JP2012027974A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置に関し、特に可変抵抗素子と参照可変抵抗素子とを備えた半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device including a variable resistance element and a reference variable resistance element.
近年、強磁性トンネル接合素子からなる可変抵抗素子を記憶媒体とした不揮発性半導体記憶装置が考案されている。強磁性トンネル接合素子は、積層された自由磁化層と固定磁化層とを有している。強磁性トンネル接合素子に閾値電圧よりも低い電圧又は高い電圧を印加することにより磁化層の状態が変化する。自由磁化層と固定磁化層とが同一方向に磁化した場合には抵抗値が低い低抵抗状態となり、自由磁化層と固定磁化層とが反対方向に磁化した場合には抵抗値が高い高抵抗状態となる。このため、高抵抗状態と低抵抗状態とを、「0」及び「1」のデータにそれぞれ対応させることによって強磁性トンネル接合素子にデータを記憶することができる。 In recent years, a nonvolatile semiconductor memory device using a variable resistance element made of a ferromagnetic tunnel junction element as a storage medium has been devised. The ferromagnetic tunnel junction element has a stacked free magnetic layer and a fixed magnetic layer. By applying a voltage lower or higher than the threshold voltage to the ferromagnetic tunnel junction element, the state of the magnetic layer changes. When the free magnetic layer and the fixed magnetic layer are magnetized in the same direction, the resistance value is low and the resistance value is low.When the free magnetic layer and the fixed magnetization layer are magnetized in the opposite direction, the resistance value is high. It becomes. Therefore, data can be stored in the ferromagnetic tunnel junction device by making the high resistance state and the low resistance state correspond to the data of “0” and “1”, respectively.
データを記憶するメモリセル1ビットを2個の可変抵抗素子により形成し、2個の可変抵抗素子にそれぞれ相補的なデータを記憶させ、2個の可変抵抗素子の抵抗値を、互いに比較することにより、どちらの可変抵抗素子が低抵抗状態かを判定することができる。これによりメモリセルに記憶されたデータを読み出すことが可能となる。しかし、この方法では、1つのメモリセルに2個の可変抵抗素子が必要となるため、メモリ容量を大きくすると、占有面積及び製造コストの増大を無視できなくなる。 One bit of memory cell for storing data is formed by two variable resistance elements, complementary data is stored in the two variable resistance elements, and the resistance values of the two variable resistance elements are compared with each other. Thus, it is possible to determine which variable resistance element is in the low resistance state. Thereby, data stored in the memory cell can be read. However, in this method, two variable resistance elements are required for one memory cell. Therefore, if the memory capacity is increased, an increase in occupied area and manufacturing cost cannot be ignored.
このため、メモリセル1ビットを1個の可変抵抗素子により形成する方法が検討されている。この場合には、メモリセルの抵抗値を何らかの参照用の抵抗値と比較することによりデータを読み出すことが一般的である。例えば、メモリセルと参照用の抵抗値を生成する参照セルとを設けた半導体記憶装置が報告されている(例えば、特許文献1を参照。)。図26に示すように、電源VDDと接地GNDとの間に、固定抵抗素子505と記憶用の可変抵抗素子506とを直列に接続したメモリセル507と、固定抵抗素子502と可変抵抗素子である参照抵抗素子503とを直列に接続した参照セル504とが設けられている。参照抵抗素子503は、記憶用の可変抵抗素子506の高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値との間の抵抗値に設定されている。
For this reason, a method of forming one bit of a memory cell with one variable resistance element has been studied. In this case, data is generally read out by comparing the resistance value of the memory cell with some reference resistance value. For example, a semiconductor memory device provided with a memory cell and a reference cell that generates a reference resistance value has been reported (see, for example, Patent Document 1). As shown in FIG. 26, there are a
しかしながら、前記従来の半導体記憶装置は、記憶用の可変抵抗素子、参照抵抗素子及び固定抵抗素子の特性のばらつきにより、記憶データが正確に読み出せなくなるおそれがある。可変抵抗素子及び固定抵抗素子は、ミクロンオーダーやサブミクロンオーダーの微細プロセスにより形成される。このため、抵抗値にばらつきが生じやすい。特に、強磁性トンネル接合素子である可変抵抗素子は、従来の半導体装置にはあまり用いられていない材料を使用する。このため一般的なダイナミックアクセスラム等と比べ、製造プロセスにおける特性の変化が生じやすい。 However, the conventional semiconductor memory device may not be able to read the stored data accurately due to variations in characteristics of the variable resistance element for storage, the reference resistance element, and the fixed resistance element. The variable resistance element and the fixed resistance element are formed by a micro process of micron order or submicron order. For this reason, the resistance value tends to vary. In particular, a variable resistance element that is a ferromagnetic tunnel junction element uses a material that is not often used in conventional semiconductor devices. For this reason, compared with a general dynamic access ram etc., the characteristic change in the manufacturing process is likely to occur.
また、可変抵抗素子をマトリックス状に配置する場合には、可変抵抗素子を配置する位置によって抵抗値にばらつきが生じるおそれがある。また、ウェハ内に複数のチップを形成する場合には、チップごとのばらつきも大きくなるおそれがある。 In addition, when the variable resistance elements are arranged in a matrix, the resistance value may vary depending on the position where the variable resistance elements are arranged. In addition, when a plurality of chips are formed in a wafer, there is a possibility that the variation from chip to chip becomes large.
可変抵抗素子の高抵抗状態の抵抗値と低抵抗状態の抵抗値との差が大きい場合にはばらつきを無視できるが、半導体記憶装置の微細化により、抵抗値の差は小さくなる傾向にある。 When the difference between the resistance value in the high resistance state and the resistance value in the low resistance state of the variable resistance element is large, the variation can be ignored, but the difference in resistance value tends to become smaller due to miniaturization of the semiconductor memory device.
従来の半導体記憶装置においては、参照抵抗素子を可変にすることにより、抵抗値のばらつきに対応しようとしているが、メモリセル間における抵抗値のばらつきが大きくなると、参照抵抗素子を可変できるようにしたとしても、データを正確に読み出すことが困難となる。 In the conventional semiconductor memory device, the reference resistance element is made variable so as to cope with the variation in resistance value. However, when the resistance value variation between memory cells becomes large, the reference resistance element can be made variable. However, it becomes difficult to read data accurately.
本発明は、面積の増大を抑制しつつ、データを記憶する可変抵抗素子及び参照用の可変抵抗素子に個体差が生じたとしても、正確にデータを読み出すことが可能な半導体記憶装置を実現できるようにすることを目的とする。 The present invention can realize a semiconductor memory device capable of accurately reading data even when individual differences occur between a variable resistance element that stores data and a reference variable resistance element while suppressing an increase in area. The purpose is to do so.
前記の目的を達成するため、本発明は半導体記憶装置を、データ記憶抵抗素子と同一の構造を有する可変抵抗素子からなる参照抵抗素子を備え、高抵抗状態の参照抵抗素子と低抵抗状態の参照抵抗素子とにより参照抵抗値を生成する構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor memory device including a reference resistance element composed of a variable resistance element having the same structure as that of a data storage resistance element, and a reference resistance element in a high resistance state and a reference in a low resistance state. A reference resistance value is generated by a resistance element.
具体的に、本発明に係る半導体記憶装置は、基板のメモリセル領域に形成され、複数のメモリセルが、マトリックス状に配列されたメモリセルアレイと、基板の参照回路領域に形成され、参照抵抗値を生成する参照抵抗回路と、メモリセルの抵抗値と参照抵抗値とを比較する比較回路とを備え、メモリセルは、記憶したデータに対応して第1のデータ抵抗値又は該第1のデータ抵抗値よりも低い第2のデータ抵抗値となる可変抵抗素子であるデータ記憶抵抗素子を有し、参照抵抗回路は、それぞれがデータ記憶抵抗素子と同じ構造を有する可変抵抗素子である第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を有し、第1の参照抵抗素子は、第1の抵抗値に設定され、第2の参照抵抗素子は、第1の抵抗値よりも低い第2の抵抗値に設定され、参照抵抗値は、第1の参照抵抗素子と第2の参照抵抗素子とを接続することにより生成した第1の抵抗値と第2の抵抗値との間の抵抗値である。 Specifically, a semiconductor memory device according to the present invention is formed in a memory cell region of a substrate, a plurality of memory cells are formed in a matrix array of memory cells and a reference circuit region of the substrate, and a reference resistance value And a comparison circuit that compares the resistance value of the memory cell with the reference resistance value, and the memory cell corresponds to the first data resistance value or the first data corresponding to the stored data. The data storage resistance element is a variable resistance element having a second data resistance value lower than the resistance value, and the reference resistance circuit is a variable resistance element that has the same structure as each of the data storage resistance elements. The first reference resistance element is set to a first resistance value, and the second reference resistance element has a second resistance value lower than the first resistance value. The resistance value is set and Resistance is the resistance between the first resistance and a second resistance value generated by connecting a first reference resistance element and a second reference resistance element.
本発明の半導体記憶装置は、参照抵抗回路がそれぞれがデータ記憶抵抗素子と同じ構造を有する可変抵抗素子である第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を有し、第1の抵抗値と第2の抵抗値との間の参照抵抗値を生成する。このため、データ記憶抵抗素子の抵抗特性のばらつきと参照抵抗素子の抵抗特性のばらつきとを連動させることができる。従って、データ記憶抵抗素子及び参照抵抗素子の抵抗特性のばらつきがある場合においても、第1のデータ抵抗値と第2のデータ抵抗値との間の参照抵抗値を容易に生成することができる。その結果、正確なデータの読み出しが可能となる。 The semiconductor memory device of the present invention includes a first reference resistance element and a second reference resistance element, each of which is a variable resistance element in which the reference resistance circuit has the same structure as the data storage resistance element. A reference resistance value between the first resistance value and the second resistance value is generated. For this reason, the dispersion | variation in the resistance characteristic of a data storage resistive element and the dispersion | variation in the resistance characteristic of a reference resistive element can be linked. Therefore, the reference resistance value between the first data resistance value and the second data resistance value can be easily generated even when the resistance characteristics of the data storage resistance element and the reference resistance element vary. As a result, accurate data can be read out.
本発明の半導体記憶装置において、第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子は、複数としてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the first reference resistance element and the second reference resistance element may be plural.
この場合において、第1の参照抵抗素子の数と第2の参照抵抗素子の数とは等しくてもよい。 In this case, the number of first reference resistance elements may be equal to the number of second reference resistance elements.
また、第1の参照抵抗素子の数と第2の参照抵抗素子の数とは、異なっていてもよい。この場合において、第1の参照抵抗素子の数は、第2の参照抵抗素子の数よりも多くてもよい。 Further, the number of first reference resistance elements and the number of second reference resistance elements may be different. In this case, the number of first reference resistance elements may be larger than the number of second reference resistance elements.
本発明の半導体記憶装置において、参照回路領域における、第1の参照抵抗素子の分布と第2の参照抵抗素子の分布とは、均一であることが好ましい。この場合において、参照回路領域において、第1の参照抵抗素子と第2の参照抵抗素子とは交互に配置されていてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, it is preferable that the distribution of the first reference resistance elements and the distribution of the second reference resistance elements in the reference circuit region are uniform. In this case, the first reference resistance element and the second reference resistance element may be alternately arranged in the reference circuit region.
本発明の半導体記憶装置において、メモリセル領域と参照回路領域とは、基板において隣接して配置されていてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the memory cell region and the reference circuit region may be disposed adjacent to each other on the substrate.
本発明の半導体記憶装置において、参照抵抗回路は、第1の参照抵抗素子の2個以上を一括して第1の抵抗値に設定し、第2の参照抵抗素子の2個以上を一括して第2の抵抗値に設定する、参照抵抗素子設定回路を有していてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the reference resistance circuit collectively sets two or more of the first reference resistance elements to the first resistance value and collectively sets two or more of the second reference resistance elements. You may have the reference resistive element setting circuit set to a 2nd resistance value.
本発明の半導体記憶装置において、参照抵抗回路は、第1の抵抗値を可変抵抗素子に設定可能な最も高い抵抗値よりも低く且つ最も低い抵抗値よりも高い抵抗値に設定し、第2の抵抗値を可変抵抗素子に設定可能な最も低い抵抗値よりも高く且つ第1の抵抗値よりも低い抵抗値に設定するための抵抗値変更回路を有し、抵抗値変更回路は、第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子の少なくとも一方に印加する電圧若しくは電流の値又は電圧若しくは電流を印加する時間を調整構成としてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the reference resistance circuit sets the first resistance value to a resistance value lower than the highest resistance value that can be set in the variable resistance element and higher than the lowest resistance value. A resistance value changing circuit for setting the resistance value to be higher than the lowest resistance value that can be set in the variable resistance element and lower than the first resistance value; The voltage or current value applied to at least one of the reference resistance element and the second reference resistance element or the time for applying the voltage or current may be adjusted.
本発明の半導体記憶装置において、参照抵抗回路は、第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子の少なくとも一部を、参照抵抗値を生成するための第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子として選択する参照抵抗素子選択回路を有していてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the reference resistance circuit includes a first reference resistance element and a second reference resistance element for generating a reference resistance value for at least part of the first reference resistance element and the second reference resistance element. You may have the reference resistive element selection circuit selected as a reference resistive element.
この場合において、参照抵抗素子選択回路は、選択する第1の参照抵抗素子の数及び選択する第2の参照抵抗素子の数を記憶するレジスタ又は不揮発性メモリを有していてもよい。 In this case, the reference resistance element selection circuit may include a register or a nonvolatile memory that stores the number of first reference resistance elements to be selected and the number of second reference resistance elements to be selected.
また、参照抵抗回路は、メモリセルアレイの使用状況を示す状況情報を検知し、状況情報に基づいて状況情報信号を出力する状況情報検知回路と、状況情報信号に基づいて最適個数情報信号を生成して出力する最適個数情報信号生成回路とを有し、状況情報は、使用時間、アクセス回数、印加電圧、電流及び使用温度のうちの少なくとも1つに関する情報を含み、最適個数情報信号生成回路は、予め記憶した参照抵抗値の生成に用いる第1の参照抵抗素子の数及び第2の参照抵抗素子の数と、状況情報信号との対応情報に基づいて状況情報信号から最適個数情報信号への変換を行い、参照抵抗素子選択回路は、最適個数情報信号に基づいて、参照抵抗値の生成に用いる第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択する構成としてもよい。 The reference resistance circuit detects status information indicating the usage status of the memory cell array, and outputs a status information signal based on the status information, and generates an optimal number information signal based on the status information signal. And the status information includes information on at least one of use time, number of accesses, applied voltage, current, and use temperature, and the optimum number information signal generation circuit includes: Conversion from the status information signal to the optimum number information signal based on the correspondence information between the number of first reference resistance elements and the number of second reference resistance elements used for generating the reference resistance value stored in advance and the status information signal The reference resistance element selection circuit may be configured to select the first reference resistance element and the second reference resistance element used for generating the reference resistance value based on the optimum number information signal.
さらに、参照抵抗回路は、データ記憶抵抗素子の少なくとも一部を第1の分布検出素子として用い、第1の分布検出素子の抵抗値の分布情報である第1の分布情報を検出する第1の分布情報検出回路を有し、参照抵抗素子選択回路は、第1の分布情報に基づいて、参照抵抗値の生成に用いる第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択してもよい。また、第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子の少なくとも一部を第2の分布検出素子として用い、第2の分布検出素子の抵抗値の分布情報である第2の分布情報を検出する第2の分布情報検出回路を有し、参照抵抗素子選択回路は、第2の分布情報に基づいて、参照抵抗値の生成に用いる第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択してもよい。 Further, the reference resistance circuit uses at least a part of the data storage resistance element as the first distribution detection element, and detects the first distribution information that is the distribution information of the resistance value of the first distribution detection element. The reference resistance element selection circuit may include a distribution information detection circuit, and may select the first reference resistance element and the second reference resistance element used for generating the reference resistance value based on the first distribution information. . Further, at least a part of the first reference resistance element and the second reference resistance element is used as the second distribution detection element, and second distribution information that is distribution information of the resistance value of the second distribution detection element is detected. The reference resistance element selection circuit selects the first reference resistance element and the second reference resistance element used for generating the reference resistance value based on the second distribution information. May be.
本発明の半導体記憶装置において、参照抵抗回路は、参照回路領域に形成された可変抵抗素子の一部であり、且つストレスを印加することにより第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子よりも抵抗特性を劣化させた可変抵抗素子である、劣化検出素子を有し、参照抵抗素子選択回路は、劣化検出素子の抵抗特性に基づいて、参照抵抗値の生成に用いる第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択する構成としてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the reference resistance circuit is a part of the variable resistance element formed in the reference circuit region, and is applied by applying stress to the first reference resistance element and the second reference resistance element. The reference resistance element selection circuit is a first reference resistance element used for generating a reference resistance value based on the resistance characteristic of the deterioration detection element. The second reference resistance element may be selected.
この場合において、ストレスは、使用環境温度によるストレス、アクセス回数によるストレス、データ反転回数によるストレス、印加電圧によるストレス、印加電流によるストレス及び印加時間によるストレスの少なくとも1つを含んでいればよい。 In this case, the stress may include at least one of the stress due to the use environment temperature, the stress due to the access count, the stress due to the data inversion count, the stress due to the applied voltage, the stress due to the applied current, and the stress due to the applied time.
本発明の半導体記憶装置において、データ記憶抵抗素子、第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子は、基板の上に同一の平面パターンにより形成されていてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, the data storage resistance element, the first reference resistance element, and the second reference resistance element may be formed on the substrate with the same planar pattern.
本発明の半導体記憶装置は、メモリセルと接続され、メモリセルに記憶された情報に応じた第1の電気信号が出力されるビット線と、参照抵抗回路と接続され、参照抵抗値に応じた第2の電気信号が出力される参照ビット線とをさらに備え、前期比各回路は、ビット線及び参照ビット線と接続されたセンスアンプ回路としてもよい。 A semiconductor memory device of the present invention is connected to a memory cell, connected to a bit line that outputs a first electrical signal corresponding to information stored in the memory cell, and a reference resistance circuit, and corresponds to a reference resistance value A reference bit line from which the second electric signal is output may be further provided, and each circuit compared with the previous period may be a sense amplifier circuit connected to the bit line and the reference bit line.
本発明の半導体記憶装置において、ビット線は複数であり、センスアンプ回路は、ビット線のうちの1つを選択的に接続する選択回路を有していてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, a plurality of bit lines may be provided, and the sense amplifier circuit may include a selection circuit that selectively connects one of the bit lines.
本発明の半導体記憶装置において、メモリセル及び参照抵抗回路の少なくとも一方は、可変抵抗素子のみとしてもよく、可変抵抗素子と選択トランジスタとを含んでいてもよく、可変抵抗素子とダイオード素子とを含んでいてもよい。 In the semiconductor memory device of the present invention, at least one of the memory cell and the reference resistance circuit may be a variable resistance element only, may include a variable resistance element and a selection transistor, and includes a variable resistance element and a diode element. You may go out.
本発明に係る半導体記憶装置によれば、面積の増大を抑制しつつ、製造プロセスによってデータを記憶する可変抵抗素子及び参照用の可変抵抗素子に個体差が生じたとしても、正確にデータを読み出すことが可能となる。 According to the semiconductor memory device of the present invention, even if an individual difference occurs between the variable resistance element for storing data and the reference variable resistance element by the manufacturing process while suppressing an increase in area, the data is accurately read out. It becomes possible.
(一実施形態)
図1は、一実施形態に係る半導体記憶装置の平面構成を示している。図1に示すように、基板101の参照回路形成領域102に形成された参照抵抗回路121と、メモリセル形成領域103に形成されたメモリセルアレイ131とを備えている。参照抵抗回路121は、複数の参照抵抗素子Rrがマトリックス状に配置された参照抵抗素子アレイ124を有している。メモリセルアレイ131は、マトリックス状に配置された複数のメモリセル136を有している。メモリセル136はデータ記憶抵抗素子Rdを有している。図1において、参照抵抗素子アレイ124に含まれる参照抵抗素子Rrを4個とし、メモリセルアレイ131に含まれるメモリセル136を16個としているが、参照抵抗素子Rr及びメモリセル136の数はこれに限らない。
(One embodiment)
FIG. 1 shows a planar configuration of a semiconductor memory device according to an embodiment. As shown in FIG. 1, a
半導体記憶装置を製造する場合には、図2に示すように1枚のウェハ200に複数の半導体チップ201を形成する。製造プロセスのばらつきにより、パターン寸法、形状、膜厚及び膜質等に微視的なばらつきが生じる。例えば、高抵抗状態の抵抗値が500kΩで、低抵抗状態の抵抗値が50kΩとなるように設計した、1μm角の膜厚が100nmの可変抵抗素子の場合、寸法及び膜厚のばらつきにより抵抗値が10%以上ばらつく。特に、図2においてウェハ200のほぼ中央に形成された半導体チップ201と、ウェハの外縁部に形成された半導体チップ201との間には抵抗値のばらつきが生じやすい。一般的に半導体チップ間におけるばらつきよりも小さいが、同一の半導体チップの中においても抵抗値のばらつきが生じる。例えば、図3に示すように半導体チップ201内の離れた位置に複数のメモリセルアレイ131が形成されている場合には、メモリセルアレイ間において抵抗値のばらつきが生じやすい。このため、図1に示すように、参照回路形成領域102とメモリセル形成領域103とは、基板101において隣接して配置することが好ましい。参照抵抗回路121とメモリセルアレイ131とを隣接して配置することにより、参照抵抗回路121を構成する参照抵抗素子Rrとメモリセルを構成するデータ記憶抵抗素子Rdとの特性のばらつきを小さく抑えることが可能となる。
In the case of manufacturing a semiconductor memory device, a plurality of
メモリセル136は、図4(a)に示すように強磁性トンネル接合素子からなる可変抵抗素子であるデータ記憶抵抗素子Rdを有している。図4(a)においてデータ記憶抵抗素子Rdは、電源線DLとビット線BLとの間に接続されている。データ記憶抵抗素子Rdに所定の電圧又は電流を印加することにより、第1のデータ抵抗値を有する高抵抗状態と、第1のデータ抵抗値よりも低い第2のデータ抵抗値を有する低抵抗状態とを切り換えることができる。メモリセル136をデータ記憶抵抗素子Rdのみにより構成すれば、メモリセル136の構成が簡略化されメモリセル136の占有面積を小さくすることができる。なお、図4(b)及び図4(c)に示すように、メモリセル136をデータ記憶抵抗素子Rdとワード線WLにより制御される選択トランジスタTr1との組み合わせとしてもよい。選択トランジスタTr1を用いることにより、安定したセルの選択動作を行うことが可能となる。また、図4(d)に示すように、メモリセル136をデータ記憶抵抗素子RdとダイオードD1との組み合わせとしてもよい。ダイオードD1とデータ記憶抵抗素子Rdとを直列に接続することにより、データ記憶抵抗素子Rdの抵抗変化を検出する感度を高くすることができ、動作マージンを拡げることが可能となる。
As shown in FIG. 4A, the
参照抵抗回路121は、図5(a)に示すように、複数の参照抵抗素子Rrからなる参照抵抗素子アレイ124により構成されている。図5(a)において、参照抵抗素子アレイ124は、電源線DLと参照ビット線/BLとの間に接続されている。なお、図5(b)及び図5(c)に示すように、参照抵抗素子アレイ124とワード線WLにより制御される選択トランジスタTr2との組み合わせとしてもよい。また、図5(d)に示すように参照抵抗素子アレイ124とダイオードD2との組み合わせとしてもよい。
As shown in FIG. 5A, the
参照抵抗素子アレイ124は、図6に示すように、端子Raiと端子Raoとの間に接続された複数の参照抵抗素子Rrにより構成されている。参照抵抗素子Rrは、データ記憶抵抗素子Rdと同じ構造を有する強磁性トンネル接合素子からなる可変抵抗素子である。参照抵抗素子Rrは、第1の抵抗値に設定された第1の参照抵抗素子Rr1と、第1の抵抗値よりも低い第2の抵抗値に設定された第2の参照抵抗素子Rr2とを含む。図6においては、第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とがそれぞれ1つずつ直列に接続された参照抵抗素子ペア126が2組並列に接続されている。参照抵抗素子Rrは、データ記憶抵抗素子Rdと同一の構造を有する可変抵抗素子である。ここで、同一の構造とは、同一の材料からなり、実質的に同一の膜厚及び平面パターン等を有する膜により形成されていることを意味する。通常は、データ記憶抵抗素子Rdと参照抵抗素子Rrとは同一の製造プロセスにより実質的に同時に成膜され、成膜された膜のパターニングも同一の製造プロセスにより実質的に同時に行われる。その結果、ここでいう同一の構造とは、成膜工程又はパターニング工程で発生する膜厚ばらつきやパターニング寸法ばらつき等をその許容範囲として含んでいる。このため、参照抵抗回路121における参照抵抗素子Rrの抵抗特性のばらつきと、メモリセルアレイ131におけるデータ記憶抵抗素子の抵抗特性のばらつきとは、相互に連動する。
As shown in FIG. 6, the reference
第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値をRH、低抵抗状態に設定された第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値をRLとした場合、参照抵抗素子アレイ124の抵抗値は抵抗値RHと抵抗値RLとが平均化された(RH+RL)/2となる。データ記憶抵抗素子Rdと参照抵抗素子Rrとは基本的に同じ抵抗特性を有している。このため、参照抵抗素子アレイ124の抵抗値は、データ記憶抵抗素子Rdの高抵抗状態である第1のデータ抵抗値と低抵抗状態である第2のデータ抵抗値とのほぼ中間の抵抗値となる。従って、データ記憶抵抗素子Rdの抵抗値を参照抵抗素子アレイ124の抵抗値である参照抵抗値と比較することにより、データ記憶抵抗素子Rdに記憶されているデータを読み出すことができる。
When the resistance value of the first reference resistance element Rr1 is R H and the resistance value of the second reference resistance element Rr2 set to the low resistance state is R L , the resistance value of the reference
図6においてノードAとノードA’とは接続されていないが、接続されていても同様の効果が得られる。また、図6においては、端子Raiには第1の参照抵抗素子Rr1が2つ接続され、端子Raoには第2の参照抵抗素子Rr2が2つ接続されているが、端子Raiに第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とが1つずつ接続され、端子Raoに第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とが1つずつ接続された構成としても同様の効果が得られる。 In FIG. 6, the node A and the node A 'are not connected, but the same effect can be obtained even if they are connected. In FIG. 6, two first reference resistance elements Rr1 are connected to the terminal Rai, and two second reference resistance elements Rr2 are connected to the terminal Rao. However, the first reference resistance element Rr2 is connected to the terminal Rai. The same applies to a configuration in which the reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 are connected one by one, and the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 are connected to the terminal Rao one by one. The effect is obtained.
参照抵抗素子アレイ124は、図7に示すような構成としてもよい。図7においては、直列に接続された端子Raiと端子Raoとの間に、第1の参照抵抗素子Rr1が複数配置された第1の参照抵抗素子アレイ124Aと、第2の参照抵抗素子Rr2が複数配置された第2の参照抵抗素子アレイ124Bとが複数接続されている。具体的に、第1の参照抵抗素子アレイ124Aは、第1の抵抗値を示す高抵抗状態に設定した第1の参照抵抗素子Rr1がn個直列に接続され、さらにこれがn組並列に接続されている。第2の参照抵抗素子アレイ124Bは、低抵抗状態に設定した第2の参照抵抗素子Rr2がn個直列に接続され、さらにこれがn組並列に接続されている。第1の参照抵抗素子アレイ124Aと第2の参照抵抗素子アレイ124Bとが1つずつ直列に接続された参照抵抗素子アレイのペアが2組並列に接続されている。このため、第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2は、n×n×2(但し、nは1以上の整数である。)個設けられている。nが1の場合には、図6と同じ構成となる。
The reference
参照抵抗素子アレイ124の参照抵抗値は第1の抵抗値RHと第2の抵抗値RLとが平均化された(RH+RL)/nとなる。従って、参照抵抗素子アレイ124の参照抵抗値を、メモリセル136のデータ記憶抵抗素子Rdの第1のデータ抵抗値と第2のデータ抵抗値とのほぼ中間の抵抗値に容易に設定することができる。
The reference resistance value of the reference
nを大きくすることにより、次のような効果が得られる。図8は、参照抵抗素子Rrの抵抗値の分布の例を示している。図8において、横軸は抵抗値であり、縦軸は参照抵抗素子の個数である。 By increasing n, the following effects can be obtained. FIG. 8 shows an example of the distribution of resistance values of the reference resistance element Rr. In FIG. 8, the horizontal axis represents the resistance value, and the vertical axis represents the number of reference resistance elements.
製造プロセスにおけるばらつき等により、参照抵抗素子Rrの抵抗値には多少の個体差が生じる。高抵抗状態に設定した参照抵抗素子Rrの抵抗値の分布をD1とし、低抵抗状態に設定した参照抵抗素子Rr2の抵抗値の分布をD2とする。分布D1及び分布D2は統計的にほぼ正規分布となると考えられる。このため、図7に示す参照抵抗素子アレイ124において、参照抵抗値を生成するために用いる第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の数が十分に多ければ、参照抵抗値は、分布D1の平均値Ar1と分布D2の平均値Ar2との中央値ArMとほぼ等しくなる。このため分布D1の下限及び分布D2の上限との差を十分に確保することができる。
Due to variations in the manufacturing process and the like, there are some individual differences in the resistance value of the reference resistance element Rr. The distribution of the resistance value of the reference resistance element Rr set in the high resistance state is D1, and the distribution of the resistance value of the reference resistance element Rr2 set in the low resistance state is D2. The distribution D1 and the distribution D2 are considered to be statistically almost normal distribution. Therefore, in the reference
一方、nが小さい場合には、第1の参照抵抗素子アレイ124A及び第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値が、分布D1の平均値Ar1及び分布D2の平均値Ar2とずれてしまうおそれがある。例えば、第1の参照抵抗素子アレイ124Aの抵抗値がAr1よりも高いF3R1Hとなり、第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値がAr2よりも高いF3R1Lとなる場合があり得る。この場合には、参照抵抗値はArMよりも高いF3R1Mとなり、参照抵抗値と分布D1の下限との差が分布D2の上限との差よりも小さくなる。このため、データ記憶抵抗素子Rdのデータを安定して読み出せなくなるおそれがある。また、第1の参照抵抗素子アレイ124Aの抵抗値が分布D1の下限近くのF3R2Hとなり、第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値が分布D2の下限近くのF3R2Lとなると、参照抵抗値は分布D2の上限よりも低くなってしまう。このような場合には、データを読み出すことができないメモリセルが発生してしまう。
On the other hand, when n is small, the resistance values of the first reference
このようにnの数を大きくすることにより、データを誤って読み出す可能性をさらに小さくすることができる。nの値は大きいほど好ましいが、少なくとも8以上とすることが好ましい。 By increasing the number of n in this way, the possibility of erroneous data reading can be further reduced. The value of n is preferably as large as possible, but is preferably at least 8 or more.
図7において、第1の参照抵抗素子アレイ124A及び第2の参照抵抗素子アレイ124Bの内部において、参照抵抗素子同士を並列に接続してもよい。また、第1の参照抵抗素子アレイ124Aと第2の参照抵抗素子アレイ124Bとに分割せずに、n個の第1の参照抵抗素子Rr1とn個の第2の参照抵抗素子Rr2とを直列に接続し、これを2n組並列に接続してもよい。また、端子Rai側に第2の参照抵抗素子アレイ124Bを配置し、端子Rao側に第1の参照抵抗素子アレイ124Aを配置してもよい。
In FIG. 7, the reference resistance elements may be connected in parallel within the first reference
また、第1の参照抵抗素子アレイ124Aに含まれる第1の参照抵抗素子Rr1の数及び第2の参照抵抗素子アレイ124Bに含まれる第2の参照抵抗素子Rr2の数をそれぞれn個としたが、第1の参照抵抗素子アレイ124Aを構成する第1の参照抵抗素子Rr1の個数と第2の参照抵抗素子アレイ124Bを構成する第2の参照抵抗素子Rr2の個数とは異なっていてもよい。
Further, the number of first reference resistance elements Rr1 included in the first reference
さらに、図9に示すように、第1の参照抵抗素子アレイ124Aは、第1の参照抵抗素子Rr1をn1個直列に接続し、これをn2組並列に接続した構成とし、第2の参照抵抗素子アレイ124Bは、第2の参照抵抗素子Rr2をm1個直列に接続し、これをm2組並列に接続した構成としてもよい(但し、n1、n2、m1及びm2は1以上の整数であり、n1≠n2、m1≠m2、n1×n2≠m1×m2である。)。この場合には、第1の参照抵抗素子アレイ124Aの抵抗値は(n1×RH)/n2となり、第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値は、(m1×RL)/m2となる。従って、参照抵抗素子アレイ124の参照抵抗値は、((n1×m2×RH)+(n2×m1×RL))/(2×n2×m2)となる。
Furthermore, as shown in FIG. 9, the first reference
このような構成とすることにより以下の効果が得られる。図10は、参照抵抗素子Rrの抵抗値の分布の例を示している。図10において、横軸は抵抗値であり、縦軸は参照抵抗素子の個数である。 By adopting such a configuration, the following effects can be obtained. FIG. 10 shows an example of the distribution of resistance values of the reference resistance element Rr. In FIG. 10, the horizontal axis represents the resistance value, and the vertical axis represents the number of reference resistance elements.
参照抵抗素子Rrの抵抗値のばらつきは、設定する抵抗値によって異なっている場合があり、例えば図10に示すように、分布D1のばらつきが分布D2のばらつきと比べて大きい場合が生じうる。この場合には、ばらつきが大きい比較的高い抵抗値に設定する第1の参照抵抗素子Rr1に最適な個数と分布のばらつきが小さい比較的低い抵抗値に設定する第2の参照抵抗素子Rr2に最適な個数とは異なった値となる。このため、第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2のそれぞれに、分布のばらつきに応じた個数を設定することが好ましい。 The variation in the resistance value of the reference resistance element Rr may differ depending on the resistance value to be set. For example, as shown in FIG. 10, the variation in the distribution D1 may be larger than the variation in the distribution D2. In this case, the optimum number and the second reference resistance element Rr2 set to a relatively low resistance value having a small variation in distribution and the optimum number and distribution for the first reference resistance element Rr1 set to a relatively high resistance value having a large dispersion. It is a different value from the correct number. For this reason, it is preferable to set the number of each of the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 according to the distribution variation.
さらに、第1の参照抵抗素子アレイ124Aの抵抗値を分布D1の平均値Ar1とし、第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値を分布D2の平均値Ar2とした場合に、図7に示す参照抵抗素子アレイ124の場合には、参照抵抗値はAr1とAr2との中央値ArMとなり、分布D1のばらつきが大きい場合には、参照抵抗値が分布D1の範囲に入ってしまうおそれがある。参照抵抗素子アレイ124を図10に示すような構成とすることにより、第1の参照抵抗素子アレイ124A及び第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値を、分布D1の平均値Ar1及び分布D2の平均値Ar2からずらすことができる。これにより、参照抵抗値を分布D1の下限と、分布D2の上限との中央付近のArNに設定することが可能となる。
Furthermore, when the resistance value of the first reference
n1、n2、m1及びm2は、参照抵抗素子Rrの抵抗特性のばらつきの分布に応じて決定すればよい。一般的には、第1の参照抵抗素子Rr1の個数(n1×n2)を、第2の参照抵抗素子Rr2の個数(m1×m2)よりも多くすることが好ましい。 n1, n2, m1, and m2 may be determined according to the distribution of variations in resistance characteristics of the reference resistance element Rr. In general, the number of first reference resistance elements Rr1 (n1 × n2) is preferably larger than the number of second reference resistance elements Rr2 (m1 × m2).
一般的に、参照抵抗素子Rrの抵抗値のばらつきは、図10に示すように抵抗値が高い第1の抵抗値の方が、抵抗値が低い第2の抵抗値よりも大きくなりやすい。(n1×n2)を(m1×m2)よりも大きくすることにより、高抵抗状態の第1の参照抵抗素子Rr1を平均化する個数が低抵抗状態の第2の参照抵抗素子Rr2を平均化する個数よりも多くなる。このため、高抵抗状態の第1の参照抵抗素子アレイ124Aを、精度がより高い平均化した状態にすることができる。
In general, the variation in resistance value of the reference resistance element Rr tends to be larger in the first resistance value having a higher resistance value than in the second resistance value having a lower resistance value as shown in FIG. By making (n1 × n2) larger than (m1 × m2), the number of the first reference resistance elements Rr1 in the high resistance state is averaged over the second reference resistance elements Rr2 in the low resistance state. More than the number. For this reason, the first reference
図9においても、図7と同様に参照抵抗素子同士を並列に接続してもよい。また、端子Rai側に第2の参照抵抗素子アレイ124Bを配置し、端子Rao側に第1の参照抵抗素子アレイ124Aを配置してもよい。
Also in FIG. 9, the reference resistance elements may be connected in parallel as in FIG. Alternatively, the second reference
また、図11に示すように、図6に示した2個の第1の参照抵抗素子Rr1と2個の第2の参照抵抗素子Rr2とにより構成された単位アレイ127をn個直列に接続し(nは1以上の整数である。)、これをm組並列に接続した構成としてもよい(mは1以上の整数である。)。この場合には、参照抵抗素子アレイ124の抵抗値は(n×(RH+RL))/(2×m)となる。このような構成とした場合にも、図9に示した参照抵抗素子アレイと同様に、n及びmの値を調整することにより、参照抵抗値を分布D1の下限と分布D2の上限との中央付近にすることが容易にできる。この場合の、n及びmの値は参照抵抗素子Rrの抵抗値の分布に応じて決定すればよいが、一般的にnをmよりも大きくする方が好ましい。nをmよりも大きくすれば、直列に接続された単位アレイ127の個数が、並列に接続された個数よりも多くなり、参照抵抗値をAr2側にシフトすることが可能となる。但し、nとmとは等しくてもよい。nとmとが共に1の場合には図6の構成となる。
Further, as shown in FIG. 11,
第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とは、どの様に配置してもよい。但し、参照回路形成領域の一定の面積の領域に着目した場合、その領域内に平均的に配置されている方が好ましい。例えば、第1の参照抵抗素子Rr1の個数と第2の参照抵抗素子Rr2の個数とが等しい場合には、図12(a)に示すように、第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とを交互に配置することが好ましい。また、第1の参照抵抗素子Rr1の個数と第2の参照抵抗素子Rr2の個数とが異なる場合にも、例えば図12(b)に示すように、一定の規則性を有し、面積が等しい単位領域内における第1の参照抵抗素子Rr1の個数と第2の参照抵抗素子Rr2の個数との比率が一定となるようにすることが好ましい。図12(b)では、4×4の単位領域内における第1の参照抵抗素子Rr1の個数と第2の参照抵抗素子Rr2の個数との比率が3:1の場合を示しているが、一定の領域内における比率が一定となるようにすればどの様な配置であってもよい。 The first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 may be arranged in any manner. However, when attention is paid to a region having a constant area in the reference circuit formation region, it is preferable that the reference circuit is disposed in the region on average. For example, when the number of first reference resistance elements Rr1 is equal to the number of second reference resistance elements Rr2, as shown in FIG. 12A, the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr1 It is preferable to arrange the resistance elements Rr2 alternately. Even when the number of the first reference resistance elements Rr1 and the number of the second reference resistance elements Rr2 are different, for example, as shown in FIG. It is preferable that the ratio between the number of first reference resistance elements Rr1 and the number of second reference resistance elements Rr2 in the unit region is constant. FIG. 12B shows a case where the ratio of the number of first reference resistance elements Rr1 to the number of second reference resistance elements Rr2 in the 4 × 4 unit region is 3: 1. Any arrangement may be used as long as the ratio in the region is constant.
第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とを偏って配置すると、第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値の分布D1と、第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値の分布D2とのずれが大きくなる。このため、参照抵抗素子アレイ124の抵抗値と、分布D1の下限と分布D2の上限との中央値とのずれが大きくなる。第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とを交互に又は一定の範囲内における比率が等しくなるように配置すれば、第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値の分布D1のばらつき及び第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値の分布D2のばらつきを小さくし、分布D1の下限と分布D2の上限との中央値と、参照抵抗値とのずれを小さくすることができる。
When the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 are arranged in a biased manner, the resistance value distribution D1 of the first reference resistance element Rr1 and the resistance value distribution D2 of the second reference resistance element Rr2 are arranged. Deviation from is increased. For this reason, the deviation between the resistance value of the reference
第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値及び第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値は、図13に示すような参照抵抗素子設定回路141を用いて設定すればよい。参照抵抗素子設定回路141は、参照抵抗素子Rrの両端にそれぞれ接続された複数のトランスファーゲートを有している。図13においては、2個の第1の参照抵抗素子Rr1の間に第2の参照抵抗素子Rr2が直列に接続され、さらにそれが3組並列に接続されている参照抵抗素子アレイ124を設定する場合を示している。参照抵抗素子設定回路141は、1番目の第1の参照抵抗素子Rr1の第2の参照抵抗素子Rr2と接続されていない方の端子と接続された第1のトランスファーゲートTG1と、1番目の第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2との接続ノードと接続された第2のトランスファーゲートTG2と、第2の参照抵抗素子Rr2と2番目の第1の参照抵抗素子Rr1との接続ノードと接続された第3のトランスファーゲートTG3と、2番目の第1の参照抵抗素子Rr1の第2の参照抵抗素子と接続されていない方の端子と接続された第4のトランスファーゲートTG4とを有している。第1のトランスファーゲートTG1〜第4のトランスファーゲートTG4は、それぞれコントロール端子CTR1〜コントロール端子CTR4と接続されており、それぞれ端子RDL1〜電源端子RDL4と参照抵抗素子Rrの端子との接続と遮断とを切り換えることができる。
The resistance value of the first reference resistance element Rr1 and the resistance value of the second reference resistance element Rr2 may be set using a reference resistance
以下に、参照抵抗素子設定回路141の動作について説明する。図14に示すように、ステップ1において全てのトランスファーゲートをオフ状態とする。次に、ステップ2において、第3のトランスファーゲートTG3及び第4のトランスファーゲートTG4をオフ状態とし、第1のトランスファーゲートTG1及び第2のトランスファーゲートTG2をオン状態とすることにより、端子RDL1と端子RDL2との間に接続された3個の第1の参照抵抗素子Rr1に対し、端子RDL1及び端子RDL2から電圧又は電流を印加する。次に、ステップ3において、第1のトランスファーゲートTG1及び第4のトランスファーゲートTG4をオフ状態とし、第2のトランスファーゲートTG2及び第3のトランスファーゲートTG3をオン状態とすることにより、端子RDL2と端子RDL3との間に接続された3個の第2の参照抵抗素子Rr2に対し、端子RDL2及び端子RDL3から電圧又は電流を印加する。次に、ステップ4において、第1のトランスファーゲートTG1及び第2のトランスファーゲートTG2をオフ状態とし、第3のトランスファーゲートTG3及び第4のトランスファーゲートTG4をオンすることにより、端子RDL3と端子RDL4との間に接続された3個の第1の参照抵抗素子Rr1に対し、端子RDL3及び端子RDL4から電圧又は電流を印加する。次にステップ5で全てのトランスファーゲートをオフ状態とする。
The operation of the reference resistance
このようにすれば、一度に複数の参照抵抗素子Rrの抵抗値を設定できる。同一条件で参照抵抗素子Rrの抵抗値を設定することにより、参照抵抗素子Rrの抵抗値のばらつきを小さくすることが可能となる。また、設定に伴う時間を大幅に短縮することができるので、時間短縮によるコスト削減を達成することも可能である。また、参照抵抗素子アレイ124を構成する参照抵抗素子Rrの電気的検査を同時に行うこともでき、半導体記憶装置の電気的検査の時間を短縮することも可能となる。
In this way, the resistance values of a plurality of reference resistance elements Rr can be set at a time. By setting the resistance value of the reference resistance element Rr under the same conditions, it is possible to reduce variations in the resistance value of the reference resistance element Rr. Further, since the time required for setting can be greatly shortened, it is possible to achieve cost reduction by shortening the time. In addition, the electrical inspection of the reference resistive element Rr constituting the reference
また、図15に示すようなステップにより参照抵抗素子Rrの抵抗値を設定してもよい。この場合には、全ての第1の参照抵抗素子Rr1に対して一括して抵抗値を設定できる。このため、さらに抵抗値のばらつきを低減すると共に、設定時間の短縮も可能となる。 Further, the resistance value of the reference resistance element Rr may be set by steps as shown in FIG. In this case, the resistance value can be set for all the first reference resistance elements Rr1 at once. For this reason, the variation of the resistance value can be further reduced, and the set time can be shortened.
なお、例として、6個の第1の参照抵抗素子Rr1と、3個の第2の参照抵抗素子Rr2とからなる参照抵抗素子アレイ124を示したが、列方向には第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とが交互に配置され、行方向には同じ種類の参照抵抗素子Rrが配置されているマトリックス状の参照抵抗素子アレイ124であれば参照抵抗素子Rrの数はどの様に設定してもよい。
As an example, the reference
また、列方向に第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とが交互に配置されている必要はない、図16に示すように、2個の第1の参照抵抗素子Rr1と1個の第2の参照抵抗素子Rr2とが交互に配置されている参照抵抗素子アレイ124の場合には、参照抵抗素子アレイ124の両端と、第1の参照抵抗素子Rr1と第2の参照抵抗素子Rr2とが接続されたノードにトランスファーゲートの出力を接続すればよい。図16は、連続して配置された第1の参照抵抗素子Rr1の数nが2であり、連続して配置された第2の参照抵抗素子Rr2の数mが1である例を示したが、n及びmはどの様に設定することも可能である。また、連続して配置される第1の参照抵抗素子Rr1の数又は第2の参照抵抗素子Rr2の数は、常に同じである必要はなく、場所ごとに異なっていてもよい。さらに、第1の参照抵抗素子Rr1のブロックと第2の参照抵抗素子Rr2のブロックとが1つずつ配置された構成であってもよい。図16においてRr1同士が直列に接続されているノードを相互に接続しているが、ノード同士が接続されていない構成としてもよい。
Further, it is not necessary that the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 are alternately arranged in the column direction. As shown in FIG. 16, two first reference resistance elements Rr1 and In the case of the reference
参照抵抗素子設定回路141をトランスファーゲートにより構成する例を示したが、電圧又は電流を選択的に印加できればよく、他のスイッチ素子を用いてもよく、インバータ等の回路を用いてもよい。
Although an example in which the reference resistor
第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値は、参照抵抗素子設定回路141により印加する電圧若しくは電流の値又は電圧若しくは電流を印加する時間等を代えることにより、変化させることができる。例えば、図13又は図16に示す参照抵抗素子設定回路141において、端子RDL1〜端子RDL4に印加する電圧又は電流を調整したり、第1のトランスファーゲートTG1〜第4のトランスファーゲートTG4をオン状態とする時間又はオフ状態とする時間を調整したりすることにより、第1の参照抵抗素子Rr1の少なくとも一部又は第2の参照抵抗素子Rr2の少なくとも一部の抵抗値を、参照抵抗素子Rrに設定可能な最も高い抵抗値と最も低い抵抗値との間の抵抗値に設定することができる。
The resistance values of the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 are changed by changing the voltage or current value applied by the reference resistance
参照抵抗素子Rrは、材料によって、設定可能な最も高い抵抗値又は最も低い抵抗値よりも、その間の抵抗値に設定した方が抵抗値の安定性が高い場合がある。この場合、図17に示すように、設定可能な最も高い抵抗値と最も低い抵抗値との間の抵抗値に設定した第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値の分布D3は、設定可能な最も高い抵抗値に設定した第1の参照抵抗素子Rr1の抵抗値の分布D1よりもばらつきが小さくなる。また、設定可能な最も高い抵抗値と最も低い抵抗値との間の抵抗値に設定した第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値の分布D2は、設定可能な最も低い抵抗値に設定した第2の参照抵抗素子Rr2の抵抗値の分布D2よりもばらつきが小さくなる。従って、第1の参照抵抗素子アレイ124Aの抵抗値及び第2の参照抵抗素子アレイ124Bの抵抗値を安定させるために必要な第1の参照抵抗素子Rr1の個数及び第2の参照抵抗素子Rr2の個数を少なくすることができる。従って、参照抵抗素子アレイ124の占有面積を低減し、さらには半導体記憶装置の低価格化を実現できる。
Depending on the material, the reference resistance element Rr may have a higher resistance value stability than the highest resistance value or the lowest resistance value that can be set depending on the material. In this case, as shown in FIG. 17, the distribution D3 of the resistance value of the first reference resistance element Rr1 set to a resistance value between the highest resistance value and the lowest resistance value that can be set is the highest that can be set. The variation is smaller than the resistance value distribution D1 of the first reference resistance element Rr1 set to a high resistance value. Further, the distribution D2 of the resistance value of the second reference resistance element Rr2 set to a resistance value between the highest and lowest settable resistance value is the second set to the lowest settable resistance value. The variation is smaller than the resistance value distribution D2 of the reference resistance element Rr2. Therefore, the number of first reference resistance elements Rr1 and the number of second reference resistance elements Rr2 required to stabilize the resistance value of the first reference
参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1の最適な個数及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数は、主に製造プロセス等によるテータ記憶抵抗素子及び参照抵抗素子Rrの抵抗特性のばらつきによって決まる。このため、製造プロセス後にデータ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの抵抗特性を測定した後、測定した抵抗特性に応じて参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の個数を設定できれば誤ったデータの読み出しを行うおそれをさらに低減できる。
The optimum number of the first reference resistor elements Rr1 and the optimum number of the second reference resistor elements Rr2 constituting the reference
図18に示すように、参照抵抗素子制御回路143を設けることにより、参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の個数を任意に設定することが可能となる。参照抵抗素子制御回路143は、ラッチ回路等により構成されたレジスタ144を有する。レジスタ144には、参照抵抗素子設定回路141により高抵抗状態である第1の参照抵抗素子Rr1とする参照抵抗素子Rrの数と、低抵抗状態である第2の参照抵抗素子Rr2とする参照抵抗素子Rrの数とを記憶させる。レジスタ144に記憶させた情報に基づいて参照抵抗素子設定回路141により必要な数の参照抵抗素子Rrだけを第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2に設定する。
As shown in FIG. 18, by providing the reference resistance
レジスタに情報を記憶させることにより、短時間で第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の設定を完了させることができる。また、半導体記憶装置ごとに最適な個数に設定することができるため、半導体記憶装置の歩留まりが向上し、半導体記憶装置の製造コストを低減することができる。 By storing information in the register, setting of the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 can be completed in a short time. In addition, since the optimum number can be set for each semiconductor memory device, the yield of the semiconductor memory device can be improved and the manufacturing cost of the semiconductor memory device can be reduced.
参照抵抗素子制御回路143は、図19に示すようにレジスタ144に代えてフラッシュメモリ等の不揮発性メモリ145を用いてもよい。不揮発性メモリを用いることにより個数情報を一度設定すれば、一旦電源を遮断した後に再び電源を投入した場合においても、個数情報が保持されているため、電源再投入時に個数情報を再設定する必要がない。従って、半導体記憶装置の高速化、低消費電力化及び機能向上が可能となる。
The reference resistance
データ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrは、製造後次第に劣化していく。このため、製造直後に抵抗特性を確認して、参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数を決定したとしても、継続的な使用により、最適な個数が変動する場合が生じる。例えば、製造直後には図20(a)に示すように、第1の抵抗値が分布D1を有し、第2の抵抗値が分布D2を有し、分布D1の平均値がAr1であり分布D2の平均値がAr2であるとする。使用によるストレスが加わると、参照抵抗素子Rrの抵抗特性の分布が変化し、図20(b)に示すように第1の抵抗値の分布はD3となり平均値はAr3となり、第2の抵抗値の分布はD4となり平均値はAr4となる。この場合に、分布D1及び分布D2に基づいて決定した第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数を適用すると、参照抵抗値を分布D3の下限と分布D4の上限とのほぼ中央にすることができない。このため、参照抵抗素子Rrの一部を予め劣化させ、劣化した状態における抵抗特性を測定し、劣化した状態における抵抗特性に基づいて第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数を決定してもよい。この場合には、予め定めた参照抵抗素子Rrを劣化特性検出素子とし、劣化特性検出素子にストレスを印加した後、劣化特性検出素子の抵抗特性に基づいて参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数を決定すればよい。この場合、劣化特性検出素子として用いた参照抵抗素子Rrを除く参照抵抗素子Rrにより参照抵抗素子アレイ124を構成すればよい。
The data storage resistance element Rd and the reference resistance element Rr are gradually deteriorated after manufacture. For this reason, even if the resistance characteristics are confirmed immediately after manufacturing and the optimum number of the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 constituting the reference
劣化特性検出素子に印加するストレスは、温度の印加、データの書き込み及び読み出しを含む電圧の印加又は電流の印加等とすればよく、これらを複数組み合わせてもよい。また、これらを連続的に印加してもよく、オンオフを繰り返し断続的に印加してもよい。 The stress applied to the degradation characteristic detecting element may be temperature application, voltage application including data writing and reading, or current application, or a combination of these. Moreover, these may be applied continuously and may be applied intermittently on and off.
参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1の最適な個数及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数は、半導体記憶装置の使用時間、アクセス回数、印加電圧、印加電流及び使用温度等の使用状況によっても変化する。このため、図21に示すように使用状況検出回路147と、最適個数情報信号生成回路148とを設け、第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の設定個数を使用状況により変更すればよい。
The optimum number of the first reference resistor elements Rr1 and the optimum number of the second reference resistor elements Rr2 constituting the reference
使用状況検出回路147は、半導体記憶装置の使用時間、アクセス回数、印加電圧、印加電流及び使用温度等の少なくとも1つを含む使用状況の指標を検出し、検出した使用状況の指標に基づいて状況情報信号Ssiを出力する。最適個数情報信号生成回路148は、状況情報信号Ssiを最適個数情報Sbsiに変換し、参照抵抗素子制御回路143に対して出力する。参照抵抗素子制御回路143は、最適個数情報Sbsiに基づいて参照抵抗素子設定回路141を制御する。
The usage
最適個数情報信号生成回路148は、例えば、参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数と、状況情報信号Ssiとを対応させるテーブルデータを個数選択情報として予め有し、テーブルデータを用いて状況情報信号Ssiを最適個数情報信号Sbsiに変換する構成とすればよい。
The optimum number information
このようにすれば、参照抵抗素子アレイ124を常に最適な状況に自動的に設定することができ、半導体記憶装置の特性を向上させることが可能となる。また半導体記憶装置の寿命及び保証耐性を延ばすことが可能となる。
In this way, it is possible to automatically set the reference
テータ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの抵抗特性のばらつきは、使用状況により変化するだけでなく、使用せずに放置した状態においても変化するおそれがある。このため、参照抵抗素子Rrの抵抗値の分布及びデータ記憶抵抗素子Rdの抵抗値の分布に基づいて、参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の個数を決定すれば、半導体記憶装置の特性をより安定させることが可能となる。
Variations in the resistance characteristics of the data storage resistance element Rd and the reference resistance element Rr not only change depending on the use situation, but may change even when left unused. Therefore, based on the distribution of resistance values of the reference resistance element Rr and the distribution of resistance values of the data storage resistance element Rd, the first reference resistance element Rr1 and the second reference resistance element Rr2 constituting the reference
例えば、図22に示すように、データ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの少なくとも一方の抵抗値の分布状況を検出する分布情報検出回路151を設け、分布情報検出回路151により参照抵抗素子制御回路143を制御すればよい。
For example, as shown in FIG. 22, a distribution
分布情報検出回路151は、例えば電源投入検知回路152と、抵抗素子読み出し回路153と、抵抗分布情報蓄積回路154と、抵抗素子分布制御回路155とを有している構成とすればよい。電源投入検知回路152は、半導体記憶装置が動作状態とされたかどうかを検出し、電源が投入された場合には電源投入信号Spoを出力する。抵抗素子読み出し回路153は、電源投入信号Spoが入力されると、データ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの少なくとも一方について、低抵抗状態の抵抗値と高抵抗状態の抵抗値とを読み出し、その抵抗値を抵抗値情報Srとして出力する。抵抗値の読み出し及び抵抗値情報Srの出力は、予め設定された分布検出素子の全てについて行う。抵抗分布情報蓄積回路154は、抵抗素子読み出し回路153が出力する抵抗情報Srを順次蓄積し、蓄積した信号を抵抗分布情報Sctrとして出力する。抵抗素子分布制御回路155は、抵抗分布情報Sctrに基づいて、参照抵抗素子アレイ124を構成する第1の参照抵抗素子Rr1及び第2の参照抵抗素子Rr2の最適な個数を決定し、最適工数情報信号Sbcsrとして出力する。
The distribution
分布検出素子として用いるデータ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの個数は、統計的に信頼できる分布情報が得られる個数であればどの様に設定してもよい。また、分布検出素子に予めストレスを印加し、より劣化が進んだ状態としてもよい。このようにすれば、劣化に対するマージンを大きくすることができる。また、データ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rrの少なくとも一部を分布検出素子として用いるのではなく、データ記憶抵抗素子Rd及び参照抵抗素子Rdと同一の構造を有する専用の可変抵抗素子を分布検出素子として別途設けてもよい。 The number of data storage resistance elements Rd and reference resistance elements Rr used as distribution detection elements may be set in any manner as long as statistically reliable distribution information can be obtained. Moreover, it is good also as a state which applied stress to the distribution detection element previously, and deteriorated more. In this way, the margin for deterioration can be increased. In addition, at least a part of the data storage resistance element Rd and the reference resistance element Rr is not used as a distribution detection element, but a dedicated variable resistance element having the same structure as the data storage resistance element Rd and the reference resistance element Rd is distributed. You may provide separately as an element.
参照抵抗素子アレイ124の抵抗値とメモリセル136の抵抗値との比較は、例えばセンスアンプ回路を用いて行えばよい。具体的には、図23に示すように、メモリセル136からのビット線BLと、参照抵抗回路121からの参照ビット線/BLとを、センスアンプ回路161に入力すればよい。
The resistance value of the reference
図24に示すように、メモリセルアレイ131に含まれる各メモリセル136のビット線BLをまとめてセンスアンプ回路161に入力してもよい。このようにすれば、複数のメモリセル136に記憶された情報を同一のセンスアンプ回路161により判別できるため、半導体記憶装置をより大容量化することができる。また、半導体記憶装置を小型化する効果も得られる。
As shown in FIG. 24, the bit lines BL of the
さらに、図25に示すように、メモリセル136を複数のメモリセルユニット138に分割し、メモリセルユニット138ごとにビット線BLをまとめ、まとめられたビット線BLをビット線選択回路165により選択してセンスアンプ回路161に入力してもよい。このようにすれば、さらに大容量化することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 25, the
本実施形態は、電界誘起抵抗変化メモリ(RRAM)について説明したが、相変化メモリ(PRAM)及び磁気抵抗メモリ(MRAM)等の他の抵抗変化型の半導体記憶装置に適用することも可能である。 In the present embodiment, the field-induced resistance change memory (RRAM) has been described. However, the present invention can also be applied to other resistance change type semiconductor memory devices such as a phase change memory (PRAM) and a magnetoresistive memory (MRAM). .
本発明に係る半導体記憶装置は、面積の増大を抑制しつつ、製造プロセスによってデータを記憶する可変抵抗素子及び参照用の可変抵抗素子に個体差が生じたとしても、正確にデータを読み出すことが可能であり、特に、可変抵抗素子と参照用定抵抗素子を備えた半導体記憶装置等において有用である。 The semiconductor memory device according to the present invention can accurately read out data even if individual differences occur between the variable resistance element for storing data and the reference variable resistance element, while suppressing an increase in area. In particular, it is useful in a semiconductor memory device or the like provided with a variable resistance element and a reference constant resistance element.
101 基板
102 参照回路形成領域
103 メモリセル形成領域
121 参照抵抗回路
124 参照抵抗素子アレイ
124A 第1の参照抵抗素子アレイ
124B 第2の参照抵抗素子アレイ
126 参照抵抗素子ペア
127 単位アレイ
131 メモリセルアレイ
136 メモリセル
138 メモリセルユニット
141 参照抵抗素子設定回路
143 参照抵抗素子制御回路
144 レジスタ
145 不揮発性メモリ
147 使用状況検出回路
148 最適個数情報信号生成回路
151 分布情報検出回路
152 電源投入検知回路
153 抵抗素子読み出し回路
154 抵抗分布情報蓄積回路
155 抵抗素子分布制御回路
161 センスアンプ回路
165 ビット線選択回路
200 ウェハ
201 半導体チップ
DESCRIPTION OF
Claims (23)
基板の参照回路領域に形成され、参照抵抗値を生成する参照抵抗回路と、
前記メモリセルの抵抗値と前記参照抵抗値とを比較する比較回路とを備え、
前記メモリセルは、記憶したデータに対応して第1のデータ抵抗値又は該第1のデータ抵抗値よりも低い第2のデータ抵抗値となる可変抵抗素子であるデータ記憶抵抗素子を有し、
前記参照抵抗回路は、それぞれが前記データ記憶抵抗素子と同じ構造を有する可変抵抗素子である第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を有し、
前記第1の参照抵抗素子は、第1の抵抗値に設定され、
前記第2の参照抵抗素子は、前記第1の抵抗値よりも低い第2の抵抗値に設定され、
前記参照抵抗値は、前記第1の参照抵抗素子と前記第2の参照抵抗素子とを接続することにより生成した前記第1の抵抗値と前記第2の抵抗値との間の抵抗値であることを特徴とする半導体記憶装置。 A memory cell array formed in a memory cell region of a substrate, and a plurality of memory cells arranged in a matrix;
A reference resistance circuit formed in a reference circuit region of the substrate and generating a reference resistance value;
A comparison circuit for comparing the resistance value of the memory cell and the reference resistance value;
The memory cell has a data storage resistance element which is a variable resistance element having a first data resistance value or a second data resistance value lower than the first data resistance value corresponding to stored data,
The reference resistance circuit includes a first reference resistance element and a second reference resistance element, each of which is a variable resistance element having the same structure as the data storage resistance element,
The first reference resistance element is set to a first resistance value;
The second reference resistance element is set to a second resistance value lower than the first resistance value;
The reference resistance value is a resistance value between the first resistance value and the second resistance value generated by connecting the first reference resistance element and the second reference resistance element. A semiconductor memory device.
前記抵抗値変更回路は、前記第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子の少なくとも一方に印加する電圧若しくは電流の値又は電圧若しくは電流を印加する時間を調整することを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 The reference resistance circuit sets the first resistance value to a resistance value lower than the highest resistance value that can be set in the variable resistance element and higher than the lowest resistance value, and sets the second resistance value to the second resistance value. A resistance value changing circuit for setting a resistance value higher than the lowest resistance value that can be set in the variable resistance element and lower than the first resistance value;
The resistance value changing circuit adjusts a voltage or a current value applied to at least one of the first reference resistance element and the second reference resistance element, or a time for applying the voltage or current. 2. The semiconductor memory device according to 2.
前記メモリセルアレイの使用状況を示す状況情報を検知し、前記状況情報に基づいて状況情報信号を出力する状況情報検知回路と、
前記状況情報信号に基づいて最適個数情報信号を生成して出力する最適個数情報信号生成回路とを有し、
前記状況情報は、使用時間、アクセス回数、印加電圧、電流及び使用温度のうちの少なくとも1つに関する情報を含み、
前記最適個数情報信号生成回路は、予め記憶した前記参照抵抗値の生成に用いる前記第1の参照抵抗素子の数及び前記第2の参照抵抗素子の数と、前記状況情報信号との対応情報に基づいて前記状況情報信号から前記最適個数情報信号への変換を行い、
前記参照抵抗素子選択回路は、前記最適個数情報信号に基づいて、前記参照抵抗値の生成に用いる前記第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択することを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。 The reference resistance circuit is:
A status information detection circuit that detects status information indicating a usage status of the memory cell array and outputs a status information signal based on the status information;
An optimum number information signal generating circuit for generating and outputting an optimum number information signal based on the situation information signal,
The status information includes information on at least one of use time, number of accesses, applied voltage, current, and use temperature,
The optimum number information signal generation circuit uses correspondence information between the number of the first reference resistance elements and the number of the second reference resistance elements used to generate the reference resistance value stored in advance and the status information signal. Conversion from the status information signal to the optimum number information signal based on,
12. The reference resistance element selection circuit selects the first reference resistance element and the second reference resistance element used for generating the reference resistance value based on the optimum number information signal. The semiconductor memory device described in 1.
前記参照抵抗素子選択回路は、前記第1の分布情報に基づいて、前記参照抵抗値の生成に用いる前記第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択することを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。 The reference resistance circuit uses at least a part of the data storage resistance element as a first distribution detection element, and detects first distribution information that is distribution information of resistance values of the first distribution detection element. Distribution information detection circuit
The reference resistance element selection circuit selects the first reference resistance element and the second reference resistance element used for generating the reference resistance value based on the first distribution information. 11. The semiconductor memory device according to 11.
前記参照抵抗素子選択回路は、前記第2の分布情報に基づいて、前記参照抵抗値の生成に用いる前記第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択することを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。 The reference resistance circuit uses at least a part of the first reference resistance element and the second reference resistance element as a second distribution detection element, and is a distribution information of a resistance value of the second distribution detection element. A second distribution information detection circuit for detecting the distribution information of 2;
The reference resistance element selection circuit selects the first reference resistance element and the second reference resistance element to be used for generating the reference resistance value based on the second distribution information. 11. The semiconductor memory device according to 11.
前記参照抵抗素子選択回路は、前記劣化検出素子の抵抗特性に基づいて、前記参照抵抗値の生成に用いる前記第1の参照抵抗素子及び第2の参照抵抗素子を選択することを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。 The reference resistance circuit is a part of the variable resistance element formed in the reference circuit region, and has a resistance characteristic higher than that of the first reference resistance element and the second reference resistance element by applying stress. It has a deterioration detecting element that is a deteriorated variable resistance element,
The reference resistance element selection circuit selects the first reference resistance element and the second reference resistance element used to generate the reference resistance value based on a resistance characteristic of the deterioration detection element. Item 12. The semiconductor memory device according to Item 11.
前記参照抵抗回路と接続され、前記参照抵抗値に応じた第2の電気信号が出力される参照ビット線とをさらに備え、
前期比各回路は、前記ビット線及び参照ビット線と接続されたセンスアンプ回路であることを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 A bit line connected to the memory cell and outputting a first electrical signal corresponding to information stored in the memory cell;
A reference bit line connected to the reference resistance circuit and outputting a second electrical signal corresponding to the reference resistance value;
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein each circuit of the previous period is a sense amplifier circuit connected to the bit line and the reference bit line.
前記センスアンプ回路は、前記ビット線のうちの1つを選択的に接続する選択回路を有していることを特徴とする請求項19に記載の半導体記憶装置。 A plurality of the bit lines;
The semiconductor memory device according to claim 19, wherein the sense amplifier circuit includes a selection circuit that selectively connects one of the bit lines.
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