KR102229424B1 - Semiconductor device with negative differential transconductance and manufacturing method thereof - Google Patents
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본 발명은 부성 미분 전달 컨덕턴스 특성을 갖는 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 단순화된 구조로서 공정설계에 제약을 받음이 없이 종래보다 제조공정이 훨씬 간단해지고 제조경비가 절감되는 구조의 부성 미분 전달 컨덕턴스 특성을 갖는 반도체 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device having a negative differential transfer conductance characteristic, and in particular, the negative differential transfer conductance characteristic of a structure in which the manufacturing process is much simpler and the manufacturing cost is reduced compared to the prior art without being limited by the process design as a simplified structure. It relates to a semiconductor device having.
또한, 본 발명은 상기 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.Further, the present invention relates to a method of manufacturing the semiconductor device.
일반적으로 반도체 소자에서 부성 미분 전달 컨덕턴스(Negative Differential Transconductance: "NDT") 및 부성 미분 저항(Negative Differential Resistance: "NDR")은 특정한 바이어스 지점들에서 나타나는 출력 전류 또는 전압의 진동피크 특성을 가리킨다.In general, in a semiconductor device, the negative differential transfer conductance ("NDT") and the negative differential resistance ("NDR") refer to the vibration peak characteristics of the output current or voltage appearing at specific bias points.
특히, 위의 NDT 특성은 여러 특정한 바이어스 포인트들에서 전압이 증가함에도 전류가 감소하는 다수의 전류 진동피크를 보인다. 이렇게 마치 여러 문턱전압을 갖는 다이오드 특성과도 같은 출력 전류의 진동피크 특성은 다중 논리함수나 다중 값 논리처리 및 확률 데이터 처리 등의 차세대 컴퓨팅 장치에 매우 유망하게 활용될 수 있다. 예컨대, 이러한 NDT 특성을 활용하여 3개 논리값인 0, 1, 2의 3진법을 사용하는 소자는 단지 0과 1만의 2진법을 사용하는 소자보다도 불과 60%의 부품들만으로 구성되면서도 훨씬 고속으로 작동이 가능하므로, 반도체칩의 소형화, 저전력화 및 초고속화를 달성할 수 있다. In particular, the above NDT characteristic shows a number of current vibration peaks in which the current decreases even when the voltage increases at various specific bias points. As such, the vibration peak characteristics of the output current, such as diode characteristics having multiple threshold voltages, can be very promisingly used in next-generation computing devices such as multi-logic functions, multi-value logic processing, and probability data processing. For example, using these NDT characteristics, a device that uses the ternary system of 3
이러한 NDT 특성은 일반적으로 기존의 에사키 다이오드(Esaki diode), 공명 터널링 다이오드(resonant tunneling diode)나 단전자 트랜지스터(single electron transistor)에서도 관찰되지만, 상기 에사키 다이오드는 메커니즘상 2개 이상의 전류 진동 피크를 얻기 어렵고, 상기 공명 터널링 다이오드와 단전자 트랜지스터는 제조공정이 복잡하거나 또는 극저온의 환경이 요구되는 등의 까다로운 구동조건으로 인하여 실용화가 어렵다.These NDT characteristics are generally observed in existing Esaki diodes, resonant tunneling diodes, or single electron transistors, but the Esaki diodes have two or more current oscillation peaks due to the mechanism. It is difficult to obtain, and the resonance tunneling diode and the single-electron transistor are difficult to put into practical use due to difficult driving conditions such as a complicated manufacturing process or a cryogenic environment.
최근에 들어서는, 도 1a에 보이는 바와 같이, SOI 기판 상에 배치된 게이트형 Si p+-i-n+ 초박형(UTB: ultra-thin body) 채널을 갖는 구조의 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)이 제시된 바 있다. 이러한 트랜지스터는 도 1b에 보이듯이 실온에서도 특정 게이트 전압(VG)에서 전류(ID)가 뚜렷한 Λ자형의 NDT 피크 특성이 구현된다. 도 1a~1b는 NDT 특성을 갖는 종래의 반도체 소자에 관한 것으로서, 도 1a는 그의 개략 구조도를 보이고, 도 1b는 그의 게이트 전압(VG)에 따른 전류(ID) 특성을 보이는 그래프이다.Recently, as shown in FIG. 1A, a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) having a structure having a gate-type Si p + -in + ultra-thin body (UTB) channel disposed on an SOI substrate. ) Has been suggested. As shown in FIG. 1B, a Λ-shaped NDT peak characteristic is realized in such a transistor with a clear current I D at a specific gate voltage V G at room temperature. 1A to 1B are related to a conventional semiconductor device having NDT characteristics, and FIG. 1A is a schematic structural diagram thereof, and FIG. 1B is a graph showing current I D characteristics according to its gate voltage V G.
그러나, 위와 같은 종래의 구조는 도 1a에 도시하듯이 하나의 소자에 p형 반도체층과 n형 반도체층 둘 다를 형성하여야하므로, 소자의 집적도 측면이나 공정측면에서 p형 반도체물질과 n형 반도체물질의 공정조건이 다른 경우 제조공정시 반드시 여러 조건이 고려되어야만하고 공정 설계가 제한된다는 문제가 있다.However, in the conventional structure as described above, since both the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer must be formed in one device, as shown in FIG. 1A, the p-type semiconductor material and the n-type semiconductor material If the process conditions of are different, there is a problem that several conditions must be considered during the manufacturing process and the process design is limited.
1. 공개특허공보 제10-2017-0109457호(2017. 9. 29)1. Unexamined Patent Publication No. 10-2017-0109457 (2017. 9. 29)
2. 공개특허공보 제10-2018-0135350호(2018. 12. 20)2. Unexamined Patent Publication No. 10-2018-0135350 (2018. 12. 20)
3. Sejoon Lee 등, Scientific Reports volume 7, Article number: 11065 (2017) 3.Sejoon Lee et al., Scientific Reports volume 7, Article number: 11065 (2017)
본 발명은 종래보다 단순화된 구조로서 공정설계에 제약을 받음이 없이 종래보다 제조공정이 훨씬 간단해지고 제조경비가 절감되는 구조의 부성 미분 전달 컨덕턴스 특성을 갖는 반도체 소자 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a negative differential transfer conductance characteristic of a structure in which the manufacturing process is much simpler and the manufacturing cost is reduced than the conventional one without being restricted by the process design as a simplified structure than the prior art, and a method of manufacturing the same. .
위 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 반도체 소자는, 기판과, 상기 기판상에 형성된 게이트 전극과, 상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막과, 상기 게이트 절연막 상에 형성되되 사전 정의된 제1전도도를 갖는 제1 산화물반도체 채널층과, 상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일측면과 접촉하도록 형성되되 상기 제1전도도보다 더 낮은 제2전도도를 갖는 제2 산화물반도체 채널층과, 상기 게이트 절연막 및 상기 제1 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성된 소스 전극과 상기 게이트 절연막 및 상기 제2 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성된 드레인 전극을 포함하고, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 문턱전압을 형성하고, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층은 상기 게이트 전극에서 인가되는 게이트 전압에 따라 차례로 각각 ON 상태로 전환됨으로써 상기 드레인 전극에서의 전류가 부성 미분 전달 컨덕턴스(Negative Diferential Transconductance: NDT) 특성을 나타낸다.A semiconductor device according to an aspect of the present invention for solving the above problem includes a substrate, a gate electrode formed on the substrate, a gate insulating film formed on the gate electrode, and a predefined agent formed on the gate insulating film. A first oxide semiconductor channel layer having 1 conductivity, and formed on the gate insulating layer and formed to contact one side of the first oxide semiconductor channel layer while covering a portion of the upper surface of the first oxide semiconductor channel layer. A second oxide semiconductor channel layer having a second conductivity lower than the conductivity, a source electrode formed to contact the gate insulating film and the first oxide semiconductor channel layer, respectively, and the gate insulating film and the second oxide semiconductor channel layer, respectively. And a drain electrode formed so that the first oxide semiconductor channel layer has a lower threshold voltage than the second oxide semiconductor channel layer, and the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer are the gate electrode Each of the currents at the drain electrode exhibits a negative differential transconductance (NDT) characteristic by switching to the ON state in turn according to the gate voltage applied at.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층의 조성은 실리콘인듐산화아연(SiInZnO) 및 실리콘주석산화아연(SiZnSnO) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer may include at least one of silicon indium zinc oxide (SiInZnO) and silicon tin oxide (SiZnSnO).
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층은 0.001~30 wt% 범위의 실리콘 함량을 가질 수 있다.In addition, optionally, the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer may have a silicon content in the range of 0.001 to 30 wt%.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 실리콘 함량을 가질 수 있다.Also, optionally, the first oxide semiconductor channel layer may have a lower silicon content than the second oxide semiconductor channel layer.
또한, 선택적으로, 상기 제2 산화물반도체 채널층은 0.01~30 wt% 범위의 실리콘 함량을 가질 수 있다.In addition, optionally, the second oxide semiconductor channel layer may have a silicon content in the range of 0.01 to 30 wt%.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층의 조성은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 리튬(Li), 칼륨(K), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 니오븀(Nb) 중에서 선택된 하나 이상의 도펀트를 함유하되, 상기 제1 산화물반도체 채널층의 조성은 상기 제2 산화물반도체 채널층의 조성보다 상대적으로 더 낮은 함량으로 상기 도펀트를 함유할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer is aluminum (Al), gallium (Ga), hafnium (Hf), zirconium (Zr), lithium (Li), potassium (K). ), titanium (Ti), germanium (Ge), and niobium (Nb), but the composition of the first oxide semiconductor channel layer is relatively lower than that of the second oxide semiconductor channel layer It may contain the dopant.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 상기 제2 산화물반도체 채널층의 각 두께는 10~200 ㎚ 범위일 수 있다.Also, optionally, each thickness of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer may range from 10 to 200 nm.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.Also, optionally, the first oxide semiconductor channel layer may have a greater thickness than the second oxide semiconductor channel layer.
또한, 선택적으로, 상기 게이트 전극의 조성은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO), 산화갈륨아연(Gallium Zinc Oxide; GZO), 산화인듐갈륨아연(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 산화인듐갈륨(Indium Gallium Oxide; IGO), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide; IZO), 산화인듐(In2O3), Si, Mo, Al, Ag, Au, Cu, 및 Ta으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the gate electrode may include a highly doped silicon substrate, indium tin oxide (ITO), gallium zinc oxide (GZO), and indium gallium zinc oxide; IGZO), Indium Gallium Oxide (IGO), Indium Zinc Oxide (IZO), Indium Oxide (In 2 O 3 ), Si, Mo, Al, Ag, Au, Cu, and Ta It may include one or more selected from the group.
또한, 선택적으로, 상기 게이트 절연막의 조성은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소 화합물(Ba-Sr-Ti-O), 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the gate insulating layer is silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), and tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), at least one selected from the group consisting of barium-strontium-titanium-oxygen compounds (Ba-Sr-Ti-O), and bismuth-zinc-niobium-oxygen compounds (Bi-Zn-Nb-O) Can include.
또한, 선택적으로, 상기 기판의 조성은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에테르 설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스틸렌(Polystyrene, PS), 이축연신폴리스틸렌(biaxially oriented PS, BOPS), 아크릴수지, 실리콘수지, 불소수지, 변성에폭시수지, 실리콘, 유리 및 강화유리로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the substrate is a silicon substrate doped with a high concentration, polyimide (PI), polyamide (PA), polyamide-imide, polyurethane (polyurethane, PU). ), polyurethane acrylate (PUA), polyacrylamide (PA), polyethylene terephthalate (PET), polyether sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), Polycarbonate (PC), polymethylmethacrylate (PMMA), polyetherimide (PEI), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene (PE), polyvinyl alcohol ( At least one selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, PVA), polystyrene (PS), biaxially oriented PS (BOPS), acrylic resin, silicone resin, fluorine resin, modified epoxy resin, silicone, glass and tempered glass It may include.
또한, 선택적으로, 상기 기판과 게이트 전극 및 게이트 절연막은 상면에 산화실리콘(SiO2)막이 형성된 p++-Si 기판 또는 N++-Si 기판으로 될 수 있다.In addition, optionally, the substrate, the gate electrode, and the gate insulating layer may be a p ++ -Si substrate or an N ++ -Si substrate having a silicon oxide (SiO 2 ) layer formed thereon.
또한, 선택적으로, 상기 소스 전극 및 드레인 전극의 조성은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), ITO(Indium Tin Oxide) 및 ISO(Indium Silicon Oxide)가 이루는 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In addition, optionally, the composition of the source electrode and the drain electrode is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), molybdenum (Mo), ITO It may include at least one selected from the group consisting of (Indium Tin Oxide) and ISO (Indium Silicon Oxide).
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 의한 반도체 소자의 제조방법은, 기판상에 게이트 전극 및 게이트 절연막을 순차적으로 형성하는 단계와, 상기 게이트 절연막 상에 사전 정의된 제1전도도를 갖는 제1 산화물반도체 채널층을 형성하는 단계와, 상기 제1전도도보다 더 낮은 제2전도도를 갖는 제2 산화물반도체 채널층을 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일측면과 접촉하도록 상기 게이트 절연막 상에 형성하는 단계와, 소스 전극을 상기 게이트 절연막 및 상기 제1 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성하고 드레인 전극을 상기 게이트 절연막 및 상기 제2 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성하는 단계를 포함한다.In addition, a method of manufacturing a semiconductor device according to another aspect of the present invention includes the steps of sequentially forming a gate electrode and a gate insulating film on a substrate, and a first oxide semiconductor having a predefined first conductivity on the gate insulating film. Forming a channel layer, and a second oxide semiconductor channel layer having a second conductivity lower than the first conductivity and covering a portion of the top surface of the first oxide semiconductor channel layer, and one side of the first oxide semiconductor channel layer Forming a source electrode on the gate insulating layer to contact the gate insulating layer, forming a source electrode to contact the gate insulating layer and the first oxide semiconductor channel layer, respectively, and contacting the drain electrode to the gate insulating layer and the second oxide semiconductor channel layer, respectively And forming to be formed.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 산소 유량하에서 증착되어 형성될 수 있다.Also, optionally, the first oxide semiconductor channel layer may be formed by depositing under an oxygen flow rate lower than that of the second oxide semiconductor channel layer.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중의 하나 이상을 포함하는 분위기로 증착되어 형성될 수 있다.In addition, optionally, the first oxide semiconductor channel layer may be formed by depositing in an atmosphere containing at least one of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ).
또한, 선택적으로, 상기 제2 산화물반도체 채널층은 산소(O2)를 포함한 분위기로 증착되어 형성될 수 있다.Also, optionally, the second oxide semiconductor channel layer may be formed by depositing in an atmosphere containing oxygen (O 2 ).
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 상기 제2 산화물반도체 채널층은 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중의 하나 이상과 산소(O2)를 포함한 분위기로 증착되어 형성되되, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 산소 분압량으로 증착되어 형성될 수 있다.In addition, optionally, the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer are formed by depositing in an atmosphere containing at least one of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ), the The first oxide semiconductor channel layer may be formed by depositing at a lower oxygen partial pressure than the second oxide semiconductor channel layer.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 산소의 분압량은 40% 이하 범위로 조절되고, 상기 제2 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 산소의 분압량은 1~50% 범위로 조절될 수 있다.In addition, optionally, when the first oxide semiconductor channel layer is deposited, the partial pressure of the oxygen is adjusted to a range of 40% or less, and when the second oxide semiconductor channel layer is deposited, the partial pressure of the oxygen is in the range of 1 to 50%. Can be adjusted to
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 높은 소스 파워가 인가되어 증착 및 형성될 수 있다.Also, optionally, the first oxide semiconductor channel layer may be deposited and formed by applying a higher source power than the second oxide semiconductor channel layer.
또한, 선택적으로, 상기 제1 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 소스 파워는 20~300 W 범위로 조절되고, 상기 제2 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 소스 파워는 10~200 W 범위로 조절될 수 있다..In addition, optionally, when the first oxide semiconductor channel layer is deposited, the source power is adjusted to a range of 20 to 300 W, and when the second oxide semiconductor channel layer is deposited, the source power is adjusted to a range of 10 to 200 W. I can...
본 발명의 반도체 소자는 종래처럼 하나의 반도체 소자에 p형 및 n형 반도체층 둘 다를 형성할 필요가 없이 하나의 반도체 소자에 단일형의 산화물반도체 물질로 구성되되 서로간에 전도도 차이를 갖도록 조성이 조절된 2개의 산화물반도체 채널층을 서로 접촉하도록 형성하는 단순한 구조로 구성되면서 부성 미분 전달 컨덕턴스 특성을 구현하므로, 공정설계에 제약을 받음이 없이 종래보다 제조공정이 훨씬 간단해지고 제조경비가 크게 절감된다. 부성 미분 전달 컨덕턴스 특성을 갖는 본 발명의 반도체 소자는 다중 논리함수나 다중 값 논리처리 및 확률 데이터 처리 등의 차세대 컴퓨팅 장치에 매우 유망하게 적용될 수 있다.The semiconductor device of the present invention is composed of a single-type oxide semiconductor material in one semiconductor device without the need to form both p-type and n-type semiconductor layers on one semiconductor device as in the prior art, but the composition is adjusted to have a difference in conductivity between them. Since it is composed of a simple structure in which the two oxide semiconductor channel layers are formed to contact each other and realizes the negative differential transfer conductance characteristic, the manufacturing process is much simpler than the conventional one without being restricted in the process design, and the manufacturing cost is greatly reduced. The semiconductor device of the present invention having negative differential transfer conductance characteristics can be very promisingly applied to next-generation computing devices such as multiple logic functions, multiple value logic processing, and probability data processing.
도 1a~1b는 NDT 특성을 갖는 종래의 반도체 소자에 관한 것으로서, 도 1a는 그의 개략 구조도를 보이고, 도 1b는 그의 게이트 전압(VG)에 따른 전류(ID) 특성을 보이는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시양태에 따른 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4a~4d는 도 3에 도시한 본 발명의 일 실시양태에 따른 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 제조방법에서의 각 세부과정을 차례로 개략 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 NDT 특성을 갖는 반도체 소자에서 게이트 전압(Gate voltage)의 변화에 따른 드레인 전류(Drain current)의 변화를 나타낸 그래프이다.1A to 1B are related to a conventional semiconductor device having NDT characteristics, and FIG. 1A is a schematic structural diagram thereof, and FIG. 1B is a graph showing current I D characteristics according to its gate voltage V G.
2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device having NDT characteristics according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having NDT characteristics according to an embodiment of the present invention.
4A to 4D are schematic views sequentially illustrating detailed processes in the method of manufacturing a semiconductor device having NDT characteristics according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 3.
5 is a graph showing a change in drain current according to a change in a gate voltage in a semiconductor device having NDT characteristics manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명은 종래와는 달리 하나의 박막 반도체 소자에 p형 및 n형 반도체물질층 둘 다를 형성함이 없이 하나의 박막 반도체 소자에 단일형의 반도체물질층만으로 구성되되 서로간에 전도도 차이를 갖도록 조성이 조절된 2개의 반도체 채널층을 서로 접촉하도록 형성하는 단순한 구조로 구성된다. Unlike the prior art, the present invention is composed of only a single layer of semiconductor material in one thin film semiconductor device without forming both p-type and n-type semiconductor material layers on one thin film semiconductor device, but the composition is adjusted to have a difference in conductivity between them. It consists of a simple structure in which the two semiconductor channel layers are formed so as to contact each other.
이러한 본 발명의 구조에서 상기 두 반도체 채널층간에 서로 다른 전도도에 따라 형성된 서로 다른 문턱전압에 의하여 이들에 입력되는 전압에 따라 전도상태가 차례로 변화함으로써 전술한 부성 미분 전달 컨덕턴스(Negative Diferential Transconductance: 이하 "NDT"라고 함) 특성이 효과적으로 구현된다. 그리고, 본 발명의 이렇게 서로간에 전도도 차이를 갖는 두 반도체 채널층 구조는 예컨대 도핑원소의 함량이나 산소 분압비의 제어 또는 공정조건의 제어 등을 통하여 손쉽게 형성될 수 있다. In the structure of the present invention, the conduction state is sequentially changed according to the voltage input thereto by different threshold voltages formed according to different conductivities between the two semiconductor channel layers. NDT") is effectively implemented. In addition, the structure of the two semiconductor channel layers having a difference in conductivity between each other according to the present invention can be easily formed through, for example, controlling the content of doping elements or oxygen partial pressure ratio or controlling process conditions.
위와 같이 본 발명은 종래와는 달리 p형과 n형 반도체물질 둘 다를 포함하는 구조로 되지않으므로, 종래보다 제조공정이 훨씬 간단하고 공정설계에 제약을 받지않는다. As described above, since the present invention does not have a structure including both p-type and n-type semiconductor materials, unlike the prior art, the manufacturing process is much simpler than the prior art, and the process design is not restricted.
이하 본 발명을 도면들을 참조하며 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 2는 본 발명의 일 실시양태에 따른 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 개략 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device having NDT characteristics according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 반도체 소자(100)는 게이트 전극(110), 상기 게이트 전극(110) 상에 형성된 게이트 절연막(114), 상기 게이트 절연막(114) 상에 형성되되 사전 정의된 제1전도도를 갖는 제1 산화물반도체 채널층(130), 상기 게이트 절연막(114) 상에 형성되고 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 측면과 접촉하도록 형성되되 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 상기 제1전도도보다 더 낮은 제2전도도를 갖는 제2 산화물반도체 채널층(140), 그리고 상기 게이트 절연막(114) 및 제1 산화물반도체 채널층(130)에 접촉하도록 형성된 소스 전극(170)과, 상기 게이트 절연막(114) 및 제2 산화물반도체 채널층(140)에 접촉하도록 형성된 드레인 전극(180)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 2, the
그리고, 상기 게이트 전극(110)은 소정의 기판(도시되지않음) 상에 위치할 수도 있고, 상기 기판은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에테르 설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스틸렌(Polystyrene, PS), 이축연신폴리스틸렌(biaxially oriented PS, BOPS), 아크릴수지, 실리콘수지, 불소수지, 변성에폭시수지, 실리콘, 유리 및 강화유리로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 될 수 있다. In addition, the
또한, 상기 게이트 전극(110)은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 투명 전도성 산화물들인 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO), 산화갈륨아연(Gallium Zinc Oxide; GZO), 산화인듐갈륨아연(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 산화인듐갈륨(Indium Gallium Oxide; IGO), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide; IZO), 산화인듐(In2O3), Si, Mo, Al, Ag, Au, Cu, 및 Ta으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 게이트 절연막(114)은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소 화합물(Ba-Sr-Ti-O), 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상으로 될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 게이트 절연막(114)으로서 산화실리콘(SiO2)이 사용되고 이것이 증착된 p++-Si 기판 또는 N++-Si 기판이 일체의 상기 기판(도시되지않음)-게이트 전극(110)-게이트 절연막(114)으로서 사용될 수 있다.In addition, the
특히, 본 발명에 있어서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)과 제2 산화물반도체 채널층(140)은 전술했듯이 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 NDT 특성을 구현하기위해 서로간에 전도도 차이를 갖도록 설계된다. 이를 위하여, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 제1전도도는 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)의 제2전도도보다 상대적으로 더 높도록 구성되며, 이로써 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 채널이 형성되는 문턱전압이 더 낮다. 따라서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 낮은 게이트 전압에서 먼저 ON 상태로 되며, 추후 게이트 전압이 증가하면서 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)의 보다 높은 문턱전압만큼의 크기로 되면 비로소 ON 상태로 되고, 이때 드레인 전류의 진동피크가 형성되며 상기 NDT 특성이 구현된다.In particular, in the present invention, the first oxide
본 발명에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)과 제2 산화물반도체 채널층(140)은 비정질 산화막으로서, 일 실시예에서 실리콘인듐산화아연(SiInZnO) 및 실리콘주석산화아연(SiZnSnO) 등의 하나 이상의 산화물 반도체로 구성될 수 있고, 상기 실리콘인듐산화아연(SiInZnO)과 실리콘주석산화아연(SiZnSnO)의 경우, 바람직한 실리콘 함량은 총량대비 대략 0.001~30 wt% 범위, 바람직하게는 0.01~20 wt% 범위로 될 수 있다. 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)과 제2 산화물반도체 채널층(140)의 두께는 대략 10~200 ㎚ 범위로 됨이 바람직하다.In the present invention, the first oxide
또한, 본 발명은 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 제1전도도를 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)의 제2전도도보다 상대적으로 더 높이기위하여 하기 실시예 (i)~(vi) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다:In addition, in order to increase the first conductivity of the first oxide
(i) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)과 제2 산화물반도체 채널층(140)은, In이나 Zn 대비 산소와의 결합력이 강하여 상기 비정질 산화물 반도체 내에서 캐리어 역할을 하여 전도성을 높이는 산소 공공(vacancy)을 억제하는 도펀트로서, 예컨대 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 리튬(Li), 칼륨(K), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 니오븀(Nb) 중 적어도 하나의 원소를 포함하여 각 제1 및 제2 산화물반도체 채널층(130, 140)의 전도도를 조절할 수 있고, 이때 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 상기 도펀트의 함량이 상대적으로 더 낮게 조절될 수 있고; 및/또는 (i) In one embodiment, the first oxide
(ii) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 더 낮은 실리콘 함량을 함유할 수 있고, 이에 따라 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)은 바람직하게는 총량대비 0.01~30 wt% 범위의 실리콘 함량을 함유할 수 있고; 및/또는(ii) In one embodiment, the first oxide
(iii) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 두께는 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있고; 및/또는(iii) In one embodiment, the thickness of the first oxide
(iv) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 증착시 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 더 낮은 산소 분압량으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 대략 40% 이하의 산소 분압량으로 조절될 수 있고 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)은 대략 1~50% 범위의 산소 분압량으로 조절될 수 있고; 및/또는(iv) In one embodiment, the first oxide
(v) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중의 하나 이상을 포함한 분위기에서 증착되고, 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)은 산소(O2)를 포함한 분위기에서 증착될 수 있고; 및/또는(v) In one embodiment, the first oxide
(vi) 일 실시예에서, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 형성시 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 더 높은 소스 파워를 인가하여 증착될 수 있고, 바람직하게는 증착시 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 대략 20~300 W 범위의 소스 파워가 인가될 수 있고 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)은 대략 10~200 W 범위에서 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 경우보다 더 낮은 소스 파워가 인가될 수 있다.(vi) In one embodiment, the first oxide
또한, 본 발명에서, 상기 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), ITO(Indium Tin Oxide) 및 ISO(Indium Silicon Oxide)가 이루는 군에서 선택된 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.In addition, in the present invention, the
도 3 및 도 4a~4d는 본 발명의 일 실시양태에 따른 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 것으로서, 도 3은 그의 흐름도이고 도 4a~4d는 각 세부과정을 개략 도시한 도면이다.3 and 4A to 4D are for explaining a method of manufacturing a semiconductor device having NDT characteristics according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a flow chart thereof and FIGS. 4A to 4D schematically show detailed processes. to be.
도 3 및 도 4a~4d를 참조하면, 본 발명의 NDT 특성을 갖는 반도체 소자의 제조방법은 하기 단계들 (i)~(iv)을 포함한다:3 and 4A to 4D, the method of manufacturing a semiconductor device having NDT characteristics of the present invention includes the following steps (i) to (iv):
(i) 기판(도시되지않음) 상에 게이트 전극(110) 및 게이트 절연막(114)을 순차적으로 형성하는 단계(S310~S320, 도 4a);(i) sequentially forming a
(ii) 상기 게이트 절연막(114) 상에 제1 산화물반도체 채널층(130)을 형성하는 단계(S330, 도 4b);(ii) forming a first oxide
(iii) 상기 게이트 절연막(114) 상에 형성되고 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)의 측면과 접촉하도록 제2 산화물반도체 채널층(140)을 형성하는 단계(S340, 도 4c); 및(iii) a second oxide semiconductor channel layer formed on the
(iv) 각각 상기 게이트 절연막(114)과, 제1 산화물반도체 채널층(130) 또는 제2 산화물반도체 채널층(140)과 접촉하도록 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)을 형성하는 단계(S350, 도 4d).(iv) forming the
본 발명에서, 상기 제1 및 제2 산화물반도체 채널층(130, 140)은 상기 게이트 절연막(114) 상에 APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 CVD(Chemical Vapor Deposition) 증착법, PLD(Pulsed Laser Deposition), 열증착법(thermal deposition), 전자빔 증착법(electron beam deposition) 등의 PVD(Physical Vapor Deposition) 증착법, 스퍼터링 공정, 인쇄 공정, 습식 용액 공정 등을 포함한 공지된 임의의 제조방법으로 형성될 수 있고, 일 실시예에서 증착시 쉐도우마스크를 이용하여 패턴화되거나, 다른 일 실시예에서 마스크 패턴과 식각공정에 의해 패턴화될 수 있다.In the present invention, the first and second oxide semiconductor channel layers 130 and 140 are formed on the
또한, 본 발명에서, 상기 소스 전극(170) 및 드레인 전극(180)은 스퍼터링법, 열증착법, 전자빔 증착법, CVD 증착법, 졸겔법, 이온 도금법(ion plating) 등을 포함한 공지된 임의의 제조방법으로 형성될 수 있다.In addition, in the present invention, the
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 아래에서 상세히 설명한다. 다만, 이러한 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며 본 발명을 한정하지않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail below. However, these examples are provided to aid in the overall understanding of the present invention and do not limit the present invention.
실시예Example
본 실시예에서는 산화실리콘(SiO2)이 증착되어있는 p++-Si 기판이 일체의 상기 게이트 전극(110)-게이트 절연막(114)으로서 사용되었다. 이때, 게이트 전극(110)은 p++-Si 기판 그 자체로 된다. In this embodiment, a p ++ -Si substrate on which silicon oxide (SiO 2 ) is deposited was used as the integral gate electrode 110 -
상기 기판에 RF 스퍼터링 기법으로 SiZnSnO으로 이루어진 제1 산화물반도체 채널층(130)을 형성하되, 증착시 SiZnSnO의 전도성을 높게 하기 위하여 순수한 알곤(Ar)분위기에서만 증착하였다. 이때, 증착되는 박막 두께가 균일하도록 상기 기판을 회전시킬 수도 있다. 이후, 사진식각으로 상기 제1 산화물반도체 채널층(130) 영역을 제외한 나머지 부분을 습식 에칭으로 제거하였다. The first oxide
그리고, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)에 인접하도록 이보다 낮은 전도성의 제2 산화물반도체 채널층(140)을 형성하되, 증착시 SiZnSnO의 전도성을 낮추도록 알곤(Ar)과 산소(O2)를 배합하여 증착하였다. 이때, 증착되는 박막 두께가 균일하도록 상기 기판을 회전시킬 수도 있다. 이후, 사진식각으로 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)과 제2 산화물반도체 채널층(140)의 각 영역을 제외한 나머지 부분을 습식 에칭으로 제거하되, 상기 두 채널층(130, 140)의 접합 부분은 남기고 식각하였다. 이후, 제작된 채널층의 밀도 및 안정성을 향상시키기 위하여 열처리 과정을 진행하였다.In addition, a second oxide
이후, 소스 전극(170)/드레인 전극(180)으로 사용될 부분을 정의하기 위하여 식각과 리프트오프 방식을 이용하여 노출시켰고, 전자빔 증착법 및 열증착법을 이용하여 타이타늄(Ti), 알루미늄(Al)을 각각 적층 형성한 후, 포토레지스트를 제거하여 상기 전극들(170, 180)을 형성하였다. Thereafter, in order to define a portion to be used as the
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 NDT 특성을 갖는 반도체 소자에서 게이트 전압(Gate voltage)의 변화에 따른 드레인 전류(Drain current)의 변화를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing a change in drain current according to a change in a gate voltage in a semiconductor device having NDT characteristics manufactured according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 대략 4~6 V 범위의 게이트 전압에서 드레인 전류의 진동피크가 발생함이 관찰된다. 즉, 본 발명의 반도체 소자에서, 전도성이 상대적으로 높은 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 채널이 형성되는 문턱전압이 더 낮으므로, 게이트 전압이 점차 증가함에 따라, 상기 제1 산화물반도체 채널층(130)은 먼저 낮은 게이트 전압에서 ON 상태로 되나 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)은 OFF 상태이며, 추후 게이트 전압이 더 증가하면서 상기 제2 산화물반도체 채널층(140)의 보다 높은 문턱전압만큼의 크기로 되면 상기 제2 산화물반도체 채널층(140) 역시 비로소 ON 상태로 되어 드레인 전류의 진동피크가 형성되며 상기 NDT 특성이 구현된다.Referring to FIG. 5, it is observed that a vibration peak of the drain current occurs at a gate voltage in the range of approximately 4 to 6 V. That is, in the semiconductor device of the present invention, since the first oxide
위와 같이, 본 발명은 종래처럼 하나의 반도체 소자에 p형 및 n형 반도체층 둘 다를 형성할 필요가 없이 하나의 반도체 소자에 단일형(예컨대, n형)의 산화물반도체 물질로 구성되되 서로간에 전도도 차이를 갖도록 조성이 조절된 2개의 산화물반도체 채널층(130, 140)을 서로 접촉하도록 형성하는 단순한 구조로 구성된다. As described above, the present invention is composed of a single-type (eg, n-type) oxide semiconductor material in one semiconductor device without the need to form both p-type and n-type semiconductor layers in one semiconductor device as in the prior art, but the conductivity difference between each other It consists of a simple structure in which the two oxide semiconductor channel layers 130 and 140 whose composition is adjusted to have a contact with each other.
이러한 본 발명의 구조에서, 보다 높은 전도성의 제1 산화물반도체 채널층(130)은 보다 낮은 전도성의 제2 산화물반도체 채널층(140)보다 채널이 형성되는 문턱전압이 더 낮게되므로, 이들에 입력되는 전압에 따라 제1 산화물반도체 채널층(130)만이 ON 상태였다가 상기 입력 전압이 더 증가함에 따라 제2 산화물반도체 채널층(140) 역시 ON 상태로 변화함으로써 전류의 진동피크가 일어나 부성 미분 전달 컨덕턴스(NDT) 특성이 효과적으로 구현된다. In the structure of the present invention, the first oxide
본 발명에서, 위와 같이 서로간에 전도도 차이를 갖는 두 산화물반도체 채널층들(130, 140)은 예컨대 도핑원소의 함량이나 산소 분압비의 제어 또는 공정조건의 제어 등의 전술한 여러 수단을 통하여 손쉽게 형성될 수 있으므로, 공정설계에 제약을 받음이 없이 종래보다 제조공정이 훨씬 간단해지고 제조경비가 절감된다.In the present invention, the two oxide semiconductor channel layers 130 and 140 having a conductivity difference between each other as described above are easily formed through the aforementioned various means such as, for example, controlling the content of doping elements or oxygen partial pressure ratio or controlling process conditions. As a result, the manufacturing process is much simpler and manufacturing cost is reduced than before without being restricted in the process design.
이상, 상술된 본 발명의 바람직한 실시양태들 및 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. Above, the above-described preferred embodiments and examples of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, and anyone of ordinary skill in the relevant field can make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention. And such modifications, changes, additions, etc. should be regarded as belonging to the scope of the claims.
100: NDT 특성을 갖는 반도체 소자
110: 게이트 전극
114: 게이트 절연막
130: 제1 산화물반도체 채널층
140: 제2 산화물반도체 채널층
170: 소스 전극
180: 드레인 전극100: semiconductor device having NDT characteristics
110: gate electrode
114: gate insulating film
130: first oxide semiconductor channel layer
140: second oxide semiconductor channel layer
170: source electrode
180: drain electrode
Claims (21)
상기 기판상에 형성된 게이트 전극과;
상기 게이트 전극 상에 형성된 게이트 절연막과;
상기 게이트 절연막 상에 형성되되 사전 정의된 제1전도도를 갖는 제1 산화물반도체 채널층과;
상기 게이트 절연막 상에 형성되고 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일측면과 접촉하도록 형성되되 상기 제1전도도보다 더 낮은 제2전도도를 갖는 제2 산화물반도체 채널층과;
상기 게이트 절연막 및 상기 제1 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성된 소스 전극과, 상기 게이트 절연막 및 상기 제2 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성된 드레인 전극을 포함하고,
상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 문턱전압을 형성하고, 상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층은 상기 게이트 전극에서 인가되는 게이트 전압에 따라 차례로 각각 ON 상태로 전환됨으로써 상기 드레인 전극에서의 전류가 부성 미분 전달 컨덕턴스(NDT) 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.A substrate;
A gate electrode formed on the substrate;
A gate insulating film formed on the gate electrode;
A first oxide semiconductor channel layer formed on the gate insulating layer and having a predefined first conductivity;
A second oxide formed on the gate insulating layer and formed to contact a side surface of the first oxide semiconductor channel layer while covering a partial upper surface of the first oxide semiconductor channel layer, and having a second conductivity lower than the first conductivity A semiconductor channel layer;
A source electrode formed to contact the gate insulating layer and the first oxide semiconductor channel layer, respectively, and a drain electrode formed to contact the gate insulating layer and the second oxide semiconductor channel layer, respectively,
The first oxide semiconductor channel layer has a lower threshold voltage than the second oxide semiconductor channel layer, and the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer are sequentially applied according to a gate voltage applied from the gate electrode. A semiconductor device, characterized in that the current at the drain electrode exhibits a negative differential transfer conductance (NDT) characteristic by switching to each ON state.
상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층의 조성은 실리콘인듐산화아연(SiInZnO) 및 실리콘주석산화아연(SiZnSnO) 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method of claim 1,
The composition of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer comprises at least one of silicon indium zinc oxide (SiInZnO) and silicon tin oxide (SiZnSnO).
상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층은 0.001~30 wt% 범위의 실리콘 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method of claim 2,
The semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer have a silicon content in the range of 0.001 to 30 wt%.
상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 실리콘 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 2 or 3,
The semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor channel layer has a lower silicon content than the second oxide semiconductor channel layer.
상기 제2 산화물반도체 채널층은 0.01~30 wt% 범위의 실리콘 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method of claim 4,
The semiconductor device, characterized in that the second oxide semiconductor channel layer has a silicon content in the range of 0.01 to 30 wt%.
상기 제1 산화물반도체 채널층 및 제2 산화물반도체 채널층의 조성은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 리튬(Li), 칼륨(K), 티타늄(Ti), 게르마늄(Ge) 및 니오븀(Nb) 중에서 선택된 하나 이상의 도펀트를 함유하되, 상기 제1 산화물반도체 채널층의 조성은 상기 제2 산화물반도체 채널층의 조성보다 상대적으로 더 낮은 함량으로 상기 도펀트를 함유하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The composition of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer is aluminum (Al), gallium (Ga), hafnium (Hf), zirconium (Zr), lithium (Li), potassium (K), titanium (Ti ), germanium (Ge) and niobium (Nb), but the composition of the first oxide semiconductor channel layer contains the dopant in a relatively lower content than the composition of the second oxide semiconductor channel layer A semiconductor device, characterized in that.
상기 제1 산화물반도체 채널층 및 상기 제2 산화물반도체 채널층의 각 두께는 10~200 ㎚ 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
Each thickness of the first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer is in a range of 10 to 200 nm.
상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 큰 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor channel layer has a larger thickness than the second oxide semiconductor channel layer.
상기 게이트 전극의 조성은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO), 산화갈륨아연(Gallium Zinc Oxide; GZO), 산화인듐갈륨아연(Indium Gallium Zinc Oxide; IGZO), 산화인듐갈륨(Indium Gallium Oxide; IGO), 산화인듐아연(Indium Zinc Oxide; IZO), 산화인듐(In2O3), Si, Mo, Al, Ag, Au, Cu 및 Ta으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The composition of the gate electrode is a silicon substrate doped with a high concentration, indium tin oxide (ITO), gallium zinc oxide (GZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), and indium oxide. Gallium (Indium Gallium Oxide; IGO), indium zinc oxide (Indium Zinc Oxide; IZO), indium oxide (In 2 O 3 ), Si, Mo, Al, Ag, Au, one or more selected from the group consisting of Cu and Ta A semiconductor device comprising a.
상기 게이트 절연막의 조성은 산화실리콘(SiO2), 질화실리콘(SiNx), 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 바륨-스트론튬-티타늄-산소 화합물(Ba-Sr-Ti-O) 및 비스머스-아연-니오븀-산소 화합물(Bi-Zn-Nb-O)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The composition of the gate insulating layer is silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), Characterized in that it comprises at least one selected from the group consisting of barium-strontium-titanium-oxygen compounds (Ba-Sr-Ti-O) and bismuth-zinc-niobium-oxygen compounds (Bi-Zn-Nb-O) Semiconductor device.
상기 기판의 조성은 고농도로 도핑된 실리콘 기판, 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide, PA), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에테르 설폰(Polyether sulfone, PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리에테르이미드(polyetherimide, PEI), 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA), 폴리스틸렌(Polystyrene, PS), 이축연신폴리스틸렌(biaxially oriented PS, BOPS), 아크릴수지, 실리콘수지, 불소수지, 변성에폭시수지, 실리콘, 유리 및 강화유리로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The composition of the substrate is a highly doped silicon substrate, polyimide (PI), polyamide (PA), polyamide-imide, polyurethane (polyurethane, PU), polyurethane acrylic Polyurethaneacrylate (PUA), polyacrylamide (PA), polyethylene terephthalate (PET), polyether sulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, PC), polymethylmethacrylate (PMMA), polyetherimide (PEI), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene (PE), polyvinyl alcohol (PVA) , Polystyrene (PS), biaxially oriented polystyrene (biaxially oriented PS, BOPS), acrylic resin, silicone resin, fluorine resin, modified epoxy resin, silicon, glass, and tempered glass. Semiconductor device.
상기 기판과 게이트 전극 및 게이트 절연막은 상면에 산화실리콘(SiO2)막이 형성된 p++-Si 기판 또는 N++-Si 기판을 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The substrate, the gate electrode, and the gate insulating layer form a p ++ -Si substrate or an N ++ -Si substrate in which a silicon oxide (SiO 2) layer is formed on an upper surface thereof.
상기 소스 전극 및 드레인 전극의 조성은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), ITO(Indium Tin Oxide) 및 ISO(Indium Silicon Oxide)가 이루는 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.The method according to claim 1 or 2,
The composition of the source electrode and the drain electrode is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), molybdenum (Mo), and ITO (Indium Tin Oxide). And at least one selected from the group consisting of ISO (Indium Silicon Oxide).
상기 게이트 절연막 상에 사전 정의된 제1전도도를 갖는 제1 산화물반도체 채널층을 형성하는 단계와;
상기 제1전도도보다 더 낮은 제2전도도를 갖는 제2 산화물반도체 채널층을 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일부 상면을 커버하면서 상기 제1 산화물반도체 채널층의 일측면과 접촉하도록 상기 게이트 절연막 상에 형성하는 단계와;
소스 전극을 상기 게이트 절연막 및 상기 제1 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성하고, 드레인 전극을 상기 게이트 절연막 및 상기 제2 산화물반도체 채널층에 각각 접촉하도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.Sequentially forming a gate electrode and a gate insulating film on the substrate;
Forming a first oxide semiconductor channel layer having a first predefined conductivity on the gate insulating layer;
A second oxide semiconductor channel layer having a second conductivity lower than the first conductivity is disposed on the gate insulating layer to contact one side of the first oxide semiconductor channel layer while covering a portion of the top surface of the first oxide semiconductor channel layer. Forming;
And forming a source electrode to contact the gate insulating layer and the first oxide semiconductor channel layer, respectively, and forming a drain electrode to contact the gate insulating layer and the second oxide semiconductor channel layer, respectively. A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that.
상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 산소 유량하에서 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor channel layer is formed by depositing under an oxygen flow rate lower than that of the second oxide semiconductor channel layer.
상기 제1 산화물반도체 채널층은 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중의 하나 이상을 포함하는 분위기로 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 14,
The first oxide semiconductor channel layer is a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that formed by depositing in an atmosphere containing at least one of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ).
상기 제2 산화물반도체 채널층은 산소(O2)를 포함한 분위기로 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 14,
The second oxide semiconductor channel layer is a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that formed by depositing in an atmosphere containing oxygen (O 2 ).
상기 제1 산화물반도체 채널층 및 상기 제2 산화물반도체 채널층은 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 중의 하나 이상과 산소(O2)를 포함한 분위기로 증착되어 형성되되, 상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 낮은 산소 분압량으로 증착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 14,
The first oxide semiconductor channel layer and the second oxide semiconductor channel layer are formed by depositing in an atmosphere containing at least one of argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) and oxygen (O 2 ), the first oxide semiconductor channel A method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the layer is formed by depositing at a lower oxygen partial pressure than the second oxide semiconductor channel layer.
상기 제1 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 산소의 분압량은 40% 이하 범위로 조절되고, 상기 제2 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 산소의 분압량은 1~50% 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 18,
When the first oxide semiconductor channel layer is deposited, the partial pressure of oxygen is adjusted to a range of 40% or less, and when the second oxide semiconductor channel layer is deposited, the partial pressure of oxygen is adjusted to a range of 1 to 50%. Method of manufacturing a semiconductor device as described above.
상기 제1 산화물반도체 채널층은 상기 제2 산화물반도체 채널층보다 더 높은 소스 파워가 인가되어 증착 및 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 14,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first oxide semiconductor channel layer is deposited and formed by applying a higher source power than the second oxide semiconductor channel layer.
상기 제1 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 소스 파워는 20~300 W 범위로 조절되고, 상기 제2 산화물반도체 채널층의 증착시 상기 소스 파워는 10~200 W 범위로 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.The method of claim 20,
When the first oxide semiconductor channel layer is deposited, the source power is adjusted to a range of 20 to 300 W, and when the second oxide semiconductor channel layer is deposited, the source power is controlled to a range of 10 to 200 W. Device manufacturing method.
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