KR102461251B1 - Weighting device, neural network, and operating method of the weighting device - Google Patents

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Abstract

저전압에서 구동가능하고, 멀티레벨을 구현할 수 있는 가중치 소자, 뉴럴 네트워크, 및 가중치 소자의 동작 방법을 개시한다. 가중치 소자는 전압 인가에 따라 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어와, 스위칭 레이어의 저항 상태에 따라 전하를 포획 또는 방출하는 전하포획물질층을 포함한다. 이러한 가중치 소자는 뉴럴 네트워크에서 가중치의 조절을 위해 사용될 수 있다. Disclosed are a weighting element capable of being driven at a low voltage and implementing multilevel, a neural network, and a method of operating the weighting element. The weight element includes a switching layer that can be switched between a high resistance state and a low resistance state according to voltage application, and a charge trapping material layer that traps or releases charges according to the resistance state of the switching layer. Such a weight element may be used to adjust a weight in a neural network.

Description

가중치 소자, 뉴럴 네트워크, 및 가중치 소자의 동작 방법{Weighting device, neural network, and operating method of the weighting device}Weighting device, neural network, and operating method of the weighting device

본 개시는 멀티레벨의 가중치를 구현할 수 있는 가중치 소자, 뉴럴 네트워크, 및 가중치 소자의 동작 방법 에 관한 것이다.The present disclosure relates to a weight element capable of implementing multi-level weighting, a neural network, and a method of operating the weight element.

뇌에는 수천억 개의 뉴런이 존재하며, 서로 복잡하게 연결되어 신경망을 구성한다. 이러한 뉴런들은 서로 다른 뉴런과 신호를 주고 받을 수 있는 시냅스를 가져 학습, 기억 등의 역할을 수행할 수 있다. 시냅스는 뉴런 사이의 접합부를 가르치는 것으로 신호가 전달되는 프리-시냅스의 축색 돌기와 신호가 수신되는 포스트-시냅스의 수상 돌기가 연결된 접합부를 가리킨다. 일반적으로 하나의 뉴런은 다른 수천 개의 뉴런들과 시냅스를 가진다. 이러한 생물 신경망을 모사하기 위한 뉴로모픽 회로(Neuromorphic Network)의 개발이 시도되고 있다. 이러한 회로의 개발에 있어 신경 현상과 유사한 특성을 가지는 소자가 요구된다. 기존의 폰 노이만(Von Neuman) 구조의 전자계산을 이용하는 뉴럴 네트워크(Neural Network)가 제시되었는데 이 뉴럴 네트워크의 핵심소자는 가중치 소자(weighting device)로서 반복적인 입력신호에 의해 정보가 축적되는 기능을 갖는 소자가 요구된다.There are hundreds of billions of neurons in the brain, and they are intricately connected to each other to form a neural network. These neurons have synapses that can send and receive signals with other neurons, so they can perform roles such as learning and memory. A synapse refers to a junction where the axon of the pre-synapse through which a signal is transmitted and the dendrite of the post-synapse at which the signal is received are connected, teaching the junction between neurons. In general, one neuron has synapses with thousands of other neurons. The development of a neuromorphic network for simulating such a biological neural network is being attempted. In the development of such a circuit, a device having characteristics similar to a neural phenomenon is required. A neural network using electronic calculations of the existing Von Neuman structure has been proposed. The core element of this neural network is a weighting device, which has a function of accumulating information by repetitive input signals. Small is required.

저전압에서 구동가능하며 멀티레벨을 구현할 수 있는 가중치 소자, 뉴럴 네트워크, 및 가중치 소자의 동작 방법을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a weight element capable of being driven at a low voltage and implementing multi-level, a neural network, and an operation method of the weight element.

본 개시에 따른 가중치 소자는, 기판; 상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되는 소스영역 및 공용영역과, 상기 소스영역과 전기적으로 연결되는 소스전극, 상기 소스영역과 상기 공용영역 사이에 위치하는 제 1 채널영역, 상기 제 1 채널영역 상에 마련되는 제 1 게이트 절연층, 상기 제 1 게이트 절연층 상에 마련되는 전하포획물질층, 상기 전하포획물질층 상에 마련되어 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어, 상기 스위칭 레이어 상에 마련되는 제 1 게이트전극을 포함하며, 상기 전하포획물질층은 상기 제 1 게이트 절연층을 사이에 두고 상기 공용영역에서 상기 제 1 채널영역에 인접한 영역과 대면하는 제 1 트랜지스터; 및 상기 기판 상에서 상기 공용영역에 이격되어 배치되는 드레인영역, 상기 드레인영역과 전기적으로 연결되는 드레인전극, 상기 공용영역과 상기 드레인영역 사이에 위치하는 제 2 채널영역, 상기 제 2 채널영역 상에 마련되는 제 2 게이트 절연층, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 마련되는 제 2 게이트전극을 포함하며, 상기 공용영역을 소스로 삼는 제 2 트랜지스터;를 포함한다.A weight element according to the present disclosure includes: a substrate; On the substrate, a source region and a common region are spaced apart from each other, a source electrode electrically connected to the source region, a first channel region positioned between the source region and the common region, and on the first channel region A first gate insulating layer provided, a charge trapping material layer provided on the first gate insulating layer, a switching layer provided on the charge trapping material layer and capable of switching between a high resistance state and a low resistance state, and on the switching layer a first transistor including a first gate electrode provided on the junction, wherein the charge trapping material layer faces a region adjacent to the first channel region in the common region with the first gate insulating layer interposed therebetween; and a drain region spaced apart from the common region on the substrate, a drain electrode electrically connected to the drain region, a second channel region positioned between the common region and the drain region, and provided on the second channel region and a second transistor including a second gate insulating layer, a second gate insulating layer, a second gate electrode provided on the second gate insulating layer, and using the common region as a source.

상기 제 1 트랜지스터는, 상기 기판 상에 상기 소스영역과 접하여 배치되며, 상기 소스영역과 PN 다이오드 구조를 형성하는 누출방지영역을 더 포함하고, 상기 소스전극은, 상기 누출방지영역과 접할 수 있다.The first transistor may be disposed on the substrate in contact with the source region and further include a leakage preventing region forming a PN diode structure with the source region, and the source electrode may be in contact with the leakage preventing region.

상기 누출방지영역은, 상기 소스전극과 접하는 면적 외에는 상기 소스영역에 둘러싸일 수 있다.The leakage preventing region may be surrounded by the source region except for an area in contact with the source electrode.

상기 제 1 채널영역과 상기 제 2 채널영역은 서로 반대의 도전성을 가질 수 있다.The first channel region and the second channel region may have opposite conductivity.

상기 제 1 트랜지스터는, 상기 기판에서 상기 소스영역, 상기 제 1 채널영역, 및 상기 공용영역을 감싸며 상기 제 2 채널영역과 반대의 도전성을 가지는 우물을 더 포함할 수 있다. The first transistor may further include a well surrounding the source region, the first channel region, and the common region in the substrate and having a conductivity opposite to that of the second channel region.

상기 제 1 게이트전극과 상기 소스전극은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.The first gate electrode and the source electrode may be electrically connected to each other.

상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 기판을 사이에 두고 상기 전하포획물질층과 대면되는 부스팅전극을 더 포함할 수 있다.A boosting electrode facing the charge trapping material layer with the first gate insulating layer and the substrate interposed therebetween may be further included.

상기 스위칭 레이어는, 전압 인가에 따라 전도성 나노 필라멘트가 형성되어, 상기 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 나노 필라멘터리 물질을 포함할 수 있다.The switching layer may include a nanofilamentary material capable of being switched to the low resistance state by forming conductive nanofilaments according to voltage application.

상기 스위칭 레이어는, PN 다이오드층을 포함할 수 있다.The switching layer may include a PN diode layer.

본 개시에 따른 가중치 소자의 동작방법에 있어서, 상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계; 상기 드레인전극에 쓰기전압을 인가하는 단계; 및 상기 제 1 게이트전극을 접지시키는 단계;를 포함하고, 상기 쓰기전압에 의해 상기 제 1 게이트전극을 통해 전하가 상기 전하포획물질층에 유입되어 상기 전하포획물질층에 정보를 기록할 수 있다.A method of operating a weight element according to the present disclosure, comprising: opening the second channel region by applying a selection voltage to the second gate electrode; applying a write voltage to the drain electrode; and grounding the first gate electrode, wherein an electric charge flows into the charge trapping material layer through the first gate electrode by the write voltage to write information into the charge trapping material layer.

또는, 상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계; 상기 제 1 게이트전극에 지우기전압을 인가하는 단계; 및 상기 드레인전극을 접지시키는 단계;를 포함하고, 상기 지우기전압에 의해 상기 전하포획물질층에 포획된 전하를 제거하여 정보를 지울 수 있다.or, applying a selection voltage to the second gate electrode to open the second channel region; applying an erase voltage to the first gate electrode; and grounding the drain electrode, wherein the information may be erased by removing the charge trapped in the charge trapping material layer by the erase voltage.

또는, 상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계; 상기 소스전극에 읽기전압을 인가하는 단계; 및 상기 드레인전극에서 측정전류를 측정하여, 상기 전하포획물질층에 포획된 전하량을 읽는 단계;를 포함할 수 있다.or, applying a selection voltage to the second gate electrode to open the second channel region; applying a read voltage to the source electrode; and reading the amount of charge captured in the charge trapping material layer by measuring the measurement current at the drain electrode.

상기 쓰기전압을 인가하는 단계는, 펄스 전압을 상기 드레인전극에 인가하여 가중치를 반영하는 단계;를 포함하고, 상기 가중치의 반영은 상기 펄스 전압의 인가 회수로 조절할 수 있다.The applying of the write voltage may include applying a pulse voltage to the drain electrode to reflect a weight, and the reflection of the weight may be controlled by the number of times the pulse voltage is applied.

상기 지우기전압을 인가하는 단계는, 펄스 전압을 상기 제 1 게이트전극에 인가하여 가중치를 반영하는 단계;를 포함하고, 상기 가중치의 반영은 상기 펄스 전압의 인가 회수로 조절할 수 있다.The applying of the erasing voltage may include applying a pulse voltage to the first gate electrode to reflect a weight, and the reflection of the weight may be controlled by the number of times the pulse voltage is applied.

본 개시에 따른 뉴럴 네트워크는 상술한 복수의 가중치 소자; 및 상기 복수의 가중치 소자에 인가하는 게이트 전압을 선택적으로 스위칭하는 복수의 뉴런 트랜지스터;를 포함할 수 있다.A neural network according to the present disclosure includes a plurality of weight elements described above; and a plurality of neuron transistors selectively switching gate voltages applied to the plurality of weight elements.

상기 복수의 뉴런 트랜지스터가 2차원 배열되고, 상기 복수의 뉴런 트랜지스터의 드레인전극은 상기 복수의 가중치 소자의 제 1 게이트전극에 각각 연결되며, 동일 열에 위치하는 뉴런 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되어 선택전압을 인가할 수 있는 선택선; 및 동일 행에 위치하는 뉴런 트랜지스터의 소스전극에 연결되어 입력전압을 인가할 수 있는 입력선;을 더 포함할 수 있다.The plurality of neuron transistors are two-dimensionally arranged, and drain electrodes of the plurality of neuron transistors are respectively connected to the first gate electrodes of the plurality of weight elements, and are connected to the gate electrodes of the neuron transistors located in the same column to apply a selection voltage. selectable line; and an input line connected to a source electrode of a neuron transistor positioned in the same row to apply an input voltage.

상기 복수의 가중치 소자가 1차원 배열 또는 2차원 배열될 수 있다.The plurality of weight elements may be one-dimensionally arranged or two-dimensionally arranged.

본 개시에 따른 뉴럴 네트워크의 동작방법에 있어서, 상기 복수의 뉴런 트랜지스터를 통해 입력되는 입력 정보와 상기 복수의 가중치 소자를 통해 출력되는 출력 정보를 미리 정하고, 그에 부합하는 뉴럴 네트워크의 가중치 값을 결정하는 통제 학습식(supervised learning) 일 수 있다.In the method of operating a neural network according to the present disclosure, input information input through the plurality of neuron transistors and output information output through the plurality of weight elements are predetermined, and a weight value of the neural network corresponding thereto is determined. It may be supervised learning.

또는, 뉴런 트랜지스터를 통해 입력되는 입력 정보에 따라 뉴럴 네트워크의 가중치 값이 자율적으로 결정되도록 하는 비통제 학습식(unsupervised learning) 일 수 있다.Alternatively, it may be an unsupervised learning method in which a weight value of a neural network is autonomously determined according to input information input through a neuron transistor.

다른 실시예에 따른 가중치 소자는, 제 3 게이트 전극, 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하는 제 3 트랜지스터; 상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 2 전극을 공유하며, 제 4 게이트 전극, 제 3 전극을 구비하는 제 4 트랜지스터; 제 5 게이트 전극, 제 4 전극을 구비하고 공용영역을 드레인으로 삼는 제 5 트랜지스터; 제 6 게이트 전극, 제 5 전극을 구비하며 상기 공용영역을 소스로 삼는 제 6 트랜지스터; 상기 제 1 전극 및 상기 제 3 전극 상에 형성되며 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어; 상기 스위칭 레이어 상에 위치하며, 상기 스위칭 레이어의 저항 상태에 따라, 전하를 포획 또는 방출하는 전하포획물질층; 및 상기 전하포획물질층과 상기 제 6 게이트 전극을 연결하는 인터커넥트;를 포함할 수 있다.A weighting device according to another embodiment includes a third transistor including a third gate electrode, a first electrode, and a second electrode; a fourth transistor sharing the third transistor and the second electrode and having a fourth gate electrode and a third electrode; a fifth transistor having a fifth gate electrode and a fourth electrode and having a common area as a drain; a sixth transistor having a sixth gate electrode and a fifth electrode and using the common area as a source; a switching layer formed on the first electrode and the third electrode and capable of being switched between a high resistance state and a low resistance state; a charge trapping material layer disposed on the switching layer and configured to trap or release charges according to a resistance state of the switching layer; and an interconnect connecting the charge trapping material layer and the sixth gate electrode.

개시된 실시예들에 따르면 멀티레벨 특성을 가지는 가중치 소자를 구현할 수 있다. 개시된 실시예들에 따르면 저전압으로 동작될 수 있는 가중치 소자를 구현할 수 있다. According to the disclosed embodiments, it is possible to implement a weight element having a multi-level characteristic. According to the disclosed embodiments, it is possible to implement a weight element that can be operated with a low voltage.

개시된 실시예들에 따르면 4 터미널 가중치 소자는 읽기, 쓰기, 지우기의 동작을 수행할 수 있다. According to the disclosed embodiments, the 4-terminal weight element may perform read, write, and erase operations.

개시된 실시예들에 따르면 3 터미널 가중치 소자는 4 터미널 가중치 소자의 변형 예로 소스전극으로의 전류 누출을 방지 할 수 있다. According to the disclosed embodiments, the three-terminal weight element can prevent current leakage to the source electrode as a modification of the four-terminal weight element.

개시된 실시예들에 따르면 6 터미널 가중치 소자는 상대적으로 큰 멀티레벨 특성을 가질 수 있다. According to the disclosed embodiments, the 6-terminal weight element may have a relatively large multilevel characteristic.

개시된 실시예들에 따르면 가중치 소자간의 연결을 통해 뉴럴 네트워크에 활용될 수 있다.According to the disclosed embodiments, it can be utilized in a neural network through connection between weight elements.

도 1은 일 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 가중치 소자의 쓰기동작을 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1의 가중치 소자의 지우기 동작을 보여주는 단면도이다.
도 4a내지 도 4c는 도 1의 가중치 소자의 읽기 동작을 보여주는 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 도 7의 가중치 소자의 쓰기 동작을 보여주는 단면도이다.
도 9는 도 7의 가중치 소자의 지우기 동작을 보여주는 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 가중치 소자의 가중치를 조절하기 위한 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 도 13에 따른 PN 다이오드층의 인가 전압 대비 전류 곡선을 나타내는 도면이다.
도 15a 내지 15d는 또 다른 가중치 소자와 그의 동작방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 16은 뉴럴 네트워크의 원리를 개략적으로 나타내는 도면이다. 
도 17a 내지 17c는 뉴럴 네트워크 상에서 가중치 소자의 구동방법을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 18a 내지 18c는 복수 열의 시냅스와 단수 열의 퍼셉트론으로 구성된 뉴럴 네트워크의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 19는 뉴럴 네트워크를 이용한 학습에 관한 도면이다.
도 20은 통제 학습에 관한 그래프이다.
도 21은 비통제 학습에 관한 그래프이다.
1 is a cross-sectional view illustrating a weighting element according to an exemplary embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a writing operation of the weight element of FIG. 1 .
3 is a cross-sectional view illustrating an erase operation of the weight element of FIG. 1 .
4A to 4C are cross-sectional views illustrating a read operation of the weight element of FIG. 1 .
5 is a cross-sectional view illustrating a weighting element according to another exemplary embodiment.
6 is a cross-sectional view showing a weight element according to another embodiment.
7 is a cross-sectional view illustrating a weighting device according to another exemplary embodiment.
8 is a cross-sectional view illustrating a write operation of the weight element of FIG. 7 .
9 is a cross-sectional view illustrating an erase operation of the weight element of FIG. 7 .
10A and 10B are diagrams illustrating an operation method for adjusting a weight of a weight element.
11 is a cross-sectional view illustrating a weighting device according to another exemplary embodiment.
12 is a cross-sectional view illustrating a weight element according to another embodiment.
13 is a cross-sectional view illustrating a weighting device according to another exemplary embodiment.
14 is a diagram illustrating a current curve versus applied voltage of the PN diode layer according to FIG. 13 .
15A to 15D are diagrams schematically illustrating another weight element and an operation method thereof.
16 is a diagram schematically illustrating the principle of a neural network.
17A to 17C are schematic diagrams illustrating a method of driving a weight element in a neural network.
18A to 18C are diagrams schematically illustrating the operation of a neural network composed of a plurality of columns of synapses and a single column of perceptrons.
19 is a diagram related to learning using a neural network.
20 is a graph of controlled learning.
21 is a graph related to uncontrolled learning.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 동일 참조 부호에 대한 설명은 중복되는 범위 내에서 생략될 수 있다.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification, and the size or thickness of each component in the drawings may be exaggerated for clarity of description. Descriptions of the same reference numerals may be omitted within the overlapping range.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. Terms used in this specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. The terms used in the present invention have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.In the entire specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the embodiments of the present invention. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 4 터미널을 가지는 가중치 소자로 이해될 수 있다. 신경과학(neuroscience)이나 컴퓨터공학(computer science)에서 가중치는 두 노드(node)간의 연결의 강도나 세기를 의미한다. 특히 뉴럴 네트워크에 있어서 가중치는 일 뉴런과 연결된 복수 개의 뉴런에 전달하는 신호의 강도를 의미할 수 있다. 수학적으로는 전-뉴런에서의 입력값을 x, 후-뉴런에서의 출력값을 y라 하고, 전-뉴런과 후-뉴런의 가중치 행렬값을 wij라 할 때, x, y, wij 간에는 다음과 같은 수학식이 성립할 수 있다.1 is a cross-sectional view showing a weighting element according to an embodiment of the present invention. The weighting element according to the present embodiment may be understood as a weighting element having 4 terminals. In neuroscience or computer science, weight means the strength or strength of the connection between two nodes. In particular, in a neural network, a weight may mean the strength of a signal transmitted to a plurality of neurons connected to one neuron. Mathematically, when the input value from the pre-neuron is x, the output value from the post-neuron is y, and the weight matrix values of the pre-neuron and the post-neuron are w ij , x, y, w ij The following equation can be established between:

다음과 같은 수학식 1이 성립할 수 있다. The following Equation 1 may be established.

Figure 112016009038359-pat00001
Figure 112016009038359-pat00001

수학식 1은 전-뉴런들의 입력값 x와 가중치 wij 의 곱의 합이 출력값 y 임을 의미한다.따라서, 복수의 뉴런이 복잡하게 얽힌 신경망에서 특정 입력 정보가 인가되면, 각각의 전-뉴런에 대응되는 가중치 값에 따라서 후-뉴런에 전달될 출력값이 달라질 수 있다. 이는 생명체의 신경전달 과정과 유사하다. 생명체의 전-뉴런에서 발생된 전기 펄스 신호는 시냅스에 도달하여 화학적인 과정을 일으킨다. 화학적 과정을 통해 형성되는 신경신호 전달물질은 후-뉴런으로 전달된다. 이때 전달되는 신경신호 전달물질의 양은 후-뉴런이 재차 전기 펄스 신호를 발생시킬 것인지를 결정하며, 따라서 신경신호 전달물질의 양은 가중치 wij에 대응할 수 있다. 가중치 소자란, 실제 신경망을 모사한 뉴럴 네트워크를 구성하는 소자로 가중치 값 wij 를 멀티레벨의 메모리로 저장하고 읽을 수 있는 소자일 수 있다. 가중치 소자는 트랜지스터 구조를 가질 수 있으며, 전하포획물질층(CL)과 문턱전압변환층(TL)을 포함 할 수 있다. 가중치 소자는 입력값으로 펄스 신호를 받아드릴 수 있다. 전하포획물질층(CL)은 입력되는 펄스 신호의 개수에 따라 다양한 값의 전하량을 저장할 수 있다. 스위칭 레이어(SL)는 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량의 누출을 방지할 수 있다. 자세한 내용은 이하 후술한다.Equation 1 means that the sum of the product of the input value x of the pre-neurons and the weight w ij is the output value y. Accordingly, when specific input information is applied in a neural network in which a plurality of neurons are complicatedly entangled, each pre-neuron is The output value to be transmitted to the post-neuron may vary according to the corresponding weight value. This is similar to the neurotransmission process in living things. Electrical pulse signals generated from pre-neurons of living things reach synapses and cause chemical processes. Neurotransmitters formed through chemical processes are transmitted to post-neurons. At this time, the amount of the transmitted neurotransmitter determines whether the post-neuron will generate an electric pulse signal again, and thus the amount of the neurotransmitter may correspond to the weight w ij . The weight element is an element constituting a neural network simulating an actual neural network, and may be an element capable of storing and reading a weight value w ij in a multi-level memory. The weight element may have a transistor structure and may include a charge trapping material layer CL and a threshold voltage conversion layer TL. The weight element may receive a pulse signal as an input value. The charge trapping material layer CL may store electric charges of various values according to the number of input pulse signals. The switching layer SL may prevent leakage of an amount of charges trapped in the charge trapping material layer CL. Details will be described below.

도1을 참조하면, 본 실시예에 따른 가중치 소자는 기판(SUB) 상에 마련될 수 있다. 기판(SUB)은 반도체 기판일 수 있다. 예컨대, 기판(SUB)은 실리콘(Si) 등 족 원소를 포함할 수 있다. 가중치 소자는 제 1 트랜지스터(TR1)와 제 2 트랜지스터(TR2)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the weight element according to the present embodiment may be provided on a substrate SUB. The substrate SUB may be a semiconductor substrate. For example, the substrate SUB may include a group element such as silicon (Si). The weight element may include a first transistor TR1 and a second transistor TR2.

제 1 트랜지스터(TR1)는 소스전극(SE), 제 1 게이트전극(GE1)을 포함하고, 공용영역(SD)을 드레인으로 삼을 수 있다. 제 1 트랜지스터(TR1)는 가중치 값을 저장할 수 있는 전하포획층(M1)을 포함할 수 있다. 전하포획층(M1)은 전압 인가에 따라 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어(SL)와, 스위칭 레이어(SL)의 저항 상태에 따라, 전하를 포획 또는 방출하는 전하포획물질층(CL)을 포함할 수 있다. The first transistor TR1 may include a source electrode SE and a first gate electrode GE1, and the common area SD may serve as a drain. The first transistor TR1 may include a charge trapping layer M1 capable of storing a weight value. The charge trapping layer M1 includes a switching layer SL that can be switched between a high resistance state and a low resistance state according to voltage application, and a charge trapping material that traps or releases charges according to the resistance state of the switching layer SL. A layer CL may be included.

제 1 트랜지스터(TR1)은 제 1 채널영역(C1)을 포함할 수 있다. 제 1 트랜지스터(TR1)는 공핍형(depletion type) 일 수 있다. 공핍형인 제 1 트랜지스터(TR1)의 제 1 채널영역(C1)은 제 1 게이트전극(GE1)에 전압이 인가되지 않아도, 전기가 제 1 채널영역(C1)을 통해 흐를 수 있는 열린 상태를 가질 수 있다. 제 1 채널영역(C1)은 제 1 채널영역(C1) 상에 음의 전압이 인가되었을 때 전기가 흐를 수 없는 닫힌 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 채널영역(C1) 상에 위치하는 전하포획물질층(CL)에 전하가 충분히 쌓이면, 전하로 인한 음의 전압이 제 1 채널영역(C1)에 인가되어, 제 1 채널영역(C1)은 닫힐 수 있다.The first transistor TR1 may include a first channel region C1. The first transistor TR1 may be of a depletion type. The first channel region C1 of the depletion-type first transistor TR1 may have an open state in which electricity can flow through the first channel region C1 even when no voltage is applied to the first gate electrode GE1. have. The first channel region C1 may have a closed state in which electricity cannot flow when a negative voltage is applied to the first channel region C1 . For example, when charges are sufficiently accumulated in the charge trapping material layer CL located on the first channel region C1 , a negative voltage due to the charges is applied to the first channel region C1 and thus the first channel region (C1) can be closed.

제 2 트랜지스터(TR2)는 제 2 게이트전극(GE2)와 드레인전극(DE)을 포함하고, 공용영역(SD)을 소스로 삼을 수 있다. 제 1 트랜지스터(TR1)는 공용영역(SD)을 드레인으로 삼을 수 있으며, 동시에 제 2 트랜지스터(TR2)는 공용영역(SD)을 소스로 삼을 수 있다. 기판(SUB)은 서로 이격된 소스영역(S1) 및 공용영역(SD)을 포함할 수 있다. 제 1 채널영역(C1)은 소스영역(S1)과 공용영역(SD) 사이에 마련될 수 있다. The second transistor TR2 may include a second gate electrode GE2 and a drain electrode DE, and may use the common area SD as a source. The first transistor TR1 may use the common area SD as a drain, and at the same time, the second transistor TR2 may use the common area SD as a source. The substrate SUB may include a source region S1 and a common region SD spaced apart from each other. The first channel region C1 may be provided between the source region S1 and the common region SD.

제 2 트랜지스터(TR2)는 제 2 채널영역(C2)을 포함할 수 있다. 제 2 채널영역(C2)는 공용영역(SD)과 드레인영역(D1) 사이에 마련될 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 증가형(enhancement type)일 수 있다. 증가형인 제 2 트랜지스터의 제 2 채널영역(C2)은 제 2 게이트전극(GE2)에 전압이 인가될 때 전기가 제 2 채널영역(C2)을 통해 흐를 수 있는 열린 상태를 가질 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 전압이 인가되지 않으면 전기가 제 2 채널영역(C2)을 통해 흐를 수 없는 닫힌 상태를 가질 수 있다. The second transistor TR2 may include a second channel region C2. The second channel region C2 may be provided between the common region SD and the drain region D1 . The second channel region C2 may be of an enhancement type. The second channel region C2 of the increase-type second transistor may have an open state in which electricity can flow through the second channel region C2 when a voltage is applied to the second gate electrode GE2 . The second channel region C2 may have a closed state in which electricity cannot flow through the second channel region C2 when no voltage is applied.

기판(SUB) 상에 게이트절연층(Gate Oxide layer)(GO)이 마련될 수 있다. 게이트절연층(GO)은 기판(SUB)의 표면을 산화시켜 형성할 수 있다. 예를 들어, 기판(SUB)이 실리콘을 포함하면, 게이트절연층(GO)은 산화실리콘으로 형성될 수 있다. 게이트절연층(GO)은 버퍼층(Buffer layer)의 역할을 가질 수 있다. 게이트절연층(GO)은 제 1 트랜지스터(TR1)와 제 2 트랜지스터(TR2)의 각 게이트 전극과 채널영역을 절연시키는 절연층의 역할을 가질 수 있다. 예를 들어, 게이트절연층(GO)는 제 1 트랜지스터(TR1)의 제 1 채널영역(C1)과 전하포획층(M1)을 서로 절연하는 제 1 게이트 절연층(GO1)의 역할을 가질 수 있다. 예를 들어, 게이트절연층(GO)는 제 2 트랜지스터(TR2)의 제 2 채널영역(C2)과 제 2 게이트전극(GE2)을 서로 절연하는 제 2 게이트 절연층(GO2)의 역할을 가질 수 있다.기판(SUB)상에 형성되는 가중치 소자(100)는 NMOS형 또는 PMOS형일 수 있다. 예를 들어, NMOS형 가중치 소자(100)는 p형 도펀트로 도핑된 기판(SUB), n형 도펀트로 도핑된 소스영역(S1), 공용영역(SD), 드레인영역(D1)을 포함할 수 있다. PMOS 형 가중치 소자는 상술한 NMOS형과 반대의 도전성을 가지는 도펀트로 도핑 될 수 있다. 이러한 NMOS형과 PMOS형은 동작방법이 반대로 될 뿐으로, 기술적 특징이 상이하지 않다. 따라서, 본 실시예에서 NMOS형태의 가중치 소자를 개시하여도 이에 한정하는 것은 아니며 PMOS 형태를 포함할 수 있다. 또한 가중치 소자는 n 형 도펀트로 형성된 우물인 N-Well 또는 p형 도펀트로 형성된 우물인P-Well 을 포함할 수도 있으며, 자세한 내용은 후술한다.A gate insulating layer GO may be provided on the substrate SUB. The gate insulating layer GO may be formed by oxidizing the surface of the substrate SUB. For example, when the substrate SUB includes silicon, the gate insulating layer GO may be formed of silicon oxide. The gate insulating layer GO may serve as a buffer layer. The gate insulating layer GO may serve as an insulating layer to insulate each gate electrode and the channel region of the first transistor TR1 and the second transistor TR2 . For example, the gate insulating layer GO may serve as a first gate insulating layer GO1 insulating the first channel region C1 of the first transistor TR1 and the charge trapping layer M1 from each other. . For example, the gate insulating layer GO may serve as a second gate insulating layer GO2 insulating the second channel region C2 of the second transistor TR2 and the second gate electrode GE2 from each other. The weight element 100 formed on the substrate SUB may be of an NMOS type or a PMOS type. For example, the NMOS-type weighting device 100 may include a substrate SUB doped with a p-type dopant, a source region S1 doped with an n-type dopant, a common region SD, and a drain region D1. have. The PMOS-type weight element may be doped with a dopant having a conductivity opposite to that of the above-described NMOS-type weight element. The NMOS type and the PMOS type only have the opposite operation method, and the technical characteristics are not different. Therefore, although the present embodiment discloses an NMOS type weight element, the present invention is not limited thereto and may include a PMOS type weight element. In addition, the weight element may include N-Well, which is a well formed with an n-type dopant, or P-Well, which is a well formed with a p-type dopant, which will be described in detail later.

전하포획층(M1)은 제 1 채널영역(C1) 및 제 1 채널영역(C1)에 인접한 공용영역(SD)의 일부 상에 형성되는 전하포획물질층(charge trap layer)(CL)과, 전하포획물질층(CL) 상에 형성되는 스위칭 레이어(switching layer)(SL)를 포함할 수 있다. The charge trap layer M1 includes a first channel region C1 and a charge trap layer CL formed on a portion of the common region SD adjacent to the first channel region C1, and A switching layer SL formed on the capture material layer CL may be included.

전하포획물질층(CL)의 일부 면은 공용영역(SD)의 일부 면과 제 1 게이트절연층(GO1)을 사이에 두고 대면할 수 있다. 자세한 내용은 도 2를 참조하여 후술한다. A partial surface of the charge trapping material layer CL may face a partial surface of the common area SD with the first gate insulating layer GO1 interposed therebetween. Details will be described later with reference to FIG. 2 .

전하포획물질층(CL)을 구성하는 물질은 예를 들어, 실리콘 질화물(SixNy) 또는 다결정 실리콘(Polycrystalline silicon)을 포함할 수 있다. 또는, 전하포획물질층(CL)은, 텅스텐, 몰리브덴, 코발트, 니켈, 백금, 로듐, 팔라듐 및 이리듐 등의 금속이나, 이들의 혼합물 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 또는, 전하포획물질층(CL)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘과 게르마늄의 혼합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물(Ⅲ족의 Al, Ga, In 과 Ⅴ족의 P, As, Sb와의 조합) 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물(Ⅱ족의 Zn, Cd, Hg와 Ⅵ족의 O, S, Se, Te의 조합) 등의 반도체 재료로 형성될 수도 있다. 또는, 전하포획물질층(CL)은 알루미늄산화막(Al2O3), 하프늄산화막(HfO), 하프늄알루미늄산화막(HfAlO), 하퓨늄실리콘산화막(HfSiO) 등과 같이, 전하에 대한 포획 밀도가 높은 절연체로도 형성될 수 있다. The material constituting the charge trapping material layer CL may include, for example, silicon nitride (Si x N y ) or polycrystalline silicon. Alternatively, the charge trapping material layer CL may be formed of a metal such as tungsten, molybdenum, cobalt, nickel, platinum, rhodium, palladium and iridium, a mixture thereof, or an alloy thereof. Alternatively, the charge trapping material layer (CL) is silicon, germanium, a mixture of silicon and germanium, a group III-V compound (a combination of Al, Ga, In of group III and P, As, and Sb of group V) or II-VI It may be formed of a semiconductor material such as a group compound (a combination of Zn, Cd, Hg of group II and O, S, Se, and Te of group VI). Alternatively, the charge trapping material layer CL is an insulator having a high trapping density for charges, such as an aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), a hafnium oxide film (HfO), a hafnium aluminum oxide film (HfAlO), a hafunium silicon oxide film (HfSiO), and the like. can also be formed.

전하포획물질층(CL)에 저장 가능한 최대 전하량은 전하포획물질층(CL)의 체적에 비례할 수 있다. 전하포획물질층(CL)은 전하 의 저장 여부에 따라서 바이너리 정보(binary information)를 저장할 수 있다. 예를 들어, 전하가 저장된 때를 1, 저장되지 않은 때를 0 이라고 볼 수 있으며, 이를 통해 디지털 신호를 저장할 수 있다. 나아가, 저장된 전하량에 따라서 단계적으로 복수의 정보를 저장할 수 있는 멀티 레벨의 가중치 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 전하포획물질층(CL)에 전하가 최대로 저장된 때를 100%라고 할 때, 전하가 저장되지 않을 때를 0, 전하가 25% 저장된 때를 1으로, 전하가 50% 저장된 때를 2로, 전하가 75% 저장된 때를 3으로, 전하가 100% 저장된 때를 4로 볼 수 있다. 이러한 가중치 소자 하나는 4비트의 정보를 저장한 것으로 볼 수 있다. 저장되는 전하량을 세밀하게 분할할수록 더 많은 가중치를 한 소자에 저장할 수 있으나 오류가 많아질 수 있다. 전하포획물질층(CL)에 총 저장 가능한 전하량과 전하포획물질층(CL)의 체적은 서로 비례할 수 있다. 따라서 전하포획물질층(CL)의 체적이 커질 수록 더 많은 멀티레벨의 가중치를 구현할 수 있다. 멀티레벨은 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량에 따라 결정되므로, 전하포획물질층(CL)에 전압이 인가되지 않았을 때도 전하가 빠져나가지 않는 비휘발성을 가지도록 전하포획층(M1)은 스위칭 레이어(SL)를 포함할 수 있다. The maximum amount of charge that can be stored in the charge trapping material layer CL may be proportional to the volume of the charge trapping material layer CL. The charge trapping material layer CL may store binary information depending on whether or not charges are stored. For example, it can be regarded as 1 when the charge is stored and 0 when it is not stored, and through this, a digital signal can be stored. Furthermore, it may have a multi-level weight value capable of storing a plurality of information in stages according to the amount of stored charge. For example, assuming that 100% is when the maximum charge is stored in the charge trapping material layer (CL), 0 when no charge is stored, 1 when 25% of charge is stored, and 50% when the charge is stored. can be viewed as 2, when 75% of the charge is stored as 3, and when 100% of the charge is stored as 4. One such weight element can be regarded as storing 4 bits of information. As the amount of stored charge is divided more precisely, more weights can be stored in one device, but errors may increase. The total amount of charges that can be stored in the charge trapping material layer CL and the volume of the charge trapping material layer CL may be proportional to each other. Accordingly, as the volume of the charge trapping material layer CL increases, more multi-level weights can be implemented. Since the multi-level is determined according to the amount of charges trapped in the charge trapping material layer CL, the charge trapping layer M1 is designed to have non-volatility so that charges do not escape even when no voltage is applied to the charge trapping material layer CL. It may include a switching layer SL.

스위칭 레이어(SL)는 스위칭 레이어(SL)에 인가되는 전압에 따라 저항이 변하는 가변저항(variable resistance material) 성질을 가질 수 있다. 스위칭 레이어(SL)의 저항은 고 저항 상태와 저 저항 상태로 구분되며, 인가되는 전압에 따라 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 레이어(SL)는 인가되는 전압에 따라 저항의 크기가 비선형적으로 변화할 수 있으며, 특정 전압 이상이 인가될일 때, 저항 수치가 비선형적으로 낮아질 수 있다. 스위칭 레이어(SL)에 전압이 인가되지 않거나, 상술한 특정 전압보다 작은 전압이 인가되었을 때의 스위칭 레이어(SL)의 저항 상태를 고 저항 상태로 볼 수 있다. 또한, 상술한 특정 전압보다 높은 전압이 스위칭 레이어(SL)에 인가되어, 스위칭 레이어(SL)의 저항의 크기가 비선형적으로 낮아진 때의 저항 상태를 저 저항 상태로 볼 수 있다. 이러한 특정 전압은 문턱전압(threshold switching voltage)이라 부를 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 가중치 소자는 전하의 터널링 방법을 이용하지 않고도 전하를 전하포획물질층(CL)에 저장할 수 있기 때문에 소자의 반복 사용에 따른 계면상태의 열화현상을 방지 할 수 있다. The switching layer SL may have a property of a variable resistance material whose resistance changes according to a voltage applied to the switching layer SL. The resistance of the switching layer SL is divided into a high resistance state and a low resistance state, and may be switched according to an applied voltage. For example, the resistance of the switching layer SL may non-linearly change according to an applied voltage, and when a specific voltage or more is applied, the resistance value may non-linearly decrease. The resistance state of the switching layer SL when no voltage is applied to the switching layer SL or when a voltage smaller than the above-described specific voltage is applied may be viewed as a high resistance state. In addition, a resistance state when a voltage higher than the above-described specific voltage is applied to the switching layer SL and the resistance of the switching layer SL is non-linearly lowered may be regarded as a low resistance state. This specific voltage may be referred to as a threshold switching voltage. In addition, since the weight element according to the present embodiment can store electric charges in the charge trapping material layer CL without using the charge tunneling method, deterioration of the interface state due to repeated use of the element can be prevented.

스위칭 레이어(SL)는 문턱전압 변환 물질로 형성될 수 있다. 문턱전압 변환 물질이란, 평상시에 고저항 상태를 유지하다가 문턱전압 변환 물질에 고유한 문턱전압 이상의 전압이 인가되는 동안에만 저저항 상태로 변화되고, 인가 전압이 제거되면 다시 고저항 상태로 환원되는 성질을 갖는 물질을 말한다. 이러한 물질로 이루어진 스위칭 레이어(SL)는 전압이 인가되지 않은 고저항 상태에서는 제1 게이트 전극(GE1)과 전하포획물질층(CL)간의 전하의 이동을 차단하다가, 문턱 전압 이상의 전압이 인가된 저저항 상태에서는 제1 게이트 전극(GE1)과 전하포획물질층(CL)간의 전하의 이동이 가능하도록 한다.The switching layer SL may be formed of a threshold voltage converting material. The threshold voltage conversion material is a property that normally maintains a high resistance state, but changes to a low resistance state only while a voltage greater than or equal to a threshold voltage unique to the threshold voltage conversion material is applied, and returns to a high resistance state when the applied voltage is removed refers to a substance with The switching layer SL made of such a material blocks the movement of charges between the first gate electrode GE1 and the charge trapping material layer CL in a high resistance state to which no voltage is applied, In the resistance state, the movement of charges between the first gate electrode GE1 and the charge trapping material layer CL is possible.

문턱전압 변환 물질은 예를 들어, 칼코게나이드(chalcogenide) 계열의 물질 또는 전이 금속 산화물(transition metal oxide)을 포함할 수 있다. 칼코게나이드 계열의 물질은 예를 들어, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 적어도 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 적어도 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하여 형성될 수 있다. 전이 금속 산화물은 예를 들어, Ti 산화물, Ta 산화물, Ni 산화물, Zn 산화물, W 산화물, Co 산화물, Nb 산화물, TiNi 산화물, LiNi 산화물, InZn 산화물, V 산화물, SrZr 산화물, SrTi 산화물, Cr 산화물, Fe 산화물, Cu 산화물, Hf 산화물, Zr 산화물, Al 산화물 및 이들의 혼합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The threshold voltage converting material may include, for example, a chalcogenide-based material or a transition metal oxide. The chalcogenide-based material is, for example, at least one transition metal among Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, and Re and at least one chalcogen (chalcogen) of S, Se, and Te. ) may be formed by including the element. Transition metal oxides include, for example, Ti oxide, Ta oxide, Ni oxide, Zn oxide, W oxide, Co oxide, Nb oxide, TiNi oxide, LiNi oxide, InZn oxide, V oxide, SrZr oxide, SrTi oxide, Cr oxide, It may include at least one of Fe oxide, Cu oxide, Hf oxide, Zr oxide, Al oxide, and mixtures thereof.

스위칭 레이어(SL)는 나노 필라멘트(nano-filament)에 의해 저저항 상태가 형성되는 나노 필라멘터리(nano-filamentary) 물질을 포함할 수 있다. 자세한 내용은 도 12를 참조하여 후술한다.The switching layer SL may include a nano-filamentary material in which a low resistance state is formed by nano-filaments. Details will be described later with reference to FIG. 12 .

스위칭 레이어(SL)는 PN 다이오드로 형성될 수 있다. 자세한 내용은 도 13을 참조하여 후술한다.The switching layer SL may be formed of a PN diode. Details will be described later with reference to FIG. 13 .

본 실시예에 따른 가중치 소자는 4개의 터미널을 가질 수 있다. 각 터미널을 통해 가중치 소자의 동작을 조절할 수 있다. 이러한 전극은 소스전극(SE), 제 1 게이트전극(GE1), 제 2 게이트전극(GE2), 및 드레인전극(DE)을 포함할 수 있다. 소스전극(SE)은 소스영역(S1)과 연결된다. 드레인전극(DE)은 드레인영역(D1)과 연결된다. '연결'의 의미는 전기적 접촉의 의미를 포함할 수 있다. 전극은 전기 전도성이 높은 금속 재질, 예를 들어 Pd, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Mg, Al, W, Ti, Ir, Ni, Cr, Nd 또는 Cu 등의 재료를 사용할 수 있다. 이외에도 그래핀 또는 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), AZO(aluminium zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide)와 같은 투명 도전성 금속 산화물을 사용할 수도 있다.The weight element according to the present embodiment may have four terminals. The operation of the weight element can be controlled through each terminal. The electrode may include a source electrode SE, a first gate electrode GE1 , a second gate electrode GE2 , and a drain electrode DE. The source electrode SE is connected to the source region S1. The drain electrode DE is connected to the drain region D1. The meaning of 'connection' may include the meaning of electrical contact. The electrode may use a metal material with high electrical conductivity, for example, a material such as Pd, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Mg, Al, W, Ti, Ir, Ni, Cr, Nd or Cu. In addition, graphene or a transparent conductive metal oxide such as indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), aluminum zinc oxide (AZO), or gallium zinc oxide (GZO) may be used.

4 터미널 가중치 소자의 각 전극에 전압을 인가하여 가중치 소자를 동작시킬 수 있다. 각 전극 별 동작을 이하에서 살피겠다. 이하에서 제 1 채널영역(C1)은 공핍형, 제 2 채널영역(C2)은 증가형인 것을 전제로 기술하나 이에 한정되는 것은 아니다. 제 1 채널영역(C1)은 공핍형 또는 증가형일 수 있으며, 제 2 채널영역(C2)은 공핍형 또는 증가형일 수 있다. 이러한 제 1 채널영역(C1) 및 제 2 채널영역(C2)이 공핍형인지 증가형인지 여부는 가중치 소자의 동작방법을 변경할 뿐 가중치 소자의 특성을 변경하는 것은 아닐 수 있다. A voltage may be applied to each electrode of the 4-terminal weight element to operate the weight element. The operation of each electrode will be looked at below. Hereinafter, it is assumed that the first channel region C1 is a depletion type and the second channel region C2 is an increase type, but the present invention is not limited thereto. The first channel region C1 may be of a depletion type or an increase type, and the second channel region C2 may have a depletion type or an increase type. Whether the first channel region C1 and the second channel region C2 is a depletion type or an increase type may only change the operation method of the weight element, but may not change the characteristics of the weight element.

소스전극(SE)은 읽기 동작과 관련될 수 있다. 소스전극(SE)에 읽기전압이 인가되면, 측정전류(sensing current)는 제 1 채널영역(C1)을 통해 흐를 수 있다. 측정전류의 크기는 제 1 채널영역(C1) 상에 위치한 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하의 양에 따라 변화 될 수 있다. 예를 들어, 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하에 의한 전계에 의해 제 1 채널영역(C1)의 정공들이 끌려 올라오면, 제 1 채널영역(C1)을 따라 흐르는 전류의 양은 감소할 수 있다. 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하가 많을수록 제 1 채널영역(C1)을 따라 흐르는 전류의 양은 더욱 감소한다. 따라서, 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량은 측정전류의 크기에 따라 판단할 수 있다. 예를 들어, 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량은, 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하가 없을 때의 측정전류 값을 기준으로 할 때, 측정전류의 감소량으로부터 측정 될 수 있다. The source electrode SE may be related to a read operation. When a read voltage is applied to the source electrode SE, a sensing current may flow through the first channel region C1. The magnitude of the measurement current may be changed according to the amount of charge trapped in the charge trapping material layer CL located on the first channel region C1 . For example, when holes in the first channel region C1 are pulled up by an electric field caused by charges trapped in the charge trapping material layer CL, the amount of current flowing along the first channel region C1 may decrease. have. As more charges are trapped in the charge trapping material layer CL, the amount of current flowing along the first channel region C1 is further reduced. Accordingly, the amount of charge captured in the charge trapping material layer CL may be determined according to the magnitude of the measurement current. For example, the amount of charge trapped in the charge trapping material layer CL may be measured from the decrease in the measured current based on the measured current value when there is no charge trapped in the charge trapping material layer CL. .

제 1 게이트전극(GE1)은 지우기 동작과 관련될 수 있다. 제 1 게이트전극(GE1)에 인가되는 지우기전압은 제 2 채널영역(C2)을 통해 공용영역(SD)에 전달될 수 있다. 지우기전압은 스위칭 레이어(SL), 전하포획물질층(CL) 및 게이트절연층(GO)에 분배될 수 있다. 스위칭 레이어(SL)에 인가되는 전압의 크기가 문턱전압을 넘으면, 전하포획물질층(CL)은 전하를 방출할 수 있다. 스위칭 레이어(SL)에 인가되는 전압의 크기가 문턱전압을 넘지 못하면 포획 전하포획물질층(CL)은 전하를 방출할 수 없다.The first gate electrode GE1 may be related to an erase operation. The erase voltage applied to the first gate electrode GE1 may be transferred to the common region SD through the second channel region C2 . The erase voltage may be distributed to the switching layer SL, the charge trapping material layer CL, and the gate insulating layer GO. When the magnitude of the voltage applied to the switching layer SL exceeds the threshold voltage, the charge trapping material layer CL may discharge charges. If the magnitude of the voltage applied to the switching layer SL does not exceed the threshold voltage, the trapping charge trapping material layer CL cannot discharge charges.

제 2 게이트전극(GE2)은 가중치 소자의 선택과 관련될 수 있다. 제 2 게이트전극(GE2)에 일정 수준 이상의 선택 전압이 인가되면, 제 2 트랜지스터(TR2)의 제 2 채널영역(C2)이 열릴 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자의 쓰기, 지우기, 및 지우기 동작에 있어서 제 2 트랜지스터(TR2)의 제 2 채널영역(C2)은 열린 상태여야 하므로, 제 2 게이트전극(GE2)에 선택 전압이 인가되는지 여부는 가중치 소자의 선택 여부를 결정할 수 있다. The second gate electrode GE2 may be related to selection of a weight element. When a selection voltage equal to or higher than a predetermined level is applied to the second gate electrode GE2 , the second channel region C2 of the second transistor TR2 may be opened. In the writing, erasing, and erasing operations of the weight element according to the present embodiment, the second channel region C2 of the second transistor TR2 must be in an open state, so whether a selection voltage is applied to the second gate electrode GE2 Whether or not the weight element is selected may be determined.

드레인전극(DE)은 쓰기 동작과 관련될 수 있다. 드레인전극(DE)은 쓰기전압이 인가될 수 있다. 드레인전극(DE)으로 인가된 쓰기전압은 스위칭 레이어(SL), 전하포획물질층(CL) 및 게이트절연층(GO)에 분배될 수 있다. 스위칭 레이어(SL)으로 분배되는 전압이 문턱전압 이상이면, 전하포획물질층(CL)은 전하를 포획할 수 있다. 스위칭 레이어(SL)에 분배되는 전압이 문턱전압 이하이면, 전하포획물질층(CL)은 전하를 포획할 수 없다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는, 전하포획물질층(CL)에 저장되는 전하량에 따라 멀티레벨의 메모리기능을 가질 수 있음은 상술한 바와 같다.The drain electrode DE may be related to a write operation. A write voltage may be applied to the drain electrode DE. The write voltage applied to the drain electrode DE may be distributed to the switching layer SL, the charge trapping material layer CL, and the gate insulating layer GO. When the voltage distributed to the switching layer SL is equal to or greater than the threshold voltage, the charge trapping material layer CL may trap charges. When the voltage distributed to the switching layer SL is less than or equal to the threshold voltage, the charge trapping material layer CL cannot trap charges. As described above, the weight element according to the present embodiment may have a multi-level memory function according to the amount of charge stored in the charge trapping material layer CL.

도 2는 도 1의 가중치 소자의 쓰기동작을 보여주는 단면도이다. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a writing operation of the weight element of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 쓰기전압 Vb는 가중치 소자의 드레인전극(DE)에 인가되고, 선택전압 Vw는 제 2 게이트전극(GE2)에 인가되고, 제 1 게이트전극(GE1)은 접지될 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 선택전압 Vw로 인해 열리며, 드레인전극(DE)에 가해진 쓰기전압 Vb는 공용영역(SD)으로 전달될 수 있다. 공용영역(SD)에 전달된 쓰기전압 Vb는 제 2 채널영역을 지나며 다소의 전압 강하가 있을 수 있다. 공용영역(SD)의 일부면은 전하포획물질층(CL)의 일부면과 서로 대면하므로, 공용영역에 전달된 쓰기전압 Vb는 전하포획물질층(CL)에 형성되는 전계에 기여할 수 있다. Referring to FIG. 2 , the write voltage Vb may be applied to the drain electrode DE of the weight element, the selection voltage Vw may be applied to the second gate electrode GE2 , and the first gate electrode GE1 may be grounded. The second channel region C2 is opened due to the selection voltage Vw, and the write voltage Vb applied to the drain electrode DE may be transferred to the common region SD. The write voltage Vb transferred to the common area SD may have a slight voltage drop across the second channel area. Since a partial surface of the common area SD faces a partial surface of the charge trapping material layer CL, the write voltage Vb transferred to the common area may contribute to an electric field formed in the charge trapping material layer CL.

전하포획물질층(CL)에 가해지는 전압은 전하포획물질층(CL)과 대면하는 공용영역(SD)의 일부 면을 통해서 인가될 수 있다. 도 2를 참조하면, 전하포획물질층의 공용영역(SD)에 가까운 일부 면인 제 1 상면(11)과 공용영역(SD)에서 제 1 채널영역(C1)에 인접한 영역인 제 1 하면(12)은 서로 대면할 수 있다. 쓰기전압 Vb로 인한 전계는 제 1 상면(11)과 제 1 하면(12) 사이에 형성될 수 있다. 서로 대면하는 제 1 상면(11) 및 제 1 하면(12)은 공용영역(SD)과 전하포획물질층(CL) 간에 전계를 충분히 형성할 수 있을 만큼의 넓이를 가질 수 있다. 예를 들어, 서로 대면하는 제 1 상면(11)과 제 1 하면(12)의 넓이가 지나치게 작으면 공용영역(SD)과 전하포획물질층(CL) 간에 충분히 전계가 형성되지 않을 수 있다. A voltage applied to the charge trapping material layer CL may be applied through a portion of the interface SD facing the charge trapping material layer CL. Referring to FIG. 2 , the first upper surface 11 is a partial surface close to the interface SD of the charge trapping material layer, and the first lower surface 12 is a region adjacent to the first channel region C1 in the interface SD. can face each other. An electric field due to the write voltage Vb may be formed between the first upper surface 11 and the first lower surface 12 . The first upper surface 11 and the first lower surface 12 facing each other may have a width sufficient to sufficiently form an electric field between the common area SD and the charge trapping material layer CL. For example, if the widths of the first upper surface 11 and the first lower surface 12 facing each other are too small, a sufficient electric field may not be formed between the common area SD and the charge trapping material layer CL.

제 1 게이트전극(GE1)은 접지되므로, 쓰기전압 Vb는 제 1 트랜지스터(TR1)의 게이트절연층(GO), 전하포획층(M1) 및 제 1 게이트전극(GE1)에 분배될 수 있다. 전압 분배는 각 층의 저항값에 따른 전압 분배 법칙에 따라서 분배될 수 있다. 예를 들어, 쓰기전압 Vb는 스위칭 레이어(SL)에 걸리는 전압 Vt 전하포획물질층(CL)에 걸리는 전압 Vc와 게이트절연층(GO)에 걸리는 전압 Vi으로 분배될 수 있다. 예를 들어, 전압 Vt가 스위칭 레이어(SL)의 문턱전압 Vth보다 크면, 스위칭 레이어(SL)가 저 저항 상태로 스위칭되므로 전하포획물질층(CL)이 전하를 포획할 수 있다. 전하포획물질층(CL)이 포획한 전하량은 스위칭 레이어(SL)에 인가되는 전압 Vt의 크기와 시간(duration)에 따라 결정될 수 있다.Since the first gate electrode GE1 is grounded, the write voltage Vb may be distributed to the gate insulating layer GO, the charge trapping layer M1 and the first gate electrode GE1 of the first transistor TR1 . The voltage division may be divided according to the voltage division law according to the resistance value of each layer. For example, the write voltage Vb may be divided into a voltage Vt applied to the switching layer SL, a voltage Vc applied to the charge trap material layer CL, and a voltage Vi applied to the gate insulating layer GO. For example, when the voltage Vt is greater than the threshold voltage Vth of the switching layer SL, the switching layer SL is switched to a low resistance state, so that the charge trapping material layer CL may trap charges. The amount of charge captured by the charge trapping material layer CL may be determined according to the magnitude and duration of the voltage Vt applied to the switching layer SL.

쓰기전압 Vb 의 크기는 전하포획물질층(CL) 및 스위칭 레이어(SL)의 소재 및 크기, 형태에 따라 바뀔 수 있으며, 예를 들어 0V 내지 10V 일 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는, 플로팅 게이트(floating gate) 형식의 가중치 소자에서 요구되는 쓰기전압의 크기가 15V 내지 20V 수준인 것에 비해, 상대적으로 낮은 전압으로 동작할 수 있다. The size of the write voltage Vb may change depending on the material, size, and shape of the charge trapping material layer CL and the switching layer SL, and may be, for example, 0V to 10V. The weighting device according to the present exemplary embodiment may operate at a relatively low voltage compared to 15V to 20V of a write voltage required for a floating gate type weighting device.

도 3은 도 1의 가중치 소자의 일 지우기 동작을 보여주는 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating an erase operation of the weight element of FIG. 1 .

도 3을 참조하면, 지우기전압 Vw'는 제 1 게이트전극(GE1)에 인가되고, 선택전압 Vw는 제 2 게이트전극(GE2)에 인가되고, 드레인전극(DE)은 접지될 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 선택전압 Vw로 인해 열리며, 지우기 전압 Vw'은 제 1 트랜지스터(TR1)의 게이트절연층(GO), 전하포획층(M1) 및 제 1 게이트전극(GE1)에 분배될 수 있다. 지우기동작에서는 상술한 쓰기동작과 반대 방향의 전계가 서로 대면하는 공용영역(SD)의 일부면과 전하포획물질층(CL)의 일부면을 통해 형성된다.Referring to FIG. 3 , the erase voltage Vw' may be applied to the first gate electrode GE1, the selection voltage Vw may be applied to the second gate electrode GE2, and the drain electrode DE may be grounded. The second channel region C2 is opened due to the selection voltage Vw, and the erase voltage Vw' is applied to the gate insulating layer GO, the charge trapping layer M1, and the first gate electrode GE1 of the first transistor TR1. can be distributed. In the erase operation, an electric field opposite to the write operation is formed through a partial surface of the common area SD and a partial surface of the charge trapping material layer CL facing each other.

스위칭 레이어(SL)에 인가되는 전압(Vt)이 문턱전압(Vth)보다 크면, 전하포획물질층(CL)은 포획하고 있던 전하를 방출할 수 있다. 지우기전압 Vw'의 크기는 전하포획물질층(CL) 및 스위칭 레이어(SL)의 소재 및 크기, 형태에 따라 바뀔 수 있으며, 예를 들어 0V 내지 10V 일 수 있다. 이러한 지우기전압 Vw'의 크기는 상술한 쓰기전압의 크기 Vb와 동일하도록 선택될 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는, 플로팅 게이트 형식의 가중치 소자에서 요구되는 지우기전압의 크기가 15V 내지 20V 수준인 것에 비해, 상대적으로 낮은 전압으로 동작할 수 있다. When the voltage Vt applied to the switching layer SL is greater than the threshold voltage Vth, the charge trapping material layer CL may release the trapped charge. The size of the erasing voltage Vw' may vary depending on the material, size, and shape of the charge trapping material layer CL and the switching layer SL, and may be, for example, 0V to 10V. The level of the erase voltage Vw' may be selected to be the same as the level of the above-described write voltage Vb. The weight element according to the present embodiment may operate at a relatively low voltage compared to the level of the erase voltage required for the weight element of the floating gate type is 15V to 20V.

도 4a내지 도 4c는 도 1의 가중치 소자의 읽기 동작을 보여주는 단면도이다.4A to 4C are cross-sectional views illustrating a read operation of the weight element of FIG. 1 .

상술한 바와 같이, 제 1 트랜지스터(도 1의 TR1)는 공핍형일 수 있으므로 제 1 채널영역(C1)은 전압이 인가되지 않아도 열린 상태일 수 있다. 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량이 많을 수록, 제 1 채널영역(C1)을 통과하는 전류의 크기는 감소할 수 있다. 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량이 클 수록, 제 1 채널영역(C1)의 저항은 커질 수 있다. 읽기전압 Vr은 소스전극(SE)에 인가될 수 있다. 선택전압 Vw을 제 2 게이트전극(GE2)에 인가하면, 제 2 채널영역(C2)은 열릴 수 있다. As described above, since the first transistor (TR1 in FIG. 1 ) may be of a depletion type, the first channel region C1 may be in an open state even when no voltage is applied. As the amount of charges trapped in the charge trapping material layer CL increases, the magnitude of the current passing through the first channel region C1 may decrease. As the amount of charges trapped in the charge trapping material layer CL increases, the resistance of the first channel region C1 may increase. The read voltage Vr may be applied to the source electrode SE. When the selection voltage Vw is applied to the second gate electrode GE2 , the second channel region C2 may be opened.

측정전류는 제 1 채널영역(C1)과 제 2 채널영역(C2)을 지나 드레인전극(DE)을 통해 흐를 수 있다. 측정전류는 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량과 대응하며, 상기 전하량은 가중치 소자의 가중치 값과 대응할 수 있다. 예를 들어, The measurement current may flow through the drain electrode DE through the first channel region C1 and the second channel region C2. The measured current may correspond to the amount of charge captured in the charge trapping material layer CL, and the amount of charge may correspond to a weight value of the weight element. for example,

도 4a의 경우에는 전하포획물질층(CL)에 저장되어 있는 전하가 없으므로, 측정전류 Ia는 상대적으로 크게 흐를 수 있다. 이와 같이 측정전류 Ia가 측정되는 경우, 가중치 값 2 가 가중치 소자에 저장된 것으로 볼 수 있다. In the case of FIG. 4A , since there is no charge stored in the charge trapping material layer CL, the measurement current Ia may flow relatively large. When the measurement current Ia is measured in this way, it can be seen that the weight value 2 is stored in the weight element.

도 4b의 경우에는 전하포획물질층(CL)에 전하가 절반 가량 저장되어 있을 수 있고, 측정전류 Ib는 상기 측정전류 Ia보다는 작게 흐를 수 있다. 이와 같이 측정전류 Ib가 측정되는 경우, 가중치 값 1이 가중치 소자에 저장된 것으로 볼 수 있다. In the case of FIG. 4B , about half of the charge may be stored in the charge trapping material layer CL, and the measurement current Ib may flow smaller than the measurement current Ia. When the measurement current Ib is measured in this way, it can be considered that the weight value 1 is stored in the weight element.

도 4c의 경우에는 전하포획물질층(CL)에 전하가 가득 저장되어 있을 수 있고, 측정전류 Ic는 상기 측정전류 Ib보다 작을 수 있다. 이와 같이 측정전류 Ic가 측정되는 경우, 가중치 값 0이 가중치 소자에 저장된 것으로 볼 수 있다. In the case of FIG. 4C , charges may be fully stored in the charge trapping material layer CL, and the measurement current Ic may be smaller than the measurement current Ib. When the measurement current Ic is measured in this way, it can be considered that the weight value 0 is stored in the weight element.

상술한 예에 따른 가중치 소자는 세 가지 종류의 멀티레벨의 가중치 값을 저장하고 있을 수 있다. 다만, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 가중치 소자는 전하포획물질층(CL)의 체적, 형태에 따라 다양한 멀티레벨의 가중치를 가질 수 있음은 물론이다. 가중치 값의 구체적 판단은 드레인전극(DE)에 연결된 검류계, 신호판독기(sensing analyzer) 등에 의해 측정된 측정전류 값으로부터 이루어 질 수 있다. The weight element according to the above-described example may store three types of multi-level weight values. However, the present invention is not limited thereto, and it goes without saying that the weight element may have various multi-level weights according to the volume and shape of the charge trapping material layer CL. The specific determination of the weight value may be made from the measured current value measured by a galvanometer connected to the drain electrode DE, a sensing analyzer, or the like.

본 실시예에서는 가중치 값의 판단을 위해 측정전류를 드레인전극(DE)에서 측정하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 전하포획물질층(CL)에 포획된 전하량은 제 1 채널영역(C1)의 전류를 통과시키는 정도를 변경할 수 있므로, 이를 정량적 또는 정성적으로 판단할 수 있는 기준을 측정하는 것으로 족할 수 있다. 정성적 판단시 멀티레벨을 세부적으로 판단하기 어려울 수 있고, 정량적으로 판단시 멀티레벨을 세부적으로 판단할 수 있다. 제 1 채널영역(C1)의 특성을 반영할 수 있는 일체의 물리량, 측정전류, 전압, 저항 등을 측정할 수 있으며, 구체적 측정 방법은 한정하지 않는다.In the present embodiment, the measurement current is measured at the drain electrode DE to determine the weight value, but the present invention is not limited thereto. For example, since the amount of charge captured in the charge trapping material layer CL may change the degree of passing the current in the first channel region C1, it may be sufficient to measure a criterion for quantitatively or qualitatively judging it. have. When determining qualitatively, it may be difficult to determine the multilevel in detail, and when determining quantitatively, it may be possible to determine the multilevel in detail. Any physical quantity, measurement current, voltage, resistance, etc. that can reflect the characteristics of the first channel region C1 may be measured, and a specific measurement method is not limited.

읽기전압 Vr 의 구체적인 수치는 상술한 쓰기전압 Vb 및 지우기전압 Vw'보다 작게 선택할 수 있다. 예를 들어, 읽기전압은 0V 내지 4V 에서 선택할 수 있다. 그러나 읽기전압이 상술한 예시에 한정되는 것은 아니며 가중치 소자의 소재, 크기, 외형에 따라 최적 수치를 선택할 수 있다.A specific value of the read voltage Vr may be selected to be smaller than the write voltage Vb and the erase voltage Vw' described above. For example, the read voltage may be selected from 0V to 4V. However, the read voltage is not limited to the above example, and an optimal value may be selected according to the material, size, and shape of the weight element.

도 5는 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 가중치 소자의 기판 후면에 부스팅전극(BE)가 형성된다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 가중치 소자와 실질적으로 동일하다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 부스팅전극(BE)에 대해서만 설명하기로 한다.5 is a cross-sectional view illustrating a weighting element according to another exemplary embodiment. The weight element according to the present embodiment is substantially the same as the weight element of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 4 except that the boosting electrode BE is formed on the rear surface of the substrate of the weight element. Therefore, the overlapping description will be omitted, and only the boosting electrode BE will be described.

도 5를 참조하면, 부스팅전극(BE)의 위치는 제 1 채널영역(C1) 상에 위치하되, 공용영역(SD)과 전하포획물질층(CL)이 서로 대면하는 영역과는 이격되고, 소스영역(S1)과 가깝게 위치될 수 있다. 부스팅전극(BE)과 전하포획물질층(CL)은 서로 대면할 수 있다. 예를 들어, 전하포획물질층(CL)의 소스영역(S1)에 가까운 일부 면인 제 2 상면(21)과 부스팅전극(BE)이 기판(SUB)과 접하는 면인 제 2 하면(21)은 서로 대면할 수 있다. 도 5를 참조하면, 지우기동작에 있어서, 제 1 게이트전극(GE1)에 인가되는 지우기전압 Vw'과 동일한 부스팅전압 Vw'은 기판(SUB)의 반대편에 위치한 부스팅전극(BE)에 인가될 수 있다. 예를 들어, 부스팅전극(BE)에 인가된 부스팅전압 Vw'은 제 2 하면(22)으로 인가되며, 제 2 상면(21)로 인가된 지우기전압 Vw'과 서로 상쇄될 수 있다. 이런 동작 방식을 글로벌 셀프 부스팅(global self-boosting)이라 할 수 있다. Referring to FIG. 5 , the boosting electrode BE is positioned on the first channel region C1, but is spaced apart from the region where the common region SD and the charge trapping material layer CL face each other, and the source It may be located close to the region S1. The boosting electrode BE and the charge trapping material layer CL may face each other. For example, the second upper surface 21, which is a partial surface close to the source region S1, of the charge trapping material layer CL, and the second lower surface 21, which is a surface where the boosting electrode BE is in contact with the substrate SUB, face each other. can do. Referring to FIG. 5 , in the erase operation, a boosting voltage Vw' equal to the erase voltage Vw' applied to the first gate electrode GE1 may be applied to the boosting electrode BE located opposite to the substrate SUB. . For example, the boosting voltage Vw' applied to the boosting electrode BE may be applied to the second lower surface 22 , and may be offset from the erase voltage Vw' applied to the second upper surface 21 . This method of operation can be referred to as global self-boosting.

부스팅전압 Vw'과 지우기전압 Vw'이 서로 상쇄되므로, 소스전극(SE)으로의 전류 누출은 방지될 수 있다. 부스팅전극(BE)은 공용영역(SD)과 충분히 이격되도록 위치할 수 있으며, 부스팅전극(BE)로 인가되는 부스팅전압(VW')이 공용영역(SD) 근처의 전계에는 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 제 2 상면(21)과 제 1 상면(11)은 충분히 이격될 수 있다. 예를 들어, 제 2 하면(22)과 제 1 하면(12)은 충분히 이격될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제 2 상면(21)과 제 2 하면(22) 사이의 전계는 제 1 상면(11)과 제 2 하면(12) 사이의 전계와 서로 영향을 미치지 않을 수 있다. Since the boosting voltage Vw' and the erasing voltage Vw' cancel each other out, leakage of current to the source electrode SE may be prevented. The boosting electrode BE may be positioned to be sufficiently spaced apart from the common area SD, so that the boosting voltage VW' applied to the boosting electrode BE does not affect the electric field near the common area SD. have. For example, the second upper surface 21 and the first upper surface 11 may be sufficiently spaced apart. For example, the second lower surface 22 and the first lower surface 12 may be sufficiently spaced apart. Referring to FIG. 5 , the electric field between the second upper surface 21 and the second lower surface 22 may not affect each other with the electric field between the first upper surface 11 and the second lower surface 12 .

도 6은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 6 is a cross-sectional view showing a weight element according to another embodiment.

본 실시예에 따른 가중치 소자는 누출방지영역(S2)을 더 포함한다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 가중치 소자와 실질적으로 동일하다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.The weight element according to the present embodiment is substantially the same as the weight element of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 4 except that the weight element further includes a leak prevention region S2. Therefore, overlapping descriptions will be omitted, and descriptions will be made focusing on differences.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 가중치 소자는 소스영역(S1)에 접하는 누출방지영역(S2)을 포함할 수 있다. 누출방지영역(S2)은 제 1 채널영역(C1)에서부터 소스전극(SE)으로의 전류 누출을 방지할 수 있다. 누출방지영역(S2)은 소스영역(S1)과 반대의 도전성을 가질 수 있다. 소스전극(SE)은 누출방지영역(S2) 위에 형성되며, 소스영역(S1)과 직접 접하지 않을 수 있다. 예를 들어, 누출방지영역(S2)는 소스전극(SE)과 접하는 면 외에는 소스영역(S1)에 둘러싸일 수 있다.Referring to FIG. 6 , the weight element according to the present embodiment may include a leak prevention region S2 in contact with the source region S1 . The leakage preventing region S2 may prevent current leakage from the first channel region C1 to the source electrode SE. The leakage preventing region S2 may have a conductivity opposite to that of the source region S1 . The source electrode SE is formed on the leakage preventing region S2 and may not directly contact the source region S1 . For example, the leakage preventing region S2 may be surrounded by the source region S1 except for a surface in contact with the source electrode SE.

예를 들어, NMOS형 가중치 소자에서는 소스영역(S1)은 n형 도전성을 가질 수 있고, 누출방지영역(S2)은 p형 도전성을 가질 수 있다. 누출방지영역(S2)과 소스영역(S1)은 PN다이오드 구조를 가지므로, 제 1 채널영역(C1)으로부터 소스전극(SE)으로 흐르는 누설전류를 방지할 수 있다.For example, in an NMOS-type weighting device, the source region S1 may have n-type conductivity, and the leakage prevention region S2 may have p-type conductivity. Since the leakage preventing region S2 and the source region S1 have a PN diode structure, a leakage current flowing from the first channel region C1 to the source electrode SE may be prevented.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 3 터미널을 가지는 가중치 소자로 이해될 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 가중치 소자의 제 1 게이트전극(GE1)과 소스전극(SE)은 서로 전기적으로 연결된다는 점을 제외하고는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 가중치 소자와 실질적으로 동일하다. 따라서, 중복되는 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.7 is a cross-sectional view showing a weight element according to another embodiment of the present invention. This embodiment can be understood as a weighting element having three terminals. The weight element according to this embodiment is substantially the same as the weight element of the embodiment described with reference to FIGS. 1 to 4 except that the first gate electrode GE1 and the source electrode SE of the weight element are electrically connected to each other. is the same as Therefore, overlapping descriptions will be omitted, and descriptions will be made focusing on differences.

도 7을 참조하면, 제 1 게이트전극(GE1)과 소스 전극(SE)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. . 본 실시예에 따른 가중치 소자의 소스전극(SE)과 제 1 게이트전극(GE1)은 하나의 터미널로 기능 할 수 있다. 3 터미널 구조의 가중치 소자로 구성된 뉴럴 네트워크는 4 터미널 구조의 가중치 소자로 구성된 뉴럴 네트워크에 비해 작은 면적을 가질 수 있다. 3 터미널 가중치 소자는 전술한 4 터미널 가중치 소자와 유사한 방식으로 동작 될 수 있다. 3 터미널 가중치 소자의 터미널은 소스전극(SE)과 연결된 제 1 게이트전극(GE1), 제 2 게이트전극(GE2), 드레인전극(DE)의 3개이다. Referring to FIG. 7 , the first gate electrode GE1 and the source electrode SE may be electrically connected to each other. . The source electrode SE and the first gate electrode GE1 of the weight element according to the present embodiment may function as one terminal. A neural network composed of weight elements having a three-terminal structure may have a smaller area than a neural network composed of weight elements having a four-terminal structure. The three-terminal weight element can be operated in a similar manner to the four-terminal weight element described above. Three terminals of the three-terminal weight element are the first gate electrode GE1 connected to the source electrode SE, the second gate electrode GE2, and the drain electrode DE.

도 8은 도 7의 가중치 소자의 쓰기 동작을 나타내는 도면이다. 8 is a diagram illustrating a write operation of the weight element of FIG. 7 .

도 8을 참조하면, 쓰기전압 Vb는 가중치 소자의 드레인전극(DE)에 인가되고, 선택전압 Vw는 제 2 게이트전극(GE2)에 인가되고, 제 1 게이트전극(GE1)은 접지될 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 선택전압 Vw로 인해 열리며, 드레인전극(DE)에 가해진 쓰기전압 Vb는 공용영역(SD)으로 전달될 수 있다. Referring to FIG. 8 , the write voltage Vb may be applied to the drain electrode DE of the weight element, the selection voltage Vw may be applied to the second gate electrode GE2 , and the first gate electrode GE1 may be grounded. The second channel region C2 is opened due to the selection voltage Vw, and the write voltage Vb applied to the drain electrode DE may be transferred to the common region SD.

공용영역(SD)의 일부면은 전하포획물질층(CL)의 일부면과 서로 대면하므로, 공용영역에 전달된 쓰기전압 Vb는 전하포획물질층(CL)에 형성되는 전계에 기여할 수 있다. 제 1 게이트전극(GE1)은 접지되므로, 쓰기전압 Vb는은 제 1 트랜지스터(TR1)의 게이트절연층(GO), 전하포획층(M1) 및 제 1 게이트전극(GE1)에 분배될 수 있다. 전압 분배는 각 층의 저항값에 따른 전압 분배 법칙에 따라서 분배될 수 있다. 이러한 3 터미널 가중치 소자의 쓰기 동작 방식은 4 터미널 가중치 소자의 쓰기 동작과 실질적으로 동일할 수 있다. Since a partial surface of the common area SD faces a partial surface of the charge trapping material layer CL, the write voltage Vb transferred to the common area may contribute to an electric field formed in the charge trapping material layer CL. Since the first gate electrode GE1 is grounded, the write voltage Vb may be distributed to the gate insulating layer GO, the charge trapping layer M1 and the first gate electrode GE1 of the first transistor TR1 . The voltage division may be divided according to the voltage division law according to the resistance value of each layer. A write operation method of such a three-terminal weight element may be substantially the same as a write operation of a four-terminal weight element.

도 9는 도 7의 가중치 소자의 지우기 동작을 보여주는 도면이다. 9 is a diagram illustrating an erase operation of the weight element of FIG. 7 .

도 9를 참조하면 지우기전압 Vw'는 제 1 게이트전극(GE1)에 인가되고, 선택전압 Vw는 제 2 게이트전극(GE2)에 인가되고, 드레인전극(DE)은 접지될 수 있다. 제 2 채널영역(C2)은 선택전압 Vw로 인해 열리며, 지우기 전압 Vw'은 제 1 트랜지스터(TR1)의 게이트절연층(GO), 전하포획층(M1) 및 제 1 게이트전극(GE1)에 분배될 수 있다. 이러한 3 터미널 가중치 소자의 지우기 동작 방식은 상술한 4 터미널 가중치 소자의 지우기 동작 방식과 실질적으로 동일할 수 있다. Referring to FIG. 9 , the erase voltage Vw' may be applied to the first gate electrode GE1, the selection voltage Vw may be applied to the second gate electrode GE2, and the drain electrode DE may be grounded. The second channel region C2 is opened due to the selection voltage Vw, and the erase voltage Vw' is applied to the gate insulating layer GO, the charge trapping layer M1, and the first gate electrode GE1 of the first transistor TR1. can be distributed. The erase operation method of the three-terminal weight element may be substantially the same as the erase operation method of the above-described four-terminal weight element.

또한, 3 터미널 가중치 소자의 지우기 동작에 있어서는 제 1 게이트전극(GE1)과 소스전극(SE)이 전기적으로 연결되므로, 지우기 전압(Vw')은 소스영역(S1)으로 전달될 수 있다. 소스영역을 통해 전달된 지우기전압(Vw')이 형성하는 전계와 전하포획층(M1)에 전달되는 지우기전압(Vw')이 형성하는 전계는 서로 상쇄될 수 있다. 이런 3 터미널 가중치 소자의 동작방식을 내부적 셀프 부스팅(Intrinsic self-boosting)이라 부를 수 있다. In addition, since the first gate electrode GE1 and the source electrode SE are electrically connected in the erasing operation of the three-terminal weight element, the erasing voltage Vw' may be transferred to the source region S1. The electric field formed by the erase voltage Vw' transmitted through the source region and the electric field formed by the erase voltage Vw' transferred to the charge trapping layer M1 may cancel each other out. The operation method of such a three-terminal weight device may be called intrinsic self-boosting.

도 9를 참조하면, 전하포획물질층(CL)과 소스영역(S1)은 게이트절연층(GO)을 사이에 두고, 대면할 수 있다. 예를 들어, 소스영역(S1)의 제 1 채널영역(C1)에 가까운 일부 영역인 제 3 하면(32)과 전하포획물질층(CL)의 소스영역(S1)에 가까운 일부 면인 제 3 상면(31)은 서로 대면할 수 있다. 예를 들어, 제 3 상면(31)으로 지우기전압 Vw'이, 제 3 하면(31)으로 지우기전압Vw'이 각각 전달되고, 각각의 지우기전압 Vw'은 서로 상쇄될 수 있다. Referring to FIG. 9 , the charge trapping material layer CL and the source region S1 may face each other with the gate insulating layer GO interposed therebetween. For example, the third lower surface 32 which is a partial region close to the first channel region C1 of the source region S1 and the third upper surface ( 31) can face each other. For example, the erasing voltage Vw' may be transmitted to the third upper surface 31, the erasing voltage Vw' may be transmitted to the third lower surface 31, and the respective erasing voltages Vw' may be offset from each other.

공용영역(SD)과 전하포획층(M1) 사이에 형성되는 전계와 소스영역(S1) 부분에서 서로 상쇄되는 전계는 충분히 이격될 수 있다. 따라서, 소스영역(S1)으로 전달되는 지우기전압 Vw'와 제 1 게이트전극(GE1)으로 전달되는 지우기 전압 Vw'의 상쇄는 가중치 소자의 동작에 영향을 주지 않을 수 있다. 예를 들어, 제 3 상면(31)과 제 1 상면(11)은 충분히 이격될 수 있다. 예를 들어, 제 3 하면(32)과 제 1 하면(12)은 충분히 이격될 수 있다. 도 9를 참조하면, 제 3 상면(31)과 제 2 하면(32) 사이의 전계는 제 1 상면(11)과 제 2 하면(12) 사이의 전계와 서로 영향을 미치지 않을 수 있다. An electric field formed between the common region SD and the charge trapping layer M1 and an electric field that cancel each other in the source region S1 may be sufficiently spaced apart. Accordingly, the cancellation of the erase voltage Vw' transferred to the source region S1 and the erase voltage Vw' transferred to the first gate electrode GE1 may not affect the operation of the weight element. For example, the third upper surface 31 and the first upper surface 11 may be sufficiently spaced apart. For example, the third lower surface 32 and the first lower surface 12 may be sufficiently spaced apart. Referring to FIG. 9 , the electric field between the third upper surface 31 and the second lower surface 32 may not affect each other with the electric field between the first upper surface 11 and the second lower surface 12 .

내부적 셀프 부스팅 방식의 가중치 소자는 글로벌 셀프 부스팅 방식의 가중치 소자와는 달리 별도의 부스팅전극(도5의 BE)을 필요로 하지 않는다. 따라서, 내부적 셀프 부스팅 방식의 가중치 소자는 글로벌 셀프 부스팅 방식의 가중치 소자에 비해 간이한 구조를 가질 수 있다. The weight element of the internal self-boosting method does not require a separate boosting electrode (BE in FIG. 5), unlike the weight element of the global self-boosting method. Accordingly, the weight element of the internal self-boosting method may have a simpler structure than the weight element of the global self-boosting method.

4 터미널 방식의 가중치 소자는 소스전극(SE)과 제 1 게이트전극(GE1)을 스위칭으로 연결하여, 지우기 동작에 한해서 내부적 셀프 부스팅 방식으로 동작될 수 있다. 이러한 경우, 도 6의 가중치 소자와 같이 별도의 누출방지영역(도 6a의 S2)이 없이도 소스전극(SE)으로의 전류누출을 효과적으로 방지할 수 있다.The four-terminal type weight element may be operated by an internal self-boosting method only in an erase operation by connecting the source electrode SE and the first gate electrode GE1 by switching. In this case, it is possible to effectively prevent leakage of current to the source electrode SE without a separate leakage preventing region ( S2 in FIG. 6A ) like the weight element of FIG. 6 .

도 10a 및 도10b는 가중치 소자의 가중치를 조절하기 위한 동작 방법을 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 가중치 조절을 위해 펄스 신호가 인가될 수 있다. 후술할 뉴럴 네트워크는 복수의 가중치 소자를 포함할 수 있으며, 입력 신호와 출력 신호 간의 함수 관계를 조절하기 위해 가중치를 반영할 수 있다. 10A and 10B are diagrams illustrating an operation method for adjusting a weight of a weight element. A pulse signal may be applied to the weight element according to the present embodiment for weight control. A neural network, which will be described later, may include a plurality of weight elements, and may reflect weights to adjust a functional relationship between an input signal and an output signal.

본 실시예에 따른 가중치 소자는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예의 가중치 소자와 실질적으로 동일하다. 따라서, 가중치 소자의 중복되는 구성에 관한 설명은 생략한다. 또한 본 실시예에 따른 가중치 소자는 3터미널 가중치 소자를 예시로 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상술한 4터미널 가중치 소자를 포함할 수 있다. The weight element according to the present embodiment is substantially the same as the weight element according to the embodiment described with reference to FIGS. 7 to 9 . Accordingly, a description of the overlapping configuration of the weight element will be omitted. In addition, although the weight element according to the present embodiment is a three-terminal weight element as an example, it is not limited thereto and may include the above-described four-terminal weight element.

도 10a를 참조하면, 가중치 소자의 가중치를 증가시키기 위해서, 제 1 게이트전극(GE1)은 펄스 전압이 인가될 수 있다. 제 1 게이트전극(GE1)에 펄스 전압이 인가되는 것을 제외하면, 상술한 가중치 소자의 쓰기 동작과 실질적으로 동일한바 중복되는 설명은 생략한다. 가중치 소자의 가중치 증가량은 제 1 게이트전극(GE1)에 인가되는 펄스 전압의 회수에 비례할 수 있다. 펄스 전압은 상술한 쓰기전압 이상의 크기를 가질 수 있다. 펄스 전압의 펄스당 유지 시간은 가중치 소자의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다. 예를 들어, 펄스당 유지 시간은 스위칭 레이어(SL)의 재질에 따라 다르게 결정될 수 있으며, 구체적으로는 하나의 펄스가 스위칭 레이어(SL)의 저항 상태를 변화시킬 수 있을 만큼 충분히 길어야 할 수 있다. Referring to FIG. 10A , a pulse voltage may be applied to the first gate electrode GE1 in order to increase the weight of the weight element. Except that the pulse voltage is applied to the first gate electrode GE1 , it is substantially the same as the above-described writing operation of the weight element, and thus the overlapping description will be omitted. The weight increase amount of the weight element may be proportional to the number of pulse voltages applied to the first gate electrode GE1 . The pulse voltage may have a magnitude greater than or equal to the above-described write voltage. The holding time per pulse of the pulse voltage may be determined differently depending on the characteristics of the weight element. For example, the holding time per pulse may be determined differently depending on the material of the switching layer SL, and specifically, one pulse may be long enough to change the resistance state of the switching layer SL.

도 10b를 참조하면, 가중치 소자의 가중치를 감소시키기 위해서, 드레인전극(DE)은 펄스 전압이 인가될 수 있다. 드레인전극(DE)에 펄스 전압이 인가되는 것을 제외하면, 상술한 가중치 소자의 지우기 동작과 실질적으로 동일한바 중복되는 설명은 생략한다. 가중치 소자의 가중치 감소량은 드레인전극(DE)에 인가되는 펄스 전압의 회수에 비례할 수 있다. 펄스 전압은 상술한 지우기 전압 이상의 크기를 가질 수 있다. 상술한 바와 마찬가지로 펄스 전압의 펄스당 유지 시간은 가중치 소자의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있다. Referring to FIG. 10B , a pulse voltage may be applied to the drain electrode DE in order to reduce the weight of the weight element. Except that the pulse voltage is applied to the drain electrode DE, it is substantially the same as the above-described erasing operation of the weight element, and thus the overlapping description will be omitted. The weight reduction amount of the weight element may be proportional to the number of pulse voltages applied to the drain electrode DE. The pulse voltage may have a magnitude greater than or equal to the above-described erase voltage. As described above, the holding time per pulse of the pulse voltage may be determined differently depending on the characteristics of the weight element.

도 11은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 기판(SUB)의 제 1 채널영역(C1)과 제 2 채널영역(C2)은 서로 다른 도전성을 가질 수 있다. 제 1 채널영역(C1)과 제 2 채널영역(C2)을 제외한 나머지 제 1 트랜지스터(TR1)와 제2트랜지스터(TR2)의 구조는 도1내지 도 4에서 상술한 바와 같으므로, 동일한 설명은 생략한다.11 is a cross-sectional view illustrating a weighting device according to another exemplary embodiment. Referring to FIG. 11 , the first channel region C1 and the second channel region C2 of the substrate SUB may have different conductivity. The structures of the first transistor TR1 and the second transistor TR2 except for the first channel region C1 and the second channel region C2 are the same as those of FIGS. 1 to 4 , and thus the same description will be omitted. do.

본 실시예에 따른 가중치 소자에 있어서, 제 1 트랜지스터(TR1)는 n형 도전성을 가지는 제 1 채널영역(C1) 상에 위치하는 PMOS 트랜지스터 이고, 제 2 트랜지스터(TR2)는 p형 도전성을 가지는 제 2 채널영역(C2) 상에 위치하는NMOS트랜지스터일 수 있다. 예를 들어, 제 1 트랜지스터(TR1)는 n형 도펀트로 형성된 우물(N-well) 상에 형성되는 PMOS 이고, 제 2 트랜지스터(TR2)는 p형 도펀트로 도핑된 기판(SUB) 상에 형성되는 NMOS일 수 있다. In the weight element according to the present embodiment, the first transistor TR1 is a PMOS transistor positioned on the first channel region C1 having n-type conductivity, and the second transistor TR2 is a first transistor having p-type conductivity. It may be an NMOS transistor positioned on the 2-channel region C2. For example, the first transistor TR1 is a PMOS formed on a well N-well formed with an n-type dopant, and the second transistor TR2 is formed on a substrate SUB doped with a p-type dopant. It may be NMOS.

예를 들어, 소스영역(S1) 및 공용영역(SD)은 n 형 우물(N-well) 내부에 p형 도펀트로 형성될 수 있다. 따라서, 소스영역(S1)과 소스영역(S1)을 둘러싸는 n형 우물(N-well)은 서로 반대의 도전성을 가지므로 PN다이오드 구조를 형성할 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 제 1 채널영역(C1)에서 소스전극(SE)으로의 전류의 역류를 방지할 수 있다. 이러한 실시예는 일 예에 불과하며 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제 1 트랜지스터(TR1)는 p형 도펀트로 형성된 우물 상에 형성되는 NMOS 이고, 제 2 트랜지스터(TR2)는 n형 도펀트로 도핑된 기판(SUB) 상에 형성되는 PMOS일 수 있다. 또는, 제 1 트랜지스터(TR1)는 기판(SUB) 상에 형성되고, 제 2 트랜지스터(TR2)가 우물 상에 형성될 수도 있다.For example, the source region S1 and the common region SD may be formed with a p-type dopant in an n-type well (N-well). Accordingly, since the source region S1 and the n-type well N-well surrounding the source region S1 have opposite conductivity, a PN diode structure can be formed. The weight element according to the present exemplary embodiment may prevent a reverse flow of current from the first channel region C1 to the source electrode SE. These embodiments are merely examples and are not limiting. For example, the first transistor TR1 may be an NMOS formed on a well formed with a p-type dopant, and the second transistor TR2 may be a PMOS formed on a substrate SUB doped with an n-type dopant. Alternatively, the first transistor TR1 may be formed on the substrate SUB, and the second transistor TR2 may be formed on the well.

도 12는 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 스위칭 레이어(SL)의 재질을 제외하면 상술한 도 11의 가중치 소자의 구성과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 이하 생략한다. 도 12를 참조하면, 스위칭 레이어(SL)는 나노 필라멘트에 의해 저저항 상태가 형성되는 나노 필라멘터리 물질을 포함할 수 있다. 12 is a cross-sectional view illustrating a weight element according to another embodiment. Since the weight element according to the present embodiment is substantially the same as the weight element of FIG. 11 except for the material of the switching layer SL, the overlapping description will be omitted below. Referring to FIG. 12 , the switching layer SL may include a nanofilamentary material in which a low resistance state is formed by the nanofilaments.

나노 필라멘터리 물질은 물질에 고유한 특정값 이상의 전압이 인가될 때, 전도성을 가지는 나노 필라멘트가 형성되는 물질일 수 있다. 나노 필라멘트는 전압에 의해 형성되는 도전성 경로를 의미할 수 있다. 나노 필라멘터리 물질에 특정값 미만 전압이 인가될 때는 나노 필라멘트가 형성되지 않으므로 상대적으로 전류가 흐르기 어려울 수 있다. The nanofilamentary material may be a material in which conductive nanofilaments are formed when a voltage greater than or equal to a specific value inherent to the material is applied. The nanofilament may refer to a conductive path formed by a voltage. When a voltage less than a specific value is applied to the nanofilamentary material, since the nanofilament is not formed, it may be relatively difficult to flow a current.

나노 필라멘터리 물질은 TiOx 등의 나노 필라멘트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나노 필라멘터리 물질에 전압이 인가되면 내부의 TiOx 등이 나노 필라멘트를 형성하여 저저항 상태를 형성할 수 있다. 나노 필라멘터리 물질에 인가되는 전압에 따라, 나노 필라멘트의 개수나 형태는 물질마다 다르게 나타날 수 있다. 이에 따라 나노 필라멘터리 물질의 저항 거동이 다르게 나타날 수 있다. 스위칭 레이어(SL)를 나노 필라멘터리 물질로 형성하는 경우, 저항 스위칭 시간이 나노 초(nano-second) 단위로 매우 빠를 수 있다.The nanofilamentary material may include nanofilaments such as TiO x . For example, when a voltage is applied to the nanofilamentary material, TiOx or the like inside may form nanofilaments to form a low resistance state. Depending on the voltage applied to the nanofilamentary material, the number or shape of the nanofilaments may appear differently for each material. Accordingly, the resistance behavior of the nanofilamentary material may be different. When the switching layer SL is formed of a nanofilamentary material, the resistance switching time may be very fast in nanosecond units.

도 13은 또 다른 실시예에 따른 가중치 소자를 보여주는 단면도이다. 도 14는 도 13에 따른 PN 다이오드층의 인가 전압 대비 전류 곡선을 나타내는 도면이다. 13 is a cross-sectional view illustrating a weighting device according to another exemplary embodiment. 14 is a diagram illustrating a current curve versus applied voltage of the PN diode layer according to FIG. 13 .

도 13을 참조하면, 스위칭 레이어(SL)는 P 형 다이오드층과 N 형 다이오드층으로 구성되는 PN 다이오드층을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는 스위칭 레이어(SL)의 재질을 제외하면 상술한 도 11의 가중치 소자의 구성과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 이하 생략한다. PN 다이오드층은 상술한 문턱전압 변환 물질을 조합하여 형성할 수 있다. PN 다이오드층은 전하포획층(M1)의 전하의 충전(charging)을 용이하게 하고 방전(discharging)을 효과적으로 방지할 수 있다. PN 다이오드층은 상술한 스위칭 레이어(SL)의 다른 실시예에 비해, 쓰기전압을 지우기 전압에 비해 작게 인가할 수 있어 전력을 절약할 수 있다.Referring to FIG. 13 , the switching layer SL may include a PN diode layer including a P-type diode layer and an N-type diode layer. Since the weight element according to the present embodiment is substantially the same as the weight element of FIG. 11 except for the material of the switching layer SL, the overlapping description will be omitted below. The PN diode layer may be formed by combining the above-described threshold voltage conversion materials. The PN diode layer can facilitate charging of the charge of the charge trapping layer M1 and effectively prevent discharging. Compared to other embodiments of the above-described switching layer SL, the PN diode layer can apply a write voltage smaller than the erase voltage, thereby saving power.

도 14를 참조하면, PN 다이오드층의 인가 전압 대비 전류 곡선에 있어서, 양의 바이어스 전압영역(A1)은 미약한 전압이 인가되어도 전류가 흐를 수 있는 저 저항 영역을 나타내며, 음의 바이어스 전압영역(A2)는 전압이 인가되어도 전류가 흐르지 않는 고 저항 영역을 나타내며, 항복전압영역(A3)는 다이오드의 역방향 바이어스 전압이 한계치를 넘어서 고 저항성이 무너지는 현상(breakdown)으로 인해 저항 수치가 낮아져 전류가 흐를 수 있는 저 저항 영역을 나타낸다. 음의 바이어스 전압영역(A2)와 항복전압영역(A3)의 경계 전압을 항복전압이라 부를 수 있다.14, in the PN diode layer applied voltage versus current curve, the positive bias voltage region A1 represents a low resistance region in which current can flow even when a weak voltage is applied, and the negative bias voltage region ( A2) indicates a high resistance region where no current flows even when a voltage is applied. In the breakdown voltage region (A3), the reverse bias voltage of the diode exceeds the limit value and the resistance value is lowered due to the breakdown of the resistance so that the current decreases. Represents a region of low resistance that can flow. The boundary voltage between the negative bias voltage region A2 and the breakdown voltage region A3 may be referred to as a breakdown voltage.

본 실시예에 따른 가중치 소자의 PN 다이오드층의 동작을 도 14를 참조하여 살피겠다. 상술한 가중치 소자의 동작 방법과 공통되는 부분은 간략히 기술하도록 하겠다. The operation of the PN diode layer of the weight element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 14 . The parts common to the operation method of the above-described weight element will be briefly described.

본 실시예에 따른 가중치 소자의 쓰기 동작에 있어서, 쓰기전압은 드레인전극(DE)을 통해 인가되어, PN 다이오드층에 양의 바이어스 전압을 분배할 수 있다. PN 다이오드층은 도 14의 양의 바이어스 전압영역(A1)에 위치하므로, 전하포획물질층(CL)은 전하를 포획할 수 있다. In the write operation of the weight element according to the present embodiment, the write voltage may be applied through the drain electrode DE to distribute a positive bias voltage to the PN diode layer. Since the PN diode layer is located in the positive bias voltage region A1 of FIG. 14 , the charge trapping material layer CL may trap charges.

본 실시예에 따른 가중치 소자의 지우기 동작에 있어서, 지우기 전압은 제 1 게이트전극(GE1)을 통해 인가되어, PN 다이오드층에 음의 바이어스 전압을 분배할 수 있다. PN 다이오드층은 도 14b의 음의 바이어스 전압영역(A2) 또는 항복전압영역(A3)에 위치할 수 있다. PN 다이오드층에 인가되는 전압의 크기가 항복전압 이상이면 PN다이오드층은 항복전압영역(A3)에 위치하여, 전하포획물질층(CL)은 전하를 방출할 수 있다. PN 다이오드층에 인가되는 전압의 크기가 항복전압 미만이면 PN다이오드층은 음의 바이어스 전압영역 (A2)에 위치하여, 전하포획물질층(CL)은 전하를 방출할 수 없다.In the erase operation of the weight element according to the present embodiment, the erase voltage may be applied through the first gate electrode GE1 to distribute a negative bias voltage to the PN diode layer. The PN diode layer may be located in the negative bias voltage region A2 or the breakdown voltage region A3 of FIG. 14B . When the voltage applied to the PN diode layer is equal to or greater than the breakdown voltage, the PN diode layer is located in the breakdown voltage region A3, so that the charge trapping material layer CL can discharge charges. When the voltage applied to the PN diode layer is less than the breakdown voltage, the PN diode layer is located in the negative bias voltage region A2, and the charge trapping material layer CL cannot discharge charges.

도 15a 내지 15d는 또 다른 가중치 소자와 그의 동작방법을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 15a를 참조하면, 본 실시예에 따른 가중치 소자는 4 트랜지스터(TR3, TR4, TR5, TR6)를 포함하는 6 터미널 가중치 소자일 수 있다. 15A to 15D are cross-sectional views schematically illustrating another weight element and an operation method thereof. Referring to FIG. 15A , the weighting device according to the present embodiment may be a 6-terminal weighting device including 4 transistors TR3, TR4, TR5, and TR6.

본 실시예에 따른 가중치 소자는 제 3 게이트 전극(GE3), 제 1 전극(E1) 및 제 2 전극(E2)을 구비하는 제 3 트랜지스터(TR3)를 포함하고, 제 3 트랜지스터(TR3)와 상기 제 2 전극(E2)을 공유하며, 제 4 게이트 전극(GE4), 제 3 전극(E3)을 구비하는 제 4 트랜지스터(TR4)를 포함하고, 제 5 게이트 전극(GE5), 제 4 전극(E4)을 구비하는 제 5 트랜지스터(TR5)를 포함하고, 제 6 게이트 전극(GE6), 제 5 전극(E5)을 구비하는 제 6 트랜지스터(TR6)를 포함할 수 있다. The weight element according to the present embodiment includes a third transistor TR3 including a third gate electrode GE3, a first electrode E1, and a second electrode E2, and the third transistor TR3 and the A fourth transistor TR4 that shares the second electrode E2 and includes a fourth gate electrode GE4 and a third electrode E3 , and includes a fifth gate electrode GE5 and a fourth electrode E4 . ), and may include a sixth transistor TR6 including a sixth gate electrode GE6 and a fifth electrode E5 .

제 3 트랜지스터(TR3), 제 4 트랜지스터(TR4), 제 5 트랜지스터(TR5) 및 제 6 트랜지스터(TR6)의 명칭은 전술한 실시예의 제 1 트랜지스터(도 1의 TR1), 제 2 트랜지스터(도 1의 TR2)와 구별하기 위해 기술된 것이다. The names of the third transistor TR3 , the fourth transistor TR4 , the fifth transistor TR5 , and the sixth transistor TR6 are the first transistor ( TR1 in FIG. 1 ) and the second transistor ( FIG. 1 ) of the above-described embodiment. to distinguish it from TR2) of

제 3 트랜지스터(TR3)은 제 1 공용영역(SD1)을 드레인으로 삼고 제 4 트랜지스터(TR4)는 제 1 공용영역(SD1)을 소스로 삼을 수 있다. 제 5 트랜지스터(TR5)는 제 2 공용영역(SD2)를 드레인으로 삼고 제 6 트랜지스터(TR6)는 제 2 공용영역(SD2)을 소스로 삼을 수 있다. The third transistor TR3 may use the first common area SD1 as a drain, and the fourth transistor TR4 may use the first common area SD1 as a source. The fifth transistor TR5 may use the second common area SD2 as a drain, and the sixth transistor TR6 may use the second common area SD2 as a source.

본 실시예에 따른 가중치 소자는, 제 1 전극(E1) 및 제 3 전극(E3)과 전기적으로 연결되는 전하포획층(M2)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자는, 전하포획층(M2)과 제 6 게이트 전극(GE6)을 연결하는 인터커넥트(IC)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 가중치 소자의 동작을 조절하는 터미널은, 제 3 게이트 전극(GE3), 제 2 전극(E2), 제 4 게이트 전극(GE4), 제 4 전극(E4), 제 5 게이트전극(GE5), 제 5 전극(E5)의 6개 일 수 있다.The weight element according to the present embodiment may include a charge trapping layer M2 electrically connected to the first electrode E1 and the third electrode E3 . The weight element according to the present embodiment may include an interconnect IC connecting the charge trapping layer M2 and the sixth gate electrode GE6. The terminals for controlling the operation of the weight element according to the present embodiment include the third gate electrode GE3, the second electrode E2, the fourth gate electrode GE4, the fourth electrode E4, and the fifth gate electrode ( GE5) and six of the fifth electrodes E5.

본 실시예에 따른 가중치 소자에 있어서, 전하포획층(M2)은 제1 전극(E1) 및 제3 전극(E3) 상에 배치될 수 있다. 전술한 실시예에 따른 가중치 소자에서는, 전하포획층(도 1의 M1)은 트랜지스터의 제 1 채널영역(도 1의 C1) 상에 위치하였고, 이에 전하포획층(도 1의 M1)의 단면적은 제 1 채널영역(도 1의 C1)의 면적에 의해 제한될 수 있었다. 상술한 바와 같이 전하포획층(M2)의 부피는 멀티 레벨의 크기를 결정할 수 있으므로, 가중치 소자가 수십 레벨 이상의 큰 멀티 레벨을 가지기 위해서 전하포획층(M2)의 단면적은 충분히 넓어야 할 수 있다. 이에, 전하포획층(M2)은 제1 전극(E1)과 제3 전극(E3) 상에 배치되어, 제 1 채널영역(도 1의 C1)의 면적의 제한 없이 충분한 단면적을 가질 수 있다.In the weight element according to the present embodiment, the charge trapping layer M2 may be disposed on the first electrode E1 and the third electrode E3 . In the weight element according to the above-described embodiment, the charge trapping layer (M1 in FIG. 1) was located on the first channel region (C1 in FIG. 1) of the transistor, and the cross-sectional area of the charge trapping layer (M1 in FIG. 1) is It could be limited by the area of the first channel region (C1 in FIG. 1 ). As described above, since the volume of the charge trapping layer M2 can determine the size of the multi-level, the cross-sectional area of the charge trapping layer M2 may need to be sufficiently wide in order for the weight element to have a large multi-level of several tens of levels or more. Accordingly, the charge trapping layer M2 may be disposed on the first electrode E1 and the third electrode E3 to have a sufficient cross-sectional area without limiting the area of the first channel region (C1 in FIG. 1 ).

도 15b를 참조하여 본 실시예에 따른 가중치 소자의 쓰기 동작을 살피겠다.A write operation of the weight element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 15B .

제 2 전극(E2)은 쓰기전압 Vb 이 인가되며, 제 3 게이트 전극(GE3) 또는 제 4 게이트 전극(GE4) 중 어느 하나에 선택 전압 Vw이 인가될 수 있다. 제 4 전극(E4)은 접지되고, 제 5 게이트 전극(GE5)은 선택 전압 Vw 가 인가될 수 있다. 상술한 바와 마찬가지로 쓰기전압 Vb는 전압 분배를 통해 스위칭 레이어(SL), 전하포획물질층(CL)에 나누어질 수 있다. 예를 들어, 스위칭 레이어(SL)가 PN 다이오드 층을 포함하는 경우에는, 스위칭 레이어(SL)에 작은 전압이 인가되어도, 전하포획물질층(CL)은 PN 다이오드층을 통과한 전하를 포획할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 레이어(SL)가 PN 다이오드층이 아닌 상술한 다른 재질을 포함하는 경우에는, 스위칭 레이어(SL)의 저항 상태를 바꾸기 위해 문턱전압 이상의 전압이 인가되어야, 전하포획물질층(CL)은 전하를 포획할 수 있다.A write voltage Vb may be applied to the second electrode E2 , and a selection voltage Vw may be applied to either the third gate electrode GE3 or the fourth gate electrode GE4 . The fourth electrode E4 may be grounded, and a selection voltage Vw may be applied to the fifth gate electrode GE5 . As described above, the write voltage Vb may be divided into the switching layer SL and the charge trapping material layer CL through voltage distribution. For example, when the switching layer SL includes a PN diode layer, even when a small voltage is applied to the switching layer SL, the charge trapping material layer CL can capture the charge passing through the PN diode layer. have. For example, when the switching layer SL includes another material other than the PN diode layer, a voltage greater than or equal to the threshold voltage must be applied to change the resistance state of the switching layer SL, and the charge trapping material layer CL ) can trap charges.

도 15c를 참조하여 본 실시예에 따른 가중치 소자의 지우기 동작을 살피겠다. 제 2 전극(E2)은 접지되고, 제 3 게이트 전극(GE3) 또는 제 4 게이트 전극(GE4) 중 어느 하나에 선택 전압 Vw 이 인가될 수 있다. 제 4 전극(E4)은 지우기 전압 Vw'이 인가되고, 제 5 게이트 전극(GE5)에 선택 전압 Vw이 인가될 수 있다. 스위칭 레이어(SL)에 인가된 전압이 문턱전압을 초과할 때, 전하포획물질층(CL)에 포획되어 있던 전하는 제 1 전극(E1) 또는 제 3 전극(E3)으로 빠져나갈 수 있다. 예를 들어, 스위칭 레이어(SL)가 PN 다이오드 층을 포함하는 경우에는, 스위칭 레이어(SL)에 항복전압 이상의 전압이 인가되어야, 전하포획물질층(CL)은 전하를 방출할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 레이어(SL)가 PN 다이오드층이 아닌 상술한 다른 재질을 포함하는 경우에는, 스위칭 레이어(SL)의 저항 상태를 바꾸기 위해 문턱전압 이상의 전압이 인가되어야, 전하포획물질층(CL)이 전하를 방출할 수 있다. An erase operation of the weight element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 15C. The second electrode E2 is grounded, and the selection voltage Vw may be applied to either the third gate electrode GE3 or the fourth gate electrode GE4 . An erase voltage Vw' may be applied to the fourth electrode E4 , and a selection voltage Vw may be applied to the fifth gate electrode GE5 . When the voltage applied to the switching layer SL exceeds the threshold voltage, charges trapped in the charge trapping material layer CL may escape to the first electrode E1 or the third electrode E3 . For example, when the switching layer SL includes a PN diode layer, a voltage greater than or equal to the breakdown voltage must be applied to the switching layer SL so that the charge trapping material layer CL can discharge charges. For example, when the switching layer SL includes another material other than the PN diode layer, a voltage greater than or equal to the threshold voltage must be applied to change the resistance state of the switching layer SL, and the charge trapping material layer CL ) can release this charge.

도 15d를 참조하여 본 실시예에 따른 가중치 소자의 읽기 동작을 살피겠다. A read operation of the weight element according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 15D.

제 5 전극(E5)은 읽기전압 Vr 이 인가되고, 제 5 게이트 전극(GE5)은 선택전압(Vw)이 인가될 수 있다. 제 4 전극(E4)로 흐르는 전류의 세기를 측정하여 가중치 값을 읽을 수 있음은 상술한 바와 같다. 제 3 트랜지스터(도 15a의 TR3), 제 4 트랜지스터(도 15a의 TR4)는 별도의 전압이 인가되지 않을 수 있다.A read voltage Vr may be applied to the fifth electrode E5 , and a selection voltage Vw may be applied to the fifth gate electrode GE5 . As described above, the weight value can be read by measuring the intensity of the current flowing through the fourth electrode E4. A separate voltage may not be applied to the third transistor ( TR3 in FIG. 15A ) and the fourth transistor ( TR4 in FIG. 15A ).

도 16은 뉴럴 네트워크의 원리를 개략적으로 나타내는 도면이다. 뉴럴 네트워크는 입력 레이어(input layer)과 출력 레이어(output layer) 사이에 적어도 한 열 이상의 히든 레이어(hidden layer)들을 포함할 수 있다. 입력 레이어는 입력 정보가 전기 신호로 입력되며, 출력 레이어는 출력 정보가 전기 신호로 출력될 수 있다. 히든 레이어는 입력 정보와 출력 정보 사이의 상관관계를 결정하는 일종의 블랙박스일 수 있다. 히든 레이어는 선형적 함수관계뿐 아니라 비선형적인 함수관계를 구현할 수 있다. 히든 레이어는 복수의 상술한 가중치 소자를 포함할 수 있다. 히든레이어가 구현하는 비선형적 함수관계는 히든 레이어가 포함하는 복수의 가중치 소자의 가중치 값에 의해서 결정될 수 있다. 16 is a diagram schematically illustrating the principle of a neural network. The neural network may include at least one column of hidden layers between an input layer and an output layer. In the input layer, input information may be input as an electrical signal, and in the output layer, output information may be output as an electrical signal. The hidden layer may be a kind of black box that determines a correlation between input information and output information. The hidden layer can implement a non-linear functional relationship as well as a linear functional relationship. The hidden layer may include a plurality of the above-described weighting elements. The non-linear functional relationship implemented by the hidden layer may be determined by weight values of a plurality of weight elements included in the hidden layer.

히든 레이어는 복수의 열로 이루어 질 수 있으며, 열의 개수가 늘어 날수록 복잡한 비선형적인 함수관계를 구현할 수 있다. 복수의 히든 레이어를 포함하는 뉴럴 네트워크는 딥 러닝(deep learning)에 이용될 수 있다. 딥 러닝은 비선형성이 높은 학습 방법을 의미할 수 있다. A hidden layer can consist of a plurality of columns, and as the number of columns increases, complex nonlinear functional relationships can be implemented. A neural network including a plurality of hidden layers may be used for deep learning. Deep learning may refer to a learning method with high non-linearity.

히든 레이어는 시냅스와 퍼셉트론(perceptron)을 포함할 수 있다. 시냅스는 점으로 도시된 뉴런들 사이의 연결관계를 의미할 수 있다. 퍼셉트론은 시냅스와 시냅스를 통해 전달되는 정보에 가중치를 가하여 함수관계를 구현하는 뉴럴 네트워크의 구성일 수 있다. 즉, 상술한 가중치 소자는 퍼셉트론에 해당할 수 있다. 입력 레이어가 포함하는 복수의 트랜지스터는 실제 뉴럴 네트워크의 뉴런에 대응하므로, 이하 뉴런 트랜지스터라 기술하겠다.The hidden layer may include a synapse and a perceptron. A synapse may mean a connection relationship between neurons shown as dots. The perceptron may be a configuration of a neural network that implements a functional relationship by adding weights to synapses and information transmitted through synapses. That is, the above-described weight element may correspond to a perceptron. Since the plurality of transistors included in the input layer correspond to the neurons of the actual neural network, they will be referred to as neuron transistors hereinafter.

도 17a 내지 17c는 뉴럴 네트워크 상에서 가중치 소자의 구동방법을 나타내는 개략적인 도면이다. 본 실시예에 따른 뉴럴 네트워크는 뉴런 트랜지스터와 하나의 가중치 소자로 이루어진 퍼셉트론을 포함하는 개략적인 구성일 수 있다. 시냅스는 뉴런 트랜지스터의 드레인과 가중치 소자의 게이트 전극의 연결 관계에 해당할 수 있다. 예를 들어, 가중치 소자에 인가하는 게이트 전압을 뉴런 트랜지스터가 선택적으로 스위칭할 수 있다. 뉴런 트랜지스터와 가중치 소자가 전기적 신호를 주고 받기 위해서는 시냅스가 활성화 되어야 하며, 이는 뉴런 트랜지스터의 채널 영역과 가중치 소자의 채널 영역이 활성화되는 것에 대응할 수 있다. 도 17a는 가중치를 증가 시키는 방법을, 도 17b는 가중치를 감소시키는 방법을, 도 17c는 가중치를 읽는 방법에 관한 도면이다. 17A to 17C are schematic diagrams illustrating a method of driving a weight element in a neural network. The neural network according to the present embodiment may have a schematic configuration including a perceptron composed of a neuron transistor and one weight element. The synapse may correspond to a connection relationship between the drain of the neuron transistor and the gate electrode of the weight element. For example, the neuron transistor may selectively switch the gate voltage applied to the weight element. In order for the neuron transistor and the weight element to exchange electrical signals, a synapse must be activated, which may correspond to activation of the channel region of the neuron transistor and the channel region of the weight element. 17A is a diagram illustrating a method of increasing a weight, FIG. 17B is a diagram illustrating a method of decreasing a weight, and FIG. 17C is a diagram illustrating a method of reading a weight.

도 17a 및 17b를 참조하면, 뉴런 트랜지스터와 퍼셉트론을 연결하는 시냅스는 뉴런 및 가중치 소자에 선택전압 Vw를 인가하여 활성화 될 수 있다. 이후 해당 퍼셉트론의 가중치 값을 증가하거나 감소시키는 방법은 상술한 가중치 소자의 동작과 실질적으로 동일하므로 생략한다.17A and 17B , the synapse connecting the neuron transistor and the perceptron may be activated by applying the selection voltage Vw to the neuron and the weight element. Thereafter, the method of increasing or decreasing the weight value of the corresponding perceptron is substantially the same as the operation of the above-described weight element, and thus is omitted.

도 17c를 참조하면, 퍼셉트론의 가중치 값을 확인할 수 있다. 뉴런 트랜지스터와 퍼셉트론을 연결하는 시냅스는 활성화 되지 않아도 되므로, 뉴런 트랜지스터에 선택 전압을 인가하지 않고, 가중치 소자에만 선택전압 Vw을 인가할 수 있다.Referring to FIG. 17C , a weight value of the perceptron can be confirmed. Since the synapse connecting the neuron transistor and the perceptron does not need to be activated, the selection voltage Vw can be applied only to the weight element without applying the selection voltage to the neuron transistor.

도 18a 내지 18c는 복수 열의 뉴런 트랜지스터와 단수 열의 퍼셉트론으로 구성된 뉴럴 네트워크의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다. 18A to 18C are diagrams schematically illustrating the operation of a neural network composed of a plurality of rows of neuron transistors and a single row of perceptrons.

도 18a를 참조하면, 복수의 뉴런 트랜지스터는 (a * b)으로 2차원 배열될 수 있다. (a * b)의 2차원 배열에서 a는 행을 나타내는 수이고, b은 열을 나타내는 수일 수 있다. 예를 들어, 뉴럴 네트워크의 가장 상단에 위치한 트랜지스터는 첫번째 행에 위치하고 있으므로 a = 1이고, 그보다 아래 행에 위치한 트랜지스터는 a = 2 일 수 있다. 예를 들어, 뉴럴 네트워크의 가장 좌측에 위치한 트랜지스터는 첫번째 열에 위치하고 있으므로 b = 1이고, 그보다 우측 열에 위치한 트랜지스터는 b = 2 일 수 있다. 예를 들어, (1 * 1)에 위치한 트랜지스터는 뉴럴 네트워크의 좌측 상단을 기준으로 첫번째 행의 첫번째 열에 위치한 뉴런 트랜지스터를 의미할 수 있다. Referring to FIG. 18A , a plurality of neuron transistors may be two-dimensionally arranged as (a * b). In the two-dimensional array of (a * b), a may be a number representing a row, and b may be a number representing a column. For example, a transistor located at the top of the neural network is located in the first row, so a = 1, and a transistor located in a lower row may have a = 2. For example, since the leftmost transistor in the neural network is located in the first column, b = 1, and the transistor located in the right column may have b = 2. For example, the transistor located at (1 * 1) may mean a neuron transistor located in the first column of the first row with respect to the upper left corner of the neural network.

본 실시예에 따른 뉴런 트랜지스터는 (n * n)으로 2차원 배열될 수 있다. 즉, 행을 따라 n개의 트랜지스터가 열을 따라 n개의 트랜지스터가 배열될 수 있다. 이러한 실시예는 설명의 편의를 위한 것으로 이에 한정되지 않는다.The neuron transistor according to the present embodiment may be arranged in (n * n) two-dimensionally. That is, n transistors may be arranged along a row and n transistors may be arranged along a column. This embodiment is for convenience of description and is not limited thereto.

동일 행에 위치한 각 뉴런 트랜지스터의 소스전극은 서로 연결되어 입력선을 구성할 수 있다. 도 18a를 참조하면, 각 행 별로 입력선을 구분하기 위하여, 입력선은 WD1 내지 WDn 로 나타낼 수 있다. 입력선으로 입력 신호가 인가될 수 있다. The source electrodes of each neuron transistor located in the same row may be connected to each other to form an input line. Referring to FIG. 18A , in order to distinguish the input lines for each row, the input lines are W D1 to W Dn . can be expressed as An input signal may be applied to the input line.

동일 열에 위치한 각 뉴런 트랜지스터의 게이트 전극은 서로 연결되어 선택선을 구성할 수 있다. 도 18a를 참조하면, 각 열 별로 선택선을 구분하기 위하여 선택선은 선택선 x1 내지 xn 으로 지칭될 수 있다. 선택선으로 선택 전압이 인가될 수 있다. 특정 선택선으로 선택 전압이 인가되면, 해당 열의 트랜지스터는 모두 선택될 수 있다. 선택은 곧 해당 열의 트랜지스터의 채널 영역이 열린 것을 의미할 수 있다. The gate electrodes of each neuron transistor positioned in the same column may be connected to each other to form a selection line. Referring to FIG. 18A , in order to distinguish the selection lines for each column, the selection lines may be referred to as selection lines x 1 to x n . A selection voltage may be applied to the selection line. When a selection voltage is applied to a specific selection line, all of the transistors in the corresponding column may be selected. Selection may mean that a channel region of a transistor in a corresponding column is opened.

퍼셉트론은 전술한 실시예에 따른 가중치 소자를 복수 개 포함할 수 있다.The perceptron may include a plurality of weighting elements according to the above-described embodiment.

도 18a를 참조하면, 뉴런 트랜지스터가 (n * n)으로 2차원 배열되어 있을 때에, 퍼셉트론은 n개의 가중치 소자가 1차원 배열될 수 있다. 예를 들어, 동일 행에 위치한 각 뉴런 트랜지스터의 드레인전극은, 동일 행에 위치한 가중치 소자의 제 1 게이트전극과 전기적으로 연결되어 시냅스를 형성할 수 있다. 각 가중치 소자의 드레인전극은 쓰기 전압을 인가하여 각 가중치 소자의 가중치를 조절할 수 있음은 상술한 바와 같다. 각 가중치 소자의 드레인전극은, 입력선 WC1 내지 WCN 으로 구분하여 나타낼 수 있다. Referring to FIG. 18A , when the neuron transistors are two-dimensionally arranged in (n * n), in the perceptron, n weight elements may be arranged one-dimensionally. For example, the drain electrode of each neuron transistor positioned in the same row may be electrically connected to the first gate electrode of the weight element positioned in the same row to form a synapse. As described above, the drain electrode of each weight element can adjust the weight of each weight element by applying a write voltage. The drain electrode of each weight element can be dividedly represented by input lines W C1 to WCN.

퍼셉트론을 구성하는 가중치 소자의 제 2 게이트전극은 서로 연결되어 선택선을 구성할 수 있다. 도 18a를 참조하면, 퍼셉트론의 선택선은 y1으로 나타낼 수 있다. 선택선 y1에 선택 전압 Vw가 인가되면, 해당 열의 가중치 소자가 모두 선택될 수 있다. 가중치 소자의 선택은, 제 2 채널영역(C2)이 열린 상태가 되는 것을 의미할 수 있다. 자세한 내용은 전술한바 생략하도록 하겠다.The second gate electrodes of the weight elements constituting the perceptron may be connected to each other to form a selection line. Referring to FIG. 18A , the selection line of the perceptron may be represented by y1. When the selection voltage Vw is applied to the selection line y1, all weight elements in the corresponding column may be selected. Selection of the weight element may mean that the second channel region C2 is in an open state. The details will be omitted as described above.

뉴럴 네트워크는 입력선 WD1 내지 WDn , 선택선 x1 내지 xn , 입력선 WC1 내지 WCN, 선택선 y1 에 인가되는 전압을 조절하여 퍼셉트론에 포함된 각 가중치 소자의 가중치 h1 내지 hn을 조절할 수 있다. The neural network adjusts the voltages applied to the input lines W D1 to W Dn , the selection lines x 1 to x n , the input lines W C1 to W CN , and the selection line y1 to obtain the weights h1 to hn of each weight element included in the perceptron. can be adjusted

도 18b를 참조하면, 뉴럴 네트워크의 쓰기와 지우기 동작을 살피겠다. 예를 들어, 선택전압 Vw는 선택선 x2에 인가되고, x1 및 x3 내지 xn에는 인가되지 않을 수 있다. 따라서 2번째 열에 위치한 뉴런 트랜지스터들이 선택될 수 있다. 선택선 y1 은 선택전압 Vw가 인가되므로 선택선 y1과 연결된 가중치 소자는 활성화 될 수 있다. 따라서, 선택선 x2에 위치한 뉴런 트랜지스터와 선택선 y1에 위치한 가중치 소자간의 시냅스는 활성화 될 수 있다. 예를 들어, 입력선 WC1 은입력선 쓰기전압 Vc1이 인가되고, 입력선 WD1 은 접지될 수 있다. (1 * 2)에 위치한 뉴런 트랜지스터와 첫번째 행에 위치한 가중치 소자 간의 시냅스를 통해 전하가 유입되어 가중치 h1 이 증가될 수 있다. 예를 들어, 입력선 WCn 은 접지되고 입력선 WDn 은 지우기 전압 VDn 이 인가될 수 있다. (n * 2)에 위치한 뉴런 트랜지스터와 n번째 행에 위치한 가중치 소자 간의 시냅스를 통해 전하가 유출되어 가중치 hn이 감소될 수 있다.Referring to FIG. 18B , write and erase operations of the neural network will be described. For example, the selection voltage Vw may be applied to the selection line x2 and not applied to x1 and x3 to xn. Accordingly, the neuron transistors located in the second column can be selected. Since the selection voltage Vw is applied to the selection line y1 , the weight element connected to the selection line y1 may be activated. Accordingly, a synapse between the neuron transistor located on the selection line x2 and the weight element located on the selection line y1 may be activated. For example, an input line write voltage Vc1 may be applied to the input line W C1 , and the input line W D1 may be grounded. Charge flows in through a synapse between the neuron transistor located at (1 * 2) and the weight element located in the first row, so that the weight h1 may be increased. For example, the input line W Cn is grounded and the input wire W Dn An erase voltage V Dn may be applied. The weight hn may be reduced because charges are leaked through the synapse between the neuron transistor located at (n * 2) and the weight element located at the nth row.

쓰기 전압으로는 펄스 전압이 인가될 수 있고, 지우기 전압으로는 펄스 전압이 인가될 수 있음은 상술한 바와 같다. As described above, a pulse voltage may be applied as the write voltage and a pulse voltage may be applied as the erase voltage.

도 18c를 참조하면, 뉴럴 네트워크의 읽기 동작을 살피겠다. 예를 들어, 입력선 Wc1 은 읽기 전압 VR 이 인가될 수 있다. 가중치 h1 은 첫번째 행에 위치한 가중치 소자를 통해 흐르는 측정 전류를 측정하여 읽어 질 수 있다. 예를 들어, 입력선 Wcn 은 읽기 전압 VR 이 인가될 수 있고, 그 결과 가중치 hn 은 읽어 질 수 있다. 상술한 바와 같이, 신호판독기(S/A) 또는 전류계(미도시)를 통해 측정되는 전류값에서부터 해당되는 가중치 소자의 가중치 값은 읽어 질 수 있다. 가중치 h1 내지 hn의 판독은 뉴런 트랜지스터와의 시냅스 활성과는 무관할 수 있으므로, 선택선 x1 내지 xn 에는 선택전압이 인가되지 않아도 무방하다. Referring to FIG. 18C , a read operation of the neural network will be described. For example, the read voltage V R may be applied to the input line W c1 . The weight h1 can be read by measuring the measurement current flowing through the weight element located in the first row. For example, the read voltage V R may be applied to the input line W cn , and as a result, the weight hn may be read. As described above, the weight value of the corresponding weight element may be read from the current value measured through the signal reader (S/A) or the ammeter (not shown). Since the reading of the weights h1 to hn may be independent of the synaptic activity with the neuron transistor, the selection voltage may not be applied to the selection lines x1 to xn.

도 18a 내지 18c에 따른 뉴럴 네트워크에서는 퍼셉트론이 단수 열로 구성되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 뉴럴 네트워크는 복수 열로 구성된 퍼셉트론을 포함할 수 있으며, 이러한 뉴럴 네트워크는 딥 러닝에 사용될 수 있음은 상술한 바와 같다.In the neural network according to FIGS. 18A to 18C , the perceptron is composed of a singular column, but is not limited thereto. As described above, the neural network may include a perceptron composed of a plurality of columns, and such a neural network may be used for deep learning.

도 19는 뉴럴 네트워크를 이용한 학습에 관한 도면이다. 뉴럴 네트워크는 연속적 학습(continuous learning)과 이산적 학습(discrete learning)으로 나뉠 수 있다. 상술한 가중치 소자를 이용한 뉴럴 네트워크는 제한된 숫자의 가중치 소자를 이용한 네트워크라는 점에서 이산적 학습에 이용될 수 있다. 19 is a diagram related to learning using a neural network. Neural networks can be divided into continuous learning and discrete learning. The neural network using the above-described weight elements can be used for discrete learning in that it is a network using a limited number of weight elements.

비휘발성 가중치 소자를 포함하는 뉴럴 네트워크는 통제 학습(supervised learning)과 비통제 학습(unsupervised learning)에 이용될 수 있다. 통제 학습은 훈련 데이터(Training Data)로부터 특정 함수를 유추해내기 위한 기계 학습(Machine Learning)의 한 방법이다. 훈련 데이터는 정해진 입력 정보와 출력 정보를 말한다. 일반적으로 입력 정보는 벡터 형태로 포함하고 있으며 각각의 입력 정보 벡터에 대해 정해진 출력 정보가 정해져 있다. 통제 학습은 이러한 입력 정보에 대해 정해진 출력 정보가 나오도록 뉴럴 네트워크를 학습시키는 것을 말하며, 본 개시에서는 가중치의 조정을 통해 뉴럴 네트워크를 학습시킬 수 있다. 분류(Classification)는 학습된 뉴럴 네트워크를 이용하여, 주어진 입력 벡터가 어떤 종류의 값인지 판단하는 것을 의미한다. A neural network including a non-volatile weighting element may be used for supervised learning and unsupervised learning. Control learning is a method of machine learning to infer a specific function from training data. Training data refers to predetermined input information and output information. In general, input information is included in a vector form, and output information determined for each input information vector is determined. Controlled learning refers to learning a neural network so that output information determined for such input information comes out, and in the present disclosure, the neural network can be trained by adjusting weights. Classification refers to determining what kind of value a given input vector is by using a learned neural network.

도 20을 참조하면, 분류는 통제 학습된 뉴럴 네트워크에 입력(x1)에 대한 출력(x2)의 관계로부터 판단 될 수 있다. 예를 들어, 분류는 A 입력 값에 대해 B 출력 값이 나오도록 통제 학습된 뉴럴 네트워크를 마련하고, 이 네트워크에 정체불명의 입력 값 C, D를 입력해보고 그 결과값이 B 출력 값에 해당하는지 여부로부터 판단될 수 있다. 도 20을 참조하면, B 출력 값에 해당하는 입력 값들은 동그라미로 도시되고, B 출력 값에 해당하지 않는 입력 값은 가위표로 도시되었다. 이러한 동그라미와 가위표 값들은 통제 학습된 뉴럴 네트워크에 부합하는 데이터인지 여부에 따라 분류된 것에 해당한다. Referring to FIG. 20 , classification may be determined from the relationship between the input (x1) and the output (x2) in the controlled-learned neural network. For example, for classification, a controlled-trained neural network is prepared so that output B is generated for input A, input unknown input values C and D to this network, and check whether the result corresponds to output B. It can be judged from whether Referring to FIG. 20 , input values corresponding to output B values are indicated by circles, and input values not corresponding to output values B are indicated by cross marks. These circle and cross-mark values correspond to classifications according to whether the data correspond to the controlled-trained neural network.

비통제 학습은 상술한 통제 학습과는 달리 입력 정보에 대한 출력 정보의 목표치가 주어지지 않는 기계학습의 일종이다. 비통제 학습의 예로는 클러스터링(Clustering)이 있다.  클러스터링은 비통제 학습으로 습득된 뉴럴 네트워크의 입력에 대해 출력 값을 통계적으로 분석하여, 군으로 나누는 것을 의미한다. Uncontrolled learning is a type of machine learning that is not given a target value of output information with respect to input information, unlike the aforementioned controlled learning. An example of uncontrolled learning is clustering. Clustering means statistically analyzing the output value of the input of the neural network acquired through uncontrolled learning and dividing it into groups.

도 21을 참조하면, 비통제 학습된 뉴럴 네트워크에 입력(x1)에 대한 출력(x2)의 관계를 판단하여 클러스터를 판단할 수 있다. 예를 들어, 비통제 학습 된 뉴럴 네트워크에 입력된 입력 값에 따른 출력값을 비교하여, 서로 유사한 범위 내에 속하는 좌표들은 하나의 클러스터로 묶어 질 수 있다. 도 21을 참조하면, 입력값과 출력값의 좌표는 동그라미로 도시되어 있으며, 유사 범위 내에 포함되어 있는지 여부에 따라 클러스터를 점선으로 도시하였다.Referring to FIG. 21 , a cluster may be determined by determining the relationship between the input (x1) and the output (x2) in the uncontrolled learned neural network. For example, by comparing output values according to input values input to the uncontrolled learned neural network, coordinates belonging to similar ranges can be grouped into one cluster. Referring to FIG. 21 , the coordinates of the input value and the output value are indicated by circles, and clusters are indicated by dotted lines depending on whether they are included in the similar range.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 가중치 소자, 뉴럴 네트워크, 및 가중치 소자의 동작 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다. Up to now, exemplary embodiments of a weighting element, a neural network, and a method of operating a weighting element have been described and shown in the accompanying drawings in order to facilitate understanding of the present invention. However, it should be understood that these examples are merely illustrative of the present invention and not limiting thereof. And it should be understood that the present invention is not limited to the description shown and described. This is because various other modifications may occur to those skilled in the art.

SUB : 기판 GO : 게이트절연층
C1 : 제 1 채널영역 C2 : 제 2 채널영역
GE1 : 제 1 게이트전극 GE2 : 제 2 게이트전극
CL : 전하포획물질층 SL : 스위칭 레이어
S1 : 소스영역 S2 : 누출방지영역
D1 : 드레인영역 SD : 공용영역
SE : 소스전극 DE : 드레인전극
GE1 : 제 1 게이트전극 GE2 : 제 2 게이트전극
M1 : 전하포획층
SUB: Substrate GO: Gate Insulation Layer
C1: first channel region C2: second channel region
GE1: first gate electrode GE2: second gate electrode
CL: charge trapping material layer SL: switching layer
S1 : Source area S2 : Leakage prevention area
D1 : Drain area SD : Interface area
SE: source electrode DE: drain electrode
GE1: first gate electrode GE2: second gate electrode
M1: charge trapping layer

Claims (20)

기판;
상기 기판 상에 서로 이격되게 배치되는 소스영역 및 공용영역과, 상기 소스영역과 전기적으로 연결되는 소스전극, 상기 소스영역과 상기 공용영역 사이에 위치하는 제 1 채널영역, 상기 제 1 채널영역 상에 마련되는 제 1 게이트 절연층, 상기 제 1 게이트 절연층 상에 마련되는 전하포획물질층, 상기 전하포획물질층 상에 마련되어 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어, 상기 스위칭 레이어 상에 마련되는 제 1 게이트전극을 포함하며, 상기 전하포획물질층은 상기 제 1 게이트 절연층을 사이에 두고 상기 공용영역에서 상기 제 1 채널영역에 인접한 영역과 대면하며, 상기 스위칭 레이어는 상기 고저항 상태에서는 상기 제 1 게이트 전극과 상기 전하포획물질층 간의 전하의 이동을 차단하고 상기 저저항 상태에서는 상기 제 1 게이트 전극과 상기 전하포획물질층간의 전하의 이동이 가능하도록 하는 제 1 트랜지스터; 및
상기 기판 상에서 상기 공용영역에 이격되어 배치되는 드레인영역, 상기 드레인영역과 전기적으로 연결되는 드레인전극, 상기 공용영역과 상기 드레인영역 사이에 위치하는 제 2 채널영역, 상기 제 2 채널영역 상에 마련되는 제 2 게이트 절연층, 상기 제 2 게이트 절연층 상에 마련되는 제 2 게이트전극을 포함하며, 상기 공용영역을 소스로 삼는 제 2 트랜지스터;를 포함하는 가중치 소자.
Board;
On the substrate, a source region and a common region are spaced apart from each other, a source electrode electrically connected to the source region, a first channel region positioned between the source region and the common region, and on the first channel region A first gate insulating layer provided, a charge trapping material layer provided on the first gate insulating layer, a switching layer provided on the charge trapping material layer and capable of switching between a high resistance state and a low resistance state, and on the switching layer and a first gate electrode provided on a first transistor that blocks the movement of charges between the first gate electrode and the charge trapping material layer in the low resistance state and enables the movement of charges between the first gate electrode and the charge trapping material layer in the low resistance state; and
A drain region disposed on the substrate to be spaced apart from the common region, a drain electrode electrically connected to the drain region, a second channel region positioned between the common region and the drain region, and provided on the second channel region A weight element comprising: a second transistor including a second gate insulating layer, a second gate electrode provided on the second gate insulating layer, and using the common area as a source.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 트랜지스터는,
상기 기판 상에 상기 소스영역과 접하여 배치되며, 상기 소스영역과 PN 다이오드 구조를 형성하는 누출방지영역을 더 포함하고,
상기 소스전극은, 상기 누출방지영역과 접하는 가중치 소자.
The method of claim 1,
The first transistor is
a leak prevention region disposed on the substrate in contact with the source region and forming a PN diode structure with the source region;
The source electrode is a weight element in contact with the leakage prevention region.
제 2 항에 있어서,
상기 누출방지영역은, 상기 소스전극과 접하는 면적 외에는 상기 소스영역에 둘러싸이는 가중치 소자.
3. The method of claim 2,
The leak prevention region is a weight element surrounded by the source region except for an area in contact with the source electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 채널영역과 상기 제 2 채널영역은 서로 반대의 도전성을 가지는 가중치 소자.
The method of claim 1,
The first channel region and the second channel region have opposite conductivity to each other.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 트랜지스터는,
상기 기판에서 상기 소스영역, 상기 제 1 채널영역, 및 상기 공용영역을 감싸며 상기 제 2 채널영역과 반대의 도전성을 가지는 우물을 더 포함하는 가중치 소자.
5. The method of claim 4,
The first transistor is
and a well surrounding the source region, the first channel region, and the common region in the substrate and having a conductivity opposite to that of the second channel region.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 게이트전극과 상기 소스전극은 서로 전기적으로 연결되는 가중치 소자.
The method of claim 1,
and the first gate electrode and the source electrode are electrically connected to each other.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 게이트 절연층 및 상기 기판을 사이에 두고 상기 전하포획물질층과 대면되는 부스팅전극을 더 포함하는 가중치 소자.
The method of claim 1,
and a boosting electrode facing the charge trapping material layer with the first gate insulating layer and the substrate interposed therebetween.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 레이어는, 전압 인가에 따라 전도성 나노 필라멘트가 형성되어, 상기 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 나노 필라멘터리 물질을 포함하는 가중치 소자.
The method of claim 1,
The switching layer is a weight element including a nanofilamentary material capable of being switched to the low resistance state by forming conductive nanofilaments according to voltage application.
제 1 항에 있어서,
상기 스위칭 레이어는, PN 다이오드층을 포함하는 가중치 소자.
The method of claim 1,
The switching layer is a weight element including a PN diode layer.
제 1 항에 따른 가중치 소자의 동작방법에 있어서,
상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계;
상기 드레인전극에 쓰기전압을 인가하는 단계; 및
상기 제 1 게이트전극을 접지시키는 단계;를 포함하고,
상기 쓰기전압에 의해 상기 제 1 게이트전극을 통해 전하가 상기 전하포획물질층에 유입되어 상기 전하포획물질층에 정보를 기록하는 가중치 소자의 동작방법.
The method of operating the weight element according to claim 1, comprising:
opening the second channel region by applying a selection voltage to the second gate electrode;
applying a write voltage to the drain electrode; and
grounding the first gate electrode;
A method of operating a weighting device in which electric charges are introduced into the charge trapping material layer through the first gate electrode by the write voltage to write information into the charge trapping material layer.
제 1항에 따른 가중치 소자의 동작방법에 있어서,
상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계;
상기 제 1 게이트전극에 지우기전압을 인가하는 단계; 및
상기 드레인전극을 접지시키는 단계;를 포함하고,
상기 지우기전압에 의해 상기 전하포획물질층에 포획된 전하를 제거하여 정보를 지우는 가중치 소자의 동작방법.
The method of operating the weight element according to claim 1, comprising:
opening the second channel region by applying a selection voltage to the second gate electrode;
applying an erase voltage to the first gate electrode; and
Including; grounding the drain electrode;
A method of operating a weighting device for erasing information by removing charges trapped in the charge trapping material layer by the erasing voltage.
제 1항에 따른 가중치 소자의 동작방법에 있어서,
상기 제 2 게이트전극에 선택전압을 인가하여 상기 제 2 채널영역이 열리는 단계;
상기 소스전극에 읽기전압을 인가하는 단계; 및
상기 드레인전극에서 측정전류를 측정하여, 상기 전하포획물질층에 포획된 전하량을 읽는 단계;를 포함하는 가중치 소자 동작방법.
The method of operating the weight element according to claim 1, comprising:
opening the second channel region by applying a selection voltage to the second gate electrode;
applying a read voltage to the source electrode; and
and reading the amount of charge trapped in the charge trapping material layer by measuring the measured current at the drain electrode.
제 10 항에 있어서,
상기 쓰기전압을 인가하는 단계는,
펄스 전압을 상기 드레인전극에 인가하여 가중치를 반영하는 단계;를 포함하고,
상기 가중치의 반영은 상기 펄스 전압의 인가 회수로 조절하는 가중치 소자의 동작방법.
11. The method of claim 10,
The step of applying the write voltage comprises:
Including; applying a pulse voltage to the drain electrode to reflect the weight;
The method of operating a weight element in which the reflection of the weight is controlled by the number of times the pulse voltage is applied.
제 11 항에 있어서,
상기 지우기전압을 인가하는 단계는,
펄스 전압을 상기 제 1 게이트전극에 인가하여 가중치를 반영하는 단계;를 포함하고,
상기 가중치의 반영은 상기 펄스 전압의 인가 회수로 조절하는 가중치 소자의 동작방법.
12. The method of claim 11,
The step of applying the erase voltage comprises:
applying a pulse voltage to the first gate electrode to reflect the weight;
The method of operating a weight element in which the reflection of the weight is controlled by the number of times the pulse voltage is applied.
제 1 항에 따른 복수의 가중치 소자; 및
상기 복수의 가중치 소자에 인가하는 게이트 전압을 선택적으로 스위칭하는 복수의 뉴런 트랜지스터;를 포함하는 뉴럴 네트워크.
a plurality of weight elements according to claim 1; and
and a plurality of neuron transistors selectively switching gate voltages applied to the plurality of weight elements.
제 15 항에 있어서,
상기 복수의 뉴런 트랜지스터가 2차원 배열되고,
상기 복수의 뉴런 트랜지스터의 드레인전극은 상기 복수의 가중치 소자의 제 1 게이트전극에 각각 연결되며,
동일 열에 위치하는 뉴런 트랜지스터의 게이트 전극에 연결되어 선택전압을 인가할 수 있는 선택선; 및
동일 행에 위치하는 뉴런 트랜지스터의 소스전극에 연결되어 입력전압을 인가할 수 있는 입력선;을 더 포함하는 뉴럴 네트워크.
16. The method of claim 15,
The plurality of neuron transistors are two-dimensionally arranged,
The drain electrodes of the plurality of neuron transistors are respectively connected to the first gate electrodes of the plurality of weight elements,
a selection line connected to a gate electrode of a neuron transistor positioned in the same column to apply a selection voltage; and
The neural network further comprising: an input line connected to a source electrode of a neuron transistor positioned in the same row to apply an input voltage.
제 15항에 있어서,
상기 복수의 가중치 소자가 1차원 배열 또는 2차원 배열되는 뉴럴 네트워크.
16. The method of claim 15,
A neural network in which the plurality of weight elements are one-dimensionally or two-dimensionally arranged.
제 15항에 따른 뉴럴 네트워크의 동작방법에 있어서,
상기 복수의 뉴런 트랜지스터를 통해 입력되는 입력 정보와 상기 복수의 가중치 소자를 통해 출력되는 출력 정보를 미리 정하고, 그에 부합하는 뉴럴 네트워크의 가중치 값을 결정하는 통제 학습식(supervised learning) 뉴럴 네트워크의 동작방법.
The method of operating a neural network according to claim 15, comprising:
A method of operating a supervised learning neural network in which input information input through the plurality of neuron transistors and output information output through the plurality of weight elements are predetermined, and a weight value of the neural network corresponding thereto is determined. .
제 15항에 따른 뉴럴 네트워크의 동작방법에 있어서,
뉴런 트랜지스터를 통해 입력되는 입력 정보에 따라 뉴럴 네트워크의 가중치 값이 자율적으로 결정되도록 하는 비통제 학습식(unsupervised learning) 뉴럴 네트워크의 동작방법.
The method of operating a neural network according to claim 15, comprising:
An operating method of an unsupervised learning neural network that allows the weight value of the neural network to be autonomously determined according to input information input through a neuron transistor.
제 3 게이트 전극, 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하는 제 3 트랜지스터;
상기 제 3 트랜지스터와 상기 제 2 전극을 공유하며, 제 4 게이트 전극, 제 3 전극을 구비하는 제 4 트랜지스터;
제 5 게이트 전극, 제 4 전극을 구비하고 공용영역을 드레인으로 삼는 제 5 트랜지스터;
제 6 게이트 전극, 제 5 전극을 구비하며 상기 공용영역을 소스로 삼는 제 6 트랜지스터;
상기 제 1 전극 및 상기 제 3 전극 상에 형성되며 고저항 상태와 저저항 상태로 스위칭될 수 있는 스위칭 레이어;
상기 스위칭 레이어 상에 위치하며, 상기 스위칭 레이어의 저항 상태에 따라, 전하를 포획 또는 방출하는 전하포획물질층; 및
상기 전하포획물질층과 상기 제 6 게이트 전극을 연결하는 인터커넥트;를 포함하는 가중치 소자.
a third transistor having a third gate electrode, a first electrode, and a second electrode;
a fourth transistor sharing the third transistor and the second electrode and having a fourth gate electrode and a third electrode;
a fifth transistor having a fifth gate electrode and a fourth electrode and having a common area as a drain;
a sixth transistor having a sixth gate electrode and a fifth electrode and using the common area as a source;
a switching layer formed on the first electrode and the third electrode and capable of being switched between a high resistance state and a low resistance state;
a charge trapping material layer disposed on the switching layer and configured to trap or release charges according to a resistance state of the switching layer; and
and an interconnect connecting the charge trapping material layer and the sixth gate electrode.
KR1020160010076A 2015-09-18 2016-01-27 Weighting device, neural network, and operating method of the weighting device KR102461251B1 (en)

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