KR20060105360A - Nonvolatile memory device using resistive material whose resistance changes depending on applied voltage as memory node and methods of manufacturing and operating the same - Google Patents
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Abstract
인가 전압에 따라 저항이 변하는 저항체를 메모리 노드 사용하는 불휘발성 메모리 소자와 그 제조 및 동작 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명의 불휘발성 메모리 소자는 표면에 버퍼층이 구비된 기판, 상기 버퍼층 상에 이격되게 형성된 소오스 및 드레인, 상기 소오스 및 드레인사이에 구비된 핀 채널, 상기 핀 채널과 상기 버퍼층사이에 구비되어 있고 상기 소오스 및 드레인에 연결된 메모리 노드, 상기 핀 채널과 상기 메모리 노드를 덮는 게이트 절연막 및 상기 소오스 및 드레인과 이격되어 있고 상기 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 메모리 노드는 전이금속 산화막일 수 있고, 상기 게이트 전극과 상기 소오스 및 드레인사이에 스페이서가 구비될 수 있다. Disclosed are a nonvolatile memory device using a memory node having a resistor whose resistance varies according to an applied voltage, and a method of manufacturing and operating the same. Non-volatile memory device of the present invention is provided with a substrate having a buffer layer on the surface, the source and drain formed on the buffer layer spaced apart, the pin channel provided between the source and drain, between the pin channel and the buffer layer And a memory node connected to the source and drain, a gate insulating layer covering the pin channel and the memory node, and a gate electrode spaced apart from the source and drain and covering the gate insulating layer. The memory node may be a transition metal oxide layer, and a spacer may be provided between the gate electrode and the source and drain.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 핀형 트랜지스터를 포함하는 불휘발성 메모리 소자의 사시도이다.1 is a perspective view of a nonvolatile memory device including a fin transistor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1을 2-2'방향으로 절개한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG. 1 taken in a 2-2 'direction.
도 3은 도 1을 3-3'방향으로 절개한 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 1 taken in the 3-3 'direction.
도 4 내지 도 15는 도 1의 불휘발성 메모리 소자에 대한 본 발명의 제1 실시예에 의한 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.4 to 15 are cross-sectional views sequentially illustrating a method of manufacturing the nonvolatile memory device of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention.
도 16 내지 도 25는 도 1의 불휘발성 메모리 소자에 대한 본 발명의 제2 실시예에 의한 제조 방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.16 to 25 are cross-sectional views sequentially illustrating a manufacturing method of a nonvolatile memory device of FIG. 1 according to a second embodiment of the present invention.
도 26은 도 1의 불휘발성 메모리 소자의 등가 회로도이다.FIG. 26 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory device of FIG. 1.
도 27은 도 1의 불휘발성 메모리 소자를 포함하는 논리소자(NAND)의 등가 회로도이다.FIG. 27 is an equivalent circuit diagram of a logic device NAND including the nonvolatile memory device of FIG. 1.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10:반도체 기판 12:버퍼층10: semiconductor substrate 12: buffer layer
14a, 14b:제1 및 제2 도전층 패턴14a and 14b: first and second conductive layer patterns
16a, 16b:제1 및 제2 스페이서16a, 16b: first and second spacers
18a, 18b:제1 및 재2 층간 절연층 패턴18a, 18b: first and second interlayer insulating layer patterns
20:게이트 전극 22a, 24a:제1 및 제2 채널층20:
26a:게이트 절연막 12a, 12b:버퍼층(12)의 노출된 영역26a:
14: 도전층 18:층간 절연층14: conductive layer 18: interlayer insulating layer
16a, 16b:제1 및 제2 스페이서16a, 16b: first and second spacers
18a, 18b:제1 및 제2 층간 절연층 패턴18a, 18b: first and second interlayer insulating layer patterns
GS:게이트 적층물 PR, PR1, PR2, PR3:감광막 패턴GS: Gate laminate PR, PR1, PR2, PR3: Photoresist pattern
본 발명은 반도체 장치의 메모리 소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 핀 트랜지스터를 포함하는 불휘발성 메모리 소자와 그 제조 및 동작 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a memory device of a semiconductor device, and more particularly, to a nonvolatile memory device including a pin transistor, and a method of manufacturing and operating the same.
반도체 메모리 소자는 크게 휘발성 메모리 소자와 불휘발성 메모리 소자로 나눌 수 있다. 휘발성 메모리 소자는 전원이 차단될 경우, 기록된 데이터가 모두 지워지는 메모리 소자를 말하고, 불휘발성은 전원이 차단되더라도 기록된 데이터가 지워지지 않는 메모리 소자를 말한다. 불휘발성 메모리 소자로는 플래시 메모리 소자가 대표적이다.Semiconductor memory devices can be classified into volatile memory devices and nonvolatile memory devices. A volatile memory device refers to a memory device in which all of the recorded data is erased when the power supply is cut off. Nonvolatile refers to a memory device in which the recorded data is not erased even when the power supply is cut off. Flash memory devices are typical of nonvolatile memory devices.
최근 인터넷 기술의 발전과 휴대 통신기기의 제조 기술에 힘입어 사용자는 과거에 비해 보다 다양한 정보를 보다 쉽게 이용할 수 있다. 이에 따라 사용자가 저장하고자 하는 정보의 양도 자연히 많아지고, 공간적으로 정보 이동의 필요성이 증가하면서 자연히 불휘발성 메모리 소자에 대한 수요와 관심이 높아지고 있다.With the recent development of internet technology and manufacturing technology of portable communication devices, users can use more various information more easily than in the past. Accordingly, the amount of information that a user wants to store also increases naturally, and as the necessity of moving information spatially increases, the demand and interest for nonvolatile memory devices naturally increase.
이러한 현실의 영향으로 최근에는 플래시 메모리 소자를 이을 다양한 불휘발성 메모리 소자, 예컨대 MRAM, PRAM RRAM 등이 소개되고 있다.Recently, various nonvolatile memory devices, such as MRAM and PRAM RRAM, have been introduced.
MRAM은 데이터가 기록되는 메모리 노드로써 자기 터널 접합(MTJ)층을 이용하고, PRAM은 메모리 노드로써 상변화 물질층을 이용한다. 그리고 RRAM은 메모리 노드로써 인가되는 전압에 따라 저항이 달라지는 저항체를 이용한다.MRAM uses a magnetic tunnel junction (MTJ) layer as a memory node to which data is written, and PRAM uses a phase change material layer as a memory node. The RRAM uses a resistor whose resistance varies depending on the voltage applied to the memory node.
RRAM은 상기한 저항체와 한 개의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함한다.The RRAM includes the above resistor and one field effect transistor (FET).
그런데, RRAM의 집적도의 증가에 따라 상기 트랜지스터의 스케일이 작아지면서 심각한 문제점이 드러나고 있다. 곧, 상기 트랜지스터의 스케일이 작아지면서 상기 트랜지스터의 소오스-드레인 전류가 급격이 작아진다. 상기 트랜지스터의 소오스-드레인 전류가 작을 경우, 상기 저항체의 스위칭이 어렵게 될 수 있고, 그 결과 데이터의 기록이나 소거가 어렵게 된다.However, as the RRAM density increases, the scale of the transistor decreases, which causes serious problems. In other words, as the scale of the transistor decreases, the source-drain current of the transistor decreases rapidly. When the source-drain current of the transistor is small, switching of the resistor can be difficult, and as a result, data writing or erasing becomes difficult.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서 집적도를 높일 수 있고 저전압 구동이 가능한, 핀 트랜지스터를 이용한 불휘발성 메모리 소자를 제공함에 있다.Accordingly, an aspect of the present invention is to provide a nonvolatile memory device using a pin transistor, which is capable of increasing the degree of integration and enabling low voltage driving.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 이러한 불휘발성 메모리 소자 의 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing such a nonvolatile memory device.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 불휘발성 메모리 소자의 동작 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of operating the nonvolatile memory device.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 상기 불휘발성 메모리 소자를 포함하는 논리소자를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a logic device including the nonvolatile memory device.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 버퍼층이 형성된 기판, 상기 버퍼층 상에 이격되게 형성된 소오스 및 드레인, 상기 소오스 및 드레인사이에 구비된 핀 채널, 상기 핀 채널과 상기 버퍼층사이에 구비되어 있고 상기 소오스 및 드레인에 연결된 메모리 노드, 상기 핀 채널과 상기 메모리 노드를 덮는 게이트 절연막 및 상기 소오스 및 드레인과 이격되어 있고 상기 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a substrate having a buffer layer, a source and a drain formed on the buffer layer, a fin channel provided between the source and drain, provided between the fin channel and the buffer layer and A nonvolatile memory device includes a memory node connected to a source and a drain, a gate insulating layer covering the pin channel and the memory node, and a gate electrode spaced apart from the source and drain and covering the gate insulating layer.
상기 메모리 노드는 인가 전압에 따라 저항이 변하는 저항체일 수 있고, 상기 저항체는 전이금속 산화막일 수 있다.The memory node may be a resistor whose resistance changes according to an applied voltage, and the resistor may be a transition metal oxide layer.
상기 게이트 전극과 상기 소오스 및 드레인사이에 스페이서가 구비될 수 있다.A spacer may be provided between the gate electrode and the source and drain.
상기 소오스 및 드레인과 상기 게이트 전극사이에 층간 절연층이 구비될 수 있다.An interlayer insulating layer may be provided between the source and drain and the gate electrode.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 버퍼층을 형성하는 제1 단계, 상기 버퍼층 상에 메모리 노드층 및 채널층을 순차적으로 적층 하는 제2 단계, 상기 채널층 및 상기 메모리 노드층을 순차적으로 패터닝하여 핀 형태의 채널 및 메모리 노드를 형성하는 제3 단계, 상기 버퍼층 상에 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드의 일단에 연결되는 소오스 및 층간 절연층을 순차적으로 형성하고, 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드의 타단에 연결되는 드레인 및 층간 절연층을 순차적으로 형성하는 제4 단계, 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드의 노출된 전체면에 게이트 절연막을 형성하는 제5 단계, 상기 소오스 및 층간 절연층의 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드의 일단에 연결되는 측면에 제1 스페이서를 형성하고, 상기 드레인 및 층간 절연층의 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드의 타단에 연결되는 측면에 제2 스페이서를 형성하는 제6 단계 및 상기 버퍼층 상에 상기 제1 및 제2 스페이서사이의 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 형성하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a first step of forming a buffer layer on a substrate, a second step of sequentially stacking a memory node layer and a channel layer on the buffer layer, the channel layer and the memory node layer Patterning sequentially to form a pin-shaped channel and a memory node, and sequentially forming a source and an interlayer insulating layer connected to one end of the pin-shaped channel and a memory node on the buffer layer, A fourth step of sequentially forming a drain and an interlayer insulating layer connected to the other end of the channel and the memory node of the first step; a fifth step of forming a gate insulating film on the exposed entire surface of the pin-shaped channel and the memory node; A first spacer is formed on a side surface of the interlayer insulating layer and connected to one end of the pin-shaped channel and a memory node, and the drain A sixth step of forming a second spacer on a side of the pin-shaped channel of the interlayer insulating layer and the other end of the memory node; and forming a gate electrode on the buffer layer to cover the gate insulating layer between the first and second spacers It provides a method of manufacturing a nonvolatile memory device comprising a seventh step.
본 발명은 또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 기판 상에 버퍼층을 형성하는 제1 단계, 상기 버퍼층 상에 도전층 및 층간 절연층을 순차적으로 적층하는 제2 단계, 상기 층간 절연층 및 도전층을 패터닝하여 상기 버퍼층의 주어진 영역 상에 상기 도전층과 층간 절연층을 포함하는 소오스 적층물을 형성하고, 상기 버퍼층의 상기 적층물로부터 이격된 영역 상에 상기 도전층과 층간 절연층을 포함하는 드레인 적층물을 형성하는 제3 단계, 상기 소오스 적층물과 상기 드레인 적층물사이의 상기 버퍼층 상에 상기 두 적층물을 연결하는 핀 형태의 메모리 노드 및 채널을 순차적으로 형성하는 제4 단계, 상기 핀 형태의 메모리 노드 및 채널의 노출된 전체면에 게이트 절연막을 형성하는 제5 단계, 상기 소오스 적층물의 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드가 연결되는 측면에 제1 스페이서를 형성하고, 상기 드레인 적층물의 상기 핀 형태의 채널 및 메모리 노드가 연결되는 측면에 제2 스페이서를 형성하는 제6 단계 및 상기 버퍼층 상에 상기 제1 및 제2 스페이서사이의 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 형성하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자의 제조 방법을 제공한다.The present invention also provides a first step of forming a buffer layer on a substrate, a second step of sequentially stacking a conductive layer and an interlayer insulating layer on the buffer layer, the interlayer insulating layer and the conductive layer in order to achieve the above another technical problem. Patterning to form a source stack comprising the conductive layer and the interlayer insulating layer on a given region of the buffer layer, and draining the conductive layer and the interlayer insulating layer on a region spaced from the stack of the buffer layer. A third step of forming a stack, a fourth step of sequentially forming a pin-shaped memory node and a channel connecting the two stacks on the buffer layer between the source stack and the drain stack, the pin shape A fifth step of forming a gate insulating film on the exposed entire surface of the memory node and the channel of the fin stack of the source stack Forming a first spacer on a side to which a second node is connected, and forming a second spacer on a side of the pin-shaped channel and a memory node of the drain stack, and forming the first spacer on the buffer layer. A seventh step of forming a gate electrode covering a gate insulating film between two spacers is provided.
상기 제조 방법들에서 상기 메모리 노드는 인가전압에 따라 저항이 변하는 저항체일 수 있고, 상기 저항체는 전이금속 산화막으로 형성할 수 있다.In the manufacturing methods, the memory node may be a resistor whose resistance changes according to an applied voltage, and the resistor may be formed of a transition metal oxide film.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 표면에 버퍼층이 구비된 기판; 상기 버퍼층 상에 형성된 소오스 및 드레인, 상기 소오스 및 드레인을 연결하는 핀 채널, 상기 핀 채널을 덮는 게이트 절연막, 상기 소오스 및 드레인과 이격되어 있고 상기 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 포함하는 핀 트랜지스터; 및 상기 핀 채널아래에 구비되어 있고 상기 소오스 및 드레인에 연결되며 상기 게이트 절연막으로 덮인 메모리 노드;를 포함하는 불휘발성 메모리 소자의 동작 방법에 있어서, 상기 핀 트랜지스터를 오프(OFF) 상태로 유지하고 상기 소오스 및 드레인사이에 쓰기 전압(Vw)을 인가하여 상기 메모리 노드에 데이터를 기록하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자의 동작방법을 제공한다.In order to achieve the above another technical problem, the present invention is a substrate having a buffer layer on the surface; A fin transistor comprising a source and a drain formed on the buffer layer, a fin channel connecting the source and drain, a gate insulating film covering the fin channel, and a gate electrode spaced apart from the source and drain and covering the gate insulating film; And a memory node provided under the pin channel and connected to the source and drain and covered with the gate insulating layer. The method of operating a nonvolatile memory device comprising: maintaining the pin transistor in an OFF state and The present invention provides a method of operating a nonvolatile memory device, wherein data is written to the memory node by applying a write voltage Vw between a source and a drain.
본 발명은 또한 상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 표면에 버퍼층이 구비된 기판; 상기 버퍼층 상에 형성된 소오스 및 드레인, 상기 소오스 및 드레인을 연결하는 핀 채널, 상기 핀 채널을 덮는 게이트 절연막, 상기 소오스 및 드 레인과 이격되어 있고 상기 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 포함하는 핀 트랜지스터; 및 상기 핀 채널아래에 구비되어 있고 상기 소오스 및 드레인에 연결되며 상기 게이트 절연막으로 덮인 메모리 노드;를 포함하는 불휘발성 메모리 소자의 동작 방법에 있어서, 상기 메모리 노드에 기록된 데이터를 소거하기 위한 소거 전압을 Ve라 할 때, 상기 핀 트랜지스터를 오프(OFF) 상태로 유지하고 상기 소오스 및 드레인사이에 상기 소거 전압(Ve)보다 낮은 읽기 전압(Vr)을 인가하여 상기 메모리 노드로부터 데이터를 읽는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자의 동작방법을 제공한다.The present invention also provides a buffer layer on the surface in order to achieve another technical problem; A fin transistor comprising a source and a drain formed on the buffer layer, a fin channel connecting the source and drain, a gate insulating film covering the fin channel, and a gate electrode spaced apart from the source and drain and covering the gate insulating film; And a memory node disposed under the pin channel and connected to the source and drain and covered with the gate insulating layer, the method comprising: an erase voltage for erasing data written to the memory node; Is Ve, the data is read from the memory node by holding the pin transistor in an OFF state and applying a read voltage Vr lower than the erase voltage Ve between the source and drain. A method of operating a nonvolatile memory device is provided.
본 발명은 또한 상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 표면에 버퍼층이 구비된 기판; 상기 버퍼층 상에 형성된 소오스 및 드레인, 상기 소오스 및 드레인을 연결하는 핀 채널, 상기 핀 채널을 덮는 게이트 절연막, 상기 소오스 및 드레인과 이격되어 있고 상기 게이트 절연막을 덮는 게이트 전극을 포함하는 핀 트랜지스터; 및 상기 핀 채널아래에 구비되어 있고 상기 소오스 및 드레인에 연결되며 상기 게이트 절연막으로 덮인 메모리 노드;를 포함하는 불휘발성 메모리 소자의 동작 방법에 있어서, 상기 메모리 노드에 데이터를 기록하기 위한 쓰기 전압을 Vw라 할 때, 상기 핀 트랜지스터를 오프(OFF) 상태로 유지하고 상기 소오스 및 드레인사이에 상기 쓰기 전압(Vw)보다 높은 소거 전압(Vr)을 인가하여 상기 메모리 노드에 기록된 데이터를 소거하는 것을 특징으로 하는 불휘발성 메모리 소자의 동작방법도 제공한다.The present invention also provides a buffer layer on the surface in order to achieve another technical problem; A fin transistor comprising a source and a drain formed on the buffer layer, a fin channel connecting the source and drain, a gate insulating film covering the fin channel, and a gate electrode spaced apart from the source and drain and covering the gate insulating film; And a memory node disposed under the pin channel and connected to the source and drain and covered with the gate insulating layer, wherein the write voltage for writing data to the memory node is Vw. In this case, the pin transistor is maintained in an OFF state, and an erase voltage Vr higher than the write voltage Vw is applied between the source and drain to erase data written to the memory node. A method of operating a nonvolatile memory device is also provided.
상기 동작 방법들에서 상기 소오스 및 드레인과 상기 게이트 전극사이에 스 페이서가 구비되어 있고, 상기 소오스 및 드레인과 상기 게이트 전극사이에 층간 절연층이 구비될 수 있다.In the above operating methods, a spacer may be provided between the source and drain and the gate electrode, and an interlayer insulating layer may be provided between the source and drain and the gate electrode.
상기 메모리 노드는 인가 전압에 따라 저항이 변하는 저항체일 수 있고, 상기 저항체는 전이금속 산화막일 수 있다.The memory node may be a resistor whose resistance changes according to an applied voltage, and the resistor may be a transition metal oxide layer.
상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 두개의 불휘발성 메모리 소자를 포함하는 NAND 논리소자에 있어서, 상기 불휘발성 메모리 소자는 소오스와 드레인, 상기 소오스와 드레인을 연결하는 핀 채널, 상기 핀 채널을 덮는 게이트 절연막, 상기 소오스와 드레인에 이격되게 상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 한 개의 핀 트랜지스터; 및 상기 핀 채널아래에 구비되어 있고 상기 게이트 절연막으로 덮여 있으며 소오스 및 드레인에 연결된 한 개의 메모리 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 NAND 논리소자를 제공한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a NAND logic device including at least two nonvolatile memory devices, wherein the nonvolatile memory device includes a source and a drain, and a pin channel connecting the source and drain, A fin transistor comprising a gate insulating film covering the fin channel and a gate electrode formed on the gate insulating film spaced apart from the source and the drain; And a memory node disposed under the fin channel and covered with the gate insulating layer and connected to a source and a drain.
이와 함께 본 발명은 적어도 두개의 불휘발성 메모리 소자를 포함하고, 복수의 이들 메모리 소자로 이루어진 어레이에 연결되는 워드라인과 비트라인을 포함하되, 상기 불휘발성 메모리 소자는 소오스와 드레인, 상기 소오스와 드레인을 연결하는 핀 채널, 상기 핀 채널을 덮는 게이트 절연막, 상기 소오스와 드레인에 이격되게 상기 게이트 절연막 상에 형성된 게이트 전극을 포함하는 한 개의 핀 트랜지스터; 및 상기 핀 채널아래에 구비되어 있고 상기 게이트 절연막으로 덮여 있으며 소오스 및 드레인에 연결된 한 개의 메모리 노드;를 포함하는 NAND 논리소자의 동작 방법에 있어서, 상기 적어도 두개의 불휘발성 메모리 소자 중 선택된 메모리 소자에 연결된 워드라인은 오프(OFF)시키고 나머지 워드라인은 온(ON)시킨 상태에서 상기 선택된 불휘발성 메모리 소자에 연결된 비트라인에 쓰기 전압(Vw)을 인가하고 나머지 비트라인에는 0V를 인가하여 상기 선택된 불휘발성 메모리 소자에 데이터를 기록하는 것을 특징으로 하는 NAND 논리소자의 동작방법을 제공한다.In addition, the present invention includes at least two nonvolatile memory devices, and includes a word line and a bit line connected to an array of a plurality of these memory devices, wherein the nonvolatile memory device includes a source and a drain, and the source and drain. A pin transistor including a pin channel connecting the gate channel, a gate insulating layer covering the pin channel, and a gate electrode formed on the gate insulating layer spaced apart from the source and the drain; And a memory node provided under the pin channel and covered with the gate insulating layer and connected to a source and a drain, the method of operating a NAND logic device, the selected memory device being selected from at least two nonvolatile memory devices. The connected word line is turned off and the other word line is turned on, and a write voltage Vw is applied to a bit line connected to the selected nonvolatile memory device and 0 V is applied to the remaining bit lines. A method of operating a NAND logic device characterized in that data is written to a volatile memory device.
또한, 본 발명은 적어도 두개의 불휘발성 메모리 소자 중 선택된 메모리 소자에 연결된 워드라인은 오프(OFF)시키고 나머지 워드라인은 온(ON)시킨 상태에서 상기 선택된 불휘발성 메모리 소자에 연결된 비트라인에 읽기 전압(Vr)을 인가하고 나머지 비트라인에는 0V를 인가하여 상기 선택된 불휘발성 메모리 소자로부터 데이터를 읽되, 상기 읽기 전압은 소거 전압보다 낮게 인가하는 것을 특징으로 하는 NAND 논리소자의 동작방법도 제공한다.According to the present invention, a read voltage is applied to a bit line connected to the selected nonvolatile memory device while a word line connected to a selected memory device of the at least two nonvolatile memory devices is turned off and the other word line is turned on. The present invention also provides a method of operating a NAND logic device, characterized in that data is read from the selected nonvolatile memory device by applying (Vr) and 0V to the remaining bit lines, and the read voltage is lower than an erase voltage.
상기한 논리 소자 및 그 동작 방법들에서 상기 메모리 노드는 저항체이고, 상기 저항체는 전이금속 산화막일 수 있다.In the logic device and its operating methods, the memory node may be a resistor, and the resistor may be a transition metal oxide layer.
이러한 본 발명의 불휘발성 메모리 소자는 핀 트랜지스터의 핀 채널 아래에 메모리 노드를 구비하는데, 메모리 노드의 단면적이 매우 작기 때문에, 기존의 커패시터를 포함하는 메모리 소자에 비해 집적도를 높일 수 있고 구동 전압도 낮출 수 있다.The nonvolatile memory device of the present invention includes a memory node under the pin channel of the pin transistor. Since the cross-sectional area of the memory node is very small, the nonvolatile memory device can increase the integration degree and lower the driving voltage compared to a memory device including a capacitor. Can be.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 핀 트랜지스터를 이용한 불휘발성 메모리 소자(이하, 본 발명의 메모리 소자)와 그 제조 및 동작 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a nonvolatile memory device (hereinafter, the memory device of the present invention) using a pin transistor according to an embodiment of the present invention and a method of manufacturing and operating the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for clarity.
먼저, 본 발명의 메모리 소자에 대해 설명한다.First, the memory device of the present invention will be described.
도 1을 참조하면, 본 발명의 메모리 소자는 반도체 기판(10) 상에 버퍼층(12)을 구비한다. 반도체 기판(10)은 실리콘 기판일 수 있다. 그리고 버퍼층(12)은 주어진 두께의 실리콘 산화막일 수 있다. 버퍼층(12)의 주어진 영역 상에 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)이 존재한다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)은 이격되어 있다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)는 형성 과정에서 동시에 형성된 것으로써, 동일한 재질이다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b) 중 어느 하나는 소오스로, 나머지 하나는 드레인으로 사용될 수 있다. 본 발명에서는 편의 상 제1 도전층 패턴(14a)을 소오스로, 제2 도전층 패턴(14b)을 드레인으로 간주한다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b) 상에 각각 제1 및 재2 층간 절연층 패턴(18a, 18b)이 존재한다. 제1 및 제2 층간 절연층 패턴(18a, 18b)은 동시에 형성된 것으로써, 동일한 재질이다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이에 게이트 전극(20)이 위치한다. 게이트 전극(20)은 제1 및 제2 층간 절연층 패턴(18a, 18b) 상으로 주어진 폭 만큼 확장될 수 있다. 게이트 전극(20)은 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)에 수직한 방향으로 확장된 배선이지만, 도시의 편의 상 확장된 부분은 생략하였다. 게이트 전극(20)과 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이에 각각 제1 및 제2 스페이서가 구비되어 있다. 제1 및 제2 스페이서(16a, 16b)는 절연성 물질, 예를 들면 실리콘 산화막으로 된 것이다.Referring to FIG. 1, a memory device of the present invention includes a
도 1과 함께 도 1을 2-2'방향으로 절개한 도 2를 참조하면, Referring to FIG. 2 in which FIG. 1 is cut in the 2-2 'direction together with FIG. 1,
제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이의 버퍼층(12) 상에 제1 및 제2 채널층(22a, 24a)이 순차적으로 적층되어 있는 것을 볼 수 있다. 그리고 제1 및 제2 채 널층(22a, 24a)의 외부로 노출된 표면은 게이트 절연막(26a)으로 덮인 것을 볼 수 있다. 게이터 절연막(26a)은 게이트 전극(20)으로 덮여 있다. 제1 및 제2 채널층(22a, 24a)은 모두 핀 형태이다.It can be seen that the first and second channel layers 22a and 24a are sequentially stacked on the
도 1을 3-3'방향으로 절개한 단면을 보여주는 도 3을 참조하면, 제1 및 제2 채널층(22a, 24a)의 한쪽 일부는 제1 도전층 패턴(14a)으로 덮여 있고, 다른 쪽 일부는 제2 도전층 패턴(14b)으로 덮여 있다. 제1 및 제2 채널층(22a, 24a)은 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이를 흐르는 전류의 통로가 된다. 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)과 제2 채널층(24a)과 게이트 절연막(26a)과 게이트 전극은 핀 전계 효과 트랜지스터(이하, 핀 트랜지스터)를 구성한다. 따라서 제2 채널층(24a)은 상기 핀 트랜지스터의 채널 역할을 한다. 제2 채널층(24a)은 도핑된 실리콘층일 수 있다. 제1 채널층(22a)은 외부에서 인가되는 전압의 크기에 따라 다른 저항을 갖는다. 제1 채널층(22a)에 외부 전압이 인가되어 제1 채널층(22a)이 특정 저항을 갖는 경우, 상기 특정 저항은 제1 채널층(22a)에 상기 외부 전압보다 큰 전압이 인가되기 전까지 유지된다. 예를 들어, 제1 채널층(22a)에 소정의 전압, 예컨대 상기 핀 트랜지스터의 문턱 전압(Vth) 또는 그 이상의 전압이 인가되어 제1 채널층(22a)이 상기 소정의 전압이 인가되기 전과 다른 저항을 갖는 경우, 제1 채널층(22a)에 상기 소정의 전압보다 큰 전압이 인가되지 않는 한, 전원 공급 여부와 관계없이 제1 채널층(22a)은 상기 소정의 전압이 인가되기 전과 다른 저항을 갖는다. 따라서 제1 채널층(22a)에 상기 소정 전압이 인가된 후, 상기 제1 채널층(22a)에 상기 소정의 전압보다 낮은 전압을 인가하여 전류를 흐르게 하는 경우, 제1 채널층(22a)을 통과 하는 전류의 양은 제1 채널층(22a)에 상기 소정의 전압을 인가하기 전과 다르게 된다. 제1 채널층(22a)은 이와 같은 특성으로 인해 비트 데이터가 저장되는 메모리 노드로 사용될 수 있다. 제1 채널층(22a)은 전이금속 산화물층일 수 있는데, 예를 들면 니켈 산화물(NiO)층일 수 있다.Referring to FIG. 3, which shows a cross-sectional view of FIG. 1 in the 3-3 'direction, one portion of the first and second channel layers 22a and 24a is covered with the first
도 3이 도 1을 3-3'방향으로 절개한 단면인 것임을 감안하면, 제1 스페이서(16a)는 게이트 전극(20)과 제1 도전층 패턴(14a)사이의 제1 및 제2 채널층(22a, 22b)과 게이트 절연막(26a)을 덮도록 구비되어 있고, 제2 스페이서(16b)는 게이트 전극(20)과 제2 도전층 패턴(14b)사이의 제1 및 제2 채널층(22a, 22b)과 게이트 절연막(26a)을 덮도록 구비된 것을 알 수 있다. 제1 및 제2 스페이서(16a, 16b)는 제1 및 제2 층간 절연층(18a, 18b)과 같은 높이로 구비된 것이 바람직하다.Considering that FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 1 taken in the 3-3 'direction, the
다음에는 본 발명의 메모리 소자의 제조 방법에 대해 설명한다.Next, a method of manufacturing the memory device of the present invention will be described.
먼저, 제1 실시예에 의한 제조 방법을 설명한다.First, the manufacturing method by a 1st Example is demonstrated.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 버퍼층(12)을 형성한다. 반도체 기판(10)은 실리콘 기판일 수 있고, 버퍼층(12)은 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 버퍼층(12) 상에 제1 채널층(22), 제2 채널층(24)을 순차적으로 적층한다. 제1 채널층(22)은 데이터 저장층으로 사용된다. 제1 채널층(22)은 인가되는 전압에 따라 저항이 달라지는 전이금속 물질층, 예를 들면 니켈 산화막(NiO)으로 형성할 수 있다. 제2 채널층(24)은 도핑된 실리콘층으로 형성할 수 있다. 제1 및 제2 채널층(22, 24)은 후속 공정에서 핀(fin) 형태로 형성된다. 제1 및 제2 채널층(22, 24)을 순차적으로 적층한 후, 제2 채널층(24) 상에 채널이 형성될 영역을 한정하는 감광 막 패턴(PR)을 형성한다. 감광막 패턴(PR)을 식각 마스크로 사용하여 제2 채널층(24)의 노출된 부분을 식각하고, 계속해서 노출되는 제1 채널층(22)의 노출된 부분을 식각한다. 상기 식각은 버퍼층(12)이 노출될 때까지 실시한다. 상기 식각 결과, 도 5에 도시한 바와 같이, 감광막 패턴(PR)둘레에서 제1 및 제2 채널층(22, 24)이 제거되고, 제1 및 제2 채널층(22, 24)은 감광막 패턴(PR) 아래에만 남게 된다. Referring to FIG. 4, a
상기 식각 후, 감광막 패턴(PR)을 제거한다. 도 6은 도 5에서 감광막 패턴(PR)을 제거한 결과물의 평면도로써, 도 6을 참조하면 버퍼층(12) 위에 존재하는 제2 채널층 패턴(24a)을 볼 수 있다.After the etching, the photoresist pattern PR is removed. FIG. 6 is a plan view of the result of removing the photoresist pattern PR from FIG. 5. Referring to FIG. 6, the second
제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)을 형성한 다음, 버퍼층(12) 상에 도 7에 도시한 바와 같이 소오스 및 드레인이 형성될 영역(12a, 12b)을 한정하는 감광막 패턴(PR1)을 형성한다. 이때, 감광막 패턴(PR1)은 제2 채널층 패턴(24a)의 한쪽의 일부는 소오스가 형성될 영역(12a)으로 노출되고, 상기 한쪽과 마주하는 다른 쪽의 일부는 드레인이 형성될 영역(12b)으로 노출되도록 형성하는 것이 바람직하다. 곧, 제2 채널층 패턴(24a)의 가운데 영역은 감광막 패턴(PR1)으로 덮이고, 양쪽 끝 부분은 소오스 및 드레인이 형성될 영역(12a, 12b)과 함께 노출된다. 제1 채널층 패턴(24a)은 제2 채널층 패턴(24a) 아래에 형성되어 있으므로, 제1채널층 패턴(24a)의 양쪽 끝 부분의 측면도 자연히 노출된다. 이러한 사실은 도 7을 8-8'방향으로 절개한 단면을 보여주는 도 8에서 보다 명확히 볼 수 있다.After the first and second
도 8을 참조하면, 감광막 패턴(PR1)은 제2 채널층 패턴(24a)의 상부면 전체 에 형성되어 있지 않고, 상부면의 일부 영역 상에만 형성되어 있다. Referring to FIG. 8, the photoresist pattern PR1 is not formed on the entire upper surface of the second
계속해서, 도 9를 참조하면, 감광막 패턴(PR1)과 버퍼층(12)의 소오스 및 드레인이 형성될 영역으로 한정된 노출된 영역(12a, 12b) 상에 도전층(14)을 형성한다. 이때, 도전층(14)은 감광막 패턴(PR1) 상에도 형성되고, 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)의 노출된 영역은 도전층(14)으로 덮인다. 도전층(14)을 형성한 후, 도전층(14)의 상부면에 층간 절연층(18)을 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 9, the
이어서, 감광막 패턴(PR1)을 제거하는데, 이 과정에서 감광막 패턴(PR1) 상에 형성된 도전층(14)과 층간 절연층(18)도 함께 제거된다. 도 10은 감광막 패턴(PR1)이 제거된 후의 결과물을 보여준다.Subsequently, the photoresist pattern PR1 is removed. In this process, the
도 10을 참조하면, 버퍼층(12)의 소오스가 형성될 영역으로 한정된 노출된 영역(12a) 상에 제1 도전층 패턴(14a)이 남아 있다. 그리고 버퍼층(12)의 드레인이 형성될 영역으로 한정된 노출된 영역(12b) 상에는 제2 도전층 패턴(14b)이 남아 있다. 또한, 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)의 한쪽은 제1 도전층 패턴(14a)으로 덮여 있고, 다른 쪽은 제2 도전층 패턴(14b)으로 덮여 있다. 상기 감광막 패턴(PR1)이 제거된 후, 제1 도전층 패턴(14a) 상에 남은 층간 절연층(18a)을 이하 제1 층간 절연층 패턴이라 하고, 제2 도전층 패턴(14b) 상에 남은 층간 절연층(18b)은 이하 제2 층간 절연층 패턴(18b)이라 한다.Referring to FIG. 10, the first
도 11과 이를 11-11'방향으로 절개한 단면을 보여주는 도 12를 참조하면, 도 10의 결과물에서 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)의 노출된 전체면에 게이트 절연막(26a)을 선택적으로 형성한다. 이에 따라 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)의 노출된 전체면은 게이트 절연막(26a)으로 덮이게 된다.Referring to FIG. 11 and a cross-section taken along the 11-11 ′ direction, the
다음, 도 13을 참조하면, 제1 도전층 패턴(14a) 및 제1 층간 절연층 패턴(18a)의 측면에 게이트 절연막(26a)의 일부를 덮는 제1 스페이서(16a)를 형성하고, 제2 도전층 패턴(14b) 및 제2 층간 절연층 패턴(18b)의 측면에 게이트 절연막(26a)의 일부를 덮는 제2 스페이서(16b)를 형성한다. 제1 및 제2 스페이서(16a, 16b)는 이들을 구성하는 물질막을 도 11의 결과물 전면에 주어진 두께로 형성한 다음, 그 전면을 이방성 식각하여 형성할 수 있다. 제1 및 제2 스페이서(16a, 16b)는 후속 공정에서 형성되는 게이트 전극(20)과 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)의 접촉을 방지한다.Next, referring to FIG. 13, a
도 14는 도 13을 14-14'방향으로 절개한 단면을 보여준다. 도 13과 도 14를 함께 참조하면, 제1 도전층 패턴(14a)과 제1 층간 절연층 패턴(18a)의 측면은 제1 스페이서(16a)로 덮인 것을 알 수 있다.FIG. 14 is a cross-sectional view of FIG. 13 taken along the 14-14 ′ direction. 13 and 14, it can be seen that side surfaces of the first
다음, 도 15를 참조하면, 제1 및 제2 스페이서(16a, 16b)사이의 게이트 절연막(26a)을 덮는 게이트 전극(20)을 형성한다. 게이트 전극(20)은 도 1에서 도시한 바와 같은 형태로, 곧 제2 채널층 패턴(24a)에 수직한 방향으로 라인 형태로 형성한다. 이때, 게이트 전극(20)은 주어진 폭을 갖도록 제1 및 제2 층간 절연층 패턴(18a, 18b) 상으로 확장할 수 있다.Next, referring to FIG. 15, a
다음에는 본 발명의 제2 실시예에 의한 제조 방법을 설명한다.Next, a manufacturing method according to a second embodiment of the present invention will be described.
도 16을 참조하면, 반도체 기판(10) 상에 버퍼층(12), 예를 들면 실리콘 산화막(SiO2)을 형성한다. 버퍼층(12) 상에 도전층(14)을 형성하고, 도전층(14) 상에 는 층간 절연층(18)을 형성한다. 도전층(14)은, 예를 들면 도핑된 폴리 실리콘층으로 형성할 수 있다. 층간 절연층(18)은, 예를 들면 소정 두께의 실리콘 산화막으로 형성할 수 있다. 층간 절연층(18) 상에 층간 절연층(18)의 소정 영역을 노출시키는 감광막 패턴(PR2)을 형성한다. 계속해서, 감광막 패턴(PR2)을 식각 마스크로 사용하여 층간 절연층(18)의 노출된 영역을 식각한다. 상기 식각에 의해 층간 절연층(18)의 상기 노출된 영역이 제거되면서 도전층(14)이 노출되는데, 이때는 식각 조건을 도전층(14)의 식각에 맞게 조절한 다음, 버퍼층(12)이 노출될 때까지 상기 식각을 계속 실시한다. 이러한 식각에 의해 도 17에 도시한 바와 같이 버퍼층(12)의 소정 영역이 노출된다. 또한, 상기 식각에 의해, 버퍼층(12)의 상기 노출된 영역을 사이에 두고 마주하는 제1 도전층 패턴(14a)과 제2 도전층 패턴(14b)이 형성되고, 제1 및 제2 층간 절연층 패턴(18a, 18b)이 형성된다. 제1 도전층 패턴(14a)과 제2 도전층 패턴(14b) 중 어느 하나는 소오스로, 나머지는 드레인으로 사용된다. 본 설명에서는 편의 상 제1 도전층 패턴(14a)을 소오스라 하고, 제2 도전층 패턴(14b)을 드레인이라 한다. 상기 식각 후에는 식각 후 공정, 예를 들면 세정 및 건조 공정을 실시하여 버퍼층(12)의 상기 노출된 영역의 표면을 깨끗하게 유지한다. 이후, 감광막 패턴(PR2)을 제거한다. Referring to FIG. 16, a
도 18은 감광막 패턴(PR2)이 제거된 결과물의 평면도이다. 도 18을 참조하면, 제1 및 제2 도전층 패턴(18a, 18b)은 사각형이고, 주어진 간격만큼 이격된 것을 알 수 있다. 후속공정에서 제1 및 제2 도전층 패턴(18a, 18b)사이의 버퍼층(12) 상에 채널층이 형성된다. 18 is a plan view of the resultant from which the photosensitive film pattern PR2 is removed. Referring to FIG. 18, it can be seen that the first and second
상기 채널층을 형성하기 위해 도 19에 도시한 바와 같이 버퍼층(12) 상에 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)을 덮는 감광막 패턴(PR3)을 형성한다. 이때, 감광막 패턴(PR3)은 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이의 버퍼층(12)의 일부를 노출시키는 라인 형태의 홀(h)을 포함한다. 라인 형태의 홀(h)은 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이의 버퍼층(12)에서 상기 채널층이 형성될 영역을 한정한다. 도 20은 도 19를 20-20'방향으로 절개한 단면을 보여준다.To form the channel layer, as illustrated in FIG. 19, a photoresist pattern PR3 covering the first and second
다음, 감광막 패턴(PR3)을 식각 마스크로 사용하여 도 13에 도시한 바와 같이 버퍼층(12)의 감광막 패턴(PR3)에 형성된 홀(h)을 통해 노출된 영역 상에 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 22b)을 순차적으로 적층한다. 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)은 제1 실시예와 동일한 물질층으로 형성할 수 있다. 이어서 감광막 패턴(PR3)을 에싱하고 스트립한다. 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)은 감광막 패턴(PR3) 상에도 형성되는데, 이들은 감광막 패턴(PR3)을 제거하는 과정에서 감광막 패턴(PR3)과 함께 제거된다. 이 결과, 도 22에 도시한 바와 같이 한쪽은 제1 도전층 패턴(14a)에 연결되고, 다른 쪽은 제2 도전층 패턴(14b)에 연결되는 순차적으로 적층된 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)이 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이의 버퍼층(12) 상에 형성된다. 도 23은 도 22를 23-23'방향으로 절개한 단면을 보여준다. 도 23을 참조하면, 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)은 핀 형태로 형성되는 것을 알 수 있다.Next, using the photoresist pattern PR3 as an etch mask, the first and second channel layers are exposed on the region exposed through the hole h formed in the photoresist pattern PR3 of the
다음, 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)을 형성한 후에는 도 24에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a) 둘레를 완전히 감싸도록 게이트 절 연막(26a)을 형성한다.Next, after the first and second
이렇게 해서 도 25에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 도전층 패턴(14a, 14b)사이의 버퍼층(12) 상에 제1 및 제2 채널층 패턴(22a, 24a)과 게이트 절연층(26a)을 포함하는 게이트 적층물(GS)이 형성된다. 계속해서 도 25를 참조하면, 게이트 적층물(GS)의 일단과 접촉되는 제1 도전층 패턴(14a) 및 제1 층간 절연층 패턴(18a)의 측면에 제1 스페이서(16a)를 형성한다. 게이트 적층물(GS)의 제1 도전층 패턴(14a)에 가까운 부분은 제1 스페이서(16a)에 의해 덮인다. 제1 스페이서(16a)와 함께 게이트 적층물(GS)의 타단과 접촉되는 제2 도전층 패턴(14b) 및 제2 층간 절연층 패턴(18b)의 측면에 제2 스페이서(16b)를 형성한다. 게이트 적층물(GS)의 제2 도전층 패턴(14b)에 가까운 부분은 제2 스페이서(16b)에 의해 덮인다. 이후의 공정은 상술한 제1 실시예에 의한 제조 방법을 따른다.Thus, as shown in FIG. 25, the first and second
다음에는 본 발명의 실시예에 의한 메모리 소자의 동작 방법을 도 26을 참조하여 설명한다.Next, a method of operating a memory device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 26.
도 26은 도 1에 도시한 본 발명의 메모리 소자의 등가 회로를 보여준다. 도 26에서 참조번호 50은 가변 저항체로써, 도 1의 전이금속 산화막으로 형성된 제1 채널층(22a)을 나타낸다. 그리고 참조번호 60은 스위칭 소자로써, 도 1의 제2 채널층(24a)과 소오스로 사용되는 제1 도전층 패턴(14a)과 드레인으로 사용되는 제2 도전층 패턴(14b)을 포함하는 핀 트랜지스터를 나타낸다.FIG. 26 shows an equivalent circuit of the memory device of the present invention shown in FIG. In FIG. 26,
<쓰기(write)><Write>
스위칭 소자(60)를 오프 상태로 둔다. 이 상태에서 소오스 및 드레인사이에 쓰기 전압(Vw)을 인가한다. 쓰기 전압(Vw)은 스위칭 소자(60)의 동작 개시 전압, 곧 문턱 전압(Vth)보다 높을 수 있다. 스위칭 소자(60)는 오프 상태에 있으므로, 쓰기 전압(Vw)의 인가에 따른 소오스-드레인 전류(Id)는 스위칭 소자(60)를 통해서 흐르지 않는다. 대신, 상기 소오스-드레인 전류(Id)는 가변 저항체(50)를 통해서 흐른다. 소오스-드레인 전류(Id)에 의해서 가변 저항체(50)의 소정 부분의 저항이 변하게 된다. 이 결과, 쓰기 전압(Vw)이 인가된 후, 가변 저항체(50)의 저항은 쓰기 전압(Vw)이 인가되기 전의 저항과 다르게 된다. 따라서 쓰기 전압(Vw)이 인가된 전후에 가변 저항체(50) 양단에 동일한 전위차를 유지하였을 때, 가변 저항체(50)를 통과하는 전류의 양은 다르게 된다.The switching
이와 같이, 쓰기 전압(Vw)이 인가되어 가변 저항체(50)의 저항이 쓰기 전압(Vw)이 인가되기 전과 달라 졌을 때, 본 발명의 메모리 소자에 비트 데이터, 예를 들면 1이 기록된 것으로 간주할 수 있고, 나머지 경우에는 다른 비트 데이터, 예를 들면 0이 기록된 것으로 간주할 수 있다.As such, when the write voltage Vw is applied and the resistance of the
<읽기(read)><Read>
스위칭 소자(60)를 오프(OFF) 상태로 유지한다. 이 상태에서 소오스와 드레인사이에 읽기 전압(Vr)을 인가한다. 본 발명의 메모리 소자의 불휘발성 특성을 유지하기 위해, 읽기 전압(Vr)은 가변 저항체(50)에 기록된 비트 데이트가 소거될 수 있는 소거 전압보다 낮은 것이 바람직하다. 스위칭 소자(60)는 오프 상태이므로, 상기 소오스와 드레인사이에 인가된 읽기 전압(Vr)은 가변 저항체(50)에 인가된다. 따라서 가변 저항체(50)에 읽기 전압(Vr)에 기인한 전류가 흐르게 된다. 이 전류의 크기는 가변 저항체(50)에 기록된 비트 데이터, 곧 가변 저항체(50)의 저항에 따라 다를 것이므로, 상기 전류를 측정한 다음, 기준 전류와 비교하여 본 발명의 메모리 소자에 기록된 비트 데이터가 무엇인지 판단한다.The switching
<소거(erase)><Erase>
스위칭 소자(60)를 오프 상태로 유지한다. 이 상태에서 소오스와 드레인사이에 소거 전압(미도시)을 인가한다. 상기 소거 전압은 쓰기 전압(Vw)보다 클 수 있다. 상기 소거 전압의 인가로 인해 가변 저항체(50)의 저항 상태는 쓰기 전압(Vw)이 인가되기 전과 동일한 상태가 된다. 곧, 가변 저항체(50)에 기록된 비트 데이터는 지워진다.The switching
다음에는 복수의 본 발명의 메모리 소자들로 구성된 논리소자(NAND)의 동작을 도 27을 참조하여 설명한다.Next, an operation of a logic device NAND including a plurality of memory devices of the present invention will be described with reference to FIG. 27.
도 27에서 참조부호 W1 내지 W3는 제1 내지 제3 워드라인을 나타내고, B1 및 B2는 제1 및 제2 비트라인을 나타낸다. 도 27에는 편의 상 2행 3열의 메모리 소자 어레이와 세 개의 워드라인과 두개의 비트라인만 나타내었으나, 더 많은 메모리 소자 어레이와 워드라인 및 비트라인이 있을 수 있다. In FIG. 27, reference numerals W1 to W3 denote first to third word lines, and B1 and B2 denote first and second bit lines. 27 illustrates only two rows and three columns of memory device arrays, three word lines, and two bit lines, but there may be more memory device arrays, word lines, and bit lines.
도 27의 논리소자의 동작은 선택된 메모리 소자(M1)에 데이터를 쓰는 과정, 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터를 읽는 과정 또는 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터를 소거하는 과정을 포함한다. 따라서 도 27의 논리소자의 동작 설명은 상기 세 과정들을 설명하는 것으로 대신한다.The operation of the logic device of FIG. 27 includes writing data to the selected memory device M1, reading data written to the selected memory device M1, or erasing data written to the selected memory device M1. do. Therefore, the description of the operation of the logic device of FIG. 27 replaces the above three processes.
<선택된 메모리 소자(M1)에 데이터를 쓰는 과정><Process of Writing Data to Selected Memory Element M1>
제1 및 제3 워드라인(W1, W3)에 스위칭 소자(60)의 문턱 전압(Vth) 이상의 전압을 인가하고, 제2 워드라인(W2)은 오프시킨다. 그리고 제1 비트라인(B1)은 오프 시키고, 제2 비트라인(B2)에는 소정의 쓰기 전압(Vw)을 인가한다. 이에 따라 제1 및 제3 열의 메모리 소자 어레이에 포함된 스위칭 소자는 모두 온 상태이지만, 제1 비트라인(B1)이 오프 상태이므로, 결국 제1 행의 메모리 소자 어레이에는 전류가 흐르지 않는다. 그러나 제2 비트라인(B2)에는 소정의 쓰기 전압(Vw)이 인가되기 때문에, 상기 쓰기 전압(Vw)에 기인한 전류가 제2 행의 메모리 소자 어레이를 흐르게 된다. 이때, 선택된 메모리 소자(M1)는 2열의 메모리 소자 어레이에 포함되어 있으므로, 선택된 메모리 소자(M1)의 스위칭 소자(60)는 오프 상태가 된다. 따라서 쓰기 전압(Vw)에 기인한 상기 전류는 2행의 메모리 소자 어레이를 이루는 메모리 소자들 중에서 선택된 메모리 소자(M1)를 제외한 다른 메모리 소자는 스위칭 소자를 통과하여 흐르지만, 선택된 메모리 소자(M1)는 스위칭 소자(60)가 오프 상태인 관계로 가변 저항체(50)를 통과하여 흐르게 된다. 이 전류에 의해 선택된 메모리 소자(M1)의 가변 저항체(50)의 저항이 달라지게 된다. 상기 전류의 통과에 따른 가변 저항체(50)의 달라진 저항 값은 도 18의 논리소자에 대한 전원의 차단 여부와 관계없이 제2 비트라인(B2)에 소거 전압이 인가되기 전까지 유지된다.Voltages greater than or equal to the threshold voltage Vth of the switching
상기한 바와 같이, 제2 비트라인(B2)에 인가된 쓰기 전압(Vw)에 기인한 전류에 의해 선택된 메모리 소자(M1)의 가변 저항체(50)의 저항 값이 달라졌을 때, 선택된 메모리 소자(M1)에 데이트, 예를 들면 1이 기록된 것으로 간주한다.As described above, when the resistance value of the
<선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터를 읽는 과정> <Process of Reading the Data Written to the Selected Memory Element M1>
상기 쓰기 과정에 의해 선택된 메모리 소자(M1)에 소정의 데이터, 예컨대 1이 기록되어 있다고 할 때, 도 17의 메모리 소자에 대한 읽기 과정과 유사한 방법으로 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터를 읽을 수 있다.When predetermined data, for example, 1, is written in the memory element M1 selected by the writing process, data written in the selected memory element M1 is read in a manner similar to that of the memory element of FIG. 17. Can be.
구체적으로, 제1 및 제3 워드라인(W1, W3)에 스위칭 소자(60)의 문턱전압(Vth) 이상의 전압을 인가하고, 선택된 메모리 소자(M1)가 포함된 2열의 메모리 소자 어레이를 구성하는 메모리 소자들의 스위칭 소자에 공통으로 연결된 제2 워드라인(W2)은 오프시킨다. 그리고 제1 비트라인(B1)은 오프 시키고, 제2 비트라인(B2)에 쓰기 전압(Vw)보다 낮은 소정의 읽기 전압(Vr)을 인가한다. 선택된 메모리 소자(M1)의 스위칭 소자(60)는 오프 상태인 제2 워드라인(W2)에 연결되어 있으므로, 스위칭 소자(60) 역시 오프 상태가 된다. 따라서 상기 소정의 읽기 전압(Vr)에 기인한 전류는 상기한 쓰기 전류(Iw)와 동일한 경로를 따라 흐르게 된다. 그러나 상기 소정의 읽기 전압(Vr)이 상기 쓰기 전압(Vw)보다 낮으므로, 상기 읽기 전압(Vr)에 기인한 전류가 쓰기 전류(Iw)와 동일한 경로를 따라 흐르더라도 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터는 달라지거나 소실되지 않는다. 상기 쓰기 전류(Iw)가 통과하기 전의 선택된 메모리 소자(M1)의 가변 저항체(50)의 저항과 쓰기 전류(Iw)가 통과한 후의 가변 저항체(50), 곧 데이터가 기록되어 있는 가변 저항체(50)의 저항은 다르다. 그러므로 가변 저항체(50)의 상태에 따라 가변 저항체(50)를 통과하는 상기 읽기 전류의 양은 달라진다. 따라서 가변 저항체(50)를 통과한 후의 읽기 전류 측정하고, 측정 결과를 비교기를 통해서 기준 전류와 비교함으로써, 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터가 어떤 것인지 판단할 수 있다.Specifically, applying a voltage equal to or greater than the threshold voltage Vth of the
<선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터를 소거하는 과정> <Erasing Data Written in the Selected Memory Element M1>
제1 내지 제3 워드라인(W1-W3)의 상태와 제1 비트라인(B1)에 대한 상태는 선택된 메모리 소자(M1)에 데이터를 기록하는 과정과 동일하게 유지한다. 그리도 제2 비트라인(B2)에는 쓰기 전압(Vw)보다 큰 소거 전압(Ve)을 인가한다. 이에 따라 선택된 메모리 소자(M1)에 기록된 데이터가 소거되고, 가변 저항체(50)는 쓰기 전압(Vw)이 인가되기 전과 동일한 상태가 된다.The states of the first to third word lines W1-W3 and the states of the first bit line B1 are maintained the same as the process of writing data in the selected memory device M1. In addition, an erase voltage Ve that is greater than the write voltage Vw is applied to the second bit line B2. Accordingly, data written to the selected memory element M1 is erased, and the
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 다른 구조를 갖는 핀 트랜지스터의 핀 채널 아래에 전이금속 산화막으로 된 메모리 노드를 구비할 수 있을 것이다. 또한, 게이트 전극이 아래쪽에 구비된 바텀형 핀 트랜지스터에도 본 발명의 기술 사상을 적용할 수 있을 것이다. 곧, 게이트 전극이 제2 채널층 아래쪽에 있고, 전이금속 산화막으로 된 제1 채널층이 제2 채널층 위쪽에 위치할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. For example, one of ordinary skill in the art may include a memory node made of a transition metal oxide layer under a fin channel of a fin transistor having another structure. In addition, the technical idea of the present invention may also be applied to a bottom fin transistor having a gate electrode disposed below. In other words, the gate electrode may be below the second channel layer, and the first channel layer of the transition metal oxide layer may be positioned above the second channel layer. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.
상술한 바와 같이, 본 발명의 메모리 소자는 메모리 노드로서 핀 채널 아래에 전압에 따라 저항이 변하는 저항체를 구비하므로 동작 전압을 낮출 수 있다. 또한, 상기 저항체를 핀 트랜지스터의 핀 채널과 같은 사이즈로 상기 핀 채널층 아래에 구비하는 바, 본 발명의 메모리 소자에서 상기 저항체가 차지하는 면적은 매우 작다. 그러므로 본 발명을 이용하면, 메모리 노드로서 커패시터를 사용할 때보다 메모리 소자의 집적도를 높일 수 있다As described above, the memory device of the present invention has a resistor under the pin channel as a memory node, the resistance of which changes depending on the voltage, thereby lowering the operating voltage. In addition, since the resistor is provided below the fin channel layer in the same size as the fin channel of the fin transistor, the area occupied by the resistor in the memory device of the present invention is very small. Therefore, by using the present invention, it is possible to increase the degree of integration of a memory device than when using a capacitor as a memory node.
Claims (32)
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