KR101159704B1 - Non-volatile programmable switch device including phase change layer and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 전기 펄스 입력에 의하여 결정 상태 및 이에 대응되는 전기 저항이 변화하는 특성을 갖는 상변화 물질을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a nonvolatile programmable switch device including a phase change material having a characteristic of changing a crystal state and a corresponding electrical resistance by an electric pulse input. The present invention relates to a programmable switch element and a method of manufacturing the same.
회로 제작 이후에 사용자의 요구에 맞게 회로의 일부 기능을 다시 구성하여 다양한 기능을 구현할 수 있는 프로그래머블 로직 소자(programmable logic device, PLD)에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 프로그래머블 스위치(programmable switch)는 PLD의 내부에 위치하면서 사용자의 프로그래밍(programming)에 따라 로직 블록(logic block)과 배선(interconnect wire)의 연결을 제어하거나, 서로 다른 두 개의 배선의 연결을 제어하는 역할을 한다.After circuit fabrication, there is a great demand for a programmable logic device (PLD) that can reconfigure some functions of the circuit to meet various user requirements. Programmable switch is located inside the PLD and controls the connection of logic blocks and interconnect wires or the connection of two different wires according to the user's programming. Do it.
현재 프로그래머블 스위치의 구성 요소로 통상적으로 이용되는 것은 SRAM, 플래시(Flash) 메모리, 안티퓨즈(anti-fuse)이다. Current commonly used components of programmable switches are SRAM, Flash memory, and anti-fuse.
SRAM은 패스(pass) 트랜지스터에 연결되어 게이트 노드(node)를 제어함으로써 스위치로 작용하는데, 소거 및 쓰기 속도가 빠르고 잘 정립된 CMOS 공정으로 제조되기 때문에 현재 PLD에 가장 널리 적용되는 기술이다. 한편, SRAM 고유의 특성인 휘발성은 SRAM을 PLD에 적용하는 데 있어서 심각한 기술적인 단점으로 작용한다. SRAM을 구동하기 위해서는 전원이 차단된 상태에서도 구동에 필요한 정보를 보유하는 별도의 외장 메모리가 필요한데 이러한 외장 메모리는 제조 비용을 증가시키고 정보 보호에 매우 취약하다. SRAM acts as a switch by controlling a gate node connected to a pass transistor, which is the most widely used technology in PLDs because it is manufactured by a fast and well-established CMOS process with fast erase and write speeds. On the other hand, volatility, an inherent characteristic of SRAM, is a serious technical disadvantage in applying SRAM to a PLD. Driving an SRAM requires a separate external memory that retains the information needed to drive it even when the power is off, which increases manufacturing costs and is very vulnerable to information protection.
플로팅 게이트 및 컨트롤 게이트를 공유하는 2개의 플로팅 게이트 플래시 메모리 트랜지스터를 이용하여 다른 종류의 프로그래머블 스위치를 구성할 수 있다. 이러한 플래시 메모리는 SRAM과는 달리 전원이 없는 상태에서도 정보를 보유하는 비휘발성을 갖는다. 플래시 메모리는 외장 메모리를 필요로 하지 않고 적은 수의 트랜지스터 셀만으로도 스위치 소자를 구성할 수 있으므로 SRAM의 경우에 비해 집적도가 큰 장점이 있다. Two types of programmable switches can be configured using two floating gate flash memory transistors that share a floating gate and a control gate. Unlike SRAMs, such flash memories are nonvolatile, which retains information even in the absence of power. Flash memory does not require external memory and can be configured with only a small number of transistor cells, so there is an advantage of greater integration than SRAM.
안티퓨즈는 고전압 인가 시 매우 얇은 산화막에 전도성의 단결정 구조가 생겨서 전기 저항이 낮아지는 현상을 이용하는 기술로, 비용 측면에서 가장 유리한 프로그래머블 스위치 소자이다. 그 이유는 CMOS 기술로 제작이 가능하고, 그 크기가 작아서 집적도가 높기 때문이다. Antifuse is a technology that utilizes the phenomenon of low electrical resistance due to the formation of a conductive single crystal structure in a very thin oxide film when high voltage is applied, and is the most advantageous programmable switch device in terms of cost. The reason is that it is possible to manufacture by CMOS technology, and its size is small and the degree of integration is high.
그러나 프로그래밍이 한번으로 제한되는 단점이 있어서 PLD의 성능을 극대화하는 데에는 한계를 가지고 있다. 상기 스위치 기술의 대안으로 상변화 물질을 이용하는 스위치 기술이 주목받고 있다. 상변화 물질은 나노미터의 크기에서도 전원 없이 고저항 대 저저항 비가 유지되는 비휘발성이 있기 때문에 상변화 물질의 나노 스케일링을 이용하여 스위치의 집적도를 대폭 증가시킬 수 있다. However, the limitation of programming is limited to one time, and there is a limit to maximizing the performance of PLD. As an alternative to the switch technology, a switch technology using a phase change material is drawing attention. Since the phase change material is nonvolatile, which maintains a high resistance to low resistance ratio without a power supply even at a nanometer size, the integration of the switch can be greatly increased by using nano scaling of the phase change material.
또한, 상변화 물질은 고에너지 입자 충격에 대한 내성이 매우 뛰어난 특성을 가지고 있다. 이에 따라 게이트 산화막을 포함하는 MOS 트랜지스터를 기본 구성 요소로 하는 SRAM 및 플래시 기반의 스위치 소자에서 발생하는 고에너지 입자의 충격에 의한 정보 변경 오류가 상변화 물질을 포함하는 스위치 소자에서는 생기지 않는다.In addition, the phase change material has a very excellent resistance to high energy particle impact. As a result, an information change error due to the impact of high-energy particles generated in an SRAM and a flash-based switch device based on a MOS transistor including a gate oxide film does not occur in the switch device including a phase change material.
이제까지 수직형 구조와 수평형 구조를 갖는 상변화 물질을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자가 제안되었다. Until now, a nonvolatile programmable switch device including a phase change material having a vertical structure and a horizontal structure has been proposed.
도 1은 종래의 기술을 이용한 수평형 스위치 소자의 평면도이고, 도 2는 종래의 기술을 이용한 수직형 스위치 소자의 단면도이다. 1 is a plan view of a horizontal switch element using a conventional technique, Figure 2 is a cross-sectional view of a vertical switch element using a conventional technique.
도 1의 수평형 스위치 소자는 제1 단자(terminal)(10), 제2 단자(11), 제3 단자(12), 제4 단자(13)가 모두 동일한 하나의 상변화층으로 구성되며, 제2 단자(11) 및 제4 단자(13)를 통하여 리셋 프로그래밍을 실시하면 중앙에 비정질상(14)이 형성되어 제1 단자(10) 및 제3 단자(12)를 통한 전기 신호의 전달이 차단된다. The horizontal switch element of FIG. 1 includes a single phase change layer in which the
도 2의 수평형 스위치 소자는 제1 단자(20), 제2 단자(21), 제3 단자(22), 제4 단자(23), 상변화층(24)으로 구성되며, 제2 단자(21) 및 제4 단자(23)를 통하여 리셋 프로그래밍을 실시하면 상변화층(24) 중앙에 비정질상(25)이 형성되어 제1 단자(20) 및 제3 단자(22)를 통한 전기 신호의 전달이 차단된다.2 includes a
한편, 도 1 및 도 2의 종래의 기술을 이용한 수직형 및 수평형 스위치 소자에서 제2 단자 및 제4 단자를 통하여 셋 프로그래밍을 실시하면 비정질상의 전체가 아닌 일부 영역에만 전기저항이 작은 결정상 채널(도 1의 15, 도 2의 26)이 형성되는 부분적인 셋(partial set)이 자주 발생한다. 이러한 현상은 상변화 재료 내부에서 전류가 국부적으로 흐르기 때문에 발생하는 것인데, 그 원인은 상변화 재료에 연결되는 기생 정전용량 성분의 크기 및 비정질상의 모양과 밀접한 관계가 있다(D. Ielmini et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 26, NO. 11, (2005) 799., A. L. Lacaita et al., IEDM Tech. Dig., (2004) 911.). Meanwhile, in the vertical and horizontal switch devices using the conventional techniques of FIGS. 1 and 2, when the set programming is performed through the second terminal and the fourth terminal, the crystalline channel having a small electric resistance in only a part of the region rather than the entire amorphous phase ( A partial set in which the 15 of FIG. 1 and the 26 of FIG. 2 are formed frequently occurs. This phenomenon is caused by the local current flow inside the phase change material, which is closely related to the size and shape of the parasitic capacitance component connected to the phase change material (D. Ielmini et al., IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 26, NO. 11, (2005) 799., AL Lacaita et al., IEDM Tech. Dig., (2004) 911.).
부분적인 셋이 발생하면 전기 신호가 전달되는 경로 상에 전기저항이 매우 큰 비정질 상이 여전히 존재하므로 제1 단자 및 제3 단자를 통한 전기 신호의 전달이 불가능하다. 즉, 두 개의 신호전달 단자의 사이 영역은 개방된(open) 상태인 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 비정질상 전체가 결정상으로 변화하도록 매우 큰 셋 프로그래밍 전류를 흘려주어야 한다.
When a partial set occurs, an amorphous phase with a very high electrical resistance still exists on a path through which the electrical signal is transmitted, and thus, transmission of the electrical signal through the first terminal and the third terminal is impossible. That is, the area between the two signal transmission terminals is in an open state. To solve this problem, a very large set programming current must be applied to change the entire amorphous phase into a crystalline phase.
본 발명의 목적은 종래의 기술인 상변화층을 포함하는 수직형 및 수평형 구조의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단점을 극복하기 위하여 창안된 것으로써, 프로그래밍 이후에 로직 블록 간의 전기 신호를 용이하게 전달하는 기능을 갖는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to overcome the shortcomings of nonvolatile programmable switch devices having a vertical and horizontal structure including a phase change layer, which is a conventional technology, to easily transfer electrical signals between logic blocks after programming. A nonvolatile programmable switch device having a function and a method of manufacturing the same are provided.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 예에 의한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 단자와, 제2 단자와, 제1 단자 및 제2 단자에 연결되는 금속층과, 전도층과, 상변화층과, 상변화층에 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하여 이루어진다. 상기 상변화층의 일부는 전도층 상부에 형성되는 컨택 홀(contact hole) 내부에 위치하며, 제1 단자 및 제3 단자를 통하여 프로그래밍을 실시함으로써 컨택 홀 내부에 한정하여 상변화를 유발한다. 셋 프로그래밍에 의해 전기저항이 낮은 결정상이 형성되면 스위치 소자가 온(on) 되어 제2 단자 및 제4 단자를 통하여 전기 신호가 전달되고, 역으로 리셋 프로그래밍에 의해 전기 저항이 높은 비정질상이 형성되면 스위치 소자가 오프(off) 되어 제2 단자 및 제4 단자를 통한 전기 신호의 전달이 차단된다. In order to achieve the above object, a nonvolatile programmable switch device according to an embodiment of the present invention is a first terminal, a second terminal, a metal layer connected to the first terminal and the second terminal, a conductive layer, a phase change layer And a third terminal and a fourth terminal connected to the phase change layer. A portion of the phase change layer is located inside a contact hole formed on the conductive layer, and the phase change is limited to the inside of the contact hole by programming through the first terminal and the third terminal. When the crystal phase with low electrical resistance is formed by set programming, the switch element is turned on to transmit an electrical signal through the second terminal and the fourth terminal, and conversely, when the amorphous phase with high electrical resistance is formed by reset programming, the switch The device is turned off to block transmission of electrical signals through the second and fourth terminals.
본 발명의 다른 예에 의한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 단자와, 제2 단자와, 제1 단자 및 제2 단자에 연결되는 금속층과, 제1 전도층과, 상변화층과, 제2 전도층과, 제2 전도층에 연결되는 제3 단자 및 제4 단자를 포함하여 이루어진다. 상기 상변화층은 제1 전도층 및 제2 전도층을 이루는 물질의 고상 합금화에 의하여 제1 전도층 및 제2 전도층 사이에 형성된다.According to another embodiment of the present invention, a nonvolatile programmable switch device includes a first terminal, a second terminal, a metal layer connected to the first terminal and a second terminal, a first conductive layer, a phase change layer, and a second conduction. Layer and a third terminal and a fourth terminal connected to the second conductive layer. The phase change layer is formed between the first conductive layer and the second conductive layer by solid phase alloying of the materials constituting the first conductive layer and the second conductive layer.
또, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법은 제1 단자 및 제2 단자를 구비하는 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층 상부에 형성되는 전도층을 형성하는 단계, 상기 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 전도층을 덮는 절연층을 형성하는 단계 및 상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 상변화층을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, to achieve the above object, a method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention includes the steps of forming a metal layer having a first terminal and a second terminal, forming a conductive layer formed on the metal layer, Forming an insulating layer covering the conductive layer to form a contact hole exposing a portion of the upper portion of the conductive layer; and filling the contact hole and forming a phase change layer having a third terminal and a fourth terminal. Include.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법은 제1 단자 및 제2 단자를 구비하는 금속층을 형성하는 단계, 상기 금속층 상부에 형성되는 제1 전도층을 형성하는 단계, 상기 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 제1 전도층을 덮는 절연층을 형성하는 단계, 상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 제2 전도층을 형성하는 단계 및 상기 제1 전도층을 이루는 물질 및 상기 제2 전도층을 이루는 물질의 고상 합금화에 의하여 상기 제1 전도층 및 상기 제2 전도층 사이에 상변화층을 형성하는 단계를 포함한다.
In addition, in order to achieve the above object, a method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention may include forming a metal layer having a first terminal and a second terminal, and forming a first conductive layer formed on the metal layer. Forming an insulating layer covering the first conductive layer to form a contact hole exposing a portion of an upper portion of the conductive layer, filling the contact hole, and a second conductive layer having a third terminal and a fourth terminal Forming a phase change layer between the first conductive layer and the second conductive layer by solid phase alloying of the material constituting the first conductive layer and the material constituting the second conductive layer. .
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 소자는 상변화층의 일부가 위치하는 컨택 홀 영역에서 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 구조를 이용하므로 불충분한 셋 프로그래밍이 이루어지더라도 로직 블록 간의 전기 신호를 용이하게 전달하는 효과가 얻어진다. As described above, the nonvolatile programmable device according to the present invention uses a structure in which a programming terminal and a signal transmission terminal cross each other in a contact hole region in which a part of a phase change layer is located. The effect of easily transmitting an electrical signal is obtained.
또 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 소자는 상변화 물질을 이용하므로 동작 속도가 빠르고 비휘발성을 가지며 반복 기록 동작 특성이 우수하다.
In addition, since the nonvolatile programmable device of the present invention uses a phase change material, the operation speed is fast, nonvolatile, and the repetitive write operation is excellent.
도 1은 종래의 기술에 따른 수평형 구조의 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 평면도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 수직형 구조의 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 평면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다.1 is a plan view of a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer of a horizontal structure according to the prior art.
2 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer of a vertical structure according to the prior art.
3 is a plan view of a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer according to an embodiment of the present invention.
4A to 4D are diagrams for describing a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer and a method of manufacturing the same according to the present invention.
5 is a view for explaining the operation of the nonvolatile programmable switch device including a phase change layer according to the present invention.
6 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer according to another exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.These and other objects and novel features of the present invention will become more apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.First, the concept of the present invention will be described.
칼코겐 원소(S, Se, Te)를 포함하는 칼코겐화물(chalcogenide) 및 안티몬(Sb)을 포함하는 물질의 일부는 전압 또는 전류 입력에 따라 전기저항이 바뀌는 스위칭 거동을 나타낸다. 상기의 특성을 가진 물질을 통상적으로 상변화 재료라고 하는데, 그 이유는 각각의 상(相)에 대응되는 전기저항 값이 다르기 때문이다. 즉, 적절한 전압 또는 전류 입력에 따라 상이 가역적으로 바뀌며, 이에 따라 전기저항도 가역적으로 바뀐다. 전기저항 값은 매우 큰 범위 내에서 변화하기 때문에 이러한 상변화 재료 특성을 정보 저장 소자로 응용할 수 있다. 가역적인 상변화 과정은 다음과 같은 셋(set)과 리셋(reset) 과정으로 구분된다. 저항이 높은 비정질상에서 저항이 낮은 결정상으로 변화하는 과정을 셋이라 하며, 반대로 결정상에서 비정질상으로 변화하는 과정을 리셋이라 한다. Some of the materials containing chalcogenide (chalcogenide) and chalcogenide (S, Se, Te) and antimony (Sb) exhibit switching behavior in which the electrical resistance changes with voltage or current input. The material having the above characteristics is commonly referred to as a phase change material because the electric resistance value corresponding to each phase is different. In other words, the phase is reversibly changed according to the appropriate voltage or current input, and thus the electrical resistance is also reversibly changed. Since the electric resistance value varies within a very large range, this phase change material property can be applied as an information storage device. The reversible phase change process is divided into the following set and reset processes. The process of changing from a high-resistance amorphous phase to a low-resistance crystalline phase is called three, and the process of changing from a crystalline phase to an amorphous phase is called a reset.
셋과 리셋 과정을 위해서는 진폭 및 시간이 다른 두 종류의 전류 펄스가 필요하다. 진폭이 크고 시간이 짧은 셋 펄스는 상변화 재료의 내부 온도를 녹는점 이상으로 상승시키고 펄스가 종료된 후 액체 상태의 결정구조가 그대로 유지된 채로 냉각되게 함으로써 상변화 재료가 비정질상이 되도록 한다. 리셋 펄스에 비해 상대적으로 진폭이 작고 시간이 긴 셋 펄스는 상변화 재료 내부 온도를 결정화 온도 이상으로 상승시킴으로써 상변화 재료가 결정상이 되도록 한다.
The set and reset process requires two current pulses with different amplitudes and times. A large amplitude and short time set pulse raises the internal temperature of the phase change material above its melting point and allows the phase change material to become amorphous by allowing the liquid crystal structure to remain cool after the pulse is over. Set pulses with a relatively small amplitude and long time compared to reset pulses cause the phase change material to become a crystalline phase by raising the internal temperature of the phase change material above the crystallization temperature.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated according to drawing.
또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in description of this invention, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the repeated description is abbreviate | omitted.
이상에서 기술한 상변화 재료를 이용하여 도 3과 같은 스위치 소자를 구성한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 평면도이다.A switch element as shown in FIG. 3 is constructed using the phase change material described above. 3 is a plan view of a nonvolatile programmable switch device including a phase change layer according to an embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 단자(1), 제2 단자(2), 제1 단자(1) 및 제2 단자(2)에 연결되는 금속층(3), 전도층(4), 상변화 재료로 이루어지는 상변화층(5), 상변화층(5)에 연결되는 제3 단자(6) 및 제4 단자(7)로 구성된다. As shown in FIG. 3, the nonvolatile programmable switch device according to the present invention includes a metal layer connected to a
상변화층(5)의 일부는 전도층(4) 상부에 형성되는 컨택 홀(8) 내부에 위치하며, 상변화는 컨택 홀(8) 내부에 한정되어 발생한다. 제1 단자(1) 및 제2 단자(2)는 비어 홀(9)을 통하여 금속층(3)과 연결된다. 제3 단자(6) 및 제4 단자(7)는 비어 홀(9)을 통하여 상변화층(5)과 연결된다. 스위치 소자에 제1 단자(1) 및 제3 단자(6)를 통하여 전기 펄스를 인가하는 프로그래밍(programming)을 실시함으로써 상기 상변화 재료의 상변화를 유발한다. A part of the
컨택 홀(8) 내부에 위치하는 상변화층(5)의 일부가 셋 프로그래밍에 의해 저항이 낮아지면 스위치 소자가 온(on) 되어 제2 단자(2) 및 제4 단자(7)를 통하여 전기 신호가 전달되고, 역으로 리셋 프로그래밍에 의해 저항이 높아지면 스위치 소자가 오프(off) 되어 제2 단자(2) 및 제4 단자(7)를 통한 전기 신호의 전달이 차단된다. When a part of the
대표적인 상변화 재료인 GeSbTe의 전기저항은 셋 및 리셋 프로그래밍에 의해 각각 수백 옴 및 수 M옴이 되므로, GeSbTe를 사용하여 전기 신호의 전달 및 차단 역할을 수행하는 스위치 소자를 구성할 수 있다. 전도층(4)은 리셋 프로그래밍 시 상변화 재료의 상변화를 촉진하는 역할을 한다. 저항체 내부에 전류가 흐를 때 발생하는 주울 열은 저항값에 비례하는데 셋 과정 초기에는 전기저항이 큰 비정질상이 존재하기 때문에 상변화 재료의 자체 발열 효과가 매우 크다. 또한 상변화 재료의 온도가 결정화 온도까지만 상승하면 결정상이 형성되므로 상대적으로 작은 전류로도 셋 프로그래밍이 가능해진다. Since the electrical resistance of GeSbTe, a typical phase change material, is hundreds of ohms and several M Ohms by set and reset programming, respectively, GeSbTe can be used to construct a switch device that serves to transmit and block an electrical signal. The
그러나 리셋 과정의 경우에는 전기저항이 작은 결정상이 존재하는 상태에서 상변화 재료의 내부 온도가 녹는점까지 상승하여야 하므로 자체 발열에 필요한 전류가 매우 크다. 전도층을 상변화 재료와 접촉시키면 프로그래밍 시 전도층에서 방출되는 열 에너지가 인접한 상변화 재료의 온도 상승을 촉진하므로 리셋을 유도하는데 필요한 전류가 줄어든다.However, in the reset process, since the internal temperature of the phase change material must rise to the melting point in the presence of a crystal phase with a small electrical resistance, the current required for self-heating is very large. Contacting the conductive layer with the phase change material reduces the current required to induce a reset, as the thermal energy released from the conductive layer during programming promotes the temperature rise of adjacent phase change materials.
상술한 바와 같이, 본 발명의 스위치 소자는 상변화층의 일부가 위치하는 컨택 홀 영역에서 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 구조를 이용하므로, 비정질상의 일부분만 결정상으로 변화하더라도 전기 신호를 용이하게 전달한다. 따라서 종래의 기술에 비해서 셋 전류가 작은 장점을 갖는다.
As described above, the switch element of the present invention uses a structure in which a programming terminal and a signal transmission terminal cross each other in a contact hole region in which a part of a phase change layer is located. To pass. Therefore, the set current is small compared with the prior art.
다음에 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법을 설명한다.Next, a method for manufacturing a programmable switch element according to the present invention will be described.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 스위치 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단위 셀의 단면도 및 평면도이다.4A to 4D are cross-sectional views and plan views of a unit cell for explaining a method of manufacturing a switch element according to the present invention.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 제1 절연층(101)을 형성한다. 반도체 기판을 Si 웨이퍼로 하는 경우에는 제1 절연층으로 열산화(thermal oxidation) 법에 의하여 Si 산화막을 형성할 수 있다. 그 위에 하부전극(102)을 증착하고, 그 위에 더하여 전도층(103)을 증착한다. 하부전극(102)으로는 Al, Cu, W, TiW, 고농도로 도핑된 Si 등 전기비저항이 낮은 물질을 사용한다. 전도층(103)으로는 TiN, TaN, TiAlN, WN, WBN, TiSiN, TaSiN, WSiN, TiSiC, TaSiC, WSiC, 도핑된 Si, 도핑된 SiGe 등 하부전극(102)에 비해 상대적으로 전기비저항이 높은 물질을 사용한다. Referring to FIG. 4A, a first insulating
도 4b를 참조하면, 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 전도층(103) 및 하부전극(102)을 패터닝하고, 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 전도층(103)을 패터닝한다. 그 위에 제1 절연층(104)을 형성한다.Referring to FIG. 4B, the
도 4c를 참조하면, 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 제1 절연층(104)의 일부를 제거하여 컨택 홀을 형성하고, 그 위에 상변화층(105) 및 상부전극(106)을 연속해서 증착한다. 상변화층으로는 GeTe, SbTe, SiTe, SbSe, InSe, GeSbTe, SiSbTe, InSbTe, GaSeTe, SnSbTe, GeSiSbTe, GeSnSbTe, GeSbSeTe, 및 AgInSbTe 등의 칼코겐화물과 안티몬(Sb)을 포함하는 물질인 GeSb, ZnSb 등을 사용할 수 있으며, 각각의 물질은 스퍼터링(sputtering) 또는 CVD를 이용하여 형성한다. 상부전극(106)으로는 Al, Cu, W, TiW 등 전기비저항이 낮은 물질을 사용한다. 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 상부전극(106) 및 상변화층(105)을 패터닝하고 제2 절연층(107)을 형성한다. 상변화층(105)은 후속 열처리 공정을 이용하여 전도 특성을 가지게 할 수 있으므로 상기의 상부전극(106)은 본 발명의 스위치 소자를 구성하는 필수 요소는 아니며 사용하지 않아도 무방하다.Referring to FIG. 4C, a portion of the first insulating
도 4d를 참조하면, 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 제2 절연층(107)의 일부를 제거하여 비어 홀(108)을 형성하고 금속 박막 증착, 포토 리소그라피 공정 및 건식 식각을 통해 금속 패드층(109)을 형성한다. 금속 패드층(109)의 일부는 하부전극(102)에 연결되어 제1 단자(120) 및 제2 단자(121)가 되고 다른 금속 패드층(109)의 일부는 상부전극(106)에 연결되어 제3 단자(122) 및 제4 단자(123)가 된다.Referring to FIG. 4D, a portion of the second insulating
도 5는 본 발명에 따른 스위치 소자의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 제1 단자(150) 및 제3 단자(152)를 통하여 리셋 프로그래밍을 하면 전도층에 인접한 상변화층의 일부 영역에서 전기저항이 큰 비정질상(154)이 형성된다. 이때는 스위치 소자가 오프(off)인 상태이며, 제2 단자(151) 및 제4 단자(153)를 통한 전기 신호의 전달이 차단된다. 한편, 제1 단자(150) 및 제3 단자(152)를 통하여 셋 프로그래밍을 하면 비정질상 전체 또는 일부분이 전기저항이 작은 결정상(155)으로 바뀐다. 이때는 스위치 소자가 온(on)인 상태이며, 제2 단자(151) 및 제4 단자(153)를 통하여 전기 신호가 전달된다. 본 발명에 따른 스위치 소자는 종래의 기술과는 달리 셋 프로그래밍에 의해 비정질상인 상변화 재료의 일부분만 결정상으로 변화하더라도 로직 블록 간의 전기 신호를 용이하게 전달한다.5 is a view for explaining the operation of the switch element according to the present invention. When reset programming is performed through the
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스위치 소자의 단면도이다. 도 6의 스위치 소자는 제1 단자(250), 제2 단자(251), 제1 단자(250) 및 제2 단자(251)에 연결되는 하부전극(202), 제1 전도층(203), 상변화층(204), 제2 전도층(205), 상부전극(206), 상부전극(206)에 연결되는 제3 단자(252)및 제4 단자(253)로 구성된다. 상변화층(204)은 제1 전도층(203) 및 제2 전도층(205)을 이루는 물질의 고상 합금화에 의하여 제1 전도층(203) 및 제2 전도층(205) 사이에 형성된다. 예를 들어, Ge 및 Sb를 각각 제1 전도층(203) 및 제2 전도층(204) 물질을 사용하여 상변화층(204) 구성 물질로 GeSb를 생성한다. 제1 전도층(203) 및 제2 전도층(205)이 형성된 이후에는 어느 단계에서나 열처리를 실시하여 고상 합금화에 의한 상변화층(204)의 형성이 가능하다. 제2 전도층(205)이 전도 특성을 가지기 때문에 상부전극(206)은 본 발명의 스위치 소자를 구성하는 필수 요소는 아니며 사용하지 않아도 무방하다.
6 is a cross-sectional view of a switch device according to another embodiment of the present invention. The switch device of FIG. 6 includes the
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.
본 발명에 따른 상변화층을 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 전자기기의 부품에 이용된다.A nonvolatile programmable switch element comprising a phase change layer according to the present invention is used in a component of an electronic device.
1 : 제1 단자 2 : 제2 단자
3 : 금속층 4 : 전도층
5 : 상변화층 6 : 제3 단자
7 : 제4 단자 8 : 컨택 홀
9 : 비어 홀 100 : 반도체 기판1: first terminal 2: second terminal
3: metal layer 4: conductive layer
5: phase change layer 6: third terminal
7: fourth terminal 8: contact hole
9: via hole 100: semiconductor substrate
Claims (9)
상기 금속층 상부에 형성되는 전도층,
상기 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 전도층을 덮는 절연층 및
상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 상변화층을 포함하며,
상기 제1 단자와 제3 단자는 프로그래밍 단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 신호전달 단자이며, 상기 컨택 홀 영역에서 상기 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자.A metal layer having a first terminal and a second terminal,
A conductive layer formed on the metal layer,
An insulating layer covering the conductive layer to form a contact hole exposing a portion of the upper portion of the conductive layer;
A buried phase change layer filling the contact hole and having a third terminal and a fourth terminal,
And the first terminal and the third terminal are programming terminals, the second terminal and the fourth terminal are signal transmission terminals, and the programming terminal and the signal transmission terminal cross each other in the contact hole region. device.
상기 상변화층은 인가되는 전류량에 따라 비정질 상태와 결정 상태로 가역적으로 변화되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자.The method of claim 1,
The phase change layer is a nonvolatile programmable switch device, characterized in that made of a material that is reversibly changed to an amorphous state and a crystal state according to the amount of current applied.
상기 물질은 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 스위치 소자.The method of claim 2,
The material is a non-volatile programmable switch comprising a chalcogen compound including any one of sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) or an antimony compound including antimony (Sb). device.
상기 전도층은 TiN, TaN, TiAlN, WN, WBN, TiSiN, TaSiN, WSiN, TiSiC, TaSiC, WSiC, Si, SiGe 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 물질로 된 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자.The method of claim 1,
The conductive layer is a nonvolatile programmable switch device comprising any one material selected from the group consisting of TiN, TaN, TiAlN, WN, WBN, TiSiN, TaSiN, WSiN, TiSiC, TaSiC, WSiC, Si, SiGe .
상기 금속층 상부에 형성되는 제1 전도층,
상기 제1 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 제1 전도층을 덮는 절연층,
상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 제2 전도층 및
상기 제1 전도층 및 상기 제2 전도층 사이에 형성되며, 상기 제1 전도층을 이루는 물질 및 상기 제2 전도층을 이루는 물질의 고상 합금화에 의하여 형성된 상변화층을 포함하고,
제1 단자와 제3 단자는 프로그래밍 단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 신호전달 단자이며, 상기 컨택 홀 영역에서 상기 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자.A metal layer having a first terminal and a second terminal,
A first conductive layer formed on the metal layer,
An insulating layer covering the first conductive layer to form a contact hole exposing a portion of the upper portion of the first conductive layer,
A second conductive layer filling the contact hole and having a third terminal and a fourth terminal;
A phase change layer formed between the first conductive layer and the second conductive layer and formed by solid-phase alloying of a material constituting the first conductive layer and a material constituting the second conductive layer;
The first terminal and the third terminal is a programming terminal, the second terminal and the fourth terminal is a signal transmission terminal, the nonvolatile programmable switch device, characterized in that the programming terminal and the signal transmission terminal in the contact hole area intersect. .
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 스위치 소자.The method of claim 5,
The phase change layer is made of a nonvolatile compound comprising a chalcogen compound including any one of sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) or an antimony compound including antimony (Sb). Programmable switch element.
상기 금속층 상부에 형성되는 전도층을 형성하는 단계,
상기 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 전도층을 덮는 절연층을 형성하는 단계 및
상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 상변화층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 단자와 제3 단자는 프로그래밍 단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 신호전달 단자이며, 상기 컨택 홀 영역에서 상기 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법.Forming a metal layer having a first terminal and a second terminal,
Forming a conductive layer formed on the metal layer;
Forming an insulating layer covering the conductive layer to form a contact hole exposing a portion of the upper portion of the conductive layer;
Filling the contact hole, and forming a phase change layer having a third terminal and a fourth terminal,
The first terminal and the third terminal is a programming terminal, the second terminal and the fourth terminal is a signal transmission terminal, the method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device in which the programming terminal and the signal transmission terminal crosses in the contact hole region. .
상기 금속층 상부에 형성되는 제1 전도층을 형성하는 단계,
상기 제1 전도층 상부의 일부를 노출시키는 컨택 홀이 형성되도록 제1 전도층을 덮는 절연층을 형성하는 단계,
상기 컨택 홀을 매립하고, 제3 단자 및 제4 단자를 구비하는 제2 전도층을 형성하는 단계 및
상기 제1 전도층을 이루는 물질 및 상기 제2 전도층을 이루는 물질의 고상 합금화에 의하여 상기 제1 전도층 및 상기 제2 전도층 사이에 상변화층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 단자와 제3 단자는 프로그래밍 단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 신호전달 단자이며, 상기 컨택 홀 영역에서 상기 프로그래밍 단자와 신호전달 단자가 교차하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법.Forming a metal layer having a first terminal and a second terminal,
Forming a first conductive layer formed on the metal layer;
Forming an insulating layer covering the first conductive layer to form a contact hole exposing a portion of the upper portion of the first conductive layer,
Filling the contact hole and forming a second conductive layer having a third terminal and a fourth terminal; and
Forming a phase change layer between the first conductive layer and the second conductive layer by solid phase alloying of the material constituting the first conductive layer and the material constituting the second conductive layer,
The first terminal and the third terminal is a programming terminal, the second terminal and the fourth terminal is a signal transmission terminal, the method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device in which the programming terminal and the signal transmission terminal crosses in the contact hole region. .
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 스위치 소자의 제조 방법.
9. The method according to claim 7 or 8,
The phase change layer is made of a nonvolatile compound comprising a chalcogen compound including any one of sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) or an antimony compound including antimony (Sb). Method of manufacturing a programmable switch element.
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