KR20190119203A - Ferroelectric structure and non-volatile memory using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유전체 재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 강유전성 구조체 및 이를 이용한 비휘발성 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a dielectric material, and more particularly, to a ferroelectric structure and a nonvolatile memory device using the same.
강유전체는 외부 전기장에 의해 내부 분극이 유도되고, 유도된 분극은 외부 전기장이 소거되어도 자발 분극(또는 잔류 분극이라고도 함)이 남아 이력(hysteresis) 특성을 나타내는 유전체이다. 이와 같은 자발 분극을 갖는 강유전체의 특성은, 외부 전원 공급이 중단되더라도 분극 상태가 유지되므로, 외부 전원 공급이 중단되더라도 저장된 정보가 유지되는 비휘발성 메모리로서 활용될 수 있다.In ferroelectrics, internal polarization is induced by an external electric field, and induced polarization is a dielectric that exhibits hysteresis characteristics even though an external electric field is canceled, but spontaneous polarization (also referred to as residual polarization) remains. Since the characteristics of the ferroelectric having such spontaneous polarization are maintained even when the external power supply is interrupted, the ferroelectric can be utilized as a nonvolatile memory in which stored information is retained even when the external power supply is interrupted.
최근, 고집적 및 대용량을 실현할 수 있는 비휘발성 반도체 메모리 소자에 대한 수요가 점차 증대되고 있다. 이와 같은 비휘발성 메모리 소자로서, 휴대용 전자기기에 주로 사용되는 플래시 메모리 소자가 대표적이다. 그러나, 플래시 메모리는 메모리 셀들이 직렬 연결되어 데이터의 독출 속도에 한계가 있고, 전하의 주입 또는 터널링에 의한 프로그램 방식도 그 성능을 향상시키는데에 장해가 되고 있다.In recent years, the demand for a nonvolatile semiconductor memory device capable of realizing high integration and large capacity is gradually increasing. As such a nonvolatile memory device, a flash memory device mainly used for portable electronic devices is representative. However, a flash memory has a limitation in reading speed of data because memory cells are connected in series, and a program method by injection or tunneling of charges is also a hindrance to improving its performance.
따라서, 자발 분극에 의해 비휘발성 특성을 가지면서도, 빠른 분극 스위칭 속도를 갖는 강유전체를 메모리로서 응용하는 경우, 고속의 비휘발성 메모리를 구현할 수 있다. 또한, 강유전체가 고품질을 갖는 경우, 작은 메모리 셀에서도 유효한 동작 특성을 얻을 수 있으므로, 고집적 메모리를 구현할 수 있다. Therefore, when a ferroelectric having a non-volatile characteristic due to spontaneous polarization and a fast polarization switching speed is applied as a memory, a high speed nonvolatile memory can be realized. In addition, when the ferroelectric has high quality, an effective operating characteristic can be obtained even in a small memory cell, and thus a highly integrated memory can be realized.
최근에는 강유전체 박막의 양 단부에 전극을 형성하고, 분극 효과를 극대화한 터널 소자가 개발된 바 있으며, 상기 강유전체 박막과 상기 전극 사이에 존재하는 양자역학적 에너지 장벽의 차이로 거대전극 효과가 나타나는 것이 알려져 있다. 상기 강유전체를 이용한 소자 개발을 위해서는 상기 강유전체를 특정 방향으로 분극 정렬시켜야 하고, 결함이나 결정립 발생을 최대한 억제할 필요가 있다. 강유전체 재료로서 일반적으로 PbTiO3-PbZrO3 계열의 PZT(lead zirconate titanate) 재료와 같은 페로브스카이트 기반의 산화물이 널리 연구되고 있다. 상기 페로브스카이트 기반의 산화물은 양호한 자발 분극 값을 갖지만, 결정 구조를 형성하기 위해서는 고온 및 고진공 공정을 요구하기 때문에 공정상의 어려움이 있으며, 전극과의 계면 상태에 따라 급격한 특성 변화를 보이므로 안정적인 소자 구현이 어려운 문제점이 있다. Recently, a tunnel device has been developed in which electrodes are formed at both ends of a ferroelectric thin film and maximizes the polarization effect, and a large electrode effect is known to appear due to a difference in the quantum mechanical energy barrier existing between the ferroelectric thin film and the electrode. have. In order to develop a device using the ferroelectric, the ferroelectric must be polarized and aligned in a specific direction, and it is necessary to suppress defects or grains as much as possible. As a ferroelectric material, perovskite-based oxides such as lead zirconate titanate (PZT) materials of PbTiO 3 -PbZrO 3 series have been widely studied. The perovskite-based oxide has a good spontaneous polarization value, but there is a difficulty in processing because it requires a high temperature and high vacuum process to form a crystal structure, it is stable because it shows a rapid characteristic change depending on the interface state with the electrode Device implementation is difficult.
또한, 산화물 기반의 강유전체는 분극 과정에서 수반되는 중심 원자의 반복적 이동에 의한 구조적 변형 과정에서 결함이 생성될 가능성이 높고, 생성된 결함은 강유전 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 소자의 성능과 신뢰성을 열화시키는 문제점이 있다. In addition, oxide-based ferroelectrics are more likely to generate defects during structural deformation due to repetitive movement of the central atoms involved in polarization, and the resulting defects not only degrade ferroelectric properties but also degrade device performance and reliability. There is a problem.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 산화물 기반의 강유전체 대비 제조가 용이하면서도 우순한 분극 특성을 가질 뿐만 아니라 안정된 분극 특성을 갖는 강유전성 구조체를 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a ferroelectric structure that is easy to manufacture compared to the oxide-based ferroelectric, but also has a good polarization characteristics and stable polarization characteristics.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 신뢰성 있고 고집적화가 가능한 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a nonvolatile memory device capable of reliable and highly integrated.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화물 층, 질화물 층, 그리고 상기 산화물 층 및 상기 질화물 층을 포함하는 단위 적층체 중 선택된 적어도 2 이상의 단위 층상 구조가 교호 반복하여 적층되는 교호 적층체; 및 상기 교호 적층체의 상부면 또는 하부면에 접하여 배치되는 층상 구조의 칼코지나이드 층을 포함하는 강유전성 구조체가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention for solving the above problems, an alternating layer of at least two or more unit layer structure selected from the oxide layer, the nitride layer, and the unit stack including the oxide layer and the nitride layer is alternately stacked Laminate; And a chalcogenide layer having a layered structure disposed in contact with an upper surface or a lower surface of the alternating laminate.
일 실시예에서, 상기 강유전성 구조체는 전기적 신호, 열적 신호, 광학적 신호 또는 이의 조합이 인가된 경우 자발 분극이 유도될 수 있다. 상기 교호 적층체는 상기 단위 층상 구조가 2 내지 20 회 교호 반복하여 적층될 수 있다. In one embodiment, the ferroelectric structure may induce spontaneous polarization when an electrical signal, a thermal signal, an optical signal, or a combination thereof is applied. The alternating stack may be laminated by repeating the unit layer structure 2 to 20 times.
일 실시예에서, 상기 층상 구조의 칼코지나이드 층은 하기 화학식 1로 표시되는 칼코지나이드 화합물을 포함하는 강유전성 구조체일 수 있다. .In one embodiment, the chalcogenide layer of the layered structure may be a ferroelectric structure including a chalcogenide compound represented by the following formula (1). .
[화학식 1][Formula 1]
AXBYCZDW A X B Y C Z D W
(상기 화학식 1에서, A, B, C 및 D는 각각 Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi 및 Po 중에서 각각 선택된 원소를 나타내고, 상기 X, Y, Z 및 W는 각 원소의 개수를 나타내며, 0 < X ≤ 10, 0 < Y ≤ 10, 0 ≤ Z ≤ 10, 0 ≤ W≤ 10 이다)In Formula 1, A, B, C, and D each represent an element selected from Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi, and Po, and wherein X, Y, Z and W represent the number of each element, and 0 <X ≤ 10, 0 <Y ≤ 10, 0 ≤ Z ≤ 10, 0 ≤ W ≤ 10)
일 실시예에서, 상기 층상 구조의 칼코지나이드 층의 두께는 1 nm 내지 15 nm의 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 산화물 층 또는 질화물 층의 두께는 각각 1 nm 내지 15 nm의 범위 내일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the chalcogenide layer of the layered structure may be in the range of 1 nm to 15 nm. In addition, the thickness of the oxide layer or nitride layer may be in the range of 1 nm to 15 nm, respectively.
일 실시예에서, 상기 산화물 층은 하기 화학식 2로 표시되는 산화물을 포함하는 강유전성 구조체일 수 있다.In one embodiment, the oxide layer may be a ferroelectric structure including an oxide represented by the following formula (2).
[화학식 2][Formula 2]
M1 aOb M 1 a O b
(상기 화학식 2에서, M1은 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W 및 Re 중에서 선택된 원소이고, a 및 b는 M1 원소와 산소 원자의 산화수를 맞추기 위한 자연수이다)In Formula 2, M 1 is Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr , Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, and Re, and a and b are natural numbers to match the oxidation number of the M 1 element and oxygen atom)
일 실시예에서, 상기 질화물 층은 하기 화학식 3으로 표시되는 질화물을 포함하는 강유전성 구조체일 수 있다.In one embodiment, the nitride layer may be a ferroelectric structure including a nitride represented by the following formula (3).
[화학식 3][Formula 3]
M2 aNb M 2 a N b
(상기 화학식 3에서, M2는 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W 및 Re 중에서 선택된 원소이고, a 및 b는 M2 원소와 질소 원자의 산화수를 맞추기 위한 자연수이다)(In Chemical Formula 3, M 2 is Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr , Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W and Re, and a and b are natural numbers to match the oxidation number of the M 2 element and nitrogen atom)
상기 산화물 층 및 질화물 층은 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, 및 Re 중 적어도 어느 하나의 도펀트를 포함할 수 있다. 또한, 상기 칼코지나이드 층은 에피택셜 방법으로 형성되지 않을 수도 있다. 상기 층상 구조의 칼코지나이드 층은 비정질 구조를 가질 수 있다. The oxide layer and nitride layer are Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb And at least one of Do, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, and Re. In addition, the chalcogenide layer may not be formed by an epitaxial method. The chalcogenide layer of the layered structure may have an amorphous structure.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자는, 상기 강유전성 구조체를 포함하며, 상기 강유전성 구조체에 인가되는 전기적 신호, 열적 신호, 광학적 신호 또는 이의 조합에 의해 유도되는 상기 강유전성 구조체의 자발 분극 상태에 정보를 할당할 수 있다. A nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem includes the ferroelectric structure and is induced by an electrical signal, a thermal signal, an optical signal, or a combination thereof applied to the ferroelectric structure. Information may be assigned to the spontaneous polarization state of the ferroelectric structure.
일 실시예에 따르면, 상기 비휘발성 메모리 소자는, 메모리 셀의 적어도 일부가 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막의 적어도 일부가 제 1 항 기재의 강유전성 구조체를 포함할 수 있다. In example embodiments, at least a portion of the memory cell may include a field effect transistor, and at least a portion of the gate insulating layer of the field effect transistor may include the ferroelectric structure of claim 1.
일 실시예에 따르면, 상기 비휘발성 메모리 소자는, 메모리 셀의 적어도 일부는 커패시터를 포함하며, 상기 커패시터의 유전층의 적어도 일부가 제 1 항 기재의 강유전성 구조체를 포함할 수 있다.In example embodiments, the nonvolatile memory device may include at least a portion of a memory cell including a capacitor, and at least a portion of the dielectric layer of the capacitor may include the ferroelectric structure of claim 1.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 칼코지나이드 층과 교호 적층체의 간단한 적층 구조체로부터 자발 분극 특성을 갖는 강유전체를 구현할 수 있다. 또한, 상기 적층 구조체에 기반하는 강유전성 구조체는 유연성을 가지므로 가요성 전자 소자를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 높은 안정성을 갖기 때문에 신뢰성 있는 비휘발성 메모리 소자를 구현할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a ferroelectric having spontaneous polarization characteristics can be realized from a simple laminate structure of a chalcogenide layer and an alternating laminate. In addition, since the ferroelectric structure based on the stacked structure has flexibility, it is possible not only to form a flexible electronic device but also to have high stability, thereby realizing a reliable nonvolatile memory device.
또한 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 구조체는, 교호 적층체와 칼코지나이드 층이 서로 인접된 복합 층상 구조로서 이를 통하여 흐르는 총 전류를 제한하거나 인접한 반도체 채널에 대하여 정보 저장을 위한 유전체로서 동작할 수 있다.In addition, the ferroelectric structure according to the embodiment of the present invention is a complex layered structure in which alternating laminates and chalcogenide layers are adjacent to each other to limit the total current flowing therethrough or to act as a dielectric for storing information for adjacent semiconductor channels. have.
또한, 상기 칼코지나이드 층은 에피택셜 방법이 아닌 액상 코팅법 또는 기상 증착법과 같은 다른 코팅 방법으로 형성될 수 있으므로 경제적으로 강유전성 구조체가 제조될 수 있다. 또한, 칼코지나이드 층의 특성 조작을 통해 강유전성 구조체의 강유전성 특성의 강화 또는 초기화 구동이 가능한 이점이 있다.In addition, since the chalcogenide layer may be formed by another coating method such as a liquid coating method or a vapor deposition method rather than an epitaxial method, ferroelectric structures may be economically manufactured. In addition, there is an advantage in that the ferroelectric characteristics of the ferroelectric structure can be strengthened or initialized through the manipulation of the chalcogenide layer.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 단위 층상 구조들의 적층체를 포함하는 강유전성 구조체의 단면도이다.
도 2는 도 1의 단위 층상 구조들이 다수 회로 교호 반복하여 적층된 강유전성 구조체의 단면도이다.
도 3은 칼코지나이드 층이 산화물 층 또는 질화물 층 사이에 배치되는 강유전성 구조체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 구조체를 포함하는 강유전체 소자의 동작 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 도 4의 강유전체 소자의 반복적 동작 특성을 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional view of a ferroelectric structure including a stack of unit layered structures according to various embodiments of the present disclosure.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a ferroelectric structure in which unit layer structures of FIG. 1 are repeatedly stacked in multiple circuits.
3 is a cross-sectional view of a ferroelectric structure in which a chalcogenide layer is disposed between an oxide layer or a nitride layer.
4 is a graph illustrating operating characteristics of a ferroelectric device including a ferroelectric structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating repetitive operation characteristics of the ferroelectric device of FIG. 4.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples can be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to an Example. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the inventive concept to those skilled in the art.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity, the same reference numerals in the drawings refer to the same elements. As used herein, the term "and / or" includes any and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" may include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. Also, as used herein, "comprise" and / or "comprising" specifies the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and / or groups of these. It is not intended to exclude the presence or the addition of one or more other shapes, numbers, acts, members, elements and / or groups.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역 또는 부분을 다른 영역 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although the terms first, second, etc. are used herein to describe various members, parts, regions, and / or parts, these members, parts, regions, and / or parts should not be limited by these terms. Is self explanatory. These terms are only used to distinguish one member, part, region or part from another region or part. Thus, the first member, part, region, or portion, which will be described below, may refer to the second member, component, region, or portion without departing from the teachings of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 부재 또는 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다.Embodiments of the present invention are described below with reference to the drawings, which schematically illustrate ideal embodiments of the present invention. In the drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to the specific shapes of members or regions shown herein.
본 발명의 기본 원리는 산화물 층 또는 질화물 층과 층상구조 칼코지나이드층이 인접하여 형성된 강유전 특성을 갖는 구조체이며, 상기 구조체에 외부 자극을 인가하여 분극을 제어하는 것이다. 상기 산화물 층 또는 질화물 층은 인접한 반도체 채널의 게이트 산화물 역할을 하거나, 소자의 총 전류를 제한하는 역할을 할 수 있으며, 그 자체가 정보 저장 요소로 기능할 수 있다. 또한, 상기 층상구조 칼코지나이드 층은 분극 특성이 제어될 수 있으며, 이에 의해 다양한 구동 방식을 갖는 전기 소자, 전자 소자 또는 에너지 소자로서 기능할 수 있다.The basic principle of the present invention is a structure having ferroelectric properties formed by adjoining an oxide layer or a nitride layer and a layered chalcogenide layer, and controlling polarization by applying an external stimulus to the structure. The oxide layer or nitride layer can serve as a gate oxide of adjacent semiconductor channels, or can limit the total current of the device, and can itself function as an information storage element. In addition, the layered chalcogenide layer may be controlled in polarization characteristics, thereby functioning as an electric device, an electronic device, or an energy device having various driving schemes.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 단위 층상 구조들의 적층체를 포함하는 강유전성 구조체의 단면도이며, 도 2는 도 1의 단위 층상 구조들이 다수 회로 교호 반복하여 적층된 강유전성 구조체의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a ferroelectric structure including a laminate of unit layered structures according to various embodiments of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a ferroelectric structure in which unit layered structures of FIG.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화물 층 또는 질화물 층인 단위 층상 구조(120, oxide or nitride) 및 층상 구조의 칼코지나이드 층(110, Layered chalcogenide, 이하 칼코지나이드 층이라 함)을 인접하여 구비한 강유전소자(100)는 층상구조 칼코지나이드 층(110, Layered chalcogenide) 및 산화물 또는 질화물층(120, Oxide or nitride) 을 포함한다.Referring to FIG. 1, a unit layer structure 120 (oxide or nitride), which is an oxide layer or a nitride layer, and a
층상구조 칼코지나이드 층(110)은 외부 자극(전압, 전류, 열 또는 광 에너지)에 의하여 분극 상태가 제어되며 자발 분극을 가질 수 있다. 이때 상기 외부 자극이 제거되어도 분극 특성이 유지된다. 또한, 층상구조 칼코지나이드 층(110)은 반데르 발스 결합을 통하여 층상 구조를 이루게 된다. 이와 같은 층상구조 칼코지나이드 층(110)은 화학식 AXBYCZDW(0<X≤10, 0<Y≤10, 0<Z≤10, 0<W≤10)로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 A, 상기 B, 상기 C 그리고 상기 D는 각각 Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi, Po 중에서 선택된 원소이다. The layered
단위 층상 구조를 구성하는 산화물 층 또는 질화물 층(120)은 기본적으로 높은 밴드갭 또는 낮은 전기 전도도로 인하여 소자의 전류를 제한하는 역할을 할 수 있다. 또한, 게이트 절연막으로서 인접한 반도체와의 계면에 전하를 축적하거나 공핍하게 하여 반도체 채널의 문턱 전압에 영향을 줄 수 있다. 산화물 층 또는 질화물 층(120)은 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, Re의 산화물 또는 질화물 중 어느 하나이거나 그 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 단위 층상 구조는 소정의 도펀트에 의해 도핑될 수 있다. The oxide layer or
층상구조 칼코지나이드 층(110)은 도 1의 (a)와 (b)에 도시한 바와 같이 상부면 또는 하부면에 산화물 층 또는 질화물층(120)이 인접 배치되고, 층상구조 칼코지나이드 층(110)의 분극을 제어하기 위해 외부 자극을 인가하면 분극의 방향 및/또는 세기를 제어할 수 있으며, 이 경우, 외부 자극을 제거한 상태에서도 그 분극 상태가 유지될 수 있다.In the layered
도 3은 칼코지나이드 층(110)이 산화물 층 또는 질화물 층(120) 사이에 배치되는 강유전성 구조체의 단면도이다.3 is a cross sectional view of a ferroelectric structure in which a
도 3를 참조하면 도 1의 층상구조 칼코지나이드 층(110)과 산화물 또는 질화물층(120)은 상부 또는 하부 방향으로 n(자연수)층까지 교호되어 반복 적층될 수 있다. 이 경우, 층상구조 칼코지나이드 층(110)의 상부 또는 하부에 인접 배치된 산화물 층 또는 질화물 층(120)을 하나의 소자(device)라고 간주하고, 상기 소자는 필요한 만큼 적층될 수 있으며, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 3, the layered
도 1에 도시된 층상구조 칼코지나이드 층(110)은 산화물 층 또는 질화물층(120) 사이에 배치될 수 있다. 층상구조 칼코지나이드 층(110)의 상부와 하부에 인접 배치된 산화물 층 또는 질화물 층(120)을 하나의 소자를 구성할 수도 있다. The layered
다음은 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 산화물 또는 질화물층과 층상구조 칼코지나이드층이 인접하여 구비된 강유전소자를 후술한다.Next, the ferroelectric device in which the oxide or nitride layer and the layered chalcogenide layer are adjacent to each other will be described below with reference to FIGS. 4 and 5.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 강유전성 구조체를 포함하는 강유전체 소자의 동작 특성을 도시한 그래프이고 도 4는 도 3의 강유전체 소자의 반복적 동작 특성을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the operating characteristics of the ferroelectric device including a ferroelectric structure according to an embodiment of the present invention and FIG. 4 is a graph showing the repetitive operating characteristics of the ferroelectric device of FIG.
평가된 강유전성 구조체는, 원자층 증착법으로 형성된 Al2O3 산화물 층과 스퍼터링법으로 증착된 GeTe의 층상구조 칼코지나이드 층을 포함한다. 층상구조 칼코지나이드를 형성할 때 원자층 증착이나 스퍼터링법과 같은 비에피택셜 방법을 사용하여도 강유전성 특성을 구현할 수 있다. The evaluated ferroelectric structure includes an Al 2 O 3 oxide layer formed by atomic layer deposition and a layered chalcogenide layer of GeTe deposited by sputtering. When forming the layered chalcogenide, ferroelectric properties can be realized by using non-epitaxial methods such as atomic layer deposition or sputtering.
도 4를 참조하면, 산화물 층과 층상구조 칼코지나이드층이 인접하여 형성된 강유전성 소자는 전압 신호에 의하여 분극이 제어될 수 있다. 양의 전압 신호를 인가한 경우 분극 방향은 양의 값을 갖고, 음의 전압 신호을 인가한 경우에는 분극이 소멸된다. 이러한 분극 특성은 일정 전압 내에서 큰 전압 신호를 인가할수록 향상된다. Referring to FIG. 4, in the ferroelectric element in which an oxide layer and a layered chalcogenide layer are adjacent to each other, polarization may be controlled by a voltage signal. When a positive voltage signal is applied, the polarization direction has a positive value, and when a negative voltage signal is applied, the polarization disappears. This polarization characteristic is improved by applying a large voltage signal within a constant voltage.
층상구조 칼코지나이드 물질은 전압과 전류에 기인한 열로 쉽게 결정성 또는 원자의 정렬성을 향상시킬 수 있으므로, 바람직하게는 적절한 외부 자극을 통하여 분극 특성을 향상시킬 수도 있다. Since the layered chalcogenide material can easily improve crystallinity or atomic alignment with heat due to voltage and current, it is also preferable to improve polarization characteristics through appropriate external stimulation.
도 5를 참조하면 산화물 층과 층상구조 칼코지나이드층이 인접하여 형성된 강유전성 소자는 그 강유전성 특성으로 인하여 인접한 반도체 채널에 전하 캐리어를 축적 및 공핍시키거나 이를 유지하는 것이 가능하다. 그 결과, 이러한 분극 특성의 변화에 의해 유도되는 인접 반도체 채널의 전하 캐리어의 축적 및 공핍을 반복적으로 유도하는 것이 가능하다. 또한 반복 동작 중 강유전성 특성을 소실한 경우 소정 외부 자극을 인가하여 그 특성을 초기화하여 강유전성 특성을 재발현시킬 수도 있다. Referring to FIG. 5, a ferroelectric element formed by adjoining an oxide layer and a layered chalcogenide layer may accumulate, deplete, or maintain charge carriers in adjacent semiconductor channels due to its ferroelectric characteristics. As a result, it is possible to repeatedly induce accumulation and depletion of charge carriers in adjacent semiconductor channels induced by such a change in polarization characteristics. In addition, when the ferroelectric characteristic is lost during the repetitive operation, a predetermined external stimulus may be applied to initialize the characteristic to re-express the ferroelectric characteristic.
이와 같이 산화물 층 또는 질화물 층(120, oxide or nitride)과 층상구조 칼코지나이드층을 인접하여 형성된 강유전성 구조체(100)는 외부 자극을 가함으로써 층상구조 칼코지나이드층(110)의 분극 상태를 용이하게 제어할 수 있는 것은 물론, 종래의 강유전체보다 경제적으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라 그 분극 특성이 안정되어 이를 정보 저장 요소로 이용하는 경우 신뢰성을 갖는 비휘발성 메모리 소자가 제공될 수 있다. 그러나, 상기 강유전성 구조체의 응용은 비휘발성 메모리 소자에 한정되는 것은 아니며, 이의 자발 분극 특성을 이용한 시냅스 소자, 논리 소자, 센서, 발전, 에너지 저장, 발광, 압전 소자 등 다양한 전기 전자 소자에 응용될 수 있다. As such, the
Claims (14)
상기 교호 적층체의 상부면 또는 하부면에 접하여 배치되는 층상 구조의 칼코지나이드 층을 포함하는 강유전성 구조체.An alternating laminate in which at least two or more unit layer structures selected from an oxide layer, a nitride layer, and a unit stack including the oxide layer and the nitride layer are alternately stacked; And
A ferroelectric structure comprising a chalcogenide layer of a layered structure disposed in contact with an upper surface or a lower surface of the alternating laminate.
상기 강유전성 구조체는 전기적 신호, 열적 신호, 광학적 신호 또는 이의 조합이 인가된 경우 자발 분극이 유도되는 강유전 구조체.The method of claim 1,
The ferroelectric structure is a ferroelectric structure is induced spontaneous polarization when an electrical signal, a thermal signal, an optical signal or a combination thereof is applied.
상기 교호 적층체는 상기 단위 층상 구조가 2 내지 20 회 교호 반복하여 적층되는 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The alternating laminate is a ferroelectric structure in which the unit layer structure is laminated repeatedly alternately 2 to 20 times.
상기 층상 구조의 칼코지나이드 층은 하기 화학식 1로 표시되는 칼코지나이드 화합물을 포함하는 강유전성 구조체.
[화학식 1]
AXBYCZDW
(상기 화학식 1에서, A, B, C 및 D는 각각 Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi 및 Po 중에서 각각 선택된 원소를 나타내고, 상기 X, Y, Z 및 W는 각 원소의 개수를 나타내며, 0 < X ≤ 10, 0 < Y ≤ 10, 0 ≤ Z ≤ 10, 0 ≤ W≤ 10 이다)The method of claim 1,
The chalcogenide layer of the layered structure is a ferroelectric structure comprising a chalcogenide compound represented by the following formula (1).
[Formula 1]
A X B Y C Z D W
In Formula 1, A, B, C, and D each represent an element selected from Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi, and Po, and wherein X, Y, Z and W represent the number of each element, and 0 <X ≤ 10, 0 <Y ≤ 10, 0 ≤ Z ≤ 10, 0 ≤ W ≤ 10)
상기 층상 구조의 칼코지나이드 층의 두께는 1 nm 내지 15 nm의 범위 내인 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The thickness of the chalcogenide layer of the layered structure is a ferroelectric structure in the range of 1 nm to 15 nm.
상기 산화물 층 또는 질화물 층의 두께는 각각 1 nm 내지 15 nm의 범위 내인 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The ferroelectric structure of the oxide layer or nitride layer is in the range of 1 nm to 15 nm, respectively.
상기 산화물 층은 하기 화학식 2로 표시되는 산화물을 포함하는 강유전성 구조체.
[화학식 2]
M1 aOb
(상기 화학식 2에서, M1은 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W 및 Re 중에서 선택된 원소이고, a 및 b는 M1 원소와 산소 원자의 산화수를 맞추기 위한 자연수이다)The method of claim 1,
The oxide layer is a ferroelectric structure comprising an oxide represented by the following formula (2).
[Formula 2]
M 1 a O b
In Formula 2, M 1 is Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr , Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, and Re, and a and b are natural numbers to match the oxidation number of the M 1 element and oxygen atom)
상기 질화물 층은 하기 화학식 3으로 표시되는 질화물을 포함하는 강유전성 구조체.
[화학식 3]
M2 aNb
(상기 화학식 3에서, M2는 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W 및 Re 중에서 선택된 원소이고, a 및 b는 M2 원소와 질소 원자의 산화수를 맞추기 위한 자연수이다)The method of claim 1,
The nitride layer is a ferroelectric structure comprising a nitride represented by the following formula (3).
[Formula 3]
M 2 a N b
(In Chemical Formula 3, M 2 is Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr , Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W and Re, and a and b are natural numbers to match the oxidation number of the M 2 element and nitrogen atom)
상기 산화물 층 및 질화물 층은 Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, 및 Re 중 적어도 어느 하나의 도펀트를 포함하는 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The oxide layer and nitride layer are Li, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, B, Si, Sr, Y, Zr, Nb A ferroelectric structure comprising a dopant of at least one of Mo, Tc, Ru, Rh, Ba, La, Hf, Ta, W, and Re.
상기 칼코지나이드 층은 에피택셜 방법으로 형성되지 않는 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The chalcogenide layer is not formed by an epitaxial method.
상기 층상 구조의 칼코지나이드 층은 비정질 구조를 갖는 강유전성 구조체.The method of claim 1,
The layered chalcogenide layer has a ferroelectric structure having an amorphous structure.
상기 강유전성 구조체에 인가되는 전기적 신호, 열적 신호, 광학적 신호 또는 이의 조합에 의해 유도되는 상기 강유전성 구조체의 자발 분극 상태에 정보를 할당하는 비휘발성 메모리 소자. Claim 1 comprising a ferroelectric structure of the structure,
And assigning information to the spontaneous polarization state of the ferroelectric structure induced by an electrical signal, a thermal signal, an optical signal, or a combination thereof applied to the ferroelectric structure.
상기 전계 효과 트랜지스터의 게이트 절연막의 적어도 일부가 제 1 항 기재의 강유전성 구조체를 포함하는 비휘발성 메모리 소자. At least a portion of the memory cell comprises a field effect transistor,
At least a portion of the gate insulating film of the field effect transistor comprises the ferroelectric structure of claim 1.
상기 커패시터의 유전층의 적어도 일부가 제 1 항 기재의 강유전성 구조체를 포함하는 비휘발성 메모리 소자. At least a portion of the memory cell includes a capacitor,
At least a portion of the dielectric layer of the capacitor comprises the ferroelectric structure of claim 1.
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|---|---|---|---|
| KR1020180036920A KR102591098B1 (en) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | Non-volatile memory using Ferroelectric structure |
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