特許第6560189号(P6560189)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6560189RRAMおよびRRAMに対して情報を格納し検索する方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6560189
(24)【登録日】2019年7月26日
(45)【発行日】2019年8月14日
(54)【発明の名称】RRAMおよびRRAMに対して情報を格納し検索する方法
(51)【国際特許分類】
   G11C 13/00 20060101AFI20190805BHJP
   H01L 21/8239 20060101ALI20190805BHJP
   H01L 27/105 20060101ALI20190805BHJP
【FI】
   G11C13/00 400B
   G11C13/00 210
   G11C13/00 215
   G11C13/00 230
   G11C13/00 320
   H01L27/105 448
【請求項の数】2
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2016-506313(P2016-506313)
(86)(22)【出願日】2014年2月25日
(65)【公表番号】特表2016-522527(P2016-522527A)
(43)【公表日】2016年7月28日
(86)【国際出願番号】US2014018218
(87)【国際公開番号】WO2014163862
(87)【国際公開日】20141009
【審査請求日】2015年11月26日
【審判番号】不服2017-14125(P2017-14125/J1)
【審判請求日】2017年9月25日
(31)【優先権主張番号】13/855,208
(32)【優先日】2013年4月2日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】595168543
【氏名又は名称】マイクロン テクノロジー,インク.
(74)【代理人】
【識別番号】100074099
【弁理士】
【氏名又は名称】大菅 義之
(74)【代理人】
【識別番号】100106851
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 泰久
(72)【発明者】
【氏名】ジョンソン,アダム ディー.
【合議体】
【審判長】 辻本 泰隆
【審判官】 仲間 晃
【審判官】 須田 勝巳
(56)【参考文献】
【文献】 特開2005−116145(JP,A)
【文献】 国際公開第2005/076280(WO,A1)
【文献】 特開2001−43691(JP,A)
【文献】 特開平11−96782(JP,A)
【文献】 国際公開第2012/116186(WO,A2)
【文献】 国際公開第2006/27920(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G11C 13/00
H01L 27/105
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ビット線と、
第1及び第2のワード線と、
前記ビット線及び前記第1のワード線の交差部分に設けられたプログラマブル材料を含む第1のメモリセルと、
前記ビット線及び前記第2のワード線との交差部分に設けられたプログラマブル材料を含む第2のメモリセルと、を備え、
前記第1及び第2のメモリセルは、それぞれ前記ビット線とソース線との間に直列に設けられた前記プログラマブル材料を含む抵抗性ランダムアクセスメモリセルと対応する第1及び第2のワード線が接続された選択デバイスとを備え、
複数のメモリビットの内の第1のメモリビットは前記第1のメモリセル及び前記第2のメモリセルから構成される結合されたメモリセルを含み、前記第1のメモリビットの結合された前記メモリセルは、前記第1のワード線及び前記第2のワード線から構成される対になったワード線と単一の前記ビット線によってアドレス指定され、
前記第1及び第2のワード線に、プログラミング動作を行う際に供給されるワード線上のパルスと同一期間及び同一振幅のパルスを読み出し時に供給することによって、前記読み出し時に前記第1のメモリセル及び前記第2のメモリセルを同時に選択することによって前記第1のメモリセル及び前記第2のメモリセルから構成される結合されたメモリセルの内容を前記ビット線に読み出し可能であり、
前記第1のメモリビットの結合された前記メモリセルは、前記アドレス指定を通じて実質的に同時に選択され、且つ前記複数のメモリビットの内の1つ以上の第2のメモリビットの結合された他のメモリセルとは互いに別々にプログラムされ、ここで、前記実質的に同時の選択は、前記第1のメモリビット及び前記1つ以上の第2のメモリビットを含むメモリビットに対応する結合されたメモリセルを、前記対応する結合されたメモリセルのプログラミング動作に対する測定の限度内で同時にプログラムすることを指すことを特徴とする抵抗性ランダムアクセスメモリ。
【請求項2】
前記第1及び第2のメモリセルは、相変化メモリ、多価金属酸化物を利用するセル、導電性ブリッジランダムアクセスメモリ、二元酸化物セルのいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の抵抗性ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
RRAM、およびRRAMに対して情報を格納し、検索する方法。
【背景技術】
【0002】
メモリは、ある種の集積回路であって、データを格納するためのシステムで使用される。メモリは、個々のメモリセルの一つ以上のアレイで通常作製される。メモリビットは、メモリアレイに保持される情報の最小単位である。各メモリセルは、二つの異なる選択可能な状態を有する単一のメモリビットに対応することがある。二進法では、状態は、“0”または“1”のいずれかと考えられる。
【0003】
抵抗性ランダムアクセスメモリ(RRAM)は、既存および将来的なデータ格納ニーズにおける利用に関係するメモリ類である。RRAMは、互いに対して低効率が異なる二つ以上の安定状態を有するプログラマブル材料を使用する。RRAMで使用されうる例示的なタイプのメモリセルは、相変化メモリ(PCM)セル、プログラマブル金属化セル(PMC)、導電性ブリッジランダムアクセスメモリ(CBRAM)セル、ナノブリッジメモリセル、電解質メモリセル、二元酸化物セル、および多層酸化物セル(例えば、多価酸化物を利用するセル)である。例えば、CBRAMおよびPMCは、分類が重複する。
【0004】
二つのメモリ状態間を遷移する、例示的な従来技術のRRAMセル10が、図1に示される。メモリ状態のうちの一方は、高抵抗状態(HRS)であって、他方は、低抵抗状態(LRS)である。メモリセルは、一対の電極12および14の間にプログラマブル材料16を含む。プログラマブル材料は、(図示されるように)単一の均質な組成であってもよいし、または二つ以上の個別層を含んでもよい。
【0005】
電極12は、回路18に接続され、電極14は、回路22に接続される。回路18および22は、電極に結合されて、読み出し/書き込み動作中にメモリセルにわたって適切な電界を供給するために構成されたセンスおよび/またはアクセス線を含んでもよい。幾つかの実施形態においては、図示されたメモリセルは、メモリアレイの複数のメモリセルのうちの一つであってもよく、回路18および22は、アレイの各メモリセルを一意的にアドレス指定するために使用される回路構成の一部であってもよい。幾つかの実施形態においては、メモリアレイにおけるメモリセルの使用中に、メモリセルに対する、および/またはメモリセルからの、望ましくない漏洩電流を減少させるために、“選択デバイス”(図示せず)がメモリセル10に隣接して提供されてもよい。例示的な選択デバイスは、ダイオード、トランジスタ、オボニック閾値スイッチなどを含む。
【0006】
メモリセル10にわたる電界EF(+)の印加は、材料16を通って延びる電流導通一時的構造20を形成する。一時的構造20は、セル10を通る低抵抗電流導通経路を提供し、それによって、構造20の形成は、セルをLRS構造に遷移させる。
【0007】
電界EF(−)の印加は、構造20を低下させ、セル10をHRS構造に戻す。電界EF(−)は、電界EF(+)に対して逆極性であってもよい。
【0008】
一時的構造20は、メモリセルの性質およびプログラマブル材料の性質に依存して、ならびに一時的構造の形成に含まれる化学および物理に依存して多数の構成を有してもよい。例えば、一時的構造は、イオン粒子の電流導通フィラメントであってもよい(イオン粒子は、スーパーイオンクラスタ、個々のイオンなどであってもよい)。別の例として、一時的構造は、位相変化領域、空乏濃度変化領域、イオン濃度変化(例えば、酸素イオン濃度変化)領域を含んでもよく、それらは、フィラメントの一部であってもよいし、そうでなくてもよい。
【0009】
メモリセル10は、HRS構造からLRS構造に遷移するため、または、その逆にLRS構造からHRS構造に遷移するために、メモリセルにわたって好適な電圧を提供することによってプログラムされてもよい。メモリセルは、メモリセルを通る抵抗を判定するために、メモリセルのプログラミングを引き起こさないレベルに電圧を制限しながら、メモリセルにわたって好適な電圧を提供することによって読み出されてもよい。
【0010】
アレイにわたってセルの動作特性が変化することによって、RRAMアレイのメモリセルの動作中に問題が引き起こされることがある。このような問題に対処する方法および構造を開発することが望まれている。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】従来技術のメモリセルの交換可能な二つのメモリ状態を図示する。
図2】メモリセルの二つの集合体を図示し、集合体のうちの一方は高抵抗状態にあり、集合体のうちの他方は低抵抗状態にある。
図3】メモリセルの二つの集合体を図示し、メモリビットの二つの集合体は、対になったメモリセルを含む。
図4】例示的一実施形態のRRAMアレイに対する例示的一実施形態のプログラミング動作の回路図である。
図5図4の例示的実施形態のRRAMアレイに対する例示的一実施形態の読み出し動作の回路図である。
図6】例示的一実施形態のRRAMアレイに対する例示的一実施形態のプログラミング動作の回路図である。
図7図6の例示的実施形態のRRAMアレイに対する例示的一実施形態の読み出し動作の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図1の従来技術のメモリセル10は、二つのメモリ状態(HRSおよびLRS)を示し、二つのメモリ状態は、メモリセルに選択的にプログラムすることができ、理想的には読み出し動作中に容易に互いに識別可能でありうる。しかしながら、RRAMアレイは、HRS構造におけるセルの大集合体およびLRS構造におけるセルの別の大集合体を有し、其々の集合体にわたって、セルのHRSおよびLRS特性の実質的な変化が存在してもよい。図2は、例示的一実施形態のRRAMの種々のメモリセルを図示する。具体的には、図2は、個々のメモリセルを流れる電流特性(任意単位a.u.で測定され、グラフ30のx軸上のログスケールで示される)を、当該特性を有する集合体におけるメモリセルの数(シグマによって示される)に対してプロットするグラフ30を含む。メモリセルの二つの集合体は、グラフ上に示され、第一の集合体は、LRS構造にあることを意図されるメモリセルであり、曲線32によって示され、第二の集合体は、HRS構造にあることを意図されるメモリセルであり、曲線34によって示される。
【0013】
HRS構造にあることを意図されるメモリセルの集合体は、全て高抵抗(即ち、グラフ30に用いられたx軸スケールにおいて比較的低い電流)を有する。対照的に、LRS構造にあることを意図されるメモリセルの集合体は、広範囲の抵抗を含む。曲線32に沿ったメモリセルの大部分は、低抵抗(即ち、グラフ30に用いられたx軸スケールにおいて比較的高い電流)を有する。しかしながら、LRS構造にあることを意図される少数のメモリセルがHRS構造にあることを意図されるセルと重複する抵抗を有する領域35(破線を用いて図示される)が存在する範囲において、曲線32に沿ったメモリセルのうちのいくつかは、高抵抗を有する。
【0014】
LRS構造にあることを意図されるメモリセルは、幾つかの理由のうちの何れかの理由で高抵抗を有してもよい。例えば、こうしたメモリセルは、LRS構造に関連付けられた好適な電流導通性一時的構造(例えば、図1に示される構造20に類似する構造)を十分に形成したことがない。代替的に、または追加的に、当該一時的構造は、セルを通る導電性を減少させるように低下させられ得る。あまりにも高抵抗のLRS構造にあることを意図されるメモリセルを有する理由とは関係なく、当該メモリセルは、読み出し動作中に、意図されるLRS構造ではなくHRS構造にセルがあることを、当該セルの高抵抗が示すという点で問題である。
【0015】
LRS構造にあることを意図されるが、高抵抗を有する(それによって、領域35内に存在する)メモリセルは、LRS構造にあることを意図されるセルの集合体を表す曲線32の“末尾(tail)”に対応すると考えられてもよい。換言すると、問題となる高抵抗を有するLRS構造にあることを意図されるメモリセルは、LRS構造にあることを意図されるセルの総集合体のうちのごく一部にすぎない。
【0016】
幾つかの実施形態においては、曲線32の“末尾”におけるメモリセルの高抵抗を補償するための方法は、当該“末尾”によって表される問題となるメモリセルの比較的ごく一部を利用する。具体的には、メモリビットは、二つ以上のメモリセルを含むように構成される。例えば、幾つかの用途においては、メモリビットは、互いに結合された二つのメモリセルを各々含むように構成されてもよい。結合されたメモリセルからの出力は、読み出し動作中に合計される。LRS構造にあることを意図されるメモリセルの集合体は、問題となる高抵抗を有するごく一部のみを含むため、問題となる高抵抗を有するセルは、互いに組み合わせられるよりも、低い抵抗を有する他のセルと組み合わせられる可能性が高い。メモリセルは、個々のメモリビットを流れる電流がメモリビット内のメモリセルの電流の合計となるように、メモリビット内に並列(即ち、メモリビット内のメモリセルの抵抗の並列結合)に配置される。したがって、メモリビット内のセルの一つが低抵抗を有する限り、メモリビットを通る全体の抵抗は低くなる。
【0017】
個々のメモリビットに複数のセルを結合する不利益は、メモリアレイの全体の記憶密度が減少することである。例えば、各メモリビットが二つのメモリセルを含む場合、メモリアレイの記憶密度は、各メモリビットが唯一つのメモリセルで構成される場合の記憶密度の半分に減少する。より一般的には、RRAMアレイがX個のメモリセルを含み、Y個のメモリセルが各メモリビットに組み込まれる場合、RRAMは、わずかX/Yメモリビットを有する。対照的に、各メモリビットに単一のメモリセルを含む従来技術のRRAMアレイは、X個のメモリビットを含む。
【0018】
単一のメモリビットに複数のメモリセルを結合することによって達成される信頼性の向上によって、幾つかの用途においては、記憶密度が減少する不利益を相殺することができる。幾つかの実施形態においては、各メモリビット内のメモリセルの結合は、メモリビット内の唯一つのメモリセルの利用と比較すると、信号対ノイズを改善すると考えられてもよい。
【0019】
図3は、図2のグラフ30と同一の軸を有するグラフ40を示し、各メモリビットに二つのメモリセルを結合することによって達成されうる改善を図示する。図2を参照して上述されたメモリセルの二つの集合体は、図3のグラフに示され、一方の集合体は、LRS構造にあることを意図されるメモリセルであって、曲線32によって示され、他方の集合体は、HRS構造にあることを意図されるメモリセルであって、曲線34によって示される。メモリビットの二つの集合体も示され、個々のメモリビットは、対になったメモリセルを含み、対になったメモリセルの抵抗の並列結合に対応する抵抗を有する。メモリビットの集合体のうちの一方は、曲線32からのメモリセルを対にすることによって形成される。このような集合体は、低抵抗状態のメモリビットの集合体であることを意図され、曲線42によって示される。メモリビットの集合体の他方は、曲線34からのメモリセルを対にすることによって形成される。このような集合体は、高抵抗状態のメモリビットの集合体であることを意図され、曲線44によって示される。
【0020】
曲線44の高抵抗集合体におけるメモリビットは、全て高抵抗を有し、曲線44は、個々のメモリセルに対応する曲線34に対してわずかに変化している。
【0021】
曲線42の低抵抗集合体におけるメモリビットは、全て、曲線44の高抵抗集合体におけるメモリビットから識別可能な程度に十分に低い抵抗である。換言すると、図2の問題となる重複領域35は、曲線42および44のメモリビット集合体に関しては存在しない。したがって、曲線42の低抵抗メモリビットは、全て、曲線44の高抵抗メモリビットから識別可能とすることができる。曲線42に沿った最も高抵抗のメモリビットと、曲線44に沿った最も低抵抗のメモリビットとの間の差は、読み出し動作中に高抵抗メモリビットと低抵抗メモリビットとの間の差を決定するのに好適な検知ウインドウ46であると考えられてもよい。個々のメモリビットへの複数のメモリセルの結合は、結合されたメモリセルを欠く従来技術のメモリビットと比較して、少なくとも約一桁改善された(即ち、広くなった)検知ウインドウを作成する。
【0022】
メモリセルは、図3のメモリビットを形成するために、任意の好適なアーキテクチャを通じて結合されてもよい。図4は、対になったメモリセルを含むメモリビットを作成するためにワード線が対にされるアーキテクチャを利用する例示的なプログラミング動作を示す。図4の動作は、メモリアレイ50の回路図を利用して図示される。メモリアレイは、複数のビット線(bl0−bl4)、ソース線(src)およびワード線(wl0−wl4)を含む。メモリアレイは、レジスタとして表されるメモリセル52(そのうちのいくつかだけに符号が付される)を含み、選択デバイス54(そのうちのいくつかだけに符号が付される)を含む。選択デバイスは、如何なる好適なデバイスであってもよく、例えば、電界効果トランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、ダイオード、オボニック閾値スイッチなどを含む。選択デバイスは、問題となる電流漏洩を軽減するために提供される。幾つかの実施形態においては、選択デバイスは、漏洩電流が問題ではない場合には省略されてもよい。
【0023】
二つのワード線wl1およびwl2は、対にされ、電気パルスは、各ワード線において、アスタリスク(*)によって図示されるように、双方のワード線に沿って提供される。また、電気パルスは、当該ビット線にアスタリスク(*)によって図示されるように、ビット線bl2に沿って提供される。wl1、wl2およびbl2に沿った電気パルスは、メモリセルのうちの二つ(メモリセル52aおよび52bとして図示される)を、残りのメモリセルがプログラムされないようにしながら、特定の状態にプログラムする。メモリセル52aおよび52bは、互いに同一の状態にプログラムされてもよく、具体的には、双方のメモリセルが実質的に同時にHRS構造にプログラムされうるように、または、双方のメモリセルが実質的に同時にLRS構造にプログラムされうるように、各メモリセル52aおよび52bの抵抗は、実質的に同時に変化してもよい。“実質的に同時に”という語は、結合されたメモリセルがプログラミング条件にさらされる動作と、動作および測定の限度内で同時にプログラムするか、またはプログラミング動作中のメモリセルの確率的な挙動によって完全に同時にはプログラムしないかのいずれかであるような動作を包含する。幾つかの実施形態においては、メモリビットの結合されたメモリセルは、互いに全く別々にプログラムされ、それによって、結合された個々のメモリセルは、同時ではなく、実質的に同時に、互いに対してプログラムされるような方法で、プログラムされうる。
【0024】
メモリセル52aおよび52bは、単一のメモリビット56に対にされる。他のメモリセル52は、メモリビットに同様に対にされてもよい。したがって、アレイ50は、各メモリビットが二つのメモリセルを含む複数のメモリビットに細分されると考えられる。示されたメモリビットは二つのメモリセルを含むが、他の実施形態においては、メモリビットは3つ以上のメモリセルを含むように構成されてもよい。
【0025】
図5を参照すると、メモリビット56のメモリセル52aおよび52bは、(アスタリスク(*)によって図示されるように)wl1、wl2およびbl2に沿った好適な電気パルスを提供することによって読み出され、読み出しパルスは、メモリビット56のプログラミング状態を変化させることなく、メモリセル52aおよび52bを流れる合計電流を判定するために好適な期間および振幅のパルスである。結合されたメモリセルの読み出しは、(図示されるように)結合されたメモリセルの全てを通って延びる経路に沿って電流を流し、それによって合計電流を判定することによって達成されてもよい。或いは、幾つかの実施形態においては、“結合された”メモリセルは、互いに別々に読み出され(即ち、合計されるセルの全てを通っては延びていない経路に沿って、個々のメモリセルを通って電流が流れる)、その後、電流は、結合されたメモリセルの合計電流を生成するために論理を通って(および/または他のプログラミング回路若しくは動作を通して)加算されてもよい。ビットの結合されたメモリセルの全てを通って延びる経路に沿って電流が通過する場合には、ビットの結合されたメモリセルは互いに同時に読み出されると考えられてもよく、電流がビットの各メモリセルを通過し、その後、電流が追加動作で合計される場合には、同時ではない動作で読み出されると考えられてもよい。
【0026】
メモリアレイ50の図示された構成は、ワード線およびビット線の組み合わせによって一意的に各々アドレス指定される複数のメモリセル52を有する。図示された実施形態においては、メモリビット56のメモリセルは、対になったワード線wl1およびwl2と、単一のビット線bl2とによってアドレス指定される。他の実施形態においては、類似のメモリビットは、対になったビット線および単一のワード線によってアドレス指定されてもよい。
【0027】
図4および図5は、選択デバイス54を図示する。図6および図7は、其々プログラミング動作および読み出し動作を図示し、その動作は、選択デバイスとして電界効果トランジスタ62(そのうちの幾つかだけに符号が付される)を含む例示的実施形態のメモリアレイ60に関する。wl1およびwl2上のパルスは、プログラミング動作および読み出し動作に対して図示される。図示された実施形態は、プログラミング動作および読み出し動作に対するwl2上のパルスと同一期間および同一振幅のパルスをwl1上において使用する。他の実施形態においては、wl1上で使用されるパルスは、プログラミング動作、読み出し動作、またはプログラミング動作および読み出し動作の双方に対して、wl2上で使用されるパルスと異なってもよい。
【0028】
上述されたメモリアレイは、電子システムに組み込まれてもよい。当該電子システムは、例えば、メモリモジュール、デバイスドライバ、電源モジュール、通信モデム、プロセッサモジュール、特定用途向けモジュールで使用されてもよく、マルチレイヤ、マルチチップモジュールを含んでもよい。電子システムは、例えば、時計、テレビ、携帯電話、パーソナルコンピュータ、自動車、産業制御システム、航空機などの広範囲のシステムのうちの如何なるシステムであってもよい。
【0029】
図面における種々の実施形態の特定の方向は、例示する目的のためだけのものであって、実施形態は、幾つかの用途において、示された方向に対して回転されてもよい。本明細書で提供された記述およびそれに続く請求項は、その構造が図面の特定の方向にあるか否か、またはそうした方向に対して回転されているか否かに関わらず、種々の特徴物同士の記述された関係を有する任意の構造に関連する。
【0030】
添付の図面の断面図は、断面平面内の特徴物のみを示しており、図面を簡略化するために、断面の平面背後にある物は示していない。
【0031】
幾つかの実施形態は、X個のメモリセルのRRAMアレイに対してデータを格納して検索する方法を含み、Y個のメモリセルは、各メモリビット内で互いに結合され、RRAMアレイは、わずかX/Y個のメモリビットしか有さない。各メモリビットの結合されたメモリセルは、読み出しおよび書き込み動作中に、互いに共通の抵抗状態に維持される。結合されたメモリセルを有するメモリビットは、唯一つのメモリセルを有するメモリビットと比較すると、信頼性の向上をもたらす。
【0032】
幾つかの実施形態は、RRAMアレイに対してデータを格納し、検索する方法を含む。アレイは、各メモリビットが少なくとも二つのメモリセルを含む複数のメモリビットに細分される。メモリビットは、メモリビット内の全てのメモリセルの抵抗状態を実質的に同時に変化させることによってプログラムされる。メモリビットは、メモリビット内の全てのメモリセルを流れる合計電流を判定することによって読み出される。
【0033】
幾つかの実施形態は、複数のメモリセルを含むRRAMを含み、各メモリセルは、ビット線/ワード線の組み合わせを通じて一意的にアドレス指定される。メモリセルは、選択的に交換可能な抵抗状態を有するプログラマブル材料を含む。メモリビットは、結合された複数のメモリセルを含む。各メモリビット内の結合されたメモリセルは、互いに同一の抵抗状態にある。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7