JP2007184086A - 相変化メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電流駆動能力が向上した相変化メモリ装置を提供すること
【解決手段】 複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロックと、複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロックと、第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含む相変化メモリセルアレイ、及び第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルアップさせる第1及び第2のプルアップトランジスタを備えるロードライバーを含む。
【選択図】図3
【解決手段】 複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロックと、複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロックと、第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含む相変化メモリセルアレイ、及び第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルアップさせる第1及び第2のプルアップトランジスタを備えるロードライバーを含む。
【選択図】図3
Description
本発明は相変化メモリ装置に係り、さらに詳細には、電流駆動能力が向上した相変化メモリ装置及びその製造方法に関する。
相変化メモリ装置(Phase change Random Access Memory;PRAM)は、加熱後冷却されながら結晶状態又は非晶質状態に変化されるカルコゲナイド合金のような相変化物質を用いてデータを格納する。すなわち、結晶状態の相変化物質は抵抗が低く、非晶質状態の相変化物質は抵抗が高いため、結晶状態はセット又は論理レベル0となり、非晶質状態はリセット又は論理レベル1とする。
相変化メモリ装置は、ビットラインとワードラインが交差する領域にそれぞれ形成された複数の相変化メモリセルを含む。ここで、相変化メモリセルは貫通電流によって抵抗の大きさが変化する相変化物質を含む可変抵抗素子と、相変化物質を流れる貫通電流を制御するアクセス素子(例えば、セルダイオード)を含む。
図1は、従来の相変化メモリ装置を説明するための回路図である。
図1を参照すれば、従来の相変化メモリ装置1は相変化メモリセルアレイ2とロードライバー6を含む。具体的には、相変化メモリセルアレイ2は複数のビットライン(BL0〜BLn)とワードライン(WL0、WL1)との間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセル3を含む。ロードライバー6はプルアップトランジスタ7とプルダウントランジスタ8で構成されるインバータを備え、ローアドレス(XS0、XS1)に応答してワードライン(WL0、WL1)の電圧レベルを調節する。
相変化メモリセル3に格納されたデータを読み出したり、データを書き込んだりするとき、複数のビットライン(BL0〜BLn)のうち一つのビットラインが選択され、複数のワードライン(WL0、WL1)のうち一つのワードラインが選択される。例えば、ビットライン(BLn)とワードライン(WL1)と接続された相変化メモリセル3が選択されれば、図1に示すような貫通電流5が発生し、このような貫通電流5を用いて読み出し又は書き込みを行うようになる。
一方、このように電流パスに対応する各ワードライン(WL0、WL1)は固有抵抗(R_WL0、R_WL1)が大きいので、一つのワードラインに接続できる相変化メモリセル3の個数が制限される。また、固有抵抗(R_WL0、R_WL1)が大きいワードライン(WL0、WL1)を駆動するためにはロードライバー6の電流駆動能力が大きくならなければならない。
韓国公開特許第2003−014613号
本発明が解決しようとする技術的課題は、電流駆動能力が向上した相変化メモリ装置を提供することにある。
本発明の技術的課題は上述した技術的課題に制限されず、言及されないまた他の技術的課題は以下の記載から当業者に明確に理解されることができることである。
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施形態による相変化メモリ装置は、複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロックと、複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロックと、前記第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含む相変化メモリセルアレイ、及び前記第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルアップさせる第1及び第2のプルアップトランジスタを備えるロードライバーを含む。
前記技術的課題を達成するための本発明の他の実施形態による相変化メモリ装置は、複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロック、複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロック、及び第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含む。
前記技術的課題を達成するための本発明のさらに他の実施形態による相変化メモリ装置は、半導体基板、半導体基板上に一方向に延長されて形成された第1及び第2のゲート電極と、第1及び第2のゲート電極の間の半導体基板内に形成された共通ジャンクション領域と、第1のゲート電極に対して共通ジャンクション領域の反対側に形成された第1のジャンクション領域と、第2のゲート電極に対して共通ジャンクション領域の反対側に形成された第2のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルダウントランジスタ、半導体基板上に第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された第1の導電ライン、及び前記第1及び第2のジャンクション領域と第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルを含む。
前記技術的課題を達成するための本発明のさらに他の実施形態による相変化メモリ装置は、第1のアクティブ領域と第2のアクティブ領域が定められた半導体基板、第1及び第2のアクティブ領域上に一方向に延長されて形成された第1及び第2のゲート電極と、第1及び第2のゲート電極の間の第1のアクティブ領域内に形成された第1の共通ジャンクション領域と、第1のゲート電極に対して第1の共通ジャンクション領域の反対側に形成された第1のジャンクション領域と、第2のゲート電極に対して第1の共通ジャンクション領域の反対側に形成された第2のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルダウントランジスタ、半導体基板上に第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された第1の導電ライン、第1及び第2のジャンクション領域と第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセル、及び第1及び第2のゲート電極と、第1及び第2のゲート電極の間の第2のアクティブ領域内に形成された第2の共通ジャンクション領域と、第1のゲート電極に対して第2の共通ジャンクション領域の反対側に形成され、第1のジャンクション領域と電気的に接続された第3のジャンクション領域と、第2のゲート電極に対して第2の共通ジャンクション領域の反対側に形成され、第2のジャンクション領域と電気的に接続された第4のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルアップトランジスタを含む。
その他の実施形態の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。
上述したように本発明の実施形態による相変化メモリ装置は、書き込み電流又は読み出し電流が固有抵抗が大きいワードラインを経ず相変化メモリセルアレイ内に設けられたプルダウントランジスタを経て接地電圧に流れ出すようになる。従って、ワードラインの固有抵抗によってワードラインに接続できる相変化メモリセルの個数が制限されず、ワードラインの固有抵抗を考慮しなくてもよいためロードライバーの電流駆動能力が向上するだけでなく、メモリブロックに対応して形成された第1及び第2のプルダウントランジスタが相変化メモリセルアレイ内に形成されるため、個別に形成された第1及び第2のプルダウントランジスタが相変化メモリセルアレイ内に形成される場合に比べて集積度が向上する。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は添付図面と共に詳細に後述している実施形態を参照すれば明確になるであろう。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、異なる多様な形態で具現され、特許請求の範囲の記載に基づいて定められなければならない。なお、明細書全体にわたって同一の参照符号は同様の構成要素を示すものとする。
図2は、本発明の好適な実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するためのブロック図である。本発明の好適な実施形態では説明の便宜のため4個のメモリバンクを例に挙げるが、これに限定されない。
図2を参照すれば、相変化メモリ装置10は、メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)、ローデコーダー(12_1、12_2)、ロードライバー(15_1、15_2、15_3、15_4)、カラムデコーダー(20_1、20_2)、入出力回路(30_1、30_2、30_3、30_4)を含む。
メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)は、それぞれマトリックス形態に配列された複数の相変化メモリセルを含む。
ローデコーダー(12_1、12_2)は、2個のメモリバンク(100_1、100_2又は100_3、100_4)に対応して配置されて、メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)でのローアドレスを指定する。例えば、ローデコーダー(12_1)は第1及び第2のメモリバンク(100_1、100_2)のローアドレスを選択できる。
ロードライバー(15_1、15_2、15_3、15_4)は、ローデコーダー(12−1、12_2)から提供されたローアドレスに対応するワードラインの電圧レベルを調節する。
また、カラムデコーダー(20_1、20_2)は、2個のメモリバンク(100_1、100_3又は100_2、100_4)に対応して配置されて、メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)でのカラムアドレスを指定する。例えば、カラムデコーダー(20_1)は第1及び第3のメモリバンク(100_1、100_3)のカラムアドレスを選択できる。
入出力回路(30_1、30_2、30_3、30_4)は、各メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)に対応して配置されて、各メモリバンク(100_1、100_2、100_3、100_4)での書き込み及び/又は読み出し動作を行う。
図3は、本発明の好適な一実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するための回路図である。ここで、説明の便宜上、第2のメモリバンク(100_2)及び第2のロードライバー(15_2)だけを示すが、他のメモリバンク(100_1、100_3、100_4)、他のロードライバー(15_1、15_3、15_4)にも同様に適用することができる。
図3を参照すれば、本発明の好適な一実施形態に係る相変化メモリ装置で第2のメモリバンク(100_2)は第1及び第2のメモリブロック(BLK0、BLK1)、複数の第1のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04)及び複数の第2のプルダウントランジスタ(MN11、MN12、MN13、MN14)を含み、第2のロードライバー(15_2)は第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)を含む。
第1のメモリブロック(BLK0)は、複数のビットライン(BL0〜BLn)と第1のワードライン(WL0)との間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセル(Cp)を含み、第2のメモリブロック(BLK1)は、複数のビットライン(BL0〜BLn)と第2のワードライン(WL1)との間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセル(Cp)を含む。
ここで、相変化メモリセル(Cp)は、貫通電流によって結晶状態又は非晶質状態で変化し、各状態毎に互いに異なる少なくとも2つの抵抗値を有する相変化物質を含む可変抵抗素子(Rp)と、貫通電流を制御するアクセス素子(D)を含む。
具体的には、可変抵抗素子(Rp)はビットライン(BL0〜BLn)とアクセス素子(D)との間に接続され、アクセス素子(D)としてはカソードがワードライン(WL0、WL1)に接続され、アノードが可変抵抗素子(Rp)と直列に接続されたセルダイオードを使用できる。また、図3とは違って実施形態によって可変抵抗素子(Rp)とアクセス素子(D)の位置は変えることができる。
一方、相変化物質は2つの元素を化合したGaSb、InSb、InSe、Sb2Te3、GeTe、3つの元素を化合したGeSbTe、GaSeTe、InSbTe、SnSb2Te4、InSbGe、4つの元素を化合したAgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)、Te81Ge15Sb2S2など多様な種類の物質を使用できる。この中でゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)で構成されるGeSbTeを主に用いることができる。
複数の第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04、MN11、MN12、MN13、MN14)は、第1及び第2のワードライン(WL0、WL1)の電圧レベルをそれぞれプルダウンさせる役割を果たす。
本発明の好適な一実施形態では、第1のメモリブロック(BLK0)の相変化メモリセル(Cp)それぞれに対応するように複数の第1のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04)を配列し、第2のメモリブロック(BLK1)の相変化メモリセル(Cp)それぞれに対応するように複数の第2のプルダウントランジスタ(MN11、MN12、MN13、MN14)を配列したが、これに限定されるものではない。具体的には、第1及び第2のメモリブロック(BLK1)の相変化メモリセル(Cp)の所定個数(例えば、2個)単位のセルに対応するように第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04、MN11、MN12、MN13、MN14)をそれぞれ配列できる。
特に、複数の第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01とMN11、MN02とMN12、MN03とMN13、MN04とMN14)はそれぞれ1つのノード(N1、N2、N3、N4)を共有する。各ノード(N1、N2、N3、N4)は接地電圧(VSS)と接続できる。図3のように第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04、MN11、MN12、MN13、MN14)がNMOSトランジスタである場合にはソースノードを共有できる。ここで、第1のプルダウントランジスタ(MN02)と第2のプルダウントランジスタ(MN12)が第2のノード(N2)を共有した構造を例に挙げて説明すれば、第1のプルダウントランジスタ(MN02)は第1のワードライン(WL0)と第2のノード(N2)との間に接続され、第1のアドレス信号(XS0)に応答してゲートが制御され、第2のプルダウントランジスタ(MN12)は第2のワードライン(WL1)と第2のノード(N2)との間に接続され、第2のアドレス信号(XS1)に応答してゲートが制御される。
一方、本発明の好適な一実施形態では、第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)は、1つのノード(N5)を選択的に共有できる。第5のノード(N5)は電源電圧(VDD)と接続できる。図3のように第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)がPMOSトランジスタである場合にはソースノードを共有できる。具体的には、第1のプルアップトランジスタ(MP0)は第1のワードライン(WL0)と第5のノード(N5)との間に接続され、第1のアドレス信号(XS0)に応答してゲートが制御され、第2のプルアップトランジスタ(MP1)は第2のワードライン(WL1)と第5のノード(N5)との間に接続され、第2のアドレス信号(XS1)に応答してゲートが制御される。
以下、図3を参照して相変化メモリ装置10の動作を説明する。
先ず、相変化メモリ装置10の書き込み動作は、相変化物質(Rp)を融点(melting temperature;Tm)以上に加熱した後、速く冷却させて論理レベル1の非晶質状態になるようにするか、或いは結晶化温度(crystallization;Tx)以上融点(Tm)以下の温度で加熱した後、一定時間の間その温度を維持した後、冷却させて論理レベル0の結晶状態になるようにする。ここで、相変化物質(Rp)を相変化させるためには相当に高いレベルの書き込み電流が相変化物質(Rp)を貫通するようになるが、例えばリセットさせるための書き込み電流は約1mA程度の大きさで提供され、セットさせるための書き込み電流の0.6mA〜0.7mA程度の大きさで提供される。
相変化メモリ装置10の読み出し動作は、相変化物質(Rp)が相変化されないレベルの読み出し電流を相変化物質(Rp)に提供して格納されたデータを読み出すようになる。
このように相変化メモリセル(Cp)に格納されたデータを読み出したり、データを書き込んだりするとき、複数のビットライン(BL0〜BLn)のうち一つのビットライン(例えば、BL1)が選択され、複数のワードライン(WL0、WL1)のうち一つのワードライン(例えば、WL1)が選択される。特に、選択されたワードライン(WL1)の電圧レベルはローレベルにならなければならないので、選択されたワードライン(WL1)に対応する第2のプルダウントランジスタ(MN11、MN12、MN13、MN14)はターンオンされる。参照符号I1のように書き込み回路(図示せず)又は読み出し回路(図示せず)から提供された書き込み電流又は読み出し電流はビットライン(BL1)、メモリセル(Cp)、第2のプルダウントランジスタ(MN12)を通過して接地電圧(VSS)に流れ出す。
本発明の好適な一実施形態に係る相変化メモリ装置は、書き込み電流又は読み出し電流が固有抵抗が大きいワードラインを経ず相変化メモリセルアレイ(100_2)内に設けられた第1又は第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04又はMN11、MN12、MN13、MN14)を経て接地電圧(VSS)に流れ出すようになる。従って、ワードライン(WL0、WL1)の固有抵抗によってワードライン(WL0、WL1)に接続できる相変化メモリセル(Cp)の個数が制限されず、ワードライン(WL0、WL1)の固有抵抗を考慮しなくてもよいためロードライバー(15_2)の電流駆動能力が向上するだけでなく、1つのノード(N1、N2、N3、N4)を共有する第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN02、MN03、MN04、MN11、MN12、MN13、MN14)が相変化メモリセルアレイ(100_2)内に形成されるため、個別に形成された第1及び第2のプルダウントランジスタが相変化メモリセルアレイ内に形成される場合に比べて集積度が向上する。
図4は、本発明の好適な一実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するためのレイアウト図であり、図5Aは図4のA−A’に沿って切断した断面図であり、図5Bは図4のB−B’に沿って切断した断面図であり、図5Cは図4のC−C’に沿って切断した断面図である。図6は本発明の好適な一実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するための斜視図である。図6では、説明の便宜上、層間絶縁膜、メタル間絶縁膜などを省略して示す。
図3〜図6を参照すれば、第1の導電型(例えば、P型)の半導体基板110に素子分離領域112を形成して、第1及び第2のアクティブ領域(N active、Pactive)を定める。具体的には、相変化メモリセルアレイ領域(I)には複数の第1のアクティブ領域(N active)が定められ、ロードライバー領域(II)には第2のアクティブ領域(Pactive)が定められる。半導体基板110はシリコン基板、SOI(Silicon On Insulator)基板、ガリウム砒素基板、シリコンゲルマニウム基板、セラミック基板、石英基板、又はディスプレイ用ガラス基板などを用いることができる。また、素子分離領域112は、LOCOS(LOCal Oxidation of Silicon)方法を用いたFOX(Field OXide)又はSTI(Shallow Trench Isolation)を用いることができる。
相変化メモリセルアレイ領域(I)には複数の第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN11、MN02、MN12)が形成され、ロードライバー領域(II)には第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)が形成される。
具体的には、第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN11、MN02、MN12)は第1及び第2のアクティブ領域(N active、P active)上に一方向に延長されて形成された第1及び第2のゲート電極120、121と、第1及び第2のゲート電極120、121の間の第1のアクティブ領域(Nactive)内に形成された第1の共通ジャンクション領域114と、第1のゲート電極120に対して第1の共通ジャンクション領域114の反対側に形成された第1のジャンクション領域115と、第2のゲート電極121に対して第1の共通ジャンクション領域114の反対側に形成された第2のジャンクション領域116を含む。
ここで、第1の共通ジャンクション領域114は第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN01、MN11、MN02、MN12)が共有する1つのノード(N1、N2)(すなわち、ソースノード)に対応し、第1のジャンクション領域115は第1のプルダウントランジスタ(MN01、MN02)のドレーンノードに対応し、第2のジャンクション領域116は第2のプルダウントランジスタ(MN11、MN12)のドレーンノードに対応する。
第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)は、第1及び第2のゲート電極120、121と、第1及び第2のゲート電極120、121の間の第2のアクティブ領域(Pactive)内に形成された第2の共通ジャンクション領域117と、第1のゲート電極120に対して第2の共通ジャンクション領域117の反対側に形成された第3のジャンクション領域118と、第2のゲート電極121に対して第2の共通ジャンクション領域117の反対側に形成された第4のジャンクション領域119を含む。
ここで、第2の共通ジャンクション領域117は、第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)が共有する1つのノード(図3のN5)(すなわち、ソースノード)に対応し、第3のジャンクション領域118は、第1のプルアップトランジスタ(MP0)のドレーンノードに対応し、第4のジャンクション領域119は第2のプルアップトランジスタ(MP1)のドレーンノードに対応する。
第1及び第2のゲート電極120、121の下部にはゲート絶縁膜が形成され、第1及び第2のゲート電極120、121の側壁にはスペーサが形成される。第1及び第2の共通ジャンクション領域114、117、第1〜第4のジャンクション領域115、116、118、119は、スペーサが形成されている第1及び第2のゲート電極120、121を自己整合されたイオン注入マスクとして用いて不純物をイオン注入して第1及び第2のアクティブ領域(Nactive、P active)内に形成される。
半導体基板110上には、第1及び第2の共通ジャンクション領域114、117、第1〜第4のジャンクション領域115、116、118、119が露出した複数のコンタクトホールを備えた層間絶縁膜(Inter−Layer Dielectric;ILD)130が形成される。ここで、層間絶縁膜130としては、FOX(Flowable OXide)、TOSZ(TOnen SilaZene)、USG(Undoped Silicate Glass)、BSG(Boro Silicate Glass)、PSG(Phospho Silicate Glass)、BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)、PE−TEOS(Plasma Enhanced−Tetra Ethyl Ortho Silicate)、FSG(Fluoride Silicate Glass)、HDP(High Density Plasma)膜などを使用できる。層間絶縁膜130はCVD系列の方式を用いて形成できる。ここで、CVD系列の方式はALD(Atomic Layer Deposition)、PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)などを含む。
複数のコンタクトホールには、第1及び第2の共通ジャンクション領域114、117にそれぞれ接続する第1及び第2のコンタクト(C1、C2)と、第1〜第4のジャンクション領域115、116、118、119にそれぞれ接続する第3〜第6のコンタクト(C3、C4、C5、C6)が形成される。
第1〜第6のコンタクト(C1、C2、C3、C4、C5、C6)及び層間絶縁膜130上には一方向に延長されて形成された複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d)が配置される。具体的には、第1aの導電ライン(M1a)は第1のコンタクト(C1)と接続されて第1の共通ジャンクション領域114と接続され、第1bの導電ライン(M1b)は第2のコンタクト(C2)と接続されて第2の共通ジャンクション領域117と接続され、第1cの導電ライン(M1c)は第3及び第5のコンタクト(C3、C5)と接続されて第1及び第3のジャンクション領域115、118が互いに電気的に接続され、第1dの導電ライン(M1d)は第4及び第6のコンタクト(C4、C6)と接続されて第2及び第4のジャンクション領域116、119が互いに電気的に接続される。第1c及び第1d導電ライン(M1c、M1d)はワードラインになる。このような複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d)はアルミニウム、タングステンなどで形成することができる。
複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d)及び層間絶縁膜130上には、複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d)の所定領域の上面が露出した複数の開口部を備える第1のメタル間絶縁膜140が配置される。ここで、第1のメタル間絶縁膜140はシリコン酸化膜(SiOx)、例えばFOX(Flowable OXide)、TOSZ(TOnen SilaZene)、USG(Undoped Silicate Glass)、BSG(Boro Silicate Glass)、PSG(Phospho Silicate Glass)、BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)、PE−TEOS(Plasma Enhanced−Tetra Ethyl Ortho Silicate)、FSG(Fluoride Silicate Glass)、HDP(High Density Plasma)膜でありうる。
第1のメタル間絶縁膜140の各開口部は、第2の導電型(例えば、N型)を有する第1の半導体パターン142と、第1の半導体パターン142上に積層され、第1の導電型(例えば、P型)を有する第2の半導体パターン144が充填される。具体的には、第1及び第2の半導体パターン142、144は複数の開口部の位置に沿って、第1c及び第1dの導電ライン(M1c、M1d)上に一方向に沿って分離して配列される。
このような第1及び第2の半導体パターン142、144はアクセス素子、すなわちセルダイオード(D)を構成する。第2の半導体パターン144の不純物濃度は第1の半導体パターン142より高いことができる。これは、セルダイオード(D)は逆バイアスが印加される場合、逆バイアスされたセルダイオードを通じて流れるリーク電流を減少させるためのものである。逆バイアスは、書き込み又は読み出し時に非選択された相変化メモリセルのセルダイオード(D)に印加できる。
図面では、第1のメタル間絶縁膜140の複数の開口部に第1及び第2の半導体パターン142、144が充填された場合だけを例に挙げるが、複数の開口部内の第2の半導体パターン144上に導電性プラグが選択的にさらに充填できる。このような導電性プラグは抵抗性接続を有する金属プラグであり、例えば導電性プラグはタングステンプラグでありうる。
複数のセルダイオード(D)及び第1のメタル間絶縁膜140上に複数のコンタクトホールを備える第2のメタル間絶縁膜150が配置される。第2のメタル間絶縁膜150は、酸化膜(SiOx)でありうる。各コンタクトホールには、下部電極コンタクト(Bottom Electrode Contact;BEC)が充填される。下部電極コンタクト(BEC)は例えばTiNを使用できる。
下部電極コンタクト(BEC)及び第2のメタル間絶縁膜150上に各下部電極コンタクト(BEC)と接続される複数の可変抵抗素子(GST)が配列される。このような可変抵抗素子(GST)を構成する相変化物質としては、2つの元素を化合したGaSb、InSb、InSe、Sb2Te3、GeTe、3つの元素を化合したGeSbTe、GaSeTe、InSbTe、SnSb2Te4、InSbGe、4つの元素を化合したAgInSbTe、(GeSn)SbTe、GeSb(SeTe)、Te81Ge15Sb2S2など多様な種類の物質を使用できる。この中でゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)で構成されるGeSbTeを主に用いることができる。
可変抵抗素子(GST)上にはバリヤー層162が配置できる。バリヤー層162は可変抵抗素子(GST)を構成する相変化物質と第2の導電ライン(M2a)の材料が互いに拡散されることを防止する。このようなバリヤー層162は例えばTi/TiNを積層して構成できる。
図面では、可変抵抗素子(GST)と第2の導電ライン(M2a)がバリヤー層162を通じて接続されていることを例に挙げるが、可変抵抗素子(GST)上に上部電極コンタクトがさらに形成されて、可変抵抗素子(GST)と第2の導電ライン(M2a)が上部電極コンタクトを通じて接続されてもよい。
可変抵抗素子(GST)外の領域は第3のメタル間絶縁膜160に充填される。
一方、第1〜第3のメタル間絶縁膜140、150、160には複数のビアホールが形成され、複数のビアホールには第1aの導電ライン(M1a)と第2bの導電ライン(M2b)を接続する第1のビア(V1)と、第1bの導電ライン(M1b)と第2cの導電ライン(M2c)を接続する第2のビア(V2)が形成される。
可変抵抗素子(GST)と第3のメタル間絶縁膜160上には第1及び第2のゲート電極120、121と交差されるように延長されて形成された複数の第2の導電ライン(M2a、M2b、M2c)が配置される。具体的には、第2aの導電ライン(M2a)は複数の可変抵抗素子(GST)と接続され、接地電圧(VSS)が印加された第2bの導電ライン(M2b)は第1のビア(V1)が接続されて第1の共通ジャンクション領域114と接続され、電源電圧(VDD)が印加された第2cの導電ライン(M2c)は第2のビア(V2)と接続されて第2の共通ジャンクション領域117と接続される。ここで、第2aの導電ライン(M2a)はビットラインになる。このような複数の第2の導電ライン(M2a、M2b、M2c)はアルミニウム、タングステンなどで形成できる。
以下、図4及び図5Bを参照して相変化メモリ装置の動作を説明する。
相変化メモリセル(Cp)に格納されたデータを読み出したり、データを書き込んだりするためには、可変抵抗素子(GST)を貫通する読み出し電流又は書き込み電流が参照符号I2のような電流パスを通じて流れ出す。具体的には、第2aの導電ライン(ビットライン)に沿って提供された読み出し電流又は書き込み電流が可変抵抗素子(GST)、下部電極コンタクト(BEC)、セルダイオード(D)、第1dの導電ライン(M1d)、第4のコンタクト(C4)、第2のプルダウントランジスタ(MN11)、第1のコンタクト(C1)、第1aの導電ライン(M1a)、第1のビア(V1)、第2bの導電ライン(M2b)を通じて接地電圧(VSS)に流れ出す。
図7は、本発明の好適な他の実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するための回路図である。図3と実質的に同一の構成要素については同一の参照符号を使用し、共通する構成要素についての詳細な説明は省略する。
図7を参照すれば、本発明の好適な他の実施形態に係る相変化メモリ装置は一つの第1のプルダウントランジスタ(MN0)は、第1のメモリブロック(BLK0)に対応して配置され、一つの第2のプルダウントランジスタ(MN1)は第2のメモリブロック(BLK1)に対応して配置される。第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)は1つのノード(N6)を共有し、第6のノード(N6)は接地電圧(VSS)と接続できる。図7のように第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)がNMOSトランジスタである場合にはソースノードを共有できる。
従って、第1及び第2のメモリブロック(BLK0、BLK1)に含まれる複数の相変化メモリセル(Cp)を貫通する電流はそれぞれ第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)を通じて接地電圧(VSS)に流れ出す。例えば、参照符号I3のように、書き込み回路(図示せず)又は読み出し回路(図示せず)から提供された書き込み電流又は読み出し電流はビットライン(BL1)、メモリセル(Cp)、第2のプルダウントランジスタ(MN1)を通過して接地電圧(VSS)に流れ出す。
図8は、本発明の好適な他の実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するためのレイアウト図であり、図9Aは図8のA−A’に沿って切断した断面図であり、図9Bは図8のB−B’に沿って切断した断面図であり、図9Cは図8のC−C’に沿って切断した断面図である。図10は、本発明の好適な他の実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するための斜視図である。図10では説明の便宜上、層間絶縁膜、メタル間絶縁膜などを省略して示す。
図7〜図10を参照すれば、第1の導電型(例えば、P型)の半導体基板110の相変化メモリセルアレイ領域(I)には第1のアクティブ領域(N active)が定められ、ロードライバー領域(II)には第2のアクティブ領域(Pactive)が定められる。
相変化メモリセルアレイ領域(I)には、第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)が形成され、ロードライバー領域(II)には第1及び第2のプルアップトランジスタ(MP0、MP1)が形成される。ここで、第1及び第2のジャンクション領域(115a、116a)はそれぞれワードライン役割を果たす。
本発明の好適な他の実施形態では、第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)はそれぞれ第1及び第2のメモリブロック(BLK0、BLK1)に対応して一つずつ形成されるため、一実施形態に比べて第1及び第2のプルダウントランジスタ(MN0、MN1)よりサイズが大きいことが分かる。
半導体基板110上には複数の開口部を備えた第1の層間絶縁膜230が形成される。第1の層間絶縁膜230の各開口部は第2の導電型(例えば、N型)を有する第1の半導体パターン232と、第1の半導体パターン232上に積層され、第1の導電型(例えば、P型)を有する第2の半導体パターン234が充填する。具体的には、第1及び第2の半導体パターン232、234は、複数の開口部の位置に沿って、第1のジャンクション領域115a及び第2のジャンクション領域116a上に一方向に沿って分離して配列される。このような第1及び第2の半導体パターン232、234はアクセス素子、すなわちセルダイオード(D)を構成する。
複数のセルダイオード(D)及び第1の層間絶縁膜230上に、複数のコンタクトホールを備える第2の層間絶縁膜240が配置される。各コンタクトホールには下部電極コンタクト(Bottom Electrode Contact;BEC)が充填される。
下部電極コンタクト(BEC)及び第2の層間絶縁膜240上に、各下部電極コンタクト(BEC)と接続される複数の可変抵抗素子(GST)が配列される。可変抵抗素子(GST)上にはバリヤー層252が配置できる。可変抵抗素子(GST)外の領域は第3の層間絶縁膜250で充填される。
一方、第1〜第3の層間絶縁膜230、240、250には複数のコンタクトホールが形成され、複数のコンタクトホールには第1の共通ジャンクション領域114aと接続する第1のコンタクト(C1)と、第2の共通ジャンクション領域117と接続する第2のコンタクト(C2)と、第1のジャンクション領域(115a)と接続する第3のコンタクト(C3)と、第2のジャンクション領域(116a)と接続する第4のコンタクト(C4)と、第3のジャンクション領域118と接続する第5のコンタクト(C5)と、第4のジャンクション領域119と接続する第6のコンタクト(C6)が形成される。
複数の可変抵抗素子(GST)と第3の層間絶縁膜250上には第1及び第2のゲート電極120、121と交差されるように延長されて形成された複数の第1aの導電ライン(M1a)が配置される。このような第1aの導電ライン(M1a)はビットラインになる。
また、第1のコンタクト(C1)と接続する第1bの導電ライン(M1b)が配置され、第2のコンタクト(C2)と接続する第1c導電ライン(M1c)が配置される。第3のコンタクト(C3)及び第5のコンタクト(C5)と接続して第1及び第3のジャンクション領域(115a、118)を接続する第1dの導電ライン(M1d)と、第4のコンタクト(C4)及び第6のコンタクト(C6)が接続して第2及び第4のジャンクション領域(116a、119)を接続する第1eの導電ライン(M1e)が配置される。
複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d、M1e)と第3の層間絶縁膜250上には、複数の第1の導電ライン(M1a、M1b、M1c、M1d、M1e)の所定領域の上面が露出した複数のビアホールを備えるメタル間絶縁膜260が配置される。
複数のビアホールには、第1bの導電ライン(M1b)と接続する第1のビア(V1)と、第1cの導電ライン(M1c)と接続する第2のビア(V2)が形成される。
複数のビア(V1、V2)とメタル間絶縁膜260上には複数の第2の導電ライン(M2a、M2b)が形成される。具体的には、接地電圧(VSS)が印加された第2aの導電ライン(M2a)は第1のビア(V1)と接続されて第1の共通ジャンクション領域(114a)と接続され、電源電圧(VDD)が印加された第2bの導電ライン(M2b)は第2のビア(V2)と接続されて第2の共通ジャンクション領域117と接続される。
以下、図8及び図9Bを参照して相変化メモリ装置の動作を説明する。
相変化メモリセル(Cp)に格納されたデータを読み出したり、データを書き込んだりするためには、可変抵抗素子(GST)を貫通する読み出し電流又は書き込み電流が参照符号I4のような電流パスを通じて流れ出す。具体的には、第1aの導電ライン(ビットライン)に沿って提供された読み出し電流又は書き込み電流が可変抵抗素子(GST)、下部電極コンタクト(BEC)、セルダイオード(D)、第2のプルダウントランジスタ(MN1)、第1のコンタクト(C1)、第1bの導電ライン(M1b)、第1のビア(V1)、第2aの導電ライン(M2a)を通じて接地電圧(VSS)に流れ出す。
図11は、本発明の好適なさらに他の実施形態に係る相変化メモリ装置を説明するための斜視図である。図10と実質的に同一の構成要素については同一の参照符号を使用し、共通する構成要素についての詳細な説明は省略する。
図11を参照すれば、本発明の好適な他の実施形態に係る相変化メモリ装置は可変抵抗素子(GST)を構成する相変化物質が第1aの導電ライン(M1a)、すなわちビットラインと平行に延長されて形成される。すなわち、相変化物質が各相変化メモリセル単位で配置されるものではなく、複数の相変化メモリセル単位で配置される。このように、相変化物質をストリップタイプにパターニングすれば、エッチング工程が簡単で正確性が高くなるため、相変化物質が受けるストレスが減って反復的な書き込み及び/又は読み出し動作に対してその特性を維持する耐久性に優れるようになる。
本発明の好適なさらに他の実施形態の製造方法では相変化物質がビットラインと完全に平行に延長された場合だけを説明したが、相変化物質の一部がビットラインと平行に延長される場合が可能なことは当業者に自明な事実である。また、相変化物質が相変化メモリ装置の特性によってワードラインと平行に延長されてもよい。また、図4のような形態の相変化メモリ装置で相変化物質がビットラインと平行に延長されて形成されてもよい。
以上、添付した図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施されうることを理解することができるであろう。したがって、上述した好適な実施形態は、例示的なものであり、限定的なものではないと理解されるべきである。
10:相変化メモリ装置
12_1、12_2:ローデコーダー
15_1、15_2、15_3、15_4:ロードライバー
20_1、20_2:カラムデコーダー
30_1、30_2、30_3、30_4:入出力回路
100_1、100_2、100_3、100_4:メモリバンク
12_1、12_2:ローデコーダー
15_1、15_2、15_3、15_4:ロードライバー
20_1、20_2:カラムデコーダー
30_1、30_2、30_3、30_4:入出力回路
100_1、100_2、100_3、100_4:メモリバンク
Claims (26)
- 複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロックと、複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロックと、前記第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含む相変化メモリセルアレイと、
前記第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルアップさせる第1及び第2のプルアップトランジスタを含むロードライバーを備えることを特徴とする相変化メモリ装置。 - 前記第1及び第2のプルダウントランジスタは、それぞれ前記第1及び第2のメモリブロック当り一つ以上のトランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2のプルダウントランジスタが共有するノードは接地電圧と接続されたことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2プルアップトランジスタは、1つのノードを共有し、第1及び第2のプルアップトランジスタが共有するノードは電源電圧と接続されたことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2のプルダウントランジスタはNMOSトランジスタであり、前記第1及び第2のプルアップトランジスタはPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ装置。
- 前記相変化メモリセルは、貫通電流に応じて少なくとも2つの抵抗値を有する相変化物質を含む可変抵抗素子と、前記貫通電流を制御するアクセス素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の相変化メモリ装置。
- 前記アクセス素子は、前記可変抵抗素子と直列に接続されたセルダイオードであることを特徴とする請求項6に記載の相変化メモリ装置。
- 複数のビットラインと第1のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第1のメモリブロックと、
前記複数のビットラインと第2のワードラインとの間にそれぞれ接続された複数の相変化メモリセルを含む第2のメモリブロックと、
前記第1及び第2のワードラインの電圧レベルをそれぞれプルダウンさせ、1つのノードを共有する第1及び第2のプルダウントランジスタを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 前記第1及び第2のプルダウントランジスタは、それぞれ前記第1及び第2のメモリブロック当り一つ以上を含むことを特徴とする請求項8に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2のプルダウントランジスタが共有するノードは接地電圧と接続されたことを特徴とする請求項8に記載の相変化メモリ装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に一方向に延長されて形成された第1及び第2のゲート電極と、前記第1及び第2のゲート電極の間の前記半導体基板内に形成された共通ジャンクション領域と、前記第1のゲート電極に対して前記共通ジャンクション領域の反対側に形成された第1のジャンクション領域と、前記第2のゲート電極に対して前記共通ジャンクション領域の反対側に形成された第2のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルダウントランジスタと、
前記半導体基板上に前記第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された第1の導電ラインと、
前記第1及び第2のジャンクション領域と前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 前記半導体基板上に前記一方向に延長され、前記第1及び第2のジャンクション領域とそれぞれ電気的に接続された複数の第2の導電ラインをさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2のジャンクション領域と前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルは、前記複数の第2の導電ラインと前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルを含むことを特徴とする請求項12に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1の導電ラインは、前記半導体基板上に第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された複数の導電ラインを含むことを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1の相変化メモリセルは、前記第1のジャンクション領域と前記複数の導電ラインとの間にそれぞれ形成され、前記第2の相変化メモリセルは前記第2のジャンクション領域と前記複数の導電ラインとの間にそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項14に記載の相変化メモリ装置。
- 前記共通ジャンクション領域は、接地電圧と電気的に接続されたことを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2の相変化メモリセルは、それぞれ貫通電流に応じて少なくとも2つの抵抗値を有する相変化物質を含む可変抵抗素子と、前記貫通電流を制御するアクセス素子を含むことを特徴とする請求項11に記載の相変化メモリ装置。
- 前記相変化物質は、前記第1の導電ラインの少なくとも一部と実質的に平行であることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ装置。
- 前記アクセス素子は、前記可変抵抗素子と直列に接続されたセルダイオードであることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ装置。
- 前記相変化物質は、ゲルマニウム、アンチモン、テルルを備えることを特徴とする請求項17に記載の相変化メモリ装置。
- 第1のアクティブ領域と第2のアクティブ領域が定められた半導体基板と、
前記第1及び第2のアクティブ領域上に一方向に延長されて形成された第1及び第2のゲート電極と、前記第1及び第2のゲート電極の間の前記第1のアクティブ領域内に形成された第1の共通ジャンクション領域と、前記第1のゲート電極に対して前記第1の共通ジャンクション領域の反対側に形成された第1のジャンクション領域と、前記第2のゲート電極に対して前記第1の共通ジャンクション領域の反対側に形成された第2のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルダウントランジスタと、
前記半導体基板上に前記第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された第1の導電ラインと、
前記第1及び第2のジャンクション領域と前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルと、
前記第1及び第2のゲート電極と、前記第1及び第2のゲート電極の間の前記第2のアクティブ領域内に形成された第2の共通ジャンクション領域と、前記第1のゲート電極に対して前記第2の共通ジャンクション領域の反対側に形成され、前記第1のジャンクション領域と電気的に接続された第3のジャンクション領域と、前記第2のゲート電極に対して前記第2の共通ジャンクション領域の反対側に形成され、前記第2のジャンクション領域と電気的に接続された第4のジャンクション領域を含む第1及び第2のプルアップトランジスタを含むことを特徴とする相変化メモリ装置。 - 前記半導体基板上に前記一方向に延長され、前記第1及び第2のジャンクション領域とそれぞれ接続された複数の第2の導電ラインをさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1及び第2のジャンクション領域と前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルは、前記複数の第2の導電ラインと前記第1の導電ラインとの間にそれぞれ形成された第1及び第2の相変化メモリセルを含むことを特徴とする請求項22に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1の導電ラインは、前記半導体基板上に第1及び第2のゲート電極と交差されるように延長されて形成された複数の導電ラインを含むことを特徴とする請求項21に記載の相変化メモリ装置。
- 前記第1の相変化メモリセルは、前記第1のジャンクション領域と前記複数の導電ラインとの間にそれぞれ形成され、前記第2の相変化メモリセルは前記第2のジャンクション領域と前記複数の導電ラインとの間にそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項24に記載の相変化メモリ装置。
- 前記共通ジャンクション領域は、接地電圧と電気的に接続されたことを特徴とする請求項21に記載の相変化メモリ装置。
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