KR20160113517A - 그래핀이 삽입된 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
열이 유입되는 하부전극과 상변화 물질층 사이에 그래핀층을 삽입하여, 유입된 열이 외부로 분산되는 것을 막아 상변화 물질층으로 열을 효율적으로 전달하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
개시된 상변화 메모리 소자는 하부전극, 상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층, 상기 하부전극 상에 형성된 그래핀층, 상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 형성된 상변화 물질층 및 상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극을 포함한다. 작은 구동전류로도 상변화 물질층의 상을 변화시킬 수 있으므로, 상변화 메모리 소자의 구동속도가 높아질 수 있으며, 높은 집적도를 갖는 상변화 메모리 소자를 제조할 수 있다.
개시된 상변화 메모리 소자는 하부전극, 상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층, 상기 하부전극 상에 형성된 그래핀층, 상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 형성된 상변화 물질층 및 상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극을 포함한다. 작은 구동전류로도 상변화 물질층의 상을 변화시킬 수 있으므로, 상변화 메모리 소자의 구동속도가 높아질 수 있으며, 높은 집적도를 갖는 상변화 메모리 소자를 제조할 수 있다.
Description
본 개시는 그래핀이 삽입된 상 변화 메모리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체 제품은 그 부피가 점점 작아지면서도 고용량의 데이터 처리를 요하고 있다. 이러한 반도체 제품에 사용되는 비휘발성 메모리 소자의 동작 속도를 높이고 집적도를 높일 필요가 있다.
비휘발성 메모리 소자로서 상변화 물질을 사용하는 기술이 개발되고 있다. 비휘발성 메모리 소자 중에서 상변화 물질을 기억 소자로서 이용하는 상변화 메모리(phase change memory, PCM) 소자가 있다. 상변화 물질을 이용한 메모리 소자는 물질의 상변화에 따른 저항의 변화를 이용한 메모리 소자로서, 인가되는 전압의 크기와 지속시간에 따라 물질의 상(phase)이 가역적으로 변화하는 것을 이용한다.
상변화 메모리(PCM) 소자는 수나노미터 영역으로의 스케일 축소가 가능하고, 빠른 스위칭이라는 장점을 보여 차세대 메모리로 각광받고 있다. 사이즈가 큰 NOR 소자에 비해 속도도 빠르고 안정적인 특성을 보인다.
하지만 현재의 주류 메모리 소자로 여겨지는 NAND flash 소자의 자리를 대체하는 차세대 메모리로 사용되어지기 위해서는 속도의 개선이 이루어져야 한다. 이를 위해, 상변화 메모리(PCM)의 구동 전력의 소모를 줄여야 하는 과제를 안고 있다. 이는 구동 속도와 관계 있는 것으로, 상변화 메모리(PCM) 구조상 전류 입력에 따라 상변화 물질의 결정화(crystallization) 및 비정질(amorphous)화가 빠르게 이루어져야 구동 속도가 높아지는데, 결국 구동 속도를 높이기 위해서는 낮은 전류의 구동이 가능해야 한다.
상변화 메모리 소자에 그래핀층을 삽입하여, 높은 열 전달 효율과 낮은 구동전류를 갖는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 삽입되는 그래핀층의 폭을 조절하여, 열 전달량을 조절할 수 있는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는 하부전극; 상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층; 상기 하부전극 상에 형성된 그래핀층; 상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 형성된 상변화 물질층; 및 상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극;을 포함한다.
상기 그래핀층은 상기 하부전극 상에만 형성되며, 상기 절연층 상에는 형성되지 않을 수 있다.
상기 그래핀층의 폭은 상기 하부전극의 폭과 동일할 수 있다.
상기 상변화 물질층은 GST(germanium antimony tellurium) 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자는 하부전극; 상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층; 상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층; 상기 그래핀층 상에 형성된 상변화 물질층; 및 상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극;을 포함한다.
상기 그래핀층은 상기 하부전극 및 상기 절연층의 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
상기 그래핀층은 상기 하부전극 및 상기 절연층의 전부를 덮도록 형성될 수 있다.
상기 상변화 물질층은 GST(germanium antimony tellurium) 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법은 기판 상에 전극층 및 절연층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 절연층의 일부를 제거하여 상기 전극층이 외부로 노출되도록 하는 단계; 상기 제거된 절연층 부분에 하부전극을 형성한 후, 최상층을 평판화하는 단계; 상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층을 제거하는 단계; 및 상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 상변화 물질층 및 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 전사 또는 직성장의 방법으로 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
상기 전극층 및 상기 하부전극은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 그래핀층을 제거하는 단계는 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층의 전부를 제거할 수 있다.
상기 그래핀층을 제거하는 단계는 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층의 일부를 제거할 수 있다.
일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 제조방법은 기판 상에 전극층 및 절연층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 절연층의 일부를 제거하여 상기 전극층이 외부로 노출되도록 하는 단계; 상기 제거된 절연층 부분에 하부전극을 형성한 후, 최상층을 평판화하는 단계; 상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀층 상에 상변화 물질층 및 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 전사 또는 직성장의 방법으로 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
상기 전극층 및 상기 하부전극은 동일한 물질로 형성될 수 있다.
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 하부전극 및 상기 절연층 전부를 덮도록 상기 그래핀층을 형성할 수 있다.
전술한 본 개시의 과제 해결 수단에 의하면, 상변화 물질층과 하부전극 사이에 형성된 그래핀층은 하부전극에서 형성된 열에너지를 상변화 물질층으로 효율적으로 전달하여 상변화 메모리 소자의 구동전류를 낮출 수 있다. 이에 따라, 상변화 메모리 소자의 구동 속도 또한 높아질 수 있다.
또한, 상변화 물질층과 하부전극 사이에 형성된 그래핀층의 폭을 조절하여, 하부전극으로부터 상변화 물질층으로 유입되는 열 전달량을 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자에서, 하부전극에서 발생한 열에 의해 상변화 물질층의 상(phase)이 변화하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자에서, 하부전극에서 발생한 열에 의해 상변화 물질층의 상(phase)이 변화하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3a 내지 도 3f는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5f는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자(100)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상변화 메모리 소자(100)는 절연층(110), 하부전극(120), 그래핀층(130), 상변화 물질층(140) 및 상부전극(150)을 포함한다.
절연층(110)은 하부전극(120)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 절연층(110)은, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중에 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
하부전극(120)은 절연층(110)으로 둘러싸여 있을 수 있다. 도 1에 도시된 도면은 단면도이기 때문에 하부전극(120)의 양 옆에만 절연층(110)이 도시되어 있으나, 도 1에서 하부전극(120)의 앞, 뒤 즉, 도면에 수직한 방향으로도 절연층(110)이 위치할 수 있다. 절연층(110)은 하부전극(120)의 측부만을 둘러싸고 있으며, 하부전극(120)의 상부에는 절연층(110)이 없을 수 있다.
하부전극(120)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다. 또한, 하부전극(120)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다. 또한, 하부전극(120)은 상기 물질들 중 어느 하나의 단일 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 복수의 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 단일 물질을 각각 포함하는 다중층, 및/또는 상기 물질들 중 복수의 물질을 각각 포함하는 다중층일 수 있다.
하부전극(120) 상에는 그래핀층(130)이 형성될 수 있다. 그래핀층(130)은 하부전극(120)에서 발생하는 열을 상변화 물질층(140)으로 전달하기 위하여, 하부전극(120) 및 상변화 물질층(140) 사이에 위치하며, 하부전극(120) 및 상변화 물질층(140)과 직접적으로 접촉되어 있을 수 있다. 그래핀층(130)의 폭과 하부전극(120)의 폭은 동일할 수 있으며, 절연층(110) 상에는 그래핀층(130)이 형성되어 있지 않을 수 있다. 그래핀층(130)의 폭을 하부전극(120)과 동일하게 형성하여, 상변화 메모리 소자(100)의 구동 시 하부전극(120)으로 유입된 열이 수평방향으로 빠져나가지 않고, 상변화 물질층(140)으로 전달되도록 할 수 있다.
그래핀층(130)은 높은 전기전도도를 가지므로, 하부전극(120)에 입력된 전류를 상변화 물질층(140)으로 전달할 수 있다. 또한, 그래핀층(130)은 높은 열전도도를 가지므로, 하부전극(120)에서 발생된 열을 상변화 물질층(140)으로 전달할 수 있다.
그래핀층(130) 및 절연층(110) 상에는 상변화 물질층(140)이 형성될 수 있다. 상변화 물질층(140)은 절연층(110) 및 그래핀층(130)과 직접적으로 접촉되어 있을 수 있다. 상변화 물질층(140)은 하부전극(120)과 전기적으로 연결된다. 상변화 물질층(140)과 하부전극(120) 사이에 그래핀층(130)이 삽입되어 있는 구조이지만, 그래핀층(130)의 전기전도도가 매우 높으므로, 상변화 물질층(140)과 하부전극(120)은 전기적으로 연결될 수 있다.
상변화 물질층(140)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상변화 물질층(140)은 다른 결정 상태에 의하여 데이터를 저장할 수 있는 칼코게나이드 같은 상변화 물질을 포함할 수 있다. 상변화 물질은 Ge-Te, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Se, Ge-Te-As, Ge-Te-Sn, Ge-Te-Ti, Ge-Bi-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sb-Te-S, Ge-Te-Sn-O, Ge-Te-Sn-Au, Ge-Te-Sn-Pd, Sb-Te, Se-Te-Sn, Sb-Se-Bi, In-Se, In-Sb-Te, Sb-Se, Ag-In-Sb-Te 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 상변화 물질층(140)은 상변화 물질 자체만을 포함할 수 있고, 도펀트가 첨가되는 상변화 물질을 포함할 수도 있다. 도펀트는 탄소(C), 질소(N), 실리콘(Si), 산소(O), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 도펀트를 상변화 물질층(140)에 도핑함으로써, 상변화 메모리 소자(100)의 구동전류가 감소될 수 있다. 또한, 상변화 물질층(140)은 금속 물질을 더 포함할 수 있다.
상변화 물질층(140) 상에는 상부전극(150)이 형성될 수 있다. 상부전극(150)은 상변화 물질층(140)과 직접적으로 접촉되어 있을 수 있다. 또한, 상부전극(150)은 상변화 물질층(140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상부전극(150)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다. 또한, 상부전극(150)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다. 또한, 상부전극(150)은 상기 물질들 중 어느 하나의 단일 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 복수의 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 단일 물질을 각각 포함하는 다중층, 및/또는 상기 물질들 중 복수의 물질을 각각 포함하는 다중층일 수 있다. 하부전극(120)과 상부전극(150)은 서로 동일한 물질로 형성되거나, 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
상변화 메모리 소자(100)는 기본적으로 전류에 의해 구동되며, 전류 구동에 의해 발생되는 열이 상변화 메모리 소자(100)의 하부전극(120)으로 전달되는 구조를 갖는다. 하부전극(120)은 상변화 물질층(140)의 물질 상태를 변경하는, 예를 들어 결정질 상태 또는 비정질 상태로의 물질 상태를 변경하는 히터의 기능을 수행할 수 있다.
상변화 메모리 소자(100)는 하부전극(120)과 상부전극(150) 사이에 구비된 상변화 물질층(140)의 물질 상태에 따라서 소정의 데이터가 저장될 수 있다. 상세하게는, 상변화 물질층(140)을 결정화 온도(crystallization temperature)와 용융점(melting temperature) 사이의 온도로 일정 시간 가열한 후에 서서히 냉각하면 상변화 물질층(140)은 결정(crystalline) 상태가 된다. 이러한 결정 상태를 셋 상태(set state)라고 지칭하며, 데이터 '0'이 저장된 상태일 수 있다. 반면, 상변화 물질층(140)을 용융점 이상의 온도로 가열한 후에 급냉하면 상변화 물질층(140)이 비정질(amorphous) 상태가 된다. 이러한 비정질 상태를 리셋 상태(reset state)라고 지칭하며, 데이터 '1'이 저장된 상태일 수 있다. 따라서, 상변화 메모리 소자(100)에 전류를 공급하여 데이터를 저장하고, 상변화 물질층의 저항 값을 측정하여 데이터를 독취할 수 있다. 한편, 상변화 물질의 가열 온도는 전류의 양에 비례하는데, 전류의 양이 증가할수록 높은 집적도의 달성은 어려워진다. 그리고 비정질 상태(리셋 상태)로의 변환은 결정질 상태(셋 상태)로의 변환보다 많은 전류량이 요구되므로 메모리 소자의 소비 전력이 증가한다. 따라서, 소비 전력을 줄이기 위해, 작은 전류량으로 상변화 물질을 가열시켜 결정질 또는 비정질 상태로 변환시키는 것이 요구된다. 특히, 높은 집적도 달성을 위해서는 비정질 상태로의 변환을 위한 전류(즉, 리셋 전류)를 줄이는 것이 요구된다.
전류 구동에 의해 하부전극(120)으로 유입된 열은 그래핀층(130)을 통하여 상변화 물질층(140)으로 전달될 수 있다. 그래핀층(130)은 두께방향으로의 열전도도가 폭방향으로의 열전도도보다 훨씬 큰 특성을 지니기 때문에, 하부전극(120)으로 유입된 열은 그래핀층(130)의 폭방향, 즉 수평방향으로 빠져나가지 않고 상변화 물질층(140)으로 효율적으로 전달될 수 있다. 따라서, 상변화 메모리 소자(100)를 구동시키기 위한 구동전류를 낮출 수 있으며, 이에 따라 상변화 메모리 소자(100)의 구동속도 또한 높아질 수 있다. 또한, 작은 전류 량으로도 상변화 물질층(140)을 가열하여 비정질 상태로의 변환이 가능해지므로, 높은 집적도를 달성할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자(100)에서, 하부전극(120)에서 발생한 열에 의해 상변화 물질층(140)의 상(phase)이 변화하는 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 상변화 메모리 소자(100)에 구동전류를 흘려 하부전극(120)이 가열될 수 있다. 가열된 하부전극(120)은 그래핀층(130)을 통하여 상변화 물질층(140)으로 열을 전달할 수 있다. 그래핀층(130)은 폭방향으로의 열전도도보다 두께방향으로의 열전도도가 훨씬 크므로, 하부전극(120)으로 유입된 열은 수평방향으로 빠져나가지 않고, 수직방향으로 전달되어 상변화 물질층(140)의 상(pahse)을 변화시킬 수 있다. 상변화 물질층(140)이 일정 온도이상으로 가열되면, 상변화 물질층(140)은 비정질 상태의 상변화 물질층(145)으로 상이 변화될 수 있다. 도 2에서, 상변화 물질층(140)은 결정 상태를 나타내며, 상변화 물질층(145)은 비정질 상태를 나타낸다. 결정 상태의 상변화 물질층(140)은 셋 상태(set state)이며, 데이터 '0'이 저장된 상태일 수 있다. 비정질 상태의 상변화 물질층(145)은 리셋 상태(reset state)이며, 데이터 '1'이 저장된 상태일 수 있다.
하부전극(120)으로 유입된 열은 그래핀층(130)을 통해 그래핀층(130)의 두께방향, 즉 수직방향으로 빠르게 전달되어, 결과적으로 상변화 물질층(140)으로 전달되는 열의 손실을 막을 수 있다. 열의 손실이 작아짐에 따라, 작은 구동전류만으로도 결정 상태의 상변화 물질층(140)을 비정질 상태의 상변화 물질층(145)으로 변화시킬 수 있다. 따라서, 상변화 메모리 소자(100)의 수동속도가 빨리지며, 높은 집적도를 갖는 소자를 구현할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 기판(105) 상에 전극층(125) 및 절연층(110)을 순차적으로 형성한다.
기판(105)은 반도체 물질, 예컨대 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 또는 II-VI족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, IV족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(105)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있다. 또는 기판(105)은 SOI (Silicon On Insulator) 기판, 갈륨-비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판과 같은 기판으로 이루어질 수 있다.
전극층(125)은 기판(105) 상에 형성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다.
절연층(110)은 전극층(125) 상에 형성될 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중에 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 절연층(110)의 일부를 패터닝하여, 전극층(125)을 외부로 노출되게 할 수 있다. 절연층(110)은 통상적인 포토리소그래피 방법, 식각 방법, 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 또는 건식 식각 등에 의하여 패터닝될 수 있다. 위 과정에 의해 절연층(110)에는 홀(hole)이 생기게 되며, 전극층(125)은 외부로 노출될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 절연층(110)의 패터닝에 의해 형성된 홀(hole)에 하부전극(120)이 형성될 수 있다. 하부전극(120)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 하부전극(120)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다.
하부전극(120)은 전극층(125)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 하부전극(120)은 전극층(125)과 반드시 동일한 물질로 형성되어야 하는 것은 아니며, 전극층(125)과 하부전극(120)이 전기적으로 연결될 수 있는 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다.
절연층(110)의 패터닝된 부분에 하부전극(120)이 형성된 후, 하부전극(120) 및 절연층(110)의 최상층은 평판화될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 평판화된 하부전극(120) 및 절연층(110) 상에는 그래핀층(130)이 형성될 수 있다. 그래핀층(130)은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)으로 제조된 그래핀을 하부전극(120) 및 절연층(110) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 또한, 그래핀층(130)은 하부전극(120) 및 절연층(110) 상에 직성장의 방법으로 형성될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 하부전극(120) 상에 형성된 그래핀층(130)을 제외한 나머지 부분, 즉, 절연층(110) 상에 형성된 그래핀층(130)은 식각 등의 방법으로 제거될 수 있다. 이에 따라, 그래핀층(130)의 폭과 하부전극(120)의 폭은 동일해 질 수 있다.
또한, 하부전극(120) 상에 형성된 그래핀층(130)을 제외한 나머지 부분, 즉, 절연층(110) 상에 형성된 그래핀층(130) 중 일부만이 식각되어 제거될 수도 있다. 이 경우, 그래핀층(130)의 폭이 하부전극(120)의 폭보다 넓게 형성될 수 있다. 하부전극(120)보다 넓게 형성된 그래핀층(130)은 하부전극(120)으로 유입된 열을 그래핀층(130)을 통해 그래핀층(130)의 폭방향(수평방향)으로 분산시킬 수 있다. 따라서, 절연층(110) 상에 형성된 그래핀층(130)에서 식각에 의해 제거되는 부분의 넓이를 조절하여, 상변화 물질층(140)으로 전달되는 열의 양을 조절할 수 있다.
도 3f를 참조하면, 그래핀층(130) 및 절연층(110) 상에는 상변화 물질층(140) 및 상부전극(150)이 순차적으로 형성될 수 있다. 상변화 물질층(140) 및 상부전극(150)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상변화 메모리 소자(200)는 절연층(210), 하부전극(220), 그래핀층(230), 상변화 물질층(240) 및 상부전극(250)을 포함한다.
절연층(210)은 하부전극(220)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 절연층(210)은, 예를 들어 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중에 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
하부전극(220)은 절연층(210)으로 둘러싸여 있을 수 있다. 도 4에 도시된 도면은 단면도이기 때문에 하부전극(220)의 양 옆에만 절연층(210)이 도시되어 있으나, 도 4에서 하부전극(220)의 앞, 뒤 즉, 도면에 수직한 방향으로도 절연층(210)이 위치할 수 있다. 절연층(210)은 하부전극(220)의 측부만을 둘러싸고 있으며, 하부전극(220)의 상부에는 절연층(210)이 없을 수 있다.
하부전극(220)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다. 또한, 하부전극(220)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다. 또한, 하부전극(220)은 상기 물질들 중 어느 하나의 단일 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 복수의 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 단일 물질을 각각 포함하는 다중층, 및/또는 상기 물질들 중 복수의 물질을 각각 포함하는 다중층일 수 있다.
하부전극(220) 및 절연층(210) 상에는 그래핀층(230)이 형성될 수 있다. 그래핀층(230)은 하부전극(220) 및 절연층(210) 전부를 덮도록 형성될 수 있다. 상변화 메모리 소자(200)는 기본적으로 전류에 의해 구동되며, 전류 구동에 의해 발생되는 열이 하부전극(220)으로 전달될 수 있다. 도 4에 도시된 상변화 메모리 소자(200)에서는 그래핀층(230)의 폭이 하부전극(220)의 폭보다 넓게 형성되어 있으므로, 하부전극(220)으로 유입된 열은 그래핀층(230)을 통해 그래핀층(230)의 폭방향(수평방향)으로 분산될 수 있다. 이에 따라, 상변화 물질층(140)으로 전달되는 열의 양을 조절할 수 있다.
그래핀층(230) 상에는 상변화 물질층(240)이 형성될 수 있다. 상변화 물질층(240)은 그래핀층(230)과 직접적으로 접촉되어 있을 수 있다. 상변화 물질층(240)은 하부전극(220)과 전기적으로 연결된다. 상변화 물질층(240)과 하부전극(220) 사이에 그래핀층(230)이 삽입되어 있는 구조이지만, 그래핀층(230)의 전기전도도가 매우 높으므로, 상변화 물질층(240)과 하부전극(220)은 전기적으로 연결될 수 있다.
상변화 물질층(240)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 상변화 물질층(240)은 다른 결정 상태에 의하여 데이터를 저장할 수 있는 칼코게나이드 같은 상변화 물질을 포함할 수 있다. 상변화 물질은 Ge-Te, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Se, Ge-Te-As, Ge-Te-Sn, Ge-Te-Ti, Ge-Bi-Te, Ge-Sn-Sb-Te, Ge-Sb-Se-Te, Ge-Sb-Te-S, Ge-Te-Sn-O, Ge-Te-Sn-Au, Ge-Te-Sn-Pd, Sb-Te, Se-Te-Sn, Sb-Se-Bi, In-Se, In-Sb-Te, Sb-Se, Ag-In-Sb-Te 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 상변화 물질층(240)은 상변화 물질 자체만을 포함할 수 있고, 도펀트가 첨가되는 상변화 물질을 포함할 수도 있다. 도펀트는 탄소(C), 질소(N), 실리콘(Si), 산소(O), 비스무트(Bi), 주석(Sn) 또는 이들의 조합일 수 있다. 또한, 상변화 물질층(240)은 금속 물질을 더 포함할 수 있다.
상변화 물질층(240) 상에는 상부전극(250)이 형성될 수 있다. 상부전극(250)은 상변화 물질층(240)과 직접적으로 접촉되어 있을 수 있다. 상부전극(250)은 상변화 물질층(240)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상부전극(250)은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다. 또한, 상부전극(250)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다. 또한, 상부전극(250)은 상기 물질들 중 어느 하나의 단일 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 복수의 물질을 포함하는 단일 층, 상기 물질들 중 단일 물질을 각각 포함하는 다중층, 및/또는 상기 물질들 중 복수의 물질을 각각 포함하는 다중층일 수 있다. 하부전극(220)과 상부전극(250)은 서로 동일한 물질로 형성되거나, 또는 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
도5a 내지 도5f는 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 제조하는 방법을 예시적으로 보이는 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 기판(205) 상에 전극층(225) 및 절연층(210)을 순차적으로 형성한다.
기판(205)은 반도체 물질, 예컨대 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 또는 II-VI족 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, IV족 반도체는 실리콘, 게르마늄 또는 실리콘-게르마늄을 포함할 수 있다. 기판(205)은 벌크 웨이퍼 또는 에피택셜층으로 제공될 수도 있다. 또는 기판(205)은 SOI (Silicon On Insulator) 기판, 갈륨-비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판과 같은 기판으로 이루어질 수 있다.
전극층(225)은 기판(205) 상에 형성될 수 있으며, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta)과 같은 금속, 또는 티타늄 텅스텐(TiW), 티타늄 알루미늄(TiAl)과 같은 합금, 또는 탄소(C)를 포함할 수 있다.
절연층(210)은 전극층(225) 상에 형성될 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 및 실리콘 산질화물 중에 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 절연층(210)의 일부를 패터닝하여, 전극층(225)을 외부로 노출되게 할 수 있다. 절연층(210)은 통상적인 포토리소그래피 방법, 식각 방법, 화학 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP) 또는 건식 식각 등에 의하여 패터닝될 수 있다. 위 과정에 의해 절연층(210)에는 홀(hole)이 생기게 되며, 전극층(225)은 외부로 노출될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 절연층(210)의 패터닝에 의해 형성된 홀(hole)에 하부전극(220)이 형성될 수 있다. 하부전극(220)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다. 하부전극(220)은 티타늄 질화물(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN), 탄탈륨 질화물(TaN), 텅스텐 질화물(WN), 몰리브덴 질화물(MoN), 니오비윰 질화물(NbN), 티타늄 실리콘 질화물(TiSiN), 티타늄 붕소 질화물(TiBN), 지르코늄 실리콘 질화물(ZrSiN), 텅스텐 실리콘 질화물(WSiN), 텅스텐 붕소 질화물(WBN), 지르코늄 알루미늄 질화물(ZrAlN), 몰리브덴 알루미늄 질화물(MoAlN), 탄탈륨 실리콘 질화물(TaSiN), 탄탈륨 알루미늄 질화물(TaAlN), 티타늄 산질화물(TiON), 티타늄 알루미늄 산질화물(TiAlON), 텅스텐 산질화물(WON), 탄탈륨 산질화물(TaON), 티타늄 탄질화물(TiCN), 또는 탄탈륨 탄질화물(TaCN)을 포함할 수 있다.
하부전극(220)은 전극층(225)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 하부전극(220)은 전극층(225)과 반드시 동일한 물질로 형성되어야 하는 것은 아니며, 전극층(225)과 하부전극(220)이 전기적으로 연결될 수 있는 서로 다른 물질로 형성될 수도 있다.
절연층(210)의 패터닝된 부분에 하부전극(220)이 형성된 후, 하부전극(220) 및 절연층(210)의 최상층은 평판화될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 평판화된 하부전극(220) 및 절연층(210) 상에는 그래핀층(230)이 형성될 수 있다. 그래핀층(230)은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)으로 제조된 그래핀을 하부전극(220) 및 절연층(210) 상에 전사하여 형성될 수 있다. 또한, 그래핀층(230)은 하부전극(220) 및 절연층(210) 상에 직성장의 방법으로 형성될 수 있다.
도 5e 및 도 5f를 참조하면, 그래핀층(230) 상에는 상변화 물질층(240) 및 상부전극(250)이 순차적으로 형성될 수 있다. 상변화 물질층(240) 및 상부전극(250)은 스퍼터링(sputtering), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD), 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등을 이용하여 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200 … 상변화 메모리 소자 110, 210 … 절연층
120, 220 … 하부전극 130, 230 … 그래핀층
140, 145, 240 … 상변화 물질층 150, 250 … 상부전극
105, 205 … 기판 125, 225 … 전극층
120, 220 … 하부전극 130, 230 … 그래핀층
140, 145, 240 … 상변화 물질층 150, 250 … 상부전극
105, 205 … 기판 125, 225 … 전극층
Claims (17)
- 하부전극;
상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층;
상기 하부전극 상에 형성된 그래핀층;
상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 형성된 상변화 물질층; 및
상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 상변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀층은 상기 하부전극 상에만 형성되며, 상기 절연층 상에는 형성되지 않는 상변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀층의 폭은 상기 하부전극의 폭과 동일한 상변화 메모리 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변화 물질층은 GST(germanium antimony tellurium) 물질을 포함하는 상변화 메모리 소자. - 하부전극;
상기 하부전극을 둘러싸도록 형성된 절연층;
상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층;
상기 그래핀층 상에 형성된 상변화 물질층; 및
상기 상변화 물질층 상에 형성된 상부전극;을 포함하는 상변화 메모리 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 그래핀층은 상기 하부전극 및 상기 절연층의 일부를 덮도록 형성되는 상변화 메모리 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 그래핀층은 상기 하부전극 및 상기 절연층의 전부를 덮도록 형성되는 상변화 메모리 소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 상변화 물질층은 GST(germanium antimony tellurium) 물질을 포함하는 상변화 메모리 소자. - 기판 상에 전극층 및 절연층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 절연층의 일부를 제거하여 상기 전극층이 외부로 노출되도록 하는 단계;
상기 제거된 절연층 부분에 하부전극을 형성한 후, 최상층을 평판화하는 단계;
상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 절연층 상에 형성된 그래핀층을 제거하는 단계; 및
상기 그래핀층 및 상기 절연층 상에 상변화 물질층 및 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계;를 포함하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 전사 또는 직성장의 방법으로 상기 그래핀층을 형성하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 전극층 및 상기 하부전극은 동일한 물질로 형성되는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 그래핀층을 제거하는 단계는 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층의 전부를 제거하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 그래핀층을 제거하는 단계는 상기 절연층 상에 형성된 그래핀층의 일부를 제거하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 기판 상에 전극층 및 절연층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 절연층의 일부를 제거하여 상기 전극층이 외부로 노출되도록 하는 단계;
상기 제거된 절연층 부분에 하부전극을 형성한 후, 최상층을 평판화하는 단계;
상기 하부전극 및 상기 절연층 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀층 상에 상변화 물질층 및 상부전극을 순차적으로 형성하는 단계;를 포함하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 전사 또는 직성장의 방법으로 상기 그래핀층을 형성하는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 전극층 및 상기 하부전극은 동일한 물질로 형성되는 상변화 메모리 소자 제조방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 그래핀층을 형성하는 단계는 상기 하부전극 및 상기 절연층 전부를 덮도록 상기 그래핀층을 형성하는 상변화 메모리 소자 제조방법.
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