JP4216817B2 - Storage device - Google Patents

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

本発明は、電極間の粒子の移動を利用した記憶装置に関する。   The present invention relates to a storage device using movement of particles between electrodes.

近年、半導体装置の集積度が高くなるに伴い、これを構成するLSI素子の回路パターンは益々微細化している。このパターンの微細化には、単に線幅が細くなるだけではなく、パターンの寸法精度や位置精度の向上も要請される。メモリと呼ばれる記憶装置に関しても例外ではなく、高精度の加工技術を駆使して形成されたセルにおいて、記憶に必要となる一定の電荷を、より狭い領域で保持することが要請され続けている。   In recent years, as the degree of integration of semiconductor devices has increased, the circuit patterns of LSI elements constituting the semiconductor devices have become increasingly finer. The miniaturization of the pattern requires not only a reduction in the line width but also an improvement in the dimensional accuracy and position accuracy of the pattern. A memory device called a memory is no exception, and in a cell formed by making full use of high-precision processing technology, there is a continuing demand for holding a certain charge necessary for memory in a narrower region.

従来、DRAM,SRAM,フラッシュといった各種のメモリが製造されているが、これらは全てMOSFETをメモリセルに使用しているため、パターンの微細化に伴い、微細化の比率を上回る比率での寸法精度の向上が要請されている。このため、これらのパターンを形成するリソグラフィー技術にも、大きな負荷が課せられており、現在の量産コストの多くの部分を占めているリソグラフィー工程コストの上昇、即ち製品コストの上昇要因となっている(例えば、特許文献1,2参照)。   Conventionally, various types of memories such as DRAM, SRAM, and flash have been manufactured. However, since these all use MOSFETs as memory cells, the dimensional accuracy at a ratio exceeding the ratio of miniaturization with the miniaturization of patterns. Improvement is demanded. For this reason, a large load is also imposed on the lithography technology for forming these patterns, which is an increase in lithography process cost, which accounts for a large part of the current mass production cost, that is, an increase in product cost. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).

一方、このような微細加工の課題を根本的に解消する技術として、所望の分子構造を人工的に合成し、得られた分子の均一性を利用して、均一の特性の素子を得る試みがある。しかし、合成された分子を所望の位置に配置する技術や、配置された電極との電気的な接触を得ることに大きな課題があるばかりでなく、このような素子は極少数の電荷を用いて記憶を行うため、自然放射線等の外乱による誤動作の確率が非常に大きくなる課題を抱えている。
応用物理 第69巻 第10号 pp1233−1240,2000年「半導体メモリ;DRAM」 応用物理 第69巻 第12号 pp1462−1466,2000年「フラッシュメモリー,最近の話題」
On the other hand, as a technique for fundamentally solving such problems of microfabrication, there is an attempt to artificially synthesize a desired molecular structure and obtain a device having uniform characteristics by utilizing the uniformity of the obtained molecule. is there. However, not only is there a major problem in arranging the synthesized molecules at desired positions and obtaining electrical contact with the arranged electrodes, but such devices use a very small number of charges. In order to memorize | store, it has the subject that the probability of malfunctioning by disturbances, such as natural radiation, becomes very large.
Applied Physics Vol.69, No.10, pp1233-1240, 2000 "Semiconductor Memory; DRAM" Applied Physics Vol. 69, No. 12, pp1462-1466, 2000 “Flash Memory, Recent Topics”

このように、従来から用いられているMOSFETをセルに使用したメモリは、パターンの微細化に伴い、パターンの寸法精度や位置合せ精度が厳しくなり、技術的な困難に加えて、製造コストの上昇要因を抱えている。一方、分子構造を利用したメモリは、分子の操作や電極との接触に関する課題に加えて、外乱による誤動作の確率が大きいことが懸念されている。   As described above, in the memory using the conventional MOSFET for the cell, as the pattern is miniaturized, the dimensional accuracy and alignment accuracy of the pattern become severe, and in addition to technical difficulties, the manufacturing cost increases. Have a factor. On the other hand, there is a concern that a memory using a molecular structure has a high probability of malfunction due to a disturbance in addition to problems related to molecular manipulation and contact with an electrode.

本発明は、上記の事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、製造が容易で外乱の影響を受け難い高集積の記憶装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly integrated storage device that is easy to manufacture and hardly affected by disturbances.

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。   In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.

即ち、本発明の一態様に係わる記憶装置は、平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、前記行線を選択する行選択手段と、前記列線を選択する列選択手段と、前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ読み出し電圧を印加し、前記選択行線と前記選択列線との交差部に流れる電流を検出して、該交差部における前記粒子の有無を検出するデータ読み出し手段と、を具備し、前記交差部は、行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ読み出し手段は、該セル内の各交差部を流れる電流に基づいて、該セル内の二つの粒子が行方向又は列方向に沿って隣接する交差部対の何れに配置されているかを検出することにより、該セルの記憶状態を判定するものであることを特徴とする。   That is, a memory device according to one embodiment of the present invention includes a first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel, and a plurality of column lines arranged in parallel. Rows that are selectively disposed at the intersections of the second substrate that is disposed opposite to the first substrate with a gap therebetween so as to intersect the row line, and the row line and the column line, and that are opposed to each other. Particles movable between lines and column lines and between adjacent intersections, row selection means for selecting the row lines, column selection means for selecting the column lines, and selected rows selected by the row selection means A read voltage is applied to each of the line and the selected column line selected by the column selection means, and a current flowing at the intersection of the selected row line and the selected column line is detected, and the presence / absence of the particles at the intersection And a data reading means for detecting the intersection, wherein the intersecting portion has a row line direction and a column line. The four intersections adjacent in the direction constitute one cell, and two particles are arranged in the cell, and the data reading means is based on the current flowing through each intersection in the cell. The memory state of the cell is determined by detecting whether the two particles in the cell are arranged at adjacent pairs of intersections along the row direction or the column direction. And

また、本発明の別の一態様に係わる記憶装置は、平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、前記行線を選択する行選択手段と、前記列線を選択する列選択手段と、前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ書き込み電圧を印加し、前記選択行線及び前記選択列線の交差部とそれに隣接する交差部との間で前記粒子を移動させることによってデータ書き込みを行うデータ書き込み手段と、を具備し、前記交差部は、行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ書き込み手段は、該セルに対応する四つの交差部のうち、行方向又は列方向に隣接する二つの交差部対の何れかに前記粒子が位置するように、隣接する交差部間で前記粒子を移動させるものであることを特徴とする。   A storage device according to another embodiment of the present invention includes a first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel, and a plurality of column lines arranged in parallel. Is arranged selectively at each intersection between the row line and the column line, and opposed to the first substrate via a gap so that the line intersects the row line. Selected between the row lines and the column lines to be moved and between the adjacent intersections, the row selection means for selecting the row lines, the column selection means for selecting the column lines, and the row selection means A write voltage is applied to each of the selected row line and the selected column line selected by the column selecting means, and the particles are moved between the intersection of the selected row line and the selected column line and the adjacent intersection. Data writing means for performing data writing by Consists of four intersecting portions adjacent to each other in the row line direction and the column line direction, and one particle is arranged in the cell, and the data writing means corresponds to the cell. Among the four intersections, the particles are moved between adjacent intersections so that the particles are located at any one of two intersection pairs adjacent in the row direction or the column direction. And

また、本発明の別の一態様に係わる記憶装置は、平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、前記行線を選択する行選択手段と、前記列線を選択する列選択手段と、前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ読み出し電圧を印加し、前記選択行線と前記選択列線との交差部に流れる電流を検出して、該交差部における前記粒子の有無を検出するデータ読み出し手段と、前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ書き込み電圧を印加し、前記選択行線及び前記選択列線の交差部とそれに隣接する交差部との間で前記粒子を移動させることによってデータ書き込みを行うデータ書き込み手段と、を具備し、前記交差部は行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ読み出し手段は、該セル内の各交差部を流れる電流に基づいて、該セル内の二つの粒子が行方向又は列方向に沿って隣接する交差部対の何れに配置されているかを検出することにより、該セルの記憶状態を判定するものであり、前記データ書き込み手段は、該セルに対応する四つの交差部のうち、行方向又は列方向に隣接する二つの交差部対の何れかに前記粒子が位置するように、隣接する交差部間で前記粒子を移動させるものであることを特徴とする。   A storage device according to another embodiment of the present invention includes a first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel, and a plurality of column lines arranged in parallel. Is arranged selectively at each intersection between the row line and the column line, and opposed to the first substrate via a gap so that the line intersects the row line. Selected between the row lines and the column lines to be moved and between the adjacent intersections, the row selection means for selecting the row lines, the column selection means for selecting the column lines, and the row selection means A read voltage is applied to each of the selected row line and the selected column line selected by the column selection means, and a current flowing at the intersection of the selected row line and the selected column line is detected, and the particles at the intersection are detected. Data reading means for detecting the presence or absence of the selected row and the selected row selected by the row selecting means And applying a write voltage to each of the selected column lines selected by the column selecting means and moving the particles between the selected row line and the intersection of the selected column line and the adjacent intersection. Data writing means for performing writing, and the intersecting portion constitutes one cell by four intersecting portions adjacent to each other in the row line direction and the column line direction, and two particles are arranged in the cell. The data read-out means is arranged such that two particles in the cell are arranged at either of the adjacent intersection pairs along the row direction or the column direction based on the current flowing through each intersection in the cell. The memory state of the cell is determined by detecting whether or not the data writing means includes two intersections adjacent to each other in the row direction or the column direction among the four intersections corresponding to the cell. Either on so that the particles are located in, and characterized in that to move the particles between intersections adjacent.

本発明によれば、行線と列線との間の粒子の有無を利用することにより、記憶装置として機能させることができる。そしてこの場合、メモリ部の回路パターンとしては第1の電極と第2の電極の配線を形成するのみで済み、構造が極めて簡単であり、MOSFETを用いた場合に比してセル内での位置合わせやパターン寸法精度が緩くなるため、製造コストを抑えることができる。さらに、データの記憶に、電荷の蓄積ではなく粒子の存在位置を利用しているため、外乱の影響に強い耐性を有する。   According to the present invention, the presence or absence of particles between row lines and column lines can be used to function as a storage device. In this case, as the circuit pattern of the memory portion, only the wiring of the first electrode and the second electrode need be formed, the structure is very simple, and the position in the cell compared to the case of using the MOSFET. Since the alignment and pattern dimensional accuracy become loose, the manufacturing cost can be suppressed. Furthermore, since the location of particles is used for data storage instead of charge accumulation, it is highly resistant to the influence of disturbance.

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。   The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる記憶装置のセル部構成を示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a cell unit configuration of a storage device according to the first embodiment of the present invention.

第1の基板10の表面部に、平行配置された複数本の行線11が埋め込み形成され、第2の基板20の表面部に、平行配置された複数本の列線21が埋め込み形成されている。そして、これらの基板10,20は、各々の表面部を向かい合わせ、行線11と列線21が互いに直交する関係となるように、一定の間隙dを介して対向配置されている。   A plurality of row lines 11 arranged in parallel are embedded in the surface portion of the first substrate 10, and a plurality of column lines 21 arranged in parallel are embedded in the surface portion of the second substrate 20. Yes. The substrates 10 and 20 are arranged to face each other with a predetermined gap d so that the surface portions thereof face each other and the row lines 11 and the column lines 21 are orthogonal to each other.

ここで、通常のMOS型メモリセルに合わせて、行線11をワード線と称し、列線21をビット線と称することにする。   Here, the row line 11 is referred to as a word line and the column line 21 is referred to as a bit line in accordance with a normal MOS type memory cell.

ワード線11とビット線21との交差部がメモリセルに相当し、各々の交差部のワード線11とビット線21との間隙内に、隣接する電極間を移動可能な粒子30が選択的に配置されている。ここで、粒子30は、ワード線11及びビット線21に垂直な方向のみではなく、ワード線11或いはビット線21と平行な方向にも移動が可能となっている。即ち、基板10,20の対向方向と共に、隣接するワード線間又は隣接するビット線間で移動可能となっている。   The intersection between the word line 11 and the bit line 21 corresponds to a memory cell, and particles 30 that can move between adjacent electrodes are selectively inserted into the gap between the word line 11 and the bit line 21 at each intersection. Has been placed. Here, the particles 30 can move not only in a direction perpendicular to the word line 11 and the bit line 21 but also in a direction parallel to the word line 11 or the bit line 21. That is, it can move between adjacent word lines or between adjacent bit lines along with the opposing direction of the substrates 10 and 20.

このような構造では、第1の基板10に設けるワード線11及び第2の基板20に設けるビット線21は単なるラインアンドスペースのパターンであり、ワード線11とビット線21とは直交する位置関係であれば良く、ワード線方向及びビット線方向へのずれを考慮する必要はない。従って、製造の際にセル内の位置合せ精度が不要であり、製造を容易に行うことが可能となる。   In such a structure, the word lines 11 provided on the first substrate 10 and the bit lines 21 provided on the second substrate 20 are simple line-and-space patterns, and the word lines 11 and the bit lines 21 are orthogonal to each other. There is no need to consider the shift in the word line direction and the bit line direction. Therefore, the alignment accuracy in the cell is not required during manufacturing, and manufacturing can be easily performed.

図2を用いて、本構造の動作原理を解説する。図2は、本実施形態の動作原理を説明するための模式図であり、図1のA−A断面に相当する。   The operating principle of this structure will be explained using FIG. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the operation principle of the present embodiment, and corresponds to the AA cross section of FIG.

電極(ワード線11,ビット線21)上の半径aの粒子30が電荷qを帯び、粒子30が電極に印加された電圧による電場Eの中に置かれると、この粒子30には、電荷が電場より受ける力に加えて、電極に誘起される鏡像電荷、及び鏡像双極子から受ける力が加わる。そして、これらの合力Fは電極が無限に広い場合で近似すると、以下の(1)式で与えられる。   When a particle 30 of radius a on the electrode (word line 11, bit line 21) has a charge q and the particle 30 is placed in an electric field E due to a voltage applied to the electrode, the particle 30 has a charge. In addition to the force received from the electric field, a mirror image charge induced on the electrode and a force received from the mirror image dipole are added. These resultant forces F are given by the following equation (1) when approximated when the electrodes are infinitely wide.

Figure 0004216817
Figure 0004216817

但し、ε0 は真空の誘電率(約8.85×10-12F/m)、εr は粒子の比誘電率である。 Where ε 0 is the dielectric constant of vacuum (about 8.85 × 10 −12 F / m), and ε r is the relative dielectric constant of the particles.

間隙が大気中の場合には、厳密には誘電率の補正が必要となるが、その差は極めて小さいので無視することが可能であり、式(1)をそのまま使用することができる。電荷qは必ず素電荷e(約1.6×10-19 C)の整数倍となるので、q=neと表すことができる。また、電場Eは、対向する電極間の電位差をV、間隔をdとすると、E=V/dで近似できる。 Strictly speaking, when the gap is in the atmosphere, it is necessary to correct the dielectric constant, but the difference is extremely small and can be ignored, and the equation (1) can be used as it is. Since the charge q is always an integral multiple of the elementary charge e (about 1.6 × 10 −19 C), it can be expressed as q = ne. The electric field E can be approximated by E = V / d, where V is the potential difference between the opposing electrodes and d is the interval.

一方、粒子30の静電容量CはC=4πε0 aで与えられ、これによる帯電エネルギーは(1/2)q2 /C=n2 2 /8πε0 aとなる。このエネルギーを越えるエネルギーを有する電子(或いは正孔)のみが粒子30へ移動可能となる、クーロン障壁と呼ばれる現象が存在する。このため、eV>n2 2 /8πε0 aを満たす電位差Vの場合にのみ、n個目の電子(或いは正孔)が粒子30へ移動する。これらの事情を考慮して、式(1)で規定される粒子30に働く力Fをグラフ化すると、図3を得る。 On the other hand, the electrostatic capacity C of the particle 30 is given by C = 4πε 0 a, and the charging energy by this is (1/2) q 2 / C = n 2 e 2 / 8πε 0 a. There is a phenomenon called a Coulomb barrier in which only electrons (or holes) having energy exceeding this energy can move to the particle 30. Therefore, the n-th electron (or hole) moves to the particle 30 only when the potential difference V satisfies eV> n 2 e 2 / 8πε 0 a. Considering these circumstances, FIG. 3 is obtained when the force F acting on the particles 30 defined by the equation (1) is graphed.

図3は、n=1とn=2の場合のみを示すが、本実施形態の説明には十分である。前述のクーロン障壁の存在のため、各帯電状態は図中の点線A1,A2で示された個所よりも右側で実現すると共に、帯電しても電場がある一定以上の強度になるまでは、鏡像による引力が勝り、粒子が電極から離脱しないことが分かる。最も重要なことは、図3にハッチングで示した区間では、必ずn=1の条件で離脱が発生することである。なお、図3中のE1はn=1の場合に離脱に必要な下限電界、E2はn=2の場合に帯電に必要な下限電圧(クーロン障壁)を示している。   FIG. 3 shows only the case of n = 1 and n = 2, which is sufficient for the description of this embodiment. Due to the existence of the aforementioned Coulomb barrier, each charged state is realized on the right side of the portion indicated by the dotted lines A1 and A2 in the figure, and until the electric field becomes a certain intensity or more even if charged, it is a mirror image. It can be seen that the attractive force by is superior and that the particles do not leave the electrode. The most important thing is that separation always occurs under the condition of n = 1 in the section indicated by hatching in FIG. In FIG. 3, E1 represents a lower limit electric field necessary for separation when n = 1, and E2 represents a lower limit voltage (Coulomb barrier) necessary for charging when n = 2.

電極から離脱した粒子は加速されて反対電極に到達し、そこで電荷を放出すると共に、新たに反対符号の電荷を受け取り、再び離脱して元の電極へ到達する、という過程を繰り返す。この一連の過程によって電荷が運ばれるため、電極間の電流として検出することが可能である。前述のように、これらの過程が必ずn=1で発生すると、一定電流が流れることとなり、粒子の有無が容易に検出可能となる。さらに、同じ電極間に2個の粒子が存在した場合、電荷を運ぶ担体が2倍になることに加え、移動距離が短くなるため、2倍以上の電流が検出されることから、粒子が2個有ることが明確に検出可能である。   The particles detached from the electrode are accelerated and reach the opposite electrode, where they release charges, receive a charge of the opposite sign, and then leave again to reach the original electrode. Since electric charge is carried by this series of processes, it can be detected as a current between the electrodes. As described above, when these processes always occur at n = 1, a constant current flows, and the presence or absence of particles can be easily detected. Furthermore, when two particles are present between the same electrodes, the carrier carrying the charge is doubled, and the moving distance is shortened. It can be clearly detected that there is an individual.

具体的には、粒子の半径aを10nm、電極の間隔dを60nmとすると、上述のn=1の状態での粒子の離脱と往復運動は、電極間電圧Vが0.22Vから0.29Vの範囲で起こる。電極間電圧Vを0.28Vとし、交点を選択する上側の電極にV/2に相当する+0.14Vを、交点を選択する下側の電極に−V/2に相当する−0.14Vを印加し、他の電極を0Vに設定した。この場合に、選択された交点に存在する離脱直後の粒子に働く力は約0.2pNであり、片道の運動に要する時間は約70nsecと見積もられる。そして、粒子1個の片道運動につき1個の電荷が運ばれるため、約2pAの電流が検出されることが分かる。従って、この電流を測定することにより、上下の電極の交点に存在する粒子の有無(数)を検出することが可能である。   Specifically, when the particle radius a is 10 nm and the electrode interval d is 60 nm, the separation and reciprocation of the particles in the above-described state of n = 1 may cause the voltage V between the electrodes to be 0.22 V to 0.29 V. Happens in the range. The interelectrode voltage V is 0.28V, + 0.14V corresponding to V / 2 is set for the upper electrode for selecting the intersection point, and -0.14V corresponding to -V / 2 is set for the lower electrode for selecting the intersection point. The other electrode was set to 0V. In this case, the force acting on the particles immediately after the separation existing at the selected intersection is about 0.2 pN, and the time required for one-way movement is estimated to be about 70 nsec. It can be seen that a current of about 2 pA is detected because one charge is carried per one-way movement of one particle. Therefore, by measuring this current, it is possible to detect the presence (number) of particles present at the intersection of the upper and lower electrodes.

同時に、近傍の粒子、特に同一電極上の隣接する部分に存在する粒子にも、電場が印加されるが、その強度は距離に反比例する。このため、電極の横方向のピッチpを40nmとすると、直近の粒子に対する電場は約83%、第2近接の粒子に対する電場は約73%に減少する。前述の、電極間電圧Vが0.28Vの場合、直近の粒子は離脱が可能であるが、第2近接の粒子に加わる電場は離脱に必要な下限に達することは無い。このため、直近の粒子のみが相互作用の対象となり、後に記すように、書き込み動作に利用される。なお、電極間電圧Vを0.26V以下とすると、直近の粒子に加わる電場も離脱に必要な下限に達しないため、相互作用の無い、読み出し専用モードとして利用することが可能である。   At the same time, an electric field is also applied to nearby particles, particularly those existing in adjacent portions on the same electrode, but the intensity is inversely proportional to the distance. Therefore, when the lateral pitch p of the electrodes is 40 nm, the electric field for the nearest particle is reduced to about 83% and the electric field for the second adjacent particle is reduced to about 73%. When the voltage V between the electrodes is 0.28 V, the nearest particle can be detached, but the electric field applied to the second neighboring particle does not reach the lower limit necessary for the separation. For this reason, only the most recent particle becomes the object of interaction and, as will be described later, is used for the writing operation. When the voltage V between the electrodes is 0.26 V or less, the electric field applied to the nearest particle does not reach the lower limit necessary for separation, so that it can be used as a read-only mode without interaction.

また、本実施形態を構成する最小の単位は、1本の線状電極と、これに間隙を介して対向する少なくとも2個の電極と、間隙中に配置される少なくとも1個の粒子であり、この粒子が電極間を二次元的に移動可能であることを利用して情報の記憶を行っていることが分かる。   The minimum unit constituting this embodiment is one linear electrode, at least two electrodes opposed to the linear electrode via a gap, and at least one particle disposed in the gap. It can be seen that information is stored by utilizing the fact that these particles can move two-dimensionally between the electrodes.

なお、各パラメータの大きさは、上述の例に限定されることなく幅広い範囲から選択することが可能であり、先の近似に基づくと以下に述べる範囲が原理的に可能となる。式を簡単にするために、電極の間隔dと粒子の半径aの比をk(d=ka)、電極の横方向のピッチpと電極の間隔dの比をκ(p=κd)とし、b及びβを以下の(2)(3)式で定義する。   Note that the size of each parameter can be selected from a wide range without being limited to the above-described example, and the range described below is theoretically possible based on the above approximation. In order to simplify the equation, the ratio of the electrode spacing d to the particle radius a is k (d = ka), the ratio of the electrode horizontal pitch p to the electrode spacing d is κ (p = κd), b and β are defined by the following equations (2) and (3).

Figure 0004216817
Figure 0004216817

このとき、相互作用のあるモードで使用する場合には、以下の(4)式の成り立つ範囲でパラメータを選択することが可能となる。   At this time, in the case of using in an interactive mode, it is possible to select parameters within a range where the following expression (4) is satisfied.

Figure 0004216817
Figure 0004216817

また、読み出し専用モードで使用する場合には、以下の(5)式の成り立つ範囲でパラメータを選択することが可能となる。   When used in the read-only mode, it is possible to select parameters within a range where the following expression (5) holds.

Figure 0004216817
Figure 0004216817

一方、上述のように第2近接の粒子との相互作用を引き起こさないためには、予め以下の式(6)の成り立つ設計とするか、式(7)の成り立つ条件で使用することが必要となる。   On the other hand, in order not to cause the interaction with the second adjacent particles as described above, it is necessary to design in advance that the following equation (6) is satisfied, or to use under the condition that the equation (7) is satisfied. Become.

Figure 0004216817
Figure 0004216817

さらに、選択した交点への電圧印加に関しても、上述のように電極間電圧Vを+V/2と−V/2に分けて上下の選択線に印加する方法に限らず、クロストークの発生しない以下の条件を満たす範囲で選択することが可能である。非選択線の電位を0Vとし、上下の選択線に印加する電圧の絶対値を比較して、大きい方をVmとして、電極間電圧Vとの比をγとする(Vm=γV、0.5≦γ≦1)。このとき、以下の式(8)が成り立つ条件で使用するか、予め式(9)の成り立つ設計とすることが要請される。   Further, the voltage application to the selected intersection is not limited to the method of applying the inter-electrode voltage V to + V / 2 and −V / 2 and applying it to the upper and lower selection lines as described above. It is possible to select within the range that satisfies the condition. The potential of the non-selection line is set to 0 V, the absolute values of the voltages applied to the upper and lower selection lines are compared, the larger one is set to Vm, and the ratio to the interelectrode voltage V is set to γ (Vm = γV, 0.5 ≦ γ ≦ 1). At this time, it is required that the following equation (8) is used or a design that satisfies equation (9) is used in advance.

Figure 0004216817
Figure 0004216817

参考として、先の例における各パラメータの値を明示すると、k=6,κ=2/3,b=1.025,β=1.39×109[1/V・m],γ=0.5である。 For reference, if the values of the respective parameters in the above example are specified, k = 6, κ = 2/3, b = 1.005, β = 1.39 × 10 9 [1 / V · m], γ = 0 .5.

交点間の相互作用は、直近の4箇所のみを考えれば良く、実際に起きる現象は、選択した交点への直近領域からの粒子の移動であるが、前述の電場分布の例では、移動は水平方向には起きず、必ず上下方向の移動を伴う。即ち、図4に示すように、選択した交点31と共通の配線上の粒子30が、選択した交点31の上下反対側に移動する特徴があり、例え直近に粒子が存在しても、共通の配線上に存在しない場合には移動は起きない。   The interaction between the intersections only needs to be considered at the four most recent points, and the phenomenon that actually occurs is the movement of particles from the closest region to the selected intersection, but in the above example of electric field distribution, the movement is horizontal. It does not wake up in the direction, and it always moves up and down. That is, as shown in FIG. 4, there is a feature that particles 30 on the same wiring as the selected intersection 31 move to the opposite side of the selected intersection 31. If it does not exist on the wiring, no movement occurs.

従って、ある交点aに存在する粒子を、直近の別の交点bに確実に移動させたい場合には、次のようにする必要がある。即ち、交点bに所定の電圧を印加し、交点bで検出される電流が既定の値となるか否かを確認し、既定の値とならなかった場合には交点aに電圧を印加することにより交点aでの粒子の上下位置を振り動かし、再び交点bに所定の電圧を印加する、という手順を、交点bで検出される電流が既定の値となるまで繰り返す必要がある。   Therefore, when it is desired to move a particle existing at a certain intersection point a to another nearest intersection point b, it is necessary to do the following. That is, a predetermined voltage is applied to the intersection point b, whether or not the current detected at the intersection point b becomes a predetermined value, and if not, the voltage is applied to the intersection point a. It is necessary to repeat the procedure of swinging the vertical position of the particle at the intersection point a and applying a predetermined voltage again to the intersection point b until the current detected at the intersection point b reaches a predetermined value.

この事情を鑑み、本記憶装置への書き込み方法として、図5に模式的に示される三つの例が用いられる。なお、図5に示されている部分は、図6のメモリセル配列41の一部であり、従来のメモリと同様に、各行配線には行デコーダ42が、各列配線には読み出し回路を含むドライバ43と列デコーダ44が接続されている。さらに、各デコーダ42,44には、アドレスデータの付与とデータ入出力のための上位ブロック45が接続されている。このような構成にすることにより、同一行に含まれる全ての列の情報を、一度に一括して読み出すことが可能となる。   In view of this situation, three examples schematically shown in FIG. 5 are used as a writing method to the storage device. The portion shown in FIG. 5 is a part of the memory cell array 41 of FIG. 6, and similarly to the conventional memory, each row wiring includes a row decoder 42 and each column wiring includes a readout circuit. A driver 43 and a column decoder 44 are connected. Each decoder 42, 44 is connected to a higher level block 45 for giving address data and inputting / outputting data. By adopting such a configuration, it becomes possible to read out information of all columns included in the same row all at once.

図5(a)は、一つの交点で一つのセル35を構成し、そこに1ビットの情報を割り当てる方式で、該当交点に存在する粒子の数が所定の値よりも大きいか小さいかの情報に基づき、該当ビットが“0”であるか“1”であるかを記憶する。粒子数の大小関係と、ビットの“0”,“1”の対応関係には任意性があり、どちらを選択することも可能であるが、ここでは粒子数が所定値よりも小さい場合をビット値“0”に、大きい場合をビット値“1”に対応させる。前述のように、交点に存在する粒子の数と交点に流れる電流には明確な対応があるので、このビット情報の読み出しは、前述の読み出しモードの電圧を印加した状態で、該当交点に流れる電流を所定の基準値と比較することにより行う。   FIG. 5A shows a method in which one cell 35 is formed at one intersection and 1-bit information is allocated thereto, and information on whether the number of particles existing at the intersection is larger or smaller than a predetermined value. Based on the above, it stores whether the corresponding bit is “0” or “1”. The magnitude relationship between the number of particles and the correspondence between the bits “0” and “1” are arbitrary, and either can be selected, but here the bit number is smaller than the predetermined value. The value “0” is associated with the bit value “1” when the value is large. As described above, since there is a clear correspondence between the number of particles present at the intersection and the current flowing at the intersection, this bit information is read out when the voltage in the above-described reading mode is applied and the current flowing at the intersection. Is compared with a predetermined reference value.

読み出しは、任意の交点を選択する、いわゆるランダム・アクセスが可能であるが、書き込みには、以下のような手法を用いる。メモリセル配列41の最終行の外側に粒子の貯留所を形成しておき、まず、ここからメモリセルの最終行(第n行)の交点のうち、メモリセルの第1行に書き込む予定のデータ列に対応する交点に所定の電圧を印加して粒子を取り込む。   For reading, so-called random access in which an arbitrary intersection is selected is possible, but for writing, the following method is used. A particle reservoir is formed outside the last row of the memory cell array 41. First, data to be written to the first row of memory cells from the intersection of the last row (n-th row) of memory cells. A predetermined voltage is applied to the intersection corresponding to the column to take in the particles.

具体的には、行デコーダ42により最終行(第n行)のみを選択した状態で、第1行にビット値“1”を書き込む予定の列のみ列デコーダ44により選択し、最終行(第n行)に第1行の内容を形成する。次に、列デコーダ44の選択状態を保ったまま、行デコーダ42の操作により、最終行(第n行)の選択をオフとし、第(n−1)行の選択を行う。   Specifically, in a state where only the last row (n-th row) is selected by the row decoder 42, only the column in which the bit value “1” is to be written to the first row is selected by the column decoder 44, and the last row (n-th row) is selected. The contents of the first line are formed in (line). Next, with the selection state of the column decoder 44 maintained, the operation of the row decoder 42 turns off the selection of the last row (n-th row) and the selection of the (n-1) -th row.

前述のように、一度の操作では全ての粒子が第n行から第(n−1)行へ移動しない場合がある。そこで、このまま各列の電流を検出して第(n−1)行の内容を読み出し、所望の状態になっていない場合には、第(n−1)行の選択をオンのまま第n行の選択もオンとし、1クロック・サイクル以上経過した後に第n行の選択をオフとし、再度第(n−1)行のデータの内容を確認する、という一連の作業を、第(n−1)行の内容が所望の状態となるまで繰り返す。第n行の選択をオンにする際に、第(n−1)行の選択もオンのままとしておくことにより、粒子が第(n−1)行から第n行へ後戻りすることを防止しつつ、第n行に残された粒子の上下位置を振り動かすことが可能である。   As described above, all particles may not move from the nth row to the (n-1) th row in one operation. Therefore, the current in each column is detected as it is, and the contents of the (n−1) th row are read. If the desired state is not reached, the selection of the (n−1) th row remains on and the nth row remains on. A series of operations of turning on the selection of the first row, turning off the selection of the nth row after one clock cycle or more and confirming the contents of the data of the (n-1) th row again, ) Repeat until the contents of the line are in the desired state. When the selection of the nth row is turned on, the selection of the (n-1) th row is also kept on, thereby preventing the particles from going back from the (n-1) th row to the nth row. However, it is possible to swing the vertical position of the particles left in the nth row.

引き続き、列デコーダ44の選択状態を保ったまま、同様な行デコーダ42の操作により第(n−1)行の内容を第(n−2)行へ移動させる。   Subsequently, while maintaining the selected state of the column decoder 44, the contents of the (n-1) th row are moved to the (n-2) th row by the similar operation of the row decoder 42.

この操作を順に繰り返すことにより、第1行の内容を所望の状態に設定することができる。同様に、第2行に書き込む予定のデータ列も、第n行から順に移動させることにより第3行まで転送するが、最後に第2行へ移動させる前に、まず第1行の選択をオンとした状態で、第2行の選択をオンにする操作を行う。これにより、第1行に存在する粒子が第2行へ後戻りすることを防止しつつ、第3行の粒子を第2行へ移動させることが可能となる。   By repeating this operation in order, the contents of the first row can be set to a desired state. Similarly, the data row to be written in the second row is also transferred to the third row by moving sequentially from the nth row, but first the selection of the first row is turned on before moving to the second row. In this state, an operation to turn on the selection of the second row is performed. This makes it possible to move the particles in the third row to the second row while preventing the particles present in the first row from returning to the second row.

以下、同様に第3行への書き込みを行うが、最後の第4行から第3行に移動させるまでの間、第1行及び第2行の選択をオンのままとしておいてもかまわない。なお、第n行から第4行までの移動の間、第1行及び第2行の選択をオフとする場合には、書き込んであるデータの保護のために両者のオフと再オンは同時に行う必要がある。以下同様に、第4行への書き込み、第5行への書き込み、第n行への書き込み、と実行することにより、メモリセル内の全てのデータを所望の状態に設定することができる。   Hereinafter, similarly, writing to the third row is performed. However, the selection of the first row and the second row may be kept on until the last row is moved from the fourth row to the third row. When the selection of the first row and the second row is turned off during the movement from the nth row to the fourth row, both are turned off and turned on at the same time in order to protect the written data. There is a need. Similarly, all data in the memory cell can be set to a desired state by executing writing to the fourth row, writing to the fifth row, and writing to the nth row.

消去の際には、列デコーダ44で全ての列を選択した状態で、書き込みの際と同様な手順を用いて、第n行の粒子を全て貯留所に移動し、引き続き、第(n−1)行の粒子を第n行を経由して貯留所へ移動する。この手順を順次第1行の粒子まで行うことにより、全ての粒子をメモリセル配列から取り除き、消去動作が完了する。本方式は、書き込み・消去動作が複雑であるが、集積度が高くなる利点がある。   At the time of erasing, with all the columns selected by the column decoder 44, the same procedure as that at the time of writing is used to move all the particles in the n-th row to the reservoir, and subsequently (n-1) ) Move the particles in the row to the reservoir via the nth row. By sequentially performing this procedure up to the first row of particles, all particles are removed from the memory cell array, and the erase operation is completed. This method has the advantage of high integration, although the write / erase operation is complicated.

図5(b)は、二つの隣接する交点で構成されるセル36に1ビットの情報を割り当てる方式で、二つの交点のどちらに多くの粒子が存在するかに対応して、該当ビットが“0”であるか“1”であるかを記憶する。隣接する交点を上下方向にするか左右方向にするか、或いは上下・左右のどちらに多くの粒子が存在する場合をビット値“1”に対応させるかについては任意性がある。図示された例では、行方向に並んだ左右の組を用い、右側の交点に存在する粒子の数が左側よりも多い場合にビット値“1”を対応させ、右側の交点に存在する粒子の数が左側よりも少ない場合にビット値“0”を対応させている。   FIG. 5B shows a method of allocating 1-bit information to a cell 36 composed of two adjacent intersections, and the corresponding bit is “corresponding to which of the two intersections has more particles”. Whether it is “0” or “1” is stored. It is arbitrary whether the adjacent intersections are in the vertical direction, the horizontal direction, or whether the number of particles in the vertical and horizontal directions corresponds to the bit value “1”. In the illustrated example, the left and right pairs arranged in the row direction are used, and when the number of particles present at the right intersection is greater than that at the left, the bit value “1” is associated, and the particles present at the right intersection are When the number is smaller than the left side, the bit value “0” is associated.

この方式におけるビット情報の読み出しは、該当する交点を行デコーダ42及び列デコーダ44によって選択し、右側交点を流れる電流から左側交点を流れる電流を引いた値の正負に応じて、ビット値“1”或いは“0”を対応させることにより行う。   In this method, bit information is read out by selecting a corresponding intersection point by the row decoder 42 and the column decoder 44, and according to the sign of the value obtained by subtracting the current flowing through the left intersection from the current flowing through the right intersection. Alternatively, it is performed by making "0" correspond.

具体的には、右側交点を流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力端に入力し、左側交点を流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力端に入力し、差動増幅器の出力の符号を検出することによって、符号の正負に対応してビット値“1”或いは“0”を対応させる。この読み出し方法は、共通の行アドレス線を流れる電流の差分を用いてビット値の判定を行うため、行アドレス線の抵抗ばらつき等の存在する場合にも高精度に検出が可能であり、マージンの拡大を図ることが可能である。列アドレス線に関しても、高密度の隣接する配線を用いて差分検出を行っているので、大域的な抵抗ばらつきには同等の効果があることが分かる。   Specifically, the current flowing through the right intersection is converted into a voltage using a reference resistor and then input to the positive input terminal of the differential amplifier. After the current flowing through the left intersection is converted into a voltage using the reference resistor, the differential amplifier By inputting to the negative input terminal and detecting the sign of the output of the differential amplifier, the bit value “1” or “0” is made to correspond to the sign of the sign. In this reading method, since the bit value is determined using the difference in current flowing in the common row address line, even when there is a variation in resistance of the row address line, it can be detected with high accuracy, and the margin can be reduced. It is possible to expand. As for the column address line, since the difference detection is performed using the high-density adjacent wiring, it can be understood that the global resistance variation has the same effect.

従来のように、セル毎に駆動MOSFETを設ける記憶装置では、MOSFETの閾値制御が必要なため、線幅の10%以下、望ましくは5%以下の線幅ばらつきに抑える必要があった。これに対し本実施形態を用いることにより、そのような厳しい線幅制御を必要とせず、容易にセルを構成することが可能となる。   Conventionally, in a memory device in which a driving MOSFET is provided for each cell, it is necessary to control the threshold value of the MOSFET. Therefore, it is necessary to suppress the line width variation to 10% or less, preferably 5% or less of the line width. On the other hand, by using the present embodiment, it is possible to easily configure a cell without requiring such strict line width control.

書き込みは、“1”を書き込む場合には、まず該当セルの右側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加する。前述のように、一度の操作では粒子が移動しない場合があるので、この状態で読み出し操作、即ち右側交点と左側交点を列デコーダ44により選択し、両者を流れる電流の比較を行う。所望の状態となっていない場合には、再び右側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択して所定の電圧を所定の時間印加し、再度該当セルのデータの内容を確認する、という一連の動作を所望の状態となるまで繰り返す。   When writing "1", first, the right intersection of the corresponding cell is selected using the row decoder 42 and the column decoder 44, and a predetermined voltage is applied for a predetermined time. As described above, since the particles may not move in one operation, the read operation, that is, the right intersection and the left intersection are selected by the column decoder 44 in this state, and the currents flowing through them are compared. If the desired state is not reached, the right intersection is selected again by using the row decoder 42 and the column decoder 44, a predetermined voltage is applied for a predetermined time, and the data contents of the corresponding cell are confirmed again. A series of operations is repeated until a desired state is achieved.

或いは、該当セルの右側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加し、このまま左側交点を追加選択して該当両交点の電流を検出し、該当セルの内容を読み出す。そして、読み出し結果が所望の状態になっていない場合には、右側交点の選択をオンのまま左側交点の選択をオフとし、1クロック・サイクル以上経過した後に左側交点の選択をオンとし、再度該当セルのデータの内容を確認する、という一連の作業を所望の状態となるまで繰り返す。   Alternatively, the right intersection of the corresponding cell is selected using the row decoder 42 and the column decoder 44, a predetermined voltage is applied for a predetermined time, the left intersection is additionally selected as it is, and the current at the corresponding intersection is detected. Read the contents. If the read result is not in the desired state, the selection of the left intersection is turned off while the selection of the right intersection is turned on, the selection of the left intersection is turned on after one clock cycle or more has passed, and the corresponding is applied again. A series of operations of confirming the contents of cell data is repeated until a desired state is achieved.

この方法では、デコーダ42,44による選択と非選択の切り替え回数を節減することが可能となる。“0”を書き込む場合には、“1”を書き込む場合と左右を入れ替えてやればよく、まず該当セルの左側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加する。前述のように、一度の操作では粒子が移動しない場合があるので、この状態で読み出し操作、即ち左側交点と右側交点を列デコーダ44により選択し、両者を流れる電流の比較を行う。所望の状態となっていない場合には、再び左側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択して所定の電圧を所定の時間印加し、再度該当セルのデータの内容を確認する、という一連の動作を所望の状態となるまで繰り返す。   In this method, the number of switching between selection and non-selection by the decoders 42 and 44 can be reduced. When writing “0”, the left and right may be interchanged with those when writing “1”. First, the left intersection of the corresponding cell is selected using the row decoder 42 and the column decoder 44, and a predetermined voltage is selected for a predetermined time. Apply. As described above, since the particles may not move in one operation, the reading operation, that is, the left intersection and the right intersection are selected by the column decoder 44 in this state, and the currents flowing through them are compared. If the desired state is not reached, the left intersection is selected again using the row decoder 42 and the column decoder 44, a predetermined voltage is applied for a predetermined time, and the data content of the corresponding cell is confirmed again. A series of operations is repeated until a desired state is achieved.

或いは、デコーダ42,44による選択と非選択の切り替え回数を節減する場合には、該当セルの左側交点を行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加し、このまま右側交点を追加選択して該当両交点の電流を検出し、該当セルの内容を読み出す。そして、読み出し結果が所望の状態になっていない場合には、左側交点の選択をオンのまま右側交点の選択をオフとし、1クロック・サイクル以上経過した後に右側交点の選択をオンとし、再度該当セルのデータの内容を確認する、という一連の作業を所望の状態となるまで繰り返す。   Alternatively, in order to save the number of switching between selection and non-selection by the decoders 42 and 44, the left intersection of the corresponding cell is selected by using the row decoder 42 and the column decoder 44, and a predetermined voltage is applied for a predetermined time, The right intersection is additionally selected to detect the current at both intersections, and the contents of the corresponding cell are read. If the read result is not in the desired state, the selection of the right intersection is turned off while the selection of the left intersection is turned on, and the selection of the right intersection is turned on after one clock cycle or more has passed. A series of operations of confirming the contents of cell data is repeated until a desired state is achieved.

先の例と異なり、書き込みに関してもランダム・アクセスが可能であることが本方式の特徴の一つとなる。なお、図示された例では一つのセル内で1個の粒子を左右でやり取りする形が描かれているが、一つのセルで2個以上の複数の粒子を保持し、その中の少なくとも1個以上をやり取りすることによっても書き込みは可能である。これは、読み出しの原理上、左右の交点の粒子数の大小関係が入れ替われば、ビット値が反転することによるものである。一例をあげると、セル内に3個の粒子が存在する場合、1個の粒子のやり取りによって、左右の交点の粒子数が2対1の場合と1対2の状態を形成することが可能となり、それぞれビット値“0”と“1”に対応していることが分かる。   Unlike the previous example, one of the features of this method is that random access is possible for writing. In the illustrated example, a shape in which one particle is exchanged between right and left in one cell is drawn, but two or more particles are held in one cell, and at least one of them is held. Writing is also possible by exchanging the above. This is due to the fact that the bit value is inverted if the magnitude relationship between the number of particles at the left and right intersections is switched on the principle of reading. As an example, if there are three particles in a cell, it is possible to form a one-to-two state by the exchange of one particle when the number of particles at the left and right intersections is two-to-one. It can be seen that the bit values correspond to “0” and “1”, respectively.

図5(c)は、四つの交点で構成されるセル37に1ビットの情報を割り当てる方式で、四つの交点を、右上がりの対角線の2個の交点(B,C)と、右下がりの対角線の2個の交点(A,D)の、二つの組に分けて、どちらの組に多くの粒子が存在するかに対応して、該当ビットが“0”であるか“1”であるかを記憶する。どちらの組に多くの粒子が存在する場合をビット値“1”に対応させるかについては任意性がある。図示された例では、右上がりの対角線の組に存在する粒子の数が右下がりの対角線の組よりも多い場合にビット値“1”を対応させ、右上がりの対角線の組に存在する粒子の数が右下がりの対角線の組よりも少ない場合にビット値“0”を対応させている。   FIG. 5 (c) shows a method of assigning 1-bit information to a cell 37 composed of four intersections. The four intersections are two intersections (B, C) of a diagonal line that rises to the right and a diagonal line that descends to the right. The corresponding bit is “0” or “1” according to which of the two intersections (A, D) of the diagonal line is divided into two sets and there are many particles in which set. Remember me. There is an arbitrary choice as to which set corresponds to the bit value “1” when there are many particles. In the illustrated example, when the number of particles present in the right-upward diagonal pair is larger than that in the right-down diagonal pair, the bit value “1” is associated, and A bit value “0” is associated when the number is less than the pair of diagonal lines that descend to the right.

このビット情報の読み出しは、該当する四つの交点を行デコーダ42及び列デコーダ44によって選択し、右上がりの対角線の組を流れる電流の和から右下がりの対角線の組を流れる電流の和を引いた値の正負に応じて、ビット値“1”或いは“0”を対応させることにより行う。   The bit information is read by selecting the corresponding four intersections by the row decoder 42 and the column decoder 44, and subtracting the sum of the current flowing through the right-down diagonal pair from the sum of the current flowing through the right-up diagonal pair. The bit value “1” or “0” is made to correspond according to the sign of the value.

具体的には、交点Bを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力端に入力し、交点Aを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力端に入力する。そして、差動増幅器の出力を検出することによって交点Bに存在する粒子数から交点Aに存在する粒子数を引いた値を得て、この値(交点B−交点A)をドライバ内に一時的に保管する。次に、交点Dを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力端に入力し、交点Cを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力端に入力する。そして、差動増幅器の出力を検出することによって、交点Dに存在する粒子数から交点Cに存在する粒子数を引いた値(交点D−交点C)を得る。   Specifically, the current flowing through the intersection B is converted into a voltage using a reference resistor and then input to the positive input terminal of the differential amplifier. After the current flowing through the intersection A is converted into a voltage using the reference resistor, the differential amplifier Input to the negative input terminal. Then, by detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection A from the number of particles existing at the intersection B is obtained, and this value (intersection B−intersection A) is temporarily stored in the driver. Keep in. Next, the current flowing through the intersection D is converted into a voltage using a reference resistor and then input to the positive input terminal of the differential amplifier. The current flowing through the intersection C is converted into a voltage using the reference resistor and then the negative input of the differential amplifier. Enter at the end. Then, by detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection C from the number of particles existing at the intersection D (intersection D−intersection C) is obtained.

その後、先にドライバ内に一時保管した(交点B−交点A)の値から、(交点D−交点C)の値を引くことにより、(交点B+交点C−交点A−交点D)の値を得る。この値の符号の正負に対応してビット値“1”或いは“0”を対応させる。   Thereafter, the value of (intersection B + intersection C−intersection A−intersection D) is obtained by subtracting the value of (intersection D−intersection C) from the value of (intersection B−intersection A) temporarily stored in the driver. obtain. The bit value “1” or “0” is made to correspond to the sign of this value.

この読み出し方法は、共通の行及び列アドレス線を流れる電流の差分を用いてビット値の判定を行うため、行及び列アドレス線の抵抗ばらつき等の存在する場合にも高精度に検出が可能であり、マージンの拡大を図ることが可能である。従来のように、セル毎に駆動MOSFETを設ける記憶装置では、MOSFETの閾値制御が必要なため、線幅の10%以下、望ましくは5%以下の線幅ばらつきに抑える必要があった。これに対し本実施形態を用いることにより、そのような厳しい線幅制御を必要とせず、容易にセルを構成することが可能となる。   In this reading method, the bit value is determined by using the difference between the currents flowing through the common row and column address lines. Therefore, even when there is a variation in resistance between the row and column address lines, it can be detected with high accuracy. Yes, it is possible to increase the margin. Conventionally, in a memory device in which a driving MOSFET is provided for each cell, it is necessary to control the threshold value of the MOSFET. Therefore, it is necessary to suppress the line width variation to 10% or less, preferably 5% or less of the line width. On the other hand, by using the present embodiment, it is possible to easily configure a cell without requiring such strict line width control.

書き込みは、“1”を書き込む場合には、該当セルの交点B及び交点Cを行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて順次選択し所定の電圧を印加する。先の例と異なり、交点Bへの一度の電圧印加と交点Cへの一度の電圧印加により、書き込み動作は完了する。これは前述の通り、行アドレス線上の粒子は行アドレス線に沿った方向に、列アドレス線上の粒子は列アドレス線に沿った方向に移動するためである。例えば、交点Aに存在している粒子は、交点Bと交点Cの二方向から粒子を引き寄せることにより、行アドレス線上に存在している場合でも列アドレス線上に存在している場合でも、移動することが可能なためである。   When writing “1”, the intersection B and intersection C of the corresponding cell are sequentially selected using the row decoder 42 and the column decoder 44 and a predetermined voltage is applied. Unlike the previous example, the write operation is completed by one voltage application to the intersection B and one voltage application to the intersection C. This is because, as described above, particles on the row address line move in a direction along the row address line, and particles on the column address line move in a direction along the column address line. For example, the particles existing at the intersection point A move by pulling the particles from the two directions of the intersection points B and C, regardless of whether they exist on the row address line or the column address line. Because it is possible.

なお、記憶の信頼性を増すために、書き込み直後に読み出し操作を行い、書き込んだ情報が正しく記憶されていることを確かめてもかまわない。同様に、“0”を書き込む場合には、該当セルの交点A及び交点Dを行デコーダ42及び列デコーダ44を用いて順次選択し所定の電圧を印加すればよく、交点Aへの一度の電圧印加と交点Dへの一度の電圧印加により、書き込み動作は完了する。   In order to increase the reliability of storage, a read operation may be performed immediately after writing to confirm that the written information is stored correctly. Similarly, when “0” is written, the intersection A and intersection D of the corresponding cell may be sequentially selected using the row decoder 42 and the column decoder 44, and a predetermined voltage may be applied. The writing operation is completed by the application and the voltage application to the intersection D once.

このように、本方式では書き込み動作を簡単に短時間で行うことのできる利点がある。また、本方式においても、読み出し・書き込み共にランダム・アクセスが可能であることが特徴の一つとなる。なお、図示された例では一つのセル内で2個の粒子を異なる対角線の組でやり取りする形が描かれているが、一つのセルで1個或いは3個以上の複数の粒子を保持し、その中の少なくとも1個以上をやり取りすることによっても書き込みは可能である。これは、先の例と同様に、読み出しの原理上、異なる対角線上の交点の組に存在する粒子数の大小関係が入れ替われば、ビット値が反転することによるものである。   As described above, this method has an advantage that the write operation can be easily performed in a short time. In addition, one of the features of this system is that random access is possible for both reading and writing. In the example shown in the figure, a shape in which two particles are exchanged in different pairs in one cell is drawn, but one cell holds one or more than three particles, Writing is also possible by exchanging at least one of them. This is because, as in the previous example, the bit value is inverted when the magnitude relationship between the numbers of particles existing at different pairs of intersections on different diagonals is changed on the principle of readout.

図7(a)は、四つの交点で構成されるセル37に多値化により2ビットの情報、即ち4値を割り当てる方式で、四つの交点が粒子により占有されている状況に対応して、“0”,“1”,“2”,“3”の4値のいずれかを記憶する。四つの交点を用いて2ビットの情報を記憶すると言う点では、セルの集積度は図5(b)のセルを2個並列に並べたものと同一であるが、図7(a)の方式には以下の利点がある。   FIG. 7 (a) shows a method of assigning 2-bit information, that is, four values to a cell 37 composed of four intersections by multi-leveling, and corresponding to the situation where four intersections are occupied by particles, One of four values “0”, “1”, “2”, “3” is stored. In terms of storing 2-bit information using four intersection points, the degree of cell integration is the same as that of two cells arranged in parallel in FIG. 5B, but the method of FIG. Has the following advantages:

本実施形態で用いられている粒子は、意図的に電場を印加しない限り、交点から移動する確率は極めて小さいが、ノイズ等の影響により、有限の確率で隣の交点に誤移動することがあり得る。このため、図7(b)に示すように、図5(b)のセルを2個並列に並べた場合には、確率は小さいが、1個の粒子の1回の誤移動により、異なったビット値の占有状態に変化してしまい、データが異なる値に変化してしまう可能性がある。これに対し、図7(a)の方式では、1個の粒子の1回の誤移動では、異なったビット値の占有状態に変化することが無いので、誤ったデータ値として誤認識することは事実上あり得ないほど稀であり、異常の発生したセルは明確なので、誤り訂正を行う場合にも有利である。   The particles used in this embodiment have a very low probability of moving from an intersection unless an electric field is intentionally applied. However, due to the influence of noise or the like, the particles may erroneously move to the adjacent intersection with a finite probability. obtain. For this reason, as shown in FIG. 7 (b), when two cells of FIG. 5 (b) are arranged in parallel, the probability is small, but it differs due to one erroneous movement of one particle. There is a possibility that the data changes to a different value because the bit value is changed to the occupied state. On the other hand, in the method of FIG. 7 (a), a single erroneous movement of one particle does not change to the occupied state of different bit values, so that it is erroneously recognized as an erroneous data value. Since it is rare that it is practically impossible and the cell in which an abnormality has occurred is clear, it is also advantageous for error correction.

具体的には、ビット情報の読み出しは、該当する四つの交点を行デコーダ及び列デコーダによって選択し、各交点を流れる電流の大小関係と、図7(a)の四つの占有状態を対応付けることにより行う。   Specifically, the bit information is read by selecting the corresponding four intersections by the row decoder and the column decoder, and associating the magnitude relationship of the current flowing through each intersection with the four occupation states in FIG. Do.

まず、交点Bを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力に、交点Aを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力に、それぞれ入力し、差動増幅器の出力を検出することによって交点Bに存在する粒子数から交点Aに存在する粒子数を引いた値を得て、この値(交点B−交点A)をドライバ内に一時的に保管する。   First, the current flowing through the intersection B is converted into a positive input of the differential amplifier after voltage conversion using a reference resistor, and the current flowing through the intersection A is converted into a voltage using a reference resistance and then input to the negative input of the differential amplifier. Then, by detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection A from the number of particles existing at the intersection B is obtained, and this value (intersection B−intersection A) is temporarily stored in the driver. Keep in.

次に、交点Cを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力に、交点Dを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力に、それぞれ入力し、差動増幅器の出力を検出することによって交点Cに存在する粒子数から交点Dに存在する粒子数を引いた値(交点C−交点D)を得る。そして、先にドライバ内に一時保管した(交点B−交点A)の値から、(交点C−交点D)の値を引くことにより、(交点B+交点D−交点A−交点C)の値を得る。   Next, the current flowing through the intersection C is converted into a positive input of the differential amplifier after voltage conversion using the reference resistor, and the current flowing through the intersection D is converted into a voltage using the reference resistance and then converted into the negative input of the differential amplifier. By inputting and detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection D from the number of particles existing at the intersection C (intersection C-intersection D) is obtained. Then, by subtracting the value of (intersection C-intersection D) from the value of (intersection B-intersection A) temporarily stored in the driver, the value of (intersection B + intersection D-intersection A-intersection C) is obtained. obtain.

同様に、交点Aを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力に、交点Cを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力に、それぞれ入力し、差動増幅器の出力を検出することによって交点Aに存在する粒子数から交点Cに存在する粒子数を引いた値を得て、この値(交点A−交点C)をドライバ内に一時的に保管する。   Similarly, the current flowing through the intersection A is converted to a positive input of the differential amplifier after voltage conversion using a reference resistor, and the current flowing through the intersection C is converted into a voltage using a reference resistance and then converted to the negative input of the differential amplifier. By inputting and detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection C from the number of particles existing at the intersection A is obtained, and this value (intersection A−intersection C) is temporarily stored in the driver. Keep it in a safe place.

次に、交点Dを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のプラス入力に、交点Bを流れる電流を基準抵抗を用いて電圧変換した後に差動増幅器のマイナス入力に、それぞれ入力し、差動増幅器の出力を検出することによって交点Dに存在する粒子数から交点Bに存在する粒子数を引いた値(交点D−交点B)を得る。そして、先にドライバ内に一時保管した(交点A−交点C)の値から、(交点D−交点B)の値を引くことにより、(交点A+交点B−交点C−交点D)の値を得る。   Next, the current flowing through the intersection D is converted into a positive input of the differential amplifier after voltage conversion using a reference resistor, and the current flowing through the intersection B is converted into a voltage using a reference resistance and then converted into a negative input of the differential amplifier. By inputting and detecting the output of the differential amplifier, a value obtained by subtracting the number of particles existing at the intersection B from the number of particles existing at the intersection D (intersection D−intersection B) is obtained. Then, by subtracting the value of (intersection D−intersection B) from the value of (intersection A−intersection C) temporarily stored in the driver, the value of (intersection A + intersection B−intersection C−intersection D) is obtained. obtain.

そして、図7(a)の例では、
(交点B+交点D)−(交点A+交点C)が零で
(交点A+交点B)−(交点C+交点D)が負の
場合にビット値“0”(第1状態)を対応させ、
(交点B+交点D)−(交点A+交点C)が負で
(交点A+交点B)−(交点C+交点D)が零の
場合にビット値“1”(第2状態)を対応させ、
(交点B+交点D)−(交点A+交点C)が零で
(交点A+交点B)−(交点C+交点D)が正の
場合にビット値“2”(第3状態)を対応させ、
(交点B+交点D)−(交点A+交点C)が正で
(交点A+交点B)−(交点C+交点D)が零の
場合にビット値“3”(第4状態)を対応させる。そして、上述の組み合わせ以外の場合には、該当セルはエラーであると判定することができる。
And in the example of Fig.7 (a),
When (intersection B + intersection D)-(intersection A + intersection C) is zero and (intersection A + intersection B)-(intersection C + intersection D) is negative, the bit value "0" (first state) is associated.
When (intersection B + intersection D)-(intersection A + intersection C) is negative and (intersection A + intersection B)-(intersection C + intersection D) is zero, the bit value "1" (second state) is associated.
When (intersection B + intersection D)-(intersection A + intersection C) is zero and (intersection A + intersection B)-(intersection C + intersection D) is positive, the bit value "2" (third state) is associated.
When (intersection B + intersection D)-(intersection A + intersection C) is positive and (intersection A + intersection B)-(intersection C + intersection D) is zero, the bit value "3" (fourth state) is associated. Then, in cases other than the above combinations, it can be determined that the corresponding cell is an error.

このような読み出し方法は、共通の行及び列アドレス線を流れる電流の差分を用いてビット値の判定を行うため、行及び列アドレス線の抵抗ばらつき等の存在する場合にも高精度に検出が可能であり、マージンの拡大を図ることが可能である。従来のセル毎に駆動MOSFETを設ける記憶装置では、MOSFETの閾値制御が必要なため、線幅の10%以下、望ましくは5%以下の線幅ばらつきに抑える必要があったが、本実施形態を用いることにより、そのような厳しい線幅制御を必要とせず、容易にセルを構成することが可能となる。   In such a reading method, since the bit value is determined using the difference between the currents flowing through the common row and column address lines, the detection can be performed with high accuracy even when there is resistance variation in the row and column address lines. It is possible to increase the margin. In a conventional memory device in which a driving MOSFET is provided for each cell, it is necessary to control the threshold value of the MOSFET, so that it is necessary to suppress the line width variation to 10% or less, preferably 5% or less of the line width. By using the cell, it is possible to easily configure the cell without requiring such strict line width control.

一方、書き込みは、中間状態として四つの交点の対角線上の交点に粒子が存在する状態を経由することで、2回の粒子移動により、異なるビット値に書き換えることが可能となる。例えば、交点Bと交点Cに粒子が存在する状態を中間状態とすると、ビット値“0”の場合には、交点Bを行デコーダ及び列デコーダを用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加することにより、1回目の粒子移動として交点Dの粒子を交点Bへ移動する。   On the other hand, writing can be rewritten to a different bit value by two particle movements by passing through a state where particles exist at the intersections on the diagonal line of the four intersections as an intermediate state. For example, when the state where particles exist at the intersection B and the intersection C is an intermediate state, when the bit value is “0”, the intersection B is selected using a row decoder and a column decoder, and a predetermined voltage is applied for a predetermined time. As a result, the particle at the intersection D is moved to the intersection B as the first particle movement.

前述のように、一度の操作では粒子が移動しない場合があるので、この状態で読み出し操作、即ち交点Bと交点Dをデコーダにより選択し、両者を流れる電流の比較を行う。所望の状態となっていない場合には、再び交点Bを行デコーダ及び列デコーダを用いて選択して所定の電圧を所定の時間印加し、再度該当交点の粒子の有無を確認する、という一連の動作を所望の状態となるまで繰り返す。或いは、交点Bを行デコーダ及び列デコーダを用いて選択し所定の電圧を所定の時間印加し、このまま交点Dを追加選択して該当両交点の電流を検出し、該当セルの内容を読み出し、所望の状態になっていない場合には、交点Bの選択をオンのまま交点Dの選択をオフとし、1クロック・サイクル以上経過した後に交点Dの選択をオンとし、再度該当セルのデータの内容を確認する、という一連の作業を所望の状態となるまで繰り返す。   As described above, since the particles may not move in one operation, the reading operation is performed in this state, that is, the intersection point B and the intersection point D are selected by the decoder, and the currents flowing through the two are compared. If it is not in the desired state, the intersection B is again selected using the row decoder and the column decoder, a predetermined voltage is applied for a predetermined time, and the presence / absence of particles at the corresponding intersection is confirmed again. The operation is repeated until a desired state is obtained. Alternatively, the intersection B is selected using a row decoder and a column decoder, a predetermined voltage is applied for a predetermined time, the intersection D is additionally selected as it is, the current at the corresponding intersection is detected, the contents of the corresponding cell are read, and the desired cell is read out. If not, the selection of the intersection D is turned off while the selection of the intersection B is kept on, the selection of the intersection D is turned on after one clock cycle or more has passed, and the contents of the data in the corresponding cell are changed again. A series of operations of confirming is repeated until a desired state is achieved.

同様に、ビット値“1”の場合には交点Aの粒子を交点Bへ、ビット値“2”の場合には交点Aの粒子を交点Cへ、ビット値“3”の場合には交点Dの粒子を交点Cへ移動させることにより、交点Bと交点Cに粒子が存在する中間状態とすることが可能である。   Similarly, when the bit value is “1”, the particle at the intersection A is to the intersection B, when the bit value is “2”, the particle at the intersection A is to the intersection C, and when the bit value is “3”, the intersection D is set. By moving these particles to the intersection C, it is possible to achieve an intermediate state where the particles exist at the intersection B and the intersection C.

この中間状態から、同様な手順を用いて2回目の粒子移動として、ビット値“0”を書き込む場合には交点Bの粒子を交点Dへ、ビット値“1”を書き込む場合には交点Bの粒子を交点Aへ、ビット値“2”を書き込む場合には交点Cの粒子を交点Aへ、ビット値“3”を書き込む場合には交点Cの粒子を交点Dへ移動させることにより、所定の状態に書き込みが完了する。   From this intermediate state, as a second particle movement using the same procedure, when writing the bit value “0”, the particle at the intersection B is written to the intersection D, and when the bit value “1” is written, the particle at the intersection B is written. When writing a particle to the intersection point A, a bit value “2” is written, the particle at the intersection point C is moved to the intersection point A, and when writing a bit value “3”, the particle at the intersection point C is moved to the intersection point D. Writing to the state is complete.

ここでは、中間状態として、交点Bと交点Cに粒子の存在する状態を用いたが、交点Aと交点Dに粒子の存在する場合を中間状態としても、全く同様に動作が可能である。なお、万一書き込み前の状態がエラー状態である場合には、既に交点Bと交点Cに粒子の存在する中間状態か、交点Aと交点Dに粒子の存在する中間状態の何れかになっているので、1回の粒子移動により書き込みを完了することが可能である。また、記憶の信頼性を増すために、書き込み直後に読み出し操作を行い、書き込んだ情報が正しく記憶されていることを確かめてもかまわない。そして、本方式においても、読み出し・書き込み共にランダム・アクセスが可能であることが特徴の一つとなる。   Here, as an intermediate state, a state where particles exist at the intersection B and the intersection C is used. However, even when particles exist at the intersection A and the intersection D, the operation can be performed in the same manner. If the state before writing is an error state, it is either an intermediate state in which particles are already present at the intersection B and the intersection C, or an intermediate state in which particles are present at the intersection A and the intersection D. Therefore, writing can be completed by one particle movement. In addition, in order to increase the reliability of storage, a read operation may be performed immediately after writing to confirm that the written information is correctly stored. One feature of this method is that random access is possible for both reading and writing.

これまでに説明したように、本実施形態では、情報の読み書きには電荷を用いているが、記憶には蓄積された電荷ではなく粒子の存在位置を用いているため、記憶内容が自然放射線の影響を受けにくい特徴がある。さらに、粒子の大きさが前述の例のように10nmのオーダーなので、粒子に働く重力は高々10-18 N程度に過ぎず、粒子に働く重力や外部衝撃に起因する粒子の運動は無視することが可能であり、当然のことではあるが、磁性も利用していないので、磁場の影響を受けることもなく、外乱の影響を極めて受けにくい記憶装置となる。 As described so far, in this embodiment, charges are used for reading and writing information, but the stored contents are not the accumulated charges but the positions of the particles, so the stored contents are natural radiation. There are characteristics that are not easily affected. Furthermore, since the particle size is on the order of 10 nm as in the above example, the gravitational force acting on the particle is only about 10 -18 N, and the motion of the particle due to the gravitational force acting on the particle or external impact should be ignored. As a matter of course, since magnetism is not used, the memory device is not affected by a magnetic field and is hardly affected by a disturbance.

(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係わる記憶装置の全体構成を示す斜視図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing the overall configuration of the storage device according to the second embodiment of the present invention.

通常のSi基板51上に、通常用いられるプロセスにより配線層を含むCMOS回路52が構成され、この上に複数のメモリセル部54を含む層53が形成されている。図8の個々のメモリセル部54が前記図6のメモリセル配列41に対応し、また、図6のドライバ・デコーダ及び上位ブロックを含む、通常のメモリにおいて周辺回路と呼ばれている部分が図8のCMOS回路52に含まれている。   A CMOS circuit 52 including a wiring layer is formed on a normal Si substrate 51 by a commonly used process, and a layer 53 including a plurality of memory cell portions 54 is formed thereon. 8 corresponds to the memory cell array 41 of FIG. 6, and a portion called a peripheral circuit in a normal memory including the driver / decoder and the upper block of FIG. 6 is shown. 8 CMOS circuits 52 are included.

なお、CMOS回路52は、メモリセル部54との接続部を除き、メモリセル部54の配線よりも緩い、90nmデザインルールで設計製作を行った。1個のメモリセル部54は約11μm角の領域を占有し、256×256の交点を含む。各メモリセル部54の周囲にCMOS回路52との電気的接続部を有し、これらのメモリセル部54と周辺の接続部を単位としたブロックが、マトリックス状に配置されている。さらに、メモリセル部54を含む層53にはスルーホールが形成され、CMOS回路52の入出力部と電気的な結合を有する端子から構成される、装置の入出力部55が、図8に示すように、メモリセル部54を含む層53の端部に形成されている。   The CMOS circuit 52 was designed and manufactured according to the 90 nm design rule, which is looser than the wiring of the memory cell portion 54 except for the connection portion with the memory cell portion 54. One memory cell portion occupies an area of about 11 μm square and includes 256 × 256 intersections. Each memory cell portion 54 has an electrical connection portion with the CMOS circuit 52 around the memory cell portion 54, and blocks each having the memory cell portion 54 and the peripheral connection portion as a unit are arranged in a matrix. Further, an input / output unit 55 of the device, which includes a terminal having a through hole formed in the layer 53 including the memory cell unit 54 and electrically coupled to the input / output unit of the CMOS circuit 52, is shown in FIG. Thus, it is formed at the end of the layer 53 including the memory cell portion 54.

このような構成により、CMOS回路52の保護膜に相当する部分をメモリセル部54に形成される絶縁膜で兼用することが可能となり、一方、メモリセル部54とCMOS回路52が垂直方向に結合するため、チップ面積の増大を伴わずに動作時間の短縮や同時に読み書きできるセル数の大幅な増加が可能となる。なお、装置の入出力部55は、通常の半導体装置と同様にパッケージ工程においてリードフレームにボンディングされる。   With such a configuration, a portion corresponding to the protective film of the CMOS circuit 52 can be used as an insulating film formed in the memory cell portion 54, while the memory cell portion 54 and the CMOS circuit 52 are coupled in the vertical direction. Therefore, it is possible to shorten the operation time and increase the number of cells that can be read / written simultaneously without increasing the chip area. The input / output unit 55 of the device is bonded to the lead frame in the packaging process in the same manner as a normal semiconductor device.

また、前述のように1個のメモリセル部54には256×256の交点が存在するので、四つの交点で構成されるセルに1ビットの情報を割り当てる場合には、128×128=16384ビットの情報を割り当てることが可能である。しかし、メモリの信頼度を向上させるために、この一部に誤り訂正符号ビットを割り当てて用いることもある。例えば、外部との入出力データ8ビットにつき1ビットの誤り訂正符合ビットを割り当てると、同じ配列には約14336〜14563ビットの正味の情報を割り当てることになる。これにより、同一配列に収納することのできる情報量は減少するが、メモリの信頼性を大幅に向上することが可能となる。   As described above, since there are 256 × 256 intersections in one memory cell unit 54, 128 × 128 = 16384 bits are assigned when 1-bit information is allocated to a cell composed of four intersections. It is possible to assign information. However, in order to improve the reliability of the memory, an error correction code bit may be assigned to a part of the memory and used. For example, if 1 error correction code bit is assigned to 8 bits of external input / output data, net information of about 14336 to 14563 bits is assigned to the same array. As a result, the amount of information that can be stored in the same array is reduced, but the reliability of the memory can be greatly improved.

誤り訂正符合は、メモリセル部54内の同一行内に配置する場合や、同一のメモリセル部54内に配置する場合、或いはデータも含めて複数のメモリセル部54に分散して配置する場合が可能であり、CMOS回路52により、いずれの配置を行うかを決めることができる。高速のデータ読み書きのためには、メモリセル部54内の同一行内に配置することが望ましく、データの冗長性を増すためには、できる限り広い範囲にデータが分散していることが望ましいので、複数のメモリセル部54に分散して配置する方が有利である。同一のメモリセル部54内に配置する場合は、両者の中間的な特性となる。   The error correction codes may be arranged in the same row in the memory cell unit 54, arranged in the same memory cell unit 54, or distributed in a plurality of memory cell units 54 including data. It is possible, and the CMOS circuit 52 can determine which arrangement is performed. In order to read and write data at high speed, it is desirable to arrange them in the same row in the memory cell unit 54, and in order to increase the redundancy of data, it is desirable that the data is distributed as wide as possible. It is advantageous to disperse the memory cell units 54. When arranged in the same memory cell portion 54, the characteristics are intermediate between the two.

さらに、通常のメモリと同様に、製造時の欠陥を救済するリダンダンシ回路に対応して、メモリセル部54内に予備の行配線と列配線を備えておくことにより、製造歩留まりを向上させることが可能である。本実施形態では、1個のメモリセル部54の大きさが約11μm角と小さいので、メモリセル部54の予備を設けておくことにより、256×256の交点を含むブロックを一括して回路的に入れ替えて、欠陥を救済する方法も可能である。   Further, as in the case of a normal memory, the manufacturing yield can be improved by providing spare row wiring and column wiring in the memory cell portion 54 corresponding to a redundancy circuit that relieves defects during manufacturing. Is possible. In the present embodiment, since the size of one memory cell portion 54 is as small as about 11 μm square, by providing a spare memory cell portion 54, blocks including intersections of 256 × 256 are integrated into a circuit. It is also possible to relieve the defects by replacing them with.

そして、救済回路とは別に、メモリセル部54の周辺部に記憶領域として使用しない行配線或いは列配線、或いは行配線と列配線の両方を配置しておくことにより、メモリセル部54の内部で粒子の過不足が発生した場合に、粒子を供給或いは保管しておく領域を確保することが可能となる。この領域は、行デコーダ,列デコーダ,ドライバ等の回路は、記憶領域として用いる部分と同様に接続されており、外見上の差異は無い。機能の差を与えているのはCMOS回路52の上位ブロックであり、具体的には次のような初期化手順で利用される。   Separately from the relief circuit, the row wiring or the column wiring that is not used as the storage area, or both the row wiring and the column wiring are arranged in the peripheral portion of the memory cell section 54, so that the inside of the memory cell section 54 is provided. When excess or deficiency of particles occurs, it is possible to secure an area for supplying or storing particles. In this area, circuits such as a row decoder, a column decoder, and a driver are connected in the same way as a portion used as a storage area, and there is no difference in appearance. The difference in function is given to the upper block of the CMOS circuit 52. Specifically, it is used in the following initialization procedure.

まず、メモリセル部54内の各交点に順次所定の電圧を印加して流れる電流を測定し、各交点に存在する粒子の数を測定する。次に、記憶領域として用いる部分に粒子の数の過不足があった場合には、隣接する交点に順次粒子を動かすことにより、過不足を解消する。この際、記憶領域全体で不足がある場合には、記憶領域外の保管領域から粒子を供給する。逆に、記憶領域全体で粒子が過剰の場合には、記憶領域外の保管領域に粒子を収納する。最後に、記憶領域の交点に存在する粒子の数を再測定し、所定の粒子数となっていることを確認する。   First, a predetermined voltage is sequentially applied to each intersection in the memory cell unit 54 to measure the flowing current, and the number of particles present at each intersection is measured. Next, when there is an excess or deficiency in the number of particles in the portion used as the storage area, the excess or deficiency is eliminated by moving the particles sequentially to adjacent intersections. At this time, if there is a shortage in the entire storage area, the particles are supplied from a storage area outside the storage area. On the other hand, when the particles are excessive in the entire storage area, the particles are stored in a storage area outside the storage area. Finally, the number of particles present at the intersection of the storage areas is measured again to confirm that the number of particles is a predetermined number.

(第3の実施形態)
図9〜図12は、本発明の第3の実施形態に係わる記憶装置の製造工程を示す断面図である。これは、第2の実施形態で説明した記憶装置の製造工程を記述したものである。
(Third embodiment)
9 to 12 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the memory device according to the third embodiment of the present invention. This describes the manufacturing process of the storage device described in the second embodiment.

まず、図9(a)に示すように、厚さ625μmのSi基板51の一主面に、通常のCMOSプロセスを用いて、所望のCMOS回路52を形成する。このCMOS回路52は、通常のMOSFETと多層配線に加えて、メモリセル配列への接続線を含んでいる。続いて、図9(b)に示すように、この基板上にTEOSを主原料とするCVD法により、SiO2 からなる膜厚30nmの絶縁膜61を形成する。 First, as shown in FIG. 9A, a desired CMOS circuit 52 is formed on one main surface of a 625 μm-thick Si substrate 51 using a normal CMOS process. The CMOS circuit 52 includes a connection line to the memory cell array in addition to a normal MOSFET and multilayer wiring. Subsequently, as shown in FIG. 9B, an insulating film 61 made of SiO 2 and having a thickness of 30 nm is formed on the substrate by a CVD method using TEOS as a main material.

次いで、図9(c)に示すように、インプリントリソグラフィーの技術を用いて、ピッチ40nmのレジストパターン(図示せず)を形成し、得られたレジストパターンをマスクとして、CHF3 及びCOガスを用いて反応性イオンエッチングによりSiO2 膜61をパターニングする。続いて、図9(d)に示すように、スパッタリング法によりAl膜を形成した後、いわゆるリフロー処理を行い、パターン溝内にAl膜62を凝集埋め込み後、CMP法により余分なAl膜の除去を行った。 Next, as shown in FIG. 9C, a resist pattern (not shown) having a pitch of 40 nm is formed by using the imprint lithography technique, and CHF 3 and CO gas are formed using the obtained resist pattern as a mask. Then, the SiO 2 film 61 is patterned by reactive ion etching. Subsequently, as shown in FIG. 9D, after an Al film is formed by sputtering, so-called reflow processing is performed, and the Al film 62 is agglomerated and embedded in the pattern groove, and then the excess Al film is removed by CMP. Went.

一方、図10(a)に示すように、別の厚さ625μmの希フッ酸により洗浄処理されたSi基板71を用意し、この基板71の全面に温度950℃で膜厚300nmの熱酸化膜72を形成する。続いて、図10(b)に示すように、LPCVD法により膜厚200nmのSi3 4 膜73を形成した後、裏面側のSi3 4 膜73及びSiO2 膜72を剥離する。その後、図10(c)に示すように、基板表面側のSi3 4 膜73上にTEOSを主原料とするCVD法により、SiO2 からなる膜厚30nmの絶縁膜74を形成する。 On the other hand, as shown in FIG. 10A, another Si substrate 71 cleaned with dilute hydrofluoric acid having a thickness of 625 μm is prepared, and a thermal oxide film having a thickness of 300 nm is formed on the entire surface of the substrate 71 at a temperature of 950 ° C. 72 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 10B, after a Si 3 N 4 film 73 having a film thickness of 200 nm is formed by LPCVD, the Si 3 N 4 film 73 and the SiO 2 film 72 on the back surface side are peeled off. Thereafter, as shown in FIG. 10C, an insulating film 74 made of SiO 2 and having a thickness of 30 nm is formed on the Si 3 N 4 film 73 on the substrate surface side by a CVD method using TEOS as a main material.

次いで、図10(d)に示すように、インプリントリソグラフィーの技術を用いて、ピッチ40nmのレジストパターン(図示せず)を形成し、得られたレジストパターンをマスクとして、CHF3 及びCOガスを用いて反応性イオンエッチングによりSiO2 膜74をパターニングする。続いて、図10(e)に示すように、スパッタリング法によりAl膜を形成した後、いわゆるリフロー処理を行い、パターン溝内にAl膜75を凝集埋め込み後、CMP法により余分なAl膜の除去を行った。 Next, as shown in FIG. 10 (d), a resist pattern (not shown) having a pitch of 40 nm is formed by using the imprint lithography technique, and CHF 3 and CO gas are added using the obtained resist pattern as a mask. The SiO 2 film 74 is patterned by reactive ion etching. Subsequently, as shown in FIG. 10E, after forming an Al film by a sputtering method, a so-called reflow process is performed, and after the Al film 75 is agglomerated and embedded in the pattern groove, an excess Al film is removed by the CMP method. Went.

次いで、図10(f)に示すように、プラズマ窒化処理を行いSiO2 表面に極薄いSiN層76を形成した後、TEOSを主原料とするCVD法により、SiO2 からなる膜厚60nmの絶縁膜77を形成する。 Then, as shown in FIG. 10 (f), after the formation of an extremely thin SiN layer 76 on the SiO 2 surface by plasma nitriding process, a CVD method using TEOS as a main material, the thickness 60nm of SiO 2 insulating A film 77 is formed.

次いで、図11(g)に示すように、フォトリソグラフィー工程により、CMOS回路52との接続部のパターニングを行い、レジストパターン(図示せず)をマスクとして、CHF3 及びCOガスを用いて反応性イオンエッチングによりSiO2 膜77をパターニングする。続いて、図11(h)に示すように、再びスパッタリング法によりAl膜を形成した後、いわゆるリフロー処理を行い、得られた開口部にAl膜78を凝集埋め込み後、CMP法により余分なAl膜の除去を行った。 Next, as shown in FIG. 11G, patterning is performed on the connection portion with the CMOS circuit 52 by a photolithography process, and the resist pattern (not shown) is used as a mask to react with CHF 3 and CO gas. The SiO 2 film 77 is patterned by ion etching. Subsequently, as shown in FIG. 11 (h), after forming an Al film again by the sputtering method, so-called reflow treatment is performed, and after the Al film 78 is coagulated and embedded in the obtained opening, excess Al is formed by the CMP method. The film was removed.

次いで、図11(i)に示すように、フォトリソグラフィー工程により、メモリセル配列部のパターニングを行い、レジストパターン(図示せず)をマスクとして、CHF3 及びCOガスを用いて反応性イオンエッチングによりSiO2 膜77をパターニングする。このとき、先に界面に形成した極薄SiN層76がエッチング停止層として機能する。続いて、図11(j)に示すように、逆ミセル法により形成された粒径20nmのコロイダルシリカ粒子をイソプロピルアルコール中に分散したゾル溶液を、メモリセル配列部に噴霧し、イソプロピルアルコールを気化させることにより、所望量の粒子30をメモリセル配列部に配置する。 Next, as shown in FIG. 11I, patterning of the memory cell array portion is performed by a photolithography process, and reactive ion etching is performed using CHF 3 and CO gas using a resist pattern (not shown) as a mask. The SiO 2 film 77 is patterned. At this time, the ultrathin SiN layer 76 previously formed at the interface functions as an etching stop layer. Subsequently, as shown in FIG. 11 (j), a sol solution in which colloidal silica particles having a particle diameter of 20 nm formed by the reverse micelle method are dispersed in isopropyl alcohol is sprayed on the memory cell array portion to vaporize isopropyl alcohol. By doing so, a desired amount of particles 30 are arranged in the memory cell array section.

次に、図12(a)に示すように、前記図10及び図11の工程により得られた基板を上下反転した後、Al膜75からなる配線が所定の方向となるように回転し、前記図9の工程により得られた基板と位置合せを行い、一気圧の乾燥窒素雰囲気の下で直接接合により2枚の基板を貼り合わせる。図12(b)が貼り合わせた状態である。この図において、Al膜62がワード線、Al膜75がビット線となり、これらの線62,75は互いに直交配置されている。   Next, as shown in FIG. 12A, after the substrate obtained by the steps of FIGS. 10 and 11 is turned upside down, the wiring made of the Al film 75 is rotated so as to be in a predetermined direction. Alignment with the substrate obtained by the process of FIG. 9 is performed, and the two substrates are bonded together by direct bonding under a dry nitrogen atmosphere of 1 atm. FIG. 12B shows the bonded state. In this figure, the Al film 62 is a word line and the Al film 75 is a bit line, and these lines 62 and 75 are arranged orthogonal to each other.

直接接合の強度を確実にするために、貼り合わせ後に200℃の窒素雰囲気で1時間の熱処理を行った。最後に、上側基板71のSi部分をポリッシングにより除去し、入出力部となる配線接続部55を形成した後、検査やダイシング等のいわゆる後工程を行い、記憶装置が完成する。   In order to ensure the strength of direct bonding, heat treatment was performed for 1 hour in a nitrogen atmosphere at 200 ° C. after bonding. Finally, the Si portion of the upper substrate 71 is removed by polishing to form a wiring connection portion 55 serving as an input / output portion, and then a so-called post-process such as inspection or dicing is performed to complete the storage device.

なお、上述のCMP工程において、プロセスがオーバー状態になると、図13の(a)或いは(b)に示すように、ワード線11などの配線中央部が配線端部よりも後退した形状となる。この場合、粒子30が動作時に離脱する際に軌道が上下方向に揃い易く、記憶された情報の保持特性が良くなる利点がある。   In the above-described CMP step, when the process is over, as shown in FIG. 13A or 13B, the central portion of the wiring such as the word line 11 is recessed from the end of the wiring. In this case, there is an advantage that when the particles 30 are separated during operation, the trajectories are easily aligned in the vertical direction, and the retention characteristic of the stored information is improved.

一方、プロセスがアンダー状態になると、図13(c)に示すように、ワード線11などの配線中央部が配線端部よりも突き出た形状となる。この場合には、粒子30が動作時に離脱する際に軌道が左右に分散しやすく、記憶の書き換え特性が良くなる利点がある。従って、どちらの特性を重視するかに依って、プロセスを微調整することも可能である。   On the other hand, when the process is in an under state, as shown in FIG. 13C, the central portion of the wiring such as the word line 11 protrudes from the end of the wiring. In this case, there is an advantage that when the particles 30 leave during operation, the trajectory is easily dispersed to the left and right, and the rewriting characteristics of the memory are improved. Therefore, it is possible to fine tune the process depending on which characteristic is important.

(第4の実施形態)
図14は、本発明の第4の実施形態に係わる記憶装置における読み出し部構成を示す回路構成図である。なお、図中の81は増幅器、82,82a,82bはスイッチ、83は差動増幅器を示している。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a circuit configuration diagram showing the configuration of the reading unit in the storage device according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, 81 is an amplifier, 82, 82a and 82b are switches, and 83 is a differential amplifier.

本実施形態では、読み出し時に、基準抵抗を用いることなく、隣接する交点を流れる電流の差を電圧として検知する。前記図5(b)に示したように、二つの交点で構成されるセルに1ビットの情報を割り当てる例においては、図14(a)に示すように、列配線を接地電位(0V)から浮遊状態に開放した後、他の行配線を0Vに保ったまま、隣接する行配線に+Vと−Vの電圧を印加する。   In the present embodiment, at the time of reading, a difference between currents flowing through adjacent intersections is detected as a voltage without using a reference resistor. As shown in FIG. 5B, in the example in which 1-bit information is assigned to a cell composed of two intersections, the column wiring is connected from the ground potential (0 V) as shown in FIG. After releasing the floating state, + V and −V voltages are applied to adjacent row wirings while keeping other row wirings at 0V.

すると、図14(b)の等価回路を見ると明らかなように、列配線の電位は、電流の大きい方の交点の電位に近づいていき、やがて電位差が粒子の離脱下限に達するところで飽和する。従って、増幅器81を用いて列配線の電位を増幅することにより、列配線の電位が正に変動する場合には、+Vの電圧が印加されている交点を流れる電流が、−Vの電圧が印加されている交点を流れる電流よりも多いことが検知できる。逆に、列配線の電位が負に変動する場合には、−Vの電圧が印加されている交点を流れる電流が、+Vの電圧が印加されている交点を流れる電流よりも多いことが検知できる。なお、読み出し回路を並列に並べることにより、同じ行に配置されている全ての列のセルから同時にデータを読み出すことが可能である。   Then, as is apparent from the equivalent circuit of FIG. 14B, the potential of the column wiring approaches the potential of the intersection with the larger current and eventually becomes saturated when the potential difference reaches the lower limit of particle separation. Therefore, when the potential of the column wiring fluctuates positively by amplifying the potential of the column wiring using the amplifier 81, the current flowing through the intersection where the voltage of + V is applied is applied to the voltage of -V. It can be detected that the current is greater than the current flowing through the intersection. On the contrary, when the potential of the column wiring fluctuates negatively, it can be detected that the current flowing through the intersection where the voltage of −V is applied is larger than the current flowing through the intersection where the voltage of + V is applied. . Note that by arranging read circuits in parallel, data can be read simultaneously from cells in all columns arranged in the same row.

先の実施形態と同じ幾何学的配置の場合、Vの値としては0.25V程度が望ましく、このとき、列配線は交点を流れる電流の大小関係に依存して±0.03V変動する。この際、電流の少ない方の交点には0.28Vの電位差が印加されることになるが、この電圧でも電荷1個のみで帯電する条件が守られるので、不都合は発生しない。さらに、隣接セル間の相互作用を完全に排除した読み出しモードとして用いるには、Vの値としては0.24V程度が望ましく、このとき、列配線は交点を流れる電流の大小関係に依存して±0.02V変動する。この際、電流の少ない方の交点には0.26Vの電位差が印加されることになるが、この電圧では隣接セル間に相互作用の無い読み出し専用モードとなる条件が守られる。   In the case of the same geometrical arrangement as in the previous embodiment, the value of V is preferably about 0.25 V. At this time, the column wiring varies ± 0.03 V depending on the magnitude relationship of the current flowing through the intersection. At this time, a potential difference of 0.28 V is applied to the intersection with the smaller current, but no inconvenience arises even at this voltage because the condition of charging with only one charge is maintained. Further, in order to use as a read mode in which the interaction between adjacent cells is completely eliminated, the value of V is preferably about 0.24 V. At this time, the column wiring depends on the magnitude relation of the current flowing through the intersection point. It varies by 0.02V. At this time, a potential difference of 0.26 V is applied to the intersection having the smaller current, but this voltage satisfies the condition of the read-only mode in which there is no interaction between adjacent cells.

また、前記図5(c)に示したように、四つの交点で構成されるセルに1ビットの情報を割り当てる場合には、2回の差動増幅器からの読み出し操作と、読み出し結果の比較が必要であったが、これを1回の差動増幅器からの読み出しで処理することが可能となる。図14(c)に示すように、四つの交点のうち、AとBの接続されている行配線には−Vの電圧を、CとDの接続されている行配線には+Vの電圧を印加し、他の行配線は0Vに固定する。そして、AとCの接続されている列配線を差動増幅器83のプラス入力端に接続し、BとDの接続されている列配線を差動増幅器83のマイナス入力端に接続する。   In addition, as shown in FIG. 5C, when 1-bit information is assigned to a cell composed of four intersections, two read operations from the differential amplifier are compared with the read result. Although necessary, this can be processed by reading from the differential amplifier once. As shown in FIG. 14C, among the four intersections, a voltage of −V is applied to the row wiring connected to A and B, and a voltage of + V is applied to the row wiring connected to C and D. And other row wirings are fixed at 0V. The column wiring connected to A and C is connected to the positive input terminal of the differential amplifier 83, and the column wiring connected to B and D is connected to the negative input terminal of the differential amplifier 83.

すると、交点Cを流れる電流が交点Aを流れる電流よりも大きいときに、差動増幅器83のプラス入力は正となり、交点Bを流れる電流が交点Dを流れる電流よりも大きいときに、差動増幅器83のマイナス入力は負となり、差動増幅器83の出力は正となる。逆に、交点Aを流れる電流が交点Cを流れる電流よりも大きいときに、差動増幅器83のプラス入力は負となり、交点Dを流れる電流が交点Bを流れる電流よりも大きいときに、差動増幅器83のマイナス入力は正となり、差動増幅器83の出力は負となる。   Then, when the current flowing through the intersection C is larger than the current flowing through the intersection A, the positive input of the differential amplifier 83 becomes positive, and when the current flowing through the intersection B is larger than the current flowing through the intersection D, the differential amplifier The negative input of 83 becomes negative, and the output of the differential amplifier 83 becomes positive. On the contrary, when the current flowing through the intersection A is larger than the current flowing through the intersection C, the positive input of the differential amplifier 83 becomes negative, and when the current flowing through the intersection D is larger than the current flowing through the intersection B, the differential The negative input of the amplifier 83 is positive, and the output of the differential amplifier 83 is negative.

従って、(交点C−交点A+交点B−交点D)の符号と差動増幅器83の出力の符号が対応することとなり、セルのビット情報を1個の差動増幅器83の1回の読み出し操作で読み取ることができる。そして、これにより読み出し時間の短縮が可能となる。なお、図14に記されているスイッチ82,82a,82bは、機械的なものではなく、FETのスイッチング動作を利用し、こちらも高速で切り替えが可能となっている。   Accordingly, the sign of (intersection C-intersection A + intersection B-intersection D) corresponds to the sign of the output of the differential amplifier 83, so that the bit information of the cell can be read out by one differential amplifier 83 once. Can be read. As a result, the reading time can be shortened. Note that the switches 82, 82a, and 82b illustrated in FIG. 14 are not mechanical, and can be switched at high speed using the switching operation of the FET.

(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、メモリ動作に用いる粒子として、酸化シリコンからなる絶縁体であるコロイダルシリカを用いたが、他の無機酸化物、例えば酸化アルミニウム,酸化チタンを用いることも可能であり、ポリスチレン等の有機物を用いることも可能である。さらに、原理的に絶縁体である必要はないので、例えば導電体であるクロム,ニッケル,銅,金,チタン,アルミニウム等の金属粒子や、それらを含む合金からなる粒子、或いは炭素粒子、半導体であるシリコン粒子等を用いても構わない。粒子の形状も球状である必要は無く、多面体形状や楕円体,柱状であっても構わない。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments. In the embodiment, colloidal silica, which is an insulator made of silicon oxide, is used as the particles used for the memory operation. However, other inorganic oxides such as aluminum oxide and titanium oxide can also be used, and organic substances such as polystyrene can be used. It is also possible to use. Furthermore, since it is not necessary in principle to be an insulator, for example, a metal particle such as a conductor such as chromium, nickel, copper, gold, titanium, and aluminum, a particle made of an alloy containing them, or a carbon particle or a semiconductor. Some silicon particles may be used. The shape of the particles need not be spherical, and may be a polyhedral shape, an ellipsoid, or a column.

また、行線と列線とは必ずしも直交配置する必要はなく、交差配置されている関係であればよい。さらに、第1及び第2の電極間の間隙長や粒子の大きさ等の条件は、仕様に応じて適宜変更可能である。   In addition, the row lines and the column lines do not necessarily have to be orthogonally arranged, and may be in a crossed relationship. Furthermore, conditions such as the gap length between the first and second electrodes and the size of the particles can be appropriately changed according to the specifications.

また、実施形態ではデータ読み出し手段及びデータ書き込み手段の両方を備えた記憶装置として説明したが、必ずしも両方の手段を備える必要はなく、何れか一方のみを備えたものであっても良い。例えば、本発明の記憶装置をROM的に使用することを考えた場合、前記図1に示すような記憶装置本体に対し、ROMを提供する側ではデータ書き込み手段のみを備えていれば良く、ROMを使用する側ではデータ読み出し手段のみを備えていればよい。   Further, in the embodiment, the storage device including both the data reading unit and the data writing unit has been described. However, both units are not necessarily provided, and only one of them may be provided. For example, when considering using the storage device of the present invention as a ROM, the storage device main body as shown in FIG. It is only necessary to provide data reading means on the side using the.

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。   In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

第1の実施形態に係わる記憶装置のセル部構成を示す斜視図。The perspective view which shows the cell part structure of the memory | storage device concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態の動作原理を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the operation | movement principle of 1st Embodiment. 粒子に働く力をグラフ化して示す特性図。The characteristic view which graphs and shows the force which acts on particle | grains. 粒子の移動の様子を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows the mode of movement of particle | grains typically. 交差部とセルの関係、及び粒子による記憶状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the relationship between a cross | intersection part and a cell, and the memory state by particle | grains. 周辺回路を含んだ記憶装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a memory device including a peripheral circuit. 第1の実施形態における記憶状態を説明するためのもので、四つの交点で構成されるセルに多値化により2ビットの情報を割り当てる方式を示す模式図。The schematic diagram which shows the system which allocates the information of 2 bits by multi-value-ization to the cell comprised for four intersections for demonstrating the memory state in 1st Embodiment. 第2の実施形態に係わる記憶装置の全体構成を示す斜視図。The perspective view which shows the whole structure of the memory | storage device concerning 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係わる記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory | storage device concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わる記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory | storage device concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わる記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory | storage device concerning 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係わる記憶装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the memory | storage device concerning 3rd Embodiment. 配線の埋め込み状態と粒子の関係を示す断面図。Sectional drawing which shows the relationship of the embedding state of wiring, and particle | grains. 第4の実施形態に係わる記憶装置における読み出し部構成を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows the read-out part structure in the memory | storage device concerning 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…第1の基板
11,91…行線(第1の電極)
20…第1の基板
21,92,93…列線(第2の電極)
30,94…粒子
31…選択した交点
35,36,37…セル
41…メモリセル配列
42…行デコーダ
43…ドライバ
44…列デコーダ
45…上位ブロック
51,71…Si基板
52…CMOS回路
53…メモリセルを含む層
54…メモリセル部
55…入出力部
61,72,74,77…SiO2 膜(絶縁膜)
62,75,78…Al膜
73…Si3 4
76…SiN膜
81…増幅器
82,82a,82b…スイッチ
83…差動増幅器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st board | substrate 11, 91 ... Row line (1st electrode)
20 ... 1st board | substrate 21, 92, 93 ... Column line (2nd electrode)
30, 94 ... Particle 31 ... Selected intersection 35, 36, 37 ... Cell 41 ... Memory cell array 42 ... Row decoder 43 ... Driver 44 ... Column decoder 45 ... Upper block 51, 71 ... Si substrate 52 ... CMOS circuit 53 ... Memory Layer including cells 54 ... Memory cell portion 55 ... Input / output portion 61, 72, 74, 77 ... SiO 2 film (insulating film)
62,75,78 ... Al film 73 ... Si 3 N 4 film 76 ... SiN film 81 ... amplifier 82 and 82a, 82b ... switch 83 ... differential amplifier

Claims (6)

平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、
平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、
前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、
前記行線を選択する行選択手段と、
前記列線を選択する列選択手段と、
前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ読み出し電圧を印加し、前記選択行線と前記選択列線との交差部に流れる電流を検出して、該交差部における前記粒子の有無を検出するデータ読み出し手段と、
を具備し、
前記交差部は、行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ読み出し手段は、該セル内の各交差部を流れる電流に基づいて、該セル内の二つの粒子が行方向又は列方向に沿って隣接する交差部対の何れに配置されているかを検出することにより、該セルの記憶状態を判定するものであることを特徴とする記憶装置。
A first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel;
A plurality of column lines arranged in parallel, and a second substrate disposed opposite to the first substrate with a gap so that the column lines intersect the row lines;
Particles selectively disposed at each intersection of the row line and the column line, and movable between the opposing row line and the column line and between adjacent intersections;
A row selection means for selecting the row line;
Column selection means for selecting the column line;
A read voltage is applied to the selected row line selected by the row selecting unit and the selected column line selected by the column selecting unit, and a current flowing through the intersection of the selected row line and the selected column line is detected. Data reading means for detecting the presence or absence of the particles at the intersection,
Comprising
The intersecting portion constitutes one cell by four intersecting portions adjacent to each other in the row line direction and the column line direction, and two particles are arranged in the cell. Based on the current flowing through each intersection in the cell, by detecting whether the two particles in the cell are located in adjacent pairs of intersections along the row or column direction, A storage device for determining a storage state.
平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、
平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、
前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、
前記行線を選択する行選択手段と、
前記列線を選択する列選択手段と、
前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ書き込み電圧を印加し、前記選択行線及び前記選択列線の交差部とそれに隣接する交差部との間で前記粒子を移動させることによってデータ書き込みを行うデータ書き込み手段と、
を具備し、
前記交差部は、行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ書き込み手段は、該セルに対応する四つの交差部のうち、行方向又は列方向に隣接する二つの交差部対の何れかに前記粒子が位置するように、隣接する交差部間で前記粒子を移動させるものであることを特徴とする記憶装置。
A first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel;
A plurality of column lines arranged in parallel, and a second substrate disposed opposite to the first substrate with a gap so that the column lines intersect the row lines;
Particles selectively disposed at each intersection of the row line and the column line, and movable between the opposing row line and the column line and between adjacent intersections;
A row selection means for selecting the row line;
Column selection means for selecting the column line;
A write voltage is applied to each of the selected row line selected by the row selecting unit and the selected column line selected by the column selecting unit, and an intersection of the selected row line and the selected column line and an intersection adjacent thereto Data writing means for writing data by moving the particles between,
Comprising
The intersecting portion constitutes one cell by four intersecting portions adjacent to each other in the row line direction and the column line direction, and two particles are arranged in the cell, and the data writing means includes the data writing means, Among the four intersections corresponding to the cell, the particles are moved between the adjacent intersections so that the particles are located at either of the two intersection pairs adjacent in the row direction or the column direction. A storage device.
平行配置された複数本の行線が設けられた第1の基板と、
平行配置された複数本の列線が設けられ、該列線が前記行線と交差するように、第1の基板と間隙を介して対向配置された第2の基板と、
前記行線と前記列線との各交差部に選択的に配置され、且つ対向する行線と列線間及び隣接する交差部間で移動可能な粒子と、
前記行線を選択する行選択手段と、
前記列線を選択する列選択手段と、
前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ読み出し電圧を印加し、前記選択行線と前記選択列線との交差部に流れる電流を検出して、該交差部における前記粒子の有無を検出するデータ読み出し手段と、
前記行選択手段により選択された選択行線と前記列選択手段により選択された選択列線にそれぞれ書き込み電圧を印加し、前記選択行線及び前記選択列線の交差部とそれに隣接する交差部との間で前記粒子を移動させることによってデータ書き込みを行うデータ書き込み手段と、
を具備し、
前記交差部は行線方向及び列線方向にそれぞれ隣接する四つの交差部で一つのセルを構成し、該セル内に二つの粒子が配置されるものであり、前記データ読み出し手段は、該セル内の各交差部を流れる電流に基づいて、該セル内の二つの粒子が行方向又は列方向に沿って隣接する交差部対の何れに配置されているかを検出することにより、該セルの記憶状態を判定するものであり、
前記データ書き込み手段は、該セルに対応する四つの交差部のうち、行方向又は列方向に隣接する二つの交差部対の何れかに前記粒子が位置するように、隣接する交差部間で前記粒子を移動させるものであることを特徴とする記憶装置。
A first substrate provided with a plurality of row lines arranged in parallel;
A plurality of column lines arranged in parallel, and a second substrate disposed opposite to the first substrate with a gap so that the column lines intersect the row lines;
Particles selectively disposed at each intersection of the row line and the column line, and movable between the opposing row line and the column line and between adjacent intersections;
A row selection means for selecting the row line;
Column selection means for selecting the column line;
A read voltage is applied to the selected row line selected by the row selecting unit and the selected column line selected by the column selecting unit, and a current flowing through the intersection of the selected row line and the selected column line is detected. Data reading means for detecting the presence or absence of the particles at the intersection,
A write voltage is applied to each of the selected row line selected by the row selecting unit and the selected column line selected by the column selecting unit, and an intersection of the selected row line and the selected column line and an intersection adjacent thereto Data writing means for writing data by moving the particles between,
Comprising
The intersecting portion is composed of four intersecting portions adjacent to each other in the row line direction and the column line direction, and two particles are arranged in the cell, and the data reading means includes the cell Based on the current flowing through each intersection in the cell, the memory of the cell is detected by detecting whether the two particles in the cell are located at adjacent intersection pairs along the row or column direction. The condition is judged,
The data writing means may be arranged between adjacent intersections so that the particle is located at any one of two intersection pairs adjacent in the row direction or the column direction among the four intersections corresponding to the cell. A storage device for moving particles.
前記データ読み出し手段は、前記セル内の交差部を通る2本の行線と2本の列線の選択により、該セル内の一方の行方向の二つの交差部に流れる電流の和(A+B)と、別の行方向の二つの交差部に流れる電流の和(C+D)と、一方の列方向の二つの交差部に流れる電流の和(A+C)と、別の列方向の二つの交差部に流れる電流の和(B+D)と、を比較するものであることを特徴とする請求項1又は3記載の記憶装置。   The data reading means selects a sum of currents (A + B) flowing through two intersections in one row direction in the cell by selecting two row lines and two column lines passing through the intersection in the cell. And the sum (C + D) of currents flowing in two intersections in another row direction, the sum of currents (A + C) flowing in two intersections in one column direction, and two intersections in another column direction 4. The storage device according to claim 1, wherein the sum of the flowing currents (B + D) is compared. 前記データ読み出し手段は、
X=(A+B)−(C+D)
Y=(B+D)−(A+C)
としたとき、Xが負でYが0のとき第1状態、Xが0でYが負のとき第2状態、Xが正でYが0のとき第3状態、Xが0でYが正のとき第4状態として判定するものであることを特徴とする請求項4記載の記憶装置。
The data reading means includes
X = (A + B)-(C + D)
Y = (B + D)-(A + C)
The first state when X is negative and Y is 0, the second state when X is 0 and Y is negative, the third state when X is positive and Y is 0, X is 0 and Y is positive The storage device according to claim 4, wherein the determination is made as the fourth state.
前記データ書き込み手段は、前記セルに対応する四つの交差部のうち、一方の対角線方向の二つの交差部又は別の対角線方向の二つの交差部に前記粒子が存在する状態を経て、前記セルに書き込むべきデータに応じて、該セル内の一方の行方向の二つの交差部か、別の行方向の二つの交差部か、一方の列方向の二つの交差部か、別の列方向の二つの交差部か、の何れかに前記粒子が位置するように、隣接する交差部間で前記粒子を移動させるものであることを特徴とする請求項2又は3記載の記憶装置。   The data writing means passes through the state in which the particles are present at two intersections in one diagonal direction or two intersections in another diagonal direction among the four intersections corresponding to the cell. Depending on the data to be written, there are two intersections in one row direction in the cell, two intersections in another row direction, two intersections in one column direction, or two intersections in another column direction. 4. The storage device according to claim 2, wherein the particles are moved between adjacent intersections so that the particles are located at any one of the two intersections.
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