KR101573015B1 - 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법은 상변화물질을 리셋 상태로 전환시키는 경우 과도하게 높은 활성화에너지로 인해 지나치게 많은 소비 전류가 소요되는 문제점을 해결하였다. 즉, 상변화물질을 리셋 상태로 전환시키는데 있어서, 종래 기술에서 과도하게 소요되는 소비 전류를 현저하게 낮췄다. 그리고 이렇게 소비 전류를 낮추는 본원발명의 제조방법을 이용하여 상변화 메모리 저항소자를 개발하는 경우에는 보다 flexible한 기기나 장치에 적용하는 것이 가능하게 된다.

Description

활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법{Phase chang materials declining activation energy, phase-change memory resistive elements comprising the same and preparation method thereof}

본 발명은 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 메모리 소자들은 전원 공급이 중단되었을 때, 보유 데이터의 지속 유무에 따라, 휘발성 메모리 소자 및 비휘발성 메모리 소자로 나누어진다. 대표적인 휘발성 메모리 소자들이 디램(dynamic random access memory, DRAM) 소자 및 에스램(static random access memory, SRAM) 소자이며, 대표적인 비휘발성 메모리 소자들이 플래시 메모리 소자이다. 이와 같은 메모리 소자들은 저장된 전하 유무에 따라 이진수 "1" 또는 "0"을 나타냄으로써 기능을 한다.

휘발성 메모리 소자인 디램은, 주기적인 리프레쉬 동작이 필요하며, 높은 전하 저장능력이 요구된다. 따라서, 디램 소자의 경우, 커패시턴스를 증가시켜야 한다. 그러므로, 커패시터(capacitor) 전극의 표면적을 증가시키기 위해 많은 노력이 시도되고 있다. 그러나 커패시터 전극의 표면적 증가는 디램 소자의 집적도 증가를 어렵게 하는 문제점이 있다.

또한, 플래시 메모리의 셀에 데이터를 기입 또는 소거하는 원리는 게이트 절연막을 통하여 전하를 터널링 시키는 방법을 사용한다. 이때, 전원전압에 비하여 높은 동작전압이 요구된다. 이로 인하여, 플래시 메모리 소자들은 기입동작 및 소거동작에 필요한 전압을 제작하기 위하여 승압 회로가 요구된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비휘발성 및 임의 접근(random access)이 가능하고, 구조가 간단한 새로운 메모리 소자로 나타난 대표적인 것이 상변화 메모리 저항소자이다. 상변화 메모리 저항소자는 디램과 유사한 구조를 가지며 두 개의 전극 사이에 상변화물질을 사용한다. 일반적으로 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루리움(Te)으로 구성된 칼코겐 화합물(칼코게나이드), GST(Ge-Sb-Te)이 상변화 재료에 해당하는 상변화물질로서 사용된다. 칼코게나이드는 주어지는 주울열(Joule heat)이 증가함에 따라 비정질에서 결정질상으로 변화한다. 이때, 결정질 상태의 칼코게나이드는 면저항이 낮고 비정질 상태의 칼코게나이드는 면저항이 높다. 따라서 면저항 차이를 이용하여 이진 정보의 저장이 가능하다.

칼코게나이드 상변화 층에 접하는 두 전극 사이의 전류가 칼코게나이드에 주울열을 제공한다. 두 전극을 통해서 높은 크기의 전류펄스를 단시간(약 10 ns) 인가하여 칼코게나이드를 그 용융점 이상의 온도(약 610 ℃)로 가열한 후 전류 펄스를 제거하는 것에 의해 순간적으로 냉각시키면 전극에 접하는 GST 칼코게나이드 일부분이 비정질 상태(Reset, 리셋 상태)로 된다. 반면, 두 전극 사이에 낮은 크기의 전류 펄스를 장시간(약 30 ns) 인가하여 칼코게나이드의 용융 온도보다 낮은 결정화 온도로 유지한 후 전류 펄스를 제거하면 전극에 접하는 칼코게나이드 일부분이 결정질 상태(Set, 셋 상태)로 변한다.

이렇게 리셋 상태로 만들기 위해서는 두 전극을 통해서 전류펄스를 인가하여야 하는데, 이때 지나치게 높은 활성화에너지가 필요하기 때문에 리셋 상태로 만들기 위해서는 많은 소비 전류(Power consumption)가 필요하다는 문제점이 있다. 또한 상변화 물질을 포함하는 메모리 소자가 적용되는 장치는 다양한 분야로 확대되는 실정인데, 이중 flexible 기기에 적용시키기 위하여는 roll to roll 공정 등에도 유연하게 적용할 수 있는 제조방법의 개발이 절실하다는 문제점이 있다.

한편, 본 발명과 관련된 선행기술은, 한국공개특허 제2004-0076225호에 상변화 물질로서 실리콘 및 질소 중 어느 하나가 도핑된 칼코겐 화합물을 이용한 것에 대해서 개시되어 있고, 한국공개특허 제2009-0081302호에 상변화 재료층으로 안티몬이 과량 첨가된 Ge-Sb-Te를 이용한 상변화 메모리 소자에 관한 것이 개시되어 있을 뿐, 활성화에너지를 낮춰 리셋 상태로 전환시 소비 전류를 줄이는 방법에 관하여는 어떠한 개시 또는 암시조차 되어 있지 않다.

특허문헌 1. 대한민국 공개특허 제2004-0076225호 특허문헌 2. 대한민국 공개특허 제2009-0081302호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상변화물질이 리셋 상태로 전환시 과다하게 높은 활성화에너지를 낮추고, 이를 통해 리셋 상태에 이르기 위해 과다하게 소요되는 소비 전류를 줄여주는 상변화물질을 제공하는 것이 목적이다. 또한 이렇게 활성화에너지가 감소된 상변화물질을 포함하는 상변화 메모리 저항소자를 제공 및 제조하는 것이 목적이다. 또한 보다 다양한 기기나 장치에 상기 상변화 메모리 저항소자를 적용하는 것이 목적이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 상변화물질은

상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질로서,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 첫 번째 상변화 메모리 저항소자의 제조방법은

1) 상변화물질을 포함하는 상변화 재료막을 형성하는 단계; 및

2) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;

를 포함하고,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 상기 2)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 두 번째 상변화 메모리 저항소자의 제조방법은

1) 반도체 기판 위에 제 1전극을 형성하는 단계;

2) 상기 제 1전극을 둘러싸는 제 1절연막을 형성하는 단계;

3) 상기 제 1 절연막을 관통하여 상기 제 1 전극과 제1절연막 표면 외부를 전기적으로 접속하는 제 1 전극 콘택을 형성하는 단계;

4) 상기 제1전극 콘택에 전기적으로 연결되면서, 상변화물질을 포함한 상변화 재료막을 형성하는 단계;

5) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;

6) 상기 상변화 재료막 위에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및

7) 상기 상변화 재료막 및 상기 제 2 전극을 둘러싸는 제 2 절연막을 형성하는 단계;

를 포함하고,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 상기 5)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법은 상변화물질을 리셋 상태로 전환시키는 경우 과도하게 높은 활성화에너지로 인해 지나치게 많은 소비 전류가 소요되는 문제점을 해결하였다. 즉, 상변화물질을 리셋 상태로 전환시키는데 있어서, 종래 기술에 비해 소비 전류를 현저하게 낮췄다. 그리고 이렇게 소비 전류를 낮추는 본원발명의 제조방법을 이용하여 상변화 메모리 저항소자를 개발하는 경우에는 보다 flexible한 기기나 장치에 적용하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 실시예에 따른 굽은형으로 변형된 상변화물질의 활성화에너지 감소를 보여주는 그래프이다.
도 2는 실시예에 따른 굽은형으로 변형된 상변화물질의 소비 전류 감소를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예에 따라 굽은형으로 변형시키는 것을 가능하게 하는 일실시예의 장비인 벤딩 홀더를 나타내는 사진이다.
도 4는 실시예에 따라 굽은형으로 변형된 경우 시편에 주어지는 스트레인을 나타내는 개략도이다.

이에 본 발명자들은 리셋 상태로 전환시 활성화에너지를 낮춰 소비 전류를 현저하게 감소시킬 수 있는 상변화물질을 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 활성화에너지가 감소한 상변화물질과 이를 포함하는 상변화 메모리 저항소자 및 이의 제조방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

구체적으로 본 발명에 따른 상변화물질은

상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질로서,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 게르마늄(Ge)이나 텔루리움(Te) 등이 포함된 상변화물질은 주울열(Joule heat)이 증가함에 따라 비정질에서 결정질상으로 변화한다. 이때, 결정질 상태의 상변화물질은 면저항이 낮고, 비정질 상태의 상변화물질은 면저항이 높다. 따라서 면저항 차이를 이용하여 정보의 저장이 가능하게 되는 것이다. 이때 상기 비정질 상태를 리셋(Reset) 상태라 칭하며, 결정질 상태를 셋(Set) 상태라 칭하게 된다. 이중 리셋 상태는 두 전극을 통해서 높은 크기의 전류펄스를 단시간(약 10 ns) 인가하여 상변화물질을 그 용융점 이상의 온도(약 610 ℃)로 가열한 후 전류 펄스를 제거하는 것에 의해 순간적으로 냉각시키면 전극에 접하는 상변화물질의 일부분이 비정질 상태(Reset, 리셋 상태)로 된다. 반면, 두 전극 사이에 낮은 크기의 전류 펄스를 장시간(약 30 ns) 인가하여 상변화물질의 용융 온도보다 낮은 결정화 온도로 유지한 후 전류 펄스를 제거하면 전극에 접하는 상변화물질의 일부분이 결정질 상태(Set, 셋 상태)로 변한다. 이 중에서 리셋 상태로 만들기 위해서는 상기 확인한 바와 같이 두 전극을 통해서 전류펄스를 인가하여야 하는데, 이때 지나치게 높은 활성화에너지가 필요하기 때문에 리셋 상태로 만들기 위해서는 많은 소비 전류(Power consumption)가 필요하다는 문제점이 있었고, 본 발명은 이를 해결하기 위한 발명이다. 일반적으로 활성화에너지란 화학 변화를 일으키기 위해서는 반응 물질이 충분한 에너지를 가지고 있어야 하며, 이처럼 반응을 일으키기 위하여 필요한 최소한의 에너지를 활성화에너지라고 한다. 그러므로 본 발명에서는 리셋 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지를 낮춰, 리셋 상태로 전환시 지나치게 많이 소비되던 소비 전류를 낮추는 것에 관한 것이다.

한편, 본 발명에 따른 상변화물질은 GeTe를 포함하는 것으로서, 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 상기 GeTe(Ge; 게르마늄, Te: 텔루리움)에 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것일 수 있다. 또한 더욱 바람직하게는 상기 상변화물질은 칼코게나아드로서 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루리움(Te)를 포함하는 GST 일 수 있으며, 상기 GST에 황(S) 셀레늄(Se), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 상변화물질이 감소된 활성화에너지를 갖는 원인은, 상변화물질에 외력이 주어져서 굽은형(Bending geometry)으로 변형됨에 따라 활성화에너지가 감소하게 된다. 이렇게 굽은형으로 변형되어 활성화에너지가 감소함은 리셋 시에 Ge 원자의 움직임에 미치는 활성화에너지 값이 작아지기 때문에 상변화물질의 전체적인 활성화에너지도 동시에 감소하게 되는 것이다. 또한 상기 상변화물질에 포함되는 GeTe는 본 발명에서는 바람직하게는 R3m 구조인 것이 바람직한데, 상기 R3m 구조란 FCC cubic구조에서 (111)방향으로의 distortion이 있는 GeTe의 구조를 의미한다. 그리고 이러한 R3m 구조를 갖는 GeTe계 물질은 기본적으로 파이얼스 불안정성(peierls detortion)으로 인해 생기는 구조적인 변형이 잠재되어 있는데, 상기 GeTe에 외력이 부가되면 굽은형으로 변형된 기하학적 효과에 의해 스트레인이 유발되고 파이얼스 불안정성이 심화되게 되는데, 이렇게 구조적 변형에 의해 활성화에너지가 감소하게 되는 것이다. 한편, 이렇게 활성화에너지가 낮춰지게 되면 리셋 상태로 전환하기 위해 필요한 최소한의 에너지가 감소하게 되고, 그에 따라 리셋 상태로 전환시키기 위한 소비 전류의 양도 현저하게 감소시킬 수 있는 것이다.

한편, 상기 GeTe에서 게르마늄(Ge)과 텔루리움(Te)의 함량은 상변화물질로 기능할 수 있는 함량으로서, 당업계에 상변화물질로 기능하는 GeTe의 공지된 함량을 모두 포함할 수 있다. 또한 상기 GeTe에 더 포함되는 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi) 등의 함량도 상기 GeTe가 상변화물질로 기능하는 것을 방해하지 않는 범위의 함량이라면 특별한 제한 없이 이에 포함될 수 있다. 다만, 바람직한 일실시예에 해당하는 함량비로서 상기 게르마늄과 텔루리움은 0.5-1.5:0.5-1.5의 함량비일 수 있으며, 여기에 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi) 등이 상변화물질의 기능을 해하지 않는 범위에서 더 포함될 수 있다.

한편, 상기 상변화물질에 부가되는 외력은 인위적인 방법에 의해 부가되는 것이라면 특별한 제한 없이 허용될 수 있으며, 이때 상기 상변화물질에 인위적으로 외력을 부가하는 방법에는 굽은형을 이용하는 방법과 계면물질을 이용하는 방법이 있다. 또한 상기 상변화물질이 굽은형으로 변형되기 위한 바람직한 외력의 강도는, 인장강도 50 MPa-1 GPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것일 수 있는데, 상기 인장강도가 50 MPa 미만인 경우에는 활성화에너지를 감소시킬 정도의 굽은형으로 충분히 변형되기 어려워 바람직하지 않으며, 상기 인장강도가 1 GPa를 초과하는 경우에는 본 발명에서 요구되는 굽은형 보다도 구조적 변형이 심해져 상변화물질로서 기능하기 어려워지기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 상기 굽은형으로 변형되기 위한 더욱 바람직한 외력의 강도는 인장강도 200-500 MPa인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서 의미하는 굽은형은 Bending geometry로서 상기 R3m 구조의 (111)방향으로의 변형 및 파이얼스 불안정성이 심해진 구조로 변형된 것을 의미한다.

한편, 상기 상변화물질은 굽은형으로 변형됨으로써 활성화에너지지가 감소하여 소비 전류가 감소하는 것이며, 굽은형으로 변형되기 이전과 비교하여 소비 전류가 70-80 %로 감소한 것일 수 있다. 이러한 수치로까지 소비 전류가 감소하게 되면 종래 기술에 비해 리셋 상태로 전환시 과다하게 소요되는 소비 전류를 현저하게 낮추는 것이 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 상변화물질은 굽은형으로 변형이 가능하기 때문에 상기 상변화물질을 flexible한 기기 또는 장치에까지 적용하는 것이 가능하게 되어, 상변화물질의 활용폭을 보다 넓힐 수 있게 되었다.

이렇게 본 발명에 따른 상변화물질은 굽은형으로 변형되어 활성화에너지를 낮춤으로써, 리셋 상태로 전환시 지나치게 많이 소요되던 소비 전력을 감소시킨 효과가 있다. 또한 상변화물질이 flexible device까지 적용될 수 있도록 활용폭을 넓혔다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 상변화 메모리 저항소자는 상기 상변화물질을 포함하는 것으로서, 활성화에너지가 낮아져 소비 전류가 현저히 감소한 것에 해당하며, 굽은형으로 변형되어 이루어지는 상변화물질로 인해 제조공정에서 roll to roll 공정 등이 적용되어 제조되는 flexible한 장치 등에 적용하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 첫 번째 상변화 메모리 저항소자의 제조방법은

1) 상변화물질을 포함하는 상변화 재료막을 형성하는 단계; 및

2) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;

를 포함하고,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 상기 2)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

상기 1)단계에 의해 형성되는 상변화 재료막은 상변화물질을 포함하는 것으로서, 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 상변화물질이 코팅된 반도체 기판 등이 이에 해당할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 상변화물질은 GeTe를 포함하는 것으로서, 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 상기 GeTe에 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것일 수 있다. 또한 더욱 바람직하게는 상기 상변화물질은 칼코게나아드로서 게르마늄(Ge), 안티몬(Sb) 및 텔루리움(Te)를 포함하는 GST 일 수 있으며, 상기 GST에 황(S) 셀레늄(Se), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것일 수 있다.

한편, 상기 2)단계에서는 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키게 된다. 이렇게 상변화물질에 외력이 주어져서 굽은형(Bending geometry)으로 변형됨에 따라 활성화에너지가 감소하게 된다. 이렇게 굽은형으로 변형되어 활성화에너지가 감소함은 리셋 시에 Ge 원자의 움직임에 미치는 활성화에너지 값이 작아지기 때문에 상변화물질의 전체적인 활성화에너지도 동시에 감소하게 되는 것이다. 또한 상기 상변화물질에 포함되는 GeTe는 본 발명에서는 바람직하게는 R3m 구조인 것이 바람직하다. 한편, 이렇게 활성화에너지가 낮춰지게 되면 리셋 상태로 전환하기 위해 필요한 최소한의 에너지가 감소하게 되고, 그에 따라 리셋 상태로 전환시키기 위한 소비 전류의 양도 현저하게 감소시킬 수 있는 것이다.

한편, 상기 GeTe에서 게르마늄(Ge)과 텔루리움(Te)의 함량은 상변화물질로 기능할 수 있는 함량으로서, 당업계에 상변화물질로 기능하는 GeTe의 공지된 함량을 모두 포함할 수 있다. 또한 상기 GeTe에 더 포함되는 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi) 등의 함량도 상기 GeTe가 상변화물질로 기능하는 것을 방해하지 않는 범위의 함량이라면 특별한 제한 없이 이에 포함될 수 있다. 다만, 바람직한 일실시예에 해당하는 함량비로서 상기 게르마늄과 텔루리움은 0.5-1.5:0.5-1.5의 함량비일 수 있으며, 여기에 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi) 등이 상변화물질의 기능을 해하지 않는 범위에서 더 포함될 수 있다.

한편, 상기 상변화물질이 굽은형으로 변형되기 위한 바람직한 외력의 강도는, 인장강도 50 MPa-1 GPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것일 수 있다. 또한 상기 상변화물질이 굽은형으로 변형되기 위한 더욱 바람직한 외력의 강도는 인장강도 200-500 MPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것일 수 있다.

한편, 상기 2)단계에서 상변화물질에 부가되는 외력은 인위적인 방법에 의해 부가되는 것이라면 특별한 제한 없이 허용될 수 있으며, 이때 상기 상변화물질에 인위적으로 외력을 부가하는 방법에는 일실시예로서 레이저를 인가하여 외력을 부가하는 방법이 있을 수 있다.

한편, 상기 상변화물질은 굽은형으로 변형됨으로써 활성화에너지지가 감소하여 소비 전류가 감소하는 것이며, 굽은형으로 변형되기 이전과 비교하여 소비 전류가 70-80 %로 감소한 것일 수 있다.

이렇게 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 상변화 메모리 저항소자는 리셋 상태로 전환시 활성화에너지가 감소하는 것으로서, 이렇게 활성화에너지가 감소하게 되면 리셋 상태로 전환하는데 소요되는 소비전류를 현저히 낮출 수 있다. 또한 상기 2)단계와 같이 굽은형을 형성하는 공정이 있어, 이러한 공정을 적용하여야 하는 각종 flexible device의 제조공정에 적용되어 상변화 메모리 저항소자의 활용폭을 넓히는데 기여하는 것이 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 두 번째 상변화 메모리 저항소자의 제조방법은

1) 반도체 기판 위에 제 1전극을 형성하는 단계;

2) 상기 제 1전극을 둘러싸는 제 1절연막을 형성하는 단계;

3) 상기 제 1 절연막을 관통하여 상기 제 1 전극과 제1절연막 표면 외부를 전기적으로 접속하는 제 1 전극 콘택을 형성하는 단계;

4) 상기 제1전극 콘택에 전기적으로 연결되면서, 상변화물질을 포함한 상변화 재료막을 형성하는 단계;

5) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;

6) 상기 상변화 재료막 위에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및

7) 상기 상변화 재료막 및 상기 제 2 전극을 둘러싸는 제 2 절연막을 형성하는 단계;

를 포함하고,

상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,

상기 상변화물질은 상기 5)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 한다.

이러한 공정으로 이루어지는 상기 두 번째에 따른 상변화 메모리 저항소자의 제조방법은, 상기 첫 번째 상변화 메모리 저항소자의 제조방법에 따른 바람직한 일실시예로도 이해될 수 있다.

한편, 상기 상변화 재료막을 형성하는 4)단계에 있어서, 상기 상변화 재료막은 특별한 제한이 있는 것은 아니나 바람직한 일실시예로서 스퍼터링 방법에 의해서 제작될 수 있으며, 상온에서 약 350 ℃의 온도 범위에서 제작될 수 있다. 또한 칼코게나이드 화합물을 타겟으로 하여 플라스마 가스로서 아르곤(Ar) 가스 및 산소 분자(O2) 가스를 사용하는 스퍼터링 방법을 사용하여 상기 상변화 재료막 패턴을 형성할 수 있다.

또한 상기 방법 이외에도 본 발명에 따른 상변화 재료막의 물성을 구현할 수 있다면, 화학적 기상 증착법(CVD) 등의 다른 방법도 이용할 수 있을 것이다.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

GeTe를 포함하는 상변화물질을 가지고 상변화 재료막을 제조하였으며, 이러한 상변화 재료막을 가지고 상변화 메모리 저항소자를 개발하였다. 이때 상기 상변화 재료막 형성 후, 제작한 Bending 펄스 레이저를 s로 인가하여 상기 상변화 재료막을 벤딩(bending)하였으며, 이를 통해 상변화물질을 굽은형(bending geometry)으로 변형시켰다. 이러한 상변화 재료막을 가지고 최종 상변화 메모리 저항소자를 제조하였다.

한편, 본 실시예에서 상기 상변화 재료막의 보다 구체적인 제조공정을 살펴보면, 반도체 기판 위에 제1 전극을 형성하는 단계(STEP 1), 제1 전극을 둘러싸는 제1 절연막을 형성하는 단계(STEP 2), 제1 절연막을 관통하여 제1 전극과 제1 절연막 표면 외부를 전기적으로 접속하는 제1 전극 콘택을 형성하는 단계(STEP 3), 제1 전극 콘택에 전기적으로 연결되어 상변화 재료막(14) 패턴을 형성하고, 펄스 레이저를 인가하여 굽은형으로 변형시키는 단계(STEP 4), 상변화 재료막 위에 제2 전극을 형성하는 단계(STEP 5) 및 상변화 재료막과 제2 전극을 둘러싸는 제2 절연막을 형성하는 단계(STEP 6)를 포함하여 구성된다.

상기 상변화 재료막 패턴을 형성하는 단계(STEP 4)에 있어서, 상기 상변화 재료막은 스퍼터링 방법에 의해서 제작되며, 상온에서 약 350 ℃의 온도 범위에서 제작하였다. 칼코게나이드 화합물 타겟으로 하여 플라스마 가스로서 아르곤(Ar) 가스 및 산소 분자(O2) 가스를 사용하는 스퍼터링 방법을 사용하여 상기 상변화 재료막 패턴을 형성하였다.

비교예

상기 실시예와는 다르게 상변화 재료막을 벤딩하지 않아, 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 공정이 제외되어 제조된 상변화 메모리 저항소자를 본 비교예로 하였다.

실험예

< 실험예 1: 굽은형 ( Bending geometry ) 시편의 경우 X선 회절 측정 및 활성화에너지 감소 확인>

상기 실시예의 제조방법에 의하되, 28 mm의 시편으로서 펄스 레이저를 인가하여 상기 시편이 굽은형으로서 각각 5 mm와 8 mm로 휘게 하였다. 이때 상기 5 mm로 휘는데는 펄스 레이저를 면방향으로 0.3 %의 스트레인이 걸리도록 인가하였고, 8 mm로 휘는데는 펄스 레이저를 면방향으로 0.4 %의 스트레인이 걸리도록 인가하였다. 그리하여 이의 X선 회절을 측정하였다. 이의 결과는 하기 도 1에 나타내었다. 이러한 결과에서 5 mm와 8 mm로 휘어진 시편의 경우에는 피크가 형성되는 지점이 0 mm(비교예)인 경우에 비해 보다 좌측으로 이동한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 시편이 휘게되어 굽은형을 형성하는 경우(실시예)에는 그렇지 않은 경우(비교예)에 비해 peierls instability가 심해져서 활성화에너지가 보다 낮아짐을 유추할 수 있었다.

< 실험예 2: 소비 전류의 감소 확인>

실시예와 같이 굽은형으로 변형되는 경우(Bend)와 그렇지 않은 경우(비교예)를 가지고 소비 전류를 비교하여, 실시예와 같이 굽은형으로 변형되는 경우에 소비 전류가 얼마나 낮아지는 지를 비교하는 실험을 진행하였다. 본 실험은 결정화된 GeTe 시편에 30-90 ns 펄스폭과 10-28 mW 파워의 레이저를 인가하였을 때 비정질화가 시작되는 조건 및 스트레인을 인가하였을 때 비정질화되는 파워가 얼마나 낮아지는지를 비교하여 측정하였다. 또한 이의 결과는 하기 도 2에 나타내었다.

하기 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 각각의 Pulse duration에서 굽은형에 해당하는 Bend(실시예)의 경우가 굽은형이 아닌 Flat(비교예)의 경우보다 White Power가 현저하게 낮아지는 결과를 확인하였다. 이러한 결과를 통해 활성화에너지가 감소된 굽은형의 상변화물질을 활용한 시편(실시예)이 그렇지 않은 경우(비교예)에 비해 소비 전류도 현저하게 낮출 수 있음을 확인하였다. 이렇게 소비 전류가 현저하게 낮아짐은 상변화물질의 활성화에너지가 현저하게 낮아졌기에 가능한 것으로서, 활성화에너지가 감소하였음을 확인할 수 있는 것이다. 또한 이렇게 굽은형으로 변형(실시예)되어 감소된 소비 전류는 굽은형으로 변형되기 이전(비교예)의 소비 전류와 비교하여 70~80 %로 소비 전류를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

한편, 하기 도 3은 본 발명에 따른 상변화물질의 굽은형 형성을 위해 사용되는 일실시예의 장비로서 벤딩 홀더를 나타낸 그림이며, 하기 도 4는 굽은형 형성시 상변화 메모리 저항소자에 주어지는 스트레인을 나타내는 개략도이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (15)

1. 상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질로서,
   상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,
   상기 상변화물질은 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상변화물질은 인장강도 50 MPa-1 GPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 상변화물질은 굽은형으로 변형됨으로써 활성화에너지지가 감소하여 소비 전류가 감소하는 것이며, 상기 감소한 소비 전류는 굽은형으로 변형되기 이전과 비교하여 70-80 %로 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 GeTe를 포함하는 상변화물질은 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자에 포함되는 상변화물질.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 상변화물질을 포함하는 상변화 메모리 저항소자.
   
6. 1) 상변화물질을 포함하는 상변화 재료막을 형성하는 단계; 및
   2) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;
   를 포함하고,
   상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,
   상기 상변화물질은 상기 2)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 상변화물질은 인장강도 50 MPa-1 GPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 상변화물질은 굽은형으로 변형됨으로써 활성화에너지지가 감소하여 소비 전류가 감소하는 것이며, 상기 감소한 소비 전류는 굽은형으로 변형되기 이전과 비교하여 70-80 %로 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
   
9. 제 6항에 있어서,
   상기 GeTe를 포함하는 상변화물질은 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
   
10. 1) 반도체 기판 위에 제 1전극을 형성하는 단계;
    2) 상기 제 1전극을 둘러싸는 제 1절연막을 형성하는 단계;
    3) 상기 제 1 절연막을 관통하여 상기 제 1 전극과 제1절연막 표면 외부를 전기적으로 접속하는 제 1 전극 콘택을 형성하는 단계;
    4) 상기 제1전극 콘택에 전기적으로 연결되면서, 상변화물질을 포함한 상변화 재료막을 형성하는 단계;
    5) 상기 상변화 재료막에 외력을 부가하여 상변화물질을 굽은형으로 변형시키는 단계;
    6) 상기 상변화 재료막 위에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
    7) 상기 상변화 재료막 및 상기 제 2 전극을 둘러싸는 제 2 절연막을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 상변화물질은 GeTe을 포함하며,
    상기 상변화물질은 상기 5)단계에서 외력에 의해 굽은형으로 변형되어 리셋(reset) 상태로 전환하는데 필요한 활성화에너지가 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 상변화물질은 인장강도 50 MPa-1 GPa 의 외력이 주어져 굽은형으로 변형되는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
    
12. 제 10항에 있어서,
    상기 상변화물질은 굽은형으로 변형됨으로써 활성화에너지지가 감소하여 소비 전류가 감소하는 것이며, 상기 감소한 소비 전류는 굽은형으로 변형되기 이전과 비교하여 70-80 %로 감소하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
    
13. 제 10항에 있어서,
    상기 GeTe를 포함하는 상변화물질은 황(S) 셀레늄(Se), 안티몬(Sb), 비소(As), 주석(Sn), 인(P), 은(Ag), 산소(O), 인듐(In) 및 비스무트(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리 저항소자의 제조방법.
    
14. 제 5항에 따른 상변화 메모리 저항소자를 포함하는 전자장치.
    
15. 제 10항에 따른 제조방법에 의해 제조된 상변화 메모리 저항소자를 포함하는 전자장치.
    

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