JP2013197254A - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、半導体記憶装置は、半導体基板100と、前記半導体基板の表面方向に沿って配置される複数の第1配線層402と、前記複数の第1配線層と交差する方向に配置される複数の第2配線層406と、前記第1、第2配線層が交わる交点に配置される複数の抵抗変化膜405と有する複数のメモリセルMCを備えるメモリセルアレイMAとを具備する。前記第1配線層は、導電性ナノマテリアル101を含み、前記導電性ナノマテリアル101の一端は、前記交点おいて前記抵抗変化膜と接する。
【選択図】図5
Description
まず、下記第1、第2の実施形態と比較するために、参考例について説明する。
参考例1では、抵抗変化層を基板面に対して平行に積層せずに、垂直に配置するメモリ素子アレイを備える構成を一例に挙げる。この構成を製造するためには、電極となる導電性膜、絶縁層膜を交互に積層した後で、深溝を形成し、その溝側面に露出した導電性膜を一方の電極となし、側面に抵抗変化層と、対をなす電極を埋め込んでメモリセルアレイを形成する。この結果、抵抗変化層を挟持する一対の電極層が形成される。
参考例2では、カーボンナノチューブなどの微小サイズの伝導性材料と金属酸化物と接触させる構成を一例に挙げる。しかしながら、この構成では、カーボンナノチューブを半導体基板面に対して一方向の垂直方向に配置しており、垂直方向の電気伝導性は高いが、それに交差する方向には隣接したカーボンナノチューブ間をある接触抵抗を介して電気的に接続されているため電気伝導性が低く、配線として十分低抵抗な状態を得られない。したがって、カーボンナノチューブを電極かつ配線として用いるためには、二次元的に基板面に沿った方向に配置しカーボンナノチューブに沿った方向に電流を流すことが望ましい。
<1.構成例>
まず、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の構成例について説明する。
まず、図1を用い、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の全体構成例について説明する。
図示するように、本例に係る半導体記憶装置は、メモリブロック20、アドレスバッファ14−1、コマンドバッファ14−2、ヒューズ用レジスタ15、パワーオンリセット回路16、制御回路17、電圧生成回路18、および入出力バッファ19を備える。
ロウデコーダ11は、ロウアドレスをデコードする。ロウデコーダ11は、ワード線を駆動する駆動回路を備える(図示せず)。
カラムデコーダ12は、カラムアドレスをデコードする。カラムデコーダ12は、ビット線を駆動する駆動回路を備える(図示せず)。
パワーオンリセット回路16は、この半導体記憶装置のパワーオンを検知してリセット信号を制御回路17に出力する。
電圧生成回路18は、ロウデコーダ11、カラムデコーダ12、センスアンプ13に電気的に接続され、制御回路17の制御に従ってこれらの回路に必要な電圧を供給する。
入出力バッファ19は、センスアンプ13およびヒューズ用レジスタ15にデータバス線を介して電気的に接続され、外部のホスト装置等のデータ(Data)、アドレス(Address)、コマンド(Command)を保持する。
制御回路17は、上記回路を制御する。例えば、制御回路17は、上記回路を制御し、後述するSet, Reset, Read, and Sensing operation等を行う。
次に、図2を用い、図1中のメモリブロック20の3次元構成(3D Structure)について説明する。
図示すように、第1の実施形態に係るメモリブロック20は、グローバルバス等の配線やトランジスタが形成される周辺領域23、及びワード線コンタクト領域25上に積層される複数層(この例では、4層)のメモリセルアレイMA0〜MA3を備える。
次に、図3を用い、各メモリセルアレイ(MA)の構成例について説明する。ここでは、図2で示したメモリセルアレイMA0を一例に挙げる。
可変抵抗素子33の電流経路の一端は、複数のワード線WLのいずれかに接続され、他端はビット線BLに接続される。可変抵抗素子33は、例えば、金属酸化物からなり、タンタル、ニオブ、タングステン、ニッケル、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、遷移金属を含む金属酸化物、もしくはシリコン、アルミニウム等の合金から構成される。尚、メモリセルMCの構成は、本例に示す形態に限らない。
次に、図4を用い、本例に係るSet, Reset, Read動作について簡単に説明する。
(Set)
まず、メモリセルのデータ書き込み動作(Set)について、簡単に説明する。
データを書き込むためには、選択されたメモリセルの可変抵抗素子33に電圧を印加し、その選択可変抵抗素子33内に電位勾配を発生させて電流を流すことにより行う。
メモリセルのデータ消去動作(Reset)は、選択された可変抵抗素子33を電流パルスによりジュール加熱して、その可変抵抗素子VRにおける酸化還元反応を促進させること等により行う。
メモリセルのデータ読み出し動作(Read)は、例えば、電圧パルスを選択された可変抵抗素子33に印加し、そのメモリセルの抵抗によって定まる電流をセンスアンプ13により、検出することにより行う。ここで、この電圧パルスは、可変抵抗素子33を構成する材料が状態変化を起こさない程度の微小な振幅とすることが望ましい。そして、読み出し電圧を、ビット線BLから選択メモリセルに印加し、センスアンプ13によりそのときの電流値を測定することにより行う。
例えば、図示するように、時間treadの間、読み出し電圧(Vread)を、ビット線BLから選択メモリセル与えることにより行う。
次に、図5を用い、本例に係るメモリセルアレイMAの平面及び断面構成について説明する。
(a)は、メモリセルアレイMAの平面構造である。
図示するように、二端子素子を形成する領域が円柱状であって、絶縁性層403によって隔離される複数の単位メモリセルMCが配置される。例えば、図中で囲って示す単位メモリセルMCは、二端子素子を形成する領域が円柱状であって、対向電極406(BL)と導電層402(WL)との間に挟まれた抵抗変化層405の接点に形成される。対向電極406(BL)及び導電層402(WL)に流れる電流より形成される抵抗変化層405中の可変抵抗が、単位メモリセルMCの可変抵抗素子33となる。
図示するように、半導体基板(Si-sub)100の表面上に、導電層402(WL)及び絶縁層403が積層される。導電層402(WL)及び絶縁層403の積層中を層間絶縁膜401まで貫通するように、対向電極406および抵抗変化層405が配置される。例えば、図中で囲って示す単位メモリセルMCは、対向電極406(BL)と導電層402(WL)との間に挟まれた抵抗変化層405の接点に形成される。
次に、図6を用い、本例に係る導電性層402が含むナノマテリアル材料の構成について説明する。ここでは、図5中の破線で囲った部分110の近傍を拡大して説明する。
図示するように、本例では、導電性層402は、複数のカーボンナノチューブ101と絶縁膜102とを備えるナノマテリアル材料から構成される。
次に、第1の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明する。
第1の実施形態に係る半導体記憶装置及びその製造方法によれば、少なくとも下記(1)乃至(2)の効果が得られる。
ここで、本例のように、抵抗変化素子33を備える半導体記憶装置では、例えば、図4に示したような、Set, Reset, Read動作を行うために、電気伝導に寄与する導電パスの大きさ、長さ、組成等を制御して安定した可逆性のある導電、非導電特性の繰り返し変化をもたらす必要がある。さらに、二端子素子である抵抗変化素子33が並列してアレイを形成することから、駆動に必要な電流値は極力少なくする必要がある。駆動電流値が多いと消費電力が増えることは勿論、配線での電圧降下が大きく、大規模なメモリ素子アレイを駆動できなくなるためである。
次に、第2の実施形態に係る半導体記憶装置及びその製造方法について説明する。この実施形態は、メモリセルアレイの平面構成のその他の一例に関するものである。この説明において、上記第1の実施形態と重複する部分の詳細な説明を省略する。
図13(a)に示すように、第2の実施形態では、半導体基板100の表面方向において隣接する単位メモリセルMCを電気的に分離する層間絶縁膜503が円柱状である。そのため、図中で囲って示すように、2つの円柱状の層間絶縁膜503に挟まれる半分の領域に二端子素子33が形成される点で、上記第1の実施形態と相違する。
次に、第2の実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法について説明する。
まず、図示は省略するが、メモリセルアレイMAを駆動する周辺回路23が形成された半導体基板100上に、層間絶縁膜801を形成する。
上記のように、第2の実施形態に係る半導体記憶装置及びその製造方法によれば、少なくとも上記(1)乃至(2)と同様の効果が得られる。
Claims (7)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表面方向に沿って配置される複数の第1配線層と、前記複数の第1配線層と交差する方向に配置される複数の第2配線層と、前記第1、第2配線層が交わる交点に配置される複数の抵抗変化膜と有する複数のメモリセルを備えるメモリセルアレイとを具備する半導体記憶装置であって、
前記第1配線層は、導電性ナノマテリアルを含み、
前記導電性ナノマテリアルの一端は、前記交点おいて前記抵抗変化膜と接する。 - 前記第1配線層は、前記導電性ナノマテリアルと、前記導電性ナノマテリアルの間を絶縁する絶縁性膜との複合膜である
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記導電性ナノマテリアルは、シングルウォール、ダブルウォール、若しくはマルチウォールのカーボンナノチューブ、又はグラフェンのうちのいずれか一つを含む
請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。 - 前記絶縁性膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、若しくは金属酸化膜、又はこれらの化合物のいずれか一つを含む
請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、導電性ナノマテリアルを含む第1配線層と第1絶縁層とを交互に積層して積層膜を形成する工程と、
前記積層膜に、前記層間絶縁膜の表面上までの溝を形成する工程と、
前記溝の内部を第2絶縁膜で埋める工程と、
セル部における前記第2絶縁膜に、前記前記層間絶縁膜の表面上までの穴を形成し、前記導電性ナノマテリアルの一端を露出させ工程と、
前記穴の側壁上に抵抗変化膜を形成する工程と、
前記抵抗変化膜上に第2配線層を形成し、前記穴の内部を埋め込む工程とを具備する
半導体記憶装置の製造方法。 - 半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、導電性ナノマテリアルを含む第1配線層と第1絶縁層とを交互に積層して積層膜を形成する工程と、
前記積層膜に前記層間絶縁膜の表面上までの溝を形成し、前記導電性ナノマテリアルの一端を露出させる工程と、
前記溝の側壁上に抵抗変化膜を形成する工程と、
前記抵抗変化膜上に第2配線層を形成し、前記溝の内部を埋め込む工程と、
非セル部における前記抵抗変化膜及び前記第2配線膜に、前記前記層間絶縁膜の表面上までの穴を形成する工程と、
前記穴の内部に第2絶縁膜を埋め込み、素子分離膜を形成する工程とを具備する
半導体記憶装置の製造方法。 - 前記第1配線層は、前記導電性ナノマテリアルと、前記導電性ナノマテリアルの間を絶縁する絶縁性膜との複合膜である
請求項5又は6に記載の半導体記憶装置の製造方法。
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2012
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