JP2009259336A - Semiconductor device and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize data reading operation in a semiconductor device having a variable resistance memory device. <P>SOLUTION: The semiconductor device has a memory cell MC that stores data as a result of a state of a variable resistance included in the memory cell becoming either a first high resistance state or a first low resistance state, and has two storage modes of a first mode and a second mode depending on a level of a resistance value of the memory cell. When data is read out, in a case of the first mode, a potential of a bit line is boosted to a first potential higher than a reference potential, in a case of the second mode, the potential of the bit line is boosted to a second potential higher than the first potential, and data is read out by comparing the potential of the bit line with the reference potential. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその制御方法に関し、特に可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶するメモリ素子を備えた半導体装置及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a control method thereof, and more particularly, to a semiconductor device including a memory element that stores data according to a resistance value of a variable resistor and a control method thereof.

近年、フラッシュメモリ等の従来型のメモリに代わる次世代型メモリとして、メモリ素子に可変抵抗を用いたメモリが開発されている。上記の可変抵抗は、高抵抗状態と低抵抗状態の2通りの状態をとることができ、所定条件の電圧パルスを印加することにより、任意の状態に変化させることができる。高抵抗状態のメモリ素子は電流を流しにくく、低抵抗状態のメモリ素子は電流を流しやすいため、メモリ素子に流れる読み出し電流の大小により、メモリ素子の状態を判別することができる。このようなメモリ装置としては、例えばPRAM(Phase change Random Access Memory)や、ReRAM(Resistive Random Access Memory)がある。   In recent years, a memory using a variable resistor as a memory element has been developed as a next-generation memory that replaces a conventional memory such as a flash memory. The variable resistor can take two states, a high resistance state and a low resistance state, and can be changed to an arbitrary state by applying a voltage pulse of a predetermined condition. The memory element in the high resistance state is less likely to pass current, and the memory element in the low resistance state is more likely to pass current. Therefore, the state of the memory element can be determined by the magnitude of the read current flowing through the memory element. Examples of such a memory device include a PRAM (Phase change Random Access Memory) and a ReRAM (Resistive Random Access Memory).

特許文献1には、不揮発性メモリと揮発性メモリの両方として選択的に動作可能なPRAMメモリ装置が開示されている。特許文献2には、メモリの読み出しテストを行うにあたって、ビットラインを充電しながらデータの読み出しを行う方法と、ビットラインの充電を停止後にデータの読み出しを行う方法との2通りの読み出し方法が開示されている。
特開2004−296076号公報 特開平11−167800号公報
Patent Document 1 discloses a PRAM memory device that can selectively operate as both a nonvolatile memory and a volatile memory. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-260260 discloses two reading methods, a method of reading data while charging a bit line and a method of reading data after stopping the charging of the bit line when performing a memory reading test. Has been.
JP 2004-296076 A JP 11-167800 A

メモリ素子に可変抵抗を用いた次世代型メモリでは、データ書き込み時間の短縮のため、可変抵抗の高抵抗状態の抵抗値を低めに設定することがある。しかし、そのようにした場合には、高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗値の差が小さくなり、データの読み出しが困難になるおそれがあった。   In a next-generation memory using a variable resistor as a memory element, the resistance value of the variable resistor in a high resistance state may be set lower in order to shorten the data writing time. However, in such a case, the difference in resistance value between the high resistance state and the low resistance state becomes small, and there is a possibility that data reading becomes difficult.

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、メモリ素子に可変抵抗を用いた半導体装置において、データの読み出しを安定して行うことのできる構成及び方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a configuration and a method capable of stably reading data in a semiconductor device using a variable resistor as a memory element.

本発明は、メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態及び第1の低抵抗状態のいずれかになる第1モードと、前記可変抵抗の状態が前記第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態及び前記第2の高抵抗状態に対応する第2の低抵抗状態のいずれかになる第2モードと、の2つのモードによりデータを記憶する前記メモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にする選択素子と、前記第1の期間において、前記第1モードの場合は前記ビットラインの電位を基準電位より高い第1電位に昇圧する第1電圧を供給し、前記第2モードの場合は前記ビットラインの電位を前記第1電位より高い第2電位に昇圧する第2電圧を供給する電圧供給回路と、前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出し回路と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明に係る半導体装置は、データを読み出す際の第1の期間において、半導体装置のモードに応じて2種類のクランプ電圧を供給する電圧供給回路を備える。これにより、可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態にある場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   The present invention provides a first mode in which the state of the variable resistance included in the memory cell is either the first high resistance state or the first low resistance state, and the state of the variable resistance is the first high resistance state. The memory cell that stores data in two modes: a second high resistance state having a lower resistance value and a second mode that is one of a second low resistance state corresponding to the second high resistance state. And when reading data from the bit line connected to the memory cell and the memory cell, the memory cell and the bit line are made non-conductive in the first period, and the first period following the first period A selection element that brings the memory cell and the bit line into a conductive state in a period of 2, and a potential of the bit line that is higher than a reference potential in the first mode in the first period. A voltage supply circuit for supplying a first voltage to be supplied and supplying a second voltage for boosting the potential of the bit line to a second potential higher than the first potential in the second mode; and in the second period And a reading circuit that reads data by comparing the potential of the bit line with the reference potential. The semiconductor device according to the present invention includes a voltage supply circuit that supplies two types of clamp voltages in accordance with the mode of the semiconductor device in a first period when reading data. As a result, even when the variable resistor is in the second high resistance state having a resistance value lower than that of the first high resistance state, data can be read stably.

本発明は、メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかになることによりデータを記憶するメモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、前記ビットラインに接続された第1の端子と前記ビットラインに接続されていない第2の端子とを含み、前記第1の端子と前記第2の端子との間の抵抗値の大きさが、前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値と前記可変抵抗の前記低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子と、前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にする選択素子と、前記第1の期間及び前記第2の期間において、前記第2の端子の電位を基準電位より高い電位に昇圧する第1電圧を供給する第1電圧供給回路と、前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出し回路と、を具備することを特徴とする半導体装置。本発明に係る半導体装置は、第1の端子と第2の端子との間の抵抗値の大きさが、可変抵抗の高抵抗状態における抵抗値と可変抵抗の低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子を備える。また、第1の期間及び第2の期間において、第2の端子の電位を基準電位より高い電位に昇圧する第1電圧を供給する第1電圧供給回路を備える。これにより、可変抵抗の高抵抗状態における抵抗値が低めに設定されている場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   The present invention provides a memory cell that stores data when the state of a variable resistor included in the memory cell is either a high resistance state or a low resistance state, a bit line connected to the memory cell, and the bit line A first terminal connected to the bit line and a second terminal not connected to the bit line, the magnitude of the resistance value between the first terminal and the second terminal being the variable resistance A clamp element that is between a resistance value in the high resistance state and a resistance value in the low resistance state of the variable resistor, and when reading data from the memory cell, the memory cell and the bit in a first period A selection element for bringing the line into a non-conducting state and bringing the memory cell and the bit line into a conducting state in a second period following the first period; and the first period and the first period A first voltage supply circuit for supplying a first voltage for boosting the potential of the second terminal to a potential higher than a reference potential in the period; and in the second period, the potential of the bit line is set to the reference potential. A semiconductor device comprising: a reading circuit that reads data by comparison. In the semiconductor device according to the present invention, the magnitude of the resistance value between the first terminal and the second terminal is between the resistance value in the high resistance state of the variable resistor and the resistance value in the low resistance state of the variable resistor. A clamping element is provided. In addition, a first voltage supply circuit that supplies a first voltage that boosts the potential of the second terminal to a potential higher than the reference potential in the first period and the second period is provided. Thereby, even when the resistance value of the variable resistor in the high resistance state is set to be low, data can be read stably.

上記構成において、前記クランプ素子は、抵抗値が可変の抵抗素子からなり、前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値を変化させるクランプ調整部をさらに具備する構成とすることができる。この構成によれば、可変抵抗の抵抗値に応じてクランプ素子の抵抗値を調整することができるため、データの読み出しをさらに安定して行うことができる。   In the above configuration, the clamp element is formed of a resistance element having a variable resistance value, and the clamp element changes the resistance value of the resistance element according to the resistance value of the variable resistance included in the memory cell in the high resistance state. It can be set as the structure which further comprises an adjustment part. According to this configuration, since the resistance value of the clamp element can be adjusted according to the resistance value of the variable resistor, data can be read more stably.

上記構成において、前記クランプ素子は、抵抗値が不変の抵抗素子からなり、前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値が異なる複数の前記クランプ素子の中から1つを選択するクランプ選択部をさらに具備し、前記電圧供給回路は、前記クランプ選択部により選択された1つの前記クランプ素子を介して、前記ビットラインに対し前記第1電圧を供給する構成とすることができる。この構成によれば、可変抵抗の抵抗値に応じて複数のクランプ素子の中からデータ読み出しに最も適した1つのクランプ素子を選択することができるため、データの読み出しをさらに安定して行うことができる。   In the above configuration, the clamp element includes a resistance element whose resistance value is invariable, and a plurality of resistance values of the resistance element differ depending on a resistance value in the high resistance state of the variable resistance included in the memory cell. The voltage selecting circuit further includes a clamp selection unit that selects one of the clamp elements, and the voltage supply circuit performs the first selection with respect to the bit line via the one clamp element selected by the clamp selection unit. It can be set as the structure which supplies a voltage. According to this configuration, it is possible to select one clamp element most suitable for data reading from among a plurality of clamp elements according to the resistance value of the variable resistor, so that data reading can be performed more stably. it can.

上記構成において、前記クランプ素子は、オン抵抗の抵抗値が前記可変抵抗の前記高抵抗状態と前記低抵抗状態との間であるトランジスタからなる構成とすることができる。   In the above configuration, the clamp element may include a transistor having an on-resistance value between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor.

上記構成において、前記ビットラインは、金属配線である構成とすることができる。   In the above configuration, the bit line may be a metal wiring.

上記構成において、前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗は遷移金属酸化物である構成とすることができる。   In the above configuration, the variable resistor included in the memory cell may be a transition metal oxide.

本発明は、メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態及び第1の低抵抗状態のいずれかになる第1モードと、前記可変抵抗の状態が前記第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態及び前記第2の高抵抗状態に対応する第2の低抵抗状態のいずれかになる第2モードと、の2つのモードによりデータを記憶する前記メモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、を具備する半導体装置の制御方法であって、前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にするステップと、前記第1の期間において、前記第1モードの場合は前記ビットラインの電位を基準電位より高い第1電位に昇圧し、前記第2モードの場合は前記ビットラインの電位を前記第1電位より高い第2電位に昇圧するステップと、前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出しステップと、を具備することを特徴とする半導体装置の制御方法である。上記の構成によれば、可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態にある場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   The present invention provides a first mode in which the state of the variable resistance included in the memory cell is either the first high resistance state or the first low resistance state, and the state of the variable resistance is the first high resistance state. The memory cell that stores data in two modes: a second high resistance state having a lower resistance value and a second mode that is one of a second low resistance state corresponding to the second high resistance state. And a bit line connected to the memory cell, wherein when the data is read from the memory cell, the memory cell and the bit line are not connected in the first period. Bringing the memory cell and the bit line into a conducting state in a second period following the first period; and, in the first period, the bit in the first mode. Boosting the in potential to a first potential higher than a reference potential, and in the second mode, boosting the bit line potential to a second potential higher than the first potential; and in the second period, And a reading step of reading data by comparing the potential of the bit line with the reference potential. According to the above configuration, even when the variable resistor is in the second high resistance state having a resistance value lower than that of the first high resistance state, data can be read stably.

本発明は、メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかになることによりデータを記憶するメモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、前記ビットラインに接続された第1の端子と前記ビットラインに接続されていない第2の端子とを含み、前記第1の端子と前記第2の端子との間の抵抗値の大きさが、前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値と前記可変抵抗の前記低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子と、を具備する半導体装置の制御方法であって、前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にするステップと、前記第1の期間及び前記第2の期間において、前記第2の端子の電位を基準電位より高い電位に昇圧するステップと、前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行うステップと、を具備することを特徴とする半導体装置の制御方法である。上記の構成によれば、可変抵抗の高抵抗状態における抵抗値が低めに設定されている場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   The present invention provides a memory cell that stores data when the state of a variable resistor included in the memory cell is either a high resistance state or a low resistance state, a bit line connected to the memory cell, and the bit line A first terminal connected to the bit line and a second terminal not connected to the bit line, the magnitude of the resistance value between the first terminal and the second terminal being the variable resistance And a clamp element that is between a resistance value in the high resistance state and a resistance value in the low resistance state of the variable resistor, when reading data from the memory cell. The memory cell and the bit line are turned off in the first period, and the memory cell and the bit line are turned on in the second period following the first period. Boosting the potential of the second terminal to a potential higher than a reference potential in the first period and the second period, and increasing the potential of the bit line in the second period. And a step of reading data by comparing with a reference potential. According to the above configuration, even when the resistance value of the variable resistor in the high resistance state is set to be low, data can be read stably.

上記構成において、前記クランプ素子は、抵抗値が可変の抵抗素子からなり、前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値を変化させるステップをさらに具備する構成とすることができる。この構成によれば、可変抵抗の抵抗値に応じてクランプ素子の抵抗値を調整することができるため、データの読み出しをさらに安定して行うことができる。   In the above configuration, the clamp element is formed of a resistance element having a variable resistance value, and the resistance value of the resistance element is changed according to a resistance value of the variable resistance included in the memory cell in the high resistance state. It can be set as the structure which further comprises. According to this configuration, since the resistance value of the clamp element can be adjusted according to the resistance value of the variable resistor, data can be read more stably.

本発明によれば、メモリ素子に可変抵抗を用いた半導体装置において、可変抵抗の高抵抗状態における抵抗値が低めに設定されている場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   According to the present invention, in a semiconductor device using a variable resistor as a memory element, data can be stably read even when the resistance value of the variable resistor in a high resistance state is set low. it can.

(比較例)
最初に、本発明における実施例の比較例について、図面を用いて説明する。
(Comparative example)
Initially, the comparative example of the Example in this invention is demonstrated using drawing.

図1は比較例に係る半導体装置100の構成を示したブロック図である。メモリセルアレイ10は、データ記憶素子(不図示)を含む複数のメモリセルMCを有する。メモリセルアレイ10には、複数のビットラインBL及びワードラインWLがそれぞれ平行に設けられている。ビットラインBLは、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxからなるビットライン対を構成する。メモリセルMCはビットラインBL及びワードラインWLの交差領域に設けられ、ワードラインWL及びビットラインBLにそれぞれ接続されている。図示されるように、メモリセルMCは第1ビットラインBLzに接続された第1メモリセルMCzと、第2ビットラインBLxに接続された第2メモリセルMCxとを含む。第1メモリセルMCz及び第2メモリセルMCxは、ワードラインWL1本おきに交互に設けられている。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor device 100 according to a comparative example. The memory cell array 10 has a plurality of memory cells MC including data storage elements (not shown). In the memory cell array 10, a plurality of bit lines BL and word lines WL are provided in parallel. The bit line BL constitutes a bit line pair including a first bit line BLz and a second bit line BLx. The memory cell MC is provided in the intersection region of the bit line BL and the word line WL, and is connected to the word line WL and the bit line BL, respectively. As illustrated, the memory cell MC includes a first memory cell MCz connected to the first bit line BLz and a second memory cell MCx connected to the second bit line BLx. The first memory cells MCz and the second memory cells MCx are alternately provided every other word line WL.

ワードラインWLには行選択を行うためのロウデコーダ12が、ビットラインBLには列選択を行うためのカラムデコーダ14がそれぞれ接続され、列と行との組合せによりアクセス対象となるメモリセルMCが選択される。メモリセルMCを選択するためのアドレス信号は、外部からアドレスバッファ16を介してロウデコーダ12及びカラムデコーダ14にそれぞれ送られる。   A row decoder 12 for selecting a row is connected to the word line WL, and a column decoder 14 for selecting a column is connected to the bit line BL, respectively, and a memory cell MC to be accessed is determined by a combination of a column and a row. Selected. An address signal for selecting the memory cell MC is sent from the outside to the row decoder 12 and the column decoder 14 via the address buffer 16.

書き込み回路18は、データ書き込み時にメモリセルMCに印加されるデータ書き込み用の高電圧を供給する。リセット回路20は、データ読み出し時にビットラインBLに印加されるリファレンス電圧Vrefを供給する。クランプ回路21は、データ読み出し時にビットラインBLに印加されるクランプ電圧Vclmpを供給する。センスアンプ22は、メモリセルMCからの信号の読み出し及び増幅を行う。センスアンプドライバ24は、データ読み出し時にセンスアンプ22を駆動させる。   The write circuit 18 supplies a high voltage for data writing applied to the memory cell MC at the time of data writing. The reset circuit 20 supplies a reference voltage Vref applied to the bit line BL when reading data. The clamp circuit 21 supplies a clamp voltage Vclmp applied to the bit line BL at the time of data reading. The sense amplifier 22 reads and amplifies a signal from the memory cell MC. The sense amplifier driver 24 drives the sense amplifier 22 when reading data.

入出力回路26は、メモリセルアレイ10と外部との間でデータのやり取りを行う。選択レジスタ28は、半導体装置100の記憶モードに関する情報を格納する。制御部30は、選択レジスタ28に記憶された記憶モードに関する情報に基づき、半導体装置100の記憶モードを選択する。また、制御部30は外部からのコマンド信号に応じて、書き込み回路18、リセット回路20、クランプ回路21、及び入出力回路26に対する制御を行う。さらに、制御部30はカラムデコーダ14を制御することにより、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxからなるビットライン対の中から、データの書き込みまたは読み出し時に電圧を印加すべき1本のビットラインを選択する。   The input / output circuit 26 exchanges data between the memory cell array 10 and the outside. The selection register 28 stores information regarding the storage mode of the semiconductor device 100. The control unit 30 selects the storage mode of the semiconductor device 100 based on the information regarding the storage mode stored in the selection register 28. The control unit 30 controls the write circuit 18, the reset circuit 20, the clamp circuit 21, and the input / output circuit 26 in accordance with an external command signal. Further, the control unit 30 controls the column decoder 14 so that one bit to be applied with a voltage at the time of data writing or reading from the bit line pair including the first bit line BLz and the second bit line BLx. Select a line.

図2は図1におけるメモリセルMCの構成を示した回路図である。メモリセルMCは、データ記憶素子40、及びデータ記憶素子40に対するアクセスを制御する選択トランジスタ41を有する。選択トランジスタ41のゲートはワードラインWLに、ドレインはビットラインBLに、ソースはデータ記憶素子40にそれぞれ接続されている。データ記憶素子40は、半導体装置100の記憶モードにより、容量及び可変抵抗のいずれかとして機能する。この点については後段において詳述する。データ記憶素子40の一端は、不図示のソースライン(接地電位)または任意の電圧レベル(電位)に接続されている。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of memory cell MC in FIG. The memory cell MC includes a data storage element 40 and a selection transistor 41 that controls access to the data storage element 40. The selection transistor 41 has a gate connected to the word line WL, a drain connected to the bit line BL, and a source connected to the data storage element 40. The data storage element 40 functions as either a capacitor or a variable resistor depending on the storage mode of the semiconductor device 100. This will be described in detail later. One end of the data storage element 40 is connected to a source line (ground potential) (not shown) or an arbitrary voltage level (potential).

図3は図2におけるデータ記憶素子の構成を示した断面図である。データ記憶素子40は、可変抵抗42及び電極44を含む。可変抵抗42は、抵抗値の大小によりデータを記憶するもので、電流が流れることにより抵抗値が大きく(例えば、10倍以上)変化する物質からなる。このような物質には、例えばCuOをはじめとする遷移金属酸化物がある。電極44は、容量として電荷を蓄えることによりデータを記憶するもので、例えば銅などの伝導性の高い物質からなる。電極44は可変抵抗42の両端に設けられている。可変抵抗42の周囲は、絶縁部46にて覆われている。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the data storage element in FIG. The data storage element 40 includes a variable resistor 42 and an electrode 44. Variable resistor 42, the magnitude of the resistance value used for storing data, resistance increases when a current flows (e.g., 10 4 times or more) made of varying materials. Such materials include transition metal oxides such as Cu 2 O. The electrode 44 stores data by storing electric charge as a capacitor, and is made of a highly conductive material such as copper. The electrodes 44 are provided at both ends of the variable resistor 42. The periphery of the variable resistor 42 is covered with an insulating portion 46.

表1を参照に、半導体装置100の記憶モードについて説明する。比較例に係る半導体装置100は、3つの記憶モード(NVMモード、RAMモード、MIDモード)を持つ。第1モードである不揮発性のNVMモードは、可変抵抗42を高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかに変化させることによりデータを記憶するもので、可変抵抗42が高抵抗状態(例えば、10Ω)の時に論理“0”、低抵抗状態(例えば、10Ω)の時に論理“1”を記憶する。第2モードである揮発性のRAMモードは、容量である電極44に蓄えられた電荷量によりデータを記憶するもので、容量に電荷が蓄えられていない場合(放電時)に論理“0”、電荷が蓄えられている場合(充電時)に論理“1”を記憶する。第3モードであるMIDモードは、NVMモード及びRAMモードの中間に位置する。MIDモードはNVMモードと同じく可変抵抗42を高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかに変化させることによりデータを記憶するが、MIDモードにおいて可変抵抗42が高抵抗状態である場合の抵抗値はNVMモードにおいて可変抵抗42が高抵抗状態である場合の抵抗値より小さく(例えば、10Ω)、MIDモードにおいて可変抵抗42が低抵抗状態である場合の抵抗値はNVMモードにおいて可変抵抗42が低抵抗状態である場合の抵抗値より大きい(例えば、10Ω)。すなわち、可変抵抗42の高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗値の差は、MIDモードの方がNVMモードよりも小さい。図2を参照に、データ記憶素子40はNVMモード及びMIDモード時には可変抵抗として機能し(図2(a))、RAMモード時には容量として機能する(図2(b))。

Figure 2009259336
With reference to Table 1, the storage mode of the semiconductor device 100 will be described. The semiconductor device 100 according to the comparative example has three storage modes (NVM mode, RAM mode, and MID mode). The nonvolatile NVM mode, which is the first mode, stores data by changing the variable resistor 42 to either the high resistance state or the low resistance state. The variable resistor 42 is in a high resistance state (for example, 10 8). Ω), the logic “0” is stored, and in the low resistance state (for example, 10 2 Ω), the logic “1” is stored. The volatile RAM mode, which is the second mode, stores data based on the amount of charge stored in the electrode 44, which is a capacitor. When no charge is stored in the capacitor (during discharging), the logic "0", When charge is stored (during charging), logic “1” is stored. The MID mode that is the third mode is located between the NVM mode and the RAM mode. In the MID mode, data is stored by changing the variable resistor 42 to either the high resistance state or the low resistance state as in the NVM mode, but the resistance value when the variable resistor 42 is in the high resistance state in the MID mode is NVM. In the mode, the resistance value is smaller than the resistance value when the variable resistance 42 is in the high resistance state (for example, 10 7 Ω), and the resistance value when the variable resistance 42 is in the low resistance state in the MID mode It is larger than the resistance value in the resistance state (for example, 10 3 Ω). That is, the difference in resistance value between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor 42 is smaller in the MID mode than in the NVM mode. Referring to FIG. 2, the data storage element 40 functions as a variable resistor in the NVM mode and the MID mode (FIG. 2A), and functions as a capacitor in the RAM mode (FIG. 2B).

Figure 2009259336

データ記憶素子40は、流れる電流の大きさ及び電圧が印加される時間により、異なる3つのデータ記憶方法を備えた記憶素子として働くことができる。換言すれば、3つの記憶モードの切り替えは、データ記憶素子40に流れる電流及びデータ記憶素子40に電圧を印加する時間を制御することにより行われる。比較例では、制御部30が書き込み回路18、リセット回路20、クランプ回路21、及び入出力回路26の動作を制御することにより、メモリセルMCにおける選択トランジスタ41のゲート及びドレインに印加される電圧を制御する。以下、これについて説明する。   The data storage element 40 can function as a storage element having three different data storage methods depending on the magnitude of the flowing current and the time during which the voltage is applied. In other words, the switching between the three storage modes is performed by controlling the current flowing through the data storage element 40 and the time during which the voltage is applied to the data storage element 40. In the comparative example, the control unit 30 controls the operation of the write circuit 18, the reset circuit 20, the clamp circuit 21, and the input / output circuit 26, so that the voltage applied to the gate and drain of the selection transistor 41 in the memory cell MC is changed. Control. This will be described below.

表2は各記憶モードにおける、データの書き込み及び読み出し動作に対応した、選択トランジスタ41のゲート電圧Vg、ドレイン電圧Vd、及び電圧印加時間の一例を示した表である。電圧印加時間は、例えばデータ記憶素子40に加える電圧パルスのパルス幅を変化させることにより制御することができる。

Figure 2009259336
Table 2 is a table showing an example of the gate voltage Vg, the drain voltage Vd, and the voltage application time of the selection transistor 41 corresponding to the data writing and reading operations in each storage mode. The voltage application time can be controlled, for example, by changing the pulse width of the voltage pulse applied to the data storage element 40.

Figure 2009259336

最初に、NVMモードにおけるデータ書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。図4はデータ記憶素子40の電圧−電流特性を示したグラフである。実線の矢印で示された(a)はデータ記憶素子40内の可変抵抗42が、低抵抗状態から高抵抗状態に移行する場合の電圧−電流特性の変化を、破線の矢印で示された(b)は可変抵抗42が高抵抗状態から低抵抗状態に移行する場合の電圧−電流特性の変化をそれぞれ示す。データ記憶素子40には、可変抵抗42を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるための閾値電圧Vthが存在する。論理“0”を書き込む場合には、閾値電圧Vthより低い電圧を一定時間印加する。これにより、データ記憶素子40には所定時間経過後からほとんど電流が流れなくなり、可変抵抗42は低抵抗状態から高抵抗状態へと移行する(a)。このとき、ゲート電圧Vg=2.5v、ドレイン電圧Vd=1.2V、電圧印加時間S=250nsである(表2)。論理“1”を書き込む場合には、閾値電圧Vthより高い電圧を印加する。これによりデータ記憶素子40に電流が流れ、可変抵抗42は高抵抗状態から低抵抗状態へと移行する(b)。このとき、ゲート電圧Vg=1.2v、ドレイン電圧Vd=4V、電圧印加時間S=100nsである(表2)。可変抵抗42を高抵抗状態にする場合の電圧の印加時間は、可変抵抗42を低抵抗状態にする場合の電圧の印加時間に比べて長い。また、可変抵抗42を高抵抗状態にする場合のゲート電圧Vgは、可変抵抗42を低抵抗状態にする場合のゲート電圧Vgより大きい。   First, voltage conditions for data writing and reading in the NVM mode will be described. FIG. 4 is a graph showing voltage-current characteristics of the data storage element 40. (A) indicated by a solid line arrow indicates a change in voltage-current characteristics when the variable resistor 42 in the data storage element 40 shifts from a low resistance state to a high resistance state (dotted line arrow). b) shows changes in voltage-current characteristics when the variable resistor 42 shifts from the high resistance state to the low resistance state. The data storage element 40 has a threshold voltage Vth for changing the variable resistor 42 from the high resistance state to the low resistance state. When writing logic “0”, a voltage lower than the threshold voltage Vth is applied for a predetermined time. As a result, almost no current flows through the data storage element 40 after a predetermined time has elapsed, and the variable resistor 42 shifts from the low resistance state to the high resistance state (a). At this time, the gate voltage Vg = 2.5 v, the drain voltage Vd = 1.2 V, and the voltage application time S = 250 ns (Table 2). When writing logic “1”, a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied. As a result, a current flows through the data storage element 40, and the variable resistor 42 shifts from the high resistance state to the low resistance state (b). At this time, the gate voltage Vg = 1.2 v, the drain voltage Vd = 4 V, and the voltage application time S = 100 ns (Table 2). The voltage application time when the variable resistor 42 is in the high resistance state is longer than the voltage application time when the variable resistor 42 is in the low resistance state. Further, the gate voltage Vg when the variable resistor 42 is set to the high resistance state is larger than the gate voltage Vg when the variable resistor 42 is set to the low resistance state.

NVMモードにおけるデータの読み出し時には、データ記憶素子40に対し閾値電圧Vthより小さく、かつ可変抵抗42を高抵抗状態にする場合の電圧より小さい電圧を加える。これにより、可変抵抗42が低抵抗状態の場合は電流が流れ、高抵抗状態の場合は電流が流れないので、論理“0”及び“1”を判別することができる。これについては後段で詳述する。このとき、ゲート電圧Vg=1.0v、ドレイン電圧Vd=Vclmpである。   At the time of reading data in the NVM mode, a voltage smaller than the threshold voltage Vth and smaller than the voltage for setting the variable resistor 42 to the high resistance state is applied to the data storage element 40. As a result, when the variable resistor 42 is in the low resistance state, current flows, and when the variable resistance 42 is in the high resistance state, current does not flow, so that logic “0” and “1” can be determined. This will be described in detail later. At this time, the gate voltage Vg = 1.0 v and the drain voltage Vd = Vclmp.

次に、RAMモードにおけるデータ書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。表2を参照に、RAMモード時は選択トランジスタ41のゲート電圧は常にVg=2.5Vである。これは、NVMモードにおいて可変抵抗42を高抵抗状態にする場合の電圧条件と同一である。すなわち、RAMモード時には可変抵抗42は高抵抗状態に維持される。論理“0”を書き込む場合には、データ記憶素子40に低電圧(例えば、接地電位Vss)を印加することにより、電極44に蓄えられた電荷を放電させる。このとき、ドレイン電圧Vd=0V、電圧印加時間S=10nsである。論理“1”を書き込む場合には、データ記憶素子40に高電圧を印加することにより、電極44に電荷を充電する。このとき、ドレイン電圧Vd=1.2V、電圧印加時間S=10nsである。RAMモードでは、電極44への電荷の出し入れが行われるのみで、可変抵抗42の状態変化は起こらない。このため、NVMモードにおける電圧印加時間は、RAMモードにおける電圧印加時間より長くなっている。また、電極44に印加される電圧の大きさは、データ記憶素子40の閾値電圧より小さい。   Next, voltage conditions for data writing and reading in the RAM mode will be described. Referring to Table 2, in the RAM mode, the gate voltage of the selection transistor 41 is always Vg = 2.5V. This is the same as the voltage condition when the variable resistor 42 is set to the high resistance state in the NVM mode. That is, in the RAM mode, the variable resistor 42 is maintained in a high resistance state. When writing logic “0”, a low voltage (for example, ground potential Vss) is applied to the data storage element 40 to discharge the charge stored in the electrode 44. At this time, the drain voltage Vd = 0V and the voltage application time S = 10 ns. When writing logic “1”, the electrode 44 is charged by applying a high voltage to the data storage element 40. At this time, the drain voltage Vd = 1.2 V and the voltage application time S = 10 ns. In the RAM mode, only the charge is taken in and out of the electrode 44, and the state of the variable resistor 42 does not change. For this reason, the voltage application time in the NVM mode is longer than the voltage application time in the RAM mode. The voltage applied to the electrode 44 is smaller than the threshold voltage of the data storage element 40.

RAMモードにおけるデータの読み出し時には、データ記憶素子40に対しデータ読み出し用のリファレンス電圧Vrefを加える。読み出し動作については後段で詳述する。   When reading data in the RAM mode, a data read reference voltage Vref is applied to the data storage element 40. The read operation will be described in detail later.

次に、MIDモードにおけるデータ書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。表2を参照に、MIDモード時の選択トランジスタ41のゲート電圧Vg及びドレイン電圧Vdの大きさは、NVMモード時と同一であり、電圧の印加時間のみが異なる。MIDモードにおけるデータ書き込み時の電圧印加時間はs=50nsである。これは、RAMモードにおけるデータ書き込み時の電圧印加時間より長く、NVMモードにおけるデータ書き込み時の電圧印加時間より短い。MIDモードにおけるデータ読み出し時の電圧条件は、NVMモード時と同じである。   Next, voltage conditions for data writing and reading in the MID mode will be described. Referring to Table 2, the gate voltage Vg and drain voltage Vd of the select transistor 41 in the MID mode are the same as those in the NVM mode, and only the voltage application time is different. The voltage application time at the time of data writing in the MID mode is s = 50 ns. This is longer than the voltage application time at the time of data writing in the RAM mode and shorter than the voltage application time at the time of data writing in the NVM mode. The voltage condition at the time of data reading in the MID mode is the same as that in the NVM mode.

NVMモードにおけるデータ書き込み時に、データ記憶素子40に印加する電圧を第1電圧、RAMモードにおけるデータ書き込み時に、データ記憶素子40に印加する電圧を第2電圧、MIDモードにおけるデータ書き込み時に、データ記憶素子40に印加する電圧を第3電圧とする。このとき、第1電圧を印加する時間が最も長く、続いて第3電圧、第2電圧の順に印加時間が短くなっていく。   When writing data in the NVM mode, the voltage applied to the data storage element 40 is the first voltage. When writing data in the RAM mode, the voltage applied to the data storage element 40 is the second voltage. When writing data in the MID mode, the data storage element. The voltage applied to 40 is the third voltage. At this time, the application time of the first voltage is the longest, and then the application time becomes shorter in the order of the third voltage and the second voltage.

表3は各記憶モードにおけるデータ記憶素子40の特性を示したものである。括弧内の数値は一例であり、本発明に係るデータ記憶素子の特性はこれに限定されるものではない。NVMモードはデータの保持時間が長い(例えば、10年)反面アクセス速度が遅く(例えば、300ナノ秒)、従来の不揮発性の半導体メモリ(PRAM等)に近い性質を示す。RAMモードはアクセス速度が速い(例えば、50ナノ秒)反面データ保持時間が短く(例えば、1秒)、従来の揮発性の半導体メモリ(DRAM等)に近い性質を示す。データを長時間保持するためには、一定時間ごとにリフレッシュを行う必要がある。MIDモードはデータの保持時間(例えば、1日)、アクセス速度(例えば、70ナノ秒)共にNVMモードとRAMモードの中間の値を持つ。RAMモードと同様にリフレッシュを行うことで、データの保持時間を長くすることができる。また、NVMモード及びMIDモードへのデータの書き込みは可変抵抗42の状態変化を伴い、データ記憶素子40にダメージを与えるためデータの書き換え回数に制限がある(例えば、NVMモードは10000回、MIDモードは100000回)。RAMモードは電極44への電荷の出し入れのみが行われ、データ記憶素子40へのダメージが少ないため、実質的に無限に書き換えを行うことができる。

Figure 2009259336
Table 3 shows the characteristics of the data storage element 40 in each storage mode. The numerical values in parentheses are examples, and the characteristics of the data storage element according to the present invention are not limited thereto. The NVM mode has a long data retention time (for example, 10 years), but has a low access speed (for example, 300 nanoseconds) and is close to that of a conventional nonvolatile semiconductor memory (such as PRAM). The RAM mode has a high access speed (for example, 50 nanoseconds), but has a short data retention time (for example, 1 second), and is close to that of a conventional volatile semiconductor memory (DRAM or the like). In order to retain data for a long time, it is necessary to perform refreshing at regular intervals. In the MID mode, the data retention time (for example, one day) and the access speed (for example, 70 nanoseconds) have intermediate values between the NVM mode and the RAM mode. By performing refresh in the same manner as in the RAM mode, the data retention time can be extended. In addition, the writing of data to the NVM mode and the MID mode is accompanied by a change in the state of the variable resistor 42, and the data storage element 40 is damaged, so the number of data rewrites is limited (for example, the NVM mode is 10,000 times, the MID mode Is 100,000 times). In the RAM mode, only charges are taken in and out of the electrode 44 and damage to the data storage element 40 is small, so that rewriting can be performed virtually infinitely.

Figure 2009259336

次に、半導体装置100のデータ書き込みに関する具体的な回路構成及び動作について説明する。図5は図1におけるロウデコーダ12の構成を示した回路図である。斜線のあるトランジスタ53〜55はpMOSトランジスタであり、それぞれのゲート端子への入力Axx〜Cxxに応じて、それぞれのソース端子に印加された電圧Vx1〜Vx3を選択する。pMOSトランジスタ53〜55のドレイン端子は、ワードラインWLを介して選択トランジスタ41のゲート端子に接続されており、電圧Vx1〜Vx3の中から選択された電圧が、選択トランジスタ41のゲート電圧Vgとして印加される。表2を参照に、Vx1=2.5Vであり、NVMモード及びMIDモードの論理“0”書き込み時、及びRAMモード時に選択される。Vx2=1.2Vであり、NVMモード及びMIDモードの論理“1”書き込み時に選択される。Vx3=1.0Vであり、NVMモード及びMIDモードのデータ読み出し時に選択される。NANDゲート50には、ワードライン選択のためのアドレス信号A#x/zと、選択トランジスタ41のゲート電圧Vgの立ち上げ及び立ち下げをコントロールするタイミング信号Timxpzが入力される。アドレス信号A#x/zがH(ハイ)レベルの時、タイミング信号Timxpzに応じて電圧Vx1〜Vx3のいずれかが、インバータ52を介してワードラインWLに印加される。   Next, a specific circuit configuration and operation regarding data writing of the semiconductor device 100 will be described. FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of the row decoder 12 in FIG. The hatched transistors 53 to 55 are pMOS transistors, and select voltages Vx1 to Vx3 applied to the respective source terminals according to the inputs Axx to Cxx to the respective gate terminals. The drain terminals of the pMOS transistors 53 to 55 are connected to the gate terminal of the selection transistor 41 via the word line WL, and a voltage selected from the voltages Vx1 to Vx3 is applied as the gate voltage Vg of the selection transistor 41. Is done. Referring to Table 2, Vx1 = 2.5V, which is selected when writing logic “0” in the NVM mode and the MID mode, and in the RAM mode. Vx2 = 1.2V, which is selected when writing logic “1” in the NVM mode and the MID mode. Vx3 = 1.0 V, which is selected when reading data in the NVM mode and the MID mode. The NAND gate 50 receives an address signal A # x / z for selecting a word line and a timing signal Timxpz for controlling the rise and fall of the gate voltage Vg of the selection transistor 41. When the address signal A # x / z is at the H (high) level, any one of the voltages Vx1 to Vx3 is applied to the word line WL via the inverter 52 in accordance with the timing signal Timxpz.

図6は図1におけるカラムデコーダ14の構成を示した回路図である。NANDゲート56には、ビットライン選択のためのアドレス信号A#x/zと、選択トランジスタ41のドレイン電圧Vdの立ち上げ及び立ち下げをコントロールするタイミング信号Timypzが入力される。インバータ58はNANDゲート56の出力を反転させる。アドレス信号A#x/zがH(ハイ)レベルの時、タイミング信号Timypzに応じて、制御信号Timypzbが書き込み回路18へと出力される。ここで、カラムデコーダ14はアクセス対象となるメモリセルMCが接続された1本のビットラインと、それに対応した1本のビットラインとからなるビットライン対を選択する。ビットライン対を構成する2本のビットラインのうち、ドレイン電圧Vdを印加する1本のビットラインは、後述するビットライン選択部62(図8)において選択される。   FIG. 6 is a circuit diagram showing the configuration of the column decoder 14 in FIG. The NAND gate 56 receives an address signal A # x / z for bit line selection and a timing signal Timepz that controls the rise and fall of the drain voltage Vd of the selection transistor 41. Inverter 58 inverts the output of NAND gate 56. When the address signal A # x / z is at the H (high) level, the control signal Timepzb is output to the write circuit 18 according to the timing signal Timepz. Here, the column decoder 14 selects a bit line pair consisting of one bit line to which the memory cell MC to be accessed is connected and one bit line corresponding thereto. Of the two bit lines constituting the bit line pair, one bit line to which the drain voltage Vd is applied is selected by a bit line selection unit 62 (FIG. 8) described later.

図7は図1における書き込み回路18の構成を示した回路図である。書き込み回路18は、電圧選択部60及びビットライン選択部62を備えている。電圧選択部60内のpMOSトランジスタ66〜68は、それぞれのソース端子に電圧Vy1、Vy2,及びVclmpが印加されている。pMOSトランジスタ66〜68のドレイン端子は、ビットライン選択部62及びビットラインBLを介して選択トランジスタ41のドレイン端子に接続されており、電圧Vy1、Vy2、及びVclmpの中から選択された電圧が、選択トランジスタ41のドレイン電圧Vdとして印加される。表2を参照に、Vy1=4Vであり、NVMモード及びMIDモードの論理“1”書き込み時に選択される。Vy2=1.2Vであり、NVMモード及びMIDモードの論理“0”書き込み時、及びRAMモードの充電時に選択される。Vclmp=0.8Vであり、NVMモード及びMIDモードのデータ読み出し時に選択される。   FIG. 7 is a circuit diagram showing the configuration of the write circuit 18 in FIG. The write circuit 18 includes a voltage selection unit 60 and a bit line selection unit 62. In the pMOS transistors 66 to 68 in the voltage selection unit 60, voltages Vy1, Vy2, and Vclmp are applied to their source terminals. The drain terminals of the pMOS transistors 66 to 68 are connected to the drain terminal of the selection transistor 41 via the bit line selection unit 62 and the bit line BL, and the voltage selected from the voltages Vy1, Vy2, and Vclmp is The drain voltage Vd of the selection transistor 41 is applied. Referring to Table 2, Vy1 = 4V, which is selected when writing logic “1” in the NVM mode and the MID mode. Vy2 = 1.2V, and is selected when writing logic “0” in the NVM mode and the MID mode, and charging in the RAM mode. Vclmp = 0.8 V, which is selected when reading data in the NVM mode and the MID mode.

NANDゲート64には、信号RAMzがインバータ63により反転されて入力されると共に、データ記憶素子40に記憶される論理値に対応した信号DATAzが入力される。RAMモード時には、信号RAMzがHレベルとなり、NANDゲート64の出力は常にHレベルとなる。NANDゲート64の出力はインバータ65により反転されてトランジスタ67のゲート端子に入力される。これにより、トランジスタ67がONとなり電圧Vy2が選択される。NVMモード及びMIDモード時はRAMzがLレベルとなり、信号DATAzに応じて電圧が選択される。すなわち、信号DATAzがLレベルの場合(論理“0”書き込み時)はNANDゲート64の出力はHレベルとなり、RAMモードの場合と同じくトランジスタ67がONとなり、電圧Vy2が選択される。信号DATAzがHレベルの場合(論理“1”書き込み時)はNANDゲート64の出力がLレベルとなり、トランジスタ66がONとなり、電圧Vy1が選択される。   The NAND gate 64 receives the signal RAMz inverted by the inverter 63 and receives the signal DATAz corresponding to the logical value stored in the data storage element 40. In the RAM mode, the signal RAMz is at H level, and the output of the NAND gate 64 is always at H level. The output of the NAND gate 64 is inverted by the inverter 65 and input to the gate terminal of the transistor 67. Thereby, the transistor 67 is turned on and the voltage Vy2 is selected. In the NVM mode and the MID mode, RAMz becomes L level, and a voltage is selected according to the signal DATAz. That is, when the signal DATAz is at L level (when logic “0” is written), the output of the NAND gate 64 is at H level, the transistor 67 is turned on as in the RAM mode, and the voltage Vy2 is selected. When the signal DATAz is at H level (when logic “1” is written), the output of the NAND gate 64 becomes L level, the transistor 66 is turned on, and the voltage Vy1 is selected.

比較例に係る半導体装置100は、第1ビットラインBLz及び第1ビットラインBLxからなるビットライン対を備え、それぞれのビットラインにはメモリセルMCが交互に配置されている。そのため、NVMモード時とRAMモード時とで、ドレイン電圧Vdを印加すべきビットラインの選択方法が異なる。以下、これについて説明する。   The semiconductor device 100 according to the comparative example includes a bit line pair including a first bit line BLz and a first bit line BLx, and memory cells MC are alternately arranged on each bit line. Therefore, the selection method of the bit line to which the drain voltage Vd is to be applied differs between the NVM mode and the RAM mode. This will be described below.

図8は図7におけるビットライン選択部62、及び図1におけるメモリセルアレイ10の一部の構成を示した回路図である。図8(a)はNVMモード及びMIDモードに、図8(b)はRAMモードにそれぞれ対応している。ビットライン選択部62は、インバータ70〜72、NANDゲート73、パスゲート74及び75から構成される。インバータ70及び71には、電圧選択部60において選択されたドレイン電圧Vdが印加されている。パスゲート74には第1ビットラインBLzが、パスゲート75には第2ビットラインBLxがそれぞれ接続されている。第1ビットラインBLzには第1データ記憶素子を有する第1メモリセルMCzが、第2ビットラインBLxには第2データ記憶素子を有する第2メモリセルMCxがそれぞれ接続されている。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of a part of the bit line selection unit 62 in FIG. 7 and the memory cell array 10 in FIG. 8A corresponds to the NVM mode and the MID mode, and FIG. 8B corresponds to the RAM mode. The bit line selection unit 62 includes inverters 70 to 72, a NAND gate 73, and pass gates 74 and 75. The drain voltage Vd selected by the voltage selection unit 60 is applied to the inverters 70 and 71. The pass gate 74 is connected to the first bit line BLz, and the pass gate 75 is connected to the second bit line BLx. A first memory cell MCz having a first data storage element is connected to the first bit line BLz, and a second memory cell MCx having a second data storage element is connected to the second bit line BLx.

図8(a)を参照に、NVMモードまたはMIDモードの場合、NANDゲート73に入力される信号NVMzがHレベルとなり、カラムデコーダ14(図6)から入力されるタイミング信号Timypzbに応じて、パスゲート74及び75がONまたはOFFに切り替わる。また、インバータ70に入力される信号Ya0zは、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxからなるビットライン対のうち、データ書き込みの対象となるメモリセルが接続されたビットラインを選択するアドレス信号である。   Referring to FIG. 8A, in the NVM mode or the MID mode, the signal NVMz input to the NAND gate 73 becomes H level, and the pass gate is set according to the timing signal Timepzb input from the column decoder 14 (FIG. 6). 74 and 75 are switched ON or OFF. The signal Ya0z input to the inverter 70 is an address signal for selecting a bit line to which a memory cell to which data is to be written is connected from among a bit line pair including the first bit line BLz and the second bit line BLx. It is.

図8(b)を参照に、RAMモードの場合、NANDゲート73に入力される信号RAMzがHレベルとなり、カラムデコーダ14(図6)から入力されるタイミング信号Timypzbに応じて、パスゲート74及び75がONまたはOFFに切り替わる。また、インバータ70に入力される信号DATAzは、メモリセルに対し書き込まれるデータの論理値である。ここで、論理ハイは表1における論理“1”に対応し、論理ローは表1における論理“0”に対応するものとする。   Referring to FIG. 8B, in the RAM mode, the signal RAMz input to the NAND gate 73 becomes H level, and the pass gates 74 and 75 according to the timing signal Timepzb input from the column decoder 14 (FIG. 6). Switches to ON or OFF. The signal DATAz input to the inverter 70 is a logical value of data written to the memory cell. Here, a logic high corresponds to a logic “1” in Table 1, and a logic low corresponds to a logic “0” in Table 1.

図9は半導体装置100のデータ書き込み時における制御の流れを示したフローチャートである。まずステップS10において制御部30が、半導体装置100の記憶モードを判定する。NVMモード及びMIDモードの場合はステップS11へ、RAMモードの場合はステップS15へとそれぞれ進む。   FIG. 9 is a flowchart showing a flow of control when the semiconductor device 100 writes data. First, in step S <b> 10, the control unit 30 determines the storage mode of the semiconductor device 100. In the case of the NVM mode and the MID mode, the process proceeds to step S11, and in the case of the RAM mode, the process proceeds to step S15.

NVMモードまたはMIDモードの場合、書き込み対象となるデータ記憶素子40を有するメモリセルMCの位置に応じて、書込電圧を印加すべきビットラインを選択する。まず制御部30が、書き込み対象となるメモリセルMCの判定を行う(ステップS11)。第1メモリセルMCz内の第1データ記憶素子に書き込みを行う場合には、制御部30が第1ビットラインBLzを選択する。このとき、信号Ya0zがHレベルとなり第1ビットラインBLzがH(ハイ)レベルに、第2ビットラインBLxがHレベルより低い電圧レベル(例えば、電源電圧Vccの半分)にそれぞれ設定される(ステップS12)。第2メモリセルMCx内の第2データ記憶素子に書き込みを行う場合には、制御部30が第2ビットラインBLxを選択する。このとき、信号Ya0zはLレベルとなり第2ビットラインBLxがHレベルに、第1ビットラインBLzがHレベルより低い電圧レベルにそれぞれ設定される(ステップS13)。   In the NVM mode or MID mode, the bit line to which the write voltage is to be applied is selected according to the position of the memory cell MC having the data storage element 40 to be written. First, the control unit 30 determines a memory cell MC to be written (step S11). When writing to the first data storage element in the first memory cell MCz, the control unit 30 selects the first bit line BLz. At this time, the signal Ya0z becomes H level, the first bit line BLz is set to H (high) level, and the second bit line BLx is set to a voltage level lower than the H level (for example, half of the power supply voltage Vcc) (step). S12). When writing to the second data storage element in the second memory cell MCx, the control unit 30 selects the second bit line BLx. At this time, the signal Ya0z becomes L level, the second bit line BLx is set to H level, and the first bit line BLz is set to voltage level lower than H level (step S13).

次に制御部30が、書き込み回路18を制御することにより、ステップS12またはS13においてHレベルに設定されたビットラインに対し書き込み電圧を印加し、データの書き込みを行う(ステップS14)。ビットラインに対し印加される書き込み電圧は、電圧選択部60(図7)において選択されたドレイン電圧Vdであり、データ記憶素子40内の可変抵抗42を高抵抗状態または低抵抗状態のいずれかに変化させるためのものである。   Next, the control unit 30 controls the write circuit 18 to apply a write voltage to the bit line set to H level in step S12 or S13 and write data (step S14). The write voltage applied to the bit line is the drain voltage Vd selected by the voltage selector 60 (FIG. 7), and the variable resistor 42 in the data storage element 40 is set to either the high resistance state or the low resistance state. It is for changing.

図9を参照に、ステップS10においてRAMモードと判定された場合は、メモリセルMC内のデータ記憶素子40に記憶される論理値に応じて、書込電圧を印加すべきビットラインを選択する。まず制御部30が、メモリセルMCに書き込まれるデータの論理値を判定する(ステップS15)。論理“1”(論理ハイ)を書き込む場合には、制御部30が第1ビットラインを選択する。このとき、信号DATAzがHレベルとなり第1ビットラインBLzがHレベルに、第2ビットラインBLxがLレベルにそれぞれ設定される(ステップS16)。論理“0” (論理ロー)を書き込む場合には、制御部30が第2ビットラインを選択する(ステップS17)。このとき、信号DATAzがLレベルとなり第1ビットラインBLzがLレベルに、第2ビットラインBLxがHレベルにそれぞれ設定される(ステップS17)。   Referring to FIG. 9, when the RAM mode is determined in step S10, a bit line to which a write voltage is to be applied is selected according to the logical value stored in data storage element 40 in memory cell MC. First, the control unit 30 determines the logical value of data written to the memory cell MC (step S15). When writing logic “1” (logic high), the control unit 30 selects the first bit line. At this time, the signal DATAz becomes H level, the first bit line BLz is set to H level, and the second bit line BLx is set to L level (step S16). When writing logic “0” (logic low), the control unit 30 selects the second bit line (step S17). At this time, the signal DATAz becomes L level, the first bit line BLz is set to L level, and the second bit line BLx is set to H level (step S17).

次に制御部30が、書き込み回路18を制御することにより、ステップS16またはS17においてHレベルに設定されたビットラインに対し、データ記憶素子40内の電極44に電荷を充電するための電圧を印加し、データの書き込みを行う(ステップS18)。Hレベルに設定されたビットラインに対し印加される書き込み電圧は、電圧選択部60(図7)において選択されたドレイン電圧Vdである。また、制御部30は同時に、Lレベルに設定されたビットラインに対し、データ記憶素子内の電極44から電荷を放電させるための電圧(例えばVss)を印加する。以上により、データ記憶素子40へのデータの書き込みが完了する。   Next, the control unit 30 controls the writing circuit 18 to apply a voltage for charging the electrode 44 in the data storage element 40 to the bit line set to the H level in step S16 or S17. Then, data is written (step S18). The write voltage applied to the bit line set at the H level is the drain voltage Vd selected by the voltage selection unit 60 (FIG. 7). At the same time, the control unit 30 applies a voltage (for example, Vss) for discharging charges from the electrode 44 in the data storage element to the bit line set to the L level. Thus, the writing of data to the data storage element 40 is completed.

RAMモードにおいては書き込み対象となるメモリセルMCがどちらのビットラインに接続されているかに関係なく、メモリセルMCに記憶される論理値に応じてドレイン電圧Vdを印加すべきビットラインを選択する。このため、メモリセルMCに記憶される論理値(以下、外部の論理)と、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の状態を示す論理値(表1参照、以下、内部の論理)は必ずしも一致しない。以下、これについて説明する。   In the RAM mode, the bit line to which the drain voltage Vd is to be applied is selected according to the logical value stored in the memory cell MC, regardless of which bit line the memory cell MC to be written is connected to. For this reason, the logical value stored in the memory cell MC (hereinafter, external logic) and the logical value indicating the state of the data storage element 40 in the memory cell MC (see Table 1, hereinafter, internal logic) are not necessarily the same. do not do. This will be described below.

例えば、第1メモリセルMCzに論理“1”を記憶する場合(外部の論理=1)、信号DATAzはHレベルとなり、第1ビットラインBLzがHレベルに設定されるため、第1メモリセルMCzは充電される(内部の論理=1)。第1メモリセルMCzに論理“0”を記憶する場合(外部の論理=0)、信号DATAzはLレベルとなり、第1ビットラインBLzがLレベルに設定されるため、第1メモリセルMCzは放電する(内部の論理=0)。このように、第1メモリセルMCzにおいては、外部の論理と内部の論理とが等しくなる。   For example, when logic “1” is stored in the first memory cell MCz (external logic = 1), the signal DATAz becomes H level and the first bit line BLz is set to H level, so that the first memory cell MCz Is charged (internal logic = 1). When logic “0” is stored in the first memory cell MCz (external logic = 0), the signal DATAz becomes L level and the first bit line BLz is set to L level, so that the first memory cell MCz is discharged. (Internal logic = 0). Thus, in the first memory cell MCz, the external logic and the internal logic are equal.

一方、第2メモリセルMCxに論理“1”を記憶する場合(外部の論理=1)、DATAzはHレベルとなり、第1ビットラインBLzがHレベルに設定される。このとき、第2ビットラインBLxはLレベルに設定されるため、第2ビットラインBLxに接続された第2メモリセルMCxは放電する(内部の論理=0)。第2メモリセルMCxに論理“0”を記憶する場合(外部の論理=0)、DATAzはLレベルとなり、第1ビットラインBLzがLレベルに設定される。このとき、第2ビットラインBLxはHレベルに設定されるため、第2ビットラインBLxに接続された第2メモリセルMCxは充電される(内部の論理=1)。このように、第2メモリセルMCxにおいては、外部の論理と内部の論理とが逆になる。しかし、後述するように第2メモリセルMCxからのデータ読み出しの際には、論理値を逆転させて読み出しを行うため、それぞれのメモリセルからデータを正しく読み出すことが可能である。   On the other hand, when logic “1” is stored in the second memory cell MCx (external logic = 1), DATAz is at H level, and the first bit line BLz is set at H level. At this time, since the second bit line BLx is set to the L level, the second memory cell MCx connected to the second bit line BLx is discharged (internal logic = 0). When logic “0” is stored in the second memory cell MCx (external logic = 0), DATAz becomes L level, and the first bit line BLz is set to L level. At this time, since the second bit line BLx is set to the H level, the second memory cell MCx connected to the second bit line BLx is charged (internal logic = 1). Thus, in the second memory cell MCx, the external logic and the internal logic are reversed. However, as will be described later, when data is read from the second memory cell MCx, the data is read by reversing the logical value, so that data can be read correctly from each memory cell.

NVMモードとMIDモードは共に可変抵抗42の抵抗値によりデータを記憶するため、データの書き込みに際しては共通の回路(図6〜図8)を用いることができる。制御部30は、選択トランジスタ41のゲート電圧Vg、及びドレイン電圧Vdをコントロールするタイミング信号Timxpz及びTimypzを制御することにより、メモリセルに対する電圧印加時間を制御し、NVMモード、RAMモード、及びMIDモードの切り替えを行うことができる。   Since both the NVM mode and the MID mode store data according to the resistance value of the variable resistor 42, a common circuit (FIGS. 6 to 8) can be used for writing data. The control unit 30 controls the voltage application time to the memory cell by controlling the timing signals Timxpz and Timepz that control the gate voltage Vg and the drain voltage Vd of the selection transistor 41, and the NVM mode, the RAM mode, and the MID mode. Can be switched.

次に、半導体装置100のデータ読み出しに関する具体的な回路構成及び動作について説明する。図10は図1におけるメモリセルアレイ10、リセット回路20、及び検出回路であるセンスアンプ22の構成を示した回路図である。第1ビットラインBLzには第1メモリセルMCzが接続されており、第1メモリセルMCzに記憶されたデータが読み出される。第2ビットラインBLxには第2メモリセルMCxが接続されており、第2メモリセルMCxに記憶されたデータが読み出される。   Next, a specific circuit configuration and operation regarding data reading of the semiconductor device 100 will be described. FIG. 10 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell array 10, the reset circuit 20, and the sense amplifier 22 as a detection circuit in FIG. A first memory cell MCz is connected to the first bit line BLz, and data stored in the first memory cell MCz is read out. A second memory cell MCx is connected to the second bit line BLx, and data stored in the second memory cell MCx is read out.

リセット回路20は第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxの間に設けられている。リセット回路20内のトランジスタ84は、リセット信号BRSzに応じて第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxをショートさせる。トランジスタ86及び88は、リセット信号BRSzに応じて第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxに対しリファレンス電圧Vrefを供給する。   The reset circuit 20 is provided between the first bit line BLz and the second bit line BLx. The transistor 84 in the reset circuit 20 shorts the first bit line BLz and the second bit line BLx according to the reset signal BRSz. The transistors 86 and 88 supply the reference voltage Vref to the first bit line BLz and the second bit line BLx according to the reset signal BRSz.

センスアンプ22は第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxの間に設けられており、インバータ80及び82からなるインバータ・ペアを含む。インバータ80及び82には、センスアンプドライバ24より電源電圧Vcc及び接地電圧Vssが供給されている。センスアンプ22は、ラッチ信号LEz(不図示)に応じて両ビットライン間の電位差を増幅する。リファレンス電圧Vrefは、電源電圧Vccの半分の大きさであることが好ましい。比較例では、Vcc=1.2V、Vref=0.6Vである。   The sense amplifier 22 is provided between the first bit line BLz and the second bit line BLx, and includes an inverter pair including inverters 80 and 82. The inverters 80 and 82 are supplied with a power supply voltage Vcc and a ground voltage Vss from the sense amplifier driver 24. The sense amplifier 22 amplifies a potential difference between both bit lines in accordance with a latch signal LEz (not shown). The reference voltage Vref is preferably half the power supply voltage Vcc. In the comparative example, Vcc = 1.2V and Vref = 0.6V.

図11は図1におけるクランプ回路21の構成を示した回路図である。クランプ回路21は、NANDゲート90及び91、インバータ92及び93、pMOSトランジスタ94及び95からなる。pMOSトランジスタ94及び95のソース端子は、図7における電圧選択部60の出力Vdと接続されている。データ読み出し時には、電圧選択部60内のpMOSトランジスタ68がONとなり、データ読み出しのためのクランプ電圧Vclmpが出力Vdとして選択される。クランプ電圧Vclmpは、リファレンス電圧Vrefより高く、比較例においてはVclmp=0.8Vである。   FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of the clamp circuit 21 in FIG. The clamp circuit 21 includes NAND gates 90 and 91, inverters 92 and 93, and pMOS transistors 94 and 95. The source terminals of the pMOS transistors 94 and 95 are connected to the output Vd of the voltage selection unit 60 in FIG. At the time of data reading, the pMOS transistor 68 in the voltage selection unit 60 is turned on, and the clamp voltage Vclmp for data reading is selected as the output Vd. The clamp voltage Vclmp is higher than the reference voltage Vref, and in the comparative example, Vclmp = 0.8V.

NANDゲート90及び91に入力されるクランプ信号clmpzは、クランプ回路21を作動させるための信号であり、NVMモードまたはMIDモードのデータ読み出し時にHレベルに設定される。インバータ92に入力されるアドレス信号Ya0zは、図10における第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxからなるビットライン対の中から、クランプ電圧Vclmpを印加すべきビットラインを選択する信号である。クランプ信号clmpzがHレベルの場合、アドレス信号Ya0zに応じて、クランプ電圧Vclmpが印加されるビットラインが選択される。すなわち、第1メモリセルMCzからデータの読み出しを行う場合は、信号Ya0zがHレベルとなりpMOSトランジスタ94がONとなるため、第1ビットラインBLzに対しクランプ電圧Vclmpが印加される。第2メモリセルMCxからデータの読み出しを行う場合には、信号Ya0zはLレベルとなりpMOSトランジスタ95がONとなるため、第2ビットラインBLxに対しクランプ電圧Vclmpが印加される。   The clamp signal clmpz input to the NAND gates 90 and 91 is a signal for operating the clamp circuit 21, and is set to the H level when reading data in the NVM mode or the MID mode. The address signal Ya0z input to the inverter 92 is a signal for selecting a bit line to which the clamp voltage Vclmp is to be applied from the bit line pair including the first bit line BLz and the second bit line BLx in FIG. When the clamp signal clmpz is at the H level, the bit line to which the clamp voltage Vclmp is applied is selected according to the address signal Ya0z. That is, when data is read from the first memory cell MCz, the signal Ya0z becomes H level and the pMOS transistor 94 is turned on, so that the clamp voltage Vclmp is applied to the first bit line BLz. When reading data from the second memory cell MCx, the signal Ya0z becomes L level and the pMOS transistor 95 is turned on, so that the clamp voltage Vclmp is applied to the second bit line BLx.

図12は図1におけるセンスアンプドライバ24の構成を示した回路図である。pMOSトランジスタ97のソース端子には、電源電圧Vccが印加されており、nMOSトランジスタ98のソース端子には、接地電圧Vssが印加されている。pMOSトランジスタ97のドレイン端子PSAはセンスアンプ22のPチャネル側に、nMOSトランジスタ98のドレイン端子NSAはセンスアンプ22のNチャネル側にそれぞれ接続されている。インバータ96は、ラッチ信号LEzをpMOSトランジスタ97のゲート端子に反転して入力する。ラッチ信号LEzがHレベルに設定されると、pMOSトランジスタ97及びnMOSトランジスタ98はそれぞれONになり、端子PSAには電源電圧Vccが、端子NSAには接地電圧Vssがそれぞれ供給される。   FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of sense amplifier driver 24 in FIG. A power supply voltage Vcc is applied to the source terminal of the pMOS transistor 97, and a ground voltage Vss is applied to the source terminal of the nMOS transistor 98. The drain terminal PSA of the pMOS transistor 97 is connected to the P channel side of the sense amplifier 22, and the drain terminal NSA of the nMOS transistor 98 is connected to the N channel side of the sense amplifier 22. The inverter 96 inverts and inputs the latch signal LEz to the gate terminal of the pMOS transistor 97. When the latch signal LEz is set to the H level, the pMOS transistor 97 and the nMOS transistor 98 are turned on, respectively, and the power supply voltage Vcc is supplied to the terminal PSA and the ground voltage Vss is supplied to the terminal NSA.

図13は半導体装置100のデータ読み出し時における制御の流れを示したフローチャートである。まず、データ読み出しを行う前に制御部30が、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxにリファレンス電圧Vrefを印加する(ステップS30)。図10を参照に、このときリセット回路20にリセット信号BRSzが供給され、トランジスタ84がONとなることで第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxがショートされる。後述するように、データの読み出し後はビットライン対のうち1つが電源電圧Vccに、残りの1つが接地電圧Vssとなるため、両者をショートさせることでビットラインの電圧をリファレンス電圧Vref(=Vcc/2)付近に制御することができる。これにより、回路の消費電力を抑制することができる。また、同時にリセット信号BRSzによりトランジスタ86及び88がONとなることで、ビットラインにリファレンス電圧Vrefが供給される。これにより、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxがリファレンス電圧Vrefに正確に設定される。   FIG. 13 is a flowchart showing a control flow when the semiconductor device 100 reads data. First, before performing data reading, the controller 30 applies the reference voltage Vref to the first bit line BLz and the second bit line BLx (step S30). Referring to FIG. 10, at this time, the reset signal BRSz is supplied to the reset circuit 20, and the transistor 84 is turned on, whereby the first bit line BLz and the second bit line BLx are short-circuited. As will be described later, after the data is read out, one of the bit line pairs becomes the power supply voltage Vcc and the other one becomes the ground voltage Vss. Therefore, by short-circuiting them, the voltage of the bit line is set to the reference voltage Vref (= Vcc / 2) It can be controlled in the vicinity. Thereby, the power consumption of the circuit can be suppressed. At the same time, the transistors 86 and 88 are turned on by the reset signal BRSz, whereby the reference voltage Vref is supplied to the bit line. As a result, the first bit line BLz and the second bit line BLx are accurately set to the reference voltage Vref.

次にステップS32において、制御部30が記憶モードの判定を行う。NVMモード及びMIDモードの場合はステップS34へ、RAMモードの場合はステップS50へと進む。   Next, in step S32, the control unit 30 determines the storage mode. In the case of the NVM mode and the MID mode, the process proceeds to step S34, and in the case of the RAM mode, the process proceeds to step S50.

NVMモードまたはMIDモードの場合、制御部30がデータの読み出し対象となるメモリセルの判定を行う(ステップS34)。ここで制御部30は、第1メモリセルMCzから読み出しを行う場合には第1ビットラインBLzを選択し(ステップS36)、第2メモリセルMCxから読み出しを行う場合には第2ビットラインBLxを選択し(ステップS38)、選択されたビットラインに対しクランプ電圧Vclmpを印加する(ステップS40)。クランプ電圧Vclmpは、図11に示したクランプ回路21により供給される。これにより、データ読み出し対象のメモリセルが接続されたビットラインの電圧は、リファレンス電圧Vrefより高いVclmpまで上昇し、データ読み出し対象のメモリセルが接続されていないビットラインの電圧はVrefに維持される。   In the NVM mode or the MID mode, the control unit 30 determines a memory cell from which data is to be read (step S34). Here, the control unit 30 selects the first bit line BLz when reading from the first memory cell MCz (step S36), and selects the second bit line BLx when reading from the second memory cell MCx. Selection is made (step S38), and the clamp voltage Vclmp is applied to the selected bit line (step S40). The clamp voltage Vclmp is supplied by the clamp circuit 21 shown in FIG. As a result, the voltage of the bit line to which the memory cell to be read from data is connected rises to Vclmp higher than the reference voltage Vref, and the voltage of the bit line to which the memory cell to be read from data is not connected is maintained at Vref. .

次に制御部30が、データの読み出し対象となるメモリセルの選択トランジスタ41をONにすることで、メモリセル内のデータ記憶素子40とビットラインとを導通させる(ステップS42)。データ記憶素子40内の可変抵抗42が高抵抗状態の場合は、メモリセルに電流が流れないためビットラインの電圧はVclmpのまま変化せず、データ読み出し対象のメモリセルが接続されたビットラインの電圧は、残りのビットラインの電圧Vrefより高くなる。逆に、データ記憶素子40内の可変抵抗42が低抵抗状態の場合は、メモリセルに電流が流れるためビットラインの電圧はVclmpから降下し、データ読み出し対象のメモリセルが接続されたビットラインの電圧は、残りのビットラインの電圧Vrefより低くなる。このように、制御部30は第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxの電圧を比較することでデータの読み出しを行う(ステップS44)。   Next, the control unit 30 turns on the selection transistor 41 of the memory cell from which data is to be read, thereby bringing the data storage element 40 in the memory cell into connection with the bit line (step S42). When the variable resistor 42 in the data storage element 40 is in a high resistance state, no current flows through the memory cell, so the voltage of the bit line remains unchanged at Vclmp, and the bit line connected to the memory cell to which data is read is connected. The voltage becomes higher than the voltage Vref of the remaining bit lines. Conversely, when the variable resistor 42 in the data storage element 40 is in a low resistance state, a current flows through the memory cell, so that the voltage of the bit line drops from Vclmp, and the bit line connected to the memory cell to which data is read is connected. The voltage is lower than the voltage Vref of the remaining bit lines. As described above, the control unit 30 reads data by comparing the voltages of the first bit line BLz and the second bit line BLx (step S44).

図14はNVMモード及びMIDモードにおける、データ読み出し時の動作を示したタイミングチャートである。制御部30から供給されるリセット信号BRSzにより、ビットライン電圧はVrefに維持されている。データ読み出し時には、制御部30がリセット信号BRSzをLレベルに設定し、リセット電圧Vrefの供給を停止する(a)。次に制御部30がクランプ信号VclmpをHレベルに設定し(b)、ビットライン電圧をVclmpへと上昇させ(c)、再びクランプ信号VclmpをLレベルに設定し、クランプ電圧Vclmpの供給を停止する(d)。次に制御部30がワードラインWL(選択トランジスタ41のゲート電圧Vg)の電圧を上昇させ(e)、データ記憶素子40とビットラインとを導通させる。データ記憶素子に論理“0”が記憶されている場合は、可変抵抗42は高抵抗状態のためビットライン電圧は変化しない(f)。データ記憶素子に論理“1”が記憶されている場合は、可変抵抗42は低抵抗状態のためビットライン電圧は下降していき、リファレンス電圧Vrefを下回る(g)。次に制御部30がラッチ信号LEzをHレベルに設定すると(h)、ビットライン電圧がVrefより高い場合は電源電圧Vccまで上昇し(i)、ビットライン電圧がVrefより低い場合は接地電圧Vssまで下降する(j)。これにより、データ記憶素子40から読み出された信号が増幅され、外部へと取り出される。   FIG. 14 is a timing chart showing an operation at the time of data reading in the NVM mode and the MID mode. The bit line voltage is maintained at Vref by the reset signal BRSz supplied from the control unit 30. At the time of data reading, the control unit 30 sets the reset signal BRSz to L level and stops supplying the reset voltage Vref (a). Next, the control unit 30 sets the clamp signal Vclmp to the H level (b), raises the bit line voltage to Vclmp (c), sets the clamp signal Vclmp to the L level again, and stops supplying the clamp voltage Vclmp. (D). Next, the control unit 30 increases the voltage of the word line WL (the gate voltage Vg of the selection transistor 41) (e), and makes the data storage element 40 and the bit line conductive. When logic “0” is stored in the data storage element, the bit line voltage does not change because the variable resistor 42 is in a high resistance state (f). When logic “1” is stored in the data storage element, since the variable resistor 42 is in a low resistance state, the bit line voltage decreases and falls below the reference voltage Vref (g). Next, when the control unit 30 sets the latch signal LEz to the H level (h), when the bit line voltage is higher than Vref, it rises to the power supply voltage Vcc (i), and when the bit line voltage is lower than Vref, the ground voltage Vss. (J). Thereby, the signal read from the data storage element 40 is amplified and taken out to the outside.

図13を参照に、RAMモードの場合は制御部30がデータの読み出し対象となるメモリセルの選択トランジスタ41をONにすることで、メモリセル内のデータ記憶素子40とビットラインとを導通させる(ステップS50)。RAMモードにおいては、ビットラインに対するクランプ電圧Vclmpの供給は行われない。データ記憶素子40内が充電状態の場合は、電極44に蓄えられた電荷がビットラインに放出されるため、データ読み出し対象のメモリセルが接続されたビットラインの電圧は上昇し、残りのビットラインの電圧Vrefより高くなる。逆に、データ記憶素子40が放電状態の場合は、電極44にビットラインから電荷が充電されるため、データ読み出し対象のメモリセルが接続されたビットラインの電圧は下降し、残りのビットラインの電圧Vrefより低くなる。制御部30は、第1ビットラインBLz及び第2ビットラインBLxの電圧の比較を行い(ステップS52)、第1ビットラインBLzの電圧が高い場合は論理“1”を読み出し(ステップS54)、第2ビットラインBLxの電圧が高い場合は論理“0”を読み出す(ステップS56)。以上の動作により、RAMモードにおけるデータ読み出し動作が完了する。   Referring to FIG. 13, in the case of the RAM mode, the control unit 30 turns on the selection transistor 41 of the memory cell from which data is to be read, whereby the data storage element 40 and the bit line in the memory cell are made conductive ( Step S50). In the RAM mode, the clamp voltage Vclmp is not supplied to the bit line. When the data storage element 40 is in a charged state, the charge stored in the electrode 44 is released to the bit line, so that the voltage of the bit line connected to the data read target memory cell rises and the remaining bit lines Higher than the voltage Vref. Conversely, when the data storage element 40 is in a discharged state, the electrode 44 is charged from the bit line, so that the voltage of the bit line connected to the memory cell to be read is lowered, and the remaining bit lines It becomes lower than the voltage Vref. The controller 30 compares the voltages of the first bit line BLz and the second bit line BLx (step S52), and reads the logic “1” when the voltage of the first bit line BLz is high (step S54). When the voltage of the 2-bit line BLx is high, logic “0” is read (step S56). With the above operation, the data read operation in the RAM mode is completed.

制御部30は、RAMモードのデータ読み出し時には、第1ビットラインBLzの電圧レベルに基づきデータの読み出しを行う。すなわち、第1ビットラインBLzがHレベルの場合は論理“1”が、Lレベルの場合は論理“0”が読み出される。その結果、データ読み出しの対象となるメモリセルが第1メモリセルMCzの場合、第1メモリセルMCz内の第1データ記憶素子の状態(内部の論理)と、読み出されるデータの論理値(外部の論理)とは同じになる。一方、データ読み出しの対象となるメモリセルが第2メモリセルMCxの場合、第2メモリセルMCx内の第2データ記憶素子の状態(内部の論理)と、読み出されるデータの論理値(外部の論理)とは逆になる。例えば、第2データ記憶素子が放電状態の場合(内部の論理=0)、データ読み出し時に第1ビットラインBLzはHレベルに、第2ビットラインBLxはLレベルになるため、論理“1”が読み出される(外部の論理=1)。第2データ記憶素子が充電状態の場合(内部の論理=1)、データ読み出し時に第1ビットラインBLzはLレベルに、第2ビットラインBLxはHレベルになるため、論理“0”が読み出される(外部の論理=0)。前述のように、RAMモードにおいては第2データ記憶素子の状態を示す内部の論理と、第2メモリセルMCxに記憶されるデータを示す外部の論理とが逆であった。そのため、第2メモリセルMCxからのデータ読み出し時には、内部の論理と外部の論理を逆転させることで、正しくデータを読み出すことができる。   When reading data in the RAM mode, the controller 30 reads data based on the voltage level of the first bit line BLz. That is, logic “1” is read when the first bit line BLz is at H level, and logic “0” is read when the first bit line BLz is at L level. As a result, when the memory cell to be read is the first memory cell MCz, the state (internal logic) of the first data storage element in the first memory cell MCz and the logical value of the data to be read (external) Is the same as logic). On the other hand, when the memory cell to be read is the second memory cell MCx, the state of the second data storage element (internal logic) in the second memory cell MCx and the logical value of the data to be read (external logic) Is the opposite of For example, when the second data storage element is in a discharged state (internal logic = 0), the first bit line BLz is at H level and the second bit line BLx is at L level when data is read, so that logic “1” is set. Read (external logic = 1). When the second data storage element is in a charged state (internal logic = 1), the first bit line BLz is set to L level and the second bit line BLx is set to H level at the time of reading data, so that logic “0” is read. (External logic = 0). As described above, in the RAM mode, the internal logic indicating the state of the second data storage element and the external logic indicating the data stored in the second memory cell MCx are reversed. Therefore, when reading data from the second memory cell MCx, data can be read correctly by reversing the internal logic and the external logic.

図15はRAMモードにおける、データ読み出し時の動作を示したタイミングチャートである。最初に、制御部30から供給されるリセット信号BRSzにより、ビットライン電圧はVrefに維持されている。データ読み出し時には、制御部30がリセット信号BRSzをLレベルに設定し、リセット電圧Vrefの供給を停止する(a)。次に制御部30がワードラインWL(選択トランジスタ41のゲート電圧Vg)の電圧を上昇させ(b)、データ記憶素子40とビットラインとを導通させる。データ記憶素子に論理“0”が記憶されている場合は、電極44は放電状態のためビットライン電圧は下降していく(c)。データ記憶素子に論理“1”が記憶されている場合は、電極44は充電状態のためビットライン電圧は上昇していく(d)。次に制御部30がラッチ信号LEzをHレベルに設定すると(e)、ビットライン電圧がVrefより高い場合は電源電圧Vccまで上昇し(f)、ビットライン電圧がVrefより低い場合は接地電圧Vssまで下降する(g)。これにより、データ記憶素子40から読み出された信号が増幅され、外部へと取り出される。   FIG. 15 is a timing chart showing an operation at the time of data reading in the RAM mode. First, the bit line voltage is maintained at Vref by the reset signal BRSz supplied from the control unit 30. At the time of data reading, the control unit 30 sets the reset signal BRSz to L level and stops supplying the reset voltage Vref (a). Next, the control unit 30 increases the voltage of the word line WL (the gate voltage Vg of the selection transistor 41) (b), and makes the data storage element 40 and the bit line conductive. When logic “0” is stored in the data storage element, the electrode 44 is in a discharged state, so that the bit line voltage decreases (c). When logic “1” is stored in the data storage element, the bit line voltage rises because the electrode 44 is charged (d). Next, when the control unit 30 sets the latch signal LEz to the H level (e), when the bit line voltage is higher than Vref, it rises to the power supply voltage Vcc (f), and when the bit line voltage is lower than Vref, the ground voltage Vss. (G). Thereby, the signal read from the data storage element 40 is amplified and taken out to the outside.

RAMモード及びMIDモードにおいては、一定時間ごとにデータ記憶素子40のリフレッシュを行うことで、データの保持時間を伸ばすことができる。以下、これについて説明する。   In the RAM mode and the MID mode, the data holding time can be extended by refreshing the data storage element 40 at regular intervals. This will be described below.

図16は比較例に係る半導体装置100の、リフレッシュ動作を示したフローチャートである。まず、ステップS60において制御部30が、前回データの書き込みまたはリフレッシュが行われてから所定時間経過したか否かを判定する。ここで、所定時間は任意に設定することが可能であるが、データ記憶素子40のデータ保持時間より短い時間でなくてはならない。例えば表3を参照に、RAMモードの場合は1秒、MIDモードの場合は1日より短い時間に設定する。所定時間が経過している場合は、制御部30がデータ記憶素子40に記憶されたデータを読み出し(ステップS62)、読み出されたデータと同一のデータを同一のデータ記憶素子40に対して再び書き込む(ステップS64)。これにより、データ記憶素子40のリフレッシュが完了する。   FIG. 16 is a flowchart showing a refresh operation of the semiconductor device 100 according to the comparative example. First, in step S60, the control unit 30 determines whether or not a predetermined time has elapsed since the previous data was written or refreshed. Here, the predetermined time can be arbitrarily set, but it must be shorter than the data holding time of the data storage element 40. For example, referring to Table 3, the time is set to 1 second in the RAM mode and shorter than one day in the MID mode. If the predetermined time has elapsed, the control unit 30 reads the data stored in the data storage element 40 (step S62), and the same data as the read data is again read from the same data storage element 40. Write (step S64). Thereby, the refresh of the data storage element 40 is completed.

リフレッシュを行う間隔は、モードごとに変更することが可能である。図17は比較例に係る半導体装置100のリフレッシュ動作の制御の一例を示したフローチャートである。まずステップS70において制御部30が、記憶モードの判定を行う。RAMモードの場合は例えば1秒ごとにリフレッシュを行い(ステップS72)、MIDモードの場合は例えば1日ごとにリフレッシュを行う(ステップS74)。MIDモードのデータ保持時間はRAMモードのデータ保持時間より長いため、制御部30はMIDモードの場合はRAMモードの場合より長い間隔でデータのリフレッシュを行う。また、NVMモードはデータの保持時間が長いため、例えば図17のようにリフレッシュを行わずに使用することが可能である。   The refresh interval can be changed for each mode. FIG. 17 is a flowchart showing an example of control of the refresh operation of the semiconductor device 100 according to the comparative example. First, in step S70, the control unit 30 determines the storage mode. In the RAM mode, for example, refresh is performed every second (step S72), and in the MID mode, for example, refresh is performed every day (step S74). Since the data holding time in the MID mode is longer than the data holding time in the RAM mode, the control unit 30 refreshes data at longer intervals in the MID mode than in the RAM mode. In addition, since the NVM mode has a long data retention time, it can be used without refreshing as shown in FIG.

比較例の半導体装置100は、3種類の記憶モードから一つの記憶モードを選択する制御部30を備えている。表3を参照に、不揮発性であるNVMモードはデータ保持時間が長く、半導体装置100の電源OFF時にデータを長期間保存する用途に適している。揮発性のRAMモードはアクセス時間が短く、半導体装置100の電源ON時に高速にデータ処理を行う用途に適している。NVMモードとRAMモードの中間に位置するMIDモードは、NVMモードに比べアクセス時間が短い。また、通常のデータ保持時間は一日程度であるが、リフレッシュを行うことによりデータ保持時間を延長することが可能である。このため、例えば一日に一回程度データのリフレッシュを行うシステムであれば、実質的に不揮発性メモリとして使用することが可能であり、NVMモードよりアクセス時間が短い分メモリとして優れている。MIDモードの他の用途としては、一定時間経過後にデータが自動的に消失することを利用して、様々な応用が考えられる。   The semiconductor device 100 of the comparative example includes a control unit 30 that selects one storage mode from three types of storage modes. Referring to Table 3, the non-volatile NVM mode has a long data retention time, and is suitable for storing data for a long period of time when the semiconductor device 100 is powered off. The volatile RAM mode has a short access time, and is suitable for applications in which data processing is performed at high speed when the semiconductor device 100 is powered on. The MID mode, which is located between the NVM mode and the RAM mode, has a shorter access time than the NVM mode. The normal data holding time is about one day, but the data holding time can be extended by performing refresh. For this reason, for example, a system that refreshes data about once a day can be used substantially as a non-volatile memory, and is excellent as a memory because it has a shorter access time than the NVM mode. As other uses of the MID mode, various applications can be considered by utilizing the fact that data automatically disappears after a certain period of time.

3種類の記憶モードは全て、データの格納先としてデータ記憶素子40を用いている。データ記憶素子40は、可変抵抗42の抵抗値及び電極44の電荷量によりデータを記憶することができ、制御部30により印加される電圧条件を変更することで複数の記憶モードに対応することが可能である。これにより、半導体装置を小型化・高密度化することができる。また、製造コストの低減を図ることができる。   All three storage modes use the data storage element 40 as a data storage destination. The data storage element 40 can store data according to the resistance value of the variable resistor 42 and the charge amount of the electrode 44, and can correspond to a plurality of storage modes by changing the voltage condition applied by the control unit 30. Is possible. Thereby, a semiconductor device can be reduced in size and density. In addition, the manufacturing cost can be reduced.

また図9に示すように、制御部30はNVMモードのデータ書き込み時には書き込み対象となるメモリセルに応じて高電圧を印加するビットラインを選択し、RAMモードのデータ書き込み時には記憶されるデータの論理値に応じて高電圧を印加するビットラインを選択する。ビットラインの選択は図8に示すように、インバータに入力される信号を、アドレス信号Ya0zまたは論理値Datazに切り替えることにより行う。これにより、データの記憶方法が異なるNVMモード及びRAMモードにおいて、共通の回路構成を用いることができる。これにより、半導体装置を小型化し、製造コストを削減することができる。   As shown in FIG. 9, the control unit 30 selects a bit line to which a high voltage is applied according to the memory cell to be written when writing data in the NVM mode, and the logic of the data stored when writing data in the RAM mode. A bit line to which a high voltage is applied is selected according to the value. As shown in FIG. 8, the bit line is selected by switching the signal input to the inverter to an address signal Ya0z or a logical value Dataz. As a result, a common circuit configuration can be used in the NVM mode and the RAM mode in which the data storage methods are different. Thereby, a semiconductor device can be reduced in size and manufacturing cost can be reduced.

また、図10及び図12に示すように、データの読み出し時においても、NVMモードとRAMモードにおいて共通の回路構成(リセット回路20、センスアンプ22、センスアンプドライバ24)を用いている。これにより、半導体装置を小型化し、製造コストを削減することができる。   Further, as shown in FIGS. 10 and 12, a common circuit configuration (reset circuit 20, sense amplifier 22, sense amplifier driver 24) is used in the NVM mode and the RAM mode even when data is read. Thereby, a semiconductor device can be reduced in size and manufacturing cost can be reduced.

比較例では、3種類の記憶モードを備えた半導体装置100を例に説明したが、3種類の記憶モードのうち2つ以上の記憶モードを備えたものであれば他の構成であってもよい。例えば、NVMモードとRAMモードのみを備えた半導体装置とすることも可能である。   In the comparative example, the semiconductor device 100 having three types of storage modes has been described as an example. However, any other configuration may be used as long as it has two or more storage modes among the three types of storage modes. . For example, a semiconductor device having only an NVM mode and a RAM mode can be used.

また比較例では、記憶モードに関する情報を格納する選択レジスタ28を備えた例について説明したが(図1)、記憶モードの選択は他の方法で行ってもよい。図18は比較例に係る他の半導体装置の構成の一部を示した図である。制御端子79が、制御部30と接続されている。制御端子79は、電源電圧Vccまたは接地電圧Vssのいずれかに接続されることにより、制御部30にデータ記憶素子40の記憶モードを入力する。制御部30は、制御端子79からの入力に応じて、データ記憶素子40のモードを選択する。例えば、制御端子79が電源電圧Vccと接続されている場合はNVMモード、制御端子79がVssと接続されている場合はRAMモード、制御端子がフローティングとなっている場合はMIDモードを選択するよう設定する。制御端子79と電源端子とは、例えばワイヤボンディングや金属配線により接続する。この方法によれば、データ記憶素子40のモードを機械的に固定することができる。   In the comparative example, the example provided with the selection register 28 for storing information on the storage mode has been described (FIG. 1), but the storage mode may be selected by other methods. FIG. 18 is a diagram showing a part of the configuration of another semiconductor device according to the comparative example. A control terminal 79 is connected to the control unit 30. The control terminal 79 inputs the storage mode of the data storage element 40 to the control unit 30 by being connected to either the power supply voltage Vcc or the ground voltage Vss. The control unit 30 selects the mode of the data storage element 40 according to the input from the control terminal 79. For example, the NVM mode is selected when the control terminal 79 is connected to the power supply voltage Vcc, the RAM mode is selected when the control terminal 79 is connected to Vss, and the MID mode is selected when the control terminal is floating. Set. The control terminal 79 and the power supply terminal are connected by, for example, wire bonding or metal wiring. According to this method, the mode of the data storage element 40 can be mechanically fixed.

また比較例では、全てのデータ記憶素子40をNVMモード、RAMモード、そしてMIDモードに切り替える例について説明したが、データ記憶素子40の例えば半分のメモリ容量範囲をNVMモードとし、残り半分のメモリ容量範囲をRAMモードとしてもよい。さらに、NVMモード、RAMモード、そしてMIDモードの3種類の記憶モードを備えた半導体装置とすることも可能である。   In the comparative example, the example in which all the data storage elements 40 are switched to the NVM mode, the RAM mode, and the MID mode has been described. However, for example, the memory capacity range of the data storage element 40 is set to the NVM mode and the remaining half of the memory capacity is set. The range may be the RAM mode. Further, a semiconductor device having three types of storage modes, that is, an NVM mode, a RAM mode, and an MID mode can be provided.

また比較例では、データ記憶素子40に印加される電圧を制御するために選択トランジスタ41を用いたが、データ記憶素子40に印加される電圧を制御できるものであれば他の回路素子を用いてもよい。例えば、選択トランジスタ41の代わりに、ダイオードを用いてもよい。これにより、半導体装置100をさらに小型化することができる。   In the comparative example, the selection transistor 41 is used to control the voltage applied to the data storage element 40. However, other circuit elements may be used as long as the voltage applied to the data storage element 40 can be controlled. Also good. For example, a diode may be used instead of the selection transistor 41. Thereby, the semiconductor device 100 can be further reduced in size.

また比較例では、データ記憶素子に含まれる可変抵抗42の例として、CuO等の遷移金属酸化物を例に説明したが、他にも結晶状態と非結晶状態の間の層変化により抵抗値が変化する、例えばカルコゲナイド等の層変化物質を用いて構成することができる。   In the comparative example, a transition metal oxide such as CuO has been described as an example of the variable resistor 42 included in the data storage element, but the resistance value is also changed due to a layer change between a crystalline state and an amorphous state. It can be configured using a layer change material such as chalcogenide that changes.

また比較例では、NVMモード及びMIDモードにおいては可変抵抗42の状態を低抵抗状態または高抵抗状態とし、RAMモードにおいては電極44の状態を充電状態または放電状態とした例について説明したが、可変抵抗42及び電極44はそれ以外の状態をとってもよい。例えば、NVMモードまたはMIDモードにおいて、可変抵抗42が低抵抗状態と高抵抗状態の中間の抵抗値となる状態をさらに備えてもよい。これにより、1つのデータ記憶素子に2値より多いデータを記憶することができる。   In the comparative example, the variable resistor 42 is set to the low resistance state or the high resistance state in the NVM mode and the MID mode, and the electrode 44 is set to the charged state or the discharged state in the RAM mode. The resistor 42 and the electrode 44 may take other states. For example, in the NVM mode or the MID mode, the variable resistor 42 may further include a state in which the resistance value is intermediate between the low resistance state and the high resistance state. Thereby, more data than two values can be stored in one data storage element.

以上が、比較例に係る半導体装置の構成及び作用効果についての説明である。   The above is the description of the structure and operational effects of the semiconductor device according to the comparative example.

(比較例における課題)
比較例の半導体装置では、NVM及びMIDモードにおいてデータの読み出しを行う際に、高抵抗状態にあるメモリセルMCの“0”データがうまく読み出せない場合がある。
(Problems in the comparative example)
In the semiconductor device of the comparative example, when data is read in the NVM and MID modes, “0” data of the memory cell MC in the high resistance state may not be read well.

すなわち、図14を参照に、NVMモードまたはMIDモードのデータ読み出しの際は、一度ビットライン電圧をVclmpまで昇圧してビットラインBLを充電した後(c)、メモリセルMCとビットラインBLとを導通させる(d)。そして、メモリセルMCが高抵抗状態の場合はメモリセルMCに電流が流れないため、ビットライン電圧は降下せずにVclmpに維持される(f)。   That is, referring to FIG. 14, when reading data in the NVM mode or MID mode, the bit line voltage is once boosted to Vclmp to charge the bit line BL (c), and then the memory cell MC and the bit line BL are connected. Conduct (d). When the memory cell MC is in a high resistance state, no current flows through the memory cell MC, so that the bit line voltage is maintained at Vclmp without dropping (f).

ここで、例えば書き込み時間短縮のためにメモリセルMCの高抵抗状態における抵抗値を低く設定した場合、メモリセルMCが高抵抗状態であっても電流が流れ、ビットラインBLの電位が降下してしまう場合がある。ビットライン電位の降下により、ビットラインBLの電位がリファレンス電位Vrefを下回ると、“0”データと“1”データとの判別ができずに、データの読み出しを正しく行えないおそれがある。NVMモードとMIDモードの両方のモードを備えた半導体装置においては、特に高抵抗状態の抵抗値が低いMIDモードにおいて、このような現象が生じるおそれがある。また、ビットラインを金属配線で形成する場合には、ビットラインの容量が低下するため、上述した電位の降下がさらに生じやすくなる。   Here, for example, when the resistance value in the high resistance state of the memory cell MC is set low to shorten the writing time, a current flows even if the memory cell MC is in the high resistance state, and the potential of the bit line BL drops. May end up. If the potential of the bit line BL falls below the reference potential Vref due to the drop of the bit line potential, it is not possible to distinguish between “0” data and “1” data, and data may not be read correctly. In a semiconductor device having both the NVM mode and the MID mode, such a phenomenon may occur particularly in the MID mode in which the resistance value in the high resistance state is low. In addition, when the bit line is formed of a metal wiring, the capacity of the bit line is reduced, so that the above-described potential drop is more likely to occur.

以下に記載の実施例は上記の課題を解決するためのものであり、メモリ素子に可変抵抗を用いた半導体装置におけるデータ読み出しを改善するものである。特に、可変抵抗が高抵抗状態の場合の抵抗値が低い場合であっても、データの読み出しを安定して行うことのできる構成及び方法を提供することを目的とする。   The embodiments described below are for solving the above-described problems, and improve data reading in a semiconductor device using a variable resistor as a memory element. In particular, it is an object of the present invention to provide a configuration and method capable of stably reading data even when the resistance value when the variable resistance is in a high resistance state is low.

以下、図面を用いて本発明に係る実施例について説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図19は実施例1に係る半導体装置のデータ読み出しに関する回路構成を示した図である。横方向にビットラインBLが、縦方向にワードラインWLが設けられ、その交差領域にメモリセルMCが設けられている。ビットラインBLは、金属配線または半導体の拡散層で形成することができる。メモリセルMCの構成は比較例の図2(a)と同じであり、データ記憶素子である可変抵抗42と、選択素子である選択トランジスタ41とを含む。選択トランジスタ41のドレイン端子はビットラインBLに、ゲート端子はワードラインWLに、ソース端子は可変抵抗42の一端にそれぞれ接続されている。可変抵抗42の他端は接地されている。また、図中の矢印はデータ読み出し時における電流の流れを示す。後述するように、データの読み出しの際には、選択トランジスタ41は第1の期間においてメモリセルMCとビットラインBLとを非導通状態にし、第1の期間に続く第2の期間においてメモリセルMCとビットラインBLとを導通状態にする。   FIG. 19 is a diagram illustrating a circuit configuration relating to data reading of the semiconductor device according to the first embodiment. Bit lines BL are provided in the horizontal direction, word lines WL are provided in the vertical direction, and memory cells MC are provided in the intersecting regions. The bit line BL can be formed of a metal wiring or a semiconductor diffusion layer. The configuration of the memory cell MC is the same as that of FIG. 2A of the comparative example, and includes a variable resistor 42 that is a data storage element and a selection transistor 41 that is a selection element. The selection transistor 41 has a drain terminal connected to the bit line BL, a gate terminal connected to the word line WL, and a source terminal connected to one end of the variable resistor 42. The other end of the variable resistor 42 is grounded. Further, the arrows in the figure indicate the current flow during data reading. As will be described later, when reading data, the selection transistor 41 makes the memory cell MC and the bit line BL non-conductive in the first period, and the memory cell MC in the second period following the first period. And the bit line BL are turned on.

ビットラインBLには、データ読み出し時に用いるクランプ電圧を供給する電圧供給回路110が接続されている。電圧供給回路110は、N型トランジスタ112、P型トランジスタ114及び116を含む。N型トランジスタ112のソース端子はビットラインBLに、ドレイン端子はP型トランジスタ114及び116のドレイン端子にそれぞれ接続されている。N型トランジスタ112のゲート端子には、クランプ信号Clmpzが入力されている。データ読み出し時には、クランプ信号Clmpzがハイレベルとなることにより、ビットラインBLにクランプ電圧が供給される。   A voltage supply circuit 110 that supplies a clamp voltage used when reading data is connected to the bit line BL. The voltage supply circuit 110 includes an N-type transistor 112 and P-type transistors 114 and 116. The source terminal of the N-type transistor 112 is connected to the bit line BL, and the drain terminal is connected to the drain terminals of the P-type transistors 114 and 116. A clamp signal Clmpz is input to the gate terminal of the N-type transistor 112. At the time of data reading, the clamp signal Clmpz becomes a high level, whereby a clamp voltage is supplied to the bit line BL.

P型トランジスタ114のソース端子には第1電圧であるVclmpが、P型トランジスタ116のソース端子には第2電圧であるVclmpmがそれぞれ印加されている。データの読み出し時に使用される基準電圧をVrefとすると、三者の大小関係は「Vref<Vclmp<Vclmpm」となる。データの読み出し時には、P型トランジスタ114及び116のうちいずれか一方のゲートに供給される信号(AxまたはBx)がローレベルとなり、ON状態に設定されたP型トランジスタのソース電圧(VclmpまたはVclmpm)がN型トランジスタ112を介してビットラインBLへと供給される。   The first voltage Vclmp is applied to the source terminal of the P-type transistor 114, and the second voltage Vclmpm is applied to the source terminal of the P-type transistor 116. Assuming that the reference voltage used when reading data is Vref, the magnitude relationship between the three is “Vref <Vclmp <Vclmpm”. At the time of reading data, the signal (Ax or Bx) supplied to one of the gates of the P-type transistors 114 and 116 becomes a low level, and the source voltage (Vclmp or Vclmpm) of the P-type transistor set to the ON state. Is supplied to the bit line BL via the N-type transistor 112.

また、ビットラインBLには読み出し回路であるセンスアンプ118が接続されている。センスアンプ118は、ビットラインBLの電位を基準電位Vrefと比較することにより、データの読み出しを行う。   In addition, a sense amplifier 118 which is a reading circuit is connected to the bit line BL. The sense amplifier 118 reads data by comparing the potential of the bit line BL with the reference potential Vref.

実施例1は、第1モード(比較例におけるNVMモードに相当)及び第2モード(比較例におけるMIDモードに相当)の2つの記憶モードをもつ半導体装置に関するものである。すなわち、NVMモードの場合は、可変抵抗42が第1の高抵抗状態となることにより“0”データを記憶し、第1の低抵抗状態となることにより“1”データを記憶する。MIDモードの場合は、可変抵抗42が第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態となることにより“0”データを記憶し、第2の高抵抗状態に対応する第2の低抵抗状態となることにより“1”データを記憶する。それぞれの記憶モードにおける可変抵抗42の抵抗値を表4に示す。ここでは、第1の高抵抗状態を10Ω、第1の低抵抗状態を10Ω、第2の高抵抗状態を10Ω、第2の低抵抗状態を10Ωとしたが、これらの抵抗値は装置の仕様等に応じて適宜変更することが可能である。

Figure 2009259336
Example 1 relates to a semiconductor device having two storage modes, a first mode (corresponding to the NVM mode in the comparative example) and a second mode (corresponding to the MID mode in the comparative example). That is, in the NVM mode, “0” data is stored when the variable resistor 42 is in the first high resistance state, and “1” data is stored when the variable resistance 42 is in the first low resistance state. In the case of the MID mode, the variable resistor 42 enters the second high resistance state having a resistance value lower than that of the first high resistance state, so that “0” data is stored, and the second high resistance state corresponding to the second high resistance state is stored. “1” data is stored when the low resistance state is reached. Table 4 shows the resistance value of the variable resistor 42 in each storage mode. Here, the first high resistance state is 10 8 Ω, the first low resistance state is 10 2 Ω, the second high resistance state is 10 5 Ω, and the second low resistance state is 10 3 Ω. These resistance values can be appropriately changed according to the specifications of the apparatus.
Figure 2009259336

図20及び図21を用いて、実施例1に係る半導体装置のデータ読み出し動作について説明する。なお、読み出し動作の開始時においてメモリセルMCとビットラインBLとは非導通状態にあり、読み出し動作の途中で導通状態となる。ここで、データ読み出し開始時からメモリセルMCとビットラインBLとが導通するまでの期間を第1の期間、両者が導通してからデータ読み出しを終了するまでの期間を第2の期間とする。   A data read operation of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the memory cell MC and the bit line BL are in a non-conductive state at the start of the read operation, and become conductive in the middle of the read operation. Here, a period from the start of data reading until the memory cell MC and the bit line BL are turned on is a first period, and a period from when both are turned on to the end of data reading is a second period.

図20は実施例1におけるデータ読み出し動作のフローチャートである。まず不図示のリセット回路がビットラインBLの電位を基準電位Vrefにリセットする(ステップS100)。次に、不図示の制御部が半導体装置の記憶モードを判定する(ステップS102)。ステップS102においてNVMモード(第1モード)である場合には、電圧供給回路110がビットラインBLに対し第1電圧Vclmpを供給し、ビットラインBLの電位をVclmp(第1電位)へと昇圧する(ステップS104)。一定時間が経過してビットラインBLの充電が完了したら、電圧供給回路110は第1電圧Vclmpの供給を停止する(ステップS108)。   FIG. 20 is a flowchart of the data read operation in the first embodiment. First, a reset circuit (not shown) resets the potential of the bit line BL to the reference potential Vref (step S100). Next, a control unit (not shown) determines the storage mode of the semiconductor device (step S102). In step S102, when the NVM mode (first mode) is set, the voltage supply circuit 110 supplies the first voltage Vclmp to the bit line BL and boosts the potential of the bit line BL to Vclmp (first potential). (Step S104). When the charging of the bit line BL is completed after a certain time has elapsed, the voltage supply circuit 110 stops supplying the first voltage Vclmp (step S108).

次に、選択トランジスタ41が、ビットラインBLとメモリセルMCを導通させる(ステップS110)。一定時間経過後に、センスアンプ118がビットラインBLの電位を基準電位Vrefと比較することにより、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出し(ステップS112)、結果を外部へと出力する(ステップS114)。ここで、ビットラインBLの電位が基準電位Vrefより高い場合にはデータ“0”が、低い場合にはデータ“1”がそれぞれ読み出される。   Next, the selection transistor 41 makes the bit line BL and the memory cell MC conductive (step S110). After a predetermined time has elapsed, the sense amplifier 118 compares the potential of the bit line BL with the reference potential Vref, thereby reading the data stored in the memory cell MC (step S112) and outputting the result to the outside (step S114). . Here, data “0” is read when the potential of the bit line BL is higher than the reference potential Vref, and data “1” is read when the potential is lower.

ステップS102においてMIDモード(第2モード)である場合には、電圧供給回路110がビットラインBLに対し第2電圧Vclmpmを供給し、ビットラインBLの電位をVclmpm(第2電位)へと昇圧する(ステップS106)。その後の動作はNVMモードの場合と共通である(ステップS108〜S114)。   In step S102, when the mode is the MID mode (second mode), the voltage supply circuit 110 supplies the second voltage Vclmpm to the bit line BL and boosts the potential of the bit line BL to Vclmpm (second potential). (Step S106). The subsequent operation is the same as that in the NVM mode (steps S108 to S114).

図21は実施例1におけるデータ読み出し動作のタイミングチャートである。まず、開始時においてリセット信号BRSzがハイレベルにあり、ビットラインBLの電位は基準電位Vrefに設定されている。リセット信号BRSzが立ち下がると(a)、クランプ信号clmpzが立ち上がり(b)、ビットラインBLの電位が上昇する。ここで、半導体装置の記憶モードがNVMモードの場合には、ビットラインBLの電位はVclmpまで上昇し(c)、MIDモードの場合にはVclmpより高電位のVclmpmまで上昇する(d)。   FIG. 21 is a timing chart of the data read operation in the first embodiment. First, at the start, the reset signal BRSz is at a high level, and the potential of the bit line BL is set to the reference potential Vref. When the reset signal BRSz falls (a), the clamp signal clmpz rises (b), and the potential of the bit line BL rises. Here, when the memory mode of the semiconductor device is the NVM mode, the potential of the bit line BL rises to Vclmp (c), and when the memory mode is the MID mode, the potential rises to Vclmpm higher than Vclmp (d).

以下、記憶モードがMIDモードである場合について説明する。一定時間経過後にワードラインWLが立ち上がると(e)、選択トランジスタがON状態となりメモリセルMCとビットラインBLとが導通する。ここで、メモリセルMCの第2の高抵抗状態(10Ω)は、第1の高抵抗状態(10Ω)に比べて抵抗値が低いため、ビットラインBL及びメモリセルMCに電流が流れ、ビットラインBLの電位が徐々に低下する(f)。しかし、ビットラインBLはあらかじめVclmpより高電位のVclmpmまで昇圧されているため、Vclmpまで昇圧した場合に比べて基準電位Vrefを下回るまでの時間が長い。ビットラインBLの電位が基準電位Vrefを下回る前に、ラッチ信号LEzが立ち上がる(g)。これを受けて、センスアンプ118がビットラインBLの電位と基準電位Vrefとを比較し(h)、結果を増幅して出力する(i)。センスアンプが電位の比較を行う時点(h)において、ビットラインBLの電位は基準電位Vrefを上回っているため、正しく“0”データを読み出すことができる。 Hereinafter, a case where the storage mode is the MID mode will be described. When the word line WL rises after a lapse of a certain time (e), the selection transistor is turned on and the memory cell MC and the bit line BL are conducted. Here, since the resistance value of the second high resistance state (10 5 Ω) of the memory cell MC is lower than that of the first high resistance state (10 8 Ω), current flows in the bit line BL and the memory cell MC. The potential of the bit line BL gradually decreases (f). However, since the bit line BL has been previously boosted to Vclmpm, which is higher in potential than Vclmp, it takes a longer time to fall below the reference potential Vref than when boosted to Vclmp. Before the potential of the bit line BL falls below the reference potential Vref, the latch signal LEz rises (g). In response to this, the sense amplifier 118 compares the potential of the bit line BL with the reference potential Vref (h), and amplifies and outputs the result (i). Since the potential of the bit line BL is higher than the reference potential Vref at the time point (h) when the sense amplifier compares the potential, “0” data can be read correctly.

一方、メモリセルMCが第2の低抵抗状態にある場合は、ビットラインBLの電位は大きく低下することにより基準電位Vrefを下回り、“1”データが読み出される(j)。また、記憶モードがNVMモードである場合のビットラインBLの電位の変化を図中に一点鎖線で示す。上側の線(k)はメモリセルMCが第1の高抵抗状態にある場合を、下側の線(l)はメモリセルMCが第1の低抵抗状態にある場合をそれぞれ示す。NVMモードの場合のビットラインBLの電位は、比較例(図14)と同じように変化する。   On the other hand, when the memory cell MC is in the second low resistance state, the potential of the bit line BL is greatly lowered to fall below the reference potential Vref, and “1” data is read (j). Further, the change in the potential of the bit line BL when the storage mode is the NVM mode is indicated by a one-dot chain line in the drawing. The upper line (k) indicates the case where the memory cell MC is in the first high resistance state, and the lower line (l) indicates the case where the memory cell MC is in the first low resistance state. The potential of the bit line BL in the NVM mode changes in the same manner as in the comparative example (FIG. 14).

以上のように実施例1の半導体装置は、データ読み出し時の第1の期間において、半導体装置の記憶モードに応じて2種類のクランプ電圧を供給する電圧供給回路110を備える。電圧供給回路110は、メモリセルMCが第2の高抵抗状態となるMIDモードの場合には、メモリセルMCが第1の高抵抗状態となるNVMモードの場合よりも、ビットラインBLの電位を高い電位に昇圧させる。これにより、データ読み出し時のリーク電流によりビットラインBLの電位が低下しても、データを正しく読み出すことができる。すなわち、高抵抗状態の可変抵抗の抵抗値が低めに設定されている場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。また、ビットラインBLが金属配線で形成されており、その容量が小さい場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   As described above, the semiconductor device according to the first embodiment includes the voltage supply circuit 110 that supplies two types of clamp voltages according to the storage mode of the semiconductor device in the first period when data is read. In the MID mode in which the memory cell MC is in the second high resistance state, the voltage supply circuit 110 sets the potential of the bit line BL higher than in the NVM mode in which the memory cell MC is in the first high resistance state. Boost to a high potential. As a result, data can be read correctly even if the potential of the bit line BL decreases due to a leakage current when reading data. That is, even when the resistance value of the variable resistor in the high resistance state is set to be low, data can be read stably. In addition, even when the bit line BL is formed using a metal wiring and the capacitance thereof is small, data can be read stably.

また、実施例1の半導体装置では、電圧供給回路110がビットラインの電位をVclmpまたはVclmpmに昇圧させた一定時間後に、昇圧電圧の供給を停止する(図20ステップS108)。これにより、後述する実施例2に比べて消費電力を抑制することができるため、携帯電話等の小型電子機器への実装に適している。   In the semiconductor device according to the first embodiment, the supply of the boosted voltage is stopped after a certain time after the voltage supply circuit 110 boosts the bit line potential to Vclmp or Vclmpm (step S108 in FIG. 20). Thereby, since power consumption can be suppressed compared with Example 2 described later, it is suitable for mounting on a small electronic device such as a mobile phone.

実施例1の説明では、図19において読み出し回路周辺の構成のみを示した。半導体装置の全体構成は、比較例において説明したもの(図1〜図18)と同じにしてもよいが、図19の読み出し回路を動作させるために必要な構成を備えたものであれば、比較例と異なる構成としてもよい。例えば、比較例に係る半導体装置は、メモリセルMCの電極44(図3参照)に蓄えられた電荷量によりデータを記憶するRAMモードを有するが、実施例1ではRAMモードを有しない構成としてもよい。   In the description of the first embodiment, only the configuration around the readout circuit is shown in FIG. The overall configuration of the semiconductor device may be the same as that described in the comparative example (FIGS. 1 to 18), but if the configuration necessary for operating the readout circuit in FIG. It is good also as a structure different from an example. For example, the semiconductor device according to the comparative example has a RAM mode in which data is stored based on the amount of charge stored in the electrode 44 (see FIG. 3) of the memory cell MC, but the first embodiment may have a configuration without the RAM mode. Good.

図22は実施例2に係る半導体装置のデータ読み出しに関する回路構成を示した図である。実施例1(図19)と共通する部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図中の矢印は図19と同じくデータ読み出し時における電流の流れを示す。   FIG. 22 is a diagram illustrating a circuit configuration relating to data reading of the semiconductor device according to the second embodiment. Portions common to the first embodiment (FIG. 19) are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. Further, the arrows in the figure indicate the flow of current during data reading as in FIG.

実施例2におけるメモリセルMCの可変抵抗42は、高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかの状態となることによりデータを記憶する。実施例1と異なり、必ずしも2つの記憶モードを有する必要はない。ここでは、高抵抗状態の抵抗値を10Ω、低抵抗状態の抵抗値を10Ω(実施例1のMIDモードに相当)として説明を行う。 The variable resistor 42 of the memory cell MC in the second embodiment stores data by being in either the high resistance state or the low resistance state. Unlike the first embodiment, it is not always necessary to have two storage modes. Here, description will be made assuming that the resistance value in the high resistance state is 10 5 Ω and the resistance value in the low resistance state is 10 2 Ω (corresponding to the MID mode of the first embodiment).

図22(a)を参照に、実施例2の半導体装置はクランプ素子であるクランプ抵抗120Aを備える。クランプ抵抗120Aの一端(第1の端子)はビットラインBLに接続され、他端(第2の端子)は電圧供給回路110の出力端子に接続されている。電圧供給回路110はN型トランジスタ112からなり、N型トランジスタ112のドレイン端子にはクランプ電圧Vclmpが、ゲート端子にはクランプ信号Clmpzがそれぞれ入力される。N型トランジスタ112のソース端子はクランプ抵抗120Aの第2の端子に接続されている。   Referring to FIG. 22A, the semiconductor device according to the second embodiment includes a clamp resistor 120A that is a clamp element. One end (first terminal) of the clamp resistor 120A is connected to the bit line BL, and the other end (second terminal) is connected to the output terminal of the voltage supply circuit 110. The voltage supply circuit 110 includes an N-type transistor 112, and a clamp voltage Vclmp is input to the drain terminal of the N-type transistor 112, and a clamp signal Clmpz is input to the gate terminal. The source terminal of the N-type transistor 112 is connected to the second terminal of the clamp resistor 120A.

クランプ抵抗120Aは、第1の端子と第2の端子との間の抵抗値の大きさが、可変抵抗42の高抵抗状態と低抵抗状態の間の抵抗値との間になるように形成される。ここでは、クランプ抵抗120Aの抵抗値を、可変抵抗42の高抵抗状態(10Ω)と低抵抗状態(10Ω)の中間の抵抗値である103.5Ωとする。 The clamp resistor 120A is formed such that the resistance value between the first terminal and the second terminal is between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor 42. The Here, the resistance value of the clamp resistor 120A is set to 10 3.5 Ω which is an intermediate resistance value between the high resistance state (10 5 Ω) and the low resistance state (10 2 Ω) of the variable resistor 42.

図23及び図24を用いて、実施例2に係る半導体装置のデータ読み出し動作について説明する。なお、読み出し動作の開始時においてメモリセルMCとビットラインBLとは非導通状態にあり、読み出し動作の途中で導通状態となる。ここで、実施例1と同様に、データ読み出し開始時からメモリセルMCとビットラインBLとが導通するまでの期間を第1の期間、両者が導通してからデータ読み出しを終了するまでの期間を第2の期間とする。メモリセルMCとビットラインBLとの導通は、実施例1と同じく選択トランジスタ41により制御される。   A data read operation of the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the memory cell MC and the bit line BL are in a non-conductive state at the start of the read operation, and become conductive in the middle of the read operation. Here, as in the first embodiment, the period from the start of data reading until the memory cell MC and the bit line BL become conductive is the first period, and the period from when both become conductive until the data reading ends. The second period. The conduction between the memory cell MC and the bit line BL is controlled by the selection transistor 41 as in the first embodiment.

図23は実施例1におけるデータ読み出し動作のフローチャートである。まず不図示のリセット回路がビットラインBLの電位を基準電位Vrefにリセットする(ステップS120)。次に、電圧供給回路110がクランプ抵抗120Aの第2の端子に対し第1電圧Vclmpを供給する(ステップS122)。これにより、第2の端子及びビットラインBLの電位はVclmpへと昇圧する。実施例1と異なり、電圧供給回路110はデータ読み出し動作の間中ずっと、第1電圧Vclmpを供給し続ける。これにより、クランプ抵抗120Aの第2の端子(ビットラインBLに接続された端子の反対側)の電位はVclmpに維持される。   FIG. 23 is a flowchart of the data read operation in the first embodiment. First, a reset circuit (not shown) resets the potential of the bit line BL to the reference potential Vref (step S120). Next, the voltage supply circuit 110 supplies the first voltage Vclmp to the second terminal of the clamp resistor 120A (step S122). As a result, the potentials of the second terminal and the bit line BL are boosted to Vclmp. Unlike the first embodiment, the voltage supply circuit 110 continues to supply the first voltage Vclmp throughout the data read operation. As a result, the potential of the second terminal of the clamp resistor 120A (the side opposite to the terminal connected to the bit line BL) is maintained at Vclmp.

次に、選択トランジスタ41が、ビットラインBLとメモリセルMCを導通させる(ステップS124)。一定時間経過後に、センスアンプ118がビットラインBLの電位を基準電位Vrefと比較することにより、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出し(ステップS126)、結果を外部へと出力する(ステップS128)。ここで、ビットラインBLの電位が基準電位Vrefより高い場合にはデータ“0”が、低い場合にはデータ“1”がそれぞれ読み出される。   Next, the selection transistor 41 makes the bit line BL and the memory cell MC conductive (step S124). After a predetermined time has elapsed, the sense amplifier 118 compares the potential of the bit line BL with the reference potential Vref, thereby reading the data stored in the memory cell MC (step S126) and outputting the result to the outside (step S128). . Here, data “0” is read when the potential of the bit line BL is higher than the reference potential Vref, and data “1” is read when the potential is lower.

図24は実施例2におけるデータ読み出し動作のタイミングチャートである。まず、開始時においてリセット信号BRSzがハイレベルにあり、ビットラインBLの電位はVrefに設定されている。リセット信号BRSzが立ち下がると(a)、クランプ信号clmpzが立ち上がり(b)、ビットラインBLの電位がVclmpへと上昇する。実施例1(図21)と異なり、第1の期間及び第2の期間に渡ってクランプ信号Clmpzはハイレベルに維持される。   FIG. 24 is a timing chart of the data read operation in the second embodiment. First, at the start, the reset signal BRSz is at a high level, and the potential of the bit line BL is set to Vref. When the reset signal BRSz falls (a), the clamp signal clmpz rises (b), and the potential of the bit line BL rises to Vclmp. Unlike the first embodiment (FIG. 21), the clamp signal Clmpz is maintained at a high level over the first period and the second period.

一定時間経過後、ワードラインWLが立ち上がると(c)、選択トランジスタがON状態となりメモリセルMCとビットラインBLとが導通する(d)。ここで、メモリセルMCの可変抵抗42が高抵抗状態の場合は、可変抵抗42の抵抗値がクランプ抵抗120Aの抵抗値より大きいため(10Ω>103.5Ω)、メモリセルMCには電流がほとんど流れずにビットラインBLの電位は降下しない(e)。この間、電圧供給回路110により、クランプ抵抗120Aの第2端子にクランプ電圧Vclmpが供給されているため、リーク電流による電圧降下はほとんど発生しない。一方、メモリセルMCの可変抵抗42が低抵抗状態の場合は、可変抵抗42の抵抗値がクランプ抵抗120Aの抵抗値より小さいため(10Ω<103.5Ω)、メモリセルMCには電流が流れ、ビットラインBLの電位は降下する(f)。 When the word line WL rises after a lapse of a certain time (c), the selection transistor is turned on and the memory cell MC and the bit line BL are conducted (d). Here, when the variable resistor 42 of the memory cell MC is in a high resistance state, the resistance value of the variable resistor 42 is larger than the resistance value of the clamp resistor 120A (10 5 Ω> 10 3.5 Ω). Almost no current flows and the potential of the bit line BL does not drop (e). During this time, the voltage supply circuit 110 supplies the clamp voltage Vclmp to the second terminal of the clamp resistor 120A, so that a voltage drop due to the leakage current hardly occurs. On the other hand, when the variable resistor 42 of the memory cell MC is in the low resistance state, the resistance value of the variable resistor 42 is smaller than the resistance value of the clamp resistor 120A (10 2 Ω <10 3.5 Ω). A current flows and the potential of the bit line BL drops (f).

一定時間経過後、ラッチ信号LEzが立ち上がる(g)。これを受けて、センスアンプ118がビットラインBLの電位と基準電位Vrefとを比較し、結果を増幅して出力する。メモリセルMCが高抵抗状態の場合は、ビットラインBLの電位は電源電圧Vccまで増幅され、“0”データが読み出される(h)。メモリセルMCが低抵抗状態の場合は、ビットラインBLの電位は接地電圧Vssまで増幅され、“1”データが読み出される(i)。   After a predetermined time has elapsed, the latch signal LEz rises (g). In response to this, the sense amplifier 118 compares the potential of the bit line BL with the reference potential Vref, and amplifies and outputs the result. When the memory cell MC is in a high resistance state, the potential of the bit line BL is amplified to the power supply voltage Vcc, and “0” data is read (h). When the memory cell MC is in a low resistance state, the potential of the bit line BL is amplified to the ground voltage Vss, and “1” data is read (i).

以上のように実施例2の半導体装置は、第1の端子と第2の端子との間の抵抗値の大きさが、可変抵抗42の前記高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子(クランプ抵抗120A)を備える。また、データ読み出し時の第1の期間及び第2の期間において、電圧供給回路110が、クランプ抵抗120Aの第2の端子の電位を基準電位Vrefより高い電位Vclmpに昇圧する電圧を供給する。これにより、可変抵抗42の高抵抗状態の抵抗値が低めに設定されている場合であっても、データの読み出しを安定して行うことができる。   As described above, in the semiconductor device of Example 2, the magnitude of the resistance value between the first terminal and the second terminal is such that the resistance value of the variable resistor 42 in the high resistance state and the resistance value in the low resistance state. And a clamp element (clamp resistor 120A) in between. In the first period and the second period when reading data, the voltage supply circuit 110 supplies a voltage that boosts the potential of the second terminal of the clamp resistor 120A to the potential Vclmp higher than the reference potential Vref. Thereby, even when the resistance value of the variable resistance 42 in the high resistance state is set to be low, data can be read stably.

図22(a)を参照に、実施例2に係る半導体装置は1つのクランプ素子(クランプ抵抗120A)を備えているが、抵抗値の異なるクランプ素子(クランプ抵抗)を並列に複数具備する構成としてもよい。さらに、該複数のクランプ素子の中から、メモリセルMCに含まれる可変抵抗42の高抵抗状態における抵抗値に応じて、1つのクランプ素子を選択するクランプ選択部を備えた構成としてもよい。このとき電圧供給回路は、クランプ選択部により選択された1つのクランプ素子を介して、ビットラインBLに対しクランプ電圧Vclmpを供給する。この構成によれば、メモリセルMCにおける可変抵抗42の抵抗値変化に応じて、データの読み出しに最も適したクランプ素子を使用することができるため、データの読み出しをさらに安定して行うことができる。   Referring to FIG. 22A, the semiconductor device according to the second embodiment includes one clamp element (clamp resistor 120A), but includes a plurality of clamp elements (clamp resistors) having different resistance values in parallel. Also good. Furthermore, a configuration may be provided that includes a clamp selection unit that selects one clamp element from the plurality of clamp elements according to the resistance value of the variable resistor 42 included in the memory cell MC in the high resistance state. At this time, the voltage supply circuit supplies the clamp voltage Vclmp to the bit line BL via one clamp element selected by the clamp selection unit. According to this configuration, it is possible to use the clamp element that is most suitable for reading data in accordance with the change in resistance value of the variable resistor 42 in the memory cell MC, so that data can be read more stably. .

図22(b)を参照に、クランプ素子は可変抵抗120Bであってもよい。可変抵抗120Bは可変抵抗42と同じように、所定条件の電圧パルスを印加することにより抵抗値を変化させることのできるMIM素子(図3、表2参照)で形成してもよい。さらに、可変抵抗120Bに書き込みパルスを印加する書き込み回路(クランプ調整部)を別途設けることで、メモリセルMCにおける可変抵抗42の高抵抗状態及び低抵抗状態の抵抗値に応じて、クランプ素子(可変抵抗120B)の抵抗値を変化させてもよい。この構成によれば、クランプ抵抗の抵抗値をメモリセルMCの抵抗値変化に合わせて設定することができるため、データの読み出しをさらに安定して行うことができる。   Referring to FIG. 22B, the clamp element may be a variable resistor 120B. Similarly to the variable resistor 42, the variable resistor 120B may be formed of an MIM element (see FIG. 3, Table 2) that can change the resistance value by applying a voltage pulse of a predetermined condition. Further, by separately providing a write circuit (clamp adjustment unit) that applies a write pulse to the variable resistor 120B, a clamp element (variable) is selected according to the resistance values of the variable resistor 42 in the memory cell MC in the high resistance state and the low resistance state. The resistance value of the resistor 120B) may be changed. According to this configuration, the resistance value of the clamp resistor can be set in accordance with the change in the resistance value of the memory cell MC, so that data can be read more stably.

図22(c)を参照に、クランプ素子はトランジスタ120Cであってもよい。このとき、トランジスタ120CのON抵抗を、メモリセルMCにおける可変抵抗42の高抵抗状態及び低抵抗状態の間の抵抗値(10Ω〜10Ω)になるように形成し、ドレイン端子にはクランプ電圧Vclmpが、ゲート端子にはクランプ信号Clmpzがそれぞれ入力されるように構成する。この構成によれば、クランプ素子であるトランジスタ120Cが図22(a)及び(b)におけるN型トランジスタ112の役割を果たすため、半導体装置を小型化することができる。 Referring to FIG. 22 (c), the clamp element may be a transistor 120C. At this time, the ON resistance of the transistor 120C is formed to have a resistance value (10 2 Ω to 10 5 Ω) between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor 42 in the memory cell MC. The clamp voltage Vclmp is configured so that the clamp signal Clmpz is input to the gate terminal. According to this configuration, the transistor 120C as a clamp element plays the role of the N-type transistor 112 in FIGS. 22A and 22B, so that the semiconductor device can be downsized.

実施例2に係る半導体装置は、1つの記憶モード(比較例におけるMIDモードに相当)によりデータを記憶する構成としたが、2つ以上の記憶モード(比較例におけるNVMモード及びRAMモード)を備えた構成としてもよい。   The semiconductor device according to the second embodiment is configured to store data in one storage mode (corresponding to the MID mode in the comparative example), but has two or more storage modes (NVM mode and RAM mode in the comparative example). It is good also as a structure.

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible.

図1は比較例に係る半導体装置の構成を示したブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a semiconductor device according to a comparative example. 図2は図1におけるメモリセルの構成を示した図であるFIG. 2 is a diagram showing the configuration of the memory cell in FIG. 図3は図2におけるデータ記憶素子の構成を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the data storage element in FIG. 図4は図3におけるデータ記憶素子の電圧−電流特性を示したグラフである。FIG. 4 is a graph showing voltage-current characteristics of the data storage element in FIG. 図5は図1におけるロウデコーダの構成を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the row decoder in FIG. 図6は図1におけるカラムデコーダの構成を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the column decoder in FIG. 図7は図1における書き込み回路の構成を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the write circuit in FIG. 図8は図7におけるビットライン選択部、及び図1におけるメモリセルアレイの一部の構成を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the bit line selection unit in FIG. 7 and a part of the memory cell array in FIG. 図9は比較例に係る半導体装置のデータ書き込み時の動作を示したフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing an operation at the time of data writing of the semiconductor device according to the comparative example. 図10は図1におけるリセット回路及びセンスアンプの構成を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the reset circuit and the sense amplifier in FIG. 図11は図1におけるクランプ回路の構成を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the clamp circuit in FIG. 図12は図1におけるセンスアンプドライバの構成を示した図である。FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the sense amplifier driver in FIG. 図13は比較例に係る半導体装置のデータ読み出し時の動作を示したフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart showing an operation at the time of data reading of the semiconductor device according to the comparative example. 図14はNVMモードにおけるデータ読み出し時のタイミングチャートである。FIG. 14 is a timing chart when reading data in the NVM mode. 図15はRAMモードにおけるデータ読み出し時のタイミングチャートである。FIG. 15 is a timing chart when reading data in the RAM mode. 図16は比較例に係る半導体装置のリフレッシュ動作を示したフローチャート(その1)である。FIG. 16 is a flowchart (part 1) illustrating the refresh operation of the semiconductor device according to the comparative example. 図17は比較例に係る半導体装置のリフレッシュ動作を示したフローチャート(その2)である。FIG. 17 is a flowchart (part 2) illustrating the refresh operation of the semiconductor device according to the comparative example. 図18は比較例に係る他の半導体装置の構成を示した図である。FIG. 18 is a diagram showing a configuration of another semiconductor device according to the comparative example. 図19は実施例1に係る半導体装置の構成を示した回路図である。FIG. 19 is a circuit diagram illustrating a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図20は実施例1に係る半導体装置のデータ読み出し時の動作を示したフローチャートである。FIG. 20 is a flowchart illustrating an operation at the time of data reading of the semiconductor device according to the first embodiment. 図21は実施例1に係る半導体装置のデータ読み出し動作を示したタイミングチャートである。FIG. 21 is a timing chart illustrating the data read operation of the semiconductor device according to the first embodiment. 図22(a)〜(c)は実施例2に係る半導体装置の構成を示した回路図である。22A to 22C are circuit diagrams illustrating the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. 図23は実施例2に係る半導体装置のデータ読み出し時の動作を示したフローチャートである。FIG. 23 is a flowchart illustrating an operation at the time of data reading of the semiconductor device according to the second embodiment. 図24は実施例2に係る半導体装置のデータ読み出し動作を示したタイミングチャートである。FIG. 24 is a timing chart illustrating the data read operation of the semiconductor device according to the second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 メモリセルアレイ
12 ロウデコーダ
14 カラムデコーダ
16 アドレスバッファ
18 書き込み回路
20 リセット回路
21 クランプ回路
22 センスアンプ
24 センスアンプドライバ
26 入出力回路
28 選択レジスタ
40 データ記憶素子
41 選択トランジスタ
42 可変抵抗
44 電極
46 絶縁部
60 電圧選択部
62 ビットライン選択部
79 制御端子
100 半導体装置
110 電圧供給回路
120 クランプ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Memory cell array 12 Row decoder 14 Column decoder 16 Address buffer 18 Write circuit 20 Reset circuit 21 Clamp circuit 22 Sense amplifier 24 Sense amplifier driver 26 Input / output circuit 28 Selection register 40 Data storage element 41 Selection transistor 42 Variable resistance 44 Electrode 46 Insulation part 60 Voltage Selection Unit 62 Bit Line Selection Unit 79 Control Terminal 100 Semiconductor Device 110 Voltage Supply Circuit 120 Clamp Element

Claims (10)

メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態及び第1の低抵抗状態のいずれかになる第1モードと、前記可変抵抗の状態が前記第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態及び前記第2の高抵抗状態に対応する第2の低抵抗状態のいずれかになる第2モードと、の2つのモードによりデータを記憶する前記メモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビットラインと、
前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にする選択素子と、
前記第1の期間において、前記第1モードの場合は前記ビットラインの電位を基準電位より高い第1電位に昇圧する第1電圧を供給し、前記第2モードの場合は前記ビットラインの電位を前記第1電位より高い第2電位に昇圧する第2電圧を供給する電圧供給回路と、
前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出し回路と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
A first mode in which the state of the variable resistor included in the memory cell is either the first high-resistance state or the first low-resistance state; and the state of the variable resistor has a resistance value greater than that of the first high-resistance state. The memory cell storing data in two modes: a low second high resistance state and a second mode that is one of a second low resistance state corresponding to the second high resistance state;
A bit line connected to the memory cell;
When reading data from the memory cell, the memory cell and the bit line are turned off in a first period, and the memory cell and the bit line are turned off in a second period following the first period. A selection element to be in a conductive state;
In the first period, in the first mode, a first voltage for boosting the potential of the bit line to a first potential higher than a reference potential is supplied, and in the second mode, the potential of the bit line is increased. A voltage supply circuit for supplying a second voltage boosted to a second potential higher than the first potential;
A reading circuit for reading data by comparing the potential of the bit line with the reference potential in the second period;
A semiconductor device comprising:
メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかになることによりデータを記憶するメモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビットラインと、
前記ビットラインに接続された第1の端子と前記ビットラインに接続されていない第2の端子とを含み、前記第1の端子と前記第2の端子との間の抵抗値の大きさが、前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値と前記可変抵抗の前記低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子と、
前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にする選択素子と、
前記第1の期間及び前記第2の期間において、前記第2の端子の電位を基準電位より高い電位に昇圧する第1電圧を供給する第1電圧供給回路と、
前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出し回路と、
を具備することを特徴とする半導体装置。
A memory cell that stores data when the state of the variable resistor included in the memory cell is either a high resistance state or a low resistance state;
A bit line connected to the memory cell;
Including a first terminal connected to the bit line and a second terminal not connected to the bit line, and a resistance value between the first terminal and the second terminal is A clamping element that is between a resistance value of the variable resistor in the high resistance state and a resistance value of the variable resistor in the low resistance state;
When reading data from the memory cell, the memory cell and the bit line are turned off in a first period, and the memory cell and the bit line are turned off in a second period following the first period. A selection element to be in a conductive state;
A first voltage supply circuit for supplying a first voltage for boosting the potential of the second terminal to a potential higher than a reference potential in the first period and the second period;
A reading circuit for reading data by comparing the potential of the bit line with the reference potential in the second period;
A semiconductor device comprising:
前記クランプ素子は、抵抗値が可変の抵抗素子からなり、
前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値を変化させるクランプ調整部をさらに具備することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
The clamp element comprises a resistance element having a variable resistance value.
3. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a clamp adjustment unit configured to change a resistance value of the resistance element in accordance with a resistance value of the variable resistor included in the memory cell in the high resistance state. .
前記クランプ素子は、抵抗値が不変の抵抗素子からなり、
前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値が異なる複数の前記クランプ素子の中から1つを選択するクランプ選択部をさらに具備し、
前記電圧供給回路は、前記クランプ選択部により選択された1つの前記クランプ素子を介して、前記ビットラインに対し前記第1電圧を供給することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
The clamp element comprises a resistance element whose resistance value does not change,
According to the resistance value in the high resistance state of the variable resistor included in the memory cell, further comprising a clamp selection unit that selects one of the clamp elements having different resistance values of the resistance element,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the voltage supply circuit supplies the first voltage to the bit line through one of the clamp elements selected by the clamp selection unit.
前記クランプ素子は、オン抵抗の抵抗値が前記可変抵抗の前記高抵抗状態と前記低抵抗状態との間であるトランジスタからなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the clamp element includes a transistor having a resistance value of an on-resistance between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor. 前記ビットラインは、金属配線であることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the bit line is a metal wiring. 前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗は遷移金属酸化物であることを特徴とする請求項1から6のうちいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the variable resistor included in the memory cell is a transition metal oxide. メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が第1の高抵抗状態及び第1の低抵抗状態のいずれかになる第1モードと、前記可変抵抗の状態が前記第1の高抵抗状態より抵抗値の低い第2の高抵抗状態及び前記第2の高抵抗状態に対応する第2の低抵抗状態のいずれかになる第2モードと、の2つのモードによりデータを記憶する前記メモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、を具備する半導体装置の制御方法であって、
前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にするステップと、
前記第1の期間において、前記第1モードの場合は前記ビットラインの電位を基準電位より高い第1電位に昇圧し、前記第2モードの場合は前記ビットラインの電位を前記第1電位より高い第2電位に昇圧するステップと、
前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行う読み出しステップと、
を具備することを特徴とする半導体装置の制御方法。
A first mode in which the state of the variable resistor included in the memory cell is either the first high-resistance state or the first low-resistance state; and the state of the variable resistor has a resistance value greater than that of the first high-resistance state. The memory cell for storing data in two modes: a low second high-resistance state and a second mode that is one of a second low-resistance state corresponding to the second high-resistance state; and the memory A control method of a semiconductor device comprising a bit line connected to a cell,
When reading data from the memory cell, the memory cell and the bit line are turned off in a first period, and the memory cell and the bit line are turned off in a second period following the first period. A step of conducting, and
In the first period, in the first mode, the bit line potential is boosted to a first potential higher than a reference potential, and in the second mode, the bit line potential is higher than the first potential. Boosting to a second potential;
A reading step of reading data by comparing the potential of the bit line with the reference potential in the second period;
A method for controlling a semiconductor device, comprising:
メモリセルに含まれる可変抵抗の状態が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかになることによりデータを記憶するメモリセルと、前記メモリセルに接続されたビットラインと、前記ビットラインに接続された第1の端子と前記ビットラインに接続されていない第2の端子とを含み、前記第1の端子と前記第2の端子との間の抵抗値の大きさが、前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値と前記可変抵抗の前記低抵抗状態における抵抗値との間であるクランプ素子と、を具備する半導体装置の制御方法であって、
前記メモリセルからデータを読み出す際に、第1の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを非導通状態にし、前記第1の期間に続く第2の期間において前記メモリセルと前記ビットラインとを導通状態にするステップと、
前記第1の期間及び前記第2の期間において、前記第2の端子の電位を基準電位より高い電位に昇圧するステップと、
前記第2の期間において、前記ビットラインの電位を前記基準電位と比較することによりデータの読み出しを行うステップと、
を具備することを特徴とする半導体装置の制御方法。
A memory cell that stores data when the state of a variable resistor included in the memory cell is either a high resistance state or a low resistance state, a bit line connected to the memory cell, and a bit line connected to the bit line Including a first terminal and a second terminal not connected to the bit line, and a resistance value between the first terminal and the second terminal is greater than the high resistance of the variable resistor A clamping element that is between a resistance value in a state and a resistance value in the low resistance state of the variable resistor, and a method for controlling a semiconductor device comprising:
When reading data from the memory cell, the memory cell and the bit line are turned off in a first period, and the memory cell and the bit line are turned off in a second period following the first period. A step of conducting, and
Boosting the potential of the second terminal to a potential higher than a reference potential in the first period and the second period;
Reading out data by comparing the potential of the bit line with the reference potential in the second period;
A method for controlling a semiconductor device, comprising:
前記クランプ素子は、抵抗値が可変の抵抗素子からなり、
前記メモリセルに含まれる前記可変抵抗の前記高抵抗状態における抵抗値に応じて、前記抵抗素子の抵抗値を変化させるステップをさらに具備することを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の制御方法。
The clamp element comprises a resistance element having a variable resistance value.
10. The control of a semiconductor device according to claim 9, further comprising a step of changing a resistance value of the resistance element in accordance with a resistance value of the variable resistor included in the memory cell in the high resistance state. Method.
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