KR101108193B1 - 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
비휘발성 프로그래머블 소자는 제1 단자와, 제1 단자에 연결되는 제1 문턱 스위칭층과, 제1 문턱 스위칭층에 연결되는 상변화층과, 상변화층에 연결되는 제2 문턱 스위칭층과, 제2 문턱 스위칭층에 연결되는 제2 단자와, 상변화층의 일측부 및 타측부에 각각 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 프로그래머블 로직 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로그래머블 로직 소자에 포함되는 비휘발성 프로그래머블 소자(programmable device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
FPGA(field programmable gate array), PLA(programmable logic array), PAL (programmable array logic), CPLD(complex programmable logic device) 등과 같이 제조 단계에서는 그 기능이 고정되어 있지 않다가 사용자의 프로그래밍에 의하여 특정한 기능을 가지게 되는 전자 부품 (electronic component)을 프로그래머블 로직 소자 (programmable logic device, PLD)라 한다. 특히, FPGA의 경우 지속적인 성능 향상 및 제조 단가 하락에 의하여 PDP 및 LCD TV 등의 디지털 기기나 캠코더 및 블루레이 디스크 등의 휴대형 어플리케이션으로 그 용도가 매우 넓게 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 프로그래머블 로직 소자를 나타낸 블록도이다.
구체적으로, PLD(200)는 로직 블록(220), 프로그래머블 스위치 소자(210) 및 배선(230)을 포함한다. PLD(200)의 내부에는 사용자의 프로그래밍에 의하여 로직 블록(logic block, 220)과 배선(interconnect wire, 230)을 연결하거나, 서로 다른 두 개의 배선을 연결하는 역할을 하는 프로그래머블 스위치 소자(210)를 포함한다. 프로그래머블 스위치 소자(210)로는 퓨즈(fuse), EPROM, EEPROM, SRAM, 플래시(Flash) 메모리 등을 이용한다.
도 2는 종래 기술에 따라 SRAM을 프로그래머블 스위치 소자로 이용한 프로그래머블 로직 소자의 회로도이다.
구체적으로, SRAM(210)이 패스(pass) 트랜지스터의 게이트 노드(node)를 컨트롤함으로써 프로그래머블 로직 소자의 단자들 사이를 온오프하는 스위치 동작을 수행한다. SRAM은 소거 및 쓰기 속도가 빠르고, 잘 정립된 CMOS 공정으로 제조되어 설계가 간단한 장점이 있다. 그러나, SRAM은 휘발성 기술이라는 단점이 있어서 파워업시 별도의 외장 메모리가 필요하다. 이러한 외장 메모리는 그 내부의 데이터가 간단하게 해석되므로 정보 보호에 취약하다. 이에 더하여, SRAM을 프로그래머블 스위치 소자로 사용하는 경우에 무거운 이온(heavy ion)이나 고 에너지 양성자(high-energy proton) 등의 방사(radiation)에 의한 회로 정보 변경 오류 또는 고장(failure)이 발생하는 단점이 있다.
도 3은 종래 기술에 따라 플래시 메모리를 프로그래머블 스위치 소자로 이용한 프로그래머블 로직 소자의 회로도이다.
구체적으로, 플래시 메모리(310)가 패스(pass) 트랜지스터의 게이트 노 드(node)를 컨트롤함으로써 프로그래머블 로직 소자의 단자들 사이를 온오프하는 스위치 동작을 수행한다. 플래시 메모리는 비휘발성이라는 장점이 있고, 도 3과 같이 두 개의 트랜지스터로 구성되므로 SRAM에 비해 면적이 작아지는 장점도 있다.
그러나, 플래시 메모리(310)는 SRAM에 비해 동작 주파수 특성이 열등하고 표준(standard) CMOS와 다른 공정이 필요한 단점이 있다. 이에 더하여, 플래시(Flash) 메모리를 스위치로 사용하는 경우에 무거운 이온(heavy ion)이나 고 에너지 양성자(high-energy proton)등의 방사(radiation)에 의한 회로 정보 변경 오류 또는 고장(failure)이 발생하는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 SRAM 및 플래시 메모리의 단점을 극복하기 위하여 창안한 것으로써, 방사(radiation) 내성이 높은 비휘발성 성질을 갖고, 스위치뿐만 아니라 메모리 기능도 구현할 수 있는 프로그래머블 소자를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 예에 의한 비휘발성 프로그래머블 소자는 제1 단자와, 제1 단자에 연결되는 제1 문턱 스위칭층과, 제1 문턱 스위칭층에 연결되는 상변화층과, 상변화층에 연결되는 제2 문턱 스위칭층과, 제2 문턱 스위칭층에 연결되는 제2 단자와, 상변화층의 일측부 및 타측부에 각각 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하여 이루어진다.
상변화층은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)중 어느 하나를 포함하는 칼코겐(chalcogen) 화합물, 또는 안티몬(Sb)을 포함하는 안티몬 화합물로 이루어질 수 있다. 제1 문턱 스위칭층 또는 제2 문턱 스위칭층은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)중 어느 하나를 포함하고, 비소(As) 또는 인(P)이 더 포함되어 있는 칼코겐(chalcogen) 화합물로 이루어질 수 있다. 제3 단자 또는 제4 단자에 연결되는 소오스/드레인 단자와 제2 단자에 연결되는 게이트 단자를 갖는 MOS 트랜지스터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 의한 비휘발성 프로그래머블 소자는 제1 단자와, 제1 단자 상에 순차적으로 형성된 제1 문턱 스위칭층, 상변화층, 제2 문턱 스위칭층 및 제2 단자와, 상변화층의 일측부 및 타측부에 각각 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함한다. 제1 단자, 제1 문턱 스위칭층, 제2 문턱 스위칭층 및 제 2단자를 통하여 상변화층에 전기 펄스를 공급하여 상변화층의 가역적인 상변화를 유발시켜 제3 단자, 상변화층, 및 제4 단자를 통해서 이동하는 전기 신호를 제어한다.
제1 문턱 스위칭층 및 제2 문턱 스위칭층은 문턱 스위칭 물질로 이루어질 수 있다. 상변화층은 인가되는 전류량에 따라 비정질 상태와 결정 상태로 가역적으로 변화되는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 예에 의한 비휘발성 프로그래머블 소자는 반도체 기판 상에 형성된 제1 금속층과, 제1 금속층 상에 형성된 제1 문턱 스위칭층과, 제1 금속층 및 제1 문턱 스위칭층 상에 절연층을 개재하여 형성된 제2 금속층을 포함한다. 제2 금속층을 관통하여 제1 문턱 스위칭층과 상변화층이 연결되고, 상변화층 상에 제2 문턱 스위칭층이 형성된다. 제1 금속층과 연결되고 제1 문턱 스위칭층과 연결되는 제3 금속층이 형성되어 있다. 제2 문턱 스위칭 상에 제4 금속층이 형성되어 있다. 이에 따라, 제3 금속층 및 제4 금속층은 제1 문턱 스위칭층 및 제2 문턱 스위칭층과 연결되는 제1 및 제2 단자이고, 제2 금속층의 일측 및 타측은 각각 상변화층과 연결되는 제3 및 제4 단자로 이루어진다.
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 소자는 상변화층을 이용하므로 방사(radiation) 내성이 강하고 비휘발성을 가지며 반복 기록 동작 특성이 우수하 다.
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 소자는 매우 빠른 속도로 진행되는 상전이 현상을 이용하므로 동작 속도를 빠르게 할 수 있다.
프로그래머블 로직 소자는 앞서 설명한 바와 같이 로직 블록, 프로그래머블 소자 및 배선을 포함한다. 프로그래머블 로직 소자의 내부에는 사용자의 프로그래밍에 의하여 로직 블록(logic block) 또는 로직 게이트와 배선(interconnect wire)을 연결하거나, 서로 다른 두 개의 배선을 연결하는 역할을 하는 프로그래머블 소자, 예컨대 프로그래머블 스위치 소자가 위치한다.
본 발명에서 프로그래머블 소자는 상변화 물질(상변화층)을 이용한다. 상변화 물질은 전기 펄스 입력에 의하여 결정 상태 및 이에 대응되는 전기 저항이 변화하는데, 전기 펄스가 입력되기 전에는 그 전기 저항이 유지되는 비휘발성이 있다. 또한 상변화 물질의 온도를 그 결정화 온도나 녹는점까지 상승시키기 전에는 상변화 및 이에 따른 저항변화가 이루어지지 않으므로 방사(radiation) 내성이 매우 강하다.
상변화 물질들 중에서 칼코겐 원소, 즉 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)을 포함하는 칼코겐 화물(chalcogenide)이나 안티몬(Sb)을 포함하는 안티몬 화합물 중의 일부는 전압 또는 전류 입력에 따라 전기 저항이 바뀌는 스위칭 거동을 나타낸다. 스위칭 거동은 문턱 스위칭(threshold switching)과 메모리 스위칭(memory switching)으로 나눌 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 문턱 스위칭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 문턱 스위칭은 일정 전압에서 일시적으로 전기 저항이 낮아지는 현상으로, 임계값(Vth) 이상의 전기장이 인가되는 동안에는 수 백 옴의 낮은 저항이 유지되지만 전기장이 제거되는 즉시 원래의 수 M(mega)옴 이상의 높은 저항 값으로 돌아가는 특징이 있다. 따라서, 도 4a와 같이 첫 번째 테스트(sweep) 할 때 및 도 4b와 같은 두 번째 테스트(sweep) 할 때 동일한 전류(I)-전압(V) 곡선을 얻게 된다. 문턱 스위칭은 열적 과정(thermal process)이 아닌 전기적 과정(electronic process)이며, 전기장 하에서 캐리어(carrier) 농도 또는 이동도(mobility) 증가에 의해 전기 저항이 낮아진다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 사상에 따른 메모리 스위칭을 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 앞서 설명한 바와 같은 문턱 스위칭 현상이 보이는 재료 중의 일부는 상변화에 의해 메모리 스위칭 현상을 나타낸다. 메모리 스위칭 현상이 발생하면 문턱 스위칭의 경우와는 달리 낮아진 저항이 전기장이 제거된 상태에서도 그대로 유지된다. 즉, 도 5a와 같이 첫 번째 테스트(sweep)시 메모리 스위칭이 발생하면, 도 5b에 도시한 바와 같이 두 번째 테스트(sweep) 시에는 처음과는 다른 전류(I)-전압(V) 곡선이 얻어진다.
전기장이 인가되어 문턱 스위칭이 발생하게 되면 낮아진 저항에 의하여 높은 전류가 흐르게 되고 이에 따라 주울 열이 발생하게 된다. 주울 열에 의하여 상변화 물질, 예컨대 칼코겐 화합물 내부의 온도가 결정화 온도 이상으로 높아지면 상변화 물질의 결정구조가 저항이 높은 비정질에서 저항이 낮은 결정질로 바뀌게 되는 메모리 스위칭이 일어난다.
전기장의 유무와 상관없이 메모리 스위칭에 의해 낮아진 저항 값은 상당 기간 동안 유지되므로 이러한 특성을 비휘발성 프로그래머블 소자에 이용할 수 있다. 메모리 스위칭 거동을 보이는 상변화 물질에 있어서 낮은 저항 상태, 즉 셋 상태(set state)와, 높은 저항 상태, 즉 리셋 상태(reset state) 간의 가역적인 변환은 적절한 크기의 전기 펄스를 입력함으로써 가능해진다.
특히, 리셋 상태를 만들기 위해서는, 메모리 스위칭에 의하여 상변화 물질의 저항이 낮아진 상태에서 메모리 스위칭 할 때(스위칭 시)에 비해 상대적으로 짧은 시간 동안 높은 전기 펄스를 인가하면 상변화 물질의 온도가 녹는점 이상으로 상승하여 액체 상태로 바뀐다. 펄스가 종료된 후에 시간이 지남에 따라 액체 상태의 결정구조가 그대로 유지된 채로 냉각되어 최종적으로 저항이 높은 비정질 상태로 남게 된다. 리셋 상태(reset state)를 만들기 위해서는 상변화 물질을 융해시켜야 하고 급랭(quenching)에 의하여 비정질상을 얻어야 하므로 셋 상태(set state)를 만드는 경우에 비해 짧은 시간 동안 높은 전기 펄스를 인가하여야 한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에서 칼코겐 원소(S, Se, Te)를 포함하는 칼코겐화물(chalcogenide) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 물질의 일부는 전기 펄스 입력에 따라 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로 바뀌는 문턱 스위칭 또는 메모리 스위칭의 두 종류의 스위칭 현상을 보인다.
본 발명은 앞서 설명한 물질을 이용하여 제1 문턱 스위칭층, 상변화층, 제2 문턱 스위칭층이 적층된 구조를 구성하고 4단자의 프로그래머블 소자를 아래와 같이 구현하였다. 본 발명의 프로그래머블 소자는 앞서 설명한 바와 같은 스위치 소자로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 프로그래머블 소자는 상변화층을 포함하여 메모리 기능을 갖는 메모리 소자로 구현할 수도 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 소자의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자(410)는 제1 단자(terminal, 131, N1), 제1 단자(131)에 연결되는 제1 문턱 스위칭층(111), 제1 문턱 스위칭층(111) 상에 형성되는 상변화층(121), 상변화층(121) 상에 형성되는 제2 문턱 스위칭층(123), 제2 문턱 스위칭층(123)에 연결되는 제2 단자(133, N2) 및 상변화층(121)의 양측, 즉 일측부 및 타측부에 연결되는 제3 단자(115a, N3) 및 제 4 단자(115b, N4)로 구성된다.
앞서 설명한 바와 같이 제1 문턱 스위칭층(111) 및 제2 문턱 스위칭 층(123) 은 임계값 이상의 전기장이 인가되면 전기 저항이 일시적으로 감소하는 문턱 스위칭 특성을 나타낸다. 또한, 제1 및 제2 문턱 스위칭층(111, 123)은 전기장을 인가하면 전기저항이 감소하였다가 전기장이 소멸되면 원래의 전기 저항으로 돌아오는 성질을 갖는다.
제1 문턱 스위칭층(111) 및 제2 문턱 스위칭(123)은 황(S), 셀레늄(Se) 또는 텔레륨(Te)을 포함하며 비소 또는 인을 더 포함하는 칼코겐 화합물로 구성된다. 즉, 칼코겐화물 중에서 비소(As)나 인(P)을 포함하는 물질들이 문턱 스위칭 특성을 갖는다. 이것은 비소(As) 또는 인(P) 원소가 칼코겐화물 내부에서 많은 수의 강한 크로스링크(crosslink)를 형성하는 데에서 기인한다. 제1 문턱 스위칭층(111) 및 제2 문턱 스위칭(123)은 AsTe, AsSiTe, AsGeTe, AsGeSiTe 또는 AsGeSiPTe 등으로 구성한다.
상변화층(121)은 인가되는 전류량에 따라 비정질 상태와 결정 상태로 가역적으로 변환되는 물질이다. 본 실시예에서, 상변화층(121)은 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)등을 포함하는 칼코겐(chalcogen) 화합물 또는 안티몬(Sb)을 포함하는 안티몬 화합물로 구성된다. 상변화층(121)을 구성하는 칼코겐(chalcogen) 화합물은 GeTe, SbTe, SiTe, SbSe, InSe, GeSbTe, SiSbTe, InSbTe, GaSeTe, SnSbTe, GeSiSbTe, GeSnSbTe, GeSbSeTe, 또는 AgInSbTe로 구성된다. 상변화층(121)을 구성하는 안티몬(chalcogen) 화합물은 GeSb 또는 ZnSb으로 구성된다.
제1 단자(N1) 및 제2 단자(N2)를 통하여 전기 펄스를 인가하는 프로그래밍(programming) 또는 쓰기(writing)를 함으로써 상변화층(121)의 상변화를 유발한 다. 상변화층(121)이 셋 상태(set state)인 경우에는 상변화층(121)의 저항이 낮으므로 소자(410)가 온(on) 되어 제3 단자(N3) 및 제4 단자(N4)를 통하여 로직 신호가 전달된다. 상변화층(121)이 리셋 상태(reset state)인 경우에는 상변화층(121)의 저항이 높으므로 소자(410)가 오프(off) 되어 제3 단자(N3) 및 제4 단자(N4)를 통한 로직 신호의 전달이 차단된다.
예를 들어, 상변화층(121)으로 Ge2Sb2Te5를 사용할 때 셋 상태에서는 상변화층(121)의 저항 값이 수백 옴 이하이고, 리셋 상태에서는 상변화층(121)의 저항값이 수 M(메가)옴 이상이므로 Ge2Sb2Te5로 상변화 스위치를 만들면 그 스위치는 로직 신호의 전달 및 차단 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상변화층(121)의 셋 상태나 리셋 상태에 따라 본 발명의 소자는 메모리 기능을 가질 수 있다.
제1 및 제2 문턱 스위칭층(111, 123)은 신호 전달시 프로그래밍에 사용된 제1 단자(N1) 및 제2 단자(N2) 방향으로 신호가 누설되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 제1 및 제2 문턱 스위칭층(111, 123)은 앞서 설명한 바와 같이 임계값 이상의 전기장이 인가되어야만 문턱 스위칭이 발생하여 전도성을 가지게 되므로 제3 단자(N3) 및 제4 단자(N4) 사이에 전위차가 존재하더라도 수 M옴 이상의 저항을 유지하여 신호 누설을 억제한다.
프로그래밍시에는 제1 단자(131, N1) 및 제2 단자(133, N2)에 제1 문턱 스위칭층(111), 상변화층(121), 제2 문턱 스위칭층(123)의 각각의 문턱 스위칭에 필요한 임계 전압의 총합보다 큰 전압을 인가하여 상변화 물질의 상변화를 유발한다. 문턱 스위칭에 필요한 임계 전압은 스위칭 물질의 두께에 비례하는데 그 두께를 조절함으로써 적절한 값을 갖도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 소자(420)는 도 6의 비휘발성 프로그래머블 소자(410)에 모스(MOS) 트랜지스터 2개(430, 440)를 연결한 것이다. 모스 트랜지스터(430, 440)는 게이트 전압의 인가에 따라 빌트인(built-in) 채널의 컨덕턴스가 감소하는 디플리션 모드(depletion-mode) 소자이다. 각 MOS 트랜지스터(430, 440)의 게이트 전극(G1, G2)은 제2 단자(N2)와 공통으로 연결되고, 각각의 MOS 트랜지스터의 소오스/드레인 단자 한 개는 제3 단자(N3) 또는 제4 단자(N4)에 연결된다. 제3 단자 또는 제4 단자에 연결되지 않는 나머지 소오스/드레인 단자는 프로그래머블 로직 소자의 단자(PLD 단자), 즉 입출력 단자와 연결된다.
도 6의 경우와 마찬가지로 프로그래밍시에는 제1 단자(N1) 및 제2 단자(N2)에 제1 문턱 스위칭층(111), 상변화층(121), 제2 문턱 스위칭층(123)의 각각의 문턱 스위칭에 필요한 임계 전압의 총합보다 큰 전압을 인가하여 상변화층(121)의 상변화를 유발한다. 이때 프로그래밍 전압이 MOS 트랜지스터(430, 440)의 게이트 전극(G1, G2)에도 인가되므로 프로그래밍 전압이 MOS 트랜지스터(430, 440)의 문턱전압 이상이 되면 채널이 소멸되어 소자(420)는 프로그래머블 로직 소자의 로직 블록으로부터 단절된다. 즉, 소자(420)의 프로그래밍시 로직 블록 쪽으로의 불필요한 전원 공급이 방지된다.
도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8을 참조하면, 반도체 기판(101), 예컨대 실리콘 기판 상에 제1 절연층(103)을 형성한다. 제1 절연층(103)은 열산화 또는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 이용하여 형성한다. 제1 절연층(103)은 산화층이나 질화층으로 형성한다. 제1 절연층(103) 상에 제1 금속 물질층(105)을 형성한다. 제1 금속 물질층(105)은 전기 전도도가 높은 물질을 이용하여 형성한다. 제1 금속 물질층(105)은 텅스텐, 티타늄 텅스텐(TiW), 폴리실리콘, 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등으로 형성한다. 제1 금속 물질층(105)은 스퍼터링 또는 화학기상증착법을 이용하여 형성한다.
제1 금속 물질층(105) 상에 제1 문턱 스위칭 물질층(107)을 형성한다. 제1 문턱 스위칭 물질층(107)은 전기장이 존재할 때 전기 저항이 감소하였다가 전기장이 소멸되면 원래의 전기 저항으로 돌아오는 성질을 가진 물질이다. 제1 문턱 스위칭 물질층(107)은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔레륨(Te)을 포함하고 비소 또는 인을 포함하는 칼코겐 화합물로 형성한다.
도 9를 참조하면, 제1 문턱 스위칭 물질층(107)을 패터닝하여 제1 문턱 스위칭층(111)을 형성한다. 제1 금속 물질층(105)을 패터닝하여 제1 금속층(109)을 형성한다. 이어서, 제1 문턱 스위칭층(111) 및 제1 금속층(109)이 형성된 기판의 전면에 제2 절연층(113)을 형성한다. 제2 절연층(113)은 제1 절연층(103)과 동일한 물질 및 동일한 방법으로 형성한다. 다음에, 제2 절연층(113) 상에 제2 금속층(115)을 형성한다. 제2 금속층(115)은 제1 금속 물질층(105), 즉 제1 금속층(109)과 동일한 물질 및 동일한 방법으로 형성한다. 제2 금속층(115)은 제2 금속 물질층(미도시)을 형성한 후 패터닝하여 형성한다.
도 10을 참조하면, 제2 금속층(115)을 덮도록 제2 절연층(113) 상에 제3 절연층(117)을 형성한다. 제3 절연층(117)은 제1 절연층(103) 및 제2 절연층(113)과 동일한 물질 및 동일한 방법으로 형성한다. 제3 절연층(117)을 패터닝하여 제2 금속층(115)을 관통하고 제1 문턱 스위칭층(111)의 상부를 노출시키는 콘택홀(119)을 형성한다.
이후, 콘택홀(119)을 매립하면서 제3 절연층(117) 상에 상변화층(121) 및 제2 문턱 스위칭층(123)을 형성한다. 제2 문턱 스위칭층(123)은 제1 문턱 스위칭층(111)과 동일한 역할을 수행하며, 제1 문턱 스위칭층(111)과 동일한 물질로 형성한다. 상변화층(121) 및 제2 문턱 스위칭층(123)은 상변화 물질층(미도시) 및 제2 문턱 스위칭 물질층(미도시)을 형성한 후 패터닝하여 형성한다. 상변화층은 인가되는 전류량에 따라 비정질 상태와 결정 상태로 가역적으로 변환되는 물질로 형성한다.
본 실시예에서, 상변화층은 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)을 포함하는 칼코겐(chalcogen) 화합물 또는 안티몬(Sb)을 포함하는 안티몬 화합물로 형성한다. 칼코겐(chalcogen) 화합물은 GeTe, SbTe, SiTe, SbSe, InSe, GeSbTe, SiSbTe, InSbTe, GaSeTe, SnSbTe, GeSiSbTe, GeSnSbTe, GeSbSeTe, 또는 AgInSbTe을 이용한 다. 안티몬(chalcogen) 화합물은 GeSb 또는 ZnSb을 이용한다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 도 12는 도 11의 a-a에 따른 평면도이다. 제2 문턱 스위칭층(123)을 덮도록 제3 절연층(117) 상에 제4 절연층(125)을 형성한다. 제4 절연층(125)은 제3 절연층(117)과 동일한 물질로 형성한다. 제4 절연층(125)을 패터닝하여 제1 금속층(109), 제2 금속층(115) 및 제2 문턱 스위칭층(123)의 상부를 노출시키는 비아홀(127, 129)을 형성한다. 제2 금속층(115)의 노출되는 영역은 지면에 대해 수직 방향에 위치하므로 도시되지 않는다.
이후, 비아홀(127, 129)에 제3 및 제4 금속층(131, 133)을 매립하여 형성한다. 제3 및 제4 금속층(131, 133)은 제1 금속층(109) 및 제2 금속층(115)과 동일한 물질 및 동일한 방법으로 형성한다. 제3 및 제4 금속층(131, 133)은 비아홀(127, 129)에 매립하도록 금속 물질층(미도시)을 형성한 후 패터닝하여 형성한다. 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 소자(410)에서 제1 금속층(109)과 연결되는 제3 금속층(131)은 제1 단자(N1)가 된다. 제2 문턱 스위칭 층(123)과 연결되는 제4 금속층(133)은 제2 단자(N2)가 된다. 도 11 및 도 12로 볼 때, 제2 금속층(115)의 폭은 상변화층(121)의 폭에 비해 작게 구성된다. 상변화층(121)이 리셋 상태로 프로그래밍되면 제2 금속층(115)의 두 단자(115a, 115b)는 서로 전기적으로 절연된다. 즉, 제2 금속층(115)의 두 단자(115a, 115b)는 각각 제3 단자(N3) 및 제4 단자(N4)가 된다.
도 1은 일반적인 프로그래머블 로직 소자를 나타낸 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 따라 SRAM을 프로그래머블 스위치 소자로 이용한 프로그래머블 로직 소자의 회로도이다.
도 3은 종래 기술에 따라 플래시 메모리를 프로그래머블 스위치 소자로 이용한 프로그래머블 로직 소자의 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 문턱 스위칭을 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 사상에 따른 메모리 스위칭을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명에 따른 상변화층을 이용한 비휘발성 프로그래머블 소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
Claims (9)
- 제1 단자;상기 제1 단자에 연결되는 제1 문턱 스위칭층;상기 제1 문턱 스위칭층에 연결되는 상변화층;상기 상변화층에 연결되는 제2 문턱 스위칭층;상기 제2 문턱 스위칭층에 연결되는 제2 단자; 및상기 상변화층의 일측부 및 타측부에 각각 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 상변화층은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)중 어느 하나를 포함하는 칼코겐(chalcogen) 화합물, 또는 안티몬(Sb)을 포함하는 안티몬 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 문턱 스위칭층 또는 제2 문턱 스위칭층은 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)중 어느 하나를 포함하고, 비소(As) 또는 인(P)이 더 포함되어 있는 칼코겐(chalcogen) 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 제3 단자 또는 제4 단자에 연결되는 소오스/드레인 단 자와 상기 제2 단자에 연결되는 게이트 단자를 갖는 MOS 트랜지스터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제1 단자;상기 제1 단자 상에 순차적으로 형성된 제1 문턱 스위칭층, 상변화층, 제2 문턱 스위칭층 및 제2 단자; 및상기 상변화층의 일측부 및 타측부에 각각 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하고,상기 제1 단자, 제1 문턱 스위칭층, 제2 문턱 스위칭층 및 제 2단자를 통하여 상기 상변화층에 전기 펄스를 공급하여 상기 상변화층의 가역적인 상변화를 유발시켜 상기 제3 단자, 상변화층, 및 제4 단자를 통해서 이동하는 전기 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 문턱 스위칭층 및 제2 문턱 스위칭층은 문턱 스위칭 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 상변화층은 인가되는 전류량에 따라 비정질 상태와 결정 상태로 가역적으로 변화되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 반도체 기판 상에 형성된 제1 금속층;상기 제1 금속층 상에 형성된 제1 문턱 스위칭층;상기 제1 금속층 및 제1 문턱 스위칭층 상에 절연층을 개재하여 형성된 제2 금속층;상기 제2 금속층을 관통하여 상기 제1 문턱 스위칭층과 연결되는 상변화층;상기 상변화층 상에 형성된 제2 문턱 스위칭층;상기 제1 금속층과 연결되어 상기 제1 문턱 스위칭층과 연결되는 제3 금속층; 및상기 제2 문턱 스위칭 상에 형성되는 제4 금속층을 포함하여 이루어지고,상기 제3 금속층 및 제4 금속층은 상기 제1 문턱 스위칭층 및 제2 문턱 스위칭층과 연결되는 제1 및 제2 단자이고, 상기 제2 금속층의 일측 및 타측은 각각 상기 상변화층과 연결되는 제3 및 제4 단자인 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
- 제8항에 있어서, 상기 제3 단자 또는 제4 단자에 연결되는 소오스/드레인 단자와 상기 제2 단자에 연결되는 게이트 단자를 갖는 MOS 트랜지스터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 소자.
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