KR101502034B1 - 멀티 비트 상변화 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 결정상을 갖는 상변화 재료를 이용한 멀티 비트 상변화 메모리 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스토리지 노드에 상변화 재료를 포함하는 비휘발성 메모리 소자로서, 상기 상변화 재료는 온도 상승에 따라 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 순차대로 나타내는 2 성분계 또는 3 성분계 화합물의 기저 재료를 포함하고, 상기 기저 재료는 온도 상승에 따라 공석 반응 및 포정 반응 중 적어도 어느 하나를 겪는 멀티 비트 상변화 메모리 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 비휘발성 반도체 메모리 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복수의 결정상을 갖는 상변화 재료를 이용한 멀티 비트 상변화 메모리 소자에 관한 것이다.
최근 디지털 카메라, MP3 플레이어, PDA(personal digital assistants) 및 휴대폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 비휘발성 메모리 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 일반적으로, 비휘발성 메모리 소자로서 플래시 메모리 소자가 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기 플래시 메모리 소자는 기본 구성 요소로서 MOS 트랜지스터 형태의 메모리 셀들로 이루어지기 때문에 고집적화의 요구는 물론 지속적인 제조 비용의 절감 측면에서 한계에 직면하고 있다.
최근 이러한 플래시 메모리 소자의 대안으로서 상변화 메모리 소자가 주목을 받고 있다. 상기 상변화 메모리 소자는 DRAM(dynamic random access memory) 소자와 유사한 약 50 ns의 고속의 랜덤 읽기 성능과 약 100 ns의 고속의 기록 성능뿐만 아니라, 10년 이상의 우수한 데이터 유지 성능을 갖는 것으로 알려져 있다. 특히, 상변화 메모리 소자는 플래시 메모리 소자와 달리 데이터 블록의 소거 동작 없이 바로 메모리 셀을 프로그래밍하는 것이 가능한 이점이 있다.
상기 상변화 메모리 소자는 결정질 상태(또는 SET 상태라고도 함)와 비정질 상태(또는 RESET 상태라고도 함) 사이에서 가역적으로 스위칭될 수 있는 상변화 재료로 구성되며, 그 데이터 기록은, SET 상태와 RESET 상태 사이의 저항값의 차이에 의해 달성된다. 현재 상기 상변화 재료로서 칼코겐 화합물인 Ge-Sb-Te계 재료, 특히 Ge2Sb2Te5와 같은 GeTe-Sb2Te3의 준이성분계 결합선(pseudo-binary tie line)을 따르는 조성이 가장 많이 연구되고 있다.
상기 Ge-Sb-Te계 재료는 상변화 속도가 빠르고 안정적이며, 내산화성이 우수한 이점으로 인하여 상변화 메모리 소자에 적합하다. 그러나, 상기 장점에도 불구하고, 상기 Ge-Sb-Te계 재료는 셋 상태와 리셋 상태에 해당하는 2 종류의 저항값만을 갖기 때문에, 단위 셀당 1 비트의 정보 저장 밀도밖에 얻을 수 없는 한계가 있다. 상변화 재료를 이용한 비휘발성 메모리 소자의 기록 용량을 증가시키기 위해서는 단위 셀당 2 비트 이상의 정보 저장 밀도를 얻을 수 있는 새로운 재료의 개발이 요구된다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 정보 저장 밀도를 향상시킬 수 있는 상변화 재료를 이용한 멀티 비트 상변화 메모리 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상변화 재료를 이용한 비휘발성 메모리 소자의 정보 저장 밀도를 향상시키기 위하여, 온도 상승에 따라 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 갖는 상변화 재료를 이용하여 멀티 비트 기록이 가능한 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 상변화 메모리 소자는, 스토리지 노드에 상변화 재료를 포함하는 비휘발성 메모리 소자로서, 상기 상변화 재료가 온도 상승에 따라 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 순차대로 나타내는 2 성분계 또는 3 성분계 화합물의 기저 재료를 포함하고, 상기 기저 재료는 온도 상승에 따라 공석 반응 및 포정 반응 중 적어도 어느 하나를 겪을 수 있다.
상기 기저 재료는 화학식 1로 표현되는 칼코겐 화합물을 포함하며, 화학식 1은 Ma(InxTe1-x)b 이다. 상기 화학식 1에서, 상기 M은 Ag, Ge, Bi, Sb 및 Si 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, 상기 X는 0.35 ≤ x ≤ 0.65를 만족하도록 선택되며, 상기 a 와 b는 a + b = 1를 만족하도록 선택될 수 있다. 또한, 상기 화학식 1에서, 상기 a는 0 < a ≤ 0.3을 만족하도록 선택될 수도 있다.
일부 실시예에서, 상기 상변화 재료는 상기 기저 재료의 결정화 온도 및 용융 온도 중 적어도 어느 하나를 조절하기 위한 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O)의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 기저 재료는 화학식 2로 표현되는 칼코겐 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 화학식 2는 AaMb(InxTe1 -x)b일 수 있다. 상기 화학식 2에서, 상기 A는 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O)의 그룹으로 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, 상기 M은 Ag, Ge, Bi, Sb 및 Si 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소이며, 상기 X는 0.4 ≤ x ≤ 0.6를 만족하도록 선택되고, 상기 a, b 및 c는 a + b + c = 1를 만족하도록 선택되며, 상기 a 및 b는 0 < a ≤ 0.1 및 0 < b ≤ 0.3을 만족하도록 선택될 수 있다.
상기 멀티 비트 상변화 메모리 소자는 상기 상변화 재료에 펄스 형태의 전기적 에너지를 가하여, 상기 상변화 재료의 적어도 일부를 가열하여 용융 후 비정질 구조를 갖도록 냉각시켜 정보를 리셋 기록하거나, 상기 상변화 재료의 적어도 일부를 가열하여 상기 적어도 3 개 이상의 결정상 중 어느 하나를 갖도록 결정화시켜 셋 기록을 함으로써, 상기 비정질 구조와 결정 구조의 저항값 차이로부터 기록 정보를 식별할 수 있다.
상기 스토리지 노드는 상기 상변화 재료에 접촉하여 상기 상변화 재료를 통하여 전류 흐름을 제공하는 제 1 및 제 2 전극층들을 더 포함하고, 상기 전극층들 중 적어도 하나는 워드 라인에 결합되고, 다른 하나는 비트 라인에 결합될 수 있다.
본 발명의 멀티 비트 상변화 메모리 소자는, 온도 상승에 따라 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 순차대로 나타내는 2 성분계 또는 3 성분계 화합물의 기저 재료를 포함하는 상변화 재료를 사용함으로써, 간단한 구성을 가지면서도 2 비트 이상으로 동작할 수 있는 멀티 비트 상변화 메모리 소자를 구현할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서, "기판"은 물질이 증착되거나 적용되는 임의의 하지 표면을 포함하는 통상적인 의미로 사용된다. 바람직하게, 기판은 실리콘 웨이퍼와 같은 반도체 기판을 포함한다. 그러나, 기판은 제한 없이, 실질적으로 금속, 실리콘, 게르마늄, 플라스틱 및/또는 유리, 바람직하게는 (Si-O-C-H 저유전율 막을 포함하는) 실리콘 화합물 및 실리콘 합금을 포함하는 재료로 제조될 수 있다. 기판은 또한, 부분적으로 제조된 집적 회로에서와 같이, 내부에 트렌치 또는 스텝과 같은 물리적 구조를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 스토리지 노드(100)를 도시하는 단면도이다. 도 2는 도 1의 스토리지 노드(100)의 유효 저항 성분을 도시하는 등가 회로이다.
도 1을 참조하면, 스토리지 노드(100)는 상변화 재료(10) 및 상변화 재료(10)를 통하여 전류를 제공하는 전극들, 예를 들면, 상부 전극(20) 및 하부 전극(30)을 포함할 수 있다. 하부 전극(30)과 상변화 재료(10) 사이에는 상변화 재료(10)에 열을 인가하기 위한 가열 부재(40)를 더 포함할 수 있다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 도 1의 스토리지 노드(100)는 직렬 연결된 유효 저항 성분, R0+RH+RV+RC를 가진다. 저항 R0는 저항들을 배선(w)과 전극들(20, 30) 사이의 접촉 저항을 나타낸다. 저항 RH는 상변화 재료(10)에 전류× RH 2 의 전기적 에너지를 인가하는 열원인 가열 부재(40)의 저항 성분을 나타낸다. 저항 RC는 상변화 재료(10)의 셋 상태의 저항값을 갖는 정적 저항이다. 스토리지 노드(100)에 흐르는 전류는 워드 라인(WL)에 연결된 트랜지스터(Tr)와 같은 스위칭 부재에 의해 제어될 수 있다.
비트 라인(BL)을 통하여 스토리지 노드(100)에 전류가 인가되면, 상변화 재료(10)의 일부(10a)가 상전이를 겪는다. 저항 RV는 셋 상태의 값과 리셋 상태의 저항값을 갖는 가변 저항이며, 상기 저항 Rv의 값이 스토리지 노드(100)의 기록 정보에 대응되며, 저항 Rv의 값은 비트 라인(BL)을 통하여 검출된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상변화 재료(10)는 온도 상승에 따라 3 개의 결정 구조들을 갖고, 상기 결정 구조들의 저항 값은 서로 구별된다. 이 경우, 저항 Rc의 값은 3 개의 구별된 값들을 가지며, 이로 인하여, 가변 저항 Rv는 0과 리셋 상태의 저항값과 셋 상태의 저항값의 차이에 해당하는 3 개의 값들을 가질 수 있다. 이와 같이, 4 개의 구별되는 Rv의 저항값을 독출하여, 예를 들어, (00), (01), (10) 및 (11)의 정보에 대응시킨다면, 단위 셀당 2 비트의 기록 밀도를 갖는 스토리지 노드(100)가 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 구동 방법을 개략적으로 도시하는 그래프이다. 그래프에서 가로축은 상변화 재료(도 1 의 10)에 인가되는 펄스 형태를 갖는 전기적 에너지의 인가 시간을 나타내며, 세로축은 상기 전기적 에너지에 의한 상변화 재료(10)의 가열 온도를 도시한다.
도 3을 참조하면, 곡선 A로 나타낸 바와 같이, 전류 펄스를 인가하여 상변화 재료(10)가 용융 온도 이상으로 가열된 후, 상변화 재료(10)의 결정화 시간보다 빠르게 상변화 재료(10)가 냉각될 수 있도록 전류 펄스를 감소시키면, 상변화 재료(10)는 비정질 구조를 갖게 된다. 또한, 곡선 B로 나타낸 바와 같이, 전류 펄스를 인가하여 상변화 재료(10)를 제 1 결정화 온도 이상으로 가열하면, 핵생성과 함께 결정화 과정이 개시된다. 전류 펄스가 결정화 과정이 완성될 때까지 인가된 후 감소되면, 상변화 재료(10)는 제 1 결정 구조를 가질 수 있다. 마찬가지로, 곡선 C 및 D로 나타낸 바와 같이, 전류 펄스를 인가하여 상변화 재료(10)를 제 2 결정화 온도 또는 제 3 결정화 온도 이상으로 가열하여 결정화 과정을 완성시키면, 상변화 재료(10)는 제 2 및 제 3 결정 구조를 가질 수 있다.
그러나, 전술한 구동 방법은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 선택적으로는, 결정화 과정을 위한 셋 스윕(set sweep)과 같은 방법이 적용될 수도 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 유사하게 온도 대 시간의 그래프에서, 전류 펄스의 리딩 에지(leading edge)를 융용 온도이상, 즉, Reset 펄스와 동일하게 하고, 해당되는 결정화 온도 부근까지 전류 펄스를 서서히 감소시키고, 이후 결정화가 완성되면 전류 펄스를 종료시킴으로써 각각의 결정 구조들을 얻을 수도 있다.
도 4는 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 스토리지 노드에 적용되는 본 발명 의 일 실시예에 따른 상변화 재료인 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 상평형도이다.
도 4를 참조하면, Sba(InxTe1 -x)b 화합물은 3 성분계 화합물이며, 인듐 안티몬(InSb)과 인듐 텔레늄(InTe)의 준 2 성분계(pseudo-binary) 거동 특성을 가진다. 인듐 안티몬화물-인듐 텔레늄화물의 결합선(Tie Line) 내에 존재하는 66.6 몰%의 InTe를 포함하는 조성 부근, 즉, 화학식 In3Sb1Te2(a = 1, b는 5이고, x = 3/5임)로 나타내어지는 조성 부근의 상변화를 고려하자. 이하에서 개시된 상변화 재료의 조성은 모두 몰%로 나타내었다.
약 420 ℃ 미만의 온도에서, InTe 상과 InSb 상은 2 상의 혼합물 상태로 존재한다. 이후, 약 420 ℃에서, 식 1에 나타낸 바와 같은 공석반응(eutectoid reaction)이 일어난다. 상기 공석 반응을 통하여, 2 개의 InTe 결정상과 InSb 결정상으로부터 하나의 화학양론적인 In3Sb1Te2 결정상이 생성된다. 식 1에서, S는 고상을 나타낸다.
[식 1]
InSb(S) + InTe(S) ⇔ In3Sb1Te2 (S)
이후, 더 높은 온도로 가열하여 약 470 ℃ 부근에 이르면, 식 2에 나타낸 바와 같은 포정(peritectic) 반응이 일어난다. 상기 포정 반응을 통하여, In3Sb1Te2 결정상으로부터 InTe 결정상이 형성될 수 있다. 식 2에서, L은 액상을 나타낸다.
[식 2]
In3Sb1Te2 (S) ⇔ InTe(S) + L
이후, 더 높은 온도로 가열되어 액상선과 교차하는 620℃ 이상이 되면, InTe(S)는 완전히 용융되며, 액상만이 나타나며, 이를 급냉시키면 비정질의 InTe가 얻어질 수 있다.
도 4를 참조하여 전술한 바와 같이, Sba(InxTe1-x)b의 3 성분계 화합물의 상기 인듐 안티몬화물-인듐 텔레늄화물의 결합선 내에 존재하는 66.6 몰%의 InTe를 포함하는 조성 부근에서는, 온도가 상승됨에 따라, InSb(S)와 InTe(S)의 혼합물로부터 순차대로 In3Sb1Te2 (S) 및 InTe(S)의 중간 결정상이 나타난다.
전술한 바와 같이, 66.6 몰%의 InTe를 포함하는 Sba(InxTe1 -x)b의 3 성분계 화합물의 시차주사열량계(differential scanning calorimetry; DSC) 분석 결과를 도 5에 도시하였다. 상기 시차주사열량계 분석에 사용된 상변화 재료의 시료는 In3Sb1Te2의 조성을 갖는 타겟을 사용하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정에 의해 증착되었으며, 약 200 nm의 두께를 갖는다. 시차주사열량계 분석은 10 ℃/분의 승온 속도를 유지하면서 상온과 700 ℃ 사이에서 수행되었다. 도 5에서 가로 축은 가열 온도(℃)를 나타내며, 세로 축은 열 유량(mW)을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 상기 상온과 700 ℃ 범위에서 1 개의 발열 피크와 3 개의 흡열 피크가 관찰되었다. 291.8 ℃에서의 발열 피크와 626.0 ℃의 흡열 피크는 각각 상기 상변화 물질 시료의 결정화 온도와 용융 온도에 해당한다. 즉, 상기 상변화 재료의 시료는 291.8 ℃ 미만에서 비정질이며, 291.8 ℃ 이상과 626.0 ℃ 사이에서는 결정질을 가지며, 626.0 ℃ 이상에서는 용융되어 급속 냉각시 비정질을 갖는다.
결정질을 갖는 291.8 ℃ 이상과 626.0 ℃ 사이의 영역(B)에서는, 약 422.3 ℃ 및 약 511.7 ℃의 온도에서 2 개의 흡열 피크가 관찰되었다. 영역(B)에서 나타나는 결정성을 분석하기 위하여, 고온 X-선 회절 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다.
도 6을 참조하면, 열처리되지 않은 증착 상태(as dep)와 250 ℃에서 열처리된 상변화 재료의 시료에서도 결정상은 관찰되지 않았다. 그러나, 300 ℃에서 열처리된 상변화 재료의 시료에서는 InSb의 결정상이 검출되었다. 이것은, 도 5에 도시된 바와 같이, 291.8 ℃에서 발열 피크가 나타나는 것과 부합한다. 그러나, 300 ℃의 온도에서 InTe의 결정상은 관찰되지 않았으며, 승온된 350 ℃ 및 400 ℃의 열처리 온도에서도 InSb 결정상만이 관찰되고, InTe 결정상은 관찰되지 않았다. 도 4의 상평형도와 비교시, 425 ℃ 미만의 온도에서 결정질의 InTe 상이 나타나지 않음을 고려하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 상변화 재료의 시료는 비평형 상변태 거동을 나타내는 것으로 해석될 수 있다.
도 4를 참조하여 상술한 바와 같이 공석반응이 일어나는 온도인 420 ℃ 보다 높은 450 ℃에서 열처리된 상변화 물질 시료에서는 In3SbTe2 및 InTe의 결정상이 각각 검출되었다. 도 6에 도시하지는 않았으나, 열처리 온도를 증가시켜 511.7 ℃ 의 흡열 피크가 나타나는 영역까지 상승시키면, In3Sb1Te2의 결정상이 사라지고 InTe 결정상만이 나타난다. 이는 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이, 470 ℃ 부근에서 나타나는 포정 반응에 부합한다.
본 실시예에 따른 비정질의 상변화 재료의 시료, Sba(InxTe1 -x)b의 3 성분계 화합물은 온도가 증가함에 따라 순차대로 InSb, In3Sb1Te2 및 InTe의 결정상을 나타낸다. 상변화 메모리 재료로서 사용되는 Ge2Sb2Te5의 결정화 온도와 용융 온도가 각각 130 ℃ 및 630 ℃임에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 상변화 재료의 시료의 결정화 온도와 용융 온도는 시차주사열량계 분석 결과로부터 각각 291 ℃와 626 ℃임이 확인되었다. 이와 같이, Sba(InxTe1 -x)b의 3 성분계 화합물은 종래의 Ge2Sb2Te5 보다 높은 결정화 온도를 갖기 때문에 셀간 열간섭에 대해 더 우수한 내성을 가질 것으로 기대된다.
전술한 실시예에서는, Sba(InxTe1 -x)b의 3 상분계 화합물로서, 화학식 In3Sb1Te2의 경우에 대해서 상술하고 있으나, 순차대로 InSb, In3Sb1Te2 및 InTe의 결정상을 나타낼 수 있는 조성 영역인 0.35 ≤ x ≤ 0.65이고, 화학양론을 고려하여 선택된 a 와 b가 a + b = 1 인 영역의 화합물도 본 발명의 실시예에 따른 상변화 재료의 기저 재료로 사용될 수 있다. 바람직하게는, a는 0 < a ≤ 0.3를 만족하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서는, 상변화 재료의 기저 재료로서, Sba(InxTe1-x)b의 3 성분 계 화합물의 Sb를 대신에 또는 Sb와 함께, Sb와 유사한 Ag, Ge, Bi 및 Si 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 적용할 수 있다. 전술한 실시예들에서는, 상변화 재료의 결정화 온도 및 용융 온도 중 적어도 어느 하나를 조절하기 위해 불순물로서 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O) 중 적어도 어느 하나를 첨가할 수도 있다. 이 경우, 상변화 재료의 기저 재료는 AaMb(InxTe1 -x)b로 나타낼 수 있으며, 상기 A는 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O)의 그룹으로 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, 상기 M은 Ag, Ge, Bi, Sb 및 Si 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소이다. 또한, 상기 X는 0.4 ≤ x ≤ 0.6를 만족하도록 선택되고, 화학양론을 고려하여, 상기 a, b 및 c는 a + b + c = 1를 만족하도록 선택되며, 상기 a 및 b는 0 < a ≤ 0.1 및 0 < b ≤ 0.3을 만족하도록 선택될 수 있다.
도 7은 키싱어(Kissinger) 방법에 따른 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 결정화에 필요한 활성화 에너지를 도시하는 그래프이다. 승온 속도는 각각 5 ℃/min(a), 10 ℃/min(b) 또는 20 ℃/min(c)하여 측정된 결과이다. 이에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 Sba(InxTe1 -x)b의 활성화 에너지 Ea는 5.2 eV에 해당한다. 종래의 Ge2Sb2Te5가 준안정상인 NaCl 결정 구조로 결정화될 때 필요한 활성화 에너지가 약 2.24 eV임을 고려하면, Sba(InxTe1 -x)b의 활성화 에너지가 더 크기 때문에, 본 발명의 실시예에 따르면 비휘발성 메모리의 데이터 유지 특성이 더욱 개선될 것으로 예측된다.
도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 Sba(InxTe1 -x)b의 상변화 재료를 포함하는 비휘발성 메모리 셀의 I-V 및 R-V 특성을 도시하는 그래프들이다.
비휘발성 메모리 셀은 도 1에 도시된 구조를 갖도록 제조되었으며, 상변화 재료의 조성은 In3Sb1Te2 이다. 도 8a를 참조하면, 5.36 V, 6.31 V 및 6.76 V에서 전류의 흐름이 증가하는 것이 관찰되었다. 각 연속적인 전류 구간 A, B, C 및 D에서의 상변화 메모리 재료의 상은, 온도 증가에 따른 결정화 순서에 따라, 결정질의 InSb와 비정질의 InTe의 혼합물 (D), 결정질의 In3Sb1Te3 (C), 및 비정질의 InSb 와 결정질의 InTe (B), 비정질의 InSb 와 비정질의 InTe (A) 에 각각 대응된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 In3Sb1Te3는 3 개의 결정상을 가짐에 따라 서로 구별가능한 4가지의 저항값(A', B', C' 및 D')을 갖는 것으로 확인되었다. 4 개의 구별되는 저항값을 독출하여, (00), (01), (10) 및 (11)의 정보에 대응시킨다면, 단위 셀당 2 비트의 기록 밀도를 갖는 스토리지 노드를 갖는 비휘발성 메모리 소자가 구현될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 셀의 비정질 상태(리셋 상태)와 저온 결정상인 InSb 결정상(셋 상태) 사이의 가역적 상변화에 따른 저항 변화를 도시한다.
도 9를 참조하면, 100 회까지의 펄스에 의한 셋 상태와 리셋 상태의 변환을 반복한 결과, In3Sb1Te2을 이용한 상변화 소자가 정상적으로 작동함을 확인할 수 있 었으며, 저항비는 약 70배 정도임이 관찰되었다. 도시하지는 않았으나, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 비정질 상에 대한 In3Sb1Te2 결정상과 InTe 결정상의 각각의 저항비는 70 배보다 더 클 것으로 예상되며, Sba(InxTe1 -x)b 화합물이 멀티 비트 구동이 가능한 상변화 메모리 소자를 위한 강력한 후보 재료임을 의미한다.
이상의 실시예에서, 3 성분계 화합물인 Sba(InxTe1 -x)b에 대하여 상술하였으나, 당업자라면, 2 상분계 화합물로서, 온도 상승에 따라 순차대로 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 갖는 한 변형된 실시예로서, 본 발명의 범위에 포함될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 스토리지 노드를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 스토리지 노드의 유효 저항 성분을 도시하는 등가 회로이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 구동 방법을 개략적으로 도시하는 그래프이다.
도 4는 멀티 비트 상변화 메모리 소자의 스토리지 노드에 적용되는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 재료인 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 상평형도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 재료인 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 시차주사열량계(differential scanning calorimetry; DSC) 분석 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 재료인 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 고온 X-선 회절 분석 결과를 도시하는 그래프이다.
도 7은 키싱어(Kissinger) 방법에 따른 Sba(InxTe1 -x)b 화합물의 결정화에 필요한 활성화 에너지를 도시하는 그래프이다.
도 8a 및 8b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 Sba(InxTe1 -x)b 화합물을 포함하는 비휘발성 메모리 셀의 I-V 및 R-V 특성을 도시하는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 셀의 비정질 상태(리셋 상태)와 저온 결정상인 InSb 결정상(셋 상태) 사이의 가역적 상변화에 따른 저항 변화를 도시한다.
Claims (10)
- 삭제
- 스토리지 노드에 상변화 재료를 포함하는 비휘발성 메모리 소자로서,상기 상변화 재료는 온도 상승에 따라 구별되는 저항값을 갖는 적어도 3 개 이상의 결정상을 순차대로 나타내는 2 성분계 또는 3 성분계 화합물의 기저 재료를 포함하고, 상기 기저 재료는 온도 상승에 따라 공석 반응 및 포정 반응 중 적어도 어느 하나를 겪는 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 기저 재료는 화학식 1로 표현되는 칼코겐 화합물을 포함하는 멀티 비트 상변화 메모리 소자:[화학식 1]Ma(InxTe1 -x)b상기 화학식 1에서,상기 M은 Ag, Ge, Bi, Sb 및 Si 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, 상기 X는 0.35 ≤ x ≤ 0.65를 만족하도록 선택되며, 상기 a 와 b는 a + b = 1를 만족하도록 선택된 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 화학식 1에서, 상기 a는 0 < a ≤ 0.3을 만족하도록 선택된 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 상변화 재료는 상기 기저 재료의 결정화 온도 및 용융 온도 중 적어도 어느 하나를 조절하기 위한 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O)의 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 더 포함하는 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 기저 재료는 화학식 2로 표현되는 칼코겐 화합물을 포함하는 멀티 비트 상변화 메모리 소자:[화학식 2]AaMb(InxTe1 -x)b상기 화학식 2에서,상기 A는 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O)의 그룹으로 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, 상기 M은 Ag, Ge, Bi, Sb 및 Si 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소이며,상기 X는 0.4 ≤ x ≤ 0.6를 만족하도록 선택되고, 상기 a, b 및 c는 a + b + c = 1를 만족하도록 선택되며, 상기 a 및 b는 0 < a ≤ 0.1 및 0 < b ≤ 0.3을 만족하도록 선택된 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,상기 기저 재료는 인듐 안티몬화물(InSb)-인듐 텔레늄화물(InTe) 상평형도의 결합선(tie line) 내에 존재하는 화학양론적인 In3Sb1Te2 결정 구조를 형성하는 조성 영역으로부터 선택된 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 상변화 재료에 펄스 형태의 전기적 에너지를 가하여, 상기 상변화 재료의 적어도 일부를 가열하여 용융 후 비정질 구조를 갖도록 냉각시켜 정보를 리셋 기록하거나, 상기 상변화 재료의 적어도 일부를 가열하여 상기 적어도 3 개 이상의 결정상 중 어느 하나를 갖도록 결정화시켜 셋 기록을 함으로써, 상기 비정질 구조와 결정 구조의 저항값 차이로부터 기록 정보를 식별하는 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 기저 재료의 결정 구조들이 갖는 결정화 온도는 200 ℃ 내지 600 ℃ 범위 내에 존재하는 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 스토리지 노드는 상기 상변화 재료에 접촉하여 상기 상변화 재료를 통하여 전류 흐름을 제공하는 제 1 및 제 2 전극층들을 더 포함하고,상기 전극층들 중 적어도 하나는 워드 라인에 결합되고, 다른 하나는 비트 라인에 결합되는 멀티 비트 상변화 메모리 소자.
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