JP5477371B2 - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Change Random Access Memory)等の研究が行われている。これらのメモリでは、電気抵抗に高抵抗状態及び低抵抗状態の2つの状態が生じるように抵抗変化素子が構成され、2値(“0”及び“1”)の記憶が可能となっている。MRAMは、電流の大きさの変化に伴う磁気抵抗の変化を利用して情報を記憶する。ReRAMは、電流及び電圧の大きさの変化に伴う抵抗の変化を利用して情報を記憶する。PCRAMは、結晶相の変化に伴う抵抗の変化を利用して情報を記憶する。
Magneto-Resistance)素子等の磁気抵抗変化素子が各メモリセルに設けられている。TMR素子には、磁化の向きが固定された強磁性層(固定層)、磁化の向きが可変な強磁性層(自由層)、及びこれらの間に設けられた絶縁層(障壁層)が設けられている。このようなTMR素子は、自由層の磁化の向きが固定層の磁化の向きと一致しているとき(平行)に低抵抗状態なり、自由層の磁化の向きが固定層の磁化の向き逆向きのとき(反平行)に高抵抗状態となる。自由層の磁化の向きを変化させる方法としては、各メモリセルに設けられた特定の配線(書き込み用ワード線とよばれることがある)に電流を流すことにより、これに伴って生じる磁場を自由層に印加する方法がある。この方法を採用する構造は書き込み配線型とよばれることがある。また、TMR素子に直接電流を流し、これに伴って発生するスピントルク効果を利用する方法がある。この方法を採用する構造はスピン注入型とよばれることがある。なお、自由層の磁化の向きを変化させるために必要な電流は、素子の大きさに比例する。スピン注入型には、電流に伴う磁場を印加する方法を採用した構造とは異なり、磁化の向きを制御するための配線(書き込み用ワード線)が不要である。このため、高密度化に好適である。また、上述のように、自由層の磁化の向きを変化させるために必要な電流が素子の大きさに比例するため、微細化するほど情報の書き換えに必要な電流を小さくすることができる。従って、近年では、スピン注入型のMRAMが注目を浴びている。
先ず、第1の実施形態について説明する。図1は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の一部を示す回路図であり、図2は、図1中の二点鎖線で示す部分のレイアウトを示す図である。
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造が第1の実施形態と相違している。図9は、第2の実施形態における磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造を示す断面図である。
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造が第1の実施形態と相違している。図11は、第3の実施形態における磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造を示す断面図である。
次に、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造が第1の実施形態と相違している。図13は、第4の実施形態における磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造を示す断面図である。
次に、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態では、磁気抵抗変化素子1及び抵抗変化素子2の構造が第1の実施形態と相違している。図15Aは、第5の実施形態における図2中のI−I線に沿った断面図であり、図15Bは、第5の実施形態における図2中のII−II線に沿った断面図である。ここでは、1個のメモリセルについて説明する。
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
(付記1)
内部の磁化の向きに応じて抵抗値が変化する第1の抵抗変化素子と、
前記第1の抵抗変化素子に直列に接続された第2の抵抗変化素子と、
を有し、
前記第2の抵抗変化素子の抵抗値は、当該第2の抵抗変化素子に印加される電圧及び当該第2の抵抗変化素子を流れる電流の正負に拘わらず、前記電圧及び前記電流の少なくとも一方の大きさに応じて抵抗値が変化することを特徴とする複合抵抗変化素子。
(付記2)
前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、遷移金属の酸化物を含有する抵抗変化膜を有することを特徴とする付記1に記載の複合抵抗変化素子。
(付記3)
前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、相変化に伴って抵抗値が変化する抵抗変化膜を有することを付記1に記載の複合抵抗変化素子。
(付記4)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが直接積層されていることを特徴とする付記1に記載の複合抵抗変化素子。
(付記5)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子は、1つの電極を共有していることを特徴とする付記4に記載の複合抵抗変化素子。
(付記6)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子のうち、下方に位置するものが上方に位置するものよりも広く形成されていることを特徴とする付記4に記載の複合抵抗変化素子。
(付記7)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子のうち、下方に位置するものが上方に位置するものよりも広く形成されていることを特徴とする付記5に記載の複合抵抗変化素子。
(付記8)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが、プラグを介して接続されていることを特徴とする付記1に記載の複合抵抗変化素子。
(付記9)
内部の磁化の向きに応じて抵抗値が変化する第1の抵抗変化素子と、
前記第1の抵抗変化素子に直列に接続された第2の抵抗変化素子と、
をメモリセル毎に有し、
前記第2の抵抗変化素子の抵抗値は、当該第2の抵抗変化素子に印加される電圧及び当該第2の抵抗変化素子を流れる電流の正負に拘わらず、前記電圧及び前記電流の少なくとも一方の大きさに応じて抵抗値が変化することを特徴とする半導体記憶装置。
(付記10)
前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、遷移金属の酸化物を含有する抵抗変化膜を有することを特徴とする付記9に記載の半導体記憶装置。
(付記11)
前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、相変化に伴って抵抗値が変化する抵抗変化膜を有することを付記9に記載の半導体記憶装置。
(付記12)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが直接積層されていることを特徴とする付記9に記載の半導体記憶装置。
(付記13)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子は、1つの電極を共有していることを特徴とする付記12に記載の半導体記憶装置。
(付記14)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子のうち、下方に位置するものが上方に位置するものよりも広く形成されていることを特徴とする付記12に記載の半導体記憶装置。
(付記15)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子のうち、下方に位置するものが上方に位置するものよりも広く形成されていることを特徴とする付記13に記載の半導体記憶装置。
(付記16)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが、プラグを介して接続されていることを特徴とする付記9に記載の半導体記憶装置。
(付記17)
内部の磁化の向きに応じて抵抗値が変化する第1の抵抗変化素子を形成する工程と、
前記第1の抵抗変化素子に直列に接続された第2の抵抗変化素子を形成する工程と、
を有し、
前記第2の抵抗変化素子の抵抗値は、当該第2の抵抗変化素子に印加される電圧及び当該第2の抵抗変化素子を流れる電流の正負に拘わらず、前記電圧及び前記電流の少なくとも一方の大きさに応じて抵抗値が変化することを特徴とする複合抵抗変化素子の製造方法。
(付記18)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とを直接積層することを特徴とする付記17に記載の複合抵抗変化素子の製造方法。
(付記19)
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子のうち、下方に位置するものを上方に位置するものよりも広く形成することを特徴とする付記18に記載の複合抵抗変化素子の製造方法。
(付記20)
前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とを接続するプラグを形成する工程を有することを特徴とする付記17に記載の複合抵抗変化素子の製造方法。
Claims (6)
- 内部の磁化の向きに応じて抵抗値が変化する第1の抵抗変化素子と、
前記第1の抵抗変化素子に直列に接続された第2の抵抗変化素子と、
をメモリセル毎に有し、
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子は、ワード線にゲートが接続されたトランジスタを介して、1本のビット線と1本の信号線との間に直列に接続されており、
前記第2の抵抗変化素子の抵抗値は、当該第2の抵抗変化素子に印加される電圧及び当該第2の抵抗変化素子を流れる電流の正負に拘わらず、前記電圧及び前記電流の少なくとも一方の大きさに応じて抵抗値が変化し、
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子の抵抗値の組み合わせには、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗となっている第1の組み合わせ、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗となっている第2の組み合わせ、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が高低抵となっている第3の組み合わせ、及び
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗となっている第4の組み合わせ、
の4種類があり、
前記第1の組み合わせ、前記第2の組み合わせ、前記第3の組み合わせ、及び前記第4の組み合わせの相互間の遷移はいずれも1度の電圧の印加により行われることを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、遷移金属の酸化物を含有する抵抗変化膜を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第2の抵抗変化素子は、2つの電極に挟まれた、相変化に伴って抵抗値が変化する抵抗変化膜を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが直接積層されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
- 前記第1の抵抗変化素子と前記第2の抵抗変化素子とが、プラグを介して接続されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
- 内部の磁化の向きに応じて抵抗値が変化する第1の抵抗変化素子を形成する工程と、
前記第1の抵抗変化素子に直列に接続された第2の抵抗変化素子を形成する工程と、
を有し、
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子を、ワード線にゲートが接続されたトランジスタを介して、1本のビット線と1本の信号線との間に直列に接続し、
前記第2の抵抗変化素子の抵抗値は、当該第2の抵抗変化素子に印加される電圧及び当該第2の抵抗変化素子を流れる電流の正負に拘わらず、前記電圧及び前記電流の少なくとも一方の大きさに応じて抵抗値が変化し、
前記第1の抵抗変化素子及び前記第2の抵抗変化素子の抵抗値の組み合わせには、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗となっている第1の組み合わせ、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗となっている第2の組み合わせ、
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が高低抵となっている第3の組み合わせ、及び
前記第1の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗であり、かつ前記第2の抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗となっている第4の組み合わせ、
の4種類があり、
前記第1の組み合わせ、前記第2の組み合わせ、前記第3の組み合わせ、及び前記第4の組み合わせの相互間の遷移はいずれも1度の電圧の印加により行われることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
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