KR101720868B1 - 저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 일부에 알루미늄 산화물의 제 1 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 1 선형 배선 구조체; 및 적어도 일부에 상기 알루미늄 산화물의 제 1 표면층과 접촉하는 탄소 함유물의 제 2 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 2 선형 배선 구조체를 포함하며, 상기 제 1 선형 배선 구조체와 상기 제 2 선형 배선 구조체에 인가되는 전위 또는 전류에 따라 상기 제 1 선형 배선 구조체의 상기 제 1 표면층과 상기 제 2 선형 배선 구조체의 상기 제 2 표면층의 접촉 계면에, 상기 알루미늄 산화물과 상기 탄소 함유층의 탄소 사이에 가역적 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸되며, 상기 가역적 전기화학적 반응 생성물의 생성 또는 소멸에 따라, 상기 제 1 선형 배선 구조체와 상기 제 2 선형 배선 구조체를 따라 흐르는 전류의 크기가 제어되도록 적어도 2 이상의 저항값 레벨을 갖는 비휘발성 메모리 소자가 제공된다.

Description

저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자{Non-volatile memory device using variable resistance}
본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.
최근, 디지털 카메라, MP3 플레이어, PDA(personal digital assistants) 및 휴대폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 비휘발성 메모리 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 프로그래밍 가능한 비휘발성 메모리 소자로서 낸드(NAND) 플래시 메모리가 대표적이며, 이를 대체할 수 있는 비휘발성 메모리 소자로서 가역적으로 저항 값이 변하는 가변 저항체를 이용한 저항성 메모리 소자(ReRAM)가 주목을 받고 있다.
상기 가변 저항체의 저항 값이라는 물리적 특성을 그 자체로 데이터 상태로서 이용할 수 있고 저전력 구동이 가능하므로 셀 구성이 단순화된 저전력 메모리 소자를 구현할 수 있다. 그러나, 전형적인 저항성 메모리 소자는 금속-절연층-금속(MIM)의 적층 구조로 제조되기 때문에, 상기 절연층을 형성하기 위하여 고온의 산화 공정이 요구된다. 이러한 고온의 산화 공정은 고온 공정이 어려운 고분자 소자의 적용을 어렵게 하여 플렉시블 소자와 같은 새로운 응용의 제한 요소가 되고 있다. 대안적 기술로서, 상기 절연층을 용액 기반의 습식 코팅을 이용한 저온 공정이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 습식 공정은 신뢰성 있고 균일한 절연층을 얻기 어려워, 실제 비휘발성 메모리 소자로의 응용이 제한된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 고온의 산화 공정이나 습식 코팅에 의한 복잡한 절연층의 형성 공정이 없이도 가역적으로 변하는 2 개 이상의 저항값 레벨을 가짐으로써 공정 효율과 함께 신뢰성 있는 동작이 가능한 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 적어도 일부에 알루미늄 산화물의 제 1 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 1 선형 배선 구조체; 및 적어도 일부에 상기 알루미늄 산화물의 제 1 표면층과 접촉하는 탄소 함유물의 제 2 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 2 선형 배선 구조체를 포함하며, 상기 제 1 배선 구조체와 상기 제 2 배선 구조체에 인가되는 전위 또는 전류에 따라 상기 제 1 배선 구조체의 상기 제 1 표면층과 상기 제 2 배선 구조체의 상기 제 2 표면층의 접촉 계면에, 상기 알루미늄 산화물과 상기 탄소 함유층의 탄소 사이에 가역적 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸되며, 상기 가역적 전기화학적 반응 생성물의 생성 또는 소멸에 따라, 상기 제 1 배선 구조체와 상기 제 2 배선 구조체를 따라 흐르는 전류의 크기가 제어되도록 적어도 2 이상의 저항값 레벨이 제공되는 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 선형 배선 구조체는 알루미늄 와이어, 알루미늄층이 코팅된 도전성 또는 비도전성 섬유, 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄층은 습식 코팅, 전해 도금 및 무전해 도금된 것일 수 있다. 상기 알루미늄 산화물은 자연 산화막일 수 있다.
상기 가역적 전기화학적 반응 생성물은 알루미늄카본산화물을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄카본산화물은 Al4O4C, 및 Al2OC 중 어느 하나 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄카본산화물은 Al4O4C을 포함하며, 상기 Al4O4C이 생성될 때 저저항 레벨을 갖고, 상기 Al4O4C이 소멸될 때 고저항 레벨을 가질 수 있다. 상기 비휘발성 메모리 소자의 셋 전압은 음의 바이어스 영역 내이고, 리셋 전압은 양의 바이어스 영역 내일 수 있다.
상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체는 직조, 짜임, 부직포 또는 이의 조합된 구조를 가질 수 있다. 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 어느 하나가 다른 하나를 감싸거나 서로 감쌀 수 있다. 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체의 접촉 상태를 유지시키기 위해 상기 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 적어도 어느 하나에 결합되는 지지체를 더 포함할 수 있다. 상기 지지체 내에 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체가 매립될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지체에 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 적어도 하나는 상기 지지체를 쓰레딩하여 결합될 수 있다. 상기 지지체는 직물, 부직포, 솜, 종이, 플렉시블 절연성 시트 또는 이의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 배선 구조체들은 메모리 셀 어레이를 형성하고, 상기 지지체 내에 상기 메모리 셀 어레이의 구동을 위한 주변 회로가 실장될 수 있다. 상기 지지체는 가방, 의복, 모자, 손목시계, 모자, 커튼, 침구류 중 적어도 어느 하나의 일부일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 제 1 항 기재의 비휘발성 메모리 소자; 및 상기 비휘발성 메모리 소자를 구동하기 위한 주변 회로를 포함하는 웨어러블 전자 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 선형 배선 구조체의 알루미늄 산화물의 제 1 표면층과 제 2 선형 배선 구조체의 탄소 함유물의 제 2 표면층을 서로 접촉하여 접촉 계면을 형성한 후, 적합한 전위차를 인가하거나 전류를 흐르게 하여, 상기 접촉 계면에 가역적 전기화학적 반응 생성물을 형성함으로써, 상기 선형 배선 구조체들 사이에 다른 산화막과 같은 이종의 절연층을 형성하지 않고서도, 적어도 2 이상의 저항값 레벨이 제공될 수 있는 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀들을 나타내며, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 선형 배선 구조체들의 단면 사시도이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 선형 배선 구조체의 단면 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 블록도이며, 도 2b는 도 2a의 메모리 셀 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 셀 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 지지체인 직물지에 쓰레딩된 제 1 선형 배선 구조체인 알루미늄 코팅된 탄소 섬유 및 제 2 선형 배선 구조체인 탄소 섬유를 포함하는 비휘발성 메모리 소자이며, 도 5b는 도 5a의 비휘발성 메모리 소자의 전류-전압의 전기적 특성을 나타내는 그래프이며, 도 5c는 도 5a의 비휘발성 메모리 소자의 데이터 리텐션 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 알루미늄 필름인 제 1 선형 배선 구조체와 탄소 섬유인 제 2 선형 배선 구조체의 접촉 계면에서의 전압 구동에 의한 전기화학적 반응에 따른 조성 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 XPS 분석에 의한 기준값으로서 알루미늄 필름(Al reference), 알루미늄 필름과 접촉만 한 상태(Initial), 셋 상태(SET) 및 리셋 상태(RESET)의 Al2p 피크를 나타내는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8d는 기준값으로서 알루미늄 필름(Al reference), 알루미늄 필름과 접촉만 한 상태(Initial), 셋 상태(SET) 및 리셋 상태(RESET)의 C1s 피크를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템을 도시하는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
본 명세서에서, 사용되는 "적어도 하나 이상의 배선 구조체들"이란 용어는 개별적 액세스가 가능하거나 그룹핑되어 액세스 가능한 도전체들을 지칭한다. 상기 도전체들은 선형 구조체이며, 상기 선형 구조체란 용어는 1차원적으로 선형 확장되어 다른 구조체들과 점 접촉 또는 선 접촉을 할 수 있는 적합한 종횡비를 갖는 구조체를 지칭한다.
상기 선형 구조체는 어느 일 방향으로 연장되는 것에 한정되는 것은 아니며, 굴절, 절곡, 회전, 감김, 나선, 미언더, 겹침, 꼬기 또는 이의 조합과 같은 다양한 연장 방향의 조작이 가능하다. 이러한 조작은 웨어러블 소자와 형상 변화가 요구되는 전자 장치에 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자가 응용될 수 있도록 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단위 셀들(10)을 나타내며, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 선형 배선 구조체(1)의 단면 사시도이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 2 선형 배선 구조체(2)의 단면 사시도이다.
도 1a을 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(10)는 제 1 선형 배선 구조체(1) 및 제 1 선형 배선 구조체(1)와 접촉하는 제 2 선형 배선 구조체(2)를 포함한다. 상기 선형 구조는 예를 들면 와이어 또는 섬유일 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 선형 배선 구조체(2)는 상기 직선 구조에 한정되지 않으며, 굴절, 절곡, 회전, 감김, 나선, 미언더, 겹침, 꼬기 또는 이의 조합과 같은 다양한 연장 방향의 조작된 구조를 가질 수 있다. 심지어, 제 2 선형 배선 구조체(2)는 제 1 선형 배선 구조체(1A)를 쓰레딩하거나 둘러쌀 수도 있다. 또는 그 반대일 수도 있다.
제 1 선형 배선 구조체(1)에 제 2 선형 배선 구조체(2)는 점 접촉을 할 수 있으며, 이러한 점 접촉에 의해 정의되는 접촉 계면(CI)은 수 nm 내지 수 ㎛의 폭 또는 길이를 가질 수 있으며, 이에 의해 메모리 셀이 정의될 수 있다. 접촉 계면(CI)의 폭 또는 길이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 이들 선형 배선 구조체들(1, 2)에는 전기적 신호의 입출력이 가능할 수 있으며, 선형 배선 구조체들(1, 2) 사이의 상기 점 접촉에 의해 선형 배선 구조체들(1, 2)은 서로 전기적으로 연결되어 전류 경로를 제공할 수 있다.
제 1 선형 배선 구조체(1)는, 알루미늄 와이어일 수 있다. 상기 알루미늄 와이어 상에는 자연 산화막으로서 알루미늄 산화물로 이루어진 표면층이 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 선형 배선 구조체(1)는, 도 1b에 도시된 것과 같이, 알루미늄 와이어일 수 있다. 알루미늄 와이어(1a)는 코어를 구성하고, 알루미늄 와이어(1a)의 외주에 알루미늄 산화물의 제 1 표면층(1s)이 형성될 수 있다. 상기 알루미늄 산화물의 제 1 표면층(1s)은 제 1 선형 배선 구조체(1)에 전면적으로 또는 일부에 패턴화되어 형성될 수 있을 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제 1 선형 배선 구조체(1)는 상기 알루미늄 산화물의 하지에 알루미늄층이 형성된 복합 섬유일 수 있다. 상기 복합 섬유는, 예를 들면, 도전성 또는 비도전성 고분자 섬유 코어에 상기 알루미늄층을 습식 또는 건식 코팅한 것일 수 있으며, 상기 알루미늄층 상에는 자연 산화막이 형성될 수 있다. 또는, 탄소 섬유 코어 상에 알루미늄층을 형성함으로써 제 1 선형 배선 구조체(1)가 제공될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 제 1 선형 배선 구조체(1)는 도전성 또는 비도전성 섬유 상에 알루미늄이 코팅된 선형 구조체일 수 있다. 상기 알루미늄의 코팅은 제 1 선형 배선 구조체(1)의 전체에 또는 일부에 대해서만 수행될 수도 있다. 상기 알루미늄층의 코팅은 스퍼터링이나 저온 공정이 가능한 원자층 증착 공정 또는 용매에 적합한 알루미늄 전구체를 용해 및 분산시켜 코팅하는 습식 코팅 또는 전해 또는 무전해 도금에 의해 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
제 2 선형 배선 구조체(2)는 도 1c에 도시된 것과 같이 탄소 섬유일 수 있다. 제 2 선형 배선 구조체(2)의 표면층(2s)은 탄소 함유층이다. 다른 실시예에서, 제 2 선형 배선 구조체(2)는 도전성 또는 비도전성 섬유 코어 및 상기 섬유 코어의 적어도 일부 상에 탄소 함유층(2s)이 코팅되어 제공될 수 있다. 상기 도전성 또는 비도전성 섬유 코어는 금속, 도전성 폴리머, 이들의 적층 구조 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 제 2 선형 배선 구조체(2)는 탄소 섬유의 단일 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 탄소 함유층(2s)은 상기 탄소 섬유의 표면 그 자체에 의해 제공될 수 있을 것이다.
제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)는 서로 교차하여 점 접촉을 하고 있다. 이러한 점 접촉에 의해 정의되는 접촉 계면(CI)은 수 nm 내지 수 ㎛의 폭과 길이를 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 선형 배선 구조체들(1, 2)에는 전기적 신호의 입출력이 가능할 수 있으며, 선형 배선 구조체들(1, 2) 사이의 점 접촉에 의해 배선 구조체들(1B, 2)은 서로 전기적으로 연결되어 전류 경로를 제공할 수 있다.
제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)가 접촉 계면(CI)을 형성하는 경우, 제 1 선형 배선 구조체(1A)와 제 2 선형 배선 구조체(2) 사이에 가변적인 전압 또는 전류 신호를 인가하면, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)를 통하여 전류 I가 흐르면서, 점 접촉된 선형 배선 구조체들(1, 2)의 접촉 계면(CI)에는 가역적 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 가역적 전기화학적 반응 생성물의 생성 또는 소멸에 따라 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)에 의한 도전 경로에는 2 이상의 저항값 레벨들이 제공될 수 있으며, 이러한 저항값 레벨에 예를 들면, "0" 또는 "1"의 논리값을 할당함으로써 정보 저장이 가능하여 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다. 상기 가역적 전기화학적 반응 생성물과 이에 따른 저항값 레벨의 변화에 관하여는 도 5a를 참조하여 후술하도록 한다.
제 1 선형 배선 구조체(1)는 선형 구조를 가질 수 있으며, 위 도면들에는 직선 구조가 예시되어 있다. 제 2 선형 배선 구조체(2)도 선형 구조를 가질 수 있으며, 직선 구조가 예시되어 있다. 전술한 것과 같이, 제 1 및 제 2 선형 배선 구조체들(1, 2)은 상기 직선 구조에 한정되지 않으며, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)는 접촉 계면(CI)이 유지되는 한 굴절, 절곡, 회전, 감김, 나선, 미언더, 겹침, 꼬기 또는 이의 조합과 같은 다양한 연장 방향의 조작된 구조를 가질 수 있다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 이용한 플렉시블 소자가 제공될 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 블록도이며, 도 2b는 도 2a의 메모리 셀 어레이(MA)를 도시하는 사시도이다.
도 2a를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(100)는 메모리 셀 어레이(MA), 행 디코더(120), 읽기/프로그램 회로(130), 및 열 디코더(140)를 포함할 수 있다. 메모리 셀 어레이(110)는 워드라인들(WL1, WL2, … , WLn -1, WLn)을 통해 행 디코더(120)에 연결될 수 있다. 메모리 셀 어레이(110)는 비트라인들(BL1, BL2, … , BLn-1, BLn)을 통해 읽기/프로그램 회로(130)에 연결될 수 있다.
워드라인들(WL1, WL2, … , WLn -1, WLn ) 및 워드라인들(WL1, WL2, … , WLn -1, WLn) 중 적어도 어느 하나의 그룹은 전술한 제 1 선형 배선 구조체고, 다른 하나의 그룹은 제 2 선형 배선 구조체일 수 있다. 도 2b를 참조하면, 제 1 선형 배선 구조체로서 알루미늄 산화물의 표면층을 갖고 선형 구조를 갖는 제 1 선형 배선 구조체들(1)과 상기 알루미늄 산화물의 상기 표면층과 접촉하며, 탄소 함유층을 갖는 적어도 하나 이상의 탄소 섬유들과 같은 선형 구조를 갖는 제 2 선형 배선 구조체들(2)을 예시된다.
복수의 메모리 셀들(MC)은 기억 요소로서 제 1 선형 배선 구조체들(1)과 제 2 선형 배선 구조체들(2)의 접촉 계면에서 전기적 신호의 크기에 따라 생성 및 소멸되는 가역적 전기화학적 반응 생성물을 포함한다. 이들 제 1 선형 배선 구조체들과 제 2 선형 배선 구조체들 사이에 다른 어떠한 재료층 없이 이들 배선 구조체들의 상호 접촉만으로 메모리 셀이 형성되므로 구조가 간단하며, 제 1 및 제 2 선형 배선 구조체가 플렉시블한 이상 메모리 셀 어레이의 굴절, 굽힘, 구겨짐, 접힘, 구부링 또는 이의 조합이 용이하여 성형 또는 형상 변화가 자유로운 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다.
다시 도 2a를 참조하면, 각각의 워드라인(WL1, WL2, … , WLn -1, WLn)에 연결되는 행 방향의 복수의 메모리 셀들은 논리적 페이지를 구성할 수 있으며, 워드라인(WL1, WL2, … , WLn -1, WLn)당 페이지들의 수는 메모리 셀의 저장 용량에 의해 결정될 수 있다. 복수의 메모리 셀들(MC)은 메모리 셀 어레이(MA)가 형성되는 2 차원 배열을 갖지만 이는 예시적으로 휘어짐 또는 굽힘과 같은 조작에 의해 3 차원 구조를 가질 수 있다. 다른 예에서, 하나 이상의 메모리 셀 어레이(MA)가 수직 적층되어 3 차원 구조가 제공될 수도 있다.
행 디코더(120)는 선택된 메모리 블록의 워드라인들 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 행 디코더(120)는 선택된 메모리 블록의 워드라인에 전압 발생기(미도시)로부터의 워드라인 전압(VWL)을 인가할 수 있다. 프로그램 동작시 행 디코더(120)는 선택된 워드라인(Selected WL)에 프로그램 전압(VPGM)과 검증 전압(VVFY)을, 비선택 워드라인(Unselected WL)에는 접지 또는 패스 전압(VPASS)을 인가할 수 있다. 필요에 따라, 셀 선택을 위해 트랜지스터와 같은 스위칭 소자가 메모리 셀에 결합될 수도 있다.
메모리 셀 어레이(MA)는 열 디코더(140)를 통해 비트라인들(BL1, BL2, BL3, … , BLn)에 의해 어드레싱될 수 있다. 읽기/프로그램 회로(130)는 열 디코더(140)를 통해 외부로부터 전달되는 데이터를 수신하거나 외부로 데이터를 출력할 수 있다.
읽기/프로그램 회로(130)는 페이지 버퍼를 포함할 수 있으며, 동작 모드에 따라 감지 증폭기로서 또는 프로그램 드라이버로서 동작할 수 있다. 본 명세서에서, 읽기/프로그램 회로, 또는 페이지 버퍼는 등가적 용어로 호환 사용될 수 있으며, 어느 하나가 다른 하나를 배제하는 것이 아니다. 프로그램 동작시, 읽기/프로그램 회로(130)는 외부 회로로부터 데이터를 수신하여 메모리 셀 어레이(MA)의 비트라인으로 프로그램될 데이터에 대응하는 비트라인 전압을 전달한다. 읽기 동작시, 읽기/프로그램 회로(130)는 선택된 메모리 셀에 저장된 데이터를 비트라인을 통해서 독출할 수 있으며, 상기 독출된 데이터를 래치하여 외부로 출력할 수 있다.
읽기/프로그램 회로(130)는 제어 회로(170)로부터 전송되는 전송 신호에 응답하여 메모리 셀의 프로그램 동작에 수반하는 검증 동작을 수행할 수 있으며, 상기 전송 신호에 응답하여 검증 결과를 복수 회에 걸쳐 페이지 버퍼 신호로서 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 읽기/프로그램 회로(130)의 상기 읽기 동작은 비트라인 기생 캐패시터를 이용한 전하 적분(charge integration)에 의해 수행될 수 있다. 상기 전하 적분은 전류 센싱 회로를 통해 수행되며, 메모리 셀의 프로그램 상태를 검출할 수 있다.
패스/패일 검증 회로(150)는, 예를 들면, ISPP 동작 방법에 따라, 메모리 셀들이 프로그램 루프 카운트가 증가할 때마다 메모리 셀이 원하는 레벨에 도달하였는지 검증한다. 메모리 셀이 원하는 문턱 전압, 즉 타겟 값을 가지면 프로그램 패스로 판단하여 상기 메모리 셀에 대한 프로그램 및 프로그램 검증 동작이 종료되지만, 메모리 셀이 원하는 문턱 전압에 도달하지 못하면 프로그램 패일로 판단하여 패스/패일 검증 회로(150)는 카운트 신호(미도시)를 발생시킬 수 있다. 패스/ 패일 검증 회로(150)은 프로그램 성공 여부를 판단하여 그 결과를 제어 회로(170)에 전달할 수 있다.
계수기(160)는 메모리 셀에 대한 소거 동작의 수행 회수를 계수한다. 다른 실시예에서, 제어 회로(170)는 상기 소거 동작이 복수 회 수행되는 경우, 계수기(160)에 의해 계수된 상기 소거 동작의 회수를 수신하여 상기 소거 동작이 특정 회수만큼 반복되었을 때 상기 사전 프로그램 동작을 수행할 수 있다. 상기 소거 동작은 블록 단위로 전체의 메모리 셀들에 의해 동시에 수행될 수 있다.
제어 회로(170)는 명령어(CMD)에 응답하여, 데이터의 전송 제어 및 데이터의 기록(또는 프로그램)/소거/읽기 동작의 시퀀스 제어를 수행한다. 제어 회로(170)는, 예를 들면, ISPP 방식에 따른 펄스 프로그램 및 검증 동작을 수행하도록 행 디코더(120), 읽기/기록 회로(130), 열디코더(140), 패스/페일 검출기(150), 및 계수기(160)를 제어할 수 있다.
제어 회로(170)은 패스/페일 검출기(150)로부터 전달되는 프로그램 성공 여부(Pass/Fail)를 참조하여 프로그램 동작의 종료 또는 계속 진행 여부를 결정할 수 있다. 패스/페일 검증 회로(150)로부터 프로그램 패일(Fail)의 결과를 수신하는 경우, 제어 회로(170)은 후속 프로그램 루프(Loop)를 진행하도록 VPGM 및 VVFY를 발생시키는 전압 발생기(미도시) 및 페이지 버퍼(130)를 제어할 것이다. 이처럼, 증가하는 프로그램 루프 수에 따라 프로그램을 진행하기 위하여 제어 회로(170)은 프로그램 루프의 순번을 수신할 수 있다. 반대로, 제어 회로(170)이 프로그램 패스(Pass)의 결과를 제공받으면, 선택된 메모리 셀들에 대한 프로그램 동작은 종료하게 될 것이다.
다양한 설계들에서, 메모리 셀 어레이(MA)와 제어 회로(170)는 동일 칩 내에 집적되거나 다른 칩에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 메모리 셀 어레이(MA)를 구동하기 위한 주변 회로들은 실리콘 프로세싱에 의한 반도체 칩으로 형성되고, 메모리 셀 어레이(MA)는 도 2b와 같이 별도로 형성될 수 있다. 이러한 메모리 셀 어레이(MA)는 도 3a을 참조하여 후술하는 바와 같이 적합한 지지체에 제 1 선형 배선 구조체와 제 2 선형 배선 구조체 사이에 안정적 결합을 유지할 수 있도록 한다. 또한, 상기 지지체에 상기 주변 회로들이 실장될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 메모리 셀 어레이(MA)는 제 1 선형 배선 구조체(1) 및 제 2 선형 배선 구조체(2)의 접촉 상태를 강화시키기 위해 제 1 선형 배선 구조체(1) 및 제 2 선형 배선 구조체(2) 중 적어도 어느 하나에 결합되는 지지체(20)를 더 포함할 수 있다. 도 3a에서, 지지체(20)는 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2) 중 어느 하나의 일 면에 접촉하는 방식으로 배선 구조체들(1, 2)에 결합될 수 있다. 도 3b에서는, 지지체(20)의 내부에 제 1 선형 배선 구조체(1) 및 제 2 선형 배선 구조체(2)가 매립된 것이 예시된다.
지지체(20)는 평면 구조를 갖지만 다른 3차원 형상을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 지지체(20)는 직물, 부직포, 솜, 종이, 플렉시블 절연성 시트 또는 이의 조합일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 지지체(20)의 결합에 의해 메모리 셀 어레이(MA)는 굽힘, 구부러짐과 같은 조작에 의해서도 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(20) 사이의 접촉 상태가 유지되어 플렉시블 비휘발성 메모리 소자가 구현될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 셀 어레이를 도시하는 사시도이다.
도 4a를 참조하면, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)는 서로 교차하는 직조 구조를 가질 수 있다. 이러한 직조 구조는 예시적이며, 교락과 같은 다양한 직물, 부직물 제조 공정 기술의 적용에 의해 다양한 짜임, 부직포 또는 이의 조합된 구조를 갖는 메모리 셀 어레이가 제공될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)의 접촉 상태를 강화시키기 이들 선형 배선 구조체들(1, 2)에 결합되는 지지체(20)가 더 제공될 수 있다. 이 경우, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)는 지지체(20)의 상면과 저면을 스레딩(threading)하여 지지체(20)에 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 지지체는, 도 3b를 참조하여 전술한 것과 같이, 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)를 매립하는 방식으로 제 1 선형 배선 구조체와 제 2 선형 배선 구조체의 접촉 상태를 강화할 수 있다.
상기 지지체가 의복 또는 가방의 천인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 장치는 제 1 선형 배선 구조체(1)와 제 2 선형 배선 구조체(2)쓰레딩에 의해 상기 의복 또는 가방에 일체화되어, 스마트 의복 또는 스마트 가방이 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 지지체는, 모자, 손목시계, 커튼, 침구류 중 적어도 어느 하나의 일부일 수 있으며, 본 발명이 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 지지체인 직물지에 쓰레딩된 제 1 선형 배선 구조체인 알루미늄 코팅된 탄소 섬유(횡사) 및 제 2 선형 배선 구조체인 탄소 섬유(경사)를 포함하는 비휘발성 메모리 소자이며, 도 5b는 도 5a의 비휘발성 메모리 소자의 전류-전압의 전기적 특성을 나타내는 그래프이며, 도 5c는 도 5a의 비휘발성 메모리 소자의 데이터 리텐션 성능을 나타내는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 제 2 선형 배선 구조체는 접지되고, 제 1 선형 배선 구조체에 대하여 음으로부터 양의 방향으로 변하는 전압 신호를 스윕하여 얻어지는 전류 변화가 측정되었다. 최초 음의 전압이 스윕되는 단계 1(S1)에서, 비휘발성 메모리 소자는 고저항 상태이며, 점차 전압의 크기가 증가하면 단계 2(S2)에서 약 -2V에서 저저항 상태로 변화하는 셋 동작이 일어난다. 이후, 음의 전압의 크기가 점차 감소하고 단계 3(S3)과 양의 전압의 크기가 점차 증가하는 단계 4(S4)에서 상기 비휘발성 메모리 소자는 저저항 상태를 유지하며, 점차 전압이 증가하여 양의 전압인 약 2.7 V 이상인 단계 5(S5)에서 고저항 상태로 변화하는 리셋 동작이 일어난다. 전압이 다시 감소되는 단계 5(S6)에서 상기 비휘발성 메모리 소자는 고저항 상태를 유지한다.
제 1 선형 배선 구조체와 제 2 선형 배선 구조체 사이에 인가되는 적절한 전압 신호에 의해 얻어지는 상기 셋 동작과 리셋 동작을 이용하여 비휘발성 메모리 소자의 프로그래밍 및 소거 동작이 수행될 수 있다. 상기 셋 동작에 의한 저저항 상태와 리셋 동작에 의한 고저항 상태는 적절한 읽기 전압을 제 1 선형 배선 구조체와 제 2 선형 배선 구조체 사이에 인가하여 흐르는 전류의 크기를 감지하여 판별될 수 있을 것이다.
도 5b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자에 대하여, 0.5 V에서 셋 동작과 리셋 동작 이후의 저항값이 독출되었다. 104 초까지도 저저항 상태(LRS, 곡선 C2)와 고저항 상태(HRS, 곡선 C1)의 크기 차이가 102 이상 유지됨을 확인할 수 있으며, 이로써 본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 on/off 비율을 갖는 재현성 있는 비휘발성 메모리 소자가 얻어질 수 있다.
도 6은 알루미늄 와이어인 제 1 선형 배선 구조체와 탄소 섬유인 제 2 선형 배선 구조체의 접촉 계면에서의 전압 구동에 의한 전기화학적 반응에 따른 조성 변화를 도시하는 그래프이다. 조성 분석은 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy )를 이용하여 수행되었다. X 축은 기준값으로서 알루미늄 필름의 성분치이다. 그리고 알루미늄 와이어와 접촉만 한 상태(Initial), 셋 상태(SET) 및 리셋 상태(RESET)의 저항 변화가 일어난 뒤의 탄소 및 산소의 조성 변화가 분석되었다.
도 6을 참조하면, 제 1 선형 배선 구조체와 제 2 선형 배선 구조체 사이에 전압 구동에 의해 접촉 계면에서 탄소 및 산소의 조성 변화가 일어난다. 셋 상태에서는 탄소의 함량이 많고 산소의 함량이 감소됨을 알 수 있다. 반대로 리셋 상태에서는 탄소의 함량이 감소되고 산소의 함량이 증가된다. 알루미늄과 탄소의 접촉 계면에서 일어나는 현상을 이해하기 위해 두 물질간의 조성에 따른 상변화 다이아그램을 참조하였다. 알루미늄 산화물과 탄소의 반응에 의해 알루미늄탄소산화물(aluminum carbooxide)이 형성되는 아래와 식 1의 반응이 일어날 수 있다. 이때, 알루미늄탄소산화물과 함께 산소 공공이 생성될 수 있을 것이다.
[식 1]
2Al2O3 + 3C ↔ Al4O4C + 2CO(g) ↑
알루미늄 산화물과 탄소간 반응 생성물의 상온에서의 자유 에너지 변화를 계산하면 Al4O4C < Al2O3 < Al2OC < Al4C3로 화합물 Al4O4C의 형성이 산소 공공의 생성과 관련이 있으며, 저항 값의 변화를 초래하는 것으로 파악된다.
셋 구동에서 화합물 Al4O4C 가 형성되며, 발생된 산소 공공에 의해 전도성이 증가되어 저저항 상태(LRS)가 유도되고, 리셋 구동에서는 반대로 산소 공공이 소멸되면서 고저항 상태(HRS)가 유도된다. 더 자세한 성분 분석을 위해 아래와 같이 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석을 수행하였다.
도 7a 내지 도 7d는 XPS 분석에 의한 기준값으로서 알루미늄 필름(Al reference), 알루미늄 와이어와 접촉만 한 상태(Initial), 셋 상태(SET) 및 리셋 상태(RESET)의 Al2p 피크를 나타내고, 도 8a 내지 도 8d는 기준값으로서 알루미늄 필름(Al reference), 알루미늄 와이어와 접촉만 한 상태(Initial), 셋 상태(SET) 및 리셋 상태(RESET)의 C1s 피크를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, Al2p 피크에서 리셋 상태에서는 Al-O 본드가 증가하여 알루미늄 산화물이 형성되는 것을 추론할 수 있고, 도 8a 내지 도 8d를 참조하면, 셋 상태에서는 C-O-Al 본드가 증가하여 알루미늄 탄소 산화물이 형성됨을 추론할 수 있다. 이 결과를 통해 탄소층과 알루미늄 산화물의 접촉 계면에서 셋 바이어스에 의해 알루미늄카복사이드의 형성으로 산소 공공이 생성되어 저항이 감소되고, 리셋 바이어스의 경우에는 역반응으로 저항이 증가하는 것이 뒷받침될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템(1000)을 도시하는 블록도이다.
도 9를 참조하면, 전자 시스템(1000)은 컨트롤러(1010), 입출력 장치(I/O; 1020), 기억 장치(storage device; 1030), 인터페이스(1040) 및 버스(bus; 1050)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(1010), 입출력 장치(1020), 기억 장치(1030) 및/또는 인터페이스(1040)는 버스(1050)를 통하여 서로 결합될 수 있다.
컨트롤러(1010)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력 장치(1020)는 키패드(keypad), 키보드 또는 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 기억 장치(1030)는 데이터 및/또는 명령어를 저장할 수 있으며, 기억 장치(1030)는 본 명세서에 개시된 3차원 비휘발성 메모리 소자를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기억 장치(1030)는 다른 형태의 반도체 메모리 소자(예를 들면, 디램 장치 및/ 또는 에스램 장치 등)를 더 포함하는 혼성 구조를 가질 수도 있다. 인터페이스(1040)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스(1040)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 이를 위하여, 인터페이스(1040)는 안테나 또는 유무선 트랜시버를 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 전자 시스템(1000)은 컨트롤러(1010)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램을 더 포함할 수도 있다.
전자 시스템(1000)은 플렉시블 장치일 수 있으며, 예를 들면, 스마트 의류, 스마트 모자, 스마트 신발 또는 스마트 시계와 같은 웨어러블 장치일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다른 개인 휴대용 정보 단말기(PDA, personal digital assistant) 포터블 컴퓨터(portable computer), 태블릿 피씨(tablet PC), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다.
전술한 실시예들은 주로 메모리 소자에 관하여 개시하고 있지만, 이는 예시적이며, 당업자라면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 저항체는 퓨즈 및 안티퓨즈, 또는 FPGA와 같은 논리 회로의 온/오프 스위칭 소자로도 응용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 적어도 일부에 알루미늄 산화물의 제 1 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 1 선형 배선 구조체; 및
    적어도 일부에 상기 알루미늄 산화물의 제 1 표면층과 접촉하는 탄소 함유물의 제 2 표면층을 갖는 적어도 하나 이상의 제 2 선형 배선 구조체를 포함하며,
    상기 제 1 배선 구조체와 상기 제 2 배선 구조체에 인가되는 전위 또는 전류에 따라 상기 제 1 배선 구조체의 상기 제 1 표면층과 상기 제 2 배선 구조체의 상기 제 2 표면층의 접촉 계면에, 상기 알루미늄 산화물과 상기 탄소 함유물의 탄소 사이에 가역적 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸되며,
    상기 가역적 전기화학적 반응 생성물은 Al4O4C를 포함하며,
    상기 Al4O4C이 생성될 때 상기 접촉 계면은 산소 공공에 의한 저저항 상태를 갖고 상기 Al4O4C이 소멸될 때 상기 접촉 계면은 상기 산소 공공의 감소로 고저항 상태를 가짐으로써, 상기 제 1 배선 구조체와 상기 제 2 배선 구조체를 따라 흐르는 전류의 크기가 제어되는 비휘발성 메모리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 선형 배선 구조체는 알루미늄 와이어, 알루미늄층이 코팅된 도전성 또는 비도전성 섬유, 또는 이의 혼합물을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미늄층은 습식 코팅, 전해 도금 및 무전해 도금된 비휘발성 메모리 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물은 자연 산화막인 비휘발성 메모리 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비휘발성 메모리 소자의 셋 전압은 음의 바이어스 영역 내이고, 리셋 전압은 양의 바이어스 영역 내인 비휘발성 메모리 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체는 직조, 짜임, 부직포 또는 이의 조합된 구조를 갖는 비휘발성 메모리 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 어느 하나가 다른 하나를 감싸거나 서로 감싸는 비휘발성 메모리 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체의 접촉 상태를 유지시키기 위해 상기 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 적어도 어느 하나에 결합되는 지지체를 더 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지체 내에 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체가 매립되는 비휘발성 메모리 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지체에 상기 제 1 배선 구조체 및 상기 제 2 배선 구조체 중 적어도 하나는 상기 지지체를 쓰레딩하여 결합되는 비휘발성 메모리 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지체는 직물, 부직포, 솜, 종이, 플렉시블 절연성 시트 또는 이의 조합을 포함하는 비휘발성 메모리 소자.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 배선 구조체들은 메모리 셀 어레이를 형성하고,
    상기 지지체 내에 상기 메모리 셀 어레이의 구동을 위한 주변 회로가 실장되는 비휘발성 메모리 소자.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지체는 가방, 의복, 모자, 손목시계, 모자, 커튼, 침구류 중 적어도 어느 하나의 일부인 비휘발성 메모리 소자.
  17. 제 1 항 기재의 비휘발성 메모리 소자; 및
    상기 비휘발성 메모리 소자를 구동하기 위한 주변 회로를 포함하는 웨어러블 전자 장치.
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