直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子
【課題】直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子を提供する。
【解決手段】第１端子Ｎ１と第２端子Ｎ１との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノード１１０と、一の抵抗ノード１１０の第１端子Ｎ１と他の抵抗ノード１１０の第２端子Ｎ２との間を直列に連結し、抵抗ノード１１０より低い抵抗を有する複数の金属プラグ１２０と、第１端子Ｓ、第２端子Ｄ、及び第１端子Ｓと第３端子Ｇを有する複数の制御素子１４０と、一の制御素子１４０の第１端子Ｓと他の制御素子１４０の第２端子Ｄとを直列的に連結するビットラインＢＬと、ビットラインＢＬと金属プラグ１２０との間に介在されて、ビットラインＢＬと金属プラグ１２０との間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子１３０と、制御素子１４０の第３端子Ｇと連結された複数のワードラインＷＬと、を備えることを特徴とする。
【解決手段】第１端子Ｎ１と第２端子Ｎ１との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノード１１０と、一の抵抗ノード１１０の第１端子Ｎ１と他の抵抗ノード１１０の第２端子Ｎ２との間を直列に連結し、抵抗ノード１１０より低い抵抗を有する複数の金属プラグ１２０と、第１端子Ｓ、第２端子Ｄ、及び第１端子Ｓと第３端子Ｇを有する複数の制御素子１４０と、一の制御素子１４０の第１端子Ｓと他の制御素子１４０の第２端子Ｄとを直列的に連結するビットラインＢＬと、ビットラインＢＬと金属プラグ１２０との間に介在されて、ビットラインＢＬと金属プラグ１２０との間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子１３０と、制御素子１４０の第３端子Ｇと連結された複数のワードラインＷＬと、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体メモリ素子に係り、特に、抵抗ノードを備える不揮発性メモリ素子に関する。また、本発明は、抵抗メモリ素子または抵抗メモリ素子と他のメモリ素子とが結合された構造も含む。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリ素子は、トランジスタのしきい電圧遷移を利用するものと、電荷移動を利用するものと、抵抗変化を利用するものとに大別される。しきい電圧遷移を利用するものとしては、浮遊ゲートをストレージノードとして利用するフラッシュメモリと、電荷トラップをストレージノードとして利用するＳＯＮＯＳメモリとがある。電荷移動を利用するものとしては、ナノクリスタルまたはポリマーの強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｍｄｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。また、抵抗変化を利用するものとしては、磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ ＲＡＭ）、相転移メモリ（ＰＲＡＭ：Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ ＲＡＭ）及び複合金属酸化膜を抵抗ノードとして利用する抵抗メモリ（ＲＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＲＡＭ）がある。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、抵抗メモリで使われる抵抗ノードの特性が説明されている。非特許文献１は、抵抗ノードとして０．２ａｔ．％のＣｒがドーピングされたＳｒＺｒＯ３層を例として説明している。
【０００４】
図１を参照すれば、抵抗ノードの両端にスウィーピング電圧（ｓｗｅｅｐｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ：掃引電圧）を印加するにつれて、抵抗ノードの抵抗が変わるということが分かる。抵抗ノードは、図１（ａ）に示したように、初期に高抵抗（Ｒ＝６０６ｋΩ）状態を示し、図１（ｂ）に示したように、電圧が−８Ｖ以下に降下するにつれて低抵抗（Ｒ＝１０．５ｋΩ）状態に変化する。図面の左側の電子ビーム誘導電流（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＥＢＩＣ）の写真で、白色の点は、導電経路を表す。ＥＢＩＣ写真を参照すれば、抵抗ノードが高抵抗状態から低抵抗状態に変化するにつれて、導電経路となる白色の点がさらに大きくなるか、または新たに増大したということが分かる（矢印で表示された白色の点を参照）。すなわち、前述した非特許文献１の実験結果から、抵抗ノードを通じた電流量の変化、すなわち抵抗ノードの抵抗の変化時、導電経路は、抵抗ノードの全面に均一に形成されず、局部的に形成されるということが分かる。
【０００５】
図２は、二つの電極５０、６０の間に介在された抵抗ノード７０を通じた導電経路８０を図式化した図面である。図２を参照すれば、抵抗ノード７０を通じた導電経路８０は、前述した非特許文献１の実験結果から分かるように、局部的なフィラメント形状になる。しかし、図３を参照すれば、抵抗ノード７０が長く直列連結された場合、例えば、ＮＡＮＤ構造の場合、このようなフィラメント形状の導電経路８０は、抵抗ノード７０の長手方向に連続することができずに断切される。この場合、導電経路８０が断切された抵抗ノード領域Ｈは、高抵抗領域となる。この結果、全体抵抗ノード７０は、低抵抗状態に容易に変化することができないため、抵抗ノード７０が直列に連結されたＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造の抵抗メモリ素子を一度にブロック単位で動作させる場合に問題が発生する。
【非特許文献１】Ｃ．Ｒｏｓｓｅｌら，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｃｒｏｓｓ ａ ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．９０／６，２８９２（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題を解決するために成されたものであり、ブロック単位の動作が可能で、さらに、選択的に電荷保存ノードとハイブリッド結合が可能な直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、それぞれの前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、第１端子、第２端子及び前記第１端子と前記第２端子との間の電流フローを制御することができる第３端子を有する複数の制御素子と、一の前記制御素子の第１端子と他の前記制御素子の第２端子とを連結して、一の前記制御素子と他の前記制御素子とを直列的に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとのとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、前記制御素子の第３端子と連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードと、それぞれの前記電荷保存ノードに対応して備えられる複数のソース、ドレイン及び制御ゲートと、一の前記電荷保存ノードに対応するソースと他の前記電荷保存ノードに対応するドレインとを順次に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在され、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、それぞれの前記制御ゲートと連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在されて前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、エミッタ、コレクタ、及びベースを備える複数のバイポーラトランジスタと、一の前記バイポーラトランジスタのエミッタと他の前記バイポールとトランジスタのコレクタとを連結して前記バイポーラトランジスタを直列に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、前記バイポーラトランジスタのベースと連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成される。
【００１１】
また、前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成される。さらに、前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯである。
【００１２】
また、前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるメモリ素子を利用すれば、従来のメモリ素子よりも低い消去電圧で抵抗ノードをブロック単位で一括的に消去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照して本発明の一実施の形態に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子を詳細に説明する。なお、図面での構成要素は、その形状や寸法を誇張して示しているが、これは発明の内容の理解を容易にするためである。
【００１５】
図４を参照して、本実施形態に係るメモリ素子１００を説明する。
【００１６】
メモリ素子１００は、直列に連結された複数の抵抗ノード１１０、ビットラインＢＬとワードラインＷＬとに連結された制御素子１４０、及びビットラインＢＬと抵抗ノード１１０とを連結するスイッチ素子１３０及び金属プラグ１２０を備える。
【００１７】
具体的には、抵抗ノード１１０は、それぞれ両側に二つの端子Ｎ１，Ｎ２を有する。
【００１８】
金属プラグ１２０は、一の抵抗ノード１１０の第１端子Ｎ１が他の抵抗ノードの第２端子Ｎ２と連結されるように、二つの抵抗ノード１１０の間にそれぞれ介在されている。これにより、抵抗ノード１１０の間に金属プラグ１２０を介在して、一の抵抗ノード１１０と、他の抵抗ノード１１０とを直列的に連結する。金属プラグ１２０は、それぞれスイッチ素子１３０に連結され、制御素子１４０のソースＳ及びドレインＤは、それぞれスイッチ素子１３０に連結される。ビットラインＢＬは、スイッチ素子１３０及びソースＳに連結され、またドレインＤ及びスイッチ１３０に連結される。すなわち、ビットラインＢＬは、一の制御素子１４０のドレインＤと、当該一の制御素子に隣接する他の制御素子１４０のソースＳとを連結する。ワードラインＷＬは、制御素子１４０のゲートＧにそれぞれ連結されている。
【００１９】
したがって、ビットラインＢＬから始まってスイッチ素子１３０、金属プラグ１２０、抵抗ノード１１０、金属プラグ１２０及びスイッチ素子１３０を経て、再びビットラインＢＬに戻る第１回路が形成される。また、ビットラインＢＬから始まってソースＳ及びドレインＤを経て、再びビットラインＢＬに戻る第２回路が形成される。ここで、スイッチ素子１３０及びゲートＧは、後述するように、前記第１回路及び前記第２回路を、選択または制御する機能を有する。
【００２０】
メモリ素子１００において、一の抵抗ノード１１０及びそれに対応する一の制御素子１４０、抵抗ノード１１０と制御素子１４０とを連結するスイッチ素子１３０及び金属プラグ１２０は、一つの単位セルを形成する。すなわち、メモリ素子１００は、前記単位セルが直列に連結された構造、例えば、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造を有する。たとえ、図面には一つのビットラインＢＬのみが示されているとしても、このようなビットラインＢＬが複数個配列されていても良い。
【００２１】
さらに具体的には、制御素子１４０は、それぞれの抵抗ノード１１０に対応して備えられ、第１端子（ソースＳ）、第２端子（ドレインＤ）、及び前記第１端子（ソースＳ）と前記第２端子（ドレインＤ）との間の電流フローを制御することができる第３端子（ゲートＧ）を有する。制御素子１４０は、例えば、ソースＳ、ドレインＤ、及びゲートＧ端子を有するＭＯＳトランジスタであることができる。ＭＯＳトランジスタ１４０は、ゲートＧに印加される電圧を調節して、ソースＳとドレインＤとの間に導電通路であるチャンネル（図示せず）を形成することができる。前記チャンネルが形成された場合、ＭＯＳトランジスタ１４０のソースＳ及びドレインＤは、電気的に連結される。ＭＯＳトランジスタ１４０は、ｎ型チャンネルを有するＮＭＯＳまたはｐ型チャンネルを有するＰＭＯＳであることができる。
【００２２】
また、制御素子１４０は、電荷保存ノード（図６の参照番号１５５）を有するフラッシュメモリまたはＳＯＮＯＳメモリの単位セルであることができる。フラッシュメモリは、浮遊ゲート、例えば、ポリシリコン層を電荷保存ノードとして利用し、ＳＯＮＯＳメモリは、電荷トラップ層、例えばシリコン窒化膜層を電荷保存ノードとして利用することができる。この場合、メモリ素子１００は、抵抗ノード１１０及び電荷保存ノード（図６の参照番号１５５）の異なる２つの形態のストレージノードをハイブリッド結合した構造を有する。これについては、図９でさらに詳細に説明する。
【００２３】
図６を参照して、図４のメモリ素子１００の一つの例示的な構造１００ａを説明する。図４の制御素子１４０は、電荷保存ノード１５５を備えるフラッシュメモリまたはＳＯＮＯＳメモリの単位セルを例示的に示している。図４の制御素子１４０は、半導体基板１０５に形成されたソースＳ及びドレインＤ、半導体基板１０５上の第１絶縁膜１５０、電荷保存ノード１５５、第２絶縁膜１６０、及び制御ゲート電極１６５を備える。制御素子１４０については、当業者が容易に理解することができるので、詳細な説明は省略する。
【００２４】
スイッチ素子１３０は、ソースＳ及びドレインＤの上部に形成され、スペーサ絶縁膜１７５によって電荷保存ノード１５５及び制御ゲート電極１６５と絶縁されている。抵抗ノード１１０は、制御ゲート電極１６５上の第３絶縁膜１７０上に形成され、金属プラグ１２０は、スイッチ素子１３０上に形成される。金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０とスイッチ素子１３０とを連結しており、また、抵抗ノード１１０の間を連結している。これにより、抵抗ノード１１０は、直列に連結される。金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０より抵抗の低い金属、例えば、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｕ、またはＣｏから形成することができる。メモリ素子の構造１００ａは、抵抗ノード１１０及び制御素子１４０のＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造であることができる。
【００２５】
図７を参照して、スイッチ素子１３０についてさらに詳細に説明する。スイッチ素子１３０の両端に印加された電圧が絶対値を基準として臨界電圧（すなわち、−Ｖｔｈ〜Ｖｔｈ）以下である場合には、スイッチ素子１３０を通じて電流がほとんど流れない。しかし、印加電圧が絶対値を基準として臨界電圧より大きくなれば（−Ｖｔｈ以下であるか、またはＶｔｈ以上である場合）電流が急激に増加する。すなわち、スイッチ素子１３０は、整流ダイオードとして利用することができる。したがって、スイッチ素子１３０は、ビットラインＢＬから抵抗ノード１１０へ流れる電流を制御する役割を行うことができる。スイッチ素子１３０は、遷移金属酸化膜（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ：ＴＭＯ）、例えば、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯから形成することができる。
【００２６】
以下、抵抗ノード１１０についてさらに詳細に説明する。抵抗ノード１１０は、印加される電圧によって抵抗が変わる抵抗状態変化保存物質であることができる。例えば、抵抗ノード１１０は、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２またはＨｆＯから形成されることができる。
【００２７】
図８を参照すれば、抵抗ノード１１０に初期電圧が印加されれば（経路１０）、ある臨界電圧、例えばＮｉＯの場合、４．５Ｖまでは電流がほとんど流れない。すなわち、抵抗ノード１１０は、高い抵抗値を示す（リセット状態）。しかし、抵抗ノード１１０の間に印加された電圧が臨界電圧を超えれば、電流が急激に増加する。一旦、抵抗ノード１１０の間に臨界電圧以上の電圧が加えられた後、再び０から電圧を印加すれば（経路２０）、高い電流が流れる。すなわち、抵抗ノード１１０は、低い抵抗値を示す（セット状態）。しかし、再びリセット電圧以上に電圧が上昇すれば、電流は急激に減少する（経路３０）。すなわち、抵抗ノード１１０の抵抗が再びリセット状態の高い抵抗値に還元される。以後、電圧を上昇させ続ければ（経路４０）、初期リセット状態と同じ経路を示す。
【００２８】
すなわち、抵抗ノード１１０は、臨界電圧またはリセット電圧を境界として比抵抗が変わり、このような抵抗の変化は、印加電圧がなくなった後にも一定範囲の電圧領域内では維持される。したがって、抵抗ノード１１０は、不揮発性メモリ素子のストレージノードとして利用することができる。
【００２９】
図９を参照して、電荷保存ノード１５５と抵抗ノード１１０とを同時に有するメモリ素子１００の動作をさらに詳細に説明する。直列連結構造、例えば、ＮＡＮＤ構造において、一の抵抗ノード１１０、例えば左側で三番目の抵抗ノード１１０を選択するためには、三番目の抵抗ノード１１０と連結されたスイッチ素子１３０をターンオンさせねばならない。したがって、三番目の抵抗ノード１１０と対応する三番目の制御素子１４０はターンオフさせ、その他の制御素子１４０、例えば一番目、二番目、四番目の制御素子１４０は、何れもターンオンさせる。これにより、ビットラインＢＬを通じて流入された電子または電流が、ソースＳと三番目の抵抗ノード１１０及びドレインＤを連結する回路Ｃ２を通じて流れる。
【００３０】
このとき、抵抗ノード１１０に印加される電圧を調節して、図８で説明したように、抵抗ノード１１０をセット状態またはリセット状態にすることができる。すなわち、抵抗ノード１１０を利用して論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存できる。一方、抵抗ノード１１０とスイッチ素子１３０とを低抵抗の金属プラグ１２０に連結することにより、抵抗ノード１１０に対するセット状態またはリセット状態に必要な動作電圧を降下させることができる。しかも、抵抗ノード１１０の長さを金属プラグ１２０の長さに短縮させることによって、抵抗ノード１１０内で導電通路として形成されるフィラメント（図１０の参照番号１８０）の開放を防止することもできる。
【００３１】
もし、電荷保存ノード１５５を通じてデータビットを保存するためには、ビットラインＢＬを通じて流入された電子または電流がソースＳとドレインＤとを連結する回路Ｃ１を通じて流れるようにすれば良い。そのためには、選択された三番目の制御素子１４０の制御ゲート１６５に動作電圧、例えばプログラム電圧を印加する。前記プログラム電圧は、制御素子１４０のしきい電圧より高いため、三番目の制御素子１４０はターンオンされる。
【００３２】
抵抗ノード１１０の消去動作は、直列構造、例えばＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造のブロック単位で行える。すなわち、制御素子１４０をいずれもターンオフさせ、ビットラインＢＬに抵抗ノード１１０のブロックを消去させることができる電圧を印加する。例えば、一の抵抗ノード１１０の消去に０．５Ｖが必要ならば、３２個の抵抗ノード１１０が連結されたＮＡＮＤ構造を消去するためには、１６Ｖの電圧が必要である。
【００３３】
図１０は、４個の抵抗ノード１１０が直列に連結された構造に対するブロック消去動作が例示的に説明するためのものである。図１０を参照すれば、Ｃ．Ｒｏｓｓｅｌが実験的に示したように、抵抗ノード１１０を通じた電流の流れは、局部的なフィラメント１８０を通じてなされる。このとき、抵抗ノード１１０の間に介在された金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０の間のフィラメント１８０を連結する役割を行う。それと共に、金属プラグ１２０は、フィラメント１８０が生成される核生成場所を提供して、フィラメント１８０をさらに容易に生成させる。
【００３４】
すなわち、抵抗ノード１１０の間に抵抗ノード１１０より抵抗の低い金属プラグ１２０を介在して、低い印加電圧で抵抗ノード１１０をブロック単位で消去することができる。例えば、従来よりもブロック消去電圧を半分以上に降下させることができる。一旦、抵抗ノード１１０の半分ほどを低抵抗の金属プラグ１２０に代替することによって消去電圧を１次に降下させ、加えて、フィラメント１８０を開放させないことによって消去電圧をさらに２次に降下させることができる。
【００３５】
図５を参照して、本発明の他の実施形態に係るメモリ素子２００を説明する。メモリ素子２００は、直列に連結された複数の抵抗ノード２１０、ビットラインＢＬとワードラインＷＬとに連結されたバイポーラトランジスタ２４０、ビットラインＢＬと抵抗ノード２１０とを連結するスイッチ素子２３０及び金属プラグ２２０を備える。
【００３６】
具体的には、抵抗ノード２１０は、それぞれ両側に二つの端子Ｎ１，Ｎ２を有し、金属プラグ２２０は、一の抵抗ノード２１０の第１端子Ｎ１が他の抵抗ノードの第２端子Ｎ２と連結されるように、二つの抵抗ノード２１０の間にそれぞれ介在されている。これにより、金属プラグ２２０を介在して一の抵抗ノード２１０と他の抵抗ノード２１０とを直列的に連結する。
【００３７】
金属プラグ２２０は、それぞれスイッチ素子２３０に連結され、バイポーラトランジスタ２４０のエミッタＥ及びコレクタＣは、それぞれスイッチ素子２３０に連結する。
【００３８】
ビットラインＢＬは、スイッチ素子２３０とエミッタＥとに連結され、またコレクタＣ及びスイッチ２３０に連結される。すなわち、ビットラインＢＬは、一のバイポーラトランジスタ２４０のエミッタＥと当該一のバイポーラトランジスタ２４０に隣接する他のバイポーラトランジスタ２４０のコレクタＣとを連結する。ワードラインＷＬは、バイポーラトランジスタ２４０のベースＢにそれぞれ連結されている。
【００３９】
したがって、ビットラインＢＬから始まってスイッチ素子２３０、金属プラグ２２０、抵抗ノード２１０、金属プラグ２２０及びスイッチ素子２３０を経て再びビットラインＢＬに戻る第１回路が形成される。また、ビットラインＢＬから始まってエミッタＥ、ベースＢ及びコレクタＣを経て再びビットラインＢＬに戻る第２回路が形成される。
【００４０】
メモリ素子２００において、一の抵抗ノード２１０及びそれに対応する一のバイポーラトランジスタ２４０、これら抵抗ノード２１０、バイポーラトランジスタ２４０を連結するスイッチ素子２３０及び金属プラグ２２０は、一つの単位セルを形成する。すなわち、メモリ素子２００は、前記単位セルが直列に連結された構造、例えばＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造を有する。たとえ、図面には一つのビットラインＢＬが示されているとしても、このようなビットラインＢＬが複数個配列されていても良い。
【００４１】
メモリ素子２００の抵抗ノード２１０、スイッチ素子２３０、及び金属プラグ２２０は、前記一実施の形態によるメモリ素子１００の説明部分を参照することができる。また、抵抗ノード２１０に対するメモリ動作についても、前記一実施の形態によるメモリ素子１００の説明部分を参照して、当業者が容易に実施することができる。但し、前記一実施の形態によるメモリ素子１００では、ゲートＧを通じてソースＳとドレインＤとの間の電流フローを制御したとすれば、メモリ素子２００では、ベースＢを通じてエミッタＥとコレクタＣとの間の電流の流れを制御できるという点で相違がある。
【００４２】
したがって、メモリ素子２００は、一の抵抗ノード２１０を選択して、抵抗ノード２１０をセット状態またはリセット状態に変化させることができる。すなわち、論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存することができる。すなわち、抵抗ノード２１０を通じて論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存することができる。また、図１０に示したように、二つの抵抗ノード２１０の間に、抵抗ノード２１０より低い抵抗を有する金属プラグ２２０を介在して、低い印加電圧で抵抗ノード２１０をブロック単位で消去できる。
【００４３】
本発明は、図面に示された実施の形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できる。したがって、本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載によって決められなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、半導体メモリ素子関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来の抵抗メモリ素子についての電子ビーム誘導電流によるイメージ及びそれに相応する電流−電圧特性を示す写真及びグラフである。
【図２】図１の抵抗メモリ素子のフィラメント形状を示す断面図である。
【図３】従来のＮＡＮＤ構造の抵抗メモリ素子のブロック消去動作時の問題点を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子を示す回路図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係るメモリ素子を示す回路図である。
【図６】図４のメモリ素子の例示的な構造を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子のスイッチ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子の抵抗ノードの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図９】図６のメモリ素子の動作を説明するための断面図である。
【図１０】図９のメモリ素子の抵抗ノードに対するブロック消去動作を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ メモリ素子
１１０ 抵抗ノード
１２０ 金属プラグ
１３０ スイッチ素子
１４０ 制御素子
ＢＬ ビットライン
ＷＬ ワードライン
Ｓ ソース
Ｄ ドレイン
Ｇ ゲート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体メモリ素子に係り、特に、抵抗ノードを備える不揮発性メモリ素子に関する。また、本発明は、抵抗メモリ素子または抵抗メモリ素子と他のメモリ素子とが結合された構造も含む。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性メモリ素子は、トランジスタのしきい電圧遷移を利用するものと、電荷移動を利用するものと、抵抗変化を利用するものとに大別される。しきい電圧遷移を利用するものとしては、浮遊ゲートをストレージノードとして利用するフラッシュメモリと、電荷トラップをストレージノードとして利用するＳＯＮＯＳメモリとがある。電荷移動を利用するものとしては、ナノクリスタルまたはポリマーの強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｍｄｏｎ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）がある。また、抵抗変化を利用するものとしては、磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ ＲＡＭ）、相転移メモリ（ＰＲＡＭ：Ｐｈａｓｅ−ｃｈａｎｇｅ ＲＡＭ）及び複合金属酸化膜を抵抗ノードとして利用する抵抗メモリ（ＲＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ＲＡＭ）がある。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、抵抗メモリで使われる抵抗ノードの特性が説明されている。非特許文献１は、抵抗ノードとして０．２ａｔ．％のＣｒがドーピングされたＳｒＺｒＯ３層を例として説明している。
【０００４】
図１を参照すれば、抵抗ノードの両端にスウィーピング電圧（ｓｗｅｅｐｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ：掃引電圧）を印加するにつれて、抵抗ノードの抵抗が変わるということが分かる。抵抗ノードは、図１（ａ）に示したように、初期に高抵抗（Ｒ＝６０６ｋΩ）状態を示し、図１（ｂ）に示したように、電圧が−８Ｖ以下に降下するにつれて低抵抗（Ｒ＝１０．５ｋΩ）状態に変化する。図面の左側の電子ビーム誘導電流（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＥＢＩＣ）の写真で、白色の点は、導電経路を表す。ＥＢＩＣ写真を参照すれば、抵抗ノードが高抵抗状態から低抵抗状態に変化するにつれて、導電経路となる白色の点がさらに大きくなるか、または新たに増大したということが分かる（矢印で表示された白色の点を参照）。すなわち、前述した非特許文献１の実験結果から、抵抗ノードを通じた電流量の変化、すなわち抵抗ノードの抵抗の変化時、導電経路は、抵抗ノードの全面に均一に形成されず、局部的に形成されるということが分かる。
【０００５】
図２は、二つの電極５０、６０の間に介在された抵抗ノード７０を通じた導電経路８０を図式化した図面である。図２を参照すれば、抵抗ノード７０を通じた導電経路８０は、前述した非特許文献１の実験結果から分かるように、局部的なフィラメント形状になる。しかし、図３を参照すれば、抵抗ノード７０が長く直列連結された場合、例えば、ＮＡＮＤ構造の場合、このようなフィラメント形状の導電経路８０は、抵抗ノード７０の長手方向に連続することができずに断切される。この場合、導電経路８０が断切された抵抗ノード領域Ｈは、高抵抗領域となる。この結果、全体抵抗ノード７０は、低抵抗状態に容易に変化することができないため、抵抗ノード７０が直列に連結されたＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造の抵抗メモリ素子を一度にブロック単位で動作させる場合に問題が発生する。
【非特許文献１】Ｃ．Ｒｏｓｓｅｌら，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｃｒｏｓｓ ａ ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−ｍｅｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｂｉｓｔａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．９０／６，２８９２（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記問題を解決するために成されたものであり、ブロック単位の動作が可能で、さらに、選択的に電荷保存ノードとハイブリッド結合が可能な直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、それぞれの前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、第１端子、第２端子及び前記第１端子と前記第２端子との間の電流フローを制御することができる第３端子を有する複数の制御素子と、一の前記制御素子の第１端子と他の前記制御素子の第２端子とを連結して、一の前記制御素子と他の前記制御素子とを直列的に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとのとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、前記制御素子の第３端子と連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードと、それぞれの前記電荷保存ノードに対応して備えられる複数のソース、ドレイン及び制御ゲートと、一の前記電荷保存ノードに対応するソースと他の前記電荷保存ノードに対応するドレインとを順次に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在され、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、それぞれの前記制御ゲートと連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記目的達成するための本発明に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子は、第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在されて前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、エミッタ、コレクタ、及びベースを備える複数のバイポーラトランジスタと、一の前記バイポーラトランジスタのエミッタと他の前記バイポールとトランジスタのコレクタとを連結して前記バイポーラトランジスタを直列に連結するビットラインと、前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、前記バイポーラトランジスタのベースと連結された複数のワードラインと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成される。
【００１１】
また、前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成される。さらに、前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯである。
【００１２】
また、前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるメモリ素子を利用すれば、従来のメモリ素子よりも低い消去電圧で抵抗ノードをブロック単位で一括的に消去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付した図面を参照して本発明の一実施の形態に係る直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子を詳細に説明する。なお、図面での構成要素は、その形状や寸法を誇張して示しているが、これは発明の内容の理解を容易にするためである。
【００１５】
図４を参照して、本実施形態に係るメモリ素子１００を説明する。
【００１６】
メモリ素子１００は、直列に連結された複数の抵抗ノード１１０、ビットラインＢＬとワードラインＷＬとに連結された制御素子１４０、及びビットラインＢＬと抵抗ノード１１０とを連結するスイッチ素子１３０及び金属プラグ１２０を備える。
【００１７】
具体的には、抵抗ノード１１０は、それぞれ両側に二つの端子Ｎ１，Ｎ２を有する。
【００１８】
金属プラグ１２０は、一の抵抗ノード１１０の第１端子Ｎ１が他の抵抗ノードの第２端子Ｎ２と連結されるように、二つの抵抗ノード１１０の間にそれぞれ介在されている。これにより、抵抗ノード１１０の間に金属プラグ１２０を介在して、一の抵抗ノード１１０と、他の抵抗ノード１１０とを直列的に連結する。金属プラグ１２０は、それぞれスイッチ素子１３０に連結され、制御素子１４０のソースＳ及びドレインＤは、それぞれスイッチ素子１３０に連結される。ビットラインＢＬは、スイッチ素子１３０及びソースＳに連結され、またドレインＤ及びスイッチ１３０に連結される。すなわち、ビットラインＢＬは、一の制御素子１４０のドレインＤと、当該一の制御素子に隣接する他の制御素子１４０のソースＳとを連結する。ワードラインＷＬは、制御素子１４０のゲートＧにそれぞれ連結されている。
【００１９】
したがって、ビットラインＢＬから始まってスイッチ素子１３０、金属プラグ１２０、抵抗ノード１１０、金属プラグ１２０及びスイッチ素子１３０を経て、再びビットラインＢＬに戻る第１回路が形成される。また、ビットラインＢＬから始まってソースＳ及びドレインＤを経て、再びビットラインＢＬに戻る第２回路が形成される。ここで、スイッチ素子１３０及びゲートＧは、後述するように、前記第１回路及び前記第２回路を、選択または制御する機能を有する。
【００２０】
メモリ素子１００において、一の抵抗ノード１１０及びそれに対応する一の制御素子１４０、抵抗ノード１１０と制御素子１４０とを連結するスイッチ素子１３０及び金属プラグ１２０は、一つの単位セルを形成する。すなわち、メモリ素子１００は、前記単位セルが直列に連結された構造、例えば、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造を有する。たとえ、図面には一つのビットラインＢＬのみが示されているとしても、このようなビットラインＢＬが複数個配列されていても良い。
【００２１】
さらに具体的には、制御素子１４０は、それぞれの抵抗ノード１１０に対応して備えられ、第１端子（ソースＳ）、第２端子（ドレインＤ）、及び前記第１端子（ソースＳ）と前記第２端子（ドレインＤ）との間の電流フローを制御することができる第３端子（ゲートＧ）を有する。制御素子１４０は、例えば、ソースＳ、ドレインＤ、及びゲートＧ端子を有するＭＯＳトランジスタであることができる。ＭＯＳトランジスタ１４０は、ゲートＧに印加される電圧を調節して、ソースＳとドレインＤとの間に導電通路であるチャンネル（図示せず）を形成することができる。前記チャンネルが形成された場合、ＭＯＳトランジスタ１４０のソースＳ及びドレインＤは、電気的に連結される。ＭＯＳトランジスタ１４０は、ｎ型チャンネルを有するＮＭＯＳまたはｐ型チャンネルを有するＰＭＯＳであることができる。
【００２２】
また、制御素子１４０は、電荷保存ノード（図６の参照番号１５５）を有するフラッシュメモリまたはＳＯＮＯＳメモリの単位セルであることができる。フラッシュメモリは、浮遊ゲート、例えば、ポリシリコン層を電荷保存ノードとして利用し、ＳＯＮＯＳメモリは、電荷トラップ層、例えばシリコン窒化膜層を電荷保存ノードとして利用することができる。この場合、メモリ素子１００は、抵抗ノード１１０及び電荷保存ノード（図６の参照番号１５５）の異なる２つの形態のストレージノードをハイブリッド結合した構造を有する。これについては、図９でさらに詳細に説明する。
【００２３】
図６を参照して、図４のメモリ素子１００の一つの例示的な構造１００ａを説明する。図４の制御素子１４０は、電荷保存ノード１５５を備えるフラッシュメモリまたはＳＯＮＯＳメモリの単位セルを例示的に示している。図４の制御素子１４０は、半導体基板１０５に形成されたソースＳ及びドレインＤ、半導体基板１０５上の第１絶縁膜１５０、電荷保存ノード１５５、第２絶縁膜１６０、及び制御ゲート電極１６５を備える。制御素子１４０については、当業者が容易に理解することができるので、詳細な説明は省略する。
【００２４】
スイッチ素子１３０は、ソースＳ及びドレインＤの上部に形成され、スペーサ絶縁膜１７５によって電荷保存ノード１５５及び制御ゲート電極１６５と絶縁されている。抵抗ノード１１０は、制御ゲート電極１６５上の第３絶縁膜１７０上に形成され、金属プラグ１２０は、スイッチ素子１３０上に形成される。金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０とスイッチ素子１３０とを連結しており、また、抵抗ノード１１０の間を連結している。これにより、抵抗ノード１１０は、直列に連結される。金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０より抵抗の低い金属、例えば、Ｗ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｕ、またはＣｏから形成することができる。メモリ素子の構造１００ａは、抵抗ノード１１０及び制御素子１４０のＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造であることができる。
【００２５】
図７を参照して、スイッチ素子１３０についてさらに詳細に説明する。スイッチ素子１３０の両端に印加された電圧が絶対値を基準として臨界電圧（すなわち、−Ｖｔｈ〜Ｖｔｈ）以下である場合には、スイッチ素子１３０を通じて電流がほとんど流れない。しかし、印加電圧が絶対値を基準として臨界電圧より大きくなれば（−Ｖｔｈ以下であるか、またはＶｔｈ以上である場合）電流が急激に増加する。すなわち、スイッチ素子１３０は、整流ダイオードとして利用することができる。したがって、スイッチ素子１３０は、ビットラインＢＬから抵抗ノード１１０へ流れる電流を制御する役割を行うことができる。スイッチ素子１３０は、遷移金属酸化膜（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ：ＴＭＯ）、例えば、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯから形成することができる。
【００２６】
以下、抵抗ノード１１０についてさらに詳細に説明する。抵抗ノード１１０は、印加される電圧によって抵抗が変わる抵抗状態変化保存物質であることができる。例えば、抵抗ノード１１０は、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２またはＨｆＯから形成されることができる。
【００２７】
図８を参照すれば、抵抗ノード１１０に初期電圧が印加されれば（経路１０）、ある臨界電圧、例えばＮｉＯの場合、４．５Ｖまでは電流がほとんど流れない。すなわち、抵抗ノード１１０は、高い抵抗値を示す（リセット状態）。しかし、抵抗ノード１１０の間に印加された電圧が臨界電圧を超えれば、電流が急激に増加する。一旦、抵抗ノード１１０の間に臨界電圧以上の電圧が加えられた後、再び０から電圧を印加すれば（経路２０）、高い電流が流れる。すなわち、抵抗ノード１１０は、低い抵抗値を示す（セット状態）。しかし、再びリセット電圧以上に電圧が上昇すれば、電流は急激に減少する（経路３０）。すなわち、抵抗ノード１１０の抵抗が再びリセット状態の高い抵抗値に還元される。以後、電圧を上昇させ続ければ（経路４０）、初期リセット状態と同じ経路を示す。
【００２８】
すなわち、抵抗ノード１１０は、臨界電圧またはリセット電圧を境界として比抵抗が変わり、このような抵抗の変化は、印加電圧がなくなった後にも一定範囲の電圧領域内では維持される。したがって、抵抗ノード１１０は、不揮発性メモリ素子のストレージノードとして利用することができる。
【００２９】
図９を参照して、電荷保存ノード１５５と抵抗ノード１１０とを同時に有するメモリ素子１００の動作をさらに詳細に説明する。直列連結構造、例えば、ＮＡＮＤ構造において、一の抵抗ノード１１０、例えば左側で三番目の抵抗ノード１１０を選択するためには、三番目の抵抗ノード１１０と連結されたスイッチ素子１３０をターンオンさせねばならない。したがって、三番目の抵抗ノード１１０と対応する三番目の制御素子１４０はターンオフさせ、その他の制御素子１４０、例えば一番目、二番目、四番目の制御素子１４０は、何れもターンオンさせる。これにより、ビットラインＢＬを通じて流入された電子または電流が、ソースＳと三番目の抵抗ノード１１０及びドレインＤを連結する回路Ｃ２を通じて流れる。
【００３０】
このとき、抵抗ノード１１０に印加される電圧を調節して、図８で説明したように、抵抗ノード１１０をセット状態またはリセット状態にすることができる。すなわち、抵抗ノード１１０を利用して論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存できる。一方、抵抗ノード１１０とスイッチ素子１３０とを低抵抗の金属プラグ１２０に連結することにより、抵抗ノード１１０に対するセット状態またはリセット状態に必要な動作電圧を降下させることができる。しかも、抵抗ノード１１０の長さを金属プラグ１２０の長さに短縮させることによって、抵抗ノード１１０内で導電通路として形成されるフィラメント（図１０の参照番号１８０）の開放を防止することもできる。
【００３１】
もし、電荷保存ノード１５５を通じてデータビットを保存するためには、ビットラインＢＬを通じて流入された電子または電流がソースＳとドレインＤとを連結する回路Ｃ１を通じて流れるようにすれば良い。そのためには、選択された三番目の制御素子１４０の制御ゲート１６５に動作電圧、例えばプログラム電圧を印加する。前記プログラム電圧は、制御素子１４０のしきい電圧より高いため、三番目の制御素子１４０はターンオンされる。
【００３２】
抵抗ノード１１０の消去動作は、直列構造、例えばＮＡＮＤまたはＡＮＤ構造のブロック単位で行える。すなわち、制御素子１４０をいずれもターンオフさせ、ビットラインＢＬに抵抗ノード１１０のブロックを消去させることができる電圧を印加する。例えば、一の抵抗ノード１１０の消去に０．５Ｖが必要ならば、３２個の抵抗ノード１１０が連結されたＮＡＮＤ構造を消去するためには、１６Ｖの電圧が必要である。
【００３３】
図１０は、４個の抵抗ノード１１０が直列に連結された構造に対するブロック消去動作が例示的に説明するためのものである。図１０を参照すれば、Ｃ．Ｒｏｓｓｅｌが実験的に示したように、抵抗ノード１１０を通じた電流の流れは、局部的なフィラメント１８０を通じてなされる。このとき、抵抗ノード１１０の間に介在された金属プラグ１２０は、抵抗ノード１１０の間のフィラメント１８０を連結する役割を行う。それと共に、金属プラグ１２０は、フィラメント１８０が生成される核生成場所を提供して、フィラメント１８０をさらに容易に生成させる。
【００３４】
すなわち、抵抗ノード１１０の間に抵抗ノード１１０より抵抗の低い金属プラグ１２０を介在して、低い印加電圧で抵抗ノード１１０をブロック単位で消去することができる。例えば、従来よりもブロック消去電圧を半分以上に降下させることができる。一旦、抵抗ノード１１０の半分ほどを低抵抗の金属プラグ１２０に代替することによって消去電圧を１次に降下させ、加えて、フィラメント１８０を開放させないことによって消去電圧をさらに２次に降下させることができる。
【００３５】
図５を参照して、本発明の他の実施形態に係るメモリ素子２００を説明する。メモリ素子２００は、直列に連結された複数の抵抗ノード２１０、ビットラインＢＬとワードラインＷＬとに連結されたバイポーラトランジスタ２４０、ビットラインＢＬと抵抗ノード２１０とを連結するスイッチ素子２３０及び金属プラグ２２０を備える。
【００３６】
具体的には、抵抗ノード２１０は、それぞれ両側に二つの端子Ｎ１，Ｎ２を有し、金属プラグ２２０は、一の抵抗ノード２１０の第１端子Ｎ１が他の抵抗ノードの第２端子Ｎ２と連結されるように、二つの抵抗ノード２１０の間にそれぞれ介在されている。これにより、金属プラグ２２０を介在して一の抵抗ノード２１０と他の抵抗ノード２１０とを直列的に連結する。
【００３７】
金属プラグ２２０は、それぞれスイッチ素子２３０に連結され、バイポーラトランジスタ２４０のエミッタＥ及びコレクタＣは、それぞれスイッチ素子２３０に連結する。
【００３８】
ビットラインＢＬは、スイッチ素子２３０とエミッタＥとに連結され、またコレクタＣ及びスイッチ２３０に連結される。すなわち、ビットラインＢＬは、一のバイポーラトランジスタ２４０のエミッタＥと当該一のバイポーラトランジスタ２４０に隣接する他のバイポーラトランジスタ２４０のコレクタＣとを連結する。ワードラインＷＬは、バイポーラトランジスタ２４０のベースＢにそれぞれ連結されている。
【００３９】
したがって、ビットラインＢＬから始まってスイッチ素子２３０、金属プラグ２２０、抵抗ノード２１０、金属プラグ２２０及びスイッチ素子２３０を経て再びビットラインＢＬに戻る第１回路が形成される。また、ビットラインＢＬから始まってエミッタＥ、ベースＢ及びコレクタＣを経て再びビットラインＢＬに戻る第２回路が形成される。
【００４０】
メモリ素子２００において、一の抵抗ノード２１０及びそれに対応する一のバイポーラトランジスタ２４０、これら抵抗ノード２１０、バイポーラトランジスタ２４０を連結するスイッチ素子２３０及び金属プラグ２２０は、一つの単位セルを形成する。すなわち、メモリ素子２００は、前記単位セルが直列に連結された構造、例えばＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造を有する。たとえ、図面には一つのビットラインＢＬが示されているとしても、このようなビットラインＢＬが複数個配列されていても良い。
【００４１】
メモリ素子２００の抵抗ノード２１０、スイッチ素子２３０、及び金属プラグ２２０は、前記一実施の形態によるメモリ素子１００の説明部分を参照することができる。また、抵抗ノード２１０に対するメモリ動作についても、前記一実施の形態によるメモリ素子１００の説明部分を参照して、当業者が容易に実施することができる。但し、前記一実施の形態によるメモリ素子１００では、ゲートＧを通じてソースＳとドレインＤとの間の電流フローを制御したとすれば、メモリ素子２００では、ベースＢを通じてエミッタＥとコレクタＣとの間の電流の流れを制御できるという点で相違がある。
【００４２】
したがって、メモリ素子２００は、一の抵抗ノード２１０を選択して、抵抗ノード２１０をセット状態またはリセット状態に変化させることができる。すなわち、論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存することができる。すなわち、抵抗ノード２１０を通じて論理‘０’及び論理‘１’のデータビットを保存することができる。また、図１０に示したように、二つの抵抗ノード２１０の間に、抵抗ノード２１０より低い抵抗を有する金属プラグ２２０を介在して、低い印加電圧で抵抗ノード２１０をブロック単位で消去できる。
【００４３】
本発明は、図面に示された実施の形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できる。したがって、本発明の真の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載によって決められなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、半導体メモリ素子関連の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来の抵抗メモリ素子についての電子ビーム誘導電流によるイメージ及びそれに相応する電流−電圧特性を示す写真及びグラフである。
【図２】図１の抵抗メモリ素子のフィラメント形状を示す断面図である。
【図３】従来のＮＡＮＤ構造の抵抗メモリ素子のブロック消去動作時の問題点を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子を示す回路図である。
【図５】本発明の他の実施の形態に係るメモリ素子を示す回路図である。
【図６】図４のメモリ素子の例示的な構造を示す断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子のスイッチ素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施の形態に係るメモリ素子の抵抗ノードの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図９】図６のメモリ素子の動作を説明するための断面図である。
【図１０】図９のメモリ素子の抵抗ノードに対するブロック消去動作を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００ メモリ素子
１１０ 抵抗ノード
１２０ 金属プラグ
１３０ スイッチ素子
１４０ 制御素子
ＢＬ ビットライン
ＷＬ ワードライン
Ｓ ソース
Ｄ ドレイン
Ｇ ゲート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、それぞれの前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、第１端子、第２端子、及び前記第１端子と前記第２端子との間の電流フローを制御することができる第３端子を有する複数の制御素子と、
一の前記制御素子の第１端子と他の前記制御素子の第２端子とを連結して、一の前記制御素子と他の前記制御素子とを直列的に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
前記制御素子の第３端子と連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項２】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項３】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項４】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項３に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項５】
前記制御素子は、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項６】
前記第１端子はソースであり、前記第２端子はドレインであり、前記第３端子はゲートであることを特徴とする請求項５に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項７】
前記制御素子は、前記各抵抗ノードに対応して電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項８】
前記制御素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項９】
前記第１端子はエミッタであり、前記第２端子はコレクタであり、前記第３端子はベースであることを特徴とする請求項８に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１０】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１１】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードと、
それぞれの前記電荷保存ノードに対応して備えられる複数のソース、ドレイン、及び制御ゲートと、
一の前記電荷保存ノードに対応するソースと他の前記電荷保存ノードに対応するドレインとを順次に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在され、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
それぞれの前記制御ゲートと連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１２】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１３】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１４】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項１３に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１５】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１６】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在されて前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、エミッタ、コレクタ、及びベースを備える複数のバイポーラトランジスタと、
一の前記バイポーラトランジスタのエミッタと他の前記バイポーラトランジスタのコレクタとを連結して前記バイポーラトランジスタを直列に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
前記バイポーラトランジスタのベースと連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１７】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１８】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１９】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項１８に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項２０】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、それぞれの前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、第１端子、第２端子、及び前記第１端子と前記第２端子との間の電流フローを制御することができる第３端子を有する複数の制御素子と、
一の前記制御素子の第１端子と他の前記制御素子の第２端子とを連結して、一の前記制御素子と他の前記制御素子とを直列的に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
前記制御素子の第３端子と連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項２】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項３】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項４】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項３に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項５】
前記制御素子は、ＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項６】
前記第１端子はソースであり、前記第２端子はドレインであり、前記第３端子はゲートであることを特徴とする請求項５に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項７】
前記制御素子は、前記各抵抗ノードに対応して電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項８】
前記制御素子は、バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項９】
前記第１端子はエミッタであり、前記第２端子はコレクタであり、前記第３端子はベースであることを特徴とする請求項８に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１０】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１１】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在され、前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、電荷保存が可能な複数の電荷保存ノードと、
それぞれの前記電荷保存ノードに対応して備えられる複数のソース、ドレイン、及び制御ゲートと、
一の前記電荷保存ノードに対応するソースと他の前記電荷保存ノードに対応するドレインとを順次に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在され、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
それぞれの前記制御ゲートと連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１２】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１３】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１４】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項１３に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１５】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１１に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１６】
第１端子及び第２端子を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に印加される電圧によって可変抵抗特性を有する複数の抵抗ノードと、
一の前記抵抗ノードの第１端子と他の前記抵抗ノードの第２端子との間に介在されて前記抵抗ノードを直列に連結し、前記抵抗ノードより低い抵抗を有する複数の金属プラグと、
それぞれの前記抵抗ノードに対応して備えられ、エミッタ、コレクタ、及びベースを備える複数のバイポーラトランジスタと、
一の前記バイポーラトランジスタのエミッタと他の前記バイポーラトランジスタのコレクタとを連結して前記バイポーラトランジスタを直列に連結するビットラインと、
前記ビットラインと前記金属プラグとの間に介在されて、前記ビットラインと前記金属プラグとの間の電流フローを開閉することができる複数のスイッチ素子と、
前記バイポーラトランジスタのベースと連結された複数のワードラインと、
を備えることを特徴とする直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１７】
前記抵抗ノードは、Ｎｂ２Ｏ５、ＣｒでドーピングされたＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯｘ、ＧＳＴ（ＧｅＳｂｘＴｅｙ）、ＮｉＯ、ＴｉＯ２、またはＨｆＯから形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１８】
前記スイッチ素子は、臨界電圧以上が印加された場合にのみ導電性を表す遷移金属酸化膜から形成されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項１９】
前記遷移金属酸化膜は、Ｖ２Ｏ５またはＴｉＯであることを特徴とする請求項１８に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【請求項２０】
前記抵抗ノードは、ＮＡＮＤ構造またはＡＮＤ構造で連結されたことを特徴とする請求項１６に記載の直列連結構造の抵抗ノードを有するメモリ素子。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【公開番号】特開２００６−２９５１５７（Ｐ２００６−２９５１５７Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８７７６８（Ｐ２００６−８７７６８）
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＦＲＡＭ
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＦＲＡＭ
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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