KR20090068816A - 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 관한 것이다. Ⅲ-Ⅴ족 물질에 캘코겐(chalcogen) 물질이 더 포함된 상변화 물질층을 제공함으로써, 셋 속도 및 리텐션 특성을 향상시킨 상변화 메모리 소자를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자(phase-change random access memory : PRAM)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결정화 시간이 빠르며, 리텐션 특성이 우수한 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 관한 것이다.
상변화 메모리 소자(Phase change Random Access Memory : PRAM)는 차세대 메모리 소자의 하나로 불리며, 데이타가 저장되는 스토리지 노드에 상변화 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
상변화 물질층은 결정 상태와 비정질 상태을 갖는데, 이들 두 상태는 가역적으로 변할 수 있다. 상변화 물질층이 결정 상태일 때, 상변화 물질층의 저항은 상변화 물질층이 비정질 상태일 때보다 낮다. 상변화 메모리 소자는 이와 같이 상변화 물질층의 상(phase)의 상태에 따라 상변화 물질층의 저항이 다른 특성을 이용하여 데이터를 기록하는 메모리 소자이다.
상변화 메모리 소자는 일반적으로 상변화 물질층 및 이와 연결된 스위치 구조체를 포함하는 구성을 지니고 있다. 스위치는 다이오드, 트랜지스터 등을 들 수 있다. 예를 들어, 상변화 메모리 소자는 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 트랜지스터 및 트랜지스터의 소스 또는 드레인과 연결된 하부 전극 콘택층 및 상변화 물질층을 포함한 구조를 지닌다. 상변화 메모리 소자의 상변화 물질층에 전기적인 펄스를 인가한 경우, 상변화 물질층의 국부 영역에서 열이 발생하여, 상변화 물질층이 결정질(crystalline) 또는 비정질(amorphous) 상태로 변화하게 된다. 상변화층이 가열되는 정도에 따라 결정질과 비정질 상태로 상변화를 일으키고, 그 상태에 따른 저항 값이 변하게 된다. 상변화층의 저항에 따라 전류 또는 전압이 달라지게 되므로 이진 정보를 저장 및 판독할 수 있게 된다.
상변화 물질층은 통상적으로 GST(Ge2Sb2Te5) 기반의 물질로 형성되는데, DVD 또는 CD-RW 같은 광기록장치에 쓰이는 유형의 물질로 칼코게나이드(chalcogenide)라는 명칭으로 불린다.
상변화 메모리 소자의 동작 속도는 상변화 물질층의 결정질과 비정질 사이의 상변화 속도에 의존한다. 종래 상변화 메모리 소자에 사용되는 GST(GeSeTe) 물질은 정보를 저장할 때 필요한 셋 시간이 100nsec 이상이 되어 고속으로 동작하는 메모리 소자를 구현하는데 어려움이 있다.
본 발명에서는, 종래의 상변화 물질층보다 상변화 속도가 빠르며, 리텐션 특성이 우수한 상변화 물질층을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는,
Ⅲ-Ⅴ족 물질에 캘코겐(chalcogen) 물질이 더 포함된 상변화 물질층을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 캘코겐 물질은 O(oxygen), S(sulfue), Se(seleium), Te(tellurium) 또는 Po(polonium)일 수 있으며, 상기 Ⅲ족 물질은 B, Al, In 또는 Ga일 수 있으며, 상기 Ⅴ족 물질은 Sb 또는 Bi일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, Te의 조성비 x는 0<x≤0.3이며, In의 조성비 y는 0.3≤y≤0.6이며, Sb의 조성비 z는 0.3≤z≤0.6일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, 상기 Te의 조성비 x는 0.5≤x≤0.15이며, In의 조성비 y는 0.45≤y≤0.55이며, Sb의 조성비 z는 0.45≤z≤0.55일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층의 결정화 온도는 섭씨 200도 내지 300도일 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상변화 물질층을 포함하는 스토리지 노드와 이에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서,
상기 스토리지 노드는 Ⅲ-Ⅴ족 물질에 캘코겐 물질이 더 포함된 상변화 메모리 소자를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층은 상변화 온도가 섭씨 200도 내지 300도이며, 결정화 속도가 높아서 메모리 소자로 사용시 셋 시간을 단축시키며, 리텐션 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 나타낸 단면도이다. 본원의 실시예에 의한 상변화 물질층은 Ⅲ-Ⅴ합금에 캘코겐(chalcogen) 물질이 더 포함된 것을 특징으로 한다. 여기서 캘코겐 물질은 O(oxygen), S(sulfue), Se(seleium), Te(tellurium) 또는 Po(polonium) 등이 있다. 그리고, Ⅲ족 물질로는 B, Al, In 또는 Ga 등이 있다. Ⅴ족 물질로는 Sb 또는 Bi 등이 있다. 구체적으로 캘코겐 물질로 Te를 사용하여, Ⅲ족 물질로 In을 사용하고, Ⅴ족 물질로 Sb를 사용 한 TexInySbz(x+y+z=1)를 사용할 수 있다. 여기서, 상기 TexInySbz에서 Te의 조성비(atomic ratio) x는 0<x≤0.3이되, 바람직하게는 0.5≤x≤0.15이다. In의 조성비 y는 0.3≤y≤0.6이되, 바람직하게는 0.45≤y≤0.55이다. 또한 Sb의 조성비 z는 0.3≤z≤0.6이되, 바람직하게는 0.45≤z≤0.55이다.
본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층은 CVD, PVD 또는 ALD 등의 공정으로 형서할 수 있다. 다음, 이러한 상변화 물질층의 형성 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 스퍼터링 공정에 의해 형성하는 경우에는 캘코겐 물질과 Ⅲ-Ⅴ족 물질이 모두 포함된 화합물 타겟을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, Ⅲ-Ⅴ족 합금 타겟과 캘코겐 물질의 타겟을 사용하거나, Ⅲ족 물질, Ⅴ족 물질 및 캘코겐 물질을 각각 별도의 타겟으로 사용하여 코스퍼터링(co-sputtering) 공정을 실시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 스위치 구조체(21) 상에 하부 전극(22)이 형성되어 있으며, 하부 전극(22) 상에 상변화 물질층(23) 및 상부 전극(24)이 순차적으로 형성되어 있다. 스위치 구조체(21)는 다이오드, 트랜지스터 등을 사용하여 형성된 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하며, 기판(30)에 제 1불순물 영역(31a) 및 제 2불순물 영 역(31b)이 형성되어 있으며, 제 1불순물 영역(31a) 및 제 2불순물 영역(31b) 상이에는 게이트 절연층(32) 및 게이트 전극(33)이 형성되어 있다. 여기서, 기판(30), 제 1, 제 2불순물 영역(31a, 31b) 및 게이트 전극(33)은 전계 효과 트랜지스터(이하, 트랜지스터)(T)를 구성한다. 그리고, 기판(30) 및 게이트 전극(33) 상에는 제 1층간 절연층(34)이 형성되어 있다. 제 1층간 절연층(33)에는 제 1불순물 영역(31a)을 노출시키는 콘택 홀을 형성하여, 전도성 플러그(35)가 형성된다. 여기서, 전도성 플러그(35)는 제 2불순물 영역(31b) 상에 형성될 수 있다. 전도성 플러그(35) 상에는 하부 전극(36) 및 하부 전극 콘택층(37)이 형성되어 있다. 하부 전극(36)은 TiN 또는 TiAlN으로 형성된 것일 수 있다. 그리고, 하부 전극 콘택층(37)은 하부 전극(36)과 동일한 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 제 1층간 절연층(34) 상에는 제 2층간 절연층(38)이 형성되어 있다. 그리고, 하부 전극 콘택층(37) 상에는 상변화 물질층(39) 및 상부 전극(40)이 순차적으로 형성되어 있다.
하부 전극(36), 하부 전극 콘택층(37), 상변화 물질층(39) 및 상부전극(40)은 상변화 메모리 소자의 스토리지 노드를 형성하는데, 이와 같은 스토리지 노드의 형태는 다양하게 변형할 수 있다. 상변화 물질층(39)은 Ⅲ-Ⅴ합금에 캘코겐 물질이 더 포함하여 형성된 것이다. 상술한 바와 같이, 캘코겐 물질은 O, S, Se, Te 또는 Po 등이 있으며, Ⅲ족 물질로는 B, Al, In 또는 Ga 등이 있으며, Ⅴ족 물질로는 Sb 또는 Bi 등이 있다.
본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 트랜지스터를 온(on) 상태로 유지한 뒤, 제 2불순물 영역(31b) 및 상부 전극(40) 사이에 동작 전압을 인가한다. 상기 동작 전압은 상변화 물질층(39)에 데이터를 기록하기 위한 쓰기 전압인 경우를 설명한다. 상기 쓰기 전압에 의해 상변화 물질층(39)에 리셋(reset) 전류가 인가되어 상변화 물질층(39)이 비정질 상태인 경우, 상변화 물질층(39)에 데이터 "0" 또는 "1" 등의 이진 데이타가 기록한 것으로 간주할 수 있다. 예를 들어, 상변화 물질층(39)이 비정질 상태인 경우, "1"이 기록된 것으로 간주한다.
그리고, 상기 동작 전압은 상변화 물질층(39)에 기록된 데이터를 읽기 위한 읽기 전압인 경우를 설명하며 다음과 같다. 상기 동작 전압이 읽기 전압인 경우, 상변화 물질층(39)의 저항을 측정한 후, 기준 저항과 비교하는 과정을 진행할 수 있다. 상변화 물질층(39)의 저항이 상기 기준 저항보다 낮으면, 상변화층(39)은 결정 상태인 것이고, 상변화 물질층(39)으로부터 데이터 "0"을 읽은 것으로 판단한다. 반대로, 상기 측정된 저항이 상기 기준 저항보다 높으면, 상변화 물질층(39)은 비정질 상태이고, 상변화물질층(39)으로부터 데이터 "1"을 읽은 것으로 판단한다. 상기 측정된 저항과 기준 저항과의 비교 결과를 어떤 데이터로 판단할 것인지는 임의적일 수 있다.
그리고, 상기 동작 전압은 상변화 물질층(39)에 기록된 데이터를 소거하기 위한 소거 전압인 경우, 상변화 물질층(39)에는 셋(set) 전류가 인가된다. 결과적으로, 상변화 물질층(39)의 비정질 영역은 결정 영역으로 변화된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자의 특성에 대해 상세히 살펴보고자 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층에 대한 PTE(phase-temperatur effect) 다이어그램을 나타낸 도면이다. 이는 650nm 레이저 조사(irradiation)에 의한 상변화 거동을 측정한 것으로, 가로축은 시간을 나타내었으며, 세로축은 인가 전류를 나타낸 것이다. 도 4a은 Te0.11In0.48Sb0.41의 조성을 지닌 상변화 물질층에 대한 것이며, 도 4b는 Te0.17In0.44Sb0.39의 조성을 지닌 상변화 물질층에 관한 것이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, Te0.11In0.48Sb0.41 및 Te0.17In0.44Sb0.39의 조성을 지닌 상변화 물질층 모두 통상의 상변화 메모리 소자의 구동 영역인 50mW 부근에서 매우 짧은 시간(10ns 미만)에서 급격하게 상변화가 발생하는 것을 알 수 있다. 통상적인 GST(Ge2Sb2Te5) 상변화 물질층의 경우, 결정화가 완료되는데 필요한 시간이 약 150ns인데 반해 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자는 상변화가 발생하는데 필요한 시간이 매우 짧아 상변화 메모리 소자의 구동 시, 셋 타임(set time)이 종래에 비해 크게 개선될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자의 스위칭 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 사용된 상변화층은 Te0.11In0.48Sb0.41의 조성을 지닌 것이다. 도 5에서, 가로축은 셋-리셋을 반복한 횟수를 나타낸 것이며, 세로축은 반사도를 나타낸 것이다. 즉, 반사도가 높은 영역은 결정질상을 나타낸 것이며, 반사도가 낮은 영역은 비정질상을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 셋-리셋 상태를 지속적으로 반복하는 경우, 결정질상 및 비정질상 사이의 차이가 명확하게 드러나는 것을 알 수 있다. 따라서, 메모리 소자로 충분히 사용 가능한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층의 XRD(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 기본적으로 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자를 Te를 포함하는 InSb로 형성한 경우, 결정 구조상 스위칭에 유리한 큐빅 싱글상(cubic single phase)를 지니는 것을 확인할 수 있다. 다만, Te의 조성비가 높아질수록 다상(multi-phase)이 존재하게되는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시에의 의한 상변화 물질층의 결정화 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 가로축은 온도를 나타낸 것이며, 세로축은 광학상수인 흡수율 상수(extinction coefficient : k)를 나타낸 것이다. 구체적으로 온도가 변화할 때, 결정질 및 비정질 사이의 상이 변화하는 경우, 흡수율이 변화하는 특성을 이용한 것이다. 여기서, #90은 In0.48Sb0.41Te0.11, #91은 In0.47Sb0.43Te0.10, #92는 In0.44Sb0.39Te0.17, #93은 In0.46Sb0.40Te0.14, #94는 In0.40Sb0.37Te0.23을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 5가지 조성의 상변화 물질층의 흡수율 상수(k)가 섭씨 200도 내지 300도 사이에서 급격히 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 이에 따라 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층의 결정화 온도는 섭씨 200도 내지 300도 사이인 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층은 결정화 속도가 매우 빠르므로, 셋 시간을 크게 향상시킬 수 있으며, 반면 결정화 온도가 비교적 높아서 리텐션 특성을 향상시킨 것을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 상변화 물질층은 유지하면서 다른 부분을 변형할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층에 대한 PTE(phase-temperatur effect) 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자의 스위칭 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층의 XRD(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시에의 의한 상변화 물질층의 결정화 온도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21... 스위치 구조체 22... 하부 전극
23... 상변화 물질층 24... 상부 전극
30... 기판 31a... 제 1불순물 영역
31b... 제 2불순물 영역 32... 게이트 절연층
33... 게이트 전극 34... 제 1층간 절연층
35... 전도성 플러그 36... 하부 전극
37... 하부 전극 콘택층 38... 제 2층간 절연층
39... 상변화 물질층 40... 상부 전극
Claims (16)
- Ⅲ-Ⅴ족 물질에 캘코겐(chalcogen) 물질이 더 포함된 상변화 물질층.
- 제 1항에 있어서,상기 캘코겐 물질은 O(oxygen), S(sulfue), Se(seleium), Te(tellurium) 또는 Po(polonium)인 상변화 물질층.
- 제 1항에 있어서,상기 Ⅲ족 물질은 B, Al, In 또는 Ga인 상변화 물질층.
- 제 1항에 있어서,상기 Ⅴ족 물질은 Sb 또는 Bi인 상변화 물질층.
- 제 1항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하는 상변화 물질층.
- 제 5항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, Te의 조성비 x는 0<x ≤0.3이며, In의 조성비 y는 0.3≤y≤0.6이며, Sb의 조성비 z는 0.3≤z≤0.6인 상변화 물질층.
- 제 5항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, 상기 Te의 조성비 x는 0.5≤x≤0.15이며, In의 조성비 y는 0.45≤y≤0.55이며, Sb의 조성비 z는 0.45≤z≤0.55인 상변화 물질층.
- 제 1항에 있어서,상기 상변화 물질층의 결정화 온도는 섭씨 200도 내지 300도인 상변화 물질층.
- 상변화 물질층을 포함하는 스토리지 노드와 이에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서,상기 스토리지 노드는 Ⅲ-Ⅴ족 물질에 캘코겐 물질이 더 포함된 상변화 메모리 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 캘코겐 물질은 O(oxygen), S(sulfue), Se(seleium), Te(tellurium) 또 는 Po(polonium)인 상변화 메모리 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 Ⅲ족 물질은 B, Al, In 또는 Ga인 상변화 메모리 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 Ⅴ족 물질은 Sb 또는 Bi인 상변화 메모리 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하는 상변화 메모리 소자.
- 제 13항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, Te의 조성비 x는 0<x≤0.3이며, In의 조성비 y는 0.3≤y≤0.6이며, Sb의 조성비 z는 0.3≤z≤0.6인 상변화 메모리 소자.
- 제 13항에 있어서,상기 상변화 물질층은 TexInySbz(x+y+z=1)를 포함하며, 상기 Te의 조성비 x는 0.5≤x≤0.15이며, In의 조성비 y는 0.45≤y≤0.55이며, Sb의 조성비 z는 0.45≤z ≤0.55인 상변화 메모리 소자.
- 제 9항에 있어서,상기 상변화 물질층의 결정화 온도는 섭씨 200도 내지 300도인 상변화 메모리 소자.
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