KR20090105590A - Multi-bit ferroelectric memory device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A multi-bit ferroelectric memory device is provided to improve integration of the device using a plurality of ferroelectric thin films with different thickness or coercive field. CONSTITUTION: A ferroelectric multiple layer(140) is formed on a bottom electrode(130). The ferroelectric multiple layer is formed by stacking a plurality of ferroelectric thin films(141,142,143) made of ferroelectric material successively. A top electrode(150) is formed on the ferroelectric multiple layer. At least one ferroelectric thin film has at least one of different thickness and coercive field.

Description

멀티비트 강유전체 기억소자{Multi-bit ferroelectric memory device}Multi-bit ferroelectric memory device

본 발명은 비휘발성 기억소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강유전체 기억소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nonvolatile memory device, and more particularly to a ferroelectric memory device.

최근 정보통신 산업의 눈부신 발전으로 인하여 각종 기억소자의 수요가 증가하고 있다. 특히 휴대용 단말기, MP3 플레이어 등에 필요한 기억소자는 전원이 꺼지더라도 기록된 데이터가 지워지지 않는 비휘발성(nonvolatile)이 요구되고 있다. 비휘발성 기억소자는 전기적으로 데이터의 저장과 소거가 가능하고 전원이 공급되지 않아도 데이터의 보존이 가능하기 때문에, 다양한 분야에서 그 응용이 증가하고 있다. 그러나 종래에 반도체를 이용하여 구성된 다이나믹 랜덤 액세스 메모리(dynamic RAM, DRAM)는 전원이 공급되지 않는 상황에서는 저장된 정보를 모두 잃어버리는 휘발성(volatile)의 특징을 가지므로 이를 대체할 비휘발성 기억소자의 연구가 수행되고 있다.Recently, due to the remarkable development of the information and communication industry, the demand for various memory devices is increasing. In particular, memory devices required for portable terminals, MP3 players and the like are required to be nonvolatile, in which recorded data is not erased even when the power is turned off. Non-volatile memory devices can be electrically stored and erased, and data can be stored even when power is not supplied. Therefore, their applications are increasing in various fields. However, the conventional dynamic random access memory (DRAM) constructed using semiconductors has a volatile characteristic that loses all stored information when power is not supplied. Is being performed.

대표적인 비휘발성 기억소자로 전기적으로 격리된 플로팅 게이트를 갖는 플래시 기억소자(flash memory device)에 관한 연구가 활발히 이루어졌다. 그러나 최근에는 비휘발성 기억소자 중, 상전이 현상을 이용하는 상전이 랜덤 액세스 메모 리(phase change RAM, PRAM), 자기저항변화현상을 이용하는 자기 랜덤 액세스 메모리(magnetic RAM, MRAM), 강유전체의 자발분극현상을 이용한 강유전체 랜덤 액세스 메모리(ferroelectric RAM, FRAM)과 더불어 금속 산화물 박막의 저항 스위칭(resistance switching) 또는 전도도 스위칭(conductivity switching) 현상을 이용하는 저항변화 랜덤 액세스 메모리(resistance RAM, ReRAM) 등이 주요 연구의 대상이다. 특히, 강유전체 랜덤 액세스 메모리는 다른 비휘발성 기억소자에 비하여 소자 구조가 아주 간단하고 제조 공정이 비교적 단순하여 주목을 많이 받고 있다.As a representative nonvolatile memory device, researches on flash memory devices having floating gates electrically isolated from each other have been actively conducted. However, recently, among nonvolatile memory devices, phase change random access memory (PRAM) using phase transition phenomenon, magnetic random access memory (magnetic RAM, MRAM) using magnetoresistance change phenomenon, and spontaneous polarization phenomenon of ferroelectric In addition to ferroelectric random access memory (FRAM), resistance change random access memory (RESRAM) using resistance switching or conductivity switching of metal oxide thin films is the subject of research. . In particular, ferroelectric random access memories have attracted much attention because they have a very simple device structure and a relatively simple manufacturing process compared with other nonvolatile memory devices.

한편, 대용량의 소자에 대한 요구는 점차 증대되어 소자의 집적도를 증가시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 소자의 집적도 증가를 위한 스케일링 다운(scaling down)에 의해 공정의 허용오차가 더욱 엄격하게 되어 소자의 불량률이 증가하고, 소자의 신뢰성이 감소하며, 생산비용이 증가하는 문제점이 발생하였다. 결국 대용량의 소자를 구현하기 위한 방법으로 멀티비트(multi-bit) 강유전체 랜덤 액세스 메모리의 관심이 증가하였다.On the other hand, the demand for a large-capacity device is gradually increasing, the research for increasing the integration degree of the device has been made. However, due to scaling down to increase the integration of the device, the tolerance of the process becomes more strict, thereby increasing the defect rate of the device, decreasing the reliability of the device, and increasing the production cost. As a result, the interest of multi-bit ferroelectric random access memory has increased as a method for realizing a large capacity device.

이에 강유전체 물질의 히스테리시스(hysteresis)를 이용하여 전기회로적으로 여러 단계 센싱하는 기술이 연구되고 있으나, 아직까지 가능성만 보여지는 아이디어 단계일 뿐 실제 실현가능한 멀티비트 강유전체 랜덤 액세스 메모리 구조가 개발되고 있지 않은 실정이다.Therefore, a technique for sensing multiple stages in electrical circuits using hysteresis of ferroelectric materials has been studied, but it is only an idea stage that has only been shown, and there is no practical development of a multi-bit ferroelectric random access memory structure. It is true.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 구조를 가지며 멀티비트가 구현 가능한 새로운 강유전체 기억소자를 제공하는 데 있다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide a new ferroelectric memory device having a simple structure and capable of implementing multi-bit.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자는 강유전체(ferroelectric material)로 이루어지며, 적어도 하나는 항전계(coercive field)가 다른 복수의 강유전체 박막을 구비한다.The multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is made of a ferroelectric material, at least one includes a plurality of ferroelectric thin films having a different coercive field.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제1실시예는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 강유전체 복합층; 및 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며, 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르다.A first embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is a lower electrode; A ferroelectric composite layer formed on the lower electrode and having a plurality of ferroelectric thin films sequentially formed of ferroelectrics; And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer, wherein at least one ferroelectric thin film of the plurality of ferroelectric thin films differs from another ferroelectric thin film by at least one of a constant electric field and a thickness.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제2실시예는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 강유전체 복합층; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 강유전체 복합층의 일측면에 상기 복수의 강유전체 박막과 모두 접촉되게 배치되는 제1전극; 및 상기 기판 상에 형성되며, 상기 강유전체 복합층의 타측면에 상기 복수의 강유전체 박막과 모두 접촉되게 배치되는 제2 전극;을 포함하며, 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 상기 제1전극과 접촉하는 면에서 상기 제2전극과 접촉하는 면까지의 거리 중 적어도 하나가 서로 다르다.A second preferred embodiment of the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is a substrate; A ferroelectric composite layer formed on the substrate and having a plurality of ferroelectric thin films sequentially formed of ferroelectrics; A first electrode formed on the substrate and disposed on one side of the ferroelectric composite layer to be in contact with all of the plurality of ferroelectric thin films; And a second electrode formed on the substrate and disposed on the other side of the ferroelectric composite layer to be in contact with all of the plurality of ferroelectric thin films, wherein at least one of the ferroelectric thin films is another ferroelectric thin film. And at least one of a distance from the surface in contact with the constant electric field and the first electrode to the surface in contact with the second electrode is different from each other.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제3실시예는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 상기 강유전체 박막의 측면 방향으로 배열되어 있는 강유전체 복합층; 및 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며, 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르다.A third embodiment of the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is a lower electrode; A ferroelectric composite layer formed on the lower electrode and having a plurality of ferroelectric thin films formed of ferroelectrics arranged in the lateral direction of the ferroelectric thin film; And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer, wherein at least one ferroelectric thin film of the plurality of ferroelectric thin films differs from another ferroelectric thin film by at least one of a constant electric field and a thickness.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제4실시예는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 하나의 강유전체 박막 또는 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 하나 이상의 직렬층 및 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 측면 방향으로 동일 평면 상에 나란히 배열되어 있는 하나 이상의 병렬층이 적층되어 있는 강유전체 복합층; 및 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며, 상기 병렬층에 구비된 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 상기 병렬층에 구비된 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르다.A fourth embodiment of the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is a lower electrode; One ferroelectric thin film formed of the ferroelectric or one or more series layers in which a plurality of ferroelectric thin films are sequentially stacked and a plurality of ferroelectric thin films of ferroelectric are arranged side by side on the same plane in the lateral direction. A ferroelectric composite layer in which one or more parallel layers are stacked; And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer, wherein at least one of the ferroelectric thin films of the plurality of ferroelectric thin films provided in the parallel layer has at least one of another ferroelectric thin film and an electric field and a thickness provided in the parallel layer. Are different.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제5실시예는 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 절연막 과 상기 절연막 내부에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 입자들을 구비하는 강유전체 복합층; 및 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며, 상기 복수의 강유전체 입자들 중 적어도 하나의 강유전체 입자는 다른 강유전체 입자와 항전계 및 직경 중 적어도 하나가 서로 다르다.A fifth embodiment of the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention for solving the above technical problem is a lower electrode; A ferroelectric composite layer formed on the lower electrode and the insulating film, the ferroelectric composite layer having a plurality of ferroelectric particles made of a ferroelectric; And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer, wherein at least one of the ferroelectric particles of the plurality of ferroelectric particles is different from other ferroelectric particles and at least one of a constant electric field and a diameter.

상기 복수의 강유전체 박막은 잔류 분극(remanent polarization)이 서로 다른 것이 바람직하며, 상기 강유전체는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT) 및 BiFeO3(BFO) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.Preferably, the plurality of ferroelectric thin films have different residual polarization, and the ferroelectric may include Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 It may be made of one or more selected from Ti 3 O 12 (BLT) and BiFeO 3 (BFO).

본 발명에 따르면, 강유전체의 항전계 또는 박막의 두께가 서로 다른 복수의 강유전체 박막이 이용됨으로써 멀티비트가 구현 가능하게 되어 소자의 집적도가 향상된다. 또한 간단한 구조로 멀티비트가 구현 가능하게 되어 소자의 불량률이 감소하며 소자의 신뢰성이 증가하게 된다.According to the present invention, multibits can be implemented by using a plurality of ferroelectric thin films having different thicknesses of the constant electric field or thin film of the ferroelectric, thereby improving the degree of integration of the device. In addition, since the multi-bit can be implemented with a simple structure, the defect rate of the device is reduced and the reliability of the device is increased.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you.

도 1은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제1실 시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the schematic configuration of a first preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)는 기판(110), 절연층(120), 하부전극(130), 강유전체 복합층(140) 및 상부전극(150)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the multi-bit ferroelectric memory device 100 according to the first embodiment of the present invention may include a substrate 110, an insulating layer 120, a lower electrode 130, a ferroelectric composite layer 140, and an upper electrode. And 150.

기판(110)은 Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하며, 바람직하게는 단결정 실리콘 기판이 이용된다. Substrate 110 is Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs , InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe and one selected from the group consisting of a combination thereof, preferably a single crystal silicon substrate is used.

절연층(120)은 기판(110) 상에 형성되며, SiO2와 같은 절연체로 이루어져서 기판(110)과 하부전극(130) 사이를 전기적으로 절연시키는 버퍼(buffer) 역할을 한다.The insulating layer 120 is formed on the substrate 110 and serves as a buffer to electrically insulate the substrate 110 from the lower electrode 130 by using an insulator such as SiO 2 .

하부전극(130)은 절연층(120) 상에 형성되며, 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 기판(110)으로 도핑된 실리콘 기판이 이용되어 하부전극 역할을 하는 경우에는 절연층(120) 및 하부전극(130)은 필요치 않을 수 있다.The lower electrode 130 is formed on the insulating layer 120 and includes conductive materials platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), and rhenium (Re). , Tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN), and combinations thereof. When the silicon substrate doped with the substrate 110 serves as a lower electrode, the insulating layer 120 and the lower electrode 130 may not be necessary.

강유전체 복합층(140)은 하부전극(130) 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막(141, 142, 143)이 기판에 수직한 방향으로 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 이때, 강유전체 박막들(141, 142, 143) 중 적어도 하나의 강유 전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계(coercive field, Ec) 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성된다. 즉, 강유전체 복합층(140)은 항전계 및 박막의 두께 중 적어도 하나가 다른 종류의 강유전체 박막이 둘 이상 기판에 수직한 방향으로 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 이는 멀티비트를 구현하기 위함이다. 또한, 강유전체 박막들(141, 142, 143)은 잔류 분극(remanent polarization, Pr)이 모두 다르게 형성됨이 바람직하다. 그리고 강유전체 박막들(141, 142, 143)은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어진다. The ferroelectric composite layer 140 is formed on the lower electrode 130 and has a structure in which a plurality of ferroelectric thin films 141, 142, and 143 made of ferroelectric are sequentially stacked in a direction perpendicular to the substrate. In this case, at least one ferroelectric thin film among the ferroelectric thin films 141, 142, and 143 may have different ferroelectric thin films, at least one of a coercive field (E c ) and a thickness. That is, the ferroelectric composite layer 140 has a structure in which at least one of the thickness of the constant electric field and the thin film is sequentially stacked in two or more kinds of ferroelectric thin films perpendicular to the substrate. This is to implement multibit. In addition, the ferroelectric thin films 141, 142, and 143 preferably have different residual polarization (P r ). The ferroelectric thin films 141, 142, and 143 may include Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT), BiFeO 3 (BFO) and combinations thereof.

그리고 강유전체 복합층(140)은 복수의 강유전체 박막(141, 142, 143) 사이 각각에 중간전극(146, 147)을 더 포함할 수 있다. 중간전극(146, 147)은 각각의 강유전체 박막(141, 142, 143)에 대해 전극 역할을 한다. 중간전극(146, 147)은 하부전극(130)과 마찬가지로, 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The ferroelectric composite layer 140 may further include intermediate electrodes 146 and 147 between the plurality of ferroelectric thin films 141, 142, and 143, respectively. The intermediate electrodes 146 and 147 serve as electrodes for the respective ferroelectric thin films 141, 142 and 143. Like the lower electrode 130, the intermediate electrodes 146 and 147 are platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), and rhenium (Re) as conductive materials. , Tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN), and combinations thereof.

상부전극(150)은 강유전체 복합층(140) 상에 형성되며, 하부전극(130) 및 중간전극(146, 147)과 마찬가지로 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. The upper electrode 150 is formed on the ferroelectric composite layer 140 and, like the lower electrode 130 and the intermediate electrodes 146 and 147, platinum (Pt), iridium (Ir), and ruthenium (Ru), which are conductive materials, are formed. , Gold (Au), osmium (Os), rhenium (Re), tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN), and combinations thereof.

강유전체 복합층(140)이 항전계(Ec)와 잔류 분극(Pr)이 상이한 2개의 강유전 체 박막으로 이루어져 있는 경우, 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자가 멀티비트 기억소자로서 구동함을 설명하기 위한 도면을 도 2 내지 도 4에 나타내었다. When the ferroelectric composite layer 140 is composed of two ferroelectric thin films having different electric fields E c and residual polarization P r , the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention is driven as a multi-bit memory device. The drawings for explanation are shown in FIGS. 2 to 4.

도 2 및 도 3은 2개의 강유전체 박막 각각의 전기장-분극 히스테리시스(E-P hysteresis)를 나타낸 것이다. 설명의 편의상 Ec ,1의 항전계와 Pr ,1의 잔류 분극을 갖는 강유전체 박막을 제1강유전체 박막이라 하고, Ec ,2의 항전계와 Pr ,2의 잔류 분극을 갖는 강유전체 박막을 제2강유전체 박막이라 한다. 2 and 3 show the electric field-polarization hysteresis of each of the two ferroelectric thin films. For convenience of description, the ferroelectric thin film having a constant electric field of E c , 1 and residual polarization of P r , 1 is called a first ferroelectric thin film, and the ferroelectric thin film having a constant electric field of E c , 2 and residual polarization of P r , 2 It is called a second ferroelectric thin film.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제1강유전체 박막은 Ec ,1 이상의 전기장을 인가하면 잔류 분극이 Pr ,1이 되고, -Ec ,1 이하의 전기장을 인가하면 잔류 분극이 -Pr ,1이 된다. 그리고 제2강유전체 박막은 Ec ,2 이상의 전기장을 인가하면 잔류 분극이 Pr ,2가 되고, -Ec ,2 이하의 전기장을 인가하면 잔류 분극이 -Pr ,2가 된다.2 and 3, the first ferroelectric thin film has a residual polarization of P r , 1 when an electric field of E c , 1 or more is applied , and a residual polarization of -P r when an electric field of -E c , 1 or less is applied. , 1 . In the second ferroelectric thin film , when an electric field of E c , 2 or more is applied, the residual polarization becomes P r , 2 , and when an electric field of -E c , 2 or less is applied, the residual polarization becomes -P r , 2 .

Ec , 1와 Pr ,1보다 Ec ,2와 Pr ,2가 각각 클 때, 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막으로 이루어진 강유전체 복합층(140)의 전기장-분극 히스테리시스는 도 4와 같이 나타난다.E c, 1 and P r, than E c, 2, and P r, when 2 is greater by 1, the electrical length of the first ferroelectric thin film and a ferroelectric composite layer made of a second ferroelectric thin film (140) - polarization hysteresis and 4 Appears together.

도 4를 참조하면, 강유전체 복합층(140)에 Ec ,2 이상의 전기장을 인가하면, 강유전체 복합층(140)의 잔류 분극은 Pr ,1+Pr ,2가 된다. 이때, -Ec ,2보다 크고 -Ec ,1보다 작은 전기장을 강유전체 복합층(140)에 인가하면, 강유전체 복합층(140)의 잔류 분극은 -Pr ,1+Pr ,2가 된다. 그리고 -Ec ,2보다 작은 전기장을 강유전체 복합층(140)에 인가하면, 강유전체 복합층(140)의 잔류 분극은 -Pr ,1-Pr ,2가 된다. 마지막으로 Ec ,1보다 크고 Ec ,2보다 작은 전기장을 강유전체 복합층(140)에 인가하면, 강유전체 복합층(140)의 잔류 분극은 Pr ,1-Pr ,2가 된다. 즉 인가되는 전기장에 따라 강유전체 복합층(140)의 잔류 분극은 4가지 상태가 되고, 강유전체 복합층(140)에 -Ec ,1보다 크고 Ec,1보다 작은 전기장을 인가하여, 잔류 분극에 의해 나타나는 특성을 측정하면, 4가지 상태를 판독할 수 있게 된다. 즉 4비트 기억소자로 이용이 가능하게 된다.Referring to FIG. 4, when an electric field of E c , 2 or more is applied to the ferroelectric composite layer 140, the residual polarization of the ferroelectric composite layer 140 becomes P r , 1 + P r , 2 . At this time, when an electric field larger than -E c , 2 and smaller than -E c , 1 is applied to the ferroelectric composite layer 140, the residual polarization of the ferroelectric composite layer 140 becomes -P r , 1 + P r , 2 . . When an electric field smaller than -E c , 2 is applied to the ferroelectric composite layer 140, the residual polarization of the ferroelectric composite layer 140 becomes -P r , 1 -P r , 2 . Finally, when an electric field larger than E c , 1 and smaller than E c , 2 is applied to the ferroelectric composite layer 140, the residual polarization of the ferroelectric composite layer 140 becomes P r , 1 -P r , 2 . That is, the residual polarization of the ferroelectric composite layer 140 is in four states according to the applied electric field, and the electric field larger than -E c , 1 and smaller than E c, 1 is applied to the ferroelectric composite layer 140 to the residual polarization. By measuring the characteristics exhibited, four states can be read. That is, it can be used as a 4-bit memory device.

도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 상태로 기록하기 위해서는 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막의 항전계의 차이가 클수록 좋다. 그리고 4개의 상태를 명확하게 판독하기 위해서는 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막의 잔류 분극의 차이가 클수록 좋다. 실제 강유전체 기억소자(100)는 강유전체 복합층(140)에 인가된 전압에 의하여 동작하게 되고, 측정되는 값은 전하량이 된다. 따라서 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막에 인가되는 전기장은 전압에 비례하고 각각의 박막 두께에 반비례하게 된다. 따라서 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막의 항전계와 잔류 분극이 동일한 경우에도 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막의 두께를 다르게 하여 4개의 상태를 만들 수 있다. 이 경우에도 상술한 바와 마찬가지로 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막의 두께의 차이는 클수록 좋다.As shown in FIG. 4, in order to record in four states, the larger the difference in the electric field between the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film is, the better. In order to clearly read the four states, the larger the difference in residual polarization between the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film is, the better. The actual ferroelectric memory device 100 is operated by the voltage applied to the ferroelectric composite layer 140, and the value measured is the amount of charge. Therefore, the electric field applied to the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film is proportional to the voltage and inversely proportional to the thickness of each thin film. Therefore, even when the constant electric field and the residual polarization of the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film are the same, four states can be created by varying the thicknesses of the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film. Also in this case, as described above, the larger the difference between the thicknesses of the first ferroelectric thin film and the second ferroelectric thin film is, the better.

강유전체의 항전계와 잔류 분극은 물질에 따른 고유의 특성이므로 물질을 변 화시키면 변하게 된다. 예컨대 제1강유전체 박막은 PZT로 제2강유전체 박막은 BFO로 형성될 수 있다. 그리고 동일한 물질이라도 조성이 변화하면 항전계와 잔류 분극이 변하게 된다. 예컨대 제1강유전체 박막과 제2강유전체 박막 모두 PZT로 구성하더라도, Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3로 이루어진 제1강유전체 박막과 Pb(Zr0 .1Ti0 .9)O3로 이루어진 제2강유전체 박막을 이용하여 항전계와 잔류 분극이 다른 강유전체 복합층(140)이 형성될 수 있다. 이러한 구성을 도 5에 나타내었다.Since the electric field and residual polarization of ferroelectrics are inherent in each material, they change as the material changes. For example, the first ferroelectric thin film may be formed of PZT and the second ferroelectric thin film may be formed of BFO. If the composition is changed, the constant electric field and residual polarization change even with the same material. For example, the first of a ferroelectric thin film and a second ferroelectric thin film be constituted both by PZT, the first ferroelectric thin film and a Pb (Zr 0 .1 Ti 0 .9 ) O 3 consisting of Pb (Zr 0 .52 Ti 0 .48 ) O 3 The ferroelectric composite layer 140 having a different electric field and residual polarization may be formed using the formed second ferroelectric thin film. This configuration is shown in FIG.

도 5는 제1실시예에 있어서, 조성을 달리하는 두 개의 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)층이 강유전체 박막으로 이용된 멀티비트 강유전체 기억소자의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a multi-bit ferroelectric memory device in which two Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) layers having different compositions are used as the ferroelectric thin film in the first embodiment.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(500)는 실리콘 기판(510) 상에 Pt 하부전극(520), Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3로 이루어진 제1강유전체 박막(530), Pt 중간전극(540), Pb(Zr0 .1Ti0 .9)O3로 이루어진 제2강유전체 박막(550) 및 Pt 상부전극(560)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 제1강유전체 박막(530), Pt 중간전극(540) 및 제2강유전체 박막(550)이 순차적으로 적층된 구조가 도 1의 강유전체 복합층(140)에 대응된다.5, the multi-bit ferroelectric memory according to the present invention, device 500 is a silicon substrate 510 on the Pt lower electrode (520), Pb (Zr 0 .52 0 .48 Ti) O 3 of claim 1 consisting of the ferroelectric thin-film (530), the intermediate electrode Pt (540), Pb (Zr 0 .1 Ti 0 .9) O 3 second ferroelectric thin film 550 and the Pt upper electrode 560 made of to have a sequentially stacked structure . Here, the structure in which the first ferroelectric thin film 530, the Pt intermediate electrode 540, and the second ferroelectric thin film 550 are sequentially stacked corresponds to the ferroelectric composite layer 140 of FIG. 1.

<실험예>Experimental Example

제1강유전체 박막(530)은 1000nm의 두께로 형성시켰고, 제2강유전체 박막(550)은 500nm의 두께로 형성시켰다. 제1강유전체 박막(530)의 항전계는 90kV/cm 이고, 잔류 분극은 30μC/cm2이다. 그리고 제2강유전체 박막(550)의 항전계는 30kV/cm이고, 잔류 분극은 23μC/cm2이다. 이와 같이 형성된 멀티비트 강유전체 기억소자(500)의 특성을 도 6 및 도 7에 나타내었다.The first ferroelectric thin film 530 was formed to a thickness of 1000 nm, and the second ferroelectric thin film 550 was formed to a thickness of 500 nm. The constant electric field of the first ferroelectric thin film 530 is 90 kV / cm, and the residual polarization is 30 μC / cm 2 . The constant electric field of the second ferroelectric thin film 550 is 30 kV / cm, and the residual polarization is 23 μC / cm 2 . 6 and 7 show the characteristics of the multi-bit ferroelectric memory device 500 formed as described above.

도 6은 중간전극(540)과 상부전극(560) 사이에 전압을 인가하였을 때, 전압에 대한 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 도면이다.6 illustrates a change in capacitance value with respect to voltage when a voltage is applied between the intermediate electrode 540 and the upper electrode 560.

도 6을 참조하면, 참조번호 610으로 표시된 그래프는 20V에서 -20V까지 전압을 스윕(sweep)하였을 때의 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 그래프이고, 참조번호 620으로 표시된 그래프는 -20V에서 20V까지 전압을 스윕하였을 때의 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 그래프이다. 20V에서 -20V까지 전압을 스윕한 그래프(610)는 참조번호 630으로 표시된 화살표와 같이 -6.7V에서 최대 커패시턴스 값이 나타나고, -20V에서 20V까지 전압을 스윕한 그래프(620)는 참조번호 640으로 표시된 화살표와 같이 6.5V에서 최대 커패시턴스 값이 나타난다. 즉, 중간전극(540)과 상부전극(560) 사이에 전압을 인가하면, 제2강유전체 박막(550) 하나의 특성만이 나타나므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 잔류 분극이 2개의 상태를 갖는 쌍봉형태의 전형적인 강유전체 특성이 나타난다. Referring to FIG. 6, the graph denoted by reference numeral 610 is a graph showing a change in capacitance value when the voltage is swept from 20V to -20V, and the graph denoted by 620 denotes a voltage from -20V to 20V. It is a graph showing the change in capacitance value when sweeping. The graph 610 that sweeps the voltage from 20V to -20V shows the maximum capacitance value at -6.7V as shown by the arrow indicated by the reference number 630, and the graph 620 that sweeps the voltage from -20V to 20V at the reference number 640. As shown by the arrow, the maximum capacitance value appears at 6.5V. That is, when a voltage is applied between the intermediate electrode 540 and the upper electrode 560, only one characteristic of the second ferroelectric thin film 550 appears, as shown in FIG. Typical ferroelectric properties of the bimodal form are shown.

도 7은 하부전극(520)과 상부전극(560) 사이에 전압을 인가하였을 때, 전압에 대한 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 7 illustrates a change in capacitance value with respect to voltage when a voltage is applied between the lower electrode 520 and the upper electrode 560.

도 7을 참조하면, 참조번호 710으로 표시된 그래프는 20V에서 -20V까지 전압을 스윕하였을 때의 커패시턴스 값의 변화를 그래프이고, 참조번호 720으로 표시 된 그래프는 -20V에서 20V까지 전압을 스윕하였을 때의 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 그래프이다. 20V에서 -20V까지 전압을 스윕한 그래프(710)는 참조번호 730 및 참조번호 740으로 표시된 화살표와 같이 -5V와 0.3V에서 두 개의 극대값을 나타낸다. 그리고 -20V에서 20V까지 전압을 스윕한 그래프(720)는 참조번호 750 및 참조번호 760으로 표시된 화살표와 같이, -0.5V와 5V에서 두 개의 극대값을 나타낸다. 즉 하부전극(520)과 상부전극(560) 사이에 전압을 인가하면 제1강유전체 박막(530)과 제2강유전체 박막(550)이 혼합된 형태의 특성을 나타내어, 도 7에 도시된 바와 같이, 네 개의 극대값을 갖는 형태의 그래프를 얻을 수 있다. 이는 잔류 분극이 4개의 상태를 갖는 것을 의미하고, 즉 도 5에 도시된 강유전체 기억소자(500)는 4 비트 기억소자로서 이용될 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, the graph indicated by reference numeral 710 is a graph of change in capacitance value when the voltage is swept from 20V to -20V, and the graph indicated by reference numeral 720 is when the voltage is swept from -20V to 20V. A graph showing the change in capacitance value of. A graph 710 of voltage sweep from 20V to -20V shows two maximal values at -5V and 0.3V, as indicated by arrows 730 and 740. The graph 720 sweeping the voltage from -20V to 20V shows two maximal values at -0.5V and 5V, as indicated by arrows indicated by reference numeral 750 and reference numeral 760. That is, when a voltage is applied between the lower electrode 520 and the upper electrode 560, the first ferroelectric thin film 530 and the second ferroelectric thin film 550 are mixed, and as shown in FIG. 7, You can get a graph of four local maxima. This means that the residual polarization has four states, i.e., the ferroelectric memory element 500 shown in Fig. 5 can be used as a 4 bit memory element.

도 2 내지 도 7에서 강유전체 복합층(140)이 두 종류의 강유전체 박막, 보다 상세하게는 항전계 및 박막의 두께 중 적어도 하나가 다른 두 종류의 강유전체 박막으로 이루어진 경우에 대해서 도시하고 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니고 세 종류 이상의 강유전체 박막으로 이루어진 강유전체 복합층(140)을 구비한 멀티비트 강유전체 기억소자의 경우도 유사하다. 다만 항전계 또는 두께가 다른 세 종류의 강유전체 박막으로 강유전체 복합층(140)이 형성된 경우에는 8비트 강유전체 기억소자로 이용될 수 있으며, 항전계 또는 두께가 다른 네 개의 강유전체 박막으로 강유전체 복합층(140)이 형성된 경우에는 16비트 강유전체 기억소자로 이용될 수 있다. 즉 항전계 또는 두께가 다른 n 개의 강유전체 박막으로 강유전체 복합 층(140)이 형성된 경우에는 2n비트 강유전체 기억소자로 이용될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 강유전체 기억소자는 많은 양의 정보를 기록할 수 있어서, 소자의 집적도를 향상시킬 수 있다. 또한, 소자의 구조가 간단하여 생산비용이 절감되고, 공정의 허용오차가 엄격하지 않아서 불량률이 감소하고 소자의 신뢰성이 증가하게 된다.2 to 7 illustrate the case in which the ferroelectric composite layer 140 is formed of two types of ferroelectric thin films, more specifically, at least one of the thickness of the constant electric field and the thin film is made of two types of ferroelectric thin films. In the case of the multi-bit ferroelectric memory device having the ferroelectric composite layer 140 formed of three or more kinds of ferroelectric thin films, the same is true. However, when the ferroelectric composite layer 140 is formed of three types of ferroelectric thin films having different electric fields or thicknesses, the ferroelectric composite layer 140 may be used as an 8-bit ferroelectric memory device. ) Can be used as a 16-bit ferroelectric memory. That is, when the ferroelectric composite layer 140 is formed of n ferroelectric thin films having a constant electric field or a thickness, it may be used as a 2 n bit ferroelectric memory. Therefore, the ferroelectric memory device according to the present invention can record a large amount of information, thereby improving the degree of integration of the device. In addition, the device structure is simple, the production cost is reduced, the process tolerance is not strict, the defect rate is reduced and the reliability of the device is increased.

도 8은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제2실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 8 shows a schematic structure of a second preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)는 기판(810), 절연층(820), 강유전체 복합층(830), 제1전극(840), 제2전극(850) 및 보호층(passivation layer)(860)을 구비한다.Referring to FIG. 8, the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment of the present invention includes a substrate 810, an insulating layer 820, a ferroelectric composite layer 830, a first electrode 840, and a first electrode. A second electrode 850 and a passivation layer 860 are provided.

기판(810)은 제1실시예(100)의 경우와 마찬가지로 Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하며, 바람직하게는 단결정 실리콘 기판이 이용된다. As in the case of the first embodiment 100, the substrate 810 is formed of Si, Ge, C, Ga, As, P, B, Zn, Se, S, Cd, Sn, Al, In, SiGe, GaAs, AlGaAs, GaAsP, InAs, Sn, InAsP, InGaAs, AlAs, InP, GaP, ZnSe, CdS, ZnCdS, CdSe and one selected from the group consisting of a combination thereof, preferably a single crystal silicon substrate is used.

절연층(820)은 기판(810) 상에 형성되며, SiO2와 같은 절연체로 이루어져서 기판(810)과 강유전체 복합층(830) 사이 및 기판(810)과 제1전극(840) 사이를 전기적으로 절연시키는 버퍼 역할을 한다.The insulating layer 820 is formed on the substrate 810 and is made of an insulator such as SiO 2 to electrically connect the substrate 810 and the ferroelectric composite layer 830 and between the substrate 810 and the first electrode 840. It acts as a buffer to isolate.

강유전체 복합층(830)은 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막(831, 832, 833)이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 형성된다. 이때, 강유전체 박막 들(831, 832, 833) 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계가 서로 다르게 형성된다. 이는 상술한 바와 같이 멀티비트를 구현하기 위함이다. 또한, 강유전체 박막들(831, 832, 833)은 전류 분극이 모두 다르게 형성됨이 바람직하다. 강유전체 박막들(831, 832, 833)은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어진다. 이 경우에도 상술한 바와 같이 소자의 명확한 기록과 판독을 위해서 항전계와 전류 분극의 차이는 클수록 좋다.The ferroelectric composite layer 830 has a structure in which a plurality of ferroelectric thin films 831, 832, and 833 made of ferroelectric are sequentially stacked. In this case, at least one ferroelectric thin film among the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 is formed differently from other ferroelectric thin films. This is to implement multi-bit as described above. In addition, the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 preferably have different current polarizations. The ferroelectric thin films 831, 832, 833 are formed of Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT), BiFeO 3 ( BFO) and combinations thereof. Even in this case, the larger the difference between the electric field and the current polarization is, the better, for clear writing and reading of the device as described above.

그리고 강유전체 복합층(830)은 복수의 강유전체 박막(831, 832, 833) 사이 각각에 버퍼층(836, 837)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(836, 837)은 SiO2와 같은 절연체로 이루어져, 각각의 강유전체 박막(831, 832, 833) 사이를 전기적으로 절연시키며 각각의 강유전체 박막(831, 832, 833)의 계면에서 누설전류(leakage current)를 감소시키는 버퍼 역할을 한다.The ferroelectric composite layer 830 may further include buffer layers 836 and 837 between the plurality of ferroelectric thin films 831, 832, and 833. The buffer layers 836 and 837 are made of an insulator such as SiO 2 to electrically insulate between the ferroelectric thin films 831, 832 and 833, and leak current at the interface of the ferroelectric thin films 831, 832 and 833. It acts as a buffer to reduce current).

제1전극(840)은 절연층(820) 상에 형성되며, 강유전체 복합층(830)의 일측면에 강유전체 박막들(831, 832, 833)과 모두 접촉되게 배치된다. 제1전극(840)은 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The first electrode 840 is formed on the insulating layer 820, and is disposed to contact all of the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 on one side of the ferroelectric composite layer 830. The first electrode 840 is a conductive material platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), rhenium (Re), tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN) and combinations thereof.

제2전극(850)은 기판(810) 상에 형성되며, 강유전체 복합층(830)의 타측면에 강유전체 박막들(831, 832, 833)과 모두 접촉되게 배치된다. 제2전극(850)은 제1전 극(840)과 마찬가지로 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The second electrode 850 is formed on the substrate 810, and is disposed to contact all of the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 on the other side of the ferroelectric composite layer 830. Similar to the first electrode 840, the second electrode 850 includes platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), and rhenium (Re). , Tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN), and combinations thereof.

보호층(860)은 강유전체 복합층(830) 상에 형성되며, SiO2와 같은 절연체로 이루어져 강유전체 복합층(830)의 표면이 노출되는 것을 방지한다.The protective layer 860 is formed on the ferroelectric composite layer 830 and is made of an insulator such as SiO 2 to prevent the surface of the ferroelectric composite layer 830 from being exposed.

제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)의 경우는 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)와 달리 강유전체 복합층(830)에 구비된 강유전체 박막(831, 832, 833)의 항전계가 동일하고 두께가 다른 것으로는 멀티비트가 구현되지 않는다. 이는 제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)에서 강유전체 복합층(830)에 구비된 강유전체 박막(831, 832, 833)의 두께는 전극 사이의 거리가 아니기 때문이다. 대신 강유전체 박막(831, 832, 833)의 항전계가 동일하여도 강유전체 박막(831, 832, 833)의 제1전극(840)과 접촉하는 면에서 제2전극(850)과 접촉하는 면까지의 거리를 서로 다르게 하여 멀티비트를 구현할 수 있다. 이를 도 9에 나타내었다.In the case of the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment, unlike the multi-bit ferroelectric memory device 100 according to the first embodiment, the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 provided in the ferroelectric composite layer 830 are provided. Multi-bit is not implemented with the same electric field and different thickness. This is because in the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment, the thickness of the ferroelectric thin films 831, 832, and 833 provided in the ferroelectric composite layer 830 is not a distance between electrodes. Instead, the distance from the surface in contact with the first electrode 840 of the ferroelectric thin films 831, 832, 833 to the surface in contact with the second electrode 850 even though the constant electric fields of the ferroelectric thin films 831, 832, 833 are the same. Multibits can be implemented by differentiating. This is shown in FIG. 9.

도 9는 제2실시예의 바람직한 변형 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing a schematic configuration of a preferred modified embodiment of the second embodiment.

도 9를 참조하면, 변형예에 다른 멀티비트 강유전체 기억소자(900)는 제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)와 마찬가지로 기판(910), 절연층(920), 강유전체 복합층(930), 제1전극(940), 제2전극(950) 및 보호층(960)을 구 비한다. 여기서, 변형예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(900)에 구비된 기판(910), 절연층(920), 제1전극(940), 제2전극(950) 및 보호층(960)은 도 8의 제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)에 구비된 기판(810), 절연층(820), 제1전극(840), 제2전극(850) 및 보호층(860)에 각각 대응된다. Referring to FIG. 9, the multi-bit ferroelectric memory device 900 according to the modification is similar to the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment of the present invention. The substrate 910, the insulating layer 920, and the ferroelectric composite layer ( 930, a first electrode 940, a second electrode 950, and a protective layer 960 are provided. Here, the substrate 910, the insulating layer 920, the first electrode 940, the second electrode 950, and the protective layer 960 included in the multi-bit ferroelectric memory device 900 according to the modification are illustrated in FIG. 8. The substrate 810, the insulating layer 820, the first electrode 840, the second electrode 850, and the protective layer 860 provided in the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment of the present invention. Corresponding.

그러나 변형예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(900)에 구비된 강유전체 복합층(930)은 도 8의 제2실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(800)에 구비된 강유전체 복합층(830)과 약간 상이하다. 강유전체 복합층(930)은 제1강유전체 박막(931), 버퍼층(936) 및 제2강유전체 박막(932)이 순차적으로 적층된 구조로 형성된다. 이때 제1강유전체 박막(931)과 제2강유전체 박막(932)의 항전계가 동일하여도, 각각 제1전극(940)과 접촉하는 면에서 제2전극(950)과 접촉하는 면까지의 거리가 서로 다르게 되어 멀티비트가 구현 가능하게 된다. 즉 여기서 제1전극(940)과 제2전극(950) 사이의 거리는 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)의 강유전체 박막(141, 142, 143)의 두께에 해당하므로, 이를 다르게 하면, 제1전극(940)과 제2전극(950)을 통해 전압을 인가할 때 제1강유전체 박막(931)과 제2강유전체 박막(932)에 인가되는 전기장이 변하게 된다. 따라서 상술한 바와 같이 항전계가 동일하여도 변형예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(900)와 같은 구조를 가지면, 멀티비트가 구현 가능하게 된다.However, the ferroelectric composite layer 930 included in the multi-bit ferroelectric memory device 900 according to the modified example may include the ferroelectric composite layer 830 provided in the multi-bit ferroelectric memory device 800 according to the second embodiment of FIG. 8. Slightly different. The ferroelectric composite layer 930 has a structure in which the first ferroelectric thin film 931, the buffer layer 936, and the second ferroelectric thin film 932 are sequentially stacked. At this time, even if the first field of the ferroelectric thin film 931 and the second ferroelectric thin film 932 is the same, the distance from the surface in contact with the first electrode 940 to the surface in contact with the second electrode 950, respectively Differently, multibits can be implemented. That is, the distance between the first electrode 940 and the second electrode 950 corresponds to the thickness of the ferroelectric thin films 141, 142, and 143 of the multi-bit ferroelectric memory device 100 according to the first embodiment. When the voltage is applied through the first electrode 940 and the second electrode 950, the electric field applied to the first ferroelectric thin film 931 and the second ferroelectric thin film 932 is changed. Therefore, as described above, even if the constant electric field is the same, if the structure has the same structure as that of the multi-bit ferroelectric memory device 900 according to the modification, multi-bit can be implemented.

이상에서 제1전극(940)과 접촉하는 면에서 제2전극(950)과 접촉하는 면까지의 거리가 서로 다른 두 종류의 강유전체 박막(931, 932)을 구비한 강유전체 복합층(930)에 대해서 설명하였으나 이에 한정되지 않고, 세 종류 이상의 강유전체 박 막을 구비한 경우에도 적용됨은 물론이다.As described above, the ferroelectric composite layer 930 including two types of ferroelectric thin films 931 and 932 having different distances from the surface in contact with the first electrode 940 to the surface in contact with the second electrode 950 is different. However, the present invention is not limited thereto, and of course, the present invention is also applicable to three or more types of ferroelectric thin films.

그리고 항전계 또는 제1전극(940)과 접촉하는 면에서 제2전극(950)과 접촉하는 면까지의 거리가 서로 다른 n 종류의 강유전체 박막이 이용된 경우는 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)와 마찬가지로 2n비트 강유전체 기억소자가 됨은 역시 상술한 바와 같다.In the case where n types of ferroelectric thin films having different distances from the surface in contact with the constant field or the first electrode 940 to the surface in contact with the second electrode 950 are used, the multi-bit ferroelectric according to the first embodiment is used. Like the memory device 100, the 2 n- bit ferroelectric memory device is also described above.

도 10은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제3실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 10 shows a schematic structure of a third preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 10을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1000)는 기판(1010), 절연층(1020), 하부전극(1030), 강유전체 복합층(1040) 및 상부전극(1050)을 구비한다.Referring to FIG. 10, the multi-bit ferroelectric memory device 1000 according to the third embodiment of the present invention may include a substrate 1010, an insulating layer 1020, a lower electrode 1030, a ferroelectric composite layer 1040, and an upper electrode. 1050.

제3실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1000)에 구비된 기판(1010), 절연층(1020), 하부전극(1030) 및 상부전극(1050)은 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)에 구비된 기판(110), 절연층(120), 하부전극(130) 및 상부전극(150)에 각각 대응된다.The substrate 1010, the insulating layer 1020, the lower electrode 1030, and the upper electrode 1050 included in the multi-bit ferroelectric memory device 1000 according to the third embodiment are multi-bit ferroelectric memory according to the first embodiment. The substrate 110 corresponds to the substrate 110, the insulating layer 120, the lower electrode 130, and the upper electrode 150 of the device 100.

강유전체 복합층(1040)은 하부전극(1030) 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막(1044, 1045, 1046, 1047)이 기판(1010)의 상면에 평행한 면 상에서 서로에 대해 측면 방향으로 배열되어 있는 구조를 가진다. 이때, 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047) 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성된다. 이는 상술한 바와 같이 멀티비트를 구현하기 위함이다. 또한, 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047)은 잔류 분극이 모두 다르게 형성됨이 바람직하다. 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047)은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어진다. The ferroelectric composite layer 1040 is formed on the lower electrode 1030, and a plurality of ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047 made of ferroelectrics are laterally oriented with respect to each other on a plane parallel to the top surface of the substrate 1010. It has a structure arranged in. In this case, at least one of the ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047 may have different ferroelectric thin films, at least one of a constant electric field, and a thickness. This is to implement multi-bit as described above. In addition, the ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047 may have different residual polarizations. Ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, 1047 are Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT), BiFeO 3 (BFO) and combinations thereof.

그리고 강유전체 복합층(1040)은 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047) 사이 각각에 버퍼층(1048)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(1048)은 SiO2와 같은 절연체로 이루어져, 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047) 사이를 전기적으로 절연시켜 강유전체 박막들(1044, 1045, 1046, 1047) 각각의 계면에서 누설전류가 발생하는 것을 방지하는 버퍼 역할을 한다.The ferroelectric composite layer 1040 may further include a buffer layer 1048 between each of the ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047. The buffer layer 1048 is made of an insulator such as SiO 2, and electrically insulates the ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047 to prevent leakage current at the interface of each of the ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047. It acts as a buffer to prevent it from happening.

그리고 참조번호 1044로 표시된 강유전체 박막은 강유전체로 이루어진 강유전체층(1041, 1042)이 순차적으로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 강유전체층(1041, 1042)는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 그리고 참조번호 1044로 표시된 강유전체 박막은 강유전체층(1041, 1042) 사이에 중간전극(1043)을 더 포함할 수 있다. 중간전극(1043)은 강유전체층(1041, 1042)의 사이에서 버퍼 역할을 함과 동시에 각각의 강유전체층(1041, 1042)에 대해 전극 역할을 한다. 중간전극(1043)은 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으 로 이루어질 수 있다.In addition, the ferroelectric thin film denoted by reference numeral 1044 may have a structure in which ferroelectric layers 1041 and 1042 made of ferroelectric are sequentially stacked. The ferroelectric layers 1041 and 1042 include Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT), BiFeO 3 (BFO) and It can be made of a combination of these. The ferroelectric thin film denoted by reference numeral 1044 may further include an intermediate electrode 1043 between the ferroelectric layers 1041 and 1042. The intermediate electrode 1043 serves as a buffer between the ferroelectric layers 1041 and 1042 and also serves as an electrode for each ferroelectric layer 1041 and 1042. The intermediate electrode 1043 is a conductive material platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), rhenium (Re), tantalum nitride (TaN), hafnium nitride ( HfN), zirconium nitride (ZrN) and combinations thereof.

이상에서 4개의 강유전체 박막(1044, 1045, 1046, 1047), 그리고 4개의 강유전체 박막 중 하나(1044)가 2개의 강유전체층(1041, 1042)으로 이루어진 강유전체 복합층(1040)에 대해서 도시하고 설명하였으나 이에 한정되지 않고, 적절한 숫자로 강유전체 박막과 강유전체층을 포함한 강유전체 복합층(1040)도 이와 유사하다. The ferroelectric composite layer 1040 of the four ferroelectric thin films 1044, 1045, 1046, and 1047, and one of the four ferroelectric thin films 1044 made of two ferroelectric layers 1041 and 1042, has been illustrated and described. The ferroelectric composite layer 1040 including the ferroelectric thin film and the ferroelectric layer in an appropriate number is not limited thereto, and the like.

도 11은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제4실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 11 shows a schematic structure of a fourth preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 11을 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1100)는 기판(1110), 절연층(1120), 하부전극(1130), 강유전체 복합층(1180) 및 상부전극(1190)을 구비한다.Referring to FIG. 11, the multi-bit ferroelectric memory device 1100 according to the fourth embodiment of the present invention may include a substrate 1110, an insulating layer 1120, a lower electrode 1130, a ferroelectric composite layer 1180, and an upper electrode. 1190.

제4실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1100)에 구비된 기판(1110), 절연층(1120), 하부전극(1130) 및 상부전극(1190)은 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)에 구비된 기판(110), 절연층(120), 하부전극(130) 및 상부전극(150)에 각각 대응된다.The substrate 1110, the insulating layer 1120, the lower electrode 1130, and the upper electrode 1190 provided in the multi-bit ferroelectric memory device 1100 according to the fourth embodiment are multi-bit ferroelectric memory according to the first embodiment. The substrate 110 corresponds to the substrate 110, the insulating layer 120, the lower electrode 130, and the upper electrode 150 of the device 100.

강유전체 복합층(1180)은 하부전극(1130) 상에 형성되며, 제1직렬층(1140), 병렬층(1150) 및 제2직렬층(1160)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 가진다. 제1직렬층(1140)은 강유전체로 이루어진 하나의 강유전체 박막(1140)으로 형성된다. 병렬층(1150)은 두 개의 강유전체로 이루어진 강유전체 박막(1151, 1152)이 측면 방향으로 배열되어 있는 구조로 형성된다. 제2직렬층(1160)은 두 개의 강유전체로 이루어진 강유전체 박막(1161, 1162)이 순차적으로 적층된 구조로 형성된다. The ferroelectric composite layer 1180 is formed on the lower electrode 1130 and has a structure in which the first series layer 1140, the parallel layer 1150, and the second series layer 1160 are sequentially stacked. The first serial layer 1140 is formed of one ferroelectric thin film 1140 made of ferroelectric. The parallel layer 1150 has a structure in which ferroelectric thin films 1151 and 1152 formed of two ferroelectrics are arranged in the lateral direction. The second serial layer 1160 has a structure in which ferroelectric thin films 1161 and 1162 formed of two ferroelectrics are sequentially stacked.

이때, 강유전체 박막들(1140, 1151, 1152, 1161, 1162) 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성된다. 이는 상술한 바와 같이 멀티비트를 구현하기 위함이다. 또한, 강유전체 박막들(1140, 1151, 1152, 1161, 1162)은 잔류 분극이 모두 다르게 형성됨이 바람직하다. 강유전체 박막들(1140, 1151, 1152, 1161, 1162)은 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.In this case, at least one of the ferroelectric thin films 1140, 1151, 1152, 1161, and 1162 may have different ferroelectric thin films, at least one of a constant electric field, and a thickness. This is to implement multi-bit as described above. In addition, it is preferable that the ferroelectric thin films 1140, 1151, 1152, 1161, and 1162 have different residual polarizations. Ferroelectric thin films 1140, 1151, 1152, 1161, and 1162 include Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT) , BiFeO 3 (BFO) and combinations thereof.

그리고 강유전체 복합층(1180)은 제1직렬층(1140)과 병렬층(1150) 사이에 형성된 제1삽입전극(1170) 및 병렬층(1150)과 제2직렬층(1160) 사이에 형성된 제2삽입전극(1175)를 더 포함할 수 있다. 제1삽입전극(1170)은 제1직렬층(1140)에 대해서는 상부전극의 역할을 하고, 병렬층(1150)에 대해서는 하부전극의 역할을 한다. 제2삽입전극(1175)은 병렬층(1150)에 대해서는 상부전극의 역할을 하고, 제2직렬층(1160)에 대해서는 하부전극의 역할을 한다. 제1삽입전극(1170)과 제2삽입전극(1175)은 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The ferroelectric composite layer 1180 may include a first insertion electrode 1170 formed between the first serial layer 1140 and the parallel layer 1150, and a second formed between the parallel layer 1150 and the second series layer 1160. It may further include an insertion electrode 1175. The first insertion electrode 1170 serves as an upper electrode for the first series layer 1140, and serves as a lower electrode for the parallel layer 1150. The second insertion electrode 1175 may serve as an upper electrode for the parallel layer 1150, and serve as a lower electrode for the second series layer 1160. The first insertion electrode 1170 and the second insertion electrode 1175 are platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), and rhenium (Re) as conductive materials. , Tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN), and combinations thereof.

2개의 강유전체 박막(1161, 1162)을 포함하는 제2직렬층(1160)은 강유전체 박막들(1161, 1162) 사이에 형성된 직렬중간전극(1163)을 더 포함할 수 있다. 직렬중간전극(1163)은 각 강유전체 박막들(1161, 1162)의 전극 역할을 한다. 직렬중간 전극(1163)은 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The second serial layer 1160 including two ferroelectric thin films 1161 and 1162 may further include a series intermediate electrode 1163 formed between the ferroelectric thin films 1161 and 1162. The series intermediate electrode 1163 serves as an electrode of each ferroelectric thin film 1161 and 1162. The series intermediate electrode 1163 is a conductive material of platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), rhenium (Re), tantalum nitride (TaN), hafnium nitride (HfN), zirconium nitride (ZrN) and combinations thereof.

병렬층(1150)은 2개의 강유전체 박막(1151, 1152) 사이에 형성된 버퍼층(1153)을 더 포함할 수 있다. 버퍼층(1153)은 SiO2와 같은 절연체로 이루어져 2개의 강유전체 박막(1151, 1152) 사이에서 버퍼 역할을 한다. 그리고 제3실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1000)의 참조번호 1044로 표시된 강유전체 박막과 유사하게, 병렬층(1150)에 구비된 강유전체 박막(1151, 1152) 중 적어도 하나는 강유전체로 이루어진 강유전체층이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 형성될 수 있다. 그리고 강유전체층이 순차적으로 적층되어 있는 구조로 형성된 경우에는 각각의 강유전체층 사이 각각에 병렬중간전극(도면 미도시)이 형성될 수 있다. 병렬중간전극은 전도성 물질인 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루쎄늄(Ru), 금(Au), 오스뮴(Os), 레니움(Re), 질화탄탈룸(TaN), 질화하프늄(HfN), 질화지르코늄(ZrN) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The parallel layer 1150 may further include a buffer layer 1153 formed between two ferroelectric thin films 1151 and 1152. The buffer layer 1153 is made of an insulator such as SiO 2 to serve as a buffer between two ferroelectric thin films 1151 and 1152. Similarly to the ferroelectric thin film indicated by reference numeral 1044 of the multi-bit ferroelectric memory device 1000 according to the third embodiment, at least one of the ferroelectric thin films 1151 and 1152 provided in the parallel layer 1150 is made of ferroelectric The layers may be formed in a structure in which the layers are sequentially stacked. In the case where the ferroelectric layers are sequentially stacked, a parallel intermediate electrode (not shown) may be formed between each of the ferroelectric layers. Parallel intermediate electrodes are conductive materials platinum (Pt), iridium (Ir), ruthenium (Ru), gold (Au), osmium (Os), rhenium (Re), tantalum nitride (TaN) and hafnium nitride (HfN) , Zirconium nitride (ZrN) and combinations thereof.

제4실시예 또한 제1실시예 내지 제3실시예와 마찬가지로, 도 11에 도시된 형태에만 한정되는 것이 아니라, 적절한 수의 강유전체 박막이 포함되어 있는 강유전체 복합층의 경우에도 적용된다. 도 11에 도시되어 있는 제1직렬층(1140) 및 제2직렬층(1160)은 제1실시예의 강유전체 복합층(140)의 형태로 형성될 수 있으며, 병렬층(1150)은 제3실시예의 강유전체 복합층(1040)의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 직렬층과 복수의 병렬층이 순서에 상관없이 적층되어 있는 형태도 가능하다.The fourth embodiment also applies to the case of the ferroelectric composite layer in which the appropriate number of ferroelectric thin films are included, as well as the first to third embodiments, not only limited to the form shown in FIG. The first serial layer 1140 and the second serial layer 1160 shown in FIG. 11 may be formed in the form of the ferroelectric composite layer 140 of the first embodiment, and the parallel layer 1150 may be formed in the third embodiment. The ferroelectric composite layer 1040 may be formed. It is also possible to form a plurality of serial layers and a plurality of parallel layers stacked in any order.

도 12는 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제5실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 12 shows a schematic structure of a fifth preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 12를 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1200)는 기판(1210), 절연층(1220), 하부전극(1230), 강유전체 복합층(1240) 및 상부전극(1250)을 구비한다.Referring to FIG. 12, the multi-bit ferroelectric memory device 1200 according to the fifth embodiment of the present invention may include a substrate 1210, an insulating layer 1220, a lower electrode 1230, a ferroelectric composite layer 1240, and an upper electrode. 1250.

제5실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(1200)에 구비된 기판(1210), 절연층(1220), 하부전극(1230) 및 상부전극(1250)은 제1실시예에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자(100)에 구비된 기판(110), 절연층(120), 하부전극(130) 및 상부전극(150)에 각각 대응된다.The substrate 1210, the insulating layer 1220, the lower electrode 1230, and the upper electrode 1250 provided in the multi-bit ferroelectric memory device 1200 according to the fifth embodiment are multi-bit ferroelectric memory according to the first embodiment. The substrate 110 corresponds to the substrate 110, the insulating layer 120, the lower electrode 130, and the upper electrode 150 of the device 100.

강유전체 복합층(1240)은 절연막(1241)과 복수의 강유전체 입자(1242)를 구비한다. 절연막(1241)은 하부전극(1230) 상에 형성되며, SiO2, SiNx, SiONx, Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3, HfAlO, HfSiO ZrSiO 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 강유전체 입자(1242)는 절연막(1241) 내부에 형성되며, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT), BiFeO3(BFO) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이때, 강유전체 입자들(1242) 중 적어도 하나의 강유전체 입자는 다른 강유전체 입자와 항전계 및 직경 중 적어도 하나가 서로 다르게 형성된다. 이는 상술한 바와 같이 멀티비트를 구현하기 위함이다. 또한, 강유전체 입자들(1242)은 잔류 분 극이 모두 다르게 형성됨이 바람직하다. 강유전체 입자들(1242)은 용매를 이용하여 스핀코팅하는 방법으로 손쉽게 형성할 수 있다. 그리고 항전계 또는 직경이 다른 강유전체 입자들(1242)을 절연막 내부에 형성하게 되면, 상술한 바와 같이 여러 가지의 잔류 분극을 갖는 멀티비트 강유전체 기억소자(1200)를 제조할 수 있게 된다.The ferroelectric composite layer 1240 includes an insulating film 1241 and a plurality of ferroelectric particles 1242. The insulating film 1241 is formed on the lower electrode 1230 and is formed of SiO 2 , SiN x , SiON x , Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , HfAlO, HfSiO ZrSiO, and a combination thereof. Can be. Ferroelectric particles 1242 are formed in the insulating film 1241, and Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT) , BiFeO 3 (BFO) and combinations thereof. In this case, at least one of the ferroelectric particles of the ferroelectric particles 1242 is different from the other ferroelectric particles and at least one of the constant electric field and the diameter. This is to implement multi-bit as described above. In addition, the ferroelectric particles 1242 preferably have different residual polarizations. The ferroelectric particles 1242 can be easily formed by spin coating with a solvent. When the ferroelectric particles 1242 having different electric fields or diameters are formed in the insulating film, the multi-bit ferroelectric memory device 1200 having various residual polarizations as described above can be manufactured.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.

도 1은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제1실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a first preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자가 멀티비트 기억소자로서 구동함을 설명하기 위한 개념도이다.2 to 4 are conceptual views for explaining that the multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention is driven as a multi-bit memory device.

도 5는 제1실시예에 있어서, 조성을 달리하는 두 개의 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)층이 강유전체 박막으로 이용된 멀티비트 강유전체 기억소자의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a multi-bit ferroelectric memory device in which two Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) layers having different compositions are used as the ferroelectric thin film in the first embodiment.

도 6은 도 5의 구조를 갖는 멀티비트 강유전체 기억소자에 있어서, 하나의 PZT 층에 전압을 인가하였을 때 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 6 illustrates a change in capacitance value when a voltage is applied to one PZT layer in the multi-bit ferroelectric memory device having the structure of FIG. 5.

도 7은 도 5의 구조를 갖는 멀티비트 강유전체 기억소자에 있어서, 두 개의 PZT 층에 전압을 인가하였을 때 커패시턴스 값의 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating a change in capacitance values when voltages are applied to two PZT layers in a multi-bit ferroelectric memory device having the structure of FIG. 5.

도 8은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제2실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 8 shows a schematic structure of a second preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 9는 제2실시예의 바람직한 변형 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing a schematic configuration of a preferred modified embodiment of the second embodiment.

도 10은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제3실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 10 shows a schematic structure of a third preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제4실 시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 11 shows a schematic configuration of a fourth preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 멀티비트 강유전체 기억소자에 대한 바람직한 제5실시예의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.Fig. 12 shows a schematic structure of a fifth preferred embodiment of a multi-bit ferroelectric memory device according to the present invention.

Claims (25)

강유전체(ferroelectric material)로 이루어지며, 적어도 하나는 항전계(coercive field)가 다른 복수의 강유전체 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.A multibit ferroelectric memory device, comprising: a plurality of ferroelectric thin films of ferroelectric material, at least one of which has a different coercive field. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복수의 강유전체 박막은 잔류 분극(remanent polarization)이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And a plurality of ferroelectric thin films having different residual polarizations. 하부전극;Lower electrode; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 강유전체 복합층; 및A ferroelectric composite layer formed on the lower electrode and having a plurality of ferroelectric thin films sequentially formed of ferroelectrics; And 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며,And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer. 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one ferroelectric thin film of the plurality of ferroelectric thin film is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that the at least one of the other ferroelectric thin film and the electric field and thickness are different. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 복수의 강유전체 박막은 잔류 분극이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀 티비트 강유전체 기억소자.And the plurality of ferroelectric thin films have different residual polarizations. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 강유전체 복합층은 상기 복수의 강유전체 박막 사이 각각에 형성된 중간전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The ferroelectric composite layer further comprises an intermediate electrode formed between each of the plurality of ferroelectric thin films. 기판;Board; 상기 기판 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 강유전체 복합층; A ferroelectric composite layer formed on the substrate and having a plurality of ferroelectric thin films sequentially formed of ferroelectrics; 상기 기판 상에 형성되며, 상기 강유전체 복합층의 일측면에 상기 복수의 강유전체 박막과 모두 접촉되게 배치되는 제1전극; 및A first electrode formed on the substrate and disposed on one side of the ferroelectric composite layer to be in contact with all of the plurality of ferroelectric thin films; And 상기 기판 상에 형성되며, 상기 강유전체 복합층의 타측면에 상기 복수의 강유전체 박막과 모두 접촉되게 배치되는 제2전극;을 포함하며,And a second electrode formed on the substrate and disposed on the other side of the ferroelectric composite layer to be in contact with all of the plurality of ferroelectric thin films. 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 상기 제1전극과 접촉하는 면에서 상기 제2전극과 접촉하는 면까지의 거리 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one of the ferroelectric thin films of the plurality of ferroelectric thin films is characterized in that at least one of the distance between the other ferroelectric thin film and the surface of the constant electric field and the first electrode in contact with the second electrode is different from each other Bit ferroelectric memory. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 복수의 강유전체 박막은 잔류 분극이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀 티비트 강유전체 기억소자.And the plurality of ferroelectric thin films have different residual polarizations. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 강유전체 복합층은 상기 복수의 강유전체 박막 사이에 절연체로 이루어진 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The ferroelectric composite layer further comprises a buffer layer made of an insulator between the plurality of ferroelectric thin films. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 강유전체 복합층 상에 형성되며, 절연체로 이루어진 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.A multi-bit ferroelectric memory device formed on the ferroelectric composite layer, further comprising a protective layer made of an insulator. 하부전극;Lower electrode; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 상기 하부전극의 상면에 평행한 면 상에서 상기 강유전체 박막 서로에 대해 측면 방향으로 배열되어 있는 강유전체 복합층; 및A ferroelectric composite layer formed on the lower electrode and having a plurality of ferroelectric thin films formed of ferroelectrics arranged laterally with respect to the ferroelectric thin films on a surface parallel to the upper surface of the lower electrode; And 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며,And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer. 상기 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one ferroelectric thin film of the plurality of ferroelectric thin film is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that the at least one of the other ferroelectric thin film and the electric field and thickness are different. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 복수의 강유전체박막은 잔류 분극이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And the plurality of ferroelectric thin films have different residual polarizations. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 강유전체 복합층은 상기 복수의 강유전체 박막 사이 각각에 형성되며, 절연체로 이루어진 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And the ferroelectric composite layer is formed between the plurality of ferroelectric thin films, and further includes a buffer layer made of an insulator. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 강유전체 박막 중 적어도 하나는 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one of the ferroelectric thin film is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that a plurality of ferroelectric layers made of a ferroelectric is sequentially stacked. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 둘 이상의 강유전체층이 순차적으로 적층되어 형성된 강유전체 박막은,The ferroelectric thin film formed by sequentially stacking two or more ferroelectric layers, 상기 강유전체층 사이 각각에 형성된 중간전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And a middle electrode formed between each of the ferroelectric layers. 하부전극;Lower electrode; 상기 하부전극 상에 형성되며, 강유전체로 이루어진 하나의 강유전체 박막 또는 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층되어 있는 하나 이상의 직렬층 및 강 유전체로 이루어진 복수의 강유전체 박막이 서로에 대해 측면 방향으로 상기 하부전극의 상면과 평행한 평면 상에 배열되어 있는 하나 이상의 병렬층이 적층되어 있는 강유전체 복합층; 및One ferroelectric thin film formed on the lower electrode, or one or more series layers in which a plurality of ferroelectric thin films are sequentially stacked, and a plurality of ferroelectric thin films made of a ferroelectric dielectric are disposed laterally with respect to each other. A ferroelectric composite layer in which one or more parallel layers arranged on a plane parallel to the top surface are stacked; And 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며,And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer. 상기 강유전체 박막들 중 적어도 하나의 강유전체 박막은 상기 다른 강유전체 박막과 항전계 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one ferroelectric thin film of the ferroelectric thin film is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that the at least one of the other ferroelectric thin film and the electric field and thickness are different. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 직렬층 및 상기 병렬층에 구비된 강유전체 박막의 잔류 분극이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that the residual polarization of the ferroelectric thin film provided in the serial layer and the parallel layer is different. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 강유전체 복합층은 상기 직렬층과 상기 병렬층 사이 각각에 형성된 삽입전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And the ferroelectric composite layer further comprises an insertion electrode formed between each of the series layer and the parallel layer. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 직렬층은 복수의 강유전체 박막이 순차적으로 적층된 구조이고, The serial layer has a structure in which a plurality of ferroelectric thin films are sequentially stacked, 상기 직렬층은 상기 복수의 강유전체 박막 사이 각각에 형성된 직렬중간전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And the series layer further comprises a series intermediate electrode formed between each of the plurality of ferroelectric thin films. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 병렬층은 상기 병렬층에 구비된 복수의 강유전체 박막 사이 각각에 형성되며, 절연체로 이루어진 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The parallel layer is formed between each of the plurality of ferroelectric thin film provided in the parallel layer, the multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that it further comprises a buffer layer made of an insulator. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 병렬층에 구비된 복수의 강유전체 박막 중 적어도 하나는 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one of the plurality of ferroelectric thin films provided in the parallel layer is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that a plurality of ferroelectric layers made of a ferroelectric is sequentially stacked. 제20항에 있어서,The method of claim 20, 상기 복수의 강유전체층이 순차적으로 적층되어 형성된 강유전체 박막은,The ferroelectric thin film formed by sequentially stacking the plurality of ferroelectric layers, 상기 복수의 강유전체층의 사이 각각에 형성된 병렬중간전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And a parallel intermediate electrode formed between each of said plurality of ferroelectric layers. 하부전극;Lower electrode; 상기 하부전극 상에 형성된 절연막과, 상기 절연막 내부에 형성되며 강유전체로 이루어진 복수의 강유전체 입자를 구비하는 강유전체 복합층; 및A ferroelectric composite layer having an insulating film formed on the lower electrode and a plurality of ferroelectric particles formed in the insulating film and formed of a ferroelectric material; And 상기 강유전체 복합층 상에 형성된 상부전극;을 포함하며,And an upper electrode formed on the ferroelectric composite layer. 상기 복수의 강유전체 입자들 중 적어도 하나의 강유전체 입자는 다른 강유전체 입자와 항전계 및 직경 중 적어도 하나가 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.At least one of the ferroelectric particles of the plurality of ferroelectric particles, the multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that different ferroelectric particles and at least one of the electric field and the diameter. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 복수의 강유전체 입자는 잔류 분극이 서로 다른 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.And the plurality of ferroelectric particles have different residual polarizations. 제22항에 있어서,The method of claim 22, 상기 절연막은 SiO2, SiNx, SiONx, Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3, HfAlO, HfSiO 및 ZrSiO 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The insulating film is a multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that made of one or more selected from SiO 2 , SiN x , SiON x , Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , HfAlO, HfSiO and ZrSiO. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 24, 상기 강유전체는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT), SrBi2Ta2O9(SBT), (Bi,La)4Ti3O12(BLT) 및 BiFeO3(BFO) 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티비트 강유전체 기억소자.The ferroelectric is at least one selected from Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT), (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (BLT) and BiFeO 3 (BFO) A multi-bit ferroelectric memory device, characterized in that made.
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