KR100526672B1 - 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기적 상변화 메모리 (electrical phase change memory) 소자 제조에 관한 것으로서 상변화 물질(phase change material)과 외부와 전기적 접촉을 위한 콘택 물질 (contact material) 사이에서 추가로 주울 열을 발생시킴과 동시에 발생한 열이 외부로 유출되는 것을 차단시키는 층 [일명 : 열 발생 및 차단층, heat generation and isolation layer]을 도입하거나 상변화 물질과 열 발생 및 차단층을 반복적 층상 구조 (laminate structure) 로 형성함으로써 저전력 동작이 가능한 소자 구성을 목적으로 한다. 이를 위하여 외부와의 전기적 접촉을 위한 콘택 물질을 형성하는 단계, 산화 공정(oxidation process), 기상 증착 공정(vapor deposition process), 아크 증착법(arc deposition) 혹은 레이저 펄스 증착법(laser pulse deposition) 등을 통해서 열 발생 및 차단층을 콘택 물질 위에 형성하는 단계, 그리고 상변화 물질을 기상 증착 공정으로 단일 층으로 혹은 열 발생 및 차단층과 층상 구조로 형성함으로써 저전력 동작이 가능한 전기적 상변화 메모리 소자를 구성한다. 이러한 저전력 전기적 상변화 메모리 소자 (low-power electrical phase change memory device)는 메모리 칩 당 소비 전력을 감소시킴으로써 고밀도로 집적할 수 있기 때문에 생산성을 향상시키는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 온도 변화에 따른 빠른 상변화를 이용하여 데이터를 읽고 쓸수 있도록 구성하는 전기적 상변화 메모리 소자에 관한 것으로서, 특히 낮은 소비전력에서 동작하도록 함으로써 고밀도 및 낮은 비트당 비용(cost per bit)을 갖도록 구성되는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법에 관한 것이다.
최근 미국의 Ovonyx社와 ECD (Energy Conversion Devices) 社에서 제안된 (US 5,166,758 / US 5,296,716 / US 5,359,205 / US 5,414,271 / US 5,536,947 / US 5, 534, 712 / US 5,687, 112/ US 5,826,046 / US 5,912,839 / US 6,075,719) 전기적 상변화 메모리 소자는 비교적 낮은 온도에서 수십 나노 초 (nano-second) 이내의 빠른 속도로 상변화를 하는 것으로 잘 알려진 칼코지나이드 (chalcogenide) 계열의 물질을 이용한 전기적 메모리 소자로, 열 혹은 전기적 외부 에너지의 크기와 가해지는 시간에 의해 고체 물질이 갖는 결정 구조인 결정질(crystalline)과 비정질(amorphous)로 가역적으로 변환시키면서 각각 구조가 갖는 전기적 비저항(electrical resistivity)의 차이를 메모리의 저장 단위로 이용하는 소자이다. 간단한 소자 구조에 따른 고집적화(high shrinkability)의 용이성과 잘 알려진 칼코지나이드 (chalcogenide) 계열의 물질 특성, 우수한 데이터 저장 능력 그리고 다중 메모리 작동 (multi-bit memory operation) 가능성 등으로 현재의 대표적 비휘발성 (non-volatile) 메모리 소자인 플래쉬 메모리 (flash memory) 소자를 대체할 차세대 소자로 각광 받고 있다.
종래의 대표적 전기적 상변화 메모리 소자의 단위 셀 구조는 Ovonyx社의 Maimon 등이 2002년 NVMTS (Non-Volatile Memory Technology Symposium) 에서 제시한 것으로, 도1에 나타낸 바와 같다. 먼저 실리콘 기판(10)위에 소스 및 드레인 역할을 하는 활성 영역(n-doped silicon active region, 11)과 셀 선택 트랜지스터(12)을 형성한 다음, 층간 절연물(13)을 증착하고 포토 및 식각 공정을 통해 콘택을 만들고 텅스텐과 타이타늄 질화물 같은 전도체 콘택 물질(14)을 채운다. 그리고 대표적 상변화 물질인 Ge1Sb2Te4 혹은 Ge2Sb2
Te5 같은 삼원계 칼코지나이드 물질(15)과 상부 메탈 전극(16)을 증착하고 각각 포토 및 식각 공정을 통해 최종적으로 단위 메모리 셀 구조를 형성한다.
상기와 같은 전기적 상변화 메모리 소자의 데이터 쓰기 동작(write operation)과 읽기 동작 (read operation)의 기본 원리는 다음과 같다.
먼저 쓰기 동작은 외부 전기적 에너지를 이용하여 칼코지나이드 계열의 상변화 물질이 결정질상(crystalline phase)과 비정질상(amorphous phase)의 두 가지 상을 갖게 하고, 각 상이 갖는 물질 고유의 전기적 비저항을 각각 1과 0의 메모리 기본 단위(bit)로 하는 것이다. 즉 셀 선택 트랜지스터(12)를 이용해서 특정 셀을 선택한 다음, 소스 및 드레인 영역(11)과 선택된 셀 트랜지스터(12) 그리고 콘택 영역(14)을 통해서 상변화 물질(15)에 외부 전류를 가한다. 결국 가하는 전류의 세기와 시간에 의해 결정되는 콘택 물질(14)과 상변화 물질(15)의 주울열(Joule heat) 크기에 따라 상변화 물질(15)이 결정질상 혹은 비정질상으로 정해진다. 이 때 전류는 콘택 물질(14)과 상변화 물질(15)이 맞닿은 계면에 집중되므로 (current crowding), 상변화가 일어나는 영역은 상변화 물질(15) 전체가 아니라 콘택 물질(14)과의 계면에 국한된다. 그리고 읽기 동작은 일반적으로 결정질상과 비정질상의 전기적 비저항 차이가 104~5배 이상인 특성을 이용하여, 상변화 물질(15)의 상 종류에 따라 외부에서 측정하는 전기적 저항값(electrical resistance)의 차이로 1과 0 데이터를 구별하는 것이다.
상기와 같은 종래 소자의 가장 큰 문제점 중의 하나는 메모리 쓰기 동작에 필수적인 상변화를 위해서는 수십 mA/㎛2 높은 전류 밀도가 요구된다는 것이다. 이러한 조건은 셀 선택 트랜지스터 크기에 대한 축소(혹은 스케일링)를 제한해 고집적도의 메모리 소자 제조에 걸림돌이 될 뿐 아니라, 최근 메모리 제품들이 휴대용으로 제조되고 있는 실정을 감안하면 저전력 소자로의 제조 또한 어렵게 하는 요소가 된다. 따라서 상변화 메모리 소자를 차세대 비휘발성 메모리 소자로의 상용화를 위해서는 저전력에서 동작하는 단위 메모리 셀 제조이 필수적이고, 현재 이에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
본 발명의 목적은 상변화 물질과 외부와 전기적 접촉을 위한 콘택 물질 사이에서 추가로 주울 열을 발생시킴과 동시에 발생한 열이 외부로 유출되는 것을 차단시키는 층 [일명 : 열 발생 및 차단층, heat generation and isolation layer] 을 도입하거나, 이러한 열 발생 및 차단층을 상변화 물질과 반복적 층상 구조(laminate structure)로 형성하여 낮은 전력에서도 온도 상승의 효율을 높임으로써 저전력 동작이 가능한 전기적 상변화 메모리 소자를 구성하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 기존의 제조 공정에 의해 콘택 물질을 형성하고 상변화 물질을 형성하기 전에 0.01 ~ 100 W/m·K 범위의 열 전도도(thermal conductivity)와 103~107
범위의 전기적 비저항(electrical resistivity)을 동시에 만족하는 열 발생 및 차단층을 삽입하거나 혹은 그 열 발생 및 차단층과 상변화 물질을 반복적 층상 구조로 구성하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저전력 전기적 상변화 메모리 소자의 단위 메모리 셀 형성 방법을 도시한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기존의 제조 공정과 동일하게 실리콘 기판(20)위에 소스 및 드레인 역할을 하는 활성 영역(n-doped silicon active region, 21)과 셀 선택 트랜지스터(22)을 형성한 다음, 층간 절연물(23)을 증착하고 포토 및 식각 공정을 통해 콘택을 만들고 텅스텐과 타이타늄 질화물 같은 전도체 콘택 물질(24)을 채운다.
도 2b를 참조하면, 기상 증착법으로 열 발생 및 차단층(25)과 칼코지나이드 계열의 상변화 물질(26)을 각각 단일 층으로 1~1000nm의 두께 범위 내에서 도포한다.
도 2c를 참조하면, 반복적 층상 구조의 한 예로서 열 발생 및 차단층(25, 25-1)과 칼코지나이드 계열의 상변화 물질(26, 26-1)을 각각 두 층씩 반복적으로 1~1000nm의 두께 범위 내로 도포한다. 각 층을 여러 층 반복하여 다층의 층상 구조 형성도 가능하다. 이때, 상기 콘택 물질위에 형성되는 열 발생 및 차단층(25, 25-1)의 두께는 특히 0.1 ~ 10nm의 범위내에 있도록 하여, 그 층의 두께로 인하여 발생하는 전기 저항 증가가 소자 동작에 영향을 주지 않도록 한다.
도 2d와 도 2e를 각기 참조하면, 적층된 열 발생 및 차단층(25, 25-1), 상변화 물질(26, 26-1) 그리고 상부 메탈 전극(27)을 각각 포토 및 식각 공정을 통해 패턴닝하여 최종적으로 단위 메모리 셀 구조를 형성한다.
이때, 상기 열 발생 및 차단층(25, 25-1)은 녹는 온도가 적어도 상기 상변화 물질(26, 26-1)의 녹는 온도보다 높아 소자 동작중에 액체로 변하지 않도록 한다. 따라서, 상기 열 발생 및 차단층(25, 25-1)은 상변화 물질(26, 26-1)보다 최소한 100 ~ 200℃의 더 높은 녹는 온도를 갖도록 한다.
또한, 상기 콘택 물질(24)위에 형성되는 열 발생 및 차단층(25, 25-1)은 1 W/m·K미만의 낮은 열전도도를 가지면서 2nm 미만의 낮은 두께에서 양자역학적 터널링 현상(tunneling)에 의해서 전도성 특성을 보이는 산화물(oxide)이 될 수도 있다. 예를 들어, 상기 콘택 물질(24)위에 형성되는 열 발생 및 차단층(25, 25-1)의 종류는 indium-tin oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cadmium oxide와 같은 전도성 유리 물질, EuSe, AgSe와 같은 셀레니움(Selenium) 계열 화합물, Tl9BiTe6, CsBi4Te6와 같은 텔레니움(Telenium) 계열의 화합물, amorphous carbon, diamond-like carbon와 같은 비정질 탄소 물질 혹은 타이타늄 산화 질화물 (Titanium oxynitride), 탄탈륨 질화물 (Tantalum nitride)같은 질화물 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 콘택 물질(24)위에 형성되는 열 발생 및 차단층(25, 25-1)은 산화 공정(oxidation process), 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition), 화학적 기상 증착법 (chemical vapor deposition), 원자층 증착법 (atomic layer deposition), 레이저 펄스 증착법 (laser pulse deposition) 혹은 아크 증착법 (arc deposition)으로 증착시킬 수 있다.
따라서, 예를 들어, 콘택 물질위에 증착하는 열 발생 및 차단층은 0.01 ~ 100W/m.K 범위의 낮은 열전도도와 103 ~ 107
범위의 전기적 비저항값을 가져, 추가적으로 주울 열을 발생할 뿐 아니라 발생한 열을 효과적으로 차단하여, 수 mA/㎛2이하의 낮은 전류 밀도에서 상변화 물질의 온도를 600℃이상으로 올려 소자를 동작시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 응용된 예로서 콘택 물질(34)을 주위의 층간 절연막(33) 높이 보다 1~500nm 정도 낮게 하고 열 발생 및 차단층(35,35-1)과 상변화 물질(36,36-1)을 형성함으로써, 구조적으로 두 열 발생 및 차단층(35, 35-1) 사이의 전류 밀도를 향상 시켜 저전력 소자 동작을 가능하게 하는 단위 메모리 셀 구조를 구성한다. 즉, 콘택 물질(34)을 주위의 층간 절연물의 높이 보다 1 ~ 500nm 범위 내에서 낮게 하면 후속으로 증착되는 열 발생 및 차단층(25, 25-1)과 상변화 물질(36, 36-1)이 콘택 내부로 함몰되고, 구조적으로 외부에서 가하는 소자 작동 전류가 콘택 내부에서 집중되는 현상이 발생하므로 더 낮은 전류에서 소자 동작이 가능해 지는 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예인 도 2d 구조에서 저전력 소자 동작 가능성을 확인하기 위해 동일한 외부 전류에서 열 발생 및 차단층(45)을 도입한 경우와 그렇지 않은 경우의 위치에 따른 온도 분포(temperature profile)를 보기 위한 전기적 상변화 메모리 소자의 셀 단면의 간단한 예이다. 외부 전류 인가에 의한 주울 열에 의한 온도 상승은 간단히 하기 <수학식 1>의 1차원 열 방정식에 의해 기술된다.
여기서 , 및 c는 콘택 물질(44), 열 발생 및 차단층(45), 상변화 물질(46), 상부 금속 물질(47) 각각의 열전도도 [W/mK], 밀도 [g/m3], 그리고 비열(specific heat) [J/gK] 이다. 그리고 는 단위 시간과 부피당 발생하는 주울 열로 [W/m3] 와 같다. 여기서 IF는 외부에서 가한 전류[A]이며, R은 각 구조 물질의 전기적 저항[Ω]이다.
도 5를 참조하면, 도 4와 <수학식 1>로부터 계산된 온도 분포로, 본 발명의 한 실시 예인 도 2d 구조에서 단일 열 발생 및 차단층(55)으로 5nm 두께의 타이타늄 산화 질화물 (Titanium oxynitride) 의 삽입으로 동일한 외부 전류(IF =1mA)에서 높은 온도 분포를 보여줌으로써, 낮은 전류에서도 소자 동작 가능성을 보여준다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예인 도 2e구조에서 저전력 소자 동작 가능성을 확인하기 위해 동일한 외부 전류에서 열 발생 및 차단층(65,65-1)과 상변화(66, 66-1)층을 반복적으로 구성한 경우와 단일 층으로 구성한 경우에 따른 온도 분포를 보기 위한 전기적 상변화 메모리 소자의 셀 단면의 간단한 예이다.
도 7을 참조하면, 역시 도 6과 (식1)로부터 계산된 온도 분포로, 동일한 전류(IF =1mA)에서 5nm 두께의 비정질 탄소 박막 (amorphous carbon film) 의 열 발생 및 차단층(75, 75-1)과 상변화 물질층(76, 76-1)의 반복적 층상구조에서 단일 열 발생 및 차단층인 경우보다 더 높은 온도 분포를 보여줌으로써, 보다 낮은 전류에서 소자 동작이 가능한 것을 보여준다.
분명히, 청구항들의 범위내에 있으면서 이러한 실시예들을 변형할 수 있는 많은 방식들이 있다. 다시 말하면, 이하 청구항들의 범위를 벗어남 없이 본 발명을 실시할 수 있는 많은 다른 방식들이 있을 수 있는 것이다.
본 발명에 의한 저전력 상변화 메모리 소자는 상변화 물질과 인접해 추가로 주울열을 발생시킬 뿐 아니라 발생한 열을 차단하는 층을 도입함으로써 기존 소자의 경우 (~수십 mA/㎛2) 보다 낮은 소자 동작 전류 밀도 (~수 mA/㎛2)에서도 신뢰성 있는 상변화를 할 수 있는 메모리 셀 구조를 갖는다. 이와 같은 낮은 동작 전류 밀도는 메모리 칩 크기의 감소 뿐만 아니라 저전력 소비의 소자 제조을 가능하게 하므로, 고집적화 뿐만 아니라 생산성 및 경쟁력이 우수한 비휘발성 상변화 메모리 소자 개발을 촉진시킨다.
도 1 은 종래 기술에 의한 전기적 상변화 메모리 소자의 단위 셀 (unit cell) 단면도;
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 저전력 전기적 상변화 메모리 소자의 단위 셀 단면도;
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 응용된 저전력 전기적 상변화 메모리 소자의 단위 셀 단면도;
도 4는 본 발명의 실시예인 도2d 구조의 온도 분포 계산에 사용된 전기적 상변화 메모리 소자의 셀 단면의 간단한 예;
도 5는 본 발명의 실시예인 도2d 구조에서 열 발생 및 차단층의 삽입으로 저전력 소자 동작이 가능한 것을 보여주는 1차원 온도 분포도;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 도2e 구조에서 온도 분포 계산에 사용된 전기적 상변화 메모리 소자의 셀 단면의 간단한 예; 및
도 7 는 본 발명의 또 다른 실시 예인 도 2e의 상변화층과 열 발생 및 차단층의 반복적 층상구조에서 저전력 소자 동작이 가능한 것을 보여주는 1차원 온도 분포도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10, 20, 30 : 실리콘 기판
11, 21, 31, 41, 61 : 실리콘 활성층
12, 22, 32 : 셀 선택 트랜지스터
13, 23, 33, 43, 63 : 층간 절연체
14, 24, 34, 44, 54, 64, 74 : 콘택 물질
25, 25-1, 35, 35-1, 45, 55, 65, 65-1, 75, 75-1 : 열 발생 및 차단층
15, 26, 26-1, 36, 36-1, 46, 56, 66, 66-1, 76, 76-1 : 상변화 물질
16, 27, 37, 47, 57, 67, 77 : 상부 금속 배선
Claims (13)
- 실리콘 기판상에 소스 및 드레인 역할을 하는 활성 영역과 셀 선택 트랜지스터를 형성한 후 층간 절연물을 증착하고 포토 및 식각 공정을 통해 콘택을 만들고 텅스텐과 타이타늄 질화물 같은 전도체 콘택 물질을 채우는 단계;상기 콘택 물질의 상부에 열 발생 및 차단층을 형성하는 단계, 여기에서 상기 열 발생 및 차단층의 녹는 온도는 상기 상변화 물질의 녹는 온도보다 높고, 0.01 ~ 100W/m.K 범위의 열전도도와 103~ 107 범위의 전기적 비저항값을 가지고, 0.1 ~ 10nm의 두께를 가진다;상기 열 발생 및 차단층의 상부에 칼코지나이드 계열의 상변화 물질을 일정 두께로 형성하는 단계; 및상기 적층된 열 발생 및 차단층과 상변화 물질, 그 상부에 형성되는 메탈 전극을 각각 포토 및 식각 공정을 통해 패터닝하여 단위 셀 메모리 구조를 갖도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,상기 열 발생 및 차단층은 상변화 물질보다 최소한 100℃ 더 높은 녹는 온도를 가짐을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 열 발생 및 차단층은 indium-tin oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, cadmium oxide와 같은 전도성 유리 물질, EuSe, AgSe와 같은 셀레니움(Selenium) 계열 화합물, Tl9BiTe6, CsBi4Te6와 같은 텔레니움(Telenium) 계열의 화합물, amorphous carbon, diamond-like carbon와 같은 비정질 탄소 물질 혹은 타이타늄 산화 질화물 (Titanium oxynitride), 탄탈륨 질화물 (Tantalum nitride)같은 질화물 중 어느 하나임을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 열 발생 및 차단층은 1 W/m·K미만의 낮은 열전도도를 가지면서 2nm 미만의 낮은 두께에서 양자역학적 터널링 현상(tunneling)에 의해서 전도성 특성을 보이는 Al2O3 임을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
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- 삭제
- 삭제
- 실리콘 기판상에 소스 및 드레인 역할을 하는 활성 영역과 셀 선택 트랜지스터를 형성한 후 층간 절연물을 증착하고 포토 및 식각 공정을 통해 콘택을 만들고 텅스텐과 타이타늄 질화물 같은 전도체 콘택 물질을 채우는 단계;상기 콘택 물질의 상부에 열 발생 및 차단층을 형성하는 단계, 여기에서 상기 열 발생 및 차단층의 녹는 온도는 상기 상변화 물질의 녹는 온도보다 높고, 0.01 ~ 100W/m.K 범위의 열전도도와 103~ 107 범위의 전기적 비저항값을 가지고, 0.1 ~ 10nm의 두께를 가진다;상기 열 발생 및 차단층의 상부에 칼코지나이드 계열의 상변화 물질을 일정 두께로 형성하는 단계;상기 상변화 물질의 상부에 다시 열 발생 및 차단층과 상변화 물질을 적어도 한번 이상 교번하여 순차적으로 적층하는 단계; 및상기 적층된 적어도 하나의 열 발생 및 차단층과 상변화 물질 및 그 상부에 형성되는 메탈 전극을 각각 포토 및 식각 공정을 통해 패터닝하여 단위 셀 메모리 구조를 갖도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
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- 삭제
- 실리콘 기판상에 소스 및 드레인 역할을 하는 활성 영역과 셀 선택 트랜지스터를 형성한 후 층간 절연물을 증착하고 포토 및 식각 공정을 통해 콘택을 만들고 텅스텐과 타이타늄 질화물 같은 전도체 콘택 물질을 주위의 층간 절연물 보다 낮은 높이로 채우는 단계;상기 콘택 물질의 상부에 열 발생 및 차단층,여기에서 상기 열 발생 및 차단층의 녹는 온도는 상기 상변화 물질의 녹는 온도보다 높고, 0.01 ~ 100W/m.K 범위의 열전도도와 103~ 107 범위의 전기적 비저항값을 가지고, 0.1 ~ 10nm의 두께를 가진다, 및 칼코지나이드 계열의 상변화 물질을 단일층 또는 교번하여 복층 이상으로 형성하는 단계;상기 적층된 적어도 하나의 열 발생 및 차단층과 상변화 물질 및 그 상부에 형성되는 메탈 전극을 각각 포토 및 식각 공정을 통해 패터닝하여 단위 셀 메모리 구조를 갖도록 하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
- 제 12항에 있어서,상기 콘택 물질을 주위의 층간 절연물의 높이 보다 1 ~ 500nm 범위 내에서 낮게 하여 후속으로 증착되는 열 발생 및 차단층과 상변화 물질이 콘택 내부로 함몰되고, 구조적으로 외부에서 가하는 소자 작동 전류가 콘택 내부에서 집중되는 현상이 발생하므로 더 낮은 전류에서 소자 동작이 가능해 짐을 특징으로 하는 전기적 상변화 메모리 소자 제조 방법.
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2003
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