KR101202506B1 - phase-change memory device, flexible phase-change memory device using insulating nano-dot and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자는 전극 및 상기 전극과 접촉하며, 상기 전극으로부터 발생한 열에 따라 상변화가 발생하는 상변화층을 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서, 상기 전극과 결정화 및 비정질화가 일어나는 상변화층 사이에는 자기조립 블록공중합체로부터 형성된 절연 나노입자가 구비되는 것을 특징으로 한다.A phase change memory device, a flexible phase change memory device using an insulating nanoparticle, and a method of manufacturing the same are provided.
A phase change memory device using an insulated nanoparticle according to the present invention is in contact with the electrode and the electrode, the phase change memory device including a phase change layer in which a phase change occurs according to the heat generated from the electrode, the crystallization with the electrode And insulating nanoparticles formed from the self-assembled block copolymer between the phase change layer in which the amorphous phase occurs.
Description
본 발명은 절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블록공중합체로부터 얻어지는 절연 나노입자를 이용, 전극과 상변화 물질과의 접촉면적을 감소시켜, 리셋 전류를 낮출 수 있는 절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a phase change memory device, a flexible phase change memory device using an insulating nanoparticles, and a method of manufacturing the same. More specifically, the contact area between an electrode and a phase change material using an insulating nanoparticle obtained from a block copolymer. The present invention relates to a phase change memory device, a flexible phase change memory device using an insulating nanoparticle capable of reducing a reset current, and a method of manufacturing the same.
상변화 메모리(일명 Phase-Change Memory or RAM, P-RAM) 소자는 특정 물질의 상(相) 변화를 판단해 데이터를 저장하는 차세대 메모리 반도체이다. 상변화 메모리 소자는 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루트(Te)로 구성된 칼코게나이드 화합물(Ge-Sb-Te:GST)과 같은 상변화 물질의 결정 상태를 이용하는 것으로, 상변화 물질의 결정상태가 결정인 경우는 1, 비결정인 경우에는 0의 신호를 검출하는 방식으로 정보를 저장한다. 이러한 상변화 메모리 소자는 전원이 끊겨도 저장된 정보가 지워지지 않는 플래시메모리의 장점과, 전원이 끊어지면 저장된 자료는 소멸되지만 빠른 처리 속도를 자랑하는 디램의 장점을 모두 지니고 있다. 하지만, 반도체 메모리 소자의 집적 밀도가 증대됨에 따라, 패턴 및 홀을 형성하기 위한 포토리소그라피 기술이 봉착한 한계로 인하여, 초미세 상변화 메모리, 특히 미세 패턴의 상변화 메모리 소자를 대면적으로 제조하는 것은 매우 어렵다. Phase-change memory (also known as phase-change memory or RAM, P-RAM) devices are next-generation memory semiconductors that store data by determining the phase change of a specific material. The phase change memory device uses a phase change material such as a chalcogenide compound (Ge-Sb-Te: GST) composed of germanium (Ge), antimony (Sb), and tellurium (Te). The information is stored in a manner that detects a signal of 1 when the decision state of the signal is determined to be 1 or 0 when it is not determined. Such a phase change memory device has both the advantages of flash memory, which does not erase stored information even when the power is cut off, and the stored data is lost when the power is cut off, but the DRAM has a high processing speed. However, as the integration density of semiconductor memory devices is increased, due to the limitations of photolithography technology for forming patterns and holes, an ultrafine phase change memory, particularly a fine pattern phase change memory device may be manufactured. Is very difficult.
즉 상변화메모리의 하부전극과 상변화물질 사이의 계면에서 줄-히팅이 일어나고 그 계면의 면적 크기에 따라 리셋(RESET) 전류의 크기가 비례하여 증가한다. RESET 전류가 증가하면 이에 따라 소자의 소비전력이 함께 증가한다(P=I^2R). 따라서, RESET전류를 줄이는 방법으로 전극, 특히 하부전극의 면적을 구조적으로 줄이는 것이 요구된다. 여기에서 문제는 소자 집적도가 올라감에 따라 CD(Critical Dimension)가 줄어들고, 이에 따라 포토리쏘그래피 공정의 한계에 이르게 되는데, 하부전극 컨택(BEC)의 CD를 줄이는 공정 또한 그 한계에 이르게 되었다는 점이다. 즉, 메모리 소자의 대용량화, 집적화에 따라 상변화층과 전극 사이의 면적이 크게 감소함으로 인하여, 상변화층과 전극 사이의 조밀한 접촉면적을 제어하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 상변화층의 결정상태를 변화시키는 최소 전류량인 리셋 전류의 요구치를 상변화층-전극 사이의 면적 조절로 제어하는 기술이 절실한 상황이다.That is, Joule-heating occurs at the interface between the lower electrode of the phase change memory and the phase change material, and the magnitude of the reset current increases in proportion to the area size of the interface. As the RESET current increases, the power consumption of the device increases accordingly (P = I ^ 2R). Therefore, it is required to structurally reduce the area of the electrode, in particular the lower electrode, in a way of reducing the RESET current. The problem here is that as the device density increases, the critical dimension (CD) decreases, which leads to the limitation of the photolithography process, which also reduces the CD of the lower electrode contact (BEC). That is, as the area between the phase change layer and the electrode is greatly reduced with the increase in capacity and integration of the memory device, it is very difficult to control the compact contact area between the phase change layer and the electrode. Therefore, there is an urgent need for a technique of controlling the required value of the reset current, which is the minimum amount of current for changing the crystal state of the phase change layer, by controlling the area between the phase change layer and the electrode.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상변화층과 전극 사이의 접촉면적을 감소시켜, 리셋 전류를 감소시킬 수 있는 새로운 상변화 메모리 소자 및 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a novel phase change memory device and a flexible phase change memory device capable of reducing the reset current by reducing the contact area between the phase change layer and the electrode.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상변화층과 전극 사이의 접촉면적을 감소시켜, 리셋 전류를 감소시킬 수 있는 새로운 플렉서블 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a new flexible phase change memory device capable of reducing the reset current by reducing the contact area between the phase change layer and the electrode.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전극 및 상기 전극과 접촉하며, 상기 전극으로부터 발생한 열에 따라 상변화가 발생하는 상변화층을 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서, 상기 전극과 결정화 및 비정질화가 일어나는 상변화층 사이에는 자기조립 블록공중합체로부터 형성된 절연 나노입자가 구비되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention is a phase change memory device comprising a phase change layer in contact with an electrode and the electrode, the phase change occurs in accordance with the heat generated from the electrode, crystallization and amorphous It provides a phase change memory device, characterized in that the insulating nanoparticles formed from the self-assembled block copolymer is provided between the phase change layer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전극은 상기 상변화층 아래의 하부전극이며, 상기 패터닝은 자기조립된 상기 블록공중합체의 특정 중합체 블록을 제거하는 방식으로 수행된다. In one embodiment of the present invention, the electrode is a lower electrode below the phase change layer, and the patterning is performed by removing a specific polymer block of the self-assembled block copolymer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 선택적으로 제거된 중합체 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 접촉하며, 상기 전극에서 발생한 열에 따라 상기 상변화층의 결정형이 변화된다. In an embodiment of the present invention, the phase change layer and the electrode are in contact with each other in the selectively removed polymer block region, and the crystal form of the phase change layer is changed according to the heat generated in the electrode.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체 중 선택적으로 제거되지 않은 중합체 블록 영역에서는 상기 상변화층과 전극이 접촉되지 않는다. In one embodiment of the present invention, the phase change layer and the electrode are not in contact with the polymer block region that is not selectively removed in the block copolymer.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘)-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다. In one embodiment of the present invention, the block copolymer is polystyrene-polydimethylsiloxane, polystyrene-polymethylmethacrylate, polystyrene-poly (2-vinylpyridine), poly (2-vinylpyridine) -polydimethylsiloxane, polystyrene- It is any one selected from the group consisting of polyferrocenylsilane.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체는 실리콘 함유 블록공중합체이며, 상기 절연 나노입자는 실리콘 산화물을 포함한다. 또한, 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 또는 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란이다. In one embodiment of the present invention, the block copolymer is a silicon-containing block copolymer, and the insulating nanoparticles include silicon oxide. In addition, the block copolymer is polystyrene-polydimethylsiloxane or polystyrene-polyferrocenylsilane.
본 발명은 또한 상술한 상변화 메모리 소자가 플렉서블 기판 상에 구비된 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다. The present invention also provides a flexible phase change memory device having the above-described phase change memory device on a flexible substrate.
본 발명은 상변화층 및 상기 상변화층에 열을 인가하여 상기 상변화층 물질의 결정화 또는 비정질화를 발생시키는 전극을 포함하는 상변화 메모리 소자의 제조방법에 있어서, 전극상에 블록공중합체를 도포한 후, 어닐링하여 자기조립시키는 단계; 자기조립된 상기 블록공중합체의 일부 중합체 블록을 제거하여 절연 나노입자를 형성하는 단계; 및 상기 전극 및 절연 나노입자상에 상변화층을 적층하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 제거된 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법을 제공한다. The present invention provides a method for manufacturing a phase change memory device including a phase change layer and an electrode for applying heat to the phase change layer to generate crystallization or amorphous phase of the phase change layer material. After application, annealing to self-assemble; Removing some polymer blocks of the self-assembled block copolymer to form insulating nanoparticles; And depositing a phase change layer on the electrode and the insulating nanoparticles, wherein the phase change layer and the electrode are in contact with each other in the removed block region. do.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 전극 상에 브러쉬층을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 전극은 질화티타늄(TiN), 상기 상변화층은 칼코게나이드 화합물로 이루어진다.In one embodiment of the present invention, the method further comprises the step of laminating a brush layer on the electrode, the electrode is titanium nitride (TiN), the phase change layer is made of chalcogenide compound.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘)-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나이다. In one embodiment of the present invention, the block copolymer is polystyrene-polydimethylsiloxane copolymer, polystyrene-polymethylmethacrylate, polystyrene-poly (2-vinylpyridine), poly (2-vinylpyridine) -polydimethylsiloxane, Any one selected from the group consisting of polystyrene-polyferrocenylsilane.
본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 상변화 메모리 소자를 제공한다. The present invention provides a phase change memory device manufactured by the method described above.
본 발명은 또한 플렉서블 상변화 메모리 소자로서, 상기 소자는 플렉서블 기판; 및 상기 플레서블 기판에 구비되며, 상변화층 및 하부전극을 포함하는 상변화 메모리 소자를 포함하며, 여기에서 상기 상변화층 및 하부전극 사이에는 블록공중합체로부터 형성된 절연 나노입자가 구비되는 것을 특징으로 하는 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다. The present invention also provides a flexible phase change memory device comprising: a flexible substrate; And a phase change memory device provided on the flexible substrate and including a phase change layer and a lower electrode, wherein insulating nanoparticles formed from a block copolymer are provided between the phase change layer and the lower electrode. A flexible phase change memory device is provided.
본 발명의 일 실시예에서 상기 상변화 메모리 소자는 유연한 실리콘 반도체; In one embodiment of the present invention, the phase change memory device comprises: a flexible silicon semiconductor;
상기 실리콘 반도체 상에 형성된 소스/드레인 도핑층; 상기 소스/드레인 도핑층의 도핑영역에 각각 연결된 워드라인 전극 및 비트라인 전극; 및 상기 비트라인 전극 상에 순차적으로 적층된 하부전극과 상변화층을 포함한다. 이때, 상기 실리콘 반도체는 단결정 실리콘일 수 있다. A source / drain doping layer formed on the silicon semiconductor; A word line electrode and a bit line electrode respectively connected to the doped regions of the source / drain doped layer; And a lower electrode and a phase change layer sequentially stacked on the bit line electrode. In this case, the silicon semiconductor may be single crystal silicon.
본 발명은 상변화 메모리의 소모전력 감소를 위한, 상변화물질과 줄-히팅(Joule Heating) 전극(Bottom Electrode Contact)과의 계면을 제어할 수 있다. 즉, 블록공중합체의 자기조립 현상을 통한 계면 제어 방법을 이용하여 전극과 상변화물 질의 접촉면적(컨택면적)을 줄임으로써 리셋전류(Ireset)를 줄일 수 있고, 이에 따른 메모리의 소모전력을 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명에 따른 상변화메모리 소자를 통하여 리셋(RESET) 전류 감소를 통한 소모전력의 감소가 가능해지고, 집적도가 높아지면서 생기는 포토리쏘그래피(Photo-Lithography) 공정의 한계를 극복하는데 효과적이다.The present invention can control the interface between the phase change material and the Joule Heating electrode (Bottom Electrode Contact) to reduce the power consumption of the phase change memory. That is, the reset current (Ireset) can be reduced by reducing the contact area (contact area) of the electrode and the phase change material by using the interface control method through the self-assembly of the block copolymer, thereby reducing the power consumption of the memory. Can be. In addition, the phase change memory device according to the present invention enables the reduction of power consumption through the reduction of the reset current, and is effective in overcoming the limitations of the photo-lithography process caused by the higher integration.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계별 단면도이다.
도 2a 내지 2e는 다양한 상변화 메모리소자에 있어 자기조립된 블록공중합체를 사용한 경우의 단면도이다.
도 3a 내지 3e는 다양한 형태의 패턴된 블록공중합체의 평면도이다.
도 4 내지 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 상변화 메모리 소자의 회로도이다.
도 19는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 리셋 전류 및 리셋 저항 곡선이다.
도 20은 컨택 면적(contact area) 감소에 따른 리셋 전류 감소를 설명하는 곡선이다.1 is a cross-sectional view of a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
2A through 2E are cross-sectional views of self-assembled block copolymers used in various phase change memory devices.
3A-3E are plan views of patterned block copolymers of various forms.
4 to 17 are steps of a method of manufacturing a flexible phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
18 is a circuit diagram of the phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
19 is a reset current and a reset resistance curve of a phase change memory device according to the present invention.
FIG. 20 is a curve illustrating the reduction of reset current as the contact area decreases.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호, 동일한 형태의 패턴은 동일 구성요소들을 나타낸다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. In the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
본 발명은 종래 기술의 문제, 즉, 줄-히팅이 발생하는 전극과 칼코게나이드 화합물과 같은 상변화 물질층(이하 상변화층) 사이의 증가된 접촉면적 및 이에 따른 리셋 전류의 증가라는 문제를 해결하고자 하였다. 이를 위하여 본 발명은 전극과 상기 전극과 접촉하며, 상기 전극에서 발생한 줄-열(Joule-Heat)에 따라 결정형이 변화되는 상변화층을 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서, 상기 전극과 상변화층 사이에 자기조립 블록공중합체 기술에 의하여 형성된 절연 나노입자가 구비된다. The present invention solves the problem of the prior art, namely, the increased contact area between the electrode where Joule-heating occurs and a phase change material layer (hereinafter, phase change layer) such as a chalcogenide compound and thus an increase in reset current. I tried to solve. To this end, the present invention is in contact with the electrode and the electrode, in the phase change memory device including a phase change layer in which the crystal form is changed according to the Joule-Heat generated in the electrode, the electrode and the phase change layer Insulated nanoparticles are formed between the self-assembled block copolymer technology.
본 명세서에서 전극은 공급되는 전기에너지에 의하여 줄-열이 발생하는 전극을 의미하며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전극은 상변화층 아래의 하부전극이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서 상변화층 양쪽의 전극 중 높은 저항을 가짐으로써 인가되는 전력에 의하여 열이 발생, 상변화층의 결정상태를 변화시키는 전극이 하부전극에 속한다. In the present specification, the electrode refers to an electrode in which Joule-heat is generated by the supplied electric energy, and in one embodiment of the present invention, the electrode is a lower electrode under the phase change layer, but the scope of the present invention is not limited thereto. . That is, in one embodiment of the present invention, the heat generated by the power applied by the high resistance of the electrodes on both sides of the phase change layer, the electrode to change the crystal state of the phase change layer belongs to the lower electrode.
본 발명에 따르면, 전극 상에 잔존하는 일부 중합체 블록이 하부전극컨택과 상변화층 사이의 접촉 면적을 줄여, 스위칭 전류를 낮추어 준다. 더 나아가, 본 발명은 리셋 전류가 감소된 상변화 메모리 소자가 플라스틱 기판상에서 제조된 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다. According to the present invention, some polymer blocks remaining on the electrode reduce the contact area between the lower electrode contact and the phase change layer, thereby lowering the switching current. Furthermore, the present invention provides a flexible phase change memory device in which a phase change memory device having a reduced reset current is manufactured on a plastic substrate.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계별 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 먼저 하부전극인 기판(10) 상에 브러쉬층(11)을 적층한다. 상기 브러쉬층은 상분리에 의하여 자기조립된 구조물의 정렬성을 높이기 위한 것이로, 폴리스티렌(PS), 폴리디메틸시록산(PDMS), 폴리(2-비닐피리딘)(P2VP) 등의 단일고분자가 상기 브러쉬층으로 사용될 수 있다. Referring to FIG. 1, first, the
이후 상기 코팅된 브러쉬층(11) 상에 블록공중합체(block copolymer) 용액이 코팅된다. 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘)-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란 등이 사용될 수 있다. 특히. 유기기반의 블록공중합체와 달리 폴리디메틸실록산이나, 폴리페로세이닐실란은 실리콘과 같은 무기물질을 함유한다. 이 경우, 무기물질이 함유된 블록공중합체는 이후 진행되는 산소 플라즈마 식각 공정에 의하여 SiOx, FeSixOy 등 무기산화물의 절연 나노입자를 형성하게 된다. 이로써 우수한 절연성, 내화학 특성, 기계적 특성의 무기 기반의 절연 나노입자를 전극과 상변화층 사이에 구비시켜, 신뢰성 있는 상변화 메모리 소자를 제조할 수 있다. Thereafter, a block copolymer solution is coated on the coated
상기 열거된 블록공중합체 용액의 용매로는 톨루엔, 헵탄, 아세톤, DMF, 펜탄올 등이 사용될 수 있다. Toluene, heptane, acetone, DMF, pentanol, and the like may be used as a solvent of the above-mentioned block copolymer solution.
이후, 코팅된 블록공중합체(12)는 어닐링 공정을 통하여 자기조립된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 어닐링은 용매 어닐링(solvent annaling) 또는 열적 어닐링(thermal annealing) 방식으로 진행될 수 있다. 열적 어닐링은 진공 또는 공기 상태에서 상온 내지 300℃의 온도로 1분 내지 수일 동안 열처리하는 방식으로 진행된다. 이상의 어닐링 공정을 통하여 중합체 블록은 소정 형태로 정렬되어, 각 블록 중합체는 소정의 크기와 형태를 가지는 블록 영역(domain)을 가지게 된다.Thereafter, the
상기 자기조립된 블록공중합체는 패터닝된다. 상기 패터닝을 통하여 자기조립된 블록공중합체 중 특정 중합체 블록(13)이 제거된다. 이로써 또 다른 특정 중합체 블록(14)만이 상기 전극 기판(10) 상에 남게 되며, 남게 되는 상기 중합체 블록은 상변화층과 전극(여기에서는 기판(10))사이의 접촉면적을 감소시킨다. 본 발명에서 상기 패터닝은 리프트-오프 또는 식각 공정을 통하여 진행될 수 있으며, 또한 식각은 건식과 습십 식각 모두 가능하다. 건식 식각 방식에서는 사불화탄소(CF4)와 산소를 이용한 2 단계 플라즈마 식각이 사용될 수 있으며, 습식 식각 방식에서는 BOE나 과산화수소수 식각액이 사용될 수 있다. 특히 산소 플라즈마 식각에 의하여 실리콘 함유 중합체 블록은 나노입자 형태의 실리콘 산화물로 산화되며, 산화된 실리콘산화물 나노입자는 우수한 절연특성, 기계적 특성, 내화학 특성을 가지고 있으므로, 이를 통하여 안정된 상변화 메모리 소자의 제조, 이용이 가능하다.The self-assembled block copolymer is patterned. The patterning removes certain polymer blocks 13 in the self-assembled block copolymer. This leaves only another
도 2a 내지 2e는 다양한 상변화 메모리소자에 있어 자기조립된 블록공중합체를 사용한 경우의 단면도이다.2A through 2E are cross-sectional views of self-assembled block copolymers used in various phase change memory devices.
도 2a 내지 2e를 참조하면, 하부전극(BEC, 20)과 상변화층(30) 사이에 본 발명에 따른 자기조립 블록공중합체(25)가 적층, 코팅되며, 이후 식각 등의 공정을 통한 패터닝에 의하여 형성된 절연 나노입자는 상변화층(30)과 전극(20) 사이의 접촉 면적을 최소화시킨다. 본 발명에 따른 이러한 블록공중합체-기반 절연 나노입자는 다양한 크기와 형태로 적용될 수 있다. 2A to 2E, the self-assembled
도3a 내지 3e는 다양한 형태의 패턴된 블록공중합체의 평면도이다.3A-3E are plan views of patterned block copolymers of various forms.
도3a 내지 3e를 참조하면, 블록공중합체는 용액 상태로 도포된 후, 자기조립되므로, 소자 크기와 형태에 상관없이 기판 상에 소정 형태로 패턴될 수 있다. 도 3a에서는 소정 크기의 나노 점(dot) 또는 나노입자 형태로 블록공중합체가 사각 형태의 전극 상에 남았으며, 도 3b에서는 직선 형태의 전극 상에 점 형태의 블록공중합체 블록이 남아 있다.3A to 3E, since the block copolymer is applied in a solution state and then self-assembled, the block copolymer may be patterned in a predetermined shape on the substrate regardless of the device size and shape. In FIG. 3A, the block copolymer remains on a square electrode in the form of nano dots or nanoparticles of a predetermined size, and in FIG. 3B, the block copolymer block remains on a straight electrode.
이와 같이, 본 발명은 액상의 블록공중합체를 도포한 후, 어닐링하므로, 기판의 크기나 모양에 관계없이 일정한 형태의 패터닝된 블록공중합체-기반 절연 나노입자를 전극 상에 구비시킬 수 있다.As described above, the present invention is annealed after the liquid block copolymer is applied, and thus, the patterned block copolymer-based insulating nanoparticles may be provided on the electrode, regardless of the size or shape of the substrate.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상술한 방법을 이용한 플렉서블 상변화 메모리 소자의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다. 즉, 본 발명의 일 실시예는 상변화 메모리 소자 기판을 플렉서블 기판에 전사시키는 방식의 플렉서블 상변화 메모리 소자의 제조방법 및 플렉서블 기판 상에 구비된 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다. 이로써 메모리 소자 제조에 따른 기판 한계를 효과적으로 극복하며, 소자 적용 범위도 넓힐 수 있다.Another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a flexible phase change memory device using the above-described method and a flexible phase change memory device manufactured thereby. That is, an embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a flexible phase change memory device in which a phase change memory device substrate is transferred to a flexible substrate, and a flexible phase change memory device provided on the flexible substrate. This effectively overcomes the substrate limitations associated with the manufacture of memory devices and can extend the range of device applications.
도 4 내지 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계도이다.4 to 17 are steps of a method of manufacturing a flexible phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 하부의 벌크 실리콘층(100); 절연층(110); 및 단결정의 상부 실리콘층(120)으로 순차적으로 적층된 SOI(Silicon On Insulator) 기판이 개시된다. 상기 상부 실리콘층(120)에는 p형 불순물과 n형 불순물이 도핑된 소스/드레인 도핑층(130)이 형성되며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 상부 실리콘층(120)에는 소스/드레인 도핑층(130)이 복수 개 구성된다. 상기 소스/드레인 도핑층은 PN 접합 다이오드를 이루며, 상기 소스/드레인 도핑층(130) 및 이에 대응하는 상부 실리콘 기판(120)은 하나의 메모리 소자 기판을 구성하게 된다. 즉, 본 발명은 상변화 메모리 소자의 기본 소자 기판(즉, PN 다이오드 기판)을 실리콘 기판에서 제조한 후, 이를 플렉서블 기판에 전사시키는 방식으로 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제조한다. 4, the
도 5를 참조하면, 상기 불순물 도핑 영역 주변의 상부 실리콘층(120)은 식각(제 1 식각)되는데, 상기 식각에 의하여 상기 불순물 도핑 영역(즉, 메모리 소자 기판) 주변의 절연층은 노출된다. 특히 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 식각은 상기 메모리 소자 기판 주변을 모두 식각하지 않는다. 만약, 메모리 소자 기판 주변을 모두 식각하는 경우, 소자 기판의 정렬 상태가 흔들리게 되므로, 상기 메모리 소자 기판(130)은 적어도 주변의 상부 실리콘층(120)과 소정의 브릿지 구조를 통하여 연결되는 것이 바람직하다. 예를 들면 도 5에서는 메모리 소자 기판 주변으로 4개의 식각라인이 구성되며, 각각의 식각라인은 서로 연결되지 않을 수 있다. Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 상기 불순물 도핑 영역인 메모리 소자 기판 주변으로 노출된 절연층은 비등방식각된다. 이로써 하부 벌크 실리콘층(100)으로부터 메모리 소자 기판(즉, 소스/드레인 도핑층(130) 및 이에 대응하는 상부 실리콘층(120))은 분리된다. 하지만, 여전히 메모리 소자 기판과 연결된 주변의 상부 실리콘층(120)에 의하여 메모리 소자 기판은 정렬된 상태를 유지한다.Referring to FIG. 6, the insulating layer exposed around the memory device substrate, which is the impurity doped region, is boiling-etched. This separates the memory device substrate (ie, the source / drain doped
상기 상부 실리콘층(120)은 유연한 특성을 가질 수 있는 두께 조건을 갖는 것이 바람직하며, 반도체 특성을 갖는다. 따라서, 상기 상부 실리콘층(120)은 유연한 실리콘 반도체로 지칭될 수 있으며, 단결정의 결정구조를 갖는다. 상기 단결정 실리콘 반도체는 본 실시예에 같이 SOI 기판으로부터 전사될 수 있으며, 이와 달리 비정질 실리콘 기판의 레이저 처리에 의하여 제조될 수 있다. The
도 7을 참조하면, 상기 메모리 소자 기판은 이후 플렉서블 기판인 플라스틱 기판(210)으로 전사된다. 상기 전사는 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 전사층에 상기 메모리 소자 기판을 접착시켜, 이를 다시 플라스틱 기판(210)으로 옮기는 방식으로 진행될 수 있으며, 상기 플라스틱 기판(210)에는 폴리이미드와 같은 접착층(200)이 도포되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 접착층(200)과 메모리 소자 기판의 접착에 따라 전사층 또는 전사기판(미도시)으로부터 메모리 소자 기판이 분리된다.Referring to FIG. 7, the memory device substrate is then transferred to the
도 8을 참조하면, 상기 소스/드레인 도핑층(130) 상에 금속 전극(220)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 금속 전극은 상기 소스 및 드레인 영역 각각에 연결되며, 각각은 메모리 소자의 워드라인 및 비트라인을 구성한다. Referring to FIG. 8, a
도 9를 참조하면, 유연한 실리콘 반도체(120)상의 상기 소스/드레인 도핑층(130)에 연결된 상기 금속전극(220) 상에 하부전극(240)이 적층된다. 본 발명에서 상기 하부전극(240)은 전압 인가에 따라 저항에 의하여 열이 발생하는 물질로 이루어지며, 예를 들면, 질화티타늄(TiN)이 상기 하부전극(240)으로 사용될 수 있다.Referring to FIG. 9, a
도 10을 참조하면, 상기 기판 상으로 제 1 절연층(250)이 적층된 후, 패터닝된다. 상기 패터닝에 의하여 하부전극(240) 일부가 노출된다. Referring to FIG. 10, a first insulating
도 11을 참조하면, 상기 하부전극(240) 상에 자기조립된 블록공중합체 박막이 적층된 후, 일부 블록이 식각된다. 이로써, 소정의 점(dot) 형상의 절연 나노입자(260)가 상기 하부전극(240) 상에 남게 된다. 상술한 블록공중합체 적층-자기조립-식각의 과정은 도 1에서 상술한 바와 같으며, 도 12의 공정을 통하여 하부전극의 노출면적은 감소하게 된다. 더 나아가, 본 발명은 용액 상태에서 블록 공중합체를 도포한 후, 어닐링하고, 다시 이를 식각하므로, 집접화된 메모리 소자에도 효과적으로 적용할 수 있다. 또한 블록공중합체 식각 공정시 상기 제 1 절연층(250)은 식각 마스크층으로 기능한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 하부전극(240) 상에 구비되는 절연 나노입자는 산화된 폴리디메틸실록산으로부터 형성된 무기산화물인 실리콘산화물 나노입자이었다. 따라서, 전극 상에 도포되는 블록공중합체로 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 블록공중합체를 사용하였으며 산소 플라즈마에 의하여 폴리스티렌은 제거되며, 이로써 점 형태의 실리콘산화물 나노입자만이 하부 전극상에 남게 된다. 이때, 무기산화물이 가지는 우수한 기계적 특성, 내화학 특성은 안정되고, 내구성 있는 상변화 메모리 소자를 가능하게 한다. Referring to FIG. 11, after the self-assembled block copolymer thin film is stacked on the
도 12를 참조하면, 상기 하부전극(240) 및 절연 나노입자(260)상에 상변화 물질로 이루어진 상변화층(270)이 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 상변화 물질은 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루트(Te)로 구성된 칼코게나이드 화합물(Ge-Sb-Te:GST)이었으며, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자는 상변화 물질의 결정 상태를 이용하는 것으로, 상변화 물질의 결정상태가 결정인 경우는 1, 비결정인 경우에는 0의 신호를 검출하는 방식으로 정보를 저장한다. Referring to FIG. 12, a
특히 본 발명은 상변화층(270)과 하부전극(240) 사이에 블록공중합체 박막을 자기조립한 후 패터닝시킴으로써 얻어진 절연 나노입자를 구비시킴으로써 상변화물질과 전극 사이의 접촉 면적을 최소화시키며, 이로써 리셋 전류의 감소를 유도할 수 있다. In particular, the present invention minimizes the contact area between the phase change material and the electrode by providing insulating nanoparticles obtained by self-assembly and patterning the block copolymer thin film between the
도 13을 참조하면, 상기 상변화층(270) 상에 또 다른 전극(220)이 적층된다. 이로써 상변화층(270)을 사이에 두고, 두 개의 전극이 구성되며, 특히 보다 높은 저항을 가지는 하부 전극에서 발생한 열은 상변화층(270)의 결정형을 변화시킨다. Referring to FIG. 13, another
도 14를 참조하면, 상변화층(270)이 적층되지 않은 메모리 소자 전극에 워드라인(310)이 연결된다. 상기 워드라인(310)은 제 1 절연층을 패터닝한 후, 금속층을 증착, 패터닝하는 방식으로 형성된다.Referring to FIG. 14, a
도 15를 참조하면, 상기 기판 상에 제 2 절연층(320)이 적층된 후, 패터닝된다. 이로써 상기 비트라인에 연결되는 상변화층, 다 정확하게는 제 2 금속접착층(231))이 외부로 노출된다.Referring to FIG. 15, a second insulating
도 16을 참조하면, 상기 제 2 금속접착층(230)에는 비트라인(330)이 연결된다. Referring to FIG. 16, a
도 17을 참조하면, 상기 소자 기판 상에는 제 3 절연층(340)이 적층되어, 비트라인(330)을 덮게 된다. 이로써 상변화물질의 결정 상태에 따라 정보를 저장할 수 있는 상변화 메모리 소자가 완성되며, 상기 상변화 메모리 소자는 이와 같이 본 발명은 자기조립 가능하며, 선택적으로 패터닝될 수 있는 블록공중합체 마스크를 사용, 소자 전극과 상변화물질 사이의 접촉면적을 감소, 제어할 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따른 상변화 메모리 소자에 비하여 적어진 리셋 전류를 갖는 상변화 메모리 소자가 구현 가능하다. Referring to FIG. 17, a third
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 상변화 메모리 소자의 회로도이며, 도 20은 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 리셋 전류 및 리셋 저항 곡선이며, 도 21은 접촉면적(contact area) 감소에 따른 리셋 전류 감소를 설명하는 곡선이다.FIG. 18 is a circuit diagram of the phase change memory device according to an embodiment of the present invention, FIG. 20 is a reset current and a reset resistance curve of the phase change memory device according to the present invention, and FIG. 21 is a contact area reduction. The curve illustrating the reduction of reset current according to.
도 19 및 20을 참조하면, 패턴된 블록공중합체를 상변화층과 하부전극 사이에 구비시켜, 컨택 면적을 감소시킴에 따라 리셋 전류는 감소하고, 리셋 저항은 증가하는 것을 알 수 있다.19 and 20, the patterned block copolymer is provided between the phase change layer and the lower electrode, and as the contact area is reduced, the reset current decreases and the reset resistance increases.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand.
Claims (17)
전극상에 실리콘 함유 블록공중합체를 도포한 후, 어닐링하여 자기조립시키는 단계;
산소 플라즈마 공정에 의하여 상기 자기조립된 상기 블록공중합체 중 일부 중합체를 제거하며, 상기 산소 플라즈마 공정에 의하여 상기 실리콘 함유 블록중합체를 산화시켜, 상기 전극상에 실리콘 나노입자를 형성시키는 단계; 및
상기 전극 및 실리콘 나노입자상에 상변화층을 적층하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 제거된 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법.In the method of manufacturing a phase change memory device comprising a phase change layer and an electrode to generate heat or crystallization of the phase change layer material by applying heat to the phase change layer,
Applying a silicon-containing block copolymer onto the electrode, followed by annealing to self-assemble;
Removing some polymers of the self-assembled block copolymer by an oxygen plasma process, and oxidizing the silicon-containing block polymer by the oxygen plasma process to form silicon nanoparticles on the electrode; And
And depositing a phase change layer on the electrode and the silicon nanoparticles, wherein the phase change layer and the electrode are in contact with each other in the removed block region.
상기 블록공중합체를 도포한 후, 어닐리하여 자기조립시키는 단계 이전, 상기 전극 상에 브러쉬층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 1, wherein the phase change memory device is manufactured by:
After applying the block copolymer, before the step of annealing and self-assembly, further comprising the step of laminating a brush layer on the electrode.
상기 전극은 질화티타늄(TiN), 상기 상변화층은 칼코게나이드 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 1,
The electrode is a titanium nitride (TiN), the phase change layer is a manufacturing method of a phase change memory device, characterized in that consisting of chalcogenide compound.
상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌-폴리(2-비닐피리딘), 폴리(2-비닐피리딘)-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법.The method of claim 1,
The block copolymer may be polystyrene-polydimethylsiloxane copolymer, polystyrene-polymethylmethacrylate, polystyrene-poly (2-vinylpyridine), poly (2-vinylpyridine) -polydimethylsiloxane, polystyrene-polyferrocenylsilane The method of manufacturing a phase change memory device, characterized in that any one selected from the group consisting of.
A phase change memory device manufactured by the method of manufacturing a phase change memory device according to any one of claims 1 to 4.
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