KR20180115995A - 멤캐패시터를 이용한 트랜지스터 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시냅틱 트랜지스터 소자로 적용이 가능한 새로운 형태의 트랜지스터 소자에 관한 것으로, 산화물 반도체층; 상기 산화물 반도체층에 접하여 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층에 접하여 형성된 게이트 전극; 상기 산화물 반도체층에 접하며 서로 이격되어 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하여 구성되며, 상기 산화물 반도체층이 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질이고, 상기 게이트 절연층은 산소 공공을 포함하는 산화물 재질로 구성되어, 전극에 인가된 전류에 의해서 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동함으로써, 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 멤캐패시터 특성을 트랜지스터 소자에 이용함으로써, 시냅스의 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터 소자를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Description

멤캐패시터를 이용한 트랜지스터 소자 및 그 제조방법{TRANSISTOR DEVICE HAVING MEMCAPACITOR AND MANUFACTURING METHOD OF THE DEVICE}
본 발명은 트랜지스터 소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 시냅틱 트랜지스터와 메모리 소자로서 적용할 수 있는 새로운 형태의 트랜지스터 소자에 관한 것이다.
최근 전통적인 회로의 구성요소로서 알려진 R(저항), L(코일), C(콘덴서)에 더하여, 새로운 특성을 가진 회로 구성요소가 등장하고 있다.
이들 중에 멤캐패시터(memcapacitor)는 인가된 전압에 의해서 비휘발적으로 정전용량(capacitance)이 변화하는 커패시터 소자이며, 트랜지스터 구조에서 게이트절연층 부근의 이온분포 변화를 통해서 용량의 변화를 얻는 기술(미국등록 8,437,174) 등이 개발되고 있으나, 속도와 안정성 및 용량 변화폭 등이 더 우수한 소자에 대한 요구가 계속되고 있다.
최근 들어, 뉴로모픽 시스템으로서 생체시스템의 신경 시냅스를 모사하는 소자를 이러한 멤리스터를 이용하여 구현하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 멤리스터는 전극/저항변화층/전극으로 이루어진 2단자 소자로서, 인가된 전압에 의해 저항변화층의 저항이 변하는 과정으로 소자 동작이 이루어진다. 이는 신경시스템의 뉴런/시냅스/뉴런의 구조와 유사하며, 뉴런을 통하여 시냅스에 신호가 인가되면 시냅스에서의 이온분포가 변하면서 신경전달물질(neurotransmitter)이 다음 뉴런으로 전달되면서 신호를 전달되게 된다. 이 과정에서 시냅스 내부의 이온과 수용체(neuroacceptor)의 농도와 분포가 달라지면서 신호전달능력, 소위 시냅스 강도(synaptic strength)가 변하게 된다. 이는 시냅스가 신호를 전달하는 역할과 이로 인해 시냅스의 전달능력이 변하는 역할을 동시에 수행하고, 즉 신호처리와 기억과정이 동시에 일어나는 특성, 즉 학습 능력을 갖게 된다. 이러한 과정이 멤리스터 소자에서의 저항변화층의 저항값이 인가된 전압/전류 이력에 따라 변하는 과정과 유사하여, 멤리스터를 이용하여 시냅스를 모사하는 소자를 구현하려는 연구가 활발히 시도되고 있다. 반면에 시냅스 소자를 구현함에 있어서 이러한 2단자 멤리스터를 이용하는 경우에는 "신호처리(signal processing)"와 "학습(learning)" 과정을 동시에 수행하는데 어려움이 있다는 단점이 있다. 학습과정으로 많이 활용되는 방법으로 STDP(spike-timing-dependent-plasticity) 방법이 많이 활용되는데, 이는 전뉴런(pre-neuron)과 후뉴런(post-neuron) 사이에 인가되는 전압의 시간차에 따라 시냅스 강도가 변하는 정도를 제어하는 방법이다. 이 과정에서 서로 양쪽의 뉴런에 서로 다른 방향으로 학습을 위한 신호가 인가되어야 함으로, 이 동안에는 한쪽 방향으로 신호가 인가되어 신호처리를 진행하는 것이 멈추어져야 한다. 즉 학습과 신호처리가 동시에 진행되는 것이 불가능함을 의미한다.(Nishitani, Y.; Kaneko, Y.; Ueda, M.; Morie, T.; Fujii, E.; "Three-terminal ferroelectric synapse device with concurrent learning function for artificial neural networks", J. Appl. Phys. 111, 124108 (2012))
이러한 이유로 인해, 멤리스터와 같은 2단자 소자가 아닌 3단자 또는 4단자 소자인 트랜지스터를 이용하여 시냅스의 거동을 모사하려는 시도가 이루어지고 있다. 기존의 2단자 소자에 비해, 3단자 이상의 트랜지스터 소자를 이용하면, 트랜지스터의 소스(preneuron)와 드레인(postneuron) 사이의 전압에 의해 신호처리를 함과 동시에 게이트 전압을 인가하여 시냅스 강도를 조절하는 학습을 동시에 수행하는 것이 가능하다. 이렇게 소스-드레인 사이의 전압에 의한 신호처리 도중에 게이트 전압에 의해 학습과정이 동시에 수행될 수 있으므로 시냅스 거동을 보다 유연하고 다양하게 구현할 수 있다.
현재까지 이러한 시냅스 트랜지스터를 구현하기 위한 몇 가지 방법들이 제안되어 보고된 바 있다. 예를 들어, Nishitani 등은 강유전성(ferroelectric) 게이트 절연층을 갖는 트랜지스터를 이용하여 ferroelectric Pb(Zr,Ti)O3 게이트 절연층의 분극정도를 조절하여 트랜지스터의 컨덕턴스(conductance)를 조절하는 방법으로 시냅스 거동을 구현하였다.(Nishitani, Y.; Kaneko, Y.; Ueda, M.; Morie, T.; Fujii, E.; "Three-terminal ferroelectric synapse device with concurrent learning function for artificial neural networks", J. Appl. Phys. 111, 124108 (2012)).
미국등록 8,437,174
Nishitani, Y.; Kaneko, Y.; Ueda, M.; Morie, T.; Fujii, E.; "Three-terminal ferroelectric synapse device with concurrent learning function for artificial neural networks", J. Appl. Phys. 111, 124108 (2012)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 시냅틱 트랜지스터 소자로 적용이 가능한 새로운 형태의 트랜지스터 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 트랜지스터 소자는, 산화물 반도체층; 상기 산화물 반도체층에 접하여 형성된 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층에 접하여 형성된 게이트 전극; 상기 산화물 반도체층에 접하며 서로 이격되어 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하여 구성되며, 상기 산화물 반도체층이 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질이고, 상기 게이트 절연층은 산소 공공을 포함하는 산화물 재질로 구성되어, 전극에 인가된 전류에 의해서 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동함으로써, 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 형태에 의한 트랜지스터 소자는, 기판; 상기 기판 위의 소정 위치에 형성된 게이트 전극; 상기 게이트 전극이 형성된 기판 위에 상기 게이트 전극을 덮으며 위치하는 게이트 절연층; 상기 게이트 절연층 위에 형성된 산화물 반도체층; 상기 산화물 반도체층 위에서 서로 이격되어 위치하되, 이격된 공간의 하부에 상기 게이트 절연층이 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하여 구성되며, 상기 산화물 반도체층이 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질이고, 상기 게이트 절연층은 산소 공공을 포함하는 산화물 재질로 구성되어, 전극에 인가된 전류에 의해서 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동함으로써, 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 트랜지스터 소자는 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질의 산화물 반도체층과 산소 공공을 포함하는 산화물 재질인 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동하여 나타나는 멤캐패시터 특성을 이용하는 것을 특징으로 한다.
게이트 절연층은 HfOx, CeOx, TaOx, YOx, HfLaOx, TiOx 및 ZrOx 중 하나의 재질이며, 산소 공공을 포함하도록 비화학적양론비를 갖는 것이 바람직하다.
산화물 반도체층은 ZnO, IGZO(Indium gallium zinc oxide), IZTO(Indium zinc tin oxide), ZGTO(Zinc gallium tin oxide), ZTO(Zinc tin oxide), ZIO(Zinc indium oxide) 및 ZGO(Zinc gallium oxide) 중 하나의 재질인 것이 바람직하다.
게이트 전극에 인가된 전류 또는 소스 전극과 드레인 전극 사이에 인가된 전류에 의해서, 산화물 반도체층과 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동하게 되고, 결과적으로 트랜지스터의 전기적 특성이 변화하게 된다.
구체적으로 산화물 반도체층에 형성된 채널의 이동도(μ), 게이트 산화물층의 커패시턴스(COX) 및 문턱전압(VT) 중에 적어도 하나가 변화함으로써 트랜지스터 소자의 전기적 특성이 변한다.
이러한 트랜지스터 소자의 전기적 특성 변화는 아날로그적이거나 가역적일 수 있다.
또한, 전기적 특성 변화는 비휘발적 기억특성을 갖게 되어 메모리 소자일 수 있다.
나아가 전기적 특성 변화에 의해서 시냅스 모사 거동을 수행할 수 있는 시냅틱 트랜지스터 소자일 수 있다.
구체적으로 시냅스의 시냅틱 웨이트(synaptic weight) 변조 거동을 모사할 수 있고, 시냅스 증강(synaptic potentiation) 거동이나 시냅스 저하(synaptic depression) 거동을 모사하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 형태에 의한 트랜지스터 소자의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 표면의 소정 위치에 게이트 전극을 형성하는 단계; 상기 게이트 전극 및 노출된 기판의 표면을 덮도록 산소 공공을 포함하는 산화물 재질의 게이트 절연층을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연층의 위에 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질의 상기 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 산화물 반도체층의 위에 서로 이격되도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극이 이격된 공간의 하부에 상기 게이트 전극이 위치하도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.
게이트 절연층을 형성하는 단계에서, 게이트 절연층으로서 HfOx, CeOx, TaOx, YOx, HfLaOx, TiOx 및 ZrOx 중 하나의 재질을 사용하되 산소 공공을 포함하는 비화학적양론비로 형성하는 것이 바람직하다.
산화물 반도체층을 형성하는 단계에서, 산화물 반도체층으로서 ZnO, IGZO(Indium gallium zinc oxide), IZTO(Indium zinc tin oxide), ZGTO(Zinc gallium tin oxide), ZTO(Zinc tin oxide), ZIO(Zinc indium oxide) 및 ZGO(Zinc gallium oxide) 중 하나의 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 멤캐패시터 특성을 트랜지스터 소자에 이용함으로써, 시냅스의 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터 소자를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 소자의 단면 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2와 도 3은 비교예의 트랜지스터 소자에 대한 전기적 특성을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4와 도 5는 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대한 전기적 특성 변화를 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6과 도 7은 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대하여 역방향 스위핑에 따른 가역거동을 확인하기 위한 측정결과이다.
도 8과 도 9는 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대하여 게이트 전압을 펄스로 인가하는 경우에 대한 전기적 특성 변화를 측정한 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 소자의 단면 구조를 나타내는 모식도이다.
본 실시예의 트랜지스터 소자는, 기판(100)에 트랜지스터 소자를 구성하기 위하여 필요한 3개의 전극인 게이트 전극(200)과 드레인 전극(500) 및 소스 전극(600)을 구비하며, 게이트 전극(200)에 접하는 게이트 절연층(300)과 산화물 반도체층(400)이 소스 전극(600) 및 드레인 전극(500)과 접하도록 적층되어 있다.
이하에서는 본 실시예의 트랜지스터 소자를 제조하는 순서 및 구체적인 구조를 설명한다.
먼저 기판(100)으로 SiO2/Si 재질의 기판을 준비한다.
그리고 기판(100) 위의 소정 위치에 게이트 전극(200)을 형성한다. 이때, 게이트 전극(200)은 2개 층으로 구성하며, 기판(100)에 접하는 하부에 Ti층(210)을 먼저 형성하고, 그 위에 Pt층(220)을 형성한다.
게이트 전극(200)이 형성된 기판(100)의 표면에 게이트 전극(200)을 덮도록 게이트 절연층(300)을 형성한다. 게이트 절연층(300)은 약 100nm의 두께로 산소공공을 포함하는 산화물 재질로서, 본 실시예에서는 구체적으로 HfOx(x<2) 재질이며, 게이트 전극(200)의 Pt층(220)에 접한다. 게이트 전극(200)은 단면 구조상 게이트 절연층(300)에 의해서 고립된 것으로 도시되었으나, 외부와 전기적으로 연결되어 있다.
게이트 절연층(300)의 위에 산화물 반도체층(400)을 형성한다. 산화물 반도체층(400)은 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질로서, ZnO, IGZO(Indium gallium zinc oxide), IZTO(Indium zinc tin oxide), ZGTO(Zinc gallium tin oxide), ZTO(Zinc tin oxide), ZIO(Zinc indium oxide) 및 ZGO(Zinc gallium oxide) 등이 가능하며, 본 실시예에서는 IGZO 재질을 사용하여 약 80nm의 두께로 형성하였다.
다음으로 산화물 반도체층(400)의 위에 소스 전극(600)과 드레인 전극(500)을 이격하여 형성한다. 소스 전극(600)과 드레인 전극(500)은 Al 재질이며, 소스 전극(600)과 드레인 전극(500)이 이격된 사이 공간의 하부에 게이트 전극(200)이 위치하는 경우에 성능이 향상된다.
마지막으로, 소스 전극(600)과 드레인 전극(500) 및 그 사이에 노출된 산화물 반도체층(400) 위로 SiO2 재질의 패시베이션층(700)을 형성한다.
이상의 과정으로, 산화물 반도체층(400)과 게이트 절연층(300)에서 산소 이온이 이동함으로써 산화물 반도체층(400)의 도핑농도가 변하고 게이트 절연층의 커패시턴스 값이 변하는 특징을 나타내는 본 실시예에 따른 트랜지스터 소자를 제조하였다. 게이트 절연층(300)은 산소 공공이 존재하고 산화물 반도체층(400)도 산소 공공을 포함하여, 게이트 절연층(300)과 산화물 반도체층(400) 사이에 산소 이온 및 산소 공공의 교환이 가능하다. 이때, 산소 이온의 이동과 산소 공공의 이동은 상대적으로 표현한 결과이다.
산소 이온에 대해 불활성 특성을 갖는 Pt층(220)이 게이트 절연층(300)에 접하도록 구성함으로써, 게이트 전극(200)과 게이트 절연층(300) 사이의 산소 이온의 이동을 최소화할 수 있다.
본 실시예의 트랜지스터 소자는 산화물 반도체층(400)과 게이트 절연층(300)에서 산소 이온이 이동하여, 비휘발적으로 정전용량(capacitance)이 변화하는 멤캐패시터(memcapacitor) 특성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 트랜지스터 소자의 특성을 확인하기에 앞서서, 비교예로서 일반적인 트랜지스터 소자를 비교예로서 제조하였다. 비교예의 트랜지스터는 상기한 본 실시예에 따른 트랜지스터 소자와 구조와 크기가 동일하지만, 게이트 절연층에 사용된 물질이 일반적인 트랜지스터 소자의 게이트 절연층에 사용되는 SiO2 재질이다.
도 2와 도 3은 비교예의 트랜지스터 소자에 대한 전기적 특성을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 게이트 전압(VGS)을 0~30V에서 5V씩 조절하여 고정한 상태에서, 소스 전극에서 드레인 전극 사이의 전압(소스-드레인 전압, VDS)을 0~30V 범위에서 스위핑 하면서 전류를 측정한 결과이다. 도시된 것과 같이, 드레인 전류(ID)는 소스-드레인 전압이 증가함에 따라서 점차 증가하여 포화하는 전형적인 n-채널 출력 특성을 나타내었고, 게이트 전압이 증가할수록 드레인 전류도 증가하였다. 그리고 드레인 전류는 동일한 조건에서 측정을 5회 반복하는 과정에서 항상 동일한 결과를 유지하였다.
포화영역에서의 드레인 전류는 다음의 식으로 표시된다.
Figure pat00001
드레인 전류는 주어진 게이트 전압(VGS)에서 게이트 전극의 길이(L)와 폭(W), 산화물 반도체층에 형성된 채널의 이동도(μ), 게이트 산화물층의 커패시턴스(COX) 및 문턱전압(VT)에 영향을 받는다. 비교예의 트랜지스터 소자는 동일한 게이트 전압에서 동일한 결과를 나타내었기 때문에, 산화물 반도체층에 형성된 채널의 이동도와 게이트 산화물층의 커패시턴스 및 문턱전압에 변화가 없음을 알 수 있다.
도 3은 소스-드레인 전압(VDS)이 +20V일 때에 게이트 전압(VGS)을 -20V~+50V의 범위에서 순방향 및 역방향 스위핑하여 측정된 결과이다. 기울기와 소스-드레인 전압 축의 x-절편으로부터 계산한 결과, 산화물 반도체층에 형성된 채널의 이동도(μ)가 5.5 cm2V-1s-1 이고 문턱전압(VT)이 6.2V인 n-채널 트랜지스터의 전형적인 전달 특성을 나타내었다. 또한, 순방향 및 역방항 스위핑 후에 문턱전압의 변위(ΔVT)는 거의 0에 가까워, 스위핑 동안 SiO2 재질의 게이트 절연층과 산화물 반도체층 사이 계면에서의 포획 전하밀도(trapped charge density)는 무시할만한 수준인 것을 알 수 있다.
도 4와 도 5는 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대한 전기적 특성 변화를 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 게이트 전압(VGS)을 +4V와 +6V로 고정한 상태에서, 소스-드레인 전압(VDS)을 0~20V 범위에서 스위핑 하면서 전류를 측정한 결과이다. 드레인 전류(ID)는 소스-드레인 전압이 증가함에 따라서 증가하여 포화하는 전형적인 출력 특성과 유사한 형태를 나타내지만, 반복 횟수에 따라서 드레인 전류 값이 점차 증가하는 점에서 매번 동일한 결과를 나타낸 도 2와 차이가 있다.
도 5는 소스-드레인 전압(VDS)이 +20V일 때에 게이트 전압(VGS)을 순방향 및 역방향 스위핑하여 측정된 결과이다. 게이트 전압의 스위핑 범위는 하한을 0V로 하고 상한을 +10V에서 +18V까지 2V씩 증가시키며 변화를 주었고, 각 스위핑 범위에서 5회식 반복하였으며, 도시된 결과는 1회차와 5회차에서 측정된 결과이다. 게이트 전압을 스위핑 할 때에 동일한 선상을 왕복하였던 도 3과 달리, 도 5에서는 게이트 전압의 스위핑에 순방향과 역방향에서 다른 선을 따라서 이동하는 히스테리시스(이력) 곡선을 나타내었다. 또한, 5회까지 반복하는 과정에서 반복 횟수가 증가할수록 드레인 전류 값이 점차 증가하였고, 드레인 전류값의 증가량이 게이트 전압의 스위핑 상한이 높을수록 큰 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과에서 본 실시예의 트랜지스터 소자는 게이트 전압을 반복적으로 인가함에 따라서 컨덕턴스가 아날로그 형태로 변화하고 있으며, 이는 학습에 따라 시냅틱 웨이트(synaptic weight)가 변화하는 시냅스의 특성에 대응되는 것으로서, 본 실시예의 트랜지스터 소자가 시냅스 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터로서 동작하는 것을 나타낸다.
도 6과 도 7은 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대하여 역방향 스위핑에 따른 가역거동을 확인하기 위한 측정결과이다.
도 6은 소스-드레인 전압(VDS)이 +20V인 상태에서 게이트 전압(VGS)을 0V→10V→0V로 스위핑하며 드레인 전류(VGS)를 측정하였다.
게이트 전압을 반복하여 스위핑하기 전에는 검은색으로 표시된 측정결과를 나타내었으나, 앞서 살펴본 것과 같이 높은 전압으로 스위핑을 수행한 뒤에는 빨간색으로 표시된 측정결과와 같이 드레인 전류가 크게 증가하였다. 그 뒤에 소스-드레인 전압이 0V인 상태에서 게이트 전압을 0V~-10V 범위와 0V~-15V 범위에서 각각 10회씩 스위핑을 한 뒤에 측정한 결과, 파란색과 분홍색으로 표시된 것과 같이 드레인 전류가 다시 감소하였다. 이는 본 실시예의 트랜지스터 소자의 변조 특성이 일 방향으로만 진행되는 것이 아니고 반대로도 작용하는 가역적 변조임을 나타낸다.
도 7은 도 6과 동일한 경우에 문턱전압의 변위(ΔVT)와 기울기(slope)를 표시한 그래프이다. 도시된 것과 같이 반복적인 고전압 스위핑에 의해서 문턱전압이 변화하는 동시에 기울기가 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 8과 도 9는 본 실시예의 트랜지스터 소자에 대하여 게이트 전압을 펄스로 인가하는 경우에 대한 전기적 특성 변화를 측정한 결과이다.
도 8은 소스-드레인 전압(VDS)을 +20V로 고정하고, 고정폭 20ms로 가변 진폭 게이트 전압(VGS)을 펄스 인가하여 드레인 전류(ID)를 측정하였다. 게이트 전압은 10V에서 20V까지 2V씩 증가시켰으며, 각 게이트 전압에 대하여 10회씩 펄스 인가하였다. +10V로 10회 펄스 인가한 경우에 10-8A범위에서 10-6A범위로 드레인 전류가 증가하였다. 펄스 인가된 게이트 전압이 증가함에 따라서 드레인 전류도 함께 증가하였다.
사각형으로 표시된 검은색 측정결과는, 도 6에서와 같이 게이트 전압에 대하여 10회씩 펄스 인가한 뒤에 10V의 게이트 전압을 인가하여 측정된 드레인 전류이다. 도 6에서와 유사하게 펄스 전압을 인가함에 따라서 10V에서의 드레인 전류가 증가하였으며, 인가된 펄스 전압이 높을수록 10V에서의 드레인 전류도 증가하였다.
한편, 20V까지 펄스 전압을 인가한 뒤에, 소스-드레인 전압이 0V인 상태에서 -20V의 역방향 펄스 전압을 반복하여 인가한 다음 10V의 게이트 전압에서 측정된 드레인 전류 값은 다시 감소하였으며, 이러한 특성은 도 9에서 더욱 확실하게 나타난다.
도 9는 도 8과 동일한 조건에서 게이트 전압을 펄스로 인가하고, 마이너스의 게이트 전압을 펄스로 반복하여 인가하는 과정을 반복한 결과이다. 마이너스의 펄스 전압을 인가한 뒤에는 10V의 게이트 전압에서 드레인 전류를 측정하였다.
도 9에 따르면, 마이너스의 펄스 전압을 인가함으로써 증가하였던 드레인 전류 값이 다시 감소하여, 게이트 전압을 펄스로 인가하면서 측정된 모습이 유사하게 반복되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 아날로그 변조 거동은 시냅스에서 일어나는 시냅스 증강(synaptic potentiation) 거동과 시냅스 저하(synaptic depression) 거동과 같은 시냅틱 웨이트 변조에 대응된다. 이와 같이, 본 실시예의 트랜지스터 소자는 시냅스 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터로서 동작하는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예의 시냅틱 트랜지스터는 게이트 전압을 고정한 상태에서 소스-드레인 전압을 반복적으로 흐르게 적용함으로써 드레인 전류를 변조할 수 있다. 나아가, 다양한 진폭과 극성의 펄스 게이트 전압을 인가하는 방법으로도 드레인 전류를 변조할 수 있다. 이는 2단자로 구성된 멤리스터 시냅스와 달리, 본 실시예의 시냅틱 트랜지스터가 게이트 전압과 소스-드레인 전압을 개별적으로 바이어싱하여 시냅틱 웨이트를 변조할 수 있음을 나타낸다.
또한, 도 8과 도 9에 도시된 것과 같이, 이전 단계에서 인가된 전압에 의해 변화된 전기적 특성이 이후의 단계에서 유지되는 것으로부터, 본 실시예의 트랜지스터 소자에서 발생된 전기적 특성의 변화는 비휘발적인 것을 알 수 있다. 이러한 비휘발적 특성의 변화는 기억특성을 나타내는 것으로, 본 실시예의 트랜지스터 소자가 메모리 소자로서 기능할 수 있음을 나타낸다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판 200: 게이트 전극
210: Ti층 220: Pt층
300: 게이트 절연층 400: 산화물 반도체층
500: 드레인 전극 600: 소스 전극
700: 패시베이션층

Claims (18)

  1. 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층에 접하여 형성된 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층에 접하여 형성된 게이트 전극;
    상기 산화물 반도체층에 접하며 서로 이격되어 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하여 구성되며,
    상기 산화물 반도체층이 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질이고, 상기 게이트 절연층은 산소 공공을 포함하는 산화물 재질로 구성되어,
    전극에 인가된 전류에 의해서 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동함으로써, 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  2. 기판;
    상기 기판 위의 소정 위치에 형성된 게이트 전극;
    상기 게이트 전극이 형성된 기판 위에 상기 게이트 전극을 덮으며 위치하는 게이트 절연층;
    상기 게이트 절연층 위에 형성된 산화물 반도체층;
    상기 산화물 반도체층 위에서 서로 이격되어 위치하되, 이격된 공간의 하부에 상기 게이트 절연층이 위치하는 소스 전극과 드레인 전극을 포함하여 구성되며,
    상기 산화물 반도체층이 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질이고, 상기 게이트 절연층은 산소 공공을 포함하는 산화물 재질로 구성되어,
    전극에 인가된 전류에 의해서 상기 산화물 반도체층과 상기 게이트 절연층 사이에서 산소 이온이 이동함으로써, 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 게이트 절연층이 HfOx, CeOx, TaOx, YOx, HfLaOx, TiOx 및 ZrOx 중 하나의 재질이며, 산소 공공을 포함하도록 비화학적양론비를 갖는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 산화물 반도체층이 ZnO, IGZO(Indium gallium zinc oxide), IZTO(Indium zinc tin oxide), ZGTO(Zinc gallium tin oxide), ZTO(Zinc tin oxide), ZIO(Zinc indium oxide) 및 ZGO(Zinc gallium oxide) 중 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 산화물 반도체층에 형성된 채널의 이동도(μ)가 변화함으로써 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 게이트 산화물층의 커패시턴스(COX)가 변화함으로써 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 문턱전압(VT)이 변화함으로써 전기적 특성이 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 전기적 특성이 아날로그적으로 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 전기적 특성이 가역적으로 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자의 전기적 특성이 비휘발적으로 변하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    비휘발적 특성 변화에 의해서 상기 트랜지스터 소자가 기억특성을 나타내는 메모리 소자인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자가 시냅스 모사 거동을 수행하는 시냅틱 트랜지스터 소자인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자가 시냅스의 시냅틱 웨이트시냅틱 웨이트(synaptic weight) 변조 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터 소자인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자가 시냅스의 시냅스 증강(synaptic potentiation) 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터 소자인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 트랜지스터 소자가 시냅스의 시냅스 저하(synaptic depression) 거동을 모사하는 시냅틱 트랜지스터 소자인 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자.
  16. 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 표면의 소정 위치에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 게이트 전극 및 노출된 기판의 표면을 덮도록 산소 공공을 포함하는 산화물 재질의 게이트 절연층을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연층의 위에 산소 공공을 도펀트로 사용하는 산화물 반도체 재질의 상기 산화물 반도체층을 형성하는 단계; 및
    상기 산화물 반도체층의 위에 서로 이격되도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 소스 전극과 상기 드레인 전극이 이격된 공간의 하부에 상기 게이트 전극이 위치하도록 소스 전극과 드레인 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 게이트 절연층을 형성하는 단계에서, 게이트 절연층으로서 HfOx, CeOx, TaOx, YOx, HfLaOx, TiOx 및 ZrOx 중 하나의 재질을 사용하되 산소 공공을 포함하는 비화학적양론비로 형성하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자의 제조방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 산화물 반도체층을 형성하는 단계에서, 산화물 반도체층으로서 ZnO, IGZO(Indium gallium zinc oxide), IZTO(Indium zinc tin oxide), ZGTO(Zinc gallium tin oxide), ZTO(Zinc tin oxide), ZIO(Zinc indium oxide) 및 ZGO(Zinc gallium oxide) 중 하나의 재질을 사용하는 것을 특징으로 하는 트랜지스터 소자의 제조방법.
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