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JP6092696B2 - Memory cell using variable resistance element - Google Patents

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JP6092696B2
JP6092696B2 JP2013085061A JP2013085061A JP6092696B2 JP 6092696 B2 JP6092696 B2 JP 6092696B2 JP 2013085061 A JP2013085061 A JP 2013085061A JP 2013085061 A JP2013085061 A JP 2013085061A JP 6092696 B2 JP6092696 B2 JP 6092696B2
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Description

本発明は、第1電極、第2電極、及び、かかる両電極間に金属酸化物膜を可変抵抗体として挟持し構成される不揮発性の可変抵抗素子と選択トランジスタからなるメモリセルに関する。   The present invention relates to a first cell, a second electrode, and a memory cell including a nonvolatile variable resistance element configured by sandwiching a metal oxide film between the two electrodes as a variable resistor and a selection transistor.

近年、フラッシュメモリに代わる高速動作可能な次世代不揮発性ランダムアクセスメモリ(NVRAM:Nonvolatile Random Access Memory)として、FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、PRAM(Phase Change RAM)等の様々なデバイス構造が提案され、高性能化、高信頼性化、低コスト化、及び、プロセス整合性という観点から、激しい開発競争が行われている。   In recent years, various devices such as FeRAM (Ferroelectric RAM), MRAM (Magnetic RAM), PRAM (Phase Change RAM), etc. as next-generation non-volatile random access memory (NVRAM) capable of high-speed operation instead of flash memory. A structure has been proposed, and intense development competition has been conducted from the viewpoint of high performance, high reliability, low cost, and process consistency.

これら既存技術に対して、電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗が変化する可変抵抗素子を用いた抵抗性不揮発性メモリRRAM(Resistive Random Access Memory:登録商標)が提案されている。この構成の一例を図10に示す。   For these existing technologies, a resistive non-volatile memory RRAM (Resistive Random Access Memory: registered trademark) using a variable resistive element whose electric resistance reversibly changes by applying a voltage pulse has been proposed. An example of this configuration is shown in FIG.

図10に示されるように、従来構成の可変抵抗素子10は、下部電極103と可変抵抗体102と上部電極101とが順に積層された構造となっており、上部電極101及び下部電極103間に電圧パルスを印加することにより、抵抗値を可逆的に変化させることができる性質を有する。この可逆的な抵抗変化動作(以下では「スイッチング動作」と称する)によって変化する抵抗値を読み出すことによって、新規な不揮発性記憶装置が実現できる構成である。   As shown in FIG. 10, the variable resistance element 10 having a conventional configuration has a structure in which a lower electrode 103, a variable resistor 102, and an upper electrode 101 are sequentially stacked, and between the upper electrode 101 and the lower electrode 103. By applying a voltage pulse, the resistance value can be reversibly changed. A novel nonvolatile memory device can be realized by reading a resistance value that changes by this reversible resistance change operation (hereinafter referred to as “switching operation”).

この不揮発性記憶装置は、可変抵抗素子を備える複数のメモリセル夫々を行方向及び列方向にマトリクス状に配列してメモリセルアレイを形成するとともに、このメモリセルアレイの各メモリセルに対するデータの書き込み、消去、及び読み出し動作を制御する周辺回路を配置して構成される。そして、このメモリセルとしては、その構成要素の違いから、1つのメモリセルが1つの選択トランジスタTと1つの可変抵抗素子Rとから構成される(「1T1R型」と称される)メモリセルや、1つの可変抵抗素子Rのみから構成される(「1R型」と称される)メモリセル等が存在する。このうち、1T1R型メモリセルの構成例を図11に示す。   The nonvolatile memory device forms a memory cell array by arranging a plurality of memory cells including variable resistance elements in a matrix in the row direction and the column direction, and writes and erases data to and from each memory cell of the memory cell array And a peripheral circuit for controlling the read operation. As this memory cell, one memory cell is composed of one select transistor T and one variable resistance element R (referred to as “1T1R type”) because of the difference in the components. There is a memory cell or the like composed of only one variable resistance element R (referred to as “1R type”). Among these, FIG. 11 shows a configuration example of a 1T1R type memory cell.

図11は1T1R型のメモリセルを用いたメモリセルアレイ200の一構成例を示す等価回路図である。各メモリセルの選択トランジスタTのゲートはワード線(WL1〜WLn)に接続されており、各メモリセルの選択トランジスタTのソースはソース線(SL1〜SLn)に接続されている(nは自然数)。また、各メモリセル毎の可変抵抗素子Rの一方の電極は選択トランジスタTのドレインに接続されており、可変抵抗素子Rの他方の電極はビット線(BL1〜BLm)に接続されている(mは自然数)。又、各ワード線WL1〜WLnはそれぞれワード線デコーダ201に接続され、各ソース線SL1〜SLnはそれぞれソース線デコーダ203に接続され、各ビット線BL1〜BLmはそれぞれビット線デコーダ202に接続されている。そして、アドレス入力(図示せず)に応じてメモリセルアレイ200内の特定のメモリセルへの書込み、消去及び読み出し動作のための特定のビット線、ワード線及びソース線が選択される構成である。   FIG. 11 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the memory cell array 200 using 1T1R type memory cells. The gate of the selection transistor T of each memory cell is connected to the word lines (WL1 to WLn), and the source of the selection transistor T of each memory cell is connected to the source lines (SL1 to SLn) (n is a natural number). . One electrode of the variable resistance element R for each memory cell is connected to the drain of the selection transistor T, and the other electrode of the variable resistance element R is connected to the bit lines (BL1 to BLm) (m Is a natural number). The word lines WL1 to WLn are connected to the word line decoder 201, the source lines SL1 to SLn are connected to the source line decoder 203, and the bit lines BL1 to BLm are connected to the bit line decoder 202, respectively. Yes. A specific bit line, word line, and source line for write, erase, and read operations to a specific memory cell in the memory cell array 200 are selected according to an address input (not shown).

このように選択トランジスタTと可変抵抗素子Rとが直列に配置される構成により、ワード線の電位変化によって選択されたメモリセルのトランジスタがオン状態となり、更にビット線の電位変化によって選択されたメモリセルの可変抵抗素子Rのみに選択的に書込、或いは消去することができる構成となっている。   As described above, the selection transistor T and the variable resistance element R are arranged in series, so that the transistor of the memory cell selected by the change in the potential of the word line is turned on, and the memory selected by the change in the potential of the bit line. The cell can be selectively written or erased only to the variable resistance element R of the cell.

図12は、1R型のメモリセルを用いたメモリセルアレイ204の一構成例を示す等価回路図である。各メモリセルは可変抵抗素子Rのみから構成されており、可変抵抗素子Rの一方の電極はワード線(WL1〜WLn)に、他方の電極はビット線(BL1〜BLm)に接続されている。また、各ワード線WL1〜WLnはそれぞれワード線デコーダ205に接続され、各ビット線BL1〜BLmはそれぞれビット線デコーダ206に接続されている。そして、アドレス入力(図示せず)に応じてメモリセルアレイ204内の特定のメモリセルへの書込み、消去及び読み出し動作のための特定のビット線及びワード線が選択される構成である。   FIG. 12 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the memory cell array 204 using 1R type memory cells. Each memory cell includes only the variable resistance element R, and one electrode of the variable resistance element R is connected to the word lines (WL1 to WLn) and the other electrode is connected to the bit lines (BL1 to BLm). Each word line WL1 to WLn is connected to the word line decoder 205, and each bit line BL1 to BLm is connected to the bit line decoder 206. Then, in accordance with an address input (not shown), specific bit lines and word lines for writing, erasing and reading operations to specific memory cells in the memory cell array 204 are selected.

図12に示す1R型のメモリセルは、最小加工寸法をFとすると、メモリセルサイズを4Fと小さくできる利点を持つが、非選択セルにも電流が流れてしまうという欠点がある。 The 1R type memory cell shown in FIG. 12 has an advantage that the memory cell size can be reduced to 4F 2 when the minimum processing dimension is F, but it has a disadvantage that a current flows also to an unselected cell.

一方、図11に示す1T1R型のメモリセルは、選択セルにのみ電流を流せるという利点を持つが、メモリセルサイズが一般に大きくなってしまうという欠点がある。   On the other hand, the 1T1R type memory cell shown in FIG. 11 has the advantage of allowing current to flow only through the selected cell, but has the disadvantage of generally increasing the memory cell size.

1T1R型のメモリセルであっても高集積化を可能とする方法として、縦型のMOSトランジスタを用いる方法が、特許文献1に開示されている。なお、特許文献1では、記憶素子としてDRAM又は相変化メモリが用いられている。この場合、最小加工寸法をFとして、4Fのメモリセルサイズが理論上は可能となる。 As a method for enabling high integration even for a 1T1R type memory cell, Patent Document 1 discloses a method using a vertical MOS transistor. In Patent Document 1, a DRAM or a phase change memory is used as a storage element. In this case, assuming that the minimum processing dimension is F, a memory cell size of 4F 2 is theoretically possible.

上記の可変抵抗素子Rにおいて、可変抵抗体として用いられる可変抵抗材料としては、米国ヒューストン大のShangquing LiuやAlex Ignatiev等によって、超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料に電圧パルスを印加することによって可逆的に電気抵抗を変化させる方法が下記の特許文献2及び非特許文献1に開示されている。この方法は超巨大磁気抵抗効果で知られるペロブスカイト材料を用いながらも、磁場の印加なしに室温においても数桁にわたる抵抗変化が現れる。尚、特許文献2に例示する素子構造では、可変抵抗体の材料としてはペロブスカイト型酸化物であるプラセオジウム・カルシウム・マンガン酸化物Pr1−xCaMnO(PCMO)膜が用いられている。 In the above variable resistance element R, as a variable resistance material used as a variable resistor, by applying a voltage pulse to a perovskite material known for a super-giant magnetoresistance effect by, for example, Shangquing Liu of the University of Houston of USA or Alex Ignatiev Methods for reversibly changing the electrical resistance are disclosed in Patent Literature 2 and Non-Patent Literature 1 below. Although this method uses a perovskite material known for its giant magnetoresistance effect, a resistance change of several orders of magnitude appears even at room temperature without applying a magnetic field. In the element structure exemplified in Patent Document 2, a praseodymium / calcium / manganese oxide Pr 1-x Ca x MnO 3 (PCMO) film, which is a perovskite oxide, is used as a variable resistor material.

又、他の可変抵抗体材料としては、チタン酸化(TiO)膜、ニッケル酸化(NiO)膜、酸化亜鉛(ZnO)膜、酸化ニオブ(Nb)膜などの遷移金属元素の酸化物についても、可逆的な抵抗変化を示すことが非特許文献2及び非特許文献3などから知られている。 Other variable resistor materials include oxides of transition metal elements such as titanium oxide (TiO 2 ) films, nickel oxide (NiO) films, zinc oxide (ZnO) films, and niobium oxide (Nb 2 O 5 ) films. It is known from Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3 that it exhibits reversible resistance change.

特開2008−311641号公報JP 2008-311641 A 米国特許第6204139号明細書US Pat. No. 6,204,139

Liu, S.Q.他、"Electric-pulse-induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films", Appl. Phys. Lett., Vol. 76, pp. 2749-2751, 2000年Liu, S.Q. et al., "Electric-pulse-induced reversible Resistance change effect in magnetoresistive films", Appl. Phys. Lett., Vol. 76, pp. 2749-2751, 2000 Baek, I.G.他, "Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses" IEDM2004, pp.587-590, 2004年Baek, I.G., et al., “Highly Scalable Non-volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses” IEDM2004, pp. 587-590, 2004 H.Pagnia他, "Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices" Phys. Stat. Sol.(a), Vol.108, pp.11-65, 1988年H. Pagnia et al., "Bistable Switching in Electroformed Metal-Insulator-Metal Devices" Phys. Stat. Sol. (A), Vol.108, pp.11-65, 1988

非特許文献2に示されるような遷移金属酸化物を可変抵抗体とする可変抵抗素子では、抵抗スイッチングが可能な状態とするために、所謂フォーミングと呼ばれるソフトブレークダウン処理を行う必要が生じる。かかるソフトブレークダウンの結果として、金属酸化物中にフィラメント状に形成された酸素欠陥による導電パス(以降、適宜「フィラメントパス」と称す)が生成され、かかるフィラメントパスの開閉によって、抵抗変化が生じるといわれている。   In a variable resistance element using a transition metal oxide as a variable resistor as shown in Non-Patent Document 2, it is necessary to perform a soft breakdown process called so-called forming in order to make resistance switching possible. As a result of such soft breakdown, a conductive path (hereinafter referred to as “filament path” as appropriate) is generated due to oxygen defects formed in a filament shape in the metal oxide, and a resistance change occurs due to opening and closing of the filament path. It is said that.

したがって、フィラメントパスをいかにして形成するかが、その後の抵抗スイッチング特性に大きく影響すると考えられる。   Therefore, it is considered that how the filament path is formed greatly affects the subsequent resistance switching characteristics.

ここで、記憶素子として上記可変抵抗素子を用いる場合であっても、特許文献1を適用すれば、縦型のMOSトランジスタを選択素子にしたメモリセルを用いることにより高集積メモリアレイが可能とも考えられる。   Here, even when the variable resistance element is used as a memory element, if Patent Document 1 is applied, it is considered that a highly integrated memory array is possible by using a memory cell having a vertical MOS transistor as a selection element. It is done.

しかしながら、上記の可変抵抗素子は、一般に、書き込み電流を小さくすると、その低抵抗化動作(セット書き込み)において書き込み不良を起こし易くなることが明らかになっている。この問題の解決策としては、先ず、小さな書き込み電流でも安定動作する素子を開発することが望まれる。あるいは、電流を多く流してでも安定な書き込み動作を行うことが必要とされる。   However, it has been clarified that the variable resistance element generally tends to cause a write failure in a low resistance operation (set write) when the write current is reduced. As a solution to this problem, first, it is desired to develop an element that stably operates even with a small write current. Alternatively, it is necessary to perform a stable write operation even when a large amount of current is passed.

ところが、後者の方法を採用し、電流を多く流そうとした場合、選択トランジスタの電流駆動能力を大きくしなくてはならない。一般に、所望の耐圧性能等を保ったままトランジスタの電流駆動能力を大きくするには、チャネル幅を大きくする必要がある。チャネル幅を大きくすることで、トランジスタの占有面積が大きくなってしまい、高集積化の妨げとなってしまう。   However, when the latter method is adopted and an attempt is made to flow a large amount of current, the current driving capability of the selection transistor must be increased. In general, in order to increase the current drive capability of a transistor while maintaining a desired breakdown voltage performance or the like, it is necessary to increase the channel width. Increasing the channel width increases the area occupied by the transistor, which hinders high integration.

この事情は、選択トランジスタとして特許文献1に示す縦型MOSトランジスタを採用した場合も同様であり、トランジスタの占有面積がボトルネックになって、一定以上に微細化することが困難となる。   This situation is the same when the vertical MOS transistor shown in Patent Document 1 is adopted as the selection transistor, and the occupied area of the transistor becomes a bottleneck, and it is difficult to miniaturize it beyond a certain level.

さらに、縦型MOSトランジスタを選択素子とするようなメモリセルは、微細な加工寸法領域で製造されることが想定され、可変抵抗素子の寸法も当然微細なものとなる。素子が微細になれば、加工に伴う素子端面へのダメージ等も考慮し、形成されるフィラメントパスの特性を制御可能な形でメモリセルを構成する必要がある。   Furthermore, it is assumed that a memory cell using a vertical MOS transistor as a selection element is manufactured in a minute processing dimension region, and naturally the dimension of the variable resistance element is also minute. If the element becomes finer, it is necessary to configure the memory cell in such a manner that the characteristics of the formed filament path can be controlled in consideration of damage to the end face of the element due to processing.

本発明は、上記の問題点に鑑み、可変抵抗素子に選択トランジスタを直列に接続した1T1R型のメモリセルにおいて、大きな書き込み電流と高集積化の両立が可能なメモリセルの構造を提供することを第1の目的とする。   In view of the above-described problems, the present invention provides a memory cell structure capable of achieving both a large write current and high integration in a 1T1R type memory cell in which a selection transistor is connected in series to a variable resistance element. The first purpose.

さらに、本発明は、微細な素子寸法であっても、フィラメントパス形成が制御可能な、選択トランジスタと可変抵抗素子からなるメモリセルを提供することを第2の目的とする。   Furthermore, a second object of the present invention is to provide a memory cell composed of a select transistor and a variable resistance element, which can control the formation of a filament path even with a fine element size.

上記目的を達成するための本発明に係るメモリセルは、第1電極と第2電極の間に金属酸化物膜が挟持され、前記両電極間への電気的ストレスの印加に応じて、前記両電極間の電気抵抗で規定される抵抗状態が可逆的に変化する可変抵抗素子と、セル選択用の選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の前記第2電極と前記選択トランジスタのドレイン領域が接続されたメモリセルであって、
前記選択トランジスタが、縦型トランジスタであり、
前記縦型トランジスタは、
ソース層、ドレイン層、及び、前記ソース層と前記ドレイン層の間に挟まれたバルク部が、基板と垂直方向に積層された構造を有し、
前記ソース層、前記ドレイン層、及び、前記バルク部がn型シリコンからなり、前記バルク部のドーパント濃度が1×1017〜5×1018cm−3の範囲にあり、
前記ゲート電極が、前記バルク部の側壁面を覆う絶縁膜上を、前記バルク部を挟むように、対向して配置され、
前記ゲート電極、及び、前記ソース層と前記ドレイン層間に電圧が印加されない状態で、前記バルク部が完全空乏化していることを第1の特徴とする。
In order to achieve the above object, a memory cell according to the present invention includes a metal oxide film sandwiched between a first electrode and a second electrode, and the both electrodes are applied in response to an electrical stress applied between the electrodes. A variable resistance element in which a resistance state defined by an electrical resistance between the electrodes changes reversibly; and a selection transistor for cell selection, wherein the second electrode of the variable resistance element and a drain region of the selection transistor are connected to each other. Memory cells,
The selection transistor is a vertical transistor;
The vertical transistor is
A source layer, a drain layer, and a bulk portion sandwiched between the source layer and the drain layer have a structure in which the substrate is stacked in a direction perpendicular to the substrate;
The source layer, the drain layer, and the bulk portion are made of n-type silicon, and the dopant concentration of the bulk portion is in the range of 1 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 ,
The gate electrode is disposed on the insulating film covering the side wall surface of the bulk part so as to sandwich the bulk part,
A first feature is that the bulk portion is completely depleted in a state where no voltage is applied between the gate electrode and the source layer and the drain layer.

上記第1の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記バルク部の誘電率をεs、前記ドーパント濃度をNd、前記絶縁膜の単位面積当たりのキャパシタンスをCi、前記ゲート電極の仕事関数から前記バルク部のフェルミ準位と真空準位との間のエネルギー差を引いたものをφms、素電荷をq、及び、前記ゲート電極が対向する方向の前記バルク部の寸法をRとしたとき、


の関係を満たすことを第2の特徴とする。
The memory cell according to the first aspect of the present invention further includes:
The dielectric constant of the bulk part is εs, the dopant concentration is Nd, the capacitance per unit area of the insulating film is Ci, and the energy between the Fermi level and the vacuum level of the bulk part from the work function of the gate electrode When the difference is φms, the elementary charge is q, and the dimension of the bulk part in the direction in which the gate electrode faces is R,


Satisfying the above relationship is a second feature.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記ゲート電極が、前記バルク部の側壁面を覆う絶縁膜上を、前記バルク部の全側壁面を覆うように配置されていることが好ましい。
The memory cell according to the first or second feature of the present invention further includes:
The gate electrode is preferably disposed on the insulating film covering the side wall surface of the bulk portion so as to cover the entire side wall surface of the bulk portion.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記可変抵抗素子は、前記第1電極、前記金属酸化物膜、及び、前記第2電極が、前記基板と垂直方向に積層されていることが好ましい。
The memory cell according to the first or second feature of the present invention further includes:
In the variable resistance element, it is preferable that the first electrode, the metal oxide film, and the second electrode are stacked in a direction perpendicular to the substrate.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記バルク部の中心が、前記基板に垂直方向から見て、前記金属酸化物膜の形成領域の内側にあるように配置されており、
前記金属酸化物膜の前記基板に平行な少なくとも一方向の特定方向の線幅が、前記バルク部の前記特定方向の線幅以下である構成とすることができる。
The memory cell according to the first or second feature of the present invention further includes:
The center of the bulk part is disposed so as to be inside the formation region of the metal oxide film when viewed from the direction perpendicular to the substrate,
A line width in at least one specific direction parallel to the substrate of the metal oxide film may be equal to or less than a line width in the specific direction of the bulk portion.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、前記金属酸化物膜の前記第1方向の線幅、及び、前記バルク部の前記第1方向の線幅が、共に50nm以下であることが好ましい。   In the memory cell according to the first or second feature of the present invention, the line width in the first direction of the metal oxide film and the line width in the first direction of the bulk part are both 50 nm. The following is preferable.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記第2電極が、前記ドレイン層に接し、
前記ドレイン層と前記第2電極を併せた高さの、基板に平行な一の断面方向の前記第2電極の線幅に対する比が、0.9以下であることが好ましい。
The memory cell according to the first or second feature of the present invention further includes:
The second electrode is in contact with the drain layer;
It is preferable that a ratio of a height of the drain layer and the second electrode combined with a line width of the second electrode in one cross-sectional direction parallel to the substrate is 0.9 or less.

上記第1又は第2の特徴の本発明に係るメモリセルは、更に、
前記可変抵抗素子は、フォーミング処理を施すことにより、前記両電極間の抵抗状態が前記フォーミング処理前の初期高抵抗状態から可変抵抗状態に変化し、
前記可変抵抗状態において、前記両電極間に前記電気的ストレスを印加することにより、前記抵抗状態が二以上の異なる状態間で遷移し、当該遷移後の一の抵抗状態を情報の記憶に用いることが好ましい。
The memory cell according to the first or second feature of the present invention further includes:
The variable resistance element is subjected to a forming process to change the resistance state between the electrodes from the initial high resistance state before the forming process to a variable resistance state.
In the variable resistance state, by applying the electrical stress between the electrodes, the resistance state transitions between two or more different states, and one resistance state after the transition is used for storing information. Is preferred.

本発明に依れば、選択トランジスタを縦型のAccumulation型トランジスタ(蓄積型トランジスタ)で構成することにより、大きな書き込み電流と高集積化の両立が可能なメモリセルを実現できる。さらに、かかるトランジスタのバルク部のドーパント濃度(キャリア濃度)を適切に設定することで、書き込みに必要な大きな電流駆動能力を維持して、かつ、ノーマリオフ動作が可能となるため、メモリセルアレイを構成した場合の高集積化を可能とし、最小加工寸法をFとして4Fのメモリセル構成が容易となる。 According to the present invention, a memory cell capable of achieving both a large write current and high integration can be realized by configuring the selection transistor with a vertical accumulation type transistor (storage type transistor). Furthermore, by appropriately setting the dopant concentration (carrier concentration) in the bulk portion of such a transistor, a large current driving capability necessary for writing can be maintained and a normally-off operation can be performed, so that a memory cell array is configured. In this case, high integration is possible, and a 4F 2 memory cell configuration is facilitated with a minimum processing dimension of F.

また、電流はバルク部の中心を基板に垂直方向に流れるため、かかるバルク部の中心が、基板に垂直方向から見て、可変抵抗体である金属酸化物膜の形成領域の内側にあるように配置することで、フィラメントパスは、バルク部の電流が流れる部分を基板に垂直方向に延長した金属酸化膜内部の領域に主として形成される。つまり、可変抵抗体素子端面の加工に伴うダメージの影響を受けず、形成されるフィラメントパスの特性の制御が可能となる。   Further, since the current flows through the center of the bulk portion in the direction perpendicular to the substrate, the center of the bulk portion is located inside the formation region of the metal oxide film that is a variable resistor when viewed from the direction perpendicular to the substrate. By disposing the filament path, the filament path is mainly formed in a region inside the metal oxide film in which a portion where the current of the bulk portion flows is extended in a direction perpendicular to the substrate. In other words, the characteristics of the filament path to be formed can be controlled without being affected by the damage associated with the processing of the end face of the variable resistor element.

縦型トランジスタを備えた従来構成の1T1R型のメモリセルの構成を模式的に示す構造断面図Structural cross-sectional view schematically showing the configuration of a conventional 1T1R type memory cell including a vertical transistor 縦型トランジスタを備えた従来構成の1T1R型のメモリセルの構成を模式的に示す構造断面図Structural cross-sectional view schematically showing the configuration of a conventional 1T1R type memory cell including a vertical transistor 本発明の一実施形態に係る1T1R型のメモリセルの構成を模式的に示す構造断面図1 is a structural cross-sectional view schematically showing a configuration of a 1T1R type memory cell according to an embodiment of the present invention. Accumulation型の縦型トランジスタの動作を説明するための、ゲート電極の電圧印加に伴うバルク部の電子状態変化を示すバンド図Band diagram showing the electronic state change of the bulk part due to the voltage application of the gate electrode, for explaining the operation of the Accumulation type vertical transistor 金属−絶縁膜−n型半導体を接触させた場合の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図Energy band diagram in thermal equilibrium when metal-insulating film-n-type semiconductor is contacted Accumulation型の縦型トランジスタにおいて、完全空乏化に必要なn型層の直径Rとそのドーパント濃度(キャリア濃度)Ndとの関係を示すグラフGraph showing the relationship between the diameter R of the n-type layer necessary for complete depletion and its dopant concentration (carrier concentration) Nd in an Accumulation type vertical transistor Accumulation型の縦型トランジスタにおいて、n型層の直径Rと、そのフラットバンド状態におけるバルク抵抗との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the diameter R of the n-type layer and the bulk resistance in the flat band state in an Accumulation type vertical transistor Accumulation型の縦型トランジスタにおいて、n型層の中心部とn+層の接点を模した微小接点近傍での放射状の電流を模式的に示した図Diagram showing the radial current near the micro-contact that simulates the contact between the center of the n-type layer and the n + layer in an Accumulation-type vertical transistor 電極から微小接点へ流れ込む電流の、n層/電極界面における電流密度の分布を示す図The figure which shows the distribution of the current density in the n + layer / electrode interface of the electric current which flows into the micro contact from an electrode 従来構成の可変抵抗素子の例を模式的に示す構造断面図Structural sectional view schematically showing an example of a conventional variable resistance element 1T1R型のメモリセルを備えたメモリセルアレイの構成例を示す回路図1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory cell array including 1T1R type memory cells. 1R型のメモリセルを備えたメモリセルアレイの構成例を示す回路図1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a memory cell array including 1R type memory cells.

〈第1実施形態〉
以下において、本発明に係るメモリセルの一実施形態について、従来構成のメモリセルと比較しながら、図面を参照して説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, an embodiment of a memory cell according to the present invention will be described with reference to the drawings while comparing with a memory cell having a conventional configuration.

先ず、従来構成のメモリセルについて、図1及び図2を参照して説明する。図1及び図2は、従来の縦型トランジスタと可変抵抗素子を直列に接続した1T1R型のメモリセルについて、その断面構造を模式的に示す図である。   First, a conventional memory cell will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are diagrams schematically showing a cross-sectional structure of a conventional 1T1R type memory cell in which a vertical transistor and a variable resistance element are connected in series.

《Inversion型MOSトランジスタを用いた従来構成》
一般に、スイッチとして用いられるトランジスタは、Inversion型のものである。
Inversion型トランジスタは、ソース/ドレインとチャネル部の導電型が異なった構成である。例えば、ソース/ドレインをn型とし、チャネルを形成する領域をp型とする。ゲートにオン電圧を加えると、ゲート絶縁膜とp型チャネル層の界面に電子が誘起されソース/ドレイン間が導通する。
<< Conventional configuration using Inversion type MOS transistor >>
In general, transistors used as switches are of the Inversion type.
The Inversion type transistor has a structure in which the conductivity types of the source / drain and the channel portion are different. For example, the source / drain is n-type and the region for forming the channel is p-type. When an on voltage is applied to the gate, electrons are induced at the interface between the gate insulating film and the p-type channel layer, and the source / drain is made conductive.

Inversion型の縦型MOSFETと可変抵抗素子を積層した構造の一例を、図1に示す。第1電極101と第2電極103の間に可変抵抗体としての金属酸化物膜102が狭持された可変抵抗素子10の第2電極103が、より下層に設けられた縦型MOSFET11のn層104(ドレイン層)と電気的に接続して、メモリセルが構成されている。縦型MOSFET11は、n層104(ドレイン層)、n層105(ソース層)、チャネルが形成されるp型層106、及び、チャネルを制御するゲート電極107を有して構成される。ゲート電極107は、p型層106の側壁面を覆う絶縁膜108上を、p型層106の全側壁面を囲むように形成されている。第1電極101は、紙面の横方向(第1方向)に延伸するビット線110と接続し、ビット線110が第1方向に隣接するメモリセル同士を接続する。一方、ゲート電極107は、紙面に垂直な方向(第2方向)に延伸し、第2方向に延伸するワード線111となって、第2方向に隣接するメモリセル同士を接続する。n層105は、全メモリセルで共通の共通線109と接続している。ビット線110及びワード線111により、複数のメモリセル同士が2次元的に接続され、メモリセルアレイが構成されている。ワード線111に所定のオン電圧を印加し、縦型MOSFET11をオン状態にして、ビット線110と共通線109の間に書き込み電圧を印加することにより、可変抵抗素子10の抵抗状態が可逆的に変化し、このとき、可変抵抗素子10に書き込み電流が流れる。 FIG. 1 shows an example of a structure in which an Inversion type vertical MOSFET and a variable resistance element are stacked. The second electrode 103 of the variable resistance element 10 in which the metal oxide film 102 as a variable resistor is sandwiched between the first electrode 101 and the second electrode 103 is n + of the vertical MOSFET 11 provided in the lower layer. A memory cell is formed by being electrically connected to the layer 104 (drain layer). The vertical MOSFET 11 includes an n + layer 104 (drain layer), an n + layer 105 (source layer), a p-type layer 106 in which a channel is formed, and a gate electrode 107 that controls the channel. The gate electrode 107 is formed on the insulating film 108 covering the side wall surface of the p-type layer 106 so as to surround the entire side wall surface of the p-type layer 106. The first electrode 101 is connected to the bit line 110 extending in the horizontal direction (first direction) on the paper surface, and the bit line 110 connects memory cells adjacent in the first direction. On the other hand, the gate electrode 107 extends in a direction perpendicular to the paper surface (second direction) and becomes a word line 111 extending in the second direction, and connects adjacent memory cells in the second direction. The n + layer 105 is connected to a common line 109 common to all memory cells. A plurality of memory cells are two-dimensionally connected by the bit line 110 and the word line 111 to constitute a memory cell array. By applying a predetermined ON voltage to the word line 111, turning on the vertical MOSFET 11 and applying a write voltage between the bit line 110 and the common line 109, the resistance state of the variable resistance element 10 is reversibly changed. At this time, a write current flows through the variable resistance element 10.

可変抵抗素子10は、製造直後は初期高抵抗状態にあり、初期高抵抗状態では、可変抵抗素子は単なるキャパシタとして動作する。フォーミングと呼ばれる電圧印加処理を施すことにより、金属酸化物膜102中にフィラメントパスが形成され、電気的ストレスの印加に応じて、第1電極101と第2電極103間の電気抵抗で規定される抵抗状態が可逆的に遷移可能な可変抵抗状態に変化する。   The variable resistance element 10 is in an initial high resistance state immediately after manufacture. In the initial high resistance state, the variable resistance element operates as a simple capacitor. By applying a voltage application process called forming, a filament path is formed in the metal oxide film 102 and is defined by the electrical resistance between the first electrode 101 and the second electrode 103 in accordance with the application of electrical stress. The resistance state changes to a variable resistance state capable of reversibly transitioning.

ところで、可変抵抗素子10を製造する際、エッチング等によるダメージが素子端部にどうしても生じてしまう。このため、素子端部のダメージ領域は狙い通りの膜質と異なってしまう。図1において、金属酸化物膜102中のかかるダメージ領域を領域120(黒色で表示)で示している。したがって、このダメージ領域120にフィラメントパスが形成されないようにしなければならない。   Incidentally, when the variable resistance element 10 is manufactured, damage due to etching or the like is inevitably caused at the end portion of the element. For this reason, the damaged area at the end of the element differs from the intended film quality. In FIG. 1, the damaged region in the metal oxide film 102 is indicated by a region 120 (shown in black). Therefore, it is necessary to prevent the filament path from being formed in the damaged region 120.

しかしながら、Inversion型トランジスタでは、チャネルが絶縁膜108とp型層106の界面またはその近傍に生じるため、図1に示すように、チャネルから近いダメージ領域に電流が流れようとして、ダメージ領域120或いはその近傍にフィラメントパス121が形成されてしまう可能性がある。この結果として、抵抗スイッチング特性の劣化を招くこととなってしまう。   However, in the Inversion type transistor, the channel is generated at or near the interface between the insulating film 108 and the p-type layer 106. Therefore, as shown in FIG. There is a possibility that the filament path 121 is formed in the vicinity. As a result, the resistance switching characteristics are deteriorated.

これを解決する方法として、例えば、図2に示されるように、可変抵抗素子10部分の基板に平行な方向の線幅を縦型MOSFET11のp型層106の線幅よりも広くとる方法が挙げられるが、可変抵抗素子10の占有面積が増加するため、高集積化の妨げとなる問題がある。   As a method for solving this, for example, as shown in FIG. 2, there is a method in which the line width in the direction parallel to the substrate of the variable resistance element 10 is made wider than the line width of the p-type layer 106 of the vertical MOSFET 11. However, since the occupation area of the variable resistance element 10 increases, there is a problem that hinders high integration.

さらに、高集積化に伴い、トランジスタ11のサイズを小型化すると、それに伴って電流駆動能力も当然低下することとなる。Inversion型トランジスタ11では、チャネルが絶縁膜108とp型層106の界面またはその近傍に生じることにより、その微細化に伴って、可変抵抗素子10の書き込みを安定して行うだけの電流を供給できなくなる虞がある。   Furthermore, if the size of the transistor 11 is reduced along with high integration, the current driving capability naturally decreases accordingly. In the Inversion transistor 11, a channel is generated at or near the interface between the insulating film 108 and the p-type layer 106, so that current sufficient to stably write the variable resistance element 10 can be supplied along with the miniaturization. There is a risk of disappearing.

《Accumulation型トランジスタを用いた構成》
これに対し、Accumulation型トランジスタを用いた本発明の一実施形態に係るメモリセルの構成の一例を図3に示す。図3は、Accumulation型の縦型MOSトランジスタ20と可変抵抗素子10を直列に接続した1T1R型のメモリセルについて、その断面構造を模式的に示す図である。
<Configuration using Accumulation type transistors>
In contrast, FIG. 3 shows an example of the configuration of a memory cell according to an embodiment of the present invention using an accumulation type transistor. FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a 1T1R type memory cell in which an accumulation type vertical MOS transistor 20 and a variable resistance element 10 are connected in series.

Accumulation型MOSトランジスタ20は、図1及び図2に示すInversion型MOSトランジスタ11と異なり、チャネル領域の導電型がソース/ドレイン領域と同じである。図3において、第1電極101と第2電極103の間に可変抵抗体としての金属酸化物膜102が狭持された可変抵抗素子10の第2電極103が、縦型MOSFETのn層104(ドレイン層)と電気的に接続して、メモリセルが構成されている。可変抵抗素子は、n層104上に、前記第1電極101、金属酸化物膜102、及び、第2電極103が、基板と垂直方向に積層されてなる。可変抵抗素子の構成は、図1と同様である。 Unlike the Inversion type MOS transistor 11 shown in FIGS. 1 and 2, the accumulation type MOS transistor 20 has the same conductivity type in the channel region as the source / drain region. In FIG. 3, the second electrode 103 of the variable resistance element 10 in which the metal oxide film 102 as a variable resistor is sandwiched between the first electrode 101 and the second electrode 103 is an n + layer 104 of the vertical MOSFET. A memory cell is configured in electrical connection with the (drain layer). The variable resistance element is formed by stacking the first electrode 101, the metal oxide film 102, and the second electrode 103 on the n + layer 104 in a direction perpendicular to the substrate. The configuration of the variable resistance element is the same as in FIG.

一方、Accumulation型MOSトランジスタ20は、n層104(ドレイン層)、n層105(ソース層)、チャネルが形成されるn型層112(バルク部)が、基板に垂直な方向に積層された積層構造を有し、かかるn型層112の側壁面を覆う絶縁膜108上を、n型層112の全側壁面を囲むように、ゲート電極107が配置されている。したがって、ゲート電極107は、絶縁膜108上を、n型層112を挟むように、対向して配置されている。 On the other hand, the accumulation-type MOS transistor 20 includes an n + layer 104 (drain layer), an n + layer 105 (source layer), and an n-type layer 112 (bulk portion) in which a channel is formed stacked in a direction perpendicular to the substrate. A gate electrode 107 is arranged on the insulating film 108 that covers the sidewall surface of the n-type layer 112 so as to surround the entire sidewall surface of the n-type layer 112. Therefore, the gate electrode 107 is disposed on the insulating film 108 so as to face each other with the n-type layer 112 interposed therebetween.

上記図1及び図2に示した従来構成のメモリセルと同様、第1電極101は、紙面の横方向(第1方向)に延伸するビット線110と接続し、ビット線110が第1方向に隣接するメモリセル同士を接続する。一方、ゲート電極107は、紙面に垂直な方向(第2方向)に延伸し、第2方向に延伸するワード線111となって、第2方向に隣接するメモリセル同士を接続する。n層105は、全メモリセルで共通の共通線109と接続している。ビット線110及びワード線111により、複数のメモリセル同士が2次元的に接続され、メモリセルアレイが構成されている。ワード線111に所定のオン電圧を印加し、縦型MOSFET20をオン状態にして、ビット線110と共通線109の間に書き込み電圧を印加することにより、可変抵抗素子10の抵抗状態が可逆的に変化し、このとき、可変抵抗素子10に書き込み電流が流れる。 As in the conventional memory cell shown in FIGS. 1 and 2, the first electrode 101 is connected to the bit line 110 extending in the horizontal direction (first direction) on the paper surface, and the bit line 110 extends in the first direction. Adjacent memory cells are connected to each other. On the other hand, the gate electrode 107 extends in a direction perpendicular to the paper surface (second direction) and becomes a word line 111 extending in the second direction, and connects adjacent memory cells in the second direction. The n + layer 105 is connected to a common line 109 common to all memory cells. A plurality of memory cells are two-dimensionally connected by the bit line 110 and the word line 111 to constitute a memory cell array. By applying a predetermined on-voltage to the word line 111, turning on the vertical MOSFET 20 and applying a write voltage between the bit line 110 and the common line 109, the resistance state of the variable resistive element 10 is reversibly changed. At this time, a write current flows through the variable resistance element 10.

ここで、n層104、n型層112、及びn層105の3層を単に接続しただけでは、常に導通状態となってしまうが、n型層112のチャネルに垂直な方向(すなわち、基板に平行な方向)の厚みを薄くし、n型層112を完全空乏化させることによりオフ状態を実現できる。 Here, simply connecting the three layers of the n + layer 104, the n-type layer 112, and the n + layer 105 is always in a conductive state, but the direction perpendicular to the channel of the n-type layer 112 (that is, The OFF state can be realized by reducing the thickness in the direction parallel to the substrate and completely depleting the n-type layer 112.

図4に示すn型層112の電子状態を示すバンド図を用いて、Accumulation型MOSトランジスタ20の動作を説明する。ゲート電極107として、孤立状態のn型層112(バルク部)のフェルミレベルよりも仕事関数の大きな材料を用いることで、ゲート電極107と絶縁膜108の界面、絶縁膜108とn型層112の界面で図4(a)のようにバンドが曲がる。この結果、ゲート電極107、及び、n層104と105の間に電圧が印加されない状態では、n型層112は完全空乏化し、オフ状態となっている。 The operation of the accumulation-type MOS transistor 20 will be described using a band diagram showing the electronic state of the n-type layer 112 shown in FIG. By using a material having a work function larger than the Fermi level of the isolated n-type layer 112 (bulk portion) as the gate electrode 107, the interface between the gate electrode 107 and the insulating film 108, the insulating film 108 and the n-type layer 112 The band bends at the interface as shown in FIG. As a result, in a state where no voltage is applied between the gate electrode 107 and the n + layers 104 and 105, the n-type layer 112 is completely depleted and turned off.

このとき、n層105(ソース層)に対して正の電圧をゲート電極107に印加していくと、ゲート電極107、絶縁膜108、及び、n型層112の電子状態は、図4(b)に示すように、フラットバンド状態に移行する。このとき、n型層112に電子が誘起され、バルク伝導電流が流れる。 At this time, when a positive voltage is applied to the gate electrode 107 with respect to the n + layer 105 (source layer), the electronic states of the gate electrode 107, the insulating film 108, and the n-type layer 112 are as shown in FIG. As shown in b), the state shifts to a flat band state. At this time, electrons are induced in the n-type layer 112 and a bulk conduction current flows.

さらにゲート電極107に印加する電圧を大きくしていくと、図4(c)に示すように、絶縁膜108とn型層112の界面に電子の蓄積層が誘起され、伝導度が増していく(蓄積状態)。   When the voltage applied to the gate electrode 107 is further increased, as shown in FIG. 4C, an electron accumulation layer is induced at the interface between the insulating film 108 and the n-type layer 112, and the conductivity increases. (Accumulation state).

したがって、オフ状態からゲート電極107に印加する電圧を大きくしていくと、n型層112の中央部分にまず電子が誘起され、バルク伝導電流が流れ始める。   Therefore, when the voltage applied to the gate electrode 107 is increased from the off state, electrons are first induced in the central portion of the n-type layer 112 and a bulk conduction current starts to flow.

この特徴を利用すると、Inversion型トランジスタを用いた場合のフィラメントパス形成の問題を回避できる。Accumulation型トランジスタ20では、まずn型層112の中央部分に電流が流れようとするので、図3に示すように、可変抵抗素子部のフィラメントパス121は、素子端部のダメージ領域120から離れた素子中央領域に生成される。したがって、加工ダメージが少なく、意図したとおりの組成/膜質となっている箇所にフィラメントパスを形成できるため、フィラメントパス形成後の抵抗スイッチングを、ばらつきなく、かつ、信頼性も高く行うことができる。   By utilizing this feature, the problem of forming a filament path when using an Inversion type transistor can be avoided. In the Accumulation type transistor 20, first, a current tends to flow through the central portion of the n-type layer 112, so that the filament path 121 of the variable resistance element part is separated from the damage region 120 at the element end as shown in FIG. 3. It is generated in the element central region. Therefore, since the filament path can be formed at a place where the processing / damage is small and the composition / film quality is as intended, the resistance switching after forming the filament path can be performed without variation and with high reliability.

つまり、フラットバンド状態においてチャネルが形成されるn型層112(バルク部)の中心位置が、基板に垂直方向から見て、金属酸化物膜102の形成領域の内側にあるように配置されているため、ダメージ領域120にフィラメントパスが形成されるのを避けることができる。この場合、図2のように、金属酸化物膜102を含む可変抵抗素子部分の線幅をn型層112の線幅より広げる必要はない。金属酸化物膜102の線幅をn型層112の線幅と同じか、或いは、基板に平行なある特定方向において、n型層112の線幅よりも狭く構成することができる。このため、高集積化の妨げとならない。   That is, the n-type layer 112 (bulk portion) where the channel is formed in the flat band state is arranged so that it is inside the formation region of the metal oxide film 102 when viewed from the direction perpendicular to the substrate. Therefore, the formation of a filament path in the damaged region 120 can be avoided. In this case, as shown in FIG. 2, it is not necessary to make the line width of the variable resistance element portion including the metal oxide film 102 wider than the line width of the n-type layer 112. The line width of the metal oxide film 102 can be made the same as the line width of the n-type layer 112 or narrower than the line width of the n-type layer 112 in a specific direction parallel to the substrate. For this reason, high integration is not hindered.

n型層112は、ゲート電圧の無印加時に完全空乏化させなければならないので、その基板と平行方向の幅を、そのキャリア濃度に応じた所定値以下に設定しなければならない。   Since the n-type layer 112 must be completely depleted when no gate voltage is applied, the width in the direction parallel to the substrate must be set to a predetermined value or less according to the carrier concentration.

以下に、完全空乏化の条件について説明する。図5に、金属−絶縁膜−n型半導体を接触させた場合の熱平衡状態におけるエネルギーバンド図を示す。絶縁膜に誘起される電圧をVi、絶縁膜の単位面積当たりのキャパシタンスをCiとすると、金属/絶縁体界面に誘起される単位面積当たりの電荷量Qiは、下記の数1で表される。ここで、εiは絶縁膜の誘電率、diは絶縁膜の膜厚である。   Hereinafter, the conditions for complete depletion will be described. FIG. 5 shows an energy band diagram in a thermal equilibrium state when a metal-insulating film-n-type semiconductor is contacted. Assuming that the voltage induced in the insulating film is Vi and the capacitance per unit area of the insulating film is Ci, the amount of charge Qi per unit area induced in the metal / insulator interface is expressed by the following equation (1). Here, εi is the dielectric constant of the insulating film, and di is the film thickness of the insulating film.

一方、素電荷をq、空乏層幅をW、n型半導体のドーパント濃度をNd、空乏層に印加される電圧をVs、半導体の誘電率をεsとすると、n型半導体の空乏層に誘起される単位面積当たりの電荷量Qsは、下記の数2で表される。なお、ここでのドーパント濃度は、電気的に活性な正味のドナー濃度、つまり、電気的に活性なドナー濃度から電気的に活性なアクセプタ濃度を引いたものである。   On the other hand, when the elementary charge is q, the width of the depletion layer is W, the dopant concentration of the n-type semiconductor is Nd, the voltage applied to the depletion layer is Vs, and the dielectric constant of the semiconductor is εs, it is induced in the depletion layer of the n-type semiconductor. The charge amount Qs per unit area is expressed by the following formula 2. Here, the dopant concentration is an electrically active net donor concentration, that is, an electrically active donor concentration minus an electrically active acceptor concentration.

フラットバンド電圧をVFBとし、金属の仕事関数からn型半導体のフェルミ準位Efと真空準位との間のエネルギー差を引いたものをφms、単位面積あたりの界面固定電荷や界面準位起因のトラップ電荷密度をQssとすると、下記の数3及び数4を満足する。これより、空乏層幅Wは、数1〜数4から、下記に示す数5で与えられる。 The flat band voltage is V FB , the metal work function minus the energy difference between the Fermi level Ef and the vacuum level of the n-type semiconductor is φms, and the interface fixed charge per unit area and the interface state When the trap charge density of Qss is Qss, the following equations 3 and 4 are satisfied. Accordingly, the depletion layer width W is given by the following equation 5 from the equations 1 to 4.



なお、数4でQss/Ciを無視しているのは、数10nm世代のトランジスタにおいては、絶縁膜のSiO換算膜厚が1nm〜数nmとなることから、Ciが1〜数μF/cm程度となり、製品レベルのトランジスタにおいては、Qssはq×1011/cm程度に制御されることから、Qss/Ciは10〜50mV程度となり、φmsが支配的になるためである。 The reason why Qss / Ci is ignored in Equation 4 is that, in a transistor of several tens of nm generation, since the SiO 2 equivalent film thickness of the insulating film is 1 nm to several nm, Ci is 1 to several μF / cm. This is because Qss is controlled to about q × 10 11 / cm 2 in a product level transistor, so that Qss / Ci is about 10 to 50 mV, and φms is dominant.

数5で求めた空乏層幅は、n型半導体と金属を一つの界面で絶縁膜を介して接合させた場合のものであるが、縦型MOSFETの場合、柱状のn型層112は、対向するように配置されたゲート電極107に挟まれている。この場合、熱平衡状態(ゲート電圧無印化時)でn型層112が完全空乏化するためには、対向するゲート電極の両部分で空乏層が形成されるため、n型層112の、ゲート電極が対向する方向の寸法が数5で導出した空乏層幅Rの2倍以下であればよい。とくに、n型層112の側壁面の全面が、絶縁膜108を介してゲート電極107で覆われる構成の場合には、n型層112の側壁面の全面に空乏層が形成されるので、縦型MOSFETのチャネル方向(基板に垂直な方向)から見たn型層112の断面の短辺(概長方形または概正方形の場合)の寸法あるいは短軸方向の寸法(概円形または概楕円形の場合)が、数5で表されるWの2倍以下となっていれば、余裕をもって完全空乏化させることができる。   The width of the depletion layer obtained in Equation 5 is that when an n-type semiconductor and a metal are joined via an insulating film at one interface, but in the case of a vertical MOSFET, the columnar n-type layer 112 is opposite to It is sandwiched between the gate electrodes 107 arranged to do so. In this case, in order for the n-type layer 112 to be completely depleted in a thermal equilibrium state (when no gate voltage is applied), a depletion layer is formed at both portions of the opposing gate electrode. However, it is sufficient that the dimension in the opposite direction is not more than twice the depletion layer width R derived in Equation 5. In particular, when the entire sidewall surface of the n-type layer 112 is covered with the gate electrode 107 through the insulating film 108, a depletion layer is formed on the entire sidewall surface of the n-type layer 112. Dimension of the short side (approximately rectangular or approximately square) of the cross section of the n-type layer 112 as viewed from the channel direction (direction perpendicular to the substrate) of the n-type MOSFET or dimension along the minor axis (approximately circular or approximately elliptical) ) Is less than or equal to twice the W expressed by Equation 5, it can be fully depleted with a margin.

図6は、n型層が柱状の場合に、完全空乏化に必要なn型層112の直径Rとn型層112のドーパント濃度(キャリア濃度)Ndとの関係を、絶縁膜108のSiO換算膜厚を変えて計算したものである。ここでは、シリコンのバンドギャップのほぼ中央にゲート電極のフェルミ準位が位置する条件である、φms=0.5eVとして計算している。高集積メモリの場合、n型層112の基板と平行方向の線幅は50nm以下(20〜50nm程度が好ましい)が想定されるため、n型層112のドーパント濃度(キャリア濃度)Ndは5×1018cm−3程度以下とするのが好ましい。 6, when n-type layer is columnar, a complete dopant concentration (carrier concentration) of depleted of the n-type layer 112 need diameter R and the n-type layer 112 relationship with Nd, SiO 2 insulating film 108 It is calculated by changing the equivalent film thickness. Here, it is calculated as φms = 0.5 eV, which is a condition in which the Fermi level of the gate electrode is located approximately at the center of the band gap of silicon. In the case of a highly integrated memory, since the line width in the direction parallel to the substrate of the n-type layer 112 is assumed to be 50 nm or less (preferably about 20 to 50 nm), the dopant concentration (carrier concentration) Nd of the n-type layer 112 is 5 ×. It is preferable to be about 10 18 cm −3 or less.

一方、可変抵抗素子10の書き込みを安定して行うために、Accumulation型MOSトランジスタ20は書き込みに必要な電圧を印加し、十分な電流を流せる駆動能力が必要である。可変抵抗素子の低抵抗状態の抵抗値は、10〜100kΩの範囲が適しているが、この範囲の抵抗の素子に電圧/電流を十分供給するためには、n型層112のフラットバンド状態の抵抗値は、可変抵抗素子の低抵抗状態の抵抗値と同程度以下とする必要がある。   On the other hand, in order to stably perform writing in the variable resistance element 10, the accumulation type MOS transistor 20 needs to have a driving ability to apply a voltage necessary for writing and to allow a sufficient current to flow. The resistance value of the variable resistance element in the low resistance state is suitably in the range of 10 to 100 kΩ. However, in order to sufficiently supply voltage / current to the element having the resistance in this range, the n-type layer 112 has a flat band state. The resistance value must be equal to or less than the resistance value of the variable resistance element in the low resistance state.

図7は、n型層112の直径Rに対して、フラットバンド状態におけるバルク抵抗を計算したものである。なお、図6は、n型層112のチャネル方向(すなわち、基板に垂直な方向)の厚みが50nmの場合の結果である。高集積メモリの場合、n型層112の基板に平行方向の線幅は50nm以下(20〜50nm程度が好ましい)が想定されるため、可変抵抗素子の低抵抗状態の抵抗値として50kΩ程度を想定すると、図7から、n型層112のドーパント濃度(キャリア濃度)Ndは1×1017cm−3程度以上とするのが好ましい。 FIG. 7 shows a calculation of the bulk resistance in the flat band state with respect to the diameter R of the n-type layer 112. FIG. 6 shows the results when the thickness of the n-type layer 112 in the channel direction (that is, the direction perpendicular to the substrate) is 50 nm. In the case of a highly integrated memory, since the line width in the direction parallel to the substrate of the n-type layer 112 is assumed to be 50 nm or less (preferably about 20 to 50 nm), the resistance value of the variable resistance element is assumed to be about 50 kΩ. Then, from FIG. 7, it is preferable that the dopant concentration (carrier concentration) Nd of the n-type layer 112 is about 1 × 10 17 cm −3 or more.

以上から、n型層112のドーパント濃度(キャリア濃度)Ndを1×1017〜5×1018cm−3の範囲に設定することで、ノーマリオフ動作をし、且つ、電流駆動能力に優れたMOSトランジスタを実現できる。 From the above, by setting the dopant concentration (carrier concentration) Nd of the n-type layer 112 in the range of 1 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 , the MOS that performs normally-off operation and has excellent current driving capability A transistor can be realized.

さらに、Accumulation型MOSトランジスタ20のバルク伝導をフィラメントパス形成に利用するためには、n層104と第2電極103を併せた高さの基板に平行な断面方向のn層104と第2電極103夫々の線幅に対するアスペクト比(高さ寸法/横寸法)を小さくすることが好ましい。アスペクト比が大きいと、n型層112中央部を流れる電流が、n層104と第2電極103を流れるうちに直径方向に広がってしまうからである。かかるアスペクト比は、好ましくは、n層104と第2電極103を併せた高さの、第2電極103の基板に平行な少なくとも一の断面方向の線幅に対する比を、0.9以下とするとよい。 Furthermore, in order to utilize the bulk conductivity of the Accumulation-type MOS transistor 20 in the filament path formation includes a n + layer 104 and n + layer 104 of the section parallel direction to the height of the substrate in conjunction with the second electrode 103 and the second It is preferable to reduce the aspect ratio (height dimension / lateral dimension) with respect to the line width of each electrode 103. This is because when the aspect ratio is large, the current flowing through the center of the n-type layer 112 spreads in the diameter direction while flowing through the n + layer 104 and the second electrode 103. The aspect ratio is preferably such that the ratio of the height of the combined n + layer 104 and the second electrode 103 to the line width in at least one cross-sectional direction parallel to the substrate of the second electrode 103 is 0.9 or less. Good.

図8に、第2電極103及びn層104からn型層112の中央部へ電流が流れ込んでくる(n型層112の中央部からn層104及び第2電極103へ電子が流れ出していく)様子を模式的に示す。n型層112中央部とn層104との接点部では、n型層112に向かって放射状に電流が流れ込む。この電流の流れ込み方がどのようなものであるかを理解することで、電極形状をどのように構成すべきかの知見が得られる。 In FIG. 8, current flows from the second electrode 103 and the n + layer 104 to the center of the n-type layer 112 (electrons flow from the center of the n-type layer 112 to the n + layer 104 and the second electrode 103. )) Schematically. At the contact portion between the central portion of the n-type layer 112 and the n + layer 104, current flows radially toward the n-type layer 112. By understanding what this current flow is, knowledge of how the electrode shape should be constructed can be obtained.

かかる微小接点からn層104及び第2電極103に向かう電界を考える。単純化して考えるため、n層104と第2電極103を一つの電極として扱い、図8に示すように、その膜厚をdとし、n型層112中央部とかかる電極との微小接点の位置が座標(0,−d)にあるとする。かかる電極のn型層112と接しない側の端部境界において電位が等しい、すなわちXY平面(Z=0)が等電位面になっているという理想的な状況を考える。かかる境界条件を課す場合、電極中に発生する電界は、n型層112中央部と電極との微小接点(0,−d)に配置した点電荷−Qにより誘起される電界と、座標(0,+d)に配置した鏡像電荷+Qにより誘起される電界との和になる。電極のn型層112と接しない反対側の境界(Z=0)では、電界はZ方向の成分Eのみとなり、微小接点からの距離をxとして、下記の数6で表される。ただし、図8の−Z方向を電界の正の向きとする。εを電極の誘電率とする。 Consider an electric field from such a microcontact toward the n + layer 104 and the second electrode 103. For simplification, the n + layer 104 and the second electrode 103 are treated as one electrode, and as shown in FIG. 8, the film thickness is d, and the center of the n-type layer 112 and a minute contact point between the electrode are formed. Assume that the position is at coordinates (0, -d). Consider an ideal situation in which the potentials are equal at the end boundary of the electrode not contacting the n-type layer 112, that is, the XY plane (Z = 0) is an equipotential surface. When such a boundary condition is imposed, the electric field generated in the electrode includes an electric field induced by a point charge −Q arranged at a minute contact (0, −d) between the center of the n-type layer 112 and the electrode, and coordinates (0 , + D) and the electric field induced by the mirror image charge + Q. At the opposite boundary (Z = 0) that does not contact the n-type layer 112 of the electrode, the electric field is only the component EZ in the Z direction, and the distance from the minute contact is x and is expressed by the following formula (6). However, the −Z direction in FIG. 8 is the positive direction of the electric field. Let ε be the dielectric constant of the electrode.

したがって、XY平面(Z=0)における電流密度分布は、電極の抵抗率をρとして、下記の数7で表される。   Therefore, the current density distribution in the XY plane (Z = 0) is expressed by the following equation 7 where ρ is the resistivity of the electrode.

図9に、電極の膜厚をd、微小接点からの距離をrとして、電流密度J(r)の分布を、r=0における電流密度を1として規格化したものを実線で示す。   FIG. 9 shows the distribution of current density J (r) normalized by assuming the film thickness of the electrode as d, the distance from the minute contact as r, and the current density at r = 0 as 1, indicated by a solid line.

数7から、電流密度がピーク値の90%以内となる範囲は、r/d≦0.27となる。上記範囲が電極の線幅に対して半分以下の領域を占めていれば、電極を流れる電流は局在しているということができる。この場合、r/d≧0.27×2=0.54となるように電極の寸法を設定してやればよい。このとき、電極のアスペクト比(高さ寸法/横寸法)は、d/2r≦0.93という条件となる。つまり、アスペクト比をおよそ0.9以下にすればよい。   From Equation 7, the range in which the current density is within 90% of the peak value is r / d ≦ 0.27. If the above range occupies less than half of the line width of the electrode, it can be said that the current flowing through the electrode is localized. In this case, the dimensions of the electrodes may be set so that r / d ≧ 0.27 × 2 = 0.54. At this time, the aspect ratio (height dimension / lateral dimension) of the electrode is in a condition of d / 2r ≦ 0.93. That is, the aspect ratio may be about 0.9 or less.

なお、可変抵抗体を構成する金属酸化物膜102の材料としては、Al、Hf、Ni、Co、Ta、Zr、W、Ti、Cu、V、Zn、Nbの各酸化物もしくは酸窒化物、又はチタン酸ストロンチウム(SrTiO)等を用いることができる。又は、これらの積層構造を用いてもよい。本発明は、特に、フォーミング処理によりフィラメントが形成されるフィラメント型の可変抵抗素子に適用可能であり、可変抵抗素子を構成する可変抵抗体や電極の材料、或いは素子のサイズ等により制限されるものではない。また、可変抵抗素子の構造としては、図3に示す第1電極101、金属酸化物膜102、及び、第2電極103を順に基板と垂直方向に積層された構造に限定されるものではない。 In addition, as a material of the metal oxide film 102 constituting the variable resistor, each oxide or oxynitride of Al, Hf, Ni, Co, Ta, Zr, W, Ti, Cu, V, Zn, Nb, Alternatively, strontium titanate (SrTiO x ) or the like can be used. Alternatively, a stacked structure of these may be used. The present invention is particularly applicable to a filament-type variable resistance element in which a filament is formed by a forming process, and is limited by the variable resistor and electrode material constituting the variable resistance element, the size of the element, or the like. is not. Further, the structure of the variable resistance element is not limited to the structure in which the first electrode 101, the metal oxide film 102, and the second electrode 103 illustrated in FIG. 3 are sequentially stacked in the direction perpendicular to the substrate.

なお、ゲート電極107を構成する材料としては、窒化チタン、窒化タンタル等の窒化物、Co、Ni、W、Moやこれらのシリサイド等の仕事関数が大きい(4.5eV程度以上)材料が好適である。また、高濃度にp型ドープしたシリコンを用いてもかまわない。   As a material for forming the gate electrode 107, a material having a high work function (about 4.5 eV or more) such as nitride such as titanium nitride or tantalum nitride, Co, Ni, W, Mo, or silicide thereof is preferable. is there. Alternatively, high-concentration p-type doped silicon may be used.

また、第2電極103は、複数の導電体層の積層で構成されていても良い。   Further, the second electrode 103 may be configured by stacking a plurality of conductor layers.

上述のAccumulation型MOSトランジスタ20を備えたメモリセルを行及び列のうち少なくとも一方向に配列し、メモリセルアレイを構成することができる。そして、かかるメモリセルアレイに、制御回路およびデコーダ回路(図11のワード線デコーダ201、ビット線デコーダ202、及び、ソース線デコーダ203に相当)等の周辺回路を接続することで、不揮発性の記憶装置が構成される。なお、制御回路およびデコーダの構成については、公知の構成を利用できるため、詳細な説明を割愛する。   A memory cell array can be configured by arranging memory cells including the above-described accumulation-type MOS transistor 20 in at least one of rows and columns. Then, by connecting peripheral circuits such as a control circuit and a decoder circuit (corresponding to the word line decoder 201, the bit line decoder 202, and the source line decoder 203 in FIG. 11) to the memory cell array, a nonvolatile storage device Is configured. In addition, about a structure of a control circuit and a decoder, since a well-known structure can be utilized, detailed description is omitted.

また、上述のAccumulation型MOSトランジスタ20の製造方法についても、従来構成のInversion型の縦型MOSFET11の製造において、p型層106の形成工程をn型層112の形成工程で置き換えればよく、公知の方法で製造可能であるため、詳細な説明を割愛する。   Also, with respect to the method of manufacturing the above-described Accumulation type MOS transistor 20, the manufacturing process of the p-type layer 106 may be replaced with the forming process of the n-type layer 112 in the manufacturing of the Inversion type vertical MOSFET 11 of the conventional configuration. Since it can be manufactured by the method, detailed description is omitted.

以上、本発明に依れば、可変抵抗素子10にAccumulation型の縦型トランジスタ20を直列に接続した1T1R型のメモリセル構造により、大きな書き込み電流と高集積化の両立が可能となり、最小加工寸法をFとして4Fのメモリセル構成が容易となる。さらに、微細な素子寸法であっても、可変抵抗体素子端面の加工に伴うダメージの影響を受けることなく、フィラメントパスの特性を制御できる。 As described above, according to the present invention, the 1T1R type memory cell structure in which the accumulation type vertical transistor 20 is connected in series to the variable resistance element 10 makes it possible to achieve both large write current and high integration, and the minimum processing dimension. 4F 2 memory cell configuration is facilitated by F. Furthermore, even when the element size is fine, the characteristics of the filament path can be controlled without being affected by the damage caused by the processing of the end face of the variable resistor element.

本発明は、可変抵抗素子を用いて情報を記憶する不揮発性の記憶装置に利用可能である。   The present invention can be used for a nonvolatile storage device that stores information using a variable resistance element.

10: 可変抵抗素子
11: 従来構成の縦型の選択トランジスタ
20: 本発明の一実施形態に係る縦型の選択トランジスタ
101: 第1電極(上部電極)
102: 可変抵抗体(金属酸化物膜)
103: 第2電極(下部電極)
104: n層(ドレイン層)
105: n層(ソース層)
106: p型層(チャネル領域)
107: ゲート電極
108: 絶縁膜
109: 共通線
110: ビット線
111: ワード線
112: n型層(バルク部)
120: ダメージ領域
121: フィラメントパス
200、204: メモリセルアレイ
201、205: ワード線デコーダ
202、206: ビット線デコーダ
203: ソース線デコーダ
R: 可変抵抗素子
T: 選択トランジスタ
BL1〜BLm: ビット線
SL1〜SLn: ソース線
WL1〜WLn: ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Variable resistance element 11: Vertical type selection transistor of conventional structure 20: Vertical type selection transistor which concerns on one Embodiment of this invention 101: 1st electrode (upper electrode)
102: Variable resistor (metal oxide film)
103: Second electrode (lower electrode)
104: n + layer (drain layer)
105: n + layer (source layer)
106: p-type layer (channel region)
107: Gate electrode 108: Insulating film 109: Common line 110: Bit line 111: Word line 112: N-type layer (bulk part)
120: Damaged area 121: Filament path 200, 204: Memory cell array 201, 205: Word line decoder 202, 206: Bit line decoder 203: Source line decoder R: Variable resistance element T: Selection transistor BL1 to BLm: Bit line SL1 SLn: Source line WL1 to WLn: Word line

Claims (6)

第1電極と第2電極の間に金属酸化物膜が挟持され、前記両電極間への電気的ストレスの印加に応じて、前記両電極間の電気抵抗で規定される抵抗状態が可逆的に変化する可変抵抗素子と、セル選択用の選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の前記第2電極と前記選択トランジスタのドレイン領域が接続されたメモリセルであって、
前記可変抵抗素子は、前記第1電極、前記金属酸化物膜、及び、前記第2電極が、基板と垂直方向に積層されており、
前記選択トランジスタが、縦型トランジスタであり、
前記縦型トランジスタは、
ソース層、ドレイン層、及び、前記ソース層と前記ドレイン層の間に挟まれたバルク部が、前記基板と垂直方向に積層された構造を有し、
前記バルク部の中心が、前記基板に垂直方向から見て、前記金属酸化物膜の形成領域の内側にあるように配置されており、
前記バルク部の前記基板と平行な方向の線幅が50nm以下であり、
前記ソース層、前記ドレイン層、及び、前記バルク部がn型シリコンからなり、前記バルク部のドーパント濃度が1×1017〜5×1018cm−3の範囲にあり、
ート電極が、前記バルク部の側壁面を覆う絶縁膜上を、前記バルク部を挟むように、対向して配置され、
前記ゲート電極、及び、前記ソース層と前記ドレイン層間に電圧が印加されない状態で、前記バルク部が完全空乏化していることを特徴とするメモリセル。
A metal oxide film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and the resistance state defined by the electrical resistance between the two electrodes is reversibly in response to the application of electrical stress between the two electrodes. A memory cell comprising a variable resistance element that changes and a selection transistor for cell selection, wherein the second electrode of the variable resistance element and a drain region of the selection transistor are connected;
In the variable resistance element, the first electrode, the metal oxide film, and the second electrode are stacked in a direction perpendicular to the substrate,
The selection transistor is a vertical transistor;
The vertical transistor is
Source layer, the drain layer, and the bulk portion sandwiched between the source layer and the drain layer has a laminated structure on the substrate and a vertical direction,
The center of the bulk part is disposed so as to be inside the formation region of the metal oxide film when viewed from the direction perpendicular to the substrate,
A line width in a direction parallel to the substrate of the bulk portion is 50 nm or less;
The source layer, the drain layer, and the bulk portion are made of n-type silicon, and the dopant concentration of the bulk portion is in the range of 1 × 10 17 to 5 × 10 18 cm −3 ,
Gate electrode, an insulating film on covering the sidewall surfaces of the bulk portion, so as to sandwich the bulk portion, is disposed opposite,
The memory cell, wherein the bulk portion is completely depleted in a state where no voltage is applied between the gate electrode and the source layer and the drain layer.
前記バルク部の誘電率をεs、前記ドーパント濃度をNd、前記絶縁膜の単位面積当たりのキャパシタンスをCi、前記ゲート電極の仕事関数から前記バルク部のフェルミ準位と真空準位との間のエネルギー差を引いたものをφms、素電荷をq、及び、前記ゲート電極が対向する方向の前記バルク部の寸法をRとしたとき、


の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載のメモリセル。
The dielectric constant of the bulk part is εs, the dopant concentration is Nd, the capacitance per unit area of the insulating film is Ci, and the energy between the Fermi level and the vacuum level of the bulk part from the work function of the gate electrode When the difference is φms, the elementary charge is q, and the dimension of the bulk part in the direction in which the gate electrode faces is R,


The memory cell according to claim 1, wherein:
前記ゲート電極が、前記バルク部の側壁面を覆う絶縁膜上を、前記バルク部の全側壁面を覆うように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のメモリセル。   3. The memory cell according to claim 1, wherein the gate electrode is disposed on the insulating film covering the side wall surface of the bulk portion so as to cover the entire side wall surface of the bulk portion. 記金属酸化物膜の前記基板に平行な少なくとも一方向の特定方向の線幅が、前記バルク部の前記特定方向の線幅以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のメモリセル。 Before Symbol metal oxide of at least one direction of the line width in a specific direction parallel to the substrate film, any one of the preceding claims, wherein the or less the specific direction of the line width of the bulk portion The memory cell according to item . 前記第2電極が、前記ドレイン層に接し、
前記ドレイン層と前記第2電極を併せた高さの、基板に平行な一の断面方向の前記第2電極の線幅に対する比が、0.9以下であることを特徴とする、請求項の何れか一項に記載のメモリセル。
The second electrode is in contact with the drain layer;
The ratio for the drain layer and the height together the second electrode, the line width of the second electrode in the cross-sectional direction of one parallel to the substrate, characterized in that it is 0.9 or less, according to claim 1 The memory cell according to any one of to 4 .
前記可変抵抗素子は、
フォーミング処理を施すことにより、前記両電極間の抵抗状態が前記フォーミング処理前の初期高抵抗状態から可変抵抗状態に変化し、
前記可変抵抗状態において、前記両電極間に前記電気的ストレスを印加することにより、前記抵抗状態が二以上の異なる状態間で遷移し、当該遷移後の一の抵抗状態を情報の記憶に用いることを特徴とする請求項1〜の何れか一項に記載のメモリセル。
The variable resistance element is:
By performing the forming process, the resistance state between the two electrodes changes from the initial high resistance state before the forming process to a variable resistance state,
In the variable resistance state, by applying the electrical stress between the electrodes, the resistance state transitions between two or more different states, and one resistance state after the transition is used for storing information. memory cell according to any one of claim 1 to 5, wherein.
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