KR20200044378A - 셀렉터 포함 메모리 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 메모리 소자는 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극의 상부에서 상기 제1 전극과 마주하도록 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트; 상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및 일단부는 노출된 제1 전극과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극과 접촉하되, 상기 제2 전극에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함한다.
Description
본 발명은 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 집적도를 구현 가능하면서도 누설 전류를 방지하여 전력 손실을 최소화할 수 있고 안정적인 메모리 동작을 구현 가능한 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치에 관한 것이다.
비휘발성 메모리의 일종인 플래시 메모리는 전원 공급이 끊어져도 정보를 저장할 수 있어 다양하게 사용되고 있다. 플래시 메모리는 산화물로 이루어진 게이트 절연체와 게이트 전극을 포함하는 구조로, 전력 소비가 높고 수직한 방향으로 집적화하는데 어려움이 있다는 단점이 있고, 특히, 유연성 및 신축성이 낮아 웨어러블(wearable) 장치에 적용하는데 한계가 있다. 또한, 최근에 뉴로모픽(neuromorphic) 연구와 관련하여 개발된 시냅스 메모리의 경우에는 2개의 전극으로 동작해야하는 구조적인 제약이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서, 저항이 변화하는 물질을 이용한 저항 메모리(Resistive memory, RRAM), 물질의 상변화를 이용한 상변환 메모리(Phase change memory, PRAM) 등에 기반한 2개의 전극으로 구성된 메모리들이 소개되고 있다.
하지만, 이러한 저항 메모리나 상변환 메모리는 반도체 소자 자체의 소자 간 특성 차이가 매우가 크고, 전기적 특성 변화가 심하여 동작에 있어 신뢰성이 낮고, 누설 전류(off-current)가 매우 높아 오프 상태(off-state)에서 전력 손실이 크다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 이러한 저항 메모리나 상변환 메모리는 교차 구조 어레이(cross point array)에서 읽기 동작 시 스니크 경로(sneak path)를 통해 누설 전류가 흐를 수 있어 매우 높은 전력 손실을 갖게 되는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해서는 셀마다 비선형 소자인 셀렉터를 필수로 추가하여야만 한다는 단점이 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 집적도를 구현 가능하면서도 누설 전류를 방지하여 전력 손실을 최소화할 수 있고 안정적인 메모리 동작을 구현 가능한 메모리 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 메모리 소자가 구비된 메모리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 메모리 소자는 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극의 상부에서 상기 제1 전극과 마주하도록 배치된 제2 전극; 상기 제1 전극의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트; 상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및 일단부는 노출된 제1 전극과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극과 접촉하되, 상기 제2 전극에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제2 절연층은, 전압 인가 시 상기 제2 전극과 상기 플로팅 게이트 사이의 전하 터널링이 방지되도록 상기 제1 절연층보다 두껍게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메모리 소자는 쓰기 모드에서, 상기 제1 전극에 음의 전압이 인가되고 상기 제2 전극에 양의 전압이 인가되어 전자가 축적된 플로팅 게이트에 의해 상기 제1 반도체 영역은 음의 전계 효과에 의해 높은 저항을 갖고, 읽기 모드에서, 상기 반도체 패턴이 오프 상태가 될 수 있다.
이때, 상기 메모리 소자는 소거 모드에서, 상기 제1 전극에 양의 전압이 인가되고 상기 제2 전극에 음의 전압이 인가되어 정공이 축적된 플로팅 게이트에 의해 상기 제1 반도체 영역은 양의 전계 효과에 의해 낮은 저항을 갖고, 읽기 모드에서, 상기 제1 전극에 양의 전압이 인가되고 상기 제2 전극이 그라운드 되는 경우, 상기 제2 반도체 영역이 양의 전계 효과에 의해 낮은 저항을 갖고, 상기 반도체 패턴이 온 상태가 될 수 있다.
이때, 상기 메모리 소자는 읽기 모드에서, 상기 제1 전극에 양의 전압이 인가되고 상기 제2 전극이 그라운드 되는 경우, 상기 제2 반도체 영역이 양의 전계 효과에 의해 낮은 저항을 갖고, 상기 반도체 패턴이 온 상태가 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반도체 패턴은 이황화 몰리브덴(MoS2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 이황화 텅스텐(WS2), 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 산화 아연(ZnO), 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO), 반도체성 탄소나노튜브(semiconducting CNT) 및 블랙 포스포러스(Black phosphorous, BP) 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 절연층은 육방정계 질화붕소(h-BN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2) 및 질화규소(Silicon nitride) 중 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플로팅 게이트는 그래핀으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 목적을 위한 메모리 장치는 베이스 기재의 제1 방향으로 연장된 제1 전극 라인 다수개가 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열되고, 상기 제1 전극 라인과 교차하도록 상기 제1 전극 라인들 상부에 상기 제2 방향으로 연장된 제2 전극 라인 다수개가 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열되며, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인이 교차하는 교차 영역들 각각에 메모리 소자가 구비되되, 상기 메모리 소자는, 상기 교차 영역에서 하부에 배치된 제1 전극 라인 영역; 상기 교차 영역에서 상부에 배치되어 상기 제1 전극 라인과 마주하는 제2 전극 라인 영역; 상기 제1 전극 라인 영역의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 라인 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 전극 영역과 상기 제2 전극 영역 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트; 상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극 영역의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및 일단부는 노출된 제1 전극 라인 영역과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극 라인 영역과 접촉하되, 상기 제2 전극 라인 영역에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극 라인 영역까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함한다.
본 발명의 일 목적을 위한 다른 메모리 장치는 베이스 기재의 제1 방향으로 연장되고 상하 방향으로 서로 마주하는 제1 전극 라인들 사이에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 제2 전극 라인이 개재되어 제1 전극 라인들과 제2 전극 라인들이 상하 방향으로 교호적으로 순차 적층되고, 상하 방향으로 마주하는 1개의 제1 전극 라인과 1개의 제2 전극 라인이 교차하는 교차 영역에 메모리 소자가 구비되되, 상기 메모리 소자는, 상기 교차 영역에서 하부에 배치된 제1 전극 라인 영역; 상기 교차 영역에서 상부에 배치되어 상기 제1 전극 라인과 마주하는 제2 전극 라인 영역; 상기 제1 전극 라인 영역의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 라인 상에 배치된 제1 절연층; 상기 제1 전극 영역과 상기 제2 전극 영역 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트; 상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극 영역의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및 일단부는 노출된 제1 전극 라인 영역과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극 라인 영역과 접촉하되, 상기 제2 전극 라인 영역에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극 라인 영역까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함한다.
일 실시예에서, 상하 방향으로 2개의 서로 마주하는 제1 전극 라인들과 이들 사이에 개재된 1개의 제2 전극 라인에 의해서, 1개의 제2 전극 라인을 공유하여 2개의 메모리 소자가 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 전극 라인들은 상기 제2 방향으로 일렬로 배열되고 제2 전극 라인들은 상기 제1 방향으로 일렬로 배열되어 메모리 소자들이 3차원 배열될 수 있다.
본 발명의 메모리 소자에 따르면, 본 발명의 메모리 소자는 일부분이 다이오드와 같은 기능을 수행할 수 있는 반도체 패턴을 포함함으로써 소자 사이에 발생하는 스니크 경로를 통한 전류 누설을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 셀렉터와 같은 별도의 구성 없이도 소자의 동작 안정성을 향상시키고 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 메모리 소자 간의 교차 구조 어레이(cross point array) 형태로 제작 가능하여 집적도를 향상시킬 수 있고, 소자의 동작 신뢰성, 나아가 비휘발성 메모리의 동작 신뢰성을 확보할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 메모리 소자를 2개의 전극이 수직 방향으로 서로 마주하는 메모리 소자가 2차원 배열된 어레이를 3차원적으로도 적층함으로써 집적도를 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 단일 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원 배열의 메모리 장치의 일 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자 및 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 2에서 설명한 2차원 배열의 메모리 장치의 읽기 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 배열의 메모리 장치의 다른 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원 배열의 메모리 장치의 일 구조를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자 및 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 2에서 설명한 2차원 배열의 메모리 장치의 읽기 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 배열의 메모리 장치의 다른 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에서의 상하 방향은 베이스 기재의 표면을 기준으로 표면과 교차하는 방향을 의미하며, 본 발명에서의 수평 방향은 도 2에서 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)을 포함하면서 상기 상하 방향과 교차하는 방향을 의미하는 것으로 정의한다.
도 1은 본 발명의 메모리 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 메모리 소자는 베이스 기재(110) 상에 배치된 제1 전극(120), 제1 절연층(130), 플로팅 게이트(140), 제2 절연층(150), 제2 전극(160) 및 반도체 패턴(170)을 포함한다.
베이스 기재(110)는 그 형상이나 구조가 특별히 제한되지 않는다. 다만, 상기 베이스 기재(110)의 표면은 상기 제1 전극(120)과 전기적으로 연결되지 않기 위해, 절연물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 베이스 기재(110)로는 표면에 절연막이 형성된 금속이나 반도체 기판, 고분자 기판 등이 사용될 수 있다. 일 실시예로, 상기 베이스 기재(110)는 신축성을 가지는 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide, PI) 및/또는 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)으로 형성될 수 있다.
제1 전극(120)은 베이스 기재(110) 상에 배치되고, 제1 전극(120)과 마주하도록 제1 전극(120)의 상부에 제2 전극(160)이 배치된다. 일 실시예로, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)은 상하방향으로 간격이 약 100 nm 이하일 수 있다. 제1 전극(120)은 베이스 기재(110)의 상부에서 제1 방향으로 연장될 수 있고, 제2 전극(160)은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장될 수 있으며, 제1 전극(120)과 제2 전극(160)은 서로 교차하여 일정 면적만큼 중첩할 수 있다. 일 실시예로, 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 워드 라인(word line, WL) 및 비트 라인(bit line, BL)을 이룰 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 본 발명의 메모리 장치를 설명하면서 후술하도록 한다. 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 각각 도전성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 그래핀, 전도성 고분자, 전도성 금속 등으로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)은 크롬과 금이 순차적으로 이중 금속층 구조일 수 있다.
제1 절연층(130)은 상기 제1 방향으로 제1 폭을 갖고 상기 제2 방향으로 연장되도록, 제1 전극(120)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 형성될 수 있고, 제1 절연층(130)은 제1 전극(120)의 일부분을 노출시킬 수 있다. 제1 절연층(130)은 제1 전극과 플로팅 게이트(140)를 절연시킬 수 있도록 절연물질로 형성될 수 있다. 다만, 제1 전극(120)과 플로팅 게이트(140) 사이에 전하의 터널링이 가능하도록 구성될 수 있다. 제1 절연층(130)의 물질은 절연성을 갖기만 한다면 특별히 제한되지 않으나, 전하 터널링을 위해 매우 얇은 상태에서도 안정적으로 절연성을 유지할 수 있는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 절연층(130)은 육방정계 질화붕소(h-BN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2) 및/또는 질화규소(Silicon nitride)로 형성될 수 있다.
플로팅 게이트(140)는 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에 배치되도록 제1 절연층(130) 상에 배치된다. 플로팅 게이트(140)는 전도성을 가지며 전하가 전체 영역에 걸쳐 고루 분포될 수 있는 물질로 형성된다. 예를 들어, 플로팅 게이트(140)는 금속이나 그래핀(graphene)으로 형성될 수 있다. 플로팅 게이트(140)에 전하를 충전하고 방전하는 과정이 종래의 플로팅 게이트 메모리(FGM)에서는 게이트 전극에 인가되는 전압에 이루어졌으나, 본 발명의 메모리 소자에서의 플로팅 게이트(140)의 충전 및 방전은 제1 전극(120)에 인가되는 전압을 조절함으로써 수행된다.
제2 절연층(150)은 플로팅 게이트(140)를 밀봉하도록 제1 절연층(130) 상에 형성될 수 있다. 이때, 제2 절연층(150)은 제1 전극(120)이 노출되는 영역으로부터 일정한 폭만큼 제1 절연층(130)이 노출되도록 제1 절연층(130) 상부에 배치될 수 있고, 이에 의해, 제2 절연층(150)의 상부면과 노출된 제1 절연층(130)의 상부면 사이에는 단턱이 형성될 수 있다. 노출된 제1 절연층(130) 상에 배치되는 반도체 패턴(170)에 의해 본 발명에 따른 메모리 소자는 일 방향으로 전류를 흐르게 하는 다이오드 기능을 발휘할 수 있고, 이에, 노출된 제1 절연층(130)의 폭은 다이오드 기능을 수행할 수 있도록 조절될 수 있다. 제2 절연층(150)은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160)을 절연시킬 수 있는 절연 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 제2 절연층(150)은 제2 전극(160)과 플로팅 게이트(140) 사이에는 전하의 터널링이 발생하지 않도록 제1 절연층(130)보다 두꺼운 두께로 형성될 수 있다.
반도체 패턴(170)은 일단부는 제2 전극(160)과 직접 접촉하고 타단부는 노출된 제1 전극(120)과 직접 접촉하여 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에서 전하가 이동하는 채널을 제공한다. 이때 반도체 패턴(170)은 도 1에 도시한 바와 같이, 제2 전극(160)로부터 제2 절연층(150)의 상부면 및 측벽면을 따라 제1 절연층(130)까지 연장된 제1 반도체 영역과 상기 제1 반도체 영역에서부터 노출된 제1 절연층(130)의 상부면 및 측벽면을 따라 제1 전극(120)까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함할 수 있다. 반도체 패턴(170)은 플로팅 게이트(140)에 저장된 전하 또는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 인가된 전압에 따라 전하가 이동할 수 있는 채널을 형성할 수 있는 반도체 물질로 형성될 수 있고, 상기 반도체 물질로는 공지의 반도체 물질이 제한 없이 적용될 수 있다. 상기 반도체 물질은, 예를 들어, 이황화 몰리브덴(MoS2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 이황화 텅스텐(WS2), 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 산화 아연(ZnO), 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO), 반도체성 탄소나노튜브(semiconducting CNT) 및/또는 블랙 포스포러스(Black phosphorous, BP) 등을 포함할 수 있다. 상기에서는 본 발명의 반도체 패턴을 형성할 수 있는 물질들을 예시적으로 언급하였으나, 본 발명이 반드시 이에 제한되는 것은 아니고 반도체 특성을 나타낼 수 있는 물질이면 특별히 제한되지 않고 가능할 수 있다.
본 발명의 메모리 소자는 제1 전극(120)에 전압을 인가하여 플로팅 게이트(140)에 전자 또는 정공을 주입 또는 제거할 수 있고 이를 통해 반도체 패턴(170)에 의해 형성되는 채널의 온/오프 상태(On/Off state)를 조절할 수 있다. 이때, 반도체 패턴(170)을 이루는 제2 반도체 영역이 하부에 위치한 제1 전극(120)에 의해 영향을 받아 다이오드와 같은 역할을 할 수 있다.
구체적으로, 도 1의 단면 구조의 반도체 패턴(170)을 구비하는 메모리 소자에 있어서, 제1 전극(120)에 인가되는 전압을 통해 플로팅 게이트(140)에 전하를 트랩시킬 수 있고, 플로팅 게이트(140)에 트랩된 전하에 의해 생성되는 전계는 반도체 패턴(170)의 제1 반도체 영역에 존재하는 전하에 영향을 미쳐 상기 반도체 패턴에 의해 형성된 채널을 온/오프(ON/OFF)시킬 수 있으며, 플로팅 게이트(140)에 트랩된 전하는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 인가되는 전압이 제거되더라도 유지되므로, 본 발명에 따른 메모리 소자는 비휘발성 메모리 특성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 메모리 소자는, 반도체 패턴(170)의 상기 제1 반도체 영역뿐만 아니라 제2 반도체 영역도 포함하고, 상기 제2 반도체 영역에 존재하는 전하는 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계로부터는 영향을 받지 않지만 제1 전극(120)과 상기 제2 반도체 영역 사이의 전압 차이에 의해 발생되는 전계에 대해서는 영향을 받게 된다.
일 실시예로, 플로팅 게이트(140)에 정공이 트랩된 상태에서 제2 전극(160)이 접지되고 제1 전극(120)에 양의 전압이 인가된 경우, 반도체 패턴(170) 중 제1 반도체 영역의 채널은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계에 의해 온(ON) 상태가 되고, 제2 반도체 영역의 채널은 제1 전극(120)과 제2 반도체 영역 사이의 전계에 의해 온 상태가 되며, 그 결과 반도체 패턴(170)의 전체 채널은 온 상태가 되어 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에 전류가 흐르게 된다. 이에 반해, 플로팅 게이트(140)에 정공이 트랩된 상태에서 제2 전극(160)이 접지되고 제1 전극(120)에 음의 전압이 인가된 경우, 반도체 패턴(170) 중 제1 반도체 영역의 채널은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계에 의해 온 상태가 되지만, 제2 반도체 영역의 채널은 제1 전극(120)과 제2 반도체 영역 사이의 전계에 의해 오프(OFF) 상태가 되며, 그 결과 반도체 패턴(170)의 전체 채널은 상기 제2 반도체 영역의 채널에 의해 오프 상태가 되어 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에는 전류가 흐르지 않게 된다.
다른 실시예로, 플로팅 게이트(140)에 전자가 트랩된 상태에서 제2 전극(160)이 접지되고 제1 전극(120)에 양의 전압이 인가된 경우, 반도체 패턴(170) 중 제1 반도체 영역의 채널은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계에 의해 오프 상태가 되고, 제2 반도체 영역의 채널은 제1 전극(120)과 제2 반도체 영역 사이의 전계에 의해 온 상태가 되며, 그 결과 반도체 패턴(170)의 전체 채널은 제1 반도체 영역의 채널에 의해 오프 상태가 되어 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에는 전류가 흐르지 않게 된다. 또한, 플로팅 게이트(140)에 전자가 트랩된 상태에서 제2 전극(160)이 접지되고 제1 전극(120)에 음의 전압이 인가된 경우, 반도체 패턴(170) 중 제1 반도체 영역의 채널은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계에 의해 오프 상태가 되고, 제2 반도체 영역의 채널 역시 제1 전극(120)과 제2 반도체 영역 사이의 전계에 의해 오프 상태가 되며, 그 결과 반도체 패턴(170)의 전체 채널은 상기 제1 및 제2 반도체 영역의 채널에 의해 오프 상태가 되어 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이에는 전류가 흐르지 않게 된다.
본 발명의 메모리 소자에 따르면, 반도체 패턴의 제2 반도체 영역이 다이오드 기능을 나타낼 수 있고, 그 결과, 본 발명에 따른 메모리 소자를 다수개 구비하는 메모리 장치에서는, 별도의 다이오드 소자 혹은 셀렉터를 적용하지 않더라도 메모리 소자들 간의 스니크 경로에 의한 전류 누설을 방지할 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명은 하기에서 본 발명의 메모리 소자 및 장치의 동작을 설명하면서 후술하도록 한다.
본 발명에 따른 메모리 장치는 베이스 기재(110) 상에 배치된 다수의 메모리 소자들을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 2차원 배열의 메모리 장치의 일 구조를 설명하기 위한 평면도이고, 이때, 도 2의 I-I'라인을 따라 절단한 단면은 도 1에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 메모리 소자의 단면도와 같다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 본 발명에 따른 메모리 장치는 베이스 기재(110) 상에 배치된 다수의 메모리 소자들을 포함한다. 일례로, 메모리 소자들은 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 매트릭스 형태로 배열된다. 이때 제2 방향(D2)은 제1 방향(D1)과 수직한 방향일 수 있다. 이때, 본 발명의 메모리 장치는, 메모리 소자들의 제1 전극이 베이스 기재의 제1 방향(D1)으로 연장되도록 배열되어 제1 전극 라인을 형성하고, 제1 전극 라인은 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 다수개가 서로 이격되어 일렬로 배열된다. 또한, 제1 전극 라인과 교차하도록 제2 방향(D2)으로 제2 전극들이 배열되어 제2 전극 라인을 형성하고, 제2 전극 라인은 제1 방향(D1)으로 다수개가 서로 이격되어 일렬로 배열되며, 이에 따라, 본 발명의 메모리 장치는 제1 전극 라인과 제2 전극 라인이 교차하는 교차 영역들 각각에 본 발명의 메모리 소자를 구비한다. 이때 제1 전극 라인들은 워드 라인(WL)이고 제2 전극 라인들은 비트 라인(BL)이다.
이하에서, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4 각각에서 각 단계의 상부 그림은 단면도이고, 하부 그림은 평면도이며, 도 3의 (S1) 내지 (S3)에 이어 도 4의 (S4) 내지 (S6)의 순서로 본 발명의 메모리 소자를 제조한다. 또한, 도 3 및 도 4에서 도시된 구조의 각 구성 요소의 도면부호는 도 1 및 도 2를 참조한다.
구체적으로, 도 3의 (S1)를 도 1 및 도 2와 함께 참조하면, 먼저 베이스 기재(110) 상에 금속층(미도시)을 형성하고, 상기 금속층을 패터닝하여 제1 전극(120) 라인(워드 라인(WL))을 형성한다. 상기 금속층의 패터닝은 포토리소그래피 공정을 통해서 수행할 수 있다.
도 3의 (S2)를 참조하면, 워드 라인(WL)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 제1 전극(120)의 일부분이 노출되도록 제1 절연층(130)을 형성한다. 제1 절연층(130)의 형성은 원자층 증착(ALD) 공정을 이용할 수 있다. 일례로, 워드 라인(WL)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 제1 절연층(130)을 형성한 후, 제1 전극(120)의 일부분이 노출되도록 제1 절연층(130)을 제거하여 제1 전극(120)의 일부분을 노출시킬 수 있다. 이때, 제1 절연층(130)은 제1 방향(D1)으로 제1 폭을 갖고 이와 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되도록 제거할 수 있다. 한편, 제1 절연층(130)이 제거되어, 수평면 방향에서 제1 전극(120)의 일부분을 포함하여 베이스 기재(110)의 일부분이 노출될 수 있다.
도 3의 (S3)을 참조하면, 제1 절연층(130)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 플로팅 게이트(140)를 형성한다. 플로팅 게이트(140)는 그래핀 패턴을 제1 절연층(130)이 형성된 베이스 기재(110) 상으로 전사시켜 형성할 수 있다. 또는, 플로팅 게이트(140)는 그래핀층을 제1 절연층(130) 상에 전사시킨 후, 전사된 상태에서 이를 패터닝하여 형성할 수 있다. 플로팅 게이트(140)는 비트 라인(BL)이 형성되어 워드 라인(WL)과 교차되는 지점에 선택적으로 형성한다.
도 4의 (S4)를 참조하면, 플로팅 게이트(140)이 형성된 베이스 기재(110) 상에 제2 절연층(150)을 형성한다. 제2 절연층(150)은 원자층 증착(ALD) 공정을 통해서 형성할 수 있고, 전하의 터널링이 발생하지 않도록 제1 절연층(130)보다 두껍게 형성된다. 이때 제1 전극(120)의 일부분이 노출되도록 형성된 제1 절연층(130)에 의해 제2 절연층(150)의 일부는 제1 전극(120) 상에 직접 형성된다. 제2 절연층(150)을 형성한 후, 제1 절연층(130)이 형성되지 않은 제1 전극의 일부분과 상기 일부분으로부터 일정한 폭만큼 제1 절연층(130)이 노출되도록 제2 절연층(150)을 부분적으로 제거한다. 이에 의해, 제2 절연층(150)이 제거되어 노출된 제1 전극(120)의 영역과 상기 영역으로부터 일정한 폭만큼 노출된 제1 절연층(130)의 상부면, 그리고 노출된 제1 절연층(130)과 제2 절연층(150)의 상부면들 사이에 단턱이 형성되고, 이때, 노출된 제1 절연층(130) 상에 형성되는 반도체 패턴(170)은 다이오드와 같은 기능을 수행할 수 있다. 제2 절연층(150)이 제거되어 노출되는 제1 절연층(130)의 면적, 특히, 노출된 제1 절연층(130)의 제1 방향으로의 너비(폭)는 메모리 소자 구동 시 상기 제1 방향으로 노출된 제1 절연층(130) 상부에 형성되는 반도체 패턴(170)에 의해 다이오드 기능을 수행할 수 있도록 조절된다.
도 4의 (S5)를 참조하면, 제2 전극(160) 라인(비트 라인(BL))을 형성한다. 비트 라인(BL)은 금속층을 형성한 후, 이를 패터닝하여 형성할 수 있다.
도 4의 (S6)과 도 1 및 도 2를 참조하면, 비트 라인(BL)을 형성한 후, 노출된 제1 절연층(130)의 표면을 거쳐 제1 전극(120)과 제2 전극(160)이 연결되도록 반도체 패턴(170)을 전사한다. 반도체 패턴(170)은, 제2 전극(160)로부터 제2 절연층(150)의 상부면 및 측벽면을 따라 제1 절연층(130)까지 연장된 제1 반도체 영역과 상기 제1 반도체 영역에서부터 노출된 제1 절연층(130)의 상부면 및 측벽면을 따라 제1 전극(120)까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함한다. 이에 따라, 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 실질적으로 동일한 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치를 제조할 수 있다.
이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여 도 1 및 2의 메모리 소자 및 메모리 장치의 동작에 대해서 설명하기로 한다.
먼저, 도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 메모리 소자의 동작을 설명하기 위한 도면들이다. 도 5 및 6에서는 반도체 물질이 양의 전압 인가 시 저항의 값이 낮아지고 음의 전압 인가 시 저항의 값이 높아지는 n형 반도체 물질인 구체적인 예를 들어 본 발명에 따른 메모리 소자의 동작을 설명한다.
도 5는 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자의 소거 및 읽기 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자의 쓰기 및 읽기 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 도 1과 함께 참조하면, 먼저, [소거]의 경우, 제1 전극(120)에 양의 전압을 인가하고, 제2 전극(160)에 음의 전압을 인가하면, 두께가 얇은 제1 절연층(130)을 통해 플로팅 게이트(140)로 정공들이 축적이 된다. 이때, 플로팅 게이트(140)에 축적된 정공에 의해 인접한 반도체 패턴(170)의 제1 반도체 영역은 양의 전계 효과를 받게 되어 낮은 저항을 갖게 되고, 전류가 흐르는'온 상태(On state)'를 이루게 된다. 순차적으로, [읽기] 동작에서, 제2 전극(160)은 그라운드 되고 제1 전극(120)에 양의 전압(읽기 전압)이 인가되면, 제1 전극(120)에 인가된 양의 전압이 제1 절연층(130)을 통해 반도체 패턴(170)에 양의 전계 효과를 미치게 된다. 이에 의해, 제1 전극(120) 상부에 위치한 반도체 패턴(170)의 제2 반도체 영역은 낮은 저항의 '온 상태'가 되고, 이때 반도체 패턴(170)의 제1 반도체 영역은 플로팅 게이트(140)와 제2 전극(160) 사이에 형성된 전계에 의해 '온 상태'이므로, 결과적으로, 반도체 패턴(170)을 통하여 제2 전극(160)과 제1 전극(120) 사이에 높은 전류가 흐르게 된다.
한편, 제2 전극(160)은 그라운드 되고 제1 전극(120)에 음의 전압이 인가되면, 제1 전극(120) 상부에 위치한 반도체 패턴(170)의 제2 반도체 영역은 제1 절연층(130)을 통해 음의 전계 효과를 받게 되고, 이에 따라, 저항이 높아진다. 즉, 전극에 의한 음의 전계에 영향을 받은 반도체 패턴(170)의 제2 반도체 영역은 저항이 높은 '오프 상태(Off state)'가 되므로, 플로팅 게이트(140)에 저장된 정공에 의해 일부 반도체 패턴(170) 영역(제1 반도체 영역)이 저항이 낮은 '온 상태'가 되더라도, 전류의 흐름이 차단된다. 즉, 본 발명의 메모리 소자에서 제2 반도체 영역은 전압의 크기가 같더라도 전압의 방향에 따라 전류의 흐름이 제어되는 다이오드와 같은 기능을 수행하고, 이에 따라, 본 발명의 메모리 소자가 다수개 배치된 메모리 장치는, 메모리 소자들 사이의 스니크 경로에 의한 전류 누설이 방지될 수 있다.
또한, 도 6을 도 1과 함께 참조하면, [쓰기]의 경우, 제1 전극(120)에 음의 전압을 인가하고 제2 전극(160)에 양의 전압을 인가하는 경우 높은 전계의 영향을 받은 전자들이 제1 절연층(130)을 통해서 플로팅 게이트(140)를 향해 터널링 하게 되고, 제2 절연층(150)에 의해 플로팅 게이트(140)에 갇히게 되며 순차적으로 축적된다. 플로팅 게이트(140)에 축전된 전자에 의해 이와 인접한 반도체 패턴(170)의 제1 반도체 영역은 음의 전계 효과를 받게 되어 높은 저항을 갖게 된다. 이에, [읽기] 동작 수행 시, 플로팅 게이트(140)에 인접한 반도체 패턴(170)의 제1 반도체 영역은 저항이 높아져 전류의 흐름이 억제된 '오프 상태'가 되고, 이에 따라, 제1 전극(120) 상부에 형성된 반도체 패턴(170)의 제2 반도체 영역이 양의 전계 효과에 의해 '온 상태'가 되더라도, 전체적인 제1 전극(120)과 제2 전극(160) 사이의 전류의 흐름이 억제된다. 또한, 제2 전극(160)은 그라운드 되고, 제1 전극(120)에 음의 읽기 전압이 인가되면, 제1 전극(120) 상부에 위치한 반도체 패턴(170)의 제2 반도체 영역은 제1 절연층(130)을 통한 음의 전계 효과에 의해 저항이 높아지고, 따라서, 반도체 전체가 '오프 상태'가 되어 전류를 흐르지 못하게 한다.
본 발명의 메모리 소자는 이와 같은 온/오프 상태를 '0' 또는 '1'로 활용하여 메모리의 역할을 수행하게 되고, 플로팅 게이트(140)에 트랩된 전하는 제1 전극(120) 및 제2 전극(160)에 인가되는 전압이 제거되더라도 유지되므로, 긴 시간동안 온/오프 상태를 저장할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 메모리 소자 및 이를 포함하는 메모리 장치는 비휘발성 메모리가 될 수 있다.
이때, 본 발명의 메모리 소자는 제1 절연층(130)의 표면을 커버하면서 제1 반도체 영역에서부터 제1 전극(120)에 이르는 제2 반도체 영역이 다이오드와 같은 기능을 함으로써 일 방향으로만 전류의 흐름을 허용하고, 이에 따라, 메모리 소자, 나아가, 다수의 메모리 소자가 구성하는 메모리 장치에서, 인접 소자 간 발생할 수 있는 스니크 경로를 억제하여 누설 전류를 방지할 수 있으며, 이를 통해 동작 신뢰성을 향상시키고 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명을 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 도 2에서 설명한 2차원 배열의 메모리 장치의 읽기 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에서 ① 내지 ⑨의 총 9개의 셀 각각의 플로팅 게이트에 저장된 전자와 정공에 따라 저항이 낮으면'온(ON)' 및 저항이 높으면 '오프(OFF)'로 나타내었다.
도 7을 참조하면, 먼저, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, ① 내지 ⑨의 총 9개의 셀(메모리 소자) 중에서 ④번 셀에 저장된 메모리를 확인하기 위해 읽기 동작 시, ④번 셀과 연결되어 있는 제1 전극(120)에 0V, 제2 전극(160)에 +4V를 각각 인가하면(목적하는 전류의 흐름은 도 7의 (a)에서 화살표로 표시), ④번 셀의 상태가 'OFF'상태이므로 전류가 매우 억제되어 흐르지 않을 것이다.
그러나, 이때, 기존의 저항형 메모리의 경우, 다른 셀들은 모두 'ON'상태이므로 도 7의 (b)에서 도시한 바와 같이 화살표를 따라 전류가 흐르는 스니크 경로가 발생할 수 있다. 때문에, 기존의 저항형 메모리의 경우에는 스니크 경로를 방지하기 위해 셀렉터를 추가로 구성해야만 한다.
반면, 이와 달리, 본 발명의 메모리 소자는 제2 반도체 영역을 포함함으로써 상기 제2 반도체 영역이 다이오드와 같은 역할을 하여 아래쪽에서 위쪽 방향이 아닌 위쪽에서 아래쪽 방향으로 흐르는 전류들이 모두 차단되기 때문에 스니크 경로가 형성된다하더라도 이러한 전류들이 모두 강하게 억제되어 흐르지 않는다.
즉, 본 발명의 메모리 장치는 본 발명의 메모리 소자가 포함하는 제2 반도체 영역을 통해 소자 간 스니크 경로를 억제하여 누설 전류를 방지할 수 있고, 이에 따라, 동작 신뢰성을 높이면서 전력 손실은 감소시켜 우수한 특성의 메모리가 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명의 메모리 소자 다수개가 2차원 배열된 어레이를 3차원적으로도 적층함으로써 집적도를 최대화할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 3차원 배열의 메모리 장치의 다른 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도8을 도 1 및 2와 함께 참조하면, 도 1 및 도 2에서 설명한 메모리 소자 및 메모리 장치의 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)의 매트릭스 구조로 배열된 2차원 배열이, 제1 및 제2 방향들(D1, D2)과 수직한 방향으로 적어도 2 이상 적층되어 3차원 배열의 메모리 장치를 구성할 수 있다.
구체적으로, 베이스 기재(210)의 제1 방향(D1)으로 제1 워드 라인(WL1)이 배치되고 제1 워드 라인(WL1)과 수직 방향으로 절연되어 중첩되도록 순차적으로 제2 워드 라인(WL2) 및 제3 워드 라인(WL3)이 적층된다. 이때, 제1 및 제2 워드 라인들(WL1, WL2) 사이에 제1 방향(D1)과 교차하는 제2 방향(D2)으로 이들과 절연되어 제1 비트 라인(BL1)이 배치되며 제2 및 제3 워드 라인들(WL2, WL3) 사이에 제2 방향(D2)으로 연장된 제2 비트 라인(BL2)이 배치된다. 이때, 제1 내지 제3 워드 라인들(WL1, WL2, WL3)과 제1 및 제2 비트 라인들(BL1, BL2)의 교차 영역마다 본 발명의 메모리 소자가 구비된다. 즉, 제1 내지 제3 워드 라인들(WL1, WL2, WL3)과 제1 및 제2 비트 라인들(BL1, BL2)의 교차 영역마다 플로팅 게이트들이 배치되는데, 제1 내지 제3 워드 라인들(WL1, WL2, WL3)과 플로팅 게이트들 사이에는 도 1에서 설명한 제1 절연층이 개재되어 이들을 절연시키고, 플로팅 게이트들과 제1 및 제2 비트 라인들(BL1, BL2) 사이에는 도 1에서 설명한 제2 절연층이 개재되어 이들을 절연시킨다. 이때, 1개의 플로팅 게이트를 개재시키면서 서로 마주하는 워드 라인(WL)과 비트 라인(BL)은 반도체 패턴의 양단부와 각각 접촉하여 반도체 패턴이 채널이 된다. 이때 2개의 메모리 소자에서 공유되는 1개의 라인을 기준으로 2개의 반도체 패턴은 도 8에 도시한 바와 같이, 서로 90ㅀ의 회전 위치에 배치되도록 디자인될 수 있다. 이와 달리, 2개의 메모리 소자에서 공유되는 1개의 라인에 대해서 제1 방향(D1)으로 서로 이격되어 배열되어 서로 180ㅀ의 회전 위치에 배치될 수도 있다(도면 미도시).
제1 워드 라인(WL1), 제1 비트 라인(BL1) 및 그들 사이에 개재된 플로팅 게이트에서는 제1 워드 라인(WL1)에 드레인 전압이 인가되어 드레인이 되고 제1 비트 라인(BL1)이 소스 전압이 인가되어 1개의 메모리 소자로서 동작한다. 또한, 제1 비트 라인(BL1), 제2 워드 라인(WL2) 및 그들 사이에 개재된 플로팅 게이트에서는 제1 비트 라인(BL1)에 드레인 전압이 인가되어 드레인이 되고 제2 워드 라인(WL2)에 소스 전압이 인가되어 1개의 메모리 소자로 동작한다. 즉, 도 1 및 도 2에서와 같이 2차원 배열된 메모리 소자들이 전극을 공유하면서 수직 방향으로 적층되는 구조를 구현할 수 있다. 도 8에서는 수직 방향으로 4개의 메모리 소자들이 적층된 구조를 일례로 들어 설명하였으나, 적어도 2개 이상의 메모리 소자들이 적층되고, 5개 이상의 메모리 소자들이 적층된 구조 또한 구현될 수 있다. 이와 같은 방법으로 공정이 진행되면 그 구조로 인하여 생산비 절감과 집적도가 극도로 향상될 것이다. 따라서, 본 발명의 메모리 소자를 3차원 구조로 이룰 경우 메모리 장치의 집적도 및 생산비용적인 측면에서 크게 유리 할 것으로 예상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
WL: 워드 라인
BL: 비트 라인
110: 베이스 기재 120: 제1 전극
130: 제1 절연층 140: 플로팅 게이트
150: 제2 절연층 160: 제2 전극
170: 반도체 패턴
110: 베이스 기재 120: 제1 전극
130: 제1 절연층 140: 플로팅 게이트
150: 제2 절연층 160: 제2 전극
170: 반도체 패턴
Claims (12)
- 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극;
상기 제1 전극의 상부에서 상기 제1 전극과 마주하도록 배치된 제2 전극;
상기 제1 전극의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 상에 배치된 제1 절연층;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트;
상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및
일단부는 노출된 제1 전극과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극과 접촉하되, 상기 제2 전극에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함하는,
메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 절연층은, 전압 인가 시 상기 제2 전극과 상기 플로팅 게이트 사이의 전하 터널링이 방지되도록 상기 제1 절연층보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
쓰기 모드에서, 상기 제1 전극에 음의 전압이 인가되고 상기 제2 전극에 양의 전압이 인가되어 전자가 축적된 플로팅 게이트에 의해 상기 제1 반도체 영역이 음의 전계 효과에 의해 높은 저항을 갖고,
읽기 모드에서, 상기 반도체 패턴이 오프 상태가 되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제3항에 있어서,
소거 모드에서, 상기 제1 전극에 양의 전압이 인가되고 상기 제2 전극에 음의 전압이 인가되어 정공이 축적된 플로팅 게이트에 의해 상기 제1 반도체 영역은 양의 전계 효과에 의해 낮은 저항을 갖고,
읽기 모드에서, 상기 제1 전극에 양의 전압이 인가되고 상기 제2 전극이 그라운드 되는 경우, 상기 제2 반도체 영역이 양의 전계 효과에 의해 낮은 저항을 갖고, 상기 반도체 패턴이 온 상태가 되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제4항에 있어서,
읽기 모드에서, 상기 제1 전극에 음의 전압이 인가되고 상기 제2 전극이 그라운드 되는 경우, 상기 제2 반도체 영역이 음의 전계 효과에 의해 높은 저항을 갖고, 상기 반도체 패턴이 오프 상태가 되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 반도체 패턴은 이황화 몰리브덴(MoS2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2), 이황화 텅스텐(WS2), 이셀렌화 몰리브덴(MoSe2), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 산화 아연(ZnO), 인듐-갈륨-아연 산화물(IGZO), 반도체성 탄소나노튜브(semiconducting CNT) 및 블랙 포스포러스(Black phosphorous, BP) 중 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층은, 육방정계 질화붕소(h-BN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화하프늄(HfO2) 및 질화규소(Silicon nitride) 중 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 플로팅 게이트는 그래핀으로 형성된 것을 특징으로 하는,
메모리 소자.
- 베이스 기재의 제1 방향으로 연장된 제1 전극 라인 다수개가 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열되고, 상기 제1 전극 라인과 교차하도록 상기 제1 전극 라인들 상부에 상기 제2 방향으로 연장된 제2 전극 라인 다수개가 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열되며, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인이 교차하는 교차 영역들 각각에 메모리 소자가 구비되되,
상기 메모리 소자는,
상기 교차 영역에서 하부에 배치된 제1 전극 라인 영역;
상기 교차 영역에서 상부에 배치되어 상기 제1 전극 라인과 마주하는 제2 전극 라인 영역;
상기 제1 전극 라인 영역의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 라인 상에 배치된 제1 절연층;
상기 제1 전극 영역과 상기 제2 전극 영역 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트;
상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극 영역의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및
일단부는 노출된 제1 전극 라인 영역과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극 라인 영역과 접촉하되, 상기 제2 전극 라인 영역에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극 라인 영역까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함하는,
메모리 장치.
- 베이스 기재의 제1 방향으로 연장되고 상하 방향으로 서로 마주하는 제1 전극 라인들 사이에 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장된 제2 전극 라인이 개재되어 제1 전극 라인들과 제2 전극 라인들이 상하 방향으로 교호적으로 순차 적층되고, 상하 방향으로 마주하는 1개의 제1 전극 라인과 1개의 제2 전극 라인이 교차하는 교차 영역에 메모리 소자가 구비되되,
상기 메모리 소자는,
상기 교차 영역에서 하부에 배치된 제1 전극 라인 영역;
상기 교차 영역에서 상부에 배치되어 상기 제1 전극 라인과 마주하는 제2 전극 라인 영역;
상기 제1 전극 라인 영역의 일부분이 노출되도록 상기 제1 전극 라인 상에 배치된 제1 절연층;
상기 제1 전극 영역과 상기 제2 전극 영역 사이에 게재되도록 상기 제1 절연층 상에 배치된 플로팅 게이트;
상기 플로팅 게이트를 밀봉하면서 상기 제1 전극 영역의 노출된 일부분과 인접한 제1 절연층의 일부분이 노출되도록 상기 제1 절연층 상부에 배치된 제2 절연층; 및
일단부는 노출된 제1 전극 라인 영역과 접촉하고 상기 일단부의 타단부는 상기 제2 전극 라인 영역과 접촉하되, 상기 제2 전극 라인 영역에서부터 상기 제1 절연층까지 연장된 제1 반도체 영역 및 상기 제1 반도체 영역에서부터 상기 제1 절연층의 노출된 표면을 커버하면서 상기 제1 전극 라인 영역까지 연장된 제2 반도체 영역을 포함하는 반도체 패턴을 포함하는,
메모리 장치.
- 제10항에 있어서,
상하 방향으로 2개의 서로 마주하는 제1 전극 라인들과 이들 사이에 개재된 1개의 제2 전극 라인에 의해서, 1개의 제2 전극 라인을 공유하여 2개의 메모리 소자가 구비되는 것을 특징으로 하는,
메모리 장치.
- 제10항에 있어서,
제1 전극 라인들은 상기 제2 방향으로 일렬로 배열되고 제2 전극 라인들은 상기 제1 방향으로 일렬로 배열되어 메모리 소자들이 3차원 배열된 것을 특징으로 하는,
메모리 장치.
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| KR102111526B1 (ko) | 2020-06-04 |
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