KR100723569B1 - Phase change memory device - Google Patents
Phase change memory device Download PDFInfo
- Publication number
- KR100723569B1 KR100723569B1 KR1020057018603A KR20057018603A KR100723569B1 KR 100723569 B1 KR100723569 B1 KR 100723569B1 KR 1020057018603 A KR1020057018603 A KR 1020057018603A KR 20057018603 A KR20057018603 A KR 20057018603A KR 100723569 B1 KR100723569 B1 KR 100723569B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- cell
- lines
- write
- memory cells
- data
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0004—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements comprising amorphous/crystalline phase transition cells
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0021—Auxiliary circuits
- G11C13/004—Reading or sensing circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/0002—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
- G11C13/0021—Auxiliary circuits
- G11C13/0069—Writing or programming circuits or methods
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C5/00—Details of stores covered by group G11C11/00
- G11C5/02—Disposition of storage elements, e.g. in the form of a matrix array
- G11C5/025—Geometric lay-out considerations of storage- and peripheral-blocks in a semiconductor storage device
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C5/00—Details of stores covered by group G11C11/00
- G11C5/06—Arrangements for interconnecting storage elements electrically, e.g. by wiring
- G11C5/063—Voltage and signal distribution in integrated semi-conductor memory access lines, e.g. word-line, bit-line, cross-over resistance, propagation delay
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C2213/00—Indexing scheme relating to G11C13/00 for features not covered by this group
- G11C2213/70—Resistive array aspects
- G11C2213/72—Array wherein the access device being a diode
Abstract
상 변화 메모리 장치는 반도체 기판; 반도체 기판 위에 적층되어 있는 복수개 셀 어레이들 - 각각의 셀 어레이는 메모리 셀들의 상 변화에 의해 판정되는 저항 값들을 데이터로서 저장하기 위해 행렬 방식으로 정렬되어 있는 메모리 셀들, 행렬의 제1 방향으로 정렬되어 있는 복수개 메모리 셀들의 일단들을 공통적으로 접속시키는 비트 라인들, 및 행렬의 제2 방향으로 정렬되어 있는 복수개 메모리 셀들의 타단들을 공통적으로 접속시키는 워드 라인들을 가짐 - ; 상기 반도체 기판 상의 상기 셀 어레이들 하부에 형성되어 있고, 셀 어레이들의 데이터를 판독하고 기입하기 위한 판독/기입 회로; 셀 어레이들의 셀 레이아웃 영역을 정의하는 제1 방향의 제1 및 제2 경계들 외측에 배치되어, 셀 어레이들의 비트 라인들을 각각 판독/기입 회로에 접속시키기 위한 제1 및 제2 수직 배선들; 및 셀 어레이들의 셀 레이아웃 영역을 정의하는 제2 방향의 제3 및 제4 경계들 중 하나의 외측에 배치되어, 셀 어레이들의 워드 라인들을 각각 판독/기입 회로에 접속시키기 위한 제3 수직 배선들을 가진다.The phase change memory device includes a semiconductor substrate; A plurality of cell arrays stacked on a semiconductor substrate, each cell array being aligned in a first direction of the matrix, memory cells arranged in a matrix to store, as data, resistance values determined by the phase change of the memory cells Bit lines for commonly connecting one ends of the plurality of memory cells, and word lines for commonly connecting the other ends of the plurality of memory cells aligned in a second direction of the matrix; A read / write circuit formed below the cell arrays on the semiconductor substrate, for reading and writing data of the cell arrays; First and second vertical wires disposed outside first and second boundaries in a first direction defining a cell layout area of the cell arrays, for connecting bit lines of the cell arrays to a read / write circuit, respectively; And third vertical wires disposed outside one of the third and fourth boundaries in the second direction defining the cell layout area of the cell arrays, for connecting the word lines of the cell arrays to the read / write circuit, respectively. .
셀 어레이, 메모리 셀, 워드 라인, 비트 라인, 적층, 판독/기입 회로, 수직 배선, 상 변화, 칼코겐화물 Cell Arrays, Memory Cells, Word Lines, Bit Lines, Stacking, Read / Write Circuits, Vertical Wiring, Phase Changes, Chalcogenides
Description
본 발명은, 메모리 재료의 결정 상태와 비결정 상태간의 상 변화로 인해 결정되는 저항 값을 정보로서 비휘발성 방식으로 저장하는 전기적 재기입이 가능한 상 변화 메모리 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an electrically rewritable phase change memory device that stores, as information, a resistance value determined due to a phase change between a crystalline state and an amorphous state of a memory material as information.
업계에서는, EEPROM 플래시 메모리들이 대용량, 다기능의 비휘발성 반도체 메모리들로서 공지되어 있다. 이러한 종류의 반도체 메모리들에서는, 메모리 평면에 최소 가공 치수 100nm 이하의 미세화된 회로들을 실현해 왔다. 메모리 용량을 추가적으로 증가시키기 위해서는, 단위 면적에서의 셀 수를 증가시키기 위한 추가적인 미세화가 필요하다. 그러나, 추가적인 미세화를 진척시키기는 쉽지 않다. In the industry, EEPROM flash memories are known as large capacity, multifunctional nonvolatile semiconductor memories. In this kind of semiconductor memories, miniaturized circuits with a minimum processing dimension of 100 nm or less in the memory plane have been realized. To further increase the memory capacity, further refinement is needed to increase the number of cells in the unit area. However, it is not easy to progress further refinement.
예를 들어, 복수개 메모리 칩들을 적층식으로 조립하거나 실리콘 기판 상부에 적층된 메모리 셀 어레이들을 갖춘 3-차원 메모리 칩을 형성하는 것 등과 같이, 미세화를 진척시키지 않으면서 메모리 용량을 증가시키기 위한 몇가지 접근 방법들이 조사되어 왔다. 그러나, 기존에 제안된 셀 어레이 적층 방법들은 평판형 셀 어레이들이 단순히 적층되는 방식이다. 이런 경우, N개의 레이어들을 적층하는 것에 의해 N배의 용량을 얻을 수는 있지만, 셀 액세스들은 개개의 셀 어레이들에 대해 독립적으로 수행되어야 한다. 따라서, 한번에 복수개 셀 어레이들에 액세스하기는 쉽지 않다. Some approaches to increasing memory capacity without advancing miniaturization, for example, assembling a plurality of memory chips in a stack or forming a three-dimensional memory chip with memory cell arrays stacked on top of a silicon substrate. Methods have been investigated. However, the conventionally proposed cell array stacking methods are simply stacking planar cell arrays. In this case, N times capacity can be obtained by stacking N layers, but cell accesses must be performed independently for individual cell arrays. Thus, accessing a plurality of cell arrays at one time is not easy.
미래의 발전된 차세대 메모리 기술로서, 칼로겐화물-기반 유리 물질의 결정과 비결정 상태들간의 상 전이를 이용하는 상 변화 메모리가 제안되어 왔다(예를 들어, Kasuya Nakayama 등의 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000) PP. 6157-6161 Part 1, NO. 11, November 2000 "Submicron Nonvolatile Memory Cell Based on Reversible Phase Transition in Chalcogenide Glasses" 참고). 이런 유형의 메모리는, 칼코겐화물의 결정 상태에 대한 비결정 상태의 저항비가 100:1 이상으로 커서 이처럼 상이한 저항 값 상태들을 정보로서 저장할 수 있다는 사실을 이용한다. 이러한 상 변화는 가역적이고, 어떤 변화도 가열 방식을 적절하게 설계하는 것에 의해 제어될 수 있는데, 이 경우, 가열 기술은 재료를 통과하는 전류량에 의해 제어될 수 있다. As future advanced next-generation memory technologies, phase change memory has been proposed that utilizes phase transitions between the crystallized and amorphous states of the chalcide-based glass material (see, for example, Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) PP. 6157-6161
이러한 상 변화 메모리의 용량을 증가시키기 위해, 그것의 셀 어레이 및 판독/기입 회로를 통합적으로 형성하는 방법이 중요한 기술 쟁점이 되고 있다. 또한, 고속 데이터 입/출력을 수행할 수 있는 판독/기입 회로를 설계하는 방법 또한 중요한 기술 쟁점이다. In order to increase the capacity of such phase change memory, a method of integrating its cell array and read / write circuit has become an important technical issue. In addition, how to design read / write circuits capable of high-speed data input / output is also an important technical issue.
본 발명을 구현하는 일 모드에 따른 상 변화 메모리 장치는,A phase change memory device according to one mode embodying the present invention,
반도체 기판;Semiconductor substrates;
반도체 기판 상부에 적층되어 있는 복수개 셀 어레이들 - 각각의 셀 어레이는 메모리 셀들의 상 변화에 의해 판정되는 저항 값들을 데이터로서 저장하기 위해 행렬 방식으로 정렬되어 있는 메모리 셀들, 행렬의 제1 방향으로 정렬되어 있는 복수개 메모리 셀들의 일단들을 공통적으로 접속시키는 비트 라인들, 및 행렬의 제2 방향으로 정렬되어 있는 복수개 메모리 셀들의 타단들을 공통적으로 접속시키는 워드 라인들을 가짐 - ; A plurality of cell arrays stacked on top of the semiconductor substrate, each cell array arranged in a matrix manner to store, as data, resistance values determined by the phase change of the memory cells, aligned in a first direction of the matrix Bit lines for commonly connecting one ends of the plurality of memory cells, and word lines for commonly connecting the other ends of the plurality of memory cells aligned in a second direction of the matrix;
반도체 기판상의 셀 어레이들 하부에 형성되어 있고, 셀 어레이들의 데이터를 판독하고 기입하기 위한 판독/기입 회로; A read / write circuit formed below the cell arrays on the semiconductor substrate, the read / write circuit for reading and writing data of the cell arrays;
셀 어레이들의 셀 레이아웃 영역을 정의하는 제1 방향의 제1 및 제2 경계들 외측에 배치되어, 셀 어레이들의 비트 라인들을 판독/기입 회로에 각각 접속시키기 위한 제1 및 제2 수직 배선들; 및 First and second vertical wires disposed outside first and second boundaries in a first direction defining a cell layout area of the cell arrays, for connecting bit lines of the cell arrays to a read / write circuit, respectively; And
셀 어레이들의 셀 레이아웃 영역을 정의하는 제2 방향의 제3 및 제4 경계들 중 하나의 외측에 배치되어, 셀 어레이들의 워드 라인들을 각각 판독/기입 회로에 접속시키기 위한 제3 수직 배선들을 가진다. It is disposed outside one of the third and fourth boundaries in the second direction defining the cell layout area of the cell arrays, and has third vertical wires for connecting the word lines of the cell arrays to the read / write circuit, respectively.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 셀 어레이의 등가 회로이다. 1 is an equivalent circuit of a cell array according to an embodiment of the present invention.
도 2는 4-레이어 적층형 셀 어레이들의 평면도이다. 2 is a plan view of a four-layer stacked cell array.
도 3은 메모리 셀에 쇼트키(Schottky) 다이오드가 사용되는 경우에 도 2의 라인 I-I'을 따라 취해진 단면도이다. 3 is a cross-sectional view taken along the line I-I 'of FIG. 2 when a Schottky diode is used in the memory cell.
도 4는 메모리 셀에 PN 접합 다이오드가 사용되는 경우에 도 2의 라인 I-I'을 따라 취해진 단면도이다. 4 is a cross-sectional view taken along the line I-I 'of FIG. 2 when a PN junction diode is used in the memory cell.
도 5는 셀 어레이의 3차원 등가 회로이다. 5 is a three-dimensional equivalent circuit of a cell array.
도 6은 셀 블록들과 그것의 판독/기입 회로간의 레이아웃 관계를 나타내는 투시도이다. 6 is a perspective view showing the layout relationship between cell blocks and their read / write circuits.
도 7은 비트 라인들과 판독/기입 회로간의 상호 접속 관계를 나타내는 단면도이다. 7 is a cross-sectional view illustrating an interconnection relationship between bit lines and a read / write circuit.
도 8은 워드 라인들과 판독/기입 회로간의 관계를 나타내는 단면도이다. 8 is a cross-sectional view showing a relationship between word lines and a read / write circuit.
도 9는 4-레이어 적층형 셀 어레이들의 단위 구성(unit configuration)을 나타내는 도면이다. FIG. 9 is a diagram illustrating a unit configuration of four-layer stacked cell arrays.
도 10은 판독/기입 회로의 레이아웃을 나타낸다. 10 shows the layout of the read / write circuit.
도 11은 워드 라인 선택 회로 부분을 나타내는 도면이다.11 is a diagram illustrating a word line selection circuit portion.
도 12는 비트 라인 선택 회로 부분을 나타내는 도면이다.12 is a diagram illustrating a portion of a bit line selection circuit.
도 13은 워드 라인 선택 회로 부분과 비트 라인 선택 회로 부분의 레이아웃을 나타내는 도면이다. 13 is a diagram showing a layout of a word line selection circuit portion and a bit line selection circuit portion.
도 14는 비트 라인 형성 공정을 나타내는 투시도이다. 14 is a perspective view illustrating a bit line forming process.
도 15는 메모리 셀 형성 공정을 나타내는 투시도이다. 15 is a perspective view showing a memory cell forming process.
도 16은 워드 라인 형성 공정을 나타내는 투시도이다. 16 is a perspective view showing a word line forming process.
도 17A 내지 도 17C는 워드 라인 형성 공정을 세부적으로 나타내는 단면도들이다. 17A to 17C are cross-sectional views illustrating a word line forming process in detail.
도 18은 판독/기입 회로 및 셀 어레이의 커패시터와 다이오드 관계를 나타내는 단면도이다. 18 is a cross-sectional view showing a capacitor and diode relationship of a read / write circuit and a cell array.
도 19는 비트 라인에 인가되는 부논리 기입 펄스를 발생시키기 위한 기입 펄스 발생 회로를 나타내는 도면이다. 19 is a diagram illustrating a write pulse generation circuit for generating a negative logic write pulse applied to a bit line.
도 20은 기입 펄스 발생 회로의 설명을 위한 운용 파형들(operational wave forms)을 나타내는 도면이다. FIG. 20 is a diagram illustrating operational wave forms for the description of the write pulse generation circuit.
도 21은 동시에 활성화된 2개 셀 어레이들에 대한 기입 펄스 발생 회로의 입/출력 관계를 나타내는 도면이다. FIG. 21 is a diagram illustrating an input / output relationship of a write pulse generation circuit for two cell arrays activated at the same time.
도 22는 도 21의 입력 논리 펄스들을 발생시키기 위한 논리 펄스 발생 회로이다. FIG. 22 is a logic pulse generation circuit for generating the input logic pulses of FIG. 21.
도 23은 2쌍의 셀들에 대한 기입 펄스들의 파형들을 나타낸다. 23 shows waveforms of write pulses for two pairs of cells.
도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 후술할 것이다. Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
도 1은, 3×3 셀 행렬에 관한, 일 실시예에 따른 상 변화 메모리의 셀 어레이를 나타낸다. 복수개 워드 라인들(WL)이 평행하게 제공되고, 복수개 비트 라인들(BL)이 워드 라인들(WL)과 교차하는 방향으로 제공된다. 메모리 셀들(MC)은 이러한 라인들의 개개의 교차점들에 배치된다. 메모리 셀(MC)은 가변 저항 소자(VR) 및 다이오드(SD)의 직렬-접속 회로이다. 가변 저항 소자(VR)는 칼로겐화물로 형성되고 결정과 비결정 상태들간의 상 전이로 인해 결정되는 저항 값을 2진 데이터로서 비휘발성 방식으로 저장하도록 동작할 수 있다. 이 실시예에서, 다이오드(SD)는 쇼트키 다이오드인 것이 바람직한 경우일 수 있지만, 다른 방법으로, PN-접합 다이오드가 사용될 수도 있다. 메모리 셀(MC)의 일단은 비트 라인(BL)에 접속되고, 타단은 워드 라인(WL)에 접속된다. 본 도면에서는, 다이오드(SD)가, 워드 라인(WL) 측이 양극이도록 배치되어 있지만, 여기에서 필요한 것은 워드 라인(WL) 대 비트 라인(BL)의 전위 관계에 기초해 셀 선택성을 획득하는 것이기 때문에, 다이오드(SD)의 극성을 반전시킬 수도 있다. Figure 1 shows a cell array of a phase change memory according to one embodiment, relating to a 3x3 cell matrix. A plurality of word lines WL are provided in parallel, and a plurality of bit lines BL are provided in a direction crossing the word lines WL. Memory cells MC are disposed at individual intersections of these lines. The memory cell MC is a series-connection circuit of the variable resistance element VR and the diode SD. The variable resistance element VR may be operable to store a resistance value formed of a chalcogenide and determined due to a phase transition between crystal and amorphous states as binary data in a nonvolatile manner. In this embodiment, it may be the case that the diode SD is a Schottky diode, but alternatively, a PN-junction diode may be used. One end of the memory cell MC is connected to the bit line BL, and the other end is connected to the word line WL. In this figure, the diode SD is arranged so that the word line WL side is an anode, but what is needed here is to obtain cell selectivity based on the potential relationship between the word line WL and the bit line BL. Therefore, the polarity of the diode SD can be reversed.
상술된 바와 같이, 데이터는 각 메모리 셀(MC)의 저항 소자(VR)에 대한 저항 값의 의미로서 저장된다. 예를 들어, 비-선택 상태에서, 모든 워드 라인들(WL)은 "L" 레벨로 설정되는 한편, 모든 비트 라인들(BL)은 "H" 레벨로 설정된다. 일례로, "H" 레벨은 1.8V이고 "L" 레벨은 0V이다. 이러한 비선택 상태에서, 모든 메모리 셀들(MC)의 다이오드들(SD)은 역-바이어스 상태이고, 따라서 오프-상태이므로, 저항 소자들(VR)에 전류가 흐르지 않는다. 점선으로 둘러싸여 있는, 도 1의 셀 어레이 중 중심에 배치되어 있는 메모리 셀(MC)을 선택하는 경우를 고려하면, 선택된 워드 라인(WL)은 "H"인 한편 선택된 비트 라인(BL)은 "L"로 설정된다. 그에 의해, 선택된 셀에서는, 다이오드(SD)가 순-바이어스 상태가 되어 전류가 흐를 수 있다. As described above, the data is stored as meaning of the resistance value for the resistance element VR of each memory cell MC. For example, in the non-selection state, all word lines WL are set to the "L" level, while all bit lines BL are set to the "H" level. In one example, the "H" level is 1.8V and the "L" level is 0V. In this non-selected state, the diodes SD of all the memory cells MC are in a reverse-biased state and thus off-state, so that no current flows in the resistance elements VR. Considering the case of selecting the memory cell MC disposed at the center of the cell array of FIG. 1 surrounded by a dotted line, the selected word line WL is "H" while the selected bit line BL is "L". Is set to ". Thereby, in the selected cell, the diode SD is in a forward-biased state and current can flow.
이때 선택된 셀을 흐르는 전류량은 저항 소자(VR)를 구성하는 칼코겐화물의 상에 의해 결정되므로, 전류량이 큰지 아니면 작은지의 여부를 검출하는 것에 의해 2개-값 또는 2진 데이터를 판독할 수 있다. 일례로써, 판독 모드에서의 전위보다, 선택된 워드 라인의 "H" 레벨 전위를 더 높이거나 선택된 비트 라인의 "L" 레벨 전위를 더 낮추는 것에 의해 전류량을 증가시킨 다음 이러한 전류로 인한 셀 부분의 가열을 이용해 저항 소자(VR)의 칼코겐화물에서 상 전이를 발생시킬 수도 있다는 것에 주의한다. 이와 같이, 셀 어레이의 특정 셀을 선택한 다음 그 셀의 정보를 재기입할 수 있다. At this time, since the amount of current flowing through the selected cell is determined by the phase of the chalcogenide constituting the resistance element VR, two-value or binary data can be read by detecting whether the amount of current is large or small. . As an example, increasing the amount of current by raising the "H" level potential of the selected word line or lowering the "L" level potential of the selected bit line more than the potential in the read mode, and then heating the cell portion due to this current. Note that it is also possible to generate a phase transition in the chalcogenide of the resistive element VR using. In this manner, a specific cell of the cell array may be selected and information of the cell may be rewritten.
이런 식으로, 이 실시예의 셀에서는, 단지 하나의 워드 라인(WL) 및 하나의 비트 라인(BL)에 대한 전위 레벨을 설정하는 것에 의해 액세스가 수행될 수 있다. 셀 선택을 위해 트랜지스터가 제공되는 경우에는, 셀 어레이내에 트랜지스터의 게이트를 선택하기 위한 신호 라인이 필요하지만, 이 실시예에서는 이러한 신호 라인이 불필요하다. 또한, 다이오드들이 본질적으로 트랜지스터들보다 구조가 단순하다는 측면에서, 단순한 다이오드 구조의 이점과 함께, 셀 어레이는 필요한 신호 라인 수의 감소로 인해 구성이 좀더 단순해짐으로써, 셀들의 더 높은 집적도를 실현할 수 있다. In this way, in the cell of this embodiment, access can be performed by setting the potential levels for only one word line WL and one bit line BL. If a transistor is provided for cell selection, a signal line for selecting the gate of the transistor in the cell array is required, but this signal line is unnecessary in this embodiment. In addition, in terms of diodes inherently simpler than transistors, in addition to the advantages of a simple diode structure, a cell array is simpler in configuration due to the reduction in the number of signal lines needed, thereby enabling higher integration of cells. have.
기본적인 셀 어레이 구성이 상술되었지만, 반도체 기판 상부에 복수개 셀 어레이들이 적층되는 3-차원 셀 어레이 구조가 이 실시예에 이용될 수도 있다. 이와 같은 3-차원 셀 어레이가 후술될 것이다. Although the basic cell array configuration has been described above, a three-dimensional cell array structure in which a plurality of cell arrays are stacked on top of a semiconductor substrate may be used in this embodiment. Such a three-dimensional cell array will be described later.
도 2 및 도 3은 4-레이어 적층형 셀 어레이들(MAO 내지 MA3)을 포함하는 3-차원(3D) 셀 어레이의 레이아웃 및 그것의 I-I' 라인에 따른 단면을 나타낸다. 이들 도면들에서는, 개개의 셀 어레이들의 동일한 부분들 또는 컴포넌트들에 동일한 참조 번호들이 사용되는데, 참조 번호들은 거기에 "a", "b"의 접미사를 부가하는 것에 의해 셀 어레이들 사이에서 구별될 뿐만 아니라, "ab", "bc" 및 "cd"의 접미사들을 추가하는 것에 의해 2개의 셀 어레이들 각각의 공유 부분들 사이에서도 구별될 수 있다. 2 and 3 show the layout of a three-dimensional (3D) cell array comprising four-layer stacked cell arrays (MAO to MA3) and a cross section along its II ′ line. In these figures, the same reference numbers are used for the same parts or components of the individual cell arrays, which reference numbers are to be distinguished between the cell arrays by adding suffixes of "a" and "b" thereto. In addition, by adding the suffixes of "ab", "bc" and "cd" it can also be distinguished between the shared portions of each of the two cell arrays.
실리콘 기판(10)을 실리콘 이산화물 막과 같은 절연막으로 덮는다. 기판 상부에는, 복수개 비트 라인들(BL;12a)이 서로 평행하게 배열되어 있다. 기둥형 메모리 셀들(MC)이 각각의 비트 라인(12a)상에 정렬되는데, 기둥형 메모리 셀들(MC) 각각은 칼로겐화물 레이어(13a)로 이루어진 가변 저항 장치(VR) 및 그 위에 적층되어 있는 쇼트키 다이오드(SD)를 가진다. 메모리 셀들(MC)의 상단들(upper ends)을 공통적으로 접속시키기 위해 비트 라인들(12a)에 수직인 방향으로 워드 라인들(WL;18ab)이 형성됨으로써, 제1 셀 어레이(MAO)가 형성된다. The
세부적으로, 메모리 셀들(MC)은, 칼코겐화물(13a), 저항 전극(14a), n+-형 실리콘 레이어(15a) 및 n-형 실리콘 레이어(16a)의 적층 레이어들을 패터닝(patterning)하는 것에 의해 형성된다. 층간 유전막(17)이 셀 어레이(MAO)를 평판화하기 위해 메모리 셀들(MC) 주위에 매입된다. In detail, the memory cells MC may pattern the stacked layers of the
좀더 바람직한 쇼트키 다이오드를 형성하기 위해, 워드 라인(18ab) 이외에 n-형 실리콘 레이어(16a)로의 쇼트키 접촉을 위한 금속막이 형성될 수도 있다는 것을 알 수 있어야 한다. In order to form a more desirable Schottky diode, it should be appreciated that a metal film for Schottky contact to n-
제1 메모리 셀 어레이(MA0)와 워드 라인들(WLO;18ab)을 공유하도록 제2 메모리 셀 어레이(MA1)가 형성된다. 세부적으로, n-형 실리콘 막(16b), n+-형 실리콘 막(15b), 저항 전극(14b) 및 칼코겐화물(13b)의 적층 막들을 패터닝하는 것에 의해 형성되는 기둥형 메모리 셀들(MC)이 각각의 워드 라인(18ab)상에 배열되는데, 기둥형 메모리 셀들(MC) 각각은 쇼트키 다이오드(SD) 및 그 위에 적층되어 있는 칼코겐화물 레이어(13b)를 가진다. 셀 레이아웃은 제1 셀 어레이(MAO)의 레이아웃과 동일하다. 워드 라인(18ab)과 n-형 실리콘(16b) 사이에 쇼트키 접합이 형성된다. 비트 라인들(BL1;12ab)은 워드 라인들(18ab)에 수직인 방향을 따라 배열되어 있는 칼코겐화물 레이어들(13b)을 공동 접속시키도록 패터닝된다. 셀 어레이(MA1)를 평판화 하기 위해 메모리 셀들(MC) 주위에 층간 절연막(19)이 매입된다. The second memory cell array MA1 is formed to share the word lines WLO 18ab with the first memory cell array MA0. Specifically, columnar memory cells MC formed by patterning stacked films of n-
제3 및 제4 셀 어레이들(MA2 및 MA3)의 적층 구조가 제1 및 제2 셀 어레이들(MAO 및 MA1)과 유사하게 주기적으로 형성된다. 비트 라인들(BL1;12bc)은 제2 셀 어레이(MA1)와 제3 셀 어레이(MA2) 사이에서 공유된다. 제3 셀 어레이(MA2)와 제4 셀 어레이(MA3)는 서로 워드 라인들(WL1;18cd)을 공유한다. 최하부 셀 어레이(MA0)의 비트 라인들(BLO;12a)과 최상부 셀 어레이(MA3)의 비트 라인들(BL3;12d)은, 각각, 독립적으로 준비된다. A stack structure of the third and fourth cell arrays MA2 and MA3 is periodically formed similarly to the first and second cell arrays MAO and MA1. The bit lines BL1 12bc are shared between the second cell array MA1 and the third cell array MA2. The third cell array MA2 and the fourth cell array MA3 share word lines WL1 18cd. The bit lines
상술된 바와 같이, 메모리 셀(MC)을 구성하기 위해, 쇼트키 다이오드 대신에 PN 접합 다이오드가 사용될 수도 있다. 도 3에 대응하여, PN 접합 다이오드들(Di)을 가진 또 하나의 3D 셀 어레이가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 비트 라인들과 워드 라인들 사이에 배열되어 있는 메모리 셀들 각각에서, n-형 실리콘 레이어(25)와 p-형 실리콘 레이어(26)로 PN 접합 다이오드(Di)가 형성된다. 나머지는 도 3과 유사하다. As described above, to configure the memory cell MC, a PN junction diode may be used instead of the Schottky diode. Corresponding to FIG. 3, another 3D cell array with PN junction diodes Di is shown in FIG. 4. As shown in FIG. 4, in each of the memory cells arranged between the bit lines and the word lines, a PN junction diode Di is formed of the n-type silicon layer 25 and the p-type silicon layer 26. do. The rest is similar to FIG. 3.
도 5는 상술된 바와 같이 형성된 3D 셀 어레이의 3-차원 등가 회로를 나타낸다. 비트 라인들의 상호 간섭을 방지하기 위해, 2개의 비트 라인들은 각각 하나의 쌍을 구성하고, 또 하나의 비트 라인이 한 쌍의 비트 라인들 사이에 배치된다. BL00, /BL00, BL01, /BL01, ...은 제1 셀 어레이(MA0)의 비트 라인 쌍들이고; BL10, /BL10, BL11, /BL11, ...는 제1 및 제3 셀 어레이(MA1 및 MA2) 사이의 공유 비트 라인 쌍들이며; BL20, /BL20, BL21, /BL21, ...은 제3 및 제4 셀 어레이(MA2 및 MA3) 사이의 공유 비트 라인 쌍들이다. 또한, WLO(WLOO, WL01, ...)는 제1 및 제2 셀 어레이들(MA0 및 MA1) 사이의 공유 워드 라인들이고; WL1(WL10, WL11, ...)은 제3 및 제4 셀 어레이들(MA2 및 MA3) 사이의 공유 워드 라인들이다. 5 shows a three-dimensional equivalent circuit of a 3D cell array formed as described above. In order to prevent mutual interference of the bit lines, two bit lines each constitute one pair, and another bit line is disposed between the pair of bit lines. BL00, / BL00, BL01, / BL01, ... are bit line pairs of the first cell array MA0; BL10, / BL10, BL11, / BL11, ... are shared bit line pairs between the first and third cell arrays MA1 and MA2; BL20, / BL20, BL21, / BL21, ... are shared bit line pairs between the third and fourth cell arrays MA2 and MA3. In addition, WLO (WLOO, WL01, ...) are shared word lines between the first and second cell arrays MA0 and MA1; WL1 (WL10, WL11, ...) are shared word lines between the third and fourth cell arrays MA2 and MA3.
다수의 상-변화 메모리 셀들이 집적되어 있는 상술된 3D 셀 어레이에서, 셀 특징들의 변동(variation)은 문제를 일으킨다. 세부적으로, 칼코겐화물의 상-전이를 사용하는 셀의 데이터 상태는 그것의 이력, 환경 등으로 인해 달라진다. 예를 들어, 데이터 "0"(높은 저항 상태)는 칼코겐화물 레이어를 비결정-풍부 상태화하는 것에 의해 기입되는 반면, 데이터 "1"(낮은 저항 상태)은 칼코겐화물 레이어를 결정-풍부 상태화하는 것에 의해 기입된다. 이 경우, 개개의 셀들의 초기 상태들은 그것의 이력들 및 위치들로 인해 서로 상이하다. In the above-described 3D cell array in which a plurality of phase-change memory cells are integrated, variation in cell characteristics causes a problem. Specifically, the data state of a cell using the phase-transition of chalcogenide varies due to its history, environment, and the like. For example, data "0" (high resistance state) is written by amorphous-rich state chalcogenide layer, while data "1" (low resistance state) is crystal-rich state chalcogenide layer. It is filled in by making a speech. In this case, the initial states of the individual cells differ from each other due to their histories and positions.
상술된 관점들을 고려하여, 이 실시예에서는, 인접하게 배치된 2개의 셀들이, 데이터 "0"가 하나의 셀에 저장되고 데이터 "1"이 다른 셀에 저장되는 방식으로, 상보적 데이터를 저장하기 위한 하나의 셀 쌍을 구성한다. 판독 동작은, 하나의 쌍을 구성하는 2개 셀들의 셀 전류들간의 차이를 검출하는 것에 의해 수행된다. 이런 방법을 사용하는 것에 의해, 전체적인 3D 셀 어레이의 높은 저항 상태 분포와 낮은 저항 상태 분포간에 부분적인 중첩이 존재하는 경우라 하더라도, 셀 데이터를 정확하게 판독/기입할 수 있다. In view of the above-described aspects, in this embodiment, two cells arranged adjacently store complementary data in such a manner that data "0" is stored in one cell and data "1" is stored in another cell. One cell pair is configured. The read operation is performed by detecting a difference between cell currents of two cells forming one pair. By using this method, even if there is a partial overlap between the high and low resistance state distributions of the entire 3D cell array, cell data can be read / written accurately.
도 5에는, 상징적으로 다음과 같은 2개의 셀 쌍들이 도시되어 있는데, 셀 어레이(MA0)의 워드 라인(WL00)을 공유하며, 한 쌍의 비트 라인들(BLO0 및 /BLOO)에, 각각, 접속되어 있는 2개 셀들은 하나의 쌍 셀을 구성하는데, 그 중 하나는 트루 셀(true cell) "T-cellO"이고 다른 하나는 상보적 셀 "C-cell0"이며, 셀 어레이(MA1)의 워드 라인(WL10)을 공유하며, 한 쌍의 비트 라인들(BL10 및 /BL1O)에, 각각, 접속되어 있는 2개 셀들은 또 하나의 쌍 셀을 구성하는데, 그 중 하나는 트루 셀(T-cell1)이고 다른 하나는 상보적 셀(C-cell1)이다. 셀들의 매 쌍들에서, 2진 데이터의 정논리값(positive logic value)은 트루 셀에 저장되고 부논리값(negative logic value)은 상보적 셀에 저장된다. 셀 어레이들(MA2 및 MA3)에서도 유사한 쌍 셀들이 선택된다. 도 5에서는, 개개의 선택 시점들에서의 셀 전류들을 화살표로써 나타낸다. In Fig. 5, two cell pairs are shown symbolically, which share the word line WL00 of the cell array MA0 and connect to a pair of bit lines BLO0 and / BLOO, respectively. Two cells constitute one pair of cells, one of which is a true cell "T-cellO" and the other of which is a complementary cell "C-cell0", and the word of the cell array MA1. Two cells that share a line WL10 and are connected to a pair of bit lines BL10 and / BL10, respectively, constitute another pair of cells, one of which is a true cell T-cell1. ) And the other is complementary cell (C-cell1). In every pair of cells, the positive logic value of the binary data is stored in the true cell and the negative logic value is stored in the complementary cell. Similar pairs of cells are selected in the cell arrays MA2 and MA3. In Fig. 5, cell currents at individual selection points are indicated by arrows.
지금까지는, 셀 어레이 구성을 설명하였다. 본 발명에서는, 셀 데이터를 판독 및 기입(또는 프로그래밍)하기 위한 판독/기입 회로가 실리콘 기판(10)상에 먼저 형성되고, 그 위에 상술된 3D 셀 어레이가 형성된다. 세부적으로, 3D 셀 어레이는 판독/기입 회로 상부에 적층된다. So far, the cell array configuration has been described. In the present invention, a read / write circuit for reading and writing (or programming) cell data is first formed on the
도 6은 셀 블록들(100)과 판독/기입 회로(200)의 적층 상태 및 그들 사이의 상호 접속 관계를 나타내는 개략적인 투시도이다. 각각의 셀 블록(100)은 상술된 3D 셀 어레이에 대응된다. 즉, 3D 셀 어레이는, 필요할 경우, 소정 용량의 복수개 셀 블록들(100)로 분할된다. 도 6에는, 2개의 셀 블록들(100)이 비트 라인들의 방향을 따라 배열되어 있다. 6 is a schematic perspective view showing the stacked state of the cell blocks 100 and the read /
도 6에 나타낸 바와 같이, 셀 블록(100)의 데이터 판독 및 기입에 사용되는 판독/기입 회로(200)는 셀 블록(100) 아래에 놓여진다. 판독/기입 회로(200)는, 그것의 주된 부분이, 그 위에 셀 블록(100)이 적층되는, 기판(10)상에 설정된 직사각형의 셀 레이아웃 영역(210)내에 배치되는 상태로 형성된다. 셀 레이아웃 영역(210)은 비트 라인들 방향의 2개 경계들(Al 및 A2) 및 워드 라인 방향의 2개 경계들(B1 및 B2)에 의해 정해진다. As shown in FIG. 6, the read /
제1 셀 어레이(MA0)의 비트 라인들(BLO)의 그룹 및 제4 셀 어레이(MA3)의 비트 라인들(BL2)의 그룹은, 경계(A1)을 따라 배치되어 있는 수직 배선들(즉, 기판을 수직으로 통과하는 경로들)(101)을 통해, 제1 경계(A1) 쪽으로 인출되어, 판독/기입 회로(200)의 경계(A1)를 따라 배치되어 있는 비트 라인 선택 회로(201)에 접속된다. 제2 및 제3 셀 어레이들(MA1 및 MA2)에 의해 공유되는 비트 라인들(BL1)의 그룹은, 제2 경계(A2)를 따라 배치되어 있는 수직 배선들(102)을 통해, 제2 경계(A2) 쪽으로 인출되어, 판독/기입 회로(200)의 경계(A2)를 따라 배치되어 있는 다른 비트 라인 선택 회로(202)에 접속된다.The group of the bit lines BLO of the first cell array MA0 and the group of the bit lines BL2 of the fourth cell array MA3 may be arranged along the boundary A1 (ie, vertical lines). Through the
비트 라인들(BL0 및 BL2)이 수직 배선들(101)을 통해 동일한 쪽으로 인출되어 비트 라인 선택 회로(201)에 공통적으로 접속되는 이유는, 이들 그룹의 비트 라인들은 동시에 활성화되지 않는다는 사실 때문이다. 세부적으로, 셀 어레이들(MAO 및 MAl)은, 이들이 워드 라인들(WL0)을 공유하기 때문에 동시에 활성화된다. 이와 유사하게, 셀 어레이들(MA2 및 MA3)은, 이들이 워드 라인들(WL1)을 공유하기 때문에 동시에 활성화된다. 그러나, 셀 어레이들(MA2 및 MA3)은 비트 라인들(BL1)을 공유하므로, 하부 셀 어레이들(MAO, MA1)과 상부 셀 어레이들(MA2, MA3)이 동시에 활성화되지 않는다. 비트 라인 선택 회로(201, 202)는 비트 라인 디코더들/멀티플렉서들(BL-DEC/MUX)을 포함한다.The reason that the bit lines BL0 and BL2 are drawn to the same side through the
워드 라인들(WL0 및 WL1)은, 각각, 경계(B1)를 따라 배치되어 있는 수직 배선들(103 및 104)을 통해, 제3 경계(B1) 쪽으로 인출되어, 판독/기입 회로(200)의 경계(B1)를 따라 배치되어 있는 워드 라인 선택 회로(208)에 접속된다. 워드 라인 선택 회로(208)는 워드 라인 디코더들/멀티플렉서들(WL-DEC/MUX)을 가진다. The word lines WL0 and WL1 are drawn out toward the third boundary B1 through the
판독/기입 회로(200)의 중앙부는 글로벌 버스 영역(207)으로 동작하는데, 여기에는 I/O 데이터 라인들 및 기입 펄스 신호 라인들이 이 영역을 가로질러 워드 라인들의 방향을 따라 배치되어 있다. 이러한 글로벌 버스 영역(207)과 비트 라인 선택 회로들(201 및 202) 사이에는, 각각, 감지 증폭기 어레이들(203 및 204)이 배치되어 있다. 글로벌 버스 영역(207)에 형성된 신호 라인들은 감지 증폭기 어레이들(203 및 204)에 의해 공유된다. 감지 증폭기 어레이들(203 및 204)의 감지 증폭기들은, 각각, 로컬 버스 영역들(205 및 206)에 배치되어 있는 신호 라인들을 통해 비트 라인 선택 회로들(201 및 202)에 접속된다. 따라서, 비트 라인 선택 회로(201)에 의해 비트 라인들(BLO 또는 BL2)로부터 선택된 일부 비트 라인들이 감지 증폭기 어레이(203)에 접속된다. 마찬가지로, 비트 라인 선택 회로(202)에 의해 비트 라인들(BL1)로부터 선택된 일부 비트 라인들이 감지 증폭기 어레이(204)에 접속된다. The central portion of the read /
글로벌 버스 영역(207)에 배치되어 있는 I/O 데이터 라인들 및 기입 펄스 신호 라인들은 셀 레이아웃 영역(210)의 제4 경계(B2) 쪽으로 인출된다. 이 경계(B2)를 따라, 선택된 셀들에 기입 펄스들을 인가하기 위한 기입 회로(209)가 배치되어 있다. 기입 회로(209)는, 후술되는 바와 같이, 실리콘 기판(10)상에 형성된 트랜지스터 회로(209a) 및 셀 어레이 형성과 동일한 단계들을 사용해 기판 상부에 형성된 다이오드 회로(209b)를 포함한다. The I / O data lines and the write pulse signal lines arranged in the
도 6을 참조하여 상술된 바와 같이, 셀 어레이의 비트 라인들 및 워드 라인은, 수직의 상호 접속 라인들(101 내지 104)을 통해, 기판(10)상에 형성된 판독/기입 회로(200)에 접속된다. 실제로, 이러한 상호 접속 라인들(101 내지 104)은 셀 어레이 주위에 형성되어 있는 층간 절연막에 매입되어 있는 접촉 플러그들(contact plugs)이다. 상호 접속 라인들의 구조적 예들이 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7은 셀 어레이의 비트 라인들에 따른 단면을 통해 비트 라인들과 판독/기입 회로(200) 사이의 접속 상태를 나타낸다. 도 8은 셀 어레이의 워드 라인들에 따른 단면을 통해 워드 라인들과 판독/기입 회로(200) 사이의 접속 상태를 나타낸다. As described above with reference to FIG. 6, the bit lines and word lines of the cell array are connected to the read /
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 판독/기입 회로(200)는 필요한 트랜지스터들 및 트랜지스터들을 덮는 층간 절연막(11a)상에 형성된 금속의 상호 접속 라인들을 가진다. 판독/기입 회로(200)는 층간 절연막(11b)으로 덮이고, 그 위에 4-레이어 셀 어레이들이 형성된다. 따라서, 층간 절연막들(11a 및 11b)은 도 3 및 도 4에 나타낸 절연막(11)을 구성한다. As shown in Figs. 7 and 8, the read /
도 7에 나타낸 바와 같이, 셀 레이아웃 영역(210)의 경계(A1)를 향해 인출된 비트 라인들(BLO, BL2)을 비트 라인 선택 회로(201)에 접속시키는데 사용되는 수직 배선들(101)은 층간 절연막들(17,19, 20 및 21)에 매입되어 있는 접촉 플러그들 (101a 내지 101e)로 이루어진다. 마찬가지로, 셀 레이아웃 영역의 경계(A2)를 향해 인출된 비트 라인들(BL1)을 비트 라인 선택 회로(202)에 접속시키는데 사용되는 수직 배선들(102)은 층간 절연막들(11,17 및 19)에 매입되어 있는 접촉 플러그들(102a 내지 102c)로 이루어진다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 셀 레이아웃 영역의 경계(B1)를 향해 인출된 워드 라인들(WL0)을 워드 라인 선택 회로(208)에 접속시키는데 사용되는 수직 배선들(103)은 층간 절연막들(11 및 17)에 매입되어 있는 접촉 플러그들(103a 및 103b)로 이루어진다. 워드 라인들(WL0)과 동일한 쪽으로 인출된 워드 라인들(WL1)을 워드 라인 선택 회로(208)에 접속시키는데 사용되는 수직 배선들(104)은 층간 절연막들(11, 17 및 20)에 매입되어 있는 접촉 플러들(104a 내지 104d)로 이루어진다. As shown in FIG. 7, the
도 7 및 도 8에서는 적층 셀 어레이들의 최하부 접촉 플러그들(101a, 102a, 103a 및 104a)이 판독/기입 회로(200)의 금속 배선들에 접속되어 있지만, 이들을 직접적으로 트랜지스터들의 소스/드레인 확산층들에 접속시킬 수도 있다. 도 7 및 도 8은, 접촉 플러그들이 비트 라인들 및 워드 라인들에 사용되는 금속막으로 형성된 일례를 나타낸다. 다음에서는, 조립 단계들을 설명할 것이다. 부가적으로, 접촉 플러그들이 비트 라인들 및 워드 라인들 또는 다결정 실리콘 막들과는 상이한 다른 금속막들로부터 형성될 수도 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 7 and 8, the bottom contact plugs 101a, 102a, 103a and 104a of the stacked cell arrays are connected to the metal wires of the read /
도 6의 1개 셀 블록은, 예를 들어, 1개 셀 어레이를 위한 512개 비트 라인들(BL) 및 128개 워드 라인들(WL)을 포함한다. 상술된 바와 같이, 이 실시예에서는, 2개의 메모리 셀들이 1 비트 데이터를 저장한다. 이 경우, 1개 셀 블록은 256 컬 럼들(Col)×128 로우들(Row)의 메모리 공간을 가진다. 메모리 용량은 배열될 셀 블록들의 수를 증가시키는 것에 의해 증가될 수 있다. 이와 같은 대용량 메모리에서 고속 액세스를 실현하기 위해서는, 다수-비트 데이터에 대해 병렬 액세스를 수행할 필요가 있다. 예를 들어, 32-비트 병렬 액세스를 수행하기 위해서는, 1개 셀 블록이, 도 9에 나타낸 바와 같이, 워드 라인 방향의 2개 부분들로 그리고 비트 라인 방향의 32개 부분들로 분리됨으로써, 64개의 셀 유닛 UC(UCO 내지 UC63) 블록들이 획득된다. 그 결과, 각각의 셀 유닛(UC)은 32IO×4Col×4Row×4의 용량을 갖게 된다. 글로벌 버스 영역(207)에는, 6410 데이터 입/출력을 위한 데이터 라인들 및 기입 펄스 신호 라인들이 배치된다. The one cell block of FIG. 6 includes, for example, 512 bit lines BL and 128 word lines WL for one cell array. As described above, in this embodiment, two memory cells store one bit of data. In this case, one cell block has a memory space of 256 columns Col × 128 rows. The memory capacity can be increased by increasing the number of cell blocks to be arranged. In order to realize high-speed access in such a large memory, it is necessary to perform parallel access on many-bit data. For example, in order to perform 32-bit parallel access, one cell block is divided into two parts in the word line direction and 32 parts in the bit line direction, as shown in FIG. Cells unit UC (UCO to UC63) blocks are obtained. As a result, each cell unit UC has a capacity of 32IO x 4 Col x 4 Row x 4. In the
도 10은 도 6의 1개 셀 블록(100)과 관련하여 상술된 셀 블록 구성이 사용될 경우의 판독/기입 회로(200)에 대한 개략적인 레이아웃을 나타낸다. 도 10의 오른쪽에 배치되어 있는 워드 라인 선택 회로(WL-DEC/MUX;208)상에는, 셀 블록(100)의 128×2 워드 라인들(301)로부터 각각 하나씩(즉, 상부의 하나와 하부의 하나)을 선택하기 위해 수직으로 진행하는 로우 어드레스(RA) 신호 라인들(301)이 배치되어 있다. 도 10의 왼쪽에 배치되어 있는 기입 회로(209)는, 기입 모드에서 선택된 비트 라인들에 공급되는 기입 펄스들을 출력한다. 기입 펄스들을 전달하는 기입 펄스 신호 라인들(WP;305)은 글로벌 버스 영역(207)상에 측면으로 진행하도록 배치된다. 글로벌 버스 영역(207)상의 기입 펄스 신호 라인들(305)과 평행하게, 판독 데이터가 전달되는 메인 데이터 라인들(304)이 배치되어 있다. 1개 셀 블록에서 1개 셀 유닛이 선택되고, 각 셀 유닛의 인접한 2개 계층들의 셀 데이터가 동시에 활성화된다. 따라서, 32IO×2=64IO를 위한 데이터 라인들(304)이 준비된다. FIG. 10 shows a schematic layout of the read /
판독/기입 회로(200)의 하부 및 상단들에는, 각각, 비트 라인 선택 회로들(201 및 202)이 배치되고, 컬럼 어드레스(CA) 신호 라인들(302 및 303)은 개개의 영역들상에 측면으로 진행하도록 배치된다. 비트 라인 선택 회로들 중 하나, 즉, 회로(201)는 위쪽의 2개 셀 어레이들에서의 512개 비트 라인 쌍들(=64IO×4)로부터 32개 비트 라인 쌍들을 선택하고, 다른 하나는 아래쪽의 2개 셀 어레이들에서의 512개 비트 라인 쌍들로부터 32개 비트 라인 쌍들을 선택한다. 따라서, 개개의 로컬 버스 영역들(205 및 206)에는, 개개의 비트 라인 선택 회로들(201 및 202)에 의해 선택되는 비트 라인들에 기입 펄스 신호 라인들(305)의 기입 펄스들을 인가하기 위해 감지 증폭기 어레이들(203 및 204)의 영역들을 통과하는 공통적인 4-컬럼(=8 비트 라인들) 데이터를 위한 전류 통과 라인들(BP, /BP)의 4개 쌍들이 배치되어 있다. 또한, 4 컬럼 데이터를 위한 로컬 데이터 라인들(DL, /DL)의 64개 쌍들이 개개의 로컬 버스 영역들(205 및 206)상에 배치되어 있고, 이들은 감지 증폭기 어레이들(203 및 204)의 개개의 감지 증폭기들에 접속되어 있다. On the lower and upper ends of the read /
각각 도 10에서 점선으로 둘러싸여 있는, 4Row×2(=8 워드 라인들)에 접속될 일 회로부(310) 및 4 Col(=8 비트 라인들)에 접속될 또 하나의 회로부(312)가 도 11 및 도 12에, 각각, 상세하게 도시되어 있다. One
2개의 멀티플렉서들(MUXO 및 MUX1)은, 각각, 셀 어레이들(MAO 및 MA1)에 의해 공유되는 하부 워드 라인들(WLO) 및 셀 어레이들(MA2 및 MA3)에 의해 공유되는 상부 워드 라인들(WL1)을 선택하기 위한 게이트 회로들을 선택한다. 멀티플렉서 (MUXO)로 입력되는 8개 워드 라인들은 도 9의 2개 셀 유닛들에 대한 하부 워드 라인들에 대응된다. 디코더(DEC)는 32개 셀 유닛들 중 하나를 선택하기 위한 디코드 게이트들(G;Gl, G2,...)로 이루어져 있다. 멀티플렉서(MUXO)는, 선택 신호들(S10 내지 S13)에 의해 4개 워드 라인들로부터 하나를 선택하도록 구동되는 PMOS 트랜지스터들(QP;QP11 내지 QP14, QP15 내지 QP18, ...)로 이루어진 선택 게이트 회로(401)를 가진다. 선택된 비트 라인들과 함께 셀 다이오드를 순-바이어싱하기 하기 위해, 선택된 워드 라인에는 고레벨 전압(정논리 펄스)가 인가된다. 멀티플렉서(MUX0)는, 비-선택 워드 라인들을 저레벨(Vss)로 유지하기 위한, NMOS 트랜지스터들(QN;QN11 내지 QN14, QN15 내지 QN18, ...)로 이루어진 리셋 회로(402)를 가진다. 멀티플렉서(MUX1)는 멀티플렉서(MUX0)와 유사하게 구성된다. The two multiplexers MUXO and MUX1 respectively have lower word lines WLO shared by the cell arrays MAO and MA1 and upper word lines shared by the cell arrays MA2 and MA3, respectively. Select gate circuits for selecting WL1). The eight word lines input to the multiplexer MUXO correspond to the lower word lines for the two cell units of FIG. 9. The decoder DEC consists of decode gates G; Gl, G2,... To select one of the 32 cell units. The multiplexer MUXO comprises a select gate consisting of PMOS transistors QP (QP11 through QP14, QP15 through QP18, ...) driven to select one from four word lines by the select signals S10 through S13. Has a
도 12에 도시되어 있는 감지 증폭기(SA)는 도 10에 도시된 감지 증폭기 어레이(203)의 32개 감지 증폭기들 중 하나이다. 감지 증폭기(SA)에 접속되어 있는 8개 비트 라인들의 4개 쌍들(BL0, /BL0 내지 BL3, /BL3)은 도 6에 나타낸 비트 라인 그룹(BLO 또는 BL2)으로부터 선택된 것들이다. 상술된 바와 같이, 아래쪽의 2개 셀 어레이들(MAO 및 MA1) 및 위쪽의 2개 셀 어레이들(MA2 및 MA3)은 동시에 활성화되지 않으므로, 감지 증폭기(SA)는 아래쪽의 셀 어레이들(MAO, MA1) 및 위쪽의 셀 어레이들(MA2, MA3)을 위해 함께 사용된다. The sense amplifier SA shown in FIG. 12 is one of the 32 sense amplifiers of the
감지 증폭기(SA)는, PMOS 트랜지스터(QP30)가 활성화되어 있는 CMOS 플립-플롭형 전류 감지 증폭기이다. 그것의 2개 노드들(N1 및 N2)은, 각각, 한 쌍의 글로벌 데이터 라인들(304;GBi, /GBi)에 직접적으로 접속되어 있다. 감지 NMOS 트랜지스터들(QN61 및 QN62)의 드레인들은, 각각, 판독 제어 신호(R)에 의해 판독 동작 동안 턴온되도록 제어되는 NMOS 트랜지스터들(QN31 및 QN32)을 통해 데이터 라인들(DL 및 /DL)에 선택적으로 접속된다. 데이터 감지 동작을 시작할 때, 노드들(N1 및 N2)은 트랜지스터(QN73)를 통해 서로 접속된다. 셀 전류들이 감지 트랜지스터들(QN61 및 QN62)에 전달된 후, 그것의 드레인들은, 클록(CLK)에 의해 턴온되도록 제어되는 NMOS 트랜지스터들(QN71 및 QN72)을 통해 Vss로 클램핑된다. 데이터 라인들(DL, /DL)은 비트 라인 디코더/멀티플렉서(BL-DEC/MUX)에 의해 선택된 한 쌍의 비트 라인들에 접속된다. The sense amplifier SA is a CMOS flip-flop type current sense amplifier in which the PMOS transistor QP30 is activated. Its two nodes N1 and N2 are each connected directly to a pair of global data lines 304 (GBi, / GBi). The drains of the sense NMOS transistors QN61 and QN62 are connected to the data lines DL and / DL through the NMOS transistors QN31 and QN32 which are controlled to be turned on during the read operation by the read control signal R, respectively. Is optionally connected. When starting the data sensing operation, nodes N1 and N2 are connected to each other via transistor QN73. After the cell currents are delivered to the sense transistors QN61 and QN62, their drains are clamped to Vss through the NMOS transistors QN71 and QN72 which are controlled to be turned on by the clock CLK. The data lines DL and / DL are connected to a pair of bit lines selected by the bit line decoder / multiplexer BL-DEC / MUX.
비트 라인 디코더/멀티플렉서(BL-DEC/MUX)는, 비트 라인들의 4개 쌍들로부터 데이터 라인들(DL 및 /DL)에, 각각, 접속시키기 위한 한 쌍을 선택하기 위해 디코딩된 신호들(S20 내지 S23)에 의해 제어되는 NMOS 트랜지스터들(QN51 내지 QN54, 및 Q55 내지 Q58)로 이루어진 선택 게이트(403)를 가진다. 또한, 비트 라인 디코더/멀티플렉서(BL-DEC/MUX)는 비-선택 비트 라인들을 Vdd의 고레벨로 유지하기 위해 PMOS 트랜지스터들(QP51 내지 QP54, 및 QP55 내지 QP58)로 이루어진 리셋 회로(404)를 가진다. The bit line decoder / multiplexer BL-DEC / MUX decodes signals S20 through 4 to select a pair for connecting to the data lines DL and / DL, respectively, from four pairs of bit lines. It has a
한 쌍의 데이터 라인들(DL, /DL)은 데이터 판독 동작 동안 기입 제어 신호(W)에 의해 턴온되도록 구동되는 NMOS 트랜지스터들(QN41, QN42)을 통해 그리고 데이터 신호 라인들(BP, /BP)을 통해, 기입 펄스 신호 라인들(305)의 한 쌍의 신호 라인들(WPi, /WPi)에 접속된다. The pair of data lines DL and / DL are driven through the NMOS transistors QN41 and QN42 which are driven to be turned on by the write control signal W during the data read operation and the data signal lines BP and / BP. Through the pair of signal lines WPi and / WPi of the write pulse signal lines 305.
상술된 구성에서, 데이터 판독 동작이 수행될 경우, 선택 게이트 회로(401)에 의해 선택되는 워드 라인들은 "H"가 되고 선택 게이트 회로(403)에 의해 선택되는 비트 라인 쌍들은 "L"이 된다. 이때, 선택된 비트 라인 쌍의 선택된 상보적 셀들로부터의 셀 전류들은 데이터 라인들(DL, /DL)을 통해 그리고 NMOS 트랜지스터들(QN31, QN32)을 통해 감지 증폭기(SA)의 NMOS 트랜지스터들에 대한 드레인들에 전달된다. 이러한 동작 동안, NMOS 트랜지스터들(QN71, QN72)은 오프-상태로 유지된다. 그 후, 클록(CLK)은 "H"가 되어 NMOS 트랜지스터들(QN71, QN72)을 턴온시키고, 그에 의해, 감지 NMOS 트랜지스터들(QN61, QN62)의 드레인들은 Vss로 클램핑된다. 그 결과, 셀 전류들의 차이로 인해 노드들(N1 및 N2) 사이에서 발생되는 차동 전압(differential voltage)은 포지티브 피드백됨으로써, 하나의 노드는 Vdd로 또 하나의 노드는 Vss로 증폭시킨다. 증폭된 셀 데이터는 상술된 바와 같이 메인 데이터 라인들(GBi, /GBi)로 출력된다. In the above-described configuration, when the data read operation is performed, the word lines selected by the
데이터 기입 모드에서는, Vdd 레벨의 정논리 기입 펄스가 선택된 워드 라인에 인가된다. 동시에, Vss 레벨 또는 승압된 레벨의 부논리 기입 펄스들이 기입 펄스 신호 라인들(WPi, /WPi)을 통해 선택된 비트 라인 쌍에 인가된다. 이러한 정논리 및 부논리 기입 펄스들은 그들 사이의 기입될 데이터에 대응되는 레벨들에서 소정의 중첩 상태를 갖도록 제어되고 선택된 상보적 셀들에 인가됨으로써, 기입 동작이 수행된다. 다음에서는, 기입 회로 및 그것의 동작들이 부연될 것이다. In the data write mode, a positive logic write pulse of Vdd level is applied to the selected word line. At the same time, negative logic write pulses of the Vss level or the boosted level are applied to the selected bit line pair via the write pulse signal lines WPi and / WPi. These positive and negative logic write pulses are applied to selected and complementary cells to have a predetermined overlap state at levels corresponding to the data to be written therebetween, thereby performing a write operation. In the following, the write circuit and its operations will be elaborated.
하나의 워드 라인이 다수의 쌍 셀들에 공통적으로 접속되기 때문에, 워드 라인은 쌍 셀들에 다량의 전류를 공급할 것이 요구된다. 이러한 전류 값을 고려하여, 워드 라인 디코더의 구동성, 워드 라인의 자체 저항, 트랜지스터 사이즈 등을 설계해야 한다. 도 11에 나타낸 8개 워드 라인들을 위한 워드 라인 멀티플렉서(MUX0) 및 도 12에 나타낸 8개 비트 라인들을 위한 비트 라인 디코더/멀티플렉서(DEC/MUX)가 동일한 회로 구성을 가진다는 것을 알 수 있어야 한다. 따라서, 이들 회로 영역들은 도 13에 나타낸 바와 같은 동일한 레이아웃을 갖도록 실현될 수 있다. 도 13에는, 도 11의 회로에서의 트랜지스터들(QP11 내지 QP18, QN11 내지 QN18), 선택 신호들(S10 및 S13) 및 저레벨 전원(Vss)이 도시되어 있고, 이들에 대응하여, 도 12의 회로에서의 트랜지스터들(QN51 내지 QN58, QP51 내지 QP58), 선택 신호들(S20 내지 S23) 및 고레벨 전원(Vdd)은 괄호 안에 표시되어 있다. 서로에 대응되는 개개의 트랜지스터들이 상이한 전도-유형들이기는 하지만, 이들 회로들을 위해 동일한 레이아웃을 사용할 수 있다. Since one word line is commonly connected to a plurality of pair cells, the word line is required to supply a large amount of current to the pair cells. Considering these current values, the driveability of the word line decoder, the self-resistance of the word line, the transistor size, and the like must be designed. It should be appreciated that the word line multiplexer MUX0 for the eight word lines shown in FIG. 11 and the bit line decoder / multiplexer DEC / MUX for the eight bit lines shown in FIG. 12 have the same circuit configuration. Thus, these circuit regions can be realized to have the same layout as shown in FIG. In FIG. 13, transistors QP11 to QP18, QN11 to QN18, select signals S10 and S13, and a low level power supply Vss in the circuit of FIG. 11 are shown and correspondingly, the circuit of FIG. 12. Transistors QN51 to QN58, QP51 to QP58, select signals S20 to S23, and high level power supply Vdd in are shown in parentheses. Although the individual transistors corresponding to each other are different conduction-types, the same layout can be used for these circuits.
도 13의 수직으로 진행하는 배선(410)은 선택 라인들 및 Vdd, Vss의 전원 라인들로서 기능하는 트랜지스터들의 게이트 라인들이다. 이들은, 폴리실리콘막을 패터닝하는 것에 의해 동시에 형성될 수 있다. 전원 라인들(Vss, Vdd)은 비-선택 비트 라인들 및 워드 라인들이 부유하지 않도록 고정하기 위한 필요에 따라 단순히 전위가 고정되기만 하면 되므로, 이들이 저저항일 필요는 없다. 따라서, 이들 라인들에는 게이트 전극들로서 사용된 것과 동일한 폴리실리콘막을 사용할 수 있다. 측면으로 진행하는 배선들(411)이 간략한 직선들로 표시되어 있기는 하지만, 이들은, 트랜지스터들의 소스들 및 드레인들에 접촉되는 금속 배선들이다. 도 6에 나타낸 수직의 상호 접속 라인들(즉, 접촉 플러그들;101 내지 104)이 접속되는 접촉부들(412)은 금속 배선들(411)을 비트 라인들 및 워드 라인들에 접속시키는 기능을 한다. The vertically running
상술된 셀 어레이의 비트 라인들 및 워드 라인들은 1F/lF(F: 최소 장치-사양 사이즈)의 라인/공간을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 비트 라인들 및 워드 라인들은, 도 6에 나타낸 바와 같이. 라인 피치를 유지하면서 기판상의 판독/기입 회로(200)에 접속된다. 이 경우, 도 13에 나타낸 금속 배선들(411)은 1F/1F의 동일한 라인/공간을 갖도록 형성된다. 이에 비해, 금속 배선들(411)의 중간에 배치된 트랜지스터들은 필요한 전류를 공급하기 위해 넓은 면적을 가져야 한다. 이러한 관점을 고려하여, 도 13에서는, 각각의 트랜지스터가 금속 배선들(411)의 3개 피치들의 게이트 폭을 갖도록 형성되어 있다. The bit lines and word lines of the cell array described above are preferably formed to have a line / space of 1F / lF (F: minimum device-spec size). These bit lines and word lines are as shown in FIG. 6. It is connected to the read /
트랜지스터 사이즈 및 금속 배선 피치가 상술된 바와 같이 결정될 경우, 트랜지스터들을 효과적으로 배치하기 위해, 0, 1, 2 및 3의 어드레스 순서에 따라 접미사가 붙여진 선택 신호 라인들(S10(S20), Sll(S21), S12(S22) 및 S13(S23))은 S10(S20), S12(S22), S11(S21) 및 S13(S23)의 순서로 배열된다. 그 결과, 선택 신호 라인(S10(S20))에 의해 선택되는 트랜지스터 어레이(QP11(QN51), QP13(QN53))와 선택 신호 라인(S11(S21))에 의해 선택되는 트랜지스터 어레이(QP12(QN52), QP14(QN54)) 사이에 선택 신호(S12(S22))에 의해 선택되는 트랜지스터 어레이(QP15(QN55), QP17(QN57))가 배치된다. 이러한 트랜지스터 배열을 이용함으로써, 배선들이 유휴 공간들없이 작은 피치로 배열되어 있는 금속 배선 영역내에, 큰 사이즈의 트랜지스터들을 배치할 수 있다. When the transistor size and the metal wiring pitch are determined as described above, in order to effectively arrange the transistors, select signal lines S10 (S20) and Sll (S21) suffixed according to an address order of 0, 1, 2, and 3 , S12 (S22) and S13 (S23) are arranged in the order of S10 (S20), S12 (S22), S11 (S21) and S13 (S23). As a result, the transistor arrays QP11 (QN51) and QP13 (QN53) selected by the selection signal lines S10 (S20) and the transistor arrays QP12 (QN52) selected by the selection signal lines S11 (S21). The transistor arrays QP15 (QN55) and QP17 (QN57) selected by the selection signals S12 (S22) are disposed between the QP14 (QN54). By using such a transistor arrangement, it is possible to arrange large size transistors in a metal wiring region in which wirings are arranged at small pitch without idle spaces.
다음으로는, 도 14 내지 도 16을 참조하여, 비트 라인들, 워드 라인들 및 그 들의 판독/기입 회로(200)로의 접촉부들이 듀얼 다마신 방법(dual damascene method)을 사용하는 것에 의해 동시에 형성된다는 것을 설명할 것이다. 도 14는, 그 위에 판독/기입 회로(200)가 형성되어 있으며 기판(10)을 덮는 층간 절연막(11)상에, 비트 라인들(BLO)이 형성되어 있는 상태를 나타낸다. 이러한 비트 라인들(BLO)의 형성과 동시에, 듀얼 다마신 공정에 의해 접촉 플러그들(103a, 104a)이 형성된다. 이들은 그 위에 적층될 워드 라인들(WLO, WL1)을 판독/기입 회로(200)에 접속시키는데 사용된다. 도 14에 나타내지는 않았지만, 비트 라인들(BLO)의 끝 부분들을 판독/기입 회로(200)에 접속시키기 위한 다른 접촉 플러그들도 접촉 플러그들(103a, 104a)과 동시에 형성된다. Next, with reference to FIGS. 14-16, the bit lines, word lines and their contacts to the read /
다음으로는, 도 15에 나타낸 바와 같이, 각각이 서로 적층되어 있는 칼로겐화물 및 다이오드에 의해 구성되는 메모리 셀들이 비트 라인들(BLO)상에 형성된다. 다음으로는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 층간 절연막(17)이 메모리 셀들(MC)을 덮도록 증착된 다음, 듀얼 다마신 공정에 의해 절연막(17)상에 워드 라인들(WLO)이 형성된다. 이 공정에서, 접촉 플러그들(103a)에 접속될 접촉 플러그들(103b 및 104b) 및 다음으로 형성될 워드 라인들(WL1)이, 각각, 매입된다. Next, as shown in FIG. 15, memory cells constituted by a chalcogenide and a diode each stacked on each other are formed on the bit lines BLO. Next, as shown in FIG. 16, the
도 17A 내지 도 17C는 워드 라인(WL0) 방향에 따른 단면도에서 워드 라인들(WLO) 및 접촉 플러그들(103b, 104b)의 매입 공정을 상세하게 나타낸다. 도 17A는, 층간 절연막(17)이 메모리 셀들(MC)을 덮도록 증착된 다음 평탄화되는 상태를 나타낸다. 그 후에는, 도 17B에 나타낸 바와 같이, 메모리 셀들(MC)의 상단들이 노출되도록 워드 라인을 매입하기 위해, RIE (Reactive Ion Etching) 공정에 의해 층간 절연막(17)에 배선-매입 트렌치들(501)이 형성된다. 또한, 접촉 플러그들(103a, 104a)이 매입된 위치들에 트렌치들(501)보다 더 깊게 접촉 홀들이 형성된다. 그 다음, 배선 재료의 금속 레이어가 증착되어 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 방법에 의해 처리된다. 그 결과, 도 17C에 나타낸 바와 같이, 워드 라인들(WLO) 및 접촉 플러그들(103b, 104b)이 동시에 매입되어 형성된다. 17A to 17C show details of the embedding process of the word lines WLO and the contact plugs 103b and 104b in the cross-sectional view along the direction of the word line WL0. 17A shows a state in which the
계속해서, 다마신 방법의 사용에 의한 메모리 셀 형성들, 층간 절연막 증착들, 배선 및 접촉 플러그 형성들이 주기적으로 수행된다. 이러한 공정들의 사용에 의해, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 각 레이어의 비트 라인들 및 워드 라인들이 기판상의 판독/기입 회로에 접속되는 방식으로 4-레이어 셀 어레이들이 적층될 수 있다. Subsequently, memory cell formations, interlayer insulating film depositions, wiring and contact plug formations using the damascene method are periodically performed. By using these processes, four-layer cell arrays can be stacked in such a way that the bit lines and word lines of each layer are connected to a read / write circuit on the substrate, as shown in FIGS. 7 and 8.
도 18은 셀 어레이들과 동시에 형성된, 판독/기입 회로(200)의 회로부(209b) 구조를 나타낸다. 후술되는 바와 같이, 기입 회로(209)는 펄스-승압을 위한 커패시터들 및 다이오드들을 포함해야 한다. 이러한 다이오드들을 셀 어레이들에서의 다이오드 형성 공정 처리시에 동시에 형성하면, 도 18의 구조가 획득될 수 있다. 공정은 부연될 것이다. 상술된 바와 같이, 셀 어레이 형성 공정 이전에 트랜지스터 회로가 기판(10)상에 형성된다. 도 18에 나타낸 MOS 커패시터들(510)은 트랜지스터 회로 형성 공정에서 형성된다. 다이오드(511)는 제1 셀 어레이(MA0)에서의 다이오드들(SD) 형성 공정을 사용해 MOS 커패시터들(510)을 오버레이하는 것으로서 형성된다. 마찬가지로, 다이오드(512)는 제2 셀 어레이(MA1)에서의 다이오드들(SD) 형성 공정을 사용하는 것에 의해 형성된다. 18 shows a
도 18의 예에서, 하나의 다이오드(511)는, 양극이 다이오드(511) 아래의 MOS 커패시터(510)에 접속되도록 형성되고, 또 하나의 다이오드(512)는, 음극이 다이오드(512) 아래의 MOS 커패시터(510)에 접속되도록 형성된다. 상술된 바와 같이, 선택적 극성을 가진 다이오드들을 MOS 커패시터들 상부에 존재하는 것으로 형성할 수도 있다. 다이오드들(511, 512)과 MOS 커패시터들(510) 사이에는, 층간 절연막들(513, 514)이 매입된다. 셀 어레이 형성 공정에 사용된 금속막들이, 필요하다면, 층간 절연막들(513, 514)에 남을 수도 있다는 것에 주의한다. In the example of FIG. 18, one
도 18에 나타낸 이런 구조를 사용하는 것에 의해, MOS 커패시터들을 위해 넓은 면적이 필요한 경우라고 하더라도, 다이오드들이 MOS 커패시터 영역들 상부에 적층됨으로써, 기입 회로(209)의 칩 점유 면적을 감소시킬 수 있다. By using this structure shown in Fig. 18, even if a large area for MOS capacitors is required, diodes can be stacked over the MOS capacitor regions, thereby reducing the chip footprint of the
도 19는 상술된 기입 회로(209)에서 펄스 신호 라인(WPi)을 통해 선택된 비트 라인에 부논리 기입 펄스를 공급하는데 사용되는 기입 펄스 발생 회로(600)를 나타낸다. 도 19에서, H 및 /L은, 각각, 선택된 워드 라인 및 선택된 비트 라인에 공급될 정논리 펄스 및 부논리 펄스이다. 이러한 정논리 펄스(H) 및 부논리 펄스(/L)는 기입될 데이터에 따라 그들 사이의 중첩 상태를 제어하고, 부논리 펄스는 중첩 상태에 따라 음의 방향으로 승압됨으로써, 기입 펄스가 획득된다. 정논리 펄스(H) 및 부논리 펄스(/L)의 중첩 상태는 NAND 게이트(G12)에 의해 검출된다. NAND 게이트(G12)의 출력은 지연 회로(605)를 통해 소정 지연 시간만큼 지연되어 OR 게이트(G11)의 일 입력으로 공급된다. 지연 회로(605)의 지연 시간(τ1)은 대략 T/2인데, 여기서, T는 정논리 펄스(H) 및 부논리 펄스(/L)의 펄스폭이다. 부논 리 펄스(/L)는 다른 지연 회로(606)에 의해 소정 지연 시간(τ2)만큼 지연되어 OR 게이트(G11)의 다른 입력으로 공급된다. 지연 회로(606)의 지연 시간(τ2)은 지연 회로(605)의 지연 시간(τ1)에 비해 충분히 작다. 19 shows a write
커패시터(601)는, 일 노드(Nb)가 OR 게이트(G11)의 출력에 접속되고 다른 노드(Na)가 펄스 신호 배선(WPi)에 접속되는 방식으로 배치된다. 다이오드(602)는, 커패시터(601)를 부논리 펄스(/L)에 의해 구동되는 부논리 펄스(/L)의 레벨(예를 들어, Vss)로 충전하기 위해 노드(Na)에 접속된다. 또한, 비-선택 상태에서 신호 라인(WPi)을 고레벨로 유지하기 위해 PMOS 트랜지스터(603)도 노드(Na)에 접속된다. 즉, 트랜지스터(603)는, 부논리 펄스(/L)가 입력되는 인버터(604)에 의해 구동되어 비-선택 상태시에 온-상태를 유지함으로써, 펄스 신호 라인(WPi)을 Vdd로 유지한다. 부논리 펄스가 발생될 때, 트랜지스터(603)는 턴오프된다. The
도 20을 참조하여, 기입 펄스 발생 회로(600)의 동작들이 후술될 것이다. 비-선택 상태에서, 노드(Nb)는 OR 게이트(G11)에 의해 "H"(=Vdd)로 유지되고, 노드(Na)는 트랜지스터(603)에 의해 "H"(=Vdd)로 유지된다. 따라서, 이 상태에서, 기입 펄스 신호 라인(WPi)은 "H"로 유지된다. "1" 기입이 수행될 경우, 정논리 및 부논리 펄스들(H 및 /L)이 동시에 발생된다. 이때, NAND 게이트(G12)는 "H" 레벨을 출력하도록 유지됨으로써, 노드(Nb)는 "H"로 유지된다. 동시에, 트랜지스터(603)는 오프가 되므로, 노드(Na)는, 부논리 펄스(/L)가 공급되는 다이오드(602)를 통해 방전되어 "L"(=Vss)이 된다. 20, operations of the write
이와 대조적으로, "0" 기입이 수행될 경우에는, 부논리 펄스(/L)가 정논리 펄스(H)와 관련하여 지연 시간(τ1;대략 T/2)을 갖도록 발생된다. 이때, 노드(Nb)는 "H"로 유지되는 한편, 노드(Na)는 다이오드(602)에 의해 방전되어 "L"이 된다. 그 후, 부논리 펄스(/L)가 지연 회로(606)를 통해 τ2만큼 지연되는 결과를 받아 노드(Nb)가 "L"이 될 때, 노드(Na)에서는 약 T/2의 주기내에서 음의 방향으로 승압된 부논리 기입 펄스가 획득될 수 있다. In contrast, when " 0 " writing is performed, the negative logic pulse / L is generated to have a delay time [tau] 1 (about T / 2) in relation to the positive logic pulse H. At this time, the node Nb is maintained at "H" while the node Na is discharged by the
이러한 펄스 제어를 사용하는 것에 의한 데이터 기입 원리는 다음과 같다. "1" 기입시에, 기입 전류는, 정논리 펄스(H)와 부논리 펄스(/L)가 서로 중첩되는 중첩 시간(T) 동안 선택된 셀을 통과한다. 그 결과, 선택 셀의 칼코겐화물은 자체-유도된 열에 의해 어닐링되어 풍부한 결정의 낮은 저항 상태가 된다. "0" 기입시에는, "1" 기입시에 비해 더 많은 양의 기입 전류가 더 짧은 주기내에 선택된 셀을 통과한다. 그 결과, 선택 셀의 칼코겐화물은 용융 상태가 된 다음 빠르게 냉각되어 비결정이 풍부한 높은 저항 상태가 된다. The principle of data writing by using such pulse control is as follows. Upon writing " 1 ", the write current passes through the selected cell during the overlapping time T at which the positive logic pulse H and the negative logic pulse / L overlap each other. As a result, the chalcogenide of the selected cell is annealed by self-induced heat, resulting in a low resistance state of rich crystals. When writing "0", a larger amount of write current passes through the selected cell in a shorter period than when writing "1". As a result, the chalcogenide in the select cell is melted and then rapidly cooled to a high resistance state rich in amorphous.
하나의 기입 펄스 신호 라인(WPi)에 주의를 기울이는 것에 의해 도 19의 기입 펄스 발생 회로(600)를 나타낸다. 실제로, 이 실시예에서는, 상술된 바와 같이, 4개 셀 어레이들(MAO 내지 MA3) 중 아래쪽의 2개 셀 어레이들(MAO 및 MA1)이 동시에 활성화되고 셀 어레이들(MAO, MA1)의 주기와는 상이한 주기에서 위쪽의 2개 셀 어레이들(MA2 및 MA3)이 동시에 활성화된다. 또한, 셀 어레이의 상이한 비트 라인들에 접속되어 있는 2개 셀들은 상보적 데이터를 저장하기 위한 쌍 셀을 구성한다. By paying attention to one write pulse signal line WPi, the write
도 21은 동시에 활성화된 2개 셀 어레이들에서의 2쌍의 비트 라인들에 기입 펄스들을 공급하는 기입 펄스 발생 회로들(600a 내지 600d) 및 그것의 입/출력 관계들을 나타낸다. 기입 펄스 발생 회로들(600a 내지 600d)의 출력들은 도 11에 나타낸 멀티플렉서들(MUXO, MUX1)에 의해 선택되어 위쪽의 2개 셀 어레이들 또는 아래쪽의 2개 셀 어레이들에 공급된다. 도 21에서, WPi@lst 및 WPi@2nd는, 각각, 동시에 활성화된 2개 셀 어레이들의 제1 및 제2 레이어들의 비트 라인들(예를 들어, 도 5의 BL00 및 BL10)에 접속될 기입 펄스 신호 라인들이다. /WPi@lst 및 /WPi@2nd는, 각각, 상술된 비트 라인들과 쌍들을 구성하는 나머지 비트 라인들(예를 들어, /BL00 및 /BL10)에 접속될 기입 펄스 신호 라인들이다. H는 2개 셀 어레이들의 공유 워드 라인에 공급될 정논리 펄스이고, /LOn,/L1n, /L0n', 및 /L1n'은 비트 라인들에 공급될 부논리 펄스들이다. 세부적으로, /LOn 및 /LOn'은 2개 셀 어레이들 중 아래쪽 셀 어레이의 비트 라인 쌍(예를 들어, BLOO 및 /BLOO)으로 공급되고, /L1n 및 /L1n'은 2개 셀 어레이들 중 위쪽 셀 어레이의 비트 라인 쌍(예를 들어, BL10 및 /BL10)에 공급된다. 도 19를 사용해 설명한 바와 같이, 정 및 부논리 펄스들간의 중첩 상태들은 기입될 데이터에 기초해 판정되고, 이에 응답하여, 부논리 기입 펄스는 선택적으로 승압되어 기입 펄스 신호 라인(WPi)으로 공급된다.21 shows write
도 22는 도 21에 나타낸 정 및 부논리 펄스들을 발생시키기 위한 논리 펄스 발생 회로(700)를 나타낸다. 논리 펄스 발생 회로(700)는, 서로 동일한 펄스폭을 가지며 서로 펄스-시프트되어 있는 2개 펄스들(PO 및 P1)을 발생시키기 위한 펄스 발생기(710) 및 2개 펄스들을 조합하는 것에 의해 필요한 기입 펄스들을 발생시키기 위한 논리 게이트 회로(720)를 갖도록 구성된다. FIG. 22 shows a logic
원래 펄스 발생 회로(711)는 T의 펄스폭을 가진 펄스(PO)를 발생시키고, 지연 회로(712)는 펄스(P0)를 지연시켜, 약 T/2만큼 지연된 펄스(P1)를 발생시킨다. 원래 펄스 발생 회로(711)로부터 발생된 출력 펄스(PO)는, 드라이버를 통해 워드 라인들에 공급될 정논리 펄스(H)가 된다. Originally, the
논리 게이트 회로(720)로 입력되는 비트 데이터(BO 및 B1)는, 각각, 2개 셀 어레이들 중 아래쪽 셀 어레이 및 위쪽 셀 어레이의 쌍 셀들에 기입될 기입 데이터 비트들이다. 도 5의 2개 셀 어레이들(MAO 및 MA1)의 쌍 셀들에 관심을 기울이면, 다음과 같이, 세부적인 일례를 설명할 수 있는데, BO는 셀 어레이(MA0)의 T- cellO 및 C-cellO에 의해 구성되는 쌍 셀에 기입될 기입 데이터이고; B1은 셀 어레이(MA1)의 T-cell1 및 C-cell1에 의해 구성되는 쌍 셀에 기입될 기입 데이터이다. The bit data BO and B1 input to the
AND 게이트들(G21, G22)의 세트 및 AND 게이트들(G31, G32)의 세트는, 비트 데이터(B0)가 "0" 또는 "1"인지에 응답하여, 원래 펄스 발생 회로(711)의 펄스(PO) 출력 또는 지연 회로(712)의 펄스(P1) 출력을 선택하도록 준비된다. 이러한 선택의 수신시에, NAND 게이트들(G23 및 G33)의 출력들(/LOn 및 /LOn') 중 하나는, 그것의 위상이 정논리 펄스(H)와 동일한, "1" 기입을 위한 부논리 기입 펄스가 되고, 다른 하나는, 그것의 위상이 정논리 펄스(H)와 관련하여 지연되어 있는, "0" 기입을 위한 또 하나의 부논리 기입 펄스가 된다. 다시 말해, 출력들(/LOn 및 /LOn')은, 비트 데이터(B0)에 따라, 각각, 하나의 T-cellO 및 C-cellO를 하나는 "0"으로 그리고 다른 하나는 "1"로 기입하기 위한 부논리 기입 펄스들이 된다. The set of AND gates G21 and G22 and the set of AND gates G31 and G32 are the pulses of the original
마찬가지로, AND 게이트들(G41, G42)의 세트 및 AND 게이트들(G51, G52)의 세트는 펄스(PO 또는 P1)를 선택하도록 준비된다. 따라서, NAND 게이트들(G43 및 G53)의 출력들(/L1n 및 /L1n')은, 비트 데이터(B1)에 따라, 각각, T-cell1 및 C-cell1 중 하나를 "O"으로 그리고 다른 하나를 "1"로 기입하기 위한 부논리 기입 펄스들이 된다. Similarly, the set of AND gates G41 and G42 and the set of AND gates G51 and G52 are prepared to select a pulse PO or P1. Thus, the outputs / L1n and / L1n 'of the NAND gates G43 and G53 are one of T-cell1 and C-cell1 to "O" and the other, depending on the bit data B1, respectively. Become negative logic write pulses for writing " 1 ".
도 23은, 개개의 기입 데이터를 위해, 2쌍의 셀들(T-cellO, C-cellO 및 T-cell1, C-cell1)이, 도 5에 나타낸 바와 같이 접속되어 있는 비트 라인들(BLOO, /BlOO, BL10 및 /BL10)에 공급되는, 도 22에 나타낸 정 및 부논리 펄스들에 의해 획득되는 부논리 기입 펄스 파형들을 나타낸다. 신호 파형 그룹의 첫머리에서 설명되는 데이터의 4개 비트들은, T-cell1에 대응되는 제1 비트, C-cell1에 대응되는 제2 비트, T-cellO에 대응되는 제3 비트 및 C-cellO에 대응되는 제4 비트이다. 도 21 및 도 22에 나타낸 정논리 펄스(H)는, 워드 라인(WL0)에 대한 경우처럼, 정논리 기입 펄스로서 공급된다. 이러한 정논리 기입 펄스는 기준 펄스가 되고, 개개의 비트 라인들에 제공되는 부논리 기입 펄스들은 데이터("0", "1")에 따라 펄스-폭 제어되고 승압된다. 그 결과, 상술된 바와 같이, "0" 기입 셀의 칼코겐화물은 용융된 다음 빠르게 냉각되어 높은 저항 상태가 되고, "1" 기입 셀의 칼코겐화물은 결정화되어 낮은 저항 상태가 된다. 따라서, 2개 셀 어레이들의 동시에 활성화된 쌍 셀들에 동시 기입을 수행하는 것이 가능하다. FIG. 23 shows the bit lines BLOo // to which two pairs of cells T-cellO, C-cellO and T-cell1, C-cell1 are connected as shown in FIG. The negative logic write pulse waveforms obtained by the positive and negative logic pulses shown in Fig. 22, supplied to BOO, BL10 and / BL10, are shown. The four bits of data described at the beginning of the signal waveform group correspond to a first bit corresponding to T-cell1, a second bit corresponding to C-cell1, a third bit corresponding to T-cellO, and C-cellO. Is the fourth bit. The positive logic pulse H shown in FIGS. 21 and 22 is supplied as a positive logic write pulse as in the case of the word line WL0. This positive logic write pulse becomes a reference pulse, and the negative logic write pulses provided to the individual bit lines are pulse-width controlled and stepped up according to the data "0" and "1". As a result, as described above, the chalcogenide of the "0" write cell is melted and then rapidly cooled to a high resistance state, and the chalcogenide of the "1" write cell is crystallized to a low resistance state. Thus, it is possible to perform simultaneous writes to simultaneously activated pair cells of two cell arrays.
본 발명에 따르면, 3차원 셀 어레이 및 기입/판독 회로가 작은 칩 면적에 통합적으로 형성되어 있는 그리고 고속의 판독/기입 동작이 수행될 수 있는 상 변화 메모리를 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a phase change memory in which a three-dimensional cell array and a write / read circuit are integrally formed in a small chip area and in which a high speed read / write operation can be performed.
Claims (23)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020057018603A KR100723569B1 (en) | 2005-09-30 | 2003-04-03 | Phase change memory device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020057018603A KR100723569B1 (en) | 2005-09-30 | 2003-04-03 | Phase change memory device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20050110706A KR20050110706A (en) | 2005-11-23 |
KR100723569B1 true KR100723569B1 (en) | 2007-05-31 |
Family
ID=37286116
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020057018603A KR100723569B1 (en) | 2005-09-30 | 2003-04-03 | Phase change memory device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100723569B1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8013317B2 (en) | 2008-05-19 | 2011-09-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile storage device and method for manufacturing same |
KR20150106171A (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-21 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Electronic device |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100868321B1 (en) * | 2006-04-14 | 2008-11-11 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | Unit cell for phase change random access memory device with multiple bits per cell |
KR100827697B1 (en) * | 2006-11-10 | 2008-05-07 | 삼성전자주식회사 | Semiconductor memory device having three dimension structure and cell array structure |
KR100905166B1 (en) * | 2007-10-12 | 2009-06-29 | 주식회사 하이닉스반도체 | Phase change memory device |
KR20080091416A (en) * | 2008-08-14 | 2008-10-13 | 김성동 | Three dimensional semiconductor device and methods of fabricating and operating the same |
US8461566B2 (en) * | 2009-11-02 | 2013-06-11 | Micron Technology, Inc. | Methods, structures and devices for increasing memory density |
KR101360947B1 (en) * | 2011-10-27 | 2014-02-10 | 윤재만 | Semiconductor memory device |
CN112271191A (en) * | 2020-10-14 | 2021-01-26 | 长江先进存储产业创新中心有限责任公司 | Three-dimensional memory with four-layer stack |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5714768A (en) | 1995-10-24 | 1998-02-03 | Energy Conversion Devices, Inc. | Second-layer phase change memory array on top of a logic device |
KR20010076308A (en) * | 2000-01-18 | 2001-08-11 | 가나이 쓰토무 | Semiconductor integrated circuit device and data processing device |
US6426891B1 (en) | 1999-10-27 | 2002-07-30 | Sony Corporation | Nonvolatile memory with a two-terminal switching element and its driving method |
-
2003
- 2003-04-03 KR KR1020057018603A patent/KR100723569B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5714768A (en) | 1995-10-24 | 1998-02-03 | Energy Conversion Devices, Inc. | Second-layer phase change memory array on top of a logic device |
US6426891B1 (en) | 1999-10-27 | 2002-07-30 | Sony Corporation | Nonvolatile memory with a two-terminal switching element and its driving method |
KR20010076308A (en) * | 2000-01-18 | 2001-08-11 | 가나이 쓰토무 | Semiconductor integrated circuit device and data processing device |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8013317B2 (en) | 2008-05-19 | 2011-09-06 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Nonvolatile storage device and method for manufacturing same |
KR20150106171A (en) * | 2014-03-11 | 2015-09-21 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Electronic device |
KR102161603B1 (en) | 2014-03-11 | 2020-10-05 | 에스케이하이닉스 주식회사 | Electronic device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20050110706A (en) | 2005-11-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4445398B2 (en) | Phase change memory device | |
EP1609154B1 (en) | Phase change memory device | |
KR100944058B1 (en) | Semiconductor memory device | |
CN1759450B (en) | Programmable resistance memory device | |
US10276792B2 (en) | Low power barrier modulated cell for storage class memory | |
JP5161981B2 (en) | Semiconductor device | |
JP5396544B2 (en) | Semiconductor memory device | |
WO2017142790A1 (en) | Implementation of vmco area switching cell to vbl architecture | |
US7590024B2 (en) | Nonvolatile semiconductor memory device | |
KR20040107487A (en) | Phase-change memory device | |
KR100790043B1 (en) | Phase change memory device | |
JP6810725B2 (en) | Random access memory with variable resistance | |
KR100723569B1 (en) | Phase change memory device | |
KR100730254B1 (en) | Programmable resistance memory device | |
CN102522116B (en) | Programmable resistance memory device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130502 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140421 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150417 Year of fee payment: 9 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |