JP6153479B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
<全体システム>
図1は、第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のブロック図の一例である。
この不揮発性半導体記憶装置は、複数のワード線WLと、このワード線WLに交差する複数のビット線BLと、これらワード線WL及びビット線BLの交差部に設けられた複数のメモリセルMCとを有するメモリセルアレイ1を備える。
また、メモリセルアレイ1のワード線WL方向に隣接する位置には、メモリセルアレイ1のワード線WLを選択し、メモリセルMCのデータ消去、メモリセルMCへのデータ書き込み、及びメモリセルMCからのデータ読み出しに必要な電圧を印加するロウ制御回路3が設けられている。
ステートマシン7は、この不揮発性半導体記憶装置全体の管理を行うもので、ホストからのコマンドを受け付け、読み出し、書き込み、消去、データの入出力管理等を行う。また、カラム制御回路2、ロウ制御回路3、データ入出力バッファ4、アドレスレジスタ5、コマンド・インタフェース6、及びステートマシン7の一部を制御回路と称する場合がある。
次に、図1にも示した本実施形態に用いるメモリセルMCについて説明する。
本実施形態のメモリセルMCは、ワード線WL及びビット線BLの交差部に直列接続されたメモリ素子と非オーミック素子を有する。非オーミック素子は、金属と半導体、添加不純物の量又は濃度が異なる2種類の半導体などが非オーミック接合を有する素子であり、一例として、PNダイオード、PINダイオード、PNP素子、NPN素子、NIN素子、PIP素子などが挙げられる。メモリ素子には、可変抵抗素子又は相変化素子を用いることができる。可変抵抗素子とは、電圧、電流、熱などによって抵抗値が変化する材料からなる素子のことである。相変化素子とは、相変化によって抵抗値や容量などの物性が変化する材料からなる素子のことである。
(1) 金属−半導体転移、金属−絶縁体転移、金属−金属転移、絶縁体−絶縁体転移、絶縁体−半導体転移、絶縁体−金属転移、半導体−半導体転移、半導体−金属転移、又は半導体−絶縁体転移
(2) 金属−超伝導体転移などの量子状態の相変化
(3) 常磁性体−強磁性体転移、反強磁性体−強磁性体転移、強磁性体−強磁性体転移、フェリ磁性体−強磁性体転移、又はこれらの転移の組み合わせからなる転移
(4) 常誘電体−強誘電体転移、常誘電体−焦電体転移、常誘電体−圧電体転移、強誘電体−強誘電体転移、反強誘電体−強誘電体転移、又はこれらの転移の組み合わせからなる転移
(5) 上記(1)〜(4)の転移の組み合わせからなる転移であり、例えば、金属、絶縁体、半導体、強誘電体、常誘電体、焦電体、圧電体、強磁性体、フェリ磁性体、螺旋磁性体、常磁性体、又は反強磁性体から、強誘電強磁性体への転移、又はその逆の転移
この定義によれば、相変化素子は可変抵抗素子に含まれる事になるが、本実施形態の可変抵抗素子は、主として、金属酸化物、金属化合物、有機物薄膜、カーボン、カーボンナノチューブ等からなる素子を意味するものとする。
図2に示すように、メモリセルMCは、下層のワード線WL(或いはビット線BL)と上層のビット線BL(或いはワード線WL)の交差部に設けられている。メモリセルMCは、下層から上層に掛けて下部電極、n型半導体(N+Si)/真性半導体(Non dope Si)/p型半導体(P+Si)からなるPINダイオード、及び電極/メモリ素子/電極からなるメモリ素子部が積層された柱状に形成されている。なお、PINダイオードの膜厚は、50n〜150nmの範囲内で設定されている。
図3に示すように、メモリセルMCは、下層のワード線WL(或いはビット線BL)と上層のビット線BL(或いはワード線WL)の交差部に設けられている。下層から上層に掛けて、下部電極、p型半導体(P+Si)/n型半導体(N+Si)/p型半導体(P+Si)からなるPNP素子、及びメモリ素子部が積層されて形成されている。
図2、図3から分かるように、これらのメモリセルMCは、クロスポイント型で形成できることから、三次元集積化により大きなメモリ容量を実現できる。また、可変抵抗素子の特性から、フラッシュメモリを超えた高速動作を実現できる可能性がある。
メモリセルアレイ1を三次元構造化させた場合、各層毎にメモリセルMCの可変抵抗素子及び非オーミック素子としての整流素子の位置関係、整流素子の向きの組み合わせは様々に選択することができる。
図4中b〜qに示すように、メモリセルMC0とメモリセルMC1の組み合わせとして、可変抵抗素子VRと整流素子Rfとの配置関係を逆転させたり、整流素子Rfの向きを逆転させるなどの16通りのパターンが考えられる。これらパターンの選択については、動作特性、動作方式、製造工程などを勘案して選択することができる。
次に、メモリセルMCに対するデータ書き込み/消去動作について説明する。以下において、可変抵抗素子VRを高抵抗状態から低抵抗状態に遷移させる書き込み動作を「セット動作」、低抵抗状態から高抵抗状態に遷移させる消去動作を「リセット動作」と呼ぶ。なお、以下の説明で出てくる電流値、電圧値等に関しては一例であって、可変抵抗素子VRや整流素子Rfの材料、サイズ等によって異なるものである。
ここでは、ビット線BL0<1>とワード線WL0<1>の交差部に設けられたメモリセルMC0<1、1>を選択メモリセルとした場合のセット/リセット動作について考える。
始めに、ユニポーラ動作について説明する。
つまり、図6に示すように、選択ワード線WL0<1>に所定の電圧V(例えば、3V)、その他のワード線WL0<0>、WL0<2>に0Vを供給する。また、選択ビット線BL0<1>に0V、その他のビット線BL0<0>、BL0<2>に電圧Vを供給する。
続いて、バイポーラ動作について説明する。
つまり、図7に示すように、選択ワード線WL0<1>に所定の電圧V(例えば、3V)、その他のワード線WL0<0>、WL0<2>に電圧V/2(例えば、1.5V)を供給する。また、選択ビット線BL0<1>に0V、その他のビット線BL0<0>、BL0<2>に電圧V/2を供給する。
以上のように、ユニポーラ動作、バイポーラ動作のいずれが採用されるかに拘わらず、セット動作又はリセット動作のために選択メモリセルが選択されると、その選択メモリセルに所定の電流が流れる。例えば、図6のように、メモリセルMC0<1、1>がセット動作又はリセット動作の選択メモリセルとして選択された場合を想定する。この場合、選択メモリセルMC0<1、1>でのセット動作又はリセット動作の完了後、選択メモリセルMC0<1、1>への電圧の印加が終了した場合、選択メモリセル選択メモリセルMC0<1、1>に流れる電流は理想的には瞬時に零になる。しかし、現実の選択メモリセルMC0<1、1>においては、選択メモリセルMC0<1、1>には、電圧印加終了後にも短時間ながら逆回復電流が流れる場合がある。また、選択メモリセルへの電圧印加終了直後には、例えばPINダイオードの真正半導体部や、PNダイオードの接合部分に残留電荷が残存する場合がある。この残留電荷は、特にダイオードとしてインパッとダイオードを用い、インパクトイオン化現象を利用して電流を増加させた場合において顕著である。
本発明者らは、この逆回復電流や残留電荷が、次にセット動作又はリセット動作の対象とされるメモリセルにおけるセット動作又はリセット動作の障害になる、という事実に着目した。すなわち、セット動作又はリセット動作完了後のメモリセルMC0<1、1>に逆回復電流が流れている間に、メモリセルMC0<1、1>が選択されているときに半選択メモリセルであったメモリセル(たとえば図6のMC0<1、0>、MC0<1、2>、MC0<0、1>又はMC0<2、1>)を新たに選択してセット動作やリセット動作を新たに開始することは、セット動作やリセット動作に誤動作が生じたり、消費電力の増大を招いたりするなどの問題が生じる可能性がある。直前の選択メモリセルMC0<1、1>に流れている逆回復電流や残留電荷の影響により、選択ビット線BL又は選択ワード線WLの電位が変動するからである。
このように、本実施の形態によれば、あるメモリセルがセット動作又はリセット動作の対象として選択された場合に、その動作が完了すると、次のセット動作又はリセット動作においては、そのメモリセルとはビット線BL、ワード線WLのいずれも共有しない非選択メモリセルが選択される。これにより、直前の選択メモリセルに流れる逆回復電流や残留電荷などの影響を受けることなく、次のセット動作又はリセット動作に移行することができる。したがって、セット動作又はリセット動作の誤動作を防止し、消費電力の増大も抑制し、しかも動作速度を速めることができる。なお、上記の説明では、セット動作及びリセット動作を行う場合において図8及び図9Aに示す動作を行うと説明したが、リード動作においても同様の動作を行うことも可能である。ただし、リード動作においては、各配線に印加される電圧がセット動作及びリセット動作におけるそれよりも低いので、異なる動作方法を採用することも可能である。
次に、第2の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図10を参照して説明する。半導体記憶装置の構成は、第1の実施の形態と略同様である。また、制御回路があるメモリセルを選択し、そのセット動作又はリセット動作が完了した後においては、次のセット動作及びリセット動作では、制御回路がビット線BL及びワード線WLの両方が異なるメモリセルMCを、新たに選択メモリセルとする点も、第1の実施の形態と同様である。
また、直前の選択メモリセルから選択メモリセルを離すことにより、直前の選択メモリセルから発生する熱の影響を小さくすることができる。また、一定の法則に基づいてメモリセルを選択するため、物理アドレスと論理アドレスの変換が容易である。
次に、第3の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図11を参照して説明する。半導体記憶装置の構成は、第1の実施の形態と略同様である。また、制御回路があるメモリセルを選択し、そのセット動作又はリセット動作が完了した後においては、制御回路は次のセット動作及びリセット動作では、ビット線BL及びワード線WLの両方が異なるメモリセルMCを、新たに選択メモリセルとする点も、第1の実施の形態と同様である。
次に、第4の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図12を参照して説明する。半導体記憶装置の構成は、第1の実施の形態と略同様である。また、制御回路はあるメモリセルを選択し、そのセット動作又はリセット動作が完了した後においては、制御回路は次のセット動作及びリセット動作では、ビット線BL及びワード線WLの両方が異なるメモリセルMCを、新たに選択メモリセルとする点も、第1の実施の形態と同様である。
次に、第5の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図13A〜13Dを参照して説明する。半導体記憶装置の概略構成は、第1の実施の形態(図1)と略同様である。ただし、この実施の形態では、メモリセルアレイ1が、例えば図13Aに示すような積層構造により、複数のメモリ層MAを有していることを前提とする。図13Aでは、簡略化のため5つのメモリ層MA(1)〜MA(5)のみを図示しているが、同様の構造が積層方向に繰り返されているものとして、以下の説明を行う。すなわち、メモリ層MAの積層方向の数は任意であり、図13Aに示すような5に限定されるものではない。また、それぞれのメモリ層MAは、複数のワード線WLと、このワード線WLに交差する複数のビット線BLと、これらワード線WL及びビット線BLの交差部に設けられた複数のメモリセルMCを有している。すなわち、それぞれのメモリ層MAにおいて、図13CのようにメモリセルMCがマトリクス状に配置されていると言える。
次に、第6の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図14を参照して説明する。半導体記憶装置の概略構成は、第1の実施の形態(図1)と略同様である。また、第6の実施の形態は、第5の実施の形態と同様に、メモリセルアレイ1が、例えば図13Aに示すような積層構造により、複数のメモリ層MAを有していることを前提とする。そして、この第6の実施の形態は、第5の実施の形態と同様に、制御回路は、例えばメモリ層MA(1)のあるメモリセルを選択しそのセット動作又はリセット動作が完了した後においては、次のセット動作及びリセット動作では、異なるメモリ層MA(例えばメモリ層MA(3))にあるメモリセルを選択するように構成されている。
この実施の形態によれば、第5の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、第7の実施の形態に係る半導体記憶装置を、図15A〜16を参照して説明する。半導体記憶装置の概略構成は、第1の実施の形態(図1)と略同様である。ただし、この実施の形態では、メモリセルアレイ1が図15A〜図15Cに示すような形状を備えている。
柱状半導体層65は、X及びY方向にマトリクス状に配置され、Z方向に柱状に延びる。また、柱状半導体層65は、導電層61の上面に接し、ゲート絶縁層66を介して導電層63のY方向端部の側面に接する。そして、柱状半導体層65は、例えば、積層されたN+型半導体層65a、P+型半導体層65b、及びN+型半導体層65cを有する。
柱状導電層73は例えばポリシリコンにより構成され、側壁層74(可変抵抗層75及び酸化層76)は例えば金属酸化物により構成される。
次に、メモリセルの選択に関して説明する。例えば、図16に示すように、物理アドレスP(1、1、1)のメモリセルを選択した後は、その次は、この物理アドレスP(1、1、1)のメモリセルとはビット線BLを共有しない、物理アドレスP(1、3、1)のメモリセルが選択される。以下、同様の要領にて、物理アドレスP(1、5、1)、物理アドレスP(1、7、1)のメモリセルが順次選択される。この図16は、同一のワード線WLに接続されるメモリセル(Z座標が同じメモリセル)を順次選択し、且つX座標も変更しない場合を示している。この第7の実施の形態では、選択するビット線BLを順次変更しているといえる。このため、図16では、選択ゲート線及びビット線の残留電荷などの影響を受けることを抑止するため、上述のように、Y座標が2つ異なるメモリセルを順次選択している。また、図17に示すように、順次選択するメモリセルのZ座標を順次変更(例えば1ずつ増加)させることも可能である。ワード線WLは同じメモリ層で複数本が共有されている場合がある。その結果、選択するワード線WLの層を変更することにより、ワード線の残留電荷などの影響を受けることを防止することができる。
また、論理アドレスの割り当ては第6の実施の形態と同様に割り当てることができる。
第7の実施の形態においても、第1〜第6の実施形態と同様の効果が得られる。
最後に、第1乃至第7の実施形態に係るメモリセルアレイに用いる材料についてまとめる。なお、x、yは、任意の組成比を表している。
非オーミック素子としての整流素子を構成するp型半導体、n型半導体、及び真正半導体の材料には、Si、SiGe、SiC、Ge、C等の半導体のグループから選択することができる。
整流素子を構成する上部半導体との接合部には、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Auで作るシリサイドを使用し、これらシリサイドには、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Auを1又は2以上添加したものを使用する。
(1) 酸化物
・ SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Ce2O3、CeO2、Ta2O5、HfO2、ZrO2、TiO2、HfSiO、HfAlO、ZrSiO、ZrAlO、AlSiO
・ AM2O4
但し、A及びMは、同じ又は異なる元素で、且つ、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Geのうちの一つである。
AM2O4には、例えば、Fe3O4、FeAl2O4、Mn1+xAl2−xO4+y、Co1+xAl2−xO4+y、MnOx等がある。
・ AMO3
但し、A及びMは、同じ又は異なる元素で、且つ、Al、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Snのうちの一つである。
AMO3には、例えば、LaAlO3、SrHfO3、SrZrO3、SrTiO3等がある。
(2) 酸窒化物
・ SiON、AlON、YON、LaON、GdON、CeON、TaON、HfON、ZrON、TiON、LaAlON、SrHfON、SrZrON、SrTiON、HfSiON、HfAlON、ZrSiON、ZrAlON、AlSiON
・ 上記(1)に示す酸化物の酸素元素の一部を窒素元素で置換した材料
特に、整流素子を構成する絶縁層は、それぞれ、SiO2、 SiN、 Si3N4、Al2O3、SiON、HfO2、HfSiON、Ta2O5、TiO2、SrTiO3のグループから選択されるのが好ましい。
なお、SIO2、SiN、SiONなどのSi系の絶縁膜に関しては、酸素元素、窒素元素の濃度がそれぞれ1×1018atoms/cm3以上であるものを含む。
また、絶縁層には、欠陥準位を形成する不純物原子、又は、半導体/メタルドット(量子ドット)を含む材料も含まれる。
メモリセルMCの可変抵抗素子、或いは、整流素子内にメモリ機能を組み込んだ場合のメモリ層には、例えば、以下の材料が用いられる。
(1) 酸化物
・ SiO2、Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3、Ce2O3、CeO2、Ta2O5、HfO2、ZrO2、TiO2、HfSiO、HfAlO、ZrSiO、ZrAlO、AlSiO
・ AM2O4
但し、A及びMは、同じ又は異なる元素で、且つ、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Geのうちの一つまたは複数個の組み合わせである。
AM2O4には、例えば、Fe3O4、FeAl2O4、Mn1+xAl2−xO4+y、Co1+xAl2−xO4+y、MnOx等がある。
・ AMO3
但し、A及びMは、同じ又は異なる元素で、且つ、Al、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Snのうちの一つまたは複数個の組み合わせである。
AMO3には、例えば、LaAlO3、SrHfO3、SrZrO3、SrTiO3等がある。
(2) 酸窒化物
・ SiON、AlON、YON、LaON、GdON、CeON、TaON、HfON、ZrON、TiON、LaAlON、SrHfON、SrZrON、SrTiON、HfSiON、HfAlON、ZrSiON、ZrAlON、AlSiON
メモリセルMCに用いられる電極層には、金属元素単体または複数の混合物、シリサイドや酸化物、窒化物などが挙げられる。
具体的には、Pt、Au、Ag、TiAlN、SrRuO、Ru、RuN、Ir、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、TiN、TaN、LaNiO、Al、PtIrOx、PtRhOx、Rh、TaAlN、SiTiOx、WSix、TaSix、PdSix、PtSix、IrSix、ErSix、YSix、HfSix、NiSix、CoSix、TiSix、VSix、CrSix、MnSix、FeSix等から構成される。
電極層は、バリアメタル層、又は接着層としての機能を同時に有していてもよい。
メモリセルアレイ1のワード線WL、ビット線BLとして機能する導電線は、W、WN、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、TiN、WSix、TaSix、PdSix、ErSix、YSix、PtSix、HfSix、NiSix、CoSix、TiSix、VSix、CrSix、MnSix、FeSix等から構成される。
Claims (2)
- 積層方向を長手方向として延び前記積層方向と交差する第1方向及び第2方向に配列される複数のビット線と、前記第1の方向に延び且つ前記積層方向に積層される複数のワード線と、前記複数のビット線及び複数のワード線の交差部に設けられたメモリセルとを有するメモリセルアレイと、
前記ビット線及びワード線に印加する電圧を制御する制御部と
を備え、
前記メモリセルは、可変抵抗素子を含み、
前記制御部は、第1の動作、第2の動作を複数の前記メモリセルに対して行う場合に、
前記複数のビット線の中から選択された第1のビット線、及び前記複数のワード線の中から選択された第1のワード線を選択して第1のメモリセルに対し前記第1の動作を行った後、この前記第1の動作に続く次の前記第2の動作において、前記第1の動作で前記第1のメモリセルを選択する間に選択された前記第1のビット線に対して、前記第1方向及び前記第2方向に各々1本ずつ隣接した第2のビット線と、前記第1の動作で前記第1のメモリセルを選択する際に選択された第1のワード線に対して、前記第2方向及び前記積層方向に各々1本ずつ隣接した第2のワード線との交差部に設けられた第2のメモリセルであって、前記第1のメモリセルに対して、前記第1方向に1つ、前記第2方向に2つ、及び前記積層方向に各々1つずつ隣接した第2のメモリセルを選択する
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第2方向に延び、前記第2方向に配列された複数の前記ビット線と接続するグローバルビット線と、
前記グローバルビット線と複数の前記ビット線との間にそれぞれ接続された選択トランジスタと
を更に備えた請求項1記載の半導体記憶装置。
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