JP2009117854A - Phase change memory element, phase change channel transistor and memory cell array - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To lower a voltage required for phase transition from an amorphous phase to a crystal phase in a phase change memory element. <P>SOLUTION: The phase change memory element (1) includes a first electrode (6), a second electrode (8), and a memory layer (14) provided between the first electrode (6) and the second electrode (8). The memory layer (14) includes at least a first layer (10) constituted of a phase change material stable in an amorphous phase and a crystal phase at room temperature, and a second layer (12) constituted of a resistant material. The resistance value of the second layer (12) is made smaller than a resistance value when the first layer (10) is of the amorphous phase, and is made larger than a resistance value when the first layer (10) is of the crystal phase. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、室温で結晶相およびアモルファス相で安定する相変化材料を用いた相変化メモリ素子および相変化チャンネルトランジスタ、さらにこれらの素子あるいはトランジスタで構成されるメモリセルアレイに関する。   The present invention relates to a phase change memory element and a phase change channel transistor using a phase change material that is stable in a crystalline phase and an amorphous phase at room temperature, and a memory cell array composed of these elements or transistors.

例えばカルコゲナイド系の材料は、室温で結晶相およびアモルファス相で安定する特性を有し、それぞれの相で比抵抗が2桁乃至4桁相違する。したがって、このような材料の薄膜を結晶相あるいはアモルファス相のいずれかで安定させることによって情報を書き込み、抵抗値の測定からその薄膜が結晶相かアモルファス相かを判断することにより情報を読み出すようにした、不揮発性のメモリが実現されている。   For example, chalcogenide-based materials have characteristics that are stable in a crystalline phase and an amorphous phase at room temperature, and the specific resistance differs by 2 to 4 digits in each phase. Therefore, information is written by stabilizing a thin film of such a material in either a crystalline phase or an amorphous phase, and information is read by determining whether the thin film is a crystalline phase or an amorphous phase from measurement of resistance values. In addition, a non-volatile memory is realized.

このようなメモリにおいて、情報、即ち1、0を書き込む場合、相変化材料の薄膜を結晶相からアモルファス相へ、あるいはアモルファス相から結晶層へ相転移させる必要がある。カルコゲナイド系材料では、通常、材料を630℃以上に昇温して急冷した場合アモルファス相として固化し、200℃以上に昇温して徐冷すると結晶相で安定する。相変化材料薄膜の加熱は、薄膜に電流を流すことによって発生するジュール熱を利用して行われる。相変化材料薄膜がアモルファス相に転移した場合、この薄膜の抵抗値は、結晶相に転移した場合の抵抗値に比べて2桁乃至4桁大きい。したがって、相変化材料薄膜に読み出し電圧を印加して流れる電流量を検出することにより、薄膜がアモルファス相か結晶相の何れで安定しているか、即ち書き込まれた情報を読み出すことができる。   In such a memory, when writing information, that is, 1, 0, it is necessary to change the phase change material thin film from the crystalline phase to the amorphous phase or from the amorphous phase to the crystalline layer. In a chalcogenide-based material, normally, when the material is heated to 630 ° C. or higher and rapidly cooled, it is solidified as an amorphous phase, and when the material is heated to 200 ° C. or higher and gradually cooled, the crystal phase is stabilized. The heating of the phase change material thin film is performed using Joule heat generated by passing an electric current through the thin film. When the phase change material thin film transitions to the amorphous phase, the resistance value of the thin film is two to four orders of magnitude greater than the resistance value when transitioned to the crystalline phase. Therefore, by detecting the amount of current flowing by applying a read voltage to the phase change material thin film, it is possible to read out the written information, that is, whether the thin film is stable in the amorphous phase or the crystalline phase.

最近、このような相変化材料薄膜において、電流の流れる方向に垂直にバイアス電圧を印加することによって電流量の制御が可能であることが見出され、この特性を利用して、メモリ機能とスイッチング機能を有する相変化チャンネルトランジスタが提案されている(特許文献1参照)。この相変化チャンネルトランジスタでは、チャンネル部分を相変化材料で構成することによりメモリ機能を持たせ、かつチャンネル部分を流れる電流をゲート電圧によりオン・オフスイッチングすることにより、情報の書き込み、読み出しのタイミングを制御することができる。したがって、この相変化チャンネルトランジスタを用いてRAMを構成する場合、選択トランジスタとメモリ部とを一個のトランジスタで実現することが可能となり、超高密度のストレージ素子を提供することができる。ちなみに従来のDRAMでは、選択トランジスタとキャパシタで構成されるメモリ素子とで一個のメモリセルが構成されており、キャパシタを半導体基板上に組み込む必要性からメモリセルの面積が大きくなり、微細化が阻害されている。その結果、メモリセルの高密度化には限度がある。   Recently, in such a phase change material thin film, it has been found that the amount of current can be controlled by applying a bias voltage perpendicular to the direction of current flow. A phase change channel transistor having a function has been proposed (see Patent Document 1). In this phase change channel transistor, the channel portion is made of a phase change material to provide a memory function, and the current flowing through the channel portion is switched on and off by the gate voltage, thereby controlling the timing of writing and reading information. Can be controlled. Therefore, when a RAM is configured using this phase change channel transistor, the selection transistor and the memory portion can be realized by a single transistor, and an ultra-high density storage element can be provided. Incidentally, in a conventional DRAM, a memory cell including a selection transistor and a capacitor constitutes a single memory cell, and the area of the memory cell increases due to the necessity of incorporating the capacitor on a semiconductor substrate, thereby hindering miniaturization. Has been. As a result, there is a limit to increasing the density of memory cells.

特開2005−93619JP-A-2005-93619

上記相変化メモリ素子および相変化チャンネルトランジスタのいずれであっても、情報を書き込むためには相変化材料層に相転移を起こす必要がある。相転移のためには、相変化材料薄膜に通電してジュール熱を発生させることが必要である。ところが、アモルファス相から結晶相に相転移させる場合、アモルファス相での抵抗値が高く電流が流れ難いので、相転移に要する温度まで材料を加熱するためには、相当高い電圧を印加する必要がある。そのため、メモリ素子の書き込み電圧が高くなる。さらに、材料がアモルファス相から結晶相に転移した場合、結晶相での抵抗値が低いため、上記の電圧では材料に過度の電流が流れ素子が破壊されてしまう恐れがある。   In any of the phase change memory element and the phase change channel transistor, it is necessary to cause a phase transition in the phase change material layer in order to write information. For the phase transition, it is necessary to generate Joule heat by energizing the phase change material thin film. However, when a phase transition is performed from an amorphous phase to a crystalline phase, since the resistance value in the amorphous phase is high and current does not flow easily, it is necessary to apply a considerably high voltage in order to heat the material to the temperature required for the phase transition. . For this reason, the write voltage of the memory element is increased. Furthermore, when the material transitions from the amorphous phase to the crystalline phase, since the resistance value in the crystalline phase is low, an excessive current flows through the material at the above voltage, and the element may be destroyed.

このような不都合を防止するためには、相変化材料のアモルファス時の抵抗値を下げて、アモルファス相から結晶相への相転移のための印加電圧を低くする必要がある。現在は、2桁から4桁の差があるアモルファス相と結晶相の抵抗値の差を1桁程度に低下させることが望ましい。ところが、このような要求を満足する相変化材料は得られていない。   In order to prevent such inconvenience, it is necessary to lower the resistance value when the phase change material is amorphous, and to lower the applied voltage for phase transition from the amorphous phase to the crystalline phase. At present, it is desirable to reduce the difference in resistance between the amorphous phase and the crystalline phase, which have a difference of 2 to 4 digits, to about 1 digit. However, no phase change material satisfying such requirements has been obtained.

本発明は、上記のような問題点を解決する目的でなされたものであり、相変化材料自体を変更することなく、アモルファス相から結晶相への相転移に必要な印加電圧を低くすることが可能な、新規な構成の相変化メモリ素子および相変化チャンネルトランジスタ、さらにこれらの素子を用いたメモリセルアレイを提供することを課題とする。   The present invention has been made for the purpose of solving the above-described problems, and it is possible to reduce the applied voltage necessary for the phase transition from the amorphous phase to the crystalline phase without changing the phase change material itself. It is an object of the present invention to provide a phase change memory element and a phase change channel transistor having a novel structure, and a memory cell array using these elements.

上記課題を解決するために、第1の発明に係るメモリ素子は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1および第2の電極間に設けたメモリ層と、を備え、前記メモリ層を、少なくとも、室温でアモルファス相および結晶相で安定する相変化材料で構成される第1の層と、抵抗材料で構成される第2の層とで構成し、前記第2の層の抵抗値を、前記第1の層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さく、前記第1の層が結晶相である場合の抵抗値よりも大きくし、さらに、前記第1および第2の層を、前記第1、第2の電極間で並列に隣接して設けている。   In order to solve the above problems, a memory element according to a first aspect of the present invention includes a first electrode, a second electrode, and a memory layer provided between the first and second electrodes, The memory layer includes at least a first layer composed of a phase change material that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, and a second layer composed of a resistive material, The resistance value is smaller than the resistance value when the first layer is an amorphous phase, larger than the resistance value when the first layer is a crystal phase, and further, the first and second A layer is provided adjacent in parallel between the first and second electrodes.

第2の発明に係る相変化チャンネルトランジスタは、第1の電極と、第2の電極と、前記第1および第2の電極間に設けたメモリ層と、前記メモリ層に絶縁膜を介して設けられた第3の電極と、を備え、前記メモリ層は、少なくとも、室温でアモルファス相および結晶相で安定する相変化材料で構成される第1の層と、抵抗材料で構成される第2の層と含み、第2の層の抵抗値を、第1の層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さく、第1の層が結晶相である場合の抵抗値よりも大きくしている。   A phase change channel transistor according to a second invention includes a first electrode, a second electrode, a memory layer provided between the first and second electrodes, and an insulating film provided on the memory layer. The memory layer includes at least a first layer composed of a phase change material that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, and a second layer composed of a resistive material. The resistance value of the second layer is smaller than the resistance value when the first layer is an amorphous phase and is larger than the resistance value when the first layer is a crystal phase.

第1、第2の層は、第1、第2の電極間で垂直方向に積層されていても良く、あるいは第1、第2の電極間で並列に隣接するようにして設けられていても良い。また、第3の電極を半導体基板上に形成し、第1、第2の電極およびメモリ層を第3の電極を被覆して前記半導体基板上に設けられた絶縁膜上に形成しても良い。あるいは、第1、第2の電極およびメモリ層を半導体基板上に形成した第1の絶縁膜上に形成し、第3の電極をメモリ層上に設けた第2の絶縁膜上に形成するようにしても良い。   The first and second layers may be stacked vertically between the first and second electrodes, or may be provided so as to be adjacent in parallel between the first and second electrodes. good. Further, the third electrode may be formed on the semiconductor substrate, and the first and second electrodes and the memory layer may be formed on the insulating film provided on the semiconductor substrate so as to cover the third electrode. . Alternatively, the first and second electrodes and the memory layer are formed on the first insulating film formed on the semiconductor substrate, and the third electrode is formed on the second insulating film provided on the memory layer. Anyway.

また、この相変化チャンネルトランジスタをスイッチング素子として機能させるために、第1、第2の電極間に電圧を印加した場合にメモリ層を流れる電流を遮断する第1の電圧と遮断しない第2の電圧とを、第3の電極に選択的に印加するようにしても良い。   In order to make this phase change channel transistor function as a switching element, when a voltage is applied between the first and second electrodes, the first voltage that cuts off the current flowing through the memory layer and the second voltage that does not cut off the current. May be selectively applied to the third electrode.

第3の発明に係るメモリセルアレイは、一個のMOSトランジスタと、室温でアモルファス相と結晶相とで安定する相変化材料層を含むメモリ部とで構成されるメモリセルを同一基板上に複数個配列し、前記メモリ部を、第1の発明に係る相変化メモリ素子で構成している。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a memory cell array in which a plurality of memory cells each including a MOS transistor and a memory portion including a phase change material layer that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature are arranged on the same substrate. The memory section is constituted by the phase change memory element according to the first invention.

第4の発明に係るメモリセルアレイは、前記第2の発明に係る相変化チャンネルトランジスタを複数個、同一の半導体基板上に配置して構成される。   A memory cell array according to a fourth invention is configured by arranging a plurality of phase change channel transistors according to the second invention on the same semiconductor substrate.

第1の発明に係る相変化メモリ素子および第2の発明に係る相変化チャンネルトランジスタでは、メモリ層が、相変化材料層と抵抗層を第1、第2の電極間方向とは垂直方向において積層した構成、あるいは並列に隣接するように配置した構成を有するため、第1、第2の電極間に電圧を印加する場合、メモリ層の合成抵抗は、相変化材料層がアモルファス相である場合はほぼ抵抗層の抵抗値となり、相変化材料層が結晶相である場合はほぼ相変化材料層の抵抗値となる。したがって、抵抗層の抵抗値を相変化材料層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さくなるように設定すれば、合成抵抗が低下し大きな電流が抵抗層を経由して流れるようになる。その結果、抵抗層が容易に発熱し、その発熱によってアモルファス相である相変化材料層が加熱され、相転移を起こすようになる。   In the phase change memory element according to the first invention and the phase change channel transistor according to the second invention, the memory layer is formed by stacking the phase change material layer and the resistance layer in a direction perpendicular to the direction between the first and second electrodes When the voltage is applied between the first and second electrodes, the combined resistance of the memory layer is determined when the phase change material layer is an amorphous phase. When the phase change material layer is a crystalline phase, the resistance value of the phase change material layer is almost the same. Therefore, if the resistance value of the resistance layer is set to be smaller than the resistance value when the phase change material layer is an amorphous phase, the combined resistance is lowered and a large current flows through the resistance layer. As a result, the resistance layer easily generates heat, and the heat generation heats the phase change material layer, which is an amorphous phase, and causes phase transition.

このように、メモリ層を、相変化材料層と抵抗層の積層構造とすることによって、メモリ層全体の合成抵抗値を低減させ、これによって、相変化材料層のアモルファス相から結晶相への相転移を低い印加電圧で実現することが可能となり、実用的な相変化メモリ素子あるいは相変化チャンネルトランジスタを得ることができる。   As described above, the memory layer has a laminated structure of the phase change material layer and the resistance layer, thereby reducing the combined resistance value of the entire memory layer, and thereby the phase from the amorphous phase to the crystal phase of the phase change material layer. The transition can be realized with a low applied voltage, and a practical phase change memory element or phase change channel transistor can be obtained.

また、このような相変化メモリ素子あるいは相変化チャンネルトランジスタを同一基板上に複数個配列してメモリセルアレイを構成することによって、より低い電圧で駆動することが可能なメモリセルアレイを得ることができる。特に、相変化チャンネルトランジスタで構成したメモリセルアレイの場合、従来は別個に形成する必要が有ったスイッチング用のトランジスタとメモリ部とを一個のトランジスタで実現できるので、その分基板上で一個のメモリセルが必要とする面積が大幅に低下し、それによって超高密度のメモリセルアレイを実現することが可能となる。   In addition, by arranging a plurality of such phase change memory elements or phase change channel transistors on the same substrate to constitute a memory cell array, a memory cell array that can be driven at a lower voltage can be obtained. In particular, in the case of a memory cell array composed of phase change channel transistors, a switching transistor and a memory unit, which conventionally had to be formed separately, can be realized by a single transistor, and accordingly, one memory on the substrate. The area required by the cell is greatly reduced, thereby making it possible to realize an ultra-high density memory cell array.

[第1の実施形態]
図1(a)および(b)は、本発明の第1の実施形態に係る積層型相変化メモリ素子1の構造を示す一部切り欠き断面図である。図(a)は相変化材料層がアモルファス相である場合、図(b)は相変化材料層が結晶相である場合をそれぞれ示している。図(a)および(b)において、2はSiの半導体基板、4はSiO2等を材料とする絶縁層、6および8はAl、Au等を材料とする第1、第2の電極層、10はカルコゲナイドのような一般の相変化メモリに使用される材料で構成された相変化材料薄膜の層(以下、相変化材料層)、12はC、W等を材料とする抵抗層を示す。相変化材料層10および抵抗層12は、相変化メモリ素子1のメモリ部14を構成する。また、13はメモリ部14を被覆する保護層であって、例えばSiO2等で構成されている。
[First Embodiment]
FIGS. 1A and 1B are partially cutaway cross-sectional views showing the structure of the stacked phase change memory element 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4A shows a case where the phase change material layer is an amorphous phase, and FIG. 4B shows a case where the phase change material layer is a crystalline phase. In FIGS. 1A and 1B, 2 is a Si semiconductor substrate, 4 is an insulating layer made of SiO 2 or the like, 6 and 8 are first and second electrode layers made of Al, Au or the like, Reference numeral 10 denotes a layer of a phase change material thin film (hereinafter referred to as a phase change material layer) made of a material used for a general phase change memory such as chalcogenide, and 12 denotes a resistance layer made of C, W, or the like. Phase change material layer 10 and resistance layer 12 form memory portion 14 of phase change memory element 1. Reference numeral 13 denotes a protective layer covering the memory unit 14 and is made of, for example, SiO 2 .

カルコゲナイドは、少なくともSbとTeを含む、GeSbTe系あるいはAgInSbTe系の材料であり、室温でアモルファス相および結晶相で安定している。一例では、材料がアモルファス相をとる場合、その比抵抗ρは約1Ωm程度であり、一方、結晶相をとる場合、約10-4Ωm程度である。したがって、層10がアモルファス相である場合と結晶相である場合の抵抗値の差は、104倍、即ち4桁の相違となる。なお、層10はプラズマ蒸着法などによって形成されるため、プラズマプロセスの相違により、材料の比抵抗と形状で決まる抵抗値とは異なる抵抗値を示す場合が多い。 Chalcogenide is a GeSbTe-based or AgInSbTe-based material containing at least Sb and Te, and is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature. In one example, when the material takes an amorphous phase, the specific resistance ρ is about 1 Ωm, whereas when the material takes a crystalline phase, it is about 10 −4 Ωm. Therefore, the difference in resistance value between the case where the layer 10 is an amorphous phase and the case where it is a crystalline phase is 10 4 times, that is, a difference of 4 digits. Since the layer 10 is formed by a plasma deposition method or the like, the resistance value is often different from the resistance value determined by the specific resistance and shape of the material due to the difference in the plasma process.

抵抗層12は、相変化材料層10が結晶相を取る場合の抵抗値よりも高く、アモルファス相を取る場合の抵抗値よりも小さい抵抗値を有するように構成される。このような抵抗層12を実現する材料として、例えば、C、W、Mo、TiN、TiWがある。相変化材料層10が上記のような比抵抗ρを有するカルコゲナイドである場合、抵抗層12の比抵抗約を10-2〜10-1Ωm程度とすることができる。抵抗層12は、相変化材料層10上に上記のような抵抗材料を、例えばプラズマ蒸着することによって形成される。 The resistance layer 12 is configured to have a resistance value that is higher than the resistance value when the phase change material layer 10 takes a crystalline phase and smaller than the resistance value when an amorphous phase is taken. Examples of a material for realizing such a resistance layer 12 include C, W, Mo, TiN, and TiW. When the phase change material layer 10 is a chalcogenide having the specific resistance ρ as described above, the specific resistance of the resistive layer 12 can be set to about 10 −2 to 10 −1 Ωm. The resistance layer 12 is formed by, for example, plasma vapor deposition of the above-described resistance material on the phase change material layer 10.

図2に、相変化材料層10と抵抗層12の電圧−電流特性の一例を示す。図2のAは、相変化材料層10が結晶相を有しその抵抗値がR1である場合の電圧−電流特性を、Bは相変化材料層10がアモルファス相を有しその抵抗値がR2である場合の電圧−電流特性を、さらにCは抵抗値R3を有する抵抗材料層12の電圧−電流特性を示す。抵抗層12の抵抗値R3は、R1<R3<R2となるように選択されている。   FIG. 2 shows an example of voltage-current characteristics of the phase change material layer 10 and the resistance layer 12. FIG. 2A shows voltage-current characteristics when the phase change material layer 10 has a crystal phase and its resistance value is R1, and B shows the phase change material layer 10 has an amorphous phase and its resistance value is R2. And C represents the voltage-current characteristic of the resistance material layer 12 having the resistance value R3. The resistance value R3 of the resistance layer 12 is selected so that R1 <R3 <R2.

図1(a)では、相変化材料層10はアモルファス状態であるため、その抵抗値R2は抵抗層12の抵抗値R3より大きく、例えば10倍である。そのため、メモリ部14の合成抵抗はほぼ抵抗層12の抵抗値R3となり、第1、第2の電極間に電圧を印加した場合、電流は図の点線aで示すように、主に抵抗層12を経由して流れる。その結果、抵抗層12がジュール熱を発生し、相変化材料層10を加熱する。この加熱によって、相変化材料層10が間接的に加熱され、アモルファス相から結晶相に相転移を起こす。   In FIG. 1A, since the phase change material layer 10 is in an amorphous state, its resistance value R2 is larger than the resistance value R3 of the resistance layer 12, for example, 10 times. Therefore, the combined resistance of the memory unit 14 is approximately the resistance value R3 of the resistance layer 12, and when a voltage is applied between the first and second electrodes, the current is mainly the resistance layer 12 as shown by the dotted line a in the figure. Flows through. As a result, the resistance layer 12 generates Joule heat and heats the phase change material layer 10. This heating indirectly heats the phase change material layer 10 and causes a phase transition from the amorphous phase to the crystalline phase.

図2に示すように、同じ電圧Vaをアモルファスの単層(直線Bの場合)とアモルファス層と抵抗層の複層(直線Cの場合)に印加した場合、流れる電流Iは大きく相違する。ジュール熱による発熱は消費される電力、即ちI×Vによって決まるため、同じ熱量を得る場合には電流Iが大きければその分電圧Vを低減することができる。したがって、抵抗層と相変化材料層を積層した構造のメモリ層では、より低い印加電圧で、相変化材料層を加熱し相転移を起こすことができる。   As shown in FIG. 2, when the same voltage Va is applied to an amorphous single layer (in the case of a straight line B) and a multilayer of an amorphous layer and a resistance layer (in the case of a straight line C), the flowing current I is greatly different. Since the heat generated by Joule heat is determined by the consumed power, that is, I × V, the voltage V can be reduced correspondingly if the current I is large when the same amount of heat is obtained. Therefore, in a memory layer having a structure in which a resistance layer and a phase change material layer are stacked, the phase change material layer can be heated to cause phase transition with a lower applied voltage.

一方、図1(b)に示すように相変化材料層10が結晶相に転移した状態では、その抵抗値はアモルファス相の場合より、例えば3桁程度低下してR1となる。その結果、メモリ部14の合成抵抗はほぼ抵抗R1となり、電流は図の点線bで示すように、相変化材料層10を経由して流れるようになる。したがって、結晶相からアモルファス相に相転移させる場合は、抵抗層12が存在する影響をほとんど考慮する必要はない。   On the other hand, as shown in FIG. 1B, in the state in which the phase change material layer 10 has transitioned to the crystalline phase, the resistance value is reduced to, for example, about three orders of magnitude from that in the amorphous phase. As a result, the combined resistance of the memory unit 14 is substantially the resistance R1, and the current flows through the phase change material layer 10 as indicated by the dotted line b in the figure. Therefore, when the phase transition is performed from the crystalline phase to the amorphous phase, there is almost no need to consider the influence of the resistance layer 12.

以下に、抵抗層12が存在することによって、アモルファス相から結晶相への相転移のために印加する電圧が低減する理由を詳細に説明する。   Hereinafter, the reason why the voltage applied for the phase transition from the amorphous phase to the crystal phase is reduced by the presence of the resistance layer 12 will be described in detail.

ジュール熱の発生量は抵抗体に加えられる電力Pによって決まる。ここで、電力Pは、
P=IV=V2/R
として示される。相変化材料層10が抵抗値の小さい結晶相である場合と、抵抗値が大きいアモルファス相である場合に、両者で一定の電力Pを得るためには、
P=V12/R1=V22/R2
を満足する電圧V1(結晶相への印加電圧)、電圧V2(アモルファス相への印加電圧)が必要である。したがって、アモルファス相へ印加する電圧V2は、
V2=(R2/R1)1/2・V1
となり、電圧V2は電圧V1の(R2/R1)1/2倍としなければならない。現状では、R2/R1=102〜104であるため、電圧V2は電圧V1の10〜100倍の値が必要である。
The amount of Joule heat generated is determined by the electric power P applied to the resistor. Here, the power P is
P = IV = V 2 / R
As shown. In order to obtain a constant power P when the phase change material layer 10 is a crystalline phase with a small resistance value and when it is an amorphous phase with a large resistance value,
P = V1 2 / R1 = V2 2 / R2
Voltage V1 (applied voltage to the crystal phase) and voltage V2 (applied voltage to the amorphous phase) are required. Therefore, the voltage V2 applied to the amorphous phase is
V2 = (R2 / R1) 1/2 · V1
Thus, the voltage V2 must be (R2 / R1) 1/2 times the voltage V1. At present, since R2 / R1 = 10 2 to 10 4 , the voltage V2 needs to be 10 to 100 times the voltage V1.

これに対して、メモリ部14を相変化材料層10と抵抗層12の積層構造とした場合には、相変化材料層10がアモルファス状態のメモリ部14の合成抵抗はほぼ抵抗層12の抵抗値R3となるため、電力Pを得るための電圧V3は、
V3=(R3/R1)1/2・V1
となり、R3/R1が5以下であれば、電圧V3は電圧V1の約2.2倍の電圧でよい。この結果、従来ではアモルファス相から結晶相への転移のために5V以上の印加電圧が必要であったものが、5V以下の電圧で相転移可能とすることができる。
On the other hand, when the memory unit 14 has a laminated structure of the phase change material layer 10 and the resistance layer 12, the combined resistance of the memory unit 14 in which the phase change material layer 10 is in an amorphous state is approximately the resistance value of the resistance layer 12. Since R3, the voltage V3 for obtaining the power P is
V3 = (R3 / R1) 1/2 · V1
If R3 / R1 is 5 or less, the voltage V3 may be about 2.2 times the voltage V1. As a result, what conventionally required an applied voltage of 5 V or more for transition from the amorphous phase to the crystalline phase can be made phase transition at a voltage of 5 V or less.

図3の(a)および(b)に、本実施形態に係る積層型相変化メモリ素子の他の実施例を示す。なお、以下に示す図面において、図1と同じ符合は同一または類似の構成要素を示すものとする。図3(a)に示す相変化メモリ素子1aは、第1、第2の電極6、8間にまず抵抗層16を形成し、その後相変化材料層10aを形成した構造を有する。図3(b)に示す相変化メモリ素子1bは、図3の素子において、相変化材料層10a上にさらに第2の抵抗層18を設け、2個の抵抗層16、18で相変化材料層10aを挟んだ構造を特徴としている。これによって、メモリ部の抵抗値の制御をさらに容易にしている。また、図1に示す構造の相変化メモリ素子と同様に相変化材料層10a上に抵抗層18を設けているので、相変化材料層10aをアモルファス化するために液体化した相変化材料が飛散するのを防止することができる。なお、図(b)の構造において、抵抗層18の代わりに絶縁層を設けても良い。   3A and 3B show another example of the stacked phase change memory element according to this embodiment. In the drawings shown below, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same or similar components. The phase change memory element 1a shown in FIG. 3A has a structure in which a resistance layer 16 is first formed between first and second electrodes 6 and 8, and then a phase change material layer 10a is formed. The phase change memory element 1b shown in FIG. 3B is the same as the element shown in FIG. 3, except that the second resistance layer 18 is further provided on the phase change material layer 10a, and the phase change material layer is composed of two resistance layers 16 and 18. It is characterized by a structure sandwiching 10a. This further facilitates control of the resistance value of the memory unit. Since the resistance layer 18 is provided on the phase change material layer 10a as in the phase change memory element having the structure shown in FIG. 1, the phase change material liquefied to make the phase change material layer 10a amorphous is scattered. Can be prevented. Note that an insulating layer may be provided in place of the resistance layer 18 in the structure of FIG.

[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態にかかる並列型相変化メモリ素子の構造を示す斜視図である。本実施形態の素子1cは、絶縁層4上の第1、第2の電極層6、8間に相変化材料層10bと抵抗層12bを並列に隣接して設けた構造を有している。図示はしていないが、相変化材料層10bと抵抗層12b上に保護膜を設けても良い。相変化材料層10bと抵抗層12bの電気的特性は、上記第1の実施形態に係る積層型相変化メモリ素子の場合と同様である。したがって、この構造のメモリ素子においても、相変化材料層10bがアモルファス相である場合は第1および第2の電極層6、8間で主に抵抗層12bを介して電流が流れ、相変化材料層10bは抵抗層の温度上昇により間接的に加熱される。そのため、第1の実施形態に係るメモリ素子の場合と同様に、相変化材料層10bをアモルファス相から結晶相に書き換える場合の印加電圧を低く抑えることができる。相変化材料層10bを結晶相からアモルファス相に相転移させる場合は、主に相変化材料層10bを介して電流が流れるので、抵抗層12bの存在による影響はない。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a parallel type phase change memory device according to the second embodiment of the present invention. The element 1c of the present embodiment has a structure in which a phase change material layer 10b and a resistance layer 12b are provided adjacent to each other in parallel between the first and second electrode layers 6 and 8 on the insulating layer 4. Although not shown, a protective film may be provided on the phase change material layer 10b and the resistance layer 12b. The electrical characteristics of the phase change material layer 10b and the resistance layer 12b are the same as those in the stacked phase change memory element according to the first embodiment. Therefore, also in the memory element having this structure, when the phase change material layer 10b is in an amorphous phase, a current flows between the first and second electrode layers 6 and 8 mainly through the resistance layer 12b, and the phase change material Layer 10b is indirectly heated by the temperature rise of the resistive layer. Therefore, as in the case of the memory element according to the first embodiment, the applied voltage when the phase change material layer 10b is rewritten from the amorphous phase to the crystalline phase can be kept low. When the phase change material layer 10b undergoes a phase transition from the crystalline phase to the amorphous phase, the current flows mainly through the phase change material layer 10b, so there is no influence due to the presence of the resistance layer 12b.

[第3の実施形態]
図5(a)および(b)は、本発明の第3の実施形態に係るメモリセルアレイ(PRAM)の構造を示す一部切り欠き断面図である。この図では、PRAMの一個のメモリセルのみを示しているが、実際は複数のメモリセルが同一基板上に形成され、高記憶容量の集積回路を構成している。なお、このようなメモリセルアレイにおける配線構造については周知であるので、ここでは説明しない。
[Third Embodiment]
FIGS. 5A and 5B are partially cutaway sectional views showing the structure of a memory cell array (PRAM) according to the third embodiment of the present invention. In this figure, only one memory cell of the PRAM is shown, but actually, a plurality of memory cells are formed on the same substrate to constitute a high storage capacity integrated circuit. The wiring structure in such a memory cell array is well known and will not be described here.

図5(a)において、20はSi半導体基板、22は素子分離用のSiO2層、24、26は例えばn+拡散層、28はゲート絶縁膜、30はゲート電極を示す。n+拡散層24は、層間絶縁膜32に設けたスルーホール中に形成したコンタクト34を介してビットライン36に接続されている。他方の拡散層26上には、上記第1の実施形態に係る積層型メモリ部あるいは第2の実施形態にかかる並列型のメモリ部38が形成されている。図示の例では、メモリ部38は相変化材料層38aと抵抗層38bの積層構造を有し、拡散層26、40によって第1、第2の電極を構成している。これによって、第1の実施形態のメモリ素子が構成される。なお、メモリ部38の他端はn+拡散層40を介してソースライン42に接続されている。 In FIG. 5A, 20 is a Si semiconductor substrate, 22 is a SiO 2 layer for element isolation, 24 and 26 are, for example, n + diffusion layers, 28 is a gate insulating film, and 30 is a gate electrode. The n + diffusion layer 24 is connected to the bit line 36 through a contact 34 formed in a through hole provided in the interlayer insulating film 32. On the other diffusion layer 26, the stacked memory section according to the first embodiment or the parallel memory section 38 according to the second embodiment is formed. In the illustrated example, the memory section 38 has a laminated structure of a phase change material layer 38a and a resistance layer 38b, and the diffusion layers 26 and 40 constitute first and second electrodes. Thereby, the memory element of the first embodiment is configured. The other end of the memory unit 38 is connected to the source line 42 through the n + diffusion layer 40.

拡散層24、26、ゲート電極30はMOSトランジスタを構成し、Si半導体基板20のゲート直下のチャンネル領域44における通電状態をゲート電極30に印加する電圧によってオン、オフ制御する。即ち、-メモリ部38を選択的に駆動する場合は、ゲート電極30の電圧を制御してチャンネル領域44を導通状態に設定し、メモリ部に電力を供給する。反対にこのメモリ部を選択しない場合は、ゲート電極30にオフ電圧を印加する。   The diffusion layers 24 and 26 and the gate electrode 30 constitute a MOS transistor, and the energization state in the channel region 44 immediately below the gate of the Si semiconductor substrate 20 is controlled to be turned on and off by the voltage applied to the gate electrode 30. That is, when the memory unit 38 is selectively driven, the voltage of the gate electrode 30 is controlled to set the channel region 44 to a conductive state, and power is supplied to the memory unit. On the contrary, when this memory portion is not selected, an off voltage is applied to the gate electrode 30.

したがって、MOSトランジスタのゲート電圧を制御してチャンネル領域44を導通させれば、メモリ部38に、ビットライン36を介して書き込み(相転移のための電圧)あるいは読み出し電圧が印加され、反対にチャンネル領域44を非導通とすれば書き込み、読み出し電圧が印加されない。なお、ゲート電極30は、図示しないワードラインに接続されている。   Therefore, if the gate voltage of the MOS transistor is controlled to make the channel region 44 conductive, a write (voltage for phase transition) or read voltage is applied to the memory unit 38 via the bit line 36, and conversely the channel If the region 44 is made non-conductive, no write or read voltage is applied. The gate electrode 30 is connected to a word line (not shown).

図5の(b)は、第3の実施形態の他の実施例に係るメモリセルアレイの構造を示す図である。このメモリセルアレイは、図(a)のメモリ部に代わって、縦型の電極構造を有するメモリ部を構成したことを特徴とする。メモリ部39は、n+層26上に相変化材料層39aと抵抗層39bを並列に隣接して形成した構造を有し、n+層26を一方の電極とし、ソースライン42aを他方の電極としている。このメモリセルアレイも、図(a)に示すメモリセルアレイと同様にして、メモリ部39に情報を書き込み、読み出すことができる。   FIG. 5B is a diagram showing a structure of a memory cell array according to another example of the third embodiment. This memory cell array is characterized in that a memory portion having a vertical electrode structure is formed in place of the memory portion of FIG. The memory unit 39 has a structure in which a phase change material layer 39a and a resistance layer 39b are formed adjacent to each other in parallel on the n + layer 26. The n + layer 26 is used as one electrode and the source line 42a is used as the other electrode. . In this memory cell array, information can be written to and read from the memory unit 39 in the same manner as the memory cell array shown in FIG.

図5(a)、(b)のメモリセルアレイにおいて、メモリ部38あるいは39では、第1、第2の実施形態の説明の項で示したように、相変化材料層がアモルファス相から結晶相へ相転移させる場合に必要な電圧が抵抗層を設けない場合に比べて大幅に低減される。その結果、駆動電力が小さいメモリセルアレイを実現することが可能となる。   In the memory cell array of FIGS. 5A and 5B, in the memory unit 38 or 39, the phase change material layer changes from the amorphous phase to the crystalline phase as described in the description of the first and second embodiments. The voltage required for phase transition is greatly reduced compared to the case where no resistance layer is provided. As a result, a memory cell array with low driving power can be realized.

[第4の実施形態]
図6乃至図8は、本発明の第4の実施形態に係る相変化チャンネルトランジスタの第1乃至第4実施例の一部切り欠き断面図である。図6乃至図8において、50は半導体基板、52はゲート電極、54はSiO2等の絶縁膜、56はソース電極さらに58はドレイン電極を示す。図6に示す第1の実施例では、ゲート電極52上に絶縁膜54を介して相変化材料層60を形成し、さらにその上に抵抗層62を形成した構成を有する。図7に示す第2の実施例では、ゲート電極52上に絶縁膜54を介して抵抗層62aを形成し、その上に層変化材料層60aを形成した構成を有する。図8(a)に示す第3の実施例では、半導体基板50上にゲート電極を形成せず、相変化材料層60a上に絶縁膜64を介してゲート電極52aを形成した構成を有する。また、図8(b)に示す第4の実施例では、相変化材料層60bと抵抗層62bを第1、第2の電極層56、58間で並列に隣接して配置した構造の相変化チャンネルトランジスタを示す。この相変化チャンネルトランジスタでは、相変化材料層60aおよび抵抗層62b上に絶縁膜64aを形成し、その上にゲート電極52aを設けている。
[Fourth Embodiment]
6 to 8 are partially cutaway cross-sectional views of first to fourth examples of a phase change channel transistor according to a fourth embodiment of the present invention. 6 to 8, reference numeral 50 denotes a semiconductor substrate, 52 denotes a gate electrode, 54 denotes an insulating film such as SiO 2 , 56 denotes a source electrode, and 58 denotes a drain electrode. The first embodiment shown in FIG. 6 has a configuration in which a phase change material layer 60 is formed on a gate electrode 52 via an insulating film 54 and a resistance layer 62 is further formed thereon. The second embodiment shown in FIG. 7 has a configuration in which a resistance layer 62a is formed on a gate electrode 52 via an insulating film 54, and a layer change material layer 60a is formed thereon. In the third embodiment shown in FIG. 8A, the gate electrode is not formed on the semiconductor substrate 50, but the gate electrode 52a is formed on the phase change material layer 60a via the insulating film 64. In the fourth embodiment shown in FIG. 8B, the phase change has a structure in which the phase change material layer 60b and the resistance layer 62b are arranged adjacent to each other in parallel between the first and second electrode layers 56 and 58. A channel transistor is shown. In this phase change channel transistor, an insulating film 64a is formed on the phase change material layer 60a and the resistance layer 62b, and a gate electrode 52a is provided thereon.

図6乃至図8に示すそれぞれの相変化チャンネルトランジスタでは、相変化材料層60あるいは60aをアモルファス相あるいは結晶相とすることによって、このトランジスタをメモリとして機能させている。この場合の書き込み、読み出しの制御は、第1の実施形態における相変化メモリ素子と同じである。さらに、ソース、ドレイン電極56、58間でメモリ部を相変化材料層と少なくとも一個の抵抗層との積層構造あるいは並列構造とすることによって、相変化材料層をアモルファス相から結晶相へ相転移させる場合に要する電圧を低減するようにしている。したがって、相変化材料層、抵抗層の材料および抵抗値は、第1の実施形態における相変化メモリ素子の場合と同様に選択され、設定される。   In each of the phase change channel transistors shown in FIGS. 6 to 8, the phase change material layer 60 or 60a is made to be an amorphous phase or a crystalline phase so that the transistor functions as a memory. The control of writing and reading in this case is the same as that of the phase change memory element in the first embodiment. Furthermore, the phase change material layer is phase-shifted from the amorphous phase to the crystal phase by forming the memory portion between the source and drain electrodes 56 and 58 by a laminated structure or a parallel structure of the phase change material layer and at least one resistance layer. The voltage required for the case is reduced. Therefore, the material and resistance value of the phase change material layer and the resistance layer are selected and set in the same manner as in the case of the phase change memory element in the first embodiment.

本実施形態の相変化チャンネルトランジスタは、メモリ機能に加えてさらにトランジスタとしてのスイッチング機能を備えている。図9に、図6乃至図8に示す相変化チャンネルトランジスタのゲート電圧とソース・ドレイン電流の関係を模式的に示す。ゲート電圧は、図6乃至8に示すゲート電極52または52aと、ソース電極56あるいはドレイン電極58間の電圧である。図9の曲線Fは、相変化材料層60または60aが結晶相の状態である場合のゲート電圧対ソース・ドレイン電流(チャンネル電流)の関係を示し、曲線Hは相変化材料層60または60aがアモルファス相を取る場合のゲート電圧対ソース・ドレイン電流の関係を示している。   The phase change channel transistor of this embodiment further has a switching function as a transistor in addition to the memory function. FIG. 9 schematically shows the relationship between the gate voltage and the source / drain currents of the phase change channel transistors shown in FIGS. The gate voltage is a voltage between the gate electrode 52 or 52a and the source electrode 56 or the drain electrode 58 shown in FIGS. A curve F in FIG. 9 shows a relationship between a gate voltage and a source / drain current (channel current) when the phase change material layer 60 or 60a is in a crystalline phase state, and a curve H shows the relationship between the phase change material layer 60 or 60a. The relationship between the gate voltage and the source / drain current when the amorphous phase is taken is shown.

図示するように、相変化材料層60または60aで構成されるチャンネルにおいて、ゲート電圧が一定の値Vtよりも低い場合、チャンネル領域には、ゲート電圧にかかわりなく、層60または60aがアモルファス相であるか結晶相であるかによって決まるほぼ一定の電流I1(アモルファス相の場合)またはI2(結晶相の場合)が流れるが、ゲート電圧が電圧Vtを超えると、チャンネル電流はほとんど流れなくなる。したがって、ゲート電極52または52aに印加する電圧を制御することによって、図6乃至8に示す素子をスイッチング素子としても動作させることができるようになる。   As shown in the figure, in the channel constituted by the phase change material layer 60 or 60a, when the gate voltage is lower than a certain value Vt, the layer 60 or 60a is in an amorphous phase in the channel region regardless of the gate voltage. A substantially constant current I1 (in the case of the amorphous phase) or I2 (in the case of the crystal phase) determined depending on whether it is in the crystalline phase or not flows when the gate voltage exceeds the voltage Vt. Therefore, by controlling the voltage applied to the gate electrode 52 or 52a, the elements shown in FIGS. 6 to 8 can be operated as switching elements.

なお、このような相変化材料のスイッチング機能については、上述した特許文献1に詳細に説明されている。   Note that the switching function of such a phase change material is described in detail in Patent Document 1 described above.

[第5の実施形態]
図10は、上記第4の実施形態に係る相変化チャンネルトランジスタを用いたメモリセルアレイの構造を示す一部切り欠き断面図であり、2個のメモリセルを示している。図において、80はSi半導体基板、82はSiO2等の絶縁膜を示し、この絶縁膜82上に、図8に示す構造の相変化チャンネルトランジスタ83a、83bが形成されている。相変化チャンネルトランジスタ83a、83bは、それぞれ、抵抗材料で構成された抵抗層84、相変化材料で構成された相変化材料層86、ゲート絶縁膜88、ゲート電極90およびソース、ドレイン電極を構成する第1、第2の電極92および94を備えている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 10 is a partially cutaway sectional view showing the structure of the memory cell array using the phase change channel transistor according to the fourth embodiment, and shows two memory cells. In the figure, reference numeral 80 denotes a Si semiconductor substrate, 82 denotes an insulating film such as SiO 2 , and phase change channel transistors 83 a and 83 b having the structure shown in FIG. 8 are formed on the insulating film 82. Phase change channel transistors 83a and 83b constitute a resistance layer 84 made of a resistance material, a phase change material layer 86 made of a phase change material, a gate insulating film 88, a gate electrode 90, and source and drain electrodes, respectively. First and second electrodes 92 and 94 are provided.

さらに、ゲート電極90は図示しないワードラインに接続され、第1の電極92はビットライン96に接続され、かつ第2の電極94は図示しないソースラインに接続されている。なお、98は層間絶縁膜を示している。抵抗層84と相変化材料層86は、相変化材料層86がアモルファス層か結晶相かで情報を記録するメモリ部を構成している。ゲート電極90には、トランジスタ83a、83bをオン、オフスイッチングするためのスイッチング電圧がワードラインを経由して印加される。メモリ部への書き込み、読み出し電圧は、ビットライン96とソースライン間で印加される。したがって、ビットラインとワードラインを選択して駆動することにより、メモリアレイ上の任意のトランジスタが選択されて情報の書き込み、読み出しあるいは消去が行われる。   Further, the gate electrode 90 is connected to a word line (not shown), the first electrode 92 is connected to a bit line 96, and the second electrode 94 is connected to a source line (not shown). Reference numeral 98 denotes an interlayer insulating film. The resistance layer 84 and the phase change material layer 86 constitute a memory unit that records information whether the phase change material layer 86 is an amorphous layer or a crystalline phase. A switching voltage for switching on and off the transistors 83a and 83b is applied to the gate electrode 90 via the word line. A write / read voltage to the memory unit is applied between the bit line 96 and the source line. Therefore, by selecting and driving the bit line and the word line, an arbitrary transistor on the memory array is selected, and information is written, read or erased.

図10のメモリアレイでは、抵抗層84と相変化材料層86の積層構造あるいは並列構造によってメモリ部が構成されているので、第1、第2実施形態の相変化メモリ素子について説明したように、相変化材料層86をアモルファス状態から結晶状態に相転移させるために必要な電圧が低減されるという、大きな利点を有する。さらに、メモリ部を構成するトランジスタがスイッチング機能を有するため、任意のメモリセルをアドレスするための選択トランジスタを設ける必要がない。その結果、選択トランジスタとメモリ部との両者を必要とする従来のメモリセルアレイに比べて、1個のメモリセルの面積が大幅に低減する。その結果、同一基板上に超高密度にメモリセルを構成することができる。   In the memory array of FIG. 10, the memory section is configured by a laminated structure or a parallel structure of the resistance layer 84 and the phase change material layer 86. Therefore, as described for the phase change memory elements of the first and second embodiments, This has the great advantage that the voltage required for phase transition of the phase change material layer 86 from the amorphous state to the crystalline state is reduced. Further, since the transistors constituting the memory portion have a switching function, there is no need to provide a selection transistor for addressing an arbitrary memory cell. As a result, the area of one memory cell is greatly reduced as compared with the conventional memory cell array that requires both the selection transistor and the memory portion. As a result, memory cells can be formed on the same substrate with an extremely high density.

なお、上記の全ての実施形態において、相変化材料としては、GeSbTe以外に、GaSb、InSb、InSe、SbTe、GeTe、InSbTe、GaSeTe、SnSbTe、InSbGe、AgInSbTe、GeSnSbTe、GeSbSeTe、TeGeSbS等の材料が使用可能である。またこのような材料において、その組成比を種々に変化したものも使用可能である。抵抗層の材料としては、C、W、Mo、TiN、TiW等がある。絶縁層材料としては、SiO2、Si34、ZnS等が使用可能である。 In all the embodiments described above, as the phase change material, in addition to GeSbTe, GaSb, InSb, InSe, SbTe, GeTe, InSbTe, GaSeTe, SnSbTe, InSbGe, AgInSbTe, GeSnSbTe, GeSbSeTe, TeSb, etc. are used. Is possible. Moreover, in such a material, what changed the composition ratio variously can also be used. Examples of the material for the resistance layer include C, W, Mo, TiN, and TiW. As the insulating layer material, SiO 2 , Si 3 N 4 , ZnS or the like can be used.

本発明の第1の実施形態に係る相変化メモリ素子の断面図。1 is a cross-sectional view of a phase change memory element according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す相変化メモリ素子における電圧−電流特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing voltage-current characteristics in the phase change memory element shown in FIG. 1. 図1に示す相変化メモリ素子の他の実施例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the phase change memory element shown in FIG. 1. 本発明の第2の実施形態に係る相変化メモリ素子の斜視図。FIG. 6 is a perspective view of a phase change memory element according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態にかかるメモリセルアレイの断面図。Sectional drawing of the memory cell array concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る相変化チャンネルトランジスタの断面図。Sectional drawing of the phase change channel transistor which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図6に示す相変化チャンネルトランジスタの一実施例を示す図。The figure which shows one Example of the phase change channel transistor shown in FIG. 図6に示す相変化チャンネルトランジスタの他の実施例を示す図。FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the phase change channel transistor shown in FIG. 6. 図6乃至8に示す相変化チャンネルトランジスタのスイッチング機能の説明に供する図。FIG. 9 is a diagram for explaining a switching function of the phase change channel transistor shown in FIGS. 本発明の第5の実施形態に係るメモリセルアレイを示す図。FIG. 9 is a diagram showing a memory cell array according to a fifth embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 相変化メモリ素子
2、20 Si半導体基板
4 絶縁膜
6 第1の電極
8 第2の電極
10 相変化材料層
12 抵抗層
14 メモリ部
16 第2の抵抗層
50 Si半導体基板
52、52a ゲート電極
54 絶縁膜
56 ソース電極
58 ドレイン電極
60、60a 相変化材料層
62、62a 抵抗層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Phase change memory element 2, 20 Si semiconductor substrate 4 Insulating film 6 1st electrode 8 2nd electrode 10 Phase change material layer 12 Resistance layer 14 Memory part 16 2nd resistance layer 50 Si semiconductor substrate 52, 52a Gate electrode 54 Insulating film 56 Source electrode 58 Drain electrode 60, 60a Phase change material layer 62, 62a Resistance layer

Claims (17)

第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1および第2の電極間に設けたメモリ層と、を備え、
前記メモリ層は、少なくとも、室温でアモルファス相および結晶相で安定する相変化材料で構成される第1の層と、抵抗材料で構成される第2の層とを含み、前記第2の層の抵抗値を、前記第1の層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さく、前記第1の層が結晶相である場合の抵抗値よりも大きく設定し、さらに、前記第1および第2の層を、前記第1、第2の電極間で並列に隣接して設けたことを特徴とする、相変化メモリ素子。
A first electrode;
A second electrode;
A memory layer provided between the first and second electrodes,
The memory layer includes at least a first layer composed of a phase change material that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, and a second layer composed of a resistive material, The resistance value is set to be smaller than the resistance value when the first layer is an amorphous phase and larger than the resistance value when the first layer is a crystalline phase, and further, the first and second A phase change memory element, wherein the layer is provided adjacent to each other in parallel between the first and second electrodes.
請求項1に記載の相変化メモリ素子において、前記第2の層を構成する抵抗材料は、C、W、Mo、TiN、TiWの少なくとも1個を含んでいることを特徴とする、相変化メモリ素子。   2. The phase change memory element according to claim 1, wherein the resistance material constituting the second layer includes at least one of C, W, Mo, TiN, and TiW. 3. element. 請求項1に記載の相変化メモリ素子において、前記メモリ層は保護膜で被覆されていることを特徴とする、相変化メモリ素子。   2. The phase change memory device according to claim 1, wherein the memory layer is covered with a protective film. 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1および第2の電極間に設けたメモリ層と、を備え、
前記メモリ層は、少なくとも、室温でアモルファス相および結晶相で安定する相変化材料で構成される第1の層と、抵抗材料で構成される第2の層とを含み、前記第2の層の抵抗値を、前記第1の層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さく、前記第1の層が結晶相である場合の抵抗値よりも大きく設定し、前記第1および第2の層を、前記第1、第2の電極間方向とは垂直方向において積層し、さらに、前記第1、第2の電極および前記メモリ層を半導体基板上に形成した絶縁膜上に設たことを特徴とする、相変化メモリ素子。
A first electrode;
A second electrode;
A memory layer provided between the first and second electrodes,
The memory layer includes at least a first layer composed of a phase change material that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, and a second layer composed of a resistive material, The resistance value is set smaller than the resistance value when the first layer is an amorphous phase and larger than the resistance value when the first layer is a crystalline phase, and the first and second layers Are stacked in a direction perpendicular to the direction between the first and second electrodes, and the first and second electrodes and the memory layer are provided on an insulating film formed on a semiconductor substrate. A phase change memory element.
請求項4に記載の相変化メモリ素子において、前記メモリ層の前記第1の層は、前記第1、第2の電極間で前記絶縁膜上に形成され、前記第2の層は前記第1の層上に積層されることを特徴とする、相変化メモリ素子。   5. The phase change memory element according to claim 4, wherein the first layer of the memory layer is formed on the insulating film between the first and second electrodes, and the second layer is the first layer. A phase change memory device, wherein the phase change memory device is stacked on the first layer. 請求項4に記載の相変化メモリ素子において、前記メモリ層の前記第2の層は、前記第1、第2の電極間で前記絶縁膜上に形成され、前記第1の層は前記第2の層上に積層されていることを特徴とする、相変化メモリ素子。   5. The phase change memory element according to claim 4, wherein the second layer of the memory layer is formed on the insulating film between the first and second electrodes, and the first layer is the second layer. A phase change memory device, wherein the phase change memory device is stacked on the layer. 請求項4に記載の相変化メモリ素子において、前記メモリ層は、前記第1の層上にさらに抵抗材料または絶縁材料で構成される第3の層を有することを特徴とする、相変化メモリ素子。   5. The phase change memory element according to claim 4, wherein the memory layer further includes a third layer made of a resistive material or an insulating material on the first layer. . 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1および第2の電極間に設けたメモリ層と、
前記メモリ層に絶縁膜を介して設けられた第3の電極と、を備え、
前記メモリ層は、少なくとも、室温でアモルファス相および結晶相で安定する相変化材料で構成される第1の層と、抵抗材料で構成される第2の層とを含み、前記第2の層の抵抗値は、前記第1の層がアモルファス相である場合の抵抗値よりも小さく、前記第1の層が結晶相である場合の抵抗値よりも大きいことを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。
A first electrode;
A second electrode;
A memory layer provided between the first and second electrodes;
A third electrode provided on the memory layer via an insulating film,
The memory layer includes at least a first layer composed of a phase change material that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, and a second layer composed of a resistive material, A phase change channel transistor having a resistance value smaller than a resistance value when the first layer is in an amorphous phase and larger than a resistance value when the first layer is in a crystalline phase.
請求項8に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第1および第2の層は、前記第1、第2の電極間方向とは垂直方向において積層された構造を有することを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   9. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the first and second layers have a structure in which the first and second layers are stacked in a direction perpendicular to the direction between the first and second electrodes. Change channel transistor. 請求項8に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第1および第2の層は、前記第1、第2の電極間で並列に隣接して設けられていることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   9. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the first and second layers are provided adjacent to each other in parallel between the first and second electrodes. Transistor. 請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第1の層はカルコゲナイド系の材料で構成されることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   11. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the first layer is made of a chalcogenide-based material. 請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第2の層を構成する抵抗材料は、C、W、Mo、TiN、TiWの少なくとも1個を含んでいることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   11. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the resistance material constituting the second layer includes at least one of C, W, Mo, TiN, and TiW. Feature phase change channel transistor. 請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第3の電極は半導体基板上に形成され、前記第1、第2の電極および前記メモリ層は前記第3の電極を被覆して前記半導体基板上に設けられた絶縁膜上に形成されることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   11. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the third electrode is formed on a semiconductor substrate, and the first electrode, the second electrode, and the memory layer are the third electrode. A phase change channel transistor, wherein the phase change channel transistor is formed on an insulating film provided on the semiconductor substrate. 請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、前記第1、第2の電極および前記メモリ層は半導体基板上に形成された第1の絶縁膜上に形成され、前記第3の電極は前記メモリ層上に設けられた第2の絶縁膜上に形成されることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   11. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the first and second electrodes and the memory layer are formed on a first insulating film formed on a semiconductor substrate, and 3. The phase change channel transistor according to claim 1, wherein the third electrode is formed on a second insulating film provided on the memory layer. 請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタにおいて、当該相変化チャンネルトランジスタをスイッチング素子として機能させるために、前記第3の電極には、前記第1、第2の電極間に電圧を印加した場合に前記メモリ層を流れる電流を遮断する第1の電圧と遮断しない第2の電圧が選択的に印加されることを特徴とする、相変化チャンネルトランジスタ。   11. The phase change channel transistor according to claim 8, wherein the third electrode is provided between the first and second electrodes in order to cause the phase change channel transistor to function as a switching element. A phase change channel transistor, wherein a first voltage that blocks current flowing through the memory layer and a second voltage that does not block when a voltage is applied to the memory layer are selectively applied. 一個のMOSトランジスタと、室温でアモルファス相と結晶相とで安定する相変化材料層を含むメモリ部とで構成されるメモリセルを同一基板上に複数個配列したメモリセルアレイにおいて、
前記メモリ部は、請求項1に記載の相変化メモリ素子で構成されていることを特徴とする、メモリセルアレイ。
In a memory cell array in which a plurality of memory cells, each composed of one MOS transistor and a memory portion including a phase change material layer that is stable in an amorphous phase and a crystalline phase at room temperature, are arranged on the same substrate.
A memory cell array comprising the phase change memory device according to claim 1.
同一基板上に、請求項8乃至10の何れか1項に記載の相変化チャンネルトランジスタを複数個配置したことを特徴とする、メモリセルアレイ。   11. A memory cell array comprising a plurality of phase change channel transistors according to claim 8 arranged on the same substrate.
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