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문제 정의
- 적용되는 공정 기술에 따라 상변화 메모리 소자의 성능은 크게 좌우되는데, 이제까지 공정 변수에 따른 소자 특성의 변화에 관한보고는 거의 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 단위 상변화 메모리 소자의 최종 열처리 온도가 소자 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. Ge2Sb2Te5 (GST) 칼코겐화물 합금을 상변화 메모리의 활성 물질로 하여 기공(pore) 구조의 단위 상변화 메모리 소자를 제작하고, 전류에 따른 저항 변화 특성을 측정하고 비교 분석 함으로써 최종 열처리 온도의 효과를 조사하였다.
제안 방법
- 5 μm2 의 단면적을 갖는 기공을 형성하였다. 300 nm 두께의 GST 박막 및 100nm 두께의 텅스텐 박막을 스퍼터링을 이용하여 증착하고 리프트오프(lift-off)를 이용하여 패터닝하였다. SiO2 박막을 증착하고 습식 식각을 이용하여 SiO2 박막 내에 비아 홀(via hole)을 형성하였다.
- 이에 본 연구에서는 단위 상변화 메모리 소자의 최종 열처리 온도가 소자 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. Ge2Sb2Te5 (GST) 칼코겐화물 합금을 상변화 메모리의 활성 물질로 하여 기공(pore) 구조의 단위 상변화 메모리 소자를 제작하고, 전류에 따른 저항 변화 특성을 측정하고 비교 분석 함으로써 최종 열처리 온도의 효과를 조사하였다.
- PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 100 nm 두께의 SiO2 박막을 증착하고 포토 리소그래피 공정 및 건식 식각을 이용하여 SiO2 박막 내에 0.5×0.5 μm2 의 단면적을 갖는 기공을 형성하였다.
- 300 nm 두께의 GST 박막 및 100nm 두께의 텅스텐 박막을 스퍼터링을 이용하여 증착하고 리프트오프(lift-off)를 이용하여 패터닝하였다. SiO2 박막을 증착하고 습식 식각을 이용하여 SiO2 박막 내에 비아 홀(via hole)을 형성하였다. 스퍼터링과 리프트오프를 이용하여 텅스텐 상부전극을 형성한 후 N2 분위기의 RTA(rapid thermal annealing) 장치에서 10분 동안 160∼ 300℃의 온도 범위에서 최종 열처리를 실시하여 Fig.
- 전류 값을 부하 저항에서의 전압강하로부터 환산하지 않고 전류 프로브를 이용하여 직접 측정하는 것은 중요한 의미를 갖는데, 왜냐하면 전류 계산 시 기생 성분에서의 전압강하 항이 포함되어 발생할 수 있는 오류를 차단하는 것이 가능해지기 때문이다. 상변화 메모리 소자의 저항 값은 0.5V의 측정전압에서 HP4145B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 측정하였다.
- 스퍼터링과 리프트오프를 이용하여 텅스텐 상부전극을 형성한 후 N2 분위기의 RTA(rapid thermal annealing) 장치에서 10분 동안 160∼ 300℃의 온도 범위에서 최종 열처리를 실시하여 Fig. 1의 기공 구조를 갖는 단위 상변화 메모리 소자를 완성하였다.
- GST 박막의 면적은 소자 1의 경우 230×230 μm2, 소자 2의 경우 15×15 μm2였다. 이러한 두 종류의 상변화 메모리 소자에 대하여 지속 시간은 200 ns로 고정되고 진폭은 서로 다른 다수의 전압 펄스를 인가한 후 발생하는 상변화 거동을 관찰하였다. Fig.
- 제작된 소자의 특성을 평가하기 위하여 전압 펄스를 인가하였을 때 소자를 통해 흐르는 전류와 전압 펄스 인가 후의 소자 저항 값을 측정하였다. 전압 펄스는 HP8110A 펄스 제너레이터를 이용하여 인가하였고, 소자를 통해 흐르는 전류는 Tektronics TCP312 전류 프로브(probe)와 LeCroy 7100 디지털 오실로스코프를 사용하여 직접 측정하였다. 전류 값을 부하 저항에서의 전압강하로부터 환산하지 않고 전류 프로브를 이용하여 직접 측정하는 것은 중요한 의미를 갖는데, 왜냐하면 전류 계산 시 기생 성분에서의 전압강하 항이 포함되어 발생할 수 있는 오류를 차단하는 것이 가능해지기 때문이다.
- 제작된 소자의 특성을 평가하기 위하여 전압 펄스를 인가하였을 때 소자를 통해 흐르는 전류와 전압 펄스 인가 후의 소자 저항 값을 측정하였다. 전압 펄스는 HP8110A 펄스 제너레이터를 이용하여 인가하였고, 소자를 통해 흐르는 전류는 Tektronics TCP312 전류 프로브(probe)와 LeCroy 7100 디지털 오실로스코프를 사용하여 직접 측정하였다.
- 최종 열처리 온도가 소자 특성에 미치는 효과를 명확히 밝히기 위하여 Fig. 2와 같이 두 종류의 소자 레이아웃(layout)을 사용하였다. 소자 1은 소자 2에 비해 GST 박막 및 하부전극의 면적이 훨씬 크고 서로 겹치는 영역 또한 넓은 구조이다.
- 산화막 위에 200 nm 두께의 TiW 박막과 50 nm 두께의 TiN 박막을 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착하였다. 포토 리소그래피 공정 및 건식 식각을 이용하여 TiN 발열층과 TiW 하부전극을 형성하였다. PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)를 이용하여 100 nm 두께의 SiO2 박막을 증착하고 포토 리소그래피 공정 및 건식 식각을 이용하여 SiO2 박막 내에 0.
대상 데이터
- GST는 160℃ 근방에서 비정질에서 비평형 면심입방결정으로 상변화 하고 300℃ 근방에서 조밀육방으로 그 결정구조가 바뀌는 것으로 알려져 있다 [4]. 본 연구에서 사용한 GST 박막은 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 161℃에서 비정질에서 결정으로 상변화 하였다. 따라서 160℃에서 열처리한 소자에서는 GST의 결정화가 충분히 진행되지 않았기 때문에 인가된 전류에 의해 결정의 일부는 비정질로, 비정질의 일부는 결정으로 상변화 하는 것이 혼재되어 셀 저항이 불안정하게 오르내리게 되는 것으로 판단된다.
- 실리콘 웨이퍼 위에 650 nm 두께의 열산화막을 형성하였다. 산화막 위에 200 nm 두께의 TiW 박막과 50 nm 두께의 TiN 박막을 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착하였다. 포토 리소그래피 공정 및 건식 식각을 이용하여 TiN 발열층과 TiW 하부전극을 형성하였다.
- 실리콘 웨이퍼 위에 650 nm 두께의 열산화막을 형성하였다. 산화막 위에 200 nm 두께의 TiW 박막과 50 nm 두께의 TiN 박막을 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 증착하였다.
성능/효과
- 이미 널리 사용되고 있는 플로팅 게이트 기반 메모리의 구동 전류와 비교할 때 상변화 메모리의 전류 펄스 진폭은 매우 크기 때문에 그 해결 방안으로 신규 재료를 도입하거나 소자 구조 및 구동 회로 설계를 최적화하는 방법 등이 고려되고 있다. 둘째, 결정상을 얻는데 필요한 전류 펄스의 지속 시간을 줄여서 상변화 메모리 소자의 동작속도를 높여야 한다. 단, 지속 시간이 너무 단축되면 결정상이 안정적으로 얻어지지 않으므로 결정화 유도 펄스를 정교하게 조절하는 작업이 병행되어야 한다.
- 프로그래밍 전류는 인가되는 전압 펄스에 비례하는 값으로서, 앞에서 언급하였듯이 특정 전압 펄스를 인가하였을 때 소자를 통해서 흐르는 전류를 전류 프로브를 이용하여 직접 측정한 값이다. 소자 레이아웃과 상관없이 프로그래밍 전류가 낮을 때에는 낮은 저항 값이 유지되다가 특정 전류 값에서 저항이 크게 증가하는 현상이 관찰되었다. 이것은 높은 프로그래밍 전류 인가 시 GST를 용해시키기에 충분한 줄 열이 발생하여 GST의 상이 낮은 저항의 결정상에서 높은 저항의 비정질 상으로 변화하여 나타난 현상이다.
- 이상의 결과를 종합하면, 200℃의 열처리 온도에서는 정상 동작하는 상변화 메모리 소자의 구성에 필수적인 상변화 재료-발열층 접합이 제대로 형성되지 않는다고 판단된다. 열처리 온도가 300℃로 증가하면 정상적인 상변화 거동에서 벗어나는 셀 저항-프로그래밍 전류 곡선을 얻을 수 있었다. 작은 프로그래밍 전류로도 1Mohm에 이르는 RESET 저항이 얻어졌지만, 셀 저항을 RESET 저항에 도달하게 하는 프로그래밍 전류의 마진이 매우 작은 현상이 관찰되었다.
- 5는 열처리 온도가 160℃부터 300℃까지 변화하였을 때의 소자 2의 상변화 거동을 나타낸 그래프이다. 열처리 온도가 증가함에 따라 상변화를 유발하는데 필요한 프로그래밍 전류가 증가하다가 감소하는 경향이 관찰되었다. 열처리 온도 160℃에서는 프로그래밍 전류 증가에 따라 셀 저항이 일정하게 증가하지 않고 불안정하게 오르내리는 현상이 발생하였다.
- 상변화 재료와 전극 사이의 계면이 불안정할 경우 반복 동작 시 계속해서 프로그래밍 전류 값이 바뀌는 RESET migration 현상이 발생한다고 알려져 있는데 [3] 200℃에서 열처리한 소자에서도 동일한 현상이 관찰되었다. 이상의 결과를 종합하면, 200℃의 열처리 온도에서는 정상 동작하는 상변화 메모리 소자의 구성에 필수적인 상변화 재료-발열층 접합이 제대로 형성되지 않는다고 판단된다. 열처리 온도가 300℃로 증가하면 정상적인 상변화 거동에서 벗어나는 셀 저항-프로그래밍 전류 곡선을 얻을 수 있었다.
- 4). 이에 더하여 열처리 온도가 260℃인 경우와 비교할 때 저항 값이 높은 RESET 상태로 상변화 하는데 필요한 프로그래밍 전류가 큰 폭으로 증가하였다. 이러한 결과는 200℃의 열처리 온도가 상변화를 유발하는 데에 있어서 불충분한 온도란 사실을 의미한다.
- 열처리 온도가 300℃로 증가하면 정상적인 상변화 거동에서 벗어나는 셀 저항-프로그래밍 전류 곡선을 얻을 수 있었다. 작은 프로그래밍 전류로도 1Mohm에 이르는 RESET 저항이 얻어졌지만, 셀 저항을 RESET 저항에 도달하게 하는 프로그래밍 전류의 마진이 매우 작은 현상이 관찰되었다. 즉, 프로그래밍 전류 값이 임계치에서 조금만 증가하더라도 소자 저항이 급격하게 증가한 후 비정질 상에서 결정상으로 상변화가 이루어지지 않는 고장(failure)이 발생하였다.
- 상변화 메모리 소자 내에서의 상변화 거동은 160∼300℃의 온도 범위에서 최종 열처리 온도 변화에 따라 큰 차이를 나타내었다. 제작된 소자는 260℃의 온도에서 최적의 동작 특성을 나타내었고, 열처리 온도가 이 온도에서 크게 벗어나는 경우 정상적인 상변화 메모리 동작 특성이 얻어지지 않았다. 한편, 열처리 온도의 효과는 소자 레이아웃의 영향을 받는 결과를 나타내었다.
후속연구
- 상대적으로 큰 기생 정전용량을 포함하는 레이아웃의 소자는 그렇지 않는 소자에 비해 상변화를 위해 더 높은 프로그래밍 전류를 필요로 하였으며, 레이아웃에 따른 상변화 거동의 차이는 열처리 온도가 낮을 때에는 상대적으로 미미하였다. 본 연구를 통해 열에너지를 공급하는 열처리 공정은 소자 내의 상부전극-GST 박막-발열층 다층 구조의 열적 안정성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 우수한 성능의 상변화 메모리를 구현하기 위해서는 최종 열처리 공정의 최적화가 반드시 필요하다는 사실을 확인하였다.
- 이상에서와 같이 소모전력, 동작속도, 신뢰성을 포함하는 상변화 메모리 소자의 성능을 개선하기 위해서는 최우선적으로 소자 제작 공정을 최적화하여야 한다. 적용되는 공정 기술에 따라 상변화 메모리 소자의 성능은 크게 좌우되는데, 이제까지 공정 변수에 따른 소자 특성의 변화에 관한보고는 거의 이루어지지 않았다.
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