JP4475174B2 - 記憶装置 - Google Patents
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Description
しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発性メモリが望まれている。
具体的には、イオン導電体はカルコゲナイドと金属との固溶体(例えば、アモルファスGeSまたはアモルファスGeSe)よりなり、2つの電極のいずれか一方の電極には、Ag,Cu或いはZnを含んでいる(例えば、特許文献1参照。)。
この非特許文献2には、記憶層のI−V特性が示され、記録及び消去の際の閾値電圧は±0.5Vとなっている。この構成でも、電圧パルスの印加により情報の記録及び消去が可能であり、必要なパルス電圧は±1.1V、電圧パルス幅は2msであるとされている。更に、高速の記録及び消去も可能であり、電圧パルス幅100nsでの動作が報告されている。この場合、必要なパルス電圧は±5Vとなっている。
従って、100ns程度よりも短いパルス電圧では、記録による抵抗変化率が小さく、記録後の抵抗値のばらつきの影響を受けやすくなるため、安定して記録を行なうことが困難である。
例えば、記録前に、記憶素子に既に記録されている情報の内容(記憶層の抵抗値)を読み出して確認する過程を行い、確認した内容(抵抗値)とこれから記録する内容(抵抗値)との関係に対応して記録を行なう。或いは、例えば、記録後に、記憶素子に記録されている情報の内容を読み出して確認する工程を行い、所望の抵抗値と異なっていた場合には、再記録を行って所望の抵抗値に補正をする。
従って、記録に要する時間が長くなり、例えば、データの重ね書き等を高速に行なうことが困難になる。
なお、第1の電気特性変化と第2の電気特性変化が非対称とは、印加される電圧や電流等の電気信号の向きに対して状態変化の状況が異なることを言う。例えば、第1の電気特性変化が記憶素子の抵抗値が高い状態から低い状態への状態変化であり、第2の電気特性変化が記憶素子の抵抗値が低い状態から高い状態への状態変化である場合には、第1の電気特性変化と第2の電気特性変化とは非対称である。電気特性変化が対称な素子の例としては、抵抗や容量を挙げることができ、電機特性変化が非対称な素子の例としては、ダイオードを挙げることができる。
また、ここでのユニポーラトランジスタの極性は、ユニポーラトランジスタと電気的に接続される第1の端子若しくは第2の端子に応じてN型若しくはP型のいずれか一方のみが採用されるということであり、両者ともに採用することはできない。
ところで、記憶素子に第2の閾値信号以上の電気信号を印加したとしても、第1の閾値信号以上の電気信号を印加するこことにより抵抗値が低い状態となった記憶素子を、抵抗値が低い状態から高い状態に変化することができなければ、書き込みを行なった記憶素子の消去を行なうことができない。
なお、図1に示したようなI−V特性を有するメモリ素子としては、例えば、第1の電極と第2の電極との間(例えば、下部電極と上部電極との間)に記憶層が挟まれて構成された記憶素子において、記憶層が例えば希土類酸化膜等のアモルファス薄膜から成るものが挙げられる。
なお、以下この動作を書き込みと称し、この状態を導通と称する。また、この時の印加電圧を書き込み電圧閾値と称する。
なお、以下この動作を消去と称し、この状態を絶縁と称する。また、この時の印加電圧を消去電圧閾値と称する。
そして、メモリセルを構成するメモリ素子及びMOSトランジスタの両端にそれぞれ端子電圧V1,V2が印加されることにより、両端子間に電位差V(=|V2−V1|)を生じる。
なお、消去の場合には、この様な現象は生じず、絶縁抵抗値は書き込み抵抗値によらず数10kΩ〜1MΩ以上に変化する。
なお、図2中メモリ素子の矢印は極性を示し、矢印方向に電圧を印加した場合には、絶縁状態から導通状態に変化する、即ち書き込み動作が行なわれることを示している。
MOSトランジスタT(T00〜Tmn)のゲートはワード線W(W0〜Wm)に接続され、MOSトランジスタの他端(ドレイン)はビット線B(B0〜Bn)に接続され、メモリ素子の他端は共通コモン線Sに接続されている。
図8(a)から、共通コモン線に印加する電位が1.4V以上では、書き込みが不可能となっていることが分かる。これは、共通コモン線に印加する電位が上昇すると、相対的にMOSトランジスタのゲート電位が小さくなり、即ち、MOSトランジスタのオン抵抗が大きくなり、メモリ素子の書き込み直後の抵抗値が大きくなるために、共通コモン線に印加する電位が1.4V以上では、ビット線とコモン線の間の電位が、(MOSトランジスタの電圧閾値)+(メモリ素子の書き込み電圧閾値)よりも小さくなるためである。
ここで、ビット線とコモン線の間に印加された電圧は、MOSトランジスタのオン抵抗と、メモリ素子の抵抗との比で分圧されるため、メモリ素子の導通(書き込み)抵抗が小さい場合にはメモリ素子に印加される電圧が消去電圧閾値以下になり消去が不可能となる。共通コモン線に印加する電位が上昇すると、メモリ素子に流れる電流が増大し、(消去可能な抵抗値)=(消去電圧閾値)/(メモリセルに流れる電流値)であるため、消去可能な抵抗値の下限は小さくなる。
なお、共通コモン線に印加する電位が0.5V以下では、メモリ素子間の電圧が消去電圧閾値0.5V以下となるため、どの様な抵抗値であろうとも消去不可能である。
<1>共通コモン線に印加する電位を0.9V〜1.4Vの範囲内に設定した場合には、書き込みが可能で、かつ、消去も可能である。
<2>共通コモン線に印加する電位を0.9V以下に設定した場合には、書き込みは可能であるが、書き込み直後の抵抗値が低すぎて消去ができない。
<3>共通コモン線に印加する電位を1.4V以上に設定した場合には、消去は可能であるが、書き込みができない。
ということが分かる。
例えば、ビット線電位が接地電位若しくは電源電位であるとし、ゲート電位を2.5Vとし、ソース線に1.25Vの電位を印加し、書き込み終了時のメモリ素子の両端子間の電圧が0.2Vである場合を例に挙げて考えると、図3で示す回路の書き込み終了後のMOSトランジスタのソース側の電位は、ソース線の電位(1.25V)に書き込み直後のメモリ素子の両端子間の電圧(0.2V)を加えた1.45Vになり、MOSトランジスタのゲート電圧Vgsは1.05V(=2.5V−1.45V)となる(図10(a)参照。)。一方、図4で示すMOSトランジスタのゲート電圧Vgsは2.5V(=2.5V−0V)となる(図10(b)参照。)。
この様に、図3で示す回路と図4で示す回路とでは、図3で示す回路の方がMOSトランジスタのゲート電圧Vgsが小さくなり、即ち、メモリ素子に流れる電流が小さくなり、書き込み終了時のメモリ素子の両端子間の電圧が一定であることを考慮すると、書き込み後のメモリ素子の抵抗値は、図3で示す回路の方が図4で示す回路よりも大きくなる。
例えば、ビット線電位が接地電位若しくは電源電位であるとし、ゲート電位を2.5Vとし、ソース線に1.25Vの電位を印加し、消去開始時のメモリ素子の両端子間の電圧が0.5Vである場合を例に挙げて考えると、図3で示す回路のMOSトランジスタのゲート電圧Vgsは2.5V(=2.5V−0V)となる(図10(c)参照。)。一方、図4で示す回路のMOSトランジスタのソース側の電位は、ソース線の電位(1.25V)に消去開始時のメモリ素子の両端子間の電圧(0.5V)を加えた1.75Vになり、MOSトランジスタのゲート電圧Vgsは0.75V(=2.5V−1.75V)となる(図10(d)参照。)。
この様に、図3で示す回路と図4で示す回路とでは、図3で示す回路の方がMOSトランジスタのゲート電圧Vgsが大きくなり、即ち、メモリ素子に流れる電流が大きくなり、消去開始時のメモリ素子の両端子間の電圧が一定であることを考慮すると、消去可能な抵抗値の下限は、図3で示す回路の方が図4で示す回路よりも小さくなる。
また、図5及び図6で示す回路については、MOSトランジスタのゲート電圧Vgsがメモリ素子両端子間の電圧分だけ異なるのみで、図3及び図4での考え方がそのまま適用でき、上記と同様の理由から最適電圧範囲が図5においては存在し、図6においては存在しないという結果になるのである。
なお、図11(a)で示す回路と図11(d)で示す回路とでは、メモリ素子の極性が反転しているために、書き込みを行う場合に図11(a)で示すメモリセルはビット線をソース線よりもVSS側に、図11(d)で示すメモリセルはビット線をソース線よりもVDD側に印加しなければならない。また、NmosとPmosではゲート電圧Vgs等の極性は反対である。
このことは、図11(a)で示す回路と図11(d)で示す回路とは、極性は反転しているものの、電気的特性は同一であるということを意味する。
従って、図11(a)で示す回路を基準として考えると、図11(a)の回路の「メモリ素子の極性を反転した」図11(b)で示す回路と、図11(a)の回路の「MOSトランジスタの極性を反転した」図11(c)で示す回路とが電気的特性は同一ということから、「メモリ素子の極性を反転して配置すること」と「MOSトランジスタの極性を反転すること」が特性上同等であると言える。
即ち、最適なMOSトランジスタの極性を選択することによって、最適電圧範囲が存在することになり、最適電圧範囲内の電位を共通コモン線に印加することによって、メモリセルの書き込み及び消去が実現することとなる。具体的にはメモリ素子とMOSトランジスタとの配置関係が図3及び図5で示す様な回路についてはNmosを用いてメモリセルを構成し、メモリ素子とMOSトランジスタとの配置関係が図4及び図6で示す様な回路についてはPmosを用いてメモリセルを構成することによって、最適電圧範囲が存在することとなり、最適電圧範囲内の電位を共通コモン線に印加することによって、メモリセルの書き込み及び消去が実現できることとなる。
しかしながら図4に記載の回路構成ではメモリ素子の書き込み及び消去が不可能なため、図3で示す回路の配置関係を採用しようとすると、イオン配給層が絶縁膜の下に配置されることとなり、全てのMOSトランジスタが電気的にショートしてしまうこととなり、今度は回路構成上、実現不可能である。従って、この様にメモリ素子及びMOSトランジスタの配置関係を反転させることがメモリセルの製造上不可能な場合にNmosの代わりにPmosを採用することによって、メモリ素子の書き込み及び消去が可能となる(図12参照。図12は図4のNmosをPmosに変更したものである。)。
なおメモリ素子がビット線側、選択トランジスタが共通端子側にある図5,6の構成は、明らかに不可能である。
1 「Aは回路動作不可でBは可能」もしくは「AよりBの回路特性が良い」
2 「Aは製作可能でBは製造不可」もしくは「AはBより製作が容易」
の特性を示す場合は、アクセスTrをPmosに置き換えた特性は、
1 「Aは回路動作可能でBは不可」もしくは「BよりAの回路特性が良い」
2 「Aは製作可能でBは製造不可」もしくは「AはBより製作が容易」
となり、この場合はアクセスTrにPmosを採用するのが望ましい。
逆に、アクセスTrがNmosの場合の特性が、
1 「Aは回路動作可能でBは不可」もしくは「BよりAの回路特性が良い」
2 「Aは製作可能でBは製造不可」もしくは「AはBより製作が容易」
の場合のPmosに置き換えた特性は、
1 「Aは動作可能でBは動作不可」もしくは「AよりBの回路特性が良い」
2 「Aは製作可能でBは製造不可」もしくは「AはBより製作が容易」
となり、この場合はアクセスTrにNmosを採用するのが望ましくなる。
A メモリ素子
T MOSトランジスタ
Claims (1)
- 第1の電極と第2の電極との間に記憶層が挟まれて構成され、前記第1の電極と第2の電極との間に第1の閾値信号以上の電気信号が印加されることによって抵抗値が高い状態から低い状態に変化し、前記第1の電極と第2の電極との間に前記第1の閾値信号とは極性が異なる第2の閾値信号以上の電気信号が印加されることによって抵抗値が低い状態から高い状態に変化する特性を有する記憶素子と、
該記憶素子と直列に接続されると共に、その極性がP型であるユニポーラトランジスタとを有してメモリセルが構成され、
隣接する複数の前記メモリセルにおいて、前記記憶層を構成する層が同一層により共通に形成されると共に、
全ての前記メモリセルの前記記憶素子側の端部に共通の電位が印加されるべく構成された記憶装置であって、
前記記憶素子は、
前記メモリセルの前記記憶素子側の端部に1.25Vの電位が印加され、前記メモリセルの前記ユニポーラトランジスタ側の端部に0Vの電位が印加され、前記ユニポーラトランジスタのゲート電極に0Vの電位が印加されることにより抵抗値が高い状態から低い状態に変化すると共に、抵抗値が高い状態から低い状態に変化した後の同記憶素子の両端子間の電位差が0.2Vであり、
前記メモリセルの前記記憶素子側の端部に1.25Vの電位が印加され、前記メモリセルの前記ユニポーラトランジスタ側の端部に2.5Vの電位が印加され、前記ユニポーラトランジスタのゲート電極に0Vの電位が印加されることにより抵抗値が低い状態から高い状態に変化すると共に、抵抗値が低い状態から高い状態に変化する前の同記憶素子の両端子間の電位差が0.5Vである
記憶装置。
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