JP2007273618A - Resistance-changing memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、相変化メモリ装置(phase-change memory device)などの抵抗変化メモリ装置し、特に、導電性ナノプローブアレイ(conductive nano-probe array)及びSPM(scanning probe microscope)との結合により構成される記録/再生装置(recording/reproducing device)に使用される。 The present invention relates to a resistance change memory device such as a phase-change memory device, and is particularly configured by coupling with a conductive nano-probe array and a scanning probe microscope (SPM). Used for recording / reproducing devices.
HDD(hard disk drive)などの磁気記録装置の容量の増大が限界に近づいている今、電力消費(power consumption)の削減、セルサイズの縮小、セル密度の向上、動作速度の高速化などを今後も継続して行うことを可能にするスケーラビリティのある代替物(substitute)が模索されている。 Now that the capacity of magnetic recording devices such as hard disk drives (HDD) is approaching the limit, we will reduce power consumption, reduce cell size, improve cell density, and increase operating speed. Scalable substitutes are being sought that will continue to be possible.
その代替物には、HDDの大容量性とDRAMの高速性、さらには、低コストで、かつ、最終製品への搭載が簡略であることが要求される。 The alternative is required to have a large capacity of HDD, high speed of DRAM, low cost, and simple mounting on the final product.
そのような代替物の候補の一つに、記録媒体(recording medium)上に導電性ナノプローブアレイを配置したMEMS(micro electro mechanical systems)メモリがある(例えば、特許文献1,2及び非特許文献1〜5を参照)。
One such alternative is a MEMS (micro electro mechanical systems) memory in which a conductive nanoprobe array is placed on a recording medium (eg,
MEMSメモリのなかには、100,000を超える導電性ナノプローブを持つものや、ポリマー記録媒体を軟化させ、これに刻み(indent)を付けるために、加熱された導電性AFMプローブ先端(conductive AFM probe tip)を利用するものなどが知られている。 Some MEMS memories have over 100,000 conductive nanoprobes, or heated conductive AFM probe tips to soften and indent the polymer recording media. ) Is known.
しかし、プローブを読み出し/書き込みデバイスとして使用する設計の全てにおいては、ビットサイズを最小に抑え、これによって記録密度を最大にするために、プローブ先端の鋭さが制限要因となる。 However, in all designs that use the probe as a read / write device, the sharpness of the probe tip is a limiting factor in order to minimize bit size and thereby maximize recording density.
そこで、非特許文献1では、MEMSプローブ/カンチレバーシステムを採用し、記録媒体とプローブとを1つのチップ上のシステム、即ち、SoC(system on chip)とする。この場合、30nmという最小ビットサイズで、600ギガビット/インチ2を超える記録密度を実現する。
Therefore, in Non-Patent
これは、ミリピード(millipede)と呼ばれ、特に、電力消費の削減と動作速度の高速化に優れている。 This is called millipede, and is particularly excellent in reducing power consumption and increasing operating speed.
また、非特許文献4では、ミリピードと同様に、記録媒体上に導電性AFMプローブアレイを配置する。この文献に開示される技術は、ポリマー記録媒体の代わりに、記録媒体として相変化材料を使用し、相変化材料の抵抗値の変化によりデータを記録し、読み出しは、導電性AFMプローブ先端と基板との間を流れる電流によりその抵抗値を検出することにより行う、というものである。
In
この場合、導電性AFMプローブには、相変化材料を電場又はジュール熱により相変化させるという機能が要求される。 In this case, the conductive AFM probe is required to have a function of changing the phase of the phase change material by an electric field or Joule heat.
しかし、相変化材料の相変化が不完全であると、“0”データの抵抗値と“1”データの抵抗値との差(margin)を十分に確保できず、誤ったデータの読み出し、という問題が発生する。
本発明の例では、低電力消費、高セル密度、高速及び不揮発で、誤読み出しのない抵抗変化メモリ装置を提案する。 The example of the present invention proposes a resistance change memory device with low power consumption, high cell density, high speed and non-volatility and without erroneous reading.
本発明の例に関わる抵抗変化メモリ装置は、電流及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録媒体と、記録媒体上に配置され、記録媒体の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する異方性導電材料から構成される層とを備える。 A resistance change memory device according to an example of the present invention includes a recording medium composed of a resistance change material whose resistance value is changed by at least one of current and Joule heat, and a recording medium disposed on the recording medium, with respect to the surface of the recording medium. And a layer made of an anisotropic conductive material having anisotropy that the electric conductivity in the vertical direction is higher than the electric conductivity in directions other than the vertical direction.
本発明の例に関わる導電性プローブ装置は、抵抗変化メモリ装置と、抵抗変化メモリ装置に対向して配置される導電性プローブとを備える。抵抗変化メモリ装置は、電流及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録媒体と、記録媒体上に配置され、記録媒体の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する異方性導電材料から構成される層とを有する。そして、導電性プローブを用いて、電流及びジュール熱の少なくとも1つを、異方性導電材料から構成される層を介して、記録媒体に与える。 A conductive probe device according to an example of the present invention includes a resistance change memory device and a conductive probe arranged to face the resistance change memory device. The resistance change memory device includes a recording medium composed of a resistance change material whose resistance value is changed by at least one of current and Joule heat, and an electric conduction in a direction perpendicular to the surface of the recording medium. And a layer made of an anisotropic conductive material having anisotropy having a degree higher than the electric conductivity in a direction other than the vertical direction. Then, using a conductive probe, at least one of current and Joule heat is applied to the recording medium through a layer made of an anisotropic conductive material.
本発明の例に関わる抵抗変化メモリ装置は、互いに交差する第1及び第2導電線と、第1及び第2導電線の間に接続されるメモリセルとを備える。メモリセルは、電流及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録層と、記録層の表面に対して垂直方向に電気伝導度が高いという異方性を有する異方性導電材料から構成される層とのスタック構造を有する。 A resistance change memory device according to an example of the present invention includes first and second conductive lines intersecting each other and a memory cell connected between the first and second conductive lines. The memory cell has a recording layer made of a resistance change material whose resistance value changes according to at least one of current and Joule heat, and anisotropy that electric conductivity is high in a direction perpendicular to the surface of the recording layer. It has a stack structure with a layer composed of an anisotropic conductive material.
本発明の例によれば、低電力消費、高セル密度、高速及び不揮発で、誤読み出しのない抵抗変化メモリ装置を実現できる。 According to the example of the present invention, a resistance change memory device with low power consumption, high cell density, high speed and non-volatility and no erroneous reading can be realized.
以下、図面を参照しながら、本発明の例を実施するための最良の形態について詳細に説明する。 The best mode for carrying out an example of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
1. 概要
本発明の例は、電流(電場)及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料を記録媒体とする抵抗変化メモリ装置に関し、記録媒体上に、その表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する異方性導電材料からなる層(導電層)を配置した点に特徴を有する。
1. Overview
An example of the present invention relates to a resistance change memory device using a resistance change material whose resistance value is changed by at least one of current (electric field) and Joule heat as a recording medium, on the recording medium in a direction perpendicular to the surface thereof. It is characterized in that a layer (conductive layer) made of an anisotropic conductive material having anisotropy that the electric conductivity is higher than the electric conductivity in a direction other than the vertical direction is disposed.
抵抗変化材料は、例えば、相変化材料であり、異方性導電材料は、例えば、基板面に対して軸方向が垂直に配向したSWNT(single walled carbon nanotube)及びMWNT(multi walled carbon nanotube)、K0.3MoO3、並びに、K0.3RuO3のうちの1つから構成される。異方性導電材料の厚さは、5nm〜15nmの範囲内の値に設定される。 The resistance change material is, for example, a phase change material, and the anisotropic conductive material is, for example, SWNT (single walled carbon nanotube) and MWNT (multi walled carbon nanotube) having an axial direction oriented perpendicular to the substrate surface, It is composed of one of K 0.3 MoO 3 and K 0.3 RuO 3 . The thickness of the anisotropic conductive material is set to a value in the range of 5 nm to 15 nm.
そして、抵抗変化メモリ装置上に導電性ナノプローブを配置し、導電性プローブ装置を構成すれば、導電性ナノプローブを用いて、電流(電場)及びジュール熱の少なくとも1つを、異方性導電材料から構成される層を介して、抵抗変化材料からなる記録媒体に与え、セット(書き込み)/リセット動作を行うことができる。 When a conductive nanoprobe is arranged on the resistance change memory device and the conductive probe device is configured, at least one of current (electric field) and Joule heat is anisotropically conducted using the conductive nanoprobe. Setting (writing) / resetting operation can be performed by applying to a recording medium made of a resistance change material through a layer made of the material.
また、抵抗変化メモリ装置の位置をX/Yスキャナーで制御し、導電性ナノプローブの位置をドライバで制御し、さらに、導電性ナノプローブをSPM(scanning probe microscope)などの測定装置に接続すれば、記録/再生装置が実現できる。 Moreover, if the position of the resistance change memory device is controlled by an X / Y scanner, the position of the conductive nanoprobe is controlled by a driver, and the conductive nanoprobe is connected to a measuring device such as a scanning probe microscope (SPM). A recording / reproducing apparatus can be realized.
尚、SPMは、STM(scanning tunneling microscope)、AFM(atomic force microscope)などの走査型プローブ顕微鏡の総称のことである。 SPM is a general term for scanning probe microscopes such as STM (scanning tunneling microscope) and AFM (atomic force microscope).
2. 参考例
まず、本発明の前提となる参考例を説明する。
2. Reference example
First, a reference example as a premise of the present invention will be described.
参考例は、相変化メモリ装置及びそれを用いた記録/再生装置に関する。
図1は、参考例に関わる記録/再生装置の概要を示している。
The reference example relates to a phase change memory device and a recording / reproducing device using the same.
FIG. 1 shows an outline of a recording / reproducing apparatus according to a reference example.
相変化メモリ装置11の主な構成要素は、下部電極12、下部電極12上の相変化材料からなる記録媒体13及び記録媒体13上の導電層14である。下部電極12は、例えば、金属から構成され、記録媒体13は、例えば、GST(Ge2Sb2Te5)から構成され、導電層14は、例えば、薄い絶縁体から構成される。
The main components of the phase
導電性AFM(conductive AFM)15には、導電性プローブ16が接続され、導電性プローブ16は、2次元又は3次元の動作が可能となっている。
A
ここで、初期状態では、図2に示すように、記録媒体13は、アモルファス(amorphous)であり、高抵抗値(high ρ)を有しているものとする。
Here, in the initial state, as shown in FIG. 2, it is assumed that the
セット(書き込み)プロセスでは、まず、アクセス動作により、導電性プローブ16を駆動し、その先端(tip)を記録媒体13の選択された番地の上部の導電層14に接触させる。
In the setting (writing) process, first, the
この後、導電性AFM15を用いて、第1電流パルスを記録媒体の選択された番地に供給する。すると、図3に示すように、例えば、電子e−が導電性プローブ16の先端及び導電層を介して、記録媒体の選択された番地に移動し、その番地の温度を上昇させる。温度がガラス転移温度を超えると、図4に示すように、その番地は、結晶(crystalline)に変化し、低抵抗値(low ρ)となる。
Thereafter, the first current pulse is supplied to the selected address of the recording medium using the
リセットプロセスでは、まず、アクセス動作により、導電性プローブ16を駆動し、その先端(tip)を記録媒体13の選択された番地の上部の導電層14に接触させる。
In the reset process, first, the
この後、導電性AFM15を用いて、第1電流パルスよりも大きな第2電流パルスを記録媒体の選択された番地に供給する。すると、図5に示すように、例えば、電子e−が導電性プローブ16の先端及び導電層を介して、記録媒体の選択された番地に移動し、その番地の温度を上昇させる。温度が記録媒体の融点を超えると、図6に示すように、その番地は、アモルファス(amorphous)に変化し、高抵抗値(high ρ)となる。
Thereafter, a second current pulse larger than the first current pulse is supplied to the selected address of the recording medium using the
しかし、リセットプロセスでは、記録媒体13の選択された番地の全てがアモルファス化されない。これは、導電性プローブ16の先端に近い部分が他の部分よりも高温となる温度勾配に原因があると考えられるが、これをなくすことは困難である。
However, in the reset process, all the selected addresses of the
従って、図7に示すように、記録媒体13の上部から見た場合に、リセットプロセスによりアモルファス化された番地の周囲には、円光(halo)状の低抵抗値(low ρ)の結晶部が残ることになる。
Therefore, as shown in FIG. 7, when viewed from the top of the
この場合、読み出し時に、その番地に読み出し電流を流そうとすると、図8に示すように、導電性プローブ16の先端から放出される電子e−は、低抵抗の結晶部に優先的に流れるため、その番地の正確な抵抗値を読み出すことができず、誤読み出しが発生する。
In this case, when a read current is made to flow through the address at the time of reading, electrons e − emitted from the tip of the
また、セットプロセスにより、この状態から、再び、その番地を結晶化しようとしても、読み出し時と同様、図8に示すように、導電性プローブ16の先端から放出される電子e−は、低抵抗の結晶部に優先的に流れるため、書き込みを繰り返して行うことができない、という問題が発生する。
Further, even if an attempt is made to crystallize the address again from this state by the set process, as shown in FIG. 8, the electron e − emitted from the tip of the
3. 実施の形態
次に、最良と思われるいくつかの実施の形態について説明する。
以下の実施の形態では、抵抗変化メモリ装置の代表例である相変化メモリ装置及びそれを用いた記録/再生装置について説明する。
3. Embodiment
Next, some preferred embodiments will be described.
In the following embodiments, a phase change memory device that is a typical example of a resistance change memory device and a recording / reproducing apparatus using the phase change memory device will be described.
(1) 第1実施の形態
A. 構造
図9は、第1実施の形態に関わる記録/再生装置の概要を示している。
(1) First embodiment
A. Structure
FIG. 9 shows an outline of the recording / reproducing apparatus according to the first embodiment.
相変化メモリ装置11の主な構成要素は、下部電極12、下部電極12上の相変化材料からなる記録媒体13及び記録媒体13上の導電層14である。下部電極12は、例えば、金属から構成され、記録媒体13は、例えば、GST(Ge2Sb2Te5)から構成され、導電層14は、異方性導電材料から構成される。
The main components of the phase
導電性AFM15には、導電性プローブ16が接続され、導電性プローブ16は、2次元又は3次元の動作が可能となっている。
A
ここで、異方性導電材料は、導電性プローブ16の接触抵抗が低く、かつ、導電性プローブ16の接触による磨耗が少ないフレキシブルな材料である。また、異方性導電材料は、記録媒体13の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する。
Here, the anisotropic conductive material is a flexible material that has low contact resistance of the
このような特徴を併せ持つ異方性導電材料の有力候補としては、例えば、SWNT、K0.3MoO3や、K0.3RuO3などがある。 For example, SWNT, K 0.3 MoO 3 , K 0.3 RuO 3, and the like are promising candidates for anisotropic conductive materials having such characteristics.
例えば、SWNTの場合、整列された多数の円筒状分子は、記録媒体13の表面に対して垂直方向に配向されるため、その垂直方向における導電層14の電気伝導度は、記録媒体13の表面に対して水平方向における導電層14の電気伝導度よりも十分に大きい。この場合、導電性プローブ16から放出される電子は、円筒状分子の軌道に沿って流れるため、記録媒体13の選択された番地の外にリーク電流が流れることがない。
For example, in the case of SWNT, a large number of aligned cylindrical molecules are oriented in a direction perpendicular to the surface of the
従って、セット状態からリセット状態にするに当たって、記録媒体13の選択された番地の周囲に、円光(halo)状の低抵抗値(low ρ)の結晶部が形成されたとしても、読み出し時、又は、再度の書き込み時に、電子が円光状の結晶部にリークすることはなく、誤読み出しの防止と書き込みの繰り返しを実現できる。
Therefore, even when a crystal part having a low resistance value (low ρ) in the form of a circular light (halo) is formed around the selected address of the
異方性導電材料の厚さは、以下の点を考慮して決定される。 The thickness of the anisotropic conductive material is determined in consideration of the following points.
・ 導電性プローブ16の接触による擦り切れによって記録媒体13にダメージを与えない十分な厚さであること。
A sufficient thickness that does not damage the
・ 記録媒体13の酸化や蒸発を防止するのに十分な厚さであること。
The thickness is sufficient to prevent the
・ 異方性導電材料の異方性が薄れ、記録媒体13の選択された番地に隣接する番地に電流経路が発生しないように十分に薄いこと。
The anisotropic conductive material is sufficiently thin so that the anisotropy of the anisotropic conductive material is thin and no current path is generated at an address adjacent to the selected address of the
・ 記録媒体13と導電性プローブ16との距離が熱的に離れ過ぎず、かつ、低電力消費を実現できるように十分に薄いこと。
The distance between the
以上の点を考慮すると、異方性導電材料の厚さは、5nm〜15nmの範囲内の値に設定することが好ましい。 Considering the above points, the thickness of the anisotropic conductive material is preferably set to a value within the range of 5 nm to 15 nm.
B. 動作
次に、図9の記録/再生装置の動作を説明する。
B. Operation
Next, the operation of the recording / reproducing apparatus in FIG. 9 will be described.
初期状態では、図10に示すように、記録媒体13は、アモルファス(amorphous)であり、高抵抗値(high ρ)を有しているものとする。
In the initial state, as shown in FIG. 10, it is assumed that the
セット(書き込み)プロセスでは、まず、アクセス動作により、導電性プローブ16を駆動し、その先端を記録媒体13の選択された番地の上部の導電層14に接触させる。
In the set (write) process, first, the
この後、導電性AFMを用いて、第1電流パルスを記録媒体の選択された番地に供給する。すると、図11に示すように、例えば、電子e−が導電性プローブ16の先端及び導電層を介して、記録媒体の選択された番地に移動し、その番地の温度を上昇させる。温度がガラス転移温度を超えると、図12に示すように、その番地は、結晶(crystalline)に変化し、低抵抗値(low ρ)となる。
Thereafter, the first current pulse is supplied to the selected address of the recording medium using the conductive AFM. Then, as shown in FIG. 11, for example, the electron e − moves to the selected address of the recording medium via the tip of the
リセットプロセスでは、まず、アクセス動作により、導電性プローブ16を駆動し、その先端を記録媒体13の選択された番地の上部の導電層14に接触させる。
In the reset process, first, the
この後、導電性AFMを用いて、第1電流パルスよりも大きな第2電流パルスを記録媒体の選択された番地に供給する。すると、図13に示すように、例えば、電子e−が導電性プローブ16の先端及び導電層を介して、記録媒体の選択された番地に移動し、その番地の温度を上昇させる。温度が記録媒体の融点を超えると、図14に示すように、その番地は、アモルファス(amorphous)に変化し、高抵抗値(high ρ)となる。
Thereafter, a second current pulse larger than the first current pulse is supplied to the selected address of the recording medium using the conductive AFM. Then, as shown in FIG. 13, for example, the electron e − moves to the selected address of the recording medium via the tip of the
ここで、参考例で説明したように、リセットプロセスでは、記録媒体13の選択された番地の全てがアモルファス化されない。このため、図15に示すように、記録媒体13の上部から見た場合に、リセットプロセスによりアモルファス化された番地の周囲には、円光(halo)状の低抵抗値(low ρ)の結晶部が残る。
Here, as described in the reference example, in the reset process, all the selected addresses of the
しかし、第1実施の形態では、参考例で示すような誤読み出しや、書き込みを繰り返して行えない、という問題が発生することはない。 However, in the first embodiment, the problem that erroneous reading and writing cannot be performed repeatedly as shown in the reference example does not occur.
なぜなら、読み出し時に、その番地に読み出し電流を流すと、図16に示すように、導電性プローブ16の先端から放出される電子e−は、導電層14を構成する異方性導電材料を経由して、その番地の高抵抗のアモルファス部に集中して流れるからである。
This is because, when a read current is passed through the address during reading, electrons e − emitted from the tip of the
従って、その番地の正確な抵抗値を読み出すことができる。 Therefore, an accurate resistance value at the address can be read out.
また、セットプロセスにより、図15に示す状態から、再び、その番地を結晶化しようとする場合にも、読み出し時と同様、図16に示すように、導電性プローブ16の先端から放出される電子e−は、導電層14を構成する異方性導電材料を経由して、その番地の高抵抗のアモルファス部に集中して流れるため、書き込みを繰り返して行うことができる。
In addition, when the address is to be crystallized again from the state shown in FIG. 15 by the set process, the electrons emitted from the tip of the
C. まとめ
以上のように、第1実施の形態によれば、記録媒体を覆う層を異方性導電材料から構成することにより、低電力消費、高セル密度、高速及び不揮発で、読み出しマージンを大きくとれる相変化メモリ装置を実現できる。
C. Summary
As described above, according to the first embodiment, the layer that covers the recording medium is made of an anisotropic conductive material, so that the read margin can be increased with low power consumption, high cell density, high speed, and non-volatility. A change memory device can be realized.
(2) 第2実施の形態
図17は、第2実施の形態に関わる記録/再生装置の概要を示している。
(2) Second embodiment
FIG. 17 shows an outline of a recording / reproducing apparatus according to the second embodiment.
本発明の例に関わる相変化メモリ装置11は、半導体チップ20A上に形成され、X/Yスキャナー18上に配置される。X/Yスキャナー18は、相変化メモリ装置11の位置を2次元で制御する。
The phase
相変化メモリ装置11上には、これに対向するように、導電性プローブアレイとしてのカンチレバーアレイ19を有する半導体チップ20Bが配置される。相変化メモリ装置11内の記録媒体は、カンチレバーアレイ19に対応して複数のエリアに分けられている。複数のカンチレバー19は、マルチプレクスドライバ21,22により駆動される。
A
読み出し/書き込み(セット)動作及びリセット動作は、複数のカンチレバー19に対して同時に並行して行うこともできるし、カンチレバー19ごとに行うこともできる。カンチレバーアレイ19は、例えば、MEMS技術により形成することができる。
The read / write (set) operation and the reset operation can be performed simultaneously on a plurality of
この記録/再生装置は、ミリピードに近似しているが、ミリピードに対して以下の優位点を有する。 This recording / reproducing apparatus approximates millipedes, but has the following advantages over millipedes.
記録媒体の選択された番地を相変化させるに当たって、カンチレバー19からその番地に熱を伝導するだけではなく、さらに、その番地に電流を流しながら加熱するため、高速にセット/リセット動作を行うことができる。
In changing the phase of the selected address of the recording medium, not only the heat can be conducted from the
また、異方性導電材料から構成される層のフレキシビリティにより、カンチレバー19は、3次元で動作させる必要がない。即ち、カンチレバー19は、常に、異方性導電材料から構成される層に接触した状態にしておき、アクセス動作は、マルチプレクスドライバ21,22により、カンチレバー19を2次元で駆動すればよい。
Further, the
従って、カンチレバー19の駆動機構が簡略化され、製造コストの低下と共に、システムの微細化に貢献できる。
Therefore, the drive mechanism of the
(3) 第3実施の形態
第3実施の形態は、相変化メモリ装置を不揮発性半導体メモリとしてのPRAM(phase-change random access memory)に適用した場合に関する。
(3) Third embodiment
The third embodiment relates to a case where the phase change memory device is applied to a PRAM (phase-change random access memory) as a nonvolatile semiconductor memory.
A. 構造
図18は、クロスポイント型PRAMを示している。
A. Structure
FIG. 18 shows a cross-point type PRAM.
ワード線WLi−1,WLi,WLi+1は、X方向に延び、ビット線BLj−1,BLj,BLj+1は、Y方向に延びる。 Word lines WLi−1, WLi, and WLi + 1 extend in the X direction, and bit lines BLj−1, BLj, and BLj + 1 extend in the Y direction.
ワード線WLi−1,WLi,WLi+1の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジスタRSWを経由してワード線ドライバ&デコーダ31に接続され、ビット線BLj−1,BLj,BLj+1の一端は、選択スイッチとしてのMOSトランジスタCSWを経由してビット線ドライバ&デコーダ&読み出し回路32に接続される。
One end of the word lines WLi-1, WLi, WLi + 1 is connected to the word line driver &
MOSトランジスタRSWのゲートには、1本のワード線(ロウ)を選択するための選択信号Ri−1,Ri,Ri+1が入力され、MOSトランジスタCSWのゲートには、1本のビット線(カラム)を選択するための選択信号Ci−1,Ci,Ci+1が入力される。 Selection signals Ri-1, Ri, Ri + 1 for selecting one word line (row) are inputted to the gate of the MOS transistor RSW, and one bit line (column) is inputted to the gate of the MOS transistor CSW. Selection signals Ci-1, Ci, Ci + 1 are input to select.
メモリセル33は、ワード線WLi−1,WLi,WLi+1とビット線BLj−1,BLj,BLj+1との交差部に配置される。いわゆるクロスポイント型セルアレイ構造である。
メモリセル33には、記録/再生時における回り込み電流(sneak current)を防止するためのダイオード34が付加される。
The
図19は、メモリセルアレイの構造を示している。
半導体チップ30上には、ワード線WLi−1,WLi,WLi+1とビット線BLj−1,BLj,BLj+1が配置され、これら配線の交差部にメモリセル33及びダイオード34が配置される。
FIG. 19 shows the structure of the memory cell array.
On the
このようなクロスポイント型セルアレイ構造の特徴は、メモリセル33に個別にMOSトランジスタを接続する必要がないため、高集積化に有利な点にある。例えば、図20及び図21に示すように、メモリセル33を積み重ねて、メモリセルアレイを3次元構造にすることも可能である。
Such a cross-point cell array structure is advantageous in high integration because it is not necessary to connect a MOS transistor to each
メモリセル33は、例えば、図22に示すように、相変化材料から構成される記録層(記録媒体)13、異方性導電材料から構成される導電層17及びヒータ層35のスタック構造から構成される。
For example, as shown in FIG. 22, the
異方性導電材料は、記録層13の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有するSWNT、K0.3MoO3や、K0.3RuO3などから構成される。
Anisotropic conductive material, SWNT having anisotropy of higher electrical conductivity in a direction other than the vertical electrical conductivity in the direction perpendicular to the surface of the
ヒータ層35は、電流が流れることによってジュール熱を発生する性質を有する材料から構成される。
The
そして、1つのメモリセル33により1ビットデータが記憶される。また、ダイオード34は、ワード線WLiとメモリセル33との間に配置される。
One bit data is stored in one
尚、 記録層13、導電層17及びヒータ層35の位置関係は、図22に示す場合に限られない。
The positional relationship among the
B. 動作
図18及び図19を用いて記録/再生動作を説明する。
ここでは、点線Aで囲んだメモリセル33を選択し、これについて記録/再生動作を実行するものとする。
B. Operation
The recording / reproducing operation will be described with reference to FIGS.
Here, it is assumed that the
セット(書き込み)動作は、選択されたメモリセル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電位勾配を発生させて第1電流パルスを流せばよいため、例えば、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に低い状態を作る。ビット線BLjを固定電位(例えば、接地電位)とすれば、ワード線WLiに負の電位を与えればよい。
In the set (write) operation, it is only necessary to apply a voltage to the selected
この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、電子e−がワード線WLiから点線Aで囲んだメモリセル33を介してビット線BLjに移動するため、ヒータ層により記録媒体の温度が上昇する。そして、温度が、一定時間(典型的には100ns〜1μs程度)以上、ガラス転移温度を超えると、記録媒体は、結晶に変化し、低抵抗値となる。
At this time, in the selected
リセット動作は、選択されたメモリセル33に電圧を印加し、そのメモリセル33内に電位勾配を発生させて第1電流パルスよりも大きな第2電流パルスを流せばよいため、セット動作と同様に、例えば、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に低い状態を作る。
In the reset operation, a voltage is applied to the selected
この時、点線Aで囲まれた選択されたメモリセル33では、電子e−がワード線WLiから点線Aで囲んだメモリセル33を介してビット線BLjに移動するため、ヒータ層により記録媒体の温度が上昇する。そして、温度が、記録媒体の融点を超えた後、電流が遮断され、さらに、熱が周囲に逃げることで急冷されると、記録媒体は、アモルファスに変化し、高抵抗値となる。
At this time, in the selected
読み出し動作は、読み出し回路から選択されたメモリセル33に読み出し電流を流せばよい。この時、読み出し電流は、異方性導電材料である導電層を介して流れるため、例えば、リセット状態において記録媒体が円光(halo)状の結晶部を有していても、その結晶部に集中して読み出し電流が流れることはないため、誤読み出しを防止できる。
In the read operation, a read current may be supplied to the selected
尚、セット/リセット動作時には、非選択のワード線WLi−1,WLi+1及び非選択のビット線BLj−1,BLj+1については、全て同電位にバイアスしておくことが好ましい。 During the set / reset operation, it is preferable that the unselected word lines WLi−1 and WLi + 1 and the unselected bit lines BLj−1 and BLj + 1 are all biased to the same potential.
また、セット/リセット動作前のスタンバイ時には、全てのワード線WLi−1,WLi,WLi+1及び全てのビット線BLj−1,BLj,BLj+1をプリチャージしておくことが好ましい。 In standby before the set / reset operation, it is preferable to precharge all the word lines WLi−1, WLi, and WLi + 1 and all the bit lines BLj−1, BLj, and BLj + 1.
また、第1及び第2電流パルスは、ワード線WLiの電位がビット線BLjの電位よりも相対的に高い状態を作ることにより発生させてもよい。 The first and second current pulses may be generated by creating a state in which the potential of the word line WLi is relatively higher than the potential of the bit line BLj.
読み出し動作に関しては、読み出し電流によって記録媒体としての相変化材料が相変化を起こさない程度の微小な値とすることが必要である。セット/リセット状態の抵抗値の差は、103Ω以上を確保できる。 With respect to the read operation, it is necessary to make the value small enough that the phase change material as a recording medium does not cause a phase change by the read current. The difference between the resistance values in the set / reset state can be 10 3 Ω or more.
C. まとめ
このように、本発明の例に関わる相変化メモリ装置は、不揮発性半導体メモリに適用することができ、その場合においても、誤読み出しの防止や、書き込みの繰り返しを可能にするなどの効果を得ることができる。
C. Summary
Thus, the phase change memory device according to the example of the present invention can be applied to a nonvolatile semiconductor memory, and even in such a case, effects such as prevention of erroneous reading and repetition of writing can be obtained. be able to.
4. むすび
本発明の例によれば、低電力消費、高セル密度、高速及び不揮発で、読み出しマージンを大きくとれる抵抗変化メモリ装置を実現できる。
4). Conclusion
According to the example of the present invention, it is possible to realize a resistance change memory device that has low power consumption, high cell density, high speed, and non-volatility and can have a large read margin.
本発明の例は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The example of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
11: 相変化メモリ装置、 12: 下部電極、 13: 記録媒体(相変化材料)、 14: 導電層、 15: 導電性AFM、 16: 導電性プローブ、 17: 導電層(異方性導電材料)、 18: X/Yスキャナー、 19: カンチレバーアレイ、 20,30: 半導体チップ、 21,22: マルチプレクスドライバ、 31: ワード線ドライバ&デコーダ、 32: ビット線ドライバ&デコーダ&読み出し回路、 33: メモリセル、 34: ダイオード、 35: ヒータ層。 11: Phase change memory device, 12: Lower electrode, 13: Recording medium (phase change material), 14: Conductive layer, 15: Conductive AFM, 16: Conductive probe, 17: Conductive layer (anisotropic conductive material) 18: X / Y scanner, 19: Cantilever array, 20, 30: Semiconductor chip, 21, 22: Multiplex driver, 31: Word line driver & decoder, 32: Bit line driver & decoder & read circuit, 33: Memory Cell, 34: diode, 35: heater layer.
Claims (7)
前記抵抗変化メモリ装置は、電流及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録媒体と、前記記録媒体上に配置され、前記記録媒体の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する異方性導電材料から構成される層とを有し、
前記導電性プローブを用いて、前記電流及びジュール熱の少なくとも1つを、前記異方性導電材料から構成される層を介して、前記記録媒体に与えることを特徴とする導電性プローブ装置。 Comprising a resistance change memory device and a conductive probe disposed opposite to the resistance change memory device;
The resistance change memory device includes a recording medium made of a resistance change material whose resistance value is changed by at least one of current and Joule heat, and a recording medium disposed on the recording medium and perpendicular to the surface of the recording medium A layer composed of an anisotropic conductive material having anisotropy that the electrical conductivity of is higher than the electrical conductivity in a direction other than the vertical direction,
A conductive probe device that applies at least one of the current and Joule heat to the recording medium through the layer made of the anisotropic conductive material using the conductive probe.
前記メモリセルは、電流及びジュール熱の少なくとも1つによって抵抗値が変化する抵抗変化材料から構成される記録層と、前記記録層の表面に対して垂直方向の電気伝導度が前記垂直方向以外の方向における電気伝導度より高いという異方性を有する異方性導電材料から構成される層とのスタック構造を有する
ことを特徴とする抵抗変化メモリ装置。 First and second conductive lines intersecting each other, and a memory cell connected between the first and second conductive lines,
The memory cell includes a recording layer made of a resistance change material whose resistance value changes according to at least one of current and Joule heat, and an electrical conductivity in a direction perpendicular to the surface of the recording layer other than the perpendicular direction. A resistance change memory device having a stack structure with a layer made of an anisotropic conductive material having anisotropy higher than an electric conductivity in a direction.
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