KR102265038B1 - P형 반도체층, p형 멀티레벨 소자, 및 p형 멀티레벨 소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
P형 반도체층, P형 멀티레벨 소자, 및 P형 멀티레벨 소자의 제조방법을 제공한다. P형 멀티레벨 소자는 게이트 전극, 상기 게이트 전극에 중첩하는 액티브 구조체, 및 상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들을 포함한다. 상기 액티브 구조체는 제1 P형 액티브층, 제2 P형 액티브층, 및 상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층을 분리하는 배리어층을 포함한다. 상기 제1 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압과 상기 제2 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압은 서로 다른 값을 갖는다.
Description
본 발명은 반도체층 및 이를 구비하는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀리레벨 소자에 관한 것이다.
최근 들어, 스마트 기기, 인공 지능 컴퓨터 기술의 발전에 따라 고성능화, 다기능화와 같은 보다 높은 성능의 소자에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다.
그러나, 기존 반도체 산업을 이끌어온 바이너리 소자 제조 기술은 지속적인 초소형화와 고집적화를 통해 기술적·경제적·원리적 측면에서 극한에 얼마 남지 않았다고 예측되고 있다. 즉, 기존의 MOSFET 미세화를 통한 개발 방법은, 미세화 기술 자체의 어려움을 가지고 있기 때문에 다운 스케일링(down scaling)을 통한 접근 방식은 근본적인 한계를 가지고 있는 것으로 평가된다.
이를 보완하기 위하여, 멀티레벨 소자에 대한 연구가 이루어지고 있다. 기존에 연구된 멀티레벨 소자기술로는 단전자트랜지스터(SET) 및 공명터널링트랜지스터(RTT)가 연구되어 왔다. 단전자트랜지스터(SET) 및 공명터널링트랜지스터(RTT)의 경우, 멀티레벨 특성이 주로 극저온에서만 관측되고, 복잡한 제조 공정을 요구하며, 회로 구현을 위한 집적화가 쉽지 않아 기술 실현에 어려움이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제조 공정이 간이하면서도 우수한 멀티레벨 특성을 제공하는 P형 반도체막, 그를 포함하는 멀티레벨 소자, 및 멀티레벨 소자의 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 P형 멀티레벨 소자 를 제공한다. P형 멀티레벨 소자는 게이트 전극, 상기 게이트 전극에 중첩하는 액티브 구조체, 및 상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들을 포함한다. 상기 액티브 구조체는 제1 P형 액티브층, 제2 P형 액티브층, 및 상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층을 분리하는 배리어층을 포함한다. 상기 제1 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압과 상기 제2 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압은 서로 다른 값을 갖는다.
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층은 서로에 관계없이 금속 산화물 반도체층, 금속 황화물 반도체층, 또는 금속 셀렌화물 반도체층일 수 있다. 상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층은 서로에 관계없이 구리(I) 산화물 (Cu2O), 주석(II) 산화물 (SnO), 또는 니켈(II) 산화물(NiO)일 수 있다. 상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층 중 적어도 하나의 층은 수 내지 수십 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층 중 적어도 하나의 층은 비정질 매트릭스 내에 복수이 결정립들이 불규칙하게 분산되어 배치된 층일 수 있다. 상기 결정립들은 수 nm의 평균 직경을 가질 수 있다.
상기 P형 멀티레벨 소자는 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때, 상기 제1 P형 액티브층에 채널이 형성된 후, 상기 제2 P형 액티브층에 채널이 형성되기 전에, 상기 제1 P형 액티브층에 흐르는 전류는 포화될 수 있다. 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때, 상기 게이트 전압에 대한 상기 액티브 구조체를 흐르는 전류의 비가 제1 기울기를 갖는 제1 게이트 전압 범위, 제1 기울기 대비 낮은 제2 기울기를 갖는 제2 게이트 전압 범위, 및 제2 기울기 대비 높은 제3 기울기를 갖는 제3 게이트 전압 범위로 구분될 수 있다. 상기 제2 기울기는 0일 수 있다.
상기 배리어층은 제1 배리어층이고, 상기 액티브 구조체는 상기 게이트 전극과 제1 P형 액티브층 사이에 배치된 제2 배리어층을 더 포함하여, 상기 제1 P형 액티브층은 제1 배리어층과 제2 배리어층 사이에 개재되어 양자우물을 형성할 수 있다.
상기 배리어층은 적어도 하나의 유기 단분자층을 구비할 수 있다. 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층 중 적어도 하나의 층은 비정질 영역 및 상기 비정질 영역에 의하여 둘러싸이는 복수의 결정질 영역을 포함하되, 상기 비정질 영역이 가지는 에너지 상태들 중 일부와 상기 결정질 영역이 가지는 에너지 상태들 중 일부가 매칭되어 가전자대 내의 모빌리티 엣지보다 낮은 에너지에서 양자화된 전도 상태를 제공할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 P형 반도체막을 제공한다. P형 반도체막은 가전자대 내의 모빌리티 엣지보다 낮은 에너지에서 익스텐디드 상태들을 제1 상태 밀도로 제공하는 제1 에너지 범위와 익스텐디드 상태들을 제2 상태 밀도를 제공하는 제2 에너지 범위를 제공하되, 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위는 서로 중복되지 않는다.
상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이에 편재 상태(localized)가 제공될 수 있다. 상기 편재 상태에서, 상태 밀도는 0일 수 있다. 상기 제1 에너지 범위에서의 제1 상태 밀도 곡선과, 상기 제2 에너지 범위에서의 제2 상태 밀도 곡선은 서로 불연속적일 수 있다. 상기 제1 에너지 범위의 최저 에너지 값은, 상기 제2 에너지 범위의 최대 에너지 값 보다 클 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 P형 멀티레벨 소자 제조방법을 제공한다. P형 멀티레벨 소자 제조방법은 게이트 전극 형성 단계, 상기 게이트 전극에 중첩하는 액티브 구조체 형성 단계, 및 상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극 형성단계를 구비할 수 있다. 상기 액티브 구조체 형성 단계는, 제1 P형 액티브층 형성단계, 상기 제1 P형 액티브층 상에 배리어층을 형성하는 배리어층 형성단계, 및 상기 배리어층 상에 제2 P형 액티브층을 형성하는 제2 P형 액티브층 형성단계를 포함한다. 상기 제1형 P형 액티브층 형성단계와 상기 제2형 액티브층 형성단계 중 하나의 단계는, 챔버 내에 기판을 투입하고 상기 챔버의 유출구를 닫은 상태에서 금속 전구체를 공급하여 상기 챔버 내 반응압력을 증가시켜 상기 금속 전구체를 상기 기판 표면 상에 흡착시키는 금속 전구체 가압 도징 단계; 금속 전구체 가압 도징 단계 후, 상기 챔버를 퍼지하는 금속 전구체 퍼지 단계; 상기 금속 전구체 퍼지 단계 후, 반응가스를 상기 챔버 내로 공급하여 상기 기판 상에 흡착된 금속 전구체와 반응시키는 반응가스 공급 단계; 및 상기 반응가스 공급 단계 후, 상기 챔버를 퍼지하는 반응가스 퍼지 단계를 포함하는 단위 사이클을 다수회 진행하는 것을 포함한다.
상기 금속 전구체 가압 도징 단계와 상기 금속 전구체 퍼지 단계는 금속 전구체 서브 사이클을 구성하고, 상기 반응가스 공급 단계 전에, 상기 금속 전구체 서브 사이클을 다수회 수행할 수 있다.
상기 반응가스 공급단계는, 상기 챔버의 유출구를 닫은 상태에서 상기 반응가스를 공급하여 상기 챔버 내 반응압력을 증가시킨 상태에서 진행하는 반응가스 가압 도징 단계로 진행할 수 있다. 상기 반응가스 가압 도징 단계와 상기 반응가스 퍼지 단계는 반응가스 서브 사이클을 구성하고, 상기 단위 사이클은 상기 반응가스 서브 사이클을 연속하여 다수회 수행하는 것을 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 분자층 증착법을 사용하여 형성한 적어도 하나의 유기 단분자층을 구비할 수 있다. 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, P형 멀티레벨 소자는 복수의 turn-on 전압 즉, 문턱 전압을 가질 수 있음에 따라 멀티레벨 전도도를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자는 기존의 소자에서는 발생하지 않는 게이트 전압 범위, 즉, 게이트 전압이 증가하더라도 전류의 크기 변화가 적거나 없는 범위를 가질 수 있으므로, 멀티레벨 전도도를 안정적으로 제공할 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 사시도이다. 도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 에너지 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 DOS (density of state)를 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a, 도 7a, 도 8a, 및 도 9a는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 특징을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6b, 도 7b, 도 8b, 및 도 9b는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이다.
도 13은 도 12에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 구조체에 해당하는 도 6a의 A영역을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다.
도 18은 본 제조예에 따른 주석 산화물 단위층 제조를 위한 단위 사이클의 파라미터들을 정리하여 나타낸 표이다.
도 19는 SnO 박막 제조예에 따른 SnO 박막의 단면을 촬영한 TEM(Transmission electron microscopy) 사진이다.
도 20a 및 도 20b는 멀티레벨소자 제조예에 따라 제조된 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프들이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 에너지 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 DOS (density of state)를 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 6a, 도 7a, 도 8a, 및 도 9a는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 특징을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6b, 도 7b, 도 8b, 및 도 9b는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이다.
도 13은 도 12에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 구조체에 해당하는 도 6a의 A영역을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다.
도 18은 본 제조예에 따른 주석 산화물 단위층 제조를 위한 단위 사이클의 파라미터들을 정리하여 나타낸 표이다.
도 19는 SnO 박막 제조예에 따른 SnO 박막의 단면을 촬영한 TEM(Transmission electron microscopy) 사진이다.
도 20a 및 도 20b는 멀티레벨소자 제조예에 따라 제조된 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프들이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 "멀티레벨 소자"라 함은 0, 1 상태를 가지는 바이너리 상태가 아니라, 0, 1, 2 이상의 상태를 가질 수 있는 터너리(ternary) 이상의 상태를 가지는 소자를 의미할 수 있다. 즉, 기존의 소자가 on, off 2개의 상태만을 가질 수 있었다면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 on, off 외에 또 다른 제3의 상태를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 사시도이다. 도이다.
도 1을 참조하면, 멀티레벨 소자(100)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
상기 기판(110)은 반도체 기판, 금속 기판, 유리 기판, 또는 플렉시블 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 플렉시블 기판은 고분자 기판, 일 예로서 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PI (polyimide) 기판일 수 있다. 상기 기판(110) 상에는 동작회로 등을 위한 소자들이 형성되어 있거나, 상기 기판을 덮는 절연막 등의 보호층(미도시)이 형성되어 있거나, 혹은 상기 소자와 상기 소자를 덮는 보호층이 형성된 것일 수 있다. 상기 기판(110) 표면을 세척 및 필요에 따라 표면처리할 수 있다.
상기 기판(110) 상에 일방향으로 연장되는 게이트 전극(120)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(120)은 Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W, 또는 이들의 합금을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(120) 상에 게이트 절연막(130)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)은 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막, 알루미늄 산화막, 알루미늄 산질화막, 하프늄 산화막, 하프늄 산질화막, 또는 이들의 복합막일 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)은 원자층 증착법을 사용하여 형성할 수 있으며, 일 예로서 알루미늄 산화막일 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)의 두께는 인가되는 게이트 전압의 동작 범위에서 절연파괴되지 않을 정도의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압의 동작 범위가 낮은 경우, 게이트 절연막(130)의 두께는, 게이트 전압의 동작 범위가 높은 경우에 대비하여 얇을 수 있다.
상기 게이트 절연막(130) 상에 상기 게이트 전극(120)과 중첩하여 배치되도록 패터닝된 액티브 구조체(135)를 형성할 수 있다. 상기 액티브 구조체(135)의 양측 단부들 상에 소오스 전극(180)과 드레인 전극(185)을 형성할 수 있다. 상기 소오스 전극(180)과 드레인 전극(185)은 알루미늄(Al), 네오디뮴(Nd), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 금속 또는 이들을 포함하는 합금, 또는 금속산화물 전도성막 일 예로서, ITO(Indium Tin Oxide)을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 액티브 구조체(135)는 적어도 한 층의 P형 액티브층과 적어도 한 층의 배리어층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 액티브 구조체(135)는 2 층 이상의 P형 액티브층들과 상기 서로 인접하는 P형 액티브층들 사이에 배치된 배리어층을 구비할 수 있다. 일 예로서, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 P형 액티브층(150), 배리어층(160), 및 제2 P형 액티브층(170)을 구비할 수 있다. 이 때, 제1 P형 액티브층 하부에 배리어층을 추가적으로 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 배리어층(140), 제1 P형 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 및 제2 P형 액티브층(170)을 구비할 수 있다. 다른 예로서, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 P형 액티브층(150), 배리어층(160), 제2 P형 액티브층(170), 배리어층(미도시), 및 제3 P형 액티브층(미도시)을 구비할 수 있다. 이 때, 게이트 전극(120)으로부터 멀어질수록 P형 액티브층의 두께는 증가할 수 있다. 이와 달리, 게이트 전극(120)으로부터의 거리에 무관하게 액티브층의 두께는 일정할 수 있다.
상기 배리어층들(140, 160)은 절연층으로서, 상기 P형 액티브층들(150, 170)에 비해 밴드갭이 큰 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 각 P형 액티브층들(150, 170)은 서로에 관계없이 밴드갭이 2 내지 4 eV이고, 상기 배리어층은 밴드갭이 6 내지 8 eV일 수 있다. 이러한 배리어층들(140, 160)은 상기 P형 액티브층(150)과 인접 계면을 형성하고, 상기 P형 액티브층(150)은 제1 배리어층(140)과 제2 배리어층(160) 사이에 개재되어 양자우물(quantum well)을 형성할 수 있다. 다른 예에서, 제1 P형 액티브층 하부에 위치한 제1 배리어층(140)이 생략되더라도 제1 P형 액티브층은 게이트 절연막(130)과 제2 배리어층(160) 사이에 개재되어 양자 우물을 형성할 수 있다.
상기 배리어층들(140, 160) 중 적어도 하나의 층은 유기물층, 무기물층, 혹은 유무기 복합층일 수 있다. 상기 배리어층은 상기 P형 액티브층을 보호할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 P형 액티브층(150) 형성 이후, 다른 층이 형성될 때, 상기 배리어층(160)은 상기 제1 P형 액티브층(150)이 의도치 않게 도핑되거나, 다른 층 증착에 따른 전구체가 상기 제1 P형 액티브층(150)으로 침투하는 것을 최소화할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 P형 액티브층과 상기 액티브층에 인접하는 배리어층은 서로 초 격자 구조(super lattice structure)를 이룰 수 있다. 초 격자 구조에 의하여 안정성이 향상될 수 있다.
상기 P형 액티브층들(150, 170)은 P형 반도체층들 구체적으로, 서로에 관계없이, P형 금속 산화물 반도체층, P형 금속 황화물 반도체층, 혹은 P형 금속 셀렌화물 반도체층일 수 있다. 상기 P형 금속 산화물 반도체는 구리(I) 산화물 반도체(Cu2O), 주석(II) 산화물 반도체(SnO), 또는 니켈(II) 산화물 반도체(NiO)일 수 있다. 일 예로서, 상기 P형 금속 산화물 반도체는 SnO일 수 있다. 상기 P형 금속 황화물 반도체층들은 Cu2S일 수 있다. 상기 P형 금속 셀렌화물 반도체층들은 SnSe일 수 있다.
상기 각 P형 액티브층(150, 170)은 수 내지 수십 나노미터 일 예로서, 1.5nm 초과 50nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 이 경우 상기 각 P형 액티브층(150, 170)은 두께 방향의 양자화가 가능할 수 있다. 일 예로서, 각 P형 액티브층(150, 170)은 2 내지 40nm, 4 내지 30nm 구체적으로 5 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 P형 액티브층에 대한 구체 설명 및 배리어층과 P형 액티브층의 제조방법에 대한 설명은 후술하기로 한다.
도 1에서 박막트랜지스터의 일 예로서, 바텀게이트-탑컨택형 즉, 바텀게이트 스태거드(staggered) 박막트랜지스터를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 바텀게이트-바텀컨택형 (바텀게이트 코플라나), 탑게이트-바텀컨택형(탑게이트 스태거드), 혹은 탑게이트-탑컨택형(탑게이트 코플라나) 형태의 박막트랜지스터에도 적용가능하다. 다만, 액티브 구조체(135)의 상부면 또는 하부면 상에 게이트 전극(120)이 구비되고, 액티브 구조체(135)가 상기 게이트 전극(120)에 인접하는 면의 반대면 상에 소오스 및 드레인 전극들(180, 185)이 구비된 스태거드 형태의 박막트랜지스터가 바람직할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층을 나타낸 평면도 및 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1의 제1 및 제2 P형 액티브층(150, 170) 중 적어도 하나의 P형 액티브층 즉, P형 반도체층은 비정질 영역(Amorphous Region; AM_R) 및 상기 비정질 영역(AM_R)에 의하여 둘러싸이는 복수의 결정립들 혹은 결정질 영역들(NC_R)을 포함하는 막(layer)일 있다. 다시 말해서, 상기 액티브층 내에는, 비정질 영역 혹은 비정질 매트릭스(AM_R) 내에 결정질 영역(NC_R)이 아일랜드 형상(island shape)으로 불규칙하게 분산되어 배치될 수 있다. 상기 결정질 영역(NC_R)은 대략 구의 형태를 나타낼 수 있다. 상기 비정질 영역 혹은 비정질 매트릭스(AM_R) 및 결정질 영역(NC_R) 모두 P형 금속 산화물 반도체 일 예로서, 구리(I) 산화물 반도체(Cu2O), 주석(II) 산화물 반도체(SnO), 또는 니켈(II) 산화물 반도체(NiO)이되, 원자 배열 상태만 달리하는 것일 수 있다.
상기 결정질 영역(NC_R) 각각은 나노 사이즈로 이루어져 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 가질 수 있다. 구체적으로 상기 결정질 영역(NC_R)은 수 nm의 크기 예를 들어, 10 nm 이하의 직경 일 예로서, 0.5 내지 8nm, 0.8 내지 5nm, 2 내지 3nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 또한, 결정질 영역들(NC_R) 사이의 평균 거리 또한 수 nm일 수 있다. 이러한 결정질 영역(NC_R)은 나노 결정(nanocrystal)으로 불리워질 수도 있으며, 면내 X축 방향 및 Y축 방향, 그리고 두께 방향 즉 Z축 방향으로 양자 구속 효과를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 결정질 영역(NC_R) 나아가, P형 반도체층인 액티브층은 3축 방향으로 양자 구속 효과를 제공할 수 있다.
상기 결정질 영역들(NC_R)은 상기 액티브층(150)의 두께 방향으로 단일층으로 배열되거나 혹은 다수층 적층될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 에너지 상태를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 DOS (density of state)를 나타낸 개략도이다. 특히, 도 4는 DOS 시뮬레이션 결과로서, VASP(Vienna ab initio simulation) 이라는 프로그램을 사용하되, 제조된 액티브층을 PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof) exchange-correlation functional과 PAW(projector-augmented wave) pseudopotentials 방법으로 계산함으로써, 얻을 수 있다.
도 3을 참조하면, P형 액티브층 내의 비정질 영역(AM_R)은 수 많은 편재 상태(localized state)들을 가질 수 있다. 이와 달리, P형 액티브층 내의 결정질 영역(NC_R)은 상기 비정질 영역(AM_R)의 편재 상태들 보다 적은 소수의 이격화된 편재 상태(discrete localized state)들을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 비정질 영역(AM_R)이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태(AM_E)와 상기 결정질 영역(NC_R)이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태(NC_E)가 서로 공명 에너지 매칭(resonant energy matching)을 이룰 수 있다.
상기 공명 에너지 매칭에 의한 하이브리드화(hybridization)는 양자화된 전도성 상태(quantized conduction state)를 제공할 수 있다. 상기 양자화된 전도성 상태는 불연속적인 전도성 상태를 제공하고, 또한 상기 양자화된 전도성 상태에서는 제한된 전류 이동을 제공할 수 있다. 상기 양자화된 전도성 상태에 대하여 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 에너지에 따른 상태 밀도 (DOS, density of state) 변화를 나타난다.
본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층은 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)(미도시)를 가질 수 있다. 다만, P형 액티브층이 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 비정질 영역(AM_R)에 의하여 둘러싸이는 복수의 결정립들 혹은 결정질 영역들(NC_R)을 포함함에 따라, 하기와 같은 특이한 상태 밀도 분포를 가질 수 있다.
P형 액티브층에서 상기 가전자대는 모빌리티 엣지(mobility edge, Ev)에 의하여 비편재 상태인 익스텐디드 상태(extended state)와 편재 상태로 구분될 수 있고, 상기 전도대 또한 모빌리티 엣지(Ec)(미도시)에 의하여 익스텐디드 상태와 편재 상태로 구분될 수 있다. 또한, P형 액티브층은 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지를 갖는 가전자대 내에, 불연속적인 혹은 서로 중복되지 않는 제1 에너지 범위와 제2 에너지 범위를 가질 수 있다.
제1 에너지 범위에서는 익스텐디드 상태들이 제1 상태 수[개수/cm3]로 제공되고, 제2 에너지 범위에서는 익스텐디드 상태들이 제2 상태 수[개수/cm3]로 제공될 수 있다. 상기 제1 에너지 범위가 상기 제2 에너지 범위에 비해 모빌리티 엣지(Ev)에 더 인접하여 배치될 수 있다. 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이에 편재 상태(localized)가 제공될 수 있다. 상기 편재 상태에서, 상태 밀도는 0일 수 있다. 상기 제1 에너지 범위에서의 상태 밀도[개수/cm3·eV]의 변화를 나타내는 제1 상태 밀도 곡선과, 상기 제2 에너지 범위에서의 상태 밀도[개수/cm3·eV]의 변화를 나타내는 제2 상태 밀도 곡선은 서로 중복되지 않고 불연속적일 수 있다. 제1 상태 밀도 곡선은 정규 분포를 가질 수 있다. 상기 제1 에너지 범위의 최저 에너지 값은, 상기 제2 에너지 범위의 최대 에너지 값보다 클 수 있다.
제1 상태 수[개수/cm3]는 제2 상태 수[개수/cm3] 대비 적을 수 있고, 또한 제1 에너지 범위에서의 상태 밀도[개수/cm3·eV] 중 최대 상태 밀도는 제2 에너지 범위에서의 상태 밀도[개수/cm3·eV] 중 최대 상태 밀도 대비 적을 수 있다.
이는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, P형 액티브층의 비정질 영역(AM_R)이 가지는 편재 상태의 에너지 레벨과, 결정질 영역(NC_R)이 가지는 편재 상태의 에너지 레벨이 매칭되되, 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지에서 매칭됨을 의미할 수 있다. 이 때, 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지에서 제1 상태 수 [개수/cm3]를 가지는 제1 에너지 범위에서의 전도 상태를 양자화된 익스텐디드 상태(quantized extended state) 혹은 양자화된 전도 상태(quantized conducting state)로 정의할 수 있으며, 이 상태를 통해 흐르는 캐리어 밀도를 제한할 수 있다.
또한, 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이에서 상태 밀도는 0개일 수 있다. 이는 P형 액티브층의 결정질 영역(NC_R)이 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이에서 에너지 상태를 가지지 않음을 의미할 수 있다. 이에 따라 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이의 에너지 범위에서는 결정질 영역(NC_R)과 비정질 영역(AM_R) 간에 공명 에너지 매칭되지 않게 된다.
상기 결정질 영역(NC_R)이 3축 방향으로 양자 구속 효과를 가지기 때문에, 상기 제1 에너지 범위에서 상태 밀도[개수/cm3·eV]에 의하여 정의되는 곡선은 매우 제한된 면적을 가질 수 있다. 이는 제1 상태 수[개수/cm3]를 가지는 제1 에너지 범위 즉, 양자화된 익스텐디드 상태(quantized extended state) 혹은 양자화된 전도 상태에서는 매우 제한된 캐리어가 존재할 수 있음을 의미할 수 있다.
반면, 종래의 결정질 영역 만을 포함하는 P형 반도체층 또는 비정질 영역 만을 포함하는 P형 반도체층은, 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지에서 양자화된 익스텐디드 상태 혹은 양자화된 전도 상태를 갖지 않는다.
도 5는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 도 6a, 도 7a, 도 8a, 및 도 9a는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 특징을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 6b, 도 7b, 도 8b, 및 도 9b는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도들이다. 후술하는 것을 제외하고는 앞서 설명한 부분을 참고하기로 한다.
도 6a, 및 도 6b를 참조하면, 게이트 전극(120), 소스 전극(180) 및 드레인 전극(185)이 모두 플로팅 상태에 있는 경우로, 게이트 전극(120), 액티브층들(150, 170), 및 소스 전극(180)의 페르미 레벨들이 거의 동일한 레벨에 있을 수 있다.
배리어층들(140, 160)은 절연층으로서, P형 액티브층들(150, 170)에 비해 밴드갭이 큰 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 각 P형 액티브층들(150, 170)은 서로에 관계없이 밴드갭이 2 내지 4 eV이고, 상기 배리어층(140, 160)은 밴드갭이 6 내지 8 eV일 수 있다. 이러한 배리어층들(140, 160)은, 상기 P형 액티브층(150)과 인접 계면을 형성함으로써, 상기 P형 액티브층(150)은 양자 우물(quantum well)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 P형 액티브층들(150, 170) 중 적어도 하나의 액티브층(150)은 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4a, 및 도 4b를 참조하여 설명한 바와 같이, 결정질 영역(NC_R)과 비정질 영역(AM_R)의 공명 에너지 매칭에 의하여 생성된, 가전자대 내에서 모빌리티 엣지(Ev) 이하의 에너지를 갖는 양자화된 익스텐디드 상태(quantized extended state) 혹은 양자화된 전도 상태를 제공한다.
도 5, 7a, 및 도 7b를 참조하면, 소오스 전극(180)에 그라운드 전압(VS)가 인가된 상태에서 드레인 전극(185)에 드레인 전압(VD)이 그리고 게이트 전극(120)에 제1 문턱전압 혹은 제1 turn-on 전압(Vth1) 이하의 전압이 인가될 때, 상기 제1 P형 액티브층(150) 내에 채널을 형성할 수 있을 정도로 정공이 충분히 축적됨에 따라 상기 제1 P형 액티브층(150)은 활성화 즉, turn-on 될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 전극(180) 및 상기 드레인 전극(185) 사이에는 전류(ID)가 흐를 수 있다.
구체적으로, 상기 소스 전극(180)에서 정공이 상기 제2 P형 액티브층(170)을 지나 제2 배리어층(160)을 터널링(tunneling)한 뒤, 상기 제1 P형 액티브층(150)을 따라 흐를 수 있다. 상기 제1 P형 액티브층(150)을 흐른 정공은 다시 상기 제2 배리어층(160)을 터널링한 후 상기 제2 P형 액티브층(170)을 지나 상기 드레인 전극(185)으로 제공될 수 있다.
게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 서서히 음의 방향으로 증가함에 따라, 상기 제1 P형 액티브층(150) 내에 흐르는 전류의 절대값 또한 증가할 수 있다. 즉, 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 게이트 전압의 변화량에 대한 상기 액티브 구조체(135)를 흐르는 전류 즉, 소스/드레인 전극 간 전류의 변화량의 비는 제1 기울기를 가질 수 있다.
이 때, 제2 P형 액티브층(170)은 비 활성화 즉, turn-off 상태일 수 있는데, 이는 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 제1 P형 액티브층(150)을 흐르는 전류에 의하여 차폐되고(shielding effect), 및/또는 배리어층(160)을 통한 지연 혹은 전압강하에 의해 감소되어, 제2 P형 액티브층(170)에 미치는 전압의 실제 세기가 제2 액티브층(170)을 활성화시키기에 충분하지 않기 때문이다. 이를 위해, 배리어층(160)은 적절한 두께 및/또는 유전상수를 가질 수 있다. 배리어층(160)의 적절한 두께는 게이트 전극(120)에 인가되는 전압 범위 등 여러가지 파라미터에 의해 영향을 받을 수 있으나, 일 예로서, 5 내지 수십 nm, 일 예로서 6 내지 20nm, 7 내지 15nm, 또는 8 내지 12nm일 수 있다.
도 5, 8a, 및 도 8b를 참조하면, 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 음의 방향으로 더 증가할 때 상기 액티브 구조체(135)를 흐르는 전류 즉, 소스/드레인 전극 사이에 흐르는 전류 크기가 제1 게이트 전압 범위(R1)에서의 상기 제1 기울기보다 적은 제2 기울기로 변할 수 있다. 이 범위를 제2 게이트 전압 범위(R2)로 명명하기로 하며, 제2 게이트 전압 범위(R2)에 진입할 때의 게이트 전압을 포화전압(Vsat)로 명명하기로 한다.
구체적으로, 제2 게이트 전압 범위(R2) 내에서 소스/드레인 전극(180, 185) 사이에 흐르는 전류 크기는 거의 일정 즉, 일 예에서, 제2 기울기는 거의 0일 수 있다. 이는 제2 게이트 전압 범위(R2) 내에서는, 상기 제1 P형 액티브층(150)만 turn-on 상태일 수 있고, 앞서 설명한 바와 같은 차폐 효과 및/또는 전압 강하에 의해 제2 P형 액티브층(170)은 turn-off 상태이며, 상기 제1 P형 액티브층(150)을 흐르는 전류의 양이 거의 포화(saturation) 되었음을 의미할 수 있다. 즉, 제2 게이트 전압 범위(R2)는 게이트 전압의 절대값이 증가하더라도 전류가 유지된다는 점에서 중개(intermediate) 전압 범위로 이해될 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 P형 액티브층(150)을 흐르는 전류의 양이 거의 포화(saturation)되는 것은, 결정질 영역(NC_R)과 비정질 영역(AM_R)의 공명 에너지 매칭에 의하여 생성된 가전자대 내에서 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지를 갖는 양자화된 익스텐디드 상태(quantized extended state) 혹은 양자화된 전도 상태가 제한된 상태 밀도를 제공하기 때문으로 이해될 수 있다.
도 5, 9a, 및 도 9b를 참조하면, 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 음의 방향으로 더 증가하여 제2 문턱전압 혹은 제2 turn-on 전압(Vth2)이하의 전압이 인가될 때, 상기 제2 P형 액티브층(170) 내에도 채널을 형성할 수 있을 정도로 정공이 충분히 축적됨에 따라 상기 제2 P형 액티브층(170) 또한 활성화가 즉, turn-on 될 수 있다. 즉, 제2 turn-on 전압(Vth2)이하의 전압범위 즉, 제3 게이트 전압 범위(R3) 내에서는 상기 제1 및 제2 게이트 전압 범위(R1, R2)과 달리, 제1 및 제2 P형 액티브층(150, 170)이 모두 활성화된 상태이기 때문에, 제1 게이트 전압 범위(R1) 혹은 제2 게이트 전압 범위(R2) 보다 많은 전류가 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185) 사이에 흐를 수 있다. 상기 제3 게이트 전압 범위(R3) 내에서 게이트 전압의 절대값이 증가함에 따라, 상기 소스 및 상기 드레인 전극(180, 185) 사이에 흐르는 전류의 절대값은 제3 기울기로 증가할 수 있다. 즉, 제3 게이트 전압 범위(R3) 내의 게이트 전압 증가에 따른 전류 증가의 비는 제3 기울기로 증가할 수 있다.
제3 게이트 전압 범위(R3)의 게이트 전압이 인가되는 경우, 도 9a에 도시된 바와 같이, 필드 침투(field penetration)에 의하여 게이트 전압이 제2 P형 액티브층(170)에 미치게 된다. 이에 따라 제2 액티브층(170)이 turn-on 될 수 있다.
정리하면, 상기 제1 게이트 전압 범위(R1)의 게이트 전압이 게이트 전극(120)에 인가되면, 제1 P형 액티브층(150)만 활성화되고, 제2 P형 액티브층(170)은 활성화되지 못할 수 있다. 이어서 상기 제1 게이트 전압 범위(R2) 보다 음의 방향으로 큰 제2 게이트 전압 범위(R2)의 게이트 전압이 인가되면, 제1 P형 액티브층(150)의 활성화 상태는 유지되되, 전류 이동은 포화 상태에 이를 수 있다. 또한 제2 P형 액티브층(170)은 여전히 비 활성 상태일 수 있다. 이 후 상기 제2 게이트 전압 범위(R2) 보다 음의 방향으로 큰 제3 게이트 전압 범위(R3)의 게이트 전압이 인가되면, 제1 및 제2 P형 액티브층(150, 170) 모두 활성화될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 복수의 turn-on 전압 즉, 문턱 전압을 가질 수 있음에 따라 멀티레벨 전도도를 제공할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자는 기존의 소자에서는 발생하지 않는 제2 게이트 전압 범위, 즉, 게이트 전압이 증가하더라도 전류의 크기 변화가 적거나 없는 범위를 가질 수 있으므로, 멀티레벨 전도도를 안정적으로 제공할 수 있다. 다시 말해서, 제1 게이트 전압 범위(R1)에 의한 제1 turn on 전압과 제3 게이트 전압 범위(R3)에 의한 제2 turn on 전압이 명확히 구분될 수 있는 것이다. 따라서, 게이트 전압의 동작 마진(operating margin)을 넓게 하더라도 에러(error) 발생율을 줄일 수 있다.
상술한 내용을 정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 도 5에 도시된 바와 같이, 게이트 전압의 스윕(sweep)에도 불구하고 전류 크기에는 변화가 없는 제2 게이트 전압 범위를 가진다. 즉, 제2 게이트 전압 범위는 제1 및 제3 게이트 전압 범위에서, 제1 및 제3 게이트 전압 범위를 확연히 구분할 수 있다. 이는 제2 게이트 전압 범위에 의하여 멀티레벨 전도도 특성이 안정적으로 제공됨을 의미한다.
제1 및 제3 게이트 전압 범위와 구분되는 제2 게이트 전압 범위에서의 소자 거동은 P형 액티브층이 가전자대 내에서 모빌리티 엣지(Ev) 이하의 에너지를 갖는 양자화된 익스텐디드 상태를 가지기 때문에, 특정 게이트 전압 범위에서 제한된 캐리어 밀도를 나타내기 때문으로 풀이될 수 있다. 즉, 제2 게이트 전압 범위에서는, P형 액티브층을 흐르는 전류의 변화가 실질적으로 발생하지 않는데, 이는 P형 액티브층이 제2 게이트 전압 범위에서는 이미 양자화된 익스텐디드 상태에 의하여 흐를 수 있는 최대의 전류가 흐르고 있기 때문인 것으로 해석될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는, 모빌리티 엣지 상에서 양자화된 전도성 상태를 가진다는 점에서, 멀티 전도도 특성을 안정적으로 제공할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 양자화된 전도성 상태라는 특유의 현상은 P형 액티브층의 막 특성에서 발현될 수 있다. 즉, 액티브층의 비정질 영역(AM_R)이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태(AM_E)와 상기 결정질 영역(NC_R)이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태(NC_E)가 서로 공명 에너지 매칭을 이룰 수 있다. 상기 공명 에너지 매칭에 의한 하이브리드화에 의하여 양자화된 전도성 상태(quantized conduction state)가 제공될 수 있다. 다만, 양자화된 전도성 상태가, 공명 에너지 매칭에 의하여 발현될 수 있음은 일 예이며, 이와 다른 방식에 의하여 발현될 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 11은 도 10에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 따른 소자에 후술하는 것을 제외하고는 위에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 멀티레벨 소자는, 상기 제2 P형 액티브층(170) 상에 제3 배리어층(172)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)는 상기 제3 배리어층(172)과 접촉할 수 있다. 다시 말해, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제1 배리어층(140), 제1 P형 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 제2 P형 액티브층(170)과는 접촉하지 않을 수 있다.
상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)이 상기 제3 배리어층(172)과 접촉하기 때문에, 제1 게이트 전압 범위 내지 제4 게이트 전압 범위(R1 내지 R4)가 제공될 수 있다. 즉, 상기 제2 P형 액티브층(170)도 제2 및 제3 배리어층(160, 172)에 의하여 양자화된 전도성 상태를 가지는 양자 우물을 제공할 수 있다. 이에 따라, 제4 게이트 전압 범위(R4)에서 게이트 전압이 음의 방향으로 증가하더라도 소스 및 드레인 전극(180, 185) 간의 전류는 일정하게 유지될 수 있다.
도 12은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 13은 도 12에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 따른 소자에 후술하는 것을 제외하고는 위에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제3 배리어층(172) 상에 제3 P형 액티브층(174)이 더 제공될 수 있다. 또한 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제3 P형 액티브층(174)과 접촉할 수 있다. 즉, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제1 배리어층(140), 제1 P형 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 제2 P형 액티브층(170) 및 제3 배리어층(172)과는 접촉하지 않을 수 있다. 제1 P형 액티브층(150) 및 제2 P형 액티브층(170), 나아가 제3 P형 액티브층(170)은 모두 도 도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4a, 및 도 4b를 참조하여 설명한 액티브층일 수 있다.
본 실시예에서는 제3 P형 액티브층(174)이 추가로 제공되기 때문에, 제1 게이트 전압 범위 내지 제5 게이트 전압 범위(R1 내지 R5)가 제공될 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제4 게이트 전압 범위(R2, R4)에서, 양자화된 전도성 상태에 의한 포화 전류가 발생할 수 있고, 상기 제5 게이트 전압 범위(R5)에서 제3 P형 액티브층(174)과 소스/드레인 전극(180, 185)의 접촉에 의하여 전류는 증가할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 구조체에 해당하는 도 6a의 A영역을 확대하여 나타낸 개략도이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다. 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 P형 액티브층의 제조를 위한 금속 전구체 가스 주입, 퍼지 가스 주입, 및 반응 가스 주입 타이밍도이다.
도 1, 도 14, 및 도 15를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체(135)의 제조방법은, 제1 배리어층 형성 단계(S110), 제1 P형 액티브층 형성 단계(S120), 제2 배리어층 형성 단계(S130) 및 제2 P형 액티브층 형성 단계(S140) 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 설명하기로 한다.
제1 배리어층 형성 단계(S110)
도 1, 도 14, 및 도 15를 참고하면, 게이트 절연막(130) 상에 제1 배리어층(140)이 형성될 수 있다. 상기 제1 배리어층(140)은 P형 액티브층(150) 대비 큰 밴드갭을 가져 P형 액티브층(150)을 양자우물 구조로 만들 수 있다.
본 실시예에서는 상기 제1 배리어층(140)은 적어도 한층의 유기단분자층을 포함할 수 있으며, 분자층 증착법을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배리어층(140)은 상기 게이트 절연막(130)이 형성된 기판을 반응챔버 내에 위치시키고, 금속 전구체 도징 단계, 제1 퍼지 단계, 유기 전구체 도징 단계, 및 제2 퍼지 단계를 구비하는 단위 사이클을 수 내지 수십회 반복하여 형성할 수 있다. 금속 전구체 도징 단계에서는 상기 반응챔버 내에 금속 전구체를 도징하여 상기 게이트 절연막(130)의 표면 작용기 혹은 하기 화학식 1으로 나타낸 유기전구체의 Y1 및/또는 Y2(Y)에 상기 금속 전구체의 금속(M2)을 화학결합시키고, 제1 퍼지 단계에서는 퍼지가스를 공급하여 미반응 금속 전구체 및 반응 생성물을 퍼지하고, 유기 전구체 도징 단계에서는 하기 화학식 1으로 나타낸 하나 또는 둘 이상의 유기전구체를 도징하여 하기 화학식 1으로 나타낸 유기전구체의 X1 및/또는 X2(X)와 상기 금속 전구체의 금속(M2)을 화학결합 구체적으로 공유결합시키고, 제2 퍼지 단계에서는 퍼지가스를 공급하여 미반응 유기 전구체 및 반응 생성물을 퍼지할 수 있다. 도 15에서는 이러한 단위 사이클이 2회 반복된 것을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 배리어층(140)의 증착을 수행하는 챔버의 온도는 90 내지 120도(℃) 구체적으로 100 내지 115도(℃)일 수 있다.
상기 금속 전구체는 알킬금속, 금속 알콕사이드, 금속 할라이드, 금속 하이드록사이드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택할 수 있으며, 일 예로서 TMA(trimethylaluminium), 또는 다이에틸징크 (diethylzinc (DEZ)일 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서, X1, X2, Y1, 및 Y2는 서로에 관계없이 O, S, Se, NH, 또는 PH이고, a, b, c, 및 d의 각각은 1 또는 0이되, a+b는 1이상이고, c+d는 1이상이고, Ar은 적어도 하나의 방향족기를 포함하는 작용기로서, 둘 이상의 방향족기들이 구비되는 경우 이 방향족기들은 연결기를 통해 연결되어 있을 수 있다. 상기 방향족기는 C5 내지 C8의 방향족 탄화수소기 혹은 C3 내지 C7의 헤테로고리 방향족기일 수 있다. 일 예로서, 상기 방향족기는 페닐기일 수 있다. L1 및 L2는 Ar과 X1 및 X2를 각각 연결하는 작용기이고 L3 및 L4는 Ar과 Y1 및 Y2를 각각 연결하는 작용기로서, L1, L2, L3, 및 L4는 서로에 관계없이 결합 또는 C1 내지 C3의 알킬렌기일 수 있다. X1 또는 X2는 Y1 또는 Y2에 비해 반응성이 더 큰 것일 수 있다. 일 예로서, X1 또는 X2는 O일 수 있고, Y1 또는 Y2는 S, Se, NH, 또는 PH일 수 있다.
상기 화학식 1로 나타낸 유기전구체는 하기 화합물들 (18) 내지 (34) 중 어느 하나 혹은 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.
상기 제1 배리어층(140)의 두께는 수 내지 수십 nm로 형성할 수 있다.
이와 같이 생성된 제1 배리어층(140)은 적어도 한층의 유기 단분자층(X-R-Y)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들(X-R-Y)을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들(X-R-Y) 사이에 배치된 금속 원자층(M2)이 배치될 수 있다. 금속 원자층(M2)는 일 예로서 알루미늄 또는 아연일 수 있고, 상기 유기 단분자층(X-R-Y)은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, Ar, X1, X2, Y1, Y2, L1, L2, L3, L4, a, b, c, 및 d는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다. *는 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이고, #는 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이다. 또한, 도 15에서의 R은 상기 화학식 2에서의 (L1)(L2)Ar(L3)(L4)에 대응할 수 있다.
상기 화학식 2로 나타낸 물질은 하기 화합물들 (1) 내지 (17) 중 어느 하나 혹은 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.
이와 같이 생성된 제1 배리어층(140)은 적어도 한층의 유기 단분자층(X-R-Y)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들(X-R-Y)을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들(X-R-Y) 사이에 배치된 금속 원자층(M2)이 배치될 수 있다. 금속 원자층(M2)는 일 예로서 알루미늄 또는 아연일 수 있고, 상기 유기 단분자층(X-R-Y)은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서, Ar, X1, X2, Y1, Y2, L1, L2, L3, L4, a, b, c, 및 d는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다. *는 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이고, #는 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이다. 또한, 도 15에서의 R은 상기 화학식 2에서의 (L1)(L2)Ar(L3)(L4)에 대응할 수 있다.
상기 화학식 2로 나타낸 물질은 하기 화합물들 (1) 내지 (17) 중 어느 하나 혹은 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.
이러한 배리어층(140) 내에서 서로 인접하여 배치된 상기 화학식 2로 나타낸 분자들은, 인접하는 분자들에 포함된 방향족기들 간의 π-π결합에 의해 안정화될 수 있다.
상기 제1 배리어층(40)을 형성하는 방법은 위에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 배리어층(40)은 유기막, 무기막 혹은 다른 유무기 복합막일 수 도 있다.
제1 P형 액티브층 형성 단계 (S120)
도 1, 도 14, 도 15, 도 16, 및 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 P형 액티브층(150) 제조방법은, 금속 전구체 단위 사이클(M-UC)과 반응 가스 단위 사이클(O-UC)을 포함하는 단위 사이클을 수 내지 수백회 반복하여 형성할 수 있다. 반응 가스가 산화제인 경우, 상기 제1 P형 액티브층(150)은 금속원자층(M1)과 산소층(Z)이 적층된 단위층이 수 내지 수백층 적층된 P형 금속 산화물층으로 형성될 수 있다. 반응 가스가 황화제인 경우, 상기 제1 P형 액티브층(150)은 금속원자층(M1)과 황원자층(Z)이 적층된 단위층이 수 내지 수백층 적층된 P형 금속 황화물층으로 형성될 수 있다. 반응 가스가 셀렌화제인 경우, 상기 제1 P형 액티브층(150)은 금속원자층(M1)과 셀렌원자층(Z)이 적층된 단위층이 수 내지 수백층 적층된 P형 금속 셀렌화물층으로 형성될 수 있다.
금속 전구체 단위 사이클(M-UC)은 금속 전구체 가압 도징 단계(MD1, ME1)와 금속 전구체 퍼지 단계(MP1)를 포함하는 금속 전구체 서브 사이클(M-SCn)을 적어도 1회 포함할 수 있고, 반응 가스 단위 사이클(O-UC)은 반응 가스 도징 단계(OD1, OE1)와 반응 가스 퍼지 단계(OP1)를 포함하는 반응 가스 서브 사이클(O-SCn)을 적어도 1회 포함할 수 있다. 금속 전구체 서브 사이클(M-SCn)은 1회 내지 다수회, 구체적으로 1 내지 10회(n=1 ~ 10), 예를 들어 2 내지 7회(n=2~7), 또는 3 내지 5회 (n=3~5) 실시할 수 있다. 반응 가스 서브 사이클(O-SCn)은 1회 내지 다수회, 구체적으로 1 내지 10회(n=1 ~ 10), 예를 들어 2 내지 7회(n=2~7), 또는 3 내지 5회 (n=3~5) 실시할 수 있다.
제1 P형 액티브층(150)을 형성하는 챔버의 온도는 20 내지 250 ℃, 50 내지 200 ℃, 80 내지 150 ℃, 90 내지 100 ℃, 또는 95 내지 105 ℃으로 비교적 저온일 수 있다.
금속 전구체 가압 도징 단계(MD
1
, ME
1
)
금속 전구체 가압 도징 단계는 금속 전구체 공급 단계(MD1)와 금속 전구체 노출 단계(ME1)를 구비할 수 있으나, 금속 전구체 노출 단계(ME1)는 경우에 따라 생략될 수도 있다.
금속 전구체 공급 단계(MD1)에서는 가스 유입구 및 가스 유출구을 구비하는 챔버의 가스 유출구를 닫은 상태에서, 금속 전구체 가스를 챔버 내로 공급할 수 있다. 금속 전구체는 P형 액티브층(150) 일 예로, P형 금속 산화물, P형 금속 황화물, 혹은 P형 금속 셀렌화물을 형성하기 위한 전구체로 Cu 전구체, Ni 전구체, 혹은 Sn 전구체일 수 있다. 이러한 금속 전구체는 알킬금속, 금속 알콕사이드, 금속 할라이드, 금속 하이드록사이드, 금속-유기 화합물, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택할 수 있다. 일 예에서, Sn 전구체는 주석-유기 화합물로, 주석(II)-유기화합물 또는 주석(IV)-유기화합물일 수 있다. 상기 Sn 전구체는 일 예로서, (TMSA)2Sn(II) (bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II))일 수 있다.
상기 금속 전구체는 소정의 증기압으로 챔버 내로 공급되되, 캐리어 가스 없이 공급될 수 있다. 상기 금속 전구체는 가스 유출구가 닫긴 상태에서 공급되므로, 상기 챔버 내에 축적되면서 상기 챔버 내의 압력을 증가시킬 수 있다. 상기 금속 전구체는 상기 챔버의 압력이 반응압력(PM)에 이를 때까지 공급될 수 있다. 반응압력 즉, 금속 전구체 가스의 압력은 수십 내지 수백 mTorr의 범위, 구체적으로 20 내지 200 mTorr, 25 내지 150 mTorr, 30 내지 120 mTorr, 35 내지 100 mTorr, 40 내지 80 mTorr, 또는 45 내지 60 mTorr일 수 있다.
금속 전구체 노출 단계(ME1)에서는 반응압력에 이르면 소정 시간 챔버를 밀폐시킬 수 있다.
금속 전구체 가압 도징 단계 즉, 상기 금속 전구체 공급 단계(MD1)와 상기 금속 전구체 노출 단계(ME1)에서 금속 전구체 가스는 기판 혹은 기판 상에 기 형성된 층 일 예로서, 상기 제1 배리어층(140)의 표면에 화학흡착(chemisorption) 및 자기포화반응(self-saturated reaction)에 의해 증착될 수 있다. 상기 금속 전구체 가스의 화학 흡착과 자기포화반응은 가압된 환경 구체적으로, 라미나 플로우 환경이 아닌 가압된 정체 환경(stagnant environment)에서 진행되므로, 상기 금속 전구체 가스의 기판 혹은 기판 상에 기 형성된 층의 표면에의 화학 흡착률 혹은 표면 커버리지가 크게 향상될 수 있다.
금속 전구체 퍼지 단계(MP
1
)
이 후, 챔버를 퍼지시킬 수 있다. 구체적으로, 퍼지 가스를 챔버 내의 기판 표면 상으로 흘려보내 기판의 표면에 흡착되지 못한 과잉 금속 전구체 가스 및 금속 전구체 가스와 기판 표면 사이의 반응에 의해 생성된 반응 산물을 제거할 수 있다. 이 때, 퍼지 가스는 불활성 가스로 불활성 가스는 예를 들어, 아르곤(Ar), 질소(N2) 또는 이들의 조합인 가스를 구비할 수 있다.
상기 금속 전구체 서브 사이클들을 다수회 수행할 때(M-SC1, M-SC2, … M-SCn, n≥2), 도 16에 도시된 것과 같은 실시예에서는 금속 전구체 가압 도징 단계들(MD1, MD2, … MDn, ME1, ME2, … MEn, n≥2)에서의 반응압력(PM)은 실질적으로 동일할 수 있고, 도 17에 도시된 것과 같은 실시예에서는 금속 전구체 가압 도징 단계들(MD1, MD2, … MDn, ME1, ME2, … MEn, n≥2)에서의 반응압력(PM1, PM2, PM3)은 서로 다를 수 있다. 도 17에서는 금속 전구체 가압 도징 단계들(MD1, MD2, … MDn, ME1, ME2, … MEn, n≥2)의 횟수가 증가할수록 반응압력(PM1, PM2, PM3)을 점차 증가시키는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 반응압력은 점차 감소할 수도 있다.
반응 가스 도징 단계(OD
1
, OE
1
)
반응 가스 도징 단계는 반응 가스 공급 단계(OD1)와 반응 가스 노출 단계(OE1)를 구비할 수 있으나, 반응 가스 노출 단계(OE1)는 경우에 따라 생략될 수도 있다.
반응 가스 공급 단계(OD1)에서는 반응 가스를 상기 챔버 내로 공급하여 상기 기판 상에 흡착된 금속 전구체와 반응시킬 수 있다. 일 실시예에서, 챔버의 가스 유출구를 닫은 상태에서, 반응 가스를 챔버 내로 공급할 수 있고, 공급되는 반응가스는 캐리어 가스없이 공급될 수 있다. 상기 반응 가스는 가스 유출구가 닫긴 상태에서 공급되므로, 상기 챔버 내에 축적되면서 상기 챔버 내의 압력을 증가시킬 수 있다. 상기 반응 가스는 상기 챔버의 압력이 반응압력(POX)에 이를 때까지 공급될 수 있다. 반응압력 즉, 반응 가스의 압력은 백 mTorr 내지 수 Torr의 범위, 구체적으로 100 mTorr 내지 1 Torr, 150 내지 500 mTorr, 200 내지 400 mTorr, 또는 250 내지 350 mTorr 일 수 있다.
반응 가스 노출 단계(OE1)에서는 반응압력(POX)에 이르면 소정 시간 챔버를 밀폐시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 반응 가스와 상기 금속 전구체층의 반응은 가압된 환경 구체적으로, 라미나 플로우 환경이 아닌 가압된 정체 환경(stagnant environment)에서 진행될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 반응 가스는 가스 유출구를 연 상태에서 공급되어 챔버 내에서 라미나 플로우를 형성한 상태에서 상기 금속 전구체층과 반응할 수도 있다.
상기 반응 가스 가압 도징 단계 즉, 상기 반응 가스 공급 단계(OD1)와 상기 반응 가스 노출 단계(OE1)에서 반응 가스는 산화제, 황화제, 또는 셀렌화제일 수 있고, 산화제는 H2O, H2O2, 또는 O3일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일 구체예에서, 상기 산화제는 H2O일 수 있다. 황화제는 H2S일 수 있고, 셀렌화제는 H2Se일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반응가스 퍼지 단계 (OP
1
)
이 후, 챔버를 퍼지시킬 수 있다. 구체적으로, 퍼지 가스를 기판 표면 상으로 흘려보내 금속 전구체층과 반응하지 못한 과잉 반응 가스 및 반응 가스와 금속 전구체 사이의 반응에 의해 생성된 반응 산물을 제거할 수 있다. 이 때, 퍼지 가스는 불활성 가스로 불활성 가스는 예를 들어, 아르곤(Ar), 질소(N2) 또는 이들의 조합인 가스를 구비할 수 있다.
상기 반응 가스 서브 사이클들을 다수회 수행할 때(O-SC1, O-SC2, … O-SCn, n≥2), 도 16에 도시된 것과 같은 실시예에서는 반응 가스 가압 도징 단계들(OD1, OD2, … ODn, OE1, OE2, … OEn, n≥2)에서의 반응압력(POX)은 실질적으로 동일할 수 있고, 도 17에 도시된 것과 같은 실시예에서는 반응 가스 가압 도징 단계들(OD1, OD2, … ODn, OE1, OE2, … OEn, n≥2)에서의 반응압력(POX1, POX2, POX3)은 서로 다를 수 있다. 도 17에서는 반응 가스 가압 도징 단계들(OD1, OD2, … ODn, OE1, OE2, … OEn, n≥2)의 횟수가 증가할수록 반응압력(POX1, POX2, POX3)을 점차 증가시키는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 반응압력은 점차 감소할 수도 있다.
상기 금속 전구체 단위 사이클(M-UC) 1회와 상기 반응 가스 단위 사이클(O-UC) 1회를 수행하였을 때, 상기 P형 액티브층(150) 즉, 금속 산화물층의 두께는 약 0.2 내지 0.5 Å 구체적으로 0.3 내지 0.45 Å의 두께로 형성될 수 있다. 이 후, 상기 금속 전구체 단위 사이클(M-UC)과 상기 반응 가스 단위 사이클(O-UC)을 교호적으로 반복 수행할 수 있다. 반복 수행의 횟수는 상기 금속 산화물층 즉, P형 액티브층(150)의 최종 두께를 결정할 수 있다.
이와 같이 형성된 P형 액티브층(150)은 적어도 반응압력을 높힌 가압된 정체 환경(stagnant environment)에서 금속 전구체 가스의 흡착이 진행되었기 때문에, 이는 일반 ALD법 즉, 가압된 환경이 아닌 라미나 플로우 환경에서 금속 전구체를 도징할 경우 얻어지는 두께 대비 매우 큰 단위 사이클당 두께를 얻을 수 있고 나아가, 표면 거칠기가 수 Å (RMS, Root Mean Square) 일 예로서 0.1 내지 0.5 nm (RMS) 구체적으로 예로서 0.2 내지 0.3 nm (RMS) 정도로 매우 낮은 값을 나타내는 등 우수한 표면 몰폴러지를 나타낼 수 있다.
또한, 제조된 P형 액티브층 즉, 금속 전구체 가압 도징 단계를 포함하여 제조된 P형 액티브층은 도 2a와 도 2b에서 도시된 바와 같이 비정질 영역 혹은 비정질 매트릭스(AM_R) 내에 결정질 영역(NC_R)이 아일랜드 형상(island shape)으로 불규칙하게 분산되어 배치된 막으로 형성될 수 있고, 이는 도 3, 도 4a, 및 도 4b를 통해 설명된 바와 같이 양자화된 전도성 상태, 보다 구체적으로는 모빌리티 엣지(Ev) 보다 낮은 에너지에서 양자화된 익스텐디드 상태 혹은 양자화된 전도 상태를 제공할 수 있다.
제2 배리어층 형성 단계(S130)
제1 P형 액티브층(150) 상에 제2 배리어층(160)이 증착될 수 있다. 상기 제2 배리어층(160)은 제1 P형 액티브층(150) 대비 큰 밴드갭을 가져 제1 P형 액티브층(150)을 양자우물 구조로 만들 수 있다. 제2 배리어층(160)은 앞서 설명한 제1 배리어층(140)과 거의 동일한 방법(S110)에 의해 형성할 수 있으므로, 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 상기 제2 배리어층(160)은 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 게이트 전극에 게이트 전압이 걸릴 때 제1 P형 액티브층(150)과 제2 P형 액티브층(170)이 서로 구분되는 턴-온 전압을 가질 수 있도록 적절한 전압강하를 제공할 수 있는 절연막이면, 상기 제1 배리어층(140)과는 다른 유무기 복합막이거나 혹은 유기막 또는 무기막일 수 있다.
제2 P형 액티브층 형성 단계(S140)
제2 배리어층(160) 상에 제2 P형 액티브층(170)이 증착될 수 있다. 제2 P형 액티브층은 앞서 설명한 제1 P형 액티브층과 거의 동일한 방법(S120)에 의해 형성할 수 있으므로, 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
P형 액티브층인 주석 산화물 박막 제조예
도 18은 본 제조예에 따른 주석 산화물 단위층 제조를 위한 단위 사이클의 파라미터들을 정리하여 나타낸 표이다.
가스 유입구와 가스 유출구를 구비하는 챔버 내에 실리콘 기판을 로딩하고, 챔버를 100 ℃로 가열하였다. 가스 유출구를 닫은 상태에서, 상기 가스 유입구를 통해 상기 기판 상에 주석(II) 전구체인 Sn(II)(TMSA)2 (bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II))를 공급하였다(금속 전구체 공급 단계). 이 때, 상기 주석(II) 전구체는 캐리어 가스 없이 공급되고, 챔버 내의 압력이 50 mTorr에 이를 때까지 공급하였다. 이 후, 챔버 유입구도 닫아 챔버 압력을 50 mTorr로 유지한 상태에서 상기 기판 표면 상에 상기 주석(II) 전구체를 5초간 반응시켰다(금속 전구체 노출 단계). 이 후, 가스 유입구와 가스 유출구를 모두 연 상태에서 가스 유입구로 퍼지 가스인 아르곤을 40초간 공급하여 반응부산물 및 잔여반응가스를 퍼지하였다(금속 전구체 퍼지 단계). 상기 금속 전구체 공급 단계, 상기 금속 전구체 노출 단계, 및 상기 금속 전구체 퍼지 단계는 금속 전구체 서브 사이클을 구성하고, 상기 금속 전구체 서브 사이클을 4회 반복 수행하여 주석 원자층을 형성하였다.
이 후, 가스 유출구를 닫은 상태에서, 상기 가스 유입구를 통해 상기 주석 원자층 상에 산화제인 H2O를 공급하였다. 이 때, 상기 산화제는 캐리어 가스 없이 공급되고, 챔버 내의 압력이 300 mTorr에 이를 때까지 공급하였다(반응 가스 공급 단계). 이 후, 챔버 유입구도 닫아 챔버 압력을 300 mTorr로 유지한 상태에서 상기 주석 원자층 표면 상에 H2O를 2초간 반응시켰다(반응 가스 노출 단계). 이 후, 가스 유입구와 가스 유출구를 모두 연 상태에서 가스 유입구로 퍼지 가스인 아르곤을 40초간 공급하여 반응부산물 및 잔여반응가스를 퍼지하였다(반응 가스 퍼지 단계). 상기 반응 가스 공급 단계, 상기 반응 가스 노출 단계, 및 상기 반응 가스 퍼지 단계는 반응 가스 서브 사이클을 구성하고, 상기 반응 가스 서브 사이클을 4회 반복 수행하여 상기 주석 원자층 상에 산소 원자층을 형성하였다. 이에 따라 주석 산화물 단위층이 형성되었다.
상기 4회의 금속 전구체 서브 사이클들과 상기 4회의 반응 가스 서브 사이클들은 주석 산화물 박막 제조를 위한 단위 사이클을 구성한다. 이 때, 주석 산화물 박막의 성장속도는 0.4Å/사이클로 나타났다.
도 19는 주석 산화물 박막 제조예에 따른 주석 산화물 박막의 단면을 촬영한 TEM(Transmission electron microscopy) 사진이다. 이 때, 주석 산화물 박막은 주석 산화물 박막 제조예에서 기술된 단위 사이클을 350회 수행하여 얻은 약 14nm의 두께를 갖는 박막이다.
도 19를 참조하면, 주석 산화물(SnO) 박막은 수nm 일 예로서, 약 1 내지 2nm의 직경을 갖는 결정 방향이 서로 다른 결정입자들이 비정질 매트릭스 내에 분산되어 배치된 것을 알 수 있다.
멀티레벨 소자 제조예
300nm 두께의 실리콘 웨이퍼를 기판으로 준비하고, 실리콘 웨이퍼 상에 섀도우 마스크를 사용한 열기상증착법을 사용하여 70nm 두께의 알루미늄 게이트 전극을 증착하였다.
게이트 전극 상에 게이트 절연막으로서, 산화 알루미늄(Al2O3)을 증착하였다. Al2O3층은 알루미늄 전구체인 트리에틸알루미늄 (trimethylaluminum (TMA), Aldrich, 97%)과 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스 제공단계, 퍼지 가스인 아르곤 제공단계, 산화제인 H2O와 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스 제공단계, 및 퍼지 가스인 아르곤 제공단계를 구비하는 단위 사이클을 반복하여 형성하였다.
상기 게이트 절연막인 Al2O3층 상에 제1 배리어층을 증착하였다. 이를 위하여 TMA 소스 가스와 아르곤의 혼합가스를 2초간 20도의 온도에서 제공하고, 아르곤 퍼지 가스를 20초간 제공하고, 유기전구체인 4MP((4-mercaptophenol) 와 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스를 20초간 75도의 온도에서 제공하고, 아르곤 퍼지 가스를 200초간 제공하는 단위 사이클을 20회 진행하여 약 10nm 두께의 제1 배리어층으로 Al-4MP층을 증착하였다.
상기 제1 배리어층 상에 제1 액티브층을 증착하였다. 이를 위하여 상기 주석 산화물 박막 제조예에 따른 단위 사이클을 225회 수행하여 약 9nm의 SnO 박막을 형성하였다.
이 후, 상기 제1 배리어층 형성방법과 동일한 방법으로 제2 배리어층을 형성한 후, 제2 배리어층 상에 제1 액티브층 형성방법과 동일한 방법으로 제2 액티브층을 형성하였다.
이 후 섀도우 마스크를 사용한 열기상증착법을 사용하여 70nm 두께의 알루미늄 패턴들을 형성하여 소스 및 드레인 전극을 형성하였다.
도 20a 및 도 20b는 멀티레벨소자 제조예에 따라 제조된 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프들이다.
도 20a 및 도 20b를 참조하면, 제조된 멀티레벨 소자는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 내지 제3 게이트 전압 범위(R1 내지 R3)를 가지는 것으로 확인되었다. 제1 문턱 전압(VTH1)은 약 3V로 확인되었고, 포화 전압(Vsat)은 약 -0.8V로 확인되었으며, 제2 문턱 전압(VTH2)은 약 -2.2V로 확인되었다. 따라서, 거의 일정한 전류 크기를 나타내는 중개(intermediate) 전압 범위 즉, 제2 게이트 전압 범위는 약 -0.8V에서 -2.2V 사이의 영역으로 확인되었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (24)
- 게이트 전극;
상기 게이트 전극에 중첩하는 제1 P형 액티브층, 제2 P형 액티브층, 및 상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층을 분리하는 배리어층을 포함하는 액티브 구조체; 및
상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들을 포함하되,
상기 제1 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압과 상기 제2 P형 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압은 서로 다른 값을 가지고,
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층 중 적어도 하나의 층은 비정질 매트릭스 내에 복수이 결정립들이 불규칙하게 분산되어 배치된 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층은 서로에 관계없이 금속 산화물 반도체층, 금속 황화물 반도체층, 또는 금속 셀렌화물 반도체층인 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 2에 있어서,
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층은 서로에 관계없이 구리(I) 산화물 (Cu2O), 주석(II) 산화물 (SnO), 또는 니켈(II) 산화물(NiO)인 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 P형 액티브층과 상기 제2 P형 액티브층 중 적어도 하나의 층은 수 내지 수십 nm의 두께를 갖는 P형 멀티레벨 소자. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 결정립들은 수 nm의 평균 직경을 갖는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때,
상기 제1 P형 액티브층에 채널이 형성된 후,
상기 제2 P형 액티브층에 채널이 형성되기 전에,
상기 제1 P형 액티브층에 흐르는 전류는 포화되는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때,
상기 게이트 전압에 대한 상기 액티브 구조체를 흐르는 전류의 비가 제1 기울기를 갖는 제1 게이트 전압 범위, 제1 기울기 대비 낮은 제2 기울기를 갖는 제2 게이트 전압 범위, 및 제2 기울기 대비 높은 제3 기울기를 갖는 제3 게이트 전압 범위로 구분되는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 8에 있어서,
상기 제2 기울기는 0인 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 배리어층은 제1 배리어층이고,
상기 액티브 구조체는 상기 게이트 전극과 제1 P형 액티브층 사이에 배치된 제2 배리어층을 더 포함하여,
상기 제1 P형 액티브층은 제1 배리어층과 제2 배리어층 사이에 개재되어 양자우물을 형성하는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 배리어층은 적어도 하나의 유기 단분자층을 구비하는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 11에 있어서,
상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 더 포함하는 P형 멀티레벨 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 비정질 영역이 가지는 에너지 상태들 중 일부와 상기 결정질 영역이 가지는 에너지 상태들 중 일부가 매칭되어 가전자대 내의 모빌리티 엣지보다 낮은 에너지에서 양자화된 전도 상태를 제공하는 P형 멀티레벨 소자. - 비정질 매트릭스 내에 복수이 결정립들이 불규칙하게 분산되어 배치된 P형 반도체막으로,
가전자대 내의 모빌리티 엣지보다 낮은 에너지에서 익스텐디드 상태들을 제1 상태 밀도로 제공하는 제1 에너지 범위와 익스텐디드 상태들을 제2 상태 밀도를 제공하는 제2 에너지 범위를 제공하고, 상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위는 서로 중복되지 않는, 에너지에 따른 상태 밀도 분포를 갖는, P형 반도체막. - 청구항 14에 있어서,
상기 제1 에너지 범위와 상기 제2 에너지 범위 사이에 편재 상태(localized)가 제공되는, P형 반도체막. - 청구항 15에 있어서,
상기 편재 상태에서, 상태 밀도는 0인, P형 반도체막. - 청구항 14항에 있어서,
상기 제1 에너지 범위에서의 제1 상태 밀도 곡선과, 상기 제2 에너지 범위에서의 제2 상태 밀도 곡선은 서로 불연속적인, P형 반도체막. - 청구항 14항에 있어서,
상기 제1 에너지 범위의 최저 에너지 값은, 상기 제2 에너지 범위의 최대 에너지 값 보다 큰, P형 반도체막. - 게이트 전극, 상기 게이트 전극에 중첩하는 액티브 구조체, 및 상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들을 구비하는 소자의 제조방법에 있어서,
상기 액티브 구조체는, 제1 P형 액티브층 형성단계, 상기 제1 P형 액티브층 상에 배리어층을 형성하는 배리어층 형성단계, 및 상기 배리어층 상에 제2 P형 액티브층을 형성하는 제2 P형 액티브층 형성단계를 포함하여 제조되되,
상기 제1 P형 액티브층 형성단계와 상기 제2 P형 액티브층 형성단계 중 하나의 단계는,
챔버 내에 기판을 투입하고 상기 챔버의 유출구를 닫은 상태에서 금속 전구체를 공급하여 상기 챔버 내 반응압력을 증가시켜 상기 금속 전구체를 상기 기판 표면 상에 흡착시키는 금속 전구체 가압 도징 단계; 금속 전구체 가압 도징 단계 후, 상기 챔버를 퍼지하는 금속 전구체 퍼지 단계; 상기 금속 전구체 퍼지 단계 후, 반응가스를 상기 챔버 내로 공급하여 상기 기판 상에 흡착된 금속 전구체와 반응시키는 반응가스 공급 단계; 및 상기 반응가스 공급 단계 후, 상기 챔버를 퍼지하는 반응가스 퍼지 단계를 포함하는 단위 사이클을 다수회 진행하는 것을 포함하고,
상기 배리어층은 둘 이상의 유기 단분자층들과 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 포함하는 P형 멀티레벨 소자 제조방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 금속 전구체 가압 도징 단계와 상기 금속 전구체 퍼지 단계는 금속 전구체 서브 사이클을 구성하고,
상기 반응가스 공급 단계 전에, 상기 금속 전구체 서브 사이클을 다수회 수행하는 P형 멀티레벨 소자 제조방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 반응가스 공급단계는
상기 챔버의 유출구를 닫은 상태에서 상기 반응가스를 공급하여 상기 챔버 내 반응압력을 증가시킨 상태에서 진행하는 반응가스 가압 도징 단계로 진행하는 P형 멀티레벨 소자 제조방법. - 청구항 21에 있어서,
상기 반응가스 가압 도징 단계와 상기 반응가스 퍼지 단계는 반응가스 서브 사이클을 구성하고,
상기 단위 사이클은 상기 반응가스 서브 사이클을 연속하여 다수회 수행하는 것을 포함하는 P형 멀티레벨 소자 제조방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 유기 단분자층은 분자층 증착법을 사용하여 형성한 P형 멀티레벨 소자 제조방법. - 삭제
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-
2019
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Patent Citations (1)
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