KR20160150282A - 절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명의 일 실시예에서 상기 전극은 상기 상변화층 아래의 하부전극이며,
상기 패터닝은 자기조립된 상기 블록공중합체의 특정 중합체 블록을 제거하는 방식으로 수행된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 선택적으로 제거된 중합체 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 접촉하며, 상기 전극에서 발생한 열에 따라 상기 상변화층의 결정형이 변화된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체 중 선택적으로 제거되지 않은 중합체 블록 영역에서는 상기 상변화층과 전극이 접촉되지 않는다.
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.
본 발명의 일 실시예에서 상기 블록공중합체는 실리콘 함유 블록공중합체이며, 상기 절연 나노입자는 실리콘 산화물을 포함한다. 또한, 상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 또는 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란이다.
본 발명은 또한 상술한 상변화 메모리 소자가 플렉서블 기판 상에 구비된 플렉서블 상변화 메모리 소자를 제공한다.
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.
본 발명의 일 실시예에서 상기 방법은 상기 전극 상에 브러쉬층을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 전극은 질화티타늄(TiN), 상기 상변화층은 칼코게나이드 화합물로 이루어진다.
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.
본 발명은 상술한 방법에 의하여 제조된 상변화 메모리 소자를 제공한다.
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.
본 발명의 일 실시예에서 상기 상변화 메모리 소자는 유연한 실리콘 반도체;
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계별 단면도이다.
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.
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.
상기 열거된 블록공중합체 용액의 용매로는 톨루엔, 헵탄, 아세톤, DMF, 펜탄올 등이 사용될 수 있다.
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.
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.
도 2a 내지 2e는 다양한 상변화 메모리소자에 있어 자기조립된 블록공중합체를 사용한 경우의 단면도이다.
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.
도3a 내지 3e는 다양한 형태의 패턴된 블록공중합체의 평면도이다.
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.
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.
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.
도 4 내지 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 플렉서블 상변화 메모리 소자 제조방법의 단계도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 10을 참조하면, 상기 기판 상으로 제 1 절연층(250)이 적층된 후, 패터닝된다. 상기 패터닝에 의하여 하부전극(240) 일부가 노출된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 16을 참조하면, 상기 제 2 금속접착층(230)에는 비트라인(330)이 연결된다.
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.
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.
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.
도 21은 본 발명에 따라 제조된 상변화 메모리 소자의 광학 현미경 사진이고, 도 22는 소자 단면의 주사 전자 현미경 사진이다. 또한, 도 23은 자기조립 입자의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 23에서 그림 a는 2um의 지름을 가진 홀 안의 GST표면 위에 구 모양의 자기조립입자가 잘 형성되어 있는 것을 보여주고 있다. 그림 b는 선모양의 자기조립입자가 형성되어 있는 것을 보여준다. 그림 c~f는 자기조립입자를 좀더 확대해서 본 사진으로, 사진 중 그림 c는 작은 구 모양(지름: 11nm)의 자기조립입자의 확대사진이고, 그림 d는 큰 구 모양(지름 18nm)의 확대사진이다. 그림 e는 선 모양의 자기 조립입자의 확대사진, 그림 f는 구의 역상(구멍이 뚫린 구조)인 자기조립입자의 모습을 확대한 것이다.
도 24는 자기조립입자를 사용하지 않은 일반적인 상변화 메모리 소자와 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자의 전기적 특성을 비교, 분석한 결과이다.
도 24에서 그림 a, c, e는 자기조립입자를 사용하지 않은 일반적인 상변화 메모리의 전기적 특성을 나타낸 것이고, 그림 b, d, f는 자기조립입자를 사용한 상변화 메모리의 전기적 특성을 나타낸 것이다. 그림 a는 2um의 접촉면적을 가진 일반적인 상변화 메모리의 전류-전압 곡선을 나타낸 것이고, 그림 b는 자기조립입자를 사용해서 50% 접촉면적을 줄인 상변화 메모리의 전류-전압 곡선을 나타낸 것이다. 일반적인 상변화 메모리는 2.2V에서 상변화 영역이 비정질에서 결정질로 바뀌고, 자기조립입자를 사용한 상변화 메모리는 1.5V에서 비정질에서 결정질로 바뀐다. 그림 c는 일반적인 상변화 메모리의 저항-전류 곡선이고, 그림 d는 자기조립입자를 사용한 상변화 메모리의 저항-전류 곡선이다.
상기 결과를 참조하면, 초기상태가 비정질 일때는 1us의 긴 펄스전압을 가해서 결정질로 변화시키고(셋), 초기상태가 결정질일때는 150ns의 짧은 펄스전압을 가해서 비정질로 바꿀 수 있다(리셋). 이 때의 저항은 0.5V에서의 전류값을 통해 추출된다. 일반적인 상변화 메모리를 리셋(결정질→비정질)시키기 위해서는 75mA의 전류가 필요하고, 셋(비정질→결정질)시키기 위해서는 10mA의 전류가 필요하다. 반면 자기조립입자를 사용한 본 발명의 상변화 메모리의 경우에는 리셋전류가 24mA이고, 셋 전류는 5mA로써 리셋, 셋 전류 모두 감소하였다. 이는 접촉면적을 50% 줄임으로써, 리셋 전류를 약 3분의 1정도로 줄인 것이다. 그림 e는 일반적인 상변화 메모리의 셋, 리셋을 100번 반복하여 나타낸 그래프이고, 그림 f는 자기조립입자를 사용한 상변화 메모리의 셋, 리셋을 200번 반복하여 나타낸 그래프이다. 자기조립입자를 사용하여도 이러한 반복특성에는 문제가 없다는 것을 나타낸다.
도 25는 접촉면적 감소에 따른 리셋 전류 비교 결과이다.
도 25를 참조하면, 접촉면적을 10%, 24.2%, 50.0%로 감소시킴으로써, 리셋 전류가 감소하는 경향을 알 수 있다. 도 25 중 그림 a는 저항-전류의 곡선을 비교한 그래프인데, 저항-전류 곡선이 점점 왼쪽으로 이동하는 것을 보여준다. 즉, 접촉면적이 50%까지 감소하면서 결정질에서 비정질로 변화시키기 위한 리셋 전류가 단계적으로 감소하는 경향을 보여준다. 그림 b는 각 종류마다 여러 개의 소자를 측정해서 그 범주를 그래프로 나타낸 것이다. 그림 a와 마찬가지로 접촉면적이 감소함으로써, 리셋 전류가 감소하는 경향을 보여준다.
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.
Claims (16)
- 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 구비되며,
액상으로 도포되는 블록공중합체는 실리콘과 같은 무기물질을 함유함으로써 산소 플라즈마 식각 공정에 의하여 무기산화물의 절연 나노입자를 형성하고,
상기 액상의 블록공중합체는 소정 형태로 정렬되어, 소정의 크기와 형태를 가지는 블록 영역을 가지며, 상기 블록공중합체는 상기 산소 플라즈마 식각 공정에 의하여 패터닝되어 실리콘 함유 중합체 블록이 나노입자 형태의 실리콘 산화물로 산화되며,
상기 블록공중합체를 패터닝하는 공정에서, 상기 전극 상에 남게 되는 중합체 블록은 상기 상변화층과 전극 사이의 접촉면적을 감소시켜 리셋 전류를 줄임에 따라 메모리의 소모전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 전극은 상기 상변화층 아래의 하부전극인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 패터닝은 자기조립된 상기 블록공중합체의 특정 중합체 블록을 제거하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 제거된 중합체 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 접촉하며, 상기 전극에서 발생한 열에 따라 상기 상변화층의 결정형이 변화되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 액상으로 도포되는 블록공중합체는 균일한 간격과 크기의 일정한 형태로 패터닝된 블록공중합체 기반 절연 나노입자로 상기 전극 상에 구비되는, 상변화 메모리 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 블록공중합체는 실리콘 함유 블록공중합체이며, 상기 절연 나노입자는 실리콘 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 6항에 있어서,
상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 또는 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 상변화 메모리 소자가 플렉서블 기판 상에 구비된 플렉서블 상변화 메모리 소자.
- 상변화층 및 상기 상변화층에 열을 인가하여 상기 상변화층 물질의 결정화 또는 비정질화를 발생시키는 전극을 포함하는 상변화 메모리 소자의 제조방법에 있어서,
전극 상에 액상의 블록공중합체를 도포한 후, 어닐링하여 자기조립시키는 단계;
자기조립된 상기 블록공중합체의 일부 중합체 블록을 제거하여 절연 나노입자를 형성하는 단계; 및
상기 전극 및 절연 나노입자 상에 상변화층을 적층하는 단계;를 포함하며,
상기 블록공중합체는 실리콘과 같은 무기물질을 함유함으로써 산소 플라즈마 식각 공정에 의하여 무기산화물의 절연 나노입자를 형성하며,
상기 어닐링을 통하여 상기 액상의 블록공중합체는 소정 형태로 정렬되어, 소정의 크기와 형태를 가지는 블록 영역을 가지며,
상기 블록공중합체를 패터닝하는 공정은 상기 산소 플라즈마 식각에 의하여 실리콘 함유 중합체 블록이 나노입자 형태의 실리콘 산화물로 산화되며,
상기 블록공중합체를 패터닝하는 공정에서, 상기 전극 상에 남게 되는 중합체 블록은 상기 상변화층과 전극 사이의 접촉면적을 감소시켜 리셋 전류를 줄임에 따라 메모리의 소모전력을 감소시키고,
여기에서 상기 제거된 블록 영역에서 상기 상변화층과 전극은 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법. - 제 9항에 있어서, 상기 방법은
상기 전극 상에 브러쉬층을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법. - 제 9항에 있어서,
상기 전극은 질화티타늄(TiN), 상기 상변화층은 칼코게나이드 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법. - 제 9항에 있어서,
상기 블록공중합체는 폴리스티렌-폴리디메틸실록산 공중합체, 폴리(2-비닐피리딘)-폴리디메틸실록산, 폴리스티렌- 폴리페로세이닐실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 소자의 제조방법. - 제 9항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 상변화 메모리 소자.
- 플렉서블 상변화 메모리 소자로서, 상기 소자는
플렉서블 기판; 및
상기 플렉서블 기판에 구비되며, 상변화층 및 하부전극을 포함하는 상변화 메모리 소자를 포함하며, 여기에서 상기 상변화층 및 하부전극 사이에는 블록공중합체로부터 형성된 절연 나노입자가 구비되며,
액상으로 도포되는 블록공중합체는 실리콘과 같은 무기물질을 함유함으로써 산소 플라즈마 식각 공정에 의하여 무기산화물의 절연 나노입자를 형성하고,
상기 액상의 블록공중합체는 소정 형태로 정렬되어, 소정의 크기와 형태를 가지는 블록 영역을 가지며, 상기 블록공중합체는 상기 산소 플라즈마 식각에 의하여 실리콘 함유 중합체 블록이 나노입자 형태의 실리콘 산화물로 산화되며,
상기 블록공중합체를 패터닝하는 공정에서, 상기 하부전극 상에 남게 되는 중합체 블록은 상기 상변화층과 하부전극 사이의 접촉면적을 감소시켜 리셋 전류를 줄임에 따라 메모리의 소모전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 플렉서블 상변화 메모리 소자. - 제 14항에 있어서,
상기 상변화 메모리 소자는
유연한 실리콘 반도체;
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 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 상변화 메모리 소자. - 제 15항에 있어서,
상기 실리콘 반도체는 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 플렉서블 상변화 메모리 소자.
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| KR1020160172759A KR20160150282A (ko) | 2016-12-16 | 2016-12-16 | 절연 나노입자를 이용한 상변화 메모리 소자, 플렉서블 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112701221A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-23 | 华中科技大学 | 一种基于纳米电流通道的相变存储器 |
| CN112713242A (zh) * | 2020-12-25 | 2021-04-27 | 华中科技大学 | 一种基于纳米电流通道的相变存储器的制备方法 |
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2016
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