KR101926862B1 - Variable resistor and resistance type memory device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 저항체 및 저항형 메모리 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저항형 메모리 소자는, 제 1 배선들 및 상기 제 1 배선들과 교차되도록 연장된 제 2 배선들의 교차점에 각각 배치되는 복수의 메모리 셀들의 어레이를 포함하는 저항형 메모리 소자이며, 상기 복수의 메모리 셀들 각각은, 애노드 전극; 상기 애노드 전극 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체층; 상기 제 1 유전체층 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율보다 작은 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체층; 상기 제 2 유전체층 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하고, 각 메모리 셀에 전압 신호를 인가하여 유도되는 전하 트랩층의 트랩 전하의 크기에 의한 상기 메모리 셀의 저항 값에 비트 정보를 할당한다.The present invention relates to a variable resistance body and a resistive memory element. A resistive memory device according to an embodiment of the present invention includes a resistive memory including an array of a plurality of memory cells arranged at intersections of first wirings and second wirings extending to intersect with the first wirings, Wherein each of the plurality of memory cells comprises: an anode electrode; A first dielectric layer formed on the anode electrode, the first dielectric layer having the first dielectric constant; A second dielectric layer formed on the first dielectric layer, the second dielectric layer having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant; A cathode electrode formed on the second dielectric layer; And a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer, wherein bit information is added to a resistance value of the memory cell based on a magnitude of a trap charge of a charge trap layer induced by applying a voltage signal to each memory cell .

Description

가변 저항체 및 저항형 메모리 소자{Variable resistor and resistance type memory device}[0001] The present invention relates to a variable resistor and a resistive memory device,

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가변 저항체 및 저항형 메모리 소자에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a variable resistor and a resistive memory device.

최근, 디지털 카메라, MP3 플레이어, PDA(personal digital assistants) 및 휴대폰과 같은 휴대용 디지털 응용 기기들의 수요가 증가하면서 가변 저항 메모리 시장은 급속도로 팽창하고 있다. 프로그래밍 가능한 가변 저항 메모리 소자로서, 플래시 메모리가 대표적이다. 플래시 메모리 소자는 고집적, 고신뢰성 및 저소모 전력이 가능한 단일 트랜지스터 메모리 셀을 이용한다. 일반적으로, 상기 단일 트랜지스터 메모리 셀은 부유 게이트를 갖는 전계 효과 트랜지스터이다. Recently, the demand for portable digital applications such as digital cameras, MP3 players, personal digital assistants (PDAs), and mobile phones has increased, and the variable resistance memory market is rapidly expanding. As a programmable variable resistance memory element, a flash memory is typical. Flash memory devices use a single transistor memory cell that is highly integrated, highly reliable, and low in power consumption. Typically, the single transistor memory cell is a field effect transistor with a floating gate.

이러한 부유 게이트를 갖는 플래시 메모리 소자의 단점으로서, 상기 부유 게이트에 전하를 저장하는 기록 시간이 길며, 게이트 절연막에 고전계가 인가되어 신뢰성을 감소시키고 게이트 절연막의 절연 파괴에 따른 짧은 수명이 열거될 수 있다.
As a disadvantage of the flash memory device having such a floating gate, there is a long recording time for storing a charge in the floating gate, and a high electric field is applied to the gate insulating film to reduce the reliability and short life due to dielectric breakdown of the gate insulating film .

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 컨턱턴스의 조절이 용이한 가변 저항체를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a variable resistor which can easily adjust the conductance.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 고집적화를 달성하면서도 플래시 메모리에 비하여 프로그래밍 속도가 향상되고, 신뢰성과 수명이 향상된 저항형 메모리 소자를 제공하는 것이다.
Another object of the present invention is to provide a resistive memory device which achieves high integration while improving programming speed compared to a flash memory, and improving reliability and lifetime.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 애노드 전극; 상기 애노드 전극 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체층; 상기 제 1 유전체층 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율보다 작은 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체층; 상기 제 2 유전체층 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하는 가변 저항체가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided an organic light emitting display comprising: an anode; A first dielectric layer formed on the anode electrode, the first dielectric layer having the first dielectric constant; A second dielectric layer formed on the first dielectric layer, the second dielectric layer having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant; A cathode electrode formed on the second dielectric layer; And a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer.

일 실시예에서, 상기 제 1 유전체층과 상기 애노드 전극 사이의 전위 장벽은 상기 제 2 유전체층과 상기 캐소드 전극 사이의 전위 장벽보다 더 클 수 있다. 또한, 상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 제 2 유전체층의 두께보다 두꺼울 수 있다.In one embodiment, the potential barrier between the first dielectric layer and the anode electrode may be greater than the potential barrier between the second dielectric layer and the cathode electrode. The thickness of the first dielectric layer may be greater than the thickness of the second dielectric layer.

상기 전하 트랩층은 상기 제 1 유전체층 및 상기 제 2 유전체층의 계면층 자체일 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩층은 플라즈마 손상층, 반응성 가스 분위기의 열처리에 의해 형성된 결함 표면층 및 불순물 도핑층 중 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩층은 나노 도트 및 나노 시트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩층은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 및 반도체층 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
The charge trap layer may be the interface layer itself of the first dielectric layer and the second dielectric layer. In another embodiment, the charge trap layer may comprise a plasma damage layer, a defect surface layer formed by heat treatment of the reactive gas atmosphere, and / or an impurity doped layer, or a combination of two or more thereof. In yet another embodiment, the charge trap layer may comprise any of nano-dots and nanosheets or a combination thereof. In yet another embodiment, the charge trap layer may comprise any one or combination of metal, metal oxide, metal nitride, and semiconductor layers.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 배선들 및 상기 제 1 배선들과 교차되도록 연장된 제 2 배선들의 교차점에 각각 배치되는 복수의 메모리 셀들의 어레이를 포함하는 저항형 메모리 소자가 제공된다. 상기 저항형 메모리 소자는, 상기 복수의 메모리 셀들 각각은, 애노드 전극; 상기 애노드 전극 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체층; 상기 제 1 유전체층 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율보다 작은 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체층; 상기 제 2 유전체층 상에 형성된 캐소드 전극; 및 상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하고, 각 메모리 셀에 전압 신호를 인가하여 유도되는 전하 트랩층의 트랩 전하의 크기에 의한 상기 메모리 셀의 저항 값에 비트 정보를 할당한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device including an array of a plurality of memory cells arranged at intersections of first wirings and second wirings extending to intersect with the first wirings, A resistive memory element is provided. Wherein each of the plurality of memory cells comprises: an anode electrode; A first dielectric layer formed on the anode electrode, the first dielectric layer having the first dielectric constant; A second dielectric layer formed on the first dielectric layer, the second dielectric layer having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant; A cathode electrode formed on the second dielectric layer; And a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer, wherein bit information is added to a resistance value of the memory cell based on a magnitude of a trap charge of a charge trap layer induced by applying a voltage signal to each memory cell .

일부 실시예에서, 상기 제 1 유전체층과 상기 애노드 전극 사이의 전위 장벽은 상기 제 2 유전체층과 상기 캐소드 전극 사이의 전위 장벽보다 더 클 수 있다. 또한, 상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 제 2 유전체층의 두께보다 두꺼울 수 있다.In some embodiments, the potential barrier between the first dielectric layer and the anode electrode may be greater than the potential barrier between the second dielectric layer and the cathode electrode. The thickness of the first dielectric layer may be greater than the thickness of the second dielectric layer.

상기 전하 트랩층은 상기 제 1 유전체층 및 상기 제 2 유전체층의 계면층 자체일 수 있다. 상기 전하 트랩층은 플라즈마 손상층, 반응성 가스 분위기의 열처리에 의해 형성된 결함 표면층 및 불순물 도핑층 중 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩층은 나노 도트 및 나노 시트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 전하 트랩층은 금속 산화물, 금속 질화물 및 반도체층 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The charge trap layer may be the interface layer itself of the first dielectric layer and the second dielectric layer. The charge trap layer may include any one of a plasma damage layer, a defect surface layer formed by heat treatment of a reactive gas atmosphere, and an impurity doped layer or a combination of two or more thereof. In another embodiment, the charge trap layer may comprise either nano-dots or nanosheets, or a combination thereof. In yet another embodiment, the charge trap layer may comprise any one or combination of metal oxide, metal nitride, and semiconductor layers.

상기 제 1 및 제 2 유전체층들 중 적어도 어느 하나는, SiO2. Si3N4, Al2O3, Ta2O5, HfO2, TiO2, Y2O3, La2O3, ZrO2, SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Hf,Zr)O2, (Ba,Sr)TiO3, SrBi2Ta2O9, KxWO3 및 Bi4Ti3O12 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극들 중 적어도 어느 하나는 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 이들 금속의 도전성 질화물 및 이들 금속의 도전성 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Wherein at least one of the first and second dielectric layers is SiO 2 . Si 3 N 4, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, HfO 2, TiO 2, Y 2 O 3, La 2 O 3, ZrO 2, SrTiO 3, BaTiO 3, PbTiO 3, Pb (Zr, Ti) O 3 , (Hf, Zr) O 2 , (Ba, Sr) TiO 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , KxWO 3 and Bi 4 Ti 3 O 12 Or the like. Wherein at least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed of at least one of platinum (Pt), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir) ), Tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag) A conductive nitride of a metal, and a conductive oxide of these metals, or a combination thereof.

상기 제 1 배선 및 제 2 배선 중 어느 하나는 워드 라인이고, 다른 하나는 비트 라인일 수 있다.
Either the first wiring or the second wiring may be a word line and the other may be a bit line.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 다른 유전 상수를 갖는 유전체층의 적층 구조에 의해 셀프 정류 특성을 가지면서도 전하 트랩층에 트랩된 전하의 크기 및/종류에 따라 저항 값이 변할 수 있는 가변 저항체가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a variable resistance body having a self-rectifying property by a lamination structure of dielectric layers having different dielectric constants and a resistance value varying according to the size and / or the type of charge trapped in the charge trap layer Can be provided.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 유전 상수를 갖는 상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하는 메모리 셀에 의해 별도의 스티어링 소자가 없이도 셀프 정류 특성을 가져 고집적화가 가능할 뿐만 아니라, 상기 전하 트랩층의 트랩 전하의 크기에 의한 상기 메모리 셀의 저항 값에 의해 비휘발성을 갖는 저항형 메모리 소자가 제공될 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, a memory cell including a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer having different dielectric constants has a self-rectifying characteristic without a separate steering element, And a resistive memory element having nonvolatility can be provided by the resistance value of the memory cell due to the size of the trap charge of the charge trap layer.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항형 메모리 소자의 복수의 메모리 셀들을 도시하는 단면도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 메모리 셀의 등가 회로도이며, 도 1c는 메모리 셀의 에너지 밴드 다이아그램이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀의 정류 특성을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이아그램이며, 도 2c는 전하가 트랩된 경우의 저항 변화를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이아그램이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀의 구동에 관한 전압과 전류의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 소자를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 소자를 도시하는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예들에 따른 저항형 메모리 소자들을 포함하는 전자 시스템을 도시하는 블록도이다.
FIG. 1A is an equivalent circuit diagram of a memory cell shown in FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view illustrating a memory cell according to an embodiment of the present invention. Grams.
FIGS. 2A and 2B are energy band diagrams for explaining the rectifying characteristics of a memory cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2C is an energy band diagram for explaining a resistance change when charges are trapped.
FIGS. 3A and 3B are graphs showing the relationship between voltage and current for driving a memory cell according to an embodiment of the present invention. FIG.
4 is a cross-sectional view illustrating a memory device according to another embodiment of the present invention.
5 is a block diagram illustrating a memory device according to one embodiment of the present invention.
Figure 6 is a block diagram illustrating an electronic system including resistive memory elements in accordance with one embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are described in order to more fully explain the present invention to those skilled in the art, and the following embodiments may be modified into various other forms, It is not limited to the embodiment. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be more faithful and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Like numbers refer to like elements in the drawings. Also, as used herein, the term " and / or " includes any and all combinations of any of the listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used herein are used to illustrate the embodiments and are not intended to limit the scope of the invention. Also, although described in the singular, unless the context clearly indicates a singular form, the singular forms may include plural forms. Also, the terms "comprise" and / or "comprising" used herein should be interpreted as referring to the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements and / And does not exclude the presence or addition of other features, numbers, operations, elements, elements, and / or groups.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다. Reference herein to a layer formed " on " a substrate or other layer refers to a layer formed directly on top of the substrate or other layer, or may be formed on intermediate or intermediate layers formed on the substrate or other layer Layer. ≪ / RTI > It will also be appreciated by those skilled in the art that structures or shapes that are " adjacent " to other features may have portions that overlap or are disposed below the adjacent features.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.As used herein, the terms "below," "above," "upper," "lower," "horizontal," or " May be used to describe the relationship of one constituent member, layer or regions with other constituent members, layers or regions, as shown in the Figures. It is to be understood that these terms encompass not only the directions indicated in the Figures but also the other directions of the devices.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically illustrating ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these figures, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of explanation, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, embodiments of the present invention should not be construed as limited to any particular shape of the regions shown herein. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

본 명세서에서 기판이란 용어는, 실리콘, 실리콘-온-절연체(SOI) 또는 실리콘-온-사파이어(SOS)와 같은 기저 구조체 또는 반도체가 아닌 다른 기저 구조체 상에 형성된 반도체 층, 도핑되거나 도핑되지 않은 반도체층 및 변형된 반도체 층일 수 있다. 또한, 상기 기저 구조체 및 반도체는 실리콘계 재료에 한정되지 않으며, 실리콘-게르마늄, 게르마늄 및 갈륨-비소계 화합물 재료와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 재료, ZnS, ZnSe, 및 CdSe과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 재료, 혼합 반도체 재료, ZnO, MgO, MO2와 같은 산화물 반도체 재료, 탄소 나노 결정과 같은 나노 스케일 재료 또는 이들의 복합 재료를 포함할 수 있다. As used herein, the term substrate refers to a semiconductor layer formed on a base structure such as silicon, silicon-on-insulator (SOI) or silicon-on-sapphire (SOS) or other underlying structure, a doped or undoped semiconductor Layer and a strained semiconductor layer. The base structure and the semiconductor are not limited to a silicon-based material but may be a III-V semiconductor material such as a silicon-germanium, a germanium and a gallium-gallium-based compound material, a II-VI semiconductor material such as ZnS, ZnSe, and CdSe , Mixed semiconductor materials, oxide semiconductor materials such as ZnO, MgO, MO 2 , nanoscale materials such as carbon nanocrystals, or composite materials thereof.

다른 실시예에서, 기판은 플렉시블 메모리 소자를 구현하기 위해 가요성을 가질 수 있으며, 이 경우, 기판은 수지계 재료로 형성될 수도 있다. 상기 수지계 재료는, 예를 들면, 각종 셀룰로오스계 수지; 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate; PET) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN)과 같은 폴리에스테르 수지; 폴리에틸렌 수지; 염화 폴리비닐 수지; 폴리카보네이트(PC); 폴리에테리 술폰(PES); 폴리에테르 에테르케톤(PEEK); 및 황화 폴리페닐렌(PPS) 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 이들 재료들은 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
In another embodiment, the substrate may be flexible to implement a flexible memory device, in which case the substrate may be formed of a resin-based material. The resin-based material may be, for example, various cellulose-based resins; Polyester resins such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN); Polyethylene resin; Polyvinyl chloride resin; Polycarbonate (PC); Polyethersulfone (PES); Polyetheretherketone (PEEK); And polyphenylene sulfide (PPS), or a combination thereof. These materials are merely illustrative, and the present invention is not limited thereto.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 저항형 메모리 소자(100)의 복수의 메모리 셀들(MC1, MC2; MCn)을 도시하는 단면도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 메모리 셀(MCn)의 등가 회로도이며, 도 1c는 메모리 셀(MCn)의 에너지 밴드 다이아그램이다. 상기 에너지 밴드 다이아그램은 메모리 셀(MCn) 내에 전하가 존재하지 않는 경우로서 애노드 전극(AE)과 캐소드 전극(CE)의 일함수의 차이를 무시하고, 메모리 셀(MCn)의 양단에 바이어스가 인가하지 않은 경우인 메모리 셀(MCn)의 플랫 밴드를 도시한다. 에너지 밴드 다이아그램 좌표축의 X는 거리를 가리키며, y는 에너지 레벨을 가리킨다.1A is a cross-sectional view showing a plurality of memory cells MC1, MC2, MCn of a resistive memory device 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of a memory cell MCn shown in FIG. 1C is an energy band diagram of the memory cell MCn. The energy band diagram ignores the difference in work function between the anode electrode AE and the cathode electrode CE in the case where no charge is present in the memory cell MCn and a bias is applied to both ends of the memory cell MCn And shows the flat band of the memory cell MCn in the case where it is not. Energy band Diagram X of the coordinate axis indicates the distance, and y indicates the energy level.

도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 메모리 셀(MC1, MC2)은 애노드 전극(AE), 애노드 전극(AE) 상의 제 1 유전체층(DE1), 제 1 유전체층(DE1) 상의 제 2 유전체층(DE2), 제 2 유전체층(DE2) 상의 캐소드 전극(CE) 및 제 1 유전체층(DE1)과 제 2 유전체층(DE2) 사이의 전하 트랩층(CL)을 포함한다. 일부 실시예에서, 애노드 전극(AE)은 워드 라인(WL)에 전기적으로 연결되고, 캐소드 전극(CE)은 비트 라인(BL)에 전기적으로 연결될 수 있다. 워드 라인(WL)은 비트 라인(BL)과 상호 호환될 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.1A, the memory cells MC1 and MC2 according to one embodiment include an anode electrode AE, a first dielectric layer DE1 on the anode electrode AE, a second dielectric layer DE2 on the first dielectric layer DE1, A cathode electrode CE on the second dielectric layer DE2 and a charge trap layer CL between the first dielectric layer DE1 and the second dielectric layer DE2. In some embodiments, the anode electrode AE may be electrically connected to the word line WL, and the cathode electrode CE may be electrically connected to the bit line BL. The word line WL may be inter-compatible with the bit line BL, and the present invention is not limited thereto.

서로 이격된 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL)은 각각 y 방향(지면에 수직한 방향)과 x 방향으로 연장되어 교차점들을 정의할 수 있고, 교차점들에 각각 메모리 셀(MC1, MC2)이 제공되어, 4F2의 아웃풋을 갖는 크로스 포인트 어레이 구조를 달성할 수 있다. 도 1a에 도시된 실시예에서는, 애노드 전극(AE), 제 1 유전체층(DE1), 전하 트랩층(CL) 및 제 2 유전체층(DE2) 및 캐소드 전극(CE)이 기판(10)에 대하여 수직한 z 방향으로 적층된 것을 개시하고 있지만, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL) 중 어느 하나는 기판(10) 상에서 라인 패턴이 아닌 평면 구조를 갖거나, 공간 상에서 3차원적으로 배열되고, 이들 라인의 적어도 일부 상에 애노드 전극(AE), 제 1 유전체층(DE1), 전하 트랩층(CL), 제 2 유전체층(DE2) 및 캐소드 전극(CE)이 순차대로 또는 역순으로 적층되어 메모리 셀이 제공될 수도 있다. The word lines WL and bit lines BL spaced apart from each other can extend in the y direction (direction perpendicular to the paper) and in the x direction to define intersections, and memory cells MC1 and MC2 Thereby achieving a cross point array structure having an output of 4F2. 1A, the anode electrode AE, the first dielectric layer DE1, the charge trap layer CL, the second dielectric layer DE2, and the cathode electrode CE are perpendicular to the substrate 10 z direction. However, the present invention is not limited thereto. For example, either the word line WL or the bit line BL may have a planar structure other than a line pattern on the substrate 10, or three-dimensionally arranged in space, and may be formed on at least a part of these lines The memory cell may be provided by stacking the anode electrode AE, the first dielectric layer DE1, the charge trap layer CL, the second dielectric layer DE2, and the cathode electrode CE in sequence or in reverse order.

기판(10) 상에 형성된 워드 라인(WLn)은 알루미늄, 구리, 이의 합금 또는 전도성 금속 산화물과 같은 금속을 포함하는 금속 배선 패턴층, 또는 불순물 주입 공정을 통하여 형성된 n형 또는 p형 고농도 불순물층일 수 있다. 상기 금속 패턴 배선층은 기판(10) 상에 적합한 금속막을 형성하고 포토리소그래피 및 식각 공정에 의해 형성되거나, 다마신(damacine) 또는 듀얼 다마신 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 고농도 불순물층은, 기판(10)의 메모리 셀 어레이 영역의 활성 영역에 n형 또는 p형 불순물을 주입하여 형성될 수 있다.The word line WLn formed on the substrate 10 may be a metal wiring pattern layer containing a metal such as aluminum, copper, an alloy thereof or a conductive metal oxide, or an n-type or p-type high concentration impurity layer formed through an impurity implantation process have. The metal pattern interconnection layer may be formed by a photolithography and etching process, forming a suitable metal film on the substrate 10, or may be formed by a damascene or dual damascene process. The high concentration impurity layer may be formed by implanting n-type or p-type impurity into the active region of the memory cell array region of the substrate 10. [

워드 라인(WLn) 상에 순차대로 애노드 전극층(AE), 제 1 유전체층(DE1), 전하 트랩층(CL), 제 2 유전체층(DE2) 및 캐소드 층(CE)을 형성하고, 이를 패터닝하여 컬럼 구조의 메모리 셀들(MC1, MC2)을 제조할 수 있다. 이후, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같은 절연막을 기판(10) 상에 형성하고, 평탄화 공정을 수행함으로써 층간 절연막(ID)을 제조할 수 있다. The anode electrode layer AE, the first dielectric layer DE1, the charge trap layer CL, the second dielectric layer DE2 and the cathode layer CE are sequentially formed on the word line WLn and patterned to form a columnar structure Of the memory cells MC1 and MC2 can be manufactured. Thereafter, an interlayer insulating film (ID) can be manufactured by forming an insulating film such as silicon oxide or silicon nitride on the substrate 10 and performing a planarization process.

층간 절연막(ID) 상에 비트 라인(BL)이 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL)은 전극들(AE, CE)과 별개의 구성으로 도시되어 있지만, 이들은 동일한 금속으로 일체로 형성되거나, 이들 사이에 확산 장벽층 또는 쇼트키 베리어층을 위한 다른 금속층이 더 형성될 수도 있다.The bit line BL may be formed on the interlayer insulating film ID. Although the word line WL and the bit line BL are shown as separate structures from the electrodes AE and CE in the illustrated embodiment, they may be integrally formed of the same metal, or a diffusion barrier layer Other metal layers for the Schottky barrier layer may also be formed.

도 1a의 메모리 셀(MC1, MC2)은 도 1b에 도시된 바와 같이, 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL) 사이에 직렬 연결된 다이오드 성분(DI)과 가변 저항 성분(Rw)으로 나타내질 수 있다. 다이오드 성분(DI)은 인접하는 메모리 셀들 중선택된 셀로의 액세스를 가능하게 하는 전류 스티어링 소자로서 역할을 하며, 가변 저항 성분(Rw)은 메모리 셀(MCn)이 비휘발성 특성을 갖도록 한다. 이러한 특징과 이점에 관하여는 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 후술하도록 한다.The memory cells MC1 and MC2 of FIG. 1A can be represented by a diode component DI and a variable resistance component Rw connected in series between the word line WL and the bit line BL have. The diode component DI serves as a current steering element to enable access to selected ones of the adjacent memory cells and the variable resistance component Rw allows the memory cells MCn to have non-volatile characteristics. These features and advantages will be described later with reference to Figs. 2A to 2C.

도 1c를 참조하면, 워드 라인(WL)으로부터 비트 라인(BL)으로의 전류 경로 상에, 워드 라인(WL) 측에 애노드 전극(AE)가 배치되고 비트 라인(BL) 측에 캐소드 전극(CE)이 배치되는 경우, 제 1 유전체층(DE1)의 유전 상수는 제 2 유전체층(DE2)의 유전 상수보다 큰 재료로부터 선택될 수 있다. 1C, an anode electrode AE is arranged on the word line WL side and a cathode electrode CE is arranged on the bit line BL side in the current path from the word line WL to the bit line BL. ) Is disposed, the dielectric constant of the first dielectric layer DE1 may be selected from a material larger than the dielectric constant of the second dielectric layer DE2.

제 1 유전체층(DE1)과 제 2 유전체층(DE2)로서, 표 1에 열거된 유전체들로부터 선택된 적합한 유전체가 사용될 수 있다. 이들 유전체들 중 SiO2 보다 큰 유전 상수를 갖는 유전체들을 특히 high-k 유전체라고 하며, 열거된 유전체들은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 다른 공지의 유전체가 사용될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 유전체층(DE1) 및 제 2 유전체층(DE2)으로서, SrTiO3, PbTiO3, (Hf,Zr)O2, Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3, SrBi2Ta2O9, KxWO3 및 Bi4Ti3O12와 같은 페로브스카이트(perovskite) 재료가 사용될 수도 있다.As the first dielectric layer DE1 and the second dielectric layer DE2, a suitable dielectric selected from the dielectrics listed in Table 1 may be used. Among these dielectrics, dielectrics having a dielectric constant larger than SiO 2 are referred to as high-k dielectrics in particular, and the listed dielectrics are only exemplary and the present invention is not limited thereto, and other known dielectrics may be used. For example, a first dielectric layer (DE1) and a second dielectric layer (DE2), SrTiO 3, PbTiO 3, (Hf, Zr) O 2, Pb (Zr, Ti) O 3, BaTiO 3, SrBi 2 Ta 2 O 9 , K x WO 3, and Bi 4 Ti 3 O 12 may be used as the perovskite material.

유전체층Dielectric layer 유전 상수(k)Dielectric constant (k) 밴드 갭 Eg(EV))Band gap Eg (EV)) SiO2 SiO 2 3.93.9 8.98.9 Si3N4 Si 3 N 4 77 5.15.1 Al2O3 Al 2 O 3 9.19.1 8.68.6 Ta2O5 Ta 2 O 5 2626 4.54.5 HfO2 HfO 2 2525 5.75.7 TiO2 TiO 2 8080 3.53.5 Y2O3 Y 2 O 3 1515 5.55.5 La2O3 La 2 O 3 3030 4.24.2 (Ba, Sr)TiO3 (Ba, Sr) TiO 3 300300 3.53.5

표 1에 열거된 바와 같이, 유전체층(DE1, DE2)의 유전 상수 및 밴드 갭은 이들 재료 고유의 물성 값이지만, 실제 메모리 셀에 적용시, 전하 주입 베리어의 조절을 위해 이들은 조절될 수 있다. 예를 들면, 열거된 유전체층의 호스트 매트릭스에 다른 원소를 도핑하거나 복수의 적층 구조를 사용하여 이들 물성 값의 조절이 가능하다. 이들 유전체층들은 화학기상증착, 원자층증착, 증발법 또는 스퍼터링에 의해 형성되거나, 다른 공지의 화학, 물리 기상 증착, 또는 플라즈마 강화 기상 증착에 의해 형성될 수도 있다.As listed in Table 1, dielectric constants and band gaps of the dielectric layers DE1 and DE2 are property values inherent to these materials, but when applied to real memory cells, they can be adjusted for control of the charge injection barrier. For example, it is possible to control these physical properties by doping the host matrix of the listed dielectric layers with other elements or using a plurality of laminated structures. These dielectric layers may be formed by chemical vapor deposition, atomic layer deposition, evaporation or sputtering, or by other known chemical, physical vapor deposition, or plasma enhanced vapor deposition.

일부 실시예에서, 제 1 유전체층(DE1)의 두께는 제 2 유전체층(DE2)의 두께보다 더 두꺼울 수 있다. 이러한 두께의 차이는 후술하는 이들 유전체층들(DE1, DE2)이 갖는 정류 효과의 문턱 전압을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 제 1 유전체층(DE1)의 두께는 제 2 유전체층(DE2)의 두께와 동일하거나 이보다 작을 수도 있다. 또한, 제 1 유전체층(DE1)의 밴드 갭(Eg1)은 제 2 유전체층(DE2)의 밴드 갭(Eg2)보다 작을 수 있지만, 이는 예시적이며, 제 1 유전체층(DE1)의 밴드 갭(Eg1)은 제 2 유전체층(DE2)의 밴드 갭(Eg2)보다 클 수도 있다.In some embodiments, the thickness of the first dielectric layer DE1 may be greater than the thickness of the second dielectric layer DE2. This difference in thickness can serve to control the threshold voltage of the rectifying effect of the dielectric layers DE1 and DE2 described below. However, this is illustrative, and the thickness of the first dielectric layer DE1 may be equal to or less than the thickness of the second dielectric layer DE2. The band gap Eg1 of the first dielectric layer DE1 may be smaller than the band gap Eg2 of the second dielectric layer DE2 but this is illustrative and the band gap Eg1 of the first dielectric layer DE1 is May be larger than the band gap Eg2 of the second dielectric layer DE2.

유전체층들(DE1, DE2)은 애노드 전극(AE)과 캐소드 전극(CE)과 각각 접하여, 전하에 대한 전위 장벽(фA, фB)을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 애노드 전극(AE)과 캐소드 전극(CE)은 이들 전극이 각각 접하는 유전체층(DE1, DE2) 사이의 전위 장벽 фA, фB 이 фA > фB의 관계를 만족하도록 선택될 수 있다. 그러나, 전위 장벽 фA, фB 은 거의 차이가 나지 않거나 동등할 수도 있으며, 심지어, фA < фB 의 관계를 만족하도록 전극 재료가 선택될 수도 있다.The dielectric layers DE1 and DE2 may be in contact with the anode electrode AE and the cathode electrode CE, respectively, to provide a potential barrier for the charge (phi A , phi B ). Potential barrier between In some embodiments, the anode electrode (AE) and the cathode electrode (CE) is the electrodes are each in contact with the dielectric layer (DE1, DE2) ф A, ф B is ф A> ф be selected to satisfy the relation of B . However, the potential barrier? A ,? B may or may not be nearly the same, and even the electrode material may be selected to satisfy the relationship of? A <? B.

적합한 전극 재료로는, 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 이들 금속의 도전성 질화물 및 이들 금속의 도전성 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이들 전극 재료들은 적합한 전자 친화도(ΧA, XB)를 가진다.Suitable electrode materials include platinum (Pt), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh) iridium (Ir), ruthenium (Ru) (Mo), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), nickel (Ni), conductive nitrides of these metals, Conductive oxide, or a combination thereof. These electrode materials have suitable electron affinities (XA, XB).

유전체층들(DE1, DE2) 사이 전하 트랩층(CL)은 전극들(AE, CE), 캐소드 전극(CE)으로부터 주입되는 전자를 포획하고 방출시키는 트랩 사이트들(TS)을 포함한다. 트랩 사이트들(TS)은 전술한 바와 같이 애노드 전극(AE)으로부터 주입되는 홀을 포획하고 방출시킬 수도 있다. The charge trap layer CL between the dielectric layers DE1 and DE2 includes trapping sites TS for trapping and discharging electrons injected from the electrodes AE and CE and the cathode electrode CE. Trap sites TS may trap and emit holes injected from anode electrode AE as described above.

전하 트랩층(CL)의 트랩 사이트들(TS)은 이들 유전체층들 사이의 계면 자체에 의해 제공되거나, 의도적으로 형성된 것일 수도 있다. 예를 들면, 전하 트랩층(CL)은, 제 1 유전체층(DE1)을 형성한 후, 플라즈마 손상 또는 반응성 가스 분위기의 열처리에 의해 결함 표면층을 형성하거나, 제 1 유전체층(DE1)과 제 2 유전체층(DE2)을 적층 한 후, 이들 계면층에 불순물을 도핑하여 제공될 수도 있다. 다른 실시예에서, 전하 트랩층(CL)은 다양한 금속, 반도체 또는 이들의 조합으로 형성된 나노 도트 및 나도 시트와 같은 구조를 포함하거나, 트랩 사이트를 갖는 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 반도체층일 수도 있다. The trap sites TS of the charge trap layer CL may be provided by the interface itself between these dielectric layers, or they may be intentionally formed. For example, the charge trap layer CL may be formed by forming a first dielectric layer DE1 and then forming a defect surface layer by plasma damage or a heat treatment in a reactive gas atmosphere or by forming a first dielectric layer DE1 and a second dielectric layer DE2), and then doping these interface layers with impurities. In another embodiment, the charge trap layer CL may be a metal, metal oxide, metal nitride, or semiconductor layer having a structure such as a nano dot and a naphtha sheet formed of various metals, semiconductors or a combination thereof, or having a trap site .

또 다른 실시예로서, 제 2 유전체층(DE1)과 제 1 유전체층(DE1)의 계면 부근에 속하는 제 2 유전체층(DE2) 및 제 1 유전체층(DE1)의 표면 층에 산소 공공과 같은 결함을 인위적으로 형성하거나 불순물 도핑 또는 비도핑된 다결정질층을 형성할 수도 있다.As another embodiment, it is possible to artificially form defects such as oxygen vacancies in the surface layer of the second dielectric layer DE2 and the first dielectric layer DE1 belonging to the vicinity of the interface between the second dielectric layer DE1 and the first dielectric layer DE1 Or may form an impurity doped or undoped polycrystalline layer.

전술한 전하 트랩층(CL)의 재료들은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 전하 트랩층(CL)은 양호한 전하 리텐션 타임을 확보하도록 국지화된 트랩 사이트를 제공할 수만 있다면 나노 구조이든 벌크 구조이든 적합하다. 이러한 전하 트랩층(CL)은 인접하는 유전체층(DE1, DE2)의 두께를 적절히 선택함으로써 누설 전류에 의한 데이터 리텐션 타임 감소를 현저하게 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 트랩 레벨 및/또는 트랩 위치를 제공하여 멀티 비트 구동을 구현할 수도 있다.
The materials of the above-described charge trap layer CL are illustrative, and the present invention is not limited thereto. For example, the charge trap layer CL is suitable for nanostructures or bulk structures as long as it can provide a localized trap site to ensure good charge retention time. This charge trap layer CL not only remarkably suppresses the data retention time reduction due to the leakage current by appropriately selecting the thickness of the adjacent dielectric layers DE1 and DE2 but also prevents the trap levels and / May be provided to implement multi-bit driving.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀의 정류 특성을 설명하기 위한 에너지 밴드 다이아그램이며, 도 2c는 전하가 트랩된 경우의 저항 변화를 설명하기 위한 에너지 밴드 다이아그램이다. FIGS. 2A and 2B are energy band diagrams for explaining the rectifying characteristics of a memory cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2C is an energy band diagram for explaining a resistance change when charges are trapped.

메모리 셀(MCn)의 유전체층들(DE1, DE2)의 유전 상수 차이는 메모리 셀(MCn)에 인가되는 전압 바이어스에 의해, 이들 유전체층에 각각 인가되는 전계 차이를 유도한다. 예를 들면, 전하 트랩층(CL)에 전하가 없는 경우, 이들 유전체층(DE1, DE2) 사이에 전속 밀도가 연속하므로 식 1에 의한 경계 조건이 성립한다.The dielectric constant difference of the dielectric layers DE1 and DE2 of the memory cell MCn induces an electric field difference applied to each of these dielectric layers by a voltage bias applied to the memory cell MCn. For example, in the case where there is no charge in the charge trap layer CL, a boundary condition according to Equation 1 is established because the total flux density is continuous between the dielectric layers DE1 and DE2.

[식 1][Formula 1]

ε1·E1 = ε2·E2, (여기서, E1은 제 1 유전체에 걸리는 전계의 세기이고, E2는 제 2 유전체에 걸리는 전계의 세기임) (where E1 is the intensity of the electric field applied to the first dielectric and E2 is the electric field strength applied to the second dielectric)

식 1에 따르면, 유전체에 걸리는 전계의 세기는 유전 상수에 반비례하므로, 전술한 바와 같이, 제 1 유전체층(DE1)의 유전 상수가 제 2 유전체층(DE2)의 유전 상수보다 큰 경우, 메모리 셀(MCn)에 인가된 전압 바이어스는 제 2 유전체층(DE)에 더 큰 전계를 유도할 수 있다. 그에 따라 제 2 유전체층(DE2)의 밴드 벤딩이 제 1 유전체층(DE2)에 비해 더 심해진다. According to Equation 1, when the dielectric constant of the first dielectric layer DE1 is larger than the dielectric constant of the second dielectric layer DE2, as described above, since the intensity of the electric field applied to the dielectric is inversely proportional to the dielectric constant, ) May induce a larger electric field in the second dielectric layer DE. As a result, band bending of the second dielectric layer DE2 becomes worse than that of the first dielectric layer DE2.

도 2a를 참조하면, 메모리 셀(MCn)에 애노드 전극(AE)에서 캐소드 전극(CE) 방향으로 전압이 인가되는 경우, 즉, 정방향 바이어스가 인가되는 경우, 식 1에 나타낸 바와 같이 제 1 유전체층(DE1)보다 제 2 유전체층(DE2)에 더 큰 전계가 유도될 수 있다. 그 결과, 제 2 유전체층(DE2)에서 에너지 밴드 벤딩에 의해 터널링 거리가 현저하게 감소되어, 캐소드 전극(CE)으로부터 파울러-노드하임 터널링(Fowler-Nordheim Tunneling; 화살표 A1) 또는 어밸런치 주입(avalanche injection; 화살표 A2)과 같은 전도 기구에 의해 유전체층(DE1, DE2)을 통하여 전류가 흐르게 된다. 또한, 제 2 유전체층(DE2)에 강한 전계(E2)가 걸리므로, 제 2 유전체층(DE2)의 두께가 충분히 작은 경우, 다이렉트 터널링에 의한 전도 성분도 유도될 수 있다.2A, when a voltage is applied from the anode electrode AE to the cathode electrode CE in the memory cell MCn, that is, when a positive bias is applied, the first dielectric layer A larger electric field can be induced in the second dielectric layer DE2 than in the first dielectric layer DE1. As a result, the tunneling distance is significantly reduced by energy band bending in the second dielectric layer DE2, and Fowler-Nordheim Tunneling (arrow A1) or avalanche injection ; The arrow A2), the current flows through the dielectric layers DE1 and DE2. Further, since a strong electric field E2 is applied to the second dielectric layer DE2, conduction components by direct tunneling can also be induced when the thickness of the second dielectric layer DE2 is sufficiently small.

도 2b를 참조하면, 메모리 셀(MCn)에 캐소드 전극(CE)에서 애노드 전극(AE) 방향으로 전압이 인가되는 경우, 즉, 역방향 바이어스가 인가되는 경우, 제 1 유전체층(DE1)에는 제 2 유전체층(DE2)보다 작은 전계가 유도된다. 그 결과, 애노드 전극(CE)에서는 터널링(화살표 B1) 또는 어밸런치 주입(화살표 B2)에 의한 전도가 일어나기 어렵다. 2B, when a voltage is applied to the memory cell MCn from the cathode electrode CE toward the anode electrode AE, that is, when a reverse bias is applied, the first dielectric layer DE1 is electrically connected to the second dielectric layer DE1, An electric field smaller than the electric field DE2 is induced. As a result, conduction by tunneling (arrow B1) or avalanche injection (arrow B2) is difficult to occur in the anode electrode CE.

도 2a 및 도 2b를 참조하여 상술한 바와 같이, 유전체층의 밴딩된 에너지 밴드의 전위 장벽은 제 2 유전층(DE2)에 인가되는 큰 전계에 의해 선택적으로 극복될 수 있으므로, 정방향 바이어스가 인가되었을 때만 전류가 흐르는 셀프 정류 특성이 구현된다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 1b에 도시된 바와 같이 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL) 사이에 직렬 연결된 셀프 다이오드 성분(DI)이 구현될 수 있다. 다이오드 성분(DI)은 크로스 포인트 구조의 어레이를 갖는 메모리 셀에서 인접하는 메모리 셀들 중 선택된 셀로만 프로그래밍 또는 읽기 동작이 가능하도록 하는 전류 스티어링 소자로서 역할을 할 수 있으므로, 별도의 정류 소자나 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 대체할 수 있으므로, 경제적이면서도 집적도가 높은 메모리 소자가 달성될 수 있다.As described above with reference to Figs. 2A and 2B, the potential barrier of the bending energy band of the dielectric layer can be selectively overcome by a large electric field applied to the second dielectric layer DE2, so that only when a positive bias is applied, The self-rectifying characteristic in which the current flows is realized. Accordingly, according to the embodiment of the present invention, a self-diode component DI connected in series between the word line WL and the bit line BL as shown in FIG. 1B can be implemented. The diode component DI may serve as a current steering device that allows programming or reading operations only to selected ones of adjacent memory cells in a memory cell having an array of cross-point structures, A switching element can be substituted, so that a memory element which is economical and highly integrated can be achieved.

도 2c를 참조하면, 메모리 셀(MCn)의 전하 트랩층(CL)의 불연속적인 트랩(discrete trap)에 전하가 저장될 수 있다. 트랩 전하(TC)는 프로그래밍 동작 중에 제 2 유전체층(DE2)을 통하여 파울러 노드하임 또는 다이렉트 터널링에 의해 주입되어 트랩 사이트(IS)에 포획되어 국지화되며, 인접하는 제 1 유전체층(DE1)과 제 2 유전체층(DE2)에 의해 전기적으로 절연된다. 일부 실시예에서, 제 1 유전체층(DE1)의 유전 상수와 두께가 제 2 유전체층(DE2)에 비하여 큰 경우, 상기 터널링은 주로 제 2 유전체층(DE2)을 통하여만 일어나므로 제 1 유전체층(DE1)은 누설 전류를 방지하고, 전하 트랩층(CL)과 캐소드 전극(CE) 사이의 제 2 유전체층(DE2)을 통해서만 프로그래밍을 위한 전하의 트랩과 디트랩이 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2C, the charge can be stored in a discrete trap of the charge trap layer CL of the memory cell MCn. The trap charge TC is injected through the second dielectric layer DE2 via the Fowler node or direct tunneling during the programming operation to be trapped and localized at the trap site IS and the adjacent first dielectric layer DE1 and the second dielectric layer DE1, Lt; RTI ID = 0.0 &gt; DE2. &Lt; / RTI &gt; In some embodiments, when the dielectric constant and thickness of the first dielectric layer DE1 are larger than the second dielectric layer DE2, the tunneling occurs mainly through the second dielectric layer DE2, so that the first dielectric layer DE1 The leakage current can be prevented and the charge trap for the programming can be detrapped only through the second dielectric layer DE2 between the charge trap layer CL and the cathode electrode CE.

전술한 실시예에서는, 전자 터널링에 대하여만 개시하고 있지만, 이는 예시적이며, 정방향 구동시 제 1 유전체층(DE1)을 통한 다이렉트 터널링에 의해 홀 터널이 일어나 전하 트랩층(CL)에 트랩되거나 트랩 전하가 중성화할 수도 있다. In the above-described embodiment, only the electron tunneling is exemplified. However, this is an example. In the forward driving, a hole tunnel occurs due to the direct tunneling through the first dielectric layer DE1 and is trapped in the charge trap layer CL, May be neutralized.

전술한 바와 같이, 전하 트랩층(CL)에 트랩 전하(TC)가 존재하면, 각 유전체층들(DE1, DE2)에 걸리는 전계는 식 2 및 3과 같다.As described above, when trap charge TC is present in the charge trap layer CL, the electric field applied to each of the dielectric layers DE1 and DE2 is expressed by Equations 2 and 3.

[식 2][Formula 2]

Figure 112012034760849-pat00001
Figure 112012034760849-pat00001

[식 3][Formula 3]

Figure 112012034760849-pat00002

Figure 112012034760849-pat00002

식 2 및 3에서, ε0는 진공의 유전율이고, Vappl은 애노드 전극(AE)과 캐소드 전극(CE) 사이에 인가된 전압이며, ε1 및 ε2와 d1 및 d2는 제 1 및 2 유전체층들(DE1, DE2)의 각 유전 상수와 두께이다. In Equations 2 and 3,? 0 is the dielectric constant of vacuum, Vappl is the voltage applied between the anode electrode AE and the cathode electrode CE,? 1 and? 2 and d1 and d2 are the first and second dielectric layers DE1 , DE2), respectively.

식 2 및 3을 참조하면, 전하 트랩층(CL)에 트랩 전하가 있는 경우, 각 유전체층에 유기되는 전계 E1 및 E2는 트랩 전하가 없는 경우에 비하여 감소될 수 있다. 그 결과, 인가된 Vappl이 정방향 전압인 경우, 터널링에 의한 전류는 감소하게 된다. 이와 같이, 전하 트랩층(CL)에 트랩된 전하가 있는 경우와 없는 경우에 나타나는 애노드 전극(AE)로부터 캐소드 전극(CE)으로 흐르는 전류의 크기 차이는 저항 값의 차이로 평가될 수 있어, 전하 트랩층(CL)은 도 1b에 도시된 바와 같은, 메모리 셀(MCn) 내에 가변 저항 성분(Rw)을 구현한다. Referring to Equations 2 and 3, when there is a trap charge in the charge trap layer CL, the electric fields E1 and E2 induced in each dielectric layer can be reduced as compared with the case where there is no trap charge. As a result, when the applied voltage Vappl is a forward voltage, the current due to tunneling is reduced. As described above, the difference in magnitude of the current flowing from the anode electrode AE to the cathode electrode CE in the case where there is trapped charge in the charge trap layer CL and in the case where there is no trapped charge can be evaluated as a difference in resistance value, The trap layer CL implements the variable resistance component Rw in the memory cell MCn, as shown in Fig. 1B.

예를 들면, 도 2c와 같이 음의 트랩 전하(TC)가 있는 경우 상기 가변 저항 성분은 고저항(high resistance state; HRS)이 되고, 트랩 전하(TC)가 없는 경우에, 상기 가변 저항 성분은 저저항(low resistance state; LRS)이 되며, 이러한 저항 상태는 적절한 프로그래밍 또는 소거 전압을 메모리 셀(MCn)에 인가함으로써 가역적으로 스위칭될 수 있다. For example, when there is a negative trap charge TC as shown in FIG. 2C, the variable resistance component becomes a high resistance state (HRS), and when there is no trap charge TC, And becomes a low resistance state (LRS), and this resistance state can be reversibly switched by applying an appropriate programming or erasing voltage to the memory cell MCn.

트랩 전하(TC)에 따른 저항 상태에 각각 논리 값 "1"과 "0"을 할당하고, 비트 라인(BL)과 워드 라인(WL)의 선택에 의해 임의의 메모리 셀이 어드레싱하여 이때 흐르는 전류를 감지함으로써 저장된 정보를 독출할 수 있으며, 이러한 독출 방식은 메모리 셀에 저장된 정보를 비파괴적으로 독출할 수 있기 때문에, 비휘발성 메모리 동작을 구현할 수 있다.
Logic values " 1 " and " 0 " are assigned to the resistance states corresponding to the trap charge TC, and arbitrary memory cells address by the selection of the bit line BL and the word line WL, By sensing, the stored information can be read, and this read-out method can non-destructively read the information stored in the memory cell, thus realizing a non-volatile memory operation.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 셀의 구동에 관한 전압과 전류의 관계를 도시하는 그래프이며, 도 3a는 전자 트랩에 의한 비휘발성 메모리 구동 방식에 관한 것이고, 도 3b는 홀 트랩에 의한 비휘발성 메모리 구동 방식에 관한 것이다. 모두 전자에 의한 컨덕션에 의해 지배적인 전류(dominant current)가 발생함을 가정한다. 3A and 3B are graphs showing a relationship between a voltage and a current relating to driving of a memory cell according to an embodiment of the present invention. Fig. 3A relates to a nonvolatile memory driving method using an electron trap, To a nonvolatile memory driving method using a Hall trap. It is assumed that all dominant currents are generated by conduction by electrons.

도 3a를 참조하면, 전자가 트랩되지 않는 메모리 셀에, 양의 전압을 인가하는 경우, 메모리 셀은 저저항 상태(LRS)에 있다. 이후, 전압이 증가하면, 메모리 셀의 전하 트랩층에 캐소드 전극으로부터 터널링된 전자의 트랩(도 3a의 ●로 지시된 부분)에 의해 프로그래밍 동작이 수행될 수도 있다. 이 경우, 메모리 셀은 전자에 의한 컨덕션시 트랩된 전자에 의해 고저항 상태(HRS)가 된다. 메모리 셀에 인가되는 극성이 반대가 되면, 트랩된 전자는 전하트랩층으로부터 디트랩될 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 양의 전압에서 전자 트랩이 일어난 후, 더 전압을 증가시키면 트랩된 전자의 디트랩이 일어나는 소거 동작이 수행될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. Referring to FIG. 3A, when a positive voltage is applied to a memory cell in which electrons are not trapped, the memory cell is in a low resistance state (LRS). Thereafter, when the voltage increases, the programming operation may be performed by the trap of the electrons tunneled from the cathode electrode to the charge trap layer of the memory cell (indicated by? In Fig. 3A). In this case, the memory cell becomes a high resistance state (HRS) by electrons trapped in the conduction by electrons. When the polarity applied to the memory cell is reversed, the trapped electrons can be de-trapped from the charge trap layer. However, it is to be understood that, after an electron trap has occurred at a positive voltage, an erase operation may be performed in which further trapping of the trapped electrons occurs when the voltage is further increased.

도 3b를 참조하면, 홀트랩된 메모리 셀에 양의 전압을 인가하는 경우, 전자트랩의 경우와 달리 메모리 셀은 저저항 상태(LRS)에 있을 수 있다. 전압이 증가되면 트랩된 홀이 디트랩되어 메모리 셀은 고저항 상태(HRS)가 되는 데이터 소거 동작이 수행될 수 있다. 메모리 셀에 인가되는 극성이 반대가 되어, 역방향 전압이 증가되면 홀트랩(도 3b의 ●로 지시된 부분)에 의한 프로그래밍 동작이 일어날 수도 있다.Referring to FIG. 3B, when a positive voltage is applied to the hole-trapped memory cell, the memory cell may be in the low resistance state (LRS), unlike the case of the electron trap. When the voltage is increased, the trapped hole is de-trapped and the data erase operation in which the memory cell becomes the high resistance state (HRS) can be performed. The polarity applied to the memory cell is reversed, and if the reverse voltage is increased, the programming operation by the hole trap (the part indicated by? In FIG. 3B) may occur.

메모리 셀의 비트 정보의 독출 동작은 트랩이 일어나지 않는 저전압 영역에서 수행될 수 있다. 전술한 실시예들은 주로 전자 컨덕션에 의해 지배적인 전류가 나타나는 경우에 관한 것이지만, 반대로 홀 컨덕션에 의해서도 지배적인 전류 전도가 나타날 수 있으며, 소거 동작은 트랩된 전하의 터널링에 의한 소멸과 함께, 또는 이와 달리, 전하 트랩층에 트랩된 전하와 반대 극성을 가진 전하가 트랩되면서 일어나는 재결합에 의해서도 일어날 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 프로그래밍 및 소거 동작이란 용어는 상호 호환적이어서, 전하가 트랩되어 고저항 상태가 되는 경우를 소거 동작이라하고, 전하가 트랩되어 저저항 상태가 되는 경우를 프로그래밍 동작이라 지칭할 수도 있다.
The reading operation of the bit information of the memory cell can be performed in a low voltage region where no trap occurs. Although the embodiments described above mainly relate to the case where the dominant current appears by the electron conduction, conversely, the dominant current conduction may also be caused by the hole conduction, and the erase operation is terminated by the tunneling of the trapped charges, Or alternatively, may occur by recombination occurring as the charge having the opposite polarity to the trapped charge in the charge trap layer is trapped. Further, the terms programming and erase operations are mutually compatible, so that a case where a charge is trapped and becomes a high resistance state is referred to as an erase operation, and a case where a charge is trapped to become a low resistance state may be referred to as a programming operation.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메모리 소자(200)를 도시하는 단면도이다. 이들 도면의 구성 요소들 중 전술한 도면들의 구성 요소들과 동일한 참조 부호를 갖는 구성 요소들에 관하여는, 모순되지 않는 한, 전술한 개시 사항을 참조할 수 있으며, 이하에서는 생략하기로 한다.4 is a cross-sectional view showing a memory device 200 according to another embodiment of the present invention. As for the constituent elements of these drawings which have the same reference numerals as the constituent elements of the above-mentioned drawings, the above-mentioned disclosure can be referred to and the following description is not repeated.

도 4를 참조하면, 저항형 메모리 소자(2000)는, 2 층의 메모리 스택들(ST1, ST2)이 적층된 3 차원 수직 구조를 가질 수 있다. 메모리 스택들(ST1, ST2) 각각은 메모리 셀들(MCn)과 결합하는 제 1 내지 제 3 배선층들(20a, 20b, 20c)을 포함한다. 일부 실시예에서, 저항형 메모리 소자(2000)의 일 배선층(20b)은 도시된 바와 같이 2 개의 메모리 스택들(ST1, ST2)에 의해 공유될 수 있다. 제 1 및 제 3 배선층(20a, 20c)은 워드 라인이고, 제 2 배선층(20b)은 비트 라인일 수 있다. 메모리 스택들(ST1, ST2)의 메모리 셀들(MCn)은 개별적인 층간 절연막(ID1, ID2)에 의해 전기적으로 고립될 수 있다. Referring to FIG. 4, the resistive memory device 2000 may have a three-dimensional vertical structure in which two-layer memory stacks ST1 and ST2 are stacked. Each of the memory stacks ST1 and ST2 includes first to third wiring layers 20a, 20b and 20c which are coupled with the memory cells MCn. In some embodiments, the one wiring layer 20b of the resistive memory element 2000 may be shared by two memory stacks ST1 and ST2 as shown. The first and third wiring layers 20a and 20c may be word lines and the second wiring layer 20b may be a bit line. The memory cells MCn of the memory stacks ST1 and ST2 can be electrically isolated by the respective interlayer insulating films ID1 and ID2.

도시된 구성은 전술한 개시 사항을 참조하여 다양하게 변형 실시될 수 있을 것이다. 예를 들면, 캐소드 전극 및 애노드 전극의 위치가 반전되고, 그에 따라 유전체층의 순서도 반전된 구조를 가질 수 있다. 3 이상의 복수의 스택을 가질 수도 있다.
The illustrated arrangements can be variously modified with reference to the above-described disclosure. For example, the positions of the cathode electrode and the anode electrode are reversed, so that the order of the dielectric layers can also be reversed. And may have a plurality of stacks of three or more.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메모리 소자(1000)를 도시하는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a memory device 1000 in accordance with one embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 메모리 소자(1000)는 호스트(1510)과 결합될 수 있다. 호스트(1510)은 예시된 프로세서 또는 메모리 컨트롤러일 수 있다. 일 실시예에서, 메모리 소자(1000)는 어드레스 인터페이스(1001), 컨트롤 인터페이스(1002), 및 데이터 인터페이스(1003)을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 프로세서(1510)에 결합되어 메모리 독출 및 프로그래밍 액세스를 가능하게 한다. Referring to FIG. 5, the memory device 1000 may be coupled to the host 1510. Host 1510 may be an example processor or memory controller. In one embodiment, the memory device 1000 may include an address interface 1001, a control interface 1002, and a data interface 1003, each coupled to a processor 1510 for memory read and programming access .

일부 실시예에서는, 당해 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 어드레스/데이터 인터페이스와 같은 결합된 형태의 인터페이스(1004)이 사용될 수도 있다. 인터페이스(1004)는 SDRAM 또는 DDR-SDRAM과 같은 동기식 메모리 인터페이스일 수 있다. 메모리 소자(1000)의 내부에는, 내부 메모리 컨트롤러(1010)가 내부 운영, 예를 들면, 비휘발성 메모리 어레이(1020)를 관리하고 RAM 컨트롤 레지스터(1030)를 업데이트시킬 수 있다. RAM 컨트롤 레지스터(1030)는 메모리 소자(1000)의 운영 동안 내부 메모리 컨트롤러(1010)에 의해 사용될 수 있다. In some embodiments, a combined type of interface 1004, such as an address / data interface, may be used as is well known in the art. The interface 1004 may be a synchronous memory interface such as SDRAM or DDR-SDRAM. Inside the memory device 1000 an internal memory controller 1010 can manage internal operations, e.g., non-volatile memory array 1020 and update the RAM control register 1030. RAM control register 1030 may be used by internal memory controller 1010 during operation of memory device 1000.

비휘발성 메모리 어레이(1020)은 일련의 메모리 뱅크들 또는 세그먼트들(ARn)을 포함할 수 있으며, 각 뱅크들(1020n)은 논리적으로 일련의 블록으로 묶이거나 그룹핑되어 운영될 수 있다. 메모리 어드레스는 어드레스 인터페이스(1001)에 의해 수행될 수 있으며, 로우 및 컬럼 어드레스 부분으로 분할될 수 있다.Non-volatile memory array 1020 may include a series of memory banks or segments ARn, and each bank 1020n may be logically grouped or grouped into a series of blocks. The memory address may be performed by the address interface 1001 and may be divided into row and column address portions.

독출 동작시에는, 상기 로우 어드레스가 래치되고, 로우 디코드 회로(1040)에 의해 디코딩되어, 선택된 메모리 뱅크의 메모리 셀들의 로우 또는 페이지를 선택하고 활성화할 수 있다. 상기 메모리 셀들의 선택된 로우의 출력 신호에서 엔코딩된 비트 정보들은 로컬 비트 라인(미도시) 및 글로벌 비트 라인(미도시)에 결합되고, 메모리 뱅크에 결합된 감지 증폭기(1050)에 의해 검출될 수 있다. During a read operation, the row address is latched and decoded by the row decode circuit 1040 to select and activate the row or page of memory cells of the selected memory bank. The encoded bit information in the output signal of the selected row of memory cells may be coupled to a local bit line (not shown) and a global bit line (not shown) and detected by a sense amplifier 1050 coupled to a memory bank .

독출 동작시, 컬럼 어드레스도 래치되고, 컬럼 디코드 회로(1060)에 의해 디코딩된다. 컬럼 디코드 회로(1060)의 출력은 내부 데이터 버스(미도시)로부터 소정의 컬럼 데이터를 선택할 수 있다. 상기 내부 데이터 버스는 개개의 감지 증폭기(1060)의 출력들에 결합되고, 데이터 인터페이스(1003)을 통한 메모리 소자(1000)로부터의 신호 전달을 위해 I/O 버퍼(1070)에 이들 출력들을 결합시킬 수 있다.During a read operation, the column address is also latched and decoded by the column decode circuit 1060. [ The output of the column decode circuit 1060 can select predetermined column data from an internal data bus (not shown). The internal data bus is coupled to the outputs of the respective sense amplifiers 1060 and is coupled to the I / O buffer 1070 for signal delivery from the memory device 1000 via the data interface 1003 .

기록 동작시, 로우 디코드 회로(1040)은 로우 페이지를 선택하고, 컬럼 디코드 회로(1060)은 쓰기 감지 증폭기(1050)을 선택할 수 있다. 기록될 데이터 값들은 상기 인터널 데이터 버스를 통하여 I/O 버퍼(1070)로부터, 컬럼 디코드 회로(1060)에 의해 선택된 기록 감지 증폭기들(1050)로 결합되고, 메모리 어레이(1020)의 선택된 저항형 메모리 셀들(미도시)에 기록될 수 있다. 이후, 기록된 셀은 로우 및 컬럼 디코드 회로들(1040, 1060), 그리고 감지 증폭기들(1050)에 의해 재선택되어, 독출되고 정확한 값이 상기 선택된 메모리 셀에 프로그래밍되었는지가 검증될 수 있다.In a write operation, the row decode circuit 1040 selects a row page, and the column decode circuit 1060 can select a write sense amplifier 1050. The data values to be written are coupled from the I / O buffer 1070 via the internal data bus to the write sense amplifiers 1050 selected by the column decode circuit 1060 and the selected resistive type May be written to memory cells (not shown). The recorded cells can then be reselected by the row and column decode circuits 1040 and 1060 and the sense amplifiers 1050 to be read and verified that the correct value has been programmed into the selected memory cell.

본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 개시된 저항형 메모리 소자들은 단일 메모리 셀들로 구현되거나, 하나의 칩 내에서 다른 이종 장치들, 예를 들어, 논리 프로세서, 이미지 센서, RF 소자와 같은 다른 장치들과 함께 SOC(system on chip)의 형태로 구현될 수도 있을 것이다. 또한, 저항형 메모리 소자가 형성된 웨이퍼칩과 이종 장치가 형성된 다른 웨이퍼 칩을 접착제, 솔더링 또는 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 접합하고 이를 개별화함으로써 하나의 칩 형태로 구현될 수도 있을 것이다. The resistive memory elements disclosed with reference to the drawings attached hereto may be implemented as single memory cells or may be integrated with other devices within a chip, such as other heterogeneous devices, e.g., a logical processor, an image sensor, Together, they may be implemented in the form of a system on chip (SOC). Further, the wafer chip on which the resistance type memory element is formed and the other wafer chip on which the dissimilar device is formed may be bonded to each other by using an adhesive, soldering or wafer bonding technique, and individualized to form a single chip.

또한, 전술한 실시예들에 따른 저항형 메모리 소자들은 다양한 형태의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 저항형 메모리 소자들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Package, Die in Wafer FoSM, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Package(MQFP), Thin Quad Flat package(TQFP), Small Outline IC(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline Package(TSOP), Thin Quad Flat package(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP) 또는 Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 저항형 메모리 소자들이 실장된 패키지는 이를 제어하는 컨트롤러 및/또는 논리소자 등을 더 포함할 수도 있다.
In addition, the resistive memory devices according to the above-described embodiments can be implemented in various types of semiconductor packages. For example, the resistive memory devices according to embodiments of the present invention may be implemented in a package on package (PoP), ball grid arrays (BGAs), chip scale packages (CSPs), plastic leaded chip carriers (PLCC) Linear Package (PDIP), Die in Waffle Package, Die in Wafer FoSM, Chip On Board (COB), Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Package (MQFP), Thin Quad Flat Package Small Outline Package (SSOP), Thin Small Outline Package (TSOP), Thin Quad Flat Package (TQFP), System In Package (SIP), Multi Chip Package (MCP), Wafer-level Fabricated Package (WFP) or a Wafer-Level Processed Stack Package (WSP). The package in which the resistive memory elements according to the embodiments of the present invention are mounted may further include a controller and / or a logic element for controlling the same.

도 6은 본 발명의 일 실시예들에 따른 저항형 메모리 소자들을 포함하는 전자 시스템(2000)을 도시하는 블록도이다.Figure 6 is a block diagram illustrating an electronic system 2000 that includes resistive memory elements in accordance with one embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 전자 시스템(2000)은 컨트롤러(2010), 입출력 장치(I/O, 2020), 기억 장치(storage device, 2030), 인터페이스(2040) 및 버스(bus, 2050)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(2010), 입출력 장치(2020), 기억 장치(2030) 및/또는 인터페이스(2040)는 버스(2050)를 통하여 서로 결합될 수 있다.6, an electronic system 2000 includes a controller 2010, an input / output device (I / O) 2020, a storage device 2030, an interface 2040 and a bus 2050 . The controller 2010, the input / output device 2020, the storage device 2030 and / or the interface 2040 may be coupled to each other via the bus 2050.

컨트롤러(2010)는 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세스, 마이크로 컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 입출력 장치(2020)는 키패드(keypad), 키보드, 터치스크린 또는 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 기억 장치(2030)는 데이터 및/또는 명령어를 저장할 수 있으며, 기억 장치(2030)는 본 명세서에 개시된 저항형 메모리 소자들을 포함할 수 있다. The controller 2010 may include at least one of a microprocessor, a digital signal process, a microcontroller, and logic elements capable of performing similar functions. The input / output device 2020 may include a keypad, a keyboard, a touch screen, or a display device. The storage device 2030 may store data and / or instructions, and the storage device 2030 may include the resistive memory elements disclosed herein.

일부 실시예에서, 기억 장치(2030)는 다른 형태의 반도체 메모리 소자(예를 들어, 디램 장치 및/또는 에스램 장치 등)를 더 포함하는 혼성 구조를 가질 수도 있다. 인터페이스(2040)는 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하는 기능을 수행할 수 있다. 인터페이스(2040)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 이를 위하여, 인터페이스(2040)는 안테나 또는 유무선 트랜시버를 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 전자시스템(2000)은 컨트롤러(2010)의 동작을 향상시키기 위한 동작 메모리로서, 고속의 디램 및/또는 에스램을 더 포함할 수도 있다.In some embodiments, the memory device 2030 may have a hybrid structure that further includes other types of semiconductor memory devices (e.g., a DRAM device and / or an Slam device). The interface 2040 may perform the function of transmitting data to or receiving data from the communication network. Interface 2040 may be in wired or wireless form. To this end, the interface 2040 may include an antenna or a wired or wireless transceiver. Although not shown, the electronic system 2000 is an operation memory for improving the operation of the controller 2010, and may further include a high-speed DRAM and / or an SRAM.

전자시스템(2000)은 개인 휴대용 정보 단말기(PDA, personal digital assistant). 포터블 컴퓨터(portable computer), 태블릿 피씨(tablet PC), 무선 전화기(wireless phone), 모바일 폰(mobile phone), 디지털 뮤직 플레이어(digital music player), 메모리 카드(memory card), 또는 정보를 무선 환경에서 송신 및/또는 수신할 수 있는 모든 전자 제품에 적용될 수 있다. 또한, 전술한 가변 저항체는, 퓨즈 또는 안티퓨즈로 사용되거나, 이를 이용한 논리 소자로서도 사용될 수도 있다.
The electronic system 2000 is a personal digital assistant (PDA). A portable computer, a tablet PC, a wireless phone, a mobile phone, a digital music player, a memory card, or information in a wireless environment. And / or &lt; RTI ID = 0.0 &gt; and / or &lt; / RTI &gt; The above-described variable resistor may be used as a fuse or an anti-fuse, or may be used as a logic device using the same.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear to those who have knowledge.

Claims (19)

애노드 전극;
상기 애노드 전극 상에 형성되고, 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체층;
상기 제 1 유전체층 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율보다 작은 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체층;
상기 제 2 유전체층 상에 형성된 캐소드 전극; 및
상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하는 가변 저항체.
An anode electrode;
A first dielectric layer formed on the anode electrode, the first dielectric layer having a first dielectric constant;
A second dielectric layer formed on the first dielectric layer, the second dielectric layer having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant;
A cathode electrode formed on the second dielectric layer; And
And a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층과 상기 애노드 전극 사이의 전위 장벽은 상기 제 2 유전체층과 상기 캐소드 전극 사이의 전위 장벽보다 더 큰 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the potential barrier between the first dielectric layer and the anode electrode is greater than the potential barrier between the second dielectric layer and the cathode electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 제 2 유전체층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the first dielectric layer is thicker than the thickness of the second dielectric layer.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 상기 제 1 유전체층 및 상기 제 2 유전체층의 계면층 자체인 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the charge trap layer is an interface layer itself of the first dielectric layer and the second dielectric layer.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 플라즈마 손상층, 반응성 가스 분위기의 열처리에 의해 형성된 결함 표면층 및 불순물 도핑층 중 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the charge trap layer includes any one of a plasma damage layer, a defect surface layer formed by heat treatment of a reactive gas atmosphere, and an impurity doped layer or a combination of two or more thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 나노 도트 및 나노 시트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the charge trap layer comprises any one of nano dots and nanosheets, or a combination thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 및 반도체층 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein the charge trap layer comprises any one of a metal, a metal oxide, a metal nitride, and a semiconductor layer, or a combination thereof.
제 1 배선들 및 상기 제 1 배선들과 교차되도록 연장된 제 2 배선들의 교차점에 각각 배치되는 복수의 메모리 셀들의 어레이를 포함하는 저항형 메모리 소자로서,
상기 복수의 메모리 셀들 각각은,
애노드 전극;
상기 애노드 전극 상에 형성되고, 제 1 유전율을 갖는 제 1 유전체층;
상기 제 1 유전체층 상에 형성되고, 상기 제 1 유전율보다 작은 제 2 유전율을 갖는 제 2 유전체층;
상기 제 2 유전체층 상에 형성된 캐소드 전극; 및
상기 제 1 유전체층과 상기 제 2 유전체층 사이의 전하 트랩층을 포함하고, 각 메모리 셀에 전압 신호를 인가하여 유도되는 전하 트랩층의 트랩 전하의 크기에 의한 상기 메모리 셀의 저항 값에 비트 정보를 할당하는 저항형 메모리 소자.
1. A resistive memory device comprising an array of a plurality of memory cells arranged at intersections of first wirings and second wirings extending to intersect with the first wirings,
Wherein each of the plurality of memory cells includes:
An anode electrode;
A first dielectric layer formed on the anode electrode, the first dielectric layer having a first dielectric constant;
A second dielectric layer formed on the first dielectric layer, the second dielectric layer having a second dielectric constant smaller than the first dielectric constant;
A cathode electrode formed on the second dielectric layer; And
And a charge trap layer between the first dielectric layer and the second dielectric layer, and allocating bit information to the resistance value of the memory cell by the magnitude of the trap charge of the charge trap layer induced by applying a voltage signal to each memory cell Resistance type memory element.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층과 상기 애노드 전극 사이의 전위 장벽은 상기 제 2 유전체층과 상기 캐소드 전극 사이의 전위 장벽보다 더 큰 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein a potential barrier between the first dielectric layer and the anode electrode is greater than a potential barrier between the second dielectric layer and the cathode electrode.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 유전체층의 두께는 상기 제 2 유전체층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the thickness of the first dielectric layer is thicker than the thickness of the second dielectric layer.
제 8 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 상기 제 1 유전체층 및 상기 제 2 유전체층의 계면층 자체인 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the charge trap layer is the interface layer itself of the first dielectric layer and the second dielectric layer.
제 8 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 플라즈마 손상층, 반응성 가스 분위기의 열처리에 의해 형성된 결함 표면층 및 불순물 도핑층 중 어느 하나 또는 이들의 2 이상의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the charge trap layer includes any one of a plasma damage layer, a defect surface layer formed by heat treatment of a reactive gas atmosphere, and an impurity doped layer or a combination of two or more thereof.
제 8 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 나노 도트 및 나노 시트 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the charge trap layer comprises any one or combination of nano dots and nanosheets.
제 8 항에 있어서,
상기 전하 트랩층은 금속, 금속 산화물, 금속 질화물 및 반도체층 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein the charge trap layer comprises any one of a metal, a metal oxide, a metal nitride, and a semiconductor layer, or a combination thereof.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 유전체층들 중 적어도 어느 하나는, SiO2. Si3N4, Al2O3, Ta2O5, HfO2, TiO2, Y2O3, La2O3, ZrO2, SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, (Hf,Zr)O2, (Ba,Sr)TiO3, SrBi2Ta2O9, KWO3 및 Bi4Ti3O12 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein at least one of the first and second dielectric layers is SiO 2 . Si 3 N 4, Al 2 O 3, Ta 2 O 5, HfO 2, TiO 2, Y 2 O 3, La 2 O 3, ZrO 2, SrTiO 3, BaTiO 3, PbTiO 3, Pb (Zr, Ti) O 3 , (Hf, Zr) O 2 , (Ba, Sr) TiO 3 , SrBi 2 Ta 2 O 9 , KWO 3 and Bi 4 Ti 3 O 12 .
제 8 항에 있어서,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극들 중 적어도 어느 하나는 백금(Pt), 텅스텐(W), 금(Au), 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh) 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 이들 금속의 도전성 질화물 및 이들 금속의 도전성 산화물 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein at least one of the anode electrode and the cathode electrode is formed of at least one of platinum (Pt), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir) ), Tantalum (Ta), molybdenum (Mo), chromium (Cr), vanadium (V), titanium (Ti), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag) A conductive nitride of a metal, and a conductive oxide of these metals, or a combination thereof.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 배선 및 제 2 배선 중 어느 하나는 워드 라인이고, 다른 하나는 비트 라인인 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein one of the first wiring and the second wiring is a word line and the other is a bit line.
제 1 항에 있어서,
상기 전하 트랩층에 전하 또는 홀이 트랩되어 있는지 여부에 따라 상기 애노드 전극으로부터 상기 캐소드 전극으로 흐르는 전류의 크기가 변하는 것을 특징으로 하는 가변 저항체.
The method according to claim 1,
Wherein a magnitude of a current flowing from the anode electrode to the cathode electrode varies depending on whether a charge or a hole is trapped in the charge trap layer.
제 8 항에 있어서,
상기 전하 트랩층에 전하 또는 홀이 트랩되어 있는지 여부에 따라 상기 애노드 전극으로부터 상기 캐소드 전극으로 흐르는 전류의 크기가 변하는 것을 특징으로 하는 저항형 메모리 소자.
9. The method of claim 8,
Wherein a magnitude of a current flowing from the anode electrode to the cathode electrode varies depending on whether a charge or a hole is trapped in the charge trap layer.
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