상변화 물질층과 그 제조방법과 이 방법으로 형성된 상변화물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자와 그 제조 및 동작방법 document_id A220623044764

1. 발명의 분야 본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 상변화 물질층과 그 제조방법과 이 방법으로 형성된 상변화 물질층을 포함하는 상변화 메모리 소자와 그 제조 및 동작 방법에 관한 것이다. 2. 관련기술의 설명 차세대 불휘발성 메모리 소자의 하나인 상변화 메모리 소자(Phase change Random Access Memory)(이하, PRAM)의 특징은 데이터가 저장되는 스토리지 노드에 상변화 물질층이 포함되어 있다는 것이다. 상변화 물질층은 결정 상태와 비정질 상태을 갖는데, 상기 두 상태는 가역적이다. 상변화 물질층이 결정 상태일 때, 상변화 물질층의 저항은 상변화 물질층이 비정질 상태일 때보다 낮다. PRAM은 이와 같이 상변화 물질층의 상(phase)의 상태에 따라 상변화 물질층의 저항이 다른 특성을 이용하여 데이터를 기록하는 메모리 소자이다. 상변화 물질층이 결정 상태에서 비정질 상태로 변화하는 제1 온도(녹는점)는 비정질 상태에서 결정 상태로 변화하는 제2 온도(결정화 온도)보다 높다. PRAM의 동작에서 상변화 물질층에 전류가 흐르면 상변화 물질층에 주울열이 발생된다. 상변화 물질층에서 발생되는 주울열에 의해 상변화 물질층의 온도는 상기 제1 온도 또는 상기 제2 온도가 될 수 있다. PRAM의 동작에서 상변화 물질층에 제1 전류를 흐르게 하여 상기 상변화 물질층의 온도가 상기 제1 온도가 될 때, 상기 제1 전류를 리세트 전류(reset current)라 한다. 그리고 상변화 물질층에 제2 전류를 흐르게 하여 상기 상변화 물질층의 온도가 상기 제2 온도가 될 때, 상기 제2 전류를 세트 전류(set current)라 한다. PRAM의 동작에서 상변화 물질층에 주울열을 발생시키는 전류는 스위칭 소자를 통해서 상변화 물질층으로 흐른다. 그러므로 PRAM의 동작에서 상변화 물질층에 흐르는 전류는 스위칭 소자가 견딜 수 있는 전류보다 클 수 없다. PRAM이 추구하는 바의 하나는 다른 메모리 소자와 마찬가지로 집적도를 높이는 것이다. PRAM의 집적도를 높이는 방법의 하나는 스위칭 소자의 사이즈를 줄이는 것이다. PRAM에서 스위칭 소자, 예컨대 트랜지스터의 사이즈가 줄어들 경우, 상기 트랜지스터가 견딜 수 있는 전류의 크기도 낮아진다. 이것은 상변화 물질층에 흐르게 할 수 있는 최대 전류도 낮아짐을 의미한다. 그러므로 PRAM의 집적도를 높이기 위해서 상변화 물질층의 리세트 전류를 낮출 수 있어야 한다. 현재 상변화 물질층으로 GST(Ge2Sb2Te5)층이 널리 이용되고 있다. GST층의 녹는점은 620℃ 정도로 높기 때문에, GST층의 온도를 620℃로 높이기 위해 상당히 큰 리세트 전류가 필요하다. 그러므로 GST층을 상변화 물질층으로 사용하는 현재의 PRAM(이하, 종래 PRAM)에서 스위칭 소자의 사이즈를 줄일 경우, 스위칭 소자가 GST층의 온도를 620℃로 높이는데 필요한 상기 리세트 전류를 수용하기 어려울 수 있다. 따라서 상변화 물질층의 변경없이 종래 PRAM의 집적도를 높이기는 사실상 어렵다. 종래 PRAM에서 GST층의 녹는점은 620℃로 높은 반면, 그 결정화 온도는 160℃ 정도로 상대적으로 낮다. 따라서 종래 PRAM의 경우, PRAM을 이루는 단위 셀(cell)과 단위 셀 사이의 간섭(cell disturbance)이 있을 수 있고, 또한 리텐션(Retention)이나 IR 리플로우(reflow) 특성이 취약할 수 있다.