JP2020155630A - 不揮発性記憶装置 - Google Patents
不揮発性記憶装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020155630A JP2020155630A JP2019053603A JP2019053603A JP2020155630A JP 2020155630 A JP2020155630 A JP 2020155630A JP 2019053603 A JP2019053603 A JP 2019053603A JP 2019053603 A JP2019053603 A JP 2019053603A JP 2020155630 A JP2020155630 A JP 2020155630A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- switching element
- selector
- voltage
- storage device
- wiring
- 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
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 4
- 230000001568 sexual effect Effects 0.000 claims 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 18
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 14
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 14
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 5
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 101100232709 Caenorhabditis elegans iff-2 gene Proteins 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 240000004050 Pentaglottis sempervirens Species 0.000 description 3
- 235000004522 Pentaglottis sempervirens Nutrition 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
-
- 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
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/165—Auxiliary circuits
- G11C11/1659—Cell access
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
- H10B61/10—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having two electrodes, e.g. diodes or MIM elements
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/80—Constructional details
- H10N50/85—Magnetic active materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/821—Device geometry
- H10N70/826—Device geometry adapted for essentially vertical current flow, e.g. sandwich or pillar type devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/801—Constructional details of multistable switching devices
- H10N70/881—Switching materials
- H10N70/882—Compounds of sulfur, selenium or tellurium, e.g. chalcogenides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
【課題】 適切なメモリセル制御を行うことが可能な不揮発性記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1の配線10と、第2の配線20と、第1の配線と第2の配線との間に接続され、抵抗変化記憶素子31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続構造を有するメモリセル30と、を備え、第1及び第2のセレクタはそれぞれ、両端子間に第1の閾電圧Vth1及び第2の閾電圧Vth2が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第1のホールド電圧Vhold1及び第2のホールド電圧Vhold2まで下がる特性を有し、第1及び第2のセレクタのオフ電流をそれぞれIoff1及びIoff2として、以下の関係が満たされるVth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2Ioff1<Ioff2。【選択図】 図1
Description
本発明の実施形態は、不揮発性記憶装置に関する。
磁気抵抗効果素子等の抵抗変化記憶素子とスイッチング機能を有する素子とを直列に接続した構造を有する複数のメモリセルが半導体基板上に設けられた不揮発性記憶装置(半導体集積回路装置)が提案されている。
適切なメモリセル制御を行うことが可能な不揮発性記憶装置を提供する。
実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1の配線と、前記第1の配線と交差する第2の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線との間に接続され、抵抗変化記憶素子、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の直列接続構造を有するメモリセルと、を備え、前記第1のスイッチング素子は、両端子間に第1の閾電圧Vth1が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第1のホールド電圧Vhold1まで下がる特性を有し、前記第2のスイッチング素子は、両端子間に第2の閾電圧Vth2が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第2のホールド電圧Vhold2まで下がる特性を有し、前記第1のスイッチング素子のオフ電流をIoff1とし、前記第2のセレクタ素子のオフ電流をIoff2として、以下の関係が満たされる
Vth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2
Ioff1<Ioff2。
Vth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2
Ioff1<Ioff2。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図1は、実施形態に係る不揮発性記憶装置(半導体集積回路装置)の構成を模式的に示した鳥観図である。
図1に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置は、複数の第1の配線10と複数の第2の配線20との間に複数のメモリセル30がZ方向に設けられた構造の不揮発性記憶装置である。第1の配線10、第2の配線20及びメモリセル30は、半導体基板(図示せず)の主面側に設けられている。半導体基板の主面側には、周辺回路用のトランジスタや配線等(図示せず)も設けられている。
図1は、実施形態に係る不揮発性記憶装置(半導体集積回路装置)の構成を模式的に示した鳥観図である。
図1に示すように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置は、複数の第1の配線10と複数の第2の配線20との間に複数のメモリセル30がZ方向に設けられた構造の不揮発性記憶装置である。第1の配線10、第2の配線20及びメモリセル30は、半導体基板(図示せず)の主面側に設けられている。半導体基板の主面側には、周辺回路用のトランジスタや配線等(図示せず)も設けられている。
第1の配線10と第2の配線20とは互いに交差している。本実施形態では、第1の配線10と第2の配線20とは互いに直交している。第1の配線10及び第2の配線20の一方はワード線に対応し、第1の配線10及び第2の配線20の他方はビット線に対応する。
メモリセル30は、第1の配線10と第2の配線20との間に接続され、磁気抵抗効果素子(不揮発性の抵抗変化記憶素子)31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続構造を有している。具体的には、メモリセル30は、第1の配線10と第2の配線20との交差点に設けられており、磁気抵抗効果素子31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33がZ方向に設けられた構造を有している。
なお、図1に示した不揮発性記憶装置は、磁気抵抗効果素子31上に第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33が接続された構成であるが、図2に示すように、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33上に磁気抵抗効果素子31が設けられた構成であってもよい。
また、図1及び図2に示した不揮発性記憶装置では、メモリセル30の直列接続構造は、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33及び抵抗変化記憶素子31が直列接続された構成を有している。本構成に限らず、抵抗変化記憶素子31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ素子33が任意の順序で接続する構成であってもよい。例えば、第1のセレクタ素子32及び第2のセレクタ33が接続される順序は、図1及び図2に示した接続順序と逆であってもよい。
図3は、図1及び図2に示した不揮発性記憶装置に用いる磁気抵抗効果素子31の基本的な構成を模式的に示した断面図である。なお、磁気抵抗効果素子は、MTJ(magnetic tunnel junction)素子とも呼ばれる。
図3に示した磁気抵抗効果素子31は、記憶層(第1の磁性層)31aと、参照層(第2の磁性層)31bと、記憶層31aと参照層31bとの間に設けられたトンネルバリア層(非磁性層)31cとを含んでいる。
図3に示した磁気抵抗効果素子31は、記憶層(第1の磁性層)31aと、参照層(第2の磁性層)31bと、記憶層31aと参照層31bとの間に設けられたトンネルバリア層(非磁性層)31cとを含んでいる。
記憶層31aは、強磁性材料で形成され、可変の磁化方向を有している。可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。記憶層31aは、例えば、垂直磁化の特性を有する強磁性材料で形成される。例えば、少なくとも鉄(Fe)もしくはコバルト(Co)を含有する。第1の磁性層201は、鉄(Fe)もしくはコバルト(Co)に加えて、ボロン(B)を含有していてもよい。 参照層31bは、強磁性材料で形成され、固定された磁化方向を有している。固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。参照層31bは、トンネルバリア層31cに隣接する第1の層部分と、トンネルバリア層に隣接していない第2の層部分とを含んでいる。第1の層部分は、例えば、垂直磁化の特性を有する強磁性材料で形成され、鉄(Fe)、コバルト(Co)及びボロン(B)を含有している。第2の層部分は、例えば、垂直磁化の特性を有する強磁性材料で形成され、コバルト(Co)と、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)から選択された少なくとも1つの元素とを含有している。
トンネルバリア層31cは、記憶層31aと参照層31bとの間に介在する絶縁層であり、マグネシウム(Mg)及び酸素(O)を含有している。
なお、磁気抵抗効果素子31は、参照層31bの磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有し、参照層31bから記憶層31aに印加される磁界をキャンセルする機能を有するシフトキャンセリング層をさらに含んでいてもよい。その場合、シフトキャンセリング層43は、例えば、垂直磁化の特性を有する(コバルト(Co)と、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)から選択された少なくとも1つの元素とを含有している。
なお、磁気抵抗効果素子31は、参照層31bの磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有し、参照層31bから記憶層31aに印加される磁界をキャンセルする機能を有するシフトキャンセリング層をさらに含んでいてもよい。その場合、シフトキャンセリング層43は、例えば、垂直磁化の特性を有する(コバルト(Co)と、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)から選択された少なくとも1つの元素とを含有している。
上述した磁気抵抗効果素子31は、垂直磁化を有するSTT(spin transfer torque)型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、記憶層31aの磁化方向はその主面に対して垂直な方向であり、参照層31bの磁化方向はその主面に対して垂直な方向である。
上述した磁気抵抗効果素子31は、記憶層31aの磁化方向が参照層31bの磁化方向に対して平行である低抵抗状態と、記憶層31aの磁化方向が参照層31bの磁化方向に対して反平行である高抵抗状態とを有している。したがって、磁気抵抗効果素子31は、抵抗状態(低抵抗状態及び高抵抗状態)に応じて2値データ(0又は1)を記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子31に流れる電流の方向に応じて、低抵抗状態又は高抵抗状態が磁気抵抗効果素子31に設定される。
なお、図3に示した磁気抵抗効果素子31は、下層側(半導体基板側)から順に記憶層31a、トンネルバリア層31c及び参照層31bが積層された構成を有しているが、図4に示すように、下層側(半導体基板側)から順に参照層31b、トンネルバリア層31c及び記憶層31aが積層された構成を有していてもよい。
図1及び図2に示した第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33には、図5に模式的に示すような電圧−電流特性を有する2端子型のスイッチング機能を有するスイッチング素子が用いられる。すなわち、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33はいずれも、両端子間に閾電圧Vthが印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧がホールド電圧Vholdまで下がる特性を有している。第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33はいずれも、オン状態のときには大きなオン電流Ionが流れ、オフ状態のときには微小なオフ電流Ioffが流れる。
例えば、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33には、カルコゲン元素を含んだ2端子スイッチング素子を用いることができる。
上述したカルコゲン元素を含んだ2端子型のスイッチング素子では、2端子間に印加される電圧が閾電圧Vthよりも小さい場合には、2端子スイッチング素子は高抵抗状態(例えば、電気的に非導通状態)である。2端子間に印加される電圧が閾電圧Vthよりも大きくなると、2端子スイッチング素子は低抵抗状態(例えば、電気的に導通状態)に移行する。2端子スイッチング素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。上述したスイッチング素子は、例えば、Te、Se及びSからなる群から選択された少なくとも1つのカルコゲン元素を含んでもよい。或いは、これらのカルコゲン元素を含有する化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。また、上述したスイッチング素子は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P及びSbからなる群から選択された少なくとも1つの元素を含んでいてもよい。
上述したカルコゲン元素を含んだ2端子型のスイッチング素子では、2端子間に印加される電圧が閾電圧Vthよりも小さい場合には、2端子スイッチング素子は高抵抗状態(例えば、電気的に非導通状態)である。2端子間に印加される電圧が閾電圧Vthよりも大きくなると、2端子スイッチング素子は低抵抗状態(例えば、電気的に導通状態)に移行する。2端子スイッチング素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。上述したスイッチング素子は、例えば、Te、Se及びSからなる群から選択された少なくとも1つのカルコゲン元素を含んでもよい。或いは、これらのカルコゲン元素を含有する化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。また、上述したスイッチング素子は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P及びSbからなる群から選択された少なくとも1つの元素を含んでいてもよい。
第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とは異なった電圧−電流特性を有している。第1のセレクタ32の閾電圧(第1の閾電圧)をVth1とし、第2のセレクタ33の閾電圧(第2の閾電圧)をVth2とする。第1のセレクタ32のホールド電圧(第1のホールド電圧)をVhold1とし、第2のセレクタ33のホールド電圧(第2のホールド電圧)をVhold2とする。また、第1のセレクタ32のオフ電流をIoff1とし、第2のセレクタ33のオフ電流をIoff2とする。この場合、以下の関係
Vth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2 (式1)
Ioff1<Ioff2 (式2)
が満たされている。以下、説明を加える。
Vth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2 (式1)
Ioff1<Ioff2 (式2)
が満たされている。以下、説明を加える。
図6は、比較例に係る不揮発性記憶装置の動作特性を模式的に示したタイミング図である。比較例の不揮発性記憶装置では、単一の磁気抵抗効果素子と単一のセレクタとの直列接続構造によってメモリセルが構成されている。図6(a)はセレクタの両端子間に印加される電圧であり、図6(b)はセレクタに流れる電流(メモリセルに流れる電流)である。比較例のセレクタでは、閾電圧Vthc=5.0V、ホールド電圧Vholdc=1.0V、オフ電流Ioffc=1e−9A、であるとする。
時刻t1でセレクタの印加電圧が閾電圧Vthc(5.0V)に達すると、セレクタはオン状態となり、メモリセルにオン電流が流れる。このとき、セレクタの閾電圧Vthcとホールド電圧Vholdcとの差(Vthc−Vholdc)に応じたオーバーシュートが生じ、メモリセルには過度の電流が流れる。そのため、比較例ではリードディスターブ(read disturb)やブレークダウンが生じるおそれがある。
図7は、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作特性を模式的に示したタイミング図である。図7(a)において、特性S1は第1のセレクタ32の両端子間に印加される電圧の特性、特性S2は第2のセレクタ33の両端子間に印加される電圧の特性、特性S3は第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続の両端子間に印加される電圧の特性である。図7(b)は、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続に流れる電流(メモリセル30に流れる電流)である。
第1のセレクタ32の閾電圧Vth1=5.0V、第2のセレクタ33の閾電圧Vth1=3.0V、第1のセレクタ32のホールド電圧Vhold1=1.0V、第2のセレクタ33のホールド電圧Vhold2=1.0V、第1のセレクタ32のオフ電流Ioff1=1e−9A、第2のセレクタ33のオフ電流Ioff2=1e−6A、であるとする。
時刻t1で第1のセレクタ32の印加電圧が閾電圧Vth1(5.0V)に達すると、第1のセレクタ32はオン状態になる。このとき、第2のセレクタ33はオフ状態であるため、オーバーシュートは生じない。時刻t2で第2のセレクタ33の印加電圧が閾電圧Vth2(3.0V)に達すると、第2のセレクタ33もオン状態となる。その結果、第2のセレクタ33の閾電圧Vth2とホールド電圧Vhold2との差(Vth2−Vhold2)に応じたオーバーシュートが生じる。しかしながら、第2のセレクタ33の閾電圧Vth2(3.0V)は、第1のセレクタ32の閾電圧Vth1(5.0V)よりも低いため、オーバーシュートを小さくすることができる。
以上のように、本実施形態によれば、メモリセル30を磁気抵抗効果素子31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続構造で構成し、閾電圧(Vth1、Vth2)、ホールド電圧(Vhold1、Vhold2)及びオフ電流(Ioff1、Ioff2)の関係が式1及び式2を満たすようにすることで、メモリセル30を選択するときのオーバーシュートを抑制することができる。その結果、リードディスターブやブレークダウンを抑制することができ、適切なメモリセル制御を行うことが可能となる。 以上のように、本実施形態によれば、メモリセル30を磁気抵抗効果素子31、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の直列接続構造で構成し、閾電圧(Vth1、Vth2)、ホールド電圧(Vhold1、Vhold2)及びオフ電流(Ioff1、Ioff2)の関係が式1及び式2を満たすようにすることで、メモリセル30を選択するときのオーバーシュートを抑制することができる。その結果、リードディスターブやブレークダウンを抑制することができ、適切なメモリセル制御を行うことが可能となる。
また、本実施形態では、メモリセル30が半選択されるときに生じる問題を抑制することもできる。半選択とは、選択されたメモリセルに接続されたワード線に接続された非選択メモリセル、或いは選択されたメモリセルに接続されたビット線に接続された非選択メモリセルに対して、選択されたメモリセルに印加される電圧の半分程度の電圧(半選択電圧)が印加されることを言う。仮に、第1のセレクタ32を設けずに、第2のセレクタ33のみを設けたとすると、非選択メモリセルに半選択電圧が印加されたときに、非選択メモリセルが誤ってオン状態になってしまうおそれがある。本実施形態では、第2のセレクタ33の閾電圧Vth2よりも高い閾電圧Vth1を有する第1のセレクタ32を設けているため、半選択状態のメモリセルが誤ってオン状態になってしまうという問題を防止することが可能となる。
なお、上述した本実施形態の動作は、メモリセル30に対する書き込み動作及び読み出し動作いずれについても適用可能である。
次に、本実施形態の種々の変更例について説明する。なお、基本的な構成及び基本的な動作は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、本実施形態の種々の変更例について説明する。なお、基本的な構成及び基本的な動作は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図8は、第1の変更例に係るメモリセル30の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態では、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とが独立した素子として設けられていたが、本変更例では、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とが独立した素子として設けられているわけではなく、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とが連続的な構成を有する1つのセレクタ34として設けられている。具体的には、本変更例では、第1のセレクタ32を構成する材料の組成及び第2のセレクタ33を構成する材料の組成が積層方向で連続的に変化している。このような構成であっても、第1のセレクタ32を構成する材料部分と、第2のセレクタ33を構成する材料部分とが、式1及び式2を満たすような関係を有していれば、上述した実施形態と同様の機能を果たすことが可能である。
図9は、第2の変更例に係るメモリセル30の構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33との間に、導電性のスペーサ層35が設けられている。スペーサ層35には、例えば金属層を用いることができる。このような構成であっても、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とが式1及び式2を満たすような関係を有していれば、上述した実施形態と同様の機能を果たすことが可能である。
図10は、第3の変更例に係るメモリセル30の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態のメモリセル30は、第1のセレクタ32及び第2のセレクタ33の積層構造に対して抵抗変化記憶素子31が直列接続された構成を有していたが、本変更例のメモリセル30は、抵抗変化記憶素子31が第1のセレクタ32と第2のセレクタ32との間に設けられた構成を有している。このような構成であっても、第1のセレクタ32と第2のセレクタ33とが式1及び式2を満たすような関係を有していれば、上述した実施形態と同様の機能を果たすことが可能である。
図11は、第4の変更例に係るメモリセル30の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態では、メモリセル30に2つのセレクタ(第1のセレクタ32、第2のセレクタ33)の直列接続が含まれていたが、メモリセル30に3つ以上のセレクタ素子の直列接続が含まれていてもよい。図11に示した例では、メモリセル30に、第1のセレクタ32、第2のセレクタ33及び第3のセレクタ36の直列接続が含まれている。
第3のセレクタ36の閾電圧(第3の閾電圧)をVth3とし、第3のセレクタ36のホールド電圧(第3のホールド電圧)をVhold3とし、第3のセレクタ36のオフ電流をIoff3とする。この場合、以下の関係
Vth1>Vth2>Vth3>Vhold1≧Vhold2≧Vhold3
Ioff1<Ioff2<Ioff3
が満たされていることが好ましい。
Vth1>Vth2>Vth3>Vhold1≧Vhold2≧Vhold3
Ioff1<Ioff2<Ioff3
が満たされていることが好ましい。
一般的には、メモリセル30にn個(nは2以上の整数)のセレクタの直列接続が含まれている場合、第x番目(xは、1≦x≦nを満たす任意の整数)のセレクタの閾電圧、ホールド電圧及びオフ電流をそれぞれ、Vthx、Vholdx及びIoffxとし、第y番目(yは、1≦y≦n及びy≠xを満たす任意の整数)のセレクタの閾電圧、ホールド電圧及びオフ電流をそれぞれ、Vthy、Vholdy及びIoffyとすると、以下の関係
Vthx>Vthy>Vholdx≧Vholdy
Ioffx<Ioffy
が満たされていることが好ましい。
Vthx>Vthy>Vholdx≧Vholdy
Ioffx<Ioffy
が満たされていることが好ましい。
なお、上述した実施形態では、抵抗変化記憶素子31として磁気抵抗効果素子を用いたが、磁気抵抗効果素子以外の不揮発性の抵抗変化記憶素子を用いてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…第1の配線 20…第2の配線 30…メモリセル
31…磁気抵抗効果素子(抵抗変化記憶素子)
31a…記憶層 31b…参照層 31c…トンネルバリア層
32…第1のセレクタ 33…第2のセレクタ
34…セレクタ 35…スペーサ層
36…第3のセレクタ
31…磁気抵抗効果素子(抵抗変化記憶素子)
31a…記憶層 31b…参照層 31c…トンネルバリア層
32…第1のセレクタ 33…第2のセレクタ
34…セレクタ 35…スペーサ層
36…第3のセレクタ
Claims (8)
- 第1の配線と、
前記第1の配線と交差する第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に接続され、抵抗変化記憶素子、第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子の直列接続構造を有するメモリセルと、
を備え、
前記第1のスイッチング素子は、両端子間に第1の閾電圧Vth1が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第1のホールド電圧Vhold1まで下がる特性を有し、
前記第2のスイッチング素子は、両端子間に第2の閾電圧Vth2が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第2のホールド電圧Vhold2まで下がる特性を有し、
前記第1のスイッチング素子のオフ電流をIoff1とし、前記第2のスイッチング素子のオフ電流をIoff2として、以下の関係が満たされる
Vth1>Vth2>Vhold1≧Vhold2
Ioff1<Ioff2
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記直列接続構造は、前記抵抗変化記憶素子、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子が任意の順序で積層された構成を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記直列接続構造は、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子の積層構造に対して前記抵抗変化記憶素子が直列接続された構成を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1のスイッチング素子を構成する材料の組成及び前記第2のスイッチング素子を構成する材料の組成は、積層方向で連続的に変化している
ことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との間には、スペーサ層が設けられている
ことを特徴とする請求項3に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化記憶素子は、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子との間に設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記直列接続構造は、第3のスイッチング素子をさらに含み、
前記第3のスイッチング素子は、両端子間に第3の閾電圧Vth3が印加されたときにオフ状態からオン状態に移行して両端子間の電圧が第3のホールド電圧Vhold3まで下がる特性を有し、
前記第3のスイッチング素子のオフ電流をIoff3として、以下の関係が満たされる
Vth1>Vth2>Vth3>Vhold1≧Vhold2≧Vhold3
Ioff1<Ioff2<Ioff3
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化記憶素子は、磁気抵抗効果素子である
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019053603A JP2020155630A (ja) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | 不揮発性記憶装置 |
TW108123610A TWI728393B (zh) | 2019-03-20 | 2019-07-04 | 非揮發性記憶裝置 |
CN201910705395.8A CN111724837B (zh) | 2019-03-20 | 2019-08-01 | 非易失性存储装置 |
US16/559,254 US10985210B2 (en) | 2019-03-20 | 2019-09-03 | Nonvolatile storage device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019053603A JP2020155630A (ja) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | 不揮発性記憶装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020155630A true JP2020155630A (ja) | 2020-09-24 |
Family
ID=72514686
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019053603A Pending JP2020155630A (ja) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | 不揮発性記憶装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10985210B2 (ja) |
JP (1) | JP2020155630A (ja) |
CN (1) | CN111724837B (ja) |
TW (1) | TWI728393B (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI771597B (zh) * | 2019-02-22 | 2022-07-21 | 日商東芝記憶體股份有限公司 | 半導體儲存裝置 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5422231B2 (ja) | 2008-08-13 | 2014-02-19 | 株式会社東芝 | 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法 |
JP2011118970A (ja) * | 2009-12-02 | 2011-06-16 | Toshiba Corp | 不揮発性半導体記憶装置 |
US9299746B2 (en) * | 2011-10-12 | 2016-03-29 | Hewlett-Packard Enterprise Development LP | Select device for cross point memory structures |
US9728584B2 (en) | 2013-06-11 | 2017-08-08 | Micron Technology, Inc. | Three dimensional memory array with select device |
US9263675B2 (en) | 2014-02-19 | 2016-02-16 | Micron Technology, Inc. | Switching components and memory units |
US9633724B2 (en) * | 2014-07-07 | 2017-04-25 | Crossbar, Inc. | Sensing a non-volatile memory device utilizing selector device holding characteristics |
US9812499B1 (en) * | 2016-07-27 | 2017-11-07 | Avalanche Technology, Inc. | Memory device incorporating selector element with multiple thresholds |
JP2018152432A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 東芝メモリ株式会社 | 磁気記憶装置 |
-
2019
- 2019-03-20 JP JP2019053603A patent/JP2020155630A/ja active Pending
- 2019-07-04 TW TW108123610A patent/TWI728393B/zh active
- 2019-08-01 CN CN201910705395.8A patent/CN111724837B/zh active Active
- 2019-09-03 US US16/559,254 patent/US10985210B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111724837A (zh) | 2020-09-29 |
TWI728393B (zh) | 2021-05-21 |
TW202036947A (zh) | 2020-10-01 |
US20200303455A1 (en) | 2020-09-24 |
US10985210B2 (en) | 2021-04-20 |
CN111724837B (zh) | 2023-08-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7068110B2 (ja) | 半導体記憶装置 | |
KR102633125B1 (ko) | 자기 터널 접합 소자 및 자기저항 메모리 장치 | |
CN111724839B (zh) | 磁存储装置 | |
US20190287706A1 (en) | Spin-orbit-torque magnetization rotational element, spin-orbit-torque magnetoresistance effect element, and magnetic memory | |
US11856791B2 (en) | Nonvolatile storage device | |
US11676661B2 (en) | Storage device | |
US10672448B2 (en) | Magnetic storage device | |
US20230083008A1 (en) | Memory device | |
JP6203312B2 (ja) | 磁気メモリ | |
JP2020155630A (ja) | 不揮発性記憶装置 | |
US20210287728A1 (en) | Memory device | |
CN110880343B (zh) | 磁存储装置 | |
CN112490355A (zh) | 磁性存储装置 | |
JP2021150390A (ja) | 記憶装置 | |
US12029136B2 (en) | Magnetic memory device including magnetoresistance effect element | |
JP2021044398A (ja) | 磁気記憶装置 | |
US20210083004A1 (en) | Nonvolatile memory device | |
US20200302985A1 (en) | Magnetic storage device | |
JP2023043732A (ja) | 磁気記憶装置 | |
JP2024000873A (ja) | 磁気記憶装置 | |
JP2022049499A (ja) | 磁気記憶装置 |