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경식 위
4 years ago
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1 기능성분자메모리소재및소자기술 이효영 서 개인이접하게되는정보의양은날로기하급수적으로증가하여향후 10년내에테라비트급집적도를갖는정보처리및저장소자가필요할것으로예상된다. 이를위하여다양한나노전자소자기술연구개발이진행중이다. 구체적으로살펴보면, 실리콘기반나노전자소자, 분자전자소자, 양자소자, 단전자소자, 그리고나노자기소자등많은분야에서기술발전이이루어지고있다. 본논문에서는분자전자소자기술동향보고 [1] 와 2005 분자메모리소자기술연구동향보고 [2,3] 에이어서, 비록지난한해동안이루어진연구결과가미진할지라도최근분자메모리연구동향을파악하고자기술하였다. 또한상기분자메모리기술에있어서 2006년과기부주관 기능성분자메모리 신규창의단으로선정됨도기념하고향후분자메모리소자기술개발을위한연구방향설정및기술개발발전등에도움이되어드리고자이글을쓰게되었다. 저자약력이효영박사는 University of Mississippi 화학과이학박사 (1997) 로서현재한국전자통신연구원기능성분자메모리창의연구단 ( etri.re.kr) 단장및분자메모리소자팀장, 책임연구원으로재직중이다. 론 분자메모리연구필요성 1. 분자전자메모리소자필요성 급증하는정보통신의양적및질적수요에부응하기위해서는정보처리및저장분야에있어서, 테라비트급고집적화, 저전력소모, 100 GHz 이상의고속화등을가능하게하는하드웨어의성능향상이필수적이며이를해결하기위해서는기존의반도체집적회로의나노기술을통한기술혁신및신개념의소자기술개발이절실히요구되고있다. [1] 실제 ITRS 2003 기술로드맵에따르면 2008년경에는 gate 길이가 45 나노미터동시에금속유전율이 사이의값을갖는소재개발이가능할것으로예상하고있다. [4] 이를위하여현재세계각국은초소형, 초절전, 고집적용량이가능한 IC칩개발을위하여나노리쏘그라피연구개발에많은노력을기울이고있다. 하지만소자소형화에있어서리쏘그라피기술에기반하는현재의무기반도체기술발전에있어서가장큰문제는제조비용이기하급수적으로증가한다는것이다. 현재 60 nm급을 45 nm급나노선을구현시키기위해서는현재보다거의 4배투자비용이필요할것으로예상된다. 뿐만아니라소자의초고집적및대용량화시에직면할수있는기술적및물리적한계 ( 예를들면, 초박막게이트산화막, short channel 효과, 불안정한도핑등 ) 에도달할것으로예상되며특히, 광학적리소그라피방법으로 30 nm 이하의선폭을가진소자는상업적으로대량생산이불가능할것으로판단되고있다. 따라서많은연구자들은기존무기반도체기술을대체할수있는새로운나노소자기술을찾고자노력을하고있다. 이처럼나노소자신기술개발에있어서실리콘기반을두고있는나노전자소자, 분자전자소자, 양자소자, 단전자소자, 나노자기소자등등많은연구발전이되고있는것은주지의사실이다. 그중에서분자메모리소자의경우는 2003 ITRS 로드맵 ( 그림 1 참조 ) 에서인용된바와같이향후 10년에구현이가능할수있는미래기술로분류하였다. [4] 현재세계적으로 ULSI 반도체메모리기술은 Giga bit DRAM의실현단계에이르렀고 2010년경에는 100억개정도의집적도에이를것으로예상되며특히플래쉬메모리 ( 비휘발성메모리 ) 경우, ITRS 2003 기술로드맵에따르면, 2007년이후에는플래쉬테크날러지노드 65 nm 이하의고집적도기술을요구하고있으며, 이때의플래쉬 NOR 타입의 cell size는 [1] a) 이효영, 추혜용, 김성현, 도이미, 정태형, 김진희, 이창진, 화학세계, (2002); b) 이효영, 추혜용, 김성현, 도이미, 정태형, 김진희, 이창진, 화학세계, (2002). [2] 이효영, 최낙진, 이정현, 방경숙, 박종혁, 백희열, 성건용, 정태형, 화학세계, (2005). [3] 이효영, 박종혁, 방경숙, 이정현, 최낙진, 백희열, 성건용, 정태형, 전자통신동향분석 20(5), (2005). [4] 22

2 현재 2004 Technologies Phase Change Memory Nano-floating Gate Memory Insulator Resistance Change Memory Molecular Memories Storage Mechanism Device Types DRAM NOR Flash OUM Nanocrystal MIM Bistable Switch Availability > Cell Elements ITIC IT ITIR IT ITIR ITIR F Value 90 nm 90 nm 100 nm 80 nm 65 nm 45 nm Cell Size 8F F 2 Not known μm μm μm μm μm μm 2 Access Time < 15 ns 80 ns < 100 ns < 10 ns slow 10 ns Store Time < 15 ns 1 ms < 100 ns < 10 ns < 100 ns 10 ns Retention Time 64 ms yrs > 10 yrs > 10 yrs > 1 year 1 month E/W Cycles Infinite > 1E5 > 1E13 > 1E6 > 1E3 > 1E15 그림 1. 미래가능한메모리소자 (2003 ITRS 인용 ) um 2 이하의크기가요구될것으로판단된다. 반면에분자메모리소자경우는 0.01 um 2 크기가될것으로예상되며휘발성메모리소자뿐만아니라비휘발성플래쉬메모리를대체할수있는분자메모리와같은새로운개념의신기능성메모리소자개발이요구되고있다. 상기분자메모리소자구현을위해서는배선문제의해결, 자기정렬하는공정의이용, 그리고상온동작이가능한새로운분자소자제작방법과실현가능한원천가능한원천기술확보가중요하다. 이처럼분자전자소자기술개발을통하여현반도체메모리를대체할수있는고집적분자메모리소자기술, 즉, 재료, 공정, 소자, 설계와관련된원천기술개발이이루어진다면향후반도체초일류국가로의발전을이룩할수있는충분한성장동력이될것으로기대되며, 경제 산업적측면에서차세대메모리소자기술개발을통한국가발전에크게기여할것으로예상된다. 국내외연구활동현황 1. 국외기술현황세계적으로가장앞서가는국가는미국이며유럽에서관련분야연구를수행하고있다. 미국에서는주로 HP사와국방성의 DARPA 프로그램을통하여분자전자소자에관련된과제 를지원하고있으나최근에는 HP사자체연구지원으로분자전자소자제작에적용가능한 soft lithography 기술인나노임프린트소자기술개발에연구인력을투입하고있다. 분자메모리소자기술은 UCLA, HP사분자 shuttle 스위치화합물을 Langmuir Blodgett film [5] 과나노임프린트기술 [6] 을이용하여분자어레이타입의소자제작연구를하고있으며또한 Rice 대학에서는 polyphenylene류의공액성 redox 화합물자기조립단분자막 (Self Assembled Monolayer, SAM) 을이용한분자스위칭소재및단위소자특성등을보고되고있다. [7] 뿐만아니라다중비트형나노튜브분자메모리소자는나노튜브의표면을산화, 환원이가능한분자로개질한후, 게이트전압으로이들분자의전기화학적특성을변화시키면나노튜브의전기전도도및기타특성이변화하는현 [5] C. P. Collier, G. Mattersteig, E. W. Wong, Y. Luo, K. Beverly, J. Sampaio, F. M. Raymo, J. F. Stoddart, J. R. Heath, Science 285, 391 (1999). [6] G. Y. Jung, S. Ganapathiappan, Douglas A. A. Ohlberg, Deirdre L. Olynick, Y. Chen, William M. Tong, R. S. Williams, Nano Letters 4(7), 1225 (2004). [7]a) C. Zhou, M. R. Deshpande, M. A. Reed, L. Jones II, J. M. Tour, Appl. Phys. Lett. 71, 611 (1997). b) M. A. Reed, J. Chen, A. M. Rawlett, D. W. Price, J. M. Tour, Appl. Phys. Lett. 78, 3735 (2001). 23

3 표 1. 국외분자전자메모리소자연구결과요약. 소속기관연구자연구결과장, 단점비교 Hewlett Packard (HP), UCLA Yale/Rice Univ. Harvard Univ. Stanely Williams J. Heath M. A. Reed, J. M. Tour C. M. Lieber, H. Park Philips D. M. de Leeuw University of Southern California, NASA Chemically Assembled, Defect Tolerant Architectures for Computing and Memory Application, Nano imprint 기술응용, MIM/LB film 단위나노포어소자제작및특성연구, MIM/SAM film 반도체나노와이어어레이를이용한나노전자소자및나노광소자 전유기 MISFET 제작 15 bit mechanical programmable code generator 제작 다중비트형나노튜브분자메모리소자 장점 : LB 막을사용한최초메모리소자구현단점 : 1. 반응속도가느린 Shuttle 형분자소재 2. 분자소자수명이매우짧음. 장점 : SAM 막을사용한최초메모리소자구현단점 : 분자메모리용어레이소자제작공정불가능 장점 : 나노와이어소자특성연구단점 : 어레이소자제작불가능 Infineon 사 [10] 수직형금속 분자 금속소자 (1 resistor) 장점 : 실용화가능성 장점 : 전유기물소자제작가능성을보임 장점 : 나노튜브의전기전도도및기타특성이변화하는현상규명 상을이용한소자로 2004년도에 University of Southern California와 NASA의과학자들에의해발표되고있다. [8] 고분자메모리소자의경우미국, 독일, 일본등선진국을중심으로기술발전이되고있으며주요연구기관을살펴보면다음과같다. 미국프린스톤대학과 HP사의경우고분자소재인 PEDOT(Polyethylenethiophene) 과 P I N 다이오드를결합한 WORM(write once read many) 메모리소자 [9] 를제작하고그특성을보고하였다. 또한독일 INFINEON사에서는메모리특성을갖는고분자소재를이용하여수직형금속 분자 금속소자제작및간단한 1 resistor 특성을보고하고있다. [10] 사업부에서분자메모리관련사업을미래기술로분류하여연구개발을시작하여진행중이고, 국내고분자메모리소자개발은연구개발초기단계로산자부의신성장동력사업차세대비휘발성메모리사업에서기초연구가진행되고있다. 주요연구결과국외연구결과를소속기관, 대표연구자, 연구결과그리고장단점비교를표 1에대략적으로정리하였으며, 핵심요소기술의국내외기술수준비교를표 2에나타내었다. 2. 국내기술현황분자메모리소자개발을위한선행기술로과학기술부주관정보통신부지원으로추진하였던 IMT 2000 지원금기술개발사업의일환으로분자논리소자개발사업이화학연 (KRICT), ETRI, 표준연구소 (KRISS) 를중심으로 2001년하반기부터 3년간연구투자가이루어져 MIM(Metal Insulator Metal) 형의단위소자의특성이해와반도체공정기술을이용한 3 3 로직어레이소자를개발하였다. 뿐만아니라 ETRI 내부미래기초사업의일환으로단일분자를이용하여스위칭및신호증폭이가능한분자트랜지스터의동작원리및구현방법연구가진행중이다. 또한 ETRI 내부에서 High Risk/High Return 과제로분자메모리소자사업을수행하였다. 주요연구내용은분자메모리소재제작에있어서나노임프린트기술개발과자기조립법을이용한단분자박막용다양한메모리소재개발을개발하였다. [11] 현재과기부주관으로 2006 기능성분자메모리창의연구단 ( 유치기관, ETRI) 으로선정되어연구진행중이다. 현분자메모리관련국내기업에서는최근삼성전자메모리 1. 해외 기술개발정책및투자현황조사분석 (1) 미국미국의분자전자소자기술개발의경우 2001년설립된 NNI 계획에따라진행되고있으며, 주로미국방성의 DARPA 에서 Moletronics라는프로그램으로대략 10개그룹으로나누어분자전자소자개발을지원하고있다. 주요지원연구기관은 Harvard 대학, Hewlett Packard사, the Mitre [8] C. Li, W. Fan, B. Lei, D. Zhang, S. Han, T. Tang, X. Liu, Z. Liu, S. Asano, M. Meyyappan, J. Han, C. Zhou, Appl. Phys. Lett. 84, [9] S. Moller, C. Perlov, W. Jackson, C. Taussig, S. R. Forrest, Nature 426, 166 (2003). [10] R. Sezi, A. Walter, R. Engl, A. Maltenberger, J. Schumann, M. Kund, C. Dehm, IEDM proceedings. [11] 24

4 표 2. 핵심요소기술의국내외기술수준비교. 기술분야핵심요소기술국외기술현황국내개발현황 분자소자구조 분자소자용소재설계및합성기술 분자자기조립박막조절기술 분자소자계면기술 분자소자제작및회로구현기술 분자컴퓨팅아키텍쳐 * ETRI 자체분석 어레이소자설계및제작공정 ( 나노임프린트등소프트리소그라피기술 ) 8X8 어레이 (64bit, bit/cm 2 ) (HP/UCLA) 분자설계및전산모사 Rice U., Carnegi Melon U. 3x3 OR/AND 로직게이트소자, 나노임프린트, KIMM, LG 전자 ETRI, 분자컴퓨팅시뮬레이션, ETRI 국외대비수준 (%) * 티올함유말단기합성 Rice U., CIAC KRICT, ETRI 95 ethynyl 기 coupling 반응 Rice U, Cornell U. KRICT 95 스위치가가능한분자설계 UCLA, Rice U KRICT, ETRI 90 Redox 가능한기치환반응 UCLA, RICE, KRICT, ETRI 90 rotaxane계분자합성 UCLA KRICT, ETRI, KAIST 85 자기조립박막형성기작조사기술 Penn State U., Polythech ETRI, KRICT 85 나노도메인형성조작기술 Polytech. ETRI, KRISS 50 선택적조립기술 Penn State U. KRICT 50 나노입자부착기술 Motorolar ETRI, KRICT 90 자기조립박막특성조사기술 Penn State U., 서울대 ETRI, KRICT 95 LB monolayer 제조기술 HP 아주대, KAIST 95 분자 / 금속전극 interface 연구기술 분자로직어레이소자제작 단일분자트랜지스터소자제작 분자 금속접합및전자수송기초연구 (Yale) CNTFET logic device, 분자메모리어레이 (IBM, HP) Gated nanogap (<2nm) 단위소자 (Harvard, Cornell, Delft) ETRI, KAIST 70 ETRI 50 ETRI, KRISS 70 유기반도체박막소자제작 Bell Lab. ETRI, KRICT, 동아대 90 하이브리드타입회로구현기술 Yale/Rice Univ. ETRI 50 신개념인터컨넥션및시뮬레이션기술 ( 분자회로용 ) Defect tolerant 분자어레이, Nanocell 개념 (HP, Yale) ETRI 40 Corporation사, Notre Dame 대학, Penn State 대학, Rice 대학, UC Riverside 대학, University of Colorado 대학, UCLA 대학, 그리고 Vanderbilt 대학들이다. 분자소자관련 과제는아래와같다. Molecular Electronics Based on Quantum Dot Cellular Automata (University of Notre Dame) Multiporphyrin Molecular Memories (University of California, Riverside) Moleware and the Molecular Computer (Rice University) Theory and Simulation of Moletronic Devices and Systems (Vanderbilt University) Chemically Assembled, Defect Tolerant Architectures for Computing and Memory Applications (Hewlett Packard and UCLA) Carbon Nanotube Molecular Electronics (Harvard University) Inorganic Self Assembly Routes to Three Dimensional Memories and Logical Mesostructures (The Pennsylvania State University) A Molecular And/Or Gate Pair (University of Colorado) Architectural Design, Analysis, and Prototyping for Next Generation Molecular Electronic Systems (MITRE Corporation). 분자전자소자기술은지난 3년간 ( 년) NNI 연구개발프로그램들중에서분자전자소자분야연구가주목할만한 10대연구개발기술의하나로선정하였다. 그연구결과주요내용은현재상용화되어있는고집적전자소자보다 100배이상의데이터집적도를가지는분자전자소자의시작품을개발하였고, 향후미국분자전자소자의기술개발정책 25

5 에있어서, 연구개발속도가초기예상보다 2배이상빨라서, 몇개의주요한응용분야에있어서는시제품을개발하는데까지걸리는시간이반이상으로줄이도록목표설정을변경하였다. 향후분자전자부문 NNI 5개년계획은분자아키텍쳐와 Nanomedicine 기술개발을최우선을두어진행하고있으며, 미래 15개년 NNI 기술개발예정기술들, 예를들면, 10 nm 이하의 CMOS를넘어서는트랜지스터기술개발, 대기, 토양, 물등에서나노입자의제어, 나노기술에기반을둔약물합성및약물전달기술들은분자전자기술발전과밀접하게연관되어기술발전할것으로예상되어분자전자소자부문에더많은비중을두어투자할예정이다. (2) 유럽유럽에서는 Eroupean Commision 산하에서 FET NID (Future and Emerging Technologies NanoInformation devices) 프로그램을통하여여러나노전자소자연구를지원하고있으며분자소자도이중한분야로지원받고있으나아직분자를스위치로사용한소자에대한연구는추진하고있지않으며각국에서따로지원하고있다. 2003년 12월에발행된 Integrating and strengthening the European Research Area : Community activities in the field of research, technological development and demonstration for the period 2002 to 2006에따르면분자전자를구현하기위한선행단계로자기조립법을과제화하여진행중이다. 2004년 12월에발행된 COMMUNICATION FROM THE COMMISSION, Towards a European strategy for nanotechnology 보고서에따르면, 분자전자기술을미래개발해야할전략기술로다루고있다. 유럽연합국가 Vision 2020 A far sighted strategy for Europe Nanoelectronics 2020 at the centre of change 에서분자전자소자기술을중요투자기술로분류하였는데, 단일분자를이용한고집적, 고성능컴퓨팅에대한응용과나노센서에대한응용기술로분류하여투자할예정이다. (3) 아시아일본의경우나노프로그램을 2001년에확정하고 2001년에첫 Molecular electronics and bioelectronics 국제학회 를개최한후현재까지진행중이다. 분자소자기술개발에있어서일본의경우미국 roadmap과유사하게진행하고있으나분자컴퓨팅보다는보다이른시기에응용가능할것으로예상되는분자전자소자센서용에초점을두어투자하고있다. 중국에서는약 2년전부터분자소자연구를시작한것으로파악되며분자소자화에대한기초연구들이진행되고있다. 2. 투자현황 (1) 미국전반적인경제침체에도불구하고미국내나노기술관련벤처투자가 2001년대비 2002년두배로성장하였다 년의경우나노기술에대한미국의투자는전세계의 25% 수준임에도불구하고미국특허의 2/3가미국에서출원되었다. 2003년기준나노기술관련벤처기업의 75% 가미국내기업들이며 NNI의적극적인투자에힘입어미국이나노기술분야의지적재산권을독점하고있다. 미국과학재단 (NSF) 의경우 2001년에서 2003년사이에 100여개의중소기업에 3600만달러를지원하였다. 분자전자관련상호공동연구활동을하고있는기관은미국국방성 (DOD), 미국항공우주국 (NASA) 그리고미국 NSF들로이들연구기관을통하여거의모든연구지원금이배분되고있다. 2005년의경우, 나노기술관련하여미국 NSF는 2001년의 2 억5천만불에서 3억5백만불로 2배이상예산증액하였고, 미국방성의경우, 1억2천5 백만불에서 2억7천, 그리고미국항공우주국의경우 2천2백만불에서 3천5백만불로증액하였다. 기술 / 산업 / 시장동향전망 1. 공공수요시나리오 2015년경에는분자논리및분자기억소자가상용화되어, 기존반도체시장을대체하거나, 새로운시장을창출할것이다. 특히테라급집적도를갖는고밀도소자제작이가능하므로저전력, 초경량화가필요한차세대 PC의웨어러블컴퓨터및센서등핵심부품으로사용될것으로예상된다. 특히최근미항공우주국에서도분자소자관련연구를진행하고있는데, 주연구목표는우주선에서도쓸수있는초고집적, 초경량분자메모리소자제작에목적을두고있다. 차세대 PC의경우는향후 10년내에웨어러블컴퓨터등의보급이가능할것으로예상되며분자메모리소자기술이웨어러블컴퓨터실용화에결정적인기여를할것이다. 더나아가 20년내에는휴머노이드형태와같은인공로봇개발이구체화되어이들구현을위한필요한부품들, 인간친화형메모리소자기술이절실히요구되고있다. 뿐만아니라소프트리소그라피기술 ( 나노임프린트등 ) 들을이용한분자소자제작이가능하므로쉬운공정및값싼단가들을포함한경제적인파급효과가매우클것으로판단된다. 좀더구체적으로살펴보면분자논리소자의경우는 AND/OR 로직회로에응용되고분자메모리소자의경우는기존 DRAM, SRAM 대체및비활성메모리소자대체들을통한새로운시장 ( 예를들면, 분자센서등 ) 개척이가능할것으로예측된다. 26

5월전체 :7 PM 페이지14 NO.3 Acrobat PDFWriter 제 40회 발명의날 기념식 격려사 존경하는 발명인 여러분! 연구개발의 효율성을 높이고 중복투자도 방지할 것입니다. 우리는 지금 거센 도전에 직면해 있습니다. 뿐만 아니라 전국 26

5월전체 :7 PM 페이지14 NO.3 Acrobat PDFWriter 제 40회 발명의날 기념식 격려사 존경하는 발명인 여러분! 연구개발의 효율성을 높이고 중복투자도 방지할 것입니다. 우리는 지금 거센 도전에 직면해 있습니다. 뿐만 아니라 전국 26 5월전체 2005.6.9 5:7 PM 페이지14 NO.3 Acrobat PDFWriter 제 40회 발명의날 기념식 격려사 존경하는 발명인 여러분! 연구개발의 효율성을 높이고 중복투자도 방지할 것입니다. 우리는 지금 거센 도전에 직면해 있습니다. 뿐만 아니라 전국 26개 지역지식재산센터 를 통해 발명가와 중소기업들에게 기술개발에서 선진국은 첨단기술을 바탕으로