KR101639261B1 - 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈 - Google Patents

하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈 Download PDF

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신창환
조재성
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서울시립대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자와 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있는 하이브리드 반도체 모듈에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작하는 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제1 소자 그룹; 상기 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제2 소자 그룹; 상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹 각각에 인가되는 전압을 동적으로 결정하는 동작 제어부; 및 상기 동작 제어부의 제어에 따라서 제1 전압 및 제2 전압을 상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹에 각각 인가하는 전압 인가부를 포함하는 하이브리드 반도체 모듈이 제공된다.

Description

하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈{HYBRID SEMICONDUCTOR DEVICE AND HYBRID SEMICONDUCTOR MODULE}
본 발명은 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자와 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있는 하이브리드 반도체 모듈에 관한 것이다.
사물 인터넷(IoT, Internet of Things)은 가전 제품, 모바일 기기, 웨어러블 컴퓨터 등의 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술을 지칭한다. 사물 인터넷의 보급에 따라서 처리해야 할 정보의 양이 예컨대 현재 대비 최대 백만배 이상 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다.
특히 모바일 기기와 관련해서, 저전력, 고성능 및 고집적 반도체 소자의 구현이 필수적이다.
저전력 반도체 소자를 구현하기 위해서는 현재 반도체 소자에 주로 사용되는 CMOS 트랜지스터에서 구동 전압을 감소시키는 것이 필수적이다.
반도체 소자에 주로 사용되는 CMOS 트랜지스터의 전력 밀도는 원자로(Nuclear Reactor)의 전력 밀도에 상응하는 수준으로 매우 높은 편이다. 전력 밀도는 구동 전압(VDD)의 제곱에 비례하므로, 전력 밀도를 감소시키기 위해서는 구동 전압의 감소가 반드시 필요하다. 구동 전압을 낮추기 위해서는 상온에서 서브스레숄드 슬로프(subthreshold slope, SS)의 물리적 한계치인 60mV/dec보다 작은 값을 가지는 트랜지스터 개발이 절실히 필요한 상황이다.
고성능 및 고집적 반도체 소자를 구현하기 위해서는 반도체 칩 내에 메모리 기능과 로직 기능을 통합하는 것이 필수적이다.
종래의 경우 메모리 칩과 로직 칩을 별도로 배치하는 형태로 반도체 시스템이 구현되었다. 이를 개선하기 위해서 소위 SoC(system-on-chip) 형태로 하나의 칩 내에 메모리 기능과 로직 기능을 통합하여 고성능 및 고집적 반도체 소자를 구현하는 방식이 개발되었다.
예컨대 "고유전율 게이트 절연막의 제조방법"이라는 명칭의 한국등록특허 제10-0329282호는 하나의 칩 내에 메모리 부분과 로직 부분이 동시에 존재하는 반도체 소자에 적용하기 위해서 고유전율 박막 부분의 특정 부분의 두께를 상이하게 형성하여 메모리 소자 부분과 로직 소자 부분의 특성을 모두 만족시킬 수 있는 방법을 개시하고 있다.
그러나 SoC는 설계 단계부터 메모리 기능과 로직 기능이 각각 설정되어서 개발되며, 일단 제조된 이후에 메모리 기능이 더 필요하거나 로직 기능이 더 필요한 경우에도 조정이 불가능하다는 단점이 있다. 예컨대 용도에 따라서 메모리 기능이 더 필요한 경우에는 메모리 칩을 추가적으로 설치하거나 SoC 칩을 추가로 사용할 수밖에 없다. 마찬가지로 로직 기능이 더 필요한 경우에는 로직 칩을 추가적으로 설치하거나 SoC 칩을 추가로 사용할 수밖에 없다.
한국등록특허 제10-0329282호에서도 하나의 칩 내에 메모리 부분과 로직 부분이 동시에 존재하는 반도체 소자에 적용하기 위해서 고유전율 박막 부분의 특정 부분의 두께를 상이하게 형성하여 메모리 소자 부분과 로직 소자 부분의 특성을 모두 만족시킬 수 있도록 고유전율 게이트 절연막을 제조하는 방법을 개시하고 있지만, 메모리 소자 부분과 로직 소자 부분의 고유전율 박막 부분의 두께가 다르므로, 일단 제조된 반도체 소자에서 메모리 소자와 로직 소자의 비율을 동적으로 조정하여 사용할 수는 없다.
따라서 다양한 용도에 적용하기가 어렵고 특정 목적에 적합한 SoC만을 개발할 수 있다는 단점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-0329282호.
본 발명의 목적은 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자와 메모리 기능으로 동작하는 부분과 로직 기능으로 동작하는 부분을 포함하고 인가되는 전압을 기초로 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있는 하이브리드 반도체 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작하는 반도체 소자; 및 제1 전압 및 제2 전압 중 하나를 상기 반도체 소자에 인가하는 전압 인가부를 포함하는 하이브리드 반도체 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 반도체 소자는, 기판; 상기 기판에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 기판 상에 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 사이에 위치하도록 배치되는 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치되는 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되는 강유전체층; 및 상기 강유전체층 상에 배치되는 제2 전극층을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 반도체 소자는, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 상에 각각 상기 유전체층 내지 상기 제2 전극층의 측면을 도포하는 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘 및 게르마늄의 화합물을 포함하는 기판, III-V족 화합물을 포함하는 기판, SOI(Silicon-on-insulator) 기판, GOI(Germanium-on-insulator) 기판 및 SGOI(Silicon-Germanium-on-insulator) 기판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물 중 어느 하나로 도핑될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 유전체층은 SiO2, Si3N4, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 강유전체층은 PVDF [poly(vinylidenefluoride)], P(VDF-TrFE) [poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)], PZT (lead zirconate titanate), BTO (barium titanate), BLT (bismuth lanthanum titanate), SBT (strontium bismuth tantalate), SLT (near-stoichiometric lithium tantalate), 실리콘 도핑된 산화하프늄(Si-doped HfO2) 및 산화하프늄지르코늄(HfZrO2)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 질화실리콘(silicon nitride), 불소 도핑된 산화실리콘(fluorine-doped silicon dioxide), 탄소-도핑된 산화실리콘(carbon-doped silicon dioxide), 다공성 산화 실리콘(porous silicon dioxide)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 전압 인가부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 하나를 상기 반도체 소자의 상기 드레인 영역으로 인가할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 있어서, 상기 제1 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제1 전압 공급부; 및 상기 제2 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제2 전압 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작하는 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제1 소자 그룹; 상기 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제2 소자 그룹; 상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹 각각에 인가되는 전압을 동적으로 결정하는 동작 제어부; 및 상기 동작 제어부의 제어에 따라서 제1 전압 및 제2 전압을 상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹에 각각 인가하는 전압 인가부를 포함하는 하이브리드 반도체 모듈을 제공한다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 반도체 소자는, 기판; 상기 기판에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역; 상기 기판 상에 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 사이에 위치하도록 배치되는 유전체층; 상기 유전체층 상에 배치되는 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 배치되는 강유전체층; 및 상기 강유전체층 상에 배치되는 제2 전극층을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 반도체 소자는, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 상에 각각 상기 유전체층 내지 상기 제2 전극층의 측면을 도포하는 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘 및 게르마늄의 화합물을 포함하는 기판, III-V족 화합물을 포함하는 기판, SOI기판, GOI 기판 및 SGOI 기판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물 중 어느 하나로 도핑될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 유전체층은 SiO2, Si3N4, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 강유전체층은 PVDF, P(VDF-TrFE), PZT, BTO, BLT, SBT, SLT, 실리콘 도핑된(Si-doped) HfO2 및 HfZrO2를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 질화실리콘, 불소 도핑된 산화실리콘, 탄소-도핑된 산화실리콘, 다공성 산화 실리콘을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 전압 인가부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 하나를 상기 반도체 소자의 상기 드레인 영역으로 인가할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈에 있어서, 상기 제1 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제1 전압 공급부; 및 상기 제2 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제2 전압 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자와 메모리 기능으로 동작하는 부분과 로직 기능으로 동작하는 부분을 포함하고 인가되는 전압을 기초로 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있는 하이브리드 반도체 모듈을 제공할 수 있다. 따라서 다양한 용도에 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈은 60mV/dec 이하의 서브스레숄드 슬로프를 가질 수 있으므로 전력 소모를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈은 기존 CMOS 소자의 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있으므로 제조 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자의 예시적인 블록도를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 전압에 따른 동작 특성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 전압에 따른 동작 특성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 예시적인 블록도를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 예시적인 동작을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 또 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 또 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자의 예시적인 블록도를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자는, 반도체 소자(100)와, 전압 인가부(200)를 포함한다. 또한 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자는, 제1 전압 공급부(300)와, 제2 전압 공급부(400)를 더 포함할 수 있다.
반도체 소자(100)는 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작한다.
예컨대 제1 전압이 인가되면 반도체 소자(100)는 로직 소자로 동작하고, 제2 전압이 인가되면 반도체 소자(100)는 메모리 소자로 동작한다. 바람직하게는 제2 전압은 제1 전압에 비해서 높다.
반도체 소자(100)에 대해서는 도 2를 참조로 보다 상세히 설명한다.
전압 인가부(200)는 제1 전압 및 제2 전압 중 어느 하나를 반도체 소자(100)에 인가한다.
즉 전압 인가부(200)는 예컨대 반도체 소자(100)를 로직 소자로 동작시키려는 경우에는 제1 전압을 반도체 소자(100)에 인가하고, 예컨대 반도체 소자(100)를 메모리 소자로 동작시키려는 경우에는 제2 전압을 반도체 소자(100)에 인가한다.
한편 제1 전압 공급부(300)는 제1 전압을 전압 인가부(200)로 공급한다. 제2 전압 공급부(400)는 제2 전압을 전압 인가부(200)로 공급한다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에서 반도체 소자는 설명을 위해서 모식적으로 도시되며, 각 구성 요소의 크기 또는 비율은 설명을 위해서 개략적으로 도시된다. 또한 도 2에서는 설명을 위해서 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 모식적인 구성이 도시될 뿐이며, 예컨대 금속 배선이나 패드 등은 생략되어 있음을 주의하여야 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자(100)는, 기판(110)과, 소스 영역(120)과, 드레인 영역(130)과, 유전체층(140)과, 제1 전극층(150)과, 강유전체층(160)과, 제2 전극층(170)을 포함한다. 또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자(100)는 제1 스페이서(spacer)(180)와 제2 스페이서(190)를 더 포함할 수 있다.
기판(110)은 예컨대 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘 및 게르마늄의 화합물을 포함하는 기판, III-V족 화합물을 포함하는 기판, SOI기판, GOI 기판 및 SGOI 기판 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
소스 영역(120)과 드레인 영역(130)은 도 2에 도시되듯이 기판(110)에 형성된다. 소스 영역(120)과 드레인 영역(130)은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물 중 어느 하나로 도핑될 수 있다. 소스 영역(120)과 드레인 영역(130)은 종래의 MOS 구조와 동일하므로, 이에 대해서 상세한 설명은 생략한다.
유전체층(140)은 기판(110) 상에 배치되며, 도 2에 도시되듯이 소스 영역(120)과 드레인 영역(130)의 사이에 위치하도록 배치된다.
유전체층(140)은 SiO2, Si3N4, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극층(150)은 유전체층(140) 상에 배치된다. 보다 구체적으로 제1 전극층(150)은 유전체층(140)과 강유전체층(160) 사이에 배치된다.
제1 전극층(150)은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 제1 전극층(150)은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 질화탄탈룸(TaN) 등의 질화물, 산화루테늄(RuO2) 등의 산화물을 포함할 수 있다.
강유전체층(160)은 제1 전극층(150) 상에 배치된다. 보다 구체적으로 강유전체층(160)은 제1 전극층(150)과 제2 전극층(170) 사이에 배치된다.
강유전체층(160)은 PVDF, P(VDF-TrFE), PZT, BTO, BLT, SBT, SLT, 실리콘 도핑된(Si-doped) HfO2 및 HfZrO2를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
강유전체층(160)은 네거티브 커패시턴스를 가지는 커패시터로서 작용한다.
강유전체층(160)을 구성하는 강유전체 재료는 특정한 외부 에너지 이상의 힘을 받게 되면 분자의 위상이 변화하게 되고, 따라서 기존의 커패시터와는 달리 물질의 위상이 변화하는 동안에 네거티브 에너지를 가지는 구간이 발생하기 때문이다.
따라서 강유전체층(160)을 통하여 특정한 구간에서 네거티브 커패시턴스를 가지는 커패시터를 구현할 수 있다.
한편 강유전체층(160)에 의해서 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자의 전체적인 커패시턴스는 증가하게 되고, 따라서 전압이 증폭되는 것과 동일한 효과를 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자의 게이트 스택에서 전압 증폭을 구현할 수 있고, 특히 표면 전압을 증가시킬 수 있고 또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자의 스위칭 속도도 향상시킬 수 있다. 따라서 반도체 소자, 예컨대 CMOS의 서브스레숄드 슬로프를 물리적 한계치인 60mV/dec이하로 구현할 수 있다. 또한 예컨대 CMOS의 구동 전압을 0.5V 이하로 구현할 수 있어서 저전력 소자를 구현할 수 있다.
제2 전극층(170)은 강유전체층(160) 상에 배치된다.
제2 전극층(170)은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로 제2 전극층(170)은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 질화탄탈룸(TaN) 등의 질화물, 산화루테늄(RuO2) 등의 산화물을 포함할 수 있다.
제2 전극층(170)은 제1 전극층(150)과 동일한 물질을 포함할 수도 있지만, 제1 전극층(150)과 다른 물질을 포함할 수 도 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자(100)는 제1 스페이서(180)와 제2 스페이서(190)를 더 포함할 수 있다.
제1 스페이서(180)는 소스 영역(120) 상에서 유전체층(140) 내지 제2 전극층(170)의 측면을 도포한다.
제1 스페이서(180)는 질화실리콘, 불소 도핑된 산화실리콘, 탄소-도핑된 산화실리콘, 다공성 산화 실리콘을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 스페이서(190)는 드레인 영역(130) 상에서 유전체층(140) 내지 제2 전극층(170)의 측면을 도포한다.
제2 스페이서(190)는 질화실리콘, 불소 도핑된 산화실리콘, 탄소-도핑된 산화실리콘, 다공성 산화 실리콘을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 스페이서(180)와 제2 스페이서(190)는 본 발명에 따른 반도체 소자(100)의 동작 신뢰도를 향상시키기 위해서 배치된다.
한편 도 2를 참조하면, 소스 영역(120)은 접지되며, 드레인 영역(130)에는 드레인 전압(VD)이 인가되고, 제2 금속층(170)에는 게이트 전압(VG)이 인가된다.
전술한 전압 인가부(200)는 특히 드레인 영역(130)에 제1 전압 또는 제2 전압을 인가하도록 구성된다.
또는 도 2에 도시된 바와는 다르게 소스 영역(120)에 소스 전압(VS)이 인가되고, 드레인 영역(130)은 접지되며, 제2 금속층(170)에는 게이트 전압(VG)이 인가될 수도 있다. 이 경우 전술한 전압 인가부(200)는 특히 소스 영역(120)에 제1 전압 또는 제2 전압을 인가하도록 구성된다.
도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자에 구비되는 반도체 소자의 전압에 따른 동작 특성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 반도체 소자(100)의 드레인 영역(130)에 제1 전압이 인가되는 경우의 게이트 전압(VG)과 드레인 전류(ID)의 관계를 도시한다.
도시되듯이, 게이트 전압에 따라서 드레인 전류가 스티프(steep)하게 변화되며, 서브스레숄드 슬로프(SS)의 물리적 한계치인 60mV/dec보다 작다. 따라서 제1 전압으로서 낮은 드레인 전압(Low VD)이 드레인 영역(130)에 인가되면, 반도체 소자(100)는 전력을 적게 소모하는 로직 소자로서 동작할 수 있다.
도 4를 참조하면, 반도체 소자(100)의 드레인 영역(130)에 제2 전압이 인가되는 경우의 게이트 전압(VG)과 드레인 전류(ID)의 관계를 도시한다.
도시되듯이, 게이트 전압(VG)과 드레인 전류(ID)의 관계를 참조하면, 스티프(steep)한 메모리 윈도우를 가진다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 제2 전압으로서 높은 드레인 전압(High VD)이 드레인 영역(130)에 인가되면, 반도체 소자(100)는 전력을 적게 소모하는 메모리 소자로서 동작할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자를 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 예시적인 블록도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈은 제1 소자 그룹(1000)과, 제2 소자 그룹(2000)과, 동작 제어부(3000)와, 전압 인가부(4000)를 포함한다. 또한 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈은, 제1 전압 공급부(5000)와, 제2 전압 공급부(6000)를 더 포함할 수 있다.
제1 소자 그룹(1000)과, 제2 소자 그룹(2000)은 각각 도 2 내지 도 4를 참조로 설명한 본 발명에 따른 반도체 소자(100)를 복수 개 포함한다.
즉 제1 소자 그룹(1000)은 도 2 내지 도 4를 참조로 설명한 본 발명에 따른 반도체 소자(100)를 복수 개 포함하고, 제1 소자 그룹(1000)에 인가되는 전압에 따라서 제1 소자 그룹(1000) 내의 복수 개의 반도체 소자(100)는 전체적으로 로직 소자 또는 메모리 소자로서 동작한다.
제2 소자 그룹(2000) 역시 마찬가지이다.
동작 제어부(3000)는 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000) 각각에 인가되는 전압을 동적으로 결정한다.
예컨대 제1 소자 그룹(1000) 내의 복수 개의 반도체 소자(100)를 로직 소자로 동작시키려는 경우에는 제1 전압을 제1 소자 그룹(1000)에 인가하고 메모리 소자로 동작시키려는 경우에는 제2 전압을 제1 소자 그룹(1000)에 인가한다.
마찬가지로 제2 소자 그룹(2000) 내의 복수 개의 반도체 소자(100)를 로직 소자로 동작시키려는 경우에는 제1 전압을 제2 소자 그룹(2000)에 인가하고 메모리 소자로 동작시키려는 경우에는 제2 전압을 제2 소자 그룹(2000)에 인가한다.
동작 제어부(3000)의 결정에 따라서 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000)은 로직 소자 또는 메모리 소자로서 동작한다. 따라서 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈은 로직 소자가 필요한 경우에는 로직 소자로서 메모리 소자가 필요한 경우에는 메모리 소자로서 동작시킬 수 있다.
전압 인가부(4000)는 동작 제어부(3000)의 제어에 따라서 제1 전압 및 제2 전압을 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000)에 각각 인가한다.
한편 제1 전압 공급부(7000)는 제1 전압을 전압 인가부(4000)로 공급하고, 제2 전압 공급부(8000)는 제2 전압을 전압 인가부(4000)로 공급한다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 예시적인 동작을 나타내는 도면이다.
도 5에서는 설명의 편의상 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000)만을 도시하였지만, 도 6에서는 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)의 4가지 그룹을 가지는 하이브리드 반도체 모듈을 예로 들어서 설명한다.
예컨대 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈이 로직 소자와 메모리 소자를 각각 50:50의 비율로 사용하도록 설정되는 경우이다.
동작 제어부(3000)는 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000) 각각에 제1 전압을 인가하고, 제1 소자 그룹(1000) 및 제2 소자 그룹(2000)은 로직 소자로서 동작한다. 또한 동작 제어부(3000)는 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000) 각각에 제2 전압을 인가하고, 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)은 메모리 소자로서 동작한다.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면이다. 도 7에서는 도 6과 마찬가지로 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)의 4가지 그룹을 가지는 하이브리드 반도체 모듈을 예로 들어서 설명한다.
예컨대 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈이 로직 소자와 메모리 소자를 각각 75:25의 비율로 사용하도록 설정되는 경우이다.
동작 제어부(3000)는 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000) 및 제3 소자 그룹(7000) 각각에 제1 전압을 인가하고, 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000) 및 제3 소자 그룹(7000)은 로직 소자로서 동작한다. 또한 동작 제어부(3000)는 제4 소자 그룹(8000) 각각에 제2 전압을 인가하고, 제4 소자 그룹(8000)은 메모리 소자로서 동작한다.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 또 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면이다.
도 8에서는 도 6과 마찬가지로 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)의 4가지 그룹을 가지는 하이브리드 반도체 모듈을 예로 들어서 설명한다.
예컨대 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈을 전부 로직 소자로 사용하도록 설정되는 경우이다.
동작 제어부(3000)는 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000) 각각에 제1 전압을 인가하고, 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)은 로직 소자로서 동작한다.
도 9는 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈의 또 다른 예시적인 동작을 나타내는 도면이다.
도 9에서는 도 6과 마찬가지로 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)의 4가지 그룹을 가지는 하이브리드 반도체 모듈을 예로 들어서 설명한다.
예컨대 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈을 전부 메모리 소자로 사용하도록 설정되는 경우이다.
동작 제어부(3000)는 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000) 각각에 제2 전압을 인가하고, 제1 소자 그룹(1000), 제2 소자 그룹(2000), 제3 소자 그룹(7000) 및 제4 소자 그룹(8000)은 메모리 소자로서 동작한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈은 인가되는 전압에 따라서 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있다.
따라서 동일한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 모듈을 다양한 용도에 적용할 수 있다. 또한 일단 적용된 경우더라도 상황에 따라서 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 인가되는 전압을 기초로 메모리 소자 또는 로직 소자로 동작하는 하이브리드 반도체 소자와 메모리 기능으로 동작하는 부분과 로직 기능으로 동작하는 부분을 포함하고 인가되는 전압을 기초로 메모리 기능으로 동작하는 부분 및 로직 기능으로 동작하는 부분의 비율을 동적으로 조정할 수 있는 하이브리드 반도체 모듈을 제공할 수 있다. 따라서 다양한 용도에 적용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈은 60mV/dec 이하의 서브스레숄드 슬로프를 가질 수 있으므로 전력 소모를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 반도체 소자 및 하이브리드 반도체 모듈은 기존 CMOS 소자의 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있으므로 제조 비용을 최소화할 수 있다.
100: 반도체 소자 110: 기판
120: 소스 영역 130: 드레인 영역
140: 유전체층 150: 제1 전극층
160: 강유전체층 170: 제2 전극층
180: 제1 스페이서 190: 제2 스페이서
200: 전압 인가부 300: 제1 전압 공급부
400: 제2 전압 공급부
1000: 제1 소자 그룹 2000: 제2 소자 그룹
3000: 동작 제어부 4000: 전압 인가부
5000: 제1 전압 공급부 6000: 제2 전압 공급부
7000: 제3 소자 그룹 8000: 제4 소자 그룹

Claims (24)

  1. 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작하는 반도체 소자; 및
    제1 전압 및 제2 전압 중 하나를 상기 반도체 소자에 인가하는 전압 인가부
    를 포함하되,
    상기 반도체 소자는,
    기판;
    상기 기판에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역;
    상기 기판 상에 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 사이에 위치하도록 배치되는 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치되는 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상에 배치되는 강유전체층; 및
    상기 강유전체층 상에 배치되는 제2 전극층
    을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 상에 각각 상기 유전체층 내지 상기 제2 전극층의 측면을 도포하는 제1 스페이서 및 제2 스페이서
    를 더 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘 및 게르마늄의 화합물을 포함하는 기판, III-V족 화합물을 포함하는 기판, SOI(Silicon-on-insulator) 기판, GOI(Germanium-on-insulator) 기판 및 SGOI(Silicon-Germanium-on-insulator) 기판 중 어느 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물 중 어느 하나로 도핑되는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층은 SiO2, Si3N4, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PVDF [poly(vinylidenefluoride)], P(VDF-TrFE) [poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)], PZT (lead zirconate titanate), BTO (barium titanate), BLT (bismuth lanthanum titanate), SBT (strontium bismuth tantalate), SLT (near-stoichiometric lithium tantalate), 실리콘 도핑된 산화하프늄(Si-doped HfO2) 및 산화하프늄지르코늄(HfZrO2)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 질화실리콘(silicon nitride), 불소 도핑된 산화실리콘(fluorine-doped silicon dioxide), 탄소-도핑된 산화실리콘(carbon-doped silicon dioxide), 다공성 산화 실리콘(porous silicon dioxide)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전압 인가부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 하나를 상기 반도체 소자의 상기 드레인 영역으로 인가하는 것인 하이브리드 반도체 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제1 전압 공급부; 및
    상기 제2 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제2 전압 공급부
    를 더 포함하는 하이브리드 반도체 소자.
  13. 인가되는 전압에 따라서 로직 소자 및 메모리 소자 중의 어느 하나로 동작하는 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제1 소자 그룹;
    상기 반도체 소자를 복수 개 포함하는 제2 소자 그룹;
    상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹 각각에 인가되는 전압을 동적으로 결정하는 동작 제어부; 및
    상기 동작 제어부의 제어에 따라서 제1 전압 및 제2 전압을 상기 제1 소자 그룹 및 상기 제2 소자 그룹에 각각 인가하는 전압 인가부
    를 포함하되,
    상기 반도체 소자는,
    기판;
    상기 기판에 형성되는 소스 영역 및 드레인 영역;
    상기 기판 상에 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 사이에 위치하도록 배치되는 유전체층;
    상기 유전체층 상에 배치되는 제1 전극층;
    상기 제1 전극층 상에 배치되는 강유전체층; 및
    상기 강유전체층 상에 배치되는 제2 전극층
    을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 소자는,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 상에 각각 상기 유전체층 내지 상기 제2 전극층의 측면을 도포하는 제1 스페이서 및 제2 스페이서
    를 더 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 실리콘 및 게르마늄의 화합물을 포함하는 기판, III-V족 화합물을 포함하는 기판, SOI기판, GOI 기판 및 SGOI 기판 중 어느 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 n-타입 불순물 및 p-타입 불순물 중 어느 하나로 도핑되는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 유전체층은 SiO2, Si3N4, HfO2, ZrO2, La2O3, Al2O3 및 TiO2를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 질화티타늄(TiN)을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 제2 전극층은 실리콘(Si), 폴리실리콘, 구리(Cu), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 탄탈룸(Ta), 루테늄(Ru) 및 이들 중 적어도 하나의 산화물 및 질화물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 강유전체층은 PVDF, P(VDF-TrFE), PZT, BTO, BLT, SBT, SLT, 실리콘 도핑된(Si-doped) HfO2 및 HfZrO2를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 제1 스페이서 및 제2 스페이서는 질화실리콘, 불소 도핑된 산화실리콘, 탄소-도핑된 산화실리콘, 다공성 산화 실리콘을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  23. 제13항에 있어서,
    상기 전압 인가부는 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 중 어느 하나를 상기 반도체 소자의 상기 드레인 영역으로 인가하는 것인 하이브리드 반도체 모듈.
  24. 제13항에 있어서,
    상기 제1 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제1 전압 공급부; 및
    상기 제2 전압을 상기 전압 인가부로 공급하는 제2 전압 공급부
    를 더 포함하는 하이브리드 반도체 모듈.
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