KR100612913B1

KR100612913B1 - ＡＩＮ 열방출층 및 ＴｉＮ 전극이 적용된 상변화 메모리

Info

Publication number: KR100612913B1
Application number: KR1020040107265A
Authority: KR
Inventors: 김성일; 김용태; 김영환; 김춘근; 염민수
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2006-08-16
Also published as: KR20060068546A; JP4724550B2; US7307269B2; US20060133174A1; JP2006173635A

Abstract

본 발명은 기판, 하부 전극, 상변화 물질, 상부 전극 및 열방출층을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 열방출층으로서 열전도도가 높은 AlN 열방출층 및 하부 전극으로서 열전도도가 낮으면서 적은 전류량으로 다량의 열을 발생시키는 TiN 전극을 포함하여, 상변화 물질과 전극 간에 발생한 열이 소자 내부로 이동하지 않고 신속하게 외부로 방출되어, 저전류 고속 동작이 가능하고 신뢰성이 향상된 상변화 메모리에 관한 것이다.

Description

ＡＩＮ 열방출층 및 ＴｉＮ 전극이 적용된 상변화 메모리{PHASE-CHANGE RAM CONTAINING AlN THERMAL DISSIPATION LAYER AND TiN ELECTRODE}

도 1a 내지 1d는 기존의 수직 전극형 상변화 메모리 구조에 AlN 열방출층과 TiN 전극을 적용한 구조의 제작 공정에 따른 단면도이다.

1: 하부 전극 접촉 2: 하부 전극

3: 상변화 물질 4: 하부전극과 상변화 물질의 접촉 부위

5: 상부 전극 6: 상부 전극 접촉

7: 층간절연막 8: 열방출층

도 2a 내지 2d는 간선 접촉형 (Edge contact type) 상변화 메모리 구조에 AlN 열방출층과 TiN 전극을 적용한 구조의 제작 공정에 따른 단면도이다.

10: 하부 전극 접촉 11: 하부 전극

12: 상변화 물질 13: 상부 전극

14: 상부 전극 접촉 15: 층간절연막

16: 절연체 및 열방출층

도 3a 내지 3d는 스페이서 패터닝 (Spacer patterning) 기술을 이용한 수직 전극형 상변화 메모리 구조에 AlN 열방출층과 TiN 전극을 적용한 구조의 제작 공정에 따른 단면도이다.

17: 하부 전극 접촉 18: 하부 전극

19: 상변화 물질 20: 상부 전극

21: 상부 전극 접촉 22: 층간절연막

23: 열방출층

도 4a 내지 4d는 스페이서 패턴닝 기술을 이용한 수평 전극형 상변화 메모리 구조에 AlN 열방출층과 TiN 전극을 적용한 구조의 제작 공정에 따른 단면도이다.

24: 하부 전극 접촉 25: 하부 전극

26: 상변화 물질 27: 상부 전극

28: 상부 전극 접촉 29: 층간절연막

30: 열방출층

도 5는 전극 물질과 열방출층 조합에 따른 열전달 특성을 보여주는 것으로, AlN 열방출층/TiN 전극, AlN 열방출층/Ti 전극 및 SiO₂ 열방출층/Ti 전극을 적용한 메모리 소자의 열전달 특성을 비교한 것이다.

도 6a는 AlN 열방출층/TiN 전극, AlN 열방출층/Ti 전극 및 SiO₂ 열방출층/Ti 전극에서의 하부 전극과의 접촉 부위의 상변화 물질의 한 지점에서 10 nsec 동안 가열하고 이후 40 nsec 동안 냉각시킨 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6b는 AlN 열방출층/TiN 전극, AlN 열방출층/Ti 전극 및 SiO₂ 열방출층/Ti 전극에서의 하부 전극 위의 열방출층에서의 시간에 따른 온도 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명은 기판, 하부 전극, 상변화물질, 상부 전극 및 열방출층을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 열방출층으로서 열전도도가 높은 AlN 열방출층 및 하부 전극으로서 열전도도가 낮으면서 적은 전류량으로 다량의 열을 발생시키는 TiN 전극을 포함하여, 상변화 물질과 전극 간에 발생한 열이 소자 내부로 이동하지 않고 신속하게 외부로 방출되어, 저전류 고속 동작이 가능하고 신뢰성이 향상된 상변화 메모리에 관한 것이다.

현재, 반도체 메모리 기술에서 DRAM, SRAM, FLASH 등의 기억 소자를 대체할 차세대 메모리 기술의 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이들 중에서 저항 변화를 이용한 상변화 메모리 (Phase-change RAM)는 다른 차세대 메모리에 비하여 구조가 간단하면서도 뛰어난 특성을 갖기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 향후 개발 단계에 따라, FLASH 메모리의 대체하는 것에서 시작하여, 더 나아가 DRAM, SRAM을 대체하고, 궁극적으로는 보조 기억 장치까지 대체하는 효과를 가져 올 것으로 기대되고 있다.

상변화 메모리는 열을 가하여 특정 물질의 상을 변화시켜 그 저항의 변화를 이용하는 것으로, 물질의 상변화에 따른 저항변화를 판단하여 데이터를 저장하는 차세대 메모리 반도체이다. 이러한 상변화 메모리는 안정적인 메모리로서의 동작 특성을 용이하게 확보할 수 있고, 외부 여건에 의한 변화에 영향을 잘 받지 않는 특성을 지닌다. 광학 메모리로서의 응용으로는, 상변화를 위하여 레이저로 가열하여 쓰기와 지우기를 수행하고, 전기 메모리의 응용으로는, 전류를 공급하여 발생하는 열에 의하여 쓰기와 지우기를 수행한다. 상변화 물질을 이용한 상변화 메모리의 연구는 최근 몇 년간 이루어졌으며, 아직 상용화된 제품은 없고, 현재 테스트 메모리의 제작이 이루어지고 있는 실정이다.

현재 개발 중인 상변화 메모리는 상부 전극과 하부 전극간의 전기적 절연과 함께 상변화 물질에서 발생하는 열을 소자의 외부로 방출하는 목적으로 실리콘 산화막(SiO₂)을 사용하고 있다. 그러나, 절연층으로서 실리콘 산화막을 사용하는 경우, 상변화 물질과 하부 전극 사이의 계면에서 발생한 열이 하부 전극의 상단에 있는 상기 실리콘 산화막층을 통해 외부로 방출되지 않고, 일차적으로 열전도도가 우수한 전극 물질을 통하여 소자 내부로 전달되는 것이 확인되었다. 이와 같이, 외부로의 열 방출이 원활하지 않고 내부로 전달되는 경우, 셋-리셋(set-reset)을 반복시 소자 내부에 열이 축적되어 소자 고장의 원인이 되고, 실리콘 산화막이 열을 신속하게 방출하지 못하여 소자 전체의 온도가 상승하고 상변화 물질이 냉각되는데 오랜 시간이 소요되어 리셋(reset)되는 시간이 길어지게 되고, 상변화 물질의 일부분에서 리셋(reset)시에 셋(set)으로 변화하는 현상이 일어나기 때문에, 소자의 고속 동작 및 신뢰성에 문제가 발생하게 된다.

한편, 상변화 메모리의 저전력 및 고집적화 관점에서 볼 때, 전극과 접촉하여 상변화를 일으키는 상변화 물질의 면적을 최대한 축소시키는 것이 바람직하다. 그러나, 사진 공정의 한계로 인하여, 접촉 면적을 축소시킴으로써 소비 전력을 줄이는 것에는 한계가 있다. 따라서, 전극 물질과 열방출층의 특성을 개선하여 상변화 물질의 특성을 최대한 이끌어 내는 것이 실제 소자 특성을 개선하는 효과적인 방법이라 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 소자 내부의 열이 신속하게 외부로 방출되지 못하여 발생하는 소자의 고속 동작 및 신뢰성에 대한 문제를 해결하기 위하여, 기존의 상변화 메모리의 전극 물질과 열방출층의 특성을 개선하여 상변화 물질의 특성을 최대한 이끌어 내어 소자의 특성을 개선시키는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상변화 메모리는 상변화 물질을 통과하는 전류의 흐름으로 인한 열의 발생 정도를 이용하여 상변화 물질을 결정질과 비정질로 10 ~ 50 nsec 사이에서 변화시키면서 정보를 기억하는 방식을 사용하고 있다. 따라서, 소자 내의 열의 분포에 대하여 확실하게 규명하는 것이 중요하다. 소자 내의 어느 한 부분에만 열이 집중되 면 그 열로 인하여 저장되어 있는 정보가 변할 수 있다. 따라서, 소자 내에서 상변화 물질과 전극과의 접촉 부분만이 열발생 부위가 되도록 하여야 하며, 열을 발생시켜 상변화가 일어난 후에는 남아있는 열을 외부로 신속하게 방출시켜야 한다. 이러한 열 발생 및 열 방출 역할을 하는 것이 열전극과 열방출층이다.

상부 전극과 하부 전극간의 전기적 절연과 함께 상변화 물질에서 발생하는 열을 소자의 외부로 방출시킬 목적으로 기존에 사용되는 실리콘 산화막보다 열전도도가 우수한 물질을 사용하게 되면, 외부로 방출되는 열의 양이 많아지게 되어, 상변화 물질의 냉각이 더욱 빠르게 일어나고, 리셋되는 시간이 단축된다는 장점이 있다.

상기한 바와 같이, 상변화 물질과 전극 물질의 계면에서 발생한 열을 소자의 외부로 신속히 배출해 내는 것이 소자의 고속 동작 확보 및 신뢰성 구축에 매우 중요하며, 이를 고려할 때, 기존에 사용되는 실리콘 산화막보다 열전도도가 우수한 물질을 사용하여 상변화 메모리를 제작하는 것이 바람직하다.

한편, 열전도도가 좋은 물질을 절연층으로 사용할 경우, 소자의 동작 속도를 빠르게 하고 소자 전체의 동작 온도를 낮춘다는 장점을 갖는 반면, 외부로 열이 과다하게 빠져나가게 되어 상변화에 필요한 온도를 확보하는데 곤란하다는 문제점이 발생한다. 상기와 같은 문제점을 상쇄시키기 위하여, 같은 양의 전류에서 발생하는 열은 더 높으면서 열전도도는 낮은 물질을 전극 물질로서 사용하는 것이 유리하다.

본 발명은 여러 가지 전극 물질과 열방출층을 조합하여 최소 소비 전력으로 상변화를 일으키면서 냉각 속도를 개선시키는 물질을 선정하고, 이를 기존의 상변 화 메모리에 적용시킴으로써, 상변화시에 필요한 전력이 감소되어 저전력의 동작 특성을 갖는 고집적 상변화 메모리 소자를 제공한다.

반도체 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 공정에서 사용되는 금속들을 상변화 메모리에 적용시에, 공정상의 문제점은 발견되지 않았지만, 결과적으로 볼 때, 상변화 물질과의 계면에서 발생한 열이 하부 전극의 상단에 있는 절연층을 통해 외부로 방출되는 것이 아니라 전극 물질을 통해 소자 내부로 열이 전달되는 것이 확인되었다. 따라서, 상변화 메모리에 사용되기에 적합한 전극 물질은 낮은 전류량으로 높은 열을 발생할 수 있고 열전도도가 낮아서 열을 접촉하고 있는 상변화 물질로만 전달시키고 소자 내부로는 전달시키지 않는 특성을 갖는 것이다.

본 발명에 있어서, 이와 같은 특성을 갖는 전극 물질로서 질화티타늄(TiN)을 사용한다. TiN은 열전도도가 금속인 Ti 또는 W과 비교하여 1/10 내지 1/100 정도밖에 되지 않기 때문에, 전극을 통하여 열이 소자 내부로 전달되는 양을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상변화 물질과 전극과의 접촉면에서 발생한 열을 소자의 외부로 방출하기 위한 열방출층 물질로서 질화알루미늄(AlN)를 사용한다. AlN의 기계적, 열적 및 전기적 특성에 대한 물성치를 하기의 표 1에 나타내었다.

기계적 특성	측정 단위	SI/Metric	(Imperial)
밀도	gm/cc (lb/ft³)	3.26	(203.5)
공극률	% (%)	0	(0)
색깔	-	회색	-
휨강도	MPa (lb/in²x10³)	320	(46.4)
탄성률	GPa (lb/in²x10⁶)	330	(47.8)
전단탄성률	GPa (lb/in²x10⁶)	-	-
체적탄성률	GPa (lb/in²x10⁶)	-	-
푸아송비(Poisson's Ratio)	-	0.24	(0.24)
압축강도	MPa (lb/in²x10³)	2100	(304.5)
경도	Kg/mm²	1100	-
파괴인성(K_IC)	MPa·m^1/2	2.6	-
최대사용온도 (no load)	℃	-	-
열적 특성
열전도도	W/m·℃ (BTU·in/ft²·hr·℃)	140-180	(970-1250)
열팽창계수	10^-6/℃ (10^-6/℃)	4.5	(2.5)
비열	J/Kg·℃ (Btu/lb·℃)	740	(0.18)
전기적 특성
절연내력	ac-kv/mm (volts/mil)	17	(425)
유전상수	@ 1 MHz	9	(9)
방열계수	@ 1 MHz	0.0003	(0.0003)
손실탄젠트	@ 1 MHz	-	-
체적저항	ohm·cm	>10¹⁴	-

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, AlN은 열전도도가 금속만큼 우수하며, 열팽창율도 실리콘과 비슷하여, 가열-급냉의 반복시에도 균열이 생기지 않으며, 원자층 증착 방법으로 증착이 가능하므로 두께 조절이 용이하고, 소자의 표면에 균일한 증착이 가능하기 때문에, 상변화 메모리를 제작하는데 최적의 열방출층 물질이라 할 수 있다.

본 발명은, 수직 전극형 상변화 메모리로서, TiN 하부 전극, 상변화 물질 및 상부 전극을 차례로 포함하며, 상기 TiN 하부 전극은 식각되어 좁은 상변화 물질과의 접촉 면적을 가지며, 상기 하부 전극, 상변화 물질 및 상부 전극 주위에 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리를 제공할 수 있다. 구체적 으로, 상기 상변화 메모리는 도 1d와 같은 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 메모리 소자에 있어서, 상변화를 일으키는 영역의 접촉 면적은 열전극의 크기에 의하여 결정되며, 상기 열전극의 크기는 사진 공정의 한계에 의하여 영향을 받는다.

도 1a 내지 1d는 본 발명의 TiN 열전극과 AlN 열방출층이 적용된 수직 전극형 상변화 메모리의 구조를 나타낸 단면도를 제작 공정에 따라 나타낸 것이다. 우선, 도 1a와 같이, 하부 전극 접촉(1) 위에 하부 전극으로 TiN(2)을 증착한다. 그리고 나서, 도 1b와 같이, TiN 하부 전극(2) 위에 상변화 물질(3)과 상부 전극(5)을 증착한다. 도 1a 내지 1c에 있어서, AlN 열방출층(8)이 원자층 증착 방법에 의하여 상변화 물질(3)을 감싸는 구조로 증착되어 있다. 도 1d에서 보여지는 바와 같이, 소자의 동작시에는 전체 상변화 물질 중 열전극인 하부 전극(2)과 접촉하는 부위(4)만이 상변화되어 메모리로서의 동작을 수행하게 된다. 이 때, 상기 상변화를 일으키는 영역의 접촉 면적(4)이 작아야 적은 전류에도 충분한 가열이 가능하므로, 구동 전압을 낮추고 전력 소비를 줄이기 위해서는 열전극과 상변화 물질의 접촉 면적을 최대한 줄이는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 간선 접촉형 (edge contact type) 상변화 메모리로서, TiN 하부 전극 형성된 후 하부 전극의 측면 단면이 드러나도록 한 쪽에만 트렌치가 형성되고, 그 표면에 상변화 물질이 도포되어, 하부 전극의 측면에서 상변화 물질과의 접촉 부위를 갖고, 상기 TiN 하부 전극과 상변화 물질 주위에 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리를 제공할 수 있다. 구체적으로, 상기와 같은 상변화 메모리는 2d와 같은 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 소자의 하 부 전극과 상변화 물질의 접촉 면적은 하부 전극의 증착된 두께와 사진 식각에 의한 하부 전극의 너비에 의하여 결정된다. 일반적으로, 증착된 두께에 의하는 경우 10 nm 이하까지 줄일 수 있어서 보다 미세한 접촉 면적을 구현할 수 있으며, 증착 너비에 의하는 경우에는 사진 공정의 한계로 인하여 70 nm 이하로 줄이는 것이 어렵다.

도 2a 내지 2d는 열전극과 상변화 물질 간의 접촉 면적을 줄이기 위해 제안된 간선 접촉형 상변화 메모리로서, 본 발명에 따라서, TiN 전극과 AlN 열방출층이 적용된 메모리의 구조를 제작 공정에 따라 나타낸 단면도이다. 도 2a와 같이, 하부 전극 접촉(10) 위에 하부 전극으로서 TiN(11)을 증착한 후, 사진 공정을 이용하여 전극을 형성한다. 그리고 나서, 하부 전극 접촉, 상부 전극 접촉, 하부 전극, 상부 전극 및 상변화 물질의 전기적 접촉을 막기 위한 절연체이면서 상변화 물질과 하부 전극에서 발생한 열을 외부로 방출시키는 역할을 하는 열발출층으로서 AlN(16)을 원자층 증착 방법을 이용하여 증착한다. 그리고 나서, 도 2b와 같이, 하부 전극의 단면이 드러나도록 한 쪽만을 트렌치로 만들어준다. 그리고 나서, 도 2c와 같이, 상변화 물질(12)과 상부 전극(13)을 순차적으로 도포하면, 하부 전극의 측면 단면과 상변화 물질이 접촉되는 부분이 형성된다. 그리고 나서, 도 2d와 같이, AlN(16)를 증착하고, 다시 트렌치 공정을 통하여 상부 전극과의 상부 전극 접촉(14)을 형성한다.

또한, 본 발명은, 스페이서 패터닝 기술을 이용하여 제작된 상변화 메모리로서, TiN 하부 전극과 AlN 열방출층이 차례로 형성된 후, 상기 AlN 열방출층의 일부 분이 식각되고, TiN 하부 전극 위 AlN 열방출층이 식각된 부분에 상변화 물질이 도포된 후 수직 식각되어, 상기 상변화 물질이 TiN 위 AlN 열방출층 측면에 좁은 면적으로 남아있게 되고, 그 위에 다시 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리를 제공한다. 구체적으로, 상기 상변화 메모리는 도 3d와 같이 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 상변화 메모리 소자에서의 상변화 물질과 하부 전극 간의 접촉 면적은 상변화 물질의 수직 식각 정도에 따라서 조절된다.

도 3a 내지 3d는 본 발명에 따라서 TiN 전극과 AlN 열방출층이 적용된 스페이서 패터닝 기술을 이용하여 제작되는 상변화 메모리 소자의 구조를 제작 공정에 따라 나타낸 단면도이다. 도 3a와 같이, 실리콘 산화막(22)에 하부 전극 접촉(17)을 만든 다음, 하부 전극으로 TiN(18)을 증착하고, 그 위에 원자층 증착 방법으로 열방출층인 AlN(23)를 증착한다. 그리고 나서, 도 3b와 같이, AlN(23)의 일부분을 식각한 다음, 상변화 물질(19)을 증착시키고, 이를 수직으로 식각하면, 증착된 두께 차이에 의해 AlN의 벽면에만 상변화 물질이 남아있게 된다. 그리고 나서, 도 3c와 같이, 다시 AlN을 증착시키고, CMP 공정을 이용하여 평탄화 작업을 거친 후, 상부 전극(20)과 AlN(23)을 증착하고 상부 전극 접촉(21)을 형성시키면, 도 3d와 같이, 하부 전극과 상변화 물질 간의 미세 접점을 갖는 상변화 메모리 소자를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 TiN 하부 전극과 AlN 열방출층이 차례로 형성된 후 일부 식각되어 두 층 모두 측면 단면이 노출된 상태에서 상변화 물질이 도포되고 수직 식각되어, 상변화 물질이 TiN 하부 전극과 AlN 열방출층의 측면에 접촉하여 위치하고 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리를 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 상변화 메모리는 도 4d의 구조를 갖는 것일 수있다. 상기 상변화 메모리 소자는 도 3d에 나타낸 메모리 소자와 유사하지만, 하부 전극의 증착 두께로 접촉 면적을 조절할 수 있기 때문에, 보다 미세한 접촉 면적을 구현할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 4a 내지 4d는 본 발명에 따라 TiN 전극과 AlN 열방출층이 적용된 소자의 제작 공정에 따른 단면도를 보여주는 것이다. 도 4a와 같이, 실리콘 산화막(29)에 하부 전극 접촉(24)을 형성시키고, 그 위에 하부 전극으로 TiN(25)과 열방출층으로 AlN(30)을 증착한다. 그리고 나서, 도 4b와 같이, 상기 TiN 층(25)과 AlN 층(30)의 일부분을 식각하고, 이 위에 상변화 물질(26)을 균일하게 증착한다. 그리고 나서 상기 상변화 물질을 증착하고 수직으로 식각하면, 도 4c에서와 같이 전극의 벽면에만 상변화 물질이 남게 된다. 그리고 나서, 상부 전극(27)을 증착하고, 다시 AlN(30)을 증착시킨 후, 상부 전극 접촉(28)을 형성시키면, 도 4d와 같이, 스페이서 패턴닝 기술을 이용한 수평 전극형 상변화 메모리 소자가 얻어진다.

본 발명에 있어서, AlN 열방출층은 단계 피복률(step coverage)이 우수한 원자층 증착 방법을 사용하여 증착되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 TiN 전극과 AlN 열방출층의 조합이 소자내 열전달 측면에서 바람직하다는 것을 보여주기 위하여, 전극 물질과 열방출층 물질의 조합에 따른 열전달 특성을 비교하여 도 5에 나타내었다. 상변화 물질이 결정질에서 비정질로 변화하는 온도를 얻기 위하여, 전극이 700 ℃ 이상의 온도가 되도록 열유속(heat flux)을 가해준다. 같은 Ti 전극이라도, 열방출층의 종류에 따라 외부로 방 출되는 열의 양이 많아지면 더 높은 온도로 가열하여야 하므로, 가해지는 열유속량이 달라지게 된다. 도 5에 있어서, 전극과 열방출층의 조합은 다음과 같다; 1. AlN 열방출층/TiN 전극, 2. AlN 열방출층/Ti 전극, 및 3. SiO₂ 열방출층/Ti 전극. 가해준 열유속은 다음과 같다; 1. AlN 열방출층/TiN 전극: 19000 J/㎟·s, 2. AlN 열방출층/Ti 전극: 1700000 J/㎟·s, 3. SiO2 열방출층/Ti 전극: 350000 J/㎟·s. 도 5는 처음 10 nsec 동안 열을 가해준 후, 10 내지 50 nsec 동안의 냉각 과정에서의 상기 세 가지 조합의 열전달 특성을 시간별로 정리한 것이다.

도 5에 있어서, 열을 가해준 후 10 nsec에서의 열 발생을 살펴보면, AlN 열방출층/TiN 전극 (1)은 가장 적은 열유속(19000 J/㎟·s)으로 가장 높은 열(1031℃)이 발생한 반면, AlN 열방출층/Ti 전극 (2)는 Ti 전극에서 발생하는 열의 양이 TiN 전극에서 발생하는 열의 양에 비하여 적고(829.5℃), 발생한 열이 열전도도가 우수한 AlN를 통하여 외부로 재빨리 방출되는 현상으로 인하여, 가장 많은 열유속(1700000 J/㎟·s)을 가해주야 하였다. 또한, AlN 열방출층/TiN 전극 (1)의 열분포를 보면, TiN의 열전도도가 낮기 때문에 전극을 타고 소자 내부로 전달되는 열이 적은 반면, 열전도도가 높은 AlN를 통하여 소자 외부로 열이 방출되므로 전극과 상변화 물질의 접촉 부근에만 열이 집중되는 것을 알 수 있다. 반면, SiO₂ 열방출층/Ti 전극 (3)의 경우에는, 접촉 부위에서 발생한 열이 전극을 타고 소자 내부로 전달되면서 SiO₂ 층을 통해 천천히 확산됨을 확인할 수 있다.

또한, 이후 20 내지 50 nsec까지의 열분포를 살펴보면, AlN 열방출층/TiN 전 극 (1)의 경우, 열전도율이 우수한 AlN을 통하여 신속하게 냉각되기 때문에 가장 온도가 높은 부분이 Si 기판이 되는 것을 알 수 있는데, 이는 상변화 물질의 냉각이 빠르게 진행됨을 나타내는 것이다. 반면, AlN 열방출층/Ti 전극 (2)의 경우, 많은 양의 열이 소자 내부로 확산되어 하부 전극의 아래 부분에 오랫동안 동안 머무는 것을 알 수 있다. 이와 같이 열이 하부 전극 아래 부분에 오랫동안 머무는 경우에 셋-리셋이 반복되면, 접촉 부분에서의 상변화 물질 이외의 부분이 열에 의해 상변화하는 현상이 발생하게 되어, 소자의 신뢰성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

도 6a는 도 2d와 같은 구조의 상변화 메모리 소자에서 하부 전극과 상변화 물질의 접촉하는 한 부위(node)에서의 시간에 따른 상변화 물질 부분의 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 6a에 나타난 바와 같이, AlN 열방출층/TiN 전극 메모리 소자에서 상변화 물질이 결정질에서 비정질로 변화하는 온도인 650 ℃까지 가장 빨리 도달하며, 200 ℃이하로 냉각되는 시간도 2 nsec 밖에 안 걸리는 것을 알 수 있다. 도 6b는 하부 전극 위의 열방출층에서의 시간에 따른 온도 분포를 나타낸 그래프이다. 열전도도가 높은 AlN의 경우에는 외부로 방출되는 열이 많을수록 열방출층의 온도가 적게 올라가고 빨리 냉각되는 반면, 열전도도가 낮은 SiO₂의 경우에는 온도가 비정질의 상변화 물질이 결정질로 변화할 수 있는 250 ℃까지 상승하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 온도가 비정질 물질이 결정질로 변화할 수 있는 온도까지 상승하는 경우에는 리셋시에 급랭이 이루어지지 않게 되어, 상변화 물질이 균일하게 비정질로 바뀌는 것이 아니라, 일부분이 결정질로 잔류하는 비정질이 되어, 저 항의 변화가 생기기 때문에, 기억된 정보를 읽을 때 문제가 발생하게 된다.

상변화 메모리의 개발 과정에서 상변화 물질의 특성을 최대한 이용하기 위해서는 열을 가해주는 전극 물질과 열방출 역할을 하는 열방출층에 대한 연구가 매우 중요하다. 본 발명에서와 같이, AlN 열방출층과 TiN 전극을 사용하면 적은 전류량으로도 상변화에 필요한 열을 발생시킬 수 있으며, 리셋시에 가해준 열을 외부로 재빨리 방출시켜 상변화 물질을 완전하게 비정질로 만들 수 있다. 또한, 열방출층을 통하여 열이 급속히 빠져나가게 되면 소자의 동작 시간도 빨라지게 된다. 본 발명은 AlN 열방출층과 TiN 전극을 이용하여 상변화 메모리를 제작함으로써, 저전력으로 고속 동작이 가능하고 신뢰성이 향상된 메모리 소자를 제공할 수 있다.

Claims

기판, 하부 전극, 상변화물질, 상부 전극 및 열방출층을 포함하여 구성되는 상변화 메모리에 있어서, 열방출층으로서 AlN 열방출층 및 하부 전극으로서 TiN 전극을 포함하는 것을 특징으로 하여, 상변화 물질과 전극 간에 발생한 열이 소자 내부로 이동하지 않고 신속하게 외부로 방출되어, 저전류 고속 동작이 가능하고 신뢰성이 향상된 상변화 메모리.
제1항에 있어서, TiN 하부 전극, 상변화 물질 및 상부 전극을 차례로 포함하며, 상기 TiN 하부 전극은 식각된 채 상변화 물질과 접촉되며, 상기 하부 전극, 상변화 물질 및 상부 전극 주위에 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리.
제1항에 있어서, TiN 하부 전극 형성된 후 하부 전극의 측면 단면이 드러나도록 한 쪽에만 트렌치가 형성되고, 그 표면에 상변화 물질이 도포되어, 하부 전극의 측면에서 상변화 물질과의 접촉 부위를 갖고, 상기 TiN 하부 전극과 상변화 물질 주위에 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리.
제1항에 있어서, TiN 하부 전극과 AlN 열방출층이 차례로 형성된 후, 상기 AlN 열방출층의 일부분이 식각되고, TiN 하부 전극 위 AlN 열방출층이 식각된 부분에 상변화 물질이 도포된 후 수직 식각되어, 상변화 물질이 TiN 위 AlN 열방출층 측면에 좁은 면적으로 남아있게 되고, 그 위에 다시 AlN 열방출층이 형성되어 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리.
제1항에 있어서, TiN 하부 전극과 AlN 열방출층이 차례로 형성된 후 일부 식각되어 두 층 모두 측면 단면이 노출된 상태에서 상변화 물질이 도포되고 수직 식각되어, 상변화 물질이 TiN 하부 전극과 AlN 열방출층의 측면에 접촉하여 위치하고 있는 구조를 포함하는 상변화 메모리.