KR100434369B1 - The nonvolatile memory device of the carbon nanotube - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자는 전기장에 의한 기계적 변형을 저장되는 정보로 대응시켜 데이터 저장이 이루어질 수 있도록, 복수의 탄소 나노튜브를 일정 간격으로 형성시킨다.In the nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention, a plurality of carbon nanotubes are formed at regular intervals so that data storage can be performed by mapping mechanical deformation caused by an electric field to stored information.
여기서, 탄소 나노튜브는 가로축과 세로축에 각각 n x m 개의 라인이 교차되어 있는 사이사이에 단위셀이 형성되었으며 도선에 의하여 각각 상기 라인상에 연결되어 단위셀 당 1비트를 저장할 수 있다.Herein, the carbon nanotubes have unit cells formed between cross lines of n x m lines on the horizontal axis and the vertical axis, respectively. The carbon nanotubes are connected on the lines by the conducting wires to store 1 bit per unit cell.
여기서, n x m 개의 라인상에 n' x m"개의 라인을 절연을 유지하여 형성시키며, 도선에 의하여 탄소 나노튜브를 n' x m"개의 라인상에 연결시킴에 의하여 단위셀 당 4비트를 저장할 수 있다.Here, n 'x m "lines are formed on n x m lines while maintaining insulation, and 4 bits per unit cell can be stored by connecting carbon nanotubes on n' x m" lines by conducting wire.
이상에서와 같이 본 발명은 실리콘과 탄소로 구성된 탄소 나노튜브 또는 나노 화이버를 그 패턴 사이의 거리를 줄이고 탄소 나노튜브의 길이를 길게 수직으로 성장시켜서 그 배열을 이용하여 저 전압으로 정보를 저장할 수 있다.As described above, the present invention can store information at low voltage by using carbon nanotubes or nanofibers composed of silicon and carbon to reduce the distance between the patterns and grow the length of the carbon nanotubes vertically by using the arrangement. .
또한, 탄소 나노튜브의 수직 합성에 의하여 보다 쉽게 팁에서의 터널링 현상을 구현할 수 있으며 여러 개의 탄소 나노튜브 패턴을 이용하여 멀티 비트의 구현을 가능케 하였다.In addition, the vertical synthesis of carbon nanotubes makes it easier to implement the tunneling phenomenon at the tip, and enables the implementation of multi-bit using several carbon nanotube patterns.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자 분야에 관한 것으로서, 특히 실리콘과 탄소로 구성된 탄소 나노튜브 또는 나노 화이버를 그 패턴 사이의 거리를 줄이고 탄소 나노튜브의 길이를 길게 수직으로 성장시켜서 그 배열을 이용하여 저 전압으로 정보를 저장할 수 있는 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the field of non-volatile memory devices, and in particular, carbon nanotubes or nanofibers composed of silicon and carbon are shortened by shortening the distance between the patterns and growing the length of the carbon nanotubes vertically so that the low voltage The present invention relates to a nonvolatile memory device using carbon nanotubes that can store information.
컴퓨터가 발달함에 따라 실리콘에 기초한 메모리 소자들이 필요하게 됨으로서 플로피 디스크나 하드 디스크처럼 자성을 이용한 저장매체와 광을 이용하는 시디(CD)나 고화질의 디브이디(DVD)가 이용되고 있다.As the development of computers, silicon-based memory devices are required, magnetic storage media such as floppy disks and hard disks, CDs using optical light, and DVDs of high quality are used.
이와 더불어 디지털 텔레비젼의 등장과 휴대용 엠피3 플레이어의 등장, 다양한 기능이 제공되는 휴대용 단말기, 디지털 카메라, 그리고 최근 들어서 많이 이용되는 휴대용 정보저장 장치인 피디에이(PDA) 등에는 많은 데이터의 저장과 빠른 접근시간이 필요함에 따라 반도체를 이용한 비휘발성 메모리 소자가 사용된다.In addition, the emergence of digital television, the emergence of portable MP3 players, portable terminals with various functions, digital cameras, and PDA, a portable information storage device, which are recently used in recent years, store a lot of data and have fast access time. As necessary, a nonvolatile memory device using a semiconductor is used.
또한 더 많은 데이터와 멀티미디어의 발달에 따라 더 많은 데이터의 저장 및 이동이 필요함에 따라 빠른 동작특성을 가지는 고용량 비휘발성 메모리 소자의 필요도 더 커지고 있다.In addition, as more data and multimedia are required to store and move more data, there is a greater need for a high capacity nonvolatile memory device having fast operation characteristics.
비휘발성 메모리 소자의 종류에는 읽어들이기만 하는 롬(ROM:Read Only Memory)과 자외선 영역의 빛으로 정보를 수정할 수 있는 이피롬(EPROM:Erasable Programmable ROM), 전기장에 의해 정보의 수정이 가능한 이이피롬(EEPROM:Electrically Erasable Programmable ROM), 플레쉬 등이 있다.Types of nonvolatile memory devices include Read Only Memory (ROM), Irpyrom (EPROM) that can modify information using light in the ultraviolet region, and Ipyrom that can modify information by an electric field. (EEPROM: Electrically Erasable Programmable ROM) and Flash.
현재 컴퓨터의 부팅시 롬이 사용되고 있으며 정보를 수정할 수 있는 비휘발성 메모리는 플레쉬 메모리가 주로 쓰인다.Currently, ROM is used when the computer is booted. Flash memory is mainly used for nonvolatile memory that can modify information.
대용 정보 저장으로는 휴대용 컴퓨터, 디지털 카메라, 음성이나 시디 수준의 음악 기록매체로써 사용되며 임베디드(embedded) 메모리형으로는 네트워킹의 라우터(router)/허브(hub), 셀룰러 폰의 코드와 데이터의 처리 등의 역할을 하는데 쓰인다.It is used as a portable computer, digital camera, music recording media at the voice or CD level, and the embedded memory type is used to process codes and data of routers / hubs and cellular phones of networking. Used to act as a back.
플레쉬 메모리는 비교적 저가에 낮은 전력소모와 빠른 접근 및 높은 데이터 집적도, 그리고 수명에 있어서 가장 만족할 만한 성능을 보여준다.Flash memory offers the lowest performance, low power consumption, fast access, high data density and the most satisfactory performance in terms of lifetime.
이피롬은 고전자 투사(hot electron injection)를 이용하여 프로그램하고 자외선을 이용하여 지운다.Ipyrom is programmed using hot electron injection and erased using ultraviolet light.
이이피롬은 파울러-노드하임(F-N) 터널링을 이용하여 프로그래밍을 하며 또한 지운다. 파울러-노드하임 터널링 방식은 고전자 투사 방식보다 동작속도가 느리지만 전력 소모면에서 유리하다.This pyrom is programmed and deleted using Fowler-Nordheim (F-N) tunneling. The Fowler-Nordheim tunneling method is slower than the classical projection method, but is advantageous in terms of power consumption.
제1도는 일반적인 NOR-형 플레쉬 셀의 구조를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the structure of a typical NOR-type flash cell.
플레쉬 셀은 NOR-형과 NAND 형이 있는데 도1에서와 같이 NOR-형 플레쉬 셀을 보면 전하를 충전시켜 보관하는 플로우팅 게이트 층(110)이 존재하게 되는데 이곳에 정보가 저장된다.There are NOR-type and NAND-type flash cells. As shown in FIG. 1, the NOR-type flash cell has a floating gate layer 110 that stores charge and stores information therein.
상기 플로우팅 게이트 층(110)은 전하들을 유지시키기 위하여 좋은 절연막이 필요하게 되는데 그 두께가 얇아짐에 따라 누설이 생기게 된다.The floating gate layer 110 needs a good insulating film to maintain charges, and as the thickness thereof becomes thin, leakage occurs.
즉, 절연막을 얇게 하고 트랜지스터를 작게 하는데 근본적으로 한계가 있게 된다.That is, there is a fundamental limit to thinning the insulating film and making the transistor small.
따라서 현재의 반도체 기술을 계속 발전시켜 나가는데 한계가 있어서 새로운 방식의 접근이 요구된다.Therefore, there is a limit to continuously developing current semiconductor technology, and a new approach is required.
전혀 새로운 방식의 바텀 업(bottom up) 방식으로 현재보다 고집적화시키기 위하여 분자소자나 단전자소자 등을 연구하고 있다. 분자소자로 연구되는 것 중에는 고분자를 이용한 스위치나 탄소 나노튜브의 특성을 이용한 FET(Field Efect Transistor), 전기 역학적 특성을 이용한 전기 역학적 메모리 등이 연구되고 있다.Molecular devices, single-electron devices, etc. are being studied in order to be more integrated than the present by a completely new bottom up method. Among the molecular devices being studied, research has been conducted on FET (Field Effect Transistor) using polymer switch, carbon nanotube properties, and electromechanical memory using electrodynamic properties.
탄소 나노튜브를 이용한 메모리 소자의 연구는 탄소 나노튜브가 선폭이 작고 화학적으로 안정되어 있으며 탄소 나노튜브의 전도성이 도체, 부도체, 반도체 등 다양한 성질을 가지고 있고 FET의 가능성이 보고되면서 많은 연구가 이루어지고 있다.The study of memory devices using carbon nanotubes is carried out as carbon nanotubes are small in line width and chemically stable, and the conductivity of carbon nanotubes has various properties such as conductors, insulators, and semiconductors, and the possibility of FETs is reported. have.
하지만, 트랜지스터의 연구시 반도체성을 가지는 탄소 나노튜브의 합성의 어려움과 수 기가비트급 이상의 메모리를 만드는 데에 있어서 탄소 나노튜브의 위치를 제어하기가 쉽지 않다.However, it is difficult to control the position of carbon nanotubes in the difficulty of synthesizing semiconducting carbon nanotubes in the research of transistors and in making memories of several gigabits or more.
또한, 디램 등에서 사용되는 커패시터 등을 탄소 나노튜브에서 구현하는 방안이 없다.In addition, there is no way to implement a capacitor used in DRAM, etc. in carbon nanotubes.
최근에 탄소 나노튜브의 좋은 기계적인 특성과 큰 쌍극자 모우멘트를 이용한 메모리가 제안되었다(Rueckes T et al, science 289, 94).Recently, a memory using good mechanical properties and large dipole moments of carbon nanotubes has been proposed (Rueckes T et al, science 289, 94).
이 방법은 공간상으로 테라비트급의 용량과 속도상으로 100 기가헤르츠가 이론상으로 가능하고 실험으로 보여줌으로서 그 가치가 매우 크다.This method is theoretically possible, and experimentally shown, with 100 gigahertz of capacity and speed in terabits of space.
또한, FET방식처럼 반도체성 탄소 나노튜브를 요구하는 것이 아니라 금속성 및 반도체성 모두에 대하여 가능하다.Furthermore, rather than requiring semiconducting carbon nanotubes like the FET method, it is possible for both metallic and semiconducting properties.
제2도는 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 나타낸 것이다.2 illustrates a nonvolatile memory device using conventional carbon nanotubes.
도2에서와 같이 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자는 오프 상태일 경우에는 지지대(230)에 의하여 나노미터의 거리 간격으로 세로축의 탄소 나노튜브(220)를 유지시키며, 일정 전압을 인가함에 의하여 가로축의 탄소 나노튜브(210)가 세로축의 탄소 나노튜브(220)에 의하여 수평교차가 이루어져서 온 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 2, when the nonvolatile memory device using the conventional carbon nanotubes is in an off state, the carbon nanotubes 220 on the vertical axis are maintained by the support 230 at a distance of nanometers, and a constant voltage is applied thereto. By doing so, the horizontal axis of the carbon nanotubes 210 on the horizontal axis by the carbon nanotubes 220 on the vertical axis is shown on.
도 3a 및 도 3b는 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 수평 교차에 의한 비휘발성 분자 메모리소자의 거리와 외부 전압에 따른 에너지 준위를 나타낸 것이다.3A and 3B illustrate energy levels according to distances and external voltages of nonvolatile molecular memory devices due to horizontal crossing in a nonvolatile memory device using conventional carbon nanotubes.
도 3a는 온 상태를 나타내기 위하여 전압을 인가한 것이고 도 3b는 전압을 인가하지 않은 오프 상태를 나타낸 것으로서 온 상태와 오프 상태를 바꾸기 위하여 최소한 20V 이상의 전압이 요구되는 것을 알 수 있다.FIG. 3A illustrates a state in which a voltage is applied to indicate an on state, and FIG. 3B illustrates an off state in which a voltage is not applied. Thus, at least 20 V or more is required to change an on state and an off state.
그러나, 제작시 나노미터의 간격으로 상기 가로축과 세로축의 탄소나노튜브(210, 220)를 수평으로 교차시키는 것이 어렵고 또 지지대(230)의 구현에 대한 가능한 공정이 제안되어 있지 않으며 온과 오프 상태를 바꾸기 위하여 최소한 40V 의 높은 전압이 요구되어서 이론상 가능하지만 실제로 실현 불가능한 단점이 있다.However, it is difficult to horizontally cross the horizontal and vertical carbon nanotubes 210 and 220 at nanometer intervals during fabrication, and a possible process for the implementation of the support 230 is not proposed, and the on and off states are A high voltage of at least 40V is required to change, which is theoretically possible but practically impractical.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 실리콘과 탄소로 구성된 탄소 나노튜브 또는 나노 화이버를 그 패턴 사이의 거리를 줄이고 탄소 나노튜브의 길이를 길게 수직으로 성장시켜서 그 배열을 이용하여 저 전압으로 정보를 저장할 수 있는 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, using carbon nanotubes or nanofibers composed of silicon and carbon to reduce the distance between the patterns and to grow the length of the carbon nanotubes vertically and to use the arrangement An object of the present invention is to provide a nonvolatile memory device using carbon nanotubes capable of storing information at low voltage.
도 1은 일반적인 NOR-형 플레쉬 셀의 구조를 나타낸 도면.1 illustrates the structure of a typical NOR-type flash cell.
도 2는 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 나타낸 도면.2 is a view showing a nonvolatile memory device using conventional carbon nanotubes.
도 3a 및 도 3b는 종래의 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 수평 교차에 의한 비휘발성 분자 메모리소자의 거리와 외부 전압에 따른 에너지 준위를 나타낸 도면.3A and 3B are diagrams illustrating energy levels according to distances and external voltages of a nonvolatile molecular memory device due to horizontal crossing in a nonvolatile memory device using conventional carbon nanotubes.
도 4는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 나타낸 도면.4 is a view showing a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 수직성장된 nm 비휘발성 메모리 소자의 일 실시예를 나타낸 도면.5 is n vertically grown in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention. m illustrates one embodiment of a nonvolatile memory device.
도 6은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 단위 셀당 4 비트를 저장하는 소자를 나타낸 도면.FIG. 6 illustrates a device for storing 4 bits per unit cell in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention. FIG.
도 7은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 단위 셀당 4 비트를 저장하는 소자의 n x m 및 n' x m" 배열의 일 실시예를 나타낸 도면.FIG. 7 illustrates an embodiment of an n x m and n 'x m "array of devices storing 4 bits per unit cell in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention. FIG.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
410:탄소 나노튜브 420:촉매410: carbon nanotubes 420: catalyst
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자는 전기장에 의한 기계적 변형을 저장되는 정보로 대응시켜 데이터 저장이 이루어질 수 있도록, 복수의 탄소 나노튜브를 일정 간격으로 형성시킨 점을 그 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention forms a plurality of carbon nanotubes at regular intervals so that data can be stored by mapping mechanical deformation caused by an electric field to information stored therein. It is characterized by the point made.
여기서, 상기 탄소 나노튜브는 가로축과 세로축에 각각 n x m 개의 라인이 교차되어 있는 사이사이에 단위셀이 형성되었으며 도선에 의하여 각각 상기 라인상에 연결되어 단위셀 당 1비트를 저장할 수 있는 점을 그 특징으로 한다.Here, the carbon nanotubes are characterized in that the unit cell is formed between the horizontal axis and the vertical axis intersected with each of nxm lines, and each of the carbon nanotubes is connected on the line by a conducting wire to store one bit per unit cell. It is done.
여기서, 상기 n x m 개의 라인상에 절연층을 형성하고, 상기 n x m 개의 라인과 대응되는 위치에 n' x m'' 개 라인이 형성되어 이루어진 단위 셀내의 탄소 나노튜브는, 도선에 의하여 각각 n' x m'' 개의 라인상에 연결되어 단위셀 당 4 비트를 저장할 수 있는 점을 그 특징으로 한다.Here, the carbon nanotubes in the unit cell in which an insulating layer is formed on the nxm lines and n 'x m' 'lines are formed at positions corresponding to the nxm lines are each n' x by conducting wires. It is connected on m '' lines and can store 4 bits per unit cell.
그리고, 상기 탄소 나노튜브는 촉매를 사용하여 형성시킨 점을 그 특징으로 하며 그 촉매는 다공성 촉매인 점을 특징으로 한다.The carbon nanotubes are formed using a catalyst, and the catalyst is a porous catalyst.
여기서, 상기 탄소 나노튜브는 그 각각의 양측에 일정 전압을 인가함으로서 수직 교차에 의하여 온/오프 동작을 작동케 하는 점을 그 특징으로 한다.Here, the carbon nanotubes are characterized in that the on / off operation is performed by vertical crossing by applying a constant voltage to both sides of the carbon nanotubes.
그리고, 상기 탄소 나노튜브 각각의 양측에 걸리는 일정 전압은 20V 이내인 점을 그 특징으로 한다.In addition, a constant voltage applied to both sides of each of the carbon nanotubes is characterized in that it is within 20V.
그리고, 상기 탄소 나노튜브 사이의 간격은 0.1㎛ 이며 그 탄소 나노튜브의 길이는 1㎛ 인 점을 그 특징으로 한다.And, the interval between the carbon nanotubes is characterized in that 0.1㎛ and the length of the carbon nanotubes is 1㎛.
또한, 상기 탄소 나노튜브의 주위를 불활성 기체로 채워넣었으며, 상기 탄소 나노튜브의 벽에 가스를 흡착시켜서 쌍극자 모우멘트의 크기를 줄이는 점을 그 특징으로 한다.In addition, the carbon nanotubes are filled with an inert gas, and the gas is adsorbed on the walls of the carbon nanotubes to reduce the size of the dipole moment.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제4도는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 나타낸 것이다.4 shows a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention.
도4에서와 같이 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자는 탄소 나노튜브(410)를 촉매(420)를 사용하여 화학 기상 증착법(CVD:Chemical Vapour Deposition)에 의하여 수직 성장시킨다.In the nonvolatile memory device using the carbon nanotubes according to the present invention as shown in FIG. 4, the carbon nanotubes 410 are vertically grown by chemical vapor deposition (CVD) using the catalyst 420.
이 때 상기 탄소 나노튜브(410)들간에 수평으로 수 나노미터의 간격으로 단차를 구현해야 한다.At this time, the carbon nanotubes 410 should be implemented in steps of several nanometers horizontally horizontally.
이 방법은 탄소 나노튜브(410)를 수직으로 성장시킨 후 전기장에 의하여 그 탄소 나노튜브(410)가 기계적으로 휘는 것을 이용한다.This method uses the carbon nanotubes 410 to grow vertically and then mechanically bend the carbon nanotubes 410 by an electric field.
즉, 온의 상태를 나타내기 위하여 일정 전압(대략 5~40V)을 걸어주면 상기 수직으로 성장된 탄소 나노튜브(410)가 수직 교차에 의하여 온 상태를 나타내는 것이다.That is, when a predetermined voltage (approximately 5 to 40 V) is applied to indicate an on state, the vertically grown carbon nanotubes 410 are in an on state by vertical crossing.
같은 높이에서 성장하고 같은 성장률을 가지므로 성장된 탄소 나노튜브의 길이는 서로 유사할 것이다. 길이가 다른 것에 대하여 수직 방식의 온/오프 구동은 큰 차이를 보이지 않는다.Since they grow at the same height and have the same growth rate, the grown carbon nanotubes will be similar in length. The vertical on / off drive does not show a big difference with respect to the different lengths.
상기 탄소 나노튜브(410)를 이용한 비휘발성 메모리 소자의 제조 방법은 우선 기판위에 전극을 만든 후 성장을 원하는 위치에 촉매(420)를 증착한다.In the method of manufacturing a nonvolatile memory device using the carbon nanotubes 410, first, an electrode is formed on a substrate, and then a catalyst 420 is deposited at a desired position for growth.
이 과정은 상용화된 리소그라피 공정을 통하여 구현이 가능하다.This process can be implemented through commercialized lithography processes.
이 위에 탄소 나노튜브(410)를 수직성장시킨다.The carbon nanotubes 410 are vertically grown thereon.
상기 탄소 나노튜브(410)의 길이는 상기 촉매(420)와 촉매 사이의 거리에 의존한다. 탄소 나노튜브가 기계적으로 휠 때 생기는 응력에 의하여 생기는 영향을 방지하기 위하여 다공성 촉매를 사용하여 구멍 안에서 탄소 나노튜브가 자라게 하면 탄소 나노튜브가 온/오프를 반복할 때 촉매와 접촉이 약해지는 것을 방지할 수 있다.The length of the carbon nanotubes 410 depends on the distance between the catalyst 420 and the catalyst. To prevent the effects of stress caused by mechanical bending of the carbon nanotubes, use of a porous catalyst to grow the carbon nanotubes in the pores prevents the carbon nanotubes from weakening contact with the catalyst when it is repeatedly turned on and off. can do.
상기 탄소 나노튜브(410)가 온 상태에 의하여 수직 교차가 되어 휘는 정도는 간격과 길이의 함수이다. 상기 탄소 나노튜브(410)의 전기 기계적 에너지 ET는 전기장에 의한 위치에너지 Eelec와 쌍극자에 의해 생기는 반 데르 발스 에너지 Evdw와 탄성에너지 Eelas의 합에 의하여 결정된다. 즉, 전기 기계적 에너지 ET는The degree to which the carbon nanotubes 410 are bent vertically by the on state is a function of spacing and length. The electromechanical energy E T of the carbon nanotubes 410 is determined by the sum of the potential energy E elec caused by the electric field and the van der Waals energy E vdw generated by the dipole and the elastic energy E elas . That is, the electromechanical energy E T is
여기서 탄성에너지 Eelas가 후크의 법칙을 만족한다고 가정하면, 탄성에너지는If we assume that the elastic energy E elas satisfies Hook's law, the elastic energy
로 정의된다.Is defined as
여기서 k는 탄성계수로서 상기 탄소 나노튜브(410)의 길이가 길어지면 k의 값은 줄어든다.Where k is the modulus of elasticity, the length of the carbon nanotubes 410 is longer, the value of k is reduced.
반 데르 발스 에너지 Evdw와 전기장에 의한 위치에너지 Eelec는 상기 탄소 나노튜브(410)의 교차하는 방식에 의존한다. 따라서 일반적으로 전기장에 의한 위치에너지와 결합시 반 데르 발스 에너지 부분이 커지게 된다.The van der Waals energy E vdw and the potential energy E elec due to the electric field depend on the way in which the carbon nanotubes 410 intersect. Therefore, in general, the van der Waals energy part becomes large when combined with potential energy caused by an electric field.
일반적으로 쌍극자에 의한 반 데르 발스 에너지는 거리의 1/r6에 비례하고 전기장에 의한 위치에너지는 거리의 1/r2에 비례하게 된다.In general, van der Waals energy from dipoles is proportional to 1 / r 6 of distance, and the potential energy from electric fields is proportional to 1 / r 2 of distance.
따라서 반 데르 발스 에너지 Evdw는 거리가 멀어지면 그 영향을 무시할 수 있으므로 결합되어지는 팁 부분의 영향만이 실제 에너지에 기여하고 전기 위치에너지는 거리가 가까운 팁 아래의 도선도 큰 영향을 미친다.Therefore, van der Waals energy E vdw can ignore the effect of the distance as the distance increases, so only the influence of the tip part being combined contributes to the actual energy, and the electric potential energy also affects the conductor below the short distance tip.
따라서 이와 같은 수직 교차 방식은 수평 교차 방식에 비하여 전기장에 의한 전체에너지의 변화가 크므로 수평 교차 방식에 비해 적은 전압에 의한 결합에너지의 조절이 쉽다.Therefore, such a vertical crossover method has a larger change in total energy due to an electric field than a horizontal crossover method, and thus, it is easier to control the binding energy due to a lower voltage than the horizontal crossover method.
또한 상기 탄소 나노튜브(410)의 길이를 길게 하면 평행한 도선의 부분이 길어지므로 조절 전압이 낮아진다. 탄소 나노튜브의 길이와 탄소 나노튜브간의 간격은 탄성 에너지와 전기 위치에너지에 기하학적으로 큰 영향을 준다. 또한 동작속도에 있어서 수평 교차 방식이 100기가헤르츠인 것에 비하여 더 긴 거리를 움직여야 하므로 느리지만 여전히 충분히 빠른 동작속도를 가진다.In addition, when the length of the carbon nanotubes 410 is increased, the portion of the parallel conductor becomes longer, so that the control voltage is lowered. The length of the carbon nanotubes and the spacing between the carbon nanotubes have a large geometrical influence on the elastic and electrical potential energy. It is also slow but still fast enough because it has to travel longer distances than 100 gigahertz in horizontal speed.
기존의 플레쉬 메모리 방식에 비하여 충전이 필요하지 않고 충전을 유지시키기 위한 절연막이 필요하지 않으므로 크기에 대한 제한은 원칙적으로 없다고 할 수 있다.Compared with the conventional flash memory system, no charge is required and no insulating film is required to maintain the charge. Therefore, there is no restriction on size.
또한 도 3a 및 도 3b에서 보는 에너지 준위에서 두개의 온/오프의 에너지 준위는 매우 안정적이어서 상온에서의 온도에너지보다 10배 이상의 큰 에너지 장벽이 존재하므로 데이터의 손실이 거의 나타나지 않는다.In addition, the energy level of the two on / off at the energy level shown in Figures 3a and 3b is very stable, there is almost no loss of data because there is an energy barrier 10 times larger than the temperature energy at room temperature.
제5도는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 수직성장된 nm 비휘발성 메모리 소자의 일 실시예를 나타낸 것이다.5 is vertically grown n in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention. m shows an embodiment of a nonvolatile memory device.
도5에서와 같이 가로축상에 n개가, 세로축상에 m개의 배선이 서로 교차되어 있으며 그 사이사이에 있는 탄소 나노튜브의 온 상태(510)와 오프 상태(520)를 대략적으로 나타내고 있으며 온 상태(510)는 두개의 탄소 나노튜브가 서로 접근하여반 데르 발스 에너지에 의하여 잡혀 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, n on the horizontal axis and m wires on the vertical axis cross each other, and the on state 510 and the off state 520 of the carbon nanotubes between them are roughly shown. 510 can be seen that the two carbon nanotubes approach each other and are held by van der Waals energy.
이 때 탄소 나노튜브 팁 간의 거리는 3.4정도로 흑연의 층간 거리와 비슷하고 탄소 나노튜브의 기하학적 구조에 따라 약간 멀어질 것이다.The distance between the carbon nanotube tips is 3.4 It is close to the interlayer distance of graphite and will be slightly further depending on the geometry of the carbon nanotubes.
상기 오프 상태(520)의 거리는 최초 제작된 패턴의 거리가 된다.The distance of the off state 520 is the distance of the first produced pattern.
이와 같은 수직 교차의 경우 탄소 나노튜브를 온 시키기 위하여 약 40 V의 바이어스 전압이 필요하고 오프 시킬 경우 약 5V의 전압이 필요하다.This vertical crossover requires a bias voltage of about 40 V to turn on the carbon nanotubes and a voltage of about 5 V to turn it off.
상기 탄소 나노튜브의 온/오프 상태(510,520)를 확인하기 위하여 읽을 경우에는 그 온/오프 전압보다 낮은 전압하에서 저항을 측정하면 된다.When reading to confirm the on / off states 510 and 520 of the carbon nanotubes, the resistance may be measured under a voltage lower than the on / off voltage.
이 때 상기 탄소 나노튜브의 온/오프 상태(510,520)가 약 10배의 저항의 차를 보인다.At this time, the on / off state of the carbon nanotubes (510, 520) shows a difference of about 10 times the resistance.
따라서 상기 탄소 나노튜브의 온/오프 동작을 위하여 가하는 전압을 크게 낮출 수 있다.Therefore, the voltage applied for the on / off operation of the carbon nanotubes can be significantly lowered.
또한. 패턴 사이의 거리를 좁힐수록, 길이를 길게 할수록 더 낮은 전압하에서 작동이 가능하다.Also. The narrower the distance between the patterns, the longer the length allows for operation at lower voltages.
반응 시간등을 고려한다면 패턴 사이의 거리를 줄이는 방향이 우선되어야 할 것이다.Considering the reaction time, the direction to reduce the distance between patterns should be given priority.
패턴의 간격을 0.1㎛ 로 하고 탄소 나노튜브의 길이를 1㎛ 정도 성장시켰을 경우 전기 위치에너지가 기존의 수평 교차 방식에 비하여 3~4 배 이상의 효과가 있게 된다.If the pattern spacing is 0.1 탆 and the length of the carbon nanotubes is grown by about 1 탆, the electrical potential energy is 3 to 4 times more effective than the conventional horizontal crossover method.
이와 같이 탄소 나노튜브를 이용한 수직 교차 방식은 실제 소자의 제작에 있어서 단위 셀당 1비트를 저장하는 단순한 nm 소자 방식뿐만 아니라 단위 셀당 여러 개의 비트를 구성할 수 있다.As such, the vertical crossover method using carbon nanotubes is a simple n that stores 1 bit per unit cell in the fabrication of a real device. In addition to the m device method, several bits can be configured per unit cell.
도 6은 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 단위 셀당 4비트를 저장하는 소자를 나타낸 것이다.이에 도시된 바와 같이, 4 비트를 구성하기 위해 단위 셀당 소정수의 탄소 나노튜브(610)를 형성하는 것을 보여주고 있다. 먼저, 상기 단위 셀에 소정수의 탄소 나노튜브를 형성하기 위해서는 n x m의 라인을 형성시키고, 그 위에 절연체를 구성한 다음 상기 n x m의 라인과 대응되는 위치에 n' x m'' 라인을 형성하게 된다.그리고, 상기 n, n', m, m'' 라인에 의해 형성된 각각의 단위 셀 내의 탄소 나노튜브(610)들을 소정수로 형성한 후, 상기 형성된 n, n', m, m'' 라인에 일정 전압의 온, 오프를 인가함으로써 4 비트를 저장할 수 있게 된다.6 illustrates a device for storing 4 bits per unit cell in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention. As shown in FIG. 610 is shown. First, in order to form a predetermined number of carbon nanotubes in the unit cell, an nxm line is formed, an insulator is formed thereon, and an n 'x m' 'line is formed at a position corresponding to the nxm line. In addition, after forming a predetermined number of carbon nanotubes 610 in each unit cell formed by the n, n ', m, m' 'line, the formed n, n', m, m '' line By applying a constant voltage on and off, four bits can be stored.
제7도는 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자에서 단위 셀당 4 비트를 저장하는 소자의 n x m 및 n' x m" 배열의 일 실시예를 나타낸 것이다.FIG. 7 shows an embodiment of an n x m and n 'x m "array of a device storing 4 bits per unit cell in a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention.
도7을 참조하면, n x m 라인을 기판상에 형성시키고 그 위에 절연체를 구성한 다음 n' x m" 라인을 형성시킨다.Referring to FIG. 7, n x m lines are formed on a substrate, an insulator is formed thereon, and n 'x m " lines are formed.
상기의 n x m 및 n' x m" 라인 사이사이의 중앙에 촉매를 사용하여 탄소 나노튜브(710)를 형성시켜서 각각의 라인에 전압을 인가하기 위한 도선(720)을 연결시킨다.A carbon nanotube 710 is formed using a catalyst in the center between the n x m and n 'x m "lines to connect the conductors 720 for applying a voltage to each line.
상기 탄소 나노튜브(710)의 점선은 그에 해당하는 라인상에 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 실선은 그에 해당하는 라인상에 전압을 인가한 상태를 나타낸다.The dotted line of the carbon nanotubes 710 represents a state in which no voltage is applied on the corresponding line, and the solid line represents a state in which voltage is applied on the corresponding line.
이러한 방식으로 단위 셀당 4비트를 저장할 수 있게 된다.In this way, 4 bits can be stored per unit cell.
탄소 나노튜브를 이용한 단위 셀당 2개 이상의 멀티 비트 소자도 가능하다.Two or more multi-bit devices per unit cell using carbon nanotubes are possible.
이와 같은 방식으로 데이터의 집적률과 효율을 높일 수 있다.In this way, the data integration rate and efficiency can be increased.
탄소 나노튜브 사이의 터널링 전류를 이용하여 데이터를 읽고 쓰는 과정에 있어서 전압이 걸리므로 전자의 충돌에 의한 화학 반응 유도를 억제하기 위하여 주위를 불활성 기체로 채워 넣을 수도 있다.Since the tunneling current between the carbon nanotubes takes a voltage to read and write data, the surroundings may be filled with an inert gas to suppress the chemical reaction induced by the collision of electrons.
또한, 반 데르 발스 에너지를 억제하기 위하여 탄소 나노튜브의 경우 나노 튜브 벽에 가스가 흡착되어서 쌍극자 모우멘트의 크기를 줄이는 방법도 가능할 것이다.In addition, in order to suppress van der Waals energy, it may be possible to reduce the size of the dipole moment by adsorbing gas on the nanotube wall.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 탄소 나노튜브를 이용한 비휘발성 메모리 소자는 실리콘과 탄소로 구성된 탄소 나노튜브 또는 나노 화이버를 그 패턴 사이의 거리를 줄이고 탄소 나노튜브의 길이를 길게 수직으로 성장시켜서 그 배열을 이용하여 저 전압으로 정보를 저장할 수 있다.As described above, a nonvolatile memory device using carbon nanotubes according to the present invention may be formed by growing carbon nanotubes or nanofibers composed of silicon and carbon by reducing the distance between the patterns and lengthening the length of the carbon nanotubes vertically. Arrays can be used to store information at low voltages.
또한, 탄소 나노튜브의 수직 합성에 의하여 보다 쉽게 팁에서의 터널링 현상을 구현할 수 있으며 여러 개의 탄소 나노튜브 패턴을 이용하여 멀티 비트의 구현을 가능케 하였다.In addition, the vertical synthesis of carbon nanotubes makes it easier to implement the tunneling phenomenon at the tip, and enables the implementation of multi-bit using several carbon nanotube patterns.
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