JP2006190376A - Nonvolatile semiconductor storage apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子を備えてなるメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列してなるメモリセルアレイを有する半導体記憶装置に関し、より詳細には、メモリセルアレイの読み出し動作に伴う記憶データの劣化の防止及び抑制技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of memory cells each including a variable resistance element that stores information according to a change in electrical resistance are arranged in a row direction and a column direction. The present invention relates to a technique for preventing and suppressing deterioration of stored data accompanying a cell array read operation.
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 Acces s Memory) として、FeRAM(Ferroelectric RAM)、MRAM(Magnetic RAM)、OUM(Ovonic Unified Memory)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, next-generation non-volatile random access memory (NVRAM) capable of high-speed operation, which replaces flash memory, includes FeRAM (Ferroelectric RAM), MRAM (Magnetic RAM), OUM (Ovonic Unified Memory), etc. A device structure has been proposed, and intense development competition is taking place from the viewpoint of high performance, high reliability, low cost, and process consistency.
また、これら既存技術に対し、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1及び非特許文献1に開示されている。これ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という極めて画期的なものである。この現象を利用した可変抵抗素子を用いた抵抗性不揮発性メモリRRAM(Resistance Random Access Memory)はMRAMと異なり磁場を一切必要としないため消費電力が極めて低く、微細化、高集積化も容易であり、抵抗変化のダイナミックレンジがMRAMに比べ格段に広いため多値記憶が可能であるという優れた特徴を有する。実際のデバイスにおける基本構造は極めて単純で、基板垂直方向に下部電極材料、ペロブスカイト型金属酸化物、上部電極材料の順に積層された構造となっている。尚、特許文献1に例示する素子構造では、下部電極材料はランタン・アルミニウム酸化物LaAlO3(LAO)の単結晶基板上に堆積されたイットリウム・バリウム・銅酸化物YBa2Cu3O7(YBCO)膜、ペロブスカイト型金属酸化物は結晶性プラセオジウム・カルシウム・マンガン酸化物Pr1−xCaxMnO3(PCMO)膜、上部電極材料はスパッタリングで堆積されたAg膜で、夫々形成されている。この記憶素子の動作は、上部及び下部電極間に印加する電圧パルスを51ボルトとして正、負に印加することにより抵抗を可逆的に変化させることができることが報告された。この可逆的な抵抗変化動作(以下、適宜「スイッチング動作」と称す。)における抵抗値を読み出すことによって、新規な不揮発性半導体記憶装置が可能であることを意味している。
In addition to these existing technologies, the method of reversibly changing the electrical resistance by applying a voltage pulse to a perovskite material known for its giant magnetoresistive effect by Shanqing Liu, Alex Ignatiev, etc. of the University of Houston, USA is as follows. It is disclosed in
上記PCMO膜等で構成される可変抵抗素子を備え、可変抵抗素子の電気抵抗の変化により情報を記憶するメモリセルを、行方向及び列方向に夫々複数、マトリクス状に配列してメモリセルアレイを形成して、該メモリセルアレイの周辺に、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、読み出しを制御する回路を配置して、不揮発性半導体記憶装置を構成することができる。 A memory cell array is formed by arranging a plurality of memory cells in the matrix in the row direction and the column direction, each having a variable resistance element composed of the PCMO film or the like and storing information by changing the electric resistance of the variable resistance element. A circuit for controlling data writing, erasing, and reading with respect to each memory cell of the memory cell array can be arranged around the memory cell array to constitute a nonvolatile semiconductor memory device.
当該可変抵抗素子を備えたメモリセルの構成として、各メモリセルが、可変抵抗素子と選択トランジスタが直列に接続された直列回路で構成される場合、また、可変抵抗素子だけで構成される場合等がある。前者の構成によるメモリセルを1T/1R型メモリセルと称し、後者の構成によるメモリセルを1R型メモリセルと称す。 As a configuration of the memory cell including the variable resistance element, when each memory cell is configured by a series circuit in which a variable resistance element and a selection transistor are connected in series, or when configured by only a variable resistance element, etc. There is. A memory cell having the former configuration is referred to as a 1T / 1R type memory cell, and a memory cell having the latter configuration is referred to as a 1R type memory cell.
1T/1R型メモリセルによりメモリセルアレイを形成して、大容量の不揮発性半導体記憶装置を構成した場合の構成例を、図面を用いて説明する。 A configuration example in which a memory cell array is formed by 1T / 1R type memory cells to configure a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to the drawings.
図1は、1T/1R型メモリセルのメモリセルアレイの一構成例を模式的に示したものであり、本出願人による特許出願(特願2003−168223)に同様のメモリセルアレイ構成を提案している。このメモリセルアレイ構成において、メモリセルアレイ1は列方向に延伸するビット線m本(BL1〜BLm)と行方向に延伸するワード線n本(WL1〜WLn)の交点にメモリセル2がm×n個配置した構成となっている。また、ソース線がn本(SL1〜SLn)で、ワード線と平行に配置される構成となっている。各メモリセルは、可変抵抗素子3の上部電極と選択トランジスタ4のドレイン電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の下部電極が接続され、ワード線に選択トランジスタ4のゲート電極が接続し、ソース線に選択トランジスタ4のソース電極が接続している。尚、可変抵抗素子3の下部電極と選択トランジスタ4のドレイン電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の上部電極が接続されて、可変抵抗素子3の上部電極と下部電極の関係が反転しても構わない。
FIG. 1 schematically shows a configuration example of a memory cell array of 1T / 1R type memory cells. A similar memory cell array configuration is proposed in the patent application (Japanese Patent Application No. 2003-168223) by the present applicant. Yes. In this memory cell array configuration, the
このように、メモリセル2を選択トランジスタ4と可変抵抗素子3の直列回路で構成することにより、ワード線の電位によって選択されたメモリセル2の選択トランジスタ4がオン状態となり、更に、ビット線の電位によって選択されたメモリセル2の可変抵抗素子3にのみ選択的に書き込み或いは消去電圧が印加され、可変抵抗素子3の抵抗値を変化可能にする構成となっている。
Thus, by configuring the
図2に、1T/1R型メモリセルのメモリセルアレイ1を備えた不揮発性半導体記憶装置の一構成例を示す。アドレス線8から制御回路10に入力された、アドレス入力に対応したメモリセルアレイ1内の特定のメモリセルが、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、及び、ワード線デコーダ7によって選択され、データの書き込み、消去、読み出しの各動作が実行され、選択されたメモリセルにデータが記憶され、且つ、読み出される。外部装置(図示せず)との間のデータの入出力は、データ線9を介して行われる。
FIG. 2 shows a configuration example of a nonvolatile semiconductor memory device including the
ワード線デコーダ7は、アドレス線8に入力された信号に対応するメモリセルアレイ1のワード線を選択し、ビット線デコーダ5は、アドレス線8に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ1のビット線を選択し、更に、ソース線デコーダ6は、アドレス線8に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ1のソース線を選択する。制御回路10は、メモリセルアレイ1の書き込み、消去、読み出しの各動作における制御を行う。制御回路10は、アドレス線8から入力されたアドレス信号、データ線9から入力されたデータ入力(書き込み時)、制御信号線11から入力された制御入力信号に基づいて、ワード線デコーダ7、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、電圧スイッチ回路12、メモリセルアレイ1の読み出し、書き込み、及び、消去動作を制御する。図2に示す例では、制御回路10は、図示しないが一般的なアドレスバッファ回路、データ入出力バッファ回路、制御入力バッファ回路としての機能を具備している。
The
電圧スイッチ回路12は、メモリセルアレイ1の読み出し、書き込み、消去時に必要なワード線、ビット線及びソース線の各電圧を動作モードに応じて切り替え、メモリセルアレイ1に供給する。ここで、Vccは不揮発性半導体記憶装置の電源電圧、Vssは接地電圧、Vwrt、Vrstは書き込み及び消去用の電圧、Vrは読み出し電圧である。また、データの読み出しは、メモリセルアレイ1からビット線デコーダ5、読み出し回路13を介して実行される。読み出し回路13は、データの状態を判定し、その結果を制御回路10に転送し、データ線9へ出力する。
The
次に、1R型メモリセルによりメモリセルアレイを形成して、大容量の不揮発性半導体記憶装置を構成した場合の構成例を、図面を用いて説明する。図3に示すように、メモリセル14は、選択トランジスタと可変抵抗素子の直列回路で構成せずに、可変抵抗素子3の単体で構成し、当該1R型メモリセル14をマトリクス状に配列してメモリセルアレイ15を構成しており、例えば、下記の特許文献2に開示されているものと同様である。具体的には、メモリセルアレイ15は列方向に延伸するビット線m本(BL1〜BLm)と行方向に延伸するワード線n本(WL1〜WLn)の交点にメモリセル14がm×n個配置した構成となっている。各メモリセル14は、ワード線に可変抵抗素子3の上部電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の下部電極が接続している。尚、ワード線に可変抵抗素子3の下部電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の上部電極が接続されて、可変抵抗素子3の上部電極と下部電極の関係が反転しても構わない。
Next, a configuration example in which a memory cell array is formed by 1R type memory cells to configure a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 3, the
1T/1R型メモリセル2で構成されたメモリセルアレイ1(図1及び図2参照)では、データの読み出し、書き込み、消去の対象となるメモリセルを選択する際に、選択ワード線と選択ビット線へ夫々所定の電圧を印加し、選択ワード線と選択ビット線の両方に接続する選択メモリセルに含まれる選択トランジスタだけをオン状態にすることによって、選択メモリセルに含まれる可変抵抗素子だけに読み出し電流を流すことができる。一方、1R型メモリセル14で構成されたメモリセルアレイ15では、データの読み出し対象となるメモリセルを選択する際に、読み出し対象メモリセルと共通のワード線、ビット線に接続する選択メモリセルにも、同様のバイアス電圧が印加されるので、読み出し対象メモリセル以外にも読み出し電流が流れる。行単位または列単位で選択された選択メモリセルを流れる読み出し電流は、列選択或いは行選択によって、読み出し対象メモリセルの読み出し電流として検知される。1R型メモリセル14で構成されたメモリセルアレイ15では、読み出し対象メモリセル以外にも読み出し電流が流れることになるが、メモリセル構造が単純であり、メモリセル面積とメモリセルアレイ面積が小さくなるという利点がある。
In the memory cell array 1 (see FIGS. 1 and 2) configured by 1T / 1R
図3及び図4に、1R型メモリセル14で構成されたメモリセルアレイ15におけるデータ読み出し動作時の各部への電圧印加手順の従来例を示す。選択メモリセルのデータを読み出す際には、選択メモリセルに接続する選択ワード線を接地電位Vssに維持し、読み出し期間Treadの間、他の非選択ワード線と全てのビット線には、全て、読み出し電圧Vrを印加する。読み出し期間Treadの間、選択ワード線と全ビット線の間に、読み出し電圧Vrの電圧差が生じるので、選択メモリセルの可変抵抗素子にその電気抵抗、つまり、記憶状態に応じた読み出し電流が流れ、選択メモリセルに記憶されたデータを読み出すことができる。この場合、選択ワード線に接続する選択メモリセルの記憶状態に応じた読み出し電流が各ビット線に流れるため、ビット線側において、所定の選択ビット線を流れる読み出し電流を選択的に読み出すことで、特定の選択メモリセルのデータを読み出すことができる。ここで、ビット線とワード線の関係を入れ換えて、ワード線側で各ワード線を流れる読み出し電流を選択的に読み出すようにしても構わない。
3 and 4 show a conventional example of a voltage application procedure to each part at the time of data read operation in the
図5に、1R型メモリセル14のメモリセルアレイ15を備えた不揮発性半導体記憶装置の一構成例を示す。アドレス線18から制御回路20に入力されたアドレス入力に対応したメモリセルアレイ15内の特定のメモリセルが、ビット線デコーダ16、及び、ワード線デコーダ17によって選択され、データの書き込み、消去、読み出しの各動作が実行され、選択されたメモリセルにデータが記憶され、且つ、読み出される。外部装置(図示せず)との間のデータの入出力は、データ線19を介して行われる。
FIG. 5 shows a configuration example of a nonvolatile semiconductor memory device including the
ワード線デコーダ17は、アドレス線18に入力された信号に対応するメモリセルアレイ15のワード線を選択し、ビット線デコーダ16は、アドレス線18に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ15のビット線を選択する。制御回路20は、メモリセルアレイ15の書き込み、消去、読み出しの各動作における制御を行う。制御回路20は、アドレス線18から入力されたアドレス信号、データ線19から入力されたデータ入力(書き込み時)、制御信号線21から入力された制御入力信号に基づいて、ワード線デコーダ17、ビット線デコーダ16、電圧スイッチ回路22、メモリセルアレイ15の読み出し、書き込み、及び、消去動作を制御する。図5に示す例では、制御回路20は、図示しないが一般的なアドレスバッファ回路、データ入出力バッファ回路、制御入力バッファ回路としての機能を具備している。
The
電圧スイッチ回路22は、メモリセルアレイ15の読み出し、書き込み、消去時に必要なワード線、ビット線及びソース線の各電圧を動作モードに応じて切り替え、メモリセルアレイ15に供給する。ここで、Vccは不揮発性半導体記憶装置の電源電圧、Vssは接地電圧、Vwrt、Vrstは書き込み及び消去用の電圧、Vrは読み出し電圧である。また、データの読み出しは、メモリセルアレイ15からビット線デコーダ16、読み出し回路23を介して実行される。読み出し回路23は、データの状態を判定し、その結果を制御回路20に転送し、データ線19へ出力する。
The
1T/1R型メモリセルと1R型メモリセルを構成する可変抵抗素子としては、カルコゲナイド化合物の結晶/アモルファス化の状態変化によって抵抗値を変化させる相変化メモリ素子、トンネル磁気抵抗効果による抵抗変化を用いるMRAM素子、導電性ポリマーで抵抗素子が形成されるポリマー強誘電性RAM(PFRAM)のメモリ素子、電気パルス印加によって抵抗変化を起こすRRAM素子等がある。 As a variable resistance element constituting the 1T / 1R type memory cell and the 1R type memory cell, a phase change memory element that changes a resistance value by a change in state of crystal / amorphization of a chalcogenide compound, a resistance change due to a tunnel magnetoresistance effect is used There are an MRAM element, a memory element of a polymer ferroelectric RAM (PFRAM) in which a resistance element is formed of a conductive polymer, an RRAM element that causes a resistance change by application of an electric pulse, and the like.
可変抵抗素子を備えたメモリセルからデータを読み出す際には、可変抵抗素子にバイアス電圧を印加して読み出し電流を流し、その電流の大小より可変抵抗素子の抵抗値を判定してデータを読み出す。従って、メモリセルの構成に関係なく、読み出し動作に伴って、可変抵抗素子には所定のバイアス電圧が印加される。 When data is read from a memory cell having a variable resistance element, a bias voltage is applied to the variable resistance element to cause a read current to flow, and the resistance value of the variable resistance element is determined based on the magnitude of the current to read the data. Accordingly, a predetermined bias voltage is applied to the variable resistance element in accordance with the read operation regardless of the configuration of the memory cell.
本願発明者らは、ペロブスカイト型金属酸化物の一種である、PCMO膜(Pr1−xCaxMnO3)を可変抵抗素子として用いた場合に、可変抵抗素子に、絶対値が書き込み電圧以下の読み出し電圧を同じ極性の連続パルスとして印加すると、可変抵抗素子の抵抗値が変化することを見出した。図6に示すように、可変抵抗素子の上部電極に正極性の電圧パルス(パルス幅100ns)を印加し続けると、初期状態が高抵抗状態にあった可変抵抗素子の抵抗値は、パルス印加の回数が増えるに従って低下した。また、負極性の電圧パルス(パルス幅100ns)を印加し続けると、パルス印加の回数が増えるに従って、抵抗値は上昇した。尚、負極性の電圧パルスでは、パルス印加回数が増えるに従って抵抗値が上昇する傾向を示すが、高抵抗状態が更に高抵抗状態となることは、低抵抗状態との差異がより顕著になるため、当該抵抗変化は特性上問題とならない。正極性の電圧パルス印加時の抵抗値の低下が問題となる。 When the PCMO film (Pr 1-x Ca x MnO 3 ), which is a kind of perovskite-type metal oxide, is used as a variable resistance element, the inventors of the present application have an absolute value equal to or lower than a write voltage. It has been found that when the read voltage is applied as a continuous pulse of the same polarity, the resistance value of the variable resistance element changes. As shown in FIG. 6, when a positive voltage pulse (pulse width 100 ns) is continuously applied to the upper electrode of the variable resistance element, the resistance value of the variable resistance element whose initial state is in the high resistance state is It decreased as the number of times increased. When the negative voltage pulse (pulse width 100 ns) was continuously applied, the resistance value increased as the number of pulse applications increased. In the negative voltage pulse, the resistance value tends to increase as the number of pulse application increases. However, the difference from the low resistance state becomes more noticeable when the high resistance state becomes a higher resistance state. The resistance change does not cause a problem in characteristics. A decrease in resistance value when a positive voltage pulse is applied becomes a problem.
ここで、正極性の電圧パルスとは、下部電極に基準となる接地電圧を与え、上部電極に正の電圧パルス(例えば、1V)を印加する状態を指す。更に、負極性の電圧パルスとは、上部電極に基準となる接地電圧を与え、下部電極に正の電圧パルス(例えば、1V)を印加する状態を指す。また、図6に示す抵抗値の測定条件は、下部電極に基準となる接地電圧を与え、上部電極に0.5Vを印加したときの電流値から算出した。また、図6の横軸は、電圧パルスの相対印加回数を対数表示している。 Here, the positive voltage pulse refers to a state in which a reference ground voltage is applied to the lower electrode and a positive voltage pulse (for example, 1 V) is applied to the upper electrode. Further, the negative voltage pulse refers to a state in which a reference ground voltage is applied to the upper electrode and a positive voltage pulse (for example, 1 V) is applied to the lower electrode. The resistance value measurement conditions shown in FIG. 6 were calculated from the current value when a reference ground voltage was applied to the lower electrode and 0.5 V was applied to the upper electrode. In addition, the horizontal axis of FIG. 6 indicates the logarithm of the relative application number of voltage pulses.
図7は、初期状態に低抵抗状態にあった可変抵抗素子の上部電極に、正の電圧パルスを印加した場合の抵抗変化を調べた結果である。尚、図7に示す抵抗値の測定条件は、下部電極に基準となる接地電圧を与え、上部電極に0.5Vを印加したときの電流値から算出した。また、図7の横軸は、電圧パルスの相対印加回数を対数表示している。図7より、初期状態に高抵抗状態の場合に比べて、抵抗変化は少ないことが分かる。特に、読み出し時に可変抵抗素子に印加される電圧は、通常1V程度が望ましいが、1V或いは−1Vの電圧パルスでは、抵抗変化は少ない。尚、電圧パルスが正極性の場合に、電圧振幅が2Vでは、パルス印加回数が増えるに従って抵抗値が低下する傾向を示すが、低抵抗状態が更に低抵抗状態となることは、高抵抗状態との差異がより顕著になるため、当該抵抗変化は特性上問題とならない。 FIG. 7 shows the result of examining the resistance change when a positive voltage pulse is applied to the upper electrode of the variable resistance element that was in the low resistance state in the initial state. The resistance measurement conditions shown in FIG. 7 were calculated from the current value when a reference ground voltage was applied to the lower electrode and 0.5 V was applied to the upper electrode. In addition, the horizontal axis of FIG. 7 indicates the logarithmic display of the relative number of voltage pulses applied. From FIG. 7, it can be seen that the resistance change is smaller than that in the high resistance state in the initial state. In particular, the voltage applied to the variable resistance element at the time of reading is generally preferably about 1V, but the resistance change is small with a voltage pulse of 1V or -1V. In addition, when the voltage pulse is positive, when the voltage amplitude is 2 V, the resistance value tends to decrease as the number of pulse application increases. However, the low resistance state further becomes the low resistance state. This difference in resistance is not a problem in terms of characteristics.
以上を整理すると、上記の実験結果から、メモリセルに記憶されているデータ、つまり抵抗値が、読み出し動作に伴って印加される電圧パルスの回数に応じて変化するという読み出しディスターブ現象が明らかとなった。特に、読み出し時の抵抗状態が高抵抗状態の可変抵抗素子に正極性の電圧パルスを印加して読み出し動作を行った場合に、当該可変抵抗素子の抵抗値が低下して、高抵抗状態と低抵抗状態間の抵抗差が小さくなり、読み出しマージンが低下する。更には、同じメモリセルに対する読み出し動作が繰り返されることで、最悪ケースとして、記憶データが完全に消失し、読み出し不能に陥る虞がある。 In summary, from the above experimental results, the read disturb phenomenon in which the data stored in the memory cell, that is, the resistance value changes according to the number of voltage pulses applied in accordance with the read operation, becomes clear. It was. In particular, when a read operation is performed by applying a positive voltage pulse to a variable resistance element whose resistance state during reading is a high resistance state, the resistance value of the variable resistance element decreases, and the resistance state of the variable resistance element is low. The resistance difference between the resistance states is reduced, and the read margin is reduced. Furthermore, repeated read operations on the same memory cell may cause the stored data to be completely lost and become impossible to read as a worst case.
更に、1R型メモリセルからなるメモリセルアレイでは、読み出し対象メモリセルとワード線またはビット線を共通とする読み出し対象外の選択メモリセルにも、読み出し電圧が印加されることになるので、上記読み出しディスターブ現象がより顕著となって現れることが明らかとなった。 Further, in a memory cell array composed of 1R type memory cells, a read voltage is applied to a selected memory cell that is not to be read and shares a word line or bit line with the read target memory cell. It became clear that the phenomenon appears more prominently.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、メモリセルアレイの読み出し時にメモリセルに印加される電圧パルスによってメモリセルに含まれる可変抵抗素子の抵抗値が変化して読み出し不良に陥るのを抑制した、読み出しマージンの大きな不揮発性半導体記憶装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to read errors due to a change in resistance value of a variable resistance element included in a memory cell due to a voltage pulse applied to the memory cell during reading from the memory cell array. It is an object of the present invention to provide a non-volatile semiconductor memory device with a large read margin, which is prevented from falling into the process.
上記目的を達成するための本発明に不揮発性半導体記憶装置は、電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子を備えてなるメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列してなるメモリセルアレイを有する不揮発性半導体記憶装置であって、前記メモリセルアレイの中から前記メモリセルを行単位、列単位、または、メモリセル単位で選択するメモリセル選択回路と、前記メモリセル選択回路により選択された選択メモリセルの前記可変抵抗素子に読み出し電圧を印加する読み出し電圧印加回路と、前記選択メモリセルの内の読み出し対象の前記メモリセルに対し当該可変抵抗素子の抵抗値に応じて流れる読み出し電流の大小を検知して、前記読み出し対象メモリセルに記憶されている情報の読み出し動作を行う読み出し回路と、を備え、前記読み出し電圧印加回路は、前記選択メモリセルの前記可変抵抗素子を流れる電流方向の正逆を選択するために、印加する前記読み出し電圧の極性を変更可能に構成されており、前記読み出し回路は、前記読み出し対象のメモリセルの前記可変抵抗素子に印加された前記読み出し電圧の極性に応じた前記読み出し電流の電流方向に即して前記読み出し動作を行うことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a non-volatile semiconductor memory device according to the present invention includes a memory cell array in which a plurality of memory cells each including a variable resistance element for storing information according to a change in electrical resistance are arranged in a row direction and a column direction. A memory cell selection circuit that selects the memory cells from the memory cell array in row units, column units, or memory cell units, and selected by the memory cell selection circuit A read voltage application circuit that applies a read voltage to the variable resistance element of the selected memory cell, and a magnitude of a read current that flows in accordance with the resistance value of the variable resistance element with respect to the memory cell to be read of the selected memory cell And a read circuit for performing a read operation of information stored in the read target memory cell. The read voltage application circuit is configured to change the polarity of the read voltage to be applied in order to select the direction of current flowing through the variable resistance element of the selected memory cell. The read operation is performed in accordance with the current direction of the read current according to the polarity of the read voltage applied to the variable resistance element of the memory cell to be read.
上記特徴の不揮発性半導体記憶装置によれば、読み出し電圧印加回路は、選択メモリセルに対して読み出し電圧の印加と、それとは逆向きに読み出し電流が流れる読み出し電圧の印加の両方を選択的に実行できるので、読み出し電圧が印加され、抵抗値が増加或いは減少した可能性のある選択メモリセルの可変抵抗素子に対して、別の読み出し時において逆向きの読み出し電流が流れるような読み出し電圧を印加することができ、その結果、読み出し電圧印加による抵抗変化を相殺する方向に抵抗を変化させることができ、読み出し電圧の印加回数が増加しても、初期抵抗状態からの累積的な抵抗変化を抑制でき、読み出しマージンの低下を抑制し、更には、記憶データの消失或いは読み出し不能状態に至るまでの読み出し回数を大幅に改善することが可能となる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device having the above characteristics, the read voltage application circuit selectively executes both the read voltage application to the selected memory cell and the read voltage application in which the read current flows in the opposite direction. Since the read voltage is applied, a read voltage that causes a reverse read current to flow during another read operation is applied to the variable resistance element of the selected memory cell whose resistance value may have increased or decreased. As a result, the resistance can be changed in a direction to cancel the resistance change due to the application of the read voltage, and the cumulative resistance change from the initial resistance state can be suppressed even if the number of times of applying the read voltage is increased. In addition, it suppresses the decrease in read margin, and further greatly improves the number of reads until the stored data is lost or cannot be read. Rukoto is possible.
例えば、図6に示す可変抵抗素子への電圧パルス印加に伴う抵抗変化の測定した実験結果によれば、初期状態が高抵抗状態において、正極性の電圧パルス(電圧振幅2V、パルス幅100ns)だけを連続して印加した場合と、正極性と負極性の電圧パルス(電圧振幅2V、パルス幅100ns)を交互に印加した場合を比較すると、明らかに、正極性と負極性の電圧パルス(前者が読み出し電圧印加で、後者がダミー読み出し電圧印加に相当)の場合の抵抗変化が大幅に抑制されていることが確認でき、上述の効果が裏付けられる。 For example, according to the experimental results obtained by measuring the resistance change accompanying the voltage pulse application to the variable resistance element shown in FIG. 6, when the initial state is the high resistance state, only the positive voltage pulse (voltage amplitude 2 V, pulse width 100 ns) is obtained. When the positive and negative voltage pulses (voltage amplitude 2 V, pulse width 100 ns) are alternately applied, the positive and negative voltage pulses (the former is clearly It can be confirmed that the resistance change when the read voltage is applied and the latter is equivalent to the dummy read voltage is significantly suppressed, and the above-described effect is supported.
以下、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置(以下、適宜「本発明装置」と称す。)の実施の形態を、図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention (hereinafter referred to as “the present device” as appropriate) will be described below with reference to the drawings.
本実施形態では、不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイを構成するメモリセルは、電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子を備えて形成されるが、その可変抵抗素子の一例として、PCMO膜の上下にPt電極を配した3層構造のRRAM素子を想定して説明する。尚、可変抵抗素子としては、電圧印加(または、電流印加)によって抵抗変化が生じる素子であれば、如何なる可変抵抗素子でも、本発明を適用することが可能である。 In the present embodiment, the memory cells constituting the memory cell array of the nonvolatile semiconductor memory device are formed to include a variable resistance element that stores information by a change in electrical resistance. As an example of the variable resistance element, a PCMO film A description will be given assuming an RRAM element having a three-layer structure in which Pt electrodes are arranged on the upper and lower sides. Note that the present invention can be applied to any variable resistance element as long as the variable resistance element is an element in which a resistance change is caused by voltage application (or current application).
本願発明者らは、ペロブスカイト型金属酸化物の一種である、PCMO膜(Pr1−xCaxMnO3)と、その上部と下部にPt電極を設けた可変抵抗素子を形成し、可変抵抗素子に、一定方向に電流を流す同極性の電圧パルスを連続して印加すると、パルスの印加回数が増えるに従って、可変抵抗素子の抵抗が変化することを見出した。尚、当該可変抵抗素子のPCMO膜は、500℃でスパッタリング法を用いて成膜した。 The inventors of the present application form a variable resistance element in which a PCMO film (Pr 1-x Ca x MnO 3 ), which is a kind of perovskite-type metal oxide, and a Pt electrode on the upper and lower sides thereof are formed. In addition, it has been found that when voltage pulses of the same polarity that cause current to flow in a certain direction are continuously applied, the resistance of the variable resistance element changes as the number of pulse applications increases. The PCMO film of the variable resistance element was formed at 500 ° C. using a sputtering method.
図6に示すように、可変抵抗素子の上部電極に正極性のパルス(パルス幅100ns)を印加し続けると、初期状態、即ち、パルス未印加の状態で高抵抗状態にあった可変抵抗素子の抵抗値は、パルス印加の回数が増えるに従って低下した。初期状態の高抵抗状態は、書き込み電圧Vpp=4V、パルス幅3μsの書き込み電圧パルスを下部電極に印加して形成した。 As shown in FIG. 6, when a positive pulse (pulse width 100 ns) is continuously applied to the upper electrode of the variable resistance element, the variable resistance element in the initial state, that is, in the high resistance state when no pulse is applied. The resistance value decreased as the number of pulse applications increased. The initial high resistance state was formed by applying a write voltage pulse having a write voltage Vpp = 4 V and a pulse width of 3 μs to the lower electrode.
書き込み電圧パルスと同極性の負極性のパルス(パルス幅100ns)を印加し続けると、パルス印加の回数が増えるに従って、抵抗値は上昇した。また、印加する電圧パルスの電圧振幅が大きいほど、即ち、可変抵抗素子を流れる電流が大きいほど、抵抗変化の程度は大きくなること、また、抵抗が増加する方向に変化するか、或いは、抵抗が減少する方向に変化するかは、電流を流す方向、つまり、印加する電圧パルスの極性に依存していることが明らかとなった。 When a negative pulse (pulse width 100 ns) having the same polarity as the write voltage pulse was continuously applied, the resistance value increased as the number of pulse applications increased. In addition, the greater the voltage amplitude of the applied voltage pulse, that is, the greater the current flowing through the variable resistance element, the greater the degree of resistance change, and the resistance increases or the resistance increases. It has been clarified that whether to change in a decreasing direction depends on the direction in which the current flows, that is, the polarity of the applied voltage pulse.
本願発明者らは、可変抵抗素子の抵抗変化の方向が、電圧パルス印加による可変抵抗素子を流れる電流の方向に依存することに着目して、読み出し動作の際に、読み出し時とは異なる方向に電流を流す電圧パルスを印加することによって、抵抗変化を相殺する方法を考案し、異なる方向に電流を流す電圧パルスを、可変抵抗素子に交互に連続して印加することを試みた。図6は、初期状態が高抵抗状態にある可変抵抗素子に、連続した電圧パルスを印加する際に、逆方向に電流を流す逆極性パルスを組み合わせて印加した場合について、抵抗変化の様子を調べた典型的な例である。同極性の電圧パルスを連続して印加した場合に比べて、極性が異なる電圧パルスを組み合わせて交互に印加した場合に、抵抗変化が小さくなることが検証された。このことから、可変抵抗素子を含んだメモリセルの記憶データを読み出す際に、通常一方向にしか流さない読み出し電流に加えて、それと逆向きに流す電流も読み出し電流として用いれば、読み出し時の電圧パルス印加による抵抗変化を抑制することが可能であり、読み出し可能回数を増加させることが可能であることが明らかとなった。 The inventors of the present application pay attention to the fact that the direction of the resistance change of the variable resistive element depends on the direction of the current flowing through the variable resistive element due to the application of the voltage pulse. The inventors have devised a method for canceling resistance change by applying a voltage pulse for flowing current, and have tried to apply voltage pulses for flowing current in different directions alternately and continuously to the variable resistance element. FIG. 6 shows the state of resistance change in the case of applying a combination of reverse polarity pulses that flow current in the reverse direction when applying a continuous voltage pulse to a variable resistance element whose initial state is a high resistance state. This is a typical example. It has been verified that the resistance change is smaller when voltage pulses having different polarities are applied alternately in combination as compared with the case where voltage pulses having the same polarity are continuously applied. Therefore, when reading stored data in a memory cell including a variable resistance element, in addition to a read current that normally flows only in one direction, a current that flows in the opposite direction is also used as a read current. It became clear that the resistance change due to the pulse application can be suppressed, and that the number of times of reading can be increased.
次に、以上の可変抵抗素子に対する新知見に基づいて、読み出し動作に伴う可変抵抗素子の抵抗変化を抑制可能な本発明装置について説明する。先ず、メモリセルが可変抵抗素子だけで構成される1R型メモリセルの場合における本発明装置ついて説明する。 Next, the device of the present invention capable of suppressing the resistance change of the variable resistance element accompanying the read operation will be described based on the above new knowledge about the variable resistance element. First, the device of the present invention in the case where the memory cell is a 1R type memory cell composed of only variable resistance elements will be described.
〈第1実施形態〉
図8に、本発明装置の一構成例を示す。尚、図8において、従来の不揮発性半導体記憶装置と共通する部分については、共通の符号を付して説明する。図8に示すように、本発明装置は、1R型メモリセル(図示せず)をマトリクス状に配列したメモリセルアレイ15の周辺に、ビット線デコーダ16、ワード線デコーダ17、電圧スイッチ回路22a、読み出し回路23a、及び、制御回路20aを備えて構成される。基本的には、図5に示す1R型メモリセルのメモリセルアレイを備えた従来の不揮発性半導体記憶装置の構成と同じである。図5の従来の不揮発性半導体記憶装置との相違点は、メモリセルアレイ全体に対する読み出し回数が奇数か偶数かを判別する1ビットカウンタからなる、読み出し回数カウンタ30が追加され、制御回路20aと信号のやり取りを行い、読み出し回数カウンタの状態によって、電圧スイッチから供給される、メモリセルアレイに印加する読み出し電圧を変えるところにある。この1ビットカウンタは、初期値が0で、メモリセルアレイに対する読み出しが一回完了するごとに1が足される。1ビットしかないので、読み出しが完了するたびに、0と1が反転していく。つまり、累積読み出し回数が偶数回か奇数回かを保持できる。この値をCと呼ぶことにする。この値Cによって、メモリセルアレイに印加する読み出し電圧を変えるのが、本発明装置の特徴である。
<First Embodiment>
FIG. 8 shows an example of the configuration of the device of the present invention. In FIG. 8, portions common to the conventional nonvolatile semiconductor memory device are described with common reference numerals. As shown in FIG. 8, the device of the present invention has a
メモリセルアレイ15の構成は、図3に示す従来の不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ15の構成と同じである。具体的には、メモリセルアレイ15は列方向に延伸するビット線(列選択線に相当)m本(BL1〜BLm)と行方向に延伸するワード線(行選択線に相当)n本(WL1〜WLn)の交点にメモリセル2がm×n個配置した構成となっている。各メモリセル14は、ワード線に可変抵抗素子3の上部電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の下部電極が接続している。尚、ワード線に可変抵抗素子3の下部電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の上部電極が接続されて、可変抵抗素子3の上部電極と下部電極の関係が反転しても構わない。
The configuration of
ビット線デコーダ16とワード線デコーダ17は、アドレス線18から制御回路20aに入力されたアドレス入力に対応したメモリセルアレイ15の中から読み出し対象のメモリセルを選択する。ワード線デコーダ17は、アドレス線18に入力された信号に対応するメモリセルアレイ15のワード線を選択し、ビット線デコーダ16は、アドレス線18に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ15のビット線を選択する。本実施形態では、ワード線デコーダ17が、メモリセルアレイ15の中からメモリセルを行単位で選択するメモリセル選択回路として機能する。制御回路20aは、メモリセルアレイ15の書き込み、消去、読み出しの各動作における制御を行う。制御回路20aは、アドレス線18から入力されたアドレス信号、データ線19から入力されたデータ入力(書き込み時)、制御信号線21から入力された制御入力信号に基づいて、ワード線デコーダ17、ビット線デコーダ16、電圧スイッチ回路22a、メモリセルアレイ15の読み出し、書き込み、及び、消去動作を制御する。図8に示す例では、制御回路20aは、図示しないが一般的なアドレスバッファ回路、データ入出力バッファ回路、制御入力バッファ回路としての機能を具備している。
The
電圧スイッチ回路22aは、メモリセルアレイ15の読み出し、書き込み、消去時に必要なワード線、ビット線及びソース線の各電圧を動作モードに応じて切り替え、メモリセルアレイ15に供給する。特に、読み出しモードでは、電圧スイッチ回路22aは、ワード線デコーダ17により選択された1行の選択メモリセルに接続するビット線とワード線に所定の読み出し電圧を印加する読み出し電圧印加回路として機能する。本実施形態では、ワード線デコーダ17で選択された1本の選択ワード線に接続するメモリセルが選択メモリセルとして、所定の読み出し電圧が印加される。図中、Vccは本発明装置の電源電圧、Vssは接地電圧、Vwrtは書き込み用電圧、Vrstは消去用の電圧、Vbはメモリセルアレイのバイアス電圧である。Vb+VrとVb−Vrは読み出し時に使用され、Vbにバイアスされた(全てのワード線・ビット線にVbが印加された)メモリセルアレイの内、選択されたワード線にVb−VrまたはVb+Vrを印加して読み出しを行う。このとき選択メモリセルの可変抵抗素子には、絶対値Vrの電圧が読み出し電圧として印加される。
The
読み出し回路23aは、選択メモリセルに接続するビット線を流れる読み出し電流の内、ビット線デコーダ16で選択された選択ビット線を流れる読み出し電流を電圧変換して、1行の選択メモリセルの内の選択ビット線に接続する読み出し対象のメモリセルの記憶データの状態を判定し、その結果を制御回路20aに転送し、データ線19へ出力する。
The
本実施形態では、選択されたワード線にVb−Vrが印加された場合とVb+Vrが印加された場合では、選択メモリセルに流れる読み出し電流の電流方向が反転する。従って、読み出し対象のメモリセルの記憶データが同じであっても、読み出し電流の電流方向が異なると、それを電圧変換した電圧値が異なることになる。そのため、本実施形態では、読み出し電圧の極性に応じて電圧変換した電圧値の判定方法を変化させる必要がある。例えば、電圧変換した電圧値を参照電圧と比較して差動増幅する場合は、読み出し電圧の極性に応じた適正な参照電圧を使用し、差動増幅出力の論理レベルを読み出し電圧の極性に応じて反転させる等の処理が必要となる。 In this embodiment, when Vb−Vr is applied to the selected word line and when Vb + Vr is applied, the current direction of the read current flowing through the selected memory cell is reversed. Therefore, even if the storage data of the memory cell to be read is the same, if the current direction of the read current is different, the voltage value obtained by voltage conversion of the read current is different. Therefore, in this embodiment, it is necessary to change the determination method of the voltage value obtained by voltage conversion according to the polarity of the read voltage. For example, when differentially amplifying the voltage value after voltage conversion with the reference voltage, use an appropriate reference voltage according to the polarity of the read voltage, and set the logic level of the differential amplification output according to the polarity of the read voltage. It is necessary to perform processing such as inversion.
次に、読み出し動作時における具体的な動作を、図9に示すワード線3本、ビット線3本の場合について、図面を参照しながら説明する。 Next, a specific operation during the read operation will be described with reference to the drawing in the case of three word lines and three bit lines shown in FIG.
本発明においては、読み出し時にメモリセルに流れる読み出し電流の電流方向が互いに逆向きである2種類の読み出し電流を選択的に用いることを大きな特徴としているが、説明の便宜上、読み出し電流がビット線からメモリセルに流れ込むような読み出しを“+読み出し”、読み出し電流がメモリセルからビット線に流れ込むような読み出しを“−読み出し”と呼ぶこととし、以降の説明において同様とする。 In the present invention, the main feature is that two types of read currents in which the directions of the read currents flowing in the memory cells at the time of reading are opposite to each other are selectively used. Reading that flows into the memory cell is referred to as “+ reading”, and reading that causes the reading current to flow from the memory cell to the bit line is referred to as “−reading”, and the same applies in the following description.
“+読み出し”を行うか、“−読み出し”を行うかは、読み出し回数カウンタ30のカウント値Cにより決定する。C=0のときに“+読み出し”、C=1のときに“−読み出し”を行うものとする。勿論この逆の設定でも構わないが、上記対応関係を前提として説明する。例えば、最初の読み出し時にワード線WL2が選択されたとする。このとき、メモリセルアレイは、過去に読み出しがなされていないので、読み出し回数カウンタ30のカウント値Cが0であるので、ワード線WL2に接続するメモリセルに対して、“+読み出し”を行う。図9(A)に示すように、ワード線WL2のみがVb−Vrにバイアスされ、それ以外のワード線とビット線はVbにバイアスされ、ビット線からメモリセルへと読み出し電流が流れる。この“+読み出し”が終了した段階で、読み出し回数カウンタ30に1が加算され、C=1となる。次の読み出しで、再びWL2が選択されたとすると、このときにはC=1となっているので、“−読み出し”が行われる。図9(B)に示すように、ワード線WL2のみがVb+Vrにバイアスされ、それ以外のワード線とビット線がVbにバイアスされ、メモリセルからビット線へと読み出し電流が流れる。よって、ワード線WL2に接続する同一のメモリセルR21〜R23に対して、“+読み出し”と“−読み出し”の両方がなされ、互いに逆方向の電流が同一のメモリセルに夫々流れるため、読み出しディスターブが低減される。図10に、何回かの読み出しを行った際の、読み出し回数カウンタ30のカウント値Cの変化、読み出し電圧の極性、各ワード線と各ビット線に印加されるバイアス電圧を示す。図10から分かるように、メモリセルアレイに対し読み出しが行われる度に読み出し回数カウンタ30のカウント値Cが書き換えられ、それに対応して読み出し電圧の極性が変更されている。図10に示す例では、メモリセルアレイ全体における8回の読み出しで、ワード線WL1〜WL3に夫々接続するメモリセルに対して、“+読み出し”と“−読み出し”が同じ回数ずつなされており、読み出しディスターブが低減される。
Whether to perform “+ read” or “−read” is determined by the count value C of the number-of-reads
しかしながら、図10に示すようにメモリセルがアクセスされるかどうかは、ランダムアクセスメモリの場合は、全くの偶然に頼らざるを得ない。例えば、図11に示すような最悪のケースも考えられる。図11に示す例では、ワード線W2に接続するメモリセルには“+読み出し”のみ、ワード線W3に接続するメモリセルには“−読み出し”のみがなされている。このような読み出しが以後も続くようであれば、読み出しディスターブは全く低減されない。 However, as shown in FIG. 10, whether or not a memory cell is accessed has to be relied upon by chance in the case of a random access memory. For example, the worst case as shown in FIG. In the example shown in FIG. 11, only “+ read” is performed on the memory cells connected to the word line W2, and only “−read” is performed on the memory cells connected to the word line W3. If such reading continues thereafter, the read disturb is not reduced at all.
ただ、図11に示すようにメモリセルがアクセスされるかどうかも、本発明装置の用いられる用途によっては必然的に起こる可能性もあるが、基本的には偶然である。従って、多数回の読み出しが行われることによって、各メモリセルには、“+読み出し”と“−読み出し”の両方がなされ、ある程度の読み出しディスターブの低減が可能であると考えられる。 However, as shown in FIG. 11, whether or not a memory cell is accessed may be inevitably caused depending on the use of the device of the present invention, but is basically a coincidence. Therefore, it is considered that, by performing many readings, both “+ reading” and “−reading” are performed on each memory cell, and the read disturb can be reduced to some extent.
〈第2実施形態〉
上記第1実施形態においては、読み出しディスターブの低減効果を、多数回読み出しによる平均化と偶然に頼っており、用途によっては全く読み出しディスターブ低減効果がない場合も考えられる。この点を改善した本発明装置の第2実施形態について次に説明する。
Second Embodiment
In the first embodiment, the read disturb reduction effect depends on the averaging by the multiple read-out accidentally, and depending on the application, there may be no read disturb reduction effect at all. A second embodiment of the device of the present invention that improves this point will now be described.
第2実施形態に係る本発明装置の構成は、図12に示すように、第1実施形態のものと基本的には同じであるが、第1実施形態における読み出し回数カウンタ30を、2値乱数発生回路31に置き換えた構成となっている。この2値乱数発生回路31においては、“0”か“1”の2値の内のどちらかをランダムに発生し、その値を2値乱数値Qとして保持する。2値乱数値Qの初期値は0と1の何れでも構わない。メモリセルアレイ15に対する読み出しが1回終了する毎に、0または1の値が新たにランダムに発生され、2値乱数値Qがこの値に書き換えられる。ここでの2値乱数値Qが、第1実施形態における読み出し回数カウンタ30のカウント値Cと同じように使われる。即ち、Q=0のときに“+読み出し”、Q=1のときに“−読み出し” を行うものとする。Qの値は、読み出しの度にランダムに“0”か“1”にセットされるため、読み出し電流の向きは無作為に決定される。図13に、第1実施形態同様、ワード線3本、ビット線3本のメモリセルアレイ(図9参照)に対して、16回まで読み出しさせたときの、2値乱数発生回路31の2値乱数値Q、読み出し電圧の極性、各ワード線と各ビット線に印加されるバイアス電圧を示す。尚、図13中の各読み出し回数での選択ワード線(選択メモリセルに接続するワード線)は適当に選んでいる。図13から分かるように、メモリセルアレイに対し読み出しが行われる度に2値乱数値Qがランダムに書き換えられるため、ワード線WL1〜WL3の夫々に接続するメモリセルに対して“+読み出し”と“−読み出し”の回数が略均衡して行われる。ここでは簡単のため16回までの読み出しまでを説明したが、読み出し回数が増えても同様であり、読み出し回数が増えるほど、“+読み出し”と“−読み出し”の回数の均衡度合いが増す。結局、“+読み出し”と“−読み出し”が略同じ回数になるように読み出しがなされるので、メモリセルには正逆両方向の読み出し電流がバランスよく流れるため、読み出しディスターブを確実に低減できる。
As shown in FIG. 12, the configuration of the device of the present invention according to the second embodiment is basically the same as that of the first embodiment, but the read
〈第3実施形態〉
上記第2実施形態においても、読み出しディスターブの低減は十分に可能であるが、より積極的に同一のメモリセルに対する“+読み出し”と“−読み出し”の回数を揃えるために、本発明装置の第3実施形態について次に説明する。
<Third Embodiment>
Even in the second embodiment, the read disturb can be sufficiently reduced. However, in order to more positively equalize the number of “+ read” and “−read” with respect to the same memory cell, the second embodiment of the device of the present invention. Next, three embodiments will be described.
第3実施形態に係る本発明装置の構成は、図14に示すように、第1実施形態のものと基本的には同じであるが、第1実施形態における読み出し回数カウンタ30を、行別読み出し回数カウンタ32に置き換え、行単位での読み出し回数のカウントを可能としたものである。第1実施形態においては、メモリセルアレイ全体に対する読み出し回数が偶数か奇数かによって読み出し電流の方向を決定していたのに対し、本第3実施形態においては、同一ワード線に接続するメモリセルに対する読み出し回数に応じて読み出し電圧の極性を決定するものである。同一ワード線に接続するメモリセルへの読み出しp回毎に、“+読み出し”と“−読み出し” を交替する。尚、pは1以上の自然数に設定する。これによって、同一メモリセルへの“+読み出し”回数と“−読み出し”回数の差がp回を超えない範囲で読み出しを続けられる。各ワード線に対する読み出しが何回行われたかを行単位でカウントするのが、行別読み出しカウンタ32である。ワード線毎に読み出し回数をカウントするため、ワード線の本数と同数の読み出し回数カウンタ32が必要である。行別読み出し回数カウンタ32は、例えば、図15に示すような構成にすれば良い。同一のワード線に接続するメモリセルへの読み出し回数が2のk乗回毎に“+読み出し”と“−読み出し”を切り替えるには、(k+1)ビットのカウンタを用い、その最上位ビット(図15中のC11〜Cn1)のビット値によって読み出し電圧の極性を決定すれば良い。
As shown in FIG. 14, the configuration of the device of the present invention according to the third embodiment is basically the same as that of the first embodiment, but the
図16に、第1実施形態及び第2実施形態と同様に、一例として、ワード線3本、ビット線3本のメモリセルアレイ(図9参照)に対して、14回まで読み出しさせたときの、各ワード線における行別読み出し回数カウンタ32のカウント値、読み出し電圧の極性、各ワード線と各ビット線に印加されるバイアス電圧を、2の1乗回(p=2、k=1)の読み出し毎に読み出し電圧の極性を変える場合を想定して示す。2回の読み出し毎に読み出し電圧の極性を変えるため、2ビットの行別読み出し回数カウンタ32がワード線3本分必要である。尚、図16中の各読み出し回数での選択ワード線(選択メモリセルに接続するワード線)は適当に選んでいる。図16に示すように、同一のワード線が選択されて読み出しが行われる度に、行別読み出し回数カウンタ32に1が加算され、行別読み出し回数カウンタ32の最上位ビット(C11〜C31)のビット値によって読み出し電圧の極性が決定される。ここでは、同一のワード線に接続するメモリセルへの読み出しがp回行われる毎に読み出し電圧の極性を変える一般的な方法をp=2の場合を例に示しているが、p=1とした場合は、“+読み出し”と“−読み出し”が1回置きになされ、且つ、行別読み出し回数カウンタ32が1ビットカウンタで済み、回路規模が小さくできるため、p=1とすることがより好ましい。
In FIG. 16, as in the first embodiment and the second embodiment, as an example, when the memory cell array (see FIG. 9) having three word lines and three bit lines is read up to 14 times, Reads the count value of the row-by-row
〈第4実施形態〉
第1実施形態乃至第3実施形態では、メモリセルが1R型の場合について説明したが、メモリセルを1T/1R型にした場合の実施形態を以下に示す。
<Fourth embodiment>
In the first to third embodiments, the case where the memory cell is the 1R type has been described, but an embodiment in which the memory cell is the 1T / 1R type is described below.
図17に、本発明装置の第4実施形態におけるブロック構成例を示す。基本的には、図2に示す1T/1R型メモリセルのメモリセルアレイを備えた従来の不揮発性半導体記憶装置の構成と同じである。図2の従来の不揮発性半導体記憶装置との相違点は、第1実施形態における読み出し回数カウンタ30と同じものが追加されていることである。この読み出し回数カウンタ30は、第1実施形態にて示したように、メモリセルアレイ1全体に対する読み出し回数が奇数か偶数かを判別する1ビットカウンタからなり、この1ビットカウンタの読み出し回数カウンタ30のカウント値Cによって、“+読み出し”と“−読み出し”が切り替わるように、電圧スイッチから各ビット線と各ソース線に供給されるバイアス電圧を切り替え、メモリセルアレイ1に印加する読み出し電圧の極性を変更する。1T/1R型のメモリセルを用いた場合においても、読み出し電流が以下に説明するビット線からメモリセルに流れ込むような読み出しを“+読み出し”、読み出し電流がメモリセルからビット線に流れ込むような読み出しを“−読み出し”と呼ぶこととする。
FIG. 17 shows a block configuration example in the fourth embodiment of the device of the present invention. The configuration is basically the same as that of the conventional nonvolatile semiconductor memory device including the memory cell array of 1T / 1R type memory cells shown in FIG. The difference from the conventional nonvolatile semiconductor memory device of FIG. 2 is that the
図17において、図2に示す従来の不揮発性半導体記憶装置と共通する部分については、共通の符号を付して説明する。第4実施形態では、1T/1R型メモリセル(図示せず)をマトリクス状に配列したメモリセルアレイ1の周辺に、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、ワード線デコーダ7、電圧スイッチ回路12a、読み出し回路13、及び、制御回路10aを備えて構成される。アドレス線8から制御回路10aに入力された、アドレス入力に対応したメモリセルアレイ1内の特定のメモリセルが、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、及び、ワード線デコーダ7によって選択され、データの書き込み、消去、読み出しの各動作が実行され、選択されたメモリセルにデータが記憶され、且つ、読み出される。外部装置(図示せず)との間のデータの入出力は、データ線9を介して行われる。
In FIG. 17, portions common to the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 2 are described with common reference numerals. In the fourth embodiment, around the
また、メモリセルアレイ1の構成も、図1に示す従来の不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ1の構成と同じである。具体的には、メモリセルアレイ1は列方向に延伸するビット線m本(BL1〜BLm)と行方向に延伸するワード線n本(WL1〜WLn)の交点にメモリセル2がm×n個配置した構成となっている。また、ソース線がn本(SL1〜SLn)で、ワード線と平行に配置される構成となっている。各メモリセルは、可変抵抗素子3の上部電極と選択トランジスタ4のドレイン電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の下部電極が接続され、ワード線に選択トランジスタ4のゲート電極が接続し、ソース線に選択トランジスタ4のソース電極が接続している。尚、可変抵抗素子3の下部電極と選択トランジスタ4のドレイン電極が接続され、ビット線に可変抵抗素子3の上部電極が接続されて、可変抵抗素子3の上部電極と下部電極の関係が反転しても構わない。
The configuration of the
ワード線デコーダ7は、アドレス線8に入力された信号に対応するメモリセルアレイ1のワード線を選択し、ビット線デコーダ5は、アドレス線8に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ1のビット線を選択し、更に、ソース線デコーダ6は、アドレス線8に入力されたアドレス信号に対応するメモリセルアレイ1のソース線を選択する。ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、及び、ワード線デコーダ7は、アドレス線8から制御回路10aに入力されたアドレス入力に対応したメモリセルアレイ1内の少なくとも1つのメモリセルをメモリセル単位で選択するメモリセル選択回路として機能する。
The
制御回路10aは、メモリセルアレイ1の書き込み、消去、読み出しの各動作における制御を行う。制御回路10aは、アドレス線8から入力されたアドレス信号、データ線9から入力されたデータ入力(書き込み時)、制御信号線11から入力された制御入力信号に基づいて、ワード線デコーダ7、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、電圧スイッチ回路12a、メモリセルアレイ1の読み出し、書き込み、及び、消去動作を制御する。図17に示す例では、制御回路10は、図示しないが一般的なアドレスバッファ回路、データ入出力バッファ回路、制御入力バッファ回路としての機能を具備している。
The
電圧スイッチ回路12aは、メモリセルアレイ1の読み出し、書き込み、消去時に必要なワード線、ビット線及びソース線の各電圧を動作モードに応じて切り替え、メモリセルアレイ1に供給する。特に、読み出しモードでは、電圧スイッチ回路12aは、ビット線デコーダ5、ソース線デコーダ6、及び、ワード線デコーダ7を介して、選択されたメモリセルに接続するビット線とワード線とソース線に所定の読み出し電圧を印加する読み出し電圧印加回路として機能する。ここで、Vccは本発明装置の電源電圧、Vssは接地電圧、Vwrtは書き込み用電圧、Vrstは消去用の電圧、Vbはメモリセルアレイのバイアス電圧である。Vb+VrとVb−Vrは読み出し時に使用され、Vbにバイアスされた(全てのソース線・ビット線にVbが印加された)メモリセルアレイのうち、選択されたビット線にVb−VrまたはVb+Vrを印加して読み出しを行う。このとき選択メモリセルの可変抵抗素子には、絶対値Vrの電圧が読み出し電圧として印加される。
The
また、データの読み出しは、メモリセルアレイ1からビット線デコーダ5、読み出し回路13aを介して実行される。読み出し回路13aは、データの状態を判定し、その結果を制御回路10aに転送し、データ線9へ出力する。
Data is read from the
本実施形態では、選択されたワード線にVb−Vrが印加された場合とVb+Vrが印加された場合では、選択メモリセルに流れる読み出し電流の電流方向が反転する。従って、読み出し対象のメモリセルの記憶データが同じであっても、読み出し電流の電流方向が異なると、それを電圧変換した電圧値が異なることになる。そのため、本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、読み出し電圧の極性に応じて電圧変換した電圧値の判定方法を変化させる必要がある。例えば、電圧変換した電圧値を参照電圧と比較して差動増幅する場合は、読み出し電圧の極性に応じた適正な参照電圧を使用し、差動増幅出力の論理レベルを読み出し電圧の極性に応じて反転させる等の処理が必要となる。 In this embodiment, when Vb−Vr is applied to the selected word line and when Vb + Vr is applied, the current direction of the read current flowing through the selected memory cell is reversed. Therefore, even if the storage data of the memory cell to be read is the same, if the current direction of the read current is different, the voltage value obtained by voltage conversion of the read current is different. Therefore, in this embodiment, it is necessary to change the determination method of the voltage value obtained by voltage conversion according to the polarity of the read voltage, as in the case of the first embodiment. For example, when differentially amplifying the voltage value after voltage conversion with the reference voltage, use an appropriate reference voltage according to the polarity of the read voltage, and set the logic level of the differential amplification output according to the polarity of the read voltage. It is necessary to perform processing such as inversion.
次に、読み出し動作時における具体的な動作を説明する。1T/1R型メモリセルの場合、選択トランジスタが存在するため、選択トランジスタをオンオフさせるための制御電圧の印加が必要になるが、可変抵抗素子の両端に各別に連絡する各ビット線、各ソース線への電圧印加方法は第1実施形態に準じて行えばよい。但し、本実施形態におけるソース線は、第1実施形態におけるビット線に相当し、本実施形態におけるビット線は、第1実施形態におけるワード線に相当する。 Next, a specific operation during the read operation will be described. In the case of a 1T / 1R type memory cell, since there is a selection transistor, it is necessary to apply a control voltage for turning on and off the selection transistor. However, each bit line and each source line respectively connected to both ends of the variable resistance element. The voltage application method may be performed according to the first embodiment. However, the source line in this embodiment corresponds to the bit line in the first embodiment, and the bit line in this embodiment corresponds to the word line in the first embodiment.
図18に、メモリセルアレイが、図19に示すような2行×2列のマトリクス構成で、ワード線2本、ソース線2本、ビット線2本を備えて構成されている場合を想定し、複数回(12回)の読み出しを行った際の、読み出し回数カウンタ30のカウント値Cの変化、各選択トランジスタのオン/オフ状態、読み出し電圧の極性、各ソース線と各ビット線に印加されるバイアス電圧を示す。図18から分かるように、メモリセルアレイに対し読み出しが行われる度に読み出し回数カウンタ30のカウント値Cが書き換えられ、それに対応して読み出し電圧の極性が変更されている。尚、図中、各読み出し回数で何れのメモリセルが選択されるかは、説明の簡単のため適当に決めている。図18に示す例では、4つのメモリセルには、“+読み出し”或いは“−読み出し”ばかりがなされるもの(R11、R21)と、“+読み出し”と“−読み出し”がバランス良くなされるもの(R12、R22)がある。このような読み出され方がこの先も継続的に行われるようであれば、読み出しディスターブの低減効果が全く生じないメモリセルが存在してしまう。しかしながら、これは説明上意図的にそのように設定してあるからそうなるが、ある程度メモリセルの選択のされ方がランダムであるようであれば、各メモリセルへは“+読み出し”と“−読み出し”の回数は大体バランスし、読み出しディスターブはある程度低減されると考えられる。尚、図18に示す例では、2本のソース線SL1、SL2の両方に常にバイアス電圧Vbが印加されているが、選択されていない行のソース線は選択トランジスタがオフしているので必ずしもバイアス電圧Vbが印加される必要はない。
FIG. 18 assumes a case where the memory cell array has a matrix configuration of 2 rows × 2 columns as shown in FIG. 19 and includes two word lines, two source lines, and two bit lines. Changes in the count value C of the read
〈第5実施形態〉
上記第4実施形態においては、第1実施形態と同様、ディスターブ低減効果をある程度偶然に頼っているという問題がある。これを、第2実施形態と同様の方法で1T/1R型メモリセルアレイにおいて改善した本発明装置の第5実施形態について以下に説明する。
<Fifth Embodiment>
In the fourth embodiment, as in the first embodiment, there is a problem that the disturbance reduction effect is relied on by chance to some extent. In the following, a fifth embodiment of the device of the present invention improved in the 1T / 1R type memory cell array by the same method as the second embodiment will be described.
第5実施形態に係る本発明装置の構成は、図20に示すように、第4実施形態のものと基本的には同じであるが、第4実施形態における読み出し回数カウンタ30を、2値乱数発生回路31に置き換えた構成となっている。第2実施形態同様、2値乱数発生回路31は、“0”か“1”の2値の内のどちらかをランダムに発生し、その値を2値乱数値Qとして保持する。2値乱数値Qの初期値は0と1の何れでも構わない。メモリセルアレイ1に対する読み出しが1回終了する毎に、0または1の値が新たにランダムに発生され、2値乱数値Qがこの値に書き換えられる。2値乱数値Qが、第4実施形態における読み出し回数カウンタ30のカウント値Cと同じように使われ、Q=0のときに“+読み出し”、Q=1のときに“−読み出し” を行うものとする。Qの値は、読み出しの度にランダムに“0”か“1”にセットされるため、読み出し電流の向きは無作為に決定される。図21に、図19に示すような2行×2列のマトリクス構成で、ワード線2本、ソース線2本、ビット線2本を備えて構成されている場合を想定し、複数回(16回)の読み出しを行った際の、2値乱数発生回路31の2値乱数値Q、選択メモリセルの可変抵抗素子、読み出し電圧の極性、各選択トランジスタのオン/オフ状態、各ソース線と各ビット線に印加されるバイアス電圧を示す。説明の便宜上、2値乱数値Qの値、及び、選択メモリセルは適当に決めてある。図21から分かるように、読み出しの極性がランダムに決定されるため、読み出し回数が増えても、“+読み出し”と“−読み出し”がバランスよくなされるため、“+読み出し”、或いは“−読み出し”の一方だけが行われることはなく、読み出しディスターブが確実に低減される。尚、図21に示す例では、2本のソース線SL1、SL2の両方に常にバイアス電圧Vbが印加されているが、選択されていない行のソース線は選択トランジスタがオフしているので必ずしもバイアス電圧Vbが印加される必要はない。
The configuration of the device of the present invention according to the fifth embodiment is basically the same as that of the fourth embodiment as shown in FIG. 20, but the
〈第6実施形態〉
上記第5実施形態においても、読み出しディスターブの低減は十分に可能であるが、第3実施形態と同様に、より積極的に同一のメモリセルに対する“+読み出し”と“−読み出し”の回数を揃えるための本発明装置の第6実施形態について次に説明する。
<Sixth Embodiment>
In the fifth embodiment as well, read disturb can be sufficiently reduced. However, as in the third embodiment, the number of “+ read” and “−read” for the same memory cell is more positively aligned. Next, a sixth embodiment of the device of the present invention will be described.
第6実施形態に係る本発明装置の構成は、図22に示すように、第4実施形態のものと基本的には同じであるが、第4実施形態における読み出し回数カウンタ30を、行別読み出し回数カウンタ32に置き換え、行単位での読み出し回数のカウントを可能としたものである。第3実施形態と同様に、同一ソース線(第3実施形態でのワード線に相当)に接続するメモリセルへの読み出し回数に応じて読み出し電圧の極性を決定するものである。同一ソース線に接続するメモリセルへの読み出しp回毎に、“+読み出し”と“−読み出し” を交替する。尚、pは1以上の自然数に設定する。これによって、同一メモリセルへの“+読み出し”回数と“−読み出し”回数の差がp回を超えない範囲で読み出しを続けられる。各ソース線に対して1つの行別読み出しカウンタ32を設けて、同一のソース線に対しての読み出し回数をカウントする。
The configuration of the device of the present invention according to the sixth embodiment is basically the same as that of the fourth embodiment as shown in FIG. 22, but the
1T/1R型メモリセルアレイは、1つのメモリセルを選択して読み出しができることが特徴であり、長所であるが、各メモリセルに対して読み出し回数カウンタを設けるとなると、メモリセルと同数の読み出し回数カウンタが必要となり、読み出し回数カウンタがメモリセルアレイより大きくなり、全く実用的でなくなる。従って、読み出し回数カウンタは、行別読み出し回数カウンタとしてソース線毎に設けるのが適当である。しかし、この構成では、従来の1T/1R型メモリセルアレイのような1つのメモリセルのみ選択して読み出すというメモリセルの選択方法を変える必要がある。たとえ読み出し対象のメモリセルが1つであったとしても、そのメモリセルとソース線を共有している他のメモリセル全てに読み出し電流を流す必要がある。行別読みだし回数カウンタ32が、ソース線当たり1つであるため、同一ソース線に接続する全てのメモリセルに対する“+読み出し”と“−読み出し”の履歴を揃える必要があるためである。
The 1T / 1R type memory cell array is characterized in that one memory cell can be selected and read out, which is an advantage. However, if a read number counter is provided for each memory cell, the same number of read times as the memory cell is provided. A counter is required, and the read count counter becomes larger than the memory cell array, making it impractical at all. Therefore, it is appropriate to provide a read count counter for each source line as a row-specific read count counter. However, in this configuration, it is necessary to change the memory cell selection method in which only one memory cell such as the conventional 1T / 1R type memory cell array is selected and read. Even if there is one memory cell to be read, it is necessary to pass a read current to all the other memory cells sharing the source line with that memory cell. This is because the number of read-out
図1に示すようなメモリセルアレイの場合、例えば、可変抵抗素子R11に対して読み出しを行う場合、通常はWL1に接続するトランジスタTR11〜TR1mを全てオンさせて、ビット線BL1とソース線SL1の間にのみ読み出し電圧が印加されるようにし、その他のビット線BL2〜BLmとソース線SL1の間には電位差が生じないようにする。しかし、本実施形態においては、ソース線SL1とビット線BL1〜BLmの間全てに読み出し電圧を印加するようにする。これにより、可変抵抗素子R11に読み出し電流が流れるのみならず、読み出し対象外のメモリセルの可変抵抗素子R12〜R1mにも、電流を流すことができる。つまり、同一ソース線に接続する全てのメモリセルを選択することで、同一ソース線に接続するメモリセルに流れる電流の履歴が揃い、ソース線毎に設けた行別読み出し回数カウンタ32が有効に機能するようになる。図23に、図19に示すような2行×2列のマトリクス構成で、ワード線2本、ソース線2本、ビット線2本を備えて構成されている場合を想定し、複数回(14回)の読み出しを行った際の、読み出し対象メモリセルの可変抵抗素子、選択トランジスタのオン/オフ状態、各ソース線と各ビット線に印加されるバイアス電圧、ソース線毎の読み出し回数と読み出し電圧の極性、ソース線毎の行別読み出し回数カウンタのカウント値を示す。説明の便宜上、各読み出し回数での読み出し対象メモリセルは適当に決めてある。各行別読み出しカウンタ32のカウント値の最上位ビット(C11、C21)が“0”のとき“+読み出し”、“1”のとき“−読み出し”が行われる。図23から分かるように、同一のソース線に接続するメモリセルに対して“+読み出し”と“−読み出し”が2回の読み出し毎に切り替わり、読み出し回数が増えても“+読み出し”と“−読み出し”がバランスよくなされるため、“+読み出し”、或いは“−読み出し”の一方だけが行われることはなく、読み出しディスターブが確実に低減される。ここでは、同一のソース線に接続するメモリセルへの読み出しがp回行われる毎に読み出し電圧の極性を変える一般的な方法をp=2の場合を例に示しているが、p=1とした場合、“+読み出し”と“−読み出し”1回置きになされ、且つ、行別読み出し回数カウンタ32が1ビットカウンタで済み、回路規模が小さくできるため、p=1とすることがより好ましい。尚、図23に示す例では、2本のソース線SL1、SL2の両方に常にバイアス電圧Vbが印加されているが、選択されていない行のソース線は選択トランジスタがオフしているので必ずしもバイアス電圧Vbが印加される必要はない。
In the case of the memory cell array as shown in FIG. 1, for example, when reading is performed on the variable resistance element R11, normally, the transistors TR11 to TR1m connected to WL1 are all turned on, and between the bit line BL1 and the source line SL1. The read voltage is applied only to the other bit line, and no potential difference is generated between the other bit lines BL2 to BLm and the source line SL1. However, in this embodiment, the read voltage is applied to all between the source line SL1 and the bit lines BL1 to BLm. Thereby, not only the read current flows through the variable resistance element R11, but also the current can flow through the variable resistance elements R12 to R1m of the memory cells that are not to be read. That is, by selecting all the memory cells connected to the same source line, the history of the currents flowing through the memory cells connected to the same source line is prepared, and the row-by-row
〈第7実施形態〉
上記第6実施形態においては、読み出しディスターブの低減は確実に可能となるが、1T/1R型メモリセルアレイであるにも拘らず、読み出し対象外のメモリセルも選択するため余分な読み出し電流が流れ読み出し時の消費電流が増加する。従って、読み出し時の消費電流の増加を抑制し、且つ、読み出しディスターブの低減も確実に図るための本発明装置の第7実施形態について次に説明する。
<Seventh embodiment>
In the sixth embodiment, read disturb can be surely reduced. However, in spite of the 1T / 1R type memory cell array, a memory cell that is not a read target is also selected, so that an excessive read current flows and read. Current consumption increases. Therefore, a seventh embodiment of the device of the present invention for suppressing an increase in current consumption during reading and for surely reducing reading disturb will be described below.
第7実施形態に係る本発明装置の構成は、図24に示すように、第6実施形態のものと基本的には同じであるが、第6実施形態における行別読み出し回数カウンタ32に加え、各選択行において読み出し対象となったメモリセルに接続するビット線の選択列アドレスを記憶する選択列アドレス記憶回路33を行単位に備える。そして、行別読み出し回数カウンタ32は1ビットカウンタで構成し、同一ソース線に接続するメモリセルへの読み出しp回毎に、“+読み出し”と“−読み出し” を交替する。
The configuration of the device of the present invention according to the seventh embodiment is basically the same as that of the sixth embodiment as shown in FIG. 24, but in addition to the row-by-row reading
ビット線デコーダ5は、読み出し対象のビット線を選択するための列アドレスに応じて現読み出し時のビット線を選択するとともに、選択ソース線と同じ行の選択列アドレス記憶回路33に記憶されている選択列アドレスに基づいて前回の読み出し時に選択した読み出し対象のビット線も再度選択する。この結果、同一行がアクセスされる毎に前回アクセスされたメモリセルも同時に選択され、しかもその可変抵抗素子に対して前回の読み出し時とは逆極性の読み出し電圧が印加されることから、同一ソース線に対する2回の読み出し動作で1回目の読み出し対象のメモリセルに対して“+読み出し”と“−読み出し”が必ず行われることになり、読み出しディスターブが確実に低減される。
The
尚、1回目の読み出し対象のメモリセルを2回目も読み出し対象として選択した場合は、選択列アドレス記憶回路33への記憶を行わず削除することで、次回の読み出し時に、同じメモリセルに3回連続して読み出しするのを回避できる。
If the memory cell to be read for the first time is selected as the read target for the second time, the memory cell is deleted without being stored in the selected column
本実施形態をシリアル読み出しの用途に適用した場合、例えば、列アドレスが規則的にインクリメントされて連続的に読み出される場合は、選択列アドレス記憶回路33は必ずしも設ける必要はなく、ビット線デコーダ5が、読み出し対象のビット線を選択する際に、隣接する1つ前のビット線も同時に選択するようにすれば良い。尚、先頭のビット線を選択する場合は、最後のビット線を同時に選択するようにすれば良い。
When this embodiment is applied to a serial read application, for example, when the column address is regularly incremented and read continuously, the selected column
次に、本発明装置の別実施形態について説明する。 Next, another embodiment of the device of the present invention will be described.
〈1〉上記各実施形態において、メモリセル構造として、1R型メモリセルと1T/1R型メモリセルの2つの場合につき、夫々のメモリセルアレイ構成を例示して説明したが、メモリセル構造は、1R型メモリセルと1T/1R型メモリセル以外であっても、選択メモリセルの可変抵抗素子を流れる電流方向が正負逆転できる構造であれば、如何なる構造であっても構わない。また、1T/1R型メモリセルの選択トランジスタは、N型MOSFETに限らず、P型MOSFETであっても構わない。 <1> In each of the above-described embodiments, the memory cell structure has been described by exemplifying the respective memory cell array configurations for two cases of 1R type memory cells and 1T / 1R type memory cells. Any structure other than the type memory cell and the 1T / 1R type memory cell may be used as long as the direction of the current flowing through the variable resistance element of the selected memory cell can be reversed. The selection transistor of the 1T / 1R type memory cell is not limited to the N-type MOSFET, but may be a P-type MOSFET.
〈2〉上記第4乃至第7実施形態において、1T/1R型メモリセルのメモリセルアレイ構成として、図2に示すような行方向に延伸するソース線を各行に設ける構成を例示したが、1T/1R型メモリセルのメモリセルアレイ構成は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、列方向にビット線と平行に延伸するソース線であっても構わない。 <2> In the fourth to seventh embodiments, the memory cell array configuration of the 1T / 1R type memory cell is exemplified by a configuration in which source lines extending in the row direction as shown in FIG. The memory cell array configuration of the 1R type memory cell is not limited to the configuration of the above embodiment. For example, it may be a source line extending in parallel with the bit line in the column direction.
また、図2に示す構成に対して、ビット線とソース線の関係を反転させても構わない。この場合、読み出し回路13aはソース線デコーダ6に接続され、読み出し回数カウンタ32は、ビット線デコーダ5に接続される。
Further, the relationship between the bit line and the source line may be reversed with respect to the configuration shown in FIG. In this case, the
〈3〉上記第1乃至第3実施形態では、ワード線を1本選択して、当該選択ワード線に接続する選択メモリセルを流れる読み出し電流を、ビット線側で選択して、読み出す場合を想定したが、ワード線とビット線の関係を反転させて、ビット線を1本選択して、当該選択ビット線に接続する選択メモリセルを流れる読み出し電流を、ワード線側で選択して、読み出す方式であっても構わない。この場合、読み出し回路23aは、ワード線デコーダ17側に接続する。
<3> In the first to third embodiments, it is assumed that one word line is selected and a read current flowing through a selected memory cell connected to the selected word line is selected and read on the bit line side. However, the relation between the word line and the bit line is inverted, one bit line is selected, and the read current flowing through the selected memory cell connected to the selected bit line is selected on the word line side and read. It does not matter. In this case, the
〈4〉上記各実施形態において、図8、図12、図14、図17、図20、図22、図24に示す電圧スイッチ回路22a,12aは、書き込み、消去、読み出しの各動作の電圧を1つの回路ブロックで発生する形態を示しているが、上記各動作用の電圧を個別に発生する回路を夫々備えても構わない。更に、読み出し動作時の読み出し電圧印加回路は、各デコーダ内に設けても構わない。
<4> In each of the embodiments described above, the
〈5〉上記第3及び第6実施形態において、メモリセルアレイの各行ごとに読み出し回数カウンタを設ける構成としているが、或る纏まったデータサイズで必ずアクセスされるような用途の場合、その纏まったメモリ領域は必ず連続して読み出しがなされるため、その領域毎に読み出し回数カウンタを設けても構わない。つまり、2行以上の行毎に読み出し回数カウンタを設けても良い。 <5> In the third and sixth embodiments described above, a read count counter is provided for each row of the memory cell array. However, in the case where the data is always accessed with a certain data size, the memory Since the area is always read continuously, a read number counter may be provided for each area. That is, a read number counter may be provided for every two or more rows.
〈6〉上記各実施形態においては、1つのメモリセルアレイからなる構成を想定して説明したが、図25に示すように、メモリセルアレイ55を複数のサブアレイブロック56に分割し、或る纏まったデータサイズで必ずアクセスされるような用途においては、そのデータサイズとサブアレイブロック56の容量を同じにしておけば、サブアレイブロック56内は必ず連続して読み出しがなされるため、そのサブアレイブロック領域毎に読み出し回数カウンタ54を設け、このカウンタの状態によって“+読み出し”と“−読み出し”を切り替えても、読み出しディスターブの低減が可能である。
<6> In the above embodiments, the description has been made on the assumption that the memory cell array is composed of one memory cell array. However, as shown in FIG. 25, the
1、15、55: メモリセルアレイ
2、14: メモリセル
3: 可変抵抗素子
4: 選択トランジスタ
5、16: ビット線デコーダ
6: ソース線デコーダ
7、17: ワード線デコーダ
8、18、58: アドレス線
9、19、59: データ線
10、10a〜10c、20、20a〜20c、50: 制御回路
11、21、51: 制御信号線
12、12a、22、22a、52: 電圧スイッチ回路
13、13a、23、23a、53: 読み出し回路
30: 読み出し回数カウンタ
31: 2値乱数発生回路
32: 行別読み出し回数カウンタ
33: 選択列アドレス記憶回路
54: ブロック別読み出し回数カウンタ
56: サブアレイブロック
BL1〜BLm: ビット線(列選択線)
WL1〜WLn: ワード線(行選択線)
SL1〜SLn: ソース線
R11〜Rnm: 可変抵抗素子
TR11〜TRnm: 選択トランジスタ
Tread: 読み出し時間
Vcc: 電源電圧
Vss: 接地電圧
Vwrt: 書き込み用の電圧
Vrst: 消去用電圧
Vb: メモリセルアレイバイアス電圧
Vr: 読み出し電圧
Vb−Vr: 読み出し用印加電圧
Vb+Vr: 読み出し用印加電圧
1, 15, 55:
WL1 to WLn: Word line (row selection line)
SL1 to SLn: Source lines R11 to Rnm: Variable resistance elements TR11 to TRnm: Selection transistor Tread: Read time Vcc: Power supply voltage Vss: Ground voltage Vwrt: Write voltage Vrst: Erase voltage Vb: Memory cell array bias voltage Vr: Read voltage Vb−Vr: Read applied voltage Vb + Vr: Read applied voltage
Claims (11)
前記メモリセルアレイの中から前記メモリセルを行単位、列単位、または、メモリセル単位で選択するメモリセル選択回路と、
前記メモリセル選択回路により選択された選択メモリセルの前記可変抵抗素子に読み出し電圧を印加する読み出し電圧印加回路と、
前記選択メモリセルの内の読み出し対象の前記メモリセルに対し当該可変抵抗素子の抵抗値に応じて流れる読み出し電流の大小を検知して、前記読み出し対象メモリセルに記憶されている情報の読み出し動作を行う読み出し回路と、を備え、
前記読み出し電圧印加回路は、前記選択メモリセルの前記可変抵抗素子を流れる電流方向の正逆を選択するために、印加する前記読み出し電圧の極性を変更可能に構成されており、
前記読み出し回路は、前記読み出し対象のメモリセルの前記可変抵抗素子に印加された前記読み出し電圧の極性に応じた前記読み出し電流の電流方向に即して前記読み出し動作を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of memory cells each including a variable resistance element that stores information according to a change in electrical resistance are arranged in a row direction and a column direction,
A memory cell selection circuit for selecting the memory cells from the memory cell array in row units, column units, or memory cell units;
A read voltage application circuit for applying a read voltage to the variable resistance element of the selected memory cell selected by the memory cell selection circuit;
A read operation of information stored in the memory cell to be read is detected by detecting the magnitude of a read current flowing in the memory cell to be read of the selected memory cell according to the resistance value of the variable resistance element. A readout circuit for performing,
The read voltage application circuit is configured to be able to change the polarity of the read voltage to be applied in order to select the direction of current flowing through the variable resistance element of the selected memory cell.
The read circuit performs the read operation in accordance with a current direction of the read current according to a polarity of the read voltage applied to the variable resistance element of the memory cell to be read. Semiconductor memory device.
前記メモリセルアレイが、行方向に延伸する複数の行選択線と列方向に延伸する複数の列選択線を備え、同一行の前記メモリセルの夫々が、前記選択トランジスタのゲートを同じ前記行選択線に接続し、同一列の前記メモリセルの夫々が、前記直列回路の一方端を同じ前記列選択線に接続し、前記メモリセルの夫々が前記直列回路の他方端をソース線に接続して構成され、
前記メモリセル選択回路は、前記メモリセルアレイの中から同一行の前記メモリセルを少なくとも1つ選択すること特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載する不揮発性半導体記憶装置。 The memory cell includes a series circuit of the variable resistance element and a selection transistor,
The memory cell array includes a plurality of row selection lines extending in the row direction and a plurality of column selection lines extending in the column direction, and each of the memory cells in the same row has the same row selection line as the gate of the selection transistor. And each of the memory cells in the same column is configured by connecting one end of the series circuit to the same column selection line and each of the memory cells connecting the other end of the series circuit to a source line. And
7. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory cell selection circuit selects at least one of the memory cells in the same row from the memory cell array.
前記メモリセルアレイが、行方向に延伸する複数の行選択線と列方向に延伸する複数の列選択線を備え、同一行の前記メモリセルの夫々が、前記選択トランジスタのゲートを同じ前記行選択線に接続し、同一列の前記メモリセルの夫々が、前記直列回路の一方端を同じ前記列選択線に接続し、前記メモリセルの夫々が前記直列回路の他方端をソース線に接続して構成され、
前記メモリセル選択回路は、前記メモリセルアレイの中から読み出し対象の前記メモリセルと同一行の1回前の読み出し時における読み出し対象の前記メモリセルを同時に選択し、
前記読み出し電圧印加回路は、印加する前記読み出し電圧の極性が同一行の1回前の読み出し時において印加した前記読み出し電圧の極性と逆極性となるように決定すること特徴とする請求項1に記載する不揮発性半導体記憶装置。 The memory cell includes a series circuit of the variable resistance element and a selection transistor,
The memory cell array includes a plurality of row selection lines extending in the row direction and a plurality of column selection lines extending in the column direction, and each of the memory cells in the same row has the same row selection line as the gate of the selection transistor. And each of the memory cells in the same column is configured by connecting one end of the series circuit to the same column selection line and each of the memory cells connecting the other end of the series circuit to a source line. And
The memory cell selection circuit simultaneously selects the memory cell to be read at the time of the previous read of the same row as the memory cell to be read from the memory cell array,
The read voltage application circuit determines that the polarity of the read voltage to be applied is opposite to the polarity of the read voltage applied in the previous read of the same row. A nonvolatile semiconductor memory device.
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