JP2004355670A - Nonvolatile semiconductor storage device, write/reset method thereof, and read method thereof - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device, write/reset method thereof, and read method thereof Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device capable of high-speed operation with low power consumption. <P>SOLUTION: A nonvolatile memory cell 30 connects one end of a variable resistance device the resistance value of which changes with voltage application and holds the resistance value even after the voltage application with the drain of a selection transistor. In a memory array 1, the memory cell 30 connects another adjoining memory cell on one side in the row direction and the sources of the selection transistors with the common 1st column selection lines C0, C1, and also connects another adjoining memory cell on the other side in the row direction and the ends of the variable resistance devices with the common 2nd column selection lines B1, B2. Each row of the memory cells 30 arrayed in the row direction is provided with two row selection lines W0, W1. The gate of the selection transistor of one of the adjoining memory cells arrayed in the row direction is connected to one of the two row selection lines, and the gate of the selection transistor of the another memory cell is connected to the other side of the two row selection lines. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備えてなる不揮発性の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不揮発性半導体記憶装置に関し、より具体的には、当該不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ構造及びメモリセルの書き込み・リセット方法及び読み出し方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電源の供給を遮断しても記憶内容を保持する不揮発性半導体記憶装置は、携帯電話或いはデジタルスチルカメラ等の携帯小型機器を中心に大きな市場を形成しており、今後更に応用範囲を拡大しようとしている。現在、不揮発性半導体記憶装置としては、フラッシュEEPROMが主流であるが、フラッシュEEPROMは、データの書き込み及び消去動作に要する処理時間が長く、また、当該動作を処理するために、通常、電源電圧より高い電圧を必要とするため、頻繁にデータの書き換え動作が発生する用途には消費電力面で不利であるという課題を有している。
【0003】
このような背景の下に不揮発性という利便性とSRAMやDRAM等の揮発性メモリ並のデータ書き換え速度とを兼ね備え、更には、低コストを実現する新しい記憶メカニズムによる不揮発性半導体記憶装置の開発が盛んになっている。このような新しい不揮発性半導体記憶装置として、電圧印加等の電気的ストレスにより抵抗値が変化し、電圧印加後の抵抗値を不揮発に保持する不揮発性のメモリセルを用いた可変抵抗型不揮発性半導体記憶装置が提案されている。
【0004】
可変抵抗型不揮発性半導体記憶装置としては、本願の出願人による特許出願(特願2002−185234号)の明細書に開示されている1T1R(1トランジスタ+1抵抗素子)型のメモリセル構造を採用した不揮発性半導体記憶装置がある。当該特許出願の明細書に開示されているメモリセルは、1つのトランジスタと1つの可変抵抗素子(CMR[Colossal Magnetoresistance]メモリ素子)にて構成され、このように1トランジスタと1抵抗素子の組み合わせで構成されているメモリセルを1T1R型と称している。
【0005】
図19に、1T1R型メモリセル40の等価回路を示す。メモリセル40は選択トランジスタ41のソースまたはドレイン電極に可変抵抗素子(プログラマブルCMRメモリ素子)42、そのゲート電極にワード線43、他方の電極にコモンソース線44が接続され、可変抵抗素子42にビット線45が接続されている。ワード線43及びコモンソース線44はビット線45と直交する方向に配されている。つまり、ワード線43とコモンソース線44とが平行に配されることを構造上の特徴としている。
【0006】
図19に示す不揮発性メモリセルとしてのメモリ担体である可変抵抗素子42は、可変抵抗素子42の端子間に電圧が印加されることによって連続的に抵抗値が可逆変化する特性を有している。可変抵抗素子42は、可変抵抗素子42の端子間への電圧印加後、当該電圧印加を停止した後も変化した抵抗値を保持できる。即ち、抵抗値を記憶情報として用いることによりデータを不揮発に記憶することができる。
【0007】
可変抵抗素子42は、例えば、ペロブスカイト型結晶構造を持つ薄膜材料、特に巨大磁性抵抗(CMR:colossal magnetoresistance)材料や高温超伝導(HTSC:high temperature superconductivity)材料を用いて形成できる。下記の特許文献1には、かかるペロブスカイト型結晶構造を持つ薄膜材料より構成した薄膜やバルクに対して、1つ以上の短い電気パルスを印加することによって、その電気的特性を変化させる手法が提案されている。この電気パルスによる電界の強さや電流密度は、その材料の物理的な状態を変化させるに十分に大きく、逆に、材料自体を破壊することのない十分に低いエネルギであれば良く、この電気的パルスは正負何れの極性でもよい。また、電気パルスを複数回繰り返し印加することにより、更に材料特性を変化させることができる。尚、超巨大磁気抵抗や高温超伝導を示すペロブスカイト型結晶構造を有する材料として、例えば、Pr1−XCaMnO(0<x<1)、La1−XCaMnO(0<x<1)、Nd1−XSrMnO(0<x<1)等を用いれば良い。
【0008】
上記Pr1−XCaMnO(0<x<1)、La1−XCaMnO(0<x<1)、Nd1−XSrMnO(0<x<1)等を用いて形成された可変抵抗素子42は、その両端子にパルス電圧を印加すると、パルス電圧の印加回数によって、可変抵抗素子42の抵抗値が連続的に変化する。
【0009】
これにより、メモリ担体として可変抵抗素子42が設けられた不揮発性メモリセル40は、浮遊ゲートに注入される電荷の量によって閾値電圧を連続して変化させ多値情報の記憶が可能であるフラッシュメモリのメモリセルと同様に、可変抵抗素子42の抵抗値の変化量を制御することによって2値情報だけでなく3値以上の多値情報の記憶が可能となる。
【0010】
従来のメモリセル40を使用したメモリセルアレイの構成図を図20に示す。このメモリセルアレイ20は、隣接する2つのメモリセル40を、コモンソース線を中心にして折り返すように互いのコモンソース線を共通に接続する構成である。このメモリセルアレイの構成では、ワード線とコモンソース線とが並行して配置されていることを特徴としている。
【0011】
図21にメモリセルアレイ20内の特定のメモリセルに対する書き込み動作を模式的に示す。図21に示すメモリセルA1に対して書き込み動作を行う場合を考える。書き込み対象のメモリセルA1に対して、書き込みを行う場合には、図21に示すように、ビット線B1に高レベルの電圧を印加し、また、メモリセルA1の選択トランジスタのゲート(ワード線W1)に高レベル電位を印加し、また、メモリセルA1に接続されるコモンソース線C1に低レベルの電圧を印加する。これにより、メモリセルA1内の可変抵抗素子の両端に高レベルと低レベルの電圧間の電位差が、図中の矢印で示す方向に印加され(矢印のある側が低レベル)、可変抵抗素子の抵抗値を低抵抗レベルから高抵抗レベルに上昇させることができる。
【0012】
この場合、書き込み対象でない、つまり、アクセスされない非選択のメモリセルに対しては、可変抵抗素子に電圧が印加されないように、他のワード線の電位を低レベルにすることで選択トランジスタをオフにすると共に、他のコモンソース線(図示せず)及びビット線の電位も低レベルの状態を保持する。以上が、メモリセルへの書き込み動作の概要である。
【0013】
次に、図22にメモリセルアレイ20内の特定のメモリセルに対するリセット動作を模式的に示す。ここでリセット動作とは高抵抗レベルにある可変抵抗素子の抵抗値を低抵抗レベルに戻す動作を意味する。尚、リセット動作を消去動作と称する場合もある。
【0014】
リセット動作の対象となるメモリセルA1に対して、リセット動作を行う場合には、図22に示すように、ビット線B1に低レベルの電圧を印加し、また、メモリセルA1の選択トランジスタのゲート(ワード線W1)に高レベル電位を印加し、また、リセット動作の対象となるメモリセルA1に接続されるコモンソース線C1に高レベルの電圧を印加する。これにより、メモリセルA1内の可変抵抗素子の両端に高レベルと低レベルの電圧間の電位差が図中の矢印で示す方向(矢印のある側が低レベル、図21に示す書き込み動作時とは矢印の向きが逆方向)に印加され、可変抵抗素子の抵抗値を高抵抗レベルから低抵抗レベルに下降させることができる。
【0015】
この場合、リセット対象でない、つまり、アクセスされない非選択のメモリセルに対しては可変抵抗素子に電圧が印加されないように、他のワード線の電位を低レベルにすることで選択トランジスタをオフにすると共に、他のコモンソース線(図示せず)の電位も低レベルの状態を保持する。しかし、アクセスされない非選択のメモリセルに接続される他のビット線の電位は全て高レベル状態に保持しなければならない。これは、ワード線W1が共通に接続される非選択の他のメモリセル、例えば、メモリセルA2、A3の選択トランジスタもオン状態となるため、これらに接続されるビット線の電位をコモンソース線C1と同じ高レベル電位にしないと各メモリセル内の可変抵抗素子の両端に電位差が発生し、これにより可変抵抗素子の抵抗値が変化する恐れがあるからである。以上が、メモリセルのリセット動作の概要である。
【0016】
図23は、リセット動作の対象となる選択されたメモリセルA1に対するリセット動作時の信号の流れをその周辺のアクセスされない非選択のメモリセルA0,A2,A3,A4を含めて模式的に示す図である。
【0017】
図23に示すように、リセット動作時はアクセスされないメモリセルA0,A2,A3,A4に対しては、コモンソース線C1から供給される高レベルと同じ高レベル電位をビット線B0,B2,B3,B4に供給する。これは、アクセスされない非選択メモリセルA0,A2,A3,A4内の可変抵抗素子の両端に電位差の発生を無くし、これらの抵抗値が変化しないようにするための対策である。
【0018】
次に、図24(a)及び図24(b)に、メモリセルアレイ20内の特定のメモリセルに対する読み出し動作を模式的に示す。図24(a),(b)中の矢印は、1T1R型のメモリセル内の抵抗値を読み出す信号の流れ(電流経路)を示し、また、メモリセルアレイ20の周辺回路として読み出し回路の主要部を記載している。即ち、図24(a)、(b)では、読み出し回路は、可変抵抗素子の抵抗値を論理値として判定するセンスアンプ22と、上記電流経路に対し電流を駆動する負荷トランジスタ21を備えて構成されている。
【0019】
図24(a)は、負荷トランジスタ21及びセンスアンプ22の一方の入力をビット線側に接続した例、図24(b)は、負荷トランジスタ21及びセンスアンプ22の一方の入力をコモンソース線C1側に接続した例を示している。図24(a)では、負荷トランジスタ21に、例えば約1Vを印加すると、負荷トランジスタから駆動される電流はビット線B1から、読み出し対象のメモリセルA1、低レベル電位を与えたコモンソース線C1を経由し、接地電位に至る電流経路を形成する。この電流経路には2つの抵抗性素子、即ち負荷トランジスタ21とメモリセルA1(可変抵抗素子と選択トランジスタの合成抵抗)が直列に接続されるため、その接続点であるセンスアンプ22への接続ノードN1の電位はこの2つの抵抗性素子で抵抗分割された値となる。即ち、負荷トランジスタ21の抵抗値を一定とすると、メモリセルA1の抵抗値に依存してセンスアンプ22の入力電位が定まる。ここで、メモリセルA1の抵抗値は可変抵抗素子の抵抗値が高抵抗レベルか低抵抗レベルかにより抵抗値が変化する。
【0020】
そして、ビット線B1との接続ノードN1の電位とリファレンス電圧VREFとをセンスアンプ22で比較することによって、可変抵抗素子が有する抵抗値から記憶データの論理レベルを判定する。
【0021】
また、図24(b)では、負荷トランジスタ21に、例えば約1Vを印加すると、負荷トランジスタ21から駆動される電流はコモンソース線C1から、読み出し対象のメモリセルA1、低レベル電位を与えたビット線B1を経由し、接地電位に至る電流経路を形成する。
【0022】
この場合も、図24(a)と同様に、コモンソース線C1との接続ノードN1の電位とリファレンスレベルVREFとをセンスアンプ22で比較することによって、可変抵抗素子が有する抵抗値から記憶データの論理レベルを判定することができる。
【0023】
【特許文献1】
米国特許第6204139号明細書
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
図23を用いて説明したように、従来のメモリセル(図19参照)を用いたメモリセルアレイでは、あるメモリセルに対してリセット動作を実行する場合には、非選択メモリセルに接続されるビット線の全てに高レベル電位を印加する必要がある。即ち、図23に示したように、リセット動作の対象となる選択メモリセルに接続するコモンソース線には高レベル電位を印加するために、アクセスされない非選択メモリセルの抵抗値を変化させずに維持するためには、この非選択メモリセルの両端には電位差を発生させてはならず、選択メモリセルに接続されたビット線以外のビット線に高レベルの電圧を印加する必要がある。
【0025】
このとき、メモリセルアレイの記憶容量が大きければ、ビット線の数、同じビット線に接続するメモリセル数、或いは、その両方が増加するために、高レベル電位を供給するビット線の寄生容量が増加し、その充電時間(ビット線に高レベル電位を供給し、ビット線が高レベル電位にまで到達する時間)は増加することになり、その分、リセット動作に要する時間が増加する。
【0026】
また、ビット線の数、同じビット線に接続するメモリセル数、或いは、その両方の増加は、高レベル電位を供給するビット線の寄生容量の増加を招来させるために、リセット動作時には、アクセスされない全ビット線の充放電による消費電流が増加する。
【0027】
また、書き込み動作とリセット動作において、アクセスされるビット線とアクセスされないビット線への印加電圧レベルが異なるために、その制御回路が複雑になるという回路設計上の問題も存在する。
【0028】
また、読み出し動作に関しては、上述の従来技術では、負荷トランジスタ(負荷抵抗)を設けて、アクセスすべきメモリセルを経由する電流経路内に形成される抵抗成分の接続ノード(負荷トランジスタとメモリセルの接続ノード)の電位を測定ポイントとして論理レベルが判定される。
【0029】
しかし、この抵抗値を電圧に変換して論理レベルを判定する読み出し方式では、論理レベルを判定すべきタイミングは、メモリセルの可変抵抗素子と選択トランジスタの合成抵抗からなる抵抗値及び負荷トランジスタ(負荷抵抗)のオン抵抗値、及び、上記電流経路内の寄生抵抗値を含めた抵抗と同電流経路内の容量による時定数、即ち電流経路を充放電するに要する時間に依存する。
【0030】
この従来の読み出し方式では、可変抵抗素子の抵抗値の判定タイミング、つまり、判定に要する時間が、電流経路の時定数に依存するが、負荷トランジスタ(負荷抵抗)の追加によって、電流経路内の抵抗値が増加することによってアクセスタイムの遅延を招くという問題がある。
【0031】
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、上記問題を解消し、低消費電力にて、高速動作が可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続し、行方向に配列する前記メモリセルの各行に2本の前記行選択線が設けられ、行方向に隣接する2つの前記メモリセルにおいて、一方の前記メモリセルの前記行接続端子が前記2本の前記行選択線の一方側と接続し、他方の前記メモリセルの前記行接続端子が前記2本の前記行選択線の他方側と接続してなることを特徴とする。
【0033】
更に、上記特徴の本発明に係る半導体装置は、前記可変抵抗素子が、マンガンを含有するペロブスカイト型結晶構造の酸化物で形成されていることを特徴とする。
【0034】
上記特徴の本発明に係る半導体装置によれば、リセット動作実行時において、アクセスされない非選択のビット線は低レベルを保持するだけで良く、消費電流の増加やアクセスタイムの増加を回避できる。つまり、従来のメモリセル(図19参照)、メモリセルアレイ(図20参照)を使用して、リセット動作を行った場合に、アクセスされない非選択のビット線には、全て高レベルの電圧を印加する必要が生じるために、消費電流の増加及びリセット動作時間の増加を招くことになるが、本発明に係る半導体装置によれば、アクセスされない非選択のビット線の全てに高レベルの電圧を印加する必要がないため、その分消費電流の低減とリセット動作時間の短縮が図れる。
【0035】
この目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法は、不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続してなる不揮発性半導体記憶装置において、選択された1または複数の前記メモリセルに対してデータの書き込み及びリセットの少なくとも一方の動作を行う方法であって、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線に、前記書き込みまたはリセット動作に係る前記データの値に応じた書き込み電圧またはリセット電圧を印加し、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第2列選択線に、前記行選択電圧を印加している期間中に、低電圧レベルから高電圧レベルまたは高電圧レベルから低電圧レベルへ少なくとも1回遷移する所定の電圧振幅の電圧パルスを印加し、前記第1列選択線に前記書き込み電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記書き込み電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記書き込み動作が行われ、前記第1列選択線に前記リセット電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記リセット電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記リセット動作が行われることを特徴とする。
【0036】
ここで、上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法は、前記電圧パルスが、低電圧レベルから高電圧レベルに遷移して低電圧レベルに戻る、或いは、高電圧レベルから低電圧レベルに遷移して高電圧レベルに戻る1回または複数回の電圧パルスであることが好ましい。
【0037】
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法によれば、電圧パルスをビット線に対して、書き込み動作とリセット動作の区別なく入力することによって、書き込み動作とリセット動作を実行することが可能となる。従って、従来のように、書き込み動作とリセット動作を判別した後に、ビット線に印加する電圧レベルを区別して入力する制御回路が不要となり、その分制御回路が簡単化できる。
【0038】
この目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法は、不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続してなる不揮発性半導体記憶装置において、選択された1または複数の前記メモリセルからデータを読み出す方法であって、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の一方側を所定のプリチャージ電圧にプリチャージし、前記プリチャージ後に、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の他方側に所定の読み出し電圧を印加し、前記第1列選択線の電圧レベルが前記プリチャージ電圧から前記読み出し電圧に向って変化する過渡状態において、前記メモリセルの前記可変抵抗素子の抵抗状態に応じて異なる電圧変化を呈するのを検出することを特徴とする。
【0039】
上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法によれば、読み出し電流経路に負荷トランジスタが不要となるために、読み出し電流経路内での充電にかかる時定数を小さくすることが可能となり、読み出し速度の高速化を図ることができる。
【0040】
【発明の実施の形態】
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置とその書き込み・リセット方法並びに読み出し方法(以下、適宜「本発明装置」及び「本発明方法」という。)の一実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【0041】
〈第1実施形態〉
図1に、本発明装置のブロック構成図を示す。図1において、メモリセルアレイ1は、図2に等価回路で示すメモリセル30を用いて構成される。メモリセル30は、図2に示すように、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子7と選択トランジスタ6を備え、可変抵抗素子7の一端側とMOSFETで構成される選択トランジスタ6のドレインとを接続し、可変抵抗素子7の他端側と選択トランジスタ6のソースがメモリセル30の2つの列接続端子を形成し、第1列選択線9(コモンソース線、またはデータ線ともいう。)及び第2列選択線10(ビット線)に夫々接続とするとともに、選択トランジスタ6のゲートが行接続端子を形成し、行選択線8(ワード線)に接続する。
【0042】
ここで、メモリセル30は、従来良く知られたMOS集積回路製造方法を用いて作製される。また、図2に示すように、本発明装置のメモリセル30では、行選択線8(ワード線)は、第1列選択線9(コモンソース線)と第2列選択線10(ビット線)の両方と直交する方向に配置され、第1列選択線9(コモンソース線)と第2列選択線10(ビット線)は互いに並行に配置されていることを特徴とする。この意味で、図2に示すメモリセル30の等価回路は、メモリセル30を構成する各素子6,7と接続する各配線8〜10の配置の仕方も表している。尚、MOSFETで構成される選択トランジスタ6のドレインとソースの各電極は、オン電流がドレインとソースの印加電圧の高低差により双方向に流れるので、基本的には対称な関係にあり、何れをドレインまたはソースと呼ぶかは任意であり、本明細書においてもドレインとソースを反転させても機能的には等価である。
【0043】
また、可変抵抗素子7は、電気的ストレスの印加により電気抵抗が変化し、電気的ストレス解除後も、変化した電気抵抗が保持されることにより、その抵抗変化でデータの記憶が可能な不揮発性の記憶素子で、マンガンを含有するペロブスカイト型結晶構造の酸化物で形成されているCMR(Colossal Magnetoresistance)メモリ素子であり、例えば、Pr(1−x)CaMnO、La(1−x)CaMnO、または、La(1−x―y)CaPbMnO(但し、x<1、y<1、x+y<1)で表される何れかの物質、例えば、Pr0.7Ca0.3MnO、La0.65Ca0.35MnO、La0.65Ca0.175Pb0.175MnO等のマンガン酸化膜をMOCVD法、スピンコーティング法、レーザアブレーション、スパッタリング法等で成膜して作成される。
【0044】
メモリセルアレイ1は、図3に示すように、メモリセル30を行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に延伸する複数の行選択線8(ワード線W0〜W5…)を配列し、列方向に延伸する複数の第1列選択線9(コモンソース線C0、C1…)と複数の第2列選択線10(ビット線B0、B1、B2…)を夫々配列してなり、ワード線W0〜W5…、コモンソース線C0、C1…、及び、ビット線B0〜B2…が、後述するように周辺の機能ブロックと接続する。
【0045】
更に詳述すれば、図3に示すように、メモリセルアレイ1内において、メモリセル30は、行方向(ワード線の延伸方向)の一方側に隣接する他のメモリセル30と、前記列接続端子の一方同士を共通の第1列選択線9(コモンソース線C0、C1…)に接続し、行方向の他方側に隣接する他のメモリセル30と、列接続端子の他方同士を共通の第2列選択線10(ビット線B0、B1、B2…)に接続している。つまり、行方向に隣接する2つのメモリセル30をコモンソース線C0、C1…或いはビット線B0、B1、B2…を中心にして折り返すように互いのコモンソース線C0、C1…或いはビット線B0〜B2…を共通に接続して共有する構成となっている。
【0046】
具体的には、図3中、メモリセルA0の選択トランジスタ6のソース(列接続端子の一方)とメモリセルA1の選択トランジスタのソース(列接続端子の一方)とを共通のコモンソース線C0に接続し、メモリセルA1の可変抵抗素子7の一方の端子(列接続端子の他方)とメモリセルA2の可変抵抗素子7の一方の端子(列接続端子の他方)とを共通のビット線B1に接続する。この接続を行方向及び列方向に展開し、メモリセルアレイ1が構成される。
【0047】
更に、図3に示すように、メモリセルアレイ1内において、行方向に配列するメモリセル30の各行に2本の行選択線8(ワード線)が1対となって設けられ、行方向に隣接する一方のメモリセル30の行接続端子(選択トランジスタ6のゲート)が1対の行選択線(ワード線)の一方側と接続し、他方のメモリセル30の行接続端子(選択トランジスタ6のゲート)が1対の行選択線(ワード線)の他方側と接続している。つまり、行方向に隣接する2つのメモリセル30はワード線W0〜W5…の延長方向を鏡面の方向として互いにミラー反転して配置する構成となっていることを特徴とする。
【0048】
この結果、各メモリセル30とワード線は、図3中のメモリセルA0の行接続端子(選択トランジスタ6のゲート)をワード線W1に接続し、メモリセルA1の行接続端子(選択トランジスタ6のゲート)をワード線W0に接続するというように互いに行方向に隣接するメモリセル30の行接続端子(選択トランジスタ6のゲート)同士は同一のワード線に接続されないように構成される。
【0049】
ところで、図3に示すメモリセルアレイ1内で、所定のメモリセルを選択してアクセスするには、例えば、メモリセルA1に接続されたビット線B1とコモンソース線C0及びワード線W0にのみアクセスに必要な電位を供給し、他の全てのビット線とコモンソース線とワード線を低レベル電位に保持することによって、所望のメモリセルA1を選択してアクセスすることができる。
【0050】
即ち、例えばワード線W1は低レベルに保持されることから、アクセス対象のメモリセルA1の両側に隣接するメモリセルの選択トランジスタ6は何れもオフ状態となり、行方向に隣接する両側の非選択メモリセルは、コモンソース線C0及びビット線B1に供給される電位の影響を受けない。また、アクセス対象のメモリセルA1に接続するワード線W0に共通に接続される他の非選択メモリセルは、その選択トランジスタ6がオン状態となるが、非選択メモリセルに接続するコモンソース線とビット線は共に同電位の低レベル電位に保持されるため非選択メモリセルの可変抵抗素子の両端電圧に電位差が生じずに抵抗値が変化しないため、記憶されている情報は保持される。このように選択されたメモリセルA1のみをアクセスの対象とすることができる。
【0051】
図1において、ローデコーダ2はアクセスすべきメモリセル30に接続するワード線Wiに所定の電圧を供給する。データドライバ3は、アクセスすべきメモリセル30に接続するコモンソース線Cjに書き込み時に外部からデータ信号として供給された高レベルまたは低レベル信号に従って書き込みデータに応じた電圧を供給する回路である。コラムデコーダ5は、アクセスすべきメモリセル30に接続するコモンソース線Cjを選択し、データドライバ3から出力された高レベルまたは低レベルの電圧が選択されたコモンソース線Cjに供給される。ここで、選択されたコモンソース線Cjは、データドライバ3及びコラムデコーダ5を介して、外部から入力されるデータ信号と繋がっていることになる。
【0052】
一方、データドライバ3は、読み出し時には、読み出し電圧として約1Vを生成し、コラムデコーダ5によって選択されたアクセスすべきメモリセル30と接続する選択されたコモンソース線Cjに当該読み出し電圧を供給する。
【0053】
ビット線ドライバ4は、アクセスすべきメモリセル30に接続するビット線Bkに対して、書き込み動作時とリセット動作時に、パルス電圧を供給する回路である。コラムデコーダ6は、アクセスすべきメモリセル30に接続するビット線Bkを選択し、ビット線ドライバ4から出力されたパルス電圧が選択されたビット線Bkに供給される。
【0054】
次に、図4を参照して、本発明方法における、所望のメモリセルへの書き込み動作及びその制御方法を簡略に説明する。
【0055】
図4中のメモリセルAに対して書き込み動作(可変抵抗素子7の抵抗値を大きくする動作)を行う場合を想定する。メモリセルAに接続するビット線B1から高レベル電位を印加し、メモリセルAに接続するコモンソース線C0には、低レベル電位を印加する。また、メモリセルA内の選択トランジスタ6のゲートと接続するワード線W0に高レベル電位を印加することによって、選択トランジスタ6がオン状態になり、図4に示す矢印のように、ビット線B1からコモンソース線C0への電流経路が形成される。このために、可変抵抗素子7の下部電極には、コモンソース線C0からの低レベル電位が印加される。また、可変抵抗素子7の上部電極には、ビット線B1からの高レベル電位が印加される。その結果、メモリセルA内の可変抵抗素子7の抵抗値が増加し、書き込み動作が完了する。尚、書き込み動作中は、他のワード線W1〜W5や、他のビット線B0,B2及び他のコモンソース線C1は低レベル電位を保持した状態である。
【0056】
次に、図5を参照して、本発明方法における、所望のメモリセルへのリセット動作及びその制御方法を簡略に説明する。
【0057】
図5中のメモリセルAに対してリセット動作(可変抵抗素子7の抵抗値を小さくする動作)を行う場合を想定する。メモリセルAに接続するコモンソース線C0から高レベル電位を印加し、メモリセルAに接続するビット線B1には、低レベル電位を印加する。また、メモリセルA内の選択トランジスタ6のゲートと接続するワード線W0に高レベル電位を印加することによって、選択トランジスタ6がオン状態になり、図5に示す矢印のように、コモンソース線C0からビット線B1への電流経路が形成される。このために、可変抵抗素子7の下部電極には、コモンソース線C0からの高レベル電位が印加される。また、可変抵抗素子7の上部電極には、ビット線B1からの低レベル電位が印加される。その結果、メモリセルA内の可変抵抗素子7の両電極間には図4に示す書き込み時と逆方向の電圧が印加されることにより、その抵抗値が減少しリセット動作が完了する。尚、リセット動作中は、書き込み動作中と同様に、他のワード線W1〜W5や、他のビット線B0,B2及び他のコモンソース線C1は低レベル電位を保持した状態である。
【0058】
ここで、従来のメモリセル40(図19参照)を使用して作成されたメモリセルアレイ20に対してリセット動作を行った場合と、ビット線へ印加する電位レベル設定(図22参照)と比較すると、本発明装置のメモリセル30(図2参照)を使用して構成されたメモリセルアレイ1(図5参照)に対するリセット動作では、極めて容易にビット線の電位レベルを制御することが可能となる。
【0059】
つまり、従来のメモリセル40及びメモリセルアレイ20を使用して、リセット動作を行った場合に、アクセスされない非選択のメモリセルに接続される全てのビット線には、全て高レベル電位を印加する必要が生じるために、これら多数のビット線に寄生する大きな容量性負荷に対する充放電に起因する消費電流が増加し、またビット線を高レベル電位まで充電するには、更に抵抗成分を加味した時定数分の充電時間を要するため、リセット動作時間の増加を招くことになる。
【0060】
しかし、本発明装置のメモリセル30及びメモリセルアレイ1を使用してリセット動作を実行すると、アクセスされない非選択のビット線は低レベルを保持するだけで良く、消費電流の増加やアクセスタイムの増加を招くことはない。
【0061】
次に、上述したメモリセルへのアクセス時に印加するワード線、コモンソース線及びビット線に対する、本発明方法による電圧の制御方法(電圧印加タイミング)について説明する。
【0062】
先ず、図4、図5に示した本発明装置のメモリセルへの書き込み動作及びリセット動作時の各信号線へ印加する電圧関係に対し、時間的な要素を付加して表現した図を、図6、図7に示す。図6は図4に対応して書き込み動作を、図7は図5に対応してリセット動作を夫々示している。各々の対比から分かるように本発明による印加電圧の制御方法は書き込み動作(図6)及びリセット動作(図7)の何れの場合においても、書き込み動作またはリセット動作の対象となるアクセスメモリセルA1に接続するビット線B1に対してパルス電圧を印加することを特徴としている。
【0063】
即ち、このアクセス制御方法では、アクセスすべきメモリセルA1に接続するビット線B1には、書き込み動作とリセット動作の区別なく、後述する図8、図9に示す同一のパルス信号を入力するものであり、前掲の図21及び図22に示した従来技術のメモリセルアクセス方法に比較して極めて簡潔な制御方法とすることができる。
【0064】
つまり、従来のメモリセル40のセル構造(図19参照)を使用したメモリセルアレイ20(図20参照)に対して、書き込み動作及びリセット動作を実行する場合には、書き込み動作またはリセット動作の何れであるかを判別した後に、アクセスすべきビット線に対して、書き込み動作の場合には、高レベルの電圧を印加する必要があり、リセット動作の場合には、低レベルの電圧を印加する必要がある。このように、書き込み動作とリセット動作の何れであるかを判別した後に、ビット線に印加する電圧レベルを区別して印加する必要があるため、当該従来のメモリセル40及びメモリセルアレイ20を用いる限り、図1に示すビット線ドライバ4に相当する制御回路の構成が必然的に複雑になる。
【0065】
次に、図8及び図9に、本発明方法によるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法をタイミング図として示す。図8は書き込み動作時のタイミング、図9はリセット動作時のタイミングを示している。図8、図9に示すように、書き込み動作とリセット動作の何れにおいても、先ず当該動作の対象となるメモリセルに対してその内部の選択トランジスタをオン状態にするためにワード線8を高レベル電位に立ち上げる。次に、選択トランジスタがオン状態、即ち、ワード線8の電位が高レベルの期間P0内にアクセスメモリセルに接続するビット線10に対して期間P1内に高レベルとなるパルス電圧を印加する。このパルス電圧印加によって書き込み或いはリセット動作が完了すると選択トランジスタをオフ状態にするために、ワード線8を低レベル電位に遷移させる。
【0066】
ここで、図8と図9の対比から分かるように、書き込み動作とリセット動作の何れであるかを決めるのは、アクセスメモリセルに接続するコモンソース線9の電位レベルである。尚、図8及び図9では、ビット線10へのパルス電圧印加は1回分のみ記載しているが、1回のパルス電圧印加でメモリセルの可変抵抗素子の抵抗値が所定の値に至らない場合には、複数回印加する場合もあり得る。
【0067】
次に、コモンソース線9の電位レベルに依存して書き込み動作とリセット動作が区別して実行されることを示す。
【0068】
先ず、上述した如く、コモンソース線9へは、図1に示すデータドライバ3及びコラムデコーダ5を介して、外部から入力されるデータ信号に応じた電位レベルが与えられる。第1の場合として、メモリセルがリセット状態(低抵抗値)である時に、外部から低レベルのデータ信号が与えられた場合を想定する(図8参照)。この時、図8に示すように、コモンソース線9には低レベル電位が供給されており、この状態で期間P0に選択トランジスタがオン状態となり、ビット線10に対し期間P1に高レベルのパルス電圧が印加されると、パルス電圧の印加によって、図6において矢印で模式的に示した電流経路が形成され、上述したように選択されたメモリセル内の可変抵抗素子は高抵抗状態へ変化する。即ち、期間P1において、メモリセルへの書き込み動作が行われる。
【0069】
次に、第2の場合として、可変抵抗素子が既に書き込み状態(高抵抗値)である時に、外部から低レベルのデータ信号が与えられた場合を想定する(図8参照)。この時も、上記第1の場合と同様に、コモンソース線9には低レベル電位が供給されており、この状態で期間P0に選択トランジスタがオン状態となり、ビット線10に対し期間P1に高レベルのパルス電圧が印加されると、パルス電圧の印加によって、図6の矢印で模式的に示した電流経路が形成される。この時、選択されたメモリセル内の可変抵抗素子の両端に書き込み方向への電圧が印加されるが、既に可変抵抗素子は高抵抗状態にあるため、このパルス電圧印加によって可変抵抗素子が記憶するデータの論理レベルは変化しない。
【0070】
尚、コモンソース線9が低レベル電位の場合、選択トランジスタがオン状態の期間P0内であって高レベルのパルス電圧印加を行う期間P1の前後のビット線10が低レベル電位の期間P2、P3は、選択されたメモリセルの両端には電位差が発生しないため、その内部の可変抵抗素子の抵抗状態は変化しない。
【0071】
第3の場合として、可変抵抗素子が書き込み状態(高抵抗値)である時に、外部から高レベルのデータ信号が与えられた場合を想定する(図9参照)。この時、コモンソース線9には高レベル電位が供給されており、この状態で期間P0に選択トランジスタがオン状態となり、ビット線10に対し期間P1に高レベルのパルス電圧が印加されると、期間P0内のパルス電圧印加を行う期間P1の前後のビット線10が低レベル電位の期間P2、P3に、図7において矢印で模式的に示した電流経路が形成され、上述したように選択されたメモリセル内の可変抵抗素子は高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する。即ち、期間P2とP3において、メモリセルへのリセット動作が行われる。
【0072】
次に、第4の場合として、可変抵抗素子がリセット状態(低抵抗値)である時に、外部から高レベルのデータ信号が与えられた場合を想定する(図9参照)。この時も、上記第3の場合と同様に、コモンソース線9には高レベル電位が供給されており、この状態で期間P0に選択トランジスタがオン状態となり、ビット線10に対し期間P1に高レベルのパルス電圧が印加されると、期間P0内のパルス電圧印加を行う期間P1の前後のビット線10が低レベル電位の期間P2、P3に、図7において矢印で模式的に示した電流経路が形成される。この時、選択されたメモリセル内の可変抵抗素子の両端にリセット方向への電圧が印加されるが、既に可変抵抗素子は低抵抗状態にあるため、このパルス電圧印加によって可変抵抗素子が記憶するデータの論理レベルは変化しない。
【0073】
尚、コモンソース線9が高レベル電位の場合、ビット線10に高レベルのパルス電圧を印加している期間P1は選択されたメモリセルの両端には電位差が発生しないため、その内部の可変抵抗素子の状態は変化しない。
【0074】
つまり、ビット線10に高レベルのパルス電圧を印加している期間P1は、書き込み動作に対して寄与するが、リセット動作には寄与せず、逆に、その前後の期間P2、P3は、書き込み動作に対して寄与しないが、リセット動作には寄与する。
【0075】
尚、上記説明において、外部から低レベルのデータ信号が入力された場合に書き込み動作、高レベルのデータ信号が入力された場合にリセット動作が行われるものとして説明したが、外部から入力される信号レベルと内部のコモンソース線9の電位レベルを反転して外部からの信号レベルと書き込み動作とリセット動作の対応関係を逆にしても、本発明方法における書き込み動作とリセット動作に対する制御方法の本質は変わらない。
【0076】
ここで、図9に示したリセット動作のタイミングをより詳細に検討すると、2回のリセット動作(期間P2とP3)が実行されていることが分かる。これにより、可変抵抗素子が有する抵抗値が素子の特性等に依存して過剰に減少する場合が考えられる。このような過剰なリセット状態を回避するためのアクセス制御方法を、本発明方法の第2の実施例として、図10及び図11に示す。
【0077】
図10、図11は、図8、図9に示した各信号線への入力タイミングの変形例を示しており、ビット線10へ入力されたパルス信号が低レベルから高レベルに立ち上がった後に、ワード線8を立ち上げるように制御したものである。
【0078】
かかるタイミング制御によって、ビット線10への1回のパルス電圧印加に対して、図11に示す期間P5において1回のリセット動作を実行することができる。また、書き込み動作に関しては、このアクセス制御方法においても、図10に示す期間P4において1回実行されるため、書き込み動作としては図8に示した場合と同様である。
【0079】
更に、過剰なリセット状態を回避するための別のアクセス制御方法として、本発明方法の第3の実施例を、図12及び図13に示す。当該第3の実施例では、図10、図11に示す第2の実施例のタイミング波形の変形として、アクセスすべきビット線10への入力パルスの極性を逆にした場合のタイミングを示す。
【0080】
この場合も、図10、図11に示したアクセスすべきビット線10への入力パルスが正極性(低レベルから高レベルに遷移して低レベルに戻る)の場合と同様に、可変抵抗素子への書き込み動作期間及びリセット動作期間が設定される。第3の実施例では、期間P4において書き込み動作が、期間P5においてリセット動作が夫々実行される。
【0081】
尚、本発明方法におけるメモリセルに接続する各信号線のタイミング制御は、図8〜図13に示すように、種々の組み合わせが可能となるが、本発明装置を製造する製造プロセスの特性や本発明装置に内蔵する電圧発生回路の設計等に依存して好適なタイミング制御方法を適宜選択すれば良い。
【0082】
次に、本発明方法における読み出し動作について、図14及び図15を参照して説明する。
【0083】
図14(a)は読み出し動作の第1段階として、予め読み出し対象のメモリセルAに接続するビット線B1を低レベルにプリチャージした状態を示している。図14(b)は、読み出し動作の第2段階として、メモリセルAに接続するワード線W0に高レベル電位を与え、メモリセルAに接続するコモンソース線C0に読み出し電圧として約1Vの高レベル電圧を印加した場合における読み出し時の電流経路(矢印で示す)と、ビット線B1の電位からメモリセルAに記憶されたデータの論理レベルを判定する読み出し回路の主要部を示す。
【0084】
図14(a)に示す低レベルにプリチャージされた状態から、図14(b)に示す電流経路を形成するには、メモリセルAの選択トランジスタ及び可変抵抗素子の抵抗成分を介して、上記電流経路に含まれる寄生容量負荷を充電する必要がある。その充電時間は、読み出し対象のメモリセルAの可変抵抗素子の抵抗値が高い書き込み状態の場合には、ビット線B1の充電にかかる時定数が大きくなり、ビット線B1の電位の上昇は遅くなる。逆に、読み出し対象のメモリセルAの可変抵抗素子の抵抗値が低いリセット状態の場合には、ビット線B1の充電にかかる時定数が小さくなるために、ビット線B1の電位の上昇は可変抵抗素子が書き込み状態である場合と比較して早くなる。
【0085】
このビット線B1の電位をセンスアンプ22で参照ノードのリファレンス電圧VREFと比較することによって、メモリセルAの可変抵抗素子の抵抗値の高低を判別してメモリセルAに記憶されたデータの論理レベルを判定し、データを読み出すことができる。
【0086】
本発明方法の読み出し動作に対して、従来の読み出し回路(図24参照)では、負荷トランジスタ21を設け、負荷トランジスタ21のオン抵抗と、メモリセルの抵抗値との抵抗比により、ビット線電位を判定していた。しかし、本発明方法では、負荷トランジスタを用いないことによって、ビット線の充電に係る時定数の減少が図られ、アクセスタイム(読み出し時間)の改善が成される。
【0087】
次に、図15に、本発明方法の読み出し動作に係る各信号線のタイミング波形を示す。図15(a)は、メモリセルAの可変抵抗素子の抵抗値が高い書き込み状態の場合のタイミング波形を、図15(b)は、メモリセルAの可変抵抗素子の抵抗値が低いリセット状態の場合のタイミング波形を、夫々示している。
【0088】
図15(a)、(b)の時刻T1からT2にかけて、メモリセルAに接続するビット線B1を低レベルにプリチャージする。次の時刻T2において、メモリセルAに接続するコモンソース線C0に読み出し用電圧約1Vを印加する。また、時刻T2において、アクセスすべきワード線W0に高レベル電圧を印加することによって、図14(b)に示した電流経路が導通し、ビット線B1の充電が開始される。そして、リファレンス電圧VREFとビット線B1の電位との大小関係をセンスアンプ22で比較することによって、その大小関係の判定からメモリセルに記憶されているデータの論理値を判定する。
【0089】
図15(a)は、可変抵抗素子の抵抗値が高い書き込み状態の場合の信号波形を示しており、前述したように、この場合のビット線B1の充電時間は長くなり、センスアンプ22の判定時刻T3においては、ビット線B1の電位はリファレンス電圧VREFよりも低くなるために、センスアンプ22は、例えば、データの論理レベルを低レベルと判定する。
【0090】
図15(b)は、可変抵抗素子の抵抗値が低いリセット状態の場合の信号波形を示しており、ビット線B1の信号波形以外は、図15(a)と同じである。
図15(b)の場合は、前述したように、ビット線B1の充電時間は短くなり、センスアンプ22の判定時刻T3においては、ビット線B1の電位はリファレンス電圧VREFよりも高くなるために、センスアンプ22は、例えば、データの論理レベルを高レベルと判定する。
【0091】
ここで、図15に例示する実施形態では、リファレンス電圧VREFを生成する参照ノードもビット線B1と同様に、時刻T1からT2にかけて低レベルにプリチャージされ、次の時刻T2において、読み出し用電圧約1Vに充電されるように設計されているが、この充電速度が、可変抵抗素子が書き込み状態とリセット状態の丁度中間的な速度となるように設定されている。具体的な設計手法としては、例えば、メモリセルアレイを複数設けておき、各メモリセルアレイに、可変抵抗素子の抵抗値が書き込み状態とリセット状態の丁度中間的な抵抗値となるダミーメモリセルを設け、読み出し対象のメモリセルを含まない他のメモリセルアレイの1つを選択し、そのメモリセルアレイについては、上記ダミーメモリセルを選択して、そのダミーメモリセルに接続するワード線、コモンソース線、ビット線を、読み出し対象のメモリセルに接続するワード線、コモンソース線、ビット線と同じタイミングで同じ制御を施すことで、図15に例示するリファレンス電圧VREFを得ることができる。尚、リファレンス電圧VREFの生成方法は上記の方法に限定されるものではない。
【0092】
〈第2実施形態〉
次に、本発明方法の第2実施形態について説明する。第1実施形態では、本発明方法における書き込み動作、リセット動作、読み出し動作の対象は、図3に示すメモリセルアレイ構成を採用した本発明装置のメモリセルであったが、本発明方法は、上記第1実施形態で説明した本発明装置以外のメモリセルアレイ構成に対しても適用可能である。
【0093】
図16に、本発明方法が適用可能な他のメモリセルアレイ構成を示す。このメモリセルアレイ50の構成では、第1実施形態のメモリセルアレイ1(図3参照)と異なり、行方向に隣接するメモリセル30同士はミラー反転して配置されておらず、また、ビット線を挟んで行方向に隣接するメモリセル30間ではビット線は共有さずに、夫々独立したビット線を有している。メモリセルアレイ50中のメモリセルA0とA1は行方向に隣接しているが、各メモリセル内の選択トランジスタのゲートは同一ワード線W0に接続している。また、コモンソース線を挟んで行方向に隣接するメモリセル30間では共通のコモンソース線を共有し、同じコモンソース線と接続する。
【0094】
この接続を行方向及び列方向に展開し、メモリセルアレイ50を構成することによって、図3に示す構成と同様に、本発明方法の簡略化されたアクセス制御が可能なメモリセルアレイ構成を実現することができる。尚、メモリセルアレイの集積密度に関しては、必要なワード線の本数が半減する一方、必要なビット線の本数が略2倍となるので、メモリセルのセルサイズの縦横比の構成によっては、本第2実施形態のメモリセルアレイ構成の方が、高集積化に適している場合があり得る。
【0095】
図17は、第1実施形態の図6に対応し、図18は、第1実施形態の図7に対応する、メモリセルへの書き込み動作及びリセット動作時の各信号線へ印加する電圧関係に対し、時間的な要素を付加して表現した図であり、各々メモリセルアレイ50における書き込み動作とリセット動作時の電流経路を矢印で模式的に示したものである。
【0096】
図17及び図18における書き込み動作及びリセット動作時の電流経路は、図6及び図7と同じ各信号線への電圧印加で形成されるため、メモリセルアレイ50においても、図8〜図13に示した第1実施形態に係る本発明方法のアクセス制御方法を用いることができる。つまり、選択されたメモリセルに接続するワード線に高レベル電位を印加している期間P1(図8〜図13参照)中にビット線に電圧パルスを印加し、コモンソース線の電圧レベルに応じて、書き込み動作及びリセット動作の何れかを実行できる点で、第1実施形態と同じである。
【0097】
尚、メモリセルアレイ50ではメモリセル毎に独立したビット線を備えるため、第1実施形態におけるメモリセルアレイ1の場合とパルス電圧を印加すべきビット線の制御が異なるが、これはコラムデコーダ6(図1参照)のデコード回路を変更すればよい。この場合においても、コラムデコーダ6は外部から入力されるアドレス情報を基にアクセスすべきメモリセルに接続するビット線を選択するという機能は同じであるので、特段回路が複雑となることもない。
【0098】
尚、本第2実施形態において、図16〜図18に示すメモリセルアレイ構成において、コモンソース線及びビット線の位置関係を反転させても構わない。この場合、ビット線を共有して2つのメモリセルが行方向に隣接するので、この2つのメモリセルを同時に選択して、夫々に独立して設けられたコモンソース線の電圧レベルに応じて同時に書き込み動作或いはリセット動作を実行することができるように構成しても構わない。
【0099】
次に、本発明装置の別実施形態について説明する。上記第1実施形態の図3に示すメモリセルアレイ構成において、コモンソース線及びビット線の位置関係を反転させても、上記と同様の本発明装置及び本発明方法の作用効果を奏することができる。或いは、コモンソース線及びビット線の位置関係はそのままで、書き込み動作とリセット動作時、または、読み出し時の何れか一方または両方において、コモンソース線及びビット線の制御方法を交替しても構わない。但し、当該信号線の制御方法の交替に対してそれら信号線に接続する周辺回路も、夫々の制御方法を交替できるように交替する必要がある。
【0100】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明装置及び本発明方法によれば、以下の効果を奏することができる。
【0101】
(1) 本発明装置に採用したメモリセルアレイ構成を使用することによって、リセット動作時において、消費電流の低減やリセット動作時間の低減が可能となる。
【0102】
(2)本発明方法の読み出し動作に係る各信号線のアクセス制御を実行することによって、負荷トランジスタが不要となるために、読み出し電流経路内での時定数を小さくすることが可能となり、読み出し速度の高速化を図ることができる。
【0103】
(3)本発明方法の書き込み動作とリセット動作に係る各信号線のアクセス制御を実行することによって、電圧パルスをビット線に対して、書き込み動作とリセット動作の区別なく入力することができ、書き込み動作とリセット動作を実行することが可能となる。従って、従来のように、書き込み動作とリセット動作を判別した後に、ビット線に印加する電圧レベルを区別して入力する制御回路が不要となり、その分制御回路が簡単化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の一実施の形態における回路構成の概略を示すブロック構成図
【図2】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置に用いられる可変抵抗素子を備えた1T1R型の不揮発性メモリセルの等価回路図
【図3】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの構成例を示す回路図
【図4】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイに対する書き込み動作とその制御方法を説明するための説明図
【図5】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイに対するリセット動作とその制御方法を説明するための説明図
【図6】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイに対する書き込み動作とその制御方法を時間的な要素を付加して説明するための説明図
【図7】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイに対するリセット動作とその制御方法を時間的な要素を付加して説明するための説明図
【図8】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法の第1の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図9】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のリセット方法の第1の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図10】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法の第2の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図11】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のリセット方法の第2の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図12】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法の第3の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図13】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のリセット方法の第3の実施例におけるメモリセルに接続する各信号線への電圧印加の制御方法を説明するタイミング図
【図14】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法に係る各信号線への電圧印加の制御方法を説明する回路図
【図15】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法に係る各信号線の信号波形を示すタイミング図
【図16】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法、リセット方法、読み出し方法が適用可能な他のメモリアレイ構成を示す回路図
【図17】図16に示すメモリセルアレイに対する書き込み動作とその制御方法を時間的な要素を付加して説明するための説明図
【図18】図16に示すメモリセルアレイに対するリセット動作とその制御方法を時間的な要素を付加して説明するための説明図
【図19】従来の不揮発性半導体記憶装置に用いられる可変抵抗素子を備えた1T1R型の不揮発性メモリセルの等価回路図
【図20】従来の不揮発性半導体記憶装置に用いられる可変抵抗素子を備えた1T1R型の不揮発性メモリセルのメモリセルアレイの構成例を示す回路図
【図21】図20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に対する書き込み動作とその制御方法を説明するための説明図
【図22】図20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に対するリセット動作とその制御方法を説明するための説明図
【図23】図20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に対するリセット動作時における非選択メモリセルを含む信号の流れを示す説明図
【図24】図20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に対する読み出し動作を説明する回路図
【符号の説明】
1,20: メモリセルアレイ
2: ローデコーダ
3: データドライバ
4: ビット線ドライバ
5: コラムデコーダ
6,41: 選択トランジスタ
7,42: 可変抵抗素子
8,W0,W1,W2,W3,W4,W5,W6,Wi:行選択線(ワード線)
9,C0,C1,Cj: 第1列選択線(コモンソース線)
10,B0,B1,B2,B3,B4,Bk: 第1列選択線(ビット線)
21: 負荷トランジスタ
22: センスアンプ
30,40,A,A0,A1,A2,A3,A4: メモリセル
43: ワード線
44: コモンソース線
45: ビット線
N1: 接続ノード
REF: リファレンス電圧
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device in which a plurality of nonvolatile memory cells each including a variable resistance element for storing information by a change in electrical resistance due to an electrical stress and a selection transistor are arranged in a row direction and a column direction, respectively. More specifically, the present invention relates to a memory cell array structure of the nonvolatile semiconductor memory device and a method of writing / resetting and reading out the memory cells.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Non-volatile semiconductor memory devices that retain their stored contents even when power supply is cut off have formed a large market, mainly for portable small-sized devices such as mobile phones and digital still cameras. I have. At present, flash EEPROMs are mainly used as nonvolatile semiconductor memory devices. However, flash EEPROMs require a long processing time for data writing and erasing operations. Since a high voltage is required, there is a problem in that it is disadvantageous in terms of power consumption for applications in which data rewriting operation frequently occurs.
[0003]
Against this background, the development of a non-volatile semiconductor storage device that combines the convenience of non-volatility with the data rewriting speed of a volatile memory such as an SRAM or DRAM and a low-cost new storage mechanism has been developed. It is thriving. As such a new nonvolatile semiconductor memory device, a variable resistance nonvolatile semiconductor using a nonvolatile memory cell whose resistance value changes due to an electrical stress such as voltage application and holds the resistance value after voltage application in a nonvolatile manner. Storage devices have been proposed.
[0004]
As the variable resistance nonvolatile semiconductor memory device, a 1T1R (one transistor + 1 resistance element) type memory cell structure disclosed in the specification of a patent application (Japanese Patent Application No. 2002-185234) filed by the present applicant was employed. There is a nonvolatile semiconductor memory device. The memory cell disclosed in the specification of the patent application includes one transistor and one variable resistance element (CMR [Colossal Magnetoresistance] memory element), and thus includes a combination of one transistor and one resistance element. The configured memory cell is called a 1T1R type.
[0005]
FIG. 19 shows an equivalent circuit of the 1T1R memory cell 40. In the memory cell 40, a variable resistance element (programmable CMR memory element) 42 is connected to the source or drain electrode of the selection transistor 41, a word line 43 is connected to its gate electrode, and a common source line 44 is connected to the other electrode. Line 45 is connected. The word lines 43 and the common source lines 44 are arranged in a direction orthogonal to the bit lines 45. That is, a structural feature is that the word lines 43 and the common source lines 44 are arranged in parallel.
[0006]
The variable resistance element 42 which is a memory carrier as a nonvolatile memory cell shown in FIG. 19 has a characteristic that a resistance value continuously changes reversibly when a voltage is applied between terminals of the variable resistance element 42. . After applying a voltage between the terminals of the variable resistance element 42, the variable resistance element 42 can maintain the changed resistance value even after the voltage application is stopped. That is, the data can be stored in a nonvolatile manner by using the resistance value as the storage information.
[0007]
The variable resistance element 42 can be formed using, for example, a thin film material having a perovskite-type crystal structure, in particular, a giant magnetoresistance (CMR) material or a high temperature superconductivity (HTSC) material. Patent Document 1 listed below proposes a method of changing one or more short electric pulses to a thin film or a bulk composed of a thin film material having such a perovskite-type crystal structure to change the electric characteristics. Have been. The intensity of the electric field and the current density due to the electric pulse are large enough to change the physical state of the material, and conversely, it is sufficient if the energy is low enough not to destroy the material itself. The pulse may be of either positive or negative polarity. Further, by repeatedly applying the electric pulse a plurality of times, the material characteristics can be further changed. As a material having a perovskite-type crystal structure exhibiting a giant magnetoresistance and a high-temperature superconductivity, for example, Pr 1-X Ca X MnO 3 (0 <x <1), La 1-X Ca X MnO 3 (0 <x <1), Nd 1-X Sr X MnO 3 (0 <x <1) or the like may be used.
[0008]
The above Pr 1-X Ca X MnO 3 (0 <x <1), La 1-X Ca X MnO 3 (0 <x <1), Nd 1-X Sr X MnO 3 When a pulse voltage is applied to both terminals of the variable resistance element 42 formed using (0 <x <1) or the like, the resistance value of the variable resistance element 42 continuously changes according to the number of times the pulse voltage is applied. .
[0009]
Thereby, the nonvolatile memory cell 40 provided with the variable resistance element 42 as a memory carrier can store the multi-value information by continuously changing the threshold voltage according to the amount of charge injected into the floating gate. By controlling the amount of change in the resistance value of the variable resistance element 42, not only the binary information but also the multi-valued information having three or more values can be stored.
[0010]
FIG. 20 shows a configuration diagram of a memory cell array using a conventional memory cell 40. The memory cell array 20 has a configuration in which two adjacent memory cells 40 are commonly connected to each other so as to be folded around the common source line. The configuration of this memory cell array is characterized in that word lines and common source lines are arranged in parallel.
[0011]
FIG. 21 schematically shows a write operation for a specific memory cell in the memory cell array 20. Consider a case where a write operation is performed on the memory cell A1 shown in FIG. When writing is performed on the memory cell A1 to be written, as shown in FIG. 21, a high-level voltage is applied to the bit line B1, and the gate of the selection transistor of the memory cell A1 (word line W1 ), And a low-level voltage is applied to the common source line C1 connected to the memory cell A1. As a result, a potential difference between the high-level voltage and the low-level voltage is applied to both ends of the variable resistance element in the memory cell A1 in the direction shown by the arrow in the figure (the side with the arrow is low level), and the resistance of the variable resistance element is reduced. The value can be increased from a low resistance level to a high resistance level.
[0012]
In this case, for a non-selected memory cell that is not a write target, that is, is not accessed, the selection transistor is turned off by lowering the potential of another word line so that no voltage is applied to the variable resistance element. At the same time, the potentials of the other common source lines (not shown) and the bit lines also maintain a low level. The above is the outline of the write operation to the memory cell.
[0013]
Next, FIG. 22 schematically shows a reset operation for a specific memory cell in the memory cell array 20. Here, the reset operation means an operation of returning the resistance value of the variable resistance element at the high resistance level to the low resistance level. Note that the reset operation may be referred to as an erase operation.
[0014]
When a reset operation is performed on the memory cell A1 to be reset, a low-level voltage is applied to the bit line B1 as shown in FIG. A high-level potential is applied to (word line W1), and a high-level voltage is applied to common source line C1 connected to memory cell A1 to be reset. Thereby, the potential difference between the high-level and low-level voltages is applied to both ends of the variable resistance element in the memory cell A1 in the direction indicated by the arrow in the figure (the side with the arrow is the low level, and the write operation shown in FIG. Is applied in the opposite direction), and the resistance value of the variable resistance element can be lowered from the high resistance level to the low resistance level.
[0015]
In this case, the selection transistor is turned off by lowering the potential of the other word line so that no voltage is applied to the variable resistance element for a non-selected memory cell that is not a reset target, that is, is not accessed. At the same time, the potential of another common source line (not shown) also maintains a low level. However, all the potentials of the other bit lines connected to the unselected memory cells that are not accessed must be kept at a high level. This is because the selection transistors of other unselected memory cells to which the word line W1 is commonly connected, for example, the selection transistors of the memory cells A2 and A3 are also turned on, so that the potential of the bit line connected to these is changed to the common source line. If the same high-level potential as that of C1 is not set, a potential difference occurs between both ends of the variable resistance element in each memory cell, which may change the resistance value of the variable resistance element. The above is the outline of the reset operation of the memory cell.
[0016]
FIG. 23 is a diagram schematically showing a signal flow at the time of the reset operation for the selected memory cell A1 to be subjected to the reset operation, including the non-accessed unselected memory cells A0, A2, A3, and A4 in the vicinity thereof. It is.
[0017]
As shown in FIG. 23, for memory cells A0, A2, A3, and A4 that are not accessed during the reset operation, the same high level potential as the high level supplied from common source line C1 is applied to bit lines B0, B2, and B3. , B4. This is a measure for eliminating the potential difference between both ends of the variable resistance elements in the non-selected unselected memory cells A0, A2, A3, and A4 so that the resistance values do not change.
[0018]
Next, FIGS. 24A and 24B schematically show a read operation for a specific memory cell in the memory cell array 20. FIG. Arrows in FIGS. 24A and 24B show a flow (current path) of a signal for reading a resistance value in the 1T1R type memory cell, and a main part of the read circuit as a peripheral circuit of the memory cell array 20. It has been described. That is, in FIGS. 24A and 24B, the read circuit includes a sense amplifier 22 that determines the resistance value of the variable resistance element as a logical value, and a load transistor 21 that drives a current to the current path. Have been.
[0019]
FIG. 24A shows an example in which one input of the load transistor 21 and the sense amplifier 22 is connected to the bit line side, and FIG. 24B shows one example in which one input of the load transistor 21 and the sense amplifier 22 is connected to the common source line C1. The example connected to the side is shown. In FIG. 24A, when, for example, about 1 V is applied to the load transistor 21, the current driven from the load transistor is transferred from the bit line B1 to the memory cell A1 to be read and the common source line C1 to which a low-level potential is applied. A current path that reaches the ground potential is formed. Since two resistive elements, that is, the load transistor 21 and the memory cell A1 (combined resistance of the variable resistance element and the selection transistor) are connected in series to this current path, a connection node to the sense amplifier 22, which is a connection point between the two, is connected. The potential of N1 is a value obtained by resistance division by these two resistive elements. That is, assuming that the resistance value of the load transistor 21 is constant, the input potential of the sense amplifier 22 is determined depending on the resistance value of the memory cell A1. Here, the resistance value of the memory cell A1 changes depending on whether the resistance value of the variable resistance element is a high resistance level or a low resistance level.
[0020]
Then, the potential of the connection node N1 with the bit line B1 and the reference voltage V REF Are compared by the sense amplifier 22 to determine the logical level of the stored data from the resistance value of the variable resistance element.
[0021]
In FIG. 24B, when, for example, about 1 V is applied to the load transistor 21, the current driven from the load transistor 21 is supplied from the common source line C1 to the memory cell A1 to be read and the bit applied with the low-level potential. A current path to the ground potential via the line B1 is formed.
[0022]
Also in this case, similarly to FIG. 24A, the potential of the connection node N1 to the common source line C1 and the reference level V REF Is compared by the sense amplifier 22, the logical level of the stored data can be determined from the resistance value of the variable resistance element.
[0023]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 6,204,139
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
As described with reference to FIG. 23, in a memory cell array using a conventional memory cell (see FIG. 19), when a reset operation is performed on a certain memory cell, a bit connected to an unselected memory cell is A high level potential needs to be applied to all of the lines. That is, as shown in FIG. 23, since a high-level potential is applied to the common source line connected to the selected memory cell to be reset, the resistance value of the non-selected non-selected memory cell is not changed. In order to maintain the voltage, a potential difference must not be generated between both ends of the unselected memory cell, and a high-level voltage must be applied to bit lines other than the bit line connected to the selected memory cell.
[0025]
At this time, if the storage capacity of the memory cell array is large, the number of bit lines, the number of memory cells connected to the same bit line, or both increase, so that the parasitic capacitance of the bit line supplying a high-level potential increases. Then, the charging time (time during which the high-level potential is supplied to the bit line and the bit line reaches the high-level potential) increases, and the time required for the reset operation increases accordingly.
[0026]
Also, an increase in the number of bit lines, the number of memory cells connected to the same bit line, or both increases the parasitic capacitance of the bit line that supplies a high-level potential, and is not accessed during the reset operation. Current consumption due to charging and discharging of all bit lines increases.
[0027]
In addition, there is also a circuit design problem that the control circuit becomes complicated because the applied voltage levels to the accessed bit lines and the unaccessed bit lines are different between the write operation and the reset operation.
[0028]
Regarding the read operation, in the above-described conventional technique, a load transistor (load resistor) is provided, and a connection node of a resistance component formed in a current path passing through a memory cell to be accessed (a load transistor and a memory cell). The logic level is determined using the potential of the connection node) as a measurement point.
[0029]
However, in the read method in which the logic value is determined by converting the resistance value into a voltage, the timing at which the logic level should be determined is determined by the resistance value of the variable resistance element of the memory cell and the combined resistance of the selection transistor and the load transistor (load transistor). Resistance) and the time constant of the resistance including the parasitic resistance value in the current path and the capacitance in the current path, that is, the time required to charge and discharge the current path.
[0030]
In this conventional reading method, the timing for determining the resistance value of the variable resistance element, that is, the time required for the determination depends on the time constant of the current path. There is a problem that an increase in the value causes a delay in access time.
[0031]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device which can solve the above problems and can operate at high speed with low power consumption.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a plurality of nonvolatile memory cells arranged in a row direction and a column direction, respectively, and a predetermined memory cell or a memory cell group is selected from among them. A nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of row selection lines are arranged in a row direction and a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines are arranged in a column direction. Each of the memory cells includes a variable resistance element that stores information by a change in electric resistance due to electric stress and a selection transistor, and connects one end of the variable resistance element to a drain of the selection transistor. The other end of the variable resistance element and the source of the selection transistor form two column connection terminals of the memory cell, and the gate of the selection transistor is connected to a row connection terminal. Forming, in the memory cell array, connecting one of the column connection terminals to another memory cell adjacent on one side in the row direction to the common first column selection line; The other of the memory cells adjacent to the other side in the direction and the other of the column connection terminals are connected to a common second column selection line, and two rows are provided in each row of the memory cells arranged in a row direction. A selection line is provided, and in the two memory cells adjacent to each other in the row direction, the row connection terminal of one of the memory cells is connected to one side of the two row selection lines, and the other of the memory cells is connected to one of the two row selection lines. The row connection terminal is connected to the other side of the two row selection lines.
[0033]
Further, in the semiconductor device according to the present invention having the above characteristics, the variable resistance element is formed of an oxide having a perovskite crystal structure containing manganese.
[0034]
According to the semiconductor device of the present invention having the above characteristics, at the time of executing the reset operation, the non-selected bit lines which are not accessed only need to keep the low level, and an increase in current consumption and an increase in access time can be avoided. That is, when a reset operation is performed using a conventional memory cell (see FIG. 19) and a memory cell array (see FIG. 20), a high-level voltage is applied to all unselected bit lines that are not accessed. The necessity causes an increase in current consumption and an increase in reset operation time. However, according to the semiconductor device of the present invention, a high-level voltage is applied to all unselected bit lines that are not accessed. Since there is no need, the current consumption can be reduced and the reset operation time can be shortened accordingly.
[0035]
In order to achieve the above object, a method for writing and resetting a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention comprises the steps of: arranging a plurality of nonvolatile memory cells in a row direction and a column direction, respectively; In order to select a group, a nonvolatile memory cell array having a plurality of row selection lines arranged in a row direction and a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines arranged in a column direction, respectively. In a semiconductor memory device, each of the memory cells includes a variable resistance element and a selection transistor that store information by a change in electric resistance due to an electric stress, and one end of the variable resistance element and a drain of the selection transistor. And the other end of the variable resistance element and the source of the selection transistor form two column connection terminals of the memory cell, and the selection transistor The gate of the memory cell forms a row connection terminal, and in the memory cell array, the memory cell is connected to another memory cell adjacent to one side in a row direction and the first column common to one of the column connection terminals. A memory cell connected to a column select line, the other memory cell adjacent to the other side in the row direction, and the other of the column connection terminals connected to a common second column select line; A method of performing at least one of a data write operation and a reset operation on one or more selected memory cells, wherein the row select line connected to the one or more selected memory cells is A row selection voltage for turning on a selection transistor is applied, and the write or reset operation is applied to the first column selection line connected to the selected one or more memory cells. A write voltage or a reset voltage according to the value of the data according to the above is applied, and the row selection voltage is applied to the second column selection line connected to the selected one or more memory cells. And applying a voltage pulse having a predetermined voltage amplitude that transitions at least once from a low voltage level to a high voltage level or from a high voltage level to a low voltage level, and the write voltage is applied to the first column selection line. In the case, when the voltage level of the voltage pulse is different from the write voltage during the row select voltage application period, the write operation is performed, and the reset voltage is applied to the first column select line. In the case where the voltage level of the voltage pulse is at a voltage level different from the reset voltage during the application period of the row selection voltage, A reset operation is performed.
[0036]
Here, in the writing / resetting method for the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having the above characteristics, the voltage pulse transits from a low voltage level to a high voltage level and returns to a low voltage level, or from a high voltage level. Preferably, one or more voltage pulses transition to a low voltage level and back to a high voltage level.
[0037]
According to the write / reset method of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention having the above characteristics, the write operation and the reset operation are performed by inputting the voltage pulse to the bit line without distinction between the write operation and the reset operation. It is possible to do. Therefore, unlike the related art, there is no need for a control circuit for discriminating between the write operation and the reset operation and then inputting the voltage level applied to the bit line separately, and the control circuit can be simplified accordingly.
[0038]
In order to achieve this object, a method for reading a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a method of arranging a plurality of nonvolatile memory cells in a row direction and a column direction, respectively, and arranging a predetermined memory cell or a memory cell group from among them. A nonvolatile semiconductor memory having a memory cell array in which a plurality of row selection lines are arranged in a row direction for selection, and a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines are respectively arranged in a column direction. An apparatus, wherein each of the memory cells includes a variable resistance element that stores information by a change in electric resistance due to an electric stress and a selection transistor, and connects one end of the variable resistance element to a drain of the selection transistor. The other end of the variable resistance element and the source of the select transistor form two column connection terminals of the memory cell, and the gate of the select transistor is connected. Forms a row connection terminal, and in the memory cell array, the memory cell is connected to another memory cell adjacent to one side in a row direction and the first column selection line is connected to one of the column connection terminals. And the other of the memory cells adjacent to the other side in the row direction and the other of the column connection terminals are connected to a common second column selection line. A method of reading data from one or more memory cells, comprising: applying a row selection voltage that turns on the selection transistor to the row selection line connected to the selected one or more memory cells; One side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or more memory cells is precharged to a predetermined precharge voltage, and after the precharge, Applying a predetermined read voltage to the other side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or the plurality of memory cells, and setting the voltage level of the first column selection line to In a transient state in which the precharge voltage changes toward the read voltage, it is detected that a change in voltage varies depending on the resistance state of the variable resistance element of the memory cell.
[0039]
According to the method for reading a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having the above characteristics, since a load transistor is not required in a read current path, it is possible to reduce a time constant required for charging in the read current path. In addition, the reading speed can be increased.
[0040]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a method of writing / resetting the same, and a method of reading the same (hereinafter, appropriately referred to as “the present invention device” and “the present invention method”) will be described with reference to the drawings.
[0041]
<First embodiment>
FIG. 1 shows a block diagram of the apparatus of the present invention. 1, a memory cell array 1 is configured using memory cells 30 shown by an equivalent circuit in FIG. As shown in FIG. 2, the memory cell 30 includes a variable resistive element 7 for storing information by a change in electric resistance due to an electric stress and a select transistor 6, and one end of the variable resistive element 7 and a select transistor formed of a MOSFET. The other end of the variable resistance element 7 and the source of the selection transistor 6 form two column connection terminals of the memory cell 30, and the first column selection line 9 (common source line or data ) And the second column selection line 10 (bit line), and the gate of the selection transistor 6 forms a row connection terminal and is connected to the row selection line 8 (word line).
[0042]
Here, the memory cell 30 is manufactured by using a well-known MOS integrated circuit manufacturing method. As shown in FIG. 2, in the memory cell 30 of the device of the present invention, the row selection line 8 (word line) includes the first column selection line 9 (common source line) and the second column selection line 10 (bit line). The first column selection line 9 (common source line) and the second column selection line 10 (bit line) are arranged in parallel to each other. In this sense, the equivalent circuit of the memory cell 30 shown in FIG. 2 also shows how to arrange the wirings 8 to 10 connected to the elements 6 and 7 constituting the memory cell 30. Note that the drain and source electrodes of the selection transistor 6 composed of MOSFETs are basically symmetrical because the ON current flows in both directions due to the difference in the applied voltage between the drain and source. The term “drain” or “source” is arbitrary, and in this specification, the function is equivalent even if the drain and source are inverted.
[0043]
Further, the variable resistance element 7 changes its electrical resistance due to the application of an electrical stress, and retains the changed electrical resistance even after the electrical stress is released. Is a CMR (Colossal Magnetoresistance) memory element formed of an oxide having a perovskite-type crystal structure containing manganese, for example, Pr (1-x) Ca x MnO 3 , La (1-x) Ca x MnO 3 Or La (1-xy) Ca x Pb y MnO 3 (However, any substance represented by x <1, y <1, x + y <1), for example, Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 , La 0.65 Ca 0.35 MnO 3 , La 0.65 Ca 0.175 Pb 0.175 MnO 3 And the like are formed by MOCVD, spin coating, laser ablation, sputtering, or the like.
[0044]
As shown in FIG. 3, the memory cell array 1 includes a plurality of memory cells 30 arranged in a row direction and a column direction, and a plurality of memory cells 30 extending in the row direction in order to select a predetermined memory cell or memory cell group from the memory cells. Are arranged, a plurality of first column selection lines 9 (common source lines C0, C1...) Extending in the column direction and a plurality of second column selection lines 10 (bits). ., And common source lines C0, C1... And bit lines B0 to B2... Are connected to peripheral function blocks as described later. I do.
[0045]
More specifically, as shown in FIG. 3, in the memory cell array 1, the memory cell 30 is connected to another memory cell 30 adjacent to one side in the row direction (extending direction of the word line) and the column connection terminal. Are connected to a common first column selection line 9 (common source lines C0, C1,...), And the other of the memory cells 30 adjacent to the other side in the row direction and the other of the column connection terminals are connected to a common first column selection line 9. It is connected to a two-column selection line 10 (bit lines B0, B1, B2,...). That is, two memory cells 30 adjacent to each other in the row direction are folded back around the common source lines C0, C1... Or the bit lines B0, B1, B2. B2... Are commonly connected and shared.
[0046]
Specifically, in FIG. 3, the source of the selection transistor 6 of the memory cell A0 (one of the column connection terminals) and the source of the selection transistor of the memory cell A1 (one of the column connection terminals) are connected to a common common source line C0. One terminal of the variable resistance element 7 of the memory cell A1 (the other of the column connection terminals) and one terminal of the variable resistance element 7 of the memory cell A2 (the other of the column connection terminals) are connected to the common bit line B1. Connecting. This connection is developed in the row direction and the column direction, and the memory cell array 1 is configured.
[0047]
Further, as shown in FIG. 3, two row selection lines 8 (word lines) are provided as a pair in each row of the memory cells 30 arranged in the row direction in the memory cell array 1, and are adjacent to each other in the row direction. The row connection terminal of one of the memory cells 30 (the gate of the selection transistor 6) is connected to one side of a pair of row selection lines (word lines), and the row connection terminal of the other memory cell 30 (the gate of the selection transistor 6). ) Is connected to the other side of the pair of row selection lines (word lines). That is, two memory cells 30 adjacent to each other in the row direction are arranged so as to be mirror-inverted with respect to each other, with the extension direction of the word lines W0 to W5.
[0048]
As a result, each memory cell 30 and the word line connect the row connection terminal (gate of the selection transistor 6) of the memory cell A0 in FIG. 3 to the word line W1, and connect the row connection terminal of the memory cell A1 (the selection transistor 6). The row connection terminals (gates of the selection transistors 6) of the memory cells 30 adjacent to each other in the row direction such that the gate is connected to the word line W0 are not connected to the same word line.
[0049]
Incidentally, in order to select and access a predetermined memory cell in the memory cell array 1 shown in FIG. 3, for example, only the bit line B1 connected to the memory cell A1, the common source line C0, and the word line W0 are accessed. By supplying a necessary potential and keeping all other bit lines, common source lines, and word lines at a low level potential, a desired memory cell A1 can be selected and accessed.
[0050]
That is, for example, since the word line W1 is held at a low level, the selection transistors 6 of the memory cells adjacent to both sides of the memory cell A1 to be accessed are all turned off, and the non-selected memories adjacent to both sides adjacent in the row direction are turned off. The cell is not affected by the potential supplied to the common source line C0 and the bit line B1. In other unselected memory cells commonly connected to the word line W0 connected to the memory cell A1 to be accessed, the selection transistor 6 is turned on, but the common source line connected to the unselected memory cell is Since both bit lines are held at the same low-level potential, there is no potential difference in the voltage across the variable resistance element of the non-selected memory cell, and the resistance value does not change. Therefore, the stored information is held. Only the memory cell A1 thus selected can be accessed.
[0051]
In FIG. 1, a row decoder 2 supplies a predetermined voltage to a word line Wi connected to a memory cell 30 to be accessed. The data driver 3 is a circuit that supplies a voltage corresponding to write data in accordance with a high-level or low-level signal externally supplied as a data signal when writing to a common source line Cj connected to the memory cell 30 to be accessed. The column decoder 5 selects a common source line Cj connected to the memory cell 30 to be accessed, and a high-level or low-level voltage output from the data driver 3 is supplied to the selected common source line Cj. Here, the selected common source line Cj is connected to an externally input data signal via the data driver 3 and the column decoder 5.
[0052]
On the other hand, at the time of reading, the data driver 3 generates about 1 V as a read voltage, and supplies the read voltage to the selected common source line Cj connected to the memory cell 30 to be accessed selected by the column decoder 5.
[0053]
The bit line driver 4 is a circuit that supplies a pulse voltage to the bit line Bk connected to the memory cell 30 to be accessed during a write operation and a reset operation. The column decoder 6 selects a bit line Bk connected to the memory cell 30 to be accessed, and a pulse voltage output from the bit line driver 4 is supplied to the selected bit line Bk.
[0054]
Next, referring to FIG. 4, a write operation to a desired memory cell and a control method therefor in the method of the present invention will be briefly described.
[0055]
It is assumed that a write operation (an operation of increasing the resistance value of the variable resistance element 7) is performed on the memory cell A in FIG. A high-level potential is applied from the bit line B1 connected to the memory cell A, and a low-level potential is applied to the common source line C0 connected to the memory cell A. Further, by applying a high-level potential to the word line W0 connected to the gate of the selection transistor 6 in the memory cell A, the selection transistor 6 is turned on, and as shown by an arrow in FIG. A current path to the common source line C0 is formed. Therefore, a low-level potential from the common source line C0 is applied to the lower electrode of the variable resistance element 7. A high-level potential from the bit line B1 is applied to the upper electrode of the variable resistance element 7. As a result, the resistance value of the variable resistance element 7 in the memory cell A increases, and the write operation is completed. During the write operation, the other word lines W1 to W5, the other bit lines B0 and B2, and the other common source line C1 are in a state of maintaining a low level potential.
[0056]
Next, a reset operation to a desired memory cell and a control method thereof in the method of the present invention will be briefly described with reference to FIG.
[0057]
It is assumed that a reset operation (an operation of reducing the resistance value of the variable resistance element 7) is performed on the memory cell A in FIG. A high level potential is applied from the common source line C0 connected to the memory cell A, and a low level potential is applied to the bit line B1 connected to the memory cell A. When a high-level potential is applied to the word line W0 connected to the gate of the selection transistor 6 in the memory cell A, the selection transistor 6 is turned on, and the common source line C0 is turned on as shown by an arrow in FIG. , A current path from bit line B1 to bit line B1 is formed. Therefore, a high-level potential from the common source line C0 is applied to the lower electrode of the variable resistance element 7. Further, a low-level potential from the bit line B1 is applied to the upper electrode of the variable resistance element 7. As a result, by applying a voltage in the opposite direction to that at the time of writing shown in FIG. 4 between the two electrodes of the variable resistance element 7 in the memory cell A, the resistance value decreases and the reset operation is completed. During the reset operation, similarly to the write operation, the other word lines W1 to W5, the other bit lines B0 and B2, and the other common source line C1 are in a state of holding the low-level potential.
[0058]
Here, a comparison between the case where the reset operation is performed on the memory cell array 20 created using the conventional memory cell 40 (see FIG. 19) and the setting of the potential level applied to the bit line (see FIG. 22) is shown. In the reset operation for the memory cell array 1 (see FIG. 5) using the memory cells 30 (see FIG. 2) of the device of the present invention, the potential level of the bit line can be controlled very easily.
[0059]
That is, when a reset operation is performed using the conventional memory cell 40 and the memory cell array 20, it is necessary to apply a high-level potential to all bit lines connected to unselected memory cells that are not accessed. Occurs, the current consumption due to charging and discharging of a large capacitive load parasitic on these many bit lines increases.In addition, in order to charge the bit lines to a high level potential, a time constant taking into account an additional resistance component is added. Since the charging time is required for one minute, the reset operation time is increased.
[0060]
However, when the reset operation is performed using the memory cells 30 and the memory cell array 1 of the device of the present invention, the unselected bit lines that are not accessed only need to keep the low level, and the increase in current consumption and the increase in access time are reduced. I will not invite you.
[0061]
Next, a method of controlling voltages (voltage application timing) according to the method of the present invention for a word line, a common source line, and a bit line applied when accessing the above-described memory cell will be described.
[0062]
First, a diagram in which a temporal element is added to the voltage relationship applied to each signal line at the time of a write operation to a memory cell and a reset operation of the device of the present invention shown in FIGS. 6, shown in FIG. FIG. 6 shows a write operation corresponding to FIG. 4, and FIG. 7 shows a reset operation corresponding to FIG. As can be seen from the respective comparisons, the control method of the applied voltage according to the present invention applies to the access memory cell A1 to be subjected to the write operation or the reset operation in both the write operation (FIG. 6) and the reset operation (FIG. 7). It is characterized in that a pulse voltage is applied to the connected bit line B1.
[0063]
That is, in this access control method, the same pulse signal shown in FIGS. 8 and 9 described later is input to the bit line B1 connected to the memory cell A1 to be accessed without distinction between the write operation and the reset operation. In addition, a very simple control method can be achieved as compared with the conventional memory cell access method shown in FIGS. 21 and 22 described above.
[0064]
That is, when a write operation and a reset operation are performed on the memory cell array 20 (see FIG. 20) using the cell structure of the conventional memory cell 40 (see FIG. 19), either the write operation or the reset operation is performed. After determining whether or not there is, it is necessary to apply a high-level voltage to the bit line to be accessed in the case of a write operation and to apply a low-level voltage in the case of a reset operation. is there. As described above, since it is necessary to distinguish between the write operation and the reset operation and then apply the voltage level applied to the bit line separately, as long as the conventional memory cell 40 and memory cell array 20 are used, The configuration of the control circuit corresponding to the bit line driver 4 shown in FIG. 1 is inevitably complicated.
[0065]
Next, FIGS. 8 and 9 are timing charts showing a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell according to the method of the present invention. FIG. 8 shows the timing at the time of the write operation, and FIG. 9 shows the timing at the time of the reset operation. As shown in FIGS. 8 and 9, in both the write operation and the reset operation, first, the word line 8 is set to a high level in order to turn on the internal select transistor for the memory cell to be operated. Start up to potential. Next, the selection transistor is turned on, that is, a high-level pulse voltage is applied to the bit line 10 connected to the access memory cell during the period P0 when the potential of the word line 8 is high. When the writing or resetting operation is completed by the application of the pulse voltage, the word line 8 is shifted to a low level potential in order to turn off the selection transistor.
[0066]
Here, as can be seen from a comparison between FIG. 8 and FIG. 9, it is the potential level of the common source line 9 connected to the access memory cell that determines whether the operation is the writing operation or the reset operation. 8 and 9, only one pulse voltage application to the bit line 10 is described, but the resistance value of the variable resistance element of the memory cell does not reach a predetermined value by one pulse voltage application. In such a case, application may be performed a plurality of times.
[0067]
Next, it will be described that the writing operation and the resetting operation are separately performed depending on the potential level of the common source line 9.
[0068]
First, as described above, a potential level corresponding to a data signal input from the outside is applied to the common source line 9 via the data driver 3 and the column decoder 5 shown in FIG. As a first case, it is assumed that a low-level data signal is externally supplied when the memory cell is in a reset state (low resistance value) (see FIG. 8). At this time, as shown in FIG. 8, a low-level potential is supplied to the common source line 9, and in this state, the selection transistor is turned on in the period P0, and a high-level pulse is applied to the bit line 10 in the period P1. When the voltage is applied, the application of the pulse voltage forms a current path schematically indicated by an arrow in FIG. 6, and the variable resistance element in the memory cell selected as described above changes to the high resistance state. . That is, in the period P1, a writing operation to the memory cell is performed.
[0069]
Next, as a second case, it is assumed that a low-level data signal is externally supplied when the variable resistance element is already in the written state (high resistance value) (see FIG. 8). At this time, similarly to the first case, the low level potential is supplied to the common source line 9, and in this state, the selection transistor is turned on in the period P0, and the high level is applied to the bit line 10 in the period P1. When a pulse voltage of a level is applied, a current path schematically shown by an arrow in FIG. 6 is formed by the application of the pulse voltage. At this time, a voltage in the writing direction is applied to both ends of the variable resistance element in the selected memory cell. However, since the variable resistance element is already in a high resistance state, the variable resistance element stores by applying this pulse voltage. The logic level of the data does not change.
[0070]
When the common source line 9 has a low-level potential, the bit lines 10 in the period P0 in which the selection transistor is in the ON state and before and after the period P1 in which the high-level pulse voltage is applied have low-level potentials P2 and P3. Since no potential difference occurs between both ends of the selected memory cell, the resistance state of the internal variable resistance element does not change.
[0071]
As a third case, it is assumed that a high-level data signal is externally supplied when the variable resistance element is in a write state (high resistance value) (see FIG. 9). At this time, a high-level potential is supplied to the common source line 9. In this state, the selection transistor is turned on in the period P0, and when a high-level pulse voltage is applied to the bit line 10 in the period P1, In periods P2 and P3 in which the bit line 10 has a low-level potential before and after the period P1 in which the pulse voltage is applied in the period P0, a current path schematically indicated by an arrow in FIG. 7 is formed and selected as described above. The variable resistance element in the memory cell changes from the high resistance state to the low resistance state. That is, the reset operation for the memory cells is performed in the periods P2 and P3.
[0072]
Next, as a fourth case, assume that a high-level data signal is externally supplied when the variable resistance element is in a reset state (low resistance value) (see FIG. 9). At this time, as in the third case, the high level potential is supplied to the common source line 9, and in this state, the selection transistor is turned on in the period P0, and the high level potential is applied to the bit line 10 in the period P1. When the pulse voltage of the level is applied, the bit lines 10 before and after the period P1 in which the pulse voltage is applied in the period P0 are applied to the current paths schematically indicated by arrows in FIG. Is formed. At this time, a voltage in the reset direction is applied to both ends of the variable resistance element in the selected memory cell. However, since the variable resistance element is already in a low resistance state, the variable resistance element stores by this pulse voltage application. The logic level of the data does not change.
[0073]
When the common source line 9 has a high-level potential, a potential difference does not occur at both ends of the selected memory cell during a period in which a high-level pulse voltage is applied to the bit line 10, so that the internal variable resistor The state of the element does not change.
[0074]
In other words, the period P1 during which the high-level pulse voltage is applied to the bit line 10 contributes to the write operation, but does not contribute to the reset operation. Conversely, the periods P2 and P3 before and after the period P1 It does not contribute to the operation, but contributes to the reset operation.
[0075]
In the above description, the write operation is performed when a low-level data signal is input from outside, and the reset operation is performed when a high-level data signal is input. Even if the level and the potential level of the internal common source line 9 are inverted to reverse the correspondence between the external signal level and the write operation and the reset operation, the essence of the control method for the write operation and the reset operation in the method of the present invention is as follows. does not change.
[0076]
Here, when the timing of the reset operation shown in FIG. 9 is examined in more detail, it can be seen that two reset operations (periods P2 and P3) are performed. As a result, the case may be considered where the resistance value of the variable resistance element excessively decreases depending on the characteristics of the element. An access control method for avoiding such an excessive reset state is shown in FIGS. 10 and 11 as a second embodiment of the method of the present invention.
[0077]
FIGS. 10 and 11 show a modification of the input timing to each signal line shown in FIGS. 8 and 9. After the pulse signal input to the bit line 10 rises from a low level to a high level, The word line 8 is controlled to start up.
[0078]
With this timing control, one reset operation can be executed in one period P5 shown in FIG. 11 for one pulse voltage application to the bit line 10. The write operation is also performed once in the period P4 shown in FIG. 10 in this access control method, so that the write operation is the same as that shown in FIG.
[0079]
FIGS. 12 and 13 show a third embodiment of the method of the present invention as another access control method for avoiding an excessive reset state. In the third embodiment, as a modification of the timing waveform of the second embodiment shown in FIGS. 10 and 11, the timing when the polarity of the input pulse to the bit line 10 to be accessed is reversed is shown.
[0080]
Also in this case, as in the case where the input pulse to the bit line 10 to be accessed shown in FIGS. 10 and 11 has a positive polarity (transition from low level to high level and back to low level), the variable resistance element Is set for the write operation period and the reset operation period. In the third embodiment, a write operation is executed in a period P4, and a reset operation is executed in a period P5.
[0081]
The timing control of each signal line connected to a memory cell in the method of the present invention can be performed in various combinations as shown in FIGS. 8 to 13. A suitable timing control method may be appropriately selected depending on the design of the voltage generation circuit built in the invention device.
[0082]
Next, a read operation in the method of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0083]
FIG. 14A shows a state in which the bit line B1 connected to the memory cell A to be read is precharged to a low level in advance as the first stage of the read operation. FIG. 14B shows that, as the second stage of the read operation, a high-level potential is applied to the word line W0 connected to the memory cell A, and a high-level voltage of about 1 V is applied to the common source line C0 connected to the memory cell A. The drawing shows a current path (indicated by an arrow) at the time of reading when a voltage is applied, and a main part of a reading circuit that determines the logical level of data stored in the memory cell A from the potential of the bit line B1.
[0084]
In order to form the current path shown in FIG. 14B from the state precharged to a low level shown in FIG. 14A, the current path shown in FIG. It is necessary to charge the parasitic capacitance load included in the current path. When the charge time is in the write state where the resistance value of the variable resistance element of the memory cell A to be read is high, the time constant required for charging the bit line B1 increases, and the rise of the potential of the bit line B1 becomes slow. . Conversely, in the reset state where the resistance value of the variable resistance element of the memory cell A to be read is low, the time constant required for charging the bit line B1 becomes small, so that the potential of the bit line B1 rises due to the variable resistance. This is faster than when the element is in the written state.
[0085]
The potential of the bit line B1 is applied to the reference voltage V of the reference node by the sense amplifier 22. REF By comparing with, the level of the resistance value of the variable resistance element of the memory cell A can be determined, the logical level of the data stored in the memory cell A can be determined, and the data can be read.
[0086]
In contrast to the read operation of the method of the present invention, in the conventional read circuit (see FIG. 24), a load transistor 21 is provided. Had been determined. However, in the method of the present invention, by not using the load transistor, the time constant related to the charging of the bit line is reduced, and the access time (read time) is improved.
[0087]
Next, FIG. 15 shows a timing waveform of each signal line according to the read operation of the method of the present invention. FIG. 15A shows a timing waveform when the resistance value of the variable resistance element of the memory cell A is high, and FIG. 15B shows a timing waveform in a reset state where the resistance value of the variable resistance element of the memory cell A is low. The timing waveforms in each case are shown.
[0088]
From time T1 to T2 in FIGS. 15A and 15B, the bit line B1 connected to the memory cell A is precharged to a low level. At the next time T2, a read voltage of about 1 V is applied to the common source line C0 connected to the memory cell A. At time T2, by applying a high-level voltage to the word line W0 to be accessed, the current path shown in FIG. 14B becomes conductive, and charging of the bit line B1 is started. And the reference voltage V REF By comparing the magnitude relationship between the potential and the potential of the bit line B1 by the sense amplifier 22, the logical value of the data stored in the memory cell is determined from the determination of the magnitude relationship.
[0089]
FIG. 15A shows a signal waveform in a write state in which the resistance value of the variable resistance element is high. As described above, the charging time of the bit line B1 in this case becomes longer, and the determination of the sense amplifier 22 is performed. At time T3, the potential of the bit line B1 is changed to the reference voltage V REF For example, the sense amplifier 22 determines that the logic level of the data is low.
[0090]
FIG. 15B shows a signal waveform in a reset state where the resistance value of the variable resistance element is low, and is the same as FIG. 15A except for the signal waveform of the bit line B1.
In the case of FIG. 15B, as described above, the charging time of the bit line B1 becomes short, and at the determination time T3 of the sense amplifier 22, the potential of the bit line B1 becomes the reference voltage V REF For example, the sense amplifier 22 determines that the logic level of the data is high.
[0091]
Here, in the embodiment illustrated in FIG. 15, the reference voltage V REF Is also precharged to a low level from time T1 to T2 in the same manner as the bit line B1, and is designed to be charged to the read voltage of about 1 V at the next time T2. The speed is set such that the speed of the variable resistance element is just intermediate between the write state and the reset state. As a specific design method, for example, a plurality of memory cell arrays are provided, and in each memory cell array, a dummy memory cell in which the resistance value of the variable resistance element is exactly intermediate between the write state and the reset state is provided. One of the other memory cell arrays that does not include the memory cell to be read is selected, and for that memory cell array, the dummy memory cell is selected, and a word line, common source line, and bit line connected to the dummy memory cell are selected. By applying the same control at the same timing as a word line, a common source line, and a bit line connected to a memory cell to be read, so that the reference voltage V illustrated in FIG. REF Can be obtained. Note that the reference voltage V REF Is not limited to the above method.
[0092]
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the method of the present invention will be described. In the first embodiment, the target of the write operation, the reset operation, and the read operation in the method of the present invention is the memory cell of the device of the present invention employing the memory cell array configuration shown in FIG. The present invention can be applied to a memory cell array configuration other than the device of the present invention described in the embodiment.
[0093]
FIG. 16 shows another memory cell array configuration to which the method of the present invention can be applied. In the configuration of the memory cell array 50, unlike the memory cell array 1 of the first embodiment (see FIG. 3), the memory cells 30 adjacent to each other in the row direction are not arranged mirror-inverted, and the bit lines are not sandwiched. The memory cells 30 adjacent to each other in the row direction do not share a bit line but have independent bit lines. The memory cells A0 and A1 in the memory cell array 50 are adjacent to each other in the row direction, but the gates of the select transistors in each memory cell are connected to the same word line W0. The memory cells 30 adjacent to each other in the row direction with the common source line interposed therebetween share a common common source line and are connected to the same common source line.
[0094]
This connection is developed in the row direction and the column direction to configure the memory cell array 50, thereby realizing a memory cell array configuration capable of simplifying access control of the method of the present invention, similarly to the configuration shown in FIG. Can be. With respect to the integration density of the memory cell array, the required number of word lines is reduced by half while the required number of bit lines is approximately doubled. The memory cell array configuration of the second embodiment may be more suitable for high integration.
[0095]
FIG. 17 corresponds to FIG. 6 of the first embodiment, and FIG. 18 corresponds to the voltage relationship applied to each signal line at the time of the write operation to the memory cell and the reset operation corresponding to FIG. 7 of the first embodiment. On the other hand, it is a diagram in which time elements are added, and current paths in a write operation and a reset operation in the memory cell array 50 are schematically shown by arrows.
[0096]
Since the current paths during the write operation and the reset operation in FIGS. 17 and 18 are formed by applying voltages to the same signal lines as in FIGS. 6 and 7, even in the memory cell array 50, the current paths shown in FIGS. In addition, the access control method of the method of the present invention according to the first embodiment can be used. That is, a voltage pulse is applied to the bit line during a period P1 (see FIGS. 8 to 13) in which a high-level potential is applied to the word line connected to the selected memory cell, and the voltage pulse is applied according to the voltage level of the common source line. This is the same as the first embodiment in that either the write operation or the reset operation can be performed.
[0097]
Since the memory cell array 50 has an independent bit line for each memory cell, the control of the bit line to which the pulse voltage is applied is different from that of the memory cell array 1 in the first embodiment. 1) may be changed. Also in this case, the function of the column decoder 6 for selecting the bit line connected to the memory cell to be accessed based on the address information input from the outside is the same, so that the special circuit does not become complicated.
[0098]
In the second embodiment, the positional relationship between the common source line and the bit line may be reversed in the memory cell array configuration shown in FIGS. In this case, the two memory cells are adjacent to each other in the row direction by sharing the bit line. Therefore, the two memory cells are simultaneously selected and simultaneously selected according to the voltage level of the common source line independently provided. The writing operation or the resetting operation may be performed.
[0099]
Next, another embodiment of the device of the present invention will be described. In the memory cell array configuration shown in FIG. 3 of the first embodiment, even if the positional relationship between the common source line and the bit line is reversed, the same functions and effects of the device of the present invention and the method of the present invention can be obtained. Alternatively, the control method of the common source line and the bit line may be changed during one or both of the writing operation and the resetting operation or the reading operation while the positional relationship between the common source line and the bit line remains unchanged. . However, when the control method of the signal line is changed, the peripheral circuits connected to the signal lines also need to be changed so that the respective control methods can be changed.
[0100]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the apparatus and method of the present invention, the following effects can be obtained.
[0101]
(1) By using the memory cell array configuration employed in the device of the present invention, it is possible to reduce current consumption and reset operation time during a reset operation.
[0102]
(2) Since the access control of each signal line related to the read operation of the method of the present invention is performed, no load transistor is required, so that the time constant in the read current path can be reduced, and the read speed can be reduced. Can be speeded up.
[0103]
(3) By performing access control of each signal line related to the write operation and the reset operation of the method of the present invention, a voltage pulse can be input to the bit line without distinction between the write operation and the reset operation. The operation and the reset operation can be performed. Therefore, unlike the related art, there is no need for a control circuit for discriminating between the write operation and the reset operation and then inputting the voltage level applied to the bit line separately, and the control circuit can be simplified accordingly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a circuit configuration in an embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a 1T1R type nonvolatile memory cell having a variable resistance element used in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell array of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a write operation to a memory cell array and a control method thereof in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a reset operation for a memory cell array of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention and a control method thereof;
FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a write operation to a memory cell array of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention and a control method thereof by adding a time element;
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a reset operation for a memory cell array of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention and a control method thereof by adding a time element;
FIG. 8 is a timing chart for explaining a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in the first embodiment of the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 9 is a timing chart for explaining a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in the first embodiment of the reset method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 10 is a timing chart for explaining a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in a second embodiment of the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 11 is a timing chart for explaining a method for controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in a second embodiment of the reset method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 12 is a timing chart for explaining a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in a third embodiment of the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention;
FIG. 13 is a timing chart for explaining a method of controlling voltage application to each signal line connected to a memory cell in a third embodiment of the reset method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram illustrating a method for controlling the application of a voltage to each signal line according to the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 15 is a timing chart showing signal waveforms of respective signal lines according to the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 16 is a circuit diagram showing another memory array configuration to which a write method, a reset method, and a read method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention can be applied;
FIG. 17 is an explanatory diagram for explaining a write operation and a control method for the memory cell array shown in FIG. 16 by adding a time element;
18 is an explanatory diagram for explaining a reset operation and a control method for the memory cell array shown in FIG. 16 by adding a time element;
FIG. 19 is an equivalent circuit diagram of a 1T1R type nonvolatile memory cell including a variable resistance element used in a conventional nonvolatile semiconductor memory device.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell array of a 1T1R type nonvolatile memory cell including a variable resistance element used in a conventional nonvolatile semiconductor memory device.
FIG. 21 is an explanatory diagram for explaining a write operation to a memory cell array and a control method thereof in the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 20;
FIG. 22 is an explanatory diagram for explaining a reset operation for the memory cell array of the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 20 and a control method thereof;
FIG. 23 is an explanatory diagram showing a flow of signals including non-selected memory cells at the time of resetting the memory cell array of the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG. 20;
24 is a circuit diagram illustrating a read operation on a memory cell array of the conventional nonvolatile semiconductor memory device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1,20: Memory cell array
2: Row decoder
3: Data driver
4: Bit line driver
5: Column decoder
6,41: Select transistor
7, 42: variable resistance element
8, W0, W1, W2, W3, W4, W5, W6, Wi: row selection line (word line)
9, C0, C1, Cj: 1st column selection line (common source line)
10, B0, B1, B2, B3, B4, Bk: first column selection line (bit line)
21: Load transistor
22: Sense amplifier
30, 40, A, A0, A1, A2, A3, A4: memory cell
43: Word line
44: Common source line
45: Bit line
N1: Connection node
V REF : Reference voltage

Claims (12)

不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、
前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、
前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続し、
行方向に配列する前記メモリセルの各行に2本の前記行選択線が設けられ、行方向に隣接する2つの前記メモリセルにおいて、一方の前記メモリセルの前記行接続端子が前記2本の前記行選択線の一方側と接続し、他方の前記メモリセルの前記行接続端子が前記2本の前記行選択線の他方側と接続してなることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of nonvolatile memory cells are arranged in each of the row direction and the column direction, and a plurality of row selection lines are arranged in the row direction to select a predetermined memory cell or a memory cell group from the plurality of nonvolatile memory cells. A nonvolatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines are arranged,
Each of the memory cells includes a variable resistive element for storing information by a change in electric resistance due to an electric stress and a select transistor, and connects one end of the variable resistive element and a drain of the select transistor to each other. The other end of the element and the source of the select transistor form two column connection terminals of the memory cell, and the gate of the select transistor forms a row connection terminal;
In the memory cell array, the memory cell is connected to another memory cell adjacent to one side in the row direction and one of the column connection terminals to a common first column selection line, and the other in the row direction. The other of the memory cells adjacent to the side and the other of the column connection terminals are connected to a common second column selection line,
Two row select lines are provided in each row of the memory cells arranged in the row direction, and in two memory cells adjacent in the row direction, the row connection terminals of one of the memory cells are connected to the two of the two memory cells. A nonvolatile semiconductor memory device, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is connected to one side of a row selection line, and the row connection terminal of the other memory cell is connected to the other side of the two row selection lines.
選択された前記メモリセルへのデータの書き込みまたはリセットは、前記選択トランジスタがオン状態となるように前記行接続端子に電圧を印加した状態で、2つの前記列接続端子間に所定のデータの書き込みまたはリセットに必要な電圧を印加することにより実行されることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。Writing or resetting of data to the selected memory cell is performed by writing predetermined data between the two column connection terminals while applying a voltage to the row connection terminal so that the selection transistor is turned on. 2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said nonvolatile semiconductor memory device is executed by applying a voltage required for resetting. データの書き込み及びリセットの少なくとも一方の動作時において、前記選択された前記メモリセルに接続する前記第1列選択線に、前記書き込みまたはリセット動作に係る前記データの値に応じた電圧が印加され、前記選択された前記メモリセルに接続する前記第2列選択線に、前記書き込みまたはリセット動作に必要な電圧パルスが印加されることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。During at least one operation of writing and resetting data, a voltage corresponding to the value of the data related to the writing or resetting operation is applied to the first column selection line connected to the selected memory cell, 3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein a voltage pulse required for the write or reset operation is applied to the second column selection line connected to the selected memory cell. 前記電圧パルスとして、前記書き込み動作時と前記リセット動作時で同じ電圧パルスが印加されることを特徴とする請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。4. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein the same voltage pulse is applied as the voltage pulse during the write operation and during the reset operation. データの読み出し時において、選択された前記メモリセルに接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の一方側が、データ読み出し用のセンスアンプに連通し、他方側に、前記読み出し動作に必要な電圧が印加されることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。At the time of data reading, one of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected memory cell communicates with a sense amplifier for data reading, and the other side performs the reading operation. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a required voltage is applied. 前記可変抵抗素子が、マンガンを含有するペロブスカイト型結晶構造の酸化物で形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the variable resistance element is formed of an oxide having a perovskite crystal structure containing manganese. 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置の選択された1または複数の前記メモリセルに対してデータの書き込み及びリセットの少なくとも一方の動作を行う方法であって、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線に、前記書き込みまたはリセット動作に係る前記データの値に応じた書き込み電圧またはリセット電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第2列選択線に、前記行選択電圧を印加している期間中に、低電圧レベルから高電圧レベルまたは高電圧レベルから低電圧レベルへ少なくとも1回遷移する所定の電圧振幅の電圧パルスを印加し、
前記第1列選択線に前記書き込み電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記書き込み電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記書き込み動作が行われ、
前記第1列選択線に前記リセット電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記リセット電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記リセット動作が行われることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法。
2. A method for performing at least one of a data write operation and a reset operation on one or a plurality of selected memory cells of the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
Applying a row selection voltage for turning on the selection transistor to the row selection line connected to the selected one or more memory cells;
Applying a write voltage or a reset voltage according to the value of the data related to the write or reset operation to the first column select line connected to the selected one or more memory cells;
While the row selection voltage is being applied to the second column selection line connected to the selected one or more memory cells, a low voltage level to a high voltage level or a high voltage level to a low voltage level Applying a voltage pulse of a predetermined voltage amplitude that transitions at least once to
In the case where the write voltage is applied to the first column select line, when the voltage level of the voltage pulse is different from the write voltage during the row select voltage application period, the write operation is performed. Done,
In the case where the reset voltage is applied to the first column selection line, when the voltage level of the voltage pulse is at a voltage level different from the reset voltage during the application period of the row selection voltage, the reset operation is performed. A write / reset method for a nonvolatile semiconductor memory device, the method being performed.
不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続してなる不揮発性半導体記憶装置において、選択された1または複数の前記メモリセルに対してデータの書き込み及びリセットの少なくとも一方の動作を行う方法であって、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線に、前記書き込みまたはリセット動作に係る前記データの値に応じた書き込み電圧またはリセット電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第2列選択線に、前記行選択電圧を印加している期間中に、低電圧レベルから高電圧レベルまたは高電圧レベルから低電圧レベルへ少なくとも1回遷移する所定の電圧振幅の電圧パルスを印加し、
前記第1列選択線に前記書き込み電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記書き込み電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記書き込み動作が行われ、
前記第1列選択線に前記リセット電圧が印加されている場合において、前記行選択電圧の印加期間中で、前記電圧パルスの電圧レベルが前記リセット電圧と異なる電圧レベルにある時に、前記リセット動作が行われることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法。
A plurality of nonvolatile memory cells are arranged in each of the row direction and the column direction, and a plurality of row selection lines are arranged in the row direction to select a predetermined memory cell or a memory cell group from the plurality of nonvolatile memory cells. A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines are arranged, wherein each of the memory cells is changed by a change in electrical resistance due to electrical stress. A variable resistance element for storing information and a selection transistor; one end of the variable resistance element and the drain of the selection transistor are connected; and the other end of the variable resistance element and the source of the selection transistor are connected to the memory cell. Two column connection terminals are formed, and a gate of the selection transistor forms a row connection terminal, and in the memory cell array, the memory cells are arranged in a row. The other of the memory cells adjacent to one side in the row direction and one of the column connection terminals connected to a common first column select line, and the other of the memory cells adjacent to the other side in the row direction; In a nonvolatile semiconductor memory device in which the other of the column connection terminals is connected to the common second column selection line, at least one operation of writing and resetting data to the selected one or a plurality of memory cells A method of performing
Applying a row selection voltage for turning on the selection transistor to the row selection line connected to the selected one or more memory cells;
Applying a write voltage or a reset voltage according to the value of the data related to the write or reset operation to the first column select line connected to the selected one or more memory cells;
While the row selection voltage is being applied to the second column selection line connected to the selected one or more memory cells, a low voltage level to a high voltage level or a high voltage level to a low voltage level Applying a voltage pulse of a predetermined voltage amplitude that transitions at least once to
In the case where the write voltage is applied to the first column select line, when the voltage level of the voltage pulse is different from the write voltage during the row select voltage application period, the write operation is performed. Done,
In the case where the reset voltage is applied to the first column selection line, when the voltage level of the voltage pulse is at a voltage level different from the reset voltage during the application period of the row selection voltage, the reset operation is performed. A write / reset method for a nonvolatile semiconductor memory device, the method being performed.
前記電圧パルスが、低電圧レベルから高電圧レベルに遷移して低電圧レベルに戻る、或いは、高電圧レベルから低電圧レベルに遷移して高電圧レベルに戻る1回または複数回の電圧パルスであることを特徴とする請求項7または8に記載の不揮発性半導体記憶装置の書き込み・リセット方法。The voltage pulse is one or more voltage pulses that transition from a low voltage level to a high voltage level and return to a low voltage level, or that transition from a high voltage level to a low voltage level and return to a high voltage level. 9. The method for writing / resetting a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7, wherein: 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置の選択された1または複数の前記メモリセルからデータを読み出す方法であって、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の一方側を所定のプリチャージ電圧にプリチャージし、
前記プリチャージ後に、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の他方側に所定の読み出し電圧を印加し、
前記第1列選択線の電圧レベルが前記プリチャージ電圧から前記読み出し電圧に向って変化する過渡状態において、前記メモリセルの前記可変抵抗素子の抵抗状態に応じて異なる電圧変化を呈するのを検出することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法。
A method for reading data from one or more selected memory cells of the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
Applying a row selection voltage for turning on the selection transistor to the row selection line connected to the selected one or more memory cells;
Precharging one side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or more memory cells to a predetermined precharge voltage;
Applying a predetermined read voltage to the other side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or more memory cells after the precharge;
In a transient state in which the voltage level of the first column selection line changes from the precharge voltage to the read voltage, it is detected that the voltage change varies depending on the resistance state of the variable resistance element of the memory cell. A method for reading a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
不揮発性のメモリセルを行方向及び列方向に夫々複数配列し、その中から所定のメモリセルまたはメモリセル群を選択するために、行方向に複数の行選択線を配列し、列方向に夫々複数の第1列選択線と複数の第2列選択線とを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、前記メモリセルの夫々は、電気的ストレスによる電気抵抗の変化により情報を記憶する可変抵抗素子と選択トランジスタを備え、前記可変抵抗素子の一端側と前記選択トランジスタのドレインとを接続し、前記可変抵抗素子の他端側と前記選択トランジスタのソースが前記メモリセルの2つの列接続端子を形成するとともに、前記選択トランジスタのゲートが行接続端子を形成し、前記メモリセルアレイ内において、前記メモリセルは、行方向の一方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の一方同士を共通の前記第1列選択線に接続し、行方向の他方側に隣接する他の前記メモリセルと、前記列接続端子の他方同士を共通の前記第2列選択線に接続してなる不揮発性半導体記憶装置において、選択された1または複数の前記メモリセルからデータを読み出す方法であって、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記行選択線に前記選択トランジスタをオン状態にする行選択電圧を印加し、
前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の一方側を所定のプリチャージ電圧にプリチャージし、
前記プリチャージ後に、前記選択された1または複数の前記メモリセルと接続する前記第1列選択線と前記第2列選択線の他方側に所定の読み出し電圧を印加し、
前記第1列選択線の電圧レベルが前記プリチャージ電圧から前記読み出し電圧に向って変化する過渡状態において、前記メモリセルの前記可変抵抗素子の抵抗状態に応じて異なる電圧変化を呈するのを検出することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法。
A plurality of nonvolatile memory cells are arranged in each of the row direction and the column direction, and a plurality of row selection lines are arranged in the row direction to select a predetermined memory cell or a memory cell group from the plurality of nonvolatile memory cells. A non-volatile semiconductor memory device having a memory cell array in which a plurality of first column selection lines and a plurality of second column selection lines are arranged, wherein each of the memory cells is changed by a change in electrical resistance due to electrical stress. A variable resistance element for storing information and a selection transistor; one end of the variable resistance element and the drain of the selection transistor are connected; and the other end of the variable resistance element and the source of the selection transistor are connected to the memory cell. Two column connection terminals are formed, and a gate of the selection transistor forms a row connection terminal, and in the memory cell array, the memory cells are arranged in a row. The other of the memory cells adjacent to one side in the row direction and one of the column connection terminals connected to a common first column select line, and the other of the memory cells adjacent to the other side in the row direction; A method of reading data from one or a plurality of selected memory cells in a nonvolatile semiconductor memory device in which the other one of the column connection terminals is connected to a common second column selection line,
Applying a row selection voltage for turning on the selection transistor to the row selection line connected to the selected one or more memory cells;
Precharging one side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or more memory cells to a predetermined precharge voltage;
Applying a predetermined read voltage to the other side of the first column selection line and the second column selection line connected to the selected one or more memory cells after the precharge;
In a transient state in which the voltage level of the first column selection line changes from the precharge voltage to the read voltage, it is detected that the voltage change varies depending on the resistance state of the variable resistance element of the memory cell. A method for reading a nonvolatile semiconductor memory device, comprising:
前記第1列選択線の電圧レベルが前記プリチャージ電圧から前記読み出し電圧に向って変化する過渡状態において、同様に電圧レベルが前記プリチャージ電圧から前記読み出し電圧に向って変化する参照ノードを設け、前記参照ノードの電圧変化を、前記第1列選択線の前記メモリセルの前記可変抵抗素子の抵抗状態に応じて異なる電圧変化の中間的な電圧変化となるように設定し、
前記第1列選択線の電圧レベルと前記参照ノードの電圧レベルを前記過渡状態の途中で比較して前記メモリセルのデータを読み出すことを特徴とする請求項10または11に記載の不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法。
In a transient state in which the voltage level of the first column selection line changes from the precharge voltage to the read voltage, a reference node whose voltage level similarly changes from the precharge voltage to the read voltage is provided. Setting the voltage change of the reference node to be an intermediate voltage change between different voltage changes according to the resistance state of the variable resistance element of the memory cell of the first column selection line;
12. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 10, wherein a voltage level of said first column selection line and a voltage level of said reference node are compared during said transient state to read data of said memory cell. How to read the device.
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