JP6140845B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
半導体基板上に形成され、電極間に形成された記録材料に電流を流すことにより記録材料の抵抗値を変化させて情報を記憶し、かつ、高抵抗変化動作と低抵抗変化動作で異なる大きさの電流を流す半導体記憶装置の、複数のメモリセルの電極が直接あるいはトランジスタを介して互いに電気的に結束されて大電極を形成し、該大電極は電源回路からの給電端子に接続され、前記大電極が大電極間結束トランジスタを介して前記複数のメモリセルとは別の複数のメモリセルどうしで結束された電源からの給電端子に接続された大電極と接続される半導体記憶装置にある。
図7ではX方向、Y方向にそれぞれ連続した3つのPCMCHAIN、すなわち合計9つのPCMCHAINに電流を流してセット動作を行う場合を示している。セット動作を高速に行うために、セット動作を一括で行い一括消去動作とし、前述したリセット動作で個々のセルに書込みを行う方式を用いる。
実施の形態1で説明した寄生容量C(BEPLATE−SUB)、C(BEPLATE−STTGY)、C(BEPLATE−STTGYL)に加えて、隣接MLR間の静電容量C(MLR−MLR)、Gate1〜Gate4とチャネル半導体層の間の静電容量C(Gate1−CHAN)、C(Gate2−CHAN)、C(Gate3−CHAN)、C(Gate4−CHAN)の低減方法を説明する。
(1)リードビット線を延伸方向に分割してトランジスタを介して接続する方式
(2)リードビット線をトランジスタを介してライトビット線、メモリセルと接続する方式
(3)分割したライトビット線のそれぞれの部位にトランジスタを介して給電する方式
(4)メモリチェインの両側に選択トランジスタを配置する方式
を説明する。
<リードビット線を延伸方向に分割してトランジスタを介して接続する方式>
図11に示すように、リセット/セット動作の際に、リードビット線MLRは浮遊状態にする。実施の形態1で説明した方式と同様である。MLRはX方向に延伸しているが、隣接MLR間の容量C(MLR−MLR)は延伸距離に比例して増加する。C(MLR−MLR)を抑制するためには、MLRを短くすれば良いが、単純にMLRを短くすると図2(a)で図示したSense amp.をX方向にMLRが途切れる度に配置する必要が生じるので、チップ面積、すなわちビットコストの増加が生じる。C(MLR−MLR)の充放電は、読み出し動作だけでなくリセット/セット動作でも生じる。リセット動作の場合が図11に示されている。リセット動作でY方向の選択を行いBEPLATEにリセット電圧VRESET、TEPLATEに0Vを印加すると、選択チェインSPCMCHAINが接続されたMLRはSTTrYがオン状態であるためBEPLATE側からVRESETが給電される。一方、SPCMCHAINが接続されていないMLRはSTTrYがオフ状態なのでBEPLATEからは給電されず、TEPLATEからチャネル半導体層8p、相変化材料層7を介して0Vが給電される。図11に示すように、隣接するMLRにVRESET、0Vが給電される箇所が、STTrYを1箇所選択するごとに選択MLRの両側で生じる。一般的な半導体ストレージチップの1辺の長さは1cm程度であるが、MLRを1cm延伸させた場合C(MLR−MLR)の充放電で消費するエネルギーは、メモリセルのリセットエネルギーを大幅に上回るほど大きくなる。つまり、寄生容量の充放電のエネルギーがメモリセルの動作エネルギーを上回る。一括セット動作の場合はY方向に隣接するMLRが同時にVSETに充電されるので、リセット動作の場合よりも充放電エネルギーの影響は少ないが、C(MLR−MLR)の充放電でエネルギーを消費して性能が低下するのは同様である。Sense amp.を高密度に配置しなくて良いようにMLRの延伸距離を充分に長くし、かつリセット/セット動作時のC(MLR−MLR)の充放電を抑制することが重要である。
<リードビット線をトランジスタを介してライトビット線、メモリセルと接続する方式>
リセット動作、セット動作時に充放電されるC(MLR−MLR)を抑制する別の方式について説明する。図11でBEPLATEからVRESETが給電されない箇所のMLR、すなわち選択チェインSPCMCHAINが接続されていないMLRに0Vが給電されるのは、MLRがTEPLATEとチャネル半導体層8pおよび相変化材料7を介して電気的に接続されているためである。SPCMCHAINが接続されていないMLRをTEPLATEと電気的に絶縁することができれば、C(MLR−MLR)はリセット動作時にほとんど充放電されなくなり、エネルギー消費を抑制できる。すなわち、消費電力当りのリセット動作の性能を向上できる。セット動作の場合も同様である。
<分割したライトビット線のそれぞれの部位にトランジスタを介して給電する方式>
次に、BEPLATEの周囲の容量、すなわち、図2(b)に示したBEPLATEと半導体基板の間の容量C(BEPLATE−SUB)、BEPLATEとSTTGYLの間の容量C(BEPLATE−STTGYL)、BEPLATEとSTTGYの間の容量C(BEPLATE−STTGY)を低減する方式について説明する。
<メモリチェインの両側に選択トランジスタを配置する方式>
図16、17では、MLRとBEPLATEの間のSTTrYに加えてMLRとSTTrXの境界にもSTTrY2を形成することでリセット動作時のC(MLR−MLR)の充放電を抑制したが、図22のようにSTTrY2はPCMCHAINの上端に形成することもできる。図22は図3の構造とSTTrY2がPCMCHAINの上端に形成されている点が異なる。図22のARRAYのY−Z面での断面図が図23である。
Claims (9)
- 半導体基板上に形成され、電極間に形成された記録材料に電流を流すことにより記録材料の抵抗値を変化させて情報を記憶し、かつ、高抵抗変化動作と低抵抗変化動作で異なる大きさの電流を流す半導体記憶装置の、
複数のメモリセルの電極が直接あるいはトランジスタを介して互いに電気的に結束されて大電極を形成し、該大電極は電源回路からの給電端子に接続され、前記大電極が大電極間結束トランジスタを介して前記複数のメモリセルとは別の複数のメモリセルどうしで結束された電源からの給電端子に接続された大電極と接続され、
前記抵抗変化動作のうち小さな電流で動作させる抵抗変化動作時には、前記大電極間結束トランジスタをオフ状態として、前記大電極間結束トランジスタを介して互いに接続された複数の前記大電極のうちの一部に、前記給電端子から電圧を印加して前記大電極を介してメモリセルに電流を流して抵抗変化動作を行い、
前記抵抗変化動作のうち大きな電流が必要な抵抗変化動作時には、前記大電極間結束トランジスタをオン状態として、前記大電極間結束トランジスタを介して複数の前記大電極を電気的に接続した上で、前記互いに前記大電極間結束トランジスタを介して接続された大電極のそれぞれに給電端子から電圧を印加し、前記互いに前記大電極間結束トランジスタを介して接続された複数の大電極の一部の大電極に結束されたメモリセルに対して電流を流して抵抗変化動作を行うことを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記抵抗変化動作のうち大きな電流が必要な抵抗変化動作が、複数の前記メモリセルの一括動作による低抵抗変化動作、あるいは複数の前記メモリセルの一括動作による高抵抗変化動作であることを特徴とする半導体記憶装置。 - 半導体基板上に形成され、電極間に形成された記録材料に電流を流すことにより記録材料の抵抗値を変化させて情報を記憶し、かつ、高抵抗変化動作と低抵抗変化動作で異なる大きさの電流を流す半導体記憶装置の、
複数のメモリセルの電極が直接あるいはトランジスタを介して互いに電気的に結束されて大電極を形成し、該大電極は電源回路からの給電端子に接続され、前記大電極が大電極間結束トランジスタを介して前記複数のメモリセルとは別の複数のメモリセルどうしで結束された電源からの給電端子に接続された大電極と接続され、
前記複数のメモリセルのうち第1方向に並んだセルとは前記第1方向と直交する第2方向に延伸する第1選択ゲートを持つ第1選択トランジスタを介して接続され、
前記大電極とは前記第1方向に延伸する第2選択ゲートを持つ第2選択トランジスタを介して接続され、前記大電極上で前記第2選択トランジスタを介して第1方向に延伸し第2方向に複数個が並び給電端子と接続された第1電極配線を持ち、
前記第1方向に延伸する前記第1電極配線が、
前記第1方向に並ぶ複数の互いに分離された前記大電極上に渡って延伸し、前記第2選択トランジスタと前記第1電極配線を介して前記大電極どうしが接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 半導体基板上に形成され、電極間に形成された記録材料に電流を流すことにより記録材料の抵抗値を変化させて情報を記憶し、かつ、高抵抗変化動作と低抵抗変化動作で異なる大きさの電流を流す半導体記憶装置の、
複数のメモリセルの電極が直接あるいはトランジスタを介して互いに電気的に結束されて大電極を形成し、該大電極は電源回路からの給電端子に接続され、前記大電極が大電極間結束トランジスタを介して前記複数のメモリセルとは別の複数のメモリセルどうしで結束された電源からの給電端子に接続された大電極と接続され、
前記複数のメモリセルのうち第1方向に並んだセルとは前記第1方向と直交する第2方向に延伸する第1選択ゲートを持つ第1選択トランジスタを介して接続され、
前記大電極とは前記第1方向に延伸する第2選択ゲートを持つ第2選択トランジスタを介して接続され、前記大電極上で前記第2選択トランジスタを介して第1方向に延伸し第2方向に複数個が並び給電端子と接続された第1電極配線を持ち、
前記第1方向に延伸する前記第1電極配線が、
前記第1方向に並ぶ複数の互いに分離された前記大電極間のスペースで切断され、前記大電極間のスペースに形成された第1電極配線選択トランジスタを介して前記第1方向に隣接する前記大電極上の第1電極配線どうしが接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 半導体基板上に形成され、電極間に形成された記録材料に電流を流すことにより記録材料の抵抗値を変化させて情報を記憶し、かつ、高抵抗変化動作と低抵抗変化動作で異なる大きさの電流を流す半導体記憶装置の、
複数のメモリセルの電極が直接あるいはトランジスタを介して互いに電気的に結束されて大電極を形成し、該大電極は電源回路からの給電端子に接続され、前記大電極が大電極間結束トランジスタを介して前記複数のメモリセルとは別の複数のメモリセルどうしで結束された電源からの給電端子に接続された大電極と接続され、
前記複数のメモリセルのうち第1方向に並んだセルとは前記第1方向と直交する第2方向に延伸する第1選択ゲートを持つ第1選択トランジスタを介して接続され、
前記大電極とは前記第1方向に延伸する第2選択ゲートを持つ第2選択トランジスタを介して接続され、前記大電極上で前記第2選択トランジスタを介して第1方向に延伸し第2方向に複数個が並び給電端子と接続された第1電極配線を持ち、
前記第1方向に延伸する前記第1電極配線が、
前記第1方向に並ぶ複数の互いに分離された前記大電極間のスペースで切断され、前記大電極間のスペースに形成された第1電極配線選択トランジスタを介して第2電極配線に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項3〜5のうちのいずれかに記載の半導体記憶装置において、
複数の前記大電極が大電極選択トランジスタを介して電源と接続され、前記複数のメモリセルの上方に形成された電源配線に接続され、大電極選択トランジスタをオン状態にすることで電源配線と大電極は電気的に接続され、大電極選択トランジスタをオフ状態にすることで電源配線と大電極は電気的に絶縁されることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項6に記載の半導体記憶装置において、
前記大電極選択トランジスタが前記大電極上の上方に形成されることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項6に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルがセルトランジスタと抵抗変化材料の並列接続からなり、かつ前記メモリセルは複数個が直列接続され、一方の端部において前記大電極に直接あるいはトランジスタを介して接続され、他方の端部において直接あるいはトランジスタを介してソース電極に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。 - 請求項6に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルがダイオードと抵抗変化材料の直列接続からなり、かつ、前記メモリセルは複数個が並列接続され、一方の端部において前記大電極に直接あるいはトランジスタを介して接続され、他方の端部において前記複数のメモリセルが別々の電極に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。
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