KR101077617B1 - 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 - Google Patents
유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101077617B1 KR101077617B1 KR1020090042139A KR20090042139A KR101077617B1 KR 101077617 B1 KR101077617 B1 KR 101077617B1 KR 1020090042139 A KR1020090042139 A KR 1020090042139A KR 20090042139 A KR20090042139 A KR 20090042139A KR 101077617 B1 KR101077617 B1 KR 101077617B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- organic
- ferroelectric
- thin film
- inorganic
- film transistor
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 26
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 101000576320 Homo sapiens Max-binding protein MNT Proteins 0.000 claims description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920006121 Polyxylylene adipamide Polymers 0.000 claims description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910004541 SiN Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000007334 memory performance Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 229910005555 GaZnO Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000005442 molecular electronic Methods 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B51/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors
- H10B51/30—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory transistors characterised by the memory core region
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
- H01L29/51—Insulating materials associated therewith
- H01L29/517—Insulating materials associated therewith the insulating material comprising a metallic compound, e.g. metal oxide, metal silicate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66409—Unipolar field-effect transistors
- H01L29/66477—Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET
- H01L29/6684—Unipolar field-effect transistors with an insulated gate, i.e. MISFET with a ferroelectric gate insulator
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
본 발명은 1T형 강유전체 메모리로서, 소스/드레인 전극이 형성된 산화물 반도체와, 상기 산화물 반도체 상에 형성되는 무기물 중간체와, 상기 무기물 중간체 상에 형성되는 유기 강유전체, 및 게이트 전극을 포함하여 메모리 성능이 뛰어나고 저전압에서 구동 가능한 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법을 제공한다.
유-무기 하이브리드, 비파괴읽기, 박막트랜지스터, 강유전체, FeRAM
Description
본 발명은 1T형 강유전체 메모리로서, 더욱 상세하게는 산화물 반도체와 유기 강유전체 사이에 무기물 중간체를 삽입하여 메모리 성능이 향상된 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법에 관한 것이다.
비휘발성 차세대 메모리는 전원이 끊어져도 기억시킨 데이터가 지워지지 않아 전원이 연결되면 다시 판독이 가능한 메모리 소자이다.
이러한 차세대 메모리소자는 비휘발성 이외에도 빠른 처리 속도, 데이터의 무작위 접근(Random access), 최소 전력, 초소형, 안전성, 저렴한 가격 등 요구된다.
현재 연구되고 있는 차세대 메모리들은 반도체 메모리가 주축을 이루며, 현재의 DRAM이나 플래시 메모리보다 더 빠르고 더 작은 회로선폭을 갖는 비휘발성 메모리를 개발하기 위한 노력의 결과가 구체화되고 있다.
그 결과물로 기본단위인 셀을 구조나 물질에 따라 FeRAM(Ferroelectric RAM; 강유전체 램), MRAM(Magnetic RAM; 강자성 램), PRAM(Phase Change RAM; 상변화 램), ReRAM(Resistance RAM; 저항 램), PoRAM(Polymer RAM; 폴리머 램), 홀로그래픽 메모리, 분자 전자 소자, 모듈러 메모리 등으로 구분된다.
이 중에서 현재 실용화되어 있는 강유전체 메모리는 DRAM의 커패시터를 강유전체 커패시터로 치환한 구성을 취하고 있다
그러나 이러한 구조는 강유전체의 커패시턴스의 분극이 반전할 때와 반전하지 않을 때의 전하량의 차를 검지하여 기억한 정보가 [1]인지 [0]인지를 판단하고 있기 때문에 정보를 판독할 때 보존하고 있던 정보가 파괴되는 문제가 있다.
또한, 분극의 반전에 있어서 전하를 직접 전류로서 인출하여 검지하기 때문에 커패시턴스의 면적이 작아지는 동시에 전류치도 작아지게 되어 검출이 곤란하게 된다.
이와 같은 문제를 개선하기 위하여 강유전체를 게이트 상에 배치하는 1T형 트랜지스터 메모리 소자가 개시되고 있다.
이러한 1T형 트랜지스터 메모리 소자는 강유전체의 분극이 트랜지스터 채널의 전하를 유기함으로써 소스, 드레인을 온, 오프시키는 것으로서, 셀 면적을 비례 축소시켜도 드레인 전류의 변화율은 변하지 않는다.
이것은 강유전체 트랜지스터의 메모리 셀이 스케일링측에 따른 것을 의미하며, 미세화에 있어서 원리적인 한계는 존재하지 않는다.
또한, 트랜지스터형 강유전체 메모리는 강유전체의 분극에 의해 FET의 온, 오프를 유지하기 때문에 저전압에 의한 판독 동작에 의해 정보가 파괴되지 않는 소위 비파괴판독을 행할 수도 있다.
이와 같이 강유전체를 게이트에 배치하는 전계효과형 강유전체 메모리 트랜지스터는 구조에 따라 MFS, MFIS, MFMIS형으로 구별된다.
이에 대하여 간단히 살펴보면 먼저 MFS(Meta1-Ferroelectric-Semiconductor)형 강유전체 트랜지스터는 강유전체가 금속과 반도체 사이에 삽입된 1T형의 기본적인 구조이다.
또한 MFIS(Meta1-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor)형 강유전체 트랜지스터는 MFS 구조의 강유전체와 반도체 사이에 절연막이 삽입되어 강유전체의 분극이 절연막을 통해 반도체 표면에 전하를 유기하는 구조이다.
마지막으로 MFMIS(Meta1-Ferroelectric-Meta1-Insulator-Semiconductor)형 강유전체 트랜지스터는 MFIS구조의 강유전체와 절연막 사이에 금속 전극을 끼운 것이다
그러나 이러한 1T형 트랜지스터 메모리 소자는 기본적으로 Pb-Zr-Ti 산화물(PZT), Bi-La-Ti 산화물(BLT)과 같은 페로브스카이트 구조의 무기 강유전체를 사용하고 있어 500℃ 이상의 고온에서 공정으로 수행하여야 하므로 상기 강유전체 메모리가 형성되는 기판은 열에 취약한 플라스틱 재질이 사용되지 못하는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 200℃ 이하에서 공정이 가능한 유기 강유전체를 사용한 비파괴읽기 메모리소자가 개발되고 있으나 유기 강유전체에 산화물 반 도체를 접합하는 경우 접합 계면에 전하가 모이기 쉬워 누설전류가 발생하게 된다.
따라서 유기 강유전체에 유기 반도체를 접합한 메모리 소자가 개시되고 있으나 유기 반도체는 산화물 반도체에 비하여 메모리 윈도우나 전하의 모빌리티 면에서 성능이 현저하게 떨어지는 단점이 있다.
이에 본 발명자는 메모리 윈도우가 크고 전하 모빌리티가 우수한 산화물 반도체를 사용하면서도 유기 강유전체와 접합시 누설전류가 발생하는 것을 방지하기 위하여 오랜 시간 연구한 결과 이러한 문제점을 해결하기에 이르렀다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 산화물 반도체와 유기 강유전체의 사이에 무기물 중간체가 삽입되는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소스/드레인 전극이 형성된 산화물 반도체, 상기 산화물 반도체 상에 형성되는 무기물 중간체, 상기 무기물 중간체 상에 형성되는 유기 강유전체, 및 상기 유기 강유전체 상에 형성되는 게이트 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 제조방법은 산화물 반도체를 형성하는 단계와, 상기 산화물 반도체 상에 무기물 중간체를 형성하는 단계와, 상기 무기물 중간체 상에 유기 강유전체를 형성하는 단계, 및 상기 유기 강유전체 상에 게이트 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
이때 상기 산화물 반도체는 유리, 플라스틱 재질의 다양한 기판 위에 형성 될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명의 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리는 메모리 윈도우나 모빌리티(mobility)면에서 성능이 뛰어나고, 저전압에서 구동되는 효과가 있다.
그리고 유기 강유전체를 사용하여 저온 공정이 가능해지므로 기판의 재질에 대한 제한이 없다.
또한 산화물 반도체와 산화물 전극을 사용하여 투명 메모리 소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 출원에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 단면도이고, 도 2는 도 1의 평면 투시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리(이하 "유-무기 하이브리드 강유전체 메모리"라 한다.)는 강유전체 를 트랜지스터에 적층시킨 1T 형 박막트랜지스터 메모리로서 소스/드레인 전극(2a, 2b)이 형성된 산화물 반도체(3), 상기 산화물 반도체(3) 상에 형성되는 무기물 중 간체(4), 상기 무기물 중간체(4) 상에 형성되는 유기 강유전체(5), 및 상기 유기 강유전체(5) 상에 형성되는 게이트 전극(6)을 포함한다.
상기 소스/드레인 전극(2a, 2b)은 산화물 또는 금속 전극으로 구성되며 실시예에 맞게 산화물 반도체(3)의 상면 또는 하면에 형성될 수 있다.
이때 소스/드레인 전극(2a, 2b)이 산화물 전극인 ITO, NIO, AlZnO, GaZnO 등으로 구성된 경우 투명 메모리 소자의 구현이 가능해지는 특징이 있다.
상기 산화물 반도체(3)는 일반적으로 사용되는 Zn 또는 In을 기본으로 하는 산화물 또는 이들의 복합 산화물들이 모두 사용가능하며, 바람직하게는 산화아연계 반도체에 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 질소, 인, 비소, 수소, 리튬, 나트륨, 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 원소가 적어도 하나 이상 포함될 수 있다.
이러한 산화물 반도체(3)는 기존에 사용되고 있는 유기 반도체에 비하여 전하의 이동도(mobility)와 농도가 10~100배 이상 크고, 온/오프 전류비(Ion/Ioff ratio)가 약 105~107로 뛰어난 특징을 보인다.
또한 상기 산화물 또는 복합 산화물들은 밴드 갭(band gap)이 3.2~3.4eV로 크기 때문에, 가시광선에 기인한 누설전류가 작은 특징이 있다.
따라서 본 발명에서는 산화물 반도체를 사용함으로써 기존의 유기 반도체를 사용하는 강유전체 메모리 소자에 비하여 메모리 윈도우나 전하의 이동도 면에서 월등한 1T형 강유전체 메모리의 제작이 가능하게 된다.
따라서 개인정보 단말기(PDA), MP3 등에서 요구되는 저렴한 가격에 초고속, 대용량, 저 소비전력을 갖는 메모리 소자를 제작할 수 있다.
이때 상기 산화물 반도체(3)는 유리, 플라스틱, 섬유들의 다양한 기판(1)에 증착 가능하도록 기본적으로 200℃ 이하의 저온 공정이 이루지는 것이 바람직하다.
따라서 상기 산화물 반도체(3)를 증착한 뒤 200~300℃의 어닐링(annealing) 과정을 생략할 수 있다. 또한 ion implantation 공정이 추가적으로 수행될 수도 있다.
이러한 제조과정을 거쳐 증착되는 산화물 반도체(3)의 두께는 20~100㎚ 정도이며 상용화가 가능하도록 20~40㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 강유전체(5)는 증착시 저온 공정이 가능하도록 유기물로 구성되는 것이 특징이며 이때 사용되는 유기물로는 일반적인 고분자 유기물 모두 사용가능하며 바람직하게는 P(VDF-TrFE), TTF-CA, M2P-DMTCNQ, 또는 MXD6 등이 사용될 수 있다.
이때 상기 P(VDF-TrFE)의 경우 VDF와 TrFE의 조성은 대략 70:30~75:25로 구성되며 실시예 맞게 적절히 변경 가능하다.
이러한 유기 강유전체(5)는 일반적으로 두께가 얇을수록 낮은 구동전압을 갖게 되는 장점이 있으나 반대로 누설전류가 커지는 문제가 있다.
이를 더욱 자세히 살펴보면 유기 강유전체(5)가 100~200㎚의 두께를 가질 때에는 전압 인가시 균일한 분극 형상을 보이나 50㎚이하에서는 두께에 따라 분극 형상이 변하는 문제가 있다.
이러한 점을 고려할 때 상기 유기 강유전체(5)는 낮은 구동전압과 균일한 분극 특성을 갖는 50~200㎚의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유기 강유전체(5)를 상기 산화물 반도체(3)에 바로 형성하게 되면 접합을 이루는 계면이 상이하여 경계면에 결함농도가 높아지고 전하들이 모이기 쉬워 누설 전류가 증가하는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 유기 강유전체(5) 박막층과 무기물 중간체(4)가 공존하는 유-무기 하이브리드 소자를 개시한다.
상기 유-무기 하이브리드 소자는 앞서 설명한 산화물 반도체(3)와 유기 강유전체(5)의 사이에 무기물 중간체(4)를 형성하여 유-무기 박막층을 형성하는 새로운 개념의 소자이다.
이러한 역할을 하는 무기물 중간체(4)는 일반적으로 유기 강유전층체 내부에 존재하는 F 원소와의 결합을 방지할 수 있을 만큼의 안정한 결합을 이룬 물질이어야 한다.
이러한 물질로 산화물 또는 질화물로 구성되며 더욱 자세하게는 Al₂O₃, SiO₂, SiN, HfO₂, 또는 Y₂O₃중 어느 하나 이상의 산화물 또는 질화물로 이루어 질 수 있다.
이때 유기 강유전체와 무기물 중간체(4)의 표면에너지 차이가 많이 나면 경계면에서 반응 부산물이 생겨날 수 있다. 따라서 상기 무기물 중간체(4)는 유기 강유전층과 표면 에너지 차이가 많이 나지 않도록 표면처리를 할 수 있다.
이러한 표면 처리과정을 거쳐 상기 산화물 반도체(3)와 유기 강유전체(5)의 경계면을 깨끗하게 해서 접합이 용이할 뿐만 아니라 경계면의 결함농도를 최소화시켜 누설전류를 방지하는 역할을 한다.
또한, 상기 무기물 중간체(4)는 산화물 반도체(3)보다 안정한 물질이어야 하므로 증착시 산화물 반도체(3)와 트랜지스터 동작이 원활하도록 깨끗한 계면을 이루어야 한다.
그러나 무기물 중간체(4)가 너무 두꺼우면 유기 강유전체(5)의 메모리 특성이 상쇄되는 문제가 있고, 너무 얇으면 무기물 중간체(4)로서의 기능을 상실하게 되는바 최적의 두께를 고려하여야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 무기물 중간체 두께에 따른 누설전류의 차이를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 3의 무기물 중간체의 두께에 따른 메모리 윈도우의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하여 무기물 중간체(4)와 누설전류의 상관관계를 살펴보면 무기물 중간체(4)가 5㎚의 두께로 형성된 경우(G2) 시간이 경과하여도 전류가 일정하게 유지되는 반면 상기 무기물 중간체(4)를 형성하지 않은 경우(G1)에는 시간이 경과 할수록 전류가 불안정해지다가 일정한 지점(P)에서 전류가 큰 폭으로 상승하여 누설전류가 발생하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 4를 참조하여 살펴보면 무기물 중간체(4)의 두께가 20㎚인 경우(G5) 히스테리시스의 윈도우 폭이 약 ±2~3V인 반면, 무기물 중간체(4)의 두께가 5㎚인 경우(G4) 히스테리시스의 윈도우 폭은 약 ±10V로 큰 폭으로 상승하였음을 알 수 있다.
이 경우 무기물 중간체(4)가 없는 경우(G3) 히스테리시스의 윈도우 폭은 가장 크나 도 3에서 살펴본 바와 같이 누설전류가 발생하는 문제점이 있으므로 메모 리 윈도우와 누설전류의 관계를 고려하여 무기물 중간체(4)의 두께는 약 3~10㎚로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 유기 강유전체(5) 상에 형성되는 게이트 전극(6)은 게이트 전압을 ±Vp의 펄스신호를 입력하여 유기 강유전체(5)를 일정한 방향으로 분극시키는 역할을 하며, 유기 강유전체(5)의 하부에 형성되는 bottom 형식과 상부에 형성되는 top 형식으로 자유롭게 설계 변경 가능하다.
또한, 상기 게이트 전극(6)은 소스/드레인 전극(2a, 2b)과 같이 산화물 전극인 ITO, NIO, AlZnO, GaZnO 등을 사용하여 투명 전자회로 소자를 구현할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 게이트 펄스 전압이 +Vp일 때 강유전체가 분극되는 상태를 나타내는 동작 상태도이며, 도 6은 도 5에 따른 강유전체의 히스테리시스 곡선 그래프이다.
도 5를 참고하여 본 발명의 유기 강유전체 메모리의 쓰기 과정을 살펴보면 게이트 전극(6)에 +Vp(양의 프로그램 전압)의 펄스(pulse) 신호를 입력하면 유기 강유전체(5) 안에 분극(polarization)은 도 5와 같이 게이트 전극(6) 쪽으로 향하는 분극이 형성된다.
이때 전압과 분극을 양이라고 하면 도 6에서 H2에 위치하게 된다. 이후 전압을 off하여 인가전압이 0이 되면 도 6에서 H3에 위치하며 이때 유기 강유전체(5)는 잔류분극(remnant polarization)이 저장되게 되며 이러한 상태를 '1'이라 정의한다.
위와 반대로 게이트 전극(6)에 -Vp(음의 프로그램 전압)의 펄스(pulse) 신호 를 입력하면 분극 방향이 무기물 중간체(4) 방향으로 놓이게 된다.
이때 인가전압(applied voltage)과 분극(polarization)을 음이라고 하면 도 6에서 H4에 위치하게 된다.
이때 전압을 off하면 인가전압이 0이 되어 도 6에서 H1에 위치하며 이때 강유전층(5)은 잔류분극(remnant polarization)이 저장되게 되며 이러한 상태를 '0'이라고 정의한다.
도 7은 본 발명에 따른 유-무기 하이브리드 유기 강유전체 메모리의 히스테리시스 곡선에서 읽기 "1" 과 "0"을 나타내는 그래프이다.
읽기 동작은 프로그램 전압보다 낮은 전압범위에서만 동작하게 되며 보통 +Vp/2(양의 프로그램 전압/2)와 -Vp(음의 프로그램 전압/2) 사이의 전압에서 게이트 전압을 구동시키게 되는데, '1'이 저장되어 있다면 도 7에서처럼 높은 전류 상태로 나타나게 되고, '0'이 저장되어 있다면 낮은 전류 상태로 나타나게 된다.
이때 읽기 동작을 한 후에도 강유전체(5)에 저장된 분극 데이터는 그대로 유지되는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유기 강유전체 메모리의 제조 공정을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 유기 강유전체 메모리의 제조방법에 대하여 살펴보면 크게 산화물 반도체 형성단계(S1), 무기물 중간체 형성단계(S2), 유기 강유전체 형성단계(S3) 및 게이트 형성단계(S4)로 구성된다. 이하 순서대로 살펴본다.
(1) 산화물 반도체 형성하는 단계(S1)
상기 산화물 반도체(3)는 기존의 반도체 제조 방법인 RF 스퍼터링(sputterring)법, 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition)법, 분자빔 에피텍시(Molecular-Beam Epitaxy)법 또는 유기 금속 화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 형성될 수도 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 상기 산화물 반도체(3)는 선택적으로 유리 또는 플라스틱 재질의 기판(1) 위에 형성될 수도 있으며, 기판의 선택에 제한이 없다.
더욱 자세하게는 유리, 플라스틱, 섬유 등의 다양한 기판(1)에 증착 가능하도록 기본적으로 200℃이하의 저온 공정이 이루지는 것이 바람직하다.
이 과정에서 산화물 반도체(3)를 스퍼터링으로 증착하는 경우 스퍼터링 후 200~300℃의 어닐링(annealing) 과정을 거치지 않는다.
이때, 상기 소스/드레인 전극(2a, 2b)은 실시예에 따라 상기 산화물 반도체(3)의 상면 또는 하면 어디에도 형성 가능하다.
(2) 산화물 반도체 상에 무기물 중간체를 형성하는 단계(S2)
상기 무기물 중간체(4)는 산화물 반도체(3)에 damage-free 방식으로 200℃ 이하의 온도에서 증착된다.
이때 기존의 CVD공정으로는 온도 조건이 맞지 않으므로 ALD(Atomic Layer Deposition) 공정이 추가적으로 수반될 수 있다.
(3) 무기물 중간체 상에 유기 강유전체를 형성하는 단계(S3)
유기 강유전체는 공지의 방법 예를 들면 졸-겔법, CVD법, 스퍼터법, LSMCD(Liquid source Misted Chemical Deposition)을 이용할 수 있다.
이를 더욱 자세히 살펴보면 유기 강유전체(5)의 녹는점인 140~150℃ 이상의 온도에서 공정이 진행되며, 진공상태의 오븐에서 베이킹한 후 상온으로 급속 냉각하여 형성한다.
이와 같이 저온 공정이 가능하기 때문에 녹는점이 낮은 플라스틱 재질의 기판이 사용 가능하게 되는 것이다.
(4) 유기 강유전체 상에 게이트 전극을 형성하는 단계(S4)
게이트 전극(6)은 상기 유기 강유전체(5) 상에 일반적인 전극의 제조방법인 스퍼터링 또는 졸-겔법 등에 의하여 형성되고, 이때 전술한 바와 같이 산화물 전극을 증착시켜 투명 메모리 소자를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 단면도.
도 2는 도 1의 평면 투시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 무기물 중간체의 두께에 따른 누설전류의 차이를 나타낸 그래프.
도 4는 도 3의 무기물 중간체의 두께에 따른 메모리 윈도우의 차이를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 게이트 펄스 전압이 +Vp일 때 강유전체가 분극되는 방향을 나타내는 동작 상태도.
도 6은 도 5에 따른 강유전체의 히스테리시스 곡선 그래프.
도 7은 본 발명의 본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 읽기 과정을 설명하는 히스테리시스 곡선 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유-무기 하이브리드 강유전체 메모리의 제조 공정을 나타낸 순서도.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
1: 기판 2a:소스 전극
2b:드레인 전극 3:산화물 반도체
4:무기물 중간체 5:유기 강유전체
6:게이트 전극
Claims (13)
- 소스/드레인 전극이 형성된 산화물 반도체;상기 산화물 반도체 상에 형성되는 무기물 중간체;상기 무기물 중간체 상에 형성되는 유기 강유전체; 및상기 유기 강유전체 상에 형성되는 게이트 전극;을 포함하되,상기 산화물 반도체는 산화아연계 반도체에 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 질소, 인, 비소, 수소, 리튬, 나트륨, 또는 칼륨으로 이루어진 군에서 선택되는 원소가 적어도 하나 이상 포함되는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제1항에 있어서,상기 산화물 반도체는 기판 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제2항에 있어서,상기 기판은 유리 또는 플렉시블한 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제2항 또는 제3항에 있어서,상기 소스/드레인 전극과 상기 게이트 전극은 투명 산화물 전극인 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 산화물 반도체는 두께가 20~60nm인 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 무기물 중간체는 Al₂O₃, SiO₂, SiN, HfO₂, 또는 Y₂O₃ 중에서 선택되는 하나 이상의 무기물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제1항 또는 제8항에 있어서,상기 무기물 중간체는 3~10nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제 1항에 있어서,상기 유기 강유전체는 PVDF-TrFE, TTF-CA, M2P-DMTCNQ 또는 MXD6 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 제 1항 또는 제10항에 있어서,상기 유기 강유전체는 50~200nm 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막 트랜지스터 강유전체 메모리.
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090042139A KR101077617B1 (ko) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090042139A KR101077617B1 (ko) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100123106A KR20100123106A (ko) | 2010-11-24 |
| KR101077617B1 true KR101077617B1 (ko) | 2011-10-27 |
Family
ID=43407823
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090042139A KR101077617B1 (ko) | 2009-05-14 | 2009-05-14 | 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101077617B1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US12051749B2 (en) | 2020-06-23 | 2024-07-30 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Interfacial dual passivation layer for a ferroelectric device and methods of forming the same |
| US11955548B2 (en) * | 2021-01-29 | 2024-04-09 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Two-dimensional (2D) material for oxide semiconductor (OS) ferroelectric field-effect transistor (FeFET) device |
-
2009
- 2009-05-14 KR KR1020090042139A patent/KR101077617B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20100123106A (ko) | 2010-11-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10600808B2 (en) | Ferroelectric memory cell for an integrated circuit | |
| US10043567B2 (en) | Multilevel ferroelectric memory cell for an integrated circuit | |
| WO2021112247A1 (ja) | 不揮発性記憶装置、不揮発性記憶素子及びその製造方法 | |
| US9053802B2 (en) | Ferroelectric memory cell for an integrated circuit | |
| KR101016266B1 (ko) | 투명 전자소자용 투명 메모리. | |
| US7573083B2 (en) | Transistor type ferroelectric memory and method of manufacturing the same | |
| JP3460095B2 (ja) | 強誘電体メモリ | |
| KR100741222B1 (ko) | 트랜지스터형 강유전체 메모리 및 그 제조 방법 | |
| US8385099B2 (en) | Semiconductor memory cell and manufacturing method thereof, and semiconductor memory devices | |
| US20160308070A1 (en) | Semiconductor device | |
| WO2010131310A1 (ja) | 半導体メモリセルおよびその製造方法 | |
| Kaneko et al. | A dual-channel ferroelectric-gate field-effect transistor enabling NAND-type memory characteristics | |
| JP2008270313A (ja) | 半導体記憶素子 | |
| JP2009152235A (ja) | 強誘電体積層構造及びその製造方法、電界効果トランジスタ及びその製造方法、並びに強誘電体キャパシタ及びその製造方法 | |
| JPWO2013183547A1 (ja) | 半導体強誘電体記憶トランジスタおよびその製造方法 | |
| US8890142B2 (en) | Oxide electronic device and method for manufacturing the same | |
| Eshita et al. | Ferroelectric random access memory (FRAM) devices | |
| WO2010131311A1 (ja) | 半導体メモリセルおよびその製造方法 | |
| Park et al. | A perspective on the physical scaling down of hafnia-based ferroelectrics | |
| KR101077617B1 (ko) | 유-무기 하이브리드 비파괴읽기 박막트랜지스터 강유전체 메모리 및 그 제조방법 | |
| JP2008263019A (ja) | 半導体メモリセル及びその製造方法 | |
| CN117219671A (zh) | 一种具有双层沟道层的铁电场效应晶体管及其制备方法 | |
| KR20090029136A (ko) | 전체적으로 투명한 메모리 소자 | |
| JP2003060170A (ja) | 酸化物半導体を用いた強誘電体メモリ素子 | |
| CN116344345A (zh) | 铁电场效应晶体管及其制备方法和铁电存储器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20141002 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160105 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20161017 Year of fee payment: 6 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |