KR102227365B1 - Semi-conductor device having double-gate and method for setting synapse weight of target semi-conductor device within nerual network - Google Patents
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Abstract
실시예들에 제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 바디; 제2 도전형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 바디 상에 형성된 소스 및 드레인; 상기 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 제1 게이트; 상기 바디를 사이에 두고 상기 제1 게이트와 대향하도록 형성된 제2 게이트; 및 상기 바디와 제2 게이트 사이에 형성된 전하저장층을 갖는 절연막 스택을 포함하는 반도체 소자 및 이들로 이루어진 뉴럴 네트워크에서 타겟 반도체 소자의 시냅스 가중치를 제어하는 방법에 관련된다. In embodiments, a body made of a first conductivity type semiconductor material; A source and a drain made of a second conductivity type semiconductor material and formed on the body; A first gate formed on the body with a gate insulating layer therebetween; A second gate formed to face the first gate with the body therebetween; And a semiconductor device including an insulating layer stack having a charge storage layer formed between the body and a second gate, and a method of controlling a synaptic weight of a target semiconductor device in a neural network made of the same.
Description
실시예들은 하드웨어 기반 뉴럴 네트워크를 위한 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조로 배치될 수 있으면서 FN 터널링을 통해 프로그램 동작을 수행하도록 구성된 반도체 소자 및 상기 반도체 소자로 구성된 뉴럴 네트워크에서 반도체 소자의 시냅스 가중치를 독립적으로 설정하는 방법에 관련된다.The embodiments relate to a semiconductor device for a hardware-based neural network, and more specifically, a semiconductor device configured to perform a program operation through FN tunneling while being arranged in an array structure of a NOR flash memory, and a neural network composed of the semiconductor device. It relates to a method of independently setting the synaptic weights of semiconductor devices.
최근 생물학적 신경계의 시냅스와 뉴런의 기능을 활용하고자 하는 인공지능 관련 기술이 급격히 발달하고 있다. 시냅스와 뉴런으로 이루어진 뉴럴 네트워크를 소프트웨어 측면에서 구현하는 기술들이 많이 개발되고 있다. 또한, 상기 뉴럴 네트워크를 하드웨어 측면에서 구현하는 기술들 또한 상당히 개발되고 있는 추세이다. Recently, artificial intelligence-related technologies to utilize the functions of synapses and neurons in the biological nervous system are rapidly developing. A number of technologies are being developed to implement a neural network consisting of synapses and neurons from the software side. In addition, technologies for implementing the neural network in terms of hardware are also being developed considerably.
하드웨어 측면에서 구현된 뉴럴 네트워크(이하, “하드웨어 뉴럴 네트워크”)는 다수의 셀을 갖는 시냅스 어레이를 포함한다. 하드웨어 뉴럴 네트워크를 정확하게 설계하기 위해서는, 각 셀별로 가중치가 독립적으로 설정되어야 한다. 이를 위해, 하드웨어 뉴럴 네트워크의 가중치를 각 셀별로 독립적으로 제어하는 것이 요구된다. A neural network implemented in terms of hardware (hereinafter, “hardware neural network”) includes a synaptic array having a plurality of cells. In order to accurately design a hardware neural network, weights must be independently set for each cell. To this end, it is required to independently control the weight of the hardware neural network for each cell.
통상적으로 시냅스으로 사용하기 위한 소자 후보군으로는 SRAM, 저항변화 메모리(예컨대, ReRAM(resistive random access memory)), PCM(phase change memory), STT_MRAM(spin torque transfer magnetic random access memory), 플래시 메모리 등이 있다. 이 중에서 플래시 메모리는 비휘발성(non-volatile) 특성을 가지며 신뢰성 측면에서 매우 우수한 특성을 갖는다. Typically, device candidates for use as synapses include SRAM, resistance change memory (e.g., ReRAM (resistive random access memory)), PCM (phase change memory), STT_MRAM (spin torque transfer magnetic random access memory), flash memory, etc. have. Among them, the flash memory has non-volatile characteristics and has very excellent characteristics in terms of reliability.
상기 플래시 메모리는 메모리 어레이 구조에 따라서 NOR 플래시 메모리와 NAND 플래시 메모리로 구분될 수 있다. NOR 플래시 메모리는 소스 영역과 드레인 영역이 교차하는 어레이 구조를 갖는 플래시 메모리로서, NAND 플래시 메모리와 달리 메모리 어레이에서 각 셀이 서로 병렬 연결되어 동작하기 때문에, 단지 단위 시냅스(예컨대, 시냅스 블록)의 소스 전류를 읽는 것으로 시냅스의 가중합 연산을 수행할 수 있다. 따라서, 하드웨어 뉴럴 네트워크를 구성하기 위해서 NOR 플래시 메모리를 사용하는 것이 효과적이다. The flash memory may be classified into a NOR flash memory and a NAND flash memory according to a memory array structure. The NOR flash memory is a flash memory having an array structure in which the source region and the drain region intersect. Unlike NAND flash memory, since each cell is connected in parallel to each other and operates, it is only a source of unit synapses (eg, synaptic blocks). By reading the current, you can perform synaptic weighting calculations. Therefore, it is effective to use a NOR flash memory to construct a hardware neural network.
종래의 NOR 플래시 메모리는 가중치 설정을 위한 프로그램(program, PGM) 동작을 위해 채널 핫 일렉트론(channel hot electron, CHI) 방식을 사용한다. 그러나, 채널 핫 일렉트론 방식은 프로그램 동작을 위해 높은 드레인 전류를 요구하므로, 폴리 실리콘으로 소자를 제작하기 어려워 단결정 실리콘으로 소자를 제작해야 하는 제약이 있고, 큰 전력 소모를 필요로 한다는 문제점이 있다. The conventional NOR flash memory uses a channel hot electron (CHI) method for a program (PGM) operation for weight setting. However, since the channel hot electron method requires a high drain current for a program operation, it is difficult to fabricate a device using polysilicon, so there is a limitation in that a device must be fabricated using single crystal silicon, and a large power consumption is required.
한편, 프로그램(PGM, program) 동작을 위한 다른 방식으로서 FN 터널링 방식이 있다. 그러나, 상기 FN 터널링 방식을 종래의 NOR 플래시 메모리에 적용할 경우, 각 섹별로 프로그램(PGM) 동작을 독립적으로 수행하는 것이 불가능한 한계를 가진다. Meanwhile, as another method for operating a program (PGM, program), there is an FN tunneling method. However, when the FN tunneling method is applied to a conventional NOR flash memory, it is impossible to independently perform a program (PGM) operation for each section.
도 1은 종래의 NOR 플래시 메모리의 타겟 셀에 대하여 FN 터널링 방식을 통해 프로그램(PGM) 동작을 시도할 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for explaining a problem in the case of attempting a program (PGM) operation through an FN tunneling method for a target cell of a conventional NOR flash memory.
NOR 플래시 메모리는 워드라인(WL), 비트라인(BL) 및 공통소스라인(SCL)을 포함한 어레이 구조를 가진다. 2×2 블록에서 타겟 셀의 가중치를 설정하기 위해 FN 터널링 방식을 적용하는 경우, 타겟 셀에 연결된 워드라인(WL0)을 통해 프로그램 전압을 인가된다. 그러면, 비트라인(BL0)의 전압과 관계 없이 공통소스라인에 의해 워드라인(WL0)을 공유하는 두 개의 셀에 프로그램 금지가 발생하지 않는다. 즉, 타겟 셀을 제외한 다른 셀 전부가 프로그램 금지가 되지 않는다.The NOR flash memory has an array structure including a word line WL, a bit line BL, and a common source line SCL. When the FN tunneling method is applied to set the weight of the target cell in the 2×2 block, the program voltage is applied through the word line WL0 connected to the target cell. Then, the program prohibition does not occur in the two cells sharing the word line WL0 by the common source line regardless of the voltage of the bit line BL0. That is, all other cells except the target cell are not programmed.
본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 다른 반도체 소자의 드레인이 인접한, 종래의 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조를 형성할 수 있으면서, 더블 게이트 간의 FN 터널링을 통해 프로그램(PGM)/이레이즈(ERS) 동작을 수행할 수 있는 반도체 소자를 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, an array structure of a conventional NOR flash memory can be formed in which drains of different semiconductor devices are adjacent, while a program (PGM)/erase (ERS) operation is performed through FN tunneling between double gates. A semiconductor device capable of performing can be provided.
나아가, 상기 반도체 소자로 구성된 시냅스 블록에서 타겟 반도체 소자의 시냅스 가중치를 FN 터널링 방식을 통해 독립적으로 설정하는 방법을 제공할 수 있다.Furthermore, it is possible to provide a method of independently setting a synaptic weight of a target semiconductor device through an FN tunneling method in a synaptic block composed of the semiconductor device.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 소자는: 제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 바디; 제2 도전형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 바디 상에 형성된 소스 및 드레인; 상기 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 제1 게이트; 상기 바디를 사이에 두고 상기 제1 게이트와 대향하도록 형성된 제2 게이트; 및 상기 바디와 제2 게이트 사이에 형성된 전하저장층을 갖는 절연막 스택을 포함할 수 있다. A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes: a body made of a first conductivity type semiconductor material; A source and a drain made of a second conductivity type semiconductor material and formed on the body; A first gate formed on the body with a gate insulating layer therebetween; A second gate formed to face the first gate with the body therebetween; And an insulating layer stack having a charge storage layer formed between the body and the second gate.
일 실시예에서, 상기 반도체 소자는: 상기 소스 및 드레인이 플로팅된 상태에서, 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의해 상기 제1 게이트로부터 제2 게이트로의 전계가 형성된 경우 상기 제1 게이트에서 터널링된 전자가 제2 게이트 방향으로 터널링될 수 있다. In one embodiment, the semiconductor device is: When an electric field from the first gate to the second gate is formed due to a potential difference between the first gate and the second gate while the source and the drain are floating, the first gate Tunneled electrons may be tunneled in the direction of the second gate.
일 실시예에서, 상기 절연막 스택은, 상기 전하저장층 상에 형성된 제1 스택 절연막; 및 상기 전하저장층을 사이에 두고 상기 제1 스택 절연막과 대향하도록 형성된 제2 스택 절연막을 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the insulating layer stack includes: a first stack insulating layer formed on the charge storage layer; And a second stack insulating layer formed to face the first stack insulating layer with the charge storage layer therebetween.
일 실시예에서, 상기 제1 스택 절연막은, 각 절연막이 손상되지 않게 하는 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의해 전계가 형성된 경우, 상기 제1 게이트의 전하가 상기 제2 게이트 방향으로 터널링하게 할 수 있다. In one embodiment, when an electric field is formed due to a potential difference between the first gate and the second gate, the first stack insulating layer prevents damage to each insulating layer, allowing the charge of the first gate to tunnel in the direction of the second gate. can do.
일 실시예에서, 상기 제1 스택 절연막은, 7nm 미만의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the first stack insulating layer may have a thickness of less than 7 nm.
일 실시예에서, 상기 제1 스택 절연막은, 상기 전계가 소멸한 경우에, 상기 전하저장층 내 터널링된 전하가 유출되지 않도록 더 구성될 수 있다.In an embodiment, the first stack insulating layer may be further configured such that, when the electric field disappears, tunneled charges in the charge storage layer do not leak.
일 실시예에서, 상기 제1 스택 절연막은, 3nm 이상의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the first stack insulating layer may have a thickness of 3 nm or more.
일 실시예에서, 상기 제2 스택 절연막은, 각 절연막이 손상되지 않게 하는 상기 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의해 전계가 형성된 경우, 상기 제1 게이트의 전하가 상기 제2 게이트 방향으로 터널링하는 것을 억제하도록 구성될 수 있다. In an embodiment, when an electric field is formed due to a potential difference between the first gate and the second gate, the second stack insulating layer does not damage each insulating layer, the charge of the first gate tunnels in the direction of the second gate. It can be configured to inhibit doing.
일 실시예에서, 상기 제2 스택 절연막은, 8nm 이상의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the second stack insulating layer may have a thickness of 8 nm or more.
상술한 실시예들에서, 상기 바디는 폴리 실리콘, 비정질 실리콘 및 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. In the above-described embodiments, the body may be formed of any one of polysilicon, amorphous silicon, and combinations thereof.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 뉴럴 네트워크는 복수의 상기 제1항의 반도체 소자를 시냅스 셀로 가지며, A neural network according to another aspect of the present invention has a plurality of the semiconductor device of claim 1 as a synaptic cell,
시냅스 블록으로서, 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자를 포함한 제1 시냅스 어레이; 및 제3 반도체 소자 및 제4 반도체 소자를 포함한 제2 시냅스 어레이를 포함하고, 각 시냅스 어레이는 서로 다른 반도체 소자의 드레인이 인접하도록 구성된, 시냅스 블록; 각 시냅스 어레이의 드레인 영역과 전기적으로 연결된 드레인 라인; 각 시냅스 어레이의 제1 게이트와 전기적으로 연결된 제1 게이트 라인; 및 상기 제1 시냅스 어레이의 소스 영역 및 제2 시냅스 어레이의 소스 영역과 전기적으로 연결된 소스 라인; 을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 드레인 라인 및 제1 게이트 라인은 이전 뉴런으로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 소스 라인은 상기 시냅스 블록에서의 연산 결과를 출력 신호로 다음 뉴런에 출력한다. A synaptic block, comprising: a first synaptic array including a first semiconductor device and a second semiconductor device; And a second synaptic array including a third semiconductor device and a fourth semiconductor device, wherein each synaptic array includes a synapse block configured such that drains of different semiconductor devices are adjacent to each other; A drain line electrically connected to the drain region of each synapse array; A first gate line electrically connected to the first gate of each synapse array; And a source line electrically connected to a source region of the first synaptic array and a source region of the second synaptic array. It may include. Here, the drain line and the first gate line receive an input signal from a previous neuron, and the source line outputs an operation result in the synaptic block as an output signal to the next neuron.
일 실시예에서, 상기 시냅스 블록은: 상기 입력 신호를 수신하면, 각 반도체 소자별로 상기 입력 신호 및 미리 설정된 가중치에 기초한 소스 신호를 각각 형성하도록 구성된다. In one embodiment, the synapse block is configured to: upon receiving the input signal, form a source signal based on the input signal and a preset weight for each semiconductor device, respectively.
일 실시예에서, 상기 출력 신호는 각 반도체 소자별 소스 신호의 합산일 수 있다. In an embodiment, the output signal may be a sum of source signals for each semiconductor device.
일 실시예에서, 상기 시냅스 블록은, 상기 이전 뉴런, 다음 뉴런 및 시냅스 블록 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 제1 스위칭 소자를 통해 이전 뉴런과 다름 뉴런을 연결하고, 상기 제1 시냅스 어레이의 제2 게이트 및 제2 시냅스 어레이의 제2 게이트와 전기적으로 연결된 제2 게이트 라인; 및 상기 제어 회로와 시냅스 블록 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 제2 스위칭 소자를 통해, 상기 복수의 라인 중 적어도 일부를 통해 반도체 소자를 제어하는 제어 회로에 더 연결될 수 있다. In one embodiment, the synaptic block connects the previous neuron and another neuron through a first switching element that turns on/off electrical connection between the previous neuron, the next neuron, and the synaptic block, and A second gate line electrically connected to the second gate of the second gate and the second synaptic array; And a second switching element that turns on/off an electrical connection between the control circuit and the synapse block, and may be further connected to a control circuit that controls the semiconductor element through at least a portion of the plurality of lines.
일 실시예에서, 상기 연산 결과의 출력은 상기 제1 스위칭 소자의 온 상태 및 상기 제2 스위칭 소자의 오프 상태에서 수행되고, 상기 제어 회로의 동작은 상기 제1 스위칭 소자의 오프 상태 및 상기 제2 스위칭 소자의 온 상태에서 수행될 수 있다. In one embodiment, the output of the operation result is performed in an on state of the first switching element and an off state of the second switching element, and the operation of the control circuit is performed in the off state of the first switching element and the second It can be performed in the on state of the switching element.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른, 복수의 반도체 소자를 포함한 시냅스 어레이 내 타겟 반도체 소자의 시냅스 가중치를 설정하는 방법은: 상기 터널링에 따른 상기 제1 반도체 소자의 가중치 설정 이후에, 상기 타겟 반도체 소자 내 전하의 터널링을 위한 전계를 형성하도록 상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차를 제어하는 단계; 상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트와 제어 회로 간의 제1 게이트 라인을 공유하는, 다른 반도체 소자 내 전하의 터널링을 방지하기 위해 상기 다른 반도체 소자의 제2 게이트의 전압을 제어하는 단계; 상기 타겟 반도체 소자의 제2 게이트와 제어 회로 간의 제2 게이트 라인을 공유하는, 또 다른 반도체 소자 내 전하의 터널링을 방지하기 위해 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 게이트의 전압을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, a method of setting a synaptic weight of a target semiconductor device in a synaptic array including a plurality of semiconductor devices includes: After setting the weight of the first semiconductor device according to the tunneling, the target semiconductor device Controlling a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device to form an electric field for tunneling the internal charge; Controlling a voltage of a second gate of the other semiconductor device to prevent tunneling of charges in the other semiconductor device, sharing a first gate line between the first gate of the target semiconductor device and a control circuit; And controlling a voltage of a first gate of another semiconductor device to prevent tunneling of charges in another semiconductor device, sharing a second gate line between a second gate of the target semiconductor device and a control circuit. I can.
일 실시에에서, 상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차를 제어하는 단계는, 타겟 반도체 소자의 제2 게이트에 제1 전압을 인가하는 단계; 및 상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트에 제2 전압을 인가하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차는 상기 제1 게이트의 전자가 상기 제2 게이트 방향으로의 터널링을 위해 채널을 형성하게 한다. In an embodiment, the controlling a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device includes: applying a first voltage to a second gate of the target semiconductor device; And applying a second voltage to the first gate of the target semiconductor device. Here, a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device causes electrons of the first gate to form a channel for tunneling in the direction of the second gate.
일 실시예에서, 상기 방법은, 상기 다른 반도체 소자의 제2 게이트의 전압을 제어하는 단계는, 상기 다른 반도체 소자의 제2 게이트에 상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트의 전압과 동일한 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, the method, in the controlling of the voltage of the second gate of the other semiconductor device, applies a voltage equal to the voltage of the first gate of the target semiconductor device to the second gate of the other semiconductor device. It may include steps.
일 실시예에서, 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 게이트의 전압을 제어하는 단계는, 상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차 보다 낮도록 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 게이트에 제3 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. In an embodiment, the controlling of the voltage of the first gate of the other semiconductor device includes a third voltage applied to the first gate of the other semiconductor device to be lower than a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device. It may include the step of applying a voltage.
일 실시예에서, 상기 제3 전압은, 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차가 상기 제1 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차의 40 내지 60%로 되게 하는 전압일 수 있다. In one embodiment, the third voltage is a voltage such that a potential difference between the first and second gates of the other semiconductor device becomes 40 to 60% of the potential difference between the first and second gates of the first semiconductor device. I can.
본 발명의 일 측면에 따른 반도체 소자는 더블 게이트를 포함하며, 바디를 중심으로 비대칭적인 구조를 가진다. 전술한 반도체 소자를 이용하면, 동일한 어레이 내 반도체 소자의 드레인이 인접하는 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조를 형성할 수 있다. 여기서, 드레인을 제어하는 라인은 동일한 어레이 내 인접한 드레인을 공유하도록 접촉 구성된다.A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes a double gate and has an asymmetric structure around a body. Using the above-described semiconductor device, an array structure of a NOR flash memory in which drains of semiconductor devices in the same array are adjacent can be formed. Here, the lines that control the drain are configured in contact to share adjacent drains in the same array.
상기 반도체 소자는 더블 게이트 사이의 FN 터널링을 통해 프로그램 동작을 수행할 수 있다. 특히, 전술한 어레이 구조 하에서도 FN 터널링을 통해 타겟 반도체 소자의 가중치를 독립적으로 설정할 수 있다. The semiconductor device may perform a program operation through FN tunneling between double gates. In particular, even under the above-described array structure, the weight of the target semiconductor device can be independently set through FN tunneling.
이와 같이 FN 터널링 방식을 통해 프로그램(PGM) 동작을 수행함으로써, 채널 핫 일렉트론(CHI) 방식에 비해 전력 소모량을 대략 1/1000 수준으로 낮출 수 있다. By performing the program (PGM) operation through the FN tunneling method as described above, the power consumption can be reduced to approximately 1/1000 level compared to the channel hot electron (CHI) method.
그 결과, 상기 반도체 소자를 활용하면 저전력/고집적 시냅스 어레이를 형성할 수 있고, 나아가 종래의 NOR 플래시 메모리 기반의 뉴럴 네트워크에 비해 개선된 성능을 가진다. As a result, if the semiconductor device is used, a low power/highly integrated synapse array can be formed, and further, it has improved performance compared to a conventional NOR flash memory-based neural network.
나아가, 기존의 반도체 분야에서 널리 활용되는 (예컨대, 폴리실리콘과 같은) 다결정 반도체 물질을 반도체 소자의 바디로 사용할 경우, 어레이 구조로 확장하기 용이하고, 공정의 난이도 및 집적도 측면에서 유리한 장점을 가진다.Furthermore, when a polycrystalline semiconductor material (eg, polysilicon) widely used in the conventional semiconductor field is used as a body of a semiconductor device, it is easy to expand into an array structure, and has advantageous advantages in terms of difficulty and integration of the process.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 하나 이상의 도면에서 도시된 유사한 요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은 종래의 NOR 플래시 메모리의 타겟 셀에 대하여 FN 터널링 방식을 통해 프로그램(PGM) 동작을 시도할 경우의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 반도체 소자로 구성된 시냅스 어레이를 갖는 시냅스 블록의 개념적인 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반도체 소자를 도시한 개념적인 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 시냅스 블록에 포함된 시냅스 어레이의 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반도체 소자의 단면을 도시한 TEM 이미지도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 시냅스 블록을 포함한 뉴럴 네트워크를 도시한 회로도이다.
도 7은, 추론 모드에서 도 6의 뉴럴 네트워크의 연결 구성을 도시한 도면이다.
도 8은, 도 5의 시냅스 블록 내 타겟 셀의 시냅스 가중치 조절 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 시냅스 가중치 설정 과정에서 도 8의 타겟 반도체 소자의 특성을 도시한 도면이다.
도 10는, 도 8의 시냅스 가중치 설정 방법에 따른 결과를 도시한 도면이다.In order to more clearly describe the technical solutions of the embodiments of the present invention or the prior art, the drawings necessary in the description of the embodiments are briefly introduced below. The same reference numbers are used to identify similar elements shown in more than one figure. It is to be understood that the following drawings are for the purpose of describing the embodiments of the present specification and not for the purpose of limitation. In addition, some elements to which various modifications, such as exaggeration and omission, have been applied, may be shown in the drawings below for clarity of description.
1 is a diagram for explaining a problem when a program (PGM) operation is attempted through an FN tunneling method for a target cell of a conventional NOR flash memory.
2 is a conceptual perspective view of a synapse block having a synaptic array composed of a plurality of semiconductor devices according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a synaptic array included in a synaptic block according to an embodiment of the present invention.
5 is a TEM image diagram showing a cross section of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
6 is a circuit diagram illustrating a neural network including a synaptic block according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a connection configuration of the neural network of FIG. 6 in an inference mode.
FIG. 8 is a diagram illustrating a process of adjusting synaptic weights of a target cell in the synaptic block of FIG. 5.
9 is a diagram showing characteristics of the target semiconductor device of FIG. 8 in a process of setting synaptic weights.
10 is a diagram illustrating a result of the method of setting synaptic weights of FIG. 8.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.When a part is referred to as being "on" another part, it may be directly on top of another part, or other parts may be involved in between. In contrast, when a part is referred to as being "directly above" another part, no other part is involved in between.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.Terms such as first, second and third are used to describe various parts, components, regions, layers and/or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is only for referring to specific embodiments and is not intended to limit the present invention. Singular forms as used herein also include plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. As used in the specification, the meaning of "comprising" specifies a specific characteristic, region, integer, step, action, element and/or component, and the presence of another characteristic, region, integer, step, action, element and/or component, or It does not exclude additions.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.Terms indicating a relative space such as "below" and "above" may be used to more easily describe the relationship of one part to another part shown in the drawings. These terms are intended to include other meanings or operations of the device in use together with their intended meaning in the drawings. For example, if the device in the drawing is turned over, certain parts described as being "below" other parts are described as being "above" other parts. Thus, the exemplary term “down” includes both up and down directions. The device can be rotated by 90° or other angles, and terms denoting relative space are interpreted accordingly.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined differently, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in a commonly used dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and are not interpreted in an ideal or very formal meaning unless defined.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는 NOR 플래시 메모리와 유사한 구조를 갖는 어레이 구조를 형성할 수 있다. 상기 어레이 구조 내 각각의 반도체 소자는 FN 터널링(Folower-Nordheim tunneling)을 통해 독립적으로 쓰기(또는 프로그램(PGM, programe) 및/또는 지우기(또는 이레이즈(ERS, erase)) 동작을 수행할 수 있다. Semiconductor devices according to embodiments of the present invention may form an array structure having a structure similar to that of a NOR flash memory. Each semiconductor device in the array structure may independently perform a write (or program (PGM) and/or erase (or erase) operation) through FN tunneling (Folower-Nordheim tunneling). .
일 실시예예서, 상기 반도체 소자는 하드웨어 기반 뉴럴 네트워크를 형성하기 위한 시냅스 셀로 동작한다. 상기 뉴럴 네트워크는 하나 이상의 시냅스 블록을 포함하며, 상기 시냅스 블록은 복수의 시냅스 셀을 포함한다. 본 명세서에서, 시냅스 셀은 반도체 소자가 뉴럴 네트워크에서 활용된 것을 지칭하므로, “반도체 소자” 및 “시냅스 셀”은 상호교환될 수 있게 사용된다. 그리고 일련의 반도체 소자가 배열된 측면에 의해, 용어 “메모리 어레이” 또한 “시냅스 어레이”와 상호교환될 수 있게 사용된다. In an embodiment, the semiconductor device operates as a synaptic cell for forming a hardware-based neural network. The neural network includes one or more synaptic blocks, and the synaptic block includes a plurality of synaptic cells. In the present specification, since a synaptic cell refers to a semiconductor device utilized in a neural network, “semiconductor device” and “synaptic cell” are used interchangeably. And by the side in which a series of semiconductor devices are arranged, the term "memory array" is also used interchangeably with "synaptic array".
<반도체 소자 및 시냅스 어레이><Semiconductor device and synapse array>
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 복수의 반도체 소자로 구성된 시냅스 어레이를 갖는 시냅스 블록의 개념적인 사시도이다. 2 is a conceptual perspective view of a synapse block having a synaptic array composed of a plurality of semiconductor devices according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 시냅스 블록(10)은 복수의 반도체 소자를 포함한다. 상기 시냅스 블록(10)은 적어도 하나의 반도체 소자가 배열된 시냅스 어레이를 가진다. Referring to FIG. 2, the
일 실시예에서, 시냅스 블록(10)은 제1 반도체 소자(A) 및 제2 반도체 소자(B)를 포함한 제1 시냅스 어레이를 포함한다. 또한, 일부 실시예에서, 시냅스 블록(10)은 제3 반도체 소자(C) 및 제4 반도체 소자(D)를 포함한 제2 시냅스 어레이를 포함한다. 상기 제1 시냅스 어레이와 제2 시냅스 어레이는 병렬로 배치된다. In one embodiment, the
이하, 2×2 반도체 소자로 이루어진 시냅스 블록(10)을 이용하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 서술한다. 그러나, 본 발명의 시냅스 블록(10)의 구성이 이에 제한되지 않다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail using the
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반도체 소자를 도시한 개념적인 단면도이다. 3 is a conceptual cross-sectional view illustrating a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 시냅스 블록(10)의 반도체 소자는: 제1 도전형 (예컨대, p형) 반도체 물질로 이루어진 바디(100); 제2 도전형 (예컨대, n형) 반도체 물질로 이루어지며, 상기 바디(100) 상에 형성된 소스(210) 및 드레인(230); 바디(100) 상에 형성된 제1 게이트(310); 바디(100)와 제1 게이트(310) 사이에 형성된 게이트 절연막(410); 바디(100)를 사이에 두고 제1 게이트(310)와 대향하도록 형성된 제2 게이트(330); 및 바디(100)와 제2 게이트(330) 사이에 형성된 전하저장층(430)을 갖는 절연막 스택(400)을 포함한다. 여기서, 상기 소스(210) 및 드레인(230)은 바디(100)와 접하며 이격 배치된다. Referring to FIG. 3, the semiconductor device of the
일부 실시예에서, 상기 반도체 소자는 기판(500); 매몰산화막(600) 상에 형성될 수 있다. 본 명세서에서, 제1 게이트(310)는 기판10을 기준으로 제2 게이트(330) 보다 상부에 위치하므로, 제1 게이트(310)는 탑 게이트(top-gate)로 지칭되며, 제2 게이트(330)는 바텀 게이트(bottom-gate)로 지칭될 수 있다. In some embodiments, the semiconductor device includes a
바디(100)는 폴리실리콘 또는 폴리 저마늄 등을 포함한, 그레인 바운더리(grain boundary)가 명확한 다결정 반도체 물질군에서 선택된 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. 또는, 비정질 반도체 물질군에서 선택된 물질로도 형성될 수 있다. 이와 같이, 바디(100)는 단결정 반도체 물질 대신에 다결정 또는 비정질 반도체 물질로 형성되므로, 3차원 적층이 가능하다. The
상기 반도체 소자는 바디(100)를 사이에 두고 더블 게이트(310, 330)를 가지며, 절연막 스택(400)의 전하저장층(430)으로 전하를 저장하도록 구성된다. 상기 전하는 반도체 소자에 전계가 형성될 경우 전하저장층(430)에 저장된다. 전하저장층(430)은 저장된 전하가 전계가 사라진 이후에 외부로 유출되지 않도록 전기적으로 격리된다. 일 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 절연막 스택(400)은 전하저장층(430)을 사이에 두고 서로 대향하도록 형성된 절연막(420, 440)을 포함할 수 있다. The semiconductor device has
일 실시예에서, 더블 게이트(310, 330)는 폴리실리콘 등을 포함한 다결정 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 더블 게이트는 제1 도전성(예컨대, n형 반도체 물질로 이루어질 수 있다.In one embodiment, the
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 시냅스 블록에 포함된 시냅스 어레이의 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of a synaptic array included in a synaptic block according to an embodiment of the present invention.
뉴럴 네트워크에서 프로그램/이레이즈 동작은 시냅스 블록 단위로 수행된다. 시냅스 블록(10)의 프로그램/이레이즈 동작 방식은 반도체 소자의 어레이 구조에 의존한다. In a neural network, the program/erase operation is performed in units of synaptic blocks. The program/erase operation method of the
도 4를 참조하면, 시냅스 어레이는 둘 이상의 반도체 소자를 포함하며, 서로 다른 반도체 소자의 드레인이 인접하도록 배열된 어레이 구조를 가진다. Referring to FIG. 4, the synaptic array includes two or more semiconductor devices, and has an array structure in which drains of different semiconductor devices are arranged adjacent to each other.
예를 들어, 제1 및 제2 반도체 소자(A, B)를 갖는 시냅스 어레이에서 드레인 영역(231)은 서로 다른 반도체 소자(A, B)의 드레인(예컨대, 230A, 230B)을 포함한다. 그리고, 시냅스 어레이의 소스 영역(211)은 반도체 소자(A, B)의 소스(210A, 210B)이다. For example, in a synaptic array having first and second semiconductor devices A and B, the
일부 실시예서, 상기 시냅스 어레이는 서로 다른 반도체 소자의 소스 또한 인접하도록 더 배열될 수 있다. 예를 들어, 시냅스 어레이가 셋 이상의 반도체 소자(A, B, C)를 포함한 경우, 서로 다른 반도체 소자(B, C)의 소스(예컨대, 210B, 210C)가 배열된다. 다만, 소스가 인접하다록 배열된 시냅스 어레이를 뉴럴 네트워크에 사용할 경우, 드레인 영역(231)을 통해 인접한 드레인(예컨대, 230A, 230B)이 라인을 공유하는 것과 달리, 인접한 소스(예컨대, 210B, 210C)는 라인을 공유하지 못하고 별도의 라인에 연결되어 다음 뉴런의 입력 신호를 위해 연산 신호를 각각 출력하도록 구성된다. In some embodiments, the synapse array may be further arranged so that sources of different semiconductor devices are also adjacent. For example, when the synaptic array includes three or more semiconductor devices A, B, and C, sources (eg, 210B and 210C) of different semiconductor devices B and C are arranged. However, when a synaptic array in which sources are arranged adjacent to each other is used in a neural network, unlike drains (e.g., 230A, 230B) adjacent to the
이와 같이, 도 4에 기재된 시냅스 블록(10) 내 시냅스 어레이의 구조는 통상적인 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조와 유사하다. As such, the structure of the synaptic array in the
통상적으로, NOR 플래시 메모리는 채널 핫 일렉트론 방식(CHI)을 통해 프로그램 동작을 수행한다. 상기 채널 핫 일렉트론 방식은 컨트롤 게이트에 강력한 전압(예컨대, 12V~14V)을 인가하며 또한 드레인에도 상기 컨트롤 게이트의 전압 보다 낮지만 높은 전압을 인가한다. 따라서, 채널 핫 일렉트론 방식을 통해 프로그램/이레이즈 동작을 수행하려는 반도체 소자는 상대적으로 높은 드레인 전류를 요구한다. 바디(100)가 다결정 또는 비정질 반도체 물질로 형성된 경우 단결정 반도체 물질에 비해 허용 전류가 작아, 상기 채널 핫 일렉트론 방식을 통해 프로그램 동작을 수행하기 어렵다. Typically, a NOR flash memory performs a program operation through a channel hot electron method (CHI). In the channel hot electron method, a strong voltage (eg, 12V to 14V) is applied to the control gate, and a voltage lower than the voltage of the control gate is applied to the drain. Accordingly, a semiconductor device attempting to perform a program/erase operation through a channel hot electron method requires a relatively high drain current. When the
반면, 일 실시예에서, 통상적인 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조와 유사한 어레이 구조를 갖는 시냅스 블록(10)의 반도체 소자는 FN 터널링 방식을 통해 프로그램 및/또는 이레이즈 동작을 수행한다. On the other hand, in one embodiment, the semiconductor device of the
<프로그램 동작><Program operation>
다시 도 2를 참조하여, 반도체 소자의 프로그램 동작을 설명한다. Referring again to FIG. 2, the program operation of the semiconductor device will be described.
본 발명의 반도체 소자는 FN 터널링을 통해 탑 게이트(310)에서 바텀 게이트(330)로의 채널을 형성하는 방식으로 프로그램 동작을 수행한다. 프로그램 동작을 통해 반도체 소자의 시냅스 가중치가 조절된다. The semiconductor device of the present invention performs a program operation by forming a channel from the
일 실시예에서, 탑 게이트(310)에서 바텀 게이트(330)로의 전계를 형성한다. 상기 전계는 바텀 게이트(330)에 보다 높은 전압을 인가하고, 탑 게이트(310)에 보다 낮은 전압을 인가하여 형성된다. 예를 들어, 탑 게이트(310)의 전압을 0V로 제어하고, 바텀 게이트(330)의 전압을 양의 값으로 제어하여 전계를 형성한다. 상기 전계를 형성하는 바텀 게이트(330)와 탑 게이트(310) 간의 전위차는 바디(100)의 물성, 바디(100)의 두께, 절연막(410, 420 또는440)의 물성, 절연막(410, 420 또는440)의 두께 등에 의존한다. In one embodiment, an electric field is formed from the
상기 전계를 형성하는 전위차는 프로그램 전위차로 지칭될 수 있다. 그러면, 탑 게이트(310)의 전압이 0V인 경우, 바텀 게이트(330)의 전압은 프로그램 전압으로 지칭된다. The potential difference forming the electric field may be referred to as a program potential difference. Then, when the voltage of the
이와 같이, 바텀 게이트(330)에 프로그램 전압을 인가하면, 더블 게이트(310, 330) 사이에 채널이 형성되어, 전하저장층(430)에 전하가 저장된다. 여기서, 상기 프로그램 전압은, 전계가 없어진 경우에 저장된 전하가 전하저장층(430)으로부터 유출되지 않게 하는 절연막(410, 420, 또는 440)을 갖는 반도체 소자에서, 탑 게이트(310)의 전하가 탑 게이트(310)와 전하저장층(430) 사이의 절연막(410, 420)을 터널링을 할 수 있는 전압 중 가장 낮은 전압을 최소 값으로 가진다. 또한, 상기 소정 범위는 해당 전압 인가 시에 각 절연막(410, 420, 440)이 손상되지 않는 전압을 최대 값으로 가진다. In this way, when a program voltage is applied to the
이를 위해, 반도체 소자의 내부는 FN 터널링이 가능하게 설계된다. To this end, the inside of the semiconductor device is designed to enable FN tunneling.
절연막(410, 420)은 (예컨대, 다결정 또는 비정질 반도체 물질로 이루어진) 바디(100)가 허용하는 범위 내 전압이 인가된 경우, 탑 게이트(310)의 전하가 바텀 게이트(330)로 터널링하게 할 수 있도록 얇아야 한다. 탑 게이트(310)의 절연막(410) 및/또는 스택(400)의 절연막(420)의 두께가 너무 두꺼운 경우, 탑 게이트(310)로부터의 터널링 전류가 작아져 가중치 조절이 되지 않는다. When a voltage within the range allowed by the body 100 (e.g., made of a polycrystalline or amorphous semiconductor material) is applied, the insulating
10V 또는 12V의 전압이 게이트 전압으로 인가되는 종래의 NOR 플래시 메모리에서는 7nm, 10nm 등의 두께를 갖는 터널링 절연막을 사용하였다. 그러나, 도 2의 터널링 절연막(410, 420)을 7nm, 10nm로 설계할 경우, FN 터널링이 발생하지 않는다. In a conventional NOR flash memory in which a voltage of 10V or 12V is applied as a gate voltage, a tunneling insulating film having a thickness of 7nm or 10nm was used. However, when the
따라서, 절연막(410)은 통상의 트랜지스터의 게이트 절연막(예컨대, 7nm 내지 10nm)에 비해 얇은 두께를 가진다. Accordingly, the insulating
한편, 절연막(420, 440)은 전계가 없는 경우에 전하저장층(430)의 전하를 저장할 수 있을 정도로 두꺼운 두께를 가진다. 절연막(420, 440)이 너무 얇으면(예컨대, 3nm 미만) 탑 게이트(310)를 통해 읽기 동작을 수행할 시에도 전하저장층(430)에서 전하의 유출로 인해 누설 전류가 발생할 소지가 크다.Meanwhile, the insulating
또한, 절연막(440)은 절연막(410, 420)을 야기하는 전계 하에서 전하저장층(430)으로부터 바텀 게이트(330)로의 터널링을 억제하기 위해, 절연막(410, 420) 보다 두꺼운 두께를 가진다. 예를 들어, 절연막(440)은 바디(100)가 허용하는 최대 전압 하에서 바텀 게이트(330)로의 FN 터널링을 억제하기 위한 두께로 설계된다. In addition, the insulating
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 반도체 소자의 단면을 도시한 TEM 이미지도이다. 5 is a TEM image diagram showing a cross section of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
일 실시예에서, 절연막(410, 또는 420)은 FN 터널링을 통한 전하의 이동을 위해, 7nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 또한, 절연막(410 또는 420)은 전계 소멸 시 전하의 유출을 방지하기 위해, 3nm 이상의 두께를 가질 수 있다. 한편, 절연막(440)은 절연막(410 및 420)에서 터널링이 일어나는 전압에서 전하의 이동을 방지하기 위해, 절연막(410 및 420) 보다 두꺼운 두께를 가진다. In an embodiment, the insulating
일부 실시예에서, 게이트 절연막(410)은 5nm 내지 6nm의 두께를 갖도록 설계된다. 또한, 스택(400)의 절연막(420)은 3nm 내지 4nm의 두께를 갖도록 설계된다. 또한, 전하저장층(430)과 바텀 게이트(330) 사이의 절연막(440)은 8nm 내지 9nm의 두께를 갖도록 설계된다. In some embodiments, the
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 절연막(410, 420)은 각각 5.18nm, 및 3.35nm를 갖고, 절연막(440)은 8.64nm를 가진다.For example, as shown in FIG. 5, the insulating
이러한 두께를 갖는 절연막(410, 420)을 갖는 반도체 소자에서는, 프로그램 전압(예컨대, 10V 내지 15V)이 바텀 게이트(330)에 인가된 경우, 게이트(310, 330) 간에 채널이 형성되고, 탑 게이트(310)의 전하가 절연막(410)을 터널링하고, 그리고 절연막(420)을 터널링하여 전하저장층(430)으로 이동하게 되며, 절연막(440)에 의해 바텀 게이트(330)으로의 터널링을 억제한다. In a semiconductor device having the insulating
한편, 바디(100)의 두께가 너무 두꺼운 경우, 소정 범위의 전압이 인가되어도 탑 게이트(310)의 전하가 전하저장층(430)으로 이동하지 못할 수 있다. 따라서, 바디(100)는 허용 가능한 전계 하에서 탑 게이트(310)의 전하가 절연막(410, 420)을 통해 전하저장층(430)으로 이동할 정도의 두께를 가진다. 예를 들어, 바디(100)가 폴리실리콘으로 이루어진 경우, 바디(100)는 20nm 이하일 수 있다. On the other hand, when the thickness of the
아래에서 도 8을 참조하여 설명하는 것과 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는 NOR 플래시 메모리의 어레이 구조와 유사한 시냅스 어레이를 형성하면서도 FN 터널링 방식을 통해 전하를 전하저장층(430)에 저장할 수 있다. As described below with reference to FIG. 8, the semiconductor device according to the embodiments of the present invention forms a synaptic array similar to the array structure of the NOR flash memory, while transferring charges to the
<이레이즈 동작><Eraise operation>
프로그램 동작과 유사하게, 반도체 소자의 이레이즈 동작 또한 FN 터널링에 의해 수행된다. 다만, 상기 이레이즈 동작을 위한 FN 터널링을 발생시키기 위해, 바텀 게이트(330)에서 탑 게이트(310)로의 전계가 형성된다. 즉, 프로그램 동작과 반대되는 방향으로 전위차가 설정된다. Similar to the program operation, the erase operation of the semiconductor device is also performed by FN tunneling. However, in order to generate FN tunneling for the erasing operation, an electric field is formed from the
상기 예시에서, 바텀 게이트(330)에 탑 게이트(310)의 전압 보다 낮은 전압(예컨대, 프로그램 동작을 위한 양의 전압과 동일한 절대 값을 갖는 음의 전압)을 인가함으로써, 상기 전하저장층(430)에 저장된 전자를 FN 터널링을 통해 전하저장층(430)에서 유출시키거나 홀(hole)을 FN 터널링을 통해 전하저장층(430)에 저장시켜 이레이즈 동작을 수행할 수 있다. In the above example, by applying a voltage lower than the voltage of the
상기 반도체 소자의 구조는 도 2에 제한되지 않는다. 예를 들어, 질화막 스택(400)이 탑 게이트(310) 방향에 위치할 수 있다. 이 경우, 반도체 소자는 읽기 동작을 바텀 게이트(330)를 통해 수행한다. The structure of the semiconductor device is not limited to FIG. 2. For example, the
도 2의 반도체 소자는 FN 터널링을 통해 프로그램 및/또는 이레이즈를 수행하는 단일 소자로 활용할 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고 플래시 메모리 어레이로 확장하여 활용할 수 있다. The semiconductor device of FIG. 2 can be used as a single device that performs programming and/or erasing through FN tunneling. However, the present invention is not limited thereto, and may be expanded and utilized as a flash memory array.
일 실시예에서, 상기 플래시 메모리 어레이는 시냅스 어레이로서 뉴럴 네트워크를 형성하는데 활용될 수 있다. In one embodiment, the flash memory array may be used to form a neural network as a synaptic array.
<시냅스 블록 및 뉴럴 네트워크><Synaptic Block and Neural Network>
전술한 반도체 소자로 구성된 시냅스 블록(10)은 각 셀별로 독립적인 프로그램 및/또는 이레이즈 동작을 수행하도록 구성되어, 각 셀별로 독립적인 시냅스 가중치를 설정할 수 있다. 또한, 시냅스 블록의 소스 전류를 읽음으로써 가중치 연산합 동작을 수행하도록 구성된다. The
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 시냅스 블록을 포함한 뉴럴 네트워크를 도시한 회로도이다. 6 is a circuit diagram showing a neural network including a synaptic block according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 뉴럴 네트워크(1)는 뉴런과 뉴런 사이의 시냅스 블록(10)을 포함한다. 추론 동작의 신호 방향에 따라서, 상기 시냅스 블록(10)으로 신호를 전송하는 뉴런은 시냅스의 이전 뉴런(pre-nueron)으로 지칭되며, 상기 시냅스 블록(10)으로부터 신호를 수신하는 뉴런은 시냅스의 다음 뉴런(post-nueron)으로 지칭된다. Referring to FIG. 6, the neural network 1 includes a neuron and a
뉴런과 시냅스 블록(10) 사이는 시냅스 어레이로 각각 연결된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 시냅스 블록(10)의 2개의 시냅스 어레이를 포함하는 경우, 이전 뉴런(21, 22) 및 다음 뉴런(23, 24)이 시냅스 블록(10)과 각각 연결된다. Neurons and
뉴럴 네트워크(1)는 시냅스 블록(10)과 뉴런(21, 22, 23, 24) 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 제1 스위칭 소자(40)를 포함한다.The neural network 1 includes a
상기 시냅스 블록(10)의 시냅스 가중치는 별도의 제어 회로(예컨대, 주변 회로(peripheral circuit) 등)(30)에 의해 설정된다. 상기 제어 회로(30)는 뉴럴 네트워크(1)에서 가중치를 설정하고자 하는 타겟 시냅스 블록(10)에 연결되어 시냅스 블록(10)의 특정 시냅스 셀의 가중치를 조절하여 설정할 수 있다. 제어 회로(30)는 다수의 제어 라인을 통해 시냅스 블록(10)을 제어할 수 있다. The synaptic weight of the
또한, 상기 제어 회로(30)와 시냅스 블록(10) 사이는 전기적 연결을 온/오프하는 제2 스위칭 소자(50)를 통해 더 연결된다. 시냅스 가중치의 조절은 아래의 도 8을 참조하여 보다 상세하게 서술한다. Further, the
제1 및 제2 스위칭 소자(40, 50)의 스위칭 동작은 상기 제어 회로(30)에 의해 제어되거나, 또는 별도의 제어 장치(예컨대, 컴퓨터 등)에 의해 제어될 수 있다. The switching operation of the first and
또한, 상기 제1 및 제2 스위칭 소자(40, 50)는, 도 6 등에 도시된 바와 같이, 트랜지스터일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In addition, the first and
도 7은, 추론 모드에서 도 6의 뉴럴 네트워크의 연결 구성을 도시한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a connection configuration of the neural network of FIG. 6 in an inference mode.
뉴럴 네트워크(1)가 추론 동작을 수행하는 경우, 제1 스위칭 소자(40)에 의해 이전 뉴런(21, 22), 시냅스 블록(10) 및 다음 뉴런(23, 24) 사이가 전기적으로 연결된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 시냅스 어레이가 이전/다음 뉴런(21, 22, 23, 24)과 각각 연결된다. When the neural network 1 performs an inference operation, the
반면, 제2 스위칭 소자(50)에 의해 시냅스 블록(10)은 제어 회로(30)와의 연결이 차단된다. On the other hand, the
시냅스 블록(10)은 이전 뉴런(21, 22)으로부터 입력 신호를 수신하여 입력 신호 및 시냅스 블록(10)의 가중치에 기초한 연산 신호를 다음 뉴런(23, 24)으로 전송한다. The
<읽기 동작><Read operation>
다시 도 3 및 도 4를 참조하여, 추론 모드에서 시냅스 블록(10)의 동작을 보다 상세하게 서술한다. Referring again to FIGS. 3 and 4, the operation of the
도 3 및 도 4의 시냅스 블록(10)은 탑 게이트(310)를 통해 읽기 동작을 수행한다. 상기 시냅스 블록(10)은 탑 게이트(310) 및/또는 드레인(230)(또는 드레인 영역(231))를 통해 이전 뉴런(21, 22)에서 오는 입력 신호를 수신한다. The
일 실시예에서, 뉴럴 네트워크(1)는 탑 게이트(310)와 연결된 탑 게이트 라인(315)을 포함한다. 상기 탑 게이트 라인(315)은 이전 뉴런에서 오는 입력 신호를 수신하는 라인이므로, PIL(pre-synaptic input line)으로 지칭될 수 있다. 시냅스 블록(10)이 제1 시냅스 어레이 및 제2 시냅스 어레이를 포함하는 경우, 뉴럴 네트워크(1)는 2개의 탑 게이트 라인(1315, 2315)을 포함한다. In one embodiment, the neural network 1 includes a
또한, 뉴럴 네트워크(1)는 드레인(230)(또는 드레인 영역(231))과 연결된 드레인 라인(DL, Drain Line)(235)을 포함한다. 드레인 라인(235)도 이전 뉴런(21, 22)에서 오는 입력 신호를 수신한다. 시냅스 블록(10)이 제1 시냅스 어레이 및 제2 시냅스 어레이를 포함하는 경우, 뉴럴 네트워크(1)는 2개의 드레인 라인(1235, 2235)을 포함한다.Further, the neural network 1 includes a drain line (DL) 235 connected to the drain 230 (or the drain region 231 ). The
일 실시예에서, 상기 드레인 라인(235)은 탑 게이트 라인(315)과 평행하게 배치된다. In one embodiment, the
일부 실시예에서, 드레인 플러그(233)는 어레이의 면적 효율성을 증가시키기 위해, 두 셀의 드레인(예컨대, 230A, 230B)을 공유하도록 연결된다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 두 셀(A, B)의 드레인(230A, B)을 포함한 드레인 영역(231)에 드레인 플러그(233)이 연결되며, 상기 드레인 플러그(233)은 두 셀(A, B)의 드레인(230A, 230B)에 모두 접촉하도록 구성된다. In some embodiments, the drain plug 233 is connected to share the drains of the two cells (eg, 230A, 230B) to increase the area efficiency of the array. For example, as shown in FIG. 3, the drain plug 233 is connected to the
시냅스 블록(10)이 탑 게이트 라인(315)과 드레인 라인(235)을 통해 이전 뉴런(21, 22)으로부터 입력 신호를 수신하면, 시냅스 블록(10)은 입력 신호와 각 셀별로 미리 설정된 시냅스 가중치의 곱을 나타내는 셀의 출력 신호를 각각 생성하고, 각각 생성된 셀의 출력 신호를 다음 뉴런(23, 24)으로 전송한다. When the
뉴럴 네트워크(1)는 소스 영역(211)과 연결된 소스 라인(215)을 포함한다. 상기 소스 라인(215)은 입력 신호와 시냅스 가중치의 곱을 나타내는 소스 전류를 다음 뉴런(23, 24)으로 전송한다. The neural network 1 includes a
일 실시예에서, 상기 소스 라인(215)은 탑 게이트 라인(315)와 수직하게 배치된다. 소스 라인(215)은 탑 게이트 라인(315)의 방향과 수직한 방향으로 위치한 시냅스 어레이의 출력 전류를 병렬적으로 합한 전류를 다음 뉴런으로 전송한다. 시냅스 어레이의 출력 전류는 해당 어레이에 포함된 시냅스 셀의 개별 소스 전류(즉, 연산 신호)의 합을 나타낸다. In one embodiment, the
그 결과, 뉴럴 네트워크(1)는 소스 라인(215)을 통해 자동적으로 시냅스 블록(10)의 가중합 연산을 수행할 수 있다. As a result, the neural network 1 may automatically perform a weighted sum operation of the
이와 같이, 소스 전류가 다음 뉴런(23, 24)으로 전송되는 시냅스 블록(10)의 출력 신호가 되므로, 소스 라인(215)은 POL(Post-synpatic output line)으로 지칭될 수 있다. 시냅스 블록(10)이 제1 시냅스 어레이 및 제2 시냅스 어레이를 포함하는 경우, 뉴럴 네트워크(1)는 2개의 소스 라인(1215, 2215)을 포함한다.In this way, since the source current becomes an output signal of the
<시냅스 셀별 가중치 설정><Set weight for each synaptic cell>
전술한 바와 같이, 시냅스 블록(10) 내 반도체 소자는 더블 게이트 간의 전위차를 통해 (예컨대, 탑 게이트(310)가 0V인 경우 바텀 게이트(330)의 전압 제어를 통해) 프로그램/이레이즈 동작을 수행한다. As described above, the semiconductor device in the
상기 프로그램/이레이즈 동작을 위해, 전술한 읽기 동작을 위한 제어 라인의 일부(235, 315) 이외에, 추가 제어 라인이 요구된다. For the program/erase operation, an additional control line is required in addition to some of the
도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 뉴럴 네트워크(1)는 제1 및 제2 시냅스 어레이의 바텀 게이트(330)와 연결된 바텀 게이트 라인(BGL)(335)을 포함한다. 뉴럴 네트워크(1)는 제1 시냅스 어레이 및 제2 시냅스 어레이를 포함하는 경우, 시냅스 블록(10)은 2개의 바텀 게이트 라인(1335, 2335)을 포함한다. 2 and 6, the neural network 1 includes a bottom gate line (BGL) 335 connected to the
시냅스 어레이 내의 각 셀들이 소스 라인(215)과 병렬적으로 연결되어 있고 드레인 라인(235)과 소스 라인(215)이 서로 수직하므로, NOR 플래시 메모리의 어레이 구조와 유사하다. Since each of the cells in the synaptic array is connected in parallel with the
본 발명의 다른 일 측면에 따른 시냅스 블록의 가중치를 설정하는 방법에 의해, FN 터널링 방식을 통해서도 NOR 플래시 메모리와 유사한 어레이 구조를 갖는 시냅스 블록(10)의 특정 타겟 셀의 시냅스 가중치를 조절할 수 있다. 나악, FN 터널링 방식을 통해 시냅스 블록(10)의 각 셀별로 독립적인 시냅스 가중치를 설정할 수 있다. By the method of setting the weight of the synaptic block according to another aspect of the present invention, the synaptic weight of a specific target cell of the
도 8은, 도 5의 시냅스 블록 내 타겟 셀의 시냅스 가중치 조절 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 8 is a diagram illustrating a process of adjusting synaptic weights of a target cell in the synaptic block of FIG. 5.
도 8을 참조하면, 가중치 조절 모드에서는, 추론 모드에서와 달리, 시냅스 블록(10)은 뉴런과의 연결이 끊어지고, FN 터널링을 통한 가중치 조절을 위해 제어 회로(30)와 연결된다. Referring to FIG. 8, in the weight control mode, unlike in the inference mode, the
설명의 명료성을 위해, 반도체 소자(A, B, C, D)를 포함한 시냅스 블록(10)에서 반도체 소자(A)의 시냅스 가중치를 조절하는 예시를 가정하여 가중치 조절 과정을 설명한다. For clarity of explanation, the process of adjusting the weight will be described on the assumption of an example of adjusting the synaptic weight of the semiconductor device A in the
반도체 소자(A)는 가중치 조절의 대상이 되는 타겟 셀로서, FN 터널링을 통해 반도체 소자(A)의 프로그램 동작을 수행할 수 있도록, 타겟 반도체 소자(A)의 소스(210A)와 드레인(230A)을 플로팅시킨다. 일 실시예에서, 상기 소스 및 드레인(210A, 230A)은 제1 스위칭 소자(40)의 오프에 의해 플로팅된다. The semiconductor device A is a target cell subject to weight adjustment, and the
탑 게이트(310A)에서 바텀 게이트(330B)로의 채널을 형성하기 위해 탑 게이트(310A)와 바텀 게이트(330B) 사이의 전위차를 제어한다. 예를 들어, 타겟 반도체 소자(A)의 탑 게이트(310A) 및 바텀 게이트(330B)에 서로 다른 전압을 인가함으로써 탑 게이트(310A)와 바텀 게이트(330B) 사이의 전위차를 제어하여 채널을 형성한다. A potential difference between the
탑 게이트(310A)에서 바텀 게이트(330B)로의 전계가 형성되면, 탑 게이트(310A)의 전하가 바텀 게이트(330B)의 방향으로 이동한다. 일 예시에서, 제어 회로(30)는 반도체 소자(A)와 연결된 탑 게이트 라인(1315)을 통해 탑 게이트(310A)의 전압을 0V로 제어하고, 반도체 소자(A)와 연결된 바텀 게이트 라인(1335)을 통해 프로그램 전압(VPP)을 인가하여 바텀 게이트(310B)에는 FN 터널링을 통해 전하저장층(430A)에 전하를 이동시킨다. 상기 프로그램 전압(VPP)은 위에서 전술한 바와 같이, 예를 들어 12V일 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. When an electric field is formed from the
이에 따라, 탑 게이트(310A)로부터 바텀 게이트(330B)로의 전류 통로가 형성되고, 탑 게이트(310A)에서 터널링된 전하가 바템 게이트(330B) 방향으로 터널링하면서 이동한다. 터널링된 전하는 최종적으로 질화막(440)에 의해 전하저장층(430)에서 포획되어 타겟 셀(A)의 가중치가 조절된다. Accordingly, a current path is formed from the
또한, 타겟 셀 이외의 나머지 시냅스 셀(B, C, D)은 프로그램 금지되도록 제어된다. In addition, the synaptic cells B, C, and D other than the target cell are controlled to be program-prohibited.
반도체 소자(B)는 타겟 반도체 소자(A)와 탑 게이트 라인(1315)을 공유하는 시냅스 셀로서, 반도체 소자(A)의 가중치 조절을 위해 탑 게이트(310B)에는 탑 게이트(310A)와 동일한 전압이 인가된 상태이다. 상기 예시에서, 탑 게이트(310B)에는 0V가 인가된다. The semiconductor device B is a synaptic cell that shares the target semiconductor device A and the
반도체 소자(B)에 FN 터널링을 방지하기 위해, 바텀 게이트(330B)의 전위는 탑 게이트(310B)와 동일한 전위로 제어된다. 상기 예에서, 제어 회로는 바텀 게이트 라인(2335)을 통해 바텀 게이트(330B)의 전압을 0V로 제어한다. In order to prevent FN tunneling in the semiconductor device B, the potential of the bottom gate 330B is controlled to the same potential as that of the
그러면, 반도체 소자(B)에서는 탑 게이트(310B)에서 바텀 게이트(330B)로의 전계가 형성되지 않아, 가중치 조절이 금지된다. Then, since an electric field from the
반도체 소자(C)는 타겟 반도체 소자(A)와 바텀 게이트 라인(1335)을 공유하는 시냅스 셀로서, 반도체 소자(A)의 가중치 조절을 위해 바텀 게이트(330C)에는 바텀 게이트(330B)의 프로그램 전압으로 설정된 상태이다. 상기 예시에서, 바텀 게이트(330C)에는 이미 12V가 인가되고 있다. The semiconductor device C is a synaptic cell that shares the target semiconductor device A and the
반도체 소자(A)의 프로그램 전위차(또는 프로그램 전압(VPP))의 영향 하에 있는 반도체 소자(C)의 채널을 부스팅하여, 반도체 소자(C)의 FN 터널링을 방지한다. 상기 예시에서, 제어 회로(30)는 탑 게이트 라인(2315)을 통해 탑 게이트(310C)에 프로그램 금지 전압을 인가하여, 전하의 이동을 방지한다. The channel of the semiconductor element C under the influence of the program potential difference (or program voltage VPP) of the semiconductor element A is boosted to prevent FN tunneling of the semiconductor element C. In the above example, the
상기 탑 게이트(310C)에 인가되는 프로그램 금지 전압은, 예를 들어, 대략 프로그램 전압(VPP)의 절반(예컨대, 0.4 내지0.6 VPP)일 수 있으나, 이에 제한되진 않는다. The program prohibition voltage applied to the top gate 310C may be, for example, approximately half of the program voltage VPP (eg, 0.4 to 0.6 VPP), but is not limited thereto.
그러면, 바텀 게이트(330C)와 탑 게이트(310C) 간의 전위차는 감소하여, 탑 게이트(310C)의 전하가 전하저장층(430C)로 이동시키는 것을 방지할 수 있고, 결국 반도체 소자(C)에서 가중치 설정이 금지된다. Then, the potential difference between the bottom gate 330C and the top gate 310C decreases, so that the charge of the top gate 310C can be prevented from being transferred to the charge storage layer 430C, and eventually the weight in the semiconductor device C Setting is prohibited.
반도체 소자(D)는 반도체 소자(C)와 탑 게이트 라인(2315)을 공유하고, 반도체 소자(B)와 바텀 게이트 라인(2335)을 공유하는 시냅스 셀이다. 이로 인해, 반도체 소자(D)의 탑 게이트(310D)는 탑 게이트(310C)의 프로그램 금지 전압과 동일한 전압을 이미 갖고 있고, 또한, 바텀 게이트(330D)는 반도체 소자(D)의 바텀 게이트(330D)의 전압과 동일한 전압을 가진다. The semiconductor device D is a synaptic cell that shares the semiconductor device C and the
일부 실시예에서, 반도체 소자(D)는 FN 터널링을 발생시키지 않을 게이트(310D, 330D) 간의 전위차를 가질 수도 있다. 이 경우, 반도체 소자(D)는 이전 반도체 소자(A, B, C)의 전압 제어로 인해 자동으로 프로그램이 금지된다. In some embodiments, the semiconductor device D may have a potential difference between the gates 310D and 330D that will not cause FN tunneling. In this case, the program of the semiconductor device D is automatically prohibited due to the voltage control of the previous semiconductor devices A, B, and C.
다른 일부 실시예에서 반도체 소자(D)는 FN 터널링을 발생시킬 게이트(310D, 330D) 간의 전위차를 가질 수도 있다. 그러나, 이 경우에 FN 터널링은 바텀 게이트(330D)에서 탑 게이트(310D)로 발생하며, 탑 게이트(310D)에는 전하저장층(430)이 없으므로 가중치 조절이 발생하지 않는다. 플래시 메모리는 프로그램 동작 전에 이레이즈 동작을 수행하는 것이 일반적이므로, 전술한 전위차에 의해 전하저장층(430)에 저장된 전하가 탑 게이트(310D)로 이동하지 않는다. In some other embodiments, the semiconductor device D may have a potential difference between the gates 310D and 330D for generating FN tunneling. However, in this case, FN tunneling occurs from the bottom gate 330D to the top gate 310D, and since there is no
이어서, 새로운 타겟 반도체 소자(B, C, 또는 D)의 바텀 게이트(330)에 프로그램 전압(VPP)을 인가하고, 바텀 게이트 라인(335)을 공유하는 다른 반도체 소자(B, C, 또는 D)의 탑 게이트(310)에는 프로그램 금지 전압(예컨대, 0.5VPP)을 인가하는 과정 등을 통해, 시냅스 블록(10) 내 나머지 반도체 소자(B, C, D)에 대해서도 독립적으로 시냅스 가중치를 조절할 수 있다. Then, another semiconductor device (B, C, or D) that shares the
도 8의 시냅스 블록(10)에 이미 설정된 시냅스 가중치를 지우는 이레이즈 과정은 전술한 시냅스 가중치를 설정하는 과정과 유사하다. 다만, 반도체 소자의 프로그램/이레이즈 동작에서 전술한 바와 같이, 시냅스 가중치를 설정하는 전계와 반대 방향의 전계를 타겟 시냅스 셀에 적용하여 수행할 수 있다. 예를 들어, 가중치 설정을 위한 프로그램 전압과 절대 값은 같고 부호는 반대인 전압에 의해 반대 방향의 전계를 형성시켜 시냅스 가중치를 지울 수 있다. The erasing process of erasing the synaptic weights already set in the
도 9는 시냅스 가중치 설정 과정에서 도 8의 타겟 반도체 소자의 특성을 도시한 도면이다. 9 is a diagram showing characteristics of the target semiconductor device of FIG. 8 in a process of setting synaptic weights.
도 9의 그래프에서 x축은 바텀 게이트(310A)의 전압을 나타내고, y축은 게이트 단자(310A, 330A)의 전류의 세기를 나타낸다. 상기 전류의 세기는 절대 값이다. In the graph of FIG. 9, the x-axis represents the voltage of the
실험적으로, 시냅스 블록(10)에서 반도체 소자(A)의 소스(210A)와 드레인(230A)을 플로팅시킨 후, 탑 게이트(310A)에 0V를 인가하고, 바텀 게이트(330A)의 전압을 0V에서부터 14V까지 변경하여 탑 게이트(310A)와 바텀 게이트(330A)의 전류를 측정하였다. 그 결과, 두 단자(310A, 330A)에서 동일한 크기를 가지며 부호는 반대인 게이트 전류가 흐르는 것이 확인된다. Experimentally, after plotting the
즉, 도 9의 그래프는 바텀 게이트(330A) 쪽으로 형성되는 터널링 전류는 탑 게이트(310A)로부터의 터널링에 기초한 한 것임을 나타낸다. That is, the graph of FIG. 9 indicates that the tunneling current formed toward the bottom gate 330A is based on tunneling from the
또한, 반도체 소자(A)의 터널링 전류의 크기는 10 nA 수준이다. 상기 터널링 전류의 크기는 통상의 NOR 플래시 메모리의 가중치 설정 전류에 비해 매우 작은 수치이다. 결국, 도 9의 그래프는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자 및 시냅스 블록이 FN터널링을 통해 프로그램 동작을 수행함으로써, 통상의 NOR 플래시 메모리에서 사용하는 채널 핫 일렉트론 방식에 비해 천분의 일 이하로 전력 소모를 줄일 수 있음을 뒷받침한다. In addition, the magnitude of the tunneling current of the semiconductor device A is on the order of 10 nA. The magnitude of the tunneling current is a very small value compared to the weight setting current of a conventional NOR flash memory. As a result, the graph of FIG. 9 shows that the semiconductor device and the synapse block according to the exemplary embodiments of the present invention perform a program operation through FN tunneling, so that it is less than one thousandth of a channel hot electron method used in a typical NOR flash memory. It supports that power consumption can be reduced.
도 10는, 도 8의 시냅스 가중치 설정 방법에 따른 결과를 도시한 도면이다. 10 is a diagram illustrating a result according to the method of setting synaptic weights of FIG. 8.
도 8을 참조하여 설명한 타겟 반도체 소자의 시냅스 가중치를 설정하는 방법에 의해, 타겟 반도체 소자(A)의 시냅스 가중치가 결정될 수 있다. 반도체 소자에서 시냅스 가중치가 설정된 것은 반도체 소자의 문턱 전압의 변화(shift)로 표현된다. The synaptic weight of the target semiconductor device A may be determined by the method of setting the synaptic weight of the target semiconductor device described with reference to FIG. 8. The setting of the synaptic weight in the semiconductor device is expressed as a shift in the threshold voltage of the semiconductor device.
도 10에 도시된 바와 같이, 시냅스 가중치 설정을 의도했던 반도체 소자(A)의 문턱 전압만이 오른쪽으로 변화(shift)하였고, 프로그램 금지되었던 나머지 반도체 소자(B, C, D)의 문턱 전압은 실질적인 변화 없이 거의 유지된다. As shown in FIG. 10, only the threshold voltage of the semiconductor device A, for which the synaptic weight was intended to be set, was shifted to the right, and the threshold voltages of the remaining semiconductor devices B, C, D, which were prohibited from the program, were substantially It remains almost unchanged.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.The present invention described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and variations of the embodiments are possible therefrom. However, such a modification should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
제 4차 산업혁명에 힘입어 인공지능 관련 산업 규모가 전 세계적으로 가파르게 증가하는 추세이며, 특히 생물학적 신경계의 시냅스와 뉴런의 기능을 모방한 전자 소자에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다. Thanks to the 4th Industrial Revolution, the size of the artificial intelligence-related industry is increasing rapidly around the world, and in particular, research on electronic devices that mimic the functions of synapses and neurons in the biological nervous system are actively being conducted.
본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자는 기존 반도체 공정 친화적이며, 높은 신뢰성을 가질 수 있는 시냅스 어레이(및 시냅스 블록)을 제공할 수 있다. 따라서, 하드웨어 측면의 뉴럴 네트워크 기술 분야에서 높은 경쟁력을 가질 것으로 예상된다.The semiconductor device according to the embodiments of the present invention can provide a synaptic array (and synapse block) that is friendly to conventional semiconductor processes and can have high reliability. Therefore, it is expected to have high competitiveness in the field of neural network technology in terms of hardware.
Claims (20)
제2 도전형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 바디 상에 형성된 소스 및 드레인;
상기 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 제1 게이트;
상기 바디를 사이에 두고 상기 제1 게이트와 대향하도록 형성된 제2 게이트; 및
상기 바디와 제2 게이트 사이에 형성된 전하저장층을 갖는 절연막 스택을 포함하되,
상기 소스 및 드레인이 플로팅된 상태에서, 상기 제2 게이트에 보다 높은 전압을 인가하고 상기 제1 게이트에 보다 낮은 전압을 인가해 형성되는, 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의한 상기 제1 게이트로부터 제2 게이트로의 전계에 의한 터널링을 통해 전자를 상기 전하저장층에 저장하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
A body made of a first conductivity type semiconductor material;
A source and a drain made of a second conductivity type semiconductor material and formed on the body;
A first gate formed on the body with a gate insulating layer therebetween;
A second gate formed to face the first gate with the body therebetween; And
Including an insulating layer stack having a charge storage layer formed between the body and the second gate,
The first gate is formed by applying a higher voltage to the second gate and applying a lower voltage to the first gate while the source and drain are floating, due to a potential difference between the first gate and the second gate And storing electrons in the charge storage layer through tunneling by an electric field from to the second gate.
상기 전하저장층 상에 형성된 제1 스택 절연막; 및
상기 전하저장층을 사이에 두고 상기 제1 스택 절연막과 대향하도록 형성된 제2 스택 절연막을 더 포함하는 반도체 소자.
The method of claim 1, wherein the insulating layer stack,
A first stack insulating layer formed on the charge storage layer; And
A semiconductor device further comprising a second stack insulating layer formed to face the first stack insulating layer with the charge storage layer therebetween.
각 절연막이 손상되지 않게 하는 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의해 전계가 형성된 경우, 상기 제1 게이트의 전하가 상기 제2 게이트 방향으로 터널링할 수 있도록 구성된 반도체 소자.
The method of claim 3, wherein the first stack insulating layer,
A semiconductor device configured to allow charge of the first gate to tunnel toward the second gate when an electric field is formed by a potential difference between the first gate and the second gate, which prevents damage to each insulating layer.
7nm 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method of claim 4, wherein the first stack insulating layer,
A semiconductor device, characterized in that it has a thickness of less than 7 nm.
상기 전계가 소멸한 경우에, 상기 전하저장층 내 터널링된 전하가 유출되지 않도록 더 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method of claim 4, wherein the first stack insulating layer,
When the electric field is dissipated, the semiconductor device further configured to prevent the tunneled charge from leaking out of the charge storage layer.
3nm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method of claim 6, wherein the first stack insulating layer,
A semiconductor device having a thickness of 3 nm or more.
각 절연막이 손상되지 않게 하는 상기 제1 게이트와 제2 게이트 간의 전위차에 의해 전계가 형성된 경우, 상기 제1 게이트의 전하가 상기 제2 게이트 방향으로 터널링하는 것을 억제하도록 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method of claim 3, wherein the second stack insulating layer,
And when an electric field is formed by a potential difference between the first gate and the second gate, which prevents damage to each insulating layer, the semiconductor device is configured to suppress tunneling of the charge of the first gate in the direction of the second gate.
8nm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method of claim 8, wherein the second stack insulating layer,
A semiconductor device having a thickness of 8 nm or more.
상기 바디는 다결정 반도체 물질, 비정질 반도체 물질 및 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
The method according to any one of claims 1 and 3 to 9,
The body is a semiconductor device, characterized in that made of any one of a polycrystalline semiconductor material, an amorphous semiconductor material, and combinations thereof.
상기 반도체 소자는:
제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 바디;
제2 도전형 반도체 물질로 이루어지며, 상기 바디 상에 형성된 소스 및 드레인;
상기 바디 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 제1 게이트;
상기 바디를 사이에 두고 상기 제1 게이트와 대향하도록 형성된 제2 게이트; 및
상기 바디와 제2 게이트 사이에 형성된 전하저장층을 갖는 절연막 스택을 포함하고,
상기 뉴럴 네트워크는:
시냅스 블록으로서, 제1 반도체 소자 및 제2 반도체 소자를 포함한 제1 시냅스 어레이; 및 제3 반도체 소자 및 제4 반도체 소자를 포함한 제2 시냅스 어레이를 포함하고, 각 시냅스 어레이는 서로 다른 반도체 소자의 드레인이 인접하도록 구성된, 시냅스 블록;
각 시냅스 어레이의 드레인 영역과 전기적으로 연결된 드레인 라인;
각 시냅스 어레이의 제1 게이트와 전기적으로 연결된 제1 게이트 라인; 및
상기 제1 시냅스 어레이의 소스 영역 및 제2 시냅스 어레이의 소스 영역과 전기적으로 연결된 소스 라인; 을 포함하되,
상기 드레인 라인 및 제1 게이트 라인은 이전 뉴런으로부터 입력 신호를 수신하고, 상기 소스 라인은 상기 시냅스 블록에서의 연산 결과를 출력 신호로 다음 뉴런에 출력하는 것을 특징으로 하는 뉴럴 네트워크.
In a neural network having a plurality of semiconductor devices as synaptic cells,
The semiconductor device is:
A body made of a first conductivity type semiconductor material;
A source and a drain made of a second conductivity type semiconductor material and formed on the body;
A first gate formed on the body with a gate insulating layer therebetween;
A second gate formed to face the first gate with the body therebetween; And
Including an insulating layer stack having a charge storage layer formed between the body and the second gate,
The neural network is:
A synaptic block, comprising: a first synaptic array including a first semiconductor device and a second semiconductor device; And a second synaptic array including a third semiconductor device and a fourth semiconductor device, wherein each synaptic array includes a synaptic block configured such that drains of different semiconductor devices are adjacent to each other;
A drain line electrically connected to the drain region of each synapse array;
A first gate line electrically connected to the first gate of each synapse array; And
A source line electrically connected to a source region of the first synaptic array and a source region of the second synaptic array; Including,
Wherein the drain line and the first gate line receive an input signal from a previous neuron, and the source line outputs an operation result in the synaptic block as an output signal to a next neuron.
상기 입력 신호를 수신하면, 각 반도체 소자별로 상기 입력 신호 및 미리 설정된 가중치에 기초한 소스 신호를 각각 형성하도록 구성된 뉴럴 네트워크.
The method of claim 11, wherein the synaptic block:
Upon receiving the input signal, a neural network configured to respectively form a source signal based on the input signal and a preset weight for each semiconductor device.
각 반도체 소자별 소스 신호의 합산인 것을 특징으로 하는 뉴럴 네트워크.
The method of claim 12, wherein the output signal is
A neural network, characterized in that the sum of source signals for each semiconductor device.
상기 이전 뉴런, 다음 뉴런 및 시냅스 블록 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 제1 스위칭 소자를 통해 이전 뉴런과 다름 뉴런을 연결하고,
상기 제1 시냅스 어레이의 제2 게이트 및 제2 시냅스 어레이의 제2 게이트와 전기적으로 연결된 제2 게이트 라인; 및 제어 회로와 시냅스 블록 사이의 전기적 연결을 온/오프하는 제2 스위칭 소자를 통해, 상기 복수의 라인 중 적어도 일부를 통해 반도체 소자를 제어하는 상기 제어 회로에 더 연결되는 것을 특징으로 하는 뉴럴 네트워크.
The method of claim 11, wherein the synaptic block,
The previous neuron and the other neuron are connected through a first switching element that turns on/off the electrical connection between the previous neuron, the next neuron, and the synaptic block,
A second gate line electrically connected to the second gate of the first synaptic array and the second gate of the second synaptic array; And a second switching element that turns on/off an electrical connection between the control circuit and the synapse block, and is further connected to the control circuit for controlling the semiconductor element through at least a portion of the plurality of lines.
상기 연산 결과의 출력은 상기 제1 스위칭 소자의 온 상태 및 상기 제2 스위칭 소자의 오프 상태에서 수행되고,
상기 제어 회로의 동작은 상기 제1 스위칭 소자의 오프 상태 및 상기 제2 스위칭 소자의 온 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 뉴럴 네트워크.
The method of claim 14,
The output of the calculation result is performed in an on state of the first switching element and an off state of the second switching element,
The operation of the control circuit is performed in an off state of the first switching element and an on state of the second switching element.
터널링에 따른 제1 반도체 소자의 가중치 설정 이후에, 상기 타겟 반도체 소자 내 전하의 터널링을 위한 전계를 형성하도록 상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차를 제어하는 단계;
상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트와 제어 회로 간의 제1 게이트 라인을 공유하는, 다른 반도체 소자 내 전하의 터널링을 방지하기 위해 상기 다른 반도체 소자의 제2 게이트의 전압을 제어하는 단계;
상기 타겟 반도체 소자의 제2 게이트와 제어 회로 간의 제2 게이트 라인을 공유하는, 또 다른 반도체 소자 내 전하의 터널링을 방지하기 위해 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 게이트의 전압을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
In a method of setting a synaptic weight of a target semiconductor device in a synaptic array including a plurality of semiconductor devices,
Controlling a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device to form an electric field for tunneling charges in the target semiconductor device after setting the weight of the first semiconductor device according to tunneling;
Controlling a voltage of a second gate of the other semiconductor device to prevent tunneling of charges in the other semiconductor device, sharing a first gate line between the first gate of the target semiconductor device and a control circuit;
A step of controlling a voltage of a first gate of another semiconductor device to prevent tunneling of charges in another semiconductor device, sharing a second gate line between the second gate of the target semiconductor device and a control circuit. Way.
타겟 반도체 소자의 제2 게이트에 제1 전압을 인가하는 단계; 및
상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트에 제2 전압을 인가하는 단계;를 포함하되,
상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차는 상기 제1 게이트의 전자가 상기 제2 게이트 방향으로의 터널링을 위해 채널을 형성하게 하는 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 16, wherein controlling a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device comprises:
Applying a first voltage to a second gate of the target semiconductor device; And
Including; applying a second voltage to the first gate of the target semiconductor device;
And a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device causes electrons of the first gate to form a channel for tunneling in a direction of the second gate.
상기 다른 반도체 소자의 제2 게이트에 상기 타겟 반도체 소자의 제1 게이트의 전압과 동일한 전압을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 16, wherein controlling the voltage of the second gate of the other semiconductor device comprises:
And applying a voltage equal to the voltage of the first gate of the target semiconductor device to a second gate of the other semiconductor device.
상기 타겟 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차 보다 낮도록 상기 또 다른 반도체 소자의 제1 게이트에 제3 전압을 인가하는 단계를 포함하는 방법.
The method of claim 16, wherein controlling a voltage of the first gate of the another semiconductor device comprises:
And applying a third voltage to a first gate of another semiconductor device to be lower than a potential difference between the first and second gates of the target semiconductor device.
상기 또 다른 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차가 상기 제1 반도체 소자의 제1 및 제2 게이트 간의 전위차의 40 내지 60%로 되게 하는 전압인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 19, wherein the third voltage is
The method according to claim 1, wherein the voltage is such that a potential difference between the first and second gates of the other semiconductor device is 40 to 60% of the potential difference between the first and second gates of the first semiconductor device.
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