JP2010073236A - Nonvolatile memory device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile memory device capable of reducing a leakage current during reading and improving a data detection margin. <P>SOLUTION: The nonvolatile memory device includes memory cells 1a, 1b and 2 configured by serially connecting a resistance change element 5 and a bidirectional current limit element 6 and disposed at intersection points between word lines WL1 to WL5 and bit lines BL1 to BL4, the memory cell 1a being fixed in a high resistant state for partial pressure, and the memory cell 1b being fixed in a predetermined resistant state for correction, a row decoder and a word line driver 3 for selecting one of the word lines WL2 to WL5 and applying a reading voltage between the selected word line and the word line WL1, a comparator 7b for comparing partial-pressure voltage of the memory cell 1b and the memory cell 1a with a threshold value, and a correction processing part 21 for connecting the bit line BL1 with a predetermined voltage via a predetermined correction resistor when the result of the threshold comparison is different from a result expected from the resistant state for correction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気抵抗の変化する抵抗変化素子を用いて電気的にデータの書き込みまたは消去が可能なメモリセルからなる不揮発性メモリを複数個配列した不揮発性メモリ装置に関し、特に、個々のメモリセルが2端子の電流制限素子を有するクロスポイント型の不揮発性メモリ装置に関する。   The present invention relates to a non-volatile memory device in which a plurality of non-volatile memories each including a memory cell capable of electrically writing or erasing data using a resistance change element whose electric resistance changes, and more particularly to each memory cell. Relates to a cross-point type nonvolatile memory device having a current limiting element having two terminals.

不揮発性メモリ装置は、携帯電話機やデジタルカメラなどの携帯機器に広く搭載され、急速に利用が拡大している。そして近年、音声データや画像データが取り扱われる機会が増加し、これまで以上に大容量で、且つ高速に動作する不揮発性メモリ装置が強く要望され始めている。また、同時に携帯機器用途が多いため低消費電力への要求も、さらに強まっている。   Nonvolatile memory devices are widely installed in portable devices such as mobile phones and digital cameras, and their use is rapidly expanding. In recent years, opportunities for handling audio data and image data have increased, and there has been a strong demand for a nonvolatile memory device that has a larger capacity and operates at a higher speed than before. At the same time, since there are many applications for portable devices, the demand for low power consumption has further increased.

このような要求に対して、近年、メモリセルがトランジスタのような選択用素子を備えず、記憶素子と電流制御素子(例えばダイオード)とを直列に接続した構成をなし、このメモリセルの両端が直接、ワード線(行選択線)とビット線(列選択線)に接続してメモリアレイを形成するクロスポイント型の不揮発性メモリ装置(以下、クロスポイントメモリともいう)の提案が増えている。   In response to such a demand, in recent years, a memory cell does not include a selection element such as a transistor, and has a configuration in which a memory element and a current control element (for example, a diode) are connected in series. There are increasing proposals of cross-point type nonvolatile memory devices (hereinafter also referred to as cross-point memories) that are directly connected to word lines (row selection lines) and bit lines (column selection lines) to form a memory array.

これは選択トランジスタを省くことから、トランジスタに必要なレイアウト面積と制御用配線が無くなり、配線ルールの最小ピッチの高密度なメモリアレイが可能となり、大容量化に適しているためである。特に電気パルスで高速に抵抗変化するReRAM(Resistive RAM)では、抵抗変化膜を一対の電極で挟んだシンプルな構造のため、半導体プロセスの配線層やプラグを利用して、非常に高密度なメモリ装置が実現可能であると期待されている。   This is because, since the selection transistor is omitted, the layout area and control wiring necessary for the transistor are eliminated, a high-density memory array with the minimum pitch of the wiring rule is possible, and it is suitable for large capacity. In particular, ReRAM (Resistive RAM), which changes resistance at high speed with an electric pulse, has a simple structure in which a resistance change film is sandwiched between a pair of electrodes. The device is expected to be feasible.

図13に示されるクロスポイントメモリ65は、特許文献1に開示されるクロスポイントメモリであり、行選択線62と列選択線60とが交差するポイントにメモリセル61が配置され、メモリセル61は抵抗変化素子64と電流制限素子(ダイオード)66からなっている。   A cross-point memory 65 shown in FIG. 13 is a cross-point memory disclosed in Patent Document 1, and a memory cell 61 is arranged at a point where a row selection line 62 and a column selection line 60 intersect. It comprises a resistance change element 64 and a current limiting element (diode) 66.

このダイオード66は、よく知られた片方向(順方向)に電流が流れる特性を持つ。   The diode 66 has a well-known characteristic that current flows in one direction (forward direction).

図14は横軸に電圧をとり、縦軸に電流をとった電圧−電流特性である。例えば、市販されている汎用ダイオードを例にとると、順方向電流(a)は0.2Vの電圧印加で約100μA〜1mA程度流れる。   FIG. 14 shows voltage-current characteristics with the horizontal axis representing voltage and the vertical axis representing current. For example, taking a commercially available general-purpose diode as an example, the forward current (a) flows about 100 μA to 1 mA when a voltage of 0.2 V is applied.

これに対し、逆方向電流(b)は印加電圧がブレーク電圧に達するまではほぼ一定で、約10nA〜1μA程度と極めて小さい。電流の絶対量はダイオード素子のサイズで変わるが順方向電流と逆方向電流の比はサイズによらず類似する。   On the other hand, the reverse current (b) is substantially constant until the applied voltage reaches the break voltage, and is as small as about 10 nA to 1 μA. The absolute amount of current varies with the size of the diode element, but the ratio of forward current and reverse current is similar regardless of size.

このため図15のように選択メモリセルの行選択線に電圧V、列選択線に−V、行非選択線に電圧−V、列非選択線に電圧Vを印加し、非選択メモリセルの両端の電圧を同電位または逆バイアスにすることで、非選択メモリセルにはほとんど電流が流れず、クロスポイントメモリのセルサイズが大容量であってもリーク電流を微少に抑えることができる。   Therefore, as shown in FIG. 15, the voltage V is applied to the row selection line of the selected memory cell, -V is applied to the column selection line, the voltage -V is applied to the row non-selection line, and the voltage V is applied to the column non-selection line. By setting the voltages at both ends to the same potential or reverse bias, almost no current flows through the non-selected memory cells, and the leakage current can be suppressed to a small level even if the cell size of the cross-point memory is large.

このような片方向のダイオードを用いる構成では、メモリセル内の抵抗変化素子64が、非特許文献1に示された図16のような変化特性でなければならない。つまり単極性の印加電圧の電圧値を制御することによって高抵抗への変化と低抵抗への変化の両方ができる単極性動作の抵抗変化素子である必要がある。そして単極性動作の抵抗変化素子は、多くの場合、リセットに要する時間が、セットに要する時間に比べて長いという特性を有する。   In such a configuration using a unidirectional diode, the resistance change element 64 in the memory cell must have a change characteristic as shown in FIG. That is, it is necessary to be a unipolar variable resistance element that can change both to high resistance and to low resistance by controlling the voltage value of the unipolar applied voltage. In many cases, the unipolar variable resistance element has a characteristic that the time required for resetting is longer than the time required for setting.

これに対し、特許文献2や本発明で用いるような両極性動作の抵抗変化素子、つまり正極性および負極性のうち一方の極性の電圧印加で高抵抗状態へ変化し他方の極性の電圧印加で低抵抗状態へ変化する抵抗変化素子では、一般に、リセット時もセット時と同様に高速動作が可能であるという優位な特徴を有する。しかしながら、前述したダイオードを用いるようなクロスポイント構造のメモリアレイに、両極性動作の抵抗変化素子を用いる場合には接続されるダイオードが双方向に電流を流せる(以降、双方向ダイオードとも言う)必要がある。   On the other hand, the resistance change element of the bipolar operation as used in Patent Document 2 and the present invention, that is, changes to a high resistance state by applying a voltage of one polarity of positive polarity and negative polarity, and by applying a voltage of the other polarity. A variable resistance element that changes to a low resistance state generally has the advantage of being capable of high-speed operation during reset as well as during set. However, in the case of using a variable resistance element with bipolar operation in a memory array having a cross-point structure using the above-described diode, the connected diode needs to be able to flow current bidirectionally (hereinafter also referred to as a bidirectional diode). There is.

図17に示したような一例の双方向ダイオードの順方向電流(a)および逆方向電流(b)は、極性は反転するが絶対値はほぼ等しく、それぞれ±0.2Vの電圧印加で100μA〜1mA程度(符号省略)流れる。   The forward current (a) and the reverse current (b) of the bidirectional diode of an example as shown in FIG. 17 are reversed in polarity but are almost equal in absolute value. The current flows about 1 mA (not shown).

この場合は、図15のようにメモリセルを非選択とするために逆バイアスを印加する方式を用いることができないから、例えば図18のように、選択メモリセルの列選択線を接地電圧GNDとし、行選択線をリード電圧Vrとし、行および列非選択線をいずれもハイインピーダンスに開放(HZ)したときにも、実線で示される選択メモリセルの電流パスだけでなく、最短経路でメモリセルを3つ通るような点線で示される漏れ電流パス(リークパスともいう)が非常に多く存在することになる。   In this case, since it is not possible to use a method of applying a reverse bias to deselect a memory cell as shown in FIG. 15, the column selection line of the selected memory cell is set to the ground voltage GND as shown in FIG. Even when the row selection line is set to the read voltage Vr and both the row and column non-selection lines are opened to high impedance (HZ), not only the current path of the selected memory cell indicated by the solid line but also the memory cell through the shortest path There are very many leakage current paths (also referred to as leakage paths) indicated by dotted lines that pass through the three.

このようなリークパスは、読み出し時の感度を劣化させ、また消費電流を増大させるといった問題を引き起こす。   Such a leak path causes problems such as deterioration in sensitivity during reading and an increase in current consumption.

この問題に対して、例えば特許文献3で示されているような、クロスポイントの全メモリアレイのエリアをトランジスタスイッチなどでより小さなブロックに分割する技術を用いて、リークパスを許容できる量まで減少させることは可能である。
「Highly Scalable Non−volatile Resistive Memory using Simple Binary Oxide Driven by Asymmetric Unipolar Voltage Pulses」 0−7803−8684−1/04/$20.00 (c)2004 IEEE 特開2005−182986号公報 特開2004−185755号公報 特許第3913258号明細書
To solve this problem, for example, a technique for dividing the area of the entire memory array at the cross point into smaller blocks with a transistor switch or the like as shown in Patent Document 3 is used to reduce the leak path to an allowable amount. It is possible.
“Highly Scalable Non-Volatile Resistive Memory Using Simple Binary Oxide Driven Asymmetric Unipolar Voltage Pulses” 0-7803-8684-4E / 4E4E / 4E4E4E JP 2005-182986 A JP 2004-185755 A Japanese Patent No. 3913258

上述のように、両極性動作の抵抗変化素子と双方向ダイオードとを直列に接続したメモリセル(以降、双方向メモリセル)を用いてクロスポイントメモリを構成したときに、ダイオードの逆バイアスのオフ領域を用いてメモリセルを非選択とする方式が採れないため、クロスポイントのセル数が多くなるほどリーク電流が増える。   As described above, when a cross-point memory is configured using a memory cell (hereinafter referred to as a bidirectional memory cell) in which a variable resistance element and a bidirectional diode connected in bipolar operation are connected in series, the reverse bias of the diode is turned off. Since a method of deselecting a memory cell using a region cannot be adopted, the leakage current increases as the number of cross-point cells increases.

図19に、両極性動作の抵抗変化素子が低抵抗状態で1kΩ、高抵抗状態で10kΩに変化し、それに汎用ダイオードを双方向接続した双方向メモリセルを用いてクロスポイントメモリアレイ構成したときの、簡易シミュレーションを示す。   FIG. 19 shows a cross-point memory array configuration using a bidirectional memory cell in which a variable resistance element for bipolar operation changes to 1 kΩ in a low resistance state, 10 kΩ in a high resistance state, and a general-purpose diode is bidirectionally connected thereto. A simple simulation is shown.

このシミュレーションでは、行および列の選択線にリード電圧を印加し、その他の非選択線はフローティング(ハイインピーダンスに開放)されたときの、選択線に流れるリード電流を算出している。   In this simulation, a read voltage is applied to the row and column selection lines, and the read current flowing through the selection lines when the other non-selection lines are floating (open to high impedance) is calculated.

図19のI1は非選択メモリセルが全て低抵抗状態(以降、Rlと記す)、選択メモリセルもRlで全てのメモリセルがRlにあるときのメモリアレイを構成する全メモリセル数とリード電流の変化であり、構成上最もリーク電流が多い場合である。一方、I2は非選択メモリセルが全て高抵抗状態(以降、Rhと記す)、選択メモリセルもRhで全てのメモリセルがRhにあるときのメモリアレイを構成する全メモリセル数とリード電流の変化を示しており、構成上最もリーク電流が小さくなる場合である。   In FIG. 19, I1 indicates that all the non-selected memory cells are in a low resistance state (hereinafter referred to as Rl), the selected memory cell is Rl, and all the memory cells are in Rl. This is a case where the leakage current is the largest in configuration. On the other hand, I2 indicates that all the non-selected memory cells are in a high resistance state (hereinafter referred to as Rh), the selected memory cell is Rh, and all the memory cells are in Rh. This is a case where the leak current is the smallest in terms of configuration.

図19に見られるように、1ビットの選択メモリセルを読み出すのに、最悪条件で1mA以上の電流が必要となる。   As shown in FIG. 19, in order to read a 1-bit selected memory cell, a current of 1 mA or more is required under the worst condition.

一般にメモリ装置から高速にデータを読み出すために複数のビットを並列で読み出すマルチビットリードがなされるが、その場合は並列数が大きくなるほどリーク電流が増加する。例えば20ビットのマルチビットリードを行なえば20mA以上の電流が必要となり、低消費電流化の要望を満足することができない。   In general, in order to read data from a memory device at high speed, multi-bit read is performed to read a plurality of bits in parallel. In this case, the leakage current increases as the parallel number increases. For example, if a 20-bit multi-bit read is performed, a current of 20 mA or more is required, and the demand for low current consumption cannot be satisfied.

このような問題に対する対策として、既に述べたように、クロスポイントのメモリアレイを小さいブロックに小分けすることが考えられる。   As a countermeasure against such a problem, as described above, it is conceivable to subdivide the cross-point memory array into small blocks.

しかしながら、そのような対策を講じるには、メモリアレイをブロックに分離するためのトランジスタスイッチなどが必要になり、そのレイアウトエリアのためにメモリアレイの容量密度が減少してしまう。   However, in order to take such a measure, a transistor switch or the like for separating the memory array into blocks is necessary, and the capacity density of the memory array is reduced due to the layout area.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、抵抗変化素子とダイオードとからなるメモリセルを用いたクロスポイントにおける非選択メモリセルへのリーク電流を、トランジスタを用いることなく減少せしめ、メモリアレイの有効面積サイズを減少させること無く、両極性動作の抵抗変化素子からなる双方向メモリセルを用いたクロスポイント型のメモリアレイを有する半導体記憶装置において、良好な低消費電流化を図る点にある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to use a transistor for leakage current to a non-selected memory cell at a cross point using a memory cell composed of a resistance change element and a diode. In a semiconductor memory device having a cross-point type memory array using bidirectional memory cells composed of resistance change elements of bipolar operation without reducing the effective area size of the memory array It is in the point which aims at.

この目的を達成するため、本発明にかかる不揮発性メモリ装置は、一方向に延設された複数の第1配線と、前記一方向とは異なる方向に延設された複数の第2配線と、高抵抗状態と低抵抗状態の少なくとも2値以上の抵抗値間を変化する抵抗変化素子と、印加電圧に応じて前記抵抗変化素子に流れる電流を制限する電流制限素子とが直列に接続され、かつ前記第1配線と前記第2配線との各交点間に接続された複数の不揮発性のメモリセルと、前記複数の第1配線の1つを選択し、選択された第1配線に第1電圧を印加するドライバと、前記各第2配線に対応して設けられ、対応する第2配線を前記第1電圧とは異なる第2電圧に接続する抵抗器と、前記各第2配線に対応して設けられ、前記第1電圧の印加中で、かつ前記各第2配線が前記抵抗器を介して前記第2電圧に接続されているときに、対応する第2配線に現れる電圧を所定のしきい値電圧と比較する比較器とを備え、前記複数の第2配線の1つである第1校正線と前記各第1配線との各交点間に接続された前記メモリセルを、第1の校正用のメモリセルとして、高抵抗状態および低抵抗状態のいずれか一方の第1抵抗状態に固定し、さらに、前記第1校正線に対応する前記比較器による比較の結果が前記第1抵抗状態から期待される値と異なる場合に、前記第1校正線を第1の補正抵抗器を介して第3電圧に接続する補正処理部を備え、前記第1校正線を除く各第2配線に対応するそれぞれの前記比較器は、さらに、前記第1電圧の印加中で、かつ前記第1校正線が前記第1の補正抵抗器を介して前記第3電圧に接続されているときに、対応する前記第2配線に現れる電圧を前記所定のしきい値電圧と比較する。   In order to achieve this object, a nonvolatile memory device according to the present invention includes a plurality of first wirings extending in one direction, a plurality of second wirings extending in a direction different from the one direction, A resistance change element that changes between at least two resistance values in a high resistance state and a low resistance state, and a current limiting element that limits a current flowing through the resistance change element according to an applied voltage are connected in series, and A plurality of nonvolatile memory cells connected between the intersections of the first wiring and the second wiring and one of the plurality of first wirings are selected, and a first voltage is applied to the selected first wiring. Corresponding to each of the second wirings, a resistor for connecting the corresponding second wiring to a second voltage different from the first voltage, and corresponding to each of the second wirings The first voltage is being applied, and each of the second wirings is A comparator that compares a voltage appearing in the corresponding second wiring with a predetermined threshold voltage when connected to the second voltage via a resistor, and one of the plurality of second wirings. As the first calibration memory cell, the memory cell connected between each intersection of the first calibration line and each first wiring is the first in either the high resistance state or the low resistance state. When the comparison result by the comparator corresponding to the first calibration line is different from a value expected from the first resistance state, the first calibration line is fixed to the resistance state. A correction processing unit connected to a third voltage via a comparator, and each of the comparators corresponding to the second wirings excluding the first calibration line is further applying the first voltage, and A first calibration line is connected to the third voltage via the first correction resistor. When is, the voltage appearing at the corresponding second wiring compared with the predetermined threshold voltage.

このような構成によれば、前記抵抗器は選択されたメモリセルとともに分圧用の抵抗器として機能し、前記第1電圧と前記第2電圧の印加中に、前記分圧用の抵抗器と前記メモリセルとの分圧として前記第2配線に現れる電圧を前記所定のしきい値電圧と比較することで、前記メモリセルの抵抗状態を読み出すことができる。従って、メモリセルの抵抗状態を読み出す際に、必ず前記分圧用の抵抗器を介して電圧が印加されるため、前記分圧用の抵抗の値に応じて、消費電流が削減される。   According to such a configuration, the resistor functions as a voltage dividing resistor together with the selected memory cell, and the voltage dividing resistor and the memory are applied during application of the first voltage and the second voltage. The resistance state of the memory cell can be read by comparing the voltage appearing in the second wiring as a divided voltage with the cell with the predetermined threshold voltage. Therefore, when reading the resistance state of the memory cell, a voltage is always applied through the voltage dividing resistor, so that current consumption is reduced according to the value of the voltage dividing resistor.

さらに、前記第1校正線に対応する比較器による比較結果が、前記第1の抵抗状態から期待される結果と異なっていた場合、前記補正処理部が前記第1校正線を前記第1の補正抵抗器を介して前記第3電圧に接続することにより、各第2配線に現れる分圧電圧が前記第3電圧に近づくように補正された状態で、前記比較器は比較をやり直すことができる。   Further, when a comparison result by the comparator corresponding to the first calibration line is different from a result expected from the first resistance state, the correction processing unit changes the first calibration line to the first correction line. By connecting to the third voltage via a resistor, the comparator can redo the comparison in a state where the divided voltage appearing in each second wiring is corrected to approach the third voltage.

その結果、良好な低消費電流化を達成しながら、データを読み出すときの検出マージンが増加し、メモリアレイのブロックサイズの更なる大容量化が図れるとともにデータ読み出しの信頼性も向上した不揮発性メモリ装置を提供できる。   As a result, a non-volatile memory that achieves good low current consumption, increases the detection margin when reading data, increases the block size of the memory array, and improves the reliability of data reading Equipment can be provided.

前述した校正用の比較結果の取得および分圧電圧の補正のための前記第3電圧の印加は、いずれも前記第1校正線および前記第1の補正抵抗器を用いて行われるため、抑制された規模の回路でデータ読み出しの信頼性を向上する効果が得られる。   The acquisition of the comparison result for calibration and the application of the third voltage for correcting the divided voltage are both suppressed using the first calibration line and the first correction resistor. The effect of improving the reliability of data reading can be obtained with a circuit of a different scale.

ここで、前記複数の第1配線のうちの特定の1つと各第2配線との間に接続された全てのメモリセルを冗長メモリセルとして高抵抗状態に固定し、各第2配線を前記第2電圧に接続する抵抗器として用い、前記ドライバは、さらに、前記特定の第1配線に前記第2電圧を印加してもよい。   Here, all the memory cells connected between a specific one of the plurality of first wirings and each second wiring are fixed in a high resistance state as redundant memory cells, and each second wiring is connected to the first wiring. The driver may be used as a resistor connected to two voltages, and the driver may further apply the second voltage to the specific first wiring.

この構成によれば、高抵抗状態に固定された前記冗長メモリセルを前記分圧用の抵抗器として用いることにより、ロットばらつきによりメモリアレイ全体の高抵抗値がシフトしても、それに応じて分圧用の抵抗の値も同じメモリセルを代用することから同様にシフトするため、分圧電圧に生じるばらつきを吸収できる。また、製造プロセスが更なる微細な構造に進み高抵抗値のレンジがシフトしても同様に対応できる。すなわち、この構成により、ばらつきの少ない分圧電圧が得られる前記分圧用の抵抗器を、メモリアレイの中に適宜に作りこむことが可能となる。   According to this configuration, by using the redundant memory cell fixed in a high resistance state as the voltage dividing resistor, even if the high resistance value of the entire memory array is shifted due to lot variation, voltage dividing is performed accordingly. Since the same memory cell is used instead of the same memory cell, the resistance value is shifted in the same manner, so that variations in the divided voltage can be absorbed. Further, even if the manufacturing process proceeds to a finer structure and the range of the high resistance value is shifted, the same can be dealt with. That is, with this configuration, it is possible to appropriately form the voltage dividing resistors that can obtain a divided voltage with little variation in the memory array.

また、前記第1校正線とは異なる、前記複数の第2配線のうちの1つである第2校正線と前記各第1配線との交点間に接続された前記メモリセルを、第2の校正用のメモリセルとして、高抵抗状態および低抵抗状態のうちの前記第1抵抗状態とは異なる抵抗状態である第2抵抗状態に固定し、前記補正処理部は、さらに、前記第2校正線に対応する前記比較器による比較の結果が前記第2抵抗状態から期待される値と異なる場合に、前記第2校正線を第2の補正抵抗器を介して第4電圧に接続し、前記第1校正線および前記第2校正線を除く各第2配線に対応するそれぞれの前記比較器は、さらに、前記第1電圧の印加中で、かつ前記第2校正線が前記第2の補正抵抗器を介して前記第4電圧に接続されているときに、対応する第2配線に現れる電圧を前記所定のしきい値電圧と比較してもよい。   In addition, the memory cell connected between the intersections of the second calibration line, which is one of the plurality of second wirings, which is different from the first calibration line, and the first wirings, The memory cell for calibration is fixed to a second resistance state that is different from the first resistance state in the high resistance state and the low resistance state, and the correction processing unit further includes the second calibration line. The second calibration line is connected to a fourth voltage via a second correction resistor when the result of the comparison by the comparator corresponding to is different from the value expected from the second resistance state, Each of the comparators corresponding to each second wiring excluding one calibration line and the second calibration line is further applying the first voltage, and the second calibration line is the second correction resistor. When connected to the fourth voltage via the corresponding second wiring. Voltage may be compared with the predetermined threshold voltage that.

このような構成によれば、前記第2校正線に対応する比較器による比較結果が、前記第2の抵抗状態から期待される結果と異なっていた場合、前記補正処理部が前記第2校正線を前記第2の補正抵抗器を介して前記第4電圧に接続することにより、各第2配線に現れる分圧電圧が前記第4電圧に近づくように補正された状態で、前記比較器は比較をやり直すことができる。   According to such a configuration, when the comparison result by the comparator corresponding to the second calibration line is different from the result expected from the second resistance state, the correction processing unit performs the second calibration line. Is connected to the fourth voltage via the second correction resistor, and the comparator is compared in a state where the divided voltage appearing in each second wiring is corrected to approach the fourth voltage. Can be redone.

このようなデータの読み出し方法によれば、高抵抗状態に固定される校正用のメモリセルから得られる高抵抗状態を低抵抗状態と誤って判定した場合、および低抵抗状態に固定される校正用のメモリセルから得られる低抵抗状態を高抵抗状態と誤って判定した場合のいずれの場合にも、分圧電圧を適切に補正した上で比較をやり直すことができるので、データを読み出すときの検出マージンがさらに増加し、メモリアレイのブロックサイズの更なる大容量化が図れるとともにデータ読み出しの信頼性も向上した不揮発性メモリ装置を提供できる。   According to such a data reading method, when the high resistance state obtained from the calibration memory cell fixed in the high resistance state is erroneously determined as the low resistance state, and for the calibration fixed in the low resistance state In any case where the low resistance state obtained from the memory cell is mistakenly determined as the high resistance state, the comparison can be performed again after correcting the divided voltage appropriately. It is possible to provide a nonvolatile memory device in which the margin is further increased, the block size of the memory array can be further increased, and the reliability of data reading is improved.

また、前記不揮発性メモリ装置は、さらに、前記メモリセルに書き込むべきデータに所定の演算を行い、前記メモリセルを前記所定の演算後のデータに対応する抵抗状態に設定する書き込みデータ変調部と、前記メモリセルから読み出された抵抗状態に対応するデータに、前記所定の演算の逆演算を行う読み出しデータ復調部とを備えてもよい。   The nonvolatile memory device further performs a predetermined operation on data to be written to the memory cell, and sets a write data modulation unit that sets the memory cell in a resistance state corresponding to the data after the predetermined operation; You may provide the read data demodulation part which performs reverse calculation of the said predetermined calculation to the data corresponding to the resistance state read from the said memory cell.

この構成によれば、さらに、メモリセルを高抵抗状態または低抵抗状態と判定する際の検出マージンの減少の原因となるワードデータの各メモリセルのRhまたはRlへの偏りを、データを変調することによって抑制できる。   According to this configuration, the data is further modulated by biasing the word data to Rh or Rl of each memory cell, which causes a decrease in detection margin when the memory cell is determined to be in the high resistance state or the low resistance state. Can be suppressed.

このようなデータの書込みおよび読み出し方法によれば、データを読み出すときの検出マージンの減少を抑制でき、メモリアレイのブロックサイズの更なる大容量化が図れるとともにデータ読み出しの信頼性も向上した不揮発性メモリ装置を提供できる。   According to such a data writing and reading method, it is possible to suppress a decrease in detection margin when reading data, and further increase the capacity of the memory array block size and improve the reliability of data reading. A memory device can be provided.

なお、本発明は、前述の不揮発性メモリ装置として実現できるのみならず、不揮発性メモリ装置におけるデータの書き込みおよび読み出し方法として実現することもできる。   The present invention can be realized not only as the above-described nonvolatile memory device but also as a method for writing and reading data in the nonvolatile memory device.

以上のように、本発明の不揮発性記憶装置によれば、分圧用の抵抗と読み出しの対象となる選択メモリセルとで読み出し電圧を分圧して得られる電圧を比較器で検出することで、前記選択メモリセルの抵抗状態に応じて保持されているデータの読み出しを行うので、前記読み出し電圧の印加で発生する全ての電流パスが前記分圧用の抵抗を通ることとなる。   As described above, according to the nonvolatile memory device of the present invention, the voltage obtained by dividing the read voltage between the voltage dividing resistor and the selected memory cell to be read is detected by the comparator, Since the data held according to the resistance state of the selected memory cell is read, all current paths generated by the application of the read voltage pass through the voltage dividing resistor.

その結果、リーク電流が良好に低減されるとともに、複数のメモリセルを同時に並列にデータリードした場合でもリーク電流の上昇が緩和され、低消費電流化を図った不揮発性メモリ装置を提供できる。   As a result, it is possible to provide a nonvolatile memory device in which the leakage current is satisfactorily reduced and the increase in the leakage current is alleviated even when data is read from a plurality of memory cells simultaneously in parallel.

この構成は、抵抗変化素子を用いたクロスポイント型の不揮発性メモリ装置であって、前記抵抗変化素子が両極性の電圧を印加されることで高抵抗状態と低抵抗状態との間で変化するために、片方向特性のダイオードの挿入によりリーク電流を遮断できない場合に、とりわけ有効な低消費電流化を実現できる。   This configuration is a cross-point type nonvolatile memory device using a resistance change element, and changes between a high resistance state and a low resistance state when the resistance change element is applied with a bipolar voltage. Therefore, particularly effective low current consumption can be realized when the leakage current cannot be cut off by inserting a diode having one-way characteristics.

さらには、本発明の不揮発性記憶装置によれば、前記複数の第2配線の1つである校正線につながる各メモリセルを抵抗状態が固定された校正用のメモリセルとして用い、前記校正線に対応する比較器による比較結果が、前記固定された抵抗状態から期待される結果と異なっていた場合、前記補正処理部が前記校正線を、補正抵抗器を介して第3電圧に接続するので、各第2配線の分圧電圧が前記第3電圧に近づくように補正された状態で、前記比較器による比較をやり直すことができる。   Furthermore, according to the nonvolatile memory device of the present invention, each of the memory cells connected to the calibration line which is one of the plurality of second wirings is used as a calibration memory cell having a fixed resistance state, and the calibration line is used. If the comparison result by the comparator corresponding to is different from the result expected from the fixed resistance state, the correction processing unit connects the calibration line to the third voltage via the correction resistor. The comparison by the comparator can be performed again in a state where the divided voltage of each second wiring is corrected so as to approach the third voltage.

これにより、メモリアレイサイズの増大に伴う、データを読み出すときの検出マージンの減少を抑制し、メモリアレイのブロックサイズの更なる大容量化が図れるとともにデータ読み出しの信頼性も向上した不揮発性メモリ装置を提供できる。   Thereby, a non-volatile memory device that suppresses a decrease in detection margin when reading data with an increase in memory array size, can further increase the capacity of the block size of the memory array, and also improves the reliability of data reading Can provide.

本発明に係る不揮発性メモリ装置の一実施の形態について、図面に基づいて説明する。   An embodiment of a nonvolatile memory device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1に、第1の実施形態に係る不揮発性メモリ装置100のブロック図を示す。図1において、メモリセル1a、メモリセル1b、およびメモリセル2は、格子状に配置されたワード線WL1〜WL5とビット線BL1〜BL4とが交差する位置に設けられ、クロスポイント型のメモリアレイをなしている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram of the nonvolatile memory device 100 according to the first embodiment. In FIG. 1, a memory cell 1a, a memory cell 1b, and a memory cell 2 are provided at positions where word lines WL1 to WL5 and bit lines BL1 to BL4 arranged in a lattice intersect, and a cross-point type memory array. I am doing.

メモリセル1a、メモリセル1b、およびメモリセル2は、極性の異なる電圧を印加することで高抵抗状態と低抵抗状態の少なくとも2値以上の抵抗値間を変化する両極性動作の抵抗変化素子5と双方向電流制限素子6(例えば双方向ダイオード)からなっている。   The memory cell 1a, the memory cell 1b, and the memory cell 2 have a bipolar operation resistance change element 5 that changes between at least two resistance values in a high resistance state and a low resistance state by applying voltages having different polarities. And a bidirectional current limiting element 6 (for example, a bidirectional diode).

メモリセル1aは、後で説明する分圧用の抵抗であるメモリセルであり、抵抗変化素子が高抵抗状態に固定される。メモリセル1bは、後で説明する校正用のメモリセルであり、抵抗変化素子が高抵抗状態に固定される。   The memory cell 1a is a memory cell that is a resistance for voltage division, which will be described later, and the resistance change element is fixed in a high resistance state. The memory cell 1b is a calibration memory cell to be described later, and the resistance change element is fixed in a high resistance state.

また、メモリセル2は通常のデータ記憶に用いるデータメモリセルで、抵抗変化素子が低抵抗状態および高抵抗状態のうち記憶するデータに応じた一方に設定される。   The memory cell 2 is a data memory cell used for normal data storage, and is set to one of the resistance change elements corresponding to data stored in the low resistance state and the high resistance state.

ローデコーダ及びワード線ドライバ3(以下、ワード線ドライバと略す)は、システムコントローラ及びデータバッファ9(以下、システムコントローラと略す)からの指示によって、ワード線に接続されたドライバの出力を所定の電圧に調整し、またはハイインピーダンスに開放する。   The row decoder and word line driver 3 (hereinafter abbreviated as word line driver) outputs the output of the driver connected to the word line to a predetermined voltage according to instructions from the system controller and data buffer 9 (hereinafter abbreviated as system controller). Or open to high impedance.

カラムデコーダ及びビット線ドライバ4(以下、ビット線ドライバと略す)は、システムコントローラ9からの指示によって、ビット線に接続されたドライバの出力を所定の電圧に調整し、またはハイインピーダンスに開放する。   The column decoder and bit line driver 4 (hereinafter abbreviated as a bit line driver) adjusts the output of the driver connected to the bit line to a predetermined voltage or opens it to high impedance according to an instruction from the system controller 9.

ビット線ドライバ4の中で、特に補正ドライバ20は、システムコントローラ9の指示に従い、ビット線BL1をハイインピーダンスに開放するか、または所定の抵抗値を持つ抵抗で接地電圧にプルダウンする。   Among the bit line drivers 4, in particular, the correction driver 20 opens the bit line BL1 to high impedance or pulls it down to the ground voltage with a resistor having a predetermined resistance value in accordance with an instruction from the system controller 9.

コンパレータ(比較器)7aおよびコンパレータ7bは、ビット線BL1〜BL4の電圧を所定の参照電圧(図示せず)と比較し、比較結果を“H”、“L”のディジタル信号として読み出し用ワードレジスタ8に出力する電圧比較器として動作する。   The comparator (comparator) 7a and the comparator 7b compare the voltages of the bit lines BL1 to BL4 with a predetermined reference voltage (not shown), and read the comparison result as a digital signal of “H” or “L”. 8 operates as a voltage comparator that outputs to 8.

読み出し用ワードレジスタ8は、入力された読み出しデータを内部のレジスタに蓄え、蓄えたデータをシステムコントローラ9の指示に従って出力する。   The read word register 8 stores the input read data in an internal register, and outputs the stored data in accordance with an instruction from the system controller 9.

ホストインターフェース10は、不揮発性メモリ装置100と外部装置との間でデータおよび制御コマンドを通信する。   The host interface 10 communicates data and control commands between the nonvolatile memory device 100 and an external device.

システムコントローラ9は、前記外部装置からホストインターフェース10を介して与えられるコマンドおよびデータに応じて、ワード線ドライバ3およびビット線ドライバ4を制御して、メモリアレイへのデータの書き込みや、メモリアレイからのデータの読み出しを行なう。   The system controller 9 controls the word line driver 3 and the bit line driver 4 in accordance with commands and data given from the external device via the host interface 10 to write data into the memory array or from the memory array. The data is read out.

補正処理部21は、コンパレータ7bによる比較の結果が、メモリセル1bの抵抗状態である高抵抗状態から期待される値と異なる場合に、補正ドライバ20を制御してビット線BL1を所定の抵抗値を持つ抵抗で接地電圧にプルダウンするすることにより、他のビット線のデータの検出レベルを補正する。補正処理部21は、例えばマイクロプロセッサ等で構成されるシステムコントローラ9のプログラム処理の一つとして実現可能である。   The correction processing unit 21 controls the correction driver 20 to set the bit line BL1 to a predetermined resistance value when the comparison result by the comparator 7b is different from the value expected from the high resistance state, which is the resistance state of the memory cell 1b. By pulling down to the ground voltage with a resistor having the above, the detection level of data of other bit lines is corrected. The correction processing unit 21 can be realized as one of the program processes of the system controller 9 composed of, for example, a microprocessor.

なお、図1ではワード線が5本、ビット線が4本のメモリアレイを例示したが、本発明はこの本数および縦横比に限定されるものでない。   Although FIG. 1 illustrates a memory array having five word lines and four bit lines, the present invention is not limited to this number and aspect ratio.

次に、不揮発性メモリ装置100におけるデータの書き込み動作について説明する。   Next, a data write operation in the nonvolatile memory device 100 will be described.

システムコントローラ9は、ホストインターフェース10から与えられる書き込みコマンドと書き込みデータに従い、内部のデータバッファに書き込みデータを格納する。   The system controller 9 stores the write data in the internal data buffer according to the write command and write data given from the host interface 10.

さらにシステムコントローラ9は、書き込みデータを記録するアドレスに相当する選択メモリセルに書き込みパルスを印加する。   Further, the system controller 9 applies a write pulse to the selected memory cell corresponding to the address for recording the write data.

先に述べたように抵抗変化素子は、極性の異なる電圧を印加することで高抵抗状態と低抵抗状態の少なくとも2値以上の抵抗値間を変化する特性を有し、低抵抗化電圧をVrl、高抵抗化電圧をVrhとすると、メモリセルに対してVrlとVrhは互いに極性が異なるように印加される。   As described above, the resistance change element has a characteristic of changing between at least two resistance values of the high resistance state and the low resistance state by applying voltages of different polarities, and the low resistance voltage is expressed as Vrl. When the high resistance voltage is Vrh, Vrl and Vrh are applied to the memory cells so that their polarities are different from each other.

例えば、選択メモリセルの抵抗変化素子を低抵抗状態(Rl)に変化させる場合は、アレイの全てのメモリセルが接続されるワード線とビット線が1/2Vrlとなる電圧に予め印加される(以降、プリチャージ動作ともいう)。その後に選択メモリセルが接続されるビット線は接地電圧(GND)に、選択メモリセルが接続されるワード線は低抵抗化電圧Vrlへと変化させ、選択メモリセルにVrlの電圧振幅が印加されて選択メモリセルのみが低抵抗状態へと変化する。   For example, when the resistance change element of the selected memory cell is changed to the low resistance state (Rl), a word line and a bit line to which all the memory cells of the array are connected are applied in advance to a voltage of 1/2 Vrl ( Hereinafter, it is also referred to as a precharge operation). Thereafter, the bit line to which the selected memory cell is connected is changed to the ground voltage (GND), the word line to which the selected memory cell is connected is changed to the low resistance voltage Vrl, and the voltage amplitude of Vrl is applied to the selected memory cell. Thus, only the selected memory cell changes to the low resistance state.

一方、選択メモリセルの抵抗変化素子を高抵抗状態(Rh)に変化させる場合は、アレイの全てのメモリセルが接続されるワード線とビット線が1/2Vrhとなる電圧にプリチャージした後、選択メモリセルが接続されるワード線は接地電圧に、選択メモリセルが接続されるビット線は高抵抗化電圧Vrhへと変化させ、選択メモリセルにVrhの電圧振幅が印加されて選択メモリセルのみが高抵抗状態へと変化するする。このように、それぞれの1/2電圧に予めプリチャージすることは、選択セルにVrlやVrhのパルスが印加されたときの過渡時に誤って非選択メモリセルにVrlやVrhに近い電圧振幅がかから無いようにし、誤書き込みを防止するためである。   On the other hand, when changing the resistance change element of the selected memory cell to the high resistance state (Rh), after precharging the word line and the bit line to which all the memory cells of the array are connected to 1/2 Vrh, The word line to which the selected memory cell is connected is changed to the ground voltage, the bit line to which the selected memory cell is connected is changed to the high resistance voltage Vrh, and the voltage amplitude of Vrh is applied to the selected memory cell, and only the selected memory cell is applied. Changes to a high resistance state. In this way, precharging to each ½ voltage in advance may cause a voltage amplitude close to Vrl or Vrh to an unselected memory cell during a transient when a pulse of Vrl or Vrh is applied to the selected cell. This is to prevent erroneous writing.

なお、この書き込み動作は双方向メモリセルを用いたクロスポイント型のメモリ装置における一般的な技術の一例であり、例えばプリチャージに用いる電圧値やプリチャージの方法や順序など、前述の内容に限定されるものでない。   This write operation is an example of a general technique in a cross-point type memory device using bidirectional memory cells. For example, the voltage value used for precharge and the precharge method and order are limited to those described above. It is not what is done.

また、不揮発性メモリ装置100では、ビット線BL1には、接続されているメモリセル1bの抵抗状態を変化させるための電圧は印加されず、メモリセル1bは高抵抗状態に固定される。   In the nonvolatile memory device 100, the voltage for changing the resistance state of the connected memory cell 1b is not applied to the bit line BL1, and the memory cell 1b is fixed to the high resistance state.

次に、本発明の特徴である、不揮発性メモリ装置100における読み出し動作について説明する。   Next, a read operation in the nonvolatile memory device 100, which is a feature of the present invention, will be described.

読み出し動作に関する不揮発性メモリ装置100の大きな特徴は、各ビット線を分圧用の抵抗であるメモリセル1a(以下、冗長メモリセルと略す)を介して基準電圧に接続した点、および、特定のビット線に接続された冗長メモリセル以外の全てのメモリセルを校正用のメモリセル(以下、校正メモリセルと略す)とした点にある。   A major feature of the nonvolatile memory device 100 regarding the read operation is that each bit line is connected to a reference voltage via a memory cell 1a (hereinafter, abbreviated as a redundant memory cell) that is a voltage dividing resistor, and a specific bit All memory cells other than the redundant memory cells connected to the line are used as calibration memory cells (hereinafter abbreviated as calibration memory cells).

ここで、冗長メモリセルおよび校正メモリセルはいずれも、メモリセルの抵抗変化素子がRhに固定され、データを記憶しないメモリセルである。各ビット線の冗長メモリセルは、例えば分圧用の共通のワード線を介して基準電圧を発生する電圧源に接続されてもよく、また基準電圧は接地電圧であってもよい。   Here, both the redundant memory cell and the calibration memory cell are memory cells in which the resistance change element of the memory cell is fixed to Rh and data is not stored. The redundant memory cell of each bit line may be connected to a voltage source that generates a reference voltage via, for example, a common word line for voltage division, and the reference voltage may be a ground voltage.

図1では、メモリセル1aが冗長メモリセルであり、分圧用のワード線WL1に接続されており、メモリセル1bが校正メモリセルであり、ビット線BL1に接続されている。   In FIG. 1, the memory cell 1a is a redundant memory cell and is connected to the voltage dividing word line WL1, and the memory cell 1b is a calibration memory cell and is connected to the bit line BL1.

本発明者らは、上述の構成の基本形としての校正メモリセルを持たない不揮発性メモリ装置の構成、および冗長メモリセルを用いた読み出し方法にかかる発明について、関連特許出願である特願2008−215725における明細書で提案している。その発明の目的は双方向メモリセルを用いたクロスポイント型のメモリ装置において、複数のビットを並列に読み出すマルチビットリードを行なった場合でも消費電流を削減することにあった。   The present inventors have disclosed a related patent application, Japanese Patent Application No. 2008-215725, regarding a configuration of a nonvolatile memory device having no calibration memory cell as a basic form of the above-described configuration, and an invention relating to a reading method using a redundant memory cell. Proposed in the specification. An object of the present invention is to reduce current consumption even when multi-bit reading is performed in which a plurality of bits are read in parallel in a cross-point type memory device using bidirectional memory cells.

この関連発明の不揮発性メモリ装置に対して、本発明は校正メモリセルを付加することで、新たな課題を改善することを目的としている。ここで、本願発明の理解を容易にするため、校正メモリセルを持たない不揮発説メモリ装置において行われる冗長メモリセルを用いた読み出し方法について説明する。   An object of the present invention is to improve a new problem by adding a calibration memory cell to the nonvolatile memory device of the related invention. Here, in order to facilitate understanding of the present invention, a reading method using redundant memory cells performed in a nonvolatile memory device having no calibration memory cell will be described.

図2は、図1のメモリアレイ部のみを平面的に示し、読み出しのための各配線に印加する電圧およびパルス電圧を示した模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing only the memory array portion of FIG. 1 in a plan view and showing voltages and pulse voltages applied to each wiring for reading.

図2では、ビット線とワード線との交差点における円でメモリセルを示している。ワード線WL1に接続された斜線を付した円が、冗長メモリセルを表している。また、太線の円が選択メモリセルを表し、それ以外の円が非選択メモリセルを表している。   In FIG. 2, the memory cell is indicated by a circle at the intersection of the bit line and the word line. A hatched circle connected to the word line WL1 represents a redundant memory cell. A thick circle represents a selected memory cell, and the other circles represent non-selected memory cells.

図2に示したように、冗長メモリセルが接続されるワード線WL1には接地電圧が印加され、選択メモリセルが接続されるワード線WL4には読み出し電圧Vrが印加される。それ以外の非選択ワード線WL2、WL3、WL5・・・へのワード線ドライバの出力はハイインピーダンスとされている。これにより、各ビット線には、印加される読み出し電圧Vrを冗長メモリセルと選択メモリセルとで分圧した電圧が現れることになる。   As shown in FIG. 2, the ground voltage is applied to the word line WL1 to which the redundant memory cell is connected, and the read voltage Vr is applied to the word line WL4 to which the selected memory cell is connected. The output of the word line driver to the other non-selected word lines WL2, WL3, WL5... Is set to high impedance. As a result, a voltage obtained by dividing the applied read voltage Vr between the redundant memory cell and the selected memory cell appears on each bit line.

このことを、より分かりやすく説明するための説明図を図3および図4に示した。   3 and 4 are explanatory diagrams for explaining this more easily.

図3および図4では、白い矩形がRlのデータメモリセルを表し、黒い矩形がRhのデータメモリセルを表している。斜線を付した矩形が、Rhに固定された冗長メモリセルを表している。また、選択メモリセルを最前列に記載し、非選択メモリセルを2列目以降に記載している。   3 and 4, the white rectangle represents the Rl data memory cell, and the black rectangle represents the Rh data memory cell. A hatched rectangle represents a redundant memory cell fixed to Rh. In addition, the selected memory cell is described in the first column, and the non-selected memory cell is described in the second column and thereafter.

図3および図4から、選択メモリセルに接続されたワード線に読み出し電圧Vrの電圧パルスが印加され、冗長メモリセルに接続されたワード線に接地電圧が印加されるとき、各ビット線に、選択メモリセルと冗長メモリセルとで読み出し電圧Vrを分圧した電圧が現れることが理解される。   3 and 4, when a voltage pulse of the read voltage Vr is applied to the word line connected to the selected memory cell and a ground voltage is applied to the word line connected to the redundant memory cell, It will be understood that a voltage obtained by dividing the read voltage Vr appears between the selected memory cell and the redundant memory cell.

ここで、冗長メモリセルとRhの選択セルとで読み出し電圧を分圧して得られる電圧をVdhとし、冗長メモリセルとRlの選択セルとで読み出し電圧を分圧して得られる電圧をVdlとすると、VdhはVrのほぼ1/2になり、VdlはVdhより大きい値の所定のレベルとなる。   Here, the voltage obtained by dividing the read voltage between the redundant memory cell and the selected cell Rh is Vdh, and the voltage obtained by dividing the read voltage between the redundant memory cell and the selected cell Rl is Vdl. Vdh is approximately ½ of Vr, and Vdl has a predetermined level greater than Vdh.

つまり、(Vdh+Vdl)÷2で与えられる電圧Vdetが、メモリセルのRhとRlとを区別するための電圧ギャップのセンター電圧である。すなわち、|Vdl−Vdet|がメモリセルをRlと判定するための検出マージンとなり、|Vdh−Vdet|がメモリセルをRhと判定するための検出マージンになる。   That is, the voltage Vdet given by (Vdh + Vdl) / 2 is the center voltage of the voltage gap for distinguishing Rh and Rl of the memory cell. That is, | Vdl−Vdet | becomes a detection margin for determining the memory cell as Rl, and | Vdh−Vdet | becomes a detection margin for determining the memory cell as Rh.

そして、これらの検出マージンが良好に確保されている限り、コンパレータ7aおよびコンパレータ7bによってビット線の電圧をVdetと比較することで、Rlのメモリセルからは“1”、Rhのメモリセルからは“0”のデータが読み出される。   As long as these detection margins are ensured satisfactorily, the comparator 7a and the comparator 7b compare the bit line voltage with Vdet, so that the Rl memory cell is “1” and the Rh memory cell is “ Data “0” is read out.

この読み出しにかかるリーク電流は、全ての選択メモリセルがRlのとき最大となり、全ての選択メモリセルがRhのとき最小になる。   The leak current required for reading becomes maximum when all the selected memory cells are Rl, and becomes minimum when all the selected memory cells are Rh.

また、各ビット線の電圧は、非選択メモリセルを通して、他のビット線の電圧から影響を受ける。この影響は、全ての非選択メモリセルがRlである場合に最も大きくなる。   Further, the voltage of each bit line is affected by the voltage of other bit lines through the non-selected memory cells. This effect is greatest when all unselected memory cells are Rl.

例えば、図3に示すように、選択メモリセルのうち1つがRhで残りの全てがRlのとき、当該1つのRhの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧は、他のRlの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧によって押し上げられ、Rhの選択メモリセルについて得られる電圧の最大値となる。   For example, as shown in FIG. 3, when one of the selected memory cells is Rh and all of the remaining are Rl, the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of one Rh is the selected memory of the other Rl. It is pushed up by the voltage of the bit line connected to the cell and becomes the maximum value of the voltage obtained for the selected memory cell of Rh.

また、図4に示すように、選択メモリセルのうち1つがRlで残りの全てがRhのとき、当該1つのRlの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧は、他のRhの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧によって押し下げられ、Rlの選択メモリセルについて得られる電圧の最小値となる。   Also, as shown in FIG. 4, when one of the selected memory cells is Rl and all the remaining are Rh, the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of one Rl is the selected memory of the other Rh. It is pushed down by the voltage of the bit line connected to the cell and becomes the minimum value of the voltage obtained for the selected memory cell of Rl.

ここで、ワード長が20ビットの(つまり、20ビットのマルチビットリードが行われる)メモリアレイについて、メモリセル数を増加させていったときのビット線電圧とリーク電流とをシミュレーションにより求めた。ここで、抵抗変化素子の抵抗値は、Rlのとき1kΩとし、Rhのとき10kΩとした。   Here, for a memory array having a word length of 20 bits (that is, 20-bit multi-bit read is performed), the bit line voltage and the leakage current when the number of memory cells is increased are obtained by simulation. Here, the resistance value of the variable resistance element was 1 kΩ for Rl and 10 kΩ for Rh.

図5は、読み出し電圧Vrとして6Vの読み出しパルスを選択ワード線に印加したときのビット線電圧の、メモリアレイを構成する総メモリセル数に対する推移を示すグラフである。ここでは非選択のメモリセルはすべてRlとしている。   FIG. 5 is a graph showing the transition of the bit line voltage with respect to the total number of memory cells constituting the memory array when a read pulse of 6 V is applied to the selected word line as the read voltage Vr. Here, all the non-selected memory cells are Rl.

図5において、V1は、1個の選択メモリセルがRh、19個の選択メモリセルがRlとなっているときの、Rlの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧を示している。   In FIG. 5, V1 indicates the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of Rl when one selected memory cell is Rh and 19 selected memory cells are Rl.

V2は、1個の選択メモリセルがRl、19個の選択メモリセルがRhとなっているときの、Rlの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧を示している。V2は、前述したように、Rlの選択メモリセルについて得られる電圧の最小値である。   V2 indicates the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of Rl when one selected memory cell is Rl and 19 selected memory cells are Rh. As described above, V2 is the minimum value of the voltage obtained for the selected memory cell of Rl.

V3は、1個の選択メモリセルがRh、19個の選択メモリセルがRlとなっているときの、Rhの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧を示している。V3は、前述したように、Rhの選択メモリセルについて得られる電圧の最大値である。   V3 indicates the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of Rh when one selected memory cell is Rh and 19 selected memory cells are Rl. As described above, V3 is the maximum value of the voltage obtained for the selected memory cell of Rh.

V4は、1個の選択メモリセルがRl、19個の選択メモリセルがRhとなっているときの、Rhの選択メモリセルに接続されたビット線の電圧を示している。   V4 indicates the voltage of the bit line connected to the selected memory cell of Rh when one selected memory cell is Rl and 19 selected memory cells are Rh.

V2がV3よりも大きい限り、V2とV3との間に設けたしきい値(前述のVdet)を用いて各メモリセルの抵抗状態を正しく判定することができる。   As long as V2 is larger than V3, the resistance state of each memory cell can be correctly determined using the threshold value (the aforementioned Vdet) provided between V2 and V3.

図5から、メモリアレイのサイズが1kビット以上でも良好な判定が可能であることがわかる。   From FIG. 5, it can be seen that good determination is possible even when the size of the memory array is 1 kbit or more.

図6は、メモリアレイに流れる電流値の、メモリアレイを構成する総メモリセル数に対する推移を示すグラフである。   FIG. 6 is a graph showing the transition of the current value flowing through the memory array with respect to the total number of memory cells constituting the memory array.

図6において、I1は、メモリアレイ内の全てのメモリセルがRlであるときの電流値を示している。   In FIG. 6, I1 indicates a current value when all the memory cells in the memory array are Rl.

I2は、全ての選択メモリセルがRhであり、全ての非選択メモリセルがRlであるときの電流値を示している。   I2 indicates a current value when all the selected memory cells are Rh and all the non-selected memory cells are Rl.

図6から、20ビットのマルチビットリードでも、電流値が4mA以下に抑制されていることがわかる。   FIG. 6 shows that the current value is suppressed to 4 mA or less even in the case of 20-bit multi-bit reading.

以上のように、Rhに固定された少量(例えば1ワード)の冗長メモリセルをメモリアレイ内に設け、冗長メモリセルに接続されたワード線と読み出しの対象となる選択メモリセルに接続されたワード線と間に所定のリード電圧を印加して、冗長メモリセルと選択メモリセルとでリード電圧を分圧した電圧をビット線から読み出すことにより、選択メモリセルの抵抗状態を判定する構成によれば、全ての電流パスがRhに固定された冗長メモリセルを通過するため、リーク電流が大幅に削減される。   As described above, a small amount (for example, one word) of redundant memory cells fixed to Rh are provided in the memory array, and the word line connected to the redundant memory cell and the word connected to the selected memory cell to be read are connected. According to the configuration in which a predetermined read voltage is applied between the lines and a voltage obtained by dividing the read voltage between the redundant memory cell and the selected memory cell is read from the bit line to determine the resistance state of the selected memory cell. Since all the current paths pass through the redundant memory cell fixed at Rh, the leakage current is greatly reduced.

また、メモリアレイのサイズが例えば1kビット以上に大きくなった場合でも、Rhの選択メモリセルおよびRlの選択メモリセルを互いに区別可能な電圧がビット線から読み出され、各メモリセルの抵抗状態を正しく判定することができる。   Further, even when the size of the memory array is increased to 1 k bits or more, for example, a voltage that can distinguish the selected memory cell of Rh and the selected memory cell of Rl from each other is read from the bit line, and the resistance state of each memory cell is changed. It can be judged correctly.

しかしながら、メモリアレイのさらなる大容量化を目指してメモリセルの数を増やしていくと、以下の課題が生じる。   However, when the number of memory cells is increased with the aim of further increasing the capacity of the memory array, the following problems arise.

図7aおよび図7bは、図5と同様のシミュレーション結果を、メモリアレイのサイズ(メモリセル数)をさらに増やした場合について示している。   7a and 7b show the same simulation results as in FIG. 5 for the case where the size of the memory array (number of memory cells) is further increased.

図7aは、1ワードとして選択される20個のメモリセルのうち19個がRlで1個がRhの場合について、Rlのメモリセルが接続されたビット線の電圧(V1)およびRhのメモリセルが接続されたビット線の電圧(V3)の推移を示しており、図5のV1およびV3を、右方へ延長して示したグラフである。   FIG. 7a shows the voltage (V1) of the bit line to which the memory cell of Rl is connected and the memory cell of Rh when 19 of the 20 memory cells selected as one word are Rl and one is Rh. 6 is a graph showing the transition of the voltage (V3) of the bit line to which is connected, V1 and V3 of FIG. 5 being extended to the right.

図7aから、ワード内のメモリセルがRlに偏ったときのRhのメモリセルが接続されたビット線の電圧が、メモリアレイのサイズの増大につれて顕著に上昇することがわかる。   From FIG. 7a, it can be seen that the voltage of the bit line to which the Rh memory cells are connected when the memory cells in the word are biased to Rl increases significantly as the size of the memory array increases.

図7bは、1ワードとして選択される20個のメモリセルのうち19個がRhで1個がRlの場合について、Rlのメモリセルが接続されたビット線の電圧(V2)およびRhのメモリセルが接続されたビット線の電圧(V4)の推移を示しており、図5のV2およびV4を右方へ延長して示したグラフである。   FIG. 7b shows the voltage (V2) of the bit line to which the memory cell of Rl is connected and the memory cell of Rh when 19 of the 20 memory cells selected as one word are Rh and 1 is Rl. 6 is a graph showing the transition of the voltage (V4) of the bit line to which is connected and V2 and V4 in FIG. 5 extended rightward.

図7bから、ワード内のメモリセルがRhに偏ったときのRlのメモリセルが接続されたビット線の電圧が、メモリアレイのサイズの増大につれて顕著に低下することがわかる。   From FIG. 7b, it can be seen that the voltage of the bit line to which the memory cells of Rl are connected when the memory cells in the word are biased to Rh decreases significantly as the size of the memory array increases.

これらのことは、ワード内のメモリセルがRlとRhのどちらかの抵抗状態に偏った場合に、少数の抵抗状態のメモリセルの検出マージンが減少することを示している。   These facts indicate that when the memory cells in the word are biased to the resistance state of either Rl or Rh, the detection margin of a small number of resistance state memory cells is reduced.

そして、1つのメモリアレイにおいて、図7aの電圧推移を示すワードと図7bの電圧推移を示すワードとが混在し得るため、メモリアレイを構成するメモリセルの数が5000を超えると、選択メモリセルのRhとRlとを区別するための電圧ギャップが無くなり、最悪条件において選択メモリセルの抵抗状態を正しく読み出せなくなることがわかる。   In one memory array, the word indicating the voltage transition in FIG. 7a and the word indicating the voltage transition in FIG. 7b can be mixed, so that when the number of memory cells constituting the memory array exceeds 5000, the selected memory cell It can be seen that there is no voltage gap for distinguishing between Rh and Rl, and the resistance state of the selected memory cell cannot be read correctly under the worst condition.

なお、図7aと図7bとを比べると、ワード内のメモリセルがRlに偏った場合(図7a)のほうが、電圧の変動が著しいことがわかる。これはRhのメモリセルよりもRlのメモリセルのほうが多くの電流を供給するため、Rhのメモリセルが接続されたビット線の電圧に与える影響が大きいためである。   7A and 7B, it can be seen that the voltage variation is more remarkable when the memory cells in the word are biased to Rl (FIG. 7a). This is because the Rl memory cell supplies more current than the Rh memory cell, and thus has a greater influence on the voltage of the bit line to which the Rh memory cell is connected.

従ってワード内のメモリセルがRlに偏った場合の対策およびRhに偏った場合の対策のうちのいずれか一方をとる場合は、ワード内のメモリセルがRlに偏った場合の対策をとるほうが、メモリセルの抵抗状態の検出マージンは大きく改善されることを意味する。   Therefore, when taking either one of the countermeasure when the memory cell in the word is biased to Rl and the countermeasure when the memory cell is biased to Rh, it is better to take the countermeasure when the memory cell in the word is biased to Rl. This means that the detection margin of the resistance state of the memory cell is greatly improved.

そこで、本発明の第1の実施形態では、ワード内のメモリセルがRlに偏った場合の補正が可能な不揮発性メモリ装置について説明する。本発明の第1の実施形態における不揮発性メモリ装置においては、前述の冗長メモリセルに加え、校正メモリセルが具備され、校正メモリセルを用いた補正処理によってメモリアレイサイズの増大に対する検出マージンの減少を補償する。   Therefore, in the first embodiment of the present invention, a non-volatile memory device capable of correcting when a memory cell in a word is biased to Rl will be described. In the nonvolatile memory device according to the first embodiment of the present invention, a calibration memory cell is provided in addition to the redundant memory cell described above, and a detection margin is reduced with respect to an increase in memory array size by a correction process using the calibration memory cell. To compensate.

以下では説明の便宜上、メモリセルの抵抗状態とメモリセルに記憶されているデータとを同義で用いる。   Hereinafter, for convenience of explanation, the resistance state of the memory cell and the data stored in the memory cell are used synonymously.

図1の不揮発性メモリ装置100において、ワード線WL1に常にRhである冗長メモリセル1aが具備され、ビット線BL1には常にRhである校正メモリセル1bが具備されている。   In the nonvolatile memory device 100 of FIG. 1, a redundant memory cell 1a that is always Rh is provided on the word line WL1, and a calibration memory cell 1b that is always Rh is provided on the bit line BL1.

このためビット線BL1の電圧を判定するコンパレータ7bからは常にメモリセルの抵抗状態がRhである場合の判定結果が出力されることが期待される。   Therefore, it is expected that the determination result when the resistance state of the memory cell is Rh is always output from the comparator 7b that determines the voltage of the bit line BL1.

すなわち、各選択ワードの各メモリセルのデータ(抵抗状態)を読み出すときに、対応する選択ワードにある校正メモリセルから読み出されるデータが校正用のレファレンスデータとなり、選択ワード内のデータの偏りが判断できる。前記レファレンスデータについて期待値と異なる判定がなされた場合、選択ワード内のメモリセルはRlに偏っていることがわかる。   That is, when the data (resistance state) of each memory cell of each selected word is read, the data read from the calibration memory cell in the corresponding selected word becomes the reference data for calibration, and the bias of the data in the selected word is determined. it can. If the reference data is judged to be different from the expected value, it can be seen that the memory cells in the selected word are biased to Rl.

このようにレファレンスデータについて期待値と異なる判定がなされた場合は、補正処理部21のプログラム処理が起動し、信頼性の乏しい前記の読み出したワードデータを破棄する。   As described above, when the reference data is determined to be different from the expected value, the program processing of the correction processing unit 21 is activated, and the read word data with low reliability is discarded.

補正処理部21は、補正ドライバ20に指令を送り、補正ドライバ20の出力を抵抗値Roの抵抗で接地電圧にプルダウンする。抵抗値Roについて、好ましくはメモリセルにVr/2を印加したときのRl状態の抵抗変化素子5と双方向電流制限素子6との合成抵抗にほぼ等しい値とする。従ってメモリアレイとは別にRlの予備セルを設けておき、その予備セルをプルダウン抵抗として使用してもよい。以下はRlの予備セルを用いてプルダウンする例で説明する。   The correction processing unit 21 sends a command to the correction driver 20, and pulls down the output of the correction driver 20 to the ground voltage with the resistance value Ro. The resistance value Ro is preferably set to a value substantially equal to the combined resistance of the resistance change element 5 and the bidirectional current limiting element 6 in the Rl state when Vr / 2 is applied to the memory cell. Therefore, an R1 spare cell may be provided separately from the memory array, and the spare cell may be used as a pull-down resistor. In the following, an example of pulling down using a spare cell of Rl will be described.

前記Rlの予備セルでプルダウンした状態で、再びコンパレータ7bの出力を読み出し用ワードレジスタ8に取り込み、正しいワードデータとして採用する。そのあとで補正ドライバ20の出力を通常のハイインピーダンス状態に戻して、次のアドレスの読み出し処理を継続する。   In the state pulled down by the spare cell of Rl, the output of the comparator 7b is again taken into the read word register 8 and adopted as correct word data. Thereafter, the output of the correction driver 20 is returned to the normal high impedance state, and the next address reading process is continued.

以上のような抵抗値Roの抵抗によるプルダウンの補正効果を示すために、図8のように冗長メモリセル1aと選択ワードセルとで読み出し電圧を分圧して読み出す方式で、校正メモリセル1bが接続されたビット線BL1を、プルダウン抵抗を介して接地電圧にプルダウンした場合の各ビット線の電圧の推移をシミュレーションした。このシミュレーション結果について、プルダウンによる補正を行なわない場合と対比させて図9に示した。   In order to show the correction effect of pull-down due to the resistance having the resistance value Ro as described above, the calibration memory cell 1b is connected by a method in which the read voltage is divided and read by the redundant memory cell 1a and the selected word cell as shown in FIG. The transition of the voltage of each bit line when the bit line BL1 is pulled down to the ground voltage via a pull-down resistor was simulated. This simulation result is shown in FIG. 9 in comparison with the case where correction by pull-down is not performed.

図9では、選択ワード内のメモリセルがRlに偏った場合の一例として、1個のメモリセルがRh、19個のメモリセルがRlとなっている場合を想定して、Rlのメモリセルに接続されたビット線の電圧を、プルダウンによる補正を行わない場合(V1)と補正を行った場合(V1a)について示し、またRhのメモリセルに接続されたビット線の電圧を、プルダウンによる補正を行わない場合(V3)と補正を行った場合(V3a)について示している。   In FIG. 9, as an example of the case where the memory cells in the selected word are biased to R1, assuming that one memory cell is Rh and 19 memory cells are R1, The case where the voltage of the connected bit line is not corrected by pull-down (V1) and the case where the correction is made (V1a) is shown, and the voltage of the bit line connected to the Rh memory cell is corrected by pull-down. The case where it is not performed (V3) and the case where correction is performed (V3a) are shown.

図9で示されるように、選択ワード内のメモリセルがRlに偏った場合に生じるRhのメモリセルから読み出される電圧の上昇(V3)が、プルダウン抵抗によってキャンセルされる(V3a)。その結果、メモリアレイを構成するメモリセルの数が5000を超えてもメモリセルのRhとRlとを区別するための十分な電圧ギャップが確保できることがわかる。   As shown in FIG. 9, the rise (V3) of the voltage read from the memory cell of Rh that occurs when the memory cell in the selected word is biased to Rl is canceled by the pull-down resistor (V3a). As a result, it is understood that a sufficient voltage gap for distinguishing Rh and Rl of the memory cells can be ensured even if the number of memory cells constituting the memory array exceeds 5000.

このように不揮発性メモリ装置100によれば、少量(例えば1ワード)の冗長メモリセルをメモリアレイ内に設けるとともに各ワード内にも校正メモリセルを設け、冗長メモリセルと校正メモリセルとを全て高抵抗状態から書き換えない構成とする。そして、前記冗長メモリセルに接続されたワード線と読み出しの対象となる選択メモリセルに接続されたワード線との間に所定のリード電圧を印加して、冗長メモリセルと選択メモリセルとでリード電圧を分圧した電圧をビット線から読み出すことにより、選択メモリセルの抵抗状態を判定する。   As described above, according to the nonvolatile memory device 100, a small amount (for example, one word) of redundant memory cells are provided in the memory array and calibration memory cells are provided in each word, and all of the redundant memory cells and the calibration memory cells are provided. The structure is not rewritten from the high resistance state. Then, a predetermined read voltage is applied between the word line connected to the redundant memory cell and the word line connected to the selected memory cell to be read, and the read is performed between the redundant memory cell and the selected memory cell. The resistance state of the selected memory cell is determined by reading the voltage obtained by dividing the voltage from the bit line.

この構成では、全ての電流パスがRhに固定された冗長メモリセルを通過するため、リーク電流が大幅に削減される。   In this configuration, since all the current paths pass through the redundant memory cell fixed at Rh, the leakage current is greatly reduced.

さらに校正メモリセルから得られる読み出しデータが期待値と異なる判定がなされた場合、選択ワード内のメモリセルがRlに偏っていることがわかり、この偏り情報をもとに検出レベルを補正できる。このため、多数のメモリセルからなるメモリアレイを複数のブロックに分割することなく構成することが可能となり、低消費電流でかつ、大規模な不揮発性メモリ装置を提供できる。   Further, if the read data obtained from the calibration memory cell is determined to be different from the expected value, it can be seen that the memory cell in the selected word is biased to Rl, and the detection level can be corrected based on this bias information. For this reason, a memory array composed of a large number of memory cells can be configured without being divided into a plurality of blocks, and a large-scale nonvolatile memory device with low current consumption can be provided.

なお、以上の説明においては、Vrとして6Vの例を示したが、この電圧値に限定されるものでない。さらに各抵抗変化素子には、経路上の全てのダイオードと抵抗変化素子とによって分圧された電圧が素子に印加されることになるが、この素子に印加される分圧で各抵抗変化素子の抵抗状態が変化することがないように適切なVrの値が設定されることは言うまでもない。   In the above description, an example of 6 V as Vr is shown, but the voltage value is not limited to this. Furthermore, the voltage divided by all the diodes on the path and the variable resistance element is applied to each variable resistance element. The divided voltage applied to this variable element is used for each variable resistance element. Needless to say, an appropriate value of Vr is set so that the resistance state does not change.

(第2の実施形態)
次に本発明装置における第2の実施の形態について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the apparatus of the present invention will be described.

図10は、第2の実施の形態における不揮発性メモリ装置200のブロック図である。図10において図1の不揮発性メモリ装置100の構成要素と同一の構成要素には同一の記号を付して説明は省略する。   FIG. 10 is a block diagram of the nonvolatile memory device 200 according to the second embodiment. In FIG. 10, the same components as those of the nonvolatile memory device 100 of FIG.

不揮発性メモリ装置200では、不揮発性メモリ装置100と比べて、ビット線BL2に接続されるメモリセル1cが、新たな校正メモリセルとしてRlの抵抗状態に固定され、ビット線BL2の電圧を判別するコンパレータ7cが校正用として用いられ、新たな補正ドライバ22が設けられる。   In the non-volatile memory device 200, as compared with the non-volatile memory device 100, the memory cell 1c connected to the bit line BL2 is fixed to the resistance state R1 as a new calibration memory cell, and the voltage of the bit line BL2 is determined. The comparator 7c is used for calibration, and a new correction driver 22 is provided.

コンパレータ7cは、機能的にはコンパレータ7aおよびコンパレータ7bとに等しいので動作説明については省略する。第2ビット線電位補正ドライバ22は、補正ドライバ20が抵抗値Roでプルダウンを行なうドライバであったのに対し、システムコントローラ9の指示に従って抵抗値Roの抵抗で読み出し電圧Vrにプルアップするか、またはハイインピーダンスに開放するかの切換えが可能である。   Since the comparator 7c is functionally equivalent to the comparator 7a and the comparator 7b, description of the operation is omitted. The second bit line potential correction driver 22 is a driver in which the correction driver 20 performs pull-down with the resistance value Ro, whereas the second bit line potential correction driver 22 pulls up to the read voltage Vr with the resistance of the resistance value Ro according to the instruction of the system controller 9. Or switching to open to high impedance is possible.

引き続き、第2の実施の形態における補正動作について説明する。ワード線WL1に常にRhである冗長メモリセル1aが接続され、ビット線BL1には常にRhである校正メモリセル1bが接続され、さらにビット線BL2には常にRlである校正メモリセル1cが接続されている。   Next, the correction operation in the second embodiment will be described. The redundant memory cell 1a which is always Rh is connected to the word line WL1, the calibration memory cell 1b which is always Rh is connected to the bit line BL1, and the calibration memory cell 1c which is always Rl is connected to the bit line BL2. ing.

このためビット線BL1の電圧を判定するコンパレータ7bからは常に高抵抗状態(Rh)のメモリセルに対応する判定結果が出力され、かつビット線BL2の電圧を判定するコンパレータ7cからは常に低抵抗状態(Rl)のメモリセルに対応する判定結果が出力されることが期待される。   Therefore, the comparator 7b for determining the voltage of the bit line BL1 always outputs a determination result corresponding to the memory cell in the high resistance state (Rh), and the comparator 7c for determining the voltage of the bit line BL2 is always in the low resistance state. A determination result corresponding to the memory cell of (Rl) is expected to be output.

すなわち、各選択ワードの各メモリセルのデータを読み出すときに、対応する選択ワードにあるRhの校正メモリセルとRlの校正メモリセルから読み出されるデータが校正用のレファレンスデータとなり、選択ワード内のデータの偏りが、Rlへ偏っている場合およびRhへ偏っている場合の両方について判断できる。   That is, when reading the data of each memory cell of each selected word, the data read from the Rh calibration memory cell and the Rl calibration memory cell in the corresponding selected word becomes the calibration reference data, and the data in the selected word It is possible to determine both when the bias is biased toward Rl and when biased toward Rh.

第1の実施形態ではワード内のメモリセルがRlへ偏っている場合の補正方法および効果を説明したので、その逆にあたるRhへ偏っている場合の補正方法と効果について説明する。   In the first embodiment, the correction method and the effect when the memory cell in the word is biased to Rl have been described. Therefore, the correction method and the effect when the memory cell is biased to Rh, which is the opposite, will be described.

選択ワードデータがRhに偏っていると、図7bのようにRlのメモリセルが接続されたビット線の電圧がRhのメモリセルが接続されたビット線の電圧の影響を受けて押し下げられるため、Rlを検出するための検出マージンが減少する。第1の実施形態ではRhをRlに誤る誤り情報しか得られなかったために、Rlの検出マージンの減少については補償できなかった。   If the selected word data is biased to Rh, the voltage of the bit line connected to the Rl memory cell is pushed down by the influence of the voltage of the bit line connected to the Rh memory cell as shown in FIG. The detection margin for detecting Rl is reduced. In the first embodiment, since only error information in which Rh is mistaken for Rl can be obtained, it is not possible to compensate for a decrease in the detection margin of Rl.

第2の実施形態ではRlに固定される校正メモリセル1cを設けることによって、RlをRhと誤ったことが検出できる。この誤りが検出された場合に、ビット線BL2は補正ドライバ22によって抵抗値Roの抵抗を介して読み出し電圧Vrにプルアップされる。   In the second embodiment, it is possible to detect that Rl is mistaken as Rh by providing the calibration memory cell 1c fixed to Rl. When this error is detected, the bit line BL2 is pulled up to the read voltage Vr by the correction driver 22 via the resistor having the resistance value Ro.

第1の実施形態と同様に抵抗値Roは好ましくはRl状態のメモリセルにVr/2を印加したときの合成抵抗にほぼ等しい値とし、メモリアレイとは別にRlの予備セルを設けておき、その予備セルをプルアップ抵抗として使用してもよい。なお、Rl状態のメモリセルでのプルアップでは補正量が不足する場合はさらに抵抗値を下げるような最適設計がなされてもよい。   Similar to the first embodiment, the resistance value Ro is preferably substantially equal to the combined resistance when Vr / 2 is applied to the memory cell in the Rl state, and a spare cell of Rl is provided separately from the memory array, The spare cell may be used as a pull-up resistor. Note that when the amount of correction is insufficient in the pull-up in the memory cell in the Rl state, an optimum design may be made to further reduce the resistance value.

以上のような抵抗値Roの抵抗によるプルアップの補正効果を示すために、補正用プルアップRlセルを介して6Vにプルアップした場合の各ビット線電位の推移をシミュレーションした。このシミュレーション結果について、プルアップによる補正を行なわない場合と対比させて図11に示した。   In order to show the correction effect of the pull-up due to the resistance having the resistance value Ro as described above, the transition of each bit line potential when the voltage is pulled up to 6 V via the correction pull-up Rl cell was simulated. This simulation result is shown in FIG. 11 in contrast to the case where correction by pull-up is not performed.

図11では、選択ワード内のメモリセルがRhに偏った場合の一例として、1個のメモリセルがRl、19個のメモリセルがRhとなっている場合を想定して、Rlのメモリセルに接続されたビット線の電圧を、プルダウンによる補正を行わない場合(V2)と補正を行った場合(V2a)について示し、またRhのメモリセルに接続されたビット線の電圧を、プルダウンによる補正を行わない場合(V4)と補正を行った場合(V4a)について示している。   In FIG. 11, as an example of the case where the memory cell in the selected word is biased to Rh, assuming that one memory cell is Rl and 19 memory cells are Rh, The case where the voltage of the connected bit line is not corrected by pull-down (V2) and the case where the correction is made (V2a) is shown, and the voltage of the bit line connected to the Rh memory cell is corrected by pull-down. The case where it is not performed (V4) and the case where correction is performed (V4a) are shown.

図11で示されるように、選択ワード内のメモリセルがRhに偏った場合に生じるRlのメモリセルから読み出される電圧の低下(V2)が、プルアップ抵抗によってキャンセルされる(V2a)。その結果、第2の実施形態では、ワード内のメモリセルがRlに偏った場合とRhに偏った場合の両方が補正されるため、各ワード内で2ビットの冗長ビットが必要なものの、ブロックのメモリサイズが大きく改善することができる。   As shown in FIG. 11, the voltage drop (V2) read from the memory cell of Rl that occurs when the memory cells in the selected word are biased to Rh is canceled by the pull-up resistor (V2a). As a result, in the second embodiment, both the case where the memory cells in the word are biased to Rl and the case where the memory cells are biased to Rh are corrected. Therefore, although 2 redundant bits are required in each word, The memory size can be greatly improved.

図10の例ではデータ記憶に使用できるメモリセルに対して冗長セルが多くて発明の効果が強調されていないが、実際の装置ではワード長やメモリアレイサイズを多くとるため、冗長ビットによる実効メモリ容量の低下の影響は小さい。   In the example of FIG. 10, the number of redundant cells is larger than the number of memory cells that can be used for data storage, and the effect of the invention is not emphasized. However, in an actual device, the word length and the memory array size are increased. The effect of capacity reduction is small.

このように不揮発性メモリ装置200によれば、少量(例えば1ワード)の冗長メモリセルをメモリアレイ内に設けるとともに各ワード内にも校正メモリセルを設け、前記冗長メモリセルと校正メモリセルの全てのセルが高抵抗状態で書換えないものとし、前記冗長メモリセルのワード線と選択ワードのワード線間に所定のリード電圧が印加されるように読み出しパルスを加えることで、ビット線電位は前記冗長メモリセルと選択メモリセルとでリード電圧を分圧した電位となり、各メモリセルの抵抗状態を判定し、全ての電流パスがRhに固定される冗長メモリセルを通過するためリーク電流が大幅に削減することができる。   As described above, according to the nonvolatile memory device 200, a small amount (for example, one word) of redundant memory cells are provided in the memory array and a calibration memory cell is provided in each word, and all of the redundant memory cell and the calibration memory cell are provided. The bit line potential is set to the redundant line by applying a read pulse so that a predetermined read voltage is applied between the word line of the redundant memory cell and the word line of the selected word. The read voltage is divided between the memory cell and the selected memory cell, the resistance state of each memory cell is judged, and all current paths pass through redundant memory cells fixed at Rh, so the leakage current is greatly reduced. can do.

さらにRhに固定される校正メモリセルとRlに固定されるメモリセルとから得られる読み出しデータの0から1への誤りと1から0への両方の誤り情報から選択ワードセルのRlへの偏りまたはRhへの偏り情報を区別して知り、この偏り情報をもとに検出レベルを補正できる。   Further, the deviation of the read data obtained from the calibration memory cell fixed to Rh and the memory cell fixed to Rl from both 0 to 1 error information and 1 to 0 error information from the selected word cell to Rl or Rh The bias level information can be distinguished and the detection level can be corrected based on the bias information.

このため、メモリアレイのサイズを、ブロックに分割することなく更に大規模にすることが可能となり、低消費電流でかつ、大規模な不揮発性メモリ装置を提供できる。   Therefore, the size of the memory array can be further increased without being divided into blocks, and a large-scale nonvolatile memory device with low current consumption can be provided.

(第3の実施形態)
次に本発明の第3の実施形態における不揮発性メモリ装置について図12を用いて説明する。図12に示される不揮発性メモリ装置300において、図1に対して新たに付加された点はデータ変調・復調手段24がシステムコントローラの内部に設けられたことと、SRAMなどの外部メモリ25が具備されたことである。
(Third embodiment)
Next, a non-volatile memory device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the nonvolatile memory device 300 shown in FIG. 12, the points newly added to FIG. 1 are that the data modulation / demodulation means 24 is provided in the system controller and that the external memory 25 such as SRAM is provided. It has been done.

これまでに説明してきたように、各ワード内のメモリセルがRlまたはRhに偏ると、偏った側の影響を受けビット線電圧がシフトし検出マージンが減少する。このため、第3の実施形態ではデータの偏りを所定量以下にするようなデータ変調を行なうことで検出マージンの減少を防止する。   As described above, when the memory cells in each word are biased to Rl or Rh, the bit line voltage shifts due to the biased side effect and the detection margin decreases. For this reason, in the third embodiment, reduction in detection margin is prevented by performing data modulation so that the data bias is not more than a predetermined amount.

ホストインターフェース10を介して外部から入力された書込みコマンドとデータに応じてシステムコントローラ9は、データを一旦、外部メモリ25に蓄える。システムコントローラ9内のデータ変調手段24が、所定の論理回路によって外部メモリ25のデータを読み出しながら、変調の符号化規則に従って0または1が所定の長さ以上連続しないように変調して、メモリアレイ内にデータを書き込む。これにより1つのワードデータ内でRlまたはRhの状態が極端に偏ることを防止する。   The system controller 9 temporarily stores data in the external memory 25 in accordance with a write command and data input from the outside via the host interface 10. The data modulation means 24 in the system controller 9 reads out the data in the external memory 25 by a predetermined logic circuit, and modulates so that 0 or 1 does not continue for a predetermined length or longer according to the modulation coding rule, thereby Write data in This prevents the state of Rl or Rh from being extremely biased within one word data.

また、読み出し時には選択メモリセルから読み出したデータを一度外部メモリに記憶し、システムコントローラ9内のデータ復調手段24が、変調時と逆の処理を行なってもとのデータに復調するとともに、ホストインターフェースを介して外部に出力する。   Further, at the time of reading, data read from the selected memory cell is once stored in the external memory, and the data demodulating means 24 in the system controller 9 demodulates to the original data even when the reverse processing is performed at the time of modulation, and the host interface. To the outside via.

以下では、このような変調方式の一例について説明する。このような変調方式は通信技術や磁気記録技術でDC成分を除去するための一般的な技術として知られ、通信路の伝達特性に応じて様々な方式がある。   Hereinafter, an example of such a modulation scheme will be described. Such a modulation system is known as a general technique for removing a DC component by a communication technique or a magnetic recording technique, and there are various systems depending on transmission characteristics of a communication path.

一例としてMFM変調方式をあげる。この変調は1のデータは01に、0は00に変換するが、連続して0が来る場合は10と変調する。これにより、データビットは2倍必要であるが、0または1の偏りは、ほぼ完全に解消される。   As an example, an MFM modulation method is given. In this modulation, data of 1 is converted to 01, and 0 is converted to 00. This requires twice as many data bits, but the 0 or 1 bias is almost completely eliminated.

しかしながら、この方式は、理解を容易にするための極端な例であり、不揮発性メモリのビットの半数を冗長なビットとするため、実用的には好ましくない。8−9変調や24−25変調など冗長度の低い変調方式が好ましい。   However, this method is an extreme example for facilitating understanding, and half of the bits of the nonvolatile memory are made redundant, which is not practically preferable. Modulation schemes with low redundancy such as 8-9 modulation and 24-25 modulation are preferred.

しかし、この場合は偏りの抑制が十分でない可能性があるので、好ましくは既に説明した校正メモリセルを用いた補正と併用する。このような併用の仕方や組み合わせは多くの変形が容易に考えられ、使用する抵抗変化素子の変化特性や抵抗レンジ、さらには双方向ダイオードの特性やメモリセルアレイのサイズなどを鑑みて最適に設計される。   However, in this case, since suppression of bias may not be sufficient, it is preferably used together with the correction using the calibration memory cell already described. Many combinations and combinations of these methods and combinations can be easily considered, and they are optimally designed in consideration of the change characteristics and resistance ranges of the resistance change elements used, as well as the characteristics of the bidirectional diode and the size of the memory cell array. The

なお、プルアップおよびプルダウンに用いる素子としてRl状態のメモリ素子を代用して説明したが、抵抗値や素子に関してこれに限定されるものでない。   In addition, although the memory element in the Rl state has been described as an element used for pull-up and pull-down, the resistance value and the element are not limited thereto.

例えば半導体工程のポリシリコンを利用した固定抵抗やトランジスタのON抵抗など用いても良い。また抵抗の値についてもRl状態のメモリセルの抵抗値と等しくする必要はなく、補正するレベルに応じて最適に設計される。また、プルアップやプルダウンされる電位レベルも回路上で都合のよい値を組み合わせて最適に設計される。   For example, a fixed resistance using polysilicon in a semiconductor process or an ON resistance of a transistor may be used. Also, the resistance value does not need to be equal to the resistance value of the memory cell in the Rl state, and is optimally designed according to the level to be corrected. The potential level to be pulled up or pulled down is optimally designed by combining convenient values on the circuit.

すなわち、本発明の不揮発性メモリ装置はRh状態から変更しない冗長メモリセルを備え、各ワード内に設けた既知の抵抗状態に固定される校正メモリセルから得られる誤り情報を元に、選択ワード内のデータの偏り状態を判定し、冗長メモリセルと選択メモリセルとで読み出し電圧を分圧した結果である各ビット線の電圧を補正して検出マージンの改善を図るという設計思想から多くの組み合わせで最適に設計される。   That is, the non-volatile memory device of the present invention includes redundant memory cells that are not changed from the Rh state, and is based on error information obtained from calibration memory cells fixed in a known resistance state provided in each word. In many combinations from the design concept of determining the data bias state and correcting the voltage of each bit line, which is the result of dividing the read voltage between the redundant memory cell and the selected memory cell, to improve the detection margin Designed optimally.

本発明の不揮発性メモリ装置は、両極性動作の抵抗変化素子を用いたクロスポイント型不揮発性メモリ装置として有用であり、携帯機器のカード型メモリやマイクロプロセッサのデータ記憶メモリなどの、低消費電力化が求められるメモリ装置に幅広く利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The nonvolatile memory device of the present invention is useful as a cross-point nonvolatile memory device using a variable resistance element that operates in a bipolar manner, and has low power consumption such as a card-type memory of a portable device and a data storage memory of a microprocessor. It can be widely used for memory devices that are required to be integrated.

本発明の第1の実施形態における不揮発性メモリ装置の構成の一例を示すブロック図1 is a block diagram showing an example of a configuration of a nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態におけるメモリアレイの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory array in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態において読み出される分圧電圧の生成原理を説明する図The figure explaining the generation principle of the divided voltage read in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態において読み出される分圧電圧の生成原理を説明する図The figure explaining the generation principle of the divided voltage read in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態において読み出される分圧電圧のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the simulation result of the divided voltage read in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第1の実施形態における読み出し動作時の消費電流のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the simulation result of the consumption current at the time of read-out operation in the 1st Embodiment of this invention ワード内のメモリセルがRlに偏ったときの検出マージンの減少を説明する図The figure explaining the reduction | decrease in a detection margin when the memory cell in a word is biased to Rl. ワード内のメモリセルがRhに偏ったときの検出マージンの減少を説明する図The figure explaining the reduction | decrease of a detection margin when the memory cell in a word is biased to Rh 本発明の第1の実施形態における補正ドライバによる補正原理を説明する図The figure explaining the correction principle by the correction driver in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態における検出マージンの改善効果を説明する図The figure explaining the improvement effect of the detection margin in the 1st Embodiment of this invention 本発明の第2の実施形態における不揮発性メモリ装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the non-volatile memory device in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における検出マージンの改善効果を説明する図The figure explaining the improvement effect of the detection margin in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態における不揮発性メモリ装置の構成の一例を示すブロック図The block diagram which shows an example of a structure of the non-volatile memory device in the 3rd Embodiment of this invention. 従来のクロスポイントメモリの一例を示す構成図Configuration diagram showing an example of a conventional cross-point memory 単方向ダイオードの電圧−電流特性の一般例を示す図Diagram showing a general example of voltage-current characteristics of a unidirectional diode 従来のクロスポイントメモリの読み出し動作を説明する図The figure explaining the read-out operation of the conventional crosspoint memory 単極性動作の抵抗変化素子の電圧―電流特性の一例を示す図Diagram showing an example of voltage-current characteristics of a unipolar variable resistance element 双方向ダイオードの電圧−電流特性の一般例を示す図Diagram showing a general example of voltage-current characteristics of a bidirectional diode 従来のクロスポイントメモリにおける読み出し電流のリークパスを説明する図The figure explaining the leak path of the read current in the conventional crosspoint memory 従来のクロスポイントメモリにおける読み出し動作時の消費電流のシミュレーション結果を示す図The figure which shows the simulation result of the consumption current at the time of read-out operation in the conventional crosspoint memory

符号の説明Explanation of symbols

1a 分圧用の抵抗であるメモリセル(冗長メモリセル)
1b、1c 校正用のメモリセル(校正メモリセル)
2 データ記憶に用いるデータメモリセル
3 ワード線ドライバ
4 ビット線ドライバ
5 抵抗変化素子
6 双方向電流制限素子
7a、7b、7c コンパレータ
8 読み出し用ワードレジスタ
9 システムコントローラ
10 ホストインターフェース
11 冗長メモリセル調整部
20、22 補正ドライバ
60 列選択線
61 メモリセル
62 行選択線
64 抵抗変化素子
65 クロスポイントメモリ
66 ダイオード
100、200、300 不揮発性メモリ装置
1a Memory cell which is a resistor for voltage division (redundant memory cell)
1b, 1c Calibration memory cell (calibration memory cell)
2 Data memory cell used for data storage 3 Word line driver 4 Bit line driver 5 Resistance change element 6 Bidirectional current limiting element 7a, 7b, 7c Comparator 8 Read word register 9 System controller 10 Host interface 11 Redundant memory cell adjustment unit 20 , 22 Correction driver 60 Column selection line 61 Memory cell 62 Row selection line 64 Resistance change element 65 Crosspoint memory 66 Diode 100, 200, 300 Non-volatile memory device

Claims (4)

一方向に延設された複数の第1配線と、
前記一方向とは異なる方向に延設された複数の第2配線と、
高抵抗状態と低抵抗状態の少なくとも2値以上の抵抗値間を変化する抵抗変化素子と、印加電圧に応じて前記抵抗変化素子に流れる電流を制限する電流制限素子とが直列に接続され、かつ前記第1配線と前記第2配線との各交点間に接続された複数の不揮発性のメモリセルと、
前記複数の第1配線の1つを選択し、選択された第1配線に第1電圧を印加するドライバと、
前記各第2配線に対応して設けられ、対応する第2配線を前記第1電圧とは異なる第2電圧に接続する抵抗器と、
前記各第2配線に対応して設けられ、前記第1電圧の印加中で、かつ前記各第2配線が前記抵抗器を介して前記第2電圧に接続されているときに、対応する第2配線に現れる電圧を所定のしきい値電圧と比較する比較器と
を備え、
前記複数の第2配線の1つである第1校正線と前記各第1配線との各交点間に接続された前記メモリセルを、第1の校正用のメモリセルとして、高抵抗状態および低抵抗状態のいずれか一方の第1抵抗状態に固定し、
さらに、前記第1校正線に対応する前記比較器による比較の結果が前記第1抵抗状態から期待される値と異なる場合に、前記第1校正線を第1の補正抵抗器を介して第3電圧に接続する補正処理部を備え、
前記第1校正線を除く各第2配線に対応するそれぞれの前記比較器は、さらに、前記第1電圧の印加中で、かつ前記第1校正線が前記第1の補正抵抗器を介して前記第3電圧に接続されているときに、対応する前記第2配線に現れる電圧を前記所定のしきい値電圧と比較する
不揮発性メモリ装置。
A plurality of first wires extending in one direction;
A plurality of second wires extending in a direction different from the one direction;
A resistance change element that changes between at least two resistance values in a high resistance state and a low resistance state, and a current limiting element that limits a current flowing through the resistance change element according to an applied voltage are connected in series, and A plurality of nonvolatile memory cells connected between the intersections of the first wiring and the second wiring;
A driver that selects one of the plurality of first wirings and applies a first voltage to the selected first wiring;
A resistor provided corresponding to each of the second wirings and connecting the corresponding second wiring to a second voltage different from the first voltage;
A second circuit provided corresponding to each second wiring and corresponding to the second voltage when the first voltage is being applied and the second wiring is connected to the second voltage via the resistor. A comparator that compares the voltage appearing on the wiring with a predetermined threshold voltage, and
The memory cell connected between the intersections of the first calibration line, which is one of the plurality of second wirings, and each of the first wirings is used as a first calibration memory cell in a high resistance state and a low resistance state. Fix to one of the resistance states in the first resistance state,
Furthermore, when the result of comparison by the comparator corresponding to the first calibration line is different from the value expected from the first resistance state, the first calibration line is connected to the third correction resistor via the first correction resistor. A correction processing unit connected to the voltage,
Each of the comparators corresponding to the second wirings excluding the first calibration line is further applying the first voltage, and the first calibration line passes through the first correction resistor. A non-volatile memory device that compares a voltage appearing in the corresponding second wiring with the predetermined threshold voltage when connected to a third voltage.
前記第1校正線とは異なる、前記複数の第2配線のうちの1つである第2校正線と前記各第1配線との交点間に接続された前記メモリセルを、第2の校正用のメモリセルとして、高抵抗状態および低抵抗状態のうちの前記第1抵抗状態とは異なる抵抗状態である第2抵抗状態に固定し、
前記補正処理部は、さらに、前記第2校正線に対応する前記比較器による比較の結果が前記第2抵抗状態から期待される値と異なる場合に、前記第2校正線を第2の補正抵抗器を介して第4電圧に接続し、
前記第1校正線および前記第2校正線を除く各第2配線に対応するそれぞれの前記比較器は、さらに、前記第1電圧の印加中で、かつ前記第2校正線が前記第2の補正抵抗器を介して前記第4電圧に接続されているときに、対応する第2配線に現れる電圧を前記所定のしきい値電圧と比較する
請求項1に記載の不揮発性メモリ装置。
The memory cell connected between the intersections of the second calibration line, which is one of the plurality of second wirings, which is different from the first calibration line, and the first wirings, is used for the second calibration. The memory cell is fixed to a second resistance state that is a resistance state different from the first resistance state of the high resistance state and the low resistance state,
The correction processing unit further sets the second calibration line to a second correction resistor when a result of comparison by the comparator corresponding to the second calibration line is different from a value expected from the second resistance state. Connected to the fourth voltage via the
Each of the comparators corresponding to each second wiring excluding the first calibration line and the second calibration line is further applying the first voltage, and the second calibration line is the second correction. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein when connected to the fourth voltage via a resistor, a voltage appearing in a corresponding second wiring is compared with the predetermined threshold voltage.
さらに、
前記メモリセルに書き込むべきデータに所定の演算を行い、前記メモリセルを前記所定の演算後のデータに対応する抵抗状態に設定する書き込みデータ変調部と、
前記メモリセルから読み出された抵抗状態に対応するデータに、前記所定の演算の逆演算を行う読み出しデータ復調部と
を備える請求項1または請求項2に記載の不揮発性メモリ装置。
further,
A write data modulation unit that performs a predetermined operation on data to be written to the memory cell and sets the memory cell to a resistance state corresponding to the data after the predetermined operation
3. The nonvolatile memory device according to claim 1, further comprising: a read data demodulating unit that performs inverse operation of the predetermined operation on data corresponding to the resistance state read from the memory cell.
前記複数の第1配線のうちの特定の1つと各第2配線との間に接続された全てのメモリセルを冗長メモリセルとして高抵抗状態に固定し、各第2配線を前記第2電圧に接続する抵抗器として用い、
前記ドライバは、さらに、前記特定の第1配線に前記第2電圧を印加する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の不揮発性メモリ装置。
All memory cells connected between a specific one of the plurality of first wirings and each second wiring are fixed as a redundant memory cell in a high resistance state, and each second wiring is set to the second voltage. Used as a resistor to connect,
4. The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein the driver further applies the second voltage to the specific first wiring. 5.
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