전이 금속 고용체를 포함하는 저항성 메모리 소자 및 그제조 방법 document_id A220623040415

본 발명은 저항성 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저항성 메모리 소자의 전극 및 저항층 사이에 전이 금속 고용체를 형성시켜 전압 및 저항 산포를 안정화한 전이 금속 고용체를 포함하는 저항성 메모리 소자에 관한 것이다. 일반적으로 반도체 메모리 어레이 구조는 회로적으로 연결된 많은 메모리 셀들을 포함한다. 대표적인 반도체 메모리인 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, 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이타가 모두 소실되는 단점이 있다. 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) 및 PRAM(Phase-change 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 방식을 이용한 것으로, 한 개의 저항체와 한 개의 스위치(트랜지스터)를 지닌 구조를 지니고 있다. PRAM의 제조 시 종래의 DRAM 공정을 이용하는 경우 식각이 어려우며, 식각을 하는 경우라도 장시간을 요한다. 따라서, 생산성이 낮아져 제품 단가가 상승하여 경쟁력을 감소시키는 단점이 있다. 저항성 메모리 즉, RRAM(resistance random access memory)은 주로 전이 금속 산화물의 전압에 따른 저항 값이 달라지는 특성(저항 변환 특성)을 이용한 것으로, 도 1a에는 종래의 일반적인 구조의 저항 변환 물질을 이용한 메모리 소자의 구조를 나타내었다. 도 1a을 참조하면, 저항성 메모리는 기본적으로 하부 전극(11), 하부 전극(11) 상에 순차적으로 형성된 저항층(12) 및 상부 전극(13)을 포함한다. 저항층은 전이금속 산화물로 형성되는 것이 일반적이다. 그리고, 하부 전극(11)과 상부 전극(13)은 통상적인 반도체 메모리 소자에 사용되는 전극 물질로 형성된다. 도 1b는 상기 도 1a 구조의 메모리 소자의 하부 전극(11) 및 상부 전극(13)을 통하여 소정의 전압을 인가한 경우, 저항층(12)에 흐르는 전류의 값을 나타낸 V(voltage)-I(current)그래프이다. 여기서, 저항층(12)은 상술한 바와 같이 전이 금속 산화물로 형성시킨 것이다. 도 1b를 참조하면, 전압을 0V로부터 점차 증가시키며 저항층(12)에 흐르는 전류 값의 변화를 측정하는 실험을 반복하였다. 0V 내지 약 1V 사이의 인가 전압에서 저항층(12)에 흐르는 전류 값은 점차적으로 증가한다. 약 1V의 전압에서 저항이 크게 증가하여 전류 값이 크게 감소하였으며, 전압을 증가시키면 다시 전류 값이 증가한다. 여기서 높은 저항 상태를 리셋(reset) 상태라 하고, 낮은 저항 상태를 셋(set) 상태라 한다. 도 1b의 경우 셋 상태에서 리셋 상태로 변할 때의 전압, 즉 리셋 전압(RV)의 크기는 약 0.6V 내지 1.2V 사이의 값을 가지는 것을 알 수 있다. 또한 셋 상태의 저항 값(SR)의 최저치와 최고치의 차이가 10배 이상인 것을 알 수 있다. 그리고, 리셋 상태에서 셋 상태로 변할 때의 전압인 셋 전압(SV)는 1.5V 내지 4.6V로 매우 큰 산포 값을 지닌 것을 알 수 있다. 상술한 바와 같이 종래 기술에 의한 저항성 메모리의 전압 및 저항 산포(variation)가 큰 이유는 저항층(12)의 저항 레벨이 안정되지 못하지 때문에 발생한 것이다. 셋, 리셋 전압 등이 불안정으로 인하여, 메모리 소자로서 사용 시 신뢰도가 떨어지는 문제점이 있다.