KR20240066594A - 비휘발성 특성을 가지는 ots 및 상변화층의 적층구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조를 제안한다. 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조는, 하부전극, 상변화가 일어나는 비정질 칼코게나이드 물질층 및 상부전극이 순서대로 적층된 상변화층 및 하부전극, 상변화가 일어나는 비정질 칼코게나이드 물질층 및 상부전극이 순서대로 적층된 OTS층을 포함하며, 상변화층의 상변화가 일어나는 비정질 칼코게나이드 물질층과 OTS층의 상변화가 일어나는 비정질 칼코게나이드 물질층은 동일한 비휘발성 특성을 가진다.
Description
본 발명은 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 비휘발성 메모리 소자에 적용 가능하며, 공정을 단순화함으로써 공정 조건을 최소로 하는 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조에 관한 것이다.
칼코게나이드(chalcogenide) 재료는 스위칭, 메모리, 논리 및 프로세싱 기능을 가진 재료이다. 칼코게나이드 소자에서 초기에 저항성(Resistive) 상태와 도전성(Conductive) 상태의 스위칭을 볼 수 있는데, 이 소자에 문턱전압(Threshold Voltage) 이상의 전압을 가해 주었을 때 유발되는 전기적 스위칭 동작을 확인할 수 있다. 문턱전압은 소자의 성질이지만, 문턱전압에 대한 활성 칼코게나이드 재료의 특성이 문턱전압의 크기를 결정하는 중요 인자이다. 전압에 의해 유발되는 저항성으로부터 도전성 전이(transformation)는 오보닉 문턱 전압 스위치(Ovonic Threshold Switch, 이하 OTS)의 기초이며, 칼코게나이드 재료의 중요한 특성이다.
칼코게나이드 물질은 텔루륨(Te) 및 셀레늄(Se)와 같은 6족 원소를 포함한 화합물로서, 상변화(Phase-change)를 이용한 메모리 셀에 널리 이용되고 있다. 일분 칼코게나이드 물질은 상(결정질 또는 비정질)에 따라 도전상태 또는 저항상태의 특징을 보인다. 결정질 상태는 낮은 저항구조를 가지므로 칼코게나이드 물질은 도전 특징을 보이며, 비정질 상태는 높은 저항구조를 가지므로 저항 특성을 보인다.
칼코게나이드 물질을 이용한 스위칭 소자는 펄스(Pulse)가 인가되면 물질의 상이 변화하는 오보닉 메모리 스위치로 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 OTS층 및 상변화층이 적층된 구조를 가지는 칼코게나이드 기반 OTS의 휘발성 메모리의 구조를 나타낸다.
도 1의 (b)를 참조하면, 종래의 칼코게나이드 기반 OTS의 휘발성 메모리는 상변화 메모리(Phase Change Memory, PCM) 또는 상변화층(140)에 OTS층(130)이 적재된 구조를 가진다.
도 1의 (b)에 도시된 구조가 메모리로 사용되는 실제 회로의 일 실시예인 도 1의 (a)를 참조하면, 상변화층(140) 및 OTS층(130)으로 구현되는 메모리 셀의 상부 및 하부에는 글로벌 선택 스위치로 사용되는 4개의 트랜지스터(110, 120, 150 및 160)가 포함된다.
상변화층(140)은 백금(Pt)으로 구성되는 하부전극, 산화탈탄륨층(TaOx) 및 텅스텐(W)으로 구성되는 하부전극이 순차적으로 적층되는 구조를 가진다.
OTS층(130)은 텅스텐(W)으로 구성되는 하부전극(상변화층(140)의 하부전극에 해당), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 구성되는 비정질 칼코게나이드 물질층 및 텅스텐(W)으로 구성되는 상부전극을 포함한다.
도 3은 휘발성 특성을 가지는 종래의 OTS 및 상변화층의 적층구조와 비휘발성 특성을 가지는 본 발명에 따른 OTS 및 상변화층의 적층구조의 전압 전류 관계를 설명한다.
도 3의 (a)는 도 1의 (b)에 도시된 메모리의 전류 전압 특성을 나타낸다.
도 3의 (a)를 참조하면, OTS층(130)이 턴 오프되는 문턱 전압(예를 들면, 1.5V) 이하에서는 전원을 공급하지 않는 한, 상변화층(140)에 저장된 정보가 소멸된다는 것을 알 수 있다.
즉, 도 1의 (b)에 도시된 구조는 휘발성 메모리의 특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 비휘발성 메모리 소자에 적용 가능하며, 공정을 단순화함으로써 공정 조건을 최소로 하는 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조를 제안하는 것에 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조는, 제1 하부전극, 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층 및 제1 상부전극이 순서대로 적층된 상변화층 및 제2 하부전극, 상변화가 일어나는 제2 비정질 칼코게나이드 물질층 및 제2 상부전극이 순서대로 적층된 OTS층을 포함하며, 상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층과 상기 OTS층의 상변화가 일어나는 제2 비정질 칼코게나이드 물질층은 동일한 물질이다.
여기서, 상기 상변화층의 제1 하부전극은 백금과, 상기 제1 상부전극은 은을 포함할 수 있다.
또한, 상기 OTS층의 제2 하부전극은 은과, 상기 제2 상부전극은 텅스텐을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상변화가 일어나는 제1 및 제2 비정질 칼코게나이드 물질층은, 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 상변화층의 제1 상부전극과 상기 OTS층의 제2 하부전극은 은을 포함하는 하나의 전극을 공통으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 상변화층의 제1 상부전극과 상기 OTS층의 제2 하부전극은 구리를 포함하는 하나의 전극을 공통으로 사용할 수 있다.
또한, 상기 공통전극으로 사용하는 은을 포함하는 전극층의 은은 상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층으로 확산될 수 있다.
또한, 상기 공통전극으로 사용하는 구리를 포함하는 전극층의 구리는 상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층으로 확산될 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조는, OTS층이 턴 오프되는 문턱 전압 이하에서 전원을 공급하지 않는 경우에도, 상변화층에 흐르는 전류의 감소가 최소가 되므로, 결국 상변화층이 비휘발성 특성을 가지게 되므로, 이러한 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조(200)의 전기적 특성을 활용하면, 비휘발성 메모리로 활용할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 OTS층 및 상변화층이 적층된 구조를 가지는 칼코게나이드 기반 OTS의 휘발성 메모리의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조의 일 실시예다.
도 3은 휘발성 특성을 가지는 종래의 OTS 및 상변화층의 적층구조와 비휘발성 특성을 가지는 본 발명에 따른 OTS 및 상변화층의 적층구조의 전압 전류 관계를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조의 일 실시예다.
도 3은 휘발성 특성을 가지는 종래의 OTS 및 상변화층의 적층구조와 비휘발성 특성을 가지는 본 발명에 따른 OTS 및 상변화층의 적층구조의 전압 전류 관계를 설명한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조의 일 실시예다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조(200)는, 상변화층(220) 및 상변화층(220)의 상부에 적층된 OTS 층(210)을 포함한다.
여기서, 상변화층(220)은 백금(Pt)을 포함하는 제1 하부전극(L1), 상변화가 일어나는 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나 이상을 포함하는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층(L2) 및 은(Ag)을 포함하는 제1 상부전극(L3)이 적층된 구조이다.
OTS층(210)은 은(Ag) 또는 구리(Cu)을 포함하는 제2 하부전극(L3), 상변화가 일어나는 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나 이상을 포함하는 제2 비정질 칼코게나이드 물질층(L4) 및 텅스텐(W)을 포함하는 제2 상부전극(L5)이 적층된 구조이다.
이때 도 2를 참조하면, 상변화층(220)과 OTS층(210)은 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 포함하는 층(L3)을 공통으로 사용한다는 것을 알 수 있다.
즉, 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 포함하는 층(L3)은 상변화층(220)에서는 제1 상부전극(L3)이며, OTS층(210)에서는 제2 하부전극(L3)이 될 수 있다.
본 발명의 핵심 아이디어는, 상변화층(220) 및 상변화층(220)의 상부에 OTS층(210)을 적층함으로써 종래의 적층구조와 유사한 구조를 가지면서도, OTS층(210)과 상변화층(220)이 상변화가 일어나는 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나 이상을 포함하는 비정질 칼코게나이드 물질층(L2, L4)을 공통으로 사용하도록 함으로써 적층공정 중 일부를 단일화하고, OTS층(210)의 제2 하부전극(L3) 및 상변화층(220)의 제1 상부전극(L3)의 재료가 되는 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 하부에 적층된 제1 비정질 칼코게나이드 물질층(L2)으로 확산시킴으로써, OTS층(210)이 턴 오프 되어도 상변화층(220)에 저장된 정보는 소멸되지 않도록 하는 것으로, 결국 도 2에 도시된 구조가 비휘발성 특성을 가지도록 한다는 것이다.
도 3은 휘발성 특성을 가지는 종래의 OTS 및 상변화층의 적층구조와 비휘발성 특성을 가지는 본 발명에 따른 OTS 및 상변화층의 적층구조의 전압 전류 관계를 설명한다.
상술한 바와 같이, 도 3의 (a)를 참조하면, 종래의 적층구조는 OTS층(130)이 턴 오프되는 문턱 전압(예를 들면, 1.5V) 이하에서는 전원을 공급하지 않는 한, 상변화층(140)에 저장된 정보가 소멸된다는 것을 알 수 있다.
도 3의 (b)는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 적층구조의 전류 전압 특성을 나타낸다.
도 3의 (b)를 참조하면, OTS층(210)이 턴 오프되는 문턱 전압(예를 들면, 1.5V) 이하에서는 전원을 공급하지 않는 경우에도, 상변화층(220)에 흐르는 전류의 감소가 최소가 되므로, 결국 상변화층(220)이 비휘발성 특성을 가지도록 한다는 것을 알 수 있다.
도 2에 도시된 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조(200)의 전기적 특성을 활용하면, 비휘발성 메모리로 사용할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
L1: 제1 하부전극
L2: 제1 비정질 칼코게나이드 물질층
L3: 제1 상부전극, 제2 하부전극
L4: 제2 비정질 칼코게나이드 물질층
L5: 제2 상부전극
L2: 제1 비정질 칼코게나이드 물질층
L3: 제1 상부전극, 제2 하부전극
L4: 제2 비정질 칼코게나이드 물질층
L5: 제2 상부전극
Claims (8)
- 제1 하부전극, 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층 및 제1 상부전극이 순서대로 적층된 상변화층; 및
제2 하부전극, 상변화가 일어나는 제2 비정질 칼코게나이드 물질층 및 제2 상부전극이 순서대로 적층된 OTS층을 포함하며,
상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층과 상기 OTS층의 상변화가 일어나는 제2 비정질 칼코게나이드 물질층은 동일한 물질인, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변화층의 제1 하부전극은 백금과, 상기 제1 상부전극은 은을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 OTS층의 제2 하부전극은 은과, 상기 제2 상부전극은 텅스텐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변화가 일어나는 제1 및 제2 비정질 칼코게나이드 물질층은,
게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변화층의 제1 상부전극과 상기 OTS층의 제2 하부전극은 은을 포함하는 하나의 전극을 공통으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변화층의 제1 상부전극과 상기 OTS층의 제2 하부전극은 구리를 포함하는 하나의 전극을 공통으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 5 항에 있어서,
상기 공통전극으로 사용하는 은을 포함하는 전극층의 은은 상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층으로 확산되는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조. - 제 6 항에 있어서,
상기 공통전극으로 사용하는 구리를 포함하는 전극층의 구리는 상기 상변화층의 상변화가 일어나는 제1 비정질 칼코게나이드 물질층으로 확산되는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 특성을 가지는 OTS 및 상변화층의 적층구조.
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