KR101213225B1

KR101213225B1 - The non-volatile programable switch device using phase-change memory device and the manufacturing method thereof

Info

Publication number: KR101213225B1
Application number: KR1020090026876A
Authority: KR
Inventors: 윤성민; 이승윤; 유병곤; 정순원; 박영삼
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2012-12-17
Also published as: KR20100063613A

Abstract

본 발명은 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자에 대한 것으로, 이 소자는 제1 금속 전극층, 상기 제1 금속 전극층 상부에 형성되며, 채널층 및 상기 채널층을 사이에 두고 서로 마주보는 저저항의 소스/드레인을 포함하는 반도체 박막층, 상기 반도체 박막층의 일부를 노출하는 포어 영역을 포함하며 상기 반도체 박막층 상에 형성되는 절연체 박막층, 상기 절연체 박막층의 상기 포어 영역을 매립하는 반응 원료층, 상기 반응 원료층 상부에 형성된 제2 금속 전극층 및 고상 반응에 의해 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층이 반응하여 형성되는 상변화 동작층을 포함한다. 따라서, 고상 반응에 의해 형성되어 메모리 동작에 필요한 동작 영역을 최소화하여 소비 전력을 줄이고, 통상의 트랜지스터 구조를 그대로 사용하여 LSI 제조 과정에서의 공정 정합성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서 쓰기와 읽기 동작을 용이하게 분리할 수 있는 4단자형 소자 구조를 제공함으로써 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 소형화, 저소비전력화 및 고신뢰성화에 크게 기여할 수 있다. The present invention relates to a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device, the device being formed on the first metal electrode layer, the first metal electrode layer, and facing each other with a channel layer and the channel layer interposed therebetween. A semiconductor thin film layer including a source / drain of a resistance, an insulator thin film layer including a pore region exposing a portion of the semiconductor thin film layer, a reaction raw material layer filling the pore region of the insulator thin film layer, and the reaction And a phase change operation layer formed by reacting the reaction raw material layer with the semiconductor thin film layer by the second metal electrode layer formed on the raw material layer and the solid phase reaction. Accordingly, the power consumption is reduced by minimizing an operation area required for a memory operation, which is formed by a solid-state reaction, and a process transistor in an LSI manufacturing process can be improved by using a conventional transistor structure as it is. By providing a four-terminal device structure that can easily separate the write and read operations in the system, it can greatly contribute to the miniaturization, low power consumption, and high reliability of the nonvolatile programmable switch device.

프로그래머블, 스위치, 상변화, 비휘발성 메모리, 재구성형 LSI, 시스템 LSI Programmable, Switch, Phase Change, Nonvolatile Memory, Reconfigurable LSI, System LSI

Description

상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조 방법{THE NON-VOLATILE PROGRAMABLE SWITCH DEVICE USING PHASE-CHANGE MEMORY DEVICE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF} Non-volatile programmable switch device using phase change memory device and manufacturing method thereof {THE NON-VOLATILE PROGRAMABLE SWITCH DEVICE USING PHASE-CHANGE MEMORY DEVICE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 상변화형 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 박막층과 반응 원료층의 고상 반응에 의해 상변화 동작층을 형성하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a nonvolatile programmable switch device using a phase change type memory device, and more particularly, to a nonvolatile programmable switch device for forming a phase change operation layer by solid phase reaction between a semiconductor thin film layer and a reaction raw material layer, and a method of manufacturing the same. It is about.

최근 수 년간의 전자 산업의 기술 발전 경향은 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫 번째는 휴대기기 및 디지털 가전을 중심으로 한 세트 어플리케이션 기기의 고기능화 및 멀티미디어 컨텐츠 탑재에 따른 디지털 부품 위주의 발전 추세이다. 두 번째는, 방송, 통신, 컴퓨터 등 각 개별 기술 분야의 통합에 따른 전자 부품의 소형, 원칩화 경향의 확대이다. 세 번째는, 소비자의 요구가 점차로 세분화되고 다양화되면서 부품의 수명 주기는 단축되고, 소량 및 다품종화의 경향이 강화되고 있다는 점이다. The recent trends in technology development in the electronics industry can be summarized as follows. The first is the development trend of digital components, which is due to the high functionalization of multi-set application devices and the loading of multimedia contents. Second, the trend toward miniaturization and one-chip development of electronic components by integration of individual technology fields such as broadcasting, communication, and computers is increasing. Third, as consumer demands are increasingly fragmented and diversified, component life cycles are shortened and the trend toward smaller quantities and more varieties is intensified.

상기 전자 부품 사업의 발전 경향은 다양화 된 기능과 수요에 맞추어 그때마 다 반도체 칩 전체를 새로 제작하는 대신, 회로의 일부 기능을 사용자의 요구에 맞게 재구성하여 다양한 기능을 구현하는 재구성형(reconfigurable) LSI의 적극적인 개발 노력으로 구체화되고 있는 상황이다. 기존의 재구성형 LSI를 대표하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)의 경우, LSI의 회로 일부를 재구성하기 위한 프로그래머블 스위치 매트릭스를 탑재하고 있으며, 상기 프로그래머블 스위치 매트릭스를 구성하는 단위 스위치 소자로서 SRAM 또는 플립플롭(flip-flop)과 패스게이트 (pass-gate)로 구성된 스위치 소자를 일반적으로 사용하고 있으나, 다음과 같은 문제점을 가진다. The development trend of the electronic component business is reconfigurable to implement various functions by reconfiguring some functions of the circuit to meet the needs of users instead of newly manufacturing the entire semiconductor chip in accordance with diversified functions and demands. It is being embodied by LSI's active development efforts. Field Programmable Gate Array (FPGA), which represents a conventional reconfigurable LSI, is equipped with a programmable switch matrix for reconfiguring a part of the circuit of the LSI, and is a unit switch element constituting the programmable switch matrix. A switch device composed of a flip-flop and a pass-gate is generally used, but has the following problems.

첫 번째 문제는 거대한 칩 면적을 차지하기 때문에 높은 제조 단가가 높다.The first problem is a large chip area, which leads to high manufacturing costs.

두 번째 문제는 트랜지스터 스위치 소자가 갖는 높은 저항값과 거대한 칩 면적에따라 배선 길이가 늘어나 기생성분이 증가하면서 동작 속도가 작아진다.The second problem is that the wiring length is increased according to the high resistance value and the large chip area of the transistor switch element, so that the parasitic component increases, so that the operation speed is reduced.

세 번째 문제는 스위치 매트릭스 자체의 점유 면적이 논리 LSI의 점유 면적보다 너무 넓어 논리 회로를 구성하는데 있어서 효율이 떨어지고, 병렬 연산 능력이 저하된다는 점이다. The third problem is that the footprint of the switch matrix itself is too wide than that of the logic LSI, resulting in inefficiencies in constructing logic circuits and reduced parallel computing power.

네 번째 문제는 스위치에 사용되는 메모리 자체가 휘발성 메모리이기 때문에, 전원 차단 시 정보 유실의 위험이 많으며 결과적으로 LSI 외부에 별도의 외장 메모리를 필요로 한다는 점이다. The fourth problem is that since the memory used in the switch itself is volatile memory, there is a high risk of information loss when the power is turned off, and as a result, a separate external memory is required outside the LSI.

따라서 상기 문제를 해결하기 위한 새로운 프로그래머블 스위치 소자의 실현이 요구된다. Therefore, there is a need for the realization of a new programmable switch element to solve the above problem.

재구성형 LSI를 구성하는 스위치 소자에 요구되는 중요한 성능은 다음과 같 다. The critical performance required for the switch elements that make up a reconfigurable LSI are:

첫 번째로 온상태의 저항 값이 가능한 한 낮아야 한다는 점이다. 온 상태의 저항 값이 높으면 스위치 매트릭스의 구동 시 각 스위치 소자에서 상당한 양의 전압 강하가 발생하여 전체 매트릭스 구동에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 스위치 소자의 저항 값 때문에 신호 지연이 발생한다. 현재 SRAM과 패스게이트로 구성된 스위치 소자의 온 저항 값은 수 킬로오옴에 달하고 있으나, 이상적으로는 이 값을 1/10 정도로 낮출 필요가 있다. First, the on-state resistance value should be as low as possible. When the resistance value in the on state is high, a considerable amount of voltage drop occurs in each switch element when the switch matrix is driven, which makes it difficult to drive the entire matrix, and a signal delay occurs due to the resistance value of the switch element. Currently, the on-resistance value of a switch device composed of SRAM and passgate is several kiloohms, but ideally, it should be lowered to about 1/10.

두 번째로 스위치 소자의 셀 면적이 작아야 한다는 점이다. 위에서 언급한 바와 같이 현행의 구성 방식에서는 전체 재구성형 LSI에서 스위치 매트릭스를 구성하는 면적이 논리 회로 부분을 구성하는 면적에 비해 지나치게 크기 때문에 전체 LSI의 구성 효율을 크게 떨어뜨리고 있다. 소형의 새로운 스위치 소자를 도입한다면 스위치 셀 면적 자체를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전체 재구성형 LSI에서 논리 회로 부분의 점유율을 늘려 LSI 성능 향상을 도모할 수 있다. 즉, 논리 회로 영역 사이의 거리가 단축되면 배선 부분에서 발생하는 기생 성분을 감소시켜 전체 LSI의 동작 지연 시간을 줄일 수 있다. Second, the cell area of the switch element must be small. As mentioned above, in the current configuration method, since the area constituting the switch matrix in the entire reconfigurable LSI is too large compared to the area constituting the logic circuit part, the configuration efficiency of the entire LSI is greatly reduced. The introduction of smaller new switch elements not only reduces the switch cell area itself, but also increases LSI performance by increasing the share of logic circuitry in the total reconfigurable LSI. In other words, if the distance between the logic circuit regions is shortened, parasitic components generated in the wiring portion can be reduced, thereby reducing the operation delay time of the entire LSI.

세 번째로 비휘발성의 특징을 가져야 한다는 점이다. 기존의 SRAM과 패스게이트로 구성되는 스위치 소자의 경우에는 전원을 차단하면 저장된 메모리가 소실되는 구조이기 때문에, 이를 방지하기 위해 별도의 비휘발성 메모리를 LSI 외부에 탑재해야 할 필요가 있다. 따라서, 별도의 비휘발성 메모리를 LSI 외부에 탑재함으로써 전체 LSI의 면적이 증가하는 것은 물론 동작 전압 측면에서도 불리하다. 또한 외부에 탑재된 비휘발성 메모리는 부정 억세스를 통한 정보 유출의 가능성이 높아, 신규 제품 개발 과정에서 주로 사용되는 재구성형 LSI의 보안성을 크게 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서, 재구성형 LSI를 구성하는 스위치 소자 자체에 비휘발성을 부여하여 LSI 내부에 내장하는 형태로 스위치 매트릭스를 구성하는 것이 바람직하다.Thirdly, it must be characterized as nonvolatile. In the case of a switch device composed of a conventional SRAM and a passgate, since the stored memory is lost when the power is cut off, a separate nonvolatile memory needs to be mounted outside the LSI to prevent this. Therefore, the mounting of a separate nonvolatile memory outside the LSI increases the area of the entire LSI and is disadvantageous in terms of the operating voltage. In addition, the externally mounted nonvolatile memory has a high possibility of information leakage through fraudulent access, which greatly reduces the security of the reconfigurable LSI mainly used in new product development. Therefore, it is preferable to configure the switch matrix in such a way that the nonvolatile component is provided to the switch element constituting the reconfigurable LSI and embedded in the LSI.

네 번째로 저전압 동작이 가능해야 한다는 점이다. 최근 플래시메모리를 스위치 소자로 사용하여 비휘발성 스위치 매트릭스를 탑재한 재구성형 LSI가 등장하고 있으나, 플래시메모리는 기본적으로 동작 전압이 높아 회로 내부에 별도의 승압 회로를 마련해야 할 필요가 있다. 따라서 저전압으로 구동하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현이 바람직하다. Fourth, low-voltage operation must be possible. Recently, a reconfigurable LSI equipped with a nonvolatile switch matrix using a flash memory as a switch element has emerged. However, since a flash memory has a high operating voltage, it is necessary to provide a separate boost circuit inside the circuit. Therefore, it is desirable to realize a nonvolatile programmable switch element that drives at low voltage.

다섯 번째로 반복 기록 동작에 대한 충분한 신뢰성을 갖추어야 한다는 점이다. 현행의 SRAM과 패스게이트로 구성되는 스위치 소자는 반복 기록 동작에 관한 제한 사항은 없으나 애초에 휘발성 소자이기 때문에 비휘발성의 메모리 동작을 기대할 수 없다. 또한 위에서 언급한 플래시메모리 스위치 소자의 경우, 반복 기록 동작 횟수는 10⁵ 회 정도에 불과하다. 따라서 보다 고신뢰성의 반복 기록 동작을 담보할 수 있는 신규 스위치 소자를 도입하는 것이 바람직하다. 여섯 번째로 비휘발성의 프로그램 특성을 갖는 스위치 소자는 기억된 정보를 장시간에 걸쳐 보존할 수 있는 능력을 갖추어야 한다는 점이다. 보통 이 특성은 리텐션(retention) 특성이라고 일컬어진다. 일반적으로 메모리 기능을 달성하기 위한 소자 요구 성능에서 리텐션 특성은 매우 중요하며, 이것은 비휘발성 메모리의 동작 신뢰성을 나타내는 중요 한 지표가 된다. 재구성형 LSI에 탑재되는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 경우에도 저장된 정보를 유지하는 리텐션 기능은 매우 중요하며, 메모리 소자와는 달리 LSI 회로 내부에 탑재되어 사용하기 때문에 언제나 일정 조건의 전압 바이어스가 인가된 상태에서 사용하는 경우가 많다는 점이 일반 메모리 소자와 다른 점이다. 따라서, 재구성형 LSI용 스위치 소자는 실제사용 조건의 바이어스 인가 상태에서도 저장된 정보를 안정적으로 보존하는 고도의 리텐션 특성이 요구된다. Fifth, it is necessary to have sufficient reliability for the repeat recording operation. The current switch element composed of the SRAM and the passgate has no limitation on the repetitive write operation, but since it is a volatile element at first, a nonvolatile memory operation cannot be expected. In the flash memory switch element mentioned above, the number of repeat write operations is only about 10 ⁵ times. Therefore, it is desirable to introduce a novel switch element that can ensure a more reliable repeat write operation. Sixth, a switch element having a nonvolatile program characteristic has to be capable of preserving stored information for a long time. Usually this property is called the retention property. In general, retention characteristics are very important in the performance requirements of devices to achieve memory functionality, which is an important indicator of the operational reliability of nonvolatile memory. In the case of a nonvolatile programmable switch device mounted in a reconfigurable LSI, a retention function that maintains stored information is very important. Unlike a memory device, since a retention function is used inside the LSI circuit, a voltage bias of a certain condition is always applied. It is often different from a general memory device in that it is often used in a state. Therefore, the reconfigurable LSI switch element requires a high retention characteristic that stably preserves stored information even under a bias applied state under actual use conditions.

한편, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 선행 기술 사례에서 재구성형 LSI의 스위치 매트릭스에 내장하기 위해 필요한 특성을 모두 갖춘 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 현재까지 실현된 바가 없으며, 위의 설명에서 언급한 프로그래머블 스위치 소자의 구비 성능을 모두 만족하기 위해서는 많은 기술적인 문제를 해결해야 할 필요가 있음을 알 수 있다. 상기 기술적인 문제의 해결을 통해 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 실현 가능한 가장 유력한 후보 기술의 하나는 스위치 소자로서 비휘발성 상변화형 메모리 소자를 사용하는 것이다. Meanwhile, in the prior art example of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, the nonvolatile programmable switch device having all the characteristics necessary for embedding in the switch matrix of the reconfigurable LSI has not been realized until now, and is mentioned in the above description. It can be seen that many technical problems need to be solved in order to satisfy all the performance of the programmable switch device. One of the most promising candidate technologies capable of realizing the nonvolatile programmable switch device according to the present invention by solving the above technical problem is to use a nonvolatile phase change type memory device as the switch device.

상기 상변화 메모리 (Phase-Change Memory) 소자는 재료가 갖는 결정 상태에 따라 그 저항값이 바뀌는 상변화 재료를 이용하여, 적절한 조건의 전류 또는 전압의 인가 방법을 선택함으로써 재료가 갖는 결정 상태를 제어하는 방법으로 정보를 저장하고, 재료의 결정 상태에 따른 저항값의 변화로부터 저장된 정보의 종류를 판독하여 메모리 동작을 실현한다. 이 때, 재료의 결정 상태는 저저항의 특성을 가지며, 비정질 상태는 고저항의 특성을 가지게 된다. 이러한 특성을 이용하면 비휘발 성의 정보 저장 기능은 물론, 저저항 상태와 고저항 상태의 온/오프 동작을 이용하여 효과적인 스위칭 동작을 실현할 수 있다. The phase-change memory device controls a crystal state of a material by selecting a method of applying a current or a voltage under an appropriate condition using a phase change material whose resistance value changes according to the crystal state of the material. In this way, the information is stored, and the type of stored information is read from the change of the resistance value according to the crystal state of the material to realize the memory operation. At this time, the crystal state of the material has a low resistance characteristic, and the amorphous state has a high resistance characteristic. Using this characteristic, an effective switching operation can be realized by using a nonvolatile information storage function as well as an on / off operation of a low resistance state and a high resistance state.

한편 상변화 메모리 소자를 제작하기 위한 상변화 재료로는 게르마늄(Ge)-안티몬(Sb)-텔레륨(Te)이 일정한 조성을 갖는 칼코게나이드계 금속합금, 특히 게르마늄-안티몬-텔레륨의 조성이 2:2:5인 Ge₂Sb₂Te₅(GST)가 주로 채용되어 왔다. 상기 조성의 GST는 앞서 설명한 바와 같이 레이저 광에 의한 상변화 현상을 이용하는 광저장매체의 핵심재료로도 널리 이용되어 왔기 때문에, 재료의 물리적 특성에 관해서는 많이 알려져 있다. 특히 2:2:5 조성의 GST 재료가 광저장형 정보매체에서 널리 사용된 이유는 이 조성의 GST 재료가 비정질 상태와 결정 상태의 전이 과정이 매우 가역적으로 수행된다는 점과 결정화 과정에 이르는 속도가 상당히 빠르다는 점, 그리고 상전이의 연속성이 뛰어나다는 점 등이 거론되고 있으며, 이러한 특성은 상변화형 반도체 메모리 소자의 적용에 있어서도 여전히 유효한 장점으로 받아들여 지고 있다. 따라서, 상기 조성의 GST 재료는 상변화형 메모리 소자에도 용이하게 적용될 수 있을 것으로 판단되고 있으며, 실제로 업체를 중심으로 진행되고 있는 상변화 메모리 소자의 대부분은 GST 재료를 채용하고 있다.As a phase change material for fabricating a phase change memory device, a composition of a chalcogenide-based metal alloy having a constant composition of germanium (Ge) -antimony (Sb) -telelium (Te), in particular germanium-antimony-telelium, Ge ₂ Sb ₂ Te ₅ (GST) of 2: 2: 5 has been mainly employed. As described above, since the GST of the composition has been widely used as a core material of an optical storage medium using a phase change phenomenon by laser light, much physical properties of the material are known. In particular, the reason why 2: 2: 5 composition of GST materials is widely used in optical storage information carriers is that GST materials of this composition are very reversible in the transition between the amorphous state and the crystalline state and the speed up to the crystallization process It is mentioned that it is considerably fast and that continuity of phase transition is excellent, and this characteristic is still considered as an effective advantage in the application of a phase change type semiconductor memory device. Therefore, it is judged that the GST material having the above composition can be easily applied to a phase change type memory device, and most of the phase change memory devices that are being implemented mainly by companies employ the GST material.

또한, 상변화 메모리의 제작에 있어서 소자의 제작 공정이 기존의 실리콘 기반 소자 제작 공정과 잘 정합하기 때문에, DRAM과 동등한 정도의 높은 집적도를 쉽게 구현할 수 있다는 점이 장점이다. 이에 비해 상변화 메모리와 경합하는 자기저항형(Magneto-Resistive) 메모리 및 강유전체 메모리(Ferroelectric Memory)의 경 우에는, 소자의 미세화에 따라 공정의 난이도가 급격히 높아지거나, 소자의 성능 자체가 열화하는 등의 문제가 발생하고 있다. 따라서, 지금까지의 기술 개발 상황으로 보아 상변화 메모리는 현재의 플래쉬메모리를 대체할 수 있는 가장 유력한 차세대 비휘발성 메모리 후보라고 할 수 있으며, 이러한 이유 때문에 큰 주목을 받고 있는 반도체 메모리 기술이다. In addition, in the fabrication of the phase change memory, since the fabrication process of the device is well matched with the existing silicon-based fabrication process, it is an advantage that the high integration level equivalent to that of DRAM can be easily realized. On the other hand, in the case of magneto-resistive memory and ferroelectric memory competing with the phase change memory, the difficulty of the process increases rapidly or the performance of the device deteriorates due to the miniaturization of the device. There is a problem. Therefore, in view of the state of the art development so far, phase change memory is the most promising next-generation nonvolatile memory candidate that can replace the current flash memory, and for this reason, it is a semiconductor memory technology attracting great attention.

이러한 상변화 메모리 소자를 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 이용하는 데 있어서 얻을 수 있는 기술적인 장점은 다음과 같다. Technical advantages of using such a phase change memory device as a nonvolatile programmable switch device according to the present invention are as follows.

첫 번째로, 상변화 메모리 소자의 온저항 값은 수백오옴 정도로, 현행의 SRAM과 패스게이트로 구성되는 스위치 소자의 수 킬로오옴에 비해 1/10 정도로 줄일 수 있다. First, the on-resistance value of the phase change memory device can be reduced to about one hundred ohms, compared to several kiloohms of the switch device composed of current SRAM and passgate.

두 번째로, 상변화 메모리 소자로 구성되는 스위치 소자의 셀 면적은 소자의 면적을 표시할 때 주로 사용되는 회로 설계의 최소 단위 F를 기준으로 하였을 때 최대 8F2 정도로, 현행 SRAM과 패스게이트로 구성되는 스위치 소자의 120F2에 비해 1/15 정도까지 줄일 수 있다. Second, the cell area of a switch element composed of a phase change memory element is about 8F2 at the maximum based on the minimum unit F of the circuit design mainly used to display the element area, and is composed of the current SRAM and the passgate. Compared to 120F2 of the switch element, it can be reduced to about 1/15.

세 번째로 앞서 언급한 바와 같이 상변화 메모리는 비휘발성 메모리의 기능을 가지며, 본 발명에 따른 재구성형 LSI의 스위치 매트릭스로 내장되어 별도의 외부 ROM을 구성할 필요가 없다. Third, as mentioned above, the phase change memory has a function of a nonvolatile memory, and is built into the switch matrix of the reconfigurable LSI according to the present invention and does not require a separate external ROM.

네 번째로 상변화 메모리 소자를 본 발명에 따른 재구성형 LSI용 스위치 매트릭스에 내장하는 경우, 저전압 동작을 구현할 수 있기 때문에 기존의 EEPROM이나 플래시메모리를 이용한 비휘발성 FPGA와는 달리 자체 승압 회로를 구성할 필요가 없으며, 플래시메모리 방식보다 양호한 반복 기록 동작 성능을 확보할 수 있다. Fourth, when the phase change memory device is embedded in the reconfigurable LSI switch matrix according to the present invention, low voltage operation can be implemented, and thus, a self-boosting circuit needs to be configured unlike a nonvolatile FPGA using an EEPROM or a flash memory. And better repeat write operation performance than the flash memory method can be ensured.

다섯 번째로 상변화 메모리 소자는 상기 선행 기술 사례에서 언급한 고체전해질형 비휘발성 메모리 소자와는 달리, 동작 원리를 고려할 때 선택하는 재료의 종류와 소자의 구조에 따라 동작에 필요한 문턱 전압 (threshold voltage)를 용이하게 설정할 수 있기 때문에, 일정 바이어스의 장기 인가 상태에서도 저장한 정보를 용이하게 보존할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 이에 비해 금속 이온의 확산 현상을 이용하는 고체전해질형 메모리 소자의 경우, 오히려 동작 문턱 전압이 너무 낮아 외부로부터 인가되는 신호 잡음에 대한 내성이 약하고, 동작 시 인가되는 소정의 바이어스 상태에서 저장된 정보를 안정적으로 보존하는 신뢰성 동작을 담보하기 어렵다. Fifth, unlike the solid electrolyte type nonvolatile memory device mentioned in the prior art example, the phase change memory device has a threshold voltage required for operation according to the type of material selected and the structure of the device in consideration of the principle of operation. ) Can be easily set, and it is expected that the stored information can be easily stored even in a long-term application state with a constant bias. On the contrary, in the case of the solid electrolyte memory device using the diffusion of metal ions, the operation threshold voltage is too low, so that resistance to signal noise from the outside is weak, and the stored information is stably stored in a predetermined bias state applied during operation. It is difficult to ensure reliable operation to preserve.

다만, 상변화 메모리 소자를 이용하여 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위해서는 다음의 세 가지 기술적인 이슈를 반드시 해결해야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.However, in order to realize the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention, it is necessary to solve the following three technical issues.

본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위한 첫 번째 기술적인 이슈는 상변화 메모리 소자로 구성되는 프로그래머블 스위치 소자의 구동에 필요한 소비전력을 지금보다 더욱 줄여야 할 필요가 있다는 점이다.The first technical issue for realizing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention is that it is necessary to further reduce power consumption required for driving a programmable switch device composed of a phase change memory device.

첫 번째 기술적인 이슈인 소자의 소비전력 절감에 대해 더 자세하게 설명하면 다음과 같다. 상변화 메모리는 앞서 설명한 바와 같이 저항체에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전기적 주울열(Joule-heat)을 이용하여 상변화 재료의 결정 상태를 제어하는 방법으로 메모리 소자를 구동하기 때문에 비교적 많은 전력을 소모할 가능 성이 있다. 아울러 이러한 문제는 상변화 메모리가 다른 형태의 비휘발성 메모리에 비해 비교적 유리한 장점들을 가지고 있음에도 불구하고, 최근에 들어서야 크게 주목을 받기 시작한 것과 관련이 있다. 즉, 반도체 공정에 사용되는 설계 규칙은 일정한 스케일링 방법에 의해 축소되어 왔으며, 비교적 큰 크기의 소자를 제작하던 종래의 반도체 공정을 이용하여 상변화 메모리 소자를 제작하는 경우, 전체 시스템이 감당할 수 없을 정도의 전력과 열이 발생하는 문제때문에 실용적인 동작 특성을 갖는 메모리 소자의 실현은 불가능했다. 그러나, 설계 규칙의 지속적인 축소와 함께 소자 자체의 크기도 크게 줄어, 현재 통상적으로 사용되고 있는 반도체 공정의 설계 규칙을 이용한다면, 상변화 메모리의 동작에 요구되는 소비전력도 큰 폭으로 절감할 수 있게 되었다. 이처럼 소자의 크기를 줄였을 때 소자의 동작에 필요한 전류를 자연스럽게 줄일 수 있다는 점은 상변화 메모리가 다른 비휘발성 메모리에 비해 실용화에 유리한 결정적인 장점이라는 점은 위에서 언급한 바와 같다. 그럼에도 불구하고, 현재 선행 연구 등을 통해 발표되고 있는 상변화 메모리 소자의 동작 전류는 아직 충분히 낮은 편이 아니며, 고밀도 저소비전력형 차세대 비휘발성 메모리로서 상변화 메모리를 실용화 하기 위해서는 상변화 메모리 소자의 동작 전류를 더욱 낮추어야 할 필요가 있다. The first technical issue, the power consumption reduction of the device in more detail is as follows. As described above, the phase change memory consumes a relatively large amount of power because the memory element is driven by controlling the crystal state of the phase change material by using electric Joule-heat generated when a current flows through the resistor. There is a possibility. This problem is related to the fact that the phase change memory has recently gained great attention, although it has relatively advantageous advantages over other types of nonvolatile memory. In other words, the design rules used in the semiconductor process have been reduced by a constant scaling method, and when fabricating a phase change memory device using a conventional semiconductor process that manufactured a relatively large device, the entire system cannot afford it. Due to the problem that power and heat are generated, it is impossible to realize a memory device having practical operating characteristics. However, with the continuous reduction of design rules, the size of the device itself is greatly reduced, and using the design rules of the semiconductor process that is currently used, the power consumption required for the operation of the phase change memory can be greatly reduced. . As described above, when the size of the device is reduced, the current required for the operation of the device can be naturally reduced. As described above, the phase change memory is a decisive advantage in practical use over other nonvolatile memories. Nevertheless, the operating current of the phase change memory device, which has been announced through previous studies, is not yet low enough, and the operating current of the phase change memory device is a high density, low power consumption next generation nonvolatile memory for practical application of the phase change memory. Need to be lowered further.

아울러 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치를 상변화 메모리 소자로 구성하는 경우, 상기 상변화 메모리 소자는 통상적인 CMOS 소자로 구성되는 LSI 회로 내부에 도입되며, 이 경우 상변화 메모리 소자를 정상적으로 동작시키기 위해서 상변화 메모리 소자의 동작 전류를 줄이는 것은 필수적이다. 즉 통상적인 트랜 지스터 소자를 이용하여 상기 상변화 메모리 소자의 프로그래밍 동작에 필요한 동작 전류를 공급하는 경우, 상기 트랜지스터 구동 소자의 크기를 최첨단 미세 공정을 사용하는 초미세 크기로 제작할 수 있다고 하더라도, 너무 작은 크기의 소자로는 현재의 상변화 메모리 소자의 동작에 필요한 동작 전류의 사양을 만족할 수 없기 때문이다. 다시 말해서, 최첨단 반도체 미세 공정을 충분히 활용하여 상변화 메모리 소자 및 구동 소자의 크기를 충분히 줄일 수 있다고 하더라도 현재의 상변화 메모리 소자가 요구하는 동작 전류의 사양이 너무 높아 미세 공정 적용의 가능성을 크게 제한하고 있다고 말할 수 있다. 따라서 현재 상변화 메모리 소자의 동작 전류를 줄이려는 시도는 다양한 방법을 통해 진행되고 있다. In addition, when the nonvolatile programmable switch according to the present invention is configured as a phase change memory device, the phase change memory device is introduced into an LSI circuit composed of a conventional CMOS device, and in this case, to operate the phase change memory device normally. It is essential to reduce the operating current of the phase change memory device. In other words, when supplying the operating current required for the programming operation of the phase change memory device using a conventional transistor device, even if the size of the transistor driving device can be manufactured to an ultra-fine size using a state-of-the-art fine process, it is too small This is because the device of the size cannot satisfy the specification of the operating current required for the operation of the current phase change memory device. In other words, although the size of the phase change memory device and the driving device can be sufficiently reduced by fully utilizing the state-of-the-art semiconductor fine process, the specification of the operating current required by the current phase change memory device is so high that it greatly limits the possibility of application of the fine process. I can say that. Accordingly, attempts to reduce the operating current of the phase change memory device have been made through various methods.

본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위한 두 번째 기술적인 이슈는 상변화 메모리 소자로 구성되는 프로그래머블 스위치 소자를 LSI와 일체 집적하기 위한 공정의 정합성과 편의성을 확보할 필요가 있다는 점이다. A second technical issue for realizing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention is that it is necessary to ensure the consistency and convenience of a process for integrating a programmable switch device composed of a phase change memory device with an LSI.

이것은 상변화 메모리 소자를 단순 정보 저장 기능만을 이용한 메모리 소자로 사용하는 경우와 크게 다른 점이며, 논리 LSI 내장형 메모리(embedded memory) 실현에 있어서 필수적인 과정이다. 앞서 설명한 바와 같이, 상변화 메모리의 경우 기타 비휘발성 메모리 소자에 비해 임베디드 메모리 실현이 공정적으로 용이한 것으로 알려져 있으나, 본 발명에 따른 재구성형 LSI용 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 요구 성능, 즉, 소형이면서 온저항이 작고, 동작 전압이 작으며 동작 신뢰성이 뛰어난 상변화 메모리 소자를 논리 LSI와 함께 동일 공정 상에서 효과적으로 집적하는 기술은 아직 개발되어 있지 않다. 또한 논리 LSI 회로의 고성능화를 도모하기 위해 매우 빠른 속도로 이루어지고 있는 소자 미세화 공정에 대한 스케일링 대책을 마련하는 것 역시 중요하다. 상변화 메모리 소자를 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로 사용하는 경우, 향후 등장하게 될 32nm 이하의 공정 규칙을 사용하는 LSI의 양산 공정에 있어서도 기존의 회로 및 소자와의 일체화 공정을 진행하기 위해서는, 상기 공정 세대에서의 상변화 메모리 소자의 스케일링 기술이 확보되어야 할 것이다.This is very different from the case of using a phase change memory device as a memory device using only a simple information storage function, and is an essential process in realizing a logic LSI embedded memory. As described above, in the case of phase change memory, embedded memory is known to be fairly easy to implement than other nonvolatile memory devices, but the required performance of the reconfigurable LSI nonvolatile programmable switch device according to the present invention is small. However, a technology for effectively integrating a phase change memory device having a low on-resistance, a low operating voltage, and excellent operation reliability together with a logic LSI in the same process has not been developed yet. It is also important to come up with scaling measures for the device miniaturization process, which is happening at a very high speed in order to improve the performance of logic LSI circuits. In the case of using the phase change memory device as the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, in order to proceed with the integration process with the existing circuits and devices even in the mass production process of LSI using a process rule of 32 nm or less, which will be introduced in the future, Therefore, scaling technology of the phase change memory device in the process generation should be secured.

본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위한 세 번째 기술적인 이슈는 상변화 메모리 소자로 구성되는 프로그래머블 스위치 소자의 메모리 동작 신뢰성을 확보할 필요가 있다는 점이다.A third technical issue for realizing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention is that it is necessary to secure memory operation reliability of a programmable switch device composed of a phase change memory device.

본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위해 상변화 메모리 소자를 사용하는 경우, 메모리 소자로서의 상변화 메모리 소자의 동작 신뢰성은 물론, 논리 및 시스템 LSI 내부에서 동작을 수행해야 하는 프로그래머블 스위치 소자로서의 동작 신뢰성을 동시에 고려해야 한다. 이것은 상변화 메모리 소자를 단순히 메모리로 사용하는 경우와 크게 다른 점이며, 이러한 기술적인 이슈를 해결하기 위해 새로운 구조의 상변화 메모리 소자가 필요하다는 점을 이해하는 것은 매우 중요하다. 통상적으로 상변화 메모리 소자 자체의 동작 신뢰성에 관해서는 크게 다음의 두 가지 동작 조건을 생각할 수 있다. In the case of using the phase change memory device for realizing a nonvolatile programmable switch device according to the present invention, as well as the operation reliability of the phase change memory device as a memory device, as a programmable switch device that must perform operations within logic and system LSI. Operational reliability must be considered at the same time. This is very different from the case of simply using the phase change memory device as a memory, and it is very important to understand that a new structure of the phase change memory device is required to solve this technical issue. In general, the following two operating conditions can be considered in terms of the operational reliability of the phase change memory device itself.

상변화 메모리 소자의 동작 신뢰성과 관련하여 고려되어야 할 첫 번째 동작 조건은, 상변화 메모리 소자의 기록 동작을 반복적으로 수행하였을 때 안정적인 정보의 저장이 이루어져야 한다는 것이다. 다시 말해서, 상변화 메모리 소자의 셋 동 작과 리셋 동작을 반복하여 사전에 기록되어 있던 정보를 소거하고 새로운 정보를 재기록하는 반복 기록 특성의 확보가 필수적이다. 현재 학회 등에서 보고되고 있는 상변화 메모리 소자의 반복 기록이 가능한 횟수는 10⁸ 정도이나, 이것은 가장 최적 조건에서 제작된 테스트 소자를 이용하여 얻어진 가장 양호한 데이터이며, 실제메모리 어레이를 구성하는 단위 메모리 소자의 특성 편차 등을 고려할 때, 상변화 메모리 소자의 반복 기록 가능 횟수는 10⁵~10⁷ 정도인 것으로 평가된다. 한편, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위해 상변화 메모리 소자를 사용하는 경우에 요구되는 상변화 메모리 소자의 반복 기록 동작 횟수는 상기 프로그래머블 스위치 소자의 적용 용도에 따라 달라질 수 있다. The first operating condition to be considered in relation to the operational reliability of the phase change memory device is that stable storage of information should be achieved when the write operation of the phase change memory device is repeatedly performed. In other words, it is necessary to secure the repetitive write characteristics of erasing previously recorded information and rewriting new information by repeating the set operation and reset operation of the phase change memory element. The number of times that a phase change memory device can be repeatedly recorded is reported in the present society, such as 10 ⁸ , but this is the best data obtained by using a test device manufactured under the most optimal conditions. In consideration of characteristic variations and the like, it is estimated that the number of times that the phase change memory element can be repeatedly written is about 10 ⁵ to 10 ⁷ . On the other hand, the number of repetitive write operations of the phase change memory device required when the phase change memory device is used to realize the nonvolatile programmable switch device according to the present invention may vary depending on the application of the programmable switch device.

상변화 메모리 소자의 동작 신뢰성과 관련하여 고려되어야 할 두 번째 동작 조건은, 소정의 정보를 메모리 소자에 기록한 후 기록된 정보가 소자의 동작 환경 안에서 시간의 경과에 따라 원래의 정보를 그대로 보존하고 있어야 한다는 것이다. 즉, 상변화 메모리 소자에 기록된 셋 또는 리셋 상태의 정보값이 장시간에 걸쳐 유지되어야 하며, 특히 메모리 어레이가 내장된 칩이 실제동작하는 고온에 있어서도 이러한 특성이 충분히 확보되어야 한다. 비휘발성 메모리 특성에 대해 논의하는 경우, 이러한 요구 조건은 주로 데이터 리텐션 특성의 형태로 고려된다. 한편, 상변화 메모리 소자의 경우, 소정의 상변화 재료가 경험하는 열 에너지에 의해 재료의 결정 상태가 변화하고 결과적으로 재료의 전기적인 저항값이 변화하는 것을 이용하기 때문에, 사용하는 재료의 종류와 소자의 구조를 개선하는 방법으로 상변화 메모 리 소자의 리텐션 시간을 향상시키는 것은 매우 중요하다. The second operating condition to be considered in relation to the operational reliability of the phase change memory device is that after the predetermined information is written to the memory device, the recorded information retains the original information as time passes in the device's operating environment. Is that. In other words, the information value of the set or reset state recorded in the phase change memory element must be maintained for a long time, and especially such a characteristic must be sufficiently secured even at a high temperature at which the chip in which the memory array is embedded actually operates. When discussing nonvolatile memory characteristics, these requirements are primarily considered in the form of data retention characteristics. On the other hand, in the case of the phase change memory device, since the crystal state of the material is changed by the thermal energy experienced by the predetermined phase change material and the electrical resistance value of the material is changed as a result, the type of material used and the It is very important to improve the retention time of the phase change memory device as a way to improve the device structure.

위에서 언급한 메모리 소자의 반복 기록 동작 특성과 데이터 리텐션 특성은 상변화 메모리 소자를 비휘발성 메모리에 적용하기 위해 통상적으로 요구되는 동작 신뢰성의 요구 조건이라고 할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위해 상변화 메모리 소자를 사용하는 경우에는 상기 두 가지 동작 신뢰성 요구 조건 이외에도 한 가지 요구 조건을 더 만족해야 한다. 즉, 상변화 메모리 소자를 논리 및 시스템 LSI 내부에서 스위치 소자로서 사용하는 경우에는 상변화 메모리 소자를 구성하는 두 개의 단자 중 하나의 단자 또는 두 개의 단자 모두가 상기 LSI를 구성하는 다른 소자의 단자들과 연결되는 방식으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상변화 메모리 소자의 두 단자에는 끊임없이 LSI 내부에 공급되는 전기적인 신호가 인가되는 상황이 발생할 수 있으며, 이러한 상황은 대기 상태에서는 어떠한 신호도 메모리 소자의 양단에 인가되지 않는 메모리 응용과 크게 다른 점이다. 따라서, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위해 상변화 메모리 소자를 사용하는 경우에는, 상변화 메모리 소자로 구성된 프로그래머블 스위치 소자를 포함하는 LSI의 구동에 있어서 발생할 수 있는 전기 신호가 임의로 인가되는 상황에서도 프로그래머블 스위치 소자에 저장된 정보를 시간의 경과에 따라 계속적으로 유지해야 한다. 현재 LSI에 사용되는 동작 전압의 수준을 고려할 때 상변화 메모리 소자로 구성되는 프로그래머블 스위치 소자 양단에 인가되는 전압의 크기는 1~3V 정도가 될 수 있으며, 이 정도 크기의 전압이 일정 시간 반복적으로 인가되는 경우에도 프로그래머블 스위치 소자에 저장된 정보가 소실되 어서는 안된다는 것을 의미한다. 한편, 상변화 메모리 소자의 동작을 고려하면, 낮은 저항 상태에서 높은 저항 상태로 이행하는 리셋 동작의 경우에는 비교적 높은 동작 전압을 요구하기 때문에, 낮은 저항 상태로 정보를 저장하고 있는 스위치 소자가 쉽게 높은 저항 상태로 바뀌면서 원래의 정보를 소실하는 경우보다는 높은 저항 상태로 정보를 저장하고 있는 스위치 소자가 낮은 저항 상태로 바뀌면서 원래의 정보를 소실하는 경우가 빈번하게 발생할 가능성이 있다. 왜냐하면, 높은 저항 상태에서 낮은 저항 상태로 이행하는 셋 동작은 리셋 동작의 경우보다 비교적 낮은 동작 전압에서 일어나기 때문이다. The repetitive write operation characteristics and the data retention characteristics of the above-mentioned memory element may be referred to as requirements of the operation reliability which is typically required for applying the phase change memory element to the nonvolatile memory. On the other hand, in the case of using the phase change memory device to realize the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, in addition to the two operational reliability requirements, one requirement must be further satisfied. That is, when a phase change memory device is used as a switch element in a logic and system LSI, one of two terminals constituting the phase change memory device or both terminals of terminals of the other device constituting the LSI are used. It can be configured in a way that is connected with. In this case, there may be a situation in which an electrical signal is constantly applied to the two terminals of the phase change memory device, which is significantly different from a memory application in which no signal is applied to both ends of the memory device in the standby state. It is different. Therefore, when the phase change memory device is used to realize the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, an electrical signal that can be generated in driving the LSI including the programmable switch device composed of the phase change memory device is arbitrarily applied. Even in such a situation, the information stored in the programmable switch device must be maintained continuously over time. Considering the level of the operating voltage used in the current LSI, the voltage applied to both ends of the programmable switch device composed of the phase change memory device may be about 1 to 3V, and the voltage of this magnitude is repeatedly applied for a predetermined time. Even if it does, it means that the information stored in the programmable switch element should not be lost. On the other hand, considering the operation of the phase change memory device, since the reset operation transitioning from the low resistance state to the high resistance state requires a relatively high operating voltage, the switch element that stores information in the low resistance state is easily high. It is more likely that a switch element that stores information in a higher resistance state will lose its original information as it transitions to a lower resistance state than it would in the case of a resistive state. This is because the set operation transitioning from the high resistance state to the low resistance state occurs at a relatively low operating voltage than in the reset operation.

또한 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 실현을 위한 기술적인 이슈의 하나로서, 상변화 메모리 소자로 구성되는 프로그래머블 스위치 소자의 구동에 필요한 소비전력을 지금보다 더욱 줄여야 할 필요가 있다는 점을 앞서 언급한 바 있으나, 상변화 메모리 소자의 프로그래밍 동작에 필요한 소비전력의 감소는, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 상변화 메모리 소자를 사용하는 경우, LSI 회로 내부에서 스위치 소자의 양단에 걸릴 수 있는 전기 신호에 의해 스위치 소자에 저장된 정보가 더욱 쉽게 소실될 수 있다는 것을 의미한다. 결과적으로 프로그래머블 스위치 소자의 동작 전류 감소와 스위치 소자 양단의 전압 바이어스 스트레스에 대한 동작 신뢰성 향상은 서로 트레이드 오프 관계에 있다. In addition, as one of the technical issues for realizing the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, it is necessary to further reduce the power consumption required to drive the programmable switch device composed of the phase change memory device. However, the reduction in power consumption required for the programming operation of the phase change memory device may be applied to both ends of the switch device in the LSI circuit when the phase change memory device is used as the nonvolatile programmable switch device according to the present invention. This means that the information stored in the switch element can be more easily lost by the electrical signal. As a result, the reduction in the operating current of the programmable switch element and the improvement in operating reliability against voltage bias stress across the switch element are traded off.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI에 적용 가능한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 상변화 메모리 소자를 적용하는 것을 제안하고, 프로그래머블 스위치 소자의 동작 전류 절감과 동작 신뢰성 향상을 위해, 고상 반응에 의해 형성되는 상변화 동작층을 포함하는 프로그래머블 스위치 소자의 구조와 그 제조 방법을 제공하는 것이다. Accordingly, a technical problem of the present invention proposes to apply a phase change memory device as a nonvolatile programmable switch device applicable to a reconfigurable LSI or a system LSI, and to reduce operating current and improve operation reliability of the programmable switch device. The present invention provides a structure of a programmable switch device including a phase change operation layer formed by a solid phase reaction, and a method of manufacturing the same.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI에 적용 가능한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 상변화 메모리 소자를 적용하는 데 있어서, LSI의 동작 과정에서 상기 프로그래머블 스위치 소자의 정보 상태가 장기적으로 유지될 수 있도록 쓰기 동작과 읽기 동작이 분리된 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조와 그 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to apply a phase change memory device as a nonvolatile programmable switch device applicable to a reconfigurable LSI or a system LSI, wherein the information state of the programmable switch device is long-term during the operation of the LSI. To provide a structure and a manufacturing method of a four-terminal nonvolatile programmable switch device having a write operation and a read operation separated from each other so as to be maintained.

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치소자는 제1 금속 전극층; 상기 제1 금속 전극층 상부에 형성되며, 채널층 및 상기 채널층을 사이에 두고 서로 마주보는 저저항의 소스/드레인을 포함하는 반도체 박막층; 상기 반도체 박막층의 일부를 노출하는 포어 영역을 포함하며 상기 반도체 박막층 상에 형성되는 절연체 박막층; 상기 절연체 박막층의 상기 포어 영역을 매립하는 반응 원료층; 상기 반응 원료층 상부에 형성된 제2 금속 전극층; 및 고상 반응에 의해 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층이 반응하여 형성되는 상변화 동작층; 을 포함한다.A nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention includes a first metal electrode layer; A semiconductor thin film layer formed on the first metal electrode layer and including a channel layer and a source / drain having low resistance facing each other with the channel layer interposed therebetween; An insulator thin film layer including a pore region exposing a portion of the semiconductor thin film layer and formed on the semiconductor thin film layer; A reaction raw material layer filling the pore region of the insulator thin film layer; A second metal electrode layer formed on the reaction raw material layer; And a phase change operation layer formed by reacting the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer by a solid phase reaction. .

상기 소스와 드레인 사이의 거리는 상기 상변화 동작층의 체적과 동일할 수있 다.The distance between the source and the drain may be equal to the volume of the phase change operating layer.

상기 반도체 박막층은, 상기 반응 원료층과 고상 반응을 통해 상기 상변화 동작층을 형성할 수 있도록 실리콘 또는 게르마늄으로 구성될 수 있다.The semiconductor thin film layer may be formed of silicon or germanium so as to form the phase change operation layer through a solid phase reaction with the reaction raw material layer.

상기 반응 원료층은, 상기 반도체 박막층과 고상 반응을 통해 상기 상변화 동작층을 형성할 수 있도록, 상기 반도체 박막층이 게르마늄인 경우에는 안티몬, 텔레륨 및 안티몬-텔레륨 중 하나로 구성되고, 상기 반도체 박막층의 실리콘인 경우에는 안티몬, 텔레륨, 안티몬-텔레륨, 및 게르마늄-안티몬-텔레륨 중 하나로 구성될 수 있다.The reaction raw material layer is formed of one of antimony, telerium, and antimony-telenium when the semiconductor thin film layer is germanium so that the phase change operation layer may be formed through solid phase reaction with the semiconductor thin film layer. In the case of silicon, it may be composed of one of antimony, telerium, antimony-telelium, and germanium-antimony-telelium.

상기 반응 원료층은 상기 상변화 동작층의 성능을 향상시키기 위하여 Sn, As, In, Ag, Bi 또는 Pb의 원소가 첨가될 수 있다.An element of Sn, As, In, Ag, Bi, or Pb may be added to the reaction raw material layer to improve the performance of the phase change operation layer.

상기 상변화 동작층은 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응에 의해 형성되며, 그 조성은 게르마늄-안티몬, 게르마늄-텔레륨, 게르마늄-안티몬-텔레륨, 실리콘-안티몬, 실리콘-텔레륨, 실리콘-안티몬-텔레륨, 실리콘-게르마늄-안티몬-텔레륨 중 하나로 구성될 수 있다.The phase change operation layer is formed by a solid phase reaction between the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer, the composition of which is germanium-antimony, germanium-telelium, germanium-antimony-telelium, silicon-antimony, silicon-telelium, It may be composed of one of silicon-antimony-telelium, silicon-germanium-antimony-telelium.

상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는, 상기 제2 금속 전극층의 일부를 노출하는 비아홀을 가지며, 상기 제2 금속 전극층 상부에 형성되어 있는 제2 절연체 박막층; 및 상기 제2 절연체 박막층의 상기 비아홀을 통해 상기 제2 금속 전극층과 연결되어 있는 배선 전극층을 더 포함할 수 있다.The nonvolatile programmable switch device may include a second insulator thin film layer having a via hole exposing a portion of the second metal electrode layer and formed on the second metal electrode layer; And a wiring electrode layer connected to the second metal electrode layer through the via hole of the second insulator thin film layer.

상기 반도체 박막층이 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 기판에 포함될 수 있다.The semiconductor thin film layer may be included in a substrate of the nonvolatile programmable switch device.

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법은 제1 금속 전극층 상부에 반도체 박막층을 형성하는 단계; 상기 반도체 박막층 상부에 저저항의 소스 및 드레인 및 상기 소스 및 드레인 사이에 채널을 포함하는 절연체 박막층을 형성하는 단계; 상기 절연체 박막층에 상기 반도체 박막층을 노출하는 포어 영역을 형성하는 단계; 상기 포어 영역을 매립하도록 반응 원료층을 형성하는 단계; 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응을 유발하여 상변화 동작층을 형성하는 단계; 및 상기 반응 원료층 상부에 제2 금속 전극층을 형성하는 단계를 포함한다.Method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention comprises the steps of forming a semiconductor thin film layer on the first metal electrode layer; Forming an insulator thin film layer including a source and a drain having a low resistance and a channel between the source and the drain on the semiconductor thin film layer; Forming a pore region exposing the semiconductor thin film layer on the insulator thin film layer; Forming a reaction raw material layer to fill the pore region; Inducing a solid phase reaction between the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer to form a phase change operation layer; And forming a second metal electrode layer on the reaction raw material layer.

상기 반도체 박막층을 형성하는 단계는, 저저항의 특성을 가지며 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 상기 소스 및 드레인의 역할을 하는 반도체 소스/드레인 박막층을 형성하는 단계; 및 상기 반도체 소스/드레인 박막층의 소스 영역과 드레인 영역 사이에 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 상기 채널의 역할을 하는 반도체 채널 박막층이 위치하도록 반도체 채널 박막층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the semiconductor thin film layer may include forming a semiconductor source / drain thin film layer having low resistance and serving as the source and drain of the nonvolatile programmable switch element; And forming a semiconductor channel thin film layer such that a semiconductor channel thin film layer serving as the channel of the nonvolatile programmable switch device is positioned between the source region and the drain region of the semiconductor source / drain thin film layer.

상기 반도체 소스/드레인 박막층의 소스와 드레인 사이의 거리가 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응에 의해 형성되는 상기 상변화 동작층의 체적과 동일하도록 형성할 수 있다.The distance between the source and the drain of the semiconductor source / drain thin film layer may be equal to the volume of the phase change operation layer formed by the solid phase reaction between the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer.

상기 상변화 동작층을 형성하는 단계는, 상기 상변화 동작층의 구성 원소의 종류 및 조성에 따라 열처리 온도를 결정하며, 상기 온도는 100℃~600℃의 범위에서 수행할 수 있다.The forming of the phase change operation layer may include determining a heat treatment temperature according to the type and composition of elements included in the phase change operation layer, and the temperature may be performed in a range of 100 ° C. to 600 ° C.

상기 제2 금속 전극층 상부에 제2 절연체 박막층을 형성하는 단계; 상기 제2 절연체 박막층에 상기 제2 금속 전극층을 노출하는 비아홀을 형성하는 단계; 및 상기 비아홀을 통해 상기 제2 금속 전극층과 연결되도록 배선 전극층을 형성하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.Forming a second insulator thin film layer on the second metal electrode layer; Forming a via hole exposing the second metal electrode layer in the second insulator thin film layer; And forming a wiring electrode layer to be connected to the second metal electrode layer through the via hole. As shown in FIG.

상기 반응 원료층을 상기 상변화 동작층 형성 이후에 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include removing the reaction raw material layer after forming the phase change operation layer.

본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 상변화 메모리 소자를 사용하면서, 고상 반응에 의해 형성되어 메모리 동작에 필요한 동작 영역을 최소화 함으로써 소자의 소비 전력을 줄이는 한편, 통상의 트랜지스터 구조를 그대로 사용하여 LSI 제조 과정에서의 공정 정합성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 상기 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서 쓰기와 읽기 동작을 용이하게 분리할 수 있는 4단자형 소자 구조를 제공함으로써 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 소형화, 저소비전력화 및 고신뢰성화에 크게 기여할 수 있다. The nonvolatile programmable switch device according to the present invention is formed by a solid-phase reaction while using a phase change memory device to reduce the power consumption of the device by minimizing the operating area required for the memory operation, while using the conventional transistor structure as is LSI In addition to increasing process consistency in the manufacturing process, a 4-terminal device structure capable of easily separating a write operation from a read operation in the operation of the phase change memory device provides a small size and low consumption of the nonvolatile programmable switch device. It can greatly contribute to power and high reliability.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 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 유사 한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted for simplicity of explanation, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 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. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 포함하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 현재 존재하는 기술적인 문제들을 효과적으로 해결하여 소형, 고성능, 고신뢰성의 기능을 갖는 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI용 비휘발성 프로그래머블 스위치로서의 필요 충분 조건을 달성할 수 있다. The nonvolatile programmable switch device including the phase change memory device according to the present invention effectively solves existing technical problems, and thus needs as a nonvolatile programmable switch for a reconfigurable LSI or system LSI having a small, high performance, and high reliability function. Sufficient conditions can be achieved.

이를 위하여 첫째로 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 기능할 상변화 메모리 소자의 동작 영역의 크기를 현재의 스케일링 규칙에 정합 가능한 나노미터 스케일까지 축소하면서도 소자의 구조를 단순화하고 추가 공정의 도입을 최소화 해야 할 필요가 있다. 선행 연구를 통해 지금까지 제안된 상변화 메모리 소자의 스케일링 방법 또는 위에서 언급한 상변화 메모리 재료와 전극 재료와의 접촉 부분을 단순히 축소하는 방법 등에서는 상당히 복잡한 형태의 추가 공정을 도입해야 할 필요가 있으며, 이는 공정 비용의 증가를 초래하고 소자 자체의 특성 편차를 크게 하는 방향으로 작용할 뿐만 아니라, 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI를 구성하는 통상적인 CMOS 트랜지스터 소자 및 관련 소자와의 집적화 정합 공정을 수행하는 데 더욱 큰 어려움을 제공할 수 있다. To this end, it is necessary to first reduce the size of the operating region of the phase change memory device, which will function as a nonvolatile programmable switch device, to the nanometer scale that can be matched with current scaling rules, while simplifying the device structure and minimizing the introduction of additional processes. There is. In the previous researches, the scaling method of the phase change memory device proposed so far or the method of simply reducing the contact portion between the phase change memory material and the electrode material mentioned above need to introduce an additional complex process. This not only increases the process cost and increases the characteristic variation of the device itself, but also performs an integrated matching process with the conventional CMOS transistor devices and related devices constituting the reconfigurable LSI or system LSI. It can provide great difficulty.

결과적으로 상기 첫 번째 사항을 달성하기 위해서는 가장 간단한 구조의 소자 형태를 제공하고 이 소자가 동작 전류의 저감과 동작 신뢰성 향상에 효과적으로 기여하는 것이 가장 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 상기 첫 번째 사항을 달성하기 위한 유력한 소자 구조로서, 당초부터 소정의 막 두께를 가지는 상변화 박막층을 형성하는 것이 아니라, 고상 반응(solid-state reaction)을 이용하여 상변화 박막층을 생성함으로써 상기 상변화 메모리 소자의 동작 영역의 체적을 최소화하고, 이에 따라 상기 상변화 메모리 소자의 기록 동작에 필요한 동작 전류의 값을 줄이는 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조와 그 제조 방법을 제공하고자 한다. As a result, it is most desirable to provide the device form of the simplest structure in order to achieve the first point, and the device effectively contributes to reducing the operating current and improving the operation reliability. Therefore, in the present invention, a phase change thin film layer is formed using a solid-state reaction instead of forming a phase change thin film layer having a predetermined film thickness as a viable device structure for achieving the first point. By minimizing the volume of the operation region of the phase change memory device, and thus reducing the value of the operating current required for the write operation of the phase change memory device, the structure and method of manufacturing the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device To provide.

두 번째로 상변화 메모리 소자를 이용하는 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 동작의 특성상 동작 전류 저감과 동작 신뢰성 향상을 동시에 달성하기 어렵다. 이러한 현상이 발생하는 결정적인 이유는 소자의 구조 자체가 2단자로 이루어져 있다는 데 기인한다. 즉 통상적으로 사용되는 트랜지스터 소자를 스위치로 사용하는 경우에는 게이트 단자의 전압 신호의 크기를 조절하는 방식으로 소스와 드레인 사이를 흐르는 전류의 양을 조절할 수 있다. 하지만 2단자 구조의 상변화 메모리 소자의 경우, 상변화 메모리 소자에 소정의 정보를 입력할 때 사용하는 단자와 이미 저장된 정보를 읽어내기 위해 사용하는 단자가 동일하기 때문에 상기 상변화 메모리 소자를 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로 사용할 때, 양 단자가 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI를 구성하는 다른 소자들과 연결되는 경우에도 이 두 단자를 사용할 수 밖에 없으며, 이러한 소자 구조로는 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI 내부에서 사용되는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 저전력/고신뢰성 동작 특성을 담보할 수 없다. 물론, 상변화 재료를 특별히 개 선하거나, 스위치 소자의 동작 방법을 특별히 개선하는 방식으로도 상기 기술적인 이슈를 부분적으로는 해결할 수 있으나, 아직 전혀 개발되어 있지 않은 기술들인 만큼 기술 개발의 부담이 크다고 할 수 있으며, 해당 기술이 개발된다고 하더라도 상기 기술적인 이슈를 완전히 해결하기는 원리적으로 힘들다. 따라서 본 발명에서는 상기 두 번째 사항을 달성하기 위한 유력한 소자 구조로서, 기존의 2단자 상변화 메모리 소자를 적용하는 대신, LSI의 제조 과정에서 통상적으로 사용되는 트랜지스터의 구조를 그대로 사용하고, 쓰기 동작과 읽기 동작을 분리하는 형태로 동작하는 것이 가능한 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조와 그 제조 방법을 제공하고자 한다. Secondly, the nonvolatile programmable switch device according to the present invention using the phase change memory device is difficult to simultaneously achieve the reduction of the operating current and the operation reliability due to the characteristics of the operation. The decisive reason for this phenomenon is that the structure of the device itself consists of two terminals. That is, in the case of using a commonly used transistor element as a switch, the amount of current flowing between the source and the drain can be controlled by adjusting the magnitude of the voltage signal at the gate terminal. However, in the case of a phase change memory device having a two-terminal structure, the terminal used for inputting predetermined information into the phase change memory device and the terminal used for reading already stored information are the same, and thus the present invention provides the phase change memory device. When used as a nonvolatile programmable switch device according to the present invention, the two terminals must be used even when both terminals are connected with other components of the reconfigurable LSI or system LSI, and such a device structure is a reconfigurable LSI or system. The low power / high reliability operating characteristics of nonvolatile programmable switch devices used inside the LSI cannot be guaranteed. Of course, the above technical issues can be partially solved by specially improving the phase change material or by specially improving the operation method of the switch element. However, the technical development burden is great because they are not developed at all. Even if the technology is developed, it is difficult in principle to completely solve the technical issue. Therefore, in the present invention, instead of applying the conventional two-terminal phase change memory device as a potent device structure for achieving the second point, the structure of the transistor commonly used in the manufacturing process of the LSI is used as it is, and the write operation and An object of the present invention is to provide a structure of a four-terminal nonvolatile programmable switch device capable of operating in a manner of separating read operations and a method of manufacturing the same.

이하에서는 도 1 내지 도 2를 참고하여 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 설명한다.Hereinafter, a four-terminal nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 2.

도 1은 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 과정을 설명하는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a 4-terminal nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the 4-terminal nonvolatile programmable switch device of FIG. 1. .

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 제1 금속 전극층(120), 제1 금속 전극층(120) 상부에 형성되며, 저저항의 특성을 가지면서 본 발명에 따른 소자의 소스 및 드레인 영역의 역할을 하는 반도체 소스/드레인 박막층(140) 및 소정의 저항값을 가지면서 본 발명에 따른 소자의 채널 영역의 역할을 하는 반도체 채널 박막층(160), 반도체 소스/드레인 박막층(140)과 반도체 채널 박막층(160)으로 구성되는 반도체 박막 상부에 형성되는 절연체 박막층(200), 절연체 박막층에 형성된 포어 영역(220)를 매립하는 반응 원료층(240) 및 반응 원료층(240) 상부에 형성된 제2 금속 전극층(260)과 후속 공정에 의해 상기 반응 원료층(240)과 상기 반도체 채널 박막층(160)의 고상 반응에 의해 형성되는 상변화 동작층(280)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to an embodiment of the present invention may include a substrate 100, a first metal electrode layer 120 and a first metal electrode layer formed on the substrate 100. A semiconductor source / drain thin film layer 140 formed on the upper portion and having a low resistance characteristic and serving as a source and drain region of the device according to the present invention, and having a predetermined resistance value, according to the present invention. The pore region formed on the insulator thin film layer 200 and the insulator thin film layer formed on the semiconductor thin film layer 160 including the semiconductor channel thin film layer 160, the semiconductor source / drain thin film layer 140, and the semiconductor channel thin film layer 160. The reaction raw material layer 240 filling the 220 and the second metal electrode layer 260 formed on the reaction raw material layer 240 and the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160 by a subsequent process. Go It includes a phase change operation floor 280 formed by the reaction.

기판(100)은 예컨대 실리콘 기판 또는 실리콘의 표면을 열산화하여 형성하는 실리콘 산화막 기판을 사용한다. 한편, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 어레이의 형태로 구성될 수 있다. 스위치 소자가 메모리 어레이 구동용 XY 디코더, 센스 앰프 등과 같은 회로 모듈과 함께 집적되는 경우에는, 이들 회로를 구성하기 위한 CMOS 트랜지스터 또는 바이폴라 트랜지스터가 배열된 소정의 기판 위에 형성되는 경우가 있다.The substrate 100 uses, for example, a silicon oxide film substrate formed by thermal oxidation of a silicon substrate or a surface of silicon. Meanwhile, the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention may be configured in the form of an array. When the switch element is integrated with a circuit module such as an XY decoder for driving a memory array, a sense amplifier, or the like, a CMOS transistor or a bipolar transistor for constituting these circuits may be formed on a predetermined substrate arranged.

기판(100) 상에는 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 하부 전극 또는 몸체 전극 단자 역할을 하는 제1 금속 전극층(120)이 형성된다. 상기 제1 금속 전극층(120)은 저저항의 금속 전극 재료로 구성되며, 금속 전극은 예컨대 구리 (Cu), 백금(Pt), 텅스텐(W), 티탄텅스텐합금(TiW) 등을 통상적인 금속 전극의 형성 방법, 예컨대 스퍼터링이나 전자빔 금속증착법 등에 의해 형성한다. 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 반응 원료층(240)과 반도체 채널 박막층(160)과의 고온 고상 반응을 이용하여 상변화 동작층(280)을 형성하기 때문에, 상기 고상 반응을 진행하는 온도에서도 용융되거나 산화되지 않는 특성을 갖는 금속 재료를 선택하는 것이 바람직하다. The first metal electrode layer 120 serving as a lower electrode or a body electrode terminal of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention is formed on the substrate 100. The first metal electrode layer 120 is made of a low resistance metal electrode material, and the metal electrode is made of, for example, copper (Cu), platinum (Pt), tungsten (W), titanium tungsten alloy (TiW), or the like. Is formed by, for example, sputtering or electron beam metal deposition. In the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, since the phase change operation layer 280 is formed using a high temperature solid phase reaction between the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160, the temperature at which the solid phase reaction proceeds. It is preferable to select a metal material having a property that does not melt or oxidize even.

상기 제1 금속 전극층(120) 상부에는 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 소스/드레인 및 채널의 역할을 할 반도체 박막층이 형성된다. 반도체 박막층은 통상적으로 반도체의 특성을 나타내는 재료이면서, 그 상부에 형성되는 반응 원료층(240)과의 후속의 고상 반응에 의해 상변화 특성을 나타내는 상변화 동작층(280)을 형성할 수 있는 재료로 구성된다. 따라서 반도체 박막층은 예컨대 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등의 대표적 반도체 재료로 구성될 수 있다. 한편, 상기 반도체 박막층은 후속 공정에 의해 두 부분으로 나뉜다. 첫 번째 구성 부분은 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 소스 및 드레인의 역할을 하기 위해 반도체 박막층의 일부 부분에 여분의 불순물을 도핑하는 방법으로 반도체 박막층을 저저항화 한 반도체 소스/드레인 박막층(140)이며, 두 번째 구성 부분은 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 패널의 역할을 하기 위해 상기의 공정을 실시하지 않은 반도체 채널 박막층(160)이다. 상기 반도체 소스/드레인 박막층(140) 부분을 형성하기 위해서는 통상적으로 이온주입 공정 방법을 사용할 수 있다. A semiconductor thin film layer is formed on the first metal electrode layer 120 to serve as a source / drain and a channel of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention. The semiconductor thin film layer is generally a material exhibiting the characteristics of the semiconductor and a material capable of forming the phase change operation layer 280 exhibiting the phase change characteristics by subsequent solid phase reaction with the reaction raw material layer 240 formed thereon. It consists of. Therefore, the semiconductor thin film layer may be composed of representative semiconductor materials such as silicon (Si), germanium (Ge) and the like. On the other hand, the semiconductor thin film layer is divided into two parts by a subsequent process. The first component is a semiconductor source / drain thin film layer 140 in which the semiconductor thin film layer is low-resisted by a method of doping extra impurities in a portion of the semiconductor thin film layer to serve as a source and a drain of the programmable switch device according to the present invention. The second component is the semiconductor channel thin film layer 160 which has not been subjected to the above process in order to serve as a panel of the programmable switch device according to the present invention. In order to form the semiconductor source / drain thin film layer 140, an ion implantation process may be used.

상기 반도체 박막층(180) 상부에는 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자에서 소자간 전기적 열적 절연층의 역할을 하는 절연체 박막층(200)이 형성된다. 절연체 박막층(200)은 실리콘산화막 또는 실리콘질화막 등으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 유사한 특성을 갖는 기타 절연 물질층을 사용할 수 있다. 상기 절연체 박막층(200)의 열전달 특성은 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 동작 특성에 중요한 영향을 미치므로, 재료의 선택에 신중을 기할 필요가 있다. An insulator thin film layer 200 is formed on the semiconductor thin film layer 180 to serve as an electrical thermal insulating layer between devices in the nonvolatile programmable switch device according to the present invention. The insulator thin film layer 200 may be formed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like, but is not limited thereto and may use another insulating material layer having similar characteristics. Since the heat transfer characteristics of the insulator thin film layer 200 have an important influence on the operating characteristics of the programmable switch device according to the present invention, it is necessary to pay attention to the selection of the material.

이러한 절연체 박막층(200)은 열전도도가 가능한 낮아야 한다. 열전도도가 너무 높은 절연체 박막층(200)을 사용하는 경우, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작 과정에서 전기 신호의 인가에 의해 상기 상변화 동작층(280)의 프로그래밍 동작 영역에 공급된 열이 상기 절연체 박막층(200)을 통해 쉽게 소모될 수 있기 때문이다. 그러나 절연체 박막층(200)의 열전도도가 너무 낮아 열이 잘 빠져나가지 않으면, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 리셋 동작에 있어서 채널 영역의 빠른 냉각 과정이 다소 지연될 가능성이 있다. The insulator thin film layer 200 should have as low thermal conductivity as possible. In the case of using the insulator thin film layer 200 having too high thermal conductivity, programming of the phase change operation layer 280 by application of an electrical signal during the operation of the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention. This is because heat supplied to the operation region can be easily consumed through the insulator thin film layer 200. However, if the thermal conductivity of the insulator thin film layer 200 is too low to dissipate heat well, the fast cooling process of the channel region may be somewhat delayed in the reset operation of the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention. There is this.

또한, 절연체 박막층(200)은 상변화 동작층(280)과의 사이에서 과도한 스트레스가 발생하지 않아야 한다. 통상적으로 상변화 재료층(280)이 상전이를 경험하는 과정에서는 일정 정도의 체적 변화를 경험하며, 이 체적 변화가 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작 영역에 스트레스를 유발할 수 있다. 따라서 상변화 재료층(280) 상부에 형성되는 절연체 박막층(200)이 상변화 재료층(280)과 스트레스를 많이 유발하는 재료로 형성되는 경우, 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 장기 신뢰성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. In addition, the insulator thin film layer 200 should not generate excessive stress between the phase change operation layer 280. Typically, the phase change material layer 280 experiences a certain volume change in the course of the phase transition, and the volume change stresses the operating region of the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention. May cause Therefore, when the insulator thin film layer 200 formed on the phase change material layer 280 is formed of a material causing stress with the phase change material layer 280, the long-term reliability of the programmable switch device according to the present invention is adversely affected. Can have

절연체 박막층(200)에는 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자 동작의 핵심 영역인 상변화 동작층(280)의 형성을 위해 후속 공정에 형성될 반응 원료층(240)과 상기 반도체 채널 박막층(160)이 접촉할 수 있도록 하는 포어 영역(220)이 형성된다. 포어 영역(220)은 통상적인 절연체 박막층의 패터닝 방법을 사용할 수 있다. 한편, 포어의 크기는 상기 상변화 동작층(280)의 수평 방향 크기를 결정하기 때문에, 상기 반도체 소스/드레인 박막층(140)에서 소스와 드레인의 사이의 거리를 고려하여 매우 신중하게 설계하여야 한다. The insulator thin film layer 200 is in contact with the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160 to be formed in a subsequent process to form a phase change operation layer 280, which is a core region of the programmable switch device operation according to the present invention. A pore region 220 is formed to enable this. The pore region 220 may use a conventional method for patterning an insulator thin film layer. On the other hand, since the size of the pore determines the horizontal size of the phase change operation layer 280, it must be designed very carefully in consideration of the distance between the source and the drain in the semiconductor source / drain thin film layer 140.

이러한 포어 영역(220)을 매립하는 형태로 반응 원료층(240)이 형성된다. 상기 반응 원료층(240)은 포어 영역(220)를 통해 접촉하고 있는 하부의 상기 반도체 채널 박막층(160)과 후속의 고상 반응을 통해 상변화 동작층(280)을 형성하기 때문에, 상기 반도체 채널 박막층(160) 즉 실리콘 또는 게르마늄과 고상 반응하여 상변화 현상에 따라 저항 변화를 나타내는 적절한 조성의 재료가 형성될 수 있도록 그 원소를 선택한다. 예를 들어, 반도체 채널 박막층(160)이 게르마늄인 경우, 반응 원료층(240)은 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. 또한 상기 반도체 채널 박막층(160)이 실리콘인 경우, 반응 원료층(240)은 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있으며, 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te) 등의 삼원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. The reaction raw material layer 240 is formed to fill the pore region 220. Since the reaction raw material layer 240 forms a phase change operation layer 280 through subsequent solid phase reaction with the semiconductor channel thin film layer 160 in contact with the pore region 220, the semiconductor channel thin film layer (160) That is, the element is selected so that it can react with silicon or germanium in a solid phase to form a material of a suitable composition that exhibits a change in resistance according to a phase change phenomenon. For example, when the semiconductor channel thin film layer 160 is germanium, the reaction raw material layer 240 may be a thin film layer made of a mono-element such as antimony (Sb), telelium (Te), antimony-telelium (Sb A thin film layer made of binary elements such as -Te) may be used. In addition, when the semiconductor channel thin film layer 160 is silicon, the reaction raw material layer 240 may be a thin film layer made of a mono-element such as antimony (Sb), telelium (Te), antimony-telelium (Sb-Te It may be a thin film layer made of binary elements such as), or may be a thin film layer made of ternary elements such as germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te).

반응 원료층(240)은 후속의 고상 반응을 통해 결과적으로 생성되는 상변화 동작층(280)의 더욱 우수한 상변화 특성을 확보하기 위하여 소정의 다른 원소를 소량 포함할 수도 있다. 예를 들어, 반도체 채널 박막층(160)이 게르마늄이고 상기 반응 원료층(240)이 안티몬-텔레륨인 경우, 후속의 고상 반응을 통해 생성되는 상변화 동작층(280)의 조성은 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te)으로 구성되나, 상기 조성의 상변화 동작층(280)의 더욱 우수한 상변화 특성을 확보하기 위하여 Sn, As, In, Bi, Pb 등의 원소가 추가로 포함될 수 있다. 이들 추가로 포함되는 원소는 상기 반응 원료층(240)과 상기 반도체 채널 박막층(160)의 구성 원소에 따라 가장 적절하게 선택될 수 있다. The reaction raw material layer 240 may include a small amount of certain other elements in order to ensure better phase change characteristics of the phase change operation layer 280 that is subsequently generated through the subsequent solid phase reaction. For example, when the semiconductor channel thin film layer 160 is germanium and the reaction raw material layer 240 is antimony-telelium, the composition of the phase change operation layer 280 generated through subsequent solid phase reaction is germanium-antimony- Although composed of telelium (Ge-Sb-Te), elements such as Sn, As, In, Bi, and Pb may be additionally included in order to secure better phase change characteristics of the phase change operation layer 280 of the composition. have. These additionally included elements may be selected as appropriate depending on the constituent elements of the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160.

상변화 동작층(280)은 상기 반응 원료층(220)과 상기 반도체 채널 박막층(160)의 고상 반응을 통해 형성된다. 상기 반응 원료층(220)과 상기 반도체 채널 박막층(160)을 구성하는 원소가 위에서 예시한 바와 같을 때, 상기 상변화 동작층(280)의 조성은 게르마늄-안티몬(Ge-Sb), 게르마늄-텔레륨(Ge-Te), 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te), 실리콘-안티몬(Si-Sb), 실리콘-텔레륨(Si-Te), 실리콘-안티몬-텔레륨(Si-Sb-Te), 실리콘-게르마늄-안티몬-텔레륨(Si-Ge-Sb-Te) 등이 될 수 있다. 고상 반응은 상기 물질들이 상호 확산하여 반응이 일어나는 소정의 온도 조건에서 적절한 시간동안 열처리 공정을 실시함으로써 수행할 수 있다. 또한 열처리 조건을 조절하여 희망하는 두께의 상기 상변화 동작층(280)을 생성할 수 있다. 상변화 동작층(280)의 두께는 상기 반응 원료층(240)이 상기 반도체 채널 박막층(160)으로 확산되는 정도에 따라 결정된다. The phase change operation layer 280 is formed through the solid phase reaction of the reaction raw material layer 220 and the semiconductor channel thin film layer 160. When the elements constituting the reaction raw material layer 220 and the semiconductor channel thin film layer 160 are as illustrated above, the composition of the phase change operation layer 280 is germanium-antimony (Ge-Sb), germanium-tele Cerium (Ge-Te), Germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te), Silicon-antimony (Si-Sb), Silicon-telelium (Si-Te), Silicon-antimony-telelium (Si-Sb -Te), silicon-germanium-antimony-telelium (Si-Ge-Sb-Te), and the like. The solid phase reaction may be carried out by performing a heat treatment process for a suitable time at a predetermined temperature condition in which the materials diffuse to each other and the reaction occurs. In addition, the phase change operation layer 280 having a desired thickness may be generated by adjusting heat treatment conditions. The thickness of the phase change operation layer 280 is determined according to the extent to which the reaction raw material layer 240 is diffused into the semiconductor channel thin film layer 160.

반응 원료층(240) 상부에는 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 상부 전극 단자 역할을 하는 제2 금속 전극층(260)이 형성된다. 상기 제2 금속 전극층(260)은 상기 제1 금속 전극층(120)과 동일하게 저저항의 금속 전극으로 형성된다. 상기 제2 금속 전극층(260)은 스위치 어레이 전체를 구성하는 배선의 역할을 할 수 있기 때문에 통상적인 반도체 소자 공정에서 적용 가능한 배선 전극 재료 및 그에 해당하는 형성 방법을 이용하여 형성할 수 있다. A second metal electrode layer 260 serving as an upper electrode terminal of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention is formed on the reaction raw material layer 240. The second metal electrode layer 260 is formed of a low resistance metal electrode similarly to the first metal electrode layer 120. Since the second metal electrode layer 260 may serve as a wiring constituting the entire switch array, the second metal electrode layer 260 may be formed using a wiring electrode material applicable to a conventional semiconductor device process and a forming method corresponding thereto.

제2 금속 전극층(260)의 형성 과정에서는 스위치 소자의 게이트에 해당하는 상부 전극과 함께 이전 공정에서 이미 형성한 반도체 소스/드레인 박막층(140)을 전기적으로 연결하는 소스 전극 및 드레인 전극이 동시에 형성될 수 있다. In the process of forming the second metal electrode layer 260, a source electrode and a drain electrode electrically connecting the semiconductor source / drain thin film layer 140 formed in the previous process together with the upper electrode corresponding to the gate of the switch element may be simultaneously formed. Can be.

제2 금속 전극층(260)을 형성하기 전에, 반응 원료층(240) 상부에 소자간 또는 배선간의 전기적인 절연을 보다 확실히 도모하기 위한 제2 절연체 박막층(도시하지 않음)이 더 형성될 수 있다. 이 때 제2 절연체 박막층은 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 게이트, 소스 및 드레인 전극을 제2 금속 전극층(260)을 이용하여 연결할 수 있도록 패터닝하고, 상기 제2 금속 전극층(260)의 형성에 의해 소자를 완성할 수 있다. Before forming the second metal electrode layer 260, a second insulator thin film layer (not shown) may be further formed on the reaction raw material layer 240 to more surely insulate between the devices or the wires. In this case, the second insulator thin film layer is patterned so that the gate, source, and drain electrodes of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention can be connected using the second metal electrode layer 260, and the second metal electrode layer 260 is formed. The device can be completed by.

이하에서는 상변화 재료층의 미세 구조 형성 공정 방법에 대하여 도 2a 내지 도 2g를 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of forming a microstructure of the phase change material layer will be described in detail with reference to FIGS. 2A to 2G.

도 2a와 같이 기판(100)이 제공된다. 이때, 기판(100)은 실리콘 기판을 사용할 수 있다. 실리콘 기판을 사용하는 경우에는 기판 표면을 열산화하여 형성하는 실리콘 산화막 기판으로 구성될 수 있다.The substrate 100 is provided as shown in FIG. 2A. In this case, the substrate 100 may use a silicon substrate. In the case of using a silicon substrate, the silicon substrate may be formed by thermally oxidizing the substrate surface.

기판(100) 상에 스퍼터링 또는 전자빔 금속증착법 또는 열 증착법 등을 이용하여 제1 금속 전극층(120)을 증착한다. The first metal electrode layer 120 is deposited on the substrate 100 by sputtering, electron beam metal deposition, or thermal evaporation.

제1 금속 전극층(120)은 전기전도도가 높은 구리(Cu), 백금(Pt), 텅스텐(W), 티탄텅스텐합금(TiW) 등의 금속으로 구성될 수 있다. 알루미늄(Al) 역시 통상적으로 사용되는 전기전도도가 높은 금속 전극 재료이기는 하나, 본 발명에 따른 고상 반응을 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제작을 위한 일 실시예에서는 알루미늄의 융점보다 높은 온도에서의 고상 반응이 실시될 수도 있어, 알루미늄을 이용하여 상기 제1 금속 전극층(120)을 형성하는 것은 바람직하지 않다. The first metal electrode layer 120 may be made of metal such as copper (Cu), platinum (Pt), tungsten (W), or titanium tungsten alloy (TiW) having high electrical conductivity. Although aluminum (Al) is also a commonly used metal electrode material having high conductivity, in one embodiment for fabricating a nonvolatile programmable switch device using the solid phase reaction according to the present invention, the solid phase reaction at a temperature higher than the melting point of aluminum This may be implemented, and it is not preferable to form the first metal electrode layer 120 using aluminum.

도 2b를 참조하면, 제1 금속 전극층(120) 상부에 스퍼터링 또는 기상화학증착법, 또는 원자층증착법 등을 이용하여 반도체 박막층(180)을 증착한다. Referring to FIG. 2B, the semiconductor thin film layer 180 is deposited on the first metal electrode layer 120 using sputtering, vapor phase chemical vapor deposition, or atomic layer deposition.

반도체 박막층(180)은 통상적으로 반도체의 특성을 나타내는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge) 등의 반도체로 구성될 수 있다. The semiconductor thin film layer 180 may be formed of a semiconductor, such as silicon (Si) or germanium (Ge), which typically exhibits semiconductor characteristics.

반도체적인 특성을 나타내는 기타 재료를 이용하여 상기 반도체 박막층을 구성할 수는 있으나, 그 경우에는 다음의 두 가지 조건을 만족해야 할 필요가 있다. 첫 번째 조건은 상기 반도체 박막층을 구성하는 원소가 후속 공정에서 형성될 반응 원료층(240)의 원소와 고상 반응을 통해 상변화 현상에 의해 저항의 변화를 발현할 수 있는 상변화형 재료 조성을 형성할 수 있어야 한다. 두 번째 조건은 통상적인 불순물 도핑 과정을 통해 용이하게 저저항을 달성할 수 있어야 한다. 이것은 본 발명에 따른 비휘발성 스위치 소자의 동작에 있어서 상기 소자가 소스 및 드레인에 해당하는 영역으로 구성될 필요가 있기 때문이다. 이러한 두 가지 조건을 고려할 때 상기 반도체 박막층(180)은 실리콘 또는 게르마늄으로 구성하는 것이 가장 바람직하다고 할 수 있다. The semiconductor thin film layer may be formed using other materials exhibiting semiconductor characteristics, but in this case, the following two conditions need to be satisfied. The first condition is that the elements constituting the semiconductor thin film layer may form a phase change type material composition capable of expressing a change in resistance by a phase change phenomenon through a solid phase reaction with an element of the reaction raw material layer 240 to be formed in a subsequent process. It should be possible. The second condition should be that low resistance can be easily achieved through conventional impurity doping procedures. This is because in the operation of the nonvolatile switch element according to the present invention, the element needs to be composed of regions corresponding to a source and a drain. Considering these two conditions, it may be said that the semiconductor thin film layer 180 is most preferably composed of silicon or germanium.

반도체 박막층(180)의 형성 공정에서는 반도체 박막층(180)의 종류를 n형 또는 p형으로 조절하여 증착할 수 있다. 통상적으로 실리콘 또는 게르마늄 반도체 박막층(180)의 증착 과정에서 적절한 캐리어 농도의 n형 또는 p형 반도체 박막 층(180)을 형성하는 것은 공지된 공정 조건의 실시를 통해 비교적 용이하게 달성할 수 있으나, 보다 바람직하게는 기상화학증착법을 이용하여 반도체 박막층(180)을 증착하는 것이 유리하다. 일 실시예에서는 반도체 박막층의 캐리어 농도 요구 조건과 전체 공정의 온도 상한 조건 등을 모두 고려하여 상기 반도체 박막층(180)의 증착 방법을 선택하여야 한다. In the process of forming the semiconductor thin film layer 180, the semiconductor thin film layer 180 may be deposited by adjusting the type of the semiconductor thin film layer 180 to n-type or p-type. Typically, the formation of the n-type or p-type semiconductor thin film layer 180 having an appropriate carrier concentration in the deposition process of the silicon or germanium semiconductor thin film layer 180 can be achieved relatively easily through the implementation of known process conditions. Preferably, it is advantageous to deposit the semiconductor thin film layer 180 using vapor chemical vapor deposition. In one embodiment, the deposition method of the semiconductor thin film layer 180 should be selected in consideration of both the carrier concentration requirement of the semiconductor thin film layer and the upper temperature limit of the entire process.

도 2c와 같이, 반도체 박막층(180)을 형성한 이후에는, 본 발명에 따른 스위치 소자의 소스 및 드레인 영역을 정의하기 위해 반도체 박막층(180) 일부가 노출되는 형태로 통상적인 포토 리소그래피 공정을 실시하고, 노출된 반도체 박막층에 캐리어 농도를 높이기 위한 불순물 도핑 공정을 실시하여 상기 반도체 박막층(180)을 반도체 소스/드레인 박막층(140)과 반도체 채널 박막층(160)으로 분리한다. 이 때 불순물 도핑 공정은 통상적으로 이온주입기를 통한 이온주입공정을 통해 수행되며, 반도체 박막층(180)이 n형인 경우에는 인(P0) 또는 알센(As), 상기 반도체 박막층(180)이 p형인 경우에는 보론(B) 또는 보론불화물(BF2)을 적당량 주입하여 상기 반도체 채널 박막층(160)보다 캐리어 농도가 높고, 본 발명에 따른 스위치 소자의 소스 및 드레인의 역할을 할 저저항 반도체 소스/드레인 박막층(140)을 형성할 수 있다. 또한 이온주입 공정에 의해 반도체 소스/드레인 박막층(140)을 형성하는 경우, 주입된 이온을 활성화시켜 상기 영역의 저항을 충분히 낮추기 위해 후속 열처리 공정을 실시할 수 있다. After the semiconductor thin film layer 180 is formed, as shown in FIG. 2C, a conventional photolithography process is performed to expose a portion of the semiconductor thin film layer 180 to define source and drain regions of the switch device according to the present invention. The semiconductor thin film layer 180 is separated into a semiconductor source / drain thin film layer 140 and a semiconductor channel thin film layer 160 by performing an impurity doping process to increase a carrier concentration on the exposed semiconductor thin film layer. In this case, an impurity doping process is typically performed through an ion implantation process through an ion implanter. When the semiconductor thin film layer 180 is n-type, phosphorus (P0) or alsene (As) and the semiconductor thin film layer 180 are p-type. A low-resistance semiconductor source / drain thin film layer having a carrier concentration higher than that of the semiconductor channel thin film layer 160 by injecting an appropriate amount of boron (B) or boron fluoride (BF2) and serving as a source and a drain of the switch device according to the present invention ( 140). In addition, when the semiconductor source / drain thin film layer 140 is formed by the ion implantation process, a subsequent heat treatment process may be performed to activate the implanted ions to sufficiently lower the resistance of the region.

도 2d를 참조하면, 상기 공정에 의해 두 부분으로 분리된 반도체 채널 박막층(160)과 반도체 소스/드레인 박막층(140) 상부에는 본 발명에 따른 스위치 소자 의 소자간 전기적 절연층의 역할을 하는 절연체 박막층(200)이 형성된다. 절연체 박막층(200)은 실리콘산화막(SiO2), 실리콘질화막(SiN)과 같은 실리콘계 절연층으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2D, an insulator thin film layer serving as an electrical insulating layer between devices of the switch device according to the present invention is disposed on the semiconductor channel thin film layer 160 and the semiconductor source / drain thin film layer 140 separated into two parts by the above process. 200 is formed. The insulator thin film layer 200 may be formed of a silicon-based insulating layer such as a silicon oxide film (SiO 2) or a silicon nitride film (SiN).

절연체 박막층(200)을 형성한 후에는 후속 공정에서 형성될 반응 원료층과 하부의 반도체 박막층이 접촉할 수 있도록 포어 영역(220)을 형성한다. 포어 영역(220)은 절연체 박막층(200)을 습식 또는 건식으로 식각하는 공정을 통해 형성될 수 있으며, 포어 영역(220)의 패터닝 공정은 통상적인 포토 리소그래피 공정을 이용할 수 있다. 예를 들어, 절연체 박막층(200)이 실리콘산화막인 경우 불산계의 습식 식각액을 이용하여 반도체 채널 박막층(160)의 상부에 포어 영역(220)을 형성할 수 있다. After the insulator thin film layer 200 is formed, the pore region 220 is formed so that the reaction raw material layer to be formed in a subsequent process and the lower semiconductor thin film layer may contact each other. The pore region 220 may be formed by wet or dry etching the insulator thin film layer 200, and the patterning process of the pore region 220 may use a conventional photolithography process. For example, when the insulator thin film layer 200 is a silicon oxide film, the pore region 220 may be formed on the semiconductor channel thin film layer 160 using a hydrofluoric acid wet etching solution.

포어 영역(220)의 크기는 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자 동작의 핵심 영역인 상변화 동작층(280)의 수평 방향 크기를 결정하기 때문에 매우 신중하게 설계하여야 한다. 포어 영역(220)의 크기를 결정하는 데 있어서 고려해야 할 두 가지 사항은 다음과 같다. 첫 번째는, 스위치 소자의 설계 규칙에 따른 소스 및 드레인 사이의 거리이다. 즉 고상 반응을 통해 형성될 상변화 동작층(280)이 결정 상태와 비정질 상태의 상변화를 경험하는 과정에서 상변화에 참여하는 동작 영역의 크기가 소스 및 드레인의 거리에 비해 작아서는 안된다. 왜냐하면, 상변화 동작층(280)이 저저항의 결정 상태로 변화하였을 때 이 영역이 소스 및 드레인 영역까지 확장되어 소스와 드레인 사이에서 충분한 전류를 흘려 본 발명에 따른 스위치 소자가 온 동작을 수행할 수 있어야 하기 때문이다. 두 번째는 반응 원료층(240)과 반도체 박막층(180) 사이의 고상 반응을 통해 형성되는 상변화 동작층(280)의 구성 원소는 재료의 종류에 따라 확산의 정도가 다르기 때문에 사용 원소의 상호 확산 정도를 고려하여, 고상 반응에 의해 형성되는 상변화 동작층(280)의 크기를 결정해야 할 필요가 있기 때문이다.The size of the pore region 220 should be designed with great care because it determines the horizontal size of the phase change operation layer 280, which is the core region of the programmable switch device operation according to the present invention. Two things to consider in determining the size of the pore region 220 are as follows. The first is the distance between the source and the drain according to the design rules of the switch element. That is, the size of the operation region participating in the phase change should not be smaller than the distance between the source and the drain while the phase change operation layer 280 to be formed through the solid phase reaction experiences a phase change between the crystalline state and the amorphous state. This is because when the phase change operation layer 280 is changed to a low resistance crystal state, the region is extended to the source and drain regions so that sufficient current flows between the source and the drain so that the switch element according to the present invention can perform the on operation. Because you should be able to. Second, since the constituent elements of the phase change operation layer 280 formed through the solid phase reaction between the reaction raw material layer 240 and the semiconductor thin film layer 180 have different degrees of diffusion depending on the type of material, mutual diffusion of the elements used. In consideration of the degree, it is necessary to determine the size of the phase change operation layer 280 formed by the solid phase reaction.

도 2e를 참조하면, 포어 영역(220)을 매립하는 형태로 스퍼터링 또는 전자빔 증착법 또는 열증착법 등을 이용하여 반응 원료층(240)이 형성된다. 반응 원료층(240)은 반도체 박막층(180)이 게르마늄인 경우, 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. 또한 반도체 박막층(180)이 실리콘인 경우, 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있으며, 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te) 등의 삼원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. Referring to FIG. 2E, the reaction raw material layer 240 is formed using a sputtering method, an electron beam deposition method, a thermal deposition method, or the like to fill the pore region 220. In the case where the semiconductor thin film layer 180 is germanium, the reaction raw material layer 240 may be a thin film layer made of mono-elemental elements such as antimony (Sb), telelium (Te), and the like, such as antimony-telelium (Sb-Te). It may be a thin film layer composed of binary elements. In addition, when the semiconductor thin film layer 180 is silicon, the semiconductor thin film layer 180 may be a thin film layer made of monocyclic elements such as antimony (Sb) and telelium (Te), and may be a thin film layer made of binary elements such as antimony-telelium (Sb-Te). It may also be a thin film layer made of ternary elements such as germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te).

도 2f를 참조하면, 반응 원료층(240)과 반도체 박막층(180)의 고상 반응을 유도하기 위해 적절한 온도 및 시간 조건을 이용한 열처리 공정을 실시하여 상변화 동작층(280)을 형성한다. 반응 원료층(240)과 반도체 채널 박막층(160)이 적층된 구조물에 인가된 열에너지에 의해 두 박막층을 구성하는 물질 사이에서 고상 반응이 일어나면, 이 고상 반응에 의해 상변화 동작층(280)이 생성된다.Referring to FIG. 2F, a phase change operation layer 280 is formed by performing a heat treatment process using appropriate temperature and time conditions to induce solid phase reaction between the reaction raw material layer 240 and the semiconductor thin film layer 180. When the solid phase reaction occurs between the materials constituting the two thin film layers by thermal energy applied to the structure in which the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160 are stacked, the phase change operation layer 280 is generated by the solid phase reaction. do.

고상 반응을 위한 열처리 공정의 온도는 100℃~600℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 이 공정에서 열처리 온도가 100℃ 이하로 너무 낮은 경우나 600 ℃ 이상으로 너무 높은 경우에는 고상 반응에 의한 상변화 동작층(280)이 형성되지 않아 스위치 소자의 특성을 실현할 수 없다. 또한 반응 원료층(240) 및 반도체 채널 박막층(160)을 구성하는 원소의 종류에 따라 열처리 공정의 온도는 변경될 수 있다. 이는 뒤에서 도 3을 참고하여 보다 상세하게 설명한다. It is preferable to perform the temperature of the heat processing process for solid-state reaction in the range of 100 to 600 degreeC. In this process, when the heat treatment temperature is too low at 100 ° C. or lower or too high at 600 ° C. or higher, the phase change operation layer 280 due to the solid phase reaction is not formed and thus characteristics of the switch element cannot be realized. In addition, the temperature of the heat treatment process may be changed according to the type of elements constituting the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160. This will be described in more detail later with reference to FIG. 3.

상변화 동작층(280)의 조성은 반응 원료층(240)과 반도체 채널 박막층(160)을 구성하는 원소가 위에서 예시한 바와 같을 때, 게르마늄-안티몬(Ge-Sb), 게르마늄-텔레륨(Ge-Te), 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te), 실리콘-안티몬(Si-Sb), 실리콘-텔레륨(Si-Te), 실리콘-안티몬-텔레륨(Si-Sb-Te), 실리콘-게르마늄-안티몬-텔레륨(Si-Ge-Sb-Te) 등이 될 수 있다. The composition of the phase change operation layer 280 is germanium-antimony (Ge-Sb), germanium-telelium (Ge) when the elements constituting the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160 are as illustrated above. -Te), germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te), silicon-antimony (Si-Sb), silicon-telelium (Si-Te), silicon-antimony-telelium (Si-Sb-Te) , Silicon-germanium-antimony-telelium (Si-Ge-Sb-Te) and the like.

상변화 동작층(280)은 금속 합금의 구성 원소 및 그 조성에 따라 다양한 상변화 특성을 가지며, 이것은 상변화 메모리 소자의 동작에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 반응 원료층(240)은 고상 반응을 통해 생성되는 상변화 동작층(280)의 더욱 우수한 상변화 특성을 확보하기 위하여 소정의 다른 원소를 소량 포함할 수도 있다. 예컨대, 반도체 박막층(180)이 게르마늄이고, 반응 원료층(240)이 안티몬-텔레륨인 경우를 가정하면, 후속의 고상 반응을 통해 생성되는 상변화 동작층(280)의 조성은 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te)으로 구성되나, 상기 조성의 상변화 동작층(280)의 더욱 우수한 상변화 특성을 확보하기 위하여 Sn, As, In, Bi, Pb 등의 원소가 추가로 포함될 수 있다. 이들 추가로 포함되는 원소는 반응 원료층(240)과 반도체 채널 박막층(160)의 구성 원소에 따라 가장 적절하게 선택될 수 있다. The phase change operation layer 280 has various phase change characteristics according to the constituent elements of the metal alloy and its composition, which plays a very important role in the operation of the phase change memory device. Therefore, the reaction raw material layer 240 may include a small amount of certain other elements in order to ensure more excellent phase change characteristics of the phase change operation layer 280 generated through the solid phase reaction. For example, assuming that the semiconductor thin film layer 180 is germanium and the reaction raw material layer 240 is antimony-telelium, the composition of the phase change operation layer 280 generated through the subsequent solid phase reaction is germanium-antimony- Although composed of telelium (Ge-Sb-Te), elements such as Sn, As, In, Bi, and Pb may be additionally included in order to secure better phase change characteristics of the phase change operation layer 280 of the composition. have. These additionally included elements may be selected as appropriate depending on the constituent elements of the reaction raw material layer 240 and the semiconductor channel thin film layer 160.

한편, 본 실시예에서는 고상 반응의 수행을 위한 열처리 공정을 반응 원료 층(240)을 형성한 이후에 실시하는 것으로 설명하고 있으나, 상기 열처리 공정은 반드시 본 단계에서만 실시해야 하는 것은 아니며, 상기 반응 원료층(240)이 증착된 이후에는 어느 단계에서나 실시하는 것이 가능하다. Meanwhile, in the present embodiment, the heat treatment process for performing the solid state reaction is described as after the reaction raw material layer 240 is formed, but the heat treatment process is not necessarily performed only in this step, but the reaction raw material After layer 240 is deposited, it may be performed at any stage.

도 2g를 참조하면, 반응 원료층(240) 상부에는 스퍼터링 또는 전자빔 금속증착법 또는 열 증착법 등을 이용하여 제2 금속 전극층(260)을 증착한다. 제2 금속 전극층(260)은 제1 금속 전극층(120)과 동일하게 전기전도도가 높은 구리(Cu), 백금(Pt), 텅스텐(W), 티탄텅스텐합금(TiW) 등의 금속으로 구성될 수 있다. 또한 반응 원료층(240)의 구성 원소와 반도체 박막층(180)의 구성 원소를 반응시키기 위한 고상 반응 공정이 제2 금속 전극층(260)의 형성 공정 이전에 종료된 경우에는, 제2 금속 전극층(260)은 반도체 소자의 제조 과정에서 통상적으로 사용되는 대표적인 금속 재료의 하나인 알루미늄(Al)을 사용할 수 있다. Referring to FIG. 2G, the second metal electrode layer 260 is deposited on the reaction raw material layer 240 using sputtering, electron beam metal deposition, or thermal evaporation. The second metal electrode layer 260 may be made of metal such as copper (Cu), platinum (Pt), tungsten (W), titanium tungsten alloy (TiW), and the like, which have the same high conductivity as the first metal electrode layer 120. have. In addition, when the solid-state reaction process for reacting the constituent elements of the reaction raw material layer 240 and the constituent elements of the semiconductor thin film layer 180 is completed before the forming process of the second metal electrode layer 260, the second metal electrode layer 260 ) May use aluminum (Al), which is one of the representative metal materials commonly used in the manufacture of semiconductor devices.

또한, 도2g에서는 도시하지 않았으나, 제2 금속 전극층(260)과 반응 원료층(240) 사이의 불필요한 상호 확산을 방지하기 위해 경우에 따라서는 상기 제2 금속 전극층(260)과 반응 원료층(240) 사이에 상호 확산 방지용 금속 확산 방지층(도시하지 않음)이 더 형성될 수도 있다. In addition, although not shown in FIG. 2G, in order to prevent unnecessary mutual diffusion between the second metal electrode layer 260 and the reaction raw material layer 240, the second metal electrode layer 260 and the reaction raw material layer 240 may be used in some cases. A metal diffusion barrier layer (not shown) for preventing mutual diffusion may be further formed between the layers.

제2 금속 전극층(260)은 본 발명에 따른 스위치 소자의 상부 전극뿐만 아니라, 스위치 어레이 전체를 구성하는 배선의 역할을 할 수 있기 때문에 통상적인 반도체 소자 공정에서 적용 가능한 배선 전극 재료 및 그에 해당하는 적절한 패터닝 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 제2 금속 전극층(260)의 형성 과정에서는 스위치 소자의 게이트에 해당하는 상부 전극과 함께 이전 공정에서 이미 형성한 반도체 소 스/드레인 박막층(140)을 전기적으로 연결하는 소스 전극 및 드레인 전극이 동시에 형성될 수 있다. Since the second metal electrode layer 260 may serve not only the upper electrode of the switch element according to the present invention but also the wiring constituting the entire switch array, the wiring electrode material applicable to the conventional semiconductor device process and the corresponding one. It can be formed using a patterning method. In the process of forming the second metal electrode layer 260, the source electrode and the drain electrode which electrically connect the semiconductor source / drain thin film layer 140 formed in the previous process together with the upper electrode corresponding to the gate of the switch element are simultaneously formed. Can be.

제2 금속 전극층(260)을 형성하기 이전에, 반응 원료층(240) 상부에 소자간 또는 배선간의 전기적인 절연을 보다 확실히 도모하기 위한 제2 절연체 박막층(도시하지 않음)이 더 형성될 수 있다. 이 때, 제2 절연체 박막층은 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 게이트, 소스, 드레인 각 전극을 상기 제2 금속 전극층(260)을 이용하여 연결할 수 있도록 패터닝하고, 제2 금속 전극층(260)의 형성에 의해 소자를 완성할 수 있다.Prior to forming the second metal electrode layer 260, a second insulator thin film layer (not shown) may be further formed on the reaction raw material layer 240 to more surely insulate between devices or wires. . In this case, the second insulator thin film layer is patterned to connect the gate, source, and drain electrodes of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention using the second metal electrode layer 260, and the second metal electrode layer 260. The device can be completed by forming.

도 3a 내지 3b는 게르마늄과 안티몬(Ge-Sb) 및 실리콘-텔레륨(Si-Te)의 상평형도를 나타내는 도면이다. 3A to 3B are diagrams showing the phase equilibrium of germanium, antimony (Ge-Sb) and silicon-telelium (Si-Te).

도 3a을 참조하면, 게르마늄과 안티몬은 모든 조성 범위에서 Ge-Sb의 고용체를 형성하는 것을 알 수 있다. 또한 게르마늄-안티몬 합금은 안티몬의 농도가 85.5 atomic %인 경우 공융점(eutectic point)을 형성하며 공융점의 온도는 592℃이다. 이러한 게르마늄-안티몬의 상평형도에서 나타난 두 원소 간의 반응 및 확산 거동을 고려할 때, 적절한 고상 반응의 온도는 대략 400℃에서 500℃의 범위이며, 이 범위에서 두 원소가 충분히 확산하여 게르마늄-안티몬 합금을 형성할 것으로 예상할 수 있다. 반면, 공융점의 온도인 592℃를 상회하는 열처리 조건에서 고상 반응을 수행하거나, 400℃ 이하의 너무 낮은 열처리 온도 조건에서 고상 반응을 수행하는 경우에는 원소 사이의 상호 확산 및 고상 반응에 따른 합금 원소 생성을 기대할 수 없다. Referring to Figure 3a, it can be seen that germanium and antimony form a solid solution of Ge-Sb in all composition ranges. In addition, the germanium-antimony alloy forms an eutectic point when the concentration of antimony is 85.5 atomic% and the temperature of the eutectic point is 592 ° C. Considering the reaction and diffusion behavior between the two elements shown in the phase equilibrium of germanium-antimony, the temperature of a suitable solid phase reaction is in the range of approximately 400 ° C. to 500 ° C., in which the two elements sufficiently diffuse and the germanium-antimony alloy It can be expected to form. On the other hand, when the solid phase reaction is performed under heat treatment conditions higher than the temperature of the eutectic point of 592 ° C., or when the solid phase reaction is performed under the heat treatment temperature conditions of 400 ° C. or lower, the alloying elements according to the interdiffusion and solid phase reaction between the elements. Can't expect to create

도 3b를 참조하면, 실리콘과 텔레륨은 두 가지 조성 범위에서 각기 다른 조성의 Si-Te의 고용체를 형성하는 것을 알 수 있다. 첫 번째 조성 범위는 텔레륨이 60 atomic%까지 혼합되는 경우인데, 이 때는 Si-Si₂Te₃ 합금이 형성되며 공융점을 갖지는 않는다. 반면 두 번째 조성 범위인 텔레륨이 60 atomic % 이상 혼합되는 경우, Si₂Te₃-Te 합금이 형성되며, 이 때의 공융점은 407℃이다. 이러한 실리콘-텔레륨 상평형도에서 나타난 두 원소 간의 반응 및 확산 거동을 고려할 때, 적절한 고상 반응의 온도는 대략 200℃에서 300℃의 범위이며, 이 범위에서 두 원소가 충분히 확산하여 텔레륨의 조성비가 우세한 조성의 실리콘-텔레륨 합금을 형성할 것으로 예상할 수 있다. Referring to FIG. 3B, it can be seen that silicon and telerium form solid solutions of Si—Te having different compositions in two composition ranges. The first composition range is when telelium is mixed up to 60 atomic%, in which Si-Si ₂ Te ₃ alloys are formed and do not have a eutectic point. On the other hand, when the second composition range, telerium, is mixed at 60 atomic% or more, a Si ₂ Te ₃ -Te alloy is formed, and the eutectic point is 407 ° C. Considering the reaction and diffusion behavior between the two elements shown in the silicon-telephase phase equilibrium, the temperature of a suitable solid phase reaction is in the range of approximately 200 ° C to 300 ° C. It can be expected to form a silicon-telelium alloy having a predominant composition.

이상과 같이 상기 상변화 동작층(280)의 구성 원소로부터 해당되는 상평형도의 특성을 살펴보는 것으로부터 가장 적절한 조건의 고상 반응 열처리 온도 조건을 도출할 수 있으며, 상기 고상 반응을 위한 열처리 공정의 온도는 상기 상변화 동작층(280)의 구성 원소의 종류 및 조성에 따라 다를 수 있으나, 100℃~600℃의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. As described above, from the constituent elements of the phase change operation layer 280, the solid phase reaction heat treatment temperature conditions of the most suitable conditions can be derived and the heat treatment process for the solid phase reaction can be derived. The temperature may vary depending on the type and composition of the constituent elements of the phase change operation layer 280, but it is preferably carried out in the range of 100 ℃ ~ 600 ℃.

도 1 내지 도 3에서 참조한 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조 및 동작 방법으로부터 상기 스위치 소자의 특징을 정리하여 기술하면 다음과 같다. The features of the switch device are described collectively from the structure and operation method of the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention described with reference to FIGS. 1 to 3.

본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 특징은 상변화 메모리 소자의 동작으로부터 스위치의 동작 특성을 실현 할 상변화 동작층(280)의 형성과 동작 영역의 미세화를 매우 간단한 공정으로 달성할 수 있다는 점이다. 앞에서도 설명한 바와 같이 통상적으로 상변화 메모리 소자의 동작 전류를 줄이기 위해 상변화 재료층(280)과 금속 전극층(260)의 접촉 부분을 가능한 한 축소하는 방법으로 이를 실현하고 있다. 그러나 상변화 메모리 소자의 동작 과정에 참여하는 상변화 재료층(240)의 체적을 줄이기 위해서는 상변화 재료층(240)을 매우 미세한 포어 영역에 채워 넣을 수 있도록 형성하거나, 또는 매우 복잡한 공정 방법의 수행을 통해 매우 미세한 상변화 재료층(240)의 영역만을 금속 전극층(260)과 접촉시킬 수 있도록 하고 있다. A characteristic of the nonvolatile programmable switch element using the phase change memory element according to the present invention is a very simple process for forming the phase change operation layer 280 and miniaturization of the operation region to realize the operation characteristics of the switch from the operation of the phase change memory element. Can be achieved. As described above, in order to reduce the operating current of the phase change memory device, the contact portion between the phase change material layer 280 and the metal electrode layer 260 is minimized as much as possible. However, in order to reduce the volume of the phase change material layer 240 that participates in the operation of the phase change memory device, the phase change material layer 240 may be formed to be filled in a very fine pore region, or a very complicated process method may be performed. Through this, only the region of the very fine phase change material layer 240 may be contacted with the metal electrode layer 260.

그 예로는 미리 형성한 전극 재료의 일부를 식각하여 노출되는 측면 깊이 방향의 영역을 상변화 재료와 접촉시킴으로써, 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 면적을 (전극 재료의 막 두께) × (상변화 재료의 패턴 폭)으로 결정하는 소자 구조가 제안된 바 있다 (Y. H. Ha et al., Dig. Tech. Papers of VLSI Symp. 2003, pp. 173-176). 이 구조를 엣지 컨택(edge-contact)을 포함하는 상변화 메모리 소자로 칭한다. 그러나, 엣지 컨택을 포함하는 상변화 메모리 소자는 여전히 나머지 한 변이 리소그래피의 해상도에 의해 결정되기 때문에 상기 접촉 면적을 극적으로 줄이는 데는 한계가 있다. 또한, 소자 구조 자체가 복잡하기 때문에, 상변화 메모리 소자의 제작 공정에 있어서, 1～2장의 여분의 포토 마스크를 제작해야 하고, 별도의 건식 식각 공정 등을 거쳐야 하는 문제가 있다. 또 다른 예로는, 상기 상변화 재료와 접촉하는 전극 재료의 모양을 원뿔 형태로 제작하여 이론적으로는 상변화 재료와 전극 재료의 접촉 면적을 접점의 형태로 구성하는 방법이 제안된 바 있다(미 국 특허 제5,687,112호). 그러나, 실제소자의 제작 공정에 있어서 소정의 전극 재료를 원뿔 형태로 가공하고, 그 주변 영역을 절연 재료로 채운 후, 접점 형태의 전극 재료 영역을 노출시켜, 상부의 상변화 재료와 성공적으로 접촉시키는 것은 매우 어려운 공정이다. 또한, 상기 공정이 성공적으로 수행된다고 하더라도, 각 소자에 있어서 접촉 면적을 균일하게 유지하는 것은 더욱 어렵다. 만일 상기 공정 방법이 소정의 기판 상에서 일정 분포 이상의 접촉 면적 크기 차이를 유발한 가능성이 많다면, 그러한 가공 공정 방법을 실제메모리 소자의 제작에 채용하기는 어렵다. 그 이유는 원뿔 형태의 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자는 매우 작은 접점 상에 존재하는 상변화 재료의 상전이 현상만을 통해 메모리 동작에 필요한 전류량을 절감하는 것이므로, 가공되는 원뿔 형태의 전극의 접점 크기가 작을수록, 메모리 소자 사이에서 동작에 필요한 전류의 분포가 발생할 가능성이 많으며, 또한 동일한 동작 전류 조건에서 동작 소자 사이의 상이한 동작을 야기할 가능성이 많아, 상변화 메모리 소자의 저소비전력화와 상반되는 결과를 초래하기 때문이다. 아울러 위에서 설명한 기존의 공정들을 적용하면서 재구성형 LSI 및 시스템 LSI를 구성하는 다른 소자들과 함께 프로그래머블 스위치 소자를 집적하는 것은 매우 어려운 일이다. For example, a portion of the electrode material formed in advance is etched to contact an area in the lateral depth direction exposed with the phase change material, thereby making the contact area between the phase change material and the electrode material (film thickness of the electrode material) x (phase change material). Has been proposed (YH Ha et al., Dig. Tech. Papers of VLSI Symp. 2003, pp. 173-176). This structure is referred to as a phase change memory device including edge contacts. However, phase change memory devices including edge contacts are still limited in dramatically reducing the contact area since the other side is determined by the resolution of the lithography. In addition, since the device structure itself is complicated, there is a problem in that one or two extra photo masks must be manufactured in a phase change memory device fabrication process, and a separate dry etching process is required. As another example, a method of constructing a conical shape of an electrode material in contact with the phase change material and theoretically constructing a contact area between the phase change material and the electrode material in the form of a contact has been proposed. Patent 5,687,112). However, in the manufacturing process of the actual device, a predetermined electrode material is processed into a cone shape, the peripheral area is filled with an insulating material, and then the electrode material area in the contact form is exposed to successfully contact the upper phase change material. Is a very difficult process. In addition, even if the process is performed successfully, it is more difficult to keep the contact area uniform in each device. If the process method is likely to cause a difference in contact area size over a certain distribution on a given substrate, it is difficult to employ such a process method in the fabrication of an actual memory element. The reason is that the phase change memory device including the conical electrode structure reduces the amount of current required for the memory operation only through the phase transition phenomenon of the phase change material present on the very small contact, and thus the contact size of the conical electrode to be processed. The smaller is, the more likely the distribution of current required for operation is to occur between the memory elements, and the more likely it is to cause different operations between the operating elements under the same operating current conditions, resulting in a lower power consumption of the phase change memory element. Because it causes. In addition, it is very difficult to integrate programmable switch devices with other components that make up a reconfigurable LSI and system LSI while applying the existing processes described above.

이에 비해 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 경우, 특별한 소자 구조의 가공이나 별도의 리소그래피 공정을 마련하지 않고, 상기 반응 원료층(240)과 상기 반도체 박막층(180) 사이의 고상 반응을 통해 매우 미세한 영역의 상변화 동작층(280)을 매우 용이한 방법으로 달성 할 수 있다는 특징을 가지고 있기 때문에, 상변화 메모리 소자를 이용하는 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작 전류 절감과 동작 신뢰성 향상을 보다 용이하게 달성할 수 있다. On the contrary, in the case of the nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention, there is no processing of a special device structure or a separate lithography process, and between the reaction raw material layer 240 and the semiconductor thin film layer 180. Since the phase change operation layer 280 in a very minute region can be achieved by a very easy method through the solid phase reaction of the present invention, operation current reduction and operation reliability of a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device are achieved. Improvement can be achieved more easily.

도 4는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 프로그래머블 스위치 소자의 동작에 필요한 핵심 동작 영역인 상변화 동작층의 형성 과정에서, 고상 반응에 참여하는 반응 원료층과 반도체 박막층의 구성 가능 원소 및 조합예를 표로 정리한 것이다. 4 is a view illustrating a constituent element and a combination of a reaction raw material layer and a semiconductor thin film layer participating in a solid phase reaction in the process of forming a phase change operation layer, which is a core operation region required for the operation of a programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention. Here is an example.

도 4를 참조하면, 반도체 박막층(180)은 대표적으로 게르마늄 또는 실리콘으로 구성할 수 있으며, 반응 원료층(240)은 상기 반도체 박막층(180)이 게르마늄인 경우, 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. 또한 상기 반도체 박막층(180)이 실리콘인 경우, 안티몬(Sb), 텔레륨(Te) 등의 일원계 원소로 이루어지는 박막층일 수 있으며, 안티몬-텔레륨(Sb-Te) 등의 이원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있으며, 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te) 등의 삼원계 원소로 이루어지는 박막층일 수도 있다. Referring to FIG. 4, the semiconductor thin film layer 180 may be representatively made of germanium or silicon, and the reaction raw material layer 240 may be made of antimony (Sb) and telelium (Te) when the semiconductor thin film layer 180 is germanium. It may be a thin film layer made of a mono-element element such as), and may be a thin film layer made of a binary element such as antimony-telelium (Sb-Te). In addition, when the semiconductor thin film layer 180 is silicon, the semiconductor thin film layer 180 may be a thin film layer made of a mono-element such as antimony (Sb), telelium (Te), thin film layer made of binary elements such as antimony-telelium (Sb-Te). The thin film layer may be formed of a ternary element such as germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te).

상변화 동작층(280)은 상기 반응 원료층(240)과 상기 반도체 박막층(180)의 고상 반응을 통해 형성된다. 상기 반응 원료층(240)과 상기 반도체 박막층(180)을 구성하는 원소가 도에서 예시한 바와 같을 때, 상변화 동작층(280)의 조성은 게르마늄-안티몬(Ge-Sb), 게르마늄-텔레륨(Ge-Te), 게르마늄-안티몬-텔레륨(Ge-Sb-Te), 실리콘-안티몬(Si-Sb), 실리콘-텔레륨(Si-Te), 실리콘-안티몬-텔레륨(Si-Sb-Te), 실리콘-게르마늄-안티몬-텔레륨(Si-Ge-Sb-Te) 등이 될 수 있다.The phase change operation layer 280 is formed through the solid phase reaction of the reaction raw material layer 240 and the semiconductor thin film layer 180. When the elements constituting the reaction raw material layer 240 and the semiconductor thin film layer 180 are as illustrated in the figure, the composition of the phase change operation layer 280 is germanium-antimony (Ge-Sb), germanium-telelium (Ge-Te), germanium-antimony-telelium (Ge-Sb-Te), silicon-antimony (Si-Sb), silicon-telelium (Si-Te), silicon-antimony-telelium (Si-Sb- Te), silicon-germanium-antimony-telelium (Si-Ge-Sb-Te), and the like.

그러나 도 4에서 참조한 반도체 박막층(180), 반응 원료층(240) 및 상변화 동작층(280)의 구성 원소는 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 구조 및 제조 방법을 설명하기 위해 대표적으로 제공되는 것이며, 반드시 이 조성으로 한정되는 것은 아니다. 따라서 각 박막층의 조성은 당업계에서 종사하는 해당 지식을 가진 자가 용이하게 생각할 수 있는 조성 범위 안에서 적용되는 것으로 이해되어야 한다. However, the constituent elements of the semiconductor thin film layer 180, the reaction raw material layer 240, and the phase change operation layer 280 referred to in FIG. 4 are representatively provided to explain the structure and manufacturing method of the programmable switch device according to the present invention. It is not necessarily limited to this composition. Therefore, it is to be understood that the composition of each thin film layer is applied within a composition range that is easily conceived by those skilled in the art.

이하에서는 도 5a 내지 도 5c를 참고하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 설명한다. Hereinafter, a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5C.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조를 나타내는 단면도이다. 5A through 5C are cross-sectional views illustrating a structure of a 4-terminal nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 5a을 참조하면, 본 발명의 첫 번째 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 반도체 소스/드레인 영역(320)과 반도체 채널 영역(340)으로 분리되어 구성되는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성되는 절연체 박막층(360), 절연체 박막층(360)에 형성된 포어 영역(380)을 매립하는 반응 원료층(400) 및 반응 원료층(400) 상부에 형성된 제2 금속 전극층(420)과 후속 공정에 의해 상기 반응 원료층(400)과 상기 반도체 기판의 고상 반응에 의해 형성되는 상변화 동작층(440)을 포함한다. Referring to FIG. 5A, a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention may be divided into a semiconductor source / drain region 320 and a semiconductor channel region 340. , The insulator thin film layer 360 formed on the semiconductor substrate, the reaction raw material layer 400 filling the pore region 380 formed in the insulator thin film layer 360, and the second metal electrode layer 420 formed on the reaction raw material layer 400. And the phase change operation layer 440 formed by the solid phase reaction of the reaction raw material layer 400 and the semiconductor substrate by a subsequent process.

도 5a에서 도시한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조가 상기 도 1에 서 도시한 소자의 구조와 상이한 점은 반도체 기판 그 자체를 반도체 박막층으로 사용한다는 점이다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 또는 스위치 어레이의 제작 과정에서 실리콘 기판을 사용하는 경우, 상기 실리콘 기판을 상기 반응 원료층(400)과의 고상 반응을 통해 상변화 동작층(440)을 형성할 반도체 박막층으로 사용할 수 있다. 이 실시예에서는 실리콘 기판 자체를 반도체 박막층으로 사용함으로써 실리콘 기판을 열산화하여 기판을 준비하고, 그 상부에 다시 반도체 박막층을 증착하는 공정을 생략할 수 있다. 반도체 박막층과 접촉하여 본 발명에 따른 스위치 소자의 하부 전극의 역할을 하는 금속 전극층은 기판 배면에 형성할 수도 있으며, 기판 상부의 특정 영역을 마련하여 몸체 전극 부분을 형성함으로써 달성할 수도 있다. 결과적으로 본 실시예에서 상기 명시한 공정 이외의 모든 공정은 도 1 내지 도 2에서 설명한 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 구조 및 그 제조 방법과 동일하다. The structure of the nonvolatile programmable switch device shown in FIG. 5A is different from that of the device shown in FIG. 1 in that the semiconductor substrate itself is used as the semiconductor thin film layer. In other words, when a silicon substrate is used in the fabrication of a programmable switch or switch array according to the present invention, the phase change operation layer 440 may be formed through the solid state reaction of the silicon substrate with the reaction raw material layer 400. It can be used as a semiconductor thin film layer. In this embodiment, by using the silicon substrate itself as the semiconductor thin film layer, the step of thermally oxidizing the silicon substrate to prepare the substrate, and the step of depositing the semiconductor thin film layer on top thereof can be omitted. The metal electrode layer serving as the lower electrode of the switch element according to the present invention in contact with the semiconductor thin film layer may be formed on the back of the substrate, or may be achieved by forming a body electrode part by providing a specific region on the substrate. As a result, all the processes other than the process described above in the present embodiment are the same as the structure of the programmable switch device according to the present invention described in Figs.

도 5b를 참조하면, 본 발명의 두 번째 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 기판(500), 기판(500) 상에 형성된 제1 금속 전극층(520), 제1 금속 전극층(520) 상부에 형성되며, 저저항의 특성을 가지는 반도체 소스/드레인 박막층(540) 및 소정의 저항값을 가지면서 채널 영역의 역할을 하는 반도체 채널 박막층(560), 반도체 소스/드레인 박막층(540)와 반도체 채널 박막층(560) 상부에 형성되는 절연체 박막층(600), 반도체 채널 박막층(560) 일부에 형성되는 상변화 동작층(660), 절연체 박막층(600) 상부와 절연체 박막층(600)에 형성된 포어 영역(620)를 매립하는 제2 금속 전극층(640)을 포함한 다. Referring to FIG. 5B, a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention may include a substrate 500, a first metal electrode layer 520, and a first metal formed on the substrate 500. A semiconductor source / drain thin film layer 540 formed on the metal electrode layer 520 and having a low resistance characteristic, and a semiconductor channel thin film layer 560 and a semiconductor source / drain thin film layer having a predetermined resistance value and serving as channel regions. The insulator thin film layer 600 formed on the 540 and the semiconductor channel thin film layer 560, the phase change operation layer 660 formed on a portion of the semiconductor channel thin film layer 560, the insulator thin film layer 600, and the insulator thin film layer 600. And a second metal electrode layer 640 filling the pore region 620 formed therein.

한편, 도 5b에서 상변화 동작층(660)은 다음과 같은 공정 순서에 의해 형성될 수 있다. 절연체 박막층(600)을 반도체 채널 박막층(560) 상부에 형성한 후, 절연체 박막층(600)의 포어 영역(620)을 매립하는 반응 원료층(도시하지 않음)을 형성한다.Meanwhile, in FIG. 5B, the phase change operation layer 660 may be formed by the following process sequence. After the insulator thin film layer 600 is formed on the semiconductor channel thin film layer 560, a reaction raw material layer (not shown) for filling the pore region 620 of the insulator thin film layer 600 is formed.

그리고, 고상 반응에 의해 반응 원료층과 반도체 채널 박막층(560)의 반응을 유도하여 상변화 동작층(660)을 형성한 후, 반응 원료층을 제거한다.In addition, after the reaction of the reaction raw material layer and the semiconductor channel thin film layer 560 is induced by the solid phase reaction to form the phase change operation layer 660, the reaction raw material layer is removed.

도 5b에서 도시한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조가 도 1에서 도시한 소자의 구조와 상이한 점은 도 1의 반응 원료층(240)을 고상 반응에 의해 상변화 동작층(660)이 형성된 이후 제거하는 것이다. The structure of the nonvolatile programmable switch device illustrated in FIG. 5B is different from that of the device illustrated in FIG. 1. The reaction raw material layer 240 of FIG. 1 is removed after the phase change operation layer 660 is formed by the solid phase reaction. It is.

이와 같이 반응 원료층을 제거하는 경우, 고상 반응의 실시에 의해 소정의 크기를 갖는 상변화 동작층(660)을 형성한 이후에 반응 원료층을 제거하면, 이후의 소자의 동작 과정에서 발생할 수 있는 열에 의해 상변화 동작층(660)의 조성이 원하지 않는 방향으로 변하는 것을 막을 수 있다. 또한, 실제 상변화 동작에 참여하는 상변화 동작층(660)만을 소자 구성 요소로 남겨 놓음으로써, 반응 원료층의 잔류에 의해 야기되는 본 발명에 따른 스위치 소자의 저항 증가 및 신뢰성 열화와 같은 부작용을 사전에 회피할 수 있다. When the reaction raw material layer is removed as described above, if the reaction raw material layer is removed after the phase change operation layer 660 having a predetermined size is formed by performing the solid phase reaction, it may occur in the operation process of the subsequent device. It is possible to prevent the composition of the phase change operation layer 660 from changing in an undesirable direction by heat. In addition, by leaving only the phase change operation layer 660 participating in the actual phase change operation as an element component, side effects such as resistance increase and reliability deterioration of the switch element according to the present invention caused by the residual of the reaction raw material layer are eliminated. You can avoid it in advance.

도 5c를 참조하면, 본 발명에 세 번째 다른 실시예에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 반도체 소스/드레인 영역(720)과 반도체 채널 영역(740)으로 분리되어 구성되는 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성되는 절연체 박막층(760), 반도체 채널 영역(740) 일부에 형성되는 상변화 동작층(820), 절연체 박막층(760) 상부와 절연체 박막층(760)에 형성된 포어 영역(780)을 매립하는 제2 금속 전극층(800)을 포함한다.Referring to FIG. 5C, a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to another exemplary embodiment of the present invention is a semiconductor substrate that is divided into a semiconductor source / drain region 720 and a semiconductor channel region 740. , The insulator thin film layer 760 formed on the semiconductor substrate, the phase change operation layer 820 formed in part of the semiconductor channel region 740, the pore region 780 formed on the insulator thin film layer 760 and the insulator thin film layer 760. It includes a second metal electrode layer 800 to fill the.

도 5c의 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조가 상기 도 1의 소자 구조와 상이한 점은 반도체 기판 자체를 반도체 박막층으로 사용하고, 반응 원료층을 고상 반응에 의해 상변화 동작층(820)이 형성된 이후 제거해 낸다는 점이다. 즉, 도 5a 및 도 5b의 실시예의 특징을 모두 포함한 것인 바 제조 방법은 앞에 설명한 바에 따른다.The structure of the nonvolatile programmable switch device of FIG. 5C differs from the device structure of FIG. 1 in that the semiconductor substrate itself is used as the semiconductor thin film layer, and the reaction raw material layer is removed after the phase change operation layer 820 is formed by the solid phase reaction. It's that. That is, the bar manufacturing method including all the features of the embodiment of Figs. 5a and 5b is as described above.

도 6a 내지 6f는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구동 방법과 각 동작 상태에서의 소자 구조를 나타내는 것이다.6A to 6F illustrate a method of driving a four-terminal nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention and a device structure in each operation state.

도 6a를 참조하면, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치의 온(ON) 동작 시, 상변화 동작층(280)을 결정상태로 만들 필요가 있다. 이 때 스위치 소자의 소스(S), 드레인(D), 몸체 전극(B)은 접지 상태로 만들고, 게이트 전극(G)에 상변화 동작층(280)이 결정 상태로 상변화를 일으키기에 적당한 전압 또는 전류 펄스 신호(V_SET)를 인가한다. 인가된 전기 신호(V_SET)는 상변화 동작층(280)에 전달되어 주울열을 발생시키고, 상변화 동작층(280)의 상태를 저저항의 결정 상태로 만든다. 이때 인가하는 전압 또는 전류의 크기와 신호(V_SET)의 폭 등의 상세한 조건은 스위치 소자의 크기에 따라 결정될 수 있으며, 중요한 것은 상변화 동작층(280)의 상태가 결정 상태로 변화하는 영역이 적어도 스위치 소자의 소스 전극(S)과 드레인 전극(D)을 연결할 수 있을 정도로 충분해야 한다. Referring to FIG. 6A, it is necessary to bring the phase change operation layer 280 into a crystal state during the ON operation of the 4-terminal nonvolatile programmable switch using the phase change memory device according to the present invention. At this time, the source S, the drain D, and the body electrode B of the switch element are grounded, and a voltage suitable for causing the phase change operation layer 280 to cause a phase change to the crystal state on the gate electrode G. Alternatively, the current pulse signal V _SET is applied. The applied electrical signal V _SET is transmitted to the phase change operation layer 280 to generate Joule heat, and the state of the phase change operation layer 280 is brought into a low resistance crystal state. In this case, detailed conditions such as the magnitude of the voltage or current to be applied and the width of the signal V _SET may be determined according to the size of the switch element. At least enough to connect the source electrode (S) and the drain electrode (D) of the switch element.

도 6b를 참조하면, 도 6a에서 도시한 방법을 통해 상변화 메모리 소자의 SET 프로그래밍을 실시하면, 상변화 동작층(280)의 상태가 저저항의 결정 상태로 변화하여 결과적으로 스위치 소자의 소스(140)와 드레인 전극(140) 사이가 전기적 도통 상태로 변화하고, 프로그래머블 스위치가 ON 상태로 된다. Referring to FIG. 6B, when the SET programming of the phase change memory device is performed through the method illustrated in FIG. 6A, the state of the phase change operation layer 280 changes to a low resistance crystal state, and as a result, the source of the switch element ( Between the 140 and the drain electrode 140 is changed to the electrical conduction state, the programmable switch is turned ON.

도 6c를 참조하면, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치의 리셋 즉, 오프(OFF) 동작 시, 상변화 동작층(280)을 비정질 상태로 만들어야 한다. 이 때 스위치 소자의 소스(S), 드레인(D), 몸체 전극(B)은 접지 상태로 만들고, 게이트 전극(G)에 상변화 동작층(280)이 비정질 상태로 상변화를 일으키기에 적당한 전압 또는 전류 펄스 신호(V_RESET)를 인가한다. 인가된 전기 신호(V_RESET)는 상변화 동작층(280)에 전달되어 주울열을 발생시키고, 상변화 동작층(280)의 상태를 고저항의 비정질 상태로 만든다. 이 때 인가하는 전압 또는 전류의 크기와 신호(V_RESET)의 폭 등의 상세한 조건은 스위치 소자의 크기에 따라 결정될 수 있으며, 중요한 것은 상변화 동작층(280)의 상태가 비정질 상태로 변화하는 영역이 적어도 스위치 소자의 소스 전극(S)과 드레인 전극(D)을 연결할 수 있을 정도로 충분해야 한다. Referring to FIG. 6C, when the 4-terminal nonvolatile programmable switch using the phase change memory device according to the present invention is reset, that is, in an OFF operation, the phase change operation layer 280 should be made amorphous. At this time, the source S, the drain D, and the body electrode B of the switch element are grounded, and a voltage suitable for causing a phase change in the amorphous state of the phase change operation layer 280 to the gate electrode G. Alternatively, a current pulse signal V _RESET is applied. The applied electrical signal V _RESET is transmitted to the phase change operation layer 280 to generate Joule heat, and makes the state of the phase change operation layer 280 high-resistance amorphous. In this case, detailed conditions such as the magnitude of the voltage or current to be applied and the width of the signal V _RESET may be determined according to the size of the switch element. At least this should be sufficient to connect the source electrode S and the drain electrode D of the switch element.

도 6d를 참조하면, 도 6b에서 도시한 방법을 통해 상변화 메모리 소자의 RESET 프로그래밍을 실시하면, 상변화 동작층(280)의 상태가 고저항의 비정질 상태로 변화하여 결과적으로 스위치 소자의 소스(140)와 드레인(140) 전극 사이가 전기적 절연 상태로 변화하고, 프로그래머블 스위치가 OFF 상태로 된다.Referring to FIG. 6D, when the RESET programming of the phase change memory device is performed through the method illustrated in FIG. 6B, the state of the phase change operation layer 280 is changed to a high resistance amorphous state, resulting in the source of the switch device ( Between the 140 and the drain 140 electrodes is changed to an electrically insulated state, and the programmable switch is turned off.

한편, 통상적인 상변화 재료의 거동을 고려할 때, SET 프로그래밍 전압은 RESET 프로그래밍 전압보다 낮은 범위에서 결정되며, 신호의 폭은 SET 프로그래밍 전압이 RESET 프로그래밍 전압보다 긴 범위에서 결정된다. 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 효과적인 동작 상태를 고려하면, SET 프로그래밍 전압의 크기와 폭은 0.1V 이상 2V 이하, 100ns 이상 500ns 이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직하며, RESET 프로그래밍 전압의 크기와 폭은 1V 이상 5V 이하, 20ns 이상 100ns 이하의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다. On the other hand, considering the behavior of conventional phase change materials, the SET programming voltage is determined in a range lower than the RESET programming voltage, and the width of the signal is determined in a range in which the SET programming voltage is longer than the RESET programming voltage. In consideration of the effective operating state of the programmable switch device according to the present invention, the size and width of the SET programming voltage is preferably determined in the range of 0.1V or more and 2V or less, 100ns or more and 500ns or less, and the magnitude and width of the RESET programming voltage It is preferable to determine in the range of 1V or more and 5V or less, 20ns or more and 100ns or less.

도 6e를 참조하면, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용한 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 동작은 게이트(G)와 몸체 전극(B)에 별도의 전압 신호가 인가되지 않는 상황에서 소스와 드레인(S, D) 사이에 소정의 드레인 전압(V_D)를 인가하였을 때 흐르는 드레인 전류의 값으로부터 구현할 수 있다. Referring to FIG. 6E, the operation of the 4-terminal nonvolatile programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention may be performed in a situation where a separate voltage signal is not applied to the gate G and the body electrode B. FIG. It can be implemented from the value of the drain current flowing when a predetermined drain voltage (V _D ) is applied between the drain (S, D).

도 6f를 참조하면, 상기 도 6a 및 도 6b에서 도시한 바와 같이 상변화 동작층(280)에 SET 프로그래밍을 실시하여 상변화 동작층(280)의 상태를 저저항의 결정 상태로 만들고, 스위치 소자를 ON 상태로 한 경우에는 매우 큰 값의 드레인 전류가 스위치 소자의 소스 전극과 드레인 전극(S, D) 사이에 흐르게 된다. 반면, 상기 도 6c 및 도 6d에서 도시한 바와 같이 상변화 동작층(280)에 RESET 프로그래밍을 실시 하여 상변화 동작층(280)의 상태를 고저항의 비정질 상태로 만들고, 스위치 소자를 OFF 상태로 한 경우에는 매우 작은 값의 드레인 전류가 스위치 소자의 소스 전극과 드레인 전극(S, D) 사이에 흐르게 된다. 결과적으로, 각 상태에 따라 흐르는 드레인 전류의 차이로부터 본 발명에 따른 스위치 소자의 동작을 달성할 수 있다. 또한 게이트 전극에 적절한 SET 또는 RESET 신호를 인가함에 따라 스위치 소자가 갖는 ON 또는 OFF의 동작을 빠른 속도로 재프로그래밍 할 수 있다. Referring to FIG. 6F, as illustrated in FIGS. 6A and 6B, SET programming is performed on the phase change operation layer 280 to make the state of the phase change operation layer 280 a low resistance crystal state, and the switch element. When is turned ON, a very large drain current flows between the source electrode and the drain electrodes S and D of the switch element. On the other hand, as shown in FIGS. 6C and 6D, the RESET programming is performed on the phase change operation layer 280 to make the state of the phase change operation layer 280 high-resistance amorphous, and the switch element to the OFF state. In one case, a very small drain current flows between the source electrode and the drain electrodes S and D of the switch element. As a result, the operation of the switch element according to the present invention can be achieved from the difference of the drain current flowing in each state. In addition, by applying the appropriate SET or RESET signal to the gate electrode, it is possible to reprogram the ON or OFF operation of the switch element at high speed.

한편 상기 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 프로그래머블 스위치 소자의 구동 방법은 상기 도 1의 일 실시예에서 제공한 소자 구조는 물론 상기 도 5a 내지 도 5c의 다른 실시예들에서 제공한 소자 구조에도 동일하게 적용할 수 있다. Meanwhile, the method of driving the programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention with reference to FIGS. 6A to 6F is not only the device structure provided in the embodiment of FIG. 1 but also other embodiments of FIGS. 5A to 5C. The same applies to the device structure provided in the examples.

상기 도 6a 내지 도 6f를 참조하여 설명한 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 프로그래머블 스위치 소자의 구동 방법은 다음과 같은 점에서 중요하다. The method of driving the programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention described with reference to FIGS. 6A to 6F is important in the following points.

첫째는 SET 동작 전압과 RESET 동작 전압을 인가하는 전극과 스위치 동작에 사용하는 전극을 완전히 분리함으로써, 스위치 동작 중에 인가되는 전압에 의해 미리 소자에 저장된 정보가 파괴될 위험을 완전히 회피할 수 있다는 점이다. 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는 재구성형 LSI 또는 시스템 LSI 내부에서 회로를 구성하는 다른 소자들과 연결되어 사용하게 되며, 이 때 인가되는 전압 신호는 통상적인 상변화 메모리 소자에 저장되어 있는 정보를 읽어내기 위해 인가되는 작은 크기의 전압 신호보다 큰 값이 될 가능성이 많으며, 이처럼 큰 읽기 전압을 이용하여 프로그래머블 스위치 소자를 구동한다면, 상기 읽기 전압에 의해 사전에 저장된 정보가 훼손될 가능성이 있다. 본 발명에서 제공하는 프로그래머블 스위치 소자는 그 구조상 상변화 동작층이 가지는 두께 방향에 비해 상변화 동작층의 길이 방향이 훨씬 큰 값을 가지기 때문에, 통상의 상변화 메모리 소자에서 사용하는 읽기 전압보다 큰 전압이 인가되는 경우에도 정보의 파괴 및 재기록이 일어나지 않는다. First, by completely separating the electrode applying the SET operating voltage and the RESET operating voltage from the electrode used for the switch operation, it is possible to completely avoid the risk that information stored in the device is destroyed by the voltage applied during the switch operation. . The nonvolatile programmable switch device according to the present invention is used in connection with other devices constituting a circuit in a reconfigurable LSI or a system LSI, wherein the voltage signal applied is information stored in a conventional phase change memory device. It is more likely to be larger than a small voltage signal applied to read, and if the programmable switch element is driven using such a large read voltage, the previously stored information may be damaged by the read voltage. The programmable switch device provided by the present invention has a value greater than the read voltage used in a conventional phase change memory device because the length of the phase change operation layer is much larger than the thickness direction of the phase change operation layer. Even if it is authorized, destruction and rewriting of information does not occur.

둘째는 상변화 동작층의 두께를 조절하여 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 프로그래밍에 필요한 동작 전류의 값을 줄여 저소비전력형 프로그래밍 동작을 실현하면서도, 프로그래밍에 사용하는 단자와 LSI 내부에서 프로그래머블 스위치 소자가 다른 회로 구성 요소들과 연결되는 단자를 완전히 분리함으로써 상기 프로그래머블 스위치 소자에 저장된 정보의 신뢰성을 동시에 높일 수 있다는 점이다. Secondly, while controlling the thickness of the phase change operation layer to reduce the value of the operating current required for programming the programmable switch device according to the present invention, a low power consumption type programming operation can be realized. It is possible to simultaneously increase the reliability of the information stored in the programmable switch device by completely disconnecting the terminals connected to other circuit components.

셋째는 스위치 소자의 소스 전극과 드레인 전극 사이의 길이를 임의로 조절함으로써 본 발명에 따른 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 프로그래밍 문턱 전압을 일정 범위 안에서 조절할 수 있다는 점이다. 이러한 특징을 이용하면 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 응용 분야에 따라서는 각 소자의 프로그래밍 전압의 크기를 바꾸어 다양한 전압 범위에서 스위칭 동작을 구현하는 보다 기능성이 확장된 프로그래머블 스위치 어레이를 구현할 수 있다. Third, the programming threshold voltage of the 4-terminal nonvolatile programmable switch device according to the present invention can be adjusted within a predetermined range by arbitrarily adjusting the length between the source electrode and the drain electrode of the switch element. With this feature, according to the application field of the nonvolatile programmable switch device according to the present invention, a more functional programmable switch array for implementing switching operation in various voltage ranges may be implemented by changing the magnitude of the programming voltage of each device. .

이상 도 1 내지 도 6에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 고상반응에 의해 형성된 상변화 동작층을 가지며, 프로그래밍 동작과 읽기 동작을 분리하 는 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조 및 그 제조 방법은, 본 발명에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자로서 상변화 메모리 소자를 채용하였을 때 얻을 수 있는 장점을 충분히 활용하면서, 저소비전력 특성 및 고신뢰성 특성을 겸비한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 실현하는 데 매우 효과적이다. As described above with reference to FIGS. 1 to 6, a structure of a 4-terminal nonvolatile programmable switch device having a phase change operation layer formed by a solid phase reaction provided by the present invention and separating a programming operation from a read operation, and fabrication thereof The method is very effective in realizing a nonvolatile programmable switch element having low power consumption characteristics and high reliability characteristics while fully utilizing the advantages of adopting a phase change memory element as the nonvolatile programmable switch element according to the present invention. to be.

한편, 앞에서 설명된 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자의 구조, 재료의 조합 및 소자 제조 방법은 소자의 특성을 향상시키기 위해 부분적으로 변경될 수 있다. 본 발명에 따른 프로그래머블 스위치 소자는 도 1에서 참조한 소자 구조로 한정되는 것이 아니고 다양한 형태로 제조할 수 있다. 즉, 전술한 프로그래머블 스위치 소자의 구조 및 제조 방법은 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 프로그래머블 스위치 소자의 상세한 내용을 효과적으로 설명하기 위한 대표적인 소자 구조 및 제조 방법으로 이해되어야 할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 범주 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.On the other hand, the structure of the programmable switch device, the combination of materials and the device manufacturing method described above can be partially changed to improve the characteristics of the device. The programmable switch device according to the present invention is not limited to the device structure referenced in FIG. 1 and may be manufactured in various forms. That is, the structure and manufacturing method of the above-described programmable switch device should be understood as a representative device structure and manufacturing method for effectively explaining the details of the programmable switch device using the phase change memory device according to the present invention. Accordingly, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made by those skilled in the art within the technical scope of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 4단자형 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 구조를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the structure of a four-terminal nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention.

도 2a 내지 2g는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자를 제조하는 과정을 나타내는 도면이다. 2A to 2G illustrate a process of manufacturing a nonvolatile programmable switch device according to an embodiment of the present invention.

도 3a 내지 3b는 게르마늄과 안티몬(Ge-Sb0) 및 실리콘-텔레륨(Si-Te0)의 상평형도를 나타내는 도면이다.3A to 3B are diagrams showing the phase equilibrium of germanium, antimony (Ge-Sb0), and silicon-telelium (Si-Te0).

도 4는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자를 이용하는 프로그래머블 스위치 소자의 동작에 필요한 핵심 동작 영역인 상변화 동작층의 형성 과정에서, 고상 반응에 참여하는 반응 원료층과 반도체 박막층의 구성 가능 원소 및 조합예를 표로 정리한 것이다.4 is a view illustrating a constituent element and a combination of a reaction raw material layer and a semiconductor thin film layer participating in a solid phase reaction in the process of forming a phase change operation layer, which is a core operation region required for the operation of a programmable switch device using a phase change memory device according to the present invention. Here is an example.

Claims

제1 금속 전극층;A first metal electrode layer;

상기 제1 금속 전극층 상부에 형성되며, 채널층 및 상기 채널층을 사이에 두고 서로 마주보는 저저항의 소스 및 드레인을 포함하는 반도체 박막층;A semiconductor thin film layer formed on the first metal electrode layer and including a source layer and a drain having a low resistance facing each other with the channel layer interposed therebetween;

상기 반도체 박막층의 일부를 노출하는 포어 영역을 포함하며 상기 반도체 박막층 상에 형성되는 절연체 박막층;An insulator thin film layer including a pore region exposing a portion of the semiconductor thin film layer and formed on the semiconductor thin film layer;

상기 절연체 박막층의 상기 포어 영역을 매립하는 반응 원료층;A reaction raw material layer filling the pore region of the insulator thin film layer;

상기 반응 원료층 상부에 형성된 제2 금속 전극층; 및A second metal electrode layer formed on the reaction raw material layer; And

고상 반응에 의해 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층이 반응하여 상기 소스와 드레인 사이에 형성되는 상변화 동작층The phase change operation layer formed between the source and the drain by reacting the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer by a solid phase reaction.

을 포함하는 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자. Non-volatile programmable switch device using a phase change memory device comprising a.

제1항에 있어서,The method of claim 1,

상기 소스와 드레인 사이의 거리는 상기 상변화 동작층의 체적과 동일한 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자. And a phase change memory device having a distance between the source and the drain equal to a volume of the phase change operation layer.

제1항에 있어서, The method of claim 1,

상기 반도체 박막층은, 상기 반응 원료층과 고상 반응을 통해 상기 상변화 동작층을 형성할 수 있도록 실리콘 또는 게르마늄으로 구성되는 The semiconductor thin film layer is formed of silicon or germanium so as to form the phase change operation layer through a solid phase reaction with the reaction raw material layer.

상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자. Nonvolatile Programmable Switch Device Using Phase Change Memory Device.

제3항에 있어서, The method of claim 3,

상기 반응 원료층은, The reaction raw material layer,

상기 반도체 박막층과 고상 반응을 통해 상기 상변화 동작층을 형성할 수 있도록, 상기 반도체 박막층이 게르마늄인 경우에는 안티몬, 텔레륨 및 안티몬-텔레륨 중 하나로 구성되고, 상기 반도체 박막층의 실리콘인 경우에는 안티몬, 텔레륨, 안티몬-텔레륨, 및 게르마늄-안티몬-텔레륨 중 하나로 구성되는 In order to form the phase change operation layer through the solid state reaction with the semiconductor thin film layer, when the semiconductor thin film layer is germanium, it is composed of one of antimony, telelium and antimony-telelium, and in the case of silicon of the semiconductor thin film layer, antimony , Consisting of one of telerium, antimony-telelium, and germanium-antimony-telelium

제4항에 있어서, 5. The method of claim 4,

상기 반응 원료층은 상기 상변화 동작층의 성능을 향상시키기 위하여 Sn, As, In, Ag, Bi 또는 Pb의 원소가 첨가되는 The reaction raw material layer is an element of Sn, As, In, Ag, Bi or Pb is added to improve the performance of the phase change operation layer

제4항에 있어서, 5. The method of claim 4,

상기 상변화 동작층은 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응에 의해 형성되며, 그 조성은 게르마늄-안티몬, 게르마늄-텔레륨, 게르마늄-안티몬-텔레륨, 실리콘-안티몬, 실리콘-텔레륨, 실리콘-안티몬-텔레륨, 실리콘-게르마늄-안티몬-텔레륨 중 하나로 구성되는 The phase change operation layer is formed by a solid phase reaction between the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer, and its composition is germanium-antimony, germanium-telelium, germanium-antimony-telelium, silicon-antimony, silicon-telelium, Consists of silicon-antimony-telelium, silicon-germanium-antimony-telelium

제1항에 있어서, The method of claim 1,

상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자는,The nonvolatile programmable switch device,

상기 제2 금속 전극층의 일부를 노출하는 비아홀을 가지며, 상기 제2 금속 전극층 상부에 형성되어 있는 제2 절연체 박막층; 및 A second insulator thin film layer having a via hole exposing a portion of the second metal electrode layer and formed on the second metal electrode layer; And

상기 제2 절연체 박막층의 상기 비아홀을 통해 상기 제2 금속 전극층과 연결되어 있는 배선 전극층A wiring electrode layer connected to the second metal electrode layer through the via hole of the second insulator thin film layer

을 더 포함하는 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자. Non-volatile programmable switch device using a phase change memory device further comprising.

제1항에 있어서, The method of claim 1,

상기 반도체 박막층이 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 기판에 포함되는 The semiconductor thin film layer is included in the substrate of the nonvolatile programmable switch device

제1 금속 전극층 상부에, 채널층 및 상기 채널층을 사이에 두고 서로 마주보는 저저항의 소스 및 드레인을 포함하는 반도체 박막층을 형성하는 단계;Forming a semiconductor thin film layer on the first metal electrode layer, the semiconductor thin film layer including a source layer and a drain having low resistance facing each other with the channel layer interposed therebetween;

상기 반도체 박막층 상부에 절연체 박막층을 형성하는 단계;Forming an insulator thin film layer on the semiconductor thin film layer;

상기 절연체 박막층에 상기 반도체 박막층을 노출하는 포어 영역을 형성하는 단계;Forming a pore region exposing the semiconductor thin film layer on the insulator thin film layer;

상기 포어 영역을 매립하도록 반응 원료층을 형성하는 단계; Forming a reaction raw material layer to fill the pore region;

상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응을 유발하여 상기 소스와 드레인 사이에 상변화 동작층을 형성하는 단계; 및Inducing a solid phase reaction between the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer to form a phase change operation layer between the source and the drain; And

상기 반응 원료층 상부에 제2 금속 전극층을 형성하는 단계Forming a second metal electrode layer on the reaction raw material layer

를 포함하는 상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법.Method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device comprising a.

제9항에 있어서,10. The method of claim 9,

상기 반도체 박막층을 형성하는 단계는,Forming the semiconductor thin film layer,

저저항의 특성을 가지며 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 상기 소스 및 드레인의 역할을 하는 반도체 소스/드레인 박막층을 형성하는 단계; 및 Forming a semiconductor source / drain thin film layer having low resistance and serving as the source and drain of the nonvolatile programmable switch device; And

상기 반도체 소스/드레인 박막층의 소스 영역과 드레인 영역 사이에 상기 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 상기 채널의 역할을 하는 반도체 채널 박막층이 위치하도록 반도체 채널 박막층을 형성하는 단계Forming a semiconductor channel thin film layer such that a semiconductor channel thin film layer serving as the channel of the nonvolatile programmable switch element is positioned between the source region and the drain region of the semiconductor source / drain thin film layer

를 포함하는 Containing

상변화 메모리 소자를 이용한 비휘발성 프로그래머블 스위치 소자의 제조 방법. A method of manufacturing a nonvolatile programmable switch device using a phase change memory device.

제10항에 있어서, The method of claim 10,

상기 반도체 소스/드레인 박막층의 소스와 드레인 사이의 거리가 상기 반응 원료층과 상기 반도체 박막층의 고상 반응에 의해 형성되는 상기 상변화 동작층의 체적과 동일하도록 형성하는Wherein the distance between the source and the drain of the semiconductor source / drain thin film layer is equal to the volume of the phase change operation layer formed by the solid phase reaction of the reaction raw material layer and the semiconductor thin film layer.

제11항에 있어서,12. The method of claim 11,

상기 상변화 동작층을 형성하는 단계는,Forming the phase change operation layer,

상기 상변화 동작층의 구성 원소의 종류 및 조성에 따라 열처리 온도를 결정하며, 상기 온도는 100℃~600℃의 범위에서 수행하는 Determination of the heat treatment temperature according to the type and composition of the constituent elements of the phase change operation layer, the temperature is carried out in the range of 100 ℃ ~ 600 ℃

제11항에 있어서, 12. The method of claim 11,

상기 제2 금속 전극층 상부에 제2 절연체 박막층을 형성하는 단계;Forming a second insulator thin film layer on the second metal electrode layer;

상기 제2 절연체 박막층에 상기 제2 금속 전극층을 노출하는 비아홀을 형성하는 단계; 및 Forming a via hole exposing the second metal electrode layer in the second insulator thin film layer; And

상기 비아홀을 통해 상기 제2 금속 전극층과 연결되도록 배선 전극층을 형성하는 단계; Forming a wiring electrode layer to be connected to the second metal electrode layer through the via hole;

를 더 포함하는 Further comprising

제11항에 있어서, 12. The method of claim 11,

상기 반응 원료층을 상기 상변화 동작층 형성 이후에 제거하는 단계Removing the reaction raw material layer after formation of the phase change operation layer

를 더 포함하는 Further comprising