JP5062176B2 - 半導体記憶装置、半導体記憶装置の製造方法、半導体記憶装置の書き込み方法及び半導体記憶装置の読み出し方法 - Google Patents
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Description
このように、従来のRRAMでは、メモリセルが、シリコン基板上に多数の層が形成された構造を有しているため、多くの製造工程を必要とするという問題があった。また、このような構造のために、メモリセルが占有する体積が大きくなり、RRAMにおけるメモリセルの実装密度が低下してしまうという問題もあった。
上記の課題は、メモリセルに接続されていたソース線SLを不用とする回路構成とし、各メモリセルを簡易な構成にすることによって解決可能である。
本発明では、メモリセルに与えるバイアス電圧を、ビット線BLとワード線WLから印加する構成としたため、本発明によれば、ソース線SLが不要となり、メモリセルを簡易な構造にすることが可能となる。その結果、メモリセルが高密度に配置された半導体記憶装置を提供することが可能となる。
11、31、71…シリコン基板
12、32、52、72…抵抗記憶体
12a、32a、52a…電極(下部電極)
12b、32b、52b、72b…抵抗記憶層
12c、32c…電極(上部電極)
13a、13b、13c…層間絶縁膜
14、34、54、74…選択トランジスタ
16、36、76…ソース領域
17、37、77…ビット線
17−1、17−2、17−3、17−4…ビット線選択トランジスタ
18、38、78…ドレイン領域
19、39…素子分離膜
20、40…メモリセルアレイ
24、25、44、45、84…コンタクトプラグ
37−1、37−2、37−3、37−4…ビット線選択トランジスタ
72a、72c…電極
−抵抗記憶材料の基本特性−
まず、以下に示す実施例に使用される抵抗記憶材料の基本特性(電流−電圧特性)の一例を、図1を用いて説明する。なお、図1は、抵抗記憶材料として、酸化チタン(TiOx)を用いた場合のグラフである。
次に、実施例1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を、図2を使用して説明する。図2Aは、実施例1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルを示す回路図であり、図2Bは、実施例1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構造を示す概略断面図である。
図3は、図2のメモリセル10をマトリクス状に配置したメモリセルアレイ20の回路を示した図である。また、図3に示したメモリセルアレイを実際にシリコン基板上に配置した例を図6に示す。図6に示すように、メモリセル10は、行方向及び列方向に並んで配置される。
最初に、抵抗記憶体32の抵抗状態を高抵抗状態から低抵抗状態へ切り換えるセット動作について説明する。なお、説明は、図3の点線で囲ったメモリセル10について行う。
次に、抵抗記憶体12の抵抗状態を低抵抗状態から高抵抗状態へ切り換えるリセット動作について説明する。なお、説明は、図3の点線で囲ったメモリセル10について行う。
次に、各メモリセル10に対するデータの読み出し制御について、図3及び図5を参照しながら説明する。なお、図5は、図3で示したメモリセルアレイ20における読み出し制御のタイムチャートを表した図である。なお、説明は、図3の点線で囲ったメモリセル10について行う。
次に、実施例2に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を、図11を用いて説明する。図11Aは、実施例2に係る半導体記憶装置におけるメモリセルを示す回路図であり、図11Bは、実施例2に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構造を示す概略断面図である。
次に、実施例3に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を、図14を用いて説明する。図14Aは、実施例3に係る半導体記憶装置におけるメモリセルを示す回路図であり、図14Bは、実施例3に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構造を示す概略断面図である。
Claims (10)
- 複数のワード線と、
前記ワード線に交差する方向に配置される複数のビット線と、
前記ワード線とビット線とが交差する位置にそれぞれ配置されるメモリセルとを有し、
前記複数のメモリセルの各々が、抵抗記憶体と、前記抵抗記憶体への電圧の印加を制御する選択トランジスタとを有し、且つ、各々の前記メモリセルにおいて前記選択トランジスタのドレインは前記抵抗記憶体の一方の電極と接続され、
前記ワード線は、該ワード線に沿って配置されたメモリセル群に含まれる複数の前記選択トランジスタのゲートに接続されるとともに、前記メモリセル群に含まれる複数の前記抵抗記憶体の他方の電極に接続され、
前記ビット線は、該ビット線に沿って配置されたメモリセル群に含まれる複数の前記選択トランジスタのソースに接続されることを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記抵抗記憶体は、
電圧の印加によって抵抗が変化する抵抗記憶材料からなる抵抗記憶層と、
前記抵抗記憶層を挟んで、その両側に形成される上部電極及び下部電極とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記抵抗記憶材料が、TiOX、NiOX、YOX、CeOX、MgOX、ZnOX、
ZrOX、WOX、NbOX、TaOX、CrOX、MnOX、AlOX、VOX及びSiOXを含むグループから選択された材料であることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記抵抗記憶材料が、Pr1−XCaXMnO3、La 1−XCa X MnO3及びSr
TiO3(X=0〜1)を含むグループから選択された材料であることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記選択トランジスタの前記ドレインを構成するドレイン領域上に導電材料からなる第
1のコンタクトプラグが形成され、前記第1のコンタクトプラグの一端が前記ドレイン領域と接続されるとともに、他端が前記抵抗記憶体の前記上部電極と接続し、
更に、前記上部電極が前記第1のコンタクトプラグの他端の位置まで延びていることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記選択トランジスタが半導体基板上に形成され、
前記ビット線に沿って隣接して配置される2つの前記メモリセルが、前記半導体基板上に形成された前記選択トランジスタの1つのドレイン領域を共用することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなる抵抗記憶体と、選択トランジスタとから
なるメモリセルを有する半導体記憶装置であって、
前記トランジスタは、
ワード線、及び、前記抵抗記憶体の一方の電極に接続されるゲート電極と、
ビット線に接続されるソース電極と、
前記抵抗記憶体の他方の電極と接続されるドレイン電極とを有することを特徴とする半導体記憶装置。 - 複数のワード線と、前記ワード線に交差する方向に配置される複数のビット線と、抵抗
記憶体を有し且つ前記ワード線とビット線とが交差する位置にそれぞれ配置されるメモリセルとが、基板上に形成される半導体記憶装置の製造方法であって、
前記基板上に、そのゲート電極が前記ワード線と電気的に接続され、且つ、前記抵抗記憶体への電圧の印加を制御する選択トランジスタを形成する第1の工程と、
前記選択トランジスタが形成された前記基板上に、前記ゲート電極の一部が露出するように、絶縁材料からなる第1の膜を形成する第2の工程と、
前記ゲート電極上に、前記ゲート電極の露出部と接するように前記抵抗記憶体の抵抗記憶層を形成するとともに、前記抵抗記憶層の1部が露出するように、絶縁材料からなる第2の膜を形成する第3の工程と、
前記第1の膜及び前記第2の膜を穴明け加工した後、該穴を導電材料で埋めて、前記選択トランジスタのドレイン領域に接続される第1のコンタクトプラグを形成する第4の工程と、
前記抵抗記憶層の前記露出部と前記第1のコンタクトプラグとを電気的に接続する配線を形成するとともに、前記配線全体を覆うように、絶縁材料からなる第3の膜を形成する第5の工程と、
前記選択トランジスタのソース領域と電気的に接続される前記ビット線とを形成する第6の工程とを含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 - 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなる抵抗記憶体と、選択トランジスタとを有
し、前記選択トランジスタのドレインが前記抵抗記憶体の一方の電極と接続されるメモリセルを有する半導体記憶装置の書き込み方法であって、
前記選択トランジスタのソースに接続されるビット線に第1の電圧を印加するステップと、
次いで、前記選択トランジスタのゲート、及び、前記抵抗記憶体の他方の電極に接続されるワード線に、前記第1の電圧よりも高い第2の電圧を印加するステップと、
次いで、前記抵抗記憶体の抵抗状態が変化した後に、前記ワード線を前記第2の電圧に設定する前の状態に戻すステップとを備えることを特徴とする半導体記憶装置の書き込み方法。 - 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなる抵抗記憶体と、選択トランジスタとを有
し、前記選択トランジスタのドレインが前記抵抗記憶体の一方の電極と接続されるメモリセルを有する半導体記憶装置の読み出し方法であって、
前記選択トランジスタのゲート、及び、前記抵抗記憶体の他方の電極に接続されるワード線に、第1の電圧を印加するステップと、
次いで、前記選択トランジスタのソースに接続されるビット線に前記第1の電圧よりも低い第2の電圧を印加するステップと、
次いで、前記ビット線に流れる電流を、前記ビット線に接続されたセンスアンプによって検出するステップとを備えることを特徴とする半導体記憶装置の読み出し方法。
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