[논문]상 변화 메모리 재료 내의 Ga 주입에 미치는 GaGe 스퍼터링 전력의 영향

정순원; 이승윤

doi:10.4313/jkem.2015.28.5.285

[국내논문] 상 변화 메모리 재료 내의 Ga 주입에 미치는 GaGe 스퍼터링 전력의 영향
Effect of GaGe Sputtering Power on Ga Doping in Phase Change Memory Materials 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.5, 2015년, pp.285 - 290

정순원 (한국전자통신연구원(ETRI), 정보통신부품소재연구소) , 이승윤 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The phase change memory material is an active element in phase change memory and exhibits reversible phase transition behavior by thermal energy input. The doping of the phase change memory material with Ga leads to the increase of its crystallization temperature and the improvement of its amorphous stability. In this study, we investigated the effect of GaGe sputtering power on the formation of the phase change memory material including Ga. The deposition rate linearly increased to a maximum of 127 nm and the surface roughness remained uniform as the GaGe sputtering power increased in the range from 0 to 75 W. The Ga concentration in the thin film material abruptly increased at the critical sputtering power of 60 W. This influence of GaGe sputtering power was confirmed to result from a combined sputtering-evaporation process of Ga occurring due to the low melting point of Ga ($29.77^{\circ}C$).

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AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 Ga의 원천 재료로서 GaGe 타깃을 선택하고 상 변화 메모리 재료 형성에 있어서 GaGe 스퍼터링 전력이 미치는 효과를 고찰하였다. 먼저 다양한 GaGe 스퍼터링 전력 조건에 형성된 GaGe 박막의 증착 속도, 표면 형상, 상 변화 거동을 조사하였다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 Ga의 원천 재료로서 GaGe 타깃을 선택하고 상 변화 메모리 재료 형성에 있어서 GaGe 스퍼터링 전력이 미치는 효과를 고찰하였다. 먼저 다양한 GaGe 스퍼터링 전력 조건에 형성된 GaGe 박막의 증착 속도, 표면 형상, 상 변화 거동을 조사하였다. 또한, Ga이 주입된 GeSbTe 또는 GeSb 상 변화 메모리 재료 박막을 형성하고, GaGe 스퍼터링 전력 변화에 따른 박막 내에서의 Ga 농도 변화를 분석하였다.
먼저 다양한 GaGe 스퍼터링 전력 조건에 형성된 GaGe 박막의 증착 속도, 표면 형상, 상 변화 거동을 조사하였다. 또한, Ga이 주입된 GeSbTe 또는 GeSb 상 변화 메모리 재료 박막을 형성하고, GaGe 스퍼터링 전력 변화에 따른 박막 내에서의 Ga 농도 변화를 분석하였다.
GaGe 타깃과 Ge 타깃을 사용하여 GaGe 박막을 형성하였으며 Ge 타깃의 전력은 100 W로 고정하고 GaGe 타깃의 전력은 10 W부터 75 W까지의 범위에서 변화시켰다. GaGe 타깃과 함께 각각 GeSbTe 및 GeSb 타깃을 사용하여 Ga-doped GeSbTe 박막 및 Ga-doped GeSb 박막을 형성하였다.
GaGe 타깃과 Ge 타깃을 사용하여 GaGe 박막을 형성하였으며 Ge 타깃의 전력은 100 W로 고정하고 GaGe 타깃의 전력은 10 W부터 75 W까지의 범위에서 변화시켰다. GaGe 타깃과 함께 각각 GeSbTe 및 GeSb 타깃을 사용하여 Ga-doped GeSbTe 박막 및 Ga-doped GeSb 박막을 형성하였다. GaGe 박막을 형성하는 경우와 마찬가지로 GaGe 타깃의 전력은 10 W부터 75 W까지의 범위에서 변화시켰으며, GeSbTe 및 GeSb 타깃의 전력은 각각 75 W로 고정하였다.
GaGe 타깃과 함께 각각 GeSbTe 및 GeSb 타깃을 사용하여 Ga-doped GeSbTe 박막 및 Ga-doped GeSb 박막을 형성하였다. GaGe 박막을 형성하는 경우와 마찬가지로 GaGe 타깃의 전력은 10 W부터 75 W까지의 범위에서 변화시켰으며, GeSbTe 및 GeSb 타깃의 전력은 각각 75 W로 고정하였다. GeSbTe 타깃의 원자비는 1:2:5이었고, GeSb 타깃의 원자비는 7:93이었다.
5 × 10^-3 torr로 유지하였다. GaGe 박막을 상압의 질소 분위기에서 열처리하여 온도에 따른 면저항 변화를 관찰하였다.
열처리 시 시편을 50°C/min의 속도로 400°C까지 가열하고 그 온도를 10분간 유지한 후 노냉(furnace cooling)하였다. EPMA (electron probe micro-analyzer)를 이용하여 박막 내의 원자 농도를 구하였고, SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 박막 및 타깃의 미세구조를 관찰하였다. 박막의 두께는 stylus profile을 이용하여 측정하였다.
EPMA (electron probe micro-analyzer)를 이용하여 박막 내의 원자 농도를 구하였고, SEM(scanning electron microscope)을 이용하여 박막 및 타깃의 미세구조를 관찰하였다. 박막의 두께는 stylus profile을 이용하여 측정하였다.
Ge 및 GaGe 타깃을 동시에 사용하는 코스퍼터링을 이용하여 GaGe 박막 형성 시 GaGe 스퍼터링 전력이 GaGe 박막의 증착 속도에 미치는 영향을 조사하였다.
그림 1은 GaGe 스퍼터링 전력을 증가시켰을 때 변화하는 증착 속도를 나타낸 그래프이다. 박막 증착 시 Ge 스퍼터링 전력 및 증착 시간을 각각 100 W와 40분으로 일정하게 고정하였다. 스퍼터 증착(sputter deposition)의 경우 CVD와는 다르게 박막 형성 초기에 필요한 incubation time이 거의 존재하지 않으므로 [8] 증착 속도는 형성된 박막의 두께를 증착 시간으로 나누어 얻은 값으로 하였다.
한편, 10 W의 전력으로 형성한 박막은 열처리 후에 오히려 면저항이 증가하였는데 이것은 Ge에 비해서 녹는점이 상대적으로 훨씬 낮은 Ga이 열처리 과정의 열에너지에 의해 증발하여 나타난 현상으로 추측된다. 그림 3의 결과로부터 GaGe 스퍼터링 전력이 증가함에 GaGe 박막에 포함되는 Ga의 양이 증가한다는 사실을 정성적으로 확인할 수 있었으며, 여기에 더하여 EPMA를 이용하여 GaGe 스퍼터링 전력에 따른 GaGe 박막 내의 Ga 농도 변화를 정량적으로 분석하였다.
GaGe 스퍼터 타깃을 사용하는 코스퍼터링 프로세스를 이용하여 GaGe, Ga-doped GeSbTe, 및 Ga-doped GeSb 상 변화 메모리 재료 박막을 형성하였다. GaGe 스퍼터링 전력이 0에서 75 W까지의 범위에서 증가할수록 GaGe 박막 내에 포함되는 Ga의 양은 최대 약 7.

대상 데이터

ULVAC 사의 CS-200 마그네트론 스퍼터링 시스템(magnetron sputtering system) 내에서 원자비가 1:1인 3인치 GaGe 타깃과 다른 종류의 타깃을 rf power source를 이용하여 코스퍼터링하여 2.0 × 2.0cm2 크기의 p형 실리콘 웨이퍼 기판 위에 Ga을 포함하는 상 변화 메모리 재료 박막을 형성하였다.

성능/효과

그림 2는 다양한 GaGe 스퍼터링 전력 조건에서 형성한 GaGe 박막의 단면 SEM 사진이다. GaGe 스퍼터링 전력이 증가함에 따라 GaGe 박막의 두께가 선형적으로 증가하지만 75 W의 높은 스퍼터링 전력에서도 비교적 평탄하고 두께가 균일한 박막이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상 변화 메모리 재료와 전극 사이의 계면이 불균일한 경우에 상 변화 메모리 소자의 반복기록 신뢰성 문제가 발생한다고 알려져 있으므로 [10] 상 변화 메모리 재료의 두께 균일도는 상 변화 메모리 소자의 특성을 좌우하는 매우 중요한 요인 중 하나로 여겨진다.
75 W와 100 W의 GaGe 스퍼터링 전력으로 형성한 두 종류의 GaGe 박막의 경우 열처리 전에 비해 열처리 후에 면저항이 큰 폭으로 감소하였다. 특히 특정 온도 부근에서 면저항이 1/10 이하로 급격하게 감소하는 현상이 두 종류의 박막 모두에서 뚜렷하게 관찰되었다. 스퍼터 증착으로 형성된 박막은 대부분의 경우 비정질 상태이며, 후속 열처리를 실시하면 결정화 과정이 진행된다.
따라서 그림 3(b) 및 그림 3(c)에서 관찰되는 면저항 감소는 비정질 상에서 결정 상으로의 상 변화에 의해 나타난 것으로 판단되며, 75 W와 100 W에서 형성된 GaGe 박막은 각각 355°C 및 280°C 부근에서 급격한 결정화 거동을 나타내었으므로 박막 내에 포함되는 Ga의 양이 많을수록 결정화가 촉진된다고 할 수 있다. 또한 100 W에서 형성된 박막의 면저항 평균값은 75 W에서 형성된 박막의 면저항 평균값에 비해 약 1/10 수준이므로 GaGe 스퍼터링 전력이 높아서 금속 소재인 Ga이 반도체 소재인 Ge에 많이 포함될수록 박막의 비저항이 작아진다는 사실을 알 수 있다. 한편, 10 W의 전력으로 형성한 박막은 열처리 후에 오히려 면저항이 증가하였는데 이것은 Ge에 비해서 녹는점이 상대적으로 훨씬 낮은 Ga이 열처리 과정의 열에너지에 의해 증발하여 나타난 현상으로 추측된다.
Ga 농도는 40 W의 범위까지 선형적으로 증가하다가 60 W 이상에서는 급격하게 증가하는 양상을 나타내었다. 농도 값의 표준편차 또한 40 W 이하의 스퍼터링 전력에서 형성된 박막의 경우와 비교할 때 60 W 이상의 범위에서 비정상적으로 증가하였다. 이와 같은 60 W 이상에서의 특이한 변화는 Ga의 녹는점(29.
GaGe 스퍼터링 전력이 0에서 75 W까지의 범위에서 증가할수록 GaGe 박막 내에 포함되는 Ga의 양은 최대 약 7.5 at%까지 증가하였으며, Ga 농도가 높은 GaGe 박막은 상대적으로 결정화가 촉진되고 면저항이 102 Ω/sq 이하로 감소하였다.
60 W 이상의 GaGe 스퍼터링 전력 조건에서 상 변화 메모리 재료 박막에 포함되는 Ga의 농도가 비이상적으로 증가하는 것을 관찰하였으며 이러한 현상은 29.77°C인 Ga의 낮은 녹는점에 의해 스퍼터링과 더불어 증발이 동시에 발생하며 나타나는 것임을 확인하였다.
본 연구를 통해 GaGe 스퍼터링 전력을 조절함으로써 Ga을 포함하는 상 변화 메모리 재료의 두께 및 증착 속도를 상 변화 메모리 소자 제조 공정이 요구하는 수준에 맞게 얻을 수 있다는 결론을 확보하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상 변화 메모리 재료에 새로운 원소인 Ga를 첨가하였을 때 어떤 효과가 있는가?	이 재료들은 이미 상 변화 메모리 소자에 적용되어 상 변화 메모리 재료로서의 적합성이 검증되었으나, 상 변화 메모리가 플로팅 게이트 기반의 비휘발성 메모리와 대등한 수준의 성능을 가지기 위해서는 현재 상태보다 더 성능이 향상되어야 하기 때문에 상 변화 메모리 재료에 새로운 원소를 주입(doping)하거나 또는 그 구성 원소를 다른 원소로 대체하고자 하는 시도가 꾸준히 이어지고 있다. 상 변화 메모리 재료에 첨가할 수 있는 여러 종류의 원소들 중에서 Ga은 칼코겐 및 닉토겐 원소에 인접한 3A 족에 속하는 원소로서 상 변화 메모리 재료의 결정화 온도 상승 [5] 및 비정질 안정성 개선 [6,7]에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
	상 변화 메모리란?	상 변화 메모리(phase change memory)는 그 소자를 구성하는 상 변화 메모리 재료의 상 변화를 이용하여 정보를 저장하는 비휘발성 메모리의 하나이다. 상 변화 메모리 재료는 인가되는 에너지 크기에 따라 비정질 상과 결정 상 사이에서 가역적인 상전이를 하게되며, 비정질 상과 결정 상은 각각의 비저항 또는 광학상수가 서로 다르기 때문에 이러한 상 변화 메모리 재료의 특성을 이용하여 메모리를 구현할 수 있다.
	상 변화 메모리 재료의 특성을 이용하여 메모리 구현이 가능한 이유는?	상 변화 메모리(phase change memory)는 그 소자를 구성하는 상 변화 메모리 재료의 상 변화를 이용하여 정보를 저장하는 비휘발성 메모리의 하나이다. 상 변화 메모리 재료는 인가되는 에너지 크기에 따라 비정질 상과 결정 상 사이에서 가역적인 상전이를 하게되며, 비정질 상과 결정 상은 각각의 비저항 또는 광학상수가 서로 다르기 때문에 이러한 상 변화 메모리 재료의 특성을 이용하여 메모리를 구현할 수 있다. 여기에 더하여 상 변화 메모리 재료를 FPGA (field-programmable gate array) 또는 photonic network의 구성 요소인 스위치 소자 [1,2]에 응용하고자 하는 연구도 활발히 진행되고 있기 때문에 다양한 전기적 광학적 특성을 갖는 상 변화 메모리 재료를 개발해야 할 필요성이 계속해서 높아지고 있다.

참고문헌 (12)

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