KR100674144B1 - 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법 - Google Patents

탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상변화 메모리에서 상변화 물질과 하부 전극간 접촉 면적을 획기적으로 줄여 저 전력으로 동작이 가능하게 할 뿐만 아니라 집적도를 더욱 향상시키기 위한 것으로, 상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극과, 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층과, 전류원 전극과 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극, 및 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체를 포함하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법을 제공한다.
상변화 메모리, 탄소 나노 튜브, 하부 전극, 동작 전류

Description

탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법{Phase change memory using carbon nano tube and method for fabricating thereof}
도 1a는 종래 기술에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 1b-1b'의 단면도이다.
도 1c는 종래 기술에 따른 상변화 메모리에서 하부 전극을 도시한 평면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 2b-2b'의 단면도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리에서 하부 전극을 도시한 평면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
201,301,401,501;전류원 전극
302,304,502;촉매
203,303,403,503;탄소 나노 튜브 전극
205,305,405,505;절연체
207,307,407,507;상변화 물질층
509;열 생성 저항층
본 발명은 상변화 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저 전력 동작이 가능하고 집적도를 향상시키기 위해 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
상변화 메모리(phase change memory)는 특정 재료의 결정상(crystalline phase)과 비결정상(amorphous phase)의 전기적인 전도성 차이를 이용하여 정보를 저장하는 메모리 소자이다.
이러한 상변화 메모리는 큰 문턱 전압 여유와 빠른 동작 속도, 뛰어난 내구 력, 긴 데이터 유지 시간을 가지고 있어, 최근 차세대 비휘발성 메모리로 주목받고 있다. 더욱이, 최근에 상업용 플래시 메모리와 동등한 집적도를 가진 상변화 메모리의 대량 생산이 성공적으로 입증되었다.
상변화 메모리가 차세대 메모리의 주류로 성공적으로 들어서기 위해서는, 작은 메모리 셀 크기와 메모리 셀의 동작 특성 분포가 일정하게 유지되어야 하는데, 메모리 셀의 크기는 동작 전류의 크기에 큰 영향을 받으며, 필요한 동작 전류의 크기는 상변화 물질과 하부 전극의 접촉 넓이에 영향을 받는다. 따라서, 상변화 물질과 하부 전극의 접촉 면적을 줄여 작은 동작 전류 레벨로 큰 동작 전류 밀도를 가지게 하는 것이 필요하다.
그런데, 상변화 메모리의 제조시 하부 전극을 만들기 위한 식각 공정에서 접촉 크기의 지름을 일정하게 형성하는 작업이 어렵다. 뿐만 아니라, 큰 전류 밀도를 얻기 위해서는 상변화 메모리와 하부 전극간 접촉 크기를 작게 하는 것이 필요한데, 이는 일정한 접촉 크기를 얻는 것과 더불어 상변화 메모리의 고집적화에 있어 또 다른 기술적 난제로 작용하고 있고, 이로 인하여 상변화 메모리의 신뢰도 및 집적도 향상에 걸림돌이 되고 있다.
이에 따라, 상변화 메모리의 셀 크기를 줄여 고집적화를 위한 방안은 크게 두 가지로 분석할 수 있다.
첫째, 상변화 물질과 하부 전극과의 접촉 면적을 줄여 작은 동작 전류로도 큰 동작 전류 밀도를 가지게 함으로써 상변화 메모리의 셀 크기를 줄이는 것이다.
둘째, 발열 물질인 하부 전극의 저항을 크게 하여 동일한 전류 밀도를 가지 고도 큰 열을 발생시키도록 함으로써 상변화 메모리의 셀 크기를 줄이는 것이다. 상변화 물질에 전달되는 열은 줄(Joule)의 공식에 의해서, 열을 발생시키는 매체의 저항에 비례하고, 매체에 흐르는 전류의 제곱에 비례한다.
이를 기초하여 종래 상변화 메모리의 구조를 살펴보면 다음과 같다.
처음, 종래의 상변화 메모리는 상변화 물질의 아래쪽에 작은 구멍을 파낸 다음, 열을 발생시키는 물질인 하부 전극을 그 구멍에 채워 넣어, 열 발생 물질인 하부 전극과 상변화 물질이 맞닿는 부분이 2차원의 면적을 갖도록 구성되었다. 이러한 종래의 상변화 메모리는 외부에서 공급되는 동작 전류가 접촉 면적만큼 퍼져서 흐르기 때문에 상변화를 일으킬 정도의 큰 열을 얻기가 어렵다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해 링 모양의 접촉 공정이 개발되었다. 링 모양의 접촉 공정을 이용한 종래의 상변화 메모리는 열 발생 물질이 들어갈 작은 구멍의 표면에만 하부 전극을 채우고, 나머지 부분에는 절연 물질을 채워 넣는 구조를 취하고 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 1b-1b'의 단면도이며, 도 1c는 종래 기술에 따른 상변화 메모리에서 하부 전극을 도시한 평면도이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 링 타입의 상변화 메모리는 외부 전류를 공급하는 외부 전류원 전극(101)과 상변화를 일으켜서 메모리 특성을 나타내는 상변화 물질층(105)이 측방향으로 서로 대향되어 있고, 외부 전류원 전극(101)과 상변화 물질층(105) 사이에 열 발생 물질인 하부 전극(102)이 링 타입으로 형성되 어 있으며, 하부 전극(102) 내부에 이로부터 발생된 열이 빠져 나가는 것을 방지하기 위한 절연 물질(103)이 원형으로 채워져 있다. 그리고, 하부 전극(102)과 절연 물질(103)을 유전 물질(104)이 둘러싸고 있다.
이러한 종래의 링 타입의 상변화 메모리는 상변화 물질층(105)과 하부 전극(102)간 접촉 면적이 원주 길이의 1차원적으로 이루어지기 때문에 기존에 2차원의 면 접촉으로 이루어지는 상변화 메모리보다 작은 동작 전류를 가지고서도 높은 동작 전류 밀도를 나타낼 수 있다. 또한, 절연 물질(103)이 하부 전극(102)을 감싸고 있기 때문에 하부 전극(102)에서 발생한 열이 외부로 새어 나가는 것을 방지해 준다.
그런데, 종래의 링 타입의 상변화 메모리는 열 발생 물질인 하부 전극(102)이 작은 구멍 안으로 채워져야 하므로 하부 전극(102)으로 쓰일 수 있는 물질이 제한된다는 문제점을 지니고 있다. 게다가, 새로운 링 모양의 접촉 공정을 사용함에도 불구하고 상변화 메모리의 집적도가 현재의 플래시 메모리의 집적도의 절반밖에 되지 않아, 상술한 종래의 구조로는 플래시 타입의 비휘발성 메모리의 집적도를 넘어설 수 없는 근본적인 한계점을 지니고 있다.
결국, 상변화 메모리에서 좀더 작은 동작 전류를 얻을 수 있는 새로운 구조가 필요하다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상변화 물질과 하부 전극간 접촉 면적을 획기적으로 줄여 저 전력으로 동작이 가능할 뿐만 아니라 집적도를 더욱 향상시킨 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 탄소 나노 튜브를 이용하여 상변화 물질과 하부 전극간 접촉 면적을 획기적으로 줄인 상변화 메모리의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리는, 외부 전류를 공급하는 전류원 전극과, 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층과, 전류원 전극과 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극, 및 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법은, (a)외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계와, (b)촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계와, (c)전류원 전극 상에 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계와, (d)증착하는 단계 후, 탄소 나노 튜브 전극이 절연체의 표면으로 드러나도록 절연체의 표면을 연마하는 단계, 및 (e)절연체의 표면 상에 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되도록 상변화 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리는, 외부 전류를 공급하는 전류원 전극과, 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층과, 전류원 전극과 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열되고 일측이 확장되어 상변화 물질층으로 오버랩되는 탄소 나노 튜브 전극, 및 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브 전극은 전체 길이에 대하여 상기 상변화 물질층으로 오버랩되는 길이가 1/10 내지 8/10 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법은, (a)외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계와, (b)촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계와, (c)전류원 전극 상에 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계와, (d)증착하는 단계 후, 탄소 나노 튜브 전극이 절연체의 표면으로 드러나도록 절연체의 표면을 연마하는 단계와, (e)절연체의 표면으로 드러난 탄소 나노 튜브 전극이 돌출되게 절연체를 선택적으로 식각하는 단계, 및 (f)절연체 상에 상변화 물질을 증착하여 돌출된 탄소 나노 튜브 전극이 오버랩되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (e)단계는 상기 돌출되는 탄소 나노 튜브 전극의 길이가 전체 길이 대비 1/10 내지 8/10 정도가 되도록 식각하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리는, 외부 전류를 공급하는 전류원 전극과, 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층, 전류원 전극과 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극, 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체, 및 탄소 나노 튜브 전극과 상변화 물질층 사이에 위치되어 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되는 열 생성 저항층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법은, (a)외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계와, (b)촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계와, (c)전류원 전극 상에 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계와, (d)증착하는 단계 후, 탄소 나노 튜브 전극이 절연체의 표면으로 드러나도록 절연체의 표면을 연마하는 단계와, (e)절연체의 표면 상에 절연체의 표면으로 드러난 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되도록 열 생성 저항층을 증착시키는 단계, 및 (f)열 생성 저항층 상에 상변화 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 (b)단계에서 상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체 에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리 및 이의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
실시예 1
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이고, 도 2b는 도 2a에 도시된 2b-2b'의 단면도이며, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리에서 하부 전극을 도시한 평면도이다.
먼저 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(201)과, 전류원 전극(201)과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층(207), 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207) 사이에 배열되는 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극(203), 및 탄소 나노 튜브 전극(203)의 외측에 형성되는 절연체(205)을 포함한다.
전류원 전극(201)은 상변화 물질층(207)에 상변화(phase change)를 유도하는데 필요한 전류 밀도를 얻기 위해 외부 전류를 공급한다.
탄소 나노 튜브 전극(203)은 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207) 사이에 복수 개 배열되어 상변화 물질층(207)과 접촉된다. 이러한 탄소 나노 튜브 전극(203)은 상변화 물질층(207)에 상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 전류원 전극(201)으로부터 상변화 물질층(207)으로 전달하는 이동 통로이자, 열 발생 물질로서, 종래의 하부 전극(도 1a의 102)과 대응될 수 있다.
탄소 나노 튜브 전극(203)은 도 2c에 도시된 바와 같이 그 크기나 배열 등에 있어서 일정한 규칙성을 갖는 소정의 패턴으로 형성될 수 있으나 그렇지 아니하더라도 무방하다.
그리고, 탄소 나노 튜브 전극(203)의 직경(d)은 1nm 내지 100nm 정도로 거의 점 형태에 가까운 작은 면적을 가지며, 큰 저항을 가지고 있는 단중벽 나노 튜브(Single Wall Nano Tube)로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 발열 물질인 탄소 나노 튜브 전극(203)의 저항을 크게 하여 동일한 전류 밀도를 가지고도 큰 열을 발생시키도록 하기 위한 본 발명의 목적을 달성하기 위함이다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
절연체(205)는 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207) 사이에 배열된 탄소 나노 튜브 전극(203)의 외측을 둘러싸서, 열 발생 물질인 탄소 나노 튜브 전극(203)으로부터 발생되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 역할을 한다. 이러한 절연체(205)는 SiO2, Si4N4, HfO2, ZrO2, Ta2O5, Al2O3, La2O3, Y2O3 및 CeO2 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된다.
상변화 물질층(207)은 상변화 물질의 전기적인 전도성 차이를 이용하여 정보를 저장하는 메모리층이다. 상변화 물질은 비결정 및 결정 상태와 같이 적어도 2개의 상이한 상태를 갖는데, 비결정 상태가 결정 상태보다 높은 저항률을 나타내기 때문에 상변화 물질의 비결정 및 결정 상태는 서로 구별될 수 있다. 따라서, 상변화 물질층(207)은 탄소 나노 튜브 전극(203)으로부터 전류가 전달되어 전기적으로 가열됨에 따라 상변화 물질이 결정상과 비결정상으로 가역적으로 변환됨으로써 정 보가 저장되는 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 열 발생 물질인 탄소 나노 튜브 전극(203)과 상변화 물질층(207)이 탄소 나노 튜브 전극(203)의 직경과 대응되는 아주 작은 면적으로 접촉되기 때문에, 종래의 원주 길이의 1차원적인 구조로 접촉된 상변화 메모리에 비해 접촉 면적을 획기적으로 줄이게 되었다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 종래의 상변화 메모리에 비해 접적도를 높일 수 있는 여러 가지 특징들을 가지게 되었다.
첫째, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207)간 전류 통로로서의 하부 전극을 탄소 나노 튜브로 형성함으로써 상변화에 필요한 동작 전류를 획기적으로 줄일 수 있는 특징이 있다.
즉, 외부로부터 전류를 공급하는 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207) 사이의 탄소 나노 튜브 전극(203)이 1nm 내지 100nm 정도의 크기로 아주 작은 면적을 가지기 때문에 작은 전류를 가지고도 큰 전류 밀도를 얻을 수 있다. 이에 따라, 종래에 집적도 향상에 걸림돌로 작용하였던 큰 동작 전류를 극복할 수 있다.
둘째, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 전류원 전극(201)과 상변화 물질층(207)간 전류 통로로서의 하부 전극을 탄소 나노 튜브로 구성함으로써 탄소 나노 튜브 자체의 높은 열전도율을 이용할 수 있다.
일반적으로 탄소 나노 튜브의 열전도율은 다이아몬드보다 2배 이상 크고, 대략 6000 (W/mk)로 알려져 있다. 이와 같이 열전도율이 높다는 것은 탄소 나노 튜브 에서 발생한 열이 외부로 쉽게 전달될 수 있음을 의미한다.
셋째, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 하부 전극인 탄소 나노 튜브를 상변화 물질층(207)의 주변에 골고루 배열함으로써 상변화를 일으킬 수 있는 영역을 넓게 확장시킬 수 있는 특징이 있다.
이는 상변화 메모리의 문턱 전압 여유를 높이게 되어, 한 소자에 여러 비트를 저장할 수 있는 다중 레벨 셀(MLC; Multi Level Cell) 기술을 적용할 수 있으며, 상변화 메모리의 집적도 향상에 기여할 수 있다.
넷째, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 탄소 나노 튜브의 전기적인 성질에 따라 열 생성 효율이 달라지는 특징을 가진다.
즉, 탄소 나노 튜브의 직경과 감긴 형태(chirality)에 따라 여러 가지 전기적인 성질을 나타낸다.
그 중 다중벽 나노 튜브(MWNT; Multi Wall Nano Tube)는 99%가 금속과 비슷한 전기적인 특성을 나타내지만, 낮은 저항으로 인해 하부 전극으로 사용하기에는 알맞지 않다.
단중벽 나노 튜브(SWNT; Single Wall Nano Tube)는 세부적으로 감긴 방향(chirality)에 따라 반도체 성질을 띄는 나노튜브와 금속성 성질을 띄는 나노 튜브로 구분할 수 있다. 그중에서 반도체 성질을 띄는 단중벽 나노튜브를 사용함으로써 탄소 나노 튜브의 저항을 증가시킬 수 있고 열 생성 효율을 증대시킬 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리는 종래 상변화 메모리의 구조에 비해 동작 전류를 획기적으로 줄일 수 있고, 한 소자에 여러 비트를 저장할 수 있기 때문에 상변화 메모리의 집적도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법을 살펴보기로 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법을 순차적으로 도시한 공정도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법은 (a)전류원 전극 상에 촉매를 배열하는 단계와, (b)촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시킴으로써 탄소 나노 튜브(carbon nano tube)를 형성하는 단계와, (c)전류원 전극 상에 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계와, (d)절연체의 표면을 연마하는 단계, 및 (e)절연체의 표면 상에 상변화 물질층을 형성하는 단계를 포함한다.
처음 (a)단계는, 도 3a에 도시된 바와 같이 상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(301) 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(carbon nano tube)를 형성할 촉매(302)를 배열한다.
촉매(302)는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하고, 도시된 바와 같이 그 크기나 배열 등에 있어서 일정한 규칙성을 갖는 패턴으로 형성될 수 있으나 그렇지 아니하더라도 무방하다.
다음 (b)단계는, 도 3b에 도시된 바와 같이 전 단계에서 배열된 촉매(302)를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 탄소 나노 튜브를 성장시킴으로써 기둥 타입의 탄소 나노 튜브 전극(303)을 형성한다.
이때, 탄소 나노 튜브 전극(303)은 상술한 바와 같이 하부 전극의 저항을 크게 하여 큰 열을 발생시킬 수 있도록 하기 위해 큰 저항을 갖는 단중벽 나노 튜브로 형성한다. 그리고, 탄소 나노 튜브 전극(303)의 직경은 1nm 내지 100nm 정도로 형성한다. 이 정도의 직경 크기는 아주 미세한 크기이기 때문에 거의 점에 가까운 작은 단면적을 가지게 된다.
다음 (c)단계는, 도 3c에 도시된 바와 같이 전류원 전극(301) 상에 절연체(305)를 증착시키되, 기둥 타입의 탄소 나노 튜브 전극(303)의 전체가 충분히 덮이도록 넓게 증착시킨다.
다음 (d)단계는, 도 3d에 도시된 바와 같이 화학 기계적 연마(CMP; Chemical Mechancial Polishing)을 사용하여 절연체(305)의 표면을 평평하게 연마하고 탄소 나노 튜브 전극(303)이 절연체(305)의 표면으로 드러나도록 한다.
다음 (e)단계는, 도 3e에 도시된 바와 같이 평평하게 연마된 절연체(305)의 표면 상에 상변화 물질을 증착시켜 탄소 나노 튜브 전극(303)과 상변화 물질층(307)이 접촉되도록 형성한다. 이때, 탄소 나노 튜브 전극(303)과 상변화 물질층(307)간 접촉 면적은 탄소 나노 튜브 전극(303)의 직경과 대응하는 단면적으로, 거의 점에 가까운 작은 접촉 면적을 가질 수 있다.
이와 같은 공정 과정에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 하부 전극을 갖는 상변화 메모리 소자를 제작하는 것이 가능하게 된다.
실시예 2
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리는, 상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(401)과, 전류원 전극(401)과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층(407), 전류원 전극(401)과 상변화 물질층(407) 사이에 복수 개로 배열되고 일측이 상변화 물질층(407)으로 연장되어 오버랩된 탄소 나노 튜브 전극(403), 및 전류원 전극(401)과 상변화 물질층(407) 사이에 탄소 나노 튜브 전극(403)의 외측을 둘러싸듯이 형성되어 탄소 나노 튜브 전극(403)으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체(405)를 포함한다.
이때, 상변화 물질층(407)으로 오버랩된 탄소 나노 튜브 전극(403)은 전체 길이에 대하여 1/10 내지 8/10 정도의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리는 전류원 전극(401)과 상변화 물질층(407)간 전류 통로의 역할을 수행하는 탄소 나노 튜브 전극(403)을 실시예 1에서와 같이 상변화 물질층(407)과 접촉시키는 구조가 아니라, 상변화 물질층(407)으로 오버랩되게 확장하여 탄소 나노 튜브 전극(403)이 전달하는 열에 의해 상변화를 일으키는 상변화 물질층(407)의 면적을 획기적으로 넓힌 구조이다.
이로 인하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리는, 작은 동작 전 류를 가지고도 높은 전류 밀도를 유지할 수 있음은 물론, 상변화 메모리의 문턱 전압의 여유가 크게 개선되어 한 소자에 여러 비트를 저장할 수 있는 다중 레벨 셀(MLC; Multi Level Cell) 기술을 적용할 수 있다.
상술한 구조를 갖기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법은, 실시예 1의 제조 방법에서 절연체의 표면을 연마하는 단계 후, 절연체(405)를 선택적으로 식각하는 단계를 더 포함하게 된다.
즉, (a)상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(401) 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매(402)를 배열하는 단계와, (b)촉매(402)를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 탄소 나노 튜브를 성장시키는 단계와, (c)전류원 전극(401) 상에 탄소 나노 튜브 전극(403)이 완전히 덮이도록 절연체(405)를 증착시키는 단계와, (d)증착 후, 탄소 나노 튜브 전극(403)이 절연체(405)의 표면으로 드러나도록 절연체(405)를 연마하는 단계, (e)절연체(405)의 표면으로 드러난 탄소 나노 튜브 전극(403)이 돌출되게 절연체(405)를 선택적으로 식각하는 단계, 및 (f)절연체(405) 상에 상변화 물질층(407)을 형성하여 돌출된 탄소 나노 튜브 전극(403)이 상변화 물질층(407)으로 오버랩되도록 하는 단계를 포함하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리를 제조한다.
이때, (e)단계에서는 탄소 나노 튜브 전극(403)의 돌출된 부위가 상변화 물질층(407)으로 오버랩되기 때문에 탄소 나노 튜브 전극(403)의 돌출된 부위가 전체 길이에 대하여 1/10 내지 8/10 정도가 되도록 식각한다.
이하, 설명하지 않은 각 구성요소 및 제조 방법에 대한 세부 기술은 상술한 실시예 1에서와 동일하므로 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
실시예 3
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 구조를 나타낸 투시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상변화 메모리는 실시예 1의 구조에서 탄소 나노 튜브의 작은 저항으로 인한 낮은 열효율을 극복하기 위해 큰 저항을 가지는 열 생성 저항층(509)을 더 부가한 구조이다.
더욱 상세히 설명하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상변화 메모리는, 상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(501)과, 전류원 전극(501)과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층(507), 전류원 전극(501)과 상변화 물질층(507) 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극(503), 전류원 전극(501)과 상변화 물질층(507) 사이에 탄소 나노 튜브 전극(503)의 외측을 둘러싸듯이 형성되어 탄소 나노 튜브 전극(503)으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체(505), 및 탄소 나노 튜브 전극(503)과 상변화 물질층(507) 사이에 위치되어 탄소 나노 튜브 전극(503)과 접촉되는 열 생성 저항층(509)을 포함한다.
여기서, 탄소 나노 튜브 전극(503)을 전류의 이동 경로로 사용할 경우, 탄소 나노 튜브가 성장한 방향으로는 전자의 산란이 일어나지 않기 때문에 탄소 나노 튜 브 전극(503)은 1010 A/cm2의 매우 큰 전류까지도 전류의 이동 통로로 사용할 수 있다. 이와 같이, 탄소 나노 튜브는 매우 큰 전류밀도를 얻거나 도통시키는 데에는 용이하나, 열 생성 물질로 사용했을 경우 탄소 나노 튜브의 저항이 작아, 상변화 물질의 상변화를 일으키기에 충분한 열에너지가 발생하지 않는다.
따라서, 상술한 바와 같이 큰 저항을 가지는 열 생성 저항층(509)을 탄소 나노 튜브 전극(503)과 상변화 물질층(507) 사이에 얇게 증착하여 탄소 나노 튜브 전극(503)과 접촉시키면, 탄소 나노 튜브 전극(503)의 높은 전류 밀도가 열 생성 저항층(509)으로 공급되고, 열 생성 저항층(509)의 높은 저항을 이용하여 열 생성 효율을 높일 수 있다.
이러한 열 생성 저항층(509)은 W, Mo, Ta, Ni, Cr, 및 니크롬으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상변화 메모리의 제조 방법은, (a)상변화를 유도하는데 필요한 외부 전류를 공급하는 전류원 전극(501) 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매(502)를 배열하는 단계와, (b)촉매(502)를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 복수 개의 탄소 나노 튜브를 성장시킴으로써 탄소 나노 튜브 전극(503)을 형성하는 단계와, (c)전류원 전극(501) 상에 탄소 나노 튜브 전극(503)이 완전히 덮이도록 절연체(505)를 증착시키는 단계와, (d)증착 후, 탄소 나노 튜브 전극(503)이 절연체(505)의 표면으로 드러나도록 절연체(505)를 연마하는 단계와, (e)평평하게 연마된 절연체 (505)의 표면 상에 절연체(505)의 표면으로 드러난 탄소 나노 튜브 전극(503)과 접촉되도록 열 생성 저항층(509)을 증착시키는 단계, 및 (f)열 생성 저항층(509) 상에 상변화 물질층(507)을 형성하는 단계를 포함한다.
이하, 설명하지 않은 각 구성요소 및 제조 방법에 대한 세부 기술은 상술한 실시예 1에서와 동일하므로 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에서 열 발생 물질로서의 탄소 나노 튜브 대신 실리콘 나노선, SiGe 나노선, ZnO 나노선 등과 같은 물질로 대체하여 점 모양의 전기 열선을 형성함으로써 전류원 전극과 상변화 물질층간 전류 통로를 형성할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리는 종래의 하부 전극을 탄소 나노 튜브로 구성함으로써 종래의 상변화 메모리 보다 작은 동작 전류를 가지고도 큰 전류 밀도를 유지할 수 있고, 메모리의 문턱 전압 여유를 크게 개선하여 다중 레벨 셀(MLC; Multi Level Cell) 기술을 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상변화 메모리의 소자 크기를 줄일 수 있어 상변화 메모리의 고집적화시 문제점으로 지적되어온 큰 동작 전류의 한계를 극복하고, 지속적인 상변화 메모리의 고집적화, 저전력, 고효율에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 외부 전류를 공급하는 전류원 전극;
    상기 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층;
    상기 전류원 전극과 상기 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극; 및
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 상기 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  4. (a) 외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계;
    (b) 상기 촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 전류원 전극 상에 상기 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계;
    (d) 상기 증착하는 단계 후, 상기 탄소 나노 튜브 전극이 상기 절연체의 표면으로 드러나도록 상기 절연체의 표면을 연마하는 단계; 및
    (e) 상기 절연체의 표면 상에 상기 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되도록 상변화 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a)단계에서
    상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  8. 외부 전류를 공급하는 전류원 전극;
    상기 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층;
    상기 전류원 전극과 상기 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열되고 일측이 확장되어 상기 상변화 물질층으로 오버랩되는 탄소 나노 튜브 전극; 및
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 상기 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극은 전체 길이에 대하여 상기 상변화 물질층으로 오 버랩되는 길이가 1/10 내지 8/10 인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  12. (a) 외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계;
    (b) 상기 촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 전류원 전극 상에 상기 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계;
    (d) 상기 증착하는 단계 후, 상기 탄소 나노 튜브 전극이 상기 절연체의 표면으로 드러나도록 상기 절연체의 표면을 연마하는 단계;
    (e) 상기 절연체의 표면으로 드러난 상기 탄소 나노 튜브 전극이 돌출되게 상기 절연체를 선택적으로 식각하는 단계; 및
    (f) 상기 절연체 상에 상변화 물질을 증착하여 상기 돌출된 탄소 나노 튜브 전극이 오버랩되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (a)단계에서
    상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 (e)단계는
    상기 돌출되는 탄소 나노 튜브 전극의 길이가 전체 길이 대비 1/10 내지 8/10 정도가 되도록 식각하는 단계인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  17. 외부 전류를 공급하는 전류원 전극;
    상기 전류원 전극과 측방향으로 대향되는 상변화 물질층;
    상기 전류원 전극과 상기 상변화 물질층 사이에 복수 개로 배열된 탄소 나노 튜브 전극;
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 외측에 형성되어 상기 탄소 나노 튜브 전극으로부터 생성되는 열이 외부로 전달되는 것을 억제하는 절연체; 및
    상기 탄소 나노 튜브 전극과 상기 상변화 물질층 사이에 위치되어 상기 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되는 열 생성 저항층을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극의 직경은 1nm 내지 100nm 인 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브(single wall nano tube)로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리.
  20. (a) 외부 전류를 공급하는 전류원 전극 상에 복수 개의 탄소 나노 튜브(Carbon nano tube)를 형성할 촉매를 배열하는 단계;
    (b) 상기 촉매를 시드(seed)로 하여 수직 방향으로 성장시켜 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극을 형성하는 단계;
    (c) 상기 전류원 전극 상에 상기 탄소 나노 튜브 전극이 완전히 덮이도록 절연체를 증착시키는 단계;
    (d) 상기 증착하는 단계 후, 상기 탄소 나노 튜브 전극이 상기 절연체의 표면으로 드러나도록 상기 절연체의 표면을 연마하는 단계;
    (e) 상기 절연체의 표면 상에 상기 절연체의 표면으로 드러난 상기 탄소 나노 튜브 전극과 접촉되도록 열 생성 저항층을 증착시키는 단계; 및
    (f) 상기 열 생성 저항층 상에 상변화 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 (a)단계에서
    상기 촉매는 Fe2O3, Pt, Co, Ni, Ti, Mo 중 적어도 어느 하나 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 단중벽 나노 튜브로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 (b)단계에서
    상기 복수 개의 탄소 나노 튜브 전극은 그 직경을 1nm 내지 100nm 로 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노 튜브를 이용한 상변화 메모리의 제조 방법.
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