JP2008112945A - Memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性の抵抗変化型記憶素子によりメモリセルを構成した記憶装置に係わる。 The present invention relates to a memory device in which a memory cell is configured by a nonvolatile resistance change memory element.
半導体不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリが最も一般的であり、NOR型フラッシュメモリやNAND型フラッシュメモリが、コードストレージ用途やデータストレージ用途に広く用いられている。 As a semiconductor nonvolatile memory, a flash memory is the most common, and a NOR flash memory and a NAND flash memory are widely used for code storage applications and data storage applications.
NAND型フラッシュメモリは、書き換え動作にFN(Fowler-Nordheim )トンネル電流を用いているので、原理的に約20Vの高電圧が必要になる。
このため、32nm世代以降では、現在の性能(特に、繰り返し可能回数)を保ったままで、素子の微細化、即ち大容量化を進めることが困難であると言われている。
Since the NAND flash memory uses an FN (Fowler-Nordheim) tunnel current for a rewrite operation, a high voltage of about 20 V is required in principle.
For this reason, after the 32 nm generation, it is said that it is difficult to advance the miniaturization of the element, that is, increase the capacity while maintaining the current performance (particularly, the number of repetitions).
一方、NOR型フラッシュメモリは、書き換え動作にHE(ホットエレクトロン)注入を用いているので、電子にSi(シリコン)とSiO2(二酸化シリコン)との間のエネルギー障壁3.8eVを超えるだけの運動エネルギーを与えることが必要になり、原理的にメモリセルを構成するトランジスタのソース・ドレイン間に5〜6Vの電圧を印加しなければならない。
このため、45nm世代以降では、セルトランジスタを微細化することが困難である。
On the other hand, since the NOR flash memory uses HE (hot electron) injection for the rewrite operation, the movement of the electron only exceeds the energy barrier of 3.8 eV between Si (silicon) and SiO 2 (silicon dioxide). It is necessary to apply energy, and in principle, a voltage of 5 to 6 V must be applied between the source and drain of the transistor constituting the memory cell.
For this reason, it is difficult to miniaturize the cell transistor after the 45 nm generation.
さらに、性能面では、NAND型もNOR型も、共に書き換え速度が5マイクロ秒〜250マイクロ秒と遅く、書き換え回数が10万回程度までと制限されているので、コードプログラムやデータ格納用途には適していても、汎用の不揮発性メモリとは言い難い。 Furthermore, in terms of performance, both the NAND type and the NOR type have a slow rewrite speed of 5 to 250 microseconds, and the number of rewrites is limited to about 100,000 times. Even if it is suitable, it is difficult to say that it is a general-purpose nonvolatile memory.
また、フラッシュメモリに代わるべき新しい不揮発性メモリとして、相変化メモリが提案されている。
ところが、この相変化メモリは、記憶素子に対して600℃以上の温度制御によって書き換え動作を行うため、環境温度の変化に敏感である。
このため、セルを微細化していくと、隣接セルと干渉する恐れがある、という課題を有している。
Further, a phase change memory has been proposed as a new nonvolatile memory that should replace the flash memory.
However, this phase change memory is sensitive to changes in environmental temperature because the rewrite operation is performed on the storage element by temperature control of 600 ° C. or higher.
For this reason, when a cell is miniaturized, there is a problem that it may interfere with an adjacent cell.
そこで、素子構造が単純で容易に微細化し得る不揮発性メモリとして、上下の電極の間に記憶素子を挟んだ構造を有する、PMC(Programmable Metallization Cell )やRRAM(Resistive RAM )等の抵抗変化型不揮発性メモリが提案されている(例えば、特許文献1や特許文献2参照)。
Therefore, as a non-volatile memory having a simple element structure that can be easily miniaturized, a resistance change type non-volatile memory such as PMC (Programmable Metallization Cell) or RRAM (Resistive RAM) having a structure in which a memory element is sandwiched between upper and lower electrodes. Memory has been proposed (see, for example,
これらの抵抗変化型不揮発性メモリのうち、PMCや一部のRRAMでは、熱と電界により、可変抵抗体薄膜中を金属元素が原子又はイオンの状態で移動することで、抵抗値の可逆的変化を実現していると考えられる。 Among these variable resistance nonvolatile memories, PMC and some RRAMs reversibly change the resistance value by moving metal elements in the state of atoms or ions in the variable resistor thin film by heat and electric field. It is thought that is realized.
しかしながら、上述した金属元素の原子又はイオンが移動する過程において、電流によるジュール熱が発生する。この発熱量が大き過ぎると、書き換え(書き込み・消去)の繰り返し動作の際に、可変抵抗体薄膜中に熱と電界によるダメージを生じ、記憶素子の特性が劣化してしまうことがある。 However, Joule heat is generated by electric current in the process of movement of atoms or ions of the metal element described above. If the amount of generated heat is too large, the variable resistor thin film may be damaged by heat and an electric field during rewriting (writing / erasing), and the characteristics of the memory element may be deteriorated.
上述した問題の解決のために、本発明においては、記憶素子の特性劣化を抑制することにより、安定して動作する記憶装置を提供するものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a storage device that operates stably by suppressing deterioration in characteristics of the storage element.
本発明の記憶装置は、2つの電極の間に記憶層が設けられ、これら2つの電極間に極性の異なる電界を印加することにより原子又はイオンが移動し、可逆的に記憶層の抵抗値が変化する、不揮発性の抵抗変化型記憶素子と、この抵抗変化型記憶素子に直列接続された、スイッチング用の電界効果トランジスタとから成るメモリセルを複数有し、メモリセルに情報を記憶させる構成であって、メモリセル内にある電界効果トランジスタのオン電流が、メモリセル以外の部分にある電界効果トランジスタのオン電流よりも小さいものである。 In the memory device of the present invention, a memory layer is provided between two electrodes. When an electric field having a different polarity is applied between the two electrodes, atoms or ions move, and the resistance value of the memory layer is reversibly changed. A configuration in which a plurality of non-volatile variable resistance memory elements and switching field-effect transistors connected in series to the variable resistance memory elements are provided, and information is stored in the memory cells. Thus, the on-current of the field effect transistor in the memory cell is smaller than the on-current of the field effect transistor in a portion other than the memory cell.
上述の本発明の記憶装置の構成によれば、不揮発性の抵抗変化型記憶素子と、この抵抗変化型記憶素子に直列接続された、スイッチング用の電界効果トランジスタとから成るメモリセルを有するので、動作時(書き込み動作や消去動作、読み出し動作)にメモリセルに印加される電圧は、抵抗変化型記憶素子と電界効果トランジスタとに分圧される。
そして、メモリセル内にある電界効果トランジスタのオン電流が、メモリセル以外の部分にある電界効果トランジスタのオン電流よりも小さい構成とすることにより、この電界効果トランジスタに直列接続された抵抗変化型記憶素子に流れる電流を小さくすることができる。これにより、抵抗変化型記憶素子が高抵抗状態となる動作時(消去動作時)において、記憶素子の記憶層の発熱量を低減することができる。
従って、記憶素子(特にその記憶層)が高温状態における高電界によって特性劣化を起こす問題を、解決することが可能になる。
According to the configuration of the memory device of the present invention described above, the memory cell includes the nonvolatile resistance change storage element and the switching field effect transistor connected in series to the resistance change storage element. The voltage applied to the memory cell during operation (write operation, erase operation, read operation) is divided between the resistance change storage element and the field effect transistor.
Then, the on-current of the field effect transistor in the memory cell is configured to be smaller than the on-current of the field effect transistor in a portion other than the memory cell, so that the resistance change type memory connected in series to the field effect transistor. The current flowing through the element can be reduced. Thus, the amount of heat generated in the memory layer of the memory element can be reduced during the operation in which the resistance change type memory element is in the high resistance state (during the erase operation).
Therefore, it is possible to solve the problem that the storage element (particularly the storage layer) undergoes characteristic deterioration due to a high electric field in a high temperature state.
上述の本発明によれば、記憶素子(特にその記憶層)が高温状態における高電界によって特性劣化を起こす問題を解決することが可能になることにより、書き換え(書き込みや消去)を多数回繰り返すことが可能になり、また、データ保持性能を向上することができる。
従って、動作が安定した、信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
According to the above-described present invention, it is possible to solve the problem that the storage element (particularly the storage layer) undergoes characteristic deterioration due to a high electric field in a high temperature state, thereby rewriting (writing or erasing) many times. In addition, data retention performance can be improved.
Therefore, a highly reliable storage device with stable operation can be realized.
以下、本発明の記憶装置の実施の形態を説明する。本発明では、抵抗変化型記憶素子をメモリセルに使用して記憶装置を構成する。 Embodiments of the storage device of the present invention will be described below. In the present invention, a memory device is configured using a resistance change type memory element as a memory cell.
まず、本発明の記憶装置に使用する抵抗変化型記憶素子の一形態の膜構成を、図1に示す。
この抵抗変化型記憶素子5は、2つの電極(下部電極1及び上部電極2)の間に、絶縁体膜3と導体膜4を持つ膜構成になっている。
First, FIG. 1 shows a film configuration of one form of a resistance change type memory element used in the memory device of the present invention.
This resistance change
絶縁体膜3の材料としては、例えば、Gd2O3等の希土類元素の酸化物や、SiO2等のその他の酸化物が挙げられる。
導体膜4の材料としては、例えば、Cu,Ag,Znから選ばれる1つ以上の金属元素を含有する、金属膜、合金膜(例えばCuTe合金膜)、金属化合物膜等が挙げられる。好ましくは、Cu,Ag,Znのカルコゲナイド化合物(S,Se,Teを含む化合物)を導体膜4の材料に用いる。
Examples of the material for the
Examples of the material of the
このような材料を用いた場合、導体膜4に含まれる金属元素(例えば、Cu,Ag,Zn)が、イオン化して低電位側の電極に引き寄せられる性質を有する。
なお、同様にイオン化しやすい性質を有する、Cu,Ag,Zn以外の金属元素を導体膜4に用いてもよい。例えば、Li,Na,K,Au,H等の陽イオンが、容易に移動することが知られている。さらに、酸素等の陰イオンが移動することも一般に知られており、複数の価数で安定状態を取り得る遷移金属元素、例えば、Ni,Ti,W等と酸素とを含有する薄膜中においても、酸素の移動により、同様に可逆的に抵抗値が変化すると考えられる。
また、両電極1,2間の電界によって、Cu,Ag,Zn等の金属元素が原子の状態で移動する構成であってもよい。
When such a material is used, the metal element (for example, Cu, Ag, Zn) contained in the
Similarly, a metal element other than Cu, Ag, and Zn having the property of being easily ionized may be used for the
Moreover, the structure which metal elements, such as Cu, Ag, Zn, move in the state of an atom by the electric field between both the
従って、両電極1,2間に、絶縁体膜3側の下部電極1が低電位になるように電圧を加えると、下向きの電流Iwが流れ、金属元素のイオンが下部電極1に引き寄せられて、絶縁体膜3内に入っていく。そして、イオンが下部電極1まで到達すると、両電極1,2間が導通して抵抗値が下がることになる。このようにして、抵抗変化型記憶素子5へのデータ(情報)の書き込みが行われる。
一方、両電極1,2間に、導体膜4側の上部電極2が低電位になるように電圧を加えると、上向きの電流Ieが流れ、金属元素がイオン化して上部電極2に引き寄せられて、絶縁体膜3から抜けていくため、両電極1,2間の絶縁性が増して、抵抗値が上がることになる。このようにして、抵抗変化型記憶素子5に対してデータ(情報)の消去が行われる。
Therefore, when a voltage is applied between the
On the other hand, when a voltage is applied between the
上述した変化を繰り返すことにより、抵抗変化型記憶素子5の抵抗値を、高抵抗状態と低抵抗状態との間で可逆的に変化させることができる。
実際には、絶縁体膜3中の金属元素のイオンの量によって、絶縁体膜3の抵抗値が変化しているので、絶縁体膜3を情報が記憶・保持される記憶層とみなすことができる。
By repeating the above-described change, the resistance value of the resistance
Actually, since the resistance value of the
この抵抗変化型記憶素子5を用いてメモリセルを構成し、メモリセルを多数設けることにより、メモリ(記憶装置)を構成することができる。
A memory (storage device) can be formed by forming a memory cell using this resistance change
次に、図1に示した抵抗変化型記憶素子5について、その電圧−電流特性を図2Aに示し、その電圧−抵抗特性を図2Bに示す。
初期状態では、金属元素(例えばCu)が導体膜(例えばカルコゲナイド化合物)4中に分布している。この状態では、抵抗値が高く電流が流れにくい。
まず、図2Aで両電極1,2間の電圧Vを上昇させていくと、ある閾値(A点)において、電流が流れて、それまで高抵抗であった絶縁体膜3が低抵抗に変化する(B点)。
この動作を「書き込み動作」と定義する。
このとき、印加電界によって絶縁体膜3中を僅かなリーク電流が流れ、その電流により生ずる発熱によって付近の温度が上昇し、金属元素(例えばCuイオン)が移動して、この金属元素がリッチな領域が柱状に絶縁体膜3中に形成され、その領域が電気伝導を担う導電パスとなることにより、絶縁体膜3が低抵抗化すると考えられている。絶縁体膜3は、記憶素子5の他の膜1,2,4よりも抵抗が充分に高いため、絶縁体膜3の低抵抗化により、記憶素子5全体の抵抗値も低抵抗化する。
そして、記憶素子5がオーミック特性へと変化して、電流が電圧に比例して流れる状態となる。
その後、電圧Vを0Vに戻しても、その抵抗値(低い抵抗値)を保持し続ける。
Next, with respect to the resistance change
In an initial state, a metal element (for example, Cu) is distributed in the conductor film (for example, chalcogenide compound) 4. In this state, the resistance value is high and current does not flow easily.
First, when the voltage V between the
This operation is defined as “write operation”.
At this time, a slight leakage current flows in the
Then, the
Thereafter, even when the voltage V is returned to 0 V, the resistance value (low resistance value) is kept.
次に、図2Aで両電極1,2間の電圧Vを負方向へ上昇させていくと、ある閾値(C点)において、それまで低抵抗であった絶縁体膜3が高抵抗に変化する(D点)。
この動作を「消去動作」と定義する。
このとき、印加電界により導電パスに電流が流れて、導電パスとその周辺の絶縁体膜3の温度が急激に上昇する。高温下では導電パスを形成している金属元素(例えばCu)のリッチな領域では、金属元素がイオン化して、書き込み動作とは逆の電界によって、上部電極2方向に移動し、導電パスが切れて絶縁体膜3は高抵抗化する。絶縁体膜3は、記憶素子5の他の膜1,2,4よりも抵抗が充分に高いため、絶縁体膜3の高抵抗化により、記憶素子5全体の抵抗値も高抵抗化する。
その後、電圧Vを0Vに戻しても、その抵抗値(高い抵抗値)を保持し続ける。
Next, when the voltage V between the
This operation is defined as “erase operation”.
At this time, a current flows through the conductive path by the applied electric field, and the temperature of the conductive path and the surrounding
Thereafter, even when the voltage V is returned to 0 V, the resistance value (high resistance value) is kept.
上述のように、絶縁体膜3の抵抗値の変化により、図2Bの電圧−抵抗特性にも示すように、抵抗変化型記憶素子5の抵抗値Rがヒステリシス特性を持つので、図1に示す抵抗変化型記憶素子5を不揮発性記憶素子として利用することができる。
As described above, the resistance value R of the resistance
図1に示した構成の抵抗変化型記憶素子5に対して、書き込み及び消去を多数回繰り返していくと、前述したように記憶素子5の特性が劣化することがある。
If writing and erasing are repeated many times for the resistance change
続いて、本発明の一実施の形態として、図1に示した抵抗変化型記憶素子5を用いてメモリセルを構成した記憶装置の1つのメモリセルの回路構成図を、図3に示す。
この記憶装置は、図3に示すように、図1に示した抵抗変化型記憶素子5と、電界効果トランジスタ(FET)6、例えばNMOS電界効果トランジスタ(NMOS−FET)とを直列に接続して、メモリセル10が構成されている。
メモリセル10の電界効果トランジスタ6側は、ビット線7に接続されており、メモリセル10の抵抗変化型記憶素子5側は、ソース線8に接続されている。また、電界効果トランジスタ6のゲートは、ワード線9に接続されている。
図3の構成のメモリセル10では、電界効果トランジスタ6により、各メモリセル10の抵抗変化型記憶素子5へのアクセスが制御される。
Subsequently, as an embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a circuit configuration diagram of one memory cell of a memory device in which a memory cell is configured using the resistance change
As shown in FIG. 3, this memory device is formed by connecting the resistance change
The field effect transistor 6 side of the
In the
図3に示すメモリセル10では、消去動作時に記憶素子5が高抵抗化した瞬間において、記憶素子5の絶縁体膜3に高温で高電界が印加されるため、絶縁体膜3が最も大きなダメージを受け、特性劣化しやすい状態にあると考えられる。
一方、書き込み動作時には、スイッチング用の電界効果トランジスタ6のオン抵抗が記憶素子5に直列に加わっているため、導電パスが形成されると同時に、記憶素子5の絶縁体膜3中に印加される電界が低減され、その後に発熱による温度上昇が起こるので、高温下で高電界が印加されることはない。
In the
On the other hand, during the write operation, the on-resistance of the switching field effect transistor 6 is applied in series to the
従って、書き込み・消去の繰り返し動作に起因する特性劣化を低減させるためには、消去動作時の条件、特に消去動作時の電流による発熱を、適度に制御することが重要であると言える。 Therefore, it can be said that it is important to appropriately control the conditions during the erasing operation, in particular, the heat generation due to the current during the erasing operation, in order to reduce the characteristic deterioration due to the repeated operations of writing and erasing.
そこで、本実施の形態の記憶装置では、特に、メモリセル10内の電界効果トランジスタ6を、記憶装置のメモリセル10以外の部分(周辺回路等)にある電界効果トランジスタと比較して、オン電流が小さいトランジスタ特性とする。
Therefore, in the memory device of the present embodiment, in particular, the field effect transistor 6 in the
オン電流が小さいトランジスタ特性とするための具体的な構成としては、様々な構成が考えられるが、例えば、以下に挙げる構成を採用することができる。
(1)電界効果トランジスタ6のチャネル長Lに対するチャネル幅Wの比(W/L)を小さくする。例えば、メモリセル10以外の電界効果トランジスタでは、一般的にW/L=1程度を最小サイズとして用いるが、メモリセル10の電界効果トランジスタ6ではW/L≦0.8とする。
(2)電界効果トランジスタ6のソース・ドレイン領域の不純物濃度を低くする。一般にソース・ドレイン領域は1×1019/cm3〜5×1020/cm3の不純物濃度が用いられているが、これを例えば1×1017/cm3〜5×1018/cm3程度に低減することにより、効果的にオン電流を低減することができる。なお、不純物濃度低減化はソース・ドレイン領域全体でも、チャネル領域近傍のみ局部的に行っても良い。
(3)電界効果トランジスタ6のチャネル領域の不純物濃度を高くする。一般にチャネル領域の不純物濃度は1×1015/cm3〜1×1017/cm3が用いられているが、これを例えば5×1016/cm3〜5×1017/cm3程度に増加させることにより、オン電流を低減することができる。なお、不純物濃度増加はチャネル領域全体でも、ソース・ドレイン領域近傍のみ局部的に行っても、また、深さ方向に濃度分布を持たせても良い。
Various configurations are conceivable as specific configurations for achieving transistor characteristics with low on-current. For example, the following configurations can be adopted.
(1) The ratio (W / L) of the channel width W to the channel length L of the field effect transistor 6 is reduced. For example, a field effect transistor other than the
(2) The impurity concentration of the source / drain region of the field effect transistor 6 is lowered. In general, an impurity concentration of 1 × 10 19 /
(3) The impurity concentration of the channel region of the field effect transistor 6 is increased. In general, the impurity concentration of the channel region is 1 × 10 15 / cm 3 to 1 × 10 17 / cm 3 , and this is increased to, for example, about 5 × 10 16 /
なお、より好ましくは、電界効果トランジスタ6の動作電圧を3V以上としても、電界効果トランジスタ6の各端子間の耐圧劣化を起こさないように、電界効果トランジスタ6を設計する。このように耐性劣化を抑制するためには、(2)や(3)に記載したように、電界効果トランジスタ6の領域の不純物濃度を設定すればよい。 More preferably, the field effect transistor 6 is designed so as not to cause breakdown voltage degradation between the terminals of the field effect transistor 6 even when the operating voltage of the field effect transistor 6 is 3 V or higher. In order to suppress the resistance deterioration in this way, the impurity concentration in the region of the field effect transistor 6 may be set as described in (2) and (3).
上述の本実施の形態によれば、メモリセル10内の電界効果トランジスタ6を、記憶装置のメモリセル10以外の部分(周辺回路等)にある電界効果トランジスタと比較して、オン電流が小さいトランジスタ特性とすることにより、記憶素子5の絶縁体膜3に流れる電流を小さくすることができる。これにより、記憶素子5が高抵抗状態となる消去動作時において、記憶素子5の絶縁体膜3の発熱量を低減することができる。
従って、記憶素子5の絶縁体膜3が高温状態における高電界によって特性劣化を起こす問題を、解決することが可能になる。
According to the above-described embodiment, the field effect transistor 6 in the
Therefore, it is possible to solve the problem that the
本実施の形態によれば、このように、記憶素子5の絶縁体膜3が高温状態における高電界によって特性劣化を起こす問題を解決することが可能になるため、書き換え(書き込みや消去)を多数回繰り返すことが可能になり、また、データ保持性能を向上することができる。
従って、動作が安定した、信頼性の高い記憶装置を実現することができる。
According to the present embodiment, it is possible to solve the problem that the
Therefore, a highly reliable storage device with stable operation can be realized.
<動作実験>
ここで、実際に記憶装置のデバイスを作製して、メモリセル10の電界効果トランジスタ6のオン電流を、どの程度以下に抑制する必要があるか、定量的に評価して、この電界効果トランジスタ6に要求される電気特性を見積った。
<Operation experiment>
Here, a device of the memory device is actually manufactured, and it is quantitatively evaluated how much the on-current of the field effect transistor 6 of the
図3に示したメモリセル10を含む、実験に用いた回路構成図を、図4に示す。
メモリセル10内の構成は、図3に示した回路構成図と同様になっている。図4の回路構成では、ビット線7の途中に、スイッチ11と電流計12とを並列に接続したユニットを設けている。
FIG. 4 shows a circuit configuration diagram used for the experiment including the
The configuration in the
書き込み、消去、読み出しの各過程における、電圧印加条件は、それぞれ、図5A〜図5Cタイミングチャートに示すように設定した。
図5Aに示すように、書き込み過程では、スイッチ11を閉じて、ソース線8に書き込み電圧Vwを印加した状態で、ワード線9の電位を0VからVgwに変化させて電界効果トランジスタ6をオン状態にしてから、ビット線7の電位をVwから0Vに変化させる。これにより、記憶素子5のソース線8側が高電位となる。
図5Bに示すように、消去過程では、スイッチ11を閉じて、ソース線8の電位を0V(接地電位)とした状態で、ワード線9の電位を0VからVgeに変化させて電界効果トランジスタ6をオン状態にしてから、ビット線7の電位を0Vから消去電圧Veに変化させる。これにより、記憶素子5のソース線8側が低電位となる。
図5Cに示すように、読み出し過程では、スイッチ11を開いて、電流計12の方へ電流が流れるようにする。ソース線8に0.1Vを印加した状態で、ワード線9の電位を0VからVDD(電源電位)に変化させて電界効果トランジスタ6をオン状態にしてから、ビット線7の電位を0.1Vから0Vに変化させる。これにより、記憶素子5のソース線8側が少し高い電位となり、読み出し用の少量の電流が流れる。この読み出し過程では、書き込み過程よりも記憶素子5の両電極1,2にかかる電圧を充分に小さくして、記憶素子5の絶縁体膜3の状態が変化しないようにしている。
そして、読み出し過程において、電流計12により記憶素子5に流れる電流を測定することにより、メモリセル10への印加電圧(0.1V)と電界効果トランジスタ6のオン抵抗値とから、記憶素子5の抵抗値を求めることができる。なお、電界効果トランジスタ6のオン抵抗値が、記憶素子5の抵抗値よりも充分に小さい場合には、オン抵抗値を無視して計算することができる。
The voltage application conditions in each process of writing, erasing, and reading were set as shown in the timing charts of FIGS. 5A to 5C.
As shown in FIG. 5A, in the writing process, with the
As shown in FIG. 5B, in the erasing process, the
As shown in FIG. 5C, in the reading process, the
In the reading process, the current flowing through the
(実験1)
メモリセル10の電界効果トランジスタ6のサイズを変えて、それぞれのサイズで、書き換えの繰り返し動作と繰り返し動作後のデータ保持試験とを行った。
これにより、電界効果トランジスタ6のサイズや繰り返し動作回数と、データ保持特性との関係を調べた。
(Experiment 1)
The size of the field effect transistor 6 of the
As a result, the relationship between the size of the field effect transistor 6 and the number of repeated operations and the data retention characteristics were examined.
メモリセル10の電界効果トランジスタ6のサイズとしては、電界効果トランジスタ6のチャネル幅をW、チャネル長をLとするとき、W/Lで表わされる比をパラメータとした。
具体的な印加電圧条件は、図5A〜図5Cに示した各電圧を、VDD(電源電位):2.5V、書き込み電圧Vw:3.0V、消去電圧Ve:2.0V、Vge:3.0V、とそれぞれ設定した。なお、書き込み過程におけるワード線9の電位Vgwは、電界効果トランジスタ6のサイズのパラメータW/Lの大きさに対応して変化させた。
As the size of the field effect transistor 6 of the
Specific application voltage conditions are as follows. Each voltage shown in FIGS. 5A to 5C is obtained by using VDD (power supply potential): 2.5 V, write voltage Vw: 3.0 V, erase voltage Ve: 2.0 V, Vge: 3.. Each was set to 0V. Note that the potential Vgw of the word line 9 in the writing process was changed in accordance with the size parameter W / L of the field effect transistor 6.
メモリセル10に対して、書き込み過程と消去過程とを交互に行い、この2つの過程のセットを1回として所定回数(10n回;nは1〜7の整数)繰り返した。このとき、繰り返しの最後の過程が書き込み過程である(低抵抗状態であるべき)メモリセル10Aと、繰り返しの最後の過程が消去過程である(高抵抗状態であるべき)メモリセル10Bとを、それぞれ30ビットずつ(合計60ビット)用意した。
これら30ビットずつの低抵抗状態であるべきメモリセル10Aと、高抵抗状態であるべきメモリセル10Bとに対して、読み出し過程を行い、図4に示した電流計12を利用して、記憶素子5に流れる電流を測定し、記憶素子5の抵抗値を求めた。
続いて、この繰り返し動作の後に、データ保持試験として、各メモリセル10を、130℃で1時間保持した。
そして、データ保持試験の後に、再び同じ30ビットずつ合計60ビットのメモリセル10A,10Bに対して、読み出し過程を行って、記憶素子5の抵抗値を求めた。
The writing process and the erasing process were alternately performed on the
A read process is performed on the memory cell 10A that should be in the low resistance state and the memory cell 10B that should be in the high resistance state for each 30 bits, and the
Subsequently, after this repeated operation, each
Then, after the data retention test, the reading process was performed again on the memory cells 10A and 10B each having the same 30 bits and a total of 60 bits, and the resistance value of the
上述したデータ保持試験の条件(130℃・1時間)は、記憶素子5に要求されるデータ保持性能によって決定した。なお、この条件とは異なる条件が必要になったとしても、同一条件での相対的なデータ保持能力を比較してあれば、異なる条件下でのデータ保持能力の優劣をも推測することができる。
従って、上述したデータ保持試験の結果から、書き込み・消去の繰り返し動作に起因する特性劣化を低減させるための、メモリセル10内のトランジスタ6の特性に要求される相対的な条件を見出すことも可能である。
The conditions of the data retention test described above (130 ° C./1 hour) were determined by the data retention performance required for the
Therefore, it is possible to find a relative condition required for the characteristics of the transistor 6 in the
この実験の進め方は、次のようにした。
電界効果トランジスタ6のサイズのパラメータW/Lを固定して、繰り返し回数10nのnを1から順に増やしていき、それぞれのn値に対して60ビットずつのメモリセルを用意して、繰り返し動作と、データ保持試験とを行う。
そして、繰り返し動作後及びデータ保持試験後の抵抗値が、ばらつきが少なく、かつ低抵抗状態と高抵抗状態とが充分に分離されている場合に、データ保持試験が「合格」であると判定した。一方、繰り返し動作後の抵抗値又はデータ保持試験後の抵抗値に大きなばらつきがある場合や、低抵抗状態と高抵抗状態とが充分に分離されていない場合に、「不合格」と判定した。
nを増やしていって、不合格の判定が出た所で、該当するサイズW/Lの実験を、終了とした。
The procedure for this experiment was as follows.
The parameter W / L of the size of the field effect transistor 6 is fixed, and the number of
When the resistance value after repeated operation and after the data retention test has little variation and the low resistance state and the high resistance state are sufficiently separated, the data retention test is determined to be “pass”. . On the other hand, when the resistance value after repeated operation or the resistance value after the data retention test has a large variation, or when the low resistance state and the high resistance state are not sufficiently separated, it was determined as “fail”.
The experiment of the corresponding size W / L was ended when n was increased and a judgment of failure was given.
そして、電界効果トランジスタ6のサイズのパラメータW/Lを、小(W/L=0.5)、中(W/L=2)、大(W/L=6)の3通りとして、それぞれのサイズで上述の試験を行った。 Then, the size parameter W / L of the field effect transistor 6 is set to three types of small (W / L = 0.5), medium (W / L = 2), and large (W / L = 6). The above tests were performed on size.
実験結果として、データ保持試験前後の記憶素子5の抵抗値の分布を、図6〜図12に示す。
As experimental results, distributions of resistance values of the
まず、電界効果トランジスタ6のサイズが中(パラメータW/L=2)である構成としてメモリセル10を作製し、nを増やしていき、それぞれ試験を行った。なお、書き込み過程のワード線9の電位Vgwは2.0Vとした。
n=1(10回)の場合は、図示しないが、抵抗値のばらつきがわずかで、低抵抗状態と高抵抗状態とが充分に分離されており、合格と判定した。
n=2(100回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図6に示す。図6に示すように、低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値が、いずれもデータ保持試験前後で変化がなく、また両者の分離幅も充分に確保できている。従って、データ保持試験は合格と判定した。
n=3(1000回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図7に示す。図7に示すように、この場合も、低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値が、いずれもデータ保持試験前後で変化がなく、また両者の分離幅も充分に確保できている。従って、データ保持試験は合格と判定した。
n=4(10000回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図8に示す。図8に示すように、データ保持試験の前でも高抵抗状態の抵抗値のばらつきが増えて分布が乱れており、一部のメモリセルでは本来あるべき状態とは反対の状態になっている。データ保持試験の後では、高抵抗側の分布が低抵抗側へシフトしてしまっている。従って、この条件は不合格と判定した。
First, the
In the case of n = 1 (10 times), although not shown in the figure, the resistance value variation was slight, and the low resistance state and the high resistance state were sufficiently separated, and it was determined to be acceptable.
FIG. 6 shows the distribution of resistance values of the
FIG. 7 shows a distribution of resistance values of the
FIG. 8 shows a distribution of resistance values of the
次に、電界効果トランジスタ6のサイズが小(パラメータW/L=0.5)である構成としてメモリセル10を作製し、nを増やしていき、それぞれ試験を行った。なお、書き込み過程のワード線9の電位Vgwは1.8Vとした。
n=1,2,3,4,5の各場合は、図示しないが、抵抗値のばらつきがわずかで、低抵抗状態と高抵抗状態とが充分に分離されており、合格と判定した。
n=6(106回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図9に示す。図9に示すように、低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値が、いずれもデータ保持試験前後で変化がなく、また両者の分離幅も充分に確保できている。従って、この条件も、データ保持試験は合格と判定した。
n=7(107回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図10に示す。図10に示すように、データ保持試験の前でも高抵抗状態の抵抗値のばらつきが若干増えている。データ保持試験の後では、低抵抗側の分布が高抵抗側へシフトしてしまっている。従って、この条件は不合格と判定した。
Next, the
In each of the cases of n = 1, 2, 3, 4, and 5, although not shown, the resistance value variation was slight, and the low resistance state and the high resistance state were sufficiently separated, and it was determined to be acceptable.
FIG. 9 shows the distribution of resistance values of the
FIG. 10 shows a distribution of resistance values of the
次に、電界効果トランジスタ6のサイズが大(パラメータW/L=6)である構成としてメモリセル10を作製し、nを増やしていき、それぞれ試験を行った。なお、書き込み過程のワード線9の電位Vgwは1.3Vとした。
n=1(10回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図11に示す。図11に示すように、低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値が、いずれもデータ保持試験前後で変化が小さく、また両者の分離幅も充分に確保できている。従って、データ保持試験は合格と判定した。
n=2(100回)の場合の記憶素子5の抵抗値の分布を、図12に示す。図12に示すように、データ保持試験の前でも高抵抗状態の抵抗値のばらつきが増えて分布が乱れており、一部のメモリセルでは本来あるべき状態とは反対の状態になっている。データ保持試験の後では、高抵抗側の分布が低抵抗側へシフトしてしまっている。従って、この条件は不合格と判定した。
Next, the
FIG. 11 shows a distribution of resistance values of the
FIG. 12 shows a distribution of resistance values of the
このようにして、各条件でのデータ保持試験の合否を判定した結果を基にして、メモリセル10の電界効果トランジスタ6の消去動作時のオン電流と、繰り返し回数との関係を求めた。
トランジスタ6のサイズが中(W/L=2)の場合、消去動作時のオン電流は300μAとなる。
トランジスタ6のサイズが小(W/L=0.5)の場合、消去動作時のオン電流は75μAとなる。
トランジスタ6のサイズが大(W/L=6)の場合、消去動作時のオン電流は900μAとなる。
消去動作時のオン電流と繰り返し回数との関係を、図13のグラフに示す。図13中の太線の曲線は、合格と判定される限界を推定して示している。
In this way, the relationship between the on-current during the erasing operation of the field effect transistor 6 of the
When the size of the transistor 6 is medium (W / L = 2), the on-current during the erase operation is 300 μA.
When the size of the transistor 6 is small (W / L = 0.5), the on-current during the erase operation is 75 μA.
When the size of the transistor 6 is large (W / L = 6), the on-current during the erase operation is 900 μA.
The graph of FIG. 13 shows the relationship between the on-current during the erase operation and the number of repetitions. The thick curve in FIG. 13 shows the estimated limit for passing.
図13に示すように、電界効果トランジスタ6のサイズを小さくしてオン電流を小さくしていくほど、可能な繰り返し回数が増えていくことがわかる。
ここで、フラッシュメモリの保証値である10万回(105回)という判定基準を用いると、トランジスタ6のオン電流は120μAが上限となる。この値は、電界効果トランジスタ6のサイズではW/L=0.8に相当する。
As shown in FIG. 13, it can be seen that the number of possible repetitions increases as the size of the field effect transistor 6 is reduced to reduce the on-current.
Here, the use of criterion that 100,000 is a flash memory guaranteed value (10 5 times), the on-current of the transistor 6 is 120μA is the upper limit. This value corresponds to W / L = 0.8 in the size of the field effect transistor 6.
一般に、1T−1R型のメモリセル10において、メモリセル10のサイズを最小化するためには、電界効果トランジスタのサイズのパラメータW/L=1とすることが望ましいが、この場合のオン電流は150μAになってしまう。
そこで、オン電流を前述した上限値(120μA)まで低減させるためには、メモリセル10の電界効果トランジスタ6に、そのオン抵抗値の25%以上の抵抗値を有する直列抵抗を付加させる。
即ち、例えば図3の回路構成図において、電界効果トランジスタ6と記憶素子5との間に、もしくは、電界効果トランジスタ6とビット線7との間に、直列抵抗を設ける。
In general, in order to minimize the size of the
Therefore, in order to reduce the on-current to the above-described upper limit value (120 μA), a series resistance having a resistance value of 25% or more of the on-resistance value is added to the field effect transistor 6 of the
That is, for example, in the circuit configuration diagram of FIG. 3, a series resistance is provided between the field effect transistor 6 and the
また、電界効果トランジスタ6の各端子間の耐圧を一定値以上保証するために、電界効果トランジスタ6のソース・ドレイン領域の不純物濃度を低減させたり、電界効果トランジスタ6のチャネル領域の不純物濃度を増加させたりすることによっても、オン電流の低減を実現することができる。 Further, in order to guarantee a withstand voltage between each terminal of the field effect transistor 6 to a certain value or more, the impurity concentration of the source / drain region of the field effect transistor 6 is reduced or the impurity concentration of the channel region of the field effect transistor 6 is increased. Also, it is possible to reduce the on-state current.
以上述べたように、メモリセル10には、周辺回路部分に用いている各世代のロジック用の高性能設計の電界効果トランジスタとは異なる設計の電界効果トランジスタ6を用いて、そのオン電流を減らす必要がある。
As described above, the
なお、メモリセルの電界効果トランジスタのオン電流を抑制する一般的方法としては、ゲート電位を低く設定してオン電流を減らす方法も考えられる。
しかし、この方法では、図3の回路構成図からわかるように、消去動作時に記憶素子へ加わる電圧が、
(トランジスタのゲート電位)−(トランジスタの電圧閾値)
以下となるため、印加電圧の不足で消去動作がうまく行われなくなるおそれがある。
Note that, as a general method of suppressing the on-current of the field effect transistor of the memory cell, a method of reducing the on-current by setting the gate potential low can be considered.
However, in this method, as can be seen from the circuit configuration diagram of FIG. 3, the voltage applied to the memory element during the erase operation is
(Transistor gate potential)-(transistor voltage threshold)
Therefore, the erase operation may not be performed properly due to insufficient applied voltage.
そこで、電界効果トランジスタ6のサイズを設定したときに、消去動作時の記憶素子5への印加電圧、即ち図5Bの消去電圧Veを、どの程度以上とする必要があるか調べた。
Therefore, when the size of the field effect transistor 6 was set, it was examined how much the applied voltage to the
(実験2)
続いて、消去電圧Veの大きさを変えて、繰り返し動作の安定性と、消去電圧Veとの関係を調べた。
電界効果トランジスタ6のサイズを前述した中(パラメータW/L=2)として、同じセルに対して、繰り返し動作を行い、所定の繰り返し回数毎に、記憶素子5の低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値を測定した。
(Experiment 2)
Subsequently, the relationship between the stability of the repetitive operation and the erase voltage Ve was examined by changing the magnitude of the erase voltage Ve.
With the size of the field effect transistor 6 set as described above (parameter W / L = 2), the same cell is repeatedly operated, and the low resistance state and the high resistance state of the
具体的な印加電圧条件は、図5A〜図5Cに示した各電圧を、VDD(電源電位):2.5V、書き込み電圧Vw:3.0V、Vgw:1.8V、Vge:3.0V、とそれぞれ設定した。
そして、消去電圧Veを、1.1V、1.5V、1.9Vと変えて、それぞれ繰り返し動作及び抵抗値の測定を行った。
Specific application voltage conditions are as follows. Each voltage shown in FIGS. 5A to 5C is obtained by using VDD (power supply potential): 2.5 V, write voltage Vw: 3.0 V, Vgw: 1.8 V, Vge: 3.0 V, And set each.
Then, the erase voltage Ve was changed to 1.1 V, 1.5 V, and 1.9 V, and the repetitive operation and the resistance value were measured, respectively.
消去電圧Ve=1.1Vとした場合の測定結果を、図14A及び図14Bに示す。図14Aは、繰り返し回数と記憶素子5の低抵抗状態及び高抵抗状態の各抵抗値との関係を示している。図14Bは、図14Aで測定した各状態の抵抗値の分布(ばらつき具合)を累積確率分布で示している。
同様に、消去電圧Ve=1.5Vとした場合の測定結果を、図15A及び図15Bに示し、消去電圧Ve=1.9Vとした場合の測定結果を、図16A及び図16Bに示す。
FIG. 14A and FIG. 14B show the measurement results when the erase voltage Ve = 1.1V. FIG. 14A shows the relationship between the number of repetitions and the resistance values of the
Similarly, measurement results when the erase voltage Ve = 1.5V are shown in FIGS. 15A and 15B, and measurement results when the erase voltage Ve = 1.9V are shown in FIGS. 16A and 16B.
図14A及び図14Bに示すように、消去電圧Ve=1.1Vとした場合には、高抵抗状態の抵抗値が大きく上下動しており、高抵抗状態の抵抗値のばらつきが大きくなっている。
図15A及び図15Bに示すように、消去電圧Ve=1.5Vとした場合は、高抵抗状態の抵抗値の上下動がやや少なくなるが、まだ高抵抗状態の抵抗値がばらついている。
図16A及び図16Bに示すように、消去電圧Ve=1.9Vとした場合は、高抵抗状態の抵抗値の上下動がさらに少なくなり、一部を除いて同じ桁内におさまっている。
即ち、安定動作のためには、消去過程時の記憶素子5への印加電圧(消去電圧Ve)が、1.9V(2V程度)以上は必要であることがわかる。
As shown in FIGS. 14A and 14B, when the erasing voltage Ve = 1.1 V, the resistance value in the high resistance state greatly moves up and down, and the variation in the resistance value in the high resistance state is large. .
As shown in FIGS. 15A and 15B, when the erasing voltage Ve = 1.5V, the resistance value in the high resistance state slightly increases and decreases slightly, but the resistance value in the high resistance state still varies.
As shown in FIGS. 16A and 16B, when the erasing voltage Ve = 1.9 V, the vertical movement of the resistance value in the high resistance state is further reduced, and is within the same digit except for a part.
That is, it can be seen that the voltage applied to the memory element 5 (erase voltage Ve) during the erase process needs to be 1.9 V (about 2 V) or more for stable operation.
従って、ゲート電位を低く設定して電流を減らす方法は、消去過程時の記憶素子5への印加電圧が小さくなってしまうため、安定動作上好ましくない。
Therefore, the method of reducing the current by setting the gate potential low is not preferable in terms of stable operation because the voltage applied to the
本発明において、抵抗変化型記憶素子は、図1に示した記憶素子5の構成に限定されるものではなく、その他の構成も可能である。
In the present invention, the resistance change type storage element is not limited to the configuration of the
例えば、(1)図1とは積層順序を逆にして、導体膜の上に絶縁体膜を積層した構成、(2)導体膜が電極を兼ねる構成、(3)導体膜を設ける代わりに、導体膜に用いられる金属元素を絶縁体膜に含有させた構成、等が考えられる。 For example, (1) the structure in which the stacking order is reversed from that in FIG. 1 and an insulator film is stacked on the conductor film, (2) the conductor film also serves as an electrode, and (3) instead of providing the conductor film, A configuration in which a metal element used for the conductor film is included in the insulator film is conceivable.
また、抵抗変化型記憶素子としては、前述した、イオン化しやすい金属元素と絶縁体膜とを有する記憶素子以外にも、様々な構成がある。
その他の構成の抵抗変化型素子であっても、2つの電極間に極性の異なる電界を印加することにより原子又はイオンが移動し、可逆的に前記記憶層の抵抗値が変化する構成であれば、本発明を適用して、高温状態における高電界による素子の特性劣化を抑制することが可能である。
In addition to the above-described memory element having a metal element that is easily ionized and an insulator film, the resistance change type memory element has various configurations.
Even if the resistance variable element has other configurations, it is possible to move atoms or ions by applying electric fields having different polarities between the two electrodes, so that the resistance value of the memory layer changes reversibly. By applying the present invention, it is possible to suppress deterioration of element characteristics due to a high electric field in a high temperature state.
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.
1 下部電極、2 上部電極、3 絶縁体膜、4 導体膜、5 抵抗変化型記憶素子、6 電界効果トランジスタ、7 ビット線、8 ソース線、9 ワード線、10 メモリセル
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記メモリセル内にある前記電界効果トランジスタのオン電流が、前記メモリセル以外の部分にある電界効果トランジスタのオン電流よりも小さい
ことを特徴とする記憶装置。 A non-volatile type in which a memory layer is provided between two electrodes, atoms or ions move by applying electric fields of different polarities between the two electrodes, and the resistance value of the memory layer changes reversibly. A storage device having a plurality of memory cells each including a resistance change storage element and a switching field effect transistor connected in series to the resistance change storage element, and storing information in the memory cell,
The memory device, wherein an on-current of the field effect transistor in the memory cell is smaller than an on-current of a field effect transistor in a portion other than the memory cell.
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