JP2010531543A - HIGH FORWARD CURRENT DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF FOR BACKWARD-WRITE 3D CELL - Google Patents

HIGH FORWARD CURRENT DIODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF FOR BACKWARD-WRITE 3D CELL Download PDF

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Abstract

不揮発性メモリ素子が、ダイオードおよび酸化金属アンチヒューズ誘電体層を備える少なくとも1つのメモリセルと、その少なくとも1つのメモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極とを備える。使用時、ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態からその第1の抵抗率と異なる第2の抵抗率状態に切り換わることによって、メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する。  The non-volatile memory element includes at least one memory cell that includes a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer, and a first electrode and a second electrode that are in electrical contact with the at least one memory cell. In use, the diode functions as a read / write element for a memory cell by switching from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity in response to an applied bias.

Description

本発明は、不揮発性メモリアレイに関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory array.

関連出願への相互参照
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、2007年6月25日に出願された米国特許出願第11/819,078号(特許文献1)および第11/819,079号(特許文献2)の権益を主張する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS its entirety is hereby incorporated by reference, filed on June 25, 2007 U.S. Patent Application Serial No. 11 / 819,078 (Patent Document 1) and the He claims the interest of 11 / 819,079 (Patent Document 2).

不揮発性メモリアレイは、素子への電力供給が断たれてもデータを保持し続ける。1度だけプログラム可能なアレイでは、各メモリセルは初期の未プログラム状態で形成され、これをプログラム済状態へ変化させることができる。この変化は永久的であり、このようなセルは消去不可能である。その一方で、メモリセルが消去可能で、何度でも書き換え可能な別の種類のメモリもある。   The nonvolatile memory array continues to hold data even when power supply to the element is cut off. In a one-time programmable array, each memory cell is formed in an initial unprogrammed state, which can be changed to a programmed state. This change is permanent and such cells are not erasable. On the other hand, there is another type of memory in which the memory cells can be erased and can be rewritten any number of times.

セルは、各セルが達し得るデータ状態の数によっても種々のものがある。データ状態は、所定の電圧を印加した状態でセルを流れる電流またはセル内のトランジスタのしきい値電圧等の、検出可能なセルの特性を変化させることによって格納することができる。データ状態とは、データ「0」またはデータ「1」等のセルの個別値である。   There are various cells depending on the number of data states each cell can reach. The data state can be stored by changing a detectable cell characteristic, such as a current flowing through the cell with a predetermined voltage applied or a threshold voltage of a transistor in the cell. The data state is an individual value of a cell such as data “0” or data “1”.

消去可能または多状態セルを得る方法には複雑なものがある。例えば、フローティングゲートおよびSONOSメモリセルは、電荷を蓄積することによって動作するもので、蓄積した電荷の有無またはその量に応じてトランジスタしきい値電圧が変化する。これらのメモリセルは3端子素子であるが、最新の集積回路において競争力を得るために要求される、極小サイズの3端子素子を製造し操作することは比較的困難である。   There are complex methods for obtaining erasable or multi-state cells. For example, the floating gate and the SONOS memory cell operate by accumulating charges, and the transistor threshold voltage changes according to the presence or absence of the accumulated charges. Although these memory cells are three-terminal elements, it is relatively difficult to manufacture and operate the smallest three-terminal elements required to gain competitiveness in modern integrated circuits.

その他にも、カルコゲニドのような比較的新種の材料の抵抗率を変化させることで動作するメモリセルがあるが、カルコゲニドは扱うのが難しいため、大半の半導体製造施設で製造が困難と考えられる。   In addition, there are memory cells that operate by changing the resistivity of relatively new types of materials such as chalcogenides, but chalcogenides are difficult to handle and are considered difficult to manufacture in most semiconductor manufacturing facilities.

小型化の容易な構造内に通常の半導体材料を用いて形成された消去可能なメモリセルまたは多状態メモリセルを有する不揮発性メモリアレイが実現されれば多大な利点がもたらされる。   Realizing a non-volatile memory array having erasable memory cells or multi-state memory cells formed using conventional semiconductor materials in an easily miniaturized structure provides significant advantages.

米国特許出願第11/819,078号US patent application Ser. No. 11 / 819,078 米国特許出願第11/819,079号US patent application Ser. No. 11 / 819,079 米国特許出願第10/955,549号US patent application Ser. No. 10 / 955,549 米国特許出願第11/395,995号US patent application Ser. No. 11 / 395,995 米国特許出願第11/148,530号US patent application Ser. No. 11 / 148,530 米国特許出願第10/954,510号US patent application Ser. No. 10 / 954,510 米国特許出願第10/320,470号US patent application Ser. No. 10 / 320,470 米国特許出願第11/015,824号US patent application Ser. No. 11 / 015,824 米国特許出願第10/883,417号US patent application Ser. No. 10 / 883,417 米国特許出願第10/728,436号US patent application Ser. No. 10 / 728,436 米国特許出願第10/815,312号US patent application Ser. No. 10 / 815,312 米国特許第5,915,167号US Pat. No. 5,915,167 米国特許出願第11/444,936号US patent application Ser. No. 11 / 444,936

本発明は添付の特許請求の範囲によって定義されるものであり、このセクションに記載された事項はその特許請求の範囲に限定を加えるものではない。
一実施形態では、ダイオードおよび酸化金属アンチヒューズ誘電体層を備える少なくとも1つのメモリセルと、その少なくとも1つのメモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極とを備える不揮発性メモリ素子が提供される。使用時、ダイオードは、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する。
The invention is defined by the appended claims, and nothing in this section should be taken as a limitation on those claims.
In one embodiment, a non-volatile memory comprising at least one memory cell comprising a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer, and a first electrode and a second electrode in electrical contact with the at least one memory cell An element is provided. In use, the diode functions as a memory cell read / write element by switching from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity state in response to an applied bias.

別の実施形態では、複数のメモリセルと、その複数のメモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極とを備える不揮発性メモリ素子が提供される。複数のメモリセルの各メモリセルは、第1および第2の電極間に直列に設けられたダイオードと酸化金属アンチヒューズ誘電体層とを備え、ダイオードは、実質的に円筒状の形状を有する、多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを含む。   In another embodiment, a non-volatile memory element is provided that includes a plurality of memory cells and a first electrode and a second electrode in electrical contact with the plurality of memory cells. Each memory cell of the plurality of memory cells includes a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer provided in series between the first and second electrodes, the diode having a substantially cylindrical shape. Including polycrystalline silicon, germanium or silicon-germanium pin pillar-shaped diodes.

本願明細書で説明する本発明の態様および実施形態は、それぞれ単独で、または他の態様および実施形態と組み合わせて用いることができる。
添付の図面を参照しながら好ましい態様および実施形態の説明を行う。
Each of the aspects and embodiments of the invention described herein can be used alone or in combination with other aspects and embodiments.
Preferred aspects and embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings.

メモリアレイ内のメモリセル間の電気的遮蔽の必要性を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating the need for electrical shielding between memory cells in a memory array. 本発明の一実施形態によって形成された多状態または書き換え可能なメモリセルの斜視図である。1 is a perspective view of a multi-state or rewritable memory cell formed according to one embodiment of the present invention. FIG. 図2のメモリセルを備えるメモリレベルの一部の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a portion of a memory level comprising the memory cell of FIG. ダイオードに印加する逆方向バイアス電圧の増加に伴う、本発明のメモリセルの読み出し電流の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the read current of the memory cell of this invention accompanying the increase in the reverse bias voltage applied to a diode. V状態からP状態へ、P状態からR状態へ、R状態からS状態へ切り換えが行われるメモリセルを示す確率プロットである。6 is a probability plot showing memory cells that are switched from a V state to a P state, from a P state to an R state, and from an R state to an S state. V状態からP状態へ、P状態からS状態へ、S状態からR状態へ切り換えが行われるメモリセルを示す確率プロットである。6 is a probability plot showing memory cells that are switched from a V state to a P state, from a P state to an S state, and from an S state to an R state. V状態からR状態へ、R状態からS状態へ、S状態からP状態へ切り換えが行われるメモリセルを示す確率プロットである。6 is a probability plot showing memory cells that are switched from a V state to an R state, from an R state to an S state, and from an S state to a P state. 垂直に置いた、本発明の実施形態に用いてもよいp−i−nダイオードの斜視図である。1 is a perspective view of a pin diode that may be used in embodiments of the present invention, placed vertically. FIG. V状態からP状態へ、P状態からM状態へ切り換えが行われるメモリセルを示す確率プロットである。It is a probability plot showing a memory cell that is switched from the V state to the P state and from the P state to the M state. 図5に示される各ダイオード状態における、印加電圧とダイオードに流れる電流の関係を示すプロットである。6 is a plot showing the relationship between the applied voltage and the current flowing through the diode in each diode state shown in FIG. 5. V状態からP状態へ、P状態からR状態へ、R状態からS状態へ、次にS状態とR状態との間で繰り返し切り換えが行われるメモリセルを示す確率プロットである。6 is a probability plot showing memory cells that are repeatedly switched from the V state to the P state, from the P state to the R state, from the R state to the S state, and then between the S state and the R state. 順方向バイアスでSセルにバイアスを印加する一バイアス方式を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one bias system which applies a bias to S cell by a forward bias. 逆方向バイアスでSセルにバイアスを印加する一バイアス方式を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows one bias system which applies a bias to S cell by reverse direction bias. セルを一データ状態に移すための読み出し−ベリファイ−書き込み繰返しサイクルを示す。Fig. 5 shows a read-verify-write repeat cycle for moving a cell to one data state. 本発明の一実施形態により形成されるメモリレベルの形成段階を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a formation step of a memory level formed according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態により形成されるメモリレベルの形成段階を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a formation step of a memory level formed according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態により形成されるメモリレベルの形成段階を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a formation step of a memory level formed according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によって形成された多状態または書き換え可能なメモリセルの斜視図である。1 is a perspective view of a multi-state or rewritable memory cell formed according to one embodiment of the present invention. FIG. 本発明の一実施形態によって形成された多状態または書き換え可能なメモリセルの側面断面図である。2 is a side cross-sectional view of a multi-state or rewritable memory cell formed according to one embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による種々のメモリセルの確率プロットである。3 is a probability plot of various memory cells according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による種々のメモリセルの確率プロットである。3 is a probability plot of various memory cells according to an embodiment of the present invention. 比較例によるメモリセルの確率プロットである。It is a probability plot of the memory cell by a comparative example.

従来、ドープされた多結晶シリコン、すなわちポリシリコンで形成された抵抗器の抵抗を電気パルスの印加によって調整して、安定抵抗状態の間で調節できることが周知であり、集積回路においてこのような調整可能な抵抗器が要素として用いられている。   Conventionally, it is well known that the resistance of a resistor formed of doped polycrystalline silicon, i.e., polysilicon, can be adjusted by applying an electrical pulse to adjust between stable resistance states, and such adjustment in integrated circuits. Possible resistors are used as elements.

しかし、調整可能なポリシリコン抵抗器を不揮発性メモリセルにおけるデータ状態の格納のために用いることはまだ一般的ではない。メモリアレイをポリシリコン抵抗器で形成することには問題点がある。抵抗器を大規模クロスポイントアレイ内のメモリセルとして用いた場合には、選択されたセルに電圧を印加すると、アレイ全体にわたり、半選択されたセルと非選択のセルに望ましくない漏洩電流が流れる。例えば、図1において、選択されたセルSのセット、リセット、またはその状態の検出のために、ビット線Bとワード線Aとの間に電圧を印加するとする。これにより、選択されたセルSに電流が流れることが意図されている。しかし、別の経路に、例えばビット線Bとワード線Aとの間に非選択のセルU1、U2およびU3を通じて、いくらかの漏洩電流が流れ得る。このような別の経路が多数存在し得る。   However, it is not yet common to use adjustable polysilicon resistors for storing data states in non-volatile memory cells. There are problems in forming the memory array with polysilicon resistors. When a resistor is used as a memory cell in a large crosspoint array, applying a voltage to a selected cell causes undesirable leakage currents in the half-selected and unselected cells throughout the array. . For example, in FIG. 1, it is assumed that a voltage is applied between the bit line B and the word line A in order to set, reset, or detect the state of the selected cell S. Thereby, it is intended that a current flows through the selected cell S. However, some leakage current may flow through another path, for example, between the bit line B and the word line A through unselected cells U1, U2 and U3. There can be many such alternative paths.

各メモリセルを、ダイオードを備える2端子素子として形成することによって、漏洩電流を大幅に低減することができる。ダイオードは非線形のI−V特性を有し、立ち上がり電圧未満ではごくわずかの電流しか流れず、立ち上がり電圧超では大幅に高い電流が流れる。一般的に、ダイオードは、電流を他の方向よりも一方の方向に容易に流す一方向弁としても機能する。従って、確実に選択されたセルのみ、立ち上がり電圧超の順方向電流を受けるようにバイアス方式を選択するならば、意図せぬ経路(図1のU1−U2−U3漏洩経路等)を流れる漏洩電流を大幅に低減することができる。   By forming each memory cell as a two-terminal element including a diode, leakage current can be greatly reduced. The diode has non-linear IV characteristics, and only a small amount of current flows below the rising voltage, and a significantly high current flows above the rising voltage. In general, the diode also functions as a one-way valve that allows current to flow more easily in one direction than in the other direction. Therefore, if the bias method is selected so that only the selected cell receives the forward current exceeding the rising voltage, the leakage current flowing through an unintended path (such as the U1-U2-U3 leakage path in FIG. 1). Can be greatly reduced.

本願明細書において参照により援用されている、2004年9月29日出願のHernerらによる「Nonvolatile Memory Cell Without a Dielectric Antifuse Having High- and Low-Impedance States 」という米国特許出願第10/955,549号(特許文献3)には、半導体接合ダイオードの多結晶半導体材料の抵抗率状態にメモリセルのデータ状態が格納されるモノリシックな3次元メモリアレイの説明が記載されている。このメモリセルは、2つのデータ状態を有する1度だけプログラム可能なセルである。ダイオードは高抵抗率状態で形成され、プログラム電圧の印加によって低抵抗率状態に永久的に変更される。   US patent application Ser. No. 10 / 955,549 entitled “Nonvolatile Memory Cell Without a Dielectric Antifuse Having High- and Low-Impedance States” by Herner et al., Filed Sep. 29, 2004, incorporated herein by reference. (Patent Document 3) describes a monolithic three-dimensional memory array in which a data state of a memory cell is stored in a resistivity state of a polycrystalline semiconductor material of a semiconductor junction diode. This memory cell is a one-time programmable cell having two data states. The diode is formed in a high resistivity state and is permanently changed to a low resistivity state by application of a program voltage.

本発明には、適当な電気パルスを印加することによって、ドープされた半導体材料、例えば特許文献3の半導体材料で形成されたメモリ要素が、3つ、4つ、またはそれより多数の安定抵抗率状態に達することが可能な実施形態がある。また、本発明には、半導体材料を初期高抵抗率状態から低抵抗率状態に変更した後、適当な電気パルスの印加によって、高抵抗率状態へ戻すことが可能な別の実施形態がある。これらの実施形態を独立に、または組み合わせて用いて、2つ以上のデータ状態を有するとともに、1度だけプログラム可能なメモリセルまたは書き換え可能なメモリセルを形成することができる。   The present invention includes a memory element formed of a doped semiconductor material, for example, the semiconductor material of US Pat. There are embodiments that can reach the state. The present invention also has another embodiment in which the semiconductor material is changed from the initial high resistivity state to the low resistivity state and then returned to the high resistivity state by applying an appropriate electric pulse. These embodiments can be used independently or in combination to form a memory cell that has more than one data state and that can be programmed or rewritten only once.

前述したように、メモリセル内の導体間にダイオードを備えることによって、高密度クロスポイントメモリアレイにおけるメモリセルの形成が可能となる。本発明の好ましい実施形態では、次に、多結晶、非晶質または微結晶半導体メモリ要素のいずれかをダイオードと直列に形成する。または、より好ましくは、ダイオードそのものとして形成する。   As described above, by providing the diode between the conductors in the memory cell, it is possible to form the memory cell in the high-density cross-point memory array. In a preferred embodiment of the present invention, either a polycrystalline, amorphous or microcrystalline semiconductor memory element is then formed in series with the diode. Or, more preferably, it is formed as a diode itself.

この説明では、高抵抗率状態から低抵抗率状態への遷移をセット遷移と呼ぶ。セット遷移は、セット電流、セット電圧、またはセットパルスの影響を受ける遷移である。その一方で、その逆の低抵抗率状態から高抵抗率状態への遷移をリセット遷移と呼ぶ。リセット遷移は、リセット電流、リセット電圧、またはリセットパルスの影響を受ける遷移である。   In this description, the transition from the high resistivity state to the low resistivity state is referred to as a set transition. A set transition is a transition that is affected by a set current, a set voltage, or a set pulse. On the other hand, the reverse transition from the low resistivity state to the high resistivity state is called a reset transition. A reset transition is a transition that is affected by a reset current, a reset voltage, or a reset pulse.

より詳細に後述するように、好ましい1度だけプログラム可能な実施形態では、多結晶半導体ダイオードが高誘電率材料アンチヒューズ層等の絶縁破壊アンチヒューズと一対になっている。   As described in more detail below, in a preferred one-time programmable embodiment, a polycrystalline semiconductor diode is paired with a dielectric breakdown antifuse, such as a high dielectric constant material antifuse layer.

図2は、本発明の好ましい実施形態によって形成されたメモリセルを示している。下部導体12は導電体材料、例えばタングステンで形成され、第1の方向に伸びている。下部導体12には遮蔽層および接着層が含まれてもよい。多結晶半導体ダイオード2は、下部の高濃度にドープされたn形領域4、意図的にドープされてない真性領域6、上部の高濃度にドープされた領域8を有する。このダイオードの向きは逆であってもよい。このようなダイオードを、その向きに関わらず、p−i−nダイオードと呼ぶものとする。絶縁破壊アンチヒューズ14がダイオード2と直列に設けられている。上部導体16は下部導体12と同じ方法および同じ材料で形成されてもよく、第1の方向とは異なる第2の方向に伸びている。下部導体12と上部導体16との間に多結晶半導体ダイオード2が垂直に配置されている。多結晶半導体ダイオード2は高抵抗率状態で形成されている。このメモリセルは、適当な基板上、例えば単結晶シリコンウェハ上に形成することができる。図3は、ダイオード2が下部導体12と上部導体16との間に配置されている(この図ではアンチヒューズ14を省略する)、クロスポイントアレイ内に形成された、前述した素子のメモリレベルの一部を示している。多数のメモリレベルを1つの基板上に積層することによって、高密度のモノリシックな3次元メモリアレイを形成することができる。   FIG. 2 illustrates a memory cell formed according to a preferred embodiment of the present invention. The lower conductor 12 is made of a conductive material, such as tungsten, and extends in the first direction. The lower conductor 12 may include a shielding layer and an adhesive layer. The polycrystalline semiconductor diode 2 has a lower heavily doped n-type region 4, an intentionally undoped intrinsic region 6, and an upper heavily doped region 8. The direction of the diode may be reversed. Such a diode is called a p-i-n diode regardless of its orientation. A dielectric breakdown antifuse 14 is provided in series with the diode 2. The upper conductor 16 may be formed of the same method and the same material as the lower conductor 12 and extends in a second direction different from the first direction. The polycrystalline semiconductor diode 2 is vertically disposed between the lower conductor 12 and the upper conductor 16. The polycrystalline semiconductor diode 2 is formed in a high resistivity state. The memory cell can be formed on a suitable substrate, such as a single crystal silicon wafer. FIG. 3 shows the memory level of the above-mentioned element formed in a cross-point array in which the diode 2 is arranged between the lower conductor 12 and the upper conductor 16 (the antifuse 14 is omitted in this figure). Some are shown. By stacking multiple memory levels on one substrate, a high density monolithic three-dimensional memory array can be formed.

この説明では、意図的にドープされていない半導体材料の領域を真性領域と呼ぶ。しかし、当業者には、実際には真性領域が低濃度のp形またはn形ドーパントを含む場合があることを理解するべきである。ドーパントは、隣接する領域から真性領域内へ拡散する場合がある。または、前に行った堆積による汚染のために、堆積中の堆積チャンバに存在する場合がある。さらに、堆積した真性半導体材料(シリコン等)に欠陥が含まれて、その半導体材料があたかもわずかにn形にドープされたように動作する場合があることも理解するべきである。シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム合金、またはその他の半導体材料の記述に「真性」の用語を用いても、それにより、この領域がドーパントを全く含まない、または、そのような領域が完全に電気的に中性であることを意味するものではない。   In this description, a region of semiconductor material that is not intentionally doped is referred to as an intrinsic region. However, it should be understood by those skilled in the art that in practice the intrinsic region may contain a low concentration of p-type or n-type dopant. The dopant may diffuse from the adjacent region into the intrinsic region. Or, it may be present in the deposition chamber during deposition due to contamination from previous depositions. It should also be understood that the deposited intrinsic semiconductor material (such as silicon) may contain defects and operate as if the semiconductor material was slightly n-doped. Even if the term “intrinsic” is used to describe silicon, germanium, silicon-germanium alloys, or other semiconductor materials, this region does not contain any dopants or such regions are completely electrically It does not mean that it is neutral.

ドープされた多結晶または微結晶半導体材料、例えばシリコンの抵抗率は、適当な電気パルスを印加することによって、安定状態間で変化させることができる。好ましい実施形態では、セット遷移はダイオードを順方向バイアス下にしたうえで行うのが有利であり、一方、リセット遷移はダイオードを逆方向バイアス下にしたうえで起こさせて制御するのが最も容易であることが発見された。しかし、セット遷移をダイオードを逆方向バイアス下にしたうえで起こさせる一方で、リセット遷移をダイオードを順方向バイアス下にしたうえで起こさせてよい場合もある。   The resistivity of a doped polycrystalline or microcrystalline semiconductor material, such as silicon, can be changed between stable states by applying appropriate electrical pulses. In the preferred embodiment, the set transition is advantageously performed with the diode under forward bias, while the reset transition is most easily performed and controlled with the diode under reverse bias. It was discovered. However, in some cases, a set transition may occur with the diode under reverse bias, while a reset transition may occur with the diode under forward bias.

半導体の切り換わり動作は複雑である。従来、1つのダイオードに対して、セット遷移とリセット遷移はどちらもダイオードを順方向バイアス下にしたうえで起こさせている。一般的に、ダイオードを順方向バイアス下にしたうえで印加する、ダイオードを構成する多結晶半導体材料をある抵抗率状態からより高い抵抗率状態に切り換えるのに十分なリセットパルスは、それに対応する(同じ多結晶半導体材料を同じ抵抗率状態からより低い抵抗率状態へ切り換わる)セットパルスよりも振幅が低く、パルス幅が長い。   The semiconductor switching operation is complicated. Conventionally, for a single diode, both the set transition and the reset transition occur with the diode under forward bias. Generally, a reset pulse sufficient to switch the polycrystalline semiconductor material comprising the diode from one resistivity state to a higher resistivity state, applied with the diode under forward bias, corresponds to that ( The same polycrystalline semiconductor material is switched from the same resistivity state to a lower resistivity state) and has a lower amplitude and longer pulse width than the set pulse.

逆方向バイアス下での切り換わりは異なる動作を示す。図2に示されるような多結晶p−i−nダイオードが、逆方向バイアス下で比較的大きな切り換えパルスを受けるとする。切り換えパルスを印加した後、さらに低い例えば2Vの読み出しパルスを印加し、その読み出し電圧でダイオードを流れる、読み出し電流と呼ばれる電流を測定する。後続のパルスにおいて、逆方向バイアス下で切り換えパルス電圧を増加させると、2Vにおける後続の読み出し電流は図4に示されるように変化する。最初は、切り換えパルスの逆方向電圧および電流を増加させるにつれて、各切り換えパルスの後に読み出し電圧を印加したときの読み出し電流が増加する。すなわち、半導体材料(この場合は、シリコン)の最初の遷移は、より低い抵抗率へ向かうセット方向になることを理解するべきである。図4の位置Kにおいて、切り換えパルスがある特定の逆方向バイアス電圧、この例では約−14.6Vに達すると、リセットが起こって読み出し電流が急に減少を始め、シリコンの抵抗率が増大する。セットの傾向が反転してダイオードのシリコンのリセットが始まる切り換え電圧は、例えば、ダイオードを構成するシリコンの、逆方向バイアス切り換えパルスの印加が開始されたときの抵抗率状態に左右される。従って、適当な電圧を選択すれば、ダイオードを逆方向バイアス下にしたうえで、ダイオードを構成する半導体材料のセットまたはリセットのいずれを起こさせることも可能であることを理解するべきである。   Switching under reverse bias shows a different behavior. Assume that a polycrystalline pin diode as shown in FIG. 2 receives a relatively large switching pulse under reverse bias. After applying the switching pulse, a lower reading pulse of, for example, 2V is applied, and a current called a reading current flowing through the diode with the reading voltage is measured. In subsequent pulses, increasing the switching pulse voltage under reverse bias, the subsequent read current at 2V changes as shown in FIG. Initially, as the reverse voltage and current of the switching pulse are increased, the read current when the read voltage is applied after each switching pulse increases. That is, it should be understood that the initial transition of the semiconductor material (in this case silicon) is in the set direction towards lower resistivity. At position K in FIG. 4, when the switching pulse reaches a certain reverse bias voltage, in this example about -14.6V, a reset occurs and the read current begins to suddenly decrease and the silicon resistivity increases. . The switching voltage at which the setting tendency is reversed and the resetting of the silicon of the diode starts depends on, for example, the resistivity state of the silicon constituting the diode when the application of the reverse bias switching pulse is started. Thus, it should be understood that by selecting an appropriate voltage, it is possible to cause the diode to be either reverse-biased and to set or reset the semiconductor material comprising the diode.

本発明の実施形態のメモリセルの個別のデータ状態は、ダイオードを構成する多結晶または微結晶半導体材料の抵抗率状態に対応し、これらは、読み出し電圧を印加したときに(上部導体16と下部導体12との間の)メモリセルに流れる電流を検出することによって識別される。任意の個別のデータ状態と任意の他の個別のデータ状態との間に流れる電流差は、状態間の差を容易に検出できるように、少なくとも2倍であることが望ましい。   The individual data states of the memory cells of the embodiments of the present invention correspond to the resistivity states of the polycrystalline or microcrystalline semiconductor material that makes up the diode, which are applied when the read voltage is applied (upper conductor 16 and lower conductor). It is identified by detecting the current flowing in the memory cell (with respect to the conductor 12). The difference in current flowing between any individual data state and any other individual data state is preferably at least twice so that the difference between states can be easily detected.

このメモリセルを1度だけプログラム可能なセルまたは書き換え可能なメモリセルとして利用することができるが、さらに、2つ、3つ、4つまたはそれより多数の個別のデータ状態を有するものであってもよい。セルは、任意の順で、および順方向または逆方向バイアスのいずれを印加した状態でも、任意のデータ状態から任意の他のデータ状態へ切り換わることができる。使用時、ダイオードは、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する。   This memory cell can be used as a one-time programmable cell or a rewritable memory cell, but also has two, three, four or more individual data states Also good. A cell can switch from any data state to any other data state in any order and with either forward or reverse bias applied. In use, the diode functions as a memory cell read / write element by switching from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity state in response to an applied bias.

本発明の一実施形態では、高誘電率(k)アンチヒューズを用いてプログラム済ダイオードの読み出し電流を増加させることができる。これらのアンチヒューズによって、誘電率がより低いSiO2 アンチヒューズと比較して、2Vの読み出し電圧等の所定の読み出し電圧におけるプログラム済読み出し電流が50%増加することが認められている。これによって、逆方向書き込みメモリセルにおけるプログラム済状態とリセット状態の電流間の差がより大きくなる。 In one embodiment of the present invention, a high dielectric constant (k) antifuse can be used to increase the read current of the programmed diode. These antifuses have been found to increase the programmed read current at a predetermined read voltage, such as a 2V read voltage, by 50% compared to a lower dielectric constant SiO 2 antifuse. This increases the difference between the programmed state and reset state currents in the reverse write memory cell.

アンチヒューズは、例えば約4.5〜約8等、3.9超の誘電率を有する層等の酸化金属アンチヒューズ誘電体層で形成されることが望ましい。3.9超の誘電率を有する他の誘電体層を用いてもよい。酸化金属材料は化学量論的または非化学量論的材料であってよい。例えば、酸化金属は、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化ジルコニウム−シリコン、酸化アルミニウム−シリコン、酸化ハフニウム−シリコン、酸化ハフニウム−アルミニウム、酸窒化ハフニウム−シリコン、酸化ジルコニウム−シリコン−アルミニウム、酸化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、酸窒化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、または酸窒化ジルコニウム−シリコン−アルミニウムの材料のうちの1つ、または2つ以上の組み合わせから選択されてよい。これらの材料は、HfO2 、Al23 、ZrO2 、TiO2 、La23 、Ta25 、RuO2 、ZrSiOx 、AlSiOx 、HfSiOx 、HfAlOx 、HfSiON、ZrSiAlOx 、HfSiAlOx 、HfSiAlONおよびZrSiAlONの化学式を有するものであってよく、SiO2 および/またはSiNx と化合されてよい。酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムが望ましい。 The antifuse is preferably formed of a metal oxide antifuse dielectric layer, such as a layer having a dielectric constant greater than 3.9, such as about 4.5 to about 8. Other dielectric layers having a dielectric constant greater than 3.9 may be used. The metal oxide material may be a stoichiometric or non-stoichiometric material. For example, the metal oxide may be hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, zirconium oxide-silicon, aluminum oxide-silicon, hafnium oxide-silicon, hafnium-aluminum, hafnium oxynitride-silicon, It may be selected from one or a combination of two or more of zirconium oxide-silicon-aluminum, hafnium oxide-aluminum-silicon, hafnium oxynitride-aluminum-silicon, or zirconium oxynitride-silicon-aluminum. These materials, HfO 2, Al 2 O 3 , ZrO 2, TiO 2, La 2 O 3, Ta 2 O 5, RuO 2, ZrSiO x, AlSiO x, HfSiO x, HfAlO x, HfSiON, ZrSiAlO x, HfSiAlO x , HfSiAlON and ZrSiAlON chemical formulas, and may be combined with SiO 2 and / or SiN x . Hafnium oxide or aluminum oxide is preferred.

酸化金属アンチヒューズ誘電体層はダイオードのp形領域に隣接して設けられることが望ましい。アンチヒューズ誘電体層の厚さは、約30〜約40オングストローム等、約10〜約100オングストロームであることが望ましい。   The metal oxide antifuse dielectric layer is preferably provided adjacent to the p-type region of the diode. Desirably, the thickness of the antifuse dielectric layer is from about 10 to about 100 angstroms, such as from about 30 to about 40 angstroms.

好ましい実施形態を数例示す。ただし、これらの例は限定を意図するものではないことを理解するべきである。当業者であれば、本発明の範囲に、ダイオードと多結晶または微結晶半導体材料を備える2端子素子にプログラムを行う他の方法も含まれることは明らかである。   Several preferred embodiments are shown. However, it should be understood that these examples are not intended to be limiting. Those skilled in the art will appreciate that other methods of programming a two-terminal device comprising a diode and a polycrystalline or microcrystalline semiconductor material are within the scope of the present invention.

1度だけプログラム可能なマルチレベルセル
本発明の好ましい実施形態において、上部および下部導体間に、多結晶半導体材料で形成されたダイオードと絶縁破壊アンチヒューズが直列に設けられている。この2端子素子は1度だけプログラム可能なマルチレベルセルとして用いられ、好ましい実施形態において、3つまたは4つの個別のデータ状態を有する。
Multi-level cell programmable only once In a preferred embodiment of the present invention, a diode made of polycrystalline semiconductor material and a breakdown antifuse are provided in series between the upper and lower conductors. This two-terminal element is used as a one-time programmable multi-level cell, and in preferred embodiments has three or four individual data states.

図2に好ましいメモリセルが示されている。ダイオード2は、多結晶または微結晶半導体材料、例えばシリコン、ゲルマニウム、またはシリコンおよび/またはゲルマニウムの合金で形成されることが望ましい。ダイオード2はポリシリコンであることが最も望ましい。この例では、下部の高濃度にドープされた領域4がn形であり、上部の高濃度にドープされた領域8がp形である。しかし、ダイオードの極性を逆にしてもよい。メモリセルは、上部導体の一部、下部導体の一部および両導体間に配置されたダイオードを備える。   A preferred memory cell is shown in FIG. The diode 2 is preferably formed of a polycrystalline or microcrystalline semiconductor material such as silicon, germanium, or an alloy of silicon and / or germanium. The diode 2 is most preferably polysilicon. In this example, the lower heavily doped region 4 is n-type and the upper heavily doped region 8 is p-type. However, the polarity of the diode may be reversed. The memory cell includes a part of the upper conductor, a part of the lower conductor, and a diode disposed between the two conductors.

形成時、ダイオード2のポリシリコンは高抵抗率状態にあり、絶縁破壊アンチヒューズ14はまだ操作を受けていない。図5は、種々の状態にある二酸化シリコンアンチヒューズ誘電体層を備える複数のメモリセルの電流を示す確率プロットである。図5を参照すると、(ダイオード2を順方向バイアス下にしたうえで)上部導体16と下部導体12との間に例えば2Vの読み出し電圧を印加した場合には、上部導体16と下部導体12との間に流れる読み出し電流は、ナノアンペアの範囲、例えば約5nA未満であることが望ましい。図5のグラフ上の領域Vはメモリセルの第1のデータ状態に対応する。アレイ内の一部のメモリセルにおいて、このセルはセットまたはリセットパルスを受けず、この状態はそのメモリセルのデータ状態として読み出される。この第1のデータ状態をV状態と呼ぶものとする。   When formed, the polysilicon of the diode 2 is in a high resistivity state and the dielectric breakdown antifuse 14 has not yet been manipulated. FIG. 5 is a probability plot showing the current of a plurality of memory cells with silicon dioxide antifuse dielectric layers in various states. Referring to FIG. 5, when a read voltage of 2V, for example, is applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 (with the diode 2 under forward bias), the upper conductor 16 and the lower conductor 12 It is desirable that the read current that flows during the period is in the nanoampere range, for example, less than about 5 nA. Region V on the graph of FIG. 5 corresponds to the first data state of the memory cell. In some memory cells in the array, this cell does not receive a set or reset pulse, and this state is read as the data state of that memory cell. This first data state is called a V state.

第1の電気パルスを、好ましくはダイオード2を順方向バイアス下にしたうえで、上部導体16と下部導体12との間に印加する。このパルスは例えば約8V〜約12Vであり、例えば約10Vである。電流は例えば約80〜約200μAである。パルス幅は約100〜約500ナノ秒であることが望ましい。この第1の電気パルスによって絶縁破壊アンチヒューズ14が絶縁破壊され、ダイオード2の半導体材料が第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第2の抵抗率状態へ切り換えられる。この第2のデータ状態をP状態と呼ぶものとし、図5においてこの遷移を「V→P」と表示している。2Vの読み出し電圧で上部導体16と下部導体12との間に流れる電流は約10μA以上である。ダイオード2を構成する半導体材料の抵抗率は約1,000分の1〜約2,000分の1に低下する。別の実施形態では、抵抗率の変化をより小さくするが、任意のデータ状態と任意の他のデータ状態との間の変化は少なくとも2倍とし、少なくとも3倍または5倍とすることが望ましく、より典型的には100倍以上とすることが望ましい。アレイ内のメモリセルの一部はこのデータ状態で読み出しが行われ、これ以上のセットまたはリセットパルスを受けない。この第2のデータ状態をP状態と呼ぶものとする。   The first electrical pulse is preferably applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 with the diode 2 under forward bias. This pulse is, for example, about 8V to about 12V, for example, about 10V. The current is, for example, about 80 to about 200 μA. The pulse width is desirably about 100 to about 500 nanoseconds. With this first electric pulse, the dielectric breakdown antifuse 14 is broken down, and the semiconductor material of the diode 2 is switched from the first resistivity state to the second resistivity state where the resistivity is lower than the first resistivity state. It is done. This second data state is referred to as a P state, and this transition is indicated as “V → P” in FIG. The current flowing between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 at a read voltage of 2 V is about 10 μA or more. The resistivity of the semiconductor material constituting the diode 2 is reduced to about 1/1000 to about 1/2000. In another embodiment, the change in resistivity is made smaller, but the change between any data state and any other data state is preferably at least 2 times, preferably at least 3 times or 5 times, More typically, it is desirable to be 100 times or more. Some of the memory cells in the array are read in this data state and do not receive any further set or reset pulses. This second data state is called a P state.

例えば、2Vにおける読み出し電流が、未プログラム状態での1×10-8Aから、プログラムパルスの印加後、少なくとも1×10-5Aに増加する場合がある。下の表は、プログラム電圧を増加させると読み出し電流が増加することを示している。表の最後の列は読み出し電流の標準偏差を示している。

プログラム プログラム後の
パルス電圧 +2Vにおける読み出し電流 1σ
+6.4V 1.1×10-5A 6.1×10-6
+7.4V 1.7×10-5A 7.2×10-6
+8.4V 1.8×10-5A 5.4×10-6
For example, the read current at 2V may increase from 1 × 10 −8 A in the unprogrammed state to at least 1 × 10 −5 A after application of the program pulse. The table below shows that the read current increases with increasing program voltage. The last column of the table shows the standard deviation of the read current.

Program After program
Read current 1σ at pulse voltage + 2V
+ 6.4V 1.1 × 10 −5 A 6.1 × 10 −6 A
+ 7.4V 1.7 × 10 −5 A 7.2 × 10 −6 A
+ 8.4V 1.8 × 10 −5 A 5.4 × 10 −6 A

上の表で示されている読み出し電流は、図2に示される、配線と酸化シリコンアンチヒューズを備えるセルのものであることに留意するべきである。配線が除外され、酸化金属アンチヒューズが用いられる場合には、読み出し電流はさらに高くなる。例えば、8.4Vのプログラム電圧では、配線を備えないセルの読み出し電流は、+1.5〜+2V等の少なくとも+1.5Vの読み出し電圧で、少なくとも3.5×10-5Aである。プログラム電圧をさらに増加させれば、読み出し電流はさらに増加すると予想される。例えば、プログラム電圧を8.4Vから10Vに増加させれば、読み出し電流は約70%増加して、配線を備えないセルの2Vの読み出し電圧での読み出し電流は約6×10-5Aになると予想される。前述したように、2個〜10個のパルス等の多数のプログラムパルス、例えば3個〜5個のパルスをダイオードに印加する場合もある。さらに、図17a〜図17cに関して後述するように、酸化金属アンチヒューズ誘電体層を用いることによって、読み出し電流がさらに増加する。 It should be noted that the read current shown in the table above is that of the cell with wiring and silicon oxide antifuse shown in FIG. When the wiring is excluded and a metal oxide antifuse is used, the read current is further increased. For example, at a program voltage of 8.4 V, the read current of a cell without wiring is at least 3.5 × 10 −5 A with a read voltage of at least +1.5 V such as +1.5 to +2 V. If the program voltage is further increased, the read current is expected to increase further. For example, if the program voltage is increased from 8.4 V to 10 V, the read current increases by about 70%, and the read current at a read voltage of 2 V of a cell without wiring becomes about 6 × 10 −5 A. is expected. As described above, a large number of program pulses such as 2 to 10 pulses, for example, 3 to 5 pulses may be applied to the diode. Furthermore, the read current is further increased by using a metal oxide antifuse dielectric layer, as described below with respect to FIGS. 17a-17c.

第2の電気パルスを、好ましくはダイオード2を逆方向バイアス下にしたうえで、上部導体16と下部導体12との間に印加する。このパルスは例えば約−8V〜約−14Vであり、約−10〜約−12Vであることが望ましく、約−11Vであることが望ましい。電流は例えば約80〜約200μAである。パルス幅は例えば約100ナノ秒〜約10マイクロ秒であり、約100ナノ秒〜約1マイクロ秒であることが望ましく、約200〜約800ナノ秒であることが最も望ましい。この第2の電気パルスによって、ダイオード2の半導体材料が第2の抵抗率状態から第2の抵抗率状態よりも抵抗率の高い第3の抵抗率状態へ切り換えられる。2Vの読み出し電圧で上部導体16と下部導体12との間に流れる電流は約10〜約500nAであり、約100〜約500nAであることが望ましい。アレイ内のメモリセルの一部はこのデータ状態で読み出しが行われ、これ以上のセットまたはリセットパルスを受けない。この第3のデータ状態をR状態と呼ぶものとし、図5においてこの遷移を「P→R」と表示している。   A second electrical pulse is preferably applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 with the diode 2 under reverse bias. This pulse is, for example, about −8V to about −14V, preferably about −10 to about −12V, and preferably about −11V. The current is, for example, about 80 to about 200 μA. The pulse width is, for example, about 100 nanoseconds to about 10 microseconds, preferably about 100 nanoseconds to about 1 microsecond, and most preferably about 200 to about 800 nanoseconds. The second electrical pulse switches the semiconductor material of the diode 2 from the second resistivity state to a third resistivity state having a higher resistivity than the second resistivity state. The current flowing between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 at a read voltage of 2V is about 10 to about 500 nA, and preferably about 100 to about 500 nA. Some of the memory cells in the array are read in this data state and do not receive any further set or reset pulses. This third data state is called an R state, and this transition is displayed as “P → R” in FIG.

図10は、図5に示される各ダイオード状態の、読み出し電圧に対する読み出し電流を示すプロットである。ダイオードは、最初、読み出し電流の低い状態V(未プログラムすなわち「未使用」状態と呼ぶ)から動作を始める。ダイオードは、高い順方向バイアスパルスによって、プログラム済状態Pに変更される。この変更は、製品として販売する前に、電力の問題がないダイオードの製造工場で行うことが望ましい。製品として販売されると、次に、ダイオードは、逆方向バイアスプログラムパルスによって、リセット状態Rに変更される。プログラム済状態Pおよびリセット状態Rの読み出し電流間の差は、図10に示されるように、メモリセルの「ウィンドウ」を成す。製品の品質のばらつきによる影響を受けないようにするために、高いプログラム電圧および/または多数のプログラムパルスを印加することによって、このウィンドウをできるだけ大きくすることができる。   FIG. 10 is a plot showing the read current against the read voltage for each diode state shown in FIG. The diode initially begins to operate from a low read current state V (referred to as an unprogrammed or “unused” state). The diode is changed to the programmed state P by a high forward bias pulse. It is desirable to make this change at a diode manufacturing plant that does not have power problems before being sold as a product. Once sold as a product, the diode is then changed to the reset state R by a reverse bias program pulse. The difference between the read currents in the programmed state P and the reset state R forms a “window” of the memory cell, as shown in FIG. To avoid being affected by product quality variations, this window can be made as large as possible by applying high program voltages and / or multiple program pulses.

第4のデータ状態を達成するために、第3の電気パルスを、好ましくはダイオード2を順方向バイアス下にしたうえで、上部導体16と下部導体12との間に印加する。このパルスは、例えば約8V〜約12V、例えば約10Vであり、流れる電流は約5〜約20μAである。この第3の電気パルスによって、ダイオード2の半導体材料が第3の抵抗率状態から、第3の抵抗率状態よりも抵抗率が低く、好ましくは第2の抵抗率状態よりも抵抗率が高い第4の抵抗率状態へ切り換えられる。2Vの読み出し電圧で上部導体16と下部導体12との間に流れる電流は約1.5〜約4.5μAである。アレイ内のメモリセルの一部はこのデータ状態で読み出しが行われる。このデータ状態をセット状態Sと呼ぶものとし、図5においてこの遷移を「R→S」と表示している。   In order to achieve the fourth data state, a third electrical pulse is applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12, preferably with the diode 2 under forward bias. This pulse is, for example, about 8V to about 12V, for example about 10V, and the flowing current is about 5 to about 20 μA. The third electrical pulse causes the semiconductor material of the diode 2 to have a resistivity lower than that of the third resistivity state from the third resistivity state, and preferably higher than that of the second resistivity state. 4 to the resistivity state. The current flowing between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 at a read voltage of 2 V is about 1.5 to about 4.5 μA. Some of the memory cells in the array are read in this data state. This data state is referred to as a set state S, and this transition is indicated as “R → S” in FIG.

(例えば、2Vの)読み出し電圧における電流の差は、任意の2つの隣接するデータ状態間で、少なくとも2倍あることが望ましい。例えば、データ状態Rにある任意のセルの読み出し電流は、データ状態Vにある任意のセルの読み出し電流の少なくとも2倍であることが望ましい。データ状態Sにある任意のセルの読み出し電流は、データ状態Rにある任意のセルの読み出し電流の少なくとも2倍であることが望ましい。データ状態Pにある任意のセルの読み出し電流は、データ状態Sにある任意のセルの読み出し電流の少なくとも2倍であることが望ましい。例えば、データ状態Rにおける読み出し電流は、データ状態Vにおける読み出し電流の2倍であってよい。データ状態Sにおける読み出し電流は、データ状態Rにおける読み出し電流の2倍であってよい。データ状態Pにおける読み出し電流は、データ状態Sにおける読み出し電流の2倍であってよい。範囲をより小さく定義すれば、読み出し電流の差は大幅に大きくなり得る。例えば、V状態でその状態における最高電流が流れるセルの読み出し電流が5nAであり、R状態でその状態における最低電流が流れるセルの読み出し電流が100nAであるならば、電流の差は少なくとも20倍になる。別の境界を選択すれば、隣接するメモリ状態間の読み出し電流の差を、確実に、少なくとも3倍にすることができる。   Desirably, the difference in current at the read voltage (eg, 2V) is at least twice between any two adjacent data states. For example, it is desirable that the read current of any cell in data state R is at least twice the read current of any cell in data state V. Desirably, the read current of any cell in data state S is at least twice the read current of any cell in data state R. Desirably, the read current of any cell in data state P is at least twice the read current of any cell in data state S. For example, the read current in data state R may be twice the read current in data state V. The read current in data state S may be twice the read current in data state R. The read current in data state P may be twice the read current in data state S. If the range is defined smaller, the difference in read current can be greatly increased. For example, if the read current of a cell in which the highest current in that state flows in the V state is 5 nA and the read current of the cell in which the lowest current flows in the R state is 100 nA, the current difference is at least 20 times. Become. Selecting a different boundary ensures that the read current difference between adjacent memory states is at least tripled.

後述するように、セットまたはリセットパルスの印加後に、メモリセルが、定義されたデータ状態の1つに確実に切り換えられ、データ状態間の狭間にないようにするために、読み出し−ベリファイ−書き込み過程を繰り返し行ってもよい。   A read-verify-write process to ensure that the memory cell is switched to one of the defined data states and not between the data states after application of a set or reset pulse, as described below. May be repeated.

ここまで、あるデータ状態における最高電流とその次に高い隣接するデータ状態における最低電流との間の差について述べたが、隣接するデータ状態にあるセルの大半において、読み出し電流の差はさらに大きい。例えば、V状態にあるメモリセルの読み出し電流は1nAであってもよい。R状態にあるセルの読み出し電流は100nAであってもよい。S状態にあるセルの読み出し電流は2μA(2,000nA)であってもよい。P状態にあるセルの読み出し電流は20μAであってもよい。各隣接する状態におけるこれらの電流は10倍以上の差がある。   Up to this point, the difference between the highest current in one data state and the lowest current in the next higher adjacent data state has been described, but the read current difference is even greater in most cells in the adjacent data state. For example, the read current of the memory cell in the V state may be 1 nA. The read current of the cell in the R state may be 100 nA. The read current of the cell in the S state may be 2 μA (2,000 nA). The read current of the cell in the P state may be 20 μA. These currents in each adjacent state are more than 10 times different.

4つの個別のデータ状態を有するメモリセルについて説明したが、データ状態間の識別を容易にするために、4つよりも3つのデータ状態を選択するほうが望ましい場合がある。例えば、3状態メモリセルをデータ状態Vで形成し、これをデータ状態Pにセットし、さらにデータ状態Rにリセットすることができる。このセルには第4のデータ状態Sを持たせない。この場合、隣接するデータ状態間、例えばRおよびPデータ状態間の差が大幅に大きくなり得る。   Although a memory cell having four individual data states has been described, it may be desirable to select three data states rather than four to facilitate discrimination between data states. For example, a tri-state memory cell can be formed in data state V, set to data state P, and reset to data state R. This cell does not have the fourth data state S. In this case, the difference between adjacent data states, eg, between the R and P data states, can be greatly increased.

前述したメモリセルの1度だけプログラム可能なメモリアレイは、前述したようにプログラムすることができ、各々、(一実施形態では)3つの個別のデータ状態の1つ、または(別の実施形態では)4つの個別のデータ状態の1つにプログラムされる。これらは例に過ぎず、3つまたは4つより多数の個別の抵抗率状態とそれに対応するデータ状態を有する例もあり得ることは明らかである。   A one-time programmable memory array of memory cells as described above can be programmed as described above, each of which (in one embodiment) one of three individual data states, or (in another embodiment). ) Programmed into one of four individual data states. Obviously, these are only examples, and there may be examples with more than three or more than four individual resistivity states and corresponding data states.

また、その一方で、1度だけプログラム可能なメモリセルのメモリアレイでは、セルを種々の方法でプログラムすることができる。例えば、図6を参照すると、図2のメモリセルは、V状態の第1の状態で形成されてもよい。好ましくは順方向バイアス下で、第1の電気パルスによって、アンチヒューズ14が絶縁破壊され、ダイオードのポリシリコンが第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第2の抵抗率状態へ切り換えられる。これによりメモリセルはこの例において最も抵抗率の低いP状態へ遷移する。好ましくは逆方向バイアス下で、第2の電気パルスによって、ダイオードのポリシリコンが第2の抵抗率状態から第2の抵抗率状態よりも抵抗率の高い第3の抵抗率状態へ切り換えられる。これによりメモリセルはS状態に遷移する。好ましくは同様に逆方向バイアス下で、第3の電気パルスによって、ダイオードのポリシリコンが第3の抵抗率状態から第4の抵抗率状態へ切り換えられる。第4の抵抗率状態は第3の抵抗率状態よりも抵抗率が高い。これによりメモリセルはR状態に遷移する。任意のメモリセルに対して、V状態、R状態、S状態およびP状態の任意のデータ状態をそのメモリセルのデータ状態として読み出すことができる。それぞれの遷移が図6に表示されている。4つの個別のデータ状態が示されているが、所望に応じて、状態数を3つに、または4つよりも多くすることも可能である。   On the other hand, in a memory array of memory cells that can be programmed only once, the cells can be programmed in various ways. For example, referring to FIG. 6, the memory cell of FIG. 2 may be formed in a first state of V state. A first electrical pulse, preferably under forward bias, causes the antifuse 14 to break down, and the diode polysilicon has a second resistivity lower than the first resistivity state from the first resistivity state. Switch to resistivity state. This causes the memory cell to transition to the P state having the lowest resistivity in this example. Preferably, under reverse bias, the second electrical pulse switches the polysilicon of the diode from the second resistivity state to a third resistivity state where the resistivity is higher than the second resistivity state. As a result, the memory cell transitions to the S state. Similarly, under reverse bias, the third electrical pulse switches the diode polysilicon from the third resistivity state to the fourth resistivity state. The fourth resistivity state has a higher resistivity than the third resistivity state. As a result, the memory cell transitions to the R state. For any memory cell, any data state of the V state, R state, S state and P state can be read as the data state of that memory cell. Each transition is displayed in FIG. Although four individual data states are shown, the number of states can be three or more than four as desired.

さらに別の実施形態では、連続した電気パルスの各々によって、ダイオードの半導体材料を連続的に低い抵抗率状態へ切り換えることができる。例えば、図7に示されるように、メモリセルは、初期V状態からR状態へ、R状態からS状態へ、さらにS状態からP状態へと進むことができる。各状態の読み出し電流はその前の状態の読み出し電流の少なくとも2倍であり、それぞれ1つの個別のデータ状態に対応する。この例では、順方向または逆方向バイアスのいずれかを印加した状態でパルスを印加してもよい。他の実施形態では、データ状態数が3つであってもよいし、または4つより多くてもよい。   In yet another embodiment, each successive electrical pulse can continuously switch the semiconductor material of the diode to a low resistivity state. For example, as shown in FIG. 7, the memory cell can go from the initial V state to the R state, from the R state to the S state, and from the S state to the P state. The read current in each state is at least twice the read current in the previous state, each corresponding to one individual data state. In this example, the pulse may be applied with either a forward or reverse bias applied. In other embodiments, the number of data states may be three or more than four.

一実施形態において、メモリセルは、図8に示される、下部の高濃度にドープされたp形領域4、中央部の真性もしくは低濃度にドープされた領域6、および上部の高濃度にドープされたn形領域8を含む、ポリシリコンまたは微結晶ダイオード2を備える。前述した実施形態と同様に、このダイオード2は、絶縁破壊アンチヒューズとともに上部および下部導体間に、絶縁破壊アンチヒューズと直列に配置することができる。下部の高濃度にドープされたp形領域4は、積層時にその場でドープしてもよい。すなわち、薄膜の形成とともにドーパント原子が薄膜の中に取り込まれるように、ポリシリコンの堆積中にホウ素等のp形ドーパントを供給するガスを流すことによってドープしてもよい。   In one embodiment, the memory cell is shown in FIG. 8 with a lower heavily doped p-type region 4, a central intrinsic or lightly doped region 6, and an upper heavily doped. A polysilicon or microcrystalline diode 2 including the n-type region 8 is provided. Similar to the embodiment described above, the diode 2 can be placed in series with the breakdown antifuse between the upper and lower conductors together with the breakdown antifuse. The lower heavily doped p-type region 4 may be doped in situ during stacking. That is, doping may be performed by flowing a gas supplying a p-type dopant such as boron during the deposition of polysilicon so that dopant atoms are taken into the thin film as the thin film is formed.

図9を参照する。このメモリセルを、2Vの読み出し電圧で上部導体16と下部導体12との間の電流が約80nA未満の、V状態で形成することが発見された。好ましくは例えば約8Vの順方向バイアス下で、第1の電気パルスによって、絶縁破壊アンチヒューズ14が絶縁破壊され、ダイオード2のポリシリコンが第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第2の抵抗率状態へ切り換えられる。これによりメモリセルはデータ状態Pに遷移する。データ状態Pにおいて、前述した読み出し電圧での上部導体16と下部導体12との間の電流は約1μA〜約4μAである。好ましくは逆方向バイアス下で、第2の電気パルスによって、ダイオード2のポリシリコンが第2の抵抗率状態から第1の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第3の抵抗率状態へ切り換えられる。この第3の抵抗率状態はデータ状態Mに対応する。データ状態Mにおいて、前述した読み出し電圧での上部導体16と下部導体12との間の電流は約10μA超である。前述した実施形態と同様に、隣接するデータ状態にある任意のセル間(状態Vでその状態における最高電流が流れるセルと状態Pでその状態における最低電流が流れるセルとの間、または状態Pでその状態における最高電流が流れるセルと状態Mでその状態における最低電流が流れるセルとの間)の電流の差は、少なくとも2倍であることが望ましく、3倍以上であることが望ましい。データ状態V、PまたはMの任意のデータ状態をそのメモリセルのデータ状態として検出することができる。   Please refer to FIG. It has been discovered that this memory cell is formed in a V state with a read voltage of 2V and a current between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 of less than about 80 nA. Preferably, for example, under a forward bias of about 8V, the first electrical pulse causes the breakdown antifuse 14 to break down, so that the polysilicon of the diode 2 changes from the first resistivity state to the first resistivity state. It is switched to the second resistivity state having a low resistivity. As a result, the memory cell transits to the data state P. In data state P, the current between upper conductor 16 and lower conductor 12 at the read voltage described above is between about 1 μA and about 4 μA. Preferably, under reverse bias, the second electrical pulse switches the polysilicon of diode 2 from the second resistivity state to a third resistivity state having a lower resistivity than the first resistivity state. This third resistivity state corresponds to the data state M. In the data state M, the current between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 at the read voltage described above is greater than about 10 μA. As in the previous embodiment, between any cells in adjacent data states (between the cell in state V where the highest current flows in that state and the cell in state P where the lowest current flows in that state, or in state P) The difference in current between the cell through which the highest current flows in that state and the cell through which the lowest current flows in state M) is preferably at least twice, and more preferably three times or more. Any data state of data state V, P or M can be detected as the data state of the memory cell.

図4において、半導体ダイオードが逆方向バイアスを受けると、一般的に、半導体材料は最初、低抵抗率状態へセット遷移し、次に、電圧を増加させると、高抵抗率状態へリセット遷移することが示された。しかし、上部の高濃度にドープされたn形領域8と、好ましくは、その場でのドーピングによってp形ドーパントをドープして形成された下部の高濃度にドープされた領域4とを有するこの特殊なダイオードに関して、逆方向バイアス電圧の増加によって起こるセット遷移からリセット遷移への転換は、他のダイオードの実施形態ほど急にまたは急勾配で起こらない。これは、このようなダイオードでは、逆方向バイアス下でのセット遷移のほうが制御が容易であることを意味する。   In FIG. 4, when a semiconductor diode is reverse-biased, in general, the semiconductor material first makes a set transition to a low resistivity state, and then when the voltage is increased, it resets to a high resistivity state. It has been shown. However, this particular has an upper heavily doped n-type region 8 and preferably a lower heavily doped region 4 formed by doping with a p-type dopant by in-situ doping. For a simple diode, the transition from a set transition to a reset transition caused by an increase in reverse bias voltage does not occur as steeply or as steeply as other diode embodiments. This means that with such a diode, the set transition under a reverse bias is easier to control.

書き換え可能なメモリセル
別の実施形態群では、メモリセルが、2つまたは3つのデータ状態間で繰返し切り換え可能な(書き換え可能な)メモリセルとして動作する。
In another group of embodiments of rewritable memory cells, the memory cells operate as memory cells that can be repeatedly switched (rewritable) between two or three data states.

図11を参照すると、一実施形態では、メモリセルが、2Vにおける電流が約5nA以下の高抵抗率状態Vで形成される。図11に示されるプロットは、酸化シリコンアンチヒューズを備えるセルのものである。大半の書き換え可能な実施形態において、初期V状態はメモリセルのデータ状態として利用しない。第1の電気パルスを、好ましくはダイオード2を順方向バイアス下にしたうえで、上部導体16と下部導体12との間に印加する。このパルスは例えば約8〜約12Vであり、約10Vであることが望ましい。この第1の電気パルスによって、ダイオード2の半導体材料が第1の抵抗率状態から第1の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第2の抵抗率状態Pへ切り換えられる。好ましい実施形態において、P状態もメモリセルのデータ状態として利用されない。しかし、別の実施形態では、P状態がメモリセルのデータ状態として利用される。   Referring to FIG. 11, in one embodiment, the memory cell is formed in a high resistivity state V with a current at 2V of about 5 nA or less. The plot shown in FIG. 11 is for a cell with a silicon oxide antifuse. In most rewritable embodiments, the initial V state is not used as the data state of the memory cell. The first electrical pulse is preferably applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 with the diode 2 under forward bias. This pulse is, for example, from about 8 to about 12V, preferably about 10V. The first electrical pulse switches the semiconductor material of the diode 2 from the first resistivity state to the second resistivity state P, which has a lower resistivity than the first resistivity state. In the preferred embodiment, the P state is also not used as the data state of the memory cell. However, in another embodiment, the P state is used as the data state of the memory cell.

第2の電気パルスを、好ましくはダイオード2を逆方向バイアス下にしたうえで、上部導体16と下部導体12との間に印加する。このパルスは例えば約−8〜約−14Vであり、約−9〜約−13Vであることが望ましく、約−10または−11Vであることがより望ましい。必要な電圧は真性領域の厚さに応じて変化する。この第2の電気パルスによって、ダイオード2の半導体材料が第2の抵抗率状態から第2の抵抗率状態よりも抵抗率の高い第3の抵抗率状態Rへ切り換えられる。好ましい実施形態において、R状態はメモリセルのデータ状態に対応する。   A second electrical pulse is preferably applied between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 with the diode 2 under reverse bias. This pulse is, for example, about −8 to about −14V, preferably about −9 to about −13V, and more preferably about −10 or −11V. The required voltage varies with the thickness of the intrinsic region. This second electrical pulse switches the semiconductor material of the diode 2 from the second resistivity state to the third resistivity state R, which has a higher resistivity than the second resistivity state. In the preferred embodiment, the R state corresponds to the data state of the memory cell.

上部導体16と下部導体12との間への第3の電気パルスの印加を、好ましくは順方向バイアス下で行うこともできる。このパルスは例えば約5.5〜約9Vであり、約6.5Vであることが望ましい。それに対応する電流は約10〜約200μAであり、約50〜約100μAであることが望ましい。この第3の電気パルスによって、ダイオード2の半導体材料が第3の抵抗率状態Rから第3の抵抗率状態よりも抵抗率の低い第4の抵抗率状態Sへ切り換えられる。好ましい実施形態において、S状態はメモリセルのデータ状態に対応する。   The application of the third electrical pulse between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 can also take place, preferably under a forward bias. This pulse is, for example, about 5.5 to about 9V, and preferably about 6.5V. The corresponding current is about 10 to about 200 [mu] A, preferably about 50 to about 100 [mu] A. By this third electric pulse, the semiconductor material of the diode 2 is switched from the third resistivity state R to the fourth resistivity state S having a lower resistivity than the third resistivity state. In the preferred embodiment, the S state corresponds to the data state of the memory cell.

この書き換え可能な2状態の実施形態では、R状態とS状態がデータ状態として検出される。すなわち、読み出される。メモリセルをこれらの2状態間で繰返し切り換えることができる。例えば、好ましくはダイオード2を逆方向バイアス下にしたうえで、第4の電気パルスによって、ダイオードの半導体材料が第4の抵抗率状態Sから、実質的に第3の抵抗率状態Rと同一の、第5の抵抗率状態Sへ切り換えられる。好ましくはダイオード2を順方向バイアス下にしたうえで、第5の電気パルスによって、ダイオードの半導体材料が第5の抵抗率状態Rから、第4の抵抗率状態S等と実質的に同一の、第6の抵抗率状態Sに切り換えられる。メモリセルを初期V状態および第2のP状態へ戻すほうが困難な場合がある。従って、書き換え可能なメモリセルにおいて、これらの状態をデータ状態として利用しない場合がある。その場合、エンドユーザがメモリアレイを入手する前に、例えば、工場または試験施設で、または販売業者によって販売前に、第1の電気パルスによってセルを初期V状態からP状態へ切り換え、さらに第2の電気パルスによってセルをP状態からR状態へ切り換えておくことが望ましい。別の実施形態では、エンドユーザがメモリアレイを入手する前に、第1の電気パルスによってセルを初期V状態からP状態へのみ切り換えておくことが望ましい場合もある。   In this rewritable two-state embodiment, the R and S states are detected as data states. That is, it is read out. The memory cell can be repeatedly switched between these two states. For example, preferably with the diode 2 under reverse bias, the fourth electrical pulse causes the semiconductor material of the diode to change from the fourth resistivity state S to substantially the same as the third resistivity state R. , Switched to the fifth resistivity state S. Preferably, with the diode 2 under forward bias, the fifth electrical pulse causes the semiconductor material of the diode to be substantially the same from the fifth resistivity state R to the fourth resistivity state S, Switch to the sixth resistivity state S. It may be more difficult to return the memory cell to the initial V state and the second P state. Therefore, these states may not be used as data states in a rewritable memory cell. In that case, the first electrical pulse switches the cell from the initial V state to the P state before the end user obtains the memory array, e.g., at the factory or test facility, or prior to sale by the vendor, and the second It is desirable to switch the cell from the P state to the R state by the electrical pulse. In another embodiment, it may be desirable to only switch the cell from the initial V state to the P state by the first electrical pulse before the end user obtains the memory array.

図11からわかるように、この例において、例えば2Vの読み出し電圧で上部導体16と下部導体12との間に流れる電流で、あるデータ状態にある任意のセルとその隣接するデータ状態にある任意のセルとに流れる電流、この例ではRデータ状態(約10〜約500nA)とSデータ状態(約1.5〜約4.5μA)の差は少なくとも3倍ある。各データ状態に対して選択された範囲に応じて、電流の差は2倍、3倍、5倍、またはそれよりも多くなり得る。   As can be seen from FIG. 11, in this example, a current flowing between the upper conductor 16 and the lower conductor 12 at a read voltage of 2 V, for example, an arbitrary cell in a certain data state and an arbitrary data state in its adjacent data state The difference between the current flowing through the cell, in this example the R data state (about 10 to about 500 nA) and the S data state (about 1.5 to about 4.5 μA) is at least three times. Depending on the range selected for each data state, the current difference can be two, three, five, or more.

別の実施形態では、書き換え可能なメモリセルを、3つ以上のデータ状態間で任意の順に切り換えることができる。ダイオードに順方向または逆方向バイアスのいずれかを印加した状態で、セットまたはリセット遷移のいずれかを行うことができる。   In another embodiment, rewritable memory cells can be switched in any order between three or more data states. Either set or reset transitions can be made with either forward or reverse bias applied to the diode.

前述した1度だけプログラム可能な実施形態と書き換え可能な実施形態の両方では、データ状態が、ダイオードを構成する多結晶または微結晶半導体材料の抵抗率状態に対応することに留意するべきである。データ状態は、本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2006年3月31日に出願されたHernerらによる「Nonvolatile Memory Cell Comprising a Diode and a Resistance-Switching Material」という米国特許出願第11/395,995号(特許文献4)に記載されているような、抵抗率が切り換わる酸化または窒化金属の抵抗率状態に対応するものではない。   It should be noted that in both the one-time programmable embodiment and the rewritable embodiment described above, the data state corresponds to the resistivity state of the polycrystalline or microcrystalline semiconductor material comprising the diode. The data state is “Nonvolatile Memory Cell Comprising a Diode and a Resistance-Switching Material” by Herner et al., Filed Mar. 31, 2006, owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference. Does not correspond to the resistivity state of oxidized or nitrided metals that switches resistivity, as described in US patent application Ser. No. 11 / 395,995.

逆方向バイアスセットおよびリセット
ここまで説明した実施形態によって形成されプログラムされたメモリセルのアレイでは、逆方向バイアス下でセルが大電圧を受ける過程は、いずれも、順方向バイアス印加状態で行う過程に比べて、漏洩電流を低減した。
Reverse Bias Set and Reset In an array of memory cells formed and programmed according to the embodiments described so far, any process in which a cell receives a high voltage under a reverse bias is a process that is performed with a forward bias applied. Compared to the leakage current.

図12を参照する。選択したセルSを順方向バイアス下にしたうえで10Vを印加するものとする。(実際に用いる電圧は、セルの構造、ドーパント濃度、真性領域の高さ等を含む多くの因子に依存する。10Vはあくまで例に過ぎない。)ビット線B0を10Vに設定し、ワード線W0を接地電圧に設定する。(選択されたセルSと、ビット線B0を共有する)半選択されたセルFが確実にダイオードの立ち上がり電圧未満にとどまるように、ワード線W1をビット線B0の電圧未満でかつそれに比較的近い電圧に設定する。例えば、Fセルに0.7Vが印加されるように、ワード線W1を9.3Vに設定してもよい(1つのFセルしか示されていないが、Fセルが数百個、数千個またはそれより多数であってもよい)。同様に、(選択されたセルSとワード線W0を共有する)半選択されたセルHが確実にダイオードの立ち上がり電圧未満にとどまるように、ビット線B1をワード線W0の電圧より高くかつそれに比較的近い電圧に設定する。例えば、セルHに0.7Vが印加されるように、ビット線B1を0.7Vに設定してもよい(同様に、Hセルが数千個あってもよい)。選択されたセルSと、ワード線W0またはビット線B0のいずれも共有しない、非選択セルUは−8.6Vを受ける。数百万個の非選択セルUが存在し得るので、これによってアレイ内に非常に高い漏洩電流が生じる。   Please refer to FIG. It is assumed that 10 V is applied after the selected cell S is under a forward bias. (The voltage actually used depends on many factors including the structure of the cell, the dopant concentration, the height of the intrinsic region, etc. 10V is merely an example.) The bit line B0 is set to 10V and the word line W0 is set. Is set to ground voltage. Word line W1 is less than and relatively close to the voltage on bit line B0 to ensure that half-selected cell F (which shares bit line B0 with selected cell S) stays below the rising voltage of the diode. Set to voltage. For example, the word line W1 may be set to 9.3V so that 0.7V is applied to the F cell (only one F cell is shown, but there are hundreds or thousands of F cells. Or more than that). Similarly, to ensure that half-selected cell H (which shares selected cell S and word line W0) stays below the rising voltage of the diode, bit line B1 is higher than and compared to the voltage on word line W0. Set the voltage close to the target. For example, the bit line B1 may be set to 0.7 V so that 0.7 V is applied to the cell H (similarly, there may be thousands of H cells). Unselected cell U, which does not share selected cell S and either word line W0 or bit line B0, receives −8.6V. This can result in very high leakage currents in the array, since there can be millions of unselected cells U.

図13は、メモリセルに大きな逆方向バイアスを、例えばリセットパルスとして、印加するのに有利なバイアス方式を示している。ビット線B0を−5Vに、ワード線W0を5Vに設定することによって、選択されたセルSに−10Vが印加される。ダイオードは逆方向バイアスが印加された状態になる。意図しないセットまたはリセットが起きないように、半選択された両セルFおよびHに十分低い逆方向バイアスを印加した状態で、ワード線W1とビット線B1を接地電圧に設定することによって、両セルFおよびHは−5Vを受ける。一般的に、逆方向バイアス下でのセットまたはリセットは、ダイオードが逆方向絶縁破壊を起こす、通常−5V超の電圧において、またはその近傍において起きるようである。この方式を用いれば、非選択セルUに電圧が加わらないので、逆方向漏洩電流が生じない。   FIG. 13 shows a bias system that is advantageous for applying a large reverse bias to a memory cell, for example, as a reset pulse. By setting the bit line B0 to −5V and the word line W0 to 5V, −10V is applied to the selected cell S. The diode is in a state where a reverse bias is applied. By setting the word line W1 and the bit line B1 to the ground voltage with a sufficiently low reverse bias applied to the half-selected cells F and H so that unintended set or reset does not occur, both cells F and H receive -5V. In general, it appears that setting or resetting under reverse bias occurs at or near the voltage where the diode undergoes reverse breakdown, usually above -5V. If this method is used, no voltage is applied to the non-selected cell U, so that no reverse leakage current occurs.

図13のバイアス印加方式は一例に過ぎず、他にも多くの方式を用いることができることは明らかである。例えば、ビット線B0を0Vに、ワード線W0を−10Vに、ビット線B1とワード線W1を−5Vに設定することができる。選択されたセルS、半選択されたセルHおよびFならびに非選択セルUに加わる電圧は図13の方式と同じになる。別の例において、ビット線B0を接地電圧に、ワード線W0を10Vに、ビット線B1およびワード線W1をそれぞれ5Vに設定する。   The bias application method of FIG. 13 is only an example, and it is obvious that many other methods can be used. For example, the bit line B0 can be set to 0V, the word line W0 can be set to -10V, and the bit line B1 and the word line W1 can be set to -5V. The voltages applied to the selected cell S, the half-selected cells H and F, and the non-selected cell U are the same as in the method of FIG. In another example, the bit line B0 is set to the ground voltage, the word line W0 is set to 10V, and the bit line B1 and the word line W1 are set to 5V.

セットとリセットの繰返し
ここまで、適当な電気パルスの印加によって、ダイオードの半導体材料をある抵抗率状態から別の抵抗率状態へ切り換え、メモリセルを2つの個別のデータ状態間で切り換えることについて説明した。実際には、これらのセットおよびリセット工程は、繰返し過程であってもよい。
Repeated set and reset So far we have described switching the semiconductor material of a diode from one resistivity state to another and switching the memory cell between two individual data states by applying an appropriate electrical pulse. . In practice, these set and reset steps may be iterative processes.

前述したように、隣接するデータ状態間の読み出し電流の差は少なくとも2倍であることが望ましい。多くの実施形態では、各データ状態の電流範囲を、電流差が3倍、5倍、10倍、またはそれより大きくなるように隔ててとることが望ましい場合がある。   As described above, it is desirable that the difference in read current between adjacent data states is at least twice. In many embodiments, it may be desirable to separate the current ranges for each data state such that the current difference is three times, five times, ten times, or greater.

図14を参照すると、前述したように、データ状態Vは、2Vの読み出し電圧で5nA以下の読み出し電流として定義可能である。データ状態Rは、約10〜約500nAの読み出し電流として、データ状態Sは、約1.5〜約4.5μAの読み出し電流として、データ状態Pは、約10μA超の読み出し電流として定義可能である。当業者にはこれらが例に過ぎないことは明らかである。例えば、別の実施形態では、データ状態Vの読み出し電流は、2Vの読み出し電圧で約5nA以下であるが、その範囲はより小さく定義されてもよい。実際の読み出し電流は、セルの特性、アレイの構造、選択された読み出し電圧およびその他の多くの因子に応じて変化する。   Referring to FIG. 14, as described above, the data state V can be defined as a read current of 5 nA or less at a read voltage of 2V. Data state R can be defined as a read current of about 10 to about 500 nA, data state S can be defined as a read current of about 1.5 to about 4.5 μA, and data state P can be defined as a read current of greater than about 10 μA. . It will be apparent to those skilled in the art that these are only examples. For example, in another embodiment, the read current in data state V is about 5 nA or less at a read voltage of 2V, although the range may be defined smaller. The actual read current will vary depending on cell characteristics, array structure, selected read voltage and many other factors.

1度だけプログラム可能なメモリセルがデータ状態Pにあるとする。逆方向バイアス下で電気パルスをメモリセルに印加して、セルをデータ状態Sに切り換える。しかし、場合によっては、電気パルスの印加後、読み出し電流が所望の範囲にない可能性がある。すなわち、ダイオードの半導体材料の抵抗率状態が、意図するよりも高いかまたは低い。例えば、電気パルスの印加後、メモリセルの読み出し電流が、S状態およびP状態の電流範囲間の、グラフ上のQで示される位置にあるとする。   Assume that a memory cell that can be programmed only once is in data state P. An electrical pulse is applied to the memory cell under reverse bias to switch the cell to the data state S. However, in some cases, the read current may not be in the desired range after application of the electrical pulse. That is, the resistivity state of the semiconductor material of the diode is higher or lower than intended. For example, it is assumed that the read current of the memory cell is at a position indicated by Q on the graph between the current ranges of the S state and the P state after application of the electric pulse.

メモリセルを所望のデータ状態に切り換えるために電気パルスを印加した後、所望のデータ状態に達したか否かを判定するために、メモリセルの読み出しを行ってもよい。所望のデータ状態に達していなければ、追加パルスを印加する。例えば、電流Qが検出された場合、追加のリセットパルスを印加して半導体材料の抵抗率を増加させ、Sデータ状態に対応する範囲へ読み出し電流を減少させる。前述したように、このセットパルスは、順方向または逆方向バイアスのいずれを印加した状態で印加してもよい。1個または複数の追加のパルスは、最初のパルスよりも振幅(電圧または電流)が高くてもよい。または、最初のパルスよりもパルス幅が長いかまたは短くてもよい。追加のセットパルスの後、再びセルの読み出しを行い、読み出し電流が所望の範囲に入るまで適当なセットまたはリセットパルスを印加する。   After applying an electrical pulse to switch the memory cell to the desired data state, the memory cell may be read to determine whether the desired data state has been reached. If the desired data state has not been reached, an additional pulse is applied. For example, if current Q is detected, an additional reset pulse is applied to increase the resistivity of the semiconductor material and reduce the read current to a range corresponding to the S data state. As described above, this set pulse may be applied in a state where a forward bias or a reverse bias is applied. The one or more additional pulses may be higher in amplitude (voltage or current) than the first pulse. Alternatively, the pulse width may be longer or shorter than the first pulse. After the additional set pulse, the cell is read again and an appropriate set or reset pulse is applied until the read current is in the desired range.

前述したダイオードを含むメモリセル等の2端子素子において、読み出しを行ってセットまたはリセットのベリファイを行い、必要ならば調節を行うことが特に有利である。ダイオードに大きな逆方向バイアスを印加すると、ダイオードを損傷する場合があるため、ダイオードを逆方向バイアス下にしたうえでセットまたはリセットを行う場合には、逆方向バイアス電圧を最小化することが有利である。   In a two-terminal element such as a memory cell including a diode as described above, it is particularly advantageous to perform read and verify of set or reset, and adjust if necessary. Applying a large reverse bias to a diode can damage the diode, so it is advantageous to minimize the reverse bias voltage when setting or resetting the diode under reverse bias. is there.

製造に関する考察
両方とも、本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2006年6月8日に出願されたHernerらによる「Nonvolatile Memory Cell Operating by Increasing Order in Polycrystalline Semiconductor Material 」という米国特許出願第11/148,530号(特許文献5)、および2004年9月29日に出願されたHernerによる「Memory Cell Comprising a Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide 」という米国特許出願第10/954,510号(特許文献6)には、ポリシリコンが適当なケイ化物に隣接して結晶化すると、そのポリシリコンの物性が変化することが記載されている。ケイ化コバルトおよびケイ化チタン等のある種のケイ化金属は、シリコンに非常に近い格子構造を有している。非晶質または微結晶シリコンがこれらのケイ化物の1つに接触して結晶化するとき、そのケイ化物の結晶格子が、結晶化中のシリコンの鋳型となる。その結果形成されるポリシリコンは、高い秩序構造を有するとともに、比較的欠陥密度が低いものとなる。この高品質ポリシリコンは、導電性増強(conductivity-enhancing)ドーパントでドープされると、形成時、比較的高い導電性を有する。
Both manufacturing considerations , “Nonvolatile Memory Cell Operating by Increasing Order in Polycrystalline Semiconductor” by Herner et al. US Patent Application No. 11 / 148,530 entitled "Material" and US Patent Application "Healer" by Herner filed "Serial Cell Comprising a Semiconductor Junction Diode Crystallized Adjacent to a Silicide" filed September 29, 2004 No. 10 / 954,510 (Patent Document 6) describes that when polysilicon is crystallized adjacent to an appropriate silicide, the physical properties of the polysilicon change. Certain metal silicides, such as cobalt silicide and titanium silicide, have a lattice structure very close to silicon. When amorphous or microcrystalline silicon crystallizes in contact with one of these silicides, the crystal lattice of the silicide becomes the template for the silicon being crystallized. The resulting polysilicon has a highly ordered structure and a relatively low defect density. This high quality polysilicon, when doped with a conductivity-enhancing dopant, has a relatively high conductivity when formed.

対照的に、非晶質または微結晶シリコン材料が、格子整合性が高い、ケイ化物を有するシリコンと接触せず、例えば格子整合性が非常に低い二酸化シリコンおよび窒化チタン等の材料とのみ接触して結晶化すると、その結果形成されるポリシリコンにはより多くの欠陥が含まれ、このように結晶化した、ドープされたポリシリコンの形成時の導電性は大幅に低くなる。   In contrast, amorphous or microcrystalline silicon materials do not come into contact with highly lattice matched silicon with silicides, but only with materials such as silicon dioxide and titanium nitride that have very low lattice matching. When crystallized in this manner, the resulting polysilicon contains more defects, and the conductivity at the time of formation of the thus-crystallized doped polysilicon is significantly reduced.

本発明は、ダイオードを形成する半導体材料を2つ以上の抵抗率状態間で切り換えることによって、所定の読み出し電圧でダイオードに流れる電流量を変化させ、個々の電流量(および抵抗率状態)が個別のデータ状態に対応するという態様を有するが、結晶化の鋳型となるケイ化物または類似の材料に隣接して結晶化していない、高欠陥密度シリコン(あるいはゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム合金等の他の適当な半導体材料)で形成されたダイオードが最も有利な切り換わり動作を示すことが発見された。   The present invention changes the amount of current flowing through the diode at a predetermined read voltage by switching the semiconductor material forming the diode between two or more resistivity states, and the individual current amounts (and resistivity states) are individually Other suitable, such as high defect density silicon (or germanium or silicon-germanium alloys) that are not crystallized adjacent to the silicide or similar material that serves as a template for crystallization. It has been discovered that diodes made of (semiconductor materials) exhibit the most advantageous switching behavior.

特定の理論に縛られることを望むものではないが、観察された抵抗率の変化の説明となりそうな1つのメカニズムによれば、しきい値電圧を超えるセットパルスによって、ドーパント原子が不活性となっている粒界からドーパント原子が結晶体内へ移動して、半導体材料の導電率を増加させ、抵抗を減少させると考えられる。その一方で、リセットパルスによって、ドーパント原子が粒界に戻り、導電率を減少させ、抵抗を増加させると考えられる。しかし、多結晶材料の秩序度の増大および減少等、他のメカニズムが前述したメカニズムと同時に、またはその代わりに働いている可能性も考えられる。   While not wishing to be bound by any particular theory, one mechanism that is likely to explain the observed resistivity change is that the set pulse above the threshold voltage causes the dopant atoms to become inactive. It is thought that dopant atoms move from the grain boundaries into the crystal body, increasing the conductivity of the semiconductor material and decreasing the resistance. On the other hand, it is believed that the reset pulse returns the dopant atoms to the grain boundaries, decreasing the conductivity and increasing the resistance. However, it is possible that other mechanisms such as increasing and decreasing the degree of order of the polycrystalline material may work simultaneously with or instead of the above-described mechanism.

適当なケイ化物に隣接して結晶化した非常に欠陥濃度の低いシリコンの抵抗率状態は、半導体材料がより高い欠陥濃度を有する場合ほど容易には切り換えることができないことが発見された。欠陥の存在、またはより多数の粒界の存在によって、切り換えが容易になる可能性が考えられる。従って、好ましい実施形態において、ダイオードを形成する多結晶または微結晶材料の結晶化は、格子整合性の低い材料に隣接させずに行う。低い格子整合性とは、例えば約3%以下の格子整合性である。   It has been discovered that the resistivity state of very low defect silicon crystallized adjacent to a suitable silicide cannot be switched as easily as if the semiconductor material has a higher defect concentration. It is possible that switching is facilitated by the presence of defects or the presence of a larger number of grain boundaries. Thus, in a preferred embodiment, the crystallization of the polycrystalline or microcrystalline material that forms the diode is performed without being adjacent to a material with poor lattice matching. The low lattice matching is, for example, a lattice matching of about 3% or less.

切り換わり動作は真性領域内の変化に集中している可能性が証拠により示された。切り換え動作は抵抗器およびp−nダイオードにおいても観察され、p−i−nダイオードのみに限られるものではないが、p−i−nダイオードを用いることが特に有利であると考えられる。これまで説明した実施形態はp−i−nダイオードを含むものであった。しかし、別の実施形態において、ダイオードが、p−i−nダイオードではなく、真性領域がほとんどまたは全くないp−nダイオードであってもよい。   Evidence indicates that the switching behavior may be concentrated in changes within the intrinsic region. Switching behavior is also observed in resistors and pn diodes and is not limited to pin diodes, but it may be particularly advantageous to use pin diodes. The embodiments described so far have included p-i-n diodes. However, in another embodiment, the diode may not be a pin diode, but a pn diode with little or no intrinsic region.

本発明の好ましい実施形態を製造するための詳細例を説明する。2002年12月19日に出願され、その後放棄された、本願明細書において参照により援用されている、Hernerらによる「An Improved Method for Making High Density Nonvolatile Memory 」という米国特許出願第10/320,470号(特許文献7)に記載された製造の詳細が、特許文献3記載の情報と同様に、これらの実施形態のダイオードの形成において有用である。本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2004年12月17日に出願されたHernerらによる「Nonvolatile Memory Cell Comprising a Reduced Height Vertical Diode」という米国特許出願第11/015,824号(特許文献8)からも有用な情報を得ることができる。本発明が曖昧になるのを避けるため、これらの特許出願に記載された詳細の全てを記載することはしないが、これらの特許出願に記載された情報で除外を意図するものはないことを理解するべきである。   Detailed examples for producing the preferred embodiments of the present invention will be described. US patent application Ser. No. 10 / 320,470, “An Improved Method for Making High Density Nonvolatile Memory” by Herner et al., Filed Dec. 19, 2002, and later abandoned and incorporated herein by reference. The details of the manufacturing described in US Pat. No. 6,057,077 are useful in forming the diodes of these embodiments, as well as the information described in US Pat. US Patent Application No. 11 entitled “Nonvolatile Memory Cell Comprising a Reduced Height Vertical Diode” by Herner et al., Filed Dec. 17, 2004, owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference. / 015,824 (Patent Document 8) can also provide useful information. In order to avoid obscuring the present invention, not all of the details described in these patent applications are described, but it is understood that the information described in these patent applications is not intended to be excluded. Should do.

単一のメモリレベルの製造について詳述する。追加のメモリレベルを、各々、その下のメモリレベル上にモノリシック的に形成して積層することができる。この実施形態では、多結晶半導体ダイオードが切り換え可能なメモリ要素の機能を果たす。   A single memory level manufacturing will be described in detail. Each additional memory level can be monolithically formed and stacked on top of the underlying memory level. In this embodiment, the polycrystalline semiconductor diode functions as a switchable memory element.

図15aを参照すると、基板100よりメモリの形成が開始する。この基板100は、単結晶シリコン、シリコン−ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウム−炭素のようなIV−IV族化合物、III−V族化合物、II−VII族化合物、以上のような基板上のエピタキシャル層、またはその他の任意の半導体材料等、当該技術分野において周知の任意の半導体基板であってよい。基板に集積回路が形成されて含まれてもよい。
基板100上に絶縁層102が形成される。絶縁層102は、酸化シリコン、窒化シリコン、高誘電性薄膜、Si−C−O−H薄膜、またはその他の任意の適当な絶縁材料であってよい。
Referring to FIG. 15 a, memory formation starts from the substrate 100. The substrate 100 may be a single crystal silicon, a group IV-IV compound such as silicon-germanium or silicon-germanium-carbon, a group III-V compound, a group II-VII compound, an epitaxial layer on the substrate as described above, or It may be any semiconductor substrate known in the art, such as any other semiconductor material. An integrated circuit may be formed and included on the substrate.
An insulating layer 102 is formed over the substrate 100. The insulating layer 102 may be silicon oxide, silicon nitride, a high dielectric thin film, a Si—C—O—H thin film, or any other suitable insulating material.

基板および絶縁体上に第1の導体200が形成される。導電体層106の絶縁層102への接着を助けるために、絶縁層102と導電体層106との間に接着層104が含まれてもよい。上の導電体層がタングステンであれば、窒化チタンが接着層104として望ましい。
次に堆積させる層は導電体層106である。導電体層106は、タングステン、あるいはタンタル、チタン、銅、コバルトまたはそれらの合金等の他の材料等、当該技術分野において周知の任意の導電材料を含むものであってよい。
A first conductor 200 is formed on the substrate and the insulator. An adhesive layer 104 may be included between the insulating layer 102 and the conductor layer 106 to help adhere the conductor layer 106 to the insulating layer 102. If the upper conductor layer is tungsten, titanium nitride is desirable as the adhesion layer 104.
The next layer to be deposited is the conductor layer 106. The conductor layer 106 may include any conductive material known in the art, such as tungsten or other materials such as tantalum, titanium, copper, cobalt, or alloys thereof.

導体線路を形成するための全ての層を堆積させると、任意の適当なマスキングおよびエッチング処理過程を用いて、層のパターニングおよびエッチングを行い、図15aに断面が示される、実質的に平行かつ実質的に同一平面内にある導体200を形成する。一実施形態では、フォトレジストを堆積させ、フォトリソグラフィによってパターニングを行い、さらに層のエッチングを行う。さらに、標準的な処理技術を用いてフォトレジストを除去する。この代わりに、ダマシン法によって導体200を形成することも可能である。
次に、誘電体材料108を導体線路200上および線路間に堆積させる。誘電体材料108は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等、任意の周知の電気的絶縁材料であってよい。好ましい実施形態では、二酸化シリコンが誘電体材料108として用いられる。
Once all the layers to form the conductor lines are deposited, the layers are patterned and etched using any suitable masking and etching process, and are substantially parallel and substantially as shown in cross section in FIG. 15a. Thus, the conductor 200 is formed in the same plane. In one embodiment, a photoresist is deposited, patterned by photolithography, and further layer etching is performed. In addition, the photoresist is removed using standard processing techniques. Alternatively, the conductor 200 can be formed by the damascene method.
Next, a dielectric material 108 is deposited on the conductor line 200 and between the lines. Dielectric material 108 may be any well-known electrically insulating material such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. In the preferred embodiment, silicon dioxide is used as the dielectric material 108.

最後に、導体線路200上の余分な誘電体材料108を除去して、誘電体材料108によって隔てられた導体線路200の頂部を露出させ、実質的に平坦な表面109を残す。これにより形成された構造が図15aに示されている。余分な誘電体材料を除去して平坦な表面109を形成するこの工程は、化学的機械的平坦化(CMP)またはエッチバック等の、当該技術分野において周知の任意の処理過程によって行うことができる。本願明細書において参照により援用されている、2004年6月30日に出願されたRaghuramらによる「Nonselective Unpatterned Etchback to Expose Buried Patterned Features 」という米国特許出願第10/883,417号(特許文献9)に、好都合に利用可能なエッチバック技術が記載されている。この段階で、複数の実質的に平行な第1の導体が基板100上の第1の高さに形成された。   Finally, excess dielectric material 108 on conductor line 200 is removed, exposing the top of conductor line 200 separated by dielectric material 108, leaving a substantially flat surface 109. The resulting structure is shown in FIG. 15a. This step of removing excess dielectric material to form a flat surface 109 can be performed by any process known in the art, such as chemical mechanical planarization (CMP) or etchback. . US patent application Ser. No. 10 / 883,417 entitled “Nonselective Unpatterned Etchback to Exposed Buried Patterned Features” by Raghuram et al., Filed Jun. 30, 2004, incorporated by reference herein. Describes an etchback technique that can be advantageously used. At this stage, a plurality of substantially parallel first conductors were formed at a first height on the substrate 100.

次に、図15bを参照すると、完成した導体線路200上に垂直ピラーの形成を行う。(紙面の節約のために基板100は図15bに示されていないが、その存在は仮定されているものとする。)導体線路の平坦化の後、遮蔽層110を最初の層として堆積させることが望ましい。遮蔽層において、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化チタン、またはこれらの材料の組み合わせ等の、任意の適当な材料を用いることができる。好ましい実施形態では、窒化チタンが遮蔽層として用いられる。遮蔽層が窒化チタンである場合には、前述した接着層と同じ方法でそれを堆積させることができる。   Next, referring to FIG. 15 b, vertical pillars are formed on the completed conductor line 200. (For the sake of space saving, the substrate 100 is not shown in FIG. 15b, but its presence is assumed.) After planarization of the conductor lines, the shielding layer 110 is deposited as the first layer. Is desirable. Any suitable material can be used in the shielding layer, such as tungsten nitride, tantalum nitride, titanium nitride, or combinations of these materials. In a preferred embodiment, titanium nitride is used as the shielding layer. If the shielding layer is titanium nitride, it can be deposited in the same manner as the adhesive layer described above.

次に、ピラーを形成するパターニングを行う半導体材料を堆積させる。半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲルマニウム合金あるいはその他の適当な半導体または半導体合金であってよい。便宜上、この説明ではこの半導体材料をシリコンと呼ぶ。しかし、当業者は、シリコンの代わりにこれらの他の適当な材料のいずれを選択してもよいことを理解するべきである。   Next, a semiconductor material to be patterned to form pillars is deposited. The semiconductor material may be silicon, germanium, a silicon-germanium alloy or other suitable semiconductor or semiconductor alloy. For convenience, this semiconductor material is referred to as silicon in this description. However, it should be understood by those skilled in the art that any of these other suitable materials may be selected in place of silicon.

好ましい実施形態において、ピラーは半導体接合ダイオードを含む。本願明細書において、接合ダイオードの用語は、非オーミック伝導物性を有し、2つの端子電極を備え、一方の電極側はp形、他方の電極側はn形の半導体材料で形成された半導体素子を指すものとして用いる。p形半導体材料とn形半導体材料とが互いに接触した、ツェナー・ダイオード等のp−nダイオードおよびn−pダイオード、ならびに真性(ドープされていない)半導体材料がp形半導体材料とn形半導体材料との間に介在するp−i−nダイオードが、その例である。   In a preferred embodiment, the pillar includes a semiconductor junction diode. In the specification of the present application, the term “junction diode” refers to a semiconductor element having a non-ohmic conductive property and having two terminal electrodes, one electrode side being made of a p-type semiconductor material and the other electrode side being made of an n-type semiconductor material. Is used to indicate A pn diode and an np diode, such as a Zener diode, in which a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material are in contact with each other, and an intrinsic (undoped) semiconductor material is a p-type semiconductor material and an n-type semiconductor material. An example is a pin diode interposed between the two.

下部の高濃度にドープされた領域112は、当該技術分野において周知の任意の堆積方法およびドーピング方法によって形成することができる。シリコンの堆積後にドーピングを行うこともできるが、シリコンの堆積中にn形ドーパント原子、例えばリンを供給するドナーガスを流すことによってその場でドーピングを行うことが望ましい。高濃度にドープされた領域112の厚さは約100〜約800オングストロームであることが望ましい。
真性領域114は当該技術分野において周知の任意の方法によって形成することができる。層114は、シリコン、ゲルマニウム、あるいはシリコンまたはゲルマニウムの任意の合金であってよい。その厚さは約1,100〜約3,300オングストロームであり、約2,000オングストロームであることが望ましい。
The lower heavily doped region 112 can be formed by any deposition and doping method known in the art. Although doping can be performed after silicon deposition, it is desirable to perform in-situ doping by flowing a donor gas that supplies n-type dopant atoms, such as phosphorus, during silicon deposition. The thickness of the heavily doped region 112 is desirably about 100 to about 800 angstroms.
Intrinsic region 114 can be formed by any method known in the art. Layer 114 may be silicon, germanium, or any alloy of silicon or germanium. Its thickness is from about 1,100 to about 3,300 angstroms, preferably about 2,000 angstroms.

図15bを再び参照すると、下の遮蔽層110とともに堆積が行われた半導体層114および112が、パターニングおよびエッチングを施されて、ピラー300を形成する。各ピラー300が導体200上に形成されるように、ピラー300は、その下の導体200とほぼ同じ周期およびほぼ同じ幅を有する必要がある。ある程度のずれは許容可能である。   Referring again to FIG. 15 b, the semiconductor layers 114 and 112 deposited with the underlying shielding layer 110 are patterned and etched to form pillars 300. The pillars 300 should have approximately the same period and approximately the same width as the underlying conductors 200 so that each pillar 300 is formed on the conductors 200. Some deviation is acceptable.

ピラー300は、任意の適当なマスキングおよびエッチング処理過程を用いて形成することができる。例えば、標準的なフォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストの堆積およびパターニングを行い、さらにエッチングを行った後、フォトレジストを除去することができる。別の方法として、半導体層を多層積層した上に下層反射防止膜(BARC)を形成し、その上に他の材料、例えば二酸化シリコンからなる、ハードマスクを形成して、パターニングおよびエッチングを行うこともできる。同様に、反射防止絶縁膜(DARC)をハードマスクとして用いることもできる。   The pillar 300 can be formed using any suitable masking and etching process. For example, the photoresist can be removed after the photoresist has been deposited and patterned using standard photolithography techniques and further etched. As another method, a lower layer antireflection film (BARC) is formed on a multilayer stack of semiconductor layers, and a hard mask made of another material, for example, silicon dioxide, is formed thereon, and then patterned and etched. You can also. Similarly, an antireflection insulating film (DARC) can be used as a hard mask.

本発明によるメモリアレイの形成に用いる任意のフォトリソグラフィ工程を行うために、両方とも本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2003年12月5日に出願されたChenによる「Photomask Features with Interior Nonprinting Window Using lternating Phase Shifting 」という米国特許出願第10/728,436号(特許文献10)、または2004年4月1日に出願されたChenによる「Photomask Features with Chromeless Nonprinting Phase Shifting Window」という米国特許出願第10/815,312号(特許文献11)に記載されたフォトリソグラフィ技術を好都合に用いることができる。   Filed on Dec. 5, 2003, both owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference to perform any photolithography process used to form the memory array according to the present invention. "Photomask Features with Interior Nonprinting Window Using lternating Phase Shifting" by US Patent Application No. 10 / 728,436 (Patent Document 10) or "Photomask Features with Chromeless" by Chen filed on April 1, 2004 The photolithography technique described in US patent application Ser. No. 10 / 815,312 entitled “Nonprinting Phase Shifting Window” can be advantageously used.

誘電体材料108を半導体ピラー300上およびピラー間に堆積させ、それらの間の空隙を埋める。誘電体材料108は、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸窒化シリコン等の、任意の周知の電気的絶縁材料であってよい。好ましい実施形態において、二酸化シリコンを絶縁材料として用いる。   Dielectric material 108 is deposited on and between the semiconductor pillars 300 to fill the gaps between them. Dielectric material 108 may be any known electrically insulating material, such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. In a preferred embodiment, silicon dioxide is used as the insulating material.

次に、ピラー300上の誘電体材料を除去して、誘電体材料108によって隔てられたピラー300の頂部を露出させ、実質的に平坦な表面を残す。この余分な誘電体材料の除去は、CMPまたはエッチバック等の、当該技術分野において周知の任意の処理過程によって行うことができる。CMPまたはエッチバックを行った後、イオン注入を行い、高濃度にドープされたp形上部領域116を形成する。p形ドーパントはホウ素またはBCl3であることが望ましい。この注入工程によってダイオード111の形成が完了する。完成した構造が図15bに示されている。以上のように形成されたダイオードでは、下部の高濃度にドープされた領域112がn形であり、上部の高濃度にドープされた領域116がp形であるが、極性が逆であってもよいことは明らかである。 Next, the dielectric material on the pillar 300 is removed, exposing the top of the pillar 300 separated by the dielectric material 108, leaving a substantially flat surface. This removal of excess dielectric material can be accomplished by any process known in the art, such as CMP or etchback. After CMP or etchback, ion implantation is performed to form a heavily doped p-type upper region 116. The p-type dopant is preferably boron or BCl 3 . The formation of the diode 111 is completed by this implantation step. The completed structure is shown in FIG. 15b. In the diode formed as described above, the lower heavily doped region 112 is n-type and the upper heavily doped region 116 is p-type, but the polarity is reversed. It is clear that it is good.

図15cを参照すると、アンチヒューズ誘電体層118を、各々が高濃度にドープされた領域116上に形成する。アンチヒューズ層118は、スパッタリング等の任意の適当な堆積方法によって形成された、厚さ10〜100オングストロームの酸化金属層であることが望ましい。所望の場合には、アンチヒューズ層118がピラー300の一部となるように、代わりにアンチヒューズ誘電体層118の堆積工程の後にピラー300のパターニング工程を行ってもよい。   Referring to FIG. 15c, antifuse dielectric layers 118 are formed on regions 116 that are each heavily doped. The antifuse layer 118 is preferably a metal oxide layer having a thickness of 10 to 100 Å formed by any suitable deposition method such as sputtering. If desired, the pillar 300 may be patterned after the deposition process of the antifuse dielectric layer 118 so that the antifuse layer 118 becomes part of the pillar 300.

上部導体400を、下部導体200と同様に、例えば、接着層120および導電体層122を堆積させることによって形成することができる。接着層120は窒化チタンで形成されたものであることが望ましく、導電体層122はタングステンで形成されたものであることが望ましい。次に、任意の適当なマスキングおよびエッチング技術を用いて、導電体層122および接着層120のパターニングおよびエッチングを行い、図15cに示される、紙面の左から右へ伸びる、実質的に平行に、実質的に同一平面内に並ぶ導体400を形成する。好ましい実施形態では、フォトリソグラフィによりフォトレジストを堆積させてパターニングを行い、さらに層のエッチングを行った後、標準的な処理技術を用いてフォトレジストを除去する。   The upper conductor 400 can be formed, for example, by depositing the adhesive layer 120 and the conductor layer 122 in the same manner as the lower conductor 200. The adhesive layer 120 is preferably made of titanium nitride, and the conductor layer 122 is preferably made of tungsten. Next, using any suitable masking and etching technique, the conductor layer 122 and the adhesive layer 120 are patterned and etched to extend from left to right in FIG. 15c, substantially parallel, as shown in FIG. Conductors 400 are formed that are substantially aligned in the same plane. In a preferred embodiment, a photoresist is deposited by photolithography and patterned, and after further layer etching, the photoresist is removed using standard processing techniques.

次に、誘電体材料(図示せず)を導体線路400上および線路間に堆積させる。誘電体材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、または酸窒化シリコン等の、任意の周知の電気的絶縁材料であってよい。好ましい実施形態では、酸化シリコンをこの誘電体材料として用いる。   Next, a dielectric material (not shown) is deposited on the conductor line 400 and between the lines. The dielectric material may be any known electrically insulating material, such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. In a preferred embodiment, silicon oxide is used as the dielectric material.

第1のメモリレベルの形成について説明した。この第1のメモリレベル上に追加のメモリレベルを形成して、モノリシックな3次元メモリアレイを形成することができる。実施形態には、メモリレベルの間で導体を共有できるものがある。すなわち、上部導体400が次のメモリレベルの下部導体の役割を兼ねる。別の実施形態では、図15cの第1のメモリレベル上に中間誘電体層(図示せず)を形成して、その表面を平坦化し、この平坦化された中間誘電体層上から、導体を共有しない第2のメモリレベルの構築を開始する。   The formation of the first memory level has been described. Additional memory levels can be formed on this first memory level to form a monolithic three-dimensional memory array. Some embodiments can share conductors between memory levels. That is, the upper conductor 400 also serves as the lower conductor of the next memory level. In another embodiment, an intermediate dielectric layer (not shown) is formed on the first memory level of FIG. 15c to planarize the surface, from which the conductors are routed. Start building a second memory level that is not shared.

モノリシックな3次元メモリアレイとは、ウェハ等の単一の基板上に、他の基板を介在させることなく、多数のメモリレベルを形成したものである。1つのメモリレベルを形成する層を、1つまたは複数の既存のレベル上に直接、堆積すなわち成長させる。それに対して、Leedy による「Three dimensional structure memory」という米国特許第5,915,167号(特許文献12)に記載されているように、従来、積層メモリは、別々の基板上にメモリレベルを形成して、そのメモリレベルを互いのレベル上に接着することによって構築されていた。結合前に基板を薄くするか、またはメモリレベルから除去してもよいが、メモリレベルを初めに別々の基板上に形成するため、このようなメモリは真のモノリシックな3次元メモリアレイではない。   A monolithic three-dimensional memory array is obtained by forming a large number of memory levels on a single substrate such as a wafer without interposing another substrate. The layers forming one memory level are deposited or grown directly on one or more existing levels. On the other hand, as described in US Pat. No. 5,915,167 called “Three dimensional structure memory” by Leedy, conventionally, a stacked memory forms memory levels on different substrates. And it was built by gluing its memory levels on top of each other. Although the substrate may be thinned or removed from the memory level prior to bonding, such a memory is not a true monolithic three-dimensional memory array because the memory level is first formed on a separate substrate.

基板上に形成されたモノリシックな3次元メモリアレイは、少なくとも、基板上の第1の高さに形成された第1のメモリレベルと、第1の高さと異なる第2の高さに形成された第2のメモリレベルとを含む。このようなマルチレベルアレイにおいて、基板上に3レベル、4レベル、8レベル、または実際には何レベルでも任意にメモリレベルを形成することができる。   The monolithic three-dimensional memory array formed on the substrate is formed at least at a first memory level formed at a first height on the substrate and at a second height different from the first height. A second memory level. In such a multi-level array, any number of memory levels can be formed on the substrate at three, four, eight, or indeed any number of levels.

同様のアレイを形成する別の方法として、ダマシン構造を用いて導体を形成する方法が、本発明の譲受人が所有し、本願明細書において参照により援用されている、2006年5月31日に出願されたRadigan らによる「Conductive Hard Mask to Protect Patterned Features During Trench Etch 」という米国特許出願第11/444,936号(特許文献13)に記載されている。特許文献13の方法を、本発明によるアレイを形成する代替の方法として用いてもよい。   Another method of forming a similar array is to form a conductor using a damascene structure, as of May 31, 2006, owned by the assignee of the present invention and incorporated herein by reference. No. 11 / 444,936 (Patent Document 13) entitled “Conductive Hard Mask to Protect Patterned Features During Trench Etch” by Radigan et al. The method of U.S. Pat. No. 6,057,836 may be used as an alternative method of forming an array according to the present invention.

ここまで説明した実施形態に加えて、多結晶または微結晶半導体材料の抵抗率状態にデータ状態が格納されるメモリセルとして、他にも多くの実施形態が可能であり、本発明の範囲に含まれる。例えば、ダイオード2内のp形領域8とn形領域4の位置を逆にして、p形領域8を垂直ダイオードの下部に設け、n形領域4をダイオード2の上部に設けてもよい。   In addition to the embodiments described so far, many other embodiments are possible as memory cells in which the data state is stored in the resistivity state of the polycrystalline or microcrystalline semiconductor material and are within the scope of the present invention. It is. For example, the positions of the p-type region 8 and the n-type region 4 in the diode 2 may be reversed so that the p-type region 8 is provided below the vertical diode and the n-type region 4 is provided above the diode 2.

本願明細書において詳細な製造方法を説明したが、同じ構造を形成するために他の任意の方法を用いることができ、その効果は本発明の範囲に含まれる。
図16aおよび図16bは、2つの異なるメモリセルの例を示している。図16aは、酸化金属アンチヒューズ誘電体層14がダイオード上方に設けられたセルを示している。特に、アンチヒューズ誘電体層14がダイオードのp形領域8上に設けられている。
Although a detailed manufacturing method has been described herein, any other method can be used to form the same structure, and the effect is within the scope of the present invention.
Figures 16a and 16b show examples of two different memory cells. FIG. 16a shows a cell in which a metal oxide antifuse dielectric layer 14 is provided over the diode. In particular, an antifuse dielectric layer 14 is provided on the p-type region 8 of the diode.

図16bでは、アンチヒューズ誘電体層14がダイオード2の下方に設けられている。特に、酸化金属(Al23 )アンチヒューズ誘電体層14が、窒化チタン層110によって、ダイオードのn形シリコン領域4から隔てられている。従って、Al23 アンチヒューズ誘電体層14は、図16bに示されるセル内のダイオード下のMIM(金属−絶縁体−金属 (metal-insulator-metal))構造におけるW層106とTiN層110との間に設けられている。チタン層124がダイオード2のp形領域と上側の窒化チタン層120との間に設けられている。 In FIG. 16 b, an antifuse dielectric layer 14 is provided below the diode 2. In particular, a metal oxide (Al 2 O 3 ) antifuse dielectric layer 14 is separated from the n-type silicon region 4 of the diode by a titanium nitride layer 110. Accordingly, the Al 2 O 3 antifuse dielectric layer 14 comprises a W layer 106 and a TiN layer 110 in a MIM (metal-insulator-metal) structure under the diode in the cell shown in FIG. 16b. Between. A titanium layer 124 is provided between the p-type region of the diode 2 and the upper titanium nitride layer 120.

図17aは、厚さ10オングストロームの酸化アルミニウムアンチヒューズ誘電体層を備える、図16aに示されるメモリセルの読み出し電流(四角)を、厚さ16オングストロームの二酸化シリコンアンチヒューズ誘電体層を備える同様のメモリセル(円)と比較した確率プロットである。両セルとも+8Vのパルスでプログラムが行われた。図17aからわかるように、酸化アルミニウムアンチヒューズ誘電体層を備えるプログラム済セルの読み出し電流は、2Vの読み出し電圧で30μAであった。その一方で、二酸化シリコンアンチヒューズ誘電体層を備えるプログラム済セルの読み出し電流は、2Vの読み出し電圧で20μAであった。従って、酸化シリコンの代わりに酸化アルミニウムアンチヒューズ誘電体層を用いることによって、読み出し電流が50%向上する。   FIG. 17a shows the read current (square) of the memory cell shown in FIG. 16a with a 10 angstrom thick aluminum oxide antifuse dielectric layer, similar to that with a 16 angstrom thick silicon dioxide antifuse dielectric layer. It is a probability plot compared with a memory cell (circle). Both cells were programmed with a + 8V pulse. As can be seen from FIG. 17a, the read current of the programmed cell with the aluminum oxide antifuse dielectric layer was 30 μA at a read voltage of 2V. On the other hand, the read current of the programmed cell with the silicon dioxide antifuse dielectric layer was 20 μA at a read voltage of 2V. Therefore, the read current is improved by 50% by using an aluminum oxide antifuse dielectric layer instead of silicon oxide.

図17bは、厚さ30オングストロームの酸化ハフニウム(HfO2)アンチヒューズ誘電体層を備える、図16aに示されるメモリセルの読み出し電流を示す確率プロットである。セルは+10Vのパルスでプログラムが行われた。図17bからわかるように、プログラム済セルの読み出し電流は、2Vの読み出し電圧で30μAであった。 FIG. 17b is a probability plot showing the read current of the memory cell shown in FIG. 16a with a 30 Å thick hafnium oxide (HfO 2 ) antifuse dielectric layer. The cell was programmed with a + 10V pulse. As can be seen from FIG. 17b, the read current of the programmed cell was 30 μA at a read voltage of 2V.

図17cは、図16aに示されるプログラム済メモリセルの読み出し電流を、図16bに示されるプログラム済メモリセルの読み出し電流と比較した確率プロットである。両セルとも同様の厚さのAl23 アンチヒューズを備えるが、p+ ドープされたシリコン領域8と接触したダイオード上にAl23 を備える図16aの構造のほうが、図16bの構造よりも大幅に高い順方向電流を示す。図17cからわかるように、図16bに示されるMIM構造内のアンチヒューズ誘電体によって、読み出し電流が減少した。これは、高い読み出し電流が要求されるものへ適用するには望ましくない。 FIG. 17c is a probability plot comparing the read current of the programmed memory cell shown in FIG. 16a with the read current of the programmed memory cell shown in FIG. 16b. Both cells have a similar thickness of Al 2 O 3 antifuse, but the structure of FIG. 16a with Al 2 O 3 on the diode in contact with the p + doped silicon region 8 is better than the structure of FIG. 16b. Also show significantly higher forward current. As can be seen from FIG. 17c, the read current was reduced by the antifuse dielectric in the MIM structure shown in FIG. 16b. This is undesirable for applications where high read current is required.

特定の理論に縛られることを望むものではないが、本願の発明者らは、プログラム中にAl23 層内のAlがダイオードのp形シリコン領域8内に拡散して混合することにより、順方向電流が増加する可能性があると考えている。従って、セルにプログラムを行い、誘電体層を通じた接続導電路が形成された後、ダイオードのp形領域には、アンチヒューズ誘電体層から拡散したアルミニウムが含まれている。Alはシリコン内においてp形ドーパントであるので、このp形ドーパントによって領域8内のp形ドーパント濃度が増加することで、p形領域8の隣接する電極との間のオーミック接触性が向上するため、ダイオードの順方向電流が増加する。これは、Al23 が、メモリセル内のダイオードのp形領域と接触させて配置できることを示している。従って、p形領域8をダイオードの下部に設ける場合には、Al23 層14をダイオードの下方に設けることができる。p形領域8をダイオードの上部に設ける場合には、Al23 層をダイオードの上方に設けることができる。その一方で、実際には、SiO2 アンチヒューズ誘電体層からSiがダイオード内へ拡散して、ダイオードのp形領域8内のp形ドーパント濃度を低下させ、ダイオードを劣化させる可能性もある。従って、これは、図17aに示されるように、酸化アルミニウムアンチヒューズのほうが二酸化シリコンアンチヒューズよりも読み出し電流が高い理由を説明する、1つの可能性である。 While not wishing to be bound by any particular theory, the inventors of the present application are able to diffuse and mix Al in the Al 2 O 3 layer into the p-type silicon region 8 of the diode during programming, We believe that the forward current may increase. Thus, after programming the cell and forming the connecting conductive path through the dielectric layer, the p-type region of the diode contains aluminum diffused from the antifuse dielectric layer. Since Al is a p-type dopant in silicon, the p-type dopant increases the p-type dopant concentration in the region 8, thereby improving the ohmic contact between adjacent electrodes in the p-type region 8. The forward current of the diode increases. This indicates that Al 2 O 3 can be placed in contact with the p-type region of the diode in the memory cell. Therefore, when the p-type region 8 is provided below the diode, the Al 2 O 3 layer 14 can be provided below the diode. In the case where the p-type region 8 is provided above the diode, an Al 2 O 3 layer can be provided above the diode. On the other hand, in practice, Si may diffuse from the SiO 2 antifuse dielectric layer into the diode, reducing the p-type dopant concentration in the p-type region 8 of the diode and possibly degrading the diode. Thus, this is one possibility to explain why the aluminum oxide antifuse has a higher read current than the silicon dioxide antifuse, as shown in FIG. 17a.

ハフニウムもシリコン内においてp形ドーパントであり、アルミニウムと同様の役割を果たすことができるので、それが図17bに示される結果が生じる理由である可能性が考えられる。しかし、酸化金属アンチヒューズ誘電体からのアルミニウム以外の金属は、一般的に、シリコン内における溶解度がアルミニウムよりも大幅に低い。従って、それらの金属がアンチヒューズ誘電体層からシリコン内へ拡散しても、シリコン内のp形キャリア濃度はアルミニウムの場合よりも低いはずである。例えば、AlのSi内における700℃での溶解度が1×1020cm-3超である一方で、HfのSi内におけるより高温での溶解度は1ppm未満(1×1017cm-3未満)と推定される。 Hafnium is also a p-type dopant in silicon and can play a role similar to aluminum, which may be the reason for the results shown in FIG. 17b. However, metals other than aluminum from metal oxide antifuse dielectrics are generally much less soluble in silicon than aluminum. Thus, even if those metals diffuse from the antifuse dielectric layer into the silicon, the p-type carrier concentration in the silicon should be lower than in the case of aluminum. For example, the solubility of Al in Si at 700 ° C. is more than 1 × 10 20 cm −3 , while the solubility of Hf in Si at a higher temperature is less than 1 ppm (less than 1 × 10 17 cm −3 ). Presumed.

前述した詳細な説明は、本発明が取ることのできる多くの形態の数例を述べたに過ぎない。従って、この詳細な説明は例示を目的とするものであり、限定を目的とするものではない。本発明の範囲を定義することを意図するのは、全ての均等物を含む、添付の特許請求の範囲のみである。   The foregoing detailed description has described only a few examples of the many forms that the invention can take. Accordingly, this detailed description is intended to be illustrative and not limiting. It is only the following claims, including all equivalents, that are intended to define the scope of this invention.

Claims (40)

不揮発性メモリ素子であって、
ダイオードおよび酸化金属アンチヒューズ誘電体層を備える少なくとも1つのメモリセルと、
前記少なくとも1つのメモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極と、を備え、
使用時、前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態に切り換わることによって、前記メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する不揮発性メモリ素子。
A non-volatile memory device,
At least one memory cell comprising a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer;
A first electrode and a second electrode in electrical contact with the at least one memory cell;
In use, as the read / write element of the memory cell, the diode switches from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity state in response to an applied bias. Non-volatile memory device that functions.
請求項1記載の素子において、
前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層とが、前記第1および前記第2の電極間に直列に設けられる素子。
The device of claim 1, wherein
An element in which the diode and the metal oxide antifuse dielectric layer are provided in series between the first and second electrodes.
請求項2記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、3.9超の誘電率を有する素子。
The device of claim 2, wherein
The device wherein the metal oxide antifuse dielectric layer has a dielectric constant greater than 3.9.
請求項2記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化ジルコニウム−シリコン、酸化アルミニウム−シリコン、酸化ハフニウム−シリコン、酸化ハフニウム−アルミニウム、酸窒化ハフニウム−シリコン、酸化ジルコニウム−シリコン−アルミニウム、酸化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、酸窒化ハフニウム−アルミニウム−シリコンまたは酸窒化ジルコニウム−シリコン−アルミニウムのうちの少なくとも1つ、あるいはそれとSiO2 またはSiNx の少なくともいずれかとの化合物を含む素子。
The device of claim 2, wherein
The metal oxide antifuse dielectric layer is made of hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, zirconium oxide-silicon, aluminum oxide-silicon, hafnium oxide-silicon, hafnium oxide-aluminum, oxynitride At least one of hafnium-silicon, zirconium oxide-silicon-aluminum, hafnium oxide-aluminum-silicon, hafnium oxynitride-aluminum-silicon or zirconium oxynitride-silicon-aluminum, or at least one of SiO 2 and SiN x A device containing a compound of heel.
請求項4記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを含む素子。
The device of claim 4, wherein
The device wherein the metal oxide antifuse dielectric layer comprises hafnium oxide or aluminum oxide.
請求項5記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、前記ダイオードのp形領域に隣接して設けられる素子。
The device of claim 5, wherein
An element wherein the metal oxide antifuse dielectric layer is provided adjacent to a p-type region of the diode.
請求項6記載の素子において、
前記ダイオードが、実質的に円筒状の形状を有する多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを備え、
前記ダイオードの前記p形領域が、前記セルにプログラムが行われた後、前記アンチヒューズ誘電体層から拡散したアルミニウムまたはハフニウムを含む素子。
The device of claim 6.
The diode comprises a polycrystalline silicon, germanium or silicon-germanium pin pillar-shaped diode having a substantially cylindrical shape;
The device wherein the p-type region of the diode comprises aluminum or hafnium diffused from the antifuse dielectric layer after the cell is programmed.
請求項1記載の素子において、
前記メモリセルが読み出し/書き込みメモリセルを備え、
前記ダイオードが、前記メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能するp−i−n半導体ダイオードを含む素子。
The device of claim 1, wherein
The memory cell comprises a read / write memory cell;
A device in which the diode includes a pin semiconductor diode that functions as a read / write element of the memory cell.
請求項8記載の素子において、
前記メモリセルが、書き換え可能なメモリセルを含む素子。
The device of claim 8, wherein
An element in which the memory cell includes a rewritable memory cell.
請求項9記載の素子において、
前記第1および前記第2の電極間に順方向バイアスを印加することが、前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層を絶縁破壊する接続導電路を形成し、前記ダイオードにプログラムを行うようになり、
前記プログラム済ダイオードが、前記ダイオードに逆方向バイアスを印加することによって、高抵抗率状態(未プログラム状態)に置かれるようになり、
前記高抵抗率状態(未プログラム状態)にあるダイオードが、前記ダイオードに順方向バイアスを印加することによって、低抵抗率状態(プログラム済状態)に戻されるようになる素子。
The device of claim 9, wherein
Applying a forward bias between the first and second electrodes forms a connection conductive path that breaks down the metal oxide antifuse dielectric layer and programs the diode;
The programmed diode is placed in a high resistivity state (unprogrammed state) by applying a reverse bias to the diode;
An element in which a diode in the high resistivity state (unprogrammed state) is returned to a low resistivity state (programmed state) by applying a forward bias to the diode.
請求項1記載の素子において、
前記素子が、前記ダイオード上に設けられたメモリセルのモノリシックな3次元アレイを備える素子。
The device of claim 1, wherein
An element comprising a monolithic three-dimensional array of memory cells provided on the diode;
不揮発性メモリ素子であって、
複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルと電気的に接触した第1の電極および第2の電極と、を備え、
前記複数のメモリセルの各メモリセルが、前記第1および前記第2の電極間に直列に設けられたダイオードおよび酸化金属アンチヒューズ誘電体層を備え、前記ダイオードが、実質的に円筒状の形状を有する多結晶シリコン、ゲルマニウムまたはシリコン−ゲルマニウムp−i−nピラー状ダイオードを含む不揮発性メモリ素子。
A non-volatile memory device,
A plurality of memory cells;
A first electrode and a second electrode in electrical contact with the plurality of memory cells,
Each memory cell of the plurality of memory cells includes a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer provided in series between the first and second electrodes, the diode having a substantially cylindrical shape A non-volatile memory device comprising a polycrystalline silicon, germanium or silicon-germanium pin pin-like diode having
請求項12記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化ジルコニウム−シリコン、酸化アルミニウム−シリコン、酸化ハフニウム−シリコン、酸化ハフニウム−アルミニウム、酸窒化ハフニウム−シリコン、酸化ジルコニウム−シリコン−アルミニウム、酸化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、酸窒化ハフニウム−アルミニウム−シリコンまたは酸窒化ジルコニウム−シリコン−アルミニウムのうちの少なくとも1つ、あるいはそれとSiO2 またはSiNx の少なくともいずれかとの化合物を含む素子。
The device of claim 12, wherein
The metal oxide antifuse dielectric layer is made of hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, zirconium oxide-silicon, aluminum oxide-silicon, hafnium oxide-silicon, hafnium oxide-aluminum, oxynitride At least one of hafnium-silicon, zirconium oxide-silicon-aluminum, hafnium oxide-aluminum-silicon, hafnium oxynitride-aluminum-silicon or zirconium oxynitride-silicon-aluminum, or at least one of SiO 2 and SiN x A device containing a compound of heel.
請求項13記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを含む素子。
The device of claim 13, wherein
The device wherein the metal oxide antifuse dielectric layer comprises hafnium oxide or aluminum oxide.
請求項14記載の素子において、
前記ダイオードの前記p形領域が、前記セルにプログラムを行った後、前記アンチヒューズ誘電体層から拡散したアルミニウムまたはハフニウムを含む素子。
The device of claim 14, wherein
The device wherein the p-type region of the diode comprises aluminum or hafnium diffused from the antifuse dielectric layer after programming the cell.
請求項14記載の素子において、
各メモリセルの少なくとも1.5Vの読み出し電圧における読み出し電流が、少なくとも3.5×10-5Aである素子。
The device of claim 14, wherein
An element having a read current of at least 3.5 × 10 −5 A at a read voltage of at least 1.5 V in each memory cell
請求項12記載の素子において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、10〜100オングストロームの厚さを有する素子。
The device of claim 12, wherein
The device wherein the metal oxide antifuse dielectric layer has a thickness of 10-100 angstroms.
請求項12記載の素子において、
前記複数のメモリセルが読み出し/書き込みメモリセルを備え、
前記複数のメモリセルの各メモリセル内の前記ダイオードが、前記複数のメモリセルの各メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能するp−i−n半導体ダイオードを含む素子。
The device of claim 12, wherein
The plurality of memory cells comprise read / write memory cells;
An element including a p-i-n semiconductor diode in which the diode in each memory cell of the plurality of memory cells functions as a read / write element of each memory cell of the plurality of memory cells.
請求項18記載の素子において、
使用時、前記複数のメモリセルの各メモリセル内の前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態へ切り換わることによって、前記複数のメモリセルの各メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する素子。
The device of claim 18, wherein
In use, the diode in each memory cell of the plurality of memory cells switches from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity state in response to an applied bias. A device that functions as a read / write element of each memory cell of the plurality of memory cells.
請求項19記載の素子において、
前記複数のメモリセルが書き換え可能なメモリセルを備え、
前記第1および前記第2の電極間の順方向バイアスの印加が、前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層を絶縁破壊する接続導電路を形成し、前記複数の前記メモリセルの各メモリセル内の前記ダイオードにプログラムを行うようになり、
前記プログラム済ダイオードが、前記ダイオードに逆方向バイアスを印加することによって、高抵抗率状態(未プログラム状態)に置かれるようになり、
前記高抵抗率状態(未プログラム状態)にあるダイオードが、前記ダイオードに順方向バイアスを印加することによって、前記低抵抗率状態(プログラム済状態)に戻されるようになり、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、前記ダイオードにプログラムを行う順方向バイアスを前記第1および前記第2の電極間に印加することによって、接続導電路によって絶縁破壊されるようになり、
前記プログラム済ダイオードが、所定の臨界電圧値よりも高い値を有する前記ダイオードに逆方向バイアスを印加することによって、高抵抗率状態(未プログラム状態)に置かれるようになり、
前記未プログラムダイオードが、前記ダイオードに順方向バイアスを印加することによって、前記低抵抗率状態(プログラム済状態)に戻されるようになる素子。
The device of claim 19, wherein
The plurality of memory cells comprise rewritable memory cells,
Application of a forward bias between the first and second electrodes forms a connection conductive path that breaks down the metal oxide antifuse dielectric layer, and the memory cell in each of the plurality of memory cells The diode is programmed,
The programmed diode is placed in a high resistivity state (unprogrammed state) by applying a reverse bias to the diode;
A diode in the high resistivity state (unprogrammed state) is returned to the low resistivity state (programmed state) by applying a forward bias to the diode,
The metal oxide antifuse dielectric layer is dielectrically broken by a connection conductive path by applying a forward bias between the first and second electrodes to program the diode;
The programmed diode is placed in a high resistivity state (unprogrammed state) by applying a reverse bias to the diode having a value higher than a predetermined critical voltage value;
An element in which the unprogrammed diode is returned to the low resistivity state (programmed state) by applying a forward bias to the diode.
不揮発性メモリ素子を製造する方法であって、
第1の電極を形成するステップと、
前記第1の電極上に、ダイオードおよび酸化金属アンチヒューズ誘電体層を備える少なくとも1つの不揮発性メモリセルを形成するステップと、
前記少なくとも1つの不揮発性メモリセル上に第2の電極を形成するステップと、を含み、
使用時、前記ダイオードが、印加バイアスに応答して第1の抵抗率状態から前記第1の抵抗率状態と異なる第2の抵抗率状態に切り換わることによって、前記不揮発性メモリセルの読み出し/書き込み要素として機能する方法。
A method of manufacturing a non-volatile memory device, comprising:
Forming a first electrode;
Forming at least one non-volatile memory cell comprising a diode and a metal oxide antifuse dielectric layer on the first electrode;
Forming a second electrode on the at least one non-volatile memory cell;
In use, the diode switches from a first resistivity state to a second resistivity state different from the first resistivity state in response to an applied bias, thereby reading / writing the nonvolatile memory cell How to act as an element.
請求項21記載の方法において、
前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層とが、前記第1および前記第2の電極間に直列に設けられる方法。
The method of claim 21, wherein
A method in which the diode and the metal oxide antifuse dielectric layer are provided in series between the first and second electrodes.
請求項22記載の方法において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化ジルコニウム−シリコン、酸化アルミニウム−シリコン、酸化ハフニウム−シリコン、酸化ハフニウム−アルミニウム、酸窒化ハフニウム−シリコン、酸化ジルコニウム−シリコン−アルミニウム、酸化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、酸窒化ハフニウム−アルミニウム−シリコンまたは酸窒化ジルコニウム−シリコン−アルミニウムのうちの少なくとも1つ、あるいはそれとSiO2 またはSiNx の少なくともいずれかとの化合物を含む方法。
The method of claim 22, wherein
The metal oxide antifuse dielectric layer is made of hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, zirconium oxide-silicon, aluminum oxide-silicon, hafnium oxide-silicon, hafnium oxide-aluminum, oxynitride At least one of hafnium-silicon, zirconium oxide-silicon-aluminum, hafnium oxide-aluminum-silicon, hafnium oxynitride-aluminum-silicon or zirconium oxynitride-silicon-aluminum, or at least one of SiO 2 and SiN x A method comprising a compound of heel.
請求項23記載の方法において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを含む方法。
24. The method of claim 23.
The method wherein the metal oxide antifuse dielectric layer comprises hafnium oxide or aluminum oxide.
請求項24記載の方法において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、前記ダイオードのp形領域に隣接して設けられる方法。
25. The method of claim 24, wherein
The method wherein the metal oxide antifuse dielectric layer is provided adjacent to a p-type region of the diode.
請求項21記載の方法において、
前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、実質的に円筒状の形状を有するピラーを形成するように、前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層をパターニングするステップをさらに含む方法。
The method of claim 21, wherein
The method further comprises patterning the diode and the metal oxide antifuse dielectric layer such that the diode and the metal oxide antifuse dielectric layer form a pillar having a substantially cylindrical shape.
請求項21記載の方法において、
前記ダイオードを前記第1の抵抗率状態(未プログラム状態)から前記第1の抵抗率状態よりも低い前記第2の抵抗率状態(プログラム済状態)へ切り換えるために前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップをさらに含む方法。
The method of claim 21, wherein
Apply a forward bias to the diode to switch the diode from the first resistivity state (unprogrammed state) to the second resistivity state (programmed state) lower than the first resistivity state The method further comprising the step of:
請求項27記載の方法において、
前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップによって、前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層を通じた接続導電路が形成される方法。
28. The method of claim 27, wherein
Applying a forward bias to the diode to form a connecting conductive path through the metal oxide antifuse dielectric layer.
請求項28記載の方法において、
前記接続導電路を形成した後、金属ドーパントが前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層から、前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層に隣接して設けられた前記ダイオードのp形領域内へ拡散する方法。
30. The method of claim 28, wherein
A method in which after forming the connection conductive path, a metal dopant diffuses from the metal oxide antifuse dielectric layer into a p-type region of the diode provided adjacent to the metal oxide antifuse dielectric layer.
請求項21記載の方法において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、10〜100オングストロームの厚さを有する方法。
The method of claim 21, wherein
The method wherein the metal oxide antifuse dielectric layer has a thickness of 10-100 angstroms.
不揮発性メモリ素子を操作する方法であって、
第1のより高い抵抗率状態(未プログラム状態)から第2のより低い抵抗率状態(プログラム済状態)へ切り換えられるダイオードと、接続導電路によって絶縁破壊された酸化金属アンチヒューズ誘電体層とを備える少なくとも1つのメモリセルを準備するステップと、
前記ダイオードを前記第2の抵抗率状態よりも高い第3の抵抗率状態(未プログラム状態)に切り換えるために前記ダイオードに逆方向バイアスを印加するステップと、
を含む方法。
A method for operating a non-volatile memory device, comprising:
A diode that is switched from a first higher resistivity state (unprogrammed state) to a second lower resistivity state (programmed state); and a metal oxide antifuse dielectric layer that is broken down by a connecting conductive path. Providing at least one memory cell comprising:
Applying a reverse bias to the diode to switch the diode to a third resistivity state (unprogrammed state) higher than the second resistivity state;
Including methods.
請求項31記載の方法において、
前記ダイオードを前記第3の抵抗率状態よりも低い第4の抵抗率状態(プログラム済状態)へ切り換えるために前記ダイオードに順方向バイアスを印加するステップをさらに含む方法。
32. The method of claim 31, wherein
A method further comprising applying a forward bias to the diode to switch the diode to a fourth resistivity state (programmed state) that is lower than the third resistivity state.
請求項31記載の方法において、
前記ダイオードの抵抗率状態を前記メモリセルのデータ状態として検知するステップをさらに含む方法。
32. The method of claim 31, wherein
The method further comprises detecting a resistivity state of the diode as a data state of the memory cell.
請求項33記載の方法において、
前記検知するステップが、前記メモリに読み出し電圧を印加して、前記メモリセルの読み出し電流を少なくとも1.5Vの読み出し電圧で少なくとも3.5×10-5Aにするステップを含む方法。
34. The method of claim 33.
The method wherein the sensing includes applying a read voltage to the memory to bring the read current of the memory cell to at least 3.5 × 10 −5 A with a read voltage of at least 1.5V.
請求項31記載の方法において、
前記ダイオードが、前記メモリセルが製造される工場で前記第2のプログラム済状態に切り換えられ、
前記ダイオードに逆方向バイアスを印加するステップが、前記メモリセルが製造される工場から前記メモリセルが出荷された後に、前記メモリセルのユーザによって行われる方法。
32. The method of claim 31, wherein
The diode is switched to the second programmed state at the factory where the memory cell is manufactured;
The method of applying a reverse bias to the diode is performed by a user of the memory cell after the memory cell is shipped from a factory where the memory cell is manufactured.
請求項31記載の方法において、
接続導電路により前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層を絶縁破壊するステップをさらに備える方法。
32. The method of claim 31, wherein
The method further comprising: breaking down the metal oxide antifuse dielectric layer with a connecting conductive path.
請求項31記載の方法において、
前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層とが前記第1および前記第2の電極間に直列に設けられ、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタン、酸化タンタル、酸化ルテニウム、酸化ジルコニウム−シリコン、酸化アルミニウム−シリコン、酸化ハフニウム−シリコン、酸化ハフニウム−アルミニウム、酸窒化ハフニウム−シリコン、酸化ジルコニウム−シリコン−アルミニウム、酸化ハフニウム−アルミニウム−シリコン、酸窒化ハフニウム−アルミニウム−シリコンまたは酸窒化ジルコニウム−シリコン−アルミニウムのうちの少なくとも1つ、あるいはそれとSiO2 またはSiNx の少なくともいずれかとの化合物を含む方法。
32. The method of claim 31, wherein
The diode and the metal oxide antifuse dielectric layer are provided in series between the first and second electrodes;
The metal oxide antifuse dielectric layer is made of hafnium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, ruthenium oxide, zirconium oxide-silicon, aluminum oxide-silicon, hafnium oxide-silicon, hafnium oxide-aluminum, oxynitride At least one of hafnium-silicon, zirconium oxide-silicon-aluminum, hafnium oxide-aluminum-silicon, hafnium oxynitride-aluminum-silicon or zirconium oxynitride-silicon-aluminum, or at least one of SiO 2 and SiN x A method comprising a compound of heel.
請求項37記載の方法において、
前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムを含む方法。
38. The method of claim 37, wherein
The method wherein the metal oxide antifuse dielectric layer comprises hafnium oxide or aluminum oxide.
請求項38記載の方法において、
前記メモリセルの操作中にアルミニウムまたはハフニウムが前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層から前記ダイオードのp形領域内へ拡散するように、前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層が前記ダイオードの前記p形領域に隣接して設けられる方法。
40. The method of claim 38, wherein
The metal oxide antifuse dielectric layer is in the p-type region of the diode so that aluminum or hafnium diffuses from the metal oxide antifuse dielectric layer into the p-type region of the diode during operation of the memory cell. Adjacent method.
請求項31記載の方法において、
前記ダイオードと前記酸化金属アンチヒューズ誘電体層とが、実質的に円筒状の形状を有するピラーを形成する方法。
32. The method of claim 31, wherein
A method in which the diode and the metal oxide antifuse dielectric layer form a pillar having a substantially cylindrical shape.
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