非易失性存储器晶体管和包括该存储器晶体管的设备的制作方法

非易失性存储器晶体管和包括该存储器晶体管的设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供了非易失性存储器晶体管和包括非易失性存储器晶体管的设备。非易失性存储器晶体管可以包括沟道元件，与沟道元件相对应的栅极电极，在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层，在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层，以及相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极。根据施加到栅极电极的电压，在离子物质移动层发生离子物质的移动。阈值电压根据离子物质的移动而变化。非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
【专利说明】非易失性存储器晶体管和包括该存储器晶体管的设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年7月29日向韩国知识产权局提交的第10-2013-0089833号韩国专利申请的权益，其公开通过引用整体并入本文。

【技术领域】
[0003]本公开涉及非易失性存储器晶体管和包括非易失性存储器晶体管的设备。

【背景技术】
[0004]快闪存储器被广泛使用，而且众所周知地用于非易失性存储器件。在典型的快闪存储器晶体管中，通过经由隧道绝缘层向浮置栅极注入电子或者从浮置栅极移除电子来存储数据。然而，由于典型的快闪存储器使用隧道注入电子，因此快闪存储器的工作电压较高，例如，约10-20V。此外，由于在浮置栅极中捕获的电子的数目是有限的，因此它难以实现具有多比特特性的快闪存储器。例如，在具有约20-30纳米线宽的浮置栅极中，可以捕获仅仅几十个电子。
[0005]为了克服常规的快闪存储器的上述问题，需要即使在非易失性存储器件的尺寸很小的情况下也具有低工作电压且具有足够大的多电平特性的非易失性存储器件。


【发明内容】

[0006]提供了具有多个电平或多值特性的非易失性存储器晶体管。
[0007]提供了具有低工作电压的非易失性存储器晶体管。
[0008]提供了具有诸如阈值电压根据施加的电压逐渐地或连续地变化的特性的非易失性存储器晶体管。
[0009]提供了包括非易失性存储器晶体管的设备，例如，电路。
[0010]提供了采用非易失性存储器晶体管的突触器件。
[0011]提供了操作非易失性存储器晶体管和包括非易失性存储器晶体管的设备的方法。
[0012]附加方面将在以下说明书中部分地阐述，并将从说明书中部分地变得明显，或者可以通过对所提出的实施例的实践来习得。
[0013]根据本发明构思的一方面，非易失性存储器晶体管包括:沟道元件；与沟道元件相对应的栅极电极；在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层；在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极。根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
[0014]在一些实施例中，离子物质移动层包括可变电阻材料。
[0015]在一些实施例中，离子物质移动层包括双极存储层。
[0016]在一些实施例中，离子物质移动层包括PrCaMnO(PCMO)、钛氧化物、钽氧化物、镍氧化物、锌氧化物、钨氧化物、钴氧化物、铌氧化物、钛镍氧化物、锂镍氧化物、铟锌氧化物、钒氧化物、锶锆氧化物、锶钛氧化物、铬氧化物、铁氧化物、铜氧化物、铪氧化物、锆氧化物、铝氧化物以及它们的混合物中的至少一个。
[0017]在一些实施例中，离子物质移动层包括PCM0。
[0018]在一些实施例中，离子物质移动层包括负(_)离子物质，而且所述阈值电压随着离子物质移动层中负(_)离子物质的浓度沿朝向栅极绝缘层的方向增加而增加。
[0019]在一些实施例中，离子物质移动层包括正(+)离子物质，而且所述阈值电压随着离子物质移动层中正(+)离子物质的浓度沿朝向栅极绝缘层的方向增加而降低。
[0020]在一些实施例中，离子物质移动层包括氧离子或氧空位中的至少一个作为离子物质。
[0021]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管还可以包括在栅极绝缘层和离子物质移动层之间的传导层。
[0022]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管具有包括至少十六(16)个电平的多电平特性。
[0023]在一些实施例中，离子物质移动层具有单层结构。
[0024]在一些实施例中，离子物质移动层具有多层结构。
[0025]根据本发明构思的另一方面，非易失性存储器晶体管包括:沟道元件；与沟道元件相对应的栅极电极；在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层；在栅极绝缘层和栅极电极之间的双极存储层；以及相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极。
[0026]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管包括在栅极绝缘层和双极存储层之间的电极层。
[0027]根据本发明构思的另一方面，突触器件包括非易失性存储器晶体管。该非易失性存储器晶体管包括:沟道元件；与沟道元件相对应的栅极电极；在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层；在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极，其中根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
[0028]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管的栅极电极连接到前突触神经元电路，而且非易失性存储器晶体管的源极连接到后突触神经元电路。
[0029]在一些实施例中，多个非易失性存储器晶体管沿多个行和列布置。
[0030]在一些实施例中，突触器件包括多个第一配线以及与多个第一配线交叉的多个第二配线，其中所述多个非易失性存储器晶体管位于多个第一配线和多个第二配线的交叉点处。
[0031]在一些实施例中，多个第一配线连接到前突触神经元电路，而且多个第二配线后突触神经元电路。
[0032]根据本发明构思的另一方面，神经形态器件包括突触器件。突触器件包括非易失性存储器晶体管。非易失性存储器晶体管包括:沟道元件；与沟道元件相对应的栅极电极；在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层；在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极，其中根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
[0033]在一些实施例中，神经形态器件还包括连接到突触器件的互补金属氧化物半导体(CMOS)神经元电路。
[0034]根据本发明构思的另一方面，操作非易失性存储器晶体管的方法包括:通过将电压施加到栅极电极，在离子物质移动层中移动离子物质；以及导通非易失性存储器晶体管。
[0035]在一些实施例中，在移动离子物质时，施加到离子物质移动层的电压在约±5.0V的范围内。
[0036]根据本发明构思的另一方面，非易失性存储器晶体管包括:源极；漏极；栅极电极；在源极和漏极之间的沟道元件；以及在栅极电极和沟道元件之间的离子物质移动层，其中非易失性存储器晶体管的阈值电压响应于离子在离子物质移动层中移动而变化。
[0037]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
[0038]在一些实施例中，离子物质移动层包括双极存储层。
[0039]在一些实施例中，离子物质移动层包括静电电势，该静电电势通过根据施加到栅极电极的电压移动离子物质来变化。
[0040]在一些实施例中，离子物质包括氧离子或氧空位中的至少一个。
[0041]在一些实施例中，非易失性存储器晶体管还包括在离子物质移动层和沟道元件之间的栅极绝缘层。

【专利附图】

【附图说明】
[0042]通过以下结合附图对实施例的描述，这些和/或其它方面将变得明显且更容易理解，在附图中:
[0043]图1是根据本发明构思的实施例的非易失性存储器晶体管的截面图；
[0044]图2是根据本发明构思的另一实施例的非易失性存储器晶体管的截面图；
[0045]图3是根据本发明构思的另一实施例的非易失性存储器晶体管的截面图；
[0046]图4是示出根据本发明构思的实施例的、测量可用于非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的电阻变化特性的单元结构的截面图；
[0047]图5和图6是示出根据本发明构思的实施例的、根据施加于非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的电压的电阻变化特性的图；
[0048]图7和图8是示出相对于图4的结构根据电压扫描的电流变化的图；
[0049]图9A-图9C是示出离子物质移动层的各种离子分布的例子的截面图；
[0050]图10是示出根据图9A-图9C中的离子分布变化，离子物质移动层的静电电势变化的图；
[0051]图11是示出根据本发明构思的实施例的、根据非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的离子物质的移动的阈值电压变化的图；
[0052]图12是示出根据本发明构思的实施例的、表示根据非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的离子物质的移动的阈值电压变化的仿真结果的图；
[0053]图13是示出通过使用传统的静态随机存取存储器(SRAM)形成16电平设备的例子的电路图；
[0054]图14是示出根据本发明构思的实施例的、应用非易失性存储器晶体管的概念图；
[0055]图15是示出根据本发明构思的实施例的、包括非易失性存储器晶体管的突触器件的截面图；
[0056]图16是示出根据本发明构思的实施例的、包括非易失性存储器晶体管的突触阵列器件的电路图；
[0057]图17是示出根据本发明构思的实施例的、包括突触器件的神经形态器件(neuromorphic device)的透视图；以及
[0058]图18是示出图17的CMOS神经元电路的示例性结构的电路图。

【具体实施方式】
[0059]现在将参照示出了示例性实施例的附图来更全面地描述各示例性实施例。
[0060]将理解的是，当元件被称为在“连接到”或“耦接到”另一元件时，其可以“连接到”或“耦接到”另一元件，或者可以存在居间的元件。相比之下，当称一个元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，而不存在居间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个关联的列出项的任意和所有组合。
[0061]将理解的是，虽然本文可以使用术语“第一”、“第二”等等以描述各元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应该限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部件区分开。从而，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以称作第二元件、组件、区域、层或部分而不脱离示例性实施例的教导。
[0062]为了便于描述，本文可能使用空间关系词，如“在...之下”、“下方”、“低于”、“上方”、“上”等等，来描述图中示出的一个元件或特征与另外(多个)元件或(多个)特征之间的关系。将理解的是，所述空间关系词意图涵盖除了附图中描绘的方向之外的、器件在使用中或操作中的不同方向。例如，如果附图中的器件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件的方位将变成在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示例性词语“下方”可以包括上和下两个方向。可以使器件具有其他朝向(旋转90度或其他朝向)，而本文使用的空间关系描述词应做相应解释。
[0063]本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意欲限制示例性实施例。本文使用的单数形式“一”、“一个”和“该”意欲也包括复数形式，除非上下文明显指示。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”时，指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、存在和/或它们的组合的存在或添加。
[0064]本文参照截面图图示来描述示例性实施例,该截面图图示是理想化实施例的示意图。因而，例如，作为制造工艺和/或容差的结果的偏离例图的形状是可能发生的。从而，本文描述的示例性实施例不应该被解释为限于如本文示出的区域的特定形状，而是包括例如，由生产造成的形状方面的偏差。例如，示出为矩形的注入区域将通常在边缘处具有圆形或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而不是从注入区域到非注入区域的二元变化。同样，通过注入形成的埋区可以在埋区和通过其发生注入的表面之间的区域中形成一些注入。从而，附图中示出的区域本质上是示意性的并且不预期它们的精确的形状示出设备的区域的精确的形状并且不预期限制此处阐述的示例性实施例的范围。
[0065]除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明所属的领域的普通技术人员所通常理解的含义。还应当理解，诸如在通常使用的词典中定义的那些术语应当被解释为具有与相关领域的背景下的含义一致的含义，并且不会被在理想化或过度正式的意义上解释，除非本文明确说明。
[0066]现在将详细参考实施例，附图中示出了其示例，其中相同的参考数字通篇指代相同的元件。对此，本实施例可以具有不同的形式并且不应该被理解为局限于这里阐述的描述。因此，下面参照附图描述的实施例仅用于解释本描述的一些方面。
[0067]图1是根据本发明构思的实施例的非易失性存储器晶体管MTl的截面图。
[0068]参照图1，可以提供沟道元件Cl和与沟道元件Cl相对应的栅极电极G1。栅极绝缘层GIl可以提供在沟道元件Cl和栅极电极Gl之间。离子物质移动层(1nic speciesmoving layer)Ml,也被称为离子物质可移动层(1nic species movable layer),可以提供在栅极绝缘层GIl和栅极电极Gl之间。栅极绝缘层GI1、离子物质移动层Ml和栅极电极Gl可以顺序地提供在沟道元件Cl上。源极SI和漏极Dl可以提供在沟道元件Cl的相对侧，并且彼此分离。源极SI和漏极Dl可以接触源极SI和漏极Dl之间的沟道单元Cl的一部分的相对端。源极S1、漏极Dl和沟道元件Cl可以提供在衬底SUBl上。通过将预定的杂质注入到栅极电极Gl的相对侧的衬底SUBl的区域中，可以形成源极SI和漏极D1。衬底SUBl的位于源极SI和漏极Dl之间的区可以被定义为沟道元件(沟道区)Cl。例如，衬底SUBl可以由硅(Si)衬底形成。
[0069]离子物质移动层Ml可以具有预定的离子物质。例如，离子物质可以包括氧离子和/或氧空位。当电压被施加到离子物质移动层Ml的两端(例如，上端和下端)之间时，预定的离子物质可以在离子物质移动层Ml内移动。非易失性存储器晶体管MTl的阈值电压可以根据离子物质在离子物质移动层Ml中的移动而变化。在这方面，非易失性存储器晶体管MTl可以具有多电平特性。例如，非易失性存储器晶体管MTl可以具有16电平或更多的多电平特性。
[0070]离子物质移动层Ml可以包括电阻存储材料。在这种情况下，离子物质移动层Ml可以包括氧化物电阻器。氧化物电阻器可以是金属氧化物电阻器等，并且可以由其电阻根据施加的电压而变化的可变电阻材料形成。可变电阻材料可以由双极存储材料形成。离子物质移动层Ml可以包括PrCaMnO(PCMO)、钛氧化物、钽氧化物、镍氧化物、锌氧化物、钨氧化物、钴氧化物、铌氧化物、钛镍氧化物、锂镍氧化物、铟锌氧化物、钒氧化物、锶锆氧化物、锶钛氧化物、铬氧化物、铁氧化物、铜氧化物、铪氧化物、锆氧化物、铝氧化物以及它们的混合物中的至少一个。以上材料可以根据形成条件具有单极或双极特性。在本实施例中，可以使用以上材料的双极特性。另外，以上材料的特性可以根据它们的组成比例发生很大变化。因此，以上材料被理解为具有可以表示电阻变化特性和/或双极特性的组成比例。在铝氧化物的情况下，具有化学计量组成的氧化物，诸如Al2O3等，可以具有电介质(绝缘)特性，但是可以不具有电阻变化特性和/或双极特性。相应地，上述铝氧化物可以被理解为具有表示电阻变化特性和/或双极特性的非化学计量组成。相对于本文提及的其他材料和/或本领域的普通技术人员以其他方式已知的其他材料，这也可以是有效的。离子物质移动层Ml的厚度可以为约10-100纳米，例如，约20-80纳米。
[0071]在图1中，由于施加到栅极电极Gl的电压与施加到衬底SUBl的主体(body)的电压之间的差(下文中，称为电压差)，电压可以被施加在离子物质移动层Ml的上端和下端之间。与电压差相对应的电压可以分布式地施加到栅极绝缘层GIl和离子物质移动层Ml。在一些实施例中，由于施加到离子物质移动层Ml的电压，造成离子物质可以在离子物质移动层Ml中移动。假设预定的电压被恒定地施加到衬底SUBl的主体，则由于施加到栅极电极Gl的电压，造成离子物质可以在离子物质移动层Ml中移动。由于施加在离子物质移动层Ml的上端和下端之间的电场，例如，由施加到栅极电极Gl的电压所生成的电场，造成离子物质可以在离子物质移动层Ml中移动。
[0072]根据本发明构思的另一实施例，传导层El可以，例如，在图2中，位于栅极绝缘层GIl和离子物质移动层Ml之间。
[0073]参照图2，根据本实施例的非易失性存储器晶体管MT2还可以包括设置在栅极绝缘层GIl和非易失性存储器晶体管MTl之间的传导层E1。传导层El可以被构造为用作电极层，而且可以由金属或金属化合物形成。离子物质移动层Ml可以被看作在两个电极El和Gl之间。因此，当设置传导层El时，向离子物质移动层Ml施加电压或电场可以变得容易。因此，离子物质在离子物质移动层Ml中的移动可以变得便利。
[0074]当离子物质，例如，氧离子和/或氧空位，在离子物质移动层Ml中移动时，离子物质移动层Ml的静电电势可以变化。结果，非易失性存储器晶体管MTl和MT2的阈值电压可以变化。换句话说，当离子物质在离子物质移动层Ml中移动时，离子物质移动层Ml的离子物质的分布可以变化。因此，离子物质移动层Ml对沟道元件Cl的电气影响可以变化。因此，非易失性存储器晶体管MTl和MT2的阈值电压可以分别变化。当离子物质是负(_)离子物质时，随着离子物质移动层Ml中负(-)离子物质的浓度朝向栅极绝缘层GIl增加，阈值电压可以增加。当离子物质是正(+)离子物质时，随着离子物质移动层Ml中正(+)离子物质的浓度朝向栅极绝缘层GIl增加，阈值电压可以降低。离子物质移动层Ml的离子物质可以以连续方式逐渐地并且可逆地在离子物质移动层Ml中移动。因此，非易失性存储器晶体管MTl和MT2的阈值电压也逐渐地并且可逆地变化。从另一角度来看，由于离子物质移动层Ml的上端和下端之间的电场，离子物质移动层Ml的离子物质可以移动。结果，在离子物质移动层Ml中，内部电场可以被改变。内部电场的强度可以根据离子物质的移动而变化。内部电场可以逐渐地并且可逆地变化。由于内部电场的这种改变，非易失性存储器晶体管MTl和MT2的阈值电压可以被改变。另外，离子物质移动层Ml的预定区中的电容可以根据离子物质的移动而改变，而且阈值电压可以由于电容的改变而变化。后面将更详细地描述根据离子物质移动层Ml的离子物质的移动而改变阈值电压。
[0075]根据本发明构思的另一实施例，图1和图2的结构中的离子物质移动层Ml可以形成在多层结构中。图3中示出了多层结构的例子。更具体地，图3示出了图2的离子物质移动层Ml具有多层结构的情况。
[0076]参照图3，根据本实施例的非易失性存储器晶体管MT3可以包括多层结构的离子物质移动层M2。离子物质移动层M2可以包括，例如，双层结构。在这种情况下，离子物质移动层M2可以包括第一材料层10和第二材料层20。氧离子和/或氧空位可以在第一材料层10中。相对于第二材料层20，第一材料层10可以用作“氧供给层”。第一材料层10也可以被称为“氧贮存库层”。第二材料层20可以类似于第一材料层10，并且可以包括氧离子和/或氧空位。第二材料层20可以与第一材料层10交换氧离子和/或氧空位，而且可以感应离子物质移动层M2的电阻变化。在这方面，第二材料层20可以被称为“氧交换层”。第二材料层20的氧浓度可以高于第一材料层10的氧浓度。
[0077]图4是示出根据本发明构思的实施例的、测量可用于非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的电阻变化特性的单元结构的截面图。
[0078]参照图4，离子物质移动层MlO设置在两个电极(下文中，称为第一电极和第二电极)ElO和E20之间。离子物质移动层MlO可以具有大量的氧离子。氧离子可以响应于施加在第一电极ElO和第二电极E20之间的电压而移动。例如，当正(+)电压被施加到第一电极ElO而且负(-)电压被施加到第二电极E20时，氧离子可以朝向第一电极ElO移动一定程度。当负(_)电压被施加到第一电极ElO而且正(+)电压被施加到第二电极E20时，氧离子可以朝向第二电极E20移动一定程度。如果相同的电压信号被反复施加在两个电极ElO和E20之间，则氧离子可以根据施加的信号的频率，沿任一方向逐渐地(累积地)移动。离子物质移动层MlO的氧空位(未示出)可以沿与氧离子相反的方向移动。氧离子可以具有负㈠电荷，而氧空位可以具有正⑴电荷。
[0079]图5和图6是分别示出根据本发明构思的实施例的、根据可用于非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的施加电压的电阻变化特性的图。图5和图6示出了图4的结构的电压-电流特性变化。图5示出了图4的离子物质移动层MlO是PCMO层的情况。图6示出了图4的离子物质移动层MlO是TaOx层的情况。图5表示反复测量0N/0FF (开/关)操作，也就是说，设置/复位操作的结果。图6表示一次0N/0FF扫描操作的结果。
[0080]参照图5，可以看出，电阻变化图的电流电平被划分为许多不同的电平。因此，离子物质移动层MlO可以具有多电平特性。另外，可以看出，PCMO层的电阻变化可以在约土4.0V的范围内进行。
[0081]参照图6，可以看出，TaOx层的电阻变化可以在约±2.5V的电压范围内进行。相应地，离子物质移动层MlO的电阻的变化可以发生在约±2.5V的低电压范围内。
[0082]图7和图8是示出相对于图4的结构根据电压扫描的电流变化的图。具体地，图7示出了在将两个电极ElO和E20之间的电压从1.9 V增加到2.4 V时电流变化的测量结果，而且图8示出了在例如将两个电极ElO和E20之间的电压从-0.8V增加到-1.6 V，增加电压的绝对值，时电流变化的测量结果。
[0083]参照图7和图8，可以看出，电流根据电压扫描逐渐减小或增大。因此，图4所示的结构的电阻可以根据电压扫描方向逐渐减小或增大。
[0084]图9A-图9C是示出本文所描述的离子物质移动层MlO的各种离子分布的例子的截面图。可以看出，氧离子被累积在上侧，即，朝向上表面，如图9A和图9C之间所示。离子物质移动层MlO中氧离子的分布的变化可以意味着，预定区中氧离子的密度可以变化。离子物质移动层MlO的离子分布可以根据施加到离子物质移动层MlO的电压而逐渐变化。
[0085]图10是表示根据图9A-图9C中的离子分布变化，离子物质移动层MlO的静电电势变化的图。图10中的曲线(A)、(B)和(C)分别对应于图9A-图9C。从图10的结果可以看出，静电电势根据离子分布变化而逐渐变化。
[0086]图11是表示根据本发明构思的实施例的、根据非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的离子物质的移动的阈值电压变化的图。
[0087]参照图11，随着氧离子的数目在接近晶体管的沟道区的离子物质移动层一例如，图1和图2的离子物质移动层Ml—的一部分，即，下端部，中增加，阈值电压可以沿正(+)方向逐渐增加。这是因为，随着氧离子的数目在接近沟道区的离子物质移动层Ml的一部分中增加，正(+)电荷可以在沟道区中累积。因此，需要更高的电压以形成η-沟道。在图11中，氧离子的数目不同于，例如，相对的氧空位的数目。因此，随着氧空位的数目在接近晶体管的沟道区的离子物质移动层的一部分，即，下端部，中减少，阈值电压可以沿正(+)方向逐渐增加。随着氧离子或氧空位逐渐移动，阈值电压可以逐渐变化。离子物质的移动以及阈值电压的变化可以是非易失性的。换句话说，离子物质可以响应于电压的施加而移动，并且当电压的施加被移除时，可以持续保持最终状态。
[0088]图12是表示根据本发明构思的实施例的、表示根据非易失性存储器晶体管的离子物质移动层的离子物质的移动的阈值电压变化的仿真结果的图。当朝向沟道区或栅极电极移动正(+)离子物质时，对栅电压Vg-漏电流Id特性进行了评估。
[0089]参照图12，随着正(+)离子物质，即，正电荷，靠近晶体管的栅极电极移动，存储器晶体管的阈值电压逐渐增加。随着正(+)离子物质靠近沟道区移动时，阈值电压逐渐减少。这样的结果可以类似于图11的图所示的结果。此外，从图12的图可以看出，在预定的栅极电压，例如，I伏处，输出多电平的漏极电流。根据阈值电压的变化，可以输出多电平漏极电流。
[0090]即使在存储器晶体管具有小的尺寸或相关配置参数的情况下，根据本实施例的非易失性存储器晶体管也可以具有低工作电压，例如，约±5.0V范围内的工作电压，并具有足够大的多电平特性。换句话说，如图5和图6中所述，由于离子物质移动层的电阻的变化可以在约±4.0V或±2.5V范围内的低电压处进行，因此非易失性存储器晶体管可以在低电压范围内工作。此外，如上参照图11和图12所述，由于通过逐渐移动离子物质移动层的离子物质来逐渐改变存储器晶体管的阈值电压，因此可以容易地获得16电平或更多的多电平特性。
[0091]由于根据一些实施例的快闪存储器使用隧道注入电子，因此快闪存储器的工作电压可以较高，例如，约10-20V。此外，由于在浮置栅极中捕获的电子的数目是有限的，因此它难以实现多比特特性。然而，根据本实施例，即使非易失性存储器件的尺寸很小，它也工作在低电压范围而且具有足够大的多电平特性，从而克服了与快闪存储器相关联的上述问题。
[0092]图13是示出通过使用传统的静态随机存取存储器(SRAM)形成16电平(4比特)设备的例子的电路图。
[0093]参照图13，为了利用传统的SRAM配置16电平(4比特)设备，需要多个静态存储器(例如，16个SRAM)以及外围电路(未示出)。每个SRAM可以包括6个晶体管。因此，当利用传统的SRAM配置16电平(4比特)设备时，至少需要96个晶体管。
[0094]然而，根据本实施例的非易失性存储器晶体管，可以相对于单个晶体管具体实现16电平或更多的多电平特性。因此，当使用根据本实施例的非易失性存储器晶体管配置预定的电路时，可以大大地减少所需的单元设备的数目并且可以简化电路的结构。因此，可以极大地减少整个系统的尺寸。
[0095]根据本实施例的非易失性存储器晶体管可以被用于各种目的，例如，用于各种电子装置和逻辑设备。特别地，非易失性存储器晶体管可以应用于突触(synapse)器件/电路。众所周知，突触指的是用于连接神经元细胞的结点(junct1n)，而且对学习和记忆而言很重要。由于每当转移信号(transfer signal)流过突触时突触被加强，因此当电压被施加到根据本实施例的非易失性存储器晶体管的栅极电极时，离子物质移动层的电特性变化并且由此晶体管的阈值电压可以逐渐地(累积地)变化。另外，阈值电压的变化可以是非易失性的。因此，根据本实施例的非易失性存储器晶体管可以应用于突触器件/电路。由于非易失性存储器晶体管可以具有16电平或更多的多电平特性并且可以工作在低电压范围，因此当通过使用该非易失性存储器晶体管配置突触器件/电路时，器件/电路的尺寸可以被大大降低而且功耗可以被降低。此外，由于非易失性存储器晶体管工作在低电压，因此它的可靠性也可以得到改善。
[0096]图14是示出将根据本发明构思的实施例的非易失性存储器晶体管MTlO应用于突触器件的情况的概念图。
[0097]参照图14，当前神经元和后神经元之间的突触或结点被配置在电路中时，可以使用根据本实施例的非易失性存储器晶体管MT10。前神经元可以输入前尖峰信号到突触。突触可以将预定的突触信号转移到后神经元。后神经元可以输出后尖峰信号。非易失性存储器晶体管MTlO可以连接前突触神经元电路NI和后突触神经元电路N2。这样的配置可以在图5中所示的电路中示出。
[0098]参照图15，非易失性存储器晶体管MTlO的栅极电极Gl可以连接到前突触神经元电路NI。非易失性存储器晶体管MTlO的源极SI可以连接到后突触神经元电路N2。前尖峰信号可以从前突触神经元电路NI施加到栅极电极G1。后突触电流可以经由源极SI流向后突触神经元电路N2。后突触神经元电路N2可以生成后尖峰信号。预定的电压VDS可以被施加到非易失性存储器晶体管MTlO的漏极Dl。
[0099]随着尖峰信号被反复施加到栅极电极G1，非易失性存储器晶体管MTlO的阈值电压可以沿正(+)方向或负(_)方向逐渐改变。当阈值电压的变化超过预定的临界点时，非易失性存储器晶体管MTlO可以被前尖峰信号导通。此时，后突触电流可以经由源极SI流向后突触神经元电路N2。
[0100]图16是示出根据本发明构思的实施例的、包括非易失性存储器晶体管MTlO的突触阵列器件的电路图。
[0101]参照图16，多个非易失性存储器晶体管MTlO可以沿多个行和列布置。多个第一配线Wl和多个第二配线W2可以被布置为相互交叉。非易失性存储器晶体管MTlO可以位于第一配线Wl和第二配线W2的每个交叉点处。第一配线Wl可以连接到非易失性存储器晶体管MTlO的栅极电极。第二配线W2可以连接到非易失性存储器晶体管MTlO的源极。第一配线Wl可以连接到前突触神经元电路NlO。第二配线W2可以连接到后突触神经元电路N20。预定的电压Vds可以被施加到非易失性存储器晶体管MTlO的漏极。
[0102]前尖峰信号可以经由第一配线Wl从前突触神经元电路的NlO施加到非易失性存储器晶体管MTlO的栅极电极。后突触电流可以经由非易失性存储器晶体管MTlO的源极流向后突触神经元电路N20。后突触神经元电路N20可以生成后尖峰信号。
[0103]图17是示出根据本发明构思的实施例的、包括突触器件200的神经形态器件的透视图。
[0104]参照图17，神经形态器件可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)神经元电路100和连接到CMOS神经元电路100的突触器件200。CMOS神经元电路100可以提供在预定的衬底，例如，硅(Si)衬底，上。CMOS神经元电路100可以包括例如，如本文所述的前突触神经元电路和后突触神经元电路。突触器件200可以具有根据本实施例的阵列结构，例如，图16的阵列结构。为了便于说明，突触器件200被示意性地示出。图17的神经元形态器件的结构是示例性的，而且可以对其进行各种修改。
[0105]图17的CMOS的神经元电路100可以具有，例如，与图18所示的电路结构相似或相同的电路结构。CMOS神经元电路100的结构是公知的，并且因此在本文中将省略其详细描述。
[0106]根据本发明构思的实施例的非易失性存储器晶体管可以应用于各种电子设备或逻辑设备。例如，如上所述，非易失性存储器晶体管可以应用于突触器件，而且突触器件可以应用于神经形态设备。同声传译是与此技术相关的应用领域之一。另外，非易失性存储器晶体管可以应用于多值逻辑，其利用单个单元同时操作多电平。在这种情况下，操作速度可以增加，而且设备的尺寸可以减小。非易失性存储器晶体管可以被用于利用混合CMOS/多值电路执行模拟运算的设备。另外，根据本发明构思的非易失性存储器晶体管可以应用于具有人工智能功能的电路或芯片、操作为神经元网络的电路或芯片、克服现有数字方法的信息处理限制的技术、能够执行像神经元一样的操作的电路或芯片、能够同时切换和记忆的设备等等。
[0107]操作根据本发明构思的实施例的非易失性存储器晶体管的方法被总结如下。操作非易失性存储器晶体管的方法可以包括，通过将电压施加到栅极电极在离子物质移动层中移动离子物质，并且激活非易失性存储器晶体管。在移动离子物质时，施加到离子物质移动层的电压可以是在约±5.0 V的范围内的低电压。详细地，在图1到图3和图14的结构中，通过将预定的电压施加到栅极电极G1，可以在离子物质移动层Ml和M2中移动离子物质。移动离子物质可以分别改变存储器晶体管MT1、MT2、MT3和MTlO的阈值电压。通过将电压反复施加到栅极电极G1，阈值电压可以逐渐变化，例如，沿正⑴方向或负㈠方向逐渐变化。当阈值电压的变化超过预定的临界点时，存储器晶体管MT1、MT2、MT3和MTlO可以被电压导通。因此，预定的信号，例如，电流/电压信号，可以通过源极SI输出。然而，这个操作方法是示例性的，而且可以根据所应用的领域和用途被不同地修改。
[0108]应当理解，本文所描述的示例性实施例应被认为是描述意义的，而不是用于限制。例如，本发明构思所涉及的领域的普通技术人员将理解，图1到图3中的非易失性存储器晶体管的结构可以以各种方式进行修改。详细地，除了离子物质移动层Ml和M2以及传导层E1，还可以在栅极绝缘层GIl和栅极电极Gl之间设置一个或多个其他材料层。源极S1、漏极Dl和沟道元件Cl的配置可以以各种方式进行修改。另外，图15到图17中的突触器件的结构、以及包括突触器件的装置也可以被不同地修改。每个实施例内的特征或方面的描述通常应该被认为可用于其他实施例中的其它类似特征或方面。
【权利要求】
1.一种非易失性存储器晶体管，包括: 沟道元件； 与沟道元件相对应的栅极电极； 在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层； 在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及 相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极，其中根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
2.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括可变电阻材料。
3.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括双极存储层。
4.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括PrCaMnO (PCMO)、钛氧化物、钽氧化物、镍氧化物、锌氧化物、钨氧化物、钴氧化物、铌氧化物、钛镍氧化物、锂镍氧化物、铟锌氧化物、fL氧化物、银错氧化物、银钛氧化物、铬氧化物、铁氧化物、铜氧化物、铪氧化物、锆氧化物、铝氧化物以及它们的混合物中的至少一个
5.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括负离子物质，而且所述阈值电压随着离子物质移动层中负离子物质的浓度沿朝向栅极绝缘层的方向增加而增加。
6.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括正离子物质，而且所述阈值电压随着离子物质移动层中正离子物质的浓度沿朝向栅极绝缘层的方向增加而降低。
7.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层包括氧离子或氧空位中的至少一个作为离子物质。
8.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，还包括在栅极绝缘层和离子物质移动层之间的传导层。
9.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，具有包括至少十六个电平的多电平特性。
10.如权利要求1所述的非易失性存储器晶体管，其中，所述离子物质移动层具有单层结构或多层结构。
11.一种非易失性存储器晶体管，包括: 沟道元件； 与沟道元件相对应的栅极电极； 在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层； 在栅极绝缘层和栅极电极之间的双极存储层；以及 相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极。
12.如权利要求11所述的非易失性存储器晶体管，还包括在栅极绝缘层和双极存储层之间的电极层。
13.—种包括非易失性存储器晶体管的突触器件，该非易失性存储器晶体管包括: 沟道元件； 与沟道元件相对应的栅极电极； 在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层； 在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及 相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极，其中根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
14.如权利要求13所述的突触器件，其中，所述非易失性存储器晶体管的栅极电极连接到前突触神经元电路，而且所述非易失性存储器晶体管的源极连接到后突触神经元电路。
15.如权利要求13所述的突触器件，其中，所述非易失性存储器晶体管包括布置在多个行和列中的多个非易失性存储器晶体。
16.如权利要求15所述的突触器件，还包括: 多个第一配线；以及 与所述多个第一配线交叉的多个第二配线，其中所述多个非易失性存储器晶体管位于所述多个第一配线和所述多个第二配线的交叉点处。
17.—种神经形态器件，包括: 突触器件，该突触器件包括: 非易失性存储器晶体管，该非易失性存储器晶体管包括: 沟道元件； 与沟道元件相对应的栅极电极； 在沟道元件和栅极电极之间的栅极绝缘层； 在栅极绝缘层和栅极电极之间的离子物质移动层；以及 相对于沟道元件彼此分离的源极和漏极，其中根据施加到栅极电极的电压在离子物质移动层发生离子物质的移动，其中阈值电压根据离子物质的移动而变化，而且其中非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
18.如权利要求17所述的神经形态器件，还包括连接到突触器件的互补金属氧化物半导体(CMOS)神经元电路。
19.一种操作非易失性存储器晶体管的方法，该方法包括: 通过将电压施加到栅极电极，在离子物质移动层中移动离子物质；以及 导通非易失性存储器晶体管。
20.如权利要求19所述的方法，其中，在移动离子物质时，施加到离子物质移动层的电压在约±5.0V的范围内。
21.一种非易失性存储器晶体管，包括: 源极； 漏极； 栅极电极； 在源极和漏极之间的沟道元件；以及 在栅极电极和沟道元件之间的离子物质移动层，其中非易失性存储器晶体管的阈值电压响应于离子在离子物质移动层中移动而变化。
22.如权利要求21所述的非易失性存储器晶体管，其中所述非易失性存储器晶体管具有多电平特性。
23.如权利要求21所述的非易失性存储器晶体管，其中所述离子物质移动层包括双极存储层。
24.如权利要求21所述的非易失性存储器晶体管，其中所述离子物质移动层包括静电电势，该静电电势通过根据施加到栅极电极的电压移动离子物质来变化。
25.如权利要求21所述的非易失性存储器晶体管，还包括在离子物质移动层和沟道元件之间的栅极绝缘层。
【文档编号】H01L21/8247GK104347520SQ201410366642
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】李明宰, 赵成豪, 金镐正, 朴永洙, D.徐, 柳寅敬 申请人:三星电子株式会社