KR102081020B1 - 선택 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치 층의 산화 방지를 위한 산화 방지 층을 이용한 선택 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선택 소자는 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층, 상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성된 제 2 전극 및 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 상기 제 1 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 포함한다.
Description
본 발명은 비휘발성 저항 변화 메모리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선택 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 비휘발성 메모리 소자인 플래시 메모리를 대체하기 위한 새로운 비휘발성 메모리 소자로서 차세대 메모리들이 등장하였다. 상기 차세대 메모리들 중 하나로서 저항 변화 메모리(RRAM)는 낮은 생산 비용, 간단한 공정, 및 빠른 읽기/쓰기 속도와 같은 장점을 가지고 있다. 또한, 크로스포인트(cross-point) 구조를 이용하는 경우, 대용량의 메모리 소자를 구현할 수 있어 최근 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 크로스포인트 구조의 경우 워드 라인(Word line)과 비트 라인(Bit line)이 교차된 구조를 갖는다. 상기 크로스포인트 구조에서, 인접한 메모리 셀을 통해 발생하는 누설 전류(sneak current)에 의해 비선택된 메모리 셀의 소프트 프로그래밍과 같은 작동 오류를 줄여야 하는 문제가 있다. 그 해결책으로 다이오드를 메모리 셀에 결합하는 방법이 있다. 다만, 다이오드를 적용하는 경우 양극성 저항 변화 메모리 소자에 사용할 수 없고, 트랜지스터의 경우 메모리 집적도 향상에 좋지 않은 문제가 있다.
최근 그 해결책으로 제안된 것이 문턱 스위치(threshold switch) 특성을 갖는 선택 소자를 이용하는 것이며, 상기 문턱 스위치 특성을 갖는 물질로 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT) 물질이 있다. 상기 금속-절연체 전이 물질은 특정 온도 이상에서는 금속의 특성을 보이고, 그 이하에서는 절연체의 특성을 보인다. 또한, 전기적으로는 (+)와 (-) 외부 전계에 대칭적인 특성을 가져 단극성 저항 변화 메모리 소자는 물론 양극성 저항 변화 메모리 소자에 적용이 가능하며, 낮은 외부 전계에서는 낮은 턴오프 전류가 흐르며, 높은 외부 전계에서는 높은 턴온 전류가 흐르는 우수한 비선형 특성을 가진다.
상기 금속-절연체 전이 물질이 상기 스위치 특성을 보이기 위해서는 도전 경로(conductive path)를 형성하기 위한 포밍(forming) 과정이 필요하다. 상기 포밍 과정을 위해서는 추가적인 전력이 소비되어야 한다. 또한, 상기 포밍 과정 중에 의도치 않은 전기화학적 반응에 의해 상기 금속-절연체 전이 물질의 표면 산화가 발생될 수 있으며, 이로써 형성된 산화물은 상기 메모리 소자의 작동을 저해할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속-절연체 전이 물질의 산화를 야기하여 선택 소자의 기능을 저하시키는 포밍(forming) 과정을 생략하여 전력 소비 효율이 향상되고 정확도 및 신뢰도가 높은 저항 변화 메모리의 구동을 위한 선택 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 상기 이점을 갖는 선택 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 선택 소자는, 제 1 전극, 상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층, 상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성된 제 2 전극 및 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 상기 제 1 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 선택 소자는, 상기 제 2 전극 상에 형성된 제 2 산화 방지 층 및 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 상기 제 1 비격자 산소 및 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 잔존하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 상기 제 2 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 더 포함할 수 있고, 또 다른 실시예에서, 상기 제 2 산화 층은 상기 제 2 산화방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있으며, 선택적으로, 상기 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 층, 상기 스위치 층, 상기 제 2 산화 방지 층 및 상기 제 2 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35nm일 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 실시예에 따른 선택 소자 및 다른 실시예에 따른 선택 소자에서, 상기 스위치 층은 루타일(rutile) 결정질 상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 선택 소자의 제조 방법은, 제 1 전극을 형성하는 단계, 상기 제 1 전극 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계, 상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계, 상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계 및 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막과 상기 Nb 함유 박막 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착될 수 있으며, 선택적으로, 상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착될 수 있다.
또한, 다른 실시예에서, 상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 선택 소자는 상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 일 실시예에서, 상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성하고, 상기 Nb 함유 박막의 하부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 제 2 산화 층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계는 in-situ 공정에 의해 수행될 수 있고, 다른 실시예에서, 상기 초기 제 1 산화 방지 층은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성될 수 있으며, 선택적으로, 상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극과 금속-절연체 전이(metal-insulator transition; MIT) 특성을 갖는 물질 층 사이에 상기 MIT 물질 층의 산화를 방지하는 산화 방지 층을 형성하고, 어닐링을 실행함으로써 포밍(forming) 과정이 생략된 포밍 프리(forming-free) 선택 소자를 제공할 수 있다.
또한, 상기 산화 방지 층을 스위치 층과 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 형성하여 상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 상기 스위치 층에서 발생하는 산화 반응 방지함으로써 불필요한 전력의 소비를 방지하고, 더욱 신뢰도 및 정확도 높은 포밍 프리 선택 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 2에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5a는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 제 1 산화 층에 대한 XPS 분석 결과이며, 도 5b는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 Nb 함유 박막에 대한 XPS 분석 결과이다.
도 6은 어닐링 이후 다층 선택 소자의 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과이다.
도 7a는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7b는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 2에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5a는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 제 1 산화 층에 대한 XPS 분석 결과이며, 도 5b는 도 1에 도시된 다층 선택 소자의 어닐링 이후 측정된 Nb 함유 박막에 대한 XPS 분석 결과이다.
도 6은 어닐링 이후 다층 선택 소자의 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과이다.
도 7a는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7b는 어닐링 이후의 다층 선택 소자의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 어떤 층이 다른 층 상에 형성 또는 배치되어 있다고 하는 경우에는, 이들 층 사이에 중간층이 형성되거나 배치될 수 있다. 이와 유사하게, 어떤 재료가 다른 재료에 인접한다고 하는 경우에도 이들 재료들 사이에 중간 재료가 있을 수 있다. 반대로, 층 또는 재료가 다른 층 또는 재료 상에 "바로" 또는 "직접" 형성되거나 배치된다고 하는 경우 또는 다른 층 또는 재료에 "바로" 또는 "직접" 인접 또는 접촉된다고 하는 경우에는, 이들 재료 또는 층들 사이에 중간 재료 또는 층이 없다는 것을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자(100)의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 다층 선택 소자(100)는 제 1 전극(EL1), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 층(OL1)을 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 제 1 전극(EL1)은 기판(미도시) 상에 형성될 수 있고, 제 2 전극(EL2)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 상부에 형성될 수 있다. 상기 기판은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)와 같은 물질을 포함할 수 있으나, 전술한 물질들에 한정되지 않으며, 반도체 집적 회로 공정이 가능한 세라믹, 폴리머 또는 금속 재질의 기판을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)은 알루미늄(Al), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 티타늄 질화물(TiN)과 같은 도전성 금속을 포함할 수 있으며, 본 발명에서, 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 스위치 층(SWL)의 산화를 방지하기 때문에 상기 전극들의 산소와의 반응성은 문제되지 않는다. 제 1 전극(EL1) 및 제 2 전극(EL2)은 스퍼터링법(Sputtering), RF 스퍼터링법, RF 마그네트론 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD, Pulsed Laser Deposition), 화학 기상 증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착법(ALD, Atomic Layer Deposition) 또는 분자선 에피택시 증착법(MBE, Molecular Beam Epitaxy)을 이용하여 형성될 수 있다.
스위치 층(SWL)은 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스위치 층(SWL)의 양단에 소정 크기 이상의 전압이 인가되는 경우, 스위치 층(SWL)에 고전류가 흐를 수 있고, 스위치 층(SWL)은 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화할 수 있다. 이는, 스위치 층(SWL) 내부에 국부적인 산소 공공이 형성됨으로써 상기 산소 공공으로 이루어진 전도성 필라멘트가 형성되고, 상기 전도성 필라멘트를 통해 전류가 흐르기 때문이다. 상기 NbO2는 1080 K 이하의 낮은 온도에서는 반도체의 특성을 보이고, 1080 K 이상의 높은 온도에서는 금속성(metallic)을 가질 수 있다. 전술한 것과 같은 성질을 스위치(switch) 특성 또는 문턱(threshold) 특성이라고 하며, 상기 스위치 특성으로 인하여 NbO2는 저항 변화 메모리에서 선택 소자로 작동할 수 있다.
또한, 상기 NbO2는 낮은 온도에서는 왜곡된 루타일(distorted rutile) 상을 가지며, 높은 온도에서는 루타일(rutile) 상을 가질 수 있다. 상기 NbO2를 열처리하면 기존의 비정질이었던 상기 NbO2가 결정화되어 상기 루타일(rutile) 상으로 변화되면서 상기 스위치 특성을 가질 수 있다. 상기 NbO2의 상기 스위치 특성은 포밍(forming) 과정에 의하여 형성되거나 열처리에 의하여 상기 NbO2이 결정화되는 경우 형성될 수 있으며, 상기 열처리를 수행한 NbO2는 포밍 과정을 생략한 포밍-프리 선택 소자가 될 수 있다.
다른 실시예에서, 스위치 층(SWL)은 NbOx (약 1.8 < x < 2.2 임) 일 수 있다. 상기 x가 임계 하한 값 이하인 경우에는 도전성(metallic)을 가지는 NbO의 조성이 높아져 스위치 층(SWL)이 선택 소자로 작동할 정도의 충분한 스위치 특성을 보이기 어려우며, 상기 x가 임계 상한 값 이상인 경우 유전(dielectric)체의 성질을 띄는 Nb2O5의 조성이 높아져 스위치 층(SWL)이 선택 소자로 작동하기 어렵다. 상기 x는 화학양론비를 만족하거나 화학양론비를 만족하는 산소의 원자비보다 크거나 작을 수 있으며, 특정 값으로 한정되지 않는다.
제 1 산화 방지 층(OPL1)은 스위치 층(SWL) 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 산화 방지 층(OPL1)은 스위치 층(SWL)보다 부족한 산소 조성을 가지며, 산소와 반응하여 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있다. 상기 산소는 외부 또는 전극과의 반응에 의해 유입되거나, 스위치 층(SWL) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함하거나, 상기 산화 반응 전에 스위치 층(SWL) 상에 형성된 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함할 수 있다. 상기 비격자 산소는, 예를 들면, Nb 산화물 내부에서 Nb 원자와 완전히 결합하지 않은 산소 원자일 수 있다. 또한, 제 1 산화 방지 층(OPL1)은 산소와 반응성이 큰 금속, 비금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제 1 산화 층(OL1)은 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부와 반응하여 제 1 산화 방지 층(OPL1)과 제 2 전극(EL2) 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함할 수 있다. 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있고, 이에 따라 높은 스위치 특성을 가지는 선택 소자의 구현이 가능하다. 다른 실시예에서, 제 1 산화 층(OL1)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가질 수 있다. 이로써 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화가 방지되고, 제 1 산화 층(OL1)이 형성되었음을 알 수 있다.
다른 실시예에서, 다층 선택 소자(100)의 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 1 산화 층(OL1)의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다. 상기 두께의 합이 15 nm 미만인 경우에는 스위치 층(SWL)의 산화를 방지하기 위한 충분한 두께의 제 1 산화 방지 층(OPL1)을 형성하기 어렵다. 또한, 상기 두께의 합이 35 nm를 초과하는 경우에는 결정화에 의하여 생성되는 결정의 크기가 과도하게 커져 상기 결정화로 인한 전도성 경로의 형성이 어려워질 수 있다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)는 제 1 전극(EL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1), 제 2 산화 방지 층(OPL2), 제 2 산화 층(OL2) 및 제 2 전극(EL2)를 포함할 수 있다. 제 1 전극(EL1), 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1) 및 제 2 전극(EL2)에 대한 설명은 모순되지 않는 한 전술한 개시 사항을 참조할 수 있다.
제 2 산화 방지 층(OPL2)은 제 1 전극(EL1)과 스위치 층(SWL) 사이에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 제 2 산화 방지 층(OPL2)은 스위치 층(SWL)보다 부족한 산소 조성을 가지며, 산소와 반응하여 산화됨으로써 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 수 있다. 상기 산소는 외부 또는 전극과의 반응에 의해 유입되거나 스위치 층(SWL) 내부에 존재하거나 상기 산화 반응 전에 스위치 층(SWL) 상에 형성된 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2) 내부에 존재하던 비격자 산소를 포함할 수 있으며, 모순되지 않는 범위에서 전술한 제 1 산화 방지 층(OPL1)에 대한 설명을 참조할 수 있다.
제 2 산화 층(OL2)은 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2) 내부에 잔존하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)의 하부와 반응하여 제 2 산화 방지 층(OPL2)과 제 2 전극(EL2) 사이에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함할 수 있다. 제 2 산화 층(OL2)에 대한 설명은 전술한 제 1 산화 층에 대한 개시 사항을 참조할 수 있다. 또한, 다른 실시예에서는, 다층 선택 소자(200)의 스위치 층(SWL), 제 1 산화 방지 층(OPL1), 제 1 산화 층(OL1), 제 2 산화 방지 층(OPL2) 및 제 2 산화 층(OL2) 및 제 2 전극(EL2)의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm일 수 있다. 상기 두께의 합에 대한 설명은 모순되지 않는 한, 전술한 다층 선택 소자(100)에 대한 설명을 참조한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 선택 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 단, 이는 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예일 뿐이며, 필요에 따라 일부 단계가 추가되거나 삭제될 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 기판 상에 제 1 전극(EL1)을 형성한다(S100). 이후, 제 1 전극(EL1) 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층(SWL)을 형성(S200) 한다. 일 실시예에서, 다층 선택 소자(200)의 제조 방법의 경우, 제 1 전극(EL1)의 형성(S100) 후에 제 1 전극(EL1)과 스위치 층(SWL) 사이에 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)을 형성하는 단계(S100a)가 더 포함될 수도 있다. 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)의 형성 조건에 관해서는 후술하는 스위치 층 상에 NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성하는 단계 (S300)에서 개시한 내용을 참조할 수 있다. 다층 선택 소자(200)의 경우 제 1 전극 상에도 초기 산화 방지 층을 추가적으로 형성함으로써 양 전극 방향으로부터 스위치층(SWL)의 산화를 효과적으로 방지할 수 있다. 이에 따라, 다층 선택 소자(200)의 양 전극은 금속, 비금속 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, 산소와 반응성의 크기에 의해 한정되지 않을 수 있다. 또한, 선택 소자 역할을 하는 스위치 층(SWL)의 산화를 효과적으로 방지함으로써 신뢰도 및 정확도 높은 포밍-프리 선택 소자의 구현이 가능하다.
다른 실시예에서, 상기 스위치 층(SWL)은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %, 바람직하게는 상기 산소 분압(PO2) 2 % 내지 3 %의 조건에서 증착될 수 있다. 만약 상기 산소 분압(PO2)이 2 %보다 낮은 경우, NbO의 조성이 높아져 상기 스위치 특성이 감소할 수 있으며, 상기 산소 분압(PO2)이 3 %를 초과하는 경우 Nb2O5의 조성이 우세해질 수 있다. 일 실시예에서는, RF 스퍼터링을 이용할 수 있고, 더 높은 산소 분압 조건, 예를 들면, 산소 분압(PO2) 10 %에서 증착될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성한다(S300). 일 실시예에서, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착될 수 있다. 다른 실시예에서는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 산소 분압(PO2) 0 % 내지 1 %에서 형성될 수 있다. 상기 박막의 증착 과정에서 외부 산소가 유입될 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성이 높아질 수 있다. 다른 실시예에서는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)을 형성하는 단계는 in-situ 공정에 의해 수행될 수 있으며, 상기 in-situ 공정에 의하는 경우 외부의 산소 유입이 차단되어 낮은 산소 조성비를 가지는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 형성이 가능하다.
일 실시예에서, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 두께가 10 nm 미만인 경우 스위치 층(SWL)의 산화를 막을 정도로 충분하지 않아 스위치 층(SWL)의 산화 방지 효과를 얻을 수 없으며, 상기 두께가 15 nm를 초과하는 경우에는, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부가 산화되어 형성되는 제 1 산화 층(OL1) 및 제 1 산화 방지 층(OPL1)이 전체 선택 소자에서 차지하는 비율이 높아지고 스위치 층(SWL)이 차지하는 비율이 작아져 충분한 스위치 특성을 얻기 어렵다.
스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)이 형성된 이후, 스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 박막을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막(NTF)과 Nb 함유 박막(NTF) 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성할 수 있다(S500). 일 실시예에서, 상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다. 상기 NbOx (0 < x < 2 임) 박막이 증착된 직후에는 비정질 상태를 가질 수 있고, NbO2의 경우 상온에서 왜곡된 루타일(distorted rutile) 상을 가질 수 있다. 상기 어닐링 온도가 650 ℃ 미만인 경우, 어닐링에 의한 결정화가 충분히 이루어지지 않아 상기 결정질 상태를 얻기 위하여 추가적인 포밍(forming) 과정이 요구될 수 있으며, 상기 어닐링 온도가 750 ℃를 초과하는 경우, 스위치 층(SWL) 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 결정 구조의 왜곡(distortion)이 일어나면서 도전성 경로가 파괴될 수 있다. 다층 선택 소자(100)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL)이 포함될 수 있으며, 다른 실시예에 따른 다층 선택 소자(200)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 포함될 수 있다.
다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 스위치 층(SWL) 내부의 제 1 비격자 산소 및 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 상부와 반응하여 제 1 산화 층(OL1)을 형성할 수 있다. 제 1 산화 층(OL1)의 산소 조성비는 Nb 함유 박막(NTF)의 산소 조성비보다 크거나 같을 수 있으며, 다른 실시예에서는 Nb 함유 박막(NTF)이 NbO2 박막일 수 있다. 제 1 산화 층(OL1)이 형성되면서 Nb 함유 박막(NTF) 중 상부의 제 1 산화 층(OL1)을 제외한 나머지 부분의 산화가 방지될 수 있다. 그에 따라, 상기 나머지 부분은 균일한 결정질 상태를 유지함으로써 스위칭 특성을 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 이미지이고, 도 4c 및 도 4d는 각각 도 2에 도시된 다층 선택 소자(200)의 어닐링 이전의 및 어닐링 이후의 단면 구조의 주사전자현미경 이미지이다. 다층 선택 소자(100, 200)의 제 1 전극(EL1)은 티타늄 질화물(TiN)이고, 제 2 전극(EL2)은 백금(Pt)이고, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 및 초기 제 2 산화 방지 층(IOPL2)은 Nb 박막일 수 있으며, 스위치 층(SWL)은 NbOx (0 < x < 2 임) 박막일 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이전에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막이 분명한 경계를 가지고 구분되어 있는 것을 볼 수 있다. 이와 대조적으로, 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막의 경계가 사라지고 혼합상으로 존재하는 Nb 함유 박막(NTF)이 형성되는 것을 볼 수 있다. 다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 1 산화 층(OL1)이 형성될 수 있다. 또한, Nb 함유 박막(NTF)의 두께는 상기 Nb 박막 및 상기 NbO2 박막의 두께의 합보다 작아지는 것이 확인될 수 있다. 이는, 상기 Nb 박막 및 상기 NbO2 박막의 결정 구조가 어닐링 과정에서 재구성되고, 원자 간 거리가 균일해짐으로써 나타나는 결과이다.
도 4c 및 도 4d를 참조하면, 다층 선택 소자(200)의 열처리 이전에는 상기 Nb 박막 및 NbOx 박막들의 삼중 층 구조의 경계가 뚜렷한 것을 볼 수 있으며, 다층 선택 소자(200)의 어닐링 이후에는 상기 Nb 박막과 상기 NbOx 박막들의 경계가 사라지고 혼합상으로 존재하는 Nb 함유 단일막이 형성되는 것을 볼 수 있다. 전술한 것과 같이 Nb 함유 박막(NTF)의 두께가 감소되고, 다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에는 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 1 산화 층이 형성될 수 있으며, 하부에는 초기 제 2 산화 방지층(IOPL2)의 산소 조성보다 높은 산소 조성을 갖는 제 2 산화 층이 형성될 수 있다.
다른 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 스위치 층(SWL)이 포함될 수 있으며, 다층 선택 소자(200)의 Nb 함유 박막(NTF)에는 제 1 산화 방지 층(OPL1), 스위치 층(SWL) 및 제 2 산화 방지 층(OPL2)이 포함될 수 있다. 일 실시예에서, Nb 함유 박막(NTF) 내부의 각 층들은 경계가 명확한 복수개의 박막으로 관찰될 수도 있으며, 열처리에 의한 원자의 확산으로 불분명한 경계를 가질 수도 있다. 또한, 어닐링 과정에서 결정이 재배열되어 상기 각 층들은 Nb 함유 박막(NTF)의 단일막을 형성하거나 일체화될 수도 있다.
도 5a는 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후 측정된 제 1 산화 층(OL1)에 대한 XPS 분석 결과이며, 도 5b는 도 1에 도시된 다층 선택 소자(100)의 어닐링 이후 측정된 Nb 함유 박막에 대한 XPS 분석 결과이다. 다층 선택 소자(100)에서, 제 1 전극(EL1)은 티타늄 질화물(TiN)이고, 제 2 전극(EL2)은 백금(Pt)일 수 있고, Nb 함유 박막(NTF)은 제 1 산화 방지 층(OPL1) 및 제 1 산화 층(OL1)을 포함할 수 있다. 전술한 것과 같이, 초기 제 1 산화 방지 층(IOPL1) 및 스위치 층(SWL)을 어닐링하면 Nb 함유 박막(NTF)이 형성되고, Nb 함유 박막(NTF)의 상부에 제 산화 층(OL1)이 형성되고, 하부에는 Nb 함유 박막(NTF)이 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 Nb 함유 제 1 산화 층(OL1)은 Nb2+의 비율이 높은 것을 볼 수 있으며, Nb 함유 박막(NTF)의 경우, Nb4+ 비율이 높은 것을 알 수 있다. 상기 실험예에 의하여 제 1 산화 층(OL1)에는 NbO의 조성이 높으며, Nb 함유 박막(NTF)에는 NbO2의 조성이 높음을 알 수 있다. 이에 따라, Nb 함유 박막(NTF) 내의 스위치 층(SWL)의 산화가 방지되어 스위치 특성을 유지할 수 있다.
도 6은 어닐링 이후 다층 선택 소자(200)의 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과이다. 그래프 a는 상기 표면부의 XPS 분석 결과이고, 그래프 b는 상기 중간부의 XPS 분석 결과이며, 그래프 c는 상기 바닥부의 XPS 분석 결과이며, 그래프 d는 상기 표면부, 중간부, 바닥부의 XPS 분석 결과 비교 그래프이다. 상기 표면부, 중간부, 바닥부의 두께는 달라질 수 있으며, 상기 그래프는 비제한적인 실험예일 뿐이며, 다양한 실시예는 특정 실험 조건으로 제한되지 않는다. 일 실시예에서는, 상기 표면부는 제 1 산화 층(OL1)일 수 있고, 상기 중간부는 Nb 함유 박막(NTF)일 수 있으며, 상기 바닥부는 제 2 산화 층(OL2)일 수 있다.
도 6을 참조하면, 어닐링 이후 다층 선택 소자(200)에서 Nb5+의 결합 상태(binding state)는 존재하지 않고, 상기 표면부에는 Nb4+ 결합 상태가 우세한 것을 볼 수 있으며, 이로부터 NbO2 상이 상기 표면부에 가장 많이 존재하는 것을 알 수 있다. 상기 중간부에는 Nb2+ 결합 상태 및 Nb4+결합 상태가 혼재되어 나타나는 것을 볼 수 있고, 이는 Nb 함유 단일막에 NbO2와 NbO 상이 혼재되어 존재하는 것을 의미한다. 또한, 상기 바닥부에는 Nb2+ 결합 상태가 우세한 것을 볼 수 있으며, 이로부터 NbO 상이 가장 많이 존재하는 것을 알 수 있다.
다른 실시예에서는, 상기 표면부에 NbO 상이 가장 많이 존재하거나 상기 바닥부에 NbO2 상이 가장 많이 존재할 수 있다. 또한, 상기 중간부의 XPS 분석 결과에서 상기 Nb2+ 결합 상태 또는 상기 Nb4+ 결합 상태의 비는 달라질 수 있고, 상기 중간부의 적어도 어느 일부가 비정질 상태로 존재할 수도 있다.
도 7a는 어닐링 이후의 다층 선택 소자(100)의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이며, 도 7b는 어닐링 이후의 다층 선택 소자(200)의 I-V 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 실시예에 따른 다층 선택 소자들(100, 200)의 양 전극 사이에, 0 V에서 시작하여 음 극성의 전압 신호를 증가시키고, 다시 양 극성의 전압 신호를 증가시키는 전압 스윕(sweep) 신호를 인가하여 얻어진 측정 결과이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 어닐링 이후의 다층 선택 소자(100) 및 어닐링 이후의 다층 선택 소자(200)는 별도의 포밍 과정 없이 안정적인 스위치 특성을 보이며, 상기 스위치 특성에 의해 저항 변화 메모리용 선택 소자로 작동할 수 있는 것을 알 수 있다. 단계 ①에서, 음(negative) 값의 문턱 전압(Vth)보다 큰 전압이 상기 선택 소자의 양단에 인가되는 경우, 전류의 크기가 급격히 증가하여 금속성 상태(metallic state)를 가지는 것을 볼 수 있다. 이후, 단계 ②에서는 절연체 상태(insulator state)를 유지하고, 단계 ③에서 양(positive) 값의 문턱 전압보다 큰 전압을 인가하는 경우 다시 금속성 상태로 변화하여 전류가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으며, 단계 ④에서 다시 상기 양의 값의 문턱 전압보다 작은 전압을 인가하는 경우 전류의 크기가 급격히 감소하며 절연체 상태로 전이되는 것을 볼 수 있다. 이에 따라, 포밍 과정을 생략함으로써 불필요한 전력 소모를 줄이고, 상기 포밍 과정의 생략을 위한 어닐링 과정에서 불필요하게 생기는 산화물의 생성을 방지함으로써 정확도 및 신뢰도 높은 포밍-프리 선택 소자의 구현이 가능함을 알 수 있다.
100, 200: 다층 선택 소자
EL1: 제 1 전극
EL2: 제 2 전극
SWL: 스위치 층
OPL1: 제 1 산화 방지 층
OPL2: 제 2 산화 방지 층
OL1: 제 1 산화 층
OL2: 제 2 산화 층
IOPL1: 초기 제 1 산화 방지 층
IOPL2: 초기 제 2 산화 방지 층
NTF : Nb 함유 박막
EL1: 제 1 전극
EL2: 제 2 전극
SWL: 스위치 층
OPL1: 제 1 산화 방지 층
OPL2: 제 2 산화 방지 층
OL1: 제 1 산화 층
OL2: 제 2 산화 층
IOPL1: 초기 제 1 산화 방지 층
IOPL2: 초기 제 2 산화 방지 층
NTF : Nb 함유 박막
Claims (20)
- 메모리 셀 및 상기 메모리 셀에 결합하여 상기 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자를 포함하는 메모리 소자로서,
상기 선택 소자는,
제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층;
상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층;
상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성된 제 2 전극; 및
상기 제 1 산화 방지 층과 상기 제 2 전극 사이에 형성되고, 초기 제 1 산화 방지 층 또는 상기 스위치 층의 비격자 산소와 반응하여 상기 스위치 층의 산화를 방지하며, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 포함하고,
상기 제 1 산화 층의 산소 조성비는 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성비보다 높은 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35 nm인 메모리 소자. - 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 형성되고, NbO2를 포함하는 스위치 층;
상기 스위치 층 상에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 방지 층;
상기 제 1 산화 방지 층 상에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층;
상기 제 1 산화 층 상에 형성된 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 형성되고, NbOx (0 < x < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 방지 층; 및
상기 제 2 산화 방지 층과 상기 제 1 전극 사이에 형성되고, NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 포함하는 선택 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 산화 층은 상기 제 2 산화방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 선택 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 산화 방지 층, 상기 제 1 산화 층, 상기 스위치 층, 상기 제 2 산화 방지 층 및 상기 제 2 산화 층의 두께의 합은 15 nm 내지 35nm인 선택 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 스위치 층은 루타일(rutile) 결정질 상을 가지는 선택 소자. - 메모리 셀 및 상기 메모리 셀에 결합하여 상기 메모리 셀을 선택하기 위한 선택 소자를 포함하는 메모리 소자의 제조 방법으로서,
상기 선택 소자를 형성하는 단계는,
제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계;
상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층을 어닐링하여, 상기 스위치 층 및 초기 제 1 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막과 상기 Nb 함유 박막 상부에 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 초기 제 1 산화 방지 층 또는 상기 스위치 층의 비격자 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 상기 스위치 층의 산화를 방지하(는)며,
상기 제 1 산화 층의 산소 조성비는 상기 제 1 산화 방지 층의 산소 조성비보다 높은 메모리 소자의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착되는 메모리 소자의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착되는 메모리 소자의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서
상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 제 1 산화 층을 형성하는 메모리 소자의 제조 방법. - 제 8 항에 있어서
상기 제 1 전극과 상기 스위치 층 사이에 NbOz (0 < z < 2 임)을 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 메모리 소자의 제조 방법. - 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 2 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 2 산화 방지 층 상에 NbO2를 포함하는 스위치 층을 형성하는 단계;
상기 스위치 층 상에 NbOz (0 < z < 2 임)를 포함하는 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계;
상기 초기 제 1 산화 방지 층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 스위치 층, 초기 제 1 산화 방지 층 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층을 어닐링하여 상기 스위치 층, 초기 제 1 산화 방지 층 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층이 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하여 형성되는 Nb 함유 박막을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 Nb 함유 박막의 상부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 1 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 2 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 1 산화 방지 층의 상부와 반응하여 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 1 산화 층을 형성하고,
상기 Nb 함유 박막의 하부에 외부로부터 유입된 산소, 상기 스위치 층 내부의 제 1 비격자 산소 및 상기 초기 제 2 산화 방지 층 내부에 존재하던 제 3 비격자 산소 중 적어도 어느 한 종류의 산소가 상기 초기 제 2 산화 방지 층의 하부와 반응하여 NbOy (0 < y < 2 임)를 포함하는 제 2 산화 층을 형성하는 선택 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층을 형성하는 단계는 인-시츄(in-situ) 공정에 의해 수행되는 선택 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 10 nm 내지 15 nm의 두께로 형성되는 선택 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 어닐링은 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도 범위에서 수행되는 선택 소자의 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 산화 층은 상기 제 1 산화 방지 층보다 더 큰 Nb4+ XPS 피크를 가지는 선택 소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 스위치 층, 상기 제 1 산화 방지 층 및 상기 제 1 산화 층의 두께의 합 은 15 nm 내지 35 nm인 선택 소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 초기 제 1 산화 방지 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의하여 산소 분압(PO2) 0 %의 조건에서 증착되는 선택 소자의 제조 방법. - 제 13 항에 있어서,
상기 스위치 층은 직류 마그네트론 스퍼터링(DS magnetron sputtering)에 의 하여 산소 분압(PO2) 2 % 내지 5 %의 조건에서 증착되는 선택 소자의 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20110093620A (ko) * | 2010-02-09 | 2011-08-18 | 소니 주식회사 | 기억 소자 및 기억 장치, 및 기억 장치의 동작 방법 |
| KR20150130113A (ko) * | 2014-05-13 | 2015-11-23 | 포항공과대학교 산학협력단 | 저항 변화 메모리 및 그 제조 방법 |
| KR101911185B1 (ko) * | 2017-08-01 | 2018-12-31 | 포항공과대학교 산학협력단 | 절연체-금속 전이 소자, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 어플리케이션 |
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