KR100694316B1 - Method for manufacturing reram devices having excellent stabilities of oxide thin films by using the plasma gas treatment - Google Patents
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Abstract
Description
도1은 본 발명에 따른 ReRAM 소자용 산화박막을 플라즈마 가스처리하는 공정단면도로서,1 is a cross-sectional view of a process of plasma gas treating an oxide thin film for a ReRAM device according to the present invention;
도 1a는 준비된 기판의 단면도이고 1A is a cross-sectional view of a prepared substrate
도 1b는 하부전극막이 형성된 기판의 단면도이고, 1B is a cross-sectional view of the substrate on which the lower electrode film is formed;
도 1c는 산화박막이 형성된 단면도이고, 1C is a cross-sectional view in which an oxide thin film is formed,
도 1d는 산화박막의 플라즈마 가스처리공정을 나타내는 단면도이고 1D is a cross-sectional view showing a plasma gas treatment process of an oxide thin film.
도 1e는 상부전극이 형성된 기판의 단면도이다. 1E is a cross-sectional view of a substrate on which an upper electrode is formed.
도 2는 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 특성을 나타내는 그래프로서,2 is a graph illustrating resistance change characteristics of a nonvolatile memory device.
도 2a는 본 발명에 대한 비휘발성 메모리 소자의 저항변화 특성을 나타내는 그래프이고, 2A is a graph illustrating resistance change characteristics of a nonvolatile memory device according to the present invention;
도 2b는 본 발명에 대한 비휘발성 메모리 소자의 세트/리셋 전압 특성을 나타내는 그래프이고, 2B is a graph showing set / reset voltage characteristics of a nonvolatile memory device according to the present invention;
도 2c는 종래의 비휘발성 메모리 소자의 세트/리셋 전압 특성을 나타내 는 그래프이다. 2C is a graph showing set / reset voltage characteristics of a conventional nonvolatile memory device.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11...... 반도체 기판 12...... 하부 전극막11 ......
13...... 산화박막 13´...... 플라즈마 가스처리된 산화박막13 ...... Oxide
14...... 상부 전극막14 ...... Upper Electrode Film
본 발명은 산화박막을 플라즈마 가스처리함으로써 산화박막의 안정화를 개선할 수 있는 ReRAM 소자의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 ReRAM 소자 동작시 산화박막의 안정화에 의한 안정된 세트/리셋 전압으로 소자동작의 안정성을 확보할 수 있는 플라즈마 가스처리에 의한 ReRAM 소자의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a ReRAM device capable of improving the stabilization of an oxide thin film by subjecting the oxide thin film to a plasma gas treatment. More specifically, the present invention relates to a method of manufacturing a ReRAM device by plasma gas treatment, which can ensure the stability of device operation at a stable set / reset voltage due to stabilization of an oxide thin film during operation of the ReRAM device.
현재 세계적으로 ULSI 반도체 메모리기술은 기가-비트(Giga-bit) DRAM의 실현단계에 이르렀고, 2010년경에는 100억 개 정도의 집적도에 이를 것으로 예상되고있다. 이러한 반도체 소자 특성은 SoC(System on Chip)를 기반으로 연결되기 위하여 계속적으로 초고속·고용량화·고집적화·저전력 소비화·고기능화의 특성을 갖는 반도체 소자들의 개발이 절실히 요구되고 있다.Currently, ULSI semiconductor memory technology has reached the stage of realization of Giga-bit DRAM and is expected to reach 10 billion density by 2010. In order to connect these semiconductor device characteristics based on SoC (System on Chip), there is an urgent need for the development of semiconductor devices having characteristics of high speed, high capacity, high integration, low power consumption, and high functionalization.
기존의 비휘발성 메모리인 플래시 메모리나 MRAM 에 비해, PRAM(Phase RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory), PoRAM(Polymer RAM), ReRAM(Resistance RAM) 소자는 10~20ns 정도로 고속 동작이 가능하며, 저 전압 동작도 가능하다. 따라서, 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 PRAM, NFGM, PoRAM, ReRAM 등과 같은 차세대 비휘발성 메모리 기술의 개발은 향후 국가의 반도체 기술경쟁력을 높이기 위하여 필수적인 핵심 연구 분야이다.Compared to conventional nonvolatile memory flash memory or MRAM, PRAM (Phase RAM), NFGM (Nano Floating Gate Memory), PoRAM (Polymer RAM) and ReRAM (Resistance RAM) devices can operate at high speeds of about 10 to 20ns. Low voltage operation is also possible. Therefore, the development of next-generation nonvolatile memory technologies, such as PRAM, NFGM, PoRAM, and ReRAM, which can replace flash memory, is an essential core research field to increase the competitiveness of semiconductor technology in the future.
비휘발성 메모리로 대표되는 플래쉬 메모리의 기술 로드맵에 따르면(ITRS-2003), 2007년 이후의 플래쉬 노드 기술은 65nm 이하의 고집적도 기술을 요구하고 있으며, 2007년 이후의 플래쉬 NOR 타입의 셀크기는 0.034um 이하의 크기를 요구하고 있다. 현재의 플래쉬 메모리가 저 소비전력에 필요한 저 전압 동작시 충분한 셀전류 소자 특성 마진을 갖기 어려워 이러한 물리적, 전기적 문제점의 한계를 극복할 수 없다. 따라서, 향후 현재의 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 새로운 개념의 신기능성 메모리 소자 개발이 절실히 요구되고 있다.According to the technology roadmap of flash memory represented by nonvolatile memory (ITRS-2003), Flash node technology after 2007 requires high-integration technology below 65nm, and the cell size of flash NOR type since 2007 is 0.034. It requires a size less than or equal to um. Current flash memories are difficult to have sufficient cell current device characteristic margin in low voltage operation required for low power consumption, and thus cannot overcome the limitations of these physical and electrical problems. Therefore, there is an urgent need for a new concept of a new functional memory device that can replace the current flash memory.
거대저항 변화 메모리(이하, 간단히 ‘ReRAM’ 이라 함)는 박막에 인가되는 특정 전압에 따라 박막의 저항 상태가 급격히 변화하는 것을 이용하여 비휘발성 메모리로 사용되는 소자를 말한다. 기존의 비휘발성 메모리인 플래시 메모리나 MRAM 에 비해, 입력 펄스(pulse) 인가시 1000배 이상의 저항 변화로 동작되는 ReRAM 소자는 10~20ns 정도로 고속동작이 가능하며, 공정적으로 단일막 구조이기 때문에 고 집적화 및 고속화가 가능하다. 또한, 기본적으로 단층구조로서 제작되기 때문에 기존의 CMOS 공정과 집적공정(integration process) 기술이 사용가능하여 소비에너지를 최소화할 수 있다. A large resistance change memory (hereinafter, simply referred to as 'ReRAM') refers to a device used as a nonvolatile memory by using a rapid change in the resistance state of a thin film according to a specific voltage applied to the thin film. Compared to conventional non-volatile memory flash memory or MRAM, ReRAM device that operates with resistance change more than 1000 times when input pulse is applied, can operate at high speed of about 10 ~ 20ns, and is a single film structure because of its fair single layer structure. Integration and high speed are possible. In addition, since it is basically manufactured as a single layer structure, existing CMOS process and integration process technology can be used to minimize energy consumption.
상기와 같은 이유로, 향후 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 ReRAM 소자 개발이 요구되고 있다.For this reason, there is a demand for developing a ReRAM device that can replace a flash memory in the future.
ReRAM 소자에서 산화박막의 안정화를 위해 산화박막의 열처리를 적용한 기술이 제안되어 있다. 그 대표적인 예가 한국 공개특허공보 2005-0017394호(출원인: 샤프 가부시키가이샤, 공개일: 2005.2.22)이다. 이 기술은 ReRAM 소자의 제조를 위한 스핀코팅된 PCMO 박막의 고온 어닐링 방법에 관한 것이다. 즉, 이 방법은,In order to stabilize an oxide thin film in a ReRAM device, a technique using heat treatment of an oxide thin film has been proposed. A typical example is Korean Laid-Open Patent Publication No. 2005-0017394 (Applicant: Sharp Co., Ltd., Publication Date: 2005.2.22). This technique relates to a high temperature annealing method of spincoated PCMO thin films for the fabrication of ReRAM devices. In other words, this method,
기판을 준비하고, 기판상에 금속 장벽층을 증착한 다음, 하부 전극을 형성하는 단계, Preparing a substrate, depositing a metal barrier layer on the substrate, and then forming a lower electrode,
상기 하부 전극상에 PCMO 전구체를 사용하여, Pr1 - XCaXMnO3(PCMO)층을 스핀-코팅한 코팅단계와 어닐링하는 열처리 단계를 포함하고, 상기 코팅단계와 열처리단계를 반복하여 Pr1 -XCaXMnO3(여기서, 0.2<=X<=0.5)의 결정구조를 가지는 PCMO 박막을 제조한 다음, 상부 전극을 증착하고,Using a PCMO precursor on the lower electrode, Pr 1-X Ca X MnO 3 a (PCMO) layer spin-, including a heat treatment step of annealing and the coating step coating, and repeating the coating step and the heat treatment step Pr 1 A PCMO thin film having a crystal structure of -X Ca X MnO 3 (where 0.2 <= X <= 0.5) was prepared, followed by depositing an upper electrode,
상기 상부 전극을 패턴화하여 RRAM 소자를 제조하고 있다. The upper electrode is patterned to manufacture an RRAM device.
이러한 제조방법에서는 스핀 공정과 어닐링 공정을 반복하여 전체 공정이 복잡하며, 주요 공정이 대기 상태에서 이루어지므로 산화 및 표면 오염으로 인해 ReRAM 소자 특성에 영향을 줄 수 있다. 또한, 박막의 고-결정성만을 결정하는 것으로 산화박막의 안정화에 한계가 있다. 특히, 열처리를 통한 산화박막의 증대 또는 변화로 ReRAM 소자의 특성 변화를 가져올 수 있는 문제점이 있다. In this manufacturing method, the entire process is complicated by repeating the spin process and the annealing process, and since the main process is performed in the air state, the characteristics of the ReRAM device may be affected by oxidation and surface contamination. In addition, there is a limit to the stabilization of the oxide thin film by determining only the high-crystallinity of the thin film. In particular, there is a problem that the characteristics of the ReRAM device may be changed by increasing or changing the oxide thin film through heat treatment.
따라서, 비휘발성 메모리소자 등의 다양한 응용분야에 실용화될 수 있도록 공정이 간소하고, 표면오염의 우려가 없으며, 우수한 산화박막의 안정성을 가지는 비휘발성 메모리소자를 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있다. Therefore, there is a need for a method for manufacturing a nonvolatile memory device having a simple process, no fear of surface contamination, and excellent stability of an oxide thin film so that it can be put to practical use in various applications such as a nonvolatile memory device.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, ReRAM 소자 동작시 산화박막의 안정화에 의한 안정된 세트/리셋 전압으로 소자동작의 안정성을 확보할 수 있는 플라즈마 가스처리에 의한 ReRAM 소자의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a method for manufacturing a ReRAM device by plasma gas treatment that can ensure the stability of device operation at a stable set / reset voltage due to stabilization of an oxide thin film during operation of the ReRAM device. To provide, the purpose is.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 가스처리 방법은,Plasma gas treatment method of the present invention for achieving the above object,
기판상에 하부 전극막을 형성하는 단계,Forming a lower electrode film on the substrate,
진공분위기에서 상기 하부 전극막상에 산화박막을 형성하는 단계,Forming an oxide thin film on the lower electrode film in a vacuum atmosphere;
진공분위기에서 상기 산화박막을 플라즈마 가스처리하는 단계, 및Plasma gas treating the oxide film in a vacuum atmosphere, and
상기 플라즈마 가스처리된 산화박막상에 상부 전극막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.And forming an upper electrode film on the plasma gas-treated oxide thin film.
본 발명에서 상기 산화박막은 ReRAM 소자에 사용되는 산화물이면 적용될 수 있으며, 그 대표적인 예로는 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, HfO2, V2O5 등의 이원산화물 또는 Pr1 - XCaXMnO3(PCMO), La1 - XCaXMnO3(LCMO) 등의 페로브스카이트계 물질이 있다. 상기 산화박막의 두께는 10~700nm, 보다 바람직하게는 50~200nm 이다.In the present invention, the oxide thin film may be applied as long as it is an oxide used in a ReRAM device, and representative examples thereof include binary oxides such as MgO, ZnO, TiO 2 , NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , and V 2 O 5 . or Pr 1 - there is a perovskite material, such as teugye X Ca X MnO 3 (LCMO) - X Ca X MnO 3 (PCMO), La 1. The thickness of the oxide thin film is 10 to 700 nm, more preferably 50 to 200 nm.
본 발명에서 상기 플라즈마 가스처리단계는 RF 플라즈마, ECR 플라즈마 등의 플라즈마 가스처리방법이 적용될 수 있다. 플라즈마 가스처리단계에서 사용되는 가스로는 H2, He, Ar 등을 포함하는 불활성 기체로 구성되는 그룹 또는 O2, N 등을 포함하는 반응성 가스로 구성되는 그룹에서 선택된 1종이상이 바람직하다. 또한, 상기 플라즈마 가스처리단계는 30~100W의 조건에서 5~15분간 수행되는 것이 바람직하다. 또한 상기 플라즈마 가스처리단계는 상온에서 수행되는 것이 바람직하다. 이때의 진공조건은 1×10-2 ~ 1×10-3Torr가 바람직하다. In the present invention, the plasma gas treating step may be a plasma gas treating method such as an RF plasma or an ECR plasma. The gas used in the plasma gas treatment step is preferably at least one selected from the group consisting of inert gases including H 2 , He, Ar, and the like, or the group consisting of reactive gases including O 2 , N, and the like. In addition, the plasma gas treatment step is preferably performed for 5 to 15 minutes under the conditions of 30 ~ 100W. In addition, the plasma gas treatment step is preferably performed at room temperature. The vacuum condition at this time is preferably 1 × 10 -2 ~ 1 × 10 -3 Torr.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 ReRAM 소자용 산화박막을 플라즈마 가스처리하는데 특징이 있다. ReRAM 소자용 산화박막 내에는 불안정한 댕글링 결합에 의해 전자 부족과 공공 현상이 발생한다. 플라즈마 가스처리는 상기와 같은 결함이 있는 댕글링 결합에 이온화된 원자들을 결합시켜 전하 포획 및 이탈을 조절하거나, 공공을 안정적으로 배열시킴으로써 산화박막의 안정화를 이룰 수 있다. 또한, 본 발명에서 산화박막 형성공정과 플라즈마 가스처리는 모두 진공분위기에서 행하기 때문에 대기상태로의 이동이 없어 표면 오염의 문제가 없으며, ReRAM 소자 동작시 안정된 세트/리셋 전압으로 소자동작의 안정성을 확보할 수 있다. The present invention is characterized by plasma gas treatment of an oxide thin film for a ReRAM device. In the oxide thin film for ReRAM devices, electron shortage and vacancy occur due to unstable dangling bonds. Plasma gas treatment can achieve stable stabilization of the oxide film by combining ionized atoms to such defective dangling bonds to control charge trapping and escape, or stably arranging vacancy. In addition, in the present invention, since both the oxide film forming process and the plasma gas treatment are performed in a vacuum atmosphere, there is no problem of surface contamination because there is no movement to the atmospheric state, and stability of device operation is achieved by stable set / reset voltage during ReRAM device operation. It can be secured.
본 발명의 플라즈마 처리방법을 도 1을 통해 설명한다.The plasma processing method of the present invention will be described with reference to FIG.
먼저, 기판을 준비한다(도 1a).First, a substrate is prepared (FIG. 1A).
기판은 통상의 반도체 메모리소자에 적용되는 것이면 가능하다. 그 대표적인 예가 Si기판으로서, 이산화실리콘 기판, 폴리실리콘 기판 등이 있다.The substrate may be applied to a conventional semiconductor memory device. Representative examples thereof include a silicon dioxide substrate, a polysilicon substrate, and the like.
준비된 기판상에 하부 전극막을 형성한다.(도 1b)A lower electrode film is formed on the prepared substrate (FIG. 1B).
상기 전극은 Pt, Au, Al, Cu, Ti과 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 1종이 적용될 수 있으며, 여기에 한정되는 것은 아니다. The electrode may be one selected from the group consisting of Pt, Au, Al, Cu, Ti and alloys thereof, but is not limited thereto.
상기 하부 전극막상에 ReRAM 소자용 산화박막을 진공분위기에서 형성한다(도 1c)An oxide thin film for ReRAM devices is formed on the lower electrode film in a vacuum atmosphere (FIG. 1C).
ReRAM 소자용 산화박막은 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), PLD(Pulse Laser Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 등에 의해 형성하고, 본 발명에서도 이러한 방법들이 적용될 수 있다. 산화박막으로는 ReRAM 소자에 적용되는 것이면 가능하며, 그 대표적인 예는 MgO, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, HfO2, V2O5 등의 이원산화물 또는 페로브스카이트 물질 예를 들어 Pr1-XCaXMnO3(PCMO), La1 - XCaXMnO3(LCMO)에서 선택될 수 있다. 산화박막의 두께는 10~700nm가 바람직하다. 보다 바람직한 산화박막의 두께는 50~200nm 이다.The oxide thin film for the ReRAM device is formed by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), pulse laser deposition (PLD), atomic layer deposition (ALD), and the like, and the present methods may be applied to the present invention. The oxide thin film may be applied to a ReRAM device, and representative examples thereof include binary oxides or perovskites such as MgO, ZnO, TiO 2 , NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , and V 2 O 5 . Materials can be selected from Pr 1-X Ca X MnO 3 (PCMO), La 1 - X Ca X MnO 3 (LCMO), for example. The thickness of the oxide thin film is preferably 10 to 700 nm. The more preferable thickness of the oxide thin film is 50-200 nm.
상기 기판상에 형성된 산화박막을 플라즈마 가스처리시킨다(도 1d).The oxide thin film formed on the substrate is subjected to plasma gas treatment (FIG. 1D).
플라즈마 처리에는 증착과 청정(Cleaning)의 두 가지 개념으로 주로 사용하는데, 본 발명은 이와 다른 플라즈마 가스처리개념으로 플라즈마처리하는 것이다. 본 발명은 플라즈마 가스처리를 ReRAM소자에 적용하여 산화박막의 안정성을 도모하는 것으로, 이를 종래의 플라즈마 처리와 비교하여 설명한다. Plasma treatment is mainly used as two concepts of deposition and cleaning, and the present invention is to treat the plasma with another plasma gas treatment concept. The present invention is to improve the stability of the oxide thin film by applying the plasma gas treatment to the ReRAM device, which will be described in comparison with the conventional plasma treatment.
플라즈마 처리방법에서 증착은 챔버내의 타겟에 큰 전압(RF파워)을 가하여 전자를 발생시키고 이 전자가 가스와 충돌하면 양이온과 전자가 발생하여 플라즈마 상태가 된다. 따라서, 이때 발생한 양이온은 큰 전위차에 의해 음전극인 타겟(Target)에 가속 충돌하고, 충돌로 인해 타겟의 표면에서 중성의 타겟원자들이 튀어나와 기판(Substrate) 표면에 증착되는 것이다. In the plasma processing method, deposition generates electrons by applying a large voltage (RF power) to a target in a chamber, and when these electrons collide with a gas, cations and electrons are generated to form a plasma state. Therefore, the generated cations accelerate and collide with the target, which is a negative electrode, due to a large potential difference, and the neutral target atoms protrude from the surface of the target due to the collision and are deposited on the substrate surface.
플라즈마 처리에서 청정은 챔버내에서 RF파워에 의해 전자를 발생시키고 이 전자가 가스와 충돌하면 양이온과 전자가 발생하여 플라즈마 상태가 된다. 또한, 기판(Substrate)에 음전극이 인가되면 양이온이 기판과 충돌하면서 기판의 표면에 존재하는 불순물 등을 제거하는 것이다. In the plasma treatment, cleanliness generates electrons by RF power in the chamber, and when these electrons collide with the gas, cations and electrons are generated to form a plasma state. In addition, when a negative electrode is applied to the substrate, cations collide with the substrate to remove impurities and the like present on the surface of the substrate.
본 발명은 이러한 플라즈마처리와는 달리, 플라즈마화된 가스이온들이 산화박막내에 존재하는 댕글링 결합 등의 결함 상태(defect state)와 반응하여, 저항변화의 원인이 되는 결함 상태(defect state)를 제거함으로써 저항변화의 안정성을 확보하는 것이다. Unlike the plasma treatment, the present invention reacts with a defect state such as dangling bonds in the oxide thin film to remove the defect state causing the resistance change. This ensures the stability of the resistance change.
즉, 챔버내에 전자를 발생시키고 이 전자가 가스와 충돌하면 양이온과 전자가 발생하여 플라즈마 상태가 된다. 이 양이온은 음전극이 인가된 ReRAM소자와 반응하게 되는 것이다. In other words, when electrons are generated in the chamber and the electrons collide with the gas, cations and electrons are generated to form a plasma state. This cation will react with the ReRAM device to which the negative electrode is applied.
상기에서 설명한 플라즈마 가스처리에 사용되는 가스로는 H2, He, Ar 등의 불활성 기체 또는 O2, N 등의 반응성 가스로부터 선택된 1종 이상이 바람직하다. 보다 바람직하게는 원자반경이 작은 H2와 He을 사용하여 댕글링 결합에 존재하는 공공(Vacancy)을 제어하는 것이다. 또한, 바람직하게는 산화박막의 균질화를 위해 O2를 사용하는 것이다.As the gas used for the plasma gas treatment described above, at least one selected from an inert gas such as H 2 , He, Ar, or a reactive gas such as O 2 , N is preferable. More preferably, H 2 and He having a small atomic radius are used to control the vacancy in the dangling bond. In addition, it is preferable to use O 2 for the homogenization of the oxide thin film.
플라즈마 가스처리에서 파워는 30~100W이 바람직하다. 30W보다 낮으면 처리시간이 길어져 장시간 표층이 노출되어 표층부 격자구조에 손상이 생길 수 있다. 한편, 100W 이상에서는 산화박막내 플라즈마 가스의 침투율보다 표면 손실율이 높아지므로 산화박막 특성의 변화가 심해질 수 있다. In the plasma gas treatment, the power is preferably 30 to 100 W. If it is lower than 30W, the processing time is long, and the surface layer is exposed for a long time, which may cause damage to the surface lattice structure. On the other hand, since the surface loss rate is higher than the penetration rate of the plasma gas in the oxide thin film above 100W, the change in the oxide thin film characteristics may be severe.
플라즈마 가스처리시간은 5~15분간 수행되는 것이 바람직하다. 5분 미만으로 처리할 경우, 박막 내부까지 균일하게 플라즈마 가스처리가 어려울 수 있으며 15분을 초과하여 처리할 경우, 산화박막내 플라즈마 가스의 침투율보다 표면 손실율이 높아지므로 산화박막 특성의 변화가 심해질 수 있다. Plasma gas treatment time is preferably performed for 5 to 15 minutes. If less than 5 minutes, it may be difficult to uniformly process the plasma gas to the inside of the thin film, if more than 15 minutes, the surface loss rate is higher than the penetration rate of the plasma gas in the oxide thin film, the change in the characteristics of the oxide thin film can be severe. have.
또한, 플라즈마 가스처리는 상온에서 행하는 것이 바람직하다. 상온에서 플라즈마 가스처리를 수행하는 경우, 생산 단가를 낮출 수 있고, 공정 과정이 간편해질 수 있다. In addition, it is preferable to perform plasma gas treatment at normal temperature. When the plasma gas treatment is performed at room temperature, the production cost may be lowered and the process may be simplified.
플라즈마 가스처리의 진공도는 1×10-2 ~ 1×10-3Torr가 바람직하다.The vacuum degree of the plasma gas treatment is preferably 1 × 10 -2 to 1 × 10 -3 Torr.
상기 조건은, 전자가 가스와 충돌하여 플라즈마를 형성하기 위한 일반적인 진공도이다.The condition is a general degree of vacuum for electrons to collide with gas to form a plasma.
또한, 플라즈마 가스처리는 챔버내에서 RF 플라즈마, ECR 플라즈마 등의 플 라즈마 가스처리법이 적용될 수 있다. In addition, plasma gas treatment may be applied to the plasma gas treatment method such as RF plasma, ECR plasma in the chamber.
플라즈마 가스처리한 ReRAM 소자용 산화박막상에 상부 전극막을 형성하고, 패턴을 형성한다(도 2e). 상부 전극막은 섀도우 마스크 또는 드라이 에칭 공정을 사용하여 패턴화할 수 있다.An upper electrode film is formed on the oxide thin film for the ReRAM element subjected to plasma gas treatment, and a pattern is formed (FIG. 2E). The upper electrode film can be patterned using a shadow mask or a dry etching process.
제조된 기판은 필요에 따라 추가로 베이킹처리와 어닐링(post-annealing) 단계가 행해질 수도 있다.The produced substrate may be further subjected to baking and post-annealing steps as necessary.
본 발명에 따라 제조된 ReRAM 소자용 산화박막은 비휘발성 메모리 소자에 적용될 수 있다. 이러한 메모리소자는 저전력을 소모하면서, 무한대의 기록/재생이 가능하며, 비휘발성으로 인한 PC의 빠른 리부팅 및 대량의 데이터를 안전하게 보관할 수 있다. 또한, 재현성도 우수하여 실제 양산화 공정에 효과적으로 적용될 수 있다.The oxide thin film for a ReRAM device manufactured according to the present invention can be applied to a nonvolatile memory device. The memory device consumes low power and can record / reproduce indefinitely, and can quickly store a large amount of data and reboot the PC due to non-volatility. In addition, it is also excellent in reproducibility and can be effectively applied to actual mass production process.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[실시예 1]Example 1
Pt 기판 상에 100nm의 두께로 성장된 ReRAM 소자용 MgO박막에 대하여 진공챔버내에서 H2 가스를 20sccm 흘려주며 가스의 이온화를 위해 약 60W의 RF를 걸어주고 10-2~10-3Torr로 약 5분간 플라즈마 가스처리하였다.20 sccm of H 2 gas in a vacuum chamber for a MgO thin film for a ReRAM device grown to a thickness of 100 nm on a Pt substrate. In order to flow the ionization of the gas was applied a RF of about 60W and plasma gas treatment for about 5 minutes at 10 -2 ~ 10 -3 Torr.
상기 MgO박막에 대해 20000%의 저항변화율을 측정하여 그 결과를 도2a에 나타내었다.The resistance change rate of 20000% of the MgO thin film was measured, and the results are shown in FIG. 2A.
한편, Pt기판상에 50nm의 두께로 MgO 산화물을 성장시켜 상기의 플라즈마 가스처리조건으로 H2 플라즈마 처리한 후 세트/리셋 전압을 측정하여 그 결과를 도 2b에 나타내고, 종래 MgO 박막의 세트/리셋 전압의 결과를 도 2c에 나타내었다. On the other hand, after the growth of MgO oxide with a thickness of 50nm on the Pt substrate and H 2 plasma treatment under the plasma gas treatment conditions, the set / reset voltage is measured and the results are shown in Figure 2b, the conventional set / reset of MgO thin film The results of the voltages are shown in Figure 2c.
도 2b,c에서 알 수 있듯이, 종래 MgO 박막과 비교하여 세트 전압(set voltage)의 변화율이 300%에서 25%로, 리셋 전압(reset voltage)의 변화율이 230%에서 95%로 개선되었다.As can be seen in Figure 2b, c, compared with the conventional MgO thin film, the rate of change of the set voltage (set voltage) is improved from 300% to 25%, the rate of change of the reset voltage (reset voltage) from 230% to 95%.
본 발명은 상기 실시형태 및 첨부된 도면은 하나의 예시로서, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에는 산화막으로 MgO를 적용하고 있지만, ZnO, TiO2, NiO, SiO2, Nb2O5, HfO2, V2O5 등의 이원산화물과 PCMO, LCMO 등의 페로브스카이트 물질도 적용될 수 있는 것이다.The present invention and the accompanying drawings are one example, the present invention is not limited thereto. Any thing that has substantially the same structure and the same effect as the technical idea described in the claim of the present invention is included in the technical scope of this invention. For example, although MgO is applied as an oxide film in an embodiment of the present invention, binary oxides such as ZnO, TiO 2 , NiO, SiO 2 , Nb 2 O 5 , HfO 2 , V 2 O 5 , and PCMO, LCMO, etc. Perovskite materials may also be applied.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, ReRAM 소자용 산화박막의 형성공정과 플라즈마 처리공정을 모두 진공분위기에서 행하기 때문에 표면오염의 우려 없이 간단한 공정으로 산화박막을 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 가스처리된 안정한 산화박막을 ReRAM과 같은 비휘발성 메모리 소자에 응용함으로써, ReRAM 소자 동작시 안정된 세트/리셋 전압으로 소자동작의 안정성을 확보하여 고효율의 비휘발성 메모리 소자를 구현할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. As described above, according to the present invention, since both the forming process of the oxide thin film for ReRAM elements and the plasma processing step are performed in a vacuum atmosphere, the oxide thin film can be formed in a simple process without fear of surface contamination. In addition, by applying a plasma gas-treated stable oxide film to a nonvolatile memory device such as a ReRAM, it is expected that a highly efficient nonvolatile memory device can be realized by ensuring stable device operation with a stable set / reset voltage when the ReRAM device operates. Can be.
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