KR101244768B1 - 그래핀 게이트 전극을 이용한 비휘발성 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 일함수 가지며 하부 절연막 열화를 유발하지 않는 새로운 물질인 그래핀(Graphene)을 이용하여 비휘발성 메모리 소자의 메모리 특성을 획기적으로 향상시키는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 비휘발성 메모리 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 일함수 가지며 하부 절연막 열화를 유발하지 않는 새로운 물질인 그래핀(Graphene)을 이용하여 비휘발성 메모리 소자의 메모리 특성을 획기적으로 향상시키는 방법에 관한 것이다.
메모리 소자는 전원공급 차단 시 데이터의 유지 여부에 따라 휘발성 메모리 소자와 비휘발성 메모리 소자로 나누어진다. 휘발성 메모리 소자는 전원공급 차단 시 데이터가 소멸되는 메모리 소자로서, 디램 및 에스램이 이에 속한다. 비휘발성 메모리 소자는 전원공급이 차단되더라도 저장된 데이터가 그대로 유지되는 메모리 소자로서, 플래시 메모리 소자가 이에 속한다.
이하, 도면을 참조하여 종래기술에 따른 비휘발성 메모리 소자의 구조 및 동작에 대해 살펴보도록 한다. 도 1은 종래기술에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 비휘발성 메모리 소자는 기판(10)상에 형성된 터널절연막(11), 전하트랩막(12), 전하차단막(13) 및 게이트 전극(14)으로 이루어지는 게이트 패턴을 포함한다. 또한, 게이트 패턴 양측의 기판(10) 내에 소스/드레인(S/D) 영역을 포함한다.
터널절연막(11)은 전하(전자)의 터널링에 따른 에너지 장벽막으로서 제공되는데, 일반적으로 산화막으로 형성된다. 전하트랩막(12)은 실질적인 데이터 저장소로서 사용된다. 전하트랩막(12)은 깊은 준위 트랩 사이트(deep level trap site)에 전하를 트랩시켜 데이터를 저장하는데, 일반적으로 질화막으로 형성된다. 전하차단막(13)은 전하가 통과하여 게이트 전극(14)로 이동하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 일반적으로 Al2O3막으로 형성된다.
전술한 바와 같은 종래의 비휘발성 메모리 소자의 구조에 따르면, 프로그램 동작시 F-N 터널링(Fowler-Nordheim Tunneling)에 의해 전하트랩막(12)으로 전하가 터널링되어 트랩됨으로써 데이터를 저장하게 된다. 또한, 소거 동작시 F-N 터널링(Fowler-Nordheim Tunneling)에 의해 전하트랩막(12)으로부터 전하가 터널링되어 채널로 방출되거나, 전하트랩막(12)으로 정공을 주입시킴으로써 데이터를 소거하게 된다.
그러나, 최근 메모리 소자의 집적도 향상에 따른 셀 면적 감소로 인하여 메모리 소자의 동작 속도(operation speed) 및 데이터 보유 특성(data retention)이 저하되는 문제점이 유발된다. 특히, 전하차단막(13)과 게이트 전극(14)을 Al2O3막과 TaN 전극(또는 다결정 실리콘 전극)으로 형성하는 경우, Al2O3막과 TaN 전극이 접하는 인접영역에서 많은 결함(defect)이 생기는 것으로 알려져 있으며 이로 인하여 동작 속도 및 데이터 보유 특성이 더욱 저하된다. 또한 일반적으로 미드갭(mid-gap) 일함수를 갖는 TaN 전극의 경우 소거 포화(erase saturation) 현상이 일찍 발생하여 메모리 윈도우(memory window)를 크게 향상시킬 수 없는 문제점이 있다. 따라서 종래기술은 메모리 소자의 동작 속도와 메모리 윈도우를 향상시키기 위해 높은 일함수를 갖는 메탈 게이트를 적용시키는 방안을 제시하지만, 높은 일함수를 갖는 메탈 게이트의 경우 대부분 금, 은, 백금 등의 귀금속으로 실리콘 공정 기술(CMOS technology)과 호환되기 어렵고 에칭이 잘 되지 않는 문제점이 유발된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 높은 일함수 가지며 하부 절연막 열화를 유발하지 않는 새로운 물질인 그래핀(Graphene)을 게이트 전극으로 이용하여 메모리 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 비휘발성 메모리 소자는, 기판에 형성된 소스와 드레인 사이의 채널 영역 위로 순차 적층된, 전하의 터널링을 위한 터널절연막, 데이터저장막, 그래핀으로 이루어진 게이트 전극, 및 캡핑(capping)을 위한 메탈 전극을 포함한다.
상기 그래핀으로 이루어진 상기 게이트 전극에 의해, 소거 동작 시 상기 게이트 전극으로부터 상기 데이터저장막으로 주입되는 터널링 전류를 낮추며, 프로그램 동작 시 상기 데이터저장막에 주입된 전하의 상기 게이트 전극으로 방출을 방지하여 데이터 보유 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 게이트전극은 P-type으로 도핑된 그래핀으로 이루어지고, 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 메탈 전극은 상기 게이트전극의 영역 전체 위에 형성되거나, 상기 게이트전극의 중앙 부분의 일부 위에 형성될 수도 있으며, 3 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 메탈 전극은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 플래티늄(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 납(Pd), 실리콘(Si), 텅스텐(W) 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 전하차단막은 SiO2막, Al2O3막, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있으며, 6 내지 15nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 데이터저장막은 깊은 준위 트랩 사이트(deep level trap site)에 전하를 트랩시키기 위한 Si3N4막으로 형성된 전하트랩막이거나, 전도성 밴드(conduction band) 내에 전하를 저장하기 위한 폴리실리콘막으로 형성된 전하저장막일 수 있으며, 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 터널절연막은 SiO2막으로 형성되며, 1 내지 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 비휘발성 메모리 소자에 따르면, 높은 일함수를 갖는 그래핀을 이용하여 게이트 전극을 형성함으로써, 메모리 소자의 동작 속도와 메모리 윈도우 및 데이터 보유력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 비휘발성 메모리 소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소거 동작 시 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 동작이 수행된 후 전하 보유 상태의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 누설 전류 특성을 나타내는 그래프 이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 보유 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 소거 동작 시 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 동작이 수행된 후 전하 보유 상태의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 누설 전류 특성을 나타내는 그래프 이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 동작 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 보유 특성을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)를 나타내는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)는, 기판(20)(실리콘 등 반도체 기판)에 형성된 소스/드레인(S/D) (전극) 사이의 채널 영역 위로 형성되는 터널절연막(21), 전하트랩막 또는 전하저장막(22), 전하차단막(23), 게이트 전극(24), 및 메탈 전극(25)을 포함한다.
터널절연막(21)은 전하(전자)의 터널링(F-N 터널링)에 따른 에너지 장벽막으로서 제공되는데, 예를 들어, SiO2막으로 형성될 수 있다. 여기서, 터널절연막(21)은 1~10nm(예를 들어, 약 4.5nm)의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
전하트랩막 또는 전하저장막(22)은 실질적인 데이터 저장소로서 사용되는 막으로서, 터널절연막(21)과 전하차단막(23) 사이에 전하트랩막이 개재되거나 전하저장막이 개재될 수 있다. 전하트랩막은 깊은 준위 트랩 사이트(deep level trap site)에 전하를 트랩시켜 데이터를 저장하는데, 예를 들어, Si3N4막으로 형성될 수 있고 1~10nm(예를 들어, 약 6nm)의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 전하저장막은 전도성 밴드(conduction band) 내에 전하를 저장시켜 데이터를 저장하는데, 예를 들어, 폴리실리콘막으로 형성될 수 있다.
전하차단막(23)은 전하트랩막 또는 전하저장막(22)에 트랩/저장된 전하가 게이트 전극(24)으로 이동하는 것을 방지하기 위한 것으로서, 예를 들어, SiO2막, Al2O3막, 또는 이들의 조합(예를 들어, SiO2막/Al2O3막, SiO2막/Al2O3막/ SiO2막, 또는 Al2O3막/ SiO2막/Al2O3막 등)으로 형성될 수 있고 약 6 내지 15nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
게이트 전극(24)은 기판(20) 보다 높은 양의 전압이 인가될 때(프로그램 동작시), 채널 영역(기판(20)에 형성된 소스/드레인(S/D) (전극) 사이의 영역)으로부터 유기된 전자를 전하트랩막 또는 전하저장막(22)으로 트랩/저장시키거나, 기판(20) 보다 높은 음의 전압이 인가될 때(소거 동작시), 전하트랩막 또는 전하저장막(22)에 저장된 전자를 채널 영역으로 방출시키는데, P-type으로 도핑된 그래핀(Graphene)인 것이 바람직하다. 게이트 전극(24)은 1~10nm(예를 들어, 약 5nm)의 두께로 형성될 수 있으며, P-type불순물의 농도를 다르게 한 복수의 그래핀층을 포함할 수 있다.
그래핀이란 탄소 원자로 구성된 하나의 층(단원자층)으로 이루어지며 sp2 혼성 궤도로 인한 육각망면을 갖는 2차원 박막으로써, 그래핀 내부에서는 전자가 유효 질량이 없는 것처럼 이동하여 상온에서도 100,000cm2/V.s를 넘는 매우 높은 전자 이동도를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, 그래핀은 2차원적 형태를 갖기 때문에 둥근 기둥 형태의 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)와는 달리 현재 사용되는 실리콘 공정 기술(CMOS technology)을 활용하여 제조가 가능하다는 장점을 가지고 있다.
메탈 전극(25)은 그래핀으로 형성된 게이트전극(24)의 캡핑(capping) 전극으로 이루어지며 컨택 저항을 낮추고 게이트 전극(24)에 안정적인 전압신호(voltage signal)을 인가하기 위한 것으로, 예를 들어, 그래핀과 접착력이 우수한, 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 플래티늄(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 납(Pd), 실리콘(Si), 텅스텐(W) 또는 이들의 조합으로 형성되고, 3 내지 200nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 메탈 전극(25)은 게이트전극(24)의 영역 전체 위에 적층될 수도 있지만, 경우에 따라서는 게이트전극(24)의 중앙 부분의 일부(예를 들어, 영역 전체의 1/2, 1/3, 1/4 등) 위에만 적층될 수도 있다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 소거 동작시 에너지 밴드 다이어그램을 나타내며, 특히 p-type으로 도핑된 그래핀을 구비하는 경우를 나타낸다. P-type으로 도핑된 그래핀은 5.7eV 이상의 매우 큰 일함수를 가진다. 따라서, 그래핀을 포함하는 게이트전극(24)을 형성하는 경우, 소거 동작시 게이트 전극(24)으로부터 전하차단막(23)으로 주입되는 터널링 전류를 낮추어(실선 화살표 참조) 소거 동작을 효율적으로 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 종래의 TaN 전극에 비해 작은 소거 전압을 이용하더라도 소거포화(erase saturation) 현상 없이 효율적인 소거 동작을 수행할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자의 프로그램 동작이 수행된 후 전하 보유 상태의 에너지 밴드 다이어그램을 나타내며, 특히, 높은 일함수를 갖는 그래핀으로 형성된 게이트 전극(24)을 구비하는 경우를 나타낸다. 높은 일함수를 갖는 그래핀 게이트 전극(24)을 사용하면 페르미 레벨 정렬(Fermi level alignemnt)에 의하여 게이트 전극(24)과 인접한 영역의 전하차단막(23)의 에너지 준위가 높아지게 된다. 따라서 전하차단막(23)내에 걸리는 전계 강도는 줄어들고 전하트랩막 또는 전하저장막(22)에 트랩/저장된 전자들이 전하차단막(23)을 거쳐서 나가는 터널링 거리(tunneling distance) 역시 길어지므로 전하저장막(22) 내에 주입된 전하가 게이트전극(24)으로 방출되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으며, 이를 통해, 메모리 소자의 데이터 보유 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 그래핀으로 형성된 게이트전극(24)의 경우 일반적인 메탈(TaN) 게이트 전극에 비하여 전하차단막 내에 형성시키는 결함의 수를 현저하게 줄여서 이를 통해 빠져나가는 trap-assisted 터널링 전류(trap-assisted tunneling current)의 양을 낮춤으로써 쓰기 동작 속도와 데이터 보유 특성을 더욱 향상시키게 된다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 누설 전류 특성을 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 그래핀으로 이루어지는 게이트전극(24)을 포함하는 경우, 종래의 TaN 게이트 전극에 비해 동작전압범위(-16V 내지 -22 V)에서 102 내지 103 배 낮은 누설전류 특성을 보여주며 항복전압 또한 증가된 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 VFB(flat band 전압) 동작 특성을 나타내는 그래프이다. 좌측과 우측 그래프는 프로그램과 소거특성을 각각 나타낸다. 그래핀으로 이루어지는 게이트전극(24)을 형성하는 경우, 종래의 TaN 전극으로 이루어지는 게이트전극을 이용하는 경우보다 프로그램/소거 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 그래프를 통해, 종래의 TaN 전극으로 이루어지는 게이트전극의 경우에는 높은 소거 전압에서 소거가 이루어지지 않는 반면에, 그래핀으로 이루어지는 게이트전극을 형성하는 경우에는 소거 포화 현상없이 넓은 소거 윈도우 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 비휘발성 메모리 소자(100)의 데이터 보유 특성을 나타내는 그래프이다. 그래프를 통해, 그래핀으로 이루어지는 게이트전극(24)을 형성하는 경우, 종래의 TaN 전극으로 이루어지는 게이트전극의 경우 보다 긴 시간 동안 높은 VFB 가 유지되고 데이터 보유 특성이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 데이터 저장소로서 전하트랩막을 포함하는 전하트랩형 비휘발성 메모리 소자뿐만 아니라, 데이터(전하) 저장소로서 전하저장막(22) 대신 플로팅 게이트 전극으로 대체한 플로팅 게이트형 비휘발성 메모리 소자에도 적용 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
기판(20)
소스/드레인(S/D) (전극)
터널절연막(21)
전하트랩막 또는 전하저장막(22)
전하차단막(23)
게이트 전극(24)
메탈 전극(25)
소스/드레인(S/D) (전극)
터널절연막(21)
전하트랩막 또는 전하저장막(22)
전하차단막(23)
게이트 전극(24)
메탈 전극(25)
Claims (15)
- 기판에 형성된 소스와 드레인 사이의 채널 영역 위로 순차 적층된,
전하의 터널링을 위한 터널절연막,
데이터저장막,
전하차단막,
그래핀으로 이루어진 게이트 전극, 및
캡핑(capping)을 위한 메탈 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 그래핀으로 이루어진 상기 게이트 전극에 의해,
소거 동작 시 상기 게이트 전극으로부터 상기 데이터저장막으로 주입되는 터널링 전류를 낮추며,
프로그램 동작 시 상기 데이터저장막에 주입된 전하의 상기 게이트 전극으로 방출을 방지하여 데이터 보유 특성을 향상시키기 위한 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 게이트전극은 P-type으로 도핑된 그래핀으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 게이트전극은 1 내지 10nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 메탈 전극은 상기 게이트전극의 영역 전체 위에 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 메탈 전극은 상기 게이트전극의 중앙 부분의 일부 위에 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 메탈 전극은 3 내지 200nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 메탈 전극은 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 플래티늄(Pt), 금(Au), 구리(Cu), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 납(Pd), 실리콘(Si), 텅스텐(W) 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전하차단막은 SiO2막, Al2O3막, 또는 이들의 조합으로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전하차단막은 6 내지 15nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 데이터저장막은 깊은 준위 트랩 사이트(deep level trap site)에 전하를 트랩시키기 위한 Si3N4막으로 형성된 전하트랩막인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 데이터저장막은 전도성 밴드(conduction band) 내에 전하를 저장하기 위한 폴리실리콘막으로 형성된 전하저장막인 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 데이터저장막은 1 내지 10nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 터널절연막은 SiO2막으로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자. - 제1항에 있어서,
상기 터널절연막은 1 내지 10nm의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8969154B2 (en) * | 2011-08-23 | 2015-03-03 | Micron Technology, Inc. | Methods for fabricating semiconductor device structures and arrays of vertical transistor devices |
| US8815739B2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-08-26 | Globalfoundries Inc. | FinFET device with a graphene gate electrode and methods of forming same |
| US8963265B1 (en) * | 2012-09-14 | 2015-02-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Graphene based quantum detector device |
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| KR101525419B1 (ko) * | 2014-02-27 | 2015-06-09 | 충남대학교산학협력단 | 음의 고정 산화막 전하 밀도 제어를 위한 다층 산화막 및 그 제조 방법 그리고 이를 이용한 반도체 소자 및 그 제조 방법 |
| RU2584728C1 (ru) * | 2015-04-22 | 2016-05-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Флэш элемент памяти электрически перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства |
| TWI539043B (zh) | 2015-07-21 | 2016-06-21 | 財團法人工業技術研究院 | 石墨烯花的形成方法 |
| US11309214B2 (en) * | 2020-08-11 | 2022-04-19 | Nanya Technology Corporation | Semiconductor device with graphene-based element and method for fabricating the same |
| US20220029095A1 (en) * | 2021-03-04 | 2022-01-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Vertical variable resistance memory devices |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090127172A (ko) * | 2007-03-23 | 2009-12-09 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 반도체장치 및 그 제작 방법 |
| KR20100012633A (ko) * | 2008-07-29 | 2010-02-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100578131B1 (ko) * | 2003-10-28 | 2006-05-10 | 삼성전자주식회사 | 비휘발성 기억 소자 및 그 형성 방법 |
| DE102005008321B4 (de) * | 2005-02-23 | 2008-09-25 | Qimonda Ag | Mittels Feldeffekt steuerbares Halbleiterspeicherelement mit verbessertem Einfangdielektrikum |
| KR100690911B1 (ko) * | 2005-07-18 | 2007-03-09 | 삼성전자주식회사 | 2비트 메모리 셀을 포함하는 비휘발성 반도체 집적 회로장치 및 그 제조 방법 |
| JP5235486B2 (ja) * | 2008-05-07 | 2013-07-10 | パナソニック株式会社 | 半導体装置 |
| US7858989B2 (en) * | 2008-08-29 | 2010-12-28 | Globalfoundries Inc. | Device and process of forming device with device structure formed in trench and graphene layer formed thereover |
| US8409957B2 (en) * | 2011-01-19 | 2013-04-02 | International Business Machines Corporation | Graphene devices and silicon field effect transistors in 3D hybrid integrated circuits |
-
2011
- 2011-05-04 KR KR1020110042508A patent/KR101244768B1/ko active IP Right Grant
-
2012
- 2012-01-03 US US13/342,282 patent/US8638614B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090127172A (ko) * | 2007-03-23 | 2009-12-09 | 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 | 반도체장치 및 그 제작 방법 |
| KR20100012633A (ko) * | 2008-07-29 | 2010-02-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | 비휘발성 메모리 소자 및 그 제조 방법 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10141407B2 (en) | 2013-10-07 | 2018-11-27 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Graphene device and method of manufacturing the same |
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| Publication number | Publication date |
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