JP2011204358A - Semiconductor memory device - Google Patents

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Masanori Shirahama
政則 白濱
Yasuhiro Agata
泰宏 縣
Yasue Yamamoto
安衛 山本
Hirohito Kikukawa
博仁 菊川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To unnecessitate a negative potential generating circuit, and to shorten a data read-out time, in a semiconductor memory device including a variable resistance type memory element.SOLUTION: At the time of standby, both ends of a variable resistance type memory element 403, that is, a bit line BL and a source line SL are set to a pre-charge potential Vp by each pre-charge circuit 402 of a bit line and a source line. At the time of setting, the bit line BL is set to a higher setting voltage Vd than the pre-charge potential Vp by a bit line write-in bias generating circuit 401, and the source line SL is grounded by the bit line write-in bias generating circuit. At the time of resetting, contrary to the time of setting, the bit line BL is grounded, the source line SL is set to the setting voltage Vd. During the time of read-out of data, for example, the source line SL is grounded by the read-out bias circuit 405 while keeping the bit line BL at the pre-charge potential Vp as it is.

Description

本発明は、半導体記憶装置に関し、特に、抵抗変化デバイスを用いた不揮発性半導体記憶装置等に利用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a technique effective when used for a nonvolatile semiconductor memory device using a resistance change device.

近年、半導体集積回路の技術は、その製造プロセスの微細化が進んで、ゲート酸化膜の薄膜化又はゲート電極材料等の改変が進んでいる。また、FLASH、EEPROM等の書き換え用途デバイス等も大規模化及び高集積化を遂げて、技術的な進展をみている。半導体デバイスを使用するシステム分野でも、必要とするデバイスの用途は変わりつつあり、セキュリテイー用途や、IC TAG等の不揮発メモリ素子又はOTP素子を内部に混載するケースもあれば、書換可能な大容量の不揮発メモリを混載する傾向も増加している。最近では、通常のFLASH、EEPROMなどのFG型の不揮発メモリとして、更に面積の縮小を試みて、新規の不揮発メモリが出現、注目されている。その代表的なものに、強誘電体を使用するFeRAM、磁気を使用するMRAM、又は相変化メモリとしてのPRAM、抵抗変化型メモリ等、多種存在する。   In recent years, the technology of semiconductor integrated circuits has been miniaturized, and the gate oxide film has been made thinner or the gate electrode material has been modified. In addition, rewritable devices such as FLASH and EEPROM have been increased in scale and integration, and technical progress has been made. Even in the field of systems using semiconductor devices, the required device applications are changing, and there are cases where security applications, non-volatile memory elements such as IC TAG or OTP elements are mixedly mounted inside, and a large capacity that can be rewritten. There is also an increasing tendency to incorporate non-volatile memories. Recently, as an FG type non-volatile memory such as a normal FLASH or EEPROM, a new non-volatile memory has appeared and attracted attention as a further reduction in area. Typical examples include FeRAM using a ferroelectric, MRAM using magnetism, PRAM as a phase change memory, resistance change memory, and the like.

前記新規の不揮発メモリのうち、抵抗変化型メモリのメモリ素子は、その酸化膜として、ペロブスカイト構造を有する材料や、2元系遷移金属酸化物などの材料が使用され、そのメモリ素子の抵抗値を高抵抗値にする(セット時)か、又は低抵抗値にするか(消去又はリセット時)によって、不揮発記憶を行わせる。   Among the novel non-volatile memories, the memory element of the resistance change type memory uses a material having a perovskite structure or a binary transition metal oxide as its oxide film, and the resistance value of the memory element is reduced. Nonvolatile storage is performed by setting a high resistance value (when set) or a low resistance value (when erasing or resetting).

このような抵抗変化型メモリのセット時やリセット時での電圧バイアス条件は、従来、±両極性の電圧を用いている。例えば、抵抗変化型メモリ素子の抵抗両端にかけるバイアス電圧として、例えば書き込み時には所定値の+電圧を使用し、消去時にはその+電圧と絶対値は同一値で符号のみが異なる所定値の−電圧が使用される。また、前記±の両極性の電圧値は、5Vから1V程度まで多岐に亘る。この種の技術は、例えば特許文献1に記載されている。   Conventionally, a voltage of ± bipolarity is used as a voltage bias condition at the time of setting or resetting such a resistance change type memory. For example, as the bias voltage applied across the resistance of the resistance change type memory element, for example, a positive voltage of a predetermined value is used at the time of writing, and the positive voltage and the absolute value are the same value at the time of erasing, and a negative voltage of a predetermined value different only in sign used. Further, the voltage values of the above-mentioned ± bipolar range from 5V to about 1V. This type of technology is described in Patent Document 1, for example.

特開2004−158119号公報JP 2004-158119 A

しかしながら、前記従来の抵抗変化型メモリでは、バイアス電圧として±の両極性の電圧を使用するため、次の問題がある。   However, since the conventional resistance change type memory uses a voltage of ± bipolarity as the bias voltage, it has the following problems.

図2は、従来の半導体記憶装置のデータ書き込み時(セット、リセット)のバイアス電圧の印加状態を示す。   FIG. 2 shows an applied state of a bias voltage when data is written (set, reset) in a conventional semiconductor memory device.

同図において、203は抵抗変化型メモリ素子、201は前記抵抗変化型メモリ素子203の一方の端子、202は前記抵抗変化型メモリ素子203の他方の端子、204は前記抵抗変化型メモリ素子203のセット時にセットバイアス電圧をかけた状態の印加状態であり、205は前記抵抗変化型メモリ素子203のリセット時にリセットバイアス電圧をかけた状態の印加状態である。   In this figure, 203 is a resistance change memory element, 201 is one terminal of the resistance change memory element 203, 202 is the other terminal of the resistance change memory element 203, and 204 is the resistance change memory element 203. Reference numeral 205 denotes an application state in which a set bias voltage is applied at the time of setting, and reference numeral 205 denotes an application state in which a reset bias voltage is applied at the time of resetting the resistance change type memory element 203.

同図から理解されるように、抵抗変化型メモリ素子203のデータ書き込み時のセットやリセットを行うのに必要なそのメモリ素子203の両端子201、202間の電位差が設定値Vdであるとして説明すると、他方の端子202が常に接地電位GNDである一方、一方の端子201はセット時には正値の設定値+Vdが印加され、リセット時には負値の設定値−Vdが印加されて、この端子201の電位は正電圧+Vdと負電圧−Vdとの間を遷移することになる。この場合には、この端子201の電圧の遷移は2×Vdとなって、高い振幅差を必要とし、且つ負値の設定値−Vdを発生させる負電位発生回路が必要となる。しかし、実際の半導体デバイスでは、ツインウエル等の場合には、負電位の発生は許されず、この技術の採用は困難である。   As can be understood from the figure, it is assumed that the potential difference between the two terminals 201 and 202 of the memory element 203 necessary for setting or resetting the resistance change memory element 203 at the time of data writing is the set value Vd. Then, while the other terminal 202 is always at the ground potential GND, a positive set value + Vd is applied to one terminal 201 at the time of setting, and a negative set value −Vd is applied at the time of reset. The potential transitions between a positive voltage + Vd and a negative voltage −Vd. In this case, the voltage transition at the terminal 201 is 2 × Vd, which requires a high amplitude difference and a negative potential generation circuit that generates a negative set value −Vd. However, in an actual semiconductor device, in the case of a twin well or the like, generation of a negative potential is not allowed and it is difficult to employ this technique.

そこで、負電位発生回路を必要としない構成として、例えば、固定電位の端子202の電圧を正電圧+Vdに設定することが考えられるが、一方の端子201の電圧は、2×Vdの昇圧電圧と接地電圧GNDとの2種類となり、端子201の電圧振幅はやはり前記と同様に2×Vdの大きな振幅となる。しかも、その電位を内部発生した場合でもその昇圧電位発生回路の電流供給が小能力となる傾向となって、書き込み時のビット数が少なく制限されるなどの欠点が生じる。   Thus, as a configuration that does not require the negative potential generation circuit, for example, the voltage of the fixed potential terminal 202 may be set to the positive voltage + Vd. However, the voltage of one terminal 201 is a boosted voltage of 2 × Vd. There are two types, the ground voltage GND, and the voltage amplitude of the terminal 201 becomes a large amplitude of 2 × Vd as described above. In addition, even when the potential is generated internally, the current supply of the boosted potential generating circuit tends to have a small capacity, and there is a disadvantage that the number of bits at the time of writing is limited.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、抵抗変化型メモリ素子を有する半導体記憶装置において、データ書き込みに必要なメモリ素子両端子間の電位差を設定値Vdとして、そのメモリ素子の各端子の電圧振幅を前記設定値Vdに制限しながら、そのメモリ素子へのデータの書き込みや読み出しを高速に行い得るようにすることにある。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to set a potential difference between both terminals of a memory element necessary for data writing as a set value Vd in a semiconductor memory device having a resistance change type memory element. An object of the present invention is to allow data to be written to and read from the memory element at high speed while limiting the voltage amplitude of each terminal of the memory element to the set value Vd.

前記の目的を達成するために、本発明では、設定電圧Vdなどの高電位と接地電位などの低電位とを用意し、この高電位と低電位との2種のみを用いて抵抗変化型メモリ素子の両端子に所定値のバイアス電圧を順方向と逆方向とに印加する構成を採用しながら、更にデータ読出時のデータ読み出しを高速に行うようにする。   In order to achieve the above object, in the present invention, a high potential such as a set voltage Vd and a low potential such as a ground potential are prepared, and only two types of the high potential and the low potential are used. While adopting a configuration in which a bias voltage of a predetermined value is applied to both terminals of the element in the forward direction and the reverse direction, data reading at the time of data reading is further performed at high speed.

具体的に、請求項1記載の発明の半導体記憶装置は、第1ノード及び第2ノードを有する抵抗変化型メモリ素子と、前記抵抗変化型メモリ素子の第1ノードに接続された第1選択線と、前記抵抗変化型メモリ素子の第2ノードに接続された第2選択線とを有し、前記抵抗変化型メモリ素子は、前記第1及び第2ノード間に順方向及び逆方向のバイアス電圧を印加して、データのセット及びリセットを行う半導体記憶装置であって、設定参照電位と前記抵抗変化型メモリ素子の抵抗値によって生じる電位との電位差を増幅するセンスアンプと、前記センスアンプを増幅動作させる増幅制御手段と、前記抵抗変化型メモリ素子へのデータのセット又はリセット動作を開始すると共に、前記センスアンプの出力信号を受け、この受けた出力信号に応じて前記データのセット及びリセット動作を停止する書込手段とを備えたことを特徴とする。   Specifically, the semiconductor memory device according to claim 1 is a resistance change type memory element having a first node and a second node, and a first selection line connected to the first node of the resistance change type memory element. And a second selection line connected to a second node of the resistance change type memory element, the resistance change type memory element having a forward and reverse bias voltage between the first and second nodes. Is a semiconductor memory device that sets and resets data, a sense amplifier that amplifies a potential difference between a set reference potential and a potential generated by a resistance value of the resistance change type memory element, and amplifies the sense amplifier Amplification control means to be operated and data setting or resetting operation to the resistance change type memory element are started, and the output signal of the sense amplifier is received and the received output signal is responded to. Characterized by comprising a writing means for stopping the set and reset operations of the data Te.

請求項2記載の発明は、前記請求項1記載の半導体記憶装置において、前記センスアンプは、データ読出時に使用するデータ読み出し用センスアンプが兼用され、更に、前記設定参照電位を、データ書込時のセット用の参照電位、リセット用の参照電位、及びデータ読出時の参照電位とに別々に生成するセット用、リセット用及びデータ読出用の参照電位生成手段を備えたことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the first aspect, the sense amplifier is also used as a data read sense amplifier used at the time of data read, and the set reference potential is set at the time of data write. And a reference potential generator for setting, resetting and data reading separately generated for a reference potential for setting, a reference potential for resetting, and a reference potential for data reading.

請求項3記載の発明は、前記請求項2記載の半導体記憶装置において、前記書込手段は、前記データ読み出し用センスアンプの出力信号に応じて、前記データのセット及びリセット動作を停止することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the second aspect, the writing unit stops the data setting and resetting operations in response to an output signal of the data read sense amplifier. Features.

請求項4記載の発明は、前記請求項2記載の半導体記憶装置において、前記データ読み出し用センスアンプの出力信号を外部へ出力する読出データ出力回路を有し、前記書込手段は、前記データ読み出し用センスアンプの出力信号を前記読出データ出力回路を介して受け、データ書込のセット時及びリセット時に、前記データ読み出し用センスアンプ及び前記読出データ出力回路は、データ読出動作と同一のタイミングで起動されることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the second aspect, the semiconductor memory device further includes a read data output circuit that outputs an output signal of the data read sense amplifier to the outside, and the writing means includes the data read The sense amplifier output signal is received via the read data output circuit, and the data read sense amplifier and the read data output circuit are activated at the same timing as the data read operation when data writing is set and reset. It is characterized by being.

請求項5記載の発明は、前記請求項2記載の半導体記憶装置において、前記データ書込のセット用、リセット用、及びデータ読出用の3つの参照電位生成手段は、データ書込のセット時、リセット時及びデータ読出時に、そのデータ書込又は読出対象の抵抗変化型メモリ素子に流れる電流経路と同一の電流経路を持つと共に、その電流経路に電圧分圧用の複数個の抵抗素子を持ち、セットコマンド、リセットコマンド及び読出コマンドに基づいて選択されることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the second aspect, the three reference potential generating means for setting, resetting, and reading data are set at the time of data writing. When resetting and reading data, it has the same current path as the current flowing through the resistance change type memory element to be written or read, and has a plurality of resistance elements for voltage division in the current path. The selection is based on a command, a reset command, and a read command.

請求項6記載の発明は、前記請求項1記載の半導体記憶装置において、前記設定参照電位を発生する参照電位発生回路を備え前記参照電位発生回路は、データ書込に使用する電源にソースが接続された第1のPチャネルトランジスタと、データ読出に使用する電源にソースが接続された第2のPチャネルトランジスタと、前記第1及び第2のPチャネルトランジスタに共通に接続された電圧分圧用の複数の抵抗素子と、前記第1及び第2のPチャネルトランジスタの一方を選択する選択手段とを備えたことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the first aspect, the reference potential generating circuit generates the set reference potential, and the reference potential generating circuit has a source connected to a power supply used for data writing. A first P-channel transistor, a second P-channel transistor whose source is connected to a power source used for data reading, and a voltage dividing voltage commonly connected to the first and second P-channel transistors. A plurality of resistance elements and selection means for selecting one of the first and second P-channel transistors are provided.

請求項7記載の発明は、前記請求項1記載の半導体記憶装置において、前記増幅制御手段は、第1の状態において、前記センスアンプを常時増幅動作させ、前記書込手段は、第2の状態において、前記抵抗変化型メモリ素子へのデータのセット又はリセット動作を開始すると共に、前記センスアンプの出力信号を受け、この受けた出力信号に応じて前記データのセット及びリセット動作を停止することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the invention, in the semiconductor memory device according to the first aspect, the amplification control means always amplifies the sense amplifier in the first state, and the writing means is in the second state. And starting the data setting or resetting operation to the resistance change type memory element, receiving the output signal of the sense amplifier, and stopping the data setting and resetting operation according to the received output signal. Features.

請求項8記載の発明は、前記請求項7記載の半導体記憶装置において、前記第1の状態は、データの書込時であり、前記第2の状態は、データ書込のセット時又はリセット時であることを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the semiconductor memory device according to the seventh aspect, the first state is when data is written, and the second state is when data write is set or reset. It is characterized by being.

以上により、請求項1〜8記載の発明では、データ書込に必要な電位を設定電圧Vdとした場合に、抵抗変化型メモリ素子の第1及び第2ノード間の電位差を+Vd又は−Vdに固定化する際に、各ノードの電圧振幅はビット線にかける設定電圧Vdのみとなるので、余計に書き込み電位を生成することが必要ない。また、スタンバイ時には、抵抗変化型メモリ素子の第1及び第2ノードは、所定電位にプリチャージされるので、不用意なバイアス電圧がかかることがなく、Disturb等による抵抗変化の発生を有効に抑制できると共に、スタンバイ時からデータ読み出し時に移行した際には、プリチャージ電位がそのままデータ読出し電位となるので、プリチャージ電位とは異なる電位をデータ読出電位に設定する場合と比較して、第1及び第2ノードに不要なバイアス電圧を印加する必要がなく、読出動作の高速化が可能であると共に、制御も簡単になる。   As described above, in the first to eighth aspects of the invention, when the potential required for data writing is set to the set voltage Vd, the potential difference between the first and second nodes of the resistance change type memory element is set to + Vd or −Vd. When fixing, the voltage amplitude of each node is only the set voltage Vd applied to the bit line, so that it is not necessary to generate an extra write potential. In addition, during standby, the first and second nodes of the resistance change memory element are precharged to a predetermined potential, so that an inadvertent bias voltage is not applied, and the occurrence of resistance change due to Disturb or the like is effectively suppressed. In addition, when the transition from standby to data read is performed, the precharge potential becomes the data read potential as it is, so that the first and second potentials are different from the case where a potential different from the precharge potential is set as the data read potential. There is no need to apply an unnecessary bias voltage to the second node, the reading operation can be speeded up, and the control is simplified.

特に、請求項1記載の発明では、データ書込時には、センスアンプを常時増幅動作させておき、データ書込対象の抵抗変化型メモリ素子の抵抗値変化に基づくセンスアンプの出力変化に基づいてそのデータ書込動作を停止するので、データ書込の完了と同時にそのデータ書込動作を停止することができ、データ書込時間の短縮が可能である。しかも、多値などのように抵抗変化型メモリ素子のデータ消去後の抵抗値に精度を要する場合などでは、その抵抗値のレベル制御を容易に且つ自動で行うことが可能である。   In particular, according to the first aspect of the present invention, when data is written, the sense amplifier is always amplified, and based on the output change of the sense amplifier based on the resistance value change of the resistance change type memory element to which data is written. Since the data writing operation is stopped, the data writing operation can be stopped simultaneously with the completion of the data writing, and the data writing time can be shortened. In addition, when the resistance value after data erasure of the resistance change type memory element requires accuracy, such as multi-value, level control of the resistance value can be easily and automatically performed.

また、請求項2記載の発明では、データ書込完了検出用のセンスアンプを別途用意する必要がなく、小面積化に寄与する。また、セット及びリセットの各コマンドに応じたセンスアンプの参照電位を列方向に選択された活性ビット中の行方向の特定ビットに対して供給することができる。   According to the second aspect of the invention, there is no need to separately prepare a sense amplifier for detecting the completion of data writing, which contributes to a reduction in area. In addition, the reference potential of the sense amplifier corresponding to the set and reset commands can be supplied to the specific bit in the row direction among the active bits selected in the column direction.

更に、請求項3記載の発明では、データ読み出し用センスアンプの出力信号を用いてデータ書込動作の停止制御を行っているので、その停止制御用に新たな信号を生成する必要がない。   According to the third aspect of the present invention, since the stop control of the data writing operation is performed using the output signal of the data read sense amplifier, it is not necessary to generate a new signal for the stop control.

加えて、請求項4記載の発明では、既に備えるデータ読み出し用センスアンプ及び読出データ出力回路をデータ書込完了の検出用に利用する際に、そのデータ書込時での起動タイミングを読み出しタイミングと同一タイミングに設定しているので、タイミング発生に関わる余分な回路を付加する必要がない。   In addition, in the invention described in claim 4, when the data read sense amplifier and read data output circuit which are already provided are used for detecting the completion of data write, the start timing at the time of data write is set as the read timing. Since the same timing is set, it is not necessary to add an extra circuit related to timing generation.

加えて、請求項5記載の発明では、書込又は読出対象の抵抗変化型メモリ素子からのデータの書込又は読出しに際し、その書込又は読出し電圧の変動に対応してセンスアンプの参照電位を可変にできるので、その抵抗変化型メモリ素子に流れる電流の経路に位置するトランジスタの製造プロセスのばらつきを吸収できる。   In addition, according to the fifth aspect of the present invention, when data is written or read from the resistance change type memory element to be written or read, the reference potential of the sense amplifier is set corresponding to the fluctuation of the write or read voltage. Since it can be made variable, variations in the manufacturing process of the transistor located in the path of the current flowing through the resistance change type memory element can be absorbed.

また、請求項6記載の発明では、書込電圧と読出電圧との差電圧に応じてセンスアンプの参照電位を相対変化させたので、より簡便な構成でセンスアンプの参照電位を発生させることができる。   According to the sixth aspect of the present invention, since the reference potential of the sense amplifier is relatively changed according to the difference voltage between the write voltage and the read voltage, the reference potential of the sense amplifier can be generated with a simpler configuration. it can.

以上説明したように、請求項1〜8記載の発明によれば、抵抗変化型メモリ素子を備えた半導体記憶装置において、データ書込の完了と同時にそのデータ書込動作を停止でき、データ書込時間の短縮を図ることができる。   As described above, according to the first to eighth aspects of the present invention, in the semiconductor memory device including the resistance change type memory element, the data writing operation can be stopped simultaneously with the completion of the data writing. Time can be shortened.

本発明の第1の実施形態の半導体記憶装置の備える抵抗変化型メモリ素子及びそのバイアス電位を示す図である。It is a figure which shows the resistance change memory element with which the semiconductor memory device of the 1st Embodiment of this invention is provided, and its bias potential. 従来の抵抗変化型メモリ素子へのバイアス電位を示す図である。It is a figure which shows the bias electric potential to the conventional resistance change type memory element. 本発明の半導体記憶装置の全体ブロック構成を示す図である。It is a figure which shows the whole block structure of the semiconductor memory device of this invention. 本発明の第1の実施形態の半導体集積回路のセンスアンプ周りの構成図である。1 is a configuration diagram around a sense amplifier of a semiconductor integrated circuit according to a first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施形態の半導体集積回路のセンスアンプ周りの構成図である。It is a block diagram around the sense amplifier of the semiconductor integrated circuit of the second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態の半導体集積回路の要部構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part structure of the semiconductor integrated circuit of the 3rd Embodiment of this invention. 同半導体集積回路に備える参照電位発生回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the reference electric potential generation circuit with which the semiconductor integrated circuit is equipped. 同参照電位発生回路の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the same reference potential generation circuit. 同半導体集積回路に備える書込/読出回路の内部構成を示す図である。It is a figure which shows the internal structure of the write / read circuit with which the same semiconductor integrated circuit is equipped. 本発明の第1の実施形態の半導体集積回路のリセットコマンド時の各種波形を示す図である。It is a figure which shows the various waveforms at the time of the reset command of the semiconductor integrated circuit of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の半導体集積回路のセットコマンド時の各種波形を示す図である。It is a figure which shows the various waveforms at the time of the set command of the semiconductor integrated circuit of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の半導体集積回路のデータ読み出し時の各種波形を示す図である。It is a figure which shows the various waveforms at the time of the data reading of the semiconductor integrated circuit of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の半導体集積回路のセットコマンド時の各種波形を示す図である。It is a figure which shows the various waveforms at the time of the set command of the semiconductor integrated circuit of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の半導体集積回路のリセットコマンド時の各種波形を示す図である。It is a figure which shows the various waveforms at the time of the reset command of the semiconductor integrated circuit of the 3rd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

尚、説明を簡便にするため、以下の事項を定義する。以下の説明では、セットとは、抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を上昇させて、不揮発性半導体記憶装置の出力としてLowレベルを出力する動作を言い、リセットとは、抵抗変化型メモリ素子の抵抗値を低下させて、半導体記憶装置の出力としてHighレベルを出力する動作を言うと定義する。また、抵抗変化型メモリ素子のビット線側に繋がる端子を高電位とする場合をセットと言い、逆に低電位とする場合をリセットと言う。また、データ書き込みに使用する電位を設定値Vdとし、読み出しに使用する電位を読み出し電位Vpとして記述する。   In order to simplify the explanation, the following items are defined. In the following description, “set” refers to an operation of increasing the resistance value of the resistance change type memory element and outputting a low level as an output of the nonvolatile semiconductor memory device, and “reset” means a resistance of the resistance change type memory element. It is defined as an operation of reducing the value and outputting a high level as the output of the semiconductor memory device. A case where the terminal connected to the bit line side of the resistance change memory element is set to a high potential is called a set, and a case where the terminal is set to a low potential is called a reset. Further, a potential used for data writing is described as a set value Vd, and a potential used for reading is described as a read potential Vp.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置を説明する。
(First embodiment)
The semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described below.

本実施形態では、先ず、抵抗変化型メモリ素子へのデータ書き込み時において、セット動作とリセット動作とを最初に説明する。   In the present embodiment, first, a set operation and a reset operation will be described first when data is written to the resistance change type memory element.

図1は、本半導体記憶装置に備える抵抗変化型メモリ素子と、その書き込み動作時でのバイアス電圧の印加状態を示す。同図において、103は抵抗変化型メモリ素子、101は前記抵抗変化型メモリ素子103の一方の端子(第1ノード)、102は前記抵抗変化型メモリ素子103の他方の端子(第2ノード)、104は同メモリ素子103へのデータ書込のセット時に順方向のバイアス電圧をかけた印加状態、105は同メモリ素子103へのデータ書込のリセット時に逆方向のバイアス電圧をかけた印加状態を示す。   FIG. 1 shows a resistance change type memory element provided in the semiconductor memory device and a bias voltage application state during the write operation. In the figure, 103 is a resistance change type memory element, 101 is one terminal (first node) of the resistance change type memory element 103, 102 is the other terminal (second node) of the resistance change type memory element 103, Reference numeral 104 denotes an application state in which a forward bias voltage is applied when data writing to the memory element 103 is set, and reference numeral 105 denotes an application state in which a reverse bias voltage is applied when data writing to the memory element 103 is reset. Show.

図1の抵抗変化型メモリ素子103において、データ書き込みに必要な両端子101、102間の電位差を設定値+Vdとすると、スタンバイ時(本実施形態では、多数の抵抗変化型メモリ素子を備えたメモリセルアレイ内の全ての抵抗変化型メモリ素子が選択されていない状態の他、自己の抵抗変化型メモリ素子は選択されていないが他の抵抗変化型メモリ素子は選択されている非選択時を含むものとする)には、両端子101、102は設定値Vdよりも小さな基準電位Vpにプリチャージされる。セット時には、端子101を設定値Vdにし、他方の端子102をGND電位とし、これにより、他方の端子102のGND電位を基準としてメモリ素子103の両端子間に設定電圧Vdの順方向のバイアス電圧を印加する。一方、リセット時には、前記セット時とは逆に、端子101をGND電位とし、他方の端子102を設定値Vdに設定し、これにより、端子102の設定電圧Vdを基準としてメモリ素子103の両端子間に負値の設定電圧−Vdの逆方向のバイアス電圧を印加する。   In the resistance change type memory element 103 of FIG. 1, assuming that the potential difference between both terminals 101 and 102 necessary for data writing is a set value + Vd, in standby mode (in this embodiment, a memory having a large number of resistance change type memory elements). In addition to the state where all of the resistance change type memory elements in the cell array are not selected, the resistance change type memory element is not selected but other resistance change type memory elements are selected. ), Both terminals 101 and 102 are precharged to a reference potential Vp smaller than the set value Vd. At the time of setting, the terminal 101 is set to the set value Vd and the other terminal 102 is set to the GND potential, whereby the forward bias voltage of the set voltage Vd is set between both terminals of the memory element 103 with the GND potential of the other terminal 102 as a reference. Apply. On the other hand, at the time of resetting, contrary to the setting, the terminal 101 is set to the GND potential, and the other terminal 102 is set to the set value Vd, whereby both terminals of the memory element 103 are set based on the set voltage Vd of the terminal 102. In the meantime, a bias voltage in the reverse direction of the negative set voltage -Vd is applied.

図4は、本実施形態の半導体集積回路の要部構成を示す。同図において、1個のメモリセルである抵抗変化型メモリ素子403は、バイアス電圧の順方向印加又は逆方向印加に応じて抵抗値が変化するメモリ素子本体Mと、ワード線(行選択線)WLの電位をゲート電位とするNchトランジスタより成る選択トランジスタTsとが接続されて成っている。前記抵抗変化型メモリ素子403はビット線(列選択線)BLに接続されると共に、選択トランジスタTsのソースはソース線SLと結合されている。この抵抗変化型メモリ素子403は、同図では1個しか図示しないが、ワード線WL及びビット線BL方向に行列に多数個配置されている。   FIG. 4 shows a main configuration of the semiconductor integrated circuit according to the present embodiment. In the figure, a resistance change type memory element 403 which is one memory cell includes a memory element body M whose resistance value changes in accordance with forward application or reverse application of a bias voltage, and a word line (row selection line). A selection transistor Ts composed of an Nch transistor whose gate potential is the potential of WL is connected. The resistance change type memory element 403 is connected to a bit line (column selection line) BL, and the source of the selection transistor Ts is coupled to a source line SL. Although only one resistance change type memory element 403 is shown in the figure, a large number of resistance change type memory elements 403 are arranged in a matrix in the word line WL and bit line BL directions.

図4において、401はビット線書込バイアス発生回路、402はビット線プリチャージ回路、407はソース線書込バイアス発生回路、406はソース線プリチャージ回路、405は読み出しバイアス発生回路である。404はセンスアンプであって、センスアンプ起動信号SAEによって設定参照電位Vrefと抵抗変化型メモリ素子403の出力電位との電位差を増幅し、出力信号IDOを出力する。前記ビット線プリチャージ回路402及びソース線プリチャージ回路406によりプリチャージ手段420を構成する。また、前記ビット線書込バイアス発生回路401及びソース線書込バイアス発生回路407によりバイアス印加手段421を構成し、前記ビット線プリチャージ回路402及び読み出しバイアス回路405により読出手段422を構成する。   In FIG. 4, 401 is a bit line write bias generation circuit, 402 is a bit line precharge circuit, 407 is a source line write bias generation circuit, 406 is a source line precharge circuit, and 405 is a read bias generation circuit. A sense amplifier 404 amplifies the potential difference between the set reference potential Vref and the output potential of the resistance change memory element 403 by the sense amplifier activation signal SAE, and outputs an output signal IDO. The bit line precharge circuit 402 and the source line precharge circuit 406 constitute precharge means 420. The bit line write bias generating circuit 401 and the source line write bias generating circuit 407 constitute a bias applying means 421, and the bit line precharge circuit 402 and the read bias circuit 405 constitute a reading means 422.

前記図4の回路のリセット動作時の波形図を図10に示す。同図において、Stanby時、相補の信号ST、/STは各々Low、Highレベルであり、他の相補の信号RST、/RSTは各々Low、Highレベルにあって、ビット線書込バイアス回路401及びソース線書込バイアス発生回路407はカットオフ状態で停止している。一方、2つの信号BLP、SLPはLowレベルであり、ビット線プリチャージ回路402及びソース線プリチャージ回路406は、内部のPchトランジスタがON動作して、ビット線BL及びソース線SLの各電位をプリチャージ電位Vpにプリチャージしている。   FIG. 10 shows a waveform diagram during the reset operation of the circuit of FIG. In the figure, at the time of Standby, the complementary signals ST and / ST are at the Low and High levels, respectively, and the other complementary signals RST and / RST are at the Low and High levels, respectively, and the bit line write bias circuit 401 and The source line write bias generation circuit 407 is stopped in the cut-off state. On the other hand, the two signals BLP and SLP are at the low level, and the bit line precharge circuit 402 and the source line precharge circuit 406 have their internal Pch transistors turned on to set the respective potentials of the bit line BL and the source line SL. It is precharged to the precharge potential Vp.

その後、リセット時になると、図4の相補の信号RST、/RSTでは、信号RSTがHighレベルに、その反転信号/RSTがLowレベルになる。また、2つの信号BLP、SLPがHighレベルになる。これにより、2つのプリチャージ回路402、406が停止する。そして、ワード線WLの電位が上昇して、選択トランジスタTsがONし、抵抗変化型メモリ素子403の両端子にバイアス電圧が印加される状態が形成される。ビット線書込バイアス発生回路401は、信号RSTがHighレベルになったので、ビット線BLの電位をLowレベル(GNDレベル)にする。一方、ソース線書込バイアス発生回路407は、信号/RSTがLowレベルになったので、ソース線SLの電位を設定値Vdに上昇させる。従って、抵抗変化型メモリ素子403のビット線BL側がGNDレベル、ソース線SL側が設定電位Vdとなって、抵抗変化型メモリ素子403のメモリ素子本体Mの抵抗値が低くなる。その後、ビット線BL側のGNDレベル及びソース線SL側の設定電位Vdというバイアス状態を解放しても、メモリ素子本体Mの低抵抗状態は保持される。   Thereafter, at the reset time, in the complementary signals RST and / RST in FIG. 4, the signal RST goes to the high level and the inverted signal / RST goes to the low level. Further, the two signals BLP and SLP are at a high level. As a result, the two precharge circuits 402 and 406 are stopped. Then, the potential of the word line WL rises, the selection transistor Ts is turned on, and a state in which a bias voltage is applied to both terminals of the resistance change memory element 403 is formed. Since the signal RST becomes the high level, the bit line write bias generation circuit 401 sets the potential of the bit line BL to the low level (GND level). On the other hand, the source line write bias generation circuit 407 raises the potential of the source line SL to the set value Vd because the signal / RST becomes the Low level. Therefore, the resistance change memory element 403 has the GND level on the bit line BL side and the set potential Vd on the source line SL side, and the resistance value of the memory element body M of the resistance change memory element 403 becomes low. Thereafter, even if the bias state of the GND level on the bit line BL side and the set potential Vd on the source line SL side is released, the low resistance state of the memory element body M is maintained.

前記図4の回路のセット動作時の波形図を図11に示す。同図では、図10に示したリセット時とは反対に、相補の信号ST、/STについて、信号STがHighレベルに、その反転信号/STがLowレベルになると共に、2つの信号BLP、SLPが共にHighレベルになる。これにより、2つのプリチャージ回路402、406が停止する。そして、ワード線WLの電位が上昇して、抵抗変化型メモリ素子403の両端子にバイアス電圧が印加される状態が形成される。ビット線書込バイアス発生回路402は、信号/STがLowレベルになったので、ビット線BLの電位を設定値Vdに上昇させ、一方、ソース線書込バイアス発生回路407は、信号STがHighレベルになったので、ソース線SLの電位をLowレベル(GNDレベル)に低下させる。前記ビット線書込バイアス発生回路401の設定電圧Vdは、抵抗変化型メモリ素子403にデータを書き込むのに必要な電位である。その結果、抵抗変化型メモリ素子403のビット線BL側が設定電位Vd、ソース線SL側がGNDレベルとなって、抵抗変化型メモリ素子403のメモリ素子本体Mの抵抗値が高くなる。その後、ビット線BL側の設定電位Vd及びソース線SL側のGNDレベルというバイアス状態を解放しても、メモリ素子本体Mの高抵抗状態は保持される。   FIG. 11 shows a waveform diagram during the set operation of the circuit of FIG. In the figure, contrary to the reset shown in FIG. 10, for the complementary signals ST and / ST, the signal ST becomes high level, the inverted signal / ST becomes low level, and the two signals BLP and SLP Both become High level. As a result, the two precharge circuits 402 and 406 are stopped. Then, the potential of the word line WL rises, and a state where a bias voltage is applied to both terminals of the resistance change memory element 403 is formed. The bit line write bias generation circuit 402 raises the potential of the bit line BL to the set value Vd because the signal / ST has become low level, while the source line write bias generation circuit 407 has the signal ST of High. Since the level is reached, the potential of the source line SL is lowered to the low level (GND level). The set voltage Vd of the bit line write bias generation circuit 401 is a potential necessary for writing data into the resistance change memory element 403. As a result, the bit line BL side of the resistance change type memory element 403 becomes the set potential Vd and the source line SL side becomes the GND level, and the resistance value of the memory element body M of the resistance change type memory element 403 becomes high. Thereafter, even if the bias state of the set potential Vd on the bit line BL side and the GND level on the source line SL side is released, the high resistance state of the memory element body M is maintained.

次に、図4の回路のデータ読み出し動作時の波形図を図12に示す。同図に示した読み出し動作時には、相補信号ST、/STは各々Low、Highレベルに設定され、他の相補信号RST、/RSTも各々Low、Highレベルに設定される。従って、2つのバイアス発生回路401、407は停止する。また、信号BLPはstanby時と同様にLowレベルに保持されて、ビット線BLの電位はプリチャージ電位Vpに設定される。尚、本実施形態では、この読み出し時にもビット線プリチャージ回路402を兼用しているが、この読み出し動作時とプリチャージ時との間で電圧変化の速度的な差異をつける場合には、ビット線プリチャージ回路402と同様の構成の読み出し用回路を別途付加すれば良い。信号SLPはHighレベルに移行して、ソース線プリチャージ回路406が停止する。更に、読み出し信号RDがHighレベルとなって、ソース線SLがLowレベル(GNDレベル)に低下する。同時に、ワード線WLがHighレベルに移行する。その結果、抵抗変化型メモリ素子403のビット線側はStanby時と同様のプリチャージ電位Vpが印加された状態のまま、そのソース線側がGNDレベルに低下する。ここで、プリチャージ電位Vpは、設定電圧Vdよりも低く設定される。従って、データ書き込みでのセット時のバイアス関係、即ち、抵抗変化型メモリ素子403のビット線側が設定電圧Vd、そのソース線側がGND電位のバイアス関係と比較すると、ビット線BL側がプリチャージ電位Vp(<Vd)と低いので、セット時でのバイアス電圧以上のバイアス電圧が抵抗変化型メモリ素子403の両端子間にかからないので、抵抗変化型メモリ素子403の高抵抗状態を良好に維持しながら、データを読み出すことが可能である。   Next, FIG. 12 shows a waveform diagram during the data read operation of the circuit of FIG. In the read operation shown in the figure, the complementary signals ST and / ST are set to Low and High levels, respectively, and the other complementary signals RST and / RST are also set to Low and High levels, respectively. Accordingly, the two bias generation circuits 401 and 407 are stopped. Further, the signal BLP is held at the low level as in the stanby state, and the potential of the bit line BL is set to the precharge potential Vp. In the present embodiment, the bit line precharge circuit 402 is also used at the time of reading. However, when a difference in speed of voltage change between the reading operation and the precharging is set, A read circuit having the same configuration as that of the line precharge circuit 402 may be added separately. The signal SLP shifts to a high level, and the source line precharge circuit 406 stops. Further, the read signal RD becomes High level, and the source line SL is lowered to Low level (GND level). At the same time, the word line WL shifts to a high level. As a result, the bit line side of the resistance change memory element 403 is lowered to the GND level on the source line side while the precharge potential Vp similar to that in the standby state is applied. Here, the precharge potential Vp is set lower than the set voltage Vd. Therefore, when the bias relationship at the time of data writing is set, that is, when the bit line side of the resistance change type memory element 403 is compared with the bias relationship of the set voltage Vd and the source line side is the GND potential, the bit line BL side is precharge potential Vp ( <Vd), so that a bias voltage higher than the bias voltage at the time of setting is not applied between both terminals of the resistance change memory element 403, so that the high resistance state of the resistance change memory element 403 can be maintained satisfactorily. Can be read out.

ここで、書き込みに必要な電位を設定電圧Vdとしたとき、抵抗変化型メモリ素子403の各端子にかかる電圧は、セット時及びリセット時の何れの場合であっても、+Vd又はGNDであって、各端子での電圧変化(振幅)は+Vdに制限され、ビット線BLへかける設定電圧Vdと等しくできる。従って、従来のように負電位発生回路を必要とせず、余計な書き込み電圧の発生回路が不要となって、ツインウエルなどの半導体デバイスを使用した半導体集積回路についても本実施形態を良好に適用可能である。   Here, when the potential required for writing is set to the set voltage Vd, the voltage applied to each terminal of the resistance change memory element 403 is + Vd or GND regardless of whether the voltage is set or reset. The voltage change (amplitude) at each terminal is limited to + Vd and can be equal to the set voltage Vd applied to the bit line BL. Therefore, a negative potential generation circuit is not required as in the prior art, and an extra write voltage generation circuit is unnecessary, and this embodiment can be applied well to a semiconductor integrated circuit using a semiconductor device such as a twin well. It is.

また、備える全ての抵抗変化型メモリ素子403が選択されていない狭義のStanby時、1本のビット線BLに繋がる抵抗変化型メモリ素子403が選択されていない非選択時には、それ等の抵抗変化型メモリ素子403の両端は、前記設定電圧Vdよりも低い所定電位Vp(Vp<Vd)にプリチャージされるので、これ等の抵抗変化型メモリ素子403の両端には不用意なバイアス電圧がかかることがなく、これ等の抵抗変化型メモリ素子403の両端にDisturb等に起因する抵抗値変化が発生することを抑制することができる。   Further, when all the resistance change type memory elements 403 provided are not selected, when the standby state is narrow, when the resistance change type memory element 403 connected to one bit line BL is not selected, the resistance change type memory elements 403 are selected. Since both ends of the memory element 403 are precharged to a predetermined potential Vp (Vp <Vd) lower than the set voltage Vd, an inadvertent bias voltage is applied to both ends of the resistance change type memory element 403. Therefore, it is possible to suppress a change in resistance value caused by the Disturb or the like at both ends of the resistance change type memory element 403.

更に、狭義のstanby状態又は非選択状態からの読み出し時には、そのstanby状態又は非選択状態でのプリチャージ電位Vpが直ちに読み出し電位となるので、この読み出し時にプリチャージ電位と異なる電位を読み出し電位に設定する場合と比べて、不要なバイアス電圧の印加が完了するまで待つ必要がなく、制御も簡単になる。   Furthermore, at the time of reading from the stanby state or the non-selected state in a narrow sense, the precharge potential Vp in the stanby state or the non-selected state immediately becomes a read potential. Compared with the case where it does, it is not necessary to wait until the application of an unnecessary bias voltage is completed, and control becomes easy.

加えて、本実施形態では、読み出し時には、ビット線BLにプリチャージ電位Vpを、ソース線SLにGND電位を各々かけており、この電圧印加状態(抵抗変化型メモリ素子403へのバイアス電圧の印加条件)は、ビット線BLに設定電位Vdを、ソース線SLにGND電位を各々かけるセット時と同様の電圧印加状態である。従って、抵抗変化型メモリ素子403のセット時の高抵抗値の保持が信頼性上難しくて経年使用によってその高抵抗値が徐々に低下することになる場合であっても、抵抗変化型メモリ素子403の両端にかかる電圧関係をセット時と同様にして、その高抵抗値を良好に保持できる。尚、リセット状態での抵抗変化型メモリ素子103の低抵抗値の保持能力が弱い場合には、本実施形態とは逆に、ソース線プリチャージ回路406を読み出し時に動作させてソース線SLの電位をプリチャージ電位Vpに設定すると共に、読み出しバイアス発生回路405をビット線BL側に配置して動作させたり、又は、ビット線BLの電位をプリチャージ電位Vpにすると共に、ソース線SLにプリチャージ電位Vpよりもデータ読出しに必要な電圧分高い電位を印加するように構成しても良い。   In addition, in the present embodiment, at the time of reading, a precharge potential Vp is applied to the bit line BL and a GND potential is applied to the source line SL, and this voltage application state (application of a bias voltage to the resistance change memory element 403) is applied. (Condition) is a voltage application state similar to that in the set state in which the set potential Vd is applied to the bit line BL and the GND potential is applied to the source line SL. Therefore, even when the resistance change type memory element 403 is difficult to maintain when the resistance change type memory element 403 is set in reliability, and the high resistance value gradually decreases over time, the resistance change type memory element 403 is reduced. The voltage relationship between both ends can be maintained in the same manner as at the time of setting, and the high resistance value can be maintained well. If the resistance change memory element 103 in the reset state has a weak low resistance holding capability, the source line precharge circuit 406 is operated at the time of reading, contrary to the present embodiment. Is set to the precharge potential Vp and the read bias generation circuit 405 is arranged on the bit line BL side to operate, or the potential of the bit line BL is set to the precharge potential Vp and the source line SL is precharged. A potential higher than the potential Vp by a voltage necessary for data reading may be applied.

また、本半導体記憶装置を有する半導体集積回路システムにおいて、その半導体集積回路システム内に低電圧動作する半導体デバイス(内部回路)を備えており、これ等半導体デバイスを動作させる低電圧のシステムコア電源(システム用低電圧源)と、外部とのデータ入出力用に高電圧のデータ入出力用高電圧源とを内蔵する場合には、本実施形態の半導体記憶装置の設定電圧Vdを前記データ入出力用高電圧源から供給すると共に、前記プリチャージ電圧Vpを前記システムコア電源から供給するように構成すれば、電流供給能力が上がると共に、設定電圧Vd生成用の内部昇圧回路が不用になる。   Further, a semiconductor integrated circuit system having the semiconductor memory device includes a semiconductor device (internal circuit) that operates at a low voltage in the semiconductor integrated circuit system, and a low-voltage system core power source (operating these semiconductor devices). System low-voltage source) and a high-voltage data input / output high voltage source for external data input / output, the set voltage Vd of the semiconductor memory device of this embodiment is used as the data input / output If the precharge voltage Vp is supplied from the system core power supply while being supplied from the high voltage source, the internal voltage booster circuit for generating the set voltage Vd becomes unnecessary.

(第2の実施形態)
図5は本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置の要部構成を示す図である。尚、図4と共通の構成要素には図4と同一の符号を付している。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a diagram showing a main configuration of a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as in FIG.

図5の半導体記憶装置において、図4の半導体記憶装置との違いは、ソース線書込バイアス発生回路(第2バイアス印加手段)407と、ソース線プリチャージ回路406と、読み出しバイアス発生回路405との配置位置を変更し、前記図4の半導体集積回路ではビット線書込バイアス回路(第1バイアス印加手段)401及びビット線プリチャージ回路402と同じ側(図4左側の一端側)に配置したが、本実施形態では、その反対側、即ち、行及び列方向に多数個配置された抵抗変化型メモリ素子403より成るメモリセルアレイ408の図5右側(他端側)に配置した構成である。制御信号の信号線ST、/ST、RST、/RSTは、メモリセルアレイ408の上方を横方向にグローバルに走る同一制御信号であるので、このような配置を採用しても問題はない。また、セット時、リセット時及び読み出し時の各信号の印加波形も第1の実施形態と同様である。   The semiconductor memory device of FIG. 5 differs from the semiconductor memory device of FIG. 4 in that a source line write bias generation circuit (second bias applying means) 407, a source line precharge circuit 406, and a read bias generation circuit 405 4 is arranged on the same side as the bit line write bias circuit (first bias applying means) 401 and the bit line precharge circuit 402 (one end side on the left side in FIG. 4) in the semiconductor integrated circuit of FIG. However, in this embodiment, the memory cell array 408 is arranged on the opposite side, that is, on the right side (the other end side) of the memory cell array 408 including the resistance change memory elements 403 arranged in the row and column directions. Since the control signal lines ST, / ST, RST, / RST are the same control signal that runs globally in the horizontal direction above the memory cell array 408, there is no problem even if such an arrangement is adopted. The applied waveforms of the signals at the time of setting, resetting and reading are the same as in the first embodiment.

一般に、前記第1の実施形態のように、メモリセルアレイ408の一端側にビット線書込バイアス回路401とソース線書込バイアス回路407とを配置し、ビット線プリチャージ回路402と読み出しバイアス回路405をも同一側に配置する場合には、セット時、リセット時又は読み出し時に、ビット線BL、抵抗変化型メモリ素子403及びソース線SLの直列回路に電流を流すと、セット、リセット又は読み出しの対象となる抵抗変化型メモリ素子403の配置位置に応じて電流経路の長さが変化し、前記バイアス回路401などから遠い位置に存在する抵抗変化型メモリ素子403ではその電流経路は長く、近傍に位置する抵抗変化型メモリ素子403での電流経路は短くなる。その結果、ビット線BL及びソース線SLを構成する金属配線の抵抗値に依存して、各抵抗変化型メモリ素子403に印加されるバイアス電圧値にばらつきが生じる。   In general, as in the first embodiment, a bit line write bias circuit 401 and a source line write bias circuit 407 are arranged on one end side of the memory cell array 408, and a bit line precharge circuit 402 and a read bias circuit 405 are arranged. Are placed on the same side, when a current is passed through the series circuit of the bit line BL, the resistance change type memory element 403 and the source line SL at the time of setting, resetting or reading, the object of setting, resetting or reading The length of the current path changes according to the arrangement position of the resistance change type memory element 403, and the current change path is long in the resistance change type memory element 403 existing at a position far from the bias circuit 401 or the like. The current path in the resistance change type memory element 403 is shortened. As a result, the bias voltage value applied to each resistance change type memory element 403 varies depending on the resistance value of the metal wiring constituting the bit line BL and the source line SL.

しかし、本実施形態では、セット、リセット又は読み出しの対象となる抵抗変化型メモリ素子403の配置位置に拘わらず、ビット線BL及びソース線SLの金属配線抵抗に起因する電圧の低下がビット線BL側とソース線SL側とで相殺されるので、セルアレイ内での印加バイアス電圧値のばらつきは自己整合的に調整されることになる。   However, in this embodiment, regardless of the arrangement position of the resistance change type memory element 403 to be set, reset, or read, the voltage drop caused by the metal wiring resistance of the bit line BL and the source line SL is reduced. Therefore, the variation in the applied bias voltage value in the cell array is adjusted in a self-aligned manner.

従って、本実施形態では、メモリセルアレイ408内の抵抗変化型メモリ素子403の配置位置に拘わらず、その各抵抗変化型メモリ素子403の両端に印加すべきバイアス電圧をほぼ所定値の一定値に保持して、各抵抗変化型メモリ素子403のセット、リセット、データ読み出しを各抵抗変化型メモリ素子403間で均一に行うことが可能である。   Therefore, in the present embodiment, the bias voltage to be applied to both ends of each resistance change type memory element 403 is held at a predetermined constant value regardless of the arrangement position of the resistance change type memory element 403 in the memory cell array 408. Thus, the resistance change memory elements 403 can be set, reset, and read out evenly between the resistance change memory elements 403.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態を説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described.

図6は本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の全体構成を示す図である。尚、図4と共通の構成要素には図4と同一の符号を付している。   FIG. 6 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. Components common to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as in FIG.

図6において、602は内部に書込バッファを含む書込/読出回路、603は抵抗変化型メモリ素子103を行及び列方向に多数個内蔵するメモリセルアレイ、604はセンスアンプブロックであって、その内部には、図4に示したセンスアンプ404、ビット線及びソース線のプリチャージ回路402、406、ビット線及びソース線の各書き込みバイアス発生回路401、407及び読み出しバイアス回路405を含む。このセンスアンプブロック406はワード線WLの方向に複数個備えられてセンスアンプ列605を構成する。前記センスアンプブロック604の回路動作については既述した。また、601は参照電位Vrefを生成してセンスアンプブロック604に供給する参照電位生成回路である。   In FIG. 6, reference numeral 602 denotes a write / read circuit including a write buffer therein, 603 denotes a memory cell array containing a large number of resistance change type memory elements 103 in the row and column directions, and 604 denotes a sense amplifier block. 4 includes a sense amplifier 404, bit line and source line precharge circuits 402 and 406, bit line and source line write bias generation circuits 401 and 407, and a read bias circuit 405 shown in FIG. A plurality of sense amplifier blocks 406 are provided in the direction of the word line WL to form a sense amplifier row 605. The circuit operation of the sense amplifier block 604 has already been described. Reference numeral 601 denotes a reference potential generation circuit that generates a reference potential Vref and supplies it to the sense amplifier block 604.

以下、センスアンプブロック604を動作させるブロック構成に関して説明する。図6において、書込/読出回路602は、外部から読出制御信号RD、書込制御信号WT、入力データDが入力されると共に、センスアンプブロック604から出力信号IDOが入力される。この書込/読出回路602は、出力データDOを出力すると共に、入力された書き込み制御信号WT及び入力データDIに基づいてセット信号(ST、/ST)及びリセット信号(RST、/RST)をセンスアンプブロック604へ出力、供給する。これらのセット信号及びリセット信号のうち信号ST、RST及び読出制御信号RDは、参照電位生成回路601に供給され、この参照電位生成回路601は、これ等の入力信号に基づいて参照電位Vrefを生成して前記センスアンプブロック604に供給する。   Hereinafter, a block configuration for operating the sense amplifier block 604 will be described. In FIG. 6, a write / read circuit 602 receives a read control signal RD, a write control signal WT, and input data D from the outside, and an output signal IDO from a sense amplifier block 604. The write / read circuit 602 outputs output data DO and senses set signals (ST, / ST) and reset signals (RST, / RST) based on the input write control signal WT and input data DI. Output to amplifier block 604 and supply. Among these set signals and reset signals, the signals ST, RST and the read control signal RD are supplied to a reference potential generation circuit 601. The reference potential generation circuit 601 generates a reference potential Vref based on these input signals. And supplied to the sense amplifier block 604.

前記参照電位生成回路601について図7を用いて説明する。この参照電位生成回路601は、セット時、リセット時及び読み出し時別に参照電位Vrefを生成する構成として、セット用生成回路(セット用参照電位生成手段)601s、リセット用生成回路(リセット用参照電位生成手段)601r、読み出し用生成回路(読み出し用参照電位生成手段)601Rとを備える。これ等の生成回路601s〜601Rの構成は、データ書込のセット時、リセット時及び読出時において各々抵抗変化型メモリ素子403を流れる電流経路を形成する構成とほぼ同様の構成を有している。即ち、セット用生成回路601sでは、Pchトランジスタ705は図4のビット線書込バイアス発生回路401のPchトランジスタに相当し、Nchトランジスタ702は抵抗変化型メモリ素子403内の選択トランジスタTsに相当し、Nchトランジスタ703はソース線書込バイアス発生回路407のNchトランジスタに相当し、選択信号としてはセット信号(セットコマンド)STが採用される。同様に、リセット用生成回路601rでは、Pchトランジスタ711は図4のソース線書込バイアス発生回路407のPchトランジスタに相当し、Nchトランジスタ710は抵抗変化型メモリ素子403内の選択トランジスタTsに相当し、Nchトランジスタ709はビット線書込バイアス発生回路401のNchトランジスタに相当し、選択信号としてはリセット信号(リセットコマンド)RSTが採用される。また、読み出し生成回路601Rでは、Pchトランジスタ701は図4のビット線プリチャージ回路402のPchトランジスタに相当し、Nchトランジスタ702は抵抗変化型メモリ素子403内の選択トランジスタTsに相当し、Nchトランジスタ703は読み出しバイアス回路405のNchトランジスタに相当し、選択信号としては読み出し制御信号(読出コマンド)RDが採用される。   The reference potential generation circuit 601 will be described with reference to FIG. This reference potential generation circuit 601 is configured to generate a reference potential Vref for each set, reset, and read operation. The set generation circuit (set reference potential generation means) 601s, the reset generation circuit (reset reference potential generation) Means) 601r and a read generation circuit (read reference potential generation means) 601R. These generation circuits 601s to 601R have substantially the same configuration as that for forming a current path that flows through the resistance change memory element 403 at the time of data write setting, resetting, and reading. . That is, in the set generation circuit 601s, the Pch transistor 705 corresponds to the Pch transistor of the bit line write bias generation circuit 401 in FIG. 4, the Nch transistor 702 corresponds to the selection transistor Ts in the resistance change type memory element 403, The Nch transistor 703 corresponds to the Nch transistor of the source line write bias generation circuit 407, and a set signal (set command) ST is adopted as the selection signal. Similarly, in the reset generation circuit 601r, the Pch transistor 711 corresponds to the Pch transistor of the source line write bias generation circuit 407 in FIG. 4, and the Nch transistor 710 corresponds to the selection transistor Ts in the resistance change type memory element 403. The Nch transistor 709 corresponds to the Nch transistor of the bit line write bias generation circuit 401, and a reset signal (reset command) RST is adopted as the selection signal. In the read generation circuit 601R, the Pch transistor 701 corresponds to the Pch transistor of the bit line precharge circuit 402 in FIG. 4, the Nch transistor 702 corresponds to the selection transistor Ts in the resistance change memory element 403, and the Nch transistor 703. Corresponds to the Nch transistor of the read bias circuit 405, and a read control signal (read command) RD is adopted as the selection signal.

このように構成することにより、電流経路に位置するトランジスタの影響を除いて、セット時、リセット時及び読み出し時の各参照電位Vrefを、各2個の抵抗素子(Rc、Rd)、(Re、Rf)、(Ra、Rb)による抵抗分割によって生成できる。   With this configuration, the reference potential Vref at the time of setting, resetting, and reading is set to two resistance elements (Rc, Rd), (Re, Rf) and (Ra, Rb) can be generated by resistance division.

また、抵抗変化型メモリ素子403の抵抗値に応じたビット線BLの電位を読み出し時の参照電位に一意に固定しておき、データの読出電圧と書込電圧との相対的変化を利用してデータ書込みと読出しとを行う場合には、図8に示す参照電位発生回路601’を使用することが可能である。   Further, the potential of the bit line BL corresponding to the resistance value of the resistance change type memory element 403 is uniquely fixed to the reference potential at the time of reading, and the relative change between the data reading voltage and the writing voltage is utilized. When data writing and reading are performed, it is possible to use a reference potential generation circuit 601 ′ shown in FIG.

図8の参照電位発生回路601’では、制御信号ST、RSTの何れかの信号が入ると、NOR回路(選択手段)803を介して第1のPチャネルトランジスタ801がON動作して、そのソースに接続したデータ書込に使用する電圧源の設定電圧Vdを2個の直列接続された電圧分圧用の抵抗Rg、Rhに供給し、その抵抗分割によって得られた電位を参照電位Vrefとして出力する一方、セット又はリセット時ではない時、即ち、読み出し時には、他のPチャネルトランジスタ802をオン動作させて、プリチャージ電位Vpに基づいて前記2個の抵抗Rg、Rhの抵抗分割によって読み出し時の参照電位Vrefを生成する。   In the reference potential generation circuit 601 ′ of FIG. 8, when one of the control signals ST and RST is input, the first P-channel transistor 801 is turned on via the NOR circuit (selection means) 803, and its source Is supplied to two voltage-dividing resistors Rg and Rh connected in series, and a potential obtained by the resistance division is output as a reference potential Vref. On the other hand, when it is not at the time of setting or resetting, that is, at the time of reading, the other P-channel transistor 802 is turned on, and reference at the time of reading is performed by dividing the two resistors Rg and Rh based on the precharge potential Vp. A potential Vref is generated.

以上の参照電位生成回路601、601’は、1つのデータ入力に応じて1本のビット線BL毎に1個ずつ配置しても良いし、1個を共用して、選択信号によってトランスファゲートを選択動作させて複数本のビット線BLのうち所定の1本を選択するように構成しても良い。   The above reference potential generation circuits 601 and 601 ′ may be arranged one by one for each bit line BL according to one data input, or one is shared and a transfer gate is provided by a selection signal. A predetermined operation may be performed to select a predetermined one of the plurality of bit lines BL.

次に、前記書込/読出回路(書込手段)602の内部構成例を図9に示し、その動作時の信号波形を図13及び図14に示す。この書込/読出回路602は、概述すると、データ書込動作時に、増幅動作中のセンスアンプの出力信号の変化に基づいてそのデータ書込動作を停止するように構成されている。以下、具体的に説明する。   Next, FIG. 9 shows an example of the internal configuration of the writing / reading circuit (writing means) 602, and FIG. 13 and FIG. 14 show signal waveforms during the operation. In brief, the write / read circuit 602 is configured to stop the data write operation based on a change in the output signal of the sense amplifier during the amplification operation during the data write operation. This will be specifically described below.

図9の書込/読出回路602において、901はリードアンプ(読出データ出力回路)であって、図6に示したセンスアンプブロック604からの出力信号IDOを入力し、出力信号DOを外部へ出力する。このリードアンプ901の出力信号DOは、センスアンプブロック604からの出力信号IDOと所定の位相差関係を有する。   In the write / read circuit 602 of FIG. 9, reference numeral 901 denotes a read amplifier (read data output circuit), which receives the output signal IDO from the sense amplifier block 604 shown in FIG. 6 and outputs the output signal DO to the outside. To do. The output signal DO of the read amplifier 901 has a predetermined phase difference relationship with the output signal IDO from the sense amplifier block 604.

ここで、データ書込時には、図6に示したセンスアンプブロック604内のセンスアンプ(図4の符号404参照)は、データ読出時と同様に、そのデータ読出時の起動タイミングと同一の起動タイミングで増幅制御回路(増幅制御手段)606からセンスアンプイネーブル信号SAEを受けて、このデータ書込時のあいだ常に増幅動作するように制御される。   Here, at the time of data writing, the sense amplifier (see reference numeral 404 in FIG. 4) in sense amplifier block 604 shown in FIG. 6 is activated at the same activation timing as that at the time of data reading as in the case of data reading. Thus, the sense amplifier enable signal SAE is received from the amplification control circuit (amplification control means) 606, and the amplification operation is always controlled during the data writing.

前記リードアンプ901は、読出コマンドRD又は書込コマンドWTを設定時間遅延させる遅延調整回路902の出力信号をリードアンプイネーブル信号RAENとして受けて活性化される。従って、リードアンプ901は、書込コマンドWTに基づく書込動作時と読出コマンドRDに基づく読出動作とで共通の遅延調整回路902で設定遅延時間分遅延された後に起動され、従って、リードアンプ901の書込動作時の起動タイミングは、読出動作時での起動タイミングと同一である。   The read amplifier 901 is activated by receiving the output signal of the delay adjustment circuit 902 that delays the read command RD or the write command WT as a read amplifier enable signal RAEN. Therefore, the read amplifier 901 is started after being delayed by the set delay time by the common delay adjustment circuit 902 in the write operation based on the write command WT and the read operation based on the read command RD. The start timing during the write operation is the same as the start timing during the read operation.

前記遅延調整回路902からのリードアンプイネーブル信号RAENは、他の遅延調整回路903によって所定時間遅延される。この遅延時間は、リードアンプイネーブル信号RAENによってリードアンプ901の出力信号の値が確定するまでの期間以上に相当する。この遅延調整回路903の出力が確定するまでの期間は、プリチャージ回路905により、ノードA、ノードBは設定電圧VddにHighプリチャージされている。この状態は、書込コマンドWTの入力待ちの状態である。   The read amplifier enable signal RAEN from the delay adjustment circuit 902 is delayed for a predetermined time by another delay adjustment circuit 903. This delay time corresponds to a period longer than the period until the value of the output signal of the read amplifier 901 is determined by the read amplifier enable signal RAEN. During the period until the output of the delay adjustment circuit 903 is determined, the node A and the node B are precharged to the set voltage Vdd by the precharge circuit 905. This state is a state waiting for input of the write command WT.

また、図9において、デコード回路906は、2個のNAND回路906a、906bを内蔵すると共に、入力データDIと書込コマンドWTとに応じてセット状態及びリセット状態をデコードする。セット/リセットコマンド発生回路907は、2個のNAND回路907a、907bを内蔵し、前記デコード回路906からのデコード信号と、ノードA及びノードBのHigh(Vdd)プリチャージ状態とに応じて、入力データDIに応じたセットコマンドSC又はリセットコマンドRCを確定させる。このセットコマンドSC又はリセットコマンドRCは、レベルシフト回路908により電位が反転されると同時にレベルシフトされた後、このコマンドSC、RCに基づいて前記2種の相補の信号(ST、/ST)、(RST、/RST)が生成される。この2種の相補信号により既述の通り図4の抵抗可変型メモリ素子403の抵抗値が変化すると、センスアンプ404の出力値が変化することになる。前記リードアンプイネーブル信号RAENが活性化して、前記センスアンプ404の出力信号IDOを受けたリードアンプ901の出力信号DOが確定すると、トランスファゲート904が前記リードアンプ901の出力信号DOをセット/リセットコマンド発生回路907へ伝播させて、このセット/リセットコマンド発生回路907で発生していたセットコマンドSC又はリセットコマンドRCを停止させる。   In FIG. 9, the decode circuit 906 includes two NAND circuits 906a and 906b, and decodes the set state and the reset state according to the input data DI and the write command WT. The set / reset command generation circuit 907 includes two NAND circuits 907a and 907b, and inputs according to the decode signal from the decode circuit 906 and the high (Vdd) precharge state of the node A and the node B. A set command SC or a reset command RC corresponding to the data DI is determined. The set command SC or reset command RC is level-shifted at the same time as the potential is inverted by the level shift circuit 908, and then the two complementary signals (ST, / ST) based on the commands SC and RC, (RST, / RST) is generated. As described above, when the resistance value of the resistance variable memory element 403 in FIG. 4 is changed by the two types of complementary signals, the output value of the sense amplifier 404 is changed. When the read amplifier enable signal RAEN is activated and the output signal DO of the read amplifier 901 having received the output signal IDO of the sense amplifier 404 is determined, the transfer gate 904 sets the output signal DO of the read amplifier 901 to a set / reset command. The set command SC or reset command RC generated in the set / reset command generation circuit 907 is stopped by propagating to the generation circuit 907.

以下、具体的に、図13の信号波形図を用いて、セットコマンドSCが発生し、その後にそのセットコマンドSCが自動停止するまでを説明する。書込コマンドWTがHighに遷移し、入力データDIがLowレベルである場合、デコード回路906では、相補信号ST、/ST側のNAND回路906bが動作してHigh信号のセットコマンドとなるべきデコード結果を出力する。ノードAはHigh(Vdd)にプリチャージされているので、セット/リセットコマンド発生回路907では、相補信号ST、/ST側のNAND回路907bが動作して、High信号のセットコマンドSCが発生して、信号STはHigh出力、信号/STはLow出力へ遷移する。この状態は、リードアンプイネーブル信号RAENが起動するまで維持される。その後、このリードアンプイネーブル信号RAENが活性状態となると、リードアンプ901の出力信号DOは、データ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403が初期状態でリセット状態であった場合には当初はHighレベルであるが、このデータ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403がセット状態に変化すると、Lowレベルになる。このLowレベルの出力信号DOはトランスファゲート904を介してノードAに伝播されて、このノードAの電位がLowレベルになるので、セット/リセットコマンド発生回路907では、相補信号ST、/ST側のNAND回路907bの出力がHighレベルからLowレベルに変化して、セットコマンドSCの出力を停止する。尚、データ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403が初期状態でセット状態の場合には、リードアンプ901の活性化時にそのリードアンプ901の出力が直ちにLowレベルになるので、ノードAがLowレベルになって、セット/リセットコマンド発生回路907のセットコマンドSCは直ちに自動停止する。   In the following, a specific description will be given using the signal waveform diagram of FIG. 13 until a set command SC is generated and thereafter the set command SC is automatically stopped. When the write command WT transits to High and the input data DI is at the Low level, the decode circuit 906 operates the complementary signal ST and the NAND circuit 906b on the / ST side to operate as a set command for the High signal. Is output. Since the node A is precharged to High (Vdd), the set / reset command generation circuit 907 operates the complementary signal ST and the NAND circuit 907b on the / ST side to generate the set command SC for the High signal. , The signal ST transits to a high output, and the signal / ST transits to a low output. This state is maintained until the read amplifier enable signal RAEN is activated. Thereafter, when the read amplifier enable signal RAEN is activated, the output signal DO of the read amplifier 901 is initially at a high level when the resistance change memory element 403 to which data is to be written is in the reset state. However, when the resistance change type memory element 403 to which data is to be written changes to the set state, it becomes the Low level. The low level output signal DO is propagated to the node A via the transfer gate 904, and the potential of the node A becomes low level. Therefore, the set / reset command generation circuit 907 causes the complementary signals ST, / ST side The output of the NAND circuit 907b changes from the High level to the Low level, and the output of the set command SC is stopped. When the resistance change type memory element 403 to which data is to be written is in the initial state and the set state, the output of the read amplifier 901 immediately becomes Low level when the read amplifier 901 is activated, so that the node A becomes Low level. Thus, the set command SC of the set / reset command generation circuit 907 is automatically stopped immediately.

次に、図14の信号波形図を用いて、リセットコマンドRCが発生し、その後にそのリセットコマンドRCが自動停止するまでを説明する。書込コマンドWTがHigh遷移し、入力データDIがHighレベルである場合、デコード回路906では、相補信号RST、/RST側のNAND回路906aが動作してHigh信号のリセットコマンドとなるデコード結果を出力する。ノードBはHigh(Vdd)プリチャージされているので、セット/リセットコマンド発生回路907では、相補信号RST、/RST側のNAND回路907aが動作して、High信号のリセットコマンドRCが発生し、信号RSTはHigh出力、信号/RSTはLow出力へ遷移する。この状態は、リードアンプイネーブル信号RAENが起動するまで維持される。その後、このリードアンプイネーブル信号RAENが活性状態となると、リードアンプ901の出力信号DOは、データ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403が初期状態でセット状態であった場合には当初はLowレベルであるが、このデータ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403がリセット状態に変化すると、Highレベルになる。このHighレベルの出力信号DOはトランスファゲート904を介してノードBに伝播されて、このノードBの電位がLowレベルになるので、セット/リセットコマンド発生回路907では、相補信号RST、/RST側のNAND回路907aからのHigh出力がLow出力に変化し、リセットコマンドRCを停止する。尚、データ書き込み対象の抵抗変化型メモリ素子403が初期状態でリセット状態の場合には、リードアンプ901の活性化時にそのリードアンプ901の出力が直ちにHighレベルになるので、ノードBがLowレベルになって、セット/リセットコマンド発生回路907のリセットコマンドRCは直ちに自動停止する。   Next, with reference to the signal waveform diagram of FIG. 14, a description will be given of a process until a reset command RC is generated and thereafter the reset command RC is automatically stopped. When the write command WT transits to a high level and the input data DI is at a high level, the decode circuit 906 outputs a complementary signal RST and a decode result that becomes a reset command for the high signal by operating the NAND circuit 906a on the / RST side. To do. Since node B is precharged high (Vdd), the set / reset command generation circuit 907 operates the complementary signal RST, the NAND circuit 907a on the / RST side, and generates a reset command RC for the high signal. RST transitions to High output and signal / RST transitions to Low output. This state is maintained until the read amplifier enable signal RAEN is activated. Thereafter, when the read amplifier enable signal RAEN is activated, the output signal DO of the read amplifier 901 is initially at a low level when the resistance change memory element 403 to be written with data is in the initial state. However, when the resistance change type memory element 403 to which data is to be written changes to the reset state, it becomes a high level. The high level output signal DO is propagated to the node B through the transfer gate 904, and the potential of the node B becomes low level. Therefore, the set / reset command generation circuit 907 causes the complementary signals RST and / RST to The High output from the NAND circuit 907a changes to the Low output, and the reset command RC is stopped. When the resistance change type memory element 403 to which data is written is in the initial state and in the reset state, the output of the read amplifier 901 immediately becomes High level when the read amplifier 901 is activated, so that the node B becomes Low level. Thus, the reset command RC of the set / reset command generation circuit 907 is automatically stopped immediately.

一方、データ読み出し時には、書込コマンドWTがLowレベルになるので、デコード回路906では2個のNAND回路906a、906bの出力がLowレベルになって、セット/リセットコマンド発生回路907では、2個のNAND回路907a、907bの出力はLowレベルとなって、セットコマンドSC及びリセットコマンドRCは出力されない。   On the other hand, at the time of data reading, since the write command WT is at the low level, the outputs of the two NAND circuits 906a and 906b are at the low level in the decode circuit 906, and the set / reset command generation circuit 907 has two outputs. The outputs of the NAND circuits 907a and 907b are at a low level, and the set command SC and the reset command RC are not output.

以上により、本実施形態では、入力データDI及び書きコマンドWTに応じてセットコマンドSC又はリセットコマンドRCを発生して、抵抗変化型メモリ素子403をセット又はリセット状態に制御すると共に、前記入力データDI及び書きコマンドWTに応じてセンスアンプブロック604内のセンスアンプ404の参照電位Vrefを可変に設定しながら、前記抵抗変化型メモリ素子403のセット又はリセット状態への遷移に伴う前記センスアンプ404の出力信号IDOの変化を待って、この出力信号IDOに基づいて自動的に前記セットSC又はリセットコマンドRCを停止させたので、抵抗変化型メモリ素子403の精度良い抵抗調整が可能な半導体記憶装置を構成しながら、そのセット又はリセットコマンドSC、RCの自動停止を通常のデータ読み出し用のセンスアンプ404及びリードアンプ901を使用して、特別な回路を個別に用意することなく半導体記憶装置の構成を簡易にでき、より一層にロウコスト化が可能である。   As described above, in this embodiment, the set command SC or the reset command RC is generated according to the input data DI and the write command WT to control the resistance change memory element 403 to the set or reset state, and the input data DI In addition, the reference potential Vref of the sense amplifier 404 in the sense amplifier block 604 is variably set in response to the write command WT, and the output of the sense amplifier 404 accompanying the transition to the set or reset state of the resistance change memory element 403. Since the set SC or the reset command RC is automatically stopped based on the output signal IDO after waiting for the change of the signal IDO, a semiconductor memory device capable of accurately adjusting the resistance of the resistance change type memory element 403 is configured. However, the set or reset command SC, RC Using conventional sense amplifier 404 and read amplifier 901 for reading data of the stop, can the configuration of a semiconductor memory device without preparing a special circuit individually easily, it is more possible in more Roukosuto of.

次に、以上で説明した一連の回路がコアとして構成された場合のブロック図を図3に示す。   Next, FIG. 3 shows a block diagram when the series of circuits described above is configured as a core.

同図において、データ入出力、コマンド入力及びアドレス信号入力を行うデータ入出力回路301は、アドレス信号をアドレス発生回路307へ転送し、アドレス発生回路307は更に前記アドレス信号をロウデコーダ回路305へ転送してワード線WLの選択信号を生成する。データ入出力回路301に入力されたコマンドは、コマンド発生回路306に転送され、コマンド発生回路306は、その転送されたコマンドをロウデコーダ305、センスアンプ303、参照電位発生回路308、書込/読出回路302へ転送する。データ入出力回路301に入力されたデータは、書込/読出回路302へ転送された後、センスアンプ303で増幅されて、多数の抵抗変化型メモリ素子403を有するメモリセルアレイ304に書き込まれる。   In the figure, a data input / output circuit 301 that performs data input / output, command input, and address signal input transfers an address signal to an address generation circuit 307, and the address generation circuit 307 further transfers the address signal to a row decoder circuit 305. Then, a selection signal for the word line WL is generated. The command input to the data input / output circuit 301 is transferred to the command generation circuit 306. The command generation circuit 306 reads the transferred command into the row decoder 305, sense amplifier 303, reference potential generation circuit 308, write / read. Transfer to circuit 302. Data input to the data input / output circuit 301 is transferred to the write / read circuit 302, amplified by the sense amplifier 303, and written to the memory cell array 304 having a large number of resistance change memory elements 403.

尚、本実施形態では、データ書込時に常時増幅動作させるセンスアンプとして、データ読出用のセンスアンプ404を兼用したが、データ書込専用のセンスアンプを別途設けても良い。   In this embodiment, the sense amplifier 404 for data reading is also used as a sense amplifier that is always amplified during data writing. However, a sense amplifier dedicated to data writing may be provided separately.

また、前記第1〜第3の実施形態では、抵抗変化型メモリ素子403として、ビット線(列選択線)BLに接続されたメモリ素子本体Mと、ワード線(行選択線)WLがゲートに接続された選択トランジスタTsとの直列回路からなる構成のものを採用したが、本発明はこれに限定されず、その他、1本の列選択線と1本の行選択線との間にメモリ素子本体Mが直接に又はダイオードを介して接続された抵抗変化型メモリ素子を採用しても良いのは勿論である。   In the first to third embodiments, as the resistance change type memory element 403, the memory element body M connected to the bit line (column selection line) BL and the word line (row selection line) WL serve as gates. Although a configuration comprising a series circuit with a connected select transistor Ts is employed, the present invention is not limited to this, and in addition, a memory element is provided between one column selection line and one row selection line. Of course, a resistance change type memory element in which the main body M is connected directly or via a diode may be adopted.

以上説明したように、本発明は、抵抗変化型メモリ素子の各端子にかかるバイアス振幅電圧を小さく抑えると共に、スタンバイ時に抵抗変化型メモリ素子の両端に印加するプリチャージ電圧を読み出し電圧としたので、負電位発生回路を不要にできると共に、データ読み出しの高速化を図ることができ、抵抗変化型メモリ素子を用いた半導体記憶装置として実用上有用である。   As described above, according to the present invention, the bias amplitude voltage applied to each terminal of the resistance change memory element is suppressed to a small value, and the precharge voltage applied to both ends of the resistance change memory element during standby is used as the read voltage. The negative potential generating circuit can be eliminated and the data reading speed can be increased, which is practically useful as a semiconductor memory device using a resistance change type memory element.

103、403 抵抗変化型メモリ素子(メモリセル)
301 データ入出力回路
302 書込/読出回路
303 センスアンプ列
304 メモリセルアレイ
305 ロウデコーダ回路
306 コマンド発生回路
307 アドレス発生回路
308 参照電位発生回路
401 ビット線書込バイアス発生回路
(第1バイアス印加手段)
402 ビット線プリチャージ回路
読み出しバイアス発生回路
404 センスアンプ
405 読み出しバイアス発生回路
406 ソース線プリチャージ回路
407 ソース線書込バイアス発生回路
(第2バイアス印加手段)
408、603 メモリセルアレイ
420 プリチャージ手段
421 バイアス印加手段
422 読出手段
601 参照電位発生回路
601s セット用生成回路(セット用参照電位生成手段)
601r リセット用生成回路
(リセット用参照電位生成手段)
601R 読み出し用生成回路
(読み出し用参照電位生成手段)
602 書込/読出回路(書込手段)
604 センスアンプブロック
605 センスアンプ列
606 増幅制御回路(増幅制御手段)
803 NOR回路(選択手段)
901 リードアンプ(読出データ出力回路)
902、903 遅延調整回路
904 トランスファゲート
905 プリチャージ回路
906 デコード回路
907 セット/リセットコマンド発生回路
908 レベルシフト回路
103, 403 Resistance change type memory element (memory cell)
301 Data Input / Output Circuit 302 Write / Read Circuit 303 Sense Amplifier Row 304 Memory Cell Array 305 Row Decoder Circuit 306 Command Generation Circuit 307 Address Generation Circuit 308 Reference Potential Generation Circuit 401 Bit Line Write Bias Generation Circuit
(First bias applying means)
402 Bit line precharge circuit
Read bias generation circuit 404 Sense amplifier 405 Read bias generation circuit 406 Source line precharge circuit 407 Source line write bias generation circuit
(Second bias applying means)
408, 603 Memory cell array 420 Precharge means 421 Bias application means 422 Read means 601 Reference potential generation circuit 601s Set generation circuit (set reference potential generation means)
601r Reset generation circuit
(Reset reference potential generation means)
601R Read generation circuit
(Reading reference potential generating means)
602 Write / read circuit (write means)
604 Sense amplifier block 605 Sense amplifier row 606 Amplification control circuit (amplification control means)
803 NOR circuit (selection means)
901 Read amplifier (read data output circuit)
902, 903 Delay adjustment circuit 904 Transfer gate 905 Precharge circuit 906 Decode circuit 907 Set / reset command generation circuit 908 Level shift circuit

Claims (8)

第1ノード及び第2ノードを有する抵抗変化型メモリ素子と、
前記抵抗変化型メモリ素子の第1ノードに接続された第1選択線と、
前記抵抗変化型メモリ素子の第2ノードに接続された第2選択線とを有し、
前記抵抗変化型メモリ素子は、前記第1及び第2ノード間に順方向及び逆方向のバイアス電圧を印加して、データのセット及びリセットを行う半導体記憶装置であって、
設定参照電位と前記抵抗変化型メモリ素子の抵抗値によって生じる電位との電位差を増幅するセンスアンプと、
前記センスアンプを増幅動作させる増幅制御手段と、
前記抵抗変化型メモリ素子へのデータのセット又はリセット動作を開始すると共に、前記センスアンプの出力信号を受け、この受けた出力信号に応じて前記データのセット及びリセット動作を停止する書込手段とを備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置。
A resistance change memory element having a first node and a second node;
A first selection line connected to a first node of the resistance change type memory element;
A second selection line connected to a second node of the resistance change type memory element;
The resistance change type memory element is a semiconductor memory device that sets and resets data by applying forward and reverse bias voltages between the first and second nodes.
A sense amplifier that amplifies a potential difference between a set reference potential and a potential generated by a resistance value of the resistance change type memory element;
Amplification control means for amplifying the sense amplifier;
Write means for starting data setting or resetting operation to the resistance change type memory element, receiving an output signal of the sense amplifier, and stopping the data setting and resetting operation according to the received output signal; A semiconductor memory device comprising:
前記請求項1記載の半導体記憶装置において、
前記センスアンプは、データ読出時に使用するデータ読み出し用センスアンプが兼用され、
更に、前記設定参照電位を、データ書込時のセット用の参照電位、リセット用の参照電位、及びデータ読出時の参照電位とに別々に生成するセット用、リセット用及びデータ読出用の参照電位生成手段を備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein
The sense amplifier is also used as a data read sense amplifier for use in data read.
Further, the set reference potential for setting, resetting, and data reading are generated separately for the set reference potential for data writing, the reference potential for resetting, and the reference potential for data reading. A semiconductor memory device comprising a generation unit.
前記請求項2記載の半導体記憶装置において、
前記書込手段は、
前記データ読み出し用センスアンプの出力信号に応じて、前記データのセット及びリセット動作を停止する
ことを特徴とする半導体記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein
The writing means includes
The semiconductor memory device, wherein the data set and reset operations are stopped according to an output signal of the data read sense amplifier.
前記請求項2記載の半導体記憶装置において、
前記データ読み出し用センスアンプの出力信号を外部へ出力する読出データ出力回路を有し、
前記書込手段は、前記データ読み出し用センスアンプの出力信号を前記読出データ出力回路を介して受け、
データ書込のセット時及びリセット時に、前記データ読み出し用センスアンプ及び前記読出データ出力回路は、データ読出動作と同一のタイミングで起動される
ことを特徴とする半導体記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein
A read data output circuit for outputting an output signal of the data read sense amplifier to the outside;
The writing means receives an output signal of the data read sense amplifier via the read data output circuit,
The semiconductor memory device, wherein the data read sense amplifier and the read data output circuit are activated at the same timing as the data read operation at the time of data write setting and reset.
前記請求項2記載の半導体記憶装置において、
前記データ書込のセット用、リセット用、及びデータ読出用の3つの参照電位生成手段は、
データ書込のセット時、リセット時及びデータ読出時に、そのデータ書込又は読出対象の抵抗変化型メモリ素子に流れる電流経路と同一の電流経路を持つと共に、その電流経路に電圧分圧用の複数個の抵抗素子を持ち、セットコマンド、リセットコマンド及び読出コマンドに基づいて選択される
ことを特徴とする半導体記憶装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein
The three reference potential generation means for data write setting, resetting, and data reading are:
At the time of data writing set, at the time of resetting and at the time of data reading, the current path has the same current path as the current flowing through the resistance change type memory element to be written or read, and a plurality of voltage dividing voltages are provided in the current path. A semiconductor memory device comprising: a resistance element, and selected based on a set command, a reset command, and a read command.
前記請求項1記載の半導体記憶装置において、
前記設定参照電位を発生する参照電位発生回路を備え
前記参照電位発生回路は、
データ書込に使用する電源にソースが接続された第1のPチャネルトランジスタと、
データ読出に使用する電源にソースが接続された第2のPチャネルトランジスタと、
前記第1及び第2のPチャネルトランジスタに共通に接続された電圧分圧用の複数の抵抗素子と、
前記第1及び第2のPチャネルトランジスタの一方を選択する選択手段とを備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein
A reference potential generating circuit for generating the set reference potential;
A first P-channel transistor having a source connected to a power supply used for data writing;
A second P-channel transistor having a source connected to a power supply used for data reading;
A plurality of voltage dividing resistor elements connected in common to the first and second P-channel transistors;
A semiconductor memory device comprising: selection means for selecting one of the first and second P-channel transistors.
前記請求項1記載の半導体記憶装置において、
前記増幅制御手段は、第1の状態において、前記センスアンプを常時増幅動作させ、
前記書込手段は、第2の状態において、前記抵抗変化型メモリ素子へのデータのセット又はリセット動作を開始すると共に、前記センスアンプの出力信号を受け、この受けた出力信号に応じて前記データのセット及びリセット動作を停止する
ことを特徴とする半導体記憶装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein
The amplification control means always amplifies the sense amplifier in the first state,
In the second state, the writing means starts a data setting or resetting operation to the resistance change type memory element, receives an output signal of the sense amplifier, and receives the data according to the received output signal. A semiconductor memory device characterized by stopping the set and reset operations.
前記請求項7記載の半導体記憶装置において、
前記第1の状態は、データの書込時であり、前記第2の状態は、データ書込のセット時又はリセット時である
ことを特徴とする半導体記憶装置。
8. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein
The semiconductor memory device, wherein the first state is when data is written, and the second state is when data writing is set or reset.
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