JPWO2008126166A1 - 不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A. Beck et al., "Reproducible switching effect in thin oxide films for memory applications", Applied Physics Letters, Volume 77, Number 1, p. 139-141 (2000) I.G. Baek et al., "Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses", IEDM Technical Digest, p. 587-590 (2004)
装置が提供される。
10、10a…抵抗記憶素子
12…第1のトランジスタ
14…メモリセル
16…抵抗体
18…第2のトランジスタ
20…抵抗体
22…抵抗体
24…抵抗体
30…半導体基板
32…素子分離領域
34、34a、34b…ゲート電極、ワード線
36…ソース/ドレイン拡散層
38…ソース/ドレイン拡散層
40…層間絶縁膜
41a〜41c…コンタクトホール
46…コンタクトプラグ
48、48a、48b…コンタクトプラグ
49a、49b…コンタクトプラグ
50…ソース線
52a〜52c…中継配線
54…層間絶縁膜
56…コンタクトホール
58…コンタクトプラグ
60…下部電極
62、62a…抵抗記憶層
64…上部電極
67…フィラメント領域
68…層間絶縁膜
69a、69b…コンタクトホール
72…コンタクトプラグ
73…コンタクトプラグ
74…ビット線
76…フォトレジスト膜
78…開口部
80…フォトレジスト膜
82…開口部
図1(a)は、ある抵抗記憶素子に対してセットとリセットを10回繰り返した際の電流−電圧特性を示すグラフである。図1(a)に示す電流−電圧特性を測定する際には、高抵抗状態の抵抗記憶素子に対して印加電圧を徐々に上昇させた。抵抗記憶素子のサイズは、1.5μm×1.5μmとした。また、抵抗記憶素子の下部電極と上部電極の材料としてはPtを用いた。また、抵抗記憶素子の抵抗記憶層の材料としてはNiOXを用いた。
本発明の第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法を図6乃至図8を用いて説明する。図6は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路図である。図7は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図である。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図6を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図7を用いて説明する。
まず、抵抗記憶素子10をリセットする場合、即ち、抵抗記憶素子10に高抵抗状態を書き込む場合について図6を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図6を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を図8乃至図10を用いて説明する。図8乃至図10は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図である。
本発明の第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法を図11及び図12を用いて説明する。図11は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路図である。図12は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図である。図1乃至図10に示す第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図12を用いて説明する。
まず、抵抗記憶素子10をリセットする場合、即ち、抵抗記憶素子10に高抵抗状態を書き込む場合について図11を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図11を用いて説明する。
本発明の第3実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図13を用いて説明する。図13は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路図である。図14は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図である。図1乃至図12に示す第1又は第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図13を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を図14を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を図15乃至図18を用いて説明する。図15乃至図18は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図である。
本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図19を用いて説明する。図19は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図1乃至図18に示す第1乃至第3実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本発明の第5実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図20及び図21を用いて説明する。図20は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図21は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。図1乃至図19に示す第1乃至第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図20を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図21を用いて説明する。
本発明の第6実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図22を用いて説明する。図22は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図1乃至図21に示す第1乃至第5実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本発明の第7実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図23及び図24を用いて説明する。図23は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図24は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。図1乃至図22に示す第1乃至第6実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図23を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図24を用いて説明する。
本発明の第8実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図25を用いて説明する。図25は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図1乃至図24に示す第1乃至第7実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本発明の第9実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図26及び図27を用いて説明する。図26は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図27は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す断面図である。図1乃至図25に示す第1乃至第8実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図26を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図27を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図26を用いて説明する。
本発明の第10実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図28を用いて説明する。図28は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図1乃至図27に示す第1乃至第9実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図28を用いて説明する。
本発明の第11実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図29を用いて説明する。図29は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置を示す回路図である。図30は、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す断面図である。図1乃至図28に示す第1乃至第10実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
まず、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成について図29を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図30を用いて説明する。
まず、抵抗記憶素子10aをリセットする場合、即ち、抵抗記憶素子10に高抵抗状態を書き込む場合について図6を用いて説明する。
次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図29を用いて説明する。
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
Claims (17)
- 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記低抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より高く、前記高抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より低い抵抗値を有し、前記抵抗記憶素子の前記一方の端部及び前記ビット線に一方の端部が接続され、他方の端部が第2のトランジスタを介して前記ソース線に接続された抵抗体と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗体は、ポリシリコン層より成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗体は、不純物拡散層より成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗体は、他の抵抗記憶素子より成り、
前記他の抵抗記憶素子の素子面積は、前記抵抗記憶素子の素子面積より大きい
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記低抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より高く、前記高抵抗状態の前記抵抗記憶素子の最低の抵抗値以下の抵抗値を有する他の抵抗記憶素子より成る抵抗体であって、前記抵抗記憶素子の前記一方の端部及び前記ビット線に一方の端部が接続され、他方の端部が第2のトランジスタを介して前記ソース線に接続された抵抗体と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項乃至第5項のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
複数の前記メモリセルが、マトリクス状に配置されており、
前記抵抗体が、前記複数のメモリセルの各々に対して設けられている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項乃至第5項のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
複数の前記メモリセルが、マトリクス状に配置されており、
同一の列に存在する複数の前記抵抗記憶素子の各々の前記一方の端部が、前記ビット線を介して、前記抵抗体の前記一方の端部に共通接続されている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記抵抗記憶素子の前記一方の端部及び前記ビット線にドレイン端子が接続され、前記ソース線にソース端子が接続された第2のトランジスタとを有し、
前記メモリセルに書き込まれた情報を読み出す際に、前記第2のトランジスタの前記ソース端子と前記第2のトランジスタの前記ドレイン端子との間の抵抗値が、前記低抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より大きく、前記高抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より小さくなるように、前記第2のトランジスタのゲート端子に電圧が印加される
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第8項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
複数の前記メモリセルが、マトリクス状に配置されており、
前記第2のトランジスタが、前記複数のメモリセルの各々に対して設けられている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第8項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
複数の前記メモリセルが、マトリクス状に配置されており、
同一の列に存在する複数の前記抵抗記憶素子の各々の前記一方の端部が、前記ビット線を介して、前記第2のトランジスタの前記ドレイン端子に共通接続されている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項乃至第10項のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗記憶素子は、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された抵抗記憶層と、前記抵抗記憶層上に形成された第2の電極とを有し、
前記抵抗記憶層は、NiOX、TiOX、SrTiOX、YOX、CeOX、CoOX、MgOX、ZnOX、ZrOX、WOX、NbOX、TaOX、CrOX、MnOX、AlOX、VOX又はSiOXより成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第1項乃至第10項のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗記憶素子は、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された抵抗記憶層と、前記抵抗記憶層上に形成された第2の電極とを有し、
前記第1の電極又は前記第2の電極は、Pt、Ir、W、Ni、Au、Cu、Ag、Pd、Zn、Cr、Al、Mn、Ta、Si、TaN、TiN、Ru、ITO、NiO、IrO、SrRuO、CoSi2、WSi2、NiSi、MoSi2、TiSi2、Al−Si合金、Al−Cu合金又はAl−Si−Cu合金より成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルを有する不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶素子は、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された抵抗記憶層と、前記抵抗記憶層上に形成された第2の電極とを有し、
前記抵抗記憶層内に、前記抵抗記憶層の電気抵抗を低減するためのドーパント不純物が導入されている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第13項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗記憶層は、NiOX、TiOX、SrTiOX、YOX、CeOX、CoOX、MgOX、ZnOX、ZrOX、WOX、NbOX、TaOX、CrOX、MnOX、AlOX、VOX又はSiOXより成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求の範囲第13項又は第14項記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記第1の電極又は前記第2の電極は、Pt、Ir、W、Ni、Au、Cu、Ag、Pd、Zn、Cr、Al、Mn、Ta、Si、TaN、TiN、Ru、ITO、NiO、IrO、SrRuO、CoSi2、WSi2、NiSi、MoSi2、TiSi2、Al−Si合金、Al−Cu合金又はAl−Si−Cu合金より成る
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記低抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より高く、前記高抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より低い抵抗値を有し、前記抵抗記憶素子の前記一方の端部及び前記ビット線に一方の端部が接続され、他方の端部が第2のトランジスタを介して前記ソース線に接続された抵抗体と
を有する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法であって、
前記第1のトランジスタがオン状態となるように、前記第1のトランジスタのゲート端子に所定の電圧を印加し、前記第2のトランジスタがオン状態となるように、前記第2のトランジスタの前記第2のゲート端子に所定の電圧を印加し、前記ソース線を接地し、前記ビット線に所定の電圧を印加した際に前記ビット線に流れる情報に基づいて前記メモリセルに書き込まれた情報を読み出す
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法。 - 高抵抗状態と低抵抗状態とを記憶し、電圧の印加によって前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子であって、一方の端部がビット線に接続され、他方の端部が第1のトランジスタを介してソース線に接続された抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記抵抗記憶素子の前記一方の端部及び前記ビット線にドレイン端子が接続され、前記ソース線にソース端子が接続された第2のトランジスタと
を有する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法であって、
前記第1のトランジスタがオン状態となるように前記第1のトランジスタのゲート端子に第1の電圧を印加し、前記第2のトランジスタの前記ソース端子と前記第2のトランジスタの前記ドレイン端子との間の抵抗値が、前記低抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より大きく、且つ、前記高抵抗状態の前記抵抗記憶素子の抵抗値より小さくなるように、前記第2のトランジスタのゲート端子に前記第1の電圧より低い第2の電圧を印加し、前記ソース線を接地し、前記ビット線に所定の電圧を印加した際に前記ビット線に流れる情報に基づいて前記メモリセルに書き込まれた情報を読み出す
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法。
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