KR101072759B1 - 고체 메모리 - Google Patents

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Abstract

PRAM에 있어서의 데이터의 기록/소거는, 지금까지, 그 기록 재료인 Te를 포함하는 칼코겐 화합물의 결정 상태와 아모퍼스 상태의 일차 상변태에 의해 생기는 물리적 특성 변화에 의거해 행해져 왔지만, 기록 박막은, 단결정이 아니라, 다결정으로 구성되어 있으므로, 저항값에 불균형이 있으며, 상 전이시에 발생하는 체적 변화에 의해, 기록 독출 회수에 제한이 있었다. 본원 발명은, Ge를 포함하는 박막과 Sb를 포함하는 박막을 초격자 구조로 작성해, 상기 과제를 해결하고, 반복 기록 소거 회수를 1015회로 했다.

Description

고체 메모리{SOLID MEMORY}
본원 발명은, Te를 주성분으로 하는 칼코겐 화합물의 상변태를 이용해, 그 결정과 아모퍼스(Amorphous) 사이에 발생하는 전기 저항 또는 광학적 특성의 상위를 데이터로서 기록·소거하는 고체 메모리(상변화 RAM 또는 PRAM)에 관한 것이다.
상변화 RAM에 있어서의 데이터의 기록 및 소거는, 지금까지, 그 기록 재료인 Te를 포함하는 칼코겐 화합물의 결정 상태와 아모퍼스 상태의 일차 상변태로 불리는 변화로 발생하는 물리적 특성 변화에 의해 행해지고 있는 것이 되며, 이 기본 원리에 의거해 상변화 RAM이 설계되어 왔다(예를 들면, 하기 특허문헌 1 참조).
상변화 RAM의 기록 소거를 담당하는 기록 재료는, 일반적으로, 스퍼터링(Sputtering) 등의 진공 성막법을 이용해 전극 사이에 형성되지만, 통상은 화합물 조성으로 이루어지는 타깃을 이용하여 한층으로 이루어지는 합금 박막을 이용하고 있다.
이 때문에, 20~50nm의 두께로 이루어지는 기록 박막은, 단결정이 아니라, 다결정으로 구성되어 있다.
이 각 미결정간의 계면 전기 저항의 차이가 전체적으로의 상변화 RAM의 전기 저항값의 균일성에 영향을 미치며, 결정 상태의 저항값을 어느 평균값으로부터의 불균형을 일으키는 원인이 되어 있다(하기 「비특허문헌 1」참조).
또, 결정/아모퍼스간의 상 전이시에 발생하는 10% 정도의 체적 변화가 각각의 미결정에 상이한 응력을 발생시키고, 물질 유동과 막전체의 변형이 기록 독출 회수를 제한하는 것이라고 생각되어 왔다(하기 「비특허문헌 2」참조).
일본국 특허공개 2002-203392호 공보
오쿠다 아키히로 감수, 「차세대 광기록 기술과 재료」, 시엠시 출판, 2004년 1월 31일 발행, p114 츠노다 요시토 감수, 「광디스크 스토리지의 기초와 응용」, 전자 정보 통신학회편, 헤이세이 13년 6월 1일 초판 제3쇄 발행, p209 Y. Yamanda ＆ T. Matsunaga, Journal of Applied Physics, 88, (2000) p7020-7028 A. Kolobov et al. Nature Materials 3 (2004) p703
Te를 포함하는 칼코겐 화합물의 결정 구조 및 아모퍼스 구조에 관해서, 1980년 후반 무렵부터, 그 구조 해석이 X선 등을 이용해 조사되어 왔지만, Te와 그 화합물을 이루는 Sb 원자의 원자 번호가 인접하고 있고, 전자수가 한 개 밖에 상이하지 않기 때문에, X선 회절이나 전자선 회절에서는, 그 구별이 거의 되지 않고, 상세한 결정 구조가 어떻게 되는 것인지가 2004년까지 불명확했다.
특히, 이미 재기록가능형의 광디스크에 있어서 상품화되어 있는, GeSbTe(225 조성)로 불리는 화합물, 및 의이원(擬二元) 조성 화합물선 상에 있는 조성(GeTe-Sb2Te3의 라인 상에 있는 화합물, 225, 147, 125 조성)은, 특성이 매우 양호한 것을 실험적으로 알고 있었지만, 그 결정 구조에 관해서는 암염 구조를 취하며, 그 Na이 차지하는 사이트(이것을 a사이트)를 Te가 차지하되, 나머지의 Cl이 차지하는 사이트(b사이트)를 Ge 또는 Sb가 차지하지만, 그 속하는 방식은 랜덤이라고 되어 왔다(상기 「비특허문헌 3」참조).
방사광 궤도 장치 등을 이용해 GeSbTe 화합물의 구조 해석을 상세하게 검토하면, 이하의 점에서 종래의 구조와는 상이한 양상을, Te를 포함하는 칼코겐 화합물이 취하는 것을 발견했다(상기 「비특허문헌 4」참조).
1. 결정상에 있어서, Ge 원자와 Sb 원자가 NaCl형의 단순 입방 격자 내에서 Cl의 위치((b) 사이트)를 차지하는 배열은, 지금까지 생각되고 있던 것과 같은 「랜덤」상태는 아니며, 원자의 배열 위치가 규칙적으로 「결정」되어 있다. 또, 격자는 비뚤어져 있다(도 1 참조).
2. 아모퍼스 상태는, 완전한 랜덤은 아니며, 결정 격자 내부의 Ge 원자가 중심 위치(조금 어긋나 강유전적이지만)로부터 2A 정도 Te 원자측으로 이동한 배치를 취하고, 그 유닛을 유지한 채로 구부러진 구조를 가진다(도 2 참조).
3. 이 구부러진 유닛이 복원함으로써 고속 스위칭이 안정되게 반복된다(도 3 참조).
상기 새로운 기록 독출 원리로부터, 이하의 수법으로 Te를 포함하는 칼코겐 화합물을 구성하면, 미결정간의 계면 전기 저항을 극력 저감하고, 또한 반복 재기록가능 회수를 큰폭으로 향상 가능한 신규 상변화 RAM을 제공할 수 있는 것을 깨달았다.
즉, GeSbTe로 이루어지는 화합물을, GeTe의 박막과 Sb2Te3 박막으로 구성되는 초격자를 형성하고, GeTe층 내에 있는 Ge 원자를 Sb2Te3층과의 계면에 메모리에 입력되는 전기 에너지를 수단으로 하여 확산시킴으로써 결정 상태와 동일한 구조를, 「이방성을 가진 결정」으로서 형성시킴(소거(기록) 상태)), 또, 반대로 계면에 축적된 Ge 원자를 원래의 GeTe층 내에 전기 에너지를 수단으로 하여 되돌림으로써, 종래, 아모퍼스로 불려 온 랜덤 구조와 동등의 전기 저항값을 가지는 「아모퍼스에 유사한 구조」로 환원함(기록(소거) 상태)으로써, 지금까지의 상변화 RAM의 특성을 큰폭으로 개선할 수 있는 새로운 상변화 RAM을 제공할 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 4에, 이 구성의 기본 구조를 나타내지만, GeTe층의 두께는, 약 0.4nm, Sb2Te3층의 두께는, 약 0.5nm이다. 일반적으로는, 각 층의 두께는, 0.3nm부터 2nm 정도가 바람직하다.
예를 들면, 스퍼터링법을 이용해 본 특허의 구조를 구성하는 경우, GeTe 혹은 Sb2Te3으로 구성된 화합물 타깃을 이용해(혹은 단체의 타깃을 이용해), 미리 시간당의 막형성 속도를 스퍼터링을 위한 투입 전력 파워에 대해서 측정해 놓으면, 성막 시간을 관리하는 것만으로 간단하게 이들의 막으로 이루어지는 초격자 구조를 구성할 수 있다.
GeSbTe가 있는 조성으로 이루어지는 화합물 타깃을 이용해 한층의 기록막으로서 구성한 경우에 있어서는, 구성되는 미결정 내에서의 Ge 원자의 움직임은 미결정마다 랜덤이며, Ge 원자를 이동시키기 위한 투입되는 전기 에너지는 코히런트(coherent)성을 갖지 않기 때문에, 열역학적으로 많은 열에너지를 계(系)에 대해서 방출하지 않으면 안 되는 것에 대하여, 본 발명의 초격자 구조에 있어서는, Ge의 원자의 움직임은, 기록막 중에서는 도 4에 나타내는 바와 같이 한방향이며(즉, 코히런트성을 가진다), 일로서의 에너지에 많은 입력 에너지를 이용할 수 있어, 열로서의 에너지 방출량을 억제하는 것이 가능해진다. 즉, 상변태를 행하기 위한 에너지 효율이 향상한다.
또, 재기록에 대해서 발생하는 체적 변화(결정-아모퍼스간의 체적 변화)는, 아모퍼스 유사 구조를 이용함으로써 저감할 수 있고, 또한, 1축 방향으로만 발생시킴으로써, 조성 편석이 생기지 않는 안정된 반복 재기록 동작을 제공할 수 있다.
본원 발명의 구성에 의해 Te를 포함하는 칼코겐 화합물을 구성하면, 미결정간의 계면 전기 저항을 극력 저감하고, 종래의 상변화 RAM의 데이터 기록시의 전류값을 10분의 1 이하로 할 수 있으며, 또한 반복 재기록가능 회수를 지금까지보다 2~3자릿수 이상 향상시키는 것이 가능한 신규 상변화 RAM을 제공할 수 있다.
도 1은 Ge-Sb-Te 합금 결정 구조, 사각형은 Te, 삼각형은 Ge, 동그라미는 Sb를 나타낸다.
도 2는 Ge-Sb-Te 합금 아모퍼스 구조(단거리 구조)
도 3은 상변화 RAM 스위칭을 위한 기본 셀
도 4는 GeTe/Sb2Te3으로 구성되는 초격자 구조
이하에, 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명한다.
실시예 1
일반적인 자기 저항 가열형의 기본 구성에 의해 상변화 RAM을 작성했다. 전극에는 TiN을 사용하고, 기록막에는［GeTe/Sb2Te3]의 초격자를 20층 적층했다. 초격자로 이루어지는 기록막 전체의 두께는 10nm이었다. 셀의 크기는, 100×100nm2이다.
이 디바이스에, 전압을 프로그램적으로 주어, 기록 및 소거시의 전류값을 측정했다. 그 결과, 기록시의 전류값은 0.2mA이며 펄스 시간 5ns, 소거시의 전류값은 0.05mA이며 펄스 시간 60ns였다. 이 전류값에서의 반복 기록 소거 회수를 측정한 바, 그 값은 1015회였다.
〈참고예〉
실시예 1과 마찬가지로 일반적인 자기 저항 가열형의 기본 구성에 의해 상변화 RAM을 작성했다. 기록막에는 Ge2Sb2Te5의 단층막을 20nm 형성했다. 셀의 크기는, 100×100nm2이다. 이 디바이스에, 전압을 프로그램적으로 주어, 기록 및 소거시의 전류값을 측정했다. 그 결과, 기록시의 전류값은, 1.0mA, 소거시의 전류값은 0.4mA였다. 또한, 펄스의 조사 시간은, 실시예 1과 동일하게 하였다. 이 전류값에서의 반복 기록 소거 회수를 측정한 바, 그 값은 1012회였다.
[산업상의 이용가능성]
본원 발명의 구성에 의해 Te를 포함하는 칼코겐 화합물을 구성하면, 미결정간의 계면 전기 저항을 극력 저감하고, 또한 반복 재기록가능 회수를 큰폭으로 향상 가능한 신규 상변화 RAM을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 텔루륨(Te)을 포함하는 고체 메모리로서, 물질의 상변태에 기인하여 전기 특성이 변화하는 것이며, 데이터를 기록 및 재생하는 재료가 상기 상변태를 일으키는 모상(母相)으로 이루어지는, 게르마늄(Ge)과 텔루륨(Te)으로 형성된 박막 및 안티몬(Sb)과 텔루륨(Te)으로 형성된 박막의 인공적인 초격자 구조의 적층 구조에 의해 구성되고,
    게르마늄(Ge)과 텔루륨(Te)으로 형성된 박막의 막두께는 0.3nm 이상 2nm 이하이고, 안티몬(Sb)과 텔루륨(Te)으로 형성된 박막의 막두께는 0.3nm 이상 2nm 이하인 것을 특징으로 하는 고체 메모리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층 구조는, GeTe 박막과 Sb2Te3 박막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 메모리.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전기 에너지를 수단으로 하여, 게르마늄(Ge)과 텔루륨(Te)으로 형성된 상기 박막의 게르마늄(Ge)을 상기 양 박막의 계면에 확산시키거나, 상기 계면에 축적된 게르마늄(Ge)을 게르마늄(Ge)과 텔루륨(Te)으로 형성된 상기 박막으로 되돌리는 것에 의해, 데이터가 기록되거나 소거되는 것을 특징으로 하는 고체 메모리.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 GeTe 박막으로부터 상기 Sb2Te3 박막과의 계면을 향해 게르마늄(Ge) 원자를 이방성 확산시킴으로써 데이터를 기록하는 것을 특징으로 하는 고체 메모리.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 GeTe 박막과 상기 Sb2Te3 박막의 계면에 축적한 게르마늄(Ge) 원자를, 상기 GeTe 박막을 향해 이방성 확산시킴으로써 데이터를 소거하는 것을 특징으로 하는 고체 메모리.

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