KR100594849B1 - 복수 층 위상-변화 메모리 - Google Patents

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Abstract

위상-변화 메모리(10)는 장벽층(24)에 의해 분리된 적어도 두 개의 위상-변화 재료 층(22,26)으로 형성된다. 하나이상의 위상-변화 재료 층(22,26)의 사용은 프로그래밍 볼륨의 양을 감소시킬 수 있게하는 한편 적절한 열적 절연을 제공한다.
Figure 112004008203146-pct00001
위상-변화 재료, 층, 메모리, 절연, 증착

Description

복수 층 위상-변화 메모리{MULTIPLE LAYER PHASE-CHANGE MEMORY}
본 발명은 위상-변화 재료를 사용하는 메모리에 관한 것이다.
위상-변화(phase-change) 재료는 두 개의 상이한 상태를 나타낼 수 있다. 이 상태들은 비결정질 및 결정질 상태로 불린다. 이 상태들간의 전이는 온도 변화를 통해 선택적으로 개시될 수 있다. 이 상태들은 비결정질 상태가 결정질 상태 보다 높은 저항성을 나타내기 때문에 서로 구별된다. 비결정질 상태는 더욱 비규칙적인 원자구조를 포함하고 결정질 상태는 더욱 규칙적인 원자구조를 포함한다. 일반적으로, 임의의 위상-변화 재료가 이용될 수 있지만, 일부 실시예에서 박막 칼코지나이드 합금재료가 특히 적당하다.
위상-변화는 가역적으로 유도될 수 있다. 그러므로, 메모리는 비결정질 상태로부터 결정질 상태로 변화되고 다시 비결정질 상태로 변화될 수 있고, 그 역도 가능하다. 사실상 각각의 메모리 셀은 온도 변화에 응답하여 고 및 저 저항성 상태간에 가역적으로 변화하는 프로그램가능한 레지스터로서 간주될 수 있다. 온도 변화는 저항성 가열에 의해 유도될 수 있다.
몇몇 경우에, 셀은 다수의 상태를 가질 수 있다. 즉, 각각의 상태는 그 저항성에 의해 구별될 수 있기 때문에, 데이터의 복수 비트를 단일 셀에 저장하는 것을 허용하는, 다수의 저항-결정된 상태가 가능하다.
다양한 위상-변화 합금이 공지되어 있다. 일반적으로, 칼코지나이드 합금은 주기율 표의 6족에 있는 하나이상의 원소를 포함한다. 하나의 특정 합금 그룹은 GeSbTe 합금이다.
위상-변화 재료는 패시지 내부 또는 유전체 재료를 통해 정의된 포어에 형성될 수 있다. 위상-변화 재료는 패시지의 한 측상의 전극에 연결될 수 있다. 콘택트는 저항성 가열을 통해 셀을 프로그램하거나 셀의 프로그램된 상태를 판독하기 위해 패시지를 통해 전류를 전달한다.
현재의 위상-변화 메모리는 상부 전극으로의 열 손실로부터 프로그램가능한 볼륨을 열적으로 절연시키기 위해 칼코지나이드 위상-변화 메모리 재료 자체의 열악한 열 전도성에 의존한다. 결과적으로, 양호한 열적 분리를 제공하기 위해, 그러므로 프로그램가능한 볼륨의 더욱 에너지 효율적인 프로그래밍을 달성하기 위해, 칼코지나이드 층의 두께는 증대되어야 한다. 이 층의 두께의 증가는 또한 프로그램 동안 위상-변화를 겪을 수 있는 재료의 볼륨을 증가시킨다. 위상-변화하는 재료의 볼륨의 증가는 메모리의 신뢰성, 안정성 및 사이클 수명에 역영향을 미칠 수 있다.
따라서, 개선된 특성 및 성능을 갖는 위상-변화 메모리가 요구된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예의 확대 단면도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 도 1에 도시된 디바이스의 제조의 초기 단계의 확대 단면도.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 디바이스의 제조의 나중 단계에서의 도 2에 도시된 실시예의 확대 단면도.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 디바이스의 제조의 나중 단계에서의 도 3에 도시된 실시예의 확대 단면도.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 디바이스의 제조의 나중 단계에서의 도 4에 도시된 실시예의 확대 단면도.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 디바이스의 제조의 나중 단계에서의 도 5에 도시된 실시예의 확대 단면도.
도 1을 참조하면, 위상-변화 메모리(10)가 집적회로 기판(12)에 형성될 수 있다. 위상-변화 메모리(10)는 한 실시예에서 코발트 실리사이드로 된 하부 전극(14)을 포함할 수 있다. 상부 전극(28)은 하부 프로그램가능한 위상-변화 층(22)과 상부 위상-변화층(26)을 샌드위칭한다. 위상-변화층(22와 26)사이에는 화학적 장벽층(24)이 있다.
위상-변화 메모리(10)의 포어는 측벽 스페이서(20)에 의해 정의된다. 즉, 하부 전극(14)과 위상-변화 층(22)간의 콘택트의 영역은 실린더형 측벽 스페이서(20)의 부과를 통해 결정된 사이즈일 수 있다. 한 실시예에서, 위상-변화층(22와 26)을 포함하는, 포어는, 상부 절연층(18)과 하부 절연층(16)과 같은, 한 쌍의 절연층에 형성된 개구내에 정의될 수 있다. 상부 절연층(18)은 한 실시예에서 실리콘 이산화물일 수 있고 하부 절연층(16)은 한 실시예에서 실리콘 질화물일 수 있다.
두 개의 위상-변화 재료로 된 층이 이용되는 구조가 예시되었을 지라도, 더 많은 층이 다른 실시예에서 이용될 수 있다. 제1 위상-변화층(22)의 두께는 300 내지 500 옹스트롬 범위에 있을 수 있다. 이 층의 두께는 프로그램된 볼륨의 수직 치수를 감소시키도록 선택될 수 있다. 위상-변화층(22)은 측벽 스페이서(20)에 의해 형성된 컵형상 개구일 수 있고, 결과적으로는 컵형상 위상-변화층(22)이 될 수 있다. 마찬가지의 형태가 장벽층(24)과 위에 가로놓인 위상-변화층(26)에 대해 정의될 수 있다. 한 실시예에서, 위상-변화층(22 및 26)은 증기 증착법을 이용하여 형성될 수 있다.
장벽층(24)은 위에 가로놓인 위상-변화층(26)과 아래에 가로놓인 프로그램가능한 위상-변화층(22) 사이에 화학적 장벽을 제공한다. 오버라잉 위상-변화층(26)은 몇몇 실시예에서 열적 절연을 위해 제공될 수 있다. 장벽층(24)은 적절한 전기 전도도를 가질 수 있고 따라서 프로그램가능한 위상-변화층(22)을 통과하는 프로그래밍 전류는 열적 절연 위상-변화층(26)의 임의의 저항 영역 주위를 측방으로 흐를 수 있고 프로그래밍 영역으로부터 이격된 이 층의 도전 영역에 접촉할 수 있다.
통상적으로 장벽층(24)의 두께는 50 내지 200 옹스트롬 범위에 있을 수 있다. 열적으로 절연성 위상-변화층(26)은 장벽층(24)에 인시투 방식으로 증기 증착될 수 있다. 열적으로 절연성 위상-변화층(26)은 프로그램가능한 위상-변화 층(22)과 동일한 조성으로 될 수 있거나 또는 열악한 열전도도를 갖춘 칼코지나이드 재료의 범위에서 선택될 수 있다. 한 실시예에서, 층(26)은 1E-2 W/cm.K 미만의 열 전도도를 갖고 예로서, 40Ω-1cm-1이상의 양호한 전기 전도도를 갖는다. 층(26)의 두께는 100 내지 1,000 옹스트롬 이상의 범위에 있을 수 있다.
도 2를 참조하면, 마스크(30)가 하부 전극(14), 제1 절연층(16)과 제2 절연층(18)을 포함하는 스택상에 정의된다.
도 3을 참조하면, 개구(32)는, 하부 전극(14)상에서 멈추는, 절연층(16 및 18)을 통해 에칭될 수 있다. 한 실시예에서, 층(16 및 18)에 대해 선택적이고 전극(14)에 대해 덜 영향을 미치는 에천트가 이용될 수 있다. 그후, 절연 재료(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 층(18) 위에 및 포어 내부에 증착될 수 있다. 산화물을 포함하여 다양한 절연층이 이용될 수 있다. 한 실시예에서, 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 옥사이드 증착 공정이 이용될 수 있다. 증착된 층(20)은 그후 도 5에 도시된 바와 같이 실린더형 측벽 스페이서(20)를 형성하기 위해 이방성 에칭된다.
측벽 스페이서(20)와 절연층(18)은 프로그램가능한 위상-변화층(22)으로 코팅될 수 있다. 층(22)은 그후 장벽층(24)과 절연 위상-변화층(26)으로 코팅될 수 있다. 마지막으로, 상부 전극(26)은 증착될 수 있다. 측벽 스페이서(20)의 부과로 인해, 각각의 층(22,24,26 및 28)은 어느 정도, 컵 형상 구성으로 정의될 수 있다. 도 6에 도시된 구조는 몇몇 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같은 구조로 되도록 패터닝 및 에칭되어 진다.
복수의 칼코지나이드 층의 사용을 통해, 메모리 셀(10)은 개선된 열적 절연에 의한 이점을 취한다. 동시에, 프로그래밍 동안 위상-변화를 겪는 재료의 볼륨은 상대적으로 제한될 수 있다. 다른 말로하면, 조합된 층(22 및 26)의 절연 효과는 메모리(10)로부터의 열 손실을 감소시키고, 프로그래밍 성능을 개선시킨다. 동시에, 절연층(26)을 프로그램할 필요가 없고, 프로그래밍 동안 위상-변화되어야 할 볼륨의 양을 감소시킨다. 이것은 몇몇 실시예에서 메모리(10)의 신뢰성, 안정성 및 사이클 수명을 향상시킨다.
본 발명은 제한된 수의 실시예에 대해 설명되어지만, 당업자는 일부터 다양한 수정 및 변경을 인식할 것이다. 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 범위 및 정신에 속하는 모든 수정 및 변경을 커버하는 것으로 의도한다.

Claims (36)

  1. 기판 위에 포어를 형성하는 단계;
    상기 포어상에 측벽 스페이서를 형성하는 단계;
    상기 측벽 스페이서 위에 위상-변화 재료로 된 제1 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 층 위에 비위상-변화 재료를 형성하는 단계; 및
    상기 비위상-변화 재료 위에 위상-변화 재료로 된 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 동일 재료로 된 제1 층 및 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상이한 재료로 된 제1 층 및 제2 층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 도전성 비위상-변화 재료를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서, 상기 기판 위에 콘택트를 형성하고 상기 콘택트상에 상기 측벽 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 콘택트를 상기 제1 층과 콘택팅시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 포어를 포함하는 절연체;
    상기 포어상의 측벽 스페이서;
    상기 측벽 스페이서 위에 있는 위상-변화 재료로 된 제1 층;
    위상-변화 재료로 된 제2 층; 및
    상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 있는 비위상-변화 재료를 포함하고, 상기 비위상-변화 재료는 상기 제1 층을 상기 제2 층으로부터 완전히 분리시키는 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  11. 제10 항에 있어서, 위상-변화 재료로 된 상기 제1 층은 칼코지나이드 재료로 이루어 진 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 제1 층 및 제2 층은 상이한 위상-변화 재료로 된 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  13. 제10 항에 있어서, 위상-변화 재료로 된 상기 제1 층 및 제2 층은 동일한 재료인 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 비위상-변화 재료는 컨덕터인 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  15. 제10 항에 있어서, 반도체 기판과 상기 기판에 형성된 전기 콘택트를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  16. 삭제
  17. 제15 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 적어도 부분적으로 상기 패시지에 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  18. 삭제
  19. 제10 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 층은 컵형태로 된 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  20. 제10 항에 있어서, 위상-변화 재료로 된 상기 제2 층은 열적 절연을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 메모리 셀.
  21. 삭제
  22. 삭제
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