JP2011054645A - Non-volatile switch element, method of operating the non-volatile switch element, and circuit with the non-volatile switch element - Google Patents
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Abstract
【課題】高耐圧かつ不揮発のスイッチ素子を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するため本発明のスイッチ素子は、半導体基板中に作られたソース・ドレインと、前記半導体基板上に作られたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上に形成され前記電荷蓄積層が凹みに接触するイオン伝導層と、前記イオン伝導層の上に形成され前記イオン伝導層の凹みに接触する電荷注入層と、前記イオン伝導層の両脇に形成されたパス制御端子を有する。
【選択図】図2A high-breakdown-voltage non-volatile switch element is provided.
In order to solve the above problems, a switching element according to the present invention is formed on a source / drain formed in a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and the gate insulating film. A charge storage layer formed thereon, an ion conductive layer formed on the charge storage layer and in contact with the recess, and a charge injection formed on the ion conductive layer and in contact with the recess in the ion conductive layer And a path control terminal formed on both sides of the ion conductive layer.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は不揮発スイッチ素子に関し、特に論理回路と併用されるスイッチ素子に関する。 The present invention relates to a nonvolatile switch element, and more particularly to a switch element used in combination with a logic circuit.
近年、Field Programmable Gate Array (FPGA)に代表されるようなプログラマブルロジックが注目を集めている。FPGAにおいては、SRAMとパストランジスタを組み合わせたスイッチ素子がプログラマビリティを実現している。しかし、SRAMは揮発メモリなので、電源を切るとプログラム情報が消えてしまう。現在は、不揮発のメモリチップをFPGAとは別に1チップ用意し、電源投入のたびに回路データをFPGAに書き込むということが行われている。しかしながら、チップ枚数が増えることに起因する基板面積の増大や、電源投入後プログラム完了までに長時間かかるという問題があった。その問題を解消するためには、論理回路と併用される不揮発スイッチ素子が必要である。 In recent years, programmable logic such as Field Programmable Gate Array (FPGA) has attracted attention. In FPGA, the switch element that combines SRAM and pass transistor realizes programmability. However, because SRAM is a volatile memory, the program information is lost when the power is turned off. Currently, one nonvolatile memory chip is prepared separately from the FPGA, and circuit data is written to the FPGA each time the power is turned on. However, there are problems that the substrate area increases due to the increase in the number of chips and that it takes a long time to complete the program after the power is turned on. In order to solve the problem, a nonvolatile switch element used in combination with a logic circuit is necessary.
論理回路と併用される従来の不揮発のスイッチ素子として、特許文献1に開示された不揮発スイッチ素子が知られている。特許文献1に開示された不揮発スイッチ素子では、イオン伝導メモリを利用している。イオン伝導メモリとは、二つの電極金属とその間に挟まれたイオン伝導層から構成されるメモリである。電極間にある方向の電圧を印加すると、陰極からイオンが析出し、それが陽極へと繋がって、低抵抗状態となる。また逆バイアスを印加すると、析出金属が溶解し高抵抗状態となる。低抵抗状態をオン状態、高抵抗状態をオフ状態とすることで、不揮発スイッチ素子として利用することができる。
As a conventional nonvolatile switch element used in combination with a logic circuit, a nonvolatile switch element disclosed in
特許文献1では、2端子のイオン伝導メモリを利用したスイッチ素子の他に、3端子のイオン伝導スイッチ素子も開示されている。3端子のイオン伝導スイッチ素子は、制御端子1端子と、イオン析出端子2端子で構成されている。制御端子にある方向の電圧を加えると、イオン析出端子2端子から金属が析出する。析出金属の径が十分大きくなると、イオン析出端子同士が析出金属で結合され、イオン析出端子間の抵抗が小さくなる。また、逆バイアスを加えると金属が溶解し、イオン析出端子間の抵抗が大きくなる。低抵抗状態をオン状態、高抵抗状態をオフ状態とすることで、不揮発スイッチ素子として利用することができる。
イオン伝導メモリは、一般的にプログラミング電圧が低く、具体的には1V以下であることが知られている。そのため、特許文献1で開示されたようなスイッチ素子を論理回路と併用する場合、論理回路の駆動電圧である1Vを超える電圧が入力されると、イオン伝導メモリのプログラム状態が書き換わってしまう恐れがある。即ちプログラマブルロジックで不揮発スイッチ素子として使うためには、論理回路を駆動する電圧に対して、十分に高い耐圧を有していなければならない。
It is known that ion conduction memory generally has a low programming voltage, specifically, 1 V or less. Therefore, when the switch element disclosed in
上記課題を解決するために本発明のスイッチ素子は、半導体基板中に作られたソース・ドレインと、前記半導体基板上に作られたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上に形成され前記電荷蓄積層が凹みに接触しているイオン伝導層と、前記イオン伝導層の上に形成され前記イオン伝導層の凹みに接触している電荷注入層と、前記イオン伝導層に接触し前記電荷蓄積層及び前記電荷注入層と絶縁されたパス制御端子と、前記パス制御端子と対向する位置で前記イオン伝導層に接触し、前記電荷蓄積層及び前記電荷注入層と絶縁されたイオン供給端子を具備することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a switching element according to the present invention includes a source / drain formed in a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a charge formed on the gate insulating film. A storage layer; an ion conductive layer formed on the charge storage layer and in contact with the recess; and a charge formed on the ion conductive layer and in contact with the recess of the ion conductive layer. An injection layer, a path control terminal that is in contact with the ion conductive layer and insulated from the charge storage layer and the charge injection layer, and is in contact with the ion conductive layer at a position facing the path control terminal; And an ion supply terminal insulated from the charge injection layer.
本発明によれば、論理回路を駆動するための電圧に比べて十分高い耐圧を持つ、不揮発スイッチ素子を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a nonvolatile switch element having a sufficiently high breakdown voltage compared to a voltage for driving a logic circuit.
発明の実施の形態を説明する前に、本発明の基礎となるイオン伝導メモリについて説明する。図1(a)は、イオン伝導メモリの概略構造を示す断面図である。図中の10は上部電極、11はイオン伝導媒体、12は下部電極を示している。 Before describing the embodiments of the present invention, an ion conduction memory as a basis of the present invention will be described. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a schematic structure of an ion conduction memory. In the figure, 10 indicates an upper electrode, 11 indicates an ion conductive medium, and 12 indicates a lower electrode.
図1(a)のような素子構造で、上部電極10を陽極、下部電極12を陰極として電圧を印加すると、上部電極から下部電極へ金属イオンがイオン伝導し、陰極から金属が析出して、図1(b)に示すように伝導パスが形成される。また、上部電極を陰極、下部電極を陽極とした場合、金属イオンが逆にイオン伝導して、析出金属が溶解し、図1(a)の状態に戻る。図1(b)の時は、二つの電極は金属によって結合されているので低抵抗状態となり、図1(a)の時は、二つの電極間に絶縁膜であるイオン伝導層11が存在するため高抵抗状態となる。伝導パス形成に必要な電圧の絶対値をVSET、伝導パス消失に必要な電圧の絶対値をVRESETとする。
In the element structure as shown in FIG. 1A, when a voltage is applied using the
以下図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態について説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2に、本発明の第1の実施形態の断面図を示す。また、図3に第1の実施形態を上から見た図を示す。本発明は、トランジスタ部1とメモリ部2から構成される。トランジスタ部1は、半導体基板102中に作られたソース・ドレイン100nと、前記半導体基板上に作られたゲート絶縁膜101と、前記ゲート絶縁膜の上に形成された電荷蓄積層103から構成されている。またメモリ部2は、前記電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層の上に形成され前記電荷蓄積層が凹みに接触しているイオン伝導層104と、前記イオン伝導層の上に形成され前記イオン伝導層の凹みに接触する電荷注入層105と、前記イオン伝導層の脇に形成されたパス制御端子106と、前記イオン伝導層の脇かつ前記パス制御端子と反対側に形成されたイオン供給端子109から構成されている。各端子は、層間絶縁膜107n、スペーサ絶縁膜108nで絶縁されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the first embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a view of the first embodiment as viewed from above. The present invention includes a
ゲート絶縁膜101は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の単層膜、ハフニウムやアルミニウムを含む高誘電率酸化物(いわゆるhigh−k絶縁膜)、またそれらを積層した複合膜等の絶縁性材料により構成されることが望ましい。電荷蓄積層103は金属やポリシリコンから構成されることが望ましい。イオン伝導層104は、電解質材料やカルコゲナイド材料等から構成される。パス制御端子106はイオン供給端子よりもイオン化傾向の低い金属で構成される。また、電荷蓄積層103と電荷注入層105は絶縁されていることが望ましいため、電荷蓄積層の仕事関数の絶対値は、イオン伝導層の伝導帯下端と真空準位のエネルギー差の絶対値よりも大きいことが望ましい。このような条件を満たす電荷蓄積層とイオン伝導層の組み合わせとして、高濃度ドープしたポリシリコンと二酸化シリコンの組み合わせが知られている。
The
次に、本発明のメモリ部の動作を説明する。図4(a)に、イオン供給端子にVSETを、パス制御端子に0Vを印加した時の状態を示す。このとき、イオン供給端子とパス制御端子間に金属110が析出する。ここで、電荷蓄積層と電荷注入層はイオン伝導層に食い込んだ形状をしているため、析出金属が電荷蓄積層と電荷注入層を短絡する。電荷蓄積層と電荷注入層の間のイオン伝導層の膜厚は、析出金属110によって短絡される程度に薄い必要があり、具体的には数十ナノメートル程度であることが望ましい。
Next, the operation of the memory unit of the present invention will be described. FIG. 4A shows a state when V SET is applied to the ion supply terminal and 0 V is applied to the path control terminal. At this time, the
また、図4(b)に、イオン供給端子に0Vを、パス制御端子にVRESETを印加した時の状態を示す。このとき、析出金属は溶解し、電荷蓄積層と電荷注入層は絶縁状態となる。 FIG. 4B shows a state when 0 V is applied to the ion supply terminal and V RESET is applied to the path control terminal. At this time, the deposited metal is dissolved, and the charge storage layer and the charge injection layer are in an insulating state.
図4(a)、(b)に示したように、イオン高級端子とパス制御端子に印加する電圧を制御することで、電荷蓄積層と電荷注入層の間を、短絡状態と絶縁状態に切り替えることができる。 As shown in FIGS. 4A and 4B, the voltage applied to the high ion terminal and the path control terminal is controlled to switch between the charge storage layer and the charge injection layer between a short circuit state and an insulation state. be able to.
次に、本発明をスイッチ素子として利用する方法を述べる。本発明において、ソース・ドレイン間の伝導度は、電荷蓄積層に蓄えられた電荷によって制御できる。ここでは、トランジスタ部をnMOSFET型と仮定する。図5(a)に示すように電荷蓄積層に十分な量のホール111を蓄えた場合、半導体基板が反転状態となり、トランジスタ部のソース・ドレイン間がオン状態となる。一方、図5(b)に示すように電荷蓄積層から電荷を取り除いたり電子を蓄えたりした場合は、半導体基板が空乏状態または蓄積状態となるため、ソース・ドレイン間がオフ状態となる。以上のように、本発明は電荷蓄積層に蓄える電荷の状態によって、オン・オフを制御することができる。
Next, a method of using the present invention as a switch element will be described. In the present invention, the conductivity between the source and the drain can be controlled by the charge stored in the charge storage layer. Here, the transistor portion is assumed to be an nMOSFET type. As shown in FIG. 5A, when a sufficient amount of
トランジスタ部がpMOSFET型の場合、電荷蓄積層に電子を蓄えるとソース・ドレイン間がオン状態となり、電荷を取り除いたりホールを蓄えたりした場合は、ソース・ドレイン間がオフ状態となる。 In the case where the transistor portion is a pMOSFET type, when electrons are stored in the charge storage layer, the source and drain are turned on, and when charge is removed or holes are stored, the source and drain are turned off.
次に、本発明の不揮発スイッチ素子のオン・オフをプログラムする方法を述べる。図6は本発明の不揮発スイッチ素子のトランジスタ部がnMOSFETであった場合に、オン状態にプログラムする手順を説明する図である。まず図6(a)に示すように、イオン供給端子にVSET、パス制御端子に0Vを印加する。このようにすることで、イオン供給端子・パス制御端子間に金属が析出し、電荷蓄積層と電荷注入層の間が短絡される。次に図6(b)に示すように、イオン供給端子・パス制御端子を絶縁状態とし、電荷注入層にプログラム用の電圧Von(>0)を印加する。このようにすることで、電荷注入層から電荷蓄積層へホールが注入される。最後に図6(c)に示すように、イオン供給端子にVon、電荷注入層にVon、パス制御端子にVRESET+Vonを印加することで、電荷蓄積層にホールを保持したまま析出金属を溶解させ、電荷蓄積層と電荷注入層を絶縁することができる。 Next, a method for programming ON / OFF of the nonvolatile switch element of the present invention will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the procedure for programming the ON state when the transistor portion of the nonvolatile switch element of the present invention is an nMOSFET. First, as shown in FIG. 6A , V SET is applied to the ion supply terminal and 0 V is applied to the path control terminal. By doing so, metal is deposited between the ion supply terminal and the path control terminal, and the charge storage layer and the charge injection layer are short-circuited. Next, as shown in FIG. 6B, the ion supply terminal and the path control terminal are in an insulated state, and a programming voltage Von (> 0) is applied to the charge injection layer. By doing so, holes are injected from the charge injection layer to the charge storage layer. Finally, as shown in FIG. 6C, by applying Von to the ion supply terminal, Von to the charge injection layer, and V RESET + Von to the path control terminal, the deposited metal is retained while retaining the holes in the charge storage layer. By dissolving, the charge storage layer and the charge injection layer can be insulated.
図7は本発明の不揮発スイッチ素子のトランジスタ部がnMOSFETであった場合に、オフ状態にプログラムする手順を説明する図である。まず図7(a)に示すように、イオン供給端子にVSET、パス制御端子に0Vを印加する。このようにすることで、イオン供給端子・パス制御端子間に金属が析出し、電荷蓄積層と電荷注入層の間が短絡される。次に図7(b)に示すように、イオン供給端子・パス制御端子を絶縁状態とし、電荷注入層にプログラム用の電圧Voff(≦0)を印加する。このようにすることで、電荷注入層から電荷蓄積層へホールが注入される。最後に図7(c)に示すように、イオン供給端子にVoff-VRESET、電荷注入層にVoff、パス制御端子にVoffを印加する。このようにすることで、電荷蓄積層から電荷を取り除いた状態、または電子を蓄積した状態で析出金属を溶解させ、電荷蓄積層と電荷注入層を絶縁することができる。 FIG. 7 is a diagram for explaining a procedure for programming an OFF state when the transistor portion of the nonvolatile switch element of the present invention is an nMOSFET. First, as shown in FIG. 7A, V SET is applied to the ion supply terminal and 0 V is applied to the path control terminal. By doing so, metal is deposited between the ion supply terminal and the path control terminal, and the charge storage layer and the charge injection layer are short-circuited. Next, as shown in FIG. 7B, the ion supply terminal and the path control terminal are in an insulated state, and a programming voltage Voff (≦ 0) is applied to the charge injection layer. By doing so, holes are injected from the charge injection layer to the charge storage layer. Finally, as shown in FIG. 7C, Voff-V RESET is applied to the ion supply terminal, Voff is applied to the charge injection layer, and Voff is applied to the path control terminal. By doing so, the deposited metal can be dissolved in a state where charges are removed from the charge storage layer or in a state where electrons are stored, and the charge storage layer and the charge injection layer can be insulated.
次に、本発明をスイッチ素子として使用する第二の手法について述べる。図8(a)にイオン供給端子とパス制御端子間で金属を析出させた状態で電荷注入層にVGを印加した図を示す。このとき、トランジスタ部の実効的なゲート絶縁膜厚は、ゲート絶縁膜101の厚さである。図8(b)には、イオン供給端子とパス制御端子間で金属を溶解させた状態で電荷注入層にVGを印加した図を示す。このとき、電荷注入層と電荷蓄積層は絶縁されている。そのため、トランジスタ部の実効的なゲート絶縁膜厚は、ゲート絶縁膜101の厚さとイオン伝導層の厚さの和となる。トランジスタの閾値電圧は、実効的なゲート絶縁膜厚が厚いほど高い。即ち、図8(a)の状態は低閾値電圧であり、図8(b)の状態は高閾値電圧である。低閾値電圧をVth_low、高閾値電圧をVth_highとしたとき、Vth_low <VG<Vth_highを満たすようにVGやイオン伝導層の膜厚を設計することで、不揮発スイッチ動作を実現することができる。
Next, a second method using the present invention as a switching element will be described. Shows a diagram of applying the V G in the charge injection layer in a state in which a metal is deposited between ion supply terminals and path control terminal in Figure 8 (a). At this time, the effective gate insulating film thickness of the transistor portion is the thickness of the
本発明の不揮発スイッチ素子において、信号の伝播はトランジスタ部のソース・ドレイン間を介して行う。即ち、論理回路を駆動する高い電圧はメモリ部に印加されない。そのため、本発明を論理回路中で用いても、回路動作中にメモリ部に書き込んだ値が書き変わるという問題が起こりにくい。 In the nonvolatile switch element of the present invention, signal propagation is performed between the source and drain of the transistor portion. That is, a high voltage for driving the logic circuit is not applied to the memory unit. Therefore, even when the present invention is used in a logic circuit, a problem that a value written in a memory portion is rewritten during circuit operation hardly occurs.
図9は本発明の第2の実施形態を説明する図である。第2の実施形態では、メモリ部とトランジスタ部の接点がフィールド酸化膜上の電荷蓄積層200にある。このような形態を取ることで、トランジスタ部のゲート長を電荷蓄積層の最小加工寸法よりも短くすることができ、トランジスタ部の駆動電流を可及的に大きくすることができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the contact between the memory portion and the transistor portion is in the
図10は本発明の第3の実施形態を説明する図である。第1の実施形態においてはメモリ部はトランジスタ部の上に置かれていたが、第2の実施形態においてはメモリ部はトランジスタ部の横に置かれている。メモリ部は第1の実施形態に示すようにトランジスタ部の上の配線層に配置してもよいし、第2の実施形態のようにトランジスタ部の横に配置しても良い。 FIG. 10 is a diagram for explaining a third embodiment of the present invention. In the first embodiment, the memory section is placed on the transistor section. In the second embodiment, the memory section is placed beside the transistor section. The memory portion may be arranged in the wiring layer above the transistor portion as shown in the first embodiment, or may be arranged beside the transistor portion as in the second embodiment.
次に、本発明をチップ上で集積化したときの回路構成について述べる。図11にアレー状に並べた本発明とプログラム用の回路との結線の一具体例について示す。プログラム用の回路は、行デコーダ402、行ドライバ403、列デコーダ404、列ドライバ405、電荷注入層406ドライバから構成されている。また、本発明の不揮発スイッチは、イオン供給端子またはパス制御端子を下部行アドレス線409nに、パス制御端子またはイオン供給端子をプログラム用トランジスタ401のソースに、電荷注入層を電荷注入線410nに接続されている。また、プログラム用トランジスタ401のゲートは列アドレス線407nに、ドレインは上部行アドレス線408nに接続されている。図11において電荷注入層ドライバ406は列デコーダ404と結線が存在しないが、実際には列デコーダ404と接続される場合もある。
Next, a circuit configuration when the present invention is integrated on a chip will be described. FIG. 11 shows a specific example of the connection between the present invention and the program circuit arranged in an array. The circuit for programming includes a
図12示したのは、図11の回路のプログラム動作を説明する図である。列デコーダは一つの列アドレス線を選択し、列ドライバが選択された列アドレス線にプログラム用の電圧を印加する。また、行デコーダは一組の上部行アドレス線と下部行アドレス線を選択し、プログラム用トランジスタのソースと不揮発スイッチのパス制御端子乃至イオン供給端子間にプログラム用の電圧を印加する。また、電荷注入層ドライバは電荷注入線にプログラム用の電圧を印加する。このようにすることで、一つの不揮発スイッチを選択的にプログラムすることができる。なお、電荷注入層ドライバは、全ての電荷注入線に電圧を印加してもよいし、列ドライバで指定された列アドレス線に対応する電荷注入線のみに電圧を印加してもよい。 FIG. 12 is a diagram for explaining the program operation of the circuit of FIG. The column decoder selects one column address line, and the column driver applies a programming voltage to the selected column address line. The row decoder selects a pair of upper and lower row address lines, and applies a programming voltage between the source of the programming transistor and the path control terminal or ion supply terminal of the nonvolatile switch. The charge injection layer driver applies a programming voltage to the charge injection line. In this way, one nonvolatile switch can be selectively programmed. The charge injection layer driver may apply a voltage to all the charge injection lines, or may apply a voltage only to the charge injection line corresponding to the column address line designated by the column driver.
図11の回路構成では、不揮発スイッチ素子をプログラムするために必要な電圧が低いという特徴がある。即ち、本回路構成は、高電圧電源を使うことが難しいときに有効である。 The circuit configuration of FIG. 11 is characterized in that the voltage required for programming the nonvolatile switch element is low. That is, this circuit configuration is effective when it is difficult to use a high-voltage power supply.
次に、本発明をチップ上で集積化するときの第二の回路構成について述べる。図13にアレー状に並べた本発明とプログラム用の回路との結線の第二の具体例について示す。プログラム用の回路は、行デコーダ、行ドライバ、列デコーダ、列ドライバ、電荷注入層ドライバから構成されている。また、本発明の不揮発スイッチは、パス制御端子を行アドレス線501nに、イオン供給端子をツェナーダイオード500のカソードに、電荷注入層を電荷注入線に接続されている。また、ツェナーダイオードのアノードは列アドレス線に接続されている。図13において電荷注入層ドライバは列デコーダと結線が存在しないが、実際には列デコーダと接続される場合もある。
Next, a second circuit configuration when the present invention is integrated on a chip will be described. FIG. 13 shows a second specific example of the connection between the present invention and the program circuit arranged in an array. The program circuit includes a row decoder, a row driver, a column decoder, a column driver, and a charge injection layer driver. Further, non-volatile switch of the present invention, the path control terminal to the
図14にツェナーダイオードのカソードを接地電位としアノードに電圧を印加したときの、電流電圧特性を示す。正電圧を印加した場合、オン電圧VFで電流が急激に流れるようになる。また、負電圧を印加した場合、ツェナー電圧-VZで電流が急激に流れるようになる。-VZとVFの間の電圧では、電流は殆ど流れない。 FIG. 14 shows current-voltage characteristics when a Zener diode cathode is grounded and a voltage is applied to the anode. If a positive voltage is applied, current is to flow rapidly in the ON voltage V F. Also, when a negative voltage is applied, current is to flow rapidly in the Zener voltage -V Z. The voltage between -V Z and V F, a current hardly flows.
図15示したのは、図13の回路のプログラム動作を説明する図である。まず、一つの不揮発スイッチに選択的に金属パスを形成する方法を述べる。図15(a)に示すように、列デコーダは一つの列アドレス線を選択し、列ドライバが選択された列アドレス線に0Vの電圧を印加する。また、行デコーダは一つの行アドレス線を選択し、行ドライバが選択された行アドレス線にVSET+VFの電圧を印加する、電荷注入層ドライバは電荷注入線にプログラム用の電圧を印加する。このようにすることで、一つの不揮発スイッチの金属パスを選択的に溶解・析出させることができる。なお、電荷注入層ドライバは、全ての電荷注入線に電圧を印加してもよいし、列ドライバで指定された列アドレス線に対応する電荷注入線のみに電圧を印加してもよい。 FIG. 15 illustrates the program operation of the circuit of FIG. First, a method for selectively forming a metal path in one nonvolatile switch will be described. As shown in FIG. 15A, the column decoder selects one column address line, and the column driver applies a voltage of 0 V to the selected column address line. The row decoder selects one row address line, the row driver applies a voltage of V SET + V F to the selected row address line, and the charge injection layer driver applies a programming voltage to the charge injection line. To do. By doing so, the metal path of one nonvolatile switch can be selectively dissolved and deposited. The charge injection layer driver may apply a voltage to all the charge injection lines, or may apply a voltage only to the charge injection line corresponding to the column address line designated by the column driver.
次に、プログラムした素子の金属パスを選択的に溶解する方法について述べる。列デコーダは一つの列アドレス線を選択し、列ドライバが選択された列アドレス線にパス溶解用の電圧を印加する。また、行デコーダは一つの行アドレス線を選択し、行ドライバが選択された行アドレス線にパス溶解用の電圧を印加する、電荷注入層ドライバは電荷注入線にプログラム用パス溶解用の電圧を印加する。パス溶解用の電圧は、スイッチ素子をオン状態にするかオフ状態にするかで異なる。プログラム用の電圧値について表1にまとめた。表1に示す電圧を印加することにより、一つの不揮発スイッチの金属パスを選択的に析出させることができる。なお、電荷注入層ドライバは、全ての電荷注入線に電圧を印加してもよいし、列ドライバで指定された列アドレス線に対応する電荷注入線のみに電圧を印加してもよい。
ツェナーダイオードは半導体基板上だけでなく配線層に形成することも可能である。そのためチップ面積を削減することが容易である。この回路構成はチップ面積を削減したい場合に有効である。 The Zener diode can be formed not only on the semiconductor substrate but also in the wiring layer. Therefore, it is easy to reduce the chip area. This circuit configuration is effective when it is desired to reduce the chip area.
次に、ツェナー電圧の値域について述べる。図16に、選択素子の金属パスを溶解させるために、列アドレス線と行アドレス線に電圧を印加した図をしめす。ここで、表1から列アドレス線と行アドレス線の電位差は、選択素子に書き込む値によらずVRESET+VZであることがわかる。そのため、列アドレス線にVRESET+VZ、行アドレス線に0Vを印加すると仮定しても、議論の一般性が保たれる。ここで、列アドレス線から行アドレス線への電圧降下は、選択素子を介した経路だけではないことが分かる。例えば図中点線で示したような電圧降下経路600を介した電圧降下もおこる。ここで、選択素子と列アドレス線を共有する素子は、選択素子以外は互いに等価な状態に存在している。同様に、選択線と行アドレス線を共有する素子は、選択素子以外は互いに等価である。さらに選択素子と行アドレス線・列アドレス線をともに共有しない素子は互いに等価である。以上のことから、電圧が印加されていない行アドレス線はすべて同じ電位であり、同様に電圧が印加されていない列アドレス線もすべて同一の電位にあることが分かる。
Next, the value range of the Zener voltage will be described. FIG. 16 shows a diagram in which voltages are applied to the column address line and the row address line in order to dissolve the metal path of the selection element. Here, it can be seen from Table 1 that the potential difference between the column address line and the row address line is V RESET + V Z regardless of the value written to the selected element. Therefore, even if it is assumed that V RESET + V Z is applied to the column address line and 0 V is applied to the row address line, the generality of the discussion is maintained. Here, it can be seen that the voltage drop from the column address line to the row address line is not only the path through the selection element. For example, a voltage drop occurs via the
ここで、ツェナーダイオードのカソードと不揮発スイッチのイオン供給端子を接続したときに、ツェナーダイオードのアノードと不揮発スイッチのパス制御端子間の等価抵抗を、ツェナーダイオードのアノードに正の電圧を印加し不揮発スイッチのパス制御端子を接地電位とした場合を(図17(a))RL、不揮発スイッチのパス制御端子に正の電圧を印加しツェナーダイオードのアノードに負の電圧を印加した場合を(図17(b))RHとする。すると、図16の等価回路は、図18のようになる。ここで、VRを電圧を印加していない行アドレス線の電位、VCを電圧を印加していない列アドレス線の電位とする。すると、VRとVCの差は、式(1)のようになる。
ここで、ツェナーダイオードのカソードと不揮発スイッチのイオン供給端子を接続したときに、ツェナーダイオードのアノードに正の電圧を印加し不揮発スイッチのパス制御端子を接地電位とした場合、印加電圧がVF+VSETを越えると、選択されていない不揮発スイッチのイオン供給端子・パス制御端子間に金属パスが析出してしまう。そのような動作が起こらないための条件は式(2)のように書ける。
以上から、ツェナー電位の条件は式(3)のようになる。ツェナー電位VZは式3を満たすように設計することが望ましい。
次に、本発明をチップ上で集積化するときの第三の回路構成について述べる。図19にアレー状に並べた本発明とプログラム用の回路との結線の第二の具体例について示す。プログラム用の回路は、行デコーダ、行ドライバ、列デコーダ、列ドライバ、電荷注入層ドライバから構成されている。また、本発明の不揮発スイッチは、パス制御端子をツェナーダイオードのカソードに、イオン供給端子を行アドレス線に、電荷注入層を電荷注入線に接続されている。また、ツェナーダイオードのアノードは列アドレス線に接続されている。図19において電荷注入層ドライバは列デコーダと結線が存在しないが、実際には列デコーダと接続される場合もある。 Next, a third circuit configuration when the present invention is integrated on a chip will be described. FIG. 19 shows a second specific example of the connection between the present invention and the program circuit arranged in an array. The program circuit includes a row decoder, a row driver, a column decoder, a column driver, and a charge injection layer driver. In the nonvolatile switch of the present invention, the path control terminal is connected to the cathode of the Zener diode, the ion supply terminal is connected to the row address line, and the charge injection layer is connected to the charge injection line. The anode of the Zener diode is connected to the column address line. In FIG. 19, the charge injection layer driver is not connected to the column decoder, but may actually be connected to the column decoder.
次に、第三の回路構成におけるプログラム方法を述べる。図20に、不揮発スイッチ素子の金属パスを析出させるための電圧を説明する図を示す。行アドレス線にVSET+VZ、列アドレス線に0Vを印加することで、不揮発スイッチのイオン伝導層に金属パスを析出させることができる。 Next, a programming method in the third circuit configuration will be described. FIG. 20 is a diagram illustrating a voltage for depositing a metal path of the nonvolatile switch element. By applying V SET + V Z to the row address line and 0 V to the column address line, a metal path can be deposited on the ion conductive layer of the nonvolatile switch.
次に、プログラムした素子の金属パスを選択的に溶解する方法について述べる。列デコーダは一つの列アドレス線を選択し、列ドライバが選択された列アドレス線にパス溶解用の電圧を印加する。また、行デコーダは一つの行アドレス線を選択し、行ドライバが選択された行アドレス線にパス溶解用の電圧を印加する、電荷注入層ドライバは電荷注入線にプログラム用パス溶解用の電圧を印加する。パス溶解用の電圧は、スイッチ素子をオン状態にするかオフ状態にするかで異なる。プログラム用の電圧値について表1にまとめた。表2に示す電圧を印加することにより、一つの不揮発スイッチの金属パスを選択的に析出させることができる。なお、電荷注入層ドライバは、全ての電荷注入線に電圧を印加してもよいし、列ドライバで指定された列アドレス線に対応する電荷注入線のみに電圧を印加してもよい。
次に、ツェナー電圧の値域について述べる。第三の回路構成の場合、金属パスを析出させるときに、図16と同様の電圧降下経路を介した電圧降下が考えられる。等価回路は図21に示すようになる。ここで、VRを電圧を印加していない行アドレス線の電位、VCを電圧を印加していない列アドレス線の電位とする。すると、VRとVCの差は、式(4)のようになる。
ここで、ツェナーダイオードのカソードと不揮発スイッチのイオン供給端子を接続したときに、ツェナーダイオードのアノードに正の電圧を印加し不揮発スイッチのパス制御端子を接地電位とした場合、印加電圧がVF+VRESETを越えると、選択されていない不揮発スイッチのイオン供給端子・パス制御端子間に金属パスが溶解してしまう。そのような動作が起こらないための条件は式(5)のように書ける。
以上から、ツェナー電位の条件は式(6)のようになる。ツェナー電位VZは式6を満たすように設計することが望ましい。
1 トランジスタ部
2 メモリ部
1001〜100n ソース、ドレイン
101 ゲート絶縁膜
102 半導体基板
103 電荷蓄積層
104 イオン伝導層
105 電荷注入層
106 パス制御端子
1071〜107n 層間絶縁膜
1081〜108n スペーサー絶縁膜
109 イオン供給端子
110 析出金属
111 ホール
200 フィールド酸化膜上の電荷蓄積層
400 不揮発スイッチ素子
401 プログラム用トランジスタ
402 行デコーダ
403 行ドライバ
404 列デコーダ
405 列ドライバ
406 電荷注入層ドライバ
4071〜407n 列アドレス線
4081〜408n 上部行アドレス線
4091〜409n 下部行アドレス線
4101〜410n 電荷注入線
500 ツェナーダイオード
5011〜501n 行アドレス線
600 電圧降下経路
700 等価抵抗
701 等価抵抗
1
Claims (10)
前記メモリ部は
金属イオンが伝導されるイオン伝導媒体と
前記イオン伝導媒体は対向する位置に凹みを二箇所持つことを特徴とし、
前記イオン伝導媒体の凹みに接触する金属と、
前記イオン伝導媒体のもう一方の凹みに接触する第1の電極と
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触しない第2の電極と、
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触せず、前記第2の電極と対向する位置に配置された第3の電極と
から構成され、
前記トランジスタ部は
前記金属と、
前記金属と接触する絶縁膜と、
前記絶縁膜と接触し前記金属とは接触しない半導体基板と、
前記半導体基板中に作られたソース領域、ドレイン領域
から構成されることを特徴とする不揮発スイッチ素子。 A non-volatile switch element composed of a transistor part and a memory part,
The memory unit has an ion conduction medium through which metal ions are conducted and the ion conduction medium has two dents at opposite positions.
A metal in contact with the recess of the ion conducting medium;
A first electrode that contacts the other recess of the ion conductive medium; a second electrode that contacts the ion conductive medium and does not contact the metal and the first electrode;
A third electrode arranged in contact with the ion conductive medium, not in contact with the metal and the first electrode, and opposed to the second electrode;
The transistor portion includes the metal,
An insulating film in contact with the metal;
A semiconductor substrate in contact with the insulating film and not in contact with the metal;
A nonvolatile switching element comprising a source region and a drain region formed in the semiconductor substrate.
金属として高濃度ドープしたポリシリコンを用いた
請求項1記載の不揮発スイッチ素子。 Using SiO 2 as the ion conduction medium,
2. The nonvolatile switch element according to claim 1, wherein a heavily doped polysilicon is used as the metal.
前記メモリ部は
金属イオンが伝導されるイオン伝導媒体と
前記イオン伝導媒体は対向する位置に凹みを二箇所持つことを特徴とし、
前記イオン伝導媒体の凹みに接触する金属と、
前記イオン伝導媒体のもう一方の凹みに接触する第1の電極と
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触しない第2の電極と、
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触せず、前記第2の電極と対向する位置に配置された第3の電極と
から構成され、
前記トランジスタ部は
前記金属と、
前記金属と接触する絶縁膜と、
前記絶縁膜と接触し前記金属とは接触しない半導体基板と、
前記半導体基板中に作られたソース領域、ドレイン領域
から構成される不揮発スイッチ素子を用い、
前記金属に電荷を蓄えることでトランジスタ部のソース・ドレイン間の伝導度を制御する不揮発スイッチの動作方法。 A non-volatile switch element composed of a transistor part and a memory part,
The memory unit has an ion conduction medium through which metal ions are conducted and the ion conduction medium has two dents at opposite positions.
A metal in contact with the recess of the ion conducting medium;
A first electrode that contacts the other recess of the ion conductive medium; a second electrode that contacts the ion conductive medium and does not contact the metal and the first electrode;
A third electrode arranged in contact with the ion conductive medium, not in contact with the metal and the first electrode, and opposed to the second electrode;
The transistor portion includes the metal,
An insulating film in contact with the metal;
A semiconductor substrate in contact with the insulating film and not in contact with the metal;
Using a nonvolatile switching element composed of a source region and a drain region made in the semiconductor substrate,
An operation method of a non-volatile switch that controls conductivity between a source and a drain of a transistor portion by storing electric charge in the metal.
前記メモリ部は
金属イオンが伝導されるイオン伝導媒体と
前記イオン伝導媒体は対向する位置に凹みを二箇所持つことを特徴とし、
前記イオン伝導媒体の凹みに接触する金属と、
前記イオン伝導媒体のもう一方の凹みに接触する第1の電極と
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触しない第2の電極と、
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触せず、前記第2の電極と対向する位置に配置された第3の電極と
から構成され、
前記トランジスタ部は
前記金属と、
前記金属と接触する絶縁膜と、
前記絶縁膜と接触し前記金属とは接触しない半導体基板と、
前記半導体基板中に作られたソース領域、ドレイン領域
から構成される不揮発スイッチ素子を用い、
前記金属と前記第1の電極がイオン伝導媒体によって絶縁された第1の状態と、
前記金属と前記第1の電極が析出金属によって短絡された第2の状態で、
前記トランジスタ部の閾値電圧が異なることにより、
トランジスタ部のソース・ドレイン間の伝導度を制御する不揮発スイッチの動作方法。 A non-volatile switch element composed of a transistor part and a memory part,
The memory unit has an ion conduction medium through which metal ions are conducted and the ion conduction medium has two dents at opposite positions.
A metal in contact with the recess of the ion conducting medium;
A first electrode that contacts the other recess of the ion conductive medium; a second electrode that contacts the ion conductive medium and does not contact the metal and the first electrode;
A third electrode arranged in contact with the ion conductive medium, not in contact with the metal and the first electrode, and opposed to the second electrode;
The transistor portion includes the metal,
An insulating film in contact with the metal;
A semiconductor substrate in contact with the insulating film and not in contact with the metal;
Using a nonvolatile switching element composed of a source region and a drain region made in the semiconductor substrate,
A first state in which the metal and the first electrode are insulated by an ion conducting medium;
In a second state where the metal and the first electrode are short-circuited by the deposited metal,
The threshold voltage of the transistor part is different,
An operation method of a nonvolatile switch for controlling conductivity between a source and a drain of a transistor portion.
前記メモリ部は
金属イオンが伝導されるイオン伝導媒体と
前記イオン伝導媒体は対向する位置に凹みを二箇所持つことを特徴とし、
前記イオン伝導媒体の凹みに接触する金属と、
前記イオン伝導媒体のもう一方の凹みに接触する第1の電極と
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触しない第2の電極と、
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触せず、前記第2の電極と対向する位置に配置された第3の電極と
から構成され、
前記トランジスタ部は
前記金属と、
前記金属と接触する絶縁膜と、
前記絶縁膜と接触し前記金属とは接触しない半導体基板と、
前記半導体基板中に作られたソース領域、ドレイン領域
から構成される不揮発スイッチ素子を備え、
この不揮発スイッチ素子の前記第2乃至第3の電極を前記トランジスタのソースと接続し、
前記トランジスタのドレインを第1のワード線と接続し、
前記トランジスタのゲートをビット線と接続し、
前記不揮発スイッチ素子の第3乃至第2の金属を前記第1のワード線と対になる第2のワード線と接続し、
前記不揮発スイッチ素子の第1の電極を電圧印加回路に接続することを特徴とする、
不揮発スイッチ素子とトランジスタの組を1つ以上持つことを特徴とする回路。 A non-volatile switch element composed of a transistor part and a memory part,
The memory unit has an ion conduction medium through which metal ions are conducted and the ion conduction medium has two dents at opposite positions.
A metal in contact with the recess of the ion conducting medium;
A first electrode that contacts the other recess of the ion conductive medium; a second electrode that contacts the ion conductive medium and does not contact the metal and the first electrode;
A third electrode arranged in contact with the ion conductive medium, not in contact with the metal and the first electrode, and opposed to the second electrode;
The transistor portion includes the metal,
An insulating film in contact with the metal;
A semiconductor substrate in contact with the insulating film and not in contact with the metal;
A non-volatile switch element comprising a source region and a drain region made in the semiconductor substrate,
Connecting the second to third electrodes of the nonvolatile switch element with the source of the transistor;
Connecting the drain of the transistor to a first word line;
Connecting the gate of the transistor to a bit line;
Connecting the third or second metal of the nonvolatile switch element to a second word line paired with the first word line;
The first electrode of the nonvolatile switch element is connected to a voltage application circuit,
A circuit having one or more pairs of a nonvolatile switch element and a transistor.
前記メモリ部は
金属イオンが伝導されるイオン伝導媒体と
前記イオン伝導媒体は対向する位置に凹みを二箇所持つことを特徴とし、
前記イオン伝導媒体の凹みに接触する金属と、
前記イオン伝導媒体のもう一方の凹みに接触する第1の電極と
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触しない第2の電極と、
前記イオン伝導媒体に接触し、前記金属、前記第1の電極とは接触せず、前記第2の電極と対向する位置に配置された第3の電極と
から構成され、
前記トランジスタ部は
前記金属と、
前記金属と接触する絶縁膜と、
前記絶縁膜と接触し前記金属とは接触しない半導体基板と、
前記半導体基板中に作られたソース領域、ドレイン領域
から構成される不揮発スイッチ素子を備え、
この不揮発スイッチ素子の前記第2乃至第3の電極をツェナーダイオードのカソードと接続し、
前記第3乃至第2の電極をビット線と接続し、
第1の電極を電圧印加回路と接続し、
前記ツェナーダイオードのアノードをワード線と接続したことをと超とする不揮発スイッチ素子とトランジスタの組を1つ以上持つことを特徴とする回路。 A non-volatile switch element composed of a transistor part and a memory part,
The memory unit has an ion conduction medium through which metal ions are conducted and the ion conduction medium has two dents at opposite positions.
A metal in contact with the recess of the ion conducting medium;
A first electrode that contacts the other recess of the ion conductive medium; a second electrode that contacts the ion conductive medium and does not contact the metal and the first electrode;
A third electrode arranged in contact with the ion conductive medium, not in contact with the metal and the first electrode, and opposed to the second electrode;
The transistor portion includes the metal,
An insulating film in contact with the metal;
A semiconductor substrate in contact with the insulating film and not in contact with the metal;
A non-volatile switch element comprising a source region and a drain region made in the semiconductor substrate,
Connecting the second to third electrodes of the nonvolatile switch element with the cathode of a Zener diode;
Connecting the third to second electrodes to a bit line;
Connecting the first electrode to a voltage application circuit;
A circuit having at least one set of a nonvolatile switch element and a transistor that exceeds the connection of the anode of the Zener diode to a word line.
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|---|---|---|---|
| JP2009200277A JP2011054645A (en) | 2009-08-31 | 2009-08-31 | Non-volatile switch element, method of operating the non-volatile switch element, and circuit with the non-volatile switch element |
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