KR100997906B1 - Unified random access memory device, manufacturing method and operating method of unified random access memory device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fusion memory device, a manufacturing method and an operation method of the fusion memory device.

본 발명에 따른 융합 메모리 소자는, 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성된 정공포위층, 정공포위층의 소정의 영역 상에 형성된 부유바디층, 부유바디층 상에 형성된 게이트절연층, 게이트절연층 상에 형성된 제 1게이트, 제 1게이트 상에 형성된 저항변화물질층, 저항변화물질층 상에 형성된 제 2게이트, 정공포위층 상이고, 부유바디의 양 측에 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인을 포함한다.According to the present invention, a fusion memory device includes a semiconductor substrate, a hole encapsulation layer formed on a semiconductor substrate, a floating body layer formed on a predetermined region of a hole encapsulation layer, a gate insulating layer formed on a floating body layer, and a gate insulating layer. The first gate is formed, the resistance change material layer formed on the first gate, the second gate formed on the resistance change material layer, and the hole encapsulation layer are disposed on both sides of the floating body and include a source and a drain formed on each side.

비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory), 커패시터리스 디램(Capacitorless DRAM), RRAM(Resistance Random Access Memory), 융합메모리(URAM; Unified Random Access Memory) Non-Volatile Memory, Capacitorless DRAM, Resistance Random Access Memory (RRAM), Unified Random Access Memory (URAM)

Description

융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법{UNIFIED RANDOM ACCESS MEMORY DEVICE, MANUFACTURING METHOD AND OPERATING METHOD OF UNIFIED RANDOM ACCESS MEMORY DEVICE}METHOD AND MANUFACTURING METHOD AND MANUFACTURING METHOD OF FUSIONED MEMORY DEVICE AND FUSIONED METHOD {UNIFIED RANDOM ACCESS MEMORY DEVICE, MANUFACTURING METHOD AND OPERATING METHOD OF UNIFIED RANDOM ACCESS MEMORY DEVICE}

본 발명은 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 단위셀이 커패시터리스 디램(Capacitorless DRAM) 특성과 RRAM(Resistance Random Access Memory)의 특성을 모두 갖는 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fusion memory device, a method of manufacturing and operating the fusion memory device. More specifically, a unit cell has a characteristic of a capacitorless DRAM and a randomness random access memory. A device and a method of manufacturing and operating the fused memory device.

반도체 메모리 소자는 단위 면적당 메모리 셀의 수, 즉 집적도가 높으며, 동작 속도가 빠르고, 전하 저장 지속 시간이 길며, 저전력으로 구동 가능한 것이 바람직하며, 이러한 조건을 만족시키기 위해 다양한 종류의 메모리 소자들이 개발되고 있다.The semiconductor memory device preferably has a high number of memory cells per unit area, that is, a high degree of integration, a high operating speed, a long charge storage duration, and a low power drive. To satisfy these conditions, various types of memory devices are developed. have.

대표적인 반도체 메모리 소자인 DRAM(Dynamic Random Access Memory)의 경우, 단위 메모리 셀은 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터(capacitor)로 구성되는 것이 일반적이다. DRAM은 집적도가 높고 동작속도가 빠른 이점이 있다. 그러나 전원이 꺼진 후에는 저장된 데이터가 모두 소실되는 단점이 있다. 또한 고집적화를 위한 소자의 스케일다운(scale down)시에 커패시터 형성 공정이 복잡하여 소자의 집적도가 증가함에 따라 공정상의 문제를 야기하고 다른 소자들과 함께 임베디드 칩을 형성하는 데에도 커패시터 형성 공정이 걸림돌로 작용한다. In the case of DRAM (Dynamic Random Access Memory), a typical semiconductor memory device, a unit memory cell is generally composed of one transistor and one capacitor. DRAM has the advantage of high integration and fast operation speed. However, after the power is turned off, all the stored data is lost. In addition, the capacitor formation process is complicated when the device is scaled down for high integration, resulting in process problems as the integration of the device increases, and the capacitor formation process is also difficult to form embedded chips with other devices. Acts as.

따라서, 이러한 디램의 단점을 극복하기 위한 소자로서 연구되고 있는 것 중 한 가지는 커패시터리스 디램(capacitorless DRAM, 지램 (ZRAM; Zero-capacitor RAM) 또는 1T-DRAM(1 Transistor DRAM 이란 이름으로도 불림)이다. 커패시터리스 디램은 디램에서 복잡한 공정을 야기하는 커패시터 없이도 데이터를 저장할 수 있는 디램으로서 바디(body)에 전하를 저장하여 데이터를 저장하게 된다. Therefore, one of the things that are being studied as a device to overcome the disadvantages of DRAM is capacitorless DRAM (Z-RAM (ZRAM) or Zero-capacitor RAM (ZRAM) or 1T-DRAM (also called 1 Transistor DRAM). Capacitorless DRAM is a DRAM that can store data without a capacitor that causes complicated processes in the DRAM. It stores data by storing electric charges in a body.

도 1a는 종래 기술에 따른 커패시터리스 디램의 동작을 나타내는 단면도이고, 도 1b는 종래 기술에 따른 RRAM을 모식적으로 나타낸 단면도이다.FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating an operation of a capacitorless DRAM according to the prior art, and FIG. 1B is a cross-sectional view schematically showing an RRAM according to the prior art.

도 1a에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 커패시터리스 디램은, 절연층 매몰 실리콘(Silicon-On-Insulator, SOI) 기판 위에 만들어진 트랜지스터에서 게이트(13)와 드레인(12)에 큰 전압을 걸어주면 충돌 이온화(impact ionization)에 의해 드레인(12) 쪽의 채널에서 초과 정공(excess hole; 1)들이 생성된다. 이러한 초과 정공들은 바디(14) 아래로 절연층(10)이 있기 때문에 빠져나갈 곳이 없어 전위가 가장 낮은 바디(14) 안에 모이게 된다. 이렇게 모인 정공을 가진 트랜지스터는 이전의 바디에 정공이 없을 때의 트랜지스터와 문턱전압(threshold voltage)과 전류레벨에 차이가 발생하는데 이 차이로 0과 1을 구분한다.As shown in FIG. 1A, a capacitorless DRAM according to the prior art may apply a large voltage to the gate 13 and the drain 12 in a transistor formed on an insulating layer embedded silicon (SOI) substrate. Impact ionization produces excess holes 1 in the channel on the drain 12 side. These excess holes are gathered in the body 14 with the lowest potential because there is no exit to exit because of the insulating layer 10 below the body 14. In this case, the transistors having the collected holes have a difference in the threshold voltage and the current level when there is no hole in the previous body, which distinguishes 0 and 1 by this difference.

한편, 전원이 꺼진 후에도 저장된 데이터가 보존될 수 있는 비휘발성 메모리 소자의 대표적인 예가 플래시 메모리(Flash memory)이다. 플래시 메모리는 휘발성 메모리와 달리 비휘발성의 특성을 지니고 있으나 동작 전압이 높고, 동작 속도가 느린 단점이 있다. 또한 고집적화에 따라 스케일 다운의 물리적인 한계에 부딪히고 있다. 현재 많은 연구가 진행되고 있는 비휘발성 메모리 소자들로는 MRAM(Magnetic Random Access Memory), FRAM(Ferroelectric Random Access Memory), PRAM(Phase-change Random Access Memory) 및 RRAM(Resistance Random Access Memory)이 있다. RRAM은 주로 저항변화물질이 전압에 따라 저항값이 달라지는 특성을 이용한 메모리 소자로 디램처럼 트랜지스터가 필요 없이 메모리 동작을 할 수 있기 때문에 집적도 면에서 매우 유리하며 구조가 간단하여 공정이 매우 단순하다는 장점이 있다. Meanwhile, a flash memory is a representative example of a nonvolatile memory device in which stored data may be preserved even after the power is turned off. Unlike volatile memory, flash memory has nonvolatile characteristics, but has a disadvantage of high operating voltage and slow operation speed. In addition, high integration is facing the physical limitations of scale-down. Non-volatile memory devices that are currently being researched include magnetic random access memory (MRAM), ferroelectric random access memory (FRAM), phase-change random access memory (PRAM), and resistance random access memory (RRAM). RRAM is a memory device whose resistance change material varies depending on the voltage. Since RRAM can operate without a transistor like a DRAM, it is very advantageous in terms of integration and its structure is simple and the process is very simple. have.

도 1b에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 RRAM은, 하부전극(20)과 상부전극(22) 사이에 저항변화물질층(21)이 형성되어 있다. 하부 전극(20) 및 상부 전극(22)은 일반적인 전도성 물질로 형성되며, 저항변화물질층(21)은 저항 변화특성을 지닌 물질로 형성된다. 상부 전극(22)과 하부전극(20) 사이에 적당한 전압을 인가하면 저항변화물질층(21)의 저항값이 변화하고, 저항변화물질층(21)의 저항값의 차이, 즉, 저항값이 낮은 상태(LRS-Low Resistance State)와 저항값이 높은 상태(HRS-High Resistance State)의 차이로 0과 1을 구분한다.As shown in FIG. 1B, in the RRAM according to the related art, a resistance change material layer 21 is formed between the lower electrode 20 and the upper electrode 22. The lower electrode 20 and the upper electrode 22 are formed of a general conductive material, and the resistance change material layer 21 is formed of a material having resistance change characteristics. When an appropriate voltage is applied between the upper electrode 22 and the lower electrode 20, the resistance value of the resistance change material layer 21 is changed, and the difference between the resistance values of the resistance change material layer 21, that is, the resistance value is changed. 0 and 1 are distinguished by the difference between the low state (LRS-Low Resistance State) and the high resistance state (HRS-High Resistance State).

한편, 최근 들어, 대부분의 컴퓨터 시스템은 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 제 어되고, 프로그램된 다양한 기능을 수행하기 위해 CPU에 의해 사용될 수 있는 다양한 레벨의 메모리를 구비한다. 전통적으로, 컴퓨터 시스템의 메모리는 주 메모리(기본 메모리 또는 주 기억장치)나 혹은 보조 메모리(보조 기억장치)로 분류된다. On the other hand, in recent years, most computer systems have various levels of memory that are controlled by a central processing unit (CPU) and can be used by the CPU to perform various programmed functions. Traditionally, the memory of a computer system is classified as main memory (main memory or main storage) or auxiliary memory (auxiliary storage).

프로그램과 데이터는 지금 실행중인 프로그램에 의해 실행되거나 혹은 참조되기 위해 주 메모리 내에 있어야 하고, 반면에 지금 당장 필요치 않는 프로그램이나 데이터는 필요할 때까지 보조 메모리에 있다가 실행이나 참조를 위해 주 메모리로 옮겨진다. 이러한 전통적인 메모리 기억장치 계층은 1960년 이후 추가적인 레벨의 확장으로 인해 그 성능과 활용 면에서의 극적인 개선이 이루어졌다. 이러한 추가 레벨 즉, 캐시는 주 메모리보다 훨씬 빠른 고속 메모리이다. 캐시 기억장치는 주 메모리와 비교하면 비교적 비싸므로, 종래의 컴퓨터 시스템에서는 오로지 비교적 작은 양의 캐시 메모리만이 이용된다. 캐시 메모리는 일반적으로 5배에서 10배까지 주 메모리보다 고속으로 동작하는데, 어떤 환경에서는 CPU 자체의 동작 속도에 근접할 수도 있다. 가장 빈번하게 액세스되는 인스트럭션 및/또는 데이터를 고속 캐시 메모리에 둠으로써, 시스템에 대한 평균 총 메모리 액세스 시간은 캐시의 액세스 시간에 근접할 것이다. 또한, 만약 수행될 특정 프로그램 인스트럭션이 캐시에 미리 적재된다면, CPU는 주 메모리 혹은 보조 메모리로 복귀할 필요 없이 프로그램 인스트럭션을 실행할 수 있어, 시스템의 동작 속도를 상당히 증가시킨다. Programs and data must be in main memory to be executed or referenced by the currently executing program, while programs or data that are not needed right now are held in auxiliary memory until needed and then moved to main memory for execution or reference. . This traditional memory storage hierarchy has been dramatically improved in performance and utilization since the 1960s with additional levels of expansion. This extra level, or cache, is high speed memory much faster than main memory. Because cache storage is relatively expensive compared to main memory, only a relatively small amount of cache memory is used in conventional computer systems. Cache memory typically runs 5 to 10 times faster than main memory, in some circumstances it can be close to the CPU itself. By placing the most frequently accessed instructions and / or data in fast cache memory, the average total memory access time for the system will be close to the cache's access time. Also, if a particular program instruction to be executed is preloaded into the cache, the CPU can execute program instructions without having to return to main or auxiliary memory, significantly increasing the operating speed of the system.

캐시 메모리는 컴퓨터 시스템의 어떤 부분에 위치 혹은 연관되었느냐에 따라서 상이한 카테고리로 세분될 수도 있다. 레벨 1 캐시 메모리는 일반적으로 프로세서가 위치되는 반도체 다이 영역에 위치된다. Cache memory may be subdivided into different categories depending on where in the computer system it is located or associated. Level 1 cache memory is typically located in the semiconductor die area where the processor is located.

본래, 마이크로프로세서와 동일한 칩상에 위치되지 않는 추가적인 캐시 메모리는 보통 레벨 2 캐시 메모리로 칭한다. 하지만, 현재에는 많은 프로세서 설계자들은 프로세서와 같은 반도체 칩상에 레벨 2 캐시를 위치시키고 있다. 레벨 3 메모리는 흔히 주 메모리로 부르지만, 어떤 컴퓨터들은 캐시 메모리인 레벨 3 메모리와 주 메모리인 레벨 4 메모리를 구비한다. 과거에는, 캐시들이 정적(static)인 임의 접근 메모리(RAM)로 만들어져 대부분 배타적이었다. 이러한 정적 RAM(SRAM)은 데이터 비트를 포함하는 개개의 셀이 리프레시(refresh) 되지 않아도 되도록 만들어져 전원이 공급되는 동안에는 비휘발성 특징을 가진다. 그러나, SRAM은 매우 큰 반도체 기판 영역을 차지하여야 한다는 단점이 있다. 또한, 이에 필적할 만한 RAM이 동적 RAM(DRAM)이다. DRAM은 데이터 셀이 리프레시(refresh)되어야 하는 RAM이다. 각각의 셀은 만약 리프레시되지 않으면, 자신의 정보를 서서히 손실할 것이다. 따라서, DRAM 어레이의 각 셀들은 주기적으로 리프레시되는 것이 필요하므로, 리프레시가 발생하는 동안에는 특정 셀이나 셀의 그룹에 기입 또는 판독될 수 없는 시간이 존재한다는 단점이 있지만, SRAM에 비해 적은 반도체 기판 면적을 차지하므로, 같은 면적에서 SRAM보다 더 많은 데이터를 저장할 수 있다. 따라서, 최근에는 많은 수의 데이터 비트들이 작은 DRAM 면적에 위치될 수 있기 때문에, 일부 설계자들은 L2 캐시에 DRAM 을 사용해왔다. Originally, additional cache memory that is not located on the same chip as the microprocessor is commonly referred to as level 2 cache memory. However, many processor designers now place Level 2 caches on the same semiconductor chip as the processor. Level 3 memory is often referred to as main memory, but some computers have level 3 memory, which is cache memory, and level 4 memory, which is main memory. In the past, caches were made mostly of static random access memory (RAM) and were mostly exclusive. These static RAMs (SRAMs) are made so that individual cells containing data bits do not have to be refreshed and have nonvolatile characteristics during power up. However, SRAM has a disadvantage of occupying a very large semiconductor substrate area. Comparable RAM is dynamic RAM (DRAM). DRAM is RAM in which data cells must be refreshed. Each cell will slowly lose its information if not refreshed. Therefore, since each cell of the DRAM array needs to be refreshed periodically, there is a disadvantage in that there is a time during which refresh cannot occur to be written or read in a specific cell or group of cells, but the semiconductor substrate area is smaller than that of SRAM. It can store more data than SRAM in the same area. Thus, some designers have been using DRAM for L2 cache recently because a large number of data bits can be located in a small DRAM area.

예를 들면, 륭 등(Leung et al.)에 의한 미국 특허 제 5,829,026호인 " Method and Structure for Implementing a Cache Memory Using a DRAM Array" 에는, 프로세서를 보유하고 있는 칩을 온/오프시킬 수 있는 DRAM 캐시가 개시되었다. 또한, 보이드 등(Boyd, et al.)에 의한 미국 특허 제 5,895,487호인 " Integrated Processing and L2 DRAM cache" 에는 프로세서와 동일한 반도체 칩상에 위치되는 L2 DRAM 캐시가 개시되었다. 하지만, DRAM 의 제조에 필요한 공정은 프로세서 및 SRAM 의 공정과정과 호환성이 좋지 않기 때문에, 현재의 디램을 그대로 CPU 안에 구현하기는 매우 힘들다. 따라서, 새로운 내장형 DRAM(EDRAM;Embedded DRAM) 개발에 대한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 하나의 후보로 뽑히고 있는 것이 바로 커패시터리스 디램이다. 현재 CPU 의 성능 향상을 위해 캐시메모리의 용량은 점점 커지고 있다. 따라서, CPU 면적의 대부분이 프로세서가 아닌 SRAM 이 차지하고 있는 실정이다. For example, "Method and Structure for Implementing a Cache Memory Using a DRAM Array," US Patent No. 5,829,026 by Leung et al., Has a DRAM cache that can turn a chip containing a processor on and off. Has been disclosed. In addition, U.S. Patent No. 5,895,487 to Boyd, et al., "Integrated Processing and L2 DRAM cache," discloses an L2 DRAM cache located on the same semiconductor chip as the processor. However, since the process required to manufacture DRAM is not compatible with the process of processor and SRAM, it is very difficult to implement the current DRAM in the CPU as it is. Therefore, research on the development of new embedded DRAM (EDRAM) is underway, and one of them is a capacitorless DRAM. In order to improve the performance of the current CPU, the capacity of the cache memory is increasing. Therefore, most of the CPU area is occupied by SRAM rather than the processor.

이러한 문제점을 해결하기 위해 SRAM 대신 DRAM 을 사용할 수도 있으나, 상술한 바와 같이 커패시터의 존재에 의한 구조적 차이 때문에 공정상의 어려움이 있다. 또한, DRAM 은 휘발성 메모리이기 때문에 주기적인 리프레시 과정도 필요하다.In order to solve this problem, DRAM may be used instead of SRAM, but as described above, there is a process difficulty due to the structural difference due to the presence of a capacitor. In addition, since DRAM is volatile memory, a periodic refresh process is required.

본 발명은, 단위셀이 커패시터리스 디램(Capacitorless DRAM) 특성과 RRAM(Resistance Random Access Memory)의 특성을 모두 갖도록 하는 융합메모리 소자를 설계하는 것에 의하여, 동일 또는 유사한 미세 선폭의 집적도 기술을 사용하면서도 하나의 단위셀에 두 가지 동작이 가능한 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.According to the present invention, by designing a fusion memory device in which a unit cell has both characteristics of a capacitorless DRAM and a resistance random access memory (RRAM), the same or similar fine line density technology may be used. It is an object of the present invention to provide a fusion memory device capable of two operations in a unit cell, a manufacturing method and an operation method of the fusion memory device.

또한, 본 발명은, 전원 공급이 중단되더라도 RRAM 소자와 같이 저장된 데이터를 오래 유지할 수 있고, 전원 공급시에는 디램 또는 커패시터리스 디램과 같이 고속으로도 동작이 가능한 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention also provides a method of manufacturing a fused memory device and a fused memory device that can maintain data stored as an RRAM device for a long time even when the power supply is interrupted, and that can operate at a high speed such as a DRAM or a capacitorless DRAM at the time of power supply. And to provide a method of operation.

또한, 본 발명은, 커패시터를 포함하지 않기 때문에 고집적도를 실현할 수 있는 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a fusion memory device, a manufacturing method and an operation method of the fusion memory device which can realize a high degree of integration because they do not include a capacitor.

청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 반도체 기판, 반도체 기판 상에 형성된 정공포위층, 정공포위층의 소정의 영역 상에 형성된 부유바디층, 부유바디 층 상에 형성된 게이트절연층, 게이트절연층 상에 형성된 제 1게이트, 제 1게이트 상에 형성된 저항변화물질층, 저항변화물질층 상에 형성된 제 2게이트, 정공포위층 상이고, 부유바디의 양 측에 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인을 포함한다.The fusion memory device according to claim 1 includes a semiconductor substrate, a hole encapsulation layer formed on the semiconductor substrate, a floating body layer formed on a predetermined region of the hole encapsulation layer, a gate insulating layer formed on the floating body layer, and a gate insulating layer. And a source and a drain formed on the first gate, the resistance change material layer formed on the first gate, the second gate formed on the resistance change material layer, and the hole encapsulation layer, and spaced apart from each other on both sides of the floating body.

청구항 2에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 정공포위층은 절연물질을 포함한다.The fusion memory device of the invention according to claim 2 is the fusion memory device of the invention according to claim 1, wherein the hole surrounding layer comprises an insulating material.

청구항 3에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 정공포위층은, 정공 배리어(barrier) 또는 정공 웰(well)을 형성하여 정공을 포위한다.The fusion memory device of the invention according to claim 3 is the fusion memory device of the invention according to claim 1, wherein the hole surrounding layer forms a hole barrier or a hole well to surround the holes.

청구항 4에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 정공포위층은 반도체 기판에 P형 또는 N형 불순물이 주입된 불순물 혼합층이다.The fusion memory device of the invention according to claim 4 is the fusion memory device according to any one of claims 1 to 3, wherein the hole surrounding layer is an impurity mixed layer in which P-type or N-type impurities are injected into a semiconductor substrate.

청구항 5에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 4에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 불순물 혼합층은, 반도체 기판에 게르마늄(Ge) 또는 탄소(C)가 주입된 층이다.The fusion memory device of the invention according to claim 5 is the fusion memory device according to the invention according to claim 4, wherein the impurity mixed layer is a layer in which germanium (Ge) or carbon (C) is injected into a semiconductor substrate.

청구항 6에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 부유바디층의 두께는 융합메모리 소자의 채널의 최대 공핍폭보다 두껍게 형성된다.In the fusion memory device of the invention according to claim 6, in the fusion memory device according to the invention according to claim 1, the thickness of the floating body layer is formed thicker than the maximum depletion width of the channel of the fusion memory device.

청구항 7에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 저항변화물질층은, 니켈(Ni) 산화물, 티탄(Ti) 산화물, 하프늄(Hf) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 코발 트(Co) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함한다.The fusion memory device of the invention according to claim 7 is the fusion memory device according to the invention according to claim 1, wherein the resistive change material layer includes nickel (Ni) oxide, titanium (Ti) oxide, hafnium (Hf) oxide, and zirconium (Zr) oxide. And at least one of zinc (Zn) oxide, tungsten (W) oxide, cobalt (Co) oxide, vanadium (V) oxide, copper (Cu) oxide, and aluminum (Al) oxide.

청구항 8에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1 또는 청구항 7에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 저항변화물질층은, 임계전압 이상의 전압이 인가된 경우에 전기 전도성을 가진다.The fusion memory element of the invention according to claim 8 is the fusion memory element of the invention according to claim 1 or 7, wherein the resistance change material layer has electrical conductivity when a voltage equal to or higher than a threshold voltage is applied.

청구항 9에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 청구항 1에 관한 발명인 융합메모리 소자에 있어서, 융합 메모리 소자는, 복수의 워드 라인들 및 복수의 비트라인들과 연결되어 메모리 셀 어레이를 구성하고, 제 1게이트는 복수의 워드라인들 중 어느 하나의 워드라인에 연결되고, 제 2게이트 및 드레인은 복수의 비트라인들 중 어느 하나의 비트라인에 연결된다.A fused memory device according to claim 9 is a fused memory device according to claim 1, wherein the fused memory device is connected to a plurality of word lines and a plurality of bit lines to form a memory cell array, and a first gate. Is connected to any one of the plurality of word lines, and the second gate and the drain are connected to any one of the plurality of bit lines.

청구항 10에 관한 발명인 융합메모리 소자의 제조방법은, 반도체 기판 상에 정공포위층, 부유바디층, 게이트절연층 및 제 1게이트를 차례로 형성하는 제1 단계, 게이트 절연층 및 제1 게이트의 양 측의 소정영역을 식각하는 제2 단계, 정공포위층 상이고, 또한 부유바디의 양 측에 서로 이격되도록 소스 및 드레인을 형성하는 제3 단계, 제 1게이트 상에 저항변화물질층 및 제 2게이트를 차례로 형성하는 제4 단계를 포함한다.A method for manufacturing a fused memory device according to claim 10, comprising: a first step of sequentially forming a hole encapsulation layer, a floating body layer, a gate insulating layer, and a first gate on a semiconductor substrate, both sides of the gate insulating layer and the first gate; A second step of etching a predetermined region of the third step of forming a source and a drain on the hole encapsulation layer and spaced apart from each other on both sides of the floating body, and then the resistive change material layer and the second gate on the first gate Forming a fourth step.

청구항 11에 관한 발명인 융합메모리 소자는, 단위셀들이 복수의 행과 복수의 열의 매트릭스로 배열되는 메모리 셀 어레이를 구성하고, 단위셀들중 어느 하나의 단위셀에 인가되는 제 1전압에 의해 초과 캐리어(carrier)를 생성 및 저장하고, 그에 따른 소정의 문턱전압 및 전류의 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 제 1메모리부, 어느 하나의 단위셀에 인가되는 제 2전압에 의해 가변저항 특성을 갖는 물질의 저항변화특성을 이용하여 데이터를 저장하는 제 2메모리부를 포함하고, 제 1메모리부에 대한 기록 및 소거 동작은, 제 2전압의 크기보다 작은 제 1전압에 의해 제 2메모리부의 저항변화특성이 일어나지 않도록 하고, 제 1메모리부에 초과정공을 생성 및 조절한다.The fusion memory device of the present invention according to claim 11 constitutes a memory cell array in which unit cells are arranged in a matrix of a plurality of rows and a plurality of columns, and an excess carrier is applied by a first voltage applied to any one of the unit cells. A carrier having a variable resistance characteristic by a second voltage applied to one unit cell and a first memory unit for generating and storing a carrier and storing data using a change in a predetermined threshold voltage and current. And a second memory unit for storing data using the resistance change characteristic of the memory device. The write and erase operations of the first memory unit include a resistance change characteristic of the second memory unit due to the first voltage smaller than the magnitude of the second voltage. It does not occur and generates and adjusts the excess holes in the first memory unit.

청구항 12에 관한 발명인 융합메모리 소자의 동작방법은, 청구항 11에 관한 발명인 융합메모리 소자를 동작시키는 융합 메모리 소자 동작방법이고, 복수의 워드라인들 중 어느 하나와 복수의 비트라인들 중 어느 하나를 하나의 단위셀로 선택하는 단계, 선택된 단위셀과 연결된 워드라인과 비트라인 사이에 인가되는 제 1전압을 조절하여 제 1메모리부의 초과정공 생성동작을 제어하는 단계, 선택된 단위셀과 연결된 워드라인과 비트라인 사이에 인가되는 제 2전압을 조절하여 제 2메모리부의 저항변화물질층의 저항변화특성을 제어하는 단계를 포함하고, 제 1메모리부에 대한 기록 및 소거 동작은, 제 2전압의 크기보다 작은 제 1전압에 의해 제 2메모리부의 저항변화특성이 일어나지 않도록 하고, 제 1메모리부에 초과정공을 생성 및 조절한다.A method of operating a fusion memory device according to claim 12 is a method of operating a fusion memory device operating the fusion memory device according to claim 11, wherein any one of a plurality of word lines and one of a plurality of bit lines Selecting the unit cell of the control unit, controlling the excess hole generation operation of the first memory unit by adjusting a first voltage applied between the word line and the bit line connected to the selected unit cell, and the word line and bit connected to the selected unit cell Controlling a resistance change characteristic of the resistance change material layer of the second memory unit by adjusting a second voltage applied between the lines, wherein writing and erasing operations of the first memory unit are smaller than the magnitude of the second voltage. The resistance change characteristic of the second memory unit does not occur due to the first voltage, and excess holes are generated and adjusted in the first memory unit.

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본 발명에 따른 융합 메모리 소자, 융합 메모리 소자의 제조방법 및 동작방법은, 단위셀이 커패시터리스 디램(Capacitorless DRAM) 특성과 RRAM(Resistance Random Access Memory)의 특성을 모두 갖도록 하는 융합메모리 소자를 설계하는 것에 의하여, 동일 또는 유사한 미세 선폭의 집적도 기술을 사용하면서도 하나의 단위셀에 두 가지 동작이 가능하다.A fusion memory device, a method of manufacturing and operating the fusion memory device according to the present invention is to design a fusion memory device such that the unit cell has both characteristics of a capacitorless DRAM (Resistance Random Access Memory) and a capacitorless DRAM (RRAM) Thus, two operations are possible in one unit cell while using the same or similar fine line density technology.

또한, 본 발명에 따르면, 전원 공급이 중단되더라도 RRAM 소자와 같이 저장된 데이터를 오래 유지할 수 있고, 전원 공급시에는 디램 또는 커패시터리스 디램과 같이 고속으로도 동작이 가능하다.In addition, according to the present invention, even if the power supply is interrupted, the data stored together with the RRAM device can be maintained for a long time, and the power supply can operate at a high speed such as a DRAM or a capacitorless DRAM.

또한, 본 발명에 따르면, 커패시터를 포함하지 않기 때문에 고집적도를 실현할 수 있다.Further, according to the present invention, since no capacitor is included, high integration can be realized.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Specific matters other than the problem to be solved, the problem solving means, and the effects of the present invention as described above are included in the following embodiments and the drawings. Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기 로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the accompanying drawings are only described in order to more easily disclose the contents of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the scope of the accompanying drawings that will be readily available to those of ordinary skill in the art. You will know.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 구조를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3a 및 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 에너지 밴드도를 설명하기 위한 도면이다.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a fusion memory device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3A and 3D are diagrams for explaining an energy band diagram of a fusion memory device according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리(URAM) 소자는, 기판(100), 정공포위층(110), 부유바디층(120), 소스(130) 및 드레인(140), 게이트절연층(150), 제 1게이트(160), 저항변화물질층(170) 및 제 2게이트(180)를 포함한다. As shown in FIG. 2, a fusion memory (URAM) device according to an embodiment of the present invention may include a substrate 100, a hole encapsulation layer 110, a floating body layer 120, a source 130, and a drain ( 140, a gate insulating layer 150, a first gate 160, a resistance change material layer 170, and a second gate 180.

본 발명의 일 실시예에서는, 반도체 기판(100)을 P형 실리콘 기판으로 한정하여 이를 기준으로 설명하기로 한다. 그러나, 반도체 기판(100)은 반도체 기판에 이용되는 일반적인 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘, 실리콘 게르마늄, 인장 실리콘 또는 인장 실리콘 게르마늄, 실리콘 카바이드 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.In an embodiment of the present invention, the semiconductor substrate 100 will be described with reference to the P-type silicon substrate. However, the semiconductor substrate 100 may be made of a general material used for the semiconductor substrate, and may be made of, for example, silicon, silicon germanium, tensile silicon or tensile silicon germanium, or silicon carbide.

기판(100)상에 정공포위층(110) 및 부유바디층(120)이 차례로 형성된다. 여기서, 정공포위층(110)은 후술하는 바와 같이 부유바디층(120)에 정공이 축적될 수 있도록, 부유바디층(120)으로부터 정공이 빠져나가는 것을 방지하는 층이다. 정공포위층(110)은 일반적인 산화물과 같은 절연체로 형성할 수 있다. 또한, 정공포위층(110)은 불순물 혼합층일 수 있다. 여기서, 불순물 혼합층이란 반도체 기판(100) 에 게르마늄 또는 높은 농도(1×1018/cm3 이상)의 N형 불순물 이온이 주입된 층 또는 P형 불순물 이온이 주입된 층을 의미한다. 한편, 불순물 혼합층에 대한 설명은 도 3에서 상세하게 설명하기로 한다.The hole encapsulation layer 110 and the floating body layer 120 are sequentially formed on the substrate 100. Here, the hole enveloping layer 110 is a layer for preventing holes from escaping from the floating body layer 120 so that holes can accumulate in the floating body layer 120 as described below. The hole surrounding layer 110 may be formed of an insulator such as a general oxide. In addition, the hole encapsulation layer 110 may be an impurity mixed layer. Here, the impurity mixed layer means germanium or a high concentration (1 × 10 18 / cm 3 in the semiconductor substrate 100). Or the layer into which the N-type impurity ions are implanted or the P-type impurity ions are implanted. Meanwhile, the description of the impurity mixed layer will be described in detail with reference to FIG. 3.

부유바디층(120)은 통상적인 전계효과 트랜지스터의 바디(body)를 구성하는 물질로 형성된다. 부유바디층(120)은 그 두께가 본 발명에 따른 융합메모리 소자의 채널의 최대 공핍폭(Depletion width)보다 두껍도록 형성된다. 즉 부분공핍층(partially depleted layer)가 만들어지도록 한다.The floating body layer 120 is formed of a material constituting the body of a conventional field effect transistor. The floating body layer 120 is formed so that its thickness is thicker than the maximum depletion width of the channel of the fusion memory device according to the present invention. That is, a partially depleted layer is formed.

저항변화 물질층(170)은 가해지는 전압에 따라 물질의 저항이 달라지는 성질을 갖는 임의의 공지된 물질로 이루어진 층을 의미한다. 저항변화물질층(170)은 니켈(Ni) 산화물, 티탄(Ti) 산화물, 하프늄(Hf) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물 중 하나 이상의 물질을 포함한다.The resistance change material layer 170 refers to a layer made of any known material having a property that the resistance of the material varies depending on the applied voltage. The resistance change material layer 170 may include nickel (Ni) oxide, titanium (Ti) oxide, hafnium (Hf) oxide, zirconium (Zr) oxide, zinc (Zn) oxide, tungsten (W) oxide, cobalt (Co) oxide, At least one of vanadium (V) oxide, copper (Cu) oxide, and aluminum (Al) oxide.

또한, 정공포위층(110) 상에 부유바디(120)를 사이에 두고, 소스(130) 및 드레인(140)이 형성된다. In addition, the source body 130 and the drain 140 are formed on the hole surrounding layer 110 with the floating body 120 interposed therebetween.

부유바디(120)상에 게이트절연층(150)이 형성되고, 게이트절연층(150) 상에 제 1게이트(160), 저항변화물질층(170) 및 제 2게이트(180)이 차례로 형성된다. 한편, 게이트절연층(150), 제 1게이트(160), 저항변화물질층(170) 및 제 2게이트(180)의 형성에 관하여는 도 4에서 상세하게 설명하기로 한다.The gate insulating layer 150 is formed on the floating body 120, and the first gate 160, the resistance change material layer 170, and the second gate 180 are sequentially formed on the gate insulating layer 150. . Meanwhile, the formation of the gate insulating layer 150, the first gate 160, the resistance change material layer 170, and the second gate 180 will be described in detail with reference to FIG. 4.

도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메 모리 소자의 부유바디(120), 정공포위층(110) 및 기판(100)에 대한 에너지 밴드도를 설명하기로 한다.As shown in FIGS. 3A to 3D, an energy band diagram of the floating body 120, the hole encapsulation layer 110, and the substrate 100 of the fused memory device according to an embodiment of the present invention will be described. do.

도 3a는 정공포위층(110)이 게르마늄이온이 주입된 이온주입층인 경우로서, 실리콘과 게르마늄의 전자친화도(electron affinity:X)의 값이 거의 같아 전도대(conduction band:Ec)의 에너지 레벨은 거의 같게 되어, 전자에 대한 배리어는 형성되지 않는다. 그러나, 물질차이에 따른 에너지 밴드갭(energy bandgap:Eg) 차이에 따라 가전자대(valence band:Ev) 에너지 레벨의 차이가 발생하고, 이 차이 때문에 정공 배리어(barrier)가 형성되어 정공이 배리어 안에 국소적으로 갇혀 정공을 모을 수 있게 된다. FIG. 3A illustrates a case where the hole encapsulation layer 110 is an ion implantation layer in which germanium ions are implanted, and the electron affinity (X) of silicon and germanium is almost equal to the energy level of the conduction band (Ec). Becomes almost equal, and no barrier to electrons is formed. However, the difference in the valence band (Ev) energy level occurs due to the difference in the energy bandgap (Eg) according to the material difference, and due to this difference, a hole barrier is formed so that holes are localized in the barrier. Enemies are trapped and can collect holes.

도 3b는 정공포위층(110)이 P형 불순물 이온이 주입된 이온주입층인 경우로서, 높은 농도의 N형 불순물이 주입된 경우의 에너지 밴드도인데, 도 3a의 경우와 마찬가지로 배리어가 형성되므로, 정공이 배리어에 막혀 정공 포위층 안에 갇히게 된다. FIG. 3B illustrates a case where the hole encapsulation layer 110 is an ion implantation layer implanted with P-type impurity ions, and an energy band diagram when a high concentration of N-type impurity is implanted. As shown in FIG. 3A, a barrier is formed. As a result, holes are blocked in the barrier and trapped within the hole envelope.

도 3c는 N형 실리콘 기판을 반도체 기판(100)으로 사용하였을 경우에 관한 것으로서, 높은 농도의 P형 불순물이 주입된 경우의 에너지 밴드도로서, 같은 원리로 정공이 포위되는 것을 알 수 있다. 3C relates to the case where an N-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate 100. As shown in FIG. 3C, holes are surrounded by the same principle as an energy band diagram when a high concentration of P-type impurities are injected.

도 3d는 정공포위층으로서 실리콘 카바이드(SiC) 물질이 사용된 경우의 에너지 밴드도로서, 같은 원리로 정공이 포위되며, 실리콘 카바이드를 형성하는 방법으로는 결정성장(epitaxial growth)방법 또는 탄소(C) 주입이 바람직하다.FIG. 3D is an energy band diagram when silicon carbide (SiC) material is used as the hole encapsulation layer. Holes are surrounded by the same principle, and a method of forming silicon carbide includes an epitaxial growth method or carbon (C). Injection is preferred.

요약하여 설명하자면, 정공포위층(110)을 형성하는 방법으로서, 반도체 기 판(100), 정공포위층(110), 부유바디층(120)이 함께 형성되어 있는 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 사용할 수 있다. 또한, 다른 대체 방법으로서, 일반 실리콘 웨이퍼에 SiGe, SiC와 같은 결정막을 성장시키고, 다시 그 위에 실리콘을 증착하여 정공포위층을 형성할 수 있다. 그리고, 또 다른 방법은 정공포위층(110)을 불순물혼합층으로 형성하는 방법으로서, 통상의 반도체 공정을 그대로 이용하여 반도체 기판(100)에 불순물 주입을 통해 비교적 손쉽게 만들 수 있다.In summary, a method of forming the hole encapsulation layer 110 may include a silicon on insulator (SOI) substrate having a semiconductor substrate 100, a hole encapsulation layer 110, and a floating body layer 120 formed together. Can be used. In addition, as an alternative method, a hole encapsulation layer may be formed by growing a crystal film such as SiGe or SiC on a general silicon wafer, and depositing silicon again thereon. In addition, another method is to form the hole encapsulation layer 110 as an impurity mixture layer, which can be made relatively easily by implanting impurities into the semiconductor substrate 100 using a conventional semiconductor process as it is.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합메모리(URAM) 소자의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a fused memory (URAM) device according to an embodiment of the present invention as described above will be described.

도 4a 및 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 제조방법을 제조공정 순서대로 나타내는 단면도이다.4A and 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a fused memory device according to an embodiment of the present invention in the order of manufacturing processes.

도 4a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(100)상에 정공포위층(110), 부유바디층(120), 게이트절연층(150) 및 제 1게이트(160)가 순차적으로 형성된다. 부유바디층(120)은 그 두께가 채널의 최대 공핍폭(Depletion width)보다 두꺼운 부분 공핍(PD; Partially Depleted) 기판이 되도록 형성한다. 최대 공핍폭보다 부유바디의 두께가 얇은 경우, 부유바디 전체가 공핍(Fully depleted)되고, 그 공핍된 영역에서는 새로 형성되는 정공들이 바로 재결합(recombination)되어 사라져 버리기 때문에, 부분 공핍 기판이 될 수 있도록 부유바디의 두께를 충분하게 해 주어야 한다. 또한, 정공포위층(110)으로서의 절연층이 기판(100) 내부에 형성된 절연층 매몰 실리콘(Silicon-On-Insulator, SOI) 기판을 사용할 수도 있다. 절연층 매몰 실리콘 기판은 부유바디의 두께에 따라 PD SOI(Partially Depleted Silicon On Insulator) 와 FD SOI(Fully Depleted Silicon On Insulator) 기판이 있다. 마찬가지로, 부유바디층(120)의 두께가 채널의 최대 공핍폭(depletion width)보다 두꺼운 PD SOI 기판을 이용한다. 부유바디층(120)은 정공포위층(110)과 인접한 영역에 정공을 모을 수 있고, 소스(130)와 드레인(140) 간의 채널로도 사용된다.As shown in FIG. 4A, the hole encapsulation layer 110, the floating body layer 120, the gate insulating layer 150, and the first gate 160 are sequentially formed on the semiconductor substrate 100. The floating body layer 120 is formed so that its thickness becomes a partially depleted (PD) substrate thicker than the maximum depletion width of the channel. If the thickness of the floating body is thinner than the maximum depletion width, the entire floating body is depleted, and in that depleted region, the newly formed holes are immediately recombined and disappeared, so that they become a partially depleted substrate. Sufficient body thickness should be provided. In addition, an insulating layer embedded silicon (SOI) substrate in which an insulating layer as the hole encapsulation layer 110 is formed inside the substrate 100 may be used. The insulating layer buried silicon substrate is divided into PD SOI (Partially Depleted Silicon On Insulator) and FD SOI (Fully Depleted Silicon On Insulator) substrate. Similarly, a PD SOI substrate using a thickness of the floating body layer 120 is thicker than the maximum depletion width of the channel. The floating body layer 120 may collect holes in an area adjacent to the hole surrounding layer 110 and may also be used as a channel between the source 130 and the drain 140.

다음으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 게이트절연층(150) 및 제 1게이트(160)을 식각한다. Next, as shown in FIG. 4B, the gate insulating layer 150 and the first gate 160 are etched.

그런 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이, 부유바디층(120)에 채널 길이만큼 이격된 소스(130)와 드레인(140)을 확산(diffusion) 또는 이온주입(ion implantation) 공정 및 후속 열처리 공정 등을 이용하여 형성한다. Next, as shown in FIG. 4C, the source 130 and the drain 140 spaced apart by the channel length in the floating body layer 120 may be diffused or ion implanted, a subsequent heat treatment, or the like. To form.

마지막으로, 도 4d에 도시된 바와 같이, 제 1게이트(160) 상에 저항변화물질층(170) 및 제 2게이트(180)를 형성한다. 여기서, 저항변화물질층(170)을 형성하는 방법으로는 화학기상성장법(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링(Sputtering), 원자층증착(Atomic Layer Deposition), 유기 금속 기상 성장(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 솔-젤(sol-gel), 열적 산화(thermal oxidation) 또는 플라즈마 산화(plasma oxidation) 방법중 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 저항변화물질층(170)은 대부분 금속 산화물로써 절연체 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 인가되는 특정 전압에 따라 물질의 저항값이 변화되는 특성을 갖는다. 즉, 저항변화물질층(170)은 금속 산화물로써 절연성을 갖고 있지만, 특정 전압이 인가되는 경우, 물질의 절연성을 잃고 저항값이 낮아지는 특성을 갖는다. 여기서, 저항변화물질층(170)은 인가되는 특정 전압이 제거되더라도, 변화된 저항값을 지속적으로 유지 할 수 있다. 그리고, 또 다시 특정 전압이 인가되는 경우에는, 낮아진 저항값이 변화되어 원래의 절연성을 갖게 된다. 또한, 제 2게이트(180)를 구성하는 물질로는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 텅스텐(W), 코발트(Co), 바나듐(V), 에르븀(Er), 백금(Pt)과 같은 금속물질이 바람직하다.Finally, as shown in FIG. 4D, the resistance change material layer 170 and the second gate 180 are formed on the first gate 160. Herein, the method of forming the resistance change material layer 170 may include chemical vapor deposition, sputtering, atomic layer deposition, and metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Deposition, sol-gel, thermal oxidation or plasma oxidation methods can be used. In addition, the resistance change material layer 170 is not only an insulator characteristic as most metal oxides, but also has a property of changing a resistance value of a material according to a specific voltage applied thereto. That is, the resistance change material layer 170 has insulation as a metal oxide, but when a specific voltage is applied, the resistance change material layer 170 loses insulation and has a low resistance value. Here, the resistance change material layer 170 may maintain the changed resistance value even when a specific voltage applied thereto is removed. In addition, when a specific voltage is applied again, the lowered resistance value is changed to have original insulation. In addition, materials constituting the second gate 180 include aluminum (Al), copper (Cu), nickel (Ni), titanium (Ti), hafnium (Hf), zirconium (Zr), zinc (Zn), and tungsten. Metal materials such as (W), cobalt (Co), vanadium (V), erbium (Er) and platinum (Pt) are preferred.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 융합메모리(URAM) 소자의 동작특성에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, operation characteristics of the fusion memory (URAM) device according to an embodiment of the present invention as described above will be described.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 동작방법을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a method of operating a fusion memory device according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 동작을 위해 제 2게이트(180)와 드레인(140)은 서로 연결되어 비트라인(Bit line)에 연결되며, 제 1게이트(160)는 워드라인(Word line)에 연결되고, 소스(130)는 접지시킨다. 제 1게이트(160)와 드레인(140)에 전압을 인가하면, 즉 워드라인과 비트라인 사이에 충돌 이온화가 일어날 정도의 전압 차이인 제 1전압을 인가하면, 충돌 이온화에 의해 드레인(140) 쪽의 채널에서 초과 정공들이 생성된다. 이러한 초과 정공들은 부유바디층(120) 아래로 정공포위층(110)이 있기 때문에, 빠져나갈 곳이 없게 되어 전위가 가장 낮은 부유바디(120) 안에 모이게 된다. 이렇게 모인 정공을 가진 트랜지스터는 이전의 부유바디에 정공이 없을 때의 트랜지스터와 문턱전압(Threshold voltage)과 전류레벨에 차이가 발생하는데, 그 차이로 0과 1을 구분한다. 따라서, 융합메모리(URAM) 소자는 캐패시터(Capacitor)가 없이도 디램(DRAM) 으로 이용할 수 있다. 하지만, 디램으로서 동작할 시, 워드라인과 비트라인 사이에 가해지는 전압 때문에, 저항변화물질층의 저항값이 변하게 되면, 즉 절연성을 잃게 되고 낮은 저항상태가 되어버리면, 워드라인과 비트라인이 직접 연결되어 버리기 때문에, 디램으로서 동작할 수 없게 된다. 따라서, 디램으로서 동작할 시, 워드라인과 비트라인에 가해지는 전압의 크기는 충돌 이온화가 일어나되, 저항변화물질층의 저항변화가 일어나지 않는 범위 내에서 가해주어야 한다.As illustrated in FIG. 5, the second gate 180 and the drain 140 are connected to each other to be connected to a bit line for the operation of the fusion memory device according to the exemplary embodiment. The gate 160 is connected to a word line, and the source 130 is grounded. When a voltage is applied to the first gate 160 and the drain 140, that is, when a first voltage that is a voltage difference enough to cause collision ionization between a word line and a bit line is applied, the drain 140 side is caused by collision ionization. Excess holes are created in the channel of. Since the excess holes are the hole encapsulation layer 110 below the floating body layer 120, there is no place to exit and are collected in the floating body 120 having the lowest potential. In this way, the transistors with the collected holes have a difference in the threshold voltage and the current level when there are no holes in the floating body, which distinguishes 0 and 1 by the difference. Accordingly, the fusion memory device may be used as a DRAM without a capacitor. However, when operating as a DRAM, if the resistance value of the resistive change material layer is changed due to the voltage applied between the word line and the bit line, that is, the insulation is lost and the resistance becomes low, the word line and the bit line are directly Since it is connected, it cannot operate as a DRAM. Therefore, when operating as a DRAM, the magnitude of the voltage applied to the word line and the bit line should be applied within a range in which collision ionization occurs but resistance change of the resistance change material layer does not occur.

또한, 본 발명에 따른 융합메모리 소자는 비휘발성 메모리 소자의 특성을 갖는다. 제 1게이트(160)와 제 2게이트(180) 사이에 특정값 이상의 전압을 인가하면, 즉 워드라인과 비트라인 사이에 특정값 이상의 전압인 제 2전압을 인가하면 저항변화물질층(170)의 저항이 변하게 된다. 이때, 이러한 저항 변화는 게이트에 인가되는 전압이 제거되어도 유지되므로, 저항값의 차이에 따라 0과 1을 구별할 수 있는 비휘발성 메모리 소자로 동작 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 융합메모리 소자를 디램으로 동작시킬지 비휘발성 메모리 소자로 동작시킬지 여부는, 워드라인과 비트라인 사이에 인가되는 전압의 크기에 따라 결정할 수 있다. 예를 들어, 디램으로 동작시키기 위한 전압이 비휘발성 메모리 소자로 동작시키기 위한 전압보다 일반적으로 낮으므로, 그 게이트 전압들 사이의 특정 전압을 기준전압으로 정한다. 그리고, 디램으로 동작시키는 경우에는 그 기준전압보다 낮은 전압으로 소자를 동작시키고, 비휘발성 메모리 소자로 동작시키는 경우에는 그 기준전압보다 높은 전압으로 소자를 동작시킴으로써, 본 발명에 따른 융합메모리 소자의 동작을 결정할 수 있다.In addition, the fusion memory device according to the present invention has the characteristics of a nonvolatile memory device. When a voltage equal to or greater than a specific value is applied between the first gate 160 and the second gate 180, that is, when a second voltage equal to or greater than a specific value is applied between the word line and the bit line, the resistance change material layer 170 may be formed. The resistance changes. In this case, since the resistance change is maintained even when the voltage applied to the gate is removed, the resistance change can operate as a nonvolatile memory device that can distinguish 0 and 1 according to the difference in the resistance value. Therefore, whether to operate the fused memory device according to the embodiment of the present invention using a DRAM or a nonvolatile memory device may be determined according to the magnitude of the voltage applied between the word line and the bit line. For example, since a voltage for operating with a DRAM is generally lower than a voltage for operating with a nonvolatile memory device, a specific voltage between the gate voltages is defined as a reference voltage. The operation of the fusion memory device according to the present invention is performed by operating the device at a voltage lower than the reference voltage when operating with a DRAM and operating the device at a voltage higher than the reference voltage when operating with a nonvolatile memory device. Can be determined.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 노어(NOR)구조의 셀어레이의 구조를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 illustrates a structure of a cell array having a NOR structure of a fused memory device according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 노어 셀어레이 구조는 행과 열의 매트릭스로 배열된 복수의 단위셀들을 포함한다. 여기서, 도 6에서는 2×3 단위셀 구조를 그 예로 하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 크기의 단위 셀에도 본 발명의 실시예는 적용될 수 있다. As shown in FIG. 6, the NOR cell array structure according to another embodiment of the present invention includes a plurality of unit cells arranged in a matrix of rows and columns. Here, in FIG. 6, the 2 × 3 unit cell structure has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and embodiments of the present invention may be applied to unit cells having different sizes.

이하에서는, 도시되지는 않았지만, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 융합 메모리 소자는 다른 융합 메모리 소자에 적용될 수 있는 예를 설명하기로 한다. Hereinafter, although not shown, an example in which the fusion memory device according to the embodiment of the present invention configured as described above may be applied to other fusion memory devices will be described.

현재의 CPU의 캐시메모리에 본 발명의 실시예에 따른 융합메모리 소자를 적용하면, 본 발명에 따른 융합메모리 소자는 SRAM의 사이즈(60~120F2)에 비해 10F2로 매우 작기 때문에, 집적도 면에서 매우 유리하다. 현재의 캐시메모리 크기가 수 메가바이트(Mega byte)인 것을 감안하면, 캐시메모리의 크기를 수십 메가바이트까지도 늘일 수 있기 때문에, 기존에 캐시메모리에 저장하던 프로세서 관련 인스트럭션 뿐만 아니라, 컴퓨터 부팅에 필요한 간단한 프로그램 및 바이오스를 미리 저장해 놓고 부팅 시 빠르게 읽으면, 하드디스크로부터 읽어 들이는 것보다 현저하게 빠르게 된다 따라서, 컴퓨터 부팅 시간단축에 기여할 수 있다. 또한, 전원이 꺼졌을 때는 비휘발성 동작, 또는 전원 공급이 있을때는 휘발성 고속동작이 한 셀에서 모두 가능하기 때문에, CPU 의 동작 모드에 따라 그 쓰임새를 다양하게 변화시킬 수 있다.When the fusion memory device according to the embodiment of the present invention is applied to the cache memory of the current CPU, the fusion memory device according to the present invention is very small as 10F 2 compared to the size of the SRAM (60 to 120F 2 ), and thus, in terms of integration degree, Very advantageous. Given that the current cache memory size is several megabytes, the size of the cache memory can be increased up to several tens of megabytes. If you store programs and BIOS in advance and read them quickly at boot time, they are noticeably faster than reading from the hard disk. In addition, since the non-volatile operation when the power is turned off or the volatile high-speed operation when the power is supplied can be performed in one cell, its use can be variously changed according to the operation mode of the CPU.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As such, the technical configuration of the present invention described above can be understood by those skilled in the art that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.

그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all respects, and the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the detailed description, and the meaning and scope of the claims and All changes or modifications derived from the equivalent concept should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

도 1a는 종래 기술에 따른 커패시터리스 디램의 동작을 나타내는 단면도.1A is a cross-sectional view showing the operation of a capacitorless DRAM according to the prior art.

도 1b는 종래 기술에 따른 RRAM을 모식적으로 나타낸 단면도. 1B is a sectional view schematically showing a conventional RRAM.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 구조를 설명하기 위한 단면도.2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a fusion memory device according to an embodiment of the present invention.

도 3a 및 3d는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 에너지 밴드도를 설명하기 위한 도면.3A and 3D are diagrams for explaining an energy band diagram of a fused memory device according to an embodiment of the present invention.

도 4a 및 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 제조방법을 제조공정 순서대로 나타내는 단면도.4A and 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a fused memory device according to an embodiment of the present invention in the order of manufacturing processes.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 동작방법을 설명하기 위한 도면.5 is a view for explaining a method of operating a fusion memory device according to an embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 융합 메모리 소자의 노어(NOR)구조의 셀어레이의 구조를 설명하기 위한 도면.FIG. 6 is a view for explaining the structure of a cell array of NOR structure of a fused memory device according to another embodiment of the present invention; FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 기판 110 : 정공포위층100: substrate 110: hole envelope layer

120 : 부유바디(floating body)층 130 : 소스(source)120: floating body layer 130: source

140 : 드레인(Drain) 150 : 게이트절연층140: drain 150: gate insulating layer

160 : 제 1게이트 170 : 저항변화물질층160: first gate 170: resistance change material layer

180 : 제 2게이트180: second gate

Claims (15)

반도체 기판;Semiconductor substrates; 상기 반도체 기판 상에 형성된 정공포위층;A hole encapsulation layer formed on the semiconductor substrate; 상기 정공포위층의 소정의 영역 상에 형성된 부유바디층;A floating body layer formed on a predetermined region of the hole surrounding layer; 상기 부유바디층 상에 형성된 게이트절연층;A gate insulating layer formed on the floating body layer; 상기 게이트절연층 상에 형성된 제 1게이트; A first gate formed on the gate insulating layer; 상기 제 1게이트 상에 형성된 저항변화물질층;A resistance change material layer formed on the first gate; 상기 저항변화물질층 상에 형성된 제 2게이트; 및A second gate formed on the resistance change material layer; And 상기 정공포위층 상이고, 상기 부유바디의 양 측에 서로 이격되어 형성된 소스 및 드레인을 포함하는, 융합메모리 소자.And a source and a drain formed on the hole encapsulation layer and spaced apart from each other on both sides of the floating body. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 정공포위층은, 절연물질을 포함하는, The hole envelope layer, comprising an insulating material, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 정공포위층은, 정공 배리어(barrier) 또는 정공 웰(well)을 형성하여 정공을 포위하는, The hole encapsulation layer forms a hole barrier or hole well to surround the holes, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 정공포위층은, 상기 반도체 기판에 P형 또는 N형 불순물이 주입된 불순물 혼합층인, The hole envelope layer is an impurity mixed layer in which P-type or N-type impurities are injected into the semiconductor substrate, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 불순물 혼합층은, 상기 반도체 기판에 게르마늄(Ge) 또는 탄소(C)가 주입된 층인, The impurity mixed layer is a layer in which germanium (Ge) or carbon (C) is injected into the semiconductor substrate, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 부유바디층의 두께는, 상기 융합메모리 소자의 채널의 최대 공핍폭보다 두껍게 형성되는, The thickness of the floating body layer is formed thicker than the maximum depletion width of the channel of the fusion memory device, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 저항변화물질층은, 니켈(Ni) 산화물, 티탄(Ti) 산화물, 하프늄(Hf) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물, 아연(Zn) 산화물, 텅스텐(W) 산화물, 코발트(Co) 산화물, 바나듐(V) 산화물, 구리(Cu) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물 중 적어도 어느 하 나를 포함하는, The resistance change material layer is nickel (Ni) oxide, titanium (Ti) oxide, hafnium (Hf) oxide, zirconium (Zr) oxide, zinc (Zn) oxide, tungsten (W) oxide, cobalt (Co) oxide, vanadium Containing at least one of (V) oxide, copper (Cu) oxide, and aluminum (Al) oxide, 융합메모리 소자.Fusion memory device. 제1항 또는 제7항에 있어서,The method according to claim 1 or 7, 상기 저항변화물질층은, 임계전압 이상의 전압이 인가된 경우에 전기 전도성을 가지는, The resistance change material layer has electrical conductivity when a voltage above a threshold voltage is applied. 융합 메모리 소자.Fused memory devices. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 융합 메모리 소자는, 복수의 워드 라인들 및 복수의 비트라인들과 연결되어 메모리 셀 어레이를 구성하고,The fusion memory device may be connected to a plurality of word lines and a plurality of bit lines to form a memory cell array. 상기 제 1게이트는 상기 복수의 워드라인들 중 어느 하나의 워드라인에 연결되고, 상기 제 2게이트 및 상기 드레인은 상기 복수의 비트라인들 중 어느 하나의 비트라인에 연결되는, The first gate is connected to any one of the plurality of word lines, and the second gate and the drain are connected to any one of the plurality of bit lines. 융합 메모리 소자.Fused memory devices. 반도체 기판 상에 정공포위층, 부유바디층, 게이트절연층 및 제 1게이트를 차례로 형성하는 제1 단계;A first step of sequentially forming a hole encapsulation layer, a floating body layer, a gate insulating layer, and a first gate on the semiconductor substrate; 상기 게이트 절연층 및 상기 제1 게이트의 양 측의 소정영역을 식각하는 제2 단계;Etching a predetermined region on both sides of the gate insulating layer and the first gate; 상기 정공포위층 상이고, 또한 상기 부유바디의 양 측에 서로 이격되도록 소스 및 드레인을 형성하는 제3 단계; 및A third step of forming a source and a drain on the hole encapsulation layer and spaced apart from each other on both sides of the floating body; And 상기 제 1게이트 상에 저항변화물질층 및 제 2게이트를 차례로 형성하는 제4 단계A fourth step of sequentially forming a resistance change material layer and a second gate on the first gate 를 포함하는, 융합메모리 소자의 제조방법.A manufacturing method of a fused memory device comprising a. 단위셀들이 복수의 행과 복수의 열의 매트릭스로 배열되는 메모리 셀 어레이를 구성하고,Constitutes a memory cell array in which unit cells are arranged in a matrix of a plurality of rows and a plurality of columns, 상기 단위셀들중 어느 하나의 단위셀에 인가되는 제 1전압에 의해 초과 캐리어(carrier)를 생성 및 저장하고, 그에 따른 소정의 문턱전압 및 전류의 변화를 이용하여 데이터를 저장하는 제 1메모리부; 및A first memory unit generating and storing an excess carrier by a first voltage applied to any one of the unit cells, and storing data by using a change in a predetermined threshold voltage and current ; And 상기 어느 하나의 단위셀에 인가되는 제 2전압에 의해 가변저항 특성을 갖는 물질의 저항변화특성을 이용하여 데이터를 저장하는 제 2메모리부를 포함하고, 상기 제 1메모리부에 대한 기록 및 소거 동작은, 상기 제 2전압의 크기보다 작은 상기 제 1전압에 의해 제 2메모리부의 저항변화특성이 일어나지 않도록 하고, 상기 제 1메모리부에 초과정공을 생성 및 조절하는, 융합메모리 소자.And a second memory unit configured to store data by using a resistance change characteristic of a material having a variable resistance characteristic by a second voltage applied to the unit cell, wherein the write and erase operations of the first memory unit are performed. And generating and adjusting excess holes in the first memory unit such that the resistance change characteristic of the second memory unit does not occur by the first voltage smaller than the size of the second voltage. 제11항에 따른 융합메모리 소자를 동작시키는 융합 메모리 소자 동작방법이고,A method of operating a fused memory device for operating the fused memory device according to claim 11, 복수의 워드라인들 중 어느 하나와 복수의 비트라인들 중 어느 하나를 하나의 단위셀로 선택하는 단계;Selecting one of a plurality of word lines and one of a plurality of bit lines as one unit cell; 상기 선택된 단위셀과 연결된 워드라인과 비트라인 사이에 인가되는 제 1전압을 조절하여 상기 제 1메모리부의 초과정공 생성동작을 제어하는 단계; 및Controlling an excess hole generation operation of the first memory unit by adjusting a first voltage applied between a word line and a bit line connected to the selected unit cell; And 상기 선택된 단위셀과 연결된 상기 워드라인과 상기 비트라인 사이에 인가되는 제 2전압을 조절하여 상기 제 2메모리부의 저항변화물질층의 저항변화특성을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 제 1메모리부에 대한 기록 및 소거 동작은, 상기 제 2전압의 크기보다 작은 상기 제 1전압에 의해 제 2메모리부의 저항변화특성이 일어나지 않도록 하고, 상기 제 1메모리부에 초과정공을 생성 및 조절하는, 융합메모리 소자의 동작방법.And controlling a resistance change characteristic of the resistance change material layer of the second memory unit by adjusting a second voltage applied between the word line and the bit line connected to the selected unit cell. In the write and erase operations, the fusion memory device generates and adjusts excess holes in the first memory unit without causing the resistance change characteristic of the second memory unit to occur due to the first voltage smaller than the magnitude of the second voltage. How to operate. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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