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JP2006351779A - Memory cell and storage device - Google Patents

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JP2006351779A
JP2006351779A JP2005175247A JP2005175247A JP2006351779A JP 2006351779 A JP2006351779 A JP 2006351779A JP 2005175247 A JP2005175247 A JP 2005175247A JP 2005175247 A JP2005175247 A JP 2005175247A JP 2006351779 A JP2006351779 A JP 2006351779A
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JP
Japan
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resistance element
mos transistor
memory cell
memory
variable resistance
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Application number
JP2005175247A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobumichi Okazaki
信道 岡崎
Tomohito Tsushima
朋人 対馬
Hideo Yatsuno
英生 八野
Wataru Otsuka
渉 大塚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】 電気抵抗の状態により情報を記憶・保持する記憶素子を用いた場合に、書込みと消去の処理が簡単にできるようにする。
【解決手段】 可変抵抗素子1と、可変抵抗素子1の両端に印加する電圧を制御するスイッチング素子としてのMOSトランジスタ2と、可変抵抗素子1とMOSトランジスタ2との間(又はMOSトランジスタ2のドレイン側)に直列に接続された、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子6とを備えるメモリセルとして構成した。また、このメモリセルを備えた記憶装置として構成した。かかる構成としたことで、書込み時と読出し時とで、MOSトランジスタのゲートに印加する電圧を等しくすることができる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To easily perform writing and erasing processing when a memory element that stores and holds information according to the state of electric resistance is used.
SOLUTION: A variable resistance element 1, a MOS transistor 2 as a switching element for controlling a voltage applied to both ends of the variable resistance element 1, and between the variable resistance element 1 and the MOS transistor 2 (or a drain of the MOS transistor 2) And a resistive element 6 having a non-linear current-voltage characteristic connected in series. In addition, the memory device including the memory cell is configured. With this configuration, the voltage applied to the gate of the MOS transistor can be equalized during writing and reading.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電気抵抗の状態により情報を記憶・保持する記憶素子を用いたメモリセル、及びそのメモリセルで構成された記憶装置に関する。   The present invention relates to a memory cell using a memory element that stores and holds information according to an electrical resistance state, and a memory device including the memory cell.

コンピュータ等の情報機器においては、ランダム・アクセス・メモリとして、動作が高速で、高密度のDRAMが広く使用されている。しかし、DRAMは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。   In information equipment such as a computer, a high-speed and high-density DRAM is widely used as a random access memory. However, since DRAM is a volatile memory in which information disappears when the power is turned off, a nonvolatile memory in which information does not disappear is desired.

将来有望とされている不揮発性メモリとして、FeRAM(強誘電体メモリ)、MRAM(磁気メモリ)、相変化メモリ、PMC(Programmable Metallization Cell)やRRAM等の抵抗変化型メモリが提案されている。これらのメモリの場合、電源を供給しなくても書き込んだ情報を長時間保持し続けることが可能になる。また、これらのメモリの場合、不揮発性とすることにより、リフレッシュ動作を不要にして、その分消費電力を低減することができると考えられる。   As nonvolatile memories that are expected to be promising in the future, resistance change memories such as FeRAM (ferroelectric memory), MRAM (magnetic memory), phase change memory, PMC (Programmable Metallization Cell), and RRAM have been proposed. In the case of these memories, it is possible to keep the written information for a long time without supplying power. In addition, in the case of these memories, it is considered that by making them non-volatile, the refresh operation is unnecessary and the power consumption can be reduced accordingly.

しかし、FeRAMは、現状では、非破壊読み出しを行うことが難しく、破壊読み出しになるために読み出し速度が遅い。また、読み出し或いは記録による分極反転の回数に制限があるため、書き換え可能な回数に限界がある。   However, at present, FeRAM is difficult to perform non-destructive reading, and reading speed is slow because destructive reading is performed. In addition, since the number of polarization inversions by reading or recording is limited, there is a limit to the number of rewrites.

MRAMは、記録に磁界を必要とするため、配線に流す電流により磁界を発生させている。このため、記録を行う際に大きい電流量が必要となる。   Since the MRAM requires a magnetic field for recording, the magnetic field is generated by a current flowing through the wiring. For this reason, a large amount of current is required for recording.

相変化メモリは、同一極性かつ異なる大きさの電圧パルスを印加することによって、記録を行うメモリである。この相変化メモリは、温度によってスイッチングを起こすため、環境温度の変化に敏感であるという課題を有している。   The phase change memory is a memory that performs recording by applying voltage pulses of the same polarity and different magnitudes. This phase change memory has a problem that it is sensitive to a change in environmental temperature because switching occurs depending on the temperature.

PMCやRRAM等の抵抗変化型の不揮発性メモリでは、電圧や電流を印加することにより抵抗値が変化する特性を有する材料を、情報を記憶・保持させる記憶層に用いている。特許文献1には、抵抗値で情報を記憶・保持させる構成についての開示がある。   In a resistance change type nonvolatile memory such as PMC or RRAM, a material having a characteristic in which a resistance value is changed by applying a voltage or a current is used for a storage layer for storing and holding information. Patent Document 1 discloses a configuration for storing and holding information with resistance values.

図9には、従来から提案されている抵抗変化型メモリ素子のメモリセル構成例を示した図である。この例では、可変抵抗素子としての記憶素子1の一端が、スイッチング素子としてのMOSトランジスタ2のソースに接続してあり、そのMOSトランジスタ2のゲートがワード線3に接続させてある。記憶素子1の他端は、ソース線4に接続してある。また、MOSトランジスタ2のドレインが、ビット線5に接続させてある。この図9に示すメモリセルが、縦横にマトリクス状に多数配列されて、記憶装置が構成される。   FIG. 9 is a diagram showing a memory cell configuration example of a resistance change type memory element that has been conventionally proposed. In this example, one end of the memory element 1 as a variable resistance element is connected to the source of a MOS transistor 2 as a switching element, and the gate of the MOS transistor 2 is connected to the word line 3. The other end of the storage element 1 is connected to the source line 4. The drain of the MOS transistor 2 is connected to the bit line 5. A large number of memory cells shown in FIG. 9 are arranged in a matrix in the vertical and horizontal directions to constitute a memory device.

図10は、図9に示したメモリセルへの書込み、消去、読出しを行う際のタイミングチャートを示したものである。ここでのメモリセルへの書込みは、記憶素子1にデータ“1”を書き込ませることであり、消去は、記憶素子1にデータ“0”を書き込ませることである。これらの書込み、消去、読出しは、メモリセルの周辺に接続された回路により制御されて実行される。   FIG. 10 shows a timing chart when writing, erasing, and reading to the memory cell shown in FIG. Here, writing to the memory cell means that data “1” is written to the memory element 1, and erasing means that data “0” is written to the memory element 1. These writing, erasing and reading are executed under the control of a circuit connected to the periphery of the memory cell.

図10(a)に示すクロックに同期して、書込みサイクル、消去サイクル、読出しサイクルが順に設定されるようにしてあり、図10(c)に示す書込みイネーブル信号(WE信号)に同期したタイミングで書込み又は消去が行われる。まず書込みサイクルでは、図10(b)に示すアドレス入力で指定されたアドレスのセルに対して、図10(d)で入力したデータ“1”に対応して、所定のワード線(図10(f))とビット線(図10(g))に対して、書込み用の電圧を印加させる。   A write cycle, an erase cycle, and a read cycle are set in order in synchronization with the clock shown in FIG. 10A, and at a timing synchronized with the write enable signal (WE signal) shown in FIG. Writing or erasing is performed. First, in the write cycle, a predetermined word line (FIG. 10 (b)) corresponding to the data “1” input in FIG. 10 (d) is applied to the cell at the address specified by the address input shown in FIG. 10 (b). f)) and a bit line (FIG. 10G) are applied with a write voltage.

消去サイクルでは、図10(b)に示すアドレス入力で指定されたアドレスのセルに対して、図10(d)で入力したデータ“0”に対応して、所定のワード線(図10(f))とビット線(図10(g))に対して、消去用の電圧を印加させる。ワード線とビット線に印加する電圧は、書込み時と消去時とで異なる。図10(f)のワード線波形と、図10(g)のビット線波形の高さが、書込みと消去とで異なっているのは、この電圧の違いを示している。例えば、ワード線電圧として、書込み時には1.5Vを印加し、消去時には2.5Vを印加する。電圧が異なる理由については後述する。   In the erase cycle, a predetermined word line (FIG. 10 (f)) corresponding to the data “0” input in FIG. 10 (d) is applied to the cell at the address specified by the address input shown in FIG. 10 (b). )) And a bit line (FIG. 10G) are applied with an erasing voltage. The voltage applied to the word line and the bit line differs between writing and erasing. The difference in the voltage between the word line waveform in FIG. 10 (f) and the bit line waveform in FIG. 10 (g) between writing and erasing indicates this voltage difference. For example, as the word line voltage, 1.5 V is applied during writing and 2.5 V is applied during erasing. The reason why the voltages are different will be described later.

読出しサイクルでは、図10(b)に示すアドレス入力で指定されたアドレスのセルに対して、図10(e)に示すプリチャージ入力を行うと共に、図10(f)に示すようにワード線にも電位を印加し、図10(h)に示すようにセンスアンプ出力を得て、その出力に基づいて、図10(i)に示すデータ出力を得る。
特表2002−536840号公報
In the read cycle, the precharge input shown in FIG. 10 (e) is applied to the cell at the address specified by the address input shown in FIG. 10 (b), and the word line is applied as shown in FIG. Also, a potential is applied to obtain a sense amplifier output as shown in FIG. 10 (h), and a data output shown in FIG. 10 (i) is obtained based on the output.
Special Table 2002-536840 Publication

図10に示したように、書込みと消去とを別々のタイミングで行うようにしたのは、図9に示すメモリセル構成で、記憶素子1に書込みと消去を行う場合に、メモリセルに用いる記憶素子の材料特性に起因して、書込み動作と消去動作とで、ワード線電位を別々に設定しなければならなかったためである。   As shown in FIG. 10, the writing and erasing are performed at different timings in the memory cell configuration shown in FIG. 9 when the memory element 1 is programmed and erased. This is because the word line potential has to be set separately for the write operation and the erase operation due to the material characteristics of the element.

このように書込み動作と消去動作とでワード線電位を変える必要があると、多ビット構成のメモリでは必ず必要になる、同一ワード線上に配置された複数のメモリセルに同時に書込みと消去とを行うことが不可能であった。   When it is necessary to change the word line potential between the writing operation and the erasing operation in this way, writing and erasing are simultaneously performed on a plurality of memory cells arranged on the same word line, which is necessary in a multi-bit memory. It was impossible.

ここで、書込み動作と消去動作とでワード線電位を変える必要性について説明すると、この種のメモリセルでは、書込み後の記憶素子の抵抗値は直列に接続された素子の抵抗値(例えば図9の例ではスイッチング用MOSトランジスタ2のオン抵抗値)によって決定される。この場合、直列接続抵抗値が高いと記憶素子の書込み後の抵抗値も高く、直列接続抵抗値が低いと記憶素子の書込み後の抵抗値も低く設定される。従って、書込み後の抵抗値を高く設定するためには、MOSトランジスタのゲート電圧となるワード線電位を低く、書込み後の抵抗値を低く設定するためには、ワード線電位を高く設定する必要がある。   Here, the necessity of changing the word line potential between the write operation and the erase operation will be described. In this type of memory cell, the resistance value of the memory element after writing is the resistance value of elements connected in series (for example, FIG. 9). In this example, the ON resistance value of the switching MOS transistor 2 is determined. In this case, when the series connection resistance value is high, the resistance value after writing of the memory element is also high, and when the series connection resistance value is low, the resistance value after writing of the memory element is also set low. Therefore, in order to set the resistance value after writing high, the word line potential as the gate voltage of the MOS transistor needs to be set low, and in order to set the resistance value after writing low, it is necessary to set the word line potential high. is there.

一方、消去動作メカニズムは、記憶素子に流れる電流によるジュール熱で素子温度が上昇し、電気伝導機能の元となっている絶縁膜中のCu原子がイオン化し、電界によって絶縁膜中から外へ移動することにより記憶素子が高抵抗化される。この場合、記憶素子の両端に印加される電圧が高ければ高いほど、消去動作は高速にかつ安定して行われる。そのためには、書込み後の記憶素子の抵抗値を高く(例えば10kΩ〜20kΩ)し、消去時の直列に接続されたMOSトランジスタのオン抵抗値が低く、設定することが望ましい。   On the other hand, in the erase operation mechanism, the element temperature rises due to the Joule heat generated by the current flowing through the memory element, Cu atoms in the insulating film that is the source of the electric conduction function are ionized, and the electric field moves from the insulating film to the outside As a result, the resistance of the memory element is increased. In this case, the higher the voltage applied across the storage element, the faster and more stably the erase operation is performed. For this purpose, it is desirable to set the resistance value of the memory element after writing high (for example, 10 kΩ to 20 kΩ), and the ON resistance value of the MOS transistors connected in series at the time of erasing is low.

このように、書込み、消去動作を高速かつ安定に行うためには、書込み動作時はMOSトランジスタのゲート電圧となるワード線電位を低く、一方消去動作時はワード線電位を高く設定することが必要である。   Thus, in order to perform writing and erasing operations at high speed and stably, it is necessary to set the word line potential as the gate voltage of the MOS transistor low during the writing operation, while setting the word line potential high during the erasing operation. It is.

ところで、多ビット構成のメモリを構成する場合、同一ワード線上に同時にアクセスする複数のメモリセルを配置することが、チップサイズを小さく、かつ優れた電気的性能(高速性、低消費電力性)を発揮させる上で重要である。ところが、従来のメモリセルを用いた場合、書込みと消去とでワード線電位を異なる値に設定する必要があるため、同一ワード線上に配置された複数のメモリセルに同時に書込みと消去とを行うことが不可能であり、書込みや消去を行う効率が悪い問題があった。また、ワード線電位を書込みタイミングと読出しタイミングとで変更させる必要があるので、ワード線に電位を印加する駆動部の電圧印加構成が複雑化する問題があった。   By the way, when a multi-bit memory is configured, disposing a plurality of memory cells that are accessed simultaneously on the same word line reduces the chip size and provides excellent electrical performance (high speed and low power consumption). It is important to show it. However, when a conventional memory cell is used, it is necessary to set the word line potential to different values for writing and erasing, so that writing and erasing are simultaneously performed on a plurality of memory cells arranged on the same word line. However, there is a problem that writing and erasing are inefficient. In addition, since it is necessary to change the word line potential between the write timing and the read timing, there is a problem that the voltage application configuration of the drive unit that applies the potential to the word line becomes complicated.

本発明の目的は、電気抵抗の状態により情報を記憶・保持する記憶素子を用いた場合に、書込みと消去の処理が簡単にできるようにすることにある。   An object of the present invention is to make it easy to perform writing and erasing when a storage element that stores and holds information according to the state of electrical resistance is used.

本発明は、可変抵抗素子と、可変抵抗素子の両端に印加する電圧を制御するスイッチング素子としてのMOSトランジスタと、可変抵抗素子とMOSトランジスタとの間に直列に接続された、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子とを備えるメモリセルとして構成したものである。また、このメモリセルを備えた記憶装置として構成したものである。   The present invention provides a variable resistance element, a MOS transistor as a switching element for controlling a voltage applied to both ends of the variable resistance element, and a nonlinear current-voltage characteristic connected in series between the variable resistance element and the MOS transistor. The memory cell includes a resistive element having the same. In addition, the memory device includes the memory cell.

かかる構成としたことで、書き込み時には、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子が持つ抵抗値が可変抵抗素子に直列に加わる。消去時には、非線形電流電圧特性で抵抗素子の抵抗値が低くなり、可変抵抗素子に抵抗素子がほぼ接続されていない状態とすることができる。その2状態の設定ができることで、書込み時と消去時とで、MOSトランジスタのゲートに印加する電圧を等しくすることができる。   With this configuration, at the time of writing, the resistance value of the resistance element having nonlinear current-voltage characteristics is added in series to the variable resistance element. At the time of erasing, the resistance value of the resistance element becomes low due to the non-linear current-voltage characteristics, and the resistance element is almost not connected to the variable resistance element. Since the two states can be set, the voltage applied to the gate of the MOS transistor can be equalized during writing and erasing.

本発明によると、書込み動作時と消去動作時で同一のワード線電位に設定することが可能となり、チップサイズが小さく、かつ優れた電気的性能(高速性、低消費電力性)を有する多ビット構成のメモリを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to set the same word line potential during a write operation and an erase operation, and a multi-bit having a small chip size and excellent electrical performance (high speed and low power consumption) A memory having a configuration can be realized.

以下、本発明の第1の実施の形態を、図1〜図5を参照して説明する。本例においては、電気抵抗の状態により情報を記憶・保持する抵抗変化型記憶素子を用いたメモリセルに適用したものである。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, the present invention is applied to a memory cell using a resistance change type storage element that stores and holds information according to the state of electrical resistance.

図1は、抵抗変化型メモリ素子のメモリセル構成例を示した図である。この例では、可変抵抗素子としての記憶素子1の一端が、ダイオード6を介してスイッチング素子としてのMOSトランジスタ2のソースに接続してあり、そのMOSトランジスタ2のゲートがワード線3に接続させてある。ダイオード6は、アノードをMOSトランジスタ2のソースに接続してあり、カソードを記憶素子1の一端に接続してある。記憶素子1の他端は、ソース線4に接続してある。また、MOSトランジスタ2のドレインが、ビット線5に接続させてある。   FIG. 1 is a diagram showing a memory cell configuration example of a resistance change type memory element. In this example, one end of the memory element 1 as a variable resistance element is connected to the source of a MOS transistor 2 as a switching element via a diode 6, and the gate of the MOS transistor 2 is connected to the word line 3. is there. The diode 6 has an anode connected to the source of the MOS transistor 2 and a cathode connected to one end of the memory element 1. The other end of the storage element 1 is connected to the source line 4. The drain of the MOS transistor 2 is connected to the bit line 5.

ダイオード6は、書込み抵抗制御用の素子として設けたもので、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子として機能するものである。ダイオード6は、メモリセル内に書込み時と消去時とで、即ち印加電圧の極性で抵抗値が変化する、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子として使用したものである。本例の場合には、ダイオード6として、P−N接合型ダイオードで構成させてあり、逆方向特性は抵抗性リーク成分を持つようにしてある。書込み動作時はこの抵抗値が記憶素子1に直列に加わる。他方、消去時にはダイオードは順方向バイアスになるため、記憶素子1に直列抵抗は加わらない構成となる。   The diode 6 is provided as an element for controlling the write resistance, and functions as a resistance element having nonlinear current-voltage characteristics. The diode 6 is used as a resistance element having a non-linear current-voltage characteristic in which the resistance value changes at the time of writing and erasing in the memory cell, that is, the polarity of the applied voltage. In the case of this example, the diode 6 is constituted by a PN junction type diode, and the reverse characteristic has a resistive leak component. During the write operation, this resistance value is added to the storage element 1 in series. On the other hand, at the time of erasing, the diode is forward-biased, so that no series resistance is added to the memory element 1.

図2は、図1に示した構成のメモリセルを、半導体デバイスとして構成させる場合の断面の例である。この例では、ダイオード6として、P−N接合型ダイオードを用いて実現する場合の例である。記憶素子1は、ソース線4と、配線材料11との間に配置してある。配線材料11は、金属,ポリシリコン,シリサイドなどから構成される。この配線材料11は、MOSトランジスタを構成するP型基板15上のソース領域(N+拡散層)14と接続されるが、その接続点には、N型シリコン層12及びP型シリコン層13を形成させてある。このN型シリコン層12とP型シリコン層13との接続部の界面がP−N接合になり非線形電流電圧特性(整流特性)を示すP−N接合型ダイオードが構成される。このダイオードが、図1でのダイオード6に相当する。N型シリコン層12及びP型シリコン層13の形成は、例えば選択エピタキシャル等の方法で行う。   FIG. 2 is an example of a cross section when the memory cell having the configuration shown in FIG. 1 is configured as a semiconductor device. In this example, the diode 6 is an example using a PN junction diode. The memory element 1 is disposed between the source line 4 and the wiring material 11. The wiring material 11 is made of metal, polysilicon, silicide, or the like. This wiring material 11 is connected to a source region (N + diffusion layer) 14 on a P-type substrate 15 constituting a MOS transistor, and an N-type silicon layer 12 and a P-type silicon layer 13 are formed at the connection point. I'm allowed. The interface at the connection portion between the N-type silicon layer 12 and the P-type silicon layer 13 becomes a PN junction, and a PN junction diode that exhibits nonlinear current-voltage characteristics (rectification characteristics) is formed. This diode corresponds to the diode 6 in FIG. The N-type silicon layer 12 and the P-type silicon layer 13 are formed by a method such as selective epitaxial, for example.

そして、MOSトランジスタを構成するP型基板15上のドレイン領域(N+拡散層)16は、配線材料17を介してビット線5と接続してあり、また、ワード線3が、ゲート接続されるように配置してある。   The drain region (N + diffusion layer) 16 on the P-type substrate 15 constituting the MOS transistor is connected to the bit line 5 through the wiring material 17, and the word line 3 is connected to the gate. It is arranged in.

なお、図2に示した配線構成の内で、P型シリコン層13とN+拡散層14との間もP−N接合になるが、こちらはP層,N層ともに高濃度不純物領域なので、整流特性は示さずオーミックな抵抗になる。   In the wiring configuration shown in FIG. 2, the P-type silicon layer 13 and the N + diffusion layer 14 also have a PN junction. Since both the P layer and the N layer are high-concentration impurity regions, rectification is performed. It shows ohmic resistance without showing any characteristics.

図3は、P−N接合型ダイオードの電流電圧特性例を示した図である。図3に示すように、非線形電流電圧特性を有する特性である。本例のダイオードは、電圧がマイナス方向の値である場合の特性である、逆方向特性は抵抗性リーク成分を持つようにし、電圧がプラス方向の値である場合の特性である、順方向バイアス時にはこのような抵抗性リーク成分を持たない。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of current-voltage characteristics of a PN junction diode. As shown in FIG. 3, it is a characteristic having a nonlinear current-voltage characteristic. The diode in this example is a characteristic when the voltage is a negative value. The reverse characteristic is a characteristic when the voltage is a positive value. Sometimes it does not have such a resistive leak component.

図4は、本例のメモリセルを縦横にマトリクス状に多数配列させて、記憶装置を構成させた例を示した図である。図1に示した記憶素子1、MOSトランジスタ2、ダイオード6で構成されるメモリセルは、縦横にマトリクス状に多数配列させてあり、それぞれのワード線3はワード線駆動部21に接続させてあり、ソース線22はソース線駆動部22に接続させてあり、ビット線5はビット線駆動部23に接続させてある。ワード線駆動部21内には、書込み、消去、読出しを行うワード線を選択するデコーダが用意されている。ビット線駆動部23内には、書込み、消去、読出しを行うビット線を選択するデコーダが用意されている。そして、ビット線駆動部23内のデコーダで選択されたビット線から読み出された信号を、読出し回路24に供給して、選択されたメモリセルの記憶素子の記憶情報を読み出す処理が行われる。   FIG. 4 is a diagram showing an example in which a memory device is configured by arranging a large number of memory cells of this example vertically and horizontally in a matrix. A large number of memory cells including the memory element 1, the MOS transistor 2, and the diode 6 shown in FIG. 1 are arranged in a matrix in the vertical and horizontal directions, and each word line 3 is connected to the word line driving unit 21. The source line 22 is connected to the source line driving unit 22, and the bit line 5 is connected to the bit line driving unit 23. In the word line driving unit 21, a decoder for selecting a word line for writing, erasing and reading is prepared. A decoder for selecting a bit line for writing, erasing and reading is prepared in the bit line driving unit 23. Then, a signal read from the bit line selected by the decoder in the bit line driving unit 23 is supplied to the read circuit 24, and the storage information of the storage element of the selected memory cell is read.

図5は、本例のメモリセルへの書込み、消去、読出しを行う際のタイミングチャートを示したものである。ここでのメモリセルへの書込みは、記憶素子1にデータ“1”を書き込ませることであり、消去は、記憶素子1にデータ“0”を書き込ませることである。   FIG. 5 shows a timing chart when writing, erasing, and reading to the memory cell of this example. Here, writing to the memory cell means that data “1” is written to the memory element 1, and erasing means that data “0” is written to the memory element 1.

図5(a)に示すクロックに同期して、書込み・消去サイクル、読出しサイクルが交互に設定されるようにしてあり、図5(c)に示す書込みイネーブル信号(WE信号)に同期したタイミングで、書込み・消去サイクル期間内に書込み又は消去が行われる。まず書込み・消去サイクルでは、図5(b)に示すアドレス入力で指定されたアドレスのセルに対して、図10(d)で入力したデータ“1”又は“0”に対応して、所定のワード線(図5(f))とビット線(図5(g))に対して、所定の電圧パルスを印加させる。ワード線に印加する電圧パルスとしては、例えば書込み・消去いずれの場合も2.5Vを印加する。ビット線に印加する電圧としては、データ“1”書き込み時には、プラス方向の電圧パルスを印加し、データ“0”書き込み(消去)時には、マイナス方向の電圧パルスを印加する。   The write / erase cycle and the read cycle are alternately set in synchronization with the clock shown in FIG. 5A, and at a timing synchronized with the write enable signal (WE signal) shown in FIG. Writing or erasing is performed within the write / erase cycle period. First, in the write / erase cycle, a predetermined number of cells corresponding to the data “1” or “0” input in FIG. 10D is assigned to the cell at the address specified by the address input shown in FIG. A predetermined voltage pulse is applied to the word line (FIG. 5 (f)) and the bit line (FIG. 5 (g)). As a voltage pulse to be applied to the word line, for example, 2.5 V is applied in both writing and erasing. As a voltage to be applied to the bit line, a positive voltage pulse is applied when data “1” is written, and a negative voltage pulse is applied when data “0” is written (erased).

読出しサイクルでは、図5(b)に示すアドレス入力で指定されたアドレスのセルに対して、図5(e)に示すプリチャージ入力を行うと共に、図5(f)に示すようにワード線にも電位を印加し、図5(h)に示すようにセンスアンプ出力を得て、その出力に基づいて、図5(i)に示すデータ出力を得る。   In the read cycle, the precharge input shown in FIG. 5 (e) is applied to the cell at the address specified by the address input shown in FIG. 5 (b), and the word line is applied as shown in FIG. 5 (f). Also, a potential is applied to obtain a sense amplifier output as shown in FIG. 5 (h), and a data output shown in FIG. 5 (i) is obtained based on the output.

このように本例の構成によると、メモリセルを構成するMOSトランジスタは単なるオン、オフを行うスイッチング機能のみの役割を果たし、記憶素子の書込み後の抵抗制御の役割は非線形特性抵抗素子が担うこととなる。従って、書込み動作時と消去動作時で同一のワード線電位に設定することが可能となり、チップサイズが小さく、かつ優れた電気的性能(高速性、低消費電力性)を有する多ビット構成のメモリを実現することができる。   As described above, according to the configuration of this example, the MOS transistor constituting the memory cell serves only as a switching function for turning on and off, and the role of resistance control after writing the memory element is played by the non-linear characteristic resistance element. It becomes. Therefore, it is possible to set the same word line potential during the write operation and the erase operation, the chip has a small chip size, and has an excellent electrical performance (high speed and low power consumption). Can be realized.

次に、本発明の第2の実施の形態を、図6〜図8を参照して説明する。本実施の形態においても、電気抵抗の状態により情報を記憶・保持する抵抗変化型記憶素子を用いたメモリセルに適用したものである。本例の場合には、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子としてのダイオードの接続位置を変更したものである。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is also applied to a memory cell using a resistance change type storage element that stores and holds information according to the state of electrical resistance. In the case of this example, the connection position of a diode as a resistance element having nonlinear current-voltage characteristics is changed.

即ち、図6に示すように、可変抵抗素子としての記憶素子1の一端が、スイッチング素子としてのMOSトランジスタ2のソースに接続してあり、そのMOSトランジスタ2のゲートがワード線3に接続させてある。また、MOSトランジスタ2のドレインが、ダイオード6を介してビット線5に接続させてある。ダイオード6は、アノードをビット線5に接続してあり、カソードをMOSトランジスタ2のドレインに接続してある。   That is, as shown in FIG. 6, one end of the memory element 1 as the variable resistance element is connected to the source of the MOS transistor 2 as the switching element, and the gate of the MOS transistor 2 is connected to the word line 3. is there. Further, the drain of the MOS transistor 2 is connected to the bit line 5 via the diode 6. The diode 6 has an anode connected to the bit line 5 and a cathode connected to the drain of the MOS transistor 2.

図7は、図6に示した構成のメモリセルを、半導体デバイスとして構成させる場合の断面の例である。この例では、ダイオード6として、P−N接合型ダイオードを用いて実現する場合の例である。記憶素子1は、ソース線4と、配線材料11との間に配置してある。この配線材料11は、MOSトランジスタを構成するP型基板15上のソース領域(N+拡散層)14と接続される。   FIG. 7 is an example of a cross section when the memory cell having the configuration shown in FIG. 6 is configured as a semiconductor device. In this example, the diode 6 is an example using a PN junction diode. The memory element 1 is disposed between the source line 4 and the wiring material 11. This wiring material 11 is connected to the source region (N + diffusion layer) 14 on the P-type substrate 15 constituting the MOS transistor.

そして、MOSトランジスタを構成するP型基板15上のドレイン領域(N+拡散層)16は、配線材料17を介してビット線5と接続してあるが、そのN+拡散層16との接合点の配線材料17に、P型シリコン層18を設けてある。このP型シリコン層18とN+拡散層16との界面がP−N接合になり非線形電流電圧特性(整流特性)を示すP−N接合型ダイオードが構成される。また、ワード線3が、ゲート接続されるように配置してある。   The drain region (N + diffusion layer) 16 on the P-type substrate 15 constituting the MOS transistor is connected to the bit line 5 through the wiring material 17, and the wiring at the junction point with the N + diffusion layer 16 is connected. A P-type silicon layer 18 is provided on the material 17. The interface between the P-type silicon layer 18 and the N + diffusion layer 16 becomes a PN junction, and a PN junction diode that exhibits nonlinear current-voltage characteristics (rectification characteristics) is formed. Further, the word line 3 is arranged to be gate-connected.

図8は、本例のメモリセルを縦横にマトリクス状に多数配列させて、記憶装置を構成させた例を示した図である。図8に示した記憶素子1、MOSトランジスタ2、ダイオード6で構成されるメモリセルは、縦横にマトリクス状に多数配列させてあり、それぞれのワード線3はワード線駆動部21に接続させてあり、ソース線22はソース線駆動部22に接続させてあり、ビット線5はビット線駆動部23に接続させてある。これらのメモリセルの周辺構成については、図4の例と同じであり、読出し回路24を備えて読み出す構成についても図4の構成と同一である。   FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which a memory device is configured by arranging a large number of memory cells of this example vertically and horizontally in a matrix. A large number of memory cells including the memory element 1, the MOS transistor 2, and the diode 6 shown in FIG. 8 are arranged in a matrix in the vertical and horizontal directions, and each word line 3 is connected to the word line driving unit 21. The source line 22 is connected to the source line driving unit 22, and the bit line 5 is connected to the bit line driving unit 23. The peripheral configuration of these memory cells is the same as that of the example of FIG. 4, and the configuration of reading with the readout circuit 24 is the same as that of FIG.

この第2の実施の形態による書込み、消去、読出し動作の原理については、既に説明した第1の実施の形態の動作原理と同じであり、同様の効果を有する。   The principle of the write, erase, and read operations according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment already described, and has the same effect.

なお、上述した第1及び第2の実施の形態では、P−N接合型ダイオードを用いて実現する場合の例を説明したが、本発明で言及する非線形特性抵抗素子はそれ以外にも金属とシリコンとのショットキー接合や遷移金属酸化膜、等他の手段、材料を用いて、同様の特性が得られる構成とする場合を含むことは言うまでもない。   In the first and second embodiments described above, an example in which a PN junction diode is used has been described. However, the nonlinear characteristic resistance element referred to in the present invention is not limited to metal. It goes without saying that the case where the same characteristics can be obtained by using other means and materials such as a Schottky junction with silicon and a transition metal oxide film is included.

また、各実施の形態で説明した図2、図7に示した断面構成では、可変抵抗素子で構成される記憶素子1の一端は、ソース線4に接続させてあるが、記憶素子1の一端を、複数のセルを共通に接続するセルプレート電極に接続する構成としてもよい。   2 and 7 described in each embodiment, one end of the memory element 1 formed of a variable resistance element is connected to the source line 4, but one end of the memory element 1 is connected. It is good also as a structure connected to the cell plate electrode which connects a some cell in common.

本発明の第1の実施の形態によるメモリセル構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施の形態によるメモリセルの断面の例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a cross section of a memory cell according to a first embodiment of the present invention. ダイオードの電流電圧特性例を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the example of the current voltage characteristic of a diode. 本発明の第1の実施の形態による記憶装置例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of a memory | storage device by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態による動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation example by the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態によるメモリセル構成例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態によるメモリセルの断面の例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a cross section of a memory cell according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施の形態による記憶装置例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the example of a memory | storage device by the 2nd Embodiment of this invention. 従来のメモリセルの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the conventional memory cell. 従来の動作例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the example of a conventional operation | movement.

符号の説明Explanation of symbols

1…記憶素子、2…MOSトランジスタ、3…ワード線、4…ソース線、5…ビット線、6…ダイオード、21…ワード線駆動部、22…ソース線駆動部、23…ビット線駆動部、24…読出し回路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Memory element, 2 ... MOS transistor, 3 ... Word line, 4 ... Source line, 5 ... Bit line, 6 ... Diode, 21 ... Word line drive part, 22 ... Source line drive part, 23 ... Bit line drive part, 24 ... Reading circuit

Claims (7)

可変抵抗素子と、
前記可変抵抗素子の両端に印加する電圧を制御するスイッチング素子としてのMOSトランジスタと、
前記可変抵抗素子と前記MOSトランジスタとの間に直列に接続された、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子とを備えることを特徴とする
メモリセル。
A variable resistance element;
A MOS transistor as a switching element for controlling a voltage applied to both ends of the variable resistance element;
A memory cell comprising: a resistance element having a nonlinear current-voltage characteristic connected in series between the variable resistance element and the MOS transistor.
請求項1記載のメモリセルにおいて、
前記非線形電流電圧特性を有する抵抗素子は、前記可変抵抗素子と前記MOSトランジスタとの間の代わりに、前記MOSトランジスタのドレイン側に接続したことを特徴とする
メモリセル。
The memory cell of claim 1, wherein
A memory cell, wherein the resistance element having the nonlinear current-voltage characteristic is connected to a drain side of the MOS transistor instead of between the variable resistance element and the MOS transistor.
請求項1記載のメモリセルにおいて、
前記非線形電流電圧特性を有する抵抗素子は、P−N接合型ダイオードで構成されることを特徴とする
メモリセル。
The memory cell of claim 1, wherein
The memory cell, wherein the resistance element having the nonlinear current-voltage characteristic is configured by a PN junction type diode.
可変抵抗素子と、
前記可変抵抗素子の両端に印加する電圧を制御するスイッチング素子としてのMOSトランジスタと、
前記可変抵抗素子と前記MOSトランジスタとの間に直列に接続された、非線形電流電圧特性を有する抵抗素子を備えることにより構成されるメモリセルをマトリクス状に配置してあり、
前記MOSトランジスタのゲートを共通に接続するワード線と、
前記MOSトランジスタのドレインを共通に接続するビット線と、
可変抵抗素子の一端を共通に接続するソース線とを備えていることを特徴とする
記憶装置。
A variable resistance element;
A MOS transistor as a switching element for controlling a voltage applied to both ends of the variable resistance element;
Memory cells configured by including a resistance element having a nonlinear current-voltage characteristic connected in series between the variable resistance element and the MOS transistor are arranged in a matrix,
A word line commonly connecting the gates of the MOS transistors;
A bit line commonly connecting the drains of the MOS transistors;
A storage device comprising: a source line commonly connecting one ends of the variable resistance elements.
請求項4記載の記憶装置において、
前記メモリセル内の非線形電流電圧特性を有する抵抗素子は、前記可変抵抗素子と前記MOSトランジスタとの間の代わりに、前記MOSトランジスタのドレイン側に接続し、
前記ワード線は、前記非線形電流電圧特性を有する抵抗素子を介して前記MOSトランジスタのドレインに接続したことを特徴とする
記憶装置。
The storage device according to claim 4.
A resistance element having a nonlinear current-voltage characteristic in the memory cell is connected to the drain side of the MOS transistor instead of between the variable resistance element and the MOS transistor,
The memory device according to claim 1, wherein the word line is connected to a drain of the MOS transistor through a resistance element having the nonlinear current-voltage characteristic.
請求項4記載の記憶装置において、
前記可変抵抗素子の一端を当該メモリセルアレイの上部で共通に接続するセルプレート電極を備えることを特徴とする
記憶装置。
The storage device according to claim 4.
A memory device comprising a cell plate electrode for commonly connecting one end of the variable resistance element in an upper part of the memory cell array.
請求項4記載の記憶装置において、
前記ワード線を選択するための第1のデコーダと、
前記ビット線を選択するための第2のデコーダと、
前記第2のデコーダで選択されたメモリセルの記憶情報を読み出すための読出し回路とを備えていることを特徴とする
記憶装置。
The storage device according to claim 4.
A first decoder for selecting the word line;
A second decoder for selecting the bit line;
A storage device comprising: a read circuit for reading storage information of a memory cell selected by the second decoder.
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