KR100723839B1 - 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

저소비전력형 상변화 메모리소자의 제작을 위한 발열성 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자 및 그 제조방법을 제공한다. 그 소자 및 방법은 소정의 영역을 관통한 관통전극 구조를 내재한 제1 상변화 박막층과, 관통전극 구조에 매립된 발열성 금속전극을 포함한다. 발열성 금속전극에 의해 가해진 열에너지에 의해 결정상태가 변화하고, 변화된 영역이 상기 제1 상변화 박막층에 제한된다.

상변화 메모리소자, 관통전극 구조, 상변화 박막층

Description

관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법{Phase change type memory device having through-hole cell structure and method of manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작 공정을 나타낸 흐름도이다.

도 4는 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작예이다.

도 5는 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 또 다른 제작예이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10; 실리콘 기판 11; 제1 절연층

12; 하부 금속전극층 13; 제2 절연층

14; 제1 상변화 박막층 15; 발열성 금속전극

16; 제2 상변화 박막층 17; 상부 금속전극층

21; 관통전극 구조 22; 제3 상변화 박막층

본 발명은 상변화 재료를 이용한 반도체 메모리 소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 관통전극 구조를이용한 상변화 메모리 소자의 제작 방법에 관한 것이다.

반도체 메모리는 크게 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리의 두 가지 종류로 나눌 수 있다. 그 중, DRAM(Dynamic Random Access Memory)은 대표적인 휘발성 메모리이며, 동작과정에서 필연적으로 리프레쉬(reflesh)의 작업을 수반한다. 메모리의 집적도가 낮은 경우에는 리프레쉬 작업에 필요한 소비전력의 양은 문제가 되지 않으나, 집적도가 높아짐에 따라 소비전력이 크게 증가한다. 예를 들어, 현재의 1~10ms/Mbit에 해당하는 리프레쉬 율(rate)을 적용하는 경우 DRAM 전체적으로 상당한 에너지를 소모한다. 구체적으로, 1Gbit에 달하는 현재의 DRAM에서는 리프레쉬를 위한 소비전력의 소모가 전체 동작의 소비전력을 지배하는 정도에 이르고 있다. 소비전력 증대됨에도 불구하고, 고속이며 저렴하다는 장점 때문에 DRAM은 현재까지 가장 많이 사용되는 메모리 모듈이다.

휘발성 DRAM을 비휘발성 메모리로 대체할 수 있다면, 소비전력의 감소는 물론 기동 시간의 대폭적인 절감 효과를 기대할 수 있기 때문에, 현재 여러 가지 비 휘발성 메모리 기술이 연구의 단계를 거쳐 개발되고 있다. 비휘발성 메모리 가운데, 가장 기술 개발이 많이 진행되어 있고, 또한 실제 가장 많이 사용되고 있는 것은 플래쉬메모리이다. 하지만, 플래쉬메모리는 속도가 느리고 비교적 높은 전압을 사용해야 하는 한계 때문에 현재는 디지털카메라나 휴대전화 등 모바일 기기에 한정되어 사용되고 있다. 한편, 메모리가 갖추어야 할 중요한 성능 중의 하나는 재기록 동작에 대한 신뢰성이다. 플래쉬메모리의 경우, 재기록 동작에 대한 신뢰성은 양호한 편은 아니지만, 개인정보단말로 대표되는 모바일 기기에 한정되어 사용한다면 재기록 가능 횟수를 상대적으로 작게 설정할 수 있다. 다만, 모바일 기기에서 요구되는 정도의 재기록 동작 신뢰성으로는 범용 PC 등에 안정된 동작을 확보할 수 없다.

이에 따라 다양한 기기나 용도에 안정적으로 탑재 가능한 통합형 메모리가 요구되고 있다. 통합형 메모리는, 비휘발성, 고속, 저소비전력, 및 높은 재기록 동작 신뢰성 등의 특성이 강하게 요구되는 데, 현재까지 이러한 특성을 모두 갖춘 반도체 메모리는 아직 상용화 되지 않았다. 따라서 다양한 비휘발성 메모리 기술이 현재 활발하게 연구 개발 중이며, 각 기술에 대한 발전 가능성 및 상용성을 다각적으로 모색하고 있다.

한편, 상변화메모리 (Phase-Change RAM, PRAM)로 불리는 비휘발성 메모리는, 재료가 갖는 결정 상태에 따라 그 저항값이 바뀌는 상변화 재료를 이용한다. 즉, 상변화메모리는 적절한 조건의 전류 또는 전압의 인가방법을 선택함으로써 재료가 갖는 결정상태를 제어하여 정보를 저장하고, 재료의 결정상태에 따른 저항값의 변 화로부터 저장된 정보의 종류를 판독하여 메모리 동작을 실현한다.

상변화 메모리는, 현재까지 CD-RW나 DVD 등의 광저장 정보 장치에 주로 사용되어 오던 칼코게나이드 금속 합금계의 상변화 재료를 그대로 사용할 수 있으며, 소자의 제작 공정이 기존의 실리콘 기반 소자 제작 공정과 잘 정합하기 때문에, DRAM과 동등한 정도 이상의 집적도를 쉽게 구현할 수 있는 장점이 있다. 이에 비해, 상변화 메모리와 경합하는 자기저항형(Magneto-Resistive) 메모리 및 강유전체 메모리(Ferroelectric Memory)는, 소자의 미세화에 따라 공정의 난이도가 크거나, 소자의 성능 자체가 열화하는 등의 문제가 발생하고 있다. 따라서, 상변화 메모리는 현재의 플래쉬메모리를 대체할 수 있는 가장 유력한 차세대 비휘발성 메모리 후보로 써 주목을 받고 있다.

다만, 상변화 메모리의 실용화를 위해서는 메모리 소자의 구동에 필요한 소비전력을 크게 줄여야 할 필요가 있다. 상변화 메모리는, 앞서 설명한 바와 같이 저항체에 전류를 흘렸을 때 발생하는 주울열을 이용하여 상변화 재료의 결정상태를 제어하는 방법으로 메모리 소자를 구동하기 때문에, 비교적 많은 전력을 소모할 가능성이 있다. 소비전력 문제는 상변화메모리가 다른 형태의 비휘발성 메모리에 비해 비교적 유리한 장점들을 가지고 있으면서도 최근에 들어서야 크게 주목을 받기 시작한 원인이었다.

즉, 비교적 큰 치수의 소자를 제작하던 종래의 반도체 공정을 이용하여 상변화메모리 소자를 제작하면, 전체 시스템이 감당할 수 없을 정도의 전력과 열이 발생하여 실용적인 메모리 소자의 실현은 불가능했다. 그러나, 설계 규칙의 지속적인 축소와 함께 소자 자체의 크기도 크게 줄어 들어, 현재 일반적으로 사용되고 있는 반도체 공정의 설계 규칙을 이용한다면, 상변화 메모리의 동작에 요구되는 소비전력을 크게 줄일 수 있었다. 상변화 메모리 소자의 동작을 위한 전류의 크기를 줄이는 것은 상변화 메모리의 고집적화와 밀접한 관련이 있다. 고집적도를 가지는 상변화 메모리의 신뢰성있는 메모리 동작을 보장하기 위해서는 저소비전력형 소자 구조의 개발이 필수적이다. 이것은 전체 상변화 메모리 어레이가 소모하는 절대적인 소비전력을 줄이기 위한 목적을 가진다.

한편, 저소비전력형 소자 구조의 채용은 상기 소비전력의 절감 이외에도 다른 하나의 중요한 목적을 가진다. 즉, 특정 소자의 메모리 동작시에 발생한 열이 인접한 메모리 소자에 저장된 정보를 파괴하거나 변경해서는 안된다. 특히, 고집적도를 가지는 메모리 어레이 내에서 각 소자의 간격은 매우 축소되며, 경우에 따라서는 특정 셀 메모리 동작시 발생한 열이 잡음 요소로 작용하여 인접 셀의 메모리 동작을 저해하는 요인이 될 수 있다.

상변화 메모리소자의 동작에 필요한 절대적인 전류의 값을 줄이기 위한 방법으로, 다음의 방법들이 응용되고 있다.

(1) 재료적인 접근 방법이다. 즉, 녹는점이 비교적 낮은 상변화 재료를 채용하여 상전이에 필요한 온도를 낮춤으로써, 필요한 전류값을 줄이는 방법이다. 이것은 소자 구조와 상관없이 상변화 재료 자체를 변경하여 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하는 방법이다.

(2) 소자의 구조적인 접근 방법이다. 소자의 구조적인 접근 방법에는 최근 두 가지의 경향이 나타나고 있다. 그 첫 번째 방법은, 상변화 메모리 소자의 동작의 핵심 부분인 상변화 영역을 최소화하여 필요한 전류값을 줄이는 것이다. 상변화 메모리 소자는 상변화 재료와 전극재료의 접촉부분에서 발생하는 열을 이용하여 상전이 상태를 경험하기 때문에, 접촉부분을 최소화함으로써 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하고자 하는 방법이다. 현재, 접촉부분을 최소화하는 상기 방법이 가장 일반적으로 시도되고 있는 접근 방법이다.

그 두 번째 방법은, 소자 내에 위치한 상변화 재료가 경험하는 열적 에너지를 가능한 한 충분히 이용할 수 있도록 메모리 소자의 구조를 최적화하는 것이다. 즉, 첫 번째 방법에서와 같이 아무리 상변화 영역을 최소화하여 접촉 부분에서 발생하는 열을 줄인다고 하더라도 발생한 열 에너지 자체를 효율적으로 이용하지 못한다면 상대적으로 많은 전류를 인가할 수 밖에 없기 때문이다. 따라서, 상기 두 번째 방법에서는 적절한 소자 구조를 제공함으로써 상변화 영역에 인가된 열이 누설성분 없이 모두 상변화 재료의 상전이에 사용될 수 있도록 하여, 상변화 메모리 전체의 소비전력 절감을 도모하는 방법이다. 물론 상기 (2)에서 제시한 두 가지 방법을 병용할 수 있는 소자구조의 제작을 통해 소비전력의 절감을 최대화 할 수 있다. 상기 방법 중, (2)의 두 번째 방법에 주목하여 발열성 관통 전극 구조를 포함하는 저소비전력형 상변화메모리 소자의 제작할 수 있다.

한편, 메모리소자 구조의 최적화을 위해 최근 가장 일반적으로 시도되고 있는 방법은, 상변화 재료가 매몰되는 특정영역을 제작하는 것이다. 상기 특정영역은 인가된 열 에너지의 분포를 제한하여, 이 영역 내에서만 상변화 재료가 상전이를 경험할 수 있도록 한다. 상기 특정영역은 좌우에 열적 절연막을 가지며 그 사이에 매우 미세하게 가공된 홀 구조로 구성된다. 이러한 구조를 통상 갇힌 구조(confined structure)를 갖는 상변화 메모리 소자로 칭한다.

하지만, 상기 갇힌 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자는 매우 미세하게 가공된 홀 내부에 상변화 재료를 적절한 방법으로 매몰해야 하는 공정적인 문제를 가지고 있다. 가령, 수십 나노미터의 크기를 갖는 홀 구조 내부에 칼코게나이드 금속 합금으로 대표되는 상변화 재료를 적절히 매몰하는 것은 매우 어렵다. 물론 칼코게나이드 금속 합금의 증착시, 상기 미세 홀 구조 내부에도 양호하게 형성 가능할 것으로 판단되는 원자층 기상 증착법(atomic layer deposition)이나 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition)을 이용하는 것이 바람직하나, 현재의 기술 상황에서 칼코게나이드 계열 금속 합금을 상기 증착 방법에 의해 형성했다는 보고는 없다.

또한 상기 갇힌 구조는 소정의 기판 상의 일정 면적에 있어서 동일한 크기로 제작되는 것이 바람직하다. 만일, 가공공정 방법이 소정의 기판 상에서 일정 분포 이상의 크기 차이를 유발한 가능성이 많다면, 그러한 가공 공정 방법을 실제 메모리 소자의 제작에 채용하기는 어렵다. 그 이유는, 갇힌 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자는 갇힌 구조안에 매몰된 상변화 재료의 상전이 현상만을 통해 메모리 동작에 필요한 전류량을 절감하는 것이므로, 가공해야 할 갇힌 구조의 크기가 작을수록, 메모리 소자 사이에서 동작에 필요한 전류의 분포가 발생할 가능성이 많으며, 또한 동일한 동작전류 조건에서 동작 소자 사이의 상이한 동작을 야기할 가능성이 많아, 상변화 메모리 소자의 저소비전력화와 상반되는 결과를 초래하기 때문이다.

따라서, 메모리 소자의 저전력화를 위한 상기 (2)의 두 번째 방법을 달성하기 위해서는, 상변화 재료가 경험하는 열 에너지를 재료 내부에서 차폐하고, 상변화 재료의 구성 영역은 일반적으로 적용 가능한 가공공정 방법을 통해 용이하게 가공되는 것이 보다 바람직하다. 이렇게 하기 위해서는 상변화 재료 내부에 발열성 관통전극을 설치하여 관통전극을 통해 발생한 열을 상변화 재료 내부에서 최대한 활용하는 상변화 메모리소자 구조를 요구하고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 저소비전력형 상변화 메모리 소자의 제작을 위한 발열성 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 저소비전력형 상변화 메모리 소자의 제작을 위한 발열성 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상변화 재료를 관통하는 발열성 관통전극 구조를 이용하여, 상변화 메모리소자를 제작하기 위한 공정방법을 제공한다. 본 발명에 따른 관통전극을 포함하는 상변화 메모리소자는 셀 면적을 크게 축소하고, 열효율을 높이며, 제작 공정을 단순화 할 수 있는 특징을 가진다. 또한 본 발명의 상변화 메모리소자는 매우 미세한 특정영역을 가공하는 등의 공정을 사용함이 없이, 소자 내에 위치한 상 변화 재료가 경험하는 열적에너지를 가능한 한 충분히 이용할 수 있도록 메모리 소자의 구조를 최적화 하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 소정의 크기를 갖는 동일 기판 상에서 균일하게 이루어지는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적과제를 달성하기 위한 본 발명의 상변화 메모리소자는 소정의 영역을 관통한 관통전극 구조를 내재한 제1 상변화 박막층과, 상기 관통전극 구조에 매립된 발열성 금속전극을 포함한다. 상기 발열성 금속전극에 의해 가해진 열에너지에 의해 결정상태가 변화하고, 상기 변화된 영역이 상기 제1 상변화 박막층에 제한된다.

상기 제1 상변화 박막층과 동일한 단차를 가지며, 상기 제1 상변화 박막층의 적어도 양측을 둘러싸는 절연층을 더 포함할 수 있다.

복수개의 상기 상변화 메모리 소자가 배열된 어레이에 있어서, 상기 각각의 관통전극 구조의 크기는 균일한 것이 바람직하다. 상기 관통전극 구조 사이의 거리는 디자인룰이 허용하는 범위에서 가장 가깝게 설정할 수 있다.

상기 관통전극 구조 및 상기 제1 상변화 박막층을 덮는 제2 상변화 박막층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 상변화 박막층은 상기 제1 상변화 박막층과 동일한 재료로 이루어진다. 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 상변화 메모리소자의 제조방법은 먼저, 기판을 준비한 다음, 상기 기판 상에 제1 상변화 박막층을 형성한다. 그후, 상기 제1 상변화 박막층의 소정의 영역을 관통한 관통전극 구조를 형성한다. 상기 관통전극 구조에 발열성 금속전극을 매립한다.

상기 제1 상변화 박막층을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 하부 금속전극층 을 형성하는 단계와, 상기 하부 금속전극층 상에 절연층을 형성하는 단계와, 상기 절연층의 소정의 영역을 제거하여 상기 하부 금속전극층을 노출시키는 단계 및 상기 하부 금속전극층이 노출된 부분을 상기 제1 상변화 박막층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 발열성 금속전극을 매립한 단계 이후에, 상기 제1 상변화 박막층 상에 상기 제2 상변화 박막층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 구성 및 작용은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 도면에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 상에 있다고 언급된 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 반도체기판(10), 예를 들면 실리콘 기판 상에 제1 절연층(11)을 형성한다. 제1 절연층(11)은 일반적으로 실리콘 기판을 열산화하여 형성하는 실리콘 산화막이며, 반도체기판(10)과 그 상부에 형성될 상변화 메모리 소자를 전기적 또는 열적으로 절연하는 역할을 한다. 제1 절연층(11) 상에는 하부 금속전 극층(12)이 형성된다. 하부 금속전극층(12)은 상변화 메모리 소자의 하부 단자 역할을 하며 저저항의 금속막으로 형성된다. 하부 금속전극층(12) 상에는 제2 절연층(13)이 형성된다. 제2 절연층(13)은 본 발명에 따른 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자로 구성되는 전체 메모리 어레이 구조에서 각 메모리 소자를 전기적 또는 열적으로 분리하는 역할을 한다. 즉, 상기 소자분리의 기능은 제2 절연층(13)의 일부 영역을 통상적인 식각공정을 통해 제거하고 상변화 메모리소자 영역으로 정의될 부분을 확보함으로써 제공된다.

제2 절연층(13) 사이에 형성된 상변화 메모리 소자의 영역 내부에 제1 상변화 박막층(14)이 형성된다. 이 때 제1 상변화 박막층(14)의 종류 및 박막의 두께 등은 상변화 메모리 소자에 요구되는 각종 동작 성능을 고려하여 최적화 될 수 있다. 제1 상변화 박막층(14) 내의 소정의 부분에는 적당한 크기의 관통전극 구조(21)가 형성되며, 관통전극 구조(21)의 내부는 발열성 금속전극(15)에 의해 채워진다. 따라서, 관통전극 구조(21)는, 제1 상변화 박막층(14)의 상부에서 하부 금속전극층(12)까지 관통하는 소정의 크기의 원통형 공간과 원통형 공간을 채우는 발열성 금속전극(15)으로 구성된다. 관통전극 구조(21)를 포함하는 제1 상변화 박막층(14)과 제2 절연층(13) 상부에는 제1 상변화 박막층(14)과 동일한 재료의 제2 상변화 박막층(16)이 형성된다. 제2 상변화 박막층(16)은 발열성 금속전극(15)이 관통전극 구조(21)를 통해 하부 전극금속층(12)과 이후 형성될 상부 금속전극층(17)을 직접 연결하여 전기적으로 단락되는 것을 막기 위한 역할을 한다. 제2 상변화 박막층(16) 상부에, 관통전극 구조(21)를 포함하는 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자 구조가 위치한 부분에 상부 전극의 역할을 하는 상부 금속전극층(17)이 형성된다.

도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절단하였을 때 나타나는 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 평면도이다. 이하에서는, 도 2를 참조하여 도 1에서 설명한 본 발명에 따른 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자의 구조적 특징을 설명한다. 본 발명에 따른 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자는, 메모리소자 내에 위치한 상변화 재료가 경험하는 열적 에너지를, 제1 상변화 박막층(14) 내부에 차폐하여 인가된 에너지를 가능한 한 효과적으로 이용할 수 있도록 메모리 소자의 구조를 최적화 하는 공정 방법을 제공한다.

도 2를 참조하면, 하부 금속전극층(12) 또는 상부 금속전극층(17)을 통해 공급된 전류는 발열성 관통전극 구조(21)를 통과하면서 제1 상변화 박막층(14)에 소정의 열 에너지를 공급하게 된다. 공급된 열 에너지는 관통전극 구조(21)의 주변에 위치한 제1 상변화 박막층(14)의 결정상태를 변화시키는 데 사용되며, 결정상태가 변화한 제3 상변화 박막층(22) 주변은 동일한 재료인 상변화 박막층, 예컨대 제1 및 제2 상변화 박막층(14, 16)에 의해 완전히 차폐되어 있어, 공급된 열 에너지가 다른 재료의 개입을 통해 누설되지 않는다. 왜냐하면, 본 발명에 따른 상변화 재료의 열전도도는 인가된 열 에너지를 가두어 사용할 수 있을 정도로 충분히 낮기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리소자의 구동방법은, 관통전극 구조(21)를 구성하는 발열성 금속전극(15) 주변의 제3 상변화 박막층(22)이 경험하는 결정상태의 변화에 따라, 전체 상변화 메모리소자의 저 항값이 변화하는 특성을 이용한다. 즉, 제1 상변화 박막층(14)이 비정질 상태인 경우 나타나는 높은 상태의 저항값과, 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지에 의해 결정 상태로의 전이를 경험하는 제3 상변화 박막층(22)이 포함되는 전체 상변화 박막층이 나타내는 낮은 상태의 저항값의 차이를 이용하여 메모리 동작을 달성하게 된다. 본 발명에 따른 상변화 메모리소자의 구동방법은, 발열성 금속전극과 상변화 박막층 사이에 미세한 접점을 갖는 일반적인 구조로 제작된 상변화 메모리 소자와 동일하다. 그러나, 발열성 금속전극을 관통전극 구조(21)로 제작하는 본 발명에 따른 상변화 메모리소자의 구조는, 공급하는 열 에너지의 누설 성분을 최소화 하여 저소비전력형 상변화 메모리 소자를 실현할 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리소자의 구조에서, 각 재료의 조합은 메모리소자의 특성을 향상시키기 위해 일정 부분 변경될 수 있으며, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 이용하여 제작 가능한 상변화 메모리소자는 도 1에서 도시된 소자의 구조만으로 한정되는 것은 아니다.

따라서, 도 1에 도시된 상변화 메모리소자의 구조는 본 발명에 따른 관통전극 구조를 포함하여 제작 가능한 상변화 메모리소자의 상세한 내용을 효과적으로 설명하기 위해 제시하는 소자 구조의 하나의 예로 이해되어야 한다.

도 3은 전체 상변화 메모리소자 제조공정 중, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리소자의 제조를 위한 주요공정을 나타낸 흐름도이다. 이때, 도 3에서 설명하는 제조공정은 도 1을 참조하여 하나의 예로써 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 상기 반도체 기판(10)과 상기 반도체 기판 상에 형성되는 상기 제1 절연층(11)으로 구성된 소정의 기판 상에 하부 금속전극층(12)을 형성한다. 하부 금속전극층(12)은, 본 발명에 따른 상변화 메모리소자의 하부단자 역할을 하며, 일반적으로 사용되는 저저항의 금속 전극으로 형성된다. 예를 들어, 하부 전극금속층(12)는 백금(Pt), 텅스텐(W) 및 티탄텅스텐합금(TiW) 등으로 이루어질 수 있으며, 일반적인 금속전극 형성 방법인 스퍼터링 방법이나 전자빔 금속 증착법 등에 의해 형성된다(스텝 100).

이어서, 하부 금속전극층(12)이 형성된 상변화 메모리소자 제작용 기판(10) 상에 통상의 방법을 이용하여 제2 절연층(13)을 형성한다. 제2 절연층(13)은 전체 상변화 메모리소자의 어레이 구조에서 각 메모리 소자를 전기적 또는 열적으로 절연하는 역할을 한다. 이때, 제2 절연층(13)은 실리콘산화막 또는 실리콘질화막 등의 재료를 통상적인 방법에 따라 형성하는 것이 가장 바람직하나, 경우에 따라서는 유사한 성능을 갖는 기타 재료의 절연막을 형성할 수 있다. 예컨대, 실리콘산화막을 제2 절연층(13)의 재료로 사용하는 경우에는, 화학적기상증착법(chemical vapor deposition)에 의한 실리콘산화막의 형성이 일반적이며, 가능한한 저온에서 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 제2 절연층(13)이 형성되는 하부 금속전극층(12)이 고온 공정을 통해 산화되는 것을 막기 위함이다. 제2 절연층(13)의 형성을 통해 적절한 소자 분리 공정을 진행할 수 있다. 즉, 실리콘산화막을 제2 절연층(13)의 재료로 사용하는 경우, 상변화 메모리소자 영역으로 정의될 부분을 통상적인 건식 또 는 습식식각 공정을 통해 확보함으로써 각 메모리 소자 부분을 분리할 수 있다(스텝 102).

한편, 제2 절연층(13) 형성공정은 통상적인 상변화 메모리소자의 제조공정에 적용되는 방법과 동일하나, 본 발명의 제조공정에 있어서는, 통상의 상변화 메모리소자 제조공정과는 달리, 제2 절연층(13)의 열전달 특성을 만족시킬 필요는 없다. 왜냐하면, 본 발명에 따른 관통 전극을 이용한 상변화 메모리소자는 상변화 재료 자체를 열의 차폐 재료로 사용하여 소자 구동을 위해 인가하는 전류를 최소화하기 위한 것이며, 일반적으로 상변화 재료는 실리콘산화막 등의 제2 절연층(13)보다 열전도도가 낮기 때문이다. 따라서, 본 발명의 상변화 메모리소자의 제조공정을 더욱 간단히 하기 위해서, 제2 절연층(13)이 형성될 부분을 상변화 재료로 형성하는 것도 가능하다. 상변화 재료로 형성하는 경우에는 소자분리를 위한 특별한 소자의 구동 방법이 제공되어야 할 것이다. 그 이유는 도 5에서 상술하기로 한다.

제2 절연층(13) 형성 공정 및 소자분리 공정이 종료되면, 제2 절연층(13)으로 둘러싸인 소자분리 영역에 상변화 재료 박막을 통상의 방법으로 형성한다. 이 때 상기 상변화 재료의 종류 및 박막의 두께 등은 상변화 메모리 소자에 요구되는 각종 동작 성능을 고려하여 최적화 될 수 있다. 상기 상변화 재료는 상변화 메모리 소자를 구성하는 가장 핵심적인 재료이며, 일반적으로 칼코게나이드 계열 금속 원소의 합금으로 구성된다. 상변화 재료는 금속 합금의 구성 원소 및 조성에 따라 다양한 상변화 특성을 가지며, 이것은 상변화 메모리 소자의 동작에 매우 중요한 역할을 한다.

상변화 재료를 구성하는 칼코게나이드 계열 금속 원소의 대표적인 예는, Ge, Se, Sb, Te, Sn 및 As 등이며, 이 원소들의 적절한 조합에 의해 상기 칼코게나이드 상변화 재료가 형성된다. 아울러, 상변화 재료의 특성 향상을 위해서는 상기 칼코게나이드계 금속 원소의 조합 이외에, Ag, In, Bi 및 Pb 등의 원소가 혼합되는 경우가 있다. 광 저장 장치의 응용예에서 폭넓게 사용되는 재료로는, Ge, Sb, Te이 2:2:5 의 비율로 조합된 Ge₂Sb₂Te₅ (GST) 가 가장 일반적인 재료로 알려져 있으며, 상변화 메모리의 제작에도 GST를 사용할 수 있다. 한편, 상기 상변화 재료의 형성 방법으로는 다원계 스퍼터링 성막법 또는 일원계 전자빔 증착법 등을 사용하여 형성할 수 있다. 한편, 제1 상변화 박막층(14)은 제2 절연층(13) 내의 소자분리 영역 내부에만 존재할 필요가 있으며, 소자분리영역은 제1 상변화 박막층(14)을 대상으로 한 적절한 건식 식각 공정 또는 반도체 공정에서 통상적으로 사용되는 화학적/기계적 연마 평탄화 공정(CMP, Chemical-Mechanical Planarization)에 의해 형성될 수 있다(스텝 104).

제2 절연층(13)과 제1 상변화 박막층(14)으로 이루어진 평탄화된 구조 상에, 제1 상변화 박막층(14)의 일정영역에 소정의 크기의 관통전극 구조(21)를 형성한다. 관통전극 구조(21)는 통상적으로 상변화 재료, 즉 칼코게나이드 계열 금속 합금 재료의 건식 식각 공정을 통해 형성될 수 있으며, 특히 이용가능한 상변화 재료 중에서 GST의 건식식각 공정조건은 이미 공지된 바 있다. 즉, GST의 식각율은 비교적 빠르며, 상변화 메모리소자를 구성하는 제2 절연층(13) 등과 충분한 식각선택비 을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서 제1 상변화 박막층(14)의 두께를 조절하여 소정의 크기의 관통전극 구조(21)를 용이하게 형성할 수 있다. 물론 관통전극 구조(21)의 크기는 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 이용한 상변화 메모리소자의 특성에 크게 영향을 미치는 중요한 요소이다. 한편, 가능한한 작은 크기의 관통전극 구조(21)를 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 너무 작은 관통전극 구조(21)를 형성하게 되면, 후속공정에서 관통전극 구조(21)의 내부에 형성될 발열성 금속전극의 증착이 어려워질 수 있으므로, 두 가지 요소를 적절하게 고려해야 할 필요가 있다. 한편, 관통전극 구조(21)의 크기는 통상적으로는 사용하는 리소그래피 공정 한계에 의존하나, 리소그래피 공정에 제공되는 유용한 방법을 사용함으로써 리소그래피 공정 해상도 이상의 미세한 관통 전극을 형성하는 것도 충분히 가능하다(스텝 106).

본 발명의 특징인 관통전극 구조(21)가 형성되면, 그 내부에 발열성 금속전극(15)을 통상적인 방법으로 형성한다. 발열성 금속전극(15)은 제1 상변화 박막층(14)과의 접촉부분에서 상변화 재료의 결정상태를 변화시키기에 충분한 열을 발생시키는 역할을 한다. 충분한 열은 하부 금속전극층(12)을 통해 공급된 전류에 의해 달성되며, 따라서 발열성 금속전극(15)의 저항은 통상적인 금속전극에 비해 높다. 발열성 금속전극(15)의 재료는 상변화 메모리 소자의 동작특성을 결정짓는 중요한 요소이며, 상기 재료의 형성방법 또한 재료의 특성에 영향을 미치는 요소이다.

발열성 금속전극(15)의 대표적인 예로는, 티탄질화물(TiN), 티탄산질화물(TiON), 티탄알루미늄질화물(TiAlN), 티탄실리콘질화물(TiSiN), 탄탈알루미늄질화 물(TaAlN), 탄탈실리콘질화물(TaSiN)과 같은 재료가 있다. 한편 상기 재료는 화학적 기상증착법 또는 원자층 기상증착법(atomic later deposition) 등의 방법을 통해 용이하게 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 상변화 메모리소자는, 미세한 관통전극 구조(21)를 통해 발열성 금속전극(15)이 용이하게 형성될 수 있도록, 스텝 커버리지(step coverage) 특성이 매우 양호한 원자층 기상증착법을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다(스텝 108).

관통전극 구조(21)의 내부에 발열성 금속전극(15)이 증착된 구조를 형성한 후, 제1 상변화 박막층(14)와 동일한 조성을 가진 제2 상변화 박막층(16)을 상기 관통전극 구조(21)가 형성된 상기 제1 상변화 박막층(14) 및 상기 제2 절연층(13) 상에 형성한다. 제2 상변화 박막층(16)은 관통전극 구조(21) 내부에 형성된 발열성 금속전극(15)이 후속공정에서 상부 금속전극층(17)과 직접 연결되는 것을 막는 역할을 한다. 제2 상변화 박막층(16)을 형성하지 않고, 상부 금속전극층(17)을 형성하면, 관통전극 구조(21)의 내부에 형성된 발열성 금속전극(15)의 하부 및 상부 금속전극층(12, 17) 연결하는 구조가 되어, 상변화 메모리 소자의 동작에 있어서 충분한 동작 마진을 확보할 수 없게 된다. 한편, 제2 상변화 박막층(16)은 재료의 결정상태의 변화를 경험하는 상변화 메모리소자의 구성 요소가 된다. 상기 소자분리 영역 이외의 부분에 형성된 제2 상변화 박막층(16)은, 본 발명의 상변화 메모리소자의 구동을 위해 인가되는 열 에너지를 메모리 소자의 구동에 효율적으로 활용하기 위하여, 열이 누설되는 것을 차폐하는 역할을 하게 된다(스텝 110).

제2 상변화 박막층(16) 상부의 소정영역, 즉 본 발명의 상변화 메모리 소자 의 구성영역 상부에는 상부 금속전극층(17)이 형성된다. 상부 금속전극층(17)은, 상변화 메모리 소자의 상부단자 역할을 하며, 하부 금속전극층(12)과 마찬가지로 통상적으로 사용되는 저저항의 금속전극으로 형성된다. 경우에 따라, 상부 금속전극층(17)과 상변화 재료의 접촉특성을 좋게 하고, 계면에서 일어날 수 있는 불필요한 반응이나 원소의 이동 등을 막기 위해 확산방지의 성질을 갖는 여분의 금속층(도시 안됨)이 삽입될 수도 있다(스텝 112).

도 3에서 설명한 각 공정 스텝을 통해 형성되는 본 발명의 상변화 메모리 소자의 제작 공정에 있어서, 본 발명에 따른 상변화 메모리 소자가 갖는 관통전극 구조(21)의 크기는 되도록 균일하게 유지하는 것이 바람직하며, 가공할 수 있는 관통전극 구조(21)의 크기는 이러한 공정 기준을 고려하게 될 것이다. 다만, 본 발명의 실시예에서 제공된 공정 방법들은 이미 충분한 기술 실적이 축적되어 있는 신뢰성 있는 공정만을 이용하므로, 선행 기술에서 제시하고 있는 기타의 방법을 사용한 상변화 메모리 소자의 미세 접점 가공 방법에 비해 높은 공정 균일성을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리 어레이를 제작한 예이다. 이때, 상기 어레이는 도 1에서 설명한 관통전극 구조(21)를 포함하는 단위 상변화 메모리소자(이하, 단위 상변화 메모리소자)가 동일한 하부 금속전극층(12) 상에 배열되어 구성된 것이다. 각 단위 상변화 메모리소자는 상이한 상부 금속전극층(17)을 가지고 있어, 전체 상변화 메모리 어레이 상에서 하부 금속전극층(12) 및 상부 금속전극층(17) 모두에 전기적 신호가 인가됨으로써, 정보가 저장될 단위 상변화 메모리 소자를 선택할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상변화 메모리 어레이에서 본 발명에 따른 단위 상변화 메모리소자 사이의 간격, 즉 관통전극 구조(21) 사이의 거리를 적절히 설계하는 것은 중요하다. 상기 상변화 메모리 어레이의 전체 구성에서 단위 상변화 메모리 소자의 관통전극 구조(21) 사이의 거리는 단위 메모리 셀의 크기를 결정하기 때문이다. 도시된 상기 상변화 메모리 어레이에 있어서, 각 단위 메모리 소자가 갖는 관통전극 구조(21) 사이의 거리는 디자인 룰이 허락하는 범위 안에서 가장 근접하게 형성함으로써 단위 메모리 셀의 크기를 줄일 수 있음은 자명하다.

다만, 이 때 상변화 박막층의 크기는 형성한 관통전극 구조(21)에 의해 공급되는 열 에너지에 의해 상변화 박막층 전체가 모두 상변화를 경험하지 않을 정도의 크기로 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 본 발명의 상변화 메모리소자의 특징이 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지를 완전히 차폐하여 그 대부분을 상변화 박막층의 상변화 현상에 이용하는 데 있기 때문이다. 만일, 상변화 메모리 어레이의 구성에 있어서, 각 단일 상변화 메모리소자를 구성하는 상변화 박막층의 크기가 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지에 의해 모두 상변화를 경험할 만큼 작다면, 본 발명의 상변화 메모리소자의 구조적인 특징을 효과적으로 살릴 수 없다. 따라서, 본 발명의 상변화 메모리 어레이의 구성에 있어서, 각 단위 상변화 메모리 소자가 갖는 관통전극 구조(21) 사이의 거리는 이상에서 설명한 두 가지 기준을 근거로 최적화 되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리 어레이 를 제작한 다른 예이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리 소자는 도 1에서 제시한 바와는 달리 각 메모리 소자가 갖는 제1 상변화 박막층(14) 및 제2 절연층(13)으로 둘러싸인 특정영역에만 존재하는 것이 아니라, 하부 금속전극층(12) 상에 형성되는 제2 절연층(13)을 형성하는 공정(스텝 102)을 생략하고, 제1 상변화 박막층(14)이 제2 절연층(13)이 형성될 부분을 대체하는 구조를 갖는다. 본 발명의 상변화 메모리 소자의 다른 제작예는 다음과 같은 고찰로부터 실현 가능하다. 즉, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리소자의 구조적인 특징이 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지를 상변화 박막층 내에 완전히 차폐하여, 이를 가장 효율적으로 사용하는 것이라면, 상기 상변화 메모리소자를 구성하는 제1 상변화 박막층(14)은 굳이 제2 절연층(13)에 의해 분리되어야 할 필요는 없다. 아울러, 문헌에 따르면 일반적으로 사용되는 제2 절연층(13)의 열전도도는 통상적으로 형성할 수 있는 제1 상변화 박막층(14)의 열전도도에 비해 큰 것으로 알려져 있다. 즉, 상변화 박막층의 열전도도는 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지를 효과적으로 차폐하기에 충분히 낮다. 이에 따라, 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작예는 도 5와 같이 용이하게 변형될 수 있다.

한편, 도 5에서 제공되는 본 발명의 상변화 메모리소자의 또 다른 제작예를 참조하면, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리소자로 구성되는 전체 상변화 메모리 어레의의 제작 공정이, 제2 절연층(13)의 형성과 상변 화 박막층을 형성할 특정영역을 분리하는 공정(스텝 102)을 실시하지 않고도 실현될 수 있다.

또한, 본 발명의 상변화 메모리 소자의 또 다른 제작예를 참조하면, 도 4에서 제공되는 상변화 메모리 소자의 제작예와는 달리, 제2 절연층(13)이 존재하지 않기 때문에, 관통전극 구조(21) 사이의 거리를 더욱 좁혀, 각 단위 상변화 메모리 셀의 크기를 축소할 수 있다.

다만, 본 발명의 상변화 메모리 소자의 다른 제작예를 참조하여 어레이를 제작하는 경우에는 각 단위 상변화 메모리소자를 구성하는 상변화 박막층이 인접한 단위 상변화 메모리소자를 구성하는 상변화 박막층과 동일하기 때문에, 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지의 크기를 엄밀하게 조절해야 할 필요가 있다. 그 이유는, 만일 관통전극 구조(21)를 통해 공급되는 열 에너지가 너무 과다하여, 메모리 동작 중에 상변화 박막층에 형성되는 결정상태 부분이 인접한 상변화 메모리 소자의 동작에 불필요한 영향을 주어서는 안되기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 관통전극 구조(21)를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작 방법은 도 4 및 도 5를 중심으로 적절하게 실시되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 개념 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 당연하다.

상술한 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제 작 방법 및 소자의 구성 방법은, 저소비전력형 상변화 메모리 소자의 실현을 위해 상변화 메모리 소자의 구조 내에서 상변화 재료가 경험하는 열 에너지를 재료 내부에서 차폐하여 공급되는 열 에너지를 가장 효율적으로 사용 가능한 상변화 메모리 소자의 구조 및 제작 공정 순서를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작 공정은, 통상적으로 사용되는 반도체 제작 공정만으로 구성되며, 저소비전력형 상변화 메모리 소자를 실현하기 위한 매우 간단한 공정 방법을 제공한다.

나아가, 본 발명에 따른 관통 전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자의 제작 공정 방법을 활용하면, 미세 접점을 가공해야 하는 기존의 상변화 메모리 소자의 제작 공정을 크게 단순화 할 수 있을 뿐만 아니라, 상변화 메모리 소자를 구성하는 상변화 박막층에 인가되는 열 에너지를 극히 효과적으로 이용하는 방법을 제공하여, 결과적으로 상변화 메모리 소자의 소비전력을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

Claims (8)

1. 소정의 영역을 관통한 관통전극 구조를 내재한 제1 상변화 박막층; 및

   상기 관통전극 구조에 매립된 발열성 금속전극을 포함하고,

   상기 발열성 금속전극에 의해 가해진 열에너지에 의해 결정상태가 변화하고, 상기 변화된 영역이 상기 제1 상변화 박막층에 제한되는 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 상변화 박막층과 동일한 단차를 가지며, 상기 제1 상변화 박막층의 적어도 양측을 둘러싸는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자.
3. 제1항에 있어서, 복수개의 상기 상변화 메모리 소자가 배열된 어레이에 있어서, 상기 각각의 관통전극 구조의 크기는 균일한 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자.
4. 제3항에 있어서, 상기 관통전극 구조 사이의 거리는 디자인룰이 허용하는 범위에서 가장 가깝게 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 관통전극 구조 및 상기 제1 상변화 박막층을 덮는 제2 상변화 박막층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리 소자.
6. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판 상에 제1 상변화 박막층을 형성하는 단계;

   상기 제1 상변화 박막층의 소정의 영역을 관통한 관통전극 구조를 형성하는 단계; 및

   상기 관통전극 구조에 발열성 금속전극을 매립하는 단계를 포함하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 상변화 박막층을 형성하는 단계는,

   상기 기판 상에 하부 금속전극층을 형성하는 단계;

   상기 하부 금속전극층 상에 절연층을 형성하는 단계;

   상기 절연층의 소정의 영역을 제거하여 상기 하부 금속전극층을 노출시키는 단계; 및

   상기 하부 금속전극층이 노출된 부분을 상기 제1 상변화 박막층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관통전극 구조를 포함하는 상변화 메모리소자의 제조방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 발열성 금속전극을 매립한 단계 이후에,

   상기 제1 상변화 박막층 상에 상기 제2 상변화 박막층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상변화 메모리소자의 제조방법.

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