KR20090077523A - 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자 - Google Patents

상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자 Download PDF

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KR20090077523A
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강윤선
다니엘 와완기
마티아스 우티그
김기준
강윤호
김철규
서동석
이태연
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명은 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 관한 것이다. 본 발명에서는, 본 발명에서는, Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층을 제공하며, 상변화 물질층을 포함하는 스토리지 노드와 이에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서, 상기 스토리지 노드는 Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 제공한다.

Description

상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자{Phase change material layer and phase change memory device comprising of the same}
본 발명은 상변화 메모리 소자(phase-change random access memory : PRAM)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 녹는점을 지니며, 높은 재결정 온도를 지니며, 리셋 전류가 감소하며 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 구 조체를 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 물질인 GST(Ge-Sb-Te)보다 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,
Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상변화 물질층은 intermetallic 조성 내지 eutectic 조성 범위로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 Sb 및 In을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 InxSb1-x(0.32≤x≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 Sb 및 Ga를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 GaySb1-y(0.12≤y≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층은 In, Ga 및 Sb를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 상변화 물질층의 (In, Ga)zSb1-z(0.12≤z≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 상변화 물질층을 포함하는 스토리지 노드와 이에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서,
상기 스토리지 노드는 Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자를 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자에 대해 상세하게 설명하고자 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것임을 명심하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층(10)은 Sb에 Ga 또는 In 중 적어도 어느 하나의 물질을 더 포함한 이원계 또는 삼원계 화합물로 형성된 것이며, 이들의 조성은 intermetallic 조성 내지 eutectic 조성 범위인 것을 특징으로 한다. 구체적으로, InxSb1-x(0.32≤x≤0.50)또는 GaySb1-y(0.12≤y≤0.50)의 이원계 화합물 또는 (In, Ga)zSb1-z(0.12≤z≤0.50)의 삼원계 화합물로 형성시킬 수 있다.
In-Sb의경우, intermetallic 조성 및 Eutectic 조성에서의 융점(Tm : Melting Temperature)가 섭씨 500도 및 490도 이며, Ga-Sb의 경우, intermetallic 조성 및 Eutectic 조성에서의 융점이 약 580도이다. 이는 GST 물질의 융점인 섭씨 620도보다 낮다. 따라서, In-Sb, Ga-Sb 또는 (In, Ga)Sb를 상변화 물질층으로 사용하는 경우, 종래의 GST 상변화 물질층을 사용한 경우에 비해, 낮은 리셋 전류를 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층은 CVD, PVD 또는 ALD 등의 공정으로 형서할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 스퍼터링 공정에 의해 형성하는 경우, Sb 타겟과 In 타겟 또는 Ga 타겟을 모두 독립적인 타겟으로 사용하여 코스터링(co-sputtering) 공정으로 형성할 수 있으며, In-Sb 타겟, Ga-Sb 타겟 또는 In-Ga-Sb 타겟 등의 합금 타겟을 이용하여 형성할 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. 여기서, 상변화 물질층(23)은 도 1에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층을 사용할 수 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 3에서는 스위치 구조체로 트랜지스터를 이용한 구조를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 제 1불순물 영역(31a) 및 제 2불순물 영역(31b)이 형성된 기판(30) 상에 게이트 절연층(32) 및 게이트 전극(33)이 순차적으로 형성되어 있 다. 그리고, 기판(30) 및 게이트 전극(33) 상에는 제 1층간 절연층(34)이 형성되어 있다. 제 2층간 절연층(34)에는 제 2불순물 영역(31b)을 노출시키도록 콘택 홀을 형성한 뒤, 전도성 물질로 충전하여 형성된 전도성 플러그(35)가 위치한다. 전도성 플러그(35)는 제 1불순물 영역(31a) 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.
여기서, 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 도 1에 나타낸 상변화 물질층(10)에 대응되는 것으로, Sb에 Ga 또는 In 중 적어도 어느 하나의 물질을 더 포함한 이원계 또는 삼원계 화합물로 형성된 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층 및 이를 포함하는 상변화 메모리 소자의 특성에 대해 설명하고자 한다.
도 4a는 조성에 따른 Ga-Sb 및 In-Sb 물질의 온도 변화에 따른 전기 저항의 변화를 조성을 변화시킨 In-Sb 및 Ga-Sb에 대해 나타낸 그래프이다. 도 4a를 참조하면, 온도를 증가시킴에 따라 비정질에서 결정질로 상변화(phase transformation) 가 발생하면서, 전기 저항이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. In10-Sb0.90 시편을 제외한 나머지 시편들의 경우, 비정질 상태의 저항 값과 결정질 상태의 저항 값의 비가 102~103으로써 상변화 메모리 소자에 적용하기에 충분한 센싱 마진(sensing margin)을 나타내는 것을 알 수 있다. 다만, In-Sb 조성이 Eutectic 조성인 In 32 atomic% 보다 낮은 경우, 결정화 온도(Tc)가 GST의 결정화 온도인 섭씨 160도보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, Eutectic 조성인 In 32 atomic% 이상의 조성에서 GST보다 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자의 상변화 물질층의 조성에 따른 결정화 온도를 나타낸 그래프이다. 가로축은 Sb에 대한 Ga 또는 In조성 범위를 나타낸 것이며, 세로축은 결정화 온도는 나타낸 것이다.
도 4b를 참조하면, Ga-Sb의 경우, intermetallic 조성(Ga 12 atomic %) 내지 eutectic 조성(Ga 50 atomic %) 범위의 모든 시편들의 결정화 온도는 GST의 결정화 온도(섭씨 162도)보다 높은 것을 확인할 수 있다. In-Sb의 경우, In 32 내지 50 atomic% 조성 범위에서의 결정화 온도가 GST 물질의 결정화 온도보다 높은 것을 알 수 있다.
도 4c는 In-Sb 및 Ga-Sb에서 In 및 Ga의 조성(atomic %)에 따른 결정질 및 비정질 상태에서의 저항 값을 나타낸 그래프이다. 도 4c를 참조하면, In 및 Ga의 성분비가 증가하면, 비정질 및 결정질 상태에서 모두 저항 값이 증가하는 것을 알 수 있다. 만일, intermetallic 조성을 초과하여 In 및 Ga를 포함하는 경우, 결정질 상태에서의 비저항 값이 100m.Ωcm이상으로 증가하여 GST에 비해 20배 이상 증가하는 문제가 발생한다. 이 경우, 상변화 메모리 소자의 저항이 증가하면서 센싱 마진이 크게 감소하는 문제점이 발생한다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리층의 경우, Sb에 대한 In 또는 Ga의 성분비는 eutectic 조성 이상 intermetallic 조성 이하의 범위가 바람직한 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층의 XRD(X-ray-diffraction) 그래프를 나타낸 것이다. 도 5a에서는 In0.32Sb0.88 및 Ga0.12Sb0.88의 결정질 및 비정질 상태의 XRD 그래프를 나타내었으며, 도 5에서는 In0.5Sb0.5의 결정질 및 비정질 상태의 XRD 그래프를 나타내었다. 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화가 이루어진 경우, 도 5a의 Eutectic 조성에서는 rhombohedral 상이 나타났으며, 도 5b의 intermetallic 조성에서는 cubic 상이 나타났음을 확인하였다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층에 대한 PTE(power-time-effect) 다이어그램을 나타낸 도면이다. 이는 650nm 레이저 조사(irradiation)에 의한 상변화 거동을 측정한 것으로, 가로축은 시간을 나타내었으며, 세로축은 인가 전류를 나타낸 것이다. 도 6a는 In0.32Sb0.68의 조성을 지닌 상변화 물질층에 대한 것이며, 도 6b는 Ga0.20Sb0.80의 조성을 지닌 상변화 물질층에 대한 것이며, 도 6c는 Ga0.50Sb0.50의 조성을 지닌 상변화 물질층에 대한 것이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 비정질 상태에서 결정질 상태로 변화하는 경우, 도 6a는 7ns, 도 6b는 50ns, 도 6c는 50ns의 시간이 소요되었다. 즉, 각각의 상변화 물질층의 셋 타임(set time)이 50ns이하로써, GST의 셋 타임인 150ns보다 월등히 빠른 셋 스피드를 지닌 것을 확인할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 In-Ga-Sb 삼성분계 상변화 거동을 나타낸 그래프이다. 여기서, 가로축은 온도를 나타낸 것이며, 세로축은 저항 값을 나타낸 것이다. 도 7a는 In0.22Ga0.10Sb0.68 시편에 관한 것이며, 도 7b는 In0.25Ga0.25Sb0.5 시편에 관한 것이다.
도 7a를 참조하면, In0.22Ga0.10Sb0.68의 경우, eutectic 조성으로서 결정화 온도는 섭씨 약 220도이며, 비정질/결정질 상태의 저항 값이 비는 102정도이므로 센싱 마진이 좋은 것을 확인할 수 있다. 도 7b를 참조하면, In0.25Ga0.25Sb0.5의 경우, intermetallic 조성으로서 결정화 온도는 섭씨 약 170도이며, 비정질/결정질 저항 값의 비는 약 102 정도이므로, 센싱 마진이 우수한 것을 알 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 In0.22Ga0.10Sb0.68 및 In0.25Ga0.25Sb0.5의 결정질 상태에서의 XRD 그래프는 나타낸 도면이다. 도 8a를 참조하면, eutectic 조성인 In0.22Ga0.10Sb0.68는 rhombohedral 상을 나타내는 것을 확인하였다. 도 8b를 참조하면, intermetallic 조성인 In0.25Ga0.25Sb0.5은 cubic 상을 나타내는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층은 eutectic 조성 범위 내지 intermetallic 조성 범위의 In-Sb, Ga-Sb 또는 In-Ga-Sb 물질을 상변화 물질층으로 사용함으로써, 종래의 GST 상변화 물질에 비해 낮은 녹는점(Tm) 및 높은 결정화 온도(Tc)를 지니므로, 메모리 소자의 리셋 전류를 감소시킬 수 있고, 열적 안정성을 개선할 수 있으며, 센싱 마진이 높고, 셋 스피드를 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, 메모리 소자로서의 중요한 특징인 프로그래밍 스피드가 향상되며, 리텐션 특성을 크게 향상시킬 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 4a는 조성에 따른 Ga-Sb 및 In-Sb 물질의 온도 변화에 따른 전기 저항의 변화를 조성을 변화시킨 In-Sb 및 Ga-Sb에 대해 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 메모리 소자의 상변화 물질층의 조성에 따른 결정화 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 In-Sb 및 Ga-Sb에서 In 및 Ga의 조성(atomic %)에 따른 결정질 및 비정질 상태에서의 저항 값을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층의 XRD(X-ray-diffraction) 그래프를 나타낸 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 실시예에 의한 상변화 물질층에 대한 PTE(power-time-effect) 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 In-Ga-Sb 삼성분계 상변화 거동을 나타낸 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 In0.22Ga0.10Sb0.68 및 In0.25Ga0.25Sb0.5의 결정질 상태에서의 XRD 그래프는 나타낸 도면이다.
<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)

  1. Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층.
  2. 제 1항에 있어서,
    상변화 물질층은 intermetallic 조성 내지 eutectic 조성 범위로 형성된 상변화 물질층.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 Sb 및 In을 포함하는 상변화 물질층.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 InxSb1-x(0.32≤x≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함하는 상변화 물질층.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 Sb 및 Ga를 포함하는 상변화 물질층.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 GaySb1-y(0.12≤y≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함하는 상변화 물질층.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 In, Ga 및 Sb를 포함하는 상변화 물질층.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상변화 물질층의 (In, Ga)zSb1-z(0.12≤z≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함하는 상변화 물질층.
  9. 상변화 물질층을 포함하는 스토리지 노드와 이에 연결된 스위칭 소자를 포함하는 상변화 메모리 소자에 있어서,
    상기 스토리지 노드는 Sb에 In 또는 Ga 중 적어도 어느 하나의 물질이 포함된 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상변화 물질층은 intermetallic 조성 내지 eutectic 조성 범위로 형성된 상변화 메모리 소자.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 Sb 및 In을 포함하는 상변화 메모리 소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 InxSb1-x(0.32≤x≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함하는 상변화 메모리 소자.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 Sb 및 Ga를 포함하는 상변화 메모리 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 GaySb1-y(0.12≤y≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함하는 상변화 메모리 소자.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 상변화 물질층은 In, Ga 및 Sb를 포함하는 상변화 메모리 소자.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 상변화 물질층의 (In, Ga)zSb1-z(0.12≤z≤0.50)의 화학식을 지닌 물질을 포함 하는 상변화 메모리 소자.
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