KR20110058031A - 가변저항 메모리 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
상변화 물질막을 갖는 가변저항 메모리 장치의 가열 전극 형성 방법과 이를 이용하는 가변저항 메모리 장치가 제공된다. 상기 가변저항 메모리 장치의 제조 방법은 가열 전극을 형성하고, 상기 가열 전극 위에 가변저항 물질막을 형성하고, 그리고 상기 가변저항 물질막 위에 상부 전극을 형성하는 것을 포함한다. 상기 가열 전극은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하며, 플라즈마(plasma)를 이용하지 않는 열적 화학 증착 (thermal CVD) 방법으로 형성한다.
상변화 물질막, 가열 전극
Description
본 발명은 상변화 물질막을 갖는 가변저항 메모리 장치의 전극 형성 방법과 이를 이용하는 가변저항 반도체 메모리 장치에 관한 것이다.
반도체 메모리 장치는 휘발성(volatile) 메모리 장치와, 비휘발성(nonvolatile) 메모리 장치로 구분될 수 있다. 비휘발성 메모리 장치는 전원의 공급이 중단되더라도 저장된 데이터가 소멸하지 않는 메모리 장치로서, 예를 들어, PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable PROM), EEPROM(Electrically EPROM) 및 플래시 메모리 장치(Flash Memory Device)를 포함한다. 반복적으로 읽기 및 쓰기가 가능한 비휘발성 메모리 장치에 대한 요구가 증가하고 있다.
비휘발성 메모리 장치로서, 가변저항 메모리 장치들, 예를 들면 ReRAM(Resistive Random Access Memory) 및 PRAM(Phase-change Random Access Memory)이 개발되고 있다. 이러한 가변저항 메모리 장치들을 구성하는 물질들은 전류 또는 전압에 따라, 그 저항값이 달라지며, 전류 또는 전압 공급이 중단되더라도 저항값을 그대로 유지하는 특성을 갖는다.
PRAM은 칼코게나이드(chalcogenide) 물질과 같은 상변화 물질(Phase Change Material)을 사용한다. 상변화 물질은 온도의 변화에 따라 결정 상태(crystalline state)와 비정질 상태(amorphous state)를 갖는다. 비정질 상태의 상변화 물질막을 결정화 온도와 용융점 사이의 온도로 일정 시간 가열한 후 냉각시키면, 상변화 물질막은 비정질 상태에서 결정 상태로 변한다(셋 프로그래밍). 이에 반하여, 상변화 물질막을 상기 용융점 이상의 온도로 가열한 후 급격하게 냉각시키면, 상기 상변화 물질막은 결정 상태에서 비정질 상태로 변한다(리셋 프로그래밍).
본 발명은 안정된 데이터 상태를 갖는 가변저항 메모리 장치 및 그것을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들은 가변저항 메모리 장치와 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 가변저항 메모리 장치의 제조 방법은 가열 전극을 형성하고, 상기 가열 전극 위에 가변저항 물질막을 형성하고, 상기 가변저항 물질막 위에 상부 전극을 형성하는 것을 포함한다. 상기 가열 전극은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하며, 플라즈마(plasma)를 이용하지 않는 열적 화학 증착 (thermal CVD) 방법으로 형성한다.
여기서, 상기 가열 전극에 포함되는 상기 금속의 이온 반지름은 68 pm 내지 108 pm으로 할 수 있으며, 상기 금속의 질화물은 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 디스 프로슘(Dy), 나이오븀(Nb), 및 바나듐(V) 등으로 할 수 있다. 상기 금속의 질화물은 탄소를 더 포함할 수 있다. 상기 가열 전극은 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가지도록 형성할 수 있다. 상기 금속의 질화물은 탄탈륨 탄소 질화물(TaCN)일 수 있으며, 탄탈륨 핼라이드 유도체(tantalum halide derivatives) 또는 탄탈륨 아민 유도체(tantalum amine derivatives) 물질을 포함하는 반응 가스를 이용할 수 있다. 또한, 상기 가열 전극을 형성하는 것은 H2, NH3, SiH4, Si2H6으로 이루어지는 군에서 선택되는 물질을 포함하는 가스를 이용하여 진행할 수 있다. 상기 열적 화학 증착 방법은 100 ~ 550°C의 온도 범위에서 상기 제1 반응 가스와 상기 제2 가스의 반응을 진행할 수 있다. 상기 가변저항 물질막은 칼코게나이드(Chalcogenide) 계열의 상변화 물질을 포함할 수 있으며, 수소 또는 할로겐 원소로 열처리 또는 플라즈마 처리하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의한 가변저항 메모리 장치는 가열 전극, 상기 가열 전극 위에 형성된 가변저항 물질막, 상기 가변저항 물질막 위에 형성된 상부 전극을 포함한다. 상기 가열 전극은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하고, 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가진다. 상기 가변저항 물질막은 단위 셀에 대하여 2 비트 이상의 저항 상태의 저장이 가능한 것으로 할 수 있다. 이때, 상기 가변저항 물질막은, 비정질 상태에서 저항값이 서로 다른 둘 이상의 상변화 물질층을 포함할 수 있으며, 상기 서로 다른 둘 이상의 상변화 물질층은 서로 부피가 다른 것으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가열 전극과 가변 저항 물질막 사이의 계면 특성이 향상될 수 있고, 고온 공정에서의 스트레스로 인한 전기적/물리적 특성의 열화를 줄일 수 있다. 가변 저항 물질막으로 상변화층을 사용하는 경우에, 상변화층의 저항 드리프트 현상을 억제할 수 있다.
가변저항 메모리 장치에 저장된 데이터들이 안정적으로 유지될 수 있고, 읽기 오류가 줄어들 수 있다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두 께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1 및 2를 참조하여, 가변저항 메모리 장치, 예를 들면 상변화 메모리 장치의 저항 드리프트(resistance drift) 현상이 설명된다.
비정질 상태를 갖는 상변화 물질의 저항은 다양한 원인들로 인해 시간에 따 라 증가될 수 있다. 비정질 상태를 갖는 상변화 물질의 저항 드리프트는 상변화 물질의 저항값이 높을수록 더 클 수 있다. 도 1을 참조하면, 상기 저항 드리프트 현상은 R = R0×td의 수식으로 표현될 수 있다. R0는 비정질 상태(RESET 상태)로 프로그램된 때의 초기 저항값이다. d는 변동지수라 칭한다. T0ff는 비정질 상태로 변환하고 전류를 턴-오프한 후의 시간이다.
상기 상변화층은 복수의 서로 다른 저항율들을 가지는 복수의 상태들로 변할 수 있다. 메모리 용량을 증가시키기 위해서 멀티-레벨 기술이 상변환 메모리 장치에 적용될 수 있다. 멀티-레벨 기술에서 상변화층은 2비트 이상의 상태들을 가질 수 있다. 이하, 그러한 메모리 장치를 멀티-레벨 상변환 메모리 장치라 칭한다. 하나의 메모리 셀에 2-비트 데이터가 저장된다고 가정하자. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 2-비트 데이터는 가능한 4개의 상태들 '00', '01', '10', 그리고 '11' 중 하나를 가질 것이다. '00' 상태에 대응하는 분포(101)는 결정 상태를 갖는 메모리 셀들을 포함할 것이다. 나머지 상태들('01', '10', '11')에 대응하는 분포들(102, 103, 104)은 비정질 상태들을 갖는 메모리 셀들을 포함할 것이다. '01' 상태에 대응하는 분포(102)에 포함된 메모리 셀들의 저항값들은 '10' 상태에 대응하는 분포(103)에 포함된 메모리 셀들의 저항값들보다 작을 것이다. '10' 상태에 대응하는 분포(103)에 포함된 메모리 셀들의 저항값들은 '11' 상태에 대응하는 분포(104)에 포함된 메모리 셀들의 저항값들보다 작을 것이다.
실선으로 표시된 분포들(101, 102, 103, 104)은 메모리 셀들을 칼코겐 물질 의 일부를 비정질화하여 프로그램한 직후의 분포 곡선들이다. 상기 저항 드리프트 현상에 의하여, 상기 프로그램된 분포들(101, 102, 103, 104)이 드리프트할 수 있다. 점선으로 표시된 분포들(101', 102', 103', 104')은, 상기 저항 드리프트에 의하여, 프로그램 이후 소정 시간이 경과한 후의 분포 곡선들이다. 상기 저항 드리프트에 의하여, 상변화 메모리 장치의 데이터가 안정적이지 못하여 읽기 에러를 유발될 수 있다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 장치의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3a를 참조하면, 준비된 반도체 기판(100) 상에 가열 전극(110)을 형성한다. 반도체 기판(100)은 도전 패턴 및/또는 스위칭 소자(예를 들면, 트랜지스터 또는 다이오드)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 반도체 pn 다이오드 위에 가열 전극(110)이 형성될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 가열 전극(110)과 pn 다이오드 사이에는 실리사이드막과 같은 오믹층이 형성될 수 있다.
가열 전극(110)은 후속 공정에서 형성되는 가변저항 물질막(120)을 가열 할 수 있는, 비저항을 가지도록 형성된다. 가열 전극의 비저항은, 바람직하게는 5000μΩㆍ㎝ 이상일 수 있다. 본 발명에서의 가열 전극은 일반적인 반도체 소자에서의 도전체로서의 기능에 더하여, 그 상부에 위치하는 가변저항 물질막을 가열하는 기능을 하게 되므로, 일반적인 금속 도전체보다 높은 전기적 저항값을 가질 것이 요구된다. 다만, 가열 전극의 비저항이 100000 μΩㆍ㎝ 이상이 될 경우, 프로그램에 필요한 동작 전류가 일반적인 전압 이상으로 높은 전압이 요구 될 수 있다. 따라서, 저전압 동작이 필요한 소자에서는 가열 전극의 비저항을 100000 μΩㆍ㎝ 미만으로 할 수 있다.
가열 전극(110)은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물, 예컨대 이온 반지름이 68 pm 내지 108 pm인 금속의 질화물로 형성된다. 이러한 조건을 만족하는 금속 원소로는 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 디스프로슘(Dy), 나이오븀(Nb), 및 바나듐(V) 등이 있다. 가열 특성의 향상을 위해서 금속의 질화물은 탄소를 더 포함할 수 있다.
탄탈륨의 경우 이온 반지름이 약 78pm로 상변화 메모리 장치의 가열 전극에 널리 사용하는 물질인 티타늄 질화물(TiN)의 티타늄의 이온 반지름(약 60pm)과 대비하여 크다. 이렇듯 금속 이온의 이온 반지름이 크면 차폐 효과(shielding effect)에 의해 최외각 전자가 떨어지기 쉽고 상변화 물질층과 가열 전극 간의 계면에서 결합을 형성하기 쉬워져 계면이 안정화될 수 있다.
또한, 티타늄 질화물(TiN) 의 경우 열팽창 계수가 8.2X10-6 mm/℃이다. 티타늄 질화물을 가열 전극으로 적용하는 경우, 가열 전극의 상부에 위치한 상변화 물질(예컨대, GST 등)의 압축 응력(compressive stress)을 증가시키고, 그로 인해 에너지 밴드갭(Eg)이 증가하여 저항 증가 현상이 발생할 수 있다. 따라서 상변화 메모리 장치에서 상변화 물질을 결정질 상태에서 비정질상태로 상변화를 일으켜 데이터를 저장하였을 때, 시간이 지남에 따라 저항값이 증가하는 저항 드리프트 현상이 발생하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따라 가열 전극으로 탄탈륨 탄소 질화 물(TaCN)을 적용한 경우, 열팽창 계수가 3.6X10-6 mm/℃로 작아서 압축 응력을 감소시킬 수 있으며, 그로 인해 저항 드리프트 현상도 감소시킬 수 있다.
초기 저항 200kΩ에서, 티타늄 질화물 전극을 사용한 경우 저항 드리프트 계수 d 값이 약 0.08 인 것과 비교하여, 탄탈륨 탄소 질화물 전극을 사용하는 경우 d 값은 약 0.03 수준이었다.
이러한 가열 전극(110)을 형성하는 방법으로는 물리적 증착법(PVD), 화학적 증착법(CVD), 플라즈마 화학 증착법(PECVD), 원자층 증착법(ALD), 라디칼 보조 원자층 증착법(RAALD) 등이 적용될 수 있다. 열적 화학 증착법(thermal CVD)을 사용하는 경우 가열 전극의 저항을 높이는 효과가 있다. 본 명세서에서 열적 화학 증착법은 플라즈마 화학 증착법과 대비하여 사용된 용어로써, 플라즈마를 이용하지 않고 상대적으로 고온에서 열 에너지를 이용한 화학 반응을 이용한 증착 방법을 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 질화막의 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
단계 S10에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 탄탈륨 질화물을 형성하기 위한 열적 화학 증착법은 먼저 반응기 내의 온도를 100 ~ 550°C로 상승시킨다. 이는 플라즈마의 적용 없이 반응 물질들 간의 반응이 일어날 수 있는 열에너지를 공급하기 위한 온도이다.
단계 S20에서, 제1 반응 물질을 포함하는 가스와 제 2 물질을 포함하는 가 스를 반응시켜 금속 질화물을 형성한다. 100 ~ 550°C의 반응기 온도 범위에서, 압력은 10 Torr 이하의 저압, 반응 물질의 유량은 약 10 내지 1000 sccm의 범위에서 진행한다.
제1 반응 물질은 탄탈륨 등의 금속 성분을 포함하고 있는 소스 물질로, 예컨대 탄탈륨 핼라이드 유도체(tantalum halide derivatives) 또는 탄탈륨 아민 유도체(tantalum amine derivatives) 물질을 포함하는 반응 가스를 이용할 수 있다. 탄탈륨 핼라이드 유도체로는 TaF5 또는 TaI5, TaCl5, TaBr5 등이 있으며, 탄탈륨 아민 유도체로는 Ta(NEt2)5나 Ta(NMe2)5 등이 있다.
제2 물질은 제1 반응 물질과 반응하여 금속 질화물 성분만 기판에 증착시키는 기능을 하게 된다. 예컨대 H2, NH3, SiH4, Si2H6 등을 포함하는 가스를 이용하여, 화학적으로 흡착한 반응 물질에 포함되는 리간드 결합을 갖는 원소들을 상기 반응 물질로부터 제거시켜 TaN을 함유하는 고체 물질층을 형성할 수 있다.
또한, 가열 전극의 열적 안정성 및 효율 증대를 위해 탄소(C), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등 14족 원소를 추가할 수 있다.
예컨대 탄소를 더 포함시킬 경우, S30 단계가 추가되어 금속 질화물에 탄소 원소를 더 포함하는 막이 형성되는 공정이 진행될 수 있다. 유기 금속 소스를 이용한 MOCVD 방법에 의해 화학 증착이 진행되는 경우에는 별도의 탄소 공급원 반응 가스 없이, 제1 반응 물질 공급을 위한 소스(source) 자체에 포함되어 있는 탄소 성분이 금속 질화물과 함께 증착될 수 있다. 유기 금속 소스를 적용하지 않는 경 우, C2H2 등의 소스를 공급하여 탄소 원소를 추가할 수 있다. 그 외, 실리콘 원소 추가를 위해서는 Bis (tertiary-butylamino) Silane (BTBAS), SiH4 등의 소스 공급, 게르마늄 원소 추가를 위해서는 GeMO, GeH4 등의 소스 공급을 할 수 있다.
도면에서는 S30 단계가 S20 단계 이후에 진행되는 경우에 대해 도시하고 있지만, 이에한정되지 않고 S20 단계와 S30 단계가 번갈아 진행되거나, 또는 동시에 진행될 수 있다.
14족 원소의 추가 없이 금속 질화물만으로 가열 전극을 형성하는 경우에는 S30 단계를 생략하고 다음 단계인 S40을 진행할 수 있다. S40 단계는 열적 화학 증착법의 마무리 단계로, 퍼지 가스를 제공하여 반응 완료 후 남은 가스를 제거하는 단계이다.
이렇게 형성된 가열 전극(110)은 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가지게 되어, 효율적인 가열 전극으로서 작용할 수 있다.
또한 본 명세서의 도면에서는 도시하지 않았지만, 가열 전극(110)은 산화막이나 질화막과 같은 절연막으로 형성된 몰드층의 홀(hole) 안에 형성될 수 있다. 즉, 몰드층을 형성하고 여기에 홀(hole)을 형성한 후, 가열 전극(110) 형성을 위한 공정을 진행할 수 있다.
가열 전극(110)의 형상은 도시한 바와 같이, 수평 단면의 형상이 바(bar) 형태일 수 있으며, 이외에도 원반 형태, 도넛 형태, 호(arc) 형태 등으로 할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 가열 전극(110) 위에 가변저항 물질막(120)을 형성한다. 도시하지는 않았지만, 가열 전극(110)과 가변저항 물질막(120) 사이에 계면 특성의 향상을 위한 완충층을 먼저 형성할 수 있다.
가변저항 물질막(120)의 예로는, 가열 후 냉각 속도에 따라 결정질과 비정질로 상(phase)이 변하는 상변화 물질이 있다. 상변화 물질은 칼코게나이드(chalcogenide)계열의 원소인 Te 및 Se 중의 적어도 하나와, Ge, Sb, Bi, Pb, Sn, Ag, As, S, Si, P, O 및 N 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 화합물로 형성할 수 있다. 좀더 구체적인 예로서, 상변화 물질은 Ge-Sb-Te, As-Sb-Te, As-Ge-Sb-Te, Sn-Sb-Te, Ag-In-Sb-Te, In-Sb-Te, 5A족 원소-Sb-Te, 6A족 원소-Sb-Te, 5A족 원소-Sb-Se 또는 6A족 원소-Sb-Se 등을 포함할 수 있다. 상기 가변저항 물질막(120)은 탄소, 질소, 실리콘, 또는 산소가 도핑된 상변화 물질을 포함할 수 있다. 상기 가변저항 물질막(120)은 물리화학기상 증착(Physical Vapor Deposition) 또는 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방법을 통해 증착될 수 있다.
가변저항 물질막(120)은 하나의 층으로 형성될 수 있을 뿐 아니라, 서로 다른 전기적 특성을 가지는 둘 이상의 물질층으로 형성될 수 있다. 또한, 가변저항 물질막(120)은 일부 또는 전부가 가열 전극(110)과 같은 홀(hole) 패턴 내에 형성되거나, 몰딩막 내에 형성된 가열 전극(110)의 위에 형성된 후 패터닝될 수 있다.
이후, 도 3c에 도시한 바와 같이, 가변저항 물질막(120) 위에 상부전극(130)이 형성된다. 가변저항 물질막(120)과 상부전극(130) 사이의 물질 확산을 방지하기 위한 배리어막(미도시)이 추가적으로 제공될 수 있다. 상부전극(130)을 형성하기 위한 금속 도전막은 Ti, TiSiX, TiN, TiON, TiW, TiAlN, TiAlON, TiSiN, TiBN, W, WSiX, WN, WON, WSiN, WBN, WCN, Ta, TaSiX, TaN, TaON, TaAlN, TaSiN, TaCN, Mo, MoN, MoSiN, MoAlN, NbN, ZrSiN, ZrAlN, Ru, CoSi, NiSi, 도전성 탄소(conductive carbon), Cu 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 배리어막은 TiN, TiW, TiCN, TiAlN, TiSiC, TaN, TaSiN, WN, MoN 및 CN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상부 전극(130)은 라인 형태일 수 있으며, 라인 형태의 상부전극(130)은 비트 라인으로 이용될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 장치를 개략적으로 도시한다.
가변저항 물질막(121)의 저항 드리프트 현상을 추가로 개선하기 위하여, 가변저항 물질막을 증착한 직후, 또는 상부 전극(130)을 그 위에 형성한 후에, 수소 또는 할로겐 원소를 표면 처리하여 수소 또는 할로겐 원소를 가변저항 물질막(121) 내부에 주입할 수 있다. 수소 또는 할로겐 원소를 이용한 표면 처리는 열처리 또는 플라즈마 처리 방법으로 진행할 수 있으며, 이에 대해서는 본 명세서에서 전체로서 원용하는 대한민국 특허출원 10-2008-0085402 (미국 특허출원 12/487,292)에 상세히 기재되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의해 형성된 가열 전극 및/또는 수소 또는 할로겐 표면 처리된 가변저항 물질막을 가변저항 메모리 소자로 적용하는 경우, 저항 드리프트 현상을 개선할 수 있으므로, 멀티 레벨의 저항 상태를 저장하는데 있어서 신뢰 성을 확보할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 멀티 비트 가변 저항 메모리 장치를 개략적으로 도시한다.
다이오드 등을 포함하는 반도체 기판(100) 상에 가열 전극(110)이 위치한다. 가열 전극(110)은 도 3a에서 설명한 가열 전극의 형성 방법에 따라 형성된다. 즉, 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하고, 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가지도록 형성될 수 있다.
가열 전극(110) 위에는 제1 상변화 물질층(120a)이 위치한다. 제1 상변화 물질층(120a)은 비정질 상태에서 저항값이 비교적 낮은 물질, 예컨대 SbTe로 형성될 수 있다. 도시한 바와 같이, 제1 상변화 물질층(120a)은 그 하부의 가열 전극(110)과 같은 수평 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 예컨대, 몰딩막(미도시함)에 개구부를 형성하고, 그 개구부 내에 가열 전극(110)과 제1 상변화 물질층(120a)을 형성할 수 있다.
제1 상변화 물질층(120a)의 상부에는 제2 상변화 물질층(120b)이 위치한다. 제2 상변화 물질층(120b)은 제1 상변화 물질층(120a)과 비교하여, 비정질 상태에서 저항값이 높은 물질, 예컨대 탄소가 도핑된 GeSbTe로 형성될 수 있다. 도시한 바와 같이, 제2 상변화 물질층(120b)은 제1 상변화 물질층(120a)보다 큰 부피를 가지도록 형성할 수 있다.
제2 상변화 물질층(120b) 위에는 상부 전극(130)이 형성되며, 앞선 실시예들에서와 마찬가지로 배리어막(미도시)이 제2 상변화 물질층(120b)과 상부 전 극(130) 사이에 형성될 수 있다.
도 6의 가변 저항 메모리 장치는 단위 셀에 00, 01, 10 및 11 데이터를 저장함에 있어서, 서로 크기가 다르고 구성하는 물질을 달리하는 제1 상변화 물질층(120a)과 제2 상변화 물질층(120b)을 포함함으로써, 단위 셀에 각 상태를 프로그램 할 경우에, 순방향으로 서로 다른 크기의 펄스를 인가하여 00, 01, 10 및 11 데이터를 프로그램할 수 있다. 이에 대해서는 본 명세서에서 전체로서 원용하는 대한민국 특허출원 10-2009-0073390에 상세히 기재되어 있다.
도 7을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 가변저항 메모리 장치들을 포함하는 메모리 카드 시스템(200)이 설명된다. 상기 메모리 카드 시스템(200)은 컨트롤러(210), 메모리(220) 및 인터페이서(230)를 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(210)는, 예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컨트롤러, 또는 이와 유사한 것들을 포함할 수 있다. 상기 메모리(220)는, 예를 들어, 상기 컨트롤러(210)에 의해 실행되는 명령어(command), 및/또는 사용자의 데이터(data)를 저장하는 데 사용될 수 있다. 상기 메모리(220)는 본 발명의 실시예들에서 설명된 가변저항 메모리 장치들을 비롯하여, 임의의 수시 접근이 가능한 휘발성 메모리, 및/또는 기타 다양한 종류의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러(210)와 상기 메모리(220)는 상기 명령어 및/또는 데이터를 주고 받을 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 인터페이서(230)는 외부와의 데이터의 입출력을 담당할 수 있다. 상기 메모리 카드 시스템(200)은 멀티 미디어 카드(multimedia card: MMC), 시큐어 디지털 카드(secure digital card: SD) 또는 휴대용 데이터 저 장장치일 수 있다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 가변저항 메모리 장치들를 포함하는 전자장치(300)가 설명된다. 상기 전자장치(300)는 프로세서(310), 메모리 장치(320) 및 입출력 장치(I/O, 330)를 포함할 수 있다. 상기 프로세서(310), 상기 메모리(320) 및 상기 입출력 장치(330)는 버스(340)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 메모리(320)는 상기 프로세서(310)로부터, RAS*, WE*, CAS* 등의 제어 신호를 받을 수 있다. 상기 메모리(320)는 상기 버스(340)를 통하여 액세스 되는 데이터 및/또는 상기 컨트롤러(310)에 의해 실행되는 명령어(command)를 저장하는 데 사용될 수 있다. 상기 메모리(320)는 본 발명의 실시예들에서 설명된 가변저항 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 발명의 구체적인 실현 및 변형을 위하여, 추가적인 회로 및 제어 신호들이 제공될 수 있음은 통상의 지식을 가진자에게 자명할 것이다.
상기 전자 장치(300)는 컴퓨터 시스템, 무선통신 장치 예를 들어, PDA, 랩톱(laptop) 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 웹 태블릿(web tablet), 무선 전화기, 휴대폰, 디지털 음악 재생기(digital music player), MP3 플레이어, 네비게이션, 솔리드 스테이트 디스크(solid state disk: SSD), 가전제품(household appliance), 또는 정보를 무선환경에서 송수신할 수 있는 모든 소자에 사용될 수 있다.
도 1은 칼코겐 비정질 물질의 저항 드리프트를 보여주는 그래프들이다.
도 2는 멀티-레벨 상변화 메모리 장치의 데이터 상태들의 분포 변화를 보여준다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 장치의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 질화막의 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변 저항 메모리 장치를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 비트 가변 저항 메모리 장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 메모리 장치들을 포함하는 메모리 카드 시스템를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 상변화 메모리 장치들를 포함하는 전자장치를 개략적으로 도시한다.
Claims (10)
- 가열 전극을 형성하고;상기 가열 전극 위에 가변저항 물질막을 형성하고; 그리고상기 가변저항 물질막 위에 상부 전극을 형성하는 것을 포함하며,상기 가열 전극은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하며, 플라즈마(plasma)를 이용하지 않는 열적 화학 증착 (thermal CVD) 방법으로 형성하는, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 가열 전극에 포함되는 상기 금속의 이온 반지름은 68 pm 내지 108 pm인, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 금속의 질화물은 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 디스프로슘(Dy), 나이오븀(Nb), 및 바나듐(V)로 이루어진 군에서 선택된 금속의 질화물인, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 청구항 3에 있어서,상기 금속의 질화물은 탄소를 더 포함하는, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서,상기 금속의 질화물은 탄탈륨 탄소 질화물(TaCN)인, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서,상기 가열 전극을 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가지도록 형성하는, 가변저항 메모리 장치의 제조 방법.
- 가열 전극;상기 가열 전극 위에 형성된 가변저항 물질막; 그리고상기 가변저항 물질막 위에 형성된 상부 전극을 포함하며,상기 가열 전극은 티타늄(Ti) 보다 원자반지름이 큰 금속의 질화물을 포함하고, 5000μΩㆍ㎝ 이상의 비저항을 가지는, 가변저항 메모리 장치.
- 청구항 7에 있어서,상기 가변저항 물질막은 단위 셀에 대하여 2 비트 이상의 저항 상태의 저장이 가능한, 가변저항 메모리 장치.
- 청구항 8에 있어서,상기 가변저항 물질막은, 비정질 상태에서 저항값이 서로 다른 둘 이상의 상변화 물질층을 포함하는, 가변저항 메모리 장치.
- 청구항 9에 있어서,상기 서로 다른 둘 이상의 상변화 물질층은 서로 부피가 다르고,상기 서로 다른 둘 이상의 상변화 물질층 중의 하나의 상변화 물질층은 상기 가열 전극에 접촉하며,상기 가열전극에 접촉하는 상변화 물질층은 상기 가변저항 물질막 내의 다른 상변화 물질층보다 비정질 상태에서 저항값이 작은, 가변저항 메모리 장치.
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