KR20220061896A - P-type multilevel element including Tellurium layers as active layers - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체층 및 이를 구비하는 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티레벨 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor layer and a semiconductor device having the same, and more particularly, to a multi-level device.
최근 들어, 스마트 기기, 인공 지능 컴퓨터 기술의 발전에 따라 고성능화, 다기능화와 같은 보다 높은 성능의 소자에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다.In recent years, with the development of smart devices and artificial intelligence computer technology, the demand for higher performance devices such as high performance and multifunctionality is rapidly increasing.
그러나, 기존 반도체 산업을 이끌어온 바이너리 소자 제조 기술은 지속적인 초소형화와 고집적화를 통해 기술적, 경제적, 그리고 원리적 측면에서 극한에 얼마 남지 않았다고 예측되고 있다. 즉, 기존의 MOSFET 미세화를 통한 개발 방법은, 미세화 기술 자체의 어려움을 가지고 있기 때문에 다운 스케일링(down scaling)을 통한 접근 방식은 근본적인 한계를 가지고 있는 것으로 평가된다.However, it is predicted that the binary device manufacturing technology that has led the existing semiconductor industry is not far from the limit in terms of technology, economy, and principle through continuous miniaturization and high integration. That is, the existing MOSFET development method through miniaturization has difficulties in the miniaturization technology itself, so the approach through down scaling is evaluated to have fundamental limitations.
이를 보완하기 위하여, 멀티레벨 소자에 대한 연구가 이루어지고 있다. 기존에 연구된 멀티레벨 소자기술로는 단전자트랜지스터(SET) 및 공명터널링트랜지스터(RTT)가 연구되어 왔다. 단전자트랜지스터(SET) 및 공명터널링트랜지스터(RTT)의 경우, 멀티레벨 특성이 주로 극저온에서만 관측되고, 복잡한 제조 공정을 요구하며, 회로 구현을 위한 집적화가 쉽지 않아 기술 실현에 어려움이 있다.In order to compensate for this, research on multi-level devices is being made. Single electron transistor (SET) and resonance tunneling transistor (RTT) have been studied as multi-level device technologies previously studied. In the case of a single electron transistor (SET) and a resonance tunneling transistor (RTT), multilevel characteristics are mainly observed only at cryogenic temperatures, require a complex manufacturing process, and integration for circuit implementation is not easy, so it is difficult to realize the technology.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 우수한 멀티레벨 특성을 제공하는 멀티레벨 소자를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a multi-level device that provides excellent multi-level characteristics.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 P형 멀티레벨 소자를 제공한다. P형 멀티레벨 소자는 게이트 전극을 구비한다. 상기 게이트 전극에 중첩하는 제1 Te 액티브층, 제2 Te 액티브층, 및 상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층을 분리하는 배리어층을 포함하고, 상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 텔루륨 원소층인 액티브 구조체가 배치된다. 상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들이 배치된다. 상기 제1 Te 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압과 상기 제2 Te 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압은 서로 다른 값을 갖는다.In order to achieve the above technical problem, an aspect of the present invention provides a P-type multi-level device. The P-type multilevel device has a gate electrode. a first Te active layer, a second Te active layer overlapping the gate electrode, and a barrier layer separating the first Te active layer and the second Te active layer; 2 Te active layer is an active structure that is a tellurium element layer is disposed. Source and drain electrodes electrically connected to both ends of the active structure are disposed. A threshold voltage for forming a channel in the first Te active layer and a threshold voltage for forming a channel in the second Te active layer have different values.
상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 서로에 관계없이 3 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 서로에 관계없이 5 내지 7nm의 두께를 가질 수 있다.The first Te active layer and the second Te active layer may have a thickness of 3 to 10 nm regardless of each other. Specifically, the first Te active layer and the second Te active layer may have a thickness of 5 to 7 nm regardless of each other.
상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층 중 적어도 하나의 층은 비정질 매트릭스 내에 분산된 나노결정들을 가질 수 있다. 상기 나노결정들은 3 내지 8nm의 직경을 가질 수 있다. 상기 나노결정들 사이의 간격은 상기 나노결정의 직경 대비 작을 수 있다. 상기 나노결정들은 상기 제1 Te 액티브층 또는 상기 제2 Te 액티브층 내에서 해당 액티브층의 두께 방향으로 단일층으로 배열될 수 있다.At least one of the first Te active layer and the second Te active layer may have nanocrystals dispersed in an amorphous matrix. The nanocrystals may have a diameter of 3 to 8 nm. A distance between the nanocrystals may be smaller than a diameter of the nanocrystals. The nanocrystals may be arranged as a single layer in the first Te active layer or the second Te active layer in a thickness direction of the corresponding active layer.
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때, 상기 제1 Te 액티브층에 채널이 형성된 후, 상기 제2 Te 액티브층에 채널이 형성되기 전에, 상기 제1 Te 액티브층에 흐르는 전류는 포화될 수 있다. 상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때, 상기 게이트 전압에 대한 상기 액티브 구조체를 흐르는 전류의 비가 제1 기울기를 갖는 제1 게이트 전압 범위, 상기 제 1 기울기 대비 낮은 제2 기울기를 갖는 제2 게이트 전압 범위, 및 상기 제2 기울기 대비 높은 제3 기울기를 갖는 제3 게이트 전압 범위로 구분될 수 있다. 상기 제2 기울기는 0일 수 있다.When the gate voltage applied to the gate electrode increases in a negative direction, a current flowing in the first Te active layer after a channel is formed in the first Te active layer and before a channel is formed in the second Te active layer can be saturated. When the gate voltage applied to the gate electrode increases in the negative direction, the ratio of the current flowing through the active structure to the gate voltage is a first gate voltage range having a first slope, a second slope lower than the first slope It may be divided into a second gate voltage range and a third gate voltage range having a third slope higher than the second slope. The second slope may be zero.
상기 배리어층은 제1 배리어층이고, 상기 액티브 구조체는 상기 게이트 전극과 제1 Te 액티브층 사이에 배치된 제2 배리어층을 더 포함하고, 상기 제1 Te 액티브층은 제1 배리어층과 제2 배리어층 사이에 개재되어 양자우물을 형성할 수 있다. 상기 배리어층은 적어도 하나의 유기 단분자층을 구비할 수 있다. 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 더 포함할 수 있다.The barrier layer is a first barrier layer, the active structure further includes a second barrier layer disposed between the gate electrode and the first Te active layer, the first Te active layer includes the first barrier layer and the second It may be interposed between the barrier layers to form a quantum well. The barrier layer may include at least one organic monolayer. When the barrier layer includes two or more organic monolayers, it may further include a metal atomic layer disposed between the organic monolayers.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, P형 멀티레벨 소자는 복수의 turn-on 전압 즉, 문턱 전압을 가질 수 있음에 따라 멀티레벨 전도도를 제공할 수 있다. As described above, according to an embodiment of the present invention, the P-type multi-level device may have a plurality of turn-on voltages, that is, a threshold voltage, and thus may provide multi-level conductivity.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자는 기존의 소자에서는 발생하지 않는 게이트 전압 범위, 즉, 게이트 전압이 증가하더라도 전류의 크기 변화가 적거나 없는 범위를 가질 수 있으므로, 멀티레벨 전도도를 안정적으로 제공할 수 있다.Furthermore, the multi-level device according to an embodiment of the present invention may have a gate voltage range that does not occur in conventional devices, that is, a range in which there is little or no change in the magnitude of the current even when the gate voltage increases, so that multi-level conductivity is improved. can be provided stably.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면이다. 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 구조체에 해당하는 도 1의 A영역을 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 5, 도 6, 및 도 7은 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 특징을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 11은 도 10에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 멀티레벨 소자 제조예 1의 진행 중 얻어진 5nm의 두께로 형성된 Te 액티브층에 대한 X-선 회절 그래프이다.
도 13은 멀티레벨 소자 제조예 4의 진행 중 얻어진 8nm의 두께로 형성된 Te 액티브층의 단면을 촬영한 TEM (Transmission Electron Microscope) 이미지이다.
도 14 내지 도 17은 멀티레벨소자 제조예들 1 내지 4에 따라 제조된 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 ID-VG 그래프들이다.1 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to an embodiment of the present invention. It is also
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an active structure among a method of manufacturing a multi-level device according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged schematic view of a region A of FIG. 1 corresponding to an active structure according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device described with reference to FIG. 1 .
5, 6, and 7 are cross-sectional views for explaining the characteristics of each operation step of the multi-level device described with reference to FIG. 1 .
8 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device according to FIG. 8 .
10 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device according to FIG. 10 .
12 is an X-ray diffraction graph of a Te active layer formed to a thickness of 5 nm obtained during the process of Multilevel Device Manufacturing Example 1;
13 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image of a cross-section of a Te active layer formed to a thickness of 8 nm obtained during the process of Multilevel Device Manufacturing Example 4;
14 to 17 are ID-VG graphs illustrating transfer characteristics of multi-level devices manufactured according to manufacturing examples 1 to 4 of the multi-level device.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in order to explain the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. In the drawings, when it is said that a layer is “on” another layer or substrate, it may be formed directly on the other layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. In the present embodiments, "first", "second", or "third" is not intended to impose any limitation on the components, but should be understood as terms for distinguishing the components.
본 명세서에서 "멀티레벨 소자"라 함은 0, 1 상태를 가지는 바이너리 상태가 아니라, 0, 1, 2 이상의 상태를 가질 수 있는 터너리(ternary) 이상의 상태를 가지는 소자를 의미할 수 있다. 즉, 기존의 소자가 on, off 2개의 상태만을 가질 수 있었다면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 on, off 외에 또 다른 제3의 상태를 가질 수 있다. As used herein, the term “multi-level device” may mean a device having a ternary or higher state that may have 0, 1, or 2 or more states, rather than a binary state having 0, 1 states. That is, if the existing device could have only two states, on and off, the multilevel device according to an embodiment of the present invention may have another third state in addition to on and off.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면이다. 도이다.1 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to an embodiment of the present invention. It is also
도 1을 참조하면, 멀티레벨 소자(100)는 기판(110) 상에 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
상기 기판(110)은 반도체 기판, 금속 기판, 유리 기판, 또는 플렉시블 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 플렉시블 기판은 고분자 기판, 일 예로서 PET(polyethylene terephthalate) 또는 PI (polyimide) 기판일 수 있다. 상기 기판(110) 상에는 동작회로 등을 위한 소자들이 형성되어 있거나, 상기 기판을 덮는 절연막 등의 보호층(미도시)이 형성되어 있거나, 혹은 상기 소자와 상기 소자를 덮는 보호층이 형성된 것일 수 있다. 상기 기판(110) 표면을 세척 및 필요에 따라 표면처리할 수 있다.The
상기 기판(110) 상에 일방향으로 연장되는 게이트 전극(120)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(120)은 Al, Cr, Cu, Ta, Ti, Mo, W, 또는 이들의 합금을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 게이트 전극(120) 상에 게이트 절연막(130)을 형성할 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)은 실리콘 산화막, 실리콘 산질화막, 알루미늄 산화막, 알루미늄 산질화막, 하프늄 산화막, 하프늄 산질화막, 또는 이들의 복합막일 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)은 원자층 증착법을 사용하여 형성할 수 있으며, 일 예로서 알루미늄 산화막일 수 있다. 상기 게이트 절연막(130)의 두께는 인가되는 게이트 전압의 동작 범위에서 절연파괴되지 않을 정도의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 게이트 전압의 동작 범위가 낮은 경우, 게이트 절연막(130)의 두께는, 게이트 전압의 동작 범위가 높은 경우에 대비하여 얇을 수 있다.A
상기 게이트 절연막(130) 상에 상기 게이트 전극(120)과 중첩하여 배치되도록 패터닝된 액티브 구조체(135)를 형성할 수 있다. 상기 액티브 구조체(135)의 양측 단부들 상에 소오스 전극(180)과 드레인 전극(185)을 형성할 수 있다. 상기 소오스 전극(180)과 드레인 전극(185)은 알루미늄(Al), 네오디뮴(Nd), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 니켈(Ni), 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 금속 또는 이들을 포함하는 합금, 또는 금속산화물 전도성막 일 예로서, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 니켈(Ni) 을 사용하여 형성할 수 있다. An
상기 액티브 구조체(135)는 적어도 한 층의 Te 액티브층과 적어도 한 층의 배리어층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 액티브 구조체(135)는 2 층 이상의 Te 액티브층들과 상기 서로 인접하는 Te 액티브층들 사이에 배치된 배리어층을 구비할 수 있다. 일 예로서, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 Te 액티브층(150), 배리어층(160), 및 제2 Te 액티브층(170)을 구비할 수 있다. 이 때, 제1 Te 액티브층 하부에 배리어층을 추가적으로 더 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 배리어층(140), 제1 Te 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 및 제2 Te 액티브층(170)을 구비할 수 있다. 다른 예로서, 상기 액티브 구조체(135)는 차례로 적층된 제1 Te 액티브층(150), 배리어층(160), 제2 Te 액티브층(170), 배리어층(미도시), 및 제3 Te 액티브층(미도시)을 구비할 수 있다. 이 때, 게이트 전극(120)으로부터 멀어질수록 Te 액티브층의 두께는 증가할 수 있다. 이와 달리, 게이트 전극(120)으로부터의 거리에 무관하게 Te 액티브층의 두께는 일정할 수 있다.The
Te 액티브층들(150, 170)은 텔루륨 원소층으로 각 층은 3 내지 10 nm, 구체적으로 4 내지 8nm 더 구체적으로는 5 내지 7nm의 두께를 가져 두께 방향의 양자화가 가능할 수 있다. 또한, Te 액티브층들(150, 170)은 약 0.4 내지 0.7 eV 정도의 밴드갭을 갖고, p형 반도체특성을 나타낼 수 있다. The Te
상기 배리어층들(140, 160)은 절연층으로서, 상기 Te 액티브층들(150, 170)에 비해 밴드갭이 큰 층일 수 있다. 일 예로서, 상기 배리어층(140, 160)은 밴드갭이 6 내지 8 eV일 수 있다. 이러한 배리어층들(140, 160)은 상기 Te 액티브층들(150, 170)과 인접 계면을 형성하고, 상기 Te 액티브층(150)은 제1 배리어층(140)과 제2 배리어층(160) 사이에 개재되어 양자우물(quantum well)을 형성할 수 있다. 다른 예에서, 제1 Te 액티브층(150) 하부에 위치한 제1 배리어층(140)이 생략되더라도 제1 Te 액티브층(150)은 게이트 절연막(130)과 제2 배리어층(160) 사이에 개재되어 양자 우물을 형성할 수 있다.The barrier layers 140 and 160 are insulating layers, and may have a larger bandgap than the Te
상기 배리어층들(140, 160) 중 적어도 하나의 층은 유기물층, 무기물층, 혹은 유무기 복합층일 수 있다. 상기 배리어층은 상기 Te 액티브층을 보호할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 Te 액티브층(150) 형성 이후, 다른 층이 형성될 때, 상기 배리어층(160)은 상기 제1 Te 액티브층(150)이 의도치 않게 도핑되거나, 다른 층 증착에 따른 전구체가 상기 제1 Te 액티브층(150)으로 침투하는 것을 최소화할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 Te 액티브층과 상기 액티브층에 인접하는 배리어층은 서로 초 격자 구조(super lattice structure)를 이룰 수 있다. 초 격자 구조에 의하여 안정성이 향상될 수 있다.At least one of the barrier layers 140 and 160 may be an organic material layer, an inorganic material layer, or an organic-inorganic composite layer. The barrier layer may protect the Te active layer. For example, after forming the first Te
상기 액티브 구조체 구체적으로 상기 배리어층과 Te 액티브층의 제조방법에 대한 설명은 후술하기로 한다.A description of the method of manufacturing the active structure, specifically, the barrier layer and the Te active layer will be described later.
도 1에서 박막트랜지스터의 일 예로서, 바텀게이트-탑컨택형 즉, 바텀게이트 스태거드(staggered) 박막트랜지스터를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 바텀게이트-바텀컨택형 (바텀게이트 코플라나), 탑게이트-바텀컨택형(탑게이트 스태거드), 혹은 탑게이트-탑컨택형(탑게이트 코플라나) 형태의 박막트랜지스터에도 적용가능하다. 다만, 액티브 구조체(135)의 상부면 또는 하부면 상에 게이트 전극(120)이 구비되고, 액티브 구조체(135)가 상기 게이트 전극(120)에 인접하는 면의 반대면 상에 소오스 및 드레인 전극들(180, 185)이 구비된 스태거드 형태의 박막트랜지스터가 바람직할 수 있다.As an example of the thin film transistor in FIG. 1, a bottom gate-top contact type, that is, a bottom gate staggered thin film transistor, is shown, but the present invention is not limited thereto. It is also applicable to thin film transistors of the top gate-bottom contact type (top gate staggered) or top gate-top contact type (top gate coplanar) type. However, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액티브 구조체에 해당하는 도 1의 A영역을 확대하여 나타낸 개략도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an active structure among a method of manufacturing a multi-level device according to an embodiment of the present invention. 3 is an enlarged schematic view of a region A of FIG. 1 corresponding to an active structure according to an embodiment of the present invention.
도 1, 도 2, 및 도 3를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자의 제조방법 중 액티브 구조체(135)의 제조방법은, 제1 배리어층 형성 단계(S110), 제1 Te 액티브층 형성 단계(S120), 제2 배리어층 형성 단계(S130) 및 제2 Te 액티브층 형성 단계(S140) 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 설명하기로 한다.1, 2, and 3 , in the method of manufacturing the
제1 배리어층 형성 단계(S110)First barrier layer forming step (S110)
도 1, 도 2, 및 도 3를 참고하면, 게이트 절연막(130) 상에 제1 배리어층(140)이 형성될 수 있다. 상기 제1 배리어층(140)은 Te 액티브층(150) 대비 큰 밴드갭을 가져 Te 액티브층(150)을 양자우물 구조로 만들 수 있다.1, 2, and 3 , a
본 실시예에서는 상기 제1 배리어층(140)은 적어도 한층의 유기단분자층을 포함할 수 있으며, 분자층 증착법을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배리어층(140)은 상기 게이트 절연막(130)이 형성된 기판을 반응챔버 내에 위치시키고, 금속 전구체 도징 단계, 제1 퍼지 단계, 유기 전구체 도징 단계, 및 제2 퍼지 단계를 구비하는 단위 사이클을 수 내지 수십회 반복한 후, 금속 전구체 도징 단계와 퍼지 단계 수행하여 형성할 수 있다. In this embodiment, the
금속 전구체 도징 단계에서는 상기 반응챔버 내에 금속 전구체를 도징하되, 첫번째 단위 사이클에서는 상기 게이트 절연막(130)의 표면 작용기에 상기 금속 전구체의 금속(M)을 화학결합시키고, 두번째 이상의 단위 사이클에서는 하기 화학식 1으로 나타낸 유기전구체의 Y1 및/또는 Y2(Y)에 상기 금속 전구체의 금속(M)을 화학결합, 구체적으로 공유결합시킬 수 있다. 제1 퍼지 단계에서는 퍼지가스를 공급하여 미반응 금속 전구체 및 반응 생성물을 퍼지할 수 있다. 유기 전구체 도징 단계에서는 하기 화학식 1으로 나타낸 하나 또는 둘 이상의 유기전구체를 도징하여 하기 화학식 1으로 나타낸 유기전구체의 X1 및/또는 X2(X)와 상기 금속 전구체의 금속(M)을 화학결합 구체적으로 공유결합시킬 수 있다. 제2 퍼지 단계에서는 퍼지가스를 공급하여 미반응 유기 전구체 및 반응 생성물을 퍼지할 수 있다. 도 3에서는 상기 단위 사이클이 2회 반복된 것을 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 배리어층(140)의 증착을 수행하는 챔버의 온도는 90 내지 120도(℃) 구체적으로 100 내지 115도(℃) 일 수 있다. In the metal precursor dosing step, the metal precursor is dosed into the reaction chamber, but in the first unit cycle, the metal (M) of the metal precursor is chemically bonded to the surface functional group of the
상기 금속 전구체는 알킬금속, 금속 알콕사이드, 금속 할라이드, 금속 하이드록사이드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택할 수 있으며, 일 예로서 TMA(trimethylaluminium), 또는 다이에틸징크 (diethylzinc (DEZ)일 수 있다.The metal precursor may be selected from the group consisting of alkyl metals, metal alkoxides, metal halides, metal hydroxides, and mixtures thereof, and may be, for example, trimethylaluminium (TMA), or diethylzinc (DEZ). .
또한, 상기 유기 전구체는 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.In addition, the organic precursor may be represented by the following formula (1).
[화학식 1] [Formula 1]
상기 화학식 1에서, X1, X2, Y1, 및 Y2는 서로에 관계없이 O, S, Se, NH, 또는 PH이고, a, b, c, 및 d의 각각은 1 또는 0이되, a+b는 1이상이고, c+d는 1이상이고, Ar은 적어도 하나의 방향족기를 포함하는 작용기로서, 둘 이상의 방향족기들이 구비되는 경우 이 방향족기들은 연결기를 통해 연결되어 있을 수 있다. 상기 방향족기는 C5 내지 C8의 방향족 탄화수소기 혹은 C3 내지 C7의 헤테로고리 방향족기일 수 있다. 일 예로서, 상기 방향족기는 페닐기일 수 있다. L1 및 L2는 Ar과 X1 및 X2를 각각 연결하는 작용기이고 L3 및 L4는 Ar과 Y1 및 Y2를 각각 연결하는 작용기로서, L1, L2, L3, 및 L4는 서로에 관계없이 결합 또는 C1 내지 C3의 알킬렌기일 수 있다. X1 또는 X2는 Y1 또는 Y2에 비해 반응성이 더 큰 것일 수 있다. 일 예로서, X1 또는 X2는 O일 수 있고, Y1 또는 Y2는 S, Se, NH, 또는 PH일 수 있다.In
상기 화학식 1로 나타낸 유기전구체는 하기 화합물들 (18) 내지 (34) 중 어느 하나 혹은 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.The organic precursor represented by
상기 제1 배리어층(140)의 두께는 수 내지 수십 nm로 형성할 수 있다.The
이와 같이 생성된 제1 배리어층(140)은 적어도 한층의 유기 단분자층(X-R-Y)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들(X-R-Y)을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들(X-R-Y) 사이에 배치된 금속 원자층(M)이 배치될 수 있다. 금속 원자층(M)는 일 예로서 알루미늄 또는 아연일 수 있고, 상기 유기 단분자층(X-R-Y)은 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.The
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서, Ar, X1, X2, Y1, Y2, L1, L2, L3, L4, a, b, c, 및 d는 상기 화학식 1에서 정의한 바와 같다. *는 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 하부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이고, #는 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합 또는 수소를 의미하되, 상기 단분자층의 상부층 내의 원소와의 결합은 1개 이상이다. 또한, 도 3에서의 R은 상기 화학식 2에서의 (L1)(L2)Ar(L3)(L4)에 대응할 수 있다. In
상기 화학식 2로 나타낸 물질은 하기 화합물들 (1) 내지 (17) 중 어느 하나 혹은 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있다.The material represented by
이러한 배리어층(140) 내에서 서로 인접하여 배치된 상기 화학식 2로 나타낸 분자들은, 인접하는 분자들에 포함된 방향족기들 간의 π-π결합에 의해 안정화될 수 있다.Molecules represented by
상기 제1 배리어층(140)을 형성하는 방법은 위에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 배리어층(140)은 유기막, 무기막 혹은 다른 유무기 복합막일 수도 있다.The method of forming the
제1 Te 액티브층 형성 단계 (S120)First Te active layer forming step (S120)
상기 제1 배리어층(140) 상에 증발법을 사용하여 3 내지 10 nm, 구체적으로 4 내지 8nm 더 구체적으로는 5 내지 7nm의 Te막을 증착하여 제1 Te 액티브층(150)을 형성할 수 있다. 상기 Te막을 증착할 때 챔버 내 온도는 50 내지 150도일 수 있다.The first Te
제2 배리어층 형성 단계(S130)Forming a second barrier layer (S130)
제1 Te 액티브층(150) 상에 제2 배리어층(160)이 증착될 수 있다. 상기 제2 배리어층(160)은 상기 제1 배리어층(140)과 함께 제1 Te 액티브층(150) 대비 큰 밴드갭을 가져 제1 Te 액티브층(150)을 양자우물 구조로 만들 수 있다. 제2 배리어층(160)은 앞서 설명한 제1 배리어층(140)과 거의 동일한 방법(S110)에 의해 형성할 수 있으므로, 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 상기 제2 배리어층(160)은 도 4를 참조하여 후술되는 바와 같이 게이트 전극에 게이트 전압이 걸릴 때 제1 Te 액티브층(150)과 제2 Te 액티브층(170)이 서로 구분되는 턴-온 전압을 가질 수 있도록 적절한 전압강하를 제공할 수 있는 절연막이면, 상기 제1 배리어층(140)과는 다른 유무기 복합막이거나 혹은 유기막 또는 무기막일 수 있다.A
제2 Te 액티브층 형성 단계(S140)Forming a second Te active layer (S140)
제2 배리어층(160) 상에 제2 Te 액티브층(170)이 증착될 수 있다. 제2 Te 액티브층은 앞서 설명한 제1 Te 액티브층과 거의 동일한 방법(S120)에 의해 형성할 수 있으므로, 구체적인 설명을 생략하기로 한다.A second Te
본 발명의 일 실시예에 따른 Te 액티브층들(150, 170) 중 적어도 하나의 액티브층은 도 13의 TEM 사진에서 확인되는 바와 같이, 비정질 영역(Amorphous Region) 및 상기 비정질 영역에 의하여 둘러싸이는 복수의 결정립들 혹은 결정질 영역들을 포함하는 막일 있다. 다시 말해서, 상기 액티브층 내에는, 비정질 영역 혹은 비정질 매트릭스 내에 결정질 영역이 아일랜드 형상(island shape)으로 불규칙하게 분산되어 배치될 수 있다. 상기 결정질 영역은 대략 구의 형태를 나타낼 수 있다. 상기 비정질 영역 혹은 비정질 매트릭스 및 결정질 영역 모두 Te이되, 원자 배열 상태만 달리하는 것일 수 있다.At least one of the Te
상기 결정질 영역 각각은 나노 사이즈로 이루어진 나노 결정(nanocrystal)으로, 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 가질 수 있다. 구체적으로 상기 결정질 영역은 수 nm의 크기 예를 들어, 10 nm 이하의 직경 일 예로서, 3 내지 8nm 더 구체적으로는 4 내지 6nm의 직경을 가질 수 있다. 또한, 결정질 영역들 사이의 평균 간격 또한 수 nm일 수 있으나, 결정질 영역의 직경 대비 작을 수 있다. 이러한 결정질 영역은 면내 X축 방향 및 Y축 방향, 그리고 두께 방향 즉 Z축 방향으로 양자 구속 효과를 제공할 수 있다. 다시 말해서, 결정질 영역 나아가, Te 액티브층은 3축 방향으로 양자 구속 효과를 제공할 수 있다. Each of the crystalline regions is a nanocrystal having a nano size, and may have a quantum confinement effect. Specifically, the crystalline region may have a size of several nm, for example, a diameter of 10 nm or less, and more specifically, a diameter of 3 to 8 nm, more specifically, 4 to 6 nm. In addition, the average spacing between the crystalline regions may also be several nm, but may be smaller than the diameter of the crystalline regions. Such a crystalline region may provide a quantum confinement effect in the in-plane X-axis direction and Y-axis direction, and in the thickness direction, that is, the Z-axis direction. In other words, the crystalline region and thus the Te active layer can provide a quantum confinement effect in the triaxial direction.
상기 결정질 영역들은 상기 액티브층(150, 170)의 두께 방향으로 단일층(1개의 층)으로 배열되거나 혹은 다수층 적층될 수도 있다.The crystalline regions may be arranged in a single layer (one layer) in the thickness direction of the
이러한 Te 액티브층(150, 170) 내의 비정질 영역은 수많은 편재 상태(localized state)들을 가질 수 있다. 이와 달리, Te 액티브층 내의 결정질 영역은 상기 비정질 영역의 편재 상태들 보다 적은 소수의 이격화된 편재 상태(discrete localized state)들을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 비정질 영역이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태와 상기 결정질 영역이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태가 서로 공명 에너지 매칭(resonant energy matching)을 이룰 수 있다. 상기 공명 에너지 매칭에 의한 하이브리드화(hybridization)는 양자화된 전도성 상태(quantized conduction state)를 제공할 수 있다. 상기 양자화된 전도성 상태는 불연속적인 전도성 상태를 제공하고, 또한 상기 양자화된 전도성 상태에서는 제한된 전류 이동을 제공할 수 있다. The amorphous regions in the Te
도 4는 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 도 5, 도 6, 및 도 7은 도 1을 참조하여 설명한 멀티레벨소자의 동작 단계별 특징을 설명하기 위한 단면도들이다. 후술하는 것을 제외하고는 앞서 설명한 부분을 참고하기로 한다.4 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device described with reference to FIG. 1 . 5, 6, and 7 are cross-sectional views for explaining the characteristics of each operation step of the multi-level device described with reference to FIG. 1 . Except for the description below, reference will be made to the aforementioned parts.
도 4 및 도 5를 참조하면, 소오스 전극(180)에 그라운드 전압(VS)가 인가된 상태에서 드레인 전극(185)에 드레인 전압(VD)이 그리고 게이트 전극(120)에 제1 문턱전압 혹은 제1 turn-on 전압(Vth1) 이하의 전압이 인가될 때, 상기 제1 Te 액티브층(150) 내에 채널을 형성할 수 있을 정도로 정공이 충분히 축적됨에 따라 상기 제1 Te 액티브층(150)은 활성화 즉, turn-on 될 수 있다. 이에 따라, 상기 소스 전극(180) 및 상기 드레인 전극(185) 사이에는 전류(ID)가 흐를 수 있다. 4 and 5 , in a state in which the ground voltage V S is applied to the
구체적으로, 상기 소스 전극(180)에서 정공이 상기 제2 Te 액티브층(170)을 지나 제2 배리어층(160)을 터널링(tunneling)한 뒤, 상기 제1 Te 액티브층(150)을 따라 흐를 수 있다. 상기 제1 Te 액티브층(150)을 흐른 정공은 다시 상기 제2 배리어층(160)을 터널링한 후 상기 제2 Te 액티브층(170)을 지나 상기 드레인 전극(185)으로 제공될 수 있다. Specifically, in the
게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 서서히 음의 방향으로 증가함에 따라, 상기 제1 Te 액티브층(150) 내에 흐르는 전류의 절대값 또한 증가할 수 있다. 즉, 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 게이트 전압의 변화량에 대한 상기 액티브 구조체(135)를 흐르는 전류 즉, 소스/드레인 전극 간 전류의 변화량의 비는 제1 기울기를 가질 수 있다.As the voltage applied to the
이 때, 제2 Te 액티브층(170)은 비 활성화 즉, turn-off 상태일 수 있는데, 이는 제1 게이트 전압 범위(R1) 내에서 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 제1 Te 액티브층(150)을 흐르는 전류에 의하여 차폐되고(shielding effect), 및/또는 배리어층(160)을 통한 지연 혹은 전압강하에 의해 감소되어, 제2 Te 액티브층(170)에 미치는 전압의 실제 세기가 제2 Te 액티브층(170)을 활성화시키기에 충분하지 않기 때문이다. 이를 위해, 배리어층(160)은 적절한 두께 및/또는 유전상수를 가질 수 있다. 배리어층(160)의 적절한 두께는 게이트 전극(120)에 인가되는 전압 범위 등 여러가지 파라미터에 의해 영향을 받을 수 있으나, 일 예로서, 5 내지 수십 nm, 일 예로서 6 내지 20nm, 7 내지 15nm, 또는 8 내지 12nm일 수 있다.At this time, the second Te
도 4 및 도 6를 참조하면, 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 음의 방향으로 더 증가할 때 상기 액티브 구조체(135)를 흐르는 전류 즉, 소스/드레인 전극 사이에 흐르는 전류 크기가 제1 게이트 전압 범위(R1)에서의 상기 제1 기울기보다 적은 제2 기울기로 변할 수 있다. 이 범위를 제2 게이트 전압 범위(R2)로 명명하기로 하며, 제2 게이트 전압 범위(R2)에 진입할 때의 게이트 전압을 포화전압(Vsat)로 명명하기로 한다. 4 and 6 , when the voltage applied to the
구체적으로, 제2 게이트 전압 범위(R2) 내에서 소스/드레인 전극(180, 185) 사이에 흐르는 전류 크기는 거의 일정 즉, 일 예에서, 제2 기울기는 거의 0일 수 있다. 이는 제2 게이트 전압 범위(R2) 내에서는, 상기 제1 Te 액티브층(150)만 turn-on 상태일 수 있고, 앞서 설명한 바와 같은 차폐 효과 및/또는 전압 강하에 의해 제2 Te 액티브층(170)은 turn-off 상태이며, 상기 제1 Te 액티브층(150)을 흐르는 전류의 양이 거의 포화(saturation) 되었음을 의미할 수 있다. 즉, 제2 게이트 전압 범위(R2)는 게이트 전압의 절대값이 증가하더라도 전류가 거의 일정하게 유지된다는 점에서 중개(intermediate) 전압 범위로 이해될 수 있다. Specifically, the magnitude of the current flowing between the source/
도 4 및 도 7을 참조하면, 게이트 전극(120)에 인가되는 전압이 음의 방향으로 더 증가하여 제2 문턱전압 혹은 제2 turn-on 전압(Vth2)이하의 전압이 인가될 때, 상기 제2 Te 액티브층(170) 내에도 채널을 형성할 수 있을 정도로 정공이 충분히 축적됨에 따라 상기 제2 Te 액티브층(170) 또한 활성화가 즉, turn-on 될 수 있다. 즉, 제2 turn-on 전압(Vth2)이하의 전압범위 즉, 제3 게이트 전압 범위(R3) 내에서는 상기 제1 및 제2 게이트 전압 범위(R1, R2)과 달리, 제1 및 제2 Te 액티브층(150, 170)이 모두 활성화된 상태이기 때문에, 제1 게이트 전압 범위(R1) 혹은 제2 게이트 전압 범위(R2) 보다 많은 전류가 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185) 사이에 흐를 수 있다. 상기 제3 게이트 전압 범위(R3) 내에서 게이트 전압의 절대값이 증가함에 따라, 상기 소스 및 상기 드레인 전극(180, 185) 사이에 흐르는 전류의 절대값은 제3 기울기로 증가할 수 있다. 즉, 제3 게이트 전압 범위(R3) 내의 게이트 전압 증가에 따른 전류 증가의 비는 제3 기울기로 증가할 수 있다.4 and 7, when the voltage applied to the
제3 게이트 전압 범위(R3)의 게이트 전압이 인가되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 필드 침투(field penetration)에 의하여 게이트 전압이 제2 Te 액티브층(170)에 미치게 된다. 이에 따라 제2 액티브층(170)이 turn-on 될 수 있다. When a gate voltage in the third gate voltage range R3 is applied, as shown in FIG. 7 , the gate voltage reaches the second Te
정리하면, 상기 제1 게이트 전압 범위(R1)의 게이트 전압이 게이트 전극(120)에 인가되면, 제1 Te 액티브층(150)만 활성화되고, 제2 Te 액티브층(170)은 활성화되지 못할 수 있다. 이어서 상기 제1 게이트 전압 범위(R2) 보다 음의 방향으로 큰 제2 게이트 전압 범위(R2)의 게이트 전압이 인가되면, 제1 Te 액티브층(150)의 활성화 상태는 유지되되, 전류 이동은 포화 상태에 이를 수 있다. 또한 이 상태에서 제2 Te 액티브층(170)은 여전히 비 활성 상태일 수 있다. 이 후 상기 제2 게이트 전압 범위(R2)보다 음의 방향으로 큰 제3 게이트 전압 범위(R3)의 게이트 전압이 인가되면, 제1 및 제2 Te 액티브층(150, 170) 모두 활성화될 수 있다. In summary, when a gate voltage in the first gate voltage range R1 is applied to the
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 복수의 turn-on 전압 즉, 문턱 전압을 가질 수 있음에 따라 멀티레벨 전도도를 제공할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레벨 소자는 기존의 소자에서는 발생하지 않는 제2 게이트 전압 범위, 즉, 게이트 전압이 증가하더라도 전류의 크기 변화가 적거나 없는 범위를 가질 수 있으므로, 멀티레벨 전도도를 안정적으로 제공할 수 있다. 다시 말해서, 제1 게이트 전압 범위(R1)에 의한 제1 turn on 전압과 제3 게이트 전압 범위(R3)에 의한 제2 turn on 전압이 명확히 구분될 수 있는 것이다. 따라서, 게이트 전압의 동작 마진(operating margin)을 넓게 하더라도 에러(error) 발생율을 줄일 수 있다.Accordingly, the multi-level device according to an embodiment of the present invention may have a plurality of turn-on voltages, that is, a threshold voltage, and thus may provide multi-level conductivity. Furthermore, the multi-level device according to an embodiment of the present invention may have a second gate voltage range that does not occur in a conventional device, that is, a range in which the magnitude of the current changes even when the gate voltage is increased. Conductivity can be stably provided. In other words, the first turn-on voltage by the first gate voltage range R1 and the second turn-on voltage by the third gate voltage range R3 can be clearly distinguished. Therefore, even if the operating margin of the gate voltage is widened, an error rate can be reduced.
상술한 내용을 정리하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티레벨 소자는 도 4에 도시된 바와 같이, 게이트 전압의 스윕(sweep)에도 불구하고 전류 크기에는 변화가 없는 제2 게이트 전압 범위(R2)를 가진다. 즉, 제2 게이트 전압 범위(R2)는 제1 및 제3 게이트 전압 범위에서, 제1 및 제3 게이트 전압 범위를 확연히 구분할 수 있다. 이는 제2 게이트 전압 범위(R2)에 의하여 멀티레벨 전도도 특성이 안정적으로 제공됨을 의미한다. To summarize the above, in the multilevel device according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4 , the second gate voltage range R2 in which the magnitude of the current does not change despite the sweep of the gate voltage. ) has That is, the second gate voltage range R2 may clearly distinguish the first and third gate voltage ranges from the first and third gate voltage ranges. This means that multi-level conductivity characteristics are stably provided by the second gate voltage range R2.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제2 게이트 전압 범위(R2)에서 게이트 전압이 증가하더라도 전류의 크기 변화가 거의 없을 수 있다. 구체적으로, 게이트 전압증가시 전류의 크기변화를 선형 스케일로 측정하더라도 게이트 전압에 대한 전류크기의 기울기는 0일 수 있다. 이 경우, 멀티레벨 전도도 특성은 매우 안정적으로 제공될 수 있다. 이러한 특성은 앞서 설명한 바와 같이 상기 액티브층(150, 170)이 미정질 매트릭스 내에 나노결정이 분산된 형태를 가지고 있어, 이 나노결정이 3축 방향으로 양자구속효과를 제공하는 점과, 상기 비정질 매트릭스가 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태와 상기 나노결정이 가지는 편재된 에너지 상태들 중 특정 에너지 상태가 서로 공명 에너지 매칭(resonant energy matching)을 이뤄 상기 공명 에너지 매칭에 의한 하이브리드화(hybridization)로 인해 양자화된 전도성 상태(quantized conduction state)를 제공하기 때문에 상기 액티브층(150, 170) 내에서 전류 이동이 제한되기 때문으로 이해되었다.In an embodiment of the present invention, even if the gate voltage increases in the second gate voltage range R2, there may be little change in the magnitude of the current. Specifically, even when the magnitude change of the current is measured on a linear scale when the gate voltage is increased, the slope of the current magnitude with respect to the gate voltage may be zero. In this case, the multilevel conductivity characteristic can be provided very stably. As described above, the
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 따른 소자에 후술하는 것을 제외하고는 위에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.8 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device according to FIG. 8 . The contents described above may be applied to the device according to the present embodiment, except for those described later.
도 8 및 도 9를 참조하면, 멀티레벨 소자는 도 1을 참조하여 설명한 제2 Te 액티브층(170) 상에 추가적으로 제3 배리어층(172)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 상기 제3 배리어층(172)과 접촉할 수 있다. 다시 말해, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제1 배리어층(140), 제1 Te 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 제2 Te 액티브층(170)과는 접촉하지 않을 수 있다. 8 and 9 , the multi-level device may further include a
상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)이 상기 제3 배리어층(172)과 접촉하기 때문에, 제1 게이트 전압 범위 내지 제4 게이트 전압 범위(R1 내지 R4)가 제공될 수 있다. 즉, 상기 제2 Te 액티브층(170)도 제2 및 제3 배리어층(160, 172)에 의하여 양자화된 전도성 상태를 가지는 양자 우물을 제공할 수 있다. 이에 따라, 제4 게이트 전압 범위(R4)에서 게이트 전압이 음의 방향으로 증가하더라도 소스 및 드레인 전극(180, 185) 간의 전류는 일정하게 유지될 수 있다.Since the source and drain
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레벨 소자를 나타낸 단면도이고, 도 11은 도 10에 따른 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 그래프이다. 본 실시예에 따른 소자에 후술하는 것을 제외하고는 위에서 설명한 내용이 적용될 수 있다.10 is a cross-sectional view showing a multi-level device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a graph showing the transfer characteristics of the multi-level device according to FIG. 10 . The contents described above may be applied to the device according to the present embodiment, except for those described later.
도 10 및 도 11을 참조하면, 멀티레벨 소자는 도 8을 참조하여 설명한 제3 배리어층(172) 상에 제3 Te 액티브층(174)을 더 포함할 수 있다. 또한 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제3 Te 액티브층(174)과 접촉할 수 있다. 즉, 상기 소스 및 드레인 전극(180, 185)은 제1 배리어층(140), 제1 Te 액티브층(150), 제2 배리어층(160), 제2 Te 액티브층(170) 및 제3 배리어층(172)과는 접촉하지 않을 수 있다. 제1 Te 액티브층(150) 및 제2 Te 액티브층(170), 나아가 제3 Te 액티브층(170)은 모두 도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하여 설명한 액티브층과 동일할 수 있다.10 and 11 , the multilevel device may further include a third Te
본 실시예에서는 제3 Te 액티브층(174)이 추가로 제공되기 때문에, 제1 게이트 전압 범위 내지 제5 게이트 전압 범위(R1 내지 R5)가 제공될 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제4 게이트 전압 범위(R2, R4)에서, 양자화된 전도성 상태에 의한 포화 전류가 발생할 수 있고, 상기 제5 게이트 전압 범위(R5)에서 제3 Te 액티브층(174)과 소스/드레인 전극(180, 185)의 접촉에 의하여 전류는 증가할 수 있다.In the present embodiment, since the third Te
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred experimental example (example) is presented to help the understanding of the present invention. However, the following experimental examples are only for helping understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following experimental examples.
멀티레벨 소자 제조예 1 Multilevel device manufacturing example 1
300nm 두께의 실리콘 웨이퍼를 기판으로 준비하고, 실리콘 웨이퍼 상에 섀도우 마스크를 사용한 열기상증착법을 사용하여 70nm 두께의 알루미늄 게이트 전극을 증착하였다. A 300 nm-thick silicon wafer was prepared as a substrate, and an aluminum gate electrode with a thickness of 70 nm was deposited on the silicon wafer using a hot vapor deposition method using a shadow mask.
게이트 전극 상에 게이트 절연막으로서, 산화 알루미늄(Al2O3)을 증착하였다. Al2O3층은 알루미늄 전구체인 트리에틸알루미늄 (trimethylaluminum (TMA), Aldrich, 97%)과 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스 제공단계, 퍼지 가스인 아르곤 제공단계, 산화제인 H2O와 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스 제공단계, 및 퍼지 가스인 아르곤 제공단계를 구비하는 단위 사이클을 반복하여 형성하였다. As a gate insulating film on the gate electrode, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) was deposited. Al 2 O 3 layer is an aluminum precursor triethylaluminum (trimethylaluminum (TMA), Aldrich, 97%) and a mixed gas providing step of argon as a carrier gas, a step of providing argon as a purge gas, H 2 O as an oxidizing agent and a carrier gas A unit cycle including a step of providing a mixed gas of argon and a step of providing argon as a purge gas was repeatedly formed.
상기 게이트 절연막인 Al2O3층 상에 제1 배리어층을 증착하였다. 이를 위하여 TMA 소스 가스와 아르곤의 혼합가스를 2초간 20도의 온도에서 제공하고, 아르곤 퍼지 가스를 20초간 제공하고, 유기전구체인 4MP (4-mercaptophenol)와 캐리어 가스인 아르곤의 혼합가스를 20초간 75도의 온도에서 제공하고, 아르곤 퍼지 가스를 200초간 제공하는 단위 사이클을 20회 진행하여, 약 10nm 두께의 제1 배리어층으로 Al-DMP 층을 증착하였다.A first barrier layer was deposited on the Al 2 O 3 layer as the gate insulating layer. For this, a mixed gas of TMA source gas and argon is provided at a temperature of 20 degrees for 2 seconds, an argon purge gas is provided for 20 seconds, and a mixed gas of 4MP (4-mercaptophenol), an organic precursor, and argon, a carrier gas, is provided for 75 seconds for 20 seconds. An Al-DMP layer was deposited as a first barrier layer having a thickness of about 10 nm by performing a unit cycle of providing at a temperature of 10°C and providing an argon purge gas for 200
상기 제1 배리어층 상에 증발법을 사용하여 약 80도에서 약 5nm의 Te막을 증착하여 제1 Te 액티브층을 형성하였다. 이 후, 상기 제1 Te 액티브층 상에 상기 제1 배리어층 형성방법과 동일한 방법으로 제2 배리어층을 형성한 후, 제2 배리어층 상에 제1 Te 액티브층 형성방법과 동일한 방법으로 제2 Te 액티브층을 형성하였다.A first Te active layer was formed by depositing a Te film of about 5 nm at about 80 degrees using an evaporation method on the first barrier layer. Thereafter, a second barrier layer is formed on the first Te active layer in the same manner as in the method of forming the first barrier layer, and then a second barrier layer is formed on the second barrier layer in the same manner as in the method of forming the first Te active layer. A Te active layer was formed.
이 후 섀도우 마스크를 사용한 열기상증착법을 사용하여 70nm 두께의 니켈 패턴들을 형성하여 소스 및 드레인 전극을 형성하였다.Thereafter, nickel patterns having a thickness of 70 nm were formed by hot vapor deposition using a shadow mask to form source and drain electrodes.
멀티레벨 소자 제조예들 2 내지 4Multilevel device manufacturing examples 2 to 4
제1 Te 액티브층과 제2 Te 액티브층을 6nm (제조예 2), 7nm (제조예 3), 또는 8nm (제조예 4)로 형성한 것을 제외하고는 멀티레벨 소자 제조예 1과 동일한 방법을 사용하여 멀티레벨 소자를 제조하였다.The same method as in Multilevel Device Manufacturing Example 1 was followed except that the first Te active layer and the second Te active layer were formed to be 6 nm (Preparation Example 2), 7 nm (Preparation Example 3), or 8 nm (Preparation Example 4). was used to fabricate a multilevel device.
도 12는 멀티레벨 소자 제조예 1의 진행 중 얻어진 5nm의 두께로 형성된 Te 액티브층에 대한 X-선 회절 그래프이다. X-선 회절 실험은 Rigaku 사의 Smartlab (모델명)을 사용하여 진행하였으며, GI-XRD 분석법을 활용하였고, 10-70°의 각도범위로 진행하되 0.05°씩 측정하였고, 입사각은 0.5°였고, 스캔 스피드는 3°/min이었으며, 타겟은 Cu-Kα(wavelength = 1.5405Å 45kV/200mA)였다.12 is an X-ray diffraction graph of a Te active layer formed to a thickness of 5 nm obtained during the process of Multilevel Device Manufacturing Example 1; The X-ray diffraction experiment was conducted using Smartlab (model name) of Rigaku Corporation, and GI-XRD analysis was used. was 3°/min, and the target was Cu-Kα (wavelength = 1.5405 Å 45 kV/200 mA).
도 12를 참조하면, Te 액티브층은 [101] 피크강도에 대한 [100] 피크강도의 비 즉, I[100]/[101]가 0.5 이상 0.7 미만 구체적으로 0.6 이상 0.65 미만 더 구체적으로는 0.625인 것으로 나타났고, [102] 피크강도가 [110] 피크강도 대비 2배 이상인 것으로 나타났다. 12 , the Te active layer has a ratio of [100] peak intensity to [101] peak intensity, that is, I [100]/[101] is 0.5 or more and less than 0.7 Specifically, 0.6 or more and less than 0.65 More specifically, 0.625 , and the [102] peak intensity was found to be more than twice the [110] peak intensity.
도 13은 멀티레벨 소자 제조예 4의 진행 중 얻어진 8nm의 두께로 형성된 Te 액티브층의 단면을 촬영한 TEM (Transmission Electron Microscope) 이미지이다.13 is a TEM (Transmission Electron Microscope) image of a cross-section of a Te active layer formed to a thickness of 8 nm obtained during the process of Multilevel Device Manufacturing Example 4;
도 13을 참조하면, Te 액티브층은 약 8nm의 두께를 가지며, 비정질 Te 매트릭스 내에 약 0.75nm의 직경을 갖는 결정입자들이 단층으로 배열된 것을 알 수 있다. 이 때, 결정입자들은 서로 다른 결정방향을 가지고, 서로 접하는 그레인 바운더리를 형성하지 않아 결정입자들 사이에는 비정질 매트릭스가 존재함을 알 수 있다.Referring to FIG. 13 , it can be seen that the Te active layer has a thickness of about 8 nm, and crystal grains having a diameter of about 0.75 nm are arranged in a single layer in an amorphous Te matrix. At this time, it can be seen that the crystal grains have different crystal directions and do not form grain boundaries in contact with each other, so that an amorphous matrix exists between the crystal grains.
도 14 내지 도 17은 멀티레벨소자 제조예들 1 내지 4에 따라 제조된 멀티레벨 소자의 전달특성을 나타낸 ID-VG 그래프들이다. 도 14 내지 도 17의 (a)에는 드레인 전류(ID)가 선형스케일로 표현되어 있고, (b)에는 드레인 전류(ID)가 로그스케일로 표현되어 있다.14 to 17 are ID-VG graphs illustrating transfer characteristics of multi-level devices manufactured according to manufacturing examples 1 to 4 of the multi-level device. 14 to 17 (a), the drain current ID is expressed on a linear scale, and in (b), the drain current ID is expressed on a logarithmic scale.
도 14 내지 도 17을 참조하면, 멀티레벨소자 제조예들 1 내지 4에 따라 제조된 멀티레벨 소자들은 하기 표 1과 같은 특성을 나타낸 것으로 확인되었다.14 to 17 , it was confirmed that the multi-level devices manufactured according to Multi-level Device Manufacturing Examples 1 to 4 exhibited characteristics as shown in Table 1 below.
전압 범위intermediate
voltage range
도 14 내지 도 17, 및 표 1을 참조하면, 멀티레벨소자 제조예들 1 내지 3에 따른 멀티레벨소자의 경우, 드레인 전류(ID)가 선형스케일로 표현되는 경우(도 14 내지 도 16의 (a))에도, 제1 Vth와 제2 Vth 사이에 드레인 전류의 증가가 거의 없는 혹은 전류증가가 없는 중개(intermediate) 전압 범위를 나타내는 것을 알 수 있다. 14 to 17 and Table 1, in the case of the multi-level device according to the multi-level device manufacturing examples 1 to 3, when the drain current ID is expressed on a linear scale ( It can be seen that a)) also shows an intermediate voltage range in which there is little or no increase in the drain current between the first Vth and the second Vth.
그러나, Te 액티브층의 두께가 8 nm인 경우, 제1 Vth와 제2 Vth 사이에 드레인 전류의 증가가 지속적으로 나타나, 완벽한 중개(intermediate) 전압 범위는 나타내지 못함을 알 수 있다.However, it can be seen that when the thickness of the Te active layer is 8 nm, the drain current continuously increases between the first Vth and the second Vth, and thus a perfect intermediate voltage range is not obtained.
이러한 결과로부터, Te 멀티레벨 소자의 Te 액티브층의 두께가 5 내지 7nm인 경우, 소자는 서로 다른 전류 레벨이 거의 완벽히 구별되는 우수한 멀티레벨 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.From these results, it can be seen that when the thickness of the Te active layer of the Te multilevel device is 5 to 7 nm, the device exhibits excellent multilevel characteristics in which different current levels are almost completely distinguished.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes are made by those skilled in the art within the technical spirit and scope of the present invention. This is possible.
Claims (13)
상기 게이트 전극에 중첩하는 제1 Te 액티브층, 제2 Te 액티브층, 및 상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층을 분리하는 배리어층을 포함하고, 상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 텔루륨 원소층인 액티브 구조체; 및
상기 액티브 구조체의 양측 단부들에 각각 전기적으로 접속하는 소오스 및 드레인 전극들을 포함하되,
상기 제1 Te 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압과 상기 제2 Te 액티브층에 채널을 형성시키는 문턱 전압은 서로 다른 값을 가지는 P형 멀티레벨 소자.gate electrode;
a first Te active layer, a second Te active layer overlapping the gate electrode, and a barrier layer separating the first Te active layer and the second Te active layer; 2 Te active layer is an active structure that is a tellurium element layer; and
including source and drain electrodes electrically connected to both ends of the active structure, respectively;
A threshold voltage for forming a channel in the first Te active layer and a threshold voltage for forming a channel in the second Te active layer have different values.
상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 서로에 관계없이 3 내지 10nm의 두께를 갖는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
The first Te active layer and the second Te active layer have a thickness of 3 to 10 nm regardless of each other.
상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층은 서로에 관계없이 5 내지 7nm의 두께를 갖는 P형 멀티레벨 소자.3. The method according to claim 2,
The first Te active layer and the second Te active layer have a thickness of 5 to 7 nm regardless of each other.
상기 제1 Te 액티브층과 상기 제2 Te 액티브층 중 적어도 하나의 층은 비정질 매트릭스 내에 분산된 나노결정들을 갖는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
At least one of the first Te active layer and the second Te active layer has nanocrystals dispersed in an amorphous matrix.
상기 나노결정들은 3 내지 8nm의 직경을 갖는 P형 멀티레벨 소자.5. The method according to claim 4,
The nanocrystals are P-type multilevel devices having a diameter of 3 to 8 nm.
상기 나노결정들 사이의 간격은 상기 나노결정의 직경 대비 작은 P형 멀티레벨 소자.5. The method according to claim 4,
The spacing between the nanocrystals is a small P-type multi-level device compared to the diameter of the nanocrystals.
상기 나노결정들은 상기 제1 Te 액티브층 또는 상기 제2 Te 액티브층 내에서 해당 액티브층의 두께 방향으로 단일층으로 배열된 P형 멀티레벨 소자.5. The method of claim 4,
The nanocrystals are arranged as a single layer in the first Te active layer or the second Te active layer in the thickness direction of the corresponding active layer.
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때,
상기 제1 Te 액티브층에 채널이 형성된 후,
상기 제2 Te 액티브층에 채널이 형성되기 전에,
상기 제1 Te 액티브층에 흐르는 전류는 포화되는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
When the gate voltage applied to the gate electrode increases in a negative direction,
After a channel is formed in the first Te active layer,
Before a channel is formed in the second Te active layer,
A current flowing through the first Te active layer is saturated with a P-type multi-level device.
상기 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 음의 방향으로 커질 때,
상기 게이트 전압에 대한 상기 액티브 구조체를 흐르는 전류의 비가 제1 기울기를 갖는 제1 게이트 전압 범위, 제1 기울기 대비 낮은 제2 기울기를 갖는 제2 게이트 전압 범위, 및 제2 기울기 대비 높은 제3 기울기를 갖는 제3 게이트 전압 범위로 구분되는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
When the gate voltage applied to the gate electrode increases in a negative direction,
A ratio of a current flowing through the active structure to the gate voltage is a first gate voltage range having a first slope, a second gate voltage range having a second slope lower than the first slope, and a third slope higher than the second slope A P-type multilevel device divided by a third gate voltage range having
상기 제2 기울기는 0인 P형 멀티레벨 소자.10. The method of claim 9,
The second slope is 0 P-type multi-level device.
상기 배리어층은 제1 배리어층이고,
상기 액티브 구조체는 상기 게이트 전극과 제1 Te 액티브층 사이에 배치된 제2 배리어층을 더 포함하여,
상기 제1 Te 액티브층은 제1 배리어층과 제2 배리어층 사이에 개재되어 양자우물을 형성하는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
The barrier layer is a first barrier layer,
The active structure further comprises a second barrier layer disposed between the gate electrode and the first Te active layer,
The first Te active layer is interposed between the first barrier layer and the second barrier layer to form a quantum well.
상기 배리어층은 적어도 하나의 유기 단분자층을 구비하는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
The barrier layer is a P-type multilevel device having at least one organic monolayer.
상기 배리어층이 둘 이상의 유기 단분자층들을 구비하는 경우에, 상기 유기 단분자층들 사이에 배치된 금속 원자층을 더 포함하는 P형 멀티레벨 소자.The method according to claim 1,
When the barrier layer includes two or more organic monolayers, the P-type multilevel device further comprising a metal atomic layer disposed between the organic monolayers.
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KR20240066753A (en) | 2022-11-08 | 2024-05-16 | 성균관대학교산학협력단 | High hole mobility junction less transistor devices with low contact resistance and the manufacturing method thereof |
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KR20200073130A (en) * | 2018-12-12 | 2020-06-23 | 한양대학교 산학협력단 | P-Type Semiconductor Layer, P-Type Multilevel Element and the Manufacturing Method of the Emement |
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