KR102028600B1 - 2차원 강유전성 tmdc 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
실시예들은 하부전극, 상기 하부전극 상에 형성된 강유전체층 및 상기 강유전체층 상에 형성된 상부전극을 포함하되, 상기 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성되고, 상기 TMDC층은 3R 결정구조를 갖는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 관련된다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 2차원 강유전성 TMDC 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조방법에 대한 것이다
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
[과제고유번호] 10048490
[부처명] 산업통상자원부
[연구관리전문기관] 한국산업기술평가관리원
[연구사업명] 전자정보디바이스산업원천기술개발사업
[연구과제명] 비 실리콘계 차세대 고성능 스위치소자용 재료설계 및 물성예측 기술
저전력 정보 저장 기술의 필요성으로 인해 다양한 방식의 비휘발성 메모리 소자가 개발되고 있다. 대표적으로 커패시터의 유전체를 강유전체로 치환한 ferroelectric RAM (FRAM), 또는 ferroelectric tunnel junction (FTJ)가 이용되고 있다. 이러한 소자는 대개 벌크 구조를 가지는 페로브스카이트 계열의 강유전 물질을 사용한다. 이들은 대개 높은 자발분극을 (~수십 μμC/cm2) 보이지만 산소공공이나 전극과의 계면에서 결함에 의한 안정성이 떨어진다. 특히 이들 벌크 물질은 초박막 형태(수 nm 이하)가 되면 자발분극 및 강유전 특성이 사라진다. 그러나 구동전압을 낮추고 소자 집적도를 향상 시키기 위해서는 초박형 강유전체가 요구된다.
이를 개선 하기 위해서는 SrRuO3/BaTiO3/SrRuO3 같은 형태로 강유전 물질과 유사한 결정구조를 가지는 금속 전극 물질을 사용하여야 하는 제약이 있다.
또한 그래핀 등의 2차원 물질들로 기존 벌크 물질을 대체하여 기존 소자의 한계를 극복하려는 시도 또한 활발하다. 이들은 화학적 조성이나 결정 구조를 바꾸어 반도체 (유전체) 또는 금속 모두가 될 수 있으므로 2차원 물질 만으로도 메모리 소자를 구성할 수 있다.
그러나 그래핀 등의 2차원 물질들로는 강유전성을 구현하기 어렵기 때문에 이러한 물질을 기초로 초박형 FRAM, FTJ를 제조하는 것이 어려운 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강유전 성질을 띄는 2차원 결정 구조의 전이금속 칼코지나이드계 화합물(transition metal dichalcogenide, TMDC)을 이용한 비휘발성 메모리 소자 및 그 형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자는, 하부전극, 상기 하부전극 상에 형성된 강유전체층 및 상기 강유전체층 상에 형성된 상부전극을 포함하되, 상기 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성된다.
실시예들에 있어서, 상기 2차원 TMDC층은 MX2로 표현되고, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법은, 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계 및 상기 강유전체층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성된다.
실시예들에 있어서, 상기 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계는, 화학기상증착법, 원자층증착법, 기계적박리법 중 하나 이상으로 수행될 수 있다.
실시예들에 있어서, 상기 2차원 TMDC층은 MX2로 표현되고, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함하고, 상기 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강유전층의 두께가 1 nm 이하로 매우 얇은 FRAM 내지 FTJ를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 FRAM 내지 FTJ 제조에 국한되지 않으며, 박막 강유전체를 구성요소로 하는 모든 비휘발성 메모리 소자에 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 저가로 비휘발성 메모리 소자를 제조할 수 있으며, 소자의 두께가 얇아도 안정성을 확보할 수 있다. 즉 소자가 미소화됨에 따라 얇은 강유전체가 요구되는데, 기존의 벌크 타입의 강유전체는 초박막 형태로 제조하면 (~수 원자단위) 화학적 안정성이 떨어지고 전기적 물성이 벌크 구조에 비해 열화된다. 그러나 2차원 물질의 강유전체는 화학적으로 안정한 개별 2차원 결정이 반데르발스 힘에 의해 적층된 층상구조를 띄고 있으므로 얇은 막으로 제조하여도 물질 고유의 특성을 유지하는 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자를 나타낸다.
도 2는 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 자발분극(Ps) 방향을 나타내고, 도 3은 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 두께(층수)에 따른 자발분극 크기(|Ps|)를 나타낸다.
도 4는 2개 층 3R MoS2의 층간 밀림에 의한 강유전 스위칭을 나타내고, 도 5는 2개 층 3R MoS2의 강유전 스위칭에 대한 에너지 배리어 값을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법의 순서도이다.
도 2는 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 자발분극(Ps) 방향을 나타내고, 도 3은 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 두께(층수)에 따른 자발분극 크기(|Ps|)를 나타낸다.
도 4는 2개 층 3R MoS2의 층간 밀림에 의한 강유전 스위칭을 나타내고, 도 5는 2개 층 3R MoS2의 강유전 스위칭에 대한 에너지 배리어 값을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법의 순서도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자를 나타낸다. 도 1을 참조하면 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자100는 하부전극110, 하부전극110 상에 형성된 강유전체층120 및 강유전체층120 상에 형성된 상부전극130을 포함한다. 여기서 강유전체층120은 2차원 물질층이며, TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성된 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 2차원 TMDC층은 MX2로 표현될 수 있으며, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 명세서에서는 TMDC층을 구성하는 물질로서 MoS2를 예로 들어 설명한다.
본 발명의 주요한 일 특징으로서 실시예에 있어서 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조일 수 있다.
본 발명의 발명자는 2차원 TMDC층을 3R 구조로 형성하였을 때, 강유전성이 나타난다는 점을 발견하였고, 이러한 강유전성을 비휘발성 메모리에 적용하는 메모리 소자 및 그 메모리 소자의 제조방법을 제안한다.
도 2는 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 자발분극(Ps) 방향을 나타내고 적층 순서 (BCA…… 또는 BAC……; Mo 원자의 위치 기준)에 따라 자발분극의 방향이 반대가 됨을 알 수 있다. 도 3은 3R 결정구조를 갖는 MoS2의 두께(층 수)에 따른 자발분극 크기(|Ps|)를 나타낸다. 또한 도 4는 2개 층 3R MoS2의 층간 밀림에 의한 강유전 스위칭을 나타내고, 도 5는 2개 층 3R MoS2의 강유전 스위칭에 대한 에너지 배리어 값을 나타낸다.
도 2 및 도 4를 참조하면 자발 분극이 서로 반대 방향인 두 구조는 층간 밀림에 의하여 서로 변환될 수 있다는 점을 알 수 있다. 따라서 3R MoS2의 강유전 스위칭은 층간 밀림에 의해 일어난다.
또한 도 4 및 도 5를 참조하면 2개층 3R MoS2에서 층간 밀림이 일어날 때의 에너지 배리어가 통상의 강유전 물질에서 나타나는 값과 유사하므로 3R MoS2가 강유전성을 가짐을 알 수 있다. 도 5에서 x 축은 2 개층 3R MoS2 (적층 순서 BC) 에서 위 층이 C에서 B로(Mo 원자의 위치 기준) 이동할 때의 상대적 위치를 나타내며 y 축은 각 위치에서의 에너지 크기를 나타낸다.
도 3 및 도 5의 데이터는 밀도범함수이론에 기반한 시뮬레이션을 통해 얻었으며 교환상관에너지 범함수로 LDA 및 PBE 두 가지를 이용하였다.
도 4를 참조하면 2개층 3R MoS2의 두께는 1 nm 이하이다. 이와 같이 3R 결정구조를 갖는 2차원 TMDC층을 비휘발성 메모리 소자의 유전체층으로 사용하게 되면 초박형 FRAM, FTJ를 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법의 순서도이다. 도 6을 참조하면 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법은 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계S100 및 상기 강유전체층 상에 상부전극을 형성하는 단계S200를 포함한다. 여기서 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계S100는, 화학기상증착법, 원자층증착법, 기계적박리법 중 하나 이상으로 수행될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 2차원 TMDC층은 MX2로 표현되고, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함하고, 상기 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조일 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (6)
- 하부전극;
상기 하부전극 상에 형성된 강유전체층; 및
상기 강유전체층 상에 형성된 상부전극을 포함하되,
상기 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성되고,
상기 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조인 것을 특징으로 하는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 2차원 TMDC층은 MX2로 표현되고, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자.
- 삭제
- 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 강유전체층 상에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 강유전체층은 2차원 TMDC(전이금속 칼코지나이드계 화합물)층으로 구성되고,
상기 2차원 TMDC층의 결정구조는 3R 구조인 것을 특징으로 하는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 하부 전극 상에 강유전체층을 형성하는 단계는,
화학기상증착법, 원자층증착법, 기계적박리법 중 하나 이상으로 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.
- 제4항에 있어서,
상기 2차원 TMDC층은 MX2로 표현되고, 여기서, M은 Mo, W, Zr 중 하나 이상을 포함하고, X는 S, Se, Te 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 TMDC 강유전성 물질을 가지는 비휘발성 메모리 소자 제조방법.
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| KR102028600B1 true KR102028600B1 (ko) | 2019-10-04 |
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| KR (1) | KR102028600B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100823168B1 (ko) | 2007-01-08 | 2008-04-18 | 삼성전자주식회사 | 강유전체 메모리 장치 및 그 형성 방법 |
| KR20100044004A (ko) * | 2008-10-21 | 2010-04-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | 상변화 메모리 소자 및 그 제조방법 |
| KR20150134816A (ko) * | 2014-05-23 | 2015-12-02 | 엘지전자 주식회사 | 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 광 반도체 소자 |
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-
2018
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Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Myung Hun Woo et al.,‘Floating gate memory based on MoS2 channel and iCVD polymer tunneling dielectric’, 46th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), pp 295-298 (2016.09.14.) * |
| 조수연 외 3인, 2차원 층상구조 전이금속칼코젠의 반도체-도체 구조상 전이 기반 응용 기술, 한국진공학회, 진공이야기, 제3권제1호 (2016.03.) 1부.* * |
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