[논문]자기정렬구조를 갖는 칼코겐화물 상변화 메모리 소자의 전기적 특성 및 온도 분포

윤혜련; 박영삼; 이승윤

doi:10.4313/jkem.2019.32.6.448

[국내논문] 자기정렬구조를 갖는 칼코겐화물 상변화 메모리 소자의 전기적 특성 및 온도 분포
Electrical Characteristics of and Temperature Distribution in Chalcogenide Phase Change Memory Devices Having a Self-Aligned Structure 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.6, 2019년, pp.448 - 453

윤혜련 (한밭대학교 신소재공학과) , 박영삼 (한국전자통신연구원(ETRI) , 이승윤 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This work reports the electrical characteristics of and temperature distribution in chalcogenide phase change memory (PCM) devices that have a self-aligned structure. GST (Ge-Sb-Te) chalcogenide alloy films were formed in a self-aligned manner by interdiffusion between sputter-deposited Ge and $Sb_2Te_3$ films during thermal annealing. A transmission electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDS) analysis demonstrated that the local composition of the GST alloy differed significantly and that a $Ge_2Sb_2Te_5$ intermediate layer was formed near the $Ge/Sb_2Te_3$ interface. The programming current and threshold switching voltage of the PCM device were much smaller than those of a control device; this implies that a phase transition occurred only in the $Ge_2Sb_2Te_5$ intermediate layer and not in the entire thickness of the GST alloy. It was confirmed by computer simulation, that the localized phase transition and heat loss suppression of the GST alloy promoted a temperature rise in the PCM device.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematics of chalcogenide PCM devices: (a) structure A and (b) structure B.
그림 Fig. 2. Cross-sectional TEM image of a chalcogenide PCM device having a self-aligned structure (structure B).
그림 Fig. 3. EDS spectra obtained from (a) point a, (b) point b, (c) point c, (d) point d, (e) point e, and (f) point f in Fig. 2.
표 Table 1. Physical properties of various materials.
그림 Fig. 4. Resistance vs current for chalcogenide PCM devices.
그림 Fig. 5. Current vs voltage for chalcogenide PCM devices.
그림 Fig. 6. Simulation results of temperature distributions of chalcogenide PCM devices and corresponding device structures.

AI 본문요약
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문제 정의

이 기술을 적용하면 상변화 메모리의 프로그래밍 전류가 기존 구조의 경우에 비해 큰 폭으로 감소되나 소자 구조 변화에 따른 칼코겐화물 소재의 온도 변화 거동에 대한 구체적인 인과관계는 아직 알려지지 않았다. 이에 본 연구에서는 상변화 메모리 소자를 제조하여 자기정렬 방식 도입에 의한 전류 감소 효과를 확인하고, 이러한 프로그래밍 전류 감소 현상과 칼코겐화물 소재의 온도 변화 거동의 직접적인 연관성을 시뮬레이션 실시 및 고찰을 통해 밝히고자 한다.

가설 설정

이러한 EDS 스펙트럼 결과는 그림 1의 GST(1) 및 GST(2) 영역을 각각 Ge₂Sb₂Te₅합금 영역과 Ge₂Sb₂Te₅에 비해 Ge 농도가 작은 Ge-deficient GST 합금 영역으로 단순화시 키는 것이 타당하다는 것을 뒷받침한다. Ge-deficient GST 소재의 정확한 조성 및 물질 상수는 알려져 있지 않으므로 Sb₂Te₃가 Ge₂Sb₂Te₅에 비해 2배 이상 큰 전기전도도와 열전도도를 갖는 것 [15,16]을 감안하여 표 1에서 GST(2)의 전기전도도와 열전도도는 GST(1)의 경우에 비해 약 1.4배라고 가정하고 나머지 물질상수는 동일하게 Ge₂Sb₂Te₅의 물질상수 값으로 하였다.

제안 방법

표 1의 시뮬레이션에 필요한 소자 구성 소재의 물질 상수는 참고문헌 [12-16]의 값을 사용하였다. GST 합금은 소자 제작 직후에 결정상을 가지므로 GST 합금의 전기전도도와 열전도도는 결정상의 값으로 하였다.
Transmission electron microscopy (TEM) 및 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)를 이용하여 제작된 상변화 메모리 소자를 관찰하고, 반도체 파라미터 분석기와 펄스 발생기를 사용하여 상변화 메모리 소자의 전류에 따른 저항 변화 특성을 조사하였 다. 유한 요소 해석(finite element analysis, FEA)을 기반으로 하는 상용 Opera 3D FEA 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 실시하고 A 구조와 B 구조에서의 온도 분포를 비교 분석하였다.
칼코겐화물 합금은 별도의 Ge, Sb 및 Te 타겟을 동시에 스퍼터링하여 증착하였고, 합금의 조성을 맞추기 위하여 타겟에 인가되는 전력을 조절하였다. 그 위에 50 nm 두께의 W 박막을 스퍼터 증착을 이용 하여 형성하고 B 구조의 경우에는 N ₂ 분위기, 350℃의 온도에서 1시간 동안 후속 열처리를 실시하였다. 열처 리에 의해 Ge 박막과 Sb₂Te ₃칼코겐화물 합금 박막 간에 상호 확산(interdiffusion)이 진행되며 결국 그림 1(b)와 같이 조성이 서로 다른 두 종류의 GST 합금이 자기 정렬 방식으로 형성된다.
막을 성장시켰다. 그 위에 60 nm 두께의 TiW 박막을 스퍼터 증착(sputterdeposition)을 이용하여 형성하고, A 구조 제작을 위해서는 TiN 박막을, B 구조 제작을 위해서는 Ge 박막을 각각 스퍼터 증착을 이용하여 형성하였다. TiN 박막과 Ge 박막의 두께는 모두 40 nm로 하였다.
스퍼터 증착을 이용하여 콘택 홀을 Sb₂Te₃ 박막으로 매립하고 후속 열처리를 실시하여 Sb₂ Te₃ 박막과 콘택 홀 하부에 위치한 Ge 박막의 상호 확산을 유발하고 GST 칼코 겐화물 합금 영역을 형성하였다. 미세구조 분석을 통해 GST 합금의 조성이 소자 내의 위치에 따라 다르고 국부적으로 Ge₂Sb₂ Te₅칼코겐화물 중간층이 형성된 것을 관찰하였다. 자기 정렬 방식으로 제작된 소자는 일반적인 소자에 비해 reset 프로그래밍 전류와 문턱 스위칭 전압이 큰 폭으로 감소하였다.
자기 정렬 방식으로 상변화 메모리 소자를 제작하고, 전기적 특성과 미세구조를 분석하였다. 스퍼터 증착을 이용하여 콘택 홀을 Sb₂Te₃ 박막으로 매립하고 후속 열처리를 실시하여 Sb₂ Te₃ 박막과 콘택 홀 하부에 위치한 Ge 박막의 상호 확산을 유발하고 GST 칼코 겐화물 합금 영역을 형성하였다. 미세구조 분석을 통해 GST 합금의 조성이 소자 내의 위치에 따라 다르고 국부적으로 Ge₂Sb₂ Te₅칼코겐화물 중간층이 형성된 것을 관찰하였다.
그림 1은 시뮬레이션을 이용하여 reset 프로그래밍 전류 인가 시의 온도 분포를 비교하기 위해 고안된 두종류(A 구조 및 B 구조)의 상변화 메모리 소자 단면도이다. 시뮬레이션과 더불어 두 종류의 상변화 메모리 소자를 반도체 공정을 이용하여 제작하고 그 특성을 분석하였다.
자기 정렬 방식으로 상변화 메모리 소자를 제작하고, 전기적 특성과 미세구조를 분석하였다. 스퍼터 증착을 이용하여 콘택 홀을 Sb₂Te₃ 박막으로 매립하고 후속 열처리를 실시하여 Sb₂ Te₃ 박막과 콘택 홀 하부에 위치한 Ge 박막의 상호 확산을 유발하고 GST 칼코 겐화물 합금 영역을 형성하였다.
층간 절연막 역할을 하는 100 nm 두께의 SiO2 박막을 plasma enhanced chemical vapor deposition을 이용하여 형성하고, 포토리소그래피(photolithography)와 건식 식각을 이용하여 SiO 2 박막의 일부를 제거하여 0.5×0.5 um 2 크기의 콘택 홀(contact hole)을 형성하였다.
A 구조의 경우 Ge₂ Sb ₂Te ₅ 칼코겐화물 합금을, B 구조의 경우 Sb ₂Te₃ 칼코겐화물 합금을 각각 100 nm의 두께로 증착하였다. 칼코겐화물 합금은 별도의 Ge, Sb 및 Te 타겟을 동시에 스퍼터링하여 증착하였고, 합금의 조성을 맞추기 위하여 타겟에 인가되는 전력을 조절하였다. 그 위에 50 nm 두께의 W 박막을 스퍼터 증착을 이용 하여 형성하고 B 구조의 경우에는 N ₂ 분위기, 350℃의 온도에서 1시간 동안 후속 열처리를 실시하였다.

데이터처리

Transmission electron microscopy (TEM) 및 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)를 이용하여 제작된 상변화 메모리 소자를 관찰하고, 반도체 파라미터 분석기와 펄스 발생기를 사용하여 상변화 메모리 소자의 전류에 따른 저항 변화 특성을 조사하였 다. 유한 요소 해석(finite element analysis, FEA)을 기반으로 하는 상용 Opera 3D FEA 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 실시하고 A 구조와 B 구조에서의 온도 분포를 비교 분석하였다. 표 1의 시뮬레이션에 필요한 소자 구성 소재의 물질 상수는 참고문헌 [12-16]의 값을 사용하였다.

성능/효과

1 um를 수평 방향 확산 길이로 하였다. 이러한 EDS 스펙트럼 결과는 그림 1의 GST(1) 및 GST(2) 영역을 각각 Ge₂Sb₂Te₅합금 영역과 Ge₂Sb₂Te₅에 비해 Ge 농도가 작은 Ge-deficient GST 합금 영역으로 단순화시 키는 것이 타당하다는 것을 뒷받침한다. Ge-deficient GST 소재의 정확한 조성 및 물질 상수는 알려져 있지 않으므로 Sb₂Te₃가 Ge₂Sb₂Te₅에 비해 2배 이상 큰 전기전도도와 열전도도를 갖는 것 [15,16]을 감안하여 표 1에서 GST(2)의 전기전도도와 열전도도는 GST(1)의 경우에 비해 약 1.
미세구조 분석을 통해 GST 합금의 조성이 소자 내의 위치에 따라 다르고 국부적으로 Ge₂Sb₂ Te₅칼코겐화물 중간층이 형성된 것을 관찰하였다. 자기 정렬 방식으로 제작된 소자는 일반적인 소자에 비해 reset 프로그래밍 전류와 문턱 스위칭 전압이 큰 폭으로 감소하였다. 이러한 현상은 자기 정렬 방식으로 형성된 전체 GST 합금 영영 중에서 Ge ₂ Sb ₂ Te₅ 중간층에서만 제한적으로 상변화가 진행되어 나타나는 것이다.
이러한 현상은 자기 정렬 방식으로 형성된 전체 GST 합금 영영 중에서 Ge ₂ Sb ₂ Te₅ 중간층에서만 제한적으로 상변화가 진행되어 나타나는 것이다. 전류 인가 시의 소자 내의 온도 분포 시뮬레이션을 실시하여 자기 정렬 방식으로 제작된 소자의 온도 상승이 칼코겐화물 합금의 제한적인 상변화 및 열손실 차단 효과에 의해 매우 용이함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상변화 메모리가 기존의 플래시 메모리보다 좋은점은 무엇인가	칼코겐(chalcogen) 원소로 구성되는 칼코겐화물(chalcogenide) 합금 소재는 비휘발성 메모리 [1,2], 열전소자 [3], 태양전지 [4] 등 다양한 전자소자에 응용되어 사용되어 왔다. 상변화 메모리(phase change memory, PCM)는 기존의 플래시 메모리에 비해 속도가 빠른 장점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리로서 광범위하게 연구되고 있다 [2]. 열에너지에 의해 결정상과 비정질상 간에 가역적으로 전이되는 칼코겐화물의 특성은 상변화 메모리의 동작에 있어서 근간을 이룬다.
	상변화 메모리의 전력 소모가 큰 단점을 해결하기 위한 방안은?	프로그래밍 전류를 낮추기 위한 방안으로는 크게 두 가지 방식이 고려되고 있다. 하나는 칼코겐화물 소재의 물성을 개선하는 것이고, 다른 하나는 상변화 메모리 소자의 구조를 개선하는 것이다. 전자의 방식은 상변화 메모리에 적용되는 대표적인 칼코겐화물 소재인 Ge-Sb-Te (GST) 삼원계 합금의 조성을 변화시키거나 [5], GST 합금에 새로운 원소를 첨가하거나 [6] 또는 GST 합금과는 그 구성 원소가 다른 새로운 칼코겐화물 소재를 도입하여 [7] 프로그래밍 전류를 낮추는 것이다.
	칼코겐화물 합금 소재는 어디에 사용되는가?	칼코겐(chalcogen) 원소로 구성되는 칼코겐화물(chalcogenide) 합금 소재는 비휘발성 메모리 [1,2], 열전소자 [3], 태양전지 [4] 등 다양한 전자소자에 응용되어 사용되어 왔다. 상변화 메모리(phase change memory, PCM)는 기존의 플래시 메모리에 비해 속도가 빠른 장점으로 인해 차세대 비휘발성 메모리로서 광범위하게 연구되고 있다 [2].

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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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