KR20020060331A - 탄소나노튜브를 이용한 ｍｒａｍ 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 테라비트급으로 고집적화가 가능한 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 MRAM 및 그 제조 방법(Vertical nano-size magnetic random access memory using carbon nanotubes)를 기재한다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 MRAM은 알루미나와 같은 절연막에 직경 수nm의 구멍을 수 nm 간격으로 형성하여 탄소나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법으로 나노 크기의 구멍 속에서 수직으로 배열시켜 채널로 이용한다. 탄소나노튜브를 양자점으로 이용하여 전자를 제한하는 구조로, 전자 몇 개로 MRAM을 구현할 수 있어 저전력 구동으로 여러 가지 장점을 지니고 있다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 MRAM 및 그 제조 방법(Vertical nano-size Magneto Random Access memory using carbon nanotubes)에 관한 것으로서, 상세히는 테라비트급으로 고집적화가 가능한 마그네틱 메모리소자(MRAM, Magneto Random Access Memory) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 실리콘 기판을 이용하여 제작하는 스위칭 소자는 기본적으로 불순물 확산 영역, 소자 분리 영역 및 채널이 수평적으로 연결된 구조를 가지고 있고, 또한 이러한 스위칭 소자를 여러개 집적화시킨 집적 회로도 개개의 스위칭 소자를 수평적으로 배열하여 집적화시키는 구조를 가지고 있을 뿐 만 아니라 실리콘 기판에 앞서 언급한 불순물 확산영역이나 소자 분리영역을 형성시킬 경우 공정상의 복잡성으로 인하여 미세화 및 집적화에 한계를 가지고 있었다. 기존의 미세한 스위칭 소자로서 가장 일반적으로 사용되고 있는 MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)의 경우, 실제로 최소 패턴 크기가 0.25μm인 256M DRAM에서 소자의 크기는 약 0.72μm2이고, 최소 패턴 크기가 0.18μm인 1G DRAM에서 소자의 크기는 약 0.32μm2이며, 최소 패턴 크기가 0.13μm인 4G DRAM에서 소자의 크기는 대략 0.18μm2이고, 최소 패턴 크기가 0.1μm인 16G DRAM에서 소자의 크기는 약 0.1μm2정도이다. 이러한 기존의 스위칭 소자가 가지는 미세화의 한계를 극복하기 위한 방안으로 탄소나노튜브를 이용한 개별 스위칭 소자가 제안되었지만 여전히 기존의 스위칭 소자와 유사한 형태의 수평적인 구조를 가지고 있고 더욱이 개개의 탄소나노튜브를 조작하는데 많은 제약이 있기 때문에 이러한 탄소나노튜브를 이용한 개별소자는 고밀도로 집적화시키는 것이 거의 불가능한 실정이다. 또 탄소나노튜브를화학기상증착법으로 직접 성장한다해도 한 개의 전자를 제어하는 소자를 설계하는 것은 불가능하다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 양자점으로 이용하여 전자를 제한하며 저전력 구동 및 테라비트급으로의 초소형화 및 고용량화가 가능한 탄소나노튜브를 이용한 MRAM 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 MRAM의 수직 단면도,
도 2는 도 2에 도시된 탄소나노튜브를 이용한 나노크기의 MRAM의 평면도,
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 MRAM 의 마그네틱 도메인의 스핀방향을 보인 개략적 사시도,
도 4은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 MRAM의 어레이 구조를 보인 개략적 구성도,
도 5a 내지 도 5e는 각각 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 MRAM의 제조 방법을 공정 단계별로 보여주는 수직 단면도들이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 MRAM은,
나노 미터 직경의 구멍들이 배열된 절연층;
상기 구멍들 속에 수직으로 형성된 탄소나노튜브들;
상기 구멍들이 메워지도록 절연층 증착된 부도체 박막;
상기 부도체 박막 상에 형성되며, 상기 각 탄소나노튜브의 상부에 전기적으로 접촉되도록 형성되는 자성 금속으로 된 드레인 전극들; 및
상기 절연층의 저면에 형성되며, 상기 각 탄소나노튜브 하부와 전기적으로 연결되는 자성 금속으로 된 소스 전극들;을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 메모리 소자에 있어서, 본 발명에 있어서, 상기 부도체 박막은 Al2O3또는 SiO2로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 드레인 전극 및 소스 전극은 Fe, Co. Ni 등의 자성금속으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한나노 크기의 MRAM 의 제조 방법은:
(가) 반도체 기판에 자성금속으로 소스 전극들을 형성하는 단계;
(나) 상기 반도체 기판의 상면에 부도체로 절연층을 형성하고, 상기 소스 전극에 대응하는 영역에 나노미터 직경의 구멍들을 나노미터 간격으로 형성하는 단계;
(다) 상기 구멍들 내의 소스 전극들 상에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키는 단계;
(라) 상기 구멍들이 메워지도록 상기 절연층 상에 부도체 박막을 증착시키는 단계; 및
(마) 상기 부도체 박막과 탄소나노튜브들 상부에 자성금속으로 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MRAM의 제작방법에 있어서, 상기 (나) 단계에서 상기 부도체는 Al2O3또는 SiO2이고, 상기 (다) 단계는 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기의 MRAM 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.
먼저 탄소나노튜브를 이용한 메모리소자에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 메모리소자의 수직 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노크기의 메모리 소자의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 메모리 소자의 단위 소자는 다음과 같은 구조를 갖는다.
먼저, 탄소나노튜브의 수직 성장 및 선택적 증착법에 의해 나노 크기의 구멍(10')들이 배열된 부도체 기판(10)에 탄소나노튜브(100)들이 배열된다. 배열된 탄소나노튜브(100)들의 둘레의 부도체 기판(10) 위에 구멍(10')이 메워지도록 부도체 박막(30)이 증착된다. 탄소나노튜브(10)들의 상하부에 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)들이 연결된다. 여기서, 상기 소스 전극(40) 및 드레인 전극(50)은 금속성 자성재료(Fe, Co, Ni)로 형성되며, 부도체 기판(10)으로 알루미나 또는 실리콘 옥사이드와 같은 절연막을 사용하며 구멍의 크기 및 구멍 사이의 간격은 수 nm로 조절가능하기 때문에 테라비트급으로 고집적화가 가능하다.
즉, 수직 방향으로 성장된 나노미터 크기 직경의 탄소나노튜브(100)를 양자점으로 이용하여 전자를 제한하고, 전자 몇개로 메모리를 구현할 수 있게 된다. 여기에서, 상기 소스 전극(40)에서 SPE(Spin Polarized Electron)이 공급되어, 드레인 전극(50)의 마그네틱 폴링(magnetic poling)에 따라 일반적인 TMR(Tunneling MagnetoRegistance)에서와 같은 MR(MagnetoResistance) 효과가 나타나게 된다. 도 6를 참조할 때, 탄소나노튜브의 직경은 1~200nm 정도이고, 부도체 박막(30)은 50~500nm의 폭으로 형성된다.
본 발명의 메모리 소자는 분극(polarized)된 마그네틱 도메인(magnetic domain)으로 전극을 형성하여 SPE의 MR 효과를 이용하여 정보를 읽어내게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 드레이 전극(50)과 소스 전극(40)의 자기 도메인(50a, 40a)의 스핀 방향이 같은 때에는 소스-드레인 간의 MR 이 낮아지고, 반대로 스핀방향이 다를 때에는 MR 이 높아진다. 여기에서 상기 탄소나노튜브(100)는 소수의 전자의 흐르는 채널을 제공한다.
도 4은 상기와 같은 메모리 소자(셀)에 의한 어레이 구조를 보인다. 도 4에 도시된 바와 같이 워드라인(Word Line)과 비트 라인(Bit Line)의 교차부위에 본 발명에 따른 자기 메모리 기억 소자 (MRAM Strage Cell)가 위치한다.
이상과 같은 본 발명의 메모리 소자는 기존의 TMR과 구조 및 기능면에서 큰 차이를 보인다. 종래의 TMR에서는 계면품질(interface quality)는 MR 비(ratio), 소자 작동 등과 직접적인 관계가 있다. 현재 높은 품질의 MTJ(Magnetic Tuneling Junction)를 구현하기 위해 절연장벽(insulating barrier)을 재현성 있게 만들기 위한 여러가지 산화(oxidation) 방법이 있으나, 재현성이나 높은 저항 등의 문제가 있어 실용화를 가로막고 있다. 그러나, 본 발명의 메모리 소자는 탄소나노튜브의 긴 전자분산거리(electron scattering length)를 이용할 경우 계면품질에 대한 제약이 현저히 줄어 들 것이며, 이론치에 가까운 MR 비를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 본 발명의 메모리 소자는 수십 나노미터에서 최대 1마이크론 이하로 구성이 가능하게 되므로 고집적화가 가능하게 된다. 이와 같이 구성된 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 메모리 소자는 소스 전극(40)과 드레인 전극(50) 사이에서 전류가 제한되고, 단위소자 크기가 나노미터급이므로 작은 부하로 전류 제어가 가능하므로 저전력특성의 장점을 지닌다.
이와 같은 구성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 메모리 소자는 도 5a 내지 도 5e에 도시된 바와 같은 방법으로 제작된다. 도시된 도면을 참조하여 본발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 메모리 소자의 제조 방법을 공정 단계별로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(200) 상에 자성재료로 소스 전극(40)들을 형성한다.
다음에, 도 5b에 도시된 바와 같이, Al2O3또는 SiO2등의 부도체로 절연층(10)을 형성하고, 소스 전극(40)에 대응하는 영역에 구멍(10')들을 형성한다.
다음에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 구멍(10') 내의 소스(40) 상에 탄소나노튜브(100)를 수직으로 성장시킨다. 즉, 구멍을 뚫어 탄소나노튜브를 성장시키면 구멍(10') 내에만 선택적으로 탄소나노튜브(100)가 증착된다. 이 구멍(10')들은 나노미터 크기의 구멍이 배열된 절연층(10)에 배열되도록 형성한다.
다음에, 도 5d에 도시된 바와 같이, 구멍(10')이 메워지도록 상기 절연층(10) 상에 부도체 박막(30)을 증착시킨다.
다음에, 도 5e에 도시된 바와 같이, 부도체 박막(30)과 탄소나노튜브(100) 상부에 자성재료로 드레인 전극(50)을 형성한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 나노 크기 메모리 소자는 알루미나 또는 실리콘옥사이드와 같은 절연막에 직경 수nm의 구멍이 수 nm 간격으로 형성되고, 여기에 탄소나노튜브를 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 방법으로 나노 크기의 구멍 속에서 수직으로 배열되어 채널로 이용된다.
따라서, 탄소나노튜브의 고유한 특성을 이용하여 기존의 반도체 기술의 한계를 극복할 수 있는 테라비트(Terabit) 급의 MRAM을 구성할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브를 양자점으로 이용하여 전자를 제한하는 구조로, 전자 몇 개로 MRAM을 구현할 수 있어 저전력 구동으로 여러 가지 장점을 지니고 있다.
Claims (6)
- 나노 미터 직경의 구멍들이 배열된 절연층;상기 구멍들 속에 수직으로 형성된 탄소나노튜브들;상기 구멍들이 메워지도록 절연층에 증착된 부도체 박막;상기 부도체 박막 상에 형성되며, 상기 각 탄소나노튜브의 상부에 전기적으로 접촉되도록 형성되는 자성 금속으로 된 드레인 전극들; 및상기 절연층의 저면에 형성되며, 상기 각 탄소나노튜브 하부와 전기적으로 연결되는 자성 금속으로 된 소스 전극들;을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM.
- 제 1 항에 있어서,상기 절연층은 Al2O3또는 SiO2로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 드레인 전극 및 소스 전극은 Fe, Co. Ni 등의 자성금속으로 형성되는 것을 특징으로하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM.
- (가) 반도체 기판에 자성금속으로 소스 전극들을 형성하는 단계;(나) 상기 반도체 기판의 상면에 부도체로 절연층을 형성하고, 상기 소스 전극에 대응하는 영역에 나노미터 직경의 구멍들을 나노미터 간격으로 형성하는 단계;(다) 상기 구멍들 내의 소스 전극들 상에 탄소나노튜브를 수직으로 성장시키는 단계;(라) 상기 구멍들이 메워지도록 상기 절연층 상에 부도체 박막을 증착시키는 단계; 및(마) 상기 부도체 박막과 탄소나노튜브들 상부에 자성금속으로 드레인 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 (나) 단계에서 상기 부도체는 Al2O3또는 SiO2인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM 제조방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,상기 (다) 단계는 화학기상법, 전기영동법 또는 기계적 압축법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 MRAM 제조방법.
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