KR101204749B1 - METHOD OF MANUFACTURING ReRAM OF THREE-DIMENSIONAL STACKED MEMORY TYPE HAVING INDEPENDENT MEMORY CELL STRUCTURE - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따라서 3차원 적층 메모리 구조의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자(ReRAM) 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와; (b) 상기 기판 상에 절연물질층을 증착하는 단계와; (c) 상기 절연물질층 상에 하부 전극층을 증착하는 단계와; (d) 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 최상단에 절연물질층이 형성된 복수 개의 절연물질층-하부전극층을 포함하는 3차원 적층 메모리 구조를 형성하는 단계와; (e) 포토리소그래피 공정을 이용하여, 상기 3차원 적층 메모리 구조의 기판까지 건식 식각하여, 특정 부분이 제거된 트렌치 구조를 갖도록 패터닝하는 단계와; (f) 산화 분위기 하에서 열처리를 수행하여, 대기와 접촉하는 상기 하부 전극층의 일부를 산화시켜 저항 스위칭 특성을 나타내는 금속산화물로 형성하는 단계와; (g) 상기 트렌치 구조 내부 및 상기 최상단 절연물질층 상에 상부 전극층을 형성하여, 상부 전극층이 여러 메모리 셀에 공통적으로 작용하도록 하고, 상기 하부전극층을 독립적으로 연결하여 구동하도록 하는 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to the present invention there is provided a method of manufacturing a nonvolatile resistive switching memory device (ReRAM) of a three-dimensional stacked memory structure, the method comprising the steps of: (a) providing a substrate; (b) depositing an insulating material layer on the substrate; (c) depositing a lower electrode layer on the insulating material layer; (d) repeating steps (b) and (c) to form a three-dimensional stacked memory structure including a plurality of insulating material layer-lower electrode layers having an insulating material layer formed on top; (e) dry etching the substrate of the three-dimensional stacked memory structure using a photolithography process, and patterning the trench to have a trench structure in which a specific portion is removed; (f) performing heat treatment in an oxidizing atmosphere to oxidize a portion of the lower electrode layer in contact with the atmosphere to form a metal oxide exhibiting resistance switching characteristics; (g) forming an upper electrode layer in the trench structure and on the uppermost insulating material layer so that the upper electrode layer acts in common on several memory cells, and forms a structure in which the lower electrode layer is independently connected and driven; Characterized in that it comprises a.
Description
본 발명은 메모리 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차세대 메모리 중 하나인 비휘발성 저항 스위칭 메모리(Resistance Switching Random Access Memory; ReRAM)를 3차원 구조의 메모리에서 독립적 메모리 셀 형태로 구현할 수 있는 3차원 적층 메모리 형태의 ReRAM 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a memory, and more particularly, to a non-volatile resistance switching memory (ReRAM), which is one of the next generation memories, can be implemented in a three-dimensional memory as an independent memory cell. A method of manufacturing a ReRAM in the form of a stacked memory.
지금까지 반도체 관련 산업은 1980년대의 소형화 및 집적화, 1990년대의 초소형화 및 고집적화를 기반으로 성공적으로 발전하여 왔다. 이러한 성공은 소자 크기가 작아지더라도 소자 작동 원리가 그대로 유지될 수 있다는 것을 기반으로 한다. 따라서, 기존의 기술 방식의 연장선상에서 그 기술을 보다 향상시키는 방향으로 모든 연구 개발이 이루어졌으며, 지금까지 매우 성공적이었다.
To date, the semiconductor industry has been successfully developed based on the miniaturization and integration in the 1980s and the miniaturization and high integration in the 1990s. This success is based on the fact that device operation principles can be maintained even with smaller device sizes. Therefore, all research and development has been made in the direction of improving the technology in the extension of the existing technology method, and has been very successful until now.
그러나, 정보화와 통신화가 가속됨에 따라 더 많은 정보를 더욱 빠르게 처리할 수 있는 능력을 가진 반도체 소자와 시스템의 성능 향상의 필요성이 대두되었으며, 이를 위해 핵심 부품인 메모리 소자의 초고속화, 초고집적화 및 초절전화가 필수적으로 요구되고 있다. 따라서, 고용량 정보 저장에 필요한 초고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다도 커지고 있는 실정이다.
However, as information and communication have accelerated, the necessity of improving performance of semiconductor devices and systems with the ability to process more information faster has emerged. Painting is indispensable. Therefore, the need for the development of a non-volatile memory device capable of ultra-high integration required for storing high-capacity information is increasing more than ever.
최근 ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)에 따르면, 차세대 비휘발성 메모리로 유력하게 대두되고 있는 소자로서 PRAM(Phase Change RAM), NFGM(Nano Floating Gate Memory), ReRAM, PoRAM(Polymer RAM), MRAM(Magnetic RAM), Molecular RAM 등이 있으며, 이러한 차세대 메모리 개발은 DRAM의 고집적성과 낮은 소비 전력, 플래시 메모리의 비휘발성, SRAM의 고속 동작을 모두 구현하기 위한 방향으로 이루어지고 있다. 특히 ReRAM 소자는 상기 메모리 소자의 장점을 모두 가지고 있어서, 유력한 차세대 메모리로 거론되고 있다.
According to the recent International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), devices that are emerging as the next generation of nonvolatile memory are known as Phase Change RAM (PRAM), Nano Floating Gate Memory (NFGM), ReRAM, Polymer RAM (PoRAM) and Magnetic (MRAM). RAM), Molecular RAM, etc., and the development of this next-generation memory is aimed to realize high integration of DRAM, low power consumption, nonvolatile flash memory, and high speed operation of SRAM. In particular, the ReRAM device has all the advantages of the memory device, and has been considered as a powerful next-generation memory.
ReRAM의 경우 저항 스위칭 특성을 가지는 금속 산화막을 이용하는데, 이러한 금속 산화막을 제조하는 방법으로 물리적 기상 증착법(PVD), 화학적 기상 증착법(CVD), 스퍼터링, 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition; PLD), 증발법(thermal evaporation), 전자빔 증발법(electron beam evaporation), 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD), 분자선 에피탁시 증착법(molecular beam epitaxy; MBE)과 같은 증착 공정 방법을 이용하고 있다.In the case of ReRAM, a metal oxide film having resistance switching characteristics is used. The method of manufacturing the metal oxide film is physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), sputtering, pulsed laser deposition (PLD), and evaporation. Deposition processes such as thermal evaporation, electron beam evaporation, atomic layer deposition (ALD), and molecular beam epitaxy (MBE) are used.
한편, 최근 낸드 플래시 메모리에서 소형화의 한계에 봉착함에 따라, 이러한 메모리 소자를 3차원(3D) 적층 메모리 형태로 구현하고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다. 3D 적층 메모리를 적용하게 되면, 낸드 플래시의 집적화에 따른 bit 당 제작 비용이 절감되며, 큰 design rule에서 공정이 가능하고, 기존 장비를 활용할 수 있어 생산 단가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
Meanwhile, as the NAND flash memory has recently reached the limit of miniaturization, many attempts have been made to implement such a memory device in a three-dimensional (3D) stacked memory form. The application of 3D stacked memory reduces the production cost per bit due to the integration of NAND flash, can be processed in large design rules, and can reduce the production cost by utilizing existing equipment.
이러한 3D 적층 메모리 구조와 관련하여, ReRAM을 그러한 메모리 구조 형태로 구현하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 예컨대, 3D 적층 메모리에 형성된 일종의 트렌치의 벽면 전체에 걸쳐 ReRAM 물질을 증착하여, 각 층의 메모리 셀들을 연결하고 각층의 메모리 셀들을 선택할 수 있는 구조로 구현하고 있다(예컨대, 도 2 참조). 그러나, 이러한 종래 기술에 따르면, ReRAM 물질이 트렌치 벽면 전체에 걸쳐 증착되기 때문에, 각 층의 메모리 셀이 독립적으로 구성되지 않는다. 더욱이, 예컨대 제1 층의 메모리 셀1을 구동시키기 위해 전압이 인가된 경우, 제2 층의 메모리 셀2가 구동되는 것과 같은 cross talk가 발생하는 문제점이 야기될 수 있다.In connection with such a 3D stacked memory structure, attempts have been made to implement ReRAM in the form of such a memory structure. For example, a ReRAM material is deposited on the entire walls of the trench formed in the 3D stacked memory to connect the memory cells of each layer and select the memory cells of each layer (eg, see FIG. 2). However, according to this prior art, since ReRAM materials are deposited throughout the trench walls, the memory cells of each layer are not configured independently. Furthermore, when a voltage is applied to drive the memory cell 1 of the first layer, for example, a problem may occur such that cross talk occurs, such as driving the memory cell 2 of the second layer.
본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 3차원 적층 메모리 구조에서 ReRAM을 독립적인 셀 형태로 구현 가능한 3차원 적층 메모리 구조의 ReRAM 제조 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ReRAM of a 3D stacked memory structure in which ReRAM can be implemented in an independent cell form in a 3D stacked memory structure.
본 발명의 다른 목적은 3차원 적층 메모리 구조에서 메모리 셀 간의 cross talk를 방지할 수 있는 3차원 적층 메모리 구조의 ReRAM 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ReRAM fabrication method of a three-dimensional stacked memory structure capable of preventing cross talk between memory cells in the three-dimensional stacked memory structure.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 3차원 적층 메모리 구조의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자(ReRAM) 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 (a) 기판을 제공하는 단계와; (b) 상기 기판 상에 절연물질층을 증착하는 단계와; (c) 상기 절연물질층 상에 하부 전극층을 증착하는 단계와; (d) 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 최상단에 절연물질층이 형성된 복수 개의 절연물질층-하부전극층을 포함하는 3차원 적층 메모리 구조를 형성하는 단계와; (e) 포토리소그래피 공정을 이용하여, 상기 3차원 적층 메모리 구조의 실리콘 기판까지 건식 식각하여, 특정 부분이 제거된 트렌치 구조를 갖도록 패터닝하는 단계와; (f) 산화 분위기 하에서 열처리를 수행하여, 대기와 접촉하는 상기 하부 전극층의 일부를 산화시켜 저항 스위칭 특성을 나타내는 금속산화물로 형성하는 단계와; (g) 상기 트렌치 구조 내부 및 상기 최상단 절연물질층 상에 상부 전극층을 형성하여, 상부 전극층이 여러 메모리 셀에 공통적으로 작용하도록 하고, 상기 하부전극층을 독립적으로 연결하여 구동하도록 하는 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, according to the present invention there is provided a method of manufacturing a nonvolatile resistance switching memory device (ReRAM) of a three-dimensional stacked memory structure, the method comprising the steps of: (a) providing a substrate; (b) depositing an insulating material layer on the substrate; (c) depositing a lower electrode layer on the insulating material layer; (d) repeating steps (b) and (c) to form a three-dimensional stacked memory structure including a plurality of insulating material layer-lower electrode layers having an insulating material layer formed on top; (e) dry etching the silicon substrate of the three-dimensional stacked memory structure by using a photolithography process, and patterning the trench to have a trench structure in which a specific portion is removed; (f) performing heat treatment in an oxidizing atmosphere to oxidize a portion of the lower electrode layer in contact with the atmosphere to form a metal oxide exhibiting resistance switching characteristics; (g) forming an upper electrode layer in the trench structure and on the uppermost insulating material layer so that the upper electrode layer acts in common on several memory cells, and forms a structure in which the lower electrode layer is independently connected and driven; Characterized in that it comprises a.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계에서 상기 저항 스위칭 특성을 나타내는 금속산화물 두께를 고려하여, 상기 열처리를 제어할 수 있다.
In one embodiment, the heat treatment may be controlled in consideration of the thickness of the metal oxide exhibiting the resistance switching characteristics in step (f).
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 상기 열처리는 퍼니스 공정을 이용하여 200~700℃ 범위에서 2~15분간 진행하여, 대기와 접촉하는 상기 하부 전극층의 일부를 산화시킬 수 있다.
In one embodiment, in the step (f), the heat treatment may be performed for 2 to 15 minutes in the range of 200 ~ 700 ℃ using the furnace process, to oxidize a portion of the lower electrode layer in contact with the atmosphere.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 상기 열처리는 급속 열처리 장치(RTP)를 이용하여 300~1100℃의 범위에서 10~600초간 진행하여, 대기와 접촉하는 상기 하부 전극층의 일부를 산화시킬 수 있다.
In one embodiment, in the step (f), the heat treatment is carried out for 10 to 600 seconds in the range of 300 ~ 1100 ℃ by using a rapid heat treatment apparatus (RTP), a portion of the lower electrode layer in contact with the atmosphere Can be oxidized.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계에서, 저항 스위칭 특성을 나타내는 상기 금속산화물은 AlOx, TiOx, HfOx, WOx, CuOx, NiOx, TaOx, NbOx, ZnOx, ZrOx 또는 MnOx일 수 있다.
In one embodiment, in step (f), the metal oxide exhibiting resistance switching characteristics may be AlOx, TiOx, HfOx, WOx, CuOx, NiOx, TaOx, NbOx, ZnOx, ZrOx or MnOx.
한 가지 실시예에 있어서, 상기 상부 전극층은 Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Nb, Si, WSix, NiSix, CoSix 또는 TiSix으로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the upper electrode layer may be made of Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Nb, Si, WSix, NiSix, CoSix or TiSix.
본 발명에 따르면, 저항 스위칭 메모리 소자를 3차원 적층 메모리 구조 형태로 구현할 수 있어, 소형화의 제한을 극복할 수 있고, 금속/절연층/금속이라는 간단한 구조로 동작할 수 있다. 특히, 저항 스위칭 특성을 나타내는 금속산화물 사이가 절연되어 있어, 상부 전극에 의해 하부 전극이 독립적으로 연결되어 구동되어, 종래 기술과 달리 cross talk와 같은 문제점을 방지할 수 있다.According to the present invention, the resistance switching memory device can be implemented in the form of a three-dimensional stacked memory structure, thereby overcoming the limitation of miniaturization, and can operate in a simple structure of metal / insulation layer / metal. In particular, since the metal oxide exhibiting resistance switching characteristics are insulated, the lower electrode is independently connected and driven by the upper electrode, thereby preventing problems such as cross talk, unlike the prior art.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 3차원 적층 메모리 구조의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자를 제조하는 과정을 순착적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따라 3차원 적층 메모리 구조에서 ReRAM 물질을 적층하는 양태를 모식적으로 보여주는 도면이다.1A to 1D are diagrams illustrating a process of fabricating a nonvolatile resistive switching memory device having a three-dimensional stacked memory structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an embodiment of stacking ReRAM materials in a three-dimensional stacked memory structure according to the prior art.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 3차원 적층 메모리 구조 및 ReRAM과 관련하여 이미 당업계에 널리 알려진 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, the description of the structure already known in the art with respect to the three-dimensional stacked memory structure and ReRAM will be omitted. Even if these explanations are omitted, those skilled in the art will readily understand the characteristic configuration of the present invention through the following description.
도 1a 내지 도 1d에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 3차원 적층 메모리 구조의 ReRAM을 제조하는 과정이 순차적으로 도시되어 있다.
1A through 1D sequentially illustrate a process of manufacturing a ReRAM of a three-dimensional stacked memory structure according to one embodiment of the present invention.
먼저, 도 1a를 참조하면, 실리콘 기판(10) 상에 실리콘 옥사이드와 같은 절연물질층(20)과 하부 전극으로 사용할 금속층(30)을 순차적으로 반복 적층하여, 3D 메모리 구조를 형성한다. 상기 하부 전극층은 이하에서 설명하는 바와 같이, 그 일부가 저항 스위칭 메모리 형태로 구현된다. 이를 고려하여, 상기 금속층으로서, Al, Ti, Hf, W, Cu, Ni, Ta, Nb, Zn, Zr, Mn 등과 같은 순금속 물질을 이용한다. 한편, 실리콘 기판 위와 3차원 적층 메모리 구조의 마지막 층은 절연물질로 증착한다.
First, referring to FIG. 1A, an
이어서, 도 1b에 도시한 바와 같이, 포토리소그래피 공정을 이용하여, 실리콘 기판까지 상기 3차원 메모리의 특정 부분을 건식 식각하여 패터닝함으로써, 일종의 트렌치 구조를 형성한다. 건식 식각에 의해 특정 부분을 제거한 후 남은 포토레지스트를 제거하면, 도 1b와 같은 구조가 형성된다.
Subsequently, as illustrated in FIG. 1B, a type of trench structure is formed by dry etching and patterning a specific portion of the three-dimensional memory up to a silicon substrate using a photolithography process. When the remaining photoresist is removed after removing a specific portion by dry etching, a structure as shown in FIG. 1B is formed.
다음에, 상기 트렌치가 형성된 메모리 구조를 산화 분위기(O2 가스) 하에서 열처리 공정을 수행하여, 상기 하부 전극층(30)을 산화시켜 ReRAM 물질을 형성한다(도 1c). 이때, 하부 전극층이 대기와 접촉되는 끝부분만 산화되도록 열처리 공정을 제어한다. 예컨대, 본 발명의 한 가지 실시예에 따르면, ReRAM의 특성 발현을 위한 재료 두께를 고려하여 열처리를 수행하는데, 퍼니스 공정을 이용하여 200~700℃ 범위에서 2~15분간 열처리를 진행하거나, 급속 열처리 장치(RTP)를 이용하여 300~1100℃의 범위에서 10~600초간 열처리를 진행하면, 대기와 접촉되는 하부 전극층의 일부를 산화시켜, 저항 스위칭 특성을 발현하는 금속산화물층(40)을 형성할 수 있다. 형성된 금속산화물층은 상기 하부 전극층의 산화물, 즉 AlOx, TiOx, HfOx, WOx, CuOx, NiOx, TaOx, NbOx, ZnOx, ZrOx, MnOx 등이다.
Next, the trench structured memory structure is subjected to a heat treatment process under an oxidizing atmosphere (O 2 gas) to oxidize the
마지막으로, 금속을 증착하여 트렌치 내부를 충진하고, 최상단 절연물질층(30) 상에도 상부 전극(50)을 형성한다. 상기 상부 전극으로서, 일반적으로 반도체 소자 제조시 금속 배선에 사용되는 금속 물질, Pt, Si 및 Si과의 금속 화합물을 적용할 수 있다. 예컨대, Al, W, Cu, Pt, TiN, TaN, Ti, Ta, Nb 등과 같은 금속, Si, WSix, NiSix, CoSix, TiSix 등과 같은 실리콘 금속 화합물 등이 있다. 본 발명에 따르면, 상부 전극(50)은 여러 메모리 셀에서 공통적으로 작용하고, 종래 기술(예컨대, 도 2)과 달리 하부 전극을 개별적으로 연결하여 구동시킬 수 있어, cross talk 문제를 방지할 수 있다.
Finally, metal is deposited to fill the inside of the trench, and the
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.While the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. That is, the embodiments may be variously modified and modified within the scope of the following claims, and all of them fall within the scope of the present invention. Accordingly, the invention is limited only by the claims and the equivalents thereof.
10: 실리콘 기판
20: 절연물질층
30: 하부전극
40: 금속 산화물(ReRAM 물질)
50: 상부 전극10: silicon substrate
20: insulation material layer
30: lower electrode
40: metal oxide (ReRAM material)
50: upper electrode
Claims (6)
(a) 기판을 제공하는 단계와;
(b) 상기 기판 상에 절연물질층을 증착하는 단계와;
(c) 상기 절연물질층 상에 하부 전극층을 증착하는 단계와;
(d) 상기 (b) 및 (c) 단계를 반복하여, 최상단에 절연물질층이 형성된 복수 개의 절연물질층-하부전극층을 포함하는 3차원 적층 메모리 구조를 형성하는 단계와;
(e) 포토리소그래피 공정을 이용하여, 상기 3차원 적층 메모리 구조의 기판까지 건식 식각하여, 특정 부분이 제거된 트렌치 구조를 갖도록 패터닝하는 단계와;
(f) 산화 분위기 하에서 열처리를 수행하여, 대기와 접촉하는 상기 하부 전극층의 일부를 산화시켜 저항 스위칭 특성을 나타내는 금속산화물로 형성하는 단계와;
(g) 상기 트렌치 구조 내부 및 상기 최상단 절연물질층 상에 상부 전극층을 형성하여, 상부 전극층이 여러 메모리 셀에 공통적으로 작용하도록 하고, 상기 하부전극층을 독립적으로 연결하여 구동하도록 하는 구조를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 메모리 구조의 비휘발성 저항 스위칭 메모리 소자(ReRAM) 제조 방법.A method of manufacturing a nonvolatile resistance switching memory device (ReRAM) having a three-dimensional stacked memory structure,
(a) providing a substrate;
(b) depositing an insulating material layer on the substrate;
(c) depositing a lower electrode layer on the insulating material layer;
(d) repeating steps (b) and (c) to form a three-dimensional stacked memory structure including a plurality of insulating material layer-lower electrode layers having an insulating material layer formed on top;
(e) dry etching the substrate of the three-dimensional stacked memory structure using a photolithography process, and patterning the trench to have a trench structure in which a specific portion is removed;
(f) performing heat treatment in an oxidizing atmosphere to oxidize a portion of the lower electrode layer in contact with the atmosphere to form a metal oxide exhibiting resistance switching characteristics;
(g) forming an upper electrode layer in the trench structure and on the uppermost insulating material layer so that the upper electrode layer acts in common on several memory cells, and forms a structure in which the lower electrode layer is independently connected and driven;
Method of manufacturing a non-volatile resistance switching memory device (ReRAM) of a three-dimensional stacked memory structure comprising a.
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