JP2014116516A - Semiconductor memory device, method for manufacturing the same, and storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧パルスの印加により抵抗値が変化する抵抗変化型の不揮発性記憶装置と、大容量のデータの保存が可能なNANDフラッシュメモリ型の不揮発性記憶装置とを混載した半導体記憶装置及びその製造方法等に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device in which a resistance change type nonvolatile memory device whose resistance value changes by application of a voltage pulse and a NAND flash memory type nonvolatile memory device capable of storing a large amount of data, and It relates to the manufacturing method.
近年、デジタル技術の進展に伴って携帯情報機器や情報家電等の電子機器が、より一層高機能化し、これらの機器には高速動作・低消費電力への要請も大きい。また、ビッグデータの取り扱いに非常に重要な役割を果たすSSD(Solid State Drive)モジュールやSDカード(商標)等のメモリカードといった記憶機器においては、大容量化や高速動作、低消費電力の要請に加えて、軽量化、薄型化及び小型化といった省スペース化への対応も求められる。 In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices such as portable information devices and information home appliances have become more sophisticated, and there is a great demand for high-speed operation and low power consumption for these devices. In addition, in storage devices such as SSD (Solid State Drive) modules and SD cards (trademark) such as memory cards that play a very important role in handling big data, there is a demand for large capacity, high speed operation, and low power consumption. In addition, it is also required to cope with space saving such as weight reduction, thickness reduction, and size reduction.
SSDモジュールの市場は爆発的に拡大し、既存のハードディスクに取って代わる勢いである。SSDモジュールは、既存のハードディスクに比べ消費電力が低く、発熱が少なく耐衝撃性に優れ、動作音も発生しないので、モバイル用途に向いており、デスクトップパソコンに先んじてノートパソコンでの採用例も多い。また、高スループットと低消費電力という利点のため、データセンターでは、ハードディスクに替わって、SSDモジュールがサーバ機に採用されつつある。 The SSD module market is explosively expanding and is replacing existing hard disks. SSD modules consume less power than existing hard disks, generate less heat, have excellent impact resistance, and do not generate operational noise. They are suitable for mobile applications, and have been used in notebook computers before desktop computers. . Also, due to the advantages of high throughput and low power consumption, SSD modules are being adopted in server machines in place of hard disks in data centers.
一方、メモリカードも、デジタルカメラ、携帯電話などの携帯機器やテレビなどの家電機器まで幅広く利用されている。現在は、NANDフラッシュメモリ(以下、単に「NANDフラッシュ」ともいう)とコントローラのみを搭載した廉価版が主流だが、今後は大容量化、高速化へ進むことや、NANDフラッシュの信頼性が劣化することなどから、将来的にキャッシュメモリを搭載する可能性が高い。当然ながら、モバイル用途であるので、低消費電力や小型化の要請は強い。 On the other hand, memory cards are also widely used in portable devices such as digital cameras and mobile phones, and home appliances such as televisions. Currently, low-priced versions with NAND flash memory (hereinafter simply referred to as “NAND flash”) and a controller are the mainstream, but in the future, the capacity will increase and the speed will increase, and the reliability of NAND flash will deteriorate. Therefore, there is a high possibility that a cache memory will be installed in the future. Of course, since it is a mobile application, there is a strong demand for low power consumption and miniaturization.
また、これらの電子機器の高機能化に伴い、使用される半導体素子の微細化及び高速化も急速に進んでいて、チップの小型化なども要望も大きい。このチップの小型化の一例として、DRAM(Dynamic Random Access Memory)との整合性に優れた不揮発性記憶メモリであるPCRAM(Phase−change Random Access Memory)を用い、回路構成を複雑化することなく、専有面積の増大を抑えかつアクセス速度が高い半導体記憶装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この構成では、DRAMのビット線の一部とPCRAMのビット線の一部とを共通の導電層で構成し、双方の間にセンスアンプを接続し、メモリ装置を簡素化し、小面積チップの混載チップをより少ないプロセス工程数で実現している。 In addition, along with the enhancement of functions of these electronic devices, miniaturization and speeding up of semiconductor elements used are rapidly progressing, and there is a great demand for miniaturization of chips. As an example of miniaturization of this chip, PCRAM (Phase-change Random Access Memory), which is a nonvolatile storage memory excellent in consistency with DRAM (Dynamic Random Access Memory), is used without complicating the circuit configuration. There has been proposed a semiconductor memory device that suppresses an increase in the exclusive area and has a high access speed (see, for example, Patent Document 1). In this configuration, a part of the bit line of the DRAM and a part of the bit line of the PCRAM are configured by a common conductive layer, a sense amplifier is connected between the two, the memory device is simplified, and a small area chip is embedded. Chips are realized with fewer process steps.
しかしながら、上述の従来の半導体記憶装置では、PCRAMとDRAMとを混載しているが、ビット線の一部を共用する構成にしているだけなので、小面積化が不十分である。また、ビット線を共用することで、回路動作に制約が発生してしまい、それぞれのメモリに最適な動作条件で動作させることが困難になる。また、PCRAMとDRAMとの組み合わせでは、消費電力の低減という意味ではまだ不十分である。 However, in the above-described conventional semiconductor memory device, PCRAM and DRAM are mixedly mounted. However, since only a part of the bit line is shared, the area reduction is insufficient. In addition, by sharing the bit line, the circuit operation is restricted, and it becomes difficult to operate each memory under the optimum operation condition. Further, the combination of PCRAM and DRAM is still insufficient in terms of reducing power consumption.
本発明は、上記の課題を解決するもので、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な低消費電力で小型化及び高速動作に優れた半導体記憶装置及びその製造方法等を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and provides a semiconductor memory device that can be applied to a storage device such as an SSD module or a memory card, has low power consumption, is excellent in size reduction and high-speed operation, and a manufacturing method thereof. The purpose is to do.
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体記憶装置の一形態は、第1の基板と、前記第1の基板上に形成され、複数のNANDフラッシュメモリセルを有するNANDフラッシュメモリセルアレイ、及び、前記NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ、及び、前記ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を含むReRAM部とを備え、前記ReRAMメモリセルアレイは、前記NANDフラッシュ部よりも上層に形成され、前記NANDフラッシュ周辺回路及び前記ReRAM周辺回路は、前記第1の基板上の領域であって、前記NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。 In order to achieve the above object, one embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention includes a first substrate, a NAND flash memory cell array formed on the first substrate, and having a plurality of NAND flash memory cells, and A NAND flash unit including a NAND flash peripheral circuit which is a peripheral circuit for the NAND flash memory cell array, a ReRAM memory cell array having a plurality of resistance change elements, and a ReRAM peripheral circuit which is a peripheral circuit for the ReRAM memory cell array. The ReRAM memory cell array is formed in an upper layer than the NAND flash unit, and the NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit are regions on the first substrate, and the NAND Flash memory cell array Remote it is formed in a region of the periphery.
また、上記目的を達成するために、本発明に係る記憶機器の一形態は、上記半導体記憶装置を搭載したメモリカードあるいはソリッドステートドライブである。 In order to achieve the above object, one mode of a storage device according to the present invention is a memory card or a solid state drive mounted with the semiconductor storage device.
また、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の一形態は、基板上の第1領域にNANDフラッシュ部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、前記基板上の第2領域にNANDフラッシュ部のメモリセルを形成する工程と、前記第2領域にNANDフラッシュ部の選択トランジスタを形成する工程と、前記基板上の第3領域にReRAM部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、前記第1領域の上方に、NANDフラッシュ部の周辺回路用配線を形成する工程と、前記第2領域の上方に、NANDフラッシュ部の配線を形成する工程と、前記第2領域の上方及び前記NANDフラッシュ部の配線上に、ReRAM部のメモリセル及び配線を形成する工程と、前記第3領域の上方に、ReRAM部の周辺回路用配線を形成する工程とを含む。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a peripheral circuit transistor of a NAND flash portion in a first region on a substrate; Forming a NAND flash portion memory cell in the second region; forming a NAND flash portion selection transistor in the second region; and forming a ReRAM portion peripheral circuit transistor in the third region on the substrate. A step of forming a peripheral circuit wiring of the NAND flash unit above the first region, a step of forming a wiring of the NAND flash unit above the second region, Forming a memory cell and a wiring of the ReRAM unit above and on the wiring of the NAND flash unit; and a periphery of the ReRAM unit above the third region. And forming a circuit wiring.
本発明により、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な低消費電力で小型化及び高速動作に優れた半導体記憶装置及びその製造方法等が実現される。 According to the present invention, a semiconductor memory device that can be applied to a storage device such as an SSD module or a memory card, has low power consumption, is excellent in size reduction and high-speed operation, and a manufacturing method thereof are realized.
(本発明の基礎となった知見)
図1の(a)は、SSDモジュール30の外観図と内部構成図であり、図1の(b)は、最近提案されているSSDモジュール30の回路構成を示すレイアウト図である。本図に示されるように、このような用途における半導体集積回路は、NANDフラッシュメモリ31、コントローラ33、キャッシュメモリ32(本例ではReRAM:Resistance Random Access Memory)から構成される。NANDフラッシュ31は、複数個のメモリチップが使用され、大容量のデータを記憶する。同時にアクセスできるようにNANDフラッシュ31を並列に配置することで、大容量のデータ通信において、より書き込み速度を大きくすることが可能である。次に、コントローラ33はNANDフラッシュ31と外部インターフェイスとの間で読み書きを制御する回路であり、SSDモジュール30の性能と寿命を左右する重要な集積回路である。特に、ウェアレベリング(書き込み分散処理)と不良ブロック処理はSSDモジュール特有であり、読み出しや書き換え速度や書き換え回数の性能向上に貢献している。最後に、ハイエンド品にはキャッシュメモリ32が搭載されることが多くなってきた。部分的な書き込み時には対象となるブロック全体を一時的に保持するのに使用される。また、1つのブロックに対する複数の細かな書き込み要求ではNANDフラッシュ31に書き込まずにキャッシュメモリ32に蓄えておき、ある程度まとめてから1度に書き込むことで、書き込み可能回数の実質的な向上を行なうのにも使用される。通常は、キャッシュメモリとして、128MB程度のDRAMを使用することが多く、読み書きの高速化に寄与する。これに加えて、最近では、低消費電力や停電時のデータ保持のために、ReRAMが提案されている。
(Knowledge that became the basis of the present invention)
1A is an external view and an internal configuration diagram of the
図2の(a)は、メモリカード35の外観図と内部構成図であり、図2の(b)は、最近提案されているメモリカード35の回路構成を示すレイアウト図である。本図に示されるように、SSDモジュール30と同様に、このような用途における半導体集積回路は、NANDフラッシュメモリ36、コントローラ38、キャッシュメモリ37(本例ではReRAM)から構成される。各チップの基本的な機能は、上述したとおりである。SSDモジュール30との違いは、搭載されるNANDフラッシュ36の容量が少ないことである。
2A is an external view and an internal configuration diagram of the
上述した半導体集積回路をチップとして実装する場合には、高速動作の必要性及び歩留ロスなどを鑑みて、POP(Package on Package)や、SIP(System in Package)でパッケージされる。例えば図1の(b)に示すように、NANDフラッシュ31をPOPパッケージで積層化することで、機器搭載時の実装面積をより多く確保することができる。また、それぞれのパッケージを個別にテストできるため、歩留ロスの低減が可能になる。メモリ間のワイヤー配線も短くすることができ、反射やノイズの影響を最小限に抑えることができる。一方、SIPパッケージで積層化した場合も、システム全体を1つのパッケージに収めることで、機器搭載時の実装面積を飛躍的に削減することができる。
When the above-described semiconductor integrated circuit is mounted as a chip, it is packaged by POP (Package on Package) or SIP (System in Package) in view of the necessity for high-speed operation and yield loss. For example, as shown in FIG. 1B, by stacking the
しかし、これらの従来のパッケージでは、両者(POP及びSIP)に共通して、次の問題がある。つまり、チップを積層化することによって小面積化は図れるものの、厚みが増大することは不可避である。また、配線基板での接続によって配線遅延は抑制されるものの、依然として実装によるワイヤー配線での配線遅延は残存する。上述したSSDモジュール30及びメモリカード35等の記憶機器でも、この薄膜化及び小型化と、データ通信量の増大に伴う配線遅延は、課題として顕在化しつつある。
However, these conventional packages have the following problems common to both (POP and SIP). That is, although the area can be reduced by stacking chips, it is inevitable that the thickness increases. Moreover, although the wiring delay is suppressed by the connection on the wiring board, the wiring delay in the wire wiring due to the mounting still remains. Even in the storage devices such as the
そこで、発明者らは、これらの記憶機器に好適な半導体記憶装置を考案した。図3の(a)は、本発明の第1の実装例に係る半導体記憶装置42が搭載された記憶機器の一例であるSSDモジュール40の回路構成を示すレイアウトを示す。この例では、左上に図示された半導体記憶装置42は、一つのチップとして、NANDフラッシュ及びReRAMを前工程の製造工程で一緒に形成している。具体的には、NANDフラッシュの上部に、デバイス的には低消費電力で高速動作が可能であり、プロセス的には熱バジェットが抑制されて配線工程に集積化できる抵抗変化型の不揮発性記憶装置であるReRAMを用いる。
Therefore, the inventors have devised a semiconductor memory device suitable for these storage devices. FIG. 3A shows a layout showing a circuit configuration of an
また、図3の(b)は、本発明の第2の実装例に係る半導体記憶装置47が搭載されたSSDモジュール45の回路構成を示すレイアウトを示す。具体的には、左上に図示された半導体記憶装置47は、一つのチップとして、コントローラの集積回路をReRAMに混載した混載ReRAMプロセスを用いて、NANDフラッシュとともに混載している。
FIG. 3B shows a layout showing a circuit configuration of the
図4の(a)は、本発明の第1の実装例に係る半導体記憶装置51が搭載されたメモリカード50の回路構成を示すレイアウトを示す。この例では、図3の(a)と同様に、右に図示された半導体記憶装置51は、一つのチップとして、NANDフラッシュ及びReRAMを前工程の製造工程で一緒に形成している。
FIG. 4A shows a layout showing a circuit configuration of the
また、図4の(b)は、本発明の第2の実装例に係る半導体記憶装置56が搭載されたメモリカード55の回路構成を示すレイアウトを示す。図3の(b)と同様に、具体的には、半導体記憶装置56は、一つのチップとして、コントローラの集積回路をReRAMに混載した混載ReRAMプロセスを用いて、NANDフラッシュとともに混載している。
FIG. 4B shows a layout showing a circuit configuration of the
以上の構成により、従来のようなPOPやSIPといったスタック技術は不要になり、小面積でかつ薄いパッケージを実現することができる。 With the above configuration, the conventional stack technology such as POP and SIP becomes unnecessary, and a thin package with a small area can be realized.
なお、本発明の第1及び第2の実装例に係る半導体記憶装置が搭載されたSSDモジュール40及び45、メモリカード50及び55の外観及び内部構成としては、例えば、図2の(a)に示されるような形態であってもよい。
The external appearance and internal configuration of the
このように、本発明の半導体記憶装置及びその製造方法は、大容量のデータの保持が可能な不揮発性記憶装置であるNANDフラッシュと、低消費電力で高速動作に優れた不揮発性記憶装置であるReRAMを基板上に集積化してワンチップ化した構造に関するものである。NANDフラッシュの上方にReRAMの主要なメモリセルアレイを配置することでチップ面積を大幅に削減することができる。これは、ReRAMの核となる抵抗変化素子の抵抗変化層の形成時に高い熱処理温度が不要なために、NANDフラッシュの特性に影響を与えることなく、NANDフラッシュとReRAMとを3次元的に集積化することができるからである。また、NANDフラッシュ周辺回路及びReRAM周辺回路を基板上に独立して形成することで、単独チップの際と同様にそれぞれを最適な状態で動作させることができる。これらは、特に、SSDモジュール及びメモリカード等の記憶機器の小型化、軽量化及び薄膜化に大きく貢献できるものである。 As described above, the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention are a NAND flash that is a nonvolatile memory device capable of holding a large amount of data, and a nonvolatile memory device that has low power consumption and excellent high-speed operation. The present invention relates to a structure in which ReRAM is integrated on a substrate to form one chip. By disposing the main memory cell array of ReRAM above the NAND flash, the chip area can be greatly reduced. This is because three-dimensional integration of NAND flash and ReRAM is possible without affecting the characteristics of the NAND flash because a high heat treatment temperature is not required when forming the variable resistance layer of the variable resistance element that is the core of the ReRAM. Because it can be done. In addition, by forming the NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit independently on the substrate, each can be operated in an optimum state as in the case of a single chip. In particular, these can greatly contribute to the reduction in size, weight and thickness of storage devices such as SSD modules and memory cards.
つまり、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体記憶装置の一形態は、第1の基板と、前記第1の基板上に形成され、複数のNANDフラッシュメモリセルを有するNANDフラッシュメモリセルアレイ、及び、前記NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ、及び、前記ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を含むReRAM部とを備え、前記ReRAMメモリセルアレイは、前記NANDフラッシュ部よりも上層に形成され、前記NANDフラッシュ周辺回路及び前記ReRAM周辺回路は、前記第1の基板上の領域であって、前記NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。 In other words, in order to achieve the above object, an embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention includes a first substrate and a NAND flash memory cell array formed on the first substrate and having a plurality of NAND flash memory cells. A NAND flash unit including a NAND flash peripheral circuit which is a peripheral circuit for the NAND flash memory cell array, a ReRAM memory cell array having a plurality of resistance change elements, and a ReRAM peripheral which is a peripheral circuit for the ReRAM memory cell array A ReRAM unit including a circuit, the ReRAM memory cell array is formed in an upper layer than the NAND flash unit, and the NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit are regions on the first substrate, The NAND flash memory cell It is formed in a region of the peripheral edge than the array.
これにより、ReRAM部における面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイがNANDフラッシュ部よりも上層に形成され、NANDフラッシュ部とReRAM部とがワンチップ化されるので、NANDフラッシュ部とReRAM部とを配線基板上に並べて配置した従来のパッケージに比べ、大幅にサイズが縮小されたパッケージの不揮発性記憶装置が実現される。 As a result, the ReRAM memory cell array, which is the main area in the ReRAM unit, is formed in an upper layer than the NAND flash unit, and the NAND flash unit and the ReRAM unit are integrated into one chip. Compared to a conventional package arranged side by side on a wiring board, a non-volatile memory device having a package that is significantly reduced in size is realized.
つまり、ReRAM及びNANDフラッシュをそれぞれ単独に形成した場合と同様に、ReRAMの低消費電力性及び高速動作、NANDフラッシュの大記憶容量などの強みを活かしたワンチップの不揮発性の半導体記憶装置を実現することができる。また、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に、面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイを配置することで、大幅な面積の削減が可能になる。 In other words, in the same way as when ReRAM and NAND flash are formed separately, a one-chip nonvolatile semiconductor memory device that takes advantage of the low power consumption and high-speed operation of ReRAM and the large storage capacity of NAND flash is realized. can do. Further, by arranging the ReRAM memory cell array, which is the main area, above the NAND flash part (upper layer), the area can be significantly reduced.
よって、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な、低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップが実現される。 Therefore, a variable resistance nonvolatile memory device and a NAND flash memory nonvolatile memory device that can be applied to a storage device such as an SSD module or a memory card, and have low power consumption, excellent miniaturization, and high-speed operation are combined. A chip is realized.
ここで、前記ReRAMメモリセルアレイは、少なくとも前記NANDフラッシュメモリセルアレイの上方に形成されてもよい。たとえば、前記ReRAMメモリセルアレイは、前記NANDフラッシュメモリセルアレイの上方、及び、前記NANDフラッシュ周辺回路の上方に形成されてもよい。これにより、ReRAMメモリセルアレイの面積分だけ、不揮発性記憶装置のパッケージサイズが縮小される。 Here, the ReRAM memory cell array may be formed at least above the NAND flash memory cell array. For example, the ReRAM memory cell array may be formed above the NAND flash memory cell array and above the NAND flash peripheral circuit. As a result, the package size of the nonvolatile memory device is reduced by the area of the ReRAM memory cell array.
また、前記ReRAM周辺回路は、前記第1の基板上の領域であって、前記NANDフラッシュ周辺回路よりも周縁の領域に形成されてもよい。これにより、ReRAM周辺回路は、結晶欠陥の少ない第1の基板1上に形成されるので、安定して動作する信頼性の高いReRAM周辺回路が形成される。
Further, the ReRAM peripheral circuit may be formed in a region on the first substrate and in a peripheral region with respect to the NAND flash peripheral circuit. As a result, the ReRAM peripheral circuit is formed on the
また、さらに、前記NANDフラッシュ部の上方に形成された第2の基板を備え、前記ReRAMメモリセルアレイは、前記複数の抵抗変化素子に加え、前記第2の基板上に形成された複数のメモリセルトランジスタを有してもよい。これにより、NANDフラッシュ部の上方に形成された第2の基板に、ReRAMメモリセルアレイを構成する複数のメモリセルトランジスタが形成されるので、1T1R(1トランジスタと1抵抗変化素子)型のReRAMメモリセルを備える半導体記憶装置が実現される。 The ReRAM memory cell array further includes a plurality of memory cells formed on the second substrate in addition to the plurality of resistance change elements. The second substrate is formed above the NAND flash unit. A transistor may be included. As a result, a plurality of memory cell transistors constituting the ReRAM memory cell array are formed on the second substrate formed above the NAND flash portion, so that a 1T1R (one transistor and one resistance change element) type ReRAM memory cell is formed. Is realized.
また、前記ReRAMメモリセルアレイは、前記複数の抵抗変化素子に加え、複数の電流制御素子を有するクロスポイント型メモリセルアレイであってもよい。これにより、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子に加え、複数の電流制御素子を有するので、クロスポイント型メモリセルアレイを備える半導体記憶装置が実現される。 The ReRAM memory cell array may be a cross-point type memory cell array having a plurality of current control elements in addition to the plurality of resistance change elements. Thereby, since the ReRAM memory cell array has a plurality of current control elements in addition to a plurality of resistance change elements, a semiconductor memory device including a cross-point type memory cell array is realized.
また、さらに、前記第1の基板の上方に、前記第1の基板に近いほうから順に、第1の配線層と、第2の配線層と、第3の配線層とを備え、前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、前記NANDフラッシュ部に形成され、前記第3の配線層は、前記ReRAMメモリセルアレイの最下層の配線層であってもよい。これにより、多層の配線層を備える半導体記憶装置が実現される。 Furthermore, a first wiring layer, a second wiring layer, and a third wiring layer are provided above the first substrate in order from the side closer to the first substrate. The wiring layer and the second wiring layer may be formed in the NAND flash unit, and the third wiring layer may be a lowermost wiring layer of the ReRAM memory cell array. Thereby, a semiconductor memory device having a multilayer wiring layer is realized.
また、上記目的を達成するために、本発明に係る記憶機器の一形態は、上記半導体記憶装置を搭載したメモリカードあるいはソリッドステートドライブであってもよい。これにより、低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップを備えるSSDモジュールあるいはメモリカードが実現される。 In order to achieve the above object, one mode of the storage device according to the present invention may be a memory card or a solid state drive equipped with the semiconductor storage device. As a result, an SSD module or memory card having a mixed chip of a resistance change type nonvolatile memory device and a NAND flash memory type nonvolatile memory device, which is low power consumption, excellent in miniaturization and high speed operation, is realized.
また、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、基板上の第1領域にNANDフラッシュ部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、前記基板上の第2領域にNANDフラッシュ部のメモリセルを形成する工程と、前記第2領域にNANDフラッシュ部の選択トランジスタを形成する工程と、前記基板上の第3領域にReRAM部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、前記第1領域の上方に、NANDフラッシュ部の周辺回路用配線を形成する工程と、前記第2領域の上方に、NANDフラッシュ部の配線を形成する工程と、前記第2領域の上方及び前記NANDフラッシュ部の配線上に、ReRAM部のメモリセル及び配線を形成する工程と、前記第3領域の上方に、ReRAM部の周辺回路用配線を形成する工程とを含む。これにより、SSDモジュールあるいはメモリカード等の記憶機器への適用が可能な低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップである半導体記憶装置の製造方法が実現される。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a peripheral circuit transistor of a NAND flash portion in a first region on a substrate, and a second region on the substrate. Forming a NAND flash portion memory cell, forming a NAND flash portion selection transistor in the second region, forming a ReRAM portion peripheral circuit transistor in the third region on the substrate, and Forming a peripheral circuit wiring of the NAND flash portion above the first region, forming a NAND flash portion wiring above the second region, above the second region, and Forming a memory cell and a wiring of the ReRAM unit on the wiring of the NAND flash unit, and for a peripheral circuit of the ReRAM unit above the third region And forming a line. As a result, a variable resistance nonvolatile memory device and a NAND flash memory nonvolatile memory device, which have low power consumption, can be applied to a storage device such as an SSD module or a memory card, and are excellent in miniaturization and high-speed operation, are combined. A method of manufacturing a semiconductor memory device that is a chip is realized.
ここで、前記ReRAM部の前記メモリセル及び前記配線を形成する工程は、第2の基板を形成する工程と、前記第2の基板上に前記ReRAM部のメモリセル用トランジスタを形成する工程と、前記ReRAM部の抵抗変化素子を形成する工程とを含んでもよい。これにより、NANDフラッシュ部の上方に形成された第2の基板にReRAMメモリセルアレイを構成する複数のメモリセルトランジスタが形成されるので、1T1R型のReRAMメモリセルを備える半導体記憶装置が製造される。 Here, the step of forming the memory cell and the wiring of the ReRAM portion includes a step of forming a second substrate, a step of forming a memory cell transistor of the ReRAM portion on the second substrate, Forming a variable resistance element of the ReRAM portion. As a result, a plurality of memory cell transistors constituting the ReRAM memory cell array are formed on the second substrate formed above the NAND flash unit, so that a semiconductor memory device including 1T1R type ReRAM memory cells is manufactured.
また、前記ReRAM部の前記メモリセル及び前記配線を形成する工程では、抵抗変化素子と電流制御素子とで構成されるメモリセルを形成してもよい。これにより、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子に加え、複数の電流制御素子を有するので、クロスポイント型メモリセルアレイを備える半導体記憶装置が製造される。 In the step of forming the memory cell and the wiring in the ReRAM portion, a memory cell including a resistance change element and a current control element may be formed. Thus, since the ReRAM memory cell array has a plurality of current control elements in addition to a plurality of resistance change elements, a semiconductor memory device including a cross-point type memory cell array is manufactured.
以下、本発明の半導体記憶装置及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Embodiments of a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that each of the embodiments described below shows a specific example of the present invention. The numerical values, shapes, materials, constituent elements, arrangement positions and connecting forms of the constituent elements, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る半導体記憶装置は、第1の基板と、第1の基板上に形成され、複数のNANDフラッシュメモリセルを有するNANDフラッシュメモリセルアレイ、及び、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ、及び、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を含むReRAM部と、NANDフラッシュ部の上方に形成された第2の基板とを備える。ここで、ReRAMメモリセルアレイは、NANDフラッシュ部よりも上層に形成されている。そして、NANDフラッシュ周辺回路及びReRAM周辺回路は、第1の基板上の領域であって、NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。さらに、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子に加え、第2の基板上に形成された複数のメモリセルトランジスタを有する。つまり、本実施の形態では、ReRAMメモリセルは、いわゆる1T1Rのタイプである。
(Embodiment 1)
A semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention includes a first substrate, a NAND flash memory cell array formed on the first substrate and having a plurality of NAND flash memory cells, and a NAND flash memory cell array A NAND flash unit including a NAND flash peripheral circuit as a peripheral circuit, a ReRAM memory cell array having a plurality of resistance change elements, a ReRAM unit including a ReRAM peripheral circuit as a peripheral circuit for the ReRAM memory cell array, and a NAND flash unit A second substrate formed above. Here, the ReRAM memory cell array is formed in an upper layer than the NAND flash unit. The NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit are formed in a region on the first substrate and in a peripheral region with respect to the NAND flash memory cell array. Further, the ReRAM memory cell array has a plurality of memory cell transistors formed on the second substrate in addition to the plurality of resistance change elements. That is, in this embodiment, the ReRAM memory cell is a so-called 1T1R type.
以上の構成により、ReRAMやNANDフラッシュをそれぞれ単独に形成した場合と同様に、ReRAMの低消費電力性と高速性、NANDフラッシュの大記憶容量などの強みを活かしたワンチップの不揮発性の半導体記憶装置を実現することができる。また、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に、面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイを配置することで、大幅な面積の削減が可能になる。 With the above configuration, a single-chip non-volatile semiconductor memory that takes advantage of the low power consumption and high speed of ReRAM, the large storage capacity of NAND flash, etc., as in the case where ReRAM and NAND flash are formed independently. An apparatus can be realized. Further, by arranging the ReRAM memory cell array, which is the main area, above the NAND flash part (upper layer), the area can be significantly reduced.
以下、本実施の形態における半導体記憶装置の構成の具体例として、図5A及び図5Bを用いて説明する。図5Aは、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置1000の構成例を示す断面図である。図5Bは、その平面図である。
A specific example of the structure of the semiconductor memory device in this embodiment will be described below with reference to FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A is a cross-sectional view showing a configuration example of the
この半導体記憶装置1000は、第1の基板1上に、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101、NANDフラッシュ周辺回路領域102及びReRAM周辺回路領域202の3つの領域を有する。更に、NANDフラッシュ部よりも上層(本実施の形態では、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102の上方)に、ReRAMメモリセルアレイ領域201が配置される。つまり、本実施の形態では、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の上方、及び、NANDフラッシュ周辺回路領域102の上方に位置している。また、ReRAM周辺回路領域202は、第1の基板1上の位置であって、NANDフラッシュ周辺回路領域102よりも周縁に位置している。
The
なお、図5Bにおいて、半導体記憶装置1000を上方から平面視したときに、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101は、小さい方の点線枠の内側である。NANDフラッシュ周辺回路領域102は、その小さい方の点線枠よりも外側で、かつ、大きい方の点線枠の内側である。ReRAMメモリセルアレイ領域201は、小さい方の実線枠の内側(つまり、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102とを合わせた領域)である。ReRAM周辺回路領域202は、その小さい方の実線枠よりも外側で、かつ、大きい方の実線枠の内側である。
In FIG. 5B, when the
ここで、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101は、複数のNANDフラッシュのメモリセル(例えばフローティングゲート型又はMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)型のメモリセル)と選択トランジスタを有するNANDフラッシュメモリセルアレイを形成するための領域である。NANDフラッシュ周辺回路領域102は、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を形成するための領域である。ReRAMメモリセルアレイ領域201は、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイを形成するための領域である。ReRAM周辺回路領域202は、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を形成するための領域である。なお、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101及びNANDフラッシュ周辺回路領域102は、積層方向としては、第1の基板1よりも上方で、かつ、第2の基板10よりも下方の空間を意味する。また、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、積層方向としては、第2の基板10よりも上方の空間を意味する。また、NANDフラッシュメモリセルアレイ及びNANDフラッシュ周辺回路を含む回路をNANDフラッシュ部と呼び、ReRAMメモリセルアレイ及びReRAM周辺回路を含む回路をReRAM部と呼ぶ。
Here, the NAND flash memory
ここで、NANDフラッシュメモリセルアレイとは、NANDフラッシュメモリセルの集まりである。また、ReRAMメモリセルアレイとは、電圧パルスの印加により抵抗値が変化する不揮発性記憶素子(抵抗変化素子)の集まりである。また、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路とは、NANDフラッシュメモリセルアレイと関連する回路であり、NANDフラッシュメモリセルアレイからNANDフラッシュメモリセルを選択する選択回路、選択されたNANDフラッシュメモリセルを駆動するドライブ回路、NANDフラッシュメモリセルアレイへの書き込み回路、NANDフラッシュメモリセルアレイからの読み出し回路、書き込み及び読み出しを制御する制御回路、並びに、書き込み及び読み出しのための電源を供給する電源回路の少なくとも一つが含まれる。また、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路とは、ReRAMメモリセルアレイと関連する回路であり、ReRAMメモリセルアレイからReRAMメモリセルを選択する選択回路(アドレス・デコード回路)、選択されたReRAMメモリセルを駆動するドライブ回路、ReRAMメモリセルアレイへの書き込み回路、ReRAMメモリセルアレイからの読み出し回路、書き込み及び読み出しを制御する制御回路、並びに、書き込み及び読み出しのための電源を供給する電源回路の少なくとも一つが含まれる。 Here, the NAND flash memory cell array is a collection of NAND flash memory cells. The ReRAM memory cell array is a group of non-volatile memory elements (resistance change elements) whose resistance value changes with application of a voltage pulse. The peripheral circuit for the NAND flash memory cell array is a circuit related to the NAND flash memory cell array, a selection circuit that selects a NAND flash memory cell from the NAND flash memory cell array, and a drive that drives the selected NAND flash memory cell. The circuit includes at least one of a circuit, a writing circuit to the NAND flash memory cell array, a reading circuit from the NAND flash memory cell array, a control circuit for controlling writing and reading, and a power supply circuit for supplying power for writing and reading. The peripheral circuit for the ReRAM memory cell array is a circuit related to the ReRAM memory cell array, a selection circuit (address / decode circuit) for selecting a ReRAM memory cell from the ReRAM memory cell array, and driving the selected ReRAM memory cell. At least one of a drive circuit, a write circuit to the ReRAM memory cell array, a read circuit from the ReRAM memory cell array, a control circuit that controls writing and reading, and a power supply circuit that supplies power for writing and reading is included.
図5Aに示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の第1の基板1上にはNANDフラッシュのメモリセル(NANDフラッシュメモリセル)5とビット線の選択トランジスタ4が、NANDフラッシュ周辺回路領域102の第1の基板1上には、NANDフラッシュの周辺回路用トランジスタ3が、ReRAM周辺回路領域202の第1の基板1上には、ReRAMの周辺回路用トランジスタ2が形成されている。なお、本図において、半導体記憶装置1000内であって、第1の基板1よりも上方において回路部品及び配線が形成されていない箇所(図における白色箇所)は、層間絶縁層である。以下、他の断面図についても同様である。
As shown in FIG. 5A, a NAND flash memory cell (NAND flash memory cell) 5 and a bit
上記各種トランジスタ(メモリセル5、選択トランジスタ4、周辺回路用トランジスタ3、周辺回路用トランジスタ2)を覆う層間絶縁層中には、第1の基板1上の各トランジスタの主電極に接続される第1のコンタクトプラグ6が形成され、さらに、第1のコンタクトプラグ6上には、これに接続される第1の配線(第1の配線層)7が形成されている。第1の配線7を覆う層間絶縁層中に、第1の配線7に接続される第2のコンタクトプラグ8が形成されている。さらに、第2のコンタクトプラグ8上には、これに接続される第2の配線(第2の配線層)9が形成されている。以上の説明した構成要素で、NANDフラッシュ部は装置として完成している。
In an interlayer insulating layer covering the various transistors (
そして、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102の上方(つまり、NANDフラッシュ部の上方)には、少なくとも一部に、例えば、シリコンで構成される第2の基板10が形成されている。そして、第2の基板10上にReRAMのメモリセルトランジスタ11が形成されている。ReRAMのメモリセルトランジスタ11を覆う層間絶縁層中には、第2の基板10上のReRAMのメモリセルトランジスタ11の主電極に接続される第3Aのコンタクトプラグ12が形成され、さらに、第2の基板10が形成されていない領域において、第2の配線9に接続される第3Bのコンタクトプラグ13が形成されている。第3Aのコンタクトプラグ12と第3Bのコンタクトプラグ13上には第3の配線(第3の配線層)14が形成されている。ReRAMメモリセルアレイ領域201においては、第3Aのコンタクトプラグ12の上に、ビット線として機能する第3の配線14のほかに、第4Aのコンタクトプラグ15が形成され、その上に抵抗変化素子16が形成されている。
A
抵抗変化素子16は下部電極、抵抗変化層及び上部電極で構成される。なお、抵抗変化素子16の構造として、ここでは、プレーナ構造を例示したが、ホール型であってもかまわない。抵抗変化素子16上には第4Bのコンタクトプラグ17が形成されている。
The
一方、ReRAM周辺回路領域202では、第3の配線14を覆う層間絶縁層中に、第3の配線14に接続される第4Cのコンタクトプラグ18が形成されている。さらに、これらの第4Bのコンタクトプラグ17及び第4Cのコンタクトプラグ18上に、これらに接続される第4の配線(第4の配線層)19が形成されている。
On the other hand, in the ReRAM
このように、本実施の形態における半導体記憶装置1000には、第1の基板1の上方に、第1の基板1に近いほうから順に、第1の配線7と、第2の配線9と、第3の配線14、及び、第4の配線19の4つの配線層が設けられている。ここでは、NANDフラッシュに用いられる配線層を2層、ReRAMに用いられる配線層を2層とした。これにより、最小数の配線層、即ちプロセスステップ数が少なく低コスト化が可能な本発明の半導体記憶装置を実現することができる。但し、本発明はこれに限定されるものでもなく、暗号化や高機能化の要望に応じて配線層数を増加してもかまわないし、コンパクト化の要望に応じて配線層数を減少してもかまわない。たとえば、ReRAMに用いられる配線層を1層にしてもかまわない。
As described above, in the
また、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102との境界、及び、ReRAMメモリセルアレイ領域201とReRAM周辺回路領域202との境界は、機能的にブロックとして分けるための境界である。本明細書では、理解の便宜のために、前者の境界を複数のNANDフラッシュのメモリセル5とNANDフラッシュの選択トランジスタ4のうち最外周の素子の外縁を線でつないだもの、後者の境界を複数の抵抗変化素子16のうち最外周の抵抗変化素子の外縁を線でつないだものとしている。よって、NANDフラッシュ周辺回路領域102とReRAM周辺回路領域202が重複する部分があってもかまわない(つまり、実際に各メモリの動作に全く影響を与えないのであれば、共用する回路があってもいい)。ここでは、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101上の少なくとも一部を被覆して、ReRAMメモリセルアレイ領域201を配置すればよく、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器に有効な半導体記憶装置を実現することができる。
The boundary between the NAND flash memory
以上のように、本実施の形態における半導体記憶装置1000は、第1の基板1上に形成され、複数のNANDフラッシュのメモリセル5を有するNANDフラッシュメモリセルアレイ(メモリセル5、選択トランジスタ4等)、及び、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路(周辺回路用トランジスタ3等)を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子16を有するReRAMメモリセルアレイ(メモリセルトランジスタ11、抵抗変化素子16等)、及び、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路(周辺回路用トランジスタ2等)を含むReRAM部とを備える。そして、ReRAMメモリセルアレイは、NANDフラッシュ部よりも上層に形成され、NANDフラッシュ周辺回路及びReRAM周辺回路は、第1の基板1上の領域であって、NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。これにより、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に、面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイが配置されるので、大幅に面積が削減された半導体記憶装置が実現され、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップが実現される。
As described above, the
なお、本実施の形態では、ReRAMメモリセルは、いわゆる1T1Rのタイプである。そのために、NANDフラッシュ部の上方に、第2の基板10を備え、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子16に加え、第2の基板10上に形成された複数のメモリセルトランジスタ11を有する。
In this embodiment, the ReRAM memory cell is a so-called 1T1R type. For this purpose, the
次に、以上のように構成された本実施の形態における半導体記憶装置1000の製造方法について説明する。図6Aの(a)から図6Eの(i)は、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置1000の製造方法を示す、半導体記憶装置1000の断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図6Aの(a)に示すように、第1の基板1のNANDフラッシュメモリセルアレイ領域101に、NANDフラッシュのメモリセル5を形成する。
First, as shown in FIG. 6A, NAND
次に、図6Aの(b)に示すように、第1の基板1のNANDフラッシュメモリセルアレイ領域101に、NANDフラッシュの選択トランジスタ4を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A (b), a NAND
次に、図6Aの(c)に示すように、第1の基板1のNANDフラッシュ周辺回路領域102に、NANDフラッシュの周辺回路用トランジスタ3を形成する。
Next, as shown in FIG. 6C, the NAND flash
次に、図6Aの(d)に示すように、第1の基板1のReRAM周辺回路領域202に、ReRAMの周辺回路用トランジスタ2を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, a ReRAM
次に、図6Aの(e)に示すように、上述の各種トランジスタを被覆する層間絶縁層を形成し、これを貫通して各種トランジスタの主電極に接続される第1のコンタクトプラグ6を形成する。更に、その層間絶縁層上に、第1のコンタクトプラグ6に接続される第1の配線7を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A (e), an interlayer insulating layer that covers the above-described various transistors is formed, and a
次に、図6Bの(f)に示すように、第1の配線7を被覆する層間絶縁層を形成した後に、第1の配線7に接続される第2のコンタクトプラグ8を形成する。更に、層間絶縁層上に、第2のコンタクトプラグ8に接続される第2の配線9を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B (f), after an interlayer insulating layer covering the
次に、図6Bの(g)に示すように、全体を被覆する層間絶縁層を形成した後に、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の上方に、第2の基板10を形成する。第2の基板10については、レーザーによって選択的にSi半導体を形成する方法や、所望のマスクを用いてパターニングをしてSi半導体を形成する。続いて、第2の基板10のReRAMメモリセルアレイ領域201に、ReRAMのメモリセルトランジスタ11を形成する。なお、ここで作成する第2の基板10は、インゴット法で形成される第1の基板1に比べて、結晶欠陥が多くなるのは不可避であるが、ReRAMのメモリセルトランジスタ11は、OFF特性の低いリーク性能よりも、ON特性の高い駆動電流が重視されるので、所望の特性を実現できる。ReRAMの駆動を制御する回路は、第1の基板1上に形成されているので、デバイス動作上問題ない。また、ここでは、次の工程で説明するように、ReRAM周辺回路領域202では、第2の配線9と第3の配線14とを接続する第3Bのコンタクトプラグ13を形成できるように、その部分には第2の基板10を形成しない、もしくは、第2の基板10が除去できてさえすればよい。
Next, as shown in FIG. 6B (g), after forming an interlayer insulating layer covering the whole, a
次に、図6Cの(h)に示すように、ReRAMのメモリセルトランジスタ11を被覆する層間絶縁層を形成し、これを貫通してReRAMのメモリセルトランジスタ11の主電極に接続される第3Aのコンタクトプラグ12、及び、第2の配線9に接続される第3Bのコンタクトプラグ13を形成する。更に、その層間絶縁層上に、第3Aのコンタクトプラグ12及び第3Bのコンタクトプラグ13に接続される第3の配線14を形成する。
Next, as shown in (h) of FIG. 6C, an interlayer insulating layer that covers the
次に、図6Dの(i)に示すように、第3の配線14を被覆する層間絶縁層を形成した後に、ReRAMメモリセルアレイ領域201において、第3Aのコンタクトプラグ12の上に、その層間絶縁層を貫通する第4Aのコンタクトプラグ15を形成する。更に、第4Aのコンタクトプラグ15上に、下部電極、抵抗変化層及び上部電極で構成される抵抗変化素子16を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D (i), after forming an interlayer insulating layer covering the
最後に、図6Eの(j)に示すように、抵抗変化素子16を被覆する層間絶縁層を形成し、その層間絶縁層中に、抵抗変化素子16に接続される第4Bのコンタクトプラグ17、及び、第3の配線14に接続される第4Cのコンタクトプラグ18を形成する。更に、その層間絶縁層上に、これらのコンタクトプラグに接続される第4の配線19を形成して、半導体記憶装置1000が完成する。
Finally, as shown in FIG. 6E (j), an interlayer insulating layer covering the
以上のように、本実施の形態における半導体記憶装置1000の製造方法は、主要な工程として、(1)第1の基板1上の第1領域(NANDフラッシュ周辺回路領域102)にNANDフラッシュ部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、(2)第1の基板1上の第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)にNANDフラッシュ部のメモリセル用トランジスタを形成する工程と、(3)第1の基板1上の第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)にNANDフラッシュ部の選択トランジスタを形成する工程と、(4)第1の基板1上の第3領域(ReRAM周辺回路領域202)にReRAM部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、(5)第1領域(NANDフラッシュ周辺回路領域102)の上方に、NANDフラッシュ部の周辺回路用配線(第1の配線7)を形成する工程と、(6)第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)の上方に、NANDフラッシュ部の配線(第2の配線9)を形成する工程と、(7)第2領域の上方及びNANDフラッシュ部のメモリセル5及び配線上に、ReRAM部のメモリセル(メモリセルトランジスタ11、抵抗変化素子16等)及び配線(第3の配線14)を形成する工程と、(8)第3領域の上方に、ReRAM部の周辺回路用配線(第1の配線7、第2の配線9、第3の配線14等)を形成する工程とを含む。
As described above, the manufacturing method of the
そして、本実施の形態では、ReRAMメモリセルは1T1Rで構成されるので、ReRAM部のメモリセル及び配線を形成する工程は、(1)第2の基板10を形成する工程と、(2)第2の基板10上にReRAM部のメモリセル用トランジスタ(メモリセルトランジスタ11)を形成する工程と、(3)ReRAM部の抵抗変化素子(抵抗変化素子16)を形成する工程とを含む。
In this embodiment, since the ReRAM memory cell is composed of 1T1R, the process of forming the memory cell and the wiring of the ReRAM portion includes (1) a process of forming the
このような製造方法により、本実施の形態における半導体記憶装置1000、つまり、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップが製造される。
With such a manufacturing method, the resistance change type that is low power consumption and excellent in miniaturization and high-speed operation that can be applied to the
なお、本実施の形態の半導体記憶装置1000には図示しなかったが、混載ReRAMプロセスなどと同様に、上記のNANDフラッシュ及びReRAM以外の領域にSOC(System−on−a−chip)であるシステムLSI(SSDモジュールやメモリカードであれば、コントローラ)などを形成してもかまわない。つまり、本発明は、本実施の形態における半導体記憶装置を備えるSSDモジュールやメモリカード等の記憶機器として実現してもよい。そのときに、本実施の形態における半導体記憶装置に各種プロセッサ等の回路を組み込んでもよい。
Although not shown in the
以上の製造方法により、ReRAM及びNANDフラッシュをそれぞれ単独に形成した場合と同様に、ReRAMの低消費電力性と高速性、NANDフラッシュの大記憶容量などの強みを活かしたワンチップの不揮発性の半導体記憶装置を実現することができる。その理由は、動作を制御するのに必要なメモリの周辺回路用のトランジスタ及び結晶欠陥に敏感なNANDフラッシュ用メモリセルトランジスタは、安定で結晶欠陥の少ない第1の基板1上に形成し、高い駆動電流とスイッチ特性のみでかまわないReRAM用メモリセルトランジスタは、第2の基板10に形成しているからである。また、ReRAMの抵抗変化素子の形成に熱バジェットが少ないことを利用して、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイを配置することで、大幅な面積の削減が可能になる。これにより、スタックのパッケージ技術の必要がない薄型で小面積な半導体記憶装置を実現することができる。
As in the case where ReRAM and NAND flash are independently formed by the above manufacturing method, a one-chip non-volatile semiconductor that takes advantage of ReRAM's low power consumption and high speed, NAND flash's large storage capacity, etc. A storage device can be realized. The reason is that the peripheral circuit transistors necessary for controlling the operation and the NAND flash memory cell transistors sensitive to crystal defects are formed on the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2に係る半導体記憶装置は、第1の基板と、第1の基板上に形成され、複数のNANDフラッシュメモリセルを有するNANDフラッシュメモリセルアレイ、及び、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ、及び、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を含むReRAM部とを備える。ここで、ReRAMメモリセルアレイは、NANDフラッシュ部よりも上層に形成されている。そして、NANDフラッシュ周辺回路及びReRAM周辺回路は、第1の基板上の領域であって、NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。さらに、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子に加え、複数の電流制御素子を有するクロスポイント型メモリセルアレイである。つまり、本実施の形態では、ReRAMメモリセルは、1個の電流制御素子(例えば、双方向ダイオード)と1個の抵抗変化素子とが直列接続されて構成されるクロスポイント型である。
(Embodiment 2)
A semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention includes a first substrate, a NAND flash memory cell array formed on the first substrate and having a plurality of NAND flash memory cells, and a NAND flash memory cell array A NAND flash unit including a NAND flash peripheral circuit as a peripheral circuit, a ReRAM memory cell array having a plurality of resistance change elements, and a ReRAM unit including a ReRAM peripheral circuit as a peripheral circuit for the ReRAM memory cell array. Here, the ReRAM memory cell array is formed in an upper layer than the NAND flash unit. The NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit are formed in a region on the first substrate and in a peripheral region with respect to the NAND flash memory cell array. Furthermore, the ReRAM memory cell array is a cross-point type memory cell array having a plurality of current control elements in addition to a plurality of resistance change elements. That is, in this embodiment, the ReRAM memory cell is a cross-point type configured by connecting one current control element (for example, a bidirectional diode) and one resistance change element in series.
以上の構成により、ReRAMやNANDフラッシュをそれぞれ単独に形成した場合と同様に、ReRAMの低消費電力性と高速性、NANDフラッシュの大記憶容量などの強みを活かしたワンチップの不揮発性の半導体記憶装置を実現することができる。また、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に、面積的な主要部となるクロスポイント型ReRAMメモリセルアレイを多層化できることで、容量を増加させることも実現できた上に、チップ面積としては大幅な面積の削減が可能になる。 With the above configuration, a single-chip non-volatile semiconductor memory that takes advantage of the low power consumption and high speed of ReRAM, the large storage capacity of NAND flash, etc., as in the case where ReRAM and NAND flash are formed independently. An apparatus can be realized. In addition, since the cross-point type ReRAM memory cell array, which is the main area, can be multilayered above the NAND flash part (upper layer), the capacity can be increased and the chip area can be greatly increased. The area can be reduced.
以下、本実施の形態における半導体記憶装置の構成の具体例として、図7A及び図7Bを用いて説明する。図7Aは、本発明の実施の形態2における半導体記憶装置2000の構成例を示す断面図である。図7Bは、その平面図である。
Hereinafter, a specific example of the structure of the semiconductor memory device in this embodiment will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A is a cross-sectional view showing a configuration example of the
本発明の実施の形態2における半導体記憶装置2000の構成について、本発明の実施の形態1における半導体記憶装置1000との違いは、ReRAMのメモリセルアレイのスイッチング素子がメモリセルトランジスタでなく、電流制御素子(例えば、双方向ダイオード)になっている点である。つまり、本実施の形態では、実施の形態1においてメモリセルトランジスタと抵抗変化素子とで構成されるメモリセルが、抵抗変化素子と電流制御素子とで構成されるクロスポイント型メモリセルに置き換えられている。このため、メモリセルトランジスタを要しないことから、実施の形態1に必要であった第2の基板10を必要としない。この点で、本実施の形態における半導体記憶装置2000は、その構造がより簡単である。NANDフラッシュ部の構造及びNANDフラッシュ領域とReRAM領域の平面図は、実施の形態1と同様である。
The configuration of the
この半導体記憶装置2000は、第1の基板1上に、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101、NANDフラッシュ周辺回路領域102及びReRAM周辺回路領域202の3つの領域を有する。更に、NANDフラッシュ部よりも上層(本実施の形態では、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102の上方)に、ReRAMメモリセルアレイ領域201が配置される。つまり、本実施の形態では、実施の形態1と同様に、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の上方、及び、NANDフラッシュ周辺回路領域102の上方に位置している。また、ReRAM周辺回路領域202は、第1の基板1上の位置であって、NANDフラッシュ周辺回路領域102よりも周縁に位置している。なお、図7Bに示されるように、半導体記憶装置2000を上方から平面視したときのNANDフラッシュメモリセルアレイ領域101、NANDフラッシュ周辺回路領域102、ReRAMメモリセルアレイ領域201及びReRAM周辺回路領域202の位置は、図5Bに示される実施の形態1と同じである。
The
図7Aに示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の第1の基板1上にはNANDフラッシュのメモリセル5と選択トランジスタ4が、NANDフラッシュ周辺回路領域102の第1の基板1上には、NANDフラッシュの周辺回路用トランジスタ3が、ReRAM周辺回路領域202の第1の基板1上には、ReRAMの周辺回路用トランジスタ2が形成されている。
As shown in FIG. 7A, a NAND
上記各種トランジスタ(メモリセル5、選択トランジスタ4、周辺回路用トランジスタ3、周辺回路用トランジスタ2)を覆う層間絶縁層中には、第1の基板1上の各トランジスタの主電極に接続される第1のコンタクトプラグ6が形成され、さらに、第1のコンタクトプラグ6上には、これに接続される第1の配線(第1の配線層)7が形成されている。NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101においては、第1のコンタクトプラグ6の上に、ワード線やビット線に接続される第1の配線7が形成されている。
In an interlayer insulating layer covering the various transistors (
一方、NANDフラッシュ周辺回路領域102及びReRAM周辺回路領域202では、第1の配線7を覆う層間絶縁層中に、第1の配線7に接続される第2のコンタクトプラグ8が形成されている。さらに、この第2のコンタクトプラグ8上に、これらに接続される第2の配線(第2の配線層)9が形成されている。以上の説明した構成要素で、NANDフラッシュ部は装置として完成している。
On the other hand, in the NAND flash
NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102の上方には、クロスポイント型のReRAMメモリセルアレイが形成されるReRAMメモリセルアレイ領域201が配置されている。ReRAMメモリセルアレイ領域201においては、層間絶縁層を介して、第2の配線9と第3の配線(第3の配線層)14とが形成され、その上に第4Aのコンタクトプラグ15と第1層の抵抗変化素子16とが形成されている。
Above the NAND flash memory
第1層のクロスポイント型メモリセル20は、抵抗変化素子及び電流制御素子を構成する下部電極、電流制御層、抵抗変化層及び上部電極で構成され、非線形な電流電圧特性、つまり、ダイオード特性機能を有する。これらのクロスポイント型メモリセル20上には、これに接続される、第3の配線14と、第3の配線14に直交する第4の配線(第4の配線層)19とが形成されている。この第4の配線19の上に、第5Aのコンタクトプラグ21と第2層のクロスポイント型メモリセル22とが形成されている。
The first-layer cross-point
第2層のクロスポイント型メモリセル22も、抵抗変化素子及び電流制御素子を構成する下部電極、電流制御層、抵抗変化層及び上部電極で構成され、第1層と同様に、非線形な電流電圧特性、つまり、ダイオード特性機能を有する。これらの第2層のクロスポイント型メモリセル22上には、これに接続される、第4の配線19と、第4の配線19に直交する第5の配線(第5の配線層)24とが形成されている。なお、ここでは、クロスポイント型メモリセル(上下の配線の交差点に、抵抗変化素子と電流制御素子とが接続されたメモリセル)として、プレーナ構造を例示したが、ホール型であってもかまわない。ReRAMメモリセルアレイ領域201においては、第3の配線14と第4の配線19とが直交し、また第4の配線19と第5の配線24とが直交する。これがクロスポイント型と呼ばれる所以である。
The cross-point
一方、ReRAM周辺回路領域202では、第2の配線9を覆う層間絶縁層中に、第2の配線9に接続される第3Bのコンタクトプラグ13が形成されている。第3Bのコンタクトプラグ13上には第3の配線14が形成されている。第3の配線14を覆う層間絶縁層中には、この第3の配線14に接続される第4Cのコンタクトプラグ18が形成され、さらに、第4Cのコンタクトプラグ18上に、これに接続される第4の配線19が形成されている。同様に、第4の配線19を覆う層間絶縁層中には、第4の配線19に接続される第5Cのコンタクトプラグ23が形成され、さらに、第5Cのコンタクトプラグ23の上に第5の配線24が形成されている。ReRAM周辺回路領域202では、第3の配線14、第4の配線19及び第5の配線24は所望のレイアウトに配置されているものである。したがって、これらの配線は、すべてが直交する必要はなく、また、配線の一部の領域が他の配線と並行に配置されていてもかまわない。
On the other hand, in the ReRAM
以上のように、本実施の形態における半導体記憶装置2000は、第1の基板1上に形成され、複数のNANDフラッシュのメモリセル5を有するNANDフラッシュメモリセルアレイ(メモリセル5、選択トランジスタ4等)、及び、NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路(周辺回路用トランジスタ3等)を含むNANDフラッシュ部と、複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ(第1層のクロスポイント型メモリセル20、第2層のクロスポイント型メモリセル22)、及び、ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路(周辺回路用トランジスタ2等)を含むReRAM部とを備える。そして、ReRAMメモリセルアレイは、NANDフラッシュ部よりも上層に形成され、NANDフラッシュ周辺回路及びReRAM周辺回路は、第1の基板1上の領域であって、NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている。これにより、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に、面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイが配置されるので、大幅に面積が削減された半導体記憶装置が実現され、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な、低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップが実現される。
As described above, the
なお、本実施の形態では、ReRAMメモリセルアレイは、複数の抵抗変化素子に加え、複数の電流制御素子を有するクロスポイント型メモリセルアレイである。 In the present embodiment, the ReRAM memory cell array is a cross-point type memory cell array having a plurality of current control elements in addition to a plurality of resistance change elements.
次に、以上のように構成された本実施の形態における半導体記憶装置2000の製造方法について説明する。図8Aから図8Eは、本発明の実施の形態2における半導体記憶装置2000の製造方法を示す、半導体記憶装置2000の断面図である。図8Aに示される工程以前の工程は、図6Aの(a)〜図6Bの(f)と同様であるので、説明を省略する。
Next, a method for manufacturing the
まず、図8Aに示すように、第1の基板1上のNANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102には、NANDフラッシュが形成されている。その外側(周縁)のReRAM周辺回路領域202には、ReRAMの周辺回路用トランジスタ2が形成されている。この上に、全体を被覆する層間絶縁層を形成し、ReRAM周辺回路領域202において、第2の配線9と接続される第3Bのコンタクトプラグ13と形成する。また、これに接続する第3の配線14を、ReRAM周辺回路領域202に加えて、ReRAMメモリセルアレイ領域201にも形成する。
First, as shown in FIG. 8A, NAND flash is formed in the NAND flash memory
次に、図8Bに示すように、ReRAMメモリセルアレイ領域201において、第3の配線14の上に、層間絶縁層を貫通する第4Aのコンタクトプラグ15を形成する。更に、第4Aのコンタクトプラグ15上に、下部電極、電流制御層、抵抗変化層及び上部電極で構成される第1層のクロスポイント型メモリセル20を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 8B, in the ReRAM memory
次に、図8Cに示すように、まず、ReRAM周辺回路領域202において、第3の配線14上に第4Cのコンタクトプラグ18を形成する。更に、この第4Cのコンタクトプラグ18と第1層のクロスポイント型メモリセル20とに接続される第4の配線19を形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, first, a
次に、図8Dに示すように、ReRAMメモリセルアレイ領域201において、第4の配線19の上に、層間絶縁層を貫通する第5Aのコンタクトプラグ21を形成する。更に、第5Aのコンタクトプラグ21上に、下部電極、電流制御層、抵抗変化層及び上部電極で構成される第2層のクロスポイント型メモリセル22を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 8D, in the ReRAM memory
最後に、図8Eに示すように、まず、ReRAM周辺回路領域202において、第4の配線19上に第5Cのコンタクトプラグ23を形成する。更に、この第5Cのコンタクトプラグ23と第2層のクロスポイント型メモリセル22とに接続される第5の配線24を形成して、半導体記憶装置2000が完成する。
Finally, as shown in FIG. 8E, first, a
以上のように、本実施の形態における半導体記憶装置2000の製造方法は、主要な工程として、(1)第1の基板1上の第1領域(NANDフラッシュ周辺回路領域102)にNANDフラッシュ部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、(2)第1の基板1上の第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)にNANDフラッシュ部のメモリセル用トランジスタを形成する工程と、(3)第1の基板1上の第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)にNANDフラッシュ部の選択トランジスタを形成する工程と、(4)第1の基板1上の第3領域(ReRAM周辺回路領域202)にReRAM部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、(5)第1領域(NANDフラッシュ周辺回路領域102)の上方に、NANDフラッシュ部の周辺回路用配線(第1の配線7)を形成する工程と、(6)第2領域(NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101)の上方に、NANDフラッシュ部の配線(第2の配線9)を形成する工程と、(7)第2領域の上方及びNANDフラッシュ部のメモリセル5及び配線上に、ReRAM部のメモリセル(1層のクロスポイント型メモリセル20、第2層のクロスポイント型メモリセル22)及び配線(第3の配線14、第4の配線19、第5の配線24)を形成する工程と、(8)第3領域の上方に、ReRAM部の周辺回路用配線(第1の配線7、第2の配線9、第3の配線14、第4の配線19、第5の配線24)を形成する工程とを含む。
As described above, the manufacturing method of the
そして、本実施の形態では、ReRAMメモリセルはクロスポイント型であるので、ReRAM部のメモリセル及び配線を形成する工程では、抵抗変化素子と電流制御素子とで構成されるクロスポイント型メモリセルを形成する。 In this embodiment, since the ReRAM memory cell is a cross-point type, in the step of forming the memory cell and wiring of the ReRAM portion, a cross-point type memory cell composed of a resistance change element and a current control element is used. Form.
このような製造方法により、本実施の形態における半導体記憶装置2000、つまり、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器への適用が可能な、低消費電力で小型化及び高速動作に優れた、抵抗変化型不揮発性記憶装置とNANDフラッシュメモリ型不揮発性記憶装置との混載チップが製造される。
By such a manufacturing method, resistance change that is applicable to the
なお、本実施の形態の半導体記憶装置2000には図示しなかったが、混載ReRAMプロセスなどと同様に、上記のNANDフラッシュ及びReRAM以外の領域にSOCであるシステムLSI(SSDモジュールやメモリカードであれば、コントローラ)などを形成してもかまわない。つまり、本発明は、本実施の形態における半導体記憶装置を備えるSSDモジュールやメモリカード等の記憶機器として実現してもよい。そのときに、本実施の形態における半導体記憶装置に各種プロセッサ等の回路を組み込んでもよい。
Although not shown in the
また、本装置では、ReRAMのメモリセルの多層化は2層としたが、必要に応じて1層でも3層以上でもかまわない。 In this device, the number of ReRAM memory cells is two, but it may be one or three or more as required.
以上の製造方法により、ReRAM及びNANDフラッシュをそれぞれ単独に形成した場合と同様に、ReRAMの低消費電力性と高速性、NANDフラッシュの大記憶容量などの強みを活かしたワンチップの不揮発性の半導体記憶装置を実現することができる。その理由は、動作を制御するのに必要なメモリの周辺回路用のトランジスタは、安定で結晶欠陥の少ない第1の基板1上に形成し、高い駆動電流とスイッチ特性のみでかまわないReRAMのスイッチング素子として、抵抗変化素子に接続しダイオード特性を有する電流制御素子を組み込んだからである。また、ReRAMの抵抗変化素子の形成に熱バジェットが少ないことも利用して、NANDフラッシュ部の上方(より上層)に面積的な主要部となるReRAMメモリセルアレイを配置することで、大幅な面積の削減が可能になる。これにより、スタックのパッケージ技術の必要がない薄型を小面積で形成することができる。さらに、メモリセルトランジスタを必要としないReRAMメモリセルにおいては、多層化をすることで、ReRAM部のメモリを大容量化することもできる。
As in the case where ReRAM and NAND flash are independently formed by the above manufacturing method, a one-chip non-volatile semiconductor that takes advantage of ReRAM's low power consumption and high speed, NAND flash's large storage capacity, etc. A storage device can be realized. The reason is that the transistor for the peripheral circuit of the memory necessary for controlling the operation is formed on the
以上、本発明の複数の態様に係る半導体記憶装置、その製造方法及び記憶機器について、第1の実装例、第2の実装例、実施の形態1及び2に基づいて説明したが、本発明は、これらの第1の実装例、第2の実装例、実施の形態1及び2に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形をこれらの第1の実装例、第2の実装例、実施の形態1及び2に施したものや、異なる実装例及び実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。 As described above, the semiconductor memory device, the manufacturing method, and the memory device according to the plurality of aspects of the present invention have been described based on the first mounting example, the second mounting example, and the first and second embodiments. These are not limited to the first mounting example, the second mounting example, and the first and second embodiments. Unless departing from the gist of the present invention, various modifications conceivable by those skilled in the art are applied to these first implementation example, second implementation example, and first and second embodiments, and different implementation examples and embodiments. Forms constructed by combining components may also be included within the scope of one or more aspects of the present invention.
たとえば、実施の形態1及び2では、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、半導体記憶装置を上方から平面視したときに、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101とNANDフラッシュ周辺回路領域102とを合わせた領域に一致したが、このような領域の広さ及び位置に限定されない。
For example, in the first and second embodiments, the ReRAM memory
図9は、本発明の半導体記憶装置のレイアウトのバリエーションを示す図である。半導体記憶装置を上方から平面視したときに、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、図9の(a)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101と一致してもよいし、図9の(b)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の一部の領域であってもよい。また、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、図9の(c)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の一部とNANDフラッシュ周辺回路領域102の一部とを含む領域であってもよいし、図9の(d)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の全てとNANDフラッシュ周辺回路領域102の一部とを含む領域であってもよい。さらに、ReRAMメモリセルアレイ領域201は、図9の(e)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の全てとNANDフラッシュ周辺回路領域102の一部とReRAM周辺回路領域202の一部とを含む領域であってもよいし、図9の(f)に示されるように、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101の全てとNANDフラッシュ周辺回路領域102の全てとReRAM周辺回路領域202の一部とを含む領域であってもよい。これらのいずれの位置関係(ReRAMメモリセルアレイ領域201の大きさと位置)を選択するかは、ReRAMメモリセルアレイ領域201に必要とされる記憶容量及び周辺回路との接続関係等により、決定すればよい。
FIG. 9 is a diagram showing a variation of the layout of the semiconductor memory device of the present invention. When the semiconductor memory device is viewed from above, the ReRAM memory
また、ReRAM周辺回路領域202は、第1の基板1上において、NANDフラッシュメモリセルアレイ領域101よりも周縁であればよく、必ずしも、全ての箇所がNANDフラッシュ周辺回路領域102よりも周縁でなくてもよい。たとえば、ReRAM周辺回路領域202の一部がNANDフラッシュ周辺回路領域102の内部に形成されていてもよい。
Further, the ReRAM
本発明は、NANDフラッシュとReRAMとが混載されたワンチップの半導体記憶装置、その製造方法及び記憶機器であり、高速で安定動作し、低消費電力に優れ、更に大容量なデータの保存が可能なメモリであるので、SSDモジュールやメモリカード等の記憶機器に用いられる半導体記憶装置として、特に有用である。 The present invention is a one-chip semiconductor memory device in which NAND flash and ReRAM are mixedly mounted, a method for manufacturing the same, and a memory device, which operates stably at high speed, has excellent low power consumption, and can store large amounts of data. Since it is a simple memory, it is particularly useful as a semiconductor storage device used in storage devices such as SSD modules and memory cards.
1 第1の基板
2 ReRAMの周辺回路用トランジスタ
3 NANDフラッシュの周辺回路用トランジスタ
4 NANDフラッシュの選択トランジスタ
5 NANDフラッシュのメモリセル(NANDフラッシュメモリセル)
6 第1のコンタクトプラグ
7 第1の配線(第1の配線層)
8 第2のコンタクトプラグ
9 第2の配線(第2の配線層)
10 第2の基板
11 ReRAMのメモリセルトランジスタ
12 第3Aのコンタクトプラグ
13 第3Bのコンタクトプラグ
14 第3の配線(第3の配線層)
15 第4Aのコンタクトプラグ
16 抵抗変化素子
17 第4Bのコンタクトプラグ
18 第4Cのコンタクトプラグ
19 第4の配線(第4の配線層)
20 第1層のクロスポイント型メモリセル(抵抗変化素子+電流制御素子)
21 第5Aのコンタクトプラグ
22 第2層のクロスポイント型メモリセル(抵抗変化素子+電流制御素子)
23 第5Cのコンタクトプラグ
24 第5の配線(第5の配線層)
30、40、45 SSDモジュール
31、36 NANDフラッシュ(NANDフラッシュメモリ)
32、37 キャッシュメモリ
33、38 コントローラ
35、50、55 メモリカード
42、47、51、56 半導体記憶装置
101 NANDフラッシュメモリセルアレイ領域
102 NANDフラッシュ周辺回路領域
201 ReRAMメモリセルアレイ領域
202 ReRAM周辺回路領域
1000 本発明の実施の形態1における半導体記憶装置
2000 本発明の実施の形態2における半導体記憶装置
DESCRIPTION OF
6
8
10
15 4A Contact plug 16
20 First-layer cross-point type memory cell (resistance change element + current control element)
21 5A Contact plug 22 Second layer cross-point type memory cell (resistance change element + current control element)
23
30, 40, 45
32, 37
Claims (11)
前記第1の基板上に形成され、複数のNANDフラッシュメモリセルを有するNANDフラッシュメモリセルアレイ、及び、前記NANDフラッシュメモリセルアレイ用の周辺回路であるNANDフラッシュ周辺回路を含むNANDフラッシュ部と、
複数の抵抗変化素子を有するReRAMメモリセルアレイ、及び、前記ReRAMメモリセルアレイ用の周辺回路であるReRAM周辺回路を含むReRAM部とを備え、
前記ReRAMメモリセルアレイは、前記NANDフラッシュ部よりも上層に形成され、
前記NANDフラッシュ周辺回路及び前記ReRAM周辺回路は、前記第1の基板上の領域であって、前記NANDフラッシュメモリセルアレイよりも周縁の領域に形成されている
半導体記憶装置。 A first substrate;
A NAND flash memory cell array formed on the first substrate and having a plurality of NAND flash memory cells, and a NAND flash unit including a NAND flash peripheral circuit which is a peripheral circuit for the NAND flash memory cell array;
A ReRAM memory cell array having a plurality of resistance change elements, and a ReRAM unit including a ReRAM peripheral circuit that is a peripheral circuit for the ReRAM memory cell array,
The ReRAM memory cell array is formed above the NAND flash unit,
The NAND flash peripheral circuit and the ReRAM peripheral circuit are formed in a region on the first substrate and in a peripheral region with respect to the NAND flash memory cell array.
請求項1記載の半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ReRAM memory cell array is formed at least above the NAND flash memory cell array.
請求項2記載の半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 2, wherein the ReRAM memory cell array is formed above the NAND flash memory cell array and above the NAND flash peripheral circuit.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。 4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ReRAM peripheral circuit is an area on the first substrate and is formed in a peripheral area of the NAND flash peripheral circuit. 5.
前記ReRAMメモリセルアレイは、前記複数の抵抗変化素子に加え、前記第2の基板上に形成された複数のメモリセルトランジスタを有する
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。 And a second substrate formed above the NAND flash unit,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ReRAM memory cell array includes a plurality of memory cell transistors formed on the second substrate in addition to the plurality of resistance change elements.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ReRAM memory cell array is a cross-point type memory cell array having a plurality of current control elements in addition to the plurality of resistance change elements.
前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、前記NANDフラッシュ部に形成され、
前記第3の配線層は、前記ReRAMメモリセルアレイの最下層の配線層である
請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。 Furthermore, a first wiring layer, a second wiring layer, and a third wiring layer are provided above the first substrate in order from the one closer to the first substrate.
The first wiring layer and the second wiring layer are formed in the NAND flash unit,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the third wiring layer is a lowermost wiring layer of the ReRAM memory cell array.
前記基板上の第2領域にNANDフラッシュ部のメモリセルを形成する工程と、
前記第2領域にNANDフラッシュ部の選択トランジスタを形成する工程と、
前記基板上の第3領域にReRAM部の周辺回路用トランジスタを形成する工程と、
前記第1領域の上方に、NANDフラッシュ部の周辺回路用配線を形成する工程と、
前記第2領域の上方に、NANDフラッシュ部の配線を形成する工程と、
前記第2領域の上方及び前記NANDフラッシュ部の配線上に、ReRAM部のメモリセル及び配線を形成する工程と、
前記第3領域の上方に、ReRAM部の周辺回路用配線を形成する工程と
を含む半導体記憶装置の製造方法。 Forming a peripheral circuit transistor of the NAND flash portion in a first region on the substrate;
Forming a NAND flash memory cell in a second region on the substrate;
Forming a selection transistor of a NAND flash part in the second region;
Forming a peripheral circuit transistor of the ReRAM portion in a third region on the substrate;
Forming a peripheral circuit wiring of the NAND flash portion above the first region;
Forming a NAND flash wiring above the second region;
Forming a memory cell and a wiring of the ReRAM unit above the second region and on the wiring of the NAND flash unit;
Forming a peripheral circuit wiring of a ReRAM portion above the third region. A method of manufacturing a semiconductor memory device.
第2の基板を形成する工程と、
前記第2の基板上に前記ReRAM部のメモリセル用トランジスタを形成する工程と、
前記ReRAM部の抵抗変化素子を形成する工程とを含む
請求項9記載の半導体記憶装置の製造方法。 Forming the memory cell and the wiring of the ReRAM portion;
Forming a second substrate;
Forming a memory cell transistor of the ReRAM portion on the second substrate;
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 9, further comprising: forming a resistance change element of the ReRAM portion.
請求項9記載の半導体記憶装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 9, wherein in the step of forming the memory cell and the wiring in the ReRAM portion, a memory cell including a resistance change element and a current control element is formed.
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