KR100360492B1 - 강유전체랜덤액세서메모리용강유전체캐패시터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 비파괴 기록/재생 강유전체 랜덤 액세서 메모리(NDWRFRAM, Nondestructive Write and Read Ferroelectric RAM)에 사용되는 강유전체에 관한 것으로, 강유전체의 결정을 일정한 방향으로 성장시켜 180° 방향의 분역(domain)을 형성하여 분극량을 증가시키고, 이에 따른 의력(coercive) 전압의 감소를 저항막이나 저항체를 추가하여 의력(coercive) 전압을 크게하여 열전하 계수를 최소화할 수 있는 사각형에 가까운 히스테리시스 선도를 가지게 할 수 있다.
Description
본 발명은 비파괴 기록/재생 강유전체 랜덤 액세서 메모리(NDWRFDRAM, Nondestructive Write and Read Ferroelectric RAM)에 사용되는 강유전체에 관한 것이다.
제1도는 및 제2도는 NMOS에 강유전체 캐패시터가 집적된 랜덤 액세서 메모리(NDFRAM) 단위 소자의 비파괴적 읽기(NDRO: nondestructive read out) 작동 원리도로서, 제1도는 강유전체 랜덤 액세서 메모리 단위 소자가 "온"인 경우의 작동 원리도이고, 제2도는 강유전체 랜덤 액세서 메모리 단위 소자가 "오프"인 경우의 작동 원리도이다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 비파괴 강유전체메모리(NDFRAM)는 MOS 트랜지스터 혹은 박막 트랜지스터(TFT)의 게이트 상에 강유전체 캐패시터를 적층한 구조로 되어 있어, 저장 트랜지스터의 게이트부와 강유전체 캐패시터의 하부 전극이 하나의 전극으로 구성되어 있다(실제로, 저장 트랜지스터의 게이트 역할을 하는 것은 강유전체의 상부 전극이다), 그 대표적인 예로서, 롬(Rohm)사의 MFMIS(Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Silicon) 강유전체 메모리 구조에서는 강유전체 캐패시터의 하부 전극(2)이 강유전체(3)와 절연체(4) 사이에 삽입된 관계로 접지된 Si(p)-well, 7)층과 상부 전극(1) 사이에 전압(Von)을 인가하면 전장은 상부 전극(1)과 Si층(7) 사이에 걸리게 되어 속박 전하가 하부 전극(2)에 형성되지 않고 Si층(7)에 생기게 된다. 이를 유도 전하(induced charge)라 칭하기도 한다.
NDFRAM의 구동 방법은 NDWR의 개념을 이용하는 것으로 충전은, 제1도에 도시된 바와 같이, 강유전체 캐패시터의 상부 전극(1)에서 트랜지스터의 접지된 Si층(7) 쪽으로 행하여 반도체 양자 우물에 전하를 유도하여 트랜지스터를 '온'시키고, 방전은, 제2도에 도시된 바와 같이, 강유전체의 하부 전극(2)에 전하를 공급하여(접지시키거나 음의 전압(-Voff)을 인가하여) 반도체 양자 우물 즉 Si층(7)에 유도된 전하들을 사라지게 하여 '오프'시키는 것이다.
제3도는 일반 강유전체의 히스테리시스 선도이고, 제4도는 두께가 얇은 일반 강유전체의 히스테리시스 선도이다. 이 도면들에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 메모리 소자에 있어서, 비파괴 읽기/쓰기(NDWR)에 가장 중요한 물성은 일단 강유전체가 분극되면 그 분극 상태가 강하게 유지되어야 하는 특성 즉, 높은 보유성(保誘性; RETENTIVITY)이다. 잔류 분극은 역전압에 의해 언제고 분극 반전이 될 수 있으므로 노이즈성 전장에 의해 분극이 영향받지 않도록 안정된 분극 상태가 필요하다. 안정된 분극이라 함은 분극 반전이 용이하지 않음을 의미하며, 이는 히스테리시스 선도 상에서 의력(coercive) 전압이 높음을 의미한다. 따라서 의력(coercive) 전압이 높은 강유전체가 NDWR용 후보로 우수하다.
두 번째 중요한 물성은 분극량이 충분하여 집적도를 높일 수 있어야 하는 것이다. NDFRAM에서는 단위 면적당 분극량, 즉 분극 밀도가 "온""오프"를 주로 결정하며, FDRAM에서는 절대 분극량으로 분극량을 구별한다. 두 경우 모두 잔류 분극 밀도가 높을수록 고집적에 유리하게 된디. 잔류 분극에 영향을 줄 수 있는 인자로서는 전장, 열, 메모리 유지시간 등이 있다.
세 번째는 강유전체 마다 갖고있는 열전하 효과가 낮아야 하는 것이다. 열전하는 강유전체가 열을 받을 때 발생하는 전하로서 가열속도에 따라 발생 전하량이 결정된다. 이 때 열전하들이 빠져나갈 회로가 없게되면 back voltage를 유발하여 분극을 반전시킬 우려가 있다. 물론 소자 자체를 플로팅하는 방법도 특허로 출원한 바 있으나 근본적으로는 열전하 효과가 작은 강유전체 물질이 요구된다. 열전하 계수(p)는 강유전체의 유전 상수(ε) 및 분극량(Ps)에 의해 다음과 같이 결정된다.
-p=εβPs (1)
여기서, β는 물질 특성에 의해 결정되는 상수이다. 열전하 계수가 분극과의 방향이 반대인 것은 분극시 원자 변위 방향과 열전하 발생시 원자 변위 방향이 반대가 되기 때문이다.
이상과 같이, 비파괴 강유전체 랜덤 액세서 메모리나 강유전체 다이내믹 랜덤 액세서 메모리의 비파괴 작동 조건에 있어서, 일단 충전된 강유전체는 그 분극 상태가 주변 환경에 의해 변화가 없는 성질이 요구된다. 또한 잔류 분극에 영향을 줄 수 있는 전장, 열, 메모리 유지시간 등의 인자를 최대한 고려하여 강유전체의 불성을 검토함으로써 안정된 잔류 분극을 확보하고, 열적 영향을 최소화할 수 있는 방안을 제시할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 높은 보유성(保誘性: RETENTIVITY)을 가지며, 분극량이 충분하여 집적도를 높일 수 있으며, 강유전체 마다 갖고있는 열전하 효과가 낮은 강유전체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강유전체 다이내믹 랜덤 액세서 메모리용 강유전체는,
강유전체와, 상기 강유전체의 상부에 마련된 상부 전극 및 상기 강유전체 하부에 마련된 하부 전극을 구비하여 된 강유전체 캐패시터에 있어서,
상기 강유전체는 결정의 방향성이 PZT성장방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 강유전체 막은 결정의 방향이 [001] 방향인 PZT로 형성된 것이 바람직하며,
상기 강유전체에 저장막이 삽입되거나, 상기 상부 혹은 하부 전극에 저항체가 접속되거나, 상기 상부 혹은 하부 전극 중 적어도 하나는 세라믹 전극과 같은 저항성 재료로 형성된 것이 바람직하다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 다이내믹 강유전체 랜덤액세서 메모리 제조용 강유전체 캐패시터를 설명한다.
비파괴 읽기/쓰기(NDWR) 개념에 의한 강유전체 메모리 소자를 제작하기 위하여 분극량, 의력(coercive) 전압을 최대한 확보하고 열전하 효과를 최소화하기 위하여 사각형 형태의 히스테리시스 선도를 나타내는 강유전체 캐패시터 제조하기 위해서는 첫째, 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 강유전체 캐패시터에 저항막(8)을 삽입하거나, 제7도에 도시된 바와 같이 강유전체 캐패시터에 저항체(9)를 접속하거나, 제8도에 도시된 바와 같이, 저항값이 큰 재료로 전극(10)을 제조하거나(예, 세라믹 전극), 강유전체 캐패시터의 전극의 저항값이 커지도록 저항값이 큰 물질을 전극 재료에 포함시키거나, 전극의 구조를 저항을 높일 수 있도록 제조하거나하여 강유전체 캐패시터에 저항 성분을 주어 의력(COERCIVE) 전압을 높게하든가, 둘째, 강유전체 결정의 방향성을 조절하여 강유전체 막을 증착함으로써 분극량을 크게하거나(예: PZT의 경우 [001] 방향), 셋째, 상기 두 가지 방안을 동시에 사용한다.
이러한 사각형 형태의 히스테리시스 선도의 강유전체 캐패시터를 제조하기 위한 방안을 좀 더 상세하게 설명한다.
강유전체 박막은 어느 두께 범위(PZT의 경우 약 150nm∼300nm)내에서는 의력(coercive) 전압이 일정하다가 강유전체 박막 두께가 얇아지면서, 제4도에 도시된 바와 같이, 분극량도 감소하는 경향이 있다.
이 경우 원자 격자를 일정한 방향으로 정열시키면, 제11도에 도시된 바와 같이, 분극량이 증가한다(PZT의 경우[111] 혹은 [001] 방향). 따라서, 강유전체 막의 두께를 감소시키면서 결정 성장 방향을 조정하여 강유전체 박막을 증착시키면 의력(coercive) 전압이 크면서도 분극이 많은 강유전체 박막을 얻을 수 있다. 이 때 얇은 두께 효과에 의해 분극량을 확보하는 것이 한계가 있을 경우, 두께를 충분히 하여 원하는 분극을 먼저 확보하고, 제5도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 강유전체 층에 저항막을 삽입하든가, 제7도 및 제8도에 도시된 바와 같이, 강유전체 캐패시터에 저항체를 연결하든가 저항체 전극을 사용하든가 하여 의력(coercive) 전압을 증가시킬 수도 있다. 제5도 내지 제8도의 강유전체 캐패시터는 상기와 같이 구조적으로 제9도의 등가 회로도에 도시된 바와 같은 저항 성분을 갖도록 한 것으로, 그 특성이 제10도의 히스테리시스 선도에 잘나타나 있다. 즉, 제10도에는 상기와 같이 강유전체 캐패시터에 저항 성분을 주어 의력(coercive) 전압과 분극량을 조정한 경우의 히스테리시스 선도의 모양이 잘 나타나 있다. 이는 제3도 및 제4도에 도시된 보통의 강유전체 캐패시터가 나타내는 히스테리시스 선도와 의력(coercive) 전압과 분극량에 있어서 좋은 비교가 된다.
그러나 분극량을 최대한 확보할 경우 식(1)에 의하면 열전하 계수가 증가하는 문제가 대두된다. β는 물질의 고유 특성에 의한 상수이기 때문에 이를 낮추는 것은 물질 개발에 의존할 수밖에 없다. 물론 ε도 물질의 고유 상수 이지만 강유전체의 경우 인가 전압에 따라 변하는 이른바 비선형 유전성을 나타내므로 물질 개선 외에도 그 값을 제어할 수 있는 방법이 있을 수 있다. 식(1)에 의해 분극량이 클 경우 열전하 계수를 낮추려면 유전 상수가 0에 가깝도록 하면 가능하다. 강유전체의 보유성(保誘性, retentivity)은 인가 전압이 없을 때의 분극 유지 능력을 말하는 것으로서 이 때 유전 상수가 0이 되도록 하려면 0 전압에서의 히스테리시스 선도의 기울기가 0이 되도록 하는 것, 즉 사각형 형태의 히스테리시스 선도를 얻도록 강유전체 박막을 증착하는 것이다. 앞서, 언급한 바와 같이, 결정 성장을 어느 한 방향으로 되도록 유도한다면 분극량도 증가시킬 수 있을 뿐 만 아니라, 제11도에 도시된 바와 같은, 0 전압에서 유전 상수가 0에 가까운 사각형의 히스테리시스 선도를 얻을 수 있게된다. 그 예로서, PZT의 경우 [001] 방향으로 결정을 배열하는 것이 좋은 히스테리시스 선도를 얻을 수 있는 방법이다. 이 것은 곧 180°방향의 유전 분역(dielectric domain)을 성장시키는 방법이 된다. 물론, 강유전체 결정을 일방향으로 성장시키는 경우 의력(coercive) 전압이 감소할 수도 있으나, 제12도에 도시된 바와 같이, 상기의 저항막이나 저항체를 추가하여 의력(coercive) 전압을 크게하면 사각형에 가까운 히스테리시스 선도를 갖는 강유전체 캐패시터를 얻게된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강유전체 랜덤 액세서 메모리 강유전체 캐패시터는 강유전체의 결정을 PZT성장방향으로 성장시켜 180° 방향의 유전 분역(dielectric domain)을 형성하여 분극량을 증가시키고, 결정의 방향성 성장에 따른 의력(coercive) 전압의 감소가 생기는 경우 저항막이나 저항체를 추가하여 강유전체 캐패시터의 의력(coercive) 전압을 크게하여 줌으로써, 열전하 계수를 최소화할 수 있는 사각형에 가까운 히스테리시스 선도를 가지게 할 수 있는 장점이 있다.
제1도는 및 제2도는 NMOS에 강유전체 캐패시터가 집적된 랜덤 액세서 메모리(NDFRAM) 단위 소자의 비파괴적 읽기(NDRO; nondestructive read out) 작동 원리도로서,
제1도는 강유전체 랜덤 액세서 메모리 단위 소자가 "온"인 경우의 작동 원리도,
제2도는 강유전체 랜덤 액세서 메모리 단위 소자가 "오프"인 경우의 작동 원리도,
제3도는 일반 강유전체의 히스테리시스 선도,
제4도는 두께가 얇은 일반 강유전체의 히스테리시스 선도,
제5도 및 제6도는 본 발명에 따른 저항막을 추가한 강유전체 캐패시터의 단면도,
제7도 및 제8도는 본 발명에 따른 저항체를 추가한 강유전체 캐패시터의 단면도,
제9도는 제5도 내지 제8도의 강유전체 캐패시터의 등가 회로도,
제10도는 제5도 내지 제8도의 저항막 혹은 저항체를 추가한 강유전체 캐패시터의 히스테리시스 선도,
제11도는 본 발명에 따른 결정 성장 방향을 조절한 강유전체 캐패시터의 히스테리시스 선도,
그리고 제12도는 본 발명에 따른 결정 성장 방향을 조절하고 저항막 혹은 저항체를 추가한 강유전성 캐패시터의 히스테리시스 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1. 상부 전극 2. 하부 전극
3. 강유전체 4. 절연막
7. Si 기판 8. 저항막
9. 저항체 10. 저항체 전극
Claims (6)
- 강유전체와, 상기 강유전체의 상부에 마련된 상부 전극 및 상기 강유전체 하부에 마련된 하부 전극을 구비하여 된 강유전체 캐패시터에 있어서,상기 강유전체는 결정의 방향성이 PZT성장방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
- 제1항에 있어서,상기 강유전체 막은 결정의 방향이 [001] 방향인 PZT로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 강유전체에 저항막이 삽입된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
- 제3항에 있어서,상기 상부 혹은 하부 전극에 저항체가 접속된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
- 제3항에 있어서,상기 상부 혹은 하부 전극 중 적어도 하나는 저항성 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
- 제5항에 있어서,상기 저항성 재료는 세라믹인 것을 특징으로 하는 강유전체 캐패시터.
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