지우기 전류의 감소를 위한 PRAM cell 구조에 대한 연구

Abstract

본 논문에서는 차세대 메모리인 상변화 메모리(Phase change random access memory)의 지우기 전류 감소를 위한 새로운 셀 구조에 관해 고찰하였다.

기록, 소거, 재생 속도, 재기록, 횟수 등을 포함한 성능에서 DRAM 급의 성능 특성을 가지며 소자구조 및 제작공정이 단순하여 정보저장 및 처리 용량대비 저가격화 달성이 용이한 상변화 메모리(PRAM)가 차세대 비휘발성 메모리로 주목 받고 있다. 그러나 상변화 메모리의 지우기 동작전류는 타 메모리 소자에 비해 큰 값을 나타내는 단점이 있어 상변화 메모리가 기존의 메모리 소자를 대체하기위한 경쟁력을 갖추기 위해서는 지우기 동작 전류를 낮추어야 한다. 상변화 메모리의 지우기 동작 전류를 낮추기 위해 상변화 물질, 발열전극 물질 및 셀 구조 변화 등의 연구가 진행 중이다. 그 중에서 셀 구조를 변형함으로써 지우기 전류를 줄여보고자 하는 연구가 이루어지고 있다.

본 연구는 PRAM의 지우기 전류를 줄이기 위해 상변화 물질 자체를 발열체로 사용하는 Pore형 PRAM 소자를 제작하여 소자 특성을 조사하였다. 또한 3차원 유한 요소 해석 프로그램을 이용하여 나노 스케일 PRAM의 GST박막의 두께에 따른 PRAM의 지우기 전류와 온도에 관해 조사하였고, 상변화 물질의 두께가 얇아질수록 지우기 전류가 증가하는 것을 알게 되었다. 지우기 전류의 증가를 막기 위해 SiO₂ 열 방지층을 사용하는 새로운 구조의 PRAM cell을 제안하였고 또한 지우기 전류와 온도에 관한 조사를 하였다.

200 ㎚ 의 두께의 GST박막의 두께에서 기존의 구조와 새로운 구조의 PRAM을 비교하였을 때, 새로운 구조의 PRAM cell에서 온도는 536.60 ℃ 에서 817 ℃ 로 크게 증가하였고, 지우기 전류는 17.4 ㎃ to 13.7 ㎃ 로 감소하였음을 알 수 있었다. 이 결과는 새로운 구조의 PRAM cell이 열 방지층으로서 효과적으로 작용해 지우기 전류를 감소시킴을 알 수 있었다.

Today, the market for non-volatile memory is dominated by the Flash technology. Due to the increasing cost of down scaling Flash technology, the memory industry is searching for alternative memory concept. One of most promising candidates is the electrical phase change technology PRAM.

In this paper, we fabricated the PRAM unit cell and investigated electro and thermal characteristics of PRAM unit cell with novel structure using SiO₂ heat blocking layer.

As thickness of GST thin film decreased from 400 ㎚ to 300 ㎚, reset current and temperature changed a bit but did not affect so much memory cell operation. But as thickness of GST thin decreased from 300 ㎚ to 200 ㎚, reset current increased from 15 ㎃ to 17.4 ㎃ and temperature decreased from 704.86 ℃ to 536.60 ℃. As reset current and temperature changed like at 200 ㎚ thickness of GST thin film, the memory cell operation did not work as normal. From this results, we investigated material parameters of heater electrode for why reset current and temperature changed. After investigation, we found that heat which was generated between phase change material GST and heater electrode TiN was given to top electrode W due to thin thickness of GST thin film.

We have throughly investigated the decreasing of temperature of 200 ㎚ thickness of GST thin film and found that the severe heat loss occurred at top electrode. In the case of 200 ㎚ thickness of GST thin film, a heat rapidly transferred to top electrode before melting temperature. A heat which contacted with top electrode transferred easily to outside and temperature decreased. Therefore, novel structure PRAM which deposited SiO₂ blocking layer instead of part of top electrode was proposed. The SiO₂ blocking layer which is dielectric layer can protect the heat to give off through top electrode.

In comparison with conventional PRAM at 200 ㎚ GST thin film thickness, temperature of novel structure PRAM highly increased from 536.60 ℃ to 817 ℃ and reset current of novel structure PRAM decreased abruptly. from 17.4 ㎃ to 13.7 ㎃. This result shows that novel SiO₂ blocking layer of PRAM successfully protected heat to give off to top electrode.