가변 저항 메모리 장치 및 그것의 관리 방법 document_id A220623070867

랜덤 액세스(Random access)가 가능하고 고집적 및 대용량을 실현할 수 있는 반도체 메모리 장치의 수요는 날로 증가하고 있다. 그러한 반도체 메모리 장치로는, 현재 휴대용 전자기기 등에 주로 사용되는 플래시 메모리(Flash memory)가 대표적이다. 그 외에 디램(DRAM)의 커패시터를 불휘발성을 지닌 물질로 대체한 반도체 메모리 장치들이 등장하고 있다. 강유전체 커패시터를 이용한 강유전체 램(Ferroelectric RAM: FRAM), 티엠알(TMR: Tunneling magneto-resistive) 막을 이용한 마그네틱 램(Magnetic RAM: MRAM), 그리고 칼코겐 화합물(Chalcogenide alloys)을 이용한 상 변화 메모리 장치(Phase change memory device) 등이 있다. 특히, 상 변화 메모리 장치는 불휘발성 메모리 장치이며, 그 제조 과정이 비교적 간단하고, 저가로 대용량의 메모리를 구현할 수 있다. 상 변화 메모리 셀은 상이한 전기적인 독출 특성들을 나타내는 다른 구조적인 상태들(Structured states) 사이에서 전기적으로 바뀔 수 있는 물질을 이용한다. 예를 들면, 게르마늄ㆍ안티몬ㆍ텔루르 혼합물(GST)인 칼코겐 물질(Chalcogenide material) (이하, "GST 물질"이라 칭함)로 만들어진 메모리 장치들이 알려져 있다. GST 물질은 비교적 높은 저항율(Resistivity)을 나타내는 비결정 상태(Amorphous state)와 비교적 낮은 저항율을 나타내는 결정 상태(Crystalline state) 사이에서 프로그램된다. 즉, 상 변화 메모리 셀은 GST 물질을 가열함으로써 프로그램된다. 가열의 크기 및 기간은 GST 물질이 비결정 또는 결정 상태로 남아있는 지의 여부를 결정한다. 높은 그리고 낮은 저항율들은 프로그램된 값들 '1' 및 '0'을 나타내며, 이는 GST 물질의 저항율을 측정함으로써 감지될 수 있다. 일반적인 상 변화 메모리 장치에 있어서, 메모리 셀은 저항 소자와 스위칭 소자로 구성된다. 도 1 및 도 2는 상 변화 메모리 장치의 메모리 셀을 보여준다. 도 1을 참조하면, 상 변화 메모리 장치의 메모리 셀(10)은 저항 소자인 가변 저항체(11)와 스위칭 소자인 액세스 트랜지스터(12)로 구성된다. 가변 저항체(11)는 비트 라인(BL)에 연결된다. 액세스 트랜지스터(12)는 가변 저항체(11)와 접지 사이에 연결된다. 액세스 트랜지스터(12)의 게이트에는 워드 라인(WL)이 연결되어 있다. 워드 라인(WL)에 소정의 전압이 인가되면, 액세스 트랜지스터(12)는 턴-온(Turn-on) 된다. 액세스 트랜지스터(12)가 턴-온(Turn-on) 되면, 가변 저항체(11)는 비트 라인(BL)을 통해 전류(Ic)를 공급받는다. 도 2는 또 다른 형태의 상 변화 메모리 장치의 메모리 셀(20)을 보여준다. 또 다른 형태의 메모리 셀(20)은 저항 소자인 가변 저항체(21)와 스위칭 소자인 다이오드(22)를 포함한다. 다이오드(22)는 워드 라인(WL) 전압에 따라 턴-온(Turn-on) 또는 턴-오프(Turn-off) 된다. 도 3은 상술한 상 변화 메모리 장치에 데이터를 저장하기 위한 쓰기 전류의 형태를 간략히 보여주는 파형도이다. 도 3을 참조하면, 상 변화 메모리 셀에 리셋 데이터(Reset Data)를 쓰기 위한 리셋 전류(I_RST)의 펄스(30)와 셋 데이터(Set Data)를 쓰기 위한 셋 전류(I_SET)의 펄스(40)가 도시되어 있다. 메모리 셀을 구성하는 GST 물질(또는, 상 변화 물질)의 상태(Phase)는 공급되는 전류 펄스의 크기(Amplitude), 폭(Duration), 하강 시간(Fall time) 등에 따라 바뀌게 된다. 셋(Set) 또는 리셋(Reset)에 대응하는 상 변화 물질의 상태(Phase)는 비정질 양(Amorphous volume)에 의해서 결정된다. 일반적으로 비정질 상태(Amorphous Phase)는 리셋 상태에, 결정 상태(Crystal Phase)는 셋 상태에 대응한다. 비정질 상태(Amorphous state)에서 결정 상태(Crystal state)로 진행될수록 비정질 양은 적어진다. GST 물질은 형성되는 비정질 양(Amorphous volume)에 따라 가변되는 저항(Resistance)을 갖는다. 즉, 서로 다른 전류 펄스에 따라 형성되는 GST 물질의 비정질 양에 따라서, 기입되는 데이터가 결정된다. 상술한 비정질 상태(Amorphous state)를 형성하기 위해서 리셋 전류(I_RST) 전류가 제공된다. 결정 상태(Crystal state)를 형성하기 위해서는 셋 전류(I_SET)가 제공된다. 일반적으로 리셋 전류(I_RST)의 레벨은 셋 전류(I_SET)의 레벨보다 높다. 그러나, 리셋 전류(I_RST)의 펄스 폭(ΔT1)은 셋 전류(I_SET)의 펄스 폭(ΔT2)보다 상대적으로 좁다. 이러한 상 변화를 위해 반복적으로 제공되는 쓰기 전류에 의해서 GST 물질의 물성은 시간의 경과에 따라 변화된다. 상 변화 메모리 장치의 실용화를 위해서 제기되는 대표적으로 이슈들 중 하나가 내구성(Endurance) 문제이다. 메모리 디바이스가 갖추어야 할 기본적인 특성 가운데 하나가 데이터를 반복적으로 기록해도 정상적인 읽기 및 쓰기 기능이 유지되는 내구성(Endurance)이다. 특히, 상 변화 메모리 장치에 있어서, 디램(DRAM)과 같이 랜덤 액세스 메모리, 반도체 디스크 장치(SSD), 모바일 기기의 저장 장치와 같은 다양한 용도를 지원하기 위해서는 충분한 쓰기 횟수가 지원되어야 한다. 그러나, 충분한 쓰기 횟수를 지원하기 위한 상 변화 물질의 물성 개선과 더불어, 관리 방법의 개선을 통해서 셀 단위의 쓰기 횟수를 줄이기 위한 기술이 절실히 필요한 실정이다. 또한, 이러한 쓰기 횟수의 감소로 말미암아 발생하는 문제를 보완하기 위한 기술들이 추가적으로 제공되어야 할 것이다.