KR102418302B1 - 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 전도성 기판, 전도성 기판 상에 형성된, 제1 절연층 및 제2 절연층, 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 형성된, 제1 반도체 및 제2 반도체, 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 독립적으로 형성된, 버퍼층 및 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 버퍼층 외부 표면에 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함할 수 있다.

Description

다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법 {SEMICONDUCTOR DEVICE WITH MULTIPLE ZERO DIFFERENTIAL TRANSCONDUCTANCE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
비선형 전달전도 소자는 부성미분 전달전도(negative differential transconductance, NDT) 소자 및 영미분 전달전도 소자(zero differential transcontuctance, ZDT)를 포함할 수 있다. 이중에서 부성미분 전달전도 소자는 N 모양의 전류-전압 특성을 가지는 소자이며, 에사키 다이오드, 공진 터널 다이오드, 단전자 트랜지스터 등이 있다.
에사키 다이오드는 고농도의 p-n 접합 구간에서 밴드간 터널링이 용이한 형태가 되어 p 영역에 가하는 전압이 커질 때 오히려 터널링 전류가 감소하는 특성을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해, 채널 물질의 농도가 낮을 시 밴드간 터널링이 발생하기 어렵고, 농도가 높을 시 확산 전류가 우세해져 부성미분 곡선이 사라질 수 있다. 공진 터널링 다이오드와 단전자 트랜지스터 구조의 경우, 나노와이어, 퀀텀닷 등을 이용하여 소스와 드레인 사이에 양자 우물을 형성한다. 이러한 구조들은 게이트 전압을 통해 양자 우물 내 양자화된 에너지 레벨의 위치를 조절하여 피크 전류를 형성함으로써 부성미분 전달전도 특성의 구현이 가능하지만, 공정이 복잡하고 저온에서만 동작한다는 한계점이 있다.
한편, 영미분 전달전도 소자 중 하나인 QDGFET(quantum dot gating FET)소자는 게이트 절연층에 형성된 양자 우물의 양자화된 에너지 상태로 인해 특정 게이트 전압 변화에 대해 드레인 전류가 일정한 구간을 갖는다. 그러나 에너지가 높아질수록 양자화된 물질 상태의 에너지 레벨 간격이 급격하게 좁아지므로 물질 상태를 늘리는데 한계가 존재한다.
본 발명은 게이트 전압의 변함에 따라 드레인 전류가 변하지 않는 구간을 의미하는 드레인 전류 포화 구간이 다수 존재하는, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 전도성 기판, 전도성 기판 상에 형성된, 제1 절연층 및 제2 절연층, 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 형성된, 제1 반도체 및 제2 반도체, 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 독립적으로 형성된, 버퍼층 및 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 버퍼층 외부 표면에 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 여기서, 제1 반도체와 제2 반도체는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 인해 병렬 연결된다.
바람직하게 제1 절연층과 제2 절연층은 유전 상수 또는 기하 구조 중 적어도 하나가 서로 상이할 수 있다.
바람직하게 제1 반도체 및 제2 반도체는 밴드 구조 또는 도핑 공정 중 적어도 하나가 서로 상이할 수 있다.
바람직하게 버퍼층은 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성되거나 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역 상부에 형성될 수 있다.
바람직하게 제1 절연층 및 전도성 기판 사이에 형성된 제3 절연층 및 제2 절연층 및 전도성 기판 사이에 형성된 제4 절연층을 더 포함하고, 제3 절연층 및 제4 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층과 전도성 기판 간 캐리어 이동을 차단할 수 있는 밴드 구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 제조 방법은 전도성 기판 상에 제1 절연층 및 제2 절연층을 형성시키는 단계, 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 제1 반도체 및 제2 반도체를 형성시키는 단계, 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 버퍼층을 독립적으로 형성시키는 단계, 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 버퍼층 외부 표면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성시키는 단계를 포함한다. 여기서, 제1 반도체와 제2 반도체는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 인해 병렬 연결된다.
바람직하게 제1 절연층과 제2 절연층은 유전 상수 또는 기하 구조 중 적어도 하나가 서로 상이할 수 있다.
바람직하게 제1 반도체 및 제2 반도체는 밴드 구조 또는 도핑 공정 중 적어도 하나가 서로 상이할 수 있다.
바람직하게 버퍼층은 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성되거나 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역 상부에 형성될 수 있다.
바람직하게 제1 절연층을 형성시키기 이전에 제1 절연층 및 전도성 기판 사이에 제3 절연층을 형성시키는 단계 및 제2 절연층을 형성시키기 이전에 제2 절연층 및 전도성 기판 사이에 제4 절연층을 형성시키는 단계를 더 포함하고, 제3 절연층 및 제4 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층과 전도성 기판 간 캐리어 이동을 차단할 수 있는 밴드 구조를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 게이트 전압의 변화에 대하여 드레인 전류가 일정한 구간이 다수개 존재하는 다중 영미분 전달전도 특성을 가지기 때문에, 본 발명의 반도체 소자를 포함하는 인버터는 다수의 안정적인 논리 상태를 가질 수 있는 효과가 있고, 이에 따라 칩의 소형화, 저 전력화, 고속화 등이 가능하다.
또한, 본 발명에 개시된 반도체 소자는 여러 개의 영미분 전달전도 상태를 원하는 게이트 전압 구간에서 자유롭게 형성하여 3개 이상의 안정적인 논리 상태를 가진 다진법 논리연산 회로(다진 인버터, NAND 등)를 구현하는데 용이하다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 구현하는 과정에서 반도체 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 반도체 소자를 영미분 전달전도 특성을 갖도록 제조하는 방법, 특정 영미분 전달전도 상태를 원하는 게이트 구간에서 형성하는 방법 및 다수의 영미분 전달전도 상태를 형성할 수 있는 방법을 개시한다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자 및 그 제조 방법은 반도체 소자에 포함된 각 반도체의 문턱 전압(threshold voltage, VTH)을 조절하고, 게이트 전압의 변화에 대하여 드레인 전류가 일정한 구간을 형성하여, 문턱 전압이 다른 상기 반도체들을 병렬로 연결함으로써 원하는 구간에서 3개 이상의 드레인 전류 포화 구간을 갖도록 제어 가능한 다중 영미분 전달전도 소자를 구현하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 절연층 및 제2 절연층을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 1의 (a) 및 (b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 전도성 기판(100) 상부에 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300)이 형성된다. 이때 제1 절연층(200)과 제2 절연층(300)은 유전 상수 또는 기하 구조(예를 들어, 두께)가 서로 다를 수 있다.
한편, 전도성 기판(100)은 실리콘(Si), 저마늄(Ge) 기판이나, 상부에 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu)와 같은 전도체 층이 형성된 기판일 수 있다.
한편, 각 절연층(200, 300)이 이산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2) 등의 산화물 절연층인 경우, 건식 또는 습식 열산화 공정(dry/wet thermal oxidation), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착(atomic layer deposition) 공정 등을 통해 전도성 기판(100) 상부에 형성될 수 있다.
만약, 각 절연층(200, 300)이 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)와 같은 2차원 절연체인 경우, 테이프를 이용한 박리법, CVD와 같은 화학적 진공 증착법 또는 그래핀의 붕소 및 질소 원소로의 치환법 등을 통해 전도성 기판(100) 상부에 형성될 수 있다.
또한, 각 절연층의 두께를 조절하기 위한 공정은 구간에 따라 성장 시간을 다르게 하거나, 플라즈마(plasma)를 이용한 건식 식각(dry etching), 또는 식각 용액(etchant)을 이용한 습식 식각(wet etching) 공정 중 하나일 수 있다.
도 2는 도 1의 공정 이후 제1 반도체 및 제2 반도체를 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 2의 (a) 및 (b)를 참고하면, 제1 절연층(200)의 상부 영역의 일부에 제1 반도체(400)가 형성될 수 있고, 제2 절연층(300)의 상부 영역의 일부에 제2 반도체(500)가 형성될 수 있다. 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)는 상이한 밴드 구조, 상이한 도핑 공정 또는 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300)의 차이로 인하여 서로 다른 문턱 전압을 가질 수 있다.
만약 각 반도체(400, 500)가 실리콘, 저마늄, III-V 족 반도체, 산화물 반도체, 유기물 반도체인 경우, 열 증착법(thermal evaporation), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 화학적 진공 증착법(chemical vapor deposition) 또는 스핀 코팅 등을 통해 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300) 상부에 형성될 수 있다.
한편, 각 반도체(400, 500)가 전이금속 칼코겐 화합물, 그래핀, 흑린 물질인 경우, 테이프를 이용한 박리법, CVD와 같은 화학적 진공 증착법 또는 전이금속에 칼코겐 원소를 이용한 합침법 등을 통해 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300) 상부에 형성될 수 있다.
또한, 각 반도체(400, 500) 물질의 문턱 전압을 이동시키기 위해서는 이온 임플란테이션 방법(ion implantation), 확산법(diffusion), 막질층 형성을 통한 표면에서의 전자, 정공 이동(surface charge transfer doping), 플라즈마(plasma doping), 화학물(chemical doping)을 이용한 도핑, 절연층에 조사되는 빛에너지와 전기장에 의한 절연층의 전자 포획(charge trapping)을 이용한 정전기적 도핑 등이 활용될 수 있다.
도 3은 도 2의 공정 이후 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역에 버퍼층을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참고하면, 버퍼층(600)은 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)의 각 전극 컨택 영역에 독립적으로 형성될 수 있다. 버퍼층(600)은 소자의 캐리어 주입을 제어할 수 있는 물질이며, 각각 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)의 소스/드레인 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성되거나 소스/드레인 컨택 영역 상부에 형성될 수 있다.
도 4는 도 3의 공정 이후 금속 전극을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참고하면, 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)들이 병렬 연결되도록 금속 전극(700)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 애노드 전극(700) 및 캐소드 전극(700)은 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300)의 상부 영역 중 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)가 형성되지 않은 부분과 버퍼층(600)의 외부 표면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 전극 형성을 위해 열 증착법(thermal evaporation), 전자빔 증착법(ebeam evaporation), 스퍼터링(sputtering), 또는 화학적 진공 증착법(chemical vapor deposition) 중 한 가지 공정을 활용할 수 있다.
종래의 부성미분 전달전도 소자로 구현된 인버터는 입력 전압(Vin)이 증가함에 따라 부하 및 부성미분 전달전도 소자에 분배되는 전압(VDD) 간 비율이 달라지게 되므로, 인버터의 각 논리상태의 크기 및 구간이 정확히 제어되지 않아 논리 상태 수를 어느 정도 이상 증가시키는데 어려움이 있을 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자를 이용한 인버터는 반도체 소자 자체에서 여러 논리 상태를 보이므로 여러 개의 안정적인 논리 상태를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 반도체 소자는 칩의 소형화, 저 전력화, 고속화 등이 가능하게 하는 효과가 있다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자는 제1 절연층 및 전도성 기판 사이에 제3 절연층을 형성시키고, 제2 절연층 및 전도성 기판 사이에 제4 절연층을 형성시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제3 절연층 및 제4 절연층을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 전도성 기판(100) 상부에 제3 절연층(200) 및 제4 절연층(300)이 형성된다. 이는 도 1의 제1 절연층(200) 및 제2 절연층(300)을 형성시키는 과정과 대응되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제1 절연층 및 제2 절연층을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자는 제3 절연층(200) 상부에 제1 절연층(400)을 형성시키고, 제4 절연층(300) 상부에 제2 절연층(500)을 형성시킬 수 있다. 이때, 제1 절연층(400) 및 제3 절연층(200), 제2 절연층(500) 및 제4 절연층(300)은 각각 유전 상수 또는 기하 구조가 서로 다를 수 있다. 또한, 제3 절연층(200) 및 제4 절연층(300)은 제1 절연층(400) 및 제2 절연층(500)와 전도성 기판(100) 간의 캐리어 이동을 차단할 수 있도록, 밴드 구조를 형성할 수 있다.
도 7은 도 6의 공정 이후 제1 반도체 및 제2 반도체를 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 6의 공정 이후 제1 반도체(600) 및 제2 반도체(700)를 형성시키는 공정은 도 2의 제1 반도체(400) 및 제2 반도체(500)를 형성시키는 공정과 대응하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 도 7의 공정 이후 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역에 버퍼층을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 7의 공정 이후 버퍼층(800)를 형성시키는 공정은 도 3의 버퍼층(600)를 형성시키는 공정과 대응하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 도 8의 공정 이후 금속 전극을 형성시킨 전도성 기판의 평면도 및 사시도이다.
도 8의 공정 이후 금속 전극(900)를 형성시키는 공정은 도 4의 금속 전극(700)을 형성시키는 공정과 대응하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이로써, 본 발명의 실시예들에 따르면, 반도체(400,500)의 각 전극 컨택 영역에 버퍼층(600,800)을 추가하여, 드레인 전류 및 게이트 전압이 인가될 때 애노드 전극(700) 및 캐소드 전극(700)으로부터의 캐리어 주입을 제한하여 영미분 전달전도 현상을 구현할 수 있다.
이는, Switching ON이 되는 초반인 문턱 이하 구간(subthreshold region)에는 캐리어 주입량이 증가하지만, 전극 컨택 영역에 형성된 저항부(에너지 배리어)로 인해 캐리어 주입량의 증가가 제한되어 선형 구간(linear region) 가까이 부터는 게이트 전압이 증가해도 드레인 전류가 일정하게 흐르는 결과가 발생하기 때문이다.
아울러, 본 발명의 다중 영미분 전달전도 특성을 가지는 반도체 소자는 실리콘, Ⅲ-Ⅴ족, 유기물 등을 포함하는 물질 기반의 트랜지스터에 적용 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 1010에서, 전도성 기판 상에 제1 절연층 및 제2 절연층을 형성시킬 수 있다. 여기서 제1 절연층과 제2 절연층은 유전 상수 또는 기하 구조 중 적어도 하나가 서로 상이한 것일 수 있다.
단계 1020에서, 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 제1 반도체 및 제2 반도체를 형성시킬 수 있다. 여기서 제1 반도체 및 제2 반도체는 밴드 구조 또는 도핑 공정 중 적어도 하나가 서로 상이한 것일 수 있다.
단계 1030에서, 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 버퍼층을 독립적으로 형성시킬 수 있다. 여기서 버퍼층은 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성되거나 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역 상부에 형성되는 것일 수 있다.
단계 1040에서, 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 버퍼층 외부 표면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성시킬 수 있다. 여기서, 제1 반도체와 제2 반도체는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 인해 병렬 연결된다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 반도체 소자는 제1 절연층 및 전도성 기판 사이에 제3 절연층을 형성시키는 단계 및 제2 절연층 및 전도성 기판 사이에 제4 절연층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제3 절연층 및 제4 절연층은 제1 절연층 및 제2 절연층과 전도성 기판 간 캐리어 이동을 차단할 수 있는 밴드 구조를 갖는 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 영미분 전달전도 특성을 구현하는 과정에서 반도체 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 단극성(unipolar) 트랜지스터의 컨택 영역에 버퍼층을 삽입하여 캐리어 주입을 제한함으로써 드레인 전류가 게이트 전압에 대해 포화되도록 하는 방법과 절연층의 유전율 또는 두께를 변화시키거나, 내부의 전하량을 조절하여 문턱 전압을 이동시키는 방법을 활용하여, 게이트 전압에 대해 드레인 전류가 포화되면서 문턱 전압이 서로 다른 여러 개의 반도체를 병렬로 연결하여 단계적으로 영미분 전달전도 특성을 가진 비선형 전달전도 반도체 소자 및 그 제조방법을 개시한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 다수의 반도체가 병렬 연결된 형태일 수 있다. 이때, 각 반도체는 육방정 질화붕소(hexgonal boron nitride, h-BN)절연층 위에 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2)을 형성하고, 이황화 몰리브덴 상부에 버퍼층을 형성함으로써 영미분 전달전도 특성이 나타나도록 구현될 수 있다.
한편, 각 반도체의 채널 임계전압은 육방정 질화붕소에 의해 발생하는 광도핑 현상을 이용하여 서로 다르게 구현할 수 있으며, 이는 도 11의 (a)를 참고하여 자세하게 설명한다.
도 11의 (a)를 참고하면, 육방정 질화붕소 절연층에 빛 에너지가 조사된 상황에서 게이트 전기장의 크기와 방향을 다르게 가하는 경우, 빛이 꺼지면 이황화 몰리브덴 채널에서 게이트 전압(1110)이 제1 곡선(1120)과 같이 변화되거나 제2 곡선(1130)과 같이 변화된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체의 채널 문턱전압은 이러한 현상을 이용하여 각각 상이하게 형성될 수 있다. 한편, 상술된 반도체는 빛 에너지를 이용하여 문턱전압을 조절하는 것으로 도시되었으나, 이외 이온 임플란테이션 방법(ion implantation), 확산법(diffusion), 막질층 형성을 통한 표면에서의 전자, 정공 이동 (surface charge transfer doping), 화학물(chemical doping)을 이용한 도핑, 절연층에 조사되는 빛에너지와 전기장에 의한 절연층의 전하 포획(charge trapping)을 이용한 정전기적 도핑 등과 같은 다른 방법으로도 구현될 수 있음은 해당 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
도 11의 (b)는 각 반도체의 채널층에 애노드/캐소드 전극을 형성하기 전에 아르곤 플라즈마 처리를 통하여 컨택 영역에 버퍼층을 형성하였을 때 게이트 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (b)를 참고하면, 삽입된 버퍼층이 전극과 채널층 사이의 캐리어 이동을 제한하여, 게이트 전압이 변해도 드레인 전류가 변하지 않는 영미분 전달전도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (c)는 3개의 반도체를 병렬 연결한 경우 게이트 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11의 (c)를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 소자는 서로 다른 3개의 문턱전압 및 3개의 전류 포화 구간을 갖는 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판 전도부 200: 제1 절연층
300: 제2 절연층 400: 제1 반도체
500: 제2 반도체 600: 버퍼층
700: 전도체 전극

Claims (10)

  1. 전도성 기판;
    상기 전도성 기판 상에 형성된, 제1 절연층 및 제2 절연층;
    상기 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 형성된, 제1 반도체 및 제2 반도체;
    상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 독립적으로 형성된, 버퍼층; 및
    상기 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 상기 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 상기 버퍼층 외부 표면에 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극 - 상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체는 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 인해 병렬 연결됨 -;
    을 포함하고,
    상기 제1 절연층과 제2 절연층은 유전 상수 또는 기하 구조 중 적어도 하나가 서로 상이한 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체 및 제2 반도체는 밴드 구조 또는 도핑 공정 중 적어도 하나가 서로 상이한 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성되거나 상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역 상부에 형성되는 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 전도성 기판 사이에 형성된, 제3 절연층 및
    상기 제2 절연층 및 상기 전도성 기판 사이에 형성된, 제4 절연층을 더 포함하고,
    상기 제3 절연층 및 제4 절연층은 상기 제1 절연층 및 제2 절연층과 상기 전도성 기판 간 캐리어 이동을 차단할 수 있는 밴드 구조를 갖는 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자.
  6. 전도성 기판 상에 제1 절연층 및 제2 절연층을 형성시키는 단계;
    상기 제1 절연층 및 제2 절연층 상부 영역의 일부에 각각 제1 반도체 및 제2 반도체를 형성시키는 단계;
    상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 각 전극 컨택 영역에 버퍼층을 독립적으로 형성시키는 단계; 및
    상기 제1 절연층 및 제2 절연층의 상부 영역 중 상기 제1 반도체 및 제2 반도체가 형성되지 않은 부분과 상기 버퍼층 외부 표면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성시키는 단계 - 상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체는 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 인해 병렬 연결됨 -;
    를 포함하고,
    상기 제1 절연층과 제2 절연층은 유전 상수 또는 기하 구조 중 적어도 하나가 서로 상이한 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 반도체 및 제2 반도체는 밴드 구조 또는 도핑 공정 중 적어도 하나가 서로 상이한 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역을 변형시킴으로써 형성거나 상기 제1 반도체 및 제2 반도체의 전극 컨택 영역 상부에 형성되는 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 절연층을 형성시키기 이전에, 상기 제1 절연층 및 상기 전도성 기판 사이에 제3 절연층을 형성시키는 단계; 및
    상기 제2 절연층을 형성시키기 이전에, 상기 제2 절연층 및 상기 전도성 기판 사이에 제4 절연층을 형성시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 제3 절연층 및 제4 절연층은 상기 제1 절연층 및 제2 절연층과 상기 전도성 기판 간 캐리어 이동을 차단할 수 있는 밴드 구조를 갖는 것인, 다중 영미분 전달전도 특성을 갖는 반도체 소자 제조 방법.
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