KR20110046985A - Cap-less memory device - Google Patents

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KR20110046985A
KR20110046985A KR1020090103721A KR20090103721A KR20110046985A KR 20110046985 A KR20110046985 A KR 20110046985A KR 1020090103721 A KR1020090103721 A KR 1020090103721A KR 20090103721 A KR20090103721 A KR 20090103721A KR 20110046985 A KR20110046985 A KR 20110046985A
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박재근
심태헌
이곤섭
김성제
김태현
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A capacitance less memory device and a method thereof are provided to improve a kind effect by using a strained silicon as a silicon body. CONSTITUTION: In a capacitance less memory device and a method thereof, 2V gate voltage is supplied to a gate electrode. A ground voltage is provided in a source region. 1.5V and 4V are applied to a drain region. A first bit is performed. The gate voltage of -1.5V is applied to a gate electrode unit. A ground voltage is provided in a source region. 1.5V and 4V are applied to a drain region. A second bit is performed.

Description

무 커패시터 메모리 소자 및 이의 구동 방법{Cap-less memory device}Capacitor-less memory device and driving method thereof {Cap-less memory device}

본 발명은 무 커패시터 메모리 소자 및 이의 구동 방법에 관한 것으로, 전하 저장을 위한 별도의 커패시터를 형성하지 않을 수 있는 메모리 소자와 이의 구동 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a capacitorless memory device and a driving method thereof, and to a memory device and a driving method thereof, which may not form a separate capacitor for charge storage.

일반적으로 메모리 소자는 소정의 정보를 저장 및 보관하고 필요한 시점에서 빼낼수 있는 장치를 지칭한다. 이러한 메모리 소자의 일 예로 DRAM(Dynamic Random Access Memory) 소자를 들 수 있다. DRAM은 한개의 트랜지스터와 한개의 커패시터로 구성된 복수의 단위 셀이 집적되어 있다. 즉, 단위 셀의 커패시터에 전하의 차징 유무를 기준으로 일 비트의 정보를 저장한다.In general, a memory device refers to a device that stores and stores certain information and can be taken out at a necessary time. One example of such a memory device is a DRAM (Dynamic Random Access Memory) device. DRAM integrates a plurality of unit cells composed of one transistor and one capacitor. That is, one bit of information is stored in the capacitor of the unit cell on the basis of charging or not.

근래 들어 동일 면적에 많은 단위 셀을 집적시켜 더 많은 정보를 저장하여 가격 경쟁력을 확보하고자 연구 중이다. 이와 같이 동일 면적에 더 많은 수의 단위 셀을 집적시키기 위해서는 단위 셀을 구성하는 트랜지스터와 커패시터의 집적 면적(즉, 크기)이 줄어들어야 한다. 하지만, 트랜지스터와 커패시터의 면적을 무한정 줄일 수 없는 단점이 있다. Recently, many unit cells are integrated in the same area to store more information and secure price competitiveness. As such, in order to integrate a larger number of unit cells in the same area, an integrated area (ie, size) of transistors and capacitors constituting the unit cell must be reduced. However, there is a disadvantage in that the area of the transistor and the capacitor cannot be reduced indefinitely.

커패시터의 면적이 줄어들게 되면 이에 따라 커패시턴스가 줄어들게 된다. 따라서, 커패시터를 일정하게 유지하기 위해서는 커패시터의 높이를 늘려야 한다. 즉, 예를 들어 DRAM의 디자인 룰이 60㎚인 경우 커패시터의 높이는 약 1.6㎛가 된다. 만일 DRAM의 디자인 룰이 40㎚로 줄어드는 경우 커패시터의 높이는 약 2.0㎛로 늘어 나게 된다. 이와 같이 커패시터의 높이가 증가할 경우, 실린더 구조의 커패시터 제작을 위한 홀 형성시 종횡비가 커지기 때문에 원활한 패터닝이 어려워지는 문제가 발생한다. 또한, 인접 커패시터간의 간격이 줄어들고, 커패시터의 높이가 증가함으로 인해 커패시터의 쓰러짐 현상등으로 인해 인접한 커패시터가 전기적으로 접속되는 문제가 발생한다. 따라서, DRAM의 디자인 룰이 40㎚ 이하로 줄어들 경우 실린더 구조의 커패시터를 적용하기 어려운 실정이다.If the area of the capacitor is reduced, the capacitance is reduced accordingly. Therefore, in order to keep the capacitor constant, the height of the capacitor must be increased. That is, for example, when the DRAM design rule is 60 nm, the height of the capacitor is about 1.6 mu m. If the DRAM design rule is reduced to 40nm, the height of the capacitor is increased to about 2.0㎛. As such, when the height of the capacitor is increased, a problem occurs that smooth patterning becomes difficult because the aspect ratio is large when forming a hole for manufacturing a capacitor having a cylinder structure. In addition, as the spacing between adjacent capacitors decreases, and the height of the capacitors increases, there is a problem that the adjacent capacitors are electrically connected due to the collapse of the capacitors. Therefore, when the DRAM design rule is reduced to 40 nm or less, it is difficult to apply a capacitor having a cylinder structure.

이에 최근에는 상술한 바와 같이 디자인 룰의 감소에 따라 많은 문제를 발생시키는 DRAM 소자의 커패시터를 없애고 이를 대체할 수 있는 소자 형태에 관한 연구가 활발히 진행중이다. 그 일예로 하나의 트랜지스터로 단위 셀을 제작한 캡 리스 메모리 소자(즉, 무 커패시터 메모리 소자)가 있다. 무 커패시터 메모리 소자의 경우 종래의 커패시터 대신 트랜지스터의 실리콘 몸체에 전하를 차징한다. Recently, studies on device types that can eliminate and replace capacitors of DRAM devices, which cause many problems according to the reduction of design rules, are being actively conducted. For example, there is a capless memory device (ie, a capacitorless memory device) in which a unit cell is manufactured using one transistor. In the case of a capacitorless memory device, a charge is charged to a silicon body of a transistor instead of a conventional capacitor.

이와 같은 무 커패시터 메모리 소자는 트랜지스터의 드레인에 게이트보다 큰 전압이 인가되면 드레인의 강한 전계로 충돌 이온화(impact ionization)가 발생하여 전자는 드레인으로 빠져나가나 홀은 실리콘 몸체(즉, 트랜지스터의 하측 실리콘층)에 축적된다. 이러한 홀의 축적으로 인해 문턱 전압이 변화하게 되고, 이로인해 드레인 전류가 변화하게 된다(즉, 이를 킹크 효과(kink effect)라 함). 이때, 드레인 전류 변화를 읽어서 셀의 비트 정보 저장 유무를 판단한다. In such a capacitor-free memory device, when a voltage greater than the gate is applied to the drain of a transistor, impact ionization occurs due to a strong electric field of the drain, and electrons are forced out to the drain, but the hole is a silicon body (that is, a silicon layer below the transistor). Accumulate). The accumulation of these holes causes the threshold voltage to change, which in turn causes the drain current to change (ie, referred to as the kink effect). At this time, the drain current change is read to determine whether bit information is stored in the cell.

이러한, 무 커패시터 메모리 소자는 소스 및 드레인 영역이 형성된 실리콘 몸체(단결정 실리콘층)에 홀이 축적된다. 이때, 실리콘 몸체는 그 모빌리티가 낮은 단점이 있고, 이러한 단점으로 인해 킹크 효과가 감소하게 된다.In such a capacitorless memory device, holes are accumulated in a silicon body (a single crystal silicon layer) in which source and drain regions are formed. At this time, the silicon body has a disadvantage of low mobility, and due to this disadvantage the kink effect is reduced.

이에 본 발명의 일 기술적 과제는 실리콘 몸체로 스트레인드 실리콘을 사용하여 모빌리티 향상을 통해 킹크 효과를 향상시킬 수 있고, 메모리 소자에 인가되는 전압을 변화시켜 멀티 비트 구동이 가능한 무 커패시터 메모리 소자 및 이의 구동 방법을 제공한다. Accordingly, one technical problem of the present invention is to use a strained silicon as a silicon body to improve a kink effect through mobility improvement, and to drive a capacitor-free memory device capable of multi-bit driving by changing a voltage applied to a memory device and driving thereof. Provide a method.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 기판 상에 형성된 바텀 절연층 상에 스트레인드 실리콘을 증착하여 형성된 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 게이트 절연막 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 게이트 전극 하측의 상기 반도체층에 채널이 형성되고, 상기 채널의 양측 반도체층에 소스 및 드레인 영역이 형성된 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법으로, 상기 게이트 전극과 상기 반도체 기판에 각기 게이트 전압과 백 바이어스 전압을 인가하되, 상기 게이트 전압으로 제 1 극성의 전압을 사용하고, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 제 1 극성과 극성이 다르고 그 절대값이 큰 제 2 극성의 전압을 사용하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법을 제공한다. A semiconductor layer formed by depositing strained silicon on a bottom insulating layer formed on a semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention, a gate insulating film and a gate electrode formed on the semiconductor layer, and the A method of driving a capacitorless memory device in which a channel is formed in a semiconductor layer and source and drain regions are formed in both semiconductor layers of the channel, wherein a gate voltage and a back bias voltage are applied to the gate electrode and the semiconductor substrate, respectively. A method of driving a capacitorless memory device using a voltage having a first polarity as a gate voltage and using a voltage having a second polarity different from the first polarity and having a large absolute value as the back bias voltage.

상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 게이트 전압의 양의 전압 보다 그 절대 값이 큰 음의 전압을 사용하고, 상기 게이트 전압으로 음의 전압을 사용하는 경우, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 게이트 전압의 음의 전압 절대 값 보다 큰 양의 전압을 사용하는 것이 가능하다. When a positive voltage is used as the gate voltage, a negative voltage whose absolute value is greater than a positive voltage of the gate voltage is used as the back bias voltage, and when a negative voltage is used as the gate voltage, It is possible to use a positive voltage greater than the negative voltage absolute value of the gate voltage as the back bias voltage.

상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 바텀 절연층과 인접한 채널 영역에 홀이 축적되고, 상기 게이트 전압으로 음의 전압을 사용하는 경우, 상기 게이트 절연막과 인접한 채널 영역에 홀이 축적되는 것이 가능하다. When a positive voltage is used as the gate voltage, holes are accumulated in a channel region adjacent to the bottom insulating layer, and when a negative voltage is used as the gate voltage, holes are accumulated in a channel region adjacent to the gate insulating layer. It is possible.

상기 게이트 전압으로 1 내지 3V를 사용할 때, 상기 백 바이어스 전압으로 -15 내지 -25V를 사용하는 것이 가능하다. When using 1 to 3 V as the gate voltage, it is possible to use -15 to -25 V as the back bias voltage.

상기 게이트 전압으로 -0.5 내지 -2V를 사용할 때, 상기 백 바이어스 전압으로 5 내지 25V를 사용하는 것이 가능하다. When using -0.5 to -2V as the gate voltage, it is possible to use 5 to 25V as the back bias voltage.

상기 게이트 전압과 상기 백 바이어스 전압에 각기 다른 극성의 전압을 인가하여 복수 비트 구동을 수행하고, 상기 게이트 전압 및 상기 백 바이어스 전압의 전압 레벨을 가변하여 멀티 레벨 구동을 수행하는 것이 가능하다. Multi-bit driving may be performed by applying voltages having different polarities to the gate voltage and the back bias voltage, and varying the voltage levels of the gate voltage and the back bias voltage.

'1'의 데이터를 기록하기 위해 상기 소스 영역에 접지 전원을 제공하고, 상기 드레인 영역에 킹크 전압 보다 큰 쓰기 전압을 인가하고, 데이터 소거를 위해 상기 드레인 영역에 소거 전압을 인가하고, 데이터 판독을 위해 상기 드레인 영역에 상기 킹크 전압과 상기 소거 전압 사이의 리드 전압을 인가하는 것이 가능하다. Provide ground power to the source region to write data of '1', apply a write voltage greater than a kink voltage to the drain region, apply an erase voltage to the drain region for data erasing, and read data. It is possible to apply a read voltage between the kink voltage and the erase voltage to the drain region.

또한, 무 커패시터 메모리 소자에 있어서, 백 바이어스 전압을 인가 받는 반도체 기판과, 게이트 전압을 인가 받는 게이트 전극과 게이트 전극과 반도체 기판 사이에 위치한 게이트 절연막을 포함하는 게이트 전극부와, 상기 반도체 기판상에 위치한 바텀 절연층과, 상기 바텀 절연층과 상기 게이트 전극부 사이에 위치하고, 상기 백 바이어스 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 게이트 전극부 인접 영역에 홀이 축적되고, 상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 바텀 절연층 인접 영역에 홀이 축적되고 스트레인드 실리콘으로 제작된 채널 및 상기 채널 양측에서 채널에 접속된 소스 및 드레인 영역을 포함하는 무 커패시터 메모리 소자를 제공한다. In addition, a capacitorless memory device, comprising: a gate electrode portion including a semiconductor substrate receiving a back bias voltage, a gate electrode receiving a gate voltage, and a gate insulating film positioned between the gate electrode and the semiconductor substrate; Located between the bottom insulating layer located and the bottom insulating layer and the gate electrode portion, when a positive voltage is used as the back bias voltage, holes are accumulated in the region adjacent to the gate electrode portion, and the positive voltage is used as the gate voltage. When using a voltage, a capacitor-free memory device includes a channel in which holes are accumulated in a region adjacent to the bottom insulating layer and includes a channel made of strained silicon and source and drain regions connected to channels on both sides of the channel.

상기 게이트 전압으로 사용되는 전압의 절대값이 상기 백 바이어 전압의 절대값 보다 작은 것이 가능하다. It is possible that the absolute value of the voltage used as the gate voltage is smaller than the absolute value of the back via voltage.

상기 게이트 전압과 상기 백 바이어스 전압에 각기 다른 극성의 전압을 인가하여 복수 비트 구동을 수행하고, 상기 게이트 전압 및 상기 백 바이어스 전압의 전압 레벨을 가변하여 멀티 레벨 구동을 수행하는 것이 가능하다. Multi-bit driving may be performed by applying voltages having different polarities to the gate voltage and the back bias voltage, and varying the voltage levels of the gate voltage and the back bias voltage.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 반도체층으로 스트레인드 실리콘을 사용함으로 인해 전자의 이동도가 향상되어 킹크 효과를 증대시킬 수 있다. 또한, 소자의 게이트 전극 및 반도체 기판에 각기 게이트 전압과 백 바이어스 전압을 인가하되 이들 간의 전압 극성을 변화시켜 단일 셀에서 복수 비트 구동을 수행할 수 있다. 또한, 게이트 전극과 반도체 기판에 인가되는 전압 레벨을 변화시켜 멀티 레벨 구동을 수행할 수 있다. As described above, in one embodiment of the present invention, the use of strained silicon as the semiconductor layer may improve electron mobility, thereby increasing the kink effect. In addition, the gate voltage and the back bias voltage may be applied to the gate electrode and the semiconductor substrate of the device, respectively, and the voltage polarity may be changed between the plurality of bits in a single cell. In addition, the multi-level driving may be performed by changing the voltage level applied to the gate electrode and the semiconductor substrate.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. With reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know.

도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 상부에 또는 위에 있다고 표현되는 경우 는 각 부분이 다른 부분의 바로 상부 또는 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., may be exaggerated for clarity, and like reference numerals designate like elements. In addition, when a part such as a layer, a film, an area, or a plate is expressed as being on or above another part, each part is not just above or directly above another part but also another part between each part and another part. This includes cases.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of a capacitorless memory device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자는 하부 게이트로 사용될 반도체 기판(110)과, 상기 반도체 기판(110) 상에 위치한 바텀 절연층(120)과, 바텀 절연층 상에 형성된 홀이 저장되고 채널이 형성되는 반도체층(130)과, 상기 반도체층(130) 상의 일부에 형성된 게이트 전극부(140)와, 상기 게이트 전극부(140) 양측의 상기 반도체층(130)에 각기 형성된 소스 및 드레인 영역(150, 160)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment may include a semiconductor substrate 110 to be used as a lower gate, a bottom insulating layer 120 disposed on the semiconductor substrate 110, and a bottom insulating layer. The semiconductor layer 130 in which holes are stored and channels are formed, the gate electrode portion 140 formed on a portion of the semiconductor layer 130, and the semiconductor layer 130 at both sides of the gate electrode portion 140, respectively. Source and drain regions 150 and 160 formed are included.

여기서, 게이트 전극부(140)가 프론트 게이트로 사용될 경우, 바텀 절연층(120)과 인접한 반도체층(130) 영역에 홀이 저장되고, 반도체 기판(110)이 백 게이트로 사용될 경우, 게이트 전극부(140)와 인접한 반도체층(130) 영역에 홀이 저장된다. Here, when the gate electrode portion 140 is used as the front gate, holes are stored in the region of the semiconductor layer 130 adjacent to the bottom insulating layer 120, and when the semiconductor substrate 110 is used as the back gate, the gate electrode portion The holes are stored in the region of the semiconductor layer 130 adjacent to the 140.

또한, 상기 게이트 전극부(140)를 포함하는 반도체층(130) 상측에 형성된 층간 절연막(170)과, 상기 층간 절연막(170)의 일부를 관통하여 층간 절연막(170) 하측의 소스 및 드레인 영역(150, 160)에 직접 접속된 제 1 및 제 2 배선부(180, 190)를 더 구비한다. 제 1 배선부(180)는 제 1 콘택 플러그)를 통해 소스 영역(150)에 접속되고, 제 2 배선부(190)는 제 2 콘택 플러그를 통해 드레인 영역(160)에 접속된다. 이때, 제 1 및 제 2 콘택 플러그들은 층간 절연막(180)의 일 부를 제거하여 그 하측의 소스 및 드레인 영역(150, 160)의 일부를 노출하는 콘택홀과, 콘택홀 내측에 충진된 도전성 물질을 포함한다. 이와 같이 본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자는 커패시터를 사용하지 않고, 직접 배선부와 소스 및 드레인 영역(150, 160)을 연결시킬 수 있다. The source and drain regions under the interlayer insulating layer 170 may be formed through the interlayer insulating layer 170 formed on the semiconductor layer 130 including the gate electrode part 140 and a portion of the interlayer insulating layer 170. First and second wiring parts 180 and 190 directly connected to 150 and 160 are further provided. The first wiring unit 180 is connected to the source region 150 through the first contact plug, and the second wiring unit 190 is connected to the drain region 160 through the second contact plug. In this case, the first and second contact plugs may include a contact hole exposing a portion of the lower source and drain regions 150 and 160 by removing a portion of the interlayer insulating layer 180, and a conductive material filled in the contact hole. Include. As described above, the capacitorless memory device of the present exemplary embodiment may directly connect the wiring portion and the source and drain regions 150 and 160 without using a capacitor.

반도체 기판(110)으로 단일 원소 반도체 기판 또는 화합물 반도체 기판을 사용할 수 있다. 물론 상기 반도체 기판(110)에는 소정의 불순물이 도핑될 수 있다.As the semiconductor substrate 110, a single element semiconductor substrate or a compound semiconductor substrate may be used. Of course, the semiconductor substrate 110 may be doped with a predetermined impurity.

바텀 절연층(120)으로 실리콘 산화막 층 또는 실리콘 질화막 층을 사용하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 실리콘 산화막을 바텀 절연층으로 사용한다. 이때, 실리콘 산화막을 반도체 기판(110)의 일부를 산화시켜 제작할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 이온 주입을 통해 바텀 절연층(120)을 제작할 수도 있다. 본 실시예에서는 반도체 기판(110)이 백 게이트로 사용되는 경우, 상기 바텀 절연층(120)이 게이트 절연막 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 백 게이트로 동작할 경우, 상기 백 게이트 즉, 반도체 기판(110)에 가해지는 전압은 프론트 게이트에 가해지는 전압보다 상대적으로 크게 인가하는 것이 효과적이다. It is possible to use a silicon oxide film layer or a silicon nitride film layer as the bottom insulating layer 120. In this embodiment, a silicon oxide film is used as the bottom insulating layer. In this case, the silicon oxide film may be manufactured by oxidizing a part of the semiconductor substrate 110. Of course, the present invention is not limited thereto, and the bottom insulating layer 120 may be manufactured by ion implantation. In the present embodiment, when the semiconductor substrate 110 is used as a back gate, the bottom insulating layer 120 may serve as a gate insulating film. Therefore, when operating as a back gate, it is effective to apply the voltage applied to the back gate, that is, the semiconductor substrate 110, to be relatively larger than the voltage applied to the front gate.

게이트 전극부(140)는 반도체층(130)의 상측 일부 영역에 형성된 게이트 절연막(141)과, 게이트 절연막(141) 상에 형성된 게이트 전극(142)과, 적어도 게이트 전극(142)의 측면에 마련된 스페이서(143)를 구비한다. 이때, 게이트 절연막(141)은 단층 또는 다층으로 제작될 수 있다. 물론 본 실시예에서는 게이트 절연막(141)으로 실리콘 산화막을 사용한다. 물론 이에 한정되지 않고 게이트 절연막(141)으로 고유전율의 절연성막을 사용할 수 있다. The gate electrode part 140 is provided on the gate insulating layer 141 formed in the upper partial region of the semiconductor layer 130, the gate electrode 142 formed on the gate insulating layer 141, and at least on the side surface of the gate electrode 142. The spacer 143 is provided. In this case, the gate insulating layer 141 may be manufactured in a single layer or multiple layers. Of course, in this embodiment, a silicon oxide film is used as the gate insulating film 141. Of course, the present invention is not limited thereto, and an insulating film having a high dielectric constant may be used as the gate insulating film 141.

게이트 전극(142)은 단층 또는 다층으로 제작할 수 있고, 본 실시예에서는 도시되지 않았지만, 게이트 전극(142)으로 불순물(예를 들어 N 타입 또는 P 타입)이 도핑된 폴리 실리콘층과 그 상측에 형성된 금속층을 포함할 수도 있다. 또한, 필요에 따라 게이트 전극(142)의 일부가 상기 반도체층(130) 내측으로 돌출될 수도 있다. 상술한, 게이트 전극부(140)는 워드 라인(또는 게이트 라인; 미도시)을 통해 인가된 전압에 따라 반도체층(130)에 형성되는 채널을 제어한다. 따라서, 게이트 전극부(140)의 형상은 상술한 설명에 한정되지 않고 상기 채널 제어를 위한 다양한 형상이 가능하다. The gate electrode 142 may be manufactured in a single layer or multiple layers, and although not shown in the present embodiment, a polysilicon layer doped with impurities (for example, N type or P type) with the gate electrode 142 and formed thereon It may also include a metal layer. If necessary, a portion of the gate electrode 142 may protrude into the semiconductor layer 130. The above-described gate electrode unit 140 controls a channel formed in the semiconductor layer 130 according to a voltage applied through a word line (or a gate line; not shown). Accordingly, the shape of the gate electrode 140 is not limited to the above description, and various shapes for the channel control are possible.

소스 및 드레인 영역(150, 160)은 게이트 전극부(140) 양측의 반도체층(130)에 불순물 이온 주입을 통해 형성된다. 여기서, 불순물 이온으로 N 타입 또는 P 타입 이온을 사용할 있다. 본 실시예에서는 N 타입의 불순물을 주입하여 소스 및 드레인 영역(150, 160)을 형성한다. 여기서, 이온 주입시 LDD(lightly doped drain) 이온 주입을 실시할 수도 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 상기 게이트 전극부(140) 양측의 소스 영역(150) 및 드레인 영역(160)에 해당하는 반도체층(130)내에 형성하지 않고, 대신 별도의 정션층(미도시)을 형성하여 소스 및 드레인 영역(150, 160)을 형성할 수도 있다. 상술한 소스 및 드레인 영역(150, 160)은 인가된 전압에 따라 반도체층(130)에 형성된 채널을 따라 전자를 이동 시키거나 게이트 전극부(140) 아래의 반도체층(130)에 홀을 저장한다. 따라서, 소스 및 드레인 영역(150, 160)의 형상은 상술한 설명에 한정되지 않고 상기 채널에 전자를 이동시키기 위한 다양한 형상이 가능하다. The source and drain regions 150 and 160 are formed by implanting impurity ions into the semiconductor layer 130 at both sides of the gate electrode 140. Here, N type or P type ions can be used as impurity ions. In the present embodiment, the source and drain regions 150 and 160 are formed by implanting N-type impurities. Here, during the ion implantation, lightly doped drain (LDD) ion implantation may be performed. Of course, the present invention is not limited thereto, and the semiconductor layer 130 corresponding to the source region 150 and the drain region 160 on both sides of the gate electrode unit 140 is not formed, but instead, a separate junction layer (not shown) is formed. Source and drain regions 150 and 160 may also be formed. The source and drain regions 150 and 160 described above move electrons along a channel formed in the semiconductor layer 130 according to an applied voltage or store holes in the semiconductor layer 130 under the gate electrode part 140. . Accordingly, the shape of the source and drain regions 150 and 160 is not limited to the above description, and various shapes for moving electrons to the channel are possible.

본 실시예의 반도체층(130)은 소스 및 드레인 영역(150, 160)이 형성된 전극부 형성 영역과, 그 상면 또는 하면 중 어느 하나의 면에 인접하여 전하가 저장되고, 전하가 저장된 반대면에 전자가 이동하는 채널이 형성되는 채널 영역(135)을 구비한다. 이때, 앞서 언급한 바와 같이 게이트 전극부(140)의 하부의 반도체층(130) 영역이 채널 영역(135)이 되고, 게이트 전극부(140) 양측 즉, 채널 영역(135)의 양측이 전극부 형성 영역이 된다. 채널 영역(135)은 메모리 소자의 채널로써 동작하는 영역이다. In the semiconductor layer 130 according to the present exemplary embodiment, charge is stored adjacent to an electrode portion forming region where the source and drain regions 150 and 160 are formed, and either one of an upper surface or a lower surface thereof. It has a channel region 135 in which a channel to move is formed. In this case, as described above, the region of the semiconductor layer 130 below the gate electrode portion 140 becomes the channel region 135, and both sides of the gate electrode portion 140, that is, both sides of the channel region 135, form the electrode portion. It becomes a formation area. The channel region 135 is a region that operates as a channel of the memory device.

본 실시예에서는 상기 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용하는 것이 효과적이다. 물론 이에 한정되지 않고, 상기 반도체층(130)으로 실리콘 게르마늄 층이 사용될 수 있다. 또한, 응력 완화된(relaxed) 실리콘 게르마늄층이 사용될 수 있으며 스트레인드 실리콘 게르마늄층이 사용될 수 있다. 또한, 응력 완화된 실리콘층도 사용될 수 있다. In this embodiment, it is effective to use strained silicon as the semiconductor layer 130. Of course, the present invention is not limited thereto, and a silicon germanium layer may be used as the semiconductor layer 130. In addition, a relaxed silicon germanium layer may be used and a strained silicon germanium layer may be used. In addition, a stress relaxed silicon layer may also be used.

그리고, 상기 반도체 기판으로 실리콘 기판을 사용한다. 이와 같이 반도체 기판(110)과 바텀 절연층(120) 및 반도체층(130)이 적층된 구조를 제작하기 위해 먼저 제 1 실리콘 기판을 마련하고, 그 상에 스트레인드 실리콘층을 형성한다. 이어서, 표면에 산화막이 형성된 제 2 실리콘 기판을 마련한다. 이어서, 제 1 실리콘 기판의 스트레인드 실리콘 층과 제 2 실리콘 기판의 산화막 영역이 밀착되도록 두 기판을 본딩한다. 이어서, 스트레인드 실리콘층 상의 제 1 실리콘 기판의 일부를 벽개한다. 이를 통해 변형된 SOI 형태의 소재를 제작할 수 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 스트레인드 실리콘층의 형성전에 버퍼층을 형성할 수도 있다. 이를 통 해 스트레인드 실리콘의 형성을 용이하게 할 수 있다. A silicon substrate is used as the semiconductor substrate. In order to fabricate a structure in which the semiconductor substrate 110, the bottom insulating layer 120, and the semiconductor layer 130 are stacked in this manner, a first silicon substrate is first prepared, and a strained silicon layer is formed thereon. Next, a second silicon substrate having an oxide film formed on its surface is prepared. Subsequently, the two substrates are bonded such that the strained silicon layer of the first silicon substrate and the oxide region of the second silicon substrate are in close contact with each other. A portion of the first silicon substrate on the strained silicon layer is then cleaved. Through this, a modified SOI-type material can be manufactured. The buffer layer may also be formed before the formation of the strained silicon layer, without being limited thereto. This may facilitate the formation of strained silicon.

본 실시예에서는 상기 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용한다. In this embodiment, strained silicon is used as the semiconductor layer 130.

도 2는 본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자의 전자 이동도를 측정한 실험 결과이다. 2 is an experimental result of measuring the electron mobility of the capacitorless memory device of the present embodiment.

도 2의 A 선은 반도체층으로 스트레인드 실리콘을 사용한 경우이고, B 선은 스트레인되지 않은 실리콘을 사용한 경우이다. 도 2의 결과와 같이 본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자의 반도체층으로 스트레인드 실리콘을 사용한 A의 경우의 전자 이동도가 더 높음을 알 수 있다. 이와 같은 이동도의 향상으로 인해 킹크 효과가 더욱 증대 될 수 있다. Line A of FIG. 2 is a case where strained silicon is used as a semiconductor layer, and line B is a case where unstrained silicon is used. As shown in FIG. 2, it can be seen that the electron mobility in the case of A using strained silicon as the semiconductor layer of the capacitorless memory device of the present embodiment is higher. Due to the improved mobility, the kink effect can be further increased.

하기에서는 상술한 반도체층으로 스트레인드 실리콘을 사용한 무 커패시터 메모리 소자의 동작을 설명한다. Hereinafter, an operation of a capacitorless memory device using strained silicon as the semiconductor layer will be described.

도 3은 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 개념도이다. 도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이다. 3 is a conceptual diagram illustrating an operation of a capacitorless memory device according to an exemplary embodiment. 4 and 5 are conceptual cross-sectional views for describing an operation of a capacitorless memory device according to example embodiments.

여기서, 도 4의 (a)는 쓰기 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이고, 도 4의 (b)는 "1"의 데이터가 쓰여진 소자의 리드 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이고, 도 5의 (a)는 소거 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이고, 도 5의 (b)는 "0" 데이터(즉, 소거 데이터)가 쓰여진 소자의 리드 동작을 설명하기 위한 개념 단면도이다. 4A is a conceptual cross-sectional view for explaining a write operation, and FIG. 4B is a conceptual cross-sectional view for explaining a read operation of an element to which data of " 1 " is written, and FIG. ) Is a conceptual cross-sectional view for explaining the erase operation, and FIG. 5B is a conceptual cross-sectional view for explaining a read operation of an element to which " 0 " data (i.e., erase data) is written.

일반적인 메모리 소자의 단위 셀에서의 전압 전류는 도 3에 도시된 N1 그래 프와 같이 전압이 증가할 수록 전류가 일정하게 증가하다 수렴(saturation)된다. 하지만, 본 실시예에서 설명한 무 커패시터 메모리 소자는 킹크 효과에 의해 도 3의 N2 그래프와 같이 전압이 증가하는 경우 그 전류가 다시 증가하는 구간이 발생한다. The voltage current in a unit cell of a typical memory device converges as the current increases constantly as the voltage increases, as illustrated by the N1 graph shown in FIG. 3. However, in the capacitorless memory device described in the present embodiment, when the voltage increases as illustrated by the N2 graph of FIG. 3, the current increases again.

이는 게이트 전극부(140) 하측의 반도체층(130) 즉, 채널 영역(135) 내에 전하(즉, 홀)이 축적되기 때문이다. 그리고, 채널 영역(135)에 전하가 축적된 경우 도 3의 N3 그래프와 같이 전압이 감소되더라도 전류의 흐름이 초기와 다른 흐름을 나타낸다. This is because charges (that is, holes) are accumulated in the semiconductor layer 130, that is, the channel region 135 under the gate electrode part 140. In the case where charge is accumulated in the channel region 135, the current flow is different from the initial flow even when the voltage is reduced as shown in the N3 graph of FIG. 3.

따라서, 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자는 반도체층(130) 내의 홀 축적 유무에 따라 전류 흐름이 변화되고, 이러한 전류의 흐름차를 이용하여 소자에 쓰여진 정보를 판단한다.Therefore, in the capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment, the current flow changes according to whether or not holes are accumulated in the semiconductor layer 130, and the information written in the device is determined using the current flow difference.

이때, 상기 소자에 "1"에 해당하는 데이터를 쓰기 위해 드레인 영역(160)에 킹크 효과를 일으키는 전압 이상의 쓰기 전압을 제공하고, 소자에 "0"에 해당하는 데이터로 소거하기 위해 드레인 영역(160)에 소거 전압을 제공한다. 그리고, 소자에 쓰여진 데이터를 판별하기 위해 상기 킹크 전압과 소거 전압 사이의 리드 전압을 인가한다. In this case, a write voltage equal to or greater than a voltage causing a kink effect is provided to the drain region 160 to write data corresponding to "1" to the device, and the drain region 160 to erase with data corresponding to "0" to the device. To the erase voltage. Then, a read voltage between the kink voltage and the erase voltage is applied to determine the data written to the device.

예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 쓰기 전압으로 4V의 전압을 사용하고, 소거 전압으로 -1V의 전압을 사용하고, 리드 전압으로 1.5V를 사용하는 경우를 생각하면 다음과 같다. For example, as shown in FIG. 4 and FIG. 5, a case in which a voltage of 4 V is used as the write voltage, a voltage of −1 V is used as the erase voltage, and 1.5 V is used as the read voltage is as follows. .

먼저 쓰기 동작을 하기 위해 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 게이트 전극 부(140)에 2V의 전압을 인가하고, 소스 영역(150)에 접지 전압(GND)을 제공하고, 드레인 영역(160)에 4V를 인가하였다. 이때, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 반도체층(130)에 홀이 쌓이게 된다. First, to perform a write operation, as shown in FIG. 4A, a voltage of 2 V is applied to the gate electrode unit 140, a ground voltage GND is provided to the source region 150, and a drain region 160 is provided. 4V). In this case, as shown in FIG. 4A, holes are stacked in the semiconductor layer 130.

이어서, 소거 동작을 하기위해 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 게이트 전극부(140)에 2V의 전압을 인가하고, 소스 영역(150)에 접지 전압(GND)을 제공하고, 드레인 영역(160)에 -1V를 인가하였다. 이때, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 반도체층(130)에 홀이 쌓이지 않게 된다. Subsequently, to perform an erase operation, as shown in FIG. 5A, a voltage of 2 V is applied to the gate electrode part 140, a ground voltage GND is provided to the source region 150, and a drain region ( 160) was applied to -1V. In this case, as shown in FIG. 5A, holes do not accumulate in the semiconductor layer 130.

그리고, 리드 동작을 하기 위해 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 게이트 전극부(140)에 2V의 전압을 인가하고, 소스 영역(150)에 접지 전압(GND)을 제공하고, 드레인 영역(160)에 1.5V를 인가하였다. 이때, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 반도체층(130)에 홀이 트랩된 경우(즉, "1" 데이터가 쓰여진 경우)에는 도 2에 도시된 "1" 데이터가 쓰여진 상태의 전류가 흐르게 된다. 반면에 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 반도체층(130)에 홀이 트랩되지 않은 경우(즉, "0" 데이터가 쓰여진 경우)에는 도 3에 도시된 "0" 데이터가 쓰여진 상태의 전류가 흐르게 된다. 이때, "1" 데이터가 쓰여진 상태의 전류 흐름이 더 큼을 알 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 반도체층(130)에 홀이 트랩되어 있는 경우에는 소자의 문턱 전압에 변화가 발생하여 더 많은 전류가 흐르게 되기 때문이다.In order to perform the read operation, as shown in FIGS. 4B and 5B, a voltage of 2V is applied to the gate electrode 140, and a ground voltage GND is applied to the source region 150. And 1.5V was applied to the drain region 160. At this time, when a hole is trapped in the semiconductor layer 130 (that is, when "1" data is written) as shown in FIG. 4B, the current in the state where the "1" data shown in FIG. 2 is written. Will flow. On the other hand, when holes are not trapped in the semiconductor layer 130 as shown in FIG. 5B (that is, when "0" data is written), the "0" data shown in FIG. 3 is written. Current will flow. At this time, it can be seen that the current flow in the state where the "1" data is written is greater. This is because when a hole is trapped in the semiconductor layer 130 as described above, a change occurs in the threshold voltage of the device and more current flows.

또한, 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자는 단일 셀에서 복수 비트의 구현이 가능하다. In addition, the capacitorless memory device according to the present embodiment may implement a plurality of bits in a single cell.

도 6은 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 복수 비트 동작을 설명 하기 위한 개념 단면도이다. 도 7은 일 실시예에 따른 프론트 게이트 동작의 I-V커브를 나타낸 그래프이고, 도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 프론트 게이트 동작 효과를 설명하기 위한 실험 결과 그래프이다. 도 10은 일 실시예에 따른 백 게이트 동작의 I-V커브를 나타낸 그래프이고, 도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 백 게이트 동작 효과를 설명하기 위한 실험 결과 그래프이다. 6 is a conceptual cross-sectional view illustrating a multi-bit operation of a capacitorless memory device according to an exemplary embodiment. 7 is a graph illustrating an I-V curve of a front gate operation according to an embodiment, and FIGS. 8 and 9 are graphs of experimental results for explaining the effect of the front gate operation according to an embodiment. FIG. 10 is a graph illustrating an I-V curve of a back gate operation according to an embodiment, and FIGS. 11 and 12 are graphs of experimental results for explaining an effect of a back gate operation according to an embodiment.

본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자는 게이트 전압(VG)과 백바이어스 전압(VB)을 변화시켜 복수의 비트 동작을 수행할 수 있다. 즉, 게이트 전극부(140)에 양의 전압을 인가하고, 반도체 기판(110)에 가해지는 백바이어스로 음의 전압을 인가하여 하나의 비트 동작을 수행할 수 있다. 또한, 이와 반대로 게이트 전극부(140)에 음의 전압을 인가하고, 반도체 기판(110)의 백바이어스로 양의 전압을 인가하여 다른 하나의 비트 동작을 수행할 수 있다.The capacitorless memory device of the present exemplary embodiment may perform a plurality of bit operations by changing the gate voltage VG and the back bias voltage VB. That is, one bit operation may be performed by applying a positive voltage to the gate electrode unit 140 and applying a negative voltage as a back bias applied to the semiconductor substrate 110. On the contrary, another bit operation may be performed by applying a negative voltage to the gate electrode 140 and applying a positive voltage to the back bias of the semiconductor substrate 110.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 게이트 전극부(140)에 2V의 게이트 전압(VG)를 인가하고, 소스 영역(150)에 접지 전압(GND)을 소스 전압(VS)으로 제공하고, 백바이어스로 -20V를 제공한 상태에서 드레인 영역(160)에 1.5V와 4V를 각기 드레인 전압(VD)으로 인가하여 제 1 비트의 동작을 수행한다. 이때, 드레인 영역(160)에 1.5V를 제공함은 리드 동작을 수행하기 위함이고, 4V를 제공함은 기록 동작을 수행하기 위함이다.As shown in FIG. 6A, a gate voltage VG of 2V is applied to the gate electrode unit 140, and a ground voltage GND is provided to the source region 150 as the source voltage VS. In the state where -20V is provided as the back bias, 1.5V and 4V are respectively applied to the drain region 160 as the drain voltage VD to perform the operation of the first bit. In this case, providing 1.5V to the drain region 160 is for performing a read operation, and providing 4V is for performing a write operation.

또한, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 게이트 전극부(140)에 -1.5V의 게이트 전압(VG)을 인가하고, 소스 영역(150)에 접지 전압(GND)을 제공하고, 백바이어스(VB)로 20V를 제공한 상태에서 드레인 영역(160)에 1.5V와 4V를 각기 드레인 전 압(VD)로 인가하여 제 2 비트의 동작을 수행할 수 있게 된다.In addition, as shown in FIG. 6B, a gate voltage VG of −1.5 V is applied to the gate electrode unit 140, a ground voltage GND is provided to the source region 150, and a back bias is provided. In the state where 20V is provided as (VB), 1.5V and 4V are respectively applied to the drain region 160 as the drain voltage VD, thereby performing the operation of the second bit.

즉, 상기 게이트 전극의 게이트 전압으로 상기 바이어스 전압과 다른 극성의 전압을 인가하여 제 1 비트의 동작을 수행하고, 상기 게이트 전극과 상기 반도체 기판에 상기 제 1 비트 동작과 다른 극성의 게이트 전압 및 바이어스 전압을 인가하여 제 2 비트의 동작을 수행할 수 있게 된다. 여기서, 상술한 비트 동작시 바이어스 전압의 절대값이 상기 게이트 전압의 절대값보다 큰 것이 바람직하다.That is, a first bit operation is performed by applying a voltage having a different polarity from the bias voltage as a gate voltage of the gate electrode, and a gate voltage and a bias having a different polarity than the first bit operation are applied to the gate electrode and the semiconductor substrate. The voltage may be applied to perform the operation of the second bit. Here, it is preferable that the absolute value of the bias voltage is larger than the absolute value of the gate voltage in the above-described bit operation.

물론 본 실시예에 따른 무커패시터 메모리 소자는 멀티 레벨 동작도 가능하다. 이는 앞서 언급한 각 비트 동작시 인가되는 게이트 전압과 바이어스 전압에 따라 각기 다양한 레벨의 동작이 가능하다. 이에 관해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Of course, the capacitorless memory device according to the present embodiment may also perform multi-level operation. It is possible to operate at various levels according to the gate voltage and the bias voltage applied in each bit operation mentioned above. This will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이에 앞서 복수 비트 동작의 원리를 설명하면 다음과 같다. Prior to this, the principle of the multi-bit operation will be described.

먼저, 게이트 전극부(140)에 양의 전압이 인가되는 경우, 프론트 게이트 셀로 동작을 수행한다. 이때, 게이트 전극부(140)에 양의 전압이 인가되고, 반도체 기판(110)에 음의 전압이 인가됨으로 인해 게이트 전극부(140) 아래의 채널 영역(135) 중 반도체 기판(110)과 인접한 영역 즉, 바텀 절연층(120)과 접속한 반도체층(130) 영역에 홀이 쌓이게 된다. 그리고, 게이트 절연막(141)과 접속한 반도체층(130) 영역에 채널이 형성된다(도 6의 (a)참조). First, when a positive voltage is applied to the gate electrode 140, the front gate cell is operated. At this time, a positive voltage is applied to the gate electrode part 140 and a negative voltage is applied to the semiconductor substrate 110, so that the semiconductor substrate 110 is adjacent to the semiconductor substrate 110 in the channel region 135 under the gate electrode part 140. Holes are accumulated in the region, that is, in the region of the semiconductor layer 130 connected to the bottom insulating layer 120. Then, a channel is formed in the region of the semiconductor layer 130 connected to the gate insulating film 141 (see FIG. 6A).

이와 반대로, 반도체 기판(100)에 양의 전압이 인가되는 경우, 백 게이트 셀로 동작을 수행한다. 즉, 반도체 기판(100)에 양의 전압이 인가되고, 게이트 전극부(140)에 음의 전압이 인가됨으로 인해 채널 영역(135) 중 반도체 기판(110)과 인 접한 영역에 채널이 형성되고, 게이트 전극부(140)와 인접한 영역에 홀이 쌓이게된다(도 6의 (b)참조). On the contrary, when a positive voltage is applied to the semiconductor substrate 100, the operation is performed with the back gate cell. That is, a positive voltage is applied to the semiconductor substrate 100 and a negative voltage is applied to the gate electrode portion 140, so that a channel is formed in an area of the channel region 135 adjacent to the semiconductor substrate 110. Holes are accumulated in an area adjacent to the gate electrode part 140 (see FIG. 6B).

이때, 게이트 전극부(140)의 게이트 전극(142)과 반도체층(130) 사이에는 얇은 게이트 절연막(141)이 배치된다. 하지만, 반도체 기판(110)과 반도체층(130) 사이에는 게이트 절연막(141) 보다 두꺼운 바텀 절연층(120)이 형성되어 있다. In this case, a thin gate insulating layer 141 is disposed between the gate electrode 142 of the gate electrode unit 140 and the semiconductor layer 130. However, a bottom insulating layer 120 thicker than the gate insulating layer 141 is formed between the semiconductor substrate 110 and the semiconductor layer 130.

따라서, 반도체 기판(110) 즉, 백바이어스로 인가되는 전압의 세기가 게이트 전극부(140)에 인가되는 전압의 세기보다 커야 한다.Therefore, the strength of the voltage applied to the semiconductor substrate 110, that is, the back bias, must be greater than the strength of the voltage applied to the gate electrode 140.

이에 본 실시예에서는 다양한 실험을 통해 게이트 전극부에 1 내지 3V의 게이트 전압(VG)을 인가하고, 이때, 백바이어스 전압(VB)으로 -15 내지 -25V를 인가하는 것이 프론트 게이트 셀로 효과적으로 동작한다. 그리고, 이때 인가되는 게이트 전압(VG)에 따라 멀티 레벨로도 동작할 수 있다. In this embodiment, the gate voltage VG of 1 to 3 V is applied to the gate electrode part through various experiments, and at this time, applying -15 to -25 V as the back bias voltage VB effectively operates as the front gate cell. . At this time, the multi-level operation may be performed according to the gate voltage VG applied.

이를 도 7의 그래프를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 도 7의 그래프에서 점선(즉, D1, D2, D3)은 반도체층(130)으로 스트레인드 되지 않은 실리콘을 사용한 비교예의 경우이고, 실선(C1, C2, C3)은 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용한 실시예의 경우이다. 그리고, C1과, D1선의 결과는 게이트 전압(VG)로 1V를 사용한 경우의 결과 그래프이고, C2과, D2선의 결과는 게이트 전압(VG)로 2V를 사용한 경우의 결과 그래프이고, C3과, D3선의 결과는 게이트 전압(VG)로 3V를 사용한 경우의 결과 그래프이다. 이때, 백바이어스 전압(VB)으로는 모두 -20V를 인가하였다. This will be described with reference to the graph of FIG. 7. In the graph of FIG. 7, the dotted lines (ie, D1, D2, and D3) represent a comparative example using silicon that is not strained into the semiconductor layer 130, and the solid lines C1, C2 and C3 are strained into the semiconductor layer 130. This is the case of the embodiment using de silicon. The results of lines C1 and D1 are graphs of results when 1 V is used as the gate voltage VG, and the results of lines C2 and D2 are graphs of results of 2 V used as the gate voltage VG. The result of the line is a result graph when 3V is used as the gate voltage VG. At this time, -20 V was applied to all of the back bias voltages VB.

도 7의 그래프에서와 같이 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘층을 사용하 고, 게이트 전압(VG)으로 1 내지 3V의 전압을 사용하고, 백바이어스 전압(VB)으로 -20V 범위를 사용하는 경우, 앞선 도 3에서 언급한 바와 같은 I-V 커브가 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 7에서는 본 실시예의 커브별(C1, C2, C3) 흐르는 전류차가 비교예의 커브별(D1, D2, D3) 흐르는 전류차보다 큼을 알 수 있다. 이를 통해 멀티 레벨로의 동작이 가능하다. As shown in the graph of FIG. 7, a strained silicon layer is used as the semiconductor layer 130, a voltage of 1 to 3 V is used as the gate voltage VG, and a -20 V range is used as the back bias voltage VB. In this case, it can be seen that the IV curve as mentioned in FIG. In FIG. 7, it can be seen that the current difference flowing by the curves C1, C2, and C3 of the present embodiment is greater than the current difference flowing by the curves D1, D2, and D3 of the comparative example. This enables multilevel operation.

또한, 상기의 전압 범위로 게이트 전압과 백바이어스 전압을 인가함으로 인해 메모리 마진과 메모리 마진차를 높여 멀티 레벨로의 동작 구현도 가능하다. In addition, by applying the gate voltage and the back bias voltage in the above voltage range, the memory margin and the memory margin difference may be increased to implement multi-level operation.

즉, 도 8과 도 9의 E선과 G선은 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용한 본 실시예의 실험결과이고, F선과 H선은 반도체층(130)으로 스트레인드되지 않은 실리콘을 사용한 비교예이다. That is, the E and G lines of FIGS. 8 and 9 are the experimental results of the present embodiment using the strained silicon as the semiconductor layer 130, and the F and H lines compared with the non-strained silicon as the semiconductor layer 130. Yes.

도 8의 결과에서와 같이 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 경우, 백바이어스 전압(VB)으로 -20V를 사용하고, 게이트 전압을 1V에서 3V까지 가변시키더라도 메모리 마진이 비교예에 비하여 향상됨을 알 수 있다. 또한, 도 9의 결과에서와 같이 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자는 게이트 바이어스 범위가 변화된 경우의 메모리 마진차 또한 비교예에 비하여 향상됨을 알 수 있다. 즉, 도 9에서와 같이 게이트 바이어스 전압이 1.7V와 1.0V 간의 메모리 마진차가 비교예에서는 약 23㎂였지만, 본 실시예에서는 45.2㎂였다. 이와 같이 메모리 마진차가 큼으로 인해 멀티 레벨의 구현이 용이하다. As shown in the result of FIG. 8, in the capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment, even though -20 V is used as the back bias voltage VB and the gate voltage is varied from 1 V to 3 V, the memory margin is improved compared to the comparative example. It can be seen. In addition, as shown in the result of FIG. 9, it can be seen that in the capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment, the memory margin difference when the gate bias range is changed is also improved as compared with the comparative example. That is, as in FIG. 9, the memory margin difference between the gate bias voltage of 1.7V and 1.0V was about 23 mA in the comparative example, but was 45.2 mA in this embodiment. Such a large memory margin difference facilitates the implementation of multiple levels.

또한, 본 실시예에서는 다양한 실험을 통해 게이트 전극부에 -0.5 내지 -2V의 게이트 전압(VG)을 인가하고, 이때, 백바이어스 전압(VB)으로 5 내지 25V를 인 가하는 것이 백 게이트 셀로 효과적으로 동작할 수 있다. 이를 통해 앞선 프론트 게이트 셀과 함께 복수 비트로 동작할 수 있게 된다. In this embodiment, the gate voltage VG of -0.5 to -2V is applied to the gate electrode part through various experiments, and at this time, adding 5 to 25V as the back bias voltage VB effectively operates as the back gate cell. can do. Through this, it is possible to operate with a plurality of bits together with the front gate cell.

또한, 이때, 백바이어스 전압(VB) 범위에 따라 멀티 레벨 구현도 가능하다. In addition, multi-level implementation may be possible according to the back bias voltage (VB) range.

이를 도 10의 그래프를 중심으로 설명하면 다음과 같다. 도 10의 그래프에서 실선(I1, I2, I3, I4)은 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용한 실험예의 경우이고, 점선(즉, J1, J2, J3, J4)은 반도체층(130)으로 스트레인드 되지 않은 실리콘을 사용한 경우이다. 그리고, I1과, J1선의 결과는 백바이어스(VB)로 5V를 사용한 경우의 결과 그래프이고, I2와, J2선의 결과는 백바이어스(VB)로 10V를 사용한 경우의 결과 그래프이고, I3과, J3선의 결과는 백바이어스(VB)로 15V를 사용한 경우의 결과 그래프이고, I4과, J4선의 결과는 백바이어스(VB)로 20V를 사용한 경우의 결과 그래프이다. 이때, 게이트 전압(VG)로는 모두 -1.5V를 인가하였다.This will be described with reference to the graph of FIG. 10. In the graph of FIG. 10, the solid lines I1, I2, I3, and I4 are examples of an experimental example using strained silicon as the semiconductor layer 130, and the dotted lines (ie, J1, J2, J3, and J4) represent the semiconductor layer 130. This is the case with non-strained silicon. The I1 and J1 lines are the result graphs when 5 V is used as the back bias (VB), and the I2 and J2 lines are the result graphs when 10 V is used as the back bias (VB), and I3 and J3. The result of the line is a result graph when 15 V is used as the back bias VB, and the result of the line I4 and J4 is a result graph when 20 V is used as the back bias VB. At this time, −1.5 V was applied to all of the gate voltages VG.

도 10의 그래프에서와 같이 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘층을 사용하고, 게이트 전압(VG)으로 -1.5V의 전압을 사용하고, 백바이어스 전압(VB)으로 5V 내지 20V 범위를 사용하는 경우, 앞선 도 3에서 언급한 바와 같은 I-V 커브가 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 10에서는 본 실시예의 커브별(I1, I2, I3, I4) 흐르는 전류차가 비교예의 커브별(J1, J2, J3, J4) 흐르는 전류차보다 큼을 알 수 있다. 이를 통해 멀티 레벨로의 동작이 가능하다. As shown in the graph of FIG. 10, a strained silicon layer is used as the semiconductor layer 130, a voltage of −1.5 V is used as the gate voltage VG, and a range of 5 V to 20 V is used as the back bias voltage VB. In this case, it can be seen that the IV curve as mentioned in FIG. In FIG. 10, it can be seen that the current difference flowing by the curves I1, I2, I3, and I4 of the present embodiment is greater than the current difference flowing by the curves J1, J2, J3, and J4 of the comparative example. This enables multilevel operation.

또한, 상기의 전압 범위로 백바이어스 전압(VB)과 게이트 전압(VG)을 인가함으로 인해 메모리 마진과 메모리 마진차를 높여 멀티 레벨로의 동작을 효과적으로 구현도 가능하다. In addition, by applying the back bias voltage (VB) and the gate voltage (VG) in the above voltage range, it is possible to effectively implement a multi-level operation by increasing the memory margin and memory margin difference.

즉, 도 11과 도 12의 K선과 M선은 반도체층(130)으로 스트레인드 실리콘을 사용한 본 실시예의 실험결과이고, L선과 N선은 반도체층(130)으로 스트레인드되지 않은 실리콘을 사용한 비교예이다. That is, the K and M lines of FIGS. 11 and 12 are experimental results of the present embodiment using the strained silicon as the semiconductor layer 130, and the L and N lines compared with the non-strained silicon as the semiconductor layer 130. FIG. Yes.

도 11의 결과에서와 같이 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 경우, 백바이어스 전압(VB)을 5V에서 20V로 가변시키더라도 메모리 마진이 비교예에 비하여 향상됨을 알 수 있다. 또한, 도 12의 결과에서와 같이 본 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자는 백바이어스 전압(VB)가 변화된 경우의 메모리 마진차 또한 비교예에 비하여 향상됨을 알 수 있다. 즉, 도 12에서와 같이 비교예에서는 백바이어스 전압(VB)의 10V와 5V 간의 메모리 마진차가 26.9㎂였지만, 본 실시예에서는 52.8㎂였다. 이와 같이 메모리 마진차가 큼으로 인해 멀티 레벨의 구현이 용이하다. As shown in the result of FIG. 11, in the capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment, even if the back bias voltage VB is changed from 5V to 20V, the memory margin is improved as compared with the comparative example. In addition, as shown in the result of FIG. 12, in the capacitorless memory device according to the present exemplary embodiment, the memory margin difference when the back bias voltage VB is changed is also improved as compared with the comparative example. That is, as shown in FIG. 12, in the comparative example, the memory margin difference between the 10 V and 5 V of the back bias voltage VB was 26.9 ms, but was 52.8 ms in this embodiment. Such a large memory margin difference facilitates the implementation of multiple levels.

또한, 본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자는 데이터 보유 능력이 프론트 게이트 동작과 백 게이트 동작 모두 양호함을 알 수 있다. In addition, it can be seen that the capacitorless memory device of this embodiment has a good data retention capability in both the front gate operation and the back gate operation.

도 13은 본 실시예의 프론트 게이트 동작 시의 보유 능력을 측정한 그래프이고, 도 14는 백 게이트 동작시의 보유 능력을 측정한 그래프이다. Fig. 13 is a graph measuring the retention capability in the front gate operation of this embodiment, and Fig. 14 is a graph measuring the retention capability in the back gate operation.

도 13과 도 14에서는 먼저 350 내지 650밀리초(㎳) 사이 구간에서는 '1'을 기록한 후의 보유 특성을 살펴보았다. 그리고, 650밀리초와 700밀리초 사이에 소거를 수행하였고, 700밀리초에서 1000밀리초 사이에서는 '0'을 기록한 후의 보유 특성을 살펴보았다. 그리고, 도 13의 선들 즉, P1, P2, P3 및 P4는 각기 게이트 전압(VG)으로 3V, 2.33V, 1.67V 및 1V를 인가한 결과 값이다. 도 14의 선들 Q1, Q2 및 Q3는 각기 백바이어스 전압(VB)으로 20V, 15V 및 10V를 인가한 결과 값이다. 13 and 14, the retention characteristics after recording '1' in the interval between 350 and 650 milliseconds were examined first. Then, the erase operation was performed between 650 milliseconds and 700 milliseconds, and the retention characteristics after recording '0' between 700 milliseconds and 1000 milliseconds were examined. In addition, the lines of FIG. 13, that is, P1, P2, P3, and P4 are the result values of applying 3V, 2.33V, 1.67V, and 1V as the gate voltage VG, respectively. Lines Q1, Q2, and Q3 in FIG. 14 are values obtained by applying 20V, 15V, and 10V to the back bias voltage VB, respectively.

상기 두 그래프를 살펴보면 먼저 도 13과 도 14와 같이 프론트 게이트와 백 게이트 동작을 수행하게 됨으로 인해 복수 비트 구동이 가능하다. 또한, 도 13과 도 14 각각의 그래프 내의 선과 같이 게이트 전압(VG) 및 백바이어스 전압(VB)의 전압 값에 따라 멀티 레벨 구동이 가능하다. 또한, 메모리 소자의 '1'과 '0' 사이의 동작에서 그 데이터 보유 능력이 우수함을 알 수 있다. Referring to the two graphs, first, as shown in FIGS. 13 and 14, the front gate and back gate operations are performed, thereby enabling a plurality of bits to be driven. In addition, multi-level driving is possible according to voltage values of the gate voltage VG and the back bias voltage VB as shown in the graphs of FIGS. 13 and 14. In addition, it can be seen that the data retention capability is excellent in the operation between '1' and '0' of the memory device.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the invention has been described with reference to the accompanying drawings and the preferred embodiments described above, the invention is not limited thereto, but is defined by the claims that follow. Accordingly, one of ordinary skill in the art may variously modify and modify the present invention without departing from the spirit of the following claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 단면도. 1 is a cross-sectional view of a capacitorless memory device according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 실시예의 무 커패시터 메모리 소자의 전자 이동도를 측정한 실험 결과. 2 is an experimental result of measuring the electron mobility of the capacitorless memory device of the present embodiment.

도 3은 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 개념도. 3 is a conceptual diagram illustrating an operation of a capacitorless memory device according to an exemplary embodiment.

도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 개념 단면도. 4 and 5 are conceptual cross-sectional views for describing an operation of a capacitorless memory device according to example embodiments.

도 6은 일 실시예에 따른 무 커패시터 메모리 소자의 복수 비트 동작을 설명하기 위한 개념 단면도. 6 is a conceptual cross-sectional view illustrating a multi-bit operation of a capacitorless memory device according to an exemplary embodiment.

도 7은 일 실시예에 따른 프론트 게이트 동작의 I-V커브를 나타낸 그래프.7 is a graph illustrating an I-V curve of a front gate operation according to an embodiment.

도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 프론트 게이트 동작 효과를 설명하기 위한 실험 결과 그래프. 8 and 9 are graphs of experimental results for explaining the effect of the front gate operation according to an embodiment.

도 10은 일 실시예에 따른 백 게이트 동작의 I-V커브를 나타낸 그래프.10 is a graph illustrating an I-V curve of a back gate operation according to an embodiment.

도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 백 게이트 동작 효과를 설명하기 위한 실험 결과 그래프. 11 and 12 are graphs of experimental results for explaining an effect of a back gate operation, according to an exemplary embodiment.

도 13은 본 실시예의 프론트 게이트 동작 시의 보유 능력을 측정한 그래프.Fig. 13 is a graph measuring the retention capability in the front gate operation of this embodiment.

도 14는 백게이트 동작시의 보유 능력을 측정한 그래프. 14 is a graph measuring retention capability in backgate operation.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110 : 반도체 기판 120 : 절연층110: semiconductor substrate 120: insulating layer

130 : 반도체층 140 : 게이트 전극부130: semiconductor layer 140: gate electrode portion

150 : 소스 영역 160 : 드레인 영역150: source region 160: drain region

Claims (11)

반도체 기판 상에 형성된 바텀 절연층 상에 스트레인드 실리콘을 증착하여 형성된 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성된 게이트 절연막 및 게이트 전극을 구비하고, 상기 게이트 전극 하측의 상기 반도체층에 채널이 형성되고, 상기 채널의 양측 반도체층에 소스 및 드레인 영역이 형성된 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법으로,A semiconductor layer formed by depositing strained silicon on a bottom insulating layer formed on a semiconductor substrate, a gate insulating film and a gate electrode formed on the semiconductor layer, and a channel is formed in the semiconductor layer below the gate electrode; A method of driving a capacitorless memory device in which source and drain regions are formed in both semiconductor layers of the channel, 상기 게이트 전극과 상기 반도체 기판에 각기 게이트 전압과 백 바이어스 전압을 인가하되,Applying a gate voltage and a back bias voltage to the gate electrode and the semiconductor substrate, respectively, 상기 게이트 전압으로 제 1 극성의 전압을 사용하고, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 제 1 극성과 극성이 다르고 그 절대값이 큰 제 2 극성의 전압을 사용하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And a voltage having a first polarity as the gate voltage and a voltage having a second polarity different from the first polarity and having a large absolute value as the back bias voltage. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 게이트 전압의 양의 전압 보다 그 절대 값이 큰 음의 전압을 사용하고, When a positive voltage is used as the gate voltage, a negative voltage whose absolute value is greater than the positive voltage of the gate voltage is used as the back bias voltage, 상기 게이트 전압으로 음의 전압을 사용하는 경우, 상기 백 바이어스 전압으로 상기 게이트 전압의 음의 전압 절대 값 보다 큰 양의 전압을 사용하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And using a negative voltage as the gate voltage, and using a positive voltage greater than an absolute value of the negative voltage of the gate voltage as the back bias voltage. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2, 상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 바텀 절연층과 인접한 채널 영역에 홀이 축적되고, When a positive voltage is used as the gate voltage, holes are accumulated in the channel region adjacent to the bottom insulating layer. 상기 게이트 전압으로 음의 전압을 사용하는 경우, 상기 게이트 절연막과 인접한 채널 영역에 홀이 축적되는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And when a negative voltage is used as the gate voltage, holes are accumulated in a channel region adjacent to the gate insulating layer. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2, 상기 게이트 전압으로 1 내지 3V를 사용할 때, 상기 백 바이어스 전압으로 -15 내지 -25V를 사용하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And using -15 to -25V as the back bias voltage when using 1 to 3V as the gate voltage. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2, 상기 게이트 전압으로 -0.5 내지 -2V를 사용할 때, 상기 백 바이어스 전압으로 5 내지 25V를 사용하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And using 5 to 25 volts as the back bias voltage when using -0.5 to -2 volts as the gate voltage. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 게이트 전압과 상기 백 바이어스 전압에 각기 다른 극성의 전압을 인가하여 복수 비트 구동을 수행하고, Multi-bit driving is performed by applying voltages having different polarities to the gate voltage and the back bias voltage, 상기 게이트 전압 및 상기 백 바이어스 전압의 전압 레벨을 가변하여 멀티 레벨 구동을 수행하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And a voltage level of the gate voltage and the back bias voltage is varied to perform multi-level driving. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, '1'의 데이터를 기록하기 위해 상기 소스 영역에 접지 전원을 제공하고, 상기 드레인 영역에 킹크 전압 보다 큰 쓰기 전압을 인가하고, Provide a ground power source to the source region to write data of '1', apply a write voltage greater than a kink voltage to the drain region, 데이터 소거를 위해 상기 드레인 영역에 소거 전압을 인가하고, Applying an erase voltage to the drain region to erase data; 데이터 판독을 위해 상기 드레인 영역에 상기 킹크 전압과 상기 소거 전압 사이의 리드 전압을 인가하는 무 커패시터 메모리 소자의 구동 방법. And applying a read voltage between the kink voltage and the erase voltage to the drain region for data reading. 무 커패시터 메모리 소자에 있어서,In a capacitorless memory device, 백 바이어스 전압을 인가 받는 반도체 기판;A semiconductor substrate receiving a back bias voltage; 게이트 전압을 인가 받는 게이트 전극과 게이트 전극과 반도체 기판 사이에 위치한 게이트 절연막을 포함하는 게이트 전극부;A gate electrode part including a gate electrode to which a gate voltage is applied, and a gate insulating layer positioned between the gate electrode and the semiconductor substrate; 상기 반도체 기판상에 위치한 바텀 절연층;A bottom insulating layer on the semiconductor substrate; 상기 바텀 절연층과 상기 게이트 전극부 사이에 위치하고, 상기 백 바이어스 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 게이트 전극부 인접 영역에 홀이 축적되고, 상기 게이트 전압으로 양의 전압을 사용하는 경우, 상기 바텀 절연층 인접 영역에 홀이 축적되고 스트레인드 실리콘으로 제작된 채널; 및Located between the bottom insulating layer and the gate electrode portion, when a positive voltage is used as the back bias voltage, holes are accumulated in an area adjacent to the gate electrode portion, and when a positive voltage is used as the gate voltage. A channel made of strained silicon and having holes accumulated in an area adjacent to the bottom insulating layer; And 상기 채널 양측에서 채널에 접속된 소스 및 드레인 영역을 포함하는 무 커패시터 메모리 소자. And a source and a drain region connected to the channel at both sides of the channel. 청구항 8에 있어서, The method according to claim 8, 상기 바텀 절연층과 상기 게이트 전극부 사이에 스트레인드 실리콘으로 제작된 반도체층이 형성되고, 상기 반도체층에 상기 채널, 소스 및 드레인 영역이 형성된 무 커패시터 메모리 소자. And a semiconductor layer made of strained silicon is formed between the bottom insulating layer and the gate electrode, and the channel, source and drain regions are formed in the semiconductor layer. 청구항 8에 있어서, The method according to claim 8, 상기 게이트 전압으로 사용되는 전압의 절대값이 상기 백 바이어스 전압의 절대값 보다 작은 무 커패시터 메모리 소자. And an absolute value of the voltage used as the gate voltage is smaller than an absolute value of the back bias voltage. 청구항 8에 있어서, The method according to claim 8, 상기 게이트 전압과 상기 백 바이어스 전압에 각기 다른 극성의 전압을 인가하여 복수 비트 구동을 수행하고, 상기 게이트 전압 및 상기 백 바이어스 전압의 전압 레벨을 가변하여 멀티 레벨 구동을 수행하는 무 커패시터 메모리 소자.And a multi-bit driving by applying voltages having different polarities to the gate voltage and the back bias voltage, and performing multi-level driving by varying voltage levels of the gate voltage and the back bias voltage.
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