KR20100068794A - Nonvolatile programmable switch device and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자(Nonvolatile programmable switch device) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상변화 재료를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nonvolatile programmable switch device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a nonvolatile programmable switch device using a phase change material and a method of manufacturing the same.
반도체 소자는 크게 정보 기억만 가능한 메모리 소자와 정보 기억 이외의 기능이 가능한 비메모리 소자로 분류되며, 세계 최고 권위의 반도체 시장 조사기관인 가트너 데이타퀘스트(Gartner Dataquest)에 따르면 2005년 기준 전 세계 반도체 소자 시장 비중은 메모리 소자 22%, 비메모리 소자 78%의 비율을 갖는다. Semiconductor devices are largely classified into memory devices capable of storing information only and non-memory devices capable of functions other than information storage. According to Gartner Dataquest, the world's most prestigious semiconductor market research institute, the global semiconductor device market as of 2005 Specific gravity has a ratio of 22% for memory devices and 78% for non-memory devices.
비메모리 반도체 소자는 크게 다음의 두 가지 대표적인 시장군으로 분류된다. 그 중 하나는 마이크로 컴포넌트(micro-component)로서, 중앙 처리 장치(CPU, central process unit), 마이크로 컨트롤너 유니트(MCU, micro controller unit), MPR(micro peripheral) 및 디지털 신호 처리기(DSP, digital signal process) 등을 포함하고 있다. 나머지 하나는 주문형 반도체 소자로 알려진 ASIC(application specific integrated circuit)/ ASSP(application specific standard product)로 서, ASIC 하나만 놓고 보면 전체 메모리 반도체 시장 규모의 절반, ASIC/ASSP를 통합하고 놓고 보면 전체 메모리 반도체 시장 규모의 1.5배나 되는 대규모 시장을 차지한다.Non-memory semiconductor devices are largely classified into the following two representative market groups. One of them is a micro-component, which is a central processing unit (CPU), a micro controller unit (MCU), a micro peripheral (MPR) and a digital signal processor (DSP). process). The other is an application specific integrated circuit (ASIC) / application specific standard product (ASSP), known as an on-demand semiconductor device, which is half of the total memory semiconductor market in terms of one ASIC, and the entire memory semiconductor market integrating ASIC / ASSP. It occupies a large market that is 1.5 times the size.
ASIC의 한 제품군으로 분류되는 FPGA(field programmable gate array)는, 재구성형(reconfigurable) LSI(large scale integration)의 대표 주자로서, 고객(customer)의 다양화된 기능과 수요를 충족시키기 위해 매번 반도체 칩 전체를 새로 제작하는 대신, 회로의 일부 기능을 사용자의 요구에 맞게 재구성하여 다양한 기능을 구현할 수 있는 장점을 가지고 있다. FPGA는 회로 기능 일부를 재구성하기 위한 프로그래머블 스위치 소자를 탑재하고 있으며, 기존의 프로그래머블 스위치 소자는 일반적으로 하나의 트랜지스터와 하나의 SRAM(static random access memory) 소자로 구성된다. 하지만, 기존 프로그래머블 스위치 소자의 경우 SRAM 자체의 고유특성으로 인해 휘발성의 단점 및 큰 단면적으로 인해 제조원가 비싸다는 단점을 갖게 된다. Field programmable gate arrays (FPGAs), grouped in a family of ASICs, are representatives of reconfigurable large scale integration (LSI), each time a semiconductor chip meets customers' diverse functions and needs. Instead of making a whole new one, it has the advantage that various functions can be implemented by reconfiguring some functions of the circuit to meet the needs of users. FPGAs have programmable switch devices for reconfiguring some of the circuit functions. Conventional programmable switch devices typically consist of one transistor and one static random access memory (SRAM) device. However, in the case of the existing programmable switch device, due to the inherent characteristics of the SRAM itself, disadvantages of volatility and large cross-sectional area have disadvantages of high manufacturing cost.
이러한 단점을 개선하기 위하여 많은 연구들이 진행되어 오고 있는데, 고체 전해질 소자가 그 중 하나의 대안으로 연구되어 왔다. 그런데, 고체 전해질 소자는 CMOS 호환성(compatibility)의 문제가 있고, 현재까지 칩 레벨에서 CMOS 적용 문제를 완벽히 해결하지 못한 상태이다. 또한, 고체 전해질 메모리 소자는 측정온도에 따라 온 오프(ON/OFF) 임계전압 값의 급격한 변화 및 읽기 유지(read retention) 등의 신뢰성 문제들을 노출하고 있다. 고체 전해질 소자를 프로그래머블 스위치 소자에 이용하기 위해서는 CMOS 적용과 신뢰성 등의 요구사항들이 충족되어야 한다.Many studies have been conducted to remedy this disadvantage, and solid electrolyte devices have been studied as an alternative. However, the solid electrolyte device has a problem of CMOS compatibility and has not completely solved the problem of CMOS application at the chip level. In addition, the solid electrolyte memory device exposes reliability problems such as a sudden change in the ON / OFF threshold voltage value and read retention according to the measurement temperature. In order to use solid electrolyte devices in programmable switch devices, requirements such as CMOS application and reliability must be met.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 상변화 재료(또는 상변화층)를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 제공하는 데 있다. The problem to be solved by the present invention is to provide a nonvolatile programmable switch device using a phase change material (or phase change layer) in order to solve the above problems.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상변화 재료(또는 상변화층)를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device using a phase change material (or phase change layer).
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 반도체 기판 상에 형성된 제1 전극과, 제1 전극 상에서 제1 전극의 일부를 노출하는 콘택홀을 갖는 절연층을 포함한다. 콘택홀에는 발열 전극이 매립되어 있다. 발열 전극 상에는 상변화층이 형성되어 있다. 상변화층의 양측 측면에 접촉된 금속층이 형성되어 있다. 상변화층과 연결되고 금속층과는 절연된 제2 전극이 형성되어 있다. 상변화층을 중심으로 금속층의 일측부와 연결되어 제3 전극이 형성되어 있다. 상변화층을 중심으로 금속층의 타측부와 연결되어 제4 전극이 형성되어 있다.In order to solve the above problem, the nonvolatile programmable switch device of the present invention includes an insulating layer having a first electrode formed on a semiconductor substrate and a contact hole exposing a portion of the first electrode on the first electrode. The heating electrode is embedded in the contact hole. The phase change layer is formed on the heating electrode. Metal layers in contact with both sides of the phase change layer are formed. A second electrode connected to the phase change layer and insulated from the metal layer is formed. The third electrode is formed by being connected to one side of the metal layer around the phase change layer. The fourth electrode is formed by being connected to the other side of the metal layer around the phase change layer.
금속층은 상변화층의 측면 일부와 접촉하면서 형성되거나, 금속층은 상변화층의 측면 전부와 접촉하면서 형성될 수 있다. 제1 전극 및 제2 전극은 쓰기 전용 전극이고, 제3 전극 및 제4 전극은 금속층을 통해 상변화층의 저항값을 검출하는 읽기 전용 전극일 수 있다.The metal layer may be formed in contact with a portion of the side surface of the phase change layer, or the metal layer may be formed in contact with all of the side surfaces of the phase change layer. The first electrode and the second electrode may be write-only electrodes, and the third and fourth electrodes may be read-only electrodes that detect resistance values of the phase change layer through the metal layer.
상변화층을 중심으로 금속층의 일측부 및 타측부를 각각 노출하는 제1 비아홀 및 제3 비아홀과 상변화층 상에 제2 비아홀을 갖는 제2 절연층과 제3 절연층을 더 포함하고, 제1 비아홀 및 제3 비아홀에는 각각 상기 제3 전극 및 제4 전극이 매립되어 형성되고, 제2 비아홀에는 상기 제2 전극이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극 및 제2 전극은 제3 전극 및 제4 전극과 전기적으로 분리되어 있을 수 있다.And a second insulating layer and a third insulating layer having a first via hole and a third via hole exposing one side portion and the other side portion of the metal layer around the phase change layer, and a second via hole having a second via hole on the phase change layer. The third electrode and the fourth electrode may be embedded in the first via hole and the third via hole, respectively, and the second electrode may be formed in the second via hole. The first electrode and the second electrode may be electrically separated from the third electrode and the fourth electrode.
상술한 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조방법은 반도체 기판 상에 제1 전극을 형성하고, 제1 전극을 노출하는 콘택홀을 갖는 제1 절연층을 형성하는 것을 포함한다. 콘택홀에 매립되는 발열 전극을 형성한다. 발열 전극 상에 상변화층을 형성한다. 상변화층의 양쪽 측면에 금속층 및 제2 절연층을 순차적으로 형성한다. In order to solve the other problem described above, the manufacturing method of the nonvolatile programmable switch device of the present invention is to form a first electrode on a semiconductor substrate, and to form a first insulating layer having a contact hole exposing the first electrode. Include. A heating electrode embedded in the contact hole is formed. A phase change layer is formed on the heating electrode. Metal layers and second insulating layers are sequentially formed on both sides of the phase change layer.
상변화층을 덮도록 상기 제2 절연층 및 금속층 상에 제3 절연층을 형성한다. 제3 절연층 및 제2 절연층을 패터닝하여 상변화층을 중심으로 금속층의 일측부 및 타측부에 각각 제3 전극 및 제4 전극을 형성하고, 상변화층 상에는 제2 전극을 형성한다.A third insulating layer is formed on the second insulating layer and the metal layer to cover the phase change layer. The third and second insulating layers are patterned to form third and fourth electrodes on one side and the other side of the metal layer around the phase change layer, and a second electrode is formed on the phase change layer.
발열 전극 및 제1 절연층 상에 발열 전극을 노출하는 포어를 갖는 금속층 및 제2 절연층을 형성하고, 포어를 채우면서 발열 전극 및 금속층과 접촉하는 상변화 물질층을 형성하고, 제2 절연층을 식각 저지막으로 상변화물질층을 평탄화함으로써 상변화층을 형성할 수 있다. Forming a metal layer having a pore exposing the heating electrode and the second insulating layer on the heating electrode and the first insulating layer, forming a phase change material layer in contact with the heating electrode and the metal layer while filling the pore, and forming a second insulating layer The phase change layer may be formed by planarizing the phase change material layer with an etch stop layer.
발열 전극 및 제1 절연층 상에 상변화층을 형성하고, 상변화층을 덮도록 제1 절연층 상에 금속 물질층 및 절연 물질층을 형성하고, 상변화층을 식각저지막으로 절연 물질층 및 금속 물질층을 평탄화함으로써 상변화층, 금속층 및 제2 절연층을 형성할 수 있다.A phase change layer is formed on the heating electrode and the first insulating layer, a metal material layer and an insulating material layer are formed on the first insulating layer to cover the phase change layer, and the phase change layer is an etch stop layer. And the phase change layer, the metal layer, and the second insulating layer may be formed by planarizing the metal material layer.
제3 절연층 및 상기 제2 절연층을 패터닝하여 상기 상변화층의 양측의 금속층 상에 제1 비아홀 및 제3 비아홀을 형성하고, 상변화층 상에는 제2 비아홀을 형성하고, 제1 비아홀, 제2 비아홀 및 제3 비아홀에 각각 매립되는 제3 전극, 제2 전극 및 제4 전극을 형성하는 것을 포함할 수 있다. Patterning a third insulating layer and the second insulating layer to form a first via hole and a third via hole on the metal layer on both sides of the phase change layer, a second via hole is formed on the phase change layer, the first via hole, the first The method may include forming a third electrode, a second electrode, and a fourth electrode embedded in the second via hole and the third via hole, respectively.
제3 전극 및 제4 전극은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기 전용 전극이고, 제1 전극 및 제2 전극은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기 전용 전극일 수 있다.The third electrode and the fourth electrode may be read-only electrodes in the programmable switch element operation, and the first electrode and the second electrode may be write-only electrodes in the programmable switch element operation.
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 4개의 단자를 가지고 있으며, 제1 전극(102) 및 제2 전극(130)과, 제3 전극(128) 및 제4 전극(132)이 완전히 분리된 구조이다. 즉, 본 발명의 프로그래머블 스위치 소자는 읽기 전용 전극들(읽기 전용 단자들)과 쓰기 전용 전극들(쓰기 전용 단자들)이 완전 분리되기 때문에 전류 또는 전압이 인가된 상황에서도 소자 리텐션(retention) 특성을 향상시킬 수 있다. The nonvolatile programmable switch device of the present invention has four terminals and has a structure in which the
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 SRAM 소자를 포함하지 않기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 소자가 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 상변화층(118)을 포함하기 때문에 비휘발성 성질을 가질 수 있다. Since the nonvolatile programmable switch device of the present invention does not include an SRAM device, the area occupied by the device may be reduced as described above, and the nonvolatile programmable switch device may have a nonvolatile property since the
본 발명자들은 아래와 같은 이유에 의해 프로그래머블 스위치 소자에 저항 변화형의 상변화 재료(또는 상변화층)를 활용하는 것이 종래의 문제점들을 해결할 수 있다고 판단하였다. The present inventors have determined that the use of a resistance change type phase change material (or phase change layer) in a programmable switch element can solve conventional problems for the following reasons.
상변화 재료의 경우 이미 DVD등의 광산업(optical industry)에 널리 사용되어 양산중인 검증된 재료이다. 상변화 재료는 반도체 분야인 상변화 메모리 소자에 많이 활용되고 있어 안정된 재료이다. Ge2Sb2Te5(GST)로 대표되는 상변화 재료는 인가되는 전류 혹은 전압 조건에 따라 낮은(low) 저항의 결정 혹은 높은(high)저항의 비정질 상태로 바뀌는데, 전원이 꺼지더라도 그 상태가 유지되는 비휘발성 메모리 특성을 갖는다. Phase change materials are proven materials that are already widely used in the optical industry such as DVD. Phase change materials are stable materials because they are widely used in phase change memory devices in the semiconductor field. The phase change material represented by Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) changes to a low resistance crystal or high resistance amorphous state depending on the applied current or voltage conditions, even when the power is turned off. Retained nonvolatile memory characteristics.
상변화 재료는 결정 혹은 비정질의 상태에 따라 온(결정, low 저항) 혹은 오프 (비정질, high 저항) 동작이 가능하므로 스위치 동작이 가능하다. 따라서, 상변화 재료는 종래의 프로그래머블 스위치 소자인 하나의 트랜지스터와 하나의 SRAM 소자가 갖는 특성을 모두 보유하게 하게 할 수 있다. 또한, 상변화 재료는 종래의 프로그래머블 스위치 소자가 갖지 못한 비휘발성 및 작은 단면적을 갖는 프로그래머블 스위치 소자를 구현할 수 있다. 상변화 재료는 상변화 메모리 소자에 많이 이용되고 있으므로 CMOS 정합 공정이 가능하며 라디에이션(radiation)에 대한 내성이 강하다는 특성도 가질 수 있다. The phase change material can be switched (on, low resistance) or off (amorphous, high resistance) depending on the crystalline or amorphous state. Thus, the phase change material can be made to retain all the characteristics of one transistor and one SRAM element, which are conventional programmable switch elements. In addition, the phase change material can implement a programmable switch element having a non-volatile and small cross-sectional area that conventional programmable switch elements do not have. Since phase change materials are widely used in phase change memory devices, a CMOS matching process is possible, and they may also have characteristics of being resistant to radiation.
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 바이어스 인가 상황에서 소자 유지(retention) 특성이 요구된다. 따라서, 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 읽기 전극(단자)과 쓰기 단자를 완전히 분리하여 소자 유지 특성을 향상시킬 수 있도록 설계한다. The nonvolatile programmable switch device of the present invention requires device retention characteristics in a bias application situation. Therefore, the nonvolatile programmable switch device of the present invention is designed to improve the device retention characteristics by completely separating the read electrode (terminal) and the write terminal.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention illustrated in the following may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be implemented in various different forms. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. In the following figures, like reference numerals refer to like elements.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device according to a first embodiment of the present invention.
구체적으로, 도 1에 도시한 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 4 전극(단자) 소자로써 편의상 반도체 기판(100) 상에 형성된 하나의 단위 소자 부분만을 도시한 것이다. 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 반도체 기판(100) 상에 제1 전극(102)이 형성되어 있다. 제1 전극(102)은 금속막으로 구성한다. 제1 전극(102)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기(write) 전용 전극으로 이용된다. 제1 전극(102)을 덮으면서 제1 전극(102)의 일부를 노출하는 콘택홀(106)을 갖는 제1 절연층(104)이 형성되어 있다. 콘택홀(106)에는 발열 전극(108)이 매립되어 있다. Specifically, the nonvolatile programmable switch device according to the present invention shown in FIG. 1 illustrates only one unit device portion formed on the
발열 전극(108) 및 제1 절연층(104) 상에 발열 전극(108)을 노출하는 포어(110)를 갖는 금속층(112)이 형성되어 있다. 포어(110)에는 발열 전극(108)과 금 속층(112)과 접촉하는 상변화층(118)이 형성되어 있다. 금속층(112)은 상변화층(118)의 측면 일부를 감싸도록 형성되어 있다. 금속층(112) 상에는 상변화층(118)을 중심으로 금속층(112)의 일부를 노출하는 제2 절연층(114a)이 형성되어 있다. The
제2 절연층(114a) 상에는 금속층(112) 및 상변화층(118)을 노출하는 제1 비아홀(122), 제2 비아홀(124) 및 제3 비아홀(126)을 갖는 제3 절연층(120)이 형성되어 있다. 제2 비아홀(124) 내에는 상변화층(118)과 연결되고 금속층(112)과는 절연된 제2 전극(130)이 형성되어 있다. 제2 전극(130)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기(write) 전용 전극으로 이용된다. The third
제1 비아홀(122) 내에는 금속층(112)의 일측부와 연결된 제3 전극(128)이 형성되어 있다. 제3 비아홀(126) 내에는 금속층(112)의 타측부와 연결된 제4 전극(132)이 형성되어 있다. 제3 전극(128) 및 제4 전극(132)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 금속층(112)을 통해 상변화층(118)의 저항값을 검출하는 읽기(read) 전용 전극으로 이용된다. 상변화층(118)은 제1 전극(102) 및 제2 전극(130)을 통해 인가되는 전류 혹은 전압에 의해 주울 가열될 수 있는 칼코게나이드 합금으로 구성된다. A
결과적으로, 도 1에 도시한 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 전극(102) 상에 발열 전극(108)이 형성되어 연결된다. 발열 전극(108) 상에는 상변화층(118) 및 제2 전극(130)이 순차적으로 형성되어 연결된다. 상변화층(118)의 왼쪽 및 오른쪽 측면에 금속층(112)이 접속되어 상변화층(118)과 연결된 다. As a result, in the nonvolatile programmable switch device according to the present invention illustrated in FIG. 1, a
상변화층(118)의 왼쪽에 위치하는 금속층(112)의 일측부는 제3 전극(128)과 연결되고, 상변화층(118)의 오른쪽에 위치하는 금속층(112)의 타측부는 제4 전극(132)과 연결된다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 전극(102) 및 제2 전극(130)은 프로그래머블 스위치 소자동작시 쓰기 전용 전극으로 이용되고, 제3 전극(128) 및 제4 전극(132)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기 전용 전극으로 이용된다. One side of the
이상과 같은 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 4개의 단자를 가지고 있으며, 제1 전극(102) 및 제2 전극(130)과, 제3 전극(128) 및 제4 전극(132)이 완전히 분리된 구조이다. 즉, 본 발명의 프로그래머블 스위치 소자는 읽기 전용 전극들(읽기 전용 단자들 128, 132)과 쓰기 전용 전극들(쓰기 전용 단자들, 102, 130)이 완전 분리되기 때문에 전류 또는 전압이 인가된 상황에서도 소자 리텐션(retention) 특성을 향상시킬 수 있다. The nonvolatile programmable switch device of the present invention as described above has four terminals, and the
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 SRAM 소자를 포함하지 않기 때문에 앞서 설명한 바와 같이 소자가 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 상변화층(118)을 포함하기 때문에 비휘발성 성질을 갖는다. 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 비휘발성을 갖기 때문에 별도의 외장 메모리가 필요하지 않고 이로 인해 제조원가를 낮출 수 있고, 정보 유출의 위험성을 낮출 수 있다. 또한, 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 SRAM 소자를 구비하지 않아 소자가 차지하는 단면적을 줄일 수 있어 온(on) 저항을 낮출 수 있다. Since the nonvolatile programmable switch device of the present invention does not include the SRAM device, the area occupied by the device can be reduced as described above, and the nonvolatile programmable switch device has a nonvolatile property because the
다음에, 도 1의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작 과정을 보다 상세하게 설명한다.Next, the operation of the nonvolatile programmable switch device of FIG. 1 will be described in more detail.
먼저, 쓰기 동작을 설명한다. 제1 전극(102) 또는 제2 전극(130)에 전류 혹은 전압을 인가하고, 인가된 전류 혹은 전압에 의해 발열 전극(108)이 주울 가열되고 이로 인해, 상변화층(118)을 가열하게 된다. 가열된 상변화층(118)이 용융점 이상으로 온도가 상승 후 급냉되면 고(high) 저항의 비정질 상태로써 오프로 쓰게 되고, 결정화온도 이상 및 용융점 온도 미만의 온도로 상승 후 서냉되면 낮은(low) 저항의 결정 상태로써 온 상태로 쓰게 된다. 상변화층(118)의 특성상 전원이 꺼지더라도 그 저항 상태가 유지되는 비휘발성의 특성을 갖는다. First, the write operation will be described. A current or voltage is applied to the
다음에, 읽기 동작을 설명한다. 읽기 동작을 위해서, 상변화층(118)의 좌우 측면에 위치한 금속층(112)과 이에 연결된 제3 전극(128) 및 제4 전극(132)을 활용한다. 상변화층(118)의 저항값이 높은 경우 오프(off)로 읽고, 상변화층(118)의 저항값이 낮은 경우는 온(on)으로 읽는다. 특히, 도 1의 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 상변화층(118)의 일부 측면과 접촉하도록 금속층(112)이 형성되기 때문에 상변화층(118)의 읽기 동작시 저항 변화를 효과적으로 검출할 수 있다. Next, the read operation will be described. For the read operation, the
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device according to a second embodiment of the present invention.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 실시예와 비교하여 금속층(212a)이 상변화층(210)의 측면 전부와 접촉하 고, 제2 전극(226)이 상변화층(210)의 일부 표면상에만 형성되는 것을 제외하고는 동작 및 구조면에서 동일하다. 후에 설명하는 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 실시예와 제조 방법이 다르다. Specifically, in the nonvolatile programmable switch device according to the second embodiment of the present invention, the
보다 상세하게 설명하면, 반도체 기판(100) 상에 제1 전극(102)이 형성되어 있고, 제1 전극(102)의 일부를 노출하는 콘택홀을 갖는 제1 절연층이 형성되어 있고, 콘택홀 내에 발열 전극이 형성되어 있다. 제1 전극(102)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기(write) 전용 전극으로 이용된다. 발열 전극(108) 상에 발열 전극(108)과 접촉하는 상변화층(210)이 형성되어 있다. 상변화층(210)의 양측에는 상변화층(210)과 접촉하는 금속층(212a)이 형성되어 있다. 금속층(212a)은 상변화층(210)의 측면 전체와 접촉하도록 형성된다. 금속층(212a) 상에는 상변화층(210)을 중심으로 금속층(212a)의 일부를 노출하는 제2 절연층(214b)이 형성되어 있다. In more detail, the
제2 절연층(214b) 상에는 금속층(212a) 및 상변화층(210)을 노출하는 제1 비아홀(218), 제2 비아홀(220) 및 제3 비아홀(22)을 갖는 제3 절연층(216a)이 형성되어 있다. 제2 비아홀(220) 내에는 상변화층(210)과 연결되고 금속층(212a)과는 절연된 제2 전극(226)이 형성되어 있다. 제2 전극(226)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기(write) 전용 전극으로 이용된다. 제1 비아홀(218) 내에는 금속층(212a)의 일측부와 연결된 제3 전극(224)이 형성되어 있다. 제3 비아홀(222) 내에는 금속층(212a)의 타측부와 연결된 제4 전극(228)이 형성되어 있다. 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기(read) 전용 전극으로 이용된다. The third
결과적으로, 도 2에 도시한 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 제1 전극(102) 상에 발열 전극(108)이 형성되어 연결된다. 발열 전극(108) 상에는 상변화층(210) 및 제2 전극(226)이 순차적으로 형성되어 연결된다. 상변화층(210)의 왼쪽 및 오른쪽 측면에 금속층(212a)이 접속되어 상변화층(210)과 연결된다. 상변화층(210)의 왼쪽에 위치하는 금속층(212a)의 일측부는 제3 전극(224)과 연결되고, 상변화층(210)의 오른쪽에 위치하는 금속층(212a)의 타측부는 제4 전극(228)과 연결된다. 앞서 설명한 바와 같이 제1 전극(102) 및 제2 전극(226)은 프로그래머블 스위치 소자동작시 쓰기 전용 전극으로 이용되고, 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기 전용 전극으로 이용된다. 상변화층(210)은 제1 전극(102) 및 제2 전극(226)을 통해 인가되는 전류 혹은 전압에 의해 주울 가열될 수 있는 칼코게나이드 합금으로 구성된다. As a result, in the nonvolatile programmable switch device according to the present invention illustrated in FIG. 2, a
이상과 같은 제2 실시예에 의한 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 4개의 단자를 가지고 있으며, 제1 전극(102) 및 제2 전극(226)과, 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)이 완전히 분리된 구조이다. 따라서, 본 발명의 프로그래머블 스위치 소자는 읽기 전용 전극들(읽기 전용 단자들 224, 228)과 쓰기 전용 전극들(쓰기 전용 단자들, 102, 226)이 완전 분리되기 때문에 전류 또는 전압이 인가된 상황에서도 소자 리텐션(retention) 특성을 향상시킬 수 있다. The nonvolatile programmable switch element of the present invention according to the second embodiment described above has four terminals, and includes a
다음에, 도 2의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작 과정을 보다 상세하게 설명한다.Next, an operation process of the nonvolatile programmable switch device of FIG. 2 will be described in more detail.
먼저, 쓰기 동작을 설명한다. 제1 전극(102) 또는 제2 전극(226)에 전류 혹은 전압을 인가하고, 인가된 전류 혹은 전압에 의해 발열 전극(108)이 주울 가열되고 이로 인해, 상변화층(210)을 가열하게 된다. 가열된 상변화층(210)이 용융점 이상으로 온도가 상승 후 급냉되면 고(high) 저항의 비정질 상태로써 오프로 쓰게 되고, 결정화온도 이상 및 용융점 온도 미만의 온도로 상승 후 서냉되면 낮은(low) 저항의 결정 상태로써 온 상태로 쓰게 된다. 상변화층(210)의 특성상 전원이 꺼지더라도 그 저항 상태가 유지되는 비휘발성의 특성을 갖는다. First, the write operation will be described. A current or voltage is applied to the
다음에, 읽기 동작을 설명한다. 읽기 동작을 위해서, 상변화층(210)의 좌우 측면에 위치한 금속층(212a)과 이에 연결된 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)을 활용한다. 상변화층(210)의 저항값이 높은 경우 오프(off)로 읽고, 상변화층(210)의 저항값이 낮은 경우는 온(on)으로 읽는다.Next, the read operation will be described. For the read operation, the
도 3은 도 1과 비교를 위한 칼코게나이드 저장 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the chalcogenide storage element for comparison with FIG. 1.
구체적으로, 도 2의 비교예의 칼코게나이드 저장 소자는 출원인이 에너지 컨번젼 디바이시즈, 아이엔씨로 2006년 4월 5일자로 출원한 한국공개특허 2006-0121895호에 도시된 도면이다. 비교예의 칼코게나이드 저장 소자는 실리콘 웨이퍼(310), 열산화물(320) 상에 하부 금속 전극(340)을 포함하는 하부 터미널(330), 상부 금속전극(410)을 포함하는 상부 터미널(390) 및 GST 상변화층(380)에 연결된 측면 금속전극을 포함하는 중간 터미널(370)로 구성된 3 전극(단자) 구조를 갖는다. 측면 금속전극으로 구성된 중간 터미널(370)은 하부 금속 전극(340) 및 상부 금속 전극(410)과 동일한 금속 물질로 이뤄져 있다. 도 3에서, 참조번호 350 및 400은 배리어층이고, 360은 절연 영역을 나타내고, 420은 알루미늄층을 나타낸다. Specifically, the chalcogenide storage device of the comparative example of FIG. 2 is a view shown in Korean Patent Application Publication No. 2006-0121895 filed on April 5, 2006 by an energy convergence device, INC. The chalcogenide storage device of the comparative example includes a
본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 도 3의 칼코게나이드 저장 소자와 다르게 4단자 구조로써 쓰기 전용의 제1 전극(102) 및 제2 전극(130, 226)과, 읽기 전용의 제3 전극(128, 224) 및 제4 전극(132, 228)이 완전히 분리가 가능한 구조이다. 즉, 도 3의 비교예의 칼코게나이드 저장 소자는 읽기 및 쓰기 전극이 완전히 분리되는 구조는 아니다. 또한, 제조 방법도 본 발명과 서로 상이하다. Unlike the chalcogenide storage device of FIG. 3, the nonvolatile programmable switch device of the present invention has a four-terminal structure, and includes a write-only
2개 혹은 3개 전극(단자)만을 갖는 도 3의 소자의 경우, 적어도 1개의 단자는 쓰기 동작 및 읽기 동작을 모두 수행해야만 한다. 이 경우, 스위치 소자의 전기적 특성 스펙 중 하나인, 바이어스 인가 상황에서의 리텐션 테스트를 진행할 때 페일(fail)이 발생할 소지가 커진다. 하지만, 본 발명의 소자는 쓰기 동작 및 읽기 동작시 전극(단자)을 완전 분리한다. 이로 인해, 따라서, 본 발명의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 바이어스 인가상황에서도 리텐션 등 신뢰성 향상을 이룰 수 있다. In the case of the device of FIG. 3 having only two or three electrodes (terminals), at least one terminal must perform both a write operation and a read operation. In this case, a failure is likely to occur when the retention test in the bias application situation, which is one of the electrical characteristic specifications of the switch element, is performed. However, the device of the present invention completely separates an electrode (terminal) during a write operation and a read operation. Therefore, the nonvolatile programmable switch element of the present invention can achieve an improvement in reliability such as retention even in a bias application situation.
도 4 내지 도 7은 도 1의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 4 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile programmable switch device of FIG. 1.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 제1 전극(102)을 형성한다. 제1 전극(102)은 도전막, 예컨대 Cu, Al, TiW 혹은 W 을 증착한 후 사진 공정 및 식각 공정에 의해 패터닝함으로써 형성한다. 제1 전극(102)은 앞서 설명한 바와 같이 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기(write) 전용 전극으로 이용된다.Referring to FIG. 4, the
제1 전극(102)을 덮도록 제1 전극(102) 및 반도체 기판(100) 상에 제1 절연 층(104)을 형성한다. 제1 절연층(104)은 산화층 또는 질화층으로 형성한다. 제1 절연층(104)을 패터닝하여 제1 전극(102)의 일부를 노출하는 콘택홀(106)을 형성한다. 콘택홀(106)에 발열 전극(108)을 형성한다. 발열 전극은 TiN 등의 Ti계 합금 또는 SiGe 계열 합금으로 형성한다. The first insulating
도 5를 참조하면, 발열 전극(108) 및 제1 절연층(104) 상에 금속 물질층(미도시) 및 절연 물질층(미도시)을 형성한 후, 금속 물질층 및 절연 물질층을 패터닝하여 발열 전극(108)을 노출하는 포어(110)를 형성한다. 이에 따라, 발열 전극(108) 및 제1 절연층(104) 상에 발열 전극(108)을 노출하는 포어(110)를 갖는 금속층(112) 및 제2 절연층(114)이 형성된다. 이어서, 제2 절연층(114) 상에 포어(110)를 채우면서 발열 전극(108) 및 금속층(112)과 접촉하는 상변화 물질층(116)을 형성한다. Referring to FIG. 5, after forming a metal material layer (not shown) and an insulating material layer (not shown) on the
도 6을 참조하면, 상변화 물질층(116)을 제2 절연층(114)을 식각 저지점으로 평탄화하여 포어 내에 상변화층(118)을 형성한다. 상변화 물질층(116)의 평탄화에 의해 제2 절연층(114)의 표면은 노출된다. 상변화 물질층(116)의 평탄화는 화학기계적연마 공정을 이용하여 수행한다.Referring to FIG. 6, the phase
도 7을 참조하면, 상변화층(118) 및 제2 절연층(114) 상에 절연 물질층(미도시)을 형성한다. 절연 물질층은 산화층 또는 질화층으로 형성한다. 이어서, 절연 물질층 및 제2 절연층(114)을 패터닝하여 패턴된 제3 절연층(120) 및 패턴된 제2 절연층(114a)을 형성한다. 이에 따라, 상변화층(118)의 양측의 금속층(112) 상에 상변화층(118)을 중심으로 제1 비아홀(122) 및 제3 비아홀(126)이 형성되고, 상변 화층(118) 상에 제2 비아홀(124)이 형성된다. Referring to FIG. 7, an insulating material layer (not shown) is formed on the
이어서, 제1 비아홀(122), 제2 비아홀(124) 및 제3 비아홀(126)을 매립하도록 도전막, 예컨대 Cu, Al, TiW 혹은 W막을 형성한 후, 사진 공정 및 식각 공정으로 패터닝하여 도 1에 도시한 바와 같이 제3 전극(122), 제4 전극(126) 및 제2 전극(124)을 형성한다. 제3 전극(122) 및 제4 전극(126)은 금속층(112)과 연결된다.Subsequently, a conductive film such as a Cu, Al, TiW, or W film is formed to fill the first via
제3 전극(122) 및 제4 전극(126)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기 전용 전극으로 이용된다. 제2 전극(124)은 상변화층(118) 상에 형성되어 상변화층(118)과 연결된다. 제2 전극(124)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기 전용 전극으로 이용된다. The
도 8 내지 도 11은 도 2의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 8 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile programmable switch device of FIG. 2.
도 8을 참조하면, 도 4와 동일한 방법으로 반도체 기판(100) 상에 제1 전극(102), 제1 절연층(104), 발열 전극(108)을 형성한다. 발열 전극(108) 및 제1 절연층(104) 상에 발열 전극(108)과 연결되는 상변화층(210)을 형성한다. 상변화층(210)은 발열 전극(108) 및 제1 절연층(104) 상에 상변화 물질층(미도시)을 형성한 후 패터닝하여 형성한다. Referring to FIG. 8, the
도 9를 참조하면, 상변화층(210) 및 제1 절연층(104)이 형성된 반도체 기판(100)의 전면에 금속 물질층(212)을 형성한다. 금속 물질층(212)은 상변화층(210)을 감싸 접촉하면서 제1 절연층(104) 상에 형성된다. 금속층 물질층(212) 상에 절연 물질층(214)을 형성한다.Referring to FIG. 9, a
도 10을 참조하면, 상변화층(210)의 상부 표면을 식각 저지점으로 하여 절연 물질층(214) 및 금속 물질층(212)을 평탄화한다. 이에 따라, 상변화층(210) 및 절연 물질층(214)의 표면은 노출된다. 금속 물질층(212)은 상변화층(210)의 양측 측면 전체와 접촉하면서 제1 절연층(104) 상에 형성되는 금속층(212a)이 된다. 절연 물질층(214)은 금속층(212a) 상에 절연 물질층 패턴(214a)으로 형성된다. 절연 물질층(214) 및 금속 물질층(212)의 평탄화는 화학기계적연마 공정을 이용하여 수행한다. 계속하여, 상변화층(210), 금속층(212a) 및 절연 물질층 패턴(214a) 상에 제3 절연층(216)을 형성한다. Referring to FIG. 10, the insulating
도 11을 참조하면, 제3 절연층(216) 및 절연 물질층 패턴(214a)을 패터닝하여 패턴된 제3 절연층(216a) 및 제2 절연층(214b)을 형성한다. 이에 따라, 상변화층(210)의 양측의 금속층(212a) 상에 상변화층(210)을 중심으로 제1 비아홀(218) 및 제3 비아홀(222)이 형성되고, 상변화층(210) 상에 제2 비아홀(220)이 형성된다. Referring to FIG. 11, the third insulating
이어서, 제1 비아홀(218), 제2 비아홀(220) 및 제3 비아홀(222)을 매립하도록 도전막, 예컨대 Cu, Al, TiW 혹은 W막을 형성한 후, 사진 공정 및 식각 공정으로 패터닝하여 도 2에 도시한 바와 같이 제3 전극(224), 제4 전극(228) 및 제2 전극(226)을 형성한다. 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)은 금속층(212a)과 연결된다. 제3 전극(224) 및 제4 전극(228)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 읽기 전용 전극으로 이용된다. 제2 전극(226)은 상변화층(210) 상에 형성되어 상변화층(210)과 연결된다. 제2 전극(226)은 프로그래머블 스위치 소자 동작시에 쓰기 전용 전극으로 이용된다.Subsequently, a conductive film such as a Cu, Al, TiW, or W film is formed to fill the first via
이상 설명한 본 실시예들의 프로그래머블 스위치 소자는 바람직하게 제3 전극(128, 224) 및 제4 전극(132, 228)을 읽기 전용 전극들(읽기 전용 단자들)로 구성하고, 제1 전극(102) 및 제2 전극(130, 226)을 쓰기 전용 전극들(쓰기 전용 단자들, 102, 130)로 구성되는 것으로 설명하였다. The programmable switch element of the present embodiments described above preferably comprises the
그러나, 발열 전극(108)을 통해 상변화층(118, 210)에 전류 또는 전압을 가하여 비정질 상태 및 결정 상태를 만들 수 있는 조건이라면 제1 내지 제4 전극을 다양한 용도로 사용할 수 있다. 예컨대, 제3 전극(128, 224) 및 제4 전극(132, 228)을 쓰기 전용 전극들(쓰기 전용 단자들)로 구성하고, 제1 전극(102) 및 제2 전극(130, 226)을 읽기 전용 전극들(읽기 전용 단자들)로 구성할 수 도 있다. However, the first to fourth electrodes may be used for various purposes as long as the current or voltage is applied to the phase change layers 118 and 210 through the
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a nonvolatile programmable switch device according to a second embodiment of the present invention.
도 3은 도 1과 비교를 위한 칼코게나이드 저장 소자의 단면도이다.3 is a cross-sectional view of the chalcogenide storage element for comparison with FIG. 1.
도 4 내지 도 7은 도 1의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 4 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile programmable switch device of FIG. 1.
도 8 내지 도 11은 도 2의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 8 to 11 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nonvolatile programmable switch device of FIG. 2.
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |