KR102526214B1 - Transition metal oxide based 3dimensional structure neuromorphic device and method of manufacturing the same - Google Patents

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우지용
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

A transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device having threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics depending on the thickness of an electrode and a manufacturing method thereof are disclosed. The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention comprises: a switching array comprising a switching layer configured to have threshold switching characteristics; a memory array stacked on the switching array and comprising a memory layer configured to have resistance change memory characteristics; a first electrode formed in a through hole penetrating the switching array and the memory array; and a transition metal oxide layer formed in a region between the first electrode and the inner surface of the through hole. The switching layer comprises a switching electrode layer having a first thickness. The memory layer comprises a memory electrode layer having a second thickness greater than the first thickness.

Description

전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법{Transition metal oxide based 3dimensional structure neuromorphic device and method of manufacturing the same}Transition metal oxide based 3dimensional structure neuromorphic device and method of manufacturing the same}

본 발명은 3차원 구조 뉴로모픽 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 두께에 따라 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성을 가지는 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional structure neuromorphic device, and more particularly, to a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device having threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics depending on the thickness of an electrode and a manufacturing method thereof. will be.

저항성 스위칭 메모리(RRAM; Resistive Switching Memory)는 가장 작은 셀 크기와 저전력을 가능하게 하며, 기존의 전하-기반 메모리를 대체하거나 컴퓨팅 시스템의 성능 격차를 메우는 중요한 요소이다. 메모리 집적도를 극대화하고 뇌를 모사하는 뉴로모픽 컴퓨팅과 같은 다양한 기능을 수행하기 위해 RRAM은 입력 라인과 출력 라인이 서로 수직인 크로스바 어레이 아키텍처로 구현되었다. 메모리 셀은 크로스바 어레이에 연결되어 있으므로 선택기가 각 메모리에 통합되어야 한다. 따라서 하나의 선택기와 하나의 RRAM을 포함하는 1S-1R 구조는 인접한 셀에서 원치 않는 스니크 경로 전류(sneak-path currents)를 방지하여 저장된 데이터를 정확하게 읽을 수 있다.Resistive switching memory (RRAM) enables the smallest cell size and low power, and is an important element replacing conventional charge-based memories or filling a performance gap in computing systems. To maximize memory density and perform various functions such as neuromorphic computing that mimics the brain, RRAM is implemented with a crossbar array architecture in which input and output lines are perpendicular to each other. Since the memory cells are connected to the crossbar array, a selector must be incorporated into each memory. Therefore, the 1S-1R structure including one selector and one RRAM prevents unwanted sneak-path currents in adjacent cells, so that stored data can be read accurately.

비선형 전류-전압(I-V) 응답을 나타내는 2단자 전자 장치가 선택기로 사용되었다. 현재까지 가역적 금속-절연체 전이(MIT), 터널(또는 쇼트키) 장벽 변조, 트랩 관련 전도 및 자가 용해된 불안정한 필라멘트 역학과 같은 여러 물리적 메커니즘이 탐구되었다. 최근 연구에서는 특정 문턱 전압(Vth)에서 오프 상태가 갑자기 온 상태로 바뀌는 문턱형 선택기가 충분한 읽기/쓰기 마진을 허용한다는 사실을 입증했다. 추가 선택기에 대한 요구 사항은 분명하지만 1S-1R 구성으로 인해 수직으로 두꺼워진 단위 셀은 프로세스의 복잡성과 관련된 집적 문제로 이어진다.A two-terminal electronics exhibiting a nonlinear current-voltage (IV) response was used as the selector. To date, several physical mechanisms have been explored, such as the reversible metal-insulator transition (MIT), tunnel (or Schottky) barrier modulation, trap-related conduction and self-dissolved labile filament dynamics. A recent study demonstrated that a threshold selector that abruptly changes from an off state to an on state at a certain threshold voltage (V th ) allows sufficient read/write margin. Although the requirement for an additional selector is obvious, the vertically thickened unit cell due to the 1S-1R configuration leads to integration challenges related to the complexity of the process.

본 발명은 전이금속 산화물 층과 접하는 전극층의 크기(두께)에 따라 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성을 가지는 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention is to provide a transition metal oxide-based three-dimensional structured neuromorphic device having threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics according to the size (thickness) of an electrode layer in contact with a transition metal oxide layer and a manufacturing method thereof.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 문턱 스위칭 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 스위칭 층을 포함하는 스위칭 어레이; 상기 스위칭 어레이 상에 적층되고, 저항변화 메모리 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 메모리 층을 포함하는 메모리 어레이; 상기 스위칭 어레이와 상기 메모리 어레이를 관통하여 형성되는 하나 이상의 관통홀 내에 기둥 형태로 형성되는 하나 이상의 제1 전극; 상기 스위칭 층에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 스위칭 전극과, 상기 메모리 층에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 메모리 전극을 포함하는 다수의 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 관통홀의 내면 사이 영역에 고리 형태로 형성되고, 전이금속 산화물을 포함하는 하나 이상의 전이금속 산화물 층;을 포함한다.A transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes a switching array including one or more switching layers configured to have threshold switching characteristics; a memory array stacked on the switching array and including one or more memory layers configured to have resistance variable memory characteristics; one or more first electrodes formed in a pillar shape in one or more through holes formed through the switching array and the memory array; a plurality of second electrodes including one or more switching electrodes electrically connected to the switching layer and one or more memory electrodes electrically connected to the memory layer; and one or more transition metal oxide layers formed in a ring shape in a region between the first electrode and an inner surface of the through hole and containing a transition metal oxide.

상기 스위칭 층은 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 제1 두께를 가지도록 적층되고 상기 스위칭 전극에 전기적으로 연결되는 스위칭 전극층을 포함한다. 상기 메모리 층은 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 상기 제1 두께 보다 큰 제2 두께를 가지도록 적층되고 상기 메모리 전극에 전기적으로 연결되는 메모리 전극층을 포함한다.The switching layer includes a first insulating layer and a switching electrode layer laminated on the first insulating layer to have a first thickness and electrically connected to the switching electrode. The memory layer includes a second insulating layer and a memory electrode layer laminated on the second insulating layer to have a second thickness greater than the first thickness and electrically connected to the memory electrode.

상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하일 수 있다.The first thickness may be greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, and the second thickness may be greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 2 um.

상기 전이금속 산화물은 Nb, VO, Ti, 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 일종의 전이금속의 산화물일 수 있다.The transition metal oxide may be an oxide of at least one type of transition metal selected from the group consisting of Nb, VO, Ti, and Ta.

상기 제1 전극은 Al 전극이고, 상기 전이금속 산화물은 NbO2를 포함할 수 있다.The first electrode may be an Al electrode, and the transition metal oxide may include NbO 2 .

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 상기 제1 전극을 통해 흐르는 전류를 허용 전류값 이하로 제한하는 전류 제한 회로;를 더 포함할 수 있다. 상기 전류 제한 회로는 상기 허용 전류값을 조절하여 상기 메모리 층을 문턱 스위칭 특성을 가지도록 변경시킬 수 있다.The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention may further include a current limiting circuit that limits the current flowing through the first electrode to an allowable current value or less. The current limiting circuit may change the memory layer to have threshold switching characteristics by adjusting the allowable current value.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 상기 스위칭 어레이 및 상기 메모리 어레이에 적층되는 하나 이상의 혼성 층을 포함하는 혼성 어레이;를 더 포함할 수 있다. 상기 혼성 층은 상기 제1 두께 보다 크고 상기 제2 두께 보다 작은 제3 두께로 형성되어 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성이 혼성화된 특성을 가질 수 있다.The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention may further include a hybrid array including one or more hybrid layers stacked on the switching array and the memory array. The hybrid layer may have a third thickness greater than the first thickness and less than the second thickness to have a hybrid threshold switching characteristic and a resistance change memory characteristic.

상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하이고, 상기 제3 두께는 60 ㎚ 초과, 100 nm 미만일 수 있다.The first thickness may be greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, the second thickness may be greater than 100 nm and less than or equal to 2 um, and the third thickness may be greater than 60 nm and less than 100 nm.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 포함하는 프로세싱-인-메모리 컴퓨팅용 소자가 제공될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a processing-in-memory computing device including the transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device may be provided.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법은 문턱 스위칭 특성을 가지는 하나 이상의 스위칭 층을 포함하는 스위칭 어레이를 형성하는 단계; 상기 스위칭 어레이에 적층되도록 저항변화 메모리 특성을 가지는 하나 이상의 메모리 층을 포함하는 메모리 어레이를 형성하는 단계; 상기 스위칭 어레이와 상기 메모리 어레이를 관통하도록 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계; 상기 관통홀의 내면에 전이금속 산화물을 포함하는 전이금속 산화물 층을 고리 형태로 형성하는 단계; 상기 고리 형태의 전이금속 산화물 층 내에 기둥 형태를 가지는 하나 이상의 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 스위칭 층 및 상기 메모리 층에 전기적으로 연결되도록 하나 이상의 스위칭 전극과 하나 이상의 메모리 전극을 포함하는 다수의 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.A method for manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention includes forming a switching array including one or more switching layers having threshold switching characteristics; forming a memory array including one or more memory layers having resistance variable memory characteristics to be stacked on the switching array; forming one or more through holes to pass through the switching array and the memory array; forming a transition metal oxide layer containing a transition metal oxide in a ring shape on an inner surface of the through hole; forming one or more first electrodes having a pillar shape in the ring-shaped transition metal oxide layer; and forming a plurality of second electrodes including one or more switching electrodes and one or more memory electrodes to be electrically connected to the switching layer and the memory layer.

상기 스위칭 어레이를 형성하는 단계는 제1 절연층 상에 제1 두께를 가지도록 스위칭 전극층을 적층하는 단계를 포함한다. 상기 메모리 어레이를 형성하는 단계는 제2 절연층 상에 상기 제1 두께 보다 큰 제2 두께를 가지도록 메모리 전극층을 적층하는 단계를 포함한다.Forming the switching array includes stacking a switching electrode layer on the first insulating layer to have a first thickness. The forming of the memory array includes stacking a memory electrode layer on a second insulating layer to have a second thickness greater than the first thickness.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법은 상기 제1 전극을 통해 흐르는 전류를 허용 전류값 이하로 제한하는 전류 제한 회로를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method of fabricating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention may further include forming a current limiting circuit that limits the current flowing through the first electrode to an allowable current value or less. there is.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법은 상기 스위칭 어레이 및 상기 메모리 어레이에 적층되도록 하나 이상의 혼성 층을 포함하는 혼성 어레이를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention may further include forming a hybrid array including one or more hybrid layers to be stacked on the switching array and the memory array. there is.

본 발명의 실시예에 의하면, 전이금속 산화물 층과 접하는 전극층의 크기(두께)에 따라 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성을 가지는 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device having threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics according to the size (thickness) of an electrode layer in contact with a transition metal oxide layer and a manufacturing method thereof are provided. .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 개념도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 개념도이다.
도 11은 W/NbOx/TiN 소자의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다.
도 12는 W/NbOx/TiN 소자의 X선 광전자 분광(XPS) 분석 결과이다.
도 13은 W/NbOx/TiN 소자의 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 70 nm의 소자 크기를 가지는 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성이다.
도 16은 Al/NbOx/TiN 소자의 전류에 따른 누적 확률 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17은 Al/NbOx/TiN 소자의 TEM 이미지이다.
도 18은 Al/NbOx/TiN 소자의 에너지 분산 X-선(EDX) 라인 스캔 결과이다.
도 19는 Al/NbOx/TiN 소자의 XPS 분석 결과이다.
도 20은 리셋 전압에 따른 다중레벨 셀 하이브리드 메모리 동작을 나타낸 그래프이다.
도 21은 Cu/NbOx/TiN 소자의 TEM 이미지이다.
도 22는 Cu/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 23은 Cu/NbOx/TiN 소자의 초기 단계 이후 하이브리드 메모리의 발현을 보여주는 전류-전압 특성 그래프이다.
도 24는 관찰된 하이브리드 메모리 동작의 메커니즘을 보여주는 개념도이다.
1 is a perspective view illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
2 to 7 are exemplary diagrams for explaining a method of manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention.
8 is a conceptual diagram illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to another embodiment of the present invention.
9 and 10 are conceptual views illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to various embodiments of the present disclosure.
11 is a transmission electron microscope (TEM) image of a W/NbOx/TiN device.
12 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of the W/NbOx/TiN device.
13 is a graph showing current-voltage (IV) characteristics of a W/NbOx/TiN device.
14 is a graph showing current-voltage characteristics of an Al/NbOx/TiN device.
15 is a current-voltage characteristic of an Al/NbOx/TiN device having a device size of 70 nm.
16 is a graph showing the cumulative probability characteristics according to the current of the Al/NbOx/TiN device.
17 is a TEM image of an Al/NbOx/TiN device.
18 is an energy dispersive X-ray (EDX) line scan result of an Al/NbOx/TiN device.
19 is an XPS analysis result of an Al/NbOx/TiN device.
20 is a graph illustrating multilevel cell hybrid memory operation according to a reset voltage.
21 is a TEM image of a Cu/NbOx/TiN device.
22 is a graph showing current-voltage characteristics of a Cu/NbOx/TiN device.
23 is a current-voltage characteristic graph showing the development of a hybrid memory after an initial stage of a Cu/NbOx/TiN device.
24 is a conceptual diagram showing the mechanism of observed hybrid memory operation.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되었다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following examples. This embodiment is provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes of elements in the figures are exaggerated to emphasize clearer description.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.The configuration of the present invention for clarifying the solution to the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same reference numerals are assigned to the components of the drawings. For components, even if they are on other drawings, the same reference numerals have been given, and it is made clear in advance that components of other drawings can be cited if necessary in the description of the drawings.

한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.Meanwhile, directional terms such as upper side, lower side, one side, and the other side are used in relation to the orientation of the disclosed drawings. Since components of embodiments of the present invention may be positioned in a variety of orientations, directional terms are used for purposes of illustration and not limitation.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.Also, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 하나 이상의 스위칭 어레이(110), 스위칭 어레이(110) 상에 적층되는 하나 이상의 메모리 어레이(120), 하나 이상의 전이금속 산화물 층(130), 하나 이상의 제1 전극(140), 및 다수의 제2 전극(150, 160)을 포함할 수 있다.1 is a perspective view illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , a transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes one or more switching arrays 110, one or more memory arrays 120 stacked on the switching array 110, It may include one or more transition metal oxide layers 130 , one or more first electrodes 140 , and a plurality of second electrodes 150 and 160 .

스위칭 어레이(110)는 문턱 스위칭 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 스위칭 층(111, 112)을 포함할 수 있다. 스위칭 층(111, 112)은 스위칭 전극층(111)과, 제1 절연층(112)을 포함할 수 있다. 스위칭 전극층(111)은 제1 절연층(112) 상에 제1 두께(T1)를 가지도록 적층될 수 있다. 문턱 스위칭 특성 구현을 위해, 스위칭 전극층(111)은 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하의 제1 두께(T1)로 형성될 수 있다.The switching array 110 may include one or more switching layers 111 and 112 configured to have threshold switching characteristics. The switching layers 111 and 112 may include a switching electrode layer 111 and a first insulating layer 112 . The switching electrode layer 111 may be stacked on the first insulating layer 112 to have a first thickness T1. To implement threshold switching characteristics, the switching electrode layer 111 may be formed to have a first thickness T1 of greater than 0 nm and less than 60 nm.

스위칭 전극층(111)은 다수의 제2 전극(150, 160)을 구성하는 스위칭 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 절연층(112)은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 절연 물질로 형성될 수 있으나, 이러한 예시로 한정되는 것은 아니다. 스위칭 전극층(111)은 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등의 전도성 전극 물질로 이루어질 수 있으나, 이러한 예시들로 한정되는 것은 아니다.The switching electrode layer 111 may be electrically connected to the switching electrodes constituting the plurality of second electrodes 150 and 160 . The first insulating layer 112 may be formed of, for example, an insulating material such as silicon nitride, but is not limited to this example. The switching electrode layer 111 may be made of a conductive electrode material such as platinum (Pt) or aluminum (Al), but is not limited to these examples.

메모리 어레이(120)는 저항변화 메모리 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 메모리 층(121, 122)을 포함할 수 있다. 메모리 층(121, 122)은 메모리 전극층(121)과, 제2 절연층(122)을 포함할 수 있다. 메모리 전극층(121)은 제2 절연층(122) 상에 스위칭 전극층(111)의 제1 두께(T1) 보다 큰 제2 두께(T2)를 가지도록 적층될 수 있다. 저항변화 메모리 특성 구현을 위해, 메모리 전극층(121)은 100 nm 이상, 2 um 이하의 제2 두께(T2)로 형성될 수 있다.The memory array 120 may include one or more memory layers 121 and 122 configured to have variable resistance memory characteristics. The memory layers 121 and 122 may include a memory electrode layer 121 and a second insulating layer 122 . The memory electrode layer 121 may be stacked on the second insulating layer 122 to have a second thickness T2 greater than the first thickness T1 of the switching electrode layer 111 . In order to implement resistance-variable memory characteristics, the memory electrode layer 121 may be formed to have a second thickness T2 of 100 nm or more and 2 um or less.

스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)의 각 층수는 예를 들어, 1 ~ 176층 사이로 설계될 수 있으며, 스위칭 어레이(110) 영역의 스위칭 층의 층수와, 메모리 어레이(120) 영역의 메모리 층의 층수는 동일하게 설계될 수도 있고 상이하게 설계될 수도 있다. 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)의 각 층수 및 반복 배열 구조는 구현하고자 하는 로직 기능(AND, OR, NAND, XOR 등)에 따라 다양한 조합이 가능하다.The number of each layer of the switching array 110 and the memory array 120 may be, for example, between 1 and 176 layers. The number of layers may be designed identically or differently. Various combinations of the number of layers and repetitive arrangement structures of the switching array 110 and the memory array 120 are possible according to logic functions (AND, OR, NAND, XOR, etc.) to be implemented.

메모리 전극층(121)은 다수의 제2 전극(150, 160)을 구성하는 메모리 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 절연층(122)은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 절연 물질로 형성될 수 있으나, 이러한 예시로 한정되는 것은 아니다. 메모리 전극층(121)은 예를 들어, 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등의 전도성 전극 물질로 이루어질 수 있으나, 이러한 예시들로 한정되는 것은 아니다.The memory electrode layer 121 may be electrically connected to memory electrodes constituting the plurality of second electrodes 150 and 160 . The second insulating layer 122 may be formed of, for example, an insulating material such as silicon nitride, but is not limited to this example. The memory electrode layer 121 may be formed of, for example, a conductive electrode material such as platinum (Pt) or aluminum (Al), but is not limited to these examples.

제1 전극(140)은 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 관통하여 형성되는 하나 이상의 관통홀 내에 기둥 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(140)은 바람직하게는, Al 전극일 수 있다. 본 발명자는 제1 전극(140)으로 반응성 있는 Al 전극 사용시, 전이금속 산화물 층(130)과 접하는 전극층(스위칭 전극층, 메모리 전극층)의 두께, 즉 전이금속 산화물 층(130)의 측면 방향으로의 너비에 따라 문턱 스위칭 특성 및/또는 저항변화 메모리 특성이 구현될 수 있음을 규명하였다.The first electrode 140 may be formed in a pillar shape in one or more through holes formed through the switching array 110 and the memory array 120 . The first electrode 140 may preferably be an Al electrode. When the reactive Al electrode is used as the first electrode 140, the present inventors have found that the thickness of the electrode layer (switching electrode layer, memory electrode layer) in contact with the transition metal oxide layer 130, that is, the width of the transition metal oxide layer 130 in the lateral direction. It was found that threshold switching characteristics and/or resistance change memory characteristics can be implemented according to.

예를 들어, 제1 전극(140)을 NbOx 전이금속 산화물로 형성한 경우, 반응성 높은 Al 전극으로 전극층을 구현하면, NbOx 전이금속 산화물과 접하는 전극층의 사이즈(전극층의 두께)가 크면(예를 들어, 대략 2 ㎛ 수준) 저항변화 메모리 특성(memory switching, MS)이 구현되어 메모리 층으로 동작하고, NbOx 전이금속 산화물과 접하는 전극층의 사이즈(전극층의 두께)가 작아지면(예를 들어, 50 ㎚ 이하) 문턱 스위칭 특성(threshold switching, TS)이 구현되어 스위칭 층으로 동작하게 된다.For example, when the first electrode 140 is formed of NbOx transition metal oxide, when the electrode layer is implemented with highly reactive Al electrode, when the size (thickness of the electrode layer) of the electrode layer in contact with the NbOx transition metal oxide is large (for example, , about 2 μm level), when the memory switching (MS) is implemented and operates as a memory layer, and the size of the electrode layer in contact with the NbOx transition metal oxide (electrode layer thickness) becomes small (e.g., 50 nm or less ) Threshold switching (TS) is implemented to operate as a switching layer.

NbOx 전이금속 산화물과 접하는 전극층의 사이즈(전극층의 두께)가 크면, 제1 전극 또는 전극층에 전압 인가시 계면 사이에 화학 반응 일어나 산소 공공(oxygen vacancy)이 형성되고, 산소 공공의 영향으로 저항변화 메모리 특성이 구현된다. 이와 같이 NbOx 전이금속 산화물과 접하는 전극층의 사이즈(두께)가 크면, 계면에 형성되는 공공의 영향이 지배하여 저항변화 메모리 특성이 구현된다.If the size (electrode layer thickness) of the electrode layer in contact with the NbOx transition metal oxide is large, when a voltage is applied to the first electrode or electrode layer, a chemical reaction occurs between the interfaces to form oxygen vacancies, and resistance change memory is affected by the oxygen vacancies. characteristics are implemented. In this way, when the size (thickness) of the electrode layer in contact with the NbOx transition metal oxide is large, the effect of the vacancies formed at the interface dominates, and resistance change memory characteristics are implemented.

이와 달리, NbOx 전이금속 산화물과 접하는 전극층의 사이즈(두께)가 작으며, 계면에 형성되는 공공의 영향이 적어지고, NbOx가 가지는 문턱 스위칭 특성이 지배하여 문턱 스위칭 특성이 구현되며, 메모리가 아니기에 전극층에 전압 제거시 본래의 오프(off) 상태로 되돌아오게 된다. 실험적으로 전극층의 사이즈(두께)가 100 nm 내지 2 um 인 경우 저항변화 메모리 특성이 관찰되었으며, 60 nm 이하의 전극층의 사이즈(두께)에서는 문턱 스위칭 특성이 확인되었다.In contrast, the size (thickness) of the electrode layer in contact with the NbOx transition metal oxide is small, the influence of vacancies formed at the interface is reduced, and the threshold switching characteristic of NbOx dominates to realize the threshold switching characteristic, and the electrode layer is not a memory. When the voltage is removed, it returns to the original off state. Experimentally, resistance change memory characteristics were observed when the size (thickness) of the electrode layer was 100 nm to 2 um, and threshold switching characteristics were confirmed when the size (thickness) of the electrode layer was 60 nm or less.

Al 전극이 아닌, 화학반응성이 적은 W 또는 TiN 전극으로 제1 전극(140)을 형성한 경우, 상술한 바와 같이 전이금속 산화물 층과 접하는 전극층의 크기(두께)에 따른 하이브리드 특성이 구현되지 않았으며, 스위치와 같이 전극층의 크기(두께)와 관계 없이 제1 전극(140) 또는 전극층에 인가되는 전압에 따라 오프(off) 상태와 온(on) 상태 간에 변화하는 문턱 스위칭 특성으로 구현되었다.When the first electrode 140 is formed of a W or TiN electrode with little chemical reactivity rather than an Al electrode, as described above, hybrid characteristics according to the size (thickness) of the electrode layer in contact with the transition metal oxide layer are not implemented. , Like a switch, it is implemented as a threshold switching characteristic that changes between an off state and an on state according to the voltage applied to the first electrode 140 or the electrode layer regardless of the size (thickness) of the electrode layer.

전이금속 산화물 층(130)은 제1 전극(140)과 관통홀의 내면 사이 영역에 고리 형태로 형성될 수 있다. 스위칭 전극층(111)과 메모리 전극층(121)의 전극 두께에 따른 문턱 스위칭 특성 및 저항 변화 메모리 특성의 구현을 위해, 전이금속 산화물 층(130)은 전이금속 산화물을 포함하여 구성될 수 있다. 특히, 전이금속 산화물 층(130)은 Nb, VO, Ti, 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 일종의 전이금속의 산화물을 포함할 수 있다.The transition metal oxide layer 130 may be formed in a ring shape in a region between the first electrode 140 and the inner surface of the through hole. In order to implement threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics according to electrode thicknesses of the switching electrode layer 111 and the memory electrode layer 121, the transition metal oxide layer 130 may include a transition metal oxide. In particular, the transition metal oxide layer 130 may include an oxide of at least one type of transition metal selected from the group consisting of Nb, VO, Ti, and Ta.

제2 전극(150, 160)은 스위칭 층의 스위칭 전극층(111)에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 스위칭 전극과, 메모리 층의 메모리 전극층(121)에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 메모리 전극을 포함할 수 있다. 제2 전극(150, 160)은 예를 들어, 백금(Pt)과 같은 전극 물질로 이루어질 수 있으나, 이러한 예시로 한정되는 것은 아니다.The second electrodes 150 and 160 may include one or more switching electrodes electrically connected to the switching electrode layer 111 of the switching layer and one or more memory electrodes electrically connected to the memory electrode layer 121 of the memory layer. . The second electrodes 150 and 160 may be made of an electrode material such as, for example, platinum (Pt), but are not limited to this example.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 예시도들이다. 이하에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자의 제조 방법을 설명한다.2 to 7 are exemplary diagrams for explaining a method of manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a method of manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7 .

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법은 문턱 스위칭 특성을 가지는 하나 이상의 스위칭 층을 포함하는 스위칭 어레이(110)를 형성하는 단계와, 스위칭 어레이(110)에 적층되도록 저항변화 메모리 특성을 가지는 하나 이상의 메모리 층을 포함하는 메모리 어레이(120)를 형성하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to an embodiment of the present invention includes forming a switching array 110 including one or more switching layers having threshold switching characteristics, and in the switching array 110 and forming a memory array 120 including one or more memory layers having resistive memory characteristics to be stacked.

도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 어레이(110)는 제1 절연층(112)과 스위칭 전극층(111)을 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 또한, 메모리 어레이(120)는 제2 절연층(122)과 메모리 전극층(121)을 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 도 2에서는 스위칭 어레이(110)의 상부에 메모리 어레이(120)를 적층하였으나, 메모리 어레이(120)의 상부에 스위칭 어레이(110)를 적층하는 것도 가능하다. 또한, 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 교번하여 반복하여 적층할 수도 있다.As shown in FIG. 2 , the switching array 110 may be formed by repeatedly stacking the first insulating layer 112 and the switching electrode layer 111 . Also, the memory array 120 may be formed by repeatedly stacking the second insulating layer 122 and the memory electrode layer 121 . Although the memory array 120 is stacked on top of the switching array 110 in FIG. 2 , it is also possible to stack the switching array 110 on top of the memory array 120 . Also, the switching array 110 and the memory array 120 may be alternately and repeatedly stacked.

문턱 스위칭 특성 구현을 위해, 스위칭 전극층(111)은 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하의 제1 두께(T1)로 형성될 수 있다. 저항변화 메모리 특성 구현을 위해, 메모리 전극층(121)은 스위칭 전극층(111)의 제1 두께(T1) 보다 큰 제2 두께(T2)를 가지도록 적층될 수 있다. 바람직하게는, 메모리 전극층(121)은 100 nm 이상, 2 um 이하의 제2 두께(T2)로 형성될 수 있다.To implement threshold switching characteristics, the switching electrode layer 111 may be formed to have a first thickness T1 of greater than 0 nm and less than 60 nm. In order to implement resistance change memory characteristics, the memory electrode layer 121 may be stacked to have a second thickness T2 greater than the first thickness T1 of the switching electrode layer 111 . Preferably, the memory electrode layer 121 may be formed to have a second thickness T2 of 100 nm or more and 2 um or less.

제1 절연층(112)과 제2 절연층(122)은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 절연 물질을 증착하여 형성될 수 있다. 스위칭 전극층(111) 및 메모리 전극층(121)은 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등의 전도성 전극 물질을 증착하여 형성될 수 있다. 스위칭 전극층(111)과 메모리 전극층(121)은 같은 전극 물질로 형성될 수도 있고, 상이한 전극 물질로 형성될 수도 있다.The first insulating layer 112 and the second insulating layer 122 may be formed by depositing an insulating material such as silicon nitride. The switching electrode layer 111 and the memory electrode layer 121 may be formed by depositing a conductive electrode material such as platinum (Pt) or aluminum (Al). The switching electrode layer 111 and the memory electrode layer 121 may be formed of the same electrode material or different electrode materials.

메모리 전극층(121)은 다수의 제2 전극(150, 160)을 구성하는 메모리 전극에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 절연층(122)은 예를 들어, 실리콘 질화물과 같은 절연 물질로 형성될 수 있으나, 이러한 예시로 한정되는 것은 아니다. 메모리 전극층(121)은 예를 들어, 백금(Pt), 알루미늄(Al) 등의 전도성 전극 물질로 이루어질 수 있으나, 이러한 예시들로 한정되는 것은 아니다.The memory electrode layer 121 may be electrically connected to memory electrodes constituting the plurality of second electrodes 150 and 160 . The second insulating layer 122 may be formed of, for example, an insulating material such as silicon nitride, but is not limited to this example. The memory electrode layer 121 may be formed of, for example, a conductive electrode material such as platinum (Pt) or aluminum (Al), but is not limited to these examples.

스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)가 적층되면, 스위칭 어레이(110)의 각 스위칭 전극층(111)과 메모리 어레이(120)의 각 메모리 전극층(121)에 스위칭 전극과 메모리 전극을 연결하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 제2 전극(150, 160)이 형성될 스위칭 전극층(111)의 상면 일부와 메모리 전극층(121)의 상면 일부가 노출되도록 식각 공정이 수행될 수 있다.When the switching array 110 and the memory array 120 are stacked, in order to connect the switching electrode and the memory electrode to each switching electrode layer 111 of the switching array 110 and each memory electrode layer 121 of the memory array 120 As shown in FIG. 3 , an etching process may be performed such that a portion of the upper surface of the switching electrode layer 111 on which the second electrodes 150 and 160 are to be formed and a portion of the upper surface of the memory electrode layer 121 are exposed.

또한, 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 관통하는 전이금속 산화물 층(130)과 제1 전극(140)을 형성하기 위해, 전이금속 산화물 층(130)과 제1 전극(140)이 형성될 부분에 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)의 일부를 관통하도록 식각하여, 도 4에 도시된 바와 같이 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 관통하는 다수의 관통홀(130')을 형성한다.In addition, to form the transition metal oxide layer 130 and the first electrode 140 penetrating the switching array 110 and the memory array 120, the transition metal oxide layer 130 and the first electrode 140 are A plurality of through holes 130 penetrating the switching array 110 and the memory array 120 as shown in FIG. ') to form

다음으로, 스위칭 전극층(111)과 메모리 전극층(121)의 두께에 따른 문턱 스위칭 특성 및 저항변화 메모리 특성을 구현하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 관통하는 다수의 관통홀(130')의 내면에 전이금속 산화물을 포함하는 전이금속 산화물 층(130)을 고리 형태로 형성한다. 실시예에서, 전이금속 산화물 층(130)은 Nb, VO, Ti, 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 일종의 전이금속의 산화물을 관통홀(130')의 내면에 증착하여 형성될 수 있다.Next, in order to implement threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics according to the thickness of the switching electrode layer 111 and the memory electrode layer 121, as shown in FIG. 5, the switching array 110 and the memory array 120 are formed. A transition metal oxide layer 130 containing a transition metal oxide is formed in a ring shape on inner surfaces of the plurality of through holes 130' passing through. In an embodiment, the transition metal oxide layer 130 may be formed by depositing an oxide of at least one transition metal selected from the group consisting of Nb, VO, Ti, and Ta on the inner surface of the through hole 130'.

이어서, 도 6에 도시된 바와 같이 고리 형태의 각 전이금속 산화물 층(130) 내에 기둥 형태를 가지는 제1 전극(140)을 형성한다. 제1 전극(140)은 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)를 관통하여 형성되는 하나 이상의 관통홀(130') 내에 기둥 형태로 형성될 수 있다. 제1 전극(140)은 예를 들어, Al 등의 전극 물질을 전이금속 산화물 층(130)의 중심홈에 증착하여 형성할 수 있다.Subsequently, as shown in FIG. 6 , a first electrode 140 having a pillar shape is formed in each transition metal oxide layer 130 having a ring shape. The first electrode 140 may be formed in a pillar shape in one or more through holes 130 ′ that pass through the switching array 110 and the memory array 120 . The first electrode 140 may be formed by depositing, for example, an electrode material such as Al in the central groove of the transition metal oxide layer 130 .

마지막으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 스위칭/메모리 셀(하이브리드 메모리 셀) 단위로 슬릿(170)을 형성하고, 스위칭 전극층(111)과 메모리 전극층(121)에 각각 스위칭 전극과 메모리 전극을 포함하는 제2 전극(150, 160)을 연결하여 스위칭/메모리 하이브리드 특성을 가지는 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 제조할 수 있다. 제2 전극(150, 160)은 백금(Pt) 등의 전극 물질을 증착하여 형성될 수 있다. 소자를 구성하는 각 층의 증착이나 식각 등의 공정은 포토리소그래피(photolithography), 건식 식각을 비롯하여 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있는 다양한 증착, 식각 등의 방법을 사용하여 수행될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Finally, as shown in FIG. 7, slits 170 are formed in units of switching/memory cells (hybrid memory cells), and switching electrodes and memory electrodes are included in the switching electrode layer 111 and the memory electrode layer 121, respectively. By connecting the second electrodes 150 and 160, a transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device having switching/memory hybrid characteristics can be manufactured. The second electrodes 150 and 160 may be formed by depositing an electrode material such as platinum (Pt). Processes such as deposition or etching of each layer constituting the device may be performed using various deposition and etching methods well known in the art, including photolithography and dry etching. A detailed description will be omitted.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 개념도이다. 도 1 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 전류 제한 회로(180)를 더 포함하는 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.8 is a conceptual diagram illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to another embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1 and 8 , the transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention is different from the above-described embodiment in that it further includes a current limiting circuit 180 .

전류 제한 회로(180)는 각 스위칭/메모리 셀의 제1 전극(140)을 통해 흐르는 전류를 허용 전류값 이하로 제한할 수 있다. 전류 제한 회로(180)는 허용 전류값을 조절하여 메모리 층(121, 122)을 문턱 스위칭 특성을 가지도록 변경시킬 수 있다. 허용 전류값은 예를 들어, 1 mA 내외로 조절될 수 있으며, 제한하는 전류의 크기를 높이거나 낮추어 메모리 특성에서 스위치 특성으로 변경이 가능하다.The current limiting circuit 180 may limit the current flowing through the first electrode 140 of each switching/memory cell to a value less than or equal to an allowable current value. The current limiting circuit 180 may change the memory layers 121 and 122 to have threshold switching characteristics by adjusting the allowable current value. The allowable current value may be adjusted to, for example, around 1 mA, and it is possible to change from memory characteristics to switch characteristics by increasing or decreasing the size of the limiting current.

도 9 및 도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 나타낸 개념도이다. 도 9에 도시된 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자(100)는 스위칭 어레이(110)가 메모리 어레이(120)의 상부에 적층되는 구조인 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 도 10에 도시된 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자(100)는 스위칭 어레이(110)와 메모리 어레이(120)가 교번하여 반복하여 적층되는 구조인 점에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다.9 and 10 are conceptual views illustrating a three-dimensional neuromorphic device based on a transition metal oxide according to various embodiments of the present disclosure. The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device 100 shown in FIG. 9 is different from the above-described embodiment in that the switching array 110 is stacked on top of the memory array 120 . The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device 100 shown in FIG. 10 is different from the above-described embodiment in that the switching array 110 and the memory array 120 are alternately and repeatedly stacked. .

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 스위칭 어레이(110) 및 메모리 어레이(120)에 적층되는 하나 이상의 혼성 층을 포함하는 혼성 어레이(도시 생략됨)를 더 포함할 수도 있다. 혼성 층의 전극층 두께는 스위칭 어레이(110)의 스위칭 전극층(111)의 제1 두께 보다 크고, 메모리 어레이(120)의 메모리 전극층(121)의 제2 두께 보다 작은 제2 두께 보다 작은 제3 두께로 형성되어 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성이 혼성화된 특성을 가질 수 있다. 스위칭 전극층(111)의 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 메모리 전극층(121)의 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하이고, 혼성층의 전극층 두께인 제3 두께는 60 ㎚ 초과, 100 nm 미만일 수 있다.In addition, the transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention includes a hybrid array (not shown) including one or more hybrid layers stacked on the switching array 110 and the memory array 120. may include more. The thickness of the electrode layer of the hybrid layer is a third thickness that is greater than the first thickness of the switching electrode layer 111 of the switching array 110 and smaller than the second thickness of the memory electrode layer 121 of the memory array 120. formed to have hybrid characteristics of threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics. The first thickness of the switching electrode layer 111 is greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, the second thickness of the memory electrode layer 121 is greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 2 um, and the third thickness, which is the thickness of the electrode layer of the hybrid layer, is 60 nm greater than, but less than 100 nm.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 프로세싱-인 메모리 컴퓨팅용(processing-in-memory computing) 소자로 응용될 수 있다. 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 각 소자 셀들의 저항을 한 번에 읽어 각종 연산을 수행할 수 있으며, 스위칭 어레이와 메모리 어레이의 조합으로 다양한 로직 기능(Logic function)을 구현할 수 있는 컴퓨팅 환경에 응용 가능하다.As described above, the transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to the embodiment of the present invention can be applied as a processing-in-memory computing device. The three-dimensional structure neuromorphic device can perform various operations by reading the resistance of each device cell at once, and can be applied to a computing environment that can implement various logic functions by combining a switching array and a memory array. do.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 스위칭 어레이에 인가되는 전압을 제어하여 메모리 어레이의 각 메모리 층이 갖고 있는 저항 값들만 전달할 수 있으며, 필요에 따라 스위칭 어레이를 제어하여 전체적인 저항 값을 조절하여 메모리 어레이의 각 메모리 층이 가지는 저항 값들을 변화시켜 출력하는 부스팅(Boosting) 효과를 얻을 수도 있다.The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention can transfer only the resistance values of each memory layer of the memory array by controlling the voltage applied to the switching array, and if necessary, the switching array can be switched. A boosting effect may be obtained in which resistance values of each memory layer of the memory array are changed and outputted by controlling the overall resistance value.

본 발명의 실시예에 따른 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자는 예를 들어 자율주행 차 또는 패턴 인식 가능한 반도체 칩에 탑재되는 형태로 인공지능 가속기, 인공지능 반도체 등에 적용되어, 인식 속도 향상, 안정성 확보, 소비 전력 감소 및 배터리 효율 증대에 기여할 수 있다. 또한, 패턴 인식에 사용하는 뉴로모픽 및 로직 기능을 적은 면적에서 구현 가능하며, 여러 층의 정보를 동시에 읽는 뉴로모픽 혹은 로직 기능을 위한 프로세싱-인-메모리(혹은 로직-인-메모리)에서 사용하여 다양한 기능 구현이 가능하다.The transition metal oxide-based three-dimensional neuromorphic device according to an embodiment of the present invention is applied to artificial intelligence accelerators and artificial intelligence semiconductors in the form of being mounted on, for example, self-driving cars or pattern-recognizable semiconductor chips to improve recognition speed. , can contribute to securing stability, reducing power consumption, and increasing battery efficiency. In addition, neuromorphic and logic functions used for pattern recognition can be implemented in a small area, and processing-in-memory (or logic-in-memory) for neuromorphic or logic functions that read multiple layers of information simultaneously Various functions can be implemented using it.

이하에서 NbOx 전이금속 산화물을 기반으로 하는 소자의 전극 너비에 따른 문턱 스위칭 특성, 저항변화 메모리 특성 구현에 대해 설명한다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예는 NbOx를 활용하여 저항성 스위칭 동작이 선택기 동작과 통합된 하이브리드 메모리 특성을 나타내는 것을 보여준다. 예를 들어, 50 nm 두께와 같은 얇은 두께의 비정질 NbOx는 본질적으로 휘발성 문턱 스위칭(TS) 특성을 나타낸다. NbOx에서 메모리 스위칭(MS)을 가능하게 하기 위해 전도성 필라멘트(CF)를 구성하는 산소 결손 또는 양이온을 공급할 수 있는 소자 환경이 구성된다.Hereinafter, the implementation of threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics according to the electrode width of a device based on NbOx transition metal oxide will be described. Embodiments of the present invention described below utilize NbOx to demonstrate hybrid memory characteristics in which a resistive switching operation is integrated with a selector operation. For example, thin amorphous NbOx, such as 50 nm thick, exhibits intrinsic volatile threshold switching (TS) properties. To enable memory switching (MS) in NbOx, a device environment capable of supplying oxygen vacancies or positive ions constituting the conductive filament (CF) is configured.

여러 물리적 분석을 통해 Al/NbOx/TiN 스택에서는 반응성이 높은 Al 전극과 NbOx 사이의 화학 반응에 의해 형성된 계면 산화물 층에서 내부적으로 산소 공공(oxygen vacancy)이 발생할 수 있음을 확인하였다. 외부 공석의 효과가 NbOx의 고유 특성과 비교할 만할 때 하이브리드 메모리 특성이 관찰된다. 문턱 스위칭(TS) 특성이 누설 전류를 방지하는 동안 메모리 스위칭(MS) 특성은 산소 공공 CF에 의해 구동되어 다단계 셀 작동이 가능하다.Through various physical analyzes, it was confirmed that in the Al/NbOx/TiN stack, oxygen vacancies may occur internally in the interfacial oxide layer formed by the chemical reaction between the highly reactive Al electrode and NbOx. Hybrid memory properties are observed when the effect of external vacancies is comparable to the intrinsic properties of NbOx. The memory switching (MS) feature is driven by the oxygen vacancy CF, while the threshold switching (TS) feature prevents leakage current, enabling multi-step cell operation.

또한, Cu/NbOx/TiN 스택을 사용하여 하이브리드 스위칭을 얻을 수 있다. 그러나 이 경우 Cu 전극이 무한히 외부에서 이온을 제공할 수 있기 때문에 Cu CF의 효과가 지배적이다. 따라서 메모리 스위칭(MS)이 수행된 후에 하이브리드 메모리 동작이 달성된다.Also, hybrid switching can be obtained using a Cu/NbOx/TiN stack. However, in this case, the effect of Cu CF dominates because the Cu electrode can provide ions from the outside infinitely. Thus, hybrid memory operation is achieved after memory switching (MS) is performed.

이와 관련하여 단일 메모리 소자(또는 선택기)에서 선택기(또는 메모리) 기능이 동시에 구현되는 하이브리드 메모리는 셀 스택을 단순화하는데 매력적으로 여겨진다. 문턱 스위칭(TS) 동작을 나타내는 NbO2 재료에서 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition, MIT) 메커니즘을 기반으로 하는 하이브리드 스위칭 특성을 입증하였다.In this regard, a hybrid memory in which a selector (or memory) function is simultaneously implemented in a single memory element (or selector) is considered attractive for simplifying a cell stack. Hybrid switching characteristics based on the Metal-Insulator Transition (MIT) mechanism were demonstrated in NbO 2 material exhibiting threshold switching (TS) behavior.

NbO2의 특정 부분의 상 및 화학적 조성은 NbO2에서 상당한 양의 열을 생성하는 높은 컴플라이언스 전류를 사용하여 변환될 수 있다. 결과적으로, 산소 결핍 NbOx와 산소가 풍부한 Nb2O5를 포함하는 이중층 구조가 형성되었다. 이 레이어는 각각 문턱 스위칭(TS)와 메모리 스위칭(MS)의 역할을 하였다. 작동 전류의 미세 조정 및 특정 재료 조성의 유지에 관한 어려움은 하이브리드 메모리를 전기적으로 트리거하는 데 사용되는 방법과 관련이 있다.The phase and chemical composition of certain parts of NbO 2 can be transformed using high compliance currents that generate significant amounts of heat in NbO 2 . As a result, a bilayer structure containing oxygen-deficient NbOx and oxygen-rich Nb 2 O 5 was formed. These layers played the roles of threshold switching (TS) and memory switching (MS), respectively. Difficulties with fine-tuning the operating current and maintaining a particular material composition are related to the method used to electrically trigger the hybrid memory.

본 발명에서는 메모리를 선택기와 통합하기 위한 장치 및 재료 스택의 설계를 제시한다. 특히 Al/NbOx/TiN 및 Cu/NbOx/TiN 구조를 사용하여 인터페이스에서 공석을 생성하거나 외부 이온 저장소에서 모바일 소스를 제공하였다. W/NbOx/TiN 스택을 제어소자로 사용한 경우, 소자의 직경을 2 μm에서 30 nm로 줄여도 NbOx 고유의 특성인 문턱 스위칭(TS)이 관찰되었다. 그러나 NbOx 층에 산소 공공 또는 Cu 이온이 제공되면 국부 전도성 필라멘트(CF)의 형성 및 파열을 기반으로 MS가 관찰되었다. 본 발명에서는 Al/NbOx/TiN 스택의 면적 의존성과 이동 이온 유형의 영향을 분석하여 하이브리드 스위칭 특성을 달성할 수 있는 방법에 대해 논의하였다.The present invention presents a design of a device and material stack for integrating a memory with a selector. In particular, the Al/NbOx/TiN and Cu/NbOx/TiN structures were used to create vacancies at interfaces or to provide mobile sources in external ion reservoirs. When the W/NbOx/TiN stack was used as a control device, threshold switching (TS), a unique characteristic of NbOx, was observed even when the device diameter was reduced from 2 μm to 30 nm. However, MS has been observed based on the formation and rupture of local conductive filaments (CFs) when oxygen vacancies or Cu ions are provided in the NbOx layer. In the present invention, the area dependence of the Al/NbOx/TiN stack and the effect of the mobile ion type are analyzed to discuss how hybrid switching characteristics can be achieved.

SiO2/W/Si 기판에 2 ~ 30 nm의 다양한 크기의 TiN 플러그가 형성된 패턴 웨이퍼를 사용하였다. 100 W의 RF 전력과 5×10-3 작동 압력에서 1.5 sccm의 산소 가스를 포함하는 Ar 플라즈마의 2인치 단일 Nb 금속 타겟의 반응성 스퍼터링에 의해 실온에서 3 TiN 바닥 전극(BE) 상에 50 nm 두께의 NbOx 층을 증착하였다.A pattern wafer in which TiN plugs of various sizes ranging from 2 to 30 nm were formed on a SiO 2 /W/Si substrate was used. 50 nm thickness on a 3 TiN bottom electrode (BE) at room temperature by reactive sputtering of a 2-inch single Nb metal target in an Ar plasma containing 1.5 sccm of oxygen gas at an RF power of 100 W and an operating pressure of 5×10 −3 . of NbOx layer was deposited.

포토리소그래피를 통해 상부 전극(TE)에 10 X 10 μm2 패턴을 형성한 다음, 2인치 W 금속 타겟을 사용하여 순수 Ar(30 sccm) 및 100 W 전력의 가스를 사용하여 실온에서 DC 스퍼터링에 의해 60 nm 두께의 W 상부 전극(TE)을 증착하였다. 비교를 위해, 증착 속도가 1 Å/s인 전자빔 증발기를 사용하여 40 nm 두께의 Al 및 Cu 상부 전극(TE)을 각각 증착하였다. 제작된 소자는 HP 4155B 반도체 파라미터 분석기를 사용하여 측정하였다.A 10 X 10 μm 2 pattern was formed on the upper electrode (TE) through photolithography, and then by DC sputtering at room temperature using pure Ar (30 sccm) and a gas of 100 W power using a 2-inch W metal target. A 60 nm thick W upper electrode (TE) was deposited. For comparison, 40 nm-thick Al and Cu upper electrodes (TE) were respectively deposited using an electron beam evaporator with a deposition rate of 1 Å/s. The fabricated device was measured using an HP 4155B semiconductor parameter analyzer.

먼저 상대적으로 안정적인 W 상부 전극(TE)과, TiN 하부 전극(BE)으로 둘러싸인 NbOx의 전기적, 물리적 특성을 조사하였다. 도 11은 W/NbOx/TiN 소자의 투과전자현미경(TEM) 이미지이다. 투과전자현미경(TEM) 분석 결과, 전극과 NbOx 사이에 계면 산화물 층이 없었으며, 고속 푸리에 변환 이미지로부터 비정질 NbOx 상태를 확인할 수 있었다.First, the electrical and physical properties of NbOx surrounded by a relatively stable W upper electrode (TE) and a TiN lower electrode (BE) were investigated. 11 is a transmission electron microscope (TEM) image of a W/NbOx/TiN device. As a result of transmission electron microscopy (TEM) analysis, there was no interfacial oxide layer between the electrode and NbOx, and an amorphous NbOx state was confirmed from the fast Fourier transform image.

도 12는 W/NbOx/TiN 소자의 X선 광전자 분광(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy) 분석 결과이다. W/NbOx/TiN 구조의 XPS 스펙트럼은 Nb 3d 요소의 강도를 보여준다. NbOx는 NbO2와 Nb2O5를 포함하는 혼합 산화물로 구성되었지만, NbO2를 나타내는 204 및 207 eV의 결합 에너지에서 두 개의 피크가 주로 관찰되었다.12 is an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis result of a W/NbOx/TiN device. The XPS spectrum of the W/NbOx/TiN structure shows the strength of the Nb 3d element. Although NbOx was composed of a mixed oxide containing NbO 2 and Nb 2 O 5 , two peaks were mainly observed at binding energies of 204 and 207 eV representing NbO 2 .

도 13은 W/NbOx/TiN 소자의 전류-전압(I-V) 특성을 나타낸 그래프이다. 문턱 스위칭(TS)은 NbO2가 지배적일 때 달성되며, 이는 W/NbOx/TiN 구조에 대해 물리적 분석을 통해 측정된 도 13의 I-V 특성과 일치하였다. 더블 스윕 모드(double sweep mode)와 전압 스텝 수 101을 사용한 I-V 측정은 소자의 W 상부 전극(또는 TiN 하부 전극)에 양(또는 음) 전압을 적용하여 수행되었다.13 is a graph showing current-voltage (IV) characteristics of a W/NbOx/TiN device. Threshold switching (TS) was achieved when NbO 2 was dominant, which was consistent with the IV characteristics of FIG. 13 measured through physical analysis for the W/NbOx/TiN structure. The IV measurement using the double sweep mode and the number of voltage steps of 101 was performed by applying a positive (or negative) voltage to the device's W upper electrode (or TiN lower electrode).

특정 Vth에서 1 mA의 컴플라이언스 전류에 의해 제한되었던 초기 절연 상태가 온 상태가 되었고, 전압이 감소하여 홀드 전압(Vhold)보다 낮아짐에 따라 오프 상태가 되었다. 다음 두 번째 스윕에서는 Vth가 더 작았지만 문턱 스위칭(TS)이 계속 관찰되었다. 이는 RRAM 동작의 형성 과정과 유사하게, NbOx의 문턱 스위칭(TS)을 담당하는 특정 위상이 초기 전압 스윕 동안 국부적으로 형성됨을 나타낸다. 그러면 상전이를 유도하는 데 국부적인 영역만 필요하기 때문에 작은 Vth이면 충분하다. 2 μm에서 30 nm인 다양한 소자 크기에서 문턱 스위칭(TS)이 관찰되었다.The initial isolation state, which was limited by a compliance current of 1 mA at a specific V th , turned on and turned off as the voltage decreased to less than the hold voltage (V hold ). In the next second sweep, although V th was smaller, threshold switching (TS) was still observed. This indicates that a specific phase responsible for the threshold switching (TS) of NbOx is formed locally during the initial voltage sweep, similar to the formation process of the RRAM operation. Then, a small V th is sufficient since only a local region is needed to induce the phase transition. Threshold switching (TS) was observed for various device sizes from 2 μm to 30 nm.

도 14는 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 14의 (a)는 상대적으로 넓은 2 μm 너비의 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 것이고, 도 14의 (b)는 상대적으로 좁은 30 nm 너비의 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다14 is a graph showing current-voltage characteristics of an Al/NbOx/TiN device. Figure 14 (a) shows the current-voltage characteristics of the relatively wide 2 μm wide Al/NbOx/TiN device, and Figure 14 (b) shows the relatively narrow 30 nm wide Al/NbOx/TiN device. It represents the current-voltage characteristic

흥미로운 점은, 도 14의 (a)와 W 상부 전극을 Al 상부 전극으로 대체했을 때, 2μm×2μm의 가장 큰 면적에서 셋(set) 동작을 가지는 메모리 스위칭(MS)이 관찰되었다. Al 상부 전극에 음의 전압을 인가함으로써 온-상태(on-state)가 변경되었으며, 이는 필라멘트 스위칭 메커니즘으로 설명될 수 있다. 그러나 소자 면적이 30 nm × 30 nm로 감소하면, 도 14의 (b)와 같이 초기 저항 수준이 증가하고 문턱 스위칭(TS)이 관찰되기 시작했다.Interestingly, in (a) of FIG. 14 and when the W upper electrode was replaced with an Al upper electrode, memory switching (MS) having a set operation was observed in the largest area of 2 μm × 2 μm. The on-state was changed by applying a negative voltage to the Al upper electrode, which can be explained as a filament switching mechanism. However, when the device area was reduced to 30 nm × 30 nm, the initial resistance level increased and threshold switching (TS) began to be observed, as shown in FIG. 14(b).

도 15는 ~70 nm의 중간 소자 크기를 가지는 Al/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성이다. 특히, 주어진 측정 조건에서 도 15와 같이 ~70 nm의 중간 소자 크기인 단일 Al/NbOx/TiN 스택에서 문턱 스위칭(TS)과 메모리 스위칭(MS)이 혼성화되었다. 양의 전압에 의해 구동되는 I-V 곡선은 일반적인 문턱 스위칭(TS)과 유사하다. 그러나 음의 전압에서 시계 반대 방향으로 전환하는 방향은 문턱 스위칭(TS)의 방향과 반대였다. 도 16은 Al/NbOx/TiN 소자의 전류에 따른 누적 확률(cumulative probability) 특성을 나타낸 그래프이다. Al/NbOx/TiN 소자는 도 16과 같이 재현 가능한 하이브리드 스위칭 특성이 관찰되었다.15 is a current-voltage characteristic of an Al/NbOx/TiN device with an intermediate device size of ~70 nm. In particular, threshold switching (TS) and memory switching (MS) were hybridized in a single Al/NbOx/TiN stack with an intermediate device size of ~70 nm as shown in Fig. 15 under the given measurement conditions. The I-V curve driven by a positive voltage is similar to that of normal threshold switching (TS). However, the direction of counterclockwise switching at negative voltage was opposite to that of threshold switching (TS). 16 is a graph showing the cumulative probability characteristics according to the current of the Al/NbOx/TiN device. Reproducible hybrid switching characteristics were observed for the Al/NbOx/TiN device as shown in FIG. 16 .

도 17은 Al/NbOx/TiN 소자의 TEM 이미지이다. 화학 반응으로 인해 Al 상부 전극(TE)/NbOx 계면에서 생성된 산소 공공이 스위칭에 중요한 역할을 하였다. W/NbOx/TiN 스택에서는 관찰되지 않던 얇은 계면층이 TEM 이미지에서 관찰되었다.17 is a TEM image of an Al/NbOx/TiN device. Oxygen vacancies created at the Al top electrode (TE)/NbOx interface due to chemical reactions played an important role in the switching. A thin interfacial layer, which was not observed in the W/NbOx/TiN stack, was observed in the TEM image.

도 18은 Al/NbOx/TiN 소자의 EDX(에너지 분산 X-선) 라인 스캔 결과이다. Al 상부 전극(TE)이 W 상부 전극(TE)에 비해 NbOx에서 더 강하게 산소를 흡수한다는 것을 보여준다. 계면 산화물의 물성을 확인하기 위해 XPS 분석을 수행하였다.18 is an EDX (energy dispersive X-ray) line scan result of an Al/NbOx/TiN device. It shows that the Al top electrode (TE) absorbs oxygen more strongly from NbOx than the W top electrode (TE). XPS analysis was performed to confirm the physical properties of the interfacial oxide.

도 19는 Al/NbOx/TiN 소자의 XPS 분석 결과이다. 샘플은 200 um K-Alpha 소스 및 151.2의 일정한 분석기 에너지로 분석되었다. 특정 에칭 시간의 피크가 단일 원자 깊이 프로파일링에 의해 획득된 원자 % 프로파일에서 추출되었다. XPS Peak 4.1 소프트웨어를 사용하여 실험적으로 검출된 피크를 디컨볼루션하고 피팅하였다. 도 19를 참조하면, 벌크 전극 영역에서 Al 피크는 ~73 eV의 결합 에너지를 보이며, 이는 Al이 다른 Al 원자에만 결합한다는 것을 나타낸다.19 is an XPS analysis result of an Al/NbOx/TiN device. Samples were analyzed with a 200 um K-Alpha source and a constant analyzer energy of 151.2. Peaks at specific etch times were extracted from atomic % profiles obtained by single atomic depth profiling. Experimentally detected peaks were deconvolved and fitted using XPS Peak 4.1 software. Referring to FIG. 19, the Al peak in the bulk electrode region shows a binding energy of ~73 eV, which indicates that Al bonds only to other Al atoms.

그러나 Al-O 결합에 해당하는 75.5 eV의 결합 에너지 피크는 NbOx에 눈에 띄게 가까워졌다. 이것은 Al이 열역학적으로 선호되는 과정을 통해 산소 이온을 끌어당기고 결합하여 NbOx 계면에서 공극을 생성하는 경향이 있음을 나타낸다. 이 화학 반응은 계면 전체에서 발생했기 때문에 생성된 공극의 수는 소자 면적에 비례한다. 2μm × 2μm의 큰 소자 영역을 고려할 때, 스위칭에 많은 공석이 포함되어 NbOx가 TS를 나타내지 않으며, 오히려 공공(vacancy)에 의해 도 14의 (a)와 같이 메모리 스위칭(MS)이 지배적인 것으로 예측되었다.However, the binding energy peak at 75.5 eV corresponding to the Al-O bond is noticeably closer to that of NbOx. This indicates that Al tends to attract and bind oxygen ions through a thermodynamically favored process, creating vacancies at the NbOx interface. Since this chemical reaction occurred across the interface, the number of pores created is proportional to the device area. Considering a large device area of 2 μm × 2 μm, many vacancies are included in the switching, so NbOx does not show TS, but rather, it is predicted that memory switching (MS) dominates due to vacancies, as shown in FIG. 14 (a) It became.

소자 크기가 감소함에 따라 외부 공석의 효과가 NbOx의 고유 특성과 비슷해졌으며 도 15에 도시된 바와 같은 하이브리드 특성이 달성되었다. 문턱 스위칭(TS) 동작에서 알 수 있듯이, 첫 번째 양의 전압은 NbOx의 특정 부분에서 MIT를 활성화했을 뿐만 아니라 공공들(vacancies)의 클러스터링(clustering)을 보장하였다. 이로 인해 NbOx의 나머지 영역에 전도성 필라멘트(CF; conductive filament)가 형성되어 저저항 상태(LRS; low-resistance state)가 달성되었다.As the device size decreased, the effect of external vacancies became comparable to the intrinsic properties of NbOx and hybrid properties as shown in FIG. 15 were achieved. As can be seen from the threshold switching (TS) operation, the first positive voltage not only activated the MIT in a specific part of NbOx but also ensured the clustering of vacancies. As a result, a conductive filament (CF) was formed in the remaining area of NbOx to achieve a low-resistance state (LRS).

그러나 인가된 전압을 제거하면 문턱 스위칭(TS)이 꺼졌다. 전도성 필라멘트(CF)가 여전히 연결되어 있기 때문에 1.1 V의 읽기 전압에서 10 이상의 메모리 창(memory window)이 달성될 수 있다. 음의 전압으로 인해 문턱 스위칭(TS)이 다시 켜지고 전도성 필라멘트(CF)가 분리되어 고저항 상태(HRS; high-resistance state)가 되었다.However, removing the applied voltage turned off the threshold switching (TS). A memory window of 10 or more can be achieved at a read voltage of 1.1 V because the conductive filament (CF) is still connected. Due to the negative voltage, the threshold switching (TS) is turned on again and the conductive filament (CF) is separated and becomes a high-resistance state (HRS).

스니크 경로 전류 역할을 하는 저전압 영역의 전류는 문턱 스위칭(TS)에 의해 억제되었다. 누설 전류가 0.55 V의 하프 리드 전압에서 측정되었다고 가정하면, 도 16과 같이 100배 감소할 수 있다. 전도성 필라멘트(CF) 진화에 참여하는 공공의 수가 약 70 nm 미만의 감소된 면적으로 인해 더욱 감소했을 때, NbOx의 MIT 특성은 도 14의 (b)와 같이 관찰되었다.The current in the low voltage region serving as the sneak path current was suppressed by threshold switching (TS). Assuming that the leakage current is measured at a half lead voltage of 0.55 V, it can be reduced 100 times as shown in FIG. 16 . When the number of vacancies participating in the conductive filament (CF) evolution was further reduced due to the reduced area of less than about 70 nm, the MIT characteristics of NbOx were observed as shown in FIG. 14(b).

이러한 영역 의존적인 3가지 다른 스위칭 모드는 소자의 크기뿐만 아니라 필름의 두께와도 관련된 NbOx의 공공의 양이 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다. 본 발명에서는 기하학적 요인 중 하나인 소자 크기를 조정하여 주어진 50 nm 두께의 NbOx 층에 대해 70 X 70 nm2의 소자가 최적임을 확인하였다. 소자 크기가 30 nm인 Al/NbOx/TiN 소자에서 NbOx가 얇아진다고 가정하면, 전도성 필라멘트(CF)를 형성하는 공공의 거리가 짧아질수록 메모리 스위칭(MS)의 영향이 강화될 수 있다. 따라서 볼륨 측면을 고려하여 대규모 영역에서 하이브리드 스위칭을 구현할 수 있다.These three different region-dependent switching modes indicate that the amount of NbOx vacancies, which is related not only to the device size but also to the film thickness, plays an important role. In the present invention, it was confirmed that a 70 X 70 nm 2 device is optimal for a given 50 nm thick NbOx layer by adjusting the device size, which is one of the geometrical factors. Assuming that NbOx is thinner in an Al/NbOx/TiN device with a device size of 30 nm, the effect of memory switching (MS) can be strengthened as the distance between the holes forming the conductive filament (CF) is shortened. Therefore, hybrid switching can be implemented in a large area considering the volume aspect.

도 20은 리셋 전압(Vreset)에 따른 다중레벨 셀(MLC; multilevel cell) 하이브리드 메모리 동작을 나타낸 그래프이다. 도 20에 도시된 바와 같이, 메모리 스위칭(MS)은 산소 공공 전도성 필라멘트(CF) 진화로부터 얻어지며, 이에 의해 다중 레벨 셀(MLC) 작동이 가능하다. 주어진 컴플라이언스 전류 1mA에서 Vreset이 클수록 전도성 필라멘트(CF) 파열이 더 많이 발생하여 HRS가 높아지면서 누설 전류가 억제되었다.20 is a graph illustrating multilevel cell (MLC) hybrid memory operation according to a reset voltage (V reset ). As shown in Figure 20, memory switching (MS) results from oxygen vacancy conducting filament (CF) evolution, thereby enabling multi-level cell (MLC) operation. At a given compliance current of 1mA, the larger the V reset , the more conductive filament (CF) ruptures occurred, which suppressed the leakage current while increasing the HRS.

도 20에서 양(또는 음) 전압 영역에서 I-V 곡선의 빨간색(또는 파란색) 계열은 하이브리드 장치의 설정(또는 재설정) 작동을 나타낸다. 주어진 컴플라이언스 전류에서 메모리 윈도우가 획득된 1.3 V에서 판독된 HRS는 리셋 전압을 -1.5 V에서 -2 V로 감소시켜 전극과 분리된 CF 사이의 간격을 확대함으로써 지속적으로 변경되었다. 누설 전류는 여전히 상당히 억제되었다.20, the red (or blue) series of the I-V curve in the positive (or negative) voltage region represents the setting (or resetting) operation of the hybrid device. At a given compliance current, the HRS read at 1.3 V, where the memory window was obtained, was continuously changed by reducing the reset voltage from -1.5 V to -2 V to enlarge the gap between the electrode and the separated CF. The leakage current was still significantly suppressed.

이러한 MLC 가능성은 뉴로모픽 시냅스 응용 분야에서 하이브리드 메모리에 대한 상당한 기회를 제공한다. 패턴 인식 작업을 효율적으로 수행하도록 설계된 뇌에서 영감을 받은 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템은 크로스바 어레이 아키텍처를 사용하여 구현되었다. 메모리 요소에 기반한 인공 시냅스가 제대로 작동하려면 선택기가 필요하다. 또한, 최근 시뮬레이션 결과에 따르면 지수 전환보다 TS가 있는 선택기를 사용하면 시스템 성능 측면에서 인식 정확도 저하를 줄일 수 있다고 보고되었다. 그러나 통합 1S-1R 장치에서 MLC 작동을 시연하는 것은 어렵다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 MLC 하이브리드 메모리는 뉴로모픽 시냅스와 고밀도 메모리 애플리케이션에 유용하다.These MLC possibilities offer significant opportunities for hybrid memories in neuromorphic synaptic applications. A brain-inspired neuromorphic computing system designed to efficiently perform pattern recognition tasks has been implemented using a crossbar array architecture. Artificial synapses based on memory elements need selectors to work properly. In addition, recent simulation results have reported that using selectors with TS rather than exponential transitions can reduce the degradation of recognition accuracy in terms of system performance. However, demonstrating MLC operation in an integrated 1S-1R device is difficult. Therefore, the MLC hybrid memory according to an embodiment of the present invention is useful for neuromorphic synaptic and high-density memory applications.

마지막으로 외부 저장소에서 Cu 이온을 전달하기 위해 70 nm의 셀 직경에서 Cu/NbOx/TiN을 사용하는 대체 하이브리드 메모리 구조를 조사하였다. 도 21은 Cu/NbOx/TiN 소자의 TEM 이미지이다. 도 21에 도시된 바와 같이, Cu 상부 전극(TE)을 사용한 경우, NbOx는 계면 산화물 없이 비정질이었다.Finally, an alternative hybrid memory structure using Cu/NbOx/TiN with a cell diameter of 70 nm to deliver Cu ions from an external reservoir was investigated. 21 is a TEM image of a Cu/NbOx/TiN device. As shown in FIG. 21, when the Cu upper electrode (TE) was used, NbOx was amorphous without interfacial oxide.

도 22는 Cu/NbOx/TiN 소자의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 22에서 볼 수 있듯이, 예상과 달리 I-V 곡선은 메모리 스위칭(MS)을 나타낸다. ~4V에서의 초기 형성 단계는 무한한 Cu 저장소에서 많은 수의 Cu 이온을 유도하여 NbOx를 통해 이동하여 Cu 전도성 필라멘트를 형성한다. 기호 곡선은 0 V 에서 5 V 를 거쳐 -2 V 로의 초기 스윕을 나타낸다. 곡선은 -2 V 에서 2 V로의 다음 스윕을 의미한다.22 is a graph showing current-voltage characteristics of a Cu/NbOx/TiN device. As can be seen in FIG. 22, unexpectedly, the I-V curve represents memory switching (MS). The initial formation step at ~4 V induces a large number of Cu ions in the infinite Cu reservoir to migrate through NbOx to form Cu conducting filaments. The symbolic curve represents an initial sweep from 0 V through 5 V to -2 V. The curve represents the next sweep from -2 V to 2 V.

도 23은 Cu/NbOx/TiN 소자의 초기 단계 이후 하이브리드 메모리의 발현을 보여주는 전류-전압 특성 그래프이다. 도 24는 관찰된 하이브리드 메모리 동작의 메커니즘을 보여주는 개념도이다. LRS는 재설정 작업 동안 -1 V에서 HRS로 변환되었다. 특히 Cu 전도성 필라멘트는 열 효과와 전기장에 의해 빠르게 분해되는데, 이는 이동성이 높은 Cu(또는 Ag) 이온을 사용하여 전도성 필라멘트(CF)를 발생시킬 때 주로 관찰되어 급격한 리셋 전이를 초래하였다.23 is a current-voltage characteristic graph showing the development of a hybrid memory after an initial stage of a Cu/NbOx/TiN device. 24 is a conceptual diagram showing the mechanism of observed hybrid memory operation. LRS was converted to HRS at -1 V during the reset operation. In particular, Cu conductive filaments are rapidly decomposed by thermal effects and electric fields, which is mainly observed when generating conductive filaments (CF) using highly mobile Cu (or Ag) ions, resulting in a rapid reset transition.

특히, 음의 전압이 계속 인가될 때 -1.5 V에서 또 다른 상향 전이가 관찰되었다. 전압이 0으로 돌아감에 따라 변경된 상태가 떨어졌으며, 하이브리드 메모리가 표시되기 시작했다. 즉, 다음 양의 전압 스윕은 도 23과 같이 저항을 증가시켜 시계 방향 전환을 나타낸다.In particular, another upward transition was observed at -1.5 V when negative voltage was continuously applied. The changed state dropped as the voltage returned to zero, and the hybrid memory began to appear. That is, the next positive voltage sweep indicates a clockwise shift by increasing the resistance as shown in FIG. 23 .

여기서 NbOx는 고유의 문턱 스위칭(TS)을 나타내지 않고 이온 수송을 가능하게 하기 위해 전해질로 사용되었다. 전도성 브리지 RAM에서와 동일하게 20 Cu 전도성 필라멘트(CF)가 첫 번째 사이클 동안 형성되고 분리되었다. 리셋 동작 동안 Cu 전도성 필라멘트(CF)를 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 열은 Cu 이온의 방사형 확산을 촉진하여 일부 Cu 원자가 하부 전극(BE) 근처에서 뭉쳐지게 한다. 동시에, 열 효과는 NbOx의 특정 부분을 활성화할 수 있다. 음의 전압이 더 증가하면, 도 24에서 볼 수 있듯이 분산된 Cu 이온이 재구성되는 경향이 있으며, 이는 음의 세트 거동에 해당한다.Here, NbOx was used as the electrolyte to enable ion transport without exhibiting intrinsic threshold switching (TS). As in the conductive bridge RAM, 20 Cu conductive filaments (CF) were formed and separated during the first cycle. During the reset operation, the heat generated by the current flowing through the Cu conductive filament (CF) promotes the radial diffusion of Cu ions, causing some Cu atoms to agglomerate near the lower electrode (BE). At the same time, thermal effects can activate certain parts of NbOx. When the negative voltage is further increased, as shown in FIG. 24 , the dispersed Cu ions tend to reorganize, which corresponds to a negative set behavior.

음의 전압이 제거됨에 따라 전류는 -1 V에서 급격히 떨어졌는데, 이는 금속성 NbOx 상의 절연 상태로의 자발적 복귀로 설명될 수 있다. W/NbOx/TiN 스택에서 얻은 값과 유사한 하이브리드 메모리의 I-V 곡선에서 ~±1V의 Vhold는 MIT 영역 형성에 대한 간접적인 단서를 제공한다. 스위칭 방향이 반전된 경우에도 Cu 전도성 필라멘트(CF)는 ~1.5 V에서 갑작스러운 리셋 동작으로 입증된 바와 같이 여전히 메모리 스위칭(MS) 작동에 주로 관여하였다.As the negative voltage was removed, the current dropped rapidly at -1 V, which can be explained by a spontaneous return to the insulating state on metallic NbOx. The V hold of ~±1V in the IV curve of the hybrid memory, similar to that obtained from the W/NbOx/TiN stack, provides an indirect clue to the formation of the MIT region. Even when the switching direction was reversed, the Cu conductive filament (CF) was still predominantly involved in the memory switching (MS) operation, as evidenced by the abrupt reset behavior at ~1.5 V.

실제 적용을 위해서는 이 작업에서 1 mA였던 작동 전류가 가능한 한 낮아야 한다. 문턱 스위칭(TS)은 약 수십 μA의 최소 임계 전류(Threshold Current)를 초과하는 전류가 허용될 때 구현될 수 있다. 따라서 하이브리드 메모리의 동작 전류는 주로 전도성 필라멘트(CF)의 크기와 관련된 컴플라이언스 전류에 의해 결정된다. 제한된 양의 CF 소스가 1mA 미만의 낮은 작동 전류를 가능하게 한다. 따라서 CF 소스를 무제한으로 공급할 수 있는 Cu/NbOx/TiN 스택과 비교하여 인터페이스 엔지니어링에 의해 공극 발생 정도를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 Al/NbOx/TiN 스택에서 전류를 낮출 수 있다.For practical applications, the operating current, which was 1 mA in this work, should be as low as possible. Threshold switching (TS) can be implemented when a current exceeding a minimum threshold current of about several tens of μA is allowed. Therefore, the operating current of the hybrid memory is mainly determined by the compliance current related to the size of the conductive filament (CF). A limited amount CF source enables low operating current of less than 1mA. Therefore, compared to the Cu/NbOx/TiN stack, which can supply unlimited CF sources, the current can be lowered in the Al/NbOx/TiN stack because the degree of void generation can be precisely controlled by interface engineering.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 문턱 스위칭(TS)을 나타내는 NbOx에 전도성 필라멘트(CF) 소스를 통합하여 하이브리드 메모리를 구현하였다. 먼저 50 nm 두께의 비정질 NbOx 층에서 MIT 기반 TS가 관찰됨을 확인하였다. Al 상부 전극을 사용하는 경우 물리적 분석을 통해 NbOx 계면의 계면 AlOx 층이 식별되었다.As described above, in the present invention, a hybrid memory is implemented by integrating a conductive filament (CF) source into NbOx representing threshold switching (TS). First, it was confirmed that MIT-based TS was observed in a 50 nm thick amorphous NbOx layer. When using an Al top electrode, physical analysis identified the interfacial AlOx layer at the NbOx interface.

산소 공공은 화학 반응에 의해 생성되었지만, 작은 크기(30 nm) NbOx 장치의 전기적 거동에 대한 결손의 영향은 무시할 수 있었다. 그러나 소자 면적이 증가하면서 공공이 문턱 스위칭(TS)에 참여하는 결과, NbOx의 공석 CF와 MIT의 효과가 균형을 이루는 것으로 여겨지는 70 nm의 소자 크기에서 제한된 스니크 경로 전류를 갖는 MLC 하이브리드 메모리가 생성되었다.Oxygen vacancies were generated by chemical reactions, but the effect of the vacancies on the electrical behavior of the small size (30 nm) NbOx device was negligible. However, as the device area increases, as a result of vacancies participating in threshold switching (TS), MLC hybrid memories with limited sneak path current at a device size of 70 nm, which is considered to balance the effects of MIT and vacancy CF of NbOx, was created

공공 수를 조정하여 균형을 고려하면 매우 작은 셀 영역에서도 하이브리드 스위칭이 가능하다. 또한 Cu/NbOx/TiN 스택에서 스위칭 방향이 반전된 하이브리드 메모리를 구현하였다. 그러나 많은 Cu 이온이 무한히 제공될 수 있기 때문에 초기 세트 및 리셋 동작 후에 통일된 메모리 특성을 달성하여 NbOx에서 MIT에 대한 환경을 형성하였다.Hybrid switching is possible even in a very small cell area by considering the balance by adjusting the number of vacancies. In addition, a hybrid memory in which the switching direction is reversed is implemented in a Cu/NbOx/TiN stack. However, since many Cu ions can be provided infinitely, unified memory characteristics are achieved after initial set and reset operations, forming an environment for MIT in NbOx.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다.The above detailed description is illustrative of the present invention. In addition, the foregoing is intended to illustrate and describe preferred embodiments of the present invention, and the present invention can be used in various other combinations, modifications, and environments. That is, changes or modifications are possible within the scope of the concept of the invention disclosed in this specification, within the scope equivalent to the written disclosure and / or within the scope of skill or knowledge in the art.

저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The written embodiment describes the best state for implementing the technical idea of the present invention, and various changes required in the specific application field and use of the present invention are also possible. Therefore, the above detailed description of the invention is not intended to limit the invention to the disclosed embodiments. Also, the appended claims should be construed to cover other embodiments as well.

100 : 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자
110 : 스위칭 어레이
111 : 스위칭 전극층
112 : 제1 절연층
120 : 메모리 어레이
121 : 메모리 전극층
122 : 제2 절연층
130 : 제1 전극
140 : 전이금속 산화물 층
150, 160: 제2 전극
100: transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device
110: switching array
111: switching electrode layer
112: first insulating layer
120: memory array
121: memory electrode layer
122: second insulating layer
130: first electrode
140: transition metal oxide layer
150, 160: second electrode

Claims (15)

문턱 스위칭 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 스위칭 층을 포함하는 스위칭 어레이;
상기 스위칭 어레이 상에 적층되고, 저항변화 메모리 특성을 가지도록 구성되는 하나 이상의 메모리 층을 포함하는 메모리 어레이;
상기 스위칭 어레이와 상기 메모리 어레이를 관통하여 형성되는 하나 이상의 관통홀 내에 기둥 형태로 형성되는 하나 이상의 제1 전극;
상기 스위칭 층에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 스위칭 전극과, 상기 메모리 층에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 메모리 전극을 포함하는 다수의 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 관통홀의 내면 사이 영역에 고리 형태로 형성되고, 전이금속 산화물을 포함하는 하나 이상의 전이금속 산화물 층;을 포함하고,
상기 스위칭 층은 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 제1 두께를 가지도록 적층되고 상기 스위칭 전극에 전기적으로 연결되는 스위칭 전극층을 포함하고,
상기 메모리 층은 제2 절연층과, 상기 제2 절연층 상에 상기 제1 두께 보다 큰 제2 두께를 가지도록 적층되고 상기 메모리 전극에 전기적으로 연결되는 메모리 전극층을 포함하는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
a switching array including one or more switching layers configured to have threshold switching characteristics;
a memory array stacked on the switching array and including one or more memory layers configured to have resistance variable memory characteristics;
one or more first electrodes formed in a pillar shape in one or more through holes formed through the switching array and the memory array;
a plurality of second electrodes including one or more switching electrodes electrically connected to the switching layer and one or more memory electrodes electrically connected to the memory layer; and
One or more transition metal oxide layers formed in a ring shape in a region between the first electrode and an inner surface of the through hole and containing a transition metal oxide;
The switching layer includes a first insulating layer and a switching electrode layer laminated on the first insulating layer to have a first thickness and electrically connected to the switching electrode,
The memory layer includes a second insulating layer and a memory electrode layer laminated on the second insulating layer to have a second thickness greater than the first thickness and electrically connected to the memory electrode, transition metal oxide-based 3 Dimensional structural neuromorphic device.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 1,
The first thickness is greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, and the second thickness is greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 2 um.
청구항 1에 있어서,
상기 전이금속 산화물은 Nb, VO, Ti, 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 일종의 전이금속의 산화물인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 1,
The transition metal oxide is an oxide of at least one transition metal selected from the group consisting of Nb, VO, Ti, and Ta, a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극은 Al 전극이고, 상기 전이금속 산화물은 NbO2를 포함하는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 1,
The first electrode is an Al electrode, and the transition metal oxide includes NbO 2 , a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극을 통해 흐르는 전류를 허용 전류값 이하로 제한하는 전류 제한 회로;를 더 포함하고,
상기 전류 제한 회로는 상기 허용 전류값을 조절하여 상기 메모리 층을 문턱 스위칭 특성을 가지도록 변경시키는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 1,
A current limiting circuit for limiting the current flowing through the first electrode to an allowable current value or less; further comprising,
wherein the current limiting circuit changes the memory layer to have a threshold switching characteristic by adjusting the allowable current value.
청구항 1에 있어서,
상기 스위칭 어레이 및 상기 메모리 어레이에 적층되는 하나 이상의 혼성 층을 포함하는 혼성 어레이;를 더 포함하고,
상기 혼성 층은 상기 제1 두께 보다 크고 상기 제2 두께 보다 작은 제3 두께로 형성되어 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성이 혼성화된 특성을 가지는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 1,
A hybrid array including one or more hybrid layers stacked on the switching array and the memory array; further comprising;
The hybrid layer is formed to have a third thickness larger than the first thickness and smaller than the second thickness to have a hybrid characteristic of threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics, a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하이고, 상기 제3 두께는 60 ㎚ 초과, 100 nm 미만인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자.
The method of claim 6,
The first thickness is greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, the second thickness is greater than 100 nm and less than or equal to 2 um, and the third thickness is greater than 60 nm and less than 100 nm. pick element.
청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자를 포함하는 프로세싱-인-메모리 컴퓨팅용 소자.A processing-in-memory computing device comprising the three-dimensional structure neuromorphic device based on any one of claims 1 to 7. 문턱 스위칭 특성을 가지는 하나 이상의 스위칭 층을 포함하는 스위칭 어레이를 형성하는 단계;
상기 스위칭 어레이에 적층되도록 저항변화 메모리 특성을 가지는 하나 이상의 메모리 층을 포함하는 메모리 어레이를 형성하는 단계;
상기 스위칭 어레이와 상기 메모리 어레이를 관통하도록 하나 이상의 관통홀을 형성하는 단계;
상기 관통홀의 내면에 전이금속 산화물을 포함하는 전이금속 산화물 층을 고리 형태로 형성하는 단계;
상기 고리 형태의 전이금속 산화물 층 내에 기둥 형태를 가지는 하나 이상의 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 스위칭 층 및 상기 메모리 층에 전기적으로 연결되도록 하나 이상의 스위칭 전극과 하나 이상의 메모리 전극을 포함하는 다수의 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 스위칭 어레이를 형성하는 단계는 제1 절연층 상에 제1 두께를 가지도록 스위칭 전극층을 적층하는 단계를 포함하고,
상기 메모리 어레이를 형성하는 단계는 제2 절연층 상에 상기 제1 두께 보다 큰 제2 두께를 가지도록 메모리 전극층을 적층하는 단계를 포함하는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
forming a switching array including one or more switching layers having threshold switching characteristics;
forming a memory array including one or more memory layers having resistance variable memory characteristics to be stacked on the switching array;
forming one or more through holes to pass through the switching array and the memory array;
forming a transition metal oxide layer containing a transition metal oxide in a ring shape on an inner surface of the through hole;
forming one or more first electrodes having a pillar shape in the ring-shaped transition metal oxide layer; and
Forming a plurality of second electrodes including one or more switching electrodes and one or more memory electrodes to be electrically connected to the switching layer and the memory layer;
Forming the switching array includes stacking a switching electrode layer to have a first thickness on the first insulating layer,
Wherein the forming of the memory array comprises stacking a memory electrode layer on a second insulating layer to have a second thickness greater than the first thickness, a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device manufacturing method.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method of claim 9,
The first thickness is greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, and the second thickness is greater than or equal to 100 nm and less than or equal to 2 um.
청구항 9에 있어서,
상기 전이금속 산화물은 Nb, VO, Ti, 및 Ta로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 일종의 전이금속의 산화물인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method of claim 9,
The transition metal oxide is an oxide of at least one type of transition metal selected from the group consisting of Nb, VO, Ti, and Ta, transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device manufacturing method.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 전극은 Al 전극이고, 상기 전이금속 산화물은 NbO2를 포함하는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method of claim 9,
wherein the first electrode is an Al electrode, and the transition metal oxide includes NbO 2 , a transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device manufacturing method.
청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극을 통해 흐르는 전류를 허용 전류값 이하로 제한하는 전류 제한 회로를 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 전류 제한 회로는 상기 허용 전류값을 조절하여 상기 메모리 층을 문턱 스위칭 특성을 가지도록 변경시키는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method according to any one of claims 9 to 12,
Forming a current limiting circuit for limiting the current flowing through the first electrode to an allowable current value or less; further comprising,
Wherein the current limiting circuit changes the memory layer to have a threshold switching characteristic by adjusting the allowable current value.
청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스위칭 어레이 및 상기 메모리 어레이에 적층되도록 하나 이상의 혼성 층을 포함하는 혼성 어레이를 형성하는 단계;를 더 포함하고,
상기 혼성 층은 상기 제1 두께 보다 크고 상기 제2 두께 보다 작은 제3 두께로 형성되어 문턱 스위칭 특성과 저항변화 메모리 특성이 혼성화된 특성을 가지는, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method according to any one of claims 9 to 12,
forming a hybrid array comprising one or more hybrid layers to be stacked on the switching array and the memory array;
The hybrid layer is formed to have a third thickness larger than the first thickness and smaller than the second thickness to have a hybridized characteristic of threshold switching characteristics and resistance change memory characteristics, transition metal oxide-based three-dimensional structure neuromorphic device manufacturing method .
청구항 14에 있어서,
상기 제1 두께는 0 nm 초과, 60 ㎚ 이하이고, 상기 제2 두께는 100 nm 이상, 2 um 이하이고, 상기 제3 두께는 60 ㎚ 초과, 100 nm 미만인, 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 제조 방법.
The method of claim 14,
The first thickness is greater than 0 nm and less than or equal to 60 nm, the second thickness is greater than 100 nm and less than or equal to 2 um, and the third thickness is greater than 60 nm and less than 100 nm. Pick element manufacturing method.
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