KR20090061342A - Phase-change memory device and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 상변화 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 물질의 특성을 유지시킬 수 있는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a phase change memory device, and more particularly, to a phase change memory device capable of maintaining the characteristics of a phase change material and a method of manufacturing the same.
상변화 메모리 소자(Phase-change Random Access Memory; PRAM)는 비정질 상태에서는 높은 저항을, 결정질 상태에서는 낮은 저항을 갖는 상변화 물질의 상변화에 의해 정보를 기록하고 독출하는 메모리 소자로서, 플래쉬 메모리에 비해 빠른 동작 속도 및 높은 집적도를 갖는 장점이 있다.Phase-change random access memory (PRAM) is a memory device that records and reads information by a phase change of a phase change material having a high resistance in an amorphous state and a low resistance in a crystalline state. Compared to the above, there is an advantage of having a high operation speed and high integration.
현재, PRAM 소자의 제조시 상변화 물질층은 ALD(Atomic Layer Deposition) 방식, CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식을 통해 형성하는 것이 일반적이다.Currently, in manufacturing a PRAM device, the phase change material layer is generally formed through an atomic layer deposition (ALD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method.
또한, 상변화 물질은 온도에 따라 결정 상태 및 비정질 상태의 서로 다른 상태를 갖는 물질로, 결정 상태에서는 비정질 상태에 비해 낮은 저항치를 나타내며 질서 정연한 규칙적인 원자 배열을 지니고 있다. 상변화 물질의 대표적인 예로 칼코제나이드(Chalcogenide; GST)계 물질을 들 수 있으며, 이는 게르마늄(Ge), 안티 몬(Sb), 텔루리움(Te)으로 이루어진 화합물이다.In addition, the phase change material is a material having a different state of a crystalline state and an amorphous state according to the temperature, and in the crystalline state has a lower resistance than the amorphous state and has a regular ordered atomic arrangement. Representative examples of phase change materials include chalcogenide (GST) -based materials, which are composed of germanium (Ge), antimony (Sb), and tellurium (Te).
PRAM 소자에서 하부전극을 통해 전류를 인가하면 이에 의해 발생한 줄열(Joule Heat)에 의해 상변화 물질층의 온도가 변화되며, 인가되는 전류를 적절히 변화시켜 상변화 물질층의 결정 구조를 결정 상태 또는 비정질 상태로 변화시킬 수 있다. 즉, 줄열에 의해 저항이 낮은 결정질(crystalline) 상태(세트(SET) 상태)와 저항이 높은 비정질(amorphous) 상태(리셋(RESET) 상태) 사이에서 상변화가 일어난다. 그리고, 쓰기 및 읽기 모드에서 상변화막을 통하여 흐르는 전류를 감지하여 상변화 기억 셀에 저장된 정보가 세트 상태의 데이터(0)인지 또는 리셋 상태의 데이터(1)인지 판별한다.When the current is applied through the lower electrode in the PRAM device, the temperature of the phase change material layer is changed by Joule heat generated by this, and the crystal structure of the phase change material layer is determined by changing the applied current appropriately. Can be changed to a state. That is, Joule heat causes a phase change between a low resistance crystalline state (SET state) and a high resistance amorphous state (RESET state). In the write and read modes, the current flowing through the phase change film is sensed to determine whether the information stored in the phase change memory cell is data 0 in the set state or data 1 in the reset state.
그런데, 이러한 상변화가 반복됨에 따라 상변화 물질층에 포함되어 있는 각 성분이 열 확산(Diffusivity)되어, 상분리 현상이 발생하고, 이에 따라 상변화 물질의 특성이 변화하게 된다. 즉, GST 내의 안티몬(Sb)이 외부로 확산되고, 이로 인해 GST막의 조성이 불균형해져, 텔루리움(Te)이 GST막 자체 내로 확산 및 성장되게 되는 것이다.However, as the phase change is repeated, each component included in the phase change material layer is thermally diffused, and phase separation occurs, thereby changing the characteristics of the phase change material. In other words, antimony (Sb) in the GST is diffused to the outside, thereby the composition of the GST film is unbalanced, and tellurium (Te) is diffused and grown into the GST film itself.
이에 따라, GST막에 갈라짐(Delamination) 현상이 발생하고, 심한 경우 GST막이 물리적으로 파괴되는 등, 소자가 오동작하거나 동작하지 않게 되는 문제가 있다.Accordingly, there is a problem in that the device malfunctions or does not operate, such as a delamination phenomenon in the GST film and, in severe cases, the GST film is physically destroyed.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반복되는 상변화에도 상변화 물질의 특성을 유지할 수 있는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and there is a technical problem to provide a phase change memory device capable of maintaining the characteristics of a phase change material even after repeated phase changes and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상변화 물질층으로 안티몬(Sb)을 지속적으로 공급하여, 상변화를 반복하더라도 상변화 물질의 조성을 유지할 수 있는 상변화 메모리 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.Another technical problem of the present invention is to provide a phase change memory device capable of continuously supplying antimony (Sb) to the phase change material layer and maintaining the composition of the phase change material even if the phase change is repeated, and a method of manufacturing the same.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 메모리 소자 제조 방법은 하부전극 콘택이 형성된 반도체 기판이 제공되는 단계; 상기 하부전극 콘택 상에 안티몬-리치(Sb-rich) 코어를 형성하는 단계; 및 상기 안티몬-리치 코어 상에 상변화 물질층을 형성하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a phase change memory device, the method including: providing a semiconductor substrate on which a lower electrode contact is formed; Forming an antimony-rich core on the lower electrode contact; And forming a phase change material layer on the antimony-rich core.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 메모리 소자는 접합 영역이 형성된 반도체 기판; 상기 접합 영역 상에 형성되는 스위칭 소자; 상기 스위칭 소자 상에 형성되는 하부전극 콘택; 상기 하부전극 콘택 상에 형성된 안티몬-리치(Sb-rich) 코어; 및 상기 안티몬-리치 코어 상에 형성된 상변화 물질 패턴;을 포함한다.On the other hand, a phase change memory device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate having a junction region; A switching element formed on the junction region; A lower electrode contact formed on the switching element; An antimony-rich core formed on the lower electrode contact; And a phase change material pattern formed on the antimony-rich core.
본 발명에 의하면, GST막 내에 안티몬-리치(Sb-rich) 코어를 형성함으로써, GST막에 안티몬 성분이 지속적으로 공급되도록 할 수 있다. 이에 따라, 상변화가 반복되더라도 상변화 물질의 조성이 변화되지 않고 유지되어, 상변화 신뢰성을 개선할 수 있다.According to the present invention, by forming an antimony-rich core in the GST film, the antimony component can be continuously supplied to the GST film. Accordingly, even if the phase change is repeated, the composition of the phase change material is maintained unchanged, thereby improving the phase change reliability.
아울러, 상변화 물질층의 신뢰성이 보장됨에 따라, 상변화 메모리 소자의 수율 및 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, as the reliability of the phase change material layer is guaranteed, the yield and operation reliability of the phase change memory device may be improved.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a 내지 1f는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1a에 도시한 것과 같이, 상변화 메모리 소자를 제조하기 위한 하부구조를 형성한다. 즉, 반도체 기판(101)에 소자 분리막(103)을 형성하여 코어 영역과 셀 영역을 구분하고, 셀 영역에 이온을 주입하여 접합 영역(105)을 형성한다. 이후, 전체 구조 상에 확산 방지막(107, 109) 및 제 1 층간 절연막(111)을 순차적으로 형성한 다음, 지정된 부분(PN 다이오드 형성 예정 영역)을 제거하여 반도체 기판(101)을 노출시키고, 노출 영역에 스위칭 소자(113)로서의 PN 다이오드를 형성한다.As shown in FIG. 1A, a substructure for manufacturing a phase change memory device is formed. That is, the
다음, 도 1b에 도시한 것과 같이, 스위칭 소자가 형성된 전체 구조 상에 제 2 층간 절연막(115)을 형성한다. 그리고, 스위칭 소자(113)의 상부가 노출되도록 제 2 층간 절연막(115)을 패터닝하여 콘택홀을 형성한 다음, 콘택홀을 금속물질로 매립하여 하부전극 콘택(Bottom Electrode Contact; BEC, 117)을 형성한다.Next, as shown in Fig. 1B, a second interlayer
이어서, 도 1c에 도시한 것과 같이, BEC(117)를 형성한 전체 구조 상에 안티몬-리치(Sb-rich)층(119)을 형성한다. 안티몬-리치층(119)은 예를 들어, GeSb2Te4를 이용하여 형성할 수 있다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1C, an antimony-rich (Sb-rich)
다음, 안티몬-리치층(119)을 패터닝하여, 도 1d와 같이 하부전극 콘택(117)의 상부에 안티몬-리치 코어(119A)를 형성한다. 여기에서, 안티몬-리치 코어(119A)는 하부전극 콘택(117) 상에만 존재하도록 패터닝하는 것이 바람직하며, 예를 들어 하부전극 콘택(117)을 원통형으로 생성한 경우 하부전극 콘택(117)의 구경보다 작은 구경을 갖도록 패터닝한다.Next, the antimony-
그리고, 도 1e에 도시한 것과 같이 전체 구조 상에 GST층(121)을 형성하고 평탄화한 다음, 도전물질층(123) 및 마스크(미도시)를 형성한다.As shown in FIG. 1E, the
이어서, 도전물질층(123) 및 GST층(121)을 패터닝하여 안티몬-리치 코어(119A) 및 GST 패턴(121A)으로 이루어지는 상변화 물질층(125) 및 상부전극(123A)을 형성한다.Subsequently, the
이와 같이 제조된 PRAM 소자는 구동 전류를 공급하여 상변화 물질층(125)의 상태를 변경시켜 데이터를 저장 및 독출할 때, 상변화 물질층(125)을 구성하는 GST패턴(121)으로부터 안티몬 성분이 외부로 배출되어도, 그 내부의 안티몬-리치 코어(119A)로부터 GST 패턴(121)으로 안티몬이 지속적으로 공급되어, GST 패턴(121)을 구성하는 물질의 조성이 변화되지 않는다. 따라서, 상변화 물질층(125)의 동작 신뢰성을 보장할 수 있다.The PRAM device manufactured as described above has an antimony component from the
아울러, 이상과 같이 하여 제조된 상변화 메모리 소자는 접합 영역이 형성된 반도체 기판, 접합 영역 상에 형성되는 스위칭 소자, 스위칭 소자 상에 형성되는 하부전극 콘택, 하부전극 콘택 상에 형성된 안티몬-리치(Sb-rich) 코어 및 안티몬-리치 코어 상에 형성된 상변화 물질 패턴을 포함한다.In addition, the phase change memory device manufactured as described above may include a semiconductor substrate having a junction region, a switching element formed on the junction region, a lower electrode contact formed on the switching element, and an antimony-rich (Sb) formed on the lower electrode contact. -rich) includes a phase change material pattern formed on the core and the antimony-rich core.
여기에서, 안티몬-리치 코어는, GeSb2Te4로 형성되고, 상변화 물질 패턴은, GST를 이용하여 형성한다. 또한, 안티몬-리치 코어는 하부전극 콘택 상에만 잔류하도록 패터닝하는 것이 바람직하며, 상변화 물질 패턴은 안티몬-리치 코어의 상부 및 측면을 커버링하도록 형성한다.Here, the antimony-rich core is formed of GeSb 2 Te 4 , and the phase change material pattern is formed using GST. In addition, the antimony-rich core is preferably patterned to remain only on the bottom electrode contact, and the phase change material pattern is formed to cover the top and side surfaces of the antimony-rich core.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
본 발명에 의하면 상변화 물질층의 특성이 유지되도록 하여, 상변화 물질층의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상변화 메모리 소자의 오동작이 방지되고, 수율이 개선되어 다양한 전자기기에 적용할 수 있다.According to the present invention, it is possible to maintain the characteristics of the phase change material layer, thereby improving operation reliability of the phase change material layer. Accordingly, the malfunction of the phase change memory device can be prevented and the yield can be improved and applied to various electronic devices.
도 1a 내지 1f는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 메모리 소자 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase change memory device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 반도체 기판 103 : 소자 분리막101
105 : 접합 영역 107, 109 : 확산 방지막105:
111 : 제 1 층간 절연막 113 : 스위칭 소자111 first interlayer
115 : 제 2 층간 절연막 117 : 하부전극 콘택(BEC)115: second interlayer insulating film 117: lower electrode contact (BEC)
119 : 안티몬-리치층 119A : 안티몬-리치 코어119: antimony-
121 : GST층 121A : GST 패턴121:
123 : 도전물질층 123A : 상부전극123:
125 : 상변화 물질층125: phase change material layer
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