JP2010278275A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ホットキャリア耐性を維持しつつ抵抗素子側のLDDの抵抗を下げることで、トランジスタの駆動能力を高めて、高速動作を可能にする。
【解決手段】半導体基板11上にゲート絶縁膜12を介して形成されたゲート電極13と、前記ゲート電極13の一方側の前記半導体基板11に形成された第1LDD拡散層14と、前記ゲート電極13の他方側の前記半導体基板11に形成された第2LDD拡散層15と、前記ゲート電極13の一方側に前記第1LDD拡散層14を介して形成された第1拡散層18と、前記ゲート電極13の他方側に前記第2LDD拡散層15を介して形成された第2拡散層19を有する選択トランジスタ2と、前記第1拡散層18に接続された記憶素子3を備え、前記第1LDD拡散層14は前記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低い。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板11上にゲート絶縁膜12を介して形成されたゲート電極13と、前記ゲート電極13の一方側の前記半導体基板11に形成された第1LDD拡散層14と、前記ゲート電極13の他方側の前記半導体基板11に形成された第2LDD拡散層15と、前記ゲート電極13の一方側に前記第1LDD拡散層14を介して形成された第1拡散層18と、前記ゲート電極13の他方側に前記第2LDD拡散層15を介して形成された第2拡散層19を有する選択トランジスタ2と、前記第1拡散層18に接続された記憶素子3を備え、前記第1LDD拡散層14は前記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低い。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体記憶装置に関するものである。
スピンRAM、抵抗変化RAM(RRAM:Resistance Random Access Memory)、相変化RAM(PCRAM:Phase Change Random Access Memory)などの抵抗変化型メモリでは記憶素子に電流を流すことで論理状態を書き込む。通常、記憶素子を基板上にアレイ状に並べた状態で、その中から必要な部分を選択して、書き込み、読み出しを行う。記憶素子を選択するために記憶素子一つにつきスイッチ素子を一つ接続してそのスイッチを動かすことで選択を行う。
図14に示すように、メモリアレイのスイッチは、選択トランジスタと呼ばれる通常のMOSトランジスタ(以下、選択トランジスタという)302が用いられる、この構成が回路構成上もっとも簡単である。抵抗変化型メモリ301のセルは左右対称の選択トランジスタの片側に記憶素子(抵抗記憶素子)303が接続された構造になっている。この場合、1bitあたりに必要な面積(セルサイズ)は、記憶素子303か選択トランジスタ302のうちの大きいほうで決まる。
図14に示すように、メモリアレイのスイッチは、選択トランジスタと呼ばれる通常のMOSトランジスタ(以下、選択トランジスタという)302が用いられる、この構成が回路構成上もっとも簡単である。抵抗変化型メモリ301のセルは左右対称の選択トランジスタの片側に記憶素子(抵抗記憶素子)303が接続された構造になっている。この場合、1bitあたりに必要な面積(セルサイズ)は、記憶素子303か選択トランジスタ302のうちの大きいほうで決まる。
選択トランジスタ302に着目してみると、通常のLSIに使うようなMOSトランジスタを用いる。通常のMOSトランジスタは信頼性確保のために、LDD(Lightly Doped Drain)構造を用いてチャネル端の水平方向電界を緩和している。通常、LDDはサイドウォールを使って形成されるため、ゲート(ゲート長方向)の両側に同じ長さのLDDが形成される。
そして、LDDは、ホットキャリア耐性を確保するために、MOSトランジスタの信頼性確保には必須の技術である。
そして、LDDは、ホットキャリア耐性を確保するために、MOSトランジスタの信頼性確保には必須の技術である。
また、抵抗変化型メモリでは、記憶素子に電流を流すことで論理状態を書き込むため、書き込みに必要な電流を流す十分な駆動能力が、選択トランジスタのサイズ決定の際の用件となる。その結果、選択トランジスタのサイズを小さくできずに、セルサイズが大きくなってしまう。この問題は良く知られている(例えば、非特許文献1参照。)。
MOSトランジスタの駆動能力を上げる方法として、非対称のLDDを用いる技術が公知である。この技術では、ソース側とドレイン側を区別して一方向にしか電流を流せないため、設計上の制約が重く、一般の集積回路では実用化されていない(例えば、特許文献1、2参照。)。
参考文献:
MOSトランジスタの駆動能力を上げる方法として、非対称のLDDを用いる技術が公知である。この技術では、ソース側とドレイン側を区別して一方向にしか電流を流せないため、設計上の制約が重く、一般の集積回路では実用化されていない(例えば、特許文献1、2参照。)。
参考文献:
I.G.Baek, D.C.Kim, m.J.Lee, H.-J.Kim, E.K.Yim, M.S.Lee, S.E.Ahn, S.Seo, J.H.Lee, J.C.Park, Y.K.Cha, S.O.park, H.S.Kim, I.K.Yoo, U-In Chung, J.T.Moon and B.I.Ryu、"Multi-layer Cross-point Binary Oxide Resistive Memory (OxRRAM) for Post-NAND Storage Application" 2005 IEEE、(2005年)
解決しようとする問題点は、LDDはトランジスタの信頼性、特にホットキャリア耐性を確保には必須の技術であるが、LDDは直列抵抗成分とみなされて、トランジスタの駆動能力を下げる点である。
本発明は、ホットキャリア耐性を維持しつつ抵抗素子側のLDDの抵抗を下げることで、トランジスタの駆動能力を高めて、高速動作を可能にする。
本発明の半導体記憶装置は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一方側の前記半導体基板に形成された第1LDD拡散層と、前記ゲート電極の他方側の前記半導体基板に形成された第2LDD拡散層と、前記ゲート電極の一方側に前記第1LDD拡散層を介して形成された第1拡散層と、前記ゲート電極の他方側に前記第2LDD拡散層を介して形成された第2拡散層を有する選択トランジスタと、前記第1拡散層に接続された記憶素子を備え、前記第1LDD拡散層は前記第2LDD拡散層よりチャネル長方向の電気的抵抗が低い。
本発明の半導体基板億装置では、抵抗素子である記憶素子が接続される第1拡散層側の第1LDD拡散層が他方側の第2LDD拡散層よりチャネル長方向の電気的抵抗が低くなっているため、選択トランジスタの駆動能力が高められる。
また、選択トランジスタの片側に抵抗素子である記憶素子が接続されているため、トランジスタと記憶素子の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子が接続されている側の第1LDD拡散層は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
よって、記憶素子が接続された側の第1LDD拡散層の抵抗を小さくして、選択トランジスタの駆動能力を上げることができる。
また、選択トランジスタの片側に抵抗素子である記憶素子が接続されているため、トランジスタと記憶素子の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子が接続されている側の第1LDD拡散層は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
よって、記憶素子が接続された側の第1LDD拡散層の抵抗を小さくして、選択トランジスタの駆動能力を上げることができる。
本発明の半導体記憶装置は、選択トランジスタの信頼性を確保しつつ、選択トランジスタの単位サイズあたりの駆動能力を高めることができるため、選択トランジスタを小さくでき、チップサイズを小さくできるという利点がある。
また、選択トランジスタの駆動能力が高くなることで低電圧での書き込み動作が可能となり、省電力化できる。
また、選択トランジスタのサイズが小さくなることで、ワード線の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
また、選択トランジスタの駆動能力が高くなることで低電圧での書き込み動作が可能となり、省電力化できる。
また、選択トランジスタのサイズが小さくなることで、ワード線の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
以下、発明を実施するための形態(以下、実施の形態とする)について説明する。
<1.一実施の形態>
[半導体記憶装置の構成の第1例]
本発明の一実施の形態に係る半導体記憶装置の構成の第1例を、図1の概略構成断面図によって説明する。
[半導体記憶装置の構成の第1例]
本発明の一実施の形態に係る半導体記憶装置の構成の第1例を、図1の概略構成断面図によって説明する。
図1に示すように、半導体基板11上には、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が形成されている。上記半導体基板11には、例えばシリコン基板を用いる。もちろん、化合物半導体基板を用いることもできる。
上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には第1LDD拡散層14が形成されている。また、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には第2LDD拡散層15が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側には第1サイドウォール16が形成され、他方側には第2サイドウォール17が形成されている。この第1サイドウォール16下の上記半導体基板11に上記第1LDD拡散層14が形成され、上記第2サイドウォール17下の上記半導体基板11に上記第2LDD拡散層15が形成されている。
また上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18が形成されていて、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19が形成されている。
そして、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の長さd1が短く形成されている。例えば、上記第2LDD拡散層15の長さ(チャネル長方向の長さ)d2はチャネル長の1/3〜1/2程度に形成されている。また、上記第1LDD拡散層14の長さd1は第2LDD拡散層15の長さの1/3〜1/2程度に形成されている。一例として、上記選択トランジスタ2のゲート長Lが40nmの場合、第1LDD拡散層14の長さd1を10nm、第2LDD拡散層15の長さd2を20nmとする。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には第1LDD拡散層14が形成されている。また、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には第2LDD拡散層15が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側には第1サイドウォール16が形成され、他方側には第2サイドウォール17が形成されている。この第1サイドウォール16下の上記半導体基板11に上記第1LDD拡散層14が形成され、上記第2サイドウォール17下の上記半導体基板11に上記第2LDD拡散層15が形成されている。
また上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18が形成されていて、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19が形成されている。
そして、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の長さd1が短く形成されている。例えば、上記第2LDD拡散層15の長さ(チャネル長方向の長さ)d2はチャネル長の1/3〜1/2程度に形成されている。また、上記第1LDD拡散層14の長さd1は第2LDD拡散層15の長さの1/3〜1/2程度に形成されている。一例として、上記選択トランジスタ2のゲート長Lが40nmの場合、第1LDD拡散層14の長さd1を10nm、第2LDD拡散層15の長さd2を20nmとする。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
上記半導体基板11上には、上記選択トランジスタ2を被覆する層間絶縁膜41が形成されている。この層間絶縁膜41には、上記第1拡散層18に接続する第1プラグ51が形成され、また上記第2拡散層19に接続する第2プラグ52が形成されている。
上記層間絶縁膜41上には、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLが形成されている。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3が形成されている。
さらに、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42が形成されていて、上記層間絶縁膜42には、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53が形成されている。
上記層間絶縁膜42上には、上記第3プラグ53に接続するソース線SLが形成されている。
このように、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続されている。
上記層間絶縁膜41上には、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLが形成されている。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3が形成されている。
さらに、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42が形成されていて、上記層間絶縁膜42には、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53が形成されている。
上記層間絶縁膜42上には、上記第3プラグ53に接続するソース線SLが形成されている。
このように、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続されている。
上記のように、半導体記憶装置1(1A)が構成されている。
なお、究極的に、第2LDD拡散層15を形成し、第1LDD拡散層14を形成しなくともよいが、第1拡散層18上、第2拡散層19上にシリサイド層を形成する場合には、第1LDD拡散層14、第2LDD拡散層15ともに形成することが好ましい。このようにシリサイド層を形成することを考慮すると、上記記載したような範囲に第1LDD拡散層14を形成することが好ましい。
上記半導体記憶装置1(1A)では、抵抗素子である記憶素子3が接続される第1拡散層18側の第1LDD拡散層14が他方側の第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の長さが短く形成されている。よって、第1LDD拡散層14は第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低くなっている。このため、選択トランジスタ2(2A)の駆動能力が高められる。
また、選択トランジスタ2(2A)の片側に記憶素子3が接続されているため、選択トランジスタ2Aと記憶素子3の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子3が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子3が接続されている側の第1LDD拡散層14は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
したがって、記憶素子3が接続された側の第1LDD拡散層14の抵抗を小さくして、電流を流しやすくし、選択トランジスタ2Aの駆動能力を上げることができる。
また、選択トランジスタ2(2A)の片側に記憶素子3が接続されているため、選択トランジスタ2Aと記憶素子3の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子3が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子3が接続されている側の第1LDD拡散層14は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
したがって、記憶素子3が接続された側の第1LDD拡散層14の抵抗を小さくして、電流を流しやすくし、選択トランジスタ2Aの駆動能力を上げることができる。
よって、選択トランジスタ2(2A)の信頼性を確保しつつ、選択トランジスタ2Aの単位サイズあたりの駆動能力を高めることができるため、選択トランジスタ2Aを小さくでき、チップサイズを小さくできるという利点がある。
よって、収率の向上、歩留まりの向上を通して、製品を低価格で供給できる。
また、選択トランジスタ2Aのサイズが小さくなることで、選択トランジスタ2Aのゲート電極13に接続されているワード線(図示せず)の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
よって、収率の向上、歩留まりの向上を通して、製品を低価格で供給できる。
また、選択トランジスタ2Aのサイズが小さくなることで、選択トランジスタ2Aのゲート電極13に接続されているワード線(図示せず)の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
さらに、記憶素子3が相変化メモリなど、素子に流す電流波形形状によって書き込みデータを制御する原理のメモリでは、ワード線の容量が小さくなることで、波形形状をより正確に制御することができる。このため、書き込み時のエラーレートを下げることができる。
[製造方法の第1例]
次に、上記半導体記憶装置1(1A)の製造方法の第1例を、図2〜図3の製造工程断面図よって説明する。
次に、上記半導体記憶装置1(1A)の製造方法の第1例を、図2〜図3の製造工程断面図よって説明する。
図2(1)に示すように、通常のMOSトランジスタの製造プロセスと同様にして、半導体基板11上に、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極13を形成する。上記半導体基板11には、例えばシリコン基板を用いる。もちろん、化合物半導体基板を用いることもできる。
次に、図2(2)に示すように、例えばイオン注入法によって、上記ゲート電極13の両側の上記半導体基板11に第1LDD拡散層14と第2LDD拡散層15を形成する。このときのドーズ量は、MOSトランジスタの通常のLDD拡散層と同程度の濃度、例えば1×1013/cm2程度とする。このドーズ量は、適宜決定される。
次に、図2(3)に示すように、上記ゲート電極13の両側の上記半導体基板11上に第1サイドウォール16、第2サイドウォール17を形成する。例えば、上記第1サイドウォール16、第2サイドウォール17は、全面にサイドウォールを形成する絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックすることにより形成される、通常のサイドウォール形成技術によって形成される。
次に、図2(4)に示すように、上記第2LDD拡散層15、第2サイドウォール17上と上記ゲート電極13の上記第2サイドウォール17側を被覆するレジストマスク61を形成する。
次に、図3(5)に示すように、上記レジストマスク61をエッチングマスクに用いて、上記第1サイドウォール16をエッチバックする。そして、上記第1サイドウォール16のゲート長方向の長さs1を上記第2サイドウォール17のゲート長方向の長さs2よりも短くする。
その後、上記レジストマスク61を除去する。図面では、上記レジストマスク61を除去する直前の状態を示した。
その後、上記レジストマスク61を除去する。図面では、上記レジストマスク61を除去する直前の状態を示した。
次に、図3(6)に示すように、イオン注入法によって、上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11に、上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18を形成する。同時に、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11に、上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19を形成する。
この結果、上記第1LDD拡散層14のチャネル方向の長さd1は上記第2LDD拡散層15のチャネル長方向の長さd2よりも短く形成される。例えば、上記第2LDD拡散層15の長さd1はチャネル長Lの1/3〜1/2程度に形成されることが好ましい。また、上記第1LDD拡散層14の長さd1は第2LDD拡散層15の長さd2の1/3〜1/2程度に形成されることが好ましい。一例として、上記選択トランジスタ2のゲート長Lが40nmの場合、第1LDD拡散層14の長さd1を10nm、第2LDD拡散層15の長さd2を20nmとする。
これによって、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成される。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
この結果、上記第1LDD拡散層14のチャネル方向の長さd1は上記第2LDD拡散層15のチャネル長方向の長さd2よりも短く形成される。例えば、上記第2LDD拡散層15の長さd1はチャネル長Lの1/3〜1/2程度に形成されることが好ましい。また、上記第1LDD拡散層14の長さd1は第2LDD拡散層15の長さd2の1/3〜1/2程度に形成されることが好ましい。一例として、上記選択トランジスタ2のゲート長Lが40nmの場合、第1LDD拡散層14の長さd1を10nm、第2LDD拡散層15の長さd2を20nmとする。
これによって、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成される。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
次に、図3(7)に示すように、上記半導体基板11上に、上記選択トランジスタ2を被覆する層間絶縁膜41を形成する。この層間絶縁膜41に、上記第1拡散層18に接続する第1プラグ51を形成し、また上記第2拡散層19に接続する第2プラグ52を形成する。
次いで、上記層間絶縁膜41上に、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLを形成する。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3を形成する。
次いで、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42を形成して、上記層間絶縁膜42に、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53を形成する。
次に上記層間絶縁膜42上に、上記第3プラグ53に接続するソース線SLを形成する。したがって、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続される。
次いで、上記層間絶縁膜41上に、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLを形成する。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3を形成する。
次いで、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42を形成して、上記層間絶縁膜42に、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53を形成する。
次に上記層間絶縁膜42上に、上記第3プラグ53に接続するソース線SLを形成する。したがって、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続される。
このように、半導体記憶装置1(1A)が形成される。
[半導体記憶装置の構成の第2例]
次に、本発明の一実施の形態に係る半導体記憶装置の構成の第2例を、図4の概略構成断面図によって説明する。
次に、本発明の一実施の形態に係る半導体記憶装置の構成の第2例を、図4の概略構成断面図によって説明する。
図4に示すように、半導体基板11上には、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が形成されている。上記半導体基板11には、例えばシリコン基板を用いる。もちろん、化合物半導体基板を用いることもできる。
上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には第1LDD拡散層14が形成されている。また、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には第2LDD拡散層15が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側には第1サイドウォール16が形成され、他方側には第2サイドウォール17が形成されている。この第1サイドウォール16下の上記半導体基板11に上記第1LDD拡散層14が形成され、上記第2サイドウォール17下の上記半導体基板11に上記第2LDD拡散層15が形成されている。
また上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18が形成されていて、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19が形成されている。
そして、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15より不純物濃度が高く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14の不純物濃度はドーズ量で1×1014/cm2程度に形成されていて、上記第2LDD拡散層15の不純物濃度はドーズ量で1×1013/cm2程度に形成されている。ちなみに、第1拡散層18、第2拡散層19の不純物濃度は、ドーズ量で1×1015/cm2〜1×1016/cm2程度に形成されている。
このように、選択トランジスタ2(2B)が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には第1LDD拡散層14が形成されている。また、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には第2LDD拡散層15が形成されている。
上記ゲート電極13の一方側には第1サイドウォール16が形成され、他方側には第2サイドウォール17が形成されている。この第1サイドウォール16下の上記半導体基板11に上記第1LDD拡散層14が形成され、上記第2サイドウォール17下の上記半導体基板11に上記第2LDD拡散層15が形成されている。
また上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11には上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18が形成されていて、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11には上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19が形成されている。
そして、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15より不純物濃度が高く形成されている。例えば、上記第1LDD拡散層14の不純物濃度はドーズ量で1×1014/cm2程度に形成されていて、上記第2LDD拡散層15の不純物濃度はドーズ量で1×1013/cm2程度に形成されている。ちなみに、第1拡散層18、第2拡散層19の不純物濃度は、ドーズ量で1×1015/cm2〜1×1016/cm2程度に形成されている。
このように、選択トランジスタ2(2B)が形成されている。
上記半導体基板11上には、上記選択トランジスタ2を被覆する層間絶縁膜41が形成されている。この層間絶縁膜41には、上記第1拡散層18に接続する第1プラグ51が形成され、また上記第2拡散層19に接続する第2プラグ52が形成されている。
上記層間絶縁膜41上には、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLが形成されている。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3が形成されている。
さらに、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42が形成されていて、上記層間絶縁膜42には、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53が形成されている。
上記層間絶縁膜42上には、上記第3プラグ53に接続するソース線SLが形成されている。
このように、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続されている。
上記層間絶縁膜41上には、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLが形成されている。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3が形成されている。
さらに、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42が形成されていて、上記層間絶縁膜42には、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53が形成されている。
上記層間絶縁膜42上には、上記第3プラグ53に接続するソース線SLが形成されている。
このように、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続されている。
上記のように、半導体記憶装置1(1B)が構成されている。
なお、上記第1LDD拡散層14は、第1拡散層18と同程度またはそれ以下で、上記第2LDD拡散層15よりも高い不純物濃度とすることもできる。
上記半導体記憶装置1(1B)では、抵抗素子である記憶素子3が接続される第1拡散層18側の第1LDD拡散層14が他方側の第2LDD拡散層15より不純物濃度が高く形成されている。よって、第1LDD拡散層14は第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低くなっている。このため、選択トランジスタ2(2A)の駆動能力が高められる。
また、選択トランジスタ2(2A)の片側に記憶素子3が接続されているため、選択トランジスタ2Aと記憶素子3の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子3が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子3が接続されている側の第1LDD拡散層14は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
したがって、記憶素子3が接続された側の第1LDD拡散層14の抵抗を小さくして、電流を流しやすくし、選択トランジスタ2Aの駆動能力を上げることができる。
また、選択トランジスタ2(2A)の片側に記憶素子3が接続されているため、選択トランジスタ2Aと記憶素子3の間のノードは常にフローティングになる。このため、記憶素子3が接続されている側は、チャネルの水平方向電界がもともと弱いので、記憶素子3が接続されている側の第1LDD拡散層14は、LDDの効果が小さくてもホットキャリア耐性を維持して信頼性を確保することができる。
したがって、記憶素子3が接続された側の第1LDD拡散層14の抵抗を小さくして、電流を流しやすくし、選択トランジスタ2Aの駆動能力を上げることができる。
よって、選択トランジスタ2(2A)の信頼性を確保しつつ、選択トランジスタ2Aの単位サイズあたりの駆動能力を高めることができるため、選択トランジスタ2Aを小さくでき、チップサイズを小さくできるという利点がある。
よって、収率の向上、歩留まりの向上を通して、製品を低価格で供給できる。
また、選択トランジスタ2Aのサイズが小さくなることで、選択トランジスタ2Aのゲート電極13に接続されているワード線(図示せず)の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
よって、収率の向上、歩留まりの向上を通して、製品を低価格で供給できる。
また、選択トランジスタ2Aのサイズが小さくなることで、選択トランジスタ2Aのゲート電極13に接続されているワード線(図示せず)の容量が小さくなり、高速にスイッチングできるため、メモリチップをより高速に動作できる。
さらに、記憶素子3が相変化メモリなど、素子に流す電流波形形状によって書き込みデータを制御する原理のメモリでは、ワード線の容量が小さくなることで、波形形状をより正確に制御することができる。このため、書き込み時のエラーレートを下げることができる。
[製造方法の第2例]
次に、上記半導体記憶装置1(1A)の製造方法の一例を、図5〜図6の製造工程断面図よって説明する。
次に、上記半導体記憶装置1(1A)の製造方法の一例を、図5〜図6の製造工程断面図よって説明する。
図5(1)に示すように、通常のMOSトランジスタの製造プロセスと同様にして、半導体基板11上に、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極13を形成する。上記半導体基板11には、例えばシリコン基板を用いる。もちろん、化合物半導体基板を用いることもできる。
次に、図5(2)に示すように、例えばイオン注入法によって、上記ゲート電極13の両側の上記半導体基板11に第1LDD拡散層14と第2LDD拡散層15を形成する。このときのドーズ量は、MOSトランジスタの通常のLDD拡散層と同程度の濃度、例えば1×1013/cm2程度とする。このドーズ量は、適宜決定される。
次に、図5(3)に示すように、上記第2LDD拡散層15と上記ゲート電極13の上記第2LDD拡散層15側を被覆するレジストマスク63を形成する。
次に、図5(4)に示すように、上記レジストマスク63をイオン注入マスクに用いて、上記第1LDD拡散層14を上記第2LDD拡散層15よりも不純物濃度を高める。このときのドーズ量は、例えば1×1014/cm2〜1×1015/cm2程度とする。当然のことながら、このイオン注入では、先にイオン注入された不純物と同導電型の不純物をイオン注入する。
その後、上記レジストマスク63を除去する。図面では、上記レジストマスク63を除去する直前の状態を示した。
その後、上記レジストマスク63を除去する。図面では、上記レジストマスク63を除去する直前の状態を示した。
次に、図6(5)に示すように、上記ゲート電極13の両側の上記半導体基板11上に第1サイドウォール16、第2サイドウォール17を形成する。例えば、上記第1サイドウォール16、第2サイドウォール17は、全面にサイドウォールを形成する絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックすることにより形成される、通常のサイドウォール形成技術によって形成される。
次に、図6(6)に示すように、イオン注入法によって、上記ゲート電極13の一方側の上記半導体基板11に、上記第1LDD拡散層14を介して第1拡散層18を形成する。同時に、上記ゲート電極13の他方側の上記半導体基板11に、上記第2LDD拡散層15を介して第2拡散層19を形成する。
この結果、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりも高い濃度に形成される。
これによって、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成される。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
この結果、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりも高い濃度に形成される。
これによって、上記第1LDD拡散層14は上記第2LDD拡散層15よりチャネル長方向の電気的抵抗が低く形成される。
このように、選択トランジスタ2(2A)が形成されている。
次に、図3(7)に示すように、上記半導体基板11上に、上記選択トランジスタ2を被覆する層間絶縁膜41を形成する。この層間絶縁膜41に、上記第1拡散層18に接続する第1プラグ51を形成し、また上記第2拡散層19に接続する第2プラグ52を形成する。
次いで、上記層間絶縁膜41上に、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLを形成する。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3を形成する。
次いで、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42を形成して、上記層間絶縁膜42に、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53を形成する。
次に上記層間絶縁膜42上に、上記第3プラグ53に接続するソース線SLを形成する。したがって、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続される。
次いで、上記層間絶縁膜41上に、上記第2プラグ52介して上記第2拡散層19に接続するビット線BLを形成する。また上記第1プラグ51介して上記第1拡散層18に接続する記憶素子3を形成する。
次いで、上記記憶素子3、ビット線BLを被覆する層間絶縁膜42を形成して、上記層間絶縁膜42に、上記記憶素子3に接続する第3プラグ53を形成する。
次に上記層間絶縁膜42上に、上記第3プラグ53に接続するソース線SLを形成する。したがって、上記記憶素子3の一方側に第1拡散層18が接続され、他方側にソース線SLが接続される。
このように、半導体記憶装置1(1A)が形成される。
[記憶素子の構成の第1例]
次に、上記記憶素子3の構成の第1例を、図7の回路構成図によって説明する。図7に示すメモリセルは、出願人がARAM(Atomic Random Access Memory)と呼ぶもののメモリセルである。
次に、上記記憶素子3の構成の第1例を、図7の回路構成図によって説明する。図7に示すメモリセルは、出願人がARAM(Atomic Random Access Memory)と呼ぶもののメモリセルである。
図7に示すように、記憶素子3(3A)は、第1電極211と、抵抗変化層212と、第2電極213を積層してなり、上記抵抗変化層212は、上記の第1電極211側に記憶層214が形成され、上記第2電極213側に、上記記憶層214に接触してイオン源層215が形成されている。
そして、上記第1電極211側が選択トランジスタ2Aの第1拡散層18に接続され、第2電極213側がソース線SLに接続されている。また、選択トランジスタ(2Aまたは2B)のゲート電極13がワード線WLに接続されている。さらに選択トランジスタ2(2Aまたは2B)の第2拡散層19がビット線BLに接続されている。
そして、上記第1電極211側が選択トランジスタ2Aの第1拡散層18に接続され、第2電極213側がソース線SLに接続されている。また、選択トランジスタ(2Aまたは2B)のゲート電極13がワード線WLに接続されている。さらに選択トランジスタ2(2Aまたは2B)の第2拡散層19がビット線BLに接続されている。
上記第1電極211には、半導体プロセスに用いられる配線材料、例えばチタン、窒化チタン、タングステン、窒化タングステン、銅もしくはシリコン系半導体材料からなる。またはアルミニウム、モリブデン、タンタル窒化タンタル、金属シリサイド等を用いることができる。上記シリコン系半導体材料には、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン等が挙げられる。また、これらのシリコン材料にヒ素、リン、アンチモン、ホウ素、インジウム等の導電性不純物を含んでいてもよい。
上記記憶層214は、絶縁体からなり、例えば、ガドリウム酸化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物のいずれか、もしくはそれらの混合材料からなる。
上記イオン源層215は、上記記憶層214に金属イオンを供給もしくはこの記憶層214に供給した金属イオンを受給するものである。例えば、銅、銀、亜鉛から選択されるいずれかの元素と、テルル、イオウ、セレンのカルコゲナイド元素から選択されるいずれかの元素とを含む膜で形成されている。例えば、CuTe、GeSbTe、CuGeTe、AgGeTe、AgTe、ZnTe、ZnGeTe、CuS、CuGeS、CuSe、CuGeSe等から選択される膜で形成されている。
上記イオン源層215は、上記記憶層214に金属イオンを供給もしくはこの記憶層214に供給した金属イオンを受給するものである。例えば、銅、銀、亜鉛から選択されるいずれかの元素と、テルル、イオウ、セレンのカルコゲナイド元素から選択されるいずれかの元素とを含む膜で形成されている。例えば、CuTe、GeSbTe、CuGeTe、AgGeTe、AgTe、ZnTe、ZnGeTe、CuS、CuGeS、CuSe、CuGeSe等から選択される膜で形成されている。
上記第2電極213には、例えば窒化タングステン、窒化チタン、タングステン、チタン、金、白金、銀、ルテニウム、テルル等を用いることができる。
このように、記憶素子3(3A)が構成されている。
上記記憶素子3Aの情報の記憶および消去動作について以下に説明する。
まず、上記イオン源層215に、例えば正電位(+電位)を印加して、第1電極211側が負になるように、記憶素子3Aに対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層215からCu,Ag,Znのいずれかがイオン化して、記憶層214内を拡散していき、第1電極211側で電子と結合して析出する。もしくは、記憶層214内部に拡散した状態で留まる。
すると、記憶層214内部にCu,Ag,Znのいずれかを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、記憶層214内部にCu,Ag,Znのいずれかによる欠陥が多数形成されることによって、記憶層214の抵抗値が低くなる。記憶層214以外の各層は、記憶層214の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、記憶層214の抵抗値を低くすることにより、記憶素子3A全体の抵抗値も低くすることができる。
まず、上記イオン源層215に、例えば正電位(+電位)を印加して、第1電極211側が負になるように、記憶素子3Aに対して正電圧を印加する。これにより、イオン源層215からCu,Ag,Znのいずれかがイオン化して、記憶層214内を拡散していき、第1電極211側で電子と結合して析出する。もしくは、記憶層214内部に拡散した状態で留まる。
すると、記憶層214内部にCu,Ag,Znのいずれかを多量に含む電流パスが形成される、もしくは、記憶層214内部にCu,Ag,Znのいずれかによる欠陥が多数形成されることによって、記憶層214の抵抗値が低くなる。記憶層214以外の各層は、記憶層214の記録前の抵抗値に比べて、元々抵抗値が低いので、記憶層214の抵抗値を低くすることにより、記憶素子3A全体の抵抗値も低くすることができる。
その後、正電圧を除去して、記憶素子3Aにかかる電圧をなくすと、抵抗値が低くなった状態で保持される。これにより、情報を記録することが可能になる。一度だけ記録が可能な記憶装置、いわゆる、PROMに用いる場合には、前記の記録過程のみで記録は完結する。
したがって、抵抗変化層212のうち、主として記憶層214の抵抗が変化して、情報を記憶することになる。
したがって、抵抗変化層212のうち、主として記憶層214の抵抗が変化して、情報を記憶することになる。
一方、消去が可能な記憶装置、いわゆる、RAMもしくはEEPROM等への応用には、消去過程が必要である。消去過程では、イオン源層215に、例えば負電位(−電位)を印加して、第1電極211側が正になるように、記憶素子3Aに対して負電圧を印加する。これにより、記憶層214内に形成されていた電流パスもしくは不純物準位を構成するCu,Ag,Znがイオン化して、記憶層214内を移動してイオン源層215側に戻る。
すると、記憶層214内からCu、Ag、Znのいずれかによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して、記憶層214の抵抗値が高くなる。記憶層214以外の各層は元々抵抗値が低いので、記憶層214の抵抗値を高くすることにより、記憶素子3A全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子3Aにかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
したがって、抵抗変化層212のうち、主として記憶層214の抵抗が変化して(元の抵抗状態に戻って)、情報を消去することになる。
すると、記憶層214内からCu、Ag、Znのいずれかによる電流パス、もしくは、欠陥が消滅して、記憶層214の抵抗値が高くなる。記憶層214以外の各層は元々抵抗値が低いので、記憶層214の抵抗値を高くすることにより、記憶素子3A全体の抵抗値も高くすることができる。
その後、負電圧を除去して、記憶素子3Aにかかる電圧をなくすと、抵抗値が高くなった状態で保持される。これにより、記録された情報を消去することが可能になる。
したがって、抵抗変化層212のうち、主として記憶層214の抵抗が変化して(元の抵抗状態に戻って)、情報を消去することになる。
このような過程を繰返し行うことにより、記憶素子3Aに情報の記録(書き込み)と記録された情報の消去を繰返し行うことができる。
[記憶素子の構成の第2例]
次に、上記記憶素子3の構成の第2例を、図8の回路構成図によって説明する。
次に、上記記憶素子3の構成の第2例を、図8の回路構成図によって説明する。
図8に示すように、第2例の記憶素子3(3B)は、第1電極221と第2電極223との間に金属酸化物膜からなる抵抗変化層222を挟んで形成されている。
上記抵抗変化層222は、金属酸化物膜からなり、例えば酸化ニッケルからなる。第1電極221と第2電極223とは、例えば白金で形成されている。もしくは、上記抵抗変化層222は、第1電極221側に酸化チタン膜を有し、第2電極223側に酸化ニッケルにチタンを添加したTi:Ni酸化膜を有する2層構造の金属酸化膜であってもよい。
また、コバルト酸化物膜とタンタル酸化物膜との積層構造としてもよい。この場合、陽極となる側の電極にタンタル電極を用いる。
このほか、抵抗変化層222には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ニオブ等の遷移金属元素の酸化物を用いることができる。
また、コバルト酸化物膜とタンタル酸化物膜との積層構造としてもよい。この場合、陽極となる側の電極にタンタル電極を用いる。
このほか、抵抗変化層222には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ニオブ等の遷移金属元素の酸化物を用いることができる。
上記第1電極221側に選択トランジスタ2が接続され、上記第2電極223側にソース線SLが接続されている。
上記記憶素子3Bでは、第1電極221と第2電極223との間に電圧が印加されることによって、上記抵抗変化層222の抵抗値が変化することを利用して、抵抗変化層222中を流れる電流量の違いを生じさせている。この電流量の違いを利用して、「0」、「1」の情報を得て、記憶と読み出しを行うものである。
このように、記憶素子3(3B)が構成されている。
[記憶素子の構成の第3例]
次に、上記記憶素子3の構成の第3例を、図9の回路構成図によって説明する。
次に、上記記憶素子3の構成の第3例を、図9の回路構成図によって説明する。
図9に示すように、第3例の記憶素子3(3C)は、第1電極221と第2電極223との間にペロブスカイト構造の合金の酸化物膜からなる抵抗変化層232を挟んで形成されている。
上記抵抗変化層232は、ペロブスカイト構造の合金の酸化物膜からなり、例えばPr0.7Ca0.3MnO3からなる。もしくは、上記抵抗変化層232は、クロム(Cr)をドーピングしたStZrO3、SrTiO3、PbZr0.52Ti0.48O3からなる。上記第1電極231と第2電極233とは、例えばチタン等の金属で形成されている。
上記第1電極231側に選択トランジスタ2が接続され、上記第2電極233側にソース線SLが接続されている。
上記記憶素子3Cでは、第1電極221と第2電極223との間に電圧が印加されることによって、上記抵抗変化層222の抵抗値が変化することを利用して、抵抗変化層222中を流れる電流量の違いを生じさせている。この電流量の違いを利用して、「0」、「1」の情報を得て、記憶と読み出しを行うものである。
このように、記憶素子3(3C)が構成されている。
[記憶素子の構成の第4例]
次に、上記記憶素子3の構成の第4例を、図10の回路構成図によって説明する。
次に、上記記憶素子3の構成の第4例を、図10の回路構成図によって説明する。
図10に示すように、第4例の記憶素子3(3D)は、前記第2例において、抵抗変化層222が異なるのみで、その他の構成は同一である。よって、ここでは一例として前記第2例の抵抗変化層222を抵抗変化層242として説明する。
上記抵抗変化層242は、例えば、固体電解質膜からなる。この固体電解質膜としては、銀(Ag)および銅(Cu)のうちのいずれかまたは両方と、硫化ゲルマニウム(GeS)、ゲルマニウムセレン(GeSe)、スズセレン(SnSe)およびスズゲルマニウムセレン(SnGeSe)のうちのいずれかまたは両方を有するものがある。
上記第1電極241側に選択トランジスタ2が接続され、上記第2電極243側にソース線SLが接続されている。
上記記憶素子3Dでは、上記抵抗変化層242に電圧が印加されると、固体電解質膜中の銅もしくは銀が移動する。例えば負電圧が印加された方に移動することによって、抵抗値が変化することを利用して、固体電解質膜中を流れる電流量の違いを生成している。この電流量の違いを利用して、「0」、「1」の情報を得て、情報の記録と読み出しを行うものである。
このように、記憶素子3(3D)が構成されている。
[記憶素子の構成の第5例]
次に、上記記憶素子3の構成の第5例を、図11の回路構成図によって説明する。
次に、上記記憶素子3の構成の第5例を、図11の回路構成図によって説明する。
図11に示すように、第5例の記憶素子3(3E)は、第5例の記憶素子3(3E)は、第1電極221と第2電極223との間にカルコゲナイド材料からなる相変化層252を挟んで形成されている。記憶素子3E以外の構成は、前記第1例〜第4例等と同様である。
上記相変化層252は、電圧を印加することによって相変化するものである。例えば、第2電極253に電圧を印加することで、相変化層252に相変化を起こさせ、この相変化による抵抗値の変化を利用して記憶動作を行うものである。この相変化層252には、ゲルマニウムアンチモンテルル(Ge2Sb2Te5)を用い、第1電極251および第2電極253に、例えば窒化チタンを用いる。また、相変化層のゲルマニウムアンチモンテルルに酸素が添加されていてもよい。また、上記相変化層252には、Ge、Sb、Teのうちの少なくとも2つを構成元素として含むものをもちいることができる。例えば、上記Ge2Sb2Te5の他に、GeSb2Te4、Ge6Sb2Te9がある。もしくは、亜鉛(Zn)とアンチモン(Sb)とテルル(Te)を主な構成元素とするもの、亜鉛(Zn)とゲルマニウム(Ge)とテルル(Te)を主な構成元素とするもの、亜鉛(Zn)とゲルマニウム(Ge)とアンチモン(Sb)とテルル(Te)を主な構成元素とするもの、ゲルマニウム(Ge)とアンチモン(Sb)とテルル(Te)を主な構成元素とするものが挙げられる。
上記第1電極251側に選択トランジスタ2が接続され、上記第2電極253側にソース線SLが接続されている。
上記記憶素子3Eでは、上記相変化層252に電圧をかけることによって発生するジュール熱によって、電気抵抗が異なる低抵抗な結晶状態と高抵抗な非晶質(アモルファス)状態に変化することを利用して、相変化層252を流れる電流量の違いを生じさせている。この電流量の違いを利用して、「0」、「1」の情報を得て、記憶と読み出しを行うものである。
このように、記憶素子3(3E)が構成されている。
[記憶素子の構成の第6例]
次に、上記記憶素子3の構成の第6例を、図12の回路構成図によって説明する。
次に、上記記憶素子3の構成の第6例を、図12の回路構成図によって説明する。
図12に示すように、スピンRAMでは、記憶素子3(3F)は、磁化固定層261と磁化自由層(記憶層)263との間にトンネル絶縁層262を挟んで形成されている。記憶素子3F以外の構成は、前記第1例〜第5例等と同様である。
上記記憶素子3(3F)では、磁化固定層261と磁化自由層263が強磁性体であるCoFeBで形成されていて、上記トンネル絶縁層262がMgOで形成されている。もちろん、上記材料に限定されるものではない。上記以外の強磁性体を用いることもでき、また上記以外の絶縁膜を用いることもできる。
上記記憶素子3(3F)では、磁化固定層261と磁化自由層263が強磁性体であるCoFeBで形成されていて、上記トンネル絶縁層262がMgOで形成されている。もちろん、上記材料に限定されるものではない。上記以外の強磁性体を用いることもでき、また上記以外の絶縁膜を用いることもできる。
そして、上記磁化固定層261側に選択トランジスタ2が接続され、上記磁化自由層263側にソース線SLが接続されている。
上記磁化自由層263、トンネル絶縁層262、磁化固定層261の積層構造では、磁化自由層263の磁化を、記憶素子3(3F)を流れる電子のスピンが持つトルク作用によって反転させてデータを記憶する、いわゆる、スピン注入磁化反転を用いている。
一方、書き込み線に流す電流で発生する磁界によって磁化反転させる通常のMRAMでは、磁化反転に必要な電流値はTMR素子の寸法に反比例する。つまり,素子を微細化して集積度を上げると、書き込み電流が増大してしまう。
スピン注入磁化反転では、磁化反転に必要な電流密度が一定であるため、記憶素子3(3F)の微細化に伴って書き込みに必要な電流値は減少することになる。
一方、書き込み線に流す電流で発生する磁界によって磁化反転させる通常のMRAMでは、磁化反転に必要な電流値はTMR素子の寸法に反比例する。つまり,素子を微細化して集積度を上げると、書き込み電流が増大してしまう。
スピン注入磁化反転では、磁化反転に必要な電流密度が一定であるため、記憶素子3(3F)の微細化に伴って書き込みに必要な電流値は減少することになる。
[メモリアレイへの適用の一例]
次に、メモリアレイへの適用の一例を、図13の回路図によって説明する。
次に、メモリアレイへの適用の一例を、図13の回路図によって説明する。
図13に示すように、各メモリセルMの記憶素子3側に接続するソース線SLとデコーダーDとの間にソース線SLを選択するための選択トランジスタ4Sが形成されている。また、各メモリセルMの選択トランジスタ2の第2拡散層19側に接続するビット線BLとデコーダーDとの間にビット線BLを選択するための選択トランジスタ4Bが接続されている。これらの選択トランジスタ4S,4Bは、上記選択トランジスタ2の構成を適用することができる。例えば、選択トランジスタ4SのメモリセルM側にある第1LDD拡散層(図示せず)は、その反対側にある第2LDD拡散層(図示せず)よりも低抵抗に形成されている。同様に、選択トランジスタ4PのメモリセルM側にある第1LDD拡散層(図示せず)は、その反対側にある第2LDD拡散層(図示せず)よりも低抵抗に形成されている。
これによって、ソース線SLおよびビット線BLの選択が高速になり、読み出し動作の高速化が図れる。同様にワード線WL1を選択する選択トランジスタ4W1、ワード線4W2を選択する選択トランジスタ4W2にも、前記選択トランジスタ2の構成を適用することでワード線WL1およびWL2の選択を高速化できる。
これによって、ソース線SLおよびビット線BLの選択が高速になり、読み出し動作の高速化が図れる。同様にワード線WL1を選択する選択トランジスタ4W1、ワード線4W2を選択する選択トランジスタ4W2にも、前記選択トランジスタ2の構成を適用することでワード線WL1およびWL2の選択を高速化できる。
以上説明したように、本発明の半導体記憶装置1では、書き込み・消去に必要な電流のスイッチングを、より小サイズの選択トランジスタで実現することができるため、メモリセルサイズを小型化できる。そして、抵抗変化型メモリ、相変化型メモリ、スピンRAM等のセルサイズを縮小することで、低価格で製造が可能となり、技術の付加価値を高めることができる。
1…半導体記憶装置、2…選択トランジスタ、3…記憶素子、11…半導体基板、12…ゲート絶縁膜、13…ゲート電極、14…第1LDD拡散層、15…第2LDD拡散層、18…第1拡散層、19…第2拡散層
Claims (12)
- 半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の一方側の前記半導体基板に形成された第1LDD拡散層と、
前記ゲート電極の他方側の前記半導体基板に形成された第2LDD拡散層と、
前記ゲート電極の一方側に前記第1LDD拡散層を介して形成された第1拡散層と、
前記ゲート電極の他方側に前記第2LDD拡散層を介して形成された第2拡散層を有する選択トランジスタと、
前記第1拡散層に接続された記憶素子を備え、
前記第1LDD拡散層は前記第2LDD拡散層よりチャネル長方向の電気的抵抗が低い
半導体記憶装置。 - 前記第1LDD拡散層は前記第2LDD拡散層よりチャネル長方向の長さが短い
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第1LDD拡散層は前記第2LDD拡散層より不純物濃度が高い
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記記憶素子は、
第1電極と、
前記第1電極に接続された絶縁体からなる記憶層と、
前記記憶層に接触して形成されていて前記記憶層に金属イオンを供給もしくは前記記憶層に供給した金属イオンを受給するイオン源層と、
前記イオン源層に接続する第2電極を有する
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記イオン源層は、銅、銀、亜鉛から選択されるいずれかの元素と、テルル、イオウ、セレンから選択されるいずれかの元素を含む
請求項4記載の半導体記憶装置。 - 前記記憶層は、ガドリウム酸化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコニウム酸化物のいずれか、もしくはそれらの混合材料からなる
請求項4記載の半導体記憶装置。 - 前記記憶素子は抵抗変化型の記憶素子であり、
第1電極と、
前記第1電極に接続された抵抗変化層と、
前記抵抗変化層に接続された第2電極を有する
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、酸化チタン、酸化ニッケル、酸化ジルコニウムもしくはジルコン酸ストロンチウムの金属酸化物からなる
請求項7記載の半導体記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、ペロブスカイト構造の化合物からなる
請求項7記載の半導体記憶装置。 - 前記抵抗変化層は、銀および銅のうちのいずれかまたは両方と、硫化ゲルマニウム、ゲルマニウムセレン、スズセレンおよびスズゲルマニウムセレンのうちのいずれかまたは両方を有する固体電解質膜からなる
請求項7記載の半導体記憶装置。 - 前記記憶素子は記憶層の相変化を用いた相変化記憶素子であり、
第1電極と、
前記第1電極に接続されたカルコゲナイドからなる前記記憶層と、
前記記憶層に接続された第2電極を有する
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記記憶素子はスピン注入磁化反転を利用した磁気記憶素子であり、
磁化が固定された磁化固定層と、
前記磁化固定層上に形成されたトンネル絶縁層と、
前記トンネル絶縁層上に形成された磁化反転が自由な磁化自由層を有する
請求項1記載の半導体記憶装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2009
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