JP5553797B2 - Data recording method for semiconductor memory device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体記憶装置のデータ記録方法に関し、特に、電流を流すことにより電気抵抗が可逆的に変化する物質を利用して情報を記憶する、書き換え可能な不揮発性固体メモリ素子(相変化メモリ)を有する半導体記憶装置のデータ記録方法に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a data recording method for a semiconductor memory device, and more particularly to a rewritable nonvolatile solid-state memory element (phase change memory) that stores information by using a substance whose electrical resistance reversibly changes when a current is passed. The present invention relates to a technique that is effective when applied to a data recording method of a semiconductor memory device.
近年、微細化の限界に近付いているフラッシュメモリに代わる半導体メモリとして、抵抗変化型メモリ(ReRAM:Resistance Random Access Memory)が研究されており、その中の一例として、記録材料にカルコゲナイド材料を用いた相変化メモリが盛んに研究されている。 In recent years, resistance random access memory (ReRAM) has been studied as a semiconductor memory to replace flash memory, which is approaching the limit of miniaturization. As an example, a chalcogenide material is used as a recording material. Phase change memory is actively researched.
相変化メモリは、記録材料となるGe2Sb2Te5等の相変化材料がアモルファス状態で高抵抗となり、結晶状態で低抵抗となる性質を利用して情報を記憶する不揮発性固体メモリであり、その基本的な素子構造は、相変化膜を一対の金属電極で挟み込んだものである。 The phase change memory is a non-volatile solid-state memory that stores information using the property that a phase change material such as Ge 2 Sb 2 Te 5 that is a recording material has a high resistance in an amorphous state and a low resistance in a crystalline state. The basic element structure is such that a phase change film is sandwiched between a pair of metal electrodes.
データの読み出しは、素子の両端に電位差を与えて素子に流れる電流を測定し、素子の高抵抗状態/低抵抗状態を判別することにより行う。また、データの書き換えは、電流により発生するジュール熱によって、相変化膜の状態をアモルファス状態と結晶状態との間で変化させることにより行う。 Data is read by applying a potential difference across the element, measuring the current flowing through the element, and determining the high resistance state / low resistance state of the element. Data is rewritten by changing the state of the phase change film between an amorphous state and a crystalline state by Joule heat generated by current.
リセット動作、すなわち相変化膜を高抵抗のアモルファス状態へ変化させる動作は、相対的に大きな電流を流して相変化膜を溶解させた後、電流を急減させてを急冷することにより行う。一方、セット動作、すなわち相変化膜を低抵抗の結晶状態へ変化させる動作は、相対的に小さな電流を流して相変化膜を結晶化温度以上に保持することにより行う。 The reset operation, that is, the operation of changing the phase change film to the high resistance amorphous state is performed by flowing a relatively large current to dissolve the phase change film, and then rapidly decreasing the current by rapidly decreasing the current. On the other hand, the set operation, that is, the operation of changing the phase change film to a low-resistance crystalline state is performed by passing a relatively small current and maintaining the phase change film at the crystallization temperature or higher.
上記した相変化メモリは、微細化を進めるにつれて相変化膜の体積が小さくなり、抵抗を変化させるのに必要な電流が小さくなるので、微細化に適している。 The phase change memory described above is suitable for miniaturization because the volume of the phase change film decreases as the miniaturization proceeds and the current required to change the resistance decreases.
特許文献1(特開2010−165982号公報)には、相変化メモリの集積度を向上させる技術として、ゲート電極と絶縁膜とを交互に複数層積層した積層構造体に全層を貫く複数の貫通孔を一括加工で形成し、それぞれの貫通孔の内側にゲート絶縁膜、電流経路切り替えトランジスタのチャネル層および相変化膜を形成する相変化メモリ構造が開示されている。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-165982) discloses a technique for improving the degree of integration of a phase change memory, in which a plurality of layers that penetrate all layers in a stacked structure in which a plurality of gate electrodes and insulating films are alternately stacked. A phase change memory structure is disclosed in which through holes are formed by batch processing, and a gate insulating film, a channel layer of a current path switching transistor, and a phase change film are formed inside each through hole.
特許文献2(特開2009−117854号公報)には、相変化膜をリセット(高抵抗化)する際に、パルス幅が10ns程度の短い電圧パルスを複数回連続して印加することにより、相変化膜の過熱を防ぐようにした相変化メモリのデータ記録方法が開示されている。 In Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-117854), when a phase change film is reset (high resistance), a short voltage pulse having a pulse width of about 10 ns is continuously applied a plurality of times. A data recording method for a phase change memory is disclosed which prevents overheating of the change film.
特許文献1に記載された相変化メモリは、大容量化のために、電気的に並列に形成された相変化膜と電流切り替え用スイッチ(MOSトランジスタ)とを1組としてメモリビットに対応させている。そして、複数のメモリビットを電気的に直列に接続した構造(以下、メモリアレイと呼ぶ)に対し、ワード線とビット線による選択動作でパルス電流源を接続し、このパルス電流源からの電流パルスによってデータの記録を行う。 In the phase change memory described in Patent Document 1, in order to increase the capacity, a phase change film and a current switching switch (MOS transistor) formed in parallel electrically are set as one set to correspond to a memory bit. Yes. For a structure in which a plurality of memory bits are electrically connected in series (hereinafter referred to as a memory array), a pulse current source is connected by a selection operation using a word line and a bit line, and a current pulse from the pulse current source is connected. To record data.
また、電流切り替え用スイッチの電流チャネルを構成する多結晶シリコンと相変化材料とは共に連続する薄膜として形成することにより、素子作製プロセスの簡素化と大容量化を実現する。こうした素子構造では、微細加工およびメモリアレイに含まれるメモリビット数の増加によって、大容量化と低コスト化を両立させることができる。 In addition, the polycrystalline silicon constituting the current channel of the current switching switch and the phase change material are both formed as a continuous thin film, thereby simplifying the device manufacturing process and increasing the capacity. In such an element structure, it is possible to achieve both large capacity and low cost by microfabrication and an increase in the number of memory bits included in the memory array.
上記したような構造を有する相変化メモリにおいては、大容量化のためにメモリアレイ内のメモリビット数を増加させると、パルス電流源の負荷抵抗および負荷静電容量が増加し、印加するパルス電流の周波数特性が低下するために、短い電流パルスを発生することが困難になることは自明である。 In the phase change memory having the above-described structure, when the number of memory bits in the memory array is increased to increase the capacity, the load resistance and load capacitance of the pulse current source are increased, and the applied pulse current It is obvious that it is difficult to generate a short current pulse because of the deterioration of the frequency characteristics.
一方、特許文献2に記載されるような、短い電流パルスを連続通電してリセット動作を行う記録方法は、確かに相変化材料の過熱を抑制し、相変化メモリの信頼性を向上させる効果を持つ。しかしながら、この記録方法には、特許文献2に記載されていないパルス間隔に関する重要な制限条件がある。ここでは、相変化メモリ試料の実験結果を通じてこの制限条件を明らかにし、そこから派生する技術課題について述べる。 On the other hand, the recording method in which a short current pulse is continuously energized as described in Patent Document 2 to perform a reset operation surely suppresses overheating of the phase change material and improves the reliability of the phase change memory. Have. However, this recording method has an important limitation condition regarding the pulse interval which is not described in Patent Document 2. Here, this limitation condition is clarified through the experimental results of the phase change memory sample, and the technical problems derived therefrom are described.
図6は、相変化メモリ試料の構成を示す模式図である。ここでは、0.5mm厚のシリコン単結晶からなる半導体基板10上に100nm厚の酸化シリコン膜31を形成し、その上部に100nm厚のタングステン膜からなる下部電極32を形成した。さらに、下部電極32の上部に150nm厚の酸化シリコン膜33を形成し、この酸化シリコン膜33の一部に形成した孔の内部にタングステンプラグ34を形成した。このタングステンプラグ14の直径は、50nmから1000nmである。その後、酸化シリコン膜33の上部に50nm厚のGe2Sb2Te5膜からなる相変化膜35、50nm厚のタングステン膜からなる上部電極36および10μm厚の酸化シリコン膜37を順次形成した。 FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a phase change memory sample. Here, a 100 nm thick silicon oxide film 31 is formed on the semiconductor substrate 10 made of a 0.5 mm thick silicon single crystal, and a lower electrode 32 made of a 100 nm thick tungsten film is formed thereon. Further, a silicon oxide film 33 having a thickness of 150 nm was formed on the lower electrode 32, and a tungsten plug 34 was formed inside a hole formed in a part of the silicon oxide film 33. The diameter of the tungsten plug 14 is 50 nm to 1000 nm. Thereafter, a phase change film 35 made of a 50 nm thick Ge 2 Sb 2 Te 5 film, an upper electrode 36 made of a 50 nm thick tungsten film, and a 10 μm thick silicon oxide film 37 were sequentially formed on the silicon oxide film 33.
図7は、連続パルス印加による上記相変化メモリ試料の抵抗変化を示す実験結果である。ここでは、タングステンプラグ34の直径を200nm、各パルスの間隔(パルス周期)を100μs、連続印加するパルス数を1、2、4、8、16、32とした場合の結果を示している。 FIG. 7 shows the experimental results showing the resistance change of the phase change memory sample by the continuous pulse application. Here, the results when the diameter of the tungsten plug 34 is 200 nm, the interval (pulse period) of each pulse is 100 μs, and the number of pulses to be continuously applied are 1, 2, 4, 8, 16, 32 are shown.
図7(a)は、パルス幅が5nsの場合の実験結果である。連続印加する電流パルスの数が1、2、4、8と増えるに従って、より少ない電流で高抵抗化(リセット動作)を実現できることが判る。また、パルス数が8、16、32の場合には、高抵抗化に必要なパルス電流値がほぼ一定となる。パルス数が1の場合には、高抵抗化のしきい値電流が約35mAであるのに対して、パルス数が8以上の場合には、このしきい値電流が約12mAと約1/3に削減される。 FIG. 7A shows the experimental results when the pulse width is 5 ns. It can be seen that as the number of continuously applied current pulses increases to 1, 2, 4, and 8, a higher resistance (reset operation) can be realized with a smaller current. When the number of pulses is 8, 16, or 32, the pulse current value necessary for increasing the resistance is substantially constant. When the number of pulses is 1, the threshold current for increasing resistance is about 35 mA, whereas when the number of pulses is 8 or more, the threshold current is about 12 mA, which is about 1/3. Reduced to
図7(b)は、パルス幅が20nsの場合の実験結果である。パルス幅が5nsの場合と同様に、連続印加するパルス電流の数の増加に従って高抵抗化のしきい値電流の削減効果が見られるが、パルス幅が5nsの場合に比較して削減効果は小さくなる。 FIG. 7B shows the experimental results when the pulse width is 20 ns. Similar to the case where the pulse width is 5 ns, the effect of reducing the threshold current with higher resistance is seen as the number of pulse currents applied continuously increases. However, the reduction effect is smaller than that when the pulse width is 5 ns. Become.
図7(c)は、パルス幅が100nsの場合の実験結果である。パルス数に依らず高抵抗化のためのしきい値電流はほぼ一定であり、高感度化効果、すなわち過熱抑止効果は、ほとんど見られなくなる。 FIG. 7C shows the experimental results when the pulse width is 100 ns. Regardless of the number of pulses, the threshold current for increasing the resistance is almost constant, and the effect of increasing the sensitivity, that is, the effect of suppressing overheating is hardly seen.
図7(a)で得られた高感度化効果の機構を図8を用いて模式的に説明する。本試料の熱シミュレーションの結果から、1回目の電流パルスによる相変化膜35内の温度分布は、タングステンプラグ14の少し上方領域が最大値となり、この部分に最初のアモルファス領域が形成される。続いて2回目の電流パルスの印加により、最初に形成されたアモルファス領域が低温である場合、電流はこの領域を避けて流れるため、追加形成されるアモルファス領域は、最初に形成されたアモルファス領域の周辺となる。そして、電流パルスの印加を繰り返すことによって、最終的にタングステンプラグ14を覆い隠すまでアモルファス領域が拡大した場合に、素子抵抗が大きく観測され、リセット動作が完了する。 The mechanism of the sensitivity enhancement effect obtained in FIG. 7A will be schematically described with reference to FIG. As a result of the thermal simulation of this sample, the temperature distribution in the phase change film 35 by the first current pulse has a maximum value in the region slightly above the tungsten plug 14, and the first amorphous region is formed in this portion. Subsequently, when the first formed amorphous region has a low temperature due to the application of the second current pulse, the current flows avoiding this region. Therefore, the additional formed amorphous region is the same as the first formed amorphous region. It becomes the periphery. Then, by repeating the application of the current pulse, when the amorphous region is expanded until the tungsten plug 14 is finally covered, the element resistance is greatly observed, and the reset operation is completed.
図9は、別の試料により測定したGe2Sb2Te5からなる相変化膜の電気抵抗率の温度依存性を示す実験結果である。 FIG. 9 is an experimental result showing the temperature dependence of the electrical resistivity of the phase change film made of Ge 2 Sb 2 Te 5 measured with another sample.
本実験において、初期アモルファス状態にある相変化膜の温度を室温から毎分10℃の一定レートで昇温しながら電気抵抗率の測定を行った。図に見られるように、室温から約150℃までは、温度上昇に対して電気抵抗率が約1/30に低下する可逆的な温度依存領域の後、結晶化による低抵抗化を経て、さらに電気抵抗の低下が見られた。すなわち、結晶化温度以下であっても、アモルファス状態にある相変化膜の電気抵抗は、大きな温度依存性を有することが判る。 In this experiment, the electrical resistivity was measured while raising the temperature of the phase change film in the initial amorphous state from room temperature at a constant rate of 10 ° C. per minute. As seen in the figure, from room temperature to about 150 ° C., after a reversible temperature-dependent region in which the electrical resistivity decreases to about 1/30 with respect to the temperature rise, the resistance is further reduced by crystallization, and further A decrease in electrical resistance was observed. That is, it can be seen that the electrical resistance of the phase change film in the amorphous state has a large temperature dependence even at a temperature lower than the crystallization temperature.
図8で説明したアモルファス領域の追加行程による高感度記録の機構を効率的に実施するためには、アモルファス領域の温度が十分に低く、パルス電流がそれを避けるように選択的に流れるようにする必要がある。パルス電流のパルス幅が長く、最初のアモルファス領域を避けて電流が流れたとしても、隣接する結晶領域でのジュール発熱による温度上昇が熱伝導によって最初のアモルファス領域に伝われば抵抗が下がり、高感度化効果が失われる。これが図7に示したパルス幅依存性を定めている。また、例えパルス幅が十分に短く、隣接する結晶領域の発熱が伝達する熱拡散時間と同等以下の場合であっても、パルス電流を印加する前の状態でアモルファス領域の温度が高ければ、電流がアモルファス領域にも流れるので、高感度化効果が失われる。 In order to efficiently implement the high-sensitivity recording mechanism by the additional process of the amorphous region described in FIG. 8, the temperature of the amorphous region is sufficiently low so that the pulse current selectively flows so as to avoid it. There is a need. Even if the pulse width of the pulse current is long and the current flows avoiding the first amorphous region, if the temperature rise due to Joule heat generation in the adjacent crystal region is transmitted to the first amorphous region by heat conduction, the resistance decreases, and high sensitivity The effect is lost. This defines the pulse width dependency shown in FIG. In addition, even if the pulse width is sufficiently short and the heat diffusion time that the heat generation of the adjacent crystal region is transmitted is less than or equal to the current, if the temperature of the amorphous region is high before the pulse current is applied, the current Since it also flows in the amorphous region, the effect of increasing sensitivity is lost.
後者の影響を定量化するために、パルス幅が5nsの場合について、パルス周期を連続的に変化させた実験を行った。その結果を図10に示す。 In order to quantify the influence of the latter, an experiment was performed in which the pulse period was continuously changed in the case where the pulse width was 5 ns. The result is shown in FIG.
図に見られるように、前述した動作原理を反映し、パルス間隔が10nsの場合に比較して、20nsの場合には高感度化効果がほとんど得られないことが判る。これは、形成されたアモルファス領域の冷却が不十分なためである。顕著な高感度化効果は、パルス周期が100ns以上で現れる。熱シミュレーションの結果から、このときのアモルファス領域の温度は、70℃以下に冷却されていると予測され、図9の結果から、アモルファス状態の抵抗が結晶状態に比較して十分に大きくなることが判る。 As can be seen from the figure, the above-described operation principle is reflected, and it can be seen that the sensitivity enhancement effect is hardly obtained when the pulse interval is 20 ns, compared with the case where the pulse interval is 10 ns. This is because the formed amorphous region is not sufficiently cooled. The remarkable sensitivity enhancement effect appears when the pulse period is 100 ns or more. From the result of the thermal simulation, it is predicted that the temperature of the amorphous region at this time is cooled to 70 ° C. or less, and from the result of FIG. 9, the resistance in the amorphous state may be sufficiently higher than the crystalline state. I understand.
以上の結果から、タングステンプラグ14の径が200nmの条件において、パルス幅を5ns、パルス間隔を100ns、パルス数を8として連続パルス印加による相変化材料の過熱抑止・高感度化効果を得た場合、結果的に1つのリセット動作に要する時間が800nsとなり、例えば図7に示した100nsパルスによるリセット動作に比較して8倍の時間がかかってしまう。これはすなわち、相変化メモリのデータ記録の転送速度が1/8に低下することを示している。 From the above results, when the diameter of the tungsten plug 14 is 200 nm, the pulse width is 5 ns, the pulse interval is 100 ns, the number of pulses is 8, and the effect of suppressing overheating and increasing the sensitivity of the phase change material by continuous pulse application is obtained. As a result, the time required for one reset operation is 800 ns, which takes eight times as long as the reset operation by the 100 ns pulse shown in FIG. 7, for example. This indicates that the data recording transfer rate of the phase change memory is reduced to 1/8.
以上の検討結果に基づき、本発明が解決しようとする課題についてまとめる。連続パルス方式によって相変化膜内にアモルファス領域を効率的に追加するためには、アモルファス領域の温度を低温に保つ必要がある。しかし、これはタングステンプラグ径=200nmの条件において、5ns程度のパルス幅と100ns程度のパルス間隔とを条件とする連続電流パルスの生成が必要であることから、データ転送速度の低下が避けられない。 Based on the above examination results, problems to be solved by the present invention are summarized. In order to efficiently add an amorphous region in the phase change film by the continuous pulse method, it is necessary to keep the temperature of the amorphous region low. However, since it is necessary to generate a continuous current pulse under the condition that the tungsten plug diameter is 200 nm and the pulse width is about 5 ns and the pulse interval is about 100 ns, a decrease in data transfer rate is inevitable. .
微細化によってメモリビットのサイズが小さくなった場合、上述のように、熱伝導による結晶領域からアモルファス領域への熱拡散の時間が短くなるため、さらに短いパルス幅が要求されることが言うまでもない。一方、電流切り替え用スイッチと相変化膜とが電気的に並列に形成されたメモリビットの複数個を電気的に直列に配置したメモリアレイ構造を持ち、1つのメモリアレイを1つのパルス電流源で駆動する方式の相変化メモリにおいては、大容量化のためにメモリアレイ内のメモリビット数を増加させた場合、パルス電流源の周波数特性が低下し、5ns未満の短い電流パルスを発生することが困難になる。 When the size of the memory bit is reduced by miniaturization, it is needless to say that a shorter pulse width is required because the time for thermal diffusion from the crystalline region to the amorphous region due to thermal conduction is shortened as described above. On the other hand, it has a memory array structure in which a plurality of memory bits in which a current switching switch and a phase change film are formed in parallel are electrically arranged in series, and one memory array is formed by one pulse current source. In the phase change memory of the driving method, when the number of memory bits in the memory array is increased to increase the capacity, the frequency characteristic of the pulse current source is deteriorated and a short current pulse of less than 5 ns may be generated. It becomes difficult.
以上のように、特許文献1に記載されているような大容量化に適した相変化メモリ構造と、特許文献2に記載された記録方法とを組み合わせ、かつデータ転送速度の低下を防ぐことは困難であることが本発明者によって見出された。 As described above, combining the phase change memory structure suitable for increasing the capacity as described in Patent Document 1 and the recording method described in Patent Document 2 and preventing a decrease in data transfer speed are not possible. Difficulty has been found by the inventors.
本発明の目的は、電流切り替え用スイッチと相変化膜とが電気的に並列に形成されたメモリビットの複数個を電気的に直列に配置したメモリアレイ構造を持つ相変化メモリにおいて、上記の課題を解決し、書き込み電流の低減またはクロスイレーズの抑止により、高速転送速度や高信頼性を実現した相変化メモリのデータ記録方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a phase change memory having a memory array structure in which a plurality of memory bits in which a current switching switch and a phase change film are electrically parallel are arranged in series. It is an object of the present invention to provide a data recording method for a phase change memory that realizes a high transfer speed and high reliability by reducing a write current or suppressing cross erase.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
上記課題を解決するために、本発明では、メモリビットの電流切り替え用スイッチを構成するMOSトランジスタの制御電圧の周波数特性に着目する。一般に、これはゲート電圧等の制御により実現されるが、これは電圧制御でよいため、パルス電流源に比較して小さな実装サイズ、すなわち小さな静電容量で形成することができる。 In order to solve the above-described problems, the present invention focuses on the frequency characteristics of the control voltage of the MOS transistor constituting the memory bit current switching switch. Generally, this is realized by controlling the gate voltage or the like. However, since this may be voltage control, it can be formed with a small mounting size, that is, a small capacitance compared to the pulse current source.
また、ゲート電圧の大きさについては設計事項であるため、これを小さくすることと併せて、パルス電流源に比較してゲート電圧制御系の周波数特性を10倍以上に高めることが可能である。この場合、周波数特性の低いパルス電流源をONにした状態で保持する。次いで、複数のメモリビットのゲート電極のうちの1つを5ns程度の期間OFFすることにより、対応する相変化膜に短いパルス電流を流す。次いで別のメモリビットのゲート電極を同様に5ns程度の期間OFFすることにより、対応する相変化膜に短い電流を流す。 In addition, since the magnitude of the gate voltage is a design matter, it is possible to improve the frequency characteristics of the gate voltage control system 10 times or more as compared with the pulse current source in combination with reducing the magnitude. In this case, the pulse current source having low frequency characteristics is held in an ON state. Next, by turning off one of the gate electrodes of the plurality of memory bits for a period of about 5 ns, a short pulse current is caused to flow through the corresponding phase change film. Next, the gate electrode of another memory bit is similarly turned off for a period of about 5 ns, thereby passing a short current through the corresponding phase change film.
上記のようなプロセスを繰り返し、必要な相変化膜に短い電流を流すことにより、アモルファス領域の温度が十分に高くなるための待機期間に相当する前述のパルス間隔の間に、別のメモリビットへのパルス電流印加を行うことによって、実効的にメモリアレイへの並列データ記録を実施する。 By repeating the above process and passing a short current through the required phase change film, another memory bit is transferred during the aforementioned pulse interval corresponding to the standby period for sufficiently increasing the temperature of the amorphous region. The parallel data recording to the memory array is effectively performed by applying the pulse current.
以上により、電流パルス間隔を並列処理によって実効的に隠蔽することができるため、データ転送速度の低下を回避することが可能になる。前述の結果に従えば、パルス幅=5ns、パルス間隔=100nsが必要な場合、20個以上のメモリビットを持つメモリアレイであれば、原理的にパルス間隔を完全に隠蔽することができるので、20個のメモリビットへの書き込みを5ns×8×20=800nsで完了させることができる。また、100nsのパルスを用いた場合、100ns×20=2000nsに比較してデータ転送速度の向上も図ることができる。 As described above, since the current pulse interval can be effectively concealed by parallel processing, it is possible to avoid a decrease in data transfer rate. According to the above result, if a pulse width = 5 ns and a pulse interval = 100 ns are required, the pulse interval can be completely hidden in principle if the memory array has 20 or more memory bits. Writing to 20 memory bits can be completed in 5 ns × 8 × 20 = 800 ns. Further, when a pulse of 100 ns is used, the data transfer rate can be improved as compared with 100 ns × 20 = 2000 ns.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。 The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
電流切り替え用スイッチと相変化膜とが電気的に並列に形成され、これを電気的に直列に配置したメモリアレイ構造を持つ相変化メモリにおいて、連続するパルス電流の印加による過熱抑止・高感度化を実現することができるので、転送速度性能の向上と信頼性の向上とを共に実現することができる。 In a phase change memory with a memory array structure in which a switch for current switching and a phase change film are electrically formed in parallel and arranged in series, overheating is suppressed and sensitivity is increased by applying a continuous pulse current. Therefore, it is possible to improve both the transfer rate performance and the reliability.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the drawings describing the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view for easy understanding of the configuration.
図1は、本実施の形態の半導体記憶装置のメモリ部を示す概略断面図、図2は、図1の一部(二点鎖線で囲んだ矩形の領域)を拡大して示す断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a memory portion of the semiconductor memory device of the present embodiment, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of FIG. 1 (a rectangular region surrounded by a two-dot chain line). .
例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板10の主面には、メモリビットの基板側のコンタクト層となるn型半導体領域11が形成されている。また、n型半導体領域11の上部には、例えば酸化シリコンからなる5層の層間絶縁膜(第1層間絶縁膜12、第2層間絶縁膜13、第3層間絶縁膜14、第4層間絶縁膜15、第5層間絶縁膜16)が積層されている。 For example, an n-type semiconductor region 11 serving as a contact layer on the substrate side of the memory bit is formed on the main surface of the semiconductor substrate 10 made of p-type single crystal silicon. Further, on the upper portion of the n-type semiconductor region 11, for example, a five-layer interlayer insulating film made of silicon oxide (first interlayer insulating film 12, second interlayer insulating film 13, third interlayer insulating film 14, fourth interlayer insulating film) 15 and a fifth interlayer insulating film 16) are laminated.
第1層間絶縁膜12と第2層間絶縁膜13との間、第2層間絶縁膜13と第3層間絶縁膜14との間、第3層間絶縁膜14と第4層間絶縁膜15との間には、電流切り替え用スイッチを構成するMOSトランジスタのゲート電極20が形成されている。また、第4層間絶縁膜15と第5層間絶縁膜16との間には、メモリアレイ選択用スイッチを構成するMOSトランジスタのゲート電極21が形成されている。ゲート電極20、21は、例えばn型多結晶シリコンからなり、ワード線WLとして機能する。 Between the first interlayer insulating film 12 and the second interlayer insulating film 13, between the second interlayer insulating film 13 and the third interlayer insulating film 14, and between the third interlayer insulating film 14 and the fourth interlayer insulating film 15. Is formed with a gate electrode 20 of a MOS transistor constituting a current switching switch. Further, between the fourth interlayer insulating film 15 and the fifth interlayer insulating film 16, a gate electrode 21 of a MOS transistor constituting a memory array selection switch is formed. The gate electrodes 20 and 21 are made of, for example, n-type polycrystalline silicon and function as the word line WL.
上記5層の層間絶縁膜(第1層間絶縁膜12、第2層間絶縁膜13、第3層間絶縁膜14、第4層間絶縁膜15、第5層間絶縁膜16)には、第5層間絶縁膜16の上面からn型半導体領域11の上面に達する複数の孔22が形成されている。そして、各孔22の側壁には、ゲート電極20、21のそれぞれの断面部が露出する構造になっている。 The fifth interlayer insulating film (first interlayer insulating film 12, second interlayer insulating film 13, third interlayer insulating film 14, fourth interlayer insulating film 15, and fifth interlayer insulating film 16) includes a fifth interlayer insulating film. A plurality of holes 22 reaching the upper surface of the n-type semiconductor region 11 from the upper surface of the film 16 are formed. The side walls of each hole 22 have a structure in which the respective cross sections of the gate electrodes 20 and 21 are exposed.
また、各孔22の側壁には、MOSトランジスタ(電流切り替え用スイッチおよびメモリアレイ選択用スイッチ)のゲート絶縁膜23が形成されている。ゲート絶縁膜23は、例えば酸化シリコンからなる。 A gate insulating film 23 of a MOS transistor (current switching switch and memory array selection switch) is formed on the side wall of each hole 22. The gate insulating film 23 is made of, for example, silicon oxide.
上記した各孔22の内部において、ゲート絶縁膜23の内側には、MOSトランジスタ(電流切り替え用スイッおよびメモリアレイ選択用スイッチ)の電流チャネルを構成するn型多結晶シリコン膜24が形成されている。また、各孔22の内部において、n型多結晶シリコン膜24のさらに内側には、例えばGe2Sb2Te5からなる相変化膜25が形成されている。なお、メモリアレイ選択用スイッチを構成するMOSトランジスタは、ゲート電極21の電圧制御により電流のON/OFFのみを行えばよいので、その近傍には、相変化膜25が形成されていない。 Inside each hole 22 described above, an n-type polycrystalline silicon film 24 constituting a current channel of a MOS transistor (current switching switch and memory array selection switch) is formed inside the gate insulating film 23. . In each hole 22, a phase change film 25 made of, for example, Ge 2 Sb 2 Te 5 is formed further inside the n-type polycrystalline silicon film 24. Since the MOS transistors constituting the memory array selection switch only need to turn on / off the current by controlling the voltage of the gate electrode 21, the phase change film 25 is not formed in the vicinity thereof.
第5層間絶縁膜16の上部には、ビット線BLおよびメタル配線26、27が形成されている。ビット線BLは、孔22の上端部に配置され、孔22の内部のn型多結晶シリコン膜24に電気的に接続されている。また、メタル配線26は、層間絶縁膜の一部に形成されたプラグ28を介して、メモリアレイ選択用スイッチのゲート電極21に電気的に接続されている。さらに、メタル配線27は、層間絶縁膜の一部に形成されたプラグ29を介して、電流切り替え用スイッチのゲート電極20に電気的に接続されている。ビット線BL、メタル配線26、27およびプラグ28は、例えばタングステンや窒化チタンのような金属材料で構成されている。そして、ビット線BL、メタル配線26、27およびn型半導体領域11のそれぞれは、半導体基板10の図示しない領域に形成された周辺回路部に電気的に接続されている。 Bit lines BL and metal wirings 26 and 27 are formed on the fifth interlayer insulating film 16. The bit line BL is disposed at the upper end of the hole 22 and is electrically connected to the n-type polycrystalline silicon film 24 inside the hole 22. The metal wiring 26 is electrically connected to the gate electrode 21 of the memory array selection switch through a plug 28 formed in a part of the interlayer insulating film. Further, the metal wiring 27 is electrically connected to the gate electrode 20 of the current switching switch through a plug 29 formed in a part of the interlayer insulating film. The bit line BL, the metal wirings 26 and 27, and the plug 28 are made of a metal material such as tungsten or titanium nitride. Each of the bit line BL, the metal wirings 26 and 27, and the n-type semiconductor region 11 is electrically connected to a peripheral circuit portion formed in a region (not shown) of the semiconductor substrate 10.
図2(メモリビット2個分の領域を示す拡大図)に示すように、相変化メモリは、電気的に並列に形成された相変化膜25と、ゲート電極20を有する電流切り替え用スイッチ(MOSトランジスタ)とを1組として1メモリビットに対応させている。そして、図1に示すように、孔22の上下方向に沿って配置された複数のメモリビットを電気的に直列に接続した構造(メモリアレイ)を有している。 As shown in FIG. 2 (enlarged view showing an area corresponding to two memory bits), the phase change memory includes a current changeover switch (MOS) having a phase change film 25 formed in parallel electrically and a gate electrode 20. Transistor) as a set to correspond to one memory bit. As shown in FIG. 1, a plurality of memory bits arranged along the vertical direction of the hole 22 are electrically connected in series (memory array).
なお、図1には、一つのメモリアレイに3個のメモリビットが直列に接続された例が示されているが、実際のメモリアレイには、さらに多くのメモリビットが直列に接続されている。また、半導体基板10のメモリ部には、上記のように構成された複数のメモリアレイが半導体基板10の主面に水平なX方向(第1方向)およびこれと直交するY方向(第2方向)に沿ってマトリクス状に配置されている。このようなメモリ部の構造は、公知の製造技術、例えば特許文献1に記載された製造技術を用いて作製することができる。 FIG. 1 shows an example in which three memory bits are connected in series to one memory array, but more memory bits are connected in series in an actual memory array. . In the memory portion of the semiconductor substrate 10, a plurality of memory arrays configured as described above are arranged in the X direction (first direction) horizontal to the main surface of the semiconductor substrate 10 and the Y direction (second direction) orthogonal thereto. ) In a matrix. Such a structure of the memory portion can be manufactured using a known manufacturing technique, for example, a manufacturing technique described in Patent Document 1.
図3にメモリビットの動作原理を示す。まず、ワード線WLとビット線BLとによる選択動作により所定のメモリビットを選択する。そして、選択メモリビットのゲート電極20に制御電圧を印加してMOSトランジスタをOFFにし、電流チャネル(n型多結晶シリコン膜24)の抵抗を上げてMOSトランジスタ側に電流が流れないようにする。これにより、MOSトランジスタに並列接続された相変化膜25に電流を流し、メモリビットを動作させる。 FIG. 3 shows the operation principle of the memory bit. First, a predetermined memory bit is selected by a selection operation using the word line WL and the bit line BL. Then, a control voltage is applied to the gate electrode 20 of the selected memory bit to turn off the MOS transistor and increase the resistance of the current channel (n-type polycrystalline silicon film 24) so that no current flows to the MOS transistor side. As a result, a current is passed through the phase change film 25 connected in parallel to the MOS transistor to operate the memory bit.
次に、本実施の形態による相変化メモリへのデータ記録方法について説明する。図4は、図1に示した一つのメモリアレイ、すなわちMOSトランジスタで構成された電流切り替え用スイッチSWと、情報保持部である相変化膜25とが電気的に並列に形成されたメモリビットを直列に複数個(bit0、bit1、bit2、…)配置したメモリアレイの等価回路を示している。また、ここでは、周辺回路部のパルス電流源40から流れる電流パルスの電流量をI、各電流切り替え用スイッチSWのゲート電極(ワード線WL0、WL1、WL2、…)に印加するゲート制御電圧をV0、V1、V2、…とする。 Next, a method for recording data in the phase change memory according to the present embodiment will be described. FIG. 4 shows a memory bit in which one memory array shown in FIG. 1, that is, a current switching switch SW composed of MOS transistors, and a phase change film 25 as an information holding unit are electrically formed in parallel. An equivalent circuit of a memory array in which a plurality (bit0, bit1, bit2,...) Are arranged in series is shown. Here, the current amount of the current pulse flowing from the pulse current source 40 in the peripheral circuit section is I, and the gate control voltage to be applied to the gate electrodes (word lines WL0, WL1, WL2,...) Of the current switching switches SW. V0, V1, V2,...
図5は、リセット時のデータ書き込み方法を説明するタイミングチャートである。図に示すように、パルス電流源から生成される電流量(I)の電流パルスをメモリアレイに供給すると、周波数特性が低下するために、立ち上がり時間および立ちさがり時間が長くる。そのため、前述した連続電流パルス方式の効果を十分に発揮することができない。 FIG. 5 is a timing chart for explaining a data writing method at the time of resetting. As shown in the figure, when a current pulse of the amount of current (I) generated from the pulse current source is supplied to the memory array, the frequency characteristics are lowered, so that the rise time and the rise time become longer. Therefore, the effect of the continuous current pulse method described above cannot be sufficiently exhibited.
そこで、本実施の形態では、電流パルスをONにしている期間内で、周波数特性の高いゲート制御電圧(V0、V1、V2、…)を逐次的にLOW状態とし、MOSトランジスタ(電流切り替え用スイッチ)を逐次的にOFFにすることで経路を切り替え、データビット(bit0、bit1、bit2、…)を構成する相変化膜(25)に逐次的に電流を流してデータの書き込みを行う。各データビット(bit0、bit1、bit2、…)の相変化膜(25)に電流が流れる期間は、対応するMOSトランジスタのゲート制御電圧(V0、V1、V2、…)がLOWになる期間に制限されるので、連続電流パルス方式の効果を十分に発揮させることが可能となる。 Therefore, in this embodiment, the gate control voltages (V0, V1, V2,...) Having high frequency characteristics are sequentially set to the LOW state within the period in which the current pulse is turned on, and the MOS transistor (current switching switch) ) Are sequentially turned OFF to switch the path, and data is written by sequentially passing current through the phase change film (25) constituting the data bits (bit0, bit1, bit2,...). The period during which current flows through the phase change film (25) of each data bit (bit0, bit1, bit2,...) Is limited to the period during which the gate control voltage (V0, V1, V2,...) Of the corresponding MOS transistor is LOW. Therefore, the effect of the continuous current pulse method can be sufficiently exhibited.
また、例えばデータビット(bit0)の相変化膜(25)に2回目の電流が流れるまでの期間にデータビット(bit1、bit2、…)に電流を流すよう、各ゲート制御電圧(V1、V2、…)を制御する。これにより、各データビット(bit0、bit1、bit2、…)を構成する相変化膜(25)に流れる電流は、パルス幅が必要かつ十分に狭く、しかもパルス周期が必要かつ十分に広いという連続電流パルス方式が過熱防止・高感度化効果を得る条件を満たすことができる。このとき、各パルス周期は、他のデータビットに電流を流す期間として有効に利用することができるので、転送レートの低下を同時に防ぐことが可能である。 Further, for example, each gate control voltage (V1, V2,...) Is supplied so that the current flows in the data bits (bit1, bit2,...) Until the second current flows in the phase change film (25) of the data bit (bit0). ...) is controlled. As a result, the current flowing through the phase change film (25) constituting each data bit (bit0, bit1, bit2,...) Is a continuous current whose pulse width is necessary and sufficiently narrow and the pulse period is necessary and sufficiently wide. The pulse method can satisfy the conditions for preventing overheating and achieving high sensitivity. At this time, each pulse cycle can be effectively used as a period for supplying a current to other data bits, so that a decrease in transfer rate can be prevented at the same time.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明は、相変化メモリを有する半導体記憶装置に適用することができる。 The present invention can be applied to a semiconductor memory device having a phase change memory.
10 半導体基板
11 n型半導体領域
12 第1層間絶縁膜
13 第2層間絶縁膜
14 第3層間絶縁膜
15 第4層間絶縁膜
16 第5層間絶縁膜
20、21 ゲート電極
22 孔
23 ゲート絶縁膜
24 n型多結晶シリコン膜
25 相変化膜
26、27 メタル配線
31 酸化シリコン膜
32 下部電極
33 酸化シリコン膜
34 タングステンプラグ
35 相変化膜
36 上部電極
37 酸化シリコン膜
40 パルス電流源
BL ビット線
SW 電流切り替え用スイッチ
WL ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 11 N type semiconductor region 12 1st interlayer insulation film 13 2nd interlayer insulation film 14 3rd interlayer insulation film 15 4th interlayer insulation film 16 5th interlayer insulation film 20, 21 Gate electrode 22 Hole 23 Gate insulation film 24 n-type polycrystalline silicon film 25 phase change films 26 and 27 metal wiring 31 silicon oxide film 32 lower electrode 33 silicon oxide film 34 tungsten plug 35 phase change film 36 upper electrode 37 silicon oxide film 40 pulse current source BL bit line SW current switching Switch WL Word line
Claims (5)
前記メモリ部には、相変化材料により構成された情報保持部と、前記情報保持部に電気的に並列に接続され、前記相変化材料に流す電流経路を切り替える電流切り替え用スイッチとからなる複数のメモリビットが電気的に直列に接続されてなるメモリアレイが形成され、
前記周辺回路部には、前記メモリアレイにパルス電流を流すパルス電流源が形成された半導体記憶装置のデータ記録方法であって、
前記パルス電流源により生成されたパルス電流の発生期間内に、前記複数のメモリビットのそれぞれの前記電流切り替え用スイッチを逐次的にON/OFFさせ、前記複数のメモリビットのうちの少なくとも一つのメモリビットの前記情報保持部に前記パルス電流の発生期間よりも短い期間の電流を流すことにより、前記複数のメモリビットに逐次的にデータを書き込むことを特徴とする半導体記憶装置のデータ記録方法。 A memory unit is disposed in a first region of a main surface of the semiconductor substrate, and a peripheral circuit unit is disposed in a second region of the main surface;
The memory unit includes a plurality of information holding units configured of a phase change material, and a current switching switch that is electrically connected in parallel to the information holding unit and switches a current path that flows through the phase change material. A memory array in which memory bits are electrically connected in series is formed,
In the peripheral circuit portion, a data recording method for a semiconductor memory device in which a pulse current source for supplying a pulse current to the memory array is formed,
During the generation period of the pulse current generated by the pulse current source, the current switching switch of each of the plurality of memory bits is sequentially turned on / off, and at least one memory of the plurality of memory bits A data recording method for a semiconductor memory device, wherein data is sequentially written into the plurality of memory bits by passing a current having a period shorter than a generation period of the pulse current through the information holding unit of the bit.
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