KR20230064958A - Method of improving Coherence of interfacial phase change material - Google Patents
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Abstract
본 발명은 계면 상변이 물질의 결맞음(coherence)을 개선시키는 방법에 관한 것으로, 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하는 단계;를 포함한다. 본 발명에 따르면, 계면 상변이 물질의 결맞음을 개선시킬 수 있고, 이에 따라 메모리 소자의 높은 재현성을 구현하여 신뢰성을 확보할 수 있다.The present invention relates to a method for improving coherence of an interfacial phase change material, and includes irradiating an optical laser to the interfacial phase change material. According to the present invention, it is possible to improve the coherence of an interfacial phase change material, and accordingly, it is possible to secure reliability by realizing high reproducibility of a memory device.
Description
본 발명은 계면 상변이 물질의 결맞음을 개선시키는 방법, 이러한 방법으로 상변이 메모리 소자를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 상변이 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method for improving coherence of an interfacial phase-change material, a method for manufacturing a phase-change memory device using the method, and a phase-change memory device manufactured therefrom.
메모리 소자 기술의 급격한 변화로 인해 디램(DRAM), 낸드 플래시(NAND flash) 등 기존 메모리 소자들의 성능은 한계에 도달하였고 시장의 요구치를 충족시키기에는 미흡한 상황이다. 이를 대체할 새로운 방식의 차세대 메모리 소자 개발이 필요한 시점이며, ReRAM, PCRAM, STT-RAM 등 다양한 방식의 비휘발성 메모리들이 그 후보로 떠오르고 있다. 이 중 상변화 메모리 소자(PCRAM, Phase-change random access memory) 의 경우 상변화를 통해 발생하는 저항 변화를 이용한 메모리 소자로써, 차세대 메모리 소자로 주목받고 있다. PCRAM 은 빛 또는 전기적 펄스를 인가함에 따라 원자들이 용융된 이후 냉각 속도에 따라 결정질(낮은 저항, 셋(set)) 혹은 비정질(높은 저항, 리셋(reset))로 상변화를 일으키게 된다. 하지만, PCRAM 에서 비정질과 결정질 사이의 상변화를 통한 저항 변화 메커니즘은 리셋 전류가 높다는 단점이 있다.Due to rapid changes in memory device technology, the performance of existing memory devices such as DRAM and NAND flash has reached its limit and is insufficient to meet market demands. It is time to develop a new type of next-generation memory device to replace it, and various types of non-volatile memories such as ReRAM, PCRAM, and STT-RAM are emerging as candidates. Among them, a phase-change random access memory (PCRAM) is a memory device using a resistance change generated through a phase change, and is attracting attention as a next-generation memory device. As light or electric pulses are applied to the PCRAM, after the atoms are melted, a phase change occurs into crystalline (low resistance, set) or amorphous (high resistance, reset) depending on the cooling rate. However, the resistance change mechanism through the phase change between amorphous and crystalline in PCRAM has a disadvantage in that the reset current is high.
대표적인 PCRAM 물질로 알려진 Ge2Sb2Te5(GST)의 경우 상대적으로 낮은 결정화 온도를 가져 동작 시에 이웃한 셀의 열적 간섭을 받게 되며, 용융 온도가 높아 비정질화에 필요한 리셋 펄스는 높은 전압 값이 요구된다. 이로 인해 PCRAM 셀 설계 시에 독립된 구조를 고려해야 하고, 소모 전력에서도 손해를 보게 된다. Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST), known as a representative PCRAM material, has a relatively low crystallization temperature, so it is subjected to thermal interference from neighboring cells during operation, and the reset pulse required for amorphization has a high voltage value due to its high melting temperature this is required For this reason, when designing a PCRAM cell, an independent structure must be considered, and power consumption also suffers.
최근 계면 상변이 물질(interfacial phase change material, iPCM) 구조의 칼코지나이드계 재료에서 이러한 문제의 해답을 찾기 위한 연구가 다방면으로 진행 중이다. 계면 상변이 물질은 결정상에서 결정상으로의 상변화가 가능하면서 메모리 소자로 활용될 수 있는 큰 저항 차이를 얻을 수 있다. 그러나 위와 같은 장점에도 불구하고, 계면 상변이 물질은 계면에서의 높은 결맞음 (Coherence)을 확보하기 어려움을 가지고 있다. 이에 따라 계면 상변이 물질을 제조하는 기존 방식인 스퍼터링, 분자선 에피택시(MBE) 및 펄스 레이저 증착(PLD) 성장에서 높은 난이도 및 높은 장비 스펙이 요구되었다.Recently, research to find answers to these problems in chalcogenide-based materials having an interfacial phase change material (iPCM) structure is being conducted in various ways. The interfacial phase change material can undergo a phase change from a crystalline phase to a crystalline phase and can obtain a large resistance difference that can be used as a memory device. However, despite the above advantages, interfacial phase change materials have difficulty securing high coherence at the interface. Accordingly, high difficulty and high equipment specifications were required in sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), and pulsed laser deposition (PLD) growth, which are conventional methods of manufacturing interfacial phase change materials.
본 발명은 상기와 같은 상변화 메모리 소자에 사용되는 계면 상변이 물질의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 계면 상변이 물질의 결맞음(Coherence)을 개선하고 메모리 소자의 높은 재현성을 구현하여 신뢰성을 확보할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the problems of the interfacial phase change material used in the phase change memory device as described above, and can improve the coherence of the interfacial phase change material and secure reliability by realizing high reproducibility of the memory device. We want to provide a way to
또한, 본 발명은 상기 방법을 이용하여 상변이 메모리 소자를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 상변이 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a phase-change memory device using the above method and a phase-change memory device manufactured therefrom.
본 발명자들은 결맞음을 확보하지 못한 기존의 계면 상변이 물질에서 광학 레이저 조사 후처리를 통하여 계면 상변이 물질의 결맞음을 확보하고 메모리 소자 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors have completed the present invention by confirming that coherence of the interfacial phase change material can be secured and memory device characteristics can be improved through optical laser irradiation post-treatment in the existing interfacial phase change material in which coherence has not been secured.
본 발명은 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하는 단계;를 포함하는 계면 상변이 물질의 결맞음(coherence)을 개선시키는 방법을 제공한다. The present invention provides a method for improving coherence of an interfacial phase change material, including irradiating an optical laser to the interfacial phase change material.
또한, 본 발명은 상기 방법을 통해 결맞음이 개선된 계면 상변이 물질을 이용하여 상변이 메모리 소자를 제조하는 방법과 이에 따라 제조된 상변이 메모리 소자(PCRAM)를 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a phase-change memory device using an interfacial phase-change material having improved coherence through the above method, and a phase-change memory device (PCRAM) manufactured according to the method.
본 발명은 높은 난이도를 요구하는 계면 상변이 물질의 제조 방법에 있어서 광학 레이저 처리를 통해 계면 상변이 물질의 표면의 거칠기와 결맞음을 개선시킬 수 있다.The present invention can improve the roughness and coherence of the surface of the interfacial phase change material through optical laser treatment in the manufacturing method of the interfacial phase change material requiring high difficulty.
또한, 이러한 방법은 대면적 광학 레이저 조사가 가능하고, 높은 신뢰성 및 재현성을 갖는 상변이 메모리 소자(PCRAM)를 제공할 수 있다.In addition, this method can provide a phase-change memory device (PCRAM) capable of large-area optical laser irradiation and having high reliability and reproducibility.
도 1은 GeTe/Sb2Te3 초격자 구조의 측면(Cross-sectional)에서 바라본 전자현미경(TEM) 이미지와, 광학 레이저 펄싱의 모식도를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 레이저 조사 유무에 따른 X-Ray 반사율(XRR) 측정 데이터이다.
도 3은 본 발명의 레이저 조사 및 어닐링 유무에 따른 X-Ray 반사율(XRR) 측정 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 GeTe/Sb2Te3 메모리 소자의 사이클 특성을 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변이 메모리 소자의 제조 방법을 나타낸 모식도이다.1 is a cross-sectional view showing an electron microscope (TEM) image of a GeTe/Sb 2 Te 3 superlattice structure viewed from a cross-sectional side and a schematic diagram of optical laser pulsing.
2 is X-Ray reflectance (XRR) measurement data according to the presence or absence of laser irradiation of the present invention.
3 is X-Ray reflectance (XRR) measurement data according to the presence or absence of laser irradiation and annealing of the present invention.
4 is a graph measuring cycle characteristics of a GeTe/Sb 2 Te 3 memory device according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram illustrating a manufacturing method of a phase-change memory device according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
한편, 본원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.Meanwhile, each description and embodiment disclosed herein may also be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed herein fall within the scope of the present invention. In addition, it cannot be said that the scope of the present invention is limited by the specific description described below.
어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.When a certain component is said to "include", this means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.
본 발명은 계면 상변이 물질(interfacial Phase Change Material, iPCM) 의 결맞음(Coherence)을 개선시키는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for improving coherence of an interfacial phase change material (iPCM).
본 발명에서 “결맞음”은 칼코지나이드계 원자들을 포함하는 계면 상변이 물질에서 원자들의 주기성과 균일성을 의미하는 것으로, 이는 X선 반사율 그래프(X-ray reflection) 에서 반복적인 간섭무늬(fringes) 의 유무와 이의 정도를 통해 확인할 수 있다. 또한, 결맞음이 향상되었다는 것은 표면 거칠기도 개선되었음을 의미한다.In the present invention, "coherence" means the periodicity and uniformity of atoms in an interfacial phase change material containing chalcogenide-based atoms, which is repetitive fringes in an X-ray reflection graph. It can be confirmed through the presence and extent of Also, improved coherence means improved surface roughness.
본 발명에서 “계면 상변이 물질(Interfacial Phase Change Material, iPCM)”은 초격자 상변이 물질, 초격자 상변화 물질로도 불리우며, 합금 구조가 아닌 단상(single phase)의 상변이 물질이 번갈아 증착된 형태를 나타내는 것으로, 고저항의 결정질과 저저항의 결정질 상태를 오가면서 동작하며, 대표적인 계면 상변이 물질은 GeTe/Sb2Te3 가 있다.In the present invention, "interfacial phase change material (iPCM)" is also called a superlattice phase change material or a superlattice phase change material, and is composed of alternately deposited single phase phase change materials rather than alloy structures. Indicating the form, it operates while going back and forth between a high-resistance crystalline state and a low-resistance crystalline state, and a representative interfacial phase change material is GeTe/Sb 2 Te 3 .
본 발명에 따른 결맞음 개선 방법은, 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하는 단계를 포함한다.A method for improving coherence according to the present invention includes irradiating an optical laser to an interfacial phase change material.
초격자(계면) 구조가 아닌 합금 형태의 상변이 물질의 경우 결정질의 셋(set) 과 비결정질의 리셋(reset) 으로 바뀌기 위하여 높은 전류 값을 요구하지만, 본 발명과 같은 초격자 구조의 상변이 물질은 결정질의 셋(set) 사이의 고저항(HRS)과 저저항(LRS)을 오가고, HRS 와 LRS 간의 에너지 차이가 작기 때문에, 합금 형태보다 낮은 전류에서도 작동 가능하고 스위칭 에너지가 낮다는 장점이 있다.In the case of a phase change material in the form of an alloy that does not have a superlattice (interface) structure, a high current value is required to change to a crystalline set and an amorphous reset, but a phase change material with a superlattice structure as in the present invention Since it goes between high resistance (HRS) and low resistance (LRS) between the crystalline sets, and the energy difference between HRS and LRS is small, it can operate at a lower current than the alloy type and has the advantage of lower switching energy. .
다만, 계면 상변이 물질을 증착시, 핵 생성 우세 성장(Nucleation Dominant) 으로 원자들의 결정화가 진행되며 이 과정에서 표면의 거칠기 및 결맞음이 저하되었다. 이에, 본 발명에 따라 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하면 계면 상변이 물질이 고저항 상태로 상변화하면서 결맞음이 개선되었다. However, when depositing an interfacial phase change material, crystallization of atoms proceeds due to nucleation dominant growth, and in this process, surface roughness and coherence are reduced. Accordingly, when the interfacial phase change material is irradiated with an optical laser according to the present invention, the phase change of the interfacial phase change material to a high resistance state improves coherence.
본 발명에서 계면 상변이 물질은 칼코지나이드계 물질인 제1층과 제2층이 교대로 증착된 형태일 수 있다. In the present invention, the interfacial phase change material may be formed by alternately depositing a first layer and a second layer of a chalcogenide-based material.
본 발명에 따른 제1층과 제2층이 교대로 증착된 계면 상변이 물질에서 제1층은 홀수층이고 제2층은 짝수층일 수 있다. 또한 제1층 및 제2층은 서로 다른 칼코지나이드계 물질로 구성될 수 있다. 칼코지나이드계 물질은 S, Se, 및 Te 의 칼코겐 원소를 포함하는 화합물로서, 금속 칼코지나이드계 물질 또는 비금속 칼코지나이드계 물질일 수 있다. 칼코지나이드계 물질은 Ge, Te, Sn, Sb, As, 및/또는 S 을 포함할 수 있고, 구체적으로는 GeTe, Sb2Te3, SnTe 를 포함할 수 있다.In the interfacial phase change material in which the first layer and the second layer are alternately deposited according to the present invention, the first layer may be an odd layer and the second layer may be an even layer. In addition, the first layer and the second layer may be composed of different chalcogenide-based materials. The chalcogenide-based material is a compound containing chalcogen elements of S, Se, and Te, and may be a metal chalcogenide-based material or a non-metal chalcogenide-based material. The chalcogenide-based material may include Ge, Te, Sn, Sb, As, and/or S, and specifically may include GeTe, Sb 2 Te 3 , and SnTe.
보다 구체적으로 계면 상변이 물질의 제1층은 Sb와 Te를 포함할 수 있고, 제2층은 Ge 와 Te를 포함할 수 있다. 바람직하게는 계면 상변이 물질층의 제1층은 Sb2Te3 층이고, 제2층은 GeTe층이며, 이러한 제1층과 제2층이 교대로 증착된 형태를 포함할 수 있다.More specifically, the first layer of the interfacial phase change material may include Sb and Te, and the second layer may include Ge and Te. Preferably, the first layer of the interfacial phase change material layer is a Sb 2 Te 3 layer and the second layer is a GeTe layer, and the first layer and the second layer may be alternately deposited.
추가적으로, 본 발명의 계면 상변이 물질은 칼코지나이드계 물질 외에 다른 원자가 도핑된 형태를 나타낼 수 있다.Additionally, the interfacial phase change material of the present invention may be doped with other atoms other than the chalcogenide-based material.
본 발명의 계면 상변이 물질에서 제1층 및 제2층의 두께는 각각 0.5nm 내지 3nm 일 수 있다. 또한, 제1층과 제2층이 교대로 증착된 계면 상변이 물질의 두께는 10 내지 100nm 일 수 있다.In the interfacial phase change material of the present invention, the first layer and the second layer may each have a thickness of 0.5 nm to 3 nm. In addition, the interfacial phase change material in which the first layer and the second layer are alternately deposited may have a thickness of 10 to 100 nm.
본 발명에 따른 계면 상변이 물질을 증착하는 방법은 스퍼터링 방법, 분자선 에피택시 방법, 펄스 레이저 증착(Pulse Laser Deposition, PLD) 등 당업계에서 알려진 계면 상변이 물질을 증착하는 방법이라면 제한없이 사용 가능하다. 바람직하게는 분자선 에피택시 방법으로 증착할 수 있다.As the method for depositing an interfacial phase change material according to the present invention, any method for depositing an interfacial phase change material known in the art, such as a sputtering method, a molecular beam epitaxy method, or a pulse laser deposition (PLD), can be used without limitation. . Preferably, it may be deposited by a molecular beam epitaxy method.
분자선 애피택시(molecular beam epitaxy, MBE) 방법은 진공상태의 기판에 분자선을 충돌시켜 단결정 박막을 성장시키는 것으로, 고진공실에 기판을 설치하고 여러 성분의 분자선 또는 원자선을 그 기판 위에 충돌시켜 원하는 원자들을 증착시키는 방법이다. 여기서 원자들의 비율을 조절하기 위하여 PID 알고리즘을 사용할 수 있다.The molecular beam epitaxy (MBE) method grows a single crystal thin film by impinging molecular beams on a substrate in a vacuum state. A substrate is installed in a high-vacuum room, and molecular beams or atomic beams of various components are collided on the substrate to form a desired atom. method of depositing them. Here, the PID algorithm can be used to adjust the ratio of atoms.
계면 상변이 물질을 증착하기 위한 지지대 또는 기판은 사파이어(Al2O3)기판, 탄화규소(SiC)기판, 질화갈륨(GaN) 기판, ZnO기판, ZnMg기판, 또는 규소(Si) 기판일 수 있고, 바람직하게는 규소(Si) 기판일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The support or substrate for depositing the interfacial phase change material may be a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, a ZnO substrate, a ZnMg substrate, or a silicon (Si) substrate, , Preferably it may be a silicon (Si) substrate, but is not limited thereto.
본 발명에 있어서, 증착된 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하는 단계를 통하여 결맞음을 개선시킬 수 있다.In the present invention, coherence can be improved through the step of irradiating an optical laser to the deposited interfacial phase change material.
레이저 조사하는 방식은 당업계에서 알려진 레이저 조사 방식이라면 제한 없이 사용가능하다. As for the laser irradiation method, any laser irradiation method known in the art may be used without limitation.
레이저 조사는 계면 상변이 물질에 직접적으로 조사할 수 있다. 본 발명에 따른 레이저의 파장은 100 내지 400nm 일 수 있으며, 자외선 레이저일 수 있다.Laser irradiation can directly irradiate the interfacial phase change material. The wavelength of the laser according to the present invention may be 100 to 400 nm, and may be an ultraviolet laser.
본 발명에 따른 레이저는 고에너지를 얻기 위하여 펄스형 레이저가 바람직하나 연속파 레이저도 사용될 수 있다. 펄스형 레이저의 경우 레이저 펄스의 길이(duration)은 수 fs 에서 수 s 일 수 있으며, 레이저 펄스의 주기(rate)는 1 ~ 1000 Hz 내에서 수행할 수 있다.The laser according to the present invention is preferably a pulsed laser in order to obtain high energy, but a continuous wave laser may also be used. In the case of a pulsed laser, the duration of a laser pulse may range from several fs to several s, and the rate of the laser pulse may range from 1 to 1000 Hz.
본 발명에 따른 레이저는 엑시머 레이저일 수 있고, ArF 레이저, KrF 레이저, XeCl 레이저, XeF 레이저 KrCl 레이저, CO2 레이저, Nd:YAG 레이저, 및 Ar 레이저로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 KrF 레이저일 수 있다. The laser according to the present invention may be an excimer laser, and may be at least one selected from the group consisting of ArF laser, KrF laser, XeCl laser, XeF laser, KrCl laser, CO 2 laser, Nd:YAG laser, and Ar laser, Preferably it may be a KrF laser.
본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 상기 광학 레이저 조사 단계는 계면 상변이 물질에 KrF 레이저를 단위 면적당 10 내지 30 mJ/cm2로 1회 인가하는 것일 수 있다. 본 발명과 같이, 계면 상변이 물질을 증착한 다음 광학 레이저를 조사하면, 계면 상변이 물질을 구성하는 원자들의 위치 변화가 일어나면서 빈공간들이 생기게 되고, 그 과정에서 원자들의 결합 세기가 약해지게 된다. 또한, 광학 레이저 조사를 통해 에너지를 받은 원자들이 운동 에너지가 증가하여, 결맞음이 맞지 않았던 원자들이 결맞음이 맞도록 이동하게 됨으로써, 안정성이 높은 결맞음 형태로 변화하게 된다. 이에, 계면 상변이 물질을 증착한 다음 광학 레이저를 조사하는 방법을 통해 계면 상변이 물질의 결맞음을 개선시킬 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the optical laser irradiation step may be to apply a KrF laser to the interfacial phase change material once at 10 to 30 mJ/cm 2 per unit area. As in the present invention, when an interfacial phase change material is deposited and then irradiated with an optical laser, the positions of the atoms constituting the interfacial phase change material change and empty spaces are created, and in the process, the bonding strength of the atoms is weakened. . In addition, the kinetic energy of atoms receiving energy through optical laser irradiation increases, and atoms that are not coherent move to be coherent, thereby changing into a coherent form with high stability. Accordingly, the coherence of the interfacial phase change material may be improved by depositing the interfacial phase change material and then irradiating the optical laser.
본 발명에서 레이저 조사 단계는 계면 상변이 물질을 증착하는 단계 후에 수행될 수 있고, 상변이 메모리 소자를 제조할 때 계면 상변이 물질을 증착하는 단계와 전극층을 증착하는 단계 사이에 수행될 수 있다.In the present invention, the laser irradiation step may be performed after the step of depositing the interfacial phase change material, or may be performed between the step of depositing the interfacial phase change material and the step of depositing the electrode layer when manufacturing the phase change memory device.
본 발명의 광학 레이저 조사 단계는 광학 레이저 조사 후 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다. The optical laser irradiation step of the present invention may include annealing after optical laser irradiation.
어닐링하는 단계는 150도 내지 300도의 온도로 10분 내지 100분의 시간동안 열을 가하는 단계를 포함할 수 있다. 어닐링하는 방식은 할로겐 램프를 활용하는 방법 일 수 있으나, 당업계에서 메모리 소자에서 어닐링하는 방식이라면 제한없이 사용가능하다. 레이저 조사 후 고저항 상태가 된 계면 상변이 물질을 어닐링 단계로 다시 저저항 상태인 원래의 결정성으로 되돌려도 레이저 조사에 의한 계면 상변이 물질의 개선된 결맞음을 그대로 가질 수 있다. The annealing may include applying heat at a temperature of 150 degrees to 300 degrees for a time of 10 minutes to 100 minutes. The method of annealing may be a method of utilizing a halogen lamp, but any method of annealing in a memory device in the art may be used without limitation. Even if the interfacial phase-change material, which has become high-resistance after laser irradiation, is returned to its original crystallinity in a low-resistance state through annealing, the improved coherence of the interfacial phase-change material by laser irradiation can be maintained.
또한, 본 발명에 따라 계면 상변이 물질의 결맞음을 개선하는 방법을 통해 메모리 소자 성능이 향상된 상변이 메모리 소자를 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, a phase-change memory device with improved memory device performance can be provided through a method of improving coherence of an interfacial phase-change material.
이에, 본 발명은 상변이 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 결맞음이 개선된 계면 상변이 물질 상에 전극층을 증착하는 단계를 포함하여 상변이 메모리 소자를 제조하는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention relates to a method for manufacturing a phase-change memory device, and provides a method for manufacturing a phase-change memory device including depositing an electrode layer on an interfacial phase-change material having improved coherence according to the present invention.
즉, 본 발명의 상변이 메모리 소자의 제조 방법은 계면 상변이 물질을 기판상에 증착시키는 단계; 계면 상변이 물질에 광학 레이저를 조사하는 단계; 및 레이저가 조사된 계면 상변이 물질 상에 전극층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.That is, the method of manufacturing a phase change memory device of the present invention includes depositing an interfacial phase change material on a substrate; irradiating an optical laser to the interfacial phase change material; and depositing an electrode layer on the interfacial phase change material irradiated with the laser.
본 발명에 따른 상변이 메모리 소자의 제조 방법은 도 4에 구체적으로 나타내었으며, 이를 참고하여 설명한다.A method of manufacturing a phase-change memory device according to the present invention is specifically illustrated in FIG. 4 and will be described with reference to this.
전극층은 W, TaN, TiN 등과 같이 전도성을 갖는 금속 물질로 형성될 수 있으며, 계면 상변이 물질로 전압 펄스를 인가하는 역할을 한다. The electrode layer may be formed of a metal material having conductivity, such as W, TaN, or TiN, and serves to apply a voltage pulse to the interfacial phase change material.
전극층은 본 발명에 따른 계면 상변이 물질의 양면에 증착된 제1전극과 제2전극을 포함할 수 있다. 제1전극과 제2전극은 수평방향으로 이격하여 배치할 수 있으며, 이들 사이에 계면 상변이 물질을 구비시킬 수 있다. 하지만 이는 예시적인 것에 불과하고, 제1전극과 제2전극의 방향, 형태, 사이즈는 다양하게 설정될 수 있다.The electrode layer may include a first electrode and a second electrode deposited on both surfaces of the interfacial phase change material according to the present invention. The first electrode and the second electrode may be spaced apart from each other in a horizontal direction, and an interfacial phase change material may be provided between them. However, this is only exemplary, and the direction, shape, and size of the first electrode and the second electrode may be set in various ways.
전극층에 의해 셋 동작을 위한 전압 펄스를 인가하면 계면 상변이 물질의 칼코지나이드계 원자, 특히 Ge 원자의 배열 위치가 변경되어 저저항성의 결정질 상태로 변화할 수 있다.When a voltage pulse for a set operation is applied by the electrode layer, the arrangement position of chalcogenide-based atoms, particularly Ge atoms, of the interfacial phase-change material may be changed to a low-resistance crystalline state.
본 발명의 상변이 메모리 소자 제조 방법에서, 추가적으로, 포토리소그래피 단계 및 에칭 단계를 거쳐 상변이 메모리 소자를 최종적으로 제조할 수 있다. In the method for manufacturing a phase-change memory device according to the present invention, the phase-change memory device may be finally manufactured through additional photolithography and etching steps.
또한, 본 발명은 상기와 같은 상변이 메모리 소자의 제조 방법에 따라 제조된 상변이 메모리 소자를 제공한다.In addition, the present invention provides a phase-change memory device manufactured according to the method for manufacturing a phase-change memory device as described above.
본 발명에 따른 상변이 메모리 소자는 광학 레이저 조사 단계를 거침으로써 저항층 역할을 하는 계면 상변이 물질이 개선된 결맞음을 나타내어, 결과적으로 메모리 소자의 작동에 있어서 높은 신뢰성과 재현성을 구현할 수 있다.The phase-change memory device according to the present invention exhibits improved coherence of the interfacial phase-change material serving as the resistive layer by undergoing the optical laser irradiation step, and as a result, high reliability and reproducibility can be realized in the operation of the memory device.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 실험예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예 및 실험예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments and experimental examples are presented to aid understanding of the present invention. However, the following Examples and Experimental Examples are only provided to more easily understand the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.
[실시예][Example]
제조예 1- GeTe/SbPreparation Example 1- GeTe/Sb 22 Te-Te- 3 3 계면 상변이 물질(iPCM)의 제조Preparation of interfacial phase change materials (iPCMs)
Si 기판 상에 Sb2Te3 10nm를 시드층으로 성장시킨 후, 분자선 에피택시 방법으로 GeTe 1nm 와 Sb2Te3 1nm 를 교대로 쌓은 30nm 두께의 iPCM 박막을 수득하였다. 분자선 에피택시 방법은 진공 상태에서 iPCM 을 구성하는 개별 원자들인 Ge, Te, Sb 공급원으로부터 분자선 또는 원자선을 발생시켜 기판위에 증착시키는 방법으로 진행하였으며, 여기서 원자 증착시 오차를 줄이기 위하여 PID 알고리즘을 함께 사용하여 제어하였다.After growing 10 nm of Sb 2 Te 3 as a seed layer on a Si substrate, a 30 nm thick iPCM thin film was obtained by alternately stacking 1 nm of GeTe and 1 nm of Sb 2 Te 3 by molecular beam epitaxy. The molecular beam epitaxy method proceeded by generating molecular beams or atomic beams from Ge, Te, and Sb sources, which are individual atoms constituting the iPCM, and depositing them on the substrate in a vacuum state. was used to control.
제조예 2 - 광학 레이저 조사된 iPCM 박막 제조Preparation Example 2 - Preparation of iPCM thin film irradiated with optical laser
제조예 1에 따라 수득된 iPCM 박막에 광학 레이저를 조사하였으며, 광학 레이저 조사 후의 iPCM 박막을 수득하였다. 레이저는 KrF 레이저(파장: 248nm)를 사용하였으며, 사용된 레이저의 특성은 하기와 같다:Optical laser was irradiated on the iPCM thin film obtained according to Preparation Example 1, and the iPCM thin film after optical laser irradiation was obtained. The laser used was a KrF laser (wavelength: 248 nm), and the characteristics of the laser used were as follows:
펄스 주기: 1~50Hz, Pulse period: 1 to 50 Hz;
조사 전력: 19mJ/cm2, Irradiation power: 19 mJ/cm 2 ,
펄스길이: 25nsPulse length: 25ns
실험예 1 - 결맞음 개선 평가Experimental Example 1 - Coherence improvement evaluation
본 실험에서는 제조예 1에 따라 증착된 GeTe/Sb2Te3 의 iPCM(광학 레이저 조사하지 않음)과 제조예 2에 따라 광학 레이저 조사한 iPCM 박막의 결맞음을 TEM 이미지와 XRR 그래프를 통해 확인하였다.In this experiment, the coherence of the GeTe/Sb 2 Te 3 iPCM (not irradiated with an optical laser) deposited according to Preparation Example 1 and the iPCM thin film irradiated with an optical laser according to Preparation Example 2 was confirmed through TEM images and XRR graphs.
도 1의 상단에는 제조예 1에 따라 증착된 GeTe/Sb2Te3 초격자 구조의 측면(Cross-sectional)에서 바라본 전자현미경(TEM) 이미지를 나타내었고, 도 1의 하단에는 제조예 2에 따라 레이저 조사 및 어닐링을 진행한 경우의 GeTe/Sb2Te3초격자 구조의 전자현미경(TEM) 이미지를 나타내었다. The upper part of FIG. 1 shows a cross-sectional electron microscope (TEM) image of the GeTe/Sb 2 Te 3 superlattice structure deposited according to Preparation Example 1, and the lower part of FIG. An electron microscope (TEM) image of the GeTe/Sb 2 Te 3 superlattice structure in the case of laser irradiation and annealing is shown.
또한, 도 1의 중간 부분에는 광학 레이저 펄싱의 단면도를 나타내었다. 해당 단면도에서, Ge, Sb, Te은 각각 초록, 보라, 노랑색에 해당되며, 광학 레이저 펄싱을 통해서 대면적으로 결맞음이 개선되었음을 시각적으로 나타내었다.In addition, the middle part of FIG. 1 shows a cross-sectional view of optical laser pulsing. In the cross-sectional view, Ge, Sb, and Te correspond to green, purple, and yellow colors, respectively, and it was visually indicated that coherence was improved in a large area through optical laser pulsing.
도 2는 광학 레이저 펄싱 과정의 유무에 따른 X-Ray 반사율 측정결과를 나타낸 그래프이다. 빨간색 선(MBE as-deposition)이 광학 레이저 펄싱 과정을 거치기 전이고, 검정색 선(Laser irradiated)이 광학 레이저 펄싱 과정을 거친 후의 측정 결과이다. XRR 그래프에서 간섭 무늬(fringe)가 선명해질수록 결맞음이 우수한 것이다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 광학 레이저 펄싱 과정을 거치기 전에는 간섭 무늬(fringe)가 형성되지 않았으나, 광학 레이저 펄싱을 거친 후에는 간섭 무늬(fringe)가 형성되었음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 레이저 펄싱을 통해 iPCM 구조에서의 개선된 결맞음을 확보할 수 있음을 알 수 있다.Figure 2 is a graph showing the X-Ray reflectance measurement results according to the presence or absence of the optical laser pulsing process. The red line (MBE as-deposition) is before the optical laser pulsing process, and the black line (Laser irradiated) is the measurement result after the optical laser pulsing process. The clearer the fringe in the XRR graph, the better the coherence. As can be seen in FIG. 2 , no fringe is formed before the optical laser pulsing process, but it can be seen that the fringe is formed after the optical laser pulsing process. Accordingly, it can be seen that improved coherence in the iPCM structure can be secured through laser pulsing.
또한, 제조예 2에 따라 광학 레이저 조사한 GeTe/Sb2Te3 iPCM 박막에 어닐링을 실시하였다. 이는 레이저 조사로 iPCM 박막이 고저항(HRS) 상태로 된 후, 어닐링으로 저저항(LRS) 상태가 된 경우에도 레이저 조사에 의해 개선된 결맞음이 그대로 유지되는지 확인하기 위함이다.In addition, annealing was performed on the GeTe/Sb 2 Te 3 iPCM thin film irradiated with an optical laser according to Preparation Example 2. This is to check whether the improved coherence by laser irradiation is maintained even when the iPCM thin film is in a high resistance (HRS) state by laser irradiation and then becomes a low resistance (LRS) state by annealing.
구체적으로, 레이저를 조사한 GeTe/Sb2Te3 iPCM 박막에 1분당 10도씩 상승하여 섭씨 200도의 온도에 도달한 후 30분 동안 유지하는 방법으로 열을 가하였고, 이에 대한 X-Ray 반사율을 측정하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.Specifically, heat was applied to the GeTe/Sb 2 Te 3 iPCM thin film irradiated with a laser by increasing by 10 degrees per minute to reach a temperature of 200 degrees Celsius and then maintaining it for 30 minutes, and the X-Ray reflectance was measured. , and the results are shown in FIG. 3 .
도 3에서 빨간색 선(MBE as-deposition)이 광학 레이저 펄싱과 어닐링을 거치기 전이고, 검정색 선(Laser pulse + annealing)이 광학 레이저 펄싱 및 어닐링 과정을 거친 후의 측정 결과로, 이 또한 도 2와 마찬가지로, 후자의 경우에서 간섭 무늬(fringe)가 형성되어 개선된 결맞음을 유지할 수 있음을 알 수 있다.In FIG. 3, the red line (MBE as-deposition) is before optical laser pulsing and annealing, and the black line (Laser pulse + annealing) is the measurement result after optical laser pulsing and annealing. As in FIG. 2, It can be seen that in the latter case, fringes are formed to maintain improved coherence.
실험예 2- 사이클 특성 평가Experimental Example 2 - Evaluation of cycle characteristics
도 4는 GeTe/Sb2Te3 iPCM 박막을 포함하는 상변이 메모리 소자를 제조한 후, 사이클 특성을 확인한 그래프이다. 도 4의 왼쪽 데이터는 광학 레이저 펄싱 과정을 거치기 전이고, 도 4의 오른쪽 데이터는 광학 레이저 펄싱 과정을 거친 후의 측정 결과이다. 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 광학 레이저 펄싱 과정 전에는 결맞음이 좋지 않아서 상태(state)들이 명확하게 구분되어 있지 않은 결과를 나타내었다. 하지만, 광학 레이저 펄싱을 거친 후에는 결맞음이 개선되었고 이로부터 상변이 메모리 소자의 저항 상태(state)들을 명확하게 구분할 수 있게 되었으며, 이에 따라 메모리 소자에 있어 높은 재현성 및 신뢰성을 가질 수 있다.4 is a graph showing cycle characteristics after manufacturing a phase-change memory device including a GeTe/Sb 2 Te 3 iPCM thin film. Data on the left of FIG. 4 are before the optical laser pulsing process, and data on the right of FIG. 4 are measurement results after the optical laser pulsing process. As can be seen in FIG. 4 , the coherence was not good before the optical laser pulsing process, so the states were not clearly distinguished. However, after optical laser pulsing, the coherence is improved, and it is possible to clearly distinguish the resistance states of the phase-change memory device from this, and thus, the memory device can have high reproducibility and reliability.
Claims (8)
상기 광학 레이저 조사 단계는 광학 레이저 조사 후 어닐링하는 단계를 포함하는 결맞음 개선 방법.According to claim 1,
The optical laser irradiation step comprises the step of annealing after optical laser irradiation.
상기 계면 상변이 물질은 분자선 에피택시 (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 방법으로 증착된 것인 결맞음 개선 방법.According to claim 1,
The interfacial phase change material is a method for improving coherence that is deposited by a molecular beam epitaxy (MBE) method.
상기 계면 상변이 물질은 GeTe층과 Sb2Te3층이 교대로 증착하여 형성된 결맞음 개선 방법.According to claim 1,
The interfacial phase change material is formed by alternately depositing a GeTe layer and a Sb 2 Te 3 layer.
상기 광학 레이저는 자외선 레이저인 결맞음 개선 방법.According to claim 1,
The method of improving coherence wherein the optical laser is an ultraviolet laser.
상기 광학 레이저 조사 단계는 계면 상변이 물질에 KrF 레이저를 단위 면적당 10 내지 30 mJ/cm2로 1회 인가하는 것인 결맞음 개선 방법.According to claim 1,
Wherein the optical laser irradiation step is to apply a KrF laser to the interfacial phase change material once at 10 to 30 mJ/cm 2 per unit area.
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