RF 마그네트론 스퍼터링법에 의해 증착된 In-Sb-Te 박막의 결정화 거동 및 미세구조 분석

Abstract

정보화, 통신화가 가속됨에 따라 다양한 형태의 쌍방향 소통형의 mobile 정보 통신 기기의 요구가 증대되고 이를 위해 더 많은 정보를 더욱 빠르게 처리할 수 있는 능력을 갖는 정보기기가 필수적으로 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 핵심 부품인 메모리 소자의 초고속화, 초고집적화, 초절전화가 관건이 되고 있다. 이러한 특성을 만족시키는 차세대 메모리 중 상변화 메모리(PCRAM)은 그 특성이 우수하며 간단한 공정으로 가장 각광받는 메모리이다. 상변화 메모리 재료는 Ge-Te, Ge-Sb-Te, Ge-Te-Sn-O, Sn-Te-Se, In-Sb-Te, In-Se 및 Ag-In-Sb-Te 등 Te 및 Se 원소를 기본으로하여 연구되어지고 있으며, 특히 Ge-Sb-Te 화합물은 다른 상변화 재료에 비해 상대적으로 결정화 온도가 낮고 상변화 시 원소의 확산이나 상 분리 현상이 미미하며, 단순한 bond re-arrangement 에 의해 상변화 속도가 수십 나노 이하로 빠른 것을 들 수 있다. 그러나 아직까지 전기적 입력에 유발되는 상변화의 반복 특성이 검증되지 않았고, 상변화에 필요한 소모 전력이 매우 높기 때문에 Ge-Sb-Te 계 화합물과 다른 새로운 상변화 재료가 개발되어야 하는 상황이다. 이러한 관점으로 In-Sb-Te 화합물이 유망한 상변화 메모리 재료로 생각되어지며, 본 논문에서는 상변화 메모리 재료로 많이 연구되어지는 Ge-Sb-Te 화합물을 대체할 수 있는 In-Sb-Te 박막의 결정화 거동 및 미세구조 분석을 통하여 그러한 특성을 증명하려 하였다. 먼저 In-Sb-Te 박막을 $In_3SbTe_2(99.99%)$ 타겟을 사용하여 Si 기판위에 RF 마그네트론 스퍼를 사용하여 증착하였고, DSC, AFM, AES, X-ray diffraction, TEM 을 사용하여 결정화 거동 및 미세구조를 분석하였다. DSC 결과를 통해 $n_3SbTe_2$ 화합물이 생성되었을 경우 결정화 온도 290℃ 및 녹는점 515℃로 $Ge_2Sb_2Te_5$ 결정화 온도 160℃ 및 녹는점 640℃ 보다 향상된 특성을 얻었다. 또한 $n_3SbTe_2$ 의 활성화 에너지는 7.7eV로 $Ge_2Sb_2Te_5$ 경우 FCC(2.24eV), HCP(3.64eV) 보다 높은 결과를 얻었다. 이러한 결과는 In-Sb-Te 화합물이 실제 상변화 메모리 소자로 사용될 경우 열적 안정성이 우수하다. 즉, 저장된 정보를 유지하는 Retention time이 길어질 것이다. In-Sb-Te 박막을 열처리하여 AFM 및 TEM을 통하여 표면 거칠기가 증가하고 박막 두께가 감소하는 경향을 확인했다. 이러한 결과는 실제 상변화 메모리소자에서 비정질 상과 결정질 상으로 상변화 과정 중 metal contact의 문제를 유발할 수 있는 원인으로 작용할 것이다. 결정화가 일어난 In-Sb-Te 박막은 쌍정, intrinsic stacking fault, extrinsic stacking fault와 같은 면결함들이 많이 발견되었다. 이러한 결함들은 재료내부의 grain 성장과 상변화를 일으키는 원인이 되는 것을 확인하였다. 비정질에서 결정질로의 초기 결정상인 InSb 상은 {111}면을 따라 facets을 형성한다. 또한 이러한 결과는 grain이 성장하면서 표면에너지가 가장 낮은 {111}면을 따라 성장하는 것을 확인하였다. In-Sb-Te 박막이 결정화 된 후 In3SbTe2와 InTe의 상분리가 일어났다. 이러한 상분리는 소자에서 읽기/쓰기 동작속도가 느려지는 원인이 될 것으로 예상 된다.