JPH0366160A - 三次元メモリ素子およびその電荷転送方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メモリ集積回路に係り、特にメモリ素子を三
次元的に集積した三次元メモリ素子およびその電荷転送
方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、高度情報化社会の発展に伴い、各種の情報機器が
一般的に用いられるようになってきており、情報機器の
主な構成要素の一つであるメモリ素子の高性能化が強く
要望されている。

一方、最近のエレクトロニクス分野におけるＬＳＩ技術
は、超微細化の方向にその研究開発が進められてきた。

しかし、超微細化への技術開発が限界に達しつつある今
日、メモリ素子を高密度化、多機能化、高速化すること
を目的として、三次元化の研究開発が行われている。

このような三次元集積回路を実現するための技術として
は、無機材料を用いた５ｏｌ（Ｓｔｏｎ　１ｎｓｕｌａ
ｔｏｒ）　、　　Ｓ　Ｉ　Ｍ　ＯＸ　（Ｓｅｐａｒａｔ
ｉｏｎ　ｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄ　０ｘｉｄｅｎｔ　）
等のシリコン系技術、あるいは■族およびＶ族の物質を
組合わせる■−ｖ系技術、さらには有機ＬＢ膜（ラング
ミュアブロジェット法により成膜された超薄膜）を応用
した技術があり、各種の三次元メモリ素子が考えられて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、本発明者等は、有機ＬＢ膜を利用した三次元
メモリ素子を開発し、すでに特願昭６３−２１４１８９
号等として出願済みである。

この三次元メモリ素子は、第５図に示すように、有機Ｌ
Ｂ膜等からなり導電率が印加電圧によって非線形に変化
するトンネルスイッチ膜２ａ〜２ｇと各々が電荷蓄積用
コンデンサＣ１〜Ｃ６に接続された導電層３ａ〜３ｆと
を交互に積層してトンネルスイッチ部１を形成し、この
トンネルスイッチ部１の最上層となるトンネルスイッチ
膜２ａ上に上部電極４を設け、最下層となるトンネルス
イッチ膜２ｇに下部電極５を設けた構成をしている。

なお、上記三次元メモリ素子には、第７図に示す電荷転
送機構が設けられている。この転送機構は、２種類のス
イッチ機構Ａ、Ｂを交互に配置し、各スイッチ機構Ａと
スイッチ機構Ｂとの間に電荷蓄積部Ｃａ−Ｃｄを配置し
、スイッチ機構ＡとＢとを交互に開閉させて電荷をＣａ
からＣｄへ転送するものである。

このような電荷転送機構が設けられた三次元メモリ素子
は、次のように動作する。書込みを行なうときは上部電
極４．導電層３ａ間に、電圧を印加する。そうすると、
電荷がトンネルスイッチ膜２ａをトンネル伝導して電極
４から導電層３ａへ流れ込み、その電荷がコンデンサＣ
１に蓄積される。そして、コンデンサＣ１とコンデンサ
Ｃ２に対して、第６図に示すように、位相がπ／３づつ
ずれた転送電圧パルスｖＡ、ＶＢを素子外部より印加す
ることにより、コンデンサＣ１に蓄積されていた電荷が
、トンネルスイッチ膜２ｂをトンネル伝導して、次段の
導電層３ｂに流れ込み、コンデンサＣ２に蓄積される。

同様に、位相をπ／３ずらした転送電圧パルスＶ、、Ｖ
、を印加することにより電荷が次段へ転送される。そし
て、最終段のコンデンサＣ６に転送電圧パルスｖｃを印
加しすると共に、下部電極５に所定のパルス電圧を印加
することにより、記憶されていた電荷が読み出される。

ところが、上記三次元メモリ素子は、各コンデンサＣ１
〜Ｃ６に対して位相の異なる転送電圧パルスｖＡ、ＶＢ
、ｖｃを印加するための配線が必要であり、しかも上記
したような三相駆動を行うような場合にはその配線が複
雑となるので、メモリ素子の構成が複雑となり、高集積
化、小型化を図る上で大きな問題となる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、各導
電層に配線を行わなくても電荷を転送でき、素子の構成
が簡素化され高集積化によるメモリ容量の増大を図り得
る三次元メモリ素子およびその電荷転送方法を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するために、第１の金属層、ト
ンネルスイッチ膜、第２の金属層、光スイッチ膜からな
る４層を基本単位とし、これを複数単位積層しその積層
方向の両端に金属層が形成されている積層体と、この積
層体の一端部にトンネルスイッチ膜を介して設けられた
書込み電極と、前記積層体の他端にトンネルスイッチ膜
を介して設けられた読出し電極とを備える構成とした。

また、このように構成された三次元メモリ素子の電荷転
送方法として、積層体の積層方向に電圧パルスを印加し
てトンネルスイッチ膜を介して隣接する一方の金属層か
ら他方の金属層へ電荷を転送し、電圧パルスと異なるタ
イミングで光スイッチ膜に光パルスを印加して光スイッ
チ膜を介して隣接する一方の金属層から他方の金属層へ
電荷を転送するようにした。

〔作　用〕

以上のような手段を講じたことにより、書込み電極から
書込まれた情報は、積層体の積層方向に電圧パルスを印
加することにより、第１の金属層からトンネルスイッチ
膜を介して第２の金属層へ転送される。第２の金属層に
転送された電荷はその金属層に接している光スイッチ膜
により次段の金属層から絶縁され、転送された第２の金
属層に保持される。そして、光パルスを印加することに
より、光スイッチ膜が導電状態となり、光スイッチ膜を
介して電荷が転送される。なお、光スイッチ膜とは、光
導電膜または光起電力現象を起こす膜をいう。このよう
にして、書込まれた電荷が積層体の深さ方向へ順次転送
される。したがって、積層体の各金属層に独立に電圧を
印加しなくとも、電荷の転送を行うことができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例に係る三次元メモリ素子の構
成を示す図である。この三次元メモリ素子は、金属２１
．トンネルスイッチ膜２２．金属２３、光スイッチ膜２
４からなる４層を基本単位とし、これを複数（同図には
２層のものが示されている）積層しその両端を金属層と
した積層体２０と、この積層体２０の一端となる金属層
２５にトンネルスイッチ膜２６を介して設けられた読出
し電極２７と、積層体２０の書込み側に設けられた書込
み回路３０と、積層体２０の読出し側に設けられた読出
し回路４０と、積層体２０の積層方向に電圧パルスを印
加する電圧パルス発生部５０と、素子の上面から光パル
スを照射する不図示の光パルス発生部と、積層体２０の
金属層２１ｂ、２３ｂ、２５にそれぞれ接続された電荷
蓄積用コンデンサＣ１〜Ｃ３とから構成されている。な
お、積層体２０の最上部の金属層２１ａは書込み電極を
兼ねている。

ここで、光スイッチＭ２４とは、光導電膜または光起電
力現象を起こす膜の総称であり、フタロシアニン、メロ
シアニン、アモルファスＳＬ等の材料からなる。また、
積層体２０を形成する金属鳩、トンネルスイッチ膜は透
光性の材料からなり、金属層としてはＩＴｏｌ　トンネ
ルスイッチ膜としてはＳｉＯ２等が用いられている。書
込み回路３０は、書込みスイッチＳＷＩの開閉により、
金属層２１ａ、２３ａ間に所定の書込みパルスを印加す
る構成となっている。読出し回路４０は、読出し電極２
７に接続されていて、読出し電極２７から読み出された
電荷が読出し用キャパシタＣ４に蓄積される構成となっ
ている。電圧パルス発生部５０は出力端子が金属層２３
ａおよび読出し電極２７に接続されている。

次に、以上のように構成された一実施例の動作について
説明する。

第２図は本実施例に係る三次元メモリ素子を駆動するた
めの書込み電圧パルス（ａ）、転送電圧パルス（ｂ）、
転送光パルス（Ｃ）のタイミングチャートを示す図であ
る。書込みスイッチＳＷＩを開閉してｒｌＪ、ｒＯＪ信
号を選択し、書込み電極２１ａからトンネルスイッチ膜
２２ａを介して金属層２３ａにｒＩＪ、ｒｏ’Ｊ信号を
入力する。

次に、メモリ素・子の上面から転送用の光パルスを照射
すると共に、この光パルスに同期させた逆流防止用の低
電圧パルスを金属層２３ａ、読出し電極２７間に印加す
る。そうすると、金属層２３ａに書込まれたｒｌＪ、ｒ
ＯＪ信号すなわち金属層２３ａに保存されている電荷は
光スイッチ膜２４ａを介して下段の金属層２１ｂに転送
され、電荷蓄積用コンデンサＣ１に保存される。すなわ
ち、ｒｌＪ、ｒＯＪ信号が電荷蓄積用コンデンサＣ１に
書込まれる。なお、このとき積層体２０を構成する金属
層およびトンネルスイッチ膜は数１０〜数１００Ａの超
薄膜であるから、積層体２０の積層数が数層から十数層
程度であれば光の減衰は無視し得る程度であり光スイッ
チ膜のスイッチング動作に影響はない。

次に、電圧パルス発生部５０によって金属層２３ａ、読
出し電極２７間に高電圧パルスを印加する。そうすると
トンネルスイッチ膜２１ｂが導電状態となり、電荷蓄積
用コンデンサＣ１に蓄積０ されている電荷がトンネル伝導して金属層２３ｂに転送
され、電荷蓄積用コンデンサＣ２に蓄積される。

このように書込みパルス（ａ）、電圧パルス（ｂ）、光
パルス（Ｃ）を第２図に示すタイミングで印加すること
により、書込み電極２１ａから書込まれるｒｌＪ、ｒＯ
Ｊ信号が順次転送され、読出し電極２７に接続されて読
出し用コンデンサＣ４に読み出される。

第３図は光スィッチによる電荷移動モデルを示す図であ
る。同図を参照してｒｌＪ、ｒＯＪ信号の転送を説明す
る。

光スイッチ膜が「１」信号（黒丸）を転送する場合は、
図中右端のモデルで示すように、光パルスの照射により
、光スイッチ膜内に発生した電荷「１」が、光スイッチ
膜に接する一方の金属層にある電荷「１」に押出される
ような形でその光スイッチ膜に接する他方の金属層へ移
動する。

また、ｒＯＪ信号（白丸）を転送する場合は、図中中央
および左端のモデルに示すように、光パ１ ルスにより励起された電荷は再結合により消滅し、電荷
の移動は行われない。

また、トンネルスイッチ部における電荷の移動は、第４
図に示すように、高電圧パルスにより各トンネルスイッ
チ膜がオンして、電荷が各トンネルスイッチ膜をトンネ
ル伝導して転送される。

このような本実施例によれば、トンネルスイッチ膜２２
ａ、２２ｂ、２６と光スイッチ膜２４ａ。

２４ｂとを組合わせ、電圧パルス発生部５０によって積
層体２０の積層方向に高電圧パルスを印加すると共に、
高電圧パルスと異なるタイミングで光パルスを照射する
ようにしたので、積層体の各金属層２１ｂ、２３ｂ、２
５の各々に転送電圧を印加するための配線を施さなくて
も良好に電荷の転送を行なうことができる。したがって
、素子の構成を簡素化でき、高集積化およびそれに伴う
メモリ容量の増大を図ることができる。

また、光パルスに同期させて逆流防止用の低電圧パルス
を印加するようにしたので、書込まれた情報を正確に゛
転送でき、素子の信頼性を向上させ　２ ることかできる。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではない
。例えば、上記一実施例では、メモリ素子の上面から光
パルスを印加する構成となっているが、メモリ素子の横
方向から光パルスを照射するようにしてもよい。このよ
うな構成とした場合には、金属層、トンネルスイッチ膜
に透光性材料を用いる必要はない。

〔発明の効果〕

以上詳記したように本発明によれば、金属層。

トンネルスイッチ膜、金属層、光スイッチ膜の順に積層
された積層部を基本単位として、これを複数積層し、こ
の積層体の一端部に書込み電極を設は他端部に読出し電
極を設ける構成としたので、積層体の各金属層に電荷転
送用の配線を設けなくとも、電圧パルスと光パルスの組
合せによって電荷を転送することができ、よって素子の
構成を簡素化でき、高集積化を図り得、メモリ容量を増
大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る三次元メモリ素子の構
成図、第２図は三次元メモリ素子の動作を説明するため
の図、第３図は光スイッチ膜における電荷移動モデル図
、第４図はトンネルスイッチ膜における電荷移動モデル
図、第５図は先行技術となる三次元メモリ素子の構成図
、第６図は三相駆動用のパルス波形を示す図、第７図は
電荷転送を説明するための図である。 ２０・・・積層体、２１ａ・・・書込み電極、２２ａ。 ２２ｂ、２６・・・トンネルスイッチ膜、２１ｂ。 ２３　ａ　、　　２３　ｂ　、　　２５−・・金属層、
２４ａ。 ２４ｂ・・・光スイッチ膜、２７・・・読出し電極、５
０・・・電圧パルス発生部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の金属層、トンネルスイッチ膜、第２の金属
   層、光スイッチ膜からなる４層を基本単位とし、これを
   複数単位積層し、その積層方向の両端を金属層とした積
   層体と、この積層体の一端部にトンネルスイッチ膜を介
   して設けられた書込み電極と、前記積層体の他端にトン
   ネルスイッチ膜を介して設けられた読出し電極とを具備
   したことを特徴とする三次元メモリ素子。
2. （２）請求項１記載の三次元メモリ素子の電荷転送方法
   において、 前記積層体の積層方向に電圧パルスを印加して前記トン
   ネルスイッチ膜を介して隣接する一方の金属層から他方
   の金属層へ電荷を転送し、前記電圧パルスと異なるタイ
   ミングで前記光スイッチ膜に光パルスを印加し、前記光
   スイッチ膜を介して隣接する一方の金属層から他方の金
   属層へ電荷を転送することを特徴とする三次元メモリ素
   子の電荷転送方法。
3. （３）前記光パルスに同期させて前記積層体の積層方向
   に逆流防止用の低電圧パルスを印加することを特徴とす
   る請求項２記載の三次元メモリ素子の電荷転送方法。