KR101651510B1 - 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
기판 상에 형성된 하부 전극; 하부 전극 상에 형성된 활성층; 및 활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함하며, 활성층은 금속 산화물- 그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 장치를 제공한다. 이에 따라, 전류-전압 특성이 우수한 비휘발성 메모리 장치가 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 상부 전극 및 하부 전극 사이에 형성된 전도성 활성층을 갖는 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 정보통신 산업의 발전으로 인하여 각종 메모리 소자의 수요가 급증하고 있다. 특히 휴대용 단말기, 각종 스마트카드, 전자 화폐, 디지털 카메라, 게임용 메모리, MP3 플레이어 등에 필요한 메모리 소자는 전원이 꺼지더라도 기록된 정보가 지워지지 않는 "비휘발성"을 요구하고 있다. 이러한 비휘발성 메모리 장치는 실리콘 재료에 기반을 둔 플래시 메모리 (flash memory)가 현재 시장을 독점하고 있다.
기존의 플래시 메모리는 기록/소거 횟수가 제한되고, 기록 속도가 느리며, 고집적의 메모리 용량을 얻기 위해서는 단위 면적당 선폭을 줄이는 미세화 공정을 통해서만 가능한데, 이 경우 공정비용의 증가에 따라 메모리 칩의 제조비용이 상승하고 기술적 한계로 인하여 더 이상 칩을 소형화할 수 없는 한계에 직면하고 있다. 이와 같이 기존의 플래시 메모리의 기술적 한계가 드러남에 따라 기존의 실리콘 메모리 소자의 물리적인 한계를 극복하는 초고속, 고용량, 저소비전력, 저가격 특성의 차세대 비휘발성 메모리 소자의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
차세대 메모리들은 반도체 내부의 기본 단위인 셀을 구성하는 물질에 따라서 강유전체 메모리 장치(Ferroelectric random access memory device, FRAM device), 강자성 메모리 장치 (Magnetic random access memory device, MRAM device), 상변화 메모리 장치 (Phase change random access memory device, PRAM device), 나노튜브 메모리 장치, 홀로그래픽 기억 장치, 폴리머 메모리 장치(Polymer random access memory device, PoRAM device) 등이 있다. 이들 가운데 폴리머 메모리 장치는 상하부 전극 사이에 유기 고분자 물질을 도입하고 여기에 전압을 가하여 저항 값의 쌍안정성(bistability)을 이용하여 메모리 특성을 구현하는 것이다. 즉, 폴리머 메모리 장치는 상하부 전극 사이에 존재하는 유기 고분자 물질이 전기적 신호에 의해 저항이나 전기용량이 가역적으로 변해서 데이터 '0' 과 '1'을 기록하고 읽을 수 있는 형태의 기억 장치이다. 이러한 폴리머 메모리 장치는 기존의 플래시 메모리의 장점인 비휘발성은 구현하면서 단점으로 꼽히던 공정성, 제조비용, 집적도 문제를 극복할 수 있어 차세대 메모리로 큰 기대를 모으고 있다.
J. H. Jung, J. H. Kim, T. W. Kim, M. S. Song,Y. H. Kim, S. H. Jin, Appl. Phys. Lett., 89, 122110 (2006)
J. H. Jung, J. Y. Jin, I. Lee, and T. W. Kim,H. G. Roh and Y.-H. Kim, Appl.Phys.Lett. 88, 112107 (2006)
본 발명의 구현예들에서는 전류-전압동작 특성이 안정하여 우수한 전기적 특성을 갖는 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 구현예들에서는 고분자 물질 내에서의 분산성이 우수한 금속 산화물-그래핀 양자점을 포함하면서도 경제적으로 생산될 수 있는 비휘발성 메모리 장치 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함하며, 상기 활성층은 금속 산화물- 그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 비휘발성 메모리 장치가 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 금속 산화물을 그래핀 물질이 둘러싸고 있는 형태를 갖고, 상기 그래핀 물질이 상기 금속 산화물의 응집을 억제하는 것일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 산화물은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni)과 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 산화시켜 형성된 물질이고, 상기 그래핀 물질은 순수 그래핀 또는 그래핀 산화물일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 활성층 내에서 분산성을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유기 고분자 물질은 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐페놀(Polyvinylphenol, PVP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate, PMMA) 로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 활성층은 상기 활성층의 전체 중량에 대해 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 5 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 활성층은 10 nm 내지 15μm의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 상부 및 하부 전극들은 각각 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 루테늄 등 및 이리듐을 포함하는 금속, 이들의 금속 산화물 혹은 이들의 금속 질화물으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 상부 및 하부 전극들은 각각 40 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 비휘발성 메모리 장치는 0 내지 5 V 내에서 읽기 동작을 실시할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 금속 산화물과 그래핀 물질을 반응시켜 금속 산화물-그래핀 양자점을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 활성층 용액을 도포하여 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법이 제공된다.
예시적인 구현예에서, 상기 활성층 용액을 도포하여 상기 활성층을 형성하는 단계는 스핀 코팅(Spin coating) 공정을 통해 수행될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 산화물을 형성하고, 용매에 용해시키는 단계;상기 그래핀 물질을 용매에 용해시킨 후, 상기 금속 산화물이 용해된 상기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액을 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도 내에서 가열하여 상기 금속 산화물-그래핀 양자점을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 건조하여 금속 산화물-그래핀 양자점 분말을 수득하는 단계; 및 용매에 상기 유기 고분자 물질을 용해한 후, 상기 금속 산화물- 그래핀 양자점 분말을 용해하여 상기 활성층 용액을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 비휘발성 메모리 장치의 활성층은 나노 사이즈의 금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 금속 산화물-그래핀 양자점의 외각에 존재하는 그래핀과 유기고분자 물질 간의 계면에서의 전하이동을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조되는 비휘발성 메모리 장치의 활성층 내에서, 상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 분산성이 우수하고 금속 산화물을 둘러싸고 있는 그래핀 물질이 그래핀 물질이 금속 산화물을 둘러싸고 있지 않는 경우보다 동일한 전압에서 전하를 더 많이 저장할 수 있다. 이에 따라, 안정된 전류-전압특성을 보이는 비휘발성 메모리 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 인가 전압에 따른 에너지 밴드다이어그램을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 인가 전압에 따른 에너지 밴드다이어그램을 나타내는 개략도이다.
본 명세서에서, '금속 산화물-그래핀 양자점'이란 금속 산화물을 그래핀 물질이 둘러싸고 있는 구조를 갖는 양자점(Quantum dot)을 말한다.
본 명세서에서, ‘그래핀 물질’이란 주 재료로서 그래핀을 포함하는 물질을 총칭하는 개념으로서, 상기 그래핀 물질은 순수 그래핀, 그래핀 산화물 등을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.
비휘발성 메모리 장치
본 발명은 기판(100) 상에 형성된 하부 전극(200); 상기 하부 전극(200) 상에 형성된 활성층(300); 및 상기 활성층(300) 상에 형성된 상부 전극(400)을 포함하며, 상기 활성층(300)은 금속 산화물(330)을 그래핀(350)이 둘러싸고 있는 금속 산화물-그래핀 양자점(370) 및 유기 고분자 물질(390)을 포함하는 비휘발성 메모리 장치(Polymer random access memory device, PoRAM device)에 대해 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 순차적으로 적층된 기판(100), 하부 전극(200), 활성층(300) 및 상부 전극(400)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 기존의 실리콘 소자와는 다른 방식으로 정보를 저장할 수 있다. 기존의 실리콘 소자는 셀에 저장된 전하 양에 따라“0”과 “1”을 코드화하였으나, 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 활성층의 전기적 저항의 변화에 기초하여 정보를 저장한다. 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다. 전류와 전압이 모두 0인 시작점에서 출발하여, 고저항 상태(off 상태)의 비휘발성 메모리 장치에 전압을 인가하면, 전압에 비례해서 전류가 증가하다가 문턱 전압(VTH)에 이르면, 소자는 신속하게 저저항 상태(on 상태)로 스위칭되고 세트 상태를 유지한다. 이후 기억 소자는 더 높은 전압이 인가될 때까지 저저항 상태(on 상태)를 유지한다. 이후, 일정 전압 이상의 전압이 가해지는 경우 고저항 상태(off 상태)로 변할 수 있다. 이와 같이 활성층이 두 가지 저항 상태를 가지기 때문에 기억 메모리 특성을 기억 소자로서 수행할 수 있게 된다.
기판(100)은 예를 들어, 실리콘 기판, 게르마늄 기판, 실리콘-게르마늄 기판, 실리콘 온 인슐레이터(Silicon-On-Insulator, SOI) 기판, 게르마늄 온 인슐레이터(Germanium-On-Insulator, GOI) 기판 등일 수 있다. 또한, 기판(100)에는 예를 들어 게이트 구조물(도시되지 않음)과 같은 다양한 소자들이나 불순물 영역(도시되지 않음) 등이 형성될 수 있다.
하부 전극(200)과 상부 전극(400)은 각각 외부에서 인가되는 전압에 의해 활성층(300)에 전류를 전달하는 역할을 하며 하부 전극(200)은 기판(100) 상에 형성될 수 있으며 상부 전극(400)은 활성층(300) 상에 형성될 수 있다. 하부 및 상부 전극들(200,400)은 각각 금속, 전도성 금속 산화물 및/또는 금속 질화물 등과 같은 전기 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 하부 및 상부 전극들(200,400)은 각각 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 루테늄 또는 이리듐 등의 금속, 이들의 전도성 금속 산화물 혹은 이들의 금속 질화물을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 하부 및 상부 전극들(200,400)은 각각 약 40 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
활성층(300)은 하부 및 상부 전극들(200,400)사이에 개재될 수 있으며, 전압의 인가량에 따라 전하의 포획 및 방출을 원활하게 해주는 역할을 수행할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 활성층(300)은 금속 산화물-그래핀 양자점(370) 및 유기 고분자 물질(390)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 활성층(300)은 금속 산화물(330)을 그래핀 물질(350)이 둘러싸고 있는 구조를 갖는 금속 산화물-그래핀 양자점(370) 및 복수 개의 금속 산화물-그래핀 양자점(370)이 분산된 유기 고분자 물질(390)을 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 유기 고분자 물질(390)은 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐페놀(Polyvinylphenol, PVP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate, PMMA) 로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속 산화물(330)은 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni)과 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 산화시켜 형성된 물질일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 금속 산화물-그래핀 양자점(370)에 포함되는 그래핀 물질(350)은 순수 그래핀 또는 산화된 그래핀일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 그래핀 물질(350)이 산화된 그래핀인 경우, 질산나트륨(NaNO3) 및 과망산칼륨(KMnO4)의 혼합물을 이용하여 산화하는 “허머스 제법(Hummer’s method)”혹은 “변형된 허머스 제법(Modified Hummer’s method) 에 의해 산화된 그래핀일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 활성층(300)은 활성층(300) 전체 중량에 대해 금속 산화물 그래핀 양자점(370)을 5 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 활성층(300)은 약 10 nm 내지 15μm의 두께를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 활성층(300)은 약 10 nm 내지 10μm의 두께를 가질 수 있다.
종래, 활성층 내에 금속, 금속 산화물 또는 C60유도체 등의 나노 입자와 유기 고분자 물질을 사용하는 경우에는, 상기 유기 고분자 물질과 혼합할 때 나노 입자 간의 응집문제가 발생하였다. 이에 따라, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압동작 특성이 매우 불안정한 문제점이 발생하였다. 또한, C60유도체 등은 상대적으로 가격이 높아, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 제조 단가가 높아질 수 밖에 없었다.
반면, 일반적으로 그래핀 및 이의 산화물은 분산성이 우수한 것으로 알려져 있고, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 산화물-그래핀 양자점(370)은 그래핀 물질(350)이 금속 산화물(330)을 감싸고 있는 형태를 가지고 있으므로, 금속 산화물-그래핀 양자점(370)은 외각에 존재하는 그래핀 물질(350)에 의해 우수한 분산성을 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 산화물-그래핀 양자점을 포함하는 활성층을 제조 할 때에는 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 간의 응집 등을 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층 내에서 금속 산화물-그래핀 양자점이 고르게 분산될 수 있으므로 우수한 균일도를 확보하여 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압 동작 특성이 안정화될 수 있다. 이에 따라, 안정된 고 저항 상태와 저저항 상태를 갖는 비휘발성 메모리 장치를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 산화물-그래핀 양자점(370)은 금속 산화물(330)을 그래핀 물질(350)이 감싸고 있으며 이에 따라, 그래핀 물질이 동일한 전압에서 전하를 더 많이 저장할 수 있으며, 그래핀 물질과 금속 산화물 사이에 생기는 다양한 밴드 갭 구조로 인해 보다 효율적으로 전하를 축적할 수 있다.
이에 따라, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압 동작 특성이 안정화될 수 있다. 이에 따라, 안정된 고 저항 상태와 저저항 상태를 갖는 비휘발성 메모리 장치를 제조할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 비휘발성 메모리 장치는 약 0V 내지 5V에서 읽기 전압을 가질 수 있다.이에 따라, 상기 비휘발성 메모리 장치는 약 0V 내지 5V 내에서 읽기 동작을 실시할 수 있다.
또한, 그래핀 물질(350)은 금속 산화물(330)과 유기 고분자 물질(370) 사이의 계면에서의 전하 이동을 개선시킬 수 있다. 이에 따라, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압 동작 특성이 개선될 수 있다.
뿐만 아니라, 그래핀 및 이의 산화물은 일반적으로 경제적인 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 그래핀 물질(350)을 활성층(300)에 사용하는 경우, C60의 유도체인 PCBM 등을 활성층(300)에 사용하는 경우에 비해 훨씬 경제적으로 비휘발성 메모리 장치를 생산할 수 있다.
비휘발성 메모리 장치의 제조 방법
본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 제조 방법은 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 금속 산화물과 그래핀을 반응시켜 금속 산화물-그래핀 양자점을 형성하는 단계; 상기 하부 전극 상에 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 활성층 용액을 도포하여 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계별로 설명한다. 상기 제조 방법은 도 1에 도시된 비휘발성 메모리 장치를 제조하는 데 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 기판 상에 하부 전극을 형성한다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 하부 전극은 금속, 전도성 금속 산화물 및/또는 금속 질화물을 포함하도록 형성할 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 하부 전극은 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 루테늄 또는 이리듐 등의 금속, 이들의 전도성 금속 산화물 혹은 이들의 금속 질화물을 포함하도록 형성할 수 있다. 상기 하부 전극은 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정, 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition: PVD) 공정, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition: ALD) 공정, 플라즈마 강화 원자층 증착(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition, PEALD) 공정 등을 수행함으로써 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 하부 전극은 약 40 내지 50nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
이후, 상기 하부 전극 상에 활성층 용액을 도포하여 활성층을 형성한다.
상기 활성층 용액을 형성하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 철(Fe), 니켈(Ni)과 이들의 합금 중 적어도 어느 하나를 산화시켜 금속 산화물을 형성한 후, 다이메틸폼아마이드(Dimethyl formamide, DMF) 용매와 같은 용매에 용해시킨다. 또한, 그래핀 물질을 DMF와 같은 용매에 용해시킨 후, 상기 금속 산화물이 용해된 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조할 수 있다.
이후, 상기 혼합 용액을 약 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도 내에서 가열하여 금속 산화물-그래핀 양자점을 합성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 금속 산화물-그래핀 양자점을 가열하는 단계는 약 3 내지 6 범위의 시간 내에서 수행될 수 있다.
이후, 상기 혼합 용액의 가열 반응을 더 진행하여, 금속 산화물-그래핀 양자점 분말을 제조할 수 있다.
이어서, 클로로벤젠(Chlorobenzene) 등과 같은 용매에 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리비닐페놀(Polyvinylphenol, PVP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 및 폴리메타크릴산 메틸(poly(methylmethacrylate, PMMA) 로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 유기 고분자 물질을 용해한 후, 상기 금속 산화물 그래핀 양자점 분말을 혼합하여 활성층 용액을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 활성층 용액을 상기 하부 전극 상에 코팅하여, 상기 하부 전극 상에 활성층을 형성할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 활성층 용액은 스핀코팅, 스프레이코팅, 바 코팅 등과 같은 코팅방법을 통해 코팅될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 활성층은 약 10 nm 내지 15μm 범위의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 활성층은 약 10 nm 내지 10 μm 범위의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
이어서, 상기 활성층 상에 상부 전극을 형성한다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 상부 전극은 금속, 전도성 금속 산화물 및/또는 금속 질화물을 포함하도록 형성할 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 상부 전극은 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 루테늄 또는 이리듐 등의 금속, 이들의 전도성 금속 산화물 혹은 이들의 금속 질화물을 포함하도록 형성할 수 있다. 상기 상부 전극은 CVD 공정, PVD 공정, ALD 공정, PEALD 공정 등을 수행함으로써 형성될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 상부 전극은 약 40 내지 50nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 도시되지 않았으나, 상기 상부 전극은 쉐도우 마스크 등을 이용하여 패턴이 형성될 수도 있다.
이에 따라, 기판 상에 순차적으로 적층된 하부 전극, 활성층 및 상부 전극을 포함하는 비휘발성 메모리 장치를 제조할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 활성층은 금속 산화물-그래핀 양자점을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 그래핀 물질이 금속 산화물을 감싸는 형태를 갖고 있으며 이에 따라 우수한 분산성을 가질 수 있다. 따라서, 상기 활성층을 제조할 때 상기 금속 산화물-그래핀 양자점들 서로 간의 응집 등을 저지할 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층 내에서 금속 산화물-그래핀 양자점이 고르게 분산될 수 있고, 이를 포함하는 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압 동작 특성이 안정화될 수 있다.
뿐만 아니라, 그래핀 및 이의 산화물은 일반적으로 경제적이므로 그래핀 물질(350)을 활성층(300)에 사용하는 경우, C60의 유도체인 PCBM 등을 활성층(300)에 사용하는 경우에 비해 훨씬 경제적으로 비휘발성 메모리 장치를 생산할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
변형된 허머스 제법을 이용하여 그래핀 산화물을 합성하였다. 그래핀 산화물 40mg을 다이메틸폼아마이드(Dimethyl formamide, DMF) 용매 40mL에 용해하였다. 이후, DMF 용매 200mL에 아연 아세테이트 이수화물(Zinc acetate dehydrate) 0.92g이 용해된 용액 제조하여, 상기 그래핀 산화물이 용해된 용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 혼합용액을 약 95℃의 온도 하에서 약 5시간 정도 가열하여 금속 산화물-그래핀 양자점을 합성하였다. 이후 이를 건조시켜 금속 산화물-그래핀 양자점 분말을 제조하였다.
이후, 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 분말 0.5mg과, 폴리스티렌 7mg을 클로로벤젠(Chlorobenzene) 1mL에 용해시켜 활성층 용액을 구비하였다.
이후, 실리콘 산화물이 약 300nm 성장된 실리콘 기판 상에, 진공열증착 장비를 사용하여 알루미늄(Al)을 약 50nm 두께를 갖도록 증착하여 하부 전극을 형성하였다. 이후, 상기 실리콘 기판상에 상기 활성층 용액을 2000rpm, 90초 동안 스핀코팅하고, 유기용매를 제거 하기 위하여 핫플레이트 위에 상기 활성층 용액이 스핀코팅된 기판을 두고 약 95℃의 온도 하에서 10분 동안 어닐링하였다.
이후 쉐도우 마스크와 진공열증착 장비를 이용하여 패턴된 알루미늄을 약 50nm의 두께를 갖도록 증착하여 상부전극을 형성하였다. 이에 따라, 기판/하부 전극/금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 활성층 /상부전극으로 구성된 비휘발성 메모리 장치를 제조하였다.
실험예
상기 비휘발성 메모리 장치의 전류-전압특성을 평가하기 위해 상부 및 하부 전극들에 전압을 인가하면서 전류를 측정하고 이를 기록하였다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 전압-전류 특성을 나타내는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 비휘발성 메모리 장치의 인가 전압에 따른 에너지 밴드다이어그램을 나타내는 개략도이다.
도 2를 살펴보면, 도 2의 1번 방향과 같이 0V에서 5V로 전압을 인가할 때, OV에서 약 3V 까지는 전류가 낮게 흐름을 확인할 수 있었다. 이 경우 도 3의 (b)에서 보이는 바와 같이 Al로 표시된 하부 및 상부 전극들에서 전하들이 흘러 들어와 G로 표시된 금속 산화물의 외부의 그래핀에 축적되고 있으며, 저항은 여전히 높은 상태를 나타내고 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, 이후 계속하여 전압을 인가하면, 약 3V지점에서 전류가 급격히 증가하여 5V의 문턱 전압에서 저저항상태(ON)로 바뀌고, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 전하들이 그래핀 물질과 금속 산화물에 모두 채워지고 이후 더 이상 채워질 곳이 없을 경우 전하의 이동이 쉬워지게 되어 저항이 낮아지는 상태로 바뀌게 됨을 확인할 수 있었다.
이후, 다시 도 2의 2번 방향과 같이 5V 에서 10V으로 전압을 인가하게 되면 전류가 급격히 감소하지 않고 저저항상태가 유지되다가 약 7V를 전후로 고저항 상태로 변화하게 되고 약 10V에서 완전히 고저항상태(OFF)로 바뀌게 됨을 확인할 수 있었다. 이는 도 3의 (c) 영역에서 도시된 바와 같이 전하의 이동이 계속 일어나다가 전류의 이동량이 많아지면, 그래핀 물질과 금속 산화물에 축적된 전하들이 메모리 소자에 인가되는 높은 전기장에 의해 모두 소실되어버리기 때문에 도 3의 (a)처럼 다시 저항이 높아지는 형태로 되돌아 가는 것으로 판단된다.
이와 마찬가지로 전압을 음(-)의 방향으로 인가했을 경우에도 도 2의 3 번 방향 및 4번 방향에서 나타난 바와 같이 비휘발성 메모리 장치가 두 가지의 저항상태를 가질 수 있음을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 두 가지의 저항 상태 변화를 활용하여 메모리 장치로 응용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100: 기판
200: 하부 전극
300: 활성층
330: 금속 산화물
350: 그래핀 물질
370: 금속 산화물- 그래핀 양자점
390: 유기 고분자 물질
400: 상부 전극
200: 하부 전극
300: 활성층
330: 금속 산화물
350: 그래핀 물질
370: 금속 산화물- 그래핀 양자점
390: 유기 고분자 물질
400: 상부 전극
Claims (13)
- 기판 상에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성된 활성층; 및
상기 활성층 상에 형성된 상부 전극을 포함하며,
상기 활성층은 금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하고,
상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 금속 산화물을 그래핀 물질이 둘러싸고 있는 형태를 갖고, 상기 그래핀 물질이 상기 금속 산화물의 응집을 억제하는 것이고,
상기 금속 산화물은 아연(Zn)을 산화시켜 형성된 물질이고,
상기 유기 고분자 물질은 폴리스티렌(Polystyrene, PS)인 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 활성층 내에서 분산성을 갖는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 활성층은 상기 활성층의 전체 중량에 대해 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 5 내지 50 중량부를 포함하는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 활성층은 10 nm 내지 15μm의 두께를 갖는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 상부 및 하부 전극들은 각각 티타늄, 텅스텐, 탄탈륨, 백금, 루테늄 등 및 이리듐을 포함하는 금속, 이들의 금속 산화물 혹은 이들의 금속 질화물으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 이상을 포함하는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 상부 및 하부 전극들은 각각 40 내지 50nm의 두께를 갖는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 제1항에 있어서,
0V 보다 크고, 5 V 이하인 범위에서 읽기 동작을 실시하는 비휘발성 폴리머 메모리 장치. - 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
금속 산화물과 그래핀 물질을 반응시켜 금속 산화물-그래핀 양자점을 형성하는 단계;
상기 하부 전극 상에 상기 금속 산화물-그래핀 양자점 및 유기 고분자 물질을 포함하는 활성층 용액을 도포하여 활성층을 형성하는 단계; 및
상기 활성층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 금속 산화물-그래핀 양자점은 금속 산화물을 그래핀 물질이 둘러싸고 있는 형태를 갖고, 상기 그래핀 물질이 상기 금속 산화물의 응집을 억제하는 것이고,
상기 금속 산화물은 아연(Zn)을 산화시켜 형성된 물질이고,
상기 유기 고분자 물질은 폴리스티렌(Polystyrene, PS)인 비휘발성 폴리머 메모리 장치의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 활성층 용액을 도포하여 상기 활성층을 형성하는 단계는 스핀 코팅(Spin coating) 공정을 통해 수행되는 것인 비휘발성 폴리머 메모리 장치의 제조 방법. - 제 11항에 있어서,
상기 금속 산화물을 형성하고, 용매에 용해시키는 단계;
상기 그래핀 물질을 용매에 용해시킨 후, 상기 금속 산화물이 용해된 상기 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액을 80℃ 내지 100℃ 범위의 온도 내에서 가열하여 상기 금속 산화물-그래핀 양자점을 형성하는 단계;
상기 혼합 용액을 건조하여 금속 산화물-그래핀 양자점 분말을 수득하는 단계; 및
용매에 상기 유기 고분자 물질을 용해한 후, 상기 금속 산화물- 그래핀 양자점 분말을 용해하여 상기 활성층 용액을 형성하는 단계를 더 포함하는 비휘발성 폴리머 메모리 장치의 제조 방법.
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