KR20050078259A - Multiple-layer phase change resistor cell and non-volatile memory device using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다층 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, 전류값에 따라 저항 상태가 변화되는 불휘발성 저항 기억 소자와 별도의 게이트 제어 신호가 불필요한 직렬 다이오드 스위치로 이루어진 단위 상 변화 저항 셀을 워드라인과 비트라인 사이에 배치하여 크로스 포인트 셀 어레이를 구현하고, 크로스 포인트 셀 어레이를 다층으로 구성하여 전체적인 칩 사이즈를 줄일 수 있도록 한다. The present invention relates to a multi-layer phase change resistance cell and a nonvolatile memory device using the same, and discloses a technique for reducing the number of cell arrays by forming a multi-layer cell array including a resistive memory device and a series PN diode chain. . In the present invention, a cross-point cell is disposed between a word line and a bit line by disposing a unit phase change resistance cell including a nonvolatile resistance memory device whose resistance state changes according to a current value and a series diode switch that does not require a separate gate control signal. The array is implemented, and the cross-point cell array is configured in multiple layers to reduce the overall chip size.

Description

다층 상 변화 저항 셀 및 이를 이용한 불휘발성 메모리 장치{Multiple-layer phase change resistor cell and non-volatile memory device using the same}Multi-layer phase change resistor cell and non-volatile memory device using the same}

본 발명은 다층 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 multi-layer 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 It's a technology that makes it possible.

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) element 4.

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 change resistance element 4 applies a voltage and a current by inserting a phase change material (PCM) 2 between the top electrode 1 and the bottom electrode 3, a phase is applied. The high temperature is induced in the change layer 2 to change the state of electrical conduction according to the change in resistance. Here, AglnSbTe is mainly used as the material of the phase change layer 2.

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 change resistance element 4, the phase change layer 2 is at a temperature suitable for crystallization. As a result, the phase change layer 2 is in a crystalline phase to become a material having a low resistance state.

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 change resistance element 4, the temperature of the phase change layer 2 becomes higher than the melting point. As a result, the phase change layer 2 is in an amorphous state and becomes a material of a high resistance state.

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 resistive element 4 can non-volatilely store data corresponding to the states of the two resistors. That is, if the phase change resistance element 4 is in the low resistance state, the data is "1", and in the high resistance state is the data "0", the logic state of the two data can be stored.

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 절연막을 이용하여 직렬 다이오드 스위치를 다층으로 구성하여 어레이의 사이즈를 줄일 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. First, the purpose is to reduce the size of the array by configuring a series diode switch in a multi-layer using an interlayer insulating film.

둘째, 상 변화 저항 소자와 별도의 게이트 제어 신호가 필요없는 직렬 다이오드 스위치를 이용하여 크로스 포인트 셀을 구현함으로써 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 implementing a cross point cell using a series diode switch that does not require a phase change resistor and a separate gate control signal.

셋째, 상술된 상 변화 저항 소자와 직렬 다이오드 스위치를 이용한 셀 어레이에서 리드/라이트 동작을 효율적으로 구동하여 메모리 셀의 동작 특성을 개선할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. Third, an object of the present invention is to efficiently drive read / write operations in a cell array using the above-described phase change resistance device and a series diode switch, thereby improving operating characteristics of a memory cell.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다층 상 변화 저항 셀은, 기판의 상부에 형성된 절연층과, 절연층의 상부에 실리콘층으로 이루지며 연속적으로 직렬 연결된 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하는 직렬 다이오드 스위치; 탑 전극, 위상 변화층 및 버텀 전극을 구비하고, 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 변화되는 결정화 상태를 감지하여 저항의 변화에 대응하는 데이타를 저장하는 상 변화 저항 소자; 직렬 다이오드 스위치의 양단 노드에 비트라인 콘택노드를 통해 연결된 비트라인; 두개 이상의 다이오드 소자가 연결되는 공통 노드와 상기 버텀전극 사이를 연결하는 콘택노드; 및 탑 전극의 상부에 형성되는 워드라인을 구비하는 단위 상 변화 저항 셀을 구비하고, 단위 상 변화 저항 셀은 로오 및 컬럼 방향으로 복수개 구비되며, 복수개의 단위 상 변화 저항 셀은 다층 구조로 적층되어 절연층에 의해 서로 분리됨을 특징으로 한다. A multi-layer phase change resistance cell of the present invention for achieving the above object, a series diode having an insulating layer formed on the substrate and at least two or more diode elements consisting of a silicon layer on top of the insulating layer connected in series switch; A phase change resistance device including a top electrode, a phase change layer, and a bottom electrode, and configured to sense a crystallization state that changes according to a magnitude of a current applied from a word line and to store data corresponding to a change in resistance; A bit line connected to a node at both ends of the series diode switch through a bit line contact node; A contact node connecting a common node to which at least two diode elements are connected and the bottom electrode; And a unit phase change resistance cell having a word line formed on the top electrode, wherein a plurality of unit phase change resistance cells are provided in a row and column direction, and the plurality of unit phase change resistance cells are stacked in a multilayer structure. It is characterized by being separated from each other by an insulating layer.

본 발명의 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치는, 로오와 컬럼 방향으로 배열되고 다층 구조로 적층되어 절연층에 의해 서로 분리되는 복수개의 다층 상 변화 저항 셀을 포함하는 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이; 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이의 워드라인을 선택적으로 구동하는 복수개의 워드라인 구동부; 및 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이로부터 인가되는 데이타를 센싱하여 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비하고, 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 각각은 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 변화되는 결정화 상태를 감지하여 저항의 변화에 대응하는 데이타를 저장하는 상 변화 저항 소자; 및 연속적으로 직렬 연결되어 공통 연결노드가 상 변화 저항 소자의 일단과 연결되는 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하여, 워드라인과 비트라인에 인가되는 전압의 크기에 따라 선택적으로 스위칭되는 직렬 다이오드 스위치를 구비함을 특징으로 한다. A nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell of the present invention includes a plurality of multilayer phase change layers including a plurality of multilayer phase change resistance cells arranged in a row and column direction and stacked in a multilayer structure and separated from each other by an insulating layer. Resistive cell arrays; A plurality of word line drivers selectively driving word lines of the plurality of multi-layer phase change resistance cell arrays; And a plurality of sense amplifiers configured to sense and amplify data applied from the plurality of multilayer phase change resistance cell arrays, wherein each of the plurality of multilayer phase change resistance cells has a crystallization state that changes according to a magnitude of current applied from a word line. A phase change resistance element that senses and stores data corresponding to a change in resistance; And a series diode switch having at least two diode elements connected in series to each other and having a common connection node connected to one end of the phase change resistance element, wherein the series diode switches are selectively switched according to the magnitude of the voltage applied to the word line and the bit line. It is characterized by.

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 다층 상 변화 저항 셀의 단위 셀 구성도이다. 2 is a unit cell configuration diagram of a multilayer 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 series diode switch 10. Here, the series diode switch 10 includes a PNPN diode switch 11 and a PN diode switch 12. The PNPN diode switch 11 and the PN diode switch 12 are connected in parallel between the bottom electrode of the phase change resistance element PCR and the bit line BL.

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 PNPN diode switch 11 is connected in the reverse direction between one electrode of the phase change resistance element PCR and the bit line BL, and the PN diode switch 12 is connected in the forward direction between one electrode of the phase change resistance element PCR and the bit line BL. do. The other electrode of the phase change resistance element PCR is connected to the word line WL.

도 3은 도 2의 다층 상 변화 저항 셀의 단위 셀 단면 구성도이다. 3 is a unit cell cross-sectional configuration diagram of the multilayer phase change resistance cell of FIG. 2.

직렬 다이오드 스위치(10)는 실리콘 기판(30)의 상부에 형성된 절연층(31)과, 절연층(31)의 상부에 실리콘층(32)을 구비하여 SOI(Silicon On Insulator) 구조를 이룬다. 여기서, 실리콘 기판(30)의 상부에 SiO2로 이루어진 절연층(31)이 적층되고, 절연층(31)의 상부에는 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. The series diode switch 10 includes an insulating layer 31 formed on the silicon substrate 30 and a silicon layer 32 on the insulating layer 31 to form a silicon on insulator (SOI) structure. Here, an insulating layer 31 made of SiO 2 is stacked on the silicon substrate 30, and a silicon layer 32 is formed on the insulating layer 31. The silicon layer 32 is formed by stacking a PNPN diode switch 11 and a PN diode switch 12 made of growth silicon or polysilicon and connected in series.

PNPN 다이오드 스위치(11)는 P형 영역과 N형 영역이 교번적으로 직렬 연결되며, PN 다이오드 스위치(12)는 P형 영역과 N형 영역이 직렬 연결되어 P형 영역이 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역에 인접하여 형성된다. The PNPN diode switch 11 alternately connects the P-type region and the N-type region in series, and the PN diode switch 12 connects the P-type region and the N-type region in series so that the P-type region is the PNPN diode switch 11. It is formed adjacent to the N-type region of.

그리고, PN 다이오드 스위치(12)의 N형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 P형 영역 상부에는 비트라인 콘택노드 BLCN를 통해 비트라인 BL이 형성된다. 또한, PN 다이오드 스위치(12)의 P형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역은 공통 콘택노드 CN를 통해 상 변화 저항 소자 PCR의 버텀전극(22)과 연결된다. The bit line BL is formed on the N-type region of the PN diode switch 12 and the P-type region of the PNPN diode switch 11 through the bitline contact node BLCN. In addition, the P-type region of the PN diode switch 12 and the N-type region of the PNPN diode switch 11 are connected to the bottom electrode 22 of the phase change resistance element PCR through the common contact node CN.

여기서, 상 변화 저항 소자 PCR는 탑 전극(20), 위상 변화층(PCM; Phase Change Material;21) 및 버텀 전극(22)을 구비한다. 그리고, 상 변화 저항 소자 PCR의 탑 전극(20)은 워드라인 WL과 연결된다. Here, the phase change resistance element PCR includes a top electrode 20, a phase change layer (PCM) 21, and a bottom electrode 22. The top electrode 20 of the phase change resistance element PCR is connected to the word line WL.

도 4는 도 3의 직렬 다이오드 스위치(10)에 관한 평면도이다. 4 is a plan view of the series diode switch 10 of FIG. 3.

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 series diode switch 10, the PNPN diode switch 11 and the PN diode switch 12 made of the silicon layer 32 are continuously connected in series chain form. That is, one unit phase change resistance cell includes a PN diode switch 12 and a PNPN diode switch 11 connected in series. The PN diode switch 12 and the PNPN diode switch 11 are connected in series with each other in the unit phase change resistance cell adjacent to the same direction as one unit phase change resistance cell.

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. In addition, the series diode switch 10 is arranged in a plurality of layers with the insulating layer 31 interposed therebetween, and each of the upper series diode switch 10 and the lower series diode switch 10 is separated through the insulating layer 31. It is.

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 PN diode switch 12 and one PNPN diode switch 11 are sequentially selected among the diode elements connected in series to form one phase change resistance cell region.

도 5는 도 2의 다층 상 변화 저항 셀의 평면도이다. 5 is a plan view of the multilayer phase change resistance cell of FIG. 2.

성장 실리콘이나 폴리 실리콘으로 이루어진 실리콘층(32)은 직렬 연결된 PNPN 다이오드 스위치(11)와 PN 다이오드 스위치(12)를 형성한다. 그리고, 각각의 실리콘층(32)은 절연 분리층(31)을 통해 상부 및 하부가 절연된다. 직렬 다이오드 스위치(10)에서 PN 다이오드 스위치(12)의 P형 영역과 PNPN 다이오드 스위치(11)의 N형 영역은 상 변화 저항 소자 PCR의 콘택노드 CN와 공통으로 연결될 수 있도록 인접하여 형성된다. The silicon layer 32 made of growth silicon or polysilicon forms a PNPN diode switch 11 and a PN diode switch 12 connected in series. Each silicon layer 32 is insulated from the upper and lower portions through the insulating isolation layer 31. In the series diode switch 10, the P-type region of the PN diode switch 12 and the N-type region of the PNPN diode switch 11 are formed adjacent to each other so as to be commonly connected to the contact node CN of the phase change resistance element PCR.

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 영역과 이웃하는 셀의 PN 다이오드 스위치(12)의 N형 영역과 공통 연결된다. In addition, the N-type region of the PN diode switch 12 and the P-type region of the PNPN diode switch 11 are connected to the bitline BL through the bitline contact node BLCN. The bitline contact node BLCN is commonly connected with the bitline contact node BLCN of the neighboring phase change resistance cell. That is, the same bit line contact node BLCN is commonly connected to the P-type region of the PNPN diode switch 11 and the N-type region of the PN diode switch 12 of the neighboring cell.

또한, 상 변화 저항 소자 PCR의 상부에는 워드라인 WL이 형성된다. The word line WL is formed on the phase change resistance element PCR.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀의 단면도이다. 6 and 7 are cross-sectional views of the multilayer phase change resistance cell according to the present invention.

다층 상 변화 저항 셀은 도 3에서와 같은 단위 상 변화 저항 셀이 제 1층 셀 어레이로 형성되고, 제 1층 셀 어레이의 상부에 제 2층 셀 어레이가 적층된다. 여기서, 제 1층 셀 어레이의 상부에 형성된 상 변화 저항 소자 PCR의 상부에 절연 분리층(31)이 증착되어 제 1층 셀 어레이와 제 2층 셀 어레이를 절연시킨다. In the multilayer phase change resistance cell, a unit phase change resistance cell as shown in FIG. 3 is formed as a first layer cell array, and a second layer cell array is stacked on top of the first layer cell array. Here, an insulating isolation layer 31 is deposited on the phase change resistance element PCR formed on the first layer cell array to insulate the first layer cell array and the second layer cell array.

그리고, 제 2층 셀 어레이의 절연 분리층(31)의 상부에 폴리 실리콘 또는 성장 실리콘으로 이루어진 직렬 다이오드 스위치(10)가 증착된다. 이에 따라, 제 1층 셀 어레이에 형성된 직렬 다이오드 스위치(10)와 제 2층 셀 어레이에 형성된 직렬 다이오드 스위치(10)는 절연 분리층(31)에 의해 서로 분리된다. In addition, a series diode switch 10 made of polysilicon or growth silicon is deposited on the insulating isolation layer 31 of the second layer cell array. Accordingly, the series diode switch 10 formed in the first layer cell array and the series diode switch 10 formed in the second layer cell array are separated from each other by the insulating isolation layer 31.

도 7의 실시예는 도 3에서와 같은 단위 상 변화 저항 셀이 n개의 다층 셀 어레이로 구성될 수 있음을 나타낸다. The embodiment of FIG. 7 shows that the unit phase change resistance cell as shown in FIG. 3 may be composed of n multilayer cell arrays.

도 8은 도 4와 같은 구조의 직렬 다이오드 스위치(10)에서 절연층(31)을 기준으로 A-A' 방향으로 잘랐을 경우 다층 상 변화 저항 셀의 워드라인 어레이의 단면 구조를 나타낸다. FIG. 8 illustrates a cross-sectional structure of a word line array of a multilayer phase change resistance cell when the series diode switch 10 having the structure as shown in FIG. 4 is cut in the direction A-A 'based on the insulating layer 31.

워드라인 어레이는 로오 방향으로 복수개 배열되며, 제 1층 워드라인 WL의 상부에 복수개 층의 워드라인 WL이 차례로 적층되는 구조를 나타낸다. 각 층의 워드라인 WL은 절연층(31)에 의해 서로 분리된다. A plurality of word line arrays are arranged in the row direction and have a structure in which a plurality of word lines WL are sequentially stacked on top of the first layer word line WL. The word lines WL of each layer are separated from each other by the insulating layer 31.

도 9는 도 4와 같은 구조의 직렬 다이오드 스위치(10)에서 절연층(31)을 기준으로 A-A' 방향으로 잘랐을 경우 다층 상 변화 저항 셀의 비트라인 어레이의 단면 구조를 나타낸다. FIG. 9 illustrates a cross-sectional structure of a bit line array of a multilayer phase change resistance cell when the series diode switch 10 having the structure shown in FIG. 4 is cut in the direction A-A 'based on the insulating layer 31.

비트라인 어레이는 로오 방향으로 복수개 배열되며, 제 1층 비트라인 BL의 상부에 복수개 층의 비트라인 BL이 차례로 적층되는 구조를 나타낸다. 각 층의 비트라인 BL은 절연층(31)에 의해 서로 분리된다. A plurality of bit line arrays are arranged in the row direction and have a structure in which a plurality of bit line BLs of a plurality of layers are sequentially stacked on the first layer bit line BL. The bit lines BL of each layer are separated from each other by the insulating layer 31.

도 10은 도 2의 직렬 다이오드 스위치(10)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 10 is a diagram for describing an operation of the series diode switch 10 of FIG. 2.

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 series diode switch 10 is kept off at the operating voltage Vo due to the operating characteristics of the PNPN diode switch 11. No current flows

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 diode switch 11 is turned on and the series diode switch 10 is turned on according to the forward operation characteristic of the diode, thereby rapidly increasing the current. . At this time, the value of the current I consumed when the applied voltage of the bit line BL is greater than or equal to the threshold voltage Vc is due to the value of a resistor (not shown) connected to the bit line BL and serving as a load.

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 PNPN diode switch 11 is turned on, even a small voltage Vs is applied to the bit line BL, so that a large amount of current can flow. At this time, the PN diode switch 10 is maintained in the off state by the reverse operating characteristics.

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 PN diode switch 10 is reduced. As a result, the series diode switch 10 is turned on so that current flows at any operating voltage. At this time, the PNPN diode switch 11 maintains the off state due to the reverse operation characteristic.

도 11은 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 구성도이다. 11 is a configuration diagram of a nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell according to the present invention.

본 발명은 복수개의 다층 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 multilayer PCR cell arrays 40, a plurality of word line drivers 50, a plurality of sense amplifiers 60, a data bus 70, a main amplifier 80, a data buffer 90 and input / output. It has an output port 100.

각각의 다층 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 multilayer PCR cell array 40 includes a plurality of unit phase change resistance cells having a structure as shown in FIG. 2 in a row and column direction. The plurality of word lines WLs arranged in the row direction are connected to the word line driver 50. The plurality of bit lines BL arranged in the column direction are connected to the sense amplifier 60.

여기서, 하나의 다층 PCR 셀 어레이(40)는 하나의 워드라인 구동부(50)와 하나의 센스앰프(60)와 대응하여 연결된다. Here, one multilayer PCR cell array 40 is connected in correspondence with one word line driver 50 and one sense amplifier 60.

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 sense amplifiers 60 share one data bus 70. The data bus 70 is connected to the main amplifier 80, and the main amplifier 80 amplifies data applied from each sense amplifier 60 through the data bus 70.

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 data buffer 90 buffers and outputs amplified data applied from the main amplifier 80. The input / output port 100 outputs output data applied from the data buffer 90 to the outside, or applies input data applied from the outside to the data buffer 90.

도 12는 도 11의 다층 PCR 셀 어레이(40)에 관한 레이아웃도이다. 12 is a layout diagram of the multilayer PCR cell array 40 of FIG.

다층 PCR 셀 어레이(40)는 복수개의 워드라인 WL이 각각 로오 방향으로 배열되고, 복수개의 비트라인 BL이 각각 컬럼 방향으로 배열된다. 그리고, 워드라인 WL과 비트라인 BL이 교차되는 영역에만 단위 셀 C이 위치하게 되므로 추가적인 면적이 불필요한 크로스 포인트 셀(Cross point cell)을 구현할 수 있도록 한다. In the multilayer PCR cell array 40, a plurality of word lines WL are arranged in a row direction, and a plurality of bit lines BL are arranged in a column direction, respectively. In addition, since the unit cell C is positioned only in an area where the word line WL and the bit line BL cross each other, a cross point cell that does not require an additional area may be implemented.

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 series diode switch 10 having two connection electrode nodes can be positioned directly at the intersection of the bit line BL and the word line WL.

도 13은 도 11의 다층 PCR 셀 어레이(40)에 관한 상세 회로도이다. FIG. 13 is a detailed circuit diagram of the multilayer PCR cell array 40 of FIG.

다층 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 multilayer PCR cell array 40, a plurality of word lines WL <0> to WL <n> are arranged in a row direction, and a plurality of bit lines BL <0> to BL <m> are arranged in a column direction, respectively. The unit cell C is located only in an area where the word line WL and the bit line BL cross each other. Here, one unit cell C includes a phase change resistance element PCR and a series diode switch 10.

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 sense amplifiers 60 are connected to each bit line BL in a one-to-one correspondence. Each sense amplifier 60 amplifies the result of comparing the voltage applied from the bit line BL with a predetermined reference voltage REF at the time of activation of the sense amplifier enable signal SEN.

또한, 비트라인 BL<0>에는 비트라인 풀다운 소자 N1가 연결되고, 비트라인 BL<m>에는 비트라인 풀다운 소자 N2가 연결된다. 이에 따라, 비트라인 풀다운 신호 BLPD의 활성화시 접지전압을 비트라인 BL에 인가하여 비트라인 BL을 그라운드 레벨로 풀다운시킨다.In addition, the bit line pull-down element N1 is connected to the bit line BL <0>, and the bit line pull-down element N2 is connected to the bit line BL <m>. Accordingly, when the bit line pull-down signal BLPD is activated, the ground voltage is applied to the bit line BL to pull down the bit line BL to the ground level.

이러한 구조의 다층 PCR 셀 어레이(40)는 각각의 상 변화 저항 소자 PCR들이 한개의 데이타를 저장할 수 있도록 한다. This multi-layer PCR cell array 40 allows each phase change resistance element PCR to store one data.

도 14는 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 리드 모드시 동작 타이밍도이다. 14 is a timing diagram of an operation in a read mode of a nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell according to the present invention.

먼저, t0 구간에서는 비트라인 풀다운 신호 BLPD가 활성화되어 NMOS트랜지스터 N1,N2를 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 transistors N1 and N2, thereby precharging the bit line BL to the ground level.

이어서, t1구간의 진입시 워드라인 WL이 하이로 천이하여 워드라인 WL에 일정 전압이 인가되면, 직렬 다이오드 스위치(10)의 PN다이오드(12)가 턴온된다. 이에 따라, 다층 PCR 셀의 데이타가 비트라인 BL에 전달된다. 이때, 비트라인 풀다운 신호 BLPD는 로우로 천이한다. Subsequently, when the word line WL transitions high when the t1 section enters and a constant voltage is applied to the word line WL, the PN diode 12 of the series diode switch 10 is turned on. Accordingly, data of the multilayer PCR cell is transferred to the bitline BL. At this time, the bit line pull-down signal BLPD transitions to low.

다음에, t2구간에서 센스앰프 인에이블 신호 SEN가 하이로 천이하면 센스앰프(60)가 동작하여 비트라인 BL에 실린 데이타를 증폭한다. 그리고, 컬럼 선택신호 CS가 하이로 천이하면 컬럼 선택 스위칭부(미도시)가 턴온되어 비트라인 BL에 실린 데이타 D,/D가 데이타 버스(70)에 출력되어 PCR 셀 C에 저장된 데이타를 리드할 수 있게 된다. Next, when the sense amplifier enable signal SEN transitions high in the period t2, the sense amplifier 60 operates to amplify the data carried on the bit line BL. When the column select signal CS transitions high, the column select switching unit (not shown) is turned on to output data D and / D on the bit line BL to the data bus 70 to read data stored in the PCR cell C. It becomes possible.

이후에, t3구간의 진입시 워드라인 WL이 로우로 천이하면 비트라인 BL과의 연결이 차단되어 리드 동작을 완료하게 된다. 이때, 직렬 다이오드 스위치(10)의 PN 다이오드 스위치(12)와 PNPN 다이오드 스위치(11)가 모두 턴오프 상태를 유지한다.Subsequently, if the word line WL transitions low during the entry of the t3 section, the connection with the bit line BL is blocked to complete the read operation. At this time, both the PN diode switch 12 and the PNPN diode switch 11 of the series diode switch 10 maintain the turn-off state.

도 15는 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 라이트 모드시 동작 타이밍도이다. 15 is a timing diagram of an operation in a write mode of a nonvolatile memory device using a multilayer 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 N1,N2를 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 transistors N1 and N2, thereby precharging the bit line BL to the ground level.

이후에, t1 구간의 진입시 비트라인 풀다운 신호 BLPD는 로우로 천이한다. 그리고, 컬럼 선택신호 CS가 하이로 천이하면 컬럼 선택 스위칭부(미도시)가 턴온되어 데이타 버스(70)를 통해 라이트할 새로운 데이타 D,/D가 비트라인 BL에 입력된다. 여기서, 라이트 모드시에 비트라인 BL에 인가된 데이타가 "하이" 또는 "로우"라고 가정한다. Thereafter, the bit line pull-down signal BLPD transitions low when the t1 period is entered. When the column select signal CS transitions high, the column select switching unit (not shown) is turned on so that new data D // D to be written through the data bus 70 is input to the bit line BL. Here, it is assumed that data applied to the bit line BL in the write mode is "high" or "low".

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 PNPN diode switch 11 of the series diode switch 10.

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 PNPN diode switch 11 is applied. As a result, the PNPN diode switch 11 is turned on so that data can be written to the phase change resistance element PCR.

이때, PNPN 다이오드 스위치(11)가 턴온된 이후에는 도 10의 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 PNPN diode switch 11 is turned on, as shown in the operating characteristic of FIG. 10, even if a small voltage Vs is applied to the phase change resistance element PCR, a large amount of current I can flow. Therefore, the current can flow sufficiently even if the voltage of the word line WL rises from the negative voltage to the low state again after the period t1.

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. 반면에, 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 16에 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. 16, 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.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다. As described above, the present invention provides the following effects.

첫째, 층간 절연막을 이용하여 직렬 다이오드 스위치를 다층으로 구성함으로써 단위 면적당 기억 소자의 수를 셀 어레이 층 수의 배수 만큼 증가시켜 별도의 레이아웃 확장이 필요없이 어레이의 사이즈를 줄일 수 있도록 한다. First, by constructing a series diode switch in multiple layers using an interlayer insulating film, the number of memory elements per unit area is increased by a multiple of the number of cell array layers so that the size of the array can be reduced without additional layout expansion.

둘째, 상 변화 저항 소자와 별도의 게이트 제어 신호가 필요없는 직렬 다이오드 스위치를 이용하여 크로스 포인트 셀을 다층으로 구현함으로써 불휘발성 메모리의 전체적인 사이즈를 줄일 수 있도록 한다. Second, the multi-point cell can be implemented in multiple layers using a series diode switch that does not require a phase change resistor and a separate gate control signal, thereby reducing the overall size of the nonvolatile memory.

셋째, 상술된 상 변화 저항 소자와 직렬 다이오드 스위치를 이용한 셀 어레이에서 리드/라이트 동작을 효율적으로 구동하여 메모리 셀의 동작 특성을 개선할 수 있도록 한다. Third, the read / write operation can be efficiently driven in the cell array using the above-described phase change resistance element and the series diode switch to improve the operating characteristics of the memory cell.

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 다층 상 변화 저항 셀의 단위 셀 구성도. 2 is a unit cell configuration diagram of a multilayer phase change resistance cell according to the present invention;

도 3은 도 2의 다층 상 변화 저항 셀의 단위 셀 단면도. 3 is a unit cell cross-sectional view of the multilayer phase change resistance cell of FIG. 2.

도 4는 도 2의 직렬 다이오드 스위치에 관한 평면도. 4 is a plan view of the series diode switch of FIG.

도 5는 도 2의 다층 상 변화 저항 셀의 평면도. 5 is a plan view of the multilayer phase change resistance cell of FIG.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀의 단면도. 6 and 7 are cross-sectional views of a multilayer phase change resistance cell according to the present invention.

도 8은 도 7의 다층 상 변화 저항 셀의 워드라인 어레이의 단면도. 8 is a cross-sectional view of the wordline array of the multilayer phase change resistance cell of FIG.

도 9는 도 7의 다층 상 변화 저항 셀의 비트라인 어레이의 단면도. 9 is a cross-sectional view of the bit line array of the multilayer phase change resistance cell of FIG.

도 10은 도 2의 직렬 다이오드 스위치의 동작을 설명하기 위한 도면. 10 is a view for explaining the operation of the series diode switch of FIG.

도 11은 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 구성도. 11 is a configuration diagram of a nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell according to the present invention.

도 12는 도 11의 다층 상 변화 저항 셀 어레이에 관한 레이아웃도. 12 is a layout diagram of the multilayer phase change resistance cell array of FIG.

도 13은 도 11의 다층 상 변화 저항 셀 어레이에 관한 상세 회로도. 13 is a detailed circuit diagram of the multilayer phase change resistance cell array of FIG.

도 14는 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 리드 모드시 동작 타이밍도. 14 is a timing diagram of an operation in a read mode of a nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell according to the present invention;

도 15는 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 라이트 모드시 동작 타이밍도. 15 is an operation timing diagram in a write mode of a nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell according to the present invention;

도 16은 본 발명에 따른 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치의 라이트 모드시 다층 상 변화 저항 셀의 온도 특성을 설명하기 위한 도면. 16 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 multilayer phase change resistance cell according to the present invention;

Claims (14)

기판의 상부에 형성된 절연층과, 상기 절연층의 상부에 실리콘층으로 이루지며 연속적으로 직렬 연결된 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하는 직렬 다이오드 스위치;A series diode switch having an insulating layer formed on the substrate and at least two diode elements formed of a silicon layer on the insulating layer and connected in series; 탑 전극, 위상 변화층 및 버텀 전극을 구비하고, 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 변화되는 결정화 상태를 감지하여 저항의 변화에 대응하는 데이타를 저장하는 상 변화 저항 소자; A phase change resistance device including a top electrode, a phase change layer, and a bottom electrode, and configured to sense a crystallization state that changes according to a magnitude of a current applied from a word line and to store data corresponding to a change in resistance; 상기 직렬 다이오드 스위치의 양단 노드에 비트라인 콘택노드를 통해 연결된 비트라인; A bit line connected to both ends of the series diode switch through a bit line contact node; 상기 두개 이상의 다이오드 소자가 연결되는 공통 노드와 상기 버텀전극 사이를 연결하는 콘택노드; 및 A contact node connecting the common node to which the at least two diode elements are connected and the bottom electrode; And 상기 탑 전극의 상부에 형성되는 워드라인을 구비하는 단위 상 변화 저항 셀을 구비하고, A unit phase change resistance cell having a word line formed on the top electrode, 상기 단위 상 변화 저항 셀은 로오 및 컬럼 방향으로 복수개 구비되며, 복수개의 단위 상 변화 저항 셀은 다층 구조로 적층되어 상기 절연층에 의해 서로 분리됨을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀.The plurality of unit phase change resistance cells are provided in a row and column direction, and the plurality of unit phase change resistance cells are stacked in a multi-layer structure and separated from each other by the insulating layer. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘층은 성장 실리콘, 폴리 실리콘 중 적어도 어느 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀. The multi-phase phase change resistance cell of claim 1, wherein the silicon layer is formed of at least one of growth silicon and polysilicon. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 실리콘층은 복수개의 PNPN 다이오드 스위치와 복수개의 PN 다이오드 스위치가 교번적으로 직렬연결되어 연속적인 다이오드 체인을 형성함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀.The multi-layer phase change resistance cell of claim 1 or 2, wherein the silicon layer is formed by alternately connecting a plurality of PNPN diode switches and a plurality of PN diode switches in series to form a continuous diode chain. 제 3항에 있어서, 상기 비트라인 콘택노드는 상기 복수개의 PNPN 다이오드 스위치의 P형 영역과 상기 복수개의 PN 다이오드 스위치의 N형 영역에 각각 형성됨을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀. 4. The multilayer phase change resistance cell of claim 3, wherein the bit line contact node is formed in a P-type region of the plurality of PNPN diode switches and an N-type region of the plurality of PN diode switches, respectively. 제 3항에 있어서, 상기 콘택노드는 상기 복수개의 PNPN 다이오드 스위치의 N형 영역과 상기 복수개의 PN 다이오드 스위치의 P형 영역이 연결되는 상기 공통 노드에 형성됨을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀. The multilayer phase change resistance cell of claim 3, wherein the contact node is formed at the common node to which an N-type region of the plurality of PNPN diode switches and a P-type region of the plurality of PN diode switches are connected. 로오와 컬럼 방향으로 배열되고 다층 구조로 적층되어 절연층에 의해 서로 분리되는 복수개의 다층 상 변화 저항 셀을 포함하는 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이; A plurality of multilayer phase change resistance cell arrays arranged in a row and column direction and including a plurality of multilayer phase change resistance cells stacked in a multilayer structure and separated from each other by an insulating layer; 상기 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이의 워드라인을 선택적으로 구동하는 복수개의 워드라인 구동부; 및 A plurality of word line drivers selectively driving word lines of the plurality of multi-layer phase change resistance cell arrays; And 상기 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이로부터 인가되는 데이타를 센싱하여 증폭하는 복수개의 센스앰프를 구비하고, And a plurality of sense amplifiers for sensing and amplifying data applied from the plurality of multilayer phase change resistance cell arrays. 상기 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 각각은 Each of the plurality of multi-layer phase change resistance cells 워드라인으로부터 인가되는 전류의 크기에 따라 변화되는 결정화 상태를 감지하여 저항의 변화에 대응하는 데이타를 저장하는 상 변화 저항 소자; 및 A phase change resistance device configured to store a data corresponding to a change in resistance by detecting a crystallization state that changes according to a magnitude of a current applied from a word line; And 연속적으로 직렬 연결되어 공통 연결노드가 상기 상 변화 저항 소자의 일단과 연결되는 적어도 두개 이상의 다이오드 소자를 구비하여, 상기 워드라인과 상기 비트라인에 인가되는 전압의 크기에 따라 선택적으로 스위칭되는 직렬 다이오드 스위치를 구비함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치.A series diode switch having at least two diode elements connected to one end of the phase change resistance element in series and connected in series, and selectively switched according to the magnitude of the voltage applied to the word line and the bit line Non-volatile memory device using a multi-layer phase change resistance cell comprising a. 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 복수개의 센스앰프에 의해 공유되는 데이타 버스;A data bus shared by the plurality of sense amplifiers; 상기 데이타 버스로부터 인가되는 데이타를 증폭하는 메인 앰프;A main amplifier for amplifying data applied from the data bus; 상기 메인 앰프로부터 인가되는 증폭 데이타를 버퍼링하는 데이타 버퍼; 및 A data buffer for buffering amplified data applied from the main amplifier; And 상기 데이타 버퍼로부터 인가되는 출력 데이타를 외부로 출력하거나, 외부로부터 인가되는 입력 데이타를 상기 데이타 버퍼에 인가하는 입/출력 포트를 더 구비함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치.Non-volatile memory device using a multi-layer phase change resistance cell characterized in that it further comprises an input / output port for outputting the output data applied from the data buffer to the outside, or the input data applied from the outside to the data buffer . 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 직렬 다이오드 스위치는 상기 워드라인에 인가되는 전압이 제 1전압일 경우 상기 상 변화 저항 소자에 저장된 데이타를 리드하도록 스위칭되고, 상기 비트라인에 인가되는 전압이 상기 제 1전압보다 큰 제 2전압일 경우 상기 상 변화 저항 소자에 데이타를 라이트하도록 스위칭 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치.8. The method of claim 6 or 7, wherein the series diode switch is switched to read data stored in the phase change resistance element when the voltage applied to the word line is the first voltage, and the voltage applied to the bit line And a switching operation to write data to the phase change resistance device when the second voltage is greater than the first voltage. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 복수개의 다층 상 변화 저항 셀 어레이 각각은, The method of claim 6 or 7, wherein each of the plurality of multi-layer phase change resistance cell array, 로오 및 컬럼 방향으로 각각 배열된 복수개의 워드라인과 복수개의 비트라인 사이의 교차 영역에 위치하는 복수개의 다층 상 변화 저항 셀; 및 A plurality of multi-layer phase change resistance cells positioned in an intersection region between the plurality of word lines and the plurality of bit lines arranged in the row and column directions, respectively; And 상기 복수개의 비트라인에 각각 일대일 대응하여 연결된 복수개의 비트라인 풀다운 소자를 구비함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치.And a plurality of bit line pull-down devices connected to the plurality of bit lines in a one-to-one correspondence, respectively. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 복수개의 센스앰프는 복수개의 비트라인에 각각 일대일 대응하여 연결되며, 센스앰프 인에이블 신호의 활성화시 기준전압과 상기 비트라인의 전압을 비교 및 증폭함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치.8. The method of claim 6 or 7, wherein the plurality of sense amplifiers are connected one-to-one to a plurality of bit lines, respectively, and compare and amplify a reference voltage and a voltage of the bit line when the sense amplifier enable signal is activated. A nonvolatile memory device using a multilayer phase change resistance cell. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 직렬 다이오드 스위치는 The method of claim 6 or 7, wherein the series diode switch 상기 상 변화 저항 소자의 버텀 전극과 상기 비트라인 사이에 순방향으로 연결된 PN 다이오드 스위치; 및 A PN diode switch connected in a forward direction between the bottom electrode of the phase change resistance device and the bit line; And 상기 상 변화 저항 소자의 버텀전극과 상기 비트라인 사이에 역방향으로 연결된 PNPN 다이오드 스위치를 구비함을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치. And a PNPN diode switch connected in a reverse direction between the bottom electrode of the phase change resistor and the bit line. 제 11항에 있어서, 상기 PN 다이오드 스위치의 P형 영역은 상기 버텀 전극과 연결되고, N형 영역은 상기 비트라인과 연결됨을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치. The nonvolatile memory device of claim 11, wherein the P-type region of the PN diode switch is connected to the bottom electrode, and the N-type region is connected to the bit line. 제 11항에 있어서, 상기 PNPN 다이오드 스위치의 상부 N형 영역은 상기 버텀 전극과 연결되고, 하부 P형 영역은 상기 비트라인과 연결됨을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치. The nonvolatile memory device of claim 11, wherein an upper N-type region of the PNPN diode switch is connected to the bottom electrode, and a lower P-type region is connected to the bit line. 제 11항에 있어서, 상기 직렬 다이오드 스위치는 The method of claim 11, wherein the series diode switch 상기 워드라인의 전압 레벨이 하이이고 상기 비트라인의 전압 레벨이 로우일 경우 상기 PN 다이오드 스위치가 턴온되어 상기 상 변화 저항 소자에 제 1데이타를 출력하며, When the voltage level of the word line is high and the voltage level of the bit line is low, the PN diode switch is turned on and outputs first data to the phase change resistor. 상기 워드라인의 전압 레벨이 네가티브 전압이고 상기 비트라인의 전압 레벨이 하이일 경우 상기 PNPN 다이오드 스위치가 턴온되어 상기 상 변화 저항 소자에 제 2데이타를 출력하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 다층 상 변화 저항 셀을 이용한 불휘발성 메모리 장치. When the voltage level of the word line is negative and the voltage level of the bit line is high, the PNPN diode switch is turned on to operate to output second data to the phase change resistance device. Nonvolatile memory device using.
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