KR100536599B1 - 상변화 기억 소자 구조 - Google Patents
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Abstract
상변화 물질막에서 비정질/결정의 변화 영역(Programmable Volume)이 균일하게 형성되도록 상변화 물질막 패턴의 상부면과 측면으로 전류를 흐르게 하는 상부전극을 형성한다. 상기 상부전극은 상변화 물질의 상부와 측벽을 감싸는 형태로 구성된다.
Description
본 발명은 반도체 기억 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상변화 기억 소자에 관한 것이다.
반도체 기억 소자들은 전원 공급이 중단되었을 때, 데이터의 보유 유무에 따라, 크게 휘발성 기억 소자 및 비휘발성 기억소자로 나누어 질 수 있다. 휘발설 기억 소자들의 대표적인 것이 디램 소자들 및 에스램 소자들이며, 비휘발성 기억소자들의 대표적인 것이 플래쉬 기억 소자들이다. 이와 같은 전형적인 기억 소자들은 저장된 전하 유무에 따라 논리 "0" 또는 논리 "1"을 나타냄으로써 기억 소자로서의 기능을 한다.
휘발성 기억 소자인 디램은 주기적인 리프레쉬 동작이 필요하며, 높은 전하 저장능력이 요구된다. 따라서, 디램 소자의 경우, 커패시턴스를 증가시키키 위해 많은 노력들이 시도되고 있다. 그 예로서, 커패시터 전극의 표면적을 증가시켜 커패시턴스를 증가시키고 있으나, 커패시터 전극의 표면적 증가는 디램 소자의 집적도 증가를 어렵게 한다.
한편 통상적인 플래쉬 기억 셀들은 반도체 기판에 차례로 적층된 게이트 절연막, 부유게이트, 유전체막 및 제어게이트로 구성된 게이트 패턴을 갖는다. 플래쉬 기억 셀에 데이터를 기입 또는 소거하는 윈리는 게이트 절연막을 통하여 전하를 터널링시키는 방법을 사용한다. 이때, 전원 전압에 비하여 높은 동작 전압이 요구된다. 이로 인하여, 플래쉬 기억 소자들은 기입동작 및 소거동작에 필요한 전압을 형성하기 위하여 승압 회로가 요구된다.
따라서 비휘발성 특성 및 임의 접근이 가능하고, 소자의 집적도도 증가시키면서 구조가 간단한 새로운 기억 소자를 개발하기 위한 많은 노력이 있었으며, 이에 따라 나타난 대표적인 것이 상변화 기억 소자이다. 상변화 기억 소자는 그것에 제공되는 열(heat)에 의존하여 그 결정 상태가 변하는 상변화 물질을 사용한다. 통상적으로 상변화 물질로서 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루늄(Te)으로 구성된 칼코겐 화합물(GST 또는 Ge-Sb-Te)을 사용한다. 상변화 물질에 열을 제공하기 위해서 상변화 물질막에 전류를 흘려보낸다. 즉, 공급되는 전류의 크기 및 공급 시간에 의존하여 GST의 결정 상태가 변한다. 결정 상태에 따라서 저항이 크기가 다르기 때문에(결정 상태는 저항이 낮고 비정질 상태는 저항이 높음) 저항 차이를 감지하여 논리 정보를 결정할 수 있다.
상변화 물질막에 높은 크기의 전류 펄스를 단시간 인가하여(저항 가열) 상변화 물질막의 온도를 용융점 부근까지 높인 후 급냉(약 1ns 미만)시키면 열을 받은 상변화 물질막 부분이 비정질 상태로 된다(리세트 상태). 반면, 상대적으로 낮은 크기의 전류 펄스를 장시간 인가하여(저항 가열) 상변화 물질막의 온도를 용융 온도보다 낮은 결정화 온도로 유지하여 결정화시킨 후 냉각시키면 열을 받은 상변화 물질막 부분은 결정 상태가 된다(세트 상태)
상변화 물질막에서 전류 펄스에 의해 비정질/결정으로 변하는 영역 (Programmable Volume)을 상변화 영역이라 한다. 상기 상변화 영역은 적을수록 좋다. 이는 원하는 저항 변화를 적은 인가 전류 펄스로 만들 수 있고 또한 상변화 영역이 적을수록 비정질/결정의 변화 제어 및 형성 속도가 개선되기 때문이다. 그런데, 기존의 상변화 기억 소자는 전류가 대부분 위를 향하도록 상변화 물질막 패턴의 상단에만 상부전극을 형성하기 때문에 하부전극 주위의 절연막 상에 존재하는 상변화 물질막 패턴에서는 비정질이 잘 형성되지 않는 영역이 존재하게 된다. 한편, 하부전극은 보통 열전도성이 큰 금속인 관계로 최대 온도가 하부전극에서 어느정도 떨어진 위치에서 존재하게 되어 일반적으로 하부전극 상에 위치하는 상변화 물질막 패턴에서는 비정질이 형성되지 않고 결정으로 존재하게 된다. 이는 후에 기억소자가 세트 상태(결정 상태)로 돌아갈때 상기 결정들이 결정 성장 핵으로 작용하여 세트 전류 및 시간을 감소하게 하는 역할을 한다.
도 1 은 이와 같은 통상적인 상변화 기억소자 구조를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 하부전극(105) 상에 상변화 물질막 패턴(107)이 위치하고 그 위에 상부전극(111)이 형성되어 있다. 도 1의 경우처럼 상변화 물질막 패턴(107) 상에만 상부전극(111)이 형성된 상변화 기억 소자의 경우, 전류가 대부분 위를 향해 흐르게 된다. 따라서, 비정질로 변화하는 상변화 영역(109)이 하부전극(105)의 중심 상부쪽에 집중되어, 하부전극(105) 주위의 절연막(103) 상에 존재하는 상변화 물질막 패턴(107)의 하단에서는 비정질로 되지 않는 부분이 발생한게 된다.
결국, 하부전극 주위의 절연막 상에 존재하는 상변화 물질막 패턴에서는 비정질이 형성되지 않은 영역이 존재하기 때문에 리세트 저항이 감소되고 따라서 이를 극복하기 위해 전류를 올리게 되는 문제점이 발생한다. 또한, 리세트 저항의 감소는 경우에 따라 상변화 기억소자의 독출과정(reading process)에서 센스 마진(sense margin)에 따른 오(誤)판독을 일으킬 수 있다. 더구나 전류를 올리게 되면 중심부의 상변화 영역(Programmable Volume)이 두꺼워져 전체적으로 상변화 영역(Programmable Volume)이 증가하는 문제점이 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 저전력의 신뢰성 있는 상변화 기억소자를 제공하는데 있다.
상기 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 상변화 물질막 패턴의 상부면과 측면으로 전류를 흐르게 하는 상부전극을 제공한다.
상변화 물질막 패턴의 상부면과 측면으로 전류를 흐르게 하는 상부전극은 상변화 물질막을 둘러싸는 전극 형태이다. 즉, 본 발명의 상변화 기억 소자는 서로 마주보면서 상변화 물질막 패턴에 접촉하여 전기 신호를 제공하는 하부전극과 상부전극으로 이루어 지며, 상기 상부전극은 상변화 물질막 패턴의 상부와 측벽을 감싸는 형태이다.
상기 상변화 물질은 칼코겐 화합물(GST) 등이 있다.
한편, 상기 하부전극 및 상기 상부전극은 TiN, TaN 등 질소 원소를 함유하는 도전성 물질이나 탄소 원소를 함유하는 도전성 물질, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합막일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 상부전극은 다음과 같이 형성될 수 있다. 상기 상변화 물질막에 접촉하는 제 1 상부전극막을 형성하고 패터닝한 후 제 2 상부전극막을 형성한 다음 사진식각 공정을 통해 패터닝하여 상기 제 1 상부전극의 상부 및 측벽, 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽과 접하는 제 2 상부전극을 형성한다. 이때, 제 1 상부전극은 상변화 물질막이 식각 공정 중 손상을 입는 것을 방지하기 위한 장벽으로서 작용하기도 한다.
본 발명의 다른 일 실시예로, 상기 상부전극은 다음과 같이 형성될 수 있다. 상기 상변화 물질막에 접촉하는 제 1 상부전극막을 형성하고 패터닝한 후 제 2 상부전극막을 형성한 다음 전면식각(etch-back)하여 상기 제 1 상부전극 및 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽에 스페이서 형의 제 2 상부전극을 형성한다.
바람직하게 상기 제 1 상부전극과 상기 제 2 상부전극은 같은 물질로 형성되거나 전류의 균일한 분포를 위해 전도성이 다른 물질로 형성될 수 있다.
한편, 상기 상변화 물질막 패턴의 너비에 대한 두께의 비율은 상기 상변화 물질막 패턴 내의 전류밀도가 균일하게 되는 비율로 형성한다. 일반적으로 상기 비율은 약 2.5이다. (두께는 하부전극과 상변화물질막 패턴의 상부와 접촉하는 상부전극 사이의 거리이다.)
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층(또는 막) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층(또는 막)이 다른 층(또는 막) 또는 기판 "상(위에)"에 있다(또는 형성된다)고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층(또는 막) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 기억소자의 단면도이다. 도 2 를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(201) 상에 절연막(203)이 위치하고 상기 절연막(203)을 관통하는 하부전극(205)이 존재한다. 또한, 상기 하부전극(205) 상에 상변화 물질막 패턴(207) 및 제 1 상부전극(211)이 차례로 위치하며 상기 제 1 상부전극(211) 상부 및 측벽, 상기 상변화 물질막 패턴(207)의 측벽에는 제 2 상부전극(213)이 위치한다.
상기 하부전극(205) 및 상기 제 1 상부전극(211), 상기 제 2 상부전극(213)은 TiN, TaN등 질소 원소를 함유하는 도전성 물질이나 탄소 원소를 함유하는 도전성 물질, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 티타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합막일 수 있다.
상기 상변화 물질은 칼코겐 화합물(GST) 등이 있다.
상기 상변화 물질막 패턴(207)의 너비에 대한 두께의 비율은 상기 상변화 물질막 패턴(207) 내의 전류밀도가 균일하게 되는 비율로 형성한다. 일반적으로 상기 비율은 2.5이다. (두께는 하부전극과 상변화물질막 패턴의 상부와 접촉하는 상부전극 사이의 거리이다.)
이와 같은 상변화 기억소자는 전류가 상부 방향 뿐만 아니라 측면으로 펴져 전체적으로 균일한 전류 흐름을 갖게 된다. 결국, 비정질로 변화하는 상변화 영역(209)이 상변화 물질막 패턴(207)의 하단에 균일한 반구형으로 생겨 전체적으로 상변화 영역(209)이 작으면서도 원하는 저항 변화를 적은 인가 전류로 만들 수 있게 한다. 이에 따라 판독시 적은 인가 전류로 상변화 기억소자를 작동시킬 수 있다. 또한 하부전극(205)이 금속 물질이기 때문에 열 전도성이 커서 최대 온도가 하부전극(205)에서 약간 떨어진 곳에서 발생하게 되어 하부전극(205) 부근에서는 상변화 물질막 패턴(207)이 결정 상태로 존재하게 된다. 이는 후에 기억소자가 세트 상태(결정 상태)로 돌아갈때 상기 결정들이 결정 성장 핵으로 작용하여 세트 전류 및 시간을 감소하게 하는 역할을 한다.
도 3는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 단면도이다. 도 3를 참조하면, 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(201) 상에 절연막(203)이 위치하고 상기 절연막을 관통하는 하부전극(205)이 존재한다. 또한, 상기 하부전극(205) 상에 상변화 물질막 패턴(207) 및 제 1 상부전극(211)이 차례로 위치하며 제 1 상부전극(211) 및 상변화 물질막 패턴(207)의 측벽에는 스페이서 형의 제 2 상부 전극(213)이 위치한다.
상기 하부전극(205) 및 상기 제 1 상부전극(211), 상기 제 2 상부전극(213)은 TiN, TaN 등 질소 원소를 함유하는 도전성 물질이나 탄소 원소를 함유하는 도전성 물질, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합막일 수 있다.
상기 상변화 물질은 칼코겐 화합물(GST) 등이 있다.
한편, 상기 상변화 물질막 패턴(207)의 너비에 대한 두께의 비율은 상기 상변화 물질막 패턴(207) 내의 전류밀도가 균일하게 되는 비율로 형성한다. 일반적으로 상기 비율은 2.5이다. (두께는 하부전극과 상변화물질막 패턴의 상부와 접촉하는 상부전극 사이의 거리이다.)
이와 같은 상변화 기억소자는 전류가 상부방향 뿐만 아니라 측면으로 펴져 전체적으로 균일한 전류 흐름을 갖게 된다. 따라서 비정질로 변화하는 상변화 영역(209)이 상변화 물질막 패턴(207)의 하단에 균일한 반구형으로 생겨 전체적으로 상변화 영역(209)이 작으면서도 원하는 저항 변화를 적은 인가 전류로 만들 수 있게 한다. 이에 따라 판독시 적은 인가 전류로 상변화 기억소자를 작동시킬 수 있다. 또한 하부 전극(205)이 금속 물질이기 때문에 열 전도성이 커서 최대 온도가 하부전극(205)에서 약간 떨어진 곳에서 발생하게 되어 하부전극(205) 부근에서는 상변화 물질막 패턴(207)이 결정 상태로 존재하게 된다. 이는 후에 기억 소자가 세트 상태(결정 상태)로 돌아갈때 상기 결정들이 결정 성장 핵으로 작용하여 세트 전류 및 시간을 감소하게 하는 역할을 한다.
도 4 내지 도 6은 도 2 또는 도 3에 나타난 상변화 기억 소자를 제조하는 공정의 각 단계를 공정 순서에 따라 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 보통 상변화 기억 소자를 제조하는 것과 같이 반도체 기판 상에 트랜지스터를 통상의 방법으로 형성한 후 층간절연막을 형성하고 이를 패터닝하여 소오스 영역을 노출시키는 콘택홀을 형성한 다음에, 상기 콘택홀이 형성된 결과물 전면에 콘택홀을 채우는 도전막을 형성하고 이를 에치벡(etch-back)하여 상기 콘택홀 내부에 소오스 영역과 접촉하는 플러그를 형성한 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(201)을 제조한다. 그 다음 상기 소정의 구조가 형성된 반도체 기판(201) 상에 절연막(203)을 형성하고 상기 절연막(203)을 관통하면서 상기 플러그와 접촉하는 하부전극(205)을 형성한다. 상기 하부전극(205) 및 절연막(203) 상에 상변화 물질막(206) 및 제 1 상부전극막(210)을 차례로 형성한다.
도 5를 참조하면, 원하는 크기로 상기 상변화 물질막 패턴(207) 및 제 1 상부전극(211)을 형성한다.
도 6을 참조하면, 원하는 크기로 형성된 상변화 물질막 패턴(207) 및 제 1 상부전극(211)의 상에 제 2 상부전극막(212)을 형성한다.
이후 패터닝이나 전면식각을 통해 도 2 또는 도 3의 단면 형태의 제 2 상부전극(213, 215)을 형성할 수 있다. 그 다음 통상의 상변화 기억 소자를 제조하는 경우와 같이 금속화(metalization) 과정을 거쳐 상변화 기억 소자를 제조한다.
상기 하부전극(205) 및 상기 제 1 상부전극(211), 상기 제 2 상부전극막(212)은 TiN, TaN등 질소 원소를 함유하는 도전성 물질이나 탄소 원소를 함유하는 도전성 물질, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈륨, 니타늄 실리사이드, 탄탈륨 실리사이드 중 어느 하나 또는 이들의 조합막일 수 있다. 이들 전극은 화학적 기상증착법(CVD), 물리적 기상측착법(PVD), 원자층 증착법(ALD) 등의 막질 증착방법을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 상변화 물질은 칼코겐 화합물 등이 있다. 상변화 물질막(206)은 칼코겐 화합물을 타겟으로 하여 운송 가스로서 아르곤 가스를 사용하고 질소 가스를 사용하는 스퍼터링 방법에 의해 형성될 수 있다. 상변화 물질막(206)은 약 100℃ 내지 350℃의 온도 범위에서 약 100 내지 1000Å의 두께 범위로 형성한다.
원하는 크기로 상기 상변화 물질막 패턴(207) 및 상기 제 1 상부전극(211)을 형성하기 위해 건식 또는 습식 식각 공정을 행한다. 이때, 상기 제 1 상부전극(211)은 상기 상변화 물질막 패턴(207)이 식각 공정 중 손상을 입는 것을 방지하기 위한 장벽으로서 작용하기도 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 상변화 기억소자는 전류가 상부방향 뿐만 아니라 측벽으로 펴져 전체적으로 균일한 전류 흐름을 갖게 된다. 따라서, 전체적으로 상변화 영역이 작으면서도 원하는 저항 변화를 적은 인가 전류로 만들 수 있게 한다.
도 1은 종래 상변화 기억 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 상변화 기억 소자의 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 도 2 또는 도 3에 나타난 상변화 기억 소자를 제조하는 공정의 각 단계를 공정 순서에 따라 나타낸 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
201 : 반도체 기판 203 : 절연막
205 : 하부전극 207 : 상변화 물질막 패턴
209 : 결정/비결정 변화 영역 211 : 제 1 상부전극
212 : 제 2 상부전극막 213, 215 : 제 2 상부전극
Claims (5)
- 상변화 물질막 패턴;서로 마주보면서 상기 상변화 물질막 패턴에 접촉하여 전기 신호를 제공하는 하부전극과 상부전극을 포함하며,상기 상부전극은 상변화 물질막 패턴의 상부와 측벽을 감싸는 구조로 형성된 것을 포함하는 상변화 기억 소자.
- 소정의 구조가 형성된 반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계 ;상기 절연막을 관통하는 하부전극을 형성하는 단계 ;상기 하부전극 상에 상변화 물질막 패턴 및 제 1 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계 ;적어도 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽에 제 2 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 상변화 기억 소자 형성 방법.
- 제 2 항에 있어서,상기 하부전극 상에 상변화 물질막 패턴 및 제 1 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계는상기 하부전극 상에 상변화 물질막을 형성하고 제 1 상부전극막을 순차적으로 형성하는 단계 ;상기 상변화 물질막 및 상기 제 1 상부전극막을 패터닝하여 상변화 물질막 패턴 및 제 1 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 기억 소자 형성 방법.
- 제 2 항 내지 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,적어도 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽에 제 2 상부 전극을 형성하는 단계는상기 제 1 상부전극 상에 제 2 상부전극막을 형성하는 단계 ;상기 제 2 상부전극막을 패터닝하여 상기 제 1 상부전극 상부와 측벽 및 상기 상변화 물질막 패턴 측벽에 제 2 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 기억 소자 형성 방법.
- 제 2 항 내지 제 3항 중 어느 하나에 있어서,적어도 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽에 제 2 상부 전극을 형성하는 단계는상기 제 1 상부전극 상에 제 2 상부전극막을 형성하는 단계 ;상기 제 2 상부전극막을 전면 식각(etch-back)하여 상기 제 1 상부전극 및 상기 상변화 물질막 패턴의 측벽에 스페이서 형의 제 2 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 기억 소자 형성 방법.
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