KR101926028B1 - 구형의 상보적 저항 변화성 충전재 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 - Google Patents
구형의 상보적 저항 변화성 충전재 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 절연성 지지체; 및 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고, 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어쉘 구조인, 저항 변화 물질 에 관한 것이다. 이에 의하여, 구(sphere) 형의 상보적 저항 변화 충전재에 의한 전기장 제어 효과에 의해 상보적 저항 변화 충전재의 전도성 코어를 중심으로 두 전극에 인접한 각각의 저항층에 서로 대칭적인 균일한 필라멘트 전류 통로가 생성되어, 신뢰성 및 안정성이 증대된 상보적 저항 변화 특성이 구현될 수 있다.
Description
본 발명은 상보적 저항 변화성 충전재 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어-쉘 구조의 상보적 저항 변화성 충전재가 분산된 절연층 페이스트를 전극 사이에 위치시킴으로써 다층구조를 도입하지 않고도 상보적 저항 변화 메모리를 제조하여 투명성과 유연성을 구현할 수 있는, 상보적 저항 변화성 충전재 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리에 관한 것이다.
현재 DRAM과 Flash memory로 대표되는 반도체 관련 산업은 소자 크기가 작아지더라도 소자의 작동 원리가 그대로 유지될 수 있다는 것을 기반으로 초소형화, 고집적화를 기반으로 성공적으로 발전되어 왔다. 그러나, 최근 정보·통신화가 가속됨에 따라 전자 장치의 성능 및 복잡성이 증대되고 있으며, 핵심 부품인 메모리 소자의 초고속화, 초고집적화뿐만 아니라 초절전화가 필수적으로 요구되고 있다. 하지만, DRAM은 휘발성이며 데이터 처리속도의 한계가 존재하며, Flash memory는 높은 문턱 전압(>5V)를 요구할 뿐만 아니라, sub-30nm 이후 공정 난이도 증가 및 전기적 특성 열화 및 느린 동작속도라는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 기존 메모리 소자를 뛰어넘는 차세대 메모리 소자 개발의 필요성이 그 어느 때보다 커지고 있는 실정이다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 비휘발성 차세대 메모리 소자들로서, 상변화 메모리 소자(Phase change RAM), 자기 메모리 소자(Magnetic RAM: MRAM) 및 저항 변화 메모리 소자(Resistance switchable RAM: RRAM)등이 있다. 이러한 차세대 메모리 소자들 중에서 RRAM은 인가된 전압 조건에 따라 낮은 저항 상태(Low resistance state: LRS) 및 높은 저항 상태(High resistance state: HRS)가 가역적으로 변환되는 원리로 데이터의 1과 0을 기록한다. 더욱이, RRAM은 플래쉬 메모리(Flash memory)에는 데이터 비휘발성, SRAM의 초고속 동작속도, 무엇보다 DRAM의 낮은 소비 전력을 충족시킬 수 있기 때문에, 상용화에 가장 유망한 후보이다. 특히, 상/하부 전극 사이에 산화물 박막 재질인 저항변화층이 포함되는 단순한 구조로 크로스바-어레이(Crossbar-array) 수직 삼차원 구조를 통해 고집적 밀도를 달성될 수 있기 때문에 매우 주목 받고 있다.
그러나, 크로스바-어레이 내의 동일한 비트 라인 또는 워드 라인상에 위치한 낮은 저항상태의 비 타겟 (non-target) 인접 셀과의 간섭에 의한 기생 전류가 RRAM의 신뢰성 작동에 가장 큰 문제점으로 알려져 있다. 타겟 셀과 동일한 로우(row) 또는 컬럼(column)에 위치한 셀을 통과하는 스니크 전류(sneak current)는 셀 상태의 판독 및 기록 결과에 고장을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 비 타겟 인접 셀을 통한 스니크 전류에 의해 타겟 셀의 총 전류에 영향을 미쳐 판독에 오류가 생길 수 있다.
이러한 기생 전류에 의한 문제를 해결하는 방법으로 제안된, 하나의 트랜지스터(Transistor)-하나의 레지스터(Resistor) (1T1R) 구조는 우수한 선택도를 지니지만 메모리 집적 밀도가 상당히 한정되게 되는 문제점이 존재한다. 또 다른 해결 방법으로 제안된, 하나의 셀렉터(Selector)-하나의 레지스터를 이용한 1S1R 구조는 크로스바-어레이의 구조를 복잡하게 하며, 선택소자의 비선형적 요소는 어레이 크기에 의존하게 되며, 또한 타겟 셀까지 충분한 전류가 통과하는 것을 허용하지 못하게 할 수 있어 여전히 큰 문제점으로 남아있다.
이에 따라, 이러한 선택소자 없이도 메모리 소자의 기능과 선택특성을 동시에 나타내는 상보형 저항 스위칭 소자(Complementary resistance switchable random access memory: CRS memory)가 최근 제안되었다. 상기 CRS 메모리소자는 상/하부 전극 사이에 절연체/전도체/절연체 구조를 갖고 있어 마치 두 개의 저항변화메모리가 마주보게 배치된 구조를 갖는다. CRS 소자는 상부 소자가 고저항 상태이며 하부 소자가 저저항 상태일 때 “0”을 기록하며, 이와는 반대로 상부 소자가 저저항 상태이며 하부 소자가 고저항 상태 일 때는 “1”을 기록한다. “0”과 “1”의 어떠한 기록상태에서도 전체 소자는 고저항 상태이므로 비 타겟 인접 셀의 간섭에 의한 스니크 전류는 배제된다. 또한, 전류 컴플라이언스(Compliance current)를 위한 외부 저항이 불필요한 셀프 컴플라이언스(Self-compliance) 전류 거동이므로, RC 딜레이(RC delay)에 의한 영향을 받지 않는다는 이점을 또한 지닐 수 있다.
그러나, CRS 소자는 전도성 필라멘트 구조의 형성 및 소멸이란, 필라멘터리 현상(Filamentary phenomena)을 기반으로 구동이 되며, 이 때문에, 필라멘터리 현상을 기반으로 하는 기존의 저항변화메모리 소자에서 발견되는 필라멘트(Filament) 형성의 불확정성 및 임의적 다수 생성과 같은 문제점을 그대로 드러내게 되며, 이에 따라 2개의 필라멘트에 의한 상보적 거동으로 구현되는 CRS 메모리소자에서는 소자의 불안정성(Poor endurance/retention)이 더욱 크게 야기될 가능성이 있다. 또한, CRS 소자는 저항 변화 메모리가 마주보게 배치된 구조로 복잡한 다층의 박막 증착 공정이 필수적이므로, 높은 집적도를 갖는 크로스바-어레이 구조가 되었을 경우 기계적 안정성 확보가 어렵고, 다층의 중간층 존재로 인하여 투명성이나 휘어짐과 같이, 최근 웨어러블 장비(Wearable device) 구성에 대응할 수 있는 물성 구현에 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구(sphere) 형의 상보적 저항 변화 충전재에 의한 전기장 제어 효과에 의해 상보적 저항 변화 충전재의 전도성 코어를 중심으로 두 전극에 인접한 각각의 저항층에 서로 대칭적인 균일한 필라멘트 전류 통로가 생성되어, 신뢰성 및 안정성이 증대된 상보적 저항 변화 특성이 구현될 수 있는 저항 변화 물질 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 별도의 선택 소자 없이도 자체적으로 선택 특성을 달성할 수 있으며, 구형의 저항 변화 충전재는 나노미터 스케일로 제조하여 초 고집적의 3차원 크로스바-어레이가 가능한 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자를 구현하도록 하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 또 하나의 목적은 상부전극; 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층; 하부전극이 적층된 전형적인 상보적 저항 변화 메모리의 적층 구조를 가지지 않으면서도 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층을 하나의 층으로 구성하면서도 실질적으로 서로 다른 저항층에 양쪽성의 전도성 필라멘트가 형성되어 상보적 저항 변화 특성을 나타낼 수 있으며, 셋(Set) 동작 이후에 충분히 온(On) 상태를 유지시킨 후에 리셋(reset) 현상이 나타나게 하여 리드 마진(Read margin)을 충분히 증대시킬 수 있고, 적층수를 줄임으로써 투명성(Transparency)과 유연성(Flexibility)을 향상시키는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상보적 저항 변화 메모리의 제조에 있어서 상보적 저항 변화성 충전재와 지지물질이 혼합된 페이스트를 코팅하는 간단한 제조 공정을 도입함으로써 제조공정을 간소화하고 비용을 절감하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고, 상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어-쉘 구조인, 저항 변화 물질이 제공된다.
상기 구형의 전도성 코어는 구형 탄소입자, 구형 금입자, 구형 백금입자, 구형 은입자 및 구형 구리입자 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 구형 전도성 코어는 지름이 20 내지 100nm 일 수 있다.
상기 절연층 쉘의 두께는 10 내지 50nm 일 수 있다.
상기 절연층 쉘은 NiO, SiO2, TiO2, ZnO, HfO2, Nb2O5, MgO, Al2O3, Ta2O5, La2O, Cu2O, ZrO2, Fe2O3, SrTiO3, Cr 도핑된 SrZrO3, Pr0 .7Ca0 .3MnO3, Ag2S, Ag2Se, CuS, AgI, Ag2Te, Ag2HgI4, 및 Ag3SI 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 절연성 지지체는 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리염화비닐, 폴리아세탈 및 폴리비닐알코올 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,
기판; 상기 기판 상에 위치하는 하부전극; 상기 하부전극 상에 위치한 저항 변화 물질; 상기 저항 변화 물질 상에 위치하는 상부전극;을 포함하고, 상기 저항 변화 물질은, 절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고, 상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어-쉘 구조이고, 상기 하부전극과 상부전극은 각각 상보적 저항 변화성 충전재의 상이한 표면에 접촉하여, 별개의 두 저항층을 형성하는, 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자가 제공된다.
상기 두 저항층에 대칭적인 전기장이 형성될 수 있다.
상기 대칭적인 전기장은 상기 구형의 전도성 코어를 기준으로 각각 1개씩 형성된 필라멘트 전류 통로에 의해 발생할 수 있다.
상기 각각 형성된 필라멘트 전류 통로는 대칭의 원뿔형으로 형성될 수 있다.
상기 필라멘트 전류 통로의 크기는 상기 구형의 전도성 코어의 지름 및 절연층 쉘의 코팅 두께 중에서 선택되는 1종 이상에 의해 제어될 수 있다.
상기 필라멘트 전류 통로의 크기는 상기 필라멘트 전류 통로의 최초 형성 시 설정되는 컴플라이언스(compliance) 전류에 의해 제어될 수 있다.
상기 하부전극 또는 상부전극은 금속, 전도성 탄소재료 및 전도성 고분자물질 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 금속은 Ag, Au, Cu, Ni, Cr, Pt, Pb, Ru, Pd, TiN, W, Co, Mn, Ti 및 Fe 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 전도성 탄소재료는 그래핀, 탄소나노튜브 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 전도성 고분자물질은 폴리피롤(poly(pyrrole)), 폴리싸이오펜(poly(thiophene)), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly(para-phenylene vinylene)), polyaniline, 폴리아세틸렌(poly(acetylene)), 및 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
(1) 용매에 구형 전도성 코어가 분산된 분산액을 분산시켜 코어 분산액을 제조하는 단계; 및 (2) 상기 코어 분산액에 절연성 고분자의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 구형 전도성 코어의 표면에 절연층을 코팅하는 단계;를 포함하는 상보적 저항 변화성 충전재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
(a) 제1항의 저항 변화 물질을 포함하는 페이스트를 제조하는 단계; (b) 기판 상에 하부전극을 형성하는 단계; (c) 상기 하부전극 상에 상기 페이스트를 코팅한 후 경화시켜 저항 변화 물질층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 저항 변화 물질층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 제조방법이 제공된다.
바람직하게는, 단계 (a)는, (단계 a-1) 구형의 전도성 나노입자 표면에 절연성 재료를 코팅시켜 코어쉘 구조의 상보적 저항 변화성 충전재를 제조하는 단계; 및 (단계 a-2) 상기 상보적 저항 변화성 충전재를 절연성 지지물질과 혼합시켜 상기 페이스트를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (a-1)은, 상기 구형의 전도성 나노입자를 용매에 분산시킨 후, 절연성 재료의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 절연성 재료가 코팅되도록 할 수 있다.
단계 (b) 또는 (d)에서, 상기 하부전극 또는 상부전극은 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 펄스레이저 증착법, 분자빔 성장법, 진공 열증착법, 및 진공 전자빔 증착법 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 형성할 수 있다.
단계 (c)에서, 상기 페이스트의 코팅은 스핀 코팅, 블레이드 캐스팅, 및 잉크젯 프린팅 중에서 선택된 어느 하나에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 저항 변화 물질 및 그를 포함하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구(sphere) 형의 상보적 저항 변화 충전재에 의한 전기장 제어 효과에 의해 상보적 저항 변화 충전재의 전도성 코어를 중심으로 두 전극에 인접한 각각의 저항층에 서로 대칭적인 균일한 필라멘트 전류 통로가 생성되어, 신뢰성 및 안정성이 증대된 상보적 저항 변화 특성이 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 별도의 선택 소자 없이도 자체적으로 선택 특성을 달성할 수 있으며, 구형의 저항 변화 충전재는 나노미터 스케일로 제조하여 초 고집적의 3차원 크로스바-어레이가 가능한 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자를 구현하도록 하는 데 있다.
또한, 본 발명의 상보적 저항 변화 메모리 소자는 상부전극; 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층; 하부전극이 적층된 전형적인 상보적 저항 변화 메모리의 적층 구조를 가지지 않으면서도 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층을 하나의 층으로 구성하면서도 실질적으로 서로 다른 저항층에 양쪽성의 전도성 필라멘트가 형성되어 상보적 저항 변화 특성을 나타낼 수 있으며, 셋(Set) 동작 이후에 충분히 온(On) 상태를 유지시킨 후에 리셋(reset) 현상이 나타나게 하여 리드 마진(Read margin)을 충분히 증대시킬 수 있고, 적층수를 줄임으로써 투명성(Transparency)과 유연성(Flexibility)을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 상보적 저항 변화 메모리 소자는 상보적 저항 변화 메모리의 제조에 있어서 상보적 저항 변화성 충전재와 지지물질이 혼합된 페이스트를 코팅하는 간단한 제조 공정을 도입함으로써 제조공정을 간소화하고 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 전압 분포를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 전기장 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 필라멘트 통로가 형성된 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 상보적 저항 변화 메모리 소자의 형태 및 유연성을 보여주는 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 상보형 저항 변화 메모리층의 투과도 및 이미지이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 메모리 소자의 두 저항층에 형성된 전기장을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 전기장 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 필라멘트 통로가 형성된 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 상보적 저항 변화 메모리 소자의 형태 및 유연성을 보여주는 이미지이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 상보형 저항 변화 메모리층의 투과도 및 이미지이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 메모리 소자의 두 저항층에 형성된 전기장을 도시한 것이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 저항 변화 물질에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 저항 변화 물질은 절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함할 수 있다.
상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어-쉘 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 구형의 전도성 코어는 구형 탄소입자, 구형 금입자, 구형 백금입자, 구형 은입자, 구형 구리입자 등을 포함할 수 있다.
상기 구형 전도성 코어는 지름이 20 내지 100nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 40nm 일 수 있다.
상기 절연층 쉘은 NiO, SiO2, TiO2, ZnO, HfO2, Nb2O5, MgO, Al2O3, Ta2O5, La2O, Cu2O, ZrO2, Fe2O3, SrTiO3, Cr 도핑된 SrZrO3, Pr0 .7Ca0 .3MnO3, Ag2S, Ag2Se, CuS, AgI, Ag2Te, Ag2HgI4, Ag3SI 등을 포함할 수 있다.
상기 구형 전도성 코어에 코팅된 절연층 쉘의 두께는 10 내지 50nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 20nm일 수 있다.
상기 절연성 지지체는 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리염화비닐, 폴리아세탈, 폴리비닐알코올 등을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자는 기판, 하부전극, 저항 변화 물질, 상부전극가 차례로 적층된 구조일 수 있다.
상기 저항 변화 물질은, 절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고, 상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어쉘 구조일 수 있다.
상기 기판은 유리, 실리콘 웨이퍼, 금속 호일 등을 사용할 수 있다.
상기 와이어형 전도성 코어에 포함되는 전도성 재료는 탄소나노섬유, 탄소나노튜브, 금 나노와이어, 백금 나노와이어, 은 나노와이어, 구리 나노와이어 등일 수 있다.
상기 절연층 쉘에 포함되는 절연성 재료는 NiO, SiO2, TiO2, ZnO, HfO2, Nb2O5, MgO, Al2O3, Ta2O5, La2O, Cu2O, ZrO2, Fe2O3, SrTiO3, Cr 도핑된 SrZrO3, Pr0.7Ca0.3MnO3, Ag2S, Ag2Se, CuS, AgI, Ag2Te, Ag2HgI4, Ag3SI 등을 포함할 수 있다.
상기 상부전극은 상기 저항 변화 물질 상에 위치한다.
상기 하부전극과 상부전극은 각각 상보적 저항 변화성 충전재의 상이한 표면에 접촉하여, 별개의 두 저항층을 형성할 수 있다.
상기 두 저항층에 대칭적인 전기장이 형성될 수 있으며, 상기 대칭적인 전기장은 상기 구형의 전도성 코어를 기준으로 각각 1개씩 형성된 필라멘트 전류 통로에 의해 발생할 수 있다. 또한, 상기 각각 1개씩 형성된 필라멘트 전류 통로는 대칭의 원뿔형으로 형성될 수 있다.
상기 상보적 저항 변화성 충전재에 포함되는 상기 구형 전도성 코어는 지름이 20 내지 100nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20 내지 40nm 일 수 있고, 상기 구형 전도성 코어에 코팅된 절연층 쉘의 두께는 10 내지 50nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10 내지 20nm 일 수 있으나 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
상기 구형의 전도성 코어의 지름 또는 절연층 쉘의 코팅 두께를 조절함에 따라 상기 필라멘트 전류 통로의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 필라멘트 전류 통로의 크기는 상기 필라멘트 전류 통로의 최초 형성 시 설정되는 컴플라이언스(compliance) 전류에 의해서도 제어될 수 있다.
상기 하부전극 또는 상부전극은 금속, 전도성 탄소재료, 또는 전도성 고분자물질로 이루어질 수 있다.
상기 금속은 Ag, Au, Cu, Ni, Cr, Pt, Pb, Ru, Pd, TiN, W, Co, Mn, Ti, Fe 등을 적용할 수 있다.
상기 전도성 탄소재료는 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌 등을 적용할 수 있다.
상기 전도성 고분자물질은 폴리피롤(poly(pyrrole)), 폴리싸이오펜(poly(thiophene)), 폴리파라페닐렌비닐렌(poly(para-phenylene vinylene)), polyaniline, 폴리아세틸렌(poly(acetylene)), PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) 등일 수 있다.
이하, 본 발명의 상보적 저항 변화성 충전재의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 용매에 구형 전도성 코어를 분산시켜 코어 분산액을 제조한다(단계 1).
상기 구형 전도성 코어에 대해서는 앞서 설명한 바와 동일하므로 구체적인 내용은 상술한 내용을 참조하기로 한다.
상기 용매는 알코올 용매인 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 코어 분산액에 절연성 고분자의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 구형 전도성 코어의 표면에
절연층을
코팅한다(단계 2).
상기 절연성 재료의 전구체는 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane(TEOS)), 테트라메틸오르토실리케이트 (tetramethyl orthosilicate(TMOS)), 사염화 티타늄(titanium tetrachloride(TiCl4), 티타늄프로폭사이드 (titanium(IV) propoxide(Ti(OH)4)), 황산알루미늄(aluminum sulfate (Al2(SO4)3)), 질산아연(zinc nitrate(Zn(NO3) 2) ), 질산지르코늄(zirconium nitrate(Zr(NO3)4)), 질산은(silver nitrate(AgNO3)) 등일 수 있다.
상기 반응에 따라 상기 구형 전도성 재료의 표면에 NiO, SiO2, TiO2, ZnO, HfO2, Nb2O5, MgO, Al2O3, Ta2O5, La2O, Cu2O, ZrO2, Fe2O3, SrTiO3, Cr 도핑된 SrZrO3, Pr0.7Ca0.3MnO3, Ag2S, Ag2Se, CuS, AgI, Ag2Te, Ag2HgI4, Ag3SI 등의 절연성 재료가 코팅될 수 있다.
이하, 본 발명의 상보적 저항 변화 메모리 소자의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 저항 변화 물질을 포함하는 페이스트를 제조한다(단계 a).
구형의 전도성 나노입자 표면에 절연성 재료를 코팅시켜 코어-쉘 구조의 상보적 저항 변화성 충전재를 제조한다(단계 a-1).
상기 구형의 전도성 나노입자를 용매에 분산시킨 후, 절연성 재료의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 절연성 재료가 코팅되도록 할 수 있다.
상기 구형의 전도성 나노입자는 구형 탄소입자, 구형 금입자, 구형 백금입자, 구형 은입자, 구형 구리입자 등을 사용할 수 있다.
상기 절연성 재료의 전구체는 상기 상보적 저항 변화성 충전재의 제조방법에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
상기 반응에 따라 상기 구형 전도성 재료의 표면에 절연성 재료가 코팅될 수 있으며, 절연성 재료는 상기 상보적 저항 변화성 충전재의 제조방법에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
다음으로, 상기 상보적 저항 변화성 충전재를 절연성 지지물질과 혼합시켜 페이스트를 제조한다(단계 a-2).
상기 절연성 지지물질은 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리염화비닐, 폴리아세탈, 폴리비닐알코올 등일 수 있다.
이후,
기판 상에
하부전극을 형성한다(단계 b).
상기 하부전극은 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 펄스레이저 증착법, 분자빔 성장법, 진공 열증착법, 진공 전자빔 증착법 등에 의해 형성할 수 있다.
상기 하부전극은 금속, 전도성 탄소재료, 전도성 고분자물질 등으로 형성할 수 있으며, 구체적인 재료는 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
다음으로, 상기 하부전극 상에 상기 페이스트를 코팅한 후 경화시켜 저항 변화
물질층을
형성한다(단계 c).
상기 페이스트의 코팅은 스핀 코팅, 블레이드 캐스팅, 잉크젯 프린팅 등에 의해 수행될 수 있으나 본 발명의 범위가 여기에 한정되지 않는다.
상기 경화는 열경화 또는 광경화에 의해 수행될 수 있으며, 바람직하게는 열경화에 의해 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 저항 변화
물질층
상에 상부전극을 형성한다(단계 d).
상기 상부전극은 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 원자층 증착법, 펄스레이저 증착법, 분자빔 성장법, 진공 열증착법, 진공 전자빔 증착법 등에 의해 형성할 수 있다.
상기 상부전극은 금속, 전도성 탄소재료, 전도성 고분자물질 등으로 형성할 수 있으며, 구체적인 재료는 앞서 설명한 바와 동일하므로 상세한 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하도록 한다.
[실시예]
실시예
1
(1) 은나노 분말 제조
은나노 분말(AgNP)은 직경 45nm로 제조되었다. 먼저, 물 29.719g에 Polyvinylpyrrolidone (Mw : 55000, Sigma Aldrich) 0.151g, Tri-sodium citrate (Sigma Aldrich) 0.048g, 글루코스 (glucose, 대정화금)을 녹여 30g의 수용액을 만들고, 이를 100℃까지 가열시킨 뒤, 물 5g에 질산은(Silver nitrate, Sigma Aldrich) 0.027g, 수산화암모늄 (ammonium hydroxide, 1mol/l, JUNSEI) 0.5g를 혼합한 용액을 10분 동안 일정한 속도로 넣어주었고, 총 30분에 걸쳐 3회 넣어주었다. 용액의 색이 청자색이 되면 반응을 종료시키는 방법으로 은나노 분말을 제조하였다.
(2) 페이스트 제조
상보형 저항 변화 충전재는 Ag 나노 분말 (직경: 45nm) 표면에 SiO2를 코팅하여 제조되었다. 먼저, 에탄올 용매 40㎖에 상기 방법에 따라 제조된 AgNP 을 분산시킨 이후에, TEOS (tetraethyl orthosilicate, Sigma Aldrich) 0.2g과 수산화암모늄(ammonium hydroxide, 28%, JUNSEI) 2㎖를 첨가한 후 40℃에서 일정 2시간 동안 반응시켜 AgNP 표면에 SiO2 절연층을 형성하였다. 이때, 반응 온도 및 TEOS 양 조절에 의해 SiO2의 코팅 두께를 조절하여 SiO2의 코팅 두께가 17nm가 되도록 하였다. 이와 같이 제조된 상보형 저항 변화성 충전재(SiO2@AgNP) 10mg을 1g의 PVA (Mw : 85000~124000, Sigma Aldrich) 및 9g의 물과 혼합하여 페이스트를 제조하였다.
(2) 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 제조
하부전극이 형성된 Pt/TiO2/SiO2/Si 하부기판 위에 상기 페이스트를 스핀코팅에 따라 코팅한 후 70℃에서 24시간 동안 경화시켜 저항 변화 물질층을 형성시켰다. 이와 같이 제조된 저항 변화 물질층 위에 열증착법과 마스크를 이용하여 패턴이 형성된 Ag 상부전극을 형성시켰다.
비교예
1
은나노 분말 대신에 은 나노와이어(평균입경 100nm)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자를 제조하였다.
[시험예]
시험예
1: 메모리 소자의 전기장 분포 분석
본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 전압 분포, 전기장 분포 및 필라멘트 통로가 형성된 모습을 도 1 내지 도 3에 각각 나타내었다.
도 1 내지 도 3에 따르면, 상부전극 또는 하부전극과 접촉하는 상보적 저항 변화성 충전재의 절연층 쉘의 두 부분에 각각 저항변화층이 형성되었으며, 대칭적인 전기장이 분포하고 전도성 코어 주위로 강한 전기장이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1의 비휘발성 상보적 저항 변화 소자의 경우 두 저항변화층이 절연 지지체에 의해 감싸진 구조이다. 또한, 전기장 세기 방향이 전도성 코어를 중심으로 하므로 1개의 소자에 단 2개의 필라멘트만 형성시켜 저항 변화가 제어되므로, 반복된 저항 변화 작동에도 안정적인 동작이 가능할 수 있다. 또한 각 셀간(cell-to-cell)의 작동에서 작동 전압 및 전류 영역이 일정하므로 소자의 신뢰성 확보가 가능함을 알 수 있다.
시험예
2: 상보적 저항 변화 메모리 소자의 물성
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 상보적 저항 변화 메모리 소자의 형태 및 유연성을 보여주는 이미지이고, 도 5는 실시예 1에 따라 제조된 상보형 저항 변화 메모리층의 투과도 및 이미지이다.
도 4 및 도 5에 따르면, 실시예 1의 메모리 소자가 유연하게 구부러지는 특성이 있으며, 또한 투명한 특성이 잘 구현되었음을 확인할 수 있었다.
시험예
3
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 나노와이어를 기반으로 한 상보적 저항 변화성 충전재의 배향에 따라 발생할 수 있는, 전극과의 비대칭적인 접촉에 따른 전기장을 도시한 것이다. 도 6에 따르면, 실시예 1과 비교예 1의 메모리 소자를 비교하여 비교예 1의 메모리 소자는 두 저항층에 비대칭적인 전기장이 형성될 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 위치하는 하부전극;
상기 하부전극 상에 위치한 저항 변화 물질; 및
상기 저항 변화 물질 상에 위치하는 상부전극;을 포함하고,
상기 저항 변화 물질은, 절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고,
상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 구형의 전도성 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어쉘 구조이고,
상기 하부전극과 상부전극은 각각 상보적 저항 변화성 충전재의 상이한 표면에 접촉하여, 별개의 두 저항층을 형성함으로써 하부전극; 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층; 및 상부전극;이 적층된 형태를 형성하고,
상기 제1 저항층과 제2 저항층에 대칭적인 전기장이 형성됨으로써 두 개의 저항변화 메모리가 대칭적으로 마주보는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 구형의 전도성 코어는 구형 탄소입자, 구형 금입자, 구형 백금입자, 구형 은입자 및 구형 구리입자 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 구형의 전도성 코어는 지름이 20 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연층 쉘의 두께는 10 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연층 쉘은 NiO, SiO2, TiO2, ZnO, HfO2, Nb2O5, MgO, Al2O3, Ta2O5, La2O, Cu2O, ZrO2, Fe2O3, SrTiO3, Cr 도핑된 SrZrO3, Pr0.7Ca0.3MnO3, Ag2S, Ag2Se, CuS, AgI, Ag2Te, Ag2HgI4, 및 Ag3SI 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연성 지지체는 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 폴리에스테르계 수지, 페놀계 수지, 폴리염화비닐, 폴리아세탈 및 폴리비닐알코올 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 대칭적인 전기장은 상기 구형의 전도성 코어를 기준으로 상기 제1 저항층과 제2 저항층에 각각 1개씩 형성된 필라멘트 전류 통로에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제9항에 있어서,
상기 각각 형성된 필라멘트 전류 통로는 대칭의 원뿔형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제10항에 있어서,
상기 필라멘트 전류 통로의 크기는 상기 구형의 전도성 코어의 지름 및 절연층 쉘의 코팅 두께 중에서 선택되는 1종 이상에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 제10항에 있어서,
상기 필라멘트 전류 통로의 크기는 상기 필라멘트 전류 통로의 최초 형성 시 설정되는 컴플라이언스(compliance) 전류에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자. - 삭제
- (a) 저항 변화 물질을 포함하는 페이스트를 제조하는 단계;
(b) 기판 상에 하부전극을 형성하는 단계;
(c) 상기 하부전극 상에 상기 페이스트를 코팅한 후 경화시켜 저항 변화 물질층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 저항 변화 물질층 상에 상부전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 저항 변화 물질은, 절연성 지지체; 및 상기 절연성 지지체 내에 분산되어 있는 상보적 저항 변화성 충전재;를 포함하고
상기 상보적 저항 변화성 충전재는,
(1) 용매에 구형 전도성 코어가 분산된 분산액을 분산시켜 코어 분산액을 제조하는 단계; 및
(2) 상기 코어 분산액에 절연성 고분자의 전구체를 첨가하여 반응시킴으로써 상기 구형 전도성 코어의 표면에 절연층을 코팅하는 단계;를 포함하는 제조방법에 따라 제조함으로써,
상기 상보적 저항 변화성 충전재는, 전도성 재료를 포함하는 구(sphere)형의 전도성 코어(core); 및 상기 코어 표면에 형성되고 절연성 재료를 포함하는 절연층 쉘(shell);을 포함하는 구형의 코어쉘 구조를 형성하고,
상기 하부전극과 상부전극은 각각 상보적 저항 변화성 충전재의 상이한 표면에 접촉하여, 별개의 두 저항층을 형성함으로써 하부전극; 제1 저항층; 도전층; 제2 저항층; 및 상부전극;이 적층된 형태를 형성하여 상기 제1 저항층과 제2 저항층에 대칭적인 전기장이 형성됨으로써 두 개의 저항변화 메모리가 대칭적으로 마주보는 구조를 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는, 비휘발성 상보적 저항 변화 메모리 소자의 제조방법. - 삭제
- 삭제
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