JP5016151B2 - 抵抗変化型不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Description
(メモリセル)
図1Aは本実施形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置が備えるメモリセル(クロスポイントメモリセル)の回路図である。図1Aに示すように、本実施形態では、極性の異なる所定の閾値以上の電圧または電流の印加によりメモリセルの抵抗値が変化する双方向(bipolar)型メモリセルを前提とする。双方向型メモリセルは、抵抗変化が双方向の電圧または電流の印加において生じる抵抗変化型不揮発性記憶素子1(以下、抵抗変化型素子1ともいう)と、この抵抗変化型素子1に直列に接続された双方向(bidirectional)ダイオード素子2とによって構成されている。抵抗変化型素子1は、少なくとも低抵抗状態と高抵抗状態とになり得るものであり、異なる極性の電気的信号の印加に基づいて可逆的に抵抗値(抵抗状態)が変化することにより情報を記憶することができる。すなわち、抵抗変化型素子1は、低抵抗状態のときに、抵抗変化型素子1への印加電圧が第1の極性を有し、その絶対値が所定の第1の電圧を越えたとき、高抵抗状態に変化し、高抵抗状態のときに第1の電圧の印加方向(印加極性)とは反対方向(第2の極性)の抵抗変化型素子1への印加電圧の絶対値が所定の第2の電圧を越えたとき、低抵抗状態に変化する特性を有する。双方向ダイオード素子2は、印加電圧に対して非線形な電流特性を有し、かつ双方向(正電圧領域および負電圧領域)において電流が流れる双方向性を有する。
−It<I<It
の関係を満たしている。一方、電圧VがV≦V2またはV1≦Vを満たす領域では、急激に抵抗値が低下して大きな電流が流れるようになる。このとき、V1≦Vを満たす領域においてIt≦Iとなり、V≦V2を満たす領域においてI≦−Itとなっている。
図6は第1の実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置における基本アレイ面群100の構成を示す回路図である。図6において、ビット線(サブビット線ともいう)が延びる方向をX方向、ワード線が延びる方向をY方向、ビット線やワード線の層が重なる方向をZ方向としている。言い換えると、メモリセルが形成されるベースとなる基板(不図示)の主面と平行な面において直交する方向をX方向およびY方向とし、その基板の主面に積層される方向をZ方向としている。
図7は第2の実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置における基本アレイ面群100の構成を示す回路図である。基本アレイ面0〜4のメモリセルアレイ部分の構成は、図6の場合と同様である。図7では、第1の選択スイッチ素子101〜104および第2の選択スイッチ素子111〜114は、n型MOSトランジスタによって構成されているものとしている。
図8は図7の第2の実施の形態に示す基本アレイ面群100とその周辺回路との接続関係を示す回路図である。図8において、グローバルビット線デコーダ/ドライバ202はグローバルビット線GBLおよび非選択ビット線用グローバルビット線GBL_NSを駆動制御する。つまり、グローバルビット線デコーダ/ドライバ202は、複数のグローバルビット線のうちの少なくとも一つを選択し、選択した少なくとも一つのグローバルビット線に対して、読み出し用電圧を印加すること、および、非選択ビット線用グローバルビット線GBL_NSを駆動することを行う。サブビット線選択回路203はアドレス信号A0〜Axに応じて、第1のビット線選択信号BLs_f0および第2のビット線選択信号BLs_s0を制御する。なお、図8の構成は第1の実施の形態においても適用できる。その場合には、第1の実施の形態においてサブビット線選択回路203は、さらに第3のビット線選択信号BLns_f0および第4のビット線選択信号BLns_s0も制御する。ワード線デコーダ/ドライバ201は各ワード線WLを駆動制御する。
図10は抵抗変化型不揮発性記憶装置500の全体構成を示す回路図である。図10において、主要部300が図9に示す構成に相当している。
図11、図12Aおよび図12Bは、図7に示す第2の実施の形態に示す基本アレイ面群の動作タイミング図である。メモリの動作は、図11に示す書き込みサイクル、消去サイクル、スタンバイ、および図12Aおよび図12Bに示す読み出しサイクルの、4つに大きく分けられる。以下に示す動作は、第1の実施の形態についても同様に説明できる。第1の実施の形態では、第1のビット線選択信号BLs_f0、第2のビット線選択信号BLs_s0のうち、選択された方に、選択電圧Vselが印加される時、さらに第3のビット線選択信号BLns_f0および第4のビット線選択信号BLns_s0に、それぞれ第2のビット線選択信号BLs_s0および第1のビット線選択信号BLs_f0と同様の信号が印加される。
以上では、読み出しサイクルにおいて基本アレイ面群100内の1つの基本アレイ面から、1つのメモリセルのみを読み出す場合について説明した。すなわち、グローバルビット線を1本のみ選択して読み出し動作を行う場合を示したが、図7に示す基本アレイ面群の回路構成では、基本アレイ面群中に含まれる基本アレイ面の数に対応するグローバルビット線を備えている。基本アレイ面群内ではワード線は共通であるため、読み出しサイクルにおいて、これら複数のグローバルビット線を同時に選択することにより、複数の基本アレイ面上の同じワード線に接続されたメモリセルを、同時に読み出すことが可能である。
図14、図15は、第2の実施の形態に係る基本アレイ面群の物理的構造の一実施形態を示す図である。図14は平面図であり、図15は、それぞれ、基本アレイ面0および2、並びに、基本アレイ面1および3の断面図である。図14において、左右方向がビット線BLの延びるX方向、上下方向がワード線WLの延びるY方向であり、紙面に直交する方向がZ方向である。図15において、左右方向がビット線BLの延びるX方向、上下方向がZ方向、紙面に直交する方向がワード線WLの延びるY方向である。
本願発明者らは、多層型の階層ビット線の構造を考えるにあたって、以下の点に注目した。
抵抗変化型不揮発性記憶装置では、書き込みあるいは消去動作時において、書き込み動作あるいは消去動作時にメモリセルに流れる電流の量を制限することが必要とされる場合がある。たとえば、本発明の実施例として示した遷移金属酸化物を用いた抵抗変化型素子の場合、抵抗変化型素子を高抵抗状態から低抵抗状態に変化させる場合(書き込み動作時)である。この場合は、図7に示した本発明の実施形態に係る基本アレイ面群の構成に対し、図21のように電流制限回路171〜175、181〜185を、第1の選択スイッチ素子101〜105および第2の選択スイッチ素子111〜115とグローバルビット線GBL000〜GBL003との間に設ければよい。
次に、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置500が備えるメモリセルアレイ構成について、特に読み出し動作時の選択ビット線と、選択ビット線にY方向において隣接する非選択ビット線における信号の動きとに注目して、その効果を説明する。
BL ビット線
WL ワード線
GBL000〜GBL003 選択ビット線用グローバルビット線
GBL_NS 非選択ビット線用グローバルビット線
BL_e0〜BL_e4 偶数層のビット線
BL_o0〜BL_o4 奇数層のビット線
BLs_f0、BLs_f1 第1のビット線選択信号
BLs_s0、BLs_s1 第2のビット線選択信号
BLns_f0、BLns_f1 第3のビット線選択信号
BLns_s0、BLns_s1 第4のビット線選択信号
BLs_e0、BLs_e1 偶数層選択信号
BLs_o0、BLs_o1 奇数層選択信号
CMP 電流制限制御信号
VREF 読み出し判定電圧
1 抵抗変化型素子
2 双方向ダイオード素子
2a 単方向ダイオード素子
11 下部配線
12 上部配線
13 下部電極
14 ダイオード層
15 内部電極
16 抵抗変化層
16a 第1の抵抗変化層(第1のタンタル酸化物層、第1のハフニウム酸化物層、第1のジルコニウム酸化物層)
16b 第2の抵抗変化層(第2のタンタル酸化物層、第2のハフニウム酸化物層、第2のジルコニウム酸化物層)
17 上部電極
100 基本アレイ面群
101〜105 第1の選択スイッチ素子
106a、106b 拡散層
107 ゲート
107a 第1の選択ゲート
107b 第2の選択ゲート
111〜115 第2の選択スイッチ素子
121〜125 第1のビア群
131〜135 第2のビア群
141〜143、145、147、151、161 ビア
144、146、148、149 配線
171〜175、181〜185 電流制限回路(n型MOSトランジスタ、p型MOSトランジスタ)
200 メモリセルアレイ
201 ワード線デコーダ/ドライバ
202 グローバルビット線デコーダ/ドライバ
203 サブビット線選択回路
211 アドレス入力回路
212 制御回路
213 パルス発生回路
214 書き込み回路
215 データ入出力回路
216 読み出し回路
300 主要部
400 基本アレイ面群
401〜405 偶数層選択スイッチ素子
411〜415 奇数層選択スイッチ素子
421〜425 偶数層コンタクトビア
431〜435 奇数層コンタクトビア
500 抵抗変化型不揮発性記憶装置
501〜505 第3の選択スイッチ素子
511〜515 第4の選択スイッチ素子
Claims (11)
- 電気的信号に基づいて可逆的に抵抗状態が変化する抵抗変化型素子を有するメモリセルを備えた抵抗変化型不揮発性記憶装置であって、
基板と、
前記基板の主面と平行な面において直交する方向をX方向およびY方向とし、前記基板の主面に積層される方向をZ方向とした場合に、X方向に延びるビット線がY方向に複数並べられて構成された層がZ方向に積層されて構成された複数層分のビット線と、
前記複数層分のビット線の層間のそれぞれに形成され、Y方向に延びるワード線がX方向に複数並べられて構成された層がZ方向に積層されて構成された複数層分のワード線と、
前記複数層分のビット線と前記複数層分のワード線との交点のそれぞれに形成され、当該ビット線と当該ワード線とに挟まれた複数の前記メモリセルを有するメモリセルアレイであって、前記複数層分のビット線のうち、Y方向の位置が同一である複数層分のビット線と、当該複数のビット線と交差する前記ワード線との間に挟まれた複数の前記メモリセルを基本アレイ面とした場合に、Y方向に並んで配置された複数の前記基本アレイ面から構成される基本アレイ面群を複数、X方向およびY方向にマトリクス上に配置して構成されたメモリセルアレイと、
前記複数の基本アレイ面のそれぞれに対応して設けられた複数の選択ビット線用グローバルビット線と、
前記複数の基本アレイ面に対応して設けられた非選択ビット線用グローバルビット線と、
前記複数の基本アレイ面のそれぞれに対応して設けられた、複数組の第1の選択スイッチ素子、第2の選択スイッチ素子、第3の選択スイッチ素子および第4の選択スイッチ素子の組と、を備え、
前記複数の基本アレイ面のそれぞれは、さらに、当該基本アレイ面内の偶数層のビット線のみを互いにZ方向に接続する第1の内部配線と、当該基本アレイ面内の奇数層のビット線のみを互いにZ方向に接続する第2の内部配線とを有し、
前記複数の基本アレイ面のそれぞれについて、当該基本アレイ面内の前記第1の内部配線は、当該基本アレイ面に対応する、前記第1の選択スイッチ素子および前記第2の選択スイッチ素子の組のうちの一方を介して、当該基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と接続され、当該基本アレイ面内の前記第2の内部配線は、当該基本アレイ面に対応する、前記第1の選択スイッチ素子および前記第2の選択スイッチ素子の組のうちの他方を介して、当該基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と接続され、
前記基本アレイ面群を構成する前記複数の基本アレイ面の一つを第1の基本アレイ面とし、当該第1の基本アレイ面とY方向において隣接する、前記複数の基本アレイ面の他の一つを第2の基本アレイ面とする時、前記第1の基本アレイ面内の前記第1の内部配線と、前記第2の基本アレイ面内の前記第2の内部配線とがY方向において互いに隣接し、かつ、前記第1の基本アレイ面内の前記第2の内部配線と、前記第2の基本アレイ面内の前記第1の内部配線とがY方向において互いに隣接し、
前記第1の基本アレイ面内の前記第1の内部配線は、当該第1の基本アレイ面に対応する前記第1の選択スイッチ素子を介して、当該第1の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と接続され、あるいは当該第1の基本アレイ面に対応する前記第3の選択スイッチ素子を介して前記非選択ビット線用グローバルビット線と接続され、かつ、前記第1の基本アレイ面内の前記第2の内部配線は、当該第1の基本アレイ面に対応する前記第2の選択スイッチ素子を介して当該第1の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と接続され、あるいは当該第1の基本アレイ面に対応する前記第4の選択スイッチ素子を介して前記非選択ビット線用グローバルビット線と接続され、
前記第2の基本アレイ面内の前記第2の内部配線は、当該第2の基本アレイ面に対応する前記第1の選択スイッチ素子を介して、当該第2の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線に接続され、あるいは当該第2の基本アレイ面に対応する前記第3の選択スイッチ素子を介して前記非選択ビット線用グローバルビット線と接続され、かつ、前記第2の基本アレイ面内の前記第1の内部配線は、当該第2の基本アレイ面に対応する前記第2の選択スイッチ素子を介して当該第2の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と接続され、あるいは当該第2の基本アレイ面に対応する前記第4の選択スイッチ素子を介して前記非選択ビット線用グローバルビット線と接続され、
前記複数の基本アレイ面に対応する前記複数の第1の選択スイッチ素子、前記複数の第2の選択スイッチ素子、前記複数の第3の選択スイッチ素子および前記複数の第4の選択スイッチ素子において、前記複数の第1の選択スイッチ素子は共通の第1のビット線選択信号で電気的な接続および非接続が制御され、前記複数の第2の選択スイッチ素子は共通の第2のビット線選択信号で電気的な接続および非接続が制御され、前記複数の第3の選択スイッチ素子は共通の第3のビット線選択信号で電気的な接続および非接続が制御され、前記複数の第4の選択スイッチ素子は共通の第4のビット線選択信号で電気的な接続および非接続が制御される
抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記複数の基本アレイ面のそれぞれにおいて、
前記第1の選択スイッチ素子および前記第3の選択スイッチ素子は、それぞれ、一方が接続される場合他方は非接続となるよう、前記第1のビット線選択信号および前記第3のビット線選択信号で制御され、
前記第2の選択スイッチ素子および前記第4の選択スイッチ素子は、それぞれ、一方が接続される場合他方は非接続となるよう、前記第2のビット線選択信号および前記第4のビット線選択信号で制御され、かつ
前記第1の選択スイッチ素子および前記第2の選択スイッチ素子は、それぞれ、一方が接続される場合他方は非接続となるよう、前記第1のビット線選択信号および前記第2のビット線選択信号で制御される、請求項1に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記複数の第1の選択スイッチ素子および前記複数の第3の選択スイッチ素子は、それぞれ、n型MOSトランジスタおよびp型MOSトランジスタの一方および他方で構成され、
前記複数の第2の選択スイッチ素子および前記複数の第4の選択スイッチ素子は、それぞれ、n型MOSトランジスタおよびp型MOSトランジスタの一方および他方で構成され、
前記第1のビット線選択信号と前記第3のビット線選択信号とは同一の信号であり、
前記第2のビット線選択信号と前記第4のビット線選択信号とは同一の信号であり、
前記第1のビット線選択信号と前記第2のビット線選択信号のうち一方が、対応する前記第1から第4の選択スイッチ素子を接続するよう制御し、
前記第1のビット線選択信号と前記第2のビット線選択信号のうち他方が、対応する前記第1から第4の選択スイッチ素子が非接続となるよう制御する、請求項1および2のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記複数の第1の選択スイッチ素子および前記複数の第2の選択スイッチ素子はn型MOSトランジスタで構成され、前記複数の第3の選択スイッチ素子および前記複数の第4の選択スイッチ素子はp型MOSトランジスタで構成される、請求項3に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
- さらに、
前記複数の選択ビット線用グローバルビット線のうちの少なくとも一つを選択し、選択した少なくとも一つの選択ビット線用グローバルビット線に対して読み出し用電圧を印加すること、および、前記非選択ビット線用グローバルビット線に対して予め定められたプリチャージ電圧を印加することを行うグローバルビット線デコーダ/ドライバと、
前記グローバルビット線デコーダ/ドライバで選択された少なくとも一つの選択ビット線用グローバルビット線に対応する基本アレイ面内のメモリセルの抵抗状態を読み出す読み出し回路と、
前記グローバルビット線デコーダ/ドライバを制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記基本アレイ面内のメモリセルから読み出し動作を行う時、前記非選択ビット線用グローバルビット線を介して前記基本アレイ面のビット線に前記プリチャージ電圧が印加されるように、前記グローバルビット線デコーダ/ドライバを制御する、請求項1乃至4のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - さらに、
前記複数の選択ビット線用グローバルビット線のうちの少なくとも一つを選択し、選択した少なくとも一つの選択ビット線用グローバルビット線に対して読み出し用電圧を印加すること、および、前記非選択ビット線用グローバルビット線を駆動することを行うグローバルビット線デコーダ/ドライバと、
前記グローバルビット線デコーダ/ドライバで選択された少なくとも一つの選択ビット線用グローバルビット線に対応する基本アレイ面内のメモリセルの抵抗状態を読み出す読み出し回路と、
前記グローバルビット線デコーダ/ドライバを制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記基本アレイ面内のメモリセルから読み出し動作を行う時、前記非選択ビット線用グローバルビット線がフローティング状態となるように、前記グローバルビット線デコーダ/ドライバを制御する、請求項1乃至4のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。 - 前記非選択ビット線用グローバルビット線は、前記第1の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と平行し、かつ、隣接して配置されるとともに、前記第2の基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線と平行し、かつ、隣接して配置されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
- 前記複数の基本アレイ面のそれぞれについて、当該基本アレイ面内の前記第1の内部配線は、Z方向に、当該基本アレイ面内の奇数層のビット線を隔てて隣接する当該基本アレイ面内の全ての偶数層のビット線間を単一のビアで接続し、当該基本アレイ面内の前記第2の内部配線は、Z方向に、当該基本アレイ面内の偶数層のビット線を隔てて隣接する当該基本アレイ面内の全ての奇数層のビット線間を単一のビアで接続している、請求項1乃至7のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
- さらに、前記複数の基本アレイ面のそれぞれについて、当該基本アレイ面に対応する前記第1の選択スイッチ素子の一端、および、当該基本アレイ面に対応する前記第2の選択スイッチ素子の一端と、当該基本アレイ面に対応する前記選択ビット線用グローバルビット線の間に電流制限回路を備える、請求項1乃至8のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
- さらに、前記第1の基本アレイ面内のメモリセルから読み出し動作を行う時、前記第2の基本アレイ面内のメモリセルからは同時に読み出し動作を行わないようにする読み出し制御回路を備える、請求項1乃至9のいずれかに記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
- 前記読み出し制御回路は、前記第1の基本アレイ面内のメモリセルから読み出し動作を行う時、さらに、前記第1の基本アレイ面とY方向において隣接しない第3の基本アレイ面内のメモリセルから同時に読み出し動作を行うようにする、請求項10に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
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