KR20170080441A - 서로 다른 폭들을 갖는 게이팅 라인들을 포함하는 뉴로모픽 소자 - Google Patents
서로 다른 폭들을 갖는 게이팅 라인들을 포함하는 뉴로모픽 소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20170080441A KR20170080441A KR1020160135651A KR20160135651A KR20170080441A KR 20170080441 A KR20170080441 A KR 20170080441A KR 1020160135651 A KR1020160135651 A KR 1020160135651A KR 20160135651 A KR20160135651 A KR 20160135651A KR 20170080441 A KR20170080441 A KR 20170080441A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gating
- line
- synapse
- lines
- gating lines
- Prior art date
Links
- 210000000225 synapse Anatomy 0.000 claims abstract description 110
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 38
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 27
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 26
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 26
- -1 tungsten nitride Chemical class 0.000 claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 11
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 11
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000011135 tin Substances 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 5
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 5
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 124
- 230000000946 synaptic effect Effects 0.000 description 36
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 8
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 7
- 230000001242 postsynaptic effect Effects 0.000 description 7
- 210000005215 presynaptic neuron Anatomy 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 6
- 238000003909 pattern recognition Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- IVHJCRXBQPGLOV-UHFFFAOYSA-N azanylidynetungsten Chemical compound [W]#N IVHJCRXBQPGLOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 4
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 4
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 4
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 4
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000001095 motoneuron effect Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000881 depressing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/06—Physical realisation, i.e. hardware implementation of neural networks, neurons or parts of neurons
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/02—Neural networks
- G06N3/04—Architecture, e.g. interconnection topology
- G06N3/049—Temporal neural networks, e.g. delay elements, oscillating neurons or pulsed inputs
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computational Linguistics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Neurology (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
제1 방향으로 연장하는 로우 라인; 상기 로우 라인 위에 배치되고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장하는 컬럼 라인; 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치된 다수의 게이팅 라인들; 및 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고, 상기 다수의 게이팅 라인들을 관통하는 시냅스를 포함하는 뉴로모픽 소자가 설명된다.
Description
본 발명은 뉴로모픽 소자에 관한 것으로서, 특히 시냅스의 외면을 감싸고 서로 다른 폭들을 갖는 다수의 게이팅 라인들을 포함하는 뉴로모픽 소자에 관한 것이다.
최근 인간의 뇌를 모방한 뉴로모픽 기술이 주목 받고 있다. 뉴로모픽 기술은 다수의 프리-시냅스 뉴런들, 다수의 포스트-시냅스 뉴런들, 및 다수의 시냅스들을 포함한다. 뉴로모픽 기술에 이용되는 뉴로모픽 소자는 학습된 상태에 따라 다양한 레벨, 크기, 또는 시간에 따른 펄스 또는 스파이크를 출력한다. 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 멀티 저항 레벨을 가질수록 성능이 개선된다. 본 발명의 기술적 사상은 다양한 폭들을 가진 게이팅 라인들을 이용하여 멀티 저항 레벨을 갖는 시냅스를 포함하는 뉴로모픽 소자를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 멀티 저항 레벨을 갖는 시냅스 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 멀티 저항 레벨을 갖는 시냅스 시스템을 포함하는 뉴로모픽 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 제1 방향으로 연장하는 로우 라인; 상기 로우 라인 위에 배치되고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장하는 컬럼 라인; 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치된 다수의 게이팅 라인들; 및 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고, 상기 다수의 게이팅 라인들을 관통하는 시냅스를 포함할 수 있다.
상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 평행하도록 배치될 수 있다.
상기 다수의 게이팅 라인들 중 적어도 하나는 상기 로우 라인 및 상기 컬럼 라인 중 하나와 평행할 수 있다.
상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
상기 다수의 게이팅 라인들은 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감쌀 수 있다.
상기 뉴로모픽 소자는 상기 다수의 게이팅 라인들과 상기 시냅스의 사이에 각각 형성된 다수의 흡수 층들을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 흡수 층들은 산화성 금속을 포함할 수 있다.
상기 다수의 흡수 층들은 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감싸는 림 모양을 가질 수 있다.
상기 뉴로모픽 소자는 상기 다수의 게이팅 라인들과 상기 다수의 흡수 층들 사이에 각각 형성된 다수의 배리어 층들을 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 배리어 층들은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 기타 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 내 산화성 전도성 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 다수의 배리어 층들은 상기 다수의 흡수 층들의 외면의 일부들을 감싸는 림 모양을 가질 수 있다.
상기 시냅스는 필라(pillar) 모양의 코어, 및 상기 코어의 외면을 감싸는 터널 층을 포함할 수 있다.
상기 코어는 페로브스카이트(perovskite)계 물질을 포함할 수 있다.
상기 터널 층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 그 조합 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 로우 라인; 상기 로우 라인 위에 배치된 컬럼 라인; 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치된 적어도 세 개의 게이팅 라인들; 및 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고 및 상기 게이팅 라인들을 관통하는 시냅스를 포함할 수 있다. 상기 게이팅 라인들은 서로 다른 두께들을 가질 수 있다. 상기 시냅스는 기둥 모양의 코어 및 상기 코어의 외면을 감싸는 터널 층을 포함할 수 있다.
상기 코어는 산소를 포함할 수 있다. 상기 게이팅 라인들은 산화성 금속을 포함할 수 있다.
상기 뉴로모픽 소자는 상기 게이팅 라인들과 상기 시냅스 사이에 상기 시냅스의 외면의 일부를 감싸도록 각각 형성된 적어도 세 개의 흡수 층들을 더 포함할 수 있다. 상기 흡수 층들은 산화성 금속을 포함할 수 있다.
상기 뉴로모픽 소자는 상기 다수의 게이팅 라인들과 상기 다수의 흡수 층들 사이에 각각 형성된 다수의 배리어 층들을 더 포함할 수 있다. 상기 배리어 층들은 내 산화성 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 제1 방향으로 연장하는 로우 라인; 상기 로우 라인 위에 배치되고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장하는 컬럼 라인; 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고 기둥 모양을 갖는 시냅스; 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감싸는 다수의 게이팅 라인들을 포함할 수 있다. 상기 시냅스는 산소를 포함하는 코어 및 상기 코어의 외면을 감싸고 상기 산소가 관통할 수 있는 터널 층을 포함할 수 있다. 상기 다수의 게이팅 라인들은 상기 로우 라인 또는 상기 컬럼 라인 중 적어도 하나와 평행하도록 연장할 수 있다. 상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 다른 두께들을 가질 수 있다. 상기 다수의 게이팅 라인들의 적어도 일부는 상기 터널 층을 관통한 상기 산소와 결합하여 산화될 수 있는 금속을 포함할 수 있다.
상기 게이팅 라인들은 적어도 3개 이상일 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면 시냅스 시스템이 멀티 저항 레벨을 가질 수 있다. 따라서, 뉴로모픽 소자의 시냅스의 학습 레벨이 세분화 될 수 있다.
기타 언급되지 않은 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 효과들은 본문 내에서 언급될 것이다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자들을 개념적으로 도시한 블록다이아그램들이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자의 하나의 시냅스 시스템을 개념적으로 도시한 3차원 도면들이다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 3b는 도 3a의 I-I' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 3c 내지 3e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면들이다.
도 3f 및 3g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 3h 및 3i는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 4b는 도 4a의 II-II' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4d 및 4e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 4f 및 4g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고 및 도 5b 내지 5d는 도 5a의 III-III' 선을 따라 절단한 종단면도들이다.
도 6a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6d는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6e는 도 6d에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템을 개념적으로 도시한 블록다이아그램이다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자의 하나의 시냅스 시스템을 개념적으로 도시한 3차원 도면들이다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 3b는 도 3a의 I-I' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 3c 내지 3e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면들이다.
도 3f 및 3g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 3h 및 3i는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 4b는 도 4a의 II-II' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4d 및 4e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 4f 및 4g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고 및 도 5b 내지 5d는 도 5a의 III-III' 선을 따라 절단한 종단면도들이다.
도 6a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6d는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 6e는 도 6d에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템을 개념적으로 도시한 블록다이아그램이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 ‘접속된(connected to)’ 또는 ‘커플링된(coupled to)’ 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 ‘직접 접속된(directly connected to)’ 또는 ‘직접 커플링된(directly coupled to)’으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. ‘및/또는’은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 ‘아래(below)’, ‘아래(beneath)’, ‘하부(lower)’, ‘위(above)’, ‘상부(upper)’ 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 ‘아래(below)’ 또는 ‘아래(beneath)’로 기술된 소자는 다른 소자의 ‘위(above)’에 놓여질 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
본 명세서에서, 강화(potentiation), 셋(set), 및 학습(learning)이 동일하거나 유사한 용어로 사용되고, 및 억제(depressing), 리셋(reset), 및 초기화(initiation)가 동일하거나 유사한 의미로 사용될 것이다. 예를 들어, 시냅스들의 저항을 낮추는 동작이 강화, 셋, 또는 학습으로 설명될 것이고, 및 시냅스들의 저항을 높이는 동작이 억제, 리셋, 또는 초기화로 설명될 것이다. 또한, 시냅스들이 강화, 셋, 또는 학습되면 전도도가 증가하므로 점진적으로 높은 전압/전류가 출력될 수 있고, 및 시냅스들이 억제, 리셋, 또는 초기화되면 전도도가 감소하므로 점진적으로 낮은 전압/전류가 출력될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 데이터 패턴, 전기적 신호, 펄스, 스파이크, 및 파이어(fire)는 동일하거나, 유사하거나, 또는 호환되는 의미인 것으로 해석될 수 있다. 또한, 전압과 전류도 동일하거나 호환되는 의미인 것으로 해석될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자들을 개념적으로 도시한 블록다이아그램들이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 다수의 프리-시냅틱 뉴런들(10), 로우 라인들(15), 포스트-시냅틱 뉴런들(20), 컬럼 라인들(25), 시냅스들(30), 로우 게이팅 컨트롤러들(40R), 및 로우 게이팅 라인들(50R)을 포함할 수 있다. 로우 라인들(15)과 로우 게이팅 라인들(50R)은 평행할 수 있다.
프리-시냅틱 뉴런들(10)은 학습 모드 (learning mode), 리셋 모드 (reset mode), 또는 독출 모드 (reading mode) 에서 로우 라인들(15)을 통하여 시냅스들(30)로 전기적 신호들을 전송할 수 있다.
포스트-시냅틱 뉴런들(20)은 학습 모드 또는 리셋 모드에서 컬럼 라인들(25)을 통하여 시냅스들(30)로 전기적 펄스를 전송할 수 있고, 및 독출 모드에서 컬럼 라인들(25)을 통하여 시냅스들(30)로부터 전기적 신호들을 수신할 수 있다.
로우 라인들(15)은 각각 프리-시냅틱 뉴런들(10) 중 하나로부터 로우 방향으로 연장하여 다수의 시냅스들(30)과 전기적으로 연결될 수 있다.
컬럼 라인들(25)은 각각 포스트-시냅틱 뉴런들(20) 중 하나로부터 컬럼 방향으로 연장하여 다수의 시냅스들(30)과 전기적으로 연결될 수 있다.
로우 게이팅 컨트롤러들(40R)는 로우 게이팅 라인들(50R)을 통하여 시냅스들(30)로 게이팅 신호를 제공할 수 있다.
로우 게이팅 라인들(50R)은 각각 로우 게이팅 컨트롤러들(40R) 중 하나로부터 로우 방향으로 연장하여 다수의 시냅스들(30)과 전기적으로 연결될 수 있다.
시냅스들(30)은 로우 라인들(15)과 컬럼 라인들(25)의 교차점들에 배치될 수 있다. 동일한 로우 라인(15)을 공유하는 시냅스들(30)은 동일한 로우 게이팅 라인(50)을 공유할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 다수의 프리-시냅틱 뉴런들(10), 로우 라인들(15), 포스트-시냅틱 뉴런들(20), 컬럼 라인들(25), 시냅스들(30), 컬럼 게이팅 컨트롤러들(40C), 및 컬럼 게이팅 라인들(50)을 포함할 수 있다. 컬럼 게이팅 컨트롤러들(40C)은 컬럼 게이팅 라인들(50C)을 통하여 시냅스들(30)로 게이팅 신호를 제공할 수 있다. 컬럼 게이팅 라인들(50C)은 각각 컬럼 게이팅 컨트롤러들(40C) 중 하나로부터 컬럼 방향으로 연장하여 다수의 시냅스들(30)과 전기적으로 연결될 수 있다. 동일한 컬럼 라인(25)을 공유하는 시냅스들(30)은 동일한 컬럼 게이팅 라인(50C)을 공유할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자는 다수의 프리-시냅틱 뉴런들(10), 로우 라인들(15), 포스트-시냅틱 뉴런들(20), 컬럼 라인들(25), 시냅스들(30), 로우 게이팅 컨트롤러들(40R), 컬럼 게이팅 컨트롤러들(40C), 로우 게이팅 라인들(50R), 및 컬럼 게이팅 라인들(50C)을 포함할 수 있다. 로우 게이팅 컨트롤러들(40R)은 로우 게이팅 라인들(50R)을 통하여 시냅스들(30)로 게이팅 신호를 제공할 수 있고, 및 컬럼 게이팅 컨트롤러들(40C)은 컬럼 게이팅 라인들(50C)을 통하여 시냅스들(30)로 게이팅 신호를 제공할 수 있다. 동일한 로우 라인(15)을 공유하는 시냅스들(30)은 동일한 로우 게이팅 라인(50R)을 공유할 수 있고, 및 동일한 컬럼 라인(25)을 공유하는 시냅스들(30)은 동일한 컬럼 게이팅 라인(50C)을 공유할 수 있다. 즉, 시냅스들(30)은 각각 하나의 로우 라인(15), 하나의 컬럼 라인(25), 하나의 로우 게이팅 라인(50R), 및 하나의 컬럼 게이팅 라인(50C)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2a 내지 2d는 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자의 하나의 시냅스 시스템을 개념적으로 도시한 3차원 도면들이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 로우 라인(15), 컬럼 라인(25), 시냅스(30), 및 로우 게이팅 라인(50R)을 포함할 수 있다. 로우 라인(15)은 X-방향으로 연장하는 라인 모양을 가질 수 있다. 로우 게이팅 라인(50R)은 로우 라인(15) 위에(above) 로우 라인(15)과 평행하도록 X-방향으로 연장하는 라인 모양을 가질 수 있다. 예를 들어, 로우 게이팅 라인(50R)은 시냅스(30)의 측벽을 감쌀 수 있다. 컬럼 라인(25)은 로우 라인(15) 및 컬럼 라인(25) 상에 X-방향과 직교하는 Y-방향으로 연장하는 라인 모양을 가질 수 있다. 시냅스(30)는 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25)의 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상면도에서, 시냅스(30)는 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25)의 교차점에 배치될 수 있다. 시냅스(30)의 하부는 로우 라인(15)과 전기적으로 연결되도록 직접적으로 접촉할 수 있고, 및 시냅스(30)의 상부는 컬럼 라인(15)과 전기적으로 연결되도록 직접적으로 접촉할 수 있다. 시냅스(30)는 로우 게이팅 라인(50R)을 관통할 수 있다. 즉, 로우 게이팅 라인(50R)은 시냅스(30)의 측면들을 감쌀 수 있다. 본 발명의 기술적 사상의 확장된 실시예에서, 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25)의 위치는 서로 바뀔 수 있다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 X-방향으로 연장하는 로우 라인(15), Y-방향으로 연장하는 컬럼 라인(25), 시냅스(30), 및 Y-방향으로 연장하는 컬럼 게이팅 라인(50C)을 포함할 수 있다. 컬럼 게이팅 라인(50C)은 로우 라인(15) 위에(above) 컬럼 라인(25)과 평행하도록 X-방향으로 연장하는 라인 모양을 가질 수 있다. 시냅스(30)는 컬럼 게이팅 라인(50C)을 관통할 수 있고, 컬럼 게이팅 라인(50C)은 시냅스(30)의 측면들을 감쌀 수 있다.
도 2c를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 X-방향으로 연장하는 로우 라인(15), Y-방향으로 연장하는 컬럼 라인(25), 시냅스(30), X-방향으로 연장하는 로우 게이팅 라인(50R), 및 Y-방향으로 연장하는 컬럼 게이팅 라인(50C)을 포함할 수 있다. 로우 게이팅 라인(50R)은 컬럼 게이팅 라인(50C) 위에(above) 배치될 수 있다. 즉, X-방향으로 연장하는 로우 라인(15), Y-방향으로 연장하는 컬럼 게이팅 라인(50C), X-방향으로 연장하는 로우 게이팅 라인(50R), 및 Y-방향으로 연장하는 컬럼 라인(25)이 교번하도록(alternating) 배치될 수 있다. 시냅스(30)는 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25) 사이에 로우 게이팅 라인(50R) 및 컬럼 게이팅 라인(50C)을 관통할 수 있고, 로우 게이팅 라인(50R) 및 컬럼 게이팅 라인(50C)은 시냅스(30)의 측면들을 감쌀 수 있다.
도 2d를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 X-방향으로 연장하는 로우 라인(15), Y-방향으로 연장하는 컬럼 라인(25), 시냅스(30), X-방향으로 연장하는 로우 게이팅 라인(50R), 및 Y-방향으로 연장하는 컬럼 게이팅 라인(50C)을 포함할 수 있다. 즉, 로우 게이팅 라인(50R) 및 컬럼 게이팅 라인(50C)은 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 3b는 도 3a의 I-I' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 로우 라인(15), 로우 라인(15) 위의 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b), 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b) 위의 컬럼 라인들(25), 및 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25) 사이에 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)을 관통하도록 배치된 시냅스(30)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 시냅스(30)의 측면들을 감쌀 수 있다. 시냅스(30)는 필라(pillar) 모양의 코어(31) 및 코어(31)를 감싸는 실린더 모양의 터널 층(32)을 포함할 수 있다. 즉, 터널 층(32)은 코어(31)의 외측면들을 감쌀 수 있다. 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 로우 라인(15) 또는 컬럼 라인(25) 중 하나와 평행할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 도 2a 내지 2d의 로우 게이팅 라인(50R) 또는 컬럼 게이팅 라인(50C) 중 어느 하나 또는 둘 다일 수 있다. 제1 게이팅 라인(51a)과 제2 게이팅 라인(51b)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 각각 서로 다른 제1 두께(T1) 및 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 두께(T2)는 제1 두께(T1)의 정수 배일 수 있다. 구체적으로, 제1 게이팅 라인(51a)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있고, 제2 게이팅 라인(51b)은 제1 두께(T1)의 두 배인 제2 두께(T2)를 가질 수 있다.
로우 라인(15) 및 컬럼 라인(25)은 텅스텐(W), 텅스텐 질화물(WN), 구리(Cu), 티타늄 질화물(TiN), 또는 기타 비-산화성 금속 또는 비-산화성 금속 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 산소 이온들과 결합하여 부분적으로 산화될 수 있는 금속들, 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 란타늄(La), 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 또는 기타 산화성 금속들 중 하나를 포함할 수 있다.
시냅스(30)의 코어(31)는 이동성 산소 이온들을 갖는 금속 산화물 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코어(31)는 페로브스카이트(perovskite)계 물질 (PrxCayMnO3, PCMO)을 포함할 수 있다. (x 및 y는 양수. 예를 들어, x+y=1) 터널 층(32)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 기타 절연물을 포함할 수 있다.
도 3c 내지 3e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면들이다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템에서, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 0(zero) 또는 양(+)의 전압이 선택적으로 인가된 경우일 수 있다. 앞서 언급되었듯이, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 도 2a 내지 2d에 도시된 로우 게이팅 라인(50R) 또는 컬럼 게이팅 라인(50C) 중 어느 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 모두 로우 게이팅 라인(50R)일 수도 있고, 모두 컬럼 게이팅 라인(50C)일 수도 있고, 및 각각 하나씩일 수도 있다.
도 3c를 참조하면, 제1 게이팅 라인(51a)에 양(+)의 전압이 인가되고, 및 제2 게이팅 라인(51b)에 아무 전압이 인가되지 않으면 제1 게이팅 라인(51a)의 일부가 제1 산화층(55a)으로 변환될 수 있고, 및 시냅스(30)의 코어(31)의 내에 제1 채널(56a)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 게이팅 라인(51a)에 양(+)의 전압이 인가되면 시냅스(30)의 코어(31) 내에 포함된 산소 이온들(O-)이 터널 층(32)을 통과하여 제1 게이팅 라인(51a) 쪽으로 터널링할 수 있다. 따라서, 제1 게이팅 라인(51a) 내에 터널 층(32)과 인접하게 제1 산화층(55a)이 형성될 수 있다. 제1 산화층(55a)은 시냅스(30)의 외측면을 감싸는 림(rim) 모양을 가질 수 있다. 코어(31)의 중심에 제1 채널들(56a)이 형성될 수 있다. 제1 채널(56a)은 코어(31)를 둘러싸고 있는 제1 게이팅 라인(51a)에 의한 전기적 필드(electric field)에 의해 코어(31) 내의 산소 이온들(O-)이 터널 층(32)을 통과하여 제1 게이팅 라인(51a) 쪽으로 이동함으로써 발생한 산소 이온 결핍 현상에 의해 형성될 수 있다. 즉, 제1 채널(56a)은 산소 이온(O-)이 결핍되었으므로 전기적 전도성이 변할 수 있다. 예를 들어, 코어(31)가 N-형 물질을 포함하는 경우, 제1 채널(56a)의 전기적 저항이 낮아지고 및 전기적 전도성이 높아질 수 있다. 이와 반대로, 코어(31)가 P-형 물질을 포함하는 경우, 제1 채널(56a)의 전기적 저항이 높아지고 및 전기적 전도성이 낮아질 수 있다. 이후의 설명에서, 코어(31)가 N-형 물질을 포함하는 것으로 가정된다. 제1 채널(56a)은 제1 게이팅 라인(51a)의 수직 두께(T1)에 대응하는 수직 길이(L1)를 가질 수 있다. 제1 채널(56a)의 수평 폭은 제1 게이팅 라인(51a)에 인가되는 전압에 따라 변화할 수 있다. 제1 채널(56a)이 형성됨으로써, 로우 라인(15)으로부터 컬럼 라인(25)까지의 시냅스(30)의 코어(31)의 전기적 저항이 낮아질 수 있다.
도 3d를 참조하면, 제2 게이팅 라인(51b)에 양(+)의 전압이 인가되고 및 제1 게이팅 라인(51a)에 실질적으로 아무 전압이 인가되지 않으면, 제2 게이팅 라인(51b)의 일부가 제2 산화층(55b)으로 변환될 수 있고, 및 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제2 채널(56b)이 형성될 수 있다. 제2 채널(56b)은 제2 게이팅 라인(51b)의 수직 두께(T2)에 대응하는 수직 길이(L2)를 가질 수 있다. 도 3a 및 3b를 더 참조하여, 제2 게이팅 라인(51b)의 수직 두께(T2)가 제1 게이팅 라인(51a)의 수직 두께(T1)의 두 배이므로, 제2 채널(56b)의 수직 길이(L2)는 제1 채널(56a)의 수직 길이(L1)의 두 배일 수 있다. 따라서, 제2 채널(56b)이 형성됨으로써, 로우 라인(15)으로부터 컬럼 라인(25)까지의 시냅스(30)의 코어(31)의 전기적 저항이 제1 채널(56a)만 형성된 경우보다 더 낮아질 수 있다.
도 3e를 참조하면, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 모두 양(+)의 전압이 인가되면 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)의 일부들이 각각 제1 및 제2 산화층들(55a, 55b)로 변환될 수 있고, 및 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제1 및 제2 채널들(56a, 56b)이 형성될 수 있다. 따라서, 로우 라인(15)으로부터 컬럼 라인(25)까지의 시냅스(30)의 코어(31)의 전기적 저항이 더 낮아질 수 있다.
도 3b 내지 3e를 참조하면, 코어(31)는 네 레벨의 저항 상태를 가질 수 있다. 즉, 코어(31) 내에 형성된 제1 및 제2 채널들(56a, 56b)의 길이는 0(zero), L1, L2, 및 L3 (L1+L2)의 네 조합들을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 시냅스(30)는 네 단계의 저항 레벨들에 따른 멀티 비트 저장 능력을 가질 수 있다. 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 선택적으로 양(+)의 전압이 인가될 경우, 제1 및 제2 채널들(56a, 56b)이 선택적으로 형성됨으로써, 코어(31)가 4개의 저항 레벨들(Level 0 ~ Level 3)을 가질 수 있다는 것이 표 1에 요약되었다.
| 저항 Level | 제1 게이팅 라인 | 제2 게이팅 라인 |
| Level 0 | Off | Off |
| Level 1 | On | Off |
| Level 2 | Off | On |
| Level 3 | On | On |
도 3c 내지 3e를 참조하여 설명된 시냅스 시스템에서, 산화층들(55a, 55b)은 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 음(-)의 전압을 인가함으로써 환원될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 음(-)의 전압이 인가됨으로써, 산화층들(55a, 55b) 내의 산소 이온들이 다시 시냅스(30)의 코어(31)로 터널링될 수 있다. 즉, 시냅스(30)가 리셋될 수 있다.
도 3f 및 3g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다.
도 3f를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 3b에 도시된 시냅스 시스템과 비교하여 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)(absorption layers)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 각각 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)과 시냅스(30)의 사이에 형성될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 시냅스(30)의 외측면을 감싸는 림(rim) 모양을 가질 수 있다. 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 시냅스(30)의 코어(31)로부터 터널링된 산소 이온들을 흡수할 수 있다. 즉, 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 쉽게 산화될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 란타늄(La), 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 또는 기타 산화성 금속들 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 전도성 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 쉽게 산화되지 않는 내 산화성 전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 3g를 참조하면, 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)에 양(+)의 전압이 인가됨으로써, 시냅스(30)의 코어(31) 내의 산소 이온들이 터널 층(32)을 관통하여 제1 및 제2 흡수 층들(51a, 52b) 내부로 터널링할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 제1 및 제2 산화층들(55a, 55b)로 변화할 수 있다. 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제1 및 제2 채널들(56a, 56b)이 형성될 수 있다. 도 3c 및 3d, 및 표 1을 더 참조하여, 시냅스(30)의 코어(31)는 네 단계의 저항 레벨들을 가질 수 있다.
도 3h 및 3i는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다. 도 3h를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 3f에 도시된 시냅스 시스템과 비교하여 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)과 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b) 사이에 형성된 제1 및 제2 배리어 층들(53a, 53b)(barrier layers)을 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 배리어 층들(53a, 53b)은 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)의 외측면을 감싸는 림 모양을 가질 수 있다. 제1 및 제2 배리어 층들(53a, 53b)은 시냅스(30)의 코어(31)로부터 터널링된 산소 이온들이 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)로 확산 또는 이동하는 것을 블로킹 할 수 있다. 따라서, 시냅스(30)의 코어(31)로부터 터널링된 산소 이온들은 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)만 산화시키는 데 이용될 수 있다. 제1 및 제2 배리어 층들(53a, 53b)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 기타 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 내 산화성 전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 3i를 참조하면, 제1 및 제2 게이팅 라인(51a, 51b)에 양(+)의 전압이 인가됨으로써, 시냅스(30)의 코어(31) 내의 산소 이온들이 터널 층(32)을 관통하여 제1 및 제2 흡수 층들(51a, 52b) 내부로 터널링할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 흡수 층들(52a, 52b)은 제1 및 제2 산화층들(55a, 55b)로 변화할 수 있다. 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제1 및 제2 채널들(56a, 56b)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 배리어 층들(53a, 53b)에 의하여 산소 이온들은 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)로 확산 또는 이동하지 못하므로 제1 및 제2 게이팅 라인들(51a, 51b)은 산화되지 않을 수 있다. 도 3c 및 3d, 및 표 1을 더 참조하여, 시냅스(30)의 코어(31)는 네 단계의 저항 레벨들을 가질 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고, 도 4b는 도 4a의 II-II' 라인을 따라 절단한 종단면도이다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 로우 라인(15), 컬럼 라인(25), 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25) 사이의 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c), 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)을 관통하는 시냅스(30)를 포함할 수 있다.
제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)은 각각 서로 다른 두께들(T1, T2, T3)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 및 제3 두께들(T2, T3)는 제1 두께(T1)의 정수 배일 수 있다. 구체적으로, 제1 게이팅 라인(51a)은 제1 두께(T1)을 가질 수 있고, 제2 게이팅 라인(51b)은 제1 두께(T1)의 두 배인 제2 두께(T2)를 가질 수 있고, 및 제3 게이팅 라인(51c)은 제1 두께(T1)의 세 배인 제3 두께(T3)를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)의 위치들은 다양하게 서로 바뀔 수 있다.
도 4c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 동작을 설명하는 도면이다. 도 4c를 참조하면, 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 양(+)의 전압이 인가되면 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c) 내에 터널 층(32)과 인접하게 제1 내지 제3 산화층들(55a-55c) 및 코어(31) 내에 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)의 수직 길이들(L1-L3)은 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)의 수직 두께들(T1-T3)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 채널(56a)은 제1 수직 길이(L1)을 가질 수 있고, 제2 채널(56b)은 제1 수직 길이(L1)의 두 배인 제2 수직 길이(L2)를 가질 수 있고, 및 제3 채널(56c)은 제1 수직 길이(L1)의 세 배인 제3 수직 길이(L3)를 가질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 확장된 실시예에서, 도 3c 및 3d를 참조하여, 양(+)의 전압들은 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 선택적으로 인가될 수 있다. 상세하게, 제1 내지 제3 산화층들(55a-55c) 및 제1 내지 제4 채널들(56a-56c)은 선택적으로 형성될 수 있다. 코어(31) 내에 형성된 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)은 0(zero), L1, L2, L3(or L1+L2), L1+L3, L2+L3, 및 L1+L2+L3의 여덟 가지의 조합들을 가질 수 있고, 따라서, L3=L1+L2이므로, 코어(31)는 일곱 단계의 저항 레벨들을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 선택적으로 양(+)의 전압이 인가될 경우, 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)이 선택적으로 형성됨으로써, 코어(31)가 7개의 저항 레벨들(Level 0 ~ Level 7)을 가질 수 있다는 것이 표 2에 요약되었다.
| 저항 Level | 제1 게이팅 라인 | 제2 게이팅 라인 | 제3 게이팅 라인 |
| Level 0 | Off | Off | Off |
| Level 1 | On | Off | Off |
| Level 2 | Off | On | Off |
| Level 3 | Off | Off | On |
| On | On | Off | |
| Level 4 | On | Off | On |
| Level 5 | Off | On | On |
| Level 6 | On | On | On |
도 4d 및 4e는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다. 도 4d를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 4b에 도시된 시냅스 시스템과 비교하여, 각각 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)과 시냅스(30)의 사이에 형성 제1 내지 제3 흡수 층들(52a-52c)을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에 대한 추가적인 설명은 도 3f를 참조하여 이해될 수 있을 것이다.
도 4e를 참조하면, 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 양(+)의 전압이 인가됨으로써, 시냅스(30)의 코어(31) 내의 산소 이온들이 터널 층(32)을 관통하여 제1 내지 제3 흡수 층들(51a-52b) 내부로 터널링할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 흡수 층들(52a-52b)은 제1 내지 제3 산화층들(55a-55c)로 변화할 수 있다. 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)의 수직 길이들(L1, L2, L3)은 각각 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)의 수직 두께들(T1-T3)에 대응할 수 있다. 도 3c 및 3d를 더 참조하여, 양(+)의 전압들은 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 선택적으로 인가될 수 있다.
도 4f 및 4g는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템의 구조 및 동작을 설명하는 도면들이다. 도 4f를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 4d에 도시된 시냅스 시스템과 비교하여 각각 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)과 제1 내지 제3 흡수 층들(52a-52c) 사이에 형성된 제1 내지 제3 배리어 층들(53a-53c)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 배리어 층들(53a-53c)은 제1 내지 제3 흡수 층들(52a-52c)의 외측면을 감싸는 림 모양을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 배리어 층들(53a-53c)은 시냅스(30)의 코어(31)로부터 터널링된 산소 이온들이 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)로 확산 또는 이동하는 것을 블로킹 할 수 있다. 제1 내지 제3 배리어 층들(53a-53c)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 기타 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 내 산화성 전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 4g를 참조하면, 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 양(+)의 전압이 인가됨으로써, 시냅스(30)의 코어(31) 내의 산소 이온들이 터널 층(32)을 관통하여 제1 내지 제3 흡수 층들(51a-52c) 내부로 터널링할 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3 흡수 층들(52a-52c)은 제1 내지 제3 산화층들(55a-55c)로 변화할 수 있다. 시냅스(30)의 코어(31) 내에 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 배리어 층들(53a-53c)에 의하여 산소 이온들은 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)로 확산 또는 이동하지 못하므로 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)은 산화되지 않을 수 있다. 양(+)의 전압들은 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 선택적으로 인가될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 확장된 실시예에서, 제2 두께(T2)는 제1 두께(T1)의 두 배이고, 및 제3 두께(T3)가 제1 두께(T1)의 네 배일 수 있다. 따라서, 제3 채널(56c)의 제3 수직 길이(L3)가 제1 채널(56a)의 제1 수직 길이(L1)의 네 배일 수 있다. 제1 내지 제3 게이팅 라인들(51a-51c)에 선택적으로 양(+)의 전압이 인가될 경우, 제1 내지 제3 채널들(56a-56c)이 선택적으로 형성됨으로써, 코어(31)가 8개의 저항 레벨들(Level 0 ~ Level 7)을 가질 수 있다는 것이 표 3에 요약되었다.
| 저항값 | 제1 게이팅 라인 | 제2 게이팅 라인 | 제3 게이팅 라인 |
| Level 0 | Off | Off | Off |
| Level 1 | On | Off | Off |
| Level 2 | Off | On | Off |
| Level 3 | On | On | Off |
| Level 4 | Off | Off | On |
| Level 5 | On | Off | On |
| Level 6 | Off | On | On |
| Level 7 | On | On | On |
도 5a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템을 보이는 3차원 도면이고 및 도 5b 내지 5d는 도 5a의 III-III' 선을 따라 절단한 종단면도들이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 로우 라인(15), 컬럼 라인(25), 로우 라인(15)과 컬럼 라인(25) 사이의 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d), 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)을 관통하는 시냅스(30)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)은 서로 다른 두께들(T1, T2, T3, T4)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 게이팅 라인(51a)이 제1 두께(T1)을 가질 수 있고, 제2 게이팅 라인(51b)이 제1 두께(T1)의 두 배인 제2 두께(T2)를 가질 수 있고, 및 제3 게이팅 라인(51c)이 제1 두께(T1)의 세 배인 제3 두께(T3)를 가질 수 있고, 및 제4 게이팅 라인(51d)이 제1 두께(T1)의 네 배인 제4 두께(T4)를 가질 수 있다. 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)의 위치들은 다양하게 서로 바뀔 수 있다.
도 5c를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 5b를 참조하여 설명된 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템과 비교하여, 각각 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)과 시냅스(30)의 사이에 형성된 제1 내지 제4 흡수 층들(52a-52d)을 더 포함할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 뉴로모픽 소자의 시냅스 시스템은 도 5c에 도시된 시냅스 시스템과 비교하여 각각 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)과 제1 내지 제4 흡수 층들(52a-52d) 사이에 형성된 제1 내지 제4 배리어 층들(53a-53d)을 더 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)에 각각 양(+)의 전압이 선택적으로 인가될 경우, 제1 내지 제4 흡수 층들(52a-52d)은 제1 내지 제4 산화층들(55a-55d)로 선택적으로 변화될 수 있고, 및 제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)의 두께들(T1, T2, T3, T4)에 대응하는 수직 길이들(L1, L2, L3, L4)을 가진 제1 내지 제4 채널들(56a-56d)이 선택적으로 형성될 수 있다.
제1 내지 제4 게이팅 라인들(51a-51d)에 선택적으로 양(+)의 전압이 인가될 경우, 제1 내지 제4 채널들(56a-56d)이 선택적으로 형성됨으로써, 코어(31)가 11개의 저항 레벨들(Level 0 ~ Level 10)을 가질 수 있다는 것이 표 4에 요약되었다.
| 저항 Level | 제1 게이팅 라인 | 제2 게이팅 라인 | 제3 게이팅 라인 | 제4 게이팅 라인 |
| Level 0 | Off | Off | Off | Off |
| Level 1 | On | Off | Off | Off |
| Level 2 | Off | On | Off | Off |
| Level 3 | On | On | Off | Off |
| Off | Off | On | Off | |
| Level 4 | Off | Off | Off | On |
| Level 5 | On | Off | Off | On |
| Level 6 | Off | On | Off | On |
| Level 7 | On | On | Off | On |
| Off | Off | On | On | |
| Level 8 | On | Off | On | On |
| Level 9 | Off | On | On | On |
| Level 10 | On | On | On | On |
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 게이팅 라인들(51x)의 수는 더 늘어날 수 있고, 게이팅 라인들(51x)의 수직 두께들(Tx)도 다양해 질 수 있고, 및 채널들(56x)의 수직 길이들(Lx)도 다양해질 수 있다. 따라서, 코어(31)의 저항 레벨도 다양해질 수 있다.
도 6a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6a를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템은 기판(100) 상의 버퍼 층(105), 가변 저항 층(131), 터널 층(132), 제1 비트 라인 구조체(115), 제2 비트 라인 구조체(125), 게이팅 라인들(151a-151d), 및 층간 절연층(106)을 포함할 수 있다. 제1 비트 라인 구조체(115)는 제1 비트 라인 배선(115a)(wire) 및 제1 비트 라인 플러그(115b)를 포함할 수 있고, 및 제2 비트 라인 구조체(125)는 제2 비트 라인 배선(125a) 및 제2 비트 라인 플러그(125b)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 실리콘 웨이퍼, 금속, 글라스, 세라믹스, 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 버퍼 층(105)은 기판(100)과 가변 저항층(131)을 물리적 및 전기적으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 버퍼 층(105)은 기판(100)과 가변 저항층(131) 사이의 이온 이동을 블로킹할 수 있다. 버퍼 층(105)은 실리콘 질화물 같은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 가변 저항층(130)은 페로브스카이트(perovskite)계 물질 (PrxCayMnO3, PCMO)을 포함할 수 있다. (x 및 y는 양수. 예를 들어, x+y=1) 터널 층(32)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 기타 절연물을 포함할 수 있다. 제1 비트 라인 구조체(115) 및 제2 비트 라인 구조체(125)는 텅스텐(W), 텅스텐 질화물(WN), 구리(Cu), 티타늄 질화물(TiN), 또는 기타 비-산화성 금속 또는 비-산화성 금속 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 게이팅 라인들(151a-151d)은 산소 이온들과 결합하여 부분적으로 산화될 수 있는 금속들, 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 란타늄(La), 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 또는 기타 산화성 금속들 중 하나를 포함할 수 있다. 층간 절연층(106)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 절연성 유기물, 또는 그 조합들 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
게이팅 라인들(151a-151d)은 각각 서로 다른 수평 폭들을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 게이팅 라인(151a)은 제1 수평 폭을 가질 수 있고, 제2 게이팅 라인(151b)은 제2 수평 폭을 가질 수 있고, 제3 게이팅 라인(151c)은 제3 수평 폭을 가질 수 있고, 및 제4 게이팅 라인(151d)은 제4 수평 폭을 가질 수 있다.
도 6b는 도 6a에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다. 도 6b를 참조하면, 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)에 양(+)의 전압이 인가되면, 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)의 일부들이 제1 내지 제4 산화층들(155a-155d)로 변환될 수 있고, 및 가변 저항층(131) 내에 제1 내지 제4 채널들(156a-156d)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 산화층들(155a-155d)은 가변 저항층(131) 내의 산소 이온들이 터널 층(132)을 관통하여 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d) 내부로 이동함으로써 형성될 수 있다. 이에 따라, 가변 저항층(131) 내의 산소 결핍에 따라 제1 내지 제4 채널들(156a-156)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 산화층들(155a-155d)은 터널 층(132)에 인접하도록 형성될 수 있고, 및 제1 내지 제4 채널들(156a-156)은 버퍼 층(105)에 인접하도록 형성될 수 있다.
도 6c는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6c를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템은 도 6a에 도시된 가변 저항 시스템과 비교하여, 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)과 터널 층(132) 사이에 형성된 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d)은 가변 저항층(131)로부터 터널링된 산소 이온들을 흡수할 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d)은 쉽게 산화될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 란타늄(La), 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 또는 기타 산화성 금속들 중 하나를 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 전도성 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 쉽게 산화되지 않는 내 산화성 전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 6d는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 6d를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 가변 저항 시스템은 도 6c에 도시된 가변 저항 시스템과 비교하여, 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)과 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d) 사이에 형성된 제1 내지 제4 배리어 층들(153a-153d)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 배리어 층들(153a-153d)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 기타 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 내 산화성 전도성 물질을 포함할 수 있다.
도 6e는 도 6d에 도시된 가변 저항 시스템의 동작을 설명하는 도면이다. 도 6e를 참조하면, 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)에 양(+)의 전압이 인가되면, 제1 내지 제4 흡수 층들(152a-152d)이 제1 내지 제4 산화층들(155a-155d)로 변환될 수 있고, 및 가변 저항층(131) 내에 제1 내지 제4 채널들(156a-156d)이 형성될 수 있다. 제1 내지 제4 배리어 층들(153a-153d)은 가변 저항층(131) 내의 산소 이온들이 제1 내지 제4 게이팅 라인들(151a-151d)로 이동하는 것을 블로킹할 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 패턴 인식 시스템(900)을 개념적으로 도시한 블록다이아그램이다. 예를 들어, 상기 패턴 인식 시스템(900)은 음성 인식 시스템(speech recognition system), 영상 인식 시스템(imaging recognition system), 코드 인식 시스템(code recognition system), 신호 인식 시스템(signal recognition system), 또는 기타 다양한 패턴들을 인식하기 위한 시스템들 중 하나일 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예의 패턴 인식 시스템(900)은 중앙 처리 유닛(910), 메모리 유닛(920), 통신 제어 유닛(930), 네트워크(940), 출력 유닛(950), 입력 유닛(960), 아날로그-디지털 변환기(970), 뉴로모픽 유닛(980), 및/또는 버스(990)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 유닛(910)은 뉴로모픽 유닛(980)의 학습을 위하여 다양한 신호를 생성 및 전달하고, 및 뉴로모픽 유닛(980)으로부터의 출력에 따라 음성, 영상 등과 같은 패턴을 인식하기 위한 다양한 처리 및 기능을 수행할 수 있다.
상기 중앙 처리 유닛(910)은 메모리 유닛(920), 통신 제어 유닛(930), 출력 유닛(950), 아날로그-디지털 변환기(970) 및 뉴로모픽 유닛(980)과 버스(990)을 통하여 연결될 수 있다.
메모리 유닛(920)은 패턴 인식 시스템(900)에서 저장이 요구되는 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리 유닛(920)은 디램(DRAM) 또는 에스램(SRAM) 같은 휘발성 메모리 소자, 피램(PRAM), 엠램(MRAM), 알이램(ReRAM), 또는 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory) 같은 비휘발성 메모리, 또는 하드 디스크 드라이브(HDD) 또는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 같은 다양한 기억 유닛들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
통신 제어 유닛(930)은 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 네트워크(940)를 통하여 다른 시스템의 통신 제어 유닛으로 전송하거나 및/또는 수신할 수 있다.
출력 유닛(950)은 인식된 음성, 영상 등의 데이터를 다양한 방식으로 출력할 수 있다. 예컨대, 출력 유닛(950)은 스피커, 프린터, 모니터, 디스플레이 패널, 빔 프로젝터, 홀로그래머, 또는 기타 다양한 출력 장치를 포함할 수 있다.
입력 유닛(960)은 마이크로폰, 카메라, 스캐너, 터치 패드, 키보드, 마우스, 마우스 펜, 또는 다양한 센서들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(970)는 입력 장치(960)로부터 입력된 아날로그 데이터를 디지털 데이터로 변환할 수 있다.
뉴로모픽 유닛(980)은 아날로그-디지털 변환기(970)로부터 출력된 데이터를 이용하여 학습(learning), 인식(recognition) 등을 수행할 수 있고, 인식된 패턴에 대응하는 데이터를 출력할 수 있다. 뉴로모픽 유닛(980)은 본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 뉴로모픽 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 프리-시냅틱 뉴런
15: 로우 라인
20: 포스트-시냅틱 뉴런 25: 컬럼 라인
30: 시냅스 31: 코어
32: 터널 층 40R: 로우 게이팅 컨트롤러
40C: 컬럼 게이팅 컨트롤러 50R: 로우 게이팅 라인
50C: 컬럼 게이팅 라인 51a-51d: 게이팅 라인
52a-52d: 흡수 층 53a-53d: 배리어 층
55a-55d: 산화층 56a-56d: 채널
100: 기판 105: 버퍼 층
106: 층간 절연층 115: 제1 비트 라인 구조체
115a: 제1 비트 라인 배선 115b: 제1 비트 라인 플러그
116: 제2 비트 라인 구조체 116a: 제2 비트 라인 배선
116b: 제2 비트 라인 플러그 131: 가변 저항층
132: 터널 층 151a-151d: 게이팅 라인
152a-152d: 흡수 층 153a-153d: 배리어 층
155a-155d: 산화층 156a-156d: 채널
20: 포스트-시냅틱 뉴런 25: 컬럼 라인
30: 시냅스 31: 코어
32: 터널 층 40R: 로우 게이팅 컨트롤러
40C: 컬럼 게이팅 컨트롤러 50R: 로우 게이팅 라인
50C: 컬럼 게이팅 라인 51a-51d: 게이팅 라인
52a-52d: 흡수 층 53a-53d: 배리어 층
55a-55d: 산화층 56a-56d: 채널
100: 기판 105: 버퍼 층
106: 층간 절연층 115: 제1 비트 라인 구조체
115a: 제1 비트 라인 배선 115b: 제1 비트 라인 플러그
116: 제2 비트 라인 구조체 116a: 제2 비트 라인 배선
116b: 제2 비트 라인 플러그 131: 가변 저항층
132: 터널 층 151a-151d: 게이팅 라인
152a-152d: 흡수 층 153a-153d: 배리어 층
155a-155d: 산화층 156a-156d: 채널
Claims (20)
- 제1 방향으로 연장하는 로우 라인;
상기 로우 라인 위에 배치되고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장하는 컬럼 라인;
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치된 다수의 게이팅 라인들; 및
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고, 상기 다수의 게이팅 라인들을 관통하는 시냅스를 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 평행하도록 배치된 뉴로모픽 소자.
- 제2항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들 중 적어도 하나는 상기 로우 라인 및 상기 컬럼 라인 중 하나와 평행하는 뉴로모픽 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 다른 두께를 갖는 뉴로모픽 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들은 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감싸는 뉴로모픽 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들과 상기 시냅스의 사이에 각각 형성된 다수의 흡수 층들을 더 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제6항에 있어서,
상기 다수의 흡수 층들은 산화성 금속을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제6항에 있어서,
상기 다수의 흡수 층들은 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감싸는 림 모양을 갖는 뉴로모픽 소자. - 제1항에 있어서,
상기 다수의 게이팅 라인들과 상기 다수의 흡수 층들 사이에 각각 형성된 다수의 배리어 층들을 더 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제9항에 있어서,
상기 다수의 배리어 층들은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr), 티타늄 질화물(TiN), 텅스텐 질화물(WN), 기타 금속 질화물들(metal nitrides), 또는 기타 내 산화성 전도성 물질 중 적어도 하나를 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제9항에 있어서,
상기 다수의 배리어 층들은 상기 다수의 흡수 층들의 외면의 일부들을 감싸는 림 모양을 갖는 뉴로모픽 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 시냅스는 필라(pillar) 모양의 코어, 및 상기 코어의 외면을 감싸는 터널 층을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제12항에 있어서,
상기 코어는 페로브스카이트(perovskite)계 물질을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제12항에 있어서,
상기 터널 층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 그 조합 중 하나를 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 로우 라인;
상기 로우 라인 위에 배치된 컬럼 라인;
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치된 적어도 세 개의 게이팅 라인들, 상기 게이팅 라인들은 서로 다른 두께들을 갖고; 및
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고, 상기 게이팅 라인들을 관통하는 시냅스를 포함하고, 상기 시냅스는 기둥 모양의 코어 및 상기 코어의 외면을 감싸는 터널 층을 갖는 뉴로모픽 소자.
- 제15항에 있어서,
상기 코어는 산소를 포함하고, 및
상기 게이팅 라인들은 산화성 금속을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제15항에 있어서,
상기 게이팅 라인들과 상기 시냅스 사이에 상기 시냅스의 외면의 일부를 감싸도록 각각 형성된 적어도 세 개의 흡수 층들을 더 포함하고,
상기 흡수 층들은 산화성 금속을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제17항에 있어서,
상기 게이팅 라인들과 상기 흡수 층들 사이에 각각 형성된 적어도 세 개의 배리어 층들을 더 포함하고,
상기 배리어 층들은 내 산화성 금속을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제1 방향으로 연장하는 로우 라인;
상기 로우 라인 위에 배치되고 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 연장하는 컬럼 라인;
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고 기둥 모양을 갖는 시냅스;
상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되고 상기 시냅스의 외면의 일부들을 감싸는 다수의 게이팅 라인들을 포함하고,
상기 시냅스는 산소를 포함하는 코어 및 상기 코어의 외면을 감싸고 상기 산소가 관통할 수 있는 터널 층을 갖고
상기 다수의 게이팅 라인들은 상기 로우 라인 또는 상기 컬럼 라인 중 적어도 하나와 평행하도록 연장하고,
상기 다수의 게이팅 라인들은 서로 다른 두께들을 갖고, 및
상기 다수의 게이팅 라인들의 적어도 일부는 상기 터널 층을 관통한 상기 산소와 결합하여 산화될 수 있는 금속을 포함하는 뉴로모픽 소자.
- 제19항에 있어서,
상기 게이팅 라인들은 적어도 3개 이상인 뉴로모픽 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/389,068 US10199472B2 (en) | 2015-12-30 | 2016-12-22 | Neuromorphic device including gating lines with different widths |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562273221P | 2015-12-30 | 2015-12-30 | |
| US62/273,221 | 2015-12-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170080441A true KR20170080441A (ko) | 2017-07-10 |
| KR102609301B1 KR102609301B1 (ko) | 2023-12-05 |
Family
ID=59356413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160135651A KR102609301B1 (ko) | 2015-12-30 | 2016-10-19 | 서로 다른 폭들을 갖는 게이팅 라인들을 포함하는 뉴로모픽 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102609301B1 (ko) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20190075682A (ko) | 2017-12-21 | 2019-07-01 | 이화여자대학교 산학협력단 | 3차원 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로 모픽 소자 |
| KR20190090130A (ko) | 2018-01-24 | 2019-08-01 | 이화여자대학교 산학협력단 | 뉴로 모픽 소자 및 이를 이용한 가이드 트레이닝 방법 |
| KR20200024419A (ko) | 2018-08-28 | 2020-03-09 | 이화여자대학교 산학협력단 | 3차원 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로 모픽 소자 |
| KR20200026626A (ko) * | 2018-09-03 | 2020-03-11 | 성균관대학교산학협력단 | 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로모픽 소자 |
| CN112993154A (zh) * | 2019-12-12 | 2021-06-18 | 爱思开海力士有限公司 | 包括可变电阻元件的半导体器件 |
| US11205116B2 (en) * | 2016-12-09 | 2021-12-21 | Fu-Chang Hsu | Three-dimensional neural network array |
| KR102526214B1 (ko) * | 2021-11-23 | 2023-04-26 | 경북대학교 산학협력단 | 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100258852A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-14 | Se-Yun Lim | Non-volatile memory device and method for fabricating the same |
| US20110002178A1 (en) * | 2009-07-06 | 2011-01-06 | Sung-Min Hwang | Vertical non-volatile memory device, method of fabricating the same device, and electric-electronic system having the same device |
| KR20110130916A (ko) * | 2010-05-28 | 2011-12-06 | 삼성전자주식회사 | 3차원 반도체 메모리 장치 및 그 제조 방법 |
| KR20130058284A (ko) * | 2011-11-25 | 2013-06-04 | 삼성전자주식회사 | 3차원적으로 배열된 저항성 메모리 셀들을 포함하는 반도체 메모리 장치 |
| KR20150014577A (ko) * | 2013-07-29 | 2015-02-09 | 삼성전자주식회사 | 비휘발성 메모리 트랜지스터 및 이를 포함하는 소자 |
-
2016
- 2016-10-19 KR KR1020160135651A patent/KR102609301B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100258852A1 (en) * | 2009-04-13 | 2010-10-14 | Se-Yun Lim | Non-volatile memory device and method for fabricating the same |
| US20110002178A1 (en) * | 2009-07-06 | 2011-01-06 | Sung-Min Hwang | Vertical non-volatile memory device, method of fabricating the same device, and electric-electronic system having the same device |
| KR20110130916A (ko) * | 2010-05-28 | 2011-12-06 | 삼성전자주식회사 | 3차원 반도체 메모리 장치 및 그 제조 방법 |
| KR20130058284A (ko) * | 2011-11-25 | 2013-06-04 | 삼성전자주식회사 | 3차원적으로 배열된 저항성 메모리 셀들을 포함하는 반도체 메모리 장치 |
| KR20150014577A (ko) * | 2013-07-29 | 2015-02-09 | 삼성전자주식회사 | 비휘발성 메모리 트랜지스터 및 이를 포함하는 소자 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11205116B2 (en) * | 2016-12-09 | 2021-12-21 | Fu-Chang Hsu | Three-dimensional neural network array |
| KR20190075682A (ko) | 2017-12-21 | 2019-07-01 | 이화여자대학교 산학협력단 | 3차원 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로 모픽 소자 |
| KR20190090130A (ko) | 2018-01-24 | 2019-08-01 | 이화여자대학교 산학협력단 | 뉴로 모픽 소자 및 이를 이용한 가이드 트레이닝 방법 |
| KR20200024419A (ko) | 2018-08-28 | 2020-03-09 | 이화여자대학교 산학협력단 | 3차원 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로 모픽 소자 |
| KR20200026626A (ko) * | 2018-09-03 | 2020-03-11 | 성균관대학교산학협력단 | 크로스바 메모리 구조를 이용한 뉴로모픽 소자 |
| CN112993154A (zh) * | 2019-12-12 | 2021-06-18 | 爱思开海力士有限公司 | 包括可变电阻元件的半导体器件 |
| KR102526214B1 (ko) * | 2021-11-23 | 2023-04-26 | 경북대학교 산학협력단 | 전이금속 산화물 기반 3차원 구조 뉴로모픽 소자 및 그 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102609301B1 (ko) | 2023-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102609301B1 (ko) | 서로 다른 폭들을 갖는 게이팅 라인들을 포함하는 뉴로모픽 소자 | |
| US10199472B2 (en) | Neuromorphic device including gating lines with different widths | |
| US20090261314A1 (en) | Non-volatile memory device and method of fabricating the same | |
| KR102542998B1 (ko) | 3차원 적층형 반도체 메모리 소자 | |
| US10516104B2 (en) | High retention resistive random access memory | |
| KR101593509B1 (ko) | 이종 접합 산화물을 기반으로 하는 멤리스티브 요소 | |
| CN103098211B (zh) | 多层存储阵列 | |
| US10497750B2 (en) | Electronic memory using memristors and crossbars activating a plurality of memristors in series | |
| WO2017052583A1 (en) | Thermally insulated resistive random access memory | |
| US11380844B2 (en) | Semiconductor device including variable resistance element | |
| US9825099B2 (en) | Switching element, switching element array, and resistive random access memory including switching element, and methods of manufacturing the same | |
| CN104081524A (zh) | 变化的多层忆阻器件 | |
| KR102022554B1 (ko) | 비휘발성 메모리 장치 | |
| US20130175496A1 (en) | Semiconductor memory device, memory chip, memory module, memory system and method for fabricating the same | |
| US9166164B2 (en) | Method for manufacturing nonvolatile semiconductor storage device and nonvolatile semiconductor storage device | |
| KR102577592B1 (ko) | 뉴로모픽 장치 | |
| US10199432B2 (en) | Manufacturing methods of MOSFET-type compact three-dimensional memory | |
| US10304495B2 (en) | Compact three-dimensional memory with semi-conductive address line portion | |
| US20170221529A1 (en) | Compact Three-Dimensional Memory with an Above-Substrate Decoding Stage | |
| KR102246247B1 (ko) | 변동 저저항 영역 기반 전자 소자 및 이의 제어 방법 | |
| US10211258B2 (en) | Manufacturing methods of JFET-type compact three-dimensional memory |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |