KR20180091143A - Nonvolatile memory device, method of erasing data in the same and electronic system including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비휘발성 메모리 소자, 상기 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법 및 상기 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a memory device, and more particularly, to a non-volatile memory device, a method for erasing data of the non-volatile memory device, and an electronic system including the non-volatile memory device.
메모리 소자는 전원 공급이 중단될 때 저장된 데이터를 상실하는지 여부에 따라 휘발성(volatile) 메모리 소자와 비휘발성(nonvolatile) 메모리 소자로 구분될 수 있다. 비휘발성 메모리 소자 중 낸드(NAND) 타입의 비휘발성 메모리 소자는, 전계 방출 터널링(field emission, Fowler-Nordheim tunneling)을 이용하여 전자를 전하 저장 공간(charge trapping layer)에 저장 또는 방출하는 방식으로 데이터를 기입 또는 소거할 수 있다. 이러한 기존의 방식을 이용하는 경우, 데이터 기입 동작에 소요되는 시간보다 데이터 소거 동작에 소요되는 시간이 매우 길 수 있으며, 이에 따라 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템의 전체적인 성능이 저하되는 문제가 있었다.The memory device may be divided into a volatile memory device and a nonvolatile memory device depending on whether the stored data is lost when the power supply is interrupted. A non-volatile memory device of a NAND type in a nonvolatile memory device is a device that stores or emits electrons in a charge trapping layer using field emission (Fowler-Nordheim tunneling) Can be written or erased. When such an existing method is used, the time required for the data erase operation may be much longer than the time required for the data write operation, thereby deteriorating the overall performance of the electronic system including the nonvolatile memory element.
본 발명의 일 목적은 데이터 소거 동작을 빠르게 수행할 수 있는 비휘발성 메모리 소자를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a nonvolatile memory device capable of quickly performing a data erase operation.
본 발명의 다른 목적은 상기 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for erasing data in the nonvolatile memory device.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an electronic system including the nonvolatile memory element.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자는 기판, 전하 저장 영역, 채널 영역, 터널링 절연층, 게이트 구조물 및 전위 인가 구조물을 포함한다. 상기 전하 저장 영역은 상기 기판 상에 형성된다. 상기 채널 영역은 상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성된다. 상기 터널링 절연층은 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성된다. 상기 게이트 구조물은 상기 전하 저장 영역을 가열한다. 상기 전위 인가 구조물은 상기 채널 영역에 전위를 인가한다. 상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하고, 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행한다.In order to accomplish the above object, a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention includes a substrate, a charge storage region, a channel region, a tunneling insulation layer, a gate structure, and a potential application structure. The charge storage region is formed on the substrate. The channel region is formed adjacent to the charge storage region. The tunneling insulation layer is formed between the charge storage region and the channel region. The gate structure heats the charge storage region. The potential applying structure applies a potential to the channel region. Applying a Joule heat above a reference temperature to the charge storage region using the gate structure and applying a positive potential above a reference potential to the channel region using the potential application structure, And performs a data erase operation to emit at least one charge.
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하여 상기 채널 영역으로 방출될 수 있다. In one embodiment, when the row of columns is applied to the charge storage region, the at least one charge stored in the charge storage region may be emitted into the channel region through the energy barrier by the tunneling insulation layer .
일 실시예에서, 상기 채널 영역에 상기 양 전위가 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역의 전위 차이가 증가하며, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하는 개수 및 통과 속도가 증가할 수 있다.In one embodiment, when the positive potential is applied to the channel region, the potential difference between the charge storage region and the channel region increases, and the at least one charge stored in the charge storage region is injected into the tunneling insulation layer The number and speed of passage through the energy barrier due to < / RTI >
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 인접한 상기 터널링 절연층에 상기 줄 열이 함께 인가되고, 상기 줄 열에 의해 상기 터널링 절연층이 자가 어닐링(self-annealing)되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In one embodiment, when the row of columns is applied to the charge storage region, the row of columns is applied to the tunneling insulation layer adjacent to the charge storage region, and the tunneling insulation layer is self-annealed self-annealing) so that the data retention time and characteristic deterioration can be prevented.
일 실시예에서, 상기 게이트 구조물은 연결 전극, 제1 게이트 전극 및 제2 게이트 전극을 포함할 수 있다. 상기 연결 전극은 상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성될 수 있다. 상기 제1 게이트 전극은 상기 연결 전극의 제1 단과 연결될 수 있다. 상기 제2 게이트 전극은 상기 연결 전극의 제2 단과 연결될 수 있다. 상기 제1 게이트 전극에 제1 전위를 인가하고 상기 제2 게이트 전극에 상기 제1 전위와 다른 제2 전위를 인가하여, 상기 연결 전극을 따라 흐르는 전류를 유발하고 상기 전류에 의해 상기 줄 열을 발생시킬 수 있다.In one embodiment, the gate structure may comprise a connecting electrode, a first gate electrode and a second gate electrode. The connection electrode may be formed adjacent to the charge storage region. The first gate electrode may be connected to the first end of the connection electrode. The second gate electrode may be connected to the second end of the connection electrode. Applying a first potential to the first gate electrode and applying a second potential different from the first potential to the second gate electrode to induce a current flowing along the connection electrode, .
일 실시예에서, 상기 기판을 평면에서 보았을 때, 상기 연결 전극의 폭은 상기 제1 및 제2 게이트 전극들의 폭보다 좁을 수 있다.In one embodiment, when viewed in plan, the width of the connecting electrode may be narrower than the width of the first and second gate electrodes.
일 실시예에서, 상기 전위 인가 구조물은 소스 영역 및 드레인 영역을 포함할 수 있다. 상기 소스 영역은 상기 채널 영역의 제1 단과 연결될 수 있다. 상기 드레인 영역은 상기 채널 영역의 제2 단과 연결될 수 있다. 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 중 적어도 하나에 상기 양 전위를 인가하여, 상기 채널 영역에 양 전위를 인가시킬 수 있다.In one embodiment, the potential applying structure may include a source region and a drain region. The source region may be connected to the first end of the channel region. The drain region may be connected to a second end of the channel region. The positive potential may be applied to at least one of the source region and the drain region to apply a positive potential to the channel region.
일 실시예에서, 상기 기판을 평면에서 보았을 때, 상기 채널 영역의 폭은 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 폭보다 좁을 수 있다.In one embodiment, when viewed in plan, the width of the channel region may be narrower than the width of the source region and the drain region.
일 실시예에서, 상기 채널 영역, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 동일한 물질로 형성될 수 있다.In one embodiment, the channel region, the source region, and the drain region may be formed of the same material.
일 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 제1 지지 영역 및 제2 지지 영역을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 지지 영역은 상기 기판과 상기 소스 영역 사이에 형성될 수 있다. 상기 제2 지지 영역은 상기 기판과 상기 드레인 영역 사이에 형성될 수 있다. 상기 채널 영역, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 모두 상기 기판 상에 형성될 수 있다. 상기 채널 영역은 나노와이어(nanowire) 구조로 형성될 수 있다. 상기 터널링 절연층, 상기 전하 저장 영역 및 상기 게이트 구조물은 상기 채널 영역의 제1 부분을 순차적으로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 상기 채널 영역의 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분과 상기 기판 사이에는 빈 공간이 존재할 수 있다.In one embodiment, the non-volatile memory device may further include a first support region and a second support region. The first support region may be formed between the substrate and the source region. The second support region may be formed between the substrate and the drain region. The channel region, the source region, and the drain region may all be formed on the substrate. The channel region may be formed in a nanowire structure. The tunneling insulator layer, the charge storage region, and the gate structure may be formed to sequentially surround the first portion of the channel region. An empty space may be present between the substrate and a second portion of the channel region other than the first portion.
일 실시예에서, 상기 채널 영역은 플래너(planar) 구조, 핀(fin) 구조, 나노시트(nano sheet) 구조 중 하나로 형성될 수 있다.In one embodiment, the channel region may be formed of one of a planar structure, a fin structure, and a nano sheet structure.
일 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 제어 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 제어 절연층은 상기 전하 저장 영역과 상기 게이트 구조물 사이에 형성될 수 있다.In one embodiment, the non-volatile memory device may further include a control insulating layer. The control insulating layer may be formed between the charge storage region and the gate structure.
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역은 폴리실리콘(polysilicon), 비정질 실리콘(amorphous silicon), 금속 산화물(metal oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 나노결정 물질(silicon nano-crystal) 및 금속 산화물 나노결정을 갖는 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the charge storage region is formed of a material selected from the group consisting of polysilicon, amorphous silicon, metal oxide, silicon nitride, silicon nano-crystal, And materials having nanocrystals.
일 실시예에서, 상기 채널 영역은 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 실리콘 게르마늄(silicon-germanium), 인장 실리콘(strained silicon), 인장 게르마늄(strained germanium), 인장 실리콘 게르마늄(strained silicon-germanium) 및 절연층 매몰 실리콘(silicon on insulator; SOI) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the channel region may be formed of silicon, germanium, silicon-germanium, strained silicon, strained germanium, strained silicon-germanium, And silicon on insulator (SOI).
일 실시예에서, 상기 터널링 절연층은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the tunneling insulating layer may include at least one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride.
상기 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 전하 저장 영역, 상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성되는 채널 영역, 상기 전하 저장 영역을 가열하는 게이트 구조물, 및 상기 채널 영역에 전위를 인가하는 전위 인가 구조물을 포함한다. 상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시킨다. 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of erasing data in a nonvolatile memory device, the method comprising: a charge storage region; a channel region formed adjacent to the charge storage region; A gate structure for heating the storage region, and a potential applying structure for applying potential to the channel region. Using the gate structure, Joule heat above a reference temperature is applied to the charge storage region to release at least one charge stored in the charge storage region. And a potential higher than the reference potential is applied to the channel region using the potential applying structure.
일 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하여 상기 채널 영역으로 방출될 수 있다.In one embodiment, the non-volatile memory device may further include a tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region. When the row of columns is applied to the charge storage region, the at least one charge stored in the charge storage region may be emitted into the channel region through the energy barrier by the tunneling insulation layer.
일 실시예에서, 상기 비휘발성 메모리 소자는 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 채널 영역에 상기 양 전위가 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역의 전위 차이가 증가하며, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하는 개수 및 통과 속도가 증가할 수 있다.In one embodiment, the non-volatile memory device may further include a tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region. Wherein a potential difference between the charge storage region and the channel region increases when the positive potential is applied to the channel region and the at least one charge stored in the charge storage region passes through an energy barrier by the tunneling insulation layer The number and speed of passage can be increased.
일 실시예에서, 상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 인접한 상기 터널링 절연층에 상기 줄 열이 함께 인가되고, 상기 줄 열에 의해 상기 터널링 절연층이 자가 어닐링(self-annealing)되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In one embodiment, when the row of columns is applied to the charge storage region, the row of columns is applied to the tunneling insulation layer adjacent to the charge storage region, and the tunneling insulation layer is self-annealed self-annealing) so that the data retention time and characteristic deterioration can be prevented.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 전자 시스템은 프로세서 및 비휘발성 메모리 소자를 포함한다. 상기 비휘발성 메모리 소자는 상기 프로세서에 의해 처리되는 데이터를 저장한다. 상기 비휘발성 메모리 소자는 기판, 전하 저장 영역, 채널 영역, 터널링 절연층, 게이트 구조물 및 전위 인가 구조물을 포함한다. 상기 전하 저장 영역은 상기 기판 상에 형성된다. 상기 채널 영역은 상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성된다. 상기 터널링 절연층은 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성된다. 상기 게이트 구조물은 상기 전하 저장 영역을 가열한다. 상기 전위 인가 구조물은 상기 채널 영역에 전위를 인가한다. 상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하고, 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electronic system including a processor and a nonvolatile memory device. The non-volatile memory device stores data processed by the processor. The non-volatile memory device includes a substrate, a charge storage region, a channel region, a tunneling insulation layer, a gate structure, and a potential application structure. The charge storage region is formed on the substrate. The channel region is formed adjacent to the charge storage region. The tunneling insulation layer is formed between the charge storage region and the channel region. The gate structure heats the charge storage region. The potential applying structure applies a potential to the channel region. Applying a Joule heat above a reference temperature to the charge storage region using the gate structure and applying a positive potential above a reference potential to the channel region using the potential application structure, And performs a data erase operation to emit at least one charge.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자는, 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용하여 데이터 소거 동작을 수행한다. 구체적으로, 게이트 구조물을 이용하여 줄 열을 전하 저장 영역에 인가하며, 이와 함께 전위 인가 구조물을 이용하여 양 전위를 채널 영역에 인가한다. 따라서, 채널 영역과 전하 저장 영역 사이에 형성된 전계에 의해, 상대적으로 적은 소비 전력으로 데이터 소거 동작의 속도, 성능 및 효율이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 줄 열에 의해 터널링 절연층이 자가 어닐링될 수 있으며, 따라서 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.The nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention performs a data erase operation using a thermal electron emission phenomenon accompanied by an electric field. Specifically, a row of columns is applied to the charge storage region using a gate structure, and a potential is applied to the channel region using a potential application structure. Therefore, the electric field formed between the channel region and the charge storage region can further improve the speed, performance and efficiency of the data erase operation with relatively low power consumption. In addition, the tunneling insulating layer can be self-annealed by the row of columns, so that the data retention time and property degradation can be prevented.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 2의 II-II' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 도면들이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 동작의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.1 is a perspective view showing a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
2 is a plan view showing the nonvolatile memory device of FIG.
3 is a cross-sectional view taken along line II 'of FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG.
5A and 5B are diagrams for explaining a data erase operation of a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
6A and 6B are views showing a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
7A and 7B are diagrams for explaining the performance of the data erase operation of the nonvolatile memory device according to the embodiments of the present invention.
8 is a cross-sectional view illustrating a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a data erasing method of a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
10 is a block diagram illustrating an electronic system including a non-volatile memory device in accordance with embodiments of the present invention.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, The present invention should not be construed as limited to the embodiments described in Figs.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprise", "having", and the like are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.In the present invention, it is to be understood that each layer (film), region, electrode, pattern or structure may be formed on, over, or under the object, substrate, layer, Means that each layer (film), region, electrode, pattern or structure is directly formed or positioned below a substrate, each layer (film), region, or pattern, , Other regions, other electrodes, other patterns, or other structures may additionally be formed on the object or substrate.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined in the present application .
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.On the other hand, if an embodiment is otherwise feasible, the functions or operations specified in a particular block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be performed at substantially the same time, and depending on the associated function or operation, the blocks may be performed backwards.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2의 I-I' 라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 4는 도 2의 II-II' 라인을 따라 절단한 단면도이다.1 is a perspective view showing a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention. 2 is a plan view showing the nonvolatile memory device of FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG.
본 명세서에서, 비휘발성 메모리 소자는 전하(예를 들어, 전자)를 전하 저장 공간(charge trapping layer)에 저장하고 방출하는 방식으로 메모리 상태(memory state)를 1과 0으로 구분하는 낸드(NAND) 타입의 비휘발성 메모리 소자일 수 있다. 이하, 낸드 타입의 비휘발성 메모리 소자를 중심으로 본 발명의 실시예들을 설명하지만, 본 발명의 실시예들은 다양한 타입의 비휘발성 메모리 소자에 적용될 수 있다.In this specification, a non-volatile memory device is a NAND (NAND) memory device that divides a memory state into a 1 and a 0 state in such a manner as to store and discharge a charge (e.g., electrons) in a charge trapping layer. Type non-volatile memory device. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described, focusing on NAND type nonvolatile memory elements, but embodiments of the present invention can be applied to various types of nonvolatile memory elements.
도 1, 2, 3 및 4를 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(10)는 기판(110), 전하 저장 영역(120), 채널 영역(130), 터널링(tunneling) 절연층(140), 게이트 구조물(150) 및 전위 인가 구조물(160)을 포함한다. 비휘발성 메모리 소자(10)는 제1 절연층(115), 제어 절연층(145), 제1 지지 영역(172) 및 제2 지지 영역(174)을 더 포함할 수 있다. 도 1 내지 4는 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 하나의 메모리 셀을 나타낸다.1, 2, 3 and 4, a
기판(110)으로서 예를 들면, 단결정 실리콘(single-crystalline silicon) 또는 단결정 게르마늄(single-crystalline germanium)을 포함하는 반도체 기판을 사용할 수 있다.As the
제1 절연층(115)은 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 비휘발성 메모리 소자(10)의 모든 구성요소들, 즉 전하 저장 영역(120), 채널 영역(130), 터널링 절연층(140), 게이트 구조물(150), 전위 인가 구조물(160), 제어 절연층(145), 제1 지지 영역(172) 및 제2 지지 영역(174)은 기판(110) 상에 형성될 수 있으며, 제1 절연층(115)은 기판(110)과 상기 구성요소들을 절연시킬 수 있다.The first insulating
전하 저장 영역(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 예를 들어, 전하 저장 영역(120)은 폴리실리콘(polysilicon), 비정질 실리콘(amorphous silicon), 금속 산화물(metal oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 나노결정 물질(silicon nano-crystal) 및 금속 산화물 나노결정을 갖는 물질 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 전하 저장 영역(120)은 플로팅 게이트(floating gate)라고 부를 수 있다.A charge storage region (120) is formed on the substrate (110). For example,
채널 영역(130)은 전하 저장 영역(120)과 인접하여 형성된다. 예를 들어, 채널 영역(130)은 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 실리콘 게르마늄(silicon-germanium), 인장 실리콘(strained silicon), 인장 게르마늄(strained germanium), 인장 실리콘 게르마늄(strained silicon-germanium) 및 절연층 매몰 실리콘(silicon on insulator; SOI) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 채널 영역(130)은 3-5족 반도체 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.The
터널링 절연층(140)은 전하 저장 영역(120)과 채널 영역(130) 사이에 형성된다. 터널링 절연층(140)은 전하 저장 영역(120)과 채널 영역(130)을 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 터널링 절연층(140)은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 터널링 절연층(140)은 메모리 특성을 보이지 않는 임의의 절연 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 전하 저장 영역(120)에 저장된 전하가 채널 영역(130)으로 방출되는 것을 막아주는 역할을 하는 상대적으로 높은 에너지 갭을 갖는 임의의 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.A tunneling insulating
게이트 구조물(150)은 전하 저장 영역(120)을 가열한다. 예를 들어, 게이트 구조물(150)은 전하 저장 영역(120)을 가열할 수 있도록 전하 저장 영역(120)과 인접하여 형성될 수 있고, 특히 가열을 위한 전류(IH)를 발생시킬 수 있도록 두 개 이상의 복수 개의 전극들을 포함하여 구현될 수 있다.The
일 실시예에서, 게이트 구조물(150)은 연결 전극(152), 제1 게이트 전극(154) 및 제2 게이트 전극(156)을 포함할 수 있다. 연결 전극(152)은 전하 저장 영역(120)과 인접하여 형성될 수 있으며, 전하 저장 영역(120)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 제1 게이트 전극(154)은 연결 전극(152)의 제1 단과 연결될 수 있다. 제2 게이트 전극(156)은 연결 전극(152)의 제2 단과 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 기판(110)을 평면에서 보았을 때, 연결 전극(152)의 폭(W2)은 제1 및 제2 게이트 전극들(154, 156)의 폭(W1)보다 좁을 수 있으며, 이 경우 전류(IH)에 의한 줄 열(Joule heat)(HT)의 발생이 보다 용이할 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 게이트 구조물(150)은 도핑된 폴리실리콘(doped polysilicon), 금속, 금속 실리사이드(metal silicide) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 게이트 구조물(150)은 상대적으로 낮은 에너지(또는 전력)를 소비하여 상대적으로 높은 열을 발생할 수 있도록 상대적으로 낮은 비저항을 갖는 임의의 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 연결 전극(152), 제1 게이트 전극(154) 및 제2 게이트 전극(156)은 실질적으로 동일한 물질로 형성될 수 있다.In one embodiment, the
전위 인가 구조물(160)은 채널 영역(130)에 전위를 인가한다. 예를 들어, 전위 인가 구조물(160)은 채널 영역(130)에 전위를 인가할 수 있도록 채널 영역(130)과 직접적으로 연결되어 형성될 수 있다.The
일 실시예에서, 전위 인가 구조물(160)은 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)을 포함할 수 있다. 소스 영역(162)은 채널 영역(130)의 제1 단과 연결될 수 있다. 드레인 영역(164)은 채널 영역(130)의 제2 단과 연결될 수 있다. 다시 말하면, 채널 영역(130)은 소스 영역(162)과 드레인 영역(164) 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 기판(110)을 평면에서 보았을 때, 채널 영역(130)의 폭(W4)은 소스 및 드레인 영역들(162, 164)의 폭(W3)보다 좁을 수 있다.In one embodiment, the
일 실시예에서, 채널 영역(130), 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)은 실질적으로 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다수 캐리어를 전자로 사용하면서 동시에 접합이 없는 무 접합소자를 제작하기 위해, 동일한 n형 불순물을 이용하여 이온 주입(ion implantation)과 같은 도핑(doping) 공정을 진행함으로써, 실질적으로 동일한 물질을 포함하는 채널 영역(130), 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)을 형성할 수 있다.In one embodiment, the
제어 절연층(145)은 전하 저장 영역(120)과 게이트 구조물(150)(예를 들어, 연결 전극(152)) 사이에 형성될 수 있다. 제어 절연층(145)은 전하 저장 영역(120)과 게이트 구조물(150)을 절연시킬 수 있다. 예를 들어, 터널링 절연층(140)과 유사하게, 제어 절연층(145)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수도 있고, 메모리 특성을 보이지 않는 임의의 절연 물질들 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수도 있다.The
일 실시예에서, 제어 절연층(145)의 두께는 터널링 절연층(140)의 두께보다 두꺼울 수 있다.In one embodiment, the thickness of the
제1 지지 영역(172)은 기판(110)과 소스 영역(162) 사이에 형성될 수 있고, 소스 영역(162)을 지지할 수 있다. 제2 지지 영역(174)은 기판(110)과 드레인 영역(164) 사이에 형성될 수 있고, 드레인 영역(164)을 지지할 수 있다.A
상술한 것처럼, 도 1의 실시예에서, 채널 영역(130), 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)은 모두 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(130)은 나노와이어(nanowire) 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 도 3 및 4에 도시된 것처럼, 터널링 절연층(140), 전하 저장 영역(120), 제어 절연층(145) 및 게이트 구조물(150)(예를 들어, 연결 전극(152))은 채널 영역(130)의 일부분(예를 들어, 제1 부분)을 순차적으로 둘러싸도록 형성될 수 있고, 채널 영역(130)의 나머지 부분(예를 들어, 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분)과 기판(110) 사이에는 빈 공간이 존재할 수 있다. 다시 말하면, 채널 영역(130)은 구성요소들(140, 120, 145, 150)에 의해 지지되어 기판(110) 상에 떠 있을 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 것처럼, 기판(110)을 단면에서 보았을 때, 채널 영역(130)의 높이(H2)는 게이트 구조물(150)의 높이(H1)보다 낮을 수 있다.1, the
본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)는, 전계를 동반한 열 전자 방출(thermionic emission) 현상을 이용하여, 전하 저장 영역(120)에 저장된 적어도 하나의 전하(예를 들어, 도 3 및 4에 도시된 전하 저장 영역(120) 내의 점들)를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행한다.The
구체적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서, 게이트 구조물(150)을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가하여, 상기 데이터 소거 동작을 수행한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 제1 게이트 전극(154)에 제1 전위(V1)를 인가하고 제2 게이트 전극(156)에 제1 전위(V1)와 다른 제2 전위(V2)를 인가함으로써, 제1 및 제2 게이트 전극들(154, 156)의 전위차에 의해 연결 전극(152)을 따라 흐르는 기준 전류 이상의 전류(IH)를 아주 짧은 시간 동안 유발할 수 있고, 전류(IH)에 의해 순간적으로 줄 열(HT)을 발생시킬 수 있다. 상술한 것처럼, 게이트 구조물(150)(예를 들어, 연결 전극(152))이 전하 저장 영역(120)과 인접하고 전하 저장 영역(120)을 둘러싸도록 형성되므로, 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)이 인가될 수 있다. 이 경우, 열 전자 방출 현상에 의해 전하 저장 영역(120)에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 터널링 절연층(140)에 의한 에너지 장벽(energy barrier)을 통과하여 채널 영역(130)으로 방출될 수 있다.More specifically, in the
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서, 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가하면서(예를 들어, 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가함과 실질적으로 동시에), 전위 인가 구조물(160)을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위(VP)를 채널 영역(130)에 인가하여, 상기 데이터 소거 동작을 수행한다. 예를 들어, 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164) 중 적어도 하나에 양 전위(VP)를 인가함으로써, 채널 영역(130)에 양 전위(VP)가 인가될 수 있고, 채널 영역(130)이 0V보다 큰 전위를 가질 수 있다(즉, VCH > 0V). 이 경우, 전하 저장 영역(120)과 채널 영역(130)의 전위 차이가 증가할 수 있고, 따라서 터널링 절연층(140)에 의한 상기 에너지 장벽을 통과하는 전하의 개수 및 통과 속도가 증가할 수 있다. 다시 말하면, 채널 영역(130)에 가해지는 양 전위(VP)는 채널 영역(130)과 전하 저장 영역(120) 사이에 전계를 형성할 수 있고, 상기 전계는 줄 열(HT)을 통해서 열적으로 여기된 전하들이 더 효과적으로 터널링 절연층(140)에 의한 상기 에너지 장벽을 통과하는데 기여할 수 있다. 따라서, 상기 데이터 소거 동작의 속도가 증가할 수 있고, 상기 데이터 소거 동작에 소요되는 소거 시간(erasing time)이 감소할 수 있으며, 상대적으로 적은 줄 열(HT)을 이용하더라도 상기 데이터 소거 동작의 성능 및 효율이 향상될 수 있다.In the
일 실시예에서, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서, 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)이 인가되어 상기 데이터 소거 동작이 수행됨에 따라, 전하 저장 영역(120)과 인접한 터널링 절연층(140)에 줄 열(HT)이 함께 인가될 수 있고, 줄 열(HT)에 의해 터널링 절연층(140)이 자가 어닐링(self-annealing) 또는 자가 치유(self-healing)되어 데이터 보존 시간(data retention time)의 감소 및 특성 열화(degradation)가 방지될 수 있다. 일반적으로, 비휘발성 메모리 소자에서 데이터 기입(program)/소거 동작이 반복됨에 따라 터널링 절연층의 특성이 열화되고 데이터 보존 시간이 감소될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서는, 상기 데이터 소거 동작을 위해 발생되는 줄 열(HT)에 의해 터널링 절연층(140)의 막질을 개선할 수 있고, 따라서 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In one embodiment, in the
종래의 비휘발성 메모리 소자에서 전계 방출 터널링(Field emission, Fowler-Nordheim tunneling)을 이용하여 데이터를 기입 또는 소거하는 경우에, 데이터 소거 동작의 속도가 데이터 기입 동작의 속도보다 과도하게 느린 문제가 있었다.There has been a problem that the speed of the data erase operation is excessively slower than the speed of the data write operation in the case of writing or erasing data using field emission (Fowler-Nordheim tunneling) in a conventional nonvolatile memory device.
본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서는, 게이트 구조물(150)을 이용하여 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가함으로써, 데이터 소거 동작의 속도 및 효율이 향상될 수 있다. 다만, 줄 열(HT)만을 이용하는 경우에는, 상대적으로 높은 전류가 요구됨에 따라 소비 전력이 증가하고 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상이 초래되며 인접 셀간 열 간섭이 증가하는 등의 문제가 있으므로, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(10)에서는 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가하며, 이와 함께(예를 들어, 실질적으로 동시에) 전위 인가 구조물(160)을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위(VP)를 채널 영역(130)에 인가한다. 따라서, 채널 영역(130)과 전하 저장 영역(120) 사이에 형성된 전계에 의해, 상대적으로 적은 소비 전력으로 데이터 소거 동작의 속도, 성능 및 효율이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 줄 열(HT)에 의해 터널링 절연층(140)이 자가 어닐링될 수 있으며, 따라서 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In the
실시예에 따라서, 게이트 구조물(150)은 일반적인 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 게이트 전극과 동일한 동작을 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 데이터 기입 동작을 수행하고자 하는 경우에는 게이트 구조물(150)에 프로그램 전압이 인가될 수 있고, 데이터 독출 동작을 수행하고자 하는 경우에는 게이트 구조물(150)에 독출 전압이 인가될 수 있다.According to the embodiment, the
도 1 내지 4를 참조하여 게이트 구조물(150)이 전하 저장 영역(120)을 가열하고 소스 및 드레인 전극들(162, 164)이 채널 영역(130)에 전위를 인가하는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자는 게이트 구조물(150)과 별개로 구현되고 전하 저장 영역(120)을 가열하기 위한 가열 구조를 더 포함할 수도 있으며, 소스 및 드레인 전극들(162, 164)과 별개로 구현되고 채널 영역(130)에 전위를 인가하기 위한 전위 인가 구조물을 더 포함할 수도 있다.Although the
도 2 및 4에서는 전류(IH)가 제1 게이트 전극(154)에서 제2 게이트 전극(156)으로의 제1 방향을 따라 흐르는 것으로 도시하였으나, 제1 및 제2 전위들(V1, V2)의 크기에 따라서 상기 전류는 제2 게이트 전극(156)에서 제1 게이트 전극(154)으로의 제2 방향을 따라 흐를 수도 있다. 또한, 실시예에 따라서, 상기 데이터 소거 동작의 수행 횟수에 따라서 상기 전류의 방향은 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 데이터 소거 동작의 수행 횟수가 1회 내지 N(N은 2 이상의 자연수)회인 경우에 상기 전류는 상기 제1 방향을 따라 흐를 수 있고, 상기 데이터 소거 동작의 수행 횟수가 (N+1)회 내지 (2*N)회인 경우에 상기 전류는 상기 제2 방향을 따라 흐를 수 있다.Although the current IH is shown flowing in the first direction from the
도 2에서는 소스 영역(162)에 양 전위(VP)가 인가되는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라서 드레인 영역(164)에 상기 양 전위가 인가될 수도 있고, 소스 및 드레인 영역들(162, 164) 모두에 상기 양 전위가 인가될 수도 있다.2, a positive potential VP is applied to the
도시하지는 않았으나, 실시예에 따라서 비휘발성 메모리 소자(10)는 제1 전위(V1), 제2 전위(V2), 양 전위(VP) 등을 발생하는 전압 발생기를 더 포함할 수 있다.Although not shown, the
도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 동작을 설명하기 위한 도면들이다.5A and 5B are diagrams for explaining a data erase operation of a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
도 5a는 도 1의 비휘발성 메모리 소자(10)에서 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)만이 인가되고 채널 영역(130)에 양 전위(VP)가 인가되지 않는(즉, VCH = 0V) 경우에 전하(예를 들어, 전자)의 방출을 나타내는 에너지 다이어그램이다. 도 5b는 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)이 인가됨과 함께 채널 영역(130)에 양 전위(VP)가 인가되는(즉, VCH > 0V) 경우에 전하의 방출을 나타내는 에너지 다이어그램이다. 도 5a 및 5b에서, CH, TIL, CTL, CIL 및 GE는 각각 도 1의 채널 영역(130), 터널링 절연층(140), 전하 저장 영역(120), 제어 절연층(145) 및 게이트 구조물(150)을 나타낸다.Figure 5a is not applied with the positive potential (VP) to give heat applied only (HT) and the
도 5a를 참조하면, 전하 저장 영역(CTL)에 저장된 전자들(예를 들어, 도 5a에 도시된 전하 저장 영역(CTL) 내의 점들)에 의해, 전하 저장 영역(CTL)이 채널 영역(CH)이나 게이트 구조물(GE)에 비해 낮은 전위를 가질 수 있으며, 에너지 다이어그램상 전하 저장 영역(CTL)의 에너지 밴드가 채널 영역(CH) 및 게이트 구조물(GE)의 에너지 밴드들보다 위쪽에 위치할 수 있다.5A, electrons stored in the charge storage region CTL (e.g., points in the charge storage region CTL shown in FIG. 5A) cause the charge storage region CTL to be in the channel region CH. And the energy band of the charge storage region CTL on the energy diagram may be located above the energy bands of the channel region CH and the gate structure GE .
이러한 상황에서, 게이트 구조물(GE)을 이용하여 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(CTL)에 인가하면, 전하 저장 영역(CTL)에 갇힌 전자들이 열적으로 여기된 상태를 가질 수 있고, 전하 저장 영역(CTL)의 상대적으로 낮은 전위 때문에 발생되는 내재적인 전계(built-in potential) 효과에 의해 열 전자들의 방출이 일어날 수 있다. 이 때, 열 전자들은 제1 방출 경로(E1)를 따라 채널 영역(CH)으로 방출되거나 제2 방출 경로(E2)를 따라 게이트 구조물(GE)로 방출될 수 있으며, 예를 들어 제어 절연층(CIL)의 두께가 터널링 절연층(TIL)의 두께보다 두꺼운 경우에 제1 방출 경로(E1)를 따라 채널 영역(CH)으로 방출되는 열 전자들의 개수가 상대적으로 많을 수 있다.In this situation, when the row line HT is applied to the charge storage region CTL using the gate structure GE, electrons trapped in the charge storage region CTL can be thermally excited, Emission of thermal electrons can occur due to the built-in potential effect caused by the relatively low potential of the region CTL. At this time, the thermal electrons may be emitted to the channel region CH along the first discharge path E1 or to the gate structure GE along the second discharge path E2, for example, the control insulating layer The number of thermoelectrons emitted to the channel region CH along the first emission path E1 may be relatively large when the thickness of the tunneling insulation layer TIL is thicker than the thickness of the tunneling insulation layer TIL.
도 5b를 참조하면, 전하 저장 영역(CTL)의 에너지 밴드가 채널 영역(CH) 및 게이트 구조물(GE)의 에너지 밴드들보다 위쪽에 위치하는 것과, 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(CTL)에 인가하면 열 전자들의 방출이 일어나는 것은 도 5a를 참조하여 상술한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.5B, the energy band of the charge storage region CTL is located above the energy band of the channel region CH and the energy band of the gate structure GE, The emission of the thermal electrons can be substantially the same as that described above with reference to Fig. 5A.
이러한 상황에서, 전위 인가 구조물(도 1의 160)을 이용하여 채널 영역(CH)에 양 전위(도 1의 VP)를 인가하면, 전하 저장 영역(CTL)과 채널 영역(CH)의 전위차가 증가할 수 있다. 다시 말하면, 도 5a의 예와 비교하였을 때, 도 5b의 예에서는 채널 영역(CH)의 에너지 밴드가 상대적으로 아래쪽에 위치할 수 있으며, 이에 따라 도 5b에서 전하 저장 영역(CTL)과 채널 영역(CH)의 전위차를 나타내는 기울기(α')는 도 5a에서 전하 저장 영역(CTL)과 채널 영역(CH)의 전위차를 나타내는 기울기(α)보다 클 수 있다. 따라서, 도 5a의 예와 비교하였을 때, 도 5b의 예에서는 제1 방출 경로(E1')를 따라 채널 영역(CH)으로 방출되는 열 전자들의 개수 및 방출 속도가 증가할 수 있다.In this situation, when a positive potential (VP in Fig. 1) is applied to the channel region CH using the
한편, 도 5b의 예에서는, 도 5a의 제2 방출 경로(E2)에 대응하는 경로를 따라서는 열 전자들이 거의 방출되지 않을 수 있다.On the other hand, in the example of Fig. 5B, almost no thermal electrons are emitted along the path corresponding to the second emission path E2 of Fig. 5A.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 도면들이다.6A and 6B are views showing a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예들에 따라 실제 제작된 비휘발성 메모리 소자를 나타낸다. 도 6a는 도 1에 대응하는 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 사진이며, 도 6b는 도 4에 대응하는 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope; TEM) 사진이다.6A and 6B show a nonvolatile memory device actually fabricated according to the embodiments of the present invention. 6A is a scanning electron microscope (SEM) photograph corresponding to FIG. 1, and FIG. 6B is a transmission electron microscope (TEM) photograph corresponding to FIG.
도 6a를 참조하면, 게이트 구조물에 포함되는 게이트 전극들(100, 101)의 전위차에 의해 전류(104)가 흐르게 되고, 이러한 전류(104)에 의해 발생하는 줄 열은 열 전자 방출의 주된 요인이 된다. 또한, 소스 및 드레인 영역들(102, 103) 중 적어도 하나에 인가되는 양 전위에 의해 채널 영역이 0V보다 큰 전위를 가지고(105), 이에 따라 상기 채널 영역과 전하 저장 영역 사이에 전계가 형성되며, 이렇게 가해지는 전계는 줄 열을 통해서 열적으로 여기되는 전자들이 더 효과적으로 터널링 절연막의 에너지 장벽을 통과하는데 기여한다.Referring to FIG. 6A, a current 104 flows due to a potential difference between the
도 6b를 참조하면, 터널링 절연층(201), 전하 저장 영역(202), 제어 절연층(203) 및 게이트 구조물(200)이 채널 영역(204)을 순차적으로 둘러싸도록 형성된다.6B, a tunneling insulating
도 7a 및 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 동작의 성능을 설명하기 위한 도면들이다.7A and 7B are diagrams for explaining the performance of the data erase operation of the nonvolatile memory device according to the embodiments of the present invention.
도 7a는 데이터 기입 또는 소거 동작에 따른 문턱 전압(VT)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7b는 도 7a의 각 케이스의 구체적인 조건을 나타내는 표이다. 도 7a 및 7b의 데이터들은 모두 실제 제작된 비휘발성 메모리 소자(예를 들어, 도 6a 및 6b의 비휘발성 메모리 소자)로부터 얻은 실측값이다.7A is a graph showing a change in threshold voltage (V T ) due to a data write or erase operation. FIG. 7B is a table showing specific conditions of each case in FIG. 7A. FIG. The data in Figs. 7A and 7B are actually measured values obtained from actually fabricated non-volatile memory elements (for example, non-volatile memory elements in Figs. 6A and 6B).
도 7a 및 7b에서, CASE1은 데이터 기입 동작이 수행된 경우를 나타내고, CASE2-1 및 CASE2-3은 전계를 동반하지 않고 열 전자 방출 현상만을 이용하여 데이터 소거 동작이 수행된 경우를 나타내며, CASE2-2는 본 발명의 실시예들에 따라 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용하여 데이터 소거 동작이 수행된 경우를 나타낸다. 도 7b에서, VTE는 게이트 전극들(100, 101)의 전위차를 나타내고, ITE는 전류(104)를 나타내고, VCH는 채널 영역(204)의 전위(105)를 나타내고, tTE는 데이터 소거 동작의 소요 시간(즉, ITE 및/또는 VCH의 인가 시간)을 나타내고, ΔVT는 데이터 소거 동작의 수행에 따른 문턱 전압(VT)의 변화량을 나타내며, TEMP는 전하 저장 영역(202)에 인가된 줄 열을 나타낸다.7A and 7B, CASE1 indicates a case where a data write operation is performed, CASE2-1 and CASE2-3 indicate a case where a data erase operation is performed using only a thermal electron emission phenomenon without an electric field, and CASE2- 2 shows a case where a data erase operation is performed using a thermal electron emission phenomenon accompanied by an electric field according to embodiments of the present invention. In Figure 7b, V TE denotes a potential difference between the gate electrodes (100, 101), I TE denotes a current (104), V CH represents the potential 105 of the channel region (204), t TE is data indicates the time of the erase operation (i.e., I TE and / or the application time of the V CH), ΔV T represents an amount of change in threshold voltage (V T) due to the execution of the data erase operation, TEMP is the charge storage area (202 ). ≪ / RTI >
도 6a, 6b, 7a 및 7b를 참조하면, 게이트 전극들(100, 101)에 프로그램 전압을 인가함에 따라 전하 저장 영역(202)에 전자가 저장되고, 이로 인해 문턱 전압(VT)이 높아진다. CASE1과 같은 이러한 상태를 프로그램 상태(programmed state)라 부를 수 있다.6A, 6B, 7A, and 7B, electrons are stored in the
낸드 타입의 비휘발성 메모리 소자에서 프로그램 상태/소거 상태(erased state)를 판별할 수 있는 지표는 문턱 전압(VT)이다. 열 전자 방출 현상만을 이용하여 데이터 소거 동작이 수행된 CASE2-1의 경우에, 문턱 전압(VT)의 변화량(ΔVT)은 약 0.3V이다. CASE2-1과 나머지 조건들은 모두 동일하고 전계를 동반하여 데이터 소거 동작이 수행된 CASE2-2의 경우에, 문턱 전압(VT)의 변화량(ΔVT)은 CASE2-1의 약 10배 이상인 약 3.1V이다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따라 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용하여 데이터 소거 동작을 수행하는 경우에, 데이터 소거 동작의 성능 및 효율이 향상됨을 확인할 수 있다.An indicator for determining the programmed state / erased state in a NAND type nonvolatile memory device is a threshold voltage (V T ). In case of CASE2-1 in which the data erase operation is performed using only the thermal electron emission phenomenon, the amount of change (V T ) of the threshold voltage (V T ) is about 0.3V. In CASE2-1 the case of the remaining conditions are all the same and accompanied by an electric field the data erase operation is performed CASE2-2, the amount of change in threshold voltage (V T) (ΔV T) is about 3.1 at least about 10 times the CASE2-1 V. Accordingly, it can be seen that the performance and efficiency of the data erase operation are improved when the data erase operation is performed using the thermal electron emission phenomenon accompanied by the electric field according to the embodiments of the present invention.
CASE2-2와 데이터 소거 동작의 성능 및 효율이 동일하도록 열 전자 방출 현상만을 이용하여 데이터 소거 동작이 수행된 CASE2-3의 경우에, 소비 전력이 약 2.5배 증가하고 필요 온도가 약 2배 증가한다. 열 전자 방출 현상만을 이용하여 데이터 소거 동작이 수행되는 경우에, 발생되는 열이 너무 높다면 인접 셀간의 열 간섭 현상이 일어날 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따라 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용하여 데이터 소거 동작을 수행하는 경우에, 상대적으로 적은 소비 전력 및 낮은 열로 동일한 성능 및 효율의 데이터 소거 동작을 구현할 수 있으며, 소비 전력 측면에서뿐 아니라 열 간섭 측면에서도 효과적일 수 있다.In the case of CASE 2-3 in which the data erasing operation is performed using only the thermal electron emission phenomenon so that the performance and efficiency of the data erasing operation are the same as that of CASE2-2, the power consumption is increased by about 2.5 times and the required temperature is increased by about 2 times . In the case where the data erase operation is performed using only the thermal electron emission phenomenon, if the generated heat is too high, thermal interference between adjacent cells may occur. Therefore, when performing the data erase operation using the thermal electron emission phenomenon accompanied by the electric field according to the embodiments of the present invention, it is possible to implement a data erase operation with the same performance and efficiency with relatively low power consumption and low heat , It can be effective not only in terms of power consumption but also in terms of heat interference.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 나타내는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
도 8을 참조하면, 비휘발성 메모리 소자(20)는 기판(210), 전하 저장 영역(220), 채널 영역(230), 터널링 절연층(240), 게이트 구조물(250) 및 전위 인가 구조물을 포함한다. 비휘발성 메모리 소자(20)는 제어 절연층(245), 소스 영역(262), 드레인 영역(264) 및 스페이서(spacer)(280)를 더 포함할 수 있다. 도 8은 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 하나의 메모리 셀을 나타낸다.8, a non-volatile memory device 20 includes a
도 8의 실시예에서, 전하 저장 영역(220), 터널링 절연층(240), 게이트 구조물(250), 제어 절연층(245) 및 스페이서(280)는 기판(210) 상에 형성될 수 있고, 채널 영역(230), 소스 영역(262) 및 드레인 영역(264)은 기판 내에 형성될 수 있다. 도 8의 기판(210), 전하 저장 영역(220), 채널 영역(230), 터널링 절연층(240), 게이트 구조물(250), 제어 절연층(245), 소스 영역(262) 및 드레인 영역(264)은 도 1의 기판(110), 전하 저장 영역(120), 채널 영역(130), 터널링 절연층(140), 게이트 구조물(150), 제어 절연층(145), 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)에 각각 대응할 수 있으며, 각 구성요소에 대해 중복되는 설명은 생략하도록 한다.8, a
전하 저장 영역(220)은 기판(210) 상에 형성된다. 채널 영역(230)은 전하 저장 영역(220)과 인접하여 형성된다. 터널링 절연층(240)은 전하 저장 영역(220)과 채널 영역(230) 사이에 형성된다. 게이트 구조물(250)은 전하 저장 영역(220)을 가열한다. 예를 들어, 도 1 내지 4를 참조하여 상술한 것처럼, 게이트 구조물(250)은 가열을 위한 전류를 발생시킬 수 있도록 두 개 이상의 전극들을 포함하여 구현될 수 있다. 제어 절연층(245)은 전하 저장 영역(220)과 게이트 구조물(250) 사이에 형성될 수 있다. 스페이서(280)는 기판(210) 상의 구성요소들(예를 들어, 220, 240, 245, 250)과 기판(210) 내의 구성요소들(예를 들어, 262, 264) 사이의 단락(short)을 방지하고 기판(210) 상의 구성요소들(예를 들어, 220, 240, 245, 250)의 형상을 유지할 수 있다.A
일 실시예에서, 채널 영역(230)은 소스 영역(262) 및 드레인 영역(264)과 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다수 캐리어를 전자로 사용하면서 동시에 p-n 접합을 갖는 소자를 제작하기 위해, p형 반도체 기판을 마련하고 n형 불순물을 이용하여 이온 주입과 같은 도핑 공정을 진행함으로써, 기판(210)과 동일한 물질을 포함하는 채널 영역(230)을 형성할 수 있고, 채널 영역(230)과 다른 물질을 포함하는 소스 영역(262) 및 드레인 영역(264)을 형성할 수 있다.In one embodiment, the
상술한 것처럼, 도 8의 실시예에서, 채널 영역(230), 소스 영역(262) 및 드레인 영역(264)은 모두 기판(210) 내에 형성될 수 있다. 예를 들어, 채널 영역(230)은 플래너(planar) 구조로 형성될 수 있다. 이 경우, 채널 영역(230)은 소스 영역(262)과 드레인 영역(264) 사이의 기판(210) 상부에 형성될 수 있다.8, the
본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자(20)는 전하 저장 영역(220)에 저장된 적어도 하나의 전하(예를 들어, 도 8에 도시된 전하 저장 영역(220) 내의 점들)를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행하고자 하는 경우에, 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용한다. 구체적으로, 게이트 구조물(250)을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(220)에 인가하며, 이와 함께 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 채널 영역(230)에 인가함으로써, 상대적으로 적은 소비 전력 및 줄 열(HT)을 이용하더라도 상기 데이터 소거 동작의 성능 및 효율이 향상될 수 있다. 도 8의 예에서는 채널 영역(230)이 기판(210) 내에 형성되기 때문에, 기판(210)에 직접적으로 상기 양 전위를 인가함으로써, 채널 영역(230)이 0V보다 큰 전위를 가질 수 있다(즉, VCH > 0V). 다시 말하면, 도 8의 예에서, 기판(210)이 그 자체로서 상기 전위 인가 구조물의 역할을 할 수 있다.A non-volatile memory device 20 according to embodiments of the present invention may include at least one non-volatile memory device (not shown) that discharges at least one charge stored in charge storage area 220 (e.g., the dots in
일 실시예에서, 상기 데이터 소거 동작이 수행됨에 따라 전하 저장 영역(220)에 줄 열(HT)이 인가되는 경우에, 터널링 절연층(240)에 줄 열(HT)이 함께 인가되고, 줄 열(HT)에 의해 터널링 절연층(240)이 자가 어닐링 또는 자가 치유되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In an embodiment, when the row erase (HT) is applied to the
실시예에 따라서, 게이트 구조물(250)은 일반적인 게이트 전극과 동일한 동작을 더 수행할 수 있다. 실시예에 따라서, 비휘발성 메모리 소자는 게이트 구조물(250)과 별개로 구현되는 가열 구조를 더 포함할 수도 있고, 기판(210)과 별개로 구현되는 전위 인가 구조물을 더 포함할 수도 있다.According to an embodiment, the
도 1 내지 4 및 8을 참조하여, 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 채널 영역이 나노와이어 구조 및 플래너 구조로 형성되는 예를 설명하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 채널 구조는 수직한 핀(fin) 구조, 나노시트(nano sheet) 구조, 수직 또는 수평형 나노와이어 구조 등과 같은 다양한 구조들 중 하나로 형성될 수 있다.1 to 4 and 8, an example has been described in which the channel region included in the non-volatile memory device is formed of the nanowire structure and the planar structure. However, the channel region included in the non-volatile memory device according to the embodiments of the present invention The structure may be formed of one of various structures such as a vertical fin structure, a nano sheet structure, a vertical or horizontal type nanowire structure, and the like.
또한, 도 1 내지 4 및 8을 참조하여, 비휘발성 메모리 소자에 포함되는 하나의 메모리 셀의 예를 설명하였으나, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자는 복수의 메모리 셀들이 플래너 구조, 상기 플래너 구조를 적층한 구조, 3차원 적층 구조 중 하나로 구현될 수 있다. 상기 플래너 구조는 상기 복수의 메모리 셀들이 하나의 기판 상에 2차원 어레이(array) 형태로 형성되는 구조를 나타내고, 상기 플래너 구조를 적층한 구조는 상기 플래너 구조에 따라 형성된 기판들을 적층하여 형성되는 구조를 나타내며, 상기 3차원 적층 구조는 상기 복수의 메모리 셀들이 하나의 기판 상에 3차원 어레이 형태로 형성되는 구조를 나타낸다.1 to 4 and 8, an example of one memory cell included in the non-volatile memory device has been described. However, the non-volatile memory device according to the embodiments of the present invention may have a plurality of memory cells arranged in a planar structure, A structure in which the planar structure is laminated, or a three-dimensional laminated structure. The planar structure is a structure in which the plurality of memory cells are formed in a two-dimensional array on one substrate, and the structure in which the planar structures are stacked is formed by stacking substrates formed according to the planar structure And the three-dimensional laminated structure shows a structure in which the plurality of memory cells are formed in a three-dimensional array on one substrate.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법을 나타내는 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a data erasing method of a nonvolatile memory device according to embodiments of the present invention.
도 1 및 9를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법에서, 비휘발성 메모리 소자(10)는 전하 저장 영역(120), 전하 저장 영역(120)과 인접하여 형성되는 채널 영역(130), 전하 저장 영역(120)을 가열하는 게이트 구조물(150), 및 채널 영역(130)에 전위를 인가하는 전위 인가 구조물(160)을 포함하며, 전하 저장 영역(120)과 채널 영역(130) 사이에 형성되는 터널링 절연층(140)을 더 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 9, in a method of erasing data in a non-volatile memory device according to embodiments of the present invention, a
게이트 구조물(150)을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가하여, 전하 저장 영역(120)에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시킨다(단계 S100). 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역(120)에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 터널링 절연층(140)에 의한 에너지 장벽을 통과하여 채널 영역(130)으로 방출될 수 있다. 예를 들어, 게이트 구조물(150)은 전하 저장 영역(120)을 가열할 수 있도록 전하 저장 영역(120)과 인접하여 형성될 수 있고, 특히 가열을 위한 전류(IH)를 발생시킬 수 있도록 두 개 이상의 전극들을 포함하여 구현될 수 있다.The
줄 열(HT)을 전하 저장 영역(120)에 인가하면서(예를 들어, 실질적으로 동시에), 전위 인가 구조물(160)을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위(VP)를 채널 영역(130)에 인가한다(단계 S200). 채널 영역(130)에 양 전위(VP)가 인가되는 경우에, 전하 저장 영역(120)과 채널 영역(130)의 전위 차이가 증가하며, 터널링 절연층(140)에 의한 상기 에너지 장벽을 통과하는 전하의 개수 및 통과 속도가 증가할 수 있다. 예를 들어, 전위 인가 구조물(160)은 채널 영역(130)에 전위를 인가할 수 있도록 채널 영역(130)과 직접적으로 연결되어 형성될 수 있으며, 소스 영역(162) 및 드레인 영역(164)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 도 8에 도시된 것처럼, 기판(210)이 그 자체로서 상기 전위 인가 구조물의 역할을 할 수 있다.The
일 실시예에서, 전하 저장 영역(120)에 줄 열(HT)이 인가되는 경우에, 전하 저장 영역(120)과 인접한 터널링 절연층(140)에 줄 열(HT)이 함께 인가될 수 있고, 줄 열(HT)에 의해 터널링 절연층(140)이 자가 어닐링 또는 자가 치유되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.In one embodiment, when a row of lines HT is applied to the
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드를 포함하는 제품 등의 형태로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램 코드는 판독 장치를 통해 다양한 컴퓨터 또는 다른 데이터 처리 장치의 프로세서로 제공될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 컴퓨터로 판독 가능한 신호 매체 또는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체일 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체는 명령어 실행 시스템, 장비 또는 장치 내에 또는 이들과 접속되어 프로그램을 저장하거나 포함할 수 있는 임의의 유형적인 매체일 수 있다.Meanwhile, the data erasing method of the non-volatile memory device according to the embodiments of the present invention may be implemented in the form of a product or the like including computer-readable program code stored in a computer-readable medium. The computer readable program code may be provided to the processor of the various computers or other data processing apparatus via a reading device. The computer-readable medium may be a computer-readable signal medium or a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any type of medium that can store or contain programs in or on the instruction execution system, equipment or apparatus.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.10 is a block diagram illustrating an electronic system including a non-volatile memory device in accordance with embodiments of the present invention.
도 10을 참조하면, 전자 시스템(1000)은 프로세서(1010) 및 비휘발성 메모리 소자(1040)를 포함한다. 전자 시스템(1000)은 통신(Connectivity)부(1020), 휘발성 메모리 소자(1030), 사용자 인터페이스(1050) 및 전원 공급부(1060)를 더 포함할 수 있다.10,
프로세서(1010)는 전자 시스템(1000)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크들과 같은 다양한 컴퓨팅 기능들을 실행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1010)는 CPU(central processing unit), 마이크로프로세서, AP(application processor) 등과 같은 임의의 프로세서일 수 있다.The
휘발성 메모리 소자(1030) 및 비휘발성 메모리 소자(1040)는 프로세서(1010)에 의해 처리되는 데이터를 저장한다. 예를 들어, 비휘발성 메모리 소자(1040)는 본 발명의 실시예들에 따른 비휘발성 메모리 소자일 수 있으며, 전계를 동반한 열 전자 방출 현상을 이용하여 데이터 소거 동작을 수행함으로써, 상대적으로 적은 소비 전력 및 줄 열을 이용하더라도 상기 데이터 소거 동작의 성능 및 효율이 향상될 수 있다. 또한, 상기 줄 열에 의해 터널링 절연층이 자가 어닐링 또는 자가 치유되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 휘발성 메모리 소자(1030)는 DRAM(Dynamic Random Access Memory), SRAM(Static Random Access Memory) 등과 같은 임의의 휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 비휘발성 메모리 소자(1040)는 낸드 플래시 메모리 등과 같은 임의의 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다.
통신부(1020)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(1020)는 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus; USB) 통신, 이더넷(Ethernet) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication; NFC), 무선 식별(Radio Frequency Identification; RFID) 통신, 이동 통신(Mobile Telecommunication), 메모리 카드 통신 등을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신부(1020)는 베이스밴드 칩 셋(Baseband Chipset)을 포함할 수 있고, GSM, GPRS, WCDMA, HSxPA 등의 통신을 지원할 수 있다.The
사용자 인터페이스(1050)는 키패드, 버튼, 마이크, 터치 스크린 등과 같은 하나 이상의 입력 장치, 및/또는 스피커, 디스플레이 장치 등과 같은 하나 이상의 출력 장치를 포함할 수 있다. 전원 공급부(1060)는 모바일 시스템(1000)의 동작 전압을 공급할 수 있다.The
일 실시예에서, 전자 시스템(1000)은 휴대폰(Mobile Phone), 스마트 폰(Smart Phone), 태블릿(Tablet) PC(Personal Computer), 노트북(Laptop Computer), 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant; PDA), 휴대형 멀티미디어 플레이어(Portable Multimedia Player; PMP), 디지털 카메라(Digital Camera), 음악 재생기(Music Player), 휴대용 게임 콘솔(Portable Game Console), 네비게이션(Navigation) 기기 등과 같은 임의의 모바일 기기에 적용될 수도 있고, PC(Personal Computer), 서버 컴퓨터(Server Computer), 워크스테이션(Workstation), 디지털 TV(Digital Television), 셋-탑 박스(Set-Top Box) 등과 같은 임의의 컴퓨팅 시스템에 적용될 수도 있다. 상기 모바일 기기는 웨어러블(wearable) 기기, 사물 인터넷(Internet of Things: IoT) 기기, 만물 인터넷(Internet of Everything: IoE) 기기, 가상 현실(Virtual Reality; VR) 기기, 증강 현실(Augmented Reality; AR) 기기, e-북(e-book) 등을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the
본 발명의 비휘발성 메모리 소자를 포함하는 다양한 장치 및 시스템에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 휴대폰, 스마트 폰, PDA, PMP, 디지털 카메라, 캠코더, PC, 서버 컴퓨터, 워크스테이션, 노트북, 디지털 TV, 셋-탑 박스, 음악 재생기, 휴대용 게임 콘솔, 네비게이션 기기, 웨어러블 기기, IoT 기기, VR 기기, AR 기기 등과 같은 다양한 전자 기기에 유용하게 이용될 수 있다.And can be applied to various apparatuses and systems including the nonvolatile memory element of the present invention. Therefore, the present invention can be applied to mobile phones, smart phones, PDAs, PMPs, digital cameras, camcorders, PCs, server computers, workstations, laptops, digital TVs, It can be usefully used in various electronic devices such as devices, VR devices, AR devices, and the like.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It will be understood.
Claims (20)
상기 기판 상에 형성되는 전하 저장 영역;
상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성되는 채널 영역;
상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층;
상기 전하 저장 영역을 가열하는 게이트 구조물; 및
상기 채널 영역에 전위를 인가하는 전위 인가 구조물을 포함하고,
상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하고, 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행하는 비휘발성 메모리 소자.Board;
A charge storage region formed on the substrate;
A channel region formed adjacent to the charge storage region;
A tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region;
A gate structure for heating the charge storage region; And
And a potential applying structure for applying a potential to the channel region,
Applying a Joule heat above a reference temperature to the charge storage region using the gate structure and applying a positive potential above a reference potential to the channel region using the potential application structure, And performs a data erase operation to emit at least one charge.
상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하여 상기 채널 영역으로 방출되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the at least one charge stored in the charge storage region passes through an energy barrier by the tunneling insulation layer and is released to the channel region when the row of columns is applied to the charge storage region. device.
상기 채널 영역에 상기 양 전위가 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역의 전위 차이가 증가하며, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하는 개수 및 통과 속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein a potential difference between the charge storage region and the channel region increases when the positive potential is applied to the channel region and the at least one charge stored in the charge storage region passes through an energy barrier by the tunneling insulation layer And the number of the nonvolatile memory elements increases and the passing speed increases.
상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 인접한 상기 터널링 절연층에 상기 줄 열이 함께 인가되고, 상기 줄 열에 의해 상기 터널링 절연층이 자가 어닐링(self-annealing)되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
When the row of columns is applied to the charge storage region, the row of columns is applied to the tunneling insulation layer adjacent to the charge storage region, and the tunneling insulation layer is self-annealed by the row of columns Wherein a reduction in data retention time and deterioration in characteristics are prevented.
상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성되는 연결 전극;
상기 연결 전극의 제1 단과 연결되는 제1 게이트 전극; 및
상기 연결 전극의 제2 단과 연결되는 제2 게이트 전극을 포함하고,
상기 제1 게이트 전극에 제1 전위를 인가하고 상기 제2 게이트 전극에 상기 제1 전위와 다른 제2 전위를 인가하여, 상기 연결 전극을 따라 흐르는 전류를 유발하고 상기 전류에 의해 상기 줄 열을 발생시키는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.2. The device of claim 1,
A connection electrode formed adjacent to the charge storage region;
A first gate electrode connected to a first end of the connection electrode; And
And a second gate electrode connected to a second end of the connection electrode,
Applying a first potential to the first gate electrode and applying a second potential different from the first potential to the second gate electrode to induce a current flowing along the connection electrode, Wherein the nonvolatile memory element is a nonvolatile memory element.
상기 기판을 평면에서 보았을 때, 상기 연결 전극의 폭은 상기 제1 및 제2 게이트 전극들의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.6. The method of claim 5,
Wherein a width of the connecting electrode is narrower than a width of the first and second gate electrodes when the substrate is viewed in a plane.
상기 채널 영역의 제1 단과 연결되는 소스 영역; 및
상기 채널 영역의 제2 단과 연결되는 드레인 영역을 포함하고,
상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역 중 적어도 하나에 상기 양 전위를 인가하여, 상기 채널 영역에 양 전위를 인가시키는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The apparatus of claim 1, wherein the potential applying structure comprises:
A source region coupled to a first end of the channel region; And
And a drain region coupled to a second end of the channel region,
And the positive potential is applied to at least one of the source region and the drain region to apply a positive potential to the channel region.
상기 기판을 평면에서 보았을 때, 상기 채널 영역의 폭은 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.8. The method of claim 7,
Wherein a width of the channel region is narrower than a width of the source region and the drain region when the substrate is viewed in a plane.
상기 채널 영역, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 동일한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the channel region, the source region, and the drain region are formed of the same material.
상기 기판과 상기 소스 영역 사이에 형성되는 제1 지지 영역; 및
상기 기판과 상기 드레인 영역 사이에 형성되는 제2 지지 영역을 더 포함하고,
상기 채널 영역, 상기 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 모두 상기 기판 상에 형성되고,
상기 채널 영역은 나노와이어(nanowire) 구조로 형성되고,
상기 터널링 절연층, 상기 전하 저장 영역 및 상기 게이트 구조물은 상기 채널 영역의 제1 부분을 순차적으로 둘러싸도록 형성되며,
상기 채널 영역의 상기 제1 부분을 제외한 제2 부분과 상기 기판 사이에는 빈 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.8. The method of claim 7,
A first support region formed between the substrate and the source region; And
And a second support region formed between the substrate and the drain region,
The channel region, the source region, and the drain region are all formed on the substrate,
The channel region is formed in a nanowire structure,
Wherein the tunneling insulator layer, the charge storage region, and the gate structure are formed to sequentially surround a first portion of the channel region,
Wherein a void is present between the substrate and a second portion of the channel region other than the first portion.
상기 채널 영역은 플래너(planar) 구조, 핀(fin) 구조, 나노시트(nano sheet) 구조 중 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the channel region is formed of one of a planar structure, a fin structure, and a nano sheet structure.
상기 전하 저장 영역과 상기 게이트 구조물 사이에 형성되는 제어 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
And a control insulating layer formed between the charge storage region and the gate structure.
상기 전하 저장 영역은 폴리실리콘(polysilicon), 비정질 실리콘(amorphous silicon), 금속 산화물(metal oxide), 실리콘 질화물(silicon nitride), 실리콘 나노결정 물질(silicon nano-crystal) 및 금속 산화물 나노결정을 갖는 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
The charge storage region may comprise at least one material selected from the group consisting of polysilicon, amorphous silicon, metal oxide, silicon nitride, silicon nano-crystal and metal oxide nanocrystals Wherein the nonvolatile memory element comprises at least one of a nonvolatile memory element and a nonvolatile memory element.
상기 채널 영역은 실리콘(silicon), 게르마늄(germanium), 실리콘 게르마늄(silicon-germanium), 인장 실리콘(strained silicon), 인장 게르마늄(strained germanium), 인장 실리콘 게르마늄(strained silicon-germanium) 및 절연층 매몰 실리콘(silicon on insulator; SOI) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
The channel region may be formed of silicon, germanium, silicon-germanium, strained silicon, strained germanium, strained silicon-germanium, and at least one of silicon on insulator (SOI).
상기 터널링 절연층은 실리콘 산화물(silicon oxide), 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물(silicon oxynitride) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자.The method according to claim 1,
Wherein the tunneling insulating layer comprises at least one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride.
상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시키는 단계; 및
상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가하는 단계를 포함하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법.A data erasing method for a nonvolatile memory device including a charge storage region, a channel region formed adjacent to the charge storage region, a gate structure for heating the charge storage region, and a potential applying structure for applying a potential to the channel region, ,
Applying joule heat above a reference temperature to the charge storage region using the gate structure to emit at least one charge stored in the charge storage region; And
And applying a potential higher than a reference potential to the channel region using the potential applying structure.
상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층을 더 포함하고,
상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하여 상기 채널 영역으로 방출되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법.17. The nonvolatile memory device according to claim 16,
And a tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region,
Wherein the at least one charge stored in the charge storage region passes through an energy barrier by the tunneling insulation layer and is released to the channel region when the row of columns is applied to the charge storage region. A method for erasing data of a device.
상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층을 더 포함하고,
상기 채널 영역에 상기 양 전위가 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역의 전위 차이가 증가하며, 상기 전하 저장 영역에 저장된 상기 적어도 하나의 전하가 상기 터널링 절연층에 의한 에너지 장벽을 통과하는 개수 및 통과 속도가 증가하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법.17. The nonvolatile memory device according to claim 16,
And a tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region,
Wherein a potential difference between the charge storage region and the channel region increases when the positive potential is applied to the channel region and the at least one charge stored in the charge storage region passes through an energy barrier by the tunneling insulation layer And the number of times of writing and the speed of passage of the nonvolatile memory element are increased.
상기 전하 저장 영역에 상기 줄 열이 인가되는 경우에, 상기 전하 저장 영역과 인접한 상기 터널링 절연층에 상기 줄 열이 함께 인가되고, 상기 줄 열에 의해 상기 터널링 절연층이 자가 어닐링(self-annealing)되어 데이터 보존 시간의 감소 및 특성 열화가 방지되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 메모리 소자의 데이터 소거 방법.17. The method of claim 16,
When the row of columns is applied to the charge storage region, the row of columns is applied to the tunneling insulation layer adjacent to the charge storage region, and the tunneling insulation layer is self-annealed by the row of columns The data storage time and the deterioration of the characteristics of the nonvolatile memory device are prevented.
상기 프로세서에 의해 처리되는 데이터를 저장하는 비휘발성 메모리 소자를 포함하고,
상기 비휘발성 메모리 소자는,
기판;
상기 기판 상에 형성되는 전하 저장 영역;
상기 전하 저장 영역과 인접하여 형성되는 채널 영역;
상기 전하 저장 영역과 상기 채널 영역 사이에 형성되는 터널링 절연층;
상기 전하 저장 영역을 가열하는 게이트 구조물; 및
상기 채널 영역에 전위를 인가하는 전위 인가 구조물을 포함하고,
상기 게이트 구조물을 이용하여 기준 온도 이상의 줄 열(Joule heat)을 상기 전하 저장 영역에 인가하고, 상기 전위 인가 구조물을 이용하여 기준 전위 이상의 양 전위를 상기 채널 영역에 인가하여, 상기 전하 저장 영역에 저장된 적어도 하나의 전하를 방출시키는 데이터 소거 동작을 수행하는 전자 시스템.A processor; And
And a non-volatile memory device for storing data processed by the processor,
Wherein the nonvolatile memory element comprises:
Board;
A charge storage region formed on the substrate;
A channel region formed adjacent to the charge storage region;
A tunneling insulation layer formed between the charge storage region and the channel region;
A gate structure for heating the charge storage region; And
And a potential applying structure for applying a potential to the channel region,
Applying a Joule heat above a reference temperature to the charge storage region using the gate structure and applying a positive potential above a reference potential to the channel region using the potential application structure, Wherein the data erase operation causes at least one charge to be emitted.
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Cited By (2)
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KR102035941B1 (en) * | 2018-10-01 | 2019-10-24 | 한국과학기술원 | Nonvolatile memory device using the thermal assisted gate - induced drain leakage, method of erasing data in the same and electronic system including the same |
US10886275B2 (en) | 2019-02-04 | 2021-01-05 | International Business Machines Corporation | Nanosheet one transistor dynamic random access device with silicon/silicon germanium channel and common gate structure |
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2017
- 2017-02-06 KR KR1020170015936A patent/KR101917717B1/en active IP Right Grant
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