KR20000052840A - 상 전이(ｐｈａｓｅ-ｃｈａｎｇｅ)메모리 물질과 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료 - Google Patents

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추바티즈월도디미르
오브신스키스탠포드알.
스트랜드데이비드에이.
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마빈 에스. 시스킨드
에너지 컨버젼 디바이시즈, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명에 따른 복합메모리 재료는 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 혼합물을 포함하며, 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O 와 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함한다. 단일 셀 메모리 소자는 복합 메모리 재료와 간격을 두고 배치되는 접점들의 쌍을 포함한다.

Description

상 전이(ｐｈａｓｅ-ｃｈａｎｇｅ)메모리 물질과 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료 {COMPOSITE MEMORY MATERIAL COMPRISING A MIXTURE OF PHASE-CHANGE MEMORY MATERIAL AND DIELECTRIC MATERIAL}
Ovonic EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)은 새롭고, 독점적이며, 고성능이고, 비휘발성이며, 박막인 전자 메모리 장치이다. 이의 장점으로는, 데이터의 비휘발성 저장과, 고밀도 비트의 전위이며, 이는 결과적으로, 그것의 작은 풋프린트(footprint)와 간단한 두 개의 터미널 장치 구성에 의한 저가 비용및 재 프로그램의 긴 사이클 주기와 낮은 프로그램적 에너지 및 고속 처리를 들 수 있다. Ovonic EEPROM은 정보의 아날로그, 디지털 형태의 저장이 모두 가능하다. 디지털 저장은 이진저장(메모리 셀 당 하나의 비트)일 수 있으며 또한 다중 상태(셀 당 복수의 비트)의 저장일 수 있다. 부차적 변경들은 단지 두 개의 디지털 모드들간의 스위치에 필요하다. 본 발명의 목적에서는 "메모리 소자들(memory elements)" 과 "제어 소자들(control elements)" 의 용어들은 동의어로 사용될 것이다.
초기의 전기 상 전이(phase-change) 메모리에 대해 아래와 같이 설명된다.
전기적 기록과 전기적 소거가 가능한 상 전이(phase-change) 재료들, 예를 들면, 일반적인 비정질 상태와 결정(crystalline) 상태 사이에서 전기적으로 스위치될 수 있는 물질, 이러한 재료들을 전기 메모리에 적용하는 일반적 개념은, 예를 들어, 1966년 9월 6일 오브신스키(Ovshinsky)에 허여된 미국 특허 번호 3,271,591에 게시되어 있으며, 또한 1970년 9월 22일 오브신스키에 허여된 미국 특허 번호 3,530,441에 게시된 것처럼 잘 알려져 있다. 이 두 특허는 본 발명의 같은 양수인에게 양도된 것으로, 이 두 특허에 게시된 내용들은 이하에서 "오브신스키 특허들"로 언급하여 본 발명에서 참고될 것이다.
오브신스키 특허들에서 언급된 것처럼, 이러한 상 전이(phase-change) 물질들은, 일반적 비정질과 일반적 결정의 로컬 오더(local order)에 대한 구조성 상태들 사이에서, 또는 로컬 오더의 서로 다른 검출 가능한 상태들 사이에서, 완전하게 비정질 상태와 완전하게 결정 상태 사이의 전 스펙트럼을 횡단하여 전기적으로 스위치 될 수 있다. 즉, 오브신스키 특허들에서는, 이러한 물질들의 전기적 스위칭은 완전한 비정질과 완전한 결정 상태들 사이에서 일어나는 것을 필요로 하지 않으며, 오히려 완전한 비정질 상태와 완전한 결정 상태 사이에 스펙트럼을 걸치게 하는 로컬 오더의 복수적 상황들에 의해 나타나는 "그레이 스케일"을 제공하기 위하여 로컬오더의 변화를 반영하는 증가적 과정에서 나타날 수 있음을 제시하고 있다. 또한, 오브신스키 특허들에서 제시되는 초기의 재료들은, 필요하다면, 부호화된 이진 정보의 단일 비트들을 저장하고 검색하는 것을 조절할 수 있도록, 일반적 비정질과 일반적 결정의 로컬 오더의 두 구조적 상태들 사이에서 단지 스위치 될 수 있다.
후속의 전기고체 메모리와 마찬가지로 오브신스키 특허들에서 기재된 전기적으로 소거가능한 상 전이(phase-change) 메모리들은, 테이프, 플로피 디스크, 자기 또는 광학 하드디스크 드라이브, 고체 디스크 플래시, DRAM, SRAM, 소켓 플래시 메모리와 같은 현재의 컴퓨터 메모리에 적용되는 것들을 대체하는 직접적이고 보편적인 대체품으로서 광범위하게 사용될 수 있는 것을 막는 많은 한계성을 갖는다. 특히, 이들 한계성 중 가장 중요한 한계성은, 첫째, (현재의 기준에 따라) 비교적 느린 스위칭 속도이며, 특히 좀더 큰 로컬 오더의 방향에서 (결정화를 증가시키는 방향으로) 스위치될 때이며, 둘째, 로컬 오더에서의 검출 가능한 변화를 시작하는데 필요한 비교적 높은 입력 에너지의 필요성이며, 셋째는, 저장된 정보의 메가바이트 당 비교적 높은 단가(특히 현재의 하드 디스크 드라이브 매체와 비교할 때)이다.
이들 한계성 중 가장 큰 것은, 로컬 오더에서 검출가능한 변화를 시작하기 위하여 칼코겐니드(chalcogenide) 물질의 화학적 또는/그리고 전기적 결합 구성에 있어 검출 가능한 변화를 얻는데 필요한 비교적 높은 에너지 입력이 그것이다. 또한, 오브신스키 특허들에서 기재된 전기적 메모리 재료들의 스위칭 시간이 큰 한계성이라 할 수 있다. 이들 물질들은 일반적으로, 세트 시간(물질이 비정질 상태에서 결정 상태로 전환하는데 필요한 시간)에 대한 몇 밀리세컨드(milliseconds)의 범위내에서의 필요한 시간과, 리셋 시간(물질이 결정체 상태에서 반대로 비정질 상태로 전환하는데 필요한 시간)에 대한 대략적 마이크로세컨드(microsecond)의 범위내에서의 필요한 시간이 요구되는 것이다. 약 마이크로쥴(microjoule)의 범위내에서 일반적으로 측정되는 이들 물질들을 전환시키는 데에 있어서 전기적 에너지가 또한 필요하다.
에너지의 이러한 양은 메모리 셀들의 행과 열의 고체 매트릭스에서 메모리 소자들의 각각에 전달되어야 한다는 것은 알려진 사실이다. 이러한 높은 에너지의 레벨들은, 각 이산 메모리 소자와 결합하는 셀 절연/어드레스 장치와 어드레스 라인들에 대해 필요한 요건들을 전달하는 높은 전류로 바뀐다. 이들 에너지 요건들을 고려하면, 본 기술의 전문가들에게 있어 메모리 셀 절연 소자들의 선택은, 미크롱(micron) 규모 석판 인쇄술을 사용하며 이로써 메모리 소자들의 불가능한 패킹(packing) 밀도를 사용하게 하는 초대 단일 결정 다이오드 또는 트랜지스터 절연 장치들에 한정될 것이다. 따라서, 이러한 물질로부터 만들어지는 매트릭스 배열의 저비트 밀도들은, 저장된 정보의 메가바이트당 높은 단가의 결과를 가져오게 된다.
저장 장소이고 비휘발성인 대중적 메모리와 고속 휘발성 시스템의 메모리 간의 가격과 성능의 차이를 효과적으로 좁힘으로써, 본 발명의 메모리 소자들은 노블(novel)하고 비 계층적인 "유니버설 메모리 시스템"의 표준을 허용하는 기능을 가지게 된다. 본질적으로 시스템의 모든 메모리에 대한 가격을 내릴 수 있으며, 저장장소이며, 빠른 수행이 가능한 것이다. 원래의 오브신스키 타입의 상전이 전기 메모리들과 비교함에 있어, 본 발명에서 기술되는 메모리 재료들은 60배 이상이 더 빠른 프로그래밍 시간(30 nsec. 이하)을 제공하며, 또한 긴 주기의 논증적 안정성과 사이클 능력(10 트릴리언(trillion) 주기를 초과)과 함께 극도로 낮은 프로그래밍 에너지(0.1에서 0.2 나노쥴(nanojoules) 이하)를 사용한다. 또한, 소자의 크기의 추가적 감소를 나타내는 실험적 결과는 스위칭 속도와 주기 수명을 증가시킬 수 있게 한다.
일반적으로, 칼코겐니드 메모리 재료의 등급에 대한 발전과 최적화는, 현재 실제 더 빠른 스위칭 시간과 더 낮은 세트/리셋 에너지를 가지는 다른 유형의 고체 전기적 메모리들과 같은 비율로 진행되지 못했다. 이들 메모리들의 다른 유형들은, 일반적으로, 메모리 적용에 있어 각 메모리 비트(비트당 셋 또는 네 개의 트랜지스터)에 대한 하나 또는 두 개의 고체 초소형 전기 회로소자들을 사용한다. EEPROM과 같은, 이러한 고체 상태의 메모리들에서의 일차적 "영속성(비휘발성)" 메모리 소자들은, 전형적으로, 제한된 재프로그램 능력을 가지며 각 메모리 비트를 저장하기 위하여 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전하를 홀딩하는 플로팅 게이트 전계효과 트랜지스터 장치들이 그것들이다. 이 전하는 시간 경과와 함께 누설될 수 있기 때문에, 소자들이 조립되는 칼코겐니드 물질의 전기적 구조나 실제의 원자 구성에 있어 전하를 통해 정보가 저장되는 선행 기술의 상전이 매체에서, 정보의 저장은 실제 영속적이지 못하다. 이들 메모리들의 다른 유형들은 시장중심지에서 받아들이기 좋은 것들이다.
DRAM, SRAM과는 반대로, 휘발성 메모리 장치들과, 플로팅 게이트 구조와 같은 다른 "플래시" 장치들은 본 발명의 전기 메모리 장치들에서 전계효과 트랜지스터 장치들이 요구되지 않는다. 사실, 전기적으로 소거 가능하고, 직접 오버라이트 가능한 본 발명의 메모리 소자들은, 절연을 위한 반도체 다이오드와 박막 캘코겐니드 물질의 모놀리식체(monolithic body)와의 단지 두 개의 접점들을 포함하면서 이들을 제조하기 위한 가장 간단한 전기 메모리 장치이다. 결과적으로, 초소형 칩 "리얼 에스테이트(real estate)"는 비트 정보를 저장하기 위해 필요하며, 고유한 고밀도 메모리 칩들을 대비하여 제공되는 것이다. 또한, 정보 밀도의 추가 증가는 각 이산 메모리 셀에서의 멀티비트 저장을 사용함으로써 달성될 수 있는 것이다.
플래시 EEPROM 마켓을 언급하고 유니버설 메모리로 고려되기 위하여, 메모리 소자들은 실제로 비휘발성(영속성)이어야 한다. 만일 메모리 소자가 멀티비트 저장 능력을 가지고 있다라고 하면, 이것은 훨씬 더 의미있는 일이 된다. 세트 저항값이 손실되거나 발견된다 하더라도 시간을 넘어서 심하게 표류한다면, 저장된 정보는 파괴되며, 사용자는 메모리의 기록 보관 기능에 대해 신뢰를 잃게 된다.
세트 저항의 안정성에 추가로, 유니버설 메모리에 요구되는 또 하나의 아주 중요한 요인은 저(low) 스위칭 전류이다. 이것은 EEPROM들이 대규모 저장 장소로 사용될 때 의미는 더욱 커진다. 이러한 방법으로 사용되는 EEPROM은 현재 컴퓨터 시스템들의 기계적 하드 드라이브(자기 또는 광학 하드 드라이브)를 대체하는 것이다. EEPROM "하드 드라이브"에 의한 종래의 기계적 하드 드라이브의 대체에 대한 주요 이유들 중 하나는 기계적 시스템의 비교적 큰 전력 소비를 줄이기 위한 것이다. 랩탑 컴퓨터의 경우에는, 기계적 하드 디스크 드라이브가 가장 큰 전력 소비자중의 하나가 되는 것이기 때문에 특별하게 관심되어지는 부분이다. 따라서, 이것은 전력 부하를 감소시키는 데에 있어 특히 유리한 부분이 될 수 있으며, 결과적으로 전원 셀들의 전하 당 컴퓨터의 사용시간을 증가시키게 되는 것이다. 그러나, 기계적 하드 드라이브에 대한 EEPROM 대체가 높은 스위칭 에너지를 필요로 한다면(따라서 고전력 요건이어야 한다면), 전원 절약은 결과적으로 최상의 결과를 얻을 수 없게 될 것이다. 따라서, 어느 EEPROM이든지 유니버설 메모리의 저전환 에너지가 고려되어야 한다.
EEPROM 유니버설 메모리의 또 다른 요구사항은 저장된 정보의 높은 열 안정성이다. 오늘날 컴퓨터, 특히 퍼스널 컴퓨터는, 상례적으로 고온을 기반으로 하고 있다. 이러한 고온은 전원 소스 또는 다른 열 발생 내부 구성 소자들에서처럼 내부적으로 발생되는 열에 의해 야기될 수 있다. 또한 이들 고온들은, 보통의 온도보다 더 높게 직접, 간접으로 가열되는 환경에서 더운 기후 또는 이러한 환경의 컴퓨터 보관에 의한, 이러한 환경적 요인들에 의해 야기될 수 있다. 상승된 온도에 원인이 있든, 현재 컴퓨터 메모리의 시스템, 특히 "하드"나 저장 장소로서의 메모리는 비교적 높은 온도에서라도 열에 있어 안정되어야 한다. 이러한 열 안정성 없이는, 데이터의 손실과 함께 상기 언급한 신뢰성을 잃게 되는 것이다.
EEPROM 유니버설 메모리의 또 다른 조건은 기록과 소거의 긴 사이클 주기이다. 모든 저장 메모리의 경우와 마찬가지로, EEPROM의 사이클 주기는 소비자의 신뢰성과 허용성에 있어서 중요한 역할을 한다. 만일 메모리 장치의 사이클 주기가 너무 짧다면, 사용자는 유효한 데이터를 잃을 것에 대한 두려움으로 사용을 꺼려할 것이다. EEPROM이 컴퓨터의 메인 메모리 또는 디스플레이 메모리에 대한 대체품으로 사용된다면, 즉 DRAM, SRAM 또는 VRAM에 대한 대체품으로 사용된다면, 긴 사이클 주기의 필요성은 비평적이기까지 하다. 메인 그리고 디스플레이 메모리는 컴퓨터에서 가장 자주 데이터를 기록하고 소거하는 영역이다. 새로운 컴퓨터 프로그램이 로드될 때마다, 컴퓨터의 메인 메모리의 일부는 소거되고 기록된다. 컴퓨터의 프로그램 수행 동안, 컴퓨터의 메인 메모리의 일부는 일정하게 사이클된다. 컴퓨터 모니터의 디스플레이가 변화될 때마다, 디스플레이 메모리의 부분들은 사이클된다. 컴퓨터의 메인과 디스플레이 메모리를 대체하기 위해 사용되는 EEPROM들이 기록과 소거의 비교적 긴 사이클 주기를 갖지 않는다면, 극단적으로는 이들 메모리들이 대체될 필요가 있는 것이다.
본 발명은 일반적으로 전기로 작용하는 메모리 재료에 관한 것으로서, 특히 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료에 관한 것이다.
도 1은 복합 메모리 재료와 접점 쌍을 도시하고 있는 단일 메모리 소자의 횡단면도를 나타낸다.
도 2는 소자들이 X-Y 번지 라인들의 세트와 어떻게 연결되는지를 보여주는 다중 메모리 소자들의 가능한 배치도의 평면도를 나타낸다.
도 3은 다이오드들과 같은 절연 소자들이, 각 장치들을 다른 장치들과 전기적으로 절연시키기 위하여, 메모리 소자들과 어떻게 일련으로 연결되는지를 추가로 보여주는 도 1의 메모리 소자들의 개략도를 나타낸다.
도 4는 어드레스, 드라이버, 해독기들이 동작하여 첨부되는 집적회로 칩과 함께 도 1에서 도시한 것처럼 전기통신에 위치되는 본 발명의 집적 메모리 매트릭스와 함께 도시되는 단일 결정(crystal) 반도체 기판을 보여주는 개략적인 대표도를 나타낸다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 저장된 데이터에 대한 감소된 스위칭 전류의 조건들과 더욱 나은 열 안정성을 가지는 고체 메모리 재료를 제공하는 것을 목적으로 하며, 또한 이 언급된 메모리 재료를 포함하는 메모리 소자를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 그리고 다른 목적들은 활성적인 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성적인 유전체 물질들의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료에 의해 달성된다. 이러한 상 전이(phase-change) 메모리 재료는 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O 와 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소들을 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 그리고 다른 목적들은, 활성적인 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성적인 유전체 물질들의 혼합물을 포함하며 단일 셀 메모리 소자를 정의해주는 메모리 재료의 부피와; 메모리 소자에 저장된 정보를 읽고 또한 메모리 소자에 정보를 기록하기 위한 터미널들을 제공하며, 간격을 두고 배치되는 접점들의 쌍을 포함하는, 단일 셀 메모리 소자에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 상기 그리고 다른 목적들은, 전기적으로 동작하고 직접 오버라이팅 가능한 멀티 비트의 단일 셀 메모리 소자에 있어서: 상기 단일 셀에 멀티비트 저장용량을 제공할 수 있도록, 선택된 전기 입력 신호에 따라 상기 재료의 이전 저항값과는 상관없이, 특정 개시 또는 소거되는 저항값에 세팅시킬 필요없이, 다이내믹 영역내에서, 전기 저항값들의 광(large) 다이내믹 영역을 복수개의 저항값들중 하나에 직접 세팅할 수 있는 능력으로 추정하는 수단을 구성하면서 단일 셀 메모리 소자를 한정해 주는 메모리 재료의 체적과; 간격을 두고 배치되고 다이내믹 영역내에서 메모리 재료를 선택된 저항값에 세팅하도록 전기입력 신호를 공급하는 접점 쌍을 포함하며, 상기 간격을 두고 배치되는 접점들 중 적어도 하나는 제 1 접점 재료와 제 2 접점 재료의 혼합물로 구성되며, 상기 제 1 접점 재료는 탄소를 포함하며, 상기 제 2 접점 재료는 적어도 하나의 전이금속 원소를 포함함으로써 달성된다. 바람직하게는, 제 2 접점 재료는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mc, Hf, Ta, W 그리고 이들의 혼합물이나 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되어지는 적어도 하나 또는 그이상의 원소를 포함한다. 좀 더 바람직하게는, 제 2 접점 재료는 Ti 와 W를 포함한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상에 따른 실시 예에서 그 구성 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 특징과 이점을 상세히 설명한다.
본 발명에 따라 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료가 게시된다. 본 발명의 복합 메모리 재료는, 안정상태의 광(wide)다이내믹영역 내에서의 스위칭을 위해, 향상된 전기 메모리 소자들을 제작하기 위해 사용될 수 있는 빠른 속도에서의 저(low) 에너지 입력들을 제공한다.
복합 메모리 재료는 비휘발성이며, 주기적 리프레시(refresh) 신호를 필요로 하지 않고 (에러의 선택된 마진내에서) 저장된 정보의 통합성을 유지시켜 준다. 또한, 복합 메모리 재료는, 이산 메모리 소자들에서 저장된 정보를 변경시키기 위하여 저장된 정보가 소거될 필요가 없도록(고유 개시지점에 세트되도록) 직접적인 오버라이트가 가능한 것이다. 빠르면서 낮은 에너지 저항이 서로 다른 어느 값들로 스위칭되는 것은, 스위칭이 상 전이(phase-change) 스위칭 물질의 총체적인 원자 재배열의 필요성 없이 발생한다는 사실에 근거될 수 있다.
언급하였듯이, 복합 메모리 재료는 활성적인 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성적인 유전체 물질의 혼합물이다. 활성적인 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 복수 개의 구성적 원자 원소들에 의해 구성된다. 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O 와 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함한다. 바람직하게는 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 적어도 하나의 칼코겐 원소를 포함하며, 적어도 하나의 전이 금속 원소를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 칼코겐 원소는 Te, Se 그리고 이들의 혼합물이나 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된다. 더욱 바람직하게는, 칼코겐 원소는 Te와 Se의 혼합물이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "전이금속(transition metal)"은 원소들(21에서 30, 39에서 48, 72에서 80)을 포함한다. 바람직하게는, 전이금속 원소는 Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt 와 이들의 혼합물이나 합금들로 이루어지는 그룹에서 선택된다. 가장 바람직하게는, 전이금속은 니켈(Ni)이다. 이러한 다중원소 시스템들의 특수한 예들은 Ni 또는/과 Se 같이 또는 없이 Te:Ge:Sb 시스템에 관하여 하기에 설명될 것이다.
특히, 여기서 기재된 텔루륨 합금은 단독쌍 상태들(lone pair states)로 이루어진 가 전자대를 가진다. 4 p 셸 전자들은 Te에서 나타나고 Te 전자는 p 셸에서 두 개의 결합 전자들에 의해 화학적으로 결합되기 때문에, 다른 두 외부의 전자들(단독쌍)은 결합 목적으로 사용되지 않으며, 따라서, 실제로 시스템의 원자에너지를 변화시키지 않는다. 이에 관하여, 최 고분자 궤도는 단독쌍 전자들을 포함하여 이루어지는 궤도인 것은 알려져 있는 사실이다. 이것은, 텔루륨과 게르마늄 원자들의 완전한 화학양론비의 결정(stoichiometric crystal)에서, 결정이 형성됨으로써 얻어지는 격자에서의 내부적 스트레인(strain)을 적용하게 되면서, 가 전자대는 확장될 수 있고 그리고나서 존재하게 되는 페르미 준위(Fermi level)의 포지션(position) 쪽으로 상향 이동될 수 있기 때문에, 의의가 있다 하겠다. 그러나, TeGe 결정들(crystals)은 자연히 "자기 보상(self-compensated)" 된다, 즉, 결정은 우선적으로 Te의 충분한(52%에 근사하는 Te와 48%에 근사하는 Ge) 합성을 추정하는 것이 필요하다. 화학양론비의 결정은 면심입방구조이지만; 에너지의 무기물 양에 더하여, 결정은 이의 Ge 와/또는 Sb의 베이컨시들(vacancies)의 수를 증가시킴으로써 사방육면체의 격자 구조를 추정할 수 있다. 결정의 격자 구조에서의 이러한 베이컨시의 생성은, TeGe 합금에서의 격자 스트레인을 감소시킬 수 있으며, 재료의 에너지 상태를 낮추는 원인이 되며, 가 전자대 쪽으로 페르미 준위를 이동시키는 것이다.
서술성을 얻기 위한 목적으로 단영역 로컬오더모델(short range local order model)의 상면에 로컬 오더의 비정질 모델을 위치시키는 것이 꼭 필요한 것이 아니라면, 또한 원자 동작의 완전하게 예측적인 설명이 아니라면, 그것은 수용할 수 있는 것이다. 재료의 비정질 성질을 고려할 때, 밴드 테일(band tails)에서의 디펙트 상태의 밀도는 밴드 에지(band edges)에 가장 가깝다는 것은 알려진 것이며, 반면 흡수된(captured) 전하 캐리어들에 대한 재결합 중심의 깊이는 밴드 에지에서 훨씬 더 떨어진 깊이라는 것도 알려진 것이다. 이들 깊이의 트랩들과 테일 상태들의 존재는 페르미 준위 포지션과 밴드 에지 사이의 중간적 안정 저항값들에 대한 설명을 가능하게 해준다. 이론과는 상관없이, 완전히 결정 상태일 때, 본 발명의 반도체 물질은 금속성과 같은 전도성을 나타내는 축퇴 반도체가 된다.
반도체와 메모리 재료의 벌크 상태에서 나타나는 결정체들의 크기는 상대적으로 작으며, 바람직하게는 약 2000Å 보다 작으며, 좀더 바람직하게는 약 50Å와 500Å 사이이며, 가장 바람직하게는 약 200Å에서 약 400Å의 순서에 있다는 것이, 좀 더 신뢰성 있다 하겠다. 또한, 재료가 신뢰성있게 반복적으로 세트될 수 있는 이들 검출가능한 저항값들간의 전이들에 대한 더 낮은 에너지 요건들과 마찬가지로, 이들 결정체들은, 다른 저항들(도전율들)로서 검출가능한 재료의 많은 페르미 준위 포지션들의 신속한 형성에 기여하는 비정질 표면에 의해 둘러싸임으로써 신뢰성있게 되어진다.
또한 본 발명의 초소형 결정체 물질로부터 제조되는 둘 혹은 세 터미널 반도체 장치들에서의 특징적인 스위칭 변조가, 반복가능하고 검출가능한 저항값들이 유효할 수 있도록 제어된다는 것은 알려져 있는 일이다. 저(low)에너지 입력 신호들에 의해, 필요한 도전율(페르미 준위 포지션에 의해 설정되는)에 빠르게 세트되는 본 발명의 재료들에 대해, 단지 상기 재료들이 적어도 두 개의 다른 페르미 준위 포지션들내에서 안정적(또는 길게 존속되는 준안정적인) 상태이어야 한다는 것이 필요하며, 이러한 페르미 준위 포지션들은 실제로 콘스턴트 밴드 갭들에 의해 그러나 다른 전기 도전율들에 의해 특징지어진다는 것은 알려져 있는 사실이다. 상기에서 기술한 것처럼, 결정체의 비교적 작은 크기는 저항의 검출가능한 값들 사이의 신속한 전이에 기여할 수 있다는 것도 또한 알 수 있다.
본 발명의 반도체 재료들의 특징 중 하나는 단위 부피당 점점 더 작게 형성되는 경향을 들 수 있다. 본 발명을 구현하는 대표적 재료들에서 가장 광범위하게 우선적으로 사용되는 결정체의 크기는 약 2,000Å에 훨씬 못 미치는 크기라는 것은 이미 알려져 있는 것이며, 일반적으로는 약 2,000Å에서 5,000Å 사이의 범위 이하이며 이것은 선행기술에 의한 재료의 특징이다. 결정체의 크기는 본 발명에서 결정체의 또는 그것들의 "특성 용적(characteristic dimension)"의 직경으로 정의되며, 이것은 결정체들이 구형의 형상으로 형성되지 않는 곳의 직경과 상응하는 것이다.
본 발명의 표준에 맞는 TeGeSb 재료들의 등급에서 높은 저항 상태에서의 합성들은, 선행기술의 전기적으로 소거가능한 메모리 재료들에서 나타나는 것과 상대적인 Te의 실제 감소된 농도에 의해 일반적으로 특징지어진다. 실제 향상된 전기적 스위칭의 성능적 특징들을 제공하는 하나의 조성(composition)에 있어, 도포 재료에 있어서의 Te의 평균 농도는 70%를 훨씬 밑도는 것이며, 전형적으로는 약 60% 보다 아래이며, 일반적으로는 낮은 비율인 약 23%에서 약 58% 까지로 분류되며, 가장 바람직하게는 약 48%에서 58%의 범위이다. Ge의 농도는 약 5% 이상이며, 평균적 재료에서는 낮은 약 8%에서 약 30%까지의 범위에 들며, 일반적으로는 약 50% 아래로 잔존하게 된다. 가장 바람직하게는, Ge의 농도는 약 8%에서 약 40% 까지에 속하는 범위에 들어가는 것이다. 이러한 조성에 있어서의 주된 구성 요소들의 나머지는 Sb 이다. 주어진 백분율들은 구성 요소들의 총 원자들 100%에 대한 원자의 백분율이 된다. 따라서, 이러한 조성은 TeaGebSb100-(a+b)로서 특징지어질 수 있다. 이들 3원 시스템의 Te-Ge-Sb 합금들은, 훨씬 나은 전기적 특징들을 가지는 추가적 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 향상을 위해, 유용한 스타팅 재료이다.
상 전이(phase-change) 메모리 물질은 바람직하게는 적어도 하나의 칼코겐을 포함하게 되며, 하나 또는 그 이상의 전이 금속들을 포함할 수도 있다. 전이 금속들을 포함하는 상 전이(phase-change) 물질들은 Te-Ge-Sb 3원 시스템에서 상 전이(phase-change) 물질이 원소적으로 변조된 형태들이다. 즉, 원소적으로 변조된 상 전이(phase-change) 물질들은 Te-Ge-Sb 상 전이(phase-change) 합금들의 변조된 형태들을 구성한다. 이 원소적 변조는 기본적인 Te-Ge-Sb 3원 시스템에서의 전이 금속들의 합동에 의해, Se 같은 부가적인 칼코겐 원소와 같이(또는 없이) 이루어진다. 일반적으로 원소적 변조의 상 전이(phase-change) 물질들은 두 개의 카테고리에 속하게 된다.
제 1 카테고리는 (TeaGebSb100-(a+b))cTM100-c의 비율에서의 Te, Ge, Sb 와 전이금속을 포함하는 상 전이(phase-change) 메모리 물질이며, 여기서 첨자들은 총 100% 구성소자들의 원자 백분율을 나타내며, TM은 하나 또는 그이상의 전이금속들이며, a 와 b 는 상기 본 발명에서 언급한 것처럼 기본적인 Te-Ge-Sb 3원 시스템에 대한 것이며, c는 약 90%와 약 99.99% 사이를 나타낸다. 바람직하게는, 전이금속은 Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt 와 이들의 혼합물 또는 이들의 합금들을 포함한다.
이 시스템에 의해 둘러싸인 상 전이(phase-change) 메모리 물질의 특정예들은 {(Te56Ge22Sb22)95Ni5,(Te56Ge22Sb22)90Ni10, (Te56Ge22Sb22)95Cr5,(Te56Ge22Sb22)90Cr10,(Te56Ge22Sb22)95Fe5,(Te56Ge22Sb22)90Fe10,(Te56Ge22Sb22)95Pd5,(Te56Ge22Sb22)90Pd10,(Te56Ge22Sb22)95Pt5,(Te56Ge22Sb22)95Pt10,(Te56Ge22Sb22)95Nb5,(Te56Ge22Sb22)90Nb10,(Te56Ge22Sb22)90Ni5Cr6,(Te56Ge22Sb22)90Ni5Fe6,(Te56Ge22Sb22)90Cr6Fe5,(Te56Ge22Sb22)90Pd5Cr6,(Te56Ge22Sb22)90Ni5Pd5,(Te56Ge22Sb22)90Pd5Pt5} 등을 예로 들 수 있다.
제 2 카테고리는 (TeaGebSb100-(a+b))cTMdSe100-(c+d)비율에서의 Te, Ge, Sb, Se 와 전이금속을 포함하는 상 전이(phase-change) 메모리 물질이며, 여기서 첨자들은 총 100%인 구성소자들의 원자 백분율을 나타내며, TM은 하나 또는 그 이상의 전이금속들이며, a 와 b 는 상기 본 발명에서 언급한 것처럼 기본적인 Te-Ge-Sb 3원 시스템에 대한 것이며, c는 약 90% 와 99.5% 사이를 나타내며, d는 약 0.01% 와 10% 사이를 나타낸다. 바람직하게는, 전이금속은 Cr, Fe, Ni, Pd, Pt, Nb 와 이들의 혼합물 또는 이들의 합금들을 포함한다. 이 시스템에 의해 둘러싸인 메모리 재료들의 특정예들은 {(Te56Ge22Sb22)90Ni5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Ni10Se10,(Te56Ge22Sb22)90Cr5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Cr10Se10,(Te56Ge22Sb22)90Fe5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Fe10Se10,(Te56Ge22Sb22)90Pd5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Pd10Se10,(Te56Ge22Sb22)90Pt5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Pt10Se10,(Te56Ge22Sb22)90Nb5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Nb10Se10,(Te56Ge22Sb22)85Ni5Cr5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Ni5Fe5Se10,(Te56Ge22Sb22)85Cr5Fe5Se5,(Te56Ge22Sb22)85Ni5Pd5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Ni5Pt5Se10,(Te56Ge22Sb22)85Ni5Nb5Se5,(Te56Ge22Sb22)85Pd5Cr5Se5,(Te56Ge22Sb22)80Pd5Pt5Se10,(Te56Ge22Sb22)85Pd5Nb5Se5,(Te56Ge22Sb22)85Pt5Nb5Se5} 등을 들 수 있다.
상 전이(phase-change) 메모리 물질은 실제적으로 영속성 세트 저항값들을 소유한다. 그러나, 상 전이(phase-change) 물질의 저항값이 그것의 원래 세트값에서 드리프트(drift)된 것이라면, 다음에서 설명될 "합성적 변조(compositional modification)"는 이 드리프트를 보상하기 위하여 사용될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 것처럼 "영속성(non-volatile)"의 용어는, 세트 저항값이 실제 아카이벌(archival) 시간주기에 대해 일정하게 남게 되는 조건과 관계된다. 물론, 소프트웨어(이후 언급되는 피드백 시스템을 포함하는)는 선택된 에러 마진의 외측에서 "드리프트"가 절대 일어나지 않는 것을 확실히 하기 위하여 사용될 수 있다. 만일 좌측 방해가 되지 않는다면 메모리 소자들의 저항값의 드리프트가 정보의 그레이스케일 저장을 방해하기 때문에, 드리프트를 최소화하는 것이 바람직하다.
"합성적 변조"는 본 발명에서 저항의 실제 안정값들을 산출하도록 상 전이(phase-change) 메모리 재료를 합성적으로 변조시키기 위한 어떤 수단을 포함하며, 재료의 고유한 저항을 증가시키기 위한 밴드갭(band gap)을 넓히는 소자들을 추가로 포함하여 정의된다. 합성적 변조의 하나의 예로서, 두께에 관한 그레이드되는 합성적 불균일성(graded compositional inhomogeneities). 예를 들면, 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 부피가 제 1 Te-Ge-Sb 합금에서 다른 합성의 제 2 Te-Ge-Sb 합금으로 그레이드될 수 있다. 합성적 그레이딩(grading)은 세트 저항값 드리프트를 감소시키는 어떤 형태를 가져올 수 있다. 예를 들면, 합성적 그레이딩은 동일한 합금 시스템의 제 1, 제 2 합금으로 제한될 필요가 없다. 또한 그레이딩은 두 개 이상의 합금들에 의해 이루어질 수 있다. 그레이딩은 일정하며 연속적일수 있고, 또한 이것은 일정치 않거나 비연속적일 수도 있다. 감소된 저항값 드리프트의 결과를 가져오는 합성적 그레이딩의 특정예로서, 상반된 표면에서 Ge22Sb22Te56의 하나의 표면의 Ge14Sb29Te57의 일정하고 연속적인 그레이딩을 들 수 있다.
저항 드리프트를 감소시키기 위한 합성적 변조를 사용하는 또 하나의 방법으로는, 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 용적을 층으로 형성시키는 것이다. 즉, 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 체적은 다른 합성의 이산적이고 비교적 박막인 복수개의 층들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 체적은 하나 또는 그 이상의 층의 쌍들을 포함하며, 이들의 각각 하나는 다른 Te-Ge-Sb 합금에 의해 형성된다. 또다시, 그레이드된 합성들의 경우처럼, 실제 감소된 저항값 드리프트의 결과를 가져오는 층들의 어떤 화합이 이용될 수 있다. 층들은 비슷한 두께를 가질 수 있으며 또는 다른 두께를 가질 수도 있다. 어느 개수의 층들도 사용될 수 있으며, 동일 합금의 복수층들은 메모리 재료의 체적에서 서로 인접하거나 떨어진 상태로 나타날 수 있다. 다른 합금의 합성에 의한 어떤 수의 층들도 또한 사용될 수 있다. 합성적 층 구성의 특정 예로서, Ge14Sb28Te57과 Ge22Sb22Te56의 교번하는(alternating) 층 쌍들을 포함하는 메모리 재료의 체적을 들 수 있다.
저항 드리프트를 감소시키기 위한 합성적 비균일성의 또 다른 형성은, 합성적 그레이딩과 합성적 층 형성에 의해 이루어진다. 아주 특별하게, 상기 언급한 합성적 그레이딩은 상기 언급한 어떤 합성적 층 형성과 결합될 수 있으며 이러한 결합에 의해 메모리 재료의 안정된 체적을 형성할 수 있다. 이러한 합성을 이용하는 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 예시적 체적들에는, (1) Ge14Sb28Te57과 Ge22Sb22Te56의 그레이드 합성이 이어지는 Ge22Sb22Te56의 이산층을 포함하는 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 체적과; (2) Ge14Sb28Te57의 이산층과 Ge14Sb28Te57과 Ge22Sb22Te56의 그레이드 합성을 포함하는 포함하는 상 전이(phase-change) 메모리 재료의 체적을 들 수 있다.
복합 메모리 재료는, 상기 언급한 것처럼 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성적 유전체 물질의 혼합물이다. 일반적으로, 유전체물질은 상 전이(phase-change) 메모리 재료와 화학적으로 비활성적인 어느 유전체 물질일수 있다. 바람직하게는 유전체 물질은 상 전이(phase-change) 메모리 재료 보다 더 높은 녹는점을 가진다.
특히, 유전체 물질은 산화물, 질화물, 불화물, 황화물, 염화물, 탄화물, 질화산화물(oxynitrides), 질화카르복실(carboxynitrides), 붕화물, 인화물과 이들의 혼합물과 이들의 합금들로 이루어진 그룹에서 선택되어지는 하나 또는 그이상의 물질이다. 기술상 알려진 다른 유전체 물질들도 또한 사용 가능한 것이다. 또한, 유전체 물질은 유기유전체 물질들의 그룹에서 선택될 수도 있다. 그러나, 이들 포함물질은 아미드, 폴리아미드, 이미드, 폴리이미드, 파릴렌 같은 재료들에 제한되지 않는다.
옥시드는 SiO2같은 실리콘 옥시드, TiO2같은 티타늄 옥시드, Al2O3같은 알루미늄 옥시드, ZrO2같은 지르코늄 옥시드, GeO2같은 게르마늄, Ta2O5같은 타타륨(tatalum) 옥시드를 포함한다. 다른 가능한 옥시드들은 B2O3, Sb2O3, PbO를 포함한다. 질화물들에는 Si3N4같은 실리콘 질화물, TiN, SiN, ZrN, BN1과 마찬가지로 AlN같은 알루미늄 질화물, 그리고 오프-스토이키오메트리(off-stoichiometry) 실리콘 질화물 SiN를 포함한다. 황화물들은 SiS2같은 실리콘 황화물, GeS2같은 게르마늄 황화물, ZnS같은 아연 황화물을 포함한다. 불화물은 MgF2, CaF2, LiF2를 포함한다.
또한 여러 유리들(glasses)이 이에 사용될 수 있다. 예를 들면, La, Si, O, N을 포함하는 LaSiOn 물질, Si, Al, O, N을 포함하는 SiAlON 물질, 이트륨을 포함하는 SiAlON 물질, 또는 Nd, Si, O, N을 포함하는 NdSiON 물질들이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 복합메모리 재료는 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 이질적 혼합물이다. 이러한 이질적 혼합물에 대한 일 실시예는 다중 층의 구조이며, 유전체 물질층들과 혼합되는 상 전이(phase-change) 메모리 재료 층의 구조이다. 바람직하게는 각 층의 두께는 약 5Å-약 75Å 사이일수 있으며, 좀더 바람직하게는 약 10Å-약 50Å 사이이며, 가장 바람직하게는 약 20Å-약 30Å 사이일 수 있다.
복합 메모리 재료는 스퍼터, 증발, 또는 화학적 증기 공법(CVD)과 같은 방법들에 의해 형성될 수 있으며, 이것은 RF 글로 방전과 같은 플라즈마 기술에 의해 강화될 수 있다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 복합 메모리 재료는 RF 스퍼터 공법이나 증발 공법에 의해 형성되는 것이다. 상전이 메모리 재료의 타겟과 유전체 물질의 타겟은, 보통, 복수 개의 타겟 사용을 이끌어내는 복식 소스 스퍼터 기술들에 의해 이루어질 수 있다. 기판의 반대측에서 이루어지는 이들 타겟들로, 기판이 각 타겟과 관련하여 회전하는 동안 스퍼터링이 수행된다. 마찬가지로, 상전이 물질과 유전체 물질 둘 다를 포함하는 타겟이 사용될 수 있다. 또한 마찬가지로, 기판 히팅(heating)은, 표면 가동성을 통해 결정 집성처럼 결정 그로스(crystal growth)에 영향을 줌으로써 형성되는 복합 메모리 재료내에서, 상 전이(phase-change) 물질의 형태를 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
복합 메모리 재료 내에서의 유전체의 체적에 의한 백분율은 제어될 수 있다. 바람직하게는, 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 10% 에서 약 90% 사이이며, 좀 더 바람직하게는, 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 20% 에서 약 80% 사이이며, 가장 바람직하게는, 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 40% 에서 약 60% 사이이다.
또한, 복합 메모리 재료는 스핀 도포 공정에 의해 형성될 수 있으며, 상전이 메모리 재료는 폴리아미드와 같은, 유기 폴리머와 같은 유전체와 혼합가능하다. 그 결과로서의 혼합물은, 복합 메모리 재료를 형성하는 실리콘 기판상에서, 필요한 성질에 의해 도포 공정될 수 있다.
또한, 본 발명에서 설명된 것처럼, 단일 셀 메모리 소자는 상기 언급한 복합 메모리 재료를 포함한다. 메모리 소자는 전기 입력 신호를 복합 메모리 재료에 공급하는, 간격을 두고 배치되는, 접점들의 쌍을 더 포함하여 이루어진다. 도 1은 단일 결정 실리콘 반도체 웨이퍼(10) 상에 형성되는 메모리 소자에 대한 실시예의 횡단면도를 도시하고 있다. 메모리 소자는 복합 메모리 재료(36)를 포함하며, 제 1 간격을 두고 배치되는 접점(6)과 제 2 간격을 두고 배치되는 접점(8)을 포함한다
제 1 접점(6)과 제 2 접점(8)은 각각 두개의 박막층들로 구성된다. 복합 메모리 재료(36)와 인접하여 도포되는 박막층들(38,34)은 우수한 확산의 방패적 성질을 가지고 있으며, 이것은 복합 메모리 재료(36)로 다른 물질이 확산되고 전기적 원자이동이 되는 것을 방지하여 준다.
인접하는 박막층들(38,34)은 비정질 카본(탄소)과 같은 카본 물질로 이루어진다. 교번하여, 인접하는 박막층들(38,34)은 바람직하게는, 제 2 접점 재료는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, M, Hf, Ta, W 로 이루어지는 그룹에서 선택되어지는 하나의 원소와, B, C, N, Al, Si, P, S 로 구성되는 그룹에서 선택되어지는 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하는 혼합물로부터 형성되어질 수 있다. 바람직하게는, 인접하는 박막층들(38,34)은, Ti를 포함하고, C, N, Al, Si, 그리고 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되어지는 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하는 혼합물로부터 형성된다. 일실시예에서, 인접하는 박막층들은, 원자의 백분율에서, 약 10%-60%의 티타늄과 5%-50%의 카본과 10%-60%의 질소의 조성율을 가지는 혼합물로 이루어진다. 추가로 티타늄 질화탄소는 수소를 40%까지 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 인접하는 박막층들(38, 34)은 티타늄 질호규소에 의해 형성된다. 바람직하게는 인접하는 박막층들은 약 10%-60%의 티타늄과 5%-50%의 실리콘과 10%-60%의 질소에 대한 원자 비율에 있어서 조성율을 가지는 복합물로 이루어진다. 추가로 티타늄 질화규소는 수소를 40%까지 포함할 수 있다.
본 발명의 세번째 실시예에서는, 인접하는 박막층들 (38, 34)은 티타늄 알루미늄 질화물에 의해 형성된다. 본 발명의 실시예에서 바람직하게는 인접하는 박막층들은 약 10%-60%의 티타늄, 5%-50%의 알루미늄, 그리고 10%-60%의 질소에서의 원자비율에 대한 조성율을 가지는 복합물에 의해 구성된다. 추가로, 티타늄 알루미늄 질화물은 수소 40%까지 포함할 수도 있다.
티타늄 질화 탄소, 티타늄 질화 규소, 티타늄 알루미늄 질화물은 우수한 방패막이를 가지고 있으면서 복합 메모리 물질에서 다른 물질의 확산과 전기적 원자이동을 막아준다. 또한 티타늄 질화 규소, 티타늄 질화 탄소, 티타늄 알루미늄 질화물은 다음과 같은 방법들에 의해 도포될 수 있다. 즉, 물리적 증기 도포와 같은 방법들에 의해 도포될 수 있으며, 이러한 물리적 증기 도포에는 증발, 또는 DC 그리고 RF 스퍼터 디포지션과 같은 이온 플레이팅, 화학적 증기 도포 그리고 플라즈마 화학적 증기 도포들이 있다. 이들이 사용되는 정확한 방법은 많은 요인들에 달려있지만, 이들 중 하나는 목표 물질의 조성에 의해 가해지는 제한된 도포 온도이다.
간격을 두고 배치되는 접접들(6,8)의 쌍은 바람직하게는 추가적인 박막층들(32,40)로 구성되며, 이들 박막층들은 복합메모리 재료(38)로부터 떨어진 곳에서 도포된다. 이들 떨어져있는 박막층들의 각각은 TI, W, Mo로 구성되는 그룹에서 하나 또는 그 이상의 소자들에 의해 구성된다. 하나의 실시예에서 떨어진(remote) 박막층들의 각각은 Ti 와 W로 구성된다. 바람직하게는 이러한 떨어진 박막층들은 원자의 구성 백분율에서 5%-30%의 티타늄과, 70%-95%의 텅스텐에 대한 원자비율을 가지는 복합물로 구성된다. Ti-W 합금층들(32, 40)은 바람직하게는 DC 스퍼터 도포 과정을 이용하여 도포된다. 이것들은 바람직하게는 약 100Å-4000Å 까지의 두께로 도포된다. 또한 좀 더 바람직하게는 약 200Å-2000Å 두께까지 도포된다. Ti-W 합금층들(32,40)은 우수한 오옴 접촉 성질을 가지고 있다. 게다가, 이것들은 복합메모리 재료(36)에서 다른 전극 물질들의 합성과 전기적 원자이동을 방지하는데 필요한 어떤 방패적 특징을 갖고 있다.
복합 메모리 재료(36)의 층은 바람직하게는 약 200Å-2500Å의 두께로 도포되며, 좀더 바람직하게는 약 250Å-2500Å이며, 가장 바람직하게는 약 250Å-500Å 사이의 두께로 도포되는 것이다.
도 1에서 도시하고 있는 메모리 소자는 다단계 과정에서 형성될 수 있다. 층들 (32,34,46) 은 일차로 도포되고 그리고나서 절연층(46)은 복합 메모리 재료들(36)과 복합 메모리층(34) 사이의 접점영역이 될 수 있도록 식각된다. 잔존층들(36, 38, 40)은 도포되고 층들(32,34,36,46,38,40)의 전 스택은 선택된 크기만큼 식각된다. 전체 구조의 상면에는 절연물질(39)의 층이 도포된다. 절연 물질의 예로서는 SiO2,Si3N4그리고 텔라륨 옥시젠 황화물(예로서, TeOS)을 들 수 있다. 절연물질(39)의 층은 식각되고 알루미늄의 층이 도포되어 제2의 전극 격자구조(42)를 형성하며 이러한 격자구조는 도전체들(12) 방향으로 수직으로 연장되고 각 메모리 소자들과의 X-Y 격자 연결을 완성한다. 완전한 집적구조를 겹치는 것은 Si3N4와 같은 적절한 밀봉제 또는 폴리아미드와 같은 플라스틱 재료의 상면 밀봉하는 층과 같은 것이다. 이러한 것은 구조를 장치의 성능을 악화 또는 저하시킬수 있는 습기나 다른 외부의 요인들로부터 구조를 밀봉하는 것이다. Si3N4밀봉되는 예를 들면 플라즈머 도포 공정을 사용하여 사용될 수 있다. 폴리아미드 재료는 밀봉층을 형성하기 위해 알려진 기술에 따라 도포한 후에 스핀하여 도포되고 베이킹된다.
본 발명에서 사용되고 있는 "기공 직경(pore diameter)" 의 용어는 복합 메모리 재료(38)와 전기적 접점들(6,8) 사이에 접점의 가장 작은 영역들에 대한 평균 횡단면을 나타낸다. 기공직경은 석판인쇄의 해상도만큼 작을 수 있으며 한계성이 허용될 것이다. 기공직경은 장치의 성능과 관계된다. 기공직경을 감소시키는 것은 장치의 부피를 줄이는 것이며, 그렇게 함으로써 전기적 스위칭에 필요한 전류와 에너지의 요건들을 감소시켜 준다. 이것은 장치의 속도와 감도를 증가시키면서 동시에 저항에서 검출가능한 변화를 시작하는데 있어서 스위칭 시간과 전기적 에너지를 감소시켜 준다.
메모리 소자에 대한 이전 실시예에서, 기공직경이 실제적으로 메모리 재료의 횡단면과 일치하도록 선택되는 것이 바람직하였으며, 이러한 메모리 재료의 횡단면의 저항은 재료의 높은 저항 또는 낮은 저항으로 전환될 때 실제로 변경된다. 이러한 단면은 "필라멘트부(filament portion)"로 명명된다. 생각컨데, 기공직경은 필라멘트부의 직경과 같아야 한다.
석판술에 의해 허용되는 것을 넘어선 기공직경을 감소시키는 수단으로서 메모리 소자의 이전 실시예들은 간격을 두고 배치되는 접점들 중 적어도 하나의 메모리 소자의 체적 사이에서 "필라멘트 제한 수단"을 사용하고 있다. 필라멘트 제한 수단은 전형적으로 이 수단을 가로지르는 적어도 하나의 저저항 경로와 함께 고저항 물질의 박막층이며 또한 이 경로를 통하여 전류가 전기적 접점과 메모리 재료의 체적 사이에서 이 경로를 통하여 전류가 흐른다. 필라멘트 제한 수단은 간격을 두고 배치되는 접점들의 아주 낮은 전류가 입력하면서 필라멘트부내에서 고전류 밀도를 제공한다.
필라멘트 제한 수단은 메모리 장치의 "전기형성과정"의 역할을 한다. 전기형성 과정에서는 메모리 소자가 원래의 아주 높은 "초기(virgin)" 저항값에서 낮은 저항값으로 전환시킬 때까지 새롭게 구성되는 메모리 소자의 더 높은 전류의 전기펄스들을 인가시키는 작업을 한다. 이러한 동작 후에 메모리 소자는 "형성된다(formed)"로 언급되어질 수 있다. 이것은 전기적 주기를 수행하기 위한 낮은 프로그래밍 전류를 준비하는 것이다.
이 형성과정은 필라멘트 제한수단을 "브레이크 다운(breaks down)" 시킨다. 이 형성 과정 동안 하나 또는 그 이상의 높은 전류 펄스들이 인가되는 동안, 제한층에서 전기적으로 가장 약한 "브레이크 다운" 영역은 물리적으로 변화되면서, 그 층의 잔존하는 것들보다 훨씬 더 높은 도전성이 된다. 어느 후속하는 메모리 주기 펄스들(예를 들면, 세트와 리셋 펄스들)에 모든 전류는 이 영역을 통과하게 될 것이다. 아주 낮은 전류가 메모리 소자에 인가될 때 모든 전류는 필라멘트부를 통하여 채널화된다. 따라서, 아주 작은 크기 때문에 전류의 밀도는 메모리 재료의 이 영역 내에서 아주 높게 된다.
메모리 소자의 이전 실시예들에서, 전기적 주기에서 필요로 하는 프로그래밍 전류는 기공직경의 석판술 감소에 의해서이거나 또는 필라멘트 제한 수단의 도입을 통해 감소되었다. 이에 대해 대조적으로 본 발명의 복합 메모리 재료를 포함하는 메모리 소자에서 프로그래밍 전류의 필요한 감소는 비활성 유전체 물질의 도입을 통한 상전이 물질의 부피를 제한함으로써 이루어진다.
유전체 물질은 새로운 복합 재료의 선택된 부피적 단면을 사용하기 위해 만들어지며 따라서 활성적인 상전이 메모리 재료에 의해 차지되는 부피적 단면을 감소 시킨다. 활성적인 상전이 메모리 재료의 부피의 단면적인 감소는 메모리 소자를 프로그램하기 위하여 필요로 하는 전류를 감소시킨다.
유전체 물질의 단면적 부피가 박막 메모리 적용에 있어 제어될 수 있으므로 전기적 도전 물질의 부피는 사진 평판술에 의해 한정되는 접점 영역의 크기에서 독립적으로 제어될 수 있다. 이것은 메모리 드라이버들에 의해 공급될 수 있는 전류와 일치하는 값으로 사진 평판술의 주어진 스케일에서 필요로하는 프로그래밍 전류를 감소시키는 것을 허용한다.
따라서 복합 재료는 상기에서 설명된 필라멘트 제한 수단의 그것과 유사한 기능을 제공한다. 필라멘트 제한 수단과 함께 복합 재료는 전기 형성과 스위칭하는 동안 메모리 재료내에서 필라멘트부의 횡단면 영역을 정의해줄 수 있다. 본 발명의 복합 재료는 추가의 재료층을 사용하지 않고 작은 기공을 생성시키는 석판술의 한계를 극복하는데 사용될 수 있다.
본 발명에서 제시한 것처럼, 전기적으로 동작하고 직접 오버라이팅 가능한 멀티비트의 단일 셀 메모리 소자는, 상기 단일 셀에 멀티비트 저장용량을 제공할 수 있도록, 선택된 전기 입력 신호에 따라 상기 재료의 이전 저항값과는 상관없이, 특정 개시 또는 소거되는 저항값에 세팅시킬 필요없이, 다이내믹 영역내에서, 전기 저항값들의 광(large) 다이내믹 영역을 복수 개의 저항값들 중 하나에 직접 세팅할수 있는 능력으로 추정하는 수단을 구성한다.
전기적으로 동작하고 직접 오버라이팅 가능한 멀티비트의 단일 셀 메모리 소자는, 간격을 두고 배치되고 다이내믹 영역내에서 메모리 재료를 선택된 저항값에 세팅하도록 전기입력 신호를 공급하는 접점 쌍을 더 포함하여 이루어진다. 상기 간격을 두고 배치되는 접점들 중 적어도 하나는 제 1 접점 재료와 제 2 접점 재료의 혼합물로 구성된다. 상기 제 1 접점 재료는 탄소를 포함하며, 제 2 접점 재료는 적어도 하나의 전이금속 원소를 포함한다. 본 발명에서 사용되는 용어 "전이금속"은 원소들 21-30, 39-48,57, 그리고 72-80을 포함한다. 바람직하게는, 제 2 접점 재료는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W 그리고 이들의 혼합물이나 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되어지는 적어도 하나 또는 그이상의 원소를 포함한다. 좀더 바람직하게는, 제 2 접점 재료는 Ti와 W를 포함한다. 접점은 공동 스퍼터(co-sputtering) 과정에 의해 만들어질 수 있다.
도 2는 다중 메모리 소자들에 대한 가능한 구성을 도시하고 있다. 도 2에서 도시하고 있는 것처럼 장치들은 메모리 소자들의 X-Y 매트릭스를 형성한다. 수평스트립들(12)은 각 소자들을 어드레싱하기 위한 X-Y 전극 격자의 X 세트를 나타낸다. 수직 스트립들(42)은 어드레스 라인들의 Y 세트를 나타낸다.
물론, 본 발명에서 전기적으로 소거가능한 메모리에 대한 다른 회로적 구성들이 가능하며, 실행 가능한 것이다. 특히 사용될 수 있는 구성들 중 하나는 3차원의 다단 배열이며 이 배열에서 메모리 또는 제어 소자들의 플레인들(plains) 그리고 이것들의 각 절연 장치들이 서로 스택되어 있다. 메모리 소자들의 각 플레인은 복수 개의 행들과 열들로 배열되어 있고, 이렇게 됨으로써, X-Y 어드레스를 가능하게 한다. 메모리 저장 밀도를 증가시키는 것과 더불어 이 플레인들의 스택은 상호 연결의 추가적 Z 디멘션(dimension)을 허용하게 된다. 특히, 이러한 배열은 실제 지능 컴퓨터의 중립망을 시뮬레이션하는데 사용된다.
각 메모리 소자는 절연소자의 어떤 형을 사용함으로써 다른 것들로부터 전기적으로 절연된다. 메모리 장치 배치도에 대한 개략도를 나타내는 도 3은 전기적 절연이 다이오드를 사용하면서 어떻게 전기적 절연이 되는지를 보여준다. 회로는, 절연 다이오드(26)와 일련으로 상호 전기적 연결되는 메모리소자들(30)과 같이 X-Y 격자를 포함한다. 어드레스 라인들(12,42)은 이 기술의 전문가들에게 잘 알려진 방법으로 어드레스 회로들에 연결된다. 절연 소자들의 목적은 각 이산 메모리 소자들로 하여금, 매트릭스에 인접하는 또는 떨어져 있는 메모리 소자들에 저장된 정보를 방해하는 일없이 리드되고 기록될수 있도록 하게 한다.
도 4는 단결정 반도체 기판(50)의 일부를 도시하고 있으며, 그 위에 형성되는 본 발명의 메모리 메트릭스(52)를 도시한다. 또한, 동일한 기판(50)위에 어드레스 매트릭스(52)가 형성되며, 어드레스 매트릭스(52)는 집적회로 연결들(53)에 의해 메모리 매트릭스(51)와 적당하게 연결된다. 어드레스 매트릭스(52)는 신호발생 수단을 포함하며 이 신호발생 수단은 메모리 매트릭스(51)에 인가되는 세팅과 리딩 펄스를 한정해주며 제어한다. 물론, 어드레스 매트릭스(52)는 고체 메모리 매트릭스(51)와 같이 집적될 수 있으며 동시에 고체메모리 매트릭스(51)와 같이 형성될 수 있다.
칼코겐의 합성물, 열준비(후용착열), 신호펄스 지속시간, 합성물에 나타나는 옥시젠과 같은 불순물들, 결정체 크기, 신호 펄스의 파형의 형상들과 같은 이러한 요인들은 실험을 통해 저항의 동적영역의 크기, 절대 엔드 포인트 저항(absolute end-point resistance) 그리고 이들 저항들에서 장치를 세팅을 필요로 하는 전압들에 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 비교적 두꺼운 칼코겐 막들(예로서, 약 4,000Å)은 더 높은 세트(set) 전압 조건들 (따라서 메모리 물질의 체적내에서의 더 높은 전류밀도)의 결과를 가져오며, 반면 비교적 얇은 칼코겐 층들(예로서 약 250Å)은 더낮은 세트전압(그리고 전류밀도)의 조건들의 결과를 나타난다. 물론 가능한 결정체 크기의 가능한 결과와 따라서 벌크 원자들의 수에 상대적인 표면 원자들의 수의 비율은 이미 앞에서 제시한바 있다.
또한 저항들의 저항 동적 영역은 브로드(broad) 그레이 스케일과 다단 아날로그 메모리 저장을 허용한다. 다단 메모리 저장은 브로드 동적 영역을 복수개의 부 영역이나 레벨들로 나눔으로써 달성된다. 연속적인 저항 프로그램 능력은 단일 메모리 셀에서 저장되는 이진 정보의 다중 비트를 허용한다. 이러한 다단 저장은 의사 아날로그 형태(pseudo-analog form)에서 이진 정보의 다중 비트들을 모방하고 단일 메모리 셀에서 이러한 아날로그 정보를 저장하여 이루어진다. 따라서, 저항들의 동적 영역을 2n아날로그 레벨들로 나눔으로 해서 각 메모리 셀은 이진정보의 n 비트들을 저장하는 능력과 함께 제공되는 것이다.
본 발명에서 제시되고 있는 독점적 물질들과 장치의 구성들의 사용을 통해 전기적으로 소거가능하며 직접 오버라이트 가능한 메모리 소자는 빠른 리드와 빠른 기록 속도를 제공하며 동시에 SRAM 장치들의 이러한 효과와 함께 EEPROM의 영속성과 랜덤 액세스 프로그래밍의 능력과 어떤다른 반도체 메모리 밑에서 상당히 의미있게 위치하는 저장의 메가바이트 당 가격에 근접하면서 발전해 왔다.
본 발명은 본 발명의 전체적이고 완전한 게시를 목적으로 설명되고 있는 상세한 실시예에서 제시되고 있으며, 이러한 상세한 설명들은 부가되는 청구범위에서 한정하고 설명되는 것처럼 본 발명의 실제 사상을 제한하여 해석되지 않는다는 것은 자명한 일이다.

Claims (25)

  1. 복합메모리 재료에 있어서, 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O 와 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 적어도 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 적어도 하나의 칼코겐 원소와 적어도 하나의 전이 금속 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 칼코겐 원소는 Te, Se 그리고 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 칼코겐 원소는 Te와 Se의 혼합물인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전이 금속 원소는 Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt 와 이들의 혼합물들 또는 이들의 합금들로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 물질은 산화물, 질화물, 불화물, 황화물, 염화물, 탄화물, 질화산화물(oxynitrides), 질화카르복실(carboxynitrides), 붕화물, 인화물과 이들의 혼합물 또는 이들의 합금들로 구성되는 그룹에서 선택되어지는 하나 또는 그이상의 물질인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 물질은 유기 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 10% 에서 약 90% 사이인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 20% 에서 약 80% 사이인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 40% 에서 약 60% 사이인 것을 특징으로 하는 복합메모리 재료.
  12. 단일 셀 메모리 소자에 있어서, 활성적 상 전이(phase-change) 메모리 물질과 비활성 유전체 물질의 혼합물을 포함하고 단일 셀 메모리 소자를 한정해주는 메모리 재료의 체적과;
    상기 메모리 소자에 저장된 정보를 리드하고 기록하는 단자들을 제공하며, 간격을 두고 배치되는 접점들의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 Te, Se, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, As, S, Si, P, O 와 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 적어도 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 상 전이(phase-change) 메모리 물질은 적어도 하나의 칼코겐 원소와 적어도 하나의 전이 금속 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 칼코겐 원소는 Te, Se 그리고 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 칼코겐 원소는 Te와 Se의 혼합물인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전이 금속 원소는 Cr, Fe, Ni, Nb, Pd, Pt 와 이들의 혼합물들 또는 이들의 합금들로 이루어지는 그룹에서 선택되어지는 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 유전체 물질은 산화물, 질화물, 불화물, 황화물, 염화물, 탄화물, 질화산화물(oxynitrides), 질화카르복실(carboxynitrides), 붕화물, 인화물과 이들의 혼합물 또는 이들의 합금들로 구성되는 그룹에서 선택되어지는 하나 또는 그 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 유전체 물질은 유기 유전체 물질인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 10% 에서 약 90% 사이인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 20% 에서 약 80% 사이인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 유전체 물질의 체적에 의한 백분율은 약 40% 에서 약 60% 사이인 것을 특징으로 하는 단일 셀 메모리 소자.
  23. 전기적으로 동작하고 직접 오버라이팅 가능한 멀티비트의 단일 셀 메모리 소자에 있어서,
    상기 단일 셀에 멀티비트 저장용량을 제공할 수 있도록, 선택된 전기 입력 신호에 따라 상기 재료의 이전 저항값과는 상관없이, 특정 개시 또는 소거되는 저항값에 세팅시킬 필요없이, 다이내믹 영역내에서, 전기 저항값들의 광(large) 다이내믹 영역을 복수개의 저항값들 중 하나에 직접 세팅할 수 있는 능력으로 추정하는 수단을 구성하면서 단일 셀 메모리 소자를 한정 해주는 메모리 재료의 체적과;
    간격을 두고 배치되고 다이내믹 영역내에서 메모리 재료를 선택된 저항값에 세팅하도록 전기입력 신호를 공급하는 접점 쌍을 포함하며, 상기 간격을 두고 배치되는 접점들 중 적어도 하나는 제 1 접점 재료와 제 2 접점 재료의 혼합물로 구성되며, 상기 제 1 접점 재료는 탄소를 포함하며, 상기 제 2 접점 재료는 적어도 하나의 전이금속 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제 2 접점 재료는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W 그리고 이들의 혼합물이나 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되어지는 적어도 하나 또는 그이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 2 접점 재료는 Ti 와 W 를 포함하는 것을 특징으로 하는 메모리 소자.
KR1019990703674A 1996-10-28 1997-10-27 상 전이(ｐｈａｓｅ-ｃｈａｎｇｅ)메모리 물질과 유전체 물질의 혼합물을 포함하는 복합 메모리 재료 KR20000052840A (ko)

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