2.3. 상변화(Phase change) 소재의 반도체 응용

결정질(Crystalline)재료

원자가 반복적, 주기적으로 3D 구조 형성

비정질(Noncrystalline) 재료

장범위 규칙성이 발견되지 않음

 

비정질(Amorphous) 상태 : 비정질 상태는 장거리 원자 배열이 없으며, 용융 상태에서 빠르게 냉각해 얻어진다. 이 상태의 높은 전기저항은 PCM에서 0을 나타내는데 사용된다.

결정질(Crystalline)상태: 비정질 GST를 결정화 온도 이상으로 가열하고 어널링하면 전기저항이 낮아지는 결정 상태로 변환되며 이는 1상태로 나타낸다

상변화 동역학: 비정질과 결정 상태 간의 전환은 제어된 가열을 통해 이루어지며, GST의 원자 배열에 영향을 미친다. 이러한 전환은 열 다이어그램에서 시각화되며, PCM의 기능을 이해하는데 중요한 결정화 및 용융점을 보여준다.

 

상변화 메모리의 동작

• 상변화 메모리 소자는 위아래 전극, 상변화 물질, 유전체, 히터로 구성
• (a)를 보면 PCM소자의 구조를 나타내는데, GST와 같은 상변화 물질은 히터와 인접해있으며 전류를 흐르게 해 온도를 조절하여 비정질과 결정 상태 간의 전환을 유도한다.
• Joule 히팅을 이용해 GST에 상변화가 일어나게 함. 
• (b)는 온도-시간 그래프인데, Reset 펄스로 상변화 물질을 가열한 후 급속 냉각하여 비정질 상태로 만든다. 이럼 높은 저항상태가 형성되어 데이터 0을 나타낸다
• Set 펄스는 결정화 온도 이상으로 가열하여 서서히 냉각시켜 물질을 결정상태로 만들어 낮은 상태 저항을 형성하며 이는 1을 나타낸다.

 

상변화 메모리의 장점

• 고속 동작 : 10~100 나노초 스위칭 시간
• 비휘발성
• 높은 내구성
• 고밀도 저장
• DRAM과 플래시 장점 결합

 

단점

• 내구성 문제 : 반복 동작에 따른 성능 저하
• 신뢰성 : 시간 경과에 따른 전도도 감소
• 전력 소비