KR20170115123A - Flexible Memristors for Application in Neural Devices and Method of forming the same - Google Patents
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Abstract
가요성을 가지는 멤리스터 및 그 제조방법이 개시된다. 멤리스터는 저항 변화를 위해 저항 변화층을 구비하며, 저항 변화층은 절연성 나노입자 및 절연성 유기물층을 가진다. 전계의 인가에 의해 전극으로부터 양이온은 절연성 나노입자와 절연성 유기물층의 계면으로 이동하고, 양이온 이동 채널을 형성한다. 양이온 이동 채널의 형성과 소멸에 의해 저항 변화 동작은 수행된다. 특히, 가요성의 특성에 따라 멤리스터를 외력의 인가를 통해 왜곡하더라도 저항 변화 특성은 유지된다.A MEMSlister having flexibility and a manufacturing method thereof are disclosed. The memristor has a resistance change layer for resistance change, and the resistance change layer has insulating nanoparticles and an insulating organic layer. The cation from the electrode moves to the interface between the insulating nanoparticle and the insulating organic layer by the application of an electric field, and forms a cation transport channel. The resistance change operation is performed by the formation and disappearance of the cation movement channel. Particularly, even if the memristor is distorted by application of an external force according to the characteristics of flexibility, the resistance change characteristic is maintained.
Description
본 발명은 멤리스터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가요성 특성을 가지고, 양이온 운송 채널을 형성할 수 있는 멤리스터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a memristor, and more particularly, to a memristor having flexibility characteristics and capable of forming a cation transport channel and a method of manufacturing the same.
멤리스터는 메모리와 저항의 특징을 동시에 가지는 소자를 지칭한다. 최근에 이는 비휘발성 메모리에 적용되고 있으며, 대표적인 메모리 소자로는 ReRAM이 있다. ReRAM은 저항 변화 물질이 사용되고, 저항의 변화를 통해 데이터의 기록 및 저장이 이루어진다. 데이터의 기록이 이루어지기 위해서는 저항의 변화가 수행되어야 하며, 데이터의 저장이 이루어지기 위해서는 변화된 저항은 일정한 값을 유지할 필요가 있다.A memristor refers to a device that simultaneously has both memory and resistive features. Recently, it has been applied to nonvolatile memory, and a typical memory device is ReRAM. The ReRAM uses a resistance change material, and the data is recorded and stored by changing the resistance. In order to record data, a change in resistance must be performed. In order to store data, the changed resistance needs to be maintained at a constant value.
최근에는 간단한 구조를 가지고, 빠른 동작 특성을 가진 2 단자 ReRAM 소자가 주목을 받고 있다. ReRAM에 사용되는 저항 변화 물질은 저항 상태의 긴 지속시간과 빠른 응답 특성이 요구된다. 또한, 고저항과 저저항 상태시에 인가되는 전압에 따라 흐르는 전류의 비율인 온/오프 비가 높을 것이 요구된다.In recent years, a two-terminal ReRAM device having a simple structure and a fast operation characteristic has been attracting attention. The resistance change material used in ReRAM requires a long duration of resistance and fast response characteristics. In addition, it is required that the on / off ratio, which is a ratio of a current flowing in accordance with a voltage applied in a high resistance state and a low resistance state, is high.
상술한 저항 변화 물질의 동작은 메모리 스위칭 모델로 설명될 수 있다. 메모리 스위칭 모델로는 박막 내부의 구조적 변화를 중심으로 설명하는 도전성 필라멘트 모델(Conducting Filament Model)과 쇼트키 장벽이나 내부 전기장의 변화에 의해 저항 변화를 설명하는 전기 스위칭 모델(Electric Switching Model)이 있다.The operation of the above-described resistance change material can be described by a memory switching model. Memory switching models include Conducting Filament Model, which focuses on structural changes in the thin film, and Electric Switching Model, which explains the resistance change by the change of Schottky barrier or internal electric field.
특히, 도전성 필라멘트 모델이 많이 사용되는 바, 이는 전극들에서 인가되는 전기적 스트레스에 의해 박막 내부로 금속 물질이 삽입되거나 내부 결함에 의해 금속성 필라멘트가 형성되는 것을 가정한다. 저항의 변화는 도전성 필라멘트의 형성(forming) 또는 도전성 필라멘트의 소멸(rupture)로 설명한다. 상기 이론에 따르면 Ag+ 및 Cu+와 같은 1 가 양이온은 전극으로부터 금속 산화물, 황화물, 금속 도핑물, 유기물 등으로 이루어진 저항 변화 물질로 유입되고, 음극에서 1가 양이온의 전기화학적 환원에 의해 저항의 감소 또는 도전성 필라멘트의 형성에 따른 저저항을 구현할 수 있다.In particular, a conductive filament model is widely used, which assumes that a metal material is inserted into the thin film due to electrical stress applied to the electrodes or a metallic filament is formed due to an internal defect. The change in resistance is explained by the formation of conductive filaments or the rupture of conductive filaments. According to the above theory, monovalent cations such as Ag + and Cu + are introduced into the resistance change material composed of metal oxide, sulfide, metal dopant, organic material and the like from the electrode, and decrease in resistance by electrochemical reduction of monovalent cations at the cathode A low resistance due to the formation of the conductive filament can be realized.
상술한 이론을 바탕으로 한 멤리스터는 CuO, Ag2S, Cu2O, TaOx, HfOx 또는 TiOx 등의 저항 변화 물질의 화학적 특성에 영향을 받는다. 따라서, 높은 온/오프 비를 구현하는데 어려움이 있다. 또한, 금속산화물 또는 금속황화물의 박막의 형태로 제공되므로 가요성을 확보하기 곤란한 단점이 있다.Memristors based on the above-mentioned theory are influenced by the chemical properties of resistance-changing materials such as CuO, Ag2S, Cu2O, TaOx, HfOx or TiOx. Therefore, there is a difficulty in realizing a high on / off ratio. In addition, since it is provided in the form of a thin film of metal oxide or metal sulfide, it is difficult to secure flexibility.
최근에는 멤리스터를 박막의 형태로 형성하지 않고, 나노입자들을 형성하여 스위칭 특성을 구현하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.In recent years, efforts have been made to realize switching characteristics by forming nanoparticles without forming a thin film of a memristor.
대한민국 공개특허 제2010-61405호는 나노입자를 팰렛 타입으로 형성하여 스위칭 소자를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 공개특허에서는 용액 상에서 나노 입자들을 형성하고, 가열 또는 열분해를 통해 금속 나노입자층을 형성하고 있다. 다만, 이는 팰렛 형태로 제작되며 가요성을 확보하는데는 어려움이 있다.Korean Patent Publication No. 2010-61405 discloses a method of manufacturing a switching device by forming nanoparticles into a pellet type. In the above-mentioned patent, nanoparticles are formed in a solution phase, and a metal nanoparticle layer is formed by heating or pyrolysis. However, this is made in the form of a pellet, and it is difficult to secure flexibility.
또한, 미국 공개특허 제2014/0197369호에서는 나노입자를 이용한 멤리스터 구조를 개시한다. 상기 공개특허에서는 양 전극들 사이에 나노입자들이 저항 변화 물질로 이용되고 있다. 또한, 저항 변화 물질의 위치를 고정하거나 안정화시키기 위해 절연층이 나타난다. 절연층은 무기물로 구성되며, 이 또한 가요성을 확보하는데 어려움이 있다.In addition, U.S. Published Patent Application No. 2014/0197369 discloses a memristor structure using nanoparticles. In the above patent, nanoparticles are used as resistance change materials between both electrodes. In addition, an insulating layer appears to fix or stabilize the location of the resistance-changing material. The insulating layer is composed of an inorganic material, which also has difficulty in ensuring flexibility.
또한, 멤리스터가 신경 회로망 등에 사용되는 신경 소자로 사용되기 위해서는 저항 스위칭 현상 이외에 나노 사이즈의 집적도, 기계적 변형이 수행되는 가요성 환경에서도 저항 스위칭 현상이 유지될 것이 요청된다.In addition, in order for a memristor to be used as a neural device used in a neural network, resistance switching phenomenon is required to be maintained even in a flexible environment in which nano-sized density and mechanical deformation are performed in addition to resistance switching phenomenon.
본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 가요성 특성을 가지는 멤리스터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a memristor having flexibility characteristics.
본 발명이 이루고자 하는 제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 멤리스터의 제조방법을 제공하는데 있다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a memristor to achieve the first technical object.
상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 가요성 기판; 상기 가요성 기판 상에 형성된 하부 전극; 상기 하부 전극 상에 형성되고, 절연성 나노입자와 절연성 유기물층 사이의 계면에 형성되는 양이온 이동 채널의 형성에 따른 저항 변화를 수행하는 저항 변화층; 및 상기 저항 변화층 상에 형성되는 상부 전극을 포함하는 가요성 멤리스터를 제공한다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a flexible substrate; A lower electrode formed on the flexible substrate; A resistance change layer formed on the lower electrode and performing a resistance change according to the formation of a cation transport channel formed at an interface between the insulating nanoparticle and the insulating organic layer; And an upper electrode formed on the resistance variable layer.
또한, 제2 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 기저 기판 상에 산화용 필름을 형성하는 단계; 상기 산화용 필름을 산화하여 절연성 나노입자를 형성하는 단계; 상기 절연성 나노입자들 사이의 이격공간을 매립하는 절연성 유기물층을 형성하여 저항 변화층을 형성하는 단계; 상기 저항 변화층을 상기 산화용 필름으로부터 이탈시키고, 가요성 기판 상의 하부 전극에 배치시키는 단계; 및 상기 배치된 저항 변화층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 가요성 멤리스터의 제조방법을 제공한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an oxidation film on a base substrate; Oxidizing the oxidation film to form insulating nanoparticles; Forming a resistance variable layer by forming an insulating organic layer filling a space between the insulating nanoparticles; Releasing the resistance-variable layer from the oxidation film and disposing the resistance-variable layer on the lower electrode on the flexible substrate; And forming an upper electrode on the disposed resistance-variable layer.
상술한 본 발명에 따르면, 절연성을 가진 나노입자와 절연성을 가진 유기물층을 저항 변화층으로 이용된다. 나노입자와 유기물층 사이의 계면을 통해 양이온 이동 채널이 형성되어 저항변화 메모리로 작동한다. 나노입자와 유기물층은 화학적 안정성을 가지므로 장시간 사용하더라도 동일한 동작 특성을 유지할 수 있다.According to the present invention described above, nanoparticles having an insulating property and an organic material layer having an insulating property are used as the resistance variable layer. A cation transport channel is formed through the interface between the nanoparticles and the organic layer to function as a resistance change memory. Since the nanoparticles and the organic layer have chemical stability, the same operating characteristics can be maintained even if they are used for a long time.
또한, 저항 변화층은 나노입자와 유기물층을 포함하므로 가요성의 특징을 가진다. 본 실시예에서 나타난 바와 같이 멤리스터에 대해 외력을 인가하여 휘어지게 한 상태에서도 실질적으로 동일한 전기적 특성을 유지한다. 이를 통해 가요성 특성을 가진 메모리 소자로 활용할 수 있다.Further, the resistance-variable layer has a characteristic of flexibility because it includes nanoparticles and an organic material layer. As shown in this embodiment, the MEMS maintains substantially the same electrical characteristics even when an external force is applied to the memristor to warp. This can be utilized as a memory device having flexibility characteristics.
따라서, 본 발명에서는 나노입자의 단층 또는 선택적 복수층을 도입하여 멤리스터의 집적도를 향상할 수 있으며, 가요성 환경에서도 저항 스위칭 특성을 유지할 수 있다. 이를 통해 신경 회로망 등의 신경 소자로 활용될 수 있는 기술적 잇점을 가진다.Therefore, in the present invention, integration of the memristor can be improved by introducing a single layer or selective layers of nanoparticles, and resistance switching characteristics can be maintained even in a flexible environment. It has a technical advantage that can be utilized as a neural device such as a neural network.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멤리스터의 단면도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 멤리스터 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2 내지 도 7의 공정을 통해 형성된 멤리스터의 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2 내지 도 7의 공정을 통해 형성된 멤리스터의 다른 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a memristor according to a preferred embodiment of the present invention.
2 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the MEMSistor device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
8 is a graph showing voltage-current characteristics of a MEMSistor formed through the processes of FIGS. 2 to 7 according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing other voltage-current characteristics of a MEMSistor formed through the processes of FIGS. 2 to 7 according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예Example
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멤리스터의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a memristor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 멤리스터는 가요성 기판(100), 하부 전극(110), 저항 변화층(120) 및 상부 전극(130)을 가진다.Referring to FIG. 1, a MEMSistor has a
가요성 기판(100)은 휨 특성을 가지는 재질이라면 어느 것이나 사용가능하며 재질에 대한 특별한 한정은 없다. 다만, 실시의 형태에 따라 가요성 기판(100)의 종류는 사용자에 따라 적절히 선택될 수 있는 바, 본 실시예에서는 일례로 PET(Polyethylene tetephthalate)를 사용한다.The
상기 가요성 기판(100) 상에는 하부 전극(110)이 형성된다. 하부 전극(110)은 전기적으로 음극의 특성을 가질 수 있는 물질이 선택될 수 있으며, 가요성 기판(110)과 높은 접착성을 가지는 물질이 바람직하다. 예컨대, ITO, IZO, GZO 또는 AZO 등이 하부 전극(110)으로 사용될 수 있으며, 금속물이 하부 전극(110)으로 사용될 수 있다.A
상기 하부 전극(110) 상에는 저항 변화층(120)이 형성된다. 저항 변화층(120)은 절연성 나노입자(121)와 절연성 유기물층(123)을 포함한다. 절연성 나노입자(121)는 절연성 유기물층(123) 내에 분산된 형태로 구비되거나, 상호간에 규칙적인 배열을 가지고 형성될 수 있다. 또한, 절연성 유기물층(123)은 절연성 나노입자들(121) 사이의 이격공간을 매립하는 양상으로 제공되고, 절연성 나노입자(121)의 적어도 일부 표면은 하부 전극(110) 또는 상부 전극(130)과 직접 접촉됨이 바람직하다.A resistance-
상기 저항 변화층(120)은 금속 이온 또는 양이온의 이동 채널을 제공할 수 있는 바, 이는 절연성 나노입자(121)와 절연성 유기물층(123) 사이의 계면에서 발생된다. The resistance-
또한, 상기 절연성 나노입자(121)는 금속 산화물, 금속 질화물 또는 고분자 화합물일 수 있다.In addition, the
또한, 상기 절연성 유기물층(123)은 폴리이미드, 폴리메타크릴산메틸 또는 폴리스타이렌 등일 수 있으며, 가요성을 가지고 절연 특성을 가진 고분자라면 어느 것이나 적용가능할 것이다.In addition, the insulating
상기 저항 변화층(120) 상에는 상부 전극(130)이 형성된다. 상부 전극(130)은 전기적으로 양극의 특성을 가질 수 있는 물질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다. 따라서, 상기 상부 전극(130)은 금속물을 포함할 수 있으며, Ag, Al, Ni, 또는 Cu 등의 금속물 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.An
다만, 본 실시예의 하부 전극(110)과 상부 전극(130)은 계면 접합 등에 따른 일함수의 고려가 큰 요소로 작용하지 않는다. 일함수의 고려는 반도체층과의 계면 접합 등에서 중요한 역할을 수행하나, 본 발명에서 전극들(110, 130)은 절연 특성을 가진 재질과 접합이 이루어진다. 따라서, 다양한 도전성 물질들이 전극으로 사용될 수 있으며, 상부 전극(130)이 전기적으로 음극 동작을 수행하고, 하부 전극(110)이 전기적으로 양극 동작을 수행할 수도 있다.However, the work function of the
다만, 상부 전극(130) 및 하부 전극(110) 중 어느 하나의 전극은 금속물로 구성됨이 바람직하다. 이는 양 전극들(110, 130) 사이의 전계의 인가에 의해 전극을 형성하는 금속물에서 금속 이온이 저항 변화층(120)으로 이동하도록 하기 위함이다.However, it is preferable that any one of the
상부 전극(130)과 하부 전극(110) 사이에 전계를 인가하면, 전계에 의해 상부 전극(130) 또는 하부 전극(110)의 금속 이온은 저항 변화층(120)으로 유입된다. 금속 이온은 절연물의 벌크 영역으로 이동할 수는 없으나, 본 발명의 절연성 나노입자(121)와 절연성 유기물층(123)의 계면으로 이동할 수 있다. 절연성 나노입자(121)는 안정적인 분자구조를 가지고 화학적인 안정성을 가지므로 절연성 유기물층(123)과 화학적 반응 또는 화학적 결합이 수행되지 않거나, 약한 결합력을 가진다. 따라서, 절연성 나노입자(121)과 절연성 유기물층(123) 사이의 계면 사이는 약한 결합력이 존재하거나 결합력이 미미한 상태가 된다.When an electric field is applied between the
따라서, 절연성 나노입자(110)와 절연성 유기물층(130)의 계면에는 전계에 의한 금속 이온의 이동 채널이 형성될 수 있다. 이를 통해 상부 전극(130)과 하부 전극(110)에는 도전성 필라멘트 또는 이온의 이동 채널이 형성될 수 있다.Accordingly, a metal ion migration channel can be formed at the interface between the insulating
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 멤리스터 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.2 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the MEMSistor device of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 기저 기판(10) 상에 산화용 필름(20)이 제공된다. 본 실시예에서 산화용 필름(20)은 금속의 산화를 통해 절연성 나노입자를 형성할 수 있는 금속 필름이다. 산화용 필름(20)은 기저 기판(10) 상에 형성되는 바, 예컨대 본 실시예에서는 산화용 필름(20)으로 알루미늄 필름이 제공된다. 또한, 기저 기판(10)으로 실리콘이 사용되고, 실리콘 기판 상에 알루미늄 필름이 형성된다.Referring to FIG. 2, an
상기 알루미늄 필름의 형성을 위해 열 증착법이 사용된다. 또한, 이외에도 다양한 금속물의 증착법을 사용하여 알루미늄 필름이 제작될 수 있다. 형성되는 알루미늄 필름은 약 5nm의 두께를 가질 수 있다. 다만, 알루미늄 필름의 두께는 이후의 공정에서 열산화를 통해 산화알루미늄 나노입자를 형성하는데 적합한 두께를 가지는 것이 바람직하다.A thermal evaporation method is used for forming the aluminum film. In addition, an aluminum film can be manufactured by using a vapor deposition method of various metals. The aluminum film to be formed may have a thickness of about 5 nm. However, it is preferable that the thickness of the aluminum film has a thickness suitable for forming aluminum oxide nanoparticles through thermal oxidation in a subsequent process.
또한, 알루미늄 필름은 패턴화된 형태로 제공될 수 있다. 즉, 증착을 통해 알루미늄 필름이 형성되고, 통상의 포토 리소그래피 공정을 통해 포토 레지스트 패턴을 형성하며, 이를 식각 마스크로 이용한 패터닝을 통해 패턴화된 알루미늄 필름을 형성할 수 있다. 이외에 섀도우 마스크를 이용한 증착을 통해 패턴화된 알루미늄 필름이 형성될 수 있다.Further, the aluminum film may be provided in a patterned form. That is, an aluminum film is formed through vapor deposition, a photoresist pattern is formed through a conventional photolithography process, and the patterned aluminum film can be formed through patterning using the photoresist pattern as an etching mask. In addition, a patterned aluminum film can be formed through vapor deposition using a shadow mask.
도 3을 참조하면, 산화용 필름(20)에 대한 열산화를 통해 산화용 필름(20)을 구성하는 금속에 대한 산화공정이 수행된다. 이를 통해 산화용 필름(20) 상에 금속산화물인 절연성 나노입자(121)가 형성된다.Referring to FIG. 3, an oxidation process for the metal constituting the
예컨대, 알루미늄 필름에 대한 열산화 공정을 통해 산화알루미늄 나노입자가 형성된다. 열산화를 위해 300℃ 내지 400℃의 온도 조건, 바람직하게는 약 350℃의 온도 조건에서 산소의 공급 또는 산소 환경에서 10분 내지 1시간, 바람직하게는 30분 동안 산화시킨다. 이를 통해 알루미늄 필름 상에 산화알루미늄 나노입자가 형성된다. 열산화 공정에 소요되는 시간이 1시간을 상회하면 나노입자의 형성이 확장되어 산화알루미늄 박막으로 형성될 수 있다. 또한, 10분 미만이면 나노입자가 충분히 형성되지 않는 문제가 발생된다.For example, aluminum oxide nanoparticles are formed through a thermal oxidation process on an aluminum film. Is oxidized for 10 minutes to 1 hour, preferably 30 minutes, in an oxygen supply or oxygen environment at a temperature condition of 300 DEG C to 400 DEG C, preferably about 350 DEG C, for thermal oxidation. Thereby forming aluminum oxide nanoparticles on the aluminum film. If the time required for the thermal oxidation process exceeds 1 hour, the formation of nanoparticles can be expanded and formed into an aluminum oxide thin film. If the time is less than 10 minutes, there arises a problem that nanoparticles are not sufficiently formed.
또한, 형성되는 산화알루미늄 나노입자들은 상호간에 이격공간을 가진다. 형성된 알루미늄 필름 상의 위치마다 표면 에너지의 차이는 작으므로 산화알루미늄 나노입자들은 알루미늄 필름 상에서 고른 분포를 가지며 형성되고, 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 또한, 형성되는 산화알루미늄 나노입자는 단층으로 형성된다. 즉, 나노입자들이 상부를 향해 복수로 겹쳐지는 양상은 나타나지 않는다.Further, the aluminum oxide nanoparticles to be formed have mutually spaced spaces. Since the difference in surface energy is small for each position on the formed aluminum film, the aluminum oxide nanoparticles are formed with uniform distribution over the aluminum film and can have a regular arrangement. Further, the aluminum oxide nanoparticles to be formed are formed as a single layer. That is, there is no appearance of a plurality of superimposed nanoparticles toward the upper part.
도 4를 참조하면, 절연성 나노입자(121) 사이의 이격공간을 매립하고, 절연성 나노입자(121) 상에 절연성 유기물층(123)이 형성된다. 이를 통해 저항 변화층(120)이 형성된다.Referring to FIG. 4, a spacing space between the insulating
본 실시예에서는 산화알루미늄 나노입자 상에 절연성 유기물층(123)으로 폴리이미드층이 형성된다. 폴리이미드층은 산화알루미늄 나노입자들 사이의 이격공간을 매립하며 형성된다. 이를 위해 폴리이미드 전구체로 phenylene biphenyltetracarboximide-type polymic acid가 이용되며, 용매로 N-methyl-2-pyrrolidone이 사용된다. 용매에 용해된 폴리이미드 전구체 용액은 스핀 코팅 공정 등을 통해 산화알루미늄 나노입자 상에 형성된다. 또한, 폴리이미드층을 형성학기 위해 350℃의 온도에서 1 시간 동안 경화된다. 이를 통해 산화알루미늄 나노입자들 사이의 이격공간을 매립하는 폴리이미드층을 형성할 수 있다.In this embodiment, the polyimide layer is formed of the insulating
또한, 상기 도 4에서 형성되는 폴리이미드층은 산화알루미늄 나노입자의 상부 표면의 일부를 노출하도록 형성됨이 바람직하다. 또한, 절연성 유기물층(123)은 폴리이미드 이외에 폴리메탈크릴산메틸 또는 폴리스타이렌 등이 사용될 수 있다. 또한, 절연성 유기물층(123)의 형성을 위해 스핀 코팅법 이외에 스프레이 코팅법 또는 진공 열증착법 등이 사용될 수 있다. It is preferable that the polyimide layer formed in FIG. 4 is formed to expose a part of the upper surface of the aluminum oxide nanoparticles. As the insulating
도 5를 참조하면, 절연성 나노입자(121)와 절연성 유기물층(123)으로 구성된 저항 변화층(120)을 산화용 필름(20)으로부터 이탈시킨다.Referring to FIG. 5, the resistance-
예컨대, 상기 도 4에서 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층으로 구성된 저항 변화층(120)에 접착성 또는 점착성을 가진 플라스틱 테이프가 적용될 수 있다. 본 실시예에서는 3M사의 item no. 9080이 사용된다. 플라스틱 테이프를 폴리이미드층 상부에 단단히 접착시킨 후, 테이프를 당기면 산화알루미늄 나노입자과 폴리이미드층으로 구성된 저항 변화층(120)은 산화용 필름(20)인 알루미늄 필름으로부터 이탈된다. 특히, 산화알루미늄 나노입자는 폴리이미드 필름에 의해 고정되고, 하부의 알루미늄 필름과는 이질적인 물성을 가진다. 이는 폴리이미드 필름과 알루미늄 필름 사이에서도 동일하게 적용된다. 따라서, 이질적인 물성을 가지는 양 물질층의 결합력은 감소되므로 테이프를 통한 박리 작용이 용이하게 수행될 수 있다.For example, in FIG. 4, a plastic tape having adhesiveness or adhesiveness can be applied to the resistance-
도 6을 참조하면, 하부 전극(110)이 형성된 가요성 기판(100) 상에 저항 변화층(120)을 배치시킨다.Referring to FIG. 6, the resistance-
예컨대, 가요성 기판(100)과 하부 전극(110)으로는 PET와 ITO가 사용된다. 즉, PET 기판 상에 ITO가 형성된 상태에 저항 변화층(120)을 구성하는 산화알루미늄 나노입자과 폴리이미드층이 전사된다.For example, PET and ITO are used for the
먼저, 상기 도 5에서 박리되고 테이프에 고정된 산화알루미늄 나노입자과 폴리이미드층은 탈이온수로 세정된다. 이를 통해 저항 변화층(120)의 노출된 표면에 부착될 수 있는 이물질은 제거된다. 탈이온수로 세정된 저항 변화층(120)은 상온에서 건조하여 탈이온수를 제거한다. 또한, 산화알루미늄 나노입자과 폴리이미드층을 하부 전극(110)이 형성된 가요성 기판(100)에 고정하기 위해 열압착 공정이 수행될 수 있다. 열압착을 통해 폴리이미드층은 하부 전극인ITO 상에 부착되고, 산화알루미늄 나노입자는 하부 전극(110)과 접촉할 수 있다.First, the aluminum oxide nanoparticles and the polyimide layer, which are peeled and fixed to the tape in Fig. 5, are cleaned with deionized water. This removes foreign matter that may adhere to the exposed surface of the resistance-
또한, 사용된 테이프의 제거를 위해 저항 변화층(120)이 고정된 가요성 기판(100)은 아세톤에 침지되고, 이를 통해 테이프는 용해된다.Further, in order to remove the used tape, the
도 7을 참조하면, 도 6에 개시된 구조물에 통상의 증착법을 이용하여 상부 전극(130)을 형성한다. 예컨대, 상부 전극(130)을 구성하는 물질로 Ag가 사용될 수 있다. 섀도우 마스크를 이용한 진공 열증착을 통해 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층 상에 Ag로 구성된 상부 전극(130)이 형성된다.Referring to FIG. 7, an
상술한 과정을 통해 하부 전극(110)이 형성된 가요성 기판(100) 상에 저항 변화층(120)을 전사하고, 그 상부에 상부 전극(130)을 형성할 수 있다.The
또한, 상기 도 2 내지 도 7에서는 산화알루미늄 나노입자가 단일층으로 형성된 것을 도시하고 있으나, 실시의 형태에 따라 상기 도 4에 형성된 저항 변화층은 다수 구비될 수 있다. 즉, 제조공정에서 도 4 및 도 5에 따라 형성된 저항 변화층을 복수개로 형성하고, 도 6의 공정에서 저항 변화층을 복수개로 배치하는 과정을 통해 산화알루미늄 나노입자가 복수개의 층으로 형성된 저항 변화층을 형성할 수 있다.2 to 7 illustrate that the aluminum oxide nanoparticles are formed as a single layer. However, according to the embodiment of the present invention, a plurality of resistance change layers may be provided in the resistance change layer shown in FIG. That is, a plurality of resistance-variable layers formed according to FIGS. 4 and 5 are formed in the manufacturing process, and a plurality of resistance-variable layers are arranged in the process of FIG. 6, Layer can be formed.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2 내지 도 7의 공정을 통해 형성된 멤리스터의 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.8 is a graph showing voltage-current characteristics of a MEMSistor formed through the processes of FIGS. 2 to 7 according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 기저 기판으로 실리콘이 사용되며, 산화용 필름으로 알루미늄 필름이 이용된다. 알루미늄 필름이 두께는 5nm이다. 또한, 산화알루미늄 나노입자는 단층으로 350℃의 산소 환경에서 30분 동안 열산화 공정을 통해 형성된다. 사용되는 절연성 유기물층은 폴리이미드이며 7800 rpm의 속도로 전구체 용액을 스핀 코팅하여 형성한다. 또한, 폴리이미드의 경화 온도는 350℃이며, 경화 시간은 1시간이다. 또한, 사용되는 상부 전극은 Ag이며, 하부 전극은 ITO이며, 가요성 기판은 PET이다.Referring to FIG. 8, silicon is used as a base substrate, and an aluminum film is used as an oxidation film. The thickness of the aluminum film is 5 nm. In addition, aluminum oxide nanoparticles are formed as a single layer through a thermal oxidation process in an oxygen environment at 350 DEG C for 30 minutes. The insulating organic layer used is polyimide and is formed by spin coating the precursor solution at a rate of 7800 rpm. The curing temperature of the polyimide is 350 占 폚, and the curing time is 1 hour. Further, the upper electrode used is Ag, the lower electrode is ITO, and the flexible substrate is PET.
상기 도 8에서 가요성을 가진 멤리스터는 휘어지기 이전의 상태로 평탄한 정상적인 상태에서 전기적 특성이 측정된다. 또한, 하부 전극은 음극으로 사용되고, 상부 전극은 양극으로 사용된다. 따라서, 양극과 음극에 전압차를 인가하고 저항 변화층을 흐르는 전류가 측정된다.In FIG. 8, the flexible MEMSistor measures electrical characteristics in a flat and normal state before being bent. Further, the lower electrode is used as a cathode, and the upper electrode is used as an anode. Therefore, a voltage difference is applied to the positive electrode and the negative electrode, and a current flowing through the resistance variable layer is measured.
먼저, 0V에서 2.5V까지 전압이 상승된다. 전압의 상승시, 저항 변화층에서는 어떠한 전기적 신호의 인가에 따른 전도성 채널 또는 도전성 필라멘트의 형성은 없는 것으로 가정한다. 최초 OV에서 2.5V 까지의 전압 상승은 경로 (1)로 표시된다. 상기 경로 (1)에서 10-8 내지 10-7 스케일의 낮은 전류가 흐른다. 이는 멤리스터가 고저항 상태임을 나타낸다.First, the voltage is raised from 0V to 2.5V. It is assumed that there is no formation of a conductive channel or conductive filament due to the application of any electrical signal in the resistance variable layer when the voltage rises. The voltage rise from the first OV to 2.5V is indicated by path (1). A low current of 10-8 to 10-7 scale flows in the path (1). This indicates that the memristor is in a high resistance state.
전압이 2.5V 이상에서 전류는 10-1 스케일로 급격히 증가한다. 즉, 멤리스터는 저저항 상태로 진입한다. 이는 양극에서의 Ag+ 이온이 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층 사이의 계면을 타고 흐르며, 환원 반응 등을 통해 도전성 필라멘트 등의 양이온 이동 채널을 형성한 것으로 이해된다. 형성된 양이온 이동 채널에 의해 멤리스터는 저저항 상태를 유지한다. 즉, 전압을 경로 (2)와 같이 0V로 감소시키더라도 본 발명의 멤리스터는 저저항 상태를 유지함을 알 수 있다. 특히, 1V에서 두 저항 상태 사이의 최대 전류비는 106 스케일로 나타난다.When the voltage exceeds 2.5 V, the current rapidly increases to 10 -1 scale. That is, the memristor enters a low resistance state. It is understood that the Ag + ions in the anode flow along the interface between the aluminum oxide nanoparticles and the polyimide layer and form a cation transport channel such as a conductive filament through a reduction reaction or the like. The formed cation transport channel maintains the low resistance state of the memristor. That is, even if the voltage is reduced to 0V as in the path (2), it can be seen that the memristor of the present invention maintains a low resistance state. In particular, the maximum current ratio between the two resistance states at 1 V appears at 106 scales.
계속해서 경로 (3)을 따라 0V에서 -5V까지 전압을 감소시킨다. 상기 경로에서 OV에서 -4.2V 까지는 저저항 상태를 유지하며, -4.2V 근방에서 고저항 상태로 진입한다. 또한, 경로 (4)에 나타나는 바와 같이 -5V에서 0V까지 전압을 상승시키더라도 고저항 상태는 유지됨을 알 수 있다. -4.2V 근처에서 저저항 상태로부터 고저항 상태로의 변경은 도전성 필라멘트 등의 양이온 이동 채널의 소멸로 해석된다. 즉, 절연성 나노입자인 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층 사이의 계면에 형성된 금속성 경로 또는 금속 이온성 경로는 음전압의 인가에 의해 산화되거나 금속 이온인 Ag+가 양극으로 이동함을 의미한다. 이를 통해 양극에서 음극으로의 전하의 이동 또는 금속 이온의 이동은 실질적으로 차단되어 고저항 상태로 변경된다.Subsequently, the voltage is decreased from 0 V to -5 V along the path (3). In this path, a low resistance state from OV to -4.2V is maintained, and a high resistance state is entered from around -4.2V. Also, as shown in the path (4), it can be seen that the high resistance state is maintained even when the voltage is raised from -5V to 0V. The change from the low resistance state to the high resistance state at about -4.2 V is interpreted as the disappearance of the cation moving channel such as the conductive filament. That is, the metallic path or the metal ionic path formed at the interface between the aluminum oxide nanoparticles and the polyimide layer, which are insulating nanoparticles, is oxidized by the application of a negative voltage or the metal ion Ag + moves to the anode. Whereby the movement of the charge from the anode to the cathode or the migration of the metal ions is substantially blocked and changed to a high resistance state.
고저항 상태로 진입된 후, 경로 (5) 및 경로 (6)을 따라 전압은 0V에서 3V까지 상승한다. 경로 (5)에서 나타나는 바와 같이 고저항 상태는 약 1.4V까지 유지되며, 약 1.4V에서 고저항 상태는 저저항 상태로 변경된다. 저저항 상태로 진입 후, 경로 (6)을 따라 0V까지 전압의 감소가 일어나더라도 본 발명의 멤리스터는 저저항 상태를 유지함을 알 수 있다.After entering the high resistance state, the voltage rises along
또한, 경로 (3) 내지 경로 (6)의 과정에서 1V에서의 양 상태 사이의 전류비는 104 스케일임을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명의 멤리스터는 저항 변화 메모리로 사용할 수 있음을 알 수 있다.It can also be seen that in the course of path (3) to path (6), the current ratio between both states at 1 V is 104 scales. As a result, it can be seen that the memristor of the present invention can be used as a resistance change memory.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 2 내지 도 7의 공정을 통해 형성된 멤리스터의 다른 전압-전류 특성을 도시한 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing other voltage-current characteristics of a MEMSistor formed through the processes of FIGS. 2 to 7 according to a preferred embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 멤리스터의 제조 및 재질은 상기 도 9에 설명된 바와 동일하다. 다만, 도 9에서는 가요성을 가진 멤리스터에 외력을 인가하여 휘어진 상태에서 전기적 특성이 측정된다. 외력의 인가를 통해 멤리스터는 곡률반경 10mm의 곡선의 형상으로 휘어진 상태이다.Referring to FIG. 9, the fabrication and material of the memristor are the same as those described in FIG. 9 above. However, in FIG. 9, an external force is applied to a flexible memristor to measure electrical characteristics in a bent state. Through the application of the external force, the memristor is bent in a curved shape with a radius of curvature of 10 mm.
상기 도 9에서는 경로 (1)에서의 전류 특성이 상기 도 8과 다소 차이를 보인다. 이는 휘어짐에 따라 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층으로 형성된 저항 변화층의 양 표면에서의 조직의 치밀도 차이에서 발생하는 현상으로 이해된다. 즉, 최초 양이온 이동 채널의 형성시, 휨 현상에 의해 산화알루미늄 나노입자와 폴리이미드층 사이의 계면은 상기 도 8에 비해 더 큰 간극을 가질 수 있다. 이를 통해 전압의 증가에 따라 전류가 상승할 수 있는 것으로 이해된다.In FIG. 9, the current characteristics in the path (1) are slightly different from those in FIG. This is understood to be a phenomenon occurring in the density difference of the structure on both surfaces of the resistance variable layer formed of the aluminum oxide nanoparticles and the polyimide layer according to the warp. That is, the interface between the aluminum oxide nanoparticles and the polyimide layer may have a larger gap than that of FIG. 8 due to the warping phenomenon at the time of forming the first cation transport channel. It is understood that the current can be increased with the increase of the voltage.
다만, 경로 (1)을 통해 저저항 상태로 진입한 이후에는 경로 (2) 내지 경로 (6)까지는 상기 도 8과 동일한 거동을 보임을 알 수 있다.However, after entering the low resistance state through the path (1), the paths (2) to (6) show the same behavior as in FIG.
이는 본 발명의 멤리스터가 휘어지기 이전의 동작 상태와 휘어진 이후의 동작 상태가 실질적으로 동일함을 나타내며, 이를 통해 가요성을 가지고, 기판의 휨 현상이 발생되더라도 저항변화 메모리로의 정상적인 사용이 가능함을 알 수 있다.This indicates that the operating state of the memristor according to the present invention is substantially the same as the operating state before the bending of the MEMS according to the present invention, and thus the bending phenomenon of the substrate can be normally used. .
따라서, 본 발명에서는 절연성을 가진 나노입자와 절연성을 가진 유기물층을 저항 변화층으로 이용한다. 나노입자와 유기물층 사이의 계면을 통해 양이온 이동 채널이 형성되어 저항변화 메모리로 작동한다. 나노입자와 유기물층은 화학적 안정성을 가지므로 장시간 사용하더라도 동일한 동작 특성을 유지할 수 있다.Therefore, in the present invention, nanoparticles having an insulating property and an organic material layer having an insulating property are used as resistance change layers. A cation transport channel is formed through the interface between the nanoparticles and the organic layer to function as a resistance change memory. Since the nanoparticles and the organic layer have chemical stability, the same operating characteristics can be maintained even if they are used for a long time.
또한, 저항 변화층은 나노입자와 유기물층을 포함하므로 가요성의 특징을 가진다. 본 실시예에서 나타난 바와 같이 멤리스터에 대해 외력을 인가하여 휘어지게 한 상태에서도 실질적으로 동일한 전기적 특성을 유지한다. 이를 통해 가요성 특성을 가진 메모리 소자로 활용할 수 있다.Further, the resistance-variable layer has a characteristic of flexibility because it includes nanoparticles and an organic material layer. As shown in this embodiment, the MEMS maintains substantially the same electrical characteristics even when an external force is applied to the memristor to warp. This can be utilized as a memory device having flexibility characteristics.
100 : 가요성 기판
110 : 하부 전극
120 : 저항 변화층
121 : 절연성 나노입자
123 : 절연성 유기물층
130 : 상부 전극100: Flexible substrate 110: Lower electrode
120: resistance variable layer 121: insulating nanoparticle
123: insulating organic layer 130: upper electrode
Claims (10)
상기 가요성 기판 상에 형성된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성되고, 절연성 나노입자와 절연성 유기물층 사이의 계면에 형성되는 양이온 이동 채널의 형성에 따른 저항 변화를 수행하는 저항 변화층; 및
상기 저항 변화층 상에 형성되는 상부 전극을 포함하는 가요성 멤리스터.A flexible substrate;
A lower electrode formed on the flexible substrate;
A resistance change layer formed on the lower electrode and performing a resistance change according to the formation of a cation transport channel formed at an interface between the insulating nanoparticle and the insulating organic layer; And
And an upper electrode formed on the resistance variable layer.
상기 산화용 필름을 산화하여 절연성 나노입자를 형성하는 단계;
상기 절연성 나노입자들 사이의 이격공간을 매립하는 절연성 유기물층을 형성하여 저항 변화층을 형성하는 단계;
상기 저항 변화층을 상기 산화용 필름으로부터 이탈시키고, 가요성 기판 상의 하부 전극에 배치시키는 단계; 및
상기 배치된 저항 변화층 상에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함하는 가요성 멤리스터의 제조방법.Forming an oxidation film on the base substrate;
Oxidizing the oxidation film to form insulating nanoparticles;
Forming a resistance variable layer by forming an insulating organic layer filling a space between the insulating nanoparticles;
Releasing the resistance-variable layer from the oxidation film and disposing the resistance-variable layer on the lower electrode on the flexible substrate; And
And forming an upper electrode on the disposed resistance-variable layer.
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