KR20220060446A - Semiconductor device and semiconductor apparatus comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 장치에 관한 것이다. It relates to a semiconductor device and a semiconductor device including the same.
강유전체(ferroelectrics)는 외부에서 전기장이 가해지지 않아도 내부의 전기 쌍극자 모멘트가 정렬하여 자발적인 분극(polarizatiion)을 유지하는 강유전성(ferroelectricity)을 갖는 물질이다. 다른 말로, 강유전체(ferroelectrics)는 일정 전압을 걸어준 후 전압을 다시 0V로 가져가도 물질 내에 분극값(polarization)(또는 전기장)이 반영구적으로 남아 있는 물질이다. 이러한 강유전 특성을 반도체 소자에 적용하여 소자의 성능을 향상시키기 위한 연구가 이루어져 왔다. 예를 들어 강유전체의 분극값이 전압 변화에 대하여 히스테리시스(hysteresis)를 보이는 특성을 메모리 소자에 적용하려는 연구는 과거부터 이어져오고 있다. A ferroelectric is a material having ferroelectricity that maintains spontaneous polarization by aligning electric dipole moments inside even when an external electric field is not applied. In other words, ferroelectrics are materials in which polarization (or electric field) remains semi-permanently in the material even when the voltage is brought back to 0V after applying a certain voltage. Research has been made to improve the performance of a semiconductor device by applying such a ferroelectric property to a semiconductor device. For example, research to apply the characteristic that the polarization value of a ferroelectric exhibits hysteresis with respect to a voltage change to a memory device has been conducted since the past.
또한, 최근 강유전체가 특정 영역에서 네거티브 커패시턴스(negative capacitance)를 가질 수 있고, 이를 트랜지스터에 적용할 경우 서브문턱 스윙 값(subthreshold swing)이 기존 실리콘 기반 트랜지스터의 이론적 한계값이었던 60mV/dec 이하로 내려갈 수 있다는 가능성에 대한 연구 결과들이 발표되었다. 이로 인해, 강유전체를 저전력 반도체 소자에 활용하려는 연구가 이루어지고 있다. In addition, recent ferroelectrics may have negative capacitance in a specific region, and when this is applied to a transistor, the subthreshold swing value can go down to 60 mV/dec or less, which is the theoretical limit value of existing silicon-based transistors. Research results have been published on the possibility that For this reason, research to utilize ferroelectrics in low-power semiconductor devices is being conducted.
게다가, 하프늄계 산화물이 강유전성을 갖는다는 것이 밝혀진 이래, 하프늄계 산화물을 반도체 소자에 이용하는 것에 대한 연구도 진행되고 있다. 하프늄계 산화물은 반도체 공정에 친화적이면서도 수nm 수준의 매우 얇은 박막에서도 강유전성을 가져, 반도체 소자의 소형화에 유용할 것으로 기대된다.In addition, since hafnium-based oxides have been found to have ferroelectric properties, research on the use of hafnium-based oxides in semiconductor devices has been conducted. Hafnium-based oxides are friendly to semiconductor processes and have ferroelectric properties even in very thin thin films of several nm, so it is expected to be useful for miniaturization of semiconductor devices.
일 실시예는 2층 이상의 전극 구조를 갖는 강유전 반도체 소자(ferroelectric semiconductor device)에 관한 것이다. One embodiment relates to a ferroelectric semiconductor device having an electrode structure of two or more layers.
다른 실시예는 낮은 누설 전류와 높은 유전율을 갖는 강유전 반도체 소자에 관한 것이다. Another embodiment relates to a ferroelectric semiconductor device having a low leakage current and a high dielectric constant.
또 다른 실시예는 다양한 문턱 전압(Vth)를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다. Another embodiment relates to a semiconductor device having various threshold voltages (Vth).
일 측면(aspect)에 따른 반도체 소자는 기판, 기판과 평행하게 배치되는 강유전층, 기판과 이격되어 강유전층 상에 배치되는 제 1 전극층, 및 제 1 전극 상에 배치되는 제 2 전극층을 포함하고, 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 모두 강유전층보다 작은 열팽창계수를 가질 수 있다.A semiconductor device according to an aspect includes a substrate, a ferroelectric layer disposed parallel to the substrate, a first electrode layer spaced apart from the substrate and disposed on the ferroelectric layer, and a second electrode layer disposed on the first electrode, Both the first electrode layer and the second electrode layer may have a smaller coefficient of thermal expansion than that of the ferroelectric layer.
제 2 전극층과 강유전층의 열팽창계수의 차이는 제 1 전극층과 강유전층의 열팽창계수의 차이보다 클 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극층과 강유전층의 열팽창계수의 차이는 3.0x10-6/K 이상이고 10.0x10-6/K 이하일 수 있고, 제 1 전극층과 강유전층의 열팽창계수의 차이는 0.0 초과이고, 3.0x10-6/K 이하일 수 있다.The difference between the coefficients of thermal expansion between the second electrode layer and the ferroelectric layer may be greater than the difference between the coefficients of thermal expansion between the first electrode layer and the ferroelectric layer. For example, the difference between the coefficients of thermal expansion between the second electrode layer and the ferroelectric layer may be 3.0x10 -6 /K or more and 10.0x10 -6 / K or less, and the difference between the thermal expansion coefficients of the first electrode layer and the ferroelectric layer is greater than 0.0, It may be 3.0x10 -6 /K or less.
제 2 전극층은 제 1 전극층보다 큰 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극층의 두께는 제 1 전극층의 1.0배 이상이고 30.0배이하일 수 있다. 제 1 전극층은 TiN을 포함하고, 제 2 전극층은 Mo를 포함할 수 있다.The second electrode layer may have a greater thickness than the first electrode layer. For example, the thickness of the second electrode layer may be greater than or equal to 1.0 times and less than or equal to 30.0 times that of the first electrode layer. The first electrode layer may include TiN, and the second electrode layer may include Mo.
강유전층은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함할 수 있다. 또한, 강유전층은 Lu, Y, La, Ba 및 Sr로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하거나, 또는 Al, Ti, Ta, Sc, 및 Mg로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함할 수 있다. The ferroelectric layer may include a material represented by MO 2 (where M is Hf, Zr, or a combination thereof). In addition, the ferroelectric layer further includes one or two or more dopant materials selected from the group consisting of Lu, Y, La, Ba and Sr, or is made of Al, Ti, Ta, Sc, and Mg. It may further include one or two or more dopant materials selected from the group.
일 측면(aspect)에 따른 반도체 장치는 전술한 강유전층을 포함하는 반도체 소자를 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치는 서로 다른 문턱 전압(Vth)을 갖는 반도체 소자를 둘 이상 포함할 수 있다. 구체적으로, 둘 이상의 반도체 소자는 제 1 전극층의 조성, 두께, 제 2 전극층의 조성, 두께, 및/또는 강유전층의 조성, 두께 등이 서로 다를 수 있다. A semiconductor device according to an aspect may include one or more semiconductor devices including the above-described ferroelectric layer. For example, the semiconductor device may include two or more semiconductor devices having different threshold voltages Vth. Specifically, the two or more semiconductor devices may have different compositions and thicknesses of the first electrode layer, the composition and thickness of the second electrode layer, and/or the composition and thickness of the ferroelectric layer.
네거티브 커패시턴스 효과를 갖는 강유전층을 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있다. 강유전층의 강유전성을 높이면서, 원하는 문턱 전압(Vth)을 구현할 수 있는 전극 구조를 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있다. 이러한 반도체 소자는 낮은 누설 전류값과 높은 유전율을 가질 수 있고, 다양한 전자 소자, 전자 장치, 전자 회로 등에 응용될 수 있다. A semiconductor device including a ferroelectric layer having a negative capacitance effect may be provided. A semiconductor device including an electrode structure capable of realizing a desired threshold voltage Vth while increasing the ferroelectricity of the ferroelectric layer may be provided. Such a semiconductor device may have a low leakage current value and a high dielectric constant, and may be applied to various electronic devices, electronic devices, electronic circuits, and the like.
도 1, 도 2, 및 도 3은 실시예들에 따른 반도체 소자(전계 효과 트랜지스터)를 보여주는 모식도이다.
도 4a 및 도 4b는 다른 실시예에 따른 반도체 소자(전계 효과 트랜지스터)를 보여주는 모식도이다.
도 5a 및 도 5b는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자(전계 효과 트랜지스터)를 보여주는 모식도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 반도체 소자(커패시터)를 보여주는 모식도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 반도체 장치를 보여주는 모식도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 반도체 장치(커패시터와 전계 효과 트랜지스터의 연결 구조)를 보여주는 모식도이다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 소자 아키텍쳐(architecture)를 개략적으로 보여주는 개념도이다. 1, 2, and 3 are schematic diagrams illustrating semiconductor devices (field effect transistors) according to example embodiments.
4A and 4B are schematic diagrams illustrating a semiconductor device (field effect transistor) according to another exemplary embodiment.
5A and 5B are schematic diagrams illustrating a semiconductor device (field effect transistor) according to still another exemplary embodiment.
6 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (capacitor) according to an exemplary embodiment.
7 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device according to an exemplary embodiment.
8 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (a connection structure between a capacitor and a field effect transistor) according to another exemplary embodiment.
9 and 10 are conceptual diagrams schematically illustrating a device architecture applicable to an electronic device according to an exemplary embodiment.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 기술적 사상을 한정하려는 의도가 아니다. "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the technical idea. What is described as "upper" or "upper" may include those directly above/below/left/right in contact as well as above/below/left/right in non-contact.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 나타내려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품, 성분, 재료 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Terms such as "comprises" or "have" are intended to indicate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, components, materials, or combinations thereof described in the specification exist unless otherwise stated. , one or more other features, or numbers, steps, acts, elements, parts, components, materials, or combinations thereof, or combinations thereof, are not to be understood as precluding the possibility of addition.
"제 1", "제 2", "제 3" 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성 요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 구성 요소의 순서, 종류 등이 한정되는 것은 아니다. 또한, "유닛", "수단", "모듈", "...부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 포괄적인 구성의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Terms such as "first", "second", "third", etc. may be used to describe various elements, but are used only for the purpose of distinguishing one element from other elements, and the order of elements; The type and the like are not limited. In addition, terms such as “unit”, “means”, “module”, “unit” and the like mean a unit of a comprehensive configuration that processes at least one function or operation, which is implemented as hardware or software, or It can be implemented by a combination of and software.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성 요소의 크기(층, 영역 등의 폭, 두께 등)는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the sizes (widths, thicknesses, etc. of layers, regions, etc.) of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. Meanwhile, the embodiments described below are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments.
일 측면에 따르면, 강유전(ferroelectrics)층을 포함하는 반도체 소자 및 이를 포함하는 반도체 장치가 제공될 수 있다. 반도체 소자는 메모리(memory) 소자 또는 비메모리(non-memory) 소자일 수 있으며, 예를 들면, 전계 효과 트랜지스터, 커패시터, 또는 이들의 결합 구조일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 반도체 장치는 복수 개의 반도체 소자를 포함할 수 있으며, 다양한 전자 장치에 이용될 수 있다. 이러한 전자 장치는 기존 대비 효율, 속도, 전력 소모 면에서 장점을 가질 수 있다.According to one aspect, a semiconductor device including a ferroelectric layer and a semiconductor device including the same may be provided. The semiconductor device may be a memory device or a non-memory device, for example, a field effect transistor, a capacitor, or a combination thereof, but is not limited thereto. A semiconductor device may include a plurality of semiconductor devices, and may be used in various electronic devices. Such an electronic device may have advantages in terms of efficiency, speed, and power consumption compared to conventional devices.
도 1과 도 2는 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 전계 효과 트랜지스터(D10, D20)는 소스(120,121)와 드레인(130,131)을 포함하는 기판(100), 기판(100) 상에 배치되는 게이트 전극(300), 및 기판(100)과 게이트 전극(300) 사이에 배치되는 강유전(ferroelectrics)층(200)을 포함한다. 전계 효과 트랜지스터는 로직 스위칭 소자일 수 있다. 로직 스위칭 소자는 메모리 소자(메모리 트랜지스터)와 대비되는 개념으로, 비메모리적(non-memory)적 특성을 가질 수 있으며, 비메모리용 ON/OFF용 스위칭 소자일 수 있다. 1 and 2 are schematic diagrams schematically illustrating a field effect transistor according to an embodiment. 1 and 2 , the field effect transistors D10 and D20 include a
기판(100)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 Si, Ge, SiGe, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 등을 포함할 수 있으며, silicon on insulator(SOI) 등과 같이 다양한 형태로 변형되어 사용될 수 있다.The
기판(100)은 소스(120,121) 및 드레인(130,131)을 포함하고, 소스(120,121)와 드레인(130,131)에 전기적으로 연결되는 채널(110,111)을 포함할 수 있다. 소스(120,121)는 채널(110,111)의 일측 단부에 전기적으로 연결되거나 접촉될 수 있고, 드레인(130,131)은 채널(110,111)의 다른 일측 단부에 전기적으로 연결되거나 접촉될 수 있다. The
도 1을 참고하면, 채널(110)은 기판(100) 내 소스(120)와 드레인(130) 사이의 기판 영역으로 정의될 수 있다. 소스(120) 및 드레인(130)은 기판(100)의 서로 다른 영역에 불순물을 주입하여 형성될 수 있고, 이 경우, 소스(120), 채널(110), 및 드레인(130)은 기판 물질을 베이스 물질로 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
또한, 도 2를 참고하면, 채널(111)은 기판 영역(101)과 별개의 물질층(박막)으로 구현될 수 있다. 채널(111)의 물질 구성은 다양할 수 있다. 예를 들어, 채널(111)은 Si, Ge, SiGe, Ⅲ-Ⅴ족 등과 같은 반도체 물질뿐 아니라, 산화물(oxide) 반도체, 질화물(nitride) 반도체, 질산화물(oxynitride) 반도체, 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material), 양자점(quantum dot), 유기 반도체, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화물 반도체는 InGaZnO 등을 포함할 수 있고, 이차원 물질은 TMD(transition metal dichalcogenide) 또는 그래핀(graphene)을 포함할 수 있고, 양자점은 콜로이달 양자점(colloidal QD), 나노결정(nanocrystal) 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 소스(121) 및 드레인(131)은 도전성 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 각각 독립적으로 금속, 금속 화합물, 또는 도전성 폴리머를 포함할 수 있다. Also, referring to FIG. 2 , the
게이트 전극(300)은 기판(100) 상에 기판(100)과 이격되어 배치될 수 있으며, 채널(110,111)에 대향하도록 배치될 수 있다. The
강유전층(200)은 기판(100)과 게이트 전극(300) 사이에 채널(110,111) 위에 배치될 수 있다. 강유전층(200)은 게이트 전극(300)과 함께 게이트 스택(gate stack)을 구성할 수 있다.The
앞서 설명한 바와 같이, 강유전체(Ferroelectronics)는 특정 동작 영역에서 네거티브 커패시턴스(negative capacitance)를 가질 수 있어, 전계 효과 트랜지스터의 게이트 스택에 적용될 경우 서브문턱 스윙 값(SS)을 낮출 수 있다. As described above, ferroelectronics may have negative capacitance in a specific operating region, so that when applied to a gate stack of a field effect transistor, the sub-threshold swing value SS may be lowered.
이러한 전계 효과 트랜지스터는 기판(100) 상에 강유전층(200)과 동일한 조성의 비정질층을 형성한 후, 그 위에 게이트 전극(300)을 순차적으로 형성하고, 이들을 함께 어닐링하여 제조될 수 있다. 어닐링 단계에서 비정질층이 결정화되면서 비정질층과 게이트 전극(300)간의 인장 응력(Tensile Stress)에 의해 결정화된 층의 강유전성을 높일 수 있다. Such a field effect transistor may be manufactured by forming an amorphous layer having the same composition as that of the
한편, 최근 전자 장치는 다양한 응용에 적용하기 위해 하나의 반도체 장치가 다양한 문턱 전압(Vth)을 갖도록 요구된다. 다시 말해, 하나의 반도체 장치에 포함되는 복수 개의 반도체 소자가 모두 동일한 문턱 전압(Vth)를 갖지 않고, 적어도 둘 이상의 반도체 소자가 상이한 문턱 전압(Vth)들을 갖도록 요구될 수 있다. 반도체 소자(D10, D20)의 문턱 전압(Vth)은 강유전층(200)의 조성, 게이트 전극(300)의 일함수, 기타 구성 소소(예를 들어, 또 다른 유전체층(도 3의 도면 부호 300))의 조성 등에 의존될 수 있다. Meanwhile, in recent electronic devices, one semiconductor device is required to have various threshold voltages (Vth) in order to be applied to various applications. In other words, a plurality of semiconductor devices included in one semiconductor device may not all have the same threshold voltage Vth, and at least two semiconductor devices may be required to have different threshold voltages Vth. The threshold voltage Vth of the semiconductor devices D10 and D20 is determined by the composition of the
일 실시예에 따르면, 강유전층의 강유전성을 높이면서, 원하는 문턱 전압(Vth)을 구현할 수 있는 게이트 전극(300) 구조가 제공될 수 있다. 구체적으로, 강유전 반도체 소자(D10, D20)는 게이트 전극(300)으로, 열팽창계수와 두께가 서로 다른 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)을 포함할 수 있다. According to an embodiment, the structure of the
제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)은 모두 강유전층(200)보다 작은 열팽창계수를 가질 수 있다. 이러한 열팽창계수의 차이는 반도체 소자 제조 과정 중 비정질층에 가해지는 인장 응력(Tensile stess)을 증가시켜여 강유전층(200)의 강유전성을 높일 수 있다. Both the
또한, 강유전층(200)과 인접하여 배치되는 제 1 전극층(310)은 반도체 소자(D10, D20)의 문턱 전압(Vth)에 대응되는 일함수를 갖는 물질을 포함할 수 있다. Also, the
제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)은 강유전층(200)으로부터 멀어질수록, 강유전층(200)과의 열팽창계수의 차이가 커지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(320)과 강유전층(200)간의 열팽창계수의 차이는 제1 전극층(310)과 강유전층(200)간의 열팽창계수의 차이보다 클 수 있다. 또한, 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)은 강유전층(200)으로부터 멀어질수록 두께가 더 클 수 있다. 다시 말해, 제 2 전극층(320)의 두께는 제 1 전극층(310)의 두께보다 클 수 있다. 이러한 게이트 전극(300)은 강유전층(200) 표면에서의 일함수 차이로부터 원하는 문턱 전압(Vth)을 구현할 수 있고, 강유전층(200) 전체에 가해지는 인장 응력을 높여 강유전성을 향상시킬 수 있다. The
예를 들어, 제 2 전극층(320)과 강유전층(200)은 열팽창계수의 차이가 3.0x10-6/K 이상, 3.1x10-6/K 이상, 3.2x10-6/K 이상, 3.5x10-6/K 이상, 4.0x10-6/K 이상, 4.5x10-6/K 이상, 5.0x10-6/K 이상, 5.5x10-6/K 이상, 6.0x10-6/K 이상, 10.0x10-6/K 이하, 9.5x10-6/K 이하, 9.0x10-6/K 이하, 8.5x10-6/K 이하, 8.0x10-6/K 이하, 7.7x10-6/K 이하, 또는 7.5x10-6/K 이하일 수 있다. 제 1 전극층(310)과 강유전층(200)의 열팽창계수의 차이는 0.0 초과, 0.5x10-6/K 이상, 1.0x10-6/K 이상, 1.5x10-6/K 이상, 2.0x10-6/K 이상, 3.0x10-6/K 이하, 3.0x10-6/K 미만, 2.9x10-6/K 이하, 또는 2.8x10-6/K 이하일 수 있다. 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)은 모두 0.0 초과이고 12.0x10-6/K 이하의 열팽창계수를 가질 수 있고, 제 2 전극층(320)의 열팽창계수는 9.0x10-6/K 이하, 8.5x10-6/K 이하, 8.0x10-6/K 이하, 7.5.0x10-6/K 이하, 7.0x10-6/K 이하, 6.5.0x10-6/K 이하, 6.0x10-6/K 이하, 5.5.0x10-6/K 이하, 또는 5.0x10-6/K 이하이고, 제 1 전극층(310)의 열팽창계수는 12.0x10-6/K 미만, 11.0x10-6/K 이하, 10.0x10-6/K 이하, 9.8x10-6/K 이하, 9.6x10-6/K 이하, 6.0x10-6/K 이상, 6.3x10-6/K 이상, 6.5x10-6/K 이상, 7.0x10-6/K 이상, 또는 7.5x10-6/K 이상일 수 있다. For example, the difference in coefficients of thermal expansion between the second electrode layer 320 and the
또한, 제 2 전극층(320)의 두께는 제 1 전극층(310)의 1.0배 이상, , 1.5배 이상, 2.0배 이상, 2.5배 이상, 3.0배 이상, 5.0배 이상, 7.0배 이상, 10.0배 이상, 30.0배 이하, 27.0배 이하, 25.0배 이하, 23.0배 이하, 또는 20.0배 이하일 수 있고, 제 2 전극층(320)은 10nm 이상, 15nm 이상, 20nm 이상, 25nm 이상, 30nm 이상, 35nm 이상, 200nm 이하, 170nm 이하, 160nm 이하, 150nm 이하, 140nm 이하, 130nm 이하, 120nm 이하, 110nm 이하, 또는 100nm 이하의 두께를 가질 수 있고, 제 1 전극층(310)은 1.0nm 이상, 1.5nm 이상, 2.0nm 이상, 2.5nm 이상, 3.0nm 이상, 10.0nm 이하, 9.0nm 이하, 8.0nm 이하, 또는 7.0nm 이하의 두께를 가질 수 있다. In addition, the thickness of the second electrode layer 320 is 1.0 times or more, , 1.5 times or more, 2.0 times or more, 2.5 times or more, 3.0 times or more, 5.0 times or more, 7.0 times or more, 10.0 times or more of the
제 1 전극층(310) 및 2 전극층(320)은 서로 다른 조성을 가지며, 각각 독립적으로 Pt, Nb, Ru, Mo, W 및 TiN으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극층(310)은 TiN을 포함하고, 제 2 전극층(320)은 Mo를 포함할 수 있다. The
다시 도 1 및 도 2를 참고하면, 강유전층(200)은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 금속 산화물은 수nm 수준의 매우 얇은 박막에서도 강유전성을 나타낼 수 있으며, 기존 실리콘 기반의 반도체 소자 공정에 적용 가능하여 양산성이 높다.Referring back to FIGS. 1 and 2 , the
또한, 강유전층(200)은 사방정계(orthorhombic) 결정상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 강유전층(200)는 사방정계 결정상, 정방정계 결정상 등 여러 결정상을 포함할 수 있으나, 사방정계 결정상을 지배적(dominemnt)으로 또는 모든 결정상 중 가장 큰 비율로 포함할 수 있다. Also, the
강유전층(200)는 잔류 분극의 유무 및 크기, 금속 산화물의 조성, 도핑 원소의 종류와 비율, 결정상 등에 따라 고유전체 등과 구분될 수 있다. 각 원소의 종류 및 함량은 당업계에 알려진 방법에 따라 측정될 수 있으며, 예를 들어, XPS(X-ray photoelectron spectroscopy), AES(Auger electron spectroscopy), ICP(Inductively coupled plasma) 등이 사용될 수 있다. 또한, 결정상 분포는 당업계에 알려진 방법으로 확인될 수 있으며, 예를 들어, TEM (Transmission electron microscopy), GIXRD(Grazing Incidence X-ray Diffraction) 등이 사용될 수 있다. The
강유전층(200)은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 모재 물질(base material)로 포함하고, C, Si, Ge, Sn, Pb, Al, Y, La, Gd, Mg, Ca, Sr Ba, Ti, Sc, Ta, Lu 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 1 종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함할 수 있다. 도펀트 물질 함량은 모재의 금속 원소 대비 0at% 초과, 0.2at% 이상, 0.5at% 이상, 1at% 이상, 2at% 이상, 3 at% 이상이고, 20at% 이하, 15at% 이하, 12at% 이하, 10at% 이하, 8at% 이하, 7at% 이하, 6at% 이하일 수 있다. The
또한, 강유전층(200)은 반도체 소자의 문턱 전압(Vth)를 제어하기 위해 도펀트의 종류와 함량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자의 문턱 전압(Vth)을 낮추기 위해 강유전층(200)은 Al, Ti, Ta, Sc, 및 Mg 로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하거나, 반도체 소자의 문턱 전압(Vth)을 높이기 위해 강유전층(200)은 Lu, Y, La, Ba, 및 Sr로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함할 수도 있다.In addition, the
강유전층(200)은 0 초과이고 20nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 강유전층(200)의 두께는 0nm 초과, 0.1nm 이상, 0.2nm 이상, 0.3nm 이상, 0.4nm 이상, 0.5nm 이상, 0.6nm 이상, 0.7nm 이상, 0.8nm 이상, 1.0nm 이상, 또는 1.5nm 이상이고, 20nm 이하, 18nm 이하, 15nm 이하, 12nm 이하, 10nm 이하, 8nm 이하, 6nm 이하, 5nm 이하, 4nm 이하, 3nm 이하, 2nm 이하, 1nm 이하일 수 있다. 두께는 당업계의 알려진 방법에 따라 측정될 수 있으며, 예를 들어, 엘립소미터(SE MG-1000, Nano View) 등이 사용될 수 있다. The
도 3은 다른 실시예에 따른 반도체 소자(D30, 전계 효과 트랜지스터)를 보여주는 모식도이다. 도 3을 참고하면, 채널(110)과 강유전층(200) 사이에 유전체층(400)이 더 포함될 수 있다. 유전체층(400)은 전기적 누설(leakage)을 억제 또는 방지할 수 있다. 유전체층(400)의 두께는 0.1nm 이상, 0.3 nm 이상, 또는 0.5nm이상이고, 5nm 이하, 4nm 이하, 3nm 이하, 2nm 이하, 또는 1nm 이하 일 수 있다. 유전체층(400)은 상유전 물질 또는 고유전 물질을 포함할 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 지르코늄 산화물 등을 포함하거나 h-BN (hexagonal boron nitride)과 같은 이차원 절연체(2D insulator)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체층(400)은 실리콘옥사이드(SiO2), 실리콘나이트라이드(SiNx) 등을 포함할 수 있다. 또한, 유전체층(400)은 하프늄옥사이드(HfO2), 하프늄실리콘옥사이드(HfSiO4), 란타늄옥사이드(La2O3), 란타늄알루미늄옥사이드(LaAlO3), 지르코늄옥사이드(ZrO2), 지르코늄실리콘옥사이드(ZrSiO4), 탄탈룸옥사이드(Ta2O5), 티타늄옥사이드(TiO2), 스트론튬티타늄옥사이드(SrTiO3), 이트륨옥사이드(Y2O3), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 레드스칸듐탄탈룸옥사이드(PbSc0.5Ta0.5O3), 레드징크니오베이트(PbZnNbO3) 등을 포함할 수 있다. 또한, 유전체층(400)은 알루미늄옥시나이트라이드(AlON), 지르코늄옥시나이트라이드(ZrON), 하프늄옥시나이트라이드(HfON), 란타눔옥시나이트라이드(LaON), 이트륨옥시나이트라이드(YON) 등과 같은 금속질화산화물, ZrSiON, HfSiON, YSiON, LaSiON 등과 같은 실리케이트, 또는 ZrAlON, HfAlON 등과 같은 알루미네이트를 포함할 수 있다. 3 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (D30, field effect transistor) according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 3 , a
도 3을 참고하면, 채널(110)과 강유전층(200) 사이에 도전층(500)이 더 포함될 수 있다. 도전층(500)은 대략 1Mohm/square 이하의 전도성을 가질 수 있다. 도전층(500)은 플로팅 전극(floating electrode)일 수 있고, 금속이나 금속 화합물로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3 , a
전계 효과 트랜지스터는 2-dimension, 3-dimension 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터는 planar-FET과 같이 1-gate on channel 형태, Fin-FET과 같이 3-gate on channel 형태, 또는 Gate-all-around-FET과 같이 4-gate on channel 형태일 수 있다. The field effect transistor may be implemented in various forms, such as 2-dimension and 3-dimension. For example, the field effect transistor may have a 1-gate on channel type like a planar-FET, a 3-gate on channel type like a Fin-FET, or a 4-gate on channel type like a Gate-all-around-FET. there is.
도 4a는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자(구체적으로, Fin-FET)를 보여주는 모식도이고, 도 4b는 도 4a의 A-A'선을 따라 본 단면도이다. 도 4a 및 도 4b를 참고하면, Fin-FET(D40)는 소스(120), 드레인(130), 그리고 이들 사이의 영역으로 정의되는 채널(110 또는 111)을 포함하고, 채널(110,111)은 fin 형상을 가질 수 있다. 게이트 전극(300)은 fin 형상을 포함하는 기판(100)위에 fin 형상과 교차되도록 배치될 수 있고, 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)이 채널(110 또는 111) 위에 채널(110 또는 111)을 순차적으로 둘러싸도록 배치될 수 있다. 4A is a schematic diagram showing a semiconductor device (specifically, a Fin-FET) according to another embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 4A. 4A and 4B , the Fin-FET D40 includes a
도 5a는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자(구체적으로, Gate-all-around-FET)를 보여주는 모식도이고, 도 5b는 도 5a의 B-B'선을 따라 본 단면도이다. 도 5a 및 도 5b를 참고하면, Gate-all-around-FET(D50)는 소스(120), 드레인(130), 그리고 이들 사이의 영역으로 정의되는 채널(110 또는 111)을 포함하고, 채널(110,111)은 와이어, 시트 등의 형태를 가질 수 있다. 소스(120), 드레인(130) 및 채널(110,111)은 기판 영역(101)과 이격되어 배치될 수 있다. 게이트 전극(300)은 소스(120), 드레인(130), 그리고 채널(110 또는 111)과 교차되면서, 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)이 채널(110 또는 111) 위에 채널(110 또는 111)을 순차적으로 둘러싸도록 배치될 수 있다 5A is a schematic diagram showing a semiconductor device (specifically, a gate-all-around-FET) according to another embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line B-B' of FIG. 5A. 5A and 5B , the gate-all-around-FET D50 includes a
도 6은 일 실시예에 따른 커패시터를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 6을 참고하면, 커패시터(D60)는 제 1 전극(301)과 이에 대향하고 이격되어 배치된 제 2 전극(302), 제 1 전극(301)과 제 2 전극(302) 사이에 배치되는 강유전층(200)을 포함한다. 제 1 전극(301) 및 제 2 전극(302)은 각각 하부 전극과 상부 전극으로 지칭될 수 있고, 각각 제 1 전극층(311, 312)와 제 2 전극층(312, 322)를 가질 수 있다. 제 1 전극층(311,312)은 강유전층(200)과 평행하도록 강유전층(200)에 인접하여 배치될 수 있다. 6 is a schematic diagram schematically illustrating a capacitor according to an embodiment. Referring to FIG. 6 , the capacitor D60 includes a
일 실시예에 따른 반도체 소자(예를 들어, 커패시터)는 반도체 물질을 포함하는 제1 전극(301) 상에, 강유전층(200)과 동일한 조성을 갖는 비정질층을 형성하고, 제 1 전극층(312)과 제 2 전극층(322)을 순차적으로 형성한 후 동시에 어닐링하여 제조될 수 있다. 어닐링시, 제2 전극(302)와 비정질층간의 인장 응력(Tensile Stress)에 의해 비정질층은 결정화되어 강유전층(200)이 될 수 있다. 비정질층, 제 1 전극층(312), 제 2 전극층(322)은 원자층 증착(ALD), 화학기상증착(CVD), 물리 기상 증착(PVD), 또는 스퍼터링 등 당업계에 알려진 통상적인 방법으로 형성될 수 있다. 이 중, 원자층 증착(ALD) 방법은 원자 단위로 균일한 층을 형성할 수 있고, 비교적 낮은 온도에서 수행될 수 있다는 장점이 있다. In the semiconductor device (eg, capacitor) according to an embodiment, an amorphous layer having the same composition as that of the
원자층 증착(ALD) 방법을 통해 비정질층 형성시, 하프늄 공급원, 지르코늄 공급원, 및 산소 공급원은 당업계에 알려진 통상적인 전구체가 사용될 수 있다. 예를 들어, 하프늄 공급원으로는 Hf(OtBu)4, TEMAH(Tetrakis Ethyl Methyl Amino Hafnium), TDMAH(Tetrakis Di-Methyl Amino Hafnium), TDEAH(Tetrakis Di-Ethyl Amino Hafnium) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 지르코늄 공급원으로는 Zr(OtBu)4, TEMAZ(Tetrakis Ethyl Methyl Amino Zirconium), TDMAZ(Tetrakis Di-Methyl Amino Zirconium), TDEAZ(Tetrakis Di-Ethyl Amino Zirconium), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 산소 공급원으로는 O3, H2O, O2, N2O, O2 플라즈마 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.When an amorphous layer is formed through an atomic layer deposition (ALD) method, a hafnium source, a zirconium source, and an oxygen source may be conventional precursors known in the art. For example, the hafnium source is Hf (OtBu) 4 , TEMAH (Tetrakis Ethyl Methyl Amino Hafnium), TDMAH (Tetrakis Di-Methyl Amino Hafnium), TDEAH (Tetrakis Di-Ethyl Amino Hafnium), and combinations thereof. At least one selected may be used, but is not limited thereto. In addition, as the zirconium source, Zr(OtBu) 4 , Tetrakis Ethyl Methyl Amino Zirconium (TEMAZ), Tetrakis Di-Methyl Amino Zirconium (TDMAZ), Tetrakis Di-Ethyl Amino Zirconium (TDEAZ), and combinations thereof are selected from the group consisting of At least one may be used, but is not limited thereto. In addition, as the oxygen source, O 3 , H 2 O, O 2 , N 2 O, O 2 At least one selected from the group consisting of plasma and combinations thereof may be used, but is not limited thereto.
어닐링하는 단계는 비정질층이 강유전층으로 변환될 수 있는 적절한 조건에서 수행될 수 있다. 구체적으로, 비정질층이 사방정계(orthorhombic) 결정상으로 결정화될 수 있는 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 어닐링은 400℃ 내지 1100℃에서의 온도에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 어닐링은 1 나노초(nano-second)이상, 1 마이크로초(micro-second) 이상, 0.001초 이상, 0.01초 이상, 0.05초 이상, 0.1초 이상, 0.5초 이상, 1초 이상, 3초 이상, 또는 5초 이상이고, 10분 이하, 5분 이하, 1분 이하, 또는 30초 이하의 시간동안 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The step of annealing may be performed under suitable conditions in which the amorphous layer can be converted into a ferroelectric layer. Specifically, the amorphous layer may be performed under conditions in which crystallization into an orthorhombic crystalline phase is possible. For example, the annealing may be performed at a temperature of 400° C. to 1100° C., but is not limited thereto. Annealing is 1 nano-second or more, 1 micro-second or more, 0.001 sec or more, 0.01 sec or more, 0.05 sec or more, 0.1 sec or more, 0.5 sec or more, 1 sec or more, 3 sec or more, or It is 5 seconds or more, and may be performed for a time of 10 minutes or less, 5 minutes or less, 1 minute or less, or 30 seconds or less, but is not limited thereto.
또한, 전계 효과 트랜지스터 제조시, 반도체 물질을 포함하는 기판 상에 유전체층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있고, 반도체 물질을 포함하는 기판 상에 소스와 드레인을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.In addition, when manufacturing the field effect transistor, the step of forming a dielectric layer on the substrate including the semiconductor material may be further included, and the step of forming the source and the drain on the substrate including the semiconductor material may be further included.
커패시터는 반도체 기판 대신 제 2 전극층과 제 1 전극층이 순차적으로 적층된 구조를 사용한 것을 제외하고는, 앞서 설명한 전계 효과 트랜지스터의 제조 방법과 유사한 방법으로 제조될 수 있다. The capacitor may be manufactured in a manner similar to the manufacturing method of the field effect transistor described above, except that a structure in which the second electrode layer and the first electrode layer are sequentially stacked is used instead of the semiconductor substrate.
반도체 장치는 복수 개의 반도체 소자를 포함하고 이 반도체 소자들 중 하나 또는 둘 이상이 전술한 반도체 소자(커패시터, 전계 효과 트랜지스터)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반도체 장치는 전술한 전계 효과 트랜지스터를 복수 개 포함하고, 이들 중 2개 이상은 서로 다른 문턱 전압(Vth)를 가질 수 있다. 도 7을 참고하면, 반도체 장치(D70)는 반도체 기판(100) 상에 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)와 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)를 포함할 수 있다. 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)와 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)는 제 1 전극층(310a, 310b), 제 2 전극층(320a, 320b), 및/또는 강유전층(200a, 200b)의 조성, 두께 등이 서로 다를 수 있다. 구체적으로, 2개 이상의 전계 효과 트랜지스터(D10a, D10b)는 게이트 전극(300a, 300b)의 조성 및/또는 두께가 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)의 제 1 전극층(310a)는 TiN을 포함하고, 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 제 1 전극층(310b)는 W을 포함할 수 있다. 또는, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)와 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 제 1 전극층(310a,310b)은 서로 다른 두께의 TiN을 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)의 제 2 전극층(320a)는 W을 포함하고, 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 제 2 전극층(320b)는 Mo을 포함할 수 있다. 또는, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)와 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 제 2 전극층(320a,320b)은 서로 다른 두께의 Mo을 포함할 수 있다. 또한, 2개 이상의 전계 효과 트랜지스터(D10a, D10b)는 강유전층(200a, 200b)의 조성 및/또는 두께가 다를 수 있다. 구체적으로, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)와 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 강유전층(200a,200b)는 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 모재 물질(base material)로 포함하면서 서로 다른 도펀트 물질을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전계 효과 트랜지스터(D10a)의 강유전층(200a)은 Al, Ti, Ta, Sc, 및 Mg로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하고, 제 2 전계 효과 트랜지스터(D10b)의 강유전층(200b)은 Lu, Y, La, Ba, 및 Sr로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함할 수 있다. A semiconductor device includes a plurality of semiconductor devices, and one or more of the semiconductor devices may include the aforementioned semiconductor device (capacitor, field effect transistor). For example, a semiconductor device may include a plurality of the aforementioned field effect transistors, and two or more of them may have different threshold voltages Vth. Referring to FIG. 7 , the semiconductor device D70 may include a first field effect transistor D10a and a second field effect transistor D10b on a
반도체 장치는 전계 효과 트랜지스터와 커패시터가 전기적으로 연결되어 구성될 수도 있다. 반도체 장치는 메모리 특성을 가질 수 있고, 예를 들어 DRAM일 수 있다. 도 8은 일 실시예에 따른 반도체 장치(커패시터와 전계 효과 트랜지스터의 연결 구조)를 보여주는 모식도이다. 이들 커패시터 및/또는 전계 효과 트랜지스터는 일 실시예에 따른 반도체 소자일 수 있다. 도 8을 참고하면, 반도체 장치(D80)는 일 실시예에 따른 커패시터(D60)와 전계 효과 트랜지스터(D10')가 컨택(62)에 의해 전기적으로 연결된 구조일 수 있다. 예를 들어, 커패시터(D60)의 전극(301.302) 중 하나와 트랜지스터(D10')의 소스/드레인(120,130) 중 하나가 컨택(62)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 컨택(62)은 적절한 전도성 재료, 예를 들어, 텅스텐, 구리, 알루미늄, 폴리실리콘 등을 포함할 수 있다. The semiconductor device may be configured by electrically connecting a field effect transistor and a capacitor. The semiconductor device may have a memory characteristic, and may be, for example, a DRAM. 8 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (a connection structure between a capacitor and a field effect transistor) according to an exemplary embodiment. These capacitors and/or field effect transistors may be semiconductor devices according to an embodiment. Referring to FIG. 8 , the semiconductor device D80 may have a structure in which a capacitor D60 and a field effect transistor D10 ′ are electrically connected by a
전계 효과 트랜지스터(D10')는 소스(120), 드레인(130), 및 채널(110)을 포함하는 기판(100)과, 채널(110)에 대향되도록 배치되는 게이트 전극(300')을 포함한다. 기판(100)과 게이트 전극(300') 사이에 유전체층(410)을 더 포함할 수 있다. 소스(120), 드레인(130), 채널(110), 기판(100)은 앞서 설명한 내용과 같으며, 유전체층(410)은 앞서 설명한 유전체층(400)의 내용을 참고할 수 있다. 게이트 전극(300')은 도 1과 같이 제 1 전극층(310)과 제 2 전극층(320)을 포함하거나, 포함하지 않을 수 있다. 또한, 전계 효과 트랜지스터(D10')는 강유전층(200)을 포함하지 않는 예를 도시하였으나, 도 1과 같이 강유전층(200)을 포함할 수도 있다.The field effect transistor D10 ′ includes a
커패시터(D60)와 전계 효과 트랜지스터(D10')의 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 커패시터(D60)는 기판(100) 위에 배치될 수도 있고, 기판(100) 내에 매립되는 구조일 수도 있다. The arrangement of the capacitor D60 and the field effect transistor D10' may be variously modified. For example, the capacitor D60 may be disposed on the
반도체 소자 및 반도체 장치는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있다. 구체적으로, 위에서 설명한 전계 효과 트랜지스터, 커패시터, 또는 이들의 조합은 다양한 전자 장치에서 논리 소자 또는 메모리 소자로 적용될 수 있다. 실시예들에 따른 반도체 소자는 저전력으로 구동 가능하여, 전자 장치의 소형화 및 집적화 요구에 부응할 수 있다. 구체적으로, 반도체 소자 및 반도체 장치는 모바일 디바이스, 컴퓨터, 노트북, 센서, 네트워크 장치, 뉴로모픽 소자(neuromorphic device) 등과 같은 전자 장치에서 산술 연산, 프로그램 실행, 일시적 데이터 유지 등을 위해 사용될 수 있다. 실시예들에 따른 반도체 소자 및 반도체 장치는 데이터 전송량이 크고 데이터 전송이 연속적으로 이루어지는 전자 장치에 유용할 수 있다.A semiconductor device and a semiconductor device may be applied to various electronic devices. Specifically, the above-described field effect transistor, capacitor, or a combination thereof may be applied as a logic element or a memory element in various electronic devices. The semiconductor device according to the embodiments may be driven with low power, and thus may meet demands for miniaturization and integration of electronic devices. Specifically, semiconductor devices and semiconductor devices may be used for arithmetic operations, program execution, temporary data retention, etc. in electronic devices such as mobile devices, computers, notebook computers, sensors, network devices, and neuromorphic devices. The semiconductor device and the semiconductor device according to the embodiments may be useful for electronic devices in which a data transmission amount is large and data transmission is continuously performed.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 전자 소자 아키텍쳐(architecture)를 개략적으로 보여주는 개념도이다. 9 and 10 are conceptual views schematically illustrating an electronic device architecture applicable to an electronic device according to an exemplary embodiment.
도 9를 참고하면, 전자 소자 아키텍쳐(architecture)(1000)는 메모리 유닛(memory unit)(1010), ALU(arithmetic logic unit)(1020) 및 제어 유닛(control unit)(1030)을 포함할 수 있다. 메모리 유닛(1010), ALU(1020) 및 제어 유닛(1030)은 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 전자 소자 아키텍쳐(architecture)(1000)는 메모리 유닛(1010), ALU(1020) 및 제어 유닛(1030)를 포함하는 하나의 칩으로 구현될 수 있다. 구체적으로, 메모리 유닛(1010), ALU(1020) 및 제어 유닛(1030)은 온-칩(on-chip)에서 메탈 라인(metal line)으로 상호 연결되어 직접 통신할 수 있다. 메모리 유닛(1010), ALU(1020) 및 제어 유닛(1030)은 하나의 기판 상에 모놀리식(monolithic)하게 집적되어 하나의 칩을 구성할 수도 있다. 전자 소자 아키텍쳐(칩)(1000)에는 입출력 소자(2000)가 연결될 수 있다. Referring to FIG. 9 , an
메모리 유닛 (1010), ALU (1020) 및 제어 유닛 (1030)은 각각 독립적으로 앞서 설명한 반도체 소자(전계 효과 트랜지스터, 또는 커패시터 등)를 포함할 수 있다. 예를 들어, ALU(1020) 및 제어 유닛(1030)은 각각 독립적으로 앞서 설명한 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있고, 메모리 유닛(memory unit)(1010)은 앞서 설명한 커패시터, 전계 효과 트랜지스터 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 메모리 유닛(1010)은 메인 메모리 및 캐시 메모리를 모두 포함할 수 있다. 이러한 전자 소자 아키텍쳐(칩)(1000)는 on-chip memory processing unit일 수 있다.The
도 10을 참고하면, 캐시 메모리(cache memory)(1510), ALU(1520) 및 제어 유닛(1530)이 Central Processing Unit(CPU)(1500)을 구성할 수 있다. 캐시 메모리(1510)는 SRAM(static random access memory)으로 이루어질 수 있으며, 앞서 설명한 전계 효과 트랜지스터를 포함할 수 있다. CPU(1500)와 별개로, 메인 메모리(1600) 및 보조 스토리지(1700)가 구비될 수 있다. 메인 메모리(1600)는 DRAM(dynamic random access memory)으로 이루어질 있으며 앞서 설명한 커패시터를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 10 , a
경우에 따라, 전자 소자 아키텍쳐(architecture)는 서브-유닛들(sub-units)의 구분없이, 하나의 칩에서 컴퓨팅(computing) 단위 소자들과 메모리 단위 소자들이 상호 인접하는 형태로 구현될 수 있다. In some cases, the electronic device architecture may be implemented in a form in which computing unit devices and memory unit devices are adjacent to each other in a single chip without distinction of sub-units.
이하에서는 앞서 설명한 반도체 소자들을 포함하는 구체적인 실시예들을 제시한다. Hereinafter, specific embodiments including the above-described semiconductor devices are presented.
실시예 1 : p-Si/ SiOExample 1: p-Si/SiO 22 / HfZrO/ TiN/ Mo 구조의 커패시터 제조/ HfZrO/ TiN/ Mo structure capacitor manufacturing
폴리 실리콘(p-Si) 기판을 준비하고, 표면을 일부 산화시켜 실리콘 산화물층(SiO2)을 형성하였다. A polysilicon (p-Si) substrate was prepared, and the surface was partially oxidized to form a silicon oxide layer (SiO 2 ).
실리콘 산화물층(SiO2) 위에, 원자층 증착(ALD)을 통해 HfZrO 비정질층을 형성하였다. DC 스퍼터나 ALD 통해 HfZrO 비정질층 위에 TiN 전극과 Mo 전극을 순차적으로 형성하였다. TiN 전극의 두께는 약 5nm이고, Mo 전극의 두께는 약 100nm이다. On the silicon oxide layer (SiO 2 ), an HfZrO amorphous layer was formed through atomic layer deposition (ALD). A TiN electrode and a Mo electrode were sequentially formed on the HfZrO amorphous layer through DC sputtering or ALD. The thickness of the TiN electrode is about 5 nm, and the thickness of the Mo electrode is about 100 nm.
이렇게 형성된 구조물을 400℃ 내지 1100℃ 사이의 온도로 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA)하여 결정화된 HfZrO층을 포함하는 커패시터를 제조하였다.The structure thus formed was subjected to rapid thermal annealing (RTA) at a temperature between 400° C. and 1100° C. to prepare a capacitor including a crystallized HfZrO layer.
실시예 2: p-Si/ SiOExample 2: p-Si/SiO 22 / La-HfZrO/ TiN/ Mo 구조의 커패시터 제조/ La-HfZrO/ TiN/ Mo structure capacitor manufacturing
실리콘 산화물층(SiO2) 위에, HfZrO 비정질층 대신 La을 도펀트 물질로 포함하는 HfZrO 비정질층을 원자층 증착(ALD)을 통해 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 커패시터를 제조하였다.A capacitor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an HfZrO amorphous layer containing La as a dopant material was formed on the silicon oxide layer (SiO 2 ) through atomic layer deposition (ALD) instead of the HfZrO amorphous layer. .
실시예 3: p-Si/ SiOExample 3: p-Si/SiO 22 / HfO/ TiN/ Mo 구조의 커패시터 제조/ HfO/ TiN/ Mo structure capacitor manufacturing
실리콘 산화물층(SiO2) 위에, HfZrO 비정질층 대신 HfO 비정질층을 원자층 증착(ALD)을 통해 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 커패시터를 제조하였다.A capacitor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an HfO amorphous layer was formed through atomic layer deposition (ALD) instead of an HfZrO amorphous layer on a silicon oxide layer (SiO 2 ).
실시예 4: Mo/ TiN/ HfZrO/ TiN/ Mo 구조의 커패시터 제조Example 4: Fabrication of Capacitors of Mo/ TiN/ HfZrO/ TiN/ Mo Structure
DC 스퍼터나 ALD 방법을 통해 Mo 전극과 TiN 전극을 순차적으로 형성하였다.A Mo electrode and a TiN electrode were sequentially formed through DC sputtering or ALD method.
Mo 전극 위에 원자층 증착(ALD)을 통해 HfZrO 비정질층을 형성하였다. DC 스퍼터나 ALD 통해 HfZrO 비정질층 위에 TiN 전극과 Mo 전극을 순차적으로 형성하였다.A HfZrO amorphous layer was formed on the Mo electrode through atomic layer deposition (ALD). A TiN electrode and a Mo electrode were sequentially formed on the HfZrO amorphous layer through DC sputtering or ALD.
이렇게 형성된 구조물을 400℃ 내지 1100℃ 사이의 온도로 급속열처리(rapid thermal annealing, RTA)하여 결정화된 HfZrO층을 포함하는 커패시터를 제조하였다.The structure thus formed was subjected to rapid thermal annealing (RTA) at a temperature between 400° C. and 1100° C. to prepare a capacitor including a crystallized HfZrO layer.
비교예 1: p-Si/ SiOComparative Example 1: p-Si/SiO 22 / HfZrO/ Mo 구조의 커패시터 제조/ HfZrO/ Mo structure capacitor manufacturing
HfZrO 비정질층 위에, TiN 전극 형성 없이 Mo 전극을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 커패시터를 제조하였다. A capacitor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a Mo electrode was formed on the HfZrO amorphous layer without forming a TiN electrode.
비교예 2: p-Si/ SiOComparative Example 2: p-Si/SiO 22 / La-HfZrO/ Mo 구조의 커패시터 제조/ La-HfZrO/ Mo structure capacitor manufacturing
La을 도펀트 물질로 포함하는 HfZrO 비정질층 위에, TiN 전극 형성 없이 Mo 전극을 형성한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 커패시터를 제조하였다. A capacitor was manufactured in the same manner as in Example 2, except that a Mo electrode was formed without forming a TiN electrode on the HfZrO amorphous layer containing La as a dopant material.
비교예 3: TiN/ HfZrO/ TiN 구조의 커패시터 제조Comparative Example 3: TiN/HfZrO/TiN Structure Capacitor Manufacturing
HfZrO 비정질층 형성 전후 모두, Mo 전극을 형성하지 않고, TiN 전극만 형성한 것을 제외하고는, 실시예 4와 동일한 방법으로 커패시터를 제조하였다.A capacitor was manufactured in the same manner as in Example 4, except that the Mo electrode was not formed and only the TiN electrode was formed before and after the formation of the HfZrO amorphous layer.
전기적 특성 1 Electrical Characteristics 1
실시예 1, 실시예 2, 실시예 4, 및 비교예 1 내지 비교예 2 커패시터의 분극 대 전기장 이력 곡선(P-E hysteresis curves)을 측정하고, 잔류 분극값을 아래 표 1에 기재하였다. 표 1을 참고하면, TiN/ Mo의 2층 전극 구조를 갖는 실시예 1과 실시예 2의 커패시터는 Mo 단층 전극 구조를 갖는 비교예 1과 비교예 2에 비해 높은 잔류 분극값을 가진다. 또한, TiN/ Mo의 2층 전극 구조를 갖는 실시예 4의 커패시터는 TiN 단층 전극 구조를 갖는 비교예 3에 비해 높은 잔류 분극값을 가진다. 이로부터, 실시예들에 따라 2층 전극 구조를 갖는 커패시터는 실질적으로 증가된 강유전성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.The polarization versus electric field hysteresis curves (P-E hysteresis curves) of the capacitors of Examples 1, 2, 4, and Comparative Examples 1 to 2 were measured, and the residual polarization values are shown in Table 1 below. Referring to Table 1, the capacitors of Examples 1 and 2 having a TiN/Mo two-layer electrode structure have higher residual polarization values than Comparative Examples 1 and 2 having a Mo single-layer electrode structure. In addition, the capacitor of Example 4 having a TiN/Mo two-layer electrode structure has a higher residual polarization value than Comparative Example 3 having a TiN single-layer electrode structure. From this, it was confirmed that the capacitor having a two-layer electrode structure according to the embodiments has substantially increased ferroelectricity.
(μC /cm2)residual polarization
(μC/cm 2 )
전기적 특성 2실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 2의 커패시터의 평탄화 전압(VFB, flat-band voltage), EOT(equivalent oxide thickness), 및 누설 전류값을 표 2에 기재하였다. 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 2의 커패시터가 서로 다른 평탄화 전압(VFB)을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 평탄화 전압(VFB)은 반도체 소자의 문턱 전압(Vth)에 직접적인 영향을 주는 인자이므로, 실시예 1 내지 실시예 3과 같이 전극 구조 및/또는 강유전층의 조성을 변경시켜 다양한 문턱 전압(Vth)을 구현할 수 있음을 알 수 있다. Electrical Characteristics 2 Table 2 shows the flat-band voltage (V FB , flat-band voltage), equivalent oxide thickness (EOT), and leakage current values of the capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2. Referring to Table 2, it was confirmed that the capacitors of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 had different planarization voltages (V FB ). Since the planarization voltage (V FB ) is a factor that directly affects the threshold voltage (Vth) of the semiconductor device, various threshold voltages (Vth) are obtained by changing the electrode structure and/or the composition of the ferroelectric layer as in Examples 1 to 3 It can be seen that this can be implemented.
또한, TiN/ Mo의 2층 전극 구조를 갖는 실시예 1 내지 실시예 3의 커패시터는 Mo 단층 전극 구조를 갖는 비교예 2에 비해, 낮은 EOT와 낮은 누설 전류값을 갖는 것이 확인되었다. In addition, it was confirmed that the capacitors of Examples 1 to 3 having a TiN/Mo two-layer electrode structure had lower EOT and lower leakage current values compared to Comparative Example 2 having a Mo single-layer electrode structure.
참고로, 실시예/비교예와 같은 MOS(metal-oxide-silicon) 커패시터는 전계 효과 트랜지스터와 유사 구조로서, MOS(metal-oxide-silicon) 커패시터의 성능은 전계 효과 트랜지스터의 성능에 대응되는 것으로 알려져 있다. For reference, it is known that a metal-oxide-silicon (MOS) capacitor as in the embodiment/comparative example has a structure similar to that of a field effect transistor, and the performance of a metal-oxide-silicon (MOS) capacitor corresponds to the performance of a field effect transistor. there is.
(V)flattening voltage
(V)
(nm)EOT
(nm)
(A/cm2 @1V)leakage current
(A/cm 2 @1V)
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리 범위에 속하는 것이다.Although the embodiments have been described in detail above, the scope of the rights is not limited thereto, and various modifications and improved forms of those skilled in the art using the basic concepts defined in the following claims also belong to the scope of the rights.
D10 내지 D50 반도체 소자 D70, D80 반도체 장치
100 기판 200 강유전층
300, 게이트 전극, 300a, 300b, 301, 302 전극
310, 310a, 310b, 311, 312 제 1 전극층
320, 320a, 320b, 321, 322 제 2 전극층
400, 410 유전체층 500 도전체층 D10 to D50 semiconductor device D70, D80 semiconductor device
100
300, gate electrode, 300a, 300b, 301, 302 electrode
310, 310a, 310b, 311, 312 first electrode layer
320, 320a, 320b, 321, 322 second electrode layer
400, 410
Claims (20)
상기 기판과 평행하게 배치되는 강유전층;
상기 기판과 이격되어 상기 강유전층 상에 배치되는 제 1 전극층; 및
상기 제 1 전극층 상에 배치되는 제 2 전극층을 포함하고,
상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 모두 강유전층보다 작은 열팽창계수를 가지면서, 제 2 전극층과 강유전체의 열팽창계수의 차이는 제 1 전극층과 강유전체의 열팽창계수의 차이보다 크고,
제 2 전극층의 두께는 제 1 전극층의 두께보다 큰 반도체 소자.Board;
a ferroelectric layer disposed parallel to the substrate;
a first electrode layer spaced apart from the substrate and disposed on the ferroelectric layer; and
a second electrode layer disposed on the first electrode layer;
The first electrode layer and the second electrode layer both have a coefficient of thermal expansion smaller than that of the ferroelectric layer, and the difference between the coefficients of thermal expansion between the second electrode layer and the ferroelectric is greater than the difference between the coefficients of thermal expansion between the first electrode layer and the ferroelectric,
The thickness of the second electrode layer is greater than the thickness of the first electrode layer.
제 2 전극층과 강유전체의 열팽창계수의 차이는 3.0x10-6/K 이상이고, 10.0x10-6/K 이하인 반도체 소자. According to claim 1,
The difference between the coefficient of thermal expansion between the second electrode layer and the ferroelectric is 3.0x10 -6 /K or more and 10.0x10 -6 /K or less.
제 1 전극층과 강유전체의 열팽창계수의 차이는 0.0 초과이고, 3.0 x10-6/K 이하인 반도체 소자.According to claim 1,
The difference between the coefficient of thermal expansion of the first electrode layer and the ferroelectric is greater than 0.0 and less than or equal to 3.0 x 10 -6 /K.
제 1 전극층 및 2 전극층은 각각 독립적으로 Pt, Nb, Ru, Mo, W 및 TiN으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 물질을 포함하는 반도체 소자.According to claim 1,
The first electrode layer and the second electrode layer are each independently Pt, Nb, Ru, Mo, a semiconductor device comprising at least one material selected from the group consisting of W and TiN.
제 1 전극층은 TiN을 포함하고, 제 2 전극층은 Mo를 포함하는 반도체 소자.According to claim 1,
A semiconductor device in which the first electrode layer includes TiN and the second electrode layer includes Mo.
제 2 전극층의 두께는 제 1 전극층의 1.0배 초과이고 30.0배이하인 반도체 소자. According to claim 1,
The thickness of the second electrode layer is greater than 1.0 times and less than or equal to 30.0 times that of the first electrode layer.
제 2 전극층의 두께는 10nm 이상이고 200nm 이하인 반도체 소자.According to claim 1,
The thickness of the second electrode layer is 10 nm or more and 200 nm or less.
제 1 전극층의 두께는 1.0nm 이상이고 10.0nm 이하인 반도체 소자.According to claim 1,
The thickness of the first electrode layer is 1.0 nm or more and 10.0 nm or less.
상기 강유전층은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
The ferroelectric layer is a semiconductor device including a material represented by MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof).
상기 강유전층은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 모재 물질(base material)로 포함하고,
Lu, Y, La, Ba 및 Sr로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하는 반도체 소자.10. The method of claim 9,
The ferroelectric layer includes a material represented by MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof) as a base material,
A semiconductor device further comprising at least one dopant material selected from the group consisting of Lu, Y, La, Ba and Sr.
상기 강유전층은 도펀트 물질의 함량이 모재의 금속 원소 대비 0 at% 초과 20 at% 이하인 반도체 소자.11. The method of claim 10,
The ferroelectric layer is a semiconductor device in which the content of the dopant material is greater than 0 at% and less than or equal to 20 at% compared to the metal element of the base material.
상기 강유전층은 MO2 (여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 모재 물질(base material)로 포함하고,
Al, Ti, Ta, Sc, 및 Mg로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하는 반도체 소자.The method according to claim 9,
The ferroelectric layer includes a material represented by MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof) as a base material,
A semiconductor device further comprising at least one dopant material selected from the group consisting of Al, Ti, Ta, Sc, and Mg.
상기 강유전층은 도펀트 물질의 함량이 모재의 금속 원소 대비 0 at% 초과 20 at% 이하인 반도체 소자.13. The method of claim 12,
The ferroelectric layer is a semiconductor device in which the content of the dopant material is greater than 0 at% and less than or equal to 20 at% compared to the metal element of the base material.
상기 기판은 반도체 물질을 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
The substrate is a semiconductor device comprising a semiconductor material.
상기 기판과 강유전층 사이에 상유전 물질을 더 포함하는 반도체 소자.The method of claim 1,
A semiconductor device further comprising a paraelectric material between the substrate and the ferroelectric layer.
상기 상유전 물질은 알루미늄 산화물(Al2O3), 란타늄 산화물(La2O3), 이트륨 산화물(Y2O3), 실리콘 산화물(SiO2) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것인 반도체 소자.16. The method of claim 15,
The paraelectric material is at least one selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), and combinations thereof A semiconductor device that becomes
반도체 소자를 둘 이상 포함하고,
상기 둘 이상의 반도체 소자는 서로 다른 문턱 전압(Vth)를 갖는 반도체 장치.18. The method of claim 17,
comprising two or more semiconductor devices,
The two or more semiconductor devices have different threshold voltages (Vth).
상기 둘 이상의 반도체 소자는 제 1 전극층의 조성, 두께 또는 이들 모두가 서로 다른 반도체 장치.
상기 둘 이상의 반도체 소자 중 대응하는 제 1 전극층, 제2 전극층 및 강유전체층 중 적어도 하나는,
조성 및 두께 중 적어도 하나가 서로 다른 반도체 장치.19. The method of claim 18,
The two or more semiconductor devices have a composition, a thickness, or both of the first electrode layer different from each other.
At least one of the first electrode layer, the second electrode layer, and the ferroelectric layer corresponding to the two or more semiconductor devices,
A semiconductor device having at least one of a composition and a thickness different from each other.
상기 둘 이상의 반도체 소자 중
하나의 반도체 소자는 Al, Ti, Ta, Sc, 및 Mg로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하는 강유전층을 포함하고,
다른 하나의 반도체 소자는 Lu, Y, La, Ba, 및 Sr로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하는 강유전층을 포함하는 반도체 장치.
20. The method of claim 19,
of the two or more semiconductor devices
One semiconductor device includes a ferroelectric layer further comprising at least one dopant material selected from the group consisting of Al, Ti, Ta, Sc, and Mg,
The other semiconductor device includes a ferroelectric layer further comprising a dopant material selected from the group consisting of Lu, Y, La, Ba, and Sr.
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US20220285374A1 (en) * | 2021-03-05 | 2022-09-08 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Wakeup free approach to improve the ferroelectricity of feram using a stressor layer |
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