KR20060099158A - 복합 상변화 메모리 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비휘발성 상변화 메모리로 사용이 가능한 복합 메모리 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼원계인 GeaSebTec 화합물 합금 및 삼원계 합금과 합성되어 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 조성되는 재료로부터 고속의 상변화가 가능하고 데이터의 기록 및 쓰기 특성이 우수한 비휘발성 상변화 메모리로 사용할 수 있도록 된 복합 상변화 메모리 재료에 관한 것이다.
본 발명의 복합 상변화 메모리 재료는 화학 양론적 삼원계 합금인 GeaSebTec로 조성되고, 상기 삼원계 합금의 a, b, c는 원소의 조성 원자비로서, 최적의 비율인 1 : 1 : 2의 비율을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 삼원계 합금과 합성되어 결정학적 유사구조를 갖는 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 조성되고, 상기 사원계 합금의 원소 D는 P, As, Sb, Bi 로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 5족 원소이고, 상기 사원계 합금의 x는 화합물 합금으로부터 합성되는 원자 몰분율 0.5＜x≤1인 것을 특징으로 한다.
상변화 메모리, 비휘발성, 삼원계, 사원계, 재료, 소자, 화학양론적, 복합

Description

복합 상변화 메모리 재료{COMPLEX PHASE-CHANGE MEMORY MATERIALS}
도 1은 종래의 GexSe1-x계에 대한 유리질 형성능력(GFA) 관계도.
도 2는 본 발명에 따른 상변화 메모리 재료(GeSeTe계)의 세트/리세트 펄스 인가 시간에 따른 온도파형과 종래의 일반적인 상변화 메모리 재료(GeSbTe계)의 세트/리세트 펄스 인가 시간에 따른 온도파형을 나타낸 비교도.
도 3은 본 발명에 따른 상변화 메모리에서 세트와 리세트를 반복 측정한 저항 변화도.
도 4는 본 발명에 따른 상변화 재료(GeSeTe계)의 세트와 리세트를 교차로 반복하여 쓰기/읽기를 측정한 저항 변화도와 종래의 일반적인 상변화 재료(GeSbTe계)의 세트와 리세트를 교차로 반복하여 쓰기/읽기를 측정한 저항 변화도.
본 발명은 비휘발성 상변화 메모리로 사용이 가능한 복합메모리 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삼원계인 GeaSebTec 화합물 합금 및 상기 삼원계와 합 성되는 조성 재료로부터 고속의 상변화가 가능하고 데이터의 기록 및 쓰기 특성이 우수한 비휘발성 상변화 메모리로 사용할 수 있도록 된 복합 상변화 메모리 재료에 관한 것이다.
일반적으로, 상변화 메모리 소자는 전원 공급이 중단되었을 때, 이전 상태의 데이터를 가지는 비휘발성 특성을 갖으며, 디램(DRAM) 및 에스램(SRAM) 소자들과 동일하게 낮은 전원 전압에서 동작하는 특성을 갖는다.
이러한 비휘발성 및 저전력 특성으로 인하여 상변화 메모리 소자는 휴대용 통신기, 휴대용 컴퓨터 및 전자 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있으며, 메모리들의 여러 유형들이 속하는 시장 중심에서 매우 높은 선호도를 갖고 있다.
상변화 메모리는 특정물질에 전류를 가해 물질이 저항이 약한 고체형태로 형성되거나, 또는 저항이 강한 액체형태로 형성되는 것에 따라 데이터를 저장하는 방식이다.
상변화 메모리는 이름에서 알 수 있듯이 물질의 상태가 변하는 것을 이용해 데이터를 저장하는 방식으로 `결정' 또는 `비결정' 상태에 따라 논리적 '0'과 논리적 '1'로 표시하게 된다. 이러한 성질을 갖는 셀 물질에는 일반적으로 Ge2Sb2Te5(GST)가 있다.
상변화 메모리도 전류에 의한 온도차이로 상변화를 유도해 낮은 저항의 결정상태일 때 '세트', 높은 저항의 비결정 상태일 때 '리세트'로 인식하는 반도체이다.
상변화 메모리 소자에 사용되는 칼코게나이드계 메모리 재료의 등급에 대한 발전과 최적화는 현재 실제 더 빠른 스위칭 시간과 더 낮은 세트 및 리세트 에너지를 가지는 다른 유형으로 진행되고 있지 못하는 실정이다.
종래에 상변화 메모리 재료는 주로 삼원(Ge-Sb-Te)계 또는 그 합금이 주로 사용되고 있다.
상변화 메모리 소자의 경우는 그 동작을 위해서 반도체 기판의 MOS 트랜지스터 상에서 동작해야 하므로 저소비 전력과 고속의 동작특성이 필수적으로 요구되고 있다.
따라서, 전력 효율을 증가하기 위하여 상변화 메모리층과 열전도성 전극과의 접촉 면적을 가능한 작게 만들어야 한다.
그러나 현재까지의 포토리소그래피 기술 및 식각 기술로는 충분히 만족할 만한 범위의 면적을 얻기에는 한계가 있으며, 또한 접촉 저항의 변화율이 크게 되어 상변화 기억소자의 읽기과정(Reading Process)에서 센스 마진(Sense Margin)에 따른 오류판독이 발생하여 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 정보저장을 위한 고성능 상변화 메모리 기록 재료로서 요구되는 주요 특성을 살펴보면 다음과 같다.
첫째, 정보의 기록 및 소거 상태에 대응하는 재료의 상태인 비정질과 결정질 상태 변화의 폭이 커야 하고, 둘째 기록 형성의 전 단계인 액상상태의 형성을 위한 용융 온도가 적절해야 하며, 셋째 액상의 상태로부터 냉각에 의해 비정질 및 결정질 상태의 형성이 고속으로 용이해야 하고, 넷째 형성된 상변화는 사용 온도에 대해 안정되어야하는 특성을 갖는다.
상기 특성들은 상변화 메모리의 고성능화의 공통적 핵심과제인 고집적화 및 전송속도의 증가를 위해서는 필수적이다.
따라서 상변화 메모리 재료들은 상기 요구 특성들 중에 기재된 바와 같이 우수한 특성을 갖는 상변화 재료가 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 저장된 데이터에 대한 빠른 스위칭 속도의 조건들과 더욱 안정적 비정질과 결정의 상변화를 가지는 삼원계인 GeaSebTec 화합물 합금으로 조성되는 복합 상변화 메모리 재료를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 삼원계인 GeaSebTec 합금과 합성되어 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 조성되는 재료로부터 고속의 상변화가 가능하고 데이터의 기록 및 쓰기 특성이 우수한 비휘발성 상변화 메모리로 사용할 수 있도록 된 복합 상변화 메모리 재료를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 상변화 메모리 재료는 화학 양론적 삼원계 합금인 GeaSebTec로 조성되는 것을 특징으로 한다.
상기 삼원계 합금의 a, b, c는 원소의 조성 원자비로서, 최적의 비율인 a : b : c는 1 : 1 : 2의 비율을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 삼원계 합금의 a, b, c는 원소의 조성 원자비이고, 상기 a는 5≤a≤25과, b는 5≤b≤35 및 c는 10≤c≤75의 비율을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 삼원계 합금과 합성되어 결정학적 유사구조를 갖는 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 조성되는 것을 특징으로 하고, 상기 사원계 합금의 원소 D는 P, As, Sb, Bi 로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 5족 원소인 것을 특징으로 하고, 상기 사원계 합금의 x는 화합물 합금으로부터 합성되는 원자 몰분율 0.5＜x≤1인 것을 특징으로 한다.
상기 복합 상변화 메모리 재료를 이용하여 제작된 복합 상변화 메모리 소자의 리세트와 세트를 기록하는 시간 범위는 5 ns 내지 200 ns인 것을 특징으로 한다.
상기 복합 상변화 메모리 재료를 이용하여 제작된 복합 상변화 메모리 소자의 리세트와 세트 저항비는 적어도 100배 이상의 센싱 마진을 갖는 스위칭 특성을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 GexSe1-x계에 대한 유리질 형성능력(GFA : Glass Forming Ability) 관계도로서, 유리질 형성 난이도(Glass-Forming Difficulty), 화학적 안정도(Chemical Stability), 역학적 안정도(Mechanical Stability), 수냉(Water Quenching), 공냉(Air Quenching), 서냉(Slow Cooling), 실험데이터(Experimental Data) 및 필립스의 이론데이터(Phillips's Mechanical Costraint Theory)로 이루어진다.
도 1에 도시된 바와 같이, 화합물 합금으로부터 합성되는 Ge:Se의 원자 몰분율(x) 비가 1 : 4로 조성되는 Ge25Se75의 영역에서 유리질 형성능력(GFA : Glass Forming Ability)은 최대가 된다.
또한, Ge:Se의 원자 몰분율(x) 비가 1 : 2인 GeSe2의 경우가 화학적으로 가장 안정한 화학양론적(Chemical Stability) 조성이지만 유리질 형성능력은 가장 낮은 조성이 된다. 즉, GeSe2에 대한 유리질 형성은 담금질 또는 수냉(Water Quenching)과 같은 매우 빠른 냉각 속도에 의해서도 얻어지기 힘들게 된다.
본 발명은 상기 GeTe계 합금의 결정화능력과 GeSe계 합금의 비정질화 능력을 고려하여 상기 재료들을 합성하는 GeSeTe계 고용체를 형성하는 삼원계 합금은 다음과 같은 구성 원리를 갖게 된다.
GeTe계 합금에 대한 마에다(Maeda) 등의 연구[Y. Maeda and M. Wakagi, Jpn.J.Appl. PHYS., 30, 101 (1991)]에 의하면, 비정질 GeTe로부터 결정화가 진행됨에 따라 Ge-Te 결합길이의 증가와 함께 Ge-Ge 결합의 소멸이 발생하게 된다.
또한, GeSe계 합금에 대한 Phillips의 실험[J. C. Phillips, Comments Solid State Phys. 4, 9 (1971)] 및 본 발명인의 연구 결과 등에서 GeSe계 합금의 용융체를 냉각하여 비정질화하는 과정에서 결정화를 피하여 유리질화를 이룰 수 있는 최소 냉각속도를 각 조성에 대하여 표시하므로 유리질 형성능력(GFA ; Glass Forming Ability)을 평가하였다.
본 발명에 따른 상변화형 기록재료는 GeTe계 합금의 결정화 조성과 GeSe계 합금의 비정질화 조성을 고려하여 제작하였다.
상기 상변화 기록재료는 삼원계인 GeaSebTec 합금과 상기 화합물 합금과 유사구조를 갖는 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 합성되는 조성을 갖는 재료이다.
이때, x는 원자 몰분율로서 0.5＜x≤1이고,
a, b 및 c는 질의 대상인 원소의 조성 원자비이고,
D는 5족 원소이다.
바람직하게는, 삼원계인 GeaSebTec 합금의 경우(a, b, c), a는 5≤a≤25과, b는 5≤b≤35 및 c는 10≤c≤75의 비율을 기준으로 하고, 합성재료의 단일 구조로 가능하거나 또는 복수의 상을 형성하여 체적 점유에 따른 상분율이 90% 이상이 되는 지배적 구조형성이 가능한 조성변위를 포함하게 된다.
본 발명에 따른 상변화 기록재료는 저에너지 인가시 우수한 상변화 특성을 가지면서 고밀도화 및 고속 상변화를 통해 빠른 스위칭 속도가 가능하며, 비정질/결정 상변화율의 폭이 커서 읽기과정(Reading Process)에서 센스 마진(Sense Margin)에 따른 오류판독의 발생을 최소화할 수 있다.
따라서 상기 상변화 기록재료는 향후 지속적으로 전개될 고속 메모리 소자에 유용하게 쓰일 수 있다.
본 발명에 관한 보다 상세한 내용은 다음의 구체적인 실시예를 통하여 설명 하며, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 기술적으로 유출할 수 있는 것이므로 설명을 생략한다.
또한, 다음 실시예들이 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 본 발명을 실소자로 구현하는 것의 적합성을 종래의 기술과 본 발명의 실시예에 대한 세트/리세트 전이의 스위칭 속도와, 반복되는 세트 저항값과 리세트 저항값의 변화를 측정하여 저항비를 비교함으로써 나타내어 검증하였다.
<실시예 1 : 상변화 메모리 세트/리세트 스위칭 속도 변화>
도 2는 본 발명에 따른 상변화 메모리 재료(GeSeTe계)의 세트/리세트 펄스 인가 시간에 따른 온도파형과 종래의 일반적인 상변화 메모리 재료(GeSbTe계)의 세트/리세트 펄스 인가 시간에 따른 온도파형을 나타낸 비교도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상변화 메모리 세트/리세트 스위칭 속도 변화를 확인하기 위하여 동일한 크기의 입력 전류 및 전압 신호를 인가하여 확인하였다.
상변화 재료는 온도 변경에 응답하여 비정질상 상태에서 결정상 상태로 변경할 수 있고, 그 후 다시 비정질상 상태로 돌아 갈 수도 있으며 또한, 이와 반대로도 가능하게 된다.
이러한 방식으로, 종래 상변화 메모리 재료(GeSbTe계)의 세트/리세트 시간에 따른 온도파형이 도 2에 도시된 바와 같다.
특히, 상변화 물질을 결정상태로 배치하기 위해서 일반적으로 대략 시간 To에서 시간 T2까지 연장하는 결정화 세트 펄스(Set Pulse)를 도시한 것으로, 세트 펄 스는 상변화 물질 온도의 순간 상승을 나타낸다.
세트 펄스는 리세트 펄스(Reset Pules), 즉 상변화 재료의 고온과 관련되지만 상당히 짧은 기간을 가지는 펄스와 대조를 이루는데, 리세트 펄스가 대략 시간 To에서 T1까지 연장되기 때문이다.
따라서, 리세트 펄스는 결정상 상태로부터 비정질상태로 상변화 재료계 메모리 셀을 변형하거나, 메모리 셀의 상태를 논리적'0'으로 '리세트'하는 데에 이용된다.
반대로, 세트 펄스는 메모리 셀의 상태를 논리적'1'로 설정하는 데에 이용될 수 있다.
사실상, 상기 상변화 재료가 메모리 셀에 이용될 때, 메모리 셀은 프로그램 가능한 저항기로서 생각될 수 있으며, 이는 고저항 상태와 저저항 상태 사이에서 가역적으로 변화하게 된다.
메모리 저장 장치로서 상변화 재료를 이용하는 것의 잠재적 어려움은 결정상태에서 비정질 상태로 변화하는데 필요한 시간이 비정질 상태에서 결정상태로 변화하는 데에 필요한 시간보다 상당히 더 짧다는 것이다.
본 발명에 따른 상변화 메모리 재료(GeSeTe계)는 도 2에 도시된 바와 같이, 특징적으로 상변화 메모리 재료(GeSeTe계)의 경우 종래 기술에서 사용된 GeSbTe계 재료의 세트 펄스(Set Pulse)가 To에서 T2로 변화되었던 것이 To에서 1/2T2로, 리세트 펄스(Reset Pules)가 To에서 T1로 변화되었던 것이 To에서 1/2T1로 빠르게 변화 되는 것을 확인할 수 있었다.
상변화 재료의 메모리 셀을 세트하는 데에 필요한 시간대 셀을 리세트하는 데에 필요한 시간의 불일치로 인해, 기록 세트 사이클 시간은 기록 리세트 사이클 시간 보다 10 ~ 100배 더 길 수 있다.
<실시예 2 : 세트/리세트 반복 측정결과 >
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상변화 메모리에서 세트와 리세트를 반복 측정한 저항 변화도이다. 즉, 논리적'0'과 논리적 '1'의 데이터를 계속해서 읽은 결과를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, R세트와 R리세트가 변화 없이 계속 유지되고 있음을 알 수 있으며, 종래에 사용되던 GeSbTe계는 R세트와 R리세트의 저항 변화가 수십Ω에서 수십 kΩ으로 변화하지만, 본 발명에 따른 GeSeTe계는 R세트와 R리세트의 저항 변화가 수십Ω에서 수 MΩ으로 변화하는 것을 확인할 수 있다.
이는 메모리 기능을 위한 필수 조건으로, 결국 본 발명에 따른 상변화 방식의 경우, 종래 기술에서 사용되던 재료보다는 저항비의 변화가 크므로 보다 안정적인 데이터 유지를 확인할 수 있게 된다.
<실시예 3 : 세트 & 리세트 교차 반복 측정 결과>
도 4는 본 발명에 따른 상변화 재료(GeSeTe계)의 세트와 리세트를 교차로 반복하여 쓰기/읽기를 측정한 저항 변화도와 종래의 일반적인 상변화 재료(GeSbTe계)의 세트와 리세트를 교차로 반복하여 쓰기/읽기를 측정한 저항 변화도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 상변화 재료(GeSbTe계)를 통해 세트와 리세트를 교차로 반복하여 쓰기/읽기를 측정한 저항 변화값의 반복된 사이클 결과로부터 R세트와 R리세트의 크기 변화는 R리세트/R세트의 비가 약 100 ~ 1000인 반면에, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 상변화 재료(GeSeTe계)의 경우는 R리세트/R세트의 비가 약 10000 이상으로 일정한 비로 변화 없이 계속 유지되고 있음을 알 수 있는데, 이때 메모리 기능을 위한 필수 조건으로 데이터를 센싱하는데 중요한 정보로 작용하게 된다.
특히 안정적 메모리 소자로서 사용되기 위해서는 데이터 센싱을 위한 쓰여진 데이터를 동일 조건에서 쓰기/읽기를 반복할 때 세트와 리세트의 저항비가 클수록 데이터 센싱 마진의 오류판독 확률이 적어지는 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 상변화 기록재료는 저에너지 인 가시 우수한 상변화 특성을 가지면서 고밀도화 및 고속 상변화를 통해 빠른 스위칭 속도가 가능하며, 비정질/결정 상변화율의 폭이 커서 읽기과정에서 센스 마진에 따른 오류판독의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상변화 기록재료는 향후 지속적으로 전개될 고속 메모리 소자에 유용하게 쓰일 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 화학 양론적 삼원계 합금인 GeaSebTec로 조성되는 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼원계 합금의 a, b, c는 원소의 조성 원자비로서, 최적의 비율인 a : b : c는 1 : 1 : 2의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼원계 합금의 a, b, c는 원소의 조성 원자비이고, 상기 a는 5≤a≤25과, b는 5≤b≤35 및 c는 10≤c≤75의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼원계 합금과 합성되어 결정학적 유사구조를 갖는 사원계(GeaSebTec)xD1-x 합금으로 조성되는 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사원계 합금의 원소 D는 P, As, Sb, Bi 로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나의 5족 원소인 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 사원계 합금의 x는 화합물 합금으로부터 합성되는 원자 몰분율 0.5＜x≤1인 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 상변화 메모리 재료를 이용하여 제작된 복합 상변화 메모리 소자의 리세트와 세트를 기록하는 시간 범위는 5 ns 내지 200 ns인 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 상변화 메모리 재료를 이용하여 제작된 복합 상변화 메모리 소자의 리세트와 세트 저항비는 적어도 100배 이상의 센싱 마진을 갖는 스위칭 특성을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 상변화 메모리 재료.
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KR100810615B1 (ko) * 2006-09-20 2008-03-06 삼성전자주식회사 고온 상전이 패턴을 구비한 상전이 메모리소자 및 그제조방법
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