JP2004362753A - 超低コストの固体メモリ - Google Patents

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Abstract

【課題】十分に縮小し、低価格の三次元統合を考慮した高性能不揮発性固体メモリが必要とされている。
【解決手段】強誘電性三次元固体メモリ300は、複数のビット線313a〜313d、複数の層、複数のツリー構造302a,302b、複数のプレート線307とからなる。ビット線は第1面に配置されており第1方向に延びている。各層には強誘電性コンデンサ・メモリ・セル301のアレイが含まれる。各ツリー構造はビット線に対応し、幹線部305および複数の分岐部306とを備える。各ツリー構造の幹線部は対応するビット線から延びている。各分岐部は1つの層と対応し、ツリー構造の幹線部から延びている。複数の交差領域で対応する層では、プレート線は各層に配置され、各ツリー構造の分岐部と重なり合う。0T−FeRAMメモリ・セルは層内の各交差領域で位置付けられている。
【選択図】図3

Description

本発明は固体メモリに関するものである。特に、本発明は超低コストの固体メモリを形成する三次元(3−D)配列の強誘電性コンデンサに関する。
図1は2020年に向けて計画された想定縮小限界と、想定動作特性と、現在のまた潜在的な固体メモリ技術の概算費用とについて示した表である。2000年の収益概算のうち、依然開発中の技術をDEVとして、調査段階にある技術をRESとして表している。図に示したような固体メモリについての各ビットあたりのコストに重要な影響を与える要素には、最小限の縮小性と、セルあたりのビット数と、三次元(3−D)統合のコストとがある。
各固体技術に示されたこの縮小限界は推定であり、現在の技術的努力目標よりも物理的限界に主として基づいている。ここ数年間に渡ってシリコンの単位領域処理コストがほぼ一定に保たれている。歴史的にみれば、このコストは、低コストな3.5型ハード・ディスク・ドライブ(HDD)の単位領域あたりのコストよりも約10倍高い。300mmウェーハを用いると、この単位領域あたりのコストは約30%下がると推定されてきた。それにもかかわらず、HDDの面密度はDRAMやフラッシュ・メモリよりも約10倍高いので、現在のデスク・トップHDDではDRAMやフラッシュ・メモリよりもビットあたり約100倍ほど安い。低コスト三次元統合が可能な、図1に示したメモリ技術では、単位領域あたりのコストが60%増加するまで層を加えることで、低価格化と製造可能性の間でうまい妥協点が見つかると考えられている。
HDDが事実上備えることができない特性にはマルチビット・ストレージと三次元統合の2つがあるが、これらのいずれかを通じて、最終的に4つの技術がHDDのコストに匹敵するコストを達成する可能性がある。この4つの技術のうち2つ、すなわちプローブ・メモリとMATRIXメモリは、HDDに劣る動作特性を有している可能性が高い。別の2種の技術であるオボニック・ユニバーサル・メモリ(OVONIC UNIVERSAL MEMORY)(OUM)とゼロ・トランジスタ強誘電性メモリ(0T−FeRAM)とは、HDDを上回る性能を有している可能性が高く、HDD向けの潜在的な代替技術となる。高性能メモリがHDDの2倍高価であるとしても、大量のDRAM(または他のメモリ)で処理装置を保護する必要がないためHDDは今だに広く好まれることがある。
図1に示した種々のメモリ技術についての縮小限界と関連コスト概算ついて次に述べる。
〈SRAM〉
スタティックRAM(SRAM)セルは6個のMOSFETからなり、縮小の努力目標はトランジスタやワイヤの場合と同様である。通常最も縮小可能なMOSFET設計はダブルゲート・トランジスタであると考えられている。たとえば、ジェイ.ワング他著、「ソースとドレインのトンネリングはMOSFETの最小規模を制限するか」、IEDM Tech.ダイジェスト(IEEE),2002年p.707(J. Wang et al., “Does Source-to-Drain Tunneling Limit the Ultimate Scaling of MOSFETs?” IEDM Tech. Digest (IEEE),p.707(2002))を参照のこと。
ゲートはチャンネルから絶縁する必要があり、また絶縁層は余剰ゲート・トンネリング電流を防止するため約2nmよりも厚くする必要があるために、ゲートは少なくとも4nmにチャンネルの厚みを加えて隔てる必要がある。おおまかに言うと、高k誘導体絶縁が必要な場合でさえ、少なくともゲートとゲート間に限りトランジスタがその機能を適切に停止するためにはこのチャンネル長が必要である。その結果、最小の実用可能なトランジスタはだいたい5−6nmといったような長さである。
今日、ワイヤ間の130nmハーフ・ピッチが可能なリソグラフィを利用した場合のゲート長は約65nmとなり、2020年ごろには最小のトランジスタなら11nmノードあたりになるであろう。たとえば、ホームページhttp://public.itrs.netを参照のこと。非常に進んだリソグラフィは11nmハーフ・ピッチ・ノードが必要となる。エクストリーム紫外線(EUV)リソグラフィは波長11または13nmではF=kλ/NAによって得られ、kは定数であり位相シフト・マスクで約0.25の最小値を有す。波長およびNAであるλは開口数でありEUVリソグラフィ用に用いる反射光学部品類について約0.55の最大値を有す。たとえば、米国特許第5,815,310号明細書、ディ.エム.ウイリアムソン、「高開口数リング・フィールド光学縮小系」(U.S. Patent No.5,815,310, D.M. Williamson: “High Numerical Aperture Ring Field Optical Reduction System.”)を参照のこと。リソグラフィの限度は約5nmハーフ・ピッチであることをこれらの特定のパラメータは示しているが、この限界が到達される可能性は低い。
さらに控えめなパラメータ値、すなわちk=NA=0.4について考慮した場合でも、限界は11nmノードである。トランジスタ・ゲート長が6nmよりもいくらか長い必要がある場合でも、ゲート長よりもにワイヤ・ピッチによりセル・サイズが決まるため、メモリ密度に大きな悪影響は及ぼされない。
SRAMの最小セル・サイズは約50Fでは大きいので、結果としてF=11nmの最大密度は約0.1Tb/inとなる。読出し書込みいずれについてもSRAMが最高速の動作メモリ・タイプとなるので、速度がきわめて重要な将来のアプリケーションでは、SRAMが引き続き用いられると予想されている。
〈DRAM〉
ダイナミックRAM(DRAM)セルはMOSFETおよびコンデンサから構成されている。コンデンサに蓄積された電荷は漏れのため0.1秒毎にリフレッシュする必要がある。DRAMメモリには非常に重大な縮小上の問題がある。たとえば、ジェー.エー.マンデルマン他著、「ダイナミックRAM(DRAM)のスケーリングへの挑戦と将来の方向」、研究開発のためのIBMジャーナル、2002年、46巻、p.187(J.A. Mandelaman et al., “Challenges and Future Directions for the Scaling of Dynamic Randam-Access Memory (DRAM)” IBM Journal of Research and Development, vol. 46, p. 187 (2002))を参照のこと。
たとえば、DRAMメモリの最も重大な縮小障害のひとつの原因は放射の悪影響であり、1つのアルファ粒子が約100万の少数キャリアを創出して時々コンデンサに行き着く。放射効果からの耐性を保つために、コンデンサは100万個以上の電子を保持する必要がある。このとき電子は約30fFの容量に対応している。たとえば、エー.エフ.タスク他著、「64および256−Mbitワン・トランジスタ・セル・MOS DRAMに関するメモリ・セルおよび技術問題」、IEEE会報、1989年、77巻、p.374(A.F.Tasch et al., “Memory Cell and Technology Issues for 64 and 256-Mbit One-Transistor Cell MOS DRAMs,” Proceedings of the IEEE, vol. 77, p.374(1989))を参照のこと。
DRAMにおいて、コンデンサ状態の読み込みは壊滅的であるため、データを後で書き換える必要がある。従来の構造を用いると、30fFよりもはるかに高い容量を持つビット線に放電することによりコンデンサの状態が検知される。さらに記憶容量で減少するため簡単に検出できないレベルに感知圧力が下がる。容量は簡単にスケールできないので、現在は、シリコン・ウェーハ中に深く延び約50対1の縦横比の円筒形をしている。この規模の縦横比はさらに大きくすることはできないと思われ、すぐにコンデンサが例えばボトル形状をしたシリコン表面下で燃え上がることが必要となる。
チタン酸バリウム・ストロンチウム(BST)などの高k誘電体がコンデンサの性能を改善するために必要となる。残念ながら高k誘電体は、高漏洩であるため今日用いられる誘導体材の厚みよりも厚くする必要がある。したがって、高k誘電体の厚さによりナノメータ・スケールのコンデンサの直径が大幅に長くなることがある。このような縮小障害を伴い、DRAMがおよそ30nmよりも小さくなるような縮小可能性は低いと思われる。
〈HDD〉
歴史的にみて、ビットとデータ・トラックの間にはほとんどまたは全く空きがないため、ハード・ディスク・ドライブ(HDD)の密度はDRAMやフラッシュ・メモリよりも約10倍も高い。加えて、最小寸法のリソグラフィックによるよりもむしろフィールド勾配およびヘッド浮上高により、トラック沿いのビット密度が最初に決定される。トラック密度のみがリソグラフィにより決定される。しかしながら、HDDの面密度の利点は、ディスクの磁気結晶粒の大きさをそれ以上縮小できない超常磁性の限界により減少する可能性が高い。それは、熱エネルギーkTが磁気異方性エネルギーKVと競争し始めるからである。数年間(約330Kで)にわたり熱的に安定する書き込み済みデータは、磁気結晶粒の最小サイズ限界が約8nmまでとなる。
素材の最小安定サイズは約3nmであるが、これら素材の飽和保持力は書込みヘッドで生成できる最大実現可能フィールドよりも高くなる。結晶粒がランダムに配向されているため、データ密度減少から過度なエラー修正を防ぐにはビットあたり約10−20の結晶粒が必要となる。たとえば、アール.ウッド著、「1平方インチあたりテラビットの記録技術システム」、IEEEトランザクション・オブ・マグネティックス、2002年、38巻、p.1711(R.Wood, “Recording Technologies for Terabit per Square Inch Systems,” IEEE Transactions of Magnetics, wol. 38,p. 1711,2002)およびエム.マラリー他著、「1平方インチあたりテラビット垂直磁気記録概念設計」、IEEEトランザクション・オブ・マグネティックス、2002年、38巻、p.1719(M. Mallary et al., “One Terabit per Square Inch Perpendicular Recording Conceptual Design,” IEEE Transactions of Magnetics, vol. 38, p. 1719, 2002)を参照のこと。。
従来型記録の面密度限界は約1Tb/inということで通常受け入れられるが、画期的技術、たとえば書込み用媒体の飽和保持力を下げるためにディスクが熱せられるような熱アシスト記録を利用することが可能となることがある。それにもかかわらず、熱エネルギーkTが、Hがフィールドに印加されるゼーマン・エネルギー2HVと競合し始めじめると限界があり、書込み中適切に結晶粒が配向されない。この効果により結晶粒サイズは約4nmが限界となる。これは、通常の記録に用いられる結晶粒サイズよりも2分の1小さい。残念ながらディスクにナノメータ・スケールの熱スポットを作る実用的な方法は知られていない。
パターン化された媒体が1Tb/inをしのぐ方法として提唱されてきた。電子ビーム・マスタを用いてディスクにパターンを押して磁気アイランドを形成し、ビットあたりわずか1結晶粒となることがある。残念ながら、電子ビーム・リソグラフィ分解能はレジストに露出する二次電子のため限界がある。その二次電子により、1Tb/inをしのぐことは現在不可能である。たとえば、エス.ヤシン他著、「電子ビーム・ナノリソグラフィーのためのポリメタクリル酸メチル(PMMA)ディベロッパーとしてのメチルイソブチルケトン(MIBK)/IPAおよび水/IPAとの比較」マイクロエレクトロニック・エンジニアリング、2002年、61−62巻、p.745(S. Yasin et al., “Comparison of MIBK/IPA and Water/IPA as PMMA Developers for Electron Beam Nanolithography,” Microelectronic Engineering, vol. 61-62, p. 745, 2002)を参照のこと。図1はHDDが1Tb/inとなるための密度限界を示しており、早ければ2010年には限界に達する。
〈フラッシュ〉
フラッシュ・メモリ技術は、セルあたりシングル浮動ゲート・トランジスタを用いている。一般に、フラッシュ・メモリはHDDがかさばり過ぎる場合に用いられる。フラッシュ・メモリには高速読取り時間、比較的遅い書込み時間、低データ率と低耐久特性などの特徴がある。しかし、フラッシュ・メモリのコストは急速に下落している。また今後数年で、特にNANDおよびANDタイプのフラッシュ・メモリ構造用として最も急速に成長するメモリ・タイプであると予想されている。固定費を基準にした場合50ドルよりも相当低コストで済ませることがHDDにはできないため、小容量に関して、HDDよりもフラッシュ・メモリのコストの方が今のところ安い。今日では、縮小の激化と各セルを2ビットにする技術が最近導入されたこととによって、フラッシュ・メモリの価格は毎年半減している。各セルに4ビットの技術を数年以内に実現させることが予想されている。
マルチビット・ストレージ技術は推定コストを劇的に減少させているが、読取り/書込み処理がさらに複雑化しているためマルチビット・ストレージには一般的に性能が低下している。各セルにマルチビット保存するフラッシュ・メモリ容量は、大量の電子を保存する浮動ゲート能力に基づいている。この大容量のために、トランジスタの伝導性に多大な変化が出ている。したがって、フラッシュ・メモリには今日の技術を用いた非常な細粒度、低ノイズを備えている。
しかしながら、10年間帯電しているには浮動ゲート周辺の誘導体の厚さは少なくとも8nmは必要なため、フラッシュ・メモリには非常に厳しい縮小上の問題がある。たとえば、エー.ファジオ他著、「ETOXフラッシュ・メモリ技術:スケーリングと統合のチャレンジ」、インテル・テクノロジー・ジャーナル、2002年、6巻、p.23(A.Fazio et al., “ETOX Flash Memory Technology: Scaling and Integration Challenges,” Intel Technology Journal, vol. 6,p.23, 2002)を参照のこと。
この厚さはSRAMで使用されるゲート誘導体の厚さの4倍である。電圧プログラミング供給用の周辺トランジスタを縮小することが困難であるので、フラッシュ・メモリをプログラミンするために用いる電圧も約8ボルトよりも大きくする必要がある。
NORフラッシュ・メモリは65nm長スケールでプログラミングするとドレイン誘導バリアが低下する問題があるため、この長さより縮小することはできないと考えられている。上記A. Fazio et alを参照。同様にNANDフラッシュ・メモリを40nm以下に縮小するには重大な問題があると予想されている。それは、特にマルチビット・ストレージ用の隣接ゲート間に干渉が発生するからである。たとえば、ジェー-ディー.リー他著、「NANDフラッシュ・メモリ・セル・オペレーション」、IEEE電子デバイスレター、2002年、23巻、p.264(J.-D. Lee et al., “Effects of Floating-Gate Interference on NAND Flash Memory Cell Operation,” IEEE Electron Device Letters, vol.23,p.264, 2002)を参照のこと。
図1に示したNANDフラッシュ・メモリの縮小見通しは、さらに改良することで各セルを4ビットにする技術を用いてNANDあるいはNROMフラッシュ・メモリを約30nmまで縮小するという仮定に基づいている。このサイズ以下であること、ビットあたり電子が少数であること、回路サイズが高圧であること、記憶域に干渉を生じることなどは、縮小をさらに推進めるためには余りにも重大な障害となる可能性が高い。
〈プローブ〉
プローブ・メモリ技術は元来「ミリピード」と呼ばれ、IBMが推進しているデータ・ストレージのための概念である。これは、非常に鋭いシリコン・チップを有しているシリコン・カンチレバーの二次元アレイがシリコン基板上のポリマー薄膜を走査し、ポリマーを穿孔するために発熱するものである。たとえば、ピー.ベティガー他著、「ミリピード・ナノテクノロジー・エンタリング・データ・ストレージ」、IEEEトランザクション・オブ・ナノテクノロジー、2002年、1巻、p.39(P.Vettiger et al., “The Millipede-Nanotechnology Entering Data Storage,” IEEE Transactions of Nanotechnology, vol. 1, p39, 2002.)を参照のこと。
チップがホールに浸った際にカンチレバー冷却を検知することでビットが検出される。チップ全体がチップの配列に関連して動き所望のメモリ・アドレスに至ることが必要なために、HDDに対するとほぼ同じアクセス時間がかかる。データ率はHDDに比較してきわめて低い。つまり、各約100KHzで動作する160,000カンチレバー・アレーで、一列あたり400カンチレバーあれば4MB/sのデータ率が達成される。このデータ率が達成可能であるならば、プローブ・メモリはフラッシュおよび「1」マイクロドライブと競合することとなろう。
しかし、ミクロン・スケール熱は400°Cまでの温度で用いられると約5mWずつ電力損失するので、電力損失は読取りおよび書込みの両方について非常に高い。その結果、4MB/sデータ率で必要な消費電力は2Wとなり、それにより、プローブ・ストレージのエネルギー効率がマイクロドライブと比べて各ビットあたり2分の1となり、フラッシュ・メモリよりも少なくとも20分の1になる。プローブ・ストレージの性質は本質的には2−Dであり、ノイズやその他の問題のためにマルチビット記憶ができる可能性は低い。しかし理論上、ガラス遷移温度が異なる三層のポリマーが温度に適応して深さを変化させ各インデントあたり2ビット記憶する。
各ユニット領域あたりの概算コストは不確かであるが、少なくともほかの固体メモリと同じくらい高価となりそうである。その理由には、精密なサンドイッチ配列に2個のシリコン・ウェーハを使用すること、相当量の周辺制御回路が必要となることが挙げられる。位置合わせおよび熱ずれが主要な問題である。またウェーハ上下を恒温、かつたがいに一定温度以内にしておくために多くの熱検知器および補償ヒータが必要となる見込みである。ウェーハおよびポリマー・チップの耐性は、また別の重大問題である。
しかしながら、プローブ・ストレージにはビット・サイズをリソグラフィで判定するよりもチップの鋭さで判定することに主要な利点がある。また、ポリマーはアモルファスであるために、ゲイン・サイズに制限は生じない。その点に関しては、面密度1Tb/inのシリコン・チップを用いてIBMが実証してきた。チップ技術を改善すると密度を相当改善できるようになる可能性がある。1Tb/inでの局所酸化ストレージがナノチューブ・チップ使用により実証されてきた。
たとえば、イー.ビー.クーパー他著、「原子力顕微鏡を用いた各平方インチあたりテラビット・データ・ストレージ」、応用技術書簡、1999年、75巻、p.3566(E.B.Cooper et al., “Terabit-Per-Square-Inch Data Storage with the Atomic Force Microscope,” Applied Physics Letters, vol. 75,p.3566, 1999)を参照のこと。超シャープな耐久性のあるチップ形成のための可能な製造方法を開発できれば、10Tb/inはおそらく可能である。たとえば、イー.イエニルメズ他著、「原子力顕微鏡のためのカーボン・ナノチューブ・スキャニング・プローブ・チップのウェーハ・スケール生産」、応用技術書簡、2002年、80巻、p.2225(E.Yenilmez et al., “Water Scale Production of Carbon Nanotube Scanning Probe Tips for Atomic Force Microscopy” Applied Physics Letters, vol. 80, p.2225, 2002)を参照のこと。
〈OUM〉
もうひとつ別の台頭しているメモリ技術は、オボニック・ユニバーサル・メモリとして知られている(OUM)。たとえば、エム.ジル他著、「オボニック・統合メモリー−独立型メモリおよび埋め込みアプリケーションのための高性能な不揮発性メモリ技術」、ISSCC技術ダイジェスト(IEEE)、2002年、p.202(M. Gill et al., “Ovonic Unified Memory a High-Performance Nonvolatile Memory Technology for Stand-Alone Memory and Embedded Applications,” ISSCC Tech. Digest (IEEE), p.202, 2002)を参照のこと。
OUMはセルあたり1つのプログラム可能な抵抗器および1つのダイオード(あるいはトランジスタ)を用いる。相変化抵抗器の高および低抵抗状態(アモルファス対結晶)をビット格納に用いる。OUM書込みは抵抗器を経て高電流を通過することで達成され、材料が結晶化温度あるいは溶解温度(約400あるいは600°C)に至る。金属材を急速冷却した結果アモルファス(高抵抗)相になる。結晶相の書込みは、核を生成して成長(約50nm)させるよりも長い時間が必要となる。その結果、アモルファス相と比べて抵抗が約100倍低くなる。
パルスのプログラム中に電流(およびそれゆえに温度)を制御することで、抵抗中間値を設定することができる。またそれによりOUMを用いたマルチビット・ストレージが可能となるが、相変化抵抗器はフラッシュ・メモリのトランジスタのように直接アクセスされないため、フラッシュ・メモリの場合よりも困難となる可能性が高い。セル経由のマルチ電流経路を防ぐためにダイオードを使用すると、直接アクセスは不可能である。直列ダイオードは抵抗の変化を係数100からわずか約2まで効果的に軽減する。図1は、各セルを2ビットにする技術がOUMを用いて可能となることを示している。
アモルファス結晶境界の位置によって抵抗が判定され、原子スケール粒状度を有しているため、OUMは縮小可能である。相変化材は非常に高温に熱する必要があるが、プログラミング量が小さいため電力損失は適正となる。OUMには縮小の問題がある。それの問題とは温度勾配がサイズと反比例して縮小するため、一定のピーク温度で各単位面積および電流密度あたりの電力がサイズと反比例して縮小する。優れた熱遮断がある場合でも、600°Cを通る10nm量まで加熱するためには、電流密度が10A/cmを超えることが必要だと予想される。
ナノスケール銅線は、この電流密度での電子移動停止期間が2〜3年であることが知られており、また10A/cmですぐに破壊される。たとえば、ジー.ステインレスバーガ他著、「65nm技術ノードのための銅ダマスク相互接続:信頼性プロパティの初概観」、IEEE相互接続技術会議会報、2002年、p.265(G. Steinlesberger et al., “Copper Damascene Interconnects for the 65 nm Technology Node: A First Look at the Reliability Properties,” IEEE Interconnect Technology Conference Proceedings, p. 265, 2002.)を参照のこと。電子移動の問題はアスペクト比が大きい相互接続を用いることでおそらく避けることができる。しかし装置付近の局部電子移動は今だに大きな問題となりうる。
OUM関連の別の問題は、たとえチャンネル長が短くてこの潜在的問題軽減に役立つにしても、大電流密度で駆動するために巨大なトランジスタを必要とすることである。セルアクセス時に大電流密度を要し、多重電流経路防止のために各セルにダイオードを要すことは、OUMの三次元統合をきわめて困難にしてしまう。多結晶質シリコン・ダイオードは約10A/cmの電流密度ですぐに作動不能となる。
たとえば、オー.エッチ.キム他著、「ほう酸およびリンいずれも多量に添加されているN型領域を有す多結晶シリコン・ダイオードの高電流パルス効果」、応用物理学ジャーナル、1982年、53巻、p.5359(O.-H.Kim et al., “Effects of High-Current Pulses on Polycrystalline Silicon Diode with N-Type Region Heavily Doped with both Boron and Phosphorus,” Journal of Applied Physics, vol. 53, p. 5259, 1982)を参照のこと。
特に多結晶質シリコン・ダイオードは、約10A/cmの電流密度以下でしか信頼性がない。たとえば、米国特許第6,429,449号明細書、エフ.ゴンザレスら、「不揮発性メモリ・セルにおけるマルチステート・マテリアルと共に使用する三次元コンテナ・ダイオード」U.S. Patent No. 6,429,449, F. Gonzalez et al.: “Three-Dimensional Container Diode for Use with Multi-State Material in a Non-Volatile Memory Cell”を参照のこと。
多結晶質シリコンが用いられた場合抵抗器の面積よりも100倍大きなダイオード面積が必要となるであろう。さらに、高層円筒状型ダイオードを作るには、多くの処理工程が要求されるであろう。たとえば、上記米国特許第6,429,449号明細書を参照のこと。超高層ダイオードとは、ダイオードと層間バイアとの高縦横比を意味する。非常に大きなゲイン・サイズがプレーナ・ダイオードを用いて達成された場合ですら、単結晶粒の境界や結晶粒内に欠陥があると、デバイスがOUMメモリ書込みに必要な電流密度を与えられない原因となることがある。
単結晶シリコンを用いる必要がある際には、多重層内にダイオードを形成するために絶縁膜上に形成した結晶シリコン(SOI)製造用のウェーハ結合技術を利用できる。たとえば、ケイ.ダブリュー.他著、「最新技術0.13μm SOI CMOS デバイスおよび三次元(3D)集積回路(IC)組立のための転送回路 」、IEDM技術ダイジェスト(IEEE)、2002年、p.943(K.W.Guarini et al., “Electrical Integrity of State-of-the-Art 0.13 μm SOI CMOS Devices and Circuits Transferred for Three-Dimensional (3D) Integrated Circuit (IC) Fabrication,” IEDM Tech. Digest (IEEE), p. 943, 2002)を参照のこと。
コストを抑えるには、ホスト・ウェーハ再利用の間にシリコンの非常に薄い膜を結合することが利点となる。キャノンが開発したELTRAN方法に基づく、単結晶シリコンを用いた三次元ICを作るのに適していると思われる1つのプロセスが出現した。たとえば、ケー.サカグシ他著、「エピタキシャル層トランスファーにおける最近の進捗状況(ELTRAN)」、IEICE.トランス.エレクトロン、1997年、E80C巻、p.378(K.Sakagushi et al., “Current Progress in Epitaxial Layer Transfer (ELTRAN)” IEICE. Trans. Election., vol. E80C, p. 378, 1997)を参照のこと。
ELTRAN法により、エッチング多孔質層を形成するためにホスト・ウェーハをエッチングする。この多孔質層は非常に小さな孔が表面にあり、さらにさらに下には大きな穴がある。次に、ダイオードやトランジスタを形成する必要から高温(>600°C)処理されることがある、新しくて非常に高品質の表面層を形成するために、エピタキシャル・シリコンが孔を架橋する。
引続く次のステップは低温(<600°C)で実行可能であるため3−Dチップへの損傷をきたさない。エピタキシャル層には3−Dチップが結合され、弱多孔質層に沿って切断される。あるいは、エピタキシャル層は透過性の伝達ウェーハに結合され、切断され、次にチップに移される。エッチングおよび化学機械研磨(CMP)は2個に切断された面を新らしくするために使用され、ホスト・ウェーハが再使用される。
低温処理、たとえば相変化抵抗器の作成は、次のシリコン層が加えられる前に3−Dチップ上に実行できる。フィールド・プログラミング抵抗器に基づく別の類似方式をめぐるOUMメモリの利点とは、抵抗器を経て一方向のみで電流が通ることである。そこで、ダイオードはアクセスのためにトランジスタの替わりに用いることができ、それによりセルの大きさを減らし、かつ各シリコン層についての多くの処理をも軽減する。たとえ単結晶シリコンのコストが高くても、3−D統合は各セルにおける単結晶MOSFETを必要とする技術のコストよりもOUMのコストの方を減らすはずである。
OUMと関連する粗概算コストには、300mmウェーハをチップに処理するための約5000ドル、70mmのダイスを最高1000ダイス産出するための、1個につき約5ドルのコストが含まれる。EUVリソグラフィでは、マスク工程あたり40ドルで高額であると思われている。たとえば、ホームページ
http://www.sematech.otg/public/resources/litho/coo/index.htmを参照のこと。
一層あたり5マスクで三層と想定した場合に、ウェーハの見積もりコストには600ドルが追加される。今日ではSOIウェーハは各々が1000ドルを超え、非常に高価である。向う数年間に渡り700ドルまで価格が下がると予想されている。約600ドルにまでコストが下落し続けると、各3−Dウェーハあたりシリコン追加三層のコストは約1800ドルとなる。もし新たに600ドルが追加処理工程に予算計上すると、マスク・コストおよびテスト・コストのトータル・コストは60%増加する。
しかし、最下層にもメモリ・セルがあると仮定すればメモリ密度は4倍になる。図1によると、(1)低価格SOI技術が(今日の標準によって)3-D統合に使用できる場合と、(2)マルチビットをセルごとに保存できる場合と、(3)リソグラフィを10nmにまで落とせる場合には、HDDについて見積もったコストまで、近い見積もりコストにOUMのコストが最終的に到達する。
〈MTJ-MRAMおよび3D−MRAM〉
磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)はセルあたり1つの磁気トンネル接合および1つのダイオード(あるいはMOSFET)を使用する。MTJの高低抵抗状態(すなわち、並列対逆並列磁気電極)はビットを記録するために使用する。たとえば、ケイ.イノマタ.「磁気RAM技術の現在および将来」IEICE.トランス.エレクトロン、2001年、E84−C巻、p.740(K. Inomata, “Present and Future of Magnetic RAM Technology,” IEICE. Trans. Electron., vol. E84-C, p. 740, 2001)を参照のこと。ワード線とビット線との交点で「ソフト」あるいは「フリー」磁気電極を切り替える充分強い磁界を生み出すためにワードおよびビット線を経た電流を通すことにより、磁気トンネル接合MRAM(MTJ-MRAM)書込みが達成される。
MTJ履歴ループがまっすぐなので、MRAMでセルあたり1ビットを超えて記憶することが困難であろう。この困難を克服する1つの可能性は、2ビット保存するための異なる閾値を有する各MTJを直列に3個接続することである。2倍の情報を保存するために直列で3デバイスを接続する複雑さおよびコストについては、更なる考慮が必要とされる。そのため図1は、MRAMがセルあたり1ビットだけ有することができることを示している。
MTJ−MRAMと関連する重要な障害とは、ワイヤが小型化されるに従いワイヤ領域を産出するのに不可欠な電流密度の高密度化が乏しくなることである。この不十分な高密度化は、超常磁性効果を避けるにはソフト電極の保磁力の増加が必須であることと関係している。たとえば、40nmノードにするために立方体型磁気ビットが必要としているのは、異方性エネルギーKu=50kT/V=3.5×10ergs/cmである。核断熱消磁を1000emu/cmとするならば、異方性フィールドはHk=2K/M=70Oeとする必要がある。磁性が反転したストナー・ウォルファース・モデルを利用すると、Hが早く切り替えるのに要するフィールドとほぼ同等となると考えられる。
40nm×40nmビットおよびワード・ワイアが(磁気軸に対して角度45度で)ワイヤ中心から70Oe、40nmの磁界を生み出すには、電流密度は少なくともj=(5/21/2)Hk/d=6×10A/cmとする必要がある。上述の通り、銅線は数年後にはわずか1×10A/cmでしか機能しなくなり、そのためMTJ-MRAMを40nmとすると、銅線の電子移動の抵抗を大幅に改善することが必要となる。結果として、さらに縮小可能な技術に比べればMRAMのコストはかなり高いままとなる。
MRAMには低価格について興味深い利点が1つある:書込みが磁界を用いて行われるので、高電流がセルを通過する必要はない。読取り動作中、交点構造における多重電流経路を防ぐにはダイオードが必要であるが、ダイオードは薄膜アモルファス・シリコンから作ることができる。たとえば、ピー.ピー.フェレイタス他著.「メモリおよび読取りヘッド・アプリケーションのためのスピン依存トンネル接合」、磁気学IEEE会報、2000年、36巻、p.2796(P.P.Freitas et al., “Spin Dependent Tunnel Junctions for Memory and Read-Head Applications,” IEEE Transactions of Magnetics, vol. 36, p. 2796, 2000)を参照のこと。薄膜アモルファス・シリコン・ダイオードは単結晶シリコン・ダイオードよりもずっと安いが、アモルファス・シリコンを通る最大電流密度はわずか10A/cmである。したがって、薄膜アモルファス・シリコン・ダイオードの抵抗が非常に高いと、長RC時定数および極端な低性能化につながる。
3−D統合でMTJ-MRAMに関連する概算コストが、劇的に軽減されることがある。たとえば、各層あたり5マスクで12層と仮定すると、各ウェーハあたり2400ドルだけリソグラフィのコストが増加する。追加600ドルが他の出費に見込まれる場合は、コストが60%上昇するが、密度は12倍増加する。しかし3−Dの潜在可能性が十分あるにもかかわらず、MRAMは縮小が不十分であるため他の記憶方法と競合するほどにならないと思われる。
〈マトリックス〉
マトリックス・メモリ・セルには、一個のアンチ・ヒューズおよびアモルファス・シリコン・ダイオードが備わっている。たとえば、ティ.エイチ.リー、「マイクロチップの垂直的躍進」、サイエンス・アメリカ、2002年、286巻、p.52(T.H.Lee, “A Vertical Leap for Mictochips,” Scientific American, vol. 286, p. 52, 2002)を参照のこと。マトリックス・メモリにはさらに非常に縮小可能であるという利点があるところから、3−D統合コストは3−DMRAMと同様となるはずである。マトリックス半導体により現在開発中のマトリックス・メモリは3−D固体メモリのための最も進歩したコンセプトであり、そのチップ生産段階に近づきつつあり、商業利用が検討されている。マトリックス記憶の主な欠点は、次の通りである。(1)絶縁体の破壊に基づいているので、記憶はライトワンス型である、(2)アモルファス・シリコンダイオードが使用されているためにメモリ性能は非常に低い。
〈1T−FeRAM〉
図2に示したように、1T−FeRAMメモリ・セルは、1つのMOSFETと例示的な履歴ループ200と同様の1つの履歴ループを有する1つの強誘電性コンデンサからなる。コンデンサ誘電体が強誘電体材により置き換えられている点とやや異なる構造が使用されている点を除けば、1T-FeRAMメモリはDRAMに非常に似ている。たとえば、オー.オウシエロ他著、「強誘電性メモリの物理学」、フィジックス・トゥデイ、1998年、51巻、p.22(O. Auciello et al., “The Physics of “Ferroelectric Memories,” Physics Today, vol. 51, p. 22, 1998)を参照のこと。誘電体の替わりに強誘電体材を用いることにはいくつか利点がある。たとえば次ぎの通り。(1)コンデンサは不揮発性であり再生する必要がない。(2)コンデンサが同量のスペースに約100倍電荷を格納できる。(3)強誘電性分極が輻射により容易に影響されないのでコンデンサの輻射は硬化されている。
検出方法が変わった際に、輻射硬化性を有する性質により、1T-FeRAMメモリ・セルに関連した帯電の限界が電子数百万以下に減少し、その結果電流が検出されるかあるいはゲイン・セルが使われる。たとえば、ディ.タカシマ、「チェーンFeRAM構造の概観と傾向」、IEICE.トランス.エレクトロン.2001年、E84−C巻、p.747(D.Takashima, “Overview and Trend of Chain FeRAM Architecture,” IEICE. Trans. Electron., vol. E84-C, p. 747, 2001)を参照のこと。
結果として、1T-FeRAMはDRAMメモリと関連した縮小上の問題から解放される。たとえ強誘電体が多結晶質であっても、10nmにまで縮小可能となるはずである。その点につき、2.5nmほどの小さなPb(Zr,Ti)O(PZT)の強誘電性ゲインが熱的に安定していると計算された。たとえば、ティ.ヤマモト、「PbZrO-PbTiOシステムにおいて強誘電性特性の計算サイズ依存」インテグレイテッド・フェロエレクトリクス、1996年、12巻、p.161(T. Yamamoto, “Calculated Size Dependence of Ferroelectric Properties in PbZrO3 System,” Integrated Ferroelectrics, vol. 12, p. 161, 1996)を参照のこと。
さらに、4nmの薄い強誘電性PZT膜がのびている。たとえば、ティ.タイベル他著、「薄ペロフスカイト膜における強誘電性」、応用物理学書簡、1999年、75巻、p.856(T. Tybell et al., “Ferroelectricity in Thin Perovskite Films,” Applied Physics Letters, vol. 75, p. 856, 1999)を参照のこと。さらに、13nmほどの薄い低リーク多結晶強誘電性コンデンサが形成されている。たとえば、ティ.キジマ他著、「Si−置換超極薄強誘電性膜」Jpn.J.応用物理学、2002年、41巻、p.L716(T. Kijima et al., “Si-Substituted Ultrathin Ferroelectric Films,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 41, p. L716, 2002)を参照のこと。
最終的には6nmほどの小型の横軸強磁性域が走査プローブと入替わった。たとえば、ワイ.チョー他著、「走査式非線形の誘電体顕微鏡法に基づくTbit/inch強磁性データ記憶」、応用物理学書簡、2002年、81巻、p.4401(Y. Cho et al., “Tbit/inch2 Ferroelectric Data Storage Based on Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy,” Applied Physics Letters, vol. 81, p.4401, 2002)を参照のこと。
単一コンデンサ中に結晶粒あるいはドメイン壁ピンサイト数が十分な数がある場合、セルあたり2ビット以上格納可能となるはずである。しかしセルの中間状態は、それを破壊せずには確認することができないので、これは困難である。このため、図1には1Tおよび0T-FeRAMが10nmまで縮小できることが示唆されているが、セルあたりわずか1ビットまで制限される。
それゆえ、類似の性能と良好な縮小性を持つ1T-FeRAMの出現がDRAMに換わる好機となった。より高誘電率が求められていることから、DRAM産業界では広範囲にわたるペロフスカイト材の検討がすでに始まっている。十分に縮小し、低価格の三次元統合を考慮した高性能不揮発性固体メモリが必要とされている。
本発明の第1の実施例は、各層に配置された複数のビット線と、複数の層と、複数のツリー構造と、複数のプレート線とを備えたメモリ・デバイスを提供する。複数のビット・ラインが基板上に形成されており、実質的に第1のプレートに配列されており、実質的に第1の方向に延びている。複数の層の各層には強誘電性コンデンサ・メモリ・セルが配列されている。複数のツリー構造が少なくとも一列のツリー構造に配置されており、少なくとも1つのツリー構造が各ビット・ラインに対応する。各ツリー構造は幹線部と複数の分岐部を有している。ツリー構造の各分岐部は層に対応している。各ツリー構造の幹線部は基板から延びており、ツリー構造の各分岐部は分岐部に対応する層内でツリー構造の幹線部から延びている。少なくとも1つのツリー構造の幹線部には互いに列をなす複数のバイアが含まれる。あるいは、少なくとも1つのツリー構造の幹線部には複数のバイアが含まれ、また少なくとも1つのバイアが少なくとも1つの別のバイアと相殺している。複数のプレート線の各それぞれが第1の方向に実質的に垂直の方向に延びており、また複数の交差領域で対応する層内の各ツリー構造の分岐部と重なり合う。層内の各交差領域には、強誘電性コンデンサ・メモリ・セルが位置付けされている。加えて、プレート線の複数組それぞれが、各ツリー構造の分岐部が延びる方向に実質的に垂直の方向に配置されている。
複数のセル層線が実質的に第1の方向に延びている。複数のセル・カラム線が第1の方向に実質的に垂直の方向で延び、複数の第2の交差領域で複数のセル層線と重なり合っている。複数のプレート線ドライバ・トランジスタが二次元的に配列されている。各プレート線ドライバ・トランジスタが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされている。接続が各プレート線およびプレート線に対応するプレート線ドライバとの間に形成されている。各プレート線ドライバ・トランジスタは制御端末を備えており、各プレート線ドライバ・トランジスタに対応するセル・カラム線にはプレート線ドライバ・トランジスタの制御端末が結合されている。あるいは、各プレート線ドライバ・トランジスタに対応するセル層線にはプレート線ドライバ・トランジスタの制御端末が結合されている。
本発明の第1の実施例の代替構成では、メモリ・デバイスに複数のアクセス線と複数のアクセス・トランジスタが含まれる。複数のアクセス線は基板上に形成されている。アクセス線は、第1の方向と実質的に垂直の方向に延びており、複数の第2の交差領域でビット線と重なり合っている。各第2の交差領域はツリー構造に対応しており、各アクセス線はツリー構造の列に対応している。各アクセス・トランジスタは第2の交差領域それぞれに対応し位置決めされている。各アクセス・トランジスタは第2の交差領域に対応するツリー構造およびビット線との間に電気的に配置される。各アクセス・トランジスタは制御端末を備えており、さらに第2の交差領域に対応する。
本発明の第1の実施例のさらに別の構成では、各アクセス・ラインが書込み線であり、各アクセス・トランジスタが書込みトランジスタになっている。したがって、メモリ・デバイスには複数の読取りトランジスタ、複数の読取り線、複数のゲイン・トランジスタがさらに含まれる。複数の読取りトランジスタがツリー構造とそのツリー構造に対応するビット線との間に各々電気的に配置されている。複数の読取り線が基板上に形成され、第1の方向とは実質的に垂直の方向に延び、それにより複数の第3の交差領域でビット線と重なり合っている。第3の交差領域はそれぞれツリー構造に対応し、読取り線はそれぞれツリー構造列に対応している。各読取りトランジスタは第3の交差領域それぞれに対応して位置付けられている。さらに、各読取りトランジスタは第3の交差領域に対応するツリー構造とビット線との間に電気的に配置されている。各読取りトランジスタは制御端末を備えており、また第3の交差領域に対応する読取り線に結合されている。各ゲイン・トランジスタは読取りトランジスタに対応し、また読取りトランジスタとその読取りトランジスタに対応するツリー構造との間に配置されている。各ゲイン・トランジスタには対応するツリー構造に結合された制御端末が含まれる。
本発明の第2の実施例は、複数のビット線と、複数の層を有する三次元メモリと、複数のプレート線と、複数のプレート線ドライバ・トランジスタとを備えたメモリ・デバイスを提供する。三次元メモリの各層には、メモリ・セルが配列されている。各メモリ・セルには強誘電性コンデンサが含まれている。基板上に形成された複数のビット線が実質的に第1の面に配線されており、また実質的に第1の方向に延びている。複数のプレート線は三次元メモリの各層内に配線されている。複数のプレート線ドライバ・トランジスタは基板上に形成されており、二次元的に配置されている。各プレート線ドライバ・トランジスタはプレート線に対応している。複数のセル層線は実質的に第1の方向に延びている。複数のセル・カラム線は第1の方向とは実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で複数のセル層線と重なり合っている。各プレート線ドライバ・トランジスタは第2の交差領域それぞれで対応して位置付けられている。各プレート線とプレート線に対応するプレート線ドライバとが接続されている。
本発明の第3の実施例は、複数のビット線と、複数の層と、複数のツリー構造と、各層内に配置された複数のプレート線とを備えたメモリ・デバイス読取り・消去方法を提供する。複数のビット線が基板上に形成され、また実質的に第1の面に配線され、かつ実質的に第1の方向に延びている。複数の層の各層には、強誘電性コンデンサ・メモリ・セルが配列されている。複数のツリー構造にはツリー構造が少なくとも一列に配列されており、各ビット線に対応した少なくとも1つのツリー構造が配列されている。各ツリー構造は幹線部および複数の分岐部を有する。各ツリー構造の分岐部は層に対応している。各ツリー構造の幹線部は基板から延びており、またツリー構造の各分岐部はその分岐部に対応する層内でツリー構造の幹線部から延びている。少なくとも1つのツリー構造の幹線部には互いに列をなす複数のバイアが含まれる。あるいは、少なくとも1つのツリー構造の幹線部には複数のバイアが含まれ、少なくとも1つのバイアは少なくとも1つの別のバイアと相殺している。各複数のプレート線は第1の方向と実質的に垂直の方向に延びており、また複数の交差領域で対応する層内で各ツリー構造の分岐部と重なり合っている。強誘電性コンデンサ・メモリ・セルは層内の各交差領域に位置付けられている。さらに、プレート線の複数組のそれぞれが、各ツリー構造の分岐部が延びる方向とは実質的に垂直の方向に配線されている。本発明にしたがって、列をなす各ツリー構造が第1の所定の電圧付近で電気的に浮動できるようにする。第2の所定電圧Vが選択されたプレート線に印加される。列をなす各ツリー構造の電位変化が検出され、そして選択されたプレート線と列をなす前記ツリー構造との交点で各メモリ・セルについて、0と1のいずれに各検知電位変化が対応するかが判定される。第1の所定電圧が列をなすすべてのツリー構造に印加される。そして第1の所定電圧は選択されたプレート線に印加される。
本発明の第4の実施例は、複数のビット線と、複数の層と、複数のツリー構造と、各層内に配線された複数のプレート線とを備えたメモリ・デバイスへの読取り・消去・再書込み方法を提供する。複数のビット線は基板上に形成されており、また実質的に第1プレートに配線され実質的に第1の方向に延びている。複数の層の各層には、強誘電性コンデンサ・メモリ・セルが配列されている。複数のツリー構造には少なくとも1列のツリー構造が配列されており、各ビット線には少なくとも1つのツリー構造が対応している。各ツリー構造は幹線部および複数の分岐部を有する。ツリー構造の各分岐部は層に対応している。各ツリー構造の幹線部は基板から延びており、ツリー構造の各分岐部は分岐部に対応する層内でツリー構造の幹線部から延びている。少なくとも1つのツリー構造の幹線部には互いに線をなす複数のバイアが含まれる。あるいは、少なくとも1つのツリー構造の幹線部には複数のバイアが含まれ、少なくとも1本のバイアが少なくとも1本の別のバイアと相殺している。複数のプレート線のそれぞれが第1の方向と実質的に垂直の方向に延びており、また複数の交差領域で対応する層内の各ツリー構造の分岐部と重なり合う。強誘電性コンデンサ・メモリ・セルが層内の各交差領域で位置付けされている。加えて、プレート線の複数組のそれぞれが、各ツリー構造の分岐部が延びる方向とは実質的に垂直の方向に配置されている。
本発明にしたがって、列をなす各ツリー構造が第1の所定電圧付近を電気的に浮動できるようにする。第2の所定電圧Vが選択されたプレート線に印加される。列をなす各ツリー構造の電位変化が検出され、選択されたプレート線と列をなすツリー構造との交点で各メモリ・セルについて、0と1のいずれに各検知電位変化が対応するかが判定される。第1の所定電圧が列をなすすべてのツリー構造に印加される。そして第1の所定電圧が選択されたプレート線に印加される。本発明にしたがって、列をなすツリー構造の各ツリー構造に電圧V/3が印加される。列をなすツリー構造の各プレート線に電圧2V/3が印加される。次に、列をなすツリー構造における、所定数の選択されたツリー構造に電圧Vが印加される。第1の所定数のツリー構造と選択されたプレート線との交点では、選択された所定数のメモリ・セルにデータ「1」が書き込みされる場合、選択されたプレート線には電圧0が印加される。選択されたプレート線に電圧2V/3が印加され、列をなすツリー構造における選択された所定数のツリー構造に電圧V/3が印加される。列をなすツリー構造内の各プレート線に電圧0が印加され、列をなすツリー構造の各ツリー構造に電圧0が印加される。
本発明の第5の実施例はメモリ・デバイスの読取り・消去方法を提供する。メモリ・デバイスには、複数のビット線と、三次元メモリと、複数のプレート線と、複数のプレート線ドライバ・トランジスタとが含まれる。複数のビット線が基板上に形成され、実質的に第1の面に配線され、実質的に第1の方向に延びている。三次元メモリには複数の層と複数のツリー構造が含まれる。各層は複数のメモリ・セルを備えており、ツリー構造は少なくとも一列に配列されている。各ツリー構造は幹線部と少なくとも1つの分岐部を有する。ツリー構造の各分岐部は層に対応し、ツリー構造の各分岐部はツリー構造の幹線部から分岐部に対応する層内で延びている。複数のプレート線は三次元メモリの各層内に配線されている。プレート線の複数組のそれぞれが複数の交差領域で対応する層内で延びている各ツリー構造の分岐部と重なり合っている。層内の各交差領域には、強誘電性メモリ・セルなどのメモリ・セルが位置付けられている。複数のプレート線ドライバ・トランジスタが基板上に形成され、二次元的に配列されている。各プレート線ドライバ・トランジスタは1本のプレート線に対応している。複数のセル・ライン線は実質的に第1の方向に延びている。複数のセル・カラム線が、第1の方向とは実質的に垂直の方向に延びており、複数の第2の交差領域で複数のセル層線と重なり合う。各プレート線ドライバ・トランジスタは第2の交差領域それぞれに対応しまた位置付けられている。各プレート線およびそのプレート線に対応するプレート線ドライバとが接続されている。
本発明にしたがって、列をなす各ツリー構造が第1の所定電圧付近に電気的に浮動できるようにする。第2の所定電圧Vが選択されたプレート線に印加される。列をなす各ツリー構造の電位変化が検出され、選択されたプレート線と列をなす前記ツリー構造との交点で各メモリ・セルについて、0と1のいずれに各検知電位変化が対応するかが判定される。次に第1の所定電圧が列をなすあらゆるツリー構造に印加され、選択されたプレート線に印加される。
本発明の第6の実施例は事前消去済みメモリ・デバイスへのデータ書込み方法を提供する。メモリ・デバイスには、複数のビット線と、三次元メモリと、複数のプレート線と、複数のプレート線ドライバ・トランジスタとが含まれる。複数のビット線が基板上に形成され、実質的に第1の面に配線され、実質的に第1の方向に延びている。三次元メモリは複数の層および複数のツリー構造が含まれている。各層は複数のメモリ・セルを有し、ツリー構造は少なくとも一列に配列されている。各ツリー構造は幹線部と少なくとも1つの分岐部を有する。ツリー構造の各分岐部は1つの層に対応し、ツリー構造の各分岐部はツリー構造の幹線部から分岐部に対応する層内で延びている。複数のプレート線は三次元メモリの各層内に配線されている。プレート線の複数組のそれぞれが複数の交差領域で対応する層内で延びている各ツリー構造の分岐部と重なり合っている。層内の各交差領域には、強誘電性メモリ・セルのようなメモリ・セルが位置付けられている。複数のプレート線ドライバ・トランジスタが基板上に形成され、また二次元的に配列されている。各プレート線ドライバ・トランジスタはプレート線に対応している。複数のセル・ライン線は実質的に第1の方向に延びている。複数のセル・カラム線が、第1の方向とは実質的に垂直の方向に延びており、複数の第2の交差領域で複数のセル層線と重なり合う。各プレート線ドライバ・トランジスタは第2の交差領域それぞれに対応しまた位置付けられている。各プレート線とそのプレート線に対応するプレート線ドライバとが接続されている。
本発明にしたがって、列をなすツリー構造の各ツリー構造に電圧V/3が印加される。列をなすツリー構造の各プレート線に電圧2V/3が印加される。列をなすツリー構造における、所定数の選択されたツリー構造には、電圧Vが印加される。第1の所定数のツリー構造と選択されたプレート線との交点では、選択された所定数のメモリ・セルにデータ「1」が書き込みされる場合、選択されたプレート線に電圧0が印加される。選択されたプレート線に電圧2V/3が印加される。列をなすツリー構造における、所定数の選択されたツリー構造に電圧V/3が印加される。列をなすツリー構造内の各プレート線、および列をなすツリー構造の各ツリー構造に電圧0が印加される。
本発明によれば、十分な縮小性があり、低コスト三次元統合を考慮した高性能不揮発性固体メモリを提供することができる。
本発明は、超低コストで縮小可能な不揮発性固体メモリに関するのもので、非常に高密度、高性能であり電力損失は非常に小さい。特に、本発明は三次元(3−D)の0T−FeRAMメモリ・セル・アレイに関するものであり、各メモリ・セルには強誘電性コンデンサが含まれている。このメモリ・セルはツリー状の構造で配置されており、交点アクセスはツリーの基部を通りまたツリー列を縫って通り抜けるプレート線を経由する。ツリーには感知ゲインが内蔵されている。セル妨害はツリー列で連続アクセスにより対処される。コンデンサの多重層はアクセス・トランジスタ、ゲイン・トランジスタ、感知回路、プレート線ドライバの二次元アレイとからなる単活性シリコン層の最上部に組まれている。交差ワイヤア間の強誘電性材だけからなるメモリ層を用いて、製造コストが可能な範囲で最低になるよう構造が設計されている。こうした特別な取り計らいのため、全てのメモリ層を確定するために同じツリー・マスクを繰り返し使用することができる。
メモリ・セルのメモリ層は交差ワイヤ間の強誘電体材からなるので、0T−FeRAMの3-D統合はいつでも達成可能である。たとえば、ティー.ニシハラ他著.「未来シリコン記憶のための準マトリックス強誘電性メモリ」、IEEE固体回路ジャーナル、2002年、37巻、p.1479(T. Nishihara et al., “A Quasi-Matrix Ferroelectric Memory for Future Silicon Storage,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.37, p. 1479-2002)を参照のこと。このような構成は、従来マイクロプロセッサのトランジスタの最上部に組み込まれた標準的な8段階の配線のマイクロプロセッサを用いて行なう従来のバックエンド処理よりも複雑となることはない。さらに、強誘電体材は600°C以下の温度で作成できるので、強誘電体材はバックエンド処理に適当である。
0T‐FeRAMに基づく3-Dメモリは、上述のティー.ニシハラらにより以前から開示されている。開示のように、各メモリ層が個別のバイアを経て底部シリコン層に結合しており、その結果、バイアがかなりのスペースを消費している。したがって、コストは上昇したのにデータ密度は減少した。また共通の電極および各層のバイアを規定するために異なるマスクが必要なため、個々のバイアのマスクも一層複雑になる。そのために、マスク・コストが大幅に増加する。層セレクタ・トランジスタは、各層に個別にアクセスする際にも利用された。トランジスタはシリコンの重要部分を占め、妨害問題なしに個別アクセスが出来る最小セクタサイズを増加させた。妨害により結合したセル数が多くなると、書込み処理中にプレート線にさらに活性化させる必要があるので、書込みに必要なエネルギーが大きくなる。
ニシハラらのメモリ・デバイスのプレート線は同カラム内層間で結合しており、読取りプロセスを複雑化させていた。さらに、タイミング図が開示されていないため、どのようにデータを読込むかが明確でなかった。潜在的なアプローチとしては、プレート線を「高」に切り替え、各ユニット・トランジスタの機能を作動させることで、プレート線に接続した各ビットを連続的に読込むものがあった。これは複雑である上に、読出し中にクロストークや妨害が生じる危険があった。というのも、層内共通電極にかかる電圧は、異なる層をつなぐプレート線にコンデンサを介してつながる可能性があるからであった。
0T-FeRAMメモリの各層はわずか3つのマスクで組立可能である。各ウェーハあたり各マスク工程40ドルの概算コストでEUVリソグラフィを利用すると、各ウェーハあたりの価格5000ドルに、16層で推定1920ドルが上乗せされることとなる。コスト割増要素としてはこれが中心となる可能性が高い。さらに他の加工工程および試験コストについて1080ドルが加えられる場合、チップの見積もりコストが60%増加するが、メモリ密度が16倍となる。このことが、結果として各ビットあたりのコストを二次元メモリ構造よりも10倍低くしている。
0T−FeRAMメモリ・セルは、図1中の固体メモリのうちで、1つのセルに1つのコンデンサだけを備えた最も簡単なメモリ・セルである。電流は書込みあるいは読取り用いずれのセルをも通らないので、電流の進行を操作する他の回路素子がセル内で必要ない。強誘電性コンデンサの単純なクロスバーを使うアイデアは、初期のFeRAMでは一般的であったが、妨害問題のために使われなくなった。たとえばオー.オウシエロ他著、「強誘電性メモリの物理学」、フィジックス・トゥデイ、1998年、51巻、p.22(O. Auciello et al., “The Physics of “Ferroelectric Memories,” Physics Today, vol. 51, p. 22, 1998)を参照のこと。
妨害は、ビット線と交点にアクセスするワード線に電圧が印加される際に生じる。非選択コンデンサに低い電圧が無作為に印加されると、図2の201で示したように非選択セルが小さな分極ループを通り、分極性が失われることがある。この問題は、履歴ループの直線性が高い改良型強誘電体材を用いることで、軽減することができる。フィールドの半分はビット線から、もう半分はワード線から与えられる。半選択方式を用いれば、MRAM書込みが達成される。磁気材は直線性が非常に高い履歴ループを有しているため、半選択セルは通常MRAMにおいては切り替わらない。
妨害を軽減する別の方法は、妨害セル数を抑えかつセル妨害度毎にセルに再書込みを行うことである。実際には、妨害でつながったデータが全て読み取られるまで連続してデータを読み取り再び書き込む。DRAMと同様に、FeRAM読取り動作は破壊的でありまたその読取りデータはいずれにしても再書込みされる必要がある。たとえばティー.ニシハラ他著.「未来シリコン記憶のための準マトリックス強誘電性メモリ」、IEEEソリッドステート回路ジャーナル、2002年、37巻、p.1479(T. Nishihara et al., “A Quasi-Matrix Ferroelectric Memory for Future Silicon Storage,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.37, p. 1479-2002)および米国特許第6,301,145号明細書、ティー.ニシハラ他著、「強誘電性メモリおよび強誘電性メモリにアクセスする方法」(U.S. Patent No.6,301,145, T. Nishihara, “Ferroelectric Memory and Method for Accessing Same.”)を参照のこと。
HDDおよびFeRAMメモリと同様に、データは「セクタ」単位で読取られ、バイト・アクセスは利用できない。妨害パルスの最大数は、先頭セルが常に同じ場合には、結合したセルの数に、また開始セルが(データの特定バイトに早くアクセスするために)ランダムな場合には、セル結合数の約2倍に制限される。
図3は、本発明による図4のラインB−Bに沿って見た際の例示的三次元0T−FeRAMメモリ300の断面図を示すものである。特に図3は、ツリー列の端部の詳細を示す断面図である。図4は、図3のラインA−Aに沿って見た際の例示的三次元0T−FeRAMメモリ300の断面図を示すものである。特に図4は、プレート線の詳細を示すメモリ300の断面図である。
メモリ300には、それぞれが単一のコンデンサからなり、本明細書中では「メモリ・ツリー」とされているツリー状の構造で配置されている、複数のメモリ・セル301が含まれる。図3および図4を簡略化するため、メモリ・セル301の一部を省略した。
図3には、2つのメモリ・ツリー302aと302bが示されている。メモリ・ツリー302aと302bは、互いを鏡に映したイメージをなして配置されており、共通電圧線303をゲイン・トランジスタ304aと304bが共有することができる。ツリー構造の電圧をビット線の電流に変換する際、ゲイン・トランジスタ304と読取りトランジスタ311を用いると検出感度が改善される。図3で最もよくわかるように、各メモリ・ツリーには、銅などの伝導性素材からなるベースすなわち「幹線」部305や、やはり銅などの伝導性素材からなる複数の「分岐」部306が含まれる。各分岐部306はメモリ300の層を形成する。メモリ・セル301は分岐306に沿って配列されている。
図3に示したように、この幹線部305は複数の層において分岐部306に連結するために用いられる層の間にある一連のバイアである。本発明の動作を変更せずにこのバイアは異なる層で互いに関連して配置されることがあるが、これはメモリ・セル301が複数の層で伝導路で連結されている場合に限る。その結果、ツリーは様々な型に変えることができる。
図4で最もよくわかるように、プレート線307は分岐306間を縫うように通り抜けて形成されている。各プレート線307にはメモリ・セル301の列が連結されており、それにより3−D交点の列が形成されている。特定のメモリ・セル301への交点アクセスは幹線部305と、分岐部306と、そのメモリ・セルに対応したプレート線307とを経ることとなる。バイア308は、プレート線ドライバ・トランジスタ309の2−Dアレイへ、ツリー列の各プレート線を結合している。
図3と図4には4層しか示されていないが、各追加層をツリーの最上部にただ加えるだけで、少なくとも16層をツリー構造に加えることができる。各層を追加することにより有効なメモリ密度が高くなる。
記憶セル多重層は単一の活性シリコン層310の最上部に組み付けられるが、シリコン層310にはゲイン・トランジスタ304aと304b、読取りトランジスタ311aと311b、書込みトランジスタ312aと312b、二次元アレイのプレート線ドライバ309が含まれる。各ツリー302aと302bは、伝導性分岐314を通ってゲインMOSFET304のゲート313にツリーの幹線部305を結合することで、実装感知ゲインを有している。
メモリ・ツリーの電位は、読取り動作中に読取りトランジスタ311を作動させ、ツリーの多重列に接続するビット線313aを流れる電流を測定することで測定する。書込みトランジスタ312は、書込み動作中にメモリ・ツリーに電圧印加するために用いられる。セル妨害はツリー列内に連続してアクセスすることで対処される。これは、ツリー列をなす全てのメモリ・セルがアクセスされるまで、連続して各プレート線にアクセスすることでデータの読取りと書込みが行われるということである。
同じツリー・マスクが全てのメモリ層を規定するために繰り返して用いてもよい。このことはツリー列端部の側面図を示した図4に描かれており、その中で、プレート線307はプレート線ドライバ309の二次元アレイに接続されている。メモリ・ツリー分岐部306を作るために1つのマスクを使用する。プレート線307を作るために一定のマスク1つを使用し、バイア308を作るために1つのマスクを用いる。
プレート線マスクおよびバイア・マスクを各層で相殺して、プレート線ドライバ309に接続させることができる。このように、メモリ・ツリーの各上位層で、プレート線307が僅かに相殺されている。各上位層のバイア・マスクを相殺すると、メモリ300の動作に悪影響を及ぼさない余分の部分バイア315が生じる。またマスクを相殺すると、ツリー列の他端で部分的ツリーを生じるが、下位非反復層を適切に設計すれば、これら部分的ツリーがメモリ300の動作に悪影響を及ぼすことはない。代わりに、余分のバイア315や部分的ツリーが生じないように、異なるマスクを各層に用いてもよい。
プレート線ドライバ・トランジスタ309は二次元アレイを形成し、複数のセル層線316および複数のセル・カラム線317によって取り扱われる。図4はビット線313a〜313dも示しているが、図3は明瞭性を帰すためにビット線313aしか示していない。ビット線313a〜313dは異なる二つのレベルで幹線305を蛇行するように配線されており、それによりツリー302はできる限り近接することができる。
図8は、本発明にしたがった代替構成をとる3−D・0T‐FeRAMメモリの例の断面図を示している。メモリ・セル800にはメモリ・ツリーに配置した複数の強誘電性コンデンサ・メモリ・セル801が備えられている。図8を簡略化するため、必ずしも全てのメモリ・セル801を示したわけではない。図8には、2本のメモリ・ツリー802aと802bが示されている。メモリ・ツリー802aと802bは互いに鏡に映したイメージとされているが、必要なわけではない。各メモリ・ツリー802には、銅などの伝導素材からなる幹線部805や、やはり銅などの伝導素材からなる複数の分岐部806が含まれる。各分岐部806はメモリ・セル800の層を形成する。メモリ・セル801は分岐806に沿って配列されている。
図8に示したように幹線部805は、複数の層で分岐部806に連結するために用いられる層の間にある一連のバイアである。図3および4に示したメモリ300と同様に、幹線部805を形成するバイアは、本発明の動作を変更せずに異なる層で互いに関連して配置できるが、これはメモリ・セル801が複数の層で伝導路で連結されている場合に限る。その結果、各ツリー構造805は様々な型に変えることができる。プレート線807は、図8には示されていない他のツリー構造の分岐部806間を縫うように進むように形成されている。図8には4層しか示されていないが、追加層をツリーの最上部にただ加えるだけで、少なくとも16層をツリー構造に加えることができる。
図3および4に示したメモリ300とメモリ・セル800とは異なるが、その違いは、メモリ・セル検出感度を改善するためにゲイン・トランジスタを備えていないことと、個別の読取り線と書込み線を備えていないことにある。その代わりメモリ・セル800には、アクセス・トランジスタ811を介して特定のメモリ・セル801と、読取り動作と書込み動作の両方のためにビット線にアクセスする際に使う、アクセス線820が含まれる。
図5は例示的なメモリ300の全体チップ配置図500を示したものである。たとえば、1024本にも及び多くのツリーが列をなしてツリー列501を形成する。チップ配置図500のツリー・アレイ部502には、複数のツリー列501が配置されている。プレート線ドライバ・トランジスタ309のアレイ503がツリー列の一端部に位置している。プレート線ドライバ・トランジスタ309はセル層線316とセル・カラム線317を用いて選択されるが、セル層線316はセル層ドライバ・アレイ部504に位置付けられたセル層線ドライバにより、またセル・カラム線317はセル・カラムおよび読取り/書込みドライバ・アレイ部505とに位置付けられたセル・カラム・ドライバにより駆動させられる。
各ツリー列は専用の書込み線320と読取り線321とを備えており、この書込み線320と読取り線321のそれぞれが、セル・カラムおよび読取り書込みドライバ・アレイ部505の中に位置付けられた書込みおよび読取りドライバにより駆動させられる。簡略化のために、図4には書込み線320および読取り線321から読取り/書込みドライバ・アレイまでの接続は図示していないことに留意されたい。さらにまた、書込みおよび読取りドライバはチップ配置図500のツリー・アレイ部502の左端にも位置付け可能である点に留意されたい。ビット線313はたとえば128列にも及び多くのツリー列を通っており、ビット線ドライバおよびビット線313の端部に位置付けされる感知増幅器ドライバ・アレイ506により駆動させられる。
図6は、図3〜5に示された三次元0T‐FeRAMメモリ300の読取りメモリ・セル301bを読取る第1読取り動作600を図示したタイミング図を示している。読取り動作600は、読取り段階601とライトバック段階602とに分割されている。領域内のV/3妨害シーケンスおよび順次アクセス・シーケンスとが妨害関連の問題を予防するために用いられる。
読取り段階601にある間、図3に示した読取り線321b(図3)などの読取り線(RL)は、604のビット線313aなどのビット線(BL)上を浮動するオフセット電流を生じる603で作動させられる。606では、セル・カラム選択線317bなどのセル・カラム選択線(CC1)が作動させられる。605では、電圧Vがプレート線ドライバを介して、またプレート線307bなどのプレート線(PL11)にあるセル層線の1本に印加され、そのプレート線に接続したツリー列にある全ての記憶セル上に0が書き込まれる。(標記PL11は、カラム1の層1に物理的に位置付けられた、すなわち図3の右下角に向っているプレート線を表示している)。
他のセル・カラム・トランジスタ(CC2)(607として示した)は、PL21などの選択された層内にあるその他のプレート層が高電圧Vになることを防ぐために、その機能を停止しなければならない。「X」が任意の層を示しているカラム2のプレート線PLX2も、608に示したように浮動もしている。
選択されたメモリ・セル301bが「0」を含む場合、609aのメモリ・ツリー(MT)302bに少量帯電し、メモリ・ツリー302bの電圧がわずかに上昇する。対照的に、メモリ・セル302bが「1」を含む場合、分極が作動し、609bのメモリ・ツリー302bが多量に帯電され、それにより電位変化およびゲイン・トランジスタ304bのコンダクタンスに大きな変化が生じる。ビット線313a感知器に接続した感知増幅器(図示せず)は、余分のサンプル・ツリー(図示せず)に位置付けられた既知の「0」および「1」に基づき、ビット線電流の変化が「1」になるほど大きいかどうかを検知する。結果は、ライトバック段階602に備えて、感知増幅器に記憶される。選択されたプレート線に沿うすべてのビット(たとえば合計1024ビット)が同時に検出される。次に、610では、読取り段階601中、メモリ・ツリー302bを放電することにより、「0」を補強する。
611で示した通り、ツリー列における全てのメモリ・ツリー302をV/3にすることでライトバック段階602が開始する。この時点で、612では、非アクセス・カラムの全てのプレート線306が2V/3(PLX2)にされる。次に、613では別のセル・カラム・トランジスタCC2が機能を停止し、614ではPL21が2V/3にされ、一方615ではPL11が0に保たれる。616aではメモリ・セル301bが「0」を含む際にはメモリ・ツリー302bがV/3に保たれる。メモリ・セル301bが「1」を含んでいた場合、(616bでは)メモリ・ツリー302bに電圧Vが印加される。プレート線上の全てのメモリ・セル(たとえば1024ビット)が同時に書込まれる。妨害電圧は最大V/3に保たれる。それにもかかわらず、メモリ・ツリーにパルスが生じている間PLX2が浮動しているので、容量結合がプレート線上の電位を増加させる可能性がある。結果として、V/3で維持されているメモリ・ツリーで妨害電圧差がV/3よりも大きくなることがある。
図7はタイミング図を示しており、図3〜5のような三次元0T−FeRAMメモリ300のメモリ・セル301bを読取るための第2の、好ましい代替読取り動作700が示されている。読取り動作700には、読取り段階701とライトバック段階702が含まれる。読取り段階701は図6の読取り段階601と同一であり、同様に表記されている。711で示されているように、ツリー列の全てのメモリ・ツリー302をV/3にすることで、ライトバック段階702の始まりがライトバック段階602と類似したものになる。
その後、712a,712b,712cで示されているように、全てのプレート線307が2V/3にされる。713bでは、ツリー列のメモリ・ツリー302が、メモリ・セル301bに「1」が含まれる場合にはVにされ、「0」が含まれる場合にはV/3のままとされる。714では、プレート線307bが0にパルスされる。パルスの間プレート線PLX2が浮動していても、メモリ・ツリーは浮動も電位変更もしないために影響されない。ここでも、プレート線307b上の全てのメモリ・セルに同時に書込みがなされる(たとえば、合計1024ビット)。
図6と図7のどちらの読取り動作が用いられるかに関わらず、ツリー列の全てのプレート線が読取り・書込みされるまで、同一の処理が次のプレート線に対して繰り返される。データ書込みの場合、図6と図7どちらかのライトバック段階だけが用いられ、読取り段階の動作が省略される。メモリ・セル800(図8)の動作は、信号BL(V)で描かれている出力を含む図6および7のタイミング図に示されている。信号BL(I)はメモリ・セル800には出現しない。また、アクセス・トランジスタは、読取り、書込み動作両方を目的に作動し、メモリ・ツリー電圧(MT)が読取り、書込み動作のためにビット線電圧(BL)に印加される。
各分岐に4セル、16層あり、さらに1024のツリーが列をなすメモリ・ツリーアレイでは、最小データ領域サイズが8KBである。妨害最大回数は連続アクセス動作中は64であり、また開始プレート線のランダムに選択中は127である。アクセスされない別のツリー列では妨害状態は生じない。
銅の内部連結(すなわち幹線305および分岐306)についてと、上述したティ.キジマらによる開示のような強誘電性コンデンサを備えたメモリ・セルについて、メモリ300の性能特性が推測可能である。この例については、強誘電性コンデンサの厚みはs=13nm、分極はP=20μC/cm、誘電率はε=200である。あるコンデンサが切り替わる場合、「1」と「2」の間のメモリ・ツリー電圧差は、Nをツリーのコンデンサ数とするV=2Ps/Nεεで得られる。N=64の場合電圧差Vは46mVとなる。60mV/decadeのトランジスタ閾下スロープと仮定してゲイン・トランジスタのコンダクタンスは6倍だけ変化する。このように、ゲイン・トランジスタからの信号出力は、簡単に検出できるほど大きい。
メモリ300の速度は、強誘電性スイッチング時間よりもむしろプレート線容量で決まる。たとえば、ペロブスカイト材の切り替え時間は1nsよりもかなり少ない。プレート線の容量は、大誘電率と強誘電体材の容量で大半が占められる。コンデンサが切り替わらない場合、容量はMをプレート線のコンデンサ数とし、Aを各コンデンサ領域とするC=MεεA/sとなる(エッジ効果は無視)。コンデンサのサイズが11nmでM=1024とした場合には、C=fFとなる。スイッチング電圧が0.5Vとされると、各コンデンサの有効切り替え容量は2PA/V=0.1fFとなる。その結果、コンデンサの半分が切り替わる場合、有効プレート線容量は50fFとなる。最大電流密度が10A/cmであるとすると、22×11nmのワイヤを通る最大電流は24μAとなる。したがって、コンデンサの半分が切り替わる場合、スルーレート限界のプレート線立ち上がり時間はCV/I=1nsであり、コンデンサ全てが切り替わる最悪の場合には2nsである。
ナノスケールでの銅線の比抵抗はインターフェイス分散により増加するため、その比抵抗はρ=5μΩ・cmと考えられている。銅線22×11nmの抵抗は長さ22μmに対して5kΩである。RC時定数は0.2nsであるためコンデンサが切り替わる際は、読取りおよび書込み時間の大半をプレート線スルーレートが占める。したがって特定のデータバイト読取り最低時間は2nsよりもやや長い。この2nsはHDDよりも約100万倍高速のアクセス時間である。この概算値では、感知増幅器がプレート線立ち上がり時間と比較して早いことも推定されている。
図7のタイミング図を参照すると、切り替えを生じるプレート線の振幅2回(容量100fFまで伴う)と、切り替えが生じないプレート線の振幅4回(容量17fFまで伴う)とが読取り/書込み1サイクル中にある。図1において、最低読取りアクセス時間は15ns、最小書込みアクセス時間は10nsである。その結果、読取り/書込みサイクル時間は1プレート線あたり15nsで、データ8KBあたり1μsである。これは、チップ上の1ツリー・アレイのデータ速度が、データ速度がより速いときでも並列の配列多数を動作する8GB/sであることを意味する。
特に、全てのプレート線を2V/3にし、かつ妨害の影響を減らすため0に戻す必要がある書込みサイクル中、所要電力は、プレート線振幅が大半を占める容量をCとするCVに基づき計算することができる。強誘電性体が改良できる場合、読取り/書込みサイクルを通してPL11(図6および7)以外の全てのプレート線をV/2に保てる場合があり、アクティブ・プレート線およびメモリ・ツリー以外帯電する必要がないため、結果として電力効率が高くなる。速度も上がるが、妨害電圧はV/3ではなくV/2となる。低誘導率が低い強誘電性材を用いて所要電力を減らすことも可能である。
図7に示したタイミングの場合でも、所要電力は図1に挙げた別のタイプのメモリよりもさらに小さい。たとえば、64プレート線を想定し、各プレート線振幅およびメモリ・ツリー振幅に備えてCVエネルギーを合計すると、15nsに1024ビットの読取りおよび書込みには0.5pJが必要であり、これは8GB/sに対する35μWに該当する。このことが、約10W電力でデータ速度が200MB/sになるHDDに都合よく匹敵する。したがって0T‐FeRAMのエネルギー効率は、HDDよりも約1000万倍高くすることができる。
本発明の所要電力と対照的に、ナノスケール量を600°Cまで加熱するためにOUMセルを通した電流密度は約10A/cmとする必要があり、一方読取りのための電流密度はおそらくこの量の半分である。断面積11nm×11nmのOUMセルについては、所要電流は12μAである。ダイオードに印加される電圧および相変化セルは約1.5Vであるため、電力放散は18μWとなる。書込みには少なくとも50ns要するため、1ビット書込みに対するOUMの必要エネルギー量は1pJとなる。多ビットOUMについて、多重パルスがプログラムに必要なことがあり合計時間が長くなる。したがってこの例では、0T‐FeRAM書込みはOUM向けのときよりも2000倍さらにエネルギー効率が上がる。
このように、本発明による三次元強誘電性メモリは、固体記録用にフラッシュ・メモリと潜在的に置き換え可能である。さらにコスト分析の予測によれば、本発明に従った三次元強誘電性メモリは将来HDDと存続可能な代替手段にもなることが示されている。HDDに関連する発明による非常に高性能な強誘電性メモリは、コンピュータ・システムにおけるDRAM大容量化の必要性もなくすであろう。
本発明について現在本発明を実施する好ましい形態を含む特定の例に関して述べたが、特許請求の範囲に示したような発明の精神および範囲内で、上述のシステムおよび技術の変形例や置換え例がいくつもあることは、当業者らにはわかるであろう。
2020年に計画されている電流および電位の固体メモリ技術の縮小限界における概算の性能特性およびコストを説明する表である。 FeRAMベースのメモリ・セル特性を示した例示的履歴ループの図である。 図4に示した線B−Bに沿って見た、本発明にしたがった例示的三次元0T‐FeRAMメモリの断面図である。 図3に示した線A−Aに沿って見た例示的三次元0T‐FeRAMメモリの断面図である。 図3および図4に示した例示的メモリの全体的チップ配置図である。 本発明にしたがった三次元0T‐FeRAMメモリの読取りメモリ・セルの第1読取り動作を示すタイミング図である。 本発明にしたがった三次元0T−FeRAMメモリのメモリ・セルを読み取るための第2の代替的読取り動作を示したタイミング図である。 本発明にしたがった第2の例示的三次元0T‐FeRAMメモリの断面図である。
符号の説明
300…三次元0T−FeRAMメモリ
301…メモリ・セル
302a、302b…メモリ・ツリー
303…共通電圧線
304a、304b…:ゲイン・トランジスタ
305…幹線部
306…分岐部
307…プレート線
308…バイア
309…プレート線ドライバ・トランジスタ
310…シリコン層
311a、311b…読取りトランジスタ
312a、312b…書込みトランジスタ
313a〜313d…ビット線
314…伝導性分岐
315…部分バイア
316…セル層線
317…セル・カラム線
320…書込み線
321…読取り線
500…チップ配置図
501…ツリー列
502…ツリー・アレイ部
503…アレイ
504…セル層ドライバ・アレイ部
505…読取り/書込みドライバ・アレイ部
506…感知増幅器ドライバ・アレイ
600…第1読取り動作
601…読取り段階
602…ライトバック段階
700…読取り動作
701…読取り段階
702…ライトバック段階
800…メモリ・セル
801…強誘電性コンデンサ・メモリ・セル
802a、802b…メモリ・ツリー
805…幹線部
806…分岐部
807…プレート線
811…アクセス・トランジスタ
820…アクセス線

Claims (27)

  1. 基板上に形成されており実質的に第1のプレートに配置され、また実質的に第1の方向に延びている複数のビット線と、
    各層が強誘電性コンデンサのメモリ・セル・アレイを有する複数の層と、
    各ツリー構造が幹線部および複数の分岐部を有する少なくとも1つのツリー構造が各ビット線に対応する複数のツリー構造であって、ツリー構造の各分岐部が1つの層に対応しており、各ツリー構造の前記幹線部は前記基板から延びており、前記分岐部に対応する層内でツリー構造の各分岐部が前記ツリー構造の前記幹線部から延びている複数のツリー構造と、
    複数組の各それぞれが前記対応する層内で延びた各ツリー構造の前記分岐部と複数の交差領域で重なり合い、強誘電性コンデンサのメモリ・セルが層内の各交差領域で位置決めされている、各層内に配置された複数のプレート線と、
    を有することを特徴とするメモリ・デバイス。
  2. 少なくとも1つのツリー構造の前記幹線部には複数のバイアが含まれ、また少なくとも1つのバイアが少なくとも1つの別のバイアと相殺していることを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  3. 少なくとも1つのツリー構造の前記幹線部には互いに列をなす複数のバイアが含まれていることを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  4. 複数組のプレート線のそれぞれが各ツリー構造の前記幹線部の延びる方向と実質的に垂直の方向に配置されていることを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  5. 各ツリー構造の前記幹線部が前記第1の方向と実質的に平行する方向に延びていることを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  6. 前記複数のツリー構造が少なくとも一列に配列されていることを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  7. さらに、実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と、
    実質的に前記第1の方向と垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセル・カラム線と、
    各プレート線ドライバ・トランジスタが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされており、かつ各プレート線と前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続されている、二次元的に配列された複数のプレート線ドライバ・トランジスタとを有することを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  8. 各プレート線ドライバ・トランジスタが制御端末を有し、各プレート線ドライバ・トランジスタに対応するセル・カラム線が前記プレート線ドライバ・トランジスタの前記制御端末に連結されていることを特徴とする請求項7記載のメモリ・デバイス。
  9. 各プレート線ドライバ・トランジスタが制御端末を有し、各プレート線ドライバ・トランジスタに対応するセル層線が前記プレート線ドライバ・トランジスタの前記制御端末に連結されていることを特徴とする請求項7記載のメモリ・デバイス。
  10. さらに、前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延び、ぞれぞれがツリー構造に対応する複数の第2の交差領域で前記ビット線と重なり合い、さらに各アクセス・ラインがツリー構造列に対応している、基板上に形成された複数のアクセス・ラインと、
    それぞれがそれぞれの第2の交差領域に対応して位置決めされており、さらにそれぞれが前記ツリー構造と前記第2の交差領域に対応する前記ビット線との間に電気的に配置されており、それぞれが制御端末を備えかつ前記第2の交差領域に対応した前記アクセス・ラインに結合されている、複数のアクセス・トランジスタと、
    を有することを特徴とする請求項1に記載のメモリ・デバイス。
  11. さらに、ツリー構造と前記ツリー構造に対応する前記ビット線との間に各々電気的に配置された複数の読込みトランジスタと、
    前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延びまた複数の第3の交差領域で前記ビット線と重なり合い、各第3の交差領域がツリー構造に対応し、さらにそれぞれがツリー構造の列に対応している、前記基板上に形成された複数の読取り線と、
    それぞれが第3の交差領域それぞれに対応して位置付けされており、さらに前記ツリー構造と前記第3の交差領域に対応する前記ビット線との間に電気的に配置されており、また制御端末を備えており、さらに前記第3の交差領域に対応した前記読取り線に結合されている複数の読取りトランジスタと、
    を有し、各アクセス・ラインが書込みラインでありまた各アクセス・トランジスタが書込みトランジスタであることを特徴とする請求項10記載のメモリ・デバイス。
  12. さらに、複数のゲイン・トランジスタのそれぞれが、読取りトランジスタに対応し、前記読取りトランジスタと前記読取りトランジスタに対応する前記ツリー構造との間に配置されており、前記対応するツリー構造に結合された制御端末を含む複数のゲイン・トランジスタを有することを特徴とする請求項11記載のメモリ・デバイス。
  13. さらに、前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延びまた複数の第2の交差領域で前記ビット線と重なり合い、各第2の交差領域はツリー構造に対応し、さらにそれぞれがツリー構造の列に対応しかつ対応する各ツリー構造と前記ツリー構造に対応する前記ビット線との間に電気的に配置された前記読取りトランジスタに電気的に結合された、前記基板上に形成された複数の読取り線と、
    それぞれが第2の交差領域それぞれに対応して位置付けされており、さらに前記ツリー構造と前記第2の交差領域に対応する前記ビット線との間に電気的に配置されており、制御端末を備え、さらに前記第2の交差領域に対応する前記読取り線に結合している複数の読取りトランジスタと、
    を有することを特徴とする請求項1記載のメモリ・デバイス。
  14. さらに、それぞれが読取りトランジスタに対応し、前記読取りトランジスタと前記読取りトランジスタに対応する前記ツリー構造との間に配置されており、前記対応するツリー構造に結合された制御端末を含む、複数のゲイン・トランジスタを有することを特徴とする請求項13記載のメモリ・デバイス。
  15. 基板上に形成されており、実質的に第1の面に配線され、かつ実質的に第1の方向に延びている複数のビット線と、
    複数の層を有する三次元メモリと、
    前記三次元メモリの各層内に配置された複数のプレート線と、
    おのおのがプレート線に対応する、前記基板上に形成されかつ二次元的に配列された複数のプレート線ドライバ・トランジスタと、
    を有することを特徴とするメモリ・デバイス。
  16. さらに、実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と、
    前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセル・カラム線と、を有し、
    それぞれのプレート線ドライバ・トランジスタがそれぞれの第2の交差領域に対応して位置決めされており、かつ各プレート線と前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続されていることを特徴とする請求項15記載のメモリ・デバイス。
  17. 前記三次元メモリの各層にはメモリ・セル・アレイが含まれ、各メモリ・セルには強誘電性コンデンサが含まれていることを特徴とする請求項15記載のメモリ・デバイス。
  18. 基板上に形成されかつ実質的に第1面に配列され、かつ実質的に第1方向に延びた複数のビット線と、
    それぞれが強誘電性コンデンサ・メモリ・セル・アレイを有し実質的に前記第1面に平行となっている複数の層と、
    それぞれがビット線に対応しかつ幹線部と複数の分岐部を有し、ツリー構造の各分岐部は1つの層に対応し、各ツリー構造の前記幹線部は前記対応するビット線から延び、ツリー構造の各分岐部が前記ツリー構造の前記幹線部から前記分岐部に対応する層内で延びている、少なくとも一列に配列された複数のツリー構造と、
    それぞれが、前記対応する層内の複数の交差領域で延びている各ツリー構造の前記分岐部と重なり合う、各層内に配線された複数のプレート線と、
    層内の各交差領域に位置決めされている強誘電性コンデンサ・メモリ・セルとが備えられているメモリ・デバイス読取り及び消去方法において、
    列をなす各ツリー構造が電気的に第1の所定電圧付近を浮動するようにするステップと、
    選択されたプレート線に第2の所定電圧Vを印加するステップと、
    前記列をなした各ツリー構造の電位変化を検知するステップと、
    前記選択されたプレート線と前記列をなす前記ツリー構造の交点で検知された各電位変化が各メモリ・セルについて0と1のいずれに対応するかを判定するステップと、
    前記列をなすツリー構造毎に前記第1の所定電圧を印加するステップと、
    前記選択されたプレート線に前記第1の所定電圧を印加するステップと、
    を含むことを特徴とするメモリ・デバイスの読取り及び消去方法。
  19. さらに前記メモリ・デバイスには、
    実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と、
    前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセル・カラム線と、
    それぞれが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされており、かつ各プレート線と前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続され、二次元的に配列された複数のプレート線ドライバ・トランジスタとが含まれることを特徴とする請求項18記載の方法。
  20. 基板上に形成されかつ実質的に第1面に配列され、かつ実質的に第1方向に延びた複数のビット線と、
    それぞれが強誘電性コンデンサ・メモリ・セル・アレイを有し、実質的に前記第1面と平行二なっている複数の層と、
    それぞれがビット線に対応しかつ幹線部および複数の分岐部を有し、ツリー構造の各分岐部が1つの層に対応し、各ツリー構造の前記幹線部が前記対応するビット線から延び、ツリー構造の各分岐部が前記ツリー構造の前記幹線部から前記分岐部に対応する層内で延びている、少なくとも一列に配列された複数のツリー構造と、
    それぞれが、前記対応する層内の複数の交差領域で延びている各ツリー構造の前記分岐部と重なり合う各層内に配線された複数のプレート線と、
    層内の各交差領域に位置決めされている強誘電性コンデンサ・メモリ・セルとが備えられている事前消去済みメモリ・デバイスへのデータ書込み方法において、
    ツリー構造列の各ツリー構造に電圧V/3を印加するステップと、
    ツリー構造列の各プレート線に電圧2V/3を印加するステップと、
    前記ツリー構造列の選択された所定数のツリー構造に電圧Vを印加するステップと、
    ツリー構造の前記第1の所定数および選択されたプレート線との交点で、選択された所定数のメモリ・セルにデータ「1」が書き込まれる選択されたプレート線に電圧0を印加するステップと、
    前記選択されたプレート線に電圧2V/3を印加するステップと、
    前記ツリー構造列で選択された前記所定数のツリー構造に電圧V/3を印加するステップと、
    ツリー構造列の各プレート線に電圧0を印加するステップと、
    ツリー構造列の各ツリー構造に電圧0を印加するステップと、
    を含むことを特徴とする事前消去済みメモリ・デバイスへのデータ書込み方法。
  21. さらに、前記メモリ・デバイスには、
    実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と、
    前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセルカラム線と、
    それぞれが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされており、かつ各プレート線と前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続されている、二次元的に配列された複数のプレート線ドライバ・トランジスタと、
    が含まれていることを特徴とする請求項20記載の方法。
  22. 基板上に形成され実質的に第1面に配列され、また実質的に第1方向に延びた複数のビット線と、
    各層が複数のメモリ・セルを有し、かつ前記ツリー構造が少なくとも一列に配列され、各ツリー構造が幹線部および少なくとも1つの分岐部を有し、ツリー構造の各分岐部が1つの層に対応し、ツリー構造の各分岐部が前記ツリー構造の前記幹線部から前記分岐部に対応する層内で延びた、複数の層および複数のツリー構造を備えた三次元メモリと、
    それぞれが複数の交差領域で前記対応する層内で延びた各ツリー構造の前記分岐部と重なり合う、前記三次元メモリの各層内に配線された複数のプレート線と、
    層内の各交差領域に位置付けされているメモリ・セルと、
    各プレート線ドライバ・トランジスタがプレート線に対応する、前記基板上に形成されまた二次元アレイに配置された複数のプレート線ドライバ・トランジスタとを有するメモリ・デバイスの読取り及び消去方法において、
    列をなす各ツリー構造が電気的に第1の所定電圧付近を浮動するようにするステップと、
    選択されたプレート線に第2の所定電圧Vを印加するステップと、
    前記列をなす各ツリー構造の電位変化を検出するステップと、
    前記選択されたプレート線と前記列をなす前記ツリー構造の交点で、検知された各電位変化が各メモリ・セルについて0と1のいずれに対応するかを判定するステップと、
    前記列をなすツリー構造毎に前記第1の所定電圧を印加するステップと、
    前記選択されたプレート線に前記第1の所定電圧を印加するステップと、
    を含むことを特徴とするメモリ・デバイスの読取り及び消去方法。
  23. 少なくとも1つのメモリ・セルが強誘電性メモリ・セルであることを特徴とする請求項22記載の方法。
  24. さらに、実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と
    前記第1の方向と実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセル・カラム線とを有し、
    それぞれが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされており、かつ各プレート線および前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続されていることを特徴とする請求項22記載の方法。
  25. 基板上に形成され実質的に第1面に配列され、また実質的に第1方向に延びた複数のビット線と、
    各層が複数のメモリ・セルを有し、かつ少なくとも一列に配列され、それぞれが幹線部および少なくとも1つの分岐部を有し、各分岐部が1つの層に対応し、各分岐部が前記幹線部から前記分岐部に対応する層内で延びた、複数の層および複数のツリー構造を備えた三次元メモリと、
    それぞれが複数の交差領域で前記対応する層内で延びた各ツリー構造の前記分岐部と重なり合う、前記三次元メモリの各層内に配線された複数のプレート線と、
    層内の各交差領域に位置付けされているメモリ・セルと、
    それぞれがプレート線に対応する、前記基板上に形成されまた二次元アレイに配置された複数のプレート線ドライバ・トランジスタとを備えた、事前消去済みメモリ・デバイスへのデータ書込み方法において、
    ツリー構造列の各ツリー構造に電圧V/3を印加するステップと、
    ツリー構造列の各プレート線に電圧2V/3を印加するステップと、
    前記ツリー構造列の選択された所定数のツリー構造に電圧Vを印加するステップと、
    ツリー構造の前記第1の所定数および選択されたプレート線との交点で、選択された所定数のメモリ・セルにデータ「1」が書き込まれる選択されたプレート線に電圧0を印加するステップと、
    前記選択されたプレート線に電圧2V/3を印加するステップと、
    前記ツリー構造列で選択された前記所定数のツリー構造に電圧V/3を印加するステップと、
    ツリー構造列の各プレート線に電圧0を印加するステップと、
    ツリー構造列の各ツリー構造に電圧0を印加するステップと、
    を含むことを特徴とする事前消去済みメモリ・デバイスへのデータ書込み方法。
  26. 少なくとも1つのメモリ・セルが強誘電性メモリ・セルである請求項25記載の方法。
  27. さらに、実質的に前記第1の方向に延びた複数のセル層線と、
    前記第1の方向に実質的に垂直の方向に延び、複数の第2の交差領域で前記複数のセル層線と重なり合う複数のセル・カラム線とを有し、それぞれのが第2の交差領域それぞれで対応して位置決めされており、かつ各プレート線および前記プレート線に対応する前記プレート線ドライバとが接続されていることを特徴とする請求項25記載の方法。
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