JP2015076556A - メモリ装置、書込方法、読出方法 - Google Patents
メモリ装置、書込方法、読出方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015076556A JP2015076556A JP2013212960A JP2013212960A JP2015076556A JP 2015076556 A JP2015076556 A JP 2015076556A JP 2013212960 A JP2013212960 A JP 2013212960A JP 2013212960 A JP2013212960 A JP 2013212960A JP 2015076556 A JP2015076556 A JP 2015076556A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- memory
- series
- cell selection
- cell
- semiconductor layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C17/00—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards
- G11C17/08—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards using semiconductor devices, e.g. bipolar elements
- G11C17/10—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards using semiconductor devices, e.g. bipolar elements in which contents are determined during manufacturing by a predetermined arrangement of coupling elements, e.g. mask-programmable ROM
- G11C17/12—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards using semiconductor devices, e.g. bipolar elements in which contents are determined during manufacturing by a predetermined arrangement of coupling elements, e.g. mask-programmable ROM using field-effect devices
- G11C17/123—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards using semiconductor devices, e.g. bipolar elements in which contents are determined during manufacturing by a predetermined arrangement of coupling elements, e.g. mask-programmable ROM using field-effect devices comprising cells having several storage transistors connected in series
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
- G11C11/5692—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency read-only digital stores using storage elements with more than two stable states
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C17/00—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards
- G11C17/14—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards in which contents are determined by selectively establishing, breaking or modifying connecting links by permanently altering the state of coupling elements, e.g. PROM
- G11C17/16—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards in which contents are determined by selectively establishing, breaking or modifying connecting links by permanently altering the state of coupling elements, e.g. PROM using electrically-fusible links
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C17/00—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards
- G11C17/14—Read-only memories programmable only once; Semi-permanent stores, e.g. manually-replaceable information cards in which contents are determined by selectively establishing, breaking or modifying connecting links by permanently altering the state of coupling elements, e.g. PROM
- G11C17/18—Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory
Abstract
【課題】メモリ面積の増大傾向を抑制しつつ記憶容量の増大を可能とするメモリ装置を提供する。【解決手段】各メモリセル4の構造として、1つのセル選択部100と、このセル選択部100に対して直列に接続され、セル選択部100によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部200とを有する。そしてこのメモリセルにおける記憶部200は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子20a,20bが複数設けられているようにする。【選択図】図3
Description
本技術は、OTP(One Time Programmable)素子として好適な記憶素子を備えたメモリ装置、およびそのようなメモリ装置に対する書込方法、読出方法に関する。
OTPメモリ素子は、たとえ電源がオフになっても情報を保存する不揮発性記憶素子であり、フューズ(fuse)型やアンチフューズ(anti-fuse)型など、これまでにも多様な構造が提案されている。
フューズ型のOTP素子では、例えば、多結晶シリコンなどで形成された抵抗素子に対して大電流を流すことにより抵抗体を溶断し、両電極間をショート(短絡)状態からオープン(開放)状態に変化させることによって、情報の書き込み動作を行う。
一方、アンチフューズ型のOTP素子では、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型のキャパシタに絶縁耐圧以上の電圧を印加して誘電体膜を破壊することにより、両電極間をオープン状態からショート状態にする酸化膜破壊型がある。
一方、アンチフューズ型のOTP素子では、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型のキャパシタに絶縁耐圧以上の電圧を印加して誘電体膜を破壊することにより、両電極間をオープン状態からショート状態にする酸化膜破壊型がある。
またアンチフューズ型のOTP素子として、上記特許文献1に示されるように、MOSトランジスタのスナップバック現象を利用したものもある。スナップバック現象とは、ゲートに所定の電圧(ゲート電圧)を印加してトランジスタをオン状態にした後にそのゲート電圧を下げると、強制的に強いピンチオフが発生し、通常のMOSトランジスタの耐圧よりも低い電圧でソース・ドレイン間に大電流が流れるという現象である。特許文献1のOTP素子では、このスナップバック現象の際に流れる大電流によってPN接合が破壊され、その結果、ソース・ドレイン間がショートするようになっている。すなわち、このOTP素子においても両電極間がオープン状態からショート状態に変化することにより、情報の書き込み動作がなされる。
さらに特許文献2のように、MOS形状を利用したアンチフューズ型素子も知られている。特許文献2には、MOSのドレインとソースの間にある閾値以上の電圧を印加し、接合が破壊したときに流れる大電流によって発熱を生じさせ、発熱部付近の金属材料を溶融させることでドレインとソース間に金属製のフィラメントを形成するOTP素子が開示されている。
以上のようにフューズ(fuse)型やアンチフューズ(anti-fuse)型などのOTPメモリ素子は、素子を挟んだ2端子間に流れる大電流によって素子の状態を変異(ショートからオープン、又はオープンからショート)させる。このため電流経路上にOTPメモリ素子と、書込/読出のアクセスのために選択トランジスタを配置しておく必要があり、一つのOTPメモリ素子と一つの選択トランジスタが直列に接続されることでメモリセルが構成されている。
この場合、選択トランジスタは書込時に大電流を流す能力が必要となり、サイズが大きくなる。例えば30mAの電流を流す場合、選択トランジスタのW長は40μm前後とする必要がある。
また、これらの一回のみ書き込みが可能なメモリ素子では1メモリセル(OTP素子+選択Tr)で書き込み・未書き込みの2つの状態(1ビット分)しか表現できない。
これらのことから、ビット数の大容量化が進むと、マクロ面積(メモリ装置全体面積)に対しては、メモリセルアレイ部分の面積が、その周辺回路部分の面積よりも支配的になり、メモリ素子自体の面積、選択トランジスタの面積、および各メモリセル間の素子分離領域がマクロ面積を増大させる。
この場合、選択トランジスタは書込時に大電流を流す能力が必要となり、サイズが大きくなる。例えば30mAの電流を流す場合、選択トランジスタのW長は40μm前後とする必要がある。
また、これらの一回のみ書き込みが可能なメモリ素子では1メモリセル(OTP素子+選択Tr)で書き込み・未書き込みの2つの状態(1ビット分)しか表現できない。
これらのことから、ビット数の大容量化が進むと、マクロ面積(メモリ装置全体面積)に対しては、メモリセルアレイ部分の面積が、その周辺回路部分の面積よりも支配的になり、メモリ素子自体の面積、選択トランジスタの面積、および各メモリセル間の素子分離領域がマクロ面積を増大させる。
そこで本技術は、記憶容量を増大させても、面積の増大傾向を抑えることができるようにすること、換言すれば、小さい面積でより大容量のOTPメモリを実現することを目的とする。
第1に、本技術に係るメモリ装置は、1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているものである。
このように1つの記憶部に複数のメモリ素子が設けられることで、1つのメモリセルで複数ビット分の情報を記憶できる。
このように1つの記憶部に複数のメモリ素子が設けられることで、1つのメモリセルで複数ビット分の情報を記憶できる。
第2に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記メモリ素子は、第1導電型からなる第1半導体層中に、分離された第2導電型の第2半導体層と第2導電型の第3半導体層とを有し、前記第2半導体層と前記第3半導体層の間に、前記第2半導体層と前記第3半導体層の間をつなげるフィラメントが形成されるしきい値電圧以上の電圧を印加することによって書込が行われる。
即ち各メモリ素子は、フィラメントによって第2半導体層と第3半導体層がショート(低抵抗接続)されてメモリ素子の抵抗値変化が生ずる構成を採る。
第3に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記メモリ素子は、前記第2半導体層と前記第3半導体層を分離する前記第1半導体層の上面と、前記第2半導体層の上面の一部、及び前記第3半導体層の上面の一部とに連続して形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された導電体膜と、を有することが望ましい。
これにより、いわゆるMOSトランジスタと同様の工程でメモリ素子が製造されるものとできる。
第4に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記メモリ素子は、前記第1半導体層をウェルとし、前記第2半導体層または前記第3半導体層の一方を、ソースまたはドレインとし、前記誘電体膜をゲート酸化膜とし、前記導電体膜をゲートとするMOS型の素子であることが望ましい。
即ちMOSトランジスタ構造を採る。これによりメモリ素子は未書込の状態で導通/非導通に制御可能とされる。
第5に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記第2半導体層の上部の一部と前記第3半導体層の上部の一部にシリサイド層が形成されていることが望ましい。
例えば高融点金属を用いたシリサイド層を設けることでフィラメント形成に有利とする。
即ち各メモリ素子は、フィラメントによって第2半導体層と第3半導体層がショート(低抵抗接続)されてメモリ素子の抵抗値変化が生ずる構成を採る。
第3に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記メモリ素子は、前記第2半導体層と前記第3半導体層を分離する前記第1半導体層の上面と、前記第2半導体層の上面の一部、及び前記第3半導体層の上面の一部とに連続して形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された導電体膜と、を有することが望ましい。
これにより、いわゆるMOSトランジスタと同様の工程でメモリ素子が製造されるものとできる。
第4に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記メモリ素子は、前記第1半導体層をウェルとし、前記第2半導体層または前記第3半導体層の一方を、ソースまたはドレインとし、前記誘電体膜をゲート酸化膜とし、前記導電体膜をゲートとするMOS型の素子であることが望ましい。
即ちMOSトランジスタ構造を採る。これによりメモリ素子は未書込の状態で導通/非導通に制御可能とされる。
第5に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記第2半導体層の上部の一部と前記第3半導体層の上部の一部にシリサイド層が形成されていることが望ましい。
例えば高融点金属を用いたシリサイド層を設けることでフィラメント形成に有利とする。
第6に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに直列に接続され、複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
これにより複数のメモリ素子のそれぞれに対する書込が可能とされている。これは記憶部内の複数のメモリ素子同士を直列に接続した直列タイプの場合、全部又は一部のメモリ素子が導通/非導通に制御可能とされ、選択トランジスタ的な機能も有するようにすることで、任意のメモリ素子への電位差の印加が可能で、情報の書込が可能となるためである。
これにより複数のメモリ素子のそれぞれに対する書込が可能とされている。これは記憶部内の複数のメモリ素子同士を直列に接続した直列タイプの場合、全部又は一部のメモリ素子が導通/非導通に制御可能とされ、選択トランジスタ的な機能も有するようにすることで、任意のメモリ素子への電位差の印加が可能で、情報の書込が可能となるためである。
第7に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御することが望ましい。
各メモリ素子が直列であるため、書込対象以外の未書込のメモリ素子を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子に書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができる。
各メモリ素子が直列であるため、書込対象以外の未書込のメモリ素子を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子に書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができる。
第8に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、各メモリ素子は、各メモリ素子のゲートに印加される電圧により、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように制御されることが望ましい。
記憶部が直列タイプの場合、直列接続された複数のメモリ素子とセル選択部の直列抵抗値によって情報を読み出すことになる。この場合に、各メモリ素子が未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値とすることで、各メモリ素子の書込有無状態に応じた情報値が読み出せる。例えばトランジスタ構造とすれば、ゲート電圧変化によりオン抵抗を制御できる。
第9に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、各メモリ素子は、ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚が互いに異なることで、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように形成されていることが望ましい。
ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚によってもオン抵抗を互いに異なるようにし、各メモリ素子の書込有無状態に応じた情報値が読み出せる。
記憶部が直列タイプの場合、直列接続された複数のメモリ素子とセル選択部の直列抵抗値によって情報を読み出すことになる。この場合に、各メモリ素子が未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値とすることで、各メモリ素子の書込有無状態に応じた情報値が読み出せる。例えばトランジスタ構造とすれば、ゲート電圧変化によりオン抵抗を制御できる。
第9に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、各メモリ素子は、ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚が互いに異なることで、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように形成されていることが望ましい。
ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚によってもオン抵抗を互いに異なるようにし、各メモリ素子の書込有無状態に応じた情報値が読み出せる。
第10に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに並列に接続され、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されている。
記憶部内の複数のメモリ素子同士を並列に接続した並列タイプの場合、それぞれがセル選択部に直列接続されることで、各メモリ素子に対してセル選択部を兼用して書込/読出ができる。
記憶部内の複数のメモリ素子同士を並列に接続した並列タイプの場合、それぞれがセル選択部に直列接続されることで、各メモリ素子に対してセル選択部を兼用して書込/読出ができる。
第11に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御することが望ましい。
上記逆側の端子がオープン状態に制御されたメモリ素子に対しては、記憶部に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子のみに電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
第12に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御することが望ましい。
これにより任意のメモリ素子とセル選択部の合成抵抗値が観測可能となる。
上記逆側の端子がオープン状態に制御されたメモリ素子に対しては、記憶部に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子のみに電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
第12に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御することが望ましい。
これにより任意のメモリ素子とセル選択部の合成抵抗値が観測可能となる。
第13に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による直列素子部が複数設けられ、各直列素子部は互いに並列に接続されて、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されており、各直列素子部における複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
即ちメモリ素子が直列接続された直列素子部が互いに並列とされた、直並列複合タイプである。直列素子部のそれぞれがセル選択部に直列接続されることで、各直列素子部に対してセル選択部を兼用して書込/読出ができる。また直接素子部内では、全部又は一部のメモリ素子が導通/非導通に制御可能とされ、選択トランジスタ的な機能も有するようにすることで、任意のメモリ素子への書込が可能となる。
即ちメモリ素子が直列接続された直列素子部が互いに並列とされた、直並列複合タイプである。直列素子部のそれぞれがセル選択部に直列接続されることで、各直列素子部に対してセル選択部を兼用して書込/読出ができる。また直接素子部内では、全部又は一部のメモリ素子が導通/非導通に制御可能とされ、選択トランジスタ的な機能も有するようにすることで、任意のメモリ素子への書込が可能となる。
第14に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御するとともに、当該一の直列素子部における書込対象のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する。
上記逆側の端子がオープン状態に制御された直列素子部に対しては、記憶部に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子を含む直列素子部のみに電位差の印加を行うことができる。その直列素子部内では、書込対象以外の未書込のメモリ素子を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子に書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
第15に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部を読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する。
これにより任意の直列素子部とセル選択部の合成抵抗値が観測可能となる。
上記逆側の端子がオープン状態に制御された直列素子部に対しては、記憶部に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子を含む直列素子部のみに電位差の印加を行うことができる。その直列素子部内では、書込対象以外の未書込のメモリ素子を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子に書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
第15に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部を読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する。
これにより任意の直列素子部とセル選択部の合成抵抗値が観測可能となる。
第16に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、前記セル選択トランジスタと前記各メモリ素子は、同一アクティブ上に形成されていることが望ましい。
これにより形成容易な構造でメモリ装置を実現できる。
第17に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、 前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、前記セル選択トランジスタのゲート長は、前記各メモリ素子のゲート長より大であることが望ましい。
セル選択トランジスタは比較的大きな電流を流す必要があるためである。
これにより形成容易な構造でメモリ装置を実現できる。
第17に、上記した本技術に係るメモリ装置においては、 前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、前記セル選択トランジスタのゲート長は、前記各メモリ素子のゲート長より大であることが望ましい。
セル選択トランジスタは比較的大きな電流を流す必要があるためである。
本技術に係る書込方法は、1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の書込方法である。そして前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち書込対象のメモリセルに対応するワード線により、書込対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち書込対象のメモリセルに対応するビット線により電圧印加を行って、書込対象のメモリセルの記憶部における一のメモリ素子の両端に所定以上の電位差を与え、当該一のメモリ素子に書込を行う。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部の複数のメモリ素子に対して、書込対象のメモリ素子に所定以上の電位差を与えることで、複数ビット分としての多値記憶が可能なメモリセルへの適切な書込が可能となる。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部の複数のメモリ素子に対して、書込対象のメモリ素子に所定以上の電位差を与えることで、複数ビット分としての多値記憶が可能なメモリセルへの適切な書込が可能となる。
本技術に係る読出方法は、1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の読出方法である。そして、前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち読出対象のメモリセルに対応するワード線により、読出対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち読出対象のメモリセルに対応するビット線により、読出対象のメモリセルのセル選択部と記憶部に電圧印加を行ってセル選択部と記憶部の合成抵抗値を検出することで、前記記憶部におけるメモリ素子に記憶された情報の読出を行う。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部の複数のメモリ素子に対して、読出対象のメモリセルの抵抗値を検出することで、複数ビット分としての多値記憶が可能な記憶部に記憶された情報の適切な読出ができる。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部の複数のメモリ素子に対して、読出対象のメモリセルの抵抗値を検出することで、複数ビット分としての多値記憶が可能な記憶部に記憶された情報の適切な読出ができる。
本技術によれば、1つの記憶部に複数のメモリ素子が設けられることで、1つのメモリセルは複数ビット分の情報を記憶できる。これによって記憶容量を増大させても、メモリセルアレイの面積が増大傾向を抑制し、小面積でより大容量のメモリ装置を実現できる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
以下、実施の形態を次の順序で説明する。
<1.メモリ装置構成>
<2.メモリセル構成>
<3.第1の実施の形態>
<4.第2の実施の形態>
<5.第3の実施の形態>
<6.第4の実施の形態>
<7.第5の実施の形態>
<8.第6の実施の形態>
<9.まとめ及び変形例>
<1.メモリ装置構成>
<2.メモリセル構成>
<3.第1の実施の形態>
<4.第2の実施の形態>
<5.第3の実施の形態>
<6.第4の実施の形態>
<7.第5の実施の形態>
<8.第6の実施の形態>
<9.まとめ及び変形例>
<1.メモリ装置構成>
図1Aは実施の形態に係るメモリ装置のブロック構成を示している。
本実施の形態のメモリ装置は、情報(データ)を1回に限り書き込むことができると共に、何度もその書き込んだ情報を読み出すことができ、かつ情報の消去は行うことができない、いわゆるOTP−ROM(Read Only Memory)である。
このメモリ装置は、複数のメモリセル4を有するメモリセルアレイ1と、ワード線駆動部3と、ビット線駆動・センスアンプ部2とを備えている。
図1Aは実施の形態に係るメモリ装置のブロック構成を示している。
本実施の形態のメモリ装置は、情報(データ)を1回に限り書き込むことができると共に、何度もその書き込んだ情報を読み出すことができ、かつ情報の消去は行うことができない、いわゆるOTP−ROM(Read Only Memory)である。
このメモリ装置は、複数のメモリセル4を有するメモリセルアレイ1と、ワード線駆動部3と、ビット線駆動・センスアンプ部2とを備えている。
メモリセルアレイ1では、複数のメモリセル4が行列状(マトリクス状)に配置されている。
このメモリセルアレイ1では、各メモリセル4に対して、1つ(又は複数の場合もある)のワード線WLと、1つのビット線BLとが接続されている。
このメモリセルアレイ1では、各メモリセル4に対して、1つ(又は複数の場合もある)のワード線WLと、1つのビット線BLとが接続されている。
ワード線駆動部31は、行方向に平行して配置された複数のワード線WL1〜WLnに対して、所定のワード線電位を印加する。nは2以上の整数である。
各ワード線WL1〜WLnは、それぞれ行方向に並ぶメモリセル4に対して共通に配されている。
ワード線WL1〜WLnに与えられるワード線電位により、各メモリセル4における後述するセル選択部100(セル選択トランジスタ10)が制御される。またワード線電位により、メモリセル4内のメモリ素子がオン(導通)/オフ(非導通)制御される場合もある。
なお、以下ではワード線WL1〜WLnの総称として「ワード線WL」を適宜用いる。
各ワード線WL1〜WLnは、それぞれ行方向に並ぶメモリセル4に対して共通に配されている。
ワード線WL1〜WLnに与えられるワード線電位により、各メモリセル4における後述するセル選択部100(セル選択トランジスタ10)が制御される。またワード線電位により、メモリセル4内のメモリ素子がオン(導通)/オフ(非導通)制御される場合もある。
なお、以下ではワード線WL1〜WLnの総称として「ワード線WL」を適宜用いる。
ビット線駆動・センスアンプ部2は、列方向に平行して配置された複数のビット線BL1〜BLmに対して、所定の電位を印加する。mは2以上の整数である。
各ビット線BL1〜BLmは、それぞれ列方向に並ぶメモリセル4に対して共通に配されている。
ビット線駆動・センスアンプ部2により、メモリセル4内の後述するメモリ素子20に対して所定の電圧印加が行われて、後述する情報の書き込み動作がなされる。
このビット線駆動・センスアンプ部2はまた、m個のビット線BL1〜BLmを用いて、各メモリセル4から情報の読み出し動作を行うと共に、内部のセンスアンプにおいて所定の信号増幅処理を行う機能も有している。
なお、以下ではビット線BL1〜BLmの総称として「ビット線BL」を適宜用いる。
各ビット線BL1〜BLmは、それぞれ列方向に並ぶメモリセル4に対して共通に配されている。
ビット線駆動・センスアンプ部2により、メモリセル4内の後述するメモリ素子20に対して所定の電圧印加が行われて、後述する情報の書き込み動作がなされる。
このビット線駆動・センスアンプ部2はまた、m個のビット線BL1〜BLmを用いて、各メモリセル4から情報の読み出し動作を行うと共に、内部のセンスアンプにおいて所定の信号増幅処理を行う機能も有している。
なお、以下ではビット線BL1〜BLmの総称として「ビット線BL」を適宜用いる。
ワード線駆動部3によるワード線WLの駆動、およびビット線駆動・センスアンプ部2によるビット線BLの駆動によって、メモリセルアレイ1内の複数のメモリセル4の中から書込又は読出としてのアクセス対象となるメモリセル4(メモリセル4内の後述するメモリ素子20)が選択され、情報の書込または読出が行われる。
図1Bはメモリセル4内の構成を示している。
1つのメモリセル4は、1つのセル選択部100と、セル選択部100に対して直列に接続され、セル選択部100によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部200を有している。
詳しくは後述するが、記憶部200には、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子20が複数設けられている。
セル選択部100と記憶部200はビット線BLとグランド間に直列接続されている。セル選択部100がワード線WLによる電圧印加によりオンされることで、記憶部200を介した電流経路が形成される。つまり記憶部200がアクセス対象として選択された状態となる。
なお、記憶部200内の複数のメモリ素子のうちの1つを書込対象として選択するために破線で示すワード線WLが用いられることもある。
1つのメモリセル4は、1つのセル選択部100と、セル選択部100に対して直列に接続され、セル選択部100によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部200を有している。
詳しくは後述するが、記憶部200には、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子20が複数設けられている。
セル選択部100と記憶部200はビット線BLとグランド間に直列接続されている。セル選択部100がワード線WLによる電圧印加によりオンされることで、記憶部200を介した電流経路が形成される。つまり記憶部200がアクセス対象として選択された状態となる。
なお、記憶部200内の複数のメモリ素子のうちの1つを書込対象として選択するために破線で示すワード線WLが用いられることもある。
ここで、本実施の形態に対する比較例について述べておく。
図2Aは、比較例としてのメモリセル4Aの等価回路を示している。図示のようにビット線BLとグランド(GND)間に、セル選択部100に相当するセル選択トランジスタ10と、記憶部200に相当する部位としての1つのメモリ素子11が直列接続されている。上述のようにフューズ型やアンチフューズ型などのOTPメモリ素子は、メモリ素子を挟んだ2端子間に流れる大電流によって素子の状態を変異させるため、電流経路上にOTPメモリ素子11と、セル選択トランジスタ10を配置する。
ところが大電流に対応するためにセル選択トランジスタ10として大サイズが求められ、また当該直列回路で1ビット記憶であることから、大容量化を進めるとメモリセル面積の増大によるマクロ面積増大傾向が高くなる。例えば図2Bの実線に示すようにビット数とマクロ面積の関係を示す傾きが大きい。
本実施の形態では、図2Bに破線で示すように傾きを小さくすることを考える。即ち記憶容量を増大させても、マクロ面積が増大する傾向を抑えるようにする。
そこで1つのメモリセル4で多ビット分の情報記憶が可能となるようにする。即ち単一のセル選択トランジスタ10に対して直列に接続するメモリ素子を複数個設けることで多値化を実現し、1つのメモリセル4で複数ビット分の情報を持たせることで同ビット数でみたときのメモリセル数を削減し、全体としてのメモリセルアレイ1の面積の増大を抑制する。
図2Aは、比較例としてのメモリセル4Aの等価回路を示している。図示のようにビット線BLとグランド(GND)間に、セル選択部100に相当するセル選択トランジスタ10と、記憶部200に相当する部位としての1つのメモリ素子11が直列接続されている。上述のようにフューズ型やアンチフューズ型などのOTPメモリ素子は、メモリ素子を挟んだ2端子間に流れる大電流によって素子の状態を変異させるため、電流経路上にOTPメモリ素子11と、セル選択トランジスタ10を配置する。
ところが大電流に対応するためにセル選択トランジスタ10として大サイズが求められ、また当該直列回路で1ビット記憶であることから、大容量化を進めるとメモリセル面積の増大によるマクロ面積増大傾向が高くなる。例えば図2Bの実線に示すようにビット数とマクロ面積の関係を示す傾きが大きい。
本実施の形態では、図2Bに破線で示すように傾きを小さくすることを考える。即ち記憶容量を増大させても、マクロ面積が増大する傾向を抑えるようにする。
そこで1つのメモリセル4で多ビット分の情報記憶が可能となるようにする。即ち単一のセル選択トランジスタ10に対して直列に接続するメモリ素子を複数個設けることで多値化を実現し、1つのメモリセル4で複数ビット分の情報を持たせることで同ビット数でみたときのメモリセル数を削減し、全体としてのメモリセルアレイ1の面積の増大を抑制する。
<2.メモリセル構成>
上述のように本実施の形態では、メモリセル4は複数のメモリ素子を備える。即ち図1Bに示した記憶部200が複数のメモリ素子を有し、これにより多ビット分の情報の記憶を可能とする。
図3、図4に実施の形態のメモリ装置におけるメモリセル4の等価回路を示す。
なお以下、メモリセル4に関しては、ビット線BL側との接続端子を端子ts、グランド側との接続端子を端子tmとする。
また、図面ではメモリ素子20a、20b・・・等を示すが、これらを総称して「メモリ素子20」と表記する。
上述のように本実施の形態では、メモリセル4は複数のメモリ素子を備える。即ち図1Bに示した記憶部200が複数のメモリ素子を有し、これにより多ビット分の情報の記憶を可能とする。
図3、図4に実施の形態のメモリ装置におけるメモリセル4の等価回路を示す。
なお以下、メモリセル4に関しては、ビット線BL側との接続端子を端子ts、グランド側との接続端子を端子tmとする。
また、図面ではメモリ素子20a、20b・・・等を示すが、これらを総称して「メモリ素子20」と表記する。
まず図3Aは、記憶部200に複数(この例では2つ)のメモリ素子20a、20bを有する構成例を示している。メモリ素子20a,20bは互いに直列接続されている。記憶部200内の複数のメモリ素子が直列接続されているタイプを、説明上「直列タイプ」ということとする。
セル選択部100は、当該メモリセルをアクセス対象として選択するセル選択トランジスタ10で構成される。
メモリ素子20a,20bはそれぞれトランジスタ構造の素子とされる。
セル選択トランジスタ10及びメモリ素子20a,20bは、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタからなる。ただし、これには限られず、他の構造のトランジスタを用いてもよい。
そして図示のように端子tsと端子tm間に、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが、それらのソース−ドレインにおいて直列接続されている。
セル選択部100は、当該メモリセルをアクセス対象として選択するセル選択トランジスタ10で構成される。
メモリ素子20a,20bはそれぞれトランジスタ構造の素子とされる。
セル選択トランジスタ10及びメモリ素子20a,20bは、例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタからなる。ただし、これには限られず、他の構造のトランジスタを用いてもよい。
そして図示のように端子tsと端子tm間に、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが、それらのソース−ドレインにおいて直列接続されている。
セル選択トランジスタ10のゲートには、ワード線WLs1が接続される。従ってワード線駆動部3がワード線WLs1への電圧印加によりセル選択トランジスタ10をオンとし、さらにビット線駆動・センスアンプ部2がビット線BLに電圧印加を行うことで、当該メモリセル4の記憶部200がアクセス対象として選択され、書込又は読出が行われる。
なお、互いに直列接続されたメモリ素子20a,20bは、それぞれのゲートにワード線WLs2、WLs3が接続される。後述するが、ワード線駆動部3がワード線WLs2、WLs3に所定の電圧印加を行うことで、未書込状態のメモリ素子20a,20bをそれぞれオン状態に制御することが可能な構成となる。詳しくは後述するが、未書込状態のメモリ素子20a,20bをオン/オフ制御することは、直列タイプの場合に特定のメモリ素子(メモリ素子20a,20bのいずれか)に対して書込を行うための一手法である。
なお、互いに直列接続されたメモリ素子20a,20bは、それぞれのゲートにワード線WLs2、WLs3が接続される。後述するが、ワード線駆動部3がワード線WLs2、WLs3に所定の電圧印加を行うことで、未書込状態のメモリ素子20a,20bをそれぞれオン状態に制御することが可能な構成となる。詳しくは後述するが、未書込状態のメモリ素子20a,20bをオン/オフ制御することは、直列タイプの場合に特定のメモリ素子(メモリ素子20a,20bのいずれか)に対して書込を行うための一手法である。
図3Bは、図3Aとは、メモリ素子21側のゲートがワード線WLs3と接続されていない点が異なる。記憶部200内のメモリ素子については、全てがオン/オフ制御されなくてもよい場合もある。そのような場合は、この図3Bのような構成を採ってもよい。
メモリ素子21はトランジスタ構造としてソース、ドレインを有する素子とされるが、ゲート構造は備えていてもよいし、備えていなくてもよい。
メモリ素子21はトランジスタ構造としてソース、ドレインを有する素子とされるが、ゲート構造は備えていてもよいし、備えていなくてもよい。
図4は、記憶部200に複数(この例では3つ)のメモリ素子20a,20b,20cを有する構成例であるが、メモリ素子20a,20b,20cは互いに並列接続されている。記憶部200内の複数のメモリ素子が並列接続されているタイプを、説明上「並列タイプ」ということとする。
セル選択部100は、当該メモリセルをアクセス対象として選択するセル選択トランジスタ10(例えばMOSトランジスタ)で構成される。
メモリ素子20a,20b,20cはそれぞれトランジスタ構造としてソース、ドレインを有する素子とされるが、ゲート構造は必ずしも必要ではない(ゲート構造を備えていてもよい)。
メモリ素子20a,20b,20cは、それぞれがセル選択トランジスタ10と直列接続されている。
セル選択部100は、当該メモリセルをアクセス対象として選択するセル選択トランジスタ10(例えばMOSトランジスタ)で構成される。
メモリ素子20a,20b,20cはそれぞれトランジスタ構造としてソース、ドレインを有する素子とされるが、ゲート構造は必ずしも必要ではない(ゲート構造を備えていてもよい)。
メモリ素子20a,20b,20cは、それぞれがセル選択トランジスタ10と直列接続されている。
セル選択トランジスタ10のゲートには、ワード線WLが接続される。従ってワード線駆動部3がワード線WLへの電圧印加によりセル選択トランジスタ10をオンとし、さらにビット線駆動・センスアンプ部2がビット線BLに電圧印加を行うことで、当該メモリセル4の記憶部200がアクセス対象として選択され、書込又は読出が行われる。
この場合、メモリ素子20a,20b,20cの、セル選択トランジスタ10とは逆側の端子として端子tm1,tm2,tm3が設けられる。
この端子tm1,tm2,tm3に対しては、一例として、グランド(GND)との間にスイッチSW1,SW2,SW3が設けられ、このスイッチSW1,SW2,SW3のそれぞれによって、端子tm1,tm2,tm3は、それぞれオープン/接地のいずれかの状態を取ることができるようにされている。詳しくは後述するが、端子tm1,tm2,tm3をオープン状態とすることを可能な構成とするのは、並列タイプの場合に記憶部200内の特定のメモリ素子(メモリ素子20a,20b,20cのいずれか)に対して書込又は読出を行うための一手法である。
この場合、メモリ素子20a,20b,20cの、セル選択トランジスタ10とは逆側の端子として端子tm1,tm2,tm3が設けられる。
この端子tm1,tm2,tm3に対しては、一例として、グランド(GND)との間にスイッチSW1,SW2,SW3が設けられ、このスイッチSW1,SW2,SW3のそれぞれによって、端子tm1,tm2,tm3は、それぞれオープン/接地のいずれかの状態を取ることができるようにされている。詳しくは後述するが、端子tm1,tm2,tm3をオープン状態とすることを可能な構成とするのは、並列タイプの場合に記憶部200内の特定のメモリ素子(メモリ素子20a,20b,20cのいずれか)に対して書込又は読出を行うための一手法である。
続いて、記憶部200に設けられるメモリ素子20(例えばメモリ素子20a,20b・・・)としての具体的な構造例を図5,図6,図7で説明する。なお図5,図6,図7及び後述の各実施の形態の説明において、図中の半導体層の符号に、便宜上N型とP型を示す“N”“P”の記載を加えているが、N型とP型を入れ替えた構造としても問題なく、図示の導電型に制約されるものではない。以下の例では、NMOSベースの構造を中心に記載するが、PMOSベースの構造としてもよく、NMOSベースの構造に制約されるものではない。
図5A,図6A,図7Aはそれぞれ本実施の形態で用いられるアンチフューズ型のOTPとしてのメモリ素子20の構造例として書込動作前の断面構造を示し、図5B,図6B,図7Bは書込動作後の断面構造を示している。
まず図5の例を説明する。
図5Aに示すように、書き込み動作前におけるメモリ素子20は、半導体層40P,41N,42Nと、一対の電極45A,45Bと、絶縁層43とからなる積層構造を有している。
図5Aに示すように、書き込み動作前におけるメモリ素子20は、半導体層40P,41N,42Nと、一対の電極45A,45Bと、絶縁層43とからなる積層構造を有している。
半導体層40P(第1半導体層)は、例えば半導体基板を構成するものであり、P型(第1導電型)の半導体層である。この半導体層40Pは、例えば、シリコン(Si)などにホウ素(B)等の不純物をドープさせた半導体材料からなる。
半導体層41N(第2半導体層)および半導体層42N(第3半導体層)は、半導体層40P内において互いに所定の間隔を隔てて互いに分離するように配設されており、N型(第2導電型)の半導体層からなる(いわゆるN+層を構成している)。
これらの半導体層41N,42Nはそれぞれ、例えば、Siなどにヒ素(As)やリン(P)等の不純物をドープさせた半導体材料からなり、その厚みは50〜200nm程度である。このような半導体層41N,42Nは、半導体層40Pの領域内において、 所定のフォトレジストや酸化膜などのマスクパターンを用いることにより、容易に形成することできる。
なお、半導体層41N,42N間の距離は、できるたけ短くすることが望ましい(例えば、50〜200nm程度)。これにより、素子サイズの小さな記憶素子21の実現に有利なためである。
半導体層41N(第2半導体層)および半導体層42N(第3半導体層)は、半導体層40P内において互いに所定の間隔を隔てて互いに分離するように配設されており、N型(第2導電型)の半導体層からなる(いわゆるN+層を構成している)。
これらの半導体層41N,42Nはそれぞれ、例えば、Siなどにヒ素(As)やリン(P)等の不純物をドープさせた半導体材料からなり、その厚みは50〜200nm程度である。このような半導体層41N,42Nは、半導体層40Pの領域内において、 所定のフォトレジストや酸化膜などのマスクパターンを用いることにより、容易に形成することできる。
なお、半導体層41N,42N間の距離は、できるたけ短くすることが望ましい(例えば、50〜200nm程度)。これにより、素子サイズの小さな記憶素子21の実現に有利なためである。
絶縁層43は、半導体層40P,41N,42N上を覆うように設けられている。この絶縁層43は、例えば、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiNX)などの絶縁材料からなり、その厚みは50〜1000nm程度である。
電極45Aは、半導体層41N上において、この半導体層41Nと電気的に接続されるように絶縁層43内に設けられており、この電極45Aにより半導体層41Nに対して所定の電位を印加できるようになっている。
電極45Bは、半導体層42N上において、この半導体層42Nと電気的に接続されるように絶縁層43内に設けられており、この電極45Bにより半導体層42Nに対して所定の電位を印加できるようになっている。
これらの電極45A,45Bはそれぞれ、例えばタングステン(W)やアルミニウム(Al)等の金属などの導電性材料からなる。
電極45Bは、半導体層42N上において、この半導体層42Nと電気的に接続されるように絶縁層43内に設けられており、この電極45Bにより半導体層42Nに対して所定の電位を印加できるようになっている。
これらの電極45A,45Bはそれぞれ、例えばタングステン(W)やアルミニウム(Al)等の金属などの導電性材料からなる。
一方、図5Bに示すように、書込動作後におけるメモリ素子20では、上記した半導体層40P,41N,42N、電極45A,45Bおよび絶縁層43に加え、以下説明するフィラメント46(導電経路部)が形成されている。
このフィラメント46は、半導体層40Pを介して半導体層41N,42N間の領域に形成されており、半導体層41N,42N同士(電極45A,45B同士)を電気的に繋ぐ導電パス(導電経路)として機能する。
換言すると、この図5Bに示したメモリ素子20では、フィラメント46によって、半導体層41N,42N間が所定の抵抗値をもって(抵抗成分によって)短絡されている(ショート状態となっている)。
換言すると、この図5Bに示したメモリ素子20では、フィラメント46によって、半導体層41N,42N間が所定の抵抗値をもって(抵抗成分によって)短絡されている(ショート状態となっている)。
フィラメント46が形成されるのは以下の原理による。
図5Aの構造において、二つの半導体層41N、42Nの間に所定以上の電圧を印加することにより、通常のバイポーラトランジスタなどでみられるようなコレクタ−エミッタ間での分離耐圧破壊の現象と同様に、二つの半導体層41N、42N間に大電流が流れることになる。この際に流れる電流によるマイグレーションによって、図5Bに示すように、電極45A,45Bにある金属などにより金属製のフィラメント46が形成され、二つの半導体層41N、42N間が、ある抵抗値をもって短絡される。
図5Aの構造において、二つの半導体層41N、42Nの間に所定以上の電圧を印加することにより、通常のバイポーラトランジスタなどでみられるようなコレクタ−エミッタ間での分離耐圧破壊の現象と同様に、二つの半導体層41N、42N間に大電流が流れることになる。この際に流れる電流によるマイグレーションによって、図5Bに示すように、電極45A,45Bにある金属などにより金属製のフィラメント46が形成され、二つの半導体層41N、42N間が、ある抵抗値をもって短絡される。
本実施の形態では、この現象を「書込」と表現している。即ち本実施の形態のメモリ素子20では、上記の書込がなされていない(情報が書き込まれていない)未書込の状態では、図5Aに示したように、半導体層41N,42N同士が電気的に分離された開放状態(オープン状態)である。一方、書込後の(情報が書き込まれた)メモリ素子20では、図5Bに示したように、フィラメント46の形成によって、半導体層41N,42N同士が抵抗成分で電気的に接続された状態(ショート状態)となる。
従ってメモリ素子20は、アンチヒューズ型のOTP素子として機能する。
この構造を形成する場合には、二つの半導体層41N、42Nの分離距離を短くすることが望ましく、結果として書込電圧の閾値が小さくかつ素子サイズの小さいメモリ素子20が実現できる。
従ってメモリ素子20は、アンチヒューズ型のOTP素子として機能する。
この構造を形成する場合には、二つの半導体層41N、42Nの分離距離を短くすることが望ましく、結果として書込電圧の閾値が小さくかつ素子サイズの小さいメモリ素子20が実現できる。
なお、上記した書込前の「オープン状態」においては、実際には微小のリーク電流が流れるため、厳密には完全なオープン状態とはなっていない。ただし、未書込(フィラメント46の形成前)と書込後(フィラメント46の形成後)とでは、半導体層41N,42N間に流れる電流の差が大きいことから、これらの動作前後の状態を区別して検出することが可能となっている。つまり抵抗値の差として情報が記憶される。
また図5Aに示したメモリ素子20の構造は、一般的なMOSトランジスタの形成工程と同様の手法(例えば、MOSトランジスタのゲートをマスクにしたセルフアライン(自己整合型)のソース・ドレイン形成工程)を用いることにより、容易に形成することが可能である。その場合、互いに分離された半導体層41N,42N間の距離を狭く形成することができると共に、寸法の制御性も良好に形成することが可能である。
続いて図6の例を説明する。
図6A,図6Bに示すように、書込動作の前後では、フィラメント46の有無が異なることは図5A,図5Bと同様である。この場合、図5A,図5Bに示した構造において、半導体層41N,42Nの間に対応する領域に、誘電体膜48および導電体膜47をこの順に設けるようにしたものである。他の構成は図5と同様である。
具体的には、半導体層41Nと半導体層42Nを分離する半導体層40Pの上面と、半導体層41Nの上面の一部、及び半導体層42Nの上面の一部とに連続して、誘電体膜48が形成され、この誘電体膜48上に導電体膜47が形成されている。
図6A,図6Bに示すように、書込動作の前後では、フィラメント46の有無が異なることは図5A,図5Bと同様である。この場合、図5A,図5Bに示した構造において、半導体層41N,42Nの間に対応する領域に、誘電体膜48および導電体膜47をこの順に設けるようにしたものである。他の構成は図5と同様である。
具体的には、半導体層41Nと半導体層42Nを分離する半導体層40Pの上面と、半導体層41Nの上面の一部、及び半導体層42Nの上面の一部とに連続して、誘電体膜48が形成され、この誘電体膜48上に導電体膜47が形成されている。
誘電体膜48は、例えば、SiO2などの絶縁材料(誘電体)からなり、その厚みは数nm〜20nm程度である。
導電体膜47は、誘電体膜48の形成領域上に設けられており、これにより下層側の誘電体膜48と上層側の導電体膜47とからなる積層構造が形成されている。この導電体膜47は、例えば多結晶シリコンやシリサイド金属等の導電性材料からなり、その厚みは50〜500nm程度である。
導電体膜47は、誘電体膜48の形成領域上に設けられており、これにより下層側の誘電体膜48と上層側の導電体膜47とからなる積層構造が形成されている。この導電体膜47は、例えば多結晶シリコンやシリサイド金属等の導電性材料からなり、その厚みは50〜500nm程度である。
この図6の構造の場合、半導体層40Pをウェルとし、半導体層41N、42Nをソースまたはドレインとし、誘電体膜48をゲート酸化膜とし、導電体膜47をゲートとするMOSトランジスタ素子としての構成を持つことになる。
従ってMOSトランジスタを用いた集積回路においては工程増なく、図6の構造を容易に形成できる。
従ってMOSトランジスタを用いた集積回路においては工程増なく、図6の構造を容易に形成できる。
上述のようにメモリ素子20を未書込の状態においてオン/オフ制御を可能な構成とする場合は、導電体膜47、半導体層40Pにもそれぞれ、電位を与えるための電極が形成されるようにする。例えば図3Aのメモリ素子20a,20bの場合である。
一方、例えば図3Bの回路構成を採った場合のメモリ素子20bや、図4の並列タイプの場合のメモリ素子20a、20b,20cの場合、オン/オフ制御は必ずしも必要ではない。このような場合のメモリ素子20としては図5の構造としたり、あるいは図6の構造において導電体膜47に電極を形成しなかったり、電極を形成してもフローティングにしておけばよい。
導電体膜47をトランジスタのゲートとして用いない場合は、メモリ素子20のゲート長は、互いに分離された半導体層41N,42N間の距離を規定することになるが、このゲート長を、MOSトランジスタとしての最小値(定格等により定まる値)に設定する必要はない。すなわち、半導体層41N,42N同士が分離されるのであれば、MOSトランジスタとしての最小のゲート長以下で形成しなくてもよい。
一方、例えば図3Bの回路構成を採った場合のメモリ素子20bや、図4の並列タイプの場合のメモリ素子20a、20b,20cの場合、オン/オフ制御は必ずしも必要ではない。このような場合のメモリ素子20としては図5の構造としたり、あるいは図6の構造において導電体膜47に電極を形成しなかったり、電極を形成してもフローティングにしておけばよい。
導電体膜47をトランジスタのゲートとして用いない場合は、メモリ素子20のゲート長は、互いに分離された半導体層41N,42N間の距離を規定することになるが、このゲート長を、MOSトランジスタとしての最小値(定格等により定まる値)に設定する必要はない。すなわち、半導体層41N,42N同士が分離されるのであれば、MOSトランジスタとしての最小のゲート長以下で形成しなくてもよい。
図7A,図7Bは、図6A,図6Bで説明した構造に加え、半導体層41N,42N内にシリサイド層49を設けるようにしたものである。
標準的に用いられているコバルト、ニッケルなどの高融点金属を用いたシリサイド化プロセスにより、二つの半導体層41N,42Nの一部にシリサイド層49を形成し、その上部に電極45A、45Bを形成すれば、より低電圧で安定したフィラメント46が形成できる。
標準的に用いられているコバルト、ニッケルなどの高融点金属を用いたシリサイド化プロセスにより、二つの半導体層41N,42Nの一部にシリサイド層49を形成し、その上部に電極45A、45Bを形成すれば、より低電圧で安定したフィラメント46が形成できる。
以上の図5,図6,図7で説明した構造により本実施の形態のメモリ素子20が形成される。本実施の形態では、このようなメモリ素子20を同一アクティブ上に複数直列、または並列に形成し、単一のセル選択トランジスタ10と直列に形成することでメモリセルの多値化を実現する。
特にこれらは通常のCMOSプロセスの工程範囲内で、実施の形態のメモリ素子20を実現できるため、ウェーハコストの点でも非常に有利である。
なお、図6,図7の構造の場合、メモリ素子20におけるMOSトランジスタのゲートに相当する導電体膜47の幅(半導体層41N,42Nを跨ぐ方向の長さ)を、MOSトランジスタからなるセル選択トランジスタ10のゲート長Lよりも狭くすることが望ましい。これにより、半導体層41N,42N間の分離耐圧を下げる方向にすることができ、結果としてメモリ素子20への書込動作時の電圧を低く抑えることができると共に、フィラメント46をより形成し易くできる。
特にこれらは通常のCMOSプロセスの工程範囲内で、実施の形態のメモリ素子20を実現できるため、ウェーハコストの点でも非常に有利である。
なお、図6,図7の構造の場合、メモリ素子20におけるMOSトランジスタのゲートに相当する導電体膜47の幅(半導体層41N,42Nを跨ぐ方向の長さ)を、MOSトランジスタからなるセル選択トランジスタ10のゲート長Lよりも狭くすることが望ましい。これにより、半導体層41N,42N間の分離耐圧を下げる方向にすることができ、結果としてメモリ素子20への書込動作時の電圧を低く抑えることができると共に、フィラメント46をより形成し易くできる。
<3.第1の実施の形態>
以下、多値化メモリセルとしての具体的な構成例を第1〜第6の実施の形態として説明していく。
各実施の形態では、メモリ素子20として図6の構造を用いた例で説明するが、適宜図5又は図7の構造のメモリ素子20を用いることも可能である。
以下、多値化メモリセルとしての具体的な構成例を第1〜第6の実施の形態として説明していく。
各実施の形態では、メモリ素子20として図6の構造を用いた例で説明するが、適宜図5又は図7の構造のメモリ素子20を用いることも可能である。
第1の実施の形態としてのメモリセル4の構造を図8に示す。図8Aはメモリセル4の平面図、図8Bは図8Aのa−a’断面図、図8Cは等価回路図である。
図8A、図8Bでは、アクティブ領域60、導電体膜61,62,63、電極65,66、P型の半導体層70P、N型の半導体層71N、72N、73N、74N、77N、素子分離領域78、誘電体膜91,92,93を示している。
これらにより同一のアクティブ領域(活性化領域)60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが形成されている。
図8A、図8Bでは、アクティブ領域60、導電体膜61,62,63、電極65,66、P型の半導体層70P、N型の半導体層71N、72N、73N、74N、77N、素子分離領域78、誘電体膜91,92,93を示している。
これらにより同一のアクティブ領域(活性化領域)60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが形成されている。
具体的には、P型の半導体層70P内に、4つのN型の半導体層71N、72N、73N、74Nが形成されている。半導体層70P上における半導体層71N−72N間、72N−73N間、73N−74N間に対応する領域には、それぞれ誘電体膜91,92,93及び導電体膜61,62,63が形成されている。
半導体層71Nにはこれと電気的に接続された電極65が形成され、半導体層74N上にはこれと電気的に接続された電極66が形成されている。電極65は例えばビット線BLと接続される側の端子tsを構成する。電極66は例えばグランド側と接続される端子tmを構成する。
このメモリセル4は半導体層70Pを半導体層77Nで覆い基板と電気的に分離するエンクローズドN(Enclosed N)の構成をとる。
半導体層71Nにはこれと電気的に接続された電極65が形成され、半導体層74N上にはこれと電気的に接続された電極66が形成されている。電極65は例えばビット線BLと接続される側の端子tsを構成する。電極66は例えばグランド側と接続される端子tmを構成する。
このメモリセル4は半導体層70Pを半導体層77Nで覆い基板と電気的に分離するエンクローズドN(Enclosed N)の構成をとる。
半導体層71N、72N、誘電体膜91及び導電体膜61によりセル選択トランジスタ10が構成される。
半導体層72N、73N、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N、74N、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
これにより第1の実施の形態におけるメモリセル4は、図8Cに示すように端子ts,tm間において、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが直列接続された構成となる。即ち図3Aで説明した直列タイプが形成されている。
半導体層72N、73N、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N、74N、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
これにより第1の実施の形態におけるメモリセル4は、図8Cに示すように端子ts,tm間において、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20bが直列接続された構成となる。即ち図3Aで説明した直列タイプが形成されている。
このようなメモリセル4に対する書込動作を説明する。
上述のように書込動作は、分離された二つの半導体層間に印加する電位差でフィラメント46を形成することによるため、端子tsに印加する電圧と端子tmに印加する電位を、それぞれどの半導体層に伝えるかを各トランジスタ(10,20a,20b)のスイッチ動作により決定することになる。
上述のように書込動作は、分離された二つの半導体層間に印加する電位差でフィラメント46を形成することによるため、端子tsに印加する電圧と端子tmに印加する電位を、それぞれどの半導体層に伝えるかを各トランジスタ(10,20a,20b)のスイッチ動作により決定することになる。
まずメモリ素子20bに書込を行う場合を図9A、図9Bに示す。図示しない所定のワード線WLにより、図9Aに示すようにセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。
さらに所定のワード線によりメモリ素子20aのゲートにも所定電圧Vonを与えてメモリ素子20aとしてのトランジスタをオンとする。
このようにすることで、端子ts−tm間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられることになる。
さらに所定のワード線によりメモリ素子20aのゲートにも所定電圧Vonを与えてメモリ素子20aとしてのトランジスタをオンとする。
このようにすることで、端子ts−tm間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられることになる。
このとき端子ts−tm間には、セル選択トランジスタ10及びメモリ素子20aのオン抵抗分の電圧降下を考慮した電位を印加する。そしてメモリ素子20bのソース、ドレイン(半導体層73N、74N)に与えられる電位差により、半導体層73N、74N間にフィラメント46を形成し、図9Bのようにメモリ素子20bに対する書込が行われる。なお図面上、フィラメント46が形成された書込済のメモリ素子20は、抵抗器の記号で示している。
ここでフィラメント形成に必要な電位差は数V〜十数V、印加時間は数百ns〜数μsの間である。
しきい値は絶対値ではなく電位差で決まるため、端子tsと端子tmに印加する電圧の極性は逆、かつ絶対値的に同程度であったほうが、一端子に印加する電圧が小さくてすみ、周辺回路に高耐圧用トランジスタが必要なくなるため好ましい。
しきい値は絶対値ではなく電位差で決まるため、端子tsと端子tmに印加する電圧の極性は逆、かつ絶対値的に同程度であったほうが、一端子に印加する電圧が小さくてすみ、周辺回路に高耐圧用トランジスタが必要なくなるため好ましい。
続く二回目の書込でメモリ素子20aへの書込を行う場合は、図9Bに示すようにセル選択トランジスタ10をオンさせて、メモリ素子20a(半導体層72N)に端子tsの電位を伝える。そして書込後のメモリ素子20b(フィラメント46)を介して半導体層73Nに伝えられた端子tmの電位との電位差で、メモリ素子20aの半導体層72Nと半導体層73Nの間にフィラメント46を形成する(図9C参照)。
また、未書込のメモリセル4において最初にメモリ素子20aに書込を行う場合を図9D、図9Eに示している。
図9Cに示すようにセル選択トランジスタ10をオンさせて、メモリ素子20a(半導体層72N)に端子tsの電位を伝える。またメモリ素子20bをオンさせて半導体層73Nに端子tmの電位を伝える。これにより半導体層72N−73N間に所定以上の電位差を与えることができ、メモリ素子20aの半導体層72Nと半導体層73Nの間にフィラメント46が形成される(図9E参照)。
図9Cに示すようにセル選択トランジスタ10をオンさせて、メモリ素子20a(半導体層72N)に端子tsの電位を伝える。またメモリ素子20bをオンさせて半導体層73Nに端子tmの電位を伝える。これにより半導体層72N−73N間に所定以上の電位差を与えることができ、メモリ素子20aの半導体層72Nと半導体層73Nの間にフィラメント46が形成される(図9E参照)。
以上のようにメモリセル4において直列タイプの記憶部200を形成する場合、選択トランジスタ10だけでなく、未書込のメモリ素子20もオン/オフ制御されるようにすることで、直列接続された複数のメモリ素子20のうちで任意のメモリ素子20に書込を行うことができる。
つまり図9で説明したように、記憶部200において互いに直列に接続された複数のメモリ素子20a,20bのうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御すればよい。
つまり図9で説明したように、記憶部200において互いに直列に接続された複数のメモリ素子20a,20bのうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御すればよい。
例えば本実施の形態のように、2つのメモリ素子20a,20bを共にオン/オフ制御可能とした場合、メモリ素子20aへの書込、メモリ素子20bへの書込をそれぞれ選択できる。結果、図10の4状態を形成可能である。
状態1は、書込を行っていない初期状態であるが、例えば「00」に相当する。
状態2は、メモリ素子20bに書込を行った状態であり、例えば「01」に相当する。
状態3は、メモリ素子20a、20bに書込を行った状態であり、例えば「11」に相当する。
状態4は、メモリ素子20aに書込を行った状態であり、例えば「10」に相当する。
このように2ビット(4値)の情報記憶が1つのメモリセル4で可能となる。
状態1は、書込を行っていない初期状態であるが、例えば「00」に相当する。
状態2は、メモリ素子20bに書込を行った状態であり、例えば「01」に相当する。
状態3は、メモリ素子20a、20bに書込を行った状態であり、例えば「11」に相当する。
状態4は、メモリ素子20aに書込を行った状態であり、例えば「10」に相当する。
このように2ビット(4値)の情報記憶が1つのメモリセル4で可能となる。
なお、図3Bに示したように、一部のメモリ素子20(例えば20a)をオン/オフ制御可能とし、他のメモリ素子20(例えば20b)を非制御対象とする構成も考えられる。この図3Bの場合は、図10の状態1,状態2,状態3を採ることができ、3値を記憶できる構成となる。
続いて読出動作を説明する。読出については、どのメモリ素子20を書き込んだかによって端子ts,tm間の直列抵抗値が変化するため、端子tsに流れる電流値(Icell:図11参照)によって書き込み状態が判別できる。
ここで、図10の4状態のそれぞれで直列抵抗値を異なるものとするために、各トランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗が異なるようにする必要がある。
特に各状態の間でできるだけ直列抵抗差を大きく設け、安定的にセンシングできるようにすることが望ましい。
ここで、図10の4状態のそれぞれで直列抵抗値を異なるものとするために、各トランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗が異なるようにする必要がある。
特に各状態の間でできるだけ直列抵抗差を大きく設け、安定的にセンシングできるようにすることが望ましい。
そこで、図11に示すようにワード線電位を制御することで、各トランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を設定する。
図11はメモリセルアレイ1の一部(6個のメモリセル4)を示しているが、今、一点鎖線で囲ったメモリセル4xyを読出対象とすることを考える。
なお、1つのメモリセル4(4xy)には、3つのトランジスタ(10,20a,20b)の各ゲートに対して3つのワード線WL(例えばWL(x)s1、WL(x)s2、WL(x)s3)が接続されている。
図11はメモリセルアレイ1の一部(6個のメモリセル4)を示しているが、今、一点鎖線で囲ったメモリセル4xyを読出対象とすることを考える。
なお、1つのメモリセル4(4xy)には、3つのトランジスタ(10,20a,20b)の各ゲートに対して3つのワード線WL(例えばWL(x)s1、WL(x)s2、WL(x)s3)が接続されている。
メモリセル4xyの読出の場合、ワード線駆動部3は例えば、ワード線WL(x)s1に電圧V、ワード線WL(x)s2に電圧V/2、ワード線WL(x)s3に電圧V/4を与える。
他のワード線(例えばWL(x+1)s1、WL(x+1)s2、WL(x+1)s3等)は例えばグランド電位とする。
またビット線駆動・センスアンプ部2は、ビットBL(y)に所定のビット線電位Vbを与える。
このようにメモリセル4xyを読み出す場合、ビットBL(y)により端子tsに電圧を印加することでメモリセル4xyの端子ts,tm間の直列抵抗で決まる電流(Icell)が端子tsに流れ、この電流量で書込状態が判別できる。
他のワード線(例えばWL(x+1)s1、WL(x+1)s2、WL(x+1)s3等)は例えばグランド電位とする。
またビット線駆動・センスアンプ部2は、ビットBL(y)に所定のビット線電位Vbを与える。
このようにメモリセル4xyを読み出す場合、ビットBL(y)により端子tsに電圧を印加することでメモリセル4xyの端子ts,tm間の直列抵抗で決まる電流(Icell)が端子tsに流れ、この電流量で書込状態が判別できる。
具体的には、図10の4状態における端子ts,tm間の直列抵抗は次のようになる。
・状態1・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(メモリ素子20aのオン抵抗)+(メモリ素子20bのオン抵抗)
・状態2・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(メモリ素子20aのオン抵抗)+(フィラメント抵抗)
・状態3・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(フィラメント抵抗)+(フィラメント抵抗)
・状態4・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(フィラメント抵抗)+(メモリ素子20bのオン抵抗)
・状態1・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(メモリ素子20aのオン抵抗)+(メモリ素子20bのオン抵抗)
・状態2・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(メモリ素子20aのオン抵抗)+(フィラメント抵抗)
・状態3・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(フィラメント抵抗)+(フィラメント抵抗)
・状態4・・・(セル選択トランジスタ10のオン抵抗)+(フィラメント抵抗)+(メモリ素子20bのオン抵抗)
3つのワード線WL(x)s1、WL(x)s2、WL(x)s3の電位(ゲート電圧)を例えば上記のように設定し、3つのトランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を異なるようにすることで、以上の状態1〜状態4での合成抵抗値が異なるものとなるため、1つのメモリセル4から4値を読み出すことができる。
特にメモリ素子20の書込後の抵抗値は数kΩオーダーであり、未書込状態のメモリ素子20とセル選択トランジスタ10のオン抵抗はゲート電圧によって大幅に変化させることができるため設定電圧の自由度は高い。
3つのトランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を十分に差異があるようにすることで、上記の4状態における端子ts,tm間の直列抵抗の差を顕著なものとすることができる。即ち読み出し時のゲート電圧を制御することで読出時のセンシングのマージンを広げ、4値を安定して読み出すことが可能となる。
特にメモリ素子20の書込後の抵抗値は数kΩオーダーであり、未書込状態のメモリ素子20とセル選択トランジスタ10のオン抵抗はゲート電圧によって大幅に変化させることができるため設定電圧の自由度は高い。
3つのトランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を十分に差異があるようにすることで、上記の4状態における端子ts,tm間の直列抵抗の差を顕著なものとすることができる。即ち読み出し時のゲート電圧を制御することで読出時のセンシングのマージンを広げ、4値を安定して読み出すことが可能となる。
なお端子tsと端子tmの電圧条件は逆にしてもよい。端子ts側をグランド、端子tm側を電圧Vbとしても、端子tmの電流をセンシングすることで問題なく読み出すことができる。
以上のように第1の実施の形態では、記憶部200における複数のメモリ素子20は、互いに直列に接続され、複数のメモリ素子20の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。これにより複数のメモリ素子20の全部又は一部に対する個別の書込が可能とされ、複数のメモリ素子20を用いた多値記憶が適切に実現できる。
具体的には、一のメモリ素子20を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子20以外の未書込のメモリ素子20を導通状態に制御する。各メモリ素子20が直列であるため、書込対象以外の未書込のメモリ素子20を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子20に書込のための電位差の印加、即ちフィラメント64が形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができ、メモリ素子20毎の個別の書込が実現できる。
具体的には、一のメモリ素子20を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子20以外の未書込のメモリ素子20を導通状態に制御する。各メモリ素子20が直列であるため、書込対象以外の未書込のメモリ素子20を導通状態とすることで、書込対象のメモリ素子20に書込のための電位差の印加、即ちフィラメント64が形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができ、メモリ素子20毎の個別の書込が実現できる。
また直列接続された複数のメモリ素子20はそれぞれトランジスタ構造で形成され、各メモリ素子20は、ゲートに印加される電圧により、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように制御される。直列タイプの場合、直列接続された複数のメモリ素子20とセル選択トランジスタ10の直列抵抗値によって情報を読み出すことになる。そのため、各メモリ素子20が未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値とすることで、各メモリ素子20の書込有無状態に応じた情報値が読み出せる。
また、このことは直列タイプでは、1回の読出で、多値読出(例えば上述の4状態の判定という2ビット読出)が可能であり、読出効率が高いという利点もある。
また、このことは直列タイプでは、1回の読出で、多値読出(例えば上述の4状態の判定という2ビット読出)が可能であり、読出効率が高いという利点もある。
またセル選択トランジスタ10と各メモリ素子20は、同一アクティブ60上に形成されている。これにより成形容易な構造でメモリ装置を実現できる。
なお図では示していないが、セル選択トランジスタ10のゲート長は、各メモリ素子20としてのトランジスタのゲート長より大とすることが望ましい。セル選択トランジスタ10への誤書込が生じてしまうことを防ぐためである。
なお図では示していないが、セル選択トランジスタ10のゲート長は、各メモリ素子20としてのトランジスタのゲート長より大とすることが望ましい。セル選択トランジスタ10への誤書込が生じてしまうことを防ぐためである。
<4.第2の実施の形態>
図12Aに第2の実施の形態の平面図、図12Bに図12Aのa−a’断面図を示す。なお、図12以降の図面において、既述の図と同一部位には同一符号を付し、重複説明を避ける。
この第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同じく直列タイプの構成において、メモリセル4内の3つのトランジスタ(10,20a,20b)のゲート長を異なるようにしたものである。
図では導電体膜61,62,63の幅L1,L2,L3として、各トランジスタ10、20a,20bのゲート長を示している。この場合L3<L2<L1である。
図12Aに第2の実施の形態の平面図、図12Bに図12Aのa−a’断面図を示す。なお、図12以降の図面において、既述の図と同一部位には同一符号を付し、重複説明を避ける。
この第2の実施の形態は、第1の実施の形態と同じく直列タイプの構成において、メモリセル4内の3つのトランジスタ(10,20a,20b)のゲート長を異なるようにしたものである。
図では導電体膜61,62,63の幅L1,L2,L3として、各トランジスタ10、20a,20bのゲート長を示している。この場合L3<L2<L1である。
トランジスタ毎にゲート長を異なるようにすることで、セル選択トランジスタ10と、未書込状態のメモリ素子20a,20bのそれぞれのオン抵抗を異なるようにすることができる。
第1の実施の形態では、ゲート電圧でオン抵抗を設定したが、この第2の実施の形態はゲート長によりオン抵抗を設定する。これにより、各ゲート電圧を異なるように制御しなくとも、3つのトランジスタ(10,20a,20b)で異なるオン抵抗が得られ、図10の4状態を適切に判別した多値読出が可能となる。
第1の実施の形態では、ゲート電圧でオン抵抗を設定したが、この第2の実施の形態はゲート長によりオン抵抗を設定する。これにより、各ゲート電圧を異なるように制御しなくとも、3つのトランジスタ(10,20a,20b)で異なるオン抵抗が得られ、図10の4状態を適切に判別した多値読出が可能となる。
なお、ゲート長でオン抵抗を設定する他、拡散層やチャネル部の濃度、酸化膜など、メモリ素子20ごと、及びセル選択トランジスタ10とで、プロセス条件を変えることでオン抵抗に差を設けることも考えられる。
また、第1の実施の形態と第2の実施の形態はそれぞれ組み合わせることも可能である。つまり、ゲート長などを異なるように形成したうえで、ゲート電圧も異なるように設定し、オン抵抗の差をより顕著にすることもできる。
また、本実施の形態のようにゲート長を異なるようにする場合、セル選択トランジスタ10の誤書込を防ぐために、選択トランジスタ10のゲート長をメモリ素子20のゲート長よりも大きく設計することが好適である。
また、第1の実施の形態と第2の実施の形態はそれぞれ組み合わせることも可能である。つまり、ゲート長などを異なるように形成したうえで、ゲート電圧も異なるように設定し、オン抵抗の差をより顕著にすることもできる。
また、本実施の形態のようにゲート長を異なるようにする場合、セル選択トランジスタ10の誤書込を防ぐために、選択トランジスタ10のゲート長をメモリ素子20のゲート長よりも大きく設計することが好適である。
<5.第3の実施の形態>
図13Aに第3の実施の形態の平面図、図13Bに図13Aのa−a’断面図、図13Cに等価回路図を示す。
第1の実施の形態と同様の考え方で、記憶部200において複数のメモリ素子20を直列接続するものであるが、メモリ素子20を3つ(20a,20b,20c)設けたものである。
図13Aに第3の実施の形態の平面図、図13Bに図13Aのa−a’断面図、図13Cに等価回路図を示す。
第1の実施の形態と同様の考え方で、記憶部200において複数のメモリ素子20を直列接続するものであるが、メモリ素子20を3つ(20a,20b,20c)設けたものである。
半導体層71N、72N、誘電体膜91及び導電体膜61によりセル選択トランジスタ10が構成される。
半導体層72N、73N、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N、74N、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層74N、75N、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20cが構成される。
電極65は半導体層71N上に形成され、電極66は半導体層75N上に形成される。
この構成によりメモリセル4は、図13Cに示すように端子ts,tm間において、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20b,20cが直列接続された構成となる。
半導体層72N、73N、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N、74N、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層74N、75N、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20cが構成される。
電極65は半導体層71N上に形成され、電極66は半導体層75N上に形成される。
この構成によりメモリセル4は、図13Cに示すように端子ts,tm間において、セル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20b,20cが直列接続された構成となる。
このように同一アクティブ領域60上のメモリ素子20の数を増やすことで、1つのメモリセル4に、より多くの情報(N個のメモリ素子の場合、2N分の情報)を持たせることができ、面積効率をさらに上げることができる。
<6.第4の実施の形態>
第4の実施の形態として並列タイプの例を説明する。
図14Aに第4の実施の形態の平面図、図14Bに図14Aのa−a’断面図、図14Cに図14Aのb−b’断面図を示す。
図14A、図14B、図14Cでは、アクティブ領域60、導電体膜61,62、電極65,66A,66B,66C、P型の半導体層70P、N型の半導体層71N、72N、73N−1、73N−2、73N−3、77N、素子分離領域78、誘電体膜91,92を示している。
第4の実施の形態として並列タイプの例を説明する。
図14Aに第4の実施の形態の平面図、図14Bに図14Aのa−a’断面図、図14Cに図14Aのb−b’断面図を示す。
図14A、図14B、図14Cでは、アクティブ領域60、導電体膜61,62、電極65,66A,66B,66C、P型の半導体層70P、N型の半導体層71N、72N、73N−1、73N−2、73N−3、77N、素子分離領域78、誘電体膜91,92を示している。
具体的には、P型の半導体層70P内に、5つのN型の半導体層71N、72N、73N−1、73N−2、73N−3が形成されている。半導体層70P上における半導体層71N−72N間、及び72N−73N(73N−1、73N−2、73N−3)間に対応する領域には、それぞれ誘電体膜91,92及び導電体膜61,62が形成されている。
半導体層71Nにはこれと電気的に接続された電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66Cが形成されている。
このメモリセル4は半導体層70Pを半導体層77Nで覆い基板と電気的に分離するエンクローズドN(Enclosed N)の構成をとる。
半導体層71Nにはこれと電気的に接続された電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66Cが形成されている。
このメモリセル4は半導体層70Pを半導体層77Nで覆い基板と電気的に分離するエンクローズドN(Enclosed N)の構成をとる。
以上の構成により、第4の実施の形態のメモリセル4は図15Aの等価回路図に示す構成となる。即ち図4で説明した並列タイプの構成である。
電極65はビット線BLと接続される側の端子tsを構成する。電極66A、66B、66Cは例えばそれぞれグランド側(図3のスイッチSW1,SW2,SW3)と接続される端子tm1,tm2,tm3を構成する。
電極65はビット線BLと接続される側の端子tsを構成する。電極66A、66B、66Cは例えばそれぞれグランド側(図3のスイッチSW1,SW2,SW3)と接続される端子tm1,tm2,tm3を構成する。
半導体層71N、72N、誘電体膜91及び導電体膜61によりセル選択トランジスタ10が構成される。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20cが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20b,20cが形成されている。そしてこの第4の実施の形態におけるメモリセル4は、図4のようにセル選択トランジスタ10(セル選択部100)と記憶部200が直列接続され、記憶部200では複数のメモリ素子20が互いに並列に接続された構成となる。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20cが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a,20b,20cが形成されている。そしてこの第4の実施の形態におけるメモリセル4は、図4のようにセル選択トランジスタ10(セル選択部100)と記憶部200が直列接続され、記憶部200では複数のメモリ素子20が互いに並列に接続された構成となる。
書込動作及び読出動作について図15を用いて説明する。
例えばメモリ素子20aに書込を行う場合、図15Aに示すように端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3はオープンとする。例えば図4のスイッチSW1をオン、スイッチSW2,SW3をオフとする。
このようにすることで、メモリセル4は、端子ts,tm1間でセル選択トランジスタ10とメモリ素子20aが直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。
このようにすることで、端子ts−tm1間に印加された電圧は、メモリ素子20aのソース−ドレイン間に与えられる。そしてメモリ素子20aのソース、ドレイン(半導体層72N、73N−1)に与えられる電位差により、半導体層72N、73N−1間にフィラメント46が形成され、図15Bのようにメモリ素子20aに対する書込が行われる。
例えばメモリ素子20aに書込を行う場合、図15Aに示すように端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3はオープンとする。例えば図4のスイッチSW1をオン、スイッチSW2,SW3をオフとする。
このようにすることで、メモリセル4は、端子ts,tm1間でセル選択トランジスタ10とメモリ素子20aが直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。
このようにすることで、端子ts−tm1間に印加された電圧は、メモリ素子20aのソース−ドレイン間に与えられる。そしてメモリ素子20aのソース、ドレイン(半導体層72N、73N−1)に与えられる電位差により、半導体層72N、73N−1間にフィラメント46が形成され、図15Bのようにメモリ素子20aに対する書込が行われる。
図15Cはメモリ素子20bに書込を行う場合を示している。
この場合、端子tm2をグランドに接続し、端子tm1,tm3はオープンとする。これによりメモリセル4は、端子ts,tm2間でセル選択トランジスタ10とメモリ素子20bが直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。
このようにすることで、端子ts−tm2間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられ、その電位差により、半導体層72N、73N−2間にフィラメント46が形成され、図15Dのようにメモリ素子20bに対する書込が行われる。
この場合、端子tm2をグランドに接続し、端子tm1,tm3はオープンとする。これによりメモリセル4は、端子ts,tm2間でセル選択トランジスタ10とメモリ素子20bが直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。
このようにすることで、端子ts−tm2間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられ、その電位差により、半導体層72N、73N−2間にフィラメント46が形成され、図15Dのようにメモリ素子20bに対する書込が行われる。
メモリ素子20cに書込を行う場合については図示しないが、同様の手法でよい。即ち端子tm3をグランドに接続し、端子tm1,tm2はオープンとし、セル選択トランジスタ10をオンとする。
ここで、これらの書込に必要な電位差は数V〜十数Vの間、印加時間は数百ns〜数μsの間である。しきい値は絶対値ではなく電位差で決まるため、端子tsと端子tm1に印加する電圧の極性は逆、かつ絶対値的に同程度であったほうが一端子に印加する電圧が小さくてすみ、周辺回路に高耐圧用トランジスタが必要なくなるため好ましい。
このような書込より、メモリ素子20a,20b,20cはそれぞれ個別に「0:未書込」「1:書込済」の状態を得ることができ、3ビット相当の情報記憶を実現できる。
読出動作の際には、書込時と同様に対象のメモリ素子20に応じて、端子tm1,tm2,tm3のオープン/クローズを制御すればよい。
例えばメモリ素子20aの読出を行う場合、選択トランジスタ10をオンし、端子tm1をGNDにし、端子tm2,tm3をオープン状態に設定することで、メモリ素子20aの経路のみを選択的に読み出すことができる。
メモリ素子20の書込有無によって端子ts,tm間の直列抵抗値が変化するため、端子tsに電圧を印加すれば、端子tsに流れる電流値によって書込状態を判別することができる。もちろん端子tsと端子tm(tm1、tm2、tm3)の電圧条件が逆であっても、端子tm側の電流をセンシングすることで読出は可能である。
読出動作の際には、書込時と同様に対象のメモリ素子20に応じて、端子tm1,tm2,tm3のオープン/クローズを制御すればよい。
例えばメモリ素子20aの読出を行う場合、選択トランジスタ10をオンし、端子tm1をGNDにし、端子tm2,tm3をオープン状態に設定することで、メモリ素子20aの経路のみを選択的に読み出すことができる。
メモリ素子20の書込有無によって端子ts,tm間の直列抵抗値が変化するため、端子tsに電圧を印加すれば、端子tsに流れる電流値によって書込状態を判別することができる。もちろん端子tsと端子tm(tm1、tm2、tm3)の電圧条件が逆であっても、端子tm側の電流をセンシングすることで読出は可能である。
以上のように第4の実施の形態では、記憶部200における複数のメモリ素子20は、互いに並列に接続され、それぞれがセル選択トランジスタ10に直列に接続されている。このような並列タイプの場合、それぞれがセル選択トランジスタ10に直列接続されることで、各メモリ素子20に対してセル選択トランジスタ10を兼用して書込/読出ができる。これにより1つのメモリセル4で複数ビットの情報を持たせることが可能となる。
またメモリ素子20は、MOSの最小サイズで形成できる。ただし書き込みには数十mAの電流をメモリ素子に流す必要があるため、セル選択トランジスタ10はある程度のサイズが必要になる(10〜30μm)。
複数のメモリ素子20でセル選択トランジスタ10を兼用する並列タイプの構成であれば、1つのメモリセル4で複数ビットの情報を持たせられるだけではなく、セル選択トランジスタ10のゲート幅の長さ分、メモリ素子20を配置することができるため、面積効率が高くなる。メモリ素子20同士の分離幅を考慮しても、一つのセル選択トランジスタ10に対して数個〜十数個のメモリ素子20が配置可能である。
なおメモリ素子20のゲート長よりもセル選択トランジスタ10のゲート長を大きくして、セル選択トランジスタ10の誤書き込みを防ぐことが好ましい。
またメモリ素子20は、MOSの最小サイズで形成できる。ただし書き込みには数十mAの電流をメモリ素子に流す必要があるため、セル選択トランジスタ10はある程度のサイズが必要になる(10〜30μm)。
複数のメモリ素子20でセル選択トランジスタ10を兼用する並列タイプの構成であれば、1つのメモリセル4で複数ビットの情報を持たせられるだけではなく、セル選択トランジスタ10のゲート幅の長さ分、メモリ素子20を配置することができるため、面積効率が高くなる。メモリ素子20同士の分離幅を考慮しても、一つのセル選択トランジスタ10に対して数個〜十数個のメモリ素子20が配置可能である。
なおメモリ素子20のゲート長よりもセル選択トランジスタ10のゲート長を大きくして、セル選択トランジスタ10の誤書き込みを防ぐことが好ましい。
また第4の実施の形態のように並列タイプの場合、記憶部200において互いに並列に接続された複数のメモリ素子20のうち、一のメモリ素子20を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子20以外のメモリ素子20について、セル選択部100との直列接続端とは逆側の端子tmをオープン状態に制御する。
端子tm側がオープン状態に制御されたメモリ素子20に対しては、記憶部200に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子20のみに電位差の印加、即ちフィラメント46が形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
また、一のメモリ素子20を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子20以外のメモリ素子20について、セル選択部100との直列接続端とは逆側の端子tmをオープン状態に制御する。これにより対象とするメモリ素子20とセル選択トランジスタ10の合成抵抗値が観測可能となり、つまり個々のメモリ素子20の情報読出が可能となる。
端子tm側がオープン状態に制御されたメモリ素子20に対しては、記憶部200に印加される電位差が与えられないため、書込は行われない。つまりオープン状態にしていない書込対象のメモリ素子20のみに電位差の印加、即ちフィラメント46が形成されるしきい値以上の電位差の印加を行うことができる。
また、一のメモリ素子20を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子20以外のメモリ素子20について、セル選択部100との直列接続端とは逆側の端子tmをオープン状態に制御する。これにより対象とするメモリ素子20とセル選択トランジスタ10の合成抵抗値が観測可能となり、つまり個々のメモリ素子20の情報読出が可能となる。
なお、読出に関しては、記憶部200全体、すなわち複数のメモリ素子20の並列合成抵抗値を観測することとしてもよい。
例えばメモリ素子20a,20b,20cのオン抵抗を互いに異なるようにし、各メモリ素子20a,20b,20cの書込状態の組み合わせ(3ビット相当で8状態)においてそれぞれ並列合成抵抗値が異なるようにする。端子tm1,tm2,tm3は、これらを共通に端子tmとして、例えばグランドに接続すればよい。
このようにすれば、8状態のそれぞれで端子ts−tm間の抵抗値(セル選択部100と記憶部200の直列合成抵抗値)が異なるようにすることができるため、例えば端子ts側の電流値を検出することで、1回の読出動作で3ビット情報を読み出すことが可能となる。
例えばメモリ素子20a,20b,20cのオン抵抗を互いに異なるようにし、各メモリ素子20a,20b,20cの書込状態の組み合わせ(3ビット相当で8状態)においてそれぞれ並列合成抵抗値が異なるようにする。端子tm1,tm2,tm3は、これらを共通に端子tmとして、例えばグランドに接続すればよい。
このようにすれば、8状態のそれぞれで端子ts−tm間の抵抗値(セル選択部100と記憶部200の直列合成抵抗値)が異なるようにすることができるため、例えば端子ts側の電流値を検出することで、1回の読出動作で3ビット情報を読み出すことが可能となる。
また図14,図15の構成において端子tm1,tm2,tm3は、図4に示したスイッチSW1,SW2,SW3を介してグランドに接続されてもよいし、個別に他の電位レベルに接続されるように制御可能な接続構成としてもよい。
例えば或るメモリ素子20への書込の際には、他の書込対象ではないメモリ素子20に対してはフィラメント46が形成される電位差が与えられないようにすればよい。そこで他の書込対象ではないメモリ素子20に対しては、当該電位差が生じないように端子tm側に所定の電位を印加するようにしてもよい。
例えば或るメモリ素子20への書込の際には、他の書込対象ではないメモリ素子20に対してはフィラメント46が形成される電位差が与えられないようにすればよい。そこで他の書込対象ではないメモリ素子20に対しては、当該電位差が生じないように端子tm側に所定の電位を印加するようにしてもよい。
<7.第5の実施の形態>
図16Aに第5の実施の形態の平面図、図16Bに等価回路図を示す。これは第4の実施の形態のような並列タイプの変形例といえる。
図16Aに示すように、アクティブ領域60において、N型の半導体層71N、72N、73N−1〜73N−6が図示されないP型の半導体層70P内に形成される。またゲートを構成する導電体膜61,62,63,64(及びその下部の図示されない誘電体膜91,92,93,94)が設けられる
半導体層71N上には端子tsを構成する電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3、73N−4、73N−5、73N−6上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66C、66D、66E、66Fが形成されている。これらは図16Bに示す端子tm1,tm2,tm3,tm4,tm5,tm6を構成する。
図16Aに第5の実施の形態の平面図、図16Bに等価回路図を示す。これは第4の実施の形態のような並列タイプの変形例といえる。
図16Aに示すように、アクティブ領域60において、N型の半導体層71N、72N、73N−1〜73N−6が図示されないP型の半導体層70P内に形成される。またゲートを構成する導電体膜61,62,63,64(及びその下部の図示されない誘電体膜91,92,93,94)が設けられる
半導体層71N上には端子tsを構成する電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3、73N−4、73N−5、73N−6上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66C、66D、66E、66Fが形成されている。これらは図16Bに示す端子tm1,tm2,tm3,tm4,tm5,tm6を構成する。
半導体層71N、72N、誘電体膜91及び導電体膜61によりセル選択トランジスタ10が構成される。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20cが構成される。
半導体層72N、73N−4、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20dが構成される。
半導体層72N、73N−5、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20eが構成される。
半導体層72N、73N−6、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20fが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a〜20fが形成されている。そしてこの第5の実施の形態におけるメモリセル4は、図16Bのようにセル選択トランジスタ10(セル選択部100)と記憶部200が直列接続され、記憶部200では複数のメモリ素子20が互いに並列に接続された構成となる。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20cが構成される。
半導体層72N、73N−4、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20dが構成される。
半導体層72N、73N−5、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20eが構成される。
半導体層72N、73N−6、誘電体膜94及び導電体膜64によりメモリ素子20fが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a〜20fが形成されている。そしてこの第5の実施の形態におけるメモリセル4は、図16Bのようにセル選択トランジスタ10(セル選択部100)と記憶部200が直列接続され、記憶部200では複数のメモリ素子20が互いに並列に接続された構成となる。
この場合、書込動作、読出動作は第4の実施の形態と同様の手法で行えばよい。
そしてこのように同一アクティブ領域60上のメモリ素子20の数を増やすことで、さらなる多ビット化が可能である。
特に、メモリ素子20とセル選択トランジスタ10のゲートを構成するポリシリコン領域(導電体膜62,63,64)は必ずしも平行とする必要はなく、また複数のメモリ素子20のゲートも全て共通である必要はない。そのためレイアウトの自由度は高く、図16Aのようにアクティブ領域64とゲートレイアウトを工夫することで面積効率を上げることができる。
そしてこのように同一アクティブ領域60上のメモリ素子20の数を増やすことで、さらなる多ビット化が可能である。
特に、メモリ素子20とセル選択トランジスタ10のゲートを構成するポリシリコン領域(導電体膜62,63,64)は必ずしも平行とする必要はなく、また複数のメモリ素子20のゲートも全て共通である必要はない。そのためレイアウトの自由度は高く、図16Aのようにアクティブ領域64とゲートレイアウトを工夫することで面積効率を上げることができる。
<8.第6の実施の形態>
第6の実施の形態として、直列タイプと並列タイプの複合した複合タイプを説明する。つまり第4、第5の実施の形態を、第1〜第3の実施の形態に組み合わせる例である。
図17Aに第6の実施の形態の平面図、図17Bに等価回路図を示す。
第6の実施の形態として、直列タイプと並列タイプの複合した複合タイプを説明する。つまり第4、第5の実施の形態を、第1〜第3の実施の形態に組み合わせる例である。
図17Aに第6の実施の形態の平面図、図17Bに等価回路図を示す。
図17Aに示すように、アクティブ領域60において、N型の半導体層71N、72N、73N−1〜73N−3が図示されないP型の半導体層70P内に形成される。またゲートを構成する導電体膜61,62,63(及びその下部の図示されない誘電体膜91,92,93)が設けられる
半導体層71N上には端子tsを構成する電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66Cが形成されている。これらは図17Bに示す端子tm1,tm2,tm3を構成する。
半導体層71N上には端子tsを構成する電極65が形成されている。また、半導体層73N−1、73N−2、73N−3上には、それぞれ電気的に接続された電極66A、66B、66Cが形成されている。これらは図17Bに示す端子tm1,tm2,tm3を構成する。
半導体層71N、72N、誘電体膜91及び導電体膜61によりセル選択トランジスタ10が構成される。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N−1、74N−1、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20cが構成される。
半導体層73N−2、74N−2、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20dが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20eが構成される。
半導体層73N−3、74N−3、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20fが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a〜20fが形成されている。
半導体層72N、73N−1、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20aが構成される。
半導体層73N−1、74N−1、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20bが構成される。
半導体層72N、73N−2、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20cが構成される。
半導体層73N−2、74N−2、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20dが構成される。
半導体層72N、73N−3、誘電体膜92及び導電体膜62によりメモリ素子20eが構成される。
半導体層73N−3、74N−3、誘電体膜93及び導電体膜63によりメモリ素子20fが構成される。
このように同一のアクティブ領域60上にセル選択トランジスタ10、メモリ素子20a〜20fが形成されている。
そしてこの第6の実施の形態におけるメモリセル4は、図17Bのようにセル選択トランジスタ10(セル選択部100)と記憶部200が直列接続されている。
記憶部200には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による複数の直列素子部20L1,20L2,20L3が設けられる。
直列素子部20L1とはメモリ素子20a,20bの直列接続を指す。直列素子部20L2とはメモリ素子20c,20dの直列接続を指す。直列素子部20L3とはメモリ素子20e,20fの直列接続を指す。
そして各直列素子部20L1,20L2,20L3は互いに並列に接続されて、それぞれがセル選択トランジスタ10に直列に接続されている。また各直列素子部20L1,20L2,20L3における複数のメモリ素子20は、ゲートを有するトランジスタ構造を備えることで、未書込の状態で導通/非導通が制御可能とされている。
記憶部200には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による複数の直列素子部20L1,20L2,20L3が設けられる。
直列素子部20L1とはメモリ素子20a,20bの直列接続を指す。直列素子部20L2とはメモリ素子20c,20dの直列接続を指す。直列素子部20L3とはメモリ素子20e,20fの直列接続を指す。
そして各直列素子部20L1,20L2,20L3は互いに並列に接続されて、それぞれがセル選択トランジスタ10に直列に接続されている。また各直列素子部20L1,20L2,20L3における複数のメモリ素子20は、ゲートを有するトランジスタ構造を備えることで、未書込の状態で導通/非導通が制御可能とされている。
この場合の書込動作は、上述の直列タイプ、並列タイプを組み合わせて考えればよい。図18A、図18Bにより、メモリ素子20bに書込を行う例で説明する。
メモリ素子20bに書込を行う場合、図18Aに示すように端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3はオープンとする。このようにすることで、メモリセル4は、端子ts−tm1間でセル選択トランジスタ10と直列素子部20L1(メモリ素子20a,20b)が直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。さらにメモリ素子20aのゲートにも所定電圧Vonを与えてメモリ素子20aとしてのトランジスタをオンとする。このようにすることで、端子ts−tm1間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられることになる。
このメモリ素子20bのソース、ドレイン(半導体層73N−1、74N−1)に与えられる電位差により、半導体層73N−1、74N−1間にフィラメント46が形成され、図18Bのようにメモリ素子20bに対する書込が行われる。
この図18Bの状態からメモリ素子20aに書込を行う場合は、端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3をオープンとした状態で、セル選択トランジスタ10をオンとして端子ts−tm1間に印加された電圧をメモリ素子20aに与えればよい。
また図18Aの初期状態から、メモリ素子20aに書込を行う場合は、端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3をオープンとした状態で、セル選択トランジスタ10とメモリ素子20bをオンとして、端子ts−tm1間に印加された電圧をメモリ素子20aに与えればよい。
他の直列素子部20L2,20L3におけるメモリ素子20への書込も同様に考えればよい。
メモリ素子20bに書込を行う場合、図18Aに示すように端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3はオープンとする。このようにすることで、メモリセル4は、端子ts−tm1間でセル選択トランジスタ10と直列素子部20L1(メモリ素子20a,20b)が直列接続された構成となる。
そしてセル選択トランジスタ10のゲートに所定電圧Vonを与えてセル選択トランジスタ10をオン(導通)とする。さらにメモリ素子20aのゲートにも所定電圧Vonを与えてメモリ素子20aとしてのトランジスタをオンとする。このようにすることで、端子ts−tm1間に印加された電圧は、メモリ素子20bのソース−ドレイン間に与えられることになる。
このメモリ素子20bのソース、ドレイン(半導体層73N−1、74N−1)に与えられる電位差により、半導体層73N−1、74N−1間にフィラメント46が形成され、図18Bのようにメモリ素子20bに対する書込が行われる。
この図18Bの状態からメモリ素子20aに書込を行う場合は、端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3をオープンとした状態で、セル選択トランジスタ10をオンとして端子ts−tm1間に印加された電圧をメモリ素子20aに与えればよい。
また図18Aの初期状態から、メモリ素子20aに書込を行う場合は、端子tm1をグランドに接続し、端子tm2,tm3をオープンとした状態で、セル選択トランジスタ10とメモリ素子20bをオンとして、端子ts−tm1間に印加された電圧をメモリ素子20aに与えればよい。
他の直列素子部20L2,20L3におけるメモリ素子20への書込も同様に考えればよい。
読出動作に関しても、上述の直列タイプ、並列タイプを組み合わせて考えればよい。
即ち、読出対象とする直列素子部(20L1,20L2,20L3のいずれか)に対応して端子tm1,tm2,tm3のいずれかをグランド接続し、他をオープンとする。例えば直列素子部20L1を読み出す場合、端子tm1をグランド接続し、端子tm2,tm3をオープンとする。
その状態で直列タイプの場合と同様に端子tsに読出のための電圧を印加する。このときに3つのトランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を異なるようにすることで、1つの直列素子部20L1から4値を読み出すことができる。
各トランジスタのオン抵抗を異なるようにする手法として、第1の実施の形態と同様にゲート電圧の設定によるものでもよいし、第2の実施の形態で説明したように、ゲート長や、拡散層やチャネル部の濃度、酸化膜など、トランジスタの物理的構造によるものとしてもよい。
即ち、読出対象とする直列素子部(20L1,20L2,20L3のいずれか)に対応して端子tm1,tm2,tm3のいずれかをグランド接続し、他をオープンとする。例えば直列素子部20L1を読み出す場合、端子tm1をグランド接続し、端子tm2,tm3をオープンとする。
その状態で直列タイプの場合と同様に端子tsに読出のための電圧を印加する。このときに3つのトランジスタ(10,20a,20b)のオン抵抗を異なるようにすることで、1つの直列素子部20L1から4値を読み出すことができる。
各トランジスタのオン抵抗を異なるようにする手法として、第1の実施の形態と同様にゲート電圧の設定によるものでもよいし、第2の実施の形態で説明したように、ゲート長や、拡散層やチャネル部の濃度、酸化膜など、トランジスタの物理的構造によるものとしてもよい。
以上のように第6の実施の形態では、記憶部200には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子20による複数の直列素子部20L(20L1,20L2,20L3)が設けられ、各直列素子部20Lは互いに並列に接続されて、それぞれがセル選択トランジスタ10に直列に接続されている。各直列素子部20Lにおける複数のメモリ素子20の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
このように直並列複合タイプとすることで、並列タイプのようなさらなる面積効率の向上やレイアウト自由度の拡大と、直列タイプによる1回の読出での多値読出による読出効率の向上という、両者の利点を得ることができる。
このように直並列複合タイプとすることで、並列タイプのようなさらなる面積効率の向上やレイアウト自由度の拡大と、直列タイプによる1回の読出での多値読出による読出効率の向上という、両者の利点を得ることができる。
また書込の際には、対象とする直列素子部20L以外の直列素子部20Lについて、セル選択トランジスタ10側は逆側の端子tmをオープン状態に制御し、さらに対象とする直列素子部20Lにおける書込対象のメモリ素子20以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する。
これにより書込対象のメモリ素子20を含む直列素子部20Lのみに書込のための電位差の印加を行うことができる。また、その直列素子部20L内では、書込対象のメモリ素子20のみに書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができる。これにより任意のメモリ素子20への書込が実現される。
また一の直列素子部20Lを読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部20L以外の直列素子部20Lについて、セル選択トランジスタ10との直列接続端とは逆側の端子tmをオープン状態に制御する。これにより任意の直列素子部20Lとセル選択トランジスタ10の合成抵抗値が観測可能となり、直列素子部20Lからの多値読出が可能となる。
これにより書込対象のメモリ素子20を含む直列素子部20Lのみに書込のための電位差の印加を行うことができる。また、その直列素子部20L内では、書込対象のメモリ素子20のみに書込のための電位差の印加、例えばフィラメントが形成されるしきい値以上の電位差を印加を行うことができる。これにより任意のメモリ素子20への書込が実現される。
また一の直列素子部20Lを読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部20L以外の直列素子部20Lについて、セル選択トランジスタ10との直列接続端とは逆側の端子tmをオープン状態に制御する。これにより任意の直列素子部20Lとセル選択トランジスタ10の合成抵抗値が観測可能となり、直列素子部20Lからの多値読出が可能となる。
なお、直列素子部20Lにおいては、ゲート構造を備えてオン/オフ制御可能とするメモリ素子20は一部であってもよい。例えば直列素子部20L1,20L2,20L3は、図3Bに示したようなオン/オフ制御できないメモリ素子20を一部に含むものでもよい。
<9.まとめ及び変形例>
以上実施の形態について説明してきたが、各実施の形態のメモリ装置は、1つのセル選択部100と、セル選択部100に対して直列に接続されセル選択部100によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部200とを有するメモリセル4を備える。そして記憶部200は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子20が複数設けられている。
このように1つの記憶部200に複数のメモリ素子20が設けられることで、1つのメモリセル4で複数ビット分の情報を記憶でき、ビット数の増大に対するマクロ面積の増大を抑制できる。
即ち、通常のMOSトランジスタと同程度の小さい素子面積でメモリ素子を実現でき、かつ1つのメモリセル4で複数ビット情報を持たせられることで、メモリセルの小型化が実現でき、ビット数が多い場合は特に有利になる。従って面積効率のよいメモリ装置を実現できる。
また、通常のCMOSプロセスの工程範囲内でメモリ素子20を実現できるため、ウェーハコストの点でも非常に有利である。
以上実施の形態について説明してきたが、各実施の形態のメモリ装置は、1つのセル選択部100と、セル選択部100に対して直列に接続されセル選択部100によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部200とを有するメモリセル4を備える。そして記憶部200は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子20が複数設けられている。
このように1つの記憶部200に複数のメモリ素子20が設けられることで、1つのメモリセル4で複数ビット分の情報を記憶でき、ビット数の増大に対するマクロ面積の増大を抑制できる。
即ち、通常のMOSトランジスタと同程度の小さい素子面積でメモリ素子を実現でき、かつ1つのメモリセル4で複数ビット情報を持たせられることで、メモリセルの小型化が実現でき、ビット数が多い場合は特に有利になる。従って面積効率のよいメモリ装置を実現できる。
また、通常のCMOSプロセスの工程範囲内でメモリ素子20を実現できるため、ウェーハコストの点でも非常に有利である。
実施の形態の書込方法は、メモリセル4をマトリクス状に配したメモリセルアレイ1に対して配設された複数のワード線WLのうち書込対象のメモリセル4に対応するワード線WLにより、書込対象のメモリセル4のセル選択部100(セル選択トランジスタ10)をオン状態に制御する。さらに、メモリセルアレイ1に対して配設された複数のビット線BLのうち書込対象のメモリセル4に対応するビット線BLにより電圧印加を行って、書込対象のメモリセル4の記憶部200における一のメモリ素子20の両端に所定以上の電位差を与え、当該一のメモリ素子に書込を行う。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部200の複数のメモリ素子20に対して、書込対象のメモリ素子20のみに所定以上の電位差を与えることで、複数ビット分としての多値記憶が可能なメモリセル4に対して、個々のメモリ素子20への適切な書込が可能となる。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部200の複数のメモリ素子20に対して、書込対象のメモリ素子20のみに所定以上の電位差を与えることで、複数ビット分としての多値記憶が可能なメモリセル4に対して、個々のメモリ素子20への適切な書込が可能となる。
実施の形態の読出方法は、メモリセル4をマトリクス状に配したメモリセルアレイ1に対して配設された複数のワード線WLのうち読出対象のメモリセル4に対応するワード線WLにより、読出対象のメモリセル4のセル選択部100(セル選択トランジスタ10)をオン状態に制御する。加えて、メモリセルアレイ1に対して配設された複数のビット線BLのうち読出対象のメモリセル4に対応するビット線BLにより、読出対象のメモリセル4のセル選択部100と記憶部200に電圧印加を行って、その直列合成抵抗値を検出することで、記憶部200におけるメモリ素子20に記憶された情報の読出を行う。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部200の複数のメモリ素子20に対して、読出対象のメモリセル4の抵抗値を検出することで、複数ビット分としての多値記憶が可能な記憶部200に記憶された情報の適切な読出が可能となる。
直列タイプ、並列タイプ、又は複合タイプとしての記憶部200の複数のメモリ素子20に対して、読出対象のメモリセル4の抵抗値を検出することで、複数ビット分としての多値記憶が可能な記憶部200に記憶された情報の適切な読出が可能となる。
なお、本技術は実施の形態の例に関わらず多様な変形例が想定される。
例えばセル選択トランジスタ10と複数のメモリ素子20を同一のアクティブ領域60上に形成する例を述べたが、必ずしも同一アクティブ領域60上である必要はない。例えばSTI(Shallow Trench Isolation)等で素子分離したうえで、セル選択トランジスタ10と複数のメモリ素子20を形成する互いの半導体層(N+領域)同士を配線で接続してもよい。
例えばセル選択トランジスタ10と複数のメモリ素子20を同一のアクティブ領域60上に形成する例を述べたが、必ずしも同一アクティブ領域60上である必要はない。例えばSTI(Shallow Trench Isolation)等で素子分離したうえで、セル選択トランジスタ10と複数のメモリ素子20を形成する互いの半導体層(N+領域)同士を配線で接続してもよい。
また直列タイプの場合、及び複合タイプでの直列素子部20Lの場合について、トランジスタのオン抵抗が異なるようにすることで多値読出を可能とすることを述べたが、トランジスタのオン抵抗ではなく、フィラメント46の抵抗値を、各メモリ素子20で異なるようにすることも考えられる。例えばメモリ素子20のソース、ドレインを構成する第2半導体層と第3半導体層の間の距離をメモリ素子20毎に異なるようにし、フィラメント46が形成された際の、その各フィラメント46の抵抗値が異なるようにする。これによっても多値読出が可能となる。
もちろん各メモリ素子20におけるオン抵抗の差と、フィラメント抵抗の差の両方が得られるようにしてもよい。
もちろん各メモリ素子20におけるオン抵抗の差と、フィラメント抵抗の差の両方が得られるようにしてもよい。
なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
また本技術は以下のような構成も採ることができる。
(1)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、
前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられている
メモリ装置。
(2)前記メモリ素子は、
第1導電型からなる第1半導体層中に、分離された第2導電型の第2半導体層と第2導電型の第3半導体層とを有し、
前記第2半導体層と前記第3半導体層の間に、前記第2半導体層と前記第3半導体層の間をつなげるフィラメントが形成されるしきい値電圧以上の電圧を印加することによって書込が行われる
上記(1)に記載のメモリ装置。
(3)前記メモリ素子は、
前記第2半導体層と前記第3半導体層を分離する前記第1半導体層の上面と、前記第2半導体層の上面の一部、及び前記第3半導体層の上面の一部とに連続して形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された導電体膜と、を有する
上記(2)に記載のメモリ装置。
(4)前記メモリ素子は、
前記第1半導体層をウェルとし、前記第2半導体層または前記第3半導体層の一方を、ソースまたはドレインとし、前記誘電体膜をゲート酸化膜とし、前記導電体膜をゲートとするMOS型の素子である
上記(3)に記載のメモリ装置。
(5)前記第2半導体層の上部の一部と前記第3半導体層の上部の一部にシリサイド層が形成されている
上記(2)乃至(4)のいずれかに記載のメモリ装置。
(6)前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに直列に接続され、
複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(7)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
上記(6)に記載のメモリ装置。
(8)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、各メモリ素子のゲートに印加される電圧により、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように制御される
上記(6)又は(7)に記載のメモリ装置。
(9)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚が互いに異なることで、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように形成されている
上記(6)又は(7)に記載のメモリ装置。
(10)前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに並列に接続され、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されている
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(11)前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(10)に記載のメモリ装置。
(12)前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(10)又は(11)に記載のメモリ装置。
(13)前記記憶部には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による直列素子部が複数設けられ、
各直列素子部は互いに並列に接続されて、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されており、
各直列素子部における複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(14)前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御するとともに、当該一の直列素子部における書込対象のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
上記(13)に記載のメモリ装置。
(15)前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部を読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(13)又は(14)に記載のメモリ装置。
(16)前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタと前記各メモリ素子は、同一アクティブ上に形成されている
上記(1)乃至(15)のいずれかに記載のメモリ装置。
(17)前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタのゲート長は、前記各メモリ素子のゲート長より大である
上記(1)乃至(16)のいずれかに記載のメモリ装置。
(18)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の書込方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち書込対象のメモリセルに対応するワード線により、書込対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち書込対象のメモリセルに対応するビット線により電圧印加を行って、書込対象のメモリセルの記憶部における一のメモリ素子の両端に所定以上の電位差を与え、当該一のメモリ素子に書込を行う書込方法。
(19)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の読出方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち読出対象のメモリセルに対応するワード線により、読出対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち読出対象のメモリセルに対応するビット線により、読出対象のメモリセルのセル選択部と記憶部に電圧印加を行ってセル選択部と記憶部の合成抵抗値を検出することで、前記記憶部におけるメモリ素子に記憶された情報の読出を行う読出方法。
また本技術は以下のような構成も採ることができる。
(1)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、
前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられている
メモリ装置。
(2)前記メモリ素子は、
第1導電型からなる第1半導体層中に、分離された第2導電型の第2半導体層と第2導電型の第3半導体層とを有し、
前記第2半導体層と前記第3半導体層の間に、前記第2半導体層と前記第3半導体層の間をつなげるフィラメントが形成されるしきい値電圧以上の電圧を印加することによって書込が行われる
上記(1)に記載のメモリ装置。
(3)前記メモリ素子は、
前記第2半導体層と前記第3半導体層を分離する前記第1半導体層の上面と、前記第2半導体層の上面の一部、及び前記第3半導体層の上面の一部とに連続して形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された導電体膜と、を有する
上記(2)に記載のメモリ装置。
(4)前記メモリ素子は、
前記第1半導体層をウェルとし、前記第2半導体層または前記第3半導体層の一方を、ソースまたはドレインとし、前記誘電体膜をゲート酸化膜とし、前記導電体膜をゲートとするMOS型の素子である
上記(3)に記載のメモリ装置。
(5)前記第2半導体層の上部の一部と前記第3半導体層の上部の一部にシリサイド層が形成されている
上記(2)乃至(4)のいずれかに記載のメモリ装置。
(6)前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに直列に接続され、
複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(7)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
上記(6)に記載のメモリ装置。
(8)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、各メモリ素子のゲートに印加される電圧により、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように制御される
上記(6)又は(7)に記載のメモリ装置。
(9)前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚が互いに異なることで、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように形成されている
上記(6)又は(7)に記載のメモリ装置。
(10)前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに並列に接続され、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されている
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(11)前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(10)に記載のメモリ装置。
(12)前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(10)又は(11)に記載のメモリ装置。
(13)前記記憶部には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による直列素子部が複数設けられ、
各直列素子部は互いに並列に接続されて、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されており、
各直列素子部における複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
上記(1)乃至(5)のいずれかに記載のメモリ装置。
(14)前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御するとともに、当該一の直列素子部における書込対象のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
上記(13)に記載のメモリ装置。
(15)前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部を読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
上記(13)又は(14)に記載のメモリ装置。
(16)前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタと前記各メモリ素子は、同一アクティブ上に形成されている
上記(1)乃至(15)のいずれかに記載のメモリ装置。
(17)前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタのゲート長は、前記各メモリ素子のゲート長より大である
上記(1)乃至(16)のいずれかに記載のメモリ装置。
(18)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の書込方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち書込対象のメモリセルに対応するワード線により、書込対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち書込対象のメモリセルに対応するビット線により電圧印加を行って、書込対象のメモリセルの記憶部における一のメモリ素子の両端に所定以上の電位差を与え、当該一のメモリ素子に書込を行う書込方法。
(19)1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の読出方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち読出対象のメモリセルに対応するワード線により、読出対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち読出対象のメモリセルに対応するビット線により、読出対象のメモリセルのセル選択部と記憶部に電圧印加を行ってセル選択部と記憶部の合成抵抗値を検出することで、前記記憶部におけるメモリ素子に記憶された情報の読出を行う読出方法。
1…メモリセルアレイ、2…ビット線駆動・センスアンプ部、3…ワード線駆動部、4…メモリセル、10…セル選択トランジスタ、20…メモリ素子、46…フィラメント、100…セル選択部、200…記憶部
Claims (19)
- 1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、
前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられている
メモリ装置。 - 前記メモリ素子は、
第1導電型からなる第1半導体層中に、分離された第2導電型の第2半導体層と第2導電型の第3半導体層とを有し、
前記第2半導体層と前記第3半導体層の間に、前記第2半導体層と前記第3半導体層の間をつなげるフィラメントが形成されるしきい値電圧以上の電圧を印加することによって書込が行われる
請求項1に記載のメモリ装置。 - 前記メモリ素子は、
前記第2半導体層と前記第3半導体層を分離する前記第1半導体層の上面と、前記第2半導体層の上面の一部、及び前記第3半導体層の上面の一部とに連続して形成された誘電体膜と、前記誘電体膜上に形成された導電体膜と、を有する
請求項2に記載のメモリ装置。 - 前記メモリ素子は、
前記第1半導体層をウェルとし、前記第2半導体層または前記第3半導体層の一方を、ソースまたはドレインとし、前記誘電体膜をゲート酸化膜とし、前記導電体膜をゲートとするMOS型の素子である
請求項3に記載のメモリ装置。 - 前記第2半導体層の上部の一部と前記第3半導体層の上部の一部にシリサイド層が形成されている
請求項2に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに直列に接続され、
複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている
請求項1に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
請求項6に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、各メモリ素子のゲートに印加される電圧により、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように制御される
請求項6に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに直列に接続された複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
各メモリ素子は、ゲート長、各半導体層の濃度、又はゲート酸化膜厚が互いに異なることで、未書込の状態でのオン抵抗が互いに異なる抵抗値となるように形成されている
請求項6に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部における複数のメモリ素子は、互いに並列に接続され、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されている
請求項1に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
請求項10に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに並列に接続された複数のメモリ素子のうち、一のメモリ素子を読出対象として読出を実行する際には、当該一のメモリ素子以外のメモリ素子について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
請求項10に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部には、互いに直列に接続された複数のメモリ素子による直列素子部が複数設けられ、
各直列素子部は互いに並列に接続されて、それぞれが前記セル選択部に直列に接続されており、
各直列素子部における複数のメモリ素子の全部又は一部は、未書込の状態で導通/非導通が制御可能の構成とされている。
請求項1に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部のメモリ素子を書込対象として書込を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御するとともに、当該一の直列素子部における書込対象のメモリ素子以外の未書込のメモリ素子を導通状態に制御する
請求項13に記載のメモリ装置。 - 前記記憶部において互いに並列に接続された複数の直列素子部のうち、一の直列素子部を読出対象として読出を実行する際には、当該一の直列素子部以外の直列素子部について、前記セル選択部との直列接続端とは逆側の端子をオープン状態に制御する
請求項13に記載のメモリ装置。 - 前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタと前記各メモリ素子は、同一アクティブ上に形成されている
請求項1に記載のメモリ装置。 - 前記セル選択部はセル選択トランジスタにより形成され、
前記記憶部における複数のメモリ素子は、それぞれトランジスタ構造で形成され、
前記セル選択トランジスタのゲート長は、前記各メモリ素子のゲート長より大である
請求項1に記載のメモリ装置。 - 1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の書込方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち書込対象のメモリセルに対応するワード線により、書込対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち書込対象のメモリセルに対応するビット線により電圧印加を行って、書込対象のメモリセルの記憶部における一のメモリ素子の両端に所定以上の電位差を与え、当該一のメモリ素子に書込を行う書込方法。 - 1つのセル選択部と、該セル選択部に対して直列に接続され前記セル選択部によって書込又は読出のアクセス対象として選択される記憶部とを有するメモリセルを備え、前記記憶部は、1回のみ書込可能で、未書込状態と書込状態とで抵抗値が変化することによって情報が保持されるメモリ素子が複数設けられているメモリ装置に対する情報の読出方法として、
前記メモリセルをマトリクス状に配したメモリセルアレイに対して配設された複数のワード線のうち読出対象のメモリセルに対応するワード線により、読出対象のメモリセルのセル選択部をオン状態に制御し、かつ、前記メモリセルアレイに対して配設された複数のビット線のうち読出対象のメモリセルに対応するビット線により、読出対象のメモリセルのセル選択部と記憶部に電圧印加を行ってセル選択部と記憶部の合成抵抗値を検出することで、前記記憶部におけるメモリ素子に記憶された情報の読出を行う読出方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013212960A JP2015076556A (ja) | 2013-10-10 | 2013-10-10 | メモリ装置、書込方法、読出方法 |
US14/483,669 US9478307B2 (en) | 2013-10-10 | 2014-09-11 | Memory device, writing method, and reading method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013212960A JP2015076556A (ja) | 2013-10-10 | 2013-10-10 | メモリ装置、書込方法、読出方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015076556A true JP2015076556A (ja) | 2015-04-20 |
Family
ID=52809518
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013212960A Pending JP2015076556A (ja) | 2013-10-10 | 2013-10-10 | メモリ装置、書込方法、読出方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9478307B2 (ja) |
JP (1) | JP2015076556A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016225364A (ja) * | 2015-05-27 | 2016-12-28 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 半導体装置およびその製造方法 |
JP2017041625A (ja) * | 2015-08-18 | 2017-02-23 | イーメモリー テクノロジー インコーポレイテッド | アンチヒューズ型ワンタイムプログラミングメモリセル及び当該メモリセルを備えるアレイ構造 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI578325B (zh) * | 2015-08-18 | 2017-04-11 | 力旺電子股份有限公司 | 反熔絲型一次編程的記憶胞及其相關的陣列結構 |
KR102524804B1 (ko) * | 2019-01-04 | 2023-04-24 | 삼성전자주식회사 | 원-타임 프로그램가능한 메모리 셀, 및 이를 구비하는 otp 메모리 및 메모리 시스템 |
CN110137348B (zh) * | 2019-04-11 | 2023-01-31 | 上海集成电路研发中心有限公司 | 一种多路复用多值阻变结构及其形成的神经网络 |
TWI734452B (zh) * | 2020-04-23 | 2021-07-21 | 友達光電股份有限公司 | 記憶體裝置以及寫入方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ATE446578T1 (de) | 2002-12-12 | 2009-11-15 | Nxp Bv | Einmal programmierbare speicheranordnung |
US7206214B2 (en) * | 2005-08-05 | 2007-04-17 | Freescale Semiconductor, Inc. | One time programmable memory and method of operation |
US7719882B2 (en) * | 2007-02-06 | 2010-05-18 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Advanced MRAM design |
US7701750B2 (en) * | 2008-05-08 | 2010-04-20 | Macronix International Co., Ltd. | Phase change device having two or more substantial amorphous regions in high resistance state |
JP2012174863A (ja) * | 2011-02-21 | 2012-09-10 | Sony Corp | 半導体装置およびその動作方法 |
JP2012174864A (ja) | 2011-02-21 | 2012-09-10 | Sony Corp | 半導体装置およびその動作方法 |
JP2013232494A (ja) * | 2012-04-27 | 2013-11-14 | Sony Corp | 記憶素子、半導体装置およびその動作方法、ならびに電子機器 |
-
2013
- 2013-10-10 JP JP2013212960A patent/JP2015076556A/ja active Pending
-
2014
- 2014-09-11 US US14/483,669 patent/US9478307B2/en active Active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016225364A (ja) * | 2015-05-27 | 2016-12-28 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | 半導体装置およびその製造方法 |
JP2017041625A (ja) * | 2015-08-18 | 2017-02-23 | イーメモリー テクノロジー インコーポレイテッド | アンチヒューズ型ワンタイムプログラミングメモリセル及び当該メモリセルを備えるアレイ構造 |
US9799662B2 (en) | 2015-08-18 | 2017-10-24 | Ememory Technology Inc. | Antifuse-type one time programming memory cell and array structure with same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US9478307B2 (en) | 2016-10-25 |
US20150103579A1 (en) | 2015-04-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9209196B2 (en) | Memory circuit, method of driving the same, nonvolatile storage device using the same, and liquid crystal display device | |
JP5124456B2 (ja) | 一回限りプログラム可能なメモリ及びそれを動作させる方法 | |
US20100232203A1 (en) | Electrical anti-fuse and related applications | |
US20130215663A1 (en) | Circuit and System of Using Junction Diode as Porgram Selector for One-Time Programmable Devices with Heat Sink | |
JP2009117461A (ja) | アンチヒューズ素子、およびアンチヒューズ素子の設定方法 | |
CN100388416C (zh) | Mos型电熔丝及其编程方法和采用该电熔丝的半导体器件 | |
KR20160032478A (ko) | 향상된 프로그램 효율을 갖는 안티퓨즈 오티피 메모리 셀 및 셀 어레이 | |
US9478307B2 (en) | Memory device, writing method, and reading method | |
US8797782B2 (en) | Semiconductor device and operation method thereof | |
JP2010251491A (ja) | 抵抗変化型メモリデバイスおよびその動作方法 | |
TWI689932B (zh) | 半導體記憶裝置 | |
US20030189851A1 (en) | Non-volatile, multi-level memory device | |
TWI502722B (zh) | 改善讀取特性的反熔絲單次可程式記憶胞及記憶體的操作方法 | |
US9514839B2 (en) | Nonvolatile memory, nonvolatile programmable logic switch including nonvolatile memory, and nonvolatile programmable logic circuit | |
US11257865B2 (en) | Resistive memory | |
US20070109852A1 (en) | One time programming memory cell using MOS device | |
US9825096B2 (en) | Resistance change memory, method of manufacturing resistance change memory, and FET | |
US8611129B2 (en) | Semiconductor device and operation method thereof | |
US10411071B2 (en) | Semiconductor storage device | |
JP5596467B2 (ja) | 半導体装置及びメモリ装置への書込方法 | |
CN104051019A (zh) | 半导体器件及其电子设备 | |
US10541273B2 (en) | Vertical thin film transistors with isolation | |
CN219628265U (zh) | 记忆体装置 | |
US6625055B1 (en) | Multiple logical bits per memory cell in a memory device | |
CN113314170A (zh) | 一次性可编程存储器单元以及电子器件 |