JP5201616B2 - Memory device, memory cell, and memory cell array - Google Patents

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Description

本発明は、メモリ素子、メモリセル、及びメモリセルアレイに係り、特に、室温において結晶相及びアモルファス相の何れかで安定化する相変化材料など、温度変化に応じて抵抗値が変化する材料を用い、抵抗値の相違を利用して情報を記録する相変化型の不揮発性メモリ素子、メモリセル、及びメモリセルアレイに関する。   The present invention relates to a memory element, a memory cell, and a memory cell array, and in particular, uses a material whose resistance value changes in response to a temperature change, such as a phase change material that stabilizes in a crystalline phase or an amorphous phase at room temperature. The present invention relates to a phase change nonvolatile memory element, a memory cell, and a memory cell array that record information using a difference in resistance value.

近時、次世代の不揮発性メモリとして、PRAM(Phase change RAM)と称される相変化型の不揮発性メモリが注目されている。PRAMには、室温において結晶相及びアモルファス相の何れかで安定化する相変化材料が用いられる。相変化材料としては、GST(Ge-Sb-Te)等のカルコゲナイド系の材料が挙げられる。例えば、GeSbTeは、融点が630℃、結晶化温度が160℃である。この材料を600℃以上に昇温して溶融した後に、室温まで急冷した場合には、アモルファス相で安定化する。一方、この材料を160℃以上に昇温した後に、室温まで徐冷した場合には、結晶相で安定化する。 Recently, a phase-change nonvolatile memory called PRAM (Phase change RAM) has been attracting attention as a next-generation nonvolatile memory. For PRAM, a phase change material that is stabilized in either a crystalline phase or an amorphous phase at room temperature is used. Examples of the phase change material include chalcogenide-based materials such as GST (Ge—Sb—Te). For example, Ge 2 Sb 2 Te 5 has a melting point of 630 ° C. and a crystallization temperature of 160 ° C. When this material is heated to 600 ° C. or higher and melted, and then rapidly cooled to room temperature, it is stabilized in an amorphous phase. On the other hand, when this material is heated to 160 ° C. or higher and then gradually cooled to room temperature, it is stabilized in the crystalline phase.

カルコゲナイド系の材料では、アモルファス相の比抵抗は、結晶相の比抵抗に比べて2桁〜4桁大きい。PRAMでは、このアモルファス相と結晶相の抵抗値の相違を利用して情報を記録する。PRAMへの情報の記録(書き込み)は、相変化材料に記録電流を通電して相変化材料を加熱し、相変化材料をアモルファス相又は結晶相に転移させることにより行う。例えば、高抵抗のアモルファス相を「1」、低抵抗の結晶相を「0」とすることで、2値の情報を記録することができる。また、相変化材料に所定電圧を印加したときに流れる電流量を検出することで、アモルファス相か結晶相かを判断し、書き込まれた情報の再生(読み出し)を行うことができる。   In a chalcogenide-based material, the specific resistance of the amorphous phase is two to four orders of magnitude higher than the specific resistance of the crystalline phase. In PRAM, information is recorded by utilizing the difference in resistance between the amorphous phase and the crystalline phase. Recording (writing) of information in the PRAM is performed by passing a recording current through the phase change material to heat the phase change material and transferring the phase change material to an amorphous phase or a crystalline phase. For example, binary information can be recorded by setting the high-resistance amorphous phase to “1” and the low-resistance crystal phase to “0”. Further, by detecting the amount of current that flows when a predetermined voltage is applied to the phase change material, it is possible to determine whether the phase is an amorphous phase or a crystalline phase and to reproduce (read) the written information.

従来、記録密度を向上させる観点から、PRAMへの多値記録の方法が種々検討されている(例えば、特許文献1、2参照)。これらの方法では、相変化材料を部分的にアモルファス相又は結晶相に転移させた中間層を用いて多値記録を実現している。例えば、相変化材料の全体を結晶相とした場合を「0」、相変化材料の全体積の1/4をアモルファス相に転移させた場合を「1」、相変化材料の全体積の1/2をアモルファス相に転移させた場合を「2」、相変化材料の全体をアモルファス相に転移させた場合を「3」とすることで、多値の情報を記録することができる。   Conventionally, from the viewpoint of improving the recording density, various methods of multi-value recording on the PRAM have been studied (for example, see Patent Documents 1 and 2). In these methods, multilevel recording is realized by using an intermediate layer in which a phase change material is partially transformed into an amorphous phase or a crystalline phase. For example, “0” when the entire phase change material is the crystalline phase, “1” when 1/4 of the total volume of the phase change material is transferred to the amorphous phase, and 1 / of the total volume of the phase change material. By setting “2” when 2 is transferred to the amorphous phase and “3” when transferring the entire phase change material to the amorphous phase, multi-value information can be recorded.

WO2005/031725WO2005 / 031725 特開2006−155700JP 2006-155700 A

しかしながら、従来の多値記録方法では、各相の体積率は、相変化材料のサイズや相変化の回数により変動するために、確実に多値記録を行うことが困難であった。   However, in the conventional multi-value recording method, since the volume ratio of each phase varies depending on the size of the phase change material and the number of phase changes, it is difficult to reliably perform multi-value recording.

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、本発明の目的は、確実に多値記録を行うことが可能な新規な相変化型の不揮発性メモリ素子と、このメモリ素子を含むメモリセル及びメモリセルアレイと、を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to include a novel phase change type nonvolatile memory element capable of reliably performing multi-value recording, and the memory element. A memory cell and a memory cell array are provided.

上記目的を達成するために請求項1に記載のメモリ素子は、所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、通電時の発熱によりオン状態となる第1のスイッチ抵抗素子、及び第1の抵抗体で形成された第1の抵抗素子を含んで構成され、一端が前記一対の電極の一方に接続されると共に他端が前記一対の電極の他方に接続されて前記第1のスイッチ抵抗素子及び前記第1の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第1のメモリ部と、通電時に発熱した前記第1の抵抗素子により加熱されてオン状態となる第2のスイッチ抵抗素子、及び第2の抵抗体で形成された第2の抵抗素子を含んで構成され、前記第1の抵抗素子と並列に接続されて前記第2のスイッチ抵抗素子及び前記第2の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第2のメモリ部と、を含むことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a memory element according to claim 1 includes a pair of electrodes arranged at a predetermined interval, a first switch resistance element that is turned on by heat generation when energized, and a first switch element The first switch resistance element is configured to include a first resistance element formed of a resistor, and has one end connected to one of the pair of electrodes and the other end connected to the other of the pair of electrodes. And a first memory section in which a current path that passes through the first resistance element in series is formed, and a second switch resistance element that is turned on by being heated by the first resistance element that generates heat when energized, And a second resistance element formed of a second resistor, and connected in parallel with the first resistance element, the second switch resistance element and the second resistance element are connected in series. A second current path is formed. Characterized in that it comprises a memory unit.

前記第1のスイッチ抵抗素子と前記第2のスイッチ抵抗素子とが、温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する相変化材料で形成されることが好ましい。このような相変化材料で形成されると、前記第1のスイッチ抵抗素子が、通電時の発熱により、前記相変化材料がアモルファス相から結晶相に相転移して抵抗値が低下し、オン状態となると共に、前記第2のスイッチ抵抗素子が、通電時に発熱した前記第1の抵抗素子により加熱されて、前記相変化材料がアモルファス相から結晶相に相転移して抵抗値が低下し、オン状態となる。   The first switch resistance element and the second switch resistance element are preferably formed of a phase change material that changes from one phase of an amorphous phase and a crystal phase to the other phase in response to a temperature change. . When formed of such a phase change material, the first switch resistance element is subjected to heat generation when energized, and the phase change material undergoes a phase transition from an amorphous phase to a crystalline phase, resulting in a decrease in resistance value. And the second switch resistance element is heated by the first resistance element that generates heat when energized, and the phase change material undergoes a phase transition from an amorphous phase to a crystalline phase, resulting in a decrease in resistance value. It becomes a state.

上記のメモリ素子は、通電時に発熱した前記第2の抵抗素子により加熱されてオン状態となる第3のスイッチ抵抗素子、及び第3の抵抗体で形成された第3の抵抗素子を含んで構成され、前記第2の抵抗素子と並列に接続されて前記第3のスイッチ抵抗素子及び前記第3の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第3のメモリ部を、更に含むことができる。   The memory element includes a third switch resistor element which is heated by the second resistor element that generates heat when energized and is turned on, and a third resistor element formed of a third resistor. And a third memory unit connected in parallel with the second resistance element to form a current path that passes through the third switch resistance element and the third resistance element in series. it can.

また、上記のメモリ素子は、第3〜第n(nは4以上の整数)のメモリ部を更に含み、第k+1(kは3以上の整数、k<n)のメモリ部は、通電時に発熱した第kの抵抗素子による加熱によりオン状態となる第k+1のスイッチ抵抗素子、及び第k+1の抵抗体で形成された第k+1の抵抗素子を含んで構成され、前記第kの抵抗素子と並列に接続されて前記第k+1のスイッチ抵抗素子及び前記第k+1の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成されるようにすることができる。   The memory element further includes third to nth (n is an integer of 4 or more) memory units, and the k + 1th (k is an integer of 3 or more, k <n) memory unit generates heat when energized. A k + 1th switch resistive element that is turned on by heating by the kth resistive element and a (k + 1) th resistive element formed of a (k + 1) th resistive element, and in parallel with the kth resistive element A current path that is connected to pass through the k + 1th switch resistance element and the k + 1th resistance element in series may be formed.

請求項6に記載のメモリ素子は、所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、前記一対の電極の各々と接触するように前記一対の電極間に設けられると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第1の相変化材料で形成された第1の相変化層と、前記第1の相変化層上に積層されると共に第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層と、を備えた第1のメモリ部と、前記第1の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第2の相変化材料で形成された第2の相変化層と、前記第2の相変化層上に積層されると共に第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層と、を備えた第2のメモリ部と、を含むことを特徴とする。   The memory element according to claim 6 is provided between a pair of electrodes arranged at a predetermined interval and between the pair of electrodes so as to be in contact with each of the pair of electrodes, and an amorphous phase according to a temperature change. And a first phase change layer formed of a first phase change material that changes phase from one phase of the crystal phase to the other, and a first resistance layer laminated on the first phase change layer A first memory layer including a first resistor layer formed on a body, and a first memory layer stacked on the first resistor layer and one of an amorphous phase and a crystalline phase according to a temperature change A second phase change layer formed of a second phase change material that changes phase from one phase to the other phase, and a second layer formed on the second phase change layer and formed by a second resistor. And a second memory portion including the resistor layer.

前記第1の相変化層、前記第1の抵抗体層、前記第2の相変化層、及び前記第2の抵抗体層が、メモリ素子が載置される面に対し平行な方向に積層されていてもよく、前記第1の相変化層、前記第1の抵抗体層、前記第2の相変化層、及び前記第2の抵抗体層が、メモリ素子が載置される面に対し垂直な方向に積層されていてもよい。   The first phase change layer, the first resistor layer, the second phase change layer, and the second resistor layer are stacked in a direction parallel to a surface on which the memory element is placed. The first phase change layer, the first resistor layer, the second phase change layer, and the second resistor layer may be perpendicular to a surface on which the memory element is mounted. It may be laminated in any direction.

上記のメモリ素子は、前記第2の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第3の相変化材料で形成された第3の相変化層と、前記第3の相変化層上に積層されると共に第3の抵抗体で形成された第3の抵抗体層と、を備えた第3のメモリ部と、更に含むことができる。   The memory element is formed of a third phase change material that is stacked on the second resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change. A third memory unit comprising: a third phase change layer; and a third resistor layer stacked on the third phase change layer and formed of a third resistor; and Can be included.

また、上記のメモリ素子は、第3〜第n(nは4以上の整数)のメモリ部を更に含み、第k+1(kは3以上の整数、k<n)のメモリ部は、前記第kの抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第k+1の相変化材料で形成された第k+1の相変化層と、前記第k+1の相変化層上に積層されると共に第k+1の抵抗体で形成された第k+1の抵抗体層と、を備えるようにすることができる。   The memory device further includes third to n-th (n is an integer of 4 or more) memory units, and the k + 1-th (k is an integer of 3 or more, k <n) memory unit is the k-th memory unit. A (k + 1) th phase change layer formed of a (k + 1) th phase change material that is laminated on the resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change; And (k + 1) th resistor layer formed on the (k + 1) th phase change layer and formed of the (k + 1) th resistor.

上記のメモリ素子において、前記相変化材料としてはカルコゲナイド系化合物が好ましい。また、前記メモリ素子の抵抗値が、3値以上に変化するように構成することが好ましい。例えば、印加電圧又は印加電流の大きさを変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることができる。また、パルス電圧又はパルス電流を印加すると共に、前記パルス電圧又はパルス電流のパルス幅を変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることができる。或いは、パルス電圧又はパルス電流を印加すると共に、前記パルス電圧又はパルス電流の大きさを変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることができる。   In the memory element, a chalcogenide compound is preferable as the phase change material. Further, it is preferable that the resistance value of the memory element is changed to three or more values. For example, the resistance value of the memory element can be changed by changing the magnitude of the applied voltage or the applied current. In addition, a resistance value of the memory element can be changed by applying a pulse voltage or a pulse current and changing a pulse width of the pulse voltage or the pulse current. Alternatively, the resistance value of the memory element can be changed by applying a pulse voltage or a pulse current and changing the magnitude of the pulse voltage or the pulse current.

また、前記一対の電極と第1の相変化層との間に、前記一対の電極の各々と接触するように前記一対の電極間に設けられると共に抵抗体で形成された抵抗体層を、更に設けることができる。   A resistor layer provided between the pair of electrodes and in contact with each of the pair of electrodes and formed of a resistor between the pair of electrodes and the first phase change layer; Can be provided.

請求項16に記載のメモリ素子は、所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、前記一対の電極の各々と接触するように前記一対の電極間に設けられると共に第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層と、前記第1の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第1の相変化材料で形成された第1の相変化層と、前記第1の相変化層上に積層されると共に第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層と、を備えた第1のメモリ部と、前記第2の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第2の相変化材料で形成された第2の相変化層と、前記第2の相変化層上に積層されると共に第3の抵抗体で形成された第3の抵抗体層と、を備えた第2のメモリ部と、を含むことを特徴とする。 The memory element according to claim 16 is formed of a first resistor and a pair of electrodes arranged at a predetermined interval, and provided between the pair of electrodes so as to be in contact with each of the pair of electrodes. And a first phase change that is laminated on the first resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change. A first memory comprising: a first phase change layer formed of a material; and a second resistor layer stacked on the first phase change layer and formed of a second resistor. And a second phase change material that is laminated on the second resistor layer and changes in phase from one of the amorphous phase and the crystalline phase to the other in response to a temperature change. Formed on the second phase change layer and a third resistor. A second memory portion having a third resistance layer, and characterized in that it comprises a.

請求項17に記載のメモリセルは、請求項1〜16の何れか1項に記載のメモリ素子と、前記メモリ素子と同一の基板上に形成されたトランジスタと、を含んで構成したことを特徴としている。   A memory cell according to claim 17 includes the memory element according to any one of claims 1 to 16 and a transistor formed on the same substrate as the memory element. It is said.

請求項18に記載のメモリセルアレイは、請求項17に記載のメモリセルを、同一の基板上に複数個配列したことを特徴としている。   A memory cell array according to claim 18 is characterized in that a plurality of memory cells according to claim 17 are arranged on the same substrate.

本発明によれば、確実に多値記録を行うことが可能な新規な相変化型の不揮発性メモリ素子、メモリセル、及びメモリセルアレイを提供することができる、という効果がある。   According to the present invention, it is possible to provide a novel phase change nonvolatile memory element, memory cell, and memory cell array capable of reliably performing multi-value recording.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
<メモリ素子の構造>
図1は本発明の第1の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す図である。図1(A)はメモリ素子の平面図、図1(B)は図1(A)のA−A線断面図である。本発明の第1の実施の形態に係るメモリ素子10は、シリコン(Si)等からなる平板状の半導体基板12を備えている。半導体基板12は、平面視が矩形状である。半導体基板12の主面は、酸化シリコン(SiO)或いは硫化亜鉛(ZnS)等からなる絶縁膜14で被覆されている。絶縁膜14上には、窒化チタン(TiN)、ポリシリコン(Poly−Si)、アルミニウム(Al)、金(Au)等の薄膜からなる第1電極16と第2電極18とが形成されている。第1電極16と第2電極18とは所定間隔を隔てて配置されている。
(First embodiment)
<Structure of memory element>
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a memory element according to the first embodiment of the present invention. 1A is a plan view of the memory element, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. The memory element 10 according to the first embodiment of the present invention includes a flat semiconductor substrate 12 made of silicon (Si) or the like. The semiconductor substrate 12 has a rectangular shape in plan view. The main surface of the semiconductor substrate 12 is covered with an insulating film 14 made of silicon oxide (SiO 2 ) or zinc sulfide (ZnS). A first electrode 16 and a second electrode 18 made of a thin film such as titanium nitride (TiN), polysilicon (Poly-Si), aluminum (Al), and gold (Au) are formed on the insulating film 14. . The first electrode 16 and the second electrode 18 are arranged at a predetermined interval.

また、絶縁膜14上には、相変化により情報を記録するメモリ部20が形成されている。メモリ部20は、複数の薄膜が積層された多層構造を有している。メモリ部20の最下層には、第1の相変化材料で形成された第1の相変化層22が配置されている。第1の相変化層22は、絶縁膜14に接触すると共に、第1電極16及び第2電極18の各々と接触するように、第1電極16と第2電極18との間に設けられている。   On the insulating film 14, a memory unit 20 for recording information by phase change is formed. The memory unit 20 has a multilayer structure in which a plurality of thin films are stacked. A first phase change layer 22 made of a first phase change material is disposed in the lowermost layer of the memory unit 20. The first phase change layer 22 is provided between the first electrode 16 and the second electrode 18 so as to contact the insulating film 14 and to contact each of the first electrode 16 and the second electrode 18. Yes.

第1の相変化層22上には、第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層24、第2の相変化材料で形成された第2の相変化層26、及び第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層28が、この順で積層されている。なお、第1の相変化層22及び第1の抵抗体層24が本発明の「第1のメモリ部」に相当し、第2の相変化層26及び第2の抵抗体層28が本発明の「第2のメモリ部」に相当する。   On the first phase change layer 22, a first resistor layer 24 formed of a first resistor, a second phase change layer 26 formed of a second phase change material, and a second phase change layer 26 A second resistor layer 28 formed of resistors is laminated in this order. The first phase change layer 22 and the first resistor layer 24 correspond to the “first memory portion” of the present invention, and the second phase change layer 26 and the second resistor layer 28 of the present invention are present. Corresponds to the “second memory section”.

第1、第2の相変化材料としては、室温において結晶相及びアモルファス相の何れかで安定化する相変化材料が用いられる。このような相変化材料としては、Ge-Sb-Te(GST)、Sb-Te、In-Ag-Sb-Te、Se-Sb-Te等のカルコゲナイド系の化合物が好適である。カルコゲナイド系の化合物は、アモルファス相の比抵抗が結晶相の比抵抗に比べて2桁〜4桁大きい。このため再生時にビットエラー率が低下する。第1の相変化材料と第2の相変化材料とは、同じ材料でもよく異なる材料でもよい。   As the first and second phase change materials, phase change materials that are stabilized in either a crystalline phase or an amorphous phase at room temperature are used. As such a phase change material, chalcogenide-based compounds such as Ge—Sb—Te (GST), Sb—Te, In—Ag—Sb—Te, Se—Sb—Te are suitable. In the chalcogenide-based compound, the specific resistance of the amorphous phase is 2 to 4 orders of magnitude higher than the specific resistance of the crystalline phase. For this reason, the bit error rate decreases during reproduction. The first phase change material and the second phase change material may be the same material or different materials.

例えば、GeSbTeは、融点が630℃、結晶化温度が160℃である。この材料を600℃以上に昇温して溶融した後に、室温まで急冷した場合には、アモルファス相で安定化する。一方、この材料を160℃以上に昇温した後に、室温まで徐冷した場合には、結晶相で安定化する。従って、第1、第2の相変化材料を、初期状態で、比抵抗の高い「アモルファス相」で安定化しておいて、160℃以上に昇温した後に冷却すると、比抵抗の低い「結晶相」に相転移して安定化する。 For example, Ge 2 Sb 2 Te 5 has a melting point of 630 ° C. and a crystallization temperature of 160 ° C. When this material is heated to 600 ° C. or higher and melted, and then rapidly cooled to room temperature, it is stabilized in an amorphous phase. On the other hand, when this material is heated to 160 ° C. or higher and then gradually cooled to room temperature, it is stabilized in the crystalline phase. Therefore, when the first and second phase change materials are stabilized in an “amorphous phase” having a high specific resistance in an initial state and then heated to 160 ° C. or higher and then cooled, a “crystalline phase having a low specific resistance” The phase transitions to "" and stabilizes.

第1、第2の抵抗体としては、その比抵抗が、下層に配置された相変化材料のアモルファス相における抵抗より低く、結晶相における抵抗より高い抵抗体を用いることができる。このような抵抗体としては、炭素(C)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(TiW)等が好適である。   As the first and second resistors, it is possible to use a resistor whose specific resistance is lower than the resistance in the amorphous phase of the phase change material disposed in the lower layer and higher than the resistance in the crystal phase. As such a resistor, carbon (C), tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium nitride (TiN), tungsten nitride (TiW), or the like is preferable.

アモルファス相で初期化された第1の相変化層22には、第1の相変化層22より抵抗値の小さい第1の抵抗体層24が隣接する。また、アモルファス相で初期化された第2の相変化層26には、第2の相変化層26より抵抗値の小さい第2の抵抗体層28が隣接する。ここで、相変化層又は抵抗体層の抵抗値とは、構成材料の比抵抗ではなく、電流が各層を通過するときの抵抗値である。即ち、各層を個々の抵抗素子とした場合に、各々の抵抗素子が有する抵抗値である。抵抗値の小さい抵抗体層を相変化層に隣接させることで、抵抗体層を介して電流が流れ易くなる。第1の抵抗体と第2の抵抗体とは、同じ材料でもよく、或いは異なる材料でもよい。   A first resistor layer 24 having a resistance value smaller than that of the first phase change layer 22 is adjacent to the first phase change layer 22 initialized with the amorphous phase. The second phase change layer 26 initialized with an amorphous phase is adjacent to a second resistor layer 28 having a smaller resistance value than that of the second phase change layer 26. Here, the resistance value of the phase change layer or the resistor layer is not the specific resistance of the constituent material but the resistance value when the current passes through each layer. That is, when each layer is an individual resistance element, this is the resistance value of each resistance element. By allowing the resistor layer having a small resistance value to be adjacent to the phase change layer, a current easily flows through the resistor layer. The first resistor and the second resistor may be made of the same material or different materials.

本実施の形態では、第1のメモリ部(第1の相変化層22及び第1の抵抗体層24)上に、第2のメモリ部(第2の相変化層26及び第2の抵抗体層28)を積層する例について説明したが、相変化層と抵抗体層との組を更に積層して、第3のメモリ部、第4のメモリ部、...、第nのメモリ部など、複数のメモリ部を設けることができる。n個のメモリ部を設けることで、(n+1)値の多値記録を実現することができる。なお、n個のメモリ部を有するメモリ素子については後述する。   In the present embodiment, the second memory unit (second phase change layer 26 and second resistor) is formed on the first memory unit (first phase change layer 22 and first resistor layer 24). The example in which the layer 28) is stacked has been described, but the third memory unit, the fourth memory unit,. . . A plurality of memory portions such as an nth memory portion can be provided. By providing n memory units, multi-value recording of (n + 1) values can be realized. Note that a memory element having n memory units will be described later.

また、本実施の形態では、図示は省略したが、メモリ部20をSiO、ZnS等からなる絶縁膜で被覆してもよい。絶縁膜で被覆することで、第1、第2の相変化材料をアモルファス相に転移させる場合に、融解(メルティング)により液状化した液相物が、露出面から外部に飛散するのを防止することができる。 Although not shown in the present embodiment, the memory unit 20 may be covered with an insulating film made of SiO 2 , ZnS, or the like. By covering with an insulating film, when the first and second phase change materials are transferred to the amorphous phase, the liquid phase material liquefied by melting (melting) is prevented from scattering from the exposed surface to the outside. can do.

<メモリ素子の製造方法>
図1に示すメモリ素子10を製造する製造方法について説明する。メモリ素子10の製造工程は、主に、電極部を作製する工程と、相変化層と抵抗体層とが積層されたメモリ部を作製する工程と、から構成されている。
<Method for Manufacturing Memory Element>
A manufacturing method for manufacturing the memory element 10 shown in FIG. 1 will be described. The manufacturing process of the memory element 10 mainly includes a process of manufacturing an electrode section and a process of manufacturing a memory section in which a phase change layer and a resistor layer are stacked.

半導体基板12の主面に絶縁膜14を形成し、この絶縁膜14上に、第1電極16と第2電極18とを形成する。まず、絶縁膜14上に、TiN、Poly−Si等の電極材料をスパッタリングにより堆積する。フォトリソグラフィ技術により、電極材料上にフォトレジストで所定の電極パターンを形成する。エッチングにより電極パターン以外の部分の電極材料を除去し、所定パターンの第1電極16と第2電極18とを形成する。そして、第1電極16と第2電極18上に残されたフォトレジストを剥離する。   An insulating film 14 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 12, and a first electrode 16 and a second electrode 18 are formed on the insulating film 14. First, an electrode material such as TiN or Poly-Si is deposited on the insulating film 14 by sputtering. A predetermined electrode pattern is formed of a photoresist on the electrode material by photolithography. The portions of the electrode material other than the electrode pattern are removed by etching to form the first electrode 16 and the second electrode 18 having a predetermined pattern. Then, the photoresist left on the first electrode 16 and the second electrode 18 is peeled off.

次に、リフトオフプロセスを用いて、メモリ部20を形成する。まず、第1電極16と第2電極18とが形成された絶縁膜14を、リフトオフプロセス用のレジスト膜で被覆する。メモリ部20が形成される部分のレジスト膜を除去し、その周囲にレジスト膜が残るように、レジストパターンを形成する。このレジストパターン上に、スパッタリングにより、第1の相変化材料、第1の抵抗体、第2の相変化材料、及び第2の抵抗体を、この順に堆積して多層膜を形成する。   Next, the memory unit 20 is formed using a lift-off process. First, the insulating film 14 on which the first electrode 16 and the second electrode 18 are formed is covered with a resist film for lift-off process. A portion of the resist film where the memory portion 20 is to be formed is removed, and a resist pattern is formed so that the resist film remains around the resist film. A first phase change material, a first resistor, a second phase change material, and a second resistor are deposited in this order on the resist pattern by sputtering to form a multilayer film.

多層膜を形成した後に、リフトオフプロセス用のレジスト膜を除去する。レジスト膜上に堆積された多層膜も、レジスト膜と共に除去される。これにより、第1の相変化材料で形成された第1の相変化層22、第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層24、第2の相変化材料で形成された第2の相変化層26、及び第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層28が、この順で積層されたメモリ部20が形成される。第1の相変化材料及び第2の相変化材料の各々は、後述する消去方法と同じ方法でアモルファス相に相転移し、第1の相変化層22及び第2の相変化層26が初期化される。   After forming the multilayer film, the resist film for lift-off process is removed. The multilayer film deposited on the resist film is also removed together with the resist film. Thus, the first phase change layer 22 formed of the first phase change material, the first resistor layer 24 formed of the first resistor, and the second formed of the second phase change material. The memory section 20 is formed by stacking the phase change layer 26 and the second resistor layer 28 formed of the second resistor in this order. Each of the first phase change material and the second phase change material undergoes a phase transition to an amorphous phase in the same manner as the erasing method described later, and the first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are initialized. Is done.

なお、メモリ部20を絶縁膜で被覆する場合には、更に、スパッタリングにより、メモリ部20の露出面(上面及び側面)上にSiO、ZnS等の絶縁材料を堆積する。また、n個(nは2以上の整数)のメモリ部を設ける場合には、多層膜の形成時に、第1の相変化材料、第1の抵抗体、・・・第k(k<nの整数)の相変化材料、第kの抵抗体、・・・第nの相変化材料、及び第nの抵抗体を、昇順に堆積して多層膜を形成する。複数の抵抗体層の抵抗値は同じでもよいが、加熱作用の観点から、各々異なる値の方が好ましい。加熱する関係から、外側に行くに従い(nに近付くほど)、抵抗体層の抵抗値が小さくなるように、抵抗体(材料)を選択することが好ましい。 When the memory unit 20 is covered with an insulating film, an insulating material such as SiO 2 or ZnS is further deposited on the exposed surfaces (upper surface and side surfaces) of the memory unit 20 by sputtering. When n (n is an integer of 2 or more) memory units are provided, the first phase change material, the first resistor,... K (k <n Integer phase change material, kth resistor,... Nth phase change material, and nth resistor are deposited in ascending order to form a multilayer film. The resistance values of the plurality of resistor layers may be the same, but different values are preferable from the viewpoint of heating action. From the relationship of heating, it is preferable to select the resistor (material) so that the resistance value of the resistor layer becomes smaller as going outward (approaching n).

<記録方法・再生方法>
図2を参照して、図1に示すメモリ素子10における多値記録方法を説明する。
メモリ部20の第1の相変化層22及び第2の相変化層26は、例えばGe-Sb-Te(GST)で形成することができる。また、メモリ部20の第1の抵抗体層24及び第2の抵抗体層28は、例えば窒化チタン(TiN)で形成することができる。
<Recording and playback methods>
A multi-value recording method in the memory element 10 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
The first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 of the memory unit 20 can be formed of, for example, Ge—Sb—Te (GST). In addition, the first resistor layer 24 and the second resistor layer 28 of the memory unit 20 can be formed of, for example, titanium nitride (TiN).

第1の相変化層22がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第2の相変化層26がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第1の抵抗体層24の抵抗値は「R」であり、第2の抵抗体層28の抵抗値は「R」である。 When the first phase change layer 22 is an amorphous phase, the resistance value is “r 1 a ”, and when the first phase change layer 22 is a crystalline phase, the resistance value is “r 1 c ”. When the second phase change layer 26 is an amorphous phase, the resistance value is “r 2 a ”, and when the second phase change layer 26 is a crystalline phase, the resistance value is “r 2 c ”. The resistance value of the first resistor layer 24 is “R 1 ”, and the resistance value of the second resistor layer 28 is “R 2 ”.

例えば、カルコゲナイド系の化合物では、アモルファス相の比抵抗は結晶相の比抵抗に比べて2桁〜4桁大きい。従って、下記式(1a)に示すように、相変化層がアモルファス相である場合の抵抗値r 、r は、結晶相である場合の抵抗値r 、r に比べて非常に大きい。また、抵抗体層の抵抗値R、Rは、下記式(1b)に示すように、相変化層がアモルファス相である場合の抵抗値r 、r よりも小さく、相変化層が結晶相である場合の抵抗値r 、r よりも大きいことが好ましい。 For example, in a chalcogenide compound, the specific resistance of the amorphous phase is 2 to 4 orders of magnitude higher than the specific resistance of the crystalline phase. Therefore, as shown in the following formula (1a), the resistance values r 1 a and r 2 a when the phase change layer is an amorphous phase are compared with the resistance values r 1 c and r 2 c when the phase change layer is a crystal phase. And very big. Further, the resistance values R 1 and R 2 of the resistor layer are smaller than the resistance values r 1 a and r 2 a when the phase change layer is an amorphous phase as shown in the following formula (1b). It is preferable that the resistance values r 1 c and r 2 c are larger when the layer is in a crystalline phase.

Figure 0005201616
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相変化層が結晶相である場合には、抵抗体層の抵抗値R、R、相変化層の抵抗値r 、r の大小関係で、各々の電流通路に流れる電流比が変化する。例えば、r or r >> Rであれば、第1の抵抗体層24を流れる電流が増加する。また、R>> R>r or r であれば、第2の抵抗体層を流れる電流が増加する。 In the case where the phase change layer is a crystalline phase, the ratio of the current flowing through each current path is determined by the magnitude relationship between the resistance values R 1 and R 2 of the resistor layer and the resistance values r 1 c and r 2 c of the phase change layer. Changes. For example, if r 1 c or r 2 c >> R 1 , the current flowing through the first resistor layer 24 increases. If R 1 >> R 2 >> r 1 c or r 2 c , the current flowing through the second resistor layer increases.

また、Ror R>r orr であれば、R/Rの比に応じて、第1の抵抗体層24を流れる電流と第2の抵抗体層を流れる電流との比が決まる。R/Rの比は固定比であり、繰り返し記録を行っても、その値はほとんど変化しない。また、抵抗値R、Rが高い方が、抵抗体層の発熱効率がよい。このため、上記式(1b)に示すように、抵抗体層の抵抗値R、Rは、相変化層がアモルファス相である場合の抵抗値r 、r よりも小さく、相変化層が結晶相である場合の抵抗値r 、r よりも大きいことが好ましい。 Further, if R 1 or R 2> r 1 c orr 2 c, the current flowing in accordance with a ratio of R 1 / R 2, and the current flowing through the first resistor layer 24 and the second resistance layer The ratio is determined. The ratio of R 1 / R 2 is a fixed ratio, and the value hardly changes even when repeated recording is performed. In addition, the higher the resistance values R 1 and R 2 , the better the heat generation efficiency of the resistor layer. For this reason, as shown in the above formula (1b), the resistance values R 1 and R 2 of the resistor layer are smaller than the resistance values r 1 a and r 2 a when the phase change layer is an amorphous phase. It is preferable that the resistance values r 1 c and r 2 c are larger when the change layer is a crystalline phase.

図2(A)〜(E)は各電圧印加時のメモリ素子10の状態(a)〜(e)を表す概念図である。図3は情報記録時のメモリ素子10への印加電圧と検出電流との関係を示す線図である。印加電圧には、読み出し電圧V、第1の書き込み電圧VW1、第2の書き込み電圧VW2、及び消去電圧Vの4種類がある。電圧値は、読み出し電圧V<第1の書き込み電圧VW1<第2の書き込み電圧VW2<消去電圧Vの順に大きくなる。 2A to 2E are conceptual diagrams showing states (a) to (e) of the memory element 10 when each voltage is applied. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the voltage applied to the memory element 10 during information recording and the detected current. The applied voltage, there are four types of read voltage V R, the first write voltage V W1, a second write voltage V W2, and the erase voltage V E. The voltage value increases in the order of read voltage V R <first write voltage V W1 <second write voltage V W2 <erase voltage V E.

図2(A)はメモリ素子10が初期化された状態(a)を表す。初期化状態(a)では、第1の相変化層22及び第2の相変化層26はいずれもアモルファス相であり、その抵抗値はr である。状態(a)のメモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、読み出し電圧Vが印加されると、電流は、アモルファス相からなる第1の相変化層22を通過して、より抵抗値の小さい第1の抵抗体層24に流れ込み、再び第1の相変化層22を通過する。アモルファス相である第1の相変化層22の抵抗値はr と大きいので、図3から分かるように、読み出し電圧Vが印加されても、僅かな電流Iしか検出されない。 FIG. 2A shows a state (a) in which the memory element 10 is initialized. In the initialization state (a), both the first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are amorphous phases, and the resistance value thereof is r 1 a . First electrode 16 of the memory device 10 in a state (a) and between the second electrode 18, when the read voltage V R is applied, current is passed through the first phase change layer 22 made of amorphous phase Then, it flows into the first resistor layer 24 having a smaller resistance value and passes through the first phase change layer 22 again. Since the resistance value of the first phase change layer 22 is an amorphous phase is as large as r 1 a, as can be seen from FIG. 3, even if the read voltage V R is applied, a small current I 0 only detected.

図2(B)はメモリ素子10に第1の書き込み電圧VW1が印加された状態(b)を表す。メモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、第1の書き込み電圧VW1が印加されると、電流通路にある第1の相変化層22の一部が発熱し、アモルファス相から結晶相に転移して安定化する。第1の相変化層22の結晶相に転移した部分を、結晶相部分22C、結晶相部分22Cと称する。これら結晶相部分22C、22Cを、電流が通過するときの抵抗値がr である。 FIG. 2B shows a state (b) in which the first write voltage V W1 is applied to the memory element 10. When the first write voltage VW1 is applied between the first electrode 16 and the second electrode 18 of the memory element 10, a part of the first phase change layer 22 in the current path generates heat and becomes amorphous. It transitions from the phase to the crystalline phase and stabilizes. The portions of the first phase change layer 22 that have transitioned to the crystal phase are referred to as a crystal phase portion 22C 1 and a crystal phase portion 22C 2 . The resistance value when the current passes through these crystal phase portions 22C 1 and 22C 2 is r 1 c .

電流は、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過して、第1の抵抗体層24に流れ込み、再び第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。結晶相部分22C、22Cの抵抗値はr と小さいので、図3から分かるように、第1の書き込み電圧VW1が印加されると、電流Iより高い電流IW1が検出される。 Current passes through the crystal phase portions 22C 1 of the first phase change layer 22, flows into the first resistive element layer 24, again passes through the crystal phase portion 22C 2 of the first phase change layer 22. Since the resistance values of the crystal phase portions 22C 1 and 22C 2 are as small as r 1 c , as can be seen from FIG. 3, when the first write voltage V W1 is applied, a current I W1 higher than the current I 0 is detected. The

図2(C)はメモリ素子10の第1の記録状態(c)を表す。第1の記録状態(c)では、第1の相変化層22にr と抵抗値が小さい結晶相部分22C、22Cが形成されている。一方、第2の相変化層26はアモルファス相のままであり、その抵抗値はr と大きい。 FIG. 2C shows the first recording state (c) of the memory element 10. In the first recording state (c), crystal phase portions 22C 1 and 22C 2 having a small resistance value with r 1 c are formed in the first phase change layer 22. On the other hand, the second phase change layer 26 remains in an amorphous phase, and its resistance value is as large as r 2 a .

状態(c)のメモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、読み出し電圧Vが印加されると、電流は、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過して、第1の抵抗体層24に流れ込み、再び第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。図3から分かるように、読み出し電圧Vが印加されると、電流Iより高い電流Iが検出される。 Between with the first electrode 16 of the memory device 10 (c), the second electrode 18, when the read voltage V R is applied, the current is a crystalline phase portion 22C 1 of the first phase change layer 22 passes, flows into the first resistive element layer 24, again passes through the crystal phase portion 22C 2 of the first phase change layer 22. As can be seen from FIG. 3, when the read voltage V R is applied, a high current I 1 from the current I 0 is detected.

図2(D)はメモリ素子10に第2の書き込み電圧VW2が印加された状態(d)を表す。メモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、第2の書き込み電圧VW2が印加されると、電流通路にある第1の抵抗体層24が発熱し、第1の抵抗体層24に隣接する第2の相変化層26の一部が加熱される。図3から分かるように、第2の書き込み電圧VW2は、読み出し電圧Vより高い。この第2の書き込み電圧VW2が印加されると、電流Iより高い電流IW2が検出される。 FIG. 2D shows a state (d) in which the second write voltage V W2 is applied to the memory element 10. When the second write voltage VW2 is applied between the first electrode 16 and the second electrode 18 of the memory element 10, the first resistor layer 24 in the current path generates heat, and the first resistance A portion of second phase change layer 26 adjacent to body layer 24 is heated. As it can be seen from FIG. 3, a second write voltage V W2 is higher than the read voltage V R. When the second write voltage V W2 is applied, a current I W2 higher than the current I 1 is detected.

図2(E)はメモリ素子10の第2の記録状態(e)を表す。第2の記録状態(e)では、第2の相変化層26の一部が加熱され、アモルファス相から結晶相に転移して安定化する。第2の相変化層26には、r と抵抗値が小さい結晶相部分26C、26Cが形成される。結晶相部分26C、26Cを通過するときの抵抗値がr である。 FIG. 2E shows a second recording state (e) of the memory element 10. In the second recording state (e), a part of the second phase change layer 26 is heated and transitions from the amorphous phase to the crystalline phase and stabilizes. Crystal phase portions 26C 1 and 26C 2 having a small resistance value with r 2 c are formed in the second phase change layer 26. The resistance value when passing through the crystal phase portions 26C 1 and 26C 2 is r 2 c .

状態(e)のメモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、読み出し電圧Vが印加されると、電流は、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。結晶相部分22Cを通過した電流の一部は、第1の抵抗体層24に流れ込み、再び第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。 Between with the first electrode 16 of the memory device 10 of (e) between the second electrode 18, when the read voltage V R is applied, the current is a crystalline phase portion 22C 1 of the first phase change layer 22 pass. Some of the current passing through the crystalline phase portion 22C 1 flows into the first resistive element layer 24, again passes through the crystal phase portion 22C 2 of the first phase change layer 22.

結晶相部分22Cを通過したその他の電流は、第1の抵抗体層24及び第2の相変化層26の結晶相部分26Cを通過して、第2の抵抗体層28に流れ込み、再び第2の相変化層26の結晶相部分26C、第1の抵抗体層24、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。図3から分かるように、読み出し電圧Vが印加されると、電流Iより高い電流Iが検出される。 Other current passing through the crystalline phase portion 22C 1 passes through the crystal phase portions 26C 1 of the first resistor layer 24 and the second phase change layer 26, flows into the second resistance layer 28, again crystalline phase portion 26C 2 of the second phase change layer 26, the first resistor layer 24, passes through the crystal phase portion 22C 2 of the first phase change layer 22. As can be seen from FIG. 3, when the read voltage V R is applied, a high current I 2 from the current I 1 is detected.

上述したように、メモリ部20の第1の相変化層22、第1の抵抗体層24、第2の相変化層26、及び第2の抵抗体層28は、初期化状態(a)、第1の記録状態(c)、及び第2の記録状態(e)の各々において、抵抗値の異なる複合抵抗を構成する。例えば、初期化状態(a)を「0」、第1の記録状態(c)を「1」、第2の記録状態(e)を「2」とすることで、メモリ部20に多値情報を記録する(書き込む)ことができる。   As described above, the first phase change layer 22, the first resistor layer 24, the second phase change layer 26, and the second resistor layer 28 of the memory unit 20 are in the initialized state (a), In each of the first recording state (c) and the second recording state (e), composite resistors having different resistance values are formed. For example, the initialization state (a) is set to “0”, the first recording state (c) is set to “1”, and the second recording state (e) is set to “2”. Can be recorded (written).

また、メモリ素子の第1電極16と第2電極18との間に、読み出し電圧Vを印加してメモリ部20を流れる電流を検出することにより、記録された多値情報を再生する(読み取る)ことができる。例えば、読み出し電圧Vを印加したときの検出電流Iからは初期化状態(a)に相当する「0」を、検出電流Iからは第1の記録状態(c)に相当する「1」を、検出電流Iからは第2の記録状態(e)に相当する「2」を、各々読み取ることができる。 Between the first electrode 16 of the memory element and the second electrode 18, by applying a read voltage V R for detecting a current flowing in the memory unit 20, to reproduce the recorded multi-valued information (read )be able to. For example, a "0" from the detected current I 0 at the time of applying a read voltage V R corresponding to the initial state (a), from the detected current I 1 corresponding to a first recording condition (c) "1 "the, from the detected current I 2 can be read respectively" 2 "corresponding to the second recording condition (e),.

なお、上記では、図2(D)及び(E)に示すように、電流通路にある第1の抵抗体層24が発熱し、第1の抵抗体層24に隣接する第2の相変化層26の一部が加熱され、結晶相部分26C、26Cが形成される例について説明したが、図6(A)に示すように、状態(d)で第1の抵抗体層24が発熱した場合には、第1の相変化層22及び第2の相変化層26の、第1の抵抗体層24に接触する「より広い部分」が、アモルファス相から結晶相に転移して安定化することも考えられる。 In the above, as shown in FIGS. 2D and 2E, the first resistor layer 24 in the current path generates heat, and the second phase change layer adjacent to the first resistor layer 24 is used. The example in which part of the layer 26 is heated and the crystal phase portions 26C 1 and 26C 2 are formed has been described. However, as shown in FIG. 6A, the first resistor layer 24 generates heat in the state (d). In this case, the “wider portion” of the first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 that is in contact with the first resistor layer 24 transitions from the amorphous phase to the crystalline phase and is stabilized. It is also possible to do.

この場合、図6(B)に示すように、状態(e)では、第1の相変化層22には結晶相部分22Cが広範囲に形成されると共に、第2の相変化層26には結晶相部分26Cが広範囲に形成される。また、結晶相部分22Cの抵抗値は、結晶相部分22C、22Cと同様にr である。結晶相部分26Cの抵抗値は、結晶相部分26C、26Cと同様にr である。 In this case, as shown in FIG. 6B, in the state (e), the first phase change layer 22 has a crystal phase portion 22C formed in a wide range, and the second phase change layer 26 has crystals. The phase portion 26C is formed in a wide range. The resistance value of the crystal phase portion 22C is r 1 c as in the crystal phase portions 22C 1 and 22C 2 . The resistance value of the crystal phase portion 26C is r 2 c like the crystal phase portions 26C 1 and 26C 2 .

<記録時の抵抗値の変化>
図4(A)〜(C)はメモリ素子の初期化状態(a)、第1の記録状態(c)、及び第2の記録状態(e)の各々における複合抵抗を示す図である。上述した通り、第1の相変化層22がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第2の相変化層26がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第1の抵抗体層24の抵抗値は「R」であり、第2の抵抗体層28の抵抗値は「R」である。なお、図4(A)〜(C)では、抵抗値がRである層又は部分を「抵抗R」として説明する。
<Change in resistance during recording>
4A to 4C are diagrams showing the combined resistance in each of the initialization state (a), the first recording state (c), and the second recording state (e) of the memory element. As described above, the resistance value when the first phase change layer 22 is an amorphous phase is “r 1 a ”, and the resistance value when it is a crystal phase is “r 1 c ”. When the second phase change layer 26 is an amorphous phase, the resistance value is “r 2 a ”, and when the second phase change layer 26 is a crystalline phase, the resistance value is “r 2 c ”. The resistance value of the first resistor layer 24 is “R 1 ”, and the resistance value of the second resistor layer 28 is “R 2 ”. 4A to 4C, a layer or a portion having a resistance value of R will be described as “resistance R”.

図4(A)に示すように、初期化状態(a)では、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r が直列に接続されている。また、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r も直列に接続されている。直列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r は、抵抗Rと並列に接続されている。ここで、抵抗r は、抵抗Rに比べて非常に高い抵抗値を有しているので、抵抗r を含む経路には電流は流れない。直列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r を通過する電流通路だけが形成されて、読み出し電圧Vが印加されると僅かな電流Iが流れる。従って、初期化状態(a)での複合抵抗の抵抗値Raは、下記式(2)で表される。 As shown in FIG. 4A, in the initialization state (a), the resistor r 1 a , the resistor R 1 , and the resistor r 1 a are connected in series. Further, a resistor r 2 a , a resistor R 2 , and a resistor r 2 a are also connected in series. The resistor r 2 a , the resistor R 2 , and the resistor r 2 a connected in series are connected in parallel with the resistor R 1 . Here, since the resistance r 2 a has a very high resistance value compared to the resistance R 1 , no current flows through the path including the resistance r 2 a . Connected resistors r 1 a in series, only the current path passing through the resistor R 1, and the resistance r 1 a is formed, a small current I 0 flows when the read voltage V R is applied. Therefore, the resistance value Ra of the composite resistor in the initialization state (a) is expressed by the following formula (2).

Figure 0005201616
Figure 0005201616

図4(B)に示すように、第1の記録状態(c)では、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r が直列に接続されている。また、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r も直列に接続されている。直列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r は、抵抗Rと並列に接続されている。抵抗r は、抵抗r より十分に小さい。また、抵抗r は、抵抗Rに比べて非常に高い抵抗値を有しているので、抵抗r を含む経路には電流は流れない。直列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r を通過する電流通路だけが形成されて、読み出し電圧Vが印加されると電流Iが流れる。従って、第1の記録状態(c)での複合抵抗の抵抗値Rcは、下記式(3)で表される。 As shown in FIG. 4B, in the first recording state (c), the resistor r 1 c , the resistor R 1 , and the resistor r 1 c are connected in series. Further, a resistor r 2 a , a resistor R 2 , and a resistor r 2 a are also connected in series. The resistor r 2 a , the resistor R 2 , and the resistor r 2 a connected in series are connected in parallel with the resistor R 1 . The resistance r 1 c is sufficiently smaller than the resistance r 1 a . Further, since the resistance r 2 a has a very high resistance value as compared with the resistance R 1 , no current flows through the path including the resistance r 2 a . Connected resistors r 1 c in series, only the current path passing through the resistor R 1, and the resistance r 1 c is formed, when the read voltage V R is applied to the current I 1 flows. Therefore, the resistance value Rc of the composite resistance in the first recording state (c) is expressed by the following formula (3).

Figure 0005201616
Figure 0005201616

図4(C)に示すように、第2の記録状態(e)では、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r が直列に接続されている。また、抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r も直列に接続されている。直列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r は、抵抗Rと並列に接続されている。ここで、抵抗r は抵抗r に比べて十分に小さいので、抵抗r を含む経路にも電流が流れる。即ち、抵抗Rと並列に接続された抵抗r 、抵抗R、及び抵抗r を通過する電流通路がさらに形成されて、読み出し電圧Vが印加されると電流Iが流れる。従って、第2の記録状態(e)での複合抵抗の抵抗値Reは、下記式(4)で表される。 As shown in FIG. 4C, in the second recording state (e), the resistor r 1 c , the resistor R 1 , and the resistor r 1 c are connected in series. In addition, a resistor r 2 c , a resistor R 2 , and a resistor r 2 c are also connected in series. The resistor r 2 c , the resistor R 2 , and the resistor r 2 c connected in series are connected in parallel with the resistor R 1 . Here, since the resistance r 2 c is sufficiently smaller than the resistance r 2 a , a current also flows through a path including the resistance r 2 c . That is, the resistance R 1 connected in parallel with a resistor r 2 c, the resistance R 2, and a current path passing through the resistor r 2 c is further formed, a current flows I 2 when the read voltage V R is applied . Therefore, the resistance value Re of the composite resistance in the second recording state (e) is expressed by the following formula (4).

Figure 0005201616
Figure 0005201616

以上説明した通り、本実施の形態のメモリ素子10は、全体の抵抗値がディジタル的に変化する可変抵抗として機能する。この例では、Ra、Rc、Reの3値の抵抗値をとることができる。このように、本実施の形態に係るメモリ素子10では、複数のメモリ部を形成し、個々のメモリ部の相変化層がアモルファス相から結晶層に相転移したか否かによって、異なる抵抗値を正確に実現し、この抵抗値の相違を利用して多値記録を行う。このため、各相の体積率に応じて多値記録を行う従来の多値記録方法に比べ、抵抗値の変動が少なく、確実に多値記録を行うことができる。即ち、信頼性の高いメモリ素子を提供することができる。   As described above, the memory element 10 of the present embodiment functions as a variable resistor whose overall resistance value changes digitally. In this example, the three resistance values Ra, Rc, and Re can be taken. As described above, in the memory element 10 according to the present embodiment, a plurality of memory portions are formed, and different resistance values are obtained depending on whether or not the phase change layer of each memory portion has undergone a phase transition from an amorphous phase to a crystalline layer. Accurately realized, multi-value recording is performed using the difference in resistance value. For this reason, compared with the conventional multi-value recording method which performs multi-value recording according to the volume ratio of each phase, the resistance value does not fluctuate and multi-value recording can be performed reliably. That is, a highly reliable memory element can be provided.

<抵抗回路の概念図>
図5は図1に示すメモリ素子10を電源に接続した状態を表した回路図である。電源30には、スイッチ抵抗素子SWと抵抗素子Rとが直列に接続されている。また、スイッチ素子SWと抵抗素子Rとが直列に接続され、直列に接続されたスイッチ素子SWと抵抗素子Rとが、抵抗素子Rと並列に接続されている。
<Conceptual diagram of resistance circuit>
FIG. 5 is a circuit diagram showing a state in which the memory element 10 shown in FIG. 1 is connected to a power source. A switch resistance element SW 1 and a resistance element R 1 are connected to the power supply 30 in series. Moreover, a switch element SW 2 and the resistance element R 2 are connected in series, a switching element SW 2 connected in series with the resistance element R 2 are connected in parallel with the resistor element R 1.

スイッチ素子SWには、抵抗素子R01が並列に接続されている。抵抗素子R01は、スイッチ素子SWと抵抗素子Rとの間に設けられた端子と、電源30とスイッチ素子SWとの間に設けられた端子とに接続されている。また、スイッチ素子SWには、抵抗素子R02が並列に接続されている。抵抗素子R02は、スイッチ素子SWの一端と抵抗素子Rとの間に設けられた端子と、スイッチ素子SWの他端が接続される端子と抵抗素子Rとの間に設けられた端子とに接続されている。 The switching elements SW 1, the resistance elements R 01 are connected in parallel. The resistance element R 01 is connected to a terminal provided between the switch element SW 1 and the resistance element R 1 and a terminal provided between the power supply 30 and the switch element SW 1 . Further, the switching element SW 2, the resistance element R 02 are connected in parallel. Resistive element R 02 is provided between the terminals provided between one end of the switch element SW 2 and the resistance element R 2, the terminal to which the other end of the switch element SW 2 is connected to the resistor element R 1 Connected to other terminals.

スイッチ素子SW及び抵抗素子R01が、スイッチ機能と抵抗機能とを兼ね備えたスイッチ抵抗素子SWRである。このスイッチ抵抗素子SWRが、メモリ部20の第1の相変化層22に相当する。また、スイッチ素子SW及び抵抗素子R02が、スイッチ抵抗素子SWRである。スイッチ抵抗素子SWRが、メモリ部20の第2の相変化層26に相当する。 The switch element SW 1 and the resistance element R 01 are the switch resistance element SWR 1 having both a switch function and a resistance function. The switch resistance element SWR 1 corresponds to the first phase change layer 22 of the memory unit 20. The switch element SW 2 and the resistor R 02 is a switch resistance element SWR 2. The switch resistance element SWR 2 corresponds to the second phase change layer 26 of the memory unit 20.

また、抵抗素子Rが第1の抵抗体層24に、抵抗素子Rが第1の抵抗体層28に、各々相当している。従って、スイッチ抵抗素子SWR及び抵抗素子Rが本発明の「第1のメモリ部」に相当し、スイッチ抵抗素子SWR及び抵抗素子Rが本発明の「第2のメモリ部」に相当する。 Further, the resistor element R 1 corresponds to the first resistor layer 24, and the resistor element R 2 corresponds to the first resistor layer 28. Accordingly, the switch resistance element SWR 1 and the resistance element R 1 correspond to the “first memory portion” of the present invention, and the switch resistance element SWR 2 and the resistance element R 2 correspond to the “second memory portion” of the present invention. To do.

抵抗素子R01の抵抗値は、第1の相変化層22全体がアモルファス相である場合の抵抗値「2r 」に相当する。スイッチ素子SWの抵抗値は、第1の相変化層22の一部が結晶相に転移した場合の抵抗値「2r 」である。抵抗素子R01の抵抗値は、スイッチ素子SWの抵抗値「2r 」や抵抗素子Rの抵抗値「R」に比べて非常に大きい。 The resistance value of the resistance element R 01 corresponds to the resistance value “2r 1 a ” when the entire first phase change layer 22 is in an amorphous phase. The resistance value of the switch element SW 1 is the resistance value “2r 1 c ” when a part of the first phase change layer 22 has transitioned to the crystalline phase. The resistance value of the resistance element R 01 is very large compared to the resistance value “2r 1 c ” of the switch element SW 1 and the resistance value “R 1 ” of the resistance element R 1 .

スイッチ素子SWとスイッチ素子SWとが何れもOFFの場合には、直列に接続された抵抗素子R01と抵抗素子Rとを通過する電流通路が形成される。これは上記の初期化状態(a)に相当する。このときの抵抗値は上記式(2)で表されたRaである。 When both the switch element SW 1 and the switch element SW 2 are OFF, a current path is formed through the resistor element R 01 and the resistor element R 1 connected in series. This corresponds to the initialization state (a) described above. The resistance value at this time is Ra represented by the above formula (2).

通電により第1の相変化層22(抵抗素子R01)が発熱する。第1の相変化層22自身の発熱により、第1の相変化層22の一部がアモルファス相から結晶相に転移する。第1の相変化層22の一部がアモルファス相から結晶相に転移した段階で、スイッチ素子SWがONになる。スイッチ素子SWがONになると、抵抗値が大きい抵抗素子R01には電流が流れず、直列に接続されたスイッチ素子SWと抵抗素子Rとを通過する電流通路が形成される。これは上記の第1の記録状態(c)に相当する。このときの抵抗値は上記式(3)で表されたRcである。 The first phase change layer 22 (resistive element R 01 ) generates heat by energization. Due to the heat generation of the first phase change layer 22 itself, a part of the first phase change layer 22 changes from an amorphous phase to a crystalline phase. In step a portion of the first phase change layer 22 has been transferred to the crystalline phase from the amorphous phase, the switch element SW 1 is turned ON. When the switch element SW 1 is turned ON, no current flows in the resistor value is large resistive element R 01, a current path passing through the switch element SW 1 connected in series with the resistance element R 1 is formed. This corresponds to the first recording state (c). The resistance value at this time is Rc represented by the above formula (3).

また、抵抗素子R02の抵抗値は、第2の相変化層26全体がアモルファス相である場合の抵抗値「2r 」に相当する。スイッチ素子SWの抵抗値は、第2の相変化層26の一部が結晶相に転移した場合の抵抗値「2r 」である。第2の相変化層26全体がアモルファス相である場合の抵抗値「2r 」は、抵抗素子Rの抵抗値に比べて非常に大きい。 Further, the resistance value of the resistance element R 02 corresponds to the resistance value “2r 2 a ” when the entire second phase change layer 26 is an amorphous phase. The resistance value of the switch element SW 2 is the resistance value “2r 2 c ” when a part of the second phase change layer 26 has transitioned to the crystal phase. The resistance value “2r 2 a ” in the case where the second phase change layer 26 as a whole is an amorphous phase is much larger than the resistance value of the resistance element R 1 .

通電により第1の抵抗体層24(抵抗素子R)が発熱する。第2の相変化層26が第1の抵抗体層24により加熱されて、第2の相変化層26の一部がアモルファス相から結晶相に転移する。第2の相変化層26の一部がアモルファス相から結晶相に転移した段階で、スイッチ素子SWがONになる。スイッチ素子SWとスイッチ素子SWとがいずれもONになると、直列に接続されたスイッチ素子SWと抵抗素子Rとを通過する電流通路が形成される。これは上記の第2の記録状態(e)に相当する。このときの抵抗値は上記式(4)で表されたReである。 The first resistor layer 24 (resistive element R 1 ) generates heat by energization. The second phase change layer 26 is heated by the first resistor layer 24, and a part of the second phase change layer 26 changes from the amorphous phase to the crystalline phase. At the stage where part of the second phase change layer 26 has been transferred to the crystalline phase from the amorphous phase, the switch element SW 2 is turned ON. When the switch element SW 1 and the switch element SW 2 are both turned ON, a current path passing through the switching element SW 2 connected in series with the resistance element R 2 is formed. This corresponds to the second recording state (e). The resistance value at this time is Re represented by the above formula (4).

上述したように、図5に示す回路では、電源30に接続されたメモリ素子10は、相変化材料を含んで構成されたスイッチ抵抗素子SWR、スイッチ抵抗素子SWRをオンオフすることで、可変抵抗として機能する。従って、図1に示すメモリ素子10では、これらの抵抗値の相違を利用して多値情報を記録することができる。 As described above, in the circuit shown in FIG. 5, the memory element 10 connected to the power supply 30 can be changed by turning on and off the switch resistance element SWR 1 and the switch resistance element SWR 2 including the phase change material. Acts as a resistor. Therefore, the memory element 10 shown in FIG. 1 can record multi-value information by utilizing the difference between these resistance values.

<消去方法>
図7(A)〜(C)は図1に示すメモリ素子10における情報消去方法を説明するための図である。図7(A)はメモリ素子に消去電圧Ve以上の電圧が印加された状態(f)を表す。一般に、GST等の相変化材料は、アモルファス相に相転移させる際に、融点(通常は600℃前後)以上に加熱する。このため、消去電圧Veを印加して、相変化材料を加熱する。
<Erase method>
7A to 7C are views for explaining an information erasing method in the memory element 10 shown in FIG. FIG. 7A shows a state (f) in which a voltage equal to or higher than the erase voltage Ve is applied to the memory element. In general, a phase change material such as GST is heated to a melting point (usually around 600 ° C.) or more when phase transitioning to an amorphous phase. For this reason, the erase voltage Ve is applied to heat the phase change material.

図7(A)に示すように、第2の記録状態(e)のメモリ素子(図2(E)参照)の第1電極16と第2電極18との間に、消去電圧Ve以上の電圧が印加されると、電流通路を流れる電流量がIe以上に急増し、第1の抵抗体層24及び第2の抵抗体層28が発熱する。これにより、図7(C)に示すように、第1の相変化層22及び第2の相変化層26の全体がアモルファス相に転移して安定化し、初期化された状態(a)(図2(A)参照)に戻る。   As shown in FIG. 7A, a voltage equal to or higher than the erase voltage Ve between the first electrode 16 and the second electrode 18 of the memory element (see FIG. 2E) in the second recording state (e). Is applied, the amount of current flowing through the current path rapidly increases to Ie or more, and the first resistor layer 24 and the second resistor layer 28 generate heat. As a result, as shown in FIG. 7C, the entire first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are transformed to the amorphous phase, stabilized, and initialized (a) (FIG. Return to 2 (A).

図7(B)はメモリ素子に消去電圧Ve以上の電圧が印加された状態(g)を表す。図7(B)に示すように、結晶相部分が広範囲に形成された第2の記録状態(e)のメモリ素子(図6(B)参照)の場合も、消去電圧Ve以上の電圧が印加されると、電流通路を流れる電流量がIe以上に急増し、第1の抵抗体層24及び第2の抵抗体層28が発熱する。これにより、図7(C)に示すように、第1の相変化層22及び第2の相変化層26の全体がアモルファス相に転移して安定化し、初期化された状態(a)(図2(A)参照)に戻る。   FIG. 7B shows a state (g) in which a voltage equal to or higher than the erase voltage Ve is applied to the memory element. As shown in FIG. 7B, a voltage equal to or higher than the erasing voltage Ve is also applied to the memory element (see FIG. 6B) in the second recording state (e) in which the crystal phase portion is formed in a wide range. Then, the amount of current flowing through the current path rapidly increases to Ie or more, and the first resistor layer 24 and the second resistor layer 28 generate heat. As a result, as shown in FIG. 7C, the entire first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are transformed to the amorphous phase, stabilized, and initialized (a) (FIG. Return to 2 (A).

(第2の実施の形態)
図8は本発明の第2の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す図である。図8(A)はメモリ素子の平面図、図8(B)は(A)のB−B線断面図である。本発明の第2の実施の形態に係るメモリ素子40は、Si等からなる階段状の半導体基板42を備えている。半導体基板42は、平板状の主基板部42Aと、主基板部42Aより一段高く形成された段差部42Bとで構成されている。段差部42Bの側面は、主基板部42Aの表面と直交している。従って、半導体基板12の形状は、平面視は矩形状であるが、断面視はL字型である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing the structure of a memory element according to the second embodiment of the present invention. 8A is a plan view of the memory element, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. The memory element 40 according to the second embodiment of the present invention includes a stepped semiconductor substrate 42 made of Si or the like. The semiconductor substrate 42 includes a flat main substrate portion 42A and a step portion 42B formed one step higher than the main substrate portion 42A. The side surface of the step portion 42B is orthogonal to the surface of the main substrate portion 42A. Therefore, the shape of the semiconductor substrate 12 is a rectangular shape in plan view, but is L-shaped in cross section.

半導体基板42の主面は、SiO、ZnS等からなる絶縁膜44で被覆されている。即ち、主基板部42Aの表面、段差部42Bの上面、及び主基板部42Aの表面と段差部42Bの上面との間に存在する段差部42Bの側面が、絶縁膜44で被覆されている。絶縁膜44上には、TiN、Poly−Si、Al、Au等の薄膜からなる第1電極46と第2電極48とが形成されている。第1電極46は主基板部42Aの表面に配置され、第2電極48は段差部42Bの上面に配置されている。 The main surface of the semiconductor substrate 42 is covered with an insulating film 44 made of SiO 2 , ZnS or the like. That is, the insulating film 44 covers the surface of the main substrate portion 42A, the upper surface of the stepped portion 42B, and the side surface of the stepped portion 42B existing between the surface of the main substrate portion 42A and the upper surface of the stepped portion 42B. A first electrode 46 and a second electrode 48 made of a thin film such as TiN, Poly-Si, Al, or Au are formed on the insulating film 44. The first electrode 46 is disposed on the surface of the main substrate portion 42A, and the second electrode 48 is disposed on the upper surface of the step portion 42B.

また、絶縁膜44上には、相変化により情報を記録するメモリ部50が形成されている。メモリ部50は、複数の薄膜が積層された多層構造を有している。メモリ部50の最下層には、第1の相変化材料で形成された第1の相変化層52が配置されている。第1の相変化層52は、絶縁膜44に接触すると共に、第1電極46及び第2電極48の各々と接触するように、第1電極46と第2電極48との間に設けられている。即ち、第1の相変化層52は、主基板部42Aの表面で第1電極46と接触し、段差部42Bの側面を伝って、段差部42Bの上面の第2電極48に到達するように、第1電極46と第2電極48との間に設けられている。   On the insulating film 44, a memory unit 50 for recording information by phase change is formed. The memory unit 50 has a multilayer structure in which a plurality of thin films are stacked. A first phase change layer 52 made of a first phase change material is disposed in the lowermost layer of the memory unit 50. The first phase change layer 52 is provided between the first electrode 46 and the second electrode 48 so as to contact the insulating film 44 and to contact each of the first electrode 46 and the second electrode 48. Yes. That is, the first phase change layer 52 is in contact with the first electrode 46 on the surface of the main substrate portion 42A, and reaches the second electrode 48 on the upper surface of the step portion 42B through the side surface of the step portion 42B. The first electrode 46 and the second electrode 48 are provided.

第1の相変化層52上には、第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層54、第2の相変化材料で形成された第2の相変化層56、及び第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層58が、この順で積層されている。メモリ素子40は、主基板部42Aの表面と平行な面上に配置される。段差部42Bの側面は、主基板部42Aの表面と直交している。従って、メモリ部50を全体的に見ると、第1の相変化層52、第1の抵抗体層54、第2の相変化層56、及び第2の抵抗体層58は、段差部42Bの側面上に、メモリ素子が載置される面に対し平行な方向(X方向)に積層されている。   On the first phase change layer 52, a first resistor layer 54 formed of a first resistor, a second phase change layer 56 formed of a second phase change material, and a second phase change layer 56 are formed. A second resistor layer 58 formed of resistors is stacked in this order. The memory element 40 is disposed on a plane parallel to the surface of the main board portion 42A. The side surface of the step portion 42B is orthogonal to the surface of the main substrate portion 42A. Accordingly, when the memory unit 50 is viewed as a whole, the first phase change layer 52, the first resistor layer 54, the second phase change layer 56, and the second resistor layer 58 are formed in the stepped portion 42B. On the side surface, they are stacked in a direction (X direction) parallel to the surface on which the memory element is placed.

第1の実施の形態は、メモリ部の各層が、メモリ素子が載置される面に対し垂直な方向(縦方向)に積層されている。これを「縦型」であるとすると、第2の実施の形態は、メモリ部各層が、メモリ素子が載置される面に対し平行な方向(横方向)に積層された「横型」である。なお、第1の相変化層52及び第1の抵抗体層54が本発明の「第1のメモリ部」に相当し、第2の相変化層56及び第2の抵抗体層58が本発明の「第2のメモリ部」に相当する。   In the first embodiment, each layer of the memory unit is stacked in a direction (longitudinal direction) perpendicular to the surface on which the memory element is placed. If this is a “vertical type”, the second embodiment is a “horizontal type” in which each layer of the memory unit is stacked in a direction (lateral direction) parallel to the surface on which the memory element is placed. . The first phase change layer 52 and the first resistor layer 54 correspond to the “first memory portion” of the present invention, and the second phase change layer 56 and the second resistor layer 58 of the present invention. Corresponds to the “second memory section”.

第1、第2の相変化材料としては、室温において結晶相及びアモルファス相の何れかで安定化する相変化材料が用いられる。このような相変化材料としては、上述した通り、Ge-Sb-Te(GST)、Sb-Te、In-Ag-Sb-Te等のカルコゲナイド系の化合物が好適である。第1、第2の抵抗体としては、その比抵抗が、下層に配置された相変化材料のアモルファス相における抵抗より低く、結晶相における抵抗より高い抵抗体を用いることができる。このような抵抗体としては、C、W、Mo、TiN、TiW等が好適である。   As the first and second phase change materials, phase change materials that are stabilized in either a crystalline phase or an amorphous phase at room temperature are used. As such a phase change material, a chalcogenide compound such as Ge—Sb—Te (GST), Sb—Te, In—Ag—Sb—Te is preferable as described above. As the first and second resistors, it is possible to use a resistor whose specific resistance is lower than the resistance in the amorphous phase of the phase change material disposed in the lower layer and higher than the resistance in the crystal phase. As such a resistor, C, W, Mo, TiN, TiW and the like are suitable.

なお、第2の実施の形態に係るメモリ素子40は、メモリ部50を横型とした以外は、第1の実施の形態に係るメモリ素子10と同様の構成である。第2の実施の形態に係るメモリ素子40は、第1の実施の形態に係るメモリ素子10と同様にして製造することができる。   The memory element 40 according to the second embodiment has the same configuration as the memory element 10 according to the first embodiment, except that the memory unit 50 is a horizontal type. The memory element 40 according to the second embodiment can be manufactured in the same manner as the memory element 10 according to the first embodiment.

また、第1の実施の形態に係るメモリ素子10と同様にして多値記録を行うことができる。例えば、第1の相変化層52、第1の抵抗体層54、第2の相変化層56、及び第2の抵抗体層58の各々を、第1の実施の形態の第1の相変化層22、第1の抵抗体層24、第2の相変化層26、及び第2の抵抗体層28の各々と同じ材料で形成する。   Further, multi-value recording can be performed in the same manner as the memory element 10 according to the first embodiment. For example, each of the first phase change layer 52, the first resistor layer 54, the second phase change layer 56, and the second resistor layer 58 is replaced with the first phase change of the first embodiment. The layer 22, the first resistor layer 24, the second phase change layer 26, and the second resistor layer 28 are formed of the same material.

このとき、第1の相変化層52がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第2の相変化層56がアモルファス相である場合の抵抗値は「r 」であり、結晶相である場合の抵抗値は「r 」である。第1の抵抗体層54の抵抗値は「R」であり、第2の抵抗体層58の抵抗値は「R」である。 At this time, when the first phase change layer 52 is an amorphous phase, the resistance value is “r 1 a ”, and when the first phase change layer 52 is a crystalline phase, the resistance value is “r 1 c ”. The resistance value when the second phase change layer 56 is an amorphous phase is “r 2 a ”, and the resistance value when the second phase change layer 56 is a crystal phase is “r 2 c ”. The resistance value of the first resistor layer 54 is “R 1 ”, and the resistance value of the second resistor layer 58 is “R 2 ”.

メモリ素子40が初期化された状態では、第1の相変化層52及び第2の相変化層56はいずれもアモルファス相であり、その抵抗値はr である。初期化状態のメモリ素子40の第1電極16と第2電極18との間に、読み出し電圧Vが印加されると、電流は、アモルファス相からなる第1の相変化層52を通過して、より抵抗値の小さい第1の抵抗体層54に流れ込み、再び第1の相変化層52を通過する。アモルファス相である第1の相変化層52の抵抗値はr と大きいので、読み出し電圧Vが印加されても、僅かな電流Iしか検出されない。 In the state in which the memory element 40 is initialized, both the first phase change layer 52 and the second phase change layer 56 are in an amorphous phase, and the resistance value thereof is r 1 a . First electrode 16 of the memory element 40 in the initial state and between the second electrode 18, when the read voltage V R is applied, a current is passed through the first phase change layer 52 made of amorphous phase Then, it flows into the first resistor layer 54 having a smaller resistance value and passes through the first phase change layer 52 again. Since the resistance value of the first phase change layer 52 is an amorphous phase is as large as r 1 a, even if a read voltage V R is applied, a small current I 0 only detected.

第1の実施の形態に係るメモリ素子10と同様にして、電圧印加により初期化状態から複数の記録状態に変化させて、多値記録を行うことができる。従って、ここでは説明を省略する。   Similarly to the memory element 10 according to the first embodiment, multi-value recording can be performed by changing from an initialized state to a plurality of recording states by applying a voltage. Therefore, the description is omitted here.

本実施の形態に係るメモリ素子40では、複数のメモリ部を形成し、個々のメモリ部の相変化層がアモルファス相から結晶層に相転移したか否かによって、異なる抵抗値を正確に実現し、この抵抗値の相違を利用して多値記録を行う。このため、各相の体積率に応じて多値記録を行う従来の多値記録方法に比べ、抵抗値の変動が少なく、確実に多値記録を行うことができる。即ち、信頼性の高いメモリ素子を提供することができる。   In the memory element 40 according to the present embodiment, a plurality of memory portions are formed, and different resistance values are accurately realized depending on whether or not the phase change layer of each memory portion has changed from an amorphous phase to a crystalline layer. Multi-value recording is performed using the difference in resistance value. For this reason, compared with the conventional multi-value recording method which performs multi-value recording according to the volume ratio of each phase, the resistance value does not fluctuate and multi-value recording can be performed reliably. That is, a highly reliable memory element can be provided.

また、メモリ素子40は、メモリ部50を横型としているので、1素子当たりの面積が小さくなり、高密度で実装することが可能である。   Further, since the memory element 40 has the memory unit 50 as a horizontal type, the area per element is reduced, and the memory element 40 can be mounted at a high density.

(第3の実施の形態)
第1の実施の形態では、第1の相変化層上に、第1の抵抗体層、第2の相変化層、及び第2の抵抗体層がこの順で積層されたメモリ部を形成する例について説明したが、図5に示したように、電源に接続されたときに「可変抵抗として機能する回路」を構成するように、一対の電極、複数のスイッチ抵抗素子、及び複数の抵抗素子が配置されていればよく、本発明のメモリ素子は図1に示す構造には限定されない。
(Third embodiment)
In the first embodiment, a memory section in which a first resistor layer, a second phase change layer, and a second resistor layer are stacked in this order is formed on the first phase change layer. As described in the example, as shown in FIG. 5, a pair of electrodes, a plurality of switch resistance elements, and a plurality of resistance elements are formed so as to constitute a “circuit that functions as a variable resistance” when connected to a power source. The memory element of the present invention is not limited to the structure shown in FIG.

例えば、メモリ部を、相変化層上に抵抗体層を積層した部分メモリ部をn組順次積層した多層構造とすることができる。図9は第3の実施の形態に係るメモリ素子の断面図である。第1の実施の形態と同じ構成部分には、同じ符号を付して説明を省略する。   For example, the memory unit can have a multi-layer structure in which n partial memory units each including a resistor layer stacked on a phase change layer are sequentially stacked. FIG. 9 is a cross-sectional view of a memory element according to the third embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

第3の実施の形態に係るメモリ素子10Aは、相変化により情報を記録するメモリ部20Aを備えている。メモリ部20Aは、n個の部分メモリ部(第1のメモリ部20〜第nのメモリ部20)を備えている。1個の部分メモリ部は、相変化層上に抵抗体層が積層された二層構造である。第1の実施の形態と同様に、第1のメモリ部(第1の相変化層22及び第1の抵抗体層24)上には、第2のメモリ部(第2の相変化層26及び第2の抵抗体層28)が積層されている。 The memory element 10A according to the third embodiment includes a memory unit 20A that records information by phase change. The memory unit 20A includes n partial memory units (first memory unit 20 1 to n-th memory unit 20 n ). One partial memory unit has a two-layer structure in which a resistor layer is stacked on a phase change layer. Similar to the first embodiment, the second memory unit (the second phase change layer 26 and the first phase change layer 26 and the first resistor layer 24) is formed on the first memory unit (the first phase change layer 22 and the first resistor layer 24). A second resistor layer 28) is laminated.

例えば、メモリ部20Aが、3個の部分メモリ部(第1のメモリ部20〜第3のメモリ部20)を備える場合は、第2のメモリ部の第2の抵抗体層28上に、第3のメモリ部(第3の相変化層及び第3の抵抗体層)が積層されて、多層構造のメモリ部20Aが形成されている。 For example, when the memory unit 20A includes three partial memory units (the first memory unit 20 1 to the third memory unit 20 3 ), the memory unit 20A is provided on the second resistor layer 28 of the second memory unit. The third memory portion (third phase change layer and third resistor layer) is laminated to form a memory portion 20A having a multilayer structure.

この場合には、通電により第2の抵抗体層が発熱すると、第3の相変化層が第2の抵抗体層により加熱されて、第3の相変化層の一部がアモルファス相から結晶相に転移する。相転移により第3の相変化層の抵抗値が低下して、第3の相変化層を横切るように電流が流れるようになる。これにより新たな電流経路が形成されて、メモリ部20A全体の抵抗値が変化する。従って、3個の部分メモリ部を有することで、4値の多値記録を実現することができる   In this case, when the second resistor layer generates heat by energization, the third phase change layer is heated by the second resistor layer, and a part of the third phase change layer is changed from the amorphous phase to the crystalline phase. To metastasize. Due to the phase transition, the resistance value of the third phase change layer decreases, and a current flows across the third phase change layer. As a result, a new current path is formed, and the resistance value of the entire memory unit 20A changes. Therefore, by having three partial memory units, it is possible to realize quaternary multi-value recording.

また、例えば、n個(nは4以上の整数)の部分メモリ部を備える場合には、第2のメモリ部の第2の抵抗体層28上に、第3のメモリ部20〜第nのメモリ部20が昇順に順次積層されて、多層構造のメモリ部20Aが形成されている。第k(kは3以上の整数、k<n)のメモリ部20は、第kの相変化層上に第kの抵抗体層を形成した二層構造である。 Further, for example, in the case of including n (n is an integer of 4 or more) partial memory units, the third memory units 20 3 to 20 n are provided on the second resistor layer 28 of the second memory unit. memory unit 20 n are sequentially stacked in ascending order of the memory portion 20A of the multilayer structure is formed. The k-th (k is an integer of 3 or more, k <n) memory section 20 k has a two-layer structure in which a k-th resistor layer is formed on a k-th phase change layer.

この場合には、通電により第kの抵抗体層が発熱すると、第(k+1)の相変化層が第kの抵抗体層により加熱されて、第(k+1)の相変化層の一部がアモルファス相から結晶相に転移する。相転移により、第(k+1)の相変化層の抵抗値が低下して、第(k+1)の相変化層を横切るように電流が流れるようになる。これにより新たな電流経路が形成されて、メモリ部20A全体の抵抗値が変化する。従って、n個の部分メモリ部を有することで、(n+1)値の多値記録を実現することができる   In this case, when the kth resistor layer generates heat by energization, the (k + 1) th phase change layer is heated by the kth resistor layer, and a part of the (k + 1) th phase change layer is amorphous. Transition from phase to crystalline phase. Due to the phase transition, the resistance value of the (k + 1) th phase change layer decreases, and a current flows across the (k + 1) th phase change layer. As a result, a new current path is formed, and the resistance value of the entire memory unit 20A changes. Therefore, by having n partial memory units, multi-value recording of (n + 1) values can be realized.

部分メモリ部の個数nは、理論上は無制限であり、2個〜4個には限定されない。   The number n of partial memory units is theoretically unlimited and is not limited to 2-4.

図10は図9に示すメモリ素子10Aを電源に接続した状態を表した回路図である。図10に示すように、この回路は、n個のスイッチ抵抗素子SWR〜SWRと、n個の抵抗素子R〜Rとを備えている。第kのスイッチ抵抗素子SWRは、スイッチ素子SWと抵抗素子R0kとで構成されている。スイッチ素子SWと抵抗素子R0kとは、並列に接続されている。 FIG. 10 is a circuit diagram showing a state in which the memory element 10A shown in FIG. 9 is connected to a power source. As shown in FIG. 10, this circuit includes n switch resistance elements SWR 1 to SWR n and n resistance elements R 1 to R n . The k-th switch resistance element SWR k is composed of a switch element SW k and a resistance element R 0k . The switch element SW k and the resistance element R 0k are connected in parallel.

また、スイッチ素子SWと抵抗素子Rとが直列に接続されると共に、スイッチ素子SWk+1と抵抗素子Rk+1とが直列に接続されている。直列に接続されたスイッチ素子SWk+1と抵抗素子Rk+1とは、抵抗素子Rと並列に接続されている。スイッチ素子SWk+1には、抵抗素子R0(k+1)が並列に接続されている。抵抗素子R0(k+1)は、スイッチ素子SWk+1の一端と抵抗素子Rk+1との間に設けられた端子と、スイッチ素子SWk+1の他端が接続される端子と抵抗素子Rとの間に設けられた端子と、に接続されている。 Further, the switch element SW k and the resistance element R k are connected in series, and the switch element SW k + 1 and the resistance element R k + 1 are connected in series. The switch element SW k + 1 and the resistance element R k + 1 connected in series are connected in parallel with the resistance element R k . A resistance element R 0 (k + 1) is connected in parallel to the switch element SW k + 1 . The resistance element R 0 (k + 1) is between a terminal provided between one end of the switch element SW k + 1 and the resistance element R k + 1, and a terminal connected to the other end of the switch element SW k + 1 and the resistance element R k. And a terminal provided on the

スイッチ抵抗素子SWRが、第kのメモリ部20の相変化層に相当し、抵抗素子Rが、第kのメモリ部20の抵抗体層に相当する。通電により抵抗素子Rが発熱すると、第(k+1)メモリ部20k+1の相変化層の一部がアモルファス相から結晶相に転移して、スイッチ素子SWk+1がONになる。これにより、スイッチ素子SWk+1及び抵抗素子Rk+1を通る新たな電流経路が形成される。 The switch resistance element SWR k corresponds to the phase change layer of the k-th memory unit 20 k , and the resistance element R k corresponds to the resistor layer of the k-th memory unit 20 k . When the resistance element R k generates heat due to energization, a part of the phase change layer of the (k + 1) th memory unit 20 k + 1 changes from the amorphous phase to the crystal phase, and the switch element SW k + 1 is turned on. As a result, a new current path passing through the switch element SW k + 1 and the resistance element R k + 1 is formed.

従って、上述したように、図10に示す回路では、電源に接続されたメモリ素子10Aは、n個のスイッチ抵抗素子SWR〜SWRをオンオフすることで、可変抵抗として機能する。図9に示すメモリ素子10Aでは、これらの抵抗値の相違を利用して多値情報を記録することができる。 Therefore, as described above, in the circuit shown in FIG. 10, the memory element 10A connected to the power supply functions as a variable resistor by turning on and off the n switch resistance elements SWR 1 to SWR n . In the memory element 10A shown in FIG. 9, multi-value information can be recorded by utilizing the difference between these resistance values.

本実施の形態に係るメモリ素子10Aでは、複数のメモリ部を形成し、個々のメモリ部の相変化層がアモルファス相から結晶層に相転移したか否かによって、異なる抵抗値を正確に実現し、この抵抗値の相違を利用して多値記録を行う。このため、各相の体積率に応じて多値記録を行う従来の多値記録方法に比べ、抵抗値の変動が少なく、確実に多値記録を行うことができる。即ち、信頼性の高いメモリ素子を提供することができる。   In the memory element 10A according to the present embodiment, a plurality of memory portions are formed, and different resistance values are accurately realized depending on whether or not the phase change layer of each memory portion has changed from an amorphous phase to a crystalline layer. Multi-value recording is performed using the difference in resistance value. For this reason, compared with the conventional multi-value recording method which performs multi-value recording according to the volume ratio of each phase, the resistance value does not fluctuate and multi-value recording can be performed reliably. That is, a highly reliable memory element can be provided.

また、メモリ素子10Aは、メモリ部20Aをn個の部分メモリ部で構成したので、(n+1)値の多値記録を実現することができる。   In the memory element 10A, since the memory unit 20A is composed of n partial memory units, multi-value recording of (n + 1) values can be realized.

(第4の実施の形態)
図11(A)は図1に示すメモリ素子10を備えたメモリセルの構造を示す断面図である。このようなメモリセルを同一基板上に複数形成することで、メモリセルアレイを構成することができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 11A is a cross-sectional view illustrating a structure of a memory cell including the memory element 10 illustrated in FIG. By forming a plurality of such memory cells on the same substrate, a memory cell array can be configured.

第4の実施の形態に係るメモリセル60は、n型のシリコン半導体基板62を備えている。n型のシリコン半導体基板62の表面近傍には、p拡散領域64とp拡散領域66とが互いに離間するように設けられている。p拡散領域64とp拡散領域66とは、イオン打ち込み等によりp型の不純物を拡散させた領域である。これらp拡散領域64とp拡散領域66との間にある領域が、キャリアが移動するチャネル領域68である。 A memory cell 60 according to the fourth embodiment includes an n-type silicon semiconductor substrate 62. In the vicinity of the surface of the n-type silicon semiconductor substrate 62, a p + diffusion region 64 and a p + diffusion region 66 are provided so as to be separated from each other. The p + diffusion region 64 and the p + diffusion region 66 are regions where p + type impurities are diffused by ion implantation or the like. A region between the p + diffusion region 64 and the p + diffusion region 66 is a channel region 68 in which carriers move.

拡散領域64上には、p拡散領域64と電気的に接続されたソース70が設けられている。p拡散領域66上には、p拡散領域66と電気的に接続されたドレイン72が設けられている。チャネル領域68上には、ゲート絶縁膜74を介して、ゲート76が設けられている。ソース70、ドレイン72、ゲート76は、Poly−Si、Al等の導電性材料で構成されている。ゲート絶縁膜74は、SiO等の絶縁材料で構成されている。 p + on the diffusion region 64, p + diffusion region 64 and electrically connected to the source 70 is provided. On p + diffusion region 66, p + diffusion region 66 and electrically connected to the drain 72 is provided. A gate 76 is provided on the channel region 68 via a gate insulating film 74. The source 70, the drain 72, and the gate 76 are made of a conductive material such as Poly-Si or Al. The gate insulating film 74 is made of an insulating material such as SiO 2 .

以上説明したp拡散領域64、p拡散領域66、チャネル領域68、ソース70、ドレイン72、ゲート絶縁膜74、及びゲート76により、トランジスタであるpチャネルMOSFET(以下、p−MOS)80が構成されている。 The p + diffusion region 64, p + diffusion region 66, channel region 68, source 70, drain 72, gate insulating film 74, and gate 76 described above constitute a p-channel MOSFET (hereinafter referred to as p-MOS) 80 that is a transistor. It is configured.

また、メモリセル60には、n型のシリコン半導体基板62を基板として、メモリ素子10が形成されている。即ち、n型のシリコン半導体基板62上の一部には、絶縁膜14が形成されている。この絶縁膜14上には、第1電極16と第2電極18とが形成されている。第1電極16と第2電極18とは所定間隔を隔てて配置されている。第1電極16は、ドレイン72上にまで延びており、ドレイン72と電気的に接続されている。   In the memory cell 60, the memory element 10 is formed using an n-type silicon semiconductor substrate 62 as a substrate. That is, the insulating film 14 is formed on a part of the n-type silicon semiconductor substrate 62. A first electrode 16 and a second electrode 18 are formed on the insulating film 14. The first electrode 16 and the second electrode 18 are arranged at a predetermined interval. The first electrode 16 extends to the drain 72 and is electrically connected to the drain 72.

また、絶縁膜14上には、相変化により情報を記録するメモリ部20が形成されている。メモリ部20は、第1の相変化層22上に、第1の抵抗体層24、第2の相変化層26、及び第2の抵抗体層28が、この順で積層された多層構造を有している。メモリ部20の最下層には、第1の相変化層22が配置されている。第1の相変化層22は、絶縁膜14に接触すると共に、第1電極16及び第2電極18の各々と接触するように、第1電極16と第2電極18との間に設けられている。   On the insulating film 14, a memory unit 20 for recording information by phase change is formed. The memory unit 20 has a multilayer structure in which a first resistor layer 24, a second phase change layer 26, and a second resistor layer 28 are stacked in this order on a first phase change layer 22. Have. A first phase change layer 22 is disposed in the lowermost layer of the memory unit 20. The first phase change layer 22 is provided between the first electrode 16 and the second electrode 18 so as to contact the insulating film 14 and to contact each of the first electrode 16 and the second electrode 18. Yes.

メモリ素子10とp−MOS80とは、絶縁膜78で覆われている。絶縁膜78は、SiO等の絶縁材料で構成されている。絶縁膜78には、絶縁膜78を貫通してソース70に到達するホール82が形成されている。ホール82にAl等の導電性材料が充填されて、ソース70と電気的に接続されたコンタクト部84が形成されている。同様に、絶縁膜78を貫通してゲート76に到達するホール86が形成され、ホール86に導電性材料が充填されて、コンタクト部88が形成されている。また、絶縁膜78を貫通して第2電極18に到達するホール90が形成され、ホール90に導電性材料が充填されて、コンタクト部92が形成されている。 The memory element 10 and the p-MOS 80 are covered with an insulating film 78. The insulating film 78 is made of an insulating material such as SiO 2 . A hole 82 is formed in the insulating film 78 so as to penetrate the insulating film 78 and reach the source 70. The hole 82 is filled with a conductive material such as Al to form a contact portion 84 electrically connected to the source 70. Similarly, a hole 86 that reaches the gate 76 through the insulating film 78 is formed, and the hole 86 is filled with a conductive material to form a contact portion 88. In addition, a hole 90 that reaches the second electrode 18 through the insulating film 78 is formed, and the hole 90 is filled with a conductive material to form a contact portion 92.

p−MOS80は、コンタクト部88を介してゲート76にマイナスのゲート電圧Vtが印加されると、ソース70とドレイン72との間に電流が流れる(ON状態)。一方、ゲート電圧Vtが印加されない状態では、ソース70とドレイン72との間に電流は流れない(OFF状態)。従って、コンタクト部84とコンタクト部92との間に、読み出し電圧、書き込み電圧、消去電圧等が印加されたとき、p−MOS80がON状態であれば、メモリ素子10に電流が流れる。一方、p−MOS80がOFF状態であれば、メモリ素子10に電流は流れない。   In the p-MOS 80, when a negative gate voltage Vt is applied to the gate 76 via the contact portion 88, a current flows between the source 70 and the drain 72 (ON state). On the other hand, in the state where the gate voltage Vt is not applied, no current flows between the source 70 and the drain 72 (OFF state). Accordingly, when a read voltage, a write voltage, an erase voltage, or the like is applied between the contact portion 84 and the contact portion 92, a current flows through the memory element 10 if the p-MOS 80 is in the ON state. On the other hand, if the p-MOS 80 is in the OFF state, no current flows through the memory element 10.

図11(B)は上記のメモリセル60を簡単な回路で表した場合の回路図である。メモリセル60は、直列に接続されたp−MOS80とメモリ素子10とを備えている。p−MOS80は、ソース側(S)が接地され、ドレイン側(D)がメモリ素子10の一端に接続されている。メモリ素子10の他端は、電源電圧端子94に接続されている。電源電圧端子94からメモリセル60に、読み出し電圧、書き込み電圧、消去電圧等が印加される。   FIG. 11B is a circuit diagram in the case where the memory cell 60 is represented by a simple circuit. The memory cell 60 includes a p-MOS 80 and a memory element 10 connected in series. The p-MOS 80 has a source side (S) grounded and a drain side (D) connected to one end of the memory element 10. The other end of the memory element 10 is connected to the power supply voltage terminal 94. A read voltage, a write voltage, an erase voltage, and the like are applied from the power supply voltage terminal 94 to the memory cell 60.

p−MOS80はスイッチング用のトランジスタである。p−MOS80のゲート(G)にゲート電圧Vtが印加されて、p−MOS80がON状態であれば、メモリ素子10に印加電圧(読み出し電圧、書き込み電圧等)に応じた電流が流れ、メモリ素子10の抵抗値が変化する。この抵抗値の相違を利用して、メモリ素子10に多値情報を記録し、再生することができる。一方、ゲート電圧Vtが印加されず、p−MOS80がOFF状態であれば、メモリ素子10に電流は流れない。   The p-MOS 80 is a switching transistor. If the gate voltage Vt is applied to the gate (G) of the p-MOS 80 and the p-MOS 80 is in the ON state, a current corresponding to the applied voltage (read voltage, write voltage, etc.) flows through the memory element 10, and the memory element The resistance value of 10 changes. By utilizing this difference in resistance value, multi-value information can be recorded in the memory element 10 and reproduced. On the other hand, if the gate voltage Vt is not applied and the p-MOS 80 is in the OFF state, no current flows through the memory element 10.

本実施の形態に係るメモリセル60は、第1の実施の形態に係るメモリ素子10を備えている。メモリ素子10では、複数のメモリ部を形成し、個々のメモリ部の相変化層がアモルファス相から結晶層に相転移したか否かによって、異なる抵抗値を正確に実現し、この抵抗値の相違を利用して多値記録を行う。このため、各相の体積率に応じて多値記録を行う従来の多値記録方法に比べ、抵抗値の変動が少なく、確実に多値記録を行うことができる。即ち、信頼性の高いメモリセルを提供することができる。   The memory cell 60 according to the present embodiment includes the memory element 10 according to the first embodiment. In the memory element 10, a plurality of memory portions are formed, and different resistance values are accurately realized depending on whether or not the phase change layer of each memory portion has changed from an amorphous phase to a crystalline layer. Multi-value recording is performed using. For this reason, compared with the conventional multi-value recording method which performs multi-value recording according to the volume ratio of each phase, the resistance value does not fluctuate and multi-value recording can be performed reliably. That is, a highly reliable memory cell can be provided.

また、メモリセル60は、トランジスタであるp−MOS80を備えているので、p−MOS80のオンオフ制御により、メモリ素子10のスイッチングを行うことが可能である。   In addition, since the memory cell 60 includes the p-MOS 80 that is a transistor, the memory element 10 can be switched by on / off control of the p-MOS 80.

(第5の実施の形態)
図12は本発明の第5の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す図である。図12は第5の実施の形態に係るメモリ素子の断面図である。このメモリ素子10Bは、メモリ部20Bの最下層に、抵抗体で形成されたヒータ用の抵抗体層96を配置し、抵抗体層96上に第1の相変化層22を積層した以外は、第1の実施の形態に係るメモリ素子(図1参照)と同じ構造である。このため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing a structure of a memory element according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 12 is a cross-sectional view of a memory element according to the fifth embodiment. In the memory element 10B, a heater resistor layer 96 formed of a resistor is disposed in the lowermost layer of the memory unit 20B, and the first phase change layer 22 is stacked on the resistor layer 96. The structure is the same as that of the memory element according to the first embodiment (see FIG. 1). For this reason, the same code | symbol is attached | subjected to the same component and description is abbreviate | omitted.

抵抗体層96を構成する抵抗体としては、その比抵抗が、下層に配置された相変化材料のアモルファス相における抵抗より低く、結晶相における抵抗より高い抵抗体を用いることができる。抵抗体としては、C、W、Mo、TiN、TiW等が好適である。   As the resistor constituting the resistor layer 96, a resistor whose specific resistance is lower than the resistance in the amorphous phase of the phase change material disposed in the lower layer and higher than the resistance in the crystal phase can be used. As the resistor, C, W, Mo, TiN, TiW and the like are suitable.

第1の実施の形態に係るメモリ素子10は、初期化状態では、第1の相変化層22及び第2の相変化層26はいずれもアモルファス相であり、その抵抗値は大きい。初期化状態から記録を行う場合には、メモリ素子10の第1電極16と第2電極18との間に、所定電圧が印加されると、電流通路にある第1の相変化層22の一部が発熱し、アモルファス相から結晶相に転移して安定化する。   In the memory device 10 according to the first exemplary embodiment, in the initialized state, the first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are both in an amorphous phase and have a large resistance value. When recording is performed from the initialized state, when a predetermined voltage is applied between the first electrode 16 and the second electrode 18 of the memory element 10, one of the first phase change layers 22 in the current path is recorded. The part generates heat and transitions from the amorphous phase to the crystalline phase and stabilizes.

電流は、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過して、第1の抵抗体層24に流れ込み、再び、第1の相変化層22の結晶相部分22Cを通過する。結晶相部分22C、22Cの抵抗値はr と小さいので、所定電圧と同じ大きさの電圧が印加されると、メモリ素子10に過度の電流が流れるおそれがある。第2の相変化層26が、アモルファス相から結晶相に転移する場合にも、同様のおそれがある。 Current passes through the crystal phase portions 22C 1 of the first phase change layer 22, flows into the first resistive element layer 24, again passes through the crystal phase portion 22C 2 of the first phase change layer 22. Since the resistance values of the crystal phase portions 22C 1 and 22C 2 are as small as r 1 c , an excessive current may flow through the memory element 10 when a voltage having the same magnitude as the predetermined voltage is applied. The same possibility exists when the second phase change layer 26 transitions from an amorphous phase to a crystalline phase.

これに対し、第5の実施の形態に係るメモリ素子10Bでは、初期化状態では、第1の相変化層22及び第2の相変化層26はいずれもアモルファス相であり、その抵抗値は大きい。初期化状態から記録を行う場合には、第1の相変化層22の抵抗値は大きいため、メモリ素子10Bの第1電極16と第2電極18との間に、所定電圧が印加されると、電流は、第1の相変化層22には流れず、抵抗体層96に流れ込む。これにより、第1電極16と第2電極18との間にある抵抗体層96の一部が、局所的に発熱する。   On the other hand, in the memory element 10B according to the fifth embodiment, in the initialization state, the first phase change layer 22 and the second phase change layer 26 are both amorphous phases, and the resistance value is large. . When recording is performed from the initialized state, since the resistance value of the first phase change layer 22 is large, when a predetermined voltage is applied between the first electrode 16 and the second electrode 18 of the memory element 10B. The current does not flow into the first phase change layer 22 but flows into the resistor layer 96. As a result, a part of the resistor layer 96 between the first electrode 16 and the second electrode 18 generates heat locally.

発熱した抵抗体層96により、抵抗体層96上に積層された第1の相変化層22が間接的に加熱される。これにより、第1の相変化層22の一部が、アモルファス相から結晶相に転移して安定化する。第1の相変化層22は、比較的低い電圧の印加により相転移する。このように、第5の実施の形態に係るメモリ素子10Bでは、第1の相変化層22をアモルファス相から結晶相に転移させる場合の印加電圧を低く抑えることができる。   The first phase change layer 22 laminated on the resistor layer 96 is indirectly heated by the heated resistor layer 96. As a result, a part of the first phase change layer 22 transitions from the amorphous phase to the crystalline phase and is stabilized. The first phase change layer 22 undergoes phase transition when a relatively low voltage is applied. Thus, in the memory element 10B according to the fifth embodiment, the applied voltage when the first phase change layer 22 is transitioned from the amorphous phase to the crystalline phase can be kept low.

また、本実施の形態に係るメモリ素子10Bでは、第1の実施の形態と同様に、複数のメモリ部を形成し、個々のメモリ部の相変化層がアモルファス相から結晶層に相転移したか否かによって、異なる抵抗値を正確に実現し、この抵抗値の相違を利用して多値記録を行う。このため、各相の体積率に応じて多値記録を行う従来の多値記録方法に比べ、抵抗値の変動が少なく、確実に多値記録を行うことができる。即ち、信頼性の高いメモリ素子を提供することができる。   In the memory element 10B according to the present embodiment, as in the first embodiment, a plurality of memory portions are formed, and whether the phase change layer of each memory portion has undergone a phase transition from an amorphous phase to a crystalline layer. Different resistance values are accurately realized depending on whether or not, and multi-value recording is performed by utilizing the difference in resistance values. For this reason, compared with the conventional multi-value recording method which performs multi-value recording according to the volume ratio of each phase, the resistance value does not fluctuate and multi-value recording can be performed reliably. That is, a highly reliable memory element can be provided.

(変形例)
なお、上記の実施の形態では、印加電圧を変化させてメモリ素子の抵抗値を変化させる例について説明したが、相変化材料に与える熱エネルギー(電力量)を変化させることができればよく、印加電流の大きさを変化させてメモリ素子の抵抗値を変化させることもできる。また、パルス電圧又はパルス電流を印加すると共に、パルス電圧又はパルス電流の「パルス幅」や「大きさ」を変化させてメモリ素子の抵抗値を変化させることもできる。「パルス幅」及び「大きさ」の両方を変化させてもよい。
(Modification)
In the above embodiment, the example in which the applied voltage is changed to change the resistance value of the memory element has been described. However, it is sufficient that the thermal energy (power amount) applied to the phase change material can be changed. It is also possible to change the resistance value of the memory element by changing the size of. In addition to applying a pulse voltage or pulse current, the resistance value of the memory element can be changed by changing the “pulse width” or “magnitude” of the pulse voltage or pulse current. Both “pulse width” and “size” may be varied.

本発明の第1の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す図であり、(A)はメモリ素子の平面図、(B)は(A)のA−A線断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the structure of the memory element based on the 1st Embodiment of this invention, (A) is a top view of a memory element, (B) is the sectional view on the AA line of (A). 図1に示すメモリ素子における多値記録方法を説明するための図であり、(A)〜(E)は、電圧印加時のメモリ素子の状態(a)〜(e)を示す部分断面図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a multi-value recording method in the memory element shown in FIG. 1, and (A) to (E) are partial cross-sectional views showing states (a) to (e) of the memory element when a voltage is applied. is there. 情報記録時のメモリ素子への印加電圧と検出電流との関係を示す線図である。It is a diagram which shows the relationship between the voltage applied to the memory element at the time of information recording, and a detection current. (A)〜(C)はメモリ素子の3種類の複合抵抗を示す図である。(A)-(C) are figures which show three types of compound resistance of a memory element. 図1に示すメモリ素子を電源に接続した状態を表した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a state in which the memory element illustrated in FIG. 1 is connected to a power source. (A)及び(B)は多値記録方法で生じ得る他の状態を示す部分断面図である。(A) And (B) is a fragmentary sectional view which shows the other state which may arise with a multi-value recording method. (A)〜(C)は図1に示すメモリ素子における情報消去方法を説明するための図である。(A)-(C) are the figures for demonstrating the information erasing method in the memory element shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す図であり、(A)はメモリ素子の平面図、(B)は(A)のB−B線断面図である。It is a figure which shows the structure of the memory element based on the 2nd Embodiment of this invention, (A) is a top view of a memory element, (B) is the BB sectional drawing of (A). 第3の実施の形態に係るメモリ素子の断面図である。It is sectional drawing of the memory element which concerns on 3rd Embodiment. 図9に示すメモリ素子を回路で表した場合の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram when the memory element shown in FIG. 9 is represented by a circuit. (A)は図1に示すメモリ素子を備えたメモリセルの構造を示す部分断面図であり、(B)は(A)のメモリセルを回路で表した場合の回路図である。2A is a partial cross-sectional view showing a structure of a memory cell including the memory element shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a circuit diagram when the memory cell of FIG. 1A is represented by a circuit. 本発明の第5の実施の形態に係るメモリ素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the memory element based on the 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 メモリ素子
10A メモリ素子
12 半導体基板
14 絶縁膜
16 第1電極
18 第2電極
20 メモリ部
20A メモリ部
20 メモリ部
22 第1の相変化層
22C結晶相部分
22C結晶相部分
24 第1の抵抗体層
26 第2の相変化層
26C結晶相部分
26C結晶相部分
28 第2の抵抗体層
30 電源
40 メモリ素子
42 半導体基板
42A 主基板部
42B 段差部
44 絶縁膜
46 第1電極
48 第2電極
50 メモリ部
52 第1の相変化層
54 第1の抵抗体層
56 第2の相変化層
58 第2の抵抗体層
60 メモリセル
62 シリコン半導体基板
64 拡散領域
66 拡散領域
68 チャネル領域
70 ソース
72 ドレイン
74 ゲート絶縁膜
76 ゲート
78 絶縁膜
82 ホール
84 コンタクト部
86 ホール
88 コンタクト部
90 ホール
92 コンタクト部
94 電源電圧端子
96 抵抗体層
抵抗素子
抵抗素子
抵抗素子
抵抗素子
SW スイッチ素子
SW スイッチ素子
SW スイッチ素子
SWRスイッチ抵抗素子
SWRスイッチ抵抗素子
SWRスイッチ抵抗素子
10 memory element 10A memory element 12 semiconductor substrate 14 insulating film 16 first electrode 18 second electrode 20 memory part 20A memory part 20 k memory part 22 first phase change layer 22C 1 crystal phase part 22C 2 crystal phase part 24 first Resistor layer 26 second phase change layer 26C 1 crystal phase portion 26C 2 crystal phase portion 28 second resistor layer 30 power supply 40 memory element 42 semiconductor substrate 42A main substrate portion 42B stepped portion 44 insulating film 46 first electrode 48 Second electrode 50 Memory portion 52 First phase change layer 54 First resistor layer 56 Second phase change layer 58 Second resistor layer 60 Memory cell 62 Silicon semiconductor substrate 64 Diffusion region 66 Diffusion region 68 Channel Region 70 Source 72 Drain 74 Gate insulating film 76 Gate 78 Insulating film 82 Hole 84 Contact portion 86 Hole 88 Contact portion 90 Ho 92 contact portion 94 supply voltage terminal 96 resistor layer
R 0 resistance element R 1 resistance element R 2 resistance element R k resistance element SW 1 switch element SW 2 switch element SW k switch element SWR 1 switch resistance element SWR 2 switch resistance element SWR k switch resistance element

Claims (18)

所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、
通電時の発熱によりオン状態となる第1のスイッチ抵抗素子、及び第1の抵抗体で形成された第1の抵抗素子を含んで構成され、一端が前記一対の電極の一方に接続されると共に他端が前記一対の電極の他方に接続されて前記第1のスイッチ抵抗素子及び前記第1の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第1のメモリ部と、
通電時に発熱した前記第1の抵抗素子により加熱されてオン状態となる第2のスイッチ抵抗素子、及び第2の抵抗体で形成された第2の抵抗素子を含んで構成され、前記第1の抵抗素子と並列に接続されて前記第2のスイッチ抵抗素子及び前記第2の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第2のメモリ部と、
を含むことを特徴とするメモリ素子。
A pair of electrodes arranged at a predetermined interval;
A first switch resistance element that is turned on by heat generation during energization and a first resistance element formed of a first resistor, one end of which is connected to one of the pair of electrodes A first memory section having the other end connected to the other of the pair of electrodes and forming a current path passing through the first switch resistance element and the first resistance element in series;
A second switch resistor element that is heated by the first resistor element that generates heat when energized and is turned on; and a second resistor element formed of a second resistor; A second memory unit connected in parallel with a resistance element to form a current path passing in series through the second switch resistance element and the second resistance element;
A memory device comprising:
前記第1のスイッチ抵抗素子と前記第2のスイッチ抵抗素子とが、温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する相変化材料で形成されたことを特徴とする請求項1に記載のメモリ素子。   The first switch resistance element and the second switch resistance element are formed of a phase change material that changes from one phase of an amorphous phase and a crystalline phase to the other phase in response to a temperature change. The memory element according to claim 1. 前記第1のスイッチ抵抗素子が、通電時の発熱により、前記相変化材料がアモルファス相から結晶相に相転移して抵抗値が低下し、オン状態となると共に、
前記第2のスイッチ抵抗素子が、通電時に発熱した前記第1の抵抗素子により加熱されて、前記相変化材料がアモルファス相から結晶相に相転移して抵抗値が低下し、オン状態となることを特徴とする請求項2に記載のメモリ素子。
The first switch resistance element is turned on due to heat generation during energization, the phase change material undergoes a phase transition from an amorphous phase to a crystalline phase, and the resistance value is lowered.
The second switch resistance element is heated by the first resistance element that generates heat during energization, and the phase change material undergoes a phase transition from an amorphous phase to a crystalline phase, resulting in a decrease in resistance value and an ON state. The memory element according to claim 2.
通電時に発熱した前記第2の抵抗素子により加熱されてオン状態となる第3のスイッチ抵抗素子、及び第3の抵抗体で形成された第3の抵抗素子を含んで構成され、前記第2の抵抗素子と並列に接続されて前記第3のスイッチ抵抗素子及び前記第3の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成される第3のメモリ部を、更に含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のメモリ素子。   A third switch resistor element that is heated by the second resistor element that generates heat when energized and is turned on; and a third resistor element formed of a third resistor; The third memory unit further includes a third memory unit connected in parallel with the resistor element and formed with a current path that passes through the third switch resistor element and the third resistor element in series. The memory element according to any one of? 第3〜第n(nは4以上の整数)のメモリ部を更に含み、
第k+1(kは3以上の整数、k<n)のメモリ部は、通電時に発熱した第kの抵抗素子による加熱によりオン状態となる第k+1のスイッチ抵抗素子、及び第k+1の抵抗体で形成された第k+1の抵抗素子を含んで構成され、前記第kの抵抗素子と並列に接続されて前記第k+1のスイッチ抵抗素子及び前記第k+1の抵抗素子を直列に通過する電流通路が形成されることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載のメモリ素子。
Further includes third to nth (n is an integer of 4 or more) memory units;
The k + 1th (k is an integer of 3 or more, k <n) memory portion is formed of a (k + 1) th switch resistance element that is turned on by heating by the kth resistance element that generates heat during energization, and a (k + 1) th resistance body. A current path that is connected in parallel to the kth resistance element and passes through the k + 1th switch resistance element and the k + 1th resistance element in series is formed. The memory device according to claim 1, wherein the memory device is a memory device.
所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、
前記一対の電極の各々と接触するように前記一対の電極間に設けられると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第1の相変化材料で形成された第1の相変化層と、前記第1の相変化層上に積層されると共に第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層と、を備えた第1のメモリ部と、
前記第1の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第2の相変化材料で形成された第2の相変化層と、前記第2の相変化層上に積層されると共に第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層と、を備えた第2のメモリ部と、
を含むことを特徴とするメモリ素子。
A pair of electrodes arranged at a predetermined interval;
A first phase change material that is provided between the pair of electrodes so as to be in contact with each of the pair of electrodes and changes in phase from one phase of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change. A first memory unit comprising: a first phase change layer formed; and a first resistor layer formed on the first phase change layer and formed of a first resistor;
A second phase change formed of a second phase change material that is laminated on the first resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change. A second memory unit comprising: a layer; and a second resistor layer formed on the second phase change layer and formed of a second resistor;
A memory device comprising:
前記第1の相変化層、前記第1の抵抗体層、前記第2の相変化層、及び前記第2の抵抗体層が、メモリ素子が載置される面に対し平行な方向に積層されたことを特徴とする請求項6に記載のメモリ素子。   The first phase change layer, the first resistor layer, the second phase change layer, and the second resistor layer are stacked in a direction parallel to a surface on which the memory element is placed. The memory device according to claim 6, wherein the memory device is a memory device. 前記第1の相変化層、前記第1の抵抗体層、前記第2の相変化層、及び前記第2の抵抗体層が、メモリ素子が載置される面に対し垂直な方向に積層されたことを特徴とする請求項6に記載のメモリ素子。   The first phase change layer, the first resistor layer, the second phase change layer, and the second resistor layer are stacked in a direction perpendicular to a surface on which the memory element is placed. The memory device according to claim 6, wherein the memory device is a memory device. 前記第2の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第3の相変化材料で形成された第3の相変化層と、前記第3の相変化層上に積層されると共に第3の抵抗体で形成された第3の抵抗体層と、を備えた第3のメモリ部と、更に含むことを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載のメモリ素子。   A third phase change formed of a third phase change material that is laminated on the second resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change And a third memory unit including a layer and a third resistor layer formed on the third phase change layer and formed of a third resistor. The memory element according to claim 6. 第3〜第n(nは4以上の整数)のメモリ部を更に含み、
第k+1(kは3以上の整数、k<n)のメモリ部は、前記第kの抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第k+1の相変化材料で形成された第k+1の相変化層と、前記第k+1の相変化層上に積層されると共に第k+1の抵抗体で形成された第k+1の抵抗体層と、を備えたことを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載のメモリ素子。
Further includes third to nth (n is an integer of 4 or more) memory units;
The k + 1th (k is an integer of 3 or more, k <n) memory section is stacked on the kth resistor layer and changes from one phase of the amorphous phase and the crystalline phase to the other phase in accordance with the temperature change. A (k + 1) th phase change layer formed of the (k + 1) th phase change material and a (k + 1) th resistor layer stacked on the (k + 1) th phase change layer and formed of the (k + 1) th resistor. The memory element according to claim 6, further comprising:
前記相変化材料が、カルコゲナイド系化合物であることを特徴とする請求項2〜10の何れか1項に記載のメモリ素子。   The memory element according to claim 2, wherein the phase change material is a chalcogenide compound. 前記メモリ素子の抵抗値が、3値以上に変化することを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載のメモリ素子。   The memory element according to claim 1, wherein a resistance value of the memory element changes to three or more. 印加電圧又は印加電流の大きさを変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることを特徴とする請求項12に記載のメモリ素子。   The memory device according to claim 12, wherein the resistance value of the memory device is changed by changing a magnitude of an applied voltage or an applied current. パルス電圧又はパルス電流を印加すると共に、前記パルス電圧又はパルス電流のパルス幅を変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることを特徴とする請求項12又は13に記載のメモリ素子。   14. The memory element according to claim 12, wherein a resistance value of the memory element is changed by applying a pulse voltage or a pulse current and changing a pulse width of the pulse voltage or the pulse current. パルス電圧又はパルス電流を印加すると共に、前記パルス電圧又はパルス電流の大きさを変化させて、前記メモリ素子の抵抗値を変化させることを特徴とする請求項12〜14の何れか1項に記載のメモリ素子。   15. The resistance value of the memory element is changed by applying a pulse voltage or a pulse current and changing a magnitude of the pulse voltage or the pulse current. Memory element. 所定間隔を隔てて配置された一対の電極と、
前記一対の電極の各々と接触するように前記一対の電極間に設けられると共に第1の抵抗体で形成された第1の抵抗体層と、前記第1の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第1の相変化材料で形成された第1の相変化層と、前記第1の相変化層上に積層されると共に第2の抵抗体で形成された第2の抵抗体層と、を備えた第1のメモリ部と、
前記第2の抵抗体層上に積層されると共に温度変化に応じてアモルファス相及び結晶相の一方の相から他方の相に相変化する第2の相変化材料で形成された第2の相変化層と、前記第2の相変化層上に積層されると共に第3の抵抗体で形成された第3の抵抗体層と、を備えた第2のメモリ部と、
を含むことを特徴とするメモリ素子。
A pair of electrodes arranged at a predetermined interval;
A first resistor layer formed between the pair of electrodes so as to be in contact with each of the pair of electrodes and formed of a first resistor, and laminated on the first resistor layer A first phase change layer formed of a first phase change material that changes from one phase of an amorphous phase and a crystalline phase to the other phase in response to a temperature change, and laminated on the first phase change layer And a second resistor layer formed of the second resistor, and a first memory unit,
A second phase change formed of a second phase change material that is laminated on the second resistor layer and changes in phase from one of an amorphous phase and a crystalline phase to the other in response to a temperature change. A second memory unit comprising: a layer; and a third resistor layer formed on the second phase change layer and formed of a third resistor;
A memory device comprising:
請求項1〜16の何れか1項に記載のメモリ素子と、前記メモリ素子と同一の基板上に形成されたトランジスタと、を含むメモリセル。   A memory cell comprising the memory element according to claim 1 and a transistor formed over the same substrate as the memory element. 請求項17に記載のメモリセルを、同一の基板上に複数個配列したメモリセルアレイ。   A memory cell array in which a plurality of memory cells according to claim 17 are arranged on the same substrate.
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