KR20240080951A - 강유전체 전계 효과 트랜지스터 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
강유전체 전계 효과 트랜지스터가 개시된다. 상기 강유전체 전계 효과 트랜지스터는 기판; 상기 기판 위에 증착되는 게이트; 상기 게이트 위에 증착되며 강유전체 물질을 포함하는 강유전체 박막; 상기 강유전체 박막 위에 증착되며, 인듐, 갈륨, 아연 및 이들의 산화물을 포함하는 채널 레이어; 및 상기 채널 레이어 위에 증착되는 소스 및 드레인;을 포함하고, 상기 강유전체 물질은 산화 하프늄(HfO2)을 포함하고, 상기 채널 레이어는 질소(N)를 더 포함한다. 이 외에도 명세서를 통해 파악되는 다양한 실시 예가 가능하다.
Description
본 문서에서 개시되는 실시 예들은, 강유전체 전계 효과 트랜지스터 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 AI기술이 급격히 발전함에 따라 데이터 저장에 소모되는 전력이 증가하고 있으며, 기존의 메모리 소자를 개선하고자 하는 시도가 진행 중이다. 그러나, 기존의 메모리 소자는 데이터 처리 용량, 처리 속도, 소모 전력에서 한계에 도달한 상황이다.
이에 따라 기존의 메모리 소자의 한계를 극복하기 위한 차세대 메모리 소자가 연구되고 있다. 예를 들어, 차세대 메모리 소자는 강유전체 전계 효과 트랜지스터(Ferroelectric field effect transistor, FeFET) 또는 강유전체 메모리 소자(Ferroelectric memory device) 등을 포함한다. 차세대 메모리 소자는 데이터 처리 용량, 속도, 및 저전력 측면에서 기존 메모리 소자에 비해 유리하여 주목 받고 있다.
차세대 메모리 소자 중 하나인 강유전체 전계 효과 트랜지스터(이하, FeFET)는 IGZO 채널을 포함한다. 그러나, FeFET의 IGZO 채널에는 전자 갇힘(electron trapping) 현상이 발생될 수 있으며, 이는 각인 효과(imprint effect)와 같은 안정성 저하 문제를 일으킬 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, IGZO 채널과 강유전체 레이어 사이에서 발생하는 전자 갇힘 현상을 감소시키는 강유전체 전계 효과 트랜지스터 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면 강유전체 전계 효과 트랜지스터가 개시된다.
상기 강유전체 전계 효과 트랜지스터는 기판; 상기 기판 위에 증착되는 게이트; 상기 게이트 위에 증착되며 강유전체 물질을 포함하는 강유전체 박막; 상기 강유전체 박막 위에 증착되며, 인듐, 갈륨, 아연 및 이들의 산화물을 포함하는 채널 레이어; 및 상기 채널 레이어 위에 증착되는 소스 및 드레인;을 포함하고, 상기 강유전체 물질은 산화 하프늄(HfO2)을 포함하고, 상기 채널 레이어는 질소(N)를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 채널 레이어는 이중층 구조로 이루어지고, 상기 이중층 구조는 상기 강유전체 박막에 접촉하도록 증착되는 제1 레이어, 및 상기 제1 레이어에 증착되며 상기 소스 및 상기 드레인이 증착되는 제2 레이어를 포함하고, 상기 제1 레이어는 인듐, 갈륨, 아연, 이들의 산화물, 및 질소를 포함하고, 상기 제2 레이어는 인듐, 갈륨, 아연, 및 이들의 산화물을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 채널 레이어는 상기 질소가 도핑됨으로써 제공될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 제1 레이어는 상기 질소가 도핑됨으로써 제공될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고, 상기 질소 분압은 10% 내지 30%일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고, 상기 질소 분압은 20% 내지 30%일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고, 상기 질소 분압은 25%일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 강유전체 박막은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 강유전체 박막은 지르코늄(Zr)이 도핑된 산화 하프늄(HfO2)을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 강유전체 박막은 오존(O3)과 하프늄(Hf)이 반응됨으로써 증착될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 소스 및 상기 드레인은 서로 이격된 위치에 증착되며, 상기 소스 및 상기 드레인 사이에는 보호막이 형성되고, 상기 보호막은 산화 티타늄(TiO2)을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 게이트는 금속, 금속 질화물, 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예에서, 상기 게이트는 질화 티타늄(TiN2)을 포함할 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터는 질소 도핑된 IGZO 레이어를 포함하는 이중층 구조의 채널 레이어를 포함함으로써, IGZO 레이어 내부에 존재하는 산소 결손(oxygen vacancy)와 같은 전자 갇힘 장소(electron trapping site)에 의해 발생되는 전자 갇힘(electron trapping) 현상을 감소시키는 유리한 효과를 가진다.
또한, 강유전체 전계 효과 트랜지스터는 IGZO 레이어에 도핑된 질소가 강유전체 박막으로 이동하고, 강유전체 박막에 포함된 산화 하프늄(HfO2)의 사방정(orthorhombic) 상의 형성을 유도함으로써, 메모리 윈도우 특성이 향상된 유리한 효과를 가진다.
이로써, 강유전체 전계 효과 트랜지스터는 낸드 플래시 메모리를 대체할 수 있는 차세대 메모리 반도체 소자로 활용될 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터를 도시한 도면이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터를 도시한 도면이다.
도 3는 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 제조 공정의 일부를 도시한 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 채널 레이어의 구조 및 도핑된 질소 분압에 따른 게이트 전압과 드레인 전류를 도시한 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 채널 레이어에 대한 positive bias stress(PBS) 인가 후의 데이터를 도시한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터를 도시한 도면이다.
도 3는 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 제조 공정의 일부를 도시한 도면이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는, 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 채널 레이어의 구조 및 도핑된 질소 분압에 따른 게이트 전압과 드레인 전류를 도시한 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 채널 레이어에 대한 positive bias stress(PBS) 인가 후의 데이터를 도시한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하면, 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)는 기판(110), 게이트(120), 강유전체 박막(130), 채널 레이어(140), 소스(160), 및 드레인(150)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 기판(110)은 실리콘 기판(예: 실리콘 웨이퍼)을 포함할 수 있다. 다만, 기판(110)의 재질은 반드시 실리콘을 포함하는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판(110)은 스트론티움 티타늄 산화물(SrTiO3), 란타늄 알루미늄 산화물(LaAl2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria-stabilized zirconia, YSZ), 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 란탄 스트론티움 알루미늄 탄탈륨(LSAT), 퀄츠(quartz), 갈륨 질화물(GaN), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 게르마늄(SiGe), 게르마늄(Ge) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 SOI(Silicon On Insulator) 기판으로 제공될 수 있다.
일 실시 예에서, 게이트(120)는 기판(110)의 표면에 제공될 수 있다. 게이트(120)는 도전성으로 형성되며, 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트(120)는 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 망간(Mn), 및 코발트(Co) 중 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 게이트(120)는 게이트 전극으로 참조될 수 있다.
다만, 게이트(120)의 재질은 반드시 금속으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 게이트(120)는 티타늄 질화물(TiN), 또는 탄탈륨 질화물(TaN) 등의 금속 질화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트(120)는 란타늄 스트론티움 마그네슘 산화물(LSMO), 란타늄 칼슘 마그네슘 산화물(LCMO), 프라세오디뮴 칼슘 마그네슘 산화물(PCMO), 스트론티움 루비듐 산화물(SrRuO3), 란타늄 스트론티움 칼슘 산화물(LSCO), 인듐 티타늄 산화물(ITO), 블화 티타늄 산화물(FTO), 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO), 루비듐 산화물(RuO2), 또는 란타늄 니켈 산화물(LaNiO3) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 강유전체 박막(130)은 게이트(120) 위에 적층될 수 있다. 예를 들어, 강유전체 박막(130)은 게이트(120) 또는 게이트 전극을 둘러싸도록 제공되어 게이트(120)를 절연시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 강유전체 박막(130)은 산화 하프늄(Hafnium Oxide, HfO2)를 포함할 수 있다. 산화 하프늄은 기존의 강유전체로 사용되는 PZT 물질이나 SBT 물질에 비해, 10nm 이하의 두께에서도 자발적 분극이 가능하고, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)와의 호환성이 높은 유리한 효과를 가진다.
일 실시 예에서, 강유전체 박막(130)은 산화 지르코늄(Zirconium Oxide, ZrO2)를 포함할 수 있다. 산화 지르코늄은 상기 산화 하프늄(HfO2)와 마찬가지로, 10nm 이하의 두께에서도 자발적 분극이 가능하고, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)와의 호환성이 높은 유리한 효과를 가진다.
일 실시 예에서, 강유전체 박막(130)은 지르코늄(Zr)이 도핑된 산화 하프늄을 포함할 수 있다. 지르코늄(Zr)이 도핑된 산화 하프늄은, 산화 하프늄에 비해, 결정화 온도(crystallization temperature)가 낮은 특성을 가진다. 이로써, 상대적으로 낮은 공정 온도에서도 강유전체 특성을 얻을 수 있으며 대량 생산에 유리한 효과를 가진다.
다만, 강유전체 박막(130)이 반드시 산화 하프늄 계열로 한정되는 것은 아니며, 강유전체 박막(130)은 다양한 강유전체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 강유전체 박막(130)은 산화 지르코늄(ZrO2), 리튬 니오븀 산화물(LiNbO3), 또는 리튬 탄탈륨 산화물(LiTaO3)을 포함할 수 있다.
추가적으로, 강유전체 박막(130)은 납-지르코늄-티타늄 복합산화물(PZT(Pb(zr,Ti)03)), 페로브스카이트 층상 구조(Perovskite layer structure), 바륨-스트론튬-티타늄 복합산화물(BST((Ba,Sr)Ti03)), 나트륨-칼륨-니오븀 복합산화물(NkN((Na,K)Nb03)), 비스무스 타이타네이트(Bismuth titanate), 또는 폴리불화비닐라덴(poly vinyl idene fluoride; PVDF)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 채널 레이어(140)은 이중층 구조로 제공될 수 있다. 예를 들어, 채널 레이어(140)은 강유전체 박막(130) 위에 적층되는 제1 레이어(141), 및 제1 레이어(141) 위에 적층되는 제2 레이어(142)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 제2 레이어(142)의 일면에는 소스(160) 및 드레인(150)이 형성되고, 이면에는 제1 레이어(141)가 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 제2 레이어(142)는 제1 레이어(141)와 함께 트랜지스터의 채널을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 레이어(142)는 소스(160)와 드레인(150) 사이에서 전자가 이동되는 통로로 기능할 수 있다. 일 실시 예에서, 제2 레이어(142)는 인듐, 갈륨, 아연, 산소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 레이어(142)는 인듐, 갈륨, 아연 산화물을 포함할 수 있다. 제2 레이어(142)는 IGZO 레이어로 참조될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 레이어(141)는 제2 레이어(142)와 강유전체 박막(130) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어(141)의 일면에는 제2 레이어(142)가 형성되고 이면에는 강유전체 박막(130)이 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 레이어(141)는 제2 레이어(142)와 함께 트랜스터 소자의 채널을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어(141)는 소스(160)와 드레인(150) 사이에서 전자가 이동되는 통로로 기능할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 레이어(141)는 인듐, 갈륨, 아연, 산소, 및 질소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 레이어(141)는 인듐, 갈륨, 아연 산화물을 포함하는 IGZO 레이어 질소를 도핑함으로써 제공될 수 있다. 제1 레이어(141)는 질소 도핑된 IGZO 레이어로 참조될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 레이어(141)에 포함된 질소의 일부는 강유전체 박막(130)으로 이동할 수 있다. 이 때, 이동한 질소의 일부는 산화 하프늄에 도핑될 수 있다. 질소(N)의 반지름은 115pm으로 하프늄(Hf)의 반지름 255pm보다 작으므로, 산화 하프늄으로 이루어진 강유전체 박막(130)의 P-E 히스테리시스를 안정화시킬 수 있다. 구체적으로, 질소 도핑된 산화 하프늄은 사방정(orthorhombic) 상을 형성하여, 분극(polarization) 및 전환 가능한 분극(switchable polarization)이 향상될 수 있다. 이로써, 질소 도핑된 산화 하프늄은 향상된 강유전체 특성을 가질 수 있다.
다만, 산화 하프늄에 도핑된 질소 분압이 일정치 이상을 초과하는 경우, 질소 도핑된 산화 하프늄은 정방정(tetragonal) 상, 또는 입방정(cubic) 상을 형성하여, 오히려 분극이 감소하고 강유전체 특성이 저하될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 산화 지르코늄의 반지름은 155pm이므로, 강유전체 박막(130)이 산화 지르코늄을 포함하는 경우에도, 강유전체 박막(130)의 P-E 히스테리시스를 안정화시킬 수 있다. 구체적으로, 질소 도핑된 산화 지르코늄은 사방정(orthorhombic) 상을 형성하여, 분극(polarization) 및 전환 가능한 분극(switchable polarization)이 향상될 수 있다. 이로써, 질소 도핑된 산화 지르코늄은 향상된 강유전체 특성을 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 소스(160) 및 드레인(150)은 각각 채널 레이어(140)의 제2 레이어(142) 위에 적층될 수 있다. 소스(160)와 드레인(150) 사이에는 절연성 보호막이 형성될 수 있다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)를 도시한 도면이다. 도 2를 설명함에 있어서, 도 1에서 설명한 내용과 중복된 내용은 생략한다.
도 2에 도시된 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)는 Top gate 구조로 참조될 수 있으며, 도 1에 도시된 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)는 Bottom gate 구조로 참조될 수 있다.
도 2를 참조하면, 기판(110)의 제1 영역에는 소스(160)가 형성되고 제2 영역에는 드레인(150)이 형성될 수 있다. 기판의 제1 영역과 제2 영역 사이의 영역에는 채널 레이어(140)가 형성될 수 있다.
채널 레이어(140)는 기판(110)에 증착되며, 소스(160) 및 드레인(150) 각각과 접촉할 수 있다. 채널 레이어(140)는 이중층 구조를 포함하고, 이중층 구조는 기판(110)에 형성되는 제2 레이어(142), 및 제2 레이어(142)에 형성되는 제1 레이어(141)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(141)는 강유전체 박막(130)에 접촉할 수 있다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 제1 레이어(141)는 질소 도핑된 IGZO 레이어로 제공되고, 제2 레이어(142)는 질소 도핑되지 않은 IGZO 레이어로 제공될 수 있다.
강유전체 박막(130)은 소스(160), 드레인(150), 및 채널 레이어(140)의 제1 레이어(141)를 적어도 부분적으로 덮도록 형성될 수 있다. 게이트(120)는 강유전체 박막(130) 위에 적층될 수 있다.
도 3는 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)의 제조 공정의 일부를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 물질은 예시적인 것이며, 본 발명에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)는 도면에 도시된 물질에 한정되지 않는다. 예를 들어, 강유전체 박막(130)은 산화 하프늄(HfO2) 외에도 산화 지르코늄(ZrO2)을 포함할 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 기판(110)에 질화 티타늄(TiN)을 증착하여 게이트(120) 또는 게이트 전극을 형성할 수 있다. 예를 들어, 질화 티타늄은 스퍼터링 방식으로 증착될 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 게이트(120) 위에 산화 하프늄(HfO2)을 증착함으로써 강유전체 박막(130)을 형성할 수 있다. 이 때, 하프늄(Hf)은 반응 가스를 이용하여 증착될 수 있다. 예를 들어, 반응 가스는 오존(O3) 및/또는 수증기(H2O)를 포함할 수 있다.
도 3(c)를 참조하면, 강유전체 박막(130) 위에 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))를 증착할 수 있다. 이 때, 증착은 스퍼터링으로 수행될 수 있다. 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))는 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)의 채널로 기능할 수 있다.
도 3(d)를 참조하면, 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141)) 위에 IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142))를 증착할 수 있다. 이 때, 증착은 스퍼터링으로 수행될 수 있다. IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142))는 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)의 채널로 기능할 수 있다.
도 3(e)를 참조하면, IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142)) 위에 소스와 드레인을 스퍼터링 방식으로 증착할 수 있다. 이 때, 소스(160)와 드레인(150)은 서로 이격된 위치에 증착될 수 있다.
도 3(f)를 참조하면, 소스(160)와 드레인(150) 사이, 및 소스(160)와 드레인(150)을 덮도록 산화 티타늄을 증착하여 보호막을 형성할 수 있다.
도 3(g)를 참조하면, 산화 티타늄 증착이 완료된 후, 약 630도에서 10초 동안 급속 어닐링을 수행함으로써, 강유전체 전계 효과 트랜지스터가 제조될 수 있다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터의 채널 레이어의 구조 및 도핑된 질소 분압에 따른 게이트 전압과 드레인 전류를 도시한 도면이다.
도 4a에는 이중층 구조의 데이터(301)과 단일층 구조의 데이터(302)가 도시된다.
도 4a에 도시된 이중층 구조의 데이터(301)는 14.3%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)와 질소로 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)를 포함하는 채널 레이어(140)에 대한 데이터이다.
도 4a에 도시된 단일층 구조의 데이터(302)는 14.3%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(예: 제1 레이어(141))를 포함하되, 제2 레이어를 포함하지 않는 채널 레이어에 대한 데이터이다.
도 4a를 참조하면, 이중층 구조의 채널 레이어(140)의 경우 메모리 윈도우가 약 0.7V로 확인되며, 단일층 구조의 채널 레이어의 경우 메모리 윈도우가 약 0.3V로 확인된다.
즉, IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142)), 및 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))로 구성된 이중층 구조의 채널 레이어(140)은, 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))로만 구성된 단일층 구조의 채널 레이어에 비해 메모리 윈도우가 약 2.3배 증가한 것으로 확인된다.
이는 제1 레이어(141)에 도핑된 질소가 강유전체 박막(130)으로 이동하고, 강유전체 박막(130)에 포함된 산화 하프늄이 질소 도핑되어 사방정(orthorhombic) 상을 형성하고, 향상된 강유전체 특성을 가진 것으로 이해될 수 있다.
도 4b에는 이중층 구조의 데이터(303)과 단일층 구조의 데이터(304)가 도시된다.
도 4b에 도시된 이중층 구조의 데이터(303)는 25%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)와 질소로 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)를 포함하는 채널 레이어에 대한 데이터이다.
도 4b에 도시된 단일층 구조의 데이터(304)는 25%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)를 포함하되, 제2 레이어를 포함하지 않는 채널 레이어에 대한 데이터이다.
도 4b를 참조하면, 이중층 구조의 채널 레이어(140)의 경우 메모리 윈도우가 약 0.75V로 확인되며, 단일층 구조의 채널 레이어의 경우 메모리 윈도우가 약 0.4V로 확인된다.
즉, IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142)), 및 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))로 구성된 이중층 구조의 채널 레이어(140)은, 질소 도핑된 IGZO 레이어로만 구성된 단일층 구조의 채널 레이어에 비해 메모리 윈도우가 약 1.8배 증가한 것으로 확인된다.
또한, 도 4a를 함께 참조하면, 이중층 구조를 가지는 채널 레이어(140)의 제1 레이어(141)는, 25%의 분압으로 질소 도핑된 경우(303), 14.3%의 분압으로 질소 도핑된 경우(301)에 비해 메모리 윈도우가 증가(0.7V->0.75V)한 것으로 확인된다.
이는 제1 레이어(141)에 도핑된 질소가 강유전체 박막(130)으로 이동하고, 강유전체 박막(130)에 포함된 산화 하프늄이 질소 도핑되어 사방정(orthorhombic) 상을 형성하고, 향상된 강유전체 특성을 가진 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도 4a를 함께 참조하면, 이중층 구조의 제1 레이어(141)는, 25%의 분압으로 질소 도핑된 경우(303), 14.3%의 분압으로 질소 도핑된 경우(301)에 비해 메모리 윈도우가 증가(0.7V->0.75V)한 것으로 확인된다.
도 4c에는 이중층 구조의 데이터(305)과 단일층 구조의 데이터(306)가 도시된다.
도 4c에 도시된 이중층 구조의 데이터(305)는 50%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)와 질소로 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)를 포함하는 채널 레이어(140)에 대한 데이터이다.
도 4c에 도시된 단일층 구조의 데이터(306)는 50%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)를 포함하되, 제2 레이어를 포함하지 않는 채널 레이어에 대한 데이터이다.
도 4c를 참조하면, 이중층 구조의 채널 레이어(140)의 경우 메모리 윈도우가 약 0.4V로 확인되며, 단일층 구조의 채널 레이어의 경우 메모리 윈도우가 약 0.4V로 확인된다.
즉, 50%의 분압으로 질소 도핑된 경우, 이중층 구조로 구성되는 경우 메모리 윈도우의 증가 효과가 없는 것으로 확인된다.
제1 레이어(141)에 도핑된 질소의 일부는 산화 하프늄을 포함하는 강유전체 박막(130)으로 이동하여 산화 하프늄에 도핑될 수 있으며, 산화 하프늄에 도핑된 질소가 과다한 경우, 산화 하프늄이 정방정(tetragonal) 상, 또는 입방정(cubic) 상을 형성하여, 오히려 분극이 감소하고 강유전체 특성이 저하된 것으로 이해될 수 있다.
아래 표 1은 도 4a 내지 도 4b의 데이터를 정리한 것이다.
표 1을 참조하면, 채널 레이어(140)은 제2 레이어(142)와 제1 레이어(141)를 포함하는 이중층 구조로 구성되고, 제1 레이어(141)가 적절한 범위의 분압(예: 10% 내지 30%)으로 질소 도핑되는 것이 메모리 윈도우 증가 측면에서 유리할 수 있다.
| 제1 레이어 | 제2 레이어 | 구조 | 메모리 윈도우(V) | |
| 비교예 1 (미도시) |
NPP 0% | X | 단일층구조 | 0.3 |
| 비교예 2 (302) |
X | NPP 14.3% | 0.3 | |
| 비교예 3(304) | X | NPP 25% | 0.4 | |
| 비교예 4(306) | X | NPP 50% | 0.4 | |
|
실시예 1
(301) |
N PP 0% | N PP 14.3% | 이중층구조 | 0.7 |
|
실시예 2
(303) |
N PP 0% | N PP 25% | 0.75 | |
| 실시예 3(305) | NPP 0% | NPP 50% | 0.4 |
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 일 실시 예에 따른 강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)의 이중층 구조의 채널 레이어(140)에 대한 positive bias stress(PBS) 인가 후의 데이터를 도시한 도면이다. PBS 테스트는 VGS = 3V, VDS = 0V 스트레스 조건하에서 수행되었다.
도 5a에 도시된 데이터는 질소 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)와 14.3%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)를 포함하는 채널 레이어(140)에 대한 데이터이다.
도 5a를 참조하면, 100초에서 break down이 발생된 것이 확인되며, 이는 질소 도핑된 제1 레이어(141)의 전자 갇힘(electron trapping) 현상에 의한 것으로 이해될 수 있다.
도 5b에 도시된 데이터는 질소 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)와 25%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)를 포함하는 채널 레이어(140)에 대한 데이터이다.
도 5b를 참조하면, 0초부터 100초까지 PBS 시간을 증가시켜도 break down이 발생되지 않았으며, 100초 PBS 조건에서 임계 전압 시프트(Threshold voltage shifting)는 0.15V로 확인된다. 이는 제1 레이어(141)에 대한 적정량의 질소 도핑(25%)이 전자 갇힘 현상을 감소시킨 것으로 이해될 수 있다.
도 5c에 도시된 데이터는 질소 도핑되지 않은 IGZO 레이어인 제2 레이어(142)와 25%의 분압으로 질소 도핑된 IGZO 레이어인 제1 레이어(141)를 포함하는 채널 레이어(140)에 대한 데이터이다.
도 5c를 참조하면, 0초부터 100초까지 PBS 시간을 증가시켜도 break down이 발생되지 않았으나, 100초 PBS 조건에서 0.25V의 임계 전압 시프트(Threshold voltage shifting)가 발생하였다. 이는 제1 레이어(141)에 대한 과도한 질소 도핑(50%)이 오히려 질소 관련 결함을 발생시킨 것으로 이해될 수 있다.
| 제1 레이어 | 제2 레이어 | 구조 | PBS: 100s Break Down |
PBS: 100s △VTH |
|
| 실시예 1 | NPP 0% | NPP 14.3% | 이중층 | O | - |
| 실시예 2 | NPP 0% | NPP 25% | X | 0.15 | |
| 실시예 3 | NPP 0% | NPP 50% | X | 0.25 |
상기 표 2를 참조하면, 채널 레이어(140)의 일부 레이어(예: 제1 레이어(141))에 대한 적정량의 질소 도핑은 산소 결핍 결함(oxygen vacancy defect)을 제거하여, 전자 갇힘(electron trapping) 현상이 감소되는 유리한 효과를 나타낸다. 그러나, 과도한 질소 도핑은 오히려 결함 발생 가능성을 증가시켜 전자 갇힘(electron trapping) 현상이 증가한다.
도 4a 내지 도 5c, 표 1 및 표 2를 참조하면, 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))를 포함하는 이중층 구조의 채널 레이어(140)은, IGZO 레이어(예: 제2 레이어(142)) 내부에 존재하는 산소 결손(oxygen vacancy)와 같은 전자 갇힘 장소(electron trapping site)에 의해 발생되는 전자 갇힘(electron trapping) 현상을 감소시키는 유리한 효과를 가진다.
또한, 질소 도핑된 IGZO 레이어(예: 제1 레이어(141))를 포함하는 이중층 구조의 채널 레이어(140)은, 강유전체 박막(130)에 포함된 산화 하프늄(HfO2)의 사방정(orthorhombic) 상의 형성을 유도하여, 메모리 윈도우 특성이 향상된 유리한 효과를 가진다.
강유전체 전계 효과 트랜지스터(100)는 상기 이중층 구조의 채널 레이어(140)을 포함함으로써, 낸드 플래시 메모리를 대체할 수 있는 차세대 메모리 반도체 소자로 활용될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 문서에서, "~하도록 설정된(adapted to or configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다. 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 설정된 (또는 구성된) 프로세서"는 해당 동작들을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치(예: 메모리)에 저장된 하나 이상의 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 AP)를 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware)로 구성된 유닛(unit)을 포함하며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. "모듈"은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. "모듈"은 기계적으로 또는 전자적으로 구현될 수 있으며, 예를 들면, 어떤 동작들을 수행하는, 알려졌거나 앞으로 개발될, ASIC(application-specific integrated circuit) 칩, FPGAs(field-programmable gate arrays), 또는 프로그램 가능 논리 장치를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 구성 요소(예: 모듈 또는 프로그램 모듈) 각각은 단수 또는 복수의 개체로 구성될 수 있으며, 전술한 해당 서브 구성 요소들 중 일부 서브 구성 요소가 생략되거나, 또는 다른 서브 구성 요소를 더 포함할 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 일부 구성 요소들(예: 모듈 또는 프로그램 모듈)은 하나의 개체로 통합되어, 통합되기 이전의 각각의 해당 구성 요소에 의해 수행되는 기능을 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 모듈, 프로그램 모듈 또는 다른 구성 요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적, 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱(heuristic)하게 실행되거나, 적어도 일부 동작이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 다른 동작이 추가될 수 있다.
100:
강유전체 전계 효과 트랜지스터
110: 기판 120: 게이트
130: 강유전체 박막 140: 채널 레이어
141: 제1 레이어 142: 제2 레이어
160: 소스 150: 드레인
110: 기판 120: 게이트
130: 강유전체 박막 140: 채널 레이어
141: 제1 레이어 142: 제2 레이어
160: 소스 150: 드레인
Claims (13)
- 강유전체 전계 효과 트랜지스터에 있어서,
기판;
상기 기판 위에 증착되는 게이트;
상기 게이트 위에 증착되며 강유전체 물질을 포함하는 강유전체 박막;
상기 강유전체 박막 위에 증착되며, 인듐, 갈륨, 아연 및 이들의 산화물을 포함하는 채널 레이어; 및
상기 채널 레이어 위에 증착되는 소스 및 드레인;을 포함하고,
상기 강유전체 물질은 산화 하프늄(HfO2) 또는 산화 지르코늄(ZrO2)을 포함하고,
상기 채널 레이어는 질소(N)를 더 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 채널 레이어는 이중층 구조로 이루어지고,
상기 이중층 구조는 상기 강유전체 박막에 접촉하도록 증착되는 제1 레이어, 및 상기 제1 레이어에 증착되며 상기 소스 및 상기 드레인이 증착되는 제2 레이어를 포함하고,
상기 제1 레이어는 인듐, 갈륨, 아연, 이들의 산화물, 및 질소를 포함하고,
상기 제2 레이어는 인듐, 갈륨, 아연, 및 이들의 산화물을 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 채널 레이어는 상기 질소가 도핑됨으로써 제공되는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 2에 있어서,
상기 제1 레이어는 상기 질소가 도핑됨으로써 제공되는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 2에 있어서,
상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고,
상기 질소 분압은 10% 내지 30%인 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 2에 있어서,
상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고,
상기 질소 분압은 20% 내지 30%인 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 2에 있어서,
상기 질소는 상기 제1 레이어에 도핑되고,
상기 질소 분압은 25%인 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 강유전체 박막은 10nm 이하의 두께로 형성되는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 강유전체 박막은 지르코늄(Zr)이 도핑된 산화 하프늄(HfO2)을 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 강유전체 박막은 반응 가스와 하프늄(Hf)이 반응함으로써 증착되고,
상기 반응 가스는 오존(O3) 및/또는 수증기(H2O)를 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 소스 및 상기 드레인은 서로 이격된 위치에 증착되며,
상기 소스 및 상기 드레인 사이에는 보호막이 형성되고,
상기 보호막은 산화 티타늄(TiO2)을 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 1에 있어서,
상기 게이트는 금속, 금속 질화물, 금속 산화물 중 적어도 하나를 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터. - 청구항 12에 있어서,
상기 게이트는 질화 티타늄(TiN2)을 포함하는 강유전체 전계 효과 트랜지스터.
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|---|---|---|---|
| KR1020220164760A KR20240080951A (ko) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 강유전체 전계 효과 트랜지스터 및 이를 제조하는 방법 |
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