KR20220080408A - 전도성 고분자를 이용한 저항성 랜덤 액세스 메모리 및 그 제조 방법 - Google Patents

전도성 고분자를 이용한 저항성 랜덤 액세스 메모리 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법에 관한 것으로서, 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 하부 전극을 형성하는 단계, 전도성 고분자 물질을 이용하여 상기 하부 전극 상에 산화물층을 형성하는 단계 및 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 상기 산화물층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 저항성 랜덤 액세스 메모리를 제조하는데 있어서 공정비용과 공정에 걸리는 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

전도성 고분자를 이용한 저항성 랜덤 액세스 메모리 및 그 제조 방법 {Resistive random-access memory using conductive polymer, and fabrication method thereof}
본 발명은 저항성 랜덤 액세스 메모리(Resistive random-access memory, ReRAM)에 관한 것이다.
본 과제(결과물)는 교육부와 한국연구재단의 재원으로 지원을 받아 수행된 사회맞춤형 산학협력 선도대학(LINC+) 육성사업의 연구결과입니다.
저항성 랜덤 액세스 메모리(Resistive random-access memory, ReRAM)는 금속 산화물을 이용하여 금속/금속산화물/금속(Metal-Oxide-Metal)의 구조로서, 적당한 전기적 신호를 금속 산화물에 인가하면, 금속 산화물이 높은 저항 상태(HRS: High Resistance State)에서 낮은 저항 상태(LRS: Low Resistance State), 또는 그 반대의 상태로 변하는 가변 저항 특성이 나타난다. 저항성 랜덤 액세스 메모리의 가변 저항 특성에 대한 연구가 오랫동안 진행되어 왔으며 그 결과 다음과 같은 전도성 필라멘트(conducting filament) 모델이 제시되고 있다.
도 1은 저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 저항성 랜덤 액세스 메모리는 하부 전극(Bottom Electrode), 금속 산화물층(Metal Oxide), 상부 전극(Top Electrode)으로 형성되어 있다.
저항성 랜덤 액세스 메모리는 산화물 재료의 저항변화 특성을 이용한 비휘발성 메모리 소자로 Metal-Oxide-Metal 구조로 이루어져 있으며, 간단한 구조로 인해 고집적 메모리 구현에 유리하다.
금속 산화물 내에서 구조적인 변화가 생겨 본래의 금속 산화물과 저항 상태가 다른 도전성 경로(CP: Conductive Path), 즉 전도성 필라멘트가 형성될 수 있다. 이 모델에 따르면, 전기적 프로세스(일반적으로, forming process라고 함)에 의해 박막 내부로 전극 금속 물질이 확산 또는 주입되거나 박막 내 결함 구조의 재배열에 의해 전도성이 매우 높은 전도성 필라멘트가 형성될 수 있다. 이 전도성 필라멘트는 국부적 영역에서의 줄 히팅(joule heating)에 의해 파괴되고, 박막 내 온도, 박막 외부 온도, 인가된 전기장, 공간 전하(space charge) 등과 같은 요인에 의해 다시 생성됨에 따라, 가변 저항 특성이 나타날 수 있다.
이러한 가변 저항 특성을 갖는 저항성 메모리 장치는 기존의 플래시 메모리보다 매우 빠른 동작 속도를 갖고, DRAM과 같이 낮은 전압에서도 동작하고, SRAM과 같이 빠르게 읽고 쓸 수 있다. 또한, 저항성 메모리 장치는 비교적 간단한 구조를 가지기 때문에 공정상 발생할 수 있는 결함을 줄이고, 제조 비용을 낮출 수 있다. 이러한 장점으로 인해 저항성 메모리 장치는 차세대 플래시 메모리를 대체하는 메모리 소자로 주목받고 있다.
종래 저항성 랜덤 액세스 메모리에서 활성층의 재료로서 금속이 주로 사용되었는데, 스핀코팅, 스프레이코팅, 인쇄공정 등을 적용할 수 없고, 고진공 환경이 필수적이어서, 고가의 공정비용이 소요되고, 공정시간이 증가하게 되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2008-0082616
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스핀코팅, 스프레이코팅, 인쇄공정 등을 적용할 수 있는 전도성 고분자를 이용한 저항성 랜덤 액세스 메모리 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법에 관한 것으로서, 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 하부 전극을 형성하는 단계, 전도성 고분자 물질을 이용하여 상기 하부 전극 상에 산화물층을 형성하는 단계 및 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 상기 산화물층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))으로 이루어질 수 있다.
상기 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 저항성 랜덤 액세스 메모리는 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성되는 산화물층 및 상기 산화물층 상에 형성되는 상부 전극을 포함한다. 이때, 상기 하부 전극 및 상부 전극은 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 형성되고, 상기 산화물층은 전도성 고분자 물질을 이용하여 형성된다.
상기 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))로 이루어질 수 있다.
상기 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 의하면, 전도성 고분자를 이용하여 저항성 랜덤 액세스 메모리를 제조함으로써, 스핀코팅, 스프레이코팅, 인쇄공정 등을 적용할 수 있고, 고진공이 필요치않고 상압에서 저온공정으로 전 공정을 진행할 수 있으므로, 저항성 랜덤 액세스 메모리를 제조하는데 있어서 공정비용과 공정에 걸리는 시간을 절감할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 저 비용의 차세대 메모리 소자 제작 기술로서, ReRAM의 저항변화 특성을 활용하여 뉴로모픽 시스템의 시냅스 소자로 활용이 가능하고, PEDOT:PSS를 투명전극으로 활용하여 다양한 광전소자의 전극 물질로도 활용이 가능하다.
도 1은 저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 공정을 보여주는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 특성 곡선을 도시한 것이다.
본 명세서에서 개시된 실시 예의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에서 제안하고자 하는 실시 예는 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 실시 예들의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 개시된 실시 예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 개시된 실시 예들의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 관련 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 상세한 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서의 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수인 것으로 특정하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 저항성 랜덤 액세스 메모리는 하부 전극(110), 산화물층(120), 상부 전극(130)을 포함한다.
산화물층(120)은 하부 전극(110) 상에 형성되고, 상부 전극(130)은 산화물층(120) 상에 형성된다.
본 발명에서 하부 전극(110) 및 상부 전극(130)은 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 형성된다.
그리고, 산화물층(120)은 전도성 고분자 물질을 이용하여 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))일 수 있다.
그리고, 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
도 2의 실시예에서 하부 전극(110)과 상부 전극(130)은 PEDOT:PSS에 유기 용매인 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG)을 첨가한 것을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명에서 전도성 고분자 물질인 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))는 낮은 전도성으로 인해 금속 산화물(Metal Oxide)의 대체가 가능하다. 또한, PEDOT:PSS는 화학처리에 따라 전도성이 개선되어 금속(Metal) 전극의 대체가 가능하다. 따라서, 본 발명에서는 PEDOT:PSS 물질 하나만으로 Metal-Oxide-Metal을 모두 구현하는 방식으로 저항성 랜덤 액세스 메모리를 제조하는 방법을 제안한다.
본 발명에서 금속(Metal) 물질의 전극을 대체하기 위해, PEDOT:PSS에 에틸렌글리콜(Ethylene glycol, EG)이나 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide)와 같은 유기용매를 일정량 첨가하여, 전도성이나 일함수를 개선하는 방식으로 상부전극과 하부 전극을 형성하고, 상부전극과 하부전극 사이에 위치하는 산화물층에는 화학처리하지 않은 PEDOT:PSS를 사용한다.
도 2에서 PEDOT:PSS만을 활용한 저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조가 도시되어 있다. 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조시에 PEDOT:PSS를 활용하면, 액상으로 공정을 진행할 수 있으므로, 스핀코팅, 스프레이코팅, 인쇄공정 같은 양산대응이 바로 가능하며, 고진공이 필요 없이 상압에서 저온공정으로 모든 공정이 가능하여, 공정비용이나 시간을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법은 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 하부 전극(110)을 형성하는 단계(S110), 전도성 고분자 물질을 이용하여 하부 전극(110) 상에 산화물층(120)을 형성하는 단계(S120) 및 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 산화물층(120) 상에 상부 전극(130)을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))일 수 있다.
그리고, 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 공정을 보여주는 것이다.
저항성 랜덤 액세스 메모리의 구조는 상부전극(130)과 하부전극(110) 사이에 산화물층(120)이 삽입되어 있는 구조인다.
먼저 하부 전극(110)을 형성하기 위해, PEDOT:PSS에 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 등과 같은 유기용매를 일정 비율(6~12 vol%) 섞은 용액에 대해 스핀코터를 이용하여 스핀코팅을 진행하되, 1000rpm의 회전속도로 30초 동안 스핀코팅 공정을 진행하여 얇게 편 다음, 120 ℃에서 3분 정도 열처리를 하여 박막을 형성한다. 이처럼, 본 발명에서 PEDOT:PSS에 유기용매를 섞으면 전도성이 급격히 개선되므로 금속 전극의 대체가 가능하다.
이후, 산화물층(120)을 형성하기 위해서 아무것도 섞지 않은 PEDOT:PSS 용액에 대해 스핀코터를 이용하여 스핀코팅을 진행하되, 1000rpm의 회전속도로 30초 동안 스핀코팅 공정을 진행하여 얇게 편 다음, 120 ℃에서 5분 정도 열처리를 진행한다.
마지막으로 하부 전극(110)과 동일한 공정을 통해 상부 전극(130)을 형성한다.
전술한 모든 공정에서, 열처리 온도는 100~150 ℃ 로 변동 가능하고, 열처리 시간은 1~5분으로 변동 가능하다. 그리고, 스핀 코팅 공정은 800~2000rpm의 회전 속도와 30초~1분 공정 시간으로 변동 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항성 랜덤 액세스 메모리 특성 곡선을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 저항성 랜덤 액세스 메모리는 HRS(high resistance state), LRS(low resistance state) 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
기존에 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자를 제작하기 위해서는, 고가의 반도체 장비를 활용하여, 고 진공하에서 제작이 되어 비용이 높고 시간이 오래 걸린다. 그러나 본 발명에서 제안하는 방법은 인쇄공정 대응이 가능한 용액공정만으로 저항성 랜덤 액세스 메모리 소자 제작이 가능하여, 시간이나 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 하부 전극 120 산화물층
130 상부 전극

Claims (6)

  1. 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 하부 전극을 형성하는 단계;
    전도성 고분자 물질을 이용하여 상기 하부 전극 상에 산화물층을 형성하는 단계; 및
    전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 상기 산화물층 상에 상부 전극을 형성하는 단계
    를 포함하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))인 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리 제조 방법.
  4. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 형성되는 산화물층; 및
    상기 산화물층 상에 형성되는 상부 전극을 포함하며,
    상기 하부 전극 및 상부 전극은 전도성 고분자 물질에 유기 용매를 첨가한 것을 이용하여 형성되고,
    상기 산화물층은 전도성 고분자 물질을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전도성 고분자 물질은 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate))인 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유기 용매는 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디메틸술폭시드(Dimethyl sulfoxide), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저항성 랜덤 액세스 메모리.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20080082616A (ko) 2005-12-02 2008-09-11 이데미쓰 고산 가부시키가이샤 Ｔｆｔ 기판 및 ｔｆｔ 기판의 제조 방법

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