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기판;상기 기판 상에 배치된 제 1 전극;상기 제 1 전극 상에 배치되며, 탄탈륨 산화물(Ta2O5)을 포함하고, 상기 탄탈륨 산화물은 비정질 구조 및 상기 비정질 구조 내에 초기 저저항 상태를 갖도록 부분적 필라멘트를 형성하는 국부적 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 포함하고, 20 nm 내지 50 nm의 두께의 단일 층으로서 구현된 포밍 프리 저항 변화 물질층; 및상기 저항 변화 물질층 상에 배치되는 제 2 전극을 포함하며,상기 저항 변화 물질층의 저항 값은 상기 제 1 및 상기 제 2 전극들 중 적어도 어느 하나와 상기 저항 변화 물질층 사이의 산소 이온 또는 산소 공공의 이동으로 변화하는 저항 변화 메모리 소자
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제 1 항에 있어서,상기 국부적 사방정계 결정 구조는 상기 저항 변화 메모리 소자의 초기 리셋 스위칭을 대체하는 것으로서, 상기 저항 변화 메모리 소자는 초기에 저저항 상태(low resistance state, LRS)를 갖는 저항 변화 메모리 소자
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제 1 항에 있어서,상기 저항 변화 물질층의 일부 표면을 노출시키는 개구부를 갖고, 상기 저항 변화 물질층을 메모리 셀간 분리하는 전기 절연막을 더 포함하며, 상기 제 2 전극은 상기 개구부를 통해 상기 저항 변화 물질층의 상기 일부 표면과 접촉하는 저항 변화 메모리 소자
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제 5 항에 있어서,상기 제 1 전극이 상기 저항 변화 물질층에 접촉하는 제 1 면의 접촉 면적은 상기 제 2 전극이 상기 저항 변화 물질층에 접촉하는 상기 저항 변화 물질층의 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면의 접촉 면적보다 더 넓은 저항 변화 메모리 소자
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제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 탄탈룸(Ta), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 아연(Zn), 크롬(Cr), 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu), 란탄계(Lanthanide) 금속, 또는 이들의 합금, 이들의 질화물 또는 이들의 산화물을 포함하는 저항 변화 메모리 소자
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제 7 항에 있어서,상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 산소 반응성이 없는 금속을 포함하는 경우, 상기 저항 변화 메모리 소자는 유니폴라(unipolar) 스위칭 동작을 수행하며,상기 제 1 전극이 산소와 반응하는 금속을 포함하고, 상기 제 2 전극이 산소 반응성이 없는 금속을 포함하는 경우, 상기 저항 변화 메모리 소자는 바이폴라(bipolar) 스위칭 동작을 수행하는 저항 변화 메모리 소자
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제 1 방향으로 연장된 복수의 제 1 배선들, 상기 복수의 제 1 배선들과 각각 교차점을 정의하도록 상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 연장된 복수의 제 2 배선들, 및 데이터의 저장을 위해 상기 교차점마다 배치되는 포밍 프리 저항 변화 물질층을 포함하는 크로스 포인트(cross point) 구조를 갖는 반도체 메모리 장치로서, 상기 포밍 프리 저항 변화 물질층은 탄탈륨 산화물(Ta2O5)을 포함하고, 상기 탄탈륨 산화물은 비정질 구조 및 상기 비정질 구조 내에 초기 저저항 상태를 갖도록 부분적 필라멘트를 형성하는 국부적 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 포함하며,20 nm 내지 50 nm의 두께의 단일 층으로서 구현되며,상기 포밍 프리 저항 변화 물질층의 저항 값은 전극과 상기 포밍 프리 저항 변화 물질층 사이의 산소 이온 또는 산소 공공의 이동으로 변화하는 반도체 메모리 장치
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제 9 항에 있어서,상기 복수의 제 1 배선들 및 상기 복수의 제 2 배선들 중 적어도 하나는 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 아연(Zn), 크롬(Cr), 코발트(Co), 망간(Mn), 철(Fe), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu), 란탄계(Lanthanide) 금속, 또는 이들의 합금, 이들의 질화물 또는 이들의 산화물을 포함하는 반도체 메모리 장치
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제 10 항에 있어서,상기 복수의 제 1 배선들은 복수의 제 1 전극들을 포함하고, 상기 복수의 제 2 배선들은 복수의 제 2 전극들을 포함하며, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 산소 반응성이 없는 금속을 포함하는 경우, 상기 반도체 메모리 장치는 유니폴라(unipolar) 스위칭 동작을 수행하며,상기 제 1 전극이 산소와 반응하는 금속을 포함하고, 상기 제 2 전극이 산소 반응성이 없는 금속을 포함하는 경우, 상기 반도체 메모리 장치는 바이폴라(bipolar) 스위칭 동작을 수행하는 반도체 메모리 장치
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기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;상기 제 1 전극 상에 탄탈륨 산화물(Ta2O5)을 포함하며, 20 nm 내지 50 nm의 두께의 단일 층으로서 구현되는 포밍 프리 저항변화 물질층을 형성하는 단계;상기 탄탈륨 산화물이 비정질 구조 및 상기 비정질 구조 내에 초기 저저항 상태를 갖도록 부분적 필라멘트를 형성하는 국부적 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 포함하도록 상기 포밍 프리 저항 변화 물질층을 열처리하는 단계; 및상기 국부적 사방정계(orthorhombic) 결정 구조를 갖는 상기 포밍 프리 저항 변화 물질층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,상기 포밍 프리 저항 변화 물질층의 저항 값은 상기 제 1 및 상기 제 2 전극들 중 적어도 어느 하나와 상기 저항 변화 물질층 사이의 산소 이온 또는 산소 공공의 이동으로 변화하는 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법
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제 12 항에 있어서,메모리 셀간 분리를 위해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 상기 저항 변화 물질층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법
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제 12 항에 있어서,상기 열처리하는 단계 후에, 상기 저항 변화 물질층의 메모리 셀간 분리를 위해서 상기 저항 변화 물질층 상에 전기 절연막을 형성하는 단계; 및상기 전기 절연막에 상기 저항 변화 물질층의 일부 표면을 노출시키는 개구부를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 전극은 상기 개구부를 통해 상기 저항 변화 물질층의 상기 일부 표면과 접촉하는 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법
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제 12 항에 있어서,상기 열처리의 온도는 600 ℃ 내지 700 ℃의 온도 범위를 포함하는 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법
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제 12 항에 있어서,상기 열처리는 산화성 가스, 불활성 가스 및 이들의 혼합 가스 또는 진공 상태 중 어느 하나의 분위기에서 수행되고,상기 산화성 가스는 산소, 산화 질소, 공기 및 이들의 혼합 가스 중 어느 하나이며, 상기 불활성 가스는 질소, 헬륨, 아르곤 및 이들의 혼합 가스 중 어느 하나를 포함하는 저항 변화 메모리 소자의 제조 방법
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