KR100573380B1 - 간접 가열 방식의 상변화 메모리 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판, 상변화 물질 및 열전극을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 상변화 물질 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 별도의 전극을 갖고, 열전극이 상변화 물질의 위 또는 아래에 위치하여 상변화를 위한 열을 공급하며, 상기 상변화 물질과 열전극 사이에 열전도도가 우수한 절연체를 포함하여, 상변화 물질이 열전극으로부터 전기적으로 차단되고 열전극에서 발생한 열만 상변화 물질에 전달되는 것을 특징으로 하는 간접 가열 방식의 상변화 메모리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
도 1은 기존의 상변화 메모리의 단면도이다.
1: 하부 전극 접촉 2: 하부 전극 (열전극)
3: 상변화 물질 4: 하부전극과 상변화 물질의 접촉 부위
5: 상부 전극 6: 상부 전극 접촉
7: 층간 절연막 8: 열방출층
도 2a 및 2b는 본 발명의 열전극과 상변화 물질을 전기적으로 분리한 간접 가열 방식의 상변화 메모리의 구조를 나타낸 것으로, 1a는 상기 간접 가열 방식의 상변화 메모리의 단면도이고, 2b는 이를 위에서 본 평면도이다.
도 3a 내지 3f는 본 발명의 간접 가열 방식의 상변화 메모리의 제작 공정을 각 단계별로 얻어지는 소자의 단면으로서 나타낸 것이다.
31: 기판 32: 실리콘 절연막
33: 읽기 전류 인가용 전극 34: 상변화 물질
35: AlN 절연층 36: 열전극
37: 실리콘 절연막 38: 상변화 전류 인가용 전극
본 발명은, 기판, 상변화 물질 및 열전극을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 상변화 물질 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 별도의 전극을 갖고, 열전극이 상변화 물질의 위 또는 아래에 위치하여 상변화를 위한 열을 공급하며, 상기 상변화 물질과 열전극 사이에 열전도도가 우수한 절연체를 포함하여, 상변화 물질이 열전극으로부터 전기적으로 차단되고 열전극에서 발생한 열만 상변화 물질에 전달되는 것을 특징으로 하는 간접 가열 방식의 상변화 메모리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 반도체 메모리 기술에서 DRAM, SRAM, FLASH 등의 기억 소자를 대체할 차세대 메모리 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이들 중에서 저항 변화를 이용한 상변화 메모리 (Phase-change RAM)는 다른 차세대 메모리에 비하여 구조가 간단하면서도 뛰어난 특성을 갖기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 향후 개발 단계에 따라, FLASH 메모리의 대체하는 것에서 시작하여, 더 나아가 DRAM, SRAM을 대체하고, 궁극적으로는 보조 기억 장치까지 대체하는 효과를 가져 올 것으로 기대되고 있다.
상변화 메모리는 열을 가하여 특정 물질의 상을 변화시켜 그 저항의 변화를 이용하는 것으로, 물질의 상변화에 따른 저항변화를 판단하여 데이터를 저장하는 차세대 메모리 반도체이다. 이러한 상변화 메모리는 안정적인 메모리로서의 동작 특성을 용이하게 확보할 수 있고, 외부 여건에 의한 변화에 영향을 잘 받지 않는 특성을 지닌다. 광학 메모리로서의 응용으로는, 상변화를 위하여 레이저로 가열하여 쓰기와 지우기를 수행하고, 전기 메모리의 응용으로는, 전류를 공급하여 발생하는 열에 의하여 쓰기와 지우기를 수행한다. 상변화 물질을 이용한 상변화 메모리의 연구는 최근 몇 년간 이루어졌으며, 아직 상용화된 제품은 없고, 현재 테스트 메모리의 제작이 이루어지고 있는 실정이다.
저전력, 고집적의 상변화 메모리를 제작을 위해서는, 낮은 전력으로도 상변화 물질의 상변화가 일어날 수 있도록, 전극과 접촉하여 상변화를 일으키는 상변화 물질의 접촉 면적을 최대한 줄여야 한다. 그러나, 기존의 대부분의 상변화 메모리는 전극의 크기에 따라서 전극과 상변화 물질 간의 접촉 면적이 결정되고, 전극의 크기는 사진 식각 공정의 한계에 의하여 소형화에 있어서 제한을 받기 때문에, 접촉 면적을 축소시킴으로써 소비 전력을 줄이는 것에는 한계가 있다. 또한, 상변화 메모리 소자의 동작 과정에서 발생되는 가장 큰 문제점은 상변화 물질이 결정질에서 비정질로 상변화를 일으키기 위한 높은 전류의 인가 시에 상변화 물질이 열화되는 현상이다. 이러한 상변화 물질의 열화 현상은 주로 열전극과 상변화 물질이 직접 접촉되어 있는 소자 구조에서 많이 발생하게 되며, 상변화 물질 자체의 조성이 변화되어 메모리 소자의 기능을 상실시키는 문제를 발생시킨다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같은 기존의 상변화 메모리 구조는 하부 전극(2)과 상부 전극(5) 사이에 상변화 물질이 삽입되어 있고, 하부 전극을 통하여 셋 전류, 리셋 전류, 센싱 전류의 2 가지 크기의 전류가 흐르도록 되어 있다. 이러한 구조에서는 메모리 셀의 구조는 간단한 반면, 여러 가지 전류를 발생시키는 회로 부 분과 이 전류를 구별하여 상변화 물질로 전달해주는 회로, 상변화 물질을 통과해 나온 전류를 센싱 회로로 보내는 회로 등 주변 회로가 복잡해진다는 단점을 갖는다.
전술한 바와 같이, 상변화 메모리의 제조에 있어서, 전극과 상변화 물질 간의 접촉 면적을 줄임으로써 소비 전력을 줄이고 동작 속도을 빠르게 하는 것에는 한계가 있으므로, 접촉 면적의 한계 내에서 소비 전력을 줄이고 동작 속도를 빠르게 하며, 상변화 물질의 열화 현상을 방지하고 주변 회로를 단순화하는 기술이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 전극과 상변화 물질의 구조를 변경하여, 주변 회로가 단순화되고, 사진 공정의 한계에 의한 전극 소형화의 제한 내에서 저전압 동작, 낮은 소비 전력 및 고집적 등의 우수한 특성을 갖는 상변화 메모리를 제작하는 기술을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상변화 물질의 열화 현상을 방지하여 상변화 메모리의 특성을 개선시키는 상변화 메모리의 제작 기술을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판, 상변화 물질 및 열전극을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 상변화 물질 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 별도의 전극을 갖고, 열전극이 상변화 물질의 위 또는 아래에 위치하여 상변화를 위한 열을 공급하며, 상기 상변화 물질과 열전극 사이에 열전도도가 우수한 절연체를 포함하여, 상변화 물질이 열전극으로부터 전기적으로 차단되고 열전극에서 발생한 열만 상변화 물질에 전달되는 것을 특징으로 하는 간접 가열 방식의 상변화 메모리 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 상변화 메모리는, 상기한 바와 같은 주변 회로가 복잡한 기존의 상변화 메모리와는 달리, 본 발명의 상변화 메모리는 열전극 이외에 상변화 물질 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 별도의 전극을 갖기 때문에, 열전극쪽으로는 셋/리셋 전류가 흐르고, 상변화물질쪽에서는 저항 변화를 감지해내는 센싱 전류만이 흐르게 되어, 전류 발생 회로와 센싱 회로 등의 주변 회로가 간단해지는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 간접 가열 방식의 상변화 메모리는 열전극과 상변화 물질 사이에 열전도성이 우수한 절연체를 포함함으로써, 상변화를 위한 전류가 상변화 물질로 직접 전달되지 않고, 상변화를 위한 열만을 전달되어, 상변화 물질의 열화 현상이 방지되는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 있어서, 상변화 물질위에 열전도도가 우수한 절연체를 증착한 다음, 그 위에 열전극을 증착하여, 열전극으로부터 발생된 전류는 차단되고 열만 절연체를 통하여 상변화 물질로 전달되어 상변화를 일으키게 된다.
따라서, 본 발명의 상변화 메모리에 있어서, 상변화 물질에는 양쪽에 별도로 위치하는 전극으로부터 발생한 읽기 전류만이 흐르고, 위 또는 아래에 위치하는 열전극으로부터 발생한 전류는 절연체에 의하여 차단되기 때문에 상변화 물질의 열화 현상이 유발되지 않는다. 또한, 열전극의 너비를 조절하여 소자의 저항을 원하는 범위로 조절할 수 있다. 본 발명에 사용되는 절연체는 열전도도가 우수하기 때문에 열전극에서 발생한 열이 시간적 지연 또는 열의 손실없이 상변화 물질로 전달되게 된다. 따라서, 상변화 시간도 직접 접촉 방식과 차이가 없으며, 열전극 물질의 선택시 상변화 물질과의 계면 특성을 고려하지 않아도 되므로, 다양한 종류의 물질을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
기존의 상변화 메모리는 상변화 물질의 통과하는 전류의 흐름으로 인한 열의 발생 정도를 이용하여 상변화 물질을 결정질과 비정질로 수십 nsec 사이에 변화시키면서 정보를 기억하는 방식을 사용하고 있다. 리셋(Reset) 시에는 상변화 물질의 온도가 650 ℃ 이상이 되어야 하기 때문에, 많은 양의 전류를 급격하게 가해주어야 한다. 이러한 경우, 통상적으로 사용되는 상변화 물질인 GeSbTe에서는 GeSb로 조성이 변화하는 열화 현상이 발생하게 된다. 이러한 열화 현상이 일어나는 원인은 아직 자세히 밝혀지지 않았지만, 고온과 높은 전류 밀도에 의하여 Te 원자가 이동하는 것으로 생각된다. 이 중에서, 상변화를 위해서는 높은 온도를 가해주는 것을 배제할 수 없으므로, 높은 전류 밀도를 가해주는 것만이라도 방지하면 열화 현상이 일어나는 확률이 낮아질 것으로 생각된다.
따라서, 본 발명은 기존의 상변화 물질에 직접적으로 높은 전류 밀도를 가하여 높은 온도를 얻는 방식이 아닌, 열전극에서 발생한 열만을 상변화 물질에 전달해 주는 방식으로 상변화 메모리를 제작함으로써, 더욱 안정화된 상변화 메모리를 제공한다. 이를 위하여, 상기 열전도도가 우수한 전기 절연체로서 질화알루미늄(AlN)을 사용하는 것이 바람직하다. 표 1에 AlN의 기계적, 전기적, 열적 특성에 대 한 물성치를 나타내었다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, AlN은 금속만큼 우수한 열전도도를 가지며, 열팽창율도 실리콘과 비슷하여 가열-급냉을 반복하더라도 실리콘 기판과의 균열이 생기지 않으며, 원자층 증착방법으로 증착이 가능하기 때문에 두께 조절이 용이하며, 소자의 표면에 균일하게 증착하는 것이 가능하여, 상변화 메모리 제작에 있어서 절연체로서 최적의 물질이라 할 수 있다.
AlN의 기계적, 열적, 전기적 특성
| 기계적 특성 | 측정 단위 | SI/Metric | (Imperial) |
| 밀도 | gm/cc (lb/ft3) | 3.26 | (203.5) |
| 공극률 | % (%) | 0 | (0) |
| 색깔 | - | 회색 | - |
| 휨강도 | MPa (lb/in2x103) | 320 | (46.4) |
| 탄성률 | GPa (lb/in2x106) | 330 | (47.8) |
| 전단탄성률 | GPa (lb/in2x106) | - | - |
| 체적탄성률 | GPa (lb/in2x106) | - | - |
| 푸아송비(Poisson's Ratio) | - | 0.24 | (0.24) |
| 압축강도 | MPa (lb/in2x103) | 2100 | (304.5) |
| 경도 | Kg/mm2 | 1100 | - |
| 파괴인성(KIC) | MPa·m1/2 | 2.6 | - |
| 최대사용온도 (no load) | - | - | - |
| 열적 특성 | |||
| 열전도도 | W/m·℃ (BTU·in/ft2·hr·℃) | 140-180 | (970-1250) |
| 열팽창계수 | 10-6/℃ (10-6/℃) | 4.5 | (2.5) |
| 비열 | J/Kg·℃ (Btu/lb·℃) | 740 | (0.18) |
| 전기적 특성 | |||
| 절연내력 | ac-kv/mm (volts/mil) | 17 | (425) |
| 유전상수 | @ 1 MHz | 9 | (9) |
| 방열계수 | @ 1 MHz | 0.0003 | (0.0003) |
| 손실탄젠트 | @ 1 MHz | - | - |
| 체적저항 | ohm·cm | >1014 | - |
도 2a 및 2b는 본 발명의 간접 가열식 상변화 메모리의 한 구체예를 보여주는 단면도 및 평면도이다. 실리콘 기판(31) 위에 실리콘 절연막(32)이 위치하며, 그 위 소자 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 전극(33)이 위치하며, 상기 전극 사이에 상변화 물질(34)이 증착되어 있고, 상기 상변화 물질의 가운데 부분 위에 절연체인 AlN(35)와 열전극(36)이 증착되어 있고, 그 위에 실리콘 절연막(37)이 덮여 있다. 여기서, AlN는 상변화 물질과 열전극을 전기적으로 절연하는 역할을 하는 동시에, 열전극에서 발생하는 열을 상변화 물질로 전달하는 열전달층의 역할도 한다. 또한, 열을 발생하는 열전극의 저항이 충분히 커야 작은 전류에도 상변화가 가능한 온도에 도달할 수 있으며, 구동 전압을 낮추고 전력 소비를 줄이기 위해서는 열전극의 단면적을 최대한 줄이는 것이 바람직하다. 또한, 상기 읽기 전류 인가를 위한 전극 물질은 상변화 물질과 계면 특성이 우수하고, 물질 간 접촉 저항이 작으면서, 전기 전도도가 우수한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, W, Al 또는 Cu를 사용할 수 있으며, GeSbTe도 역시 기본적으로는 금속의 성질을 띠고 있으므로, 반도체와 금속 간의 옴 접합(Ohmic contact)을 고려하지 않고 사용할 수 있다.
도 3a 내지 3f는 본 발명의 간접 가열 방식의 메모리 소자 제작 공정을 각 단계별로 얻어지는 구조의 단면으로서 나타낸 것이다. 실리콘 기판(31) 위에 실리콘 절연막(32)을 증착한 다음, 이 위에 상변화 물질에 읽기 전류를 인가하기 위한 전극 물질(33)을 증착한다. 전극 물질의 증착 후, 양 쪽 끝부분만 남기고 나머지를 식각하여 양쪽에 각각 위치하는 두 개의 전극을 형성시킨다. 상기 두 전극 사이에 상변화 물질(34)을 증착하고, 소자에 적합한 저항값을 갖도록 하는 크기만큼 식각해 낸다 (도 3a). 그리고 나서, 절연체로서 AlN(35)를 증착하고 (도 3b), 열전극이 증착될 부분만을 남겨두고 식각해 낸 후, 실리콘 절연막(37)을 소자 전체에 증착하 고 평탄화 작업을 거친다 (도 3c). 그리고 나서, 열전극이 증착될 AlN 부분이 노출되도록 실리콘 절연막을 식각해 낸다 (도 3d). 상기 노출된 AlN 부분에 열전극을 도포한 후 (도 3e), 다시 평탄화 작업을 거쳐 열전극을 원하는 모양으로 패터닝하고, 그 윗부분에 다시 실리콘 절연막을 도포하면 (도 3f), 본 발명의 간접 가열식 상변화 메모리 소자가 완성된다.
본 발명은 절연체인 AlN을 통하여 열전극에서 발생한 열만 상변화 물질에 전달하여, 상변화 물질에 직접적으로 많은 양의 전류를 흘려주는 방식보다 상변화 물질의 열화 현상을 획기적으로 줄일 수 있는 상변화 메모리의 제작 기술을 제공한다. 본 발명에 따라서 상변화 메모리 소자를 제작하는 경우, 소자의 신뢰성을 높일 수 있고, 열전극에서만 열을 발생시키기 때문에 더 낮은 전류로 높은 열을 발생할 수 있어서, 소비 전력을 낮추는 효과를 얻을 수 있다.
Claims (5)
- 기판, 상변화 물질 및 열전극을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 상변화 물질 양쪽에 읽기 전류 인가를 위한 별도의 전극을 갖고, 열전극이 상변화 물질의 위 또는 아래에 위치하여 상변화를 위한 열을 공급하며, 상기 상변화 물질과 열전극 사이에 열전도도가 우수한 절연체를 포함하여, 상변화 물질이 열전극으로부터 전기적으로 차단되고 열전극에서 발생한 열만 상변화 물질에 전달되는 것을 특징으로 하는 간접 가열 방식의 상변화 메모리.
- 제1항에 있어서, 상기 절연체가 AlN인 상변화 메모리.
- 제1항에 있어서, 리셋시의 상변화 물질 중 비정질로 변화하는 부분이 열전극의 넓이로 조절되어 상변화 메모리의 저항이 조절되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리.
- 기판 위에 상변화 물질에 읽기 전류를 인가하기 위한 전극 물질(33)을 증착한 후, 양 쪽 끝부분만 남기고 나머지를 식각하여 양쪽에 두 개의 전극을 형성시키고, 상기 두 전극 사이에 상변화 물질을 증착한 후, 열전도도가 우수한 절연체를 증착하고, 열전극이 증착될 부분만을 남겨두고 식각해 내고, 그 위에 실리콘 절연막을 증착한 후, 상기 절연체의 열전극이 증착될 부분이 노출되도록 실리콘 절연막 을 식각해 내고, 상기 노출된 절연체 부분에 열전극을 도포한 후, 열전극을 원하는 모양으로 패터닝하는 단계를 포함하는, 간접 가열식 상변화 메모리의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 절연체로서 AlN을 사용하는 제조 방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101030017B1 (ko) * | 2008-12-15 | 2011-04-20 | 한국전자통신연구원 | 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조방법 |
| KR101030016B1 (ko) * | 2008-12-15 | 2011-04-20 | 한국전자통신연구원 | 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조방법 |
| KR101182423B1 (ko) | 2008-12-17 | 2012-09-12 | 한국전자통신연구원 | 상변화 메모리 소자를 이용한 필드프로그래머블 게이트 어레이(ｆｐｇａ)의 프로그래머블 논리 블록 |
| KR101259382B1 (ko) * | 2008-11-19 | 2013-04-30 | 한국과학기술연구원 | 높은 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형 작동기와 그 제조 방법 |
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2004
- 2004-12-31 KR KR1020040118315A patent/KR100573380B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101259382B1 (ko) * | 2008-11-19 | 2013-04-30 | 한국과학기술연구원 | 높은 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형 작동기와 그 제조 방법 |
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