KR102588504B1 - 분극 물질층 갖는 소자를 위한 산화물 전극 - Google Patents
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Abstract
분극 물질층을 갖는 소자를 위한 산화물 전극이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 상기 분극 물질층을 갖는 소자는 상부 전극과 하부 전극; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되는 분극 물질층(Polarizable material layer)을 포함하고, 상기 하부 전극으로는, 상기 상부 전극과 달리 산화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 한다.
Description
아래의 실시예들은 분극 물질층을 갖는 소자를 위한 산화물 전극에 대한 기술이다.
IoT 기술의 도입으로 인한 초 연결사회가 도래함에 따라 정보 수요량이 폭증할 것으로 예상되며, 이에 따른 데이터의 전송, 연산 및 응용에 엄청난 에너지가 소모될 것으로 예상된다.
이처럼 폭증하는 정보 수요량을 충족하기 위해서는 현재의 반도체 소자보다 더 높은 성능을 지니면서도 초 절전으로 구동할 수 있는 시스템에 적용될 새로운 초 절전 나노 전자소자 및 아키텍처 기술이 요구된다.
이에, 다양한 소자 기술 기반 아키텍처에 적용될 수 있는 비 휘발성 특성을 갖는 분극 물질(Polarizable material)이 최근 관심을 받고 있다. 분극 물질은 두 방향으로 명확하게 구분되는 자발적인 분극을 가지며, 외부 전기장에 의해 자발 분극의 방향이 반전되는 특성을 갖는다. 이에, 분극 물질은 빠른 스위칭 속도, 확장성 및 CMOS 반도체 소자와의 우수한 확장성을 통해 비휘발성 메모리, 초 저전력 스위칭 장치 등에서 각광받고 있다.
그러나 분극 물질은 접촉 계면에서 산소 공공(Oxide vacancy)이 생성됨에 따라 강유전 특성이 열화되고 분극 스위칭 상태가 불안정하며 수명이 짧은 문제점을 갖고 있다.
따라서, 아래의 실시예들은 기존의 분극 물질이 갖는 문제점을 해결하기 위한 기술을 제안하고자 한다.
일 실시예들은 강유전 특성을 개선하고 분극 스위칭 상태를 안정시키며 수명을 연장시키는 목적을 달성하고자, 분극 물질층(Polarizable material layer)에 산소를 공급하여 경계에서의 산소 공공을 억제할 수 있는 산화물 전극으로 분극 물질층과 맞닿는 하부 전극을 구성하는 기술을 제안한다.
또한, 일 실시예들은 분극 물질층과 맞닿는 상부 전극 역시 산화물 전극으로 구성하는 기술을 제안한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분극 물질층을 갖는 소자는, 상부 전극과 하부 전극; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되는 분극 물질층(Polarizable material layer)을 포함하고, 상기 하부 전극으로는, 상기 상부 전극과 달리 산화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 산화물 전극은, 상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 산화물 전극은, RuO2를 포함하는 금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 산화물 전극은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 배리어층 상에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 금속 질화물은, TiAlN, TiN, TaN, ZrN 및 HfN 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 금속 산화물은, HfO2, ZrO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 상부 전극으로는, 상기 질화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 분극 물질층을 갖는 소자는, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재함에 기반하여 2단자 소자로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 배리어층을 준비하는 단계; 상기 배리어층 상에 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성하는 단계; 상기 산화물 전극 상에 분극 물질층(Polarizable material layer)을 형성하는 단계; 및 상기 분극 물질층에 상부 전극으로 사용되는 질화물 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 산화물 전극을 형성하는 단계는, 상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 질화물 전극을 형성하는 단계는, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재함에 기반하여 상기 분극 물질층을 갖는 소자가 2단자 소자로 사용될 수 있도록 상기 하부 전극과 달리 상기 질화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 분극 물질층을 갖는 소자는, 상부 전극과 하부 전극; 및 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되는 분극 물질층(Polarizable material layer)을 포함하고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각으로는, 산화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각으로 사용되는 상기 산화물 전극은, 상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각으로 사용되는 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계들에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 산화물 전극은, RuO2를 포함하는 금속 산화물로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각으로 사용되는 상기 산화물 전극은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 하부 배리어층 또는 상부 배리어층 상에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 금속 질화물은, TiAlN, TiN, TaN, ZrN 및 HfN 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 금속 산화물은, HfO2, ZrO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 분극 물질층을 갖는 소자는, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재하지 않음에 기반하여 3단자 소자로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 하부 배리어층을 준비하는 단계; 상기 하부 배리어층 상에 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성하는 단계; 상기 산화물 전극 상에 분극 물질층(Polarizable material layer)을 형성하는 단계; 및 상기 분극 물질층 상에 상부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극 및 상기 상부 전극과 맞닿은 채 금속 질화물 및 금속 산화물 중 어느 하나의 물질로 형성되는 상부 배리어층을 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 산화물 전극을 형성하는 단계는, 상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 하부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일측에 따르면, 상기 산화물 전극 및 상기 상부 배리어층을 배치하는 단계는, 상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 상부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공을 억제하는 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 상기 산화물 전극 및 상기 상부 배리어층을 배치하는 단계는, 상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재하지 않음에 기반하여 상기 분극 물질층을 갖는 소자가 3단자 소자로 사용될 수 있도록 상기 하부 전극과 동일하게 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예들은 분극 물질층(Polarizable material layer)에 산소를 공급하여 경계에서의 산소 공공을 억제할 수 있는 산화물 전극으로 분극 물질층과 맞닿는 하부 전극을 구성하는 기술을 제안함으로써, 강유전 특성을 개선하고 분극 스위칭 상태를 안정시키며 수명을 연장시키는 효과를 도모할 수 있다.
또한, 일 실시예들은 분극 물질층과 맞닿는 상부 전극 역시 산화물 전극으로 구성하는 기술을 제안할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 다른 분극 물질층을 갖는 소자에서 배리어층을 형성하는 물질에 따른 강유전 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 2단자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자를 나타낸 단면도이다.
도 6 내지 7은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 3단자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 9는 실시예들에 따른 분극 물질층을 갖는 소자의 우수성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 다른 분극 물질층을 갖는 소자에서 배리어층을 형성하는 물질에 따른 강유전 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 2단자 소자를 나타낸 단면도이다.
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도 5는 다른 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자를 나타낸 단면도이다.
도 6 내지 7은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 3단자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 9는 실시예들에 따른 분극 물질층을 갖는 소자의 우수성을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(Terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 예컨대, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 제시된 각각의 실시예 범주에서 개별 구성요소의 위치, 배치, 또는 구성은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 일 실시예에 다른 분극 물질층을 갖는 소자에서 배리어층을 형성하는 물질에 따른 강유전 특성을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 2단자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자(100)는, 상부 전극(110)과 하부 전극(120), 상부 전극(110)과 하부 전극(120) 사이에 개재되는 분극 물질층(Polarizable material layer)(130)을 포함할 수 있다.
분극 물질층(130)은 강유전성(Ferroelectric) 특성 또는 반강유전성(Antiferroelectric) 특성을 보여 적어도 두 개 이상의 분극 상태 중 임의로 설정 가능한 분극 상태를 갖는 물질층으로, HfO2 또는 ZrO 기반의 물질, 이들의 화합물 또는 다른 원소가 도핑된 물질로 형성될 수 있으며(예컨대, Zr이 도핑된 HfO2인 HfxZr1-xO2(HZO)일 수 있으며), 형성 과정 중 산소 공정에서 발생되는 접촉 계면에서의 산소 공공(Oxide vacancy)이 사방정 상(Orthorhombic phase; o-phase)으로부터 정방정 상(Tetragonal phase; t-phase)으로 변환되는데 기여하는 특성을 갖고 있다. 그러나 접촉 계면에서의 지나친 산소 공공은 데드층(non-ferroelectric layer)을 형성하여 강유전 특성을 약화시키기 때문에, 접촉 계면에서의 의도치 않은 산소 공공이 억제될 필요가 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자(100)에서 분극 물질층(130)의 하부에 맞닿는 하부 전극(120)으로는, 상부 전극(110)과 달리 산화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 한다. 이하, 하부 전극(120)으로 산화물 전극이 사용된다는 것은 하부 전극(120)이 산화물 전극으로 구성되는 것을 의미한다. 또한 이하, 산화물 전극은 RuO2으로 형성되는 것으로 설명되나 이에 제한되거나 한정되지 않고 RuO2를 포함하는 다양한 금속 산화물로 형성될 수 있다.
하부 전극(120)으로 사용되는 산화물 전극은 분극 물질층(130)에 산소를 공급하여 산화물 전극(하부 전극(120))과 분극 물질층(130) 사이 경계에서의 산소 공공을 억제하는 역할을 할 수 있다. 산화물 전극(하부 전극(120))과 분극 물질층(130) 사이 경계에서의 산소 공공이 억제됨에 따라, 분극 물질층(130)의 공극 결함이 낮아져 데드층이 감소되고 강유전 특성이 개선되며 분극 스위칭 상태의 안정성이 향상될 수 있다. 또한 하부 전극(120)으로 사용되는 산화물 전극은 통상 사용되던 질화물 전극 대비 높은 일함수(Work-function)(산화물 전극의 경우 5.1eV의 일함수를 가지며, 질화물 전극의 경우 4.2eV의 일함수를 가짐), 낮은 시트 저항과 높은 화학적 안정성을 갖고 있어, 분극 물질층을 갖는 소자(100)의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 하부 전극(120)으로 사용되는 산화물 전극은, 일반적인 실리콘 기판인 SiO2 상에 형성되지 않기 때문에, 낮은 표면 에너지를 갖는 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 배리어층(140) 상에 형성됨을 특징으로 한다. 금속 질화물은 TiAlN, TiN, TaN, ZrN 및 HfN 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 금속 산화물은 HfO2, ZrO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특히, 산화물 전극이 형성되는 시드층인 배리어층(140)으로는 금속 질화물이 이용되는 것이 적합하다. 그 원인은, 산화물 전극이 금속 산화물로는 산소를 확산시키는 반면, 금속 질화물로는 산소를 확산시키지 않기 때문이다. 즉, 하부 전극(120)으로 사용되는 산화물 전극이 배리어층(140)으로 산소를 공급하지 않고 분극 물질층(130)으로만 산소를 공급하도록 배리어층(140)은 금속 질화물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 금속 질화물 중 TiAN으로 배리어층(140)이 형성되는 경우 분극 물질층을 갖는 소자(100)의 강유전 특성이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 금속 산화물인 HfO로 배리어층(140)이 형성되는 경우 분극 물질층을 갖는 소자(100)의 강유전 특성이 가장 작게 나타나는 것을 알 수 있다.
설명된 하부 전극(120)과 달리, 상부 전극(110)으로는 질화물 전극(예컨대, TiN)이 사용될 수 있다. 이하, 상부 전극(110)으로 질화물 전극이 사용된다는 것은 하부 전극(120)이 산화물 전극으로 구성되는 것을 의미한다.
이처럼 하부 전극(120)으로 산화물 전극이 사용되고 상부 전극(110)으로 질화물 전극이 사용됨에 따라, 하부 전극(120)과 상부 전극(110) 사이에는 일함수의 차이가 존재하게 된다. 이에, 하부 전극(120)으로 산화물 전극이 사용되고 상부 전극(110)으로 질화물 전극이 사용되는 분극 물질층 갖는 소자(100)는 하부 전극(120)과 상부 전극(110) 사이 일함수가 존재함에 기반하여 도 3에 도시된 바와 같이 FTJ(Ferroelectric Tunnel Junction)과 같은 2단자 소자로 사용될 수 있다.
이하에서는 하부 전극(120)으로 산화물 전극이 사용되고 상부 전극(110)으로 질화물 전극이 사용되는 분극 물질층을 갖는 소자(100)의 제조 방법에 대해 설명 한다.
도 4는 도 1에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 이하, 도 4를 통해 설명되는 제조 방법은 자동화 및 기계화된 제조 시스템에 의해 수행됨을 전제로 하며, 수행된 결과 제조되는 것은 도 1을 통해 설명된 분극 물질층을 갖는 소자(100)일 수 있다.
도 4를 참조하면, 단계(S410)에서 제조 시스템은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 배리어층을 준비할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 도 3에 도시된 저 저항 금속 상에 금속 질화물로 형성되는 배리어층을 형성할 수 있다.
이어서 단계(S420)에서 제조 시스템은, 배리어층 상에 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성할 수 있다. 보다 상세하게, 제조 시스템은 분극 물질층에 산소를 공급하여 산화물 전극과 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 산화물 전극으로 하부 전극을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 배리어층 상에 10nm의 두께의 산화물 전극인 RuO2를 열 증착 공정(Thermal ALD 공정)을 통해 증착할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 제조 시스템은 225℃의 온도 조건 아래 Ru 전구체와 O2 반응물을 사용한 열 증착 공정을 통해 산화물 전극을 형성할 수 있다.
그 다음 단계(S430)에서 제조 시스템은, 산화물 전극 상에 분극 물질층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 산화물 전극 상에 300℃의 온도 조건 아래 Hf 및 Zr 전구체와 O3 반응물을 사용하여 열 증착 공정을 이용하여 10nm의 분극 물질층을 형성할 수 있다.
그 후, 단계(S440)에서 제조 시스템은, 분극 물질층에 상부 전극으로 사용되는 질화물 전극을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 분극 물질층 상에 TiN을 10nm로 증착하여 질화물 전극을 형성할 수 있다.
단계(S440)에서 제조 시스템은, 하부 전극과 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재함에 기반하여 분극 물질층을 갖는 소자가 2단자 소자로 사용될 수 있도록 하부 전극과 달리 질화물 전극으로 상부 전극을 구성할 수 있다.
별도의 단계로 도시되지는 않았으나, 제조 시스템은 단계들(S410 내지 S440)을 수행한 뒤, o-phase로 결정화되도록 열처리를 수행할 수 있다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자를 나타낸 단면도이고, 도 6 내지 7은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자가 사용되는 3단자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자(500)는, 상부 전극(510)과 하부 전극(520), 상부 전극(510)과 하부 전극(520) 사이에 개재되는 분극 물질층(530)을 포함할 수 있다.
분극 물질층(530)은 강유전성(Ferroelectric) 특성 또는 반강유전성(Antiferroelectric) 특성을 보여 적어도 두 개 이상의 분극 상태 중 임의로 설정 가능한 분극 상태를 갖는 물질층으로, HfO2 또는 ZrO 기반의 물질, 이들의 화합물 또는 다른 원소가 도핑된 물질로 형성될 수 있으며(예컨대, Zr이 도핑된 HfO2인 HfxZr1-xO2(HZO)일 수 있으며), 형성 과정 중 산소 공정에서 발생되는 접촉 계면에서의 산소 공공(Oxide vacancy)이 사방정 상(Orthorhombic phase; o-phase)으로부터 정방정 상(Tetragonal phase; t-phase)으로 변환되는데 기여하는 특성을 갖고 있다. 그러나 접촉 계면에서의 지나친 산소 공공은 데드층(non-ferroelectric layer)을 형성하여 강유전 특성을 약화시키기 때문에, 접촉 계면에서의 의도치 않은 산소 공공이 억제될 필요가 있다.
따라서, 다른 일 실시예에 따른 분극 물질층을 갖는 소자(500)에서 분극 물질층(530)의 상부에 맞닿는 상부 전극(510) 및 하부에 맞닿는 하부 전극(520) 각각으로는, 산화물 전극이 사용되는 것을 특징으로 한다. 이하, 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 산화물 전극이 사용된다는 것은 하부 전극(520)이 산화물 전극으로 구성되는 동시에 상부 전극(510) 역시 산화물 전극으로 구성되는 것을 의미한다. 또한 이하, 산화물 전극은 RuO2으로 형성되는 것으로 설명되나 이에 제한되거나 한정되지 않고 RuO2를 포함하는 다양한 금속 산화물로 형성될 수 있다.
상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 사용되는 산화물 전극은 분극 물질층(530)에 산소를 공급하여 산화물 전극과 분극 물질층(530) 사이 경계들(하부 전극(520)과 분극 물질층(530) 사이의 경계 및 상부 전극(510)과 분극 물질층(530) 사이의 경계)에서의 산소 공공을 억제하는 역할을 할 수 있다. 산화물 전극과 분극 물질층(530) 사이 경계들(하부 전극(520)과 분극 물질층(530) 사이의 경계 및 상부 전극(510)과 분극 물질층(530) 사이의 경계)에서의 산소 공공이 억제됨에 따라, 분극 물질층(530)의 공극 결함이 낮아져 데드층이 감소되고 강유전 특성이 개선되며 분극 스위칭 상태의 안정성이 향상될 수 있다. 또한 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 사용되는 산화물 전극은 통상 사용되던 질화물 전극 대비 높은 일함수(Work-function)(산화물 전극의 경우 5.1eV의 일함수를 가지며, 질화물 전극의 경우 4.2eV의 일함수를 가짐), 낮은 시트 저항과 높은 화학적 안정성을 갖고 있어, 분극 물질층을 갖는 소자(500)의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 사용되는 산화물 전극은, 일반적인 실리콘 기판인 SiO2 상에 형성되지 않기 때문에, 낮은 표면 에너지를 갖는 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 하부 배리어층(540) 또는 상부 배리어층(550) 상에 형성됨을 특징으로 한다. 금속 질화물은 TiAlN, TiN, TaN, ZrN 및 HfN 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 금속 산화물은 HfO2, ZrO2 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
특히, 산화물 전극이 형성되는 시드층인 하부 배리어층(540) 및 상부 배리어층(550)으로는 금속 질화물이 이용되는 것이 적합하다. 그 원인은, 산화물 전극이 금속 산화물로는 산소를 확산시키는 반면, 금속 질화물로는 산소를 확산시키지 않기 때문이다. 즉, 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 사용되는 산화물 전극이 하부 배리어층(540) 및 상부 배리어층(550)으로 산소를 공급하지 않고 분극 물질층(530)으로만 산소를 공급하도록 하부 배리어층(540) 및 상부 배리어층(550)은 금속 질화물로 형성될 수 있다.
이처럼 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 산화물 전극이 사용됨에 따라, 하부 전극(520)과 상부 전극(510) 사이에는 일함수의 차이가 존재하지 않게 된다. 이에, 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 산화물 전극이 사용되는 분극 물질층을 갖는 소자(500)는 하부 전극(520)과 상부 전극(510) 사이 일함수가 존재하지 않음에 기반하여 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 Ferroelectric FET(FeFET)과 같은 3단자 소자로 사용될 수 있다.
이하에서는 상부 전극(510) 및 하부 전극(520) 각각으로 산화물 전극이 사용되는 분극 물질층을 갖는 소자(500)의 제조 방법에 대해 설명 한다.
도 8은 도 5에 도시된 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 이하, 도 8을 통해 설명되는 제조 방법은 자동화 및 기계화된 제조 시스템에 의해 수행됨을 전제로 하며, 수행된 결과 제조되는 것은 도 5를 통해 설명된 분극 물질층을 갖는 소자(500)일 수 있다.
도 8을 참조하면, 단계(S810)에서 제조 시스템은, 금속 질화물(Metal nitride) 및 금속 산화물(Metal oxide) 중 어느 하나의 물질로 형성되는 하부 배리어층을 준비할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 도 7에 도시된 저 저항 금속 상에 금속 질화물로 형성되는 하부 배리어층을 형성할 수 있다.
이어서 단계(S820)에서 제조 시스템은, 하부 배리어층 상에 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성할 수 있다. 보다 상세하게, 제조 시스템은 분극 물질층에 산소를 공급하여 산화물 전극과 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 산화물 전극으로 하부 전극을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 하부 배리어층 상에 10nm의 두께의 산화물 전극인 RuO2를 열 증착 공정(Thermal ALD 공정)을 통해 증착할 수 있다. 더 구체적인 예를 들면, 제조 시스템은 225℃의 온도 조건 아래 Ru 전구체와 O2 반응물을 사용한 열 증착 공정을 통해 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성할 수 있다.
그 다음 단계(S830)에서 제조 시스템은, 산화물 전극 상에 분극 물질층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 산화물 전극 상에 300℃의 온도 조건 아래 Hf 및 Zr 전구체와 O3 반응물을 사용하여 열 증착 공정을 이용하여 10nm의 분극 물질층을 형성할 수 있다.
그 후, 단계(S840)에서 제조 시스템은, 분극 물질층에 상부 전극으로 사용되는 산화물 전극 및 상부 전극 상에 금속 질화물 및 금속 산화물 중 어느 하나의 물질로 형성되는 상부 배리어층을 배치할 수 있다. 보다 상세하게, 제조 시스템은 분극 물질층에 산소를 공급하여 산화물 전극과 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공을 억제하는 산화물 전극으로 상부 전극을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제조 시스템은 분극 물질층 상에 225℃의 온도 조건 아래 Ru 전구체와 O2 반응물을 사용한 열 증착 공정을 통해 상부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성할 수 있다.
단계(S840)에서 제조 시스템은, 하부 전극과 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재하지 않음에 기반하여 분극 물질층을 갖는 소자가 3단자 소자로 사용될 수 있도록 하부 전극과 동일하게 산화물 전극으로 상부 전극을 구성할 수 있다.
별도의 단계로 도시되지는 않았으나, 제조 시스템은 단계들(S810 내지 S840)을 수행한 뒤, o-phase로 결정화되도록 열처리를 수행할 수 있다.
도 9는 실시예들에 따른 분극 물질층을 갖는 소자의 우수성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 상부 전극 및 하부 전극 각각으로 질화물 전극이 사용되는 경우(910)의 기존 분극 물질층을 갖는 소자의 강유전 특성이 가장 떨어지고, 하부 전극에만 산화물 전극이 사용되는 경우(920)의 분극 물질층을 갖는 소자의 강유전 특성이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 물론, 상부 전극에만 산화물 전극이 사용되는 경우(930)의 강유전체 소자의 강유전 특성과 상부 전극 및 하부 전극 각각으로 산화물 전극이 사용되는 경우(940)의 분극 물질층을 갖는 소자의 강유전 특성 역시 질화물 전극이 사용되는 경우(910)의 기존 분극 물질층을 갖는 소자의 강유전 특성보다 우수한 것을 알 수 있다.
이상에서 알 수 있듯이, 하부 전극으로 산화물 전극이 사용되는 경우의 분극 물질층을 갖는 소자(100)와, 상부 전극 및 하부 전극 각각으로 산화물 전극이 사용되는 경우의 분극 물질층을 갖는 소자(500)는, 하부 전극으로 질화물 전극이 사용되는 기존의 소자에 비해 강유전 특성을 개선하고 분극 스위칭 상태를 안정시키며 수명을 연장시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (22)
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- 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법에 있어서,
금속 질화물(Metal nitride)로 형성되는 하부 배리어층을 준비하는 단계;
상기 하부 배리어층 상에 하부 전극으로 사용되는 산화물 전극을 형성하는 단계;
상기 산화물 전극 상에 분극 물질층(Polarizable material layer)을 형성하는 단계; 및
상기 분극 물질층 상에 상부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극 및 상기 상부 전극 상에 상기 금속 질화물로 형성되는 상부 배리어층을 배치하는 단계
를 포함하고,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각으로 사용되는 상기 산화물 전극은,
산소를 확산시키지 않는 상기 금속 질화물로 형성되는 상기 하부 배리어층 상에 또는 상기 상부 배리어층 아래에 형성됨으로써, 상기 하부 배리어층 또는 상기 상부 배리어층으로 산소를 공급하지 않고 상기 분극 물질층으로만 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 산화물 전극을 형성하는 단계는,
상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 하부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공(Oxide vacancy)을 억제하는 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 산화물 전극 및 상기 상부 배리어층을 배치하는 단계는,
상기 분극 물질층에 산소를 공급하여 상기 상부 전극으로 사용되는 상기 산화물 전극과 상기 분극 물질층 사이 경계에서의 산소 공공을 억제하는 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 산화물 전극 및 상기 상부 배리어층을 배치하는 단계는,
상기 하부 전극과 상기 상부 전극 사이 일함수(Work-function)의 차이가 존재하지 않음에 기반하여 상기 분극 물질층을 갖는 소자가 3단자 소자로 사용될 수 있도록 상기 하부 전극과 동일하게 상기 산화물 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 분극 물질층을 갖는 소자의 제조 방법.
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