KR100919692B1 - 상변화 메모리 셀 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 물질 부분이 절연물질에 의해 서로 분리되는 성질을 이용하여 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서 전류의 경로를 줄여 높은 전류밀도를 획득하여 상변화에 필요한 전기에너지의 소모가 작은 상변화 메모리셀 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 상변화메모리셀의 상변화층은 상변화물질(예를 들어, GeSbTe)과 절연물질(예를 들어, SiOx)이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된다.
상변화메모리, 상변화층, 절연물질, GeSbTe, SiOx
Description
도 1은 종래 기술에 따른 상변화 메모리 셀의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GeSbTe-SiOx 상변화층의 개념을 도시한 도면이다.
도 3은 GeSbTe와 SiOx을 함께 스퍼터증착한 GeSbTe-SiOx 혼합박막의 러더퍼드 후방산란 스펙트럼이다.
도 4는 GeSbTe와 SiOx을 함께 스퍼터증착한 후 섭씨 200℃에서 한 시간 동안 열처리한 시편에 대한 X-선 회절 패턴이다.
도 5는 종래기술에 사용된 단일 타겟으로 스퍼터링 증착한 GeSbTe 상변화 박막의 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다.
도 6은 도 5의 비정질 GeSbTe 상변화 박막을 섭씨 200℃에서 한 시간 열처리한 후 얻은 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다
도 7은 본 발명에서 GeSbTe 타겟과 SiOx 타겟을 함께 이용하여 GeSbTe와 SiOx를 동시에 증착하여 4.5 vol%의 SiOx를 함유한 GeSbTe-SiOx 박막의 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다.
도 8은 비정질 GeSbTe-SiOx 박막을 섭씨 200℃에서 한 시간 열처리한 후 얻 은 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다.
도 9은 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대해 얻은 키신져플롯(Kissinger plot)이다.
도 10은 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대하여 온도를 올리면서 측정한 He-Ne 레이저의 정규화된 반사도의 변화이다.
도 11은 본 발명에서 제안한 GeSbTe와 SiOx의 동시 증착에 의해 형성된 상변화 메모리 셀의 단면도이다.
도 12는 GeSbTe와 GeSbTe-SiOx를 각각 이용한 상변화 메모리 셀에서의 SET 과정에 필요한 전압을 나타낸 도면이다.
도 13은 GeSbTe 와 GeSbTe-SiOx를 각각 이용한 상변화 메모리 셀에서의 RESET 과정에 필요한 전압을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 단위 셀의 구조도이다.
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 단위 셀의 구조도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
31 : 하부전극 32 : GeSbTe-SiOx 상변화층
33 : 상부전극 34 : 절연층
35 : 상변화영역
본 발명은 반도체메모리소자에 관한 것으로, 특히 상변화 메모리(phase change random access memory, PRAM) 소자의 동작 방법과 그 단위셀 구조에 관한 것이다.
상변화 메모리 소자(PRAM)는 상(phase)에 따라 전기 전도도가 크게 변하는 상변화 물질-특히, 칼코겐 화합물(chalcogenide)-의 성질을 이용한 메모리 소자로, 전원이 공급되지 않아도 전 상태(pre-status)의 데이터(data)를 가지는 비휘발 특성을 갖는다. 이에 더하여, 상변화 메모리 소자는 디램(DRAM) 및 에스램(SRAM)과 같이 낮은 전원전압에서 동작하는 특성을 갖는다. 이러한 특성으로 인해 상변화 메모리 소자는 휴대용 통신기 및 휴대용 컴퓨터 등에 널리 사용될 수 있는 유력한 후보로 각광받고 있다.
상변화 메모리 소자는 상변화 물질의 결정질상(crystalline phase)과 비정질상(amorphous phase) 사이의 전기 저항의 차이를 신호로 이용하는 소자로서, 그 기본적인 원리는 미국특허 제3,271,591호(S.R. Ovshinsky 등에 의해 제안된 "Symmetrical current controlling device", 1966년 9월 6일자로 등록됨) 및 미국특허 제3,530,441호(S.R. Ovshinsky 등에 의한 제한된 "Method and apparatus for storing and retrieving information", 1970년 9월 22일자로 등록됨)에 개시된 원 리를 따른다.
이러한 원리를 갖는 상변화 메모리 소자는 전기 신호를 제거한 후에도 프로그래밍된 정보(programmed data) 상태가 그대로 유지되는 특성을 갖기 때문에 비휘발성 메모리 소자로서 사용이 가능한 이점이 있다. 그리고, 기존의 일반적인 메모리 소자에서 하나의 단위 셀(unit cell)을 통해 '0' 또는 '1'의 이중 비트(bit)로만 프로그래밍이 가능했던 것과 다르게 상변화 메모리 소자에서는 이중 비트뿐만 아니라, 그 이상의 다중 비트로도 프로그래밍이 가능하다는 이점이 있어 그 효용성을 더욱 높이고 있다.
한편, 상변화 물질은 상변화 메모리 소자의 상이 결정질상인 경우에는 전기 전도도가 큰 반면, 상이 비정질상인 경우에는 전기 전도도가 낮다. 이러한 상의 상태는 상변화 물질의 온도변화에 따라 결정되는 바, 상변화를 일으키기 위해서는 온도변화를 위한 열이 필요하다. 이러한 열은 전기적 저항체에 전류를 흘려줌으로써 발생되는 줄 열(Joule heating)이다. 이처럼, 결정질상과 비정질상 사이의 상변화는 상변화층을 통해 흐르는 전기 전류(electrical current)에 의한 줄 열에 의해 이루어지며, 이에 따라, 상변화 메모리 소자에서는 상변화층의 상부와 하부 각각에 발열 특성과 전기 전도 특성을 동시에 갖는 발열층이 전극(electrode)으로 사용된다.
또한, 상변화 메모리 소자의 상변화 양상은 Y.N. Hwang 등이 2003년 IEDM03-893에 "Writing current reduction for high-density phase-change RAM"에서 제시한 바와 같이 상변화시 흐르는 전류밀도(electrical current density)에 큰 의존성 을 갖는다. 즉, 문턱전류(threshold current), 문턱전압(threshold voltage), 되돌이 전류(reset current) 등과 같이 상변화 메모리 소자의 저전력화와 고직접화 등과 관련된 변수들은 상변화층과 하부전극 사이에 흐르는 전류밀도에 크게 의존한다. 같은 양의 전류가 상변화 물질로 흐를 경우, 접촉면적을 줄임으로써 더 큰 전류밀도를 갖게 할 수 있다.
쓰기와 지우기 동작시 필요한 전류의 크기는 상변화 물질과 접촉 물질(contact material) 사이의 접촉면적에 영향을 받는다. 접촉면적이 좁을수록 상변화 물질 영역 중 실제로 상변화에 참여하는 부피는 작아지기 때문에 상변화에 필요한 에너지 또한 작아지게 된다. 또한, 접촉면적이 작아지면 단위 셀의 크기가 작아지므로 메모리 소자의 집적도가 개선된다.
상변화 물질과 접촉 물질 간의 접촉면적을 작게 만드는 것은 분명한 기술적 한계를 가지고 있다. 일반적으로 상변화 물질과 접촉 물질 간의 접촉면적은 이 분야에서 널리 사용되는 광학리소그래피(optical lithography)공정에 의해 결정되었다. 그 일례가 미국특허 제5166758호(S.R. Ovshinsky 등에 의해 제안된 "Electrically erasable phase change memory", 1992년 11월 24일자로 등록됨)에 제안되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 상변화 메모리 셀의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술의 상변화 메모리 셀은 전기적 발열체인 하부전극(11)과 상부전극(12) 사이에 상변화층인 GeSbTe층(13)이 구비되고, 하부전극(11)과 GeSbTe층(13) 사이에는 개구부를 제공하는 절연층(14)이 형성된다. 이러한 절연층의 개구부에 의해 GeSbTe층(13)과 하부전극(11)간 접촉영역이 정의된다. 그리고, 도면부호 '15'는 상변화가 일어나는 상변화영역, 즉, 읽기와 쓰기가 이루어지는 프로그램영역(Programmed region)이다.
도 1에서, 상변화층인 GeSbTe층(13)과 전기적 발열체인 하부전극(11) 사이의 접촉면적은 광학 리소그래피에 의해 결정되는데, 즉 절연층을 광학리소그래피를 통해 식각하므로써 결정하는데, 광학 리소그래피의 한계상 접촉면적, 즉 상변화영역을 50×50nm2 미만으로 매우 작게 제어하는 것은 사실상 불가능하다.
또한, 종래 기술에서는 상변화층인 GeSbTe층(13)의 형성에 있어서 한 개의 상변화물질 타겟을 이용한 스퍼터링(Sputtering), 혹은 한 개의 소스를 이용한 증발(Evaporation) 등의 방법을 이용하였다.
이와 같이, 상변화 메모리 소자의 제조공정시 광학리소그래피공정을 적용하는 경우 상변화 물질과 접촉 물질 간의 접촉면적의 크기는 전적으로 사용되는 빛의 파장에 의해 결정된다. 보편적으로, 광학리소그래피공정에 사용되는 KrF 광원의 경우 얻을 수 있는 최소 선폭은 90nm이고, ArF를 광원으로 사용하더라도 최소 선폭은 70nm에 불과하다. 따라서, 상변화 메모리 소자의 집적도를 향상시키기 위해서는 광학리소그래피공정에 의존하여 접촉면적을 작게 만드는 것 이외의 다른 방법이 필요하다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 상변화 물질과 특정 절연물질이 혼합된 박막의 상변화 물질 부분이 절연물질에 의해 서로 분리되는 성질을 이용하여, 상변화 물질이 비정질 상태에서 결정질 상태로 상변태를 일으키는 데 필요한 활성화 에너지를 증가시켜서 상변화 메모리 소자의 정보 보존 기간이 획기적으로 늘어날 수 있도록 하고, 상변화 물질 부분이 절연물질에 의해 서로 분리되는 성질을 이용하여 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서 전류의 경로를 줄여 높은 전류밀도를 획득하여 상변화에 필요한 전기에너지의 소모가 작은 상변화 메모리셀 및 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상변화메모리셀은, 하부전극과 상부전극 사이에 형성되는 상변화층은 상변화물질과 절연물질이 혼합된 물질을 포함하고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리되며, 상기 분리된 상변화물질에 의해 상변화영역이 결정되는 것을 특징으로 하고, 상기 상변화층에서 상기 상변화물질은, Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질로 이루어지거나, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1)이거나 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1)인 것을 특징으로 하며, 상기 절연물질은 SiOx(x=1∼4), SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하고, 상기 상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼10vol%이거나, 0.01vol%∼50vol%인 것을 특징으로 하며, 상기 절연물질에 의해 분리된 상기 상변화물질이 제공하는 상변화 영역의 크기는 20nm보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상변화 메모리 셀은 하부전극; 상기 하부전극 상의 순수한 상변화물질로 이루어진 제1상변화층; 상기 제1상변화층 상에서 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 제2상변화층; 상기 제2상변화층 상에 형성되며 순수한 상변화물질로 이루어진 제3상변화층; 및 상기 제3상변화층 상의 상부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 상변화메모리셀의 제조 방법은 하부전극을 형성하는 단계, 상기 하부전극 상에 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 상변화층을 형성하는 단계, 및 상기 상변화층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상변화메모리셀의 제조 방법은 하부전극을 형성하는 단계, 상기 하부전극 상에 순수한 상변화물질로 이루어진 제1상변화층을 형성하는 단계, 상기 제1상변화층 상에 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 제2상변화층을 형성하는 단계, 상기 제2상변화층 상에 순수한 상변화물질로 이루어진 제3상변화층을 형성하는 단계, 및 상기 제3상변화층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GeSbTe-SiOx 상변화층의 개념을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GeSbTe-SiOx 상변화층은 GeSbTe 단일층이 아니라, GeSbTe와 절연물질(SiOx)이 혼합된 GeSbTe-SiOx 혼합구조이다.
즉, 상변화층이 상변화물질인 GeSbTe와 절연물질인 SiOx가 혼합된 구조이며, 이때, 절연물질인 SiOx는 상변화층 내부에서 균일하게 분포하는 것이 아니라, GeSbTe를 일정 크기로 분리시키는 형태로 혼합된다. 도 2는 설명의 편의상 도시하였으나, 실질적으로는 도 7 및 도 8의 형태가 된다.
위와 같이, 상변화층을 상변화물질인 GeSbTe와 절연물질인 SiOx가 혼합된 구조이면서, SiOx가 GeSbTe를 일정 크기로 분리시키는 형태로 혼합되도록 본 발명은 스퍼터증착법을 이용한다.
스퍼터증착법을 이용하여 GeSbTe-SiOx 혼합구조의 상변화층을 형성할 때, 타겟은 GeSbTe 타겟과 SiOx 타겟을 함께 이용하며, 이로써 GeSbTe와 SiOx를 동시에 증착하여 일정 수준의 체적비함량(vol%)을 갖고 SiOx가 함유된 GeSbTe-SiOx 혼합박막을 증착한다. GeSbTe-SiOx 혼합구조에서 SiOx의 체적비함량은 0.01vol%∼50vol%이고, 바람직하게는 0.01vol%∼10vol%이다. 이처럼, SiOx가 차지하는 체적비함량이 0.01vol% 정도로 매우 작아도, 충분히 SiOx는 GeSbTe를 분리시키는 형태로 GeSbTe- SiOx 혼합구조의 상변화층 내에서 혼합된다.
도 3은 GeSbTe와 SiOx을 함께 스퍼터증착한 GeSbTe-SiOx 혼합박막의 러더퍼드 후방산란 스펙트럼이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 실리콘산화물(SiOx, x=2)이 0 vol%, 4.6 vol%, 8.4 vol% 체적비를 갖고 함유된 GeSbTe-SiOx 혼합박막을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, GeSbTe와 SiOx의 함유량은 스퍼터증착시 인가되는 파워를 알맞게 조절함으로써 효율적으로 제어할 수 있다.
도 4는 GeSbTe와 SiOx을 함께 스퍼터증착한 후 섭씨 200℃에서 한 시간 동안 열처리한 시편에 대한 X-선 회절 패턴이다. 도 4에서, 각 시편은 뚜렷한 면심입방구조(Face-Centered Cubic; FCC) 피크를 나타내고 있음을 알 수 있고, X-선의 지름이 수십 mm에 달하므로, 비교적 넓은 영역에서 면심입방구조(FCC) 상이 형성되는 것을 알 수 있다.
그런데, 실리콘산화물(SiOx)을 비교적 많이 함유하고 있는 17.7 % 시편에서부터 회절각이 30°미만인 부분에서 비교적 넓은 피크가 나타나는 것으로 보아, 비정질 상의 양도 상당함을 알 수 있다.
따라서, 면심입방구조(FCC) 상이 형성되기는 했지만, GeSbTe와 SiOx가 균일하게 섞이지 않았다고 결론지을 수 있다.
도 5는 종래기술에 사용된 단일 타겟으로 스퍼터링 증착한 GeSbTe 상변화 박막의 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다. 도 5의 회절 패턴으로부터 증착된 GeSbTe 상변화 박막은 비정질 상임을 알 수 있다. 비정질 상변화 박막에 적당한 열 을 가하면 결정질 박막을 얻을 수 있다. 박막 전체에 열이 전달되면, 박막 전체에서 결정상을 얻을 수 있다.
도 6은 도 5의 비정질 GeSbTe 상변화 박막을 섭씨 200℃에서 한 시간 열처리한 후 얻은 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다. 도 6의 회절 패턴으로부터는 결정상을 얻은 것을 알 수 있으며, 투과전자현미경 사진으로부터는 결정질 GeSbTe 박막의 그레인(grain) 크기는 50nm 에서 100nm에 이르는 것을 알 수 있다. 즉, 단일 타겟으로 증착된 GeSbTe 상변화 박막에서는 시편의 전 영역에서 결정화가 일어난다.
도 7은 본 발명에서 GeSbTe 타겟과 SiOx 타겟을 함께 이용하여 GeSbTe와 SiOx를 동시에 증착하여 4.5 vol%의 SiOx를 함유한 GeSbTe-SiOx 박막의 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다. 회절 패턴으로부터 증착된 GeSbTe-SiOx 박막은 비정질 상임을 알 수 있다. 도 7에서는 검정색 영역이 하얀색 영역에 의해 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다. 투과전자현미경 사진에서 관찰되는 음양각은 무거운 원소와 가벼운 원소의 산란비가 다르기 때문에 나타난다. 본 발명에서는 GeSbTe 부분이 SiOx보다 무거운 원소들로 이루어져 있기 때문에, 검정색 영역은 GeSbTe, 하얀색 영역은 SiOx 에 해당한다. 이 때 GeSbTe 영역의 크기는 20nm 보다 작은 것을 알 수 있다.
도 8은 비정질 GeSbTe-SiOx 박막을 섭씨 200℃에서 한 시간 열처리한 후 얻은 투과전자현미경 사진과 회절 패턴이다. 회절 패턴으로부터 결정상을 얻은 것을 알 수 있다.
도 7에서 얻은 것과 같이 GeSbTe 영역이 SiOx에 의해 분리되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, GeSbTe-SiOx 박막에서는 GeSbTe 영역의 크기가 20 nm 보다 작게 SiOx에 의해 분리 되며, 이러한 미세 구조가 유지되면서 결정화가 진행된다고 결론지을 수 있다.
이러한 결정화에 필요한 활성화 에너지는 키신저플롯(Kissinger plot)으로부터 얻을 수 있다. 상변화 박막의 온도를 T, 시간 t에 따라 증가시킬 경우 비정질 상에서 결정상으로의 상변화가 일어나면서 급격한 전기저항값의 감소를 가져 온다.
전기저항값이 급격히 변하는 온도를 Tc라 할 경우, 상변화에 필요한 활성화 에너지 Ea는 T, t, Tc, 그리고 볼츠만 상수 k에 대해 하기한 수학식1과 같은 관계를 갖는다.
상기 수학식1로부터, ln(dT/dt)/Tc 2)와 1/Tc 커브의 기울기로부터 Ea를 얻을 수 있다.
도 9은 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대해 얻은 키신져플롯(Kissinger plot)이다.
도 9에서 알 수 있듯이, GeSbTe 박막의 Ea가 3.0eV인데 반해, GeSbTe-SiOx 박막의 Ea는 4.8 eV으로 상당히 증가한 것을 알 수 있다. 이는, GeSbTe-SiOx 박막 으로 형성된 상변화 메모리의 비정질 상(RESET 상태)의 정보가 GeSbTe의 그 것보다 훨씬 안정적으로 보관될 수 있음을 나타낸다.
비정질화의 정도는 녹는 점의 크기로부터 가늠할 수 있다. 즉, 녹는 점(melting point)이 클수록 결정질상에서 비정질상으로 바뀌는데 필요한 에너지는 증가한다.
도 10은 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대하여 온도를 올리면서 측정한 He-Ne 레이저의 정규화된 반사도의 변화이다. 박막이 증착되지 않은 경우의 반사도를 'Rsub', 박막이 증착된 경우의 반사도를 'Rlayer'라고 할 때, 정규화된 반사도는 하기한 수학식2와 같이 표시할 수 있다.
GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대하여 정규화된 반사도는 섭씨 350℃ 부근에서 급격히 증가하고, 420℃ 부근에서는 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.
섭씨 350℃ 부근에서 반사도의 급격한 증가는 비정질 상에서 결정질 상으로의 상변화에 의한 것으로 설명할 수 있다. 이와 같은 반사도의 급격한 증가가 일어나는 온도는 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막에 대하여 큰 차이를 보이고 있지 않다.
그런데, GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막의 반사도가 급격히 감소하는 온도는 큰 차이를 보인다. GeSbTe 박막의 경우는 이 온도가 섭씨 415℃인 반면에, GeSbTe-SiOx 박막의 경우는 이 온도가 섭씨 437℃에 이른다. 반사도의 급격한 차이는 상변화 박막의 녹음에 기인한다. 즉, 관찰된 415℃와 437℃는 각각 GeSbTe 박막과 GeSbTe-SiOx 박막의 녹는점을 표시한다. GeSbTe-SiOx 박막의 녹는점이 GeSbTe 박막의 녹는점보다 22℃ 높은 이유는, GeSbTe-SiOx 박막의 경우 GeSbTe 영역이 SiOx 영역에 의해 분리되어 있고, 분리된 각 영역의 표면 원자의 움직임이 SiOx 원자들에 의해 방해를 받기 때문이다. 따라서, 결정질 상(SET)의 정보가 GeSbTe의 경우보다 훨씬 안정적으로 보관될 수 있음을 나타낸다.
이상의 실험결과들로부터, GeSbTe와 SiOx가 동시에 증착된 GeSbTe-SiOx 박막의 경우, GeSbTe 영역이 SiOx로부터 분리되며, 그 분리된 영역의 크기는 20 nm보다 작고, GeSbTe 보다 높은 결정화 활성화 에너지를 가지고 결정화가 되며, 녹는점 또한 GeSbTe 보다 높은 것을 알 수 있었다.
도 11은 본 발명에서 제안한 GeSbTe와 SiOx의 동시 증착에 의해 형성된 상변화 메모리 셀의 단면도로서, 종래기술의 구조에 GeSbTe-SiOx 상변화층(22)을 채용한 경우이다.
도 11을 참조하면, 전기적 발열체인 하부전극(21)과 상부전극(23) 사이에 상변화층인 GeSbTe-SiOx 상변화층(22)이 구비되고, 하부전극(21)과 GeSbTe-SiOx 상변화층(22) 사이에는 개구부를 제공하는 절연층(24)이 형성된다. 이러한 절연층(24)의 개구부에 의해 GeSbTe-SiOx 상변화층(22)과 하부전극(21)간 접촉영역이 정의된다. 그리고, 도면부호 '25'는 프로그램영역(또는 상변화영역이라고도 함)으로서, 종래기술의 프로그램영역에 비해 매우 작음을 알 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, GeSbTe-SiOx 상변화층(22)의 GeSbTe 영역이 SiOx에 의해 분리되어 있고 그 크기가 20 nm보다 작기 때문에, 과도한 전류의 집중과 적은 상변화 영역을 기대할 수 있다. 즉, GeSbTe-SiOx 상변화층(22)을 이용한 상변화 메모리의 경우 GeSbTe 단일층을 이용한 상변화 메모리보다 적은 양의 전압과 전류가 "SET" 동작과 "RESET" 동작에 필요함을 의미한다.
도 12는 GeSbTe(pure GST)와 GeSbTe-SiOx를 각각 이용한 상변화 메모리 셀에서의 SET 과정에 필요한 전압을 나타낸 도면이다. 즉, SET 과정에서의 전기저항과 전압의 상관관계를 나타낸다.
도 12을 참조하면, 4.6 vol%의 SiO2를 함유한 GeSbTe-SiOx 상변화 메모리 셀의 SET 전압은 약 7V로 GeSbTe 상변화 메모리 셀의 SET 전압 8V 보다 약 1V 작은 것을 알 수 있다. SET 전압은 저항이 급격이 변화(감소)하는 전압을 의미한다.
도 13은 GeSbTe(pure GST)와 GeSbTe-SiOx를 각각 이용한 상변화 메모리 셀에서의 RESET 과정에 필요한 전압을 나타낸 도면이다. 여기서, RESET 전압은 저항이 급격히 변화(증가)하는 전압을 의미한다. 즉, RESET 과정에서의 전기저항과 전압의 상관관계를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 4.6 vol%의 SiOx를 함유한 GeSbTe-SiOx 상변화 메모리 셀의 RESET 전압은 약 2V로 GeSbTe 상변화 메모리 셀의 RESET 전압 5.5V와 비교했을 때 약 36% 정도밖에 되지 않는다. 그리고, 본 발명은 RESET이 일어난 부분 이후에 저항값의 포화(saturation)가 보이고 있다.
상변화 메모리에서 RESET 동작은 상변화층의 녹음(Melting)에 해당하는 과정으로, 상변화 메모리의 동작에 있어서 가장 큰 에너지를 소모하는 단계에 해당한다. 따라서, GeSbTe-SiOx를 이용하는 상변화 메모리 소자는 적은 에너지로도 동작이 가능하다.
도 12와 도 13을 참조하여 상변화메모리셀의 동작방법을 자세히 설명하기로 한다. 이하, 본 발명의 상변화메모리셀은 상변화층이 GbSbTe-SiOx인 GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀이라 한다.
<기록(Write) 동작>
절연물질에 의해 분리되어 있는 GeSbTe가 결정상태인 상변화층에 RESET 전압또는 전류를 소정시간동안 인가한다. 이때, 본 발명의 GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀의 RESET 전압 또는 전류는 종래 GeSbTe 상변화메모리셀의 RESET 전압 또는 전류와 비교했을 때 약 36% 정도밖에 되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀의 RESET 전압은 약 2V이고, 종래 GeSbTe 상변화메모리셀의 RESET 전압은 5.5V이다.
한편, 상변화메모리셀에서 RESET 동작은 상변화층의 녹음에 해당하는 과정으로, 상변화메모리셀의 동작에 있어서 가장 큰 에너지를 소모하는 단계에 해당된다. 따라서, 본 발명의 GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀은 적은 에너지로도 동작이 가능하다.
상변화층에 RESET 전압이 인가되면서 상변화층의 일부 영역(하부전극과 접촉 하는 GeSbTe 영역-이는 SiOx에 의해 분리된 20nm 이하의 매우 작은 영역)이 순간적으로 상전이 온도 이상이 된다. 이 결과, 상변화층에 비정질영역이 형성된다. 상변화층의 일부영역이 비정질영역으로 되면서 상변화층의 전기적 저항은 높아진다. 이와 같이 상변화층의 일부영역이 비정질영역이 되었을 때, GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀에 비트 데이터 "1"이 기록된 것으로 간주한다.
한편, 상변화층의 일부영역이 결정영역일 때는, GbSbTe-SiOx 상변화메모리셀에 비트 데이터 "0"이 기록된 것으로 간주한다.
상변화층의 일부영역에 비정질영역이 존재하는 상태에서 결정질상으로의 상변화에 필요한 SET 전압 도는 전류를 인가한다. 이때, SET 전압 또는 전류는 RESET전압 또는 전류보다 작은 값을 긴 시간동안 인가하거나, RESET 전압 또는 전류보다 큰 값을 인가하여 녹은 후 재결정화(recrytallization)를 통해 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 SET 전압이 인가되면서 GeSbTe의 비정질영역은 결정상태로 되고, 따라서 상변화층은 전체가 결정 상태가 되면서 전기적 저항이 낮아진다.
따라서, 상변화층에 SET 전압을 인가하는 과정은 상변화층에 기록된 비트데이터 "1"을 소거하는 과정으로 볼 수 있고, 또한 비트데이터 "0"을 기록하는 과정으로 볼수도 있다.
<읽기(Read) 동작>
읽기 동작은 상변화층의 상이 바뀌지 않을 정도의 전압을 상변화층에 인가하였을 때, 측정된 저항의 크고 작음을 판단하여 상변화층에 기록된 비트데이터가 "1"인지 "0"인지 판독한다. 따라서, 읽기 동작에서 상변화층에 인가되는 전압은 리셋전압과 세트전압보다 낮을 수 있다.
실시예1
도 14는 본 발명의 제1실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 단위 셀 구조를 설명하기 위하여 도시한 구조이다.
도 14를 참조하면, 전기적 발열체인 하부전극(31)과 상부전극(33) 사이에 GeSbTe-SiOx 상변화층(32)이 구비되고, 하부전극(31)의 외측에는 절연층(34)이 형성된다. 도면부호 '35'는 상변화영역(읽기와 쓰기가 이루어지는 영역)이다.
도 14에 따르면, GeSbTe-SiOx 상변화층(32)에서 GeSbTe 영역이 SiOx에 의해 분리되고 그 크기가 20 nm 이하이므로, GeSbTe-SiOx 상변화층(32)을 접촉 구멍에 채울 필요가 없다. 즉, 하부전극(31)과 GeSbTe-SiOx 상변화층(32)간 접촉을 위한 구멍을 형성하지 않고 하부전극(31)과 GeSbTe-SiOx 상변화층(32)을 직접 접촉하므로, GeSbTe-SiOx 상변화층(32)을 접촉구멍에 채우지 않아도 된다. 따라서, 상변화가 일어나는 상변화영역(35)이 스스로 20 nm 이하로 작게 결정이 된다. 즉, 접촉된 하부전극(31)을 통해 전류가 GeSbTe-SiOx 상변화층(32)으로 유입되더라도, 상변화가 일어나는 상변화영역(35)이 20 nm 이하로 결정되어 있고, 전류 또한 이 20nm 이하의 작은 영역으로 흐르게 되어 전류밀도의 증가를 얻을 수 있다.
작은 접촉 구멍을 더 이상 GeSbTe로 채우지 않아도 되기 때문에, 더 단순한 공정을 사용할 수 있고, 더 안정된 소자를 만들 수 있다.
실시예 2
도 15는 본 발명의 제2실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 단위 셀 구조를 설명하기 위하여 도시한 구조이다.
도 15를 참조하면, 전기적 발열체인 하부전극(41)과 상부전극(43) 사이에는 GeSbTe 상변화층(42a), GeSbTe-SiOx 상변화층(42b) 및 GeSbTe 상변화층(42c)의 3층으로 된 상변화층이 형성된다. 그리고, 하부전극(41)의 외측에는 절연층(44)이 형성된다. 도면부호 '45'는 GeSbTe-SiOx 상변화층(42b)에서 제공되는 상변화영역(읽기와 쓰기가 이루어지는 영역)이다.
도 15와 같이 상변화층을 GeSbTe와 GeSbTe-SiOx의 다층 구조로 형성하면, 제1실시예에서와 같은 원리로 굉장히 작은 영역에서 상변화가 일어나게 제어할 수 있다. 공정은 제2실시예에서와 같이 단순하다. 궁극적으로 굉장히 작은 상변화 영역을 구현할 수 있다. 즉, 도 15와 같이, 두 개의 상변화층이 하나의 상변화물질-절연물질 혼합 상변화층을 감싸는 다층구조를 만들면, 특별한 셀구조를 만들지 않더라도 전류경로가 줄어들게 되서 전류의 집중을 가지고 올 수 있고, 그래서 RESET 전류(전압) 또는 SET 전류(전압)를 줄일 수 있다.
상술한 실시예 및 결과들에서는 상변화층이 GeSbTe와 SiOx가 혼합된 구조에 대해 설명하였으나, 본 발명은 다음의 경우에도 적용이 가능하다.
먼저, 상변화물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1) 중에서 선택되는 어느 하나이다.
그리고, 절연물질은 SiOx(x=1∼4)를 포함하고, 또는 SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물을 사용할 수 있다. 상기 절연물질은 상변화물질에 비해 높은 녹는점과 전기저항을 띄는 물질들이다.
위와 같은 여러 상변화물질 및 절연물질을 혼합하여 상변화층을 형성할 때, 혼합구조의 상변화층에서 절연물질이 차지하는 체적비함량은 0.01vol%∼50vol%이고, 바람직하게는 0.01vol%∼10vol%이다.
또한, 상변화물질과 절연물질이 혼합된 상변화층의 형성 방법은 스퍼터증착법외에도 증발법(Evaporation), 레이저증착법(Pulsed laser deposition)을 이용할 수도 있다. 그리고, 상변화물질타겟과 절연물질타겟을 함께 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나, 상변화물질소스와 절연물질소스를 함께 이용한 증착법 또는 증발법을 통해 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착한다. 또한, 상변화층을 형성할 때, 상변화물질과 절연물질이 함께 섞여 있는 단일 스퍼터타겟을 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나, 상변화물질소스와 절연물질소스가 함께 섞여 있는 단일 증발소스를 이용한 증발법을 통해 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 의하면, GeSbTe와 같은 상변화 물질이 SiOx와 같은 절연물과 함께 증착되었을 경우 GeSbTe 영역이 SiOx에 의해 분리됨으로써 결정화와 녹음이 방해되는 결과를 가져와, 상변화 메모리의 정보가 보다 안정적인 상태로 유지될 수 있다.
둘째, 본 발명에 의하면 GeSbTe와 같은 상변화 물질이 SiOx와 같은 절연물과 함께 증착되었을 경우 GeSbTe 영역이 SiOx에 의해 분리되는데, 그 영역의 크기가 통상적인 리소그래피에 의해 결정되는 영역보다 굉장히 작기 때문에 전류밀도가 증가하고 상변화 영역이 굉장히 작아지는 현상을 구현할 수 있다.
Claims (31)
- 삭제
- 하부전극과 상부전극 사이에 형성되는 상변화층은 상변화물질과 절연물질이 혼합된 물질을 포함하고,상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리되며, 상기 분리된 상변화물질에 의해 상변화영역이 결정되는 것을 특징으로 하고,상기 상변화층에서 상기 상변화물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질로 이루어진 상변화 메모리 셀.
- 하부전극과 상부전극 사이에 형성되는 상변화층은 상변화물질과 절연물질이 혼합된 물질을 포함하고,상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리되며, 상기 분리된 상변화물질에 의해 상변화영역이 결정되는 것을 특징으로 하고,상기 상변화층에서 상기 상변화물질은 GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1)인 상변화 메모리 셀.
- 하부전극과 상부전극 사이에 형성되는 상변화층은 상변화물질과 절연물질이 혼합된 물질을 포함하고,상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리되며, 상기 분리된 상변화물질에 의해 상변화영역이 결정되는 것을 특징으로 하고,상기 상변화물질은 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1)인 상변화 메모리 셀.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연물질은,SiOx(x=1∼4), SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물로 이루어진 상변화 메모리 셀.
- 제5항에 있어서,상기 상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼10vol%인 상변화 메모리 셀.
- 제5항에 있어서,상기 상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼50vol%인 상변화 메모리 셀.
- 하부전극과 상부전극 사이에 형성되는 상변화층은 상변화물질과 절연물질이 혼합된 물질을 포함하고,상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리되며, 상기 분리된 상변화물질에 의해 상변화영역이 결정되는 것을 특징으로 하고,상기 절연물질에 의해 분리된 상기 상변화물질이 제공하는 상변화 영역의 크기는 20nm보다 작은 크기를 갖는 상변화 메모리 셀.
- 하부전극;상기 하부전극 상의 순수한 상변화물질로 이루어진 제1상변화층;상기 제1상변화층 상에서 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 제2상변화층;상기 제2상변화층 상에 형성되며 순수한 상변화물질로 이루어진 제3상변화층; 및상기 제3상변화층 상의 상부전극을 포함하는 상변화 메모리 셀.
- 제9항에 있어서,상기 제2상변화층에서 상기 상변화물질은,Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1) 중에서 선택되는 어느 하나인 상변화 메모리 셀.
- 제9항 또는 제10항에 있어서,상기 절연물질은,SiOx(x=1∼4), SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물로 이루어진 상변화 메모리 셀.
- 제11항에 있어서,상기 제2상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼10vol%인 상변화 메모리 셀.
- 제11항에 있어서,상기 제2상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼50vol%인 상변화 메모리 셀.
- 제11항에 있어서,상기 제1 및 제3 상변화층은,Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1) 중에서 선택되는 어느 하나인 상변화 메모리 셀.
- 제9항에 있어서,상기 절연물질에 의해 분리된 상기 상변화물질이 제공하는 상변화 영역의 크기는 20nm보다 작은 크기를 갖는 상변화 메모리 셀.
- 삭제
- 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극 상에 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 상변화층을 형성하는 단계; 및상기 상변화층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 상변화층을 형성하는 단계는,상변화물질타겟과 절연물질타겟을 함께 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나,상변화물질소스와 절연물질소스를 함께 이용한 증착법 또는 증발법을 통해 상기 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극 상에 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 상변화층을 형성하는 단계; 및상기 상변화층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 상변화층을 형성하는 단계는,상변화물질과 절연물질이 함께 섞여 있는 단일 스퍼터타겟을 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나, 상변화물질소스와 절연물질소스가 함께 섞여 있는 단일 증발소스를 이용한 증발법을 통해 상기 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서,상기 절연물질에 의해 분리된 상기 상변화물질이 제공하는 상변화 영역의 크기는 20nm보다 작은 크기를 갖는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제17항 또는 제18항에 있어서,상기 상변화층의 상변화물질은,Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1) 중에서 선택되는 어느 하나로 형성하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제20항에 있어서,상기 상변화층의 절연물질은,SiOx(x=1∼4), SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물로 형성하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제21항에 있어서,상기 상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼10vol% 범위를 갖는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제21항에 있어서,상기 상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼50vol% 범위를 갖는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 하부전극을 형성하는 단계;상기 하부전극 상에 순수한 상변화물질로 이루어진 제1상변화층을 형성하는 단계;상기 제1상변화층 상에 상변화물질과 절연물질이 혼합되고, 상기 절연물질에 의해 상기 상변화물질이 일정 크기로 분리된 제2상변화층을 형성하는 단계;상기 제2상변화층 상에 순수한 상변화물질로 이루어진 제3상변화층을 형성하는 단계; 및상기 제3상변화층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제24항에 있어서,상기 제2상변화층을 형성하는 단계는,상변화물질타겟과 절연물질타겟을 함께 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나,상변화물질소스와 절연물질소스를 함께 이용한 증착법 또는 증발법을 통해 상기 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제24항에 있어서,상기 제2상변화층을 형성하는 단계는,상변화물질과 절연물질이 함께 섞여 있는 단일 스퍼터타겟을 이용한 스퍼터 증착으로 형성하거나, 상변화물질소스와 절연물질소스가 함께 섞여 있는 단일 증발소스를 이용한 증발법을 통해 상기 상변화물질과 절연물질을 동시에 증착하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,상기 절연물질에 의해 분리된 상기 상변화물질이 제공하는 상변화 영역의 크기는 20nm보다 작은 크기를 갖는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제2상변화층의 상변화물질은,Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P 및 O로 이루어진 그룹중에서 선택된 어느 하나의 칼코제나이드 물질, GeaSbbTec(a, b, b는 각각 원자 몰분율, a+b+c=1, 0<a,b,c<1) 또는 IndAgeSbfTeg(d,e,f, g는 각각 원자 몰분율, d+e+f+g=1, 0<d,e,f,g<1) 중에서 선택되는 어느 하나로 형성하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제28항에 있어서,상기 제2상변화층의 절연물질은,SiOx(x=1∼4), SiN, Si3N4, SiC, TiOx(x=1∼4), AlO, Al2O3, AlN, ZrC, ZrB2, MgO, BeO 및 BN으로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 어느 하나의 화합물로 형성하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제29항에 있어서,상기 제2상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼10vol% 범위로 하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
- 제29항에 있어서,상기 제2상변화층에서 상기 절연물질의 체적비 함량은 0.01vol%∼50vol% 범위로 하는 상변화 메모리 셀의 제조 방법.
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