JP2008065953A - Nonvolatile semiconductor memory device and read-out method therefor - Google Patents

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JP2008065953A JP2006245463A JP2006245463A JP2008065953A JP 2008065953 A JP2008065953 A JP 2008065953A JP 2006245463 A JP2006245463 A JP 2006245463A JP 2006245463 A JP2006245463 A JP 2006245463A JP 2008065953 A JP2008065953 A JP 2008065953A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor memory device and its read-out method where the reliability of reference resistance is high, and a read-out error can be prevented effectively, in a nonvolatile semiconductor memory device that uses a resistance memory element, storing a plurality of resistance states for which the resistance values are different. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor memory device uses the resistance memory element where the resistance memory material is held between a pair of electrodes and a resistance memory properties where the resistance state can be switched reversibly to a high-resistance state or to a low-resistance state is manifested by applying voltage. The device has a memory cell 10, having a resistance memory element 12 that manifests the resistance memory properties, and a reference cell 10<SB>R</SB>, which is referred to when read-out is performed from the memory cell 10 and has a reference resistance comprising a resistance memory element 12R where the resistance memory properties are not manifested. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、抵抗値が異なる複数の抵抗状態を記憶する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element that stores a plurality of resistance states having different resistance values and a reading method thereof.

近年、新たなメモリ素子として、ReRAM(Resistance Random Access Memory:抵抗変化メモリ)と呼ばれる不揮発性半導体記憶装置が注目されている。ReRAMは、抵抗値が異なる複数の抵抗状態を有し、外部から電気的刺激を与えることにより抵抗状態が変化する抵抗記憶素子を用い、抵抗記憶素子の高抵抗状態と低抵抗状態とを例えば情報の“0”と“1”とに対応づけることにより、メモリ素子として利用するものである。ReRAMは、高速性、大容量性、低消費電力性等、そのポテンシャルの高さから、その将来性が期待されている。   In recent years, a nonvolatile semiconductor memory device called ReRAM (Resistance Random Access Memory) has attracted attention as a new memory element. The ReRAM uses a resistance memory element that has a plurality of resistance states with different resistance values and changes its resistance state by applying an electrical stimulus from the outside. For example, information about the high resistance state and the low resistance state of the resistance memory element By associating with "0" and "1", the memory element is used. The future of ReRAM is expected because of its high potential such as high speed, large capacity, and low power consumption.

抵抗記憶素子は、電圧の印加により抵抗状態が変化する抵抗記憶材料を一対の電極間に挟持したものである。抵抗記憶材料としては、代表的なものとして遷移金属を含む酸化物材料が知られている。   In the resistance memory element, a resistance memory material whose resistance state is changed by application of a voltage is sandwiched between a pair of electrodes. As a typical resistance memory material, an oxide material containing a transition metal is known.

図13に、抵抗記憶素子の電気特性を示す。図13に示すように、高抵抗状態にある抵抗記憶素子に電圧を徐々に印加していくと、電圧がある値(セット電圧Vset)を超えたところで急激に抵抗値が減少し、抵抗記憶素子は低抵抗状態に遷移する。この動作を、一般に「セット」と呼ぶ。一方、低抵抗状態にある抵抗記憶素子に電圧を徐々に印加していくと、電圧がある値(リセット電圧Vreset)を超えたところで急激に抵抗値が増加し、抵抗記憶素子は高抵抗状態に遷移する。この動作を、一般に「リセット」と呼ぶ。 FIG. 13 shows electrical characteristics of the resistance memory element. As shown in FIG. 13, when a voltage is gradually applied to the resistance memory element in the high resistance state, the resistance value decreases abruptly when the voltage exceeds a certain value (set voltage V set ). The device transitions to a low resistance state. This operation is generally called “set”. On the other hand, when a voltage is gradually applied to the resistance memory element in the low resistance state, the resistance value increases rapidly when the voltage exceeds a certain value (reset voltage V reset ), and the resistance memory element is in the high resistance state. Transition to. This operation is generally called “reset”.

これら動作により、抵抗記憶素子に単純に電圧を印加するだけで、抵抗記憶素子の抵抗状態を制御することができる。   By these operations, the resistance state of the resistance memory element can be controlled by simply applying a voltage to the resistance memory element.

また、データの読み出しは、抵抗記憶素子に所定の読み出し電流を流したときに抵抗記憶素子に印加される電圧を測定することにより可能である。
I. G. Baek et al., "Highly scalable non-volatile resistive memory using simple binary oxide driven by asymmetric unipolar voltage pulses", Tech. Digest IEDM 2004, p.587 M. Durlam et al., "A low power 1Mbit MRAM based on 1T1MTJ bit cell integrated with copper interconnects", 2002 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers H. Honigschmid et al., "A non-volatile 2Mbit CBRAM memory core featuring advanced read and program control", 2006 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers
Data can be read by measuring a voltage applied to the resistance memory element when a predetermined read current is passed through the resistance memory element.
IG Baek et al., "Highly scalable non-volatile resistive memory using simple binary oxide driven by asymmetric unipolar voltage pulses", Tech. Digest IEDM 2004, p. 587 M. Durlam et al., "A low power 1Mbit MRAM based on 1T1MTJ bit cell integrated with copper interconnects", 2002 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers H. Honigschmid et al., "A non-volatile 2Mbit CBRAM memory core featuring advanced read and program control", 2006 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers

抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置に記憶された情報を読み出す手法の一つとして、読み出し対象の抵抗記憶素子の抵抗値とリファレンス抵抗の抵抗値とを比較することが考えられる。この場合、リファレンス抵抗には、読み出しエラーを防止するために、信頼性が高いこと及び抵抗値の安定性が要求される。ここで、リファレンス抵抗としては、装置構成上、メモリセルに用いると同様の抵抗記憶素子を用いることが有効である。   As one method of reading information stored in a nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element, it is conceivable to compare the resistance value of a resistance memory element to be read with the resistance value of a reference resistance. In this case, the reference resistor is required to have high reliability and resistance value stability in order to prevent a read error. Here, as a reference resistor, it is effective to use a resistance memory element similar to that used for a memory cell in terms of the device configuration.

しかしながら、一般に、抵抗記憶素子が高抵抗状態のときの抵抗値はばらつきが大きいため、メモリセルに用いると同様の抵抗記憶素子をリファレンス抵抗に用いたのでは、読み出しエラーを効果的に防止することができなかった。   However, in general, the resistance value when the resistance memory element is in a high resistance state varies greatly. Therefore, when a resistance memory element similar to that used for a memory cell is used as a reference resistance, a read error can be effectively prevented. I could not.

本発明の目的は、リファレンス抵抗の信頼性が高く、読み出しエラーを効果的に防止しうる不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device and a reading method thereof, in which a reference resistor has high reliability and can effectively prevent a read error.

本発明の一観点によれば、一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルとを有する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes, and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A nonvolatile semiconductor memory device using an element, the memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristic, and a reference cell that is referred to when reading the memory cell, the resistance cell There is provided a non-volatile semiconductor memory device having a reference cell having a reference resistance made of a second resistance memory element that does not exhibit memory characteristics.

また、本発明の他の観点によれば、一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、前記第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線とを有する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes, and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A non-volatile semiconductor memory device using a resistance memory element, wherein the first resistance memory element exhibiting the resistance memory characteristics and a drain terminal are connected to one end of the first resistance memory element A plurality of memory cells each having a first transistor and arranged in a matrix; a reference resistor including a second resistance memory element that does not exhibit the resistance memory characteristics; and a drain terminal having the second transistor A plurality of reference cells each having a second transistor connected to one end of the resistance memory element and arranged in a first direction, and extending in parallel in the first direction In A plurality of signal lines, wherein each signal line is the other end of the first resistance memory element of the memory cells arranged in the first direction, or the reference cells arranged in the first direction. A plurality of bit lines connected to the other end of the second resistance memory element and a plurality of signal lines extending in parallel in a second direction intersecting the first direction. A plurality of word lines connected to the gate terminal of the first transistor of the memory cell and the gate terminal of the second transistor of the reference cell, each signal line being aligned in the second direction; A plurality of signal lines extending in parallel in the second direction, each signal line being connected to the source terminal of the first transistor and the reference of the memory cell arranged in the second direction; The second transistor of the cell Nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of source lines connected to the source terminal is provided.

また、本発明の更に他の観点によれば、一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部及び前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線とを有する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes, and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is obtained by applying a voltage. A nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element that develops, wherein a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristics and a drain terminal are connected to one end of the first resistance memory element. Each having a first transistor and a plurality of memory cells arranged in a matrix, a reference resistor composed of a second resistance memory element not exhibiting the resistance memory characteristics, and a drain terminal having the second transistor A second transistor connected to one end of each of the resistance memory elements, and a plurality of reference cells arranged in a first direction, and a first transistor crossing the first direction. A plurality of signal lines extending in parallel to each other, each signal line including the other end of the first resistance memory element of the memory cell arranged in the second direction and the signal line A plurality of bit lines connected to the other end of the second resistance memory element of the reference cell, and a plurality of signal lines extending in parallel in the first direction and arranged in parallel. A plurality of words having a line connected to a gate terminal of the first transistor of the memory cell aligned in the first direction or a gate terminal of the second transistor of the reference cell aligned in the first direction And a plurality of signal lines extending in parallel in the first direction and each signal line being arranged in the first direction, the source terminal of the first transistor of the memory cell being arranged in the first direction Or the reference cells arranged in the first direction. The nonvolatile semiconductor memory device having a connected plurality of source lines to a source terminal of the second transistor is provided for.

また、本発明の更に他の観点によれば、一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルとを有する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法であって、前記第1の抵抗記憶素子と前記第2の抵抗記憶素子とに互いに等しい読み出し電流を流した際に、前記第1の抵抗記憶素子に印加される第1の電圧と、前記第2の抵抗記憶素子に印加される第2の電圧とを比較することにより、前記第1の抵抗記憶素子の抵抗状態を判定する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法が提供される。   According to still another aspect of the present invention, a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes, and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is obtained by applying a voltage. A nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element that expresses, a memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristic, and a reference cell that is referred to when reading the memory cell. A read method for a nonvolatile semiconductor memory device having a reference cell having a reference resistance made of the second resistance memory element that does not exhibit the resistance memory characteristics, the first resistance memory element and the first resistance memory element A first voltage applied to the first resistance memory element and a voltage applied to the second resistance memory element when equal read currents are passed to the second resistance memory element. By comparing the second voltage, the non-volatile read method of a semiconductor memory device determines the resistance state of first resistive memory element is provided.

本発明によれば、電圧の印加により高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置において、メモリセル読み出す際に参照するリファレンスセルを、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子、すなわち高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性を発現していない抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を用いて構成するので、リファレンス抵抗の熱的なストレス等に対する安定性を向上することができる。これにより、安定したリファレンス電圧を発生することができ、読み出しエラーを効果的に防止することができる。   According to the present invention, in a nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element that switches between a high resistance state and a low resistance state by applying a voltage, a reference cell that is referred to when reading a memory cell is not subjected to forming processing. A resistance memory element, that is, a reference resistance composed of a resistance memory element that does not exhibit a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state, is used. The stability with respect to can be improved. Thereby, a stable reference voltage can be generated, and read errors can be effectively prevented.

[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法について図1乃至図5を用いて説明する。
[First Embodiment]
The nonvolatile semiconductor memory device and the reading method thereof according to the first embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS.

図1は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図、図2及び図3は抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフ、図4は抵抗記憶素子の抵抗値の温度特性を示すグラフ、図5は抵抗記憶素子の抵抗状態の保持特性を示すグラフである。   1 is a circuit diagram showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, FIGS. 2 and 3 are graphs showing current-voltage characteristics of the resistance memory element, and FIG. 4 is a temperature characteristic of the resistance value of the resistance memory element. FIG. 5 is a graph showing the holding characteristics of the resistance state of the resistance memory element.

はじめに、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図1を用いて説明する。   First, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

行方向(図面横方向)には、複数のワード線WL,WL,WL,WL…と、複数のソース線SL,SL…とが配されている。また、列方向(図面縦方向)には、複数のビット線BL,BL,BL,BL…が配されている。 In the row direction (horizontal direction in the drawing), a plurality of word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 , WL 4 ... And a plurality of source lines SL 1 , SL 2 . A plurality of bit lines BL R , BL 1 , BL 2 , BL 3 ... Are arranged in the column direction (vertical direction in the drawing).

ワード線WL,WL,WL,WL…とビット線BL,BL,BL…との各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するメモリセル10が、それぞれ形成されている。各メモリセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端が対応するビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子は対応するソース線SLに接続され、ゲート端子は対応するワード線WLに接続されている。列方向に隣接するメモリセル10のソース線SLは、共用されている。 At each intersection of the word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 , WL 4 ... And the bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 . Each is formed. In each memory cell 10, the resistance memory element 12 has one end connected to the corresponding bit line BL and the other end connected to the drain terminal of the selection transistor 14. The source terminal of the selection transistor 14 is connected to the corresponding source line SL, and the gate terminal is connected to the corresponding word line WL. The source lines SL of the memory cells 10 adjacent in the column direction are shared.

ワード線WL,WL,WL,WL…とビット線BLとの各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するリファレンスセル10が、それぞれ形成されている。各リファレンスセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端がビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子は対応するソース線SLに接続され、ゲート端子は対応するワード線WLに接続されている。列方向に隣接するリファレンスセル10のソース線SLは、共用されている。 At each intersection between the word lines WL 1, WL 2, WL 3 , WL 4 ... and the bit line BL R, the reference cell 10 R having a resistance memory element 12 R and the selection transistor 14 R is, respectively formed Yes. In each reference cell 10 R, the resistance memory element 12 R has one end connected to the bit line BL R, the other end connected to the drain terminal of the select transistor 14 R. The source terminal of the select transistor 14 R is connected to a corresponding source line SL, and a gate terminal connected to a corresponding word line WL. The source line SL of the reference cell 10 R adjacent in the column direction, are shared.

ビット線BL,BL,BL…の端部には、列選択用トランジスタ16,16,16…のドレイン端子がそれぞれ接続されている。列選択用トランジスタ16,16,16…のソース端子には、書き込み回路18と、読み出し用トランジスタ20のソース端子とが接続されている。読み出し用トランジスタ20のドレイン端子には、カレントコンベヤー及びセンスアンプを含む読み出し回路22が接続されている。 The drain terminals of the column selection transistors 16 1 , 16 2 , 16 3 ... Are connected to the ends of the bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 . The write circuit 18 and the source terminal of the read transistor 20 are connected to the source terminals of the column selection transistors 16 1 , 16 2 , 16 3 . A read circuit 22 including a current conveyor and a sense amplifier is connected to the drain terminal of the read transistor 20.

ビット線BLの端部には、列選択用トランジスタ16Rのドレイン端子が接続されている。列選択用トランジスタ16Rのソース端子には、読み出し回路22が接続されている。 The end of the bit line BL R, the column drain terminal of the selection transistor 16 R is connected. The source terminal of the column select transistor 16 R, the read circuit 22 are connected.

このように、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、1つのメモリセル10が1つの抵抗記憶素子12と1つの選択トランジスタ14とにより構成されている。また、メモリセル10の読み出しの際に参照されるリファレンスセル10も、メモリセル10と同様、1つの抵抗記憶素子12と1つの選択トランジスタ14とにより構成されている。 As described above, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, one memory cell 10 includes one resistance memory element 12 and one selection transistor 14. Further, the reference cell 10 R that is referred to when the memory cell 10 is read is also configured by one resistance memory element 12 R and one selection transistor 14 R , similarly to the memory cell 10.

ここで、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12に主たる特徴がある。すなわち、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12(リファレンス抵抗)として、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子を用いている。換言すれば、メモリセル10の抵抗記憶素子12への印加電圧履歴のうちの最大電圧が、抵抗記憶特性を発現するためのフォーミング電圧以上の電圧であるのに対し、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12への印加電圧履歴のうちの最大電圧が、フォーミング電圧未満である。 Here, the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is characterized mainly to the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R. That is, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, a resistance memory element that has not been subjected to the forming process is used as the resistance memory element 12 R (reference resistance) of the reference cell 10 R. In other words, the maximum voltage of the applied voltage history to the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is equal to or higher than the forming voltage for expressing the resistance memory characteristics, whereas the resistance memory of the reference cell 10 R is used. The maximum voltage in the applied voltage history to the element 12 R is less than the forming voltage.

また、抵抗記憶素子12の素子抵抗は、メモリセル10の抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値よりも大きく、メモリセル10の抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの抵抗値の半分以下である。 In addition, the element resistance of the resistance memory element 12 R is larger than the resistance value when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the low resistance state, and the resistance value when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the high resistance state. Less than half.

次に、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12として、このような抵抗記憶素子を用いる理由について図2乃至図5を用いて説明する。 Then, as the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R, the reason for using such a resistive memory element will be described with reference to FIGS.

一般に、抵抗記憶素子は、素子形成直後の初期状態では、電圧の印加により高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に変化しうる抵抗記憶特性を有していない。このような抵抗記憶特性を発現させるためには、フォーミングと呼ばれる処理を行う必要がある。   Generally, a resistance memory element does not have a resistance memory characteristic that can reversibly change between a high resistance state and a low resistance state by application of a voltage in an initial state immediately after element formation. In order to develop such resistance memory characteristics, it is necessary to perform a process called forming.

素子形成直後の初期状態では、例えば図2に示すように、高抵抗であり且つ絶縁耐圧は非常に高くなっている。この絶縁耐圧は、通常は、セットやリセットに必要な電圧と比較して高い値である。この初期状態では、セットやリセットというような抵抗状態の変化は生じない。   In an initial state immediately after element formation, for example, as shown in FIG. 2, the resistance is high and the withstand voltage is very high. This withstand voltage is normally higher than the voltage required for setting and resetting. In this initial state, there is no change in resistance state such as set or reset.

初期状態において絶縁耐圧よりも高い電圧を印加すると、例えば図2に示すように、素子に流れる電流値が急激に増加し、すなわち抵抗記憶素子のフォーミングが行われる。このようなフォーミングを行うことにより、抵抗記憶素子は低抵抗状態と高抵抗状態とを可逆的に変化しうる抵抗記憶特性を発現するようになる。一度フォーミングを行った後は、抵抗記憶素子が初期状態に戻ることはない。   When a voltage higher than the withstand voltage is applied in the initial state, as shown in FIG. 2, for example, the value of the current flowing through the element increases rapidly, that is, the resistance memory element is formed. By performing such forming, the resistance memory element exhibits resistance memory characteristics that can reversibly change between a low resistance state and a high resistance state. Once forming is performed, the resistance memory element does not return to the initial state.

図3は、抵抗記憶材料としてNiOを用いた抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフである。図中、□印はフォーミング処理の際の特性であり、○印はリセット動作の際の特性であり、△印はセット動作の際の特性である。 FIG. 3 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance memory element using NiO y as a resistance memory material. In the figure, □ marks are characteristics during the forming process, ◯ marks are characteristics during the reset operation, and Δ marks are characteristics during the set operation.

図3に示すように、NiOを用いた抵抗記憶素子では、フォーミング処理に必要な電圧は、抵抗記憶素子を低抵抗状態にセットするためのセット電圧とほぼ等しい。すなわち、NiOを用いた抵抗記憶素子では、図2に示すような明瞭なフォーミングの現象は観察されない。ただし、後述のように、フォーミング処理の有無で素子特性は大きく変化する。 As shown in FIG. 3, in the resistance memory element using NiO y , the voltage required for the forming process is substantially equal to the set voltage for setting the resistance memory element to the low resistance state. That is, in the resistance memory element using NiO y , a clear forming phenomenon as shown in FIG. 2 is not observed. However, as will be described later, the element characteristics change greatly depending on the presence or absence of the forming process.

図4は、抵抗記憶材料としてNiOを用いた抵抗記憶素子の温度特性を示すグラフである。図中、○印はフォーミングを行っていない素子の特性であり、△印はフォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ素子の特性である。 FIG. 4 is a graph showing temperature characteristics of a resistance memory element using NiO y as a resistance memory material. In the figure, ◯ indicates the characteristics of the element that is not subjected to forming, and Δ indicates the characteristics of the element in which the high resistance state is written after the forming process.

図4に示すように、フォーミングを行っていない素子の抵抗値は、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ素子の抵抗値とほぼ一致している。また、フォーミングを行っていない素子の抵抗値の温度特性も、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ素子の抵抗値の温度特性とほぼ一致している。   As shown in FIG. 4, the resistance value of the element that is not subjected to forming is substantially the same as the resistance value of the element in which the high resistance state is written after the forming process. Further, the temperature characteristic of the resistance value of the element that has not been subjected to the forming process also substantially coincides with the temperature characteristic of the resistance value of the element in which the high resistance state is written after the forming process.

図5は、抵抗記憶材料としてNiOを用いた抵抗記憶素子のデータ保持特性を示すグラフである。図5に示すデータ保持特性は、抵抗記憶素子に所定の抵抗状態を書き込んだ後に250℃のベークを行い、ベークに伴う抵抗値の時間変化を測定したものである。図中、点線はフォーミングを行っていない素子の特性であり、図に「HRS」と付したものはフォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ素子の特性であり、図に「LRS」と付したものはフォーミング処理後に低抵抗状態を書き込んだ素子の特性である。 FIG. 5 is a graph showing data retention characteristics of a resistance memory element using NiO y as a resistance memory material. The data retention characteristics shown in FIG. 5 are obtained by measuring a change in resistance value with time after baking at 250 ° C. after writing a predetermined resistance state in the resistance memory element. In the figure, the dotted line is the characteristic of the element that has not been subjected to the forming process. The element marked “HRS” in the figure is the characteristic of the element in which the high resistance state was written after the forming process, and the figure marked “LRS” Is a characteristic of the element in which a low resistance state is written after the forming process.

図5に示すように、フォーミング処理後に低抵抗状態を書き込んだ素子では、100時間のベーク後もほぼ等しい抵抗値を維持している。また、フォーミング処理を行っていない素子では、ベーク時間の増加とともに抵抗値は増加しているが、複数の素子間での特性のばらつきは小さい。   As shown in FIG. 5, the element in which the low resistance state is written after the forming process maintains substantially the same resistance value even after 100 hours of baking. Further, although the resistance value of the element that has not been subjected to the forming process increases as the baking time increases, the variation in characteristics among a plurality of elements is small.

これに対し、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ素子では、傾向としてはフォーミング処理を行っていない素子と同様の抵抗値変化を示すものの、ベークに伴う素子特性の劣化及びそのばらつきが大きく、100時間ベーク後に高抵抗状態を維持している素子もあれば、低抵抗状態に変化している素子もある。   On the other hand, an element in which a high resistance state is written after the forming process shows a similar change in resistance value as an element not subjected to the forming process, but the deterioration of element characteristics and the variation thereof due to baking are large. Some elements remain in a high resistance state after time baking, while other elements change to a low resistance state.

このように、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子は、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子とほぼ等しい抵抗特性を有しているとともに、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子よりも安定である。   As described above, the resistance memory element not subjected to the forming process has substantially the same resistance characteristics as the resistance memory element in which the high resistance state is written after the forming process, and the resistance memory element in which the high resistance state is written after the forming process. More stable than the device.

フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子では、その抵抗値が、最悪の場合、2倍程度ばらつくことがある。このため、このような抵抗記憶素子をリファレンスセル用の抵抗記憶素子として用いた場合、読み出しのためのリファレンス電圧を安定して発生させることが困難である。   In the resistance memory element in which the high resistance state is written after the forming process, the resistance value may vary by about twice in the worst case. For this reason, when such a resistance memory element is used as a resistance memory element for a reference cell, it is difficult to stably generate a reference voltage for reading.

しかしながら、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子は、上述したように、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子とほぼ等しい抵抗値を有しているとともに、フォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子よりも安定である。したがって、フォーミング処理を行っていない初期状態の抵抗記憶素子は、リファレンスセル10用の抵抗記憶素子12として、極めて有用である。 However, as described above, the resistance memory element that has not been subjected to the forming process has substantially the same resistance value as the resistance memory element in which the high resistance state is written after the forming process, and the high resistance state is written after the forming process. It is more stable than resistive memory elements. Therefore, the resistance memory element in the initial state in which the forming process is not performed is extremely useful as the resistance memory element 12 R for the reference cell 10 R.

リファレンスセル10は、メモリセル10を読み出す際に、メモリセル10から出力される読み出し電圧と比較してメモリセル10に記憶されている情報を判定するためのリファレンス電圧を発生するためのものである。このため、このリファレンス電圧は、メモリセル10の抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの読み出し電圧と、メモリセル10の抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの読み出し電圧との中間程度であることが望ましい。 The reference cell 10 R is used to generate a reference voltage for determining information stored in the memory cell 10 in comparison with a read voltage output from the memory cell 10 when the memory cell 10 is read. is there. For this reason, this reference voltage is approximately between the read voltage when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the low resistance state and the read voltage when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the high resistance state. It is desirable.

さらに、高抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値が低抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値よりも3桁程度高いこと、及び高抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値が倍近くばらつくことを考慮すると、リファレンスセル10用の抵抗記憶素子12の抵抗値は、メモリセル10の抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値よりも大きく、メモリセル10の抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの抵抗値の半分以下であることが望ましい。 Further, considering that the resistance value of the resistance memory element in the high resistance state is about three orders of magnitude higher than the resistance value of the resistance memory element in the low resistance state, and that the resistance value of the resistance memory element in the high resistance state varies nearly twice. , the resistance value of the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is greater than the resistance value when the resistance memory element 12 of memory cell 10 is in the low resistance state, the high resistance state resistance memory element 12 of memory cell 10 It is desirable that the resistance value is less than half of the resistance value.

したがって、リファレンスセル10用の抵抗記憶素子12を、メモリセル10の抵抗記憶素子12と同様の層構造とした場合、抵抗記憶素子12の素子面積は、メモリセル10の抵抗記憶素子12の素子面積の2倍以上とすることが望ましい。メモリセル10の抵抗記憶素子12と同じ素子面積の抵抗記憶素子を、複数並列に接続して抵抗記憶素子12を構成するようにしてもよい。 Therefore, the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R, when the same layer structure as the resistance memory element 12 of memory cell 10, the element area of the resistance memory element 12 R is the memory cell 10 resistance memory element 12 It is desirable that the element area be at least twice as large. The resistive memory element of the same device area the resistance memory element 12 of memory cell 10, may be configured resistive memory element 12 R connected to multiple parallel.

なお、図3〜図5は、抵抗記憶素子の抵抗記憶材料としてNiOを用いた場合のデータであるが、フォーミング処理前の素子特性の安定性については他の抵抗記憶材料を用いた場合も同様であると考えられる。すなわち、フォーミング処理は絶縁破壊を伴うものであると考えられ、フォーミングに伴って膜中にはダメージが導入されていることが予測される。したがって、フォーミングを行っていない初期状態の素子では、他の抵抗記憶材料についても、フォーミング後の状態よりも安定した特性を有しているものと考えられる。 3 to 5 are data when NiO y is used as the resistance memory material of the resistance memory element, but the stability of the element characteristics before the forming process may be obtained when other resistance memory materials are used. It is thought that it is the same. That is, the forming process is considered to be accompanied by dielectric breakdown, and it is predicted that damage is introduced into the film along with the forming process. Therefore, the element in the initial state where the forming is not performed is considered to have more stable characteristics than the state after the forming for the other resistance memory materials.

次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置のフォーミング処理方法について図1を用いて説明する。ここでは、フォーミングを行うメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。 Next, the forming method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 that performs the forming is the memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 .

まず、ビット線BLに接続された列選択用トランジスタ16のゲート端子に所定の電圧を印加し、列選択用トランジスタ16をオン状態にする。 First, a predetermined voltage is applied to the gate terminal of the column selection transistor 16 1 is connected to the bit line BL 1, the column selection transistor 16 1 to the ON state.

また、列選択用トランジスタ16をオンにするのと同時に、ワード線WLに所定の電圧を印加し、選択トランジスタ14をオン状態にする。 At the same time as turning on the column selection transistor 16 1, a predetermined voltage is applied to the word line WL 1, the selection transistor 14 in the ON state.

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、書き込み回路18から、列選択用トランジスタ16のドレイン端子に、抵抗記憶素子12をフォーミングするに要する電圧と同じ或いはこれよりやや大きいバイアス電圧を印加する。これにより、列選択用トランジスタ16、ビット線BL、抵抗記憶素子12及び選択トランジスタ14を介してソース線SLへ向かう電流経路が形成され、印加したバイアス電圧は、抵抗記憶素子12の初期抵抗、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタ14のチャネル抵抗に応じてそれぞれに分配される。 Then, the write circuit 18, the drain terminal of the column select transistors 16 1, to apply the same or than this slightly larger bias voltage and the voltage required to forming the resistance memory element 12. As a result, a current path toward the source line SL 1 is formed via the column selection transistor 16 1 , the bit line BL 1 , the resistance memory element 12, and the selection transistor 14, and the applied bias voltage is the initial value of the resistance memory element 12. resistance, is distributed to each according to the channel resistance of the channel resistance and the select transistor 14 of the column selection transistor 16 1.

このとき、抵抗記憶素子12の初期抵抗は、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタのチャネル抵抗に比べて十分に大きいため、バイアス電圧のほとんどは抵抗記憶素子12に印加される。これにより、抵抗記憶素子12には絶縁耐圧を超える電圧が印加され、フォーミング処理が行われる。 In this case, the initial resistance of the resistance memory element 12, for sufficiently large in comparison with the channel resistance of the channel resistance and the selection transistors of the column selection transistor 16 1, most of the bias voltage applied to the resistance memory element 12. As a result, a voltage exceeding the withstand voltage is applied to the resistance memory element 12 and a forming process is performed.

次いで、ビット線BLに印加するバイアス電圧をゼロに戻した後、列選択用トランジスタ16のゲート端子に印加する電圧及びワード線WLに印加する電圧をオフにし、フォーミングの動作を完了する。 Then, after returning the bias voltage applied to the bit lines BL 1 to zero, to clear the voltage applied to the voltage and the word line WL 1 is applied to the gate terminal of the column select transistors 16 1, to complete the operation of forming .

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、図1に示すように、ワード線WLとソース線SLとが行方向に配されており、一のワード線WL(例えばワード線WL)に接続されたメモリセル10は、同じソース線SL(例えばソース線SL)に接続されている。したがって、上記フォーミング動作において複数のビット線BL(例えばBL〜BL)に同時にバイアス電圧を印加すれば、選択ワード線WL(例えばワード線WL)に連なる複数のメモリセル10を一括してフォーミングすることも可能である。 In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the word lines WL and the source lines SL are arranged in the row direction, and are connected to one word line WL (for example, the word line WL 1 ). The memory cells 10 are connected to the same source line SL (for example, the source line SL 1 ). Therefore, if a bias voltage is simultaneously applied to a plurality of bit lines BL (for example, BL 1 to BL 3 ) in the forming operation, a plurality of memory cells 10 connected to the selected word line WL (for example, the word line WL 1 ) are collectively collected. Forming is also possible.

なお、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、ビット線BLに接続されているリファレンスセル10の抵抗記憶素子12については、フォーミング処理を行わず、初期状態のまま維持する。すなわち、抵抗記憶素子12には、使用前及び使用の際に、フォーミング電圧以上の電圧が印加されないようにする。 In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, for the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R connected to the bit line BL R, without forming process is maintained in the initial state. That is, the resistance memory element 12 R, when before and used used, the forming voltage or more is prevented from being applied.

次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法について図1を用いて説明する。   Next, the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

まず、高抵抗状態から低抵抗状態への書き換え動作、すなわちセットの動作について図1を用いて説明する。ここでは、書き換え対象のメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。 First, the rewriting operation from the high resistance state to the low resistance state, that is, the set operation will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 to be rewritten is a memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 .

まず、ビット線BLに接続された列選択用トランジスタ16のゲート端子に所定の電圧を印加し、列選択用トランジスタ16をオン状態にする。このとき、ゲート端子に印加する電圧は、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さく、且つ、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rと比べて無視できない程度の値になるように、制御する。 First, a predetermined voltage is applied to the gate terminal of the column selection transistor 16 1 is connected to the bit line BL 1, the column selection transistor 16 1 to the ON state. At this time, the voltage applied to the gate terminal, the channel resistance of the column select transistor 16 1, the resistance memory element 12 is sufficiently smaller than the resistance value R H when the high-resistance state and the resistance memory element 12 is Control is performed so that the resistance value R L is not negligible compared to the resistance value RL in the low resistance state.

また、列選択用トランジスタ16をオンにするのと同時に、ワード線WLに所定の電圧を印加し、選択トランジスタ14をオン状態にする。このとき、ワード線WLに印加する電圧は、選択トランジスタ14のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rに比べて無視できる程度に小さな値になるように、制御する。 At the same time as turning on the column selection transistor 16 1, a predetermined voltage is applied to the word line WL 1, the selection transistor 14 in the ON state. At this time, the voltage applied to the word line WL 1, so that the channel resistance of the selection transistor 14, the resistance memory element 12 is a small value negligible compared to the resistance value R L when the low-resistance state, Control.

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、書き込み回路18から、列選択用トランジスタ16のドレイン端子に、抵抗記憶素子12をセットするに要する電圧と同じ或いはこれよりやや大きいバイアス電圧を印加する。これにより、列選択用トランジスタ16、ビット線BL、抵抗記憶素子12及び選択トランジスタ14を介してソース線SLへ向かう電流経路が形成され、印加したバイアス電圧は、抵抗記憶素子12の抵抗値R、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタ14のチャネル抵抗に応じてそれぞれに分配される。 Then, the write circuit 18, the drain terminal of the column select transistors 16 1, to apply the same or slightly larger bias voltage than this voltage required to set the resistance memory element 12. As a result, a current path toward the source line SL 1 is formed via the column selection transistor 16 1 , the bit line BL 1 , the resistance memory element 12 and the selection transistor 14, and the applied bias voltage is applied to the resistance memory element 12. the value R H, is distributed to each according to the channel resistance of the channel resistance and the select transistor 14 of the column selection transistor 16 1.

このとき、抵抗記憶素子12の抵抗値Rは、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタのチャネル抵抗に比べて十分に大きいため、バイアス電圧のほとんどは抵抗記憶素子12に印加される。これにより、抵抗記憶素子12は、高抵抗状態から低抵抗状態に変化する。 At this time, the resistance value R H of the resistance memory element 12 is, for sufficiently large in comparison with the channel resistance of the channel resistance and the selection transistors of the column selection transistor 16 1, most of the bias voltage applied to the resistance memory element 12 . Thereby, the resistance memory element 12 changes from the high resistance state to the low resistance state.

次いで、ビット線BLに印加するバイアス電圧をゼロに戻した後、列選択用トランジスタ16のゲート端子に印加する電圧及びワード線WLに印加する電圧をオフにし、セットの動作を完了する。 Then, after returning the bias voltage applied to the bit lines BL 1 to zero, to clear the voltage applied to the voltage and the word line WL 1 is applied to the gate terminal of the column select transistors 16 1, completing the operation of the set .

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、図1に示すように、ワード線WLとソース線SLとが行方向に配されており、一のワード線WL(例えばワード線WL)に接続されたメモリセル10は、同じソース線SL(例えばソース線SL)に接続されている。したがって、上記セット動作において複数のビット線BL(例えばBL〜BL)に同時にバイアス電圧を印加すれば、選択ワード線WL(例えばワード線WL)に連なる複数のメモリセル10を一括してセットすることも可能である。 In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the word lines WL and the source lines SL are arranged in the row direction, and are connected to one word line WL (for example, the word line WL 1 ). The memory cells 10 are connected to the same source line SL (for example, the source line SL 1 ). Therefore, if a bias voltage is simultaneously applied to a plurality of bit lines BL (for example, BL 1 to BL 3 ) in the set operation, a plurality of memory cells 10 connected to the selected word line WL (for example, the word line WL 1 ) are collectively collected. It is also possible to set.

次に、低抵抗状態から高抵抗状態への書き換え動作、すなわちリセットの動作について図1を用いて説明する。ここでは、書き換え対象のメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。 Next, the rewriting operation from the low resistance state to the high resistance state, that is, the resetting operation will be described with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 to be rewritten is a memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 .

まず、ビット線BLに接続された列選択用トランジスタ16のゲート端子に所定の電圧を印加し、列選択用トランジスタ16をオン状態にする。このとき、ゲート端子に印加する電圧は、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 First, a predetermined voltage is applied to the gate terminal of the column selection transistor 16 1 is connected to the bit line BL 1, the column selection transistor 16 1 to the ON state. At this time, the voltage applied to the gate terminal, the channel resistance of the column select transistor 16 1, the resistance memory element 12 so that sufficiently smaller than the resistance value R L when the low resistance state, and controls.

また、列選択用トランジスタ16をオンにするのと同時に、ワード線WLに所定の電圧を印加し、選択トランジスタ14をオン状態にする。このとき、ワード線WLに印加する電圧は、選択トランジスタ14のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 At the same time as turning on the column selection transistor 16 1, a predetermined voltage is applied to the word line WL 1, the selection transistor 14 in the ON state. At this time, the voltage applied to the word line WL 1, the channel resistance of the selection transistor 14, the resistance memory element 12 so that sufficiently smaller than the resistance value R L when the low resistance state, and controls.

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、書き込み回路18から、列選択用トランジスタ16のドレイン端子に、抵抗記憶素子12をリセットするに要する電圧と同じ或いはこれよりやや大きいバイアス電圧を印加する。これにより、列選択用トランジスタ16、ビット線BL、抵抗記憶素子12及び選択トランジスタ14を介してソース線SLへ向かう電流経路が形成され、印加したバイアス電圧は、抵抗記憶素子12の抵抗値R、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタ14のチャネル抵抗に応じてそれぞれに分配される。 Then, the write circuit 18, the drain terminal of the column select transistors 16 1, to apply the same or slightly larger bias voltage than this voltage required to reset the resistance memory element 12. As a result, a current path toward the source line SL 1 is formed via the column selection transistor 16 1 , the bit line BL 1 , the resistance memory element 12 and the selection transistor 14, and the applied bias voltage is applied to the resistance memory element 12. the value R L, is distributed to each according to the channel resistance of the channel resistance and the select transistor 14 of the column selection transistor 16 1.

このとき、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗RBS及び選択トランジスタ14のチャネル抵抗Rは、抵抗記憶素子12の抵抗値Rよりも十分に小さいため、印加したバイアス電圧のほとんどは抵抗記憶素子12に印加される。これにより、抵抗記憶素子12は、低抵抗状態から高抵抗状態に変化する。 In this case, the channel resistance R of the channel resistance R BS and the selection transistor 14 of the column selection transistors 16 1, since sufficiently smaller than the resistance value R L of the resistance memory element 12, most of the applied bias voltage resistance memory element 12 is applied. Thereby, the resistance memory element 12 changes from the low resistance state to the high resistance state.

リセット過程では、抵抗記憶素子12が高抵抗状態に切り換わった瞬間、ほぼ全バイアス電圧が抵抗記憶素子12に配分されるため、このバイアス電圧によって抵抗記憶素子12が再度セットされることを防止する必要がある。このためには、ビット線BLに印加するバイアス電圧は、セットに要する電圧よりも小さくしなければならない。   In the reset process, almost the entire bias voltage is distributed to the resistance memory element 12 at the moment when the resistance memory element 12 is switched to the high resistance state, so that the resistance memory element 12 is prevented from being set again by this bias voltage. There is a need. For this purpose, the bias voltage applied to the bit line BL must be smaller than the voltage required for setting.

つまり、リセット過程では、列選択用トランジスタ16のチャネル抵抗及び選択トランジスタ14のチャネル抵抗が抵抗記憶素子12の抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、これらトランジスタのゲート電圧を調整するとともに、ビット線BLに印加するバイアス電圧を、リセットに必要な電圧以上、セットに必要な電圧未満に設定する。 That is, in the reset process, as the channel resistance of the channel resistance and the select transistor 14 of the column selection transistor 16 1 is sufficiently smaller than the resistance value R L of the resistance memory element 12, thereby adjusting the gate voltages of these transistors The bias voltage applied to the bit line BL is set to be equal to or higher than the voltage necessary for resetting and lower than the voltage necessary for setting.

次いで、ビット線BLに印加するバイアス電圧をゼロに戻した後、列選択用トランジスタ16のゲート端子に印加する電圧及びワード線WLに印加する電圧をオフにし、リセットの動作を完了する。 Then, after returning the bias voltage applied to the bit lines BL 1 to zero, to clear the voltage applied to the voltage and the word line WL 1 is applied to the gate terminal of the column select transistors 16 1, completing the operation of the reset .

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、図1に示すように、ワード線WLとソース線SLとが行方向に配されており、一のワード線WL(例えばワード線WL)に接続されたメモリセル10は、同じソース線SL(例えばソース線SL)に接続されている。したがって、上記セット動作において複数のビット線BL(例えばBL〜BL)に同時にバイアス電圧を印加すれば、選択ワード線WL(例えばワード線WL)に連なる複数のメモリセル10を一括してリセットすることも可能である。 In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the word lines WL and the source lines SL are arranged in the row direction, and are connected to one word line WL (for example, the word line WL 1 ). The memory cells 10 are connected to the same source line SL (for example, the source line SL 1 ). Therefore, if a bias voltage is simultaneously applied to a plurality of bit lines BL (for example, BL 1 to BL 3 ) in the set operation, a plurality of memory cells 10 connected to the selected word line WL (for example, the word line WL 1 ) are collectively collected. It is also possible to reset.

次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図1を用いて説明する。ここでは、読み出し対象のメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。 Next, the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 to be read is a memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 .

まず、列選択用トランジスタ16,16のゲート端子に所定の電圧をそれぞれ印加し、列選択用トランジスタ16,16をオン状態にする。このとき、ゲート端子に印加する電圧は、列選択用トランジスタ16,16のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12の抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 First, each of a predetermined voltage is applied to the gate terminal of the column select transistors 16 1, 16 R, column select transistors 16 1, the 16 R in the ON state. At this time, the voltage applied to the gate terminal is controlled so that the channel resistances of the column selection transistors 16 1 and 16 R are sufficiently smaller than the resistance value RL of the resistance memory element 12.

また、列選択用トランジスタ16,16をオンにするのと同時に、ワード線WLに所定の電圧を印加し、選択トランジスタ14,14をオン状態にする。このとき、ワード線WLに印加する電圧は、選択トランジスタ14,14のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 At the same time as turning on the column selection transistors 16 1 and 16 R , a predetermined voltage is applied to the word line WL 1 to turn on the selection transistors 14 and 14 R. At this time, the voltage applied to the word line WL 1, the channel resistance of the selection transistor 14, 14 R, the resistance memory element 12 is to be sufficiently smaller than the resistance value R L when the low resistance state, controlling .

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、読み出し用トランジスタ20をオンにした後、読み出し回路22から、読み出し用トランジスタ20及び列選択用トランジスタ16,16を介して、ビット線BL,BLのそれぞれに、互いに等しい所定の読み出し電流Iを流す。このとき、ビット線BL,BLに流す電流は、抵抗記憶素子12,12に印加される電圧が抵抗記憶素子12,12のリセット電圧を超えないように、制御する。 Next, after the read transistor 20 is turned on, the bit line BL 1 , BL R is supplied with a predetermined predetermined value from the read circuit 22 via the read transistor 20 and the column selection transistors 16 1 , 16 R. A read current I is supplied. At this time, the current flowing to the bit line BL 1, BL R, the voltage applied to the resistance memory element 12, 12 R so as not to exceed the reset voltage of the resistance memory element 12, 12 R, and controls.

これにより、ビット線BLには、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12の抵抗値に応じたリファレンス電圧が出力される。ここで、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12は、フォーミング処理を行っていない安定な初期状態であり、安定したリファレンス電圧を発生することができる。 Accordingly, the bit line BL R, the reference voltage corresponding to the resistance value of the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is outputted. Here, the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is a stable initial state without performing the forming process, it is possible to generate a stable reference voltage.

一方、ビット線BLには、抵抗記憶素子12の抵抗状態に応じた電圧が出力される。すなわち、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときには、抵抗記憶素子12の素子抵抗は抵抗記憶素子12の素子抵抗よりも小さいため、リファレンス電圧よりも低い読み出し電圧が出力される。また、抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときには、抵抗記憶素子12の素子抵抗は抵抗記憶素子12の素子抵抗よりも大きいため、リファレンス電圧よりも高い読み出し電圧が出力される。 On the other hand, the bit lines BL 1, the voltage corresponding to the resistance state of the resistance memory element 12 is output. That is, the resistance memory element 12 is at the low resistance state, since the element resistance of the resistance memory element 12 is smaller than the element resistance of the resistance memory element 12 R, low read voltage is output than the reference voltage. Further, the resistance memory element 12 is at the high resistance state, since the element resistance of the resistance memory element 12 larger than the element resistance of the resistance memory element 12 R, high read voltage is output than the reference voltage.

次いで、読み出し回路22のセンスアンプにより、ビット線BLの読み出し電圧とビット線BLのリファレンス電圧とを比較し、ビット線BLの読み出し電圧がビット線BLのリファレンス電圧よりも高いか低いかに応じて、抵抗記憶素子12が低抵抗状態であるのか高抵抗状態であるのかを判定する。 Then, the sense amplifier of the read circuit 22 compares the reference voltage of the read voltage and the bit line BL R bit line BL 1, the read voltage of the bit lines BL 1 is low is higher than the reference voltage of the bit line BL R Depending on how, the resistance memory element 12 is judged to be in a low resistance state or a high resistance state.

こうして、メモリセル10に記憶された情報を読み出すことができる。   In this way, information stored in the memory cell 10 can be read.

このように、本実施形態によれば、電圧の印加により高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置において、メモリセル読み出す際に参照するリファレンスセルを、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子、すなわち高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性を発現していない抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を用いて構成するので、リファレンス抵抗の熱的なストレス等に対する安定性を向上することができる。これにより、安定したリファレンス電圧を発生することができ、読み出しエラーを効果的に防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the nonvolatile semiconductor memory device using the resistance memory element that switches between the high resistance state and the low resistance state by voltage application, the reference cell that is referred to when the memory cell is read is formed. Since a resistance memory element that is not processed, that is, a resistance memory element that does not exhibit a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state, is configured using a reference resistor. Stability against thermal stress can be improved. Thereby, a stable reference voltage can be generated, and read errors can be effectively prevented.

[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法について図6を用いて説明する。なお、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略または簡潔にする。
[Second Embodiment]
A nonvolatile semiconductor memory device and a reading method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same components as those in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.

図6は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図である。   FIG. 6 is a circuit diagram showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図6を用いて説明する。   First, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

行方向(図面横方向)には、複数のワード線WL,WL,WL,WL…と、複数のソース線SL,SL…とが配されている。また、列方向(図面縦方向)には、複数のビット線BLR1,BLR2,BL,BL…が配されている。 In the row direction (horizontal direction in the drawing), a plurality of word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 , WL 4 ... And a plurality of source lines SL 1 , SL 2 . A plurality of bit lines BL R1 , BL R2 , BL 1 , BL 2 ... Are arranged in the column direction (vertical direction in the drawing).

ワード線WL,WL,WL,WL…とビット線BL,BL…との各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するメモリセル10が、それぞれ形成されている。各メモリセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端が対応するビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子は対応するソース線SLに接続され、ゲート端子は対応するワード線WLに接続されている。列方向に隣接するメモリセル10のソース線SLは、共用されている。 A memory cell 10 having a resistance memory element 12 and a select transistor 14 is formed at each intersection of the word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 , WL 4 ... And the bit lines BL 1 , BL 2 . ing. In each memory cell 10, the resistance memory element 12 has one end connected to the corresponding bit line BL and the other end connected to the drain terminal of the selection transistor 14. The source terminal of the selection transistor 14 is connected to the corresponding source line SL, and the gate terminal is connected to the corresponding word line WL. The source lines SL of the memory cells 10 adjacent in the column direction are shared.

ワード線WL,WL,WL,WL…とビット線BLR1,BLR2との各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するリファレンスセル10が、それぞれ形成されている。各リファレンスセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端がビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子は対応するソース線SLに接続され、ゲート端子は対応するワード線WLに接続されている。列方向に隣接するリファレンスセル10のソース線SLは、共用されている。 Reference cells 10 R each having a resistance memory element 12 R and a select transistor 14 R are respectively connected to the intersections of the word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 , WL 4 ... And the bit lines BL R1 , BL R2. Is formed. In each reference cell 10 R, the resistance memory element 12 R has one end connected to the bit line BL R, the other end connected to the drain terminal of the select transistor 14 R. The source terminal of the select transistor 14 R is connected to a corresponding source line SL, and a gate terminal connected to a corresponding word line WL. The source line SL of the reference cell 10 R adjacent in the column direction, are shared.

なお、図6では、ビット線BLR1に接続されるリファレンスセル10の抵抗記憶素子12及び選択トランジスタ14を、それぞれ抵抗記憶素子12R1及び選択トランジスタ14R1と表し、ビット線BLR2に接続されるリファレンスセル10の抵抗記憶素子12及び選択トランジスタ14を、それぞれ抵抗記憶素子12R2及び選択トランジスタ14R2と表している。 In FIG. 6, the resistance memory element 12 R and the selection transistor 14 R of the reference cell 10 R connected to the bit line BL R1 are represented as a resistance memory element 12 R1 and a selection transistor 14 R1 , respectively, and are connected to the bit line BL R2 . the reference cell 10 R of the resistance memory element 12 R and the select transistor 14 R which are connected, represent respectively the resistance memory element 12 R2 and a select transistor 14 R2.

ビット線BL,BL…の端部には、列選択用トランジスタ16,16…のドレイン端子がそれぞれ接続されている。列選択用トランジスタ16,16…のソース端子には、書き込み回路18と、読み出し用トランジスタ20のソース端子とが接続されている。読み出し用トランジスタ20のドレイン端子には、カレントコンベヤー及びセンスアンプを含む読み出し回路22が接続されている。 The drain terminals of the column selection transistors 16 1 , 16 2 ... Are connected to the ends of the bit lines BL 1 , BL 2 . The write circuit 18 and the source terminal of the read transistor 20 are connected to the source terminals of the column select transistors 16 1 , 16 2 . A read circuit 22 including a current conveyor and a sense amplifier is connected to the drain terminal of the read transistor 20.

ビット線BLR1,BLR2の一端は接続され、この接続ノードには、列選択用トランジスタ16Rのドレイン端子が接続されている。列選択用トランジスタ16Rのソース端子には、読み出し回路22が接続されている。 One ends of the bit lines BL R1 and BL R2 are connected, and the drain node of the column selection transistor 16 R is connected to this connection node. The source terminal of the column select transistor 16 R, the read circuit 22 are connected.

このように、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル10及びリファレンスセル10の基本的な構成は、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同様である。 Thus, the non-volatile semiconductor memory device according to the present embodiment, the basic configuration of the memory cell 10 and reference cell 10 R is similar to the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment.

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、各ワード線WLに対応してそれぞれ2つのリファレンスセル10が設けられていることに主たる特徴がある。すなわち、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置では、読み出しの際に、ビット線BLR1に接続されるリファレンスセル10とビット線BLR2に接続されるリファレンスセル10との2つのリファレンスセル10を用いてリファレンス電圧を発生する。 The nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is mainly characterized in that two reference cells 10R are provided corresponding to each word line WL. That is, in the non-volatile semiconductor memory device according to the present embodiment, during a read, the two reference cells of the reference cell 10 R connected to the reference cell 10 R and the bit line BL R2 connected to the bit line BL R1 10 A reference voltage is generated using R.

リファレンスセル10の抵抗記憶素子12としてフォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子を用いている点は、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同様であるが、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12の素子面積とメモリセル10の抵抗記憶素子12の素子面積とが同じである点で、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置とは異なっている。 The resistance memory element that has not been subjected to the forming process is used as the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R , as in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment, but the resistance memory of the reference cell 10 R The non-volatile semiconductor memory device according to the first embodiment is different in that the element area of the element 12 R and the element area of the resistance memory element 12 of the memory cell 10 are the same.

メモリセル10の抵抗記憶素子12と同じ素子面積の抵抗記憶素子12を用いてリファレンスセル10を構成することにより、セルブロックの全体を同一構造のセルの繰り返しパターンで構成することができる。これにより、セルブロックの構造を簡略化し、設計工数を削減することができる。 By configuring the reference cell 10 R using the resistance memory element 12 R having the same element area as the resistance memory element 12 of the memory cell 10, the entire cell block can be configured with a repetitive pattern of cells having the same structure. Thereby, the structure of a cell block can be simplified and design man-hours can be reduced.

次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図6を用いて説明する。ここでは、読み出し対象のメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。なお、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置のフォーミング処理方法及び書き込み方法は、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法と同様である。 Next, the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 to be read is a memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 . The forming method and the writing method for the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment are the same as the writing method for the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment.

まず、列選択用トランジスタ16,16のゲート端子に所定の電圧をそれぞれ印加し、列選択用トランジスタ16,16をオン状態にする。このとき、ゲート端子に印加する電圧は、列選択用トランジスタ16,16のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12の抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 First, each of a predetermined voltage is applied to the gate terminal of the column select transistors 16 1, 16 R, column select transistors 16 1, the 16 R in the ON state. At this time, the voltage applied to the gate terminal is controlled so that the channel resistances of the column selection transistors 16 1 and 16 R are sufficiently smaller than the resistance value RL of the resistance memory element 12.

また、列選択用トランジスタ16,16をオンにするのと同時に、ワード線WLに所定の電圧を印加し、選択トランジスタ14,14R1,14R2をオン状態にする。このとき、ワード線WLに印加する電圧は、選択トランジスタ14,14R1,14R2のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 At the same time as turning on the column selection transistors 16 1 and 16 R , a predetermined voltage is applied to the word line WL 1 to turn on the selection transistors 14, 14 R 1 and 14 R 2 . At this time, the voltage applied to the word line WL 1, so that the channel resistance of the selection transistor 14, 14 R1, 14 R2, the resistance memory element 12 is sufficiently smaller than the resistance value R L when the low resistance state ,Control.

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、読み出し用トランジスタ20をオンにした後、読み出し回路22から、読み出し用トランジスタ20及び列選択用トランジスタ16,16を介して、ビット線BLと、ビット線BLR1,BLR2とに、互いに等しい所定の読み出し電流を流す。すなわち、読み出し回路22から出力される読み出し電流をIとすると、ビット線BLには読み出し電流Iが流れ、ビット線BLR1及びBLR2にはそれぞれ読み出し電流I/2が流れる。このとき、ビット線BL,BLR1,BLR2に流す読み出し電流は、抵抗記憶素子12,12R1,12R2に印加される電圧が抵抗記憶素子12,12R1,12R2のリセット電圧を超えないように、制御する。 Next, after the read transistor 20 is turned on, the read circuit 22 connects the bit line BL 1 and the bit lines BL R1 and BL R2 via the read transistor 20 and the column selection transistors 16 1 and 16 R. , Predetermined read currents equal to each other are supplied. That is, the read current output from the read circuit 22 when the I, the read current I flows through the bit line BL 1, respectively read current I / 2 flows in the bit line BL R1 and BL R2. At this time, the read current flowing in the bit lines BL 1, BL R1, BL R2, the voltage applied to the resistance memory element 12, 12 R1, 12 R2 exceeds the reset voltage of the resistance memory element 12, 12 R1, 12 R2 Control so that there is no.

これにより、ビット線BLR1,BLR2には、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12R1,12R2の抵抗値に応じたリファレンス電圧Vrefが出力される。すなわち、フォーミングを行ってない抵抗記憶素子12R1,12R2の抵抗値は、抵抗記憶素子12の高抵抗状態における抵抗値Rとほぼ等しいので、ビット線BLR1,BLR2に出力されるリファレンス電圧Vrefは、Vref≒I×R/2となる。 Thereby, the reference voltage V ref corresponding to the resistance value of the resistance memory elements 12 R1 and 12 R2 of the reference cell 10 R is output to the bit lines BL R1 and BL R2 . That is, the resistance values of the resistance memory elements 12 R1 and 12 R2 that are not subjected to forming are substantially equal to the resistance value RH in the high resistance state of the resistance memory element 12, and thus the reference output to the bit lines BL R1 and BL R2. The voltage V ref is V ref ≈I × R H / 2.

一方、ビット線BLには、抵抗記憶素子12の抵抗状態に応じた読み出し電圧Vreadが出力される。すなわち、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときには、Vread≒I×Rの読み出し電圧が出力され、抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときには、Vread≒I×Rの読み出し電圧が出力される。 On the other hand, the read voltage V read corresponding to the resistance state of the resistance memory element 12 is output to the bit line BL 1 . That is, when the resistance memory element 12 is in a low resistance state, a read voltage of V read ≈I × RL is output, and when the resistance memory element 12 is in a high resistance state, a read voltage of V read ≈I × RH is output. Is done.

抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの抵抗値Rは、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rに対しておよそ3桁程度大きい。したがって、上記リファレンス電圧Vrefは、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの読み出し電圧Vreadと、抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの読み出し電圧Vreadとのほぼ中間の値となる。 The resistance value RH when the resistance memory element 12 is in the high resistance state is approximately three orders of magnitude greater than the resistance value RL when the resistance memory element 12 is in the low resistance state. Therefore, the reference voltage V ref is a value approximately between the read voltage V read when the resistance memory element 12 is in the low resistance state and the read voltage V read when the resistance memory element 12 is in the high resistance state.

次いで、読み出し回路22のセンスアンプにより、ビット線BLの読み出し電圧とビット線BLR1,BLR2のリファレンス電圧とを比較し、ビット線BLの読み出し電圧Vreadがビット線BL,BLR2のリファレンス電圧Vrefよりも高いか低いかに応じて、抵抗記憶素子12が低抵抗状態であるのか高抵抗状態であるのかを判定する。 Then, the sense amplifier of the read circuit 22 compares the reference voltage of the bit lines BL 1 of the read voltage and the bit line BL R1, BL R2, the bit lines BL 1 of the read voltage V read bit line BL R, BL R2 It is determined whether the resistance memory element 12 is in a low resistance state or a high resistance state depending on whether it is higher or lower than the reference voltage Vref .

こうして、メモリセル10に記憶された情報を読み出すことができる。   In this way, information stored in the memory cell 10 can be read.

このように、本実施形態によれば、電圧の印加により高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置において、メモリセル読み出す際に参照するリファレンスセルを、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子、すなわち高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性を発現していない抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を用いて構成するので、リファレンス抵抗の熱的なストレス等に対する安定性を向上することができる。これにより、安定したリファレンス電圧を発生することができ、読み出しエラーを効果的に防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the nonvolatile semiconductor memory device using the resistance memory element that switches between the high resistance state and the low resistance state by voltage application, the reference cell that is referred to when the memory cell is read is formed. Since a resistance memory element that is not processed, that is, a resistance memory element that does not exhibit a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state, is configured using a reference resistor. Stability against thermal stress can be improved. Thereby, a stable reference voltage can be generated, and read errors can be effectively prevented.

[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその読み出し方法について図7を用いて説明する。なお、第1及び第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略または簡潔にする。
[Third Embodiment]
A nonvolatile semiconductor memory device and a reading method thereof according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same components as those in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

図7は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図である。   FIG. 7 is a circuit diagram showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment.

はじめに、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図7を用いて説明する。   First, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.

行方向(図面横方向)には、複数のワード線WL,WL,WL,WL…と、複数のソース線SL,SL…とが配されている。また、列方向(図面縦方向)には、複数のビット線BL,BL,BL,BL…が配されている。 In the row direction (horizontal direction in the drawing), a plurality of word lines WL R , WL 1 , WL 2 , WL 3 ... And a plurality of source lines SL 1 , SL 2 . A plurality of bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 , BL 4 ... Are arranged in the column direction (vertical direction in the drawing).

ワード線WL,WL,WL…とビット線BL,BL,BL,BL…との各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するメモリセル10が、それぞれ形成されている。各メモリセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端が対応するビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子は対応するソース線SLに接続され、ゲート端子は対応するワード線WLに接続されている。 At each intersection between the word lines WL 1 , WL 2 , WL 3 ... And the bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 , BL 4 . Each is formed. In each memory cell 10, the resistance memory element 12 has one end connected to the corresponding bit line BL and the other end connected to the drain terminal of the selection transistor 14. The source terminal of the selection transistor 14 is connected to the corresponding source line SL, and the gate terminal is connected to the corresponding word line WL.

ワード線WLとビット線BL,BL,BL,BL…との各交差部には、抵抗記憶素子12と選択トランジスタ14とを有するリファレンスセル10が、それぞれ形成されている。各リファレンスセル10において、抵抗記憶素子12は、その一端が対応するビット線BLに接続され、他端が選択トランジスタ14のドレイン端子に接続されている。選択トランジスタ14のソース端子はソース線SLに接続され、ゲート端子はワード線WLに接続されている。 Reference cells 10 R each having a resistance memory element 12 R and a select transistor 14 R are formed at each intersection of the word line WL R and the bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 , BL 4 . Yes. In each reference cell 10 R , the resistance memory element 12 R has one end connected to the corresponding bit line BL and the other end connected to the drain terminal of the selection transistor 14 R. The source terminal of the select transistor 14 R is connected to the source line SL 1, the gate terminal is connected to the word line WL R.

ビット線BL,BL,BL,BL…の端部には、列選択回路24を介して、書き込み回路18と、カレントコンベヤー及びセンスアンプを含む読み出し回路22とが接続されている。 A write circuit 18 and a read circuit 22 including a current conveyor and a sense amplifier are connected to end portions of the bit lines BL 1 , BL 2 , BL 3 , BL 4 .

このように、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、メモリセル10及びリファレンスセル10の基本的な構成は、第1及び第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同様である。 Thus, the non-volatile semiconductor memory device according to the present embodiment, the basic configuration of the memory cell 10 and reference cell 10 R is similar to the nonvolatile semiconductor memory device according to the first and second embodiments.

本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の主たる特徴は、共通のワード線WLに連なるセルを、リファレンスセル10として用いていることにある。 The main characteristic of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is the cells connected to a common word line WL R, that is used as a reference cell 10 R.

リファレンスセル10の抵抗記憶素子12としてフォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子を用いている点は、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同様である。また、抵抗記憶素子12の抵抗値が、メモリセル10の抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値よりも大きく、メモリセル10の抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときの抵抗値の半分以下である点も、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同様である。 The resistance memory element that has not been subjected to the forming process is used as the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R , similarly to the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment. In addition, the resistance value of the resistance memory element 12 R is larger than the resistance value when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the low resistance state, and the resistance value when the resistance memory element 12 of the memory cell 10 is in the high resistance state. This is also the same as the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment in that it is less than or equal to half.

次に、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法について図7を用いて説明する。ここでは、読み出し対象のメモリセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたメモリセル10であるものとする。また、読み出しの際に用いるリファレンスセル10は、ワード線WL及びビット線BLに接続されたリファレンスセル10であるものとする。なお、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法は、第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置の書き込み方法と同様である。 Next, the reading method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. Here, it is assumed that the memory cell 10 to be read is a memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the bit line BL 1 . Furthermore, reference cell 10 R to be used in the read is assumed to be a word line WL R and the bit line BL 2 connected to the reference cell 10 R. Note that the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is the same as the writing method of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment.

まず、列選択回路24により、読み出し対象のメモリセル10が接続されたビット線BL(BL)と、リファレンスセル10が接続されたビット線BL(例えばBL)とを選択する。リファレンス用に選択するビット線は、読み出し対象のメモリセル10が接続されたビット線以外のビット線であれば、いずれを選択してもよい。 First, the column selection circuit 24 selects the bit line BL (BL 1 ) to which the memory cell 10 to be read is connected and the bit line BL (for example, BL 2 ) to which the reference cell 10 R is connected. The bit line selected for reference may be any bit line other than the bit line to which the memory cell 10 to be read is connected.

また、ビット線BLを選択するのと同時に、ワード線WL,WLに所定の電圧を印加し、ワード線WLに連なるメモリセル10の選択トランジスタ14と、ワード線WLに連なるリファレンスセル10の選択トランジスタ14をオン状態にする。このとき、ワード線WL,WLに印加する電圧は、選択トランジスタ14,14のチャネル抵抗が、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときの抵抗値Rよりも十分に小さくなるように、制御する。 At the same time as selecting the bit line BL, a predetermined voltage is applied to the word lines WL R and WL 1 , and the selection transistor 14 of the memory cell 10 connected to the word line WL 1 and the reference cell connected to the word line WL R The 10 R selection transistor 14 R is turned on. At this time, the voltages applied to the word lines WL R and WL 1 are set so that the channel resistances of the select transistors 14 and 14 R are sufficiently smaller than the resistance value RL when the resistance memory element 12 is in the low resistance state. ,Control.

ソース線SLは、基準電位、例えば接地電位である0Vに接続する。 The source line SL 1, the reference potential, is connected to 0V, for example ground potential.

次いで、列選択回路24により、選択したビット線BL,BLと読み出し回路22とを接続する。そして、列選択回路24を介して、読み出し回路22からビット線BL,BLのそれぞれに、互いに等しい所定の読み出し電流Iを流す。このとき、ビット線BL,BLに流す電流は、抵抗記憶素子12,12に印加される電圧が抵抗記憶素子12,12のリセット電圧を超えないように、制御する。 Next, the selected bit lines BL 1 and BL 2 are connected to the read circuit 22 by the column selection circuit 24. Then, a predetermined read current I which is equal to each other is supplied from the read circuit 22 to each of the bit lines BL 1 and BL 2 via the column selection circuit 24. At this time, the current flowing to the bit line BL 1, BL 2, the voltage applied to the resistance memory element 12, 12 R so as not to exceed the reset voltage of the resistance memory element 12, 12 R, and controls.

これにより、ビット線BLには、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12の抵抗値に応じたリファレンス電圧が出力される。一方、ビット線BLには、抵抗記憶素子12の抵抗状態に応じた電圧が出力される。すなわち、抵抗記憶素子12が低抵抗状態のときには、抵抗記憶素子12の素子抵抗は抵抗記憶素子12の素子抵抗よりも小さいため、リファレンス電圧よりも低い読み出し電圧が出力される。また、抵抗記憶素子12が高抵抗状態のときには、抵抗記憶素子12の素子抵抗は抵抗記憶素子12の素子抵抗よりも大きいため、リファレンス電圧よりも高い読み出し電圧が出力される。 Thus, bit line BL 2, the reference voltage corresponding to the resistance value of the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is outputted. On the other hand, the bit lines BL 1, the voltage corresponding to the resistance state of the resistance memory element 12 is output. That is, the resistance memory element 12 is at the low resistance state, since the element resistance of the resistance memory element 12 is smaller than the element resistance of the resistance memory element 12 R, low read voltage is output than the reference voltage. Further, the resistance memory element 12 is at the high resistance state, since the element resistance of the resistance memory element 12 larger than the element resistance of the resistance memory element 12 R, high read voltage is output than the reference voltage.

次いで、読み出し回路22のセンスアンプにより、ビット線BLの読み出し電圧とビット線BLのリファレンス電圧とを比較し、ビット線BLの読み出し電圧がビット線BLのリファレンス電圧よりも高いか低いかに応じて、抵抗記憶素子12が低抵抗状態であるのか高抵抗状態であるのかを判定する。 Then, the sense amplifier of the read circuit 22 compares the read voltage and the reference voltage of the bit line BL 2 bit line BL 1, the read voltage of the bit lines BL 1 is low is higher than the reference voltage of the bit line BL 2 Depending on how, the resistance memory element 12 is judged to be in a low resistance state or a high resistance state.

こうして、メモリセル10に記憶された情報を読み出すことができる。   In this way, information stored in the memory cell 10 can be read.

このように、本実施形態によれば、電圧の印加により高抵抗状態と低抵抗状態とを切り換える抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置において、メモリセル読み出す際に参照するリファレンスセルを、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子、すなわち高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性を発現していない抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を用いて構成するので、リファレンス抵抗の熱的なストレス等に対する安定性を向上することができる。これにより、安定したリファレンス電圧を発生することができ、読み出しエラーを効果的に防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the nonvolatile semiconductor memory device using the resistance memory element that switches between the high resistance state and the low resistance state by voltage application, the reference cell that is referred to when the memory cell is read is formed. Since a resistance memory element that is not processed, that is, a resistance memory element that does not exhibit a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state, is configured using a reference resistor. Stability against thermal stress can be improved. Thereby, a stable reference voltage can be generated, and read errors can be effectively prevented.

[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法について図8乃至図12を用いて説明する。なお、第1乃至第3実施形態による不揮発性半導体記憶装置と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略または簡潔にする。
[Fourth Embodiment]
A nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those in the nonvolatile semiconductor memory device according to the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

図8は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す平面図、図9は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す概略断面図、図10乃至図12は本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図である。   8 is a plan view showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment, and FIGS. 10 to 12 are nonvolatile diagrams according to the present embodiment. 11 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the conductive semiconductor memory device.

本実施形態では、図1に示す第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路構成を実現するための具体的な構造の一例及びその製造方法について説明する。   In the present embodiment, an example of a specific structure for realizing the circuit configuration of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment shown in FIG. 1 and a manufacturing method thereof will be described.

はじめに、本実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造について図8及び図9を用いて説明する。なお、図9は図8のA−A′線断面図である。   First, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 9 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.

シリコン基板30上には、素子領域を画定する素子分離膜32が形成されている。それぞれの素子領域は、X方向に長い矩形形状を有している。これら複数の活性領域は、互いに千鳥格子状に配置されている。   An element isolation film 32 that defines an element region is formed on the silicon substrate 30. Each element region has a rectangular shape that is long in the X direction. The plurality of active regions are arranged in a staggered pattern.

素子分離膜32が形成されたシリコン基板30上には、Y方向に延在する複数のワード線WLが形成されている。ワード線WLは、各素子領域に、それぞれ2本ずつが延在している。ワード線WLの両側の活性領域には、ソース/ドレイン領域36,38が形成されている。これにより、各素子領域には、ワード線WLを兼ねるゲート電極34とソース/ドレイン領域36,38とを有する選択トランジスタが、それぞれ2つずつ形成されている。一の素子領域に形成された2つの選択トランジスタは、ソース/ドレイン領域36を共用している。   On the silicon substrate 30 on which the element isolation film 32 is formed, a plurality of word lines WL extending in the Y direction are formed. Two word lines WL are extended in each element region. Source / drain regions 36 and 38 are formed in the active regions on both sides of the word line WL. Thus, two selection transistors each including the gate electrode 34 also serving as the word line WL and the source / drain regions 36 and 38 are formed in each element region. Two select transistors formed in one element region share the source / drain region 36.

選択トランジスタ12が形成されたシリコン基板30上には、層間絶縁膜40が形成されている。層間絶縁膜40には、ソース/ドレイン領域36に接続されたコンタクトプラグ46と、ソース/ドレイン領域38に接続されたコンタクトプラグ48とが埋め込まれている。   An interlayer insulating film 40 is formed on the silicon substrate 30 on which the selection transistor 12 is formed. A contact plug 46 connected to the source / drain region 36 and a contact plug 48 connected to the source / drain region 38 are embedded in the interlayer insulating film 40.

層間絶縁膜40上には、コンタクトプラグ46を介してソース/ドレイン領域36(ソース端子)に電気的に接続されたソース線50と、コンタクトプラグ48を介してソース/ドレイン領域38(ドレイン端子)に電気的に接続された中継配線52とが形成されている。ソース線50(SL)は、図8に示すように、Y方向に延在して形成されている。   On the interlayer insulating film 40, the source line 50 electrically connected to the source / drain region 36 (source terminal) via the contact plug 46 and the source / drain region 38 (drain terminal) via the contact plug 48 are provided. And a relay wiring 52 electrically connected to each other. As shown in FIG. 8, the source line 50 (SL) is formed extending in the Y direction.

ソース線50及び中継配線52が形成された層間絶縁膜40上には、層間絶縁膜54が形成されている。層間絶縁膜54には、中継配線52に接続されたコンタクトプラグ58が埋め込まれている。   An interlayer insulating film 54 is formed on the interlayer insulating film 40 on which the source line 50 and the relay wiring 52 are formed. A contact plug 58 connected to the relay wiring 52 is embedded in the interlayer insulating film 54.

コンタクトプラグ58が埋め込まれた層間絶縁膜54上には、抵抗記憶素子66が形成されている。抵抗記憶素子66は、コンタクトプラグ58、中継配線52及びコンタクトプラグ48を介してソース/ドレイン領域38に電気的に接続された下部電極60と、下部電極60上に形成された抵抗記憶材料よりなる抵抗記憶層62と、抵抗記憶層62上に形成された上部電極64とを有している。   A resistance memory element 66 is formed on the interlayer insulating film 54 in which the contact plug 58 is embedded. The resistance memory element 66 is made of a lower electrode 60 electrically connected to the source / drain region 38 via the contact plug 58, the relay wiring 52 and the contact plug 48, and a resistance memory material formed on the lower electrode 60. The resistance memory layer 62 and the upper electrode 64 formed on the resistance memory layer 62 are included.

抵抗記憶素子66が形成された層間絶縁膜54上には、層間絶縁膜68が形成されている。層間絶縁膜68には、抵抗記憶素子66の上部電極64に接続されたコンタクトプラグ72が埋め込まれている。   An interlayer insulating film 68 is formed on the interlayer insulating film 54 on which the resistance memory element 66 is formed. A contact plug 72 connected to the upper electrode 64 of the resistance memory element 66 is embedded in the interlayer insulating film 68.

コンタクトプラグ72が埋め込まれた層間絶縁膜68上には、コンタクトプラグ72を介して抵抗記憶素子66の上部電極64に電気的に接続されたビット線74が形成されている。ビット線74(BL)は、図8に示すように、X方向に延在して形成されている。   A bit line 74 electrically connected to the upper electrode 64 of the resistance memory element 66 through the contact plug 72 is formed on the interlayer insulating film 68 in which the contact plug 72 is embedded. As shown in FIG. 8, the bit line 74 (BL) is formed extending in the X direction.

図8において、一番下のビット線74(BL)に接続される抵抗記憶素子66は、リファレンスセル用の抵抗記憶素子であり、素子面積が、他のビット線74(BL)に接続される抵抗記憶素子66の素子面積よりも大きくなっている。 In FIG. 8, a resistance memory element 66 R connected to the lowest bit line 74 (BL R ) is a resistance memory element for a reference cell, and the element area is connected to another bit line 74 (BL). The element area of the resistance memory element 66 is larger.

こうして、図1に示すメモリセルアレイを構成する不揮発性半導体記憶装置が形成されている。   Thus, the nonvolatile semiconductor memory device constituting the memory cell array shown in FIG. 1 is formed.

次に、本実施形態による不揮発性半導体装置の製造方法について図10乃至図12を用いて説明する。   Next, the method for manufacturing the nonvolatile semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

まず、シリコン基板30内に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により、素子領域を画定する素子分離膜32を形成する。   First, an element isolation film 32 that defines an element region is formed in the silicon substrate 30 by, for example, STI (Shallow Trench Isolation).

次いで、シリコン基板30の素子領域上に、通常のMOSトランジスタの製造方法と同様にして、ゲート電極34及びソース/ドレイン領域36,38を有する選択トランジスタを形成する(図10(a))。   Next, a selection transistor having a gate electrode 34 and source / drain regions 36 and 38 is formed on the element region of the silicon substrate 30 in the same manner as in a normal MOS transistor manufacturing method (FIG. 10A).

次いで、選択トランジスタが形成されたシリコン基板30上に例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積した後、このシリコン酸化膜の表面を例えばCMP法により研磨し、シリコン酸化膜よりなり表面が平坦化された層間絶縁膜40を形成する。   Next, after a silicon oxide film is deposited on the silicon substrate 30 on which the selection transistor is formed by, for example, a CVD method, the surface of the silicon oxide film is polished by, for example, a CMP method, and the surface is made of a silicon oxide film and is flattened. An interlayer insulating film 40 is formed.

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜40に、ソース/ドレイン領域36,38に達するコンタクトホール42,44を形成する。   Next, contact holes 42 and 44 reaching the source / drain regions 36 and 38 are formed in the interlayer insulating film 40 by photolithography and dry etching.

次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール42,44内に、ソース/ドレイン領域36,38に電気的に接続されたコンタクトプラグ46,48を形成する(図10(b))。   Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, CVD, these conductive films are etched back, and contact plugs 46 and 48 electrically connected to the source / drain regions 36 and 38 in the contact holes 42 and 44, respectively. Is formed (FIG. 10B).

次いで、コンタクトプラグ46,48が埋め込まれた層間絶縁膜40上に例えばCVD法により導電膜を堆積後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりこの導電膜をパターニングし、コンタクトプラグ46を介してソース/ドレイン領域36に電気的に接続されたソース線50と、コンタクトプラグ48を介してソース/ドレイン領域38に電気的に接続された中継配線52とを形成する(図10(c))。   Next, after depositing a conductive film on the interlayer insulating film 40 in which the contact plugs 46 and 48 are embedded, for example, by the CVD method, the conductive film is patterned by photolithography and dry etching, and the source / drain regions are connected via the contact plug 46. A source line 50 electrically connected to 36 and a relay wiring 52 electrically connected to the source / drain region 38 through the contact plug 48 are formed (FIG. 10C).

次いで、ソース線50及び中継配線52が形成された層間絶縁膜40上に例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積した後、このシリコン酸化膜の表面を例えばCMP法により研磨し、シリコン酸化膜よりなり表面が平坦化された層間絶縁膜54を形成する。   Next, a silicon oxide film is deposited on the interlayer insulating film 40 on which the source line 50 and the relay wiring 52 are formed by, for example, a CVD method, and then the surface of the silicon oxide film is polished by, for example, a CMP method to form a silicon oxide film. An interlayer insulating film 54 having a planarized surface is formed.

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜54に、中継配線52に達するコンタクトホール56を形成する。   Next, a contact hole 56 reaching the relay wiring 52 is formed in the interlayer insulating film 54 by photolithography and dry etching.

次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール56内に、中継配線52、コンタクトプラグ48を介してソース/ドレイン領域38に電気的に接続されたコンタクトプラグ58を形成する(図11(a))。   Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, the CVD method, the conductive film is etched back and electrically connected to the source / drain region 38 in the contact hole 56 through the relay wiring 52 and the contact plug 48. The contact plug 58 is formed (FIG. 11A).

次いで、コンタクトプラグ58が埋め込まれた層間絶縁膜54上に、例えばスパッタ法により、例えばプラチナ膜を堆積する。   Next, a platinum film, for example, is deposited on the interlayer insulating film 54 with the contact plugs 58 embedded by, for example, a sputtering method.

次いで、プラチナ膜上に、例えばレーザアブレーション、ゾルゲル、スパッタ、MOCVD等によりTiO膜を堆積し、TiO膜を形成する。 Next, a TiO x film is deposited on the platinum film by, for example, laser ablation, sol-gel, sputtering, MOCVD, or the like to form a TiO x film.

次いで、TiO膜上に、例えばスパッタ法により、例えばプラチナ膜を堆積する。 Next, for example, a platinum film is deposited on the TiO x film by, for example, sputtering.

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、プラチナ膜/TiO膜/プラチナ膜よりなる積層膜をパターニングする。こうして、プラチナ膜よりなりコンタクトプラグ58、中継配線52及びコンタクトプラグ48を介してソース/ドレイン領域38に電気的に接続された下部電極60と、下部電極60上に形成されたTiO膜よりなる抵抗記憶層62と、抵抗記憶層62上に形成されたプラチナ膜よりなる上部電極64とを有する抵抗記憶素子66を形成する(図11(b))。 Next, the laminated film of platinum film / TiO x film / platinum film is patterned by photolithography and dry etching. Thus, the lower electrode 60 made of a platinum film and electrically connected to the source / drain region 38 via the contact plug 58, the relay wiring 52 and the contact plug 48, and the TiO x film formed on the lower electrode 60. A resistance memory element 66 having a resistance memory layer 62 and an upper electrode 64 made of a platinum film formed on the resistance memory layer 62 is formed (FIG. 11B).

なお、抵抗記憶層62を構成する抵抗記憶材料としては、TiOのほか、例えば、NiO、YO、CeO、MgO、ZnO、ZrO、HfO、WO、NbO、TaO、CrO、MnO、AlO、VO、SiO等を適用することができる。また、Pr1−xCaMnO、La1−xCaMnO、SrTiO、YBaCu、LaNiO等の複数の金属や半導体原子を含む酸化物材料を適用することもできる。これら抵抗記憶材料は、単体で用いてもよいし積層構造としてもよい。 In addition to TiO x , for example, NiO x , YO x , CeO x , MgO x , ZnO x , ZrO x , HfO x , WO x , NbO x , TaO can be used as the resistance memory material constituting the resistance memory layer 62. x , CrO x , MnO x , AlO x , VO x , SiO x and the like can be applied. In addition, an oxide material including a plurality of metals and semiconductor atoms such as Pr 1-x Ca x MnO 3 , La 1-x Ca x MnO 3 , SrTiO 3 , YBa 2 Cu 3 O y , and LaNiO can also be applied. . These resistance memory materials may be used alone or in a laminated structure.

また、下部電極60及び上部電極64を構成する電極材料としては、プラチナのほか、例えば、Ir、W、Ni、Au、Cu、Ag、Pd、Zn、Cr、Al、Mn、Ta、Si、TaN、TiN、Ru、ITO、NiO、IrO、SrRuO、CoSi、WSi、NiSi、MoSi、TiSi、Al−Si、Al−Cu、Al−Si−Cu等を適用することができる。下部電極60を構成する電極材料と上部電極64を構成する電極材料とは、同じでも異なってもよい。 Further, as an electrode material constituting the lower electrode 60 and the upper electrode 64, in addition to platinum, for example, Ir, W, Ni, Au, Cu, Ag, Pd, Zn, Cr, Al, Mn, Ta, Si, TaN it can be applied TiN, Ru, ITO, NiO, IrO, SrRuO, CoSi 2, WSi 2, NiSi, MoSi 2, TiSi 2, Al-Si, Al-Cu, an Al-Si-Cu or the like. The electrode material constituting the lower electrode 60 and the electrode material constituting the upper electrode 64 may be the same or different.

次いで、抵抗記憶素子66が形成された層間絶縁膜54上に例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積した後、このシリコン酸化膜の表面を例えばCMP法により研磨し、シリコン酸化膜よりなり表面が平坦化された層間絶縁膜68を形成する。   Next, a silicon oxide film is deposited on the interlayer insulating film 54 on which the resistance memory element 66 is formed by, for example, a CVD method, and then the surface of the silicon oxide film is polished by, for example, a CMP method to be a flat surface made of a silicon oxide film. An interlayer insulating film 68 is formed.

次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、層間絶縁膜68に、抵抗記憶素子66の上部電極64に達するコンタクトホール70を形成する。   Next, a contact hole 70 reaching the upper electrode 64 of the resistance memory element 66 is formed in the interlayer insulating film 68 by photolithography and dry etching.

次いで、例えばCVD法によりバリアメタル及びタングステン膜を堆積後、これら導電膜をエッチバックし、コンタクトホール70内に、抵抗記憶素子66の上部電極64に接続されたコンタクトプラグ72を形成する(図12(a))。   Next, after depositing a barrier metal and a tungsten film by, for example, the CVD method, the conductive film is etched back to form a contact plug 72 connected to the upper electrode 64 of the resistance memory element 66 in the contact hole 70 (FIG. 12). (A)).

次いで、コンタクトプラグ72が埋め込まれた層間絶縁膜68上に導電膜を堆積後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりこの導電膜をパターニングし、コンタクトプラグ72を介して抵抗記憶素子66の上部電極64に電気的に接続されたビット線74を形成する(図12(b))。   Next, after depositing a conductive film on the interlayer insulating film 68 in which the contact plug 72 is embedded, the conductive film is patterned by photolithography and dry etching, and the upper electrode 64 of the resistance memory element 66 is electrically connected via the contact plug 72. Connected bit lines 74 are formed (FIG. 12B).

次いで、必要に応じて更に上層の配線層等を形成し、不揮発性半導体装置を完成する。   Next, if necessary, an upper wiring layer or the like is further formed to complete the nonvolatile semiconductor device.

この後、不揮発性半導体記憶装置の使用にあたっては、リファレンスセルの抵抗記憶素子についてはフォーミング処理を行わず、メモリセルの抵抗記憶素子のみについてフォーミング処理を行う。   Thereafter, when the nonvolatile semiconductor memory device is used, the forming process is not performed on the resistance memory element of the reference cell, and the forming process is performed only on the resistance memory element of the memory cell.

[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.

例えば、上記実施形態では、書き込み電圧及び読み出し電流をビット線BL側に印加する回路構成としたが、書き込み電圧及び読み出し電流をソース線SL側に印加する回路構成としてもよい。   For example, in the above embodiment, the circuit configuration is such that the write voltage and the read current are applied to the bit line BL side, but the circuit configuration may be such that the write voltage and the read current are applied to the source line SL side.

また、上記第2実施形態では、2つのビット線BLに連なるリファレンスセル10を並列に接続することによりリファレンスセルの抵抗値を実質的にR/2としているが、3つ以上のビット線BLに連なるリファレンスセル10を並列に接続し、リファレンスセルの実質的な抵抗値を更に低くしてもよい。 Further, in the second embodiment, although substantially R H / 2 the resistance of the reference cell by connection reference cells 10 R leading to the two bit lines BL in parallel, three or more bit lines the reference cell 10 R leading to BL are connected in parallel, the substantial resistance value of the reference cell may be further lowered.

上述のように、高抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値は倍近くばらつくため、リファレンスセルの実質的な抵抗値をR/2としただけでは、十分な読み出しマージンが確保できないことも想定される。このような場合、3つ以上のビット線BLに連なるリファレンスセルを並列に接続することで、リファレンスセルの実質的な抵抗値を更に下げることができ、読み出しマージンを向上することができる。低抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値は高抵抗状態の抵抗記憶素子の抵抗値よりも3桁程度低いため、リファレンスセルの抵抗値を下げることによって低抵抗状態の読み出しマージンを低下することもない。 As described above, since the resistance value of the resistance memory element in the high resistance state varies nearly double, it is assumed that a sufficient read margin cannot be secured only by setting the substantial resistance value of the reference cell to R H / 2. The In such a case, by connecting the reference cells connected to three or more bit lines BL in parallel, the substantial resistance value of the reference cells can be further lowered, and the read margin can be improved. Since the resistance value of the resistance memory element in the low resistance state is about three orders of magnitude lower than the resistance value of the resistance memory element in the high resistance state, the read margin in the low resistance state is not lowered by lowering the resistance value of the reference cell. .

また、上記第2実施形態では、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12の素子面積を、メモリセル10の抵抗記憶素子12の素子面積と同じにしているが、メモリセル10の抵抗記憶素子12の素子面積とは異なる素子面積にしてもよい。 In the second embodiment, the element area of the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is the same as the element area of the resistance memory element 12 of the memory cell 10. The element area may be different from the element area.

また、上記第3実施形態では、リファレンスセル10の抵抗記憶素子12の素子面積を、メモリセル10の抵抗記憶素子12の素子面積の2倍以上としているが、第2実施形態の場合と同様に、メモリセル10の抵抗記憶素子12と同じ素子面積にしてもよい。この場合、第2実施形態の場合と同様に、2つ以上のビット線に連なるリファレンスセルを並列に接続することで、リファレンスセルの抵抗値を実質的にR/2以下にすることができる。 In the third embodiment, the element area of the resistance memory element 12 R of the reference cell 10 R is set to be twice or more the element area of the resistance memory element 12 of the memory cell 10. Similarly, the same element area as that of the resistance memory element 12 of the memory cell 10 may be used. In this case, as in the second embodiment, the resistance value of the reference cell can be substantially reduced to R H / 2 or less by connecting the reference cells connected to two or more bit lines in parallel. .

また、上記第1乃至第3実施形態では、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子の抵抗値とフォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子の抵抗値とがほぼ等しい場合を前提としているが、フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子の抵抗値とフォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子の抵抗値とは必ずしも同じである必要はない。フォーミング処理を行っていない抵抗記憶素子の抵抗値とフォーミング処理後に高抵抗状態を書き込んだ抵抗記憶素子の抵抗値とが異なる場合には、これら抵抗値の差を考慮して、メモリセル及びリファレンスセルの抵抗記憶素子の素子面積等を設定すればよい。   In the first to third embodiments, it is assumed that the resistance value of the resistance memory element that has not been subjected to the forming process is substantially equal to the resistance value of the resistance memory element to which the high resistance state has been written after the forming process. The resistance value of the resistance memory element that has not been subjected to the forming process and the resistance value of the resistance memory element to which the high resistance state has been written after the forming process are not necessarily the same. If the resistance value of the resistance memory element that has not been subjected to the forming process is different from the resistance value of the resistance memory element in which the high resistance state has been written after the forming process, the memory cell and the reference cell are considered in consideration of the difference between these resistance values. The element area of the resistance memory element may be set.

また、第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造は、図1に示す回路構成を実現する一例を示したものであり、不揮発性半導体記憶装置の構造はこれに限定されるものではない。   Further, the structure of the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth embodiment shows an example of realizing the circuit configuration shown in FIG. 1, and the structure of the nonvolatile semiconductor memory device is not limited to this.

以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。   As detailed above, the characteristics of the present invention are summarized as follows.

(付記1) 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルと
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary Note 1) A nonvolatile memory using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes, and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A semiconductor memory device,
A memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristics;
A non-volatile semiconductor comprising: a reference cell that is referred to when reading the memory cell, and has a reference resistance made of a second resistance memory element that does not exhibit the resistance memory characteristics Storage device.

(付記2) 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、
前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、
前記第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary note 2) Non-volatile using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A semiconductor memory device,
Each of the first resistance memory elements exhibiting the resistance memory characteristics and a first transistor having a drain terminal connected to one end of the first resistance memory element are arranged in a matrix. A plurality of memory cells;
A reference resistance composed of a second resistance memory element not exhibiting the resistance memory characteristics, and a second transistor having a drain terminal connected to one end of the second resistance memory element, A plurality of reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, each signal line being the other end of the first resistance memory element of the memory cell arranged in the first direction Or a plurality of bit lines connected to the other end of the second resistance memory element of the reference cells arranged in the first direction,
A plurality of signal lines extending in parallel and extending in a second direction intersecting the first direction, wherein each signal line of the memory cells lined up in the second direction; A plurality of word lines connected to a gate terminal of a transistor and a gate terminal of the second transistor of the reference cell;
A plurality of signal lines extending in parallel in the second direction, each signal line being connected to the source terminal of the first transistor and the reference of the memory cell arranged in the second direction; A non-volatile semiconductor memory device comprising: a plurality of source lines connected to a source terminal of the second transistor of the cell.

(付記3) 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、
前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部及び前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary Note 3) A nonvolatile memory using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A semiconductor memory device,
Each of the first resistance memory elements exhibiting the resistance memory characteristics and a first transistor having a drain terminal connected to one end of the first resistance memory element are arranged in a matrix. A plurality of memory cells;
A reference resistance composed of a second resistance memory element not exhibiting the resistance memory characteristics, and a second transistor having a drain terminal connected to one end of the second resistance memory element, A plurality of reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel and extending in a second direction intersecting the first direction, wherein each signal line of the memory cells lined up in the second direction; A plurality of bit lines connected to the other end of the resistance memory element and the other end of the second resistance memory element of the reference cell;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, wherein each signal line is a gate terminal of the first transistor of the memory cell arranged in the first direction, or A plurality of word lines connected to gate terminals of the second transistors of the reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, each signal line being a source terminal of the first transistor of the memory cell arranged in the first direction, or A non-volatile semiconductor memory device comprising: a plurality of source lines connected to source terminals of the second transistors of the reference cells arranged in a first direction.

(付記4) 付記1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記第2の抵抗記憶素子への印加電圧履歴のうちの最大電圧は、前記高抵抗状態と前記低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な前記抵抗記憶特性を発現するためのフォーミング電圧未満である
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Appendix 4) In the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of appendices 1 to 3,
The maximum voltage of the applied voltage history to the second resistance memory element is less than the forming voltage for expressing the resistance memory characteristics capable of reversibly switching between the high resistance state and the low resistance state. A non-volatile semiconductor memory device.

(付記5) 付記1乃至4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記リファレンス抵抗の抵抗値は、前記第1の抵抗記憶素子が前記低抵抗状態のときの抵抗値より大きく、前記第1の抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときの抵抗値の1/2以下である
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary note 5) In the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of supplementary notes 1 to 4,
The resistance value of the reference resistor is larger than the resistance value when the first resistance memory element is in the low resistance state, and is equal to or less than ½ of the resistance value when the first resistance memory element is in the high resistance state. A non-volatile semiconductor memory device characterized by the above.

(付記6) 付記5記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記第2の抵抗記憶素子の素子面積は、前記第1の抵抗記憶素子の素子面積の2倍以上である
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Appendix 6) In the nonvolatile semiconductor memory device according to Appendix 5,
The element area of the second resistance memory element is at least twice as large as the element area of the first resistance memory element.

(付記7) 付記1乃至6のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記第2の抵抗記憶素子は、前記第1の抵抗記憶素子と同じ層構造を有する
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Appendix 7) In the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of appendices 1 to 6,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein the second resistance memory element has the same layer structure as the first resistance memory element.

(付記8) 付記4記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記リファレンスセルが接続された前記ビット線を複数有する
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary note 8) In the nonvolatile semiconductor memory device according to supplementary note 4,
A non-volatile semiconductor memory device comprising a plurality of the bit lines to which the reference cells are connected.

(付記9) 付記8記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記リファレンス抵抗の抵抗値は、前記第1の抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときの抵抗値と同じである
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
(Supplementary note 9) In the nonvolatile semiconductor memory device according to supplementary note 8,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein a resistance value of the reference resistor is the same as a resistance value when the first resistance memory element is in the high resistance state.

(付記10) 一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルとを有する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法であって、
前記第1の抵抗記憶素子と前記第2の抵抗記憶素子とに互いに等しい読み出し電流を流した際に、前記第1の抵抗記憶素子に印加される第1の電圧と、前記第2の抵抗記憶素子に印加される第2の電圧とを比較することにより、前記第1の抵抗記憶素子の抵抗状態を判定する
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。
(Supplementary Note 10) A nonvolatile memory using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage. A memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristics, and a reference cell that is referred to when reading the memory cell, and exhibits the resistance memory characteristics A non-volatile semiconductor memory device having a reference cell having a reference resistance made of a second resistance memory element,
A first voltage applied to the first resistance memory element and a second resistance memory when a read current equal to each other is passed through the first resistance memory element and the second resistance memory element. A read method for a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a resistance state of the first resistance memory element is determined by comparing with a second voltage applied to the element.

(付記11) 付記10記載の不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法において、
前記リファレンス抵抗の抵抗値は、前記第1の抵抗記憶素子が前記低抵抗状態のときの抵抗値より大きく、前記第1の抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときの抵抗値の1/2以下であり、
前記第1の電圧が前記第2の電圧よりも大きいときには、前記第1の抵抗記憶素子が高抵抗状態であると判定し、
前記第1の電圧が前記第2の電圧よりも小さいときには、前記第1の抵抗記憶素子が低抵抗状態であると判定する
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。
(Additional remark 11) In the reading method of the non-volatile semiconductor memory device according to additional remark 10,
The resistance value of the reference resistor is larger than the resistance value when the first resistance memory element is in the low resistance state, and is equal to or less than ½ of the resistance value when the first resistance memory element is in the high resistance state. And
When the first voltage is greater than the second voltage, it is determined that the first resistance memory element is in a high resistance state;
When the first voltage is smaller than the second voltage, it is determined that the first resistance memory element is in a low resistance state.

本発明の第1実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフ(その1)である。It is a graph (the 1) which shows the current-voltage characteristic of a resistance memory element. 抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフ(その2)である。It is a graph (the 2) which shows the current-voltage characteristic of a resistance memory element. 抵抗記憶素子の抵抗値の温度特性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature characteristic of the resistance value of a resistance memory element. 抵抗記憶素子の抵抗状態の保持特性を示すグラフである。It is a graph which shows the retention characteristic of the resistance state of a resistance memory element. 本発明の第2実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の構造を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a nonvolatile semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention. 本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。It is process sectional drawing (the 1) which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。It is process sectional drawing (the 2) which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による不揮発性半導体記憶装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。It is process sectional drawing (the 3) which shows the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device by 4th Embodiment of this invention. 抵抗記憶素子の電気特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electrical property of a resistance memory element.

符号の説明Explanation of symbols

10…メモリセル
10…リファレンスセル
12…抵抗記憶素子
14…選択トランジスタ
16…列選択用トランジスタ
18…書き込み回路
20…読み出し用トランジスタ
22…読み出し回路
24…列選択回路
30…シリコン基板
32…素子分離舞う
34…ゲート電極
36,38…ソース/ドレイン領域
40,54,68…層間絶縁膜
42,44,56,70…コンタクトホール
46,48,58,72…コンタクトプラグ
50…ソース線
52…中継配線
60…下部電極
62…抵抗記憶層
64…上部電極
66…抵抗記憶素子
74…ビット線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Memory cell 10R ... Reference cell 12 ... Resistance memory element 14 ... Selection transistor 16 ... Column selection transistor 18 ... Write circuit 20 ... Read transistor 22 ... Read circuit 24 ... Column selection circuit 30 ... Silicon substrate 32 ... Element isolation 34 ... Gate electrodes 36, 38 ... Source / drain regions 40, 54, 68 ... Interlayer insulating films 42, 44, 56, 70 ... Contact holes 46, 48, 58, 72 ... Contact plugs 50 ... Source lines 52 ... Relay wires 60 ... Lower electrode 62 ... Resistance memory layer 64 ... Upper electrode 66 ... Resistance memory element 74 ... Bit line

Claims (5)

一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、
前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルと
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage Because
A memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristics;
A non-volatile semiconductor comprising: a reference cell that is referred to when reading the memory cell, and has a reference resistance made of a second resistance memory element that does not exhibit the resistance memory characteristics Storage device.
一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、
前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、
前記第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子及び前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage Because
Each of the first resistance memory elements exhibiting the resistance memory characteristics and a first transistor having a drain terminal connected to one end of the first resistance memory element are arranged in a matrix. A plurality of memory cells;
A reference resistance composed of a second resistance memory element not exhibiting the resistance memory characteristics, and a second transistor having a drain terminal connected to one end of the second resistance memory element, A plurality of reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, each signal line being the other end of the first resistance memory element of the memory cell arranged in the first direction Or a plurality of bit lines connected to the other end of the second resistance memory element of the reference cells arranged in the first direction,
A plurality of signal lines extending in parallel and extending in a second direction intersecting the first direction, wherein each signal line of the memory cells lined up in the second direction; A plurality of word lines connected to a gate terminal of a transistor and a gate terminal of the second transistor of the reference cell;
A plurality of signal lines extending in parallel in the second direction, each signal line being connected to the source terminal of the first transistor and the reference of the memory cell arranged in the second direction; A non-volatile semiconductor memory device comprising: a plurality of source lines connected to a source terminal of the second transistor of the cell.
一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子と、ドレイン端子が前記第1の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第1のトランジスタとをそれぞれ有し、マトリクス状に配置された複数のメモリセルと、
前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗と、ドレイン端子が前記第2の抵抗記憶素子の一方の端部に接続された第2のトランジスタとをそれぞれ有し、第1の方向に並ぶように配置された複数のリファレンスセルと、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第2の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1の抵抗記憶素子の他方の端部及び前記リファレンスセルの前記第2の抵抗記憶素子の他方の端部に接続された複数のビット線と、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのゲート端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのゲート端子に接続された複数のワード線と、
前記第1の方向に延在して並行に配された複数の信号線であって、各信号線が、前記第1の方向に並ぶ前記メモリセルの前記第1のトランジスタのソース端子、又は前記第1の方向に並ぶ前記リファレンスセルの前記第2のトランジスタのソース端子に接続された複数のソース線と
を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage Because
Each of the first resistance memory elements exhibiting the resistance memory characteristics and a first transistor having a drain terminal connected to one end of the first resistance memory element are arranged in a matrix. A plurality of memory cells;
A reference resistance composed of a second resistance memory element not exhibiting the resistance memory characteristics, and a second transistor having a drain terminal connected to one end of the second resistance memory element, A plurality of reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel and extending in a second direction intersecting the first direction, wherein each signal line of the memory cells lined up in the second direction; A plurality of bit lines connected to the other end of the resistance memory element and the other end of the second resistance memory element of the reference cell;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, wherein each signal line is a gate terminal of the first transistor of the memory cell arranged in the first direction, or A plurality of word lines connected to gate terminals of the second transistors of the reference cells arranged in a first direction;
A plurality of signal lines extending in parallel in the first direction, each signal line being a source terminal of the first transistor of the memory cell arranged in the first direction, or A non-volatile semiconductor memory device comprising: a plurality of source lines connected to source terminals of the second transistors of the reference cells arranged in a first direction.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記リファレンス抵抗の抵抗値は、前記第1の抵抗記憶素子が前記低抵抗状態のときの抵抗値より大きく、前記第1の抵抗記憶素子が前記高抵抗状態のときの抵抗値の1/2以下である
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
The resistance value of the reference resistor is larger than the resistance value when the first resistance memory element is in the low resistance state, and is equal to or less than ½ of the resistance value when the first resistance memory element is in the high resistance state. A non-volatile semiconductor memory device characterized by the above.
一対の電極間に抵抗記憶材料が挟持されてなり、高抵抗状態と低抵抗状態とを可逆的に切り換え可能な抵抗記憶特性が電圧の印加によって発現する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶特性を発現した第1の抵抗記憶素子を有するメモリセルと、前記メモリセルを読み出す際に参照されるリファレンスセルであって、前記抵抗記憶特性を発現していない第2の抵抗記憶素子よりなるリファレンス抵抗を有するリファレンスセルとを有する不揮発性半導体記憶装置の読み出し方法であって、
前記第1の抵抗記憶素子と前記第2の抵抗記憶素子とに互いに等しい読み出し電流を流した際に、前記第1の抵抗記憶素子に印加される第1の電圧と、前記第2の抵抗記憶素子に印加される第2の電圧とを比較することにより、前記第1の抵抗記憶素子の抵抗状態を判定する
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 nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element in which a resistance memory material is sandwiched between a pair of electrodes and a resistance memory characteristic capable of reversibly switching between a high resistance state and a low resistance state is exhibited by application of a voltage A memory cell having a first resistance memory element that exhibits the resistance memory characteristic, and a reference cell that is referred to when reading the memory cell, and is a second cell that does not exhibit the resistance memory characteristic A method for reading a nonvolatile semiconductor memory device having a reference cell having a reference resistance made of a resistive memory element,
A first voltage applied to the first resistance memory element and a second resistance memory when a read current equal to each other is passed through the first resistance memory element and the second resistance memory element. A read method for a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a resistance state of the first resistance memory element is determined by comparing with a second voltage applied to the element.
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