[논문]비정질 Ge1Se1Te2 과 Ge2Sb2Te5 칼코게나이드 박막의 상변화특성

정홍배; 조원주; 구상모

doi:10.4313/jkem.2006.19.10.918

비정질 Ge1Se1Te2 과 Ge2Sb2Te5 칼코게나이드 박막의 상변화특성
Phase Change Properties of Amorphous Ge1Se1Te2 and Ge2Sb2Te5 Chalcogenide Thin Films 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.10, 2006년, pp.918 - 922

정홍배 (광운대학교 전자재료공학과) , 조원주 (광운대학교 전자재료공학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Chalcogenide Phase change memory has the high performance necessary for next-generation memory, because it is a nonvolatile memory with high programming speed, low programming voltage, high sensing margin, low power consumption and long cycle duration. To minimize the power consumption and the program voltage, the new composition material which shows the better phase-change properties than conventional $Ge_2Sb_2Te_5$ device has to be needed by accurate material engineering. In the present work, we investigate the basic thermal and the electrical properties due to phase-change compared with chalcogenide-based new composition $Ge_1Se_1Te_2$ material thin film and convetional $Ge_2Sb_2Te_5$ PRAM thin film. The fabricated new composition $Ge_1Se_1Te_2$ thin film exhibited a successful switching between an amorphous and a crystalline phase by applying a 950 ns -6.2 V set pulse and a 90 ns -8.2 V reset pulse. It is expected that the new composition $Ge_1Se_1Te_2$ material thin film device will be possible to applicable to overcome the Set/Reset problem for the nonvolatile memory device element of PRAM instead of conventional $Ge_2Sb_2Te_5$ device.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비정질 칼코게나이드 박막을 제 작, 이용하여 온도 및 전도도 특성, 전기적 펄스 인가 시 상변화에 따른 저항변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 실험해보았다. 실험결과 DSC 분석을 통한 결정화 온도 또한 온도에 따른 저항변 화와 상전이온도를 구하기 위한 온도에 따른 전도 도 특성에서 기존의 Ge2Sb2Te5 물질보다 GeiSeiTe2 물질이 훨씬 개선된 특성을 나타내었다.
본 연구에서는 기존의 Ovonic 사에 의해 특허가 걸려있는 Ge-Sb-Te계의 Ge2Sb2Te5 물질에서 나타나는 특허권문제와 상변화특성상 나타나는 문제 점들을 해결하기 위하여 새로운 조성형태의 Ge-Se-Te 계의 상변화 재료 중 GeiSeiTe2 조성의 물질을 개발하여 시편을 제작하고 기본적인 특성 인 물리적, 열적 그리고 전기적 특성을 현재 PRAM 재료로 이용되고 있는 Ge-Sb-Te 계의 Ge2Sb2Te5 물질과 비교하므로서 상변화 메모리 매 질로서의 가능성을 알아보고자 한다.
본 연구에서는 앞서 설명한 특허권문제와 상변 화특성상 나타나는 문제점을 해결하기 위해 Ge- Se-Te 계의 상변화 재료 중 새로운 GeiSeiTe2 조 성의 물질과 기존의 Ge2Sb2Te5의 삼원계 물질을 선택하였다. 최근 PRAM 재료로서 가장 많이 사용 하고 있는 Ge2Sb2Te5 조성비의 박막은 본 연구실 에서 개발하고 있는 새로운 조성의 GeiSeiTe2 물 질박막과 기본적인 특성을 비교하기 위하여 선택 하였다〔7, 10].
본 연구에서는 앞서 설명한 특허권문제와 상변 화특성상 나타나는 문제점을 해결하기 위해 Ge- Se-Te 계의 상변화 재료 중 새로운 GeiSeiTe2 조 성의 물질과 기존의 Ge2Sb2Te5의 삼원계 물질을 선택하였다. 최근 PRAM 재료로서 가장 많이 사용 하고 있는 Ge2Sb2Te5 조성비의 박막은 본 연구실 에서 개발하고 있는 새로운 조성의 GeiSeiTe2 물 질박막과 기본적인 특성을 비교하기 위하여 선택 하였다〔7, 10].

제안 방법

그림 3. GeiSeiTe와 Ge2Sb2Te5물질의 DSC 분석.
실질적인 상변화 메모리의 영역의 크기는 1 mm X 1 mm 이며, 자기가열(s이f-heating) 방식을 이용하여 상변화 특성을 알아보았다. Set 과 Reset 펄 스에 대한 측정을 위해 그림 2와 같은 회로를 제 작하여 측정하였으며 각각의 상변화를 일으키는 펄스의 주기와 인가전압의 세기를 측정하였다. 펄 스를 인가하기 위하여 펄스제너레이터(Hry8U6A) 를 이용하였으며 측정되는 전류 및 전압 측정은 오실로스코프(Tektronix TDK 3012)를 이용하였고 저항측정은 멀티 미터 (Protek320) 을 서버 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 측정하였다.
제조된 GeiSeiTe2 벌크시료의 조성은 XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)를 사용하여 확인하였으며, 또한 비정질 상 및 결정 구조 분석 은 XRD(X-ray Diffraction, Rig하cu)를 사용하여 확인하였다. 벌크시료의 유리질 천이온도 측정은 Differential Scanning Calorimetry (DSC)를 이용하여 측정하였다.
Set 과 Reset 펄 스에 대한 측정을 위해 그림 2와 같은 회로를 제 작하여 측정하였으며 각각의 상변화를 일으키는 펄스의 주기와 인가전압의 세기를 측정하였다. 펄 스를 인가하기 위하여 펄스제너레이터(Hry8U6A) 를 이용하였으며 측정되는 전류 및 전압 측정은 오실로스코프(Tektronix TDK 3012)를 이용하였고 저항측정은 멀티 미터 (Protek320) 을 서버 컴퓨터와 연결하여 실시간으로 측정하였다.

대상 데이터

제작된 메모리 셀의 구조는 그림 1과 같다. 기판은 SiO₂가 상층된 Si(100) 웨이 퍼 및 하부전극으로는 A1 을 이용하였으며, 절연막 으로는 SiO₂, 상부전극으로는 A1 을 이용하였다. 전 극용 A1 박막의 두께는 200 nm, 칼코게나이드 박 막의 두께는 100 nm이며 이때 증착율은 0.

이론/모형

제조된 GeiSeiTe2 벌크시료의 조성은 XPS (X-ray photo-electron spectroscopy)를 사용하여 확인하였으며, 또한 비정질 상 및 결정 구조 분석 은 XRD(X-ray Diffraction, Rig하cu)를 사용하여 확인하였다. 벌크시료의 유리질 천이온도 측정은 Differential Scanning Calorimetry (DSC)를 이용하여 측정하였다. 제작된 메모리 셀의 구조는 그림 1과 같다.
실질적인 상변화 메모리의 영역의 크기는 1 mm X 1 mm 이며, 자기가열(s이f-heating) 방식을 이용하여 상변화 특성을 알아보았다. Set 과 Reset 펄 스에 대한 측정을 위해 그림 2와 같은 회로를 제 작하여 측정하였으며 각각의 상변화를 일으키는 펄스의 주기와 인가전압의 세기를 측정하였다.

성능/효과

이러한 온도특성을 자세히 관찰하기 위하여 전도 도의 변화로 나타내면 그림 4(b)와 같다. 그림 4(b) 에서 온도증가에 따라 전도도의 급격한 변화가 130 ℃부근에서 일어남을 알 수 있었으며 이러한 결과로 고 저항상태인 비정질 상에서 저 저항상태 인 결정질 상으로 전이되는 상전이온도가 약 130 ℃근처임을 알 수 있었다.
그림 3은 GeiSeiTe2와 GsSbzTes 물질의 DSC 분석결과이다. 그림 3에서 알 수 있듯이 Ge2Sb2Te5 물질의 경우 결정화온도는 282.807 ℃, 용융온도는 440.311 ℃ 이며 GeiSeiTe2 물질의 경우는 결정화 온도가 231.503 0이고 용융온도는 396.779 ℃로 나타나 GeiSeiTe2 물질이 다소 결정화온도가 낮아 기존의 Ge2Sb2Te5 물질보다 쉽게 결정화를 이룰 수 있으며 소자응용 시 저 소비전력으로 소자를 응용할 수 있을 것으로 판단된다.
실험결과 DSC 분석을 통한 결정화 온도 또한 온도에 따른 저항변 화와 상전이온도를 구하기 위한 온도에 따른 전도 도 특성에서 기존의 Ge2Sb2Te5 물질보다 GeiSeiTe2 물질이 훨씬 개선된 특성을 나타내었다. 또한 전기 적 특성 실험에서도 Set/Reset 동작 시 5배정도 감 소하여 소비되는 전력 또한 개선됨을 알 수 있었다. 본 실험의 결과로 미루어 칼코게나이드 GeiSeiTe2 박막을 이용한 소자가 저 전력 및 효율적인 상변화 메모리로서 충분히 이용 가능성이 있는 것으로 사료된다.
2 V, 90 ns 이었다. 그림 6에 보는 바와 같이 Set 동작 시 펄스주기가 약 5배정도 감소함을 보여 Set 과 Reset 동작에서 GeiSeiTe? 박막의 전기적 특성이 Ge2Se2Te5 박막의 값보다 훨씬 개선됨을 볼 수 있어 GeiSeiTez 박막이 우수한 비휘발성 상전이 RAM(PRAM) 소자로서 응용가능성이 있음을 알 수 있었다.
또한 전기 적 특성 실험에서도 Set/Reset 동작 시 5배정도 감 소하여 소비되는 전력 또한 개선됨을 알 수 있었다. 본 실험의 결과로 미루어 칼코게나이드 GeiSeiTe2 박막을 이용한 소자가 저 전력 및 효율적인 상변화 메모리로서 충분히 이용 가능성이 있는 것으로 사료된다.
본 논문에서는 비정질 칼코게나이드 박막을 제 작, 이용하여 온도 및 전도도 특성, 전기적 펄스 인가 시 상변화에 따른 저항변화에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 실험해보았다. 실험결과 DSC 분석을 통한 결정화 온도 또한 온도에 따른 저항변 화와 상전이온도를 구하기 위한 온도에 따른 전도 도 특성에서 기존의 Ge2Sb2Te5 물질보다 GeiSeiTe2 물질이 훨씬 개선된 특성을 나타내었다. 또한 전기 적 특성 실험에서도 Set/Reset 동작 시 5배정도 감 소하여 소비되는 전력 또한 개선됨을 알 수 있었다.

후속연구

여기서 주목할 결과는 GeiSeiTe2 박막의 상전이온도가 21 ℃정도 낮다는 것이다. 이러한 결과는 상전이에 필요한 에너지를 GeiSeiTe2 박막이 훨씬 적게 소 모한다는 것을 의미하며 PRAM소자로의 응용시 저전력용으로 제작이 가능할 것으로 사료되며 비 정질과 결정질의 저항변화 비도 GeiSeiTez 박막이 훨씬 크게 나타남을 알 수 있어 안정된 동작이 기 대된다.

참고문헌 (11)

G. Wicker, 'Nonvolatile, high density, high performance phase change memory', SPIE, Vol. 3891 p. 2, 1999
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상세보기
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J. M. Lee, K. Shin, C. H. Yeo, and H. B. Chung, 'Electrical switching studies of amorphous $Ge_1Se_1Te_2$ thin film for a high-performance nonvolatile phase-change memory', Jpn. J. Appl. Phys., Vol 45, No. 6B, p. 5467, 2006

상세보기
J. M. Lee S. J. Yang, K. Shin, and H. B. Chung, 'The study on the characteristic of phase transition in difference thickness of $Se_1Sb_2Te thin film', Trans. EEM, Vol 5, No.6, p. 241, 2004
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J. M. Lee and H. B. Chung, 'Characteristics of chalcogenide $Ge_1Se_1Te_2$ thin film for nonvolatile phase change memory device', Trans. KIEE, Vol 55C, No.6, p. 297, 2006
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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