KR20180106662A - 강유전성 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 있어서, 강유전성 메모리 소자는 기판, 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층, 전기적 부동층(electrical floating layer) 및 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물, 및 상기 강유전성 구조물 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함한다. 이때, 상기 제2 강유전성 물질층이 가지는 항전계(coercive electric field)의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층이 가지는 항전계의 절대치보다 크다.
Description
본 개시(disclosure)는 대체로(generally) 강유전성 메모리 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 강유전성 물질은 외부 전계가 인가되지 않은 상태에서, 자발적인 전기적 분극을 가지는 물질을 의미한다. 또한, 강유전성 물질은, 외부 전계의 인가에 의해, 히스테리시스 곡선 상의 두 개의 안정된 잔류 분극 중 어느 하나를 유지하도록 제어될 수 있다. 이러한 특징은 "0" 및 "1"의 로직 정보를 비휘발적으로 저장하는데 이용될 수 있다.
최근에는, 외부 전계의 크기를 조절하여 상기 강유전성 물질 내에서 분극이 스위칭되는 정도를 변화시킴으로써, 서로 차별되는 복수 레벨의 로직 정보를 저장하는 기술이 연구되고 있다. 상기 기술이 복수의 강유전성 메모리 셀을 구비하는 비휘발성 메모리 장치에 실효성 있게 적용되기 위해서는, 목적 메모리 셀에 대한 읽기 동작 또는 상기 목적 메모리 셀과 인접한 메모리 셀에 대한 쓰기 동작 시에, 상기 목적 메모리 셀이 상기 부분적으로 스위칭된 분극 배향 상태를 신뢰성있게 유지할 수 있을 것의 요건이 요청되고 있다.
본 개시의 실시 예는 복수 레벨의 논리 정보를 신뢰성 있게 저장할 수 있는 강유전성 메모리 소자를 제공한다.
본 개시의 일 측면에 따르는 강유전성 메모리 소자가 개시된다. 상기 강유전성 메모리 소자는 기판, 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층, 전기적 부동층(electrical floating layer) 및 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물, 및 상기 강유전성 구조물 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함한다. 이때, 상기 제2 강유전성 물질층이 가지는 항전계(coercive electric field)의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층이 가지는 항전계의 절대치보다 크다.
본 개시의 다른 측면에 따르는 강유전성 메모리 소자가 개시된다. 상기 강유전성 메모리 소자는 소스 영역 및 드레인 영역을 구비하는 기판을 포함한다. 또한, 상기 강유전성 메모리 소자는 상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층, 전기적 부동층(electrical floating layer), 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물을 포함한다. 또한, 상기 강유전성 메모리 소자는 상기 제2 강유전성 물질층 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함한다. 이때, 상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 서로 항전계를 가진다. 상기 강유전성 메모리 소자는, 제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향을 복수 레벨로 제어하여 복수 레벨 정보를 기록한다.
상술한 본 개시의 실시 예에 따르면, 강유전성 메모리 소자는, 기판과 게이트 전극층 사이에 제1 및 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물을 포함한다. 상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 서로 다른 히스테리시스 루프를 가질 수 있다. 이 때, 상기 히스테리시스 루프 상에서, 상기 제2 강유전성 물질층의 항전계의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층의 항전계의 절대치보다 클 수 있다.
상기 강유전성 메모리 소자에 대한 쓰기 동작은, 상기 게이트 전극층에 인가되는 기록 전압을 이용하여 상기 제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향을 복수 레벨로 제어하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 쓰기 동작의 결과, 상기 강유전성 구조물의 히스테리시스 루프의 거동은, 상기 제2 강유전성 물질층에 기록된 잔류 분극 상태에 따라 변화할 수 있다.
상기 강유전성 메모리 소자에 대한 읽기 동작은, 소정의 읽기 전압을 상기 게이트 전극층에 인가하고, 소스 및 드레인 영역 사이의 전류를 판독하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 읽기 전압에서, 상기 강유전성 구조물은 상기 제2 강유전성 물질층에 기록된 잔류 분극 배향에 따라, 서로 차별되는 분극값을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 상기 읽기 전압에서 상기 강유전성 구조물이 나타내는 서로 다른 복수의 분극값을 판독함으로써, 상기 강유전성 물질층에 저장된 복수 레벨의 논리 정보를 판독할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 의하면, 상기 읽기 동작이 진행될 때 인가되는 상기 읽기 전압은 상기 제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향을 변경하지 않을 수 있다. 구체적인 일 예로서, 상기 읽기 전압의 절대치는 상기 제2 강유전성 물질층의 항전계의 절대치보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향이 보다 신뢰성 있게 저장될 수 있다. 그 결과, 복수 레벨의 논리 정보를 안정적으로 구현하는 강유전성 메모리 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 물질층의 히스테리시스 루프를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 메모리 소자에 대한 복수 레벨 로직 정보의 기록 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3b, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 기록 동작에 대응하는 강유전성 메모리 소자의 전계-분극 간 히스테리시스 루프이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 있어서, 강유전성 물질층에 대한 기록 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 물질층의 히스테리시스 루프를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 메모리 소자에 대한 복수 레벨 로직 정보의 기록 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 3b, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 기록 동작에 대응하는 강유전성 메모리 소자의 전계-분극 간 히스테리시스 루프이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 있어서, 강유전성 물질층에 대한 기록 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면에서는 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 위에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 위에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 방법 또는 제조 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 단면이다. 도 1을 참조하면, 강유전성 메모리 소자(1)는 기판(101) 및 기판(101) 상에 배치되는 강유전성 구조물(10)을 포함한다. 강유전성 구조물(10)은 기판(101) 상에서 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층(120), 전기적 부동층(130), 및 제2 강유전성 물질층(140)을 포함한다. 또한, 강유전성 구조물(10)은 기판(101)과 제1 강유전성 물질층(120) 사이에 배치되는 계면 절연층(110)을 더 포함할 수 있다. 강유전성 메모리 소자(1)는 제1 및 제2 강유전성 물질층(120)이 가지는 분극 배향에 따라, 서로 다른 채널 저항을 가지는 트랜지스터 형태의 소자일 수 있다.
기판(101)은 일 예로서, 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(101)은 일 예로서, 실리콘(Si) 기판, 갈륨비소(GaAs) 기판, 인듐인(InP, indium phosphide) 기판, 게르마늄(Ge) 기판, 또는 실리콘 게르마늄(SiGe) 기판일 수 있다. 일 실시 예에서, 기판(101)은 도핑되어 전도성을 가질 수 있다. 일 예로서, 기판(101)은 p형으로 도핑될 수 있다. 다른 예로서, 기판(101)은 강유전성 구조물(10)의 하부에 적어도 p형으로 도핑된 영역을 가질 수 있다.
강유전성 구조물(10)의 양쪽 단부에 위치하는 기판(101)에는 소스 영역(160) 및 드레인 영역(170)이 배치될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 소스 영역(160) 및 드레인 영역(170)은 기판(101) 내에서 p형으로 도핑된 영역일 수 있다.
계면 절연층(115)이 기판(101) 상에 배치될 수 있다. 계면 절연층(115)은 기판(101)과 제1 강유전성 물질층(120) 사이의 물질 확산을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 계면 절연층(110)은 강유전성 메모리 소자(1)의 읽기 동작 시에 기판(101)의 채널을 통해 전도하는 전하가 제1 강유전성 절연층(120)으로 이동하는 것을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 계면 절연층(110)은 생략될 수 있다.
계면 절연층(110) 상에 제1 강유전성 물질층(120)이 배치될 수 있다. 제1 강유전성 물질층(120)은 내부에 잔류 분극을 구비하는 강유전성 물질을 포함할 수 있다. 상기 잔류 분극은, 강유전성 메모리 소자(1)에 읽기 전압이 인가될 때, 제1 강유전성 물질층(120)의 하부에 위치하는 기판(101)의 영역에 전도성 캐리어인 전자를 유도할 수 있다. 상기 유도되는 전자의 밀도에 따라, 채널 저항이 결정할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제1 강유전성 물질층(120)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 제1 강유전성 물질층(120)은 일 예로서, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물, 하프늄지르코늄 산화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제1 강유전성 물질층(120)은 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 일 예로서, 탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 란타넘(La) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제1 강유전성 물질층(120)은 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 제1 강유전성 물질층(120)은 일 예로서, 납 지그코늄티타늄산화물(Pb[ZrxTi1-x]O3 0<x<1, PZT), 바륨티타늄산화물(BaTiO3) 등을 포함할 수 있다.
제1 강유전성 물질층(120) 상에 전기적 부동층(electrical floating layer)(130)이 배치된다. 전기적 부동층(130)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 물질은 일 예로서, 금속, 금속질화물, 금속산화물, 금속실리사이드, 도핑된 반도체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구체적으로, 전기적 부동층(130)은, 텅스텐층, 티타늄층, 구리층, 알루미늄층, 백금층, 이리듐층, 루테늄층, 텅스텐 질화물층, 티타늄질화물층, 탄탈륨질화물층 이리듐 산화물층, 루테늄 산화물층, 텅스텐카바이드층, 티타늄카바이드층, 텅스텐실리사이드, 티타늄실리사이드층, 탄탈륨실리사이드, n형으로 도핑된 실리콘층 등을 포함할 수 있다.
전기적 부동층(130)의 내부에 분포하는 전자는, 제1 강유전성 물질층(120) 또는 제2 강유전성 물질층(140)의 분극 배향의 정도에 따라, 제1 강유전성 물질층(120) 또는 제2 강유전성 물질층(140)과의 계면에 서로 다른 밀도로 유도될 수 있다.
전기적 부동층(130) 상에 제2 강유전성 물질층(140)이 배치될 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은 제1 강유전성 물질층(120)과는 서로 다른 강유전 특성을 가질 수 있다. 도 2와 관련하여 후술하는 바와 같이, 제2 강유전성 물질층(140)의 히스테리시스 루프는 제1 강유전성 물질층(120)의 히스테리시스 루프와 그 형태가 차별될 수 있다. 일 예로서, 상기 제2 강유전성 물질층이 가지는 항전계(coercive electric field)의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층이 가지는 항전계의 절대치보다 클 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)은 제1 강유전성 물질층(120)과 서로 다른 금속 산화물을 포함할 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은 적어도 하나의 도펀트를 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)은 제1 강유전성 물질층(120)과 서로 동일한 금속 산화물을 포함하되, 서로 다른 도펀트를 포함할 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은 일 예로서, 하프늄산화물, 지르코늄산화물 및 하프늄지르코늄산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도펀트는 일 예로서, 탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd), 란타넘(La) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)은 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은 일 예로서, 납 지그코늄티타늄산화물(Pb[ZrxTi1-x]O3 0<x<1, PZT), 바륨티타늄산화물(BaTiO3) 등을 포함할 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은 제1 강유전성물 물질층(120)과 서로 다른 강유전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 강유전성 물질층(140) 상에 게이트 전극층(150)이 배치된다. 게이트 전극층(150)은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 게이트 전극층(150)은 일 예로서, 상기 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 텅스텐 질화물, 티타늄질화물, 탄탈륨질화물, 이리듐 산화물, 루테늄 산화물, 텅스텐카바이드, 티타늄카바이드, 텅스텐실리사이드, 티타늄실리사이드, 탄탈륨실리사이드 또는 이들의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 게이트 전극층(150)에 기록 전압을 인가하여, 제2 강유전성 물질층(140)의 분극 배향을 제어할 수 있다. 이때, 상기 기록 전압을 변화시킴으로써, 상기 분극 배향의 상태(state)를 복수 레벨로 조절할 수 있다. 구체적인 실시 예에서, 상기 분극 배향의 상태(state)를 복수 레벨로 조절하는 방법은, 상기 기록 전압의 크기 또는 인가 조건을 변화시켜, 제2 강유전성 물질층(140) 내에서 동일 방향으로 배향되는 분극을 가지는 도메인(domain) 영역의 분율을 변화시키는 과정으로 진행될 수 있다. 일 예로서, 제2 강유전성 물질층(140)이 상향 배향의 제1 분극 배향 및 하향 배향의 제2 분극 배향의 두가지 배향을 가질 수 있다. 이때, 제2 강유전성 물질층(140) 내에서 상기 제1 분극 배향을 가지는 도메인(domain) 영역 및 제2 분극 배향을 가지는 도메인 영역의 분율을 변화시킴에 따라, 제2 강유전성 물질층(140) 내에 복수 레벨의 분극 배향의 상태를 기록할 수 있다. 그 결과, 제2 강유전성 물질층(140) 내에 복수 레벨의 로직 정보가 기록될 수 있다.
제2 강유전성 물질층(140)의 분극 배향 상태가 복수 레벨 중 어느 하나로 결정되면, 상기 결정된 제2 강유전성 물질층(140)의 분극 배향 상태에 대응하여, 전기적 부동층(130)과의 계면에 유도되는 전자의 밀도가 결정될 수 있다. 이어서, 상기 결정된 전자 밀도에 의해, 제1 강유전성 물질층(120)의 전계-분극 간의 히스테리시스 루프가 변화할 수 있다.
강유전성 메모리 소자(1)에 대한 읽기 동작은, 소정의 읽기 전압을 강유전성 구조물(10)에 인가하여, 제2 강유전성 물질층(140)에 기록된 잔류 분극에 의해 변화된 강유전성 구조물(10)의 분극 특성을 판별하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 읽기 동작은 상기 제2 강유전성 물질층(140)에 저장된 분극 배향 상태를 변경하지 않는 범위의 읽기 전압을 인가하여 수행될 수 있다. 따라서, 상기 읽기 동작 중에, 목적 메모리 셀, 또는 인접하는 메모리 셀에 저장된 잔류 분극이 변경되지 않아, 복수 레벨의 로직 정보가 신뢰성있게 저장될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 물질층의 히스테리시스 루프를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1 및 제2 히스테리시스 루프(210, 220)는 도 1과 관련하여 상술한 실시예의 제1 및 제2 강유전성 물질층(120, 140)이 가지는 히스테리시스 루프에 각각 대응될 수 있다.
도 2의 제1 히스테리시스 루프(210)를 참조하면, 제1 강유전성 물질층(120)은 원점을 기준으로 서로 대칭적인 한쌍의 잔류 분극(Pr1, -Pr1)과 한쌍의 항전계(coercive electric field) (Ec1, -Ec1)를 가질 수 있다. 제1 강유전성 물질층(120)은, 제1 및 제2 포화 전계(Ep1, En1)에서 제1 및 제2 포화 분극(Pp1, -Pn1)를 각각 가질 수 있다.
마찬가지로, 제2 히스테리시스 루프(220)을 참조하면, 제2 강유전성 물질층(140)은 원점을 기준으로 서로 대칭적인 한쌍의 잔류 분극(Pr2, -Pr2)와 한쌍의 항전계(Ec2, -Ec2)를 가질 수 있다. 제2 강유전성 물질층(140)은, 제1 및 제2 포화 전계(Ep2, En2)에서 제1 및 제2 포화 분극(Pp2, Pn2)를 각각 가질 수 있다.
본 개시의 실시 예에서, 제2 강유전성 물질층(140)이 가지는 항전계(Ec2, -Ec2)의 절대치는 제1 강유전성 물질층(120)이 가지는 항전계(Ec1, -Ec1)의 절대치보다 클 수 있다. 이때, 도시되는 바와 같이, 제2 강유전성 물질층(140)이 가지는 잔류 분극(Pr2, -Pr2)의 절대치는 제1 강유전성 물질층(120)이 가지는 잔류 분극(Pr1, -Pr1)의 절대치보다 작을 수 있다. 도시되지 않은 몇몇 다른 실시예들에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)이 가지는 항전계(Ec2, -Ec2)의 절대치가 제1 강유전성 물질층(120)이 가지는 항전계(Ec1, -Ec1)의 절대치보다 크며, 제2 강유전성 물질층(140)이 가지는 잔류 분극(Pr2, -Pr2)의 절대치는 제1 강유전성 물질층(120)이 가지는 잔류 분극(Pr1, -Pr1)의 절대치와 같거나 클 수 있다.
도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 강유전성 메모리 소자에 대한 복수 레벨 로직 정보의 기록 동작을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 3b, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 기록 동작에 대응하는 강유전성 메모리 소자의 전계-분극 간 히스테리시스 루프이다.
도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a에 도시되는 강유전성 메모리 소자의 구성은 도 1과 관련하여 상술한 강유전성 메모리 소자(1)의 구성과 실질적으로 동일하다. 설명의 편의를 위해, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a에서 기판(101)의 도시는 생략된다. 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a는 제2 강유전성 물질층(140)에 분극 배향을 기록하는 동작을 개략적으로 도시하고 있으며, 도 3b, 도 4b, 도 5b 및 도 6b는 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a의 기록 동작에 완료된 후에, 제2 강유전성 물질층(140)에 기록된 잔류 분극 배향에 따라 변화하는 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프를 개략적으로 나타내고 있다.
도 3a를 참조하면, 강유전성 구조물(10)에 전원(V)으로부터 제1 쓰기 전압이 인가된다. 일 실시 예에서, 제1 쓰기 전압에 의해, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 분극 배향이, 전부 하향 분극(Pdn)을 가지는 제1 분극 배향 상태로 변경될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제1 쓰기 전압은 도 2와 관련하여 상술한 제2 히스테리시스 루프(220)의 항전계(Ec2)보다 높은 전계에 대응될 수 있다. 구체적인 일 예로서, 상기 제1 쓰기 전압은 제2 히스테리시스 루프(220)의 제1 포화 전계(Ep2)보다 높은 전계에 대응될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 소정의 항전계(Ec3p, Ec3n) 및 잔류 분극(Pr3p, Pr3n)을 가지는 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프가 도시된다. 상기 히스테리시스 루프 상에는 포화 전계(E3p,E3n)에 대응되는 포화 분극(P3p, P3n)이 각각 도시된다.
제2 강유전성 물질층(140)이 상기 제1 분극 배향 상태를 가지는 경우, 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프는 원점을 기준으로 서로 대칭되지 않는 모습을 나타낼 수 있다. 양의 전계가 인가될 때의 항전계(Ec3p)가 음의 전계가 인가될 때의 항전계(Ec3n)보다 작을 수 있다. 또한, 양의 전계가 인가될 때의 포화 전계(E3p)가 음의 전계가 인가될 때의 포화 전계(E3n)보다 작을 수 있다. 즉, 제2 강유전성 물질층(140)의 상기 분극 배향 상태가, 제1 강유전성 물질층(120)의 분극 배향을 하향 분극 상태로 스위칭시키는 것을 도울 수 있다.
도 4a를 참조하면, 강유전성 구조물(10)에 전원(V)으로부터 제2 쓰기 전압이 인가된다. 일 실시 예에서, 제2 쓰기 전압에 의해, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 분극 배향이, 전부 상향 분극(Pup)을 가지는 제2 분극 배향 상태로 변경될 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 제2 쓰기 전압은 도 2와 관련하여 상술한 제2 히스테리시스 루프(220)의 항전계(-Ec2)보다 절대치가 큰 음의 전계에 대응될 수 있다. 구체적인 일 예로서, 상기 제2 쓰기 전압은 제2 히스테리시스 루프(220)의 제2 포화 전계(En2)의 절대치 보다 큰 절대치를 가지는 음의 전계에 대응될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 항전계(Ec4p, Ec4n) 및 잔류 분극(Pr4p, Pr4n)을 가지는 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프가 도시된다. 상기 히스테리시스 루프 상에는 포화 전계(E4p,E4n)에 대응되는 포화 분극(P4p, P4n)이 각각 도시된다.
제2 강유전성 물질층(140)이 상기 제2 분극 배향 상태를 가지는 경우, 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프는 원점을 기준으로 서로 대칭되지 않는 모습을 나타낼 수 있다. 양의 전계가 인가될 때의 항전계(Ec4p)가 음의 전계가 인가될 때의 항전계(Ec4n) 보다 클 수 있다. 또한, 양의 전계가 인가될 때의 포화 전계(E4p)가 음의 전계가 인가될 때의 포화 전계(E4n)보다 클 수 있다. 즉, 제2 강유전성 물질층(140)의 상향 분극(Pup)의 배향 상태가, 제1 강유전성 물질층(120)의 분극 배향을 하향 분극 상태로 스위칭시키는 것을 방해할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 강유전성 구조물(10)에 전원(V)으로부터 제3 쓰기 전압이 인가된다. 일 실시 예에서, 제3 쓰기 전압에 의해, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 분극 배향이, 상향 분극(Pup) 및 하향 분극(Pdn)을 포함하는 제3 분극 배향 상태로 변경될 수 있다. 다만, 상기 제3 분극 배향 상태에서는, 하향 분극(Pdn)의 분율이 상향 분극(Pup)의 분율보다 클 수 있다. 일 예로서, 제2 강유전성 물질층(140) 내에서 상기 하향 분극(Pdn)의 배향을 가지는 도메인(domain) 영역이 상기 상향 분극(Pup)의 배향을 가지는 도메인 영역보다 클 수 있다.
도 5b를 참조하면, 항전계(Ec5p, Ec5n) 및 잔류 분극(Pr5p, Pr5n)을 가지는 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프가 도시된다. 상기 히스테리시스 루프 상에는 포화 전계(E5p,E5n)에 대응되는 포화 분극(P5p, P5n)이 각각 도시된다. 제2 강유전성 물질층(140)이 상기 제3 분극 배향 상태를 가지는 경우, 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프는 원점을 기준으로 서로 대칭되지 않는 모습을 나타낼 수 있다.
도 5b를 다시 참조하면, 양의 전계가 E5a 내지 E5b 사이로 인가되는 경우, 중간 분극(Pi5)이 생성될 수 있다. 상기 중간 분극(Pi5)의 절대치는 잔류 분극(Pr5p, Pr5n)의 절대치보다 작을 수 있다. 또한, 상기 중간 분극(Pi5)의 절대치는 도 3b와 관련하여 상술한 히스테리시스 루프의 잔류 분극(Pr3p, Pr3n)의 절대치 및 도 4b와 관련하여 상술한 히스테리시스 루프의 잔류 분극(Pr4p, Pr4n)의 절대치보다 작을 수 있다.
한편, 도 3b과 관련하여 상술한 제1 분극 배향 상태일 때의 히스테리시스 루프와 대비하여, 도 5b에 도시되는 상기 제3 분극 배향 상태일 때의 히스테리시스 루프에서는 양의 전계가 인가되는 동안 제2 강유전성 물질층(140) 내에 분포하는 상향 분극(Pup)이 제1 강유전성 물질층(120)의 분극 배향을 하향 분극(Pdn)으로 스위칭시키는 것을 방해하는 것을 나타내고 있다. 이에 따라, 도 5b에 도시되는 히스테리시스 루프의 양의 바이어스에서의 포화 전계(E5p)는 도 3b에 도시되는 히스테리시스 루프의 양의 바이어스에서의 포화 전계(E3p)보다 클 수 있다. 다만, 도 5b의 히스테리시스 루프에는 항전계(Ec5p, Ec5n)는 도 3b의 히스테리시스 루프의 항전계(Ec3p, Ec3n)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 6a를 참조하면, 강유전성 구조물(10)에 전원(V)으로부터 제4 쓰기 전압이 인가된다. 일 실시 예에서, 제4 쓰기 전압에 의해, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 분극 배향이, 상향 분극(Pup) 및 하향 분극(Pdn)을 포함하는 제4 분극 배향 상태로 변경될 수 있다. 다만, 상기 제4 분극 배향 상태에서는, 상기 상향 분극(Pup)의 분율이 상기 하향 분극(Pdn)의 분율보다 클 수 있다. 일 예로서, 제2 강유전성 물질층(140) 내에서 상기 상향 분극(Pup)의 배향을 가지는 도메인(domain) 영역이 상기 하향 분극(Pdn)의 배향을 가지는 도메인 영역보다 클 수 있다.
도 6b를 참조하면, 항전계(Ec6p, Ec6n) 및 잔류 분극(Pr5p, Pr5n)을 가지는 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프가 도시된다. 상기 히스테리시스 루프 상에는 포화 전계(E6p,E6n)에 대응되는 포화 분극(P6p, P6n)이 각각 도시된다. 제2 강유전성 물질층(140)이 상기 제4 분극 배향 상태를 가지는 경우, 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프는 원점을 기준으로 서로 대칭되지 않는 모습을 나타낼 수 있다.
도 6b를 다시 참조하면, 양의 전계가 E6a 내지 E6b 사이로 인가되는 경우, 중간 분극(Pi6)이 생성될 수 있다. 상기 중간 분극(Pi6)의 절대치는 잔류 분극(Pr6p, Pr6n)의 절대치보다 작을 수 있다. 또한, 상기 중간 분극(Pi6)의 절대치는 도 3b와 관련하여 상술한 히스테리시스 루프의 잔류 분극(Pr3p, Pr3n)의 절대치 및 도 4b와 관련하여 상술한 히스테리시스 루프의 잔류 분극(Pr4p, Pr4n)의 절대치보다 작을 수 있다.
한편, 도 5b과 관련하여 상술한 제3 분극 배향 상태일 때의 히스테리시스 루프와 대비하여, 도 6b에 도시되는 히스테리시스 루프에서는 제2 강유전성 물질층(140) 내에 분포하는 상향 분극(Pup)이 제1 강유전성 물질층(120)의 분극 배향을 하향 분극(Pdn)으로 스위칭시키는 것을 방해하는 정도가 클 수 있다. 이에 따라, 도 6b에 도시되는 히스테리시스 루프의 양의 전계에서의 포화 전계(E6p)는 도 5b에 도시되는 히스테리시스 루프의 양의 전계에서의 포화 전계(E5p)보다 클 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 도 6b의 히스테리시스 루프에서 중간 분극(Pi6)을 생성하는 전계 구간 E6a 내지 E6b 은, 도 5b의 히스테리시스 루프에서 중간 분극(Pi5)을 생성하는 전계 구간 E5a 내지 E5b 과 실질적으로 동일할 수 있다. 다만, 도 5b의 히스테리시스 루프의 중간 분극(Pi5)과 도 6b의 히스테리시스 루프의 중간 분극(Pi6)은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 즉, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 잔류 분극의 배향 상태에 따라, 동일한 전계에서 서로 다른 중간 분극이 나타날 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시의 일 실시 예에 의하면, 강유전성 메모리 소자(1)는, 기판(101)과 게이트 전극층(150) 사이에 제1 및 제2 강유전성 물질층(120, 140)을 구비하는 강유전성 구조물(10)을 포함한다. 제1 및 제2 강유전성 물질층(120, 140)은 서로 다른 히스테리시스 루프를 가질 수 있다. 일 예로서, 상기 히스테리시스 루프 상에서, 제2 강유전성 물질층(140)의 항전계의 절대치는 제1 강유전성 물질층(120)의 항전계의 절대치보다 클 수 있다.
강유전성 메모리 소자(1)에 대한 쓰기 동작은, 게이트 전극층(150)에 인가되는 기록 전압을 이용하여 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극 배향을 복수 레벨로 제어하는 과정으로 진행될 수 있다. 일 실시 예로서, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 도 6a에 도시되는 잔류 분극 배향을 가질 수 있다. 한편, 상기 쓰기 동작의 결과, 전체 강유전성 구조물(10)의 히스테리시스 루프의 거동은, 제2 강유전성 물질층(140)에 기록된 잔류 분극 상태에 따라 변화할 수 있다.
강유전성 메모리 소자(1)에 대한 읽기 동작은, 제2 강유전성 물질층(140)의 상기 잔류 분극 배향을 변경하지 않는 크기의 읽기 전압을 게이트 전극층(150)에 인가하고, 소스 및 드레인 영역 사이의 전류를 판독하는 과정으로 진행될 수 있다. 따라서, 상기 읽기 전압은 도 2에서 제2 강유전성 물질층(140)에 대응되는 제2 히스테리시스 루프(220)의 항전계(Ec2)에 대응되는 전압보다 작을 수 있다.
일 실시 예로서, 도 5b에 도시되는 히스테리시스 루프의 E5a 내지 E5b 범위 또는 도 6b에 도시되는 히스테리시스 루프의 E6a 내지 E6b 범위 내의 전계에 대응되는 읽기 전압을 인가하고, 서로 차별되는 중간 분극(Pi5, Pi6)을 판독함으로써, 강유전성 메모리 소자(1)에 저장된 복수 레벨의 로직 정보를 판별할 수 있다. 비록, 도 3a 내지 도 6a, 및 도 3b 내지 도 6b와 관련하여 상술한 실시예에서는, 2개의 중간 분극(Pi5, Pi6)을 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 제2 강유전성 물질층(140) 내의 잔류 분극 배향 상태에 따라, 강유전성 구조물(10)은 2개의 잔류 분극 사이에 복수개의 중간 분극값으로 구현될 수 있다.
한편, 본 개시의 실시 예에 의하면, 상기 읽기 동작이 제2 강유전성 물질층(140)에 저장된 잔류 분극 배향을 변경하지 않음으로써, 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극 배향이 보다 신뢰성 있게 유지될 수 있다. 그 결과, 복수 레벨의 논리 정보를 안정적으로 저장하는 강유전성 메모리 소자(1)를 제공할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 있어서, 강유전성 물질층에 대한 기록 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다. 상기 강유전성 물질층은 도 1과 관련하여 상술한 강유전성 메모리 소자(1)의 제2 강유전성 물질층(140)에 대응될 수 있다.
도 7은 기록 동작에 따르는, 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극 배향을 개략적으로 도시하고 있다. 일 실시 예에 있어서, 제2 강유전성 물질층(140)에는 도 2의 제2 히스테리시스 루프(220)의 제2 포화 전계(En2)의 절대치 이상의 절대치를 가지는 음의 전계에 대응되는 전압이 먼저 인가될 수 있다. 이에 따라, 제2 강유전성 물질층(140)의 전체에 걸쳐, 잔류 분극은 상향 분극(Pup)으로 배향될 수 있다.
이어서, 도 7의 710 상태를 참조하면, 도 2의 제2 히스테리시스 루프(200)의 제1 포화 전계(Ep2) 이상의 양의 전계에 대응되는 제1 쓰기 전압을 제1 시간(t0) 동안 인가한다. 상기 제1 시간(t0)은 상향 분극(Pup)이 하향 분극(Pdn)으로 스위칭되지 않을 정도의 짧은 시간이다. 상기 710 상태는 도 4a와 관련하여 상술한 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극의 배향 상태에 대응될 수 있다.
이어서, 도 7의 720 상태를 참조하면, 상기 제1 쓰기 전압과 동일한 극성 및 크기의 제2 쓰기 전압이 인가된 상태에서, 인가 시간을 제2 시간(t1)으로 증가시킨다. 이에 따라, 제2 강유전성 물질층(140) 내의 상향 분극(Pup)의 일부분이 하향 분극(Pdn)으로 스위칭될 수 있다. 상기 720 상태는 도 6a와 관련하여 상술한 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극의 배향 상태에 대응될 수 있다.
이어서, 도 7의 730 상태를 참조하면, 상기 제1 쓰기 전압과 동일한 극성 및 크기의 제3 쓰기 전압이 인가된 상태에서, 인가 시간을 제3 시간(t3)으로 증가시킨다. 이에 따라, 제2 강유전성 물질층(140) 내에서 보다 많은 분율의 상향 분극(Pup)이 하향 분극(Pdn)으로 스위칭될 수 있다. 상기 730 상태는 도 5a와 관련하여 상술한 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극의 배향 상태에 대응될 수 있다.
이어서, 도 7의 740 상태를 참조하면, 상기 제1 쓰기 전압과 동일한 극성 및 크기의 제4 쓰기 전압이 인가된 상태에서, 인가 시간을 제4 시간(t4)으로 증가시킨다. 이에 따라, 제2 강유전성 물질층(140)의 상향 분극(Pup)이 모두 하향 분극(Pdn)으로 스위칭될 수 있다. 상기 740 상태는 도 3a와 관련하여 상술한 제2 강유전성 물질층(140)의 잔류 분극의 배향 상태에 대응될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일 실시 예에 따르는 제2 강유전성 물질층(140)에 대한 복수 레벨 정보의 쓰기 동작이 진행될 수 있다. 상기 쓰기 동작은 제2 강유전성 물질층(140)이 가지는 포화 전계 이상의 전계에 대응되는 전압을 동일하게 인가하되, 인가 시간을 조절함으로써 달성할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 출원의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 강유전성 메모리 소자,
10: 강유전성 구조물,
101: 기판, 110: 계면 절연층,
120: 제1 강유전성 물질층, 130: 전기적 부동층,
140: 제2 강유전성 물질층, 150: 게이트 전극층,
160: 소스 영역, 170: 드레인 영역.
10: 강유전성 구조물,
101: 기판, 110: 계면 절연층,
120: 제1 강유전성 물질층, 130: 전기적 부동층,
140: 제2 강유전성 물질층, 150: 게이트 전극층,
160: 소스 영역, 170: 드레인 영역.
Claims (20)
- 기판;
상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층, 전기적 부동층(electrical floating layer) 및 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물;
상기 강유전성 구조물 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함하고,
상기 제2 강유전성 물질층이 가지는 항전계(coercive electric field)의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층이 가지는 항전계의 절대치보다 큰
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기적 부동층은 전도성 물질을 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제2 항에 있어서,
상기 전도성 물질은
금속, 금속질화물, 금속산화물, 금속실리사이드 및 도핑된 반도체 중 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 동일한 금속 산화물을 포함하되 서로 다른 도펀트를 구비하는
강유전성 메모리 소자.
- 제4 항에 있어서,
상기 금속 산화물은
하프늄산화물, 지르코늄산화물 및 하프늄지르코늄산화물 중 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제4 항에 있어서,
상기 도펀트는
탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd) 및 란타넘(La) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 서로 다른 금속 산화물을 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층에 인가되는 소정의 기록 전압에 의해 상기 제2 강유전성 물질층의 분극 배향은 복수의 레벨로 조절되는
강유전성 메모리 소자. - 제8 항에 있어서,
상기 제2 강유전성 물질층의 분극 배향에 대응하여, 상기 전기적 부동층에 유도되는 전자 분포가 결정되며,
상기 결정된 전자 분포에 의해, 상기 제1 강유전성 물질층의 분극 배향이 결정되는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 게이트 전극층은
텅스텐(W), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 텅스텐 질화물, 티타늄질화물, 탄탈륨질화물, 이리듐 산화물, 루테늄 산화물, 텅스텐카바이드, 티타늄카바이드, 텅스텐실리사이드, 티타늄실리사이드, 및 탄탈륨실리사이드 중 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 강유전성 구조물은
상기 기판과 상기 제1 강유전성 물질층 사이에 배치되는 계면 절연층을 더 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 강유전성 구조물의 양단의 기판에 배치되는 소스 영역 및 드레인 영역을 더 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 소스 영역 및 드레인 영역을 구비하는 기판;
상기 기판 상에 순차적으로 적층되는 제1 강유전성 물질층, 전기적 부동층(electrical floating layer), 제2 강유전성 물질층을 구비하는 강유전성 구조물; 및
상기 제2 강유전성 물질층 상에 배치되는 게이트 전극층을 포함하고,
상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 서로 항전계를 가지며,
제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향을 복수 레벨로 제어하여 복수 레벨 정보를 기록하는
강유전성 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 제2 강유전성 물질층의 잔류 분극 배향에 따라 변화하는 상기 강유전성 구조물의 분극 특성을 이용하여, 상기 복수 레벨 정보를 판독하는
강유전성 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 제2 강유전성 물질층의 항전계(coercive electric field)의 절대치는 상기 제1 강유전성 물질층의 항전계의 절대치보다 큰
강유전성 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 전기적 부동층은 금속, 전도성 금속질화물, 전도성 금속산화물, 전도성 금속실리사이드 및 도핑된 전도성 반도체 중 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 동일한 금속 산화물을 포함하되,
서로 다른 도펀트를 가지는
강유전성 메모리 소자.
- 제17 항에 있어서,
상기 금속 산화물은
하프늄산화물, 지르코늄산화물 및 하프늄지르코늄산화물 중 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제17 항에 있어서,
상기 도펀트는
탄소(C), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트륨(Y), 질소(N), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 스트론튬(Sr), 납(Pb), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 가돌리늄(Gd) 및 란타넘(La) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
강유전성 메모리 소자.
- 제13 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 강유전성 물질층은 서로 다른 금속 산화물을 포함하는
강유전성 메모리 소자.
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