. 1, first conductive lines (CL1) extending in a first direction (D1) and second conductive lines (CL2) extending in a second direction (D2) intersecting the first direction (D1) may be provided. The second conductive lines (CL2) may be spaced apart from the first conductive lines (CL1) along a third direction (D3) perpendicular to the first direction (D1) and the second direction (D2). A memory cell stack (MCA) may be provided between the first conductive lines (CL1) and the second conductive lines (CL2). The memory cell stack (MCA) may include memory cells (MC) provided at each of the intersections of the first conductive lines (CL1) and the second conductive lines (CL2). The memory cells (MC) may be arranged two-dimensionally to form rows and columns. Although one memory cell stack (MCA) is illustrated in the present embodiment, embodiments of the present invention are not limited thereto. Memory cell stacks (MCAs) can be provided in multiples and stacked vertically.
메모리 셀들(MC)의 각각은 선택 소자(SW) 및 가변 저항체(VR)를 포함할 수 있다. 선택 소자(SW) 및 가변 저항체(VR)는 이들에 연결되는 한 쌍의 도전 라인들(CL1, CL2) 사이에서 서로 직렬로 연결될 수 있다. Each of the memory cells (MC) may include a selection element (SW) and a variable resistor (VR). The selection element (SW) and the variable resistor (VR) may be connected in series with each other between a pair of conductive lines (CL1, CL2) connected thereto.
일 예로, 메모리 셀들(MC)의 각각에 포함된 선택 소자(SW) 및 가변 저항체(VR)는 대응하는 제1 도전 라인(CL1)과 대응하는 제2 도전 라인(CL2) 사이에서 서로 직렬로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 도전 라인(CL1)은 워드 라인(word line)이고 제2 도전 라인(CL2)은 비트 라인(bit line)이거나, 혹은 그 반대일 수 있다. 또한, 도 1에는 선택 소자(SW) 위에 가변 저항체(VR)가 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 도 1에 도시된 바와 달리, 가변 저항체(VR) 위에 선택 소자(SW)가 제공될 수도 있다.For example, a selection element (SW) and a variable resistor (VR) included in each of the memory cells (MC) may be connected in series with each other between a corresponding first conductive line (CL1) and a corresponding second conductive line (CL2). Here, the first conductive line (CL1) may be a word line and the second conductive line (CL2) may be a bit line, or vice versa. In addition, although FIG. 1 illustrates that the variable resistor (VR) is provided on the selection element (SW), embodiments of the present invention are not limited thereto. Unlike FIG. 1, the selection element (SW) may also be provided on the variable resistor (VR).
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)을 통해 메모리 셀(MC)의 가변 저항체(VR)에 전압이 인가되어 가변 저항체(VR)에 전류가 흐를 수 있으며, 인가되는 전압에 따라 선택된 메모리 셀(MC)의 가변 저항체(VR)의 저항이 변화될 수 있다.Voltage is applied to the variable resistor (VR) of the memory cell (MC) through the first challenge line (CL1) and the second challenge line (CL2), so that current can flow through the variable resistor (VR), and the resistance of the variable resistor (VR) of the selected memory cell (MC) can change depending on the applied voltage.
가변 저항체(VR)의 저항 변화에 따라, 메모리 셀(MC)에서는 "0" 또는 "1"과 같은 디지털 정보를 기억할 수 있게 되며, 메모리 셀(MC)으로부터 디지털 정보를 소거할 수 있게 된다. 예를 들면, 메모리 셀(MC)에서 고저항 상태 "0"과 저저항 상태 "1"로 데이터를 기입할 수 있다. 여기서, 고저항 상태 "0"에서 저저항 상태 "1"로의 기입을 "세트 동작"이라 칭할 수 있고, 저저항 상태 "1"에서 고저항 상태 "0"으로의 기입을 "리셋 동작"이라 칭할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀(MC)은 상기 예시된 고저항 상태 "0" 및 저저항 상태 "1"의 디지털 정보에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 저항 상태들을 저장할 수 있다.According to the change in resistance of the variable resistor (VR), the memory cell (MC) can store digital information such as "0" or "1", and the digital information can be erased from the memory cell (MC). For example, data can be written in the memory cell (MC) in a high resistance state "0" and a low resistance state "1". Here, writing from the high resistance state "0" to the low resistance state "1" can be called a "set operation", and writing from the low resistance state "1" to the high resistance state "0" can be called a "reset operation". However, the memory cell (MC) according to the embodiments of the present invention is not limited to the digital information of the high resistance state "0" and the low resistance state "1" exemplified above, and can store various resistance states.
일 예로, 가변 저항체(VR)는 전이 금속 산화물층을 포함할 수 있으며, 이 경우 프로그램 동작에 의하여 적어도 하나의 전기적 통로가 가변 저항체(VR) 내에 생성되거나 소멸될 수 있다. 상기 전기적 통로가 생성된 경우에 가변 저항체(VR)은 낮은 저항값을 가질 수 있으며, 상기 전기적 통로가 소멸된 경우에 가변 저항체(VR)는 높은 저항 값을 가질 수 있다. 이러한 가변 저항체(VR)의 저항 값 차이를 이용하여 가변 저항 메모리 소자는 데이터를 저장할 수 있다. For example, the variable resistor (VR) may include a transition metal oxide layer, in which case at least one electrical path may be created or destroyed within the variable resistor (VR) by a program operation. When the electrical path is created, the variable resistor (VR) may have a low resistance value, and when the electrical path is destroyed, the variable resistor (VR) may have a high resistance value. By utilizing the difference in resistance value of the variable resistor (VR), the variable resistance memory element may store data.
다른 예로, 가변 저항체(VR)는 제1 상태와 제2 상태 간에 가역적으로 천이할 수 있는 상변화 물질층을 포함할 수 있다. 그러나, 가변 저항체(VR)는 이에 한정되는 것은 아니며, 인가된 전압에 따라 저항값이 달라지는 가변 저항체라면 어떠한 것도 포함할 수 있다. As another example, the variable resistor (VR) may include a phase change material layer that can reversibly transition between a first state and a second state. However, the variable resistor (VR) is not limited thereto, and may include any variable resistor whose resistance value changes depending on an applied voltage.
선택 소자(SW)는 비선형적(예를 들어, S자형) I-V 커브를 갖는 문턱(threshold) 스위칭 현상에 기초한 소자일 수 있다. 일 예로, 선택 소자(SW)는 금속 절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT) 현상을 이용한 문턱 스위칭 선택 소자(이하, MIT 선택 소자로 혼용하여 지칭될 수 있다)일 수 있다. 상기 금속 절연체 전이(MIT) 현상은 특정 온도 이상에는 금속 특성을 보이고, 특정 온도 이하에서는 절연 특성을 보이는 현상을 지칭한다.The selection element (SW) may be a device based on a threshold switching phenomenon having a nonlinear (e.g., S-shaped) I-V curve. For example, the selection element (SW) may be a threshold switching selection element (hereinafter, may be referred to interchangeably as an MIT selection element) utilizing a metal-insulator transition (MIT) phenomenon. The metal-insulator transition (MIT) phenomenon refers to a phenomenon in which metallic properties are exhibited above a specific temperature and insulating properties are exhibited below a specific temperature.
본 발명의 실시예들에 따르면, 선택 소자(SW)는 금속 절연체 전이(MIT) 특성을 갖는 물질로 형성된 MIT 물질층(ML)과 MIT 물질층(ML) 내에 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 자세히 설명한다.According to embodiments of the present invention, the selection element (SW) may include a metal-insulator transition (MIT) material layer (ML) formed of a material having MIT characteristics and metal nanoparticles (MP) dispersed within the MIT material layer (ML). This will be described in detail later.
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)의 선택에 의해 임의의 메모리 셀(MC)이 어드레싱될 수 있으며, 제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2) 사이에 소정의 신호를 인가하여, 메모리 셀(MC)을 프로그래밍하고, 제1 도전 라인(CL1)을 통하여 전류 값을 측정함으로써 해당 메모리 셀(MC)을 구성하는 가변 저항체의 저항값에 따른 정보가 판독될 수 있다.Any memory cell (MC) can be addressed by selecting a first challenge line (CL1) and a second challenge line (CL2), and by applying a predetermined signal between the first challenge line (CL1) and the second challenge line (CL2), the memory cell (MC) is programmed, and by measuring a current value through the first challenge line (CL1), information according to the resistance value of a variable resistor constituting the corresponding memory cell (MC) can be read.
이하 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자를 설명한다. Referring to FIGS. 2, 3a, 3b, and 4 below, a variable resistance memory device having an MIT selection element including dispersed metal nanoparticles (MPs) according to one embodiment of the present invention is described.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자를 나타내는 평면도이다. 도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 I-I'선 및 II-II'선에 따른 단면도들이다. 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 MIT 선택 소자를 설명하기 위한 단면도이다.FIG. 2 is a plan view showing a variable resistance memory device having an MIT selection device including dispersed metal nanoparticles according to one embodiment of the present invention. FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views taken along lines I-I' and II-II' of FIG. 2, respectively. FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining an MIT selection device according to embodiments of the present invention.
도 2, 도 3a, 및 도 3b를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 도전 라인들(115) 및 제2 도전 라인들(190)이 차례로 제공될 수 있다. 제1 도전 라인들(115)은 기판(100)의 상면에 실질적으로 평행한 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있고, 기판(100)의 상면에 실질적으로 평행하고 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 서로 이격될 수 있다. 제2 도전 라인들(190)은 제2 방향(D2)으로 연장되고 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 제1 도전 라인들(115) 및 제2 도전 라인들(190)은 기판(100)의 상면에 수직한 제3 방향(D3)으로 서로 이격될 수 있다. Referring to FIGS. 2, 3A, and 3B, first conductive lines (115) and second conductive lines (190) may be sequentially provided on a substrate (100). The first conductive lines (115) may extend in a first direction (D1) substantially parallel to a top surface of the substrate (100) and may be spaced apart from each other in a second direction (D2) substantially parallel to the top surface of the substrate (100) and intersecting the first direction (D1). The second conductive lines (190) may extend in the second direction (D2) and be spaced apart from each other in the first direction (D1). The first conductive lines (115) and the second conductive lines (190) may be spaced apart from each other in a third direction (D3) perpendicular to the top surface of the substrate (100).
기판(100)은 Si 기판, Ge 기판, Si-Ge 기판, 실리콘-온-인슐레이터(Silicon-on-Insulator: SOI) 기판, 게르마늄-온-인슐레이터(Germanium-On-Insulator: GOI) 기판 등과 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 기판(100)은 InP, GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 III-V족 화합물을 포함할 수도 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 기판(100) 상부에 p형 또는 n형 불순물을 주입하여 웰(well)을 형성할 수도 있다.The substrate (100) may include a semiconductor substrate, such as a Si substrate, a Ge substrate, a Si-Ge substrate, a Silicon-on-Insulator (SOI) substrate, a Germanium-On-Insulator (GOI) substrate, etc. The substrate (100) may also include a III-V group compound, such as InP, GaP, GaAs, GaSb, etc. Meanwhile, although not shown, a p-type or n-type impurity may be injected into the upper portion of the substrate (100) to form a well.
제1 도전 라인들(115)의 각각은 기판(100) 상에 차례로 적층된 배리어막 패턴(104) 및 하부 도전막 패턴(114)을 포함할 수 있다. 배리어막 패턴(104) 및 하부 도전막 패턴(114)의 각각은 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등과 같은 금속, 혹은 이들의 금속 질화물을 포함할 수 있다. Each of the first challenge lines (115) may include a barrier film pattern (104) and a lower conductive film pattern (114) sequentially laminated on a substrate (100). Each of the barrier film pattern (104) and the lower conductive film pattern (114) may include a metal such as tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), or a metal nitride thereof.
일 실시예에 있어서, 배리어막 패턴(104) 및 하부 도전막 패턴(114)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 배리어막 패턴(104)은 티타늄 질화물(TiN)을 포함할 수 있으며, 하부 도전막 패턴(114)은 텅스텐(W)을 포함할104 수 있다. 배리어막 패턴(104)은 하부 도전막 패턴(114)의 금속 성분이 아래로 확산되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 하부 도전막 패턴(114)과 그 아래 구조물 사이의 접착력을 증대시킬 수 있다. In one embodiment, the barrier film pattern (104) and the lower conductive film pattern (114) may include different materials. For example, the barrier film pattern (104) may include titanium nitride (TiN), and the lower conductive film pattern (114) may include tungsten (W). The barrier film pattern (104) may prevent a metal component of the lower conductive film pattern (114) from diffusing downward, and may also increase adhesion between the lower conductive film pattern (114) and a structure below it.
제2 도전 라인들의 각각(190)은 예를 들어, 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등과 같은 금속, 혹은 이들의 금속 질화물을 포함할 수 있다.Each of the second challenge lines (190) may include a metal, such as tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), or a metal nitride thereof.
제2 도전 라인(190)은 배리어막 패턴(도시되지 않음)을 더 포함할 수도 있다. 제2 도전 라인(190)은 하부 도전막 패턴(114)과 실질적으로 서로 동일하거나, 혹은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 도전 구조물(252)은 텅스텐(W)을 포함할 수 있다.The second challenge line (190) may further include a barrier film pattern (not shown). The second challenge line (190) may include a material that is substantially the same as or different from the lower challenge film pattern (114). As an example, the second challenge structure (252) may include tungsten (W).
도시하지는 않았지만, 기판(100) 상에 절연막(미도시)이 개재될 수 있다. 이 경우, 제1 도전 라인(102)은 상기 절연막 상에 형성될 수 있다. 또한, 기판(100) 상에는 트랜지스터, 콘택, 배선 등을 포함하는 주변 회로(도시되지 않음)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 주변 회로를 적어도 부분적으로 덮는 하부 절연막(도시안됨)이 기판(100) 상에 형성될 수 있다.Although not illustrated, an insulating film (not illustrated) may be interposed on the substrate (100). In this case, the first conductive line (102) may be formed on the insulating film. In addition, a peripheral circuit (not illustrated) including a transistor, a contact, a wiring, etc. may be formed on the substrate (100). In addition, a lower insulating film (not illustrated) that at least partially covers the peripheral circuit may be formed on the substrate (100).
메모리 셀들(MC)이 제1 도전 라인들(115) 및 제2 도전 라인들(190) 사이에 배치될 수 있고, 제1 도전 라인들(115)과 제2 도전 라인들(190)의 교차점들에 각각 위치할 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 이차원적으로 배열될 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 하나의 메모리 셀 스택(MCA)을 구성할 수 있다. 설명의 편의를 위해 하나의 메모리 셀 스택(MCA)만이 도시되었으나, 복수의 메모리 셀 스택들(MCA)이 기판(100) 상에 제3 방향(D3)을 따라 적층될 수 있다. 이 경우, 제1 도전 라인들(115), 제2 도전 라인들(190), 및 메모리 셀들(MC)에 상응하는 구조들이 기판(100) 상에 반복적으로 적층될 수 있다.Memory cells (MC) may be arranged between first conductive lines (115) and second conductive lines (190), and may be located at intersections of the first conductive lines (115) and second conductive lines (190), respectively. The memory cells (MC) may be two-dimensionally arranged along a first direction (D1) and a second direction (D2). The memory cells (MC) may form one memory cell stack (MCA). For convenience of explanation, only one memory cell stack (MCA) is illustrated, but a plurality of memory cell stacks (MCAs) may be stacked on a substrate (100) along a third direction (D3). In this case, structures corresponding to the first conductive lines (115), the second conductive lines (190), and the memory cells (MC) may be repeatedly stacked on the substrate (100).
메모리 셀들(MC)의 각각은 제1 도전 라인(115) 상에 차례로 적층된 MIT 선택 소자(124) 및 가변 저항체(180)를 포함할 수 있다.Each of the memory cells (MC) may include an MIT selection element (124) and a variable resistor (180) sequentially stacked on a first challenge line (115).
MIT 선택 소자(124)는 비선형적(예를 들어, S자형) I-V 커브를 갖는 문턱(threshold) 스위칭 현상에 기초한 소자로서, 금속 절연체 전이(Metal-Insulator Transition: MIT) 현상을 이용한 문턱 스위칭 선택 소자일 수 있다. 본 발명의 개념에 따르면, MIT 선택 소자(124)는 도 4에 도시된 바와 같이, 금속 절연체 전이(MIT) 특성을 갖는 MIT 물질층(ML) 및 MIT 물질층(ML) 내에 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함할 수 있다.The MIT selection element (124) is a device based on a threshold switching phenomenon having a nonlinear (e.g., S-shaped) I-V curve, and may be a threshold switching selection element utilizing a metal-insulator transition (MIT) phenomenon. According to the concept of the present invention, the MIT selection element (124) may include an MIT material layer (ML) having a metal-insulator transition (MIT) characteristic and metal nanoparticles (MP) dispersed within the MIT material layer (ML), as illustrated in FIG. 4.
예컨대, MIT 물질층(ML)은 VO, VO2, V2O3, 또는 V2O5와 같은 바나듐 산화물을 포함할 수 있다. MIT 물질층(ML)은 문턱 전압보다 낮은 전압을 인가 받을 때 절연체와 같은 고저항을 갖지만, 상기 문턱 전압보다 큰 전압을 인가 받으면 금속과 같은 저저항을 갖는다. 이러한 MIT 반도체 특성을 갖는 MIT 물질층(ML)은 반도체층 없이 전류가 흐를 수 있기 때문에 소자의 크기를 줄일 수 있어(10nm 이하의 크기도 가능) 고집적화된 소자 형성이 가능하다. 또한, MIT 물질층(ML)은 단결정질 또는 다결정질 막일 수 있다. MIT 물질층(ML)이 단결정질 또는 다결정질 막인 경우에도 소자 수율이 우수하고 대면적에서도 균일한 특성을 나타낼 수 있다.For example, the MIT material layer (ML) may include vanadium oxide such as VO, VO 2 , V 2 O 3 , or V 2 O 5 . The MIT material layer (ML) has high resistance like an insulator when a voltage lower than a threshold voltage is applied, but has low resistance like a metal when a voltage higher than the threshold voltage is applied. The MIT material layer (ML) having such MIT semiconductor properties can reduce the size of the device (even a size of 10 nm or less is possible) because current can flow without a semiconductor layer, thereby enabling formation of a highly integrated device. In addition, the MIT material layer (ML) may be a single-crystalline or polycrystalline film. Even when the MIT material layer (ML) is a single-crystalline or polycrystalline film, the device yield is excellent and uniform characteristics can be exhibited even over a large area.
금속 절연체 전이 특성을 갖는 MIT 물질층(ML) 내에 금속 나노 입자(MP)가 분산되면, 더 작은 전압으로도 같은 양의 전류가 흐를 수 있도록 동작이 가능하고 선행 동작을 기억할 수 있는 메모리 효과를 이전보다 더 오래 유지할 수 있어 스위칭 특성이 더욱 향상될 수 있다. 예컨대, 금속 나노 입자(MP)는 백금(Pt)을 포함할 수 있다.When metal nanoparticles (MP) are dispersed within an MIT material layer (ML) having metal-insulator transition properties, the switching characteristics can be further improved because the same amount of current can flow even with a smaller voltage and the memory effect that can remember previous operations can be maintained for a longer period of time than before. For example, the metal nanoparticles (MP) can include platinum (Pt).
이처럼, 금속 절연체 전이(MIT) 특성을 갖는 MIT 물질층(ML) 및 MIT 물질층(ML) 내에 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함하도록 구현된 MIT 선택 소자(124)는 스위칭 소자의 전압 강하를 최소화 함과 더불어 소자의 문턱 전압값을 감소시켜 스니크전류의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.In this way, the MIT selection element (124) implemented to include an MIT material layer (ML) having metal-insulator transition (MIT) characteristics and metal nanoparticles (MP) dispersed within the MIT material layer (ML) has the effect of minimizing the voltage drop of the switching element and reducing the threshold voltage value of the element, thereby suppressing the occurrence of sneak current.
일 실시예에 따르면, MIT 선택 소자(124)는 그의 상부면 및 하부면이 각각 가변 저항체(180)의 하부 전극(134) 및 제1 도전 라인(115)의 하부 도전막 패턴(114)과 접하는 몸체부(124a) 및 몸체부(124a)의 하부면으로부터 돌출되어 하부 도전막 패턴(114) 내로 삽입되는 돌출부(124b)를 포함할 수 있다. MIT 선택 소자(124)가 하부 도전막 패턴(114) 내로 삽입되는 형태의 돌출부(124b)를 구비함에 따라 제1 도전 라인(115)과의 접촉 면적이 증가되고, 이에 따라 접촉 저항이 감소될 수 있다. 그 결과, 접촉 저항으로 인한 메모리 셀(MC)에 인가된 전압의 감소 및 메모리 셀(MC)을 통해 흐르는 전류의 감소가 방지될 수 있다.According to one embodiment, the MIT selection element (124) may include a body portion (124a) whose upper and lower surfaces are in contact with the lower electrode (134) of the variable resistor (180) and the lower conductive film pattern (114) of the first conductive line (115), respectively, and a protrusion (124b) that protrudes from the lower surface of the body portion (124a) and is inserted into the lower conductive film pattern (114). Since the MIT selection element (124) has the protrusion (124b) that is inserted into the lower conductive film pattern (114), a contact area with the first conductive line (115) increases, and thus, contact resistance may be reduced. As a result, a decrease in a voltage applied to the memory cell (MC) due to contact resistance and a decrease in a current flowing through the memory cell (MC) may be prevented.
가변 저항체(180)는 MIT 선택 소자(124) 상에 차례로 적층된 하부 전극(134), 가변 저항 패턴(144) 및 상부 전극(154)을 포함할 수 있다. The variable resistor (180) may include a lower electrode (134), a variable resistor pattern (144), and an upper electrode (154) sequentially stacked on an MIT selection element (124).
하부 전극(134) 및 상부 전극(154)의 각각은 티타늄 질화물(TiNx), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiNx), 텅스텐 질화물(WNx), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiNx), 탄탈륨 질화물(TaNx), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiNx), 지르코늄 질화물(ZrNx), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiNx) 등과 같은 금속 질화물 또는 금속 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하부 및 상부 전극들(134, 154)은 제1 및 제2 도전 라인들(105, 190)과 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 하부 및 상부 전극들(134, 154)은 제1 및 제2 도전 라인들(105, 190)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수도 있다. Each of the lower electrode (134) and the upper electrode (154) may include a metal nitride or a metal silicon nitride, such as titanium nitride (TiNx), titanium silicon nitride (TiSiNx), tungsten nitride (WNx), tungsten silicon nitride (WSiNx), tantalum nitride (TaNx), tantalum silicon nitride (TaSiNx), zirconium nitride (ZrNx), zirconium silicon nitride (ZrSiNx), and the like. In one embodiment, the lower and upper electrodes (134, 154) may include a different material from the first and second conductive lines (105, 190). Alternatively, the lower and upper electrodes (134, 154) may include substantially the same material as the first and second conductive lines (105, 190).
일 실시예에 따르면, 가변 저항 패턴(144)은 산소 베이컨시(oxygen vacancy) 혹은 산소 이동에 의해 전기 저항이 변화하는 물질을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 가변 저항 메모리 장치는 저항 변화 메모리(Resistive Random Access Memory: ReRAM) 장치일 수 있다.According to one embodiment, the variable resistance pattern (144) may include a material whose electrical resistance changes due to oxygen vacancy or oxygen movement, and thus, the variable resistance memory device may be a resistive random access memory (ReRAM) device.
일 예로, 가변 저항 패턴(144)은 페로브스카이트(perovskite) 계열의 물질 또는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 페로브스카이트 계열 물질의 예로서, STO(SrTiO3), BTO(BaTiO3), PCMO(Pr1-XCaXMnO3) 등을 들 수 있다. 상기 전이 금속 산화물의 예로서, 티타늄 산화물(TiOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 하프늄 산화물(HfOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 니오븀 산화물(NbOx), 코발트 산화물(CoOx), 텅스텐 산화물(WOx), 란탄 산화물(LaOx), 아연 산화물(ZnOx) 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.For example, the variable resistance pattern (144) may include a perovskite series material or a transition metal oxide. Examples of the perovskite series material include STO (SrTiO3), BTO (BaTiO3), PCMO (Pr1-XCaXMnO3), etc. Examples of the transition metal oxide include titanium oxide (TiOx), zirconium oxide (ZrOx), aluminum oxide (AlOx), hafnium oxide (HfOx), tantalum oxide (TaOx), niobium oxide (NbOx), cobalt oxide (CoOx), tungsten oxide (WOx), lanthanum oxide (LaOx), zinc oxide (ZnOx), etc. These may be used alone or in combination of two or more.
가변 저항 패턴(144)은 상술한 물질을 포함하는 단일 막 구조를 갖거나, 혹은 복수 개의 막이 적층된 복합막 구조를 가질 수 있다.The variable resistance pattern (144) may have a single film structure including the material described above, or a composite film structure in which multiple films are laminated.
다른 실시예에 따르면, 가변 저항 패턴(144)은 상변화에 따라 저항이 변하는 물질을 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 가변 저항 메모리 장치는 상변화 메모리(Phase Change Random Access Memory: PRAM) 장치일 수 있다. 예를 들어, 가변 저항 패턴(144)은 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및/또는 텔루륨(Te)이 소정의 비율로 조합된 칼코게나이드(chalcogenide) 계열의 물질을 포함할 수 있다.According to another embodiment, the variable resistance pattern (144) may include a material whose resistance changes according to a phase change, and thus the variable resistance memory device may be a phase change random access memory (PRAM) device. For example, the variable resistance pattern (144) may include a chalcogenide series material in which germanium (Ge), antimony (Sb), and/or tellurium (Te) are combined in a predetermined ratio.
순차적으로 적층된 MIT 선택 소자(124), 하부 전극(134), 가변 저항 패턴(144), 및 상부 전극(154)의 적층 구조물은 그에 연결되는 한 쌍의 도전 라인들(102, 190) 사이에서 직렬로 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 도전 라인들(115, 190), MIT 선택 소자(124) 및 가변 저항체(180)는 각각 도 1의 제1 및 제2 도전 라인들(CL1, CL2), 선택 소자(SW) 및 가변 저항체(VR)에 대응될 수 있다.The laminated structure of the sequentially stacked MIT selection element (124), the lower electrode (134), the variable resistance pattern (144), and the upper electrode (154) can be connected in series between a pair of conductive lines (102, 190) connected thereto. In the present embodiment, the first and second conductive lines (115, 190), the MIT selection element (124), and the variable resistor (180) can correspond to the first and second conductive lines (CL1, CL2), the selection element (SW), and the variable resistor (VR) of FIG. 1, respectively.
제1 도전 라인(115) 및 메모리 셀(MC)의 제2 방향(D2)의 외측벽들 사이에 제1 몰드 패턴(162)이 아일랜드 형태로 구비되고, 메모리 셀(MC)의 제1 방향(D1)의 외측벽들 사이에 라인 형태의 제2 몰드 패턴(170)이 구비될 수 있다. 제1 몰드 패턴(162) 및 제2 몰드 패턴(170)의 각각은 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A first mold pattern (162) may be provided in an island shape between the first challenge line (115) and the outer walls of the second direction (D2) of the memory cell (MC), and a second mold pattern (170) in a line shape may be provided between the outer walls of the first direction (D1) of the memory cell (MC). Each of the first mold pattern (162) and the second mold pattern (170) may include silicon oxide and/or silicon nitride.
이상에서 설명한 것과 같이, 제1 도전 라인(115) 및 제2 도전 라인(190)의 크로스 포인트에 가변 저항 메모리 셀들(MC)이 구비되는 가변 저항 메모리 소자를 제공할 수 있다.As described above, a variable resistance memory element can be provided in which variable resistance memory cells (MC) are provided at the cross points of a first challenge line (115) and a second challenge line (190).
도 5a 내지 도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2의 I-I' 선에 대응하는 단면도들이다. 도 5b 내지 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산된 금속 나노 입자를 포함하는 MIT 선택 소자를 구비한 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들로, 도 2의 II-II' 선에 대응하는 단면도들이다. 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하여 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대하여는 동일한 참조 번호가 제공될 수 있으며, 중복되는 설명은 생략될 수 있다.FIGS. 5A to 11A are drawings for explaining a method for manufacturing a variable resistance memory device having an MIT selection device including dispersed metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention, and are cross-sectional views corresponding to the line I-I' of FIG. 2. FIGS. 5B to 11B are drawings for explaining a method for manufacturing a variable resistance memory device having an MIT selection device including dispersed metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention, and are cross-sectional views corresponding to the line II-II' of FIG. 2 For components substantially the same as those described with reference to FIGS. 2, 3A, 3B, and 4, the same reference numerals may be provided, and redundant descriptions may be omitted.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 기판(100) 상에 배리어막(102) 및 하부 도전막(112)이 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 5a and 5b, a barrier film (102) and a lower conductive film (112) can be formed on a substrate (100).
배리어막(102) 및 하부 도전막(112)은 예컨대, 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등과 같은 금속, 혹은 이들의 금속 질화물로 형성될 수 있다. 일 예로, 배리어막(102)은 티타늄 질화물(TiN)로 형성되고, 하부 도전막(112)은 텅스텐(W)으로 형성될 수 있다. The barrier film (102) and the lower conductive film (112) may be formed of a metal, such as tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), or a metal nitride thereof. For example, the barrier film (102) may be formed of titanium nitride (TiN), and the lower conductive film (112) may be formed of tungsten (W).
배리어막(102) 및 하부 도전막(112)의 각각은 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition: PVD) 공정, 스퍼터링(sputtering) 공정 또는 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정을 통해 형성될 수 있다.Each of the barrier film (102) and the lower conductive film (112) can be formed through a physical vapor deposition (PVD) process, a sputtering process, or a chemical vapor deposition (CVD) process.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 하부 도전막(112)의 상부에 삽입홈들(112h)이 형성될 수 있다. 예컨대, 삽입홈들(112h)은 하부 도전막(112) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 이를 식각 마스크로 하는 식각 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 삽입홈들(112h)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)으로 서로 이격되어 복수의 행과 열을 이루도록 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 6A and 6B, insertion grooves (112h) may be formed on the upper portion of the lower conductive film (112). For example, the insertion grooves (112h) may be formed by forming a mask pattern (not shown) on the lower conductive film (112) and performing an etching process using the mask pattern as an etching mask. The insertion grooves (112h) may be formed to be spaced apart from each other in the first direction (D1) and the second direction (D2) and to form a plurality of rows and columns.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 삽입홈들(112h)이 형성된 하부 도전막(112) 상에 MIT 선택 소자막(120)이 형성될 수 있다. MIT 선택 소자막(120)은 삽입홈들(112h)을 채우며 하부 도전막(112)의 상부면을 전부 덮도록 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 7a and 7b, an MIT selection element film (120) may be formed on a lower conductive film (112) in which insertion grooves (112h) are formed. The MIT selection element film (120) may be formed to fill the insertion grooves (112h) and cover the entire upper surface of the lower conductive film (112).
본 발명의 실시예들에 따르면, MIT 선택 소자막(120)은 도 4에 도시된 바와 같이 MIT 물질층(ML) 및 MIT 물질층(ML) 내에 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함할 수 있다. 본 발명에서, MIT 물질층(ML)은 VO, VO2, V2O3, 또는 V2O5와 같은 바나듐 산화물로 형성될 수 있으며, 금속 나노 입자(MP)는 백금(Pt)을 포함할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the MIT selection element film (120) may include an MIT material layer (ML) and metal nanoparticles (MP) dispersed within the MIT material layer (ML), as illustrated in FIG. 4. In the present invention, the MIT material layer (ML) may be formed of vanadium oxide, such as VO, VO 2 , V 2 O 3 , or V 2 O 5 , and the metal nanoparticles (MP) may include platinum (Pt).
MIT 물질층(ML)은 예컨대, 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 등과 같은 물리기상증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy), 또는 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 사용하여 형성할 수 있다. The MIT material layer (ML) can be formed using, for example, a physical vapor deposition (PVD) method such as sputtering, pulsed laser deposition (PLD), thermal evaporation, electron-beam evaporation, molecular beam epitaxy (MBE), or chemical vapor deposition (CVD).
금속 나노 입자(MP)는 MIT 물질층(ML)의 형성 동안 인 시튜(in-situ)로 MIT 물질층(ML) 내에 분산되도록 형성되거나, 별도의 공정을 통해 MIT 물질층(ML) 내에 분산되도록 형성될 수 있다. 일 예로, MIT 물질층(ML) 및 금속 나노 입자(MP)는 각각에 상응하는 타겟 물질을 이용한 다중 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. 다른 예로, 하부 도전막(112) 상에 스퍼터링 공정을 이용하여 금속 나노 입자(MP)를 아일랜드 형태로 형성시키고, 금속 나노 입자(MP)가 형성된 하부 도전막(112) 상에 스퍼터링(Sputtering), 펄스레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 증발법(Thermal Evaporation), 전자빔 증발법(Electron-beam Evaporation) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 MIT 물질층(ML)을 형성할 수 있다.The metal nanoparticles (MP) may be formed to be dispersed in the MIT material layer (ML) in-situ during the formation of the MIT material layer (ML), or may be formed to be dispersed in the MIT material layer (ML) through a separate process. For example, the MIT material layer (ML) and the metal nanoparticles (MP) may be formed through a multiple sputtering process using their respective target materials. As another example, the metal nanoparticles (MP) may be formed in an island shape on the lower conductive film (112) using a sputtering process, and the MIT material layer (ML) may be formed on the lower conductive film (112) on which the metal nanoparticles (MP) are formed using sputtering, pulsed laser deposition (PLD), thermal evaporation, electron-beam evaporation, or molecular beam epitaxy (MBE).
도 8a 및 도 8b를 참조하면, MIT 선택 소자막(120)이 형성된 기판(100) 상에 열처리 공정이 수행될 수 있다. Referring to FIGS. 8a and 8b, a heat treatment process can be performed on a substrate (100) on which an MIT selection element film (120) is formed.
열처리 공정에 의해 MIT 물질층(ML)이 결정화될 수 있으며, MIT 물질층(ML)의 결정화에 따라 선택 소자의 문턱 스위칭 동작을 위한 포밍 전압이 낮아질 수 있다. 예컨대, 열처리 공정은 RTP(rapid thermal process)를 이용하여 500 내지 700℃의 온도 범위 내에서 일정 시간 동안 진공(vacuum) 및 질소(N2) 분위기에서 수행될 수 있다. 열처리의 온도가 500 ℃ 이하인 경우, MIT 물질층(ML)의 결정화가 발생되지 않을 수 있고, 열처리의 온도가 700 ℃ 이상인 경우 안정화된 결정상이 다른 결정상으로 변경되거나 파괴되어, 금속 절연체 전이 특성이 저하되거나 문턱 스위칭 동작이 나타나지 않게 될 수 있다. The MIT material layer (ML) may be crystallized by the heat treatment process, and the forming voltage for the threshold switching operation of the selection element may be lowered according to the crystallization of the MIT material layer (ML). For example, the heat treatment process may be performed in a vacuum and nitrogen (N2) atmosphere within a temperature range of 500 to 700°C for a predetermined period of time using a rapid thermal process (RTP). When the temperature of the heat treatment is 500°C or lower, crystallization of the MIT material layer (ML) may not occur, and when the temperature of the heat treatment is 700°C or higher, a stabilized crystal phase may be changed into another crystal phase or destroyed, so that the metal-insulator transition characteristics may deteriorate or the threshold switching operation may not occur.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 열처리 공정이 수행된 MIT 선택 소자막(121) 상에 하부 전극막(130), 가변 저항막(140) 및 상부 전극막(150)이 차례로 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 9a and 9b, a lower electrode film (130), a variable resistance film (140), and an upper electrode film (150) can be sequentially formed on an MIT selection element film (121) on which a heat treatment process has been performed.
하부 전극막(130) 및 상부 전극막(150)의 각각은 티타늄 질화물(TiNx), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiNx), 텅스텐 질화물(WNx), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiNx), 탄탈륨 질화물(TaNx), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiNx), 지르코늄 질화물(ZrNx), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiNx) 등과 같은 금속 질화물 또는 금속 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.Each of the lower electrode film (130) and the upper electrode film (150) may be formed of a metal nitride or a metal silicon nitride, such as titanium nitride (TiNx), titanium silicon nitride (TiSiNx), tungsten nitride (WNx), tungsten silicon nitride (WSiNx), tantalum nitride (TaNx), tantalum silicon nitride (TaSiNx), zirconium nitride (ZrNx), zirconium silicon nitride (ZrSiNx), etc.
일 실시예에 있어서, 가변 저항막(140)은 산소 베이컨시(oxygen vacancy) 혹은 산소 이동에 의해 전기 저항이 변화하는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 가변 저항 메모리 장치는 저항 변화 메모리(Resistive Random Access Memory: ReRAM) 장치일 수 있다. 일 예로, 가변 저항막(140)은 페로브스카이트(perovskite) 계열의 물질 또는 전이 금속 산화물로 형성될 수 있다. 상기 페로브스카이트 계열 물질의 예로서, STO(SrTiO3), BTO(BaTiO3), PCMO(Pr1-XCaXMnO3) 등을 들 수 있다. 상기 전이 금속 산화물의 예로서, 티타늄 산화물(TiOx), 지르코늄 산화물(ZrOx), 알루미늄 산화물(AlOx), 하프늄 산화물(HfOx), 탄탈륨 산화물(TaOx), 니오븀 산화물(NbOx), 코발트 산화물(CoOx), 텅스텐 산화물(WOx), 란탄 산화물(LaOx), 아연 산화물(ZnOx) 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 혹은 2 이상이 조합되어 사용될 수 있다.In one embodiment, the variable resistance film (140) may be formed of a material whose electrical resistance changes by oxygen vacancy or oxygen movement, and thus the variable resistance memory device may be a resistive random access memory (ReRAM) device. For example, the variable resistance film (140) may be formed of a perovskite series material or a transition metal oxide. Examples of the perovskite series material include STO (SrTiO3), BTO (BaTiO3), PCMO (Pr1-XCaXMnO3), and the like. Examples of the above transition metal oxides include titanium oxide (TiOx), zirconium oxide (ZrOx), aluminum oxide (AlOx), hafnium oxide (HfOx), tantalum oxide (TaOx), niobium oxide (NbOx), cobalt oxide (CoOx), tungsten oxide (WOx), lanthanum oxide (LaOx), zinc oxide (ZnOx), etc. These may be used alone or in combination of two or more.
다른 실시예에 있어서, 가변 저항막(140)은 상변화에 따라 저항이 변하는 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 가변 저항 메모리 장치는 상변화 메모리(Phase Change Random Access Memory: PRAM) 장치일 수 있다. 예를 들어, 가변 저항 패턴(144)은 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및/또는 텔루륨(Te)이 소정의 비율로 조합된 칼코게나이드(chalcogenide) 계열의 물질을 포함할 수 있다.In another embodiment, the variable resistance film (140) may be formed of a material whose resistance changes according to a phase change, and thus the variable resistance memory device may be a phase change random access memory (PRAM) device. For example, the variable resistance pattern (144) may include a chalcogenide series material in which germanium (Ge), antimony (Sb), and/or tellurium (Te) are combined in a predetermined ratio.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상부 전극막(150), 가변 저항막(140), 하부 전극막(130), MIT 선택 소자막(121), 하부 도전막(112) 및 배리어막(102)이 패터닝되어, 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 트렌치(T1)가 형성될 수 있다. 상기 패터닝은 상부 전극막(150) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 이방성 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 10A and 10B, the upper electrode film (150), the variable resistance film (140), the lower electrode film (130), the MIT selection element film (121), the lower conductive film (112), and the barrier film (102) may be patterned to form a first trench (T1) extending in the first direction (D1). The patterning may include forming a mask pattern (not shown) on the upper electrode film (150) and performing an anisotropic etching process.
상기 패터닝 결과, 제1 트렌치(T1)의 양 측에는 예비 상부 전극 패턴(152), 예비 가변 저항 패턴(142), 예비 하부 전극 패턴(132), 예비 MIT 선택 소자 패턴(122), 하부 도전막 패턴(114) 및 배리어막 패턴(104)이 포함되는 예비 셀 구조물들이 형성될 수 있다. 상기 예비 셀 구조물들은 제1 방향(D1)으로 연장되는 라인 형상을 가질 수 있다. 상기 예비 셀 구조물들의 배리어막 패턴(104) 및 하부 도전막 패턴(114)은 제1 도전 라인(115)에 해당될 수 있다.As a result of the above patterning, preliminary cell structures including a preliminary upper electrode pattern (152), a preliminary variable resistance pattern (142), a preliminary lower electrode pattern (132), a preliminary MIT selection element pattern (122), a lower conductive film pattern (114), and a barrier film pattern (104) can be formed on both sides of the first trench (T1). The preliminary cell structures can have a line shape extending in the first direction (D1). The barrier film pattern (104) and the lower conductive film pattern (114) of the preliminary cell structures can correspond to the first conductive line (115).
이어서, 제1 트렌치(T1)를 채우는 예비 제1 몰드 패턴(160)이 형성될 수 있다. 예비 제1 몰드 패턴(160)은 제1 트렌치(T1)를 채우며 예비 셀 구조물의 상부면을 덮는 제1 몰드막을 형성한 후 예비 셀 구조물의 상부면이 노출되는 평탄화 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 제1 몰드막은 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 평탄화 공정은 예컨대, 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish: CMP) 공정을 포함할 수 있다.Next, a preliminary first mold pattern (160) filling the first trench (T1) may be formed. The preliminary first mold pattern (160) may be formed by forming a first mold film filling the first trench (T1) and covering an upper surface of the preliminary cell structure, and then performing a planarization process to expose an upper surface of the preliminary cell structure. The first mold film may be formed of silicon oxide and/or silicon nitride. The planarization process may include, for example, a chemical mechanical polish (CMP) process.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 예비 상부 전극 패턴(152), 예비 가변 저항 패턴(142), 예비 하부 전극 패턴(132), 예비 MIT 선택 소자 패턴(122) 및 예비 제1 몰드 패턴(160)이 패터닝 되어 제2 방향(D2)으로 연장되는 제2 트렌치(T2)가 형성될 수 있다. 상기 패터닝은 예비 상부 전극 패턴(152) 및 예비 제1 몰드 패턴(160) 상에 마스크 패턴(미도시)을 형성하고, 이방성 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 상기 패터닝 결과, MIT 선택 소자(124), 하부 전극(134), 가변 저항 패턴(144) 및 상부 전극(154)을 포함하는 셀 구조물들이 제1 도전 라인(115) 상에 형성될 수 있다. 셀 구조물들은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 따라 이격되어 행과 열을 이룰 수 있다. 그리고, 셀 구조물들의 제2 방향(D2)의 외측벽들 사이에는 아일랜드 형태의 제1 몰드 패턴들(162)이 형성될 수 있다. 한편, 제1 방향(D1)으로 제1 몰드 패턴들(162) 사이 및 제2 방향(D2)으로 제1 도전 라인들(115) 사이에는 예비 제1 몰드 패턴(160)의 잔부가 잔존될 수 있다.Referring to FIGS. 11A and 11B, a preliminary upper electrode pattern (152), a preliminary variable resistance pattern (142), a preliminary lower electrode pattern (132), a preliminary MIT selection element pattern (122), and a preliminary first mold pattern (160) may be patterned to form a second trench (T2) extending in a second direction (D2). The patterning may include forming a mask pattern (not shown) on the preliminary upper electrode pattern (152) and the preliminary first mold pattern (160), and performing an anisotropic etching process. As a result of the patterning, cell structures including the MIT selection element (124), the lower electrode (134), the variable resistance pattern (144), and the upper electrode (154) may be formed on the first conductive line (115). The cell structures may be spaced apart from each other along the first direction (D1) and the second direction (D2) to form rows and columns. And, island-shaped first mold patterns (162) may be formed between the outer walls of the cell structures in the second direction (D2). Meanwhile, the remainder of the preliminary first mold pattern (160) may remain between the first mold patterns (162) in the first direction (D1) and between the first conductive lines (115) in the second direction (D2).
다시 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제2 트렌치(T2) 내에 제2 몰드 패턴(170)이 형성될 수 있다. 제2 몰드 패턴(170)은 제2 트렌치(T2)를 채우며 셀 구조물의 상부면을 덮는 제2 몰드막을 형성한 후 셀 구조물의 상부면이 노출되는 평탄화 공정을 수행하여 형성될 수 있다. 제2 몰드막은 실리콘 산화물 및/또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 제2 몰드 패턴(170)은 제2 방향(D2)으로 연장하는 라인 형태를 가질 수 있다.Referring again to FIGS. 3A and 3B , a second mold pattern (170) may be formed within the second trench (T2). The second mold pattern (170) may be formed by forming a second mold film that fills the second trench (T2) and covers an upper surface of the cell structure, and then performing a planarization process to expose the upper surface of the cell structure. The second mold film may be formed of silicon oxide and/or silicon nitride. The second mold pattern (170) may have a line shape extending in the second direction (D2).
이어서, 제2 방향(D2)을 따라 이격 배치되는 상부 전극들(154)과 공통으로 연결되는 제2 도전 라인(190)이 형성될 수 있다. 제2 도전 라인(190)은 제2 몰드 패턴(170)이 형성된 기판(100) 상에 상부 도전막을 형성한 후 이를 패터닝하여 형성될 수 있다. 상부 도전막은 예를 들어, 텅스텐(W), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 등과 같은 금속, 혹은 이들의 금속 질화물을 포함할 수 있다.Next, a second conductive line (190) may be formed that is commonly connected to the upper electrodes (154) spaced apart along the second direction (D2). The second conductive line (190) may be formed by forming an upper conductive film on a substrate (100) on which a second mold pattern (170) is formed and then patterning the same. The upper conductive film may include, for example, a metal such as tungsten (W), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), iridium (Ir), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), or a metal nitride thereof.
전술한 공정들을 수행함으로써 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함하는 MIT 선택 소자(124)를 구비한 가변 저항 메모리 소자가 완성될 수 있다.By performing the above-described processes, a variable resistance memory device having an MIT selection element (124) including dispersed metal nanoparticles (MP) can be completed.
본 발명의 실시예들에 따르면, MIT 선택 소자(124)가 금속 절연체 전이 특성을 갖는 MIT 물질층(ML) 및 MIT 물질층(ML) 내에 분산된 금속 나노 입자(MP)를 포함하도록 구현됨에 따라, 더 작은 전압으로도 같은 양의 전류가 흐를 수 있도록 동작이 가능하고 선행 동작을 기억할 수 있는 메모리 효과를 이전보다 더 오래 유지할 수 있어 스위칭 특성이 더욱 향상될 수 있다.According to embodiments of the present invention, since the MIT selection element (124) is implemented to include an MIT material layer (ML) having metal-insulator transition characteristics and metal nanoparticles (MP) dispersed within the MIT material layer (ML), it is possible to operate so that the same amount of current can flow even with a smaller voltage, and the memory effect capable of remembering a previous operation can be maintained for a longer period of time than before, so that the switching characteristics can be further improved.
또한, 이와 같이 구현된 MIT 선택 소자(124)는 스위칭 소자의 전압 강하를 최소화 함과 더불어 소자의 문턱 전압값을 감소시켜 스니크전류의 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.In addition, the MIT selection element (124) implemented in this manner has the effect of minimizing the voltage drop of the switching element and reducing the threshold voltage value of the element, thereby suppressing the occurrence of sneak current.
나아가, MIT 선택 소자(124)가 하부 도전막 패턴(114) 내로 삽입되는 형태의 돌출부(124b)를 구비함에 따라, 접촉 면적의 증대에 따른 접촉 저항의 감소로 인해 전기적 특성이 향상될 수 있다. Furthermore, since the MIT selection element (124) has a protrusion (124b) that is inserted into the lower conductive film pattern (114), the electrical characteristics can be improved due to a decrease in contact resistance resulting from an increase in the contact area.
결과적으로, 스위칭 특성 및 전기적 특성이 향상된 가변 저항 메모리 소자의 제공이 가능할 수 있다.As a result, it may be possible to provide a variable resistance memory device with improved switching characteristics and electrical characteristics.
이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments and application examples described above are exemplary in all respects and are not limiting.
Claims (3)
상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되는 제2 도전 라인들; 및
상기 제1 도전 라인들과 상기 제2 도전 라인들 사이의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들을 포함하고,
상기 메모리 셀들의 각각은 대응하는 제1 도전 라인과 제2 도전 라인 사이에서 직렬로 연결된 MIT 선택 소자 및 가변 저항체를 포함하고,
상기 MIT 선택 소자는 금속 절연체 전이 특성을 갖는 물질로 형성된 MIT 물질층 및 상기 MIT 물질층 내에 분산된 금속 나노 입자를 포함하되,
상기 MIT 물질층은 VO, VO2, V2O3, 또는 V2O5를 포함하는 바나듐 산화물을 포함하고,
상기 금속 나노 입자는 백금(Pt)을 포함하는 가변 저항 메모리 소자.First challenge lines extending in the first direction;
Second challenge lines extending in a second direction intersecting the first direction; and
Including memory cells provided at each intersection between the first challenge lines and the second challenge lines,
Each of the above memory cells includes an MIT selection element and a variable resistor connected in series between corresponding first and second conductive lines,
The above MIT selection element comprises an MIT material layer formed of a material having metal-insulator transition properties and metal nanoparticles dispersed within the MIT material layer,
The above MIT material layer comprises vanadium oxide including VO, VO 2 , V 2 O 3 , or V 2 O 5 ,
The above metal nanoparticles are a variable resistance memory element containing platinum (Pt).
상기 제1 도전 라인은 기판 상에 차례로 적층된 배리어막 패턴 및 하부 도전막 패턴을 포함하고,
상기 가변 저항체는 상기 MIT 선택 소자 상에 차례로 적층된 하부 전극, 가변 저항 패턴 및 상부 전극을 포함하되,
상기 MIT 선택 소자는 그의 상부면 및 하부면이 각각 상기 하부 전극 및 상기 하부 도전막 패턴과 접하는 몸체부 및 상기 몸체부의 하부면으로부터 돌출되어 상기 하부 도전막 패턴 내로 삽입되는 돌출부를 포함하는 가변 저항 메모리 소자.In the first paragraph,
The above first challenge line includes a barrier film pattern and a lower challenge film pattern sequentially laminated on a substrate,
The above variable resistor comprises a lower electrode, a variable resistor pattern and an upper electrode sequentially stacked on the MIT selection element,
The above MIT selection element is a variable resistance memory element including a body portion whose upper and lower surfaces are in contact with the lower electrode and the lower conductive film pattern, respectively, and a protrusion portion that protrudes from the lower surface of the body portion and is inserted into the lower conductive film pattern.
상기 MIT 물질층은 단결정질 또는 다결정질 막인 가변 저항 메모리 소자.In the second paragraph,
A variable resistance memory element in which the above MIT material layer is a single-crystalline or polycrystalline film.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230101514A KR102700006B1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230101514A KR102700006B1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102700006B1 true KR102700006B1 (en) | 2024-08-27 |
Family
ID=92587554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230101514A Active KR102700006B1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102700006B1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140069663A (en) * | 2012-11-29 | 2014-06-10 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Variable resistance memory device and method for fabricating the same |
| KR20180017850A (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-21 | 삼성전자주식회사 | Variable resistance memory devices and methods of manufacturing the same |
| KR20200028549A (en) * | 2018-09-06 | 2020-03-17 | 삼성전자주식회사 | Variable resistance memory device and method of forming the same |
-
2023
- 2023-08-03 KR KR1020230101514A patent/KR102700006B1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140069663A (en) * | 2012-11-29 | 2014-06-10 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Variable resistance memory device and method for fabricating the same |
| KR20180017850A (en) * | 2016-08-11 | 2018-02-21 | 삼성전자주식회사 | Variable resistance memory devices and methods of manufacturing the same |
| KR20200028549A (en) * | 2018-09-06 | 2020-03-17 | 삼성전자주식회사 | Variable resistance memory device and method of forming the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10522595B2 (en) | Memory devices and methods of manufacturing the same | |
| CN106992196B (en) | Variable resistance memory device | |
| KR101925449B1 (en) | Variable resistance memory device and method for fabricating the same | |
| US9437658B2 (en) | Fully isolated selector for memory device | |
| US7259038B2 (en) | Forming nonvolatile phase change memory cell having a reduced thermal contact area | |
| KR101230874B1 (en) | Nonvolatile memory cell comprising switchable resistor and transistor | |
| JP6230229B2 (en) | Stacked RRAM with integrated transistor selector | |
| US8426837B2 (en) | Resistive memory device and method of manufacturing the same | |
| US8450714B2 (en) | Semiconductor memory device including variable resistance element or phase-change element | |
| US20100208503A1 (en) | Three-dimensional semiconductor structure and method of fabricating the same | |
| CN101685827A (en) | Storage device and manufacturing method thereof | |
| CN111477609B (en) | Variable resistance memory device | |
| CN109786548B (en) | Cross-point array device and manufacturing method thereof | |
| KR101171874B1 (en) | Non-volatile memory device and method of fabricating the same | |
| KR102700006B1 (en) | Resistance variable memory having MIT selection device including distributed metal nanoparticles and method for fabricating the same | |
| CN111009607A (en) | variable resistance memory device | |
| KR102778966B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR102792396B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR102778953B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR102666706B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR20250112594A (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR20250112595A (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR102778962B1 (en) | Resistance variable memory device | |
| KR102659941B1 (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same | |
| KR20250112593A (en) | Resistance variable memory device and method for fabricating the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20230803 |
|
| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20230803 Comment text: Patent Application |
|
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20240617 Patent event code: PE09021S01D |
|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20240822 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20240823 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20240823 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration |