Atomic Layer Deposition of Chalcogenide Materials for Large-Capacity and Low-Power Phase Change Memory

Abstract

Despite the extensive research and available commercial memory products based on the phase-change-material (PCM), the Ge-Sb-Te alloy-based PCMs full functionality for high-density and low-power memory has not been accomplished. This is mainly due to the lack of conformal film growth techniques, such as atomic layer deposition (ALD), of the chalcogenide-based PCM. The current PCM architecture relies on the crossbar arrays (CBA). The CBA cannot keep up with the ultra-high density demands of low cost per bit due to the increased fabrication cost by the lithography steps and masks required for each stacking layer. It can be best solved with state-of-the-art vertical architecture, proven technology with more than 150 layer stacks in V-NAND technology. To fabricate highly integrated vertical-type crossbar array (V-CBA) memory, the Ge-Sb-Te phase change layer and ovonic threshold switch (OTS) selector must be deposited conformally to the etched sidewalls in vertical architectures, and thus, the ALD technique is essential. Meanwhile, the high power consumption of the Ge-Sb-Te PCM during the write operation also poses another severe drawback. This work demonstrates the development of GeTe/Sb2Te3 superlattice film utilizing ALD to achieve a high-performance V-CBA memory device. The peculiar chemical affinity of the ALD precursor to the substrate surface and the two-dimensional nature of the Sb2Te3 enabled to achieve the in-situ crystallized superlattice film where the out-of-plane directions of the two-component layers precisely matched the c-axis, while the in-plane directions were random. The GeTe/Sb2Te3 superlattice film showed a RESET current of ~1/7 of randomly oriented Ge2Sb2Te5 alloy film due to the pressure-induced solid-state amorphization by the aligned superlattice film. The reduction of RESET current with the aligned GeTe/Sb2Te3 superlattice film was also feasible in the vertical structure, showing the potentials of the current process for high-density and low-power V-CBA memory. Deposition of GexSe1-x films via ALD was also performed for envisioned application in selectors for the V-CBA memory combined with the ALD Ge-Sb-Te to prevent sneak current. Highly conformal GexSe1-x films were obtained at a low substrate temperature ranging from 70 to 160 oC. The unique deposition mechanism that involves Ge intermediates provided a way to modulate the composition of the Ge-Se films from 5:5 to 7:3. Low threshold voltages ranging from 1.2 to 1.4 V were observed depending on the Ge : Se composition. A cycling endurance of more than 10^6 cycles with 10^4 half-bias nonlinearity was achieved with a Ge0.6Se0.4 composition film, the highest among the reported OTS selectors deposited by ALD.

칼코제나이드 재료 기반 상변화 메모리 (PCM)의 광범위한 연구와 상용화에도 불구하고 Ge-Sb-Te 기반 PCM의 고밀도 및 저전력 메모리 개발은 아직 달성되지 못했다. 이는 주로 PCM에 사용되는 칼코제나이드 재료의 원자층 증착법 (ALD)과 같은 등각성 박막 성장 기술이 부족하기 때문이다. 현재 PCM의 아키텍처는 같은 평면상에 두 전극이 교차되는 크로스바 어레이 (CBA) 구조를 갖는다. CBA는 각 적층층에 필요한 리소그래피 공정 추가와 그에 필요한 마스크 제조 비용이 증가한다. 뿐만 아니라 전극 작동을 관장하는 주변부 또한 넓어져 현 시대가 필요로 하는 초고밀도 요구를 충족할 수 없다. 이는 이미 150단 이상의 레이어 스택으로 그 성능이 입증된 V-NAND 수직형 아키텍처로 해결할 수 있다. 수직형 아키텍처는 같은 면적 내에 많은 메모리를 제작할 수 있어 고밀도 메모리 개발에 적합하다. 하지만 고집적 수직형 크로스바 어레이 (V-CBA) 메모리 개발을 위해서는 Ge-Sb-Te 상변화 재료의 위상변화 층과 오보닉 쓰레스홀드 스위칭 (OTS) 선택소자 층을 수직 아키텍처의 에칭된 측벽에 균일하게 증착해야만 한다. 따라서 등각성 박막 성장 기술인 ALD 증착법이 필수적이다. 한편, Ge-Sb-Te 상변화 재료는 데이터를 저장시 요구되는 전력이 높다는 또 다른 심각한 단점을 갖고있다. 본 학위논문은 평면 및 수직 측벽 영역 모두에서 GeTe/Sb2Te3 초격자 박막의 ALD 증착을 보여준다. SiO2 및 TiN 표면에서 ALD 전구체들간의 독특한 화학적 반응과 Sb2Te3의 2차원적 특성으로 결정화된 초격자 필름을 증착할 수 있었다. GeTe/Sb2Te3 초격자 박막은 기판에 특정 방향의 배향성을 갖고 성장시킬 수 있었으며 무작위로 배향된 Ge2Sb2Te5 박막 대비 1/7 가량 감소한 동작 전류를 나타냈다. 배향된 GeTe/Sb2Te3 초격자 필름 증착은 수직 아키텍처의 에칭된 측벽에도 적용 가능하여 동작 전류를 낮출 수 있었으며, 이는 GeTe/Sb2Te3 초격자의 V-CBA 메모리에 대한 잠재력을 보여준다. ALD를 이용한 GexSe1-x 박막 증착 또한 ALD Ge-Sb-Te와 결합해 V-CBA 메모리의 선택소자에 적용되기 위해 연구됐다. 70 ~ 160 도의 낮은 기판온도에서 박막을 증착할 수 있었고 복잡한 구조에서도 균일하게 성장되는 GexSe1-x 박막을 얻을 수 있었다. Ge 중간전구체를 형성시키는 독특한 증착 메커니즘은 Ge-Se 필름의 조성을 5:5에서 7:3까지 조절할 수 있었고 각 조성에 따라 1.2 ~ 1.4 V의 낮은 문턱전압이 나타났다. 특히 Ge0.6Se0.4 조성의 박막은 10^4의 비선형성으로 10^6번 이상의 높은 동작 내구성을 보였으며, 이는 ALD로 증착된 OTS 선택소자 중에서 가장 높은 수치이다.