非易失性存儲器晶體管和包括該存儲器晶體管的設備的制作方法
【專利摘要】本發明提供了非易失性存儲器晶體管和包括非易失性存儲器晶體管的設備。非易失性存儲器晶體管可以包括溝道元件，與溝道元件相對應的柵極電極，在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層，在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層，以及相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極。根據施加到柵極電極的電壓，在離子物質移動層發生離子物質的移動。閾值電壓根據離子物質的移動而變化。非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
【專利說明】非易失性存儲器晶體管和包括該存儲器晶體管的設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年7月29日向韓國知識產權局提交的第10-2013-0089833號韓國專利申請的權益，其公開通過引用整體并入本文。

【技術領域】
[0003]本公開涉及非易失性存儲器晶體管和包括非易失性存儲器晶體管的設備。

【背景技術】
[0004]快閃存儲器被廣泛使用，而且眾所周知地用于非易失性存儲器件。在典型的快閃存儲器晶體管中，通過經由隧道絕緣層向浮置柵極注入電子或者從浮置柵極移除電子來存儲數據。然而，由于典型的快閃存儲器使用隧道注入電子，因此快閃存儲器的工作電壓較高，例如，約10-20V。此外，由于在浮置柵極中捕獲的電子的數目是有限的，因此它難以實現具有多比特特性的快閃存儲器。例如，在具有約20-30納米線寬的浮置柵極中，可以捕獲僅僅幾十個電子。
[0005]為了克服常規的快閃存儲器的上述問題，需要即使在非易失性存儲器件的尺寸很小的情況下也具有低工作電壓且具有足夠大的多電平特性的非易失性存儲器件。


【發明內容】

[0006]提供了具有多個電平或多值特性的非易失性存儲器晶體管。
[0007]提供了具有低工作電壓的非易失性存儲器晶體管。
[0008]提供了具有諸如閾值電壓根據施加的電壓逐漸地或連續地變化的特性的非易失性存儲器晶體管。
[0009]提供了包括非易失性存儲器晶體管的設備，例如，電路。
[0010]提供了采用非易失性存儲器晶體管的突觸器件。
[0011]提供了操作非易失性存儲器晶體管和包括非易失性存儲器晶體管的設備的方法。
[0012]附加方面將在以下說明書中部分地闡述，并將從說明書中部分地變得明顯，或者可以通過對所提出的實施例的實踐來習得。
[0013]根據本發明構思的一方面，非易失性存儲器晶體管包括:溝道元件；與溝道元件相對應的柵極電極；在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層；在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極。根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
[0014]在一些實施例中，離子物質移動層包括可變電阻材料。
[0015]在一些實施例中，離子物質移動層包括雙極存儲層。
[0016]在一些實施例中，離子物質移動層包括PrCaMnO(PCMO)、鈦氧化物、鉭氧化物、鎳氧化物、鋅氧化物、鎢氧化物、鈷氧化物、鈮氧化物、鈦鎳氧化物、鋰鎳氧化物、銦鋅氧化物、釩氧化物、鍶鋯氧化物、鍶鈦氧化物、鉻氧化物、鐵氧化物、銅氧化物、鉿氧化物、鋯氧化物、鋁氧化物以及它們的混合物中的至少一個。
[0017]在一些實施例中，離子物質移動層包括PCM0。
[0018]在一些實施例中，離子物質移動層包括負(_)離子物質，而且所述閾值電壓隨著離子物質移動層中負(_)離子物質的濃度沿朝向柵極絕緣層的方向增加而增加。
[0019]在一些實施例中，離子物質移動層包括正(+)離子物質，而且所述閾值電壓隨著離子物質移動層中正(+)離子物質的濃度沿朝向柵極絕緣層的方向增加而降低。
[0020]在一些實施例中，離子物質移動層包括氧離子或氧空位中的至少一個作為離子物質。
[0021]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管還可以包括在柵極絕緣層和離子物質移動層之間的傳導層。
[0022]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管具有包括至少十六(16)個電平的多電平特性。
[0023]在一些實施例中，離子物質移動層具有單層結構。
[0024]在一些實施例中，離子物質移動層具有多層結構。
[0025]根據本發明構思的另一方面，非易失性存儲器晶體管包括:溝道元件；與溝道元件相對應的柵極電極；在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層；在柵極絕緣層和柵極電極之間的雙極存儲層；以及相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極。
[0026]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管包括在柵極絕緣層和雙極存儲層之間的電極層。
[0027]根據本發明構思的另一方面，突觸器件包括非易失性存儲器晶體管。該非易失性存儲器晶體管包括:溝道元件；與溝道元件相對應的柵極電極；在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層；在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極，其中根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
[0028]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管的柵極電極連接到前突觸神經元電路，而且非易失性存儲器晶體管的源極連接到后突觸神經元電路。
[0029]在一些實施例中，多個非易失性存儲器晶體管沿多個行和列布置。
[0030]在一些實施例中，突觸器件包括多個第一配線以及與多個第一配線交叉的多個第二配線，其中所述多個非易失性存儲器晶體管位于多個第一配線和多個第二配線的交叉點處。
[0031]在一些實施例中，多個第一配線連接到前突觸神經元電路，而且多個第二配線后突觸神經元電路。
[0032]根據本發明構思的另一方面，神經形態器件包括突觸器件。突觸器件包括非易失性存儲器晶體管。非易失性存儲器晶體管包括:溝道元件；與溝道元件相對應的柵極電極；在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層；在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極，其中根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
[0033]在一些實施例中，神經形態器件還包括連接到突觸器件的互補金屬氧化物半導體(CMOS)神經元電路。
[0034]根據本發明構思的另一方面，操作非易失性存儲器晶體管的方法包括:通過將電壓施加到柵極電極，在離子物質移動層中移動離子物質；以及導通非易失性存儲器晶體管。
[0035]在一些實施例中，在移動離子物質時，施加到離子物質移動層的電壓在約±5.0V的范圍內。
[0036]根據本發明構思的另一方面，非易失性存儲器晶體管包括:源極；漏極；柵極電極；在源極和漏極之間的溝道元件；以及在柵極電極和溝道元件之間的離子物質移動層，其中非易失性存儲器晶體管的閾值電壓響應于離子在離子物質移動層中移動而變化。
[0037]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
[0038]在一些實施例中，離子物質移動層包括雙極存儲層。
[0039]在一些實施例中，離子物質移動層包括靜電電勢，該靜電電勢通過根據施加到柵極電極的電壓移動離子物質來變化。
[0040]在一些實施例中，離子物質包括氧離子或氧空位中的至少一個。
[0041]在一些實施例中，非易失性存儲器晶體管還包括在離子物質移動層和溝道元件之間的柵極絕緣層。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]通過以下結合附圖對實施例的描述，這些和/或其它方面將變得明顯且更容易理解，在附圖中:
[0043]圖1是根據本發明構思的實施例的非易失性存儲器晶體管的截面圖；
[0044]圖2是根據本發明構思的另一實施例的非易失性存儲器晶體管的截面圖；
[0045]圖3是根據本發明構思的另一實施例的非易失性存儲器晶體管的截面圖；
[0046]圖4是示出根據本發明構思的實施例的、測量可用于非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的電阻變化特性的單元結構的截面圖；
[0047]圖5和圖6是示出根據本發明構思的實施例的、根據施加于非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的電壓的電阻變化特性的圖；
[0048]圖7和圖8是示出相對于圖4的結構根據電壓掃描的電流變化的圖；
[0049]圖9A-圖9C是示出離子物質移動層的各種離子分布的例子的截面圖；
[0050]圖10是示出根據圖9A-圖9C中的離子分布變化，離子物質移動層的靜電電勢變化的圖；
[0051]圖11是示出根據本發明構思的實施例的、根據非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的離子物質的移動的閾值電壓變化的圖；
[0052]圖12是示出根據本發明構思的實施例的、表示根據非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的離子物質的移動的閾值電壓變化的仿真結果的圖；
[0053]圖13是示出通過使用傳統的靜態隨機存取存儲器(SRAM)形成16電平設備的例子的電路圖；
[0054]圖14是示出根據本發明構思的實施例的、應用非易失性存儲器晶體管的概念圖；
[0055]圖15是示出根據本發明構思的實施例的、包括非易失性存儲器晶體管的突觸器件的截面圖；
[0056]圖16是示出根據本發明構思的實施例的、包括非易失性存儲器晶體管的突觸陣列器件的電路圖；
[0057]圖17是示出根據本發明構思的實施例的、包括突觸器件的神經形態器件(neuromorphic device)的透視圖；以及
[0058]圖18是示出圖17的CMOS神經元電路的示例性結構的電路圖。

【具體實施方式】
[0059]現在將參照示出了示例性實施例的附圖來更全面地描述各示例性實施例。
[0060]將理解的是，當元件被稱為在“連接到”或“耦接到”另一元件時，其可以“連接到”或“耦接到”另一元件，或者可以存在居間的元件。相比之下，當稱一個元件“直接連接到”或“直接耦接到”另一元件時，而不存在居間元件。如本文所使用的，術語“和/或”包括一個或多個關聯的列出項的任意和所有組合。
[0061]將理解的是，雖然本文可以使用術語“第一”、“第二”等等以描述各元件、組件、區域、層和/或部分，但是這些元件、組件、區域、層和/或部分不應該限于這些術語。這些術語僅用于將一個元件、組件、區域、層或部分與另一元件、組件、區域、層或部件區分開。從而，下面討論的第一元件、組件、區域、層或部分可以稱作第二元件、組件、區域、層或部分而不脫離示例性實施例的教導。
[0062]為了便于描述，本文可能使用空間關系詞，如“在...之下”、“下方”、“低于”、“上方”、“上”等等，來描述圖中示出的一個元件或特征與另外(多個)元件或(多個)特征之間的關系。將理解的是，所述空間關系詞意圖涵蓋除了附圖中描繪的方向之外的、器件在使用中或操作中的不同方向。例如，如果附圖中的器件被翻轉，則被描述為在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件的方位將變成在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示例性詞語“下方”可以包括上和下兩個方向。可以使器件具有其他朝向(旋轉90度或其他朝向)，而本文使用的空間關系描述詞應做相應解釋。
[0063]本文使用的術語僅用于描述特定實施例的目的，而不意欲限制示例性實施例。本文使用的單數形式“一”、“一個”和“該”意欲也包括復數形式，除非上下文明顯指示。還將理解的是，當本說明書中使用術語“包括”時，指定所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，但是不排除一個或多個其它特征、整數、步驟、操作、元件、存在和/或它們的組合的存在或添加。
[0064]本文參照截面圖圖示來描述示例性實施例,該截面圖圖示是理想化實施例的示意圖。因而，例如，作為制造工藝和/或容差的結果的偏離例圖的形狀是可能發生的。從而，本文描述的示例性實施例不應該被解釋為限于如本文示出的區域的特定形狀，而是包括例如，由生產造成的形狀方面的偏差。例如，示出為矩形的注入區域將通常在邊緣處具有圓形或彎曲的特征和/或注入濃度的梯度，而不是從注入區域到非注入區域的二元變化。同樣，通過注入形成的埋區可以在埋區和通過其發生注入的表面之間的區域中形成一些注入。從而，附圖中示出的區域本質上是示意性的并且不預期它們的精確的形狀示出設備的區域的精確的形狀并且不預期限制此處闡述的示例性實施例的范圍。
[0065]除非另有定義，否則本文使用的所有術語(包括技術和科學術語)具有本發明所屬的領域的普通技術人員所通常理解的含義。還應當理解，諸如在通常使用的詞典中定義的那些術語應當被解釋為具有與相關領域的背景下的含義一致的含義，并且不會被在理想化或過度正式的意義上解釋，除非本文明確說明。
[0066]現在將詳細參考實施例，附圖中示出了其示例，其中相同的參考數字通篇指代相同的元件。對此，本實施例可以具有不同的形式并且不應該被理解為局限于這里闡述的描述。因此，下面參照附圖描述的實施例僅用于解釋本描述的一些方面。
[0067]圖1是根據本發明構思的實施例的非易失性存儲器晶體管MTl的截面圖。
[0068]參照圖1，可以提供溝道元件Cl和與溝道元件Cl相對應的柵極電極G1。柵極絕緣層GIl可以提供在溝道元件Cl和柵極電極Gl之間。離子物質移動層(1nic speciesmoving layer)Ml,也被稱為離子物質可移動層(1nic species movable layer),可以提供在柵極絕緣層GIl和柵極電極Gl之間。柵極絕緣層GI1、離子物質移動層Ml和柵極電極Gl可以順序地提供在溝道元件Cl上。源極SI和漏極Dl可以提供在溝道元件Cl的相對側，并且彼此分離。源極SI和漏極Dl可以接觸源極SI和漏極Dl之間的溝道單元Cl的一部分的相對端。源極S1、漏極Dl和溝道元件Cl可以提供在襯底SUBl上。通過將預定的雜質注入到柵極電極Gl的相對側的襯底SUBl的區域中，可以形成源極SI和漏極D1。襯底SUBl的位于源極SI和漏極Dl之間的區可以被定義為溝道元件(溝道區)Cl。例如，襯底SUBl可以由硅(Si)襯底形成。
[0069]離子物質移動層Ml可以具有預定的離子物質。例如，離子物質可以包括氧離子和/或氧空位。當電壓被施加到離子物質移動層Ml的兩端(例如，上端和下端)之間時，預定的離子物質可以在離子物質移動層Ml內移動。非易失性存儲器晶體管MTl的閾值電壓可以根據離子物質在離子物質移動層Ml中的移動而變化。在這方面，非易失性存儲器晶體管MTl可以具有多電平特性。例如，非易失性存儲器晶體管MTl可以具有16電平或更多的多電平特性。
[0070]離子物質移動層Ml可以包括電阻存儲材料。在這種情況下，離子物質移動層Ml可以包括氧化物電阻器。氧化物電阻器可以是金屬氧化物電阻器等，并且可以由其電阻根據施加的電壓而變化的可變電阻材料形成。可變電阻材料可以由雙極存儲材料形成。離子物質移動層Ml可以包括PrCaMnO(PCMO)、鈦氧化物、鉭氧化物、鎳氧化物、鋅氧化物、鎢氧化物、鈷氧化物、鈮氧化物、鈦鎳氧化物、鋰鎳氧化物、銦鋅氧化物、釩氧化物、鍶鋯氧化物、鍶鈦氧化物、鉻氧化物、鐵氧化物、銅氧化物、鉿氧化物、鋯氧化物、鋁氧化物以及它們的混合物中的至少一個。以上材料可以根據形成條件具有單極或雙極特性。在本實施例中，可以使用以上材料的雙極特性。另外，以上材料的特性可以根據它們的組成比例發生很大變化。因此，以上材料被理解為具有可以表示電阻變化特性和/或雙極特性的組成比例。在鋁氧化物的情況下，具有化學計量組成的氧化物，諸如Al2O3等，可以具有電介質(絕緣)特性，但是可以不具有電阻變化特性和/或雙極特性。相應地，上述鋁氧化物可以被理解為具有表示電阻變化特性和/或雙極特性的非化學計量組成。相對于本文提及的其他材料和/或本領域的普通技術人員以其他方式已知的其他材料，這也可以是有效的。離子物質移動層Ml的厚度可以為約10-100納米，例如，約20-80納米。
[0071]在圖1中，由于施加到柵極電極Gl的電壓與施加到襯底SUBl的主體(body)的電壓之間的差(下文中，稱為電壓差)，電壓可以被施加在離子物質移動層Ml的上端和下端之間。與電壓差相對應的電壓可以分布式地施加到柵極絕緣層GIl和離子物質移動層Ml。在一些實施例中，由于施加到離子物質移動層Ml的電壓，造成離子物質可以在離子物質移動層Ml中移動。假設預定的電壓被恒定地施加到襯底SUBl的主體，則由于施加到柵極電極Gl的電壓，造成離子物質可以在離子物質移動層Ml中移動。由于施加在離子物質移動層Ml的上端和下端之間的電場，例如，由施加到柵極電極Gl的電壓所生成的電場，造成離子物質可以在離子物質移動層Ml中移動。
[0072]根據本發明構思的另一實施例，傳導層El可以，例如，在圖2中，位于柵極絕緣層GIl和離子物質移動層Ml之間。
[0073]參照圖2，根據本實施例的非易失性存儲器晶體管MT2還可以包括設置在柵極絕緣層GIl和非易失性存儲器晶體管MTl之間的傳導層E1。傳導層El可以被構造為用作電極層，而且可以由金屬或金屬化合物形成。離子物質移動層Ml可以被看作在兩個電極El和Gl之間。因此，當設置傳導層El時，向離子物質移動層Ml施加電壓或電場可以變得容易。因此，離子物質在離子物質移動層Ml中的移動可以變得便利。
[0074]當離子物質，例如，氧離子和/或氧空位，在離子物質移動層Ml中移動時，離子物質移動層Ml的靜電電勢可以變化。結果，非易失性存儲器晶體管MTl和MT2的閾值電壓可以變化。換句話說，當離子物質在離子物質移動層Ml中移動時，離子物質移動層Ml的離子物質的分布可以變化。因此，離子物質移動層Ml對溝道元件Cl的電氣影響可以變化。因此，非易失性存儲器晶體管MTl和MT2的閾值電壓可以分別變化。當離子物質是負(_)離子物質時，隨著離子物質移動層Ml中負(-)離子物質的濃度朝向柵極絕緣層GIl增加，閾值電壓可以增加。當離子物質是正(+)離子物質時，隨著離子物質移動層Ml中正(+)離子物質的濃度朝向柵極絕緣層GIl增加，閾值電壓可以降低。離子物質移動層Ml的離子物質可以以連續方式逐漸地并且可逆地在離子物質移動層Ml中移動。因此，非易失性存儲器晶體管MTl和MT2的閾值電壓也逐漸地并且可逆地變化。從另一角度來看，由于離子物質移動層Ml的上端和下端之間的電場，離子物質移動層Ml的離子物質可以移動。結果，在離子物質移動層Ml中，內部電場可以被改變。內部電場的強度可以根據離子物質的移動而變化。內部電場可以逐漸地并且可逆地變化。由于內部電場的這種改變，非易失性存儲器晶體管MTl和MT2的閾值電壓可以被改變。另外，離子物質移動層Ml的預定區中的電容可以根據離子物質的移動而改變，而且閾值電壓可以由于電容的改變而變化。后面將更詳細地描述根據離子物質移動層Ml的離子物質的移動而改變閾值電壓。
[0075]根據本發明構思的另一實施例，圖1和圖2的結構中的離子物質移動層Ml可以形成在多層結構中。圖3中示出了多層結構的例子。更具體地，圖3示出了圖2的離子物質移動層Ml具有多層結構的情況。
[0076]參照圖3，根據本實施例的非易失性存儲器晶體管MT3可以包括多層結構的離子物質移動層M2。離子物質移動層M2可以包括，例如，雙層結構。在這種情況下，離子物質移動層M2可以包括第一材料層10和第二材料層20。氧離子和/或氧空位可以在第一材料層10中。相對于第二材料層20，第一材料層10可以用作“氧供給層”。第一材料層10也可以被稱為“氧貯存庫層”。第二材料層20可以類似于第一材料層10，并且可以包括氧離子和/或氧空位。第二材料層20可以與第一材料層10交換氧離子和/或氧空位，而且可以感應離子物質移動層M2的電阻變化。在這方面，第二材料層20可以被稱為“氧交換層”。第二材料層20的氧濃度可以高于第一材料層10的氧濃度。
[0077]圖4是示出根據本發明構思的實施例的、測量可用于非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的電阻變化特性的單元結構的截面圖。
[0078]參照圖4，離子物質移動層MlO設置在兩個電極(下文中，稱為第一電極和第二電極)ElO和E20之間。離子物質移動層MlO可以具有大量的氧離子。氧離子可以響應于施加在第一電極ElO和第二電極E20之間的電壓而移動。例如，當正(+)電壓被施加到第一電極ElO而且負(-)電壓被施加到第二電極E20時，氧離子可以朝向第一電極ElO移動一定程度。當負(_)電壓被施加到第一電極ElO而且正(+)電壓被施加到第二電極E20時，氧離子可以朝向第二電極E20移動一定程度。如果相同的電壓信號被反復施加在兩個電極ElO和E20之間，則氧離子可以根據施加的信號的頻率，沿任一方向逐漸地(累積地)移動。離子物質移動層MlO的氧空位(未示出)可以沿與氧離子相反的方向移動。氧離子可以具有負㈠電荷，而氧空位可以具有正⑴電荷。
[0079]圖5和圖6是分別示出根據本發明構思的實施例的、根據可用于非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的施加電壓的電阻變化特性的圖。圖5和圖6示出了圖4的結構的電壓-電流特性變化。圖5示出了圖4的離子物質移動層MlO是PCMO層的情況。圖6示出了圖4的離子物質移動層MlO是TaOx層的情況。圖5表示反復測量0N/0FF (開/關)操作，也就是說，設置/復位操作的結果。圖6表示一次0N/0FF掃描操作的結果。
[0080]參照圖5，可以看出，電阻變化圖的電流電平被劃分為許多不同的電平。因此，離子物質移動層MlO可以具有多電平特性。另外，可以看出，PCMO層的電阻變化可以在約土4.0V的范圍內進行。
[0081]參照圖6，可以看出，TaOx層的電阻變化可以在約±2.5V的電壓范圍內進行。相應地，離子物質移動層MlO的電阻的變化可以發生在約±2.5V的低電壓范圍內。
[0082]圖7和圖8是示出相對于圖4的結構根據電壓掃描的電流變化的圖。具體地，圖7示出了在將兩個電極ElO和E20之間的電壓從1.9 V增加到2.4 V時電流變化的測量結果，而且圖8示出了在例如將兩個電極ElO和E20之間的電壓從-0.8V增加到-1.6 V，增加電壓的絕對值，時電流變化的測量結果。
[0083]參照圖7和圖8，可以看出，電流根據電壓掃描逐漸減小或增大。因此，圖4所示的結構的電阻可以根據電壓掃描方向逐漸減小或增大。
[0084]圖9A-圖9C是示出本文所描述的離子物質移動層MlO的各種離子分布的例子的截面圖。可以看出，氧離子被累積在上側，即，朝向上表面，如圖9A和圖9C之間所示。離子物質移動層MlO中氧離子的分布的變化可以意味著，預定區中氧離子的密度可以變化。離子物質移動層MlO的離子分布可以根據施加到離子物質移動層MlO的電壓而逐漸變化。
[0085]圖10是表示根據圖9A-圖9C中的離子分布變化，離子物質移動層MlO的靜電電勢變化的圖。圖10中的曲線(A)、(B)和(C)分別對應于圖9A-圖9C。從圖10的結果可以看出，靜電電勢根據離子分布變化而逐漸變化。
[0086]圖11是表示根據本發明構思的實施例的、根據非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的離子物質的移動的閾值電壓變化的圖。
[0087]參照圖11，隨著氧離子的數目在接近晶體管的溝道區的離子物質移動層一例如，圖1和圖2的離子物質移動層Ml—的一部分，即，下端部，中增加，閾值電壓可以沿正(+)方向逐漸增加。這是因為，隨著氧離子的數目在接近溝道區的離子物質移動層Ml的一部分中增加，正(+)電荷可以在溝道區中累積。因此，需要更高的電壓以形成η-溝道。在圖11中，氧離子的數目不同于，例如，相對的氧空位的數目。因此，隨著氧空位的數目在接近晶體管的溝道區的離子物質移動層的一部分，即，下端部，中減少，閾值電壓可以沿正(+)方向逐漸增加。隨著氧離子或氧空位逐漸移動，閾值電壓可以逐漸變化。離子物質的移動以及閾值電壓的變化可以是非易失性的。換句話說，離子物質可以響應于電壓的施加而移動，并且當電壓的施加被移除時，可以持續保持最終狀態。
[0088]圖12是表示根據本發明構思的實施例的、表示根據非易失性存儲器晶體管的離子物質移動層的離子物質的移動的閾值電壓變化的仿真結果的圖。當朝向溝道區或柵極電極移動正(+)離子物質時，對柵電壓Vg-漏電流Id特性進行了評估。
[0089]參照圖12，隨著正(+)離子物質，即，正電荷，靠近晶體管的柵極電極移動，存儲器晶體管的閾值電壓逐漸增加。隨著正(+)離子物質靠近溝道區移動時，閾值電壓逐漸減少。這樣的結果可以類似于圖11的圖所示的結果。此外，從圖12的圖可以看出，在預定的柵極電壓，例如，I伏處，輸出多電平的漏極電流。根據閾值電壓的變化，可以輸出多電平漏極電流。
[0090]即使在存儲器晶體管具有小的尺寸或相關配置參數的情況下，根據本實施例的非易失性存儲器晶體管也可以具有低工作電壓，例如，約±5.0V范圍內的工作電壓，并具有足夠大的多電平特性。換句話說，如圖5和圖6中所述，由于離子物質移動層的電阻的變化可以在約±4.0V或±2.5V范圍內的低電壓處進行，因此非易失性存儲器晶體管可以在低電壓范圍內工作。此外，如上參照圖11和圖12所述，由于通過逐漸移動離子物質移動層的離子物質來逐漸改變存儲器晶體管的閾值電壓，因此可以容易地獲得16電平或更多的多電平特性。
[0091]由于根據一些實施例的快閃存儲器使用隧道注入電子，因此快閃存儲器的工作電壓可以較高，例如，約10-20V。此外，由于在浮置柵極中捕獲的電子的數目是有限的，因此它難以實現多比特特性。然而，根據本實施例，即使非易失性存儲器件的尺寸很小，它也工作在低電壓范圍而且具有足夠大的多電平特性，從而克服了與快閃存儲器相關聯的上述問題。
[0092]圖13是示出通過使用傳統的靜態隨機存取存儲器(SRAM)形成16電平(4比特)設備的例子的電路圖。
[0093]參照圖13，為了利用傳統的SRAM配置16電平(4比特)設備，需要多個靜態存儲器(例如，16個SRAM)以及外圍電路(未示出)。每個SRAM可以包括6個晶體管。因此，當利用傳統的SRAM配置16電平(4比特)設備時，至少需要96個晶體管。
[0094]然而，根據本實施例的非易失性存儲器晶體管，可以相對于單個晶體管具體實現16電平或更多的多電平特性。因此，當使用根據本實施例的非易失性存儲器晶體管配置預定的電路時，可以大大地減少所需的單元設備的數目并且可以簡化電路的結構。因此，可以極大地減少整個系統的尺寸。
[0095]根據本實施例的非易失性存儲器晶體管可以被用于各種目的，例如，用于各種電子裝置和邏輯設備。特別地，非易失性存儲器晶體管可以應用于突觸(synapse)器件/電路。眾所周知，突觸指的是用于連接神經元細胞的結點(junct1n)，而且對學習和記憶而言很重要。由于每當轉移信號(transfer signal)流過突觸時突觸被加強，因此當電壓被施加到根據本實施例的非易失性存儲器晶體管的柵極電極時，離子物質移動層的電特性變化并且由此晶體管的閾值電壓可以逐漸地(累積地)變化。另外，閾值電壓的變化可以是非易失性的。因此，根據本實施例的非易失性存儲器晶體管可以應用于突觸器件/電路。由于非易失性存儲器晶體管可以具有16電平或更多的多電平特性并且可以工作在低電壓范圍，因此當通過使用該非易失性存儲器晶體管配置突觸器件/電路時，器件/電路的尺寸可以被大大降低而且功耗可以被降低。此外，由于非易失性存儲器晶體管工作在低電壓，因此它的可靠性也可以得到改善。
[0096]圖14是示出將根據本發明構思的實施例的非易失性存儲器晶體管MTlO應用于突觸器件的情況的概念圖。
[0097]參照圖14，當前神經元和后神經元之間的突觸或結點被配置在電路中時，可以使用根據本實施例的非易失性存儲器晶體管MT10。前神經元可以輸入前尖峰信號到突觸。突觸可以將預定的突觸信號轉移到后神經元。后神經元可以輸出后尖峰信號。非易失性存儲器晶體管MTlO可以連接前突觸神經元電路NI和后突觸神經元電路N2。這樣的配置可以在圖5中所示的電路中示出。
[0098]參照圖15，非易失性存儲器晶體管MTlO的柵極電極Gl可以連接到前突觸神經元電路NI。非易失性存儲器晶體管MTlO的源極SI可以連接到后突觸神經元電路N2。前尖峰信號可以從前突觸神經元電路NI施加到柵極電極G1。后突觸電流可以經由源極SI流向后突觸神經元電路N2。后突觸神經元電路N2可以生成后尖峰信號。預定的電壓VDS可以被施加到非易失性存儲器晶體管MTlO的漏極Dl。
[0099]隨著尖峰信號被反復施加到柵極電極G1，非易失性存儲器晶體管MTlO的閾值電壓可以沿正(+)方向或負(_)方向逐漸改變。當閾值電壓的變化超過預定的臨界點時，非易失性存儲器晶體管MTlO可以被前尖峰信號導通。此時，后突觸電流可以經由源極SI流向后突觸神經元電路N2。
[0100]圖16是示出根據本發明構思的實施例的、包括非易失性存儲器晶體管MTlO的突觸陣列器件的電路圖。
[0101]參照圖16，多個非易失性存儲器晶體管MTlO可以沿多個行和列布置。多個第一配線Wl和多個第二配線W2可以被布置為相互交叉。非易失性存儲器晶體管MTlO可以位于第一配線Wl和第二配線W2的每個交叉點處。第一配線Wl可以連接到非易失性存儲器晶體管MTlO的柵極電極。第二配線W2可以連接到非易失性存儲器晶體管MTlO的源極。第一配線Wl可以連接到前突觸神經元電路NlO。第二配線W2可以連接到后突觸神經元電路N20。預定的電壓Vds可以被施加到非易失性存儲器晶體管MTlO的漏極。
[0102]前尖峰信號可以經由第一配線Wl從前突觸神經元電路的NlO施加到非易失性存儲器晶體管MTlO的柵極電極。后突觸電流可以經由非易失性存儲器晶體管MTlO的源極流向后突觸神經元電路N20。后突觸神經元電路N20可以生成后尖峰信號。
[0103]圖17是示出根據本發明構思的實施例的、包括突觸器件200的神經形態器件的透視圖。
[0104]參照圖17，神經形態器件可以包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)神經元電路100和連接到CMOS神經元電路100的突觸器件200。CMOS神經元電路100可以提供在預定的襯底，例如，硅(Si)襯底，上。CMOS神經元電路100可以包括例如，如本文所述的前突觸神經元電路和后突觸神經元電路。突觸器件200可以具有根據本實施例的陣列結構，例如，圖16的陣列結構。為了便于說明，突觸器件200被示意性地示出。圖17的神經元形態器件的結構是示例性的，而且可以對其進行各種修改。
[0105]圖17的CMOS的神經元電路100可以具有，例如，與圖18所示的電路結構相似或相同的電路結構。CMOS神經元電路100的結構是公知的，并且因此在本文中將省略其詳細描述。
[0106]根據本發明構思的實施例的非易失性存儲器晶體管可以應用于各種電子設備或邏輯設備。例如，如上所述，非易失性存儲器晶體管可以應用于突觸器件，而且突觸器件可以應用于神經形態設備。同聲傳譯是與此技術相關的應用領域之一。另外，非易失性存儲器晶體管可以應用于多值邏輯，其利用單個單元同時操作多電平。在這種情況下，操作速度可以增加，而且設備的尺寸可以減小。非易失性存儲器晶體管可以被用于利用混合CMOS/多值電路執行模擬運算的設備。另外，根據本發明構思的非易失性存儲器晶體管可以應用于具有人工智能功能的電路或芯片、操作為神經元網絡的電路或芯片、克服現有數字方法的信息處理限制的技術、能夠執行像神經元一樣的操作的電路或芯片、能夠同時切換和記憶的設備等等。
[0107]操作根據本發明構思的實施例的非易失性存儲器晶體管的方法被總結如下。操作非易失性存儲器晶體管的方法可以包括，通過將電壓施加到柵極電極在離子物質移動層中移動離子物質，并且激活非易失性存儲器晶體管。在移動離子物質時，施加到離子物質移動層的電壓可以是在約±5.0 V的范圍內的低電壓。詳細地，在圖1到圖3和圖14的結構中，通過將預定的電壓施加到柵極電極G1，可以在離子物質移動層Ml和M2中移動離子物質。移動離子物質可以分別改變存儲器晶體管MT1、MT2、MT3和MTlO的閾值電壓。通過將電壓反復施加到柵極電極G1，閾值電壓可以逐漸變化，例如，沿正⑴方向或負㈠方向逐漸變化。當閾值電壓的變化超過預定的臨界點時，存儲器晶體管MT1、MT2、MT3和MTlO可以被電壓導通。因此，預定的信號，例如，電流/電壓信號，可以通過源極SI輸出。然而，這個操作方法是示例性的，而且可以根據所應用的領域和用途被不同地修改。
[0108]應當理解，本文所描述的示例性實施例應被認為是描述意義的，而不是用于限制。例如，本發明構思所涉及的領域的普通技術人員將理解，圖1到圖3中的非易失性存儲器晶體管的結構可以以各種方式進行修改。詳細地，除了離子物質移動層Ml和M2以及傳導層E1，還可以在柵極絕緣層GIl和柵極電極Gl之間設置一個或多個其他材料層。源極S1、漏極Dl和溝道元件Cl的配置可以以各種方式進行修改。另外，圖15到圖17中的突觸器件的結構、以及包括突觸器件的裝置也可以被不同地修改。每個實施例內的特征或方面的描述通常應該被認為可用于其他實施例中的其它類似特征或方面。
【權利要求】
1.一種非易失性存儲器晶體管，包括: 溝道元件； 與溝道元件相對應的柵極電極； 在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層； 在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及 相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極，其中根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
2.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括可變電阻材料。
3.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括雙極存儲層。
4.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括PrCaMnO (PCMO)、鈦氧化物、鉭氧化物、鎳氧化物、鋅氧化物、鎢氧化物、鈷氧化物、鈮氧化物、鈦鎳氧化物、鋰鎳氧化物、銦鋅氧化物、fL氧化物、銀錯氧化物、銀鈦氧化物、鉻氧化物、鐵氧化物、銅氧化物、鉿氧化物、鋯氧化物、鋁氧化物以及它們的混合物中的至少一個
5.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括負離子物質，而且所述閾值電壓隨著離子物質移動層中負離子物質的濃度沿朝向柵極絕緣層的方向增加而增加。
6.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括正離子物質，而且所述閾值電壓隨著離子物質移動層中正離子物質的濃度沿朝向柵極絕緣層的方向增加而降低。
7.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層包括氧離子或氧空位中的至少一個作為離子物質。
8.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，還包括在柵極絕緣層和離子物質移動層之間的傳導層。
9.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，具有包括至少十六個電平的多電平特性。
10.如權利要求1所述的非易失性存儲器晶體管，其中，所述離子物質移動層具有單層結構或多層結構。
11.一種非易失性存儲器晶體管，包括: 溝道元件； 與溝道元件相對應的柵極電極； 在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層； 在柵極絕緣層和柵極電極之間的雙極存儲層；以及 相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極。
12.如權利要求11所述的非易失性存儲器晶體管，還包括在柵極絕緣層和雙極存儲層之間的電極層。
13.—種包括非易失性存儲器晶體管的突觸器件，該非易失性存儲器晶體管包括: 溝道元件； 與溝道元件相對應的柵極電極； 在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層； 在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及 相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極，其中根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
14.如權利要求13所述的突觸器件，其中，所述非易失性存儲器晶體管的柵極電極連接到前突觸神經元電路，而且所述非易失性存儲器晶體管的源極連接到后突觸神經元電路。
15.如權利要求13所述的突觸器件，其中，所述非易失性存儲器晶體管包括布置在多個行和列中的多個非易失性存儲器晶體。
16.如權利要求15所述的突觸器件，還包括: 多個第一配線；以及 與所述多個第一配線交叉的多個第二配線，其中所述多個非易失性存儲器晶體管位于所述多個第一配線和所述多個第二配線的交叉點處。
17.—種神經形態器件，包括: 突觸器件，該突觸器件包括: 非易失性存儲器晶體管，該非易失性存儲器晶體管包括: 溝道元件； 與溝道元件相對應的柵極電極； 在溝道元件和柵極電極之間的柵極絕緣層； 在柵極絕緣層和柵極電極之間的離子物質移動層；以及 相對于溝道元件彼此分離的源極和漏極，其中根據施加到柵極電極的電壓在離子物質移動層發生離子物質的移動，其中閾值電壓根據離子物質的移動而變化，而且其中非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
18.如權利要求17所述的神經形態器件，還包括連接到突觸器件的互補金屬氧化物半導體(CMOS)神經元電路。
19.一種操作非易失性存儲器晶體管的方法，該方法包括: 通過將電壓施加到柵極電極，在離子物質移動層中移動離子物質；以及 導通非易失性存儲器晶體管。
20.如權利要求19所述的方法，其中，在移動離子物質時，施加到離子物質移動層的電壓在約±5.0V的范圍內。
21.一種非易失性存儲器晶體管，包括: 源極； 漏極； 柵極電極； 在源極和漏極之間的溝道元件；以及 在柵極電極和溝道元件之間的離子物質移動層，其中非易失性存儲器晶體管的閾值電壓響應于離子在離子物質移動層中移動而變化。
22.如權利要求21所述的非易失性存儲器晶體管，其中所述非易失性存儲器晶體管具有多電平特性。
23.如權利要求21所述的非易失性存儲器晶體管，其中所述離子物質移動層包括雙極存儲層。
24.如權利要求21所述的非易失性存儲器晶體管，其中所述離子物質移動層包括靜電電勢，該靜電電勢通過根據施加到柵極電極的電壓移動離子物質來變化。
25.如權利要求21所述的非易失性存儲器晶體管，還包括在離子物質移動層和溝道元件之間的柵極絕緣層。
【文檔編號】H01L21/8247GK104347520SQ201410366642
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】李明宰, 趙成豪, 金鎬正, 樸永洙, D.徐, 柳寅敬 申請人:三星電子株式會社