KR20180057763A - Atom-based Switching Device having Steep-slope resistance Change and Atom-based Field-effect-transistor having the same - Google Patents

Atom-based Switching Device having Steep-slope resistance Change and Atom-based Field-effect-transistor having the same Download PDF

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KR20180057763A
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황현상
임석재
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides an atom-based switching device having steep-slope resistance change and an atom-based field effect transistor including the same. The atom-based switching element according to the present invention can realize the switching element having a low subthreshold slope while maintaining low off current, a high on/off resistance ratio and low driving voltage by inserting a copper (Cu) or silver (Ag) doped chalcogenide insulating layer between an upper electrode and a lower electrode. Therefore, the atom-based field effect transistor having the low off current, operation voltage and a steep-slope subthreshold slope can be realized by providing the atom-based field effect transistor including the atom-based switching element. The atom-based switching element comprises: a first electrode; the insulating layer which is formed on the first electrode, and on which a conductive filament is generated and is disappeared; and a second electrode formed on the insulating layer.

Description

가파른 기울기의 저항변화를 갖는 원자기반 스위칭 소자 및 이를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터{Atom-based Switching Device having Steep-slope resistance Change and Atom-based Field-effect-transistor having the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an atom-based switching device having a steep slope resistance change and an atom-based field effect transistor having the steep slope resistance change.

본 발명은 원자기반 스위칭 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가파른 기울기의 저항변화를 갖는 원자기반 스위칭 소자 및 이를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to atomic-based switching devices, and more particularly, to atomic-based switching devices having a steep slope resistance variation and an atomic-based field effect transistor including the same.

현재 반도체 업계에서는 금속-산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal-oxide semiconductor field-effect transistor, MOSFET)에 있어서, 특히 반도체 소자의 크기를 감소시키는 기술 개발에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.BACKGROUND ART [0002] In the semiconductor industry, there is a continuing research on the development of a technique for reducing the size of a semiconductor device, particularly a metal-oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET).

그러나, 이러한 반도체 소자의 축소화는 단채널 효과를 심화시키고 누설 전류(leakage current)의 증가 및 미세 공정의 어려움 등의 문제점이 따른다. 이러한 문제점들 중 가장 근본적인 한계는 문턱 전압 이하 기울기(subthreshold swing)의 한계이다.However, such miniaturization of semiconductor devices causes problems such as a deep channel effect, an increase in leakage current, and difficulty in microprocessing. The most fundamental limitation of these problems is the limitation of the subthreshold swing.

문턱 전압 이하 기울기란 트랜지스터의 전류를 10배 증가시키기 위하여 인가되어야 하는 게이트 전압의 증가분을 의미하며, 따라서, 작은 값을 가질수록 급격한 스위칭 동작으로 인해 저전력 구동에 유리하게 된다.The inclination below the threshold voltage means an increase in the gate voltage to be applied in order to increase the current of the transistor by a factor of 10, and therefore, the smaller the value is, the more advantageous for the low power driving due to the abrupt switching operation.

그러나, 금속-산화물 반도체 전계효과 트랜지스터는 동작 원리에 의하여, 상기 문턱 전압 이하 기울기가 상온에서 60mV/dec 이하 값을 얻기가 매우 어려워 초저전력 구동이 힘든 문제점이 있다.However, according to the operation principle of the metal-oxide semiconductor field-effect transistor, it is very difficult to obtain a value of less than 60 mV / dec at a room temperature with a slope below the threshold voltage.

최근 금속-산화물 반도체 전계효과 트랜지스터의 이러한 동작 한계를 극복하기 위한 가파른 문턱 전압 이하 기울기를 가지는 문턱 스위칭 소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 이를 구현하기 위한 저항 변화 소자의 자체 문제로 지적되는 높은 오프 상태 전류, 높은 구동 전압으로 인해 실제 소자 적용에는 한계점을 지니고 있다.Recently, studies have been actively conducted on a threshold switching device having a steep threshold voltage inclination to overcome such a limit of operation of a metal-oxide semiconductor field effect transistor. However, a high off State current, and high driving voltage.

등록실용신안 20-0471138Registration Utility Model 20-0471138

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 낮은 오프 전류, 높은 온/오프 저항 비, 낮은 구동 전압을 유지하면서 낮은 문턱 전압 이하 기울기를 가지는 원자기반 스위칭 소자를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide an atomic-based switching device having a low off current, a high on / off resistance ratio, and a low threshold voltage inclination while maintaining a low driving voltage.

또한, 상기 원자기반 스위칭 소자를 집적시킨 새로운 형태의 원자기반 전계효과 트랜지스터를 제공함으로써, 가파른 문턱 전압 이하 기울기를 갖는 원자기반 전계효과 트랜지스터를 제공함에 있다.The present invention also provides an atomic field effect transistor having a steep subthreshold slope by providing a new type of atomic field effect transistor integrated with the atomic based switching device.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 측면은 가파른 기울기의 저항변화를 갖는 원자기반 스위칭 소자를 제공한다. 상기 원자기반 스위칭 소자는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되고, 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층 및 상기 절연층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 절연층은 칼코게나이드(Chalcogenide) 물질을 포함한다.In order to solve the above-described problems, one aspect of the present invention provides an atomic-based switching device having a steep slope resistance change. Based switching element comprises a first electrode, an insulating layer formed on the first electrode and formed and destroyed by the conductive filament, and a second electrode formed on the insulating layer, Chalcogenide materials.

상기 칼코게나이드 물질은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다.The chalcogenide material may comprise Cu or Ag.

상기 Cu 또는 Ag를 포함하는 칼코게나이드 물질은 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Chalcogenide material comprising the Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2 ), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x < 2), Ag x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 <x <2, 1 <y <2) .

상기 절연층의 두께는 1nm 내지 100nm일 수 있다.The thickness of the insulating layer may be between 1 nm and 100 nm.

상기 제1 전극을 구성하는 물질은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Material constituting the first electrode may include Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO 2, Ta, TaN, at least one of Ti and TiN.

상기 제2 전극을 구성하는 물질은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Materials constituting the second electrode may include Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO 2, Ta, TaN, at least one of Ti and TiN.

상기 전도성 필라멘트는 인가되는 동작 전류에 따라 휘발 특성을 갖을 수 있다.The conductive filament may have a volatile characteristic according to an applied operating current.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 가파른 기울기의 저항변화를 갖는 원자기반 전계효과 트랜지스터를 제공한다. 상기 원자기반 전계효과 트랜지스터는 반도체 기판, 상기 반도체 기판 표면 상부에 위치하는 채널 영역, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 배치되는 소스 전극과 드레인 전극 및 상기 채널 영역 상부에 위치하는 게이트 전극을 포함하되, According to another aspect of the present invention, there is provided an atomic field effect transistor having a steep slope resistance change. The field-based field effect transistor includes a semiconductor substrate, a channel region located above the surface of the semiconductor substrate, a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other with the channel region interposed therebetween, and a gate electrode located above the channel region However,

상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극에 원자기반 스위칭 소자가 연결되고,An atomic-based switching element is connected to the source electrode or the drain electrode,

상기 원자기반 스위칭 소자는, 상기 소스 전극 또는 드레인 전극에 연결된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성되고, 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층 및 상기 절연층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고, 상기 절연층은 칼코게나이드(Chalcogenide) 물질을 포함한다.The atomic-based switching device may include a first electrode connected to the source electrode or the drain electrode, an insulating layer formed on the first electrode and generating and disappearing the conductive filament, and a second electrode formed on the insulating layer, And the insulating layer comprises a chalcogenide material.

상기 원자기반 스위칭 소자는, 상기 원자기반 전계효과 트랜지스터의 문턱 전압 이하 기울기(subthreshold slope) 값이 60 mV/dec 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.The atomic-based switching device is characterized in that a subthreshold slope value of the atomic-based field-effect transistor is 60 mV / dec or less.

상기 칼코게나이드 물질은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다.The chalcogenide material may comprise Cu or Ag.

상기 Cu 또는 Ag를 포함하는 칼코게나이드 물질은 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.Chalcogenide material comprising the Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2 ), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x < 2), Ag x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 <x <2, 1 <y <2) .

상기 절연층의 두께는 1nm 내지 100nm일 수 있다.The thickness of the insulating layer may be between 1 nm and 100 nm.

본 발명에 따르면, 비활성 하부 및 상부 전극 층 사이에 Cu 또는 Ag가 도핑된 칼코게나이드 (Chalcogenide) 절연층을 삽입함으로써, 낮은 전압 조건에서도 전도성 필라멘트를 형성할 수 있고, 전도성 필라멘트를 생성하는 과정에서 금속 이온이 이동하는 메커니즘이 생략되기 때문에 빠른 속도로 스위칭 동작시 높은 전압이 요구되는 현상을 감소시킬 수 있다.According to the present invention, by inserting a chalcogenide insulating layer doped with Cu or Ag between the inactive lower and upper electrode layers, the conductive filament can be formed even under a low voltage condition, and in the process of producing the conductive filament Since the mechanism of metal ion migration is omitted, it is possible to reduce the phenomenon that a high voltage is required in a switching operation at a high speed.

또한, 오프 전류(off-current)를 감소시켜 온/오프 저항비를 향상시킬 수 있으며, 종래 스위칭 소자에서 외부의 Cu 또는 Ag 공급층을 제거함으로써 많은 양의 이온 공급을 억제하여 전도성 필라멘트의 크기를 제어할 수 있기 때문에 작은 크기의 전도성 필라멘트를 생성하는 조건에서 휘발 특성을 갖는 전도성 필라멘트를 구현할 수 있다.In addition, it is possible to improve the on / off resistance ratio by reducing the off-current, and by removing the external Cu or Ag supply layer from the conventional switching element, the supply of a large amount of ions can be suppressed, It is possible to realize a conductive filament having a volatilization characteristic under the condition of generating a small size conductive filament.

더 나아가, 이러한 휘발성 원자기반 스위칭 소자를 집적시킨 새로운 형태의 원자기반 전계효과 트랜지스터를 제공함으로써, 문턱 전압 이하 기울기 값이 60 mV/dec 이하가 되도록 하여 매우 낮은 오프 전류, 동작 전압 및 가파른 문턱 전압 이하 기울기를 가지는 원자기반 전계효과 트랜지스터를 구현 할 수 있다.Furthermore, by providing a new type of atomic field effect transistor integrated with such a volatile atom based switching device, it is possible to provide a very low off current, an operating voltage and a steep threshold voltage Based field effect transistor having a tilt can be realized.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자기반 스위칭 소자를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자 내의 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자에 있어서 Cu의 농도에 따른 원자기반 스위칭 소자의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자에 있어서 Cu의 농도에 따른 동작 전압 및 오프 상태 저항값의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 조성 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자와 종래의 스위칭 소자에 대한 동작 속도별 동작 전압 분포를 비교하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 동작 전류에 따른 휘발성 정도를 비교하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터를 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 원자기반 전계효과 트랜지스터의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압을 증가시켰을 때 발생되는 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압을 감소시켰을 때 발생되는 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 원자기반 전계효과 트랜지스터의 동작을 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram illustrating an atomic-based switching device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates the reaction mechanism in the atomic-based switching device of the present invention.
3 is a graph showing the operation of the atomic-based switching device according to the concentration of Cu in the atomic-based switching device of the present invention.
4 is a graph showing the distribution of the operating voltage and the off state resistance value according to the concentration of Cu in the atomic-based switching device of the present invention.
5 is a graph showing the composition distribution of the atomic-based switching device of the present invention.
FIG. 6 is a graph for comparing the operating voltage distributions of the atomic-based switching device and the conventional switching device according to the operating speed of the present invention.
7 is a graph for comparing the degree of volatility according to the operating current of the atomic-based switching device of the present invention.
8 is a graph showing the operation of the atomic-based switching device of the present invention.
9 is a schematic diagram illustrating an atomic field effect transistor including an atomic-based switching device of the present invention.
10 illustrates an equivalent circuit of an atomic field effect transistor of the present invention.
11 is a view showing a reaction mechanism generated when a voltage is increased at the gate of an atomic field effect transistor according to the present invention.
FIG. 12 is a view showing a reaction mechanism generated when a voltage is reduced at the gate of an atomic field effect transistor according to the present invention.
13 and 14 are graphs showing the operation of the atomic field effect transistor of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.

본 명세서에서는 저항 변화 메모리의 선택 소자로 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터를 일 예로 도시 및 설명하였으나, 본 발명에서의 저항 변화 소자는 상기 트랜지스터에 한정되지 않는다.Although a metal oxide field effect transistor has been illustrated and described as an example of a selection element of the resistance change memory in the present specification, the resistance variable element in the present invention is not limited to the above transistor.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자기반 스위칭 소자를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram illustrating an atomic-based switching device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 일시예에 따른 원자기반 스위칭 소자(100)는 제1 전극(101), 절연층(102) 및 제2 전극(103)을 포함한다.Referring to FIG. 1, an atomic-based switching device 100 according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 101, an insulating layer 102, and a second electrode 103.

제1 전극(101)은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능하다. 제1 전극(101) 물질로 바람직하게는 W을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극(101)은 기판(미도시)상에 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 20nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.The first electrode 101 may be made of at least one of Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti, and TiN. However, Anything is possible. As the material of the first electrode 101, preferably W can be used. For example, the first electrode 101 may be formed to a thickness of 20 nm to 100 nm on a substrate (not shown) by a chemical vapor deposition method, a plasma vapor deposition growth method, or a sputtering method.

상기 제1 전극(101) 상에는 절연막(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 절연막(미도시) 내에 상기 제1 전극(101)의 일부 영역들을 노출시키는 홀들을 형성할 수 있다. 상기 절연막(미도시)은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산화 질화막 등일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.An insulating layer (not shown) may be formed on the first electrode 101 and holes may be formed in the insulating layer (not shown) to expose portions of the first electrode 101. The insulating layer (not shown) may be a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, a silicon oxynitride layer, or the like, but is not limited thereto.

제1 전극(101) 상에는 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층(102)이 형성될 수 있다. 또한, 절연층(102)은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다. Cu 또는 Ag를 포함하는 물질로는 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, Cu 또는 Ag가 도핑 된 칼코게나이드(chalcogenide) 기반의 절연체라면 어느 것이나 가능하다. 절연층(102)의 조성은 실시예에서 언급한 화학 양론적(stoichiometry) 조성비에 한정하지는 않는다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 절연층(102) 물질로는 CuxS(1<x<2)를 포함할 수 있다.An insulating layer 102 may be formed on the first electrode 101 to generate and dissipate the conductive filament. In addition, the insulating layer 102 may comprise Cu or Ag. A material containing Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 < x <2,1 <y <2) , Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x < , Ag x Ge y Se (1 <x <2, 1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 <x <2, 1 <y <2) Any insulator based on Ag-doped chalcogenide is possible. The composition of the insulating layer 102 is not limited to the stoichiometry composition ratio mentioned in the examples. The insulating layer 102 material according to a preferred embodiment of the present invention may include Cu x S (1 < x < 2).

상기 절연층(102)은 문턱 스위칭 특성을 갖는 층으로써, 즉, 문턱 전압(Vth)을 기준으로 도전체의 특성 또는 부도체의 특성을 가질 수 있다. 이때, 상기 문턱 전압(Vth)이란 상기 절연층(102)에 소정의 전압이 인가될 경우, 급격한 전류의 증가와 저항의 감소가 발생하는데, 이때 인가되는 전압을 문턱 전압(Vth)이라 지칭한다.The insulating layer 102 may be a layer having a threshold switching characteristic, that is, a characteristic of a conductor or a non-conductive property based on a threshold voltage V th . When the predetermined voltage is applied to the insulating layer 102, the threshold voltage V th is abruptly increased and the resistance is decreased. At this time, the applied voltage is referred to as a threshold voltage V th do.

도 2는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자 내의 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.Figure 2 illustrates the reaction mechanism in the atomic-based switching device of the present invention.

도 2를 참조하면, 원자기반 스위칭 소자(100)에 문턱 전압(Vth)보다 큰 전압을 인가하면, 상기 절연층(102)이 턴온 상태가 되어 상기 절연층(102) 내에 전도성 필라멘트가 형성됨으로써, 저저항 상태가 구현될 수 있다. 즉, 절연층(102)은 도전체의 특성을 가질 수 있다. 이때, 전도성 필라멘트가 불안정 할 경우 외부의 전압 인가 없이 스스로 전도성 필라멘트가 끊어지는 휘발성 특성을 보이게 된다. 또한, 상기 원자기반 스위칭 소자(100)에 상기 문턱 전압(Vth)보다 작은 전압을 인가하면, 절연층(102)내에 이온화반응(ionization)이 진행되면서, 전도성 필라멘트의 자발적 분해(spontaneously rupture)가 이루어져, 상기 절연층(102)은 높은 저항값을 가지는 부도체의 특성을 가질 수 있다. 따라서, 양 전극 사이에 인가되는 전압에 따라 상기 절연층(102)은 턴온되거나 턴오프된다.Referring to FIG. 2, when a voltage higher than the threshold voltage V th is applied to the atomic-based switching device 100, the insulating layer 102 is turned on to form a conductive filament in the insulating layer 102 , A low resistance state can be realized. That is, the insulating layer 102 may have the characteristics of a conductor. At this time, when the conductive filament is unstable, the conductive filament is volatilized by itself without external voltage application. Further, when applying a voltage less than the threshold voltage (V th) to the atom-based switching element 100, while the ionization reaction (ionization) proceeds in the insulating layer 102, a spontaneous decomposition of the conductive filament (spontaneously rupture) The insulating layer 102 may have the characteristics of an insulator having a high resistance value. Therefore, the insulating layer 102 is turned on or off according to the voltage applied between the electrodes.

상기 절연층(102)을 형성하는 공정으로는 물리 기상 증착법, 화학 기상 증착법 또는 원자층 증착법을 사용하여 수행할 수 있으며, 일 예로 상기 절연층(102)은 원자층 증착법을 사용하여 1nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.The insulating layer 102 may be formed by a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, or an atomic layer deposition method. For example, the insulating layer 102 may be formed by atomic layer deposition .

상기 절연층(102) 상에는 제2 전극(103)이 형성될 수 있다. 제2 전극(103)은 상기 제1 전극(101)과 같이 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능하다. 제2 전극(103) 물질로 바람직하게는 W을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 전극(103)은 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성될 수 있다.A second electrode 103 may be formed on the insulating layer 102. The second electrode 103 may be formed of at least one of Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti, and TiN as in the first electrode 101. However, And any electrode material having high inertness can be used. As the material of the second electrode 103, preferably W can be used. For example, the second electrode 103 may be formed using a chemical vapor deposition method, a plasma vapor deposition growth method, or a sputtering method.

도 3은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자에 있어서 Cu의 농도에 따른 원자기반 스위칭 소자의 동작을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the operation of the atomic-based switching device according to the concentration of Cu in the atomic-based switching device of the present invention.

도 3을 참조하면, 원자기반 스위칭 소자(100)에 있어서 절연층(102)의 물질로써 CuxS를 사용했을 때 Cu의 농도에 따른 원자기반 스위칭 소자(100)의 동작을 비교하였다. 양극 전압 하에서 전도성 필라멘트가 생성되면 매우 가파른 기울기를 가지는 오프-온 저항 변이가 일어나게 된다. 특히, 일 실시예에 사용된 CuxS의 경우 Cu의 농도에 따라 저항상태가 변하는 P-형 반도체 이므로 도 3에 도시한 바와 같이, Cu의 농도에 따라 스위칭 전압이나 오프 전류값이 달라지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the operation of the atomic-based switching device 100 according to the concentration of Cu when Cu x S is used as the material of the insulating layer 102 in the atomic-based switching device 100 is compared. When a conductive filament is generated under an anode voltage, an off-on resistance variation with a very steep slope occurs. In particular, Cu x S used in one embodiment is a P-type semiconductor whose resistance changes depending on the concentration of Cu. Therefore, as shown in FIG. 3, it is confirmed that the switching voltage and the off current value vary with the concentration of Cu .

도 4는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자에 있어서 Cu의 농도에 따른 동작 전압 및 오프 상태 저항값의 분포를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the distribution of the operating voltage and the off state resistance value according to the concentration of Cu in the atomic-based switching device of the present invention.

도 4를 참조하면, 절연층(102)의 물질로써 CuxS를 사용했을 때 Cu의 농도에 따른 동작 전압 및 오프 상태 저항값의 분포를 비교하였다. 도 4에 도시한 바와 같이, Cu의 농도가 높아질수록 동작 전압은 낮아지고, 오프 상태 저항값은 높아지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 낮은 오프 전류 및 낮은 동작 전압 조건을 구현하기 위해서는 Cu의 도핑 농도가 높을수록 유리하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, the distribution of the operating voltage and the off-state resistance according to the concentration of Cu when Cu x S is used as the material of the insulating layer 102 are compared. As shown in FIG. 4, it can be seen that as the concentration of Cu increases, the operating voltage decreases and the off-state resistance increases. That is, it can be seen that the higher the doping concentration of Cu is, the more advantageous is to realize the low off current and the low operating voltage condition.

도 5는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 조성 분포를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the composition distribution of the atomic-based switching device of the present invention.

도 5를 참조하면, 도 3 및 도 4의 실험결과를 토대로 하여 일실시예에 따른 원자기반 스위치의 절연층(102) 물질로 CuxS의 조성비를 도 5에 나타내었다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원자기반 스위칭 소자(100)의 절연층(102)으로 사용된 CuxS의 조성비는 S의 농도에 비해 Cu의 농도를 약 2배 많은 조성비로 구현되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 5, the composition ratio of Cu x S is shown in FIG. 5 as an insulating layer 102 material of an atomic-based switch according to one embodiment, based on the experimental results of FIGS. As shown in FIG. 5, the composition ratio of Cu x S used as the insulating layer 102 of the atomic-based switching device 100 according to the preferred embodiment of the present invention is about 2 times It can be confirmed that it is implemented with many composition ratios.

도 6은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자와 종래의 스위칭 소자에 대한 동작 속도별 동작 전압 분포를 비교하기 위한 그래프이다.FIG. 6 is a graph for comparing the operating voltage distributions of the atomic-based switching device and the conventional switching device according to the operating speed of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 W/Cu2S를 포함하는 원자기반 스위칭 소자(100)와 종래의 스위칭 소자인 Ag/GeS, Ag/Ag-GeS, CuTe/Ti/Al2O3 및 Ag/TiO2를 비교군으로 하여 동작 속도별 동작 전압 분포를 비교하였다. 도 6에 도시한 바와 같이, 종래의 스위칭 소자에 비해 본 발명에 따른 W/Cu2S를 포함하는 원자기반 스위칭 소자(100)의 경우 빠른 동작 속도에서도 동작 전압이 크게 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 6, W / Cu 2 S atoms based on the switching element 100 and the Ag / GeS, conventional switching devices Ag / Ag-GeS, CuTe / Ti / Al 2 O containing according to the invention 3, and Ag / TiO 2 as a comparison group. As shown in FIG. 6, in the case of the atomic-based switching device 100 including W / Cu 2 S according to the present invention, compared with the conventional switching device, it can be seen that the operating voltage is not significantly increased even at a high operating speed .

즉, 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)는 절연층(102)으로 Cu 또는 Ag가 도핑된 칼코게나이드 물질을 포함함으로써 절연층(102) 내부에서 높은 금속 이동도를 가지므로 낮은 전압 조건에서도 전도성 필라멘트를 형성할 수 있다. 또한, 절연층(102) 내부에 Cu나 Ag가 도핑되어 있기 때문에 전도성 필라멘트를 형성하는 과정에서 금속 이온이 이동하는 메커니즘이 생략되어 빠른 속도로 스위칭 동작시 높은 전압이 요구되는 현상을 감소시킬 수 있다.That is, since the atomic-based switching device 100 of the present invention includes a chalcogenide material doped with Cu or Ag as the insulating layer 102, it has a high metal mobility in the insulating layer 102, Conductive filaments can be formed. In addition, since the insulating layer 102 is doped with Cu or Ag, the mechanism for moving the metal ions in the process of forming the conductive filament is omitted, thereby reducing the phenomenon that a high voltage is required in the switching operation at a high speed .

도 7은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 동작 전류에 따른 휘발성 정도를 비교하기 위한 그래프이다.7 is a graph for comparing the degree of volatility according to the operating current of the atomic-based switching device of the present invention.

도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명에 따른 원자기반 스위칭 소자(100)를 온/오프 함에 있어서 스위칭 소자의 동작 전류에 따른 저항 상태를 나타낸다. 도 7에 도시한 바와 같이, 높은 동작 전류 조건에서는 소자의 저항 상태가 원래의 값으로 돌아가지 못하는 비휘발성 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, FIG. 7 illustrates a resistance state of the switching element 100 according to an operating current when the atomic-based switching device 100 is turned on / off. As shown in FIG. 7, it can be seen that the resistance state of the device shows non-volatility characteristics that can not return to the original value under high operating current conditions.

즉, 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)는 종래의 스위칭 소자와 달리 외부 Cu나 Ag 공급층이 별로도 구비되지 않기 때문에 많은 양의 이온 공급을 억제함으로써, 생성되는 전도성 필라멘트의 크기를 제어할 수 있고, 이를 통해 작은 크기의 전도성 필라멘트를 생성하는 조건에서 휘발성의 전도성 필라멘트를 구현할 수 있다.In other words, since the atomic-based switching device 100 of the present invention does not have any external Cu or Ag supply layer unlike the conventional switching device, it can suppress the supply of a large amount of ions, thereby controlling the size of the generated conductive filament And thereby, volatile conductive filaments can be realized under conditions that produce small sized conductive filaments.

도 8은 본 발명의 원자기반 스위칭 소자의 동작을 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the operation of the atomic-based switching device of the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 원자기반 스위칭 소자(100)를 온/오프 했을 때 도 8에 도시한 바와 같이, 낮은 동작 전압에서 가파른 기울기의 스위칭이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이에 따라 큰 온/오프 저항비 및 휘발성 특성을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, when the atomic-based switching device 100 according to the present invention is turned on / off, it can be seen that a steep gradient is switched at a low operating voltage as shown in FIG. Further, a large on / off resistance ratio and volatility characteristics can be confirmed.

상술한 바와 같이, 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)는 제1 전극(101) 및 제2 전극(103) 사이에 Cu 또는 Ag가 도핑된 칼코게나이드 (Chalcogenide) 절연층(102)을 삽입함으로써, 낮은 전압 조건에서도 전도성 필라멘트를 형성할 수 있고, 전도성 필라멘트를 형성하는 과정에서 금속 이온이 이동하는 메커니즘이 생략되기 때문에 빠른 속도로 스위칭 동작시 높은 전압이 요구되는 현상을 감소시킬 수 있다.As described above, the atomic-based switching device 100 of the present invention includes a chalcogenide insulating layer 102 doped with Cu or Ag between the first electrode 101 and the second electrode 103 The conductive filament can be formed even under a low voltage condition and the mechanism for moving the metal ions in the process of forming the conductive filament is omitted, thereby reducing the phenomenon of requiring a high voltage in the switching operation at a high speed.

또한, 오프 전류(off-current)를 감소시켜 온/오프 저항비를 향상시킬 수 있으며, 종래 외부의 Cu 또는 Ag 공급층을 제거함으로써 많은 양의 이온 공급을 억제하여 전도성 필라멘트의 크기를 제어할 수 있기 때문에 작은 크기의 전도성 필라멘트를 생성하는 조건에서 휘발 특성을 갖는 전도성 필라멘트를 구현할 수 있다.In addition, the on / off resistance ratio can be improved by reducing the off-current, and the size of the conductive filament can be controlled by suppressing the supply of a large amount of ions by removing the external Cu or Ag supply layer A conductive filament having a volatilization characteristic can be realized under the condition of generating a small size conductive filament.

도 9는 본 발명의 원자기반 스위칭 소자를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터를 나타낸 모식도이다.9 is a schematic diagram illustrating an atomic field effect transistor including an atomic-based switching device of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)는, 반도체 기판(210), 채널 영역(211), 게이트 전극(220), 소스 전극(230)과 드레인 전극(240), 상기 소스 전극(230) 또는 드레인 전극(240)에 집적된 원자기반 스위칭 소자(100)를 포함할 수 있다.9, an atomic field effect transistor 200 according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate 210, a channel region 211, a gate electrode 220, a source electrode 230, Based switching device 100 integrated with the source electrode 230 or the drain electrode 240. The source electrode 230 and the drain electrode 240 may be formed of a silicon oxide film.

일예로, 상기 원자기반 스위칭 소자(100)는 제1 전극(101), 절연층(102) 및 제2 전극(103)을 포함할 수 있다.For example, the atomic-based switching device 100 may include a first electrode 101, an insulating layer 102, and a second electrode 103.

제1 전극(101)은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능하다. 제1 전극(101) 물질로 바람직하게는 W을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전극(101)은 기판(미도시)상에 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 20nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.The first electrode 101 may be made of at least one of Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti, and TiN. However, Anything is possible. As the material of the first electrode 101, preferably W can be used. For example, the first electrode 101 may be formed to a thickness of 20 nm to 100 nm on a substrate (not shown) by a chemical vapor deposition method, a plasma vapor deposition growth method, or a sputtering method.

제1 전극(101) 상에는 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층(102)이 형성될 수 있다. 또한, 절연층(102)은 Cu 또는 Ag를 포함할 수 있다. Cu 또는 Ag를 포함하는 물질로는 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, Cu 또는 Ag가 도핑 된 칼코게나이드(chalcogenide) 기반의 절연체라면 어느 것이나 가능하다. 절연층(102)의 조성은 실시예에서 언급한 화학 양론적(stoichiometry) 조성비에 한정하지는 않는다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 절연층(102) 물질로는 CuxS(1<x<2)를 포함할 수 있다.An insulating layer 102 may be formed on the first electrode 101 to generate and dissipate the conductive filament. In addition, the insulating layer 102 may comprise Cu or Ag. A material containing Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 < x <2,1 <y <2) , Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x < , Ag x Ge y Se (1 <x <2, 1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 <x <2, 1 <y <2) Any insulator based on Ag-doped chalcogenide is possible. The composition of the insulating layer 102 is not limited to the stoichiometry composition ratio mentioned in the examples. The insulating layer 102 material according to a preferred embodiment of the present invention may include Cu x S (1 < x < 2).

상기 절연층(102)을 형성하는 공정으로는 물리 기상 증착법, 화학 기상 증착법 또는 원자층 증착법을 사용하여 수행할 수 있으며, 일 예로 상기 절연층(102)은 원자층 증착법을 사용하여 1nm 내지 100nm의 두께로 형성될 수 있다.The insulating layer 102 may be formed by a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, or an atomic layer deposition method. For example, the insulating layer 102 may be formed by atomic layer deposition .

상기 절연층(102) 상에는 제2 전극(103)이 형성될 수 있다. 제2 전극(103)은 상기 제1 전극(101)과 같이 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 불활성도가 높은 전극 물질이라면 어느 것이나 가능하다. 제2 전극(103) 물질로 바람직하게는 W을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 제2 전극(103)은 화학 기상 증착법, 플라즈마 기상 증착 성장법 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성될 수 있다.A second electrode 103 may be formed on the insulating layer 102. The second electrode 103 may be formed of at least one of Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti, and TiN as in the first electrode 101. However, And any electrode material having high inertness can be used. As the material of the second electrode 103, preferably W can be used. For example, the second electrode 103 may be formed using a chemical vapor deposition method, a plasma vapor deposition growth method, or a sputtering method.

상술한 바와 같은 원자기반 스위칭 소자(100)는 상기 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)의 상기 드레인 전극(240)에 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로는, 상기 원자기반 스위칭 소자(100)의 제1 전극(101) 또는 제2 전극(103)이 상기 드레인 전극(240)에 연결될 수 있다.The atomic based switching device 100 as described above may be electrically connected to the drain electrode 240 of the atomic field effect transistor 200. Specifically, the first electrode 101 or the second electrode 103 of the atomic-based switching device 100 may be connected to the drain electrode 240.

상기 반도체 기판(210) 표면 하부에는 불순물이 도핑된 영역인 소스 전극(230)과 드레인 전극(240)이 형성될 수 있다. 상기 반도체 기판(210)은 실리콘 기판, 실리콘-온-인슐레이터(silicon on insulator : SOI) 기판, 게르마늄 기판, 게르마늄-온-인슐레이터(germanium on insulator : GOI) 기판 또는 실리콘-게르마늄 기판일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에서는 통상적으로 사용하는 실리콘 기판을 사용할 수 있으며, 상기 반도체 기판(210)은 p형 불순물이 도핑된 p형 반도체 기판(210)으로 도시하였으나, 경우에 따라 상기 반도체 기판(210)은 n형 반도체 기판(210)일 수도 있다. A source electrode 230 and a drain electrode 240, which are regions doped with impurities, may be formed under the surface of the semiconductor substrate 210. The semiconductor substrate 210 may be a silicon substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a germanium substrate, a germanium on insulator (GOI) substrate, or a silicon-germanium substrate. It does not. Although the semiconductor substrate 210 is a p-type semiconductor substrate 210 doped with a p-type impurity, the semiconductor substrate 210 may be a silicon substrate, May be an n-type semiconductor substrate 210.

상기 소스 전극(230) 및 드레인 전극(240)은 후술될 게이트 전극(220)과 인접한, 즉, 상기 반도체 기판(210)의 표면 상부에 위치하는 게이트 전극(220)과 인접하도록 상기 반도체 기판(210)의 표면 하부에 형성될 수 있다. 상기 소스 전극(230) 및 드레인 전극(240)은 상기 반도체 기판(210)에 이온 주입법(ion implantation)을 수행하여 불순물을 도핑하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 자유 전자의 생성이 가능한 n형 불순물인 인(phosphorus) 또는 산화비소일 수 있으나 이에 한정되지는 않으며, 경우에 따라서는 p형 불순물이 도핑된 소스 전극(230) 및 드레인 전극(240)을 형성할 수도 있다.The source electrode 230 and the drain electrode 240 are formed on the semiconductor substrate 210 so as to be adjacent to the gate electrode 220 which will be described later, that is, adjacent to the gate electrode 220 located above the surface of the semiconductor substrate 210. [ As shown in FIG. The source electrode 230 and the drain electrode 240 may be formed by ion implanting ions into the semiconductor substrate 210 and doping the impurities. For example, the impurity may be phosphorus or arsenic oxide, which is an n-type impurity capable of generating free electrons, but is not limited thereto. In some cases, the impurity may be a source electrode 230 doped with a p- The electrode 240 may be formed.

상기 소스 전극(230) 및 드레인 전극(240) 사이에는 채널 영역(211)이 위치할 수 있다. 또한, 상기 채널 영역(211) 상부에는 게이트 절연막(250)이, 상기 게이트 절연막(250) 상에는 게이트 전극(220)이 형성될 수 있다.A channel region 211 may be located between the source electrode 230 and the drain electrode 240. A gate insulating layer 250 may be formed on the channel region 211 and a gate electrode 220 may be formed on the gate insulating layer 250.

상기 게이트 절연막(250)은 상기 채널 영역(211)과 상기 게이트 전극(220) 사이에 위치함으로써, 누설 전류의 발생 없이 상기 채널 영역(211)과 상기 게이트 전극(220) 사이를 충분히 절연시켜야 한다. 따라서, 상기 게이트 절연막(250)으로는 금속 산화물 또는 금속 실리게이트, 구체적으로는 하프늄 실리콘 산화물, 지르코늄 실리콘 산화물, 탄탈륨 실리콘 산화물 또는 알루미늄 실리콘 산화물을 사용할 수 있다. 상기 게이트 절연막(250)은 화학기상증착법, 스퍼터링 또는 원자층 적층법을 사용하여 형성될 수 있다. The gate insulating layer 250 is located between the channel region 211 and the gate electrode 220 so that the channel region 211 and the gate electrode 220 are sufficiently isolated without leakage current. Therefore, as the gate insulating film 250, a metal oxide or a metal silicide, specifically, hafnium silicon oxide, zirconium silicon oxide, tantalum silicon oxide, or aluminum silicon oxide may be used. The gate insulating layer 250 may be formed using chemical vapor deposition, sputtering, or atomic layer deposition.

상기 게이트 전극(220)은 배리어 금속막 및 금속막을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 배리어 금속막은 티타늄질화물, 탄탈늄질화물, 텅스텐질화물, 하프늄질화물, 및 지르코늄질화물과 같은 금속 질화막으로 이루어질 수 있다. 상기 금속막은 텅스텐, 구리, 하프늄, 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 알루미늄, 루테늄, 팔라듐, 백금, 코발트, 니켈 및 도전성 금속 질화물들 중에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.The gate electrode 220 may include a barrier metal film and a metal film. In one example, the barrier metal film may be formed of a metal nitride film such as titanium nitride, tantalum nitride, tungsten nitride, hafnium nitride, and zirconium nitride. The metal film may be formed of any one selected from tungsten, copper, hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum, ruthenium, palladium, platinum, cobalt, nickel and conductive metal nitrides or a combination thereof.

도 10은 본 발명의 원자기반 전계효과 트랜지스터의 등가회로를 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압을 증가시켰을 때 발생되는 반응 메커니즘을 도시한 도면이다. 또한, 도 12는 본 발명에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터의 게이트에 전압을 감소시켰을 때 발생되는 반응 메커니즘을 도시한 도면이다.FIG. 10 shows an equivalent circuit of an atomic field effect transistor according to the present invention, and FIG. 11 shows a reaction mechanism generated when a voltage is increased in the gate of an atomic field effect transistor according to the present invention. 12 is a diagram illustrating a reaction mechanism that occurs when the voltage of the gate of an atomic field effect transistor according to the present invention is reduced.

도 10 내지 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)는 드레인 전극(240)에 원자기반 스위칭 소자(100)가 연결 될 경우 인가하는 드레인 전압에 영향을 받는 회로는 도 10에서와 같이, 채널 저항(Rch)과 원자기반 스위칭 소자(100)의 저항(RAS)으로 이루어진 직렬회로로 생각할 수 있다.10 to 12, an atomic-based field-effect transistor 200 according to the present invention has a circuit that is affected by a drain voltage applied when the atomic-based switching device 100 is connected to the drain electrode 240, 10, it can be considered as a series circuit consisting of the channel resistance (R ch ) and the resistance (R AS ) of the atomic-based switching device 100.

예를 들어, 반도체 기판(210)이 p형 반도체 기판일 경우, 도 11에서와 같이 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)의 게이트 전극(220)에 가해주는 전압(VGS)의 크기를 증가시키게 되면, 전자가 움직일 수 있는 채널이 넓어지게 되어 채널의 저항값(Rch)이 감소하게 된다. 따라서, 인가되는 드레인 전압(VDS)이 온전히 원자기반 스위칭 소자(100)에 인가되어 스위칭 소자가 온 상태로 저항변화가 발생되게 되고, 가파른 기울기를 가지는 원자기반 스위칭 소자(100)의 성능으로 인해, 원자기반 전계효과 트랜지스터(200) 또한 가파른 문턱전압 이하 기울기를 갖는 온/오프 스위칭이 이루어지게 된다.For example, when the semiconductor substrate 210 is a p-type semiconductor substrate, if the voltage V GS applied to the gate electrode 220 of the atomic field-effect transistor 200 is increased as shown in FIG. 11 , The channel through which electrons can move becomes wider, and the resistance value (R ch ) of the channel decreases. Therefore, the applied drain voltage V DS is applied to the atomic-based switching device 100 to cause a resistance change in the ON state, and due to the performance of the atomic-based switching device 100 having a steep slope, , The atomic-based field effect transistor 200 also has on / off switching with a steep subthreshold voltage gradient.

또한, 도 12에서와 같이 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)의 게이트 전극(220)에 가해주는 전압(VGS)의 크기를 감소시키기 되면, 트랜지스터의 채널 저항값(Rch)이 증가되기 때문에 원자기반 스위칭 소자(100)에 인가되는 전압이 충분하지 못해 휘발성의 원자기반 스위칭 소자(100)가 오프 상태로 저항 변화를 하면서 스위치가 오프 상태로 변경된다. 이와 같은 반응 메커니즘은 반도체 기판(210)이 n형 반도체일 경우에는 게이트 전극(220)에 가해주는 전압의 극성이 바뀌게 된다.12, when the magnitude of the voltage V GS applied to the gate electrode 220 of the atomic field effect transistor 200 is reduced, the channel resistance value R ch of the transistor is increased, Based switching element 100 is insufficient to change the switch to the off state while the volatile atomic-based switching element 100 changes its resistance to the OFF state. When the semiconductor substrate 210 is an n-type semiconductor, the polarity of the voltage applied to the gate electrode 220 is changed.

도 13 및 도 14는 본 발명의 원자기반 전계효과 트랜지스터의 동작을 나타내는 그래프이다.13 and 14 are graphs showing the operation of the atomic field effect transistor of the present invention.

도 13 및 도 14를 참조하면, 도 13에서와 같이 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)를 포함하는 트랜지스터와 포함되지 않은 트랜지스터의 동작을 비교하면, 트랜지스터의 게이트 전압이 증가될 때 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)를 포함하는 트랜지스터에서 5mV/dec의 매우 가파른 문턱 전압 이하 기울기를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 13 and 14, when the operation of the transistor including the atomic-based switching device 100 of the present invention is compared with that of the transistor not including the transistor of FIG. 13, when the gate voltage of the transistor is increased, It can be confirmed that the transistor including the atomic-based switching device 100 has a very steep subthreshold slope of 5 mV / dec.

또한, 도 14에서와 같이 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)를 포함하는 트랜지스터는 포함되지 않은 트랜지스터에 비해 가파른 문턱 전압 이하 기울기뿐만 아니라 낮은 오프 전류 및 낮은 동작 전압을 갖는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 14, it can be seen that the transistor including the atomic-based switching device 100 of the present invention has a lower off current and a lower operating voltage as well as a steep threshold voltage inclination as compared with a transistor not including the transistor.

상술한 바와 같이, 본 발명의 원자기반 스위칭 소자(100)는 제1 전극(101) 및 제2 전극(103) 사이에 Cu 또는 Ag가 도핑된 칼코게나이드 절연층(102)을 삽입함으로써, 낮은 오프 전류, 높은 온/오프 저항 비 및 낮은 구동 전압을 유지하면서 낮은 문턱 전압 이하 기울기를 갖는 스위칭 소자를 구현할 수 있다.As described above, the atomic-based switching device 100 of the present invention has a structure in which a chalcogenide insulating layer 102 doped with Cu or Ag is inserted between the first electrode 101 and the second electrode 103, It is possible to realize a switching device having a low threshold voltage inclination while maintaining an off current, a high on / off resistance ratio, and a low driving voltage.

또한, 이러한 원자기반 스위칭 소자(100)를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)를 제공함으로써, 낮은 오프 전류, 동작 전압 및 가파른 문턱 전압 이하 기울기를 가지는 원자기반 전계효과 트랜지스터(200)를 구현 할 수 있다.Further, by providing the atomic based field effect transistor 200 including such an atomic based switching device 100, it is possible to realize an atomic based field effect transistor 200 having a low off current, an operating voltage and a steep threshold voltage gradient .

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of specific examples for the purpose of understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

100 : 원자기반 스위칭 소자 101 : 제1 전극
102 : 절연층 103 : 제2 전극
200 : 원자기반 전계효과 트랜지스터 210 : 반도체 기판
211 : 채널 영역 220 : 게이트 전극
230 : 소스 전극 240 : 드레인 전극
250 : 게이트 절연막100: atomic-based switching device 101: first electrode
102: insulating layer 103: second electrode
200: atomic field effect transistor 210: semiconductor substrate
211: channel region 220: gate electrode
230: source electrode 240: drain electrode
250: gate insulating film

Claims (12)

제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되고, 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고,
상기 절연층은 칼코게나이드(Chalcogenide) 물질을 포함하는 원자기반 스위칭 소자.A first electrode;
An insulating layer formed on the first electrode and generating and destroying the conductive filament; And
And a second electrode formed on the insulating layer,
Wherein the insulating layer comprises a chalcogenide material. 제1항에 있어서,
상기 칼코게나이드 물질은 Cu 또는 Ag를 포함하는 원자기반 스위칭 소자.The method according to claim 1,
Wherein the chalcogenide material comprises Cu or Ag. 제2항에 있어서,
상기 Cu 또는 Ag를 포함하는 칼코게나이드 물질은 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 원자기반 스위칭 소자.3. The method of claim 2,
Chalcogenide material comprising the Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2 ), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x <<2), atomic-based containing at least any one of Ag x Ge y Se (1 < x <2,1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 < x <2,1 <y <2) Switching element. 제1항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 1nm 내지 100nm인 것인 원자기반 스위칭 소자.The method according to claim 1,
Wherein the insulating layer has a thickness of 1 nm to 100 nm. 제1항에 있어서,
상기 제1 전극을 구성하는 물질은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함하는 원자기반 스위칭 소자.The method according to claim 1,
Atom-based switching element for a material constituting the first electrode comprises Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO 2, Ta, TaN, at least one of Ti and TiN. 제1항에 있어서,
상기 제2 전극을 구성하는 물질은 Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO2, Ta, TaN, Ti 및 TiN 중 적어도 어느 하나를 포함하는 원자기반 스위칭 소자.The method according to claim 1,
Atom-based switching element for a material constituting the second electrode comprises Pt, Ir, W, Au, Ru, RuO 2, Ta, TaN, at least one of Ti and TiN. 제1항에 있어서,
상기 전도성 필라멘트는 인가되는 동작 전류에 따라 휘발 특성을 갖는 것인 원자기반 스위칭 소자.The method according to claim 1,
Wherein the conductive filament has a volatile characteristic according to an applied operating current. 반도체 기판;
상기 반도체 기판 표면 상부에 위치하는 채널 영역, 상기 채널 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 배치되는 소스 전극과 드레인 전극; 및
상기 채널 영역 상부에 위치하는 게이트 전극을 포함하되,
상기 소스 전극 또는 상기 드레인 전극에 원자기반 스위칭 소자가 연결되고,
상기 원자기반 스위칭 소자는,
상기 소스 전극 또는 드레인 전극에 연결된 제1 전극;
상기 제1 전극 상에 형성되고, 전도성 필라멘트의 생성과 소멸이 이루어지는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성되는 제2 전극을 포함하고,
상기 절연층은 칼코게나이드(Chalcogenide) 물질을 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터.A semiconductor substrate;
A channel region located above the surface of the semiconductor substrate; a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other with the channel region interposed therebetween; And
And a gate electrode located above the channel region,
An atomic-based switching element is connected to the source electrode or the drain electrode,
The atomic-based switching device includes:
A first electrode connected to the source electrode or the drain electrode;
An insulating layer formed on the first electrode and generating and destroying the conductive filament; And
And a second electrode formed on the insulating layer,
Wherein the insulating layer comprises a chalcogenide material. 제8항에 있어서,
상기 원자기반 스위칭 소자는, 상기 원자기반 전계효과 트랜지스터의 문턱 전압 이하 기울기(subthreshold slope) 값이 60 mV/dec 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 원자기반 전계효과 트랜지스터.9. The method of claim 8,
Wherein the atomic-based switching device has a subthreshold slope of less than 60 mV / dec of the atomic-based field-effect transistor. 제8항에 있어서,
상기 칼코게나이드 물질은 Cu 또는 Ag를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터.9. The method of claim 8,
Wherein the chalcogenide material comprises Cu or &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Ag. &Lt; / RTI &gt; 제10항에 있어서,
상기 Cu 또는 Ag를 포함하는 칼코게나이드 물질은 CuxS(1<x<2), CuxSe(1<x<2), CuxTe(1<x<2), CuxGeyS(1<x<2,1<y<2), CuxGeySe(1<x<2,1<y<2), CuxGeyTe (1<x<2,1<y<2), AgxS(1<x<2), AgxSe(1<x<2), AgxTe(1<x<2), AgxGeyS(1<x<2,1<y<2), AgxGeySe(1<x<2,1<y<2) 및 AgxGeyTe(1<x<2,1<y<2) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 원자기반 전계효과 트랜지스터.11. The method of claim 10,
Chalcogenide material comprising the Cu or Ag is Cu x S (1 <x < 2), Cu x Se (1 <x <2), Cu x Te (1 <x <2), Cu x Ge y S (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Se (1 <x <2,1 <y <2), Cu x Ge y Te (1 <x <2,1 <y <2 ), Ag x S (1 <x <2), Ag x Se (1 <x <2), Ag x Te (1 <x <2), Ag x Ge y S (1 <x <<2), atomic-based containing at least any one of Ag x Ge y Se (1 < x <2,1 <y <2) and Ag x Ge y Te (1 < x <2,1 <y <2) Field effect transistor. 제8항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 1nm 내지 100nm인 것인 원자기반 전계효과 트랜지스터.9. The method of claim 8,
Wherein the insulating layer has a thickness of 1 nm to 100 nm.
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