KR100651656B1 - 투명전도성 산화물 전극 접촉 재료를 갖는 상변화 메모리 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비휘발성 상변화 메모리 셀에 관한 것으로서, 금속 전극층과 상변화 재료층 사이에 열구속 기능을 갖는 전극접촉 재료로서 전기전도성이 비교적 크나 열전도성은 작으며 열안정성이 우수한 투명전도성 산화물 반도체 재료를 사용한다. 본 발명에 따른 메모리 셀은 비휘발성 상변화 메모리의 데이터 기록 및 소거 동작에 필요한 전력소모의 감소에 효과적으로 적용될 수 있다.
상변화 메모리, 전극 접촉층, 투명전도성 산화물
Description
도 1a 및 도 1b는 비휘발성 상변화 메모리 셀의 구성상 특징을 두 가지 종류의 메모리 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 선폭(F) 내지 접촉부 크기(0.5F)의 감소에 따른 트랜지스터의 공급전류 및 셀에 제공되어야 하는 기록 시 전류의 크기 변화를 나타낸 그래프.
도 3a 및 도 3b는 전극 접촉층이 포함된 상변화 메모리셀의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 전극접촉재료의 열전도도가 소자구조의 열적 특성에 미치는 영향을 보여주기 위한 상변화 메모리 셀 구조 및 그 결과를 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 실제 상업적인 상변화메모리 구조로 널리 사용되고 있는 도 1a와 같은 플러그형 전극구조에 대해서, 전극접촉재료의 열전도도가 소자구조의 열적 특성에 미치는 영향을 보여주기 위한 상변화 메모리 셀 구조 및 그 결과를 나타낸 그래프.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 상온 증착한 IZO (Indium Zinc Oxide) 박막의 AFM (atomic force microscope) 이미지, 어닐링 온도에 따른 IZO 박막의 광 흡수도 및 비저항 값을 각각 나타낸 그래프.
도 7a는 유리기판 위에 IZO(100nm)/GeSbTe(50nm)/IZO(100nm)의 순서로 형성 한 전기적 특성 분석용 소자 구조를 보인 단면도.
도 7b 도 7a에 있어서 GeSbTe 박막층의 초기상태가 각각 성막 후 비정질상태 및 열처리 후 결정화상태인 시편에 대해 전압을 전기적 스위칭이 일어나지 않을 정도의 작은 범위에서 변화시켜가며 측정한 I-V 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 7c는 도 7a에 있어서 GeSbTe 박막층의 초기상태가 각각 성막 후 비정질상태 및 전기적 스위칭에 따른 국부적 결정화 상태의 시편에 대해 측정한 I-V 특성 곡선을 나타낸 그래프.
도 8은 도 7a의 구조에서 상부 전극인 IZO 대신 TiN 물질로 대체한 소자의 I-V 특성 곡선을 도 7c의 I-V 특성 곡선과 중첩해서 나타낸 그래프.
도 9는 도 8의 각기 다른 상부 전극 물질을 갖는 I-V 특성 곡선들에서 초기상태가 성막 후 비정질 상태인 경우에 대해 전기적 스위칭 중 누적 전기에너지의 크기를 나타낸 그래프.
본 발명은 비휘발성 상변화 메모리 셀에 관한 것으로, 구체적으로는 투명전도성 산화물 재료를 전극 접촉층으로 사용한 메모리 셀에 관한 것이다.
최근 고밀도 정보저장 기술의 발전과 함께 칼코지나이드계 상변화 재료를 메모리 재료로 사용한 광 또는 전기 메모리 기술들이 관심을 끌고 있다. 이들 기술들은 칼코지나이드계 상변화 재료의 비정질-결정질상태 간 가역적인 고속 상변화특 성과 함께 이들 간의 광학적 반사, 투과 또는 전기 저항 특성 차이를 정보저장에 이용하는 기술이다. 이와 같은 광학적 특성 차이를 이용한 기술로는 이미 상용화된 되쓰기형 CD 및 DVD 광디스크 기술이 있고, 전기 저항 특성 차이를 이용한 기술로서 전기 탐침을 이용한 정보저장 기술 및 비휘발성 상변화메모리 기술이 있다. 특히 OUM (Ovonic Unified Memory), PRAM (Phase-change Random Access Memory), CRAM (Chalcogenide Random Access Memory) 등으로 불리는 비휘발성 상변화 메모리는 DRAM을 대체할 수 있는 차세대 비휘발성 반도체 메모리의 하나로 부상하면서 실용화를 위한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 비휘발성 상변화 메모리 셀의 대표적인 두 가지 메모리요소구조에 대해 구성상 특징을 개략적으로 도시한 것이다.
두 구조 모두, 기본적으로 전기신호의 입, 출력을 위한 상부 전극(11, 11') 및 하부 전극(12, 12')과 이들 사이에 칼코지나이드계 상변화 재료로 이루어진 메모리 영역(13,13') 그리고 메모리 영역 주위의 전기적, 열적 절연을 위한 절연층(14,14')으로 구성된다. 두 구조 간 차이점은 전압 또는 전류의 인가에 따라 메모리 영역이 가열될 때 도 1a의 경우 중앙부의 한정된 영역(13)에 배치된 메모리 재료가 자체의 주울 가열(joule heating)에 따라 가열되며, 도 1b의 경우에는 별도의 가열 전극(15')의 주울 가열로 그와 접촉한 메모리 영역(13')이 간접적으로 가열되는 점이 다르다.
상기 상변화 메모리 소자의 동작은 상, 하부 전극 간에 전기 펄스를 인가하면 자체 또는 간접 가열에 의해 상변화 재료의 가열 및 용융이 일어난 후 펄스 종 료에 따른 급속 냉각으로 용융 액상이 비정질화 되면서 정보의 기록이 이루어지며, 이러한 비정질 기록 상태의 상변화 재료가 결정화하는데 필요한 온도 및 시간이 제공될 수 있도록 전기적 펄스를 인가하면 정보가 소거된다. 기록 상태의 비정질상은 전기저항이 크고 소거 상태의 결정질상은 전기저항이 작기 때문에 이러한 저항 차이가 신호 재생에 이용된다.
비정질과 결정질 간에 가역적으로 전기적 스위칭이 가능한 실용적 상변화재료로서 화학양론 조성의 GeSbTe계 합금재료가 개발된 바 있다. 그러나, GeSbTe계 합금재료는 비휘발성 상변화메모리 재료로서 요구되는 여러 가지 특성을 만족함에도 불구하고 600℃ -700℃ 범위의 비교적 높은 용융온도를 가지기 때문에, 재료의 용융을 수반하는 상변화 메모리의 기록 동작 또는 결정화 온도(보통 절대온도 기준으로 용융온도의 1/2 내지 2/3 사이의 값) 이상의 가열이 요구되는 소거 동작에 필요한 전류 또는 전력소모가 크다는 문제점을 가지고 있다.
도 2에 선폭(F) 내지 접촉부 크기(0.5F)의 감소에 따라 트랜지스터의 공급전류 내지 기록 시 셀에 제공되어야 하는 전류의 크기 변화를 도시하였다. 파선은 삽입도에 개략적으로 도시한 8F2의 D램 셀 구조를 갖는 상변화 메모리 셀에 고성능 트랜지스터가 공급할 수 있는 전류의 크기 변화를 나타낸 것이고, 실선은 기존 상변화메모리 실험시작품의 기록전류 및 전극접촉부 크기 (Intel/Ovonyx의 ISSCC 2002발표 및 삼성전자의 NVSMW 2003 발표 결과 참조)로부터 추정한 기록전류밀도 (각각 123.5 mA/㎛2 및 138.9 mA/㎛2)보다 약간 작은 100 mA/㎛2를 기준값으로 하여 기록 전류의 크기 변화를 구한 것이다. 도 2에 따르면 선폭이 약 45 nm급 이하까지는 기록에 소요되는 전류를 트랜지스터의 공급전류 수준에 맞도록 감소시켜야 함을 알 수 있다.
기록 전류의 저감 방안으로는 기록시 메모리 재료의 용융에 필요한 열량을 줄이기 위해 재료의 용융온도를 낮추거나 공급된 전류를 최대한 효율적으로 이용할 수 있도록 셀을 구성하는 소재 내지 구조의 발열 또는 방열 특성을 개량하는 방법이 있다. 이 중에서 용융온도가 낮은 메모리 재료의 개발을 통해 기록전류를 효과적으로 저감하기는 어려울 것으로 예상되는데 용융온도가 900 K 정도인 현행 메모리 재료에 비해 가령 기록전력을 약 50% 저감하기 위해서는 용융온도가 대체로 그 절반 수준 (450 K) 정도로 낮은 재료 개발이 요구되기 때문이다. 따라서 메모리 셀을 구성하는 그 외의 재료 또는 구조의 적절한 선택을 통해 기록 (또는 소거) 중 메모리 재료의 가열, 냉각과 관련된 열확산 특성을 제어함으로써 문제의 해결이 이뤄져야 할 것으로 판단된다.
상변화 메모리 소자 내 전류경로가 확보되기 위해서는 메모리 영역이 전극과 직접 연결되거나 또는 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이 메모리 재료 (23, 23')와 전극(21, 22, 21')간의 물질 확산 등을 방지할 목적으로 삽입하는 전극 접촉층 (26, 27, 26')을 통하여 전극과 연결되어 있어야 한다. Ovonic EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)에서는 전극 접촉재료로서 비정질 C(carbon), 비정질 Si 또는 비정질 C/Si 이중구조를 이용하였다. 또한, 전극접촉재료로서 Carbon(C) 층과 Molybdenium(Mo) 층을 겹쳐 사용하는 방식을 제안 된 바 있으며, 또한, Ti, V, Cr, Nb, Mo, Ha, Ta, W 로 구성된 그룹 내 하나 이상의 원소, 그 혼합물 또는 합금과 B, C, N, O, Al, Si, P, S로 구성된 그룹 내 두개 이상의 원소가 결합한 전극 접촉재료로서 TiCN, TiAlN, TiSiN, W-Al2O3 및 Cr-Al2
O3등을 사용하는 방식이 제안된 바 있다.
이러한 전극접촉재료의 사용을 전력소모 특성과 연관지어보면 도 3a 및 도 3b의 구조에 있어 가열된 메모리 영역으로부터의 열확산은 메모리 영역 주위의 절연 재료에 의한 열류의 차단 기능과 함께 전극 재료 또는 전극 접촉재료에 의한 열류의 전도, 확산기능에 의해 커다란 영향을 받게 된다. 한편 전극 재료 또는 전극 접촉 재료로 보통 사용되는 Al, Cu, Ti, Mo, W, Poly Si, TiW, TiN, TiAlN 등과 같은 재료들은 전기 전도도가 103 내지 106 Ω-1cm-1 정도로 높고 열전도도 또한 메모리용 GeSbTe계 합금재료 또는 절연 재료에 비해 수십 배 내지 수백 배 높은 특성을 가지므로 상기 재료들을 적용한 상변화 메모리 소자는 기록 또는 소거 동작 중 메모리 재료의 가열에 따른 열의 축적이 어려운 반면 방열이 용이하여 메모리 영역을 용융온도 이상 또는 결정화 온도 이상으로 승온하기 위한 전력 소모가 큰 경향이 있다.
뿐만 아니라 상기 제안된 일부 재료의 경우 기록 (또는 소거) 온도에서 가열상태의 메모리 재료와의 상호 물질 이동을 억제하는데 효과적이지 못하여 메모리 소자의 안정적인 동작을 기대하기 힘들다. 따라서 이들 전극 또는 전극접촉재료의 보완 또는 대체를 통해 상변화 메모리의 전력 소모 및 동작특성을 개선하기 위한 대책이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 비휘발성 상변화 메모리의 기록 또는 소거 동작에 필요한 전력소모를 감소시킬 수 있으면서도 열적으로 안정한 전극접촉재료 및 이를 이용한 소자구조를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 전기전도도는 비교적 크면서 열전도도는 작으며 기록 (또는 소거) 온도에서 화학적, 물리적으로 안정하면서 전극 재료 및 GeSbTe계 메모리 재료와 비반응성인 투명전도성 산화물계 재료로 구성되는 전극 접촉재료를 사용한 비휘발성 상변화메모리 소자구조를 제공한다.
본 발명이 제공하는 전극 접촉재료의 특성은 다음과 같다.
첫째, 상기 재료는 전기전도도가 102 Ω-1cm-1 정도 이상으로 비교적 크면서도 열전도도(κ)는 0.2 W/cmK 정도 이하로 작은 특성을 갖는다. 이러한 임계치는 후술하는 바와 같이 전극접촉재료로서 흔히 사용되는 TiAlN의 전기전도도 (약 5×102 Ω-1cm-1 )및 열전도도 (약 0.3 W/cmK )를 기준으로 하여 결정되었다.
재료의 열전도도(κ)는 전자(electron)의 기여 성분과 음향양자(phonon)의 기여 성분의 합으로 구성되는데 재료의 전기 전도성이 커질수록 전자의 기여 성분이 중요해진다. 비데만-프란츠 (Wiedemann-Frantz) 법칙에 따르면, 이러한 전자의 기여 성분은 다음의 식으로 표시된다.
σ/κ e =LT
(σ, κ e 은 각각 전기전도도, 열전도도 중 전자의 기여 성분, L 및 T 는 로렌쯔 상수 및 온도를 나타냄)
금속재료의 경우 로렌쯔 상수가 재료에 관계없이 대체로 일정한 값을 가지므로 주어진 온도에서 열전도도의 크기는 전기전도도가 작을수록 작아지는 경향을 갖는다. 전기 및 열전도도가 가장 큰 금속의 하나로서 메모리용 배선 재료로 흔히 사용되는 알루미늄(Al)을 기준으로 볼 때, 대개의 금속 재료는 알루미늄 전기전도도의 1/10 이상 크기의 전기전도도를 가지므로 열전도도를 알루미늄에 비해 그 이하로 감소시키기 어렵다.
따라서 본 발명의 목적에 부합하는 전극 접촉재료는 반도체 재료를 대상으로 한다. 반도체 재료의 경우 열전도도는 도핑의 정도에 따라 변화하며 페르미 에너지, 밴드 갭 및 캐리어 (전자 또는 정공) 산란 기구 등에 의존하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 도핑의 정도가 큰 경우, 불순물 그리고 다량의 캐리어에 의한 음향양자의 산란이 커 열전도도에 대한 음향양자의 기여도는 작아지며 이에 따라 음향양자 성분의 기여가 상대적으로 큰 고온 구간에서 열전도도의 감소가 특히 기대된다.
둘째, 상기 재료는 기록 (또는 소거) 동작에 따르는 메모리 재료의 가열에 대해 열적으로 안정한 재료이어야 한다.
상변화 메모리 소자의 기록 (또는 소거) 동작 중 메모리 영역의 온도는 각각 용융온도 이상 또는 결정화 온도 이상으로 상승되기 때문에, 메모리 영역과 접촉하는 재료는 고온에서 물리적, 화학적, 기계적 안정성뿐만 아니라 메모리 재료와의 상호간 물질 이동에 대한 안정성이 우수하여야 한다. 이러한 특성요건에 가장 부합되는 재료로는 공유 결합성 또는 이온 결합성 산화물, 질화물 또는 탄화물 등이 있다.
상기 특성들을 만족하는 전극 접촉재료로서 본 발명은 투명 전도성 산화물 반도체 재료를 제공한다. 투명 전도성 산화물 반도체 재료의 예로는, ZnO, CdO, Ga2O3, In2O3, Tl2O3, SnO2, PbO2, Sb2O5 등과 같은 이원계 금속 산화물이 있다. 또한, 상기의 첫 번째 재료 특성과 관련하여 특히 그 효과가 기대되는 재료로서, 상기 이원계 금속 산화물에 미량 원소가 도핑된 물질, 즉 CdO:In, In2O3:Sn, SnO2:Sb, SnO2:Cl, SnO2:F, ZnO:X (X=In, Al, B, Ga, F, Y, Sc, Si, Ge, Ti, Zr, Hf); Cd2SnO4, Cd2InO4, Zn2SnO4, ZnSnO3
, Zn2In2O5, MgIn2O4, GaInO3, In4Sn3O12, CuAlO2, CuGaO2, CuInO2, AgAlO2, AgGaO2, AgInO2, SrCu
2O2 및 이들의 혼합물 등의 삼원계 금속 산화물이 포함된다. 또한, In1-xGa1+xO3(ZnO)k (k=1; -0.34<x<0.06, k=2; -0.54<x<0.3, k=3; -1<x<0.42), Ga3-xIn5+xSn2O16 (0.3<x<1.6), In2-2xSnxZnxO3 (0<x<0.4), Cd1+xIn2-2xSnxO4 (0<x<0.75), In2-2x
SnxCdxO3 (0<x<0.34) 등의 사원계 금속 산화물 등이 포함될 수 있다.
이들 예시된 투명 전도성 산화물 반도체 재료의 열전도도 데이터는 대부분 알려져 있지 않으나 투명 전극용 재료로서 널리 사용되는 인듐산화물(Indium oxide)에 주석(Sn)이 도핑된 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide : ITO)의 경우를 대표적으로 보면, 전극접촉재료로서 흔히 사용되는 TiAlN의 전기전도도가 약 5×102 Ω-1cm-1, 열전도도가 약 0.3 W/cmK 인데 반해, ITO는 전기전도도가 약 2×103
Ω-1cm-1 이상으로 크면서도 열전도도가 약 0.085 W/cmK 정도로 작은 특성을 갖는다.
전극 접촉재료의 열전도도가 소자구조의 열적 특성에 미치는 일반적인 영향에 대한 예시로서 광 기록용 전산모사 프로그램 [C. Peng의 논문에 제시된 온도해석 모델에서 상변화모델을 제외하고 광흡수 및 열확산에 따른 온도변화를 다룬 부분만을 인용; C. Peng et al., J. Appl. Phys., 82, 4183 (1997)]을 활용하여 도 4a에 도시한 구조에 대해 계산하여 그 결과를 도 4b에 도시하였다.
도 4a의 구조는 Si 기판 위에 전극 접촉재료 (d nm)/상변화 재료(GeSbTe, 25 nm)/전극 접촉재료 (d nm)/Al (300 nm)이 적층된 구조 (d= 50, 100, 200 nm)를 사용하였다. 열원으로 파장 680nm의 레이저 광을 NA 0.6의 대물렌즈를 통해 100 ns의 지속시간을 갖는 펄스형태로 인가하였다. 상변화 재료층 내 중앙부의 최대 온도가 상변화 재료의 용융점 (625 ℃) 보다 약 200 ℃ 정도 높은 온도에 도달하기 위한 레이저 파워와 함께 펄스 종료 후 냉각속도를 각각 계산하였으며, 계산에 사용한 각 재료별 비열(C) 및 열전도도 (k)는 표 1과 같다.
[표 1]
| Si | Al | GeSbTe | |
| C (J/cm3K) | 1.61 | 2.4508 | 1.287 |
| k (W/cmK) | 1.41 | 2.1465 | 0.005 |
* 전극 접촉층의 C 값은 2.052로 고정
도 4b의 횡축에 병기한 재료별 열전도도의 대략적 범위를 참조하여 보면, 전극 접촉층의 두께가 동일할 경우 그 구성 재료를 금속재료에서 상기의 투명전도성 산화물재료로 대체함에 따라 최소 2배 이상의 파워를 절감할 수 있으며, 또한 전극 접촉층의 두께 변화를 통해 기록시 용융 상변화 재료의 냉각속도를 변화시킬 수 있는 운용 폭이 현저히 향상됨을 볼 수 있다. 도 4b의 결과에 있어서, 전극 접촉층의 열전도도는 열전도도가 가장 큰 재료의 하나인 Aluminum (열전도도는 약 2 W/cmK)과 열전도도가 가장 작은 재료의 하나인 폴리카보네이트(Poly Carbonate) 또는 비정질 칼코게나이드 재료(열전도도는 약 0.002 W/cmK)의 각 열전도도 사이의 임의의 값을 선택하여 계산하였다.
본 발명이 제공하는 투명 전도성 산화물 반도체 재료는 도 3a와 3b에 도시된 바와 같이 메모리 영역(23, 23')과 상부전극(21, 21') 사이에 형성한 전극 접촉층(26, 26') 또는 메모리 영역(23, 23')과 하부전극(22, 22') 사이에 형성된 전극 접촉층(27, 27')으로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 한정하지는 않는다.
실시예 1
도 4에서 예시한 일반적인 열효율 특성과는 별개로, 실제 상변화메모리에서 사용되는 플러그형 전극구조에서 전극 및 전극접촉재료의 열전도특성에 따른 열효율 특성을 예측하기 위해서, 도 5a에서 도시한 플러그형 전극 구조에 대해 주울가열에 따른 열효율을 유한요소법으로 계산한 결과를 도 5b에 나타내었다. 이때, 하부전극(B/E)의 접촉점 지름이 60 nm, 150 nm, 300 nm인 각각에 대해 적용하였다. 상부전극(T/E)에 40 ns 지속시간을 갖는 전류 펄스를 가하였으며, 상변화 재료층(PCM) 내 온도가 메모리 기록에 필요한 온도까지 상승시키는데 필요한 전력을 하부전극(B/E)와 상부전극(T/E)의 열전도도에 따라 도시하였다.
도 5b의 결과를 보면, 도 4b의 결과와 비슷하게, 상부/하부 전극 층에 열전도도가 낮은 재료를 사용할수록 상당한 수준의 전력감소 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 전극접촉 면적의 크기가 감소할수록 이와 같은 전극접촉재료의 열전도도 감소에 따른 전력감소효과는 더욱 커짐을 알 수 있는데, 이는 본 발명이 접촉면적의 감소를 수반하는 메모리 고집적화에 매우 유리하게 적용될 수 있음을 의미한다. 도 5b의 결과에 있어서, 전극 접촉층의 열전도도는 열전도도가 가장 큰 재료의 하나인 Aluminum (열전도도는 약 2 W/cmK)과 열전도도가 가장 작은 재료의 하나인 폴리카보네이트(Poly Carbonate) 또는 비정질 칼코게나이드 재료(열전도도는 약 0.002 W/cmK)의 각 열전도도 사이의 임의의 값을 선택하여 계산하였다.
실시예 2
대표적 투명 전도성 산화물 반도체 재료로서 조성이 In2O3-10wt%ZnO2인 Indium Zinc Oxide (IZO) 타겟 (미국 Cerac사 제품)을 사용하고 스퍼터 가스로 (Ar+0.5vol%O2) 혼합가스를 이용하여 RF 마그네트론 스퍼터법으로 IZO 박막을 제조하였다. 박막은 유리기판 위에 100 nm의 두께로 성막하였는데 Atomic Force Microscope (PSI CP model)를 이용하여 형성된 IZO 박막의 표면조도를 측정한 결과, 도 6a에서 보는 바와 같이 RMS 값이 3.74 Å 정도인 매우 평탄한 표면을 가짐을 알 수 있다.
메모리 소자에 사용시 기록 또는 소거 중에 가열로 인한 온도상승에 따른 IZO 박막의 열적 안정성을 확인하기 위해, 상온 증착한 IZO 박막을 150 ℃, 250 ℃ 및 350 ℃ 에서 각각 1시간씩 RTA (Rapid Thermal Annealing)로 1.5 Torr Ar 분위기에서 어닐링(annealing)한 후 그에 따른 광 흡수도와 비저항값을 측정하였으며, 그 결과를 도 6b 및 도 6c에 각각 도시하였다. 광 흡수도는 스펙트로포토미터 (Perkin Elmer의 Lamda 35 모델)를 이용하여 250 nm~1100 nm 의 파장범위에 대해 1nm 간격으로 광 반사도 및 투과도를 측정하여 입사광 강도에서 제외한 값으로 나타내었고 박막의 비저항값은 Four-point probe (Mitsubishi Chemical Co., Loresta-GP model) 법을 이용하여 측정하였다. 도 6b 및 도 6c로부터 실험 온도구간에서 열처리에 의한 광학특성의 변화가 미미하며 비저항 값도 3~4×10-4 Ωcm의 범위 내에서 거의 일정한 값이 유지되고 있음을 볼 수 있다.
실시예 3
IZO를 채용한 메모리 소자구조의 전기적 특성 분석을 위해 도 7a에 나타낸 바와 같이 유리기판 위에 IZO(100nm)/GeSbTe(50nm)/IZO(100nm)의 3층 구조를 갖는 소자시편을 제작하였다. 하부전극용 IZO 박막위에 직경 2mm의 원형구멍을 가진 금속 섀도우 마스크를 이용하여 GeSbTe 및 IZO를 순차적으로 성막하였으며 이때 GeSbTe 박막은 조성이 Ge1Sb2Te4 (일본 미쯔비시 화학사 제품)인 타겟을 이용하여 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 성막하였다. 제작된 소자시편의 전기적 특성평가는 Keithley SMU (Source Measure Unit) 236 모델을 이용하여 I-V (전류-전압) 곡선의 측정을 통해 이루어졌다. GeSbTe 박막층의 초기상태가 성막 후 비정질상태 또는 열처리 후 결정화상태인 각각의 시편에 대해 박막층의 구조물성에 영향을 미치지 않을 정도의 작은 값인 -0.75V ~ 0.75V 전압 범위에서 0.1V 간격으로 전압을 인가하여 얻은 I-V 특성 곡선을 도 7b에 나타내었다. GeSbTe 박막층의 결정성여부에 관계없이 I-V 곡선이 측정범위 내에서 모두 선형이며 대칭인 오믹 접합특성을 나타냄으로써 IZO가 전극접촉재료로서 사용되기 위한 기본 특성을 만족함을 알 수 있다.
GeSbTe 박막층의 초기상태가 비정질상인 소자시편에 일정한 간격으로 전류를 증가시켜가며 전압을 측정하여 얻은 I-V 곡선을 도 7b에 나타내었다. 전류의 증가에 따라 전압이 증가하다가 특정전압 (문턱전압)을 경계로 부성저항특성을 나타내며 전압이 급격히 감소하는 현상을 나타내다가, 다시 저저항 상태를 나타내는 기울 기값을 보이며 증가하는 경향을 나타낸다. 또한 특정전류값 (~15mA) 이상에서 I-V 곡선이 초기상태가 결정질인 시편의 곡선과 일치하게 되는데 이 때부터 결정화 과정이 완료된 것으로 판단된다. 비정질상태의 이 실험을 통하여 기존의 전극구조들에서 보고된 바와 같은 전기적 스위칭 현상이 발현됨을 확인할 수 있다.
실시예 4
유리기판 위에 IZO(100nm), GeSbTe(50nm)을 먼저 형성하고 Ti 타겟을 이용하여 N2 분위기에서 반응성 스퍼터 법으로 상부전극인 TiN (100nm)를 형성한 소자 시편을 이용하여 도 7c에서와 같은 방법으로 I-V 특성을 측정, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 7c와 비교할 때, 각 I-V 곡선의 기울기로부터 비정질 및 결정질 상태 모두 소자 저항이 감소했음을 볼 수 있으며, 아울러 초기 상태가 다른 비정질 및 결정질 I-V 특성곡선이 전기적 스위칭 도중 일치하는 전류는 증가하고 전압은 감소하였음을 볼 수 있다. 도 8의 각 I-V곡선에서 전류인가의 개시시점으로부터 결정화가 완료될 때까지 인가된 전기에너지의 누적 분을 각각 계산하여 그 결과를 도 9에 나타내었다. 이로부터 투명전도성 산화물 반도체 재료인 IZO 전극을 사용한 경우 TiN 전극을 사용한 경우에 비해 결정화의 완료 시점까지 인가된 전기에너지의 크기가 약 50% 이하에 불과할 정도로 현저히 감소함을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 상변화메모리 소자용 전극접촉재료는 전기전도도가 높으면 서, 열전도도가 낮으며, 열 안정성이 우수하여 이를 이용한 메모리 요소구조는 기록 (및 소거)에 필요한 전력소모가 작아 저전력 고밀도 상변화 메모리에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (5)
- 비정질-결정질 상태간, 결정질-결정질 상태간 또는 비정질-비정질 상태간 가역적인 상변태와 함께 이들 상태간의 전기적 비저항 차이를 정보의 기록, 소거 또는 재생에 이용하는 비휘발성 상변화 전기메모리에 있어서,배선용 전극 층과 상변화 메모리재료 층 사이에 투명전도성 산화물계 재료로 구성된 전극 접촉층을 포함하며, 상기 투명전도성 산화물계 재료는 전기전도도가 102 Ω-1cm-1 이상이고 열전도도(κ)는 0.2 W/cmK 이하이며 상변화 메모리의 기록 또는 소거 동작이 이루어지는 100 ℃ 내지 1000 ℃ 온도 범위에서 전극 재료 및 상변화 메모리 재료와 비반응성인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물계 재료는 ZnO, CdO, Ga2O3, In2O 3, Tl2O3, SnO2, PbO2, Sb2O5 중에서 선택되는 이원계 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물계 재료는 이원계 금속 산화물에 미량원소가 도핑된 물질로서, CdO:In, In2O3:Sn, SnO2:Sb, SnO2:Cl, SnO2:F, ZnO:X (X=In, Al, B, Ga, F, Y, Sc, Si, Ge, Ti, Zr, Hf); Cd2SnO4, Cd2InO4 , Zn2SnO4, ZnSnO3, Zn2In2O5, MgIn2O4, GaInO3 , In4Sn3O12, CuAlO2, CuGaO2, CuInO2 , AgAlO2, AgGaO2, AgInO2, SrCu2O2 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 삼원계 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 셀.
- 제1항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물계 재료는 In1-xGa1+xO3(ZnO)k (k=1; -0.34<x<0.06, k=2; -0.54<x<0.3, k=3; -1<x<0.42), Ga3-xIn5+xSn 2O16(0.3<x<1.6), In2-2xSnxZnxO3(0<x<0.4), Cd1+xIn2-2x SnxO4 (0<x< 0.75), In2-2xSnxCdxO 3(0<x<0.34) 중에서 선택되는 사원계 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 셀.
- 삭제
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