비휘발성 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 어레이 document_id A220623014714

본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고밀도 비휘발성 메모리 소자를 구현하기 위하여 별도로 형성된 트랜지스터 및 다이오드가 필요없이 간단한 구조로 구동할 수 있는 자기 존재 다이오드 특성을 지닌 비휘발성 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 어레이에 관한 것이다. 반도체 메모리 소자는 단위 면적당 많은 수의 메모리 셀이 형성되어 집적도가 높으며, 동작 속도가 빠르고 저전력에서 구동이 가능한 것이 바람직하다. 따라서, 이를 위해 많은 연구가 진행되어 왔으며, 다양한 종류의 메모리 소자들이 개발되고 있다. 통상 반도체 메모리 장치는 회로적으로 연결된 많은 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리 장치인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 경우, 단위 메모리 셀은 한 개의 스위치와 한 개의 커패시터로 구성되는 것이 일반적이다. DRAM은 집적도가 높고 동작 속도가 빠른 이점이 있다. 그러나, DRAM의 경우에는 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다. 반면에 전원이 꺼진 후에도 저장된 데이타가 보존될 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 대표적인 예가 플래쉬 메모리이다. 플래쉬 메모리는 휘발성 메모리와 달리 비휘발성의 특성을 지니고 있으나 DRAM에 비해 집적도가 낮고 동작 속도가 느린 단점이 있다. 현재, 많은 연구가 진행되고 있는 비휘발성 메모리 소자로, MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(Resistance Random Access Memory) 등이 있다. MRAM은 터널 접합에서의 자화 방향에 변화를 이용하여 데이타를 저장하는 방식이며, FRAM은 강유전체의 분극 특성을 이용하여 데이타를 저장하는 방식이다. 이들은 모두 각각의 장단점을 지니고 있으나, 기본적으로는 상술한 바와 같이, 집적도가 높으며, 고속의 동작 특성을 지니고, 저전력에서 구동가능하며, 데이타 리텐션(retention) 특성이 좋은 방향으로 연구 개발되고 있다. PRAM은 특정 물질의 상변화에 따른 저항 값의 변화를 이용하여 데이타를 저장하는 방식이며, 한 개의 저항체와 한 개의 스위치(트랜지스터)를 지닌 구조를 지니고 있다. PRAM에 사용되는 저항체는 캘코게나이드(calcogenide) 저항체인데, 이는 형성 온도를 조절하여 결정질 또는 비정질 상태가 된다. 통상 비정질 상태에서의 저항이 결정질일 때보다 높으므로 이를 이용하여 메모리 소자를 형성시키는 것이다. RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항 값이 달라지는 특성(저항 변환 특성)을 이용한 것으로, 도 1a는 일반적인 구조의 저항 변환 물질을 이용한 RRAM 소자의 구조를 나타낸 것이다. 도 1a를 참조하면, 기판(11) 상에 n형 반도체층(12a), p형 반도체(12b), 중간 전극(13), 산화층(14) 및 상부 전극(15)이 순차적으로 형성되어 있다. 여기서, 하부 전극(12), 중간 전극(13) 및 상부 전극(15)은 일반적인 전도성 물질로 형성된 것이다. 산화층(14)은 메모리 노드로 작용하는 것으로 통상 저항 변환(가변 저항) 특성을 지닌 전이 금속 산화물로 형성된다. 구체적인 물질을 예로 들면, 산화층(14)은 ZnO, TiO2, Nb2O5, ZrO2 또는 NiO 등을 이용하여 형성시킬 수 있다. 산화층(14)의 양쪽에 전극이 형성된 구조로 메모리 노드로 동작할 수 있으나, 어레이 구조의 메모리 소자를 구동시키기 위해서는 별도의 스위치(switch) 구조가 필요하다. 따라서, 통상 메모리 소자는 트랜지스터 구조체 또는 다이오드 구조체와 연결된 구조를 지니고 있다. 다이오드 구조체에 비해 트랜지스터 구조체는 제조 공정이 복잡하여, 고밀도의 메모리 어레이 제조에 한계가 있다. 매우 간단한 메모리 어레이 구조인 크로스 포인트(cross-point)형 구조에서는 다이오드 구조체가 주로 채택된다. 도 1a의 n형 반도체층(12a) 및 p형 반도체층(12b)은 다이오드 구조체를 나타낸 것이다. 통상적으로 많이 사용되는 다이오드는 실리콘 다이오드 및 산화물 다이오드가 있다. 도 1b는 실리콘 다이오드 및 산화물 다이오드의 전기적 특성을 나타낸 그래프이다. 도 1b를 참조하면, 실리콘 다이오드는 비교적 높은 전류 밀도( ~ 107/cm2)를 지니고 있으며, 산화물 다이오드는 상대적으로 낮은 전류 밀도( ~ 103/cm2)를 지니고 있음을 알 수 있다. 그러나 제조 공정 측면에서 살펴보면, 도 1b와 같은 구조에서 다이오드 구조체는 하부 전극(11), 구체적으로 금속 상에 형성되어야하는데, 실리콘 다이오드는 금속층 상에 적층이 매우 어렵다. 섭씨 약 1000도에서 레이저 어닐링 공정에 의해 실시를 하는 경우가 있으나, 실용화에 적합하지 못한 단점이 있다. 산화물 다이오드는 금속 위에 형성은 가능하지만 전류 밀도가 비교적 낮은 단점이 있다. 이와 같은 다이오드 구조체를 크로스 포인트형 메모리 소자 어레이 내에 형성하기 위해서는 적층 공정 및 식각 공정 등이 반복적으로 행해져야 하므로 도 1a와 같이 많은 적층 구조를 지닌 경우에는 수율이 보장되며 안정적으로 동작하는 어레이 구조의 메모리 소자를 구현하기 어려운 문제점이 있다.