KR20220077051A - A thin film comprising fluorite-based material and semiconductor device comprising the same - Google Patents

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Abstract

대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)를 갖는 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)를 포함하고, 분극 방향이 서로 다른 도메인(domain)을 두 개 이상 포함하며, 대칭 세그먼트(symmetric segment)는 도메인(domain)들 사이의 경계에서는 존재하지 않거나, 2개 이상 연속하여 존재하는 fluorite계 물질 박막이 제공된다.
사방정계(orthorhombic) 결정 구조을 포함하는 fluorite계 물질 박막을 포함하고, fluorite계 물질 박막의 대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment) 간의 구조 변이를 통해 분극 방향이 변경될 수 있는 반도체 소자가 제공된다. It includes an orthorhombic crystal structure having a symmetric segment and a non-symmetric segment, and includes two or more domains having different polarization directions, and a symmetric segment (symmetric) segment) does not exist at the boundary between domains, or two or more fluorite-based material thin films are provided in succession.
A semiconductor including a fluorite-based material thin film having an orthorhombic crystal structure, the polarization direction of which can be changed through a structural change between a symmetric segment and a non-symmetric segment of the fluorite-based material thin film A device is provided.

Description

fluorite계 물질 박막 및 이를 포함하는 반도체 소자 {A thin film comprising fluorite-based material and semiconductor device comprising the same}A thin film comprising fluorite-based material and semiconductor device comprising the same

fluorite계 물질 박막 및 이를 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다. It relates to a thin film of a fluorite-based material and a semiconductor device including the same.

전자 제품의 경박 단소화 경향에 따라 반도체 소자의 고집적화에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 다양한 형태의 반도체 소자가 제시되고 있으며, 일례로 강유전층을 포함하는 반도체 소자를 들 수 있다. Demand for high integration of semiconductor devices is increasing according to the trend of light, thin and compact electronic products. Accordingly, various types of semiconductor devices have been proposed, for example, a semiconductor device including a ferroelectric layer.

분극 전환 속도가 우수한 fluorite계 물질 박막에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film of a fluorite-based material having an excellent polarization conversion rate.

저전력 구동 가능하고, 높은 집적도 및 우수한 동작 속도를 갖는 반도체 소자 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device capable of low power driving, a high degree of integration and an excellent operating speed, and an apparatus including the same.

일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막은 The fluorite-based material thin film according to an embodiment is

대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)를 갖는 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)를 포함하고, 분극 방향이 서로 다른 도메인(domain)을 두 개 이상 포함하며, 대칭 세그먼트(symmetric segment)가 도메인(domain)들 사이의 경계에서는 존재하지 않거나, 2개 이상 연속하여 존재할 수 있다. It includes an orthorhombic crystal structure having a symmetric segment and a non-symmetric segment, and includes two or more domains having different polarization directions, and a symmetric segment (symmetric) segment) does not exist at the boundary between domains, or two or more may exist consecutively.

대칭 세그먼트(symmetric segment)는 4개의 산소 이온과 2개의 금속 이온이 이루는 결정 구조(crystal structure)에서, 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 대칭성을 갖는 원자 배열 구조를 포함하고, 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)는 4개의 산소 이온과 2개의 금속 이온이 이루는 결정 구조(crystal structure)에서, 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 비대칭성을 갖는 원자 배열 구조를 포함할 수 있다. 하나의 도메인은 동일한 분극 방향을 갖는 인접한 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)들의 집합으로 정의될 수 있다.A symmetric segment is an atomic arrangement in which the positions of the metal ions and the oxygen ions are symmetric in the polar c-axis direction in a crystal structure formed by four oxygen ions and two metal ions. Including a structure, the asymmetric segment (non-symmetric segment) in the crystal structure (crystal structure) formed by four oxygen ions and two metal ions, the positions of the metal ions and oxygen ions in the polar c-axis direction (polar c-axis) ) and may include an atomic arrangement structure having asymmetry. One domain may be defined as a set of adjacent orthorhombic crystal structures having the same polarization direction.

fluorite계 물질 박막은 U-Sx-D(S는 대칭 세그먼트이고, x는 0,2,3,4, 또는 5의 정수이고, U과 D는 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인이다)로 표기되는 원자 배열을 포함할 수 있으며, U와 D는 카이랄성(Chirality)이 서로 같거나 서로 다른 도메인일 수 있다. U와 D는 각각 비대칭 세그먼트가 Sx와 인접하게 배치된 원자 배열을 갖는 도메인일 수 있다.The fluorite-based material thin film has an atomic arrangement expressed by US x -D (S is a symmetric segment, x is an integer of 0, 2, 3, 4, or 5, and U and D are domains having different polarization directions). may include, and U and D may be domains having the same or different chirality. U and D may each be a domain having an atomic arrangement in which an asymmetric segment is disposed adjacent to S x .

fluorite계 물질 박막은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함할 수 있다.The fluorite-based material thin film may include a material expressed as MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof).

일 실시예에 따른 반도체 소자는A semiconductor device according to an embodiment

fluorite계 물질 박막의 대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment) 간의 구조 변이를 통해 분극 방향이 변경될 수 있다. 외부에서 인가되는 전계의 방향에 따라, 대칭 세그먼트(symmetric segment)가 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)로 구조 변이되거나, 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)가 대칭 세그먼트(symmetric segment)로 구조 변이되면서, 분극 방향이 변경될 수 있고, 이에 따라 도메인(domain)들 사이의 경계가 이동(propagation)될 수 있다.The polarization direction may be changed through a structural change between a symmetric segment and a non-symmetric segment of the fluorite-based material thin film. Depending on the direction of an externally applied electric field, a symmetric segment is structurally transformed into a non-symmetric segment, or a non-symmetric segment is structurally transformed into a symmetric segment, The polarization direction may be changed, and thus the boundary between domains may be propagated.

강유전성을 가지면서 분극 전환 속도가 우수한 fluorite계 물질 박막이 제공될 수 있다. 향상된 동작 속도와 높은 커패시턴스를 갖는 반도체 소자가 제공될 수 있다. 이러한 fluorite계 물질 박막 및 반도체 소자는 다양한 전자 소자, 전자 장치, 전자 회로 등에 응용될 수 있다.A fluorite-based material thin film having ferroelectricity and excellent polarization conversion rate may be provided. A semiconductor device having improved operating speed and high capacitance can be provided. Such a fluorite-based material thin film and semiconductor device may be applied to various electronic devices, electronic devices, electronic circuits, and the like.

도 1은 fluorite계 물질의 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)에 관한 모식도이다. 여기서, {···}와 [···]는 각각 right-handed chirality와 left-handed chirality를 나타내며, Mxy는 거울상 관계를 나타내고, Ry(π)는 y축을 기준으로 180도 회전한 관계를 나타낸다.
도 2는 알려진 fluorite계 물질 박막의 구조와 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)을 나타내는 모식도이다. (a)는 도메인 경계 이동 전 상태의 원자 배열 구조, (b)는 도메인 경계가 이동된 상태의 원자 배열 구조를 나타낸다.
도 3은 일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막의 구조와 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)을 나타내는 모식도이다. (a)는 도메인 경계 이동 전 상태의 원자 배열 구조, (b)는 도메인 경계가 이동된 상태의 원자 배열 구조를 나타낸다.
도 4는 일 실시예들에 따른 fluorite계 물질 박막의 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)을 나타낸 표이다. 여기서, {…}와 […]는 각각 right-handed chirality와 left-handed chirality를 나타내고, (a)는 도메인 경계 이동 전 상태의 원자 배열 구조, (b)는 도메인 경계가 이동된 상태의 원자 배열 구조를 나타낸다.
도 5는 알려진 fluorite계 물질 박막과 일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막의 분극 전환 시간을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6, 도 7, 및 도 8은 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 9와 도 10는 다른 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터를 보여주는 모식도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 커패시터를 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 반도체 장치(커패시터와 전계 효과 트랜지스터의 연결 구조)를 보여주는 모식도이다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 전자 소자 아키텍쳐(architecture)를 개략적으로 보여주는 개념도이다. 1 is a schematic diagram of an orthorhombic crystal structure of a fluorite-based material. Here, {···} and [···] represent right-handed chirality and left-handed chirality, respectively, M xy represents a mirror image relationship, and Ry(π) represents a relationship rotated by 180 degrees about the y-axis. indicates.
2 is a schematic diagram showing the structure of a known fluorite-based material thin film and the propagation of domain walls. (a) shows the atomic arrangement structure before the domain boundary is moved, and (b) shows the atomic arrangement structure in the state where the domain boundary is moved.
3 is a schematic diagram illustrating a structure of a fluorite-based material thin film and propagation of a domain wall according to an embodiment. (a) shows the atomic arrangement structure before the domain boundary is moved, and (b) shows the atomic arrangement structure in the state where the domain boundary is moved.
4 is a table showing the propagation of a domain wall of a fluorite-based material thin film according to an exemplary embodiment. here, {… }Wow [… ] represents right-handed chirality and left-handed chirality, respectively, (a) represents the atomic arrangement structure before domain boundary movement, and (b) represents the atomic arrangement structure with domain boundary moved.
5 is a graph showing a result of calculating the polarization conversion time of a known fluorite-based material thin film and a fluorite-based material thin film according to an embodiment.
6, 7, and 8 are schematic diagrams schematically illustrating a field effect transistor according to an embodiment.
9 and 10 are schematic diagrams showing a field effect transistor according to another embodiment.
11 is a schematic diagram schematically illustrating a capacitor according to an embodiment.
12 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (a connection structure between a capacitor and a field effect transistor) according to an exemplary embodiment.
13 and 14 are conceptual views schematically illustrating an electronic 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 어떤 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", etc. mean a unit of a comprehensive configuration that processes any 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.

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 있고, 이러한 분극 방향은 외부 전계 방향에 따라 달라질 수 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, in ferroelectrics, polarization (or electric field) remains in the material semi-permanently even when the voltage is brought back to 0 V after applying a certain voltage, and the polarization direction may vary depending on the external electric field direction. have.

또한, 강유전체(ferroelectrics)가 특정 영역에서 네거티브 커패시턴스(negative capacitance)를 가질 수 있고, 이러한 특성은 반도체 소자의 저전력 구동에 기여할 수 있다. 예를 들어, 강유전체를 트랜지스터에 적용할 경우, 서브문턱 스윙 값(subthreshold swing)이 기존 실리콘 기반 트랜지스터의 이론적 한계값이었던 60mV/dec 이하로 내려갈 수 있다.In addition, ferroelectrics may have negative capacitance in a specific region, and this characteristic may contribute to low-power driving of a semiconductor device. For example, when a ferroelectric is applied to a transistor, a subthreshold swing value may be lowered to 60 mV/dec or less, which is a theoretical limit value of an existing silicon-based transistor.

한편, 최근 하프늄계 산화물과 같은 fluorite계 물질이 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)에서 자발 분극을 갖고, 강유전성을 나타낼 수 있다는 것이 알려졌다. 하프늄계 산화물은 반도체 공정에 친화적이면서도 수nm 수준의 매우 얇은 박막에서도 강유전성을 가져, 반도체 소자의 소형화에 유용할 수 있다. Meanwhile, it has been recently known that fluorite-based materials such as hafnium-based oxides have spontaneous polarization in an orthorhombic crystal structure and can exhibit ferroelectricity. The hafnium-based oxide is friendly to the semiconductor process and has ferroelectricity even in a very thin thin film of several nm level, so it can be useful for miniaturization of semiconductor devices.

그러나, 하프늄계 산화물과 같은 fluorite계 물질은 PbTiO3와 같은 페로브스카이트(perovskite)계 강유전체에 비해 분극 전환 속도가 낮고, 이는 반도체 소자의 동작 속도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. fluorite계 물질은 동일한 분극 방향을 가지면서 인접하게 위치한 사방정계 결정 구조들의 집합으로 정의되는 도메인(domain)을 하나 또는 둘 이상 포함할 수 있으며, 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인들 사이는 도메인 경계(domain wall)로 정의될 수 있다. fluorite계 물질은 이러한 도메인 경계(domain wall)가 이동(propagation)하면서, 전체적으로 분극 방향이 바뀔 수 있다. 그러나, fluorite계 물질은 분극 전환시의 높고 반복적인 에너지 배리어(energy barrier)로 인해, 분극 전환 속도가 늦을 수 있다. However, a fluorite-based material such as a hafnium-based oxide has a lower polarization conversion rate than a perovskite-based ferroelectric such as PbTiO 3 , which may negatively affect the operating speed of a semiconductor device. The fluorite-based material may include one or two or more domains defined as a set of orthorhombic crystal structures positioned adjacent to each other while having the same polarization direction, and a domain boundary is formed between domains having different polarization directions. wall) can be defined. The fluorite-based material may change the polarization direction as a whole while the domain wall is moved (propagation). However, the fluorite-based material may have a slow polarization conversion rate due to a high and repetitive energy barrier during polarization conversion.

일 실시예에 따르면, 빠른 분극 전환 속도를 갖는 fluorite계 물질 박막 및 이를 포함하는 반도체 소자가 제공될 수 있다.According to an embodiment, a fluorite-based material thin film having a fast polarization conversion rate and a semiconductor device including the same may be provided.

앞서 설명한 바와 같이, fluorite계 물질은 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)에서 자발 분극을 가질 수 있다. 도 1은 fluorite계 물질의 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)에 관한 모식도이다. 도 1을 참고하면, 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)는 대칭 세그먼트(symmetric segment, s)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment, u/d)로 이루어진다. 대칭 세그먼트(symmetric segment, s)는 4개의 산소 이온과 2개의 금속 이온이 이루어진 구조에서 산소 이온이 두 개의 금속 이온 사이의 중심면에 배치될 수 있다. 따라서, 대칭 세그먼트(s)는 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 대칭성을 가지며, 물질의 분극에 영향을 미치지 않을 수 있다. 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment, u/d)는 산소 이온이 두 개의 금속 이온 사이의 중심면에서 벗어나도록 배치될 수 있다. 따라서, 비대칭 세그먼트(u/d)는 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 비대칭성을 가지며, 물질의 분극에 영향을 미칠 수 있다. 비대칭 세그먼트(u/d)는 산소 이온과 금속 이온 위치에 따른 분극 방향((-)→(+))에 따라 "u" 형태와 "d" 형태를 가질 수 있다. 또한, fluorite계 물질의 사방정계 결정 구조는 카이랄성(chirality)와 회절각에 따라 도 1의 (a) 내지 (h)의 원자 배열을 가질 수 있다. As described above, the fluorite-based material may have spontaneous polarization in an orthorhombic crystal structure. 1 is a schematic diagram of an orthorhombic crystal structure of a fluorite-based material. Referring to FIG. 1 , an orthorhombic crystal structure includes a symmetric segment (s) and a non-symmetric segment (u/d). In the symmetric segment (s), in a structure composed of four oxygen ions and two metal ions, an oxygen ion may be disposed on a central plane between two metal ions. Accordingly, in the symmetric segment (s), positions of metal ions and oxygen ions may have symmetry in the polar c-axis direction, and may not affect the polarization of the material. A non-symmetric segment (u/d) may be arranged such that the oxygen ion is deviated from the central plane between the two metal ions. Accordingly, in the asymmetric segment (u/d), positions of metal ions and oxygen ions have asymmetry in the polar c-axis direction, and may affect the polarization of the material. The asymmetric segment (u/d) may have a “u” shape and a “d” shape according to a polarization direction ((-)→(+)) depending on the positions of oxygen ions and metal ions. Also, the orthorhombic crystal structure of the fluorite-based material may have the atomic arrangement shown in FIGS. 1(a) to 1(h) according to chirality and diffraction angle.

도 2는 알려진 fluorite계 물질 박막의 구조와 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)을 나타내는 모식도이다. 알려진 fluorite계 물질 박막은 분극 방향과 카이랄성이 서로 다른 도메인들을({usususu}와 [dsdsdsds]) 포함하고, 도메인들의 경계(domain wall)에서는 하나의 대칭 세그먼트(symmetric segment)를 포함할 수 있다. 알려진 fluorite계 물질 박막은 대칭 세그먼트(s)와 비대칭 세그먼트(u/d)가 번갈아 나타나는 구조로 인해 분극 전환 속도가 느릴 수 있다. 예를 들어, 알려진 fluorite계 물질 박막은 도메인 경계에서 비대칭 세그먼트들(u와 d)간의 원자 배열 변화를 통해 분극 방향이 변경될 수 있는데(도 1의 (a)와 (e) 사이의 구조 변화), 이 과정 중 대칭 세그먼트(s)의 구조 불변(또는 구조 복원), 비대칭 세그먼트(u↔d) 간의 구조 변경 및 카이랄성의 변경 등으로 인해 높은 에너지 배리어(energy barrier)가 반복적으로 나타날 것으로 추정된다. 이는 fluorite계 물질 박막의 분극 전환 속도를 늦추는 요인이 될 수 있다. 2 is a schematic diagram showing the structure of a known fluorite-based material thin film and the propagation of domain walls. A known fluorite-based material thin film includes domains ({usususu} and [dsdsdsds]) having different polarization directions and chirality, and may include one symmetric segment at the domain wall. . The known fluorite-based material thin film may have a slow polarization conversion rate due to a structure in which symmetric segments (s) and asymmetric segments (u/d) alternate. For example, in a known fluorite-based material thin film, the polarization direction can be changed through a change in the atomic arrangement between the asymmetric segments (u and d) at the domain boundary (the structure change between (a) and (e) in FIG. 1). , it is estimated that a high energy barrier will appear repeatedly due to structural invariance (or structural restoration) of the symmetric segment (s), structural change between asymmetric segments (u↔d), and chirality during this process. . This may be a factor that slows down the polarization conversion rate of the fluorite-based material thin film.

일 실시예에 따른 반도체 소자는 fluorite계 물질 박막의 대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment) 간의 구조 변이를 통해 분극 방향이 변경될 수 있다. In the semiconductor device according to an embodiment, the polarization direction may be changed through a structural change between a symmetric segment and a non-symmetric segment of the fluorite-based material thin film.

예를 들어, fluorite계 물질 박막이 도메인들의 경계(domain wall)에서는 대칭 세그먼트(s)를 포함하지 않거나, 2개 이상 연속하여 포함할 수 있다. 도 3은 일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막의 구조와 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)을 나타내는 모식도이다. fluorite계 물질 박막은 도메인 경계에서 대칭 세그먼트(s)가 비대칭 세그먼트(u)로, 비대칭 세그먼트(d)가 대칭 세그먼트(s)로 구조 변이되면서 분극 방향이 바뀔 수 있다. 또한, 이러한 분극 전환 과정은 도메인 경계의 대칭 세그먼트의 개수가 그대로 유지되면서, zipper-like 형태로 도메인 경계가 이동할 수 있다. 다시 말해, 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막은 분극 전환시, 대칭/비대칭 세그먼트가 연속적으로 구조 변화되므로, 에너지 배리어(energy barrier)가 상대적으로 낮을 수 있다. For example, the fluorite-based material thin film may not include the symmetric segment s at the domain wall, or may include two or more consecutive segments. 3 is a schematic diagram illustrating a structure of a fluorite-based material thin film and propagation of a domain wall according to an embodiment. In the fluorite-based material thin film, the polarization direction may be changed as the symmetric segment (s) becomes the asymmetric segment (u) and the asymmetric segment (d) becomes the symmetric segment (s) at the domain boundary. In addition, in this polarization switching process, the domain boundary may move in a zipper-like form while the number of symmetric segments of the domain boundary is maintained as it is. In other words, in the fluorite-based material thin film according to the embodiment, when the polarization is switched, the symmetric/asymmetric segment is continuously changed in structure, so that the energy barrier may be relatively low.

또한, 일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막은 인접한 도메인들의 카이랄성(chirality)이 동일할 수 있고, 분극 전환 후에도 카이랄성(chirality)이 동일하게 유지될 수 있다(도 1의 (a)와 (d) 사이의 구조 변화). 본 발명자들의 연구에 따르면, 카이랄성 변경없이 분극 전환되는 경우, 카이랄성이 바뀌면서 분극 전환되는 경우에 비해 에너지 배리어가 낮다. In addition, in the fluorite-based material thin film according to an embodiment, the chirality of adjacent domains may be the same, and the chirality may be maintained the same even after polarization conversion (FIG. 1(a)). Structural change between and (d)). According to the study of the present inventors, when the polarization is switched without changing the chirality, the energy barrier is low compared to the case where the polarization is switched while the chirality is changed.

일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막은 U-Sx-D 로 표기되는 원자 배열을 포함할 수 있다. 여기서, S는 대칭 세그먼트이고, x는 0,2,3,4, 또는 5의 정수이고, U과 D는 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인이다. 예를 들어, U는 u로 표시되는 비대칭 세그먼트(u)와 대칭 세그먼트(s)가 반복되는 형태의 원자 배열을 가지면서, u로 표시되는 비대칭 세그먼트(u)가 Sx와 연결될 수 있다. 반대로, D는 d로 표시되는 비대칭 세그먼트(d)와 대칭 세그먼트(s)가 반복되는 형태의 원자 배열을 가지면서, d로 표시되는 비대칭 세그먼트(d)가 Sx와 연결될 수 있다. U와 D는 카이랄성(Chirality)이 서로 같거나, 다를 수 있다. 다시 말해, fluorite계 물질 박막은 분극 방향이 다른 두 도메인의 경계에서, {…usu}{dsd…}, {…·usu}ss{dsd…}, {…usu}sss{dsd…}, {…usu}ssss{dsd…}, {…usu}sssss{dsd…}, {…usu}[dsd…], {…usu}ss[dsd…], {…usu}sss[dsd…], {…usu}ssss[dsd…], {…usu}sssss[dsd…]로 표시되는 원자 배열을 포함할 수 있다(여기서, {…}와 […]는 각각 right-handed chirality와 left-handed chirality를 나타낸다). 이러한 fluorite계 물질 박막의 도메인 경계(domain wall)의 이동(propagation)은 도 4를 참고할 수 있다. The fluorite-based material thin film according to an embodiment may include an atomic arrangement expressed as US x -D. Here, S is a symmetric segment, x is an integer of 0, 2, 3, 4, or 5, and U and D are domains having different polarization directions. For example, U may have an atomic arrangement in which the asymmetric segment (u) represented by u and the symmetric segment (s) are repeated, and the asymmetric segment (u) represented by u may be connected to Sx. Conversely, D has an atomic arrangement in which the asymmetric segment (d) and the symmetric segment (s) denoted by d are repeated, and the asymmetric segment (d) denoted by d may be connected to Sx. U and D may have the same or different chirality. In other words, the fluorite-based material thin film is at the boundary of two domains with different polarization directions, {… usu }{ dsd… }, {… · usu } ss { dsd… }, {… usu } sss { dsd… }, {… usu } ssss { dsd… }, {… usu } sssss { dsd … }, {… usu }[ dsd… ], {… usu } ss [ dsd… ], {… usu } sss [ dsd… ], {… usu } ssss [ dsd… ], {… usu } sssss [ dsd … ] (here, {…} and […] indicate right-handed chirality and left-handed chirality, respectively). The propagation of the domain wall of the fluorite-based material thin film may be referred to FIG. 4 .

fluorite계 물질 박막은 20nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, fluorite계 물질 박막은 0nm 초과, 0.5nm 이상, 1nm 이상, 1.5nm 이상, 2nm 이상, 20nm 이하, 18nm 이하, 15nm 이하 10nm 이하 또는 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다.The fluorite-based material thin film may have a thickness of 20 nm or less. For example, the fluorite-based material thin film may have a thickness of greater than 0 nm, 0.5 nm or more, 1 nm or more, 1.5 nm or more, 2 nm or more, 20 nm or less, 18 nm or less, 15 nm or less 10 nm or less or 5 nm or less.

fluorite계 물질 박막은 MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함할 수 있다. 또한, fluorite계 물질 박막은 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, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 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% 이상, 4at% 이상, 5at% 이상, 20at% 이하, 18at% 이하, 15at% 이하, 12at% 이하, 10at% 이하, 8at% 이하, 7at% 이하, 또는 6at% 이하일 수 있다. The fluorite-based material thin film may include a material expressed as MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof). In addition, the fluorite-based material thin film includes a material represented by MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof) as a base material, and includes C, Si, Ge, Sn, Pb, Al, One or two or more dopant materials selected from the group consisting of Y, La, Gd, Mg, Ca, Sr Ba, Ti, and combinations thereof may be further included. The dopant material content exceeds 0at%, 0.2at% or more, 0.5at% or more, 1at% or more, 2at% or more, 3at% or more, 4at% or more, 5at% or more, 20at% or less, 18at% compared to the metal element of the base material or less, 15at% or less, 12at% or less, 10at% or less, 8at% or less, 7at% or less, or 6at% or less.

fluorite계 물질 박막의 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure) 및 원자 배열은 당업계에 알려진 방법으로 확인될 수 있으며, STEM(Scanning transmission electron microscopy), TEM(Transmission electron microscopy), GIXRD(Grazing Incidence X-ray Diffraction) 등이 사용될 수 있다. The orthorhombic crystal structure and atomic arrangement of the fluorite-based material thin film can be confirmed by methods known in the art, and STEM (Scanning transmission electron microscopy), TEM (Transmission electron microscopy), GIXRD (Grazing Incidence X- ray diffraction) and the like may be used.

fluorite계 물질 박막은 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)을 포함하는 사방정계 결정상(orthorhombic crystal phase)을 포함할 수 있다. 예를 들어, fluorite계 물질 박막은 사방정계 결정상, 정방정계 결정상 등 여러 결정상을 포함할 수 있으나, 사방정계 결정상을 지배적(dominemnt)으로(모든 결정상 중 가장 큰 비율 또는 상위 비율)로 포함할 수 있다. The fluorite-based material thin film may include an orthorhombic crystal phase including an orthorhombic crystal structure. For example, the fluorite-based material thin film may include several crystalline phases such as an orthorhombic crystal phase and an orthorhombic crystal phase, but may include an orthorhombic crystal phase as a dominant (the largest ratio or higher ratio among all crystal phases). .

강유전성 fluorite계 물질 박막은 원하는 조성을 포함하는 비정질층을 형성하고 이를 어닐링하여 제조될 수 있다. The thin film of the ferroelectric fluorite-based material may be manufactured by forming an amorphous layer having a desired composition and annealing it.

원하는 조성을 포함하는 비정질층은 당업계에 알려진 통상적인 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 원자층 증착(ALD) 방법은 원자 단위로 균일한 층을 형성할 수 있고, 비교적 낮은 온도에서 수행될 수 있다는 장점이 있다. The amorphous layer having a desired composition may be formed by a conventional method known in the art. For example, the atomic layer deposition (ALD) method has an advantage that it can form a uniform layer on an atomic basis and can be performed at a relatively low temperature.

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 하나 또는 둘 이상 선택되어 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 하나 또는 둘 이상 선택되어 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 산소 공급원으로는 O3, H2O, O2, N2O, O2 플라즈마 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상 선택되어 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. One or two or more may be selected and used, but the present invention is not limited thereto. In addition, the zirconium source is Zr(OtBu) 4 , Tetrakis Ethyl Methyl Amino Zirconium (TEMAZ), Tetrakis Di-Methyl Amino Zirconium (TDMAZ), Tetrakis Di-Ethyl Amino Zirconium (TDEAZ), and one from the group consisting of combinations thereof. Or two or more may be selected and used, but is not limited thereto. In addition, the oxygen source may be one or two or more selected from the group consisting of O 3 , H 2 O, O 2 , N 2 O, O 2 plasma, and combinations thereof, but is not limited thereto.

어닐링 단계는 fluorite계 비정질층이 사방정계 결정 구조를 가지면서 결정화되도록, 온도, 시간, 분위기 등이 제어되어야 한다. 이러한 어닐링 단계의 열 축적량(thermal budget)은 fluorite계 비정질층의 조성, 두께 등을 고려하여 결정될 수 있다. 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. 예를 들어, 1차 어닐링 단계는 2차 어닐링 단계보다 더 낮은 온도에서 진행되거나 더 짧은 시간 동안 수행될 수 있다. 어닐링이 수행되는 분위기는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 1차 어닐링 단계는 H2O, O2, O3, N2, H2, 및/또는 NH3 분위기하에서 수행될 수 있다.In the annealing step, temperature, time, atmosphere, etc. must be controlled so that the fluorite-based amorphous layer is crystallized while having an orthorhombic crystal structure. The thermal budget of the annealing step may be determined in consideration of the composition and thickness of the fluorite-based amorphous layer. 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. For example, the first annealing step may be performed at a lower temperature or for a shorter time than the second annealing step. The atmosphere in which the annealing is performed is not particularly limited. For example, the first annealing step may be performed under an H 2 O, O 2 , O 3 , N 2 , H 2 , and/or NH 3 atmosphere.

또한, fluorite계 물질 박막이 원하는 원자 배열 및/또는 도메인 배열을 갖도록, 적절한 크기와 방향의 전계가 국부적으로 가해질 수 있다. 예를 들어, 대칭 세그먼트와 비대칭 세그먼트를 반복적으로 갖는 fluorite계 물질 박막에 국소 부분에 적절한 방향과 크기를 갖는 외부 전계를 인가하여, 해당 부분이 대칭 세그먼트를 가지지 않거나, 대칭 세그먼트를 연속적으로 갖도록 제어될 수 있다. In addition, an electric field of an appropriate size and direction may be locally applied so that the fluorite-based material thin film has a desired atomic arrangement and/or domain arrangement. For example, by applying an external electric field having an appropriate direction and magnitude to a local part to a thin film of a fluorite-based material repeatedly having symmetrical segments and asymmetrical segments, the part may not have symmetrical segments or be controlled to have symmetrical segments continuously. can

일 실시예에 따른 반도체 소자는 반도체 소자는 메모리(memory) 소자 또는 비메모리(non-memory) 소자일 수 있으며, 예를 들면, 커패시터, 전계 효과 트랜지스터, 또는 이들의 결합 구조일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. In the semiconductor device according to an embodiment, the semiconductor device may be a memory device or a non-memory device, for example, a capacitor, a field effect transistor, or a combination structure thereof, but is limited thereto. doesn't happen

앞서 설명한 바와 같이, 반도체 소자는 분극 전환 속도가 종래에 비해 우수할 수 있다. 도 5는 알려진 fluorite계 물질 박막과 일 실시예에 따른 fluorite계 물질 박막의 분극 전환 시간을 계산한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참고하면, 일 실시예에 따라 도 3와 같은 원자 배열과 도메인 경계 이동(domain wall propagation)을 갖는 fluorite계 물질 박막(실선)은 도 2와 같은 원자 배열과 도메인 경계 이동(domain wall propagation)을 갖는 종래의 경우(점선)보다 전체적으로 분극 방향이 전환되는 시간이 짧다. 예를 들어, 일 실시예에 따른 반도체 소자(실선)는 전체 분극 전환 시간이 1.0x10-7 초 미만일 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 반도체 소자는 분극 전환시 시간에 대한 전류 그래프가 5.0x10-7초 이하에서 피크를 가질 수 있다. 이러한 피크는 편포 형태일 수 있다.As described above, the semiconductor device may have superior polarization switching speed compared to the related art. 5 is a graph showing a result of calculating the polarization conversion time of a known fluorite-based material thin film and a fluorite-based material thin film according to an embodiment. Referring to FIG. 5 , according to an embodiment, a thin film (solid line) of a fluorite-based material having an atomic arrangement and domain wall propagation as shown in FIG. 3 has an atomic arrangement and domain boundary movement as shown in FIG. 2 (domain wall propagation). ), the overall polarization direction switching time is shorter than in the conventional case (dotted line). For example, in the semiconductor device (solid line) according to an embodiment, the total polarization switching time may be less than 1.0x10 -7 seconds. In addition, in the semiconductor device according to an embodiment, a current graph with respect to time when polarization is switched may have a peak at 5.0×10 −7 seconds or less. These peaks may be in the form of a knitted fabric.

도 6과 도 7은 일 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 6 및 도 7을 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 배치되고, fluorite계 물질 박막(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. 6 and 7 are schematic diagrams schematically illustrating a field effect transistor according to an embodiment. 6 and 7 , the field effect transistors D10 and D20 include a substrate 100 including sources 120 and 121 and drains 130 and 131 , a gate electrode 300 disposed on the substrate 100 , and It is disposed between the substrate 100 and the gate electrode 300 and includes a fluorite-based material thin film 200 . The field effect transistor may be a logic switching device. A logic switching element is a concept in contrast to a memory element (memory transistor), and may have non-memory characteristics, and may be a non-memory ON/OFF switching element.

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 substrate 100 may include a semiconductor material. For example, the substrate 100 may include Si, Ge, SiGe, a III-V semiconductor, or the like, and may be used after being modified in various forms such as silicon on insulator (SOI).

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 substrate 100 may include sources 120 and 121 and drains 130 and 131 , and may include channels 110 and 111 electrically connected to the sources 120 and 121 and drains 130 and 131 . The sources 120 and 121 may be electrically connected or contacted with one end of the channels 110 and 111 , and the drains 130 and 131 may be electrically connected or contacted with the other end of the channels 110 and 111 .

도 6을 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. 6 , the channel 110 may be defined as a substrate region between the source 120 and the drain 130 in the substrate 100 . The source 120 and the drain 130 may be formed by implanting impurities into different regions of the substrate 100 . In this case, the source 120 , the channel 110 , and the drain 130 may form a substrate material. It may be included as a base material.

또한, 도 7을 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. 7 , the channel 111 may be implemented as a material layer (thin film) separate from the substrate region 101 . The material composition of the channel 111 may vary. For example, the channel 111 is formed of a semiconductor material such as Si, Ge, SiGe, III-V, etc., as well as an oxide semiconductor, a nitride semiconductor, an oxynitride semiconductor, and a two-dimensional material. material) (2D material), quantum dots (quantum dots), organic semiconductors, and may include one or more from the group consisting of combinations thereof. For example, the oxide semiconductor may include InGaZnO, etc., the two-dimensional material may include transition metal dichalcogenide (TMD) or graphene, and the quantum dots may include colloidal QDs, nanocrystals, or the like. ) structure, and the like. In addition, the source 121 and the drain 131 may be formed of a conductive material, and for example, may each independently include a metal, a metal compound, or a conductive polymer.

게이트 전극(300)은 기판(100) 상에 기판(100)과 이격되어 배치될 수 있으며, 채널(110,111)에 대향하도록 배치될 수 있다. 게이트 전극(300)은 대략 1Mohm/square 이하의 전도성을 가질 수 있다. 게이트 전극(300)은 금속, 금속 질화물, 금속 카바이드, 폴리실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속은 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 또는 탄탈륨(Ta)을 포함할 수 있으며, 금속 질화막은 티타늄 질화막(TiN film) 또는 탄탈 질화막(TaN film)을 포함할 수 있고, 금속 카바이드는 알루미늄 또는 실리콘이 도핑된(또는 함유된) 금속 카바이드일 수 있고, 구체적인 예로서 TiAlC, TaAlC, TiSiC 또는 TaSiC를 포함할 수 있다. 게이트 전극(300)은 복수개의 물질이 적층된 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, TiN/Al 등과 같이 금속 질화물층/금속층의 적층 구조또는 TiN/TiAlC/W과 같이 금속 질화물층/금속 카바이드층/금속층의 적층 구조를 가질 수 있다. 게이트 전극(300)은 티타늄 질화막(TiN) 또는 몰리브덴(Mo)를 포함할 수 있으며, 위 예시가 다양하게 변형된 형태로 사용될 수 있다. The gate electrode 300 may be disposed on the substrate 100 to be spaced apart from the substrate 100 , and may be disposed to face the channels 110 and 111 . The gate electrode 300 may have a conductivity of about 1 Mohm/square or less. The gate electrode 300 may include at least one selected from the group consisting of metal, metal nitride, metal carbide, polysilicon, and combinations thereof. For example, the metal may include aluminum (Al), tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti), or tantalum (Ta), and the metal nitride film is a titanium nitride film (TiN film) or a tantalum nitride film ( TaN film), and the metal carbide may be aluminum or silicon doped (or contained) metal carbide, and may include TiAlC, TaAlC, TiSiC or TaSiC as specific examples. The gate electrode 300 may have a structure in which a plurality of materials are stacked. For example, it may have a stacked structure of a metal nitride layer/metal layer such as TiN/Al, or a stacked structure of a metal nitride layer/metal carbide layer/metal layer such as TiN/TiAlC/W. The gate electrode 300 may include a titanium nitride film (TiN) or molybdenum (Mo), and the above example may be used in variously modified forms.

fluorite계 물질 박막(200)은 기판(100)과 게이트 전극(300) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로, fluorite계 물질 박막(200)은 채널(110,111) 위에 형성될 수 있다. fluorite계 물질 박막(200)은 앞서 설명한 내용을 참고할 수 있다. The fluorite-based material thin film 200 may be disposed between the substrate 100 and the gate electrode 300 . Specifically, the fluorite-based material thin film 200 may be formed on the channels 110 and 111 . The fluorite-based material thin film 200 may refer to the above description.

도 8은 다른 실시예에 따른 반도체 소자(D30, 전계 효과 트랜지스터)를 보여주는 모식도이다. 도 8을 참고하면, 채널(110)과 fluorite계 물질 박막(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. 8 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (D30, field effect transistor) according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 8 , a dielectric layer 400 may be further included between the channel 110 and the fluorite-based material thin film 200 . The dielectric layer 400 may suppress or prevent electrical leakage. The thickness of the dielectric layer 400 may be 0.1 nm or more, 0.3 nm or more, or 0.5 nm or more, and may be 5 nm or less, 4 nm or less, 3 nm or less, 2 nm or less, or 1 nm or less. The dielectric layer 400 may include a paraelectric material or a high-k material, and may include silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, or the like, or a two-dimensional insulator (2D) such as hexagonal boron nitride (h-BN). insulator) may be included. For example, the dielectric layer 400 may include silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN x ), or the like. In addition, the dielectric layer 400 is hafnium oxide (HfO 2 ), hafnium silicon oxide (HfSiO 4 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminum oxide (LaAlO 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zirconium silicon oxide ( ZrSiO 4 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), titanium oxide (TiO 2 ), strontium titanium oxide (SrTiO 3 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), red scandium tantalum oxide (PbSc 0.5 Ta 0.5 O 3 ), red zinc niobate (PbZnNbO 3 ), and the like. In addition, the dielectric layer 400 may be formed of a metal such as aluminum oxynitride (AlON), zirconium oxynitride (ZrON), hafnium oxynitride (HfON), lanthanum oxynitride (LaON), yttrium oxynitride (YON), or the like. Nitride oxides, silicates such as ZrSiON, HfSiON, YSiON, LaSiON, or the like, or aluminates such as ZrAlON, HfAlON, and the like.

도 8을 참고하면, 채널(110)과 fluorite계 물질 박막(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. 8 , a conductive layer 500 may be further included between the channel 110 and the fluorite-based material thin film 200 . The conductive layer 500 may have a conductivity of about 1 Mohm/square or less. The conductive layer 500 may be a floating electrode, and may be formed of a metal or a metal compound.

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. have.

도 9는 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자(구체적으로, Fin-FET)를 보여주는 모식도이다. 도 9를 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 있다. 채널(110 또는 111)은 fin 형상과 게이트 전극(300)이 교차하는 영역에 형성될 수 있다. fluorite계 물질 박막(200)은 채널(110 또는 111)을 둘러싸도록 채널(110 또는 111)과 게이트 전극(300) 사이에 배치될 수 있다. 9 is a schematic diagram showing a semiconductor device (specifically, a Fin-FET) according to another embodiment. Referring to FIG. 9 , the Fin-FET D40 includes a source 120 , a drain 130 , and a channel 110 or 111 defined by a region therebetween, and the channels 110 and 111 have a fin shape. can The gate electrode 300 may be disposed on the substrate 100 including the fin shape to intersect the fin shape. The channel 110 or 111 may be formed in a region where the fin shape and the gate electrode 300 intersect. The fluorite-based material thin film 200 may be disposed between the channel 110 or 111 and the gate electrode 300 to surround the channel 110 or 111 .

도 10은 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자(구체적으로, Gate-all-around-FET)를 보여주는 모식도이다. 도 10을 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, 이들을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 채널(110 또는 111)은 게이트 전극(300)이 둘러싸는 영역에서 형성될 수 있다. 구체적으로, 채널(110 또는 111)을 둘러싸도록 채널(110 또는 111)과 게이트 전극(300) 사이에 fluorite계 물질 박막(200)이 배치될 수 있다. 10 is a schematic diagram showing a semiconductor device (specifically, a gate-all-around-FET) according to another embodiment. Referring to FIG. 10 , the gate-all-around-FET D50 includes a source 120 , a drain 130 , and a channel 110 or 111 defined by a region therebetween, and the channels 110 and 111 are It may have the form of a wire, a sheet, or the like. The source 120 , the drain 130 , and the channels 110 and 111 may be disposed to be spaced apart from the substrate region 101 . The gate electrode 300 may be disposed to surround the source 120 , the drain 130 , and the channel 110 or 111 while crossing them. The channel 110 or 111 may be formed in a region surrounded by the gate electrode 300 . Specifically, the fluorite-based material thin film 200 may be disposed between the channel 110 or 111 and the gate electrode 300 to surround the channel 110 or 111 .

도 11은 일 실시예에 따른 커패시터를 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 11을 참고하면, 커패시터(D60)는 제 1 전극(600)과 이에 대향하고 이격되어 배치된 제 2 전극(700), 제1 전극(600)과 제2 전극(700) 사이에 배치되고 fluorite계 물질 박막(200)을 포함한다. 제 1 전극(600) 및 제 2 전극(700)은 각각 하부 전극과 상부 전극으로 지칭될 수 있다. 11 is a schematic diagram schematically illustrating a capacitor according to an embodiment. Referring to FIG. 11 , the capacitor D60 is disposed between the first electrode 600 , the second electrode 700 that faces it and is spaced apart from the first electrode 600 , and is disposed between the first electrode 600 and the second electrode 700 , and is made of fluorite. and a thin film based material 200 . The first electrode 600 and the second electrode 700 may be referred to as a lower electrode and an upper electrode, respectively.

제 1 전극(600) 및 제2 전극(700)은 대략 1Mohm/square 이하의 전도성을 가질 수 있으며, 같은 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(600) 및 제2 전극(700)은 각각 독립적으로 TiN, TaN, Ti, Ta,TiCN, TiSiN, WSiN,TiAlN, TaAlN, TiAlCN, TiW, RuTiN, RuCN, Pt, Au, Mo 또는 Al을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 제 1 전극(600)과 제 2 전극(700)은 각각 독립적으로 TiN 또는 Mo를 포함할 수 있다. 제 1 전극(600)과 제 2 전극(700)의 두께는 대략 1nm 이상이고 대략 20nm 이하일 수 있다. The first electrode 600 and the second electrode 700 may have a conductivity of about 1 Mohm/square or less, and may be made of the same material or different materials. For example, the first electrode 600 and the second electrode 700 are each independently TiN, TaN, Ti, Ta, TiCN, TiSiN, WSiN, TiAlN, TaAlN, TiAlCN, TiW, RuTiN, RuCN, Pt, Au , Mo or Al. As a specific example, the first electrode 600 and the second electrode 700 may each independently include TiN or Mo. The thickness of the first electrode 600 and the second electrode 700 may be about 1 nm or more and about 20 nm or less.

또 다른 측면에 따르면, 앞서 설명한 fluorite계 물질 박막 및/또는 반도체 소자를 포함하는 반도체 장치가 제공될 수 있다. 반도체 장치는 복수 개의 반도체 소자를 포함할 수 있으며, 전계 효과 트랜지스터와 커패시터가 전기적으로 연결된 형태일 수 있다. 반도체 장치는 메모리 특성을 가질 수 있고, 예를 들어 DRAM일 수 있다. 도 12는 일 실시예에 따른 반도체 장치(커패시터와 전계 효과 트랜지스터의 연결 구조)를 보여주는 모식도이다. 도 12를 참고하면, 반도체 장치(D70)는 fluorite계 물질 박막(200)을 포함하는 커패시터(D60)와 전계 효과 트랜지스터(D61)가 컨택(62)에 의해 전기적으로 연결된 구조일 수 있다. 예를 들어, 커패시터(D60)의 전극(600,700) 중 하나와 트랜지스터(D61)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. According to another aspect, a semiconductor device including the above-described fluorite-based material thin film and/or semiconductor device may be provided. The semiconductor device may include a plurality of semiconductor devices, and may have a form in which a field effect transistor and a capacitor are electrically connected. The semiconductor device may have a memory characteristic, and may be, for example, a DRAM. 12 is a schematic diagram illustrating a semiconductor device (a connection structure between a capacitor and a field effect transistor) according to an exemplary embodiment. Referring to FIG. 12 , the semiconductor device D70 may have a structure in which the capacitor D60 including the fluorite-based material thin film 200 and the field effect transistor D61 are electrically connected by a contact 62 . For example, one of the electrodes 600 and 700 of the capacitor D60 and one of the source/drain 120 and 130 of the transistor D61 may be electrically connected by a contact 62 . Contact 62 may comprise a suitable conductive material, for example, tungsten, copper, aluminum, polysilicon, or the like.

전계 효과 트랜지스터(D61)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. 도 12의 전계 효과 트랜지스터(D61)는 fluorite계 물질 박막(200)를 포함하지 않는 예를 도시하였으나, 도 5과 같이 fluorite계 물질 박막(200)을 포함할 수도 있다. 소스(120), 드레인(130), 채널(110), 기판(100), 게이트 전극(300)은 앞서 설명한 내용과 같으며, 유전체층(410)은 앞서 설명한 유전체층(400)의 내용을 참고할 수 있다. The field effect transistor D61 includes a substrate 100 including a source 120 , a drain 130 , and a channel 110 , and a gate electrode 300 disposed to face the channel 110 . A dielectric layer 410 may be further included between the substrate 100 and the gate electrode 300 . Although the field effect transistor D61 of FIG. 12 shows an example in which the fluorite-based material thin film 200 is not included, it may include the fluorite-based material thin film 200 as shown in FIG. 5 . The source 120 , the drain 130 , the channel 110 , the substrate 100 , and the gate electrode 300 are the same as those described above, and the dielectric layer 410 may refer to the contents of the dielectric layer 400 described above. .

커패시터(D60)와 전계 효과 트랜지스터(D61)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 D61 may be variously modified. For example, the capacitor D60 may be disposed on the substrate 100 or may have a structure embedded in the substrate 100 .

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 효율, 속도, 전력 소모 면에서 장점을 가져, 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 have advantages in efficiency, speed, and power consumption, 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 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 전자 장치에 적용될 수 있는 전자 소자 아키텍쳐(architecture)를 개략적으로 보여주는 개념도이다. 13 and 14 are conceptual views schematically illustrating an electronic device architecture applicable to an electronic device according to an exemplary embodiment.

도 13을 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. 13 , an electronic device architecture 1000 may include a memory unit 1010 , an arithmetic logic unit (ALU) 1020 , and a control unit 1030 . . The memory unit 1010 , the ALU 1020 , and the control unit 1030 may be electrically connected. For example, the electronic device architecture 1000 may be implemented as one chip including the memory unit 1010 , the ALU 1020 , and the control unit 1030 . Specifically, the memory unit 1010 , the ALU 1020 , and the control unit 1030 may be interconnected through a metal line in an on-chip to directly communicate with each other. The memory unit 1010 , the ALU 1020 , and the control unit 1030 may be monolithically integrated on one substrate to constitute one chip. The input/output device 2000 may be connected to the electronic device architecture (chip) 1000 .

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 memory unit 1010 , the ALU 1020 , and the control unit 1030 may each independently include the above-described semiconductor device (eg, a field effect transistor or a capacitor). For example, the ALU 1020 and the control unit 1030 may each independently include the aforementioned field effect transistors, and the memory unit 1010 may include the aforementioned capacitors, field effect transistors, or a combination thereof. may include The memory unit 1010 may include both a main memory and a cache memory. The electronic device architecture (chip) 1000 may be an on-chip memory processing unit.

도 14을 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. 14 , a cache memory 1510 , an ALU 1520 , and a control unit 1530 may constitute a Central Processing Unit (CPU) 1500 . The cache memory 1510 may be formed of a static random access memory (SRAM) and may include the aforementioned field effect transistor. Separately from the CPU 1500 , a main memory 1600 and an auxiliary storage 1700 may be provided. The main memory 1600 is formed of dynamic random access memory (DRAM) and may include the aforementioned capacitor.

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.

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.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
D10 내지 D60 반도체 소자 D70 반도체 장치
100 기판 200 fluorite계 물질 박막
300 게이트 전극 600,700 전극
400, 410 유전체층 500 도전체층 * Explanation of symbols for main parts of the drawing *
D10 to D60 semiconductor device D70 semiconductor device
100 Substrate 200 Fluorite-based material thin film
300 gate electrode 600,700 electrode
400, 410 dielectric layer 500 conductor layer

Claims (20)

대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)를 갖는 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)를 포함하고,
분극 방향이 서로 다른 도메인(domain)을 두 개 이상 포함하며,
상기 대칭 세그먼트(symmetric segment)는 상기 도메인(domain)들 사이의 경계에서는 존재하지 않거나, 2개 이상 연속하여 존재하는 fluorite계 물질 박막. Containing an orthorhombic crystal structure having a symmetric segment and a non-symmetric segment,
It contains two or more domains with different polarization directions,
The symmetric segment does not exist at the boundary between the domains, or exists in two or more consecutive fluorite-based material thin films. 제 1항에 있어서,
상기 대칭 세그먼트(symmetric segment)는 4개의 산소 이온과 2개의 금속 이온이 이루는 결정 구조(crystal structure)에서, 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 대칭성을 갖는 원자 배열 구조를 포함하는 fluorite계 물질 박막. The method of claim 1,
In the symmetric segment, in a crystal structure formed by four oxygen ions and two metal ions, the positions of the metal ion and the oxygen ion are atoms having symmetry in the polar c-axis direction. A thin film of fluorite-based material comprising an array structure. 제 1항에 있어서,
상기 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)는 4개의 산소 이온과 2개의 금속 이온이 이루는 결정 구조(crystal structure)에서, 금속 이온과 산소 이온의 위치가 극성 C축 방향(polar c-axis)으로 비대칭성을 갖는 원자 배열 구조를 포함하는 fluorite계 물질 박막. The method of claim 1,
In the non-symmetric segment, in a crystal structure formed by four oxygen ions and two metal ions, the positions of the metal ions and the oxygen ions are asymmetric in the polar c-axis direction. A fluorite-based material thin film comprising an atomic arrangement structure having a 제 1항에 있어서,
상기 도메인 각각은 동일한 분극 방향을 갖는 인접한 사방정계 결정 구조(orthorhombic crystal structure)들의 집합인 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
A thin film of fluorite-based material, wherein each of the domains is a set of adjacent orthorhombic crystal structures having the same polarization direction. 제 1항에 있어서,
U-Sx-D (S는 대칭 세그먼트이고, x는 0,2,3,4, 또는 5의 정수이고, U과 D는 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인이다)로 표기되는 원자 배열을 포함하는 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
A fluorite system containing an atomic arrangement denoted by US x -D (S is a symmetric segment, x is an integer of 0,2,3,4, or 5, and U and D are domains having different polarization directions) material thin film. 제 5항에 있어서,
상기 U와 D는 카이랄성(Chirality)이 서로 같은 fluorite계 물질 박막.6. The method of claim 5,
Wherein U and D are a thin film of a fluorite-based material having the same chirality. 제 5항에 있어서,
상기 U와 D는 각각 비대칭 세그먼트가 Sx와 인접하게 배치된 원자 배열을 갖는 도메인인 물질 박막.6. The method of claim 5,
wherein U and D are domains having an atomic arrangement in which an asymmetric segment is disposed adjacent to S x , respectively. 제 1항에 있어서,
MO2(여기서, M은 Hf, Zr 또는 이들의 조합이다)로 표현되는 물질을 포함하는 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
A thin film of a fluorite-based material comprising a material represented by MO 2 (where M is Hf , Zr or a combination thereof). 제 1항에 있어서,
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, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 1 종 이상 선택되는 도펀트 물질(dopant material)을 더 포함하는 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
MO 2 (herein, M is Hf , Zr or a combination thereof) containing a material expressed as a base material (base material),
C, Si, Ge, Sn, Pb, Al, Y, La, Gd, Mg, Ca, Sr Ba, Ti, and further comprising at least one dopant material selected from the group consisting of combinations thereof A thin film of fluorite-based material. 제 9항에 있어서,
상기 도펀트 물질의 함량은 모재의 금속 원소 대비 0 at% 초과 20 at% 이하인 fluorite계 물질 박막.10. The method of claim 9,
The content of the dopant material is a fluorite-based material thin film that exceeds 0 at% and 20 at% or less compared to the metal element of the base material. 제 1항에 있어서,
두께가 0nm 초과이고 20nm 이하인 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
A thin film of fluorite-based material with a thickness greater than 0 nm and less than or equal to 20 nm. 제 1항에 있어서,
fluorite계 물질 박막은 강유전성을 나타내는 fluorite계 물질 박막.The method of claim 1,
The fluorite-based material thin film is a fluorite-based material thin film that exhibits ferroelectricity. 대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)를 갖는 사방정계(orthorhombic) 결정 구조을 포함하는 fluorite계 물질 박막을 포함하는 반도체 소자로서,
상기 fluorite계 물질 박막은 대칭 세그먼트(symmetric segment)와 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment) 간의 구조 변이를 통해 분극 방향이 변경될 수 있는 반도체 소자.A semiconductor device comprising a fluorite-based material thin film having an orthorhombic crystal structure having a symmetric segment and a non-symmetric segment,
The fluorite-based material thin film is a semiconductor device in which a polarization direction can be changed through a structural change between a symmetric segment and a non-symmetric segment. 제 13항에 있어서,
외부에서 인가되는 전계의 방향에 따라, 상기 대칭 세그먼트(symmetric segment)가 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)로 구조 변이되거나, 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)가 대칭 세그먼트(symmetric segment)로 구조 변이되면서, 분극 방향이 변경될 수 있는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
Depending on the direction of an externally applied electric field, the symmetric segment is structurally transformed into a non-symmetric segment, or a non-symmetric segment is structurally transformed into a symmetric segment. , a semiconductor device in which the direction of polarization can be changed. 제 13항에 있어서,
외부에서 인가되는 전계의 방향에 따라, 상기 대칭 세그먼트(symmetric segment)가 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)로 구조 변이 되거나, 대칭 세그먼트(symmetric segment)가 비대칭 세그먼트(non-symmetric segment)로 구조 변이되면서, 서로 다른 분극 방향을 갖는 도메인(domain)들 사이의 경계가 이동(propagation)될 수 있는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
Depending on the direction of an externally applied electric field, the symmetric segment is structurally transformed into a non-symmetric segment, or the symmetric segment is structurally transformed into a non-symmetric segment. , a semiconductor device in which boundaries between domains having different polarization directions can be propagated. 제 13항에 있어서,
상기 fluorite계 물질 박막은 상기 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 fluorite계 물질 박막을 포함하는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
The fluorite-based material thin film is a semiconductor device comprising the fluorite-based material thin film according to any one of claims 1 to 12. 제 13항에 있어서,
제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 이격되어 배치되는 제 2 전극을 더 포함하고,
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 상기 fluorite계 물질 박막이 배치되는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
Further comprising a first electrode and a second electrode disposed to be spaced apart from the first electrode,
A semiconductor device in which the fluorite-based material thin film is disposed between the first electrode and the second electrode. 제 13항에 있어서,
소스 및 드레인을 포함하는 반도체 기판과 상기 반도체 기판에 대향하고 이격되어 배치되는 게이트 전극을 더 포함하고,
상기 반도체 기판과 게이트 전극 사이에 상기 fluorite계 물질 박막이 배치되는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
A semiconductor substrate including a source and a drain, and a gate electrode facing and spaced apart from the semiconductor substrate,
A semiconductor device in which the thin film of the fluorite-based material is disposed between the semiconductor substrate and the gate electrode. 제 13항에 있어서,
상기 fluorite계 물질 박막의 분극 전환시 시간에 대한 전류 그래프가 5.0x10-7초 이하에서 피크를 갖는 반도체 소자.14. The method of claim 13,
A semiconductor device having a peak at 5.0x10 -7 seconds or less in the current graph with respect to time when the fluorite-based material thin film is switched in polarization. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 fluorite계 물질 박막을 포함하는 전자 장치.An electronic device comprising the fluorite-based material thin film according to any one of claims 1 to 12.
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