KR100687755B1 - Phase change memory device having insulator nano-dots and method of manufacturing the same - Google Patents

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윤성민
최규정
이남열
류상욱
박영삼
이승윤
유병곤
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한국전자통신연구원
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Abstract

A phase-change memory device having insulator nano-dots and a method for manufacturing the same are provided to lower a value of current required to drive the memory device by reducing a contact area between a phase-change material layer and an electrode material. A heat-generating metal electrode layer(120) is formed on a first electrode layer. Insulation layer patterns(130,160) are formed on the heat-generating metal electrode layer, and an opening exposing a first region of the heating-generating metal electrode layer is formed on the pattern. Plural insulator nano-dots(140) are formed on a surface of the heat-generating metal electrode layer to prevent an electric contact between the heat-generating metal electrode layer and a phase-change material layer(150) which is formed on the nano-dots and the heat-generating metal electrode layer. A second electrode layer is formed opposite to the heat-generating metal electrode layer.

Description

절연체 나노 도트를 포함하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법{Phase change memory device having insulator nano-dots and method of manufacturing the same} Phase change memory device having an insulator nano dot and a method of manufacturing the same {Phase change memory device having insulator nano-dots and method of manufacturing the same}

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 1A through 1F are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention in a process sequence.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 2 is a flowchart for describing a method of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자에 포함되는 절연체 나노 도트의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of forming an insulator nano dot included in a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention, according to a process sequence.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자에 포함되는 절연체 나노 도트의 형성 방법의 다른 예를 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 4A and 4B are cross-sectional views illustrating a method of forming an insulator nano dot included in a phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention, according to a process sequence.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자에 채용될 수 있는 절연체 나노 도트 구조의 예시적인 형성 모습을 나타낸 모식도이다. 5A and 5B are schematic views showing an exemplary formation of an insulator nano dot structure that can be employed in the phase change memory device according to the present invention, respectively.

도 6은 본 발명에 따라 형성되는 절연체 나노 도트의 크기에 대한 상변화 메모리 소자에 있어서 상변화 재료와 전극 재료와의 접촉 면적 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 6 is a graph showing the change in the contact area size of the phase change material and the electrode material in the phase change memory device with respect to the size of the insulator nano dot formed according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 기판, 110: 하부 전극층, 120: 발열성 금속 전극층, 130: 제1 절연막 패턴, 130a: 개구, 140: 절연체 나노 도트, 150: 상변화 재료층, 160: 제2 절연막 패턴, 160a: 제1 홀, 160b: 제2 홀. 170: 상부 전극층, 310: 금속층, 312: 금속 나노 도트, 312a: 금속 부분, 312b: 금속 산화물 부분, 314: 절연체 나노 도트, 410: 실리콘 나노 도트, 412: 실리콘 질화물 나노 도트, 510, 520: 틈새 부분. Reference Signs List 100: substrate, 110: lower electrode layer, 120: heat generating metal electrode layer, 130: first insulating film pattern, 130a: opening, 140: insulator nano dot, 150: phase change material layer, 160: second insulating film pattern, 160a: first 1 hole, 160b: second hole. 170: upper electrode layer, 310: metal layer, 312: metal nano dot, 312a: metal part, 312b: metal oxide part, 314: insulator nano dot, 410: silicon nano dot, 412: silicon nitride nano dot, 510, 520: gap part.

본 발명은 상변화 재료를 이용한 반도체 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 절연체 나노 도트 구조를 이용하여 상변화 재료층과 전극층과의 접촉 면적을 제어하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device using a phase change material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a phase change memory device controlling a contact area between a phase change material layer and an electrode layer using an insulator nano dot structure and a method of manufacturing the same. will be.

반도체 메모리는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 휘발성 메모리는 전원을 차단하면 저장되어 있던 메모리가 모두 소멸하는 메모리이다. 반면, 비휘발성 메모리는 전원을 차단하더라도 저장된 메모리가 소멸하지 않는다. DRAM (Dynamic Random Access Memory)은 대표적인 휘발성 메모리이며, 그 동작 과정에서 필연적으로 리프레쉬 (refresh)의 작업을 수반한다. 리프레쉬 작업이란 메모리 소자의 누설 전류 발생에 의해 소멸되는 저장 정보를 일정한 시간마다 다시 기억시키는 동작을 말한다. 메모리의 집적도가 상대적으로 낮 았던 과거의 기술에서는 리프레쉬 작업에 소요되는 소비전력의 양이 전체 DRAM의 동작에 있어서 크게 문제가 될 만한 정도는 아니었다. 그러나, 메모리의 집적도가 높아짐에 따라, 현재의 1 ∼ 10 ms/Mbit에 해당하는 리프레쉬 레이트를 적용하는 경우, DRAM 전체적으로는 상당한 에너지를 소모하는 셈이 된다. 즉, 수 기가비트에 달하는 현재의 DRAM에서는 리프레쉬 동작에 소요되는 소비전력의 소모가 전체 동작의 소비전력을 지배하는 정도에 이르고 있다. 이처럼 소비전력 증대의 문제에도 불구하고, 고속이며 저렴하다는 장점 때문에 여전히 DRAM은 현재까지 가장 많이 사용되는 메모리 모듈이다. There are two types of semiconductor memory, volatile memory and nonvolatile memory. Volatile memory is memory that is lost when the power is turned off. On the other hand, the stored memory does not disappear even when the power is cut off in the nonvolatile memory. DRAM (Dynamic Random Access Memory) is a typical volatile memory and inevitably involves a refresh operation in its operation. The refresh operation refers to an operation of storing the stored information that is destroyed by the leakage current of the memory device again at regular intervals. In the past, where memory density was relatively low, the amount of power consumed by the refresh operation was not much of a problem for the overall DRAM operation. However, as the degree of integration of memory increases, when the current refresh rate corresponding to 1 to 10 ms / Mbit is applied, the entire DRAM consumes considerable energy. In other words, in the current DRAM of several gigabytes, the consumption of power consumed for the refresh operation has reached the degree of dominating the power consumption of the entire operation. Despite the problem of increased power consumption, DRAM is still the most used memory module to date because of its high speed and low cost.

이러한 휘발성 DRAM을 비휘발성 메모리로 대체할 수 있다면, 소비전력의 감소는 물론 기동 시간의 대폭적인 절감 효과를 기대할 수 있기 때문에, 몇 가지 비휘발성 메모리 기술이 현재 연구의 단계를 거쳐 적극적인 개발의 단계에까지 진행해 있다. 이들 비휘발성 메모리 가운데, 가장 기술 개발이 많이 진행되어 있고, 또한 실제 시장에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 플래쉬 메모리이다. 하지만, 플래쉬 메모리는 속도가 느리고 비교적 높은 전압을 사용해야 한다는 단점 때문에 현재는 디지털 카메라나 휴대전화 등 모바일 기기 전용으로 사용되고 있다. If these volatile DRAMs can be replaced with non-volatile memory, not only power consumption but also significant reductions in start-up time can be expected, so that some non-volatile memory technologies are in the stage of active research and development. There is progress. Among these nonvolatile memories, the most technological development is in progress, and the most frequently used in the actual market is flash memory. However, flash memory is currently used exclusively for mobile devices such as digital cameras and mobile phones because of the disadvantage of slow speed and relatively high voltage.

한편, 메모리가 갖추어야 할 중요한 성능 중의 하나는 재기록 동작에 대한 신뢰성이다. 플래쉬 메모리의 경우, 재기록 동작에 대한 신뢰성이 그리 양호한 편은 아니지만, 개인 정보 단말로 대표되는 모바일 기기에의 응용 만으로 그 사용을 한정한다면 재기록 가능 횟수의 기준을 크게 떨어뜨릴 수 있다. 다만, 모바일 기기에서 요구되는 정도의 재기록 동작 신뢰성으로는 범용 PC 등의 안정된 동작을 담보 할 수 없는 것은 물론이다. On the other hand, one of the important performances that the memory should have is reliability of the rewrite operation. In the case of flash memory, the reliability of the rewrite operation is not very good, but if the use is limited only to the application to the mobile device represented by the personal information terminal, the standard of the number of rewritable times can be greatly reduced. However, it is a matter of course that a stable operation such as a general-purpose PC cannot be ensured with the reliability of the rewrite operation that is required in the mobile device.

또한, 최근의 휴대형 모바일 기기 및 컨버전스 기능을 갖는 디지털 기기에서 요구하는 메모리의 사양을 만족하기 위해서는 각 메모리 모듈이 갖는 장점을 모두 활용하기 위하여, DRAM/SRAM/플래쉬메모리 등을 적절히 조합하여 사용하는 방법을 채택하고 있다. 그러나, 이 방법은 전체 메모리 칩의 크기를 현저히 증가시킬 뿐 만 아니라, 비용면에서도 불리한 선택이라고 할 수 있다. 다만, 고속, 고밀도, 비휘발성 등의 요구 사양을 모두 만족하는 메모리가 존재하지 않아 할 수 없이 선택하고 있는 방법일 뿐, 결코 효율적인 방법이라고는 할 수 없는 상황이다. In addition, in order to satisfy the memory specifications required by recent portable mobile devices and digital devices having a convergence function, a method of using a combination of DRAM / SRAM / flash memory, etc. in order to utilize all the advantages of each memory module. Is adopted. However, this method not only significantly increases the size of the entire memory chip, but also is a disadvantage in terms of cost. However, there is no memory that satisfies all the required specifications such as high speed, high density, and non-volatile, so it is a method that is unavoidably selected and is not an efficient method at all.

상기 이유들로부터 메모리 분야에 종사하는 연구자와 개발자들은 어떠한 기기나 용도에 대해서도 안정적으로 탑재 가능한 만능의 통합형 메모리의 등장을 강하게 요구하고 있으며, 이러한 통합형 메모리에, 비휘발성은 물론 고속, 저소비전력, 높은 재기록 동작 신뢰성 등을 갖출 필요가 있다. 그러나, 현재까지 이러한 성능을 모두 갖춘 반도체 메모리는 아직 상용화 되지 않았다. 따라서, 다양한 비휘발성 메모리 기술이 현재 활발하게 연구 개발 중이며, 현재는 각 기술에 대한 발전 가능성 및 상용성을 다각적으로 모색하고 있는 단계이다. For these reasons, researchers and developers working in the memory field strongly demand the emergence of all-in-one integrated memory that can be reliably mounted in any device and application. It is necessary to provide a rewrite operation reliability and the like. However, to date, semiconductor memories with all these capabilities have not been commercialized. Accordingly, various nonvolatile memory technologies are currently being actively researched and developed, and at present, various stages of development and compatibility for each technology are being explored.

한편, 상변화 메모리 (Phase-Change RAM, PRAM)로 불리는 비휘발성 메모리의 경우, 재료가 갖는 결정 상태에 따라 그 저항값이 바뀌는 상변화 재료를 이용하여, 적절한 조건의 전류 또는 전압의 인가 방법을 선택함으로써 재료가 갖는 결정 상태를 제어하는 방법으로 정보를 저장하고, 재료의 결정 상태에 따른 저항값의 변화로부터 저장된 정보의 종류를 판독하여 메모리 동작을 실현한다. 이 때, 재료의 결정 상태는 저저항의 특성을 가지며, 비정질 상태는 고저항의 특성을 가지게 된다. 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서, 고저항의 비정질 상태로부터 저저항의 결정 상태로 변화하는 동작을 셋 (SET) 동작이라고 하며, 저저항의 결정 상태로부터 고저항의 비정질 상태로 변화하는 동작을 리셋 (RESET) 동작이라고 한다. On the other hand, in the case of a nonvolatile memory called a phase-change memory (PRAM), a method of applying a current or voltage under an appropriate condition using a phase change material whose resistance value changes depending on a crystal state of the material is used. By selecting, the information is stored in a method of controlling the crystalline state of the material, and the memory operation is realized by reading the kind of stored information from the change of the resistance value according to the crystalline state of the material. At this time, the crystal state of the material has a low resistance characteristic, and the amorphous state has a high resistance characteristic. In the operation of a phase change memory device, an operation of changing from a high resistance amorphous state to a low resistance crystal state is called a SET operation, and resets an operation of changing from a low resistance crystal state to a high resistance amorphous state. It is called (RESET) operation.

한편, 상변화 메모리의 제작에 있어서는, 현재까지 CD-RW나 DVD 등의 광저장 정보 장치에 주로 사용되어 오던 칼코게나이드 금속 합금계의 상변화 재료를 그대로 사용할 수 있으며, 소자의 제작 공정이 기존의 실리콘 기반 소자 제작 공정과 잘 정합하기 때문에, DRAM과 동등한 정도의 집적도를 쉽게 구현할 수 있다는 점이 장점이다. 이에 비해 상변화 메모리와 경합하는 자기저항형 (Magneto-Resistive) 메모리 및 강유전체 메모리 (Ferroelectric Memory)의 경우에는, 소자의 미세화에 따라 공정의 난이도가 급격히 높아지거나, 소자의 성능 자체가 열화하는 등의 문제가 발생하고 있다. 따라서, 지금까지의 기술 개발 상황으로 보아 상변화 메모리는 현재의 플래쉬 메모리를 대체할 수 있는 가장 유력한 차세대 비휘발성 메모리 후보라고 할 수 있으며, 이러한 이유 때문에 큰 주목을 받고 있는 반도체 메모리 기술이다. On the other hand, in the fabrication of phase change memory, the phase change material of the chalcogenide metal alloy, which has been mainly used in optical storage information devices such as CD-RW and DVD, can be used as it is. It is well matched with the silicon-based device fabrication process, making it easy to achieve the same degree of integration as DRAM. On the other hand, in the case of magneto-resistive memory and ferroelectric memory competing with the phase change memory, the difficulty of the process increases rapidly or the performance of the device deteriorates due to the miniaturization of the device. There is a problem. Therefore, in view of the state of the art development up to now, phase change memory is the most promising next-generation nonvolatile memory candidate that can replace the current flash memory, and for this reason, it is a semiconductor memory technology attracting great attention.

다만, 상변화 메모리의 실용화를 위해서는 메모리 소자의 구동에 필요한 소비전력을 크게 줄여야 할 필요가 있다. 상변화 메모리는 앞서 설명한 바와 같이 저항체에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전기적 주울열 (joule-heat) 을 이용하여 상변화 재료의 결정 상태를 제어하는 방법으로 메모리 소자를 구동하기 때문에 비교적 많은 전력을 소모할 가능성이 있다. 아울러 이러한 문제는 상변화 메모리가 다른 형태의 비휘발성 메모리에 비해 비교적 유리한 장점들을 가지고 있음에도 불구하고, 최근에 들어서야 크게 주목을 받기 시작한 것과 관련이 있다. 즉, 반도체 공정에 사용되는 설계 규칙은 일정한 스케일링 방법에 의해 축소되어 왔으며, 비교적 큰 크기의 소자를 제작하던 종래의 반도체 공정을 이용하여 상변화 메모리 소자를 제작하는 경우, 전체 시스템이 감당할 수 없을 정도의 전력과 열이 발생하는 문제 때문에 실용적인 동작 특성을 갖는 메모리 소자의 실현은 불가능했다. 그러나, 설계 규칙의 지속적인 축소와 함께 소자 자체의 크기도 크게 줄어, 현재 통상적으로 사용되고 있는 반도체 공정의 설계 규칙을 이용한다면, 상변화 메모리의 동작에 요구되는 소비전력도 큰 폭으로 절감할 수 있게 되었다.However, in order to commercialize the phase change memory, it is necessary to greatly reduce the power consumption required for driving the memory device. As described above, the phase change memory consumes a relatively large amount of power because the memory element is driven by controlling the crystal state of the phase change material by using an electric joule-heat generated when a current flows through the resistor. There is a possibility. This problem is related to the fact that the phase change memory has recently gained great attention, although it has relatively advantageous advantages over other types of nonvolatile memory. In other words, the design rules used in the semiconductor process have been reduced by a constant scaling method, and when fabricating a phase change memory device using a conventional semiconductor process that manufactured a relatively large device, the entire system cannot afford it. Due to the problem of power and heat generation, it is impossible to realize a memory device having practical operating characteristics. However, with the continuous reduction of design rules, the size of the device itself is greatly reduced, and using the design rules of the semiconductor process that is currently used, the power consumption required for the operation of the phase change memory can be greatly reduced. .

한편, 상변화 메모리 소자의 동작을 위한 전류의 크기를 줄이는 노력은 현재도 계속 진행되고 있으며, 이것은 상변화 메모리의 고밀도화와도 밀접한 관련이 있다. 고집적도를 가지는 상변화 메모리의 신뢰성 있는 메모리 동작을 보장하기 위해서는 저소비전력형 소자 구조의 개발이 필수적이다. 이것은 전체 상변화 메모리 어레이가 소모하는 절대적인 소비전력을 줄이기 위한 목적을 가진다. 한편, 저소비전력형 소자 구조의 채용은 상기 소비전력의 절감 이외에도 다른 하나의 중요한 목적을 가진다. 즉, 특정 소자의 메모리 동작시에 발생한 열이 인접한 메모리 소자에 저장된 정보를 파괴하거나 변경해서는 안된다는 것이다. 특히, 고집적도를 가지는 메모리 어레이 내에서 각 소자의 간격은 향후 지속적으로 축소될 가능성이 크며, 경우에 따라서는 특정 셀 메모리 동작시 발생한 열이 잡음 요소로 작용하여 인접 셀의 메모리 동작을 저해하는 요인이 될 수 있다. On the other hand, efforts to reduce the amount of current for the operation of the phase change memory device continue to proceed, which is closely related to the higher density of the phase change memory. Development of low power consumption device structure is essential to ensure reliable memory operation of high density integrated phase change memory. This aims to reduce the absolute power consumption of the entire phase change memory array. On the other hand, the employment of a low power consumption device structure has another important purpose in addition to the reduction of the power consumption. That is, the heat generated during the memory operation of a particular device should not destroy or change the information stored in the adjacent memory device. In particular, the spacing of each device in the high density memory array is likely to be continuously reduced in the future, and in some cases, heat generated during a specific cell memory operation acts as a noise factor, which inhibits memory operation of adjacent cells. This can be

상변화 메모리 소자의 동작에 필요한 절대적인 전류의 값을 줄이기 위한 방법으로, 다음의 방법들이 응용되고 있다. As a method for reducing the absolute current required for the operation of a phase change memory device, the following methods have been applied.

(1) 재료적인 접근 방법이다. (1) It is a material approach.

즉, 녹는점이 비교적 낮은 상변화 재료를 채용하여 상전이에 필요한 온도를 낮춤으로써, 메모리 동작에 필요한 전류값을 줄이는 방법이다. 이것은 소자 구조와 상관없이 상변화 재료 자체를 변경하여 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하는 방법이다. In other words, by adopting a phase change material having a relatively low melting point, the temperature required for the phase transition is lowered, thereby reducing the current value required for the memory operation. This is a method of reducing the power consumption of the phase change memory by changing the phase change material itself regardless of the device structure.

(2) 소자 구조적인 접근 방법이다. (2) Device structural approach.

소자의 구조적인 접근 방법에는 최근 두 가지 경향이 나타나고 있다. 그 첫 번째 방법은, 상변화 메모리 소자의 동작의 핵심 부분인 상변화 영역을 최소화하여 필요한 전류값을 줄이는 것이다. 상변화 메모리 소자는 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 부분에서 발생하는 열을 이용하여 상전이 상태를 경험하게 되기 때문에, 접촉 부분을 최소화함으로써 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하고자 하는 방법이다. 현재, 접촉 부분을 최소화하는 상기 방법이 가장 일반적으로 시도되고 있는 접근 방법이다. 그 두 번째 방법은, 소자 내에 위치한 상변화 재료가 경험하는 열적 에너지를 가능한 한 충분히 이용할 수 있도록 메모리 소자의 구조를 최적화 하는 방법이다. 즉, 상기 첫 번째 방법에서와 같이, 아무리 상변화 영역을 최소화 하여 접촉 부분에서 발생하는 열을 줄인다고 하더라도 발생한 열 에너지 자체를 효율적으로 이용하지 못한다면 상대적으로 많은 전류를 인가할 수 밖에 없기 때문이다. 따라서, 상기 두 번째 방법에서는 적절한 소자 구조를 제공함으로써 상변화 영 역에 인가된 열이 가능하다면 누설 성분 없이 모두 상변화 재료의 상전이에 사용될 수 있도록 하여, 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하는 방법이다. There are two recent trends in the structural approach of the device. The first method is to reduce the required current value by minimizing the phase change area, which is a key part of the operation of the phase change memory device. Since the phase change memory device experiences a phase transition state by using heat generated at the contact portion of the phase change material and the electrode material, it is a method of reducing power consumption of the phase change memory by minimizing the contact portion. At present, the method of minimizing the contact portion is the most commonly attempted approach. The second method is to optimize the structure of the memory device so that the thermal energy experienced by the phase change material located within the device can be used as fully as possible. That is, as in the first method, even if the phase change region is minimized to reduce the heat generated in the contact portion, it is because a relatively large current cannot be applied unless the heat energy itself is efficiently used. Therefore, in the second method, by providing an appropriate device structure, the heat applied to the phase change region can be used for the phase transition of the phase change material without leakage component, if possible, thereby reducing the power consumption of the entire phase change memory. It is a way.

물론 상기 (1) 및 (2) 에서 제시한 두 가지 방법을 모두 병용하여 상변화 메모리 소자를 제작한다면, 상변화 메모리 소자의 동작에 소요되는 가능한 소비전력의 절감을 최대화 할 수 있음은 물론이다. Of course, if the phase change memory device is fabricated by using both of the methods described in (1) and (2) above, it is of course possible to maximize the reduction in the power consumption required for the operation of the phase change memory device.

한편, 상기 (2)의 첫 번째 방법을 이용한 상변화 메모리 소자의 제작에 있어서, 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 부분을 줄이고자 하는 다양한 시도가 잇따르고 있다. 그 예로, 미리 형성한 전극 재료의 일부를 식각하여 노출되는 측면 깊이 방향의 영역을 상변화 재료와 접촉시킴으로써, 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 면적을 (전극 재료의 막 두께) × (상변화 재료의 패턴 폭)으로 결정하는 소자 구조가 제안된 바 있다 (Y. H. Ha et al., Dig. Tech. Papers of VLSI Symp. 2003, pp. 173-176). 이 구조를 엣지 컨택(edge-contact)을 포함하는 상변화 메모리 소자로 칭한다. 통상의 수직형 상변화 메모리 소자의 접촉 면적이 컨택의 크기를 결정하는 리소그래피의 해상도로 결정되는 데 비해, 상기 엣지 컨택 구조는, 일반적으로 리소그래피 해상도보다 1/10 이하의 크기로 형성 가능한 전극 재료의 막 두께를 접촉 면적의 한 변으로 이용하고 있기 때문에, 상변화 메모리 소자의 접촉 면적을 크게 줄일 수 있는 것은 사실이다. On the other hand, in the fabrication of the phase change memory device using the first method of (2), various attempts have been made to reduce the contact portion between the phase change material and the electrode material. For example, by contacting a phase change material with an area in the lateral depth direction exposed by etching part of the electrode material previously formed, the contact area between the phase change material and the electrode material is (film thickness of the electrode material) × (phase change material). Has been proposed (YH Ha et al., Dig. Tech. Papers of VLSI Symp. 2003, pp. 173-176). This structure is referred to as a phase change memory device including edge contacts. Whereas the contact area of a conventional vertical phase change memory element is determined by the resolution of the lithography, which determines the size of the contact, the edge contact structure is generally formed of an electrode material that can be formed to be 1/10 or less than the lithography resolution. Since the film thickness is used as one side of the contact area, it is true that the contact area of the phase change memory element can be greatly reduced.

그러나, 상기 엣지 컨택을 포함하는 상변화 메모리 소자는 여전히 나머지 한 변이 리소그래피의 해상도에 의해 결정되기 때문에 상기 접촉 면적을 극적으로 줄이는 데는 한계가 있다. 또한, 소자 구조 자체가 복잡하기 때문에, 상기 상변화 메 모리 소자의 제작 공정에 있어서, 1 ∼ 2장의 여분의 포토 마스크를 제작해야할 필요가 있을 뿐 만 아니라, 별도의 건식 식각 공정 등을 거쳐야 하는 문제가 있다. However, the phase change memory device including the edge contact is still limited in dramatically reducing the contact area since the other side is determined by the resolution of the lithography. In addition, since the device structure itself is complicated, not only one or two extra photo masks need to be manufactured in the manufacturing process of the phase change memory device, but also a separate dry etching process or the like is required. There is.

또한, 상기 (2)의 첫 번째 방법을 이용한 상변화 메모리 소자의 제작에 있어서, 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 부분을 줄이고자 하는 또 다른 시도는, 상기 상변화 재료와 접촉하는 전극 재료의 모양을 원뿔 형태로 제작하여 이론적으로는 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 면적을 접점의 형태로 구성하는 방법이 제안된 바 있다(미국 특허 제5,687,112호). 상기 방법은 이론적으로는 면적을 갖지 않는 점의 형태로 접촉 면적을 축소할 수 있기 때문에, 상기 상변화 메모리 소자의 크기를 극히 작게 만들 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 결과적으로 초미세 저소비전력형 상변화 메모리 소자의 실현이 가능할 것으로 생각된다. In addition, in the fabrication of the phase change memory device using the first method of (2), another attempt to reduce the contact portion between the phase change material and the electrode material is the shape of the electrode material in contact with the phase change material. Has been proposed in the form of a cone to theoretically construct a contact area between the phase change material and the electrode material in the form of a contact (US Pat. No. 5,687,112). The method has the advantage that the size of the phase change memory device can be made extremely small since the contact area can be reduced in the form of a point which theoretically does not have an area, and as a result, an ultrafine low power consumption phase change It is considered that the memory device can be realized.

그러나, 실제 소자의 제작 공정에 있어서 소정의 전극 재료를 원뿔 형태로 가공하고, 그 주변 영역을 절연 재료로 채운 후, 접점 형태의 전극 재료 영역을 노출시켜, 상부의 상변화 재료와 성공적으로 접촉시키는 것은 매우 어려운 공정이다. 또한, 상기 공정이 성공적으로 수행된다고 하더라도, 각 소자에 있어서 접촉 면적을 균일하게 유지하는 것은 더욱 어렵다. 만일 상기 공정 방법이 소정의 기판 상에서 일정 분포 이상의 접촉 면적 크기 차이를 유발한 가능성이 많다면, 그러한 가공 공정 방법을 실제 메모리 소자의 제작에 채용하기는 어렵다. 그 이유는, 원뿔 형태의 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자는 매우 작은 접점 상에 존재하는 상변화 재료의 상전이 현상만을 통해 메모리 동작에 필요한 전류량을 절감하는 것이므로, 가공되는 원뿔 형태의 전극의 접점 크기가 작을수록, 메모리 소자 사이에서 동작에 필요한 전류의 분포가 발생할 가능성이 많으며, 또한 동일한 동작 전류 조건에서 동작 소자 사이의 상이한 동작을 야기할 가능성이 많아, 상변화 메모리 소자의 저소비전력화와 상반되는 결과를 초래하기 때문이다. However, in the manufacturing process of the actual device, a predetermined electrode material is processed into a cone shape, the peripheral region is filled with an insulating material, and then the electrode material region in the contact form is exposed to successfully contact the upper phase change material. Is a very difficult process. In addition, even if the process is performed successfully, it is more difficult to keep the contact area uniform in each device. If the process method is likely to cause a difference in contact area size over a certain distribution on a given substrate, it is difficult to employ such a process method in the fabrication of an actual memory device. The reason is that the phase change memory device including the conical electrode structure reduces the amount of current required for the memory operation only through the phase transition phenomenon of the phase change material present on the very small contact, and thus the contact of the conical electrode to be processed. The smaller the size, the more likely the distribution of current required for operation between the memory elements is to occur, and the more likely it is to cause different operation between the operating elements under the same operating current conditions, which is in contrast to the lower power consumption of the phase change memory element. Because it results.

본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 상변화 메모리 소자의 저전력화를 위하여 상변화 영역을 최소화하는 동시에 개별 소자간에 전극과 상변화 재료층과의 접촉 면적의 불균일성을 줄임으로써 전체 메모리 어레이의 동작에 문제를 야기하지 않고 초미세 저소비전력형 소자를 실현할 수 있는 상변화 메모리 소자를 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems in the prior art, by minimizing the phase change area for reducing the power of the phase change memory device and at the same time reducing the nonuniformity of the contact area between the electrode and the phase change material layer between the individual devices It is to provide a phase change memory device capable of realizing an ultra-fine low power consumption device without causing problems in the operation of the entire memory array.

본 발명의 다른 목적은 상변화 메모리 소자의 저전력화를 위하여 상변화 영역을 최소화하는 데 있어서 실행 방법이 용이하고 재현성이 우수한 가공 공정을 이용함으로써 개별 소자간에 전극과 상변화 재료층과의 접촉 면적의 불균일성을 줄일 수 있는 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to minimize the phase change area for the low power of the phase change memory device, and to use a process that is easy to implement and has excellent reproducibility, thereby reducing the contact area between the electrode and the phase change material layer between the individual devices. It is to provide a method of manufacturing a phase change memory device that can reduce the nonuniformity.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자는 제1 전극층과, 상기 제1 전극층 위에 형성된 발열성 금속 전극층과, 상기 발열성 금속 전극층의 일부인 제1 영역 내에서 상기 발열성 접촉 영역과 접촉하고 있는 상변화 재료층과, 상기 제1 영역 내에서 상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층과의 접촉 면적을 제한하기 위하여 이들 사이에 개재되어 있는 복수의 절연체 나노 도트와, 상기 상변화 재료층중 상기 발열성 금속 전극층과 접하는 측의 반대측에 접해 있는 제2 전극층을 포함한다. In order to achieve the above object, the phase change memory device according to the present invention includes a heat generating contact region in a first electrode layer, a heat generating metal electrode layer formed on the first electrode layer, and a first area which is part of the heat generating metal electrode layer. And a phase change material layer in contact with the plurality of insulator nano dots interposed therebetween to limit the contact area between the exothermic metal electrode layer and the phase change material layer in the first region; And a second electrode layer in contact with an opposite side of the change material layer in contact with the heat generating metal electrode layer.

상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층과의 사이에 개재되어 있는 절연막 패턴을 더 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 절연막 패턴에 형성되어 있는 개구에 의해 정의된다. And an insulating film pattern interposed between the heat generating metal electrode layer and the phase change material layer, wherein the first region is defined by an opening formed in the insulating film pattern.

상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층은 상기 복수의 절연체 나노 도트중 상호 인접한 절연체 나노 도트들에 의해 둘러싸이는 부분에서 상호 접촉된다. The exothermic metal electrode layer and the phase change material layer are in contact with each other at a portion of the plurality of insulator nano dots surrounded by adjacent insulator nano dots.

상기 절연체 나노 도트는 금속 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 상기 복수의 절연체 나노 도트는 각각 반구 형태를 가진다. The insulator nano dot may be made of metal oxide or silicon nitride. Preferably, the plurality of insulator nano dots each have a hemispherical shape.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법에서는 상면에 제1 전극층이 형성된 기판을 준비한다. 상기 제1 전극층 위에 발열성 금속 전극층을 형성한다. 상기 발열성 금속 전극층 위에 상기 발열성 금속 전극층의 일부인 제1 영역을 노출시키는 개구가 형성된 절연막 패턴을 형성한다. 상기 개구 내에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 복수의 절연체 나노 도트를 형성한다. 이 때, 상기 복수의 절연체 나노 도트는 그들중 상호 인접한 절연체 나노 도트들 사이에서 상기 발열성 금속 전극층을 노출시키도록 형성된다. 상기 상호 인접한 절연체 나노 도트들 사이에서 노출되는 상기 발열성 금속 전극층의 상면을 덮는 상변화 재료층을 상기 제1 영역 위에 형성한다. 상기 상변화 재료층의 상면에 접하는 제2 전극층을 형성한다. In order to achieve the above another object, in the method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention, a substrate on which a first electrode layer is formed is prepared. A heat generating metal electrode layer is formed on the first electrode layer. An insulating layer pattern having an opening is formed on the heat generating metal electrode layer to expose a first region which is a part of the heat generating metal electrode layer. A plurality of insulator nano dots is formed on the heat generating metal electrode layer in the opening. In this case, the plurality of insulator nano dots are formed to expose the heat generating metal electrode layer between adjacent insulator nano dots among them. A phase change material layer covering a top surface of the heat generating metal electrode layer exposed between the adjacent insulator nano dots is formed on the first region. A second electrode layer is formed in contact with the top surface of the phase change material layer.

본 발명의 예시적인 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 있어서, 복수의 절연 체 나노 도트를 형성하는 단계는 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 금속층을 형성하는 단계와, 질소(N2) 분위기에서의 열처리에 의해 상기 금속층으로부터 복수의 금속 나노 도트를 형성하는 단계와, 산소(O2) 분위기에서의 열처리에 의해 상기 복수의 금속 나노 도트로부터 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In the exemplary method of manufacturing a phase change memory device of the present invention, the forming of the plurality of insulator nano dots may include forming a metal layer on the heat generating metal electrode layer in the first region, and a nitrogen (N 2 ) atmosphere. Forming a plurality of metal nano dots from the metal layer by a heat treatment at, and forming the plurality of insulator nano dots from the plurality of metal nano dots by heat treatment in an oxygen (O 2 ) atmosphere. Can be.

본 발명의 다른 예시적인 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 있어서, 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 원자층 증착법을 이용하여 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 나노 도트 형태의 금속 산화막을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. In another exemplary method of manufacturing a phase change memory device of the present invention, the forming of the plurality of insulator nano dots may include forming a nano dot metal oxide film on the heating metal electrode layer in the first region by using an atomic layer deposition method. And depositing.

본 발명의 또 다른 예시적인 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 복수의 실리콘 나노 도트를 형성하는 단계와, 상기 복수의 실리콘 나노 도트를 질화시켜 복수의 실리콘 질화물 나노 도트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In another exemplary method of manufacturing a phase change memory device of the present invention, the forming of the plurality of insulator nano dots comprises forming a plurality of silicon nano dots on the heat generating metal electrode layer in the first region; The method may include forming a plurality of silicon nitride nano dots by nitriding the plurality of silicon nano dots.

본 발명의 또 다른 예시적인 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 있어서, 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 화학적 기상 증착법을 이용하여 나노 도트 형태의 실리콘 질화막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. In another exemplary method of manufacturing a phase change memory device of the present invention, the forming of the plurality of insulator nano dots may include forming a silicon nitride film in the form of nano dots using chemical vapor deposition.

본 발명에 의하면, 초미세 저소비전력형 상변화 메모리 소자를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 미세한 접촉 영역을 제작하는 데 있어서 전극과 상변화 재료 층과의 접촉 면적을 기존의 상변화 메모리 소자의 제작 공정에 비해 큰 폭으로 줄일 수 있으며, 이 때 발생할 수 있는 개별 소자 간의 접촉 면적의 불균일성을 효과적으로 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 상변화 메모리 소자의 소비전력을 크게 줄일 수 있다. According to the present invention, an ultrafine low power consumption phase change memory device can be easily manufactured. In addition, in the fabrication of fine contact regions, the contact area between the electrode and the phase change material layer can be greatly reduced as compared with the conventional manufacturing process of the phase change memory device. It is possible to effectively control the nonuniformity. Therefore, power consumption of the phase change memory device can be greatly reduced.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Next, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 상변화 재료와 발열성 금속 전극층의 접촉 영역을 최소화하기 위하여 절연체 나노 도트 구조를 이용한다. 또한, 본 발명에 따른 절연체 나노 도트 구조를 포함하여 제작되는 상변화 메모리 소자는 실리콘 기판 또는 실리콘 기판 상에 형성된 절연막까지를 포함하는 소정의 기판, 상기 기판 위에 형성된 하부 전극, 하부 전극 위에 형성되고 소정의 저항을 가지면서 전류가 공급되면 발열 현상이 일어나는 발열성 금속 전극, 상기 발열성 금속 전극 위에 적절한 방법을 통해 형성된 절연체 나노 도트, 상면에 상기 절연체 나노 도트가 형성된 상기 발열성 금속 전극 위에 형성되는 상변화 재료층, 상기 상변화 재료층 위에 형성된 상부 전극을 구비한다. In the present invention, an insulator nano dot structure is used to minimize the contact area between the phase change material and the exothermic metal electrode layer. In addition, the phase change memory device fabricated by including the insulator nano dot structure according to the present invention is a predetermined substrate including a silicon substrate or an insulating film formed on the silicon substrate, a lower electrode formed on the substrate, a lower electrode formed on the predetermined A heat generating metal electrode that generates heat when a current is supplied while having a resistance of 10, an insulator nano dot formed by an appropriate method on the heat generating metal electrode, and an image formed on the heat generating metal electrode having the insulator nano dot formed on an upper surface thereof. A change material layer and an upper electrode formed on the phase change material layer.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 플로차트이다. 1A through 1F are cross-sectional views illustrating a manufacturing method of a phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention in a process sequence. 2 is a flowchart for describing a method of manufacturing a phase change memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1a 내지 도 1f와 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상 변화 메모리 소자의 제조 방법에 대하여 설명한다. A method of manufacturing a phase change memory device according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1A to 1F and FIG. 2.

도 1a를 참조하면, 먼저 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 실리콘으로 이루어지는 반도체 기판, 또는 실리콘 기판의 표면을 열산화하여 상면에 실리콘 산화막이 형성된 기판으로 이루어질 수 있다. 또는, 형성하고자 하는 상변화 메모리 소자가 메모리 어레이의 형태로 구성되어, 메모리 어레이 구동용 XY 디코더, 센스 앰프 등과 같은 회로 모듈과 함께 집적되는 경우에는 상기 기판(100)은 이들 회로를 구성하기 위한 CMOS 트랜지스터가 배열된 소정의 기판일 수 있다. Referring to FIG. 1A, first, a substrate 100 is prepared. The substrate 100 may be formed of a semiconductor substrate made of silicon, or a substrate having a silicon oxide film formed on an upper surface thereof by thermally oxidizing a surface of the silicon substrate. Alternatively, when the phase change memory device to be formed is configured in the form of a memory array and integrated with a circuit module such as an XY decoder for driving a memory array, a sense amplifier, or the like, the substrate 100 includes a CMOS for configuring these circuits. The substrate may be any substrate on which transistors are arranged.

상기 기판(100)상에 하부 전극층(110) 및 발열성 금속 전극층(120)을 차례로형성한다. (도 2의 스텝 210)The lower electrode layer 110 and the heat generating metal electrode layer 120 are sequentially formed on the substrate 100. (Step 210 of Fig. 2)

상기 하부 전극층(110)은 상변화 메모리 소자의 하부 단자 역할을 하며, 저저항의 금속 전극으로 형성된다. 예를 들면, 상기 하부 전극층(110)은 백금(Pt), 텅스텐(W), 티타늄텅스텐(TiW) 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 하부 전극층(110)은 통상적으로 이용되는 금속 전극 형성 방법인 스퍼터링 방법 또는 전자빔 금속 증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 하부 전극층(110)의 두께는 금속 전극으로서의 저저항 특성을 충분히 나타낼 수 있는 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 상기 상변화 메모리 소자를 구성하는 스택 구조를 형성하는 데 있어서, 스택 구조 전체의 기계적인 스트레스 및 식각 공정 시간 등의 공정 편의성을 고려하여 너무 얇거나 너무 두껍게 형성하지 않는 것이 바람직하다. The lower electrode layer 110 serves as a lower terminal of the phase change memory device and is formed of a low resistance metal electrode. For example, the lower electrode layer 110 may be made of a metal such as platinum (Pt), tungsten (W), titanium tungsten (TiW), or the like. The lower electrode layer 110 may be formed by a sputtering method, an electron beam metal deposition method, or the like, which is a commonly used metal electrode forming method. The thickness of the lower electrode layer 110 is preferably formed to a thickness sufficient to exhibit low resistance as a metal electrode, and in forming a stack structure constituting the phase change memory device, It is preferable not to form too thin or too thick in consideration of process convenience such as mechanical stress and etching process time.

상기 발열성 금속 전극층(120)은 후속 공정에서 그 위에 형성되는 상변화 재료층과의 접촉 부분에서 결정 상태를 변화시키기에 충분한 열을 발생시키는 역할을 한다. 이것은 하부 전극층(110)을 통해 공급되는 전류에 의해 달성될 수 있다. 상기 발열성 금속 전극층(120)의 저항은 일반적인 금속 전극에 비해 높게 구성한다. 상기 발열성 금속 전극층(120)을 구성하기 위한 재료의 선택은 상변화 메모리 소자의 동작 특성을 결정짓는 중요한 요소이다. 상기 발열성 금속 전극층(120)을 형성하는 데 사용될 수 있는 대표적인 재료로서, 티탄질화물 (TiN), 티탄산질화물 (TiON), 티탄알루미늄질화물 (TiAlN), 탄탈알루미늄질화물 (TaAlN), 탄탈실리콘질화물 (TiSiN) 과 같은 재료가 있다. 상기 발열성 금속 전극층(120)도 상기 하부 전극층(110)과 마찬가지로 통상 사용되는 금속 전극 형성 방법인 스퍼터링 방법 또는 전자빔 금속 증착법 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 발열성 금속 전극층(120)의 두께는 상기 발열성 금속 전극층(120)의 저항값을 결정짓는 중요한 조건 중의 하나이므로, 이를 고려하여 적절하게 선택하는 것이 바람직하다. The exothermic metal electrode layer 120 serves to generate sufficient heat to change the crystal state at the contact portion with the phase change material layer formed thereon in a subsequent process. This may be accomplished by the current supplied through the lower electrode layer 110. The resistance of the heat generating metal electrode layer 120 is higher than that of a general metal electrode. The selection of the material for constructing the heat generating metal electrode layer 120 is an important factor in determining the operation characteristics of the phase change memory device. Representative materials that can be used to form the heat generating metal electrode layer 120, titanium nitride (TiN), titanium oxynitride (TiON), titanium aluminum nitride (TiAlN), tantalum aluminum nitride (TaAlN), tantalum silicon nitride (TiSiN ) Is the same material. Like the lower electrode layer 110, the heat generating metal electrode layer 120 may be formed by a sputtering method or an electron beam metal deposition method, which is a metal electrode forming method that is commonly used. Since the thickness of the exothermic metal electrode layer 120 is one of important conditions for determining the resistance value of the exothermic metal electrode layer 120, it is preferable that the thickness of the exothermic metal electrode layer 120 be appropriately selected.

도 1b를 참조하면, 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 제1 절연막 패턴(130)을 형성한다. (도 2의 스텝 220)Referring to FIG. 1B, a first insulating layer pattern 130 is formed on the heat generating metal electrode layer 120. (Step 220 of FIG. 2)

상기 제1 절연막 패턴(130)을 형성하기 위하여, 먼저 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 제1 절연막을 형성한 후, 상기 제1 절연막을 패터닝하여 상기 발열성 금속 전극층(120)의 소정 영역을 노출시키는 개구(130a)가 형성된 상기 제1 절연막 패턴(130)을 형성한다. 상기 제1 절연막 패턴(130)은 전체 상변화 메모리 소자의 어레이 구조에서 각 메모리 소자를 전기적 또는 열적으로 절연하는 역할을 한다. 상기 제1 절연막 패턴(130)은 통상적으로 사용되는 절연막, 예를 들면 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막 등으로 이루어질 수 있다. 또는, 경우에 따라 유사한 성능 을 갖는 다른 재료로 이루어지는 절연막으로 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 상기 제1 절연막 패턴(130)으로서 실리콘 산화막을 형성하는 경우에는 화학적 기상 증착법 (chemical vapor deposition)에 의해 실리콘 산화막을 형성하는 것이 통상적이며, 특히 비교적 저온 공정에 의하여 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 제1 절연막 패턴(130)의 하지막인 상기 발열성 금속 전극층(120)이 고온 공정에 의해 산화되는 것을 막기 위함이다. 또한, 상기 제1 절연막 패턴(130)의 형성을 통해 적절한 소자 분리 공정을 진행할 수도 있다. 즉, 통상적으로 사용되는 실리콘 산화막을 상기 제1 절연막 패턴(130) 구성 재료로 사용하는 경우, 상변화 메모리 소자 영역으로 정의될 부분, 즉 상기 개구(130a) 영역을 건식 또는 습식 식각 공정을 통해 확보함으로써 각 메모리 소자 부분을 분리할 수 있다. 상기 제1 절연막 패턴(130)에 의해 상기 발열성 금속 전극층(120)과 후속 공정에서 형성되는 상변화 재료층은 상호 그들 일부에서만 접촉될 수 있다. In order to form the first insulating layer pattern 130, first, a first insulating layer is formed on the heat generating metal electrode layer 120, and then the first insulating layer is patterned to form a predetermined region of the heat generating metal electrode layer 120. The first insulating layer pattern 130 having the opening 130a exposing is formed. The first insulating layer pattern 130 serves to electrically or thermally insulate each memory device in the array structure of the entire phase change memory device. The first insulating layer pattern 130 may be formed of a commonly used insulating layer, for example, a silicon oxide layer or a silicon nitride layer. Alternatively, it may be made of an insulating film made of another material having similar performance in some cases. For example, when forming a silicon oxide film as the first insulating film pattern 130, it is common to form a silicon oxide film by chemical vapor deposition, and particularly preferably by a relatively low temperature process. . The reason is to prevent the heat generating metal electrode layer 120, which is a base film of the first insulating layer pattern 130, from being oxidized by a high temperature process. In addition, an appropriate device isolation process may be performed by forming the first insulating layer pattern 130. That is, when a silicon oxide film, which is commonly used, is used as the material for forming the first insulating layer pattern 130, a portion to be defined as a phase change memory device region, that is, the opening 130a region is secured through a dry or wet etching process. By doing this, each memory element portion can be separated. The exothermic metal electrode layer 120 and the phase change material layer formed in a subsequent process may be in contact with only some of them by the first insulating layer pattern 130.

도 1c를 참조하면, 상기 제1 절연막 패턴(130)의 개구(130a)를 통해 노출되는 상기 발열성 금속 전극층(120)의 표면에 절연체 나노 도트(140)를 형성한다. (도 2의 스텝 230) Referring to FIG. 1C, an insulator nano dot 140 is formed on a surface of the heat generating metal electrode layer 120 exposed through the opening 130a of the first insulating layer pattern 130. (Step 230 of Fig. 2)

상기 절연체 나노 도트(140)는 상기 발열성 금속 전극층(120)과 후속 공정에서 형성되는 상변화 재료층과의 접촉 면적을 더욱 작게 줄이기 위해 형성된다. 상기 절연체 나노 도트(140)는 반드시 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에만 선택적으로 형성될 필요는 없다. 도시하지는 않았으나, 실제로 상기 절연체 나노 도트(140)는 상기 제1 절연막 패턴(130)의 표면에도 형성될 수 있으며, 그 두께는 상기 제1 절연막 패턴(130)의 두께에 비하면 매우 얇다. 또한, 전기적인 특성에 있어서도 상기 제1 절연막 패턴(130)과 같이 절연 특성을 가지기 때문에, 상기 절연체 나노 도트(140)가 상기 제1 절연막 패턴(130) 위에 형성되는 경우에도 후속 공정에 악영향을 미치지는 않으며, 또한 소자의 특성에 특별한 영향을 미치지 않는다. The insulator nano dot 140 is formed to further reduce the contact area between the heat generating metal electrode layer 120 and the phase change material layer formed in a subsequent process. The insulator nano dot 140 does not necessarily need to be selectively formed only on the heat generating metal electrode layer 120. Although not illustrated, the insulator nano dot 140 may be formed on the surface of the first insulating layer pattern 130, and the thickness of the insulator nano dot 140 is very thin compared to the thickness of the first insulating layer pattern 130. In addition, since the electrical characteristics have the same insulating properties as the first insulating film pattern 130, even when the insulator nanodots 140 are formed on the first insulating film pattern 130, they do not adversely affect subsequent processes. In addition, it does not have a special influence on the characteristics of the device.

상기 절연체 나노 도트(140)를 형성하는 방법은 본 발명에서 형성하고자 하는 상변화 메모리 소자의 특성을 최적화할 수 있는 적절한 방법을 이용하는 것이 바람직하며, 그 형성 방법에 관한 보다 상세한 사항은 후술한다. As the method of forming the insulator nano dot 140, it is preferable to use an appropriate method for optimizing the characteristics of the phase change memory device to be formed in the present invention, and the details of the formation method will be described later.

한편, 본 발명에서 형성하고자 하는 절연체 나노 도트(140)의 크기 및 형상은 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 특성을 최적화하는 데 있어서 가장 중요한 조건이다. 본 발명의 기술적인 과제를 해결하고 초미세 저소비전력형 상변화 메모리 소자를 실현하기 위해서는, 상기 발열성 금속 전극층(120)의 노출된 부분 위에 수 개의 절연체 나노 도트(140)가 매우 촘촘한 모양으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 절연체 나노 도트(140)의 크기 및 형성된 구조의 모양과, 상변화 메모리 소자의 상변화 재료층(후속 공정에서 형성됨)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 면적과의 관계에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다. On the other hand, the size and shape of the insulator nano dot 140 to be formed in the present invention is the most important condition in optimizing the characteristics of the phase change memory device according to the present invention. In order to solve the technical problem of the present invention and to realize an ultrafine low power consumption phase change memory device, several insulator nano dots 140 are formed on a exposed portion of the heat generating metal electrode layer 120 in a very dense shape. It is preferable to be. At this time, the relationship between the size of the insulator nano dot 140 and the shape of the formed structure, and the contact area between the phase change material layer (formed in a subsequent process) of the phase change memory device and the heat generating metal electrode layer 120. A more detailed description thereof will be given later.

한편, 종래 기술에서는 상기 제1 절연막 패턴(130)의 개구(130a)를 통해 노출되는 상기 발열성 금속 전극층(120)의 면적이 바로 상변화 메모리 소자에 있어서 상변화 재료층과 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 면적이 된다. 따라서, 종래 기술에서는 상기 개구(130a)를 통해 노출되는 발열성 금속 전극층(120)의 면적을 가능한 한 줄임으로서 상변화 메모리 소자 동작에 필요한 전류값을 줄일 수 있었다. 그러나, 상기 개구(130a) 면적을 줄이는 데 있어서 현재 가장 진보된 리소그래피 기술을 이용하는 경우에도 50 nm 이하의 접촉 면적을 확보하는 것은 매우 어렵다. 반면, 본 발명에 따른 절연체 나노 도트(140)를 포함하는 상변화 메모리 소자의 구조에 있어서는, 절연체 나노 도트(140)의 형성 방법을 최적화하여 상호 인접한 절연체 나노 도트(140) 사이의 미세한 틈새 부분을 통하여 노출되는 상기 발열성 금속 전극층(120)의 면적을 제어한다. 이 발열성 금속 전극층(120)의 노출 부분의 면적은 상변화 재료층과 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 면적이 되기 때문에, 종래 기술에 따른 방법에서와 같이 리소그래피 기술에 의해 결정되는 접촉 면적보다 훨씬 작은 접촉 면적을 형성할 수 있으며, 지금까지는 달성할 수 없었던 매우 미세한 접촉 면적을 실현할 수 있다. Meanwhile, according to the related art, an area of the heat generating metal electrode layer 120 exposed through the opening 130a of the first insulating layer pattern 130 is a phase change material layer and a heat generating metal electrode layer in the phase change memory device. It becomes the contact area with 120). Therefore, in the related art, the current value required for the operation of the phase change memory device may be reduced by reducing the area of the heat generating metal electrode layer 120 exposed through the opening 130a as much as possible. However, it is very difficult to ensure a contact area of 50 nm or less even when using the present most advanced lithography technology in reducing the area of the opening 130a. On the other hand, in the structure of the phase change memory device including the insulator nano dot 140 according to the present invention, by optimizing the formation method of the insulator nano dot 140, minute gaps between adjacent insulator nano dots 140 are formed. The area of the exothermic metal electrode layer 120 exposed through the control is controlled. Since the area of the exposed portion of the exothermic metal electrode layer 120 becomes the contact area between the phase change material layer and the exothermic metal electrode layer 120, the contact area determined by the lithography technique as in the conventional method. A much smaller contact area can be formed, and very fine contact areas that have not been achieved so far can be realized.

또한, 기존의 상변화 메모리 소자의 구조에 있어서, 사각 기둥 모양으로 형성되는 아스펙트 비율(aspect ratio)이 높은 미세 홀 내부에 후속 공정을 통해 상변화 재료층을 용이하게 형성하는 기술은 아직 보고된 바가 없다. 이에 비해, 본 발명에서 채용하는 상기 절연체 나노 도트(140)는 반구 형태로 형성되는 특성이 있으며, 이러한 구조로 인하여 후속 공정에서 상변화 재료층을 형성할 때 상기 상변화 재료층과 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉이 용이하게 될 수 있다. In addition, in the structure of a conventional phase change memory device, a technique for easily forming a phase change material layer through a subsequent process inside a fine hole having a high aspect ratio formed in a square pillar shape has been reported. There is no bar. In contrast, the insulator nano dot 140 employed in the present invention has a characteristic of being formed in a hemispherical shape, and due to this structure, the phase change material layer and the exothermic metal electrode layer are formed when the phase change material layer is formed in a subsequent process. Contact with 120 may be facilitated.

도 1d를 참조하면, 상기 개구(130a)를 통해 노출되는 상기 절연체 나노 도트(140)의 상부 및 이들 사이의 틈새 부분에서 노출되는 상기 발열성 금속 전극층(120)의 상면을 덮도록 상변화 재료를 증착한 후 이를 패터닝하여 상기 개구(130a)를 채우는 상변화 재료층(150)을 형성한다. (도 2의 스텝 240)Referring to FIG. 1D, a phase change material is formed to cover an upper surface of the heat generating metal electrode layer 120 exposed at an upper portion of the insulator nano dot 140 exposed through the opening 130a and a gap portion therebetween. After deposition, it is patterned to form a phase change material layer 150 filling the opening 130a. (Step 240 of FIG. 2)

상기 상변화 재료층(150)은 칼코게나이드 계열 금속 원소의 합금으로 구성될 수 있다. 상기 상변화 재료층(150)은 금속 합금의 구성 원소 및 조성에 따라 다양한 상변화 특성을 가지며, 이것은 상변화 메모리 소자의 동작에 매우 중요한 역할을 한다. 상변화 재료층(150)을 구성하는 칼코게나이드 계열 금속 원소의 대표적인 예로서 Ge, Se, Sb, Te, Sn, As 등을 들 수 있으며, 이들 원소의 적절한 조합에 의해 상기 칼코게나이드 상변화 재료가 형성된다. 또한, 상기 상변화 재료층(150)의 특성 향상을 위해서는 상기 칼코게나이드계 금속 원소의 조합 이외에, Ag, In, Bi, Pb 등의 원소가 혼합되는 경우가 있다. 바람직하게는, 상기 상변화 재료층(150)은 Ge, Sb, Te이 2:2:5 의 비율로 조합된 Ge2Sb2Te5 (GST)가 가장 통상적인 재료로 사용되어 왔으며, GST 이외의 재료로서 As-Sb-Te계의 칼코게나이드 합금 재료 (K. Nakayama et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 39, pp.6157-6161, 2000 참조), 또는 Se-Sb-Te계의 칼코게나이드 합금 재료 (K. Nakayama et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 32, pp.404-408, 2003 참조)를 사용할 수 있다. 또한, 삼원계 칼코게나이드 재료 이외의 이원계 칼코게나이드 재료도 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 상변화 재료층(150)을 구성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용하기 적합한 이원계 칼코게나이드 재료의 예를 들면, Sb-Se계의 칼코게나이드 합금 재료 (S. M. Yoon et al., Ext. Abst. International Conference on Solid State Device & Materials (SSDM) 2005, pp. 1050-1051 참조), 또는 In-Se계의 칼코게나이드 합금 재료 (H. Lee et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 44, pp.4759-4763, 2005 참조)가 있다. 바람직하게는, 상기 상변화 재료층(150)은 Sb-Se 금속 합금 중, Sb의 조성이 40 내지 70으로 제어된 Sb-Se 재료로 이루어진다. The phase change material layer 150 may be made of an alloy of chalcogenide-based metal elements. The phase change material layer 150 has various phase change characteristics according to the constituent elements and the composition of the metal alloy, which plays a very important role in the operation of the phase change memory device. Typical examples of the chalcogenide-based metal elements constituting the phase change material layer 150 include Ge, Se, Sb, Te, Sn, As, and the like, and the chalcogenide phase change may be performed by appropriate combination of these elements. The material is formed. In addition, in order to improve the characteristics of the phase change material layer 150, in addition to the combination of the chalcogenide-based metal elements, elements such as Ag, In, Bi, and Pb may be mixed. Preferably, the phase change material layer 150 has Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST), which is a combination of Ge, Sb, and Te in a ratio of 2: 2: 5, and has been used as the most common material. As-Sb-Te based chalcogenide alloy material (see K. Nakayama et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 39, pp.6157-6161, 2000), or Se-Sb -Te based chalcogenide alloy material (see K. Nakayama et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 32, pp.404-408, 2003). In addition, binary chalcogenide materials other than ternary chalcogenide materials may also be used to construct the phase change material layer 150 of the phase change memory device according to the present invention. Examples of binary chalcogenide materials suitable for use in the present invention include Sb-Se based chalcogenide alloy materials (SM Yoon et al., Ext. Abst. International Conference on Solid State Device & Materials (SSDM) 2005, pp. 1050-1051), or an In-Se based chalcogenide alloy material (see H. Lee et al., Jpn, J. Appl. Phys., Vol. 44, pp.4759-4763, 2005). have. Preferably, the phase change material layer 150 is made of Sb-Se material in which the composition of Sb is controlled to 40 to 70 of the Sb-Se metal alloy.

상기 상변화 재료층(150)을 형성하기 위하여, 예를 들면 스퍼터링 성막법 또는 전자빔 증착법 등을 사용할 수 있다. 이 때 사용되는 원재료의 타겟은 다원계 또는 일원계의 형태로 준비될 수 있다. 적절한 방법을 이용하여 상변화 재료를 증착한 후 그 재료가 소정의 위치, 즉 상변화 메모리 소자를 제작할 위치에만 남도록 적절한 식각 공정을 이용하여 패터닝하여 상기 상변화 재료층(150)을 형성하는 것이다. 상기 식각 공정으로서 예들 들면 플라즈마를 이용한 건식 식각 방법을 이용할 수 있다. In order to form the phase change material layer 150, for example, a sputtering film formation method or an electron beam deposition method may be used. At this time, the target of the raw material to be used may be prepared in the form of plural or unidirectional. After the phase change material is deposited using an appropriate method, the phase change material layer 150 is formed by patterning the phase change material using an appropriate etching process so that the material remains only at a predetermined position, that is, a position where the phase change memory device is to be manufactured. As the etching process, for example, a dry etching method using plasma may be used.

도 1e를 참조하면, 상기 제1 절연막 패턴(130) 위에 제2 절연막을 증착한 후, 이를 패터닝하여 상기 상변화 재료층(150)의 상면을 노출시키는 제1 홀(160a)이 형성된 제2 절연막 패턴(160)을 형성한다. (도 2의 스텝 250) 필요에 따라, 상기 제2 절연막 및 그 아래의 제1 절연막 패턴(130)을 식각하여 상기 발열성 금속 전극층(120)의 상면을 노출시키는 제2 홀(160b)이 형성될 수 있다. 상기 제1 홀(160a) 및 제2 홀(160b)을 형성하기 위하여 습식 식각 또는 건식 식각 공정을 이용할 수 있다. Referring to FIG. 1E, after depositing a second insulating film on the first insulating film pattern 130, patterning the second insulating film to form a first hole 160a exposing the top surface of the phase change material layer 150. The pattern 160 is formed. (Step 250 of FIG. 2) If necessary, a second hole 160b is formed to etch the second insulating film and the first insulating film pattern 130 below to expose the top surface of the heat generating metal electrode layer 120. Can be. In order to form the first hole 160a and the second hole 160b, a wet etching process or a dry etching process may be used.

상기 제2 절연막 패턴(160)은 상기 상변화 재료층(150)이 후속 공정에서 형성되는 상부 전극층과 일부분에서만 접촉되도록 하면서 개별 메모리 소자를 전기적으로 절연시키는 역할을 한다. The second insulating layer pattern 160 serves to electrically insulate the individual memory devices while allowing the phase change material layer 150 to contact only a portion of the upper electrode layer formed in a subsequent process.

상기 제2 절연막 패턴(160) 형성 공정은 가능한 한 저온에서 행할 필요가 있 다. 그 이유는 상기 상변화 재료층(150)의 산화 및 구성 요소의 확산 현상을 막고, 상기 상변화 재료층(150)의 결정 상태를 크게 변화시키지 않도록 하기 위함이다. 상기 제2 절연막 패턴(160)은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 절연막 패턴(160)은 실온 또는 저온에서의 증착이 가능한 ECR 플라즈마를 이용한 화학적 기상 증착법 (ECR plasma chemical vapor deposition, ECRCVD) 또는 리모트 플라즈마를 이용한 산화 (Remote Plasma Oxidation), 또는 리모트 플라즈마를 이용한 질화 (Remote Plasma Nitridation) 공정에 의해 형성되는 것이 바람직하다. The process of forming the second insulating film pattern 160 should be performed at a low temperature as much as possible. The reason for this is to prevent oxidation of the phase change material layer 150 and diffusion of components, and to not change the crystal state of the phase change material layer 150 significantly. The second insulating layer pattern 160 may be formed of a silicon oxide layer or a silicon nitride layer. The second insulating layer pattern 160 may be formed using a chemical vapor deposition method (ECR plasma chemical vapor deposition, ECRCVD) using a ECR plasma or a remote plasma, or a remote plasma. It is preferably formed by a nitriding (Remote Plasma Nitridation) process.

도 1f를 참조하면, 상기 제2 절연막 패턴(160) 위에 상기 상변화 재료층(150)과 접하는 상부 전극층(170)을 형성한다. (도 2의 스텝 260) 상기 상부 전극층(170)은 상기 제1 홀(160a)을 통하여 상기 상변화 재료층(150)과 접하고 상기 제2 홀(160b)을 통하여 상기 발열성 금속 전극층(120)과 접하도록 형성된다. Referring to FIG. 1F, an upper electrode layer 170 in contact with the phase change material layer 150 is formed on the second insulating layer pattern 160. (Step 260 of FIG. 2) The upper electrode layer 170 is in contact with the phase change material layer 150 through the first hole 160a and the heat generating metal electrode layer 120 through the second hole 160b. It is formed to contact with.

상기 상부 전극층(170)은 상변화 메모리 소자의 상부 단자 역할을 한다. 상기 상부 전극층(170)은 상기 하부 전극층(110)과 마찬가지로 저저항의 금속 전극으로 형성된다. The upper electrode layer 170 serves as an upper terminal of the phase change memory device. The upper electrode layer 170 is formed of a low resistance metal electrode like the lower electrode layer 110.

상기 상변화 재료층(150)과 상기 상부 전극층(170)과의 사이에는 상기 상부 전극층(170)과 상기 상변화 재료층(150)과의 접촉 특성을 좋게 하고 이들 사이의 계면에서 일어날 수 있는 불필요한 반응이나 원소의 이동 등을 막기 위해 확산 방지의 성질을 갖는 별도의 금속층(도시 안됨)이 삽입될 수도 있다. Between the phase change material layer 150 and the upper electrode layer 170 improves the contact characteristics between the upper electrode layer 170 and the phase change material layer 150 and may be unnecessary at the interface therebetween. In order to prevent the reaction, the movement of the element, etc., a separate metal layer (not shown) having a property of diffusion prevention may be inserted.

상기 상부 전극층(170)을 형성하기 위하여 스퍼터링 방법, 전자빔 금속 증착 법 등을 이용할 수 있다. In order to form the upper electrode layer 170, a sputtering method, an electron beam metal deposition method, or the like may be used.

상기 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자에 대하여 첨부 도면에 도시된 특정한 구조 및 그에 대한 설명은 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 특성을 향상시키기 위한 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. The specific structure and description thereof shown in the accompanying drawings for the phase change memory device according to the embodiment of the present invention described above are not intended to limit the present invention, and the general knowledge within the scope of the present invention may be understood. Various modifications and changes are possible to improve the characteristics of the phase change memory device according to the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 도 1c 내지 도 1f에 예시된 상기 절연체 나노 도트(140)로서 채용하기에 적합한 예시적인 절연체 나노 도트의 형성 방법의 일 예를 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 3a 내지 도 3e에 있어서 도 1a 내지 도 1f에서와 동일한 참조 부호는 동일 요소를 지칭하며, 따라서 여기에서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 3A to 3C are cross-sectional views according to a process sequence to explain an example of a method of forming an exemplary insulator nano dot suitable for use as the insulator nano dot 140 illustrated in FIGS. 1C to 1F. In Figs. 3A to 3E, the same reference numerals as in Figs. 1A to 1F refer to the same elements, and thus, detailed description thereof will be omitted here.

도 3a를 참조하면, 발열성 금속 전극층(120)이 상면에 노출되어 있는 기판을 준비한 후, 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 수 nm ∼ 10 nm의 비교적 얇은 두께를 갖는 금속층(310)을 형성한다. 상기 금속층(310)은 예를 들면 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다. 상기 금속층(310)은 스퍼터링 방법, 열 증착(thermal evaporation) 방법, 또는 원자층 증착법 (atomic layer deposition) 등과 같은 통상의 증착 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 금속층(310)의 두께를 수 nm 레벨의 원하는 두께로 정확하게 제어하기 위하여는 원자층 증착법을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3A, after the substrate on which the exothermic metal electrode layer 120 is exposed is prepared, a metal layer 310 having a relatively thin thickness of several nm to 10 nm is formed on the exothermic metal electrode layer 120. do. The metal layer 310 may be made of aluminum (Al), for example. The metal layer 310 may be formed using a conventional deposition method such as a sputtering method, a thermal evaporation method, or an atomic layer deposition method. In order to precisely control the thickness of the metal layer 310 to a desired thickness of several nm level, it is preferable to form by using an atomic layer deposition method.

도 3b를 참조하면, 상기 금속층(310)을 구성하는 금속의 녹는점 보다 다소 낮은 온도에서 상기 금속층(310)을 질소(N2) 분위기로 열처리하여 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 금속 나노 도트(312)를 형성한다. 상기 금속층(310)이 Al로 이루어진 경우, Al층을 예를 들면 약 400 ∼ 600℃의 온도로 열처리할 수 있으며, 상기 열처리시 상기 Al층은 반구의 도트 형태로 뭉치는 성질을 가지고 있으므로 가열시 Al층은 Al 나노 도트로 변화한다. Referring to FIG. 3B, the metal layer 310 is heat-treated in a nitrogen (N 2 ) atmosphere at a temperature slightly lower than the melting point of the metal constituting the metal layer 310, and the metal nano dots on the exothermic metal electrode layer 120 are formed. Form 312. When the metal layer 310 is made of Al, the Al layer may be heat-treated at a temperature of, for example, about 400 to 600 ° C., and during heating, the Al layer has a property of agglomeration in the form of hemispherical dots. The Al layer changes to Al nano dots.

상기 금속 나노 도트(312)는 반구 형태의 나노 도트의 중심 부분인 금속 부분(312a)과 그 주위에서 상기 금속 나노 도트(312)의 표면을 구성하는 금속 산화물 부분(312b)을 포함한다. 상기 금속층(310)이 Al로 이루어진 경우, 상기 금속 나노 도트(312)는 중심의 Al 부분과 그 주위에서 Al 나노 도트의 표면을 구성하는 알루미늄 산화물 부분을 포함한다. 상기 금속 나노 도트(312)의 크기 및 밀도를 정밀하게 제어하기 위하여 열처리 온도 및 열처리 분위기를 적절히 조절해야 한다. The metal nano dot 312 includes a metal portion 312a, which is a central portion of the hemispherical nano dots, and a metal oxide portion 312b constituting a surface of the metal nano dot 312 around the metal portion 312a. When the metal layer 310 is made of Al, the metal nano dots 312 may include an Al portion in the center and an aluminum oxide portion constituting the surface of the Al nano dots around it. In order to precisely control the size and density of the metal nano dot 312, it is necessary to appropriately adjust the heat treatment temperature and the heat treatment atmosphere.

도 3c를 참조하면, 상기 금속 나노 도트(312)를 상기 금속층(310) 구성 물질의 녹는점 보다 다소 낮은 온도에서 산소(O2) 분위기로 열처리한다. 상기 금속층(310)이 Al로 이루어진 경우, Al 나노 도트를 예를 들면 약 400 ∼ 600℃의 온도로 열처리할 수 있다. 그 결과, 상기 금속 나노 도트(312)의 중심 부분인 금속 부분(312a)이 완전히 산화되어 상기 금속 나노 도트(312)의 모든 부분이 절연체인 금속 산화물로 변하게 되어 절연체 나노 도트(314)가 형성된다. Al의 경우에는 상기 금속 나노 도트(312)의 모든 부분이 알루미늄 산화물 (Al2O3)로 변하여, Al2O3로 이루어지는 절연체 나노 도트(314)가 형성된다. 이 때, 상기 절연체 나노 도트(314)의 크기 및 밀도를 결정하기 위해서는 열처리 온도와 열처리 분위기를 적절히 조절해야 한다. Referring to FIG. 3C, the metal nano dots 312 are heat-treated in an oxygen (O 2 ) atmosphere at a temperature slightly lower than the melting point of the material of the metal layer 310. When the metal layer 310 is made of Al, the Al nano dots may be heat-treated at a temperature of, for example, about 400 to 600 ° C. As a result, the metal part 312a, which is the central part of the metal nano dot 312, is completely oxidized, so that all parts of the metal nano dot 312 are changed to metal oxide, which is an insulator, thereby forming an insulator nano dot 314. . In the case of Al, all parts of the metal nano dots 312 are changed to aluminum oxide (Al 2 O 3 ) to form an insulator nano dot 314 made of Al 2 O 3 . At this time, in order to determine the size and density of the insulator nano dot 314, it is necessary to properly adjust the heat treatment temperature and the heat treatment atmosphere.

한편, 상기 절연체 나노 도트(314)를 형성하는 과정에서, 원자층 증착법을 이용하여 출발 원료 및 증착 공정 조건을 제어함으로써, 박막 형태의 금속층 대신 나노 도트 형태의 금속 산화막을 직접 형성할 수도 있다. 이와 같은 방법을 이용하는 경우에는 출발 원료 및 공정 조건의 제어 이외에도 금속 산화막 나노 도트가 형성될 기판에 대한 소정의 표면 전처리 공정이 별도로 필요할 수도 있다. On the other hand, in the process of forming the insulator nano dot 314, by controlling the starting material and the deposition process conditions using the atomic layer deposition method, it is also possible to form a metal oxide film of the nano-dot form instead of the metal layer of the thin film form. In the case of using such a method, a predetermined surface pretreatment process for a substrate on which a metal oxide nano dot is to be formed may be separately required, in addition to control of starting materials and process conditions.

도 4a 및 도 4b는 도 1c 내지 도 1f에 예시된 상기 절연체 나노 도트(140)로서 채용하기에 적합한 예시적인 절연체 나노 도트의 형성 방법의 다른 예를 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 4a 및 도 4b에 있어서 도 1a 내지 도 1f에서와 동일한 참조 부호는 동일 요소를 지칭하며, 따라서 여기에서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 4A and 4B are cross-sectional views shown in order of process to explain another example of a method of forming an exemplary insulator nano dot suitable for use as the insulator nano dot 140 illustrated in FIGS. 1C-1F. In Figs. 4A and 4B, the same reference numerals as those in Figs. 1A to 1F refer to the same elements, and thus detailed description thereof is omitted here.

도 4a를 참조하면, 발열성 금속 전극층(120)이 상면에 노출되어 있는 기판을 준비한 후, 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 실리콘 나노 도트(410)를 형성한다. 상기 실리콘 나노 도트(410)는 본 발명에 따른 절연체 나노 도트를 형성하기 위한 준비층의 역할을 한다. 상기 실리콘 나노 도트(410)를 형성하기 위하여, 예를 들면 화학적 기상 증착법을 이용할 수 있으며, 이 때 출발 원료 및 증착 조건을 적절히 제어함으로써 실리콘 나노 도트 구조를 용이하게 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4A, after the substrate on which the exothermic metal electrode layer 120 is exposed is prepared, a silicon nano dot 410 is formed on the exothermic metal electrode layer 120. The silicon nano dot 410 serves as a preparation layer for forming the insulator nano dot according to the present invention. In order to form the silicon nano dots 410, for example, a chemical vapor deposition method may be used. In this case, the silicon nano dot structure may be easily formed by appropriately controlling the starting materials and the deposition conditions.

도 4b를 참조하면, 질소 라디칼을 이용한 질화 공정을 이용하여 상기 실리콘 나노 도트(410)를 질화시켜 실리콘 질화물 나노 도트(412)를 형성한다. 이 때, 상 기 실리콘 나노 도트(410)를 완전히 질화하여 완전한 절연체인 실리콘 질화물 나노 도트(412)를 형성하기 위해서는 질소 라디칼을 이용한 질화 공정의 공정 조건을 적절히 조절해야 한다. Referring to FIG. 4B, the silicon nano dot 410 is nitrided using a nitriding process using nitrogen radicals to form silicon nitride nano dots 412. In this case, in order to completely nitride the silicon nano dots 410 to form silicon nitride nano dots 412 which are complete insulators, process conditions of the nitriding process using nitrogen radicals must be appropriately controlled.

도 4a를 참조하여 설명한 바와 같은 상기 실리콘 나노 도트(410)를 형성하는 과정에서, 실리콘 나노 도트(410)를 형성하기 위한 출발 원료 대신, 실리콘 질화물 나노 도트(412)를 형성하기 위한 출발 원료를 최적화된 조건하에 상기 발열성 금속 전극층(120) 위에 공급하고 화학적 기상 증착법의 공정 조건을 제어함으로써, 상기 실리콘 나노 도트(410) 대신 나노 도트 형태의 실리콘 질화막을 직접 형성할 수도 있다. In the process of forming the silicon nano dot 410 as described with reference to FIG. 4A, instead of the starting material for forming the silicon nano dot 410, the starting material for forming the silicon nitride nano dot 412 is optimized. The silicon nitride film in the form of a nano dot may be directly formed instead of the silicon nano dot 410 by supplying it on the exothermic metal electrode layer 120 under controlled conditions and controlling process conditions of a chemical vapor deposition method.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자에 채용하기 적합한 절연체 나노 도트 구조의 예시적인 형성 모습을 나타내는 모식도들이다. 5A and 5B are schematic views showing an exemplary formation of an insulator nano dot structure suitable for use in the phase change memory device according to the present invention, respectively.

본 발명에 따라 절연체 나노 도트(140) (도 1f 참조)를 포함하는 상변화 메모리 소자를 제조하는 데 있어서 상기 상변화 재료층(150) (도 1f 참조)과 상기 발열성 금속 전극층(120) (도 1f 참조)의 접촉 면적을 최소화하기 위해서는, 상기 절연체 나노 도트(140)로서 도 3a 내지 도 3c에 그 제조 공정이 예시된 복수의 절연체 나노 도트(314), 또는 도 4a 및 도 4b에 그 제조 공정이 예시된 복수의 실리콘 질화물 나노 도트(412)를 도 5a 또는 도 5b에 예시된 바와 같이 상호 고도로 밀집된 형태의 구조로 형성할 수 있다. According to the present invention, the phase change material layer 150 (see FIG. 1F) and the heat generating metal electrode layer 120 (for manufacturing a phase change memory device including an insulator nano dot 140 (see FIG. 1F)) In order to minimize the contact area of FIG. 1F), as the insulator nano dot 140, a plurality of insulator nano dots 314 exemplarily illustrated in FIGS. 3A to 3C, or those manufactured in FIGS. 4A and 4B. As illustrated in FIG. 5A or FIG. 5B, the plurality of silicon nitride nano dots 412 illustrated in the process may be formed in a highly dense structure.

상기 절연체 나노 도트(140)의 구조가 도 5a에 예시된 바와 같은 배열로 형성되는 경우에는, 4개의 나노 도트(140a)로 둘러싸인 틈새 부분(510)이 상기 상변 화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 면적으로 결정된다. When the structure of the insulator nano dot 140 is formed in an arrangement as illustrated in FIG. 5A, the gap portion 510 surrounded by four nano dots 140a may have the phase change material layer 150 and the heat generation. The contact area with the metallic metal electrode layer 120 is determined.

상기 절연체 나노 도트(140)의 구조가 도 5b에 예시된 바와 같은 배열로 형성되는 경우에는, 3개의 나노 도트(140b)로 둘러싸인 틈새 부분(520)이 상기 상변화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 면적으로 결정된다. When the structure of the insulator nano dot 140 is formed in the arrangement as illustrated in FIG. 5B, the gap portion 520 surrounded by three nano dots 140b may have the phase change material layer 150 and the heat generation. The contact area with the metallic metal electrode layer 120 is determined.

여기서, 상기 상변화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 총 접촉 면적은 도 5a에 예시된 바와 같이 4개의 나노 도트(140a)로 둘러싸인 틈새 부분(510)의 상기 개구(130a) 내에서의 총 면적, 또는 도 5b에 예시된 바와 같이 3개의 나노 도트(140b)로 둘러싸인 틈새 부분(520)의 상기 개구(130a) 내에서의 총 면적으로 결정되는 것은 아니다. 그 이유를 설명하면 다음과 같다. 도 1f에 예시된 상변화 메모리 소자의 구동 방식에 있어서, 상기 상변화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 접촉 부분에서 발생하는 열을 통해 상기 상변화 재료층(150)의 결정 상태가 변화되고, 상기 상변화 재료층(150)의 결정 상태의 변화가 소자의 저항을 변화시켜 이를 메모리로 사용하는 것이다. 이 때문에, 도 5a 또는 도 5b에 예시된 본 발명에 따른 절연체 나노 도트 구조에 의해 제공되는 4개 또는 3개의 나노 도트(140a 또는 140b)로 둘러싸인 각각의 틈새 부분(510 또는 520)은 모두 병렬로 연결된 저항 소자에 해당한다고 볼 수 있기 때문이다. 즉, 메모리 동작에 필요한 최소의 전류는 4개 또는 3개의 나노 도트로 둘러싸인 1개의 틈새 부분(510 또는 520)에 존재하는 상변화 재료층(150)의 결정 상태를 변화시키는 정도로 충분하다. 다시 말하면, 이 정도의 전류값으로 4개 또는 3개의 나노 도트로 둘러싸인 각각의 틈새 부분(510 또는 520)에 존재하는 상변화 재료층의 결정 상태를 변화시 킬 수 있다. Here, the total contact area between the phase change material layer 150 and the heat generating metal electrode layer 120 may be defined by the opening of the gap portion 510 surrounded by four nano dots 140a as illustrated in FIG. 5A. The total area within 130a) or the total area within the opening 130a of the gap portion 520 surrounded by three nanodots 140b as illustrated in FIG. 5B is not determined. The reason for this is as follows. In the driving method of the phase change memory device illustrated in FIG. 1F, the phase change material layer 150 is formed through heat generated at a contact portion between the phase change material layer 150 and the heat generating metal electrode layer 120. The crystal state is changed, and the change in the crystal state of the phase change material layer 150 changes the resistance of the device and uses it as a memory. For this reason, each of the gap portions 510 or 520 surrounded by four or three nano dots 140a or 140b provided by the insulator nanodot structure according to the present invention illustrated in FIG. 5A or 5B are all in parallel. This is because it corresponds to a connected resistance element. That is, the minimum current required for the memory operation is sufficient to change the crystal state of the phase change material layer 150 present in one gap portion 510 or 520 surrounded by four or three nano dots. In other words, at this current value, the crystal state of the phase change material layer present in each gap portion 510 or 520 surrounded by four or three nano dots can be changed.

물론, 실제적으로 본 발명에 따른 절연체 나노 도트 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작에 있어서, 절연체 나노 도트 구조가 언제나 상기 도 5a 또는 도 5b에 예시된 배열로 형성된다고 기대할 수는 없다. 예를 들면, 실제의 상기 절연체 나노 도트의 형성 공정에 있어서, 각 나노 도트 구조가 밀착되지 않은 상태로 이격된 구조를 형성할 수도 있으며, 한 층의 나노 도트 구조 상에 또 다른 층의 나노 도트가 존재할 수도 있다. 전자 및 후자의 경우 각각에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Of course, in the fabrication of the phase change memory device including the insulator nano dot structure according to the present invention, it cannot be expected that the insulator nano dot structure is always formed in the arrangement illustrated in FIG. 5A or 5B. For example, in the formation process of the said insulator nano dot, the structure which spaced apart each nano dot structure may not be closely contacted, and another layer of nano dots is formed on one layer of nano dot structure. May exist In the case of the former and the latter will be described in more detail as follows.

각 나노 도트 구조가 밀착되지 않은 상태로 이격된 구조를 형성하는 전자의 경우에는, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자에서 절연체 나노 도트(140) 구조를 이용하여 상기 상변화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 사이의 접촉 면적을 최소화하고자 하는 본 발명의 목적을 충분히 만족시킬 수 없다. 즉, 각 나노 도트 구조가 밀착되지 않은 상태로 이격된 구조를 형성하는 경우에는 상기 상변화 재료층(150)과 상기 발열성 금속 전극층(120)과의 사이의 접촉 면적은 상기 개구(130a) 내에서 나노 도트가 형성되어 있지 않은 모든 부분의 총 합으로 결정될 가능성이 많다. 이러한 경우에는, 메모리 어레이를 구성하는 각 상변화 메모리 소자의 특성을 균일하게 제어할 수 없으며, 그 이유는 각 소자 마다 상기 접촉 면적이 상이하게 결정될 가능성이 높기 때문이다. 따라서, 본 발명에 따른 절연체 나노 도트를 이용한 상변화 메모리 소자의 장점을 충분히 활용하기 위해서는, 도 5a 또는 도 5b에 예시된 바와 같이 형성되는 절연체 나노 도트(140)의 밀도를 충분히 높 이는 것이 매우 중요하다. In the case of the former to form a structure in which the nano dot structures are not in close contact with each other, the phase change material layer 150 and the phase change material layer 150 may be formed using the insulator nano dot 140 structure in the phase change memory device according to the present invention. The purpose of the present invention, which is intended to minimize the contact area between the heat generating metal electrode layers 120, may not be sufficiently satisfied. That is, in the case where the nanodot structures are formed to be spaced apart from each other, the contact area between the phase change material layer 150 and the heat generating metal electrode layer 120 may be formed in the opening 130a. Is most likely determined by the sum of all parts where no nano dots are formed. In such a case, the characteristics of each phase change memory element constituting the memory array cannot be uniformly controlled because the contact area is likely to be determined differently for each element. Therefore, in order to fully utilize the advantages of the phase change memory device using the insulator nano dot according to the present invention, it is very important to sufficiently increase the density of the insulator nano dot 140 formed as illustrated in FIG. 5A or 5B. Do.

또한, 한 층의 나노 도트 구조 상에 또 다른 층의 나노 도트가 존재하는 후자의 경우에도, 앞에서 전자의 경우에 대하여 설명한 경우와 마찬가지의 이유로 개별 상변화 메모리 소자의 특성을 균일하게 제어할 수 없다. 더구나 후자의 경우에는, 2층 또는 복수 층으로 형성된 나노 도트의 구조로 인하여 상기 절연체 나노 도트 구조 상에 형성될 상변화 재료층(150)이 인접해 있는 나노 도트들 사이의 틈새 부분에 용이하게 들어가는 것을 방해하게 될 가능성이 높다. Also, even in the latter case in which another layer of nano dots is present on one layer of nano dot structure, the characteristics of the individual phase change memory devices cannot be uniformly controlled for the same reasons as described in the foregoing case. . Furthermore, in the latter case, the phase change material layer 150 to be formed on the insulator nano dot structure easily enters the gap between the adjacent nano dots due to the structure of the nano dots formed of two or more layers. It is likely to interfere.

상기와 같은 관점에서 보면, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자에서 절연체 나노 도트를 이용하는 장점을 충분히 활용하기 위해서는, 도 5a 또는 도 5b에 예시된 바와 같이 1층의 균일한 절연체 나노 도트(140) 구조를 형성하는 것이 매우 중요하다. In view of the above, in order to fully utilize the advantages of using insulator nano dots in the phase change memory device according to the present invention, as illustrated in FIG. 5A or 5B, a single layer of uniform insulator nano dot 140 structure is illustrated. It is very important to form.

도 6은 본 발명에 따라 형성되는 절연체 나노 도트의 크기에 대한 상변화 메모리 소자에 있어서 상변화 재료와 전극 재료와의 접촉 면적 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 6 is a graph showing the change in the contact area size of the phase change material and the electrode material in the phase change memory device with respect to the size of the insulator nano dot formed according to the present invention.

도 6을 참조하면, 그래프의 X축은 본 발명에 따른 방법을 통해 형성한 절연체 나노 도트의 반경이며, Y축은 상기 절연체 나노 도트 구조를 포함하는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자 구조에 있어서 상변화 재료층과 발열성 금속 전극층과의 접촉 면적에 해당하는 콘택 사이즈이다. 도 6의 콘택 사이즈는 상기 상변화 재료층과 발열성 금속 전극층과의 접촉 영역 형상이 정사각형이라고 가정했을 때의 한 변의 길이를 나타낸다. 6, the X axis of the graph is the radius of the insulator nano dot formed by the method according to the invention, the Y axis is a phase change material in the phase change memory device structure according to the present invention including the insulator nano dot structure It is a contact size corresponding to the contact area of a layer and a heat generating metal electrode layer. The contact size of FIG. 6 represents the length of one side when it is assumed that the shape of the contact region between the phase change material layer and the heat generating metal electrode layer is square.

도 6에서, 선 "A"는 도 5a에서 제시한 바와 같이 본 발명에 따른 방법을 통해 형성한 절연체 나노 도트가 서로 매우 밀도 있게 형성되어 네 개의 나노 도트로 둘러싸인 틈새 부분이 상변화 메모리 소자의 접촉 면적으로 결정되는 경우의 관계를 나타낸다. 하나의 절연체 나노 도트의 반경이 d1 일 때, 접촉 면적 A1은 수학식 1로 표시할 수 있다. In Fig. 6, the line "A" is formed in the insulator nanodots formed by the method according to the present invention as shown in Fig. 5a very dense with each other so that the gap portion surrounded by the four nanodots contact the phase change memory device The relationship in the case of determining the area is shown. When the radius of one insulator nano dot is d 1 , the contact area A 1 may be represented by Equation 1.

A1 = (4 - π)d1 2 A 1 = (4-π) d 1 2

만일, 절연체 나노 도트의 반경(d1)이 5 nm 이면, 접촉 면적 A1 을 구성하는 정사각형의 한 변의 길이는 4.6 nm이며, 절연체 나노 도트의 반경(d1)이 10 nm 이면, 접촉 면적 A1 을 구성하는 정사각형의 한 변의 길이는 9.3 nm이다. 즉, 반경(d1) 10nm 정도의 절연체 나노 도트를 도 5a에서 제시한 바와 같은 구조로 형성할 수 있다면, 한 변이 약 9.3 nm 인 초미세 접촉 면적을 갖는 상변화 메모리 소자의 제작이 가능하다. If the radius of the insulator nanodot (d 1 ) is 5 nm, the length of one side of the square constituting the contact area A 1 is 4.6 nm, and if the radius (d 1 ) of the insulator nanodot is 10 nm, the contact area A The length of one side of the square constituting 1 is 9.3 nm. In other words, the radius (d 1) there can be formed with the same structure as the insulator nanodots of about 10nm as presented in Figure 5a, it is a side can be manufactured of a phase change memory device having an ultra-fine contact area of about 9.3 nm.

또한 도 6에서, 선 "B"는 도 5b에서 제시한 바와 같이 본 발명에 따른 방법을 통해 형성한 절연체 나노 도트가 서로 매우 밀도 있게 형성되어 세 개의 나노 도트로 둘러싸인 틈새 부분이 상변화 메모리 소자의 접촉 면적으로 결정되는 경우의 관계를 나타낸다. 절연체 나노 도트의 반경이 d2 일 때, 접촉 면적 A2 는 수학식 2로 표시할 수 있다. In addition, in Fig. 6, the line "B", as shown in Fig. 5b is formed in a very dense insulator nano dot formed by the method according to the present invention so that the gap portion surrounded by the three nano dots of the phase change memory device The relationship in the case of determining the contact area is shown. When the radius of the insulator nano dot is d 2 , the contact area A 2 may be expressed by Equation 2.

A2 = (3½ - π/2)d2 2 A 2 = (3 ½ -π / 2) d 2 2

만일, 절연체 나노 도트의 반경(d2)이 5 nm 이면, 접촉 면적 A2 를 구성하는 정사각형의 한 변의 길이는 2.0nm이며, 절연체 나노 도트의 반경(d2)이 10 nm 이면, 접촉 면적 A2 를 구성하는 정사각형의 한 변의 길이는 4.0 nm이다. 즉, 반경 (d2) 10 nm 정도의 절연체 나노 도트를 도 5b에서 제시한 바와 같은 구조로 형성할 수 있다면, 한 변이 약 4.0 nm 인 초미세 접촉 면적을 갖는 상변화 메모리 소자의 제작이 가능하다. If the radius of the insulator nanodot (d 2 ) is 5 nm, the length of one side of the square constituting the contact area A 2 is 2.0 nm, and if the radius (d 2 ) of the insulator nanodot is 10 nm, the contact area A The side of the square which comprises 2 is 4.0 nm in length. That is, if an insulator nano dot having a radius (d 2 ) of about 10 nm can be formed as shown in FIG. 5B, it is possible to fabricate a phase change memory device having an ultra fine contact area having one side of about 4.0 nm. .

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자는 상기 제1 전극층 위에 형성된 발열성 금속 전극층과, 상기 발열성 금속 전극층의 일부인 제1 영역 내에서 상기 발열성 접촉 영역과 접촉하고 있는 상변화 재료층을 포함하며, 상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층과의 사이에는 상기 제1 영역 내에서 이들 사이의 접촉 면적을 제한하기 위한 복수의 절연체 나노 도트가 형성되어 있다. 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자는 상변화 재료층과 전극 재료의 접촉 면적을 나노 사이즈로 줄임으로써 메모리 소자의 구동에 필요한 전류의 값을 크게 낮출 수 있는 장점이 있다. A phase change memory device according to the present invention includes a heat generating metal electrode layer formed on the first electrode layer and a phase change material layer in contact with the heat generating contact region in a first region which is a part of the heat generating metal electrode layer. A plurality of insulator nanodots are formed between the heat generating metal electrode layer and the phase change material layer to limit the contact area therebetween in the first region. The phase change memory device according to the present invention has an advantage of greatly reducing the value of a current required for driving the memory device by reducing the contact area between the phase change material layer and the electrode material to a nano size.

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법에서는 절연체 나노 도트 구 조를 포함하는 초미세 저소비전력형 상변화 메모리 소자를 제작하는 데 있어서 상변화 재료층과 전극 재료의 접촉 부분을 형성하기 위하여 기존의 리소그래피 공정을 사용하는 탑다운(Top-down) 방식의 스케일링을 수행하는 것이 아니라, 버텀업(bottom-up) 방식의 나노 공정을 도입함으로써 초미세 저소비전력형 상변화 메모리 소자에서 상변화 재료층과 전극 재료와의 접촉 면적을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 의하면, 복수의 절연체 나노 도트 구조를 이용함으로써 기존의 리소그래피 공정으로는 실현할 수 없는 수 nm 크기의 극히 미세한 소자를 구현하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해 저소비전력형 초미세 상변화 소자를 용이하게 제조할 수 있다. In the method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention, in the fabrication of an ultrafine low power consumption phase change memory device including an insulator nano dot structure, a conventional method for forming a contact portion between a phase change material layer and an electrode material is used. Rather than performing top-down scaling using a lithography process, a bottom-up nano process is introduced to provide a phase change material layer and The contact area with the electrode material can be minimized. In addition, according to the method of manufacturing a phase change memory device according to the present invention, by using a plurality of insulator nano dot structures, it is possible to implement an extremely fine device of several nm size that cannot be realized by a conventional lithography process. Therefore, a low power consumption ultrafine phase change element can be easily manufactured by the method according to the present invention.

또한, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자에서는 발열성 금속 전극층 위에 형성된 복수의 절연체 나노 도트를 통해 제공되는 상변화 재료층과 전극 재료와의 접촉 영역은 오직 한 개만으로 구성되는 것이 아니라, 소정의 영역 내부에 복수개의 나노 도트가 동시에 형성되고 이들 사이로 노출되는 복수의 영역에서 상기 상변화 재료층과 전극 재료가 접촉하게 되므로 통계적으로 접촉 면적의 불균일성을 줄일 수 있으며, 결과적으로 상변화 메모리 소자의 소비전력을 크게 줄일 수 있다. In addition, in the phase change memory device according to the present invention, the contact region between the phase change material layer and the electrode material provided through the plurality of insulator nano dots formed on the heat generating metal electrode layer is not composed of only one, but is a predetermined area. Since a plurality of nano dots are formed at the same time and the phase change material layer and the electrode material are in contact in a plurality of regions exposed between them, the nonuniformity of the contact area can be statistically reduced, resulting in power consumption of the phase change memory device. Can be greatly reduced.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes by those skilled in the art within the spirit and scope of the present invention. This is possible.

Claims (15)

제1 전극층과, A first electrode layer, 상기 제1 전극층 위에 형성된 발열성 금속 전극층과, A heat generating metal electrode layer formed on the first electrode layer, 상기 발열성 금속 전극층 위에 형성되고 상기 발열성 금속 전극층의 일부인 제1 영역을 노출시키는 개구가 형성되어 있는 절연막 패턴과, An insulating film pattern formed on the heat generating metal electrode layer and having an opening for exposing a first region which is a part of the heat generating metal electrode layer; 상기 제1 영역중 일부 영역에서 상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층과의 전기적 접촉을 막기 위하여 상기 발열성 금속 전극층의 표면에 형성되어 있는 복수의 절연체 나노 도트와, A plurality of insulator nano dots formed on a surface of the heat generating metal electrode layer to prevent electrical contact between the heat generating metal electrode layer and the phase change material layer in a portion of the first region; 상기 개구 내에서 상기 복수의 절연체 나노 도트 및 상기 발열성 금속 전극층 위에 형성되어 있고, 상기 제1 영역중 상기 복수의 절연체 나노 도트 사이로 노출되는 접촉 영역에서만 상기 발열성 금속 전극층과 전기적으로 접촉 가능한 상변화 재료층과, A phase change formed on the plurality of insulator nano dots and the heat generating metal electrode layer in the opening and electrically contacting the heat generating metal electrode layer only in a contact region exposed between the plurality of insulator nano dots in the first region. Material layer, 상기 상변화 재료층중 상기 발열성 금속 전극층과 접하는 측의 반대측에 접해 있는 제2 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. And a second electrode layer in contact with an opposite side of the phase change material layer in contact with the heat generating metal electrode layer. 삭제delete 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 발열성 금속 전극층과 상기 상변화 재료층은 상기 복수의 절연체 나노 도트중 상호 인접한 절연체 나노 도트들에 의해 둘러싸이는 부분에서 상호 접촉되 는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. And the heat generating metal electrode layer and the phase change material layer are in contact with each other at a portion surrounded by adjacent insulator nano dots among the plurality of insulator nano dots. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연체 나노 도트는 금속 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. The insulator nano dot is a phase change memory device, characterized in that made of a metal oxide. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 절연체 나노 도트는 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. The insulator nano dot is a phase change memory device, characterized in that made of silicon nitride. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 복수의 절연체 나노 도트는 각각 반구 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. The plurality of insulator nano dots each have a hemispherical shape. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 복수의 절연체 나노 도트는 각각 10 nm 이하의 반경 사이즈를 가지는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. The plurality of insulator nano dots each have a radius size of 10 nm or less. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 상변화 재료층은 칼코게나이드 계열의 금속 원소의 합금으로 이루어지 는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. The phase change material layer is a phase change memory device, characterized in that made of an alloy of chalcogenide-based metal elements. 상면에 제1 전극층이 형성된 기판을 준비하는 단계와, Preparing a substrate having a first electrode layer formed on an upper surface thereof; 상기 제1 전극층 위에 발열성 금속 전극층을 형성하는 단계와, Forming a heat generating metal electrode layer on the first electrode layer; 상기 발열성 금속 전극층 위에 상기 발열성 금속 전극층의 일부인 제1 영역을 노출시키는 개구가 형성된 절연막 패턴을 형성하는 단계와, Forming an insulating layer pattern on the heat generating metal electrode layer, the insulating layer pattern having an opening exposing a first region which is a part of the heat generating metal electrode layer; 상기 개구 내에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 복수의 절연체 나노 도트를 형성하되, 상기 복수의 절연체 나노 도트중 상호 인접한 절연체 나노 도트들 사이의 접촉 영역에서 상기 발열성 금속 전극층을 노출시키도록 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계와, Forming a plurality of insulator nanodots on the heat generating metal electrode layer in the opening, and exposing the heat generating metal electrode layer in a contact region between adjacent insulator nano dots among the plurality of insulator nano dots. Forming nano dots, 상기 접촉 영역에서만 상기 발열성 금속 전극층과 전기적 접촉이 가능하도록 상기 복수의 절연체 나노 도트 및 상기 발열성 금속 전극층 위에 상변화 재료층을 형성하는 단계와, Forming a phase change material layer on the plurality of insulator nano dots and the heat generating metal electrode layer to enable electrical contact with the heat generating metal electrode layer only in the contact region; 상기 상변화 재료층의 상면에 접하는 제2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. And forming a second electrode layer in contact with an upper surface of the phase change material layer. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 Forming a plurality of insulator nano dots 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 금속층을 형성하는 단계와, Forming a metal layer on the heat generating metal electrode layer in the first region; 질소(N2) 분위기에서의 열처리에 의해 상기 금속층으로부터 복수의 금속 나노 도트를 형성하는 단계와, Forming a plurality of metal nano dots from the metal layer by heat treatment in a nitrogen (N 2 ) atmosphere, 산소(O2) 분위기에서의 열처리에 의해 상기 복수의 금속 나노 도트로부터 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. And forming the plurality of insulator nanodots from the plurality of metal nanodots by heat treatment in an oxygen (O 2 ) atmosphere. 제10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 질소(N2) 분위기에서의 열처리 및 산소(O2) 분위기에서의 열처리는 각각 상기 금속층의 구성 물질의 녹는점 보다 낮은 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. The heat treatment in the nitrogen (N 2 ) atmosphere and the heat treatment in the oxygen (O 2 ) atmosphere are respectively performed at a temperature lower than the melting point of the constituent material of the metal layer. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 Forming a plurality of insulator nano dots 원자층 증착법을 이용하여 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 나노 도트 형태의 금속 산화막을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. And depositing a nano dot metal oxide layer on the exothermic metal electrode layer in the first region by using an atomic layer deposition method. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 Forming the plurality of insulator nano dots 상기 제1 영역에서 상기 발열성 금속 전극층 위에 복수의 실리콘 나노 도트를 형성하는 단계와, Forming a plurality of silicon nano dots on the heat generating metal electrode layer in the first region; 상기 복수의 실리콘 나노 도트를 질화시켜 복수의 실리콘 질화물 나노 도트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. And nitriding the plurality of silicon nano dots to form a plurality of silicon nitride nano dots. 제13항에 있어서, The method of claim 13, 상기 복수의 실리콘 나노 도트를 질화시키기 위하여 질소 라디칼을 이용하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. Method of manufacturing a phase change memory device, characterized in that for using the nitrogen radicals to nitride the plurality of silicon nano dots. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 복수의 절연체 나노 도트를 형성하는 단계는 Forming the plurality of insulator nano dots 화학적 기상 증착법을 이용하여 나노 도트 형태의 실리콘 질화막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조 방법. A method of manufacturing a phase change memory device comprising the step of forming a silicon nitride film in the form of a nano dot using chemical vapor deposition.
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