KR100609527B1 - Phase change resistor cell and non-volatile memory device using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상 변화 저항 셀 및 이를 이용한 불휘발성 메모리 장치에 관한 것으로, 저항 기억 소자와 직렬 PN 다이오드 체인을 포함하는 셀 어레이를 다층으로 구성하여 셀 어레이의 수를 줄일 수 있도록 하는 기술을 개시한다. 이러한 본 발명은, 층간 절연막의 상부에 비트라인을 형성하고, 비트라인의 상부에 직렬 PN 다이오드 체인 스위치를 적층하고, 직렬 PN 다이오드 체인 스위치의 상부에 저항 기억 소자를 적층하며, 층간 절연막을 기준으로 직렬 다이오드 셀 어레이를 다층으로 구성하여 전체적인 칩 사이즈를 줄일 수 있도록 한다. The present invention relates to a phase change resistive cell and a nonvolatile memory device using the same, and discloses a technique for reducing the number of cell arrays by configuring a cell array including a resistive memory device and a series PN diode chain in multiple layers. The present invention provides a bit line on top of an interlayer insulating film, a series PN diode chain switch on top of a bit line, a resistance memory device on top of a series PN diode chain switch, and an interlayer insulating film. The series diode cell array can be configured in multiple layers to reduce the overall chip size.
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래의 상 변화 저항 소자를 설명하기 위한 도면. 1A to 1D are diagrams for explaining a conventional phase change resistance element.
도 2는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀의 단위 셀 구성도. 2 is a unit cell configuration diagram of a phase change resistance cell according to the present invention;
도 3은 도 2의 상 변화 저항 셀의 단위 셀 단면도. 3 is a unit cell cross-sectional view of the phase change resistance cell of FIG. 2.
도 4는 도 2의 상 변화 저항 셀의 비트라인에 관한 평면도. 4 is a plan view of a bit line of the phase change resistance cell of FIG.
도 5는 도 2의 상 변화 저항 셀의 평면도. 5 is a plan view of the phase change resistance cell of FIG.
도 6은 도 2의 상 변화 저항 셀을 다층으로 구성한 단면도. 6 is a cross-sectional view of the phase change resistance cell of FIG.
도 7은 도 2의 직렬 다이오드 스위치의 동작을 설명하기 위한 도면. 7 is a view for explaining the operation of the series diode switch of FIG.
도 8은 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 구성도. 8 is a configuration diagram of a nonvolatile memory device using a phase change resistance cell according to the present invention.
도 9는 도 8의 상 변화 저항 셀 어레이에 관한 레이아웃도. FIG. 9 is a layout diagram of the phase change resistance cell array of FIG. 8. FIG.
도 10은 도 8의 상 변화 저항 셀 어레이에 관한 상세 회로도. FIG. 10 is a detailed circuit diagram of the phase change resistance cell array of FIG. 8. FIG.
도 11은 도 8의 센스앰프에 관한 상세 회로도. FIG. 11 is a detailed circuit diagram of the sense amplifier of FIG. 8. FIG.
도 12는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의리드 모드시 동작 타이밍도. 12 is an operation timing diagram of a nonvolatile memory device using a phase change resistance cell according to the present invention in lead mode.
도 13은 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 라이트 모드시 동작 타이밍도.13 is a timing diagram of an operation in a write mode of a nonvolatile memory device using a phase change resistance cell according to the present invention;
도 14는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 라이트 모드시 다층 상 변화 저항 셀의 온도 특성을 설명하기 위한 도면. 14 is a view for explaining a temperature characteristic of a multilayer phase change resistance cell in the write mode of the nonvolatile memory device using the phase change resistance cell according to the present invention;
본 발명은 상 변화 저항 셀 및 이를 이용한 불휘발성 메모리 장치에 관한 것으로, 저항 기억 소자와 별도의 게이트 제어 신호가 필요없는 직렬 다이오드 셀을 포함하는 셀 어레이를 다층으로 구성하여 메모리의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있도록 하는 기술이다. The present invention relates to a phase change resistance cell and a nonvolatile memory device using the same, and to reduce the overall size of the memory by configuring a multi-layer cell array including a resistor diode and a series diode cell that does not require a separate gate control signal. Technology
일반적으로 마그네틱 메모리(Magnetic memory) 및 위상 변화 메모리(Phase Change Memory : PCM) 등의 비휘발성 메모리는 휘발성 램(RAM;Random Access Memory) 정도의 데이터 처리 속도를 갖고, 전원의 오프시에도 데이타가 보존되는 특성을 갖는다. In general, nonvolatile memories such as magnetic memory and phase change memory (PCM) have data processing speeds of about volatile random access memory (RAM) and preserve data even when the power is turned off. Has the property of being.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 상 변화 저항(PCR : Phase Change Resistor) 소자(4)를 설명하기 위한 도면이다. 1A to 1D are diagrams for explaining a conventional phase change resistor (PCR)
상 변화 저항 소자(4)는 탑(Top)전극(1)과 버텀(Bottom)전극(3) 사이에 위상 변화층(PCM; Phase Change Material;2)을 삽입하여 전압과 전류를 인가하면, 위상 변화층(2)에 고온이 유기되어 저항에 변화에 따른 전기 전도 상태가 변하게 된다. 여기서, 위상 변화층(2)의 재료로는 AglnSbTe가 주로 사용된다. When the phase
즉, 도 1c에서와 같이 상 변화 저항 소자(4)에 임계값 이하의 저전류가 흐르면 위상 변화층(2)이 결정화가 되기에 적당한 온도가 된다. 이에 따라, 위상 변화층(2)이 결정 상태(Crystalline phase)가 되어 저저항 상태의 물질이 된다. That is, as shown in FIG. 1C, when a low current of less than or equal to a threshold flows through the phase
반면에, 도 1d에서와 같이 상 변화 저항 소자(4)에 임계값 이상의 고전류가 흐르면 위상 변화층(2)이 녹는 점(Melting Point) 이상의 온도가 된다. 이에 따라, 위상 변화층(2)이 비결정 상태가(Amorphous phase) 되어 고저항 상태의 물질이 된다. On the other hand, as shown in FIG. 1D, when a high current of more than a threshold flows through the phase
이와 같이 상 변화 저항 소자(4)는 두 저항의 상태에 대응하는 데이타를 불휘발성으로 저장할 수 있게 된다. 즉, 상 변화 저항 소자(4)가 저저항 상태일 경우를 데이타 "1"이라 하고, 고저항 상태일 경우를 데이타 "0"이라 하면 두 데이타의 로직 상태를 저장할 수 있다. As described above, the phase change
한편, 종래의 메모리 장치는 하나의 스위칭 소자와 데이타를 저장하기 위한 하나의 메모리 소자를 구비하여 이루어진다. 여기서, 종래의 메모리 장치의 스위칭 소자는 게이트 제어 신호에 의해 스위칭 동작이 제어되는 NMOS트랜지스터를 주로 사용한다. Meanwhile, a conventional memory device includes one switching element and one memory element for storing data. Here, the switching element of the conventional memory device mainly uses an NMOS transistor whose switching operation is controlled by a gate control signal.
그런데, 이러한 NMOS트랜지스터를 스위칭 소자로 사용하여 셀 어레이를 구현할 경우 전체적인 칩 사이즈가 증가하게 되는 문제점이 있다. 이에 따라, 상술한 바와 같이 불휘발성 특성을 갖는 상 변화 저항 소자와 별도의 게이트 제어 신호가 필요없는 직렬 다이오드 스위치를 이용하여 크로스 포인트 셀을 구현하고, 크로스 포인트 셀을 다층으로 구성하여 전체적인 칩의 사이즈를 줄일 수 있도록 하는 본 발명의 필요성이 대두되었다. However, when the cell array is implemented using the NMOS transistor as a switching device, there is a problem in that the overall chip size is increased. Accordingly, as described above, a cross point cell is implemented by using a phase change resistance element having a nonvolatile characteristic and a series diode switch that does not require a separate gate control signal, and the cross point cell is formed in a multilayer to form an overall chip size. There is a need for the present invention that can reduce the number.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다. The present invention has been made to solve the above problems and has the following object.
첫째, 층간 절연막의 상부에 비트라인을 형성하고, 비트라인의 상부에 직렬 다이오드 스위치를 적층하며, 직렬 다이오드 스위치의 상부에 상 변화 저항 소자를 적층하여 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. First, the purpose of the present invention is to improve the process efficiency by forming a bit line on the interlayer insulating film, stacking a series diode switch on top of the bit line, and stacking a phase change resistance device on the top of the series diode switch. .
둘째, 층간 절연막을 기준으로 상부에 상 변화 저항 셀 어레이를 다층으로 배치하고, 하부에 회로 소자 영역을 배치하여 불휘발성 메모리의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. Second, the purpose of the present invention is to reduce the overall size of the nonvolatile memory by arranging a phase change resistive cell array in a multi-layer and a circuit element region in a lower portion of the interlayer insulating layer.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 상 변화 저항 셀은, 절연층의 상부에 형성된 비트라인의 양단 노드와 비트라인 콘택노드를 통해 연결되며, 비트라인 콘택노드의 상부에 연속적으로 직렬 연결된 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하는 직렬 다이오드 스위치; 탑 전극 및 위상 변화층을 구비하고, 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 결정화 상태가 변화되는 상 변화 저항 소자; 및 두개 이상의 다이오드 소자가 연결되는 공통 노드와 위상 변화층 사이를 연결하는 콘택 버텀 전극을 구비하는 단위 상 변화 저항 셀을 구비함을 특징으로 한다. At least two phase change resistance cells of the present invention for achieving the above object are connected through the bit line contact node and the both ends of the bit line formed on the insulating layer, and at least two connected in series with the top of the bit line contact node A series diode switch having the above diode element; A phase change resistance element having a top electrode and a phase change layer, the crystallization state of which is changed according to a magnitude of a current applied from a word line; And a unit phase change resistance cell having a contact bottom electrode connecting a common node to which two or more diode elements are connected and a phase change layer.
본 발명의 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치는, 로오와 컬럼 방향으로 배열되고 다층 구조로 적층되어 절연층에 의해 서로 분리되는 복수개의 상 변화 저항 셀을 포함하는 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이; 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이의 워드라인을 선택적으로 구동하는 복수개의 워드라인 구동부; 및 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이로부터 인가되는 데이타를 센싱하여 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비하되, 복수개의 상 변화 저항 셀 각각은 절연층의 상부에 형성된 비트라인; 비트라인의 양단 노드와 비트라인 콘택노드를 통해 연결되며, 비트라인 콘택노드의 상부에 연속적으로 직렬 연결된 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하는 직렬 다이오드 스위치; 탑 전극 및 위상 변화층을 구비하고, 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 결정화 상태가 변화되는 상 변화 저항 소자; 및 두개 이상의 다이오드 소자가 연결되는 공통 노드와 위상 변화층 사이를 연결하는 콘택 버텀 전극을 구비함을 특징으로 한다. A nonvolatile memory device using a phase change resistance cell of the present invention includes a plurality of phase change resistance cell arrays arranged in a row and column direction and including a plurality of phase change resistance cells stacked in a multilayer structure and separated from each other by an insulating layer. ; A plurality of word line drivers selectively driving word lines of the plurality of phase change resistance cell arrays; And a plurality of sense amplifiers for sensing and amplifying data applied from the plurality of phase change resistor cell arrays, each of the plurality of phase change resistor cells comprising a bit line formed over the insulating layer; A series diode switch connected to both ends of the bit line through a bit line contact node, the series diode switch having at least two diode elements connected in series with the upper portion of the bit line contact node; A phase change resistance element having a top electrode and a phase change layer, the crystallization state of which is changed according to a magnitude of a current applied from a word line; And a contact bottom electrode connecting the common node to which two or more diode elements are connected and the phase change layer.
본 발명의 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치는, 로오와 컬럼 방향으로 복수개 배열된 단위 상 변화 저항 셀을 포함하는 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이; 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이의 하부에 구비된 실리콘 기판에 형성되어 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이를 구동 제어하기 위한 회로 소자 영역; 및 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이와 상기 회로 소자 영역 사이에 형성되어 복수개의 상 변화 저항 셀 어레이와 회로 소자 영역을 상호 절연시키는 절연층을 구비하고, 복수개의 단위 상 변화 저항 셀 각각은 절연층의 상부에 형성된 비트라인; 비트라인의 양단 노드와 비트라인 콘택노드를 통해 연결되며, 비트라인 콘택노드의 상부에 연속적으로 직렬 연결된 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하는 직렬 다이오드 스위치; 탑 전극 및 위상 변화층을 구비하고, 워드라인으로부터 인가 되는 전류의 크기에 따라 결정화 상태가 변화되는 상 변화 저항 소자; 및 두개 이상의 다이오드 소자가 연결되는 공통 노드와 위상 변화층 사이를 연결하는 콘택 버텀 전극을 구비함을 특징으로 한다. A nonvolatile memory device using a phase change resistance cell of the present invention includes: a plurality of phase change resistance cell arrays including a plurality of unit phase change resistance cells arranged in a row and column direction; A circuit element region formed on a silicon substrate provided under the plurality of phase change resistor cell arrays to drive control the plurality of phase change resistor cell arrays; And an insulating layer formed between the plurality of phase change resistance cell arrays and the circuit element region to insulate the plurality of phase change resistance cell arrays and the circuit element region from each other, wherein each of the plurality of unit phase change resistance cells is formed of an insulating layer. A bit line formed thereon; A series diode switch connected to both ends of the bit line through a bit line contact node, the series diode switch having at least two diode elements connected in series with the upper portion of the bit line contact node; A phase change resistance element having a top electrode and a phase change layer, the crystallization state of which is changed according to a magnitude of a current applied from a word line; And a contact bottom electrode connecting the common node to which two or more diode elements are connected and the phase change layer.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀의 단위 셀 구성도이다. 2 is a unit cell configuration diagram of a phase change resistance cell according to the present invention.
단위 상 변화 저항(PCR : Phase Change Resistor) 셀은 하나의 상 변화 저항 소자 PCR와 하나의 직렬 다이오드 스위치(10)를 구비한다. 여기서, 직렬 다이오드 스위치(10)는 PNPN 다이오드 스위치(11)와 PN 다이오드 스위치(12)를 포함한다. PNPN 다이오드 스위치(11)와 PN 다이오드 스위치(12)는 상 변화 저항 소자 PCR의 버텀전극과 비트라인 BL 사이에 병렬 연결된다. The unit phase change resistor (PCR) cell includes one phase change resistor element PCR and one
PNPN 다이오드 스위치(11)는 상 변화 저항 소자 PCR의 한쪽 전극과 비트라인 BL 사이에 역방향으로 연결되고, PN 다이오드 스위치(12)는 상 변화 저항 소자 PCR의 한쪽 전극과 비트라인 BL 사이에 순방향으로 연결된다. 상 변화 저항 소자 PCR의 다른 한쪽 전극은 워드라인 WL과 연결된다. The
도 3은 도 2의 상 변화 저항 셀의 단위 셀 단면 구성도이다. 3 is a unit cell cross-sectional configuration diagram of the phase change resistance cell of FIG. 2.
직렬 다이오드 스위치(10)는 실리콘 기판(30)의 상부에 SiO2로 이루어진 절연층(31)이 적층되고, 절연층(31)의 상부에는 비트라인 BL이 적층된다. 그리고, 비트라인 BL의 상부에는 비트라인 콘택노드 BLCN를 통해 실리콘층(32)이 형성된다. 실리콘층(32)은 성장 실리콘 또는 폴리 실리콘으로 이루어진 PNPN 다이오드 스위치 (11)와 PN 다이오드 스위치(12)가 적층되어 직렬 연결된 다이오드 체인을 형성한다. In the
PNPN 다이오드 스위치(11)는 P형 영역과 N형 영역이 교번적으로 직렬 연결되며, PN 다이오드 스위치(12)는 P형 영역이 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역에 인접하여 형성된다. In the
그리고, PN 다이오드 스위치(12)의 N형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 P형 영역 하부에는 비트라인 콘택노드 BLCN를 통해 비트라인 BL이 형성된다. 또한, PN 다이오드 스위치(12)의 P형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역은 콘택 버텀 전극(22)을 통해 상 변화 저항 소자 PCR의 위상 변화층(PCM; Phase Change Material;21)과 연결된다. The bit line BL is formed through the bit line contact node BLCN under the N-type region of the
이에 따라, 본 발명은 비트라인 BL과 불휘발성 강유전체 캐패시터 사이에 직렬 다이오드 스위치(10)를 형성하여 비트라인 BL과 상 변화 저항 소자 PCR가 서로 공정적인 영향을 미치지 않도록 한다. Accordingly, the present invention forms a
여기서, 상 변화 저항 소자 PCR는 탑 전극(20), 위상 변화층(21) 및 직렬 다이오드 스위치(10)와 연결되는 콘택 버텀 전극(22)을 구비한다. 그리고, 상 변화 저항 소자 PCR의 탑 전극(20) 자체가 워드라인 WL으로 작용한다. Here, the phase change resistance device PCR includes a
도 4는 도 3의 비트라인 BL과 절연층(31)에 관한 평명도이다. 4 is a plan view of the bit line BL and the insulating
상 변화 저항 셀은 절연층(31)의 상부에 나노 스케일(Nano scale) 도체 와이어(Wire)인 비트라인 BL 전극을 형성함을 알 수 있다. It can be seen that the phase change resistance cell forms a bit line BL electrode, which is a nano scale conductor wire, on the insulating
도 5는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀에 관한 평면도이다. 5 is a plan view of a phase change resistance cell according to the present invention.
직렬 다이오드 스위치(10)는 실리콘층(32)으로 이루어진 PNPN 다이오드 스위치(11)와 PN 다이오드 스위치(12)가 직렬 체인 형태로 연속적으로 연결된다. 즉, 하나의 단위 상 변화 저항 셀은 직렬 연결된 PN 다이오드 스위치(12)와 PNPN 다이오드 스위치(11)를 구비한다. 그리고, 하나의 단위 상 변화 저항 셀과 동일한 방향에 인접한 단위 상 변화 저항 셀은 PN 다이오드 스위치(12), PNPN 다이오드 스위치(11)가 서로 직렬 연결된다. In the
그리고, 직렬 다이오드 스위치(10)는 절연층(31)을 사이에 두고 복수개의 층으로 배열되는데, 상부 직렬 다이오드 스위치(10)와 하부 직렬 다이오드 스위치(10) 각각은 절연층(31)을 통해 분리되어 있다. 그리고, 각각의 실리콘층(32)은 절연층(31)을 통해 상부 및 하부가 절연된다. In addition, the
이에 따라, 직렬 연결된 다이오드 소자 중에서 한개의 PN 다이오드 스위치(12)와 한개의 PNPN 다이오드 스위치(11)를 연속적으로 선택하여 하나의 상 변화 저항 셀 영역을 형성할 수 있도록 한다. Accordingly, one
또한, 직렬 다이오드 스위치(10)에서 PN 다이오드 스위치(12)의 P형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역은 상 변화 저항 소자 PCR의 콘택 버텀 전극 CN과 공통으로 연결될 수 있도록 인접하여 형성된다. In the
또한, PN 다이오드 스위치(12)의 N형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 P형 영역은 비트라인 콘택노드 BLCN를 통해 비트라인 BL에 연결된다. 비트라인 콘택노드 BLCN는 이웃하는 상 변화 저항 셀의 비트라인 콘택노드 BLCN와 공통 연결된다. 즉, 동일한 비트라인 콘택노드 BLCN는 PNPN 다이오드 스위치(11)의 P형 영역 과 이웃하는 셀의 PN 다이오드 스위치(12)의 N형 영역과 공통 연결된다. 또한, 상 변화 저항 소자 PCR의 상부 탑 전극(20)에는 워드라인 WL이 형성된다. In addition, the N-type region of the
이러한 구조를 갖는 상 변화 저항 셀은 절연층(31)의 상부에 나노 스케일 도체 와이어인 비트라인 BL 전극을 형성한다. 그리고, 직렬 다이오드 스위치(10)와 비트라인 BL을 연결하는 부분에 비트라인 콘택노드 BLCN를 형성한 후 직렬 PN 다이오드 체인 구조의 직렬 다이오드 스위치(10)를 형성한다. 이에 따라, PN 다이오드 스위치(12)의 N형영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 P형영역이 비트라인 콘택노드 BLCN에 연결된다. The phase change resistance cell having this structure forms a bit line BL electrode, which is a nanoscale conductor wire, on the insulating
이후에, 직렬 다이오드 스위치(10)의 상부에 콘택 버텀 전극 CN을 형성하여 상 변화 저항 소자 PCR의 위상 변화층(21)과 연결시킨다. 그리고, 상 변화 저항 소자 PCR의 탑 전극(20) 자체는 워드라인 WL으로 동작한다. Thereafter, a contact bottom electrode CN is formed on the
도 6은 다층 구조를 이루는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀의 단면도이다. 6 is a cross-sectional view of a phase change resistance cell according to the present invention forming a multilayer structure.
본 발명은 절연층(31)을 기준으로 볼때 상부에 상 변화 저항 셀 어레이(40)가 다층으로 배치된다. 즉, 상 변화 저항 셀 어레이(40)가 제 1셀 어레이로 형성되고, 제 1셀 어레이의 상부에 제 2층 셀 어레이가 다층 구조로 적층된다. 여기서, 제 1셀 어레이의 상부에 형성된 상 변화 저항 소자 PCR의 상부에 절연층(31)이 증착되어 제 1셀 어레이와 제 2셀 어레이를 절연 및 분리한다. In the present invention, the phase change
그리고, 절연층(31)을 기준으로 볼때 하부의 실리콘기판(30)에는 상 변화 저항 셀 어레이(40)를 구동하기 위한 복수개의 회로 소자 영역(150)이 배치된다. 여기서, 회로 소자 영역(150)은 워드라인 구동부, 센스앰프, 데이타 버스, 메인 앰 프, 데이타 버퍼 및 입/출력 포트 등을 포함한다. 상 변화 저항 셀 어레이(40)와 회로 소자 영역(30)은 절연층(31)을 기준으로 절연 및 분리된다. In addition, a plurality of
도 7은 도 2의 직렬 다이오드 스위치(10)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 7 is a diagram for describing an operation of the
상 변화 저항 소자 PCR을 기준으로 볼때 비트라인 BL의 인가 전압이 양의 방향으로 증가하면, PNPN 다이오드 스위치(11)의 동작 특성에 의해 동작전압 Vo에서는 직렬 다이오드 스위치(10)가 오프 상태를 유지하여 전류가 흐르지 않는다. When the applied voltage of the bit line BL increases in the positive direction based on the phase change resistance element PCR, the
이후에, 비트라인 BL의 인가 전압이 더욱 증가되어 임계전압 Vc가 되면, 다이오드의 순방향 동작 특성에 따라 PNPN 다이오드 스위치(11)가 턴온되어 직렬 다이오드 스위치(10)가 턴온됨으로써 전류가 급격히 증가하게 된다. 이때, 비트라인 BL의 인가전압이 임계전압 Vc 이상이 될 경우 소모되는 전류 I의 값은 비트라인 BL에 연결되어 로드로 작용하는 저항(미도시)의 값에 기인한다. Subsequently, when the applied voltage of the bit line BL is further increased to reach the threshold voltage Vc, the
PNPN 다이오드 스위치(11)가 턴온된 이후에는 비트라인 BL에 아주 작은 전압 Vs만 인가되어도 많은 전류가 흐를 수 있게 된다. 이때, PN 다이오드 스위치(10)는 역방향 동작 특성에 의해 오프 상태를 유지하게 된다. After the
반면에, 상 변화 저항 소자 PCR를 기준으로 볼때 비트라인 BL의 인가 전압이 음의 방향으로 증가하면, 즉, 워드라인 WL에 일정 전압이 인가될 경우, PN 다이오드 스위치(10)의 순방향 동작 특성에 의해 직렬 다이오드 스위치(10)가 턴온되어 임의의 동작 전압에서 전류가 흐르게 된다. 이때, PNPN 다이오드 스위치(11)는 역방향 동작 특성에 의해 오프 상태를 유지한다. On the other hand, when the applied voltage of the bit line BL increases in the negative direction based on the phase change resistance element PCR, that is, when a constant voltage is applied to the word line WL, the forward operation characteristic of the
도 8은 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 구성도이다. 8 is a configuration diagram of a nonvolatile memory device using a phase change resistance cell according to the present invention.
본 발명은 복수개의 PCR 셀 어레이(40), 복수개의 워드라인 구동부(50), 복수개의 센스앰프(60), 데이타 버스(70), 메인 앰프(80), 데이타 버퍼(90) 및 입/출력 포트(100)를 구비한다.The present invention provides a plurality of
각각의 PCR 셀 어레이(40)는 도 2에서와 같은 구조의 단위 상 변화 저항 셀들이 로오와 컬럼 방향으로 복수개 배열된다. 로오 방향으로 배열된 복수개의 워드라인 WL 들은 워드라인 구동부(50)에 연결된다. 그리고, 컬럼 방향으로 배열된 복수개의 비트라인 BL들은 센스앰프(60)에 연결된다. Each
여기서, 하나의 PCR 셀 어레이(40)는 하나의 워드라인 구동부(50)와 하나의 센스앰프(60)와 대응하여 연결된다. Here, one
그리고, 복수개의 센스앰프(60)는 하나의 데이타 버스(70)를 공유한다. 데이타 버스(70)는 메인 앰프(80)와 연결되며, 메인 앰프(80)는 데이타 버스(70)를 통해 각각의 센스앰프(60)로부터 인가되는 데이타를 증폭한다. The plurality of
데이타 버퍼(90)는 메인앰프(80)로부터 인가되는 증폭된 데이타를 버퍼링하여 출력한다. 입/출력 포트(100)는 데이타 버퍼(90)로부터 인가되는 출력 데이타를 외부로 출력하거나, 외부로부터 인가되는 입력 데이타를 데이타 버퍼(90)에 인가한다. The
도 9는 도 8의 PCR 셀 어레이(40)에 관한 레이아웃도이다. 9 is a layout diagram of the
PCR 셀 어레이(40)는 복수개의 워드라인 WL이 각각 로오 방향으로 배열되고, 복수개의 비트라인 BL이 각각 컬럼 방향으로 배열된다. 그리고, 워드라인 WL과 비 트라인 BL이 교차되는 영역에만 단위 셀 C이 위치하게 되므로 추가적인 면적이 불필요한 크로스 포인트 셀(Cross point cell)을 구현할 수 있도록 한다. In the
여기서, 크로스 포인트 셀이란 별도의 워드라인 WL 게이트 제어 신호를 이용하는 NMOS트랜지스터 소자를 구비하지 않는다. 그리고, 두개의 연결 전극 노드를 구비한 직렬 다이오드 스위치(10)를 이용하여 상 변화 저항 소자 PCR를 비트라인 BL과 워드라인 WL의 교차점에 바로 위치시킬 수 있도록 하는 구조를 말한다. Here, the cross point cell does not include an NMOS transistor device using a separate word line WL gate control signal. In addition, the structure of the phase change resistance device PCR using the
도 10은 도 8의 PCR 셀 어레이(40)에 관한 상세 회로도이다. FIG. 10 is a detailed circuit diagram of the
PCR 셀 어레이(40)는 복수개의 워드라인 WL<0>~WL<n>이 각각 로오 방향으로 배열되고, 복수개의 비트라인 BL<0>~BL<m>이 각각 컬럼 방향으로 배열된다. 그리고, 워드라인 WL과 비트라인 BL이 교차되는 영역에만 단위 셀 C이 위치하게 된다. 여기서, 하나의 단위 셀 C은 상 변화 저항 소자 PCR와 직렬 다이오드 스위치(10)를 구비한다. In the
그리고, 각각의 비트라인 BL에는 복수개의 센스앰프(60)가 일대일 대응하여 연결된다. 각각의 센스앰프(60)는 센스앰프 인에이블 신호 SEN의 활성화시 기설정된 기준전압 REF과 비트라인 BL으로부터 인가되는 전압을 비교하여 그 결과를 증폭하게 된다. A plurality of
또한, 비트라인 BL<0>과 데이타 버스(70) 사이에는 라이트 스위칭 소자 N1가 연결된다. 라이트 스위칭 신호 WS0가 활성화 될 경우 스위칭 소자 N1가 턴온되어 데이타 버스(70)로부터 입력된 데이타가 비트라인 BL<0>에 인가된다. 그리고, 센스앰프 S/A0와 데이타 버스(70) 사이에는 스위칭 소자 N2가 연결된다. 리드 스위 칭 신호 RS0가 활성화 될 경우 스위칭 소자 N2가 턴온되어 센스앰프 S/A0로부터 출력된 출력신호 SOUT0가 데이타 버스(70)에 출력된다. In addition, the write switching element N1 is connected between the bit line BL <0> and the
또한, 비트라인 BL<m>과 데이타 버스(70) 사이에는 라이트 스위칭 소자 N3가 연결된다. 라이트 스위칭 신호 WS1가 활성화 될 경우 스위칭 소자 N3가 턴온되어 데이타 버스(70)로부터 입력된 데이타가 비트라인 BL<m>에 인가된다. 그리고, 센스앰프 S/Am와 데이타 버스(70) 사이에는 스위칭 소자 N4가 연결된다. 리드 스위칭 신호 RS1가 활성화 될 경우 스위칭 소자 N4가 턴온되어 센스앰프 S/Am로부터 출력된 출력신호 SOUT1가 데이타 버스(70)에 출력된다. In addition, the write switching element N3 is connected between the bit line BL <m> and the
이러한 구조의 PCR 셀 어레이(40)는 각각의 상 변화 저항 소자 PCR들이 한개의 데이타를 저장할 수 있도록 한다. The
도 11은 상술된 센스앰프(60)에 관한 상세 회로도이다. 11 is a detailed circuit diagram of the
센스앰프(60)는 풀다운 조정부(61), 센싱부(62), 래치부(63) 및 프리차지 조정부(64)를 구비한다. The
여기서, 풀다운 조정부(61)는 비트라인 BL과 센싱 전압단 VSEN 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 비트라인 풀다운 신호 BLPD가 인가되는 NMOS트랜지스터 N5를 구비한다. Here, the pull-down adjusting
그리고, 비트라인 BL의 센싱 전압을 감지하기 위한 센싱부(62)는 크로스 커플로 연결된 NMOS트랜지스터 N6,N7을 구비한다. 여기서, NMOS트랜지스터 N6는 비트라인 BL과 센싱 전압단 VSEN 사이에 연결되어 게이트 단자를 통해 센싱 프리차지 신호 SPRE가 인가된다. NMOS트랜지스터 N7는 래치부(63)와 센싱 전압단 VSEN 사이 에 연결되어 게이트 단자가 비트라인 BL과 연결된다. In addition, the
또한, 래치부(63)는 인버터 IV1,IV2를 구비하고, 센싱 프리차지 신호 SPRE를 일정시간 래치하여 출력신호 SOUT를 출력한다. 프리차지 조정부(64)는 프리차지 신호 PRE의 활성화시 턴온되어 전원전압을 래치부(63)에 공급하는 PMOS트랜지스터 P1을 구비한다. The
이러한 구조를 갖는 센스앰프(60)는 프리차지 구간 동안에는 NMOS트랜지스터 N5가 턴온되어 비트라인 BL을 로우 레벨로 프리차지시킨다. In the
그리고, 엑티브 구간 동안에는 센싱 전압단 VSEN을 접지전압 VSS 전압 레벨로 고정시키고 워드라인 WL 전압을 상승시키도록 한다. 또한, 엑티브 구간 동안 센싱 전압단 VSEN을 NMOS트랜지스터 N5의 문턱전압 Vtn 만큼 음의 전압 VNEG 값으로 하강시킬 수도 있다. 이에 따라, 풀다운 조정부(64)의 NMOS트랜지스터 N5가 턴온되어 문턱전압 Vtn 값에서 동작 전압이 결정된다. During the active period, the sensing voltage terminal VSEN is fixed at the ground voltage VSS voltage level and the word line WL voltage is increased. In addition, the sensing voltage terminal VSEN may be decreased to a negative voltage VNEG value by the threshold voltage Vtn of the NMOS transistor N5 during the active period. Accordingly, the NMOS transistor N5 of the pull-
도 12는 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의리드 모드시 동작 타이밍도이다. 12 is a timing diagram of an operation of a nonvolatile memory device using a phase change resistance cell in a lead mode according to the present invention.
먼저, t0 구간에서는 비트라인 풀다운 신호 BLPD가 활성화되면 NMOS트랜지스터 N5가 턴온된다. 이때, 센싱 전압단 VSEN의 전압 레벨은 접지전압 VSS 레벨을 유지한다. First, in the t0 period, when the bit line pulldown signal BLPD is activated, the NMOS transistor N5 is turned on. At this time, the voltage level of the sensing voltage terminal VSEN maintains the ground voltage VSS level.
이어서, t1구간의 진입시 선택된 워드라인 WL이 하이로 천이하여 워드라인 WL에 일정한 구동전압이 인가되면, 직렬 다이오드 스위치(10)의 PN다이오드(12)가 턴온된다. 이에 따라, PCR 셀의 데이타가 비트라인 BL에 전달된다. 이때, 프리차 지 신호 PRE가 하이로 천이하여 PMOS트랜지스터 P1가 턴오프된다. Subsequently, when the selected word line WL transitions high when the t1 section enters, and a constant driving voltage is applied to the word line WL, the
이때, 비트라인 풀다운 신호 BLPD는 로우로 천이한다. 그리고, 센싱 전압단 VSEN의 전압 레벨은 접지전압 VSS 레벨에서 NMOS트랜지스터 N5의 문턱전압 Vtn 만큼 음의 전압 VNEG 값으로 천이되어 비트라인 BL에 센싱 전압이 인가된다. At this time, the bit line pull-down signal BLPD transitions to low. The voltage level of the sensing voltage terminal VSEN is changed from the ground voltage VSS level to the negative voltage VNEG value by the threshold voltage Vtn of the NMOS transistor N5 to apply the sensing voltage to the bit line BL.
다음에, t2구간의 진입시 센싱부(62)가 동작하여 비트라인 BL에 실린 데이타를 증폭함으로써 출력신호 SOUT가 출력된다. Next, upon entering the t2 section, the
즉, t1 구간에서 비트라인 BL에 셀 데이타가 인가될 경우 센싱부(62)에 증폭전압이 인가된다. 이러한 증폭 전압이 임의의 임계전압 값에 도달하면 t2구간에서 래치부(63)의 데이타가 반전되어 출력신호 SOUT가 반전된다. That is, when cell data is applied to the bit line BL in the period t1, an amplification voltage is applied to the
그리고, t3구간에서 워드라인 WL이 로우로 천이하고 센싱 전압단 VSEN이 접지전압 VSS 레벨로 상승한다. 그리고, 리드 스위칭 신호 RS0가 하이로 천이하면 NMOS트랜지스터 N2,N4가 턴온되어 센싱된 리드 데이타가 데이타 버스(70)에 출력된다. Then, in the period t3, the word line WL transitions low and the sensing voltage terminal VSEN rises to the ground voltage VSS level. When the read switching signal RS0 transitions high, the NMOS transistors N2 and N4 are turned on and the sensed read data is output to the
도 13은 본 발명에 따른 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의라이트 모드시 동작 타이밍도이다. 13 is a timing diagram of an operation in the write mode of the nonvolatile memory device using the phase change resistance cell according to the present invention.
본 발명의 라이트 모드시에는 센스앰프 인에이블 신호 SEN가 로우 상태를 유지한다. In the write mode of the present invention, the sense amplifier enable signal SEN is kept low.
먼저, t0 구간에서는 비트라인 풀다운 신호 BLPD가 활성화되어 NMOS트랜지스터 N5를 턴온시킴으로써 비트라인 BL이 그라운드 레벨로 프리차지된다. First, in the t0 period, the bit line pull-down signal BLPD is activated to turn on the NMOS transistor N5 to precharge the bit line BL to the ground level.
이후에, t1 구간의 진입시 라이트 스위칭 신호 WS0가 하이로 천이하면 비트 라인 풀다운 신호 BLPD는 로우로 천이한다. 그리고, 라이트 스위칭 신호 WS0가 하이로 천이하면 NMOS트랜지스터 N1,N3이 턴온되어 데이타 버스(70)를 통해 라이트할 새로운 데이타가 비트라인 BL에 입력된다. 여기서, 라이트 모드시에 비트라인 BL에 인가된 데이타가 "하이" 또는 "로우"라고 가정한다. Subsequently, when the write switching signal WS0 transitions high when the t1 period enters, the bit line pull-down signal BLPD transitions low. When the write switching signal WS0 transitions high, the NMOS transistors N1 and N3 are turned on so that new data to be written through the
이 상태에서 워드라인 WL의 전압이 임계전압 Vc 이하의 값인 네가티브(Negative) 전압으로 천이한다. 즉, 비트라인 BL의 로우 전압 레벨과 워드라인 WL의 네가티브 전압 레벨의 차이는 직렬 다이오드 스위치(10)의 PNPN 다이오드 스위치(11)를 턴온시키기 위한 임계전압 Vc의 상태에 도달하지 못한다. In this state, the voltage of the word line WL transitions to a negative voltage that is less than or equal to the threshold voltage Vc. That is, the difference between the low voltage level of the bit line BL and the negative voltage level of the word line WL does not reach the state of the threshold voltage Vc for turning on the
하지만, 비트라인 BL의 하이 증폭 전압과 워드라인 WL의 네가티브 전압 차이에 따라 PNPN 다이오드 스위치(11)를 턴온시키기 위한 임계전압 Vc 이상의 전압이 가해지게 된다. 이에 따라, PNPN 다이오드 스위치(11)가 턴온 상태가 되어 상 변화 저항 소자 PCR에 데이타를 라이트할 수 있게 된다. However, according to the difference between the high amplification voltage of the bit line BL and the negative voltage of the word line WL, a voltage higher than or equal to the threshold voltage Vc for turning on the
이때, PNPN 다이오드 스위치(11)가 턴온된 이후에는 도 7의 동작 특성에서 보는 바와 같이 상 변화 저항 소자 PCR에 작은 전압 Vs를 인가하여도 많은 전류 I가 흐를 수 있게 된다. 따라서, t1구간 이후에 워드라인 WL의 전압이 네가티브 전압에서 다시 로우 상태로 상승하여도 전류는 충분히 흐를 수 있게 된다. At this time, after the
이후에, t2~tn 구간 동안에는 비트라인 BL에 인가된 데이타의 패턴에 따라 전압 강하 레벨이 상이하게 나타난다. Thereafter, the voltage drop level is different depending on the pattern of data applied to the bit line BL during the period t2 to tn.
즉, 비트라인 BL에 데이타 하이의 값을 전압 레벨이 인가될 경우에는 t2~tn 구간 동안에 비트라인 BL의 전압 레벨을 단계적으로 떨어지도록 제어한다. 반면 에, 비트라인 BL에 데이타 로우의 값을 갖는 전압 레벨이 인가될 경우에는 t2~tn 구간 동안에 비트라인 BL의 전압 레벨을 계속해서 하이 상태로 제어한다.That is, when the voltage level is applied to the bit line BL, the voltage level of the bit line BL is gradually decreased during the period t2 to tn. On the other hand, when the voltage level having the value of the data row is applied to the bit line BL, the voltage level of the bit line BL is continuously controlled during the t2 to tn period.
즉, 도 14에 도시된 바와 같이, 비트라인 BL에 실린 데이타가 "하이"일 경우 결정화 상태를 유지하는 상 변화 저항 소자 PCR의 멜팅(Melting) 온도를 낮은 온도로 일정하게 유지하기 위하여 비트라인 BL에 인가되는 전압의 레벨을 단계적으로 전압강하시킨다. 이에 따라, t1구간에서는 데이타 "하이"의 온도 특성이 피크치를 나타낸 후 서서히 감소하는 형태이며 저저항 특성을 나타낸다. That is, as shown in FIG. 14, in order to keep the melting temperature of the phase change resistance element PCR that maintains the crystallization state at a low temperature at a low temperature when the data loaded on the bit line BL is "high". The level of the voltage applied to the voltage is dropped step by step. Accordingly, in the t1 section, the temperature characteristic of the data "high" gradually decreases after showing the peak value and shows low resistance characteristics.
여기서, 비트라인 BL에 인가되는 전압의 레벨을 전압강하시키지 않고 일정하게 유지할 경우 상 변화 저항 소자 PCR의 온도가 상승되어 결정화 상태에 있는 상 변화 저항 소자 PCR가 비결정화 상태로 변화된다. 이에 따라, 본 발명에서는 결정화 온도를 유지하기 위하여 비트라인 BL에 인가되는 전압의 레벨을 단계적으로 전압 강하시킨다. Here, when the level of the voltage applied to the bit line BL is kept constant without dropping in voltage, the temperature of the phase change resistance element PCR is raised to change the phase change resistance element PCR in the crystallization state into an amorphous state. Accordingly, in the present invention, in order to maintain the crystallization temperature, the voltage level applied to the bit line BL is gradually dropped.
반면에, 비트라인 BL에 실린 데이타가 "로우"일 경우 비결정화 상태를 유지하는 상 변화 저항 소자 PCR의 멜팅 온도를 상승시키기 위하여 비트라인 BL에 인가되는 전압의 레벨을 일정하게 유지시킨다. 즉, 멜팅 온도가 높을수록 고저항 특성을 나타내며 비결정화 상태에 있는 상 변화 저항 소자 PCR의 특성이 향상된다. 이에 따라, 비트라인 BL에 일정 전압을 인가시킬 경우 온도가 상승되어 계속해서 비결정화 상태를 유지할 수 있게 된다. On the other hand, when the data loaded on the bit line BL is " low ", the level of the voltage applied to the bit line BL is kept constant in order to increase the melting temperature of the phase change resistance element PCR that maintains the amorphous state. That is, the higher the melting temperature, the higher the resistance characteristics and the characteristics of the phase change resistance element PCR in the amorphous state is improved. As a result, when a constant voltage is applied to the bit line BL, the temperature is increased to continuously maintain the amorphous state.
여기서, 본 발명은 불휘발성 특성을 갖는 상 변화 저항 소자 PCR에 데이타가 저장되므로 재저장을 위한 동작 과정이 필요 없게 된다. In the present invention, since data is stored in a phase change resistance device PCR having a nonvolatile characteristic, an operation process for restoring is unnecessary.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다. As described above, the present invention provides the following effects.
첫째, 층간 절연막의 상부에 비트라인을 형성하고, 비트라인의 상부에 직렬 다이오드 스위치를 적층하며, 직렬 다이오드 스위치의 상부에 상 변화 저항 소자를 적층하여 공정 효율을 향상시킬 수 있도록 한다. First, a bit line is formed on the interlayer insulating film, a series diode switch is stacked on the bit line, and a phase change resistance device is stacked on the series diode switch to improve process efficiency.
둘째, 층간 절연막을 기준으로 상부에 상 변화 저항 셀 어레이를 다층으로 배치하고, 하부에 회로 소자 영역을 배치하여 불휘발성 메모리의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있도록 한다. Second, a multi-phase phase change resistance cell array is disposed in a multi-layer and a circuit element region in a lower portion of the interlayer insulating layer to reduce the overall size of the nonvolatile memory.
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US8115258B2 (en) | 2009-04-07 | 2012-02-14 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Memory devices having diodes and resistors electrically connected in series |
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