JP2012221525A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその制御方法、並びにメモリシステムに関する。特に、抵抗変化素子を記憶素子として備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a control method thereof, and a memory system. In particular, the present invention relates to a semiconductor device including a resistance change element as a memory element.
現在の大容量の半導体記憶装置としては、DRAMが最も一般的でありコンピュータシステムなどに広く用いられている。また、不揮発性の半導体記憶装置としては、フラッシュメモリが広く用いられている。しかし、現在主流であるDRAMやフラッシュメモリは、後数年で微細化限界に達するとも言われている。従って、DRAMやフラッシュメモリを置き換えることのできる様々な大容量の半導体記憶装置の開発が行われている。中でも、ペロブスカイト酸化物やNiOなどの遷移金属酸化物に電圧を印加することにより抵抗変化が生じる現象を利用した抵抗変化性メモリ(RRAM又はReRAM)が注目されている。抵抗変化性メモリでは、抵抗変化した状態は、電源を切断した後も保持するので、不揮発性メモリとなる。そのような抵抗変化性メモリは、非特許文献1、非特許文献2にも記載されている。
As a current large-capacity semiconductor memory device, a DRAM is the most common and widely used in computer systems and the like. In addition, flash memories are widely used as nonvolatile semiconductor memory devices. However, it is said that DRAMs and flash memories, which are currently mainstream, reach the miniaturization limit in the next few years. Accordingly, various high-capacity semiconductor memory devices that can replace DRAMs and flash memories have been developed. Among these, resistance variable memories (RRAM or ReRAM) using a phenomenon in which a resistance change occurs when a voltage is applied to a transition metal oxide such as a perovskite oxide or NiO are attracting attention. In the resistance change memory, the resistance change state is retained even after the power is turned off, so that it becomes a nonvolatile memory. Such a resistance change memory is also described in
図4(a)にこの抵抗変化性メモリのメモリセルの構造の一例を示す。このメモリセル40は、ビット線31とソース線33との間に抵抗変化素子41とセルトランジスタ42とが直列に接続されている。抵抗変化素子41に電流を流すことにより、抵抗変化素子41に抵抗値の書き込み(プログラミング)を行う。また、抵抗変化素子41に電流を流すことによりその抵抗値を読み取る。
FIG. 4A shows an example of the structure of the memory cell of this resistance change memory. In the memory cell 40, a
図4(b)に抵抗変化素子41の内部の構造の一例を示す。抵抗変化素子41は、ビット線31に接続された第1の電極45と、図示しないセルトランジスタに接続された第2の電極46と、第1の電極45と第2の電極46とに挟まれた絶縁膜47と、を備えている。絶縁膜47に遷移金属酸化物を用いる場合には、第1の電極45と第2の電極46と絶縁膜47に用いる物質の組み合わせにより様々な特性を有することが発表されている。
FIG. 4B shows an example of the internal structure of the
抵抗変化素子の書き込み(プログラミング)には、高抵抗である状態(以下、RRST(Register to ReSeT)とも呼ぶ)を低抵抗である状態(以下、RSETとも呼ぶ)に変化させる書き込みと、低抵抗である状態(RSET(Register to SeT))を高抵抗である状態(RRST)に変化させる書き込みと、の2通りの書き込みが必要である。以後の記載では、高抵抗である状態(PRST)を低抵抗である状態(RSET)に変化させる書き込みをSET書き込み(以下、Setとも呼ぶ)、低抵抗である状態を高抵抗である状態に変化させる書き込みをRESET書き込み(以下、Resetとも呼ぶ)とも呼ぶことにする。 For writing (programming) of the variable resistance element, writing that changes a high resistance state (hereinafter also referred to as RRST (Register to ReSeT)) to a low resistance state (hereinafter also referred to as RSET) and low resistance. Two types of writing are required: writing that changes a certain state (RSET (Register to SeT)) to a high-resistance state (RRST). In the following description, writing to change the high resistance state (PRST) to the low resistance state (RSET) is SET writing (hereinafter also referred to as “Set”), and the low resistance state is changed to the high resistance state. The writing to be performed is also referred to as RESET writing (hereinafter also referred to as Reset).
このセットとリセットの書き込み動作には、セットとリセットで抵抗変化素子に同一方向に電圧を印加して書き込みを行うユニポーラ型と、セットとリセットでは抵抗変化素子に逆方向に電圧を印加して書き込みを行うバイポーラ型とがある。図4(c)を参照して、バイポーラ型の書き込み動作について説明する。図4(c)では、横軸に抵抗変化素子の電極間に印加される電圧、縦軸にそのときに両端間に流れる電流値をプロットしている。最初に、抵抗変化素子はリセット状態にあるとする。抵抗値が高い状態である。このリセット状態にあるとき、抵抗変化素子の端子間に正の電圧VDSETを印加する(図4(c)のA点)と、抵抗変化素子は高抵抗である状態から低抵抗である状態にセットされる(図4(c)のA点からB点に遷移)。このときに流れる最大電流をICOMPとする。 In this set and reset write operation, the unipolar type that writes by applying a voltage to the variable resistance element in the same direction in the set and reset, and the write in the reverse direction is applied to the variable resistance element in the set and reset. And bipolar type. A bipolar write operation will be described with reference to FIG. In FIG. 4C, the voltage applied between the electrodes of the resistance change element is plotted on the horizontal axis, and the current value flowing between both ends is plotted on the vertical axis. First, assume that the variable resistance element is in a reset state. The resistance value is high. In this reset state, when a positive voltage VDSET is applied between the terminals of the variable resistance element (point A in FIG. 4C), the variable resistance element is set from a high resistance state to a low resistance state. (Transition from point A to point B in FIG. 4C). The maximum current flowing at this time is ICOMP.
一方、セット状態からリセット状態への書き込みは、セット状態への書き込みとは逆方向に電圧を印加する。すなわち、セット状態にある抵抗変化素子にセットとは逆方向に電圧VDRSTを印加する(図4(c)のC点。このときに流れる電流をIRSTとする。すると抵抗変化素子はセット状態からリセットされ、抵抗値が大きい状態に戻る(図4(c)のC点からD点へ遷移)。抵抗素子の読み出し動作は、抵抗素子にVDSET以下の小さな電圧を印加してそのときに流れる電流により、セット状態にあるかリセット状態にするか判別する。 On the other hand, when writing from the set state to the reset state, a voltage is applied in the opposite direction to writing to the set state. That is, the voltage VDRST is applied to the variable resistance element in the set state in the opposite direction to the set (point C in FIG. 4C. The current flowing at this time is IRST. Then, the variable resistance element is reset from the set state. The resistance value returns to a large state (transition from point C to point D in Fig. 4 (c)) The reading operation of the resistance element is performed by applying a small voltage equal to or lower than VDSET to the resistance element, It is determined whether it is in a set state or a reset state.
非特許文献1、2には、抵抗変化素子を記憶素子として用いたメモリにおいて、SET書き込み後の抵抗値(RSETの抵抗値)は、書き込み時の最大電流値に依存することが記載されている。また、非特許文献3、4は、抵抗変化素子を記憶素子として用いた半導体装置に直接関係するものではないが、MOSトランジスタのVth(しきい値電圧)のばらつき量がチャンネル面積に依存することが記載されている。非特許文献3、4は、実施形態の説明の中で比較例の説明として引用する。
Non-Patent
抵抗変化素子を記憶素子として用いる半導体装置において、抵抗変化素子を高抵抗である状態から低抵抗である状態に遷移させる場合、遷移後の抵抗値は、非特許文献1、2に記載されているように遷移の際の最大印加電流量に依存する。しかし、発明者の分析によれば、抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗から低抵抗に急激に遷移するとその抵抗値の変化に伴って、抵抗変化素子の端子電圧が急激に変化する。その急激な電圧変化によって、抵抗変化素子の端子に関連する寄生容量素子に蓄えられた寄生電荷量が、抵抗変化素子に瞬間的に流れ、最大電流値を精度よく制御することが困難になる。例えば、前記寄生容量素子及び前記寄生電荷量は、抵抗変化素子と抵抗変化素子への電流供給を制御する電流制御素子(ライトアンプ)との間のデータバス及びビット線にそれぞれ付随する。抵抗変化素子の抵抗値の急激な変化に対応して電流制御素子が供給する電流量を制御しても、前記寄生容量素子に関連する寄生電荷量が抵抗変化素子へ電流を供給してしまうからである。この問題については、実施形態の説明の中で詳しく説明する。
In a semiconductor device using a resistance change element as a memory element, when the resistance change element is transitioned from a high resistance state to a low resistance state, the resistance value after the transition is described in
本発明の第1の視点によれば、互いに直列に接続する、抵抗値で情報を記憶する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子をアクセスするトランジスタと、を含むメモリセルと、前記メモリセルの一端に接続するビット線と、前記メモリセルの他端に接続するソース線と、前記トランジスタのゲート電極に接続するワード線と、前記ワード線に電圧を供給するワード線駆動回路と、を備え、前記ワード線駆動回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗にセットする場合、前記ワード線を、前記トランジスタを非導通にする第1の電圧から、前記第1の電圧と前記トランジスタを第1のインピーダンスで導通にする第2の電圧との間の電圧であり前記トランジスタを前記第1のインピーダンスよりも高い第2のインピーダンスで導通にする第3の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させ、前記第3の電圧へ遷移させた後の所定時間後に、前記ワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する、半導体装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, a memory cell including a resistance change element that stores information as a resistance value, connected in series, and a transistor that accesses the resistance change element, and one end of the memory cell A bit line connected to the memory cell, a source line connected to the other end of the memory cell, a word line connected to the gate electrode of the transistor, and a word line driving circuit for supplying a voltage to the word line, When the resistance value of the variable resistance element is set from a high resistance to a low resistance, the word line driving circuit starts from the first voltage that makes the transistor non-conductive, the first voltage, and the A voltage between a second voltage that renders the transistor conductive with a first impedance, and the transistor is made conductive with a second impedance that is higher than the first impedance. After the transition to the third voltage, the resistance value of the variable resistance element is changed to the first resistance value in a stage between the high resistance and the low resistance, and the transition to the third voltage is made. There is provided a semiconductor device in which the word line is changed from the third voltage to the second voltage after a predetermined time to set the resistance value of the variable resistance element to the low resistance.
本発明の第2の視点によれば、複数のビット線と複数のワード線との交点にそれぞれ対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルを備え、前記各メモリセルが、一端が対応する前記ビット線に接続され印加電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子の他端と対応する前記ワード線とソース線とに接続され、前記対応するワード線に印加される電圧によって、前記抵抗変化素子の他端と前記ソース線との間の導通/非導通が制御されるトランジスタと、を備える半導体装置において、前記ビット線とワード線とを選択し、対応する抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗から低抵抗に書き込む場合、選択するビット線を電流源に接続するとともに、前記選択するワード線を非選択レベルの第1の電圧から前記第1の電圧と選択レベルの第2の電圧との中間電圧である第3の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の中間段階の抵抗値に変化させる第1の制御と、前記選択するワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する第2の制御と、前記選択するワード線を第1の電圧に戻すとともに、選択するビット線を前記電流源から切り離し、前記対応する抵抗変化素子への書き込みを終了させる第3の制御と、を含む半導体装置の制御方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there are provided a plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to the intersections of a plurality of bit lines and a plurality of word lines, each memory cell corresponding to one end. A resistance change element that is connected to the bit line and that can be written in a high resistance state and a low resistance state by an applied current, and the word line and source corresponding to the other end of the resistance change element A transistor connected to a line and controlled to be conductive / non-conductive between the other end of the variable resistance element and the source line by a voltage applied to the corresponding word line; When the bit line and the word line are selected and the resistance value of the corresponding variable resistance element is written from high resistance to low resistance, the selected bit line is connected to a current source and the selected word line is selected. The line is transitioned from the first voltage at the non-selection level to a third voltage that is an intermediate voltage between the first voltage and the second voltage at the selection level, and the resistance value of the corresponding variable resistance element is increased to the high voltage. A first control for changing the resistance value to an intermediate resistance value between the resistance and the low resistance; and a transition of the selected word line from the third voltage to the second voltage, and a resistance value of the corresponding resistance change element. The second control for setting the resistance to the low resistance, the selected word line is returned to the first voltage, the selected bit line is disconnected from the current source, and the writing to the corresponding variable resistance element is terminated. And a third method for controlling the semiconductor device.
本発明の第3の視点によれば、メモリ部と、前記メモリ部の動作を制御すると共に前記メモリ部が記憶する情報を用いて情報処理を行う制御部と、を備えるメモリシステムにおいて、前記メモリ部は、互いに直列に接続する、抵抗値で情報を記憶する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子をアクセスするトランジスタと、を含むメモリセルと、前記メモリセルの一端に接続するビット線と、前記メモリセルの他端に接続するソース線と、前記トランジスタのゲート電極に接続するワード線と、前記ワード線に電圧を供給するワード線駆動回路と、を備え、前記ワード線駆動回路は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗にセットする場合、前記ワード線を、前記トランジスタを非導通にする第1の電圧から、前記第1の電圧と前記トランジスタを第1のインピーダンスで導通にする第2の電圧との間の電圧であり前記トランジスタを前記第1のインピーダンスよりも高い第2のインピーダンスで導通にする第3の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させ、前記第3の電圧へ遷移させた後の所定時間後に、前記ワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する、メモリシステムが提供される。 According to a third aspect of the present invention, in a memory system comprising: a memory unit; and a control unit that controls the operation of the memory unit and performs information processing using information stored in the memory unit. A memory cell including a resistance change element that stores information in a resistance value, connected in series with each other, and a transistor that accesses the resistance change element; a bit line connected to one end of the memory cell; A source line connected to the other end of the memory cell, a word line connected to the gate electrode of the transistor, and a word line driving circuit for supplying a voltage to the word line, the word line driving circuit comprising the resistor When the resistance value of the change element is set from a high resistance to a low resistance, the word line is changed from the first voltage that makes the transistor non-conductive to the first voltage and the transistor. Transition to a third voltage that is between a second voltage that causes the transistor to conduct at a first impedance and that causes the transistor to conduct at a second impedance that is higher than the first impedance; After a predetermined time after changing the resistance value of the variable resistance element to the first resistance value in the stage between the high resistance and the low resistance and making the transition to the third voltage, the word line is connected to the third resistance value. A memory system is provided in which the resistance value of the variable resistance element is set to the low resistance by making a transition from the first voltage to the second voltage.
本発明の各視点によれば、抵抗変化素子を高抵抗である状態から低抵抗である状態に遷移させる場合に、抵抗変化素子の急激な端子電圧変動を防ぎ、最大電流値を精度よく制御することができる。 According to each aspect of the present invention, when the resistance change element is transitioned from a high resistance state to a low resistance state, a sudden terminal voltage fluctuation of the resistance change element is prevented, and the maximum current value is accurately controlled. be able to.
本発明の各実施形態について、詳細な説明に入る前に、実施形態の概要について説明しておく。なお、概要の説明に付記した、図面及び図面参照符号は専ら理解を助けるための例示であり、図示の態様に限定することを意図するものではない。 Before describing each embodiment of the present invention in detail, an outline of the embodiment will be described. It should be noted that the drawings and reference numerals attached to the description of the outline are merely examples for facilitating understanding, and are not intended to be limited to the illustrated embodiments.
本発明の一実施形態の半導体装置は、一例を図1に示すように、ビット線に接続され流す電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子(41)と、抵抗変化素子と直列に接続され、対応するワード線に印加される電圧によって、導通/非導通が制御されるトランジスタ(42)と、を有するメモリセル(40)を備える。一例を図3のRCELLに示すように、対応する抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗(RRST)から低抵抗(RSET)に書き込む場合、選択するワード線(SWL)を、トランジスタ(42)が非選択レベルの第1の電圧(VSS)から、第1の電圧とトランジスタ(42)が選択レベルの第2の電圧(VPP)との中間電圧である第3の電圧(VWL)へ遷移させ、対応する抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗と低抵抗の中間段階の抵抗値(図3のt5における抵抗値参照)に変化させる。しかる後に選択するワード線を第3の電圧から第2の電圧(VPP)へ遷移させ(図3のt5からt6)、対応する抵抗変化素子の抵抗値を低抵抗(RSET)に設定する。第2の電圧は、トランジスタ(42)を第1のインピーダンスで導通にする。第3の電圧は、トランジスタ(42)を前記第1のインピーダンスよりも高い第2のインピーダンスで導通にする。尚、中間電圧(中間レベル)とは、トランジスタ(42)が導通すれば良いワード線(SWL)の電圧レベルであり、電源VPPと電源VSSの1/2の電圧を示すわけでないことに注意が必要である。中間段階の抵抗値も同様に、高抵抗(RRST)と低抵抗(RSET)の1/2の抵抗値を示すわけでないことに注意が必要である。 As shown in FIG. 1, an example of the semiconductor device according to an embodiment of the present invention is a resistance change in which a resistance value can be written in a high resistance state and a low resistance state by a current connected to the bit line and flowing. A memory cell (40) having an element (41) and a transistor (42) connected in series with the variable resistance element and controlled in conduction / non-conduction by a voltage applied to a corresponding word line is provided. As shown in an example of RCELL in FIG. 3, when the resistance value of the corresponding variable resistance element is written from the high resistance (RRST) to the low resistance (RSET), the word line (SWL) to be selected is not connected to the transistor (42). A transition is made from the first voltage (VSS) at the selected level to the third voltage (VWL), which is an intermediate voltage between the first voltage and the second voltage (VPP) at the transistor (42). The resistance value of the variable resistance element is changed to an intermediate resistance value between the high resistance and the low resistance (see the resistance value at t5 in FIG. 3). Thereafter, the selected word line is transited from the third voltage to the second voltage (VPP) (from t5 to t6 in FIG. 3), and the resistance value of the corresponding variable resistance element is set to low resistance (RSET). The second voltage causes transistor (42) to conduct with a first impedance. The third voltage causes the transistor (42) to conduct with a second impedance that is higher than the first impedance. It should be noted that the intermediate voltage (intermediate level) is a voltage level of the word line (SWL) as long as the transistor (42) is turned on, and does not indicate a voltage that is ½ of the power supply VPP and the power supply VSS. is necessary. It should be noted that the resistance value at the intermediate stage does not show a resistance value that is 1/2 of the high resistance (RRST) and the low resistance (RSET) as well.
選択するワード線SWLの電圧を中間レベルの第3の電圧に設定して抵抗変化素子の抵抗値を中間段階の抵抗値に一旦遷移させているので、抵抗変化素子の急激な抵抗値の低下による選択ビット線の電位変動を防ぎ、選択ビット線に付随する寄生容量から電荷が抵抗変化素子に瞬間的に流れ込み、抵抗変化素子の抵抗値が想定している抵抗値よりさらに低い抵抗値に遷移してしまうことを防ぐことができる。 Since the voltage of the selected word line SWL is set to the third voltage at the intermediate level and the resistance value of the variable resistance element is temporarily shifted to the intermediate resistance value, the resistance value of the variable resistance element is suddenly decreased. The potential of the selected bit line is prevented from changing. Charges instantaneously flow from the parasitic capacitance associated with the selected bit line to the resistance change element, and the resistance value of the resistance change element transitions to a resistance value lower than the assumed resistance value. Can be prevented.
以上で概要の説明を終了し、各実施形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。 The description of the outline is finished above, and each embodiment will be described in more detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
(第1の実施形態の構成)
図2は、第1の実施形態による半導体装置全体のブロック図である。図2の半導体装置10は、8バンク構成の大容量のリードライトメモリアレイ11を備えた半導体装置である。図2において、Xデコーダ(ロウデコーダ)14は、ロウアドレスをデコードし選択されたワード線(不図示)を駆動する。センスアンプ12は、読み出し動作時にメモリアレイ11のビット線(不図示)の電流または電位を判定し、データとして外部に出力する。カラムデコーダ13は、カラムアドレスをデコードし、選択されたYスイッチ(不図示)をオンとしてビット線を選択し、IO線(不図示)に接続する。コマンドデコーダ19は、所定のアドレス信号と、制御信号として、チップセレクト信号/CS、ロウアドレスストローブ信号/RAS、カラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WEを入力し、コマンドをデコードする(なお、信号名の/はロウレベルになるとアクティブになる信号であることを示す)。コマンド制御回路20は、コマンドデコーダ19の出力信号を受けて各コマンドの実行に必要な制御信号を半導体装置10内部の各部に出力する。特に、書き込み動作時には、Xデコーダ14に、SLSET、FSTPB、SSTPB等の制御信号を出力する。カラムアドレスバッファ及びバーストカウンタ17は、コマンド制御回路20の制御のもと、入力されたカラムアドレスから、バースト長分のアドレスを生成し、カラムデコーダ13に供給する。モードレジスタ15は、アドレス信号とバンク選択用(8バンクの中の1つを選択)の信号BA0、BA1、BA2を入力し、コマンド制御回路20に制御信号を出力する。ロウアドレスバッファ16は、入力されたロウアドレスを受けて、Xデコーダ14に供給する。
[First Embodiment]
(Configuration of the first embodiment)
FIG. 2 is a block diagram of the entire semiconductor device according to the first embodiment. The
クロックジェネレータ22は、外部から半導体装置10に供給される相補の外部クロックCK、/CKを受け、クロックイネーブル信号CKEがハイレベルのとき、内部クロックを半導体装置内部の各部へ出力し、クロックイネーブル信号CKEがロウレベルとなると、以降、クロックの供給を停止する。
The
データコントロール回路18は、書き込みデータと読み出しデータの入出力を行う。データ入出力回路21は、読み出しデータの出力時には、DLL回路から供給されるクロック信号に同期してデータコントロール回路から並列に読み出したデータを直列データに変換してデータ入出力端子DQから出力する。書き込み時には、データ入出力端子DQから直列に入力したデータを並列データに変換してデータコントロール回路18へ送る。
The data control
図1は、8バンクのメモリアレイ11のうち、一つのバンクのメモリアレイ11の一部の領域を示す回路ブロック図である。図1には、メモリアレイ11内にマトリクス状に配置される複数のメモリセルアレイ30(MAT)のうち、一つのメモリセルアレイ30(MAT)とそのメモリセルアレイ30に関連する周辺回路を示す。なお、図1のうち、アドレスデコーダ58は、メモリアレイ11外部の回路であるが、図1に示す。メモリセルアレイ30は、複数のビット線31と、複数のビット線31と交差する方向に配線された複数のワード線(サブワード線)32と、複数のビット線31と複数のワード線32との交点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセル40を備える。各メモリセル40は、一端が対応するビット線31に接続された抵抗変化素子41と、ソースドレインの一方が抵抗変化素子41の他端に接続され、ゲートが対応するワード線32に接続されたトランジスタ42を備える。トランジスタ42は、セルトランジスタとなるトランジスタであり、ソースドレインの他方は、ソース線33に接続されている。また、トランジスタ42は、好ましい一例を上げれば、NMOSトランジスタである。ソース線33は、メモリセルアレイ30内の各メモリセルのトランジスタに共通に接続されている。ソース線は各メモリセルのトランジスタに共通なため、必ずしも図中のような形態である必要は無く、メモリセルアレイ30内で面状またはメッシュ状に配置されていても良い。特にトランジスタ42に縦型トランジスタ(チャネルが垂直方向に生じるトランジスタ)を用いる場合、ソース線はn+拡散層等により面状に配置されることがある。
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a partial region of one bank of the
サブワードドライバ51は、アドレスデコーダ58から与えられるアドレス信号に基づいて選択されたワード線をハイレベル(VPP;第2の電圧)に駆動する。選択されないワード線は、ロウレベル(VSS;第1の電圧)を維持する。サブワードドライバ51にワード線が選択されたときの電圧を供給するワード線電源回路部52が設けられている。ワード線電源回路部52は、第1のワード線電源回路53、第2のワード線電源回路54、第3のワード線電源回路55を備える。第1のワード線電源回路53は、リセット時及び読み出し時に使用される。第2のワード線電源回路54及び第3のワード線電源回路55は、セット時に使用される。
The
第1のワード線電源回路53は、ソースが電源VPP、ゲートが制御信号SLSEL、ドレインがサブワードドライバ51のハイレベル側電源端子に接続されたPMOSトランジスタを備え、制御信号SLSELがアクティブ(ロウレベル)となったときに導通し、電源VPPをサブワードドライバ51のハイレベル側電源として供給する。
The first word line
第2のワード線電源回路54は、ソースが電源VPP、ゲートが制御信号SSTPB、ドレインがサブワードドライバ51のハイレベル側電源端子に接続されたPMOSトランジスタを備え、制御信号SSTPBがアクティブ(ロウレベル)となったときに導通し、電源VPPをサブワードドライバ51の電源として供給する。なお、第2のワード線電源回路54のPMOSトランジスタは、チャンネルサイズWが、第1のワード線電源回路53のPMOSトランジスタより小さい。従って、第2のワード線電源回路54が導通したときのオン抵抗は、第1のワード線電源回路53が導通したときのオン抵抗がより大きい。
The second word line
第3のワード線電源回路55は、ソースが電源VWL(第3の電圧)、ゲートが制御信号FSTPB、ドレインがサブワードドライバ51のハイレベル側電源端子に接続されたPMOSトランジスタを備え、制御信号FSTPBがアクティブ(ロウレベル)となったときに導通し、電源VWLをサブワードドライバ51のハイレベル側電源として供給する。なお、電源VWLは、電源VPPより電圧レベルが低く、ワード線のハイレベル側電源VPPとロウレベル側電源VSSとの中間レベルを出力する電源である。
The third word line
ソース線ドライバ36は、正電源としてVRSTが接続され、制御信号SLSELを受けてソース線を駆動する。制御信号SLSELがハイレベルのときは、ソース線33をVSSレベル(第5の電圧)に駆動し、制御信号SLSELがロウレベルのときは、ソース線33をVRSTレベル(第7の電圧)に駆動する。
The
ビット線選択回路70は、各ビット線31を共通ビット線75に接続するビット線選択スイッチ72、74と、各ビット線31をソース線33に接続するビット線選択スイッチ71、73が設けられている。ビット線選択スイッチ71、72のオン/オフを制御する信号としてBLSTとその反転信号BLSTBがビット線選択スイッチ71、72に接続されており、制御信号BLSTがハイレベルのとき、対応するビット線31は共通ビット線75に接続され、制御信号BLSTがロウレベルのとき、対応するビット線31はソース線33に接続される。なお、制御信号BLSTは、各ビット線に対応するビット線選択スイッチ毎に異なる信号が接続されており、複数のビット線31のうち、選択された1本のビット線31のみが共通ビット線75に接続され、残りのビット線31は、ソース線33に接続される。
The bit line selection circuit 70 is provided with bit line selection switches 72 and 74 that connect each
また、ビット線選択回路70には、ソース線ドライバ36の出力を共通ビット線75に接続するソース線共通ビット線接続スイッチ76が設けられている。ソース線共通ビット線接続スイッチ76は、制御信号SBLCとその反転信号SBLCBによりオン/オフが制御され、制御信号SBLCがハイレベル(反転信号SBLCBがロウレベル)のとき、ソース線33と共通ビット線75はソース線共通ビット線接続スイッチ76を介して接続される。
The bit line selection circuit 70 is provided with a source line common bit
ライトアンプ回路60は、SETドライバ61とRESETセレクタ67とを備える。SETドライバ61は、選択された抵抗変化素子41を高抵抗から低抵抗に書き込む場合の電流源となる定電流源トランジスタ62と、抵抗変化素子41へ流す電流のオン/オフを制御するスイッチトランジスタ64を備える。なお、定電流源トランジスタ62、スイッチトランジスタ64は共にPMOSトランジスタである。定電流源トランジスタ62のソースは、正電源VSETに接続され、ゲートには、電流制御信号VSETREFが接続されている。また、スイッチトランジスタ64のソースは定電流源トランジスタ62のドレインに接続され、スイッチトランジスタ64のドレインは共通ビット線75に接続され、ゲートは選択信号SETSELBに接続されている。
The
SETドライバ61は、定電流源トランジスタ62に流れる電流によりSET書き込み時の最大電流が一定の電流値ICOMPになるように調整され、SET書き込みを行った後のRSET(低抵抗)状態の抵抗変化素子41の抵抗値を一定に保つようにしている。
The
また、RESETセレクタ67は、ソースが基準電源VSS(第6の電圧)、ドレインが共通ビット線75、ゲートが制御信号RSTSELに接続されたNMOSトランジスタであるスイッチトランジスタ68を備える。
The
SET書き込み時には、ライトアンプ回路60からビット線31とメモリセル40を経由してソース線33に電流を流すことにより書き込みを行い、RESET書き込みでは、逆にソース線33からメモリセル40とビット線31を経由してライトアンプ回路のRESETセレクタ67に電流を流すことにより書き込みを行う。
At the time of SET writing, writing is performed by passing a current from the
グローバルビット線選択スイッチ83は、共通ビット線75とグローバルビット線(GBL)とを接続するスイッチである。グローバルビット線選択スイッチ83の導通/非導通を制御する信号としてREADSWとその反転信号READSWBが接続されている。グローバルビット線選択スイッチ83は、読み出し動作時に、共通ビット線75とグローバルビット線(GBL)とを接続し、書き込み動作時には、閉じられる。なお、図1では、グローバルビット線選択スイッチ83としてCMOSトランスミッションゲート構成としているが、共通ビット線75とグローバルビット線との導通/非導通を制御するスイッチであれば、他の構成であってもよい。なお、グローバルビット線81の先には、(図示しない)センスアンプが接続されている。ライトアンプ回路60、グローバルビット線選択スイッチ83、及びビット線選択回路70は、ビット線制御回路に含まれる。ソース線ドライバ36は、ソース線制御回路に含まれる。
The global bit
(第1の実施形態の動作)
図3は、第1の実施形態による書き込み動作波形図である。図1に加えて図3を参照し、書き込み時の動作について説明する。
(Operation of the first embodiment)
FIG. 3 is a waveform diagram of a write operation according to the first embodiment. The operation at the time of writing will be described with reference to FIG. 3 in addition to FIG.
図3では、前半でSET書き込みを行い、後半では、RESET書き込みを行っている。図3において、初期状態では、スタンバイ状態であり、何もコマンドを実行していない状態であるとする。この状態では、ビット線選択信号BLSTはロウレベルであるので、各ビット線31は共通ビット線75から切り離され、ソース線33に接続される。また、ソース線制御信号SLSELはハイレベルであるので、各ソース線33、各ビット線31はいずれもロウレベル(VSSレベル)に設定される。ワード線電源回路部52の制御信号SLSEL、SSTPB、FSTPBはいずれもハイレベルであり、各(サブ)ワード線32は、ロウレベル(VSSレベル)に固定される。ライトアンプ回路のスイッチ信号SETSELBがハイレベル、RSTSELがロウレベルであり、ライトアンプ回路60のSETドライバ61とRESETセレクタ67は、共通ビット線75から切り離され、ライトアンプ回路60と共通ビット線75との間には電流が流れない状態に設定される。また、制御信号SBLCはロウレベルであり、共通ビット線75はソース線33に接続され、ソース線33と同様に共通ビット線75もロウレベルに固定される。
In FIG. 3, SET writing is performed in the first half, and RESET writing is performed in the second half. In FIG. 3, it is assumed that the initial state is a standby state and no command is being executed. In this state, since the bit line selection signal BLST is at a low level, each
従って、初期状態では、どのメモリセル40にも電流が流れないので、各抵抗変化素子41の端子間電圧VDEVは0V、メモリセル電流ICELLは0である。また、書き込み対象とするメモリセルの抵抗変化素子41の抵抗値は、初期状態では、RRSTすなわち、高抵抗状態であるとする。
Accordingly, in the initial state, no current flows through any memory cell 40, so the voltage VDEV between the terminals of each
この状態で、タイミングt0で外部からPSETコマンドをシステムクロックCLKに同期して入力する。PSETコマンドは、選択されたメモリセルの抵抗を低抵抗状態に設定するSET書き込みコマンドである。このときにバンクとカラムアドレスも同時に入力する。なお、ロウアドレスについては、すでに入力済みであるとする。PSETコマンドを入力すると半導体装置10は、スタンバイ状態を解除し、SET書き込みの実行に移る。
In this state, a PSET command is input from the outside in synchronization with the system clock CLK at timing t0. The PSET command is a SET write command that sets the resistance of a selected memory cell to a low resistance state. At this time, a bank and a column address are also input at the same time. It is assumed that the row address has already been input. When the PSET command is input, the
タイミングt1では選択したビット線31のビット線選択信号BLSTをハイレベルに設定し選択したビット線31をソース線33から切り離し、共通ビット線75に接続する。
At timing t1, the bit line selection signal BLST of the selected
タイミングt2では、第3のワード電源回路55を活性化する制御信号FSTPBをロウレベルに設定し、サブワードドライバ51にロウレベルの電圧VSSとハイレベルの電圧VPPの中間レベルの電圧であるVWLを電源として供給する。それを受けてサブワードドライバ51は、選択したワード線をロウレベルのVSSから中間レベルの電圧VWLまで引き上げる。
At timing t2, the control signal FSTPB for activating the third word
タイミングt3では、制御信号SBLCをロウレベルに立ち下げ、共通ビット線75をソース線33から切り離す。また、ライトアンプ回路60のSETドライバ61のスイッチ制御信号SETSELBをロウレベルに立ち下げ、SETドライバ61の定電流源トランジスタ62から共通ビット線75に電流を流す。このとき、ビット線選択回路70によりすでに選択されたビット線31は、共通ビット線75に接続されているので、選択されたメモリセル40を介してソース線33まで電流が流れる。このとき、選択されたメモリセル40の抵抗変化素子41はRRST(高抵抗)状態であるので、選択された抵抗変化素子の端子間電圧VDEVは大きな値となり、選択されたビット線の電圧も第4の電圧へ上昇する。この状態では、SETドライバ61の定電流源トランジスタ62は非飽和領域での動作となり、選択されたメモリセル40には、わずかな電流しか流れず、選択した抵抗変化素子41の抵抗値は、RRST(高抵抗)状態を維持している。
At timing t3, the control signal SBLC falls to the low level, and the common bit line 75 is disconnected from the
タイミングt4になり選択された抵抗変化素子41の端子間に大きな電圧VDEVを印加する時間が一定時間TSETW継続すると抵抗変化素子41の抵抗値は低抵抗への変化を開始する。この抵抗変化素子41の端子間に電圧VDEVを印加してから抵抗値が低抵抗に変化を開始するまでの時間TSETWは、デバイスの特性に依存する時間である。TSETWの長さは瞬時の場合と図3に示すように一定時間を要する場合が存在する。
When the time for applying a large voltage VDEV between the terminals of the selected
タイミングt4で抵抗変化素子41の抵抗値が低抵抗への変化を開始するとそれにつれて選択ビット線の電圧も低下する。選択ビット線から選択セルに流れる電流ICELLも増加する。しかし、この段階では、セルトランジスタ42のゲート電極には中間電圧VWLが印加されているので、セルトランジスタ42のオン抵抗は比較的高い状態(第2のインピーダンス)にある。従って、選択セルに流れる電流ICELLが増加すると、セルトランジスタのソースドレイン間の電位差が上昇するので、抵抗変化素子の抵抗値が低い値(第1の抵抗値)に変化し、抵抗変化素子の端子間電圧VDEVが低下しても選択ビット線の電圧の低下は大きなものとはならない。このときの書き込み電流の最大値はIWCOMPに制限される。IWCOMPはSETドライバ61による電流制限値(ICOMP)に比べ、十分低い電流値となるようVWL電位を調節する。この際、セルトランジスタの特性ばらつきに起因するIWCOMPのばらつきの最大値がICOMPよりも小さくなるように留意する。
When the resistance value of the
タイミングt5では、ワード線電源回路部52の制御信号FSTPBをハイレベルに設定し、第3のワード線電源回路55を非導通に制御すると共に、制御信号SSTPBをロウレベルに設定し、第2のワード線電源回路54を導通状態に制御する。すると、ワード線電源回路部52からサブワードドライバ51に供給する電源電圧は、中間電圧レベルのVWLから電圧VPPへと上昇を開始する。それにつれて選択した(サブ)ワード線SWLの電圧も中間電圧レベルのVWLから電圧VPPへと上昇を開始する。この増加速度(スルーレート)は過渡電流抑制のために低速(第1のスルーレート=小)とし、例えば、第2のワード線電源回路54のトランジスタサイズWを調整することで行うことができる。選択した(サブ)ワード線SWLの電圧がVWLから電圧VPPへ徐々に上昇するにつれてセルトランジスタ42のオン抵抗は徐々に減少する。つまり、セルトランジスタ42のインピーダンスは、第2のインピーダンスよりも低い第1のインピーダンスへ移行する。セルトランジスタ42のオン抵抗の減少につれて選択セル電流ICELLは徐々に増加する。さらに選択セル電流ICELLの増加につれて抵抗変化素子41の抵抗値RCELLは徐々に低下する。しかし、ライトアンプ回路60の定電流源トランジスタ62の定める定電流値ICOMPにまで達すると、定電流源トランジスタ62は飽和し、それ以上選択セル電流ICELLは増加しない。この最大電流値ICOMPの値によって、抵抗変化素子41のSET(低抵抗)状態の抵抗値は一定の値に定まる。
At timing t5, the control signal FSTPB of the word line power
なお、タイミングt3からタイミングt5までの時間は、デバイス特性に依存する時間TSETWのばらつきを考慮して最適な時間に設定される。 Note that the time from the timing t3 to the timing t5 is set to an optimal time in consideration of variations in the time TSETW depending on device characteristics.
タイミングt6では、SETドライバ61のスイッチ制御信号SETSELBをハイレベルに立ち上げ、SETドライバ61を共通ビット線75から切り離す。また、制御信号SBLCをハイレベルに立ち上げ、共通ビット線75をソース線33に接続する。すると、選択セル電流ICELLは流れなくなり、抵抗変化素子41の端子間電圧VDEVはゼロになり、選択ビット線の電圧もVSSレベルまで低下する。
At timing t6, the switch control signal SETSELB of the
タイミングt7では、ワード線電源回路部52の制御信号SSTPBをハイレベルに設定し、第2のワード線電源回路54を非導通に制御する。また、アドレスデコーダ58によってサブワード線SWLの電圧をVSSレベルまで立ち下げる。
At timing t7, the control signal SSTPB of the word line power
タイミングt8では、選択したビット線31のビット線選択信号BLSTをロウレベルに立ち下げ、選択したビット線31を共通ビット線75から切り離し、ソース線33に接続し、PSETコマンド入力による選択されたメモリセルの抵抗を低抵抗状態に設定するSET書き込みの一連の処理を終了する。
At timing t8, the bit line selection signal BLST of the selected
次に、タイミングt10では、外部から新たなコマンドとしてPRSTコマンドをシステムクロックCLKに同期して入力する。PRSTコマンドは、選択されたメモリセルの抵抗を低抵抗状態から高抵抗状態に設定するRESET書き込みコマンドである。このときにバンクとカラムアドレスも同時に入力する。 Next, at timing t10, a PRST command is input from the outside as a new command in synchronization with the system clock CLK. The PRST command is a RESET write command for setting the resistance of the selected memory cell from the low resistance state to the high resistance state. At this time, a bank and a column address are also input at the same time.
タイミングt11では、選択したビット線31のビット線選択信号BLSTをハイレベルに設定し選択したビット線31をソース線33から切り離し、共通ビット線75に接続する。
At timing t11, the bit line selection signal BLST of the selected
タイミングt12では、制御信号SLSETをロウレベルに立ち下げ、ソース線の電圧をハイレベルの電圧VRSTまで立ち上げる。RESET書き込みでは、SET書き込みとは逆にソース線33からライトアンプ回路60へ電流を流す必要があるからである。非選択のビット線もソース線33に接続されているのでソース線33と同一電位に立ち上がる。なお、制御信号SBLCはハイレベルを維持しているので、ソース線共通ビット線接続スイッチ76により、ソース線33と共通ビット線75は接続されており、共通ビット線75及び共通ビット線75に接続された選択ビット線も同様にソース線33と同一電位に立ち上がる。また、制御信号SLSETがロウレベルに立ち下がるとワード線電源回路部52の第1のワード電源回路53が活性化され、サブワードドライバ51にハイレベルの電圧VPPを電源として供給する。
At timing t12, the control signal SLSET is lowered to the low level, and the source line voltage is raised to the high level voltage VRST. This is because in RESET writing, it is necessary to pass a current from the
タイミングt13では、アドレスデコーダ58からの信号により、選択サブワード線SWLがロウレベルの電圧VSSからVPPレベルまで立ち上がる。なお、第1のワード線電源回路53はチャンネル幅Wの大きいトランジスタを用いているので、選択サブワード線SWLの立ち上がりは早い。つまり、リセット時の選択サブワード線SWLのスルーレート(第2のスルーレート)は、セット時の選択サブワード線SWLのスルーレート(第1のスルーレート)よりも大きい。第2のスルーレートは、ソース線及びすべてのビット線を制御するリセットプログラムサイクルの時間増大を抑制する。
At timing t13, the selected sub word line SWL rises from the low level voltage VSS to the VPP level by a signal from the
タイミングt14で、制御信号SBLCをロウレベルに立ち下げ、共通ビット線75をソース線33から切り離す。また、制御信号RSTSELをハイレベルに立ち上げ、ライトアンプ回路60のRESETセレクタ67は共通ビット線75をロウレベル(VSSレベル)に立ち下げる。すると選択メモリセル40の抵抗変化素子41、選択ビット線を介してソース線33からライトアンプ回路60のRESETセレクタ67へ一定の電流が流れる。また、抵抗変化素子41の端子間には、選択トランジスタ42のソースあるいはドレインに接続される側の端子を基準とした場合、負電位のVDEVが生じる。
At timing t14, the control signal SBLC falls to the low level, and the common bit line 75 is disconnected from the
選択された可変抵抗素子41に一定の電流を流すことにより、タイミングt14からデバイスの特性によって決まる一定時間後のタイミングt15では、選択された抵抗変化素子41は、RSET(低抵抗)状態からRRST(高抵抗)状態への遷移を開始する。選択された抵抗変化素子の抵抗値が上昇に伴って、選択セルの逆方向に流れる電流ICELLの絶対値は減少する。ICELLの減少に伴って選択ビット線の電位も徐々にVSSに近づいていく。
By causing a constant current to flow through the selected
タイミングt16では、制御信号RSTSELをロウレベルに立ち下げる。制御信号RSTSELがロウレベルに立ち下がることにより、ライトアンプ回路60のRESETセレクタ67は共通ビット線75をライトアンプ回路60から切り離す。また、制御信号SBLCをハイレベルに立ち上げ、共通ビット線75をソース線33に接続する。すると選択セルに電流ICELLは流れなくなり、選択ビット線の電圧は、ソース線とほぼ同一のハイレベルとなる。
At timing t16, the control signal RSTSEL falls to the low level. When the control signal RSTSEL falls to the low level, the
タイミングt17で選択サブワード線SWLは、アドレスデコーダ58からの信号によりロウレベルに立ち下がる。
At timing t17, the selected sub word line SWL falls to a low level by a signal from the
タイミングt18で制御信号SLSETをハイレベルに立ち上げ、ソース線の電圧をロウレベルに戻す。ソース線の電圧がロウレベルになると非選択ビット線の電圧もロウレベルとなる。 At timing t18, the control signal SLSET is raised to high level, and the voltage of the source line is returned to low level. When the voltage of the source line becomes low level, the voltage of the non-selected bit line also becomes low level.
タイミングt19では、選択したビット線31のビット線選択信号BLSTをロウレベルに立ち下げ、選択したビット線31を共通ビット線75から切り離し、ソース線33に接続し、PRSTコマンド入力による選択されたメモリセルの抵抗を高抵抗状態に設定するRESET書き込みの一連の処理を終了する。
At timing t19, the bit line selection signal BLST of the selected
以上説明したように、第1の実施形態では、抵抗変化素子について高抵抗状態(RRST)から低抵抗状態(RSET)に変化させるSET書き込みにおいて、選択ワード線の電圧を緩やかに非選択電圧レベルから選択電圧レベルに変化させ、選択ワード線の電圧が非選択レベルから選択レベルへと遷移する途中で書き込みを行うことにより、選択ビット線の急減な電圧変動を防いでいる。この技術的意義をさらに詳しく説明するため、ここで比較例について説明する。 As described above, in the first embodiment, the voltage of the selected word line is gradually changed from the non-selected voltage level in the SET write in which the variable resistance element is changed from the high resistance state (RRST) to the low resistance state (RSET). By changing to the selected voltage level and writing while the voltage of the selected word line transitions from the non-selected level to the selected level, a sudden voltage fluctuation of the selected bit line is prevented. In order to explain this technical significance in more detail, a comparative example will be described here.
(比較例1)
図5は、比較例1の抵抗変化性メモリにおけるメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。図5において、第1の実施形態の図1とほぼ同一である部分については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図5に示す比較例1では、図1に示すワード線電源回路部52は設けられておらず、サブワードドライバ151が活性化するときは、常に電源VPPから電源の供給を受けている。その他の構成については、第1の実施形態の図1とほぼ同一である。
(Comparative Example 1)
FIG. 5 is a circuit block diagram around the memory cell array in the resistance change memory according to the first comparative example. In FIG. 5, parts that are substantially the same as those in FIG. 1 of the first embodiment are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. In the comparative example 1 shown in FIG. 5, the word line power
図6は、比較例1の抵抗変化性メモリによる書き込み動作波形図である。図3の第1の実施形態と波形が異なる部分のみについて説明する。なお、後半のRESET書き込みについては、図3に示す第1の実施形態の動作波形図と同一であるので重複する説明は省略する。 FIG. 6 is a waveform diagram of a write operation by the resistance change memory of Comparative Example 1. Only a portion having a waveform different from that of the first embodiment of FIG. 3 will be described. Since the second half of RESET writing is the same as the operation waveform diagram of the first embodiment shown in FIG.
図6におけるSET書き込み動作について、図3の第1の実施形態の動作波形と異なる部分について説明する。タイミングt1までは、図3と同一である。タイミングt2において、アドレスデコーダ58からの信号に基づいて選択サブワード線を電圧VPPまで立ち上げている。従って、セルトランジスタ42のオン抵抗は十分に低い値に設定される。
The SET write operation in FIG. 6 will be described with respect to portions different from the operation waveforms of the first embodiment in FIG. Up to timing t1, it is the same as FIG. At the timing t2, the selected sub word line is raised to the voltage VPP based on the signal from the
タイミングt3でスイッチ制御信号SETSELBをロウレベルに立ち下げ、SETドライバ61の定電流源トランジスタ62から選択セルへ電流ICELLを流す。この段階では、抵抗変化素子はRRST(高抵抗)状態であるので、選択セル電流ICELLは制限される。
At timing t3, the switch control signal SETSELB is lowered to a low level, and a current ICELL is supplied from the constant
SET書き込み時、抵抗変化素子の抵抗変化は、メモリセルに電圧が印加されたタイミングt3から時間TSETW経過後のタイミングt4に生じるとしている。抵抗変化によって抵抗変化素子と書き込み回路系のインピーダンスの(DC的な)分圧関係が大きく変化するため、ビット線電位はその前後で大きく低下する。共通ビット線および選択ビット線は、各ビット線に接続されているトランジスタの拡散層容量、オンしているトランジスタのゲート容量、および配線容量等による大きな寄生容量を有する。したがって、抵抗変化速度が速い場合、急激な分圧関係の変化によって、この寄生容量からの電荷放出が生じ、選択メモリセルには最大値(IMAX)で示すICOMPよりも大きな過渡電流が(瞬時ではあるが)流れることとなる。このとき、SETドライバ61は共通ビット線75よりも高電位側に配置されているため、この過渡電流を抑制することができない。
At the time of SET writing, the resistance change of the resistance change element is assumed to occur at timing t4 after the lapse of time TSETW from timing t3 when the voltage is applied to the memory cell. Since the voltage-dividing relationship between the impedance of the resistance change element and the write circuit system is greatly changed by the resistance change, the bit line potential is greatly reduced before and after that. The common bit line and the selected bit line have a large parasitic capacitance due to a diffusion layer capacitance of a transistor connected to each bit line, a gate capacitance of a transistor that is turned on, a wiring capacitance, and the like. Therefore, when the resistance change rate is fast, a sudden change in the voltage division relationship causes charge discharge from the parasitic capacitance, and the selected memory cell has a transient current larger than ICOMP indicated by the maximum value (IMAX) (instantaneously). Will flow). At this time, since the
したがって、比較例1のような回路では過渡電流によってSETドライバで設定した最大電流(ICOMP)よりも大きな電流が選択メモリセルに印加されてしまう。抵抗変化素子のRSETはセット書き込み時に印加された最大電流に強く依存するため、これではRSETが過渡電流で決定されてしまい、任意の値に設定することができない。また、ビット線の配線抵抗値が高い場合、ビット線の遠端と近端においてIMAXに差が生じ、セル特性に遠近端差が生じる。 Therefore, in a circuit like the comparative example 1, a current larger than the maximum current (ICOMP) set by the SET driver is applied to the selected memory cell due to a transient current. Since RSET of the resistance change element strongly depends on the maximum current applied at the time of set writing, RSET is determined by the transient current and cannot be set to an arbitrary value. Further, when the wiring resistance value of the bit line is high, there is a difference in IMAX between the far end and the near end of the bit line, and a far end difference is caused in the cell characteristics.
図7は、比較例1の動作点を抵抗変化素子のI−V特性として示している(実際に電圧を掃引しているわけではなく、動作点のイメージとして記す)。IMAXによってRSET(低抵抗の抵抗値)が決定している。 FIG. 7 shows the operating point of Comparative Example 1 as the IV characteristic of the variable resistance element (not actually sweeping the voltage, but shown as an image of the operating point). RSET (resistance value of low resistance) is determined by IMAX.
このように、ライトアンプ回路単独によるICOMP制御では最大電流を適切に制御できないという問題点がある。 Thus, there is a problem that the maximum current cannot be appropriately controlled by the ICOMP control by the write amplifier circuit alone.
(比較例2)
図8は、比較例2の抵抗変化性メモリにおけるメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。図1に示す第1の実施形態の回路ブロック図とほぼ同一である部分は同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Comparative Example 2)
FIG. 8 is a circuit block diagram around the memory cell array in the resistance changeable memory according to the second comparative example. Portions that are substantially the same as those in the circuit block diagram of the first embodiment shown in FIG. 1 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
比較例2は、セルトランジスタのゲート電圧を調整することによりSET書き込み時の最大電流ICOMPを調整しようとするものである。比較例2では、ライトアンプ回路160に図1に示すような定電流源トランジスタ62を設けていない。SET書き込み時は、選択サブワード線SWLの電位(VWL)によってセルトランジスタの能力を調節することで書き込み時の最大電流(ICOMP)を制御する。ここでVWLはワード線電源回路部152によって選択される。図8に示す比較例2の回路は、ライトアンプ回路160に定電流源トランジスタ62を設けていない点と、ワード線電源回路部152の回路構成が異なる点を除いて、他はほぼ図1に示す第1の実施形態の回路構成と同一である。
In Comparative Example 2, the maximum current ICOMP at the time of SET writing is adjusted by adjusting the gate voltage of the cell transistor. In Comparative Example 2, the
図9は、比較例2の抵抗変化性メモリによる書き込み動作波形図である。セルトランジスタ42はビット線31および共通ビット線75の寄生容量に充電された電荷が放電する際に必ず通過するため、比較例2では、セルトランジスタ42の能力を制限することによって、放電による過度電流を抑制することができる。
FIG. 9 is a waveform diagram of a write operation by the resistance change memory according to the second comparative example. Since the
一方で、非特許文献3、非特許文献4に記載されているとおり、トランジスタのVTH(ゲート閾値電圧)のばらつき量はチャネル面積に依存する。例えば空乏層中の不純物濃度のばらつきに起因するVTH揺らぎの標準偏差ΔVTHは[数1]で表される。
On the other hand, as described in
[数1]において、Aは物理定数等で決まる定数、Lはチャネル長、Wはチャネル幅、Toxはゲート絶縁膜厚である。 In [Expression 1], A is a constant determined by a physical constant, L is a channel length, W is a channel width, and Tox is a gate insulating film thickness.
数10nmの加工寸法にまで微細化されたメモリセルアレイにおいては、セルトランジスタのチャネル面積は非常に小さく、ΔVTHは数10mV〜数100mVに及ぶ。また、不純物濃度のみならず微細加工やゲート絶縁膜厚のばらつき、さらにはキャリア移動度の揺らぎがトランジスタ特性に与える影響も微細化に伴い大きくなることが非特許文献4に記載されている。
In a memory cell array miniaturized to a processing size of several tens of nm, the channel area of a cell transistor is very small, and ΔVTH ranges from several tens of mV to several hundreds of mV. Further,
これらの要因により、微細化されたメモリセルではセルトランジスタのオン電流はメモリセル間で大きくばらつくため、図9中に示すICELLのように、メモリセルの最大電流値(ICOMP)はメモリセルごとに大きくばらつく。この傾向は電流を絞れば絞るほど、VGSに対するIDの感度が大きくなるため大きく現れる。 Due to these factors, in the miniaturized memory cell, the on-current of the cell transistor varies greatly between the memory cells. Therefore, the maximum current value (ICOMP) of the memory cell is different for each memory cell as shown in ICELL in FIG. It varies greatly. This tendency appears more greatly because the sensitivity of the ID to VGS increases as the current is reduced.
結果として、比較例2の方式を用いても低抵抗状態の抵抗値RSETはセルトランジスタの特性ばらつきに起因して、大きくばらついてしまう。図10は比較例2における動作点を抵抗変化素子のI−V特性として示している(実際に電圧を掃引しているわけではなく、動作点のイメージとして記す)。ICOMPのばらつきによって低抵抗状態の抵抗値RSETにばらつきが生じている。 As a result, even when the method of Comparative Example 2 is used, the resistance value RSET in the low resistance state varies greatly due to variations in the characteristics of the cell transistors. FIG. 10 shows the operating point in Comparative Example 2 as the IV characteristic of the resistance change element (not actually sweeping the voltage, but shown as an image of the operating point). Due to the variation in ICOMP, the resistance value RSET in the low resistance state varies.
(比較例1、比較例2と第1の実施形態との比較)
図11は、第1の実施形態による動作点を抵抗変化素子のI−V特性として示している(実際に電圧を掃引しているわけではなく、動作点のイメージとして記す)。2段階のワード線電位制御によって、ICOMPのメモリセル間差を小さくでき、RSETのメモリセル間ばらつきを小さくすることが可能となる。
(Comparison between Comparative Example 1, Comparative Example 2 and the first embodiment)
FIG. 11 shows the operating point according to the first embodiment as the IV characteristic of the variable resistance element (not actually sweeping the voltage, but shown as an image of the operating point). By the two-stage word line potential control, the difference between ICOMP memory cells can be reduced, and the variation between RSET memory cells can be reduced.
すなわち、図3におけるタイミングt3からt5の期間で、ワード線の電位制御(VWL)によりSET電流の最大値をIWCOMPに制限した1段目のSET書き込みを行う。その後、ワード線の電位をVPPまで遷移させてライトアンプ回路60のSETドライバ61で決まる最大電流ICOMPによって2段目のSET書き込みを行う。
That is, in the period from the timing t3 to the timing t5 in FIG. 3, the first-stage SET writing is performed in which the maximum value of the SET current is limited to IWCOMP by the word line potential control (VWL). Thereafter, the potential of the word line is changed to VPP, and the second stage SET writing is performed by the maximum current ICOMP determined by the
2段階のSET書き込みを行っているので図7に示す比較例1のように抵抗変化素子の急激な抵抗変化により過渡電流によりICOMPを超える最大電流が流れることを防いでいる。すなわち、1段目の書き込みにより抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗と低抵抗の中間段階の抵抗値に遷移させている。従って、2段目の書き込みによる抵抗値の変化の幅を小さくすることでできる。従って、比較例1のような急激な抵抗変化により大きな過渡電流が流れるのを防ぐことができる。この効果は、例えば、第2のワード線電源回路部のトランジスタサイズを小さくする等により2段目のゲート電圧の変化が緩やかになるように制御することにより、電流値がICOMPに達するまでの電流変化をさらに緩和し、ビット線の電位変化を緩和することにより過渡電流をさらに防ぐことができる。 Since the two-step SET writing is performed, the maximum current exceeding ICOMP is prevented from flowing due to the transient current due to the rapid resistance change of the resistance change element as in Comparative Example 1 shown in FIG. In other words, the resistance value of the variable resistance element is changed to the intermediate resistance value between the high resistance and the low resistance by writing in the first stage. Therefore, it is possible to reduce the width of the change in resistance value due to the second writing. Therefore, it is possible to prevent a large transient current from flowing due to a rapid resistance change as in Comparative Example 1. This effect is obtained by controlling the second stage gate voltage so that the change in the gate voltage at the second stage becomes gentle, for example, by reducing the transistor size of the second word line power supply circuit section, etc. By further mitigating the change and mitigating the potential change of the bit line, the transient current can be further prevented.
また、1段目のSET電流の最大値(IWCOMP)がばらつくことは図10に示す比較例2において、ICOMPがばらつくことと同様である。しかし、図11に示す第1の実施形態では、2段目のSET電流の最大値ICOMPは、ライトアンプ回路60のSETドライバ61で行っているので、SETドライバ61の電流精度に依存して精度よく最大電流値ICOMPを制御することが可能である。
Further, the variation in the maximum value (IWCOMP) of the first stage SET current is the same as the variation in ICOMP in the comparative example 2 shown in FIG. However, in the first embodiment shown in FIG. 11, since the maximum value ICOMP of the second stage SET current is performed by the
(TSETWのばらつきに対する対策について)
なお、上述したように図3におけるTSETWは、デバイスの特性等に依存する時間であり、TSETWの時間ばらつきを考慮してタイミングt5以降のタイミングを制御する必要がある。そのために以下のような対策を行うことが可能である。
(Measures against variations in TSETW)
As described above, TSETW in FIG. 3 is a time that depends on device characteristics and the like, and it is necessary to control the timing after timing t5 in consideration of the time variation of TSETW. Therefore, the following measures can be taken.
(1)試験時探索によるROM等を用いた時間調整
TSETWの期間は、試験用チップ、あるいは製品チップの一部のセルにおいて、テストモードにより、さまざまなTSETW期間によるセルへの書き込み試験を行い、(場合によっては、ほぼ)全てのセルが抵抗変化し、なおかつ最小となるTSETW期間を導き出す。製品チップには遅延回路等を用いてメタルヒューズやレーザーヒューズ等のROMスイッチの切り替えによって、TSETW期間を調節するための回路を具備しておき、導き出した最適値をそれらに設定する。製品チップにて、TSETW期間が短いために正確に書き換えられなかったセルが生じた場合は、そのセルは、救済回路によって、他のセル(冗長メモリセル)に置換される。
(1) Time adjustment using ROM or the like by search during test TSETW period is a test chip, or in some cells of the product chip, a test mode is used to perform a write test to the cell in various TSETW periods, A TSETW period is derived in which (in some cases, almost) all cells change resistance and are minimized. The product chip is provided with a circuit for adjusting the TSETW period by switching a ROM switch such as a metal fuse or a laser fuse using a delay circuit or the like, and the derived optimum values are set in them. When a cell that cannot be rewritten correctly due to a short TSETW period is generated in the product chip, the cell is replaced with another cell (redundant memory cell) by the relief circuit.
(2)リファレンスセルによるフィードバックを用いた時間調整
チップ内にTSETWを判定するためのセル(リファレンス−セル)を別途持ち、それらは通常リセット状態としておく。本セルへの書き込み動作時には、同時にそのリファレンス・セル(1個または複数個)に書き込み動作を行う。リファレンスセルはビット線の電位がモニタされており、そのリファレンスセルの抵抗変化に起因するビット線の電位低下を検知した直後、または検知後一定期間後を次の動作に移行するタイミングとする(例えば、図3におけるタイミングt5)。複数のリファレンスセルを用いる場合は、全てのリファレンスセルの電位変化を検知した後をTSETW期間の終了タイミングとする。検知方法はビット線の電位を検出する方法以外に電流の変化をモニタする方法もある。
(2) Time adjustment using feedback by reference cell A cell (reference cell) for determining TSETW is separately provided in the chip, and these are normally set in a reset state. During the write operation to this cell, the write operation is simultaneously performed on the reference cell (one or more). The reference cell is monitored for the potential of the bit line, and immediately after detecting a decrease in the potential of the bit line due to the resistance change of the reference cell, or after a certain period of time after the detection, a timing for shifting to the next operation (for example, , Timing t5 in FIG. When a plurality of reference cells are used, the end timing of the TSETW period is set after detecting potential changes in all the reference cells. In addition to the method of detecting the potential of the bit line, there is a method of monitoring a change in current.
[第2の実施形態]
第1の実施形態では、図3に示すとおり、SET書き込みにおいて、選択サブワード線SWLをタイミングt2で立ち上げた後、タイミングt3でSETドライバ61のスイッチ制御信号SETSELBをロウレベルに立ち下げ、SETドライバ61を共通ビット線に接続していた。このSETSELBの立ち下げと(選択)SWLの立ち上がりのタイミング、すなわち、選択ビット線LBLと選択サブワード線SWLの充電のタイミングを入れ替えても良い。たとえば、図12に示すようにタイミングt3で選択ビット線LBLを先に充電し、その後、タイミングt2で選択サブワード線SWLを充電しても良い。図示していないが、SET(低抵抗)状態のセルにSET書き込みを行った場合、選択ビット線LBLを先に充電する方式では、選択サブワード線SWLの2段階の立ち上げを用いない場合、SWLの立ち上がりによって選択セルに過渡電流が流れ、選択セルの抵抗値を更に低抵抗側に変化させてしまう懸念があるが、第1の実施形態で説明した2段階立ち上げでは、その初段時はセルトランジスタのオン抵抗が高いため、この過渡電流の抑制も期待できる。なお、SET書き込み時の選択ビット線LBLと選択サブワード線SWLのタイミング制御は、図2に示すコマンド制御回路20が行うことができる。従って、第2の実施形態の回路構成は、コマンド制御回路20の内部の制御タイミングが異なるだけであって、その他の構成については、図1に示す第1の実施形態の回路構成をそのまま用いることができる。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, in SET write, after the selected sub-word line SWL is raised at timing t2, the switch control signal SETSELB of the
[第3の実施形態]
図13は、第3の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。図13に示す回路ブロック図は、図1の示す第1の実施形態による回路ブロック図と、ライトアンプ回路60aと第3のワード線電源回路55aの構成が図1と異なる他は図1と同一である。
[Third Embodiment]
FIG. 13 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the third embodiment. The circuit block diagram shown in FIG. 13 is the same as FIG. 1 except that the circuit block diagram according to the first embodiment shown in FIG. 1 and the configuration of the write amplifier circuit 60a and the third word line
図1に示す第1の実施形態において、セットドライバとなる定電流源トランジスタ62は、飽和領域で動作している場合、ゲート電圧(VGS)のみにドレイン電流が依存した定電流源となるが、設定電流値が大きい場合や、VDSが小さくなる場合には、非飽和領域での動作となる場合がある。非飽和領域においては、ドレイン電流はVGSのほかにVDSに依存する。VDSは抵抗変化素子41の抵抗値によって変化するため、非飽和領域において定電流源トランジスタ62は定電流源としての役割を果たし難い。
In the first embodiment shown in FIG. 1, the constant
そこで、図13に示すように、SETドライバ61aの内部に、P型トランジスタである定電源源トランジスタ62と直列に、定電流源トランジスタ62のVDSを一定にするための、クランプトランジスタ63を直列に追加しても良い。クランプトランジスタ63のゲート電極には定電圧(VSDRREF)が印加されており、定電流源トランジスタ62のドレイン電位は、おおよそ定電圧VSDRREFとクランプトランジスタ63の閾値VTの和の電位となる。その結果、定電流源トランジスタ62のVDSは、セットドライバ61aに接続される負荷のインピーダンスによらず、おおよそ(VSET−(VSDRREF+VT))の一定値となる。これにより、定電流源トランジスタ62が非飽和領域となる動作点においても、SETドライバ61aは電流源として動作させることができる。
Therefore, as shown in FIG. 13, a
また、図1に示すワード線電源回路部52では、P型トランジスタを用いて、電源供給(電位選択)しているが、これに限ることはなく、CMOSスイッチあるいはN型トランジスタを用いて選択しても良い。図13では、第3のワード線電源回路55aのみCMOSスイッチを用いているが、他の電源回路も同様にCMOSスイッチあるいはN型トランジスタを用いても良い。
In the word line power
[第4の実施形態]
図14は、第4の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。図14は、ライトアンプ回路60bの回路構成が図1に示す第1の実施形態のライトアンプ回路60と異なる他は、図1に示す第1の実施形態と同一である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the fourth embodiment. FIG. 14 is the same as the first embodiment shown in FIG. 1 except that the circuit configuration of the write amplifier circuit 60b is different from the
図14に示すライトアンプ回路60bのSETドライバ61bは、図13に示す第3の実施形態のライトアンプ回路60aのSETトライバ61aにさらに差動アンプ65を付加している。SETドライバ61bに差動アンプ65を用いることで、定電流源トランジスタ62のドレインソース間電圧VDSを一定値に制御している。この方法では、ライトアンプ回路60bのレイアウト面積および消費電流は大きくなるものの、定電流源トランジスタ62のドレイン電圧を定電圧VSDRREFと同値に制御することができ、さらに高精度に書き込み時の最大電流ICOMPを制御することができる。
The SET driver 61b of the write amplifier circuit 60b shown in FIG. 14 further adds a differential amplifier 65 to the SET triver 61a of the write amplifier circuit 60a of the third embodiment shown in FIG. By using the differential amplifier 65 for the SET driver 61b, the drain-source voltage VDS of the constant
[第5の実施形態]
一方、書き込み時、セルの抵抗変化特性が書き込み電流に対し比較的鈍感であった場合、図1に示す第1の実施形態に対し、更にSETドライバを簡略化することもできる。図15に示すライトアンプ回路60cでは、ライトパルスの選択スイッチであるスイッチトランジスタ64のチャンネル幅Wのサイズを調節することのみで定電流を生成している。この場合、定電圧のリファレンス信号線VSETREFを必要としないため、電源回路が削減でき、メモリアレイ内の配線数を減らすことができる。また、ライトアンプのレイアウト面積を削減することができる。
[Fifth Embodiment]
On the other hand, when the resistance change characteristic of the cell is relatively insensitive to the write current at the time of writing, the SET driver can be further simplified as compared with the first embodiment shown in FIG. In the write amplifier circuit 60c shown in FIG. 15, a constant current is generated only by adjusting the size of the channel width W of the
[第6の実施形態]
第6、第7の実施形態は、メモリアレイ11(図2参照)内の配置の実施形態である。図16(a)は、第6の実施形態によるメモリアレイ11内の全体配置図である。図16(a)の一点鎖線内は、一つのメモリセルアレイ30を中心とする一つのMAT単位のレイアウトを示す。メモリアレイ11の内部は、MAT単位でメモリセルアレイ30がマトリスク状に配置されている。図16(a)では、MAT毎に、メモリセルアレイ30の他、サブワードドライバ51、ライトアンプ回路60、ビット線選択回路70が配置されている。各MATを貫く配線として、グローバルビット線(GBL)81とメインワード線(MWL)84が交差する方向に配線されている。センスアンプ12は、グローバルビット線81に接続され、同じグローバルビット線81に接続される各メモリセルアレイ30で共用されている。同様に、メインワード線84はXデコーダ14から配線され、メインワード線84方向に配置される各メモリセルアレイ30で共用されている。なお、図16(a)では、メモリセルアレイ30毎にライトアンプ回路60が設けられているが、例えば、グローバルビット線81が延在する方向に隣接する2つのメモリセルアレイ30でライトアンプ回路60を共用する配置であってもよい。
[Sixth Embodiment]
The sixth and seventh embodiments are embodiments of arrangement in the memory array 11 (see FIG. 2). FIG. 16A is an overall layout diagram in the
[第7の実施形態]
図16(b)は、第7の実施形態によるメモリアレイ11内の全体配置図である。第7の実施形態では、ライトアンプ回路60をMAT単位で配置せずに、センスアンプ12と同様に、グローバルビット線81を介して多数のMATでライトアンプ回路60を共用している。すなわち、図1に示すSETドライバ61、RESETセレクタ67はグローバルビット線選択スイッチ83の外にグローバルビット線81を介して配置される。
[Seventh Embodiment]
FIG. 16B is an overall layout diagram in the
なお、メモリアレイの配置は、図16(a)、(b)に限られず、様々な配置が可能である。たとえば、図16(a)のライトアンプ回路60と同様に、グローバルビット線81、センスアンプ12を各MATに対応して配置してもよい。また、図16(a)のようにMAT毎にライトアンプ回路60を設ける構成において、MATあたりのライトアンプ数を、MATあたりの同時書き込みセルの数に対応して、2、4、8個と複数設けてもよい。
The arrangement of the memory array is not limited to FIGS. 16A and 16B, and various arrangements are possible. For example, as in the
[第8の実施形態]
図1では、ワード線電源回路部52を各メモリセルアレイ(MAT)30ごとにその周辺に配置するイメージで説明したが、ワード線電源回路部52をXデコーダ14等に配置しても良い。第8、第9の実施形態は、ワード線電源回路部52をXデコーダ14に配置し、ワード線電源回路部52にデコードする機能を持たせた実施形態である。
[Eighth Embodiment]
In FIG. 1, the word line power
図17に、第8の実施形態によるXデコーダ14とサブワードドライバ51の回路ブロック図を示す。図中のLA<0>〜LA<3>はRowアドレスを示しており、アドレスデコーダ58でデコードされ、2ビットずつワード線電源回路部52に設けられたセレクタ56と、メインワード線ドライバ57に入力される。ワード線電源回路部52のセレクタ56からは、FX線の非反転信号と反転信号がサブワードドライバ51に接続される。また、メインワード線ドライバ57からは、メインワード線(MWL(B))がサブワードドライバ51に接続される。サブワードドライバ51では、これらの信号に基づいて、1つのサブワード線SWLが選択される。なお、図17に示す第8の実施形態では、ワード線電源回路53〜55は、いずれもCMOSスイッチ構成またはCMISスイッチ構成としている。
FIG. 17 shows a circuit block diagram of the
[第9の実施形態]
図18に、第9の実施形態によるXデコーダ14とサブワードドライバ51の回路ブロック図を示す。第9の実施形態では、ワード線電源回路部52のセレクタ56からは、FX線の非反転信号のみがサブワードドライバ51に接続され、メインワード線ドライバからは、反転レベルのメインワード線(MWL(B))と非反転レベルのメインワード線(MWL(T))がサブワードドライバ51に接続されている。サブワードドライバ51では、これらの信号に基づいて、1つのサブワード線SWLが選択される。
[Ninth Embodiment]
FIG. 18 shows a circuit block diagram of the
[第10の実施形態]
第10の実施形態は、抵抗変化素子に対してSET書き込みを行う場合の最大電流ICOMPの値を多段階に制御することにより、RSET(低抵抗)状態を多値に制御する実施形態である。図19は、第10の実施形態による半導体装置における抵抗変化素子のI−V特性図である。SET書き込みにおいて、1段目でRRST(高抵抗)状態とRSET(低抵抗)状態との中間段階の抵抗値に設定した後、最大書き込み電流ICOMPを多段階に設定することにより、多値メモリを実現することができる。第10の実施形態では、RRST(高抵抗)状態の抵抗値の他、RSET(低抵抗)状態の抵抗値を3段階に制御することにより、4値を有する多値メモリを実現している。
[Tenth embodiment]
The tenth embodiment is an embodiment in which the RSET (low resistance) state is controlled to multiple values by controlling the value of the maximum current ICOMP when performing SET writing to the variable resistance element in multiple stages. FIG. 19 is an IV characteristic diagram of the variable resistance element in the semiconductor device according to the tenth embodiment. In SET write, after setting the resistance value in the intermediate stage between the RRST (high resistance) state and the RSET (low resistance) state in the first stage, the multi-value memory is set by setting the maximum write current ICOMP in multiple stages. Can be realized. In the tenth embodiment, in addition to the resistance value in the RRST (high resistance) state, the resistance value in the RSET (low resistance) state is controlled in three stages, thereby realizing a multilevel memory having four values.
図20は、第10の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。図1に示す第1の実施形態とほぼ同一である部分については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 FIG. 20 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the tenth embodiment. Portions that are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
図20に示す第10の実施形態による回路ブロック図は、図1に示す第1の実施形態の回路ブロック図とライトアンプ回路60dのSETドライバ61dの回路構成を除いては、同一である。SETドライバ61dは、定電流源トランジスタ62−n(nは1から3までの整数)とスイッチトランジスタ64−nのペアを3通り備えている。各定電流源トランジスタ62−nのゲートには、それぞれ異なる定電圧VSETREF(01)、VSETREF(10)、VSETREF(11)が印加され、各定電流源トランジスタ62−nの定電流値をそれぞれ異なる値となるように設定されている。第10の実施形態では定電流源トランジスタ62−1は設定電流が最も小さく、定電流源トランジスタ62−3は設定電流が最も大きく、定電流源トランジスタ62−2はそれらの中間値に設定される。また、各スイッチトランジスタ64−nのゲートには、それぞれ異なる制御信号SETSELB(01)、SETSELB(10)、SETSELB(11)が接続される。
The circuit block diagram according to the tenth embodiment shown in FIG. 20 is the same as the circuit block diagram of the first embodiment shown in FIG. 1 except for the circuit configuration of the SET driver 61d of the
図21は、第10の実施形態による書き込み動作波形図である。書き込みタイミングそのものは、図3を用いて説明した第1の実施形態と同一である。多値の書き込みは、PRST(プログラムリセット)コマンドにより、リセットされたセルにPSET(プログラムセット)コマンドにより多値を書き込むことにより実現できる。例えば、00、01,10,11の4値のデータの書き込みを行う場合、それぞれ以下のようにして実現できる。 FIG. 21 is a write operation waveform diagram according to the tenth embodiment. The write timing itself is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. Multi-level writing can be realized by writing multi-level to a reset cell using a PRST (program reset) command using a PRST (program reset) command. For example, when writing four-valued data of 00, 01, 10, and 11, it can be realized as follows.
まず、PSET(プログラムセット)コマンドによる01、10、11の3値のいずれかを書き込む場合は、図20において、それぞれSETSELB(01)、SETSELB(10)、SETSELB(11)のいずれかを選択する(ロウレベルとする)ことによって行なう。
First, when writing any one of the three
一方、00を書き込む場合は全てのSETSELB信号を非選択(HIGH)とすることで書き込みをマスクし、セルのRESET状態を保持する。これにより図19に対応した書き込み動作を行うことがきる。 On the other hand, when 00 is written, writing is masked by setting all SETSELB signals to non-selection (HIGH), and the RESET state of the cell is held. As a result, the write operation corresponding to FIG. 19 can be performed.
また、4値のデータの選択や読み出し動作は、例えば、2桁目をアドレスに、一桁目をデータとして2値メモリに置換することで行なわれる。 In addition, the selection or reading operation of quaternary data is performed, for example, by substituting the binary memory with the second digit as an address and the first digit as data.
図22は、第10の実施形態による効果を説明する図面である。図22の横軸は素子抵抗値であり、縦軸は、素子数(素子ばらつき)を示す。また、第10の実施形態によるばらつきを実線で示し、2段階書き込みを行わない比較例(図20においてワード線電源回路部52を設けずに、サブワードドライバ51の電源は、図5のようにVPPに固定)によるばらつきを破線で示す。なお、図22では4値記憶セルの場合を表している。判定閾値は、読み出し時に、各データの判定基準となる電圧である。比較例による書き込み方法では、SET(セット)書き込みによって、01、10、11の3値のいずれかを書き込む場合、所望の書き込み最大電流(ICOMP(01)、ICOMP(10)、ICOMP(11))を超える過渡電流IMAXが瞬間的に流れ、抵抗値が低くなりすぎる恐れが生じる。図22では、比較例において、過渡電流IMAXにより抵抗値が低くなりすぎた場合を破線で示している。しかし、第10の実施形態によれば、SET書き込みにおいて抵抗値を高精度に書き込みことができるまで、十分な読み出しマージンを確保することができる。
FIG. 22 is a diagram for explaining the effect of the tenth embodiment. In FIG. 22, the horizontal axis represents the element resistance value, and the vertical axis represents the number of elements (element variation). Further, the variation according to the tenth embodiment is indicated by a solid line, and a comparative example in which the two-step writing is not performed (the power supply of the
[第11の実施形態]
多値メモリの実施形態において、図20に示す第10の実施形態SETドライバ61dは、様々に変形することが可能である。図23に第11の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図を示す。図23に示す第11の実施形態のSETドライバ61eでは、図20における電流源トランジスタ62−1〜62−3を省略し、スイッチトランジスタ(ドライバ選択トランジスタ)64a−1〜64a−3のトランジスタサイズWをドライバごとに異なる値に設定することで、より簡易的な構成にて電流量をコントロールしている。この第11の実施形態の場合、スイッチトランジスタ64a−1〜64a−3のゲート電圧はハイレベルとロウレベルの2値のみを取り、選択時には、対応するSETSELBはGND(VSS)電位のロウレベルとなる。
[Eleventh embodiment]
In the embodiment of the multilevel memory, the tenth embodiment SET driver 61d shown in FIG. 20 can be variously modified. FIG. 23 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the eleventh embodiment. In the SET driver 61e of the eleventh embodiment shown in FIG. 23, the current source transistors 62-1 to 62-3 in FIG. 20 are omitted, and the transistor size W of the switch transistors (driver selection transistors) 64a-1 to 64a-3 is omitted. By setting to a different value for each driver, the amount of current is controlled with a simpler configuration. In the case of the eleventh embodiment, the gate voltages of the
[第12の実施形態]
図24は、第12の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。第12の実施形態では、定電流源トランジスタ62とスイッチトランジスタ64を多値の各値に対し共有化している。図24に示す第12の実施形態では、VSETREFセレクタ69により定電流源トランジスタ62に与える電圧値を3種類の電圧値から選択して与えている。第12の実施形態において、VSETREFセレクタ69をアレイ外に配置し、複数のライトアンプ回路60でVSETREFセレクタ69を共有化する場合、ライトアンプ回路60のレイアウト面積の縮小化が可能である。
[Twelfth embodiment]
FIG. 24 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the twelfth embodiment. In the twelfth embodiment, the constant
但し、図21に動作波形図を示した第10の実施形態では、複数のセルを同時に書き込む場合、それぞれ異なる値を同時に書き込むことが可能であったが、第12の実施形態において、VSETREFセレクタ69をアレイ外に配置し、複数のライトアンプ回路60で共有化する場合、多値の各値(01、10、11の値)は時分割で書き込む必要がある。具体的には、4値メモリの場合、少なくとも01、10、11を3回にタイミングを分けて書き込む必要がある。このとき各タイミングでの書き込みの有無(データ(あるいはアドレス)との対応)はSETSELB信号の各タイミング下の選択状況によって決めることができる。すなわち、01、10、11の3回に分けて書き込みを行い、01、10、11のそれぞれの書き込みの際には、書き込みデータがそれぞれ01、10、11であるセルに対して書き込みを行う。
However, in the tenth embodiment whose operation waveform diagram is shown in FIG. 21, when a plurality of cells are simultaneously written, different values can be simultaneously written. In the twelfth embodiment, however, the
[第13の実施形態]
図25は、第13の実施形態による半導体装置のメモリセルアレイ周辺の回路ブロック図である。第13の実施形態は、多値メモリを実現する場合において、SETドライバを
共有化したさらに別な実施形態である。VSETREF(**)信号の選択トランジスタ(CMOSスイッチまたはCMISスイッチ)およびVSETREFの充電P型トランジスタを各データに対応して設けることで、図21に示す第10の実施形態と同様なタイミングチャートにて動作させることができる。各スイッチのトランジスタサイズは小さくてよいため、SETドライバトランジスタ(スイッチトランジスタ)64のサイズを大きくしなければならないとき第13の実施形態は有効となる。
[Thirteenth embodiment]
FIG. 25 is a circuit block diagram around the memory cell array of the semiconductor device according to the thirteenth embodiment. The thirteenth embodiment is yet another embodiment in which a SET driver is shared in the case of realizing a multi-level memory. By providing a VSETREF (**) signal selection transistor (CMOS switch or CMIS switch) and a VSETREF charge P-type transistor corresponding to each data, the same timing chart as in the tenth embodiment shown in FIG. It can be operated. Since the transistor size of each switch may be small, the thirteenth embodiment is effective when the size of the SET driver transistor (switch transistor) 64 must be increased.
このほか、第10乃至第13の実施形態における多値メモリを実現する場合においても、第2〜第9の実施形態に示した各実施形態と組み合わせて実施できることは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that the multilevel memory according to the tenth to thirteenth embodiments can be implemented in combination with the embodiments shown in the second to ninth embodiments.
[第14の実施形態]
図26は、第14の実施形態によるメモリシステムのブロック図である。図26のメモリシステム90は、メモリシステム90全体を制御する制御部92と、第1乃至第13の実施形態による抵抗変化素子を用いたメモリ部10aと、制御部92とメモリ部10aとを接続するシステムバス91とを備える。図26に示すように、システムバス91には、必要に応じてI/Oデバイス93や、DRAM94、SRAM95、ROM96などの異なったタイプの半導体メモリをさらに設けてもよい。
[Fourteenth embodiment]
FIG. 26 is a block diagram of a memory system according to the fourteenth embodiment. The
制御部92は、メモリ部10aやその他のメモリに格納されたプログラムやデータに基づいて、データ処理を行い、その結果をメモリ部10aや他のメモリに記憶させることができる。図26のメモリシステム90において、メモリ部10aや制御部92は、それぞれ、1チップ又は複数の半導体チップにより構成されていてもよいし、メモリ部10aや制御部92全体を同一の半導体基板上に形成する1チップのメモリシステムとして構成してもよい。
The
本願の技術思想は、不揮発性の記憶セルに関する半導体装置に適用できる。更に、図面で開示した各回路ブロック内の回路形式、その他の制御信号を生成する回路は、実施例に開示する回路形式に限られない。 The technical idea of the present application can be applied to a semiconductor device related to a nonvolatile memory cell. Further, the circuit format in each circuit block disclosed in the drawings and other circuits for generating control signals are not limited to the circuit format disclosed in the embodiments.
本発明の半導体装置の技術思想は、様々な半導体装置に適用することができる。例えば、CPU(Central Processing Unit)、MCU(Micro Control Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、ASSP(Application Specific Standard Product)、メモリ(Memory)等の半導体装置全般に、本発明を適用することができる。このような本発明が適用された半導体装置の製品形態としては、例えば、SOC(System on a Chip)、MCP(Multi Chip Package)やPOP(Package on Package)などが挙げられる。これらの任意の製品形態、パッケージ形態を有する半導体装置に対して本発明を適用することができる。 The technical idea of the semiconductor device of the present invention can be applied to various semiconductor devices. For example, a CPU (Central Processing Unit), an MCU (Micro Control Unit), a DSP (Digital Signal Processor), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and an ASP (Amplified Semiconductor). The present invention can be applied. Examples of the product form of the semiconductor device to which the present invention is applied include SOC (System on a Chip), MCP (Multi Chip Package), and POP (Package on Package). The present invention can be applied to a semiconductor device having any of these product forms and package forms.
また、トランジスタは、電界効果トランジスタ(Field Eeffect Transistor;FET)であれば良く、MOS(Metal Oxide Semiconductor)以外にもMIS(Metal−Insulator Semiconductor)、TFT(Thin Film Transistor)等の様々なFETに適用できる。さらにトランジスタの少なくとも一部は、バイポーラ型トランジスタであってもよい。 The transistor may be a field effect transistor (FET). In addition to a MOS (Metal Oxide Semiconductor), an MIS (Metal-Insulator Semiconductor), a TFT (Thin Film Transistor), or the like may be used. it can. Furthermore, at least a part of the transistors may be bipolar transistors.
また、本発明において、抵抗変化素子とは、抵抗に電流を流すことにより抵抗値を変えられる素子であれば、どのような動作原理に基づく、抵抗変化素子であってもよい。たとえば、抵抗変化素子は、電流を流すことにより、アモルファス状態と、結晶状態とに相変化する抵抗変化素子であってもよい。 In the present invention, the variable resistance element may be a variable resistance element based on any operating principle as long as the resistance value can be changed by passing a current through the resistance. For example, the resistance change element may be a resistance change element that changes phase between an amorphous state and a crystalline state by passing a current.
更に、NMOSトランジスタ(N型チャネルMOSトランジスタ)は、第1導電型のトランジスタ、PMOSトランジスタ(P型チャネルMOSトランジスタ)は、第2導電型のトランジスタの代表例である。 Further, the NMOS transistor (N-type channel MOS transistor) is a representative example of the first conductivity type transistor, and the PMOS transistor (P-type channel MOS transistor) is a representative example of the second conductivity type transistor.
本発明のさらに好ましい形態を以下に列挙する。 Further preferred forms of the present invention are listed below.
[形態1]
複数のビット線と、
前記複数のビット線と交差する方向に配線された複数のワード線と、
前記複数のビット線と前記複数のワード線との交点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルと、
ソース線と、
を有するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイに対応して設けられ、前記複数のワード線のうち、選択したワード線を駆動するワード線駆動回路と、
を備える半導体装置であって、
前記各メモリセルは、
一端が対応する前記ビット線に接続され印加電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の他端と対応する前記ワード線と前記ソース線とに接続され、前記対応するワード線に印加される電圧によって、前記抵抗変化素子の他端と前記ソース線との間の導通/非導通が制御されるトランジスタと、
を備え、
前記ワード線駆動回路は、前記ビット線と前記ワード線とを選択し対応する抵抗変化素子の抵抗値を書き込む場合に、選択するワード線が非選択レベルの第1の電圧から選択レベルの第2の電圧まで遷移する電圧プロファイルが、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を低抵抗から高抵抗に書き込む場合より高抵抗から低抵抗に書き込む場合の方が緩やかになるように前記選択するワード線を駆動する、ことを特徴とする半導体装置。
[Form 1]
Multiple bit lines,
A plurality of word lines wired in a direction intersecting the plurality of bit lines;
A plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
Source line,
A memory cell array having:
A word line driving circuit which is provided corresponding to the memory cell array and drives a selected word line among the plurality of word lines;
A semiconductor device comprising:
Each memory cell has
A resistance change element having one end connected to the corresponding bit line and capable of writing in a state where the resistance value is high resistance and low resistance by an applied current;
Conduction between the other end of the variable resistance element and the source line is connected to the word line and the source line corresponding to the other end of the variable resistance element, and is applied to the corresponding word line. A transistor whose non-conduction is controlled,
With
When the word line driving circuit selects the bit line and the word line and writes the resistance value of the corresponding resistance change element, the word line driving circuit selects the second voltage of the selected level from the first voltage of the non-selected level. The word line to be selected is selected so that the voltage profile that transitions to the voltage of the corresponding resistance change element becomes gentler when writing from the high resistance to the low resistance than when writing the resistance value of the corresponding variable resistance element from the low resistance to the high resistance. A semiconductor device which is driven.
上記[形態1]によれば、抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に遷移させる場合は、選択するワード線を第1の電圧から第2の電圧に緩やかに変化させることによりセルトランジスタのオン抵抗を徐々に低下させながら徐々に抵抗変化素子に流す電流を増加させ、抵抗変化素子が緩やかに高抵抗から低抵抗に遷移するように制御する。それによりビット線の急減な電位変化を防ぎ、最大電流を精度よく制御できる。一方、低抵抗から高抵抗に遷移させる場合は、最大電流を精度良く制御する必要がないので、すみやかにワード線の電位を遷移させ、書き込み時間を短縮する。 According to the above [Mode 1], when the variable resistance element is changed from high resistance to low resistance, the on-resistance of the cell transistor is changed by gradually changing the selected word line from the first voltage to the second voltage. The current flowing through the resistance change element is gradually increased while gradually reducing the resistance of the resistance change element so that the resistance change element gradually transitions from a high resistance to a low resistance. As a result, a sudden decrease in potential of the bit line can be prevented, and the maximum current can be accurately controlled. On the other hand, in the case of transition from low resistance to high resistance, it is not necessary to control the maximum current with high accuracy, so that the potential of the word line is quickly transitioned to shorten the writing time.
[形態2]
前記ワード線駆動回路は、当該抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗から低抵抗に書き込む場合に前記対応するワード線の電圧レベルを複数の段階に分けて階段状に前記第1の電圧から前記第2の電圧に遷移させ、前記抵抗値を低抵抗から高抵抗に書き込む場合に1段階で一挙に前記第1の電圧から前記第2の電圧へと遷移させる、ことを特徴とする形態1記載
の半導体装置。
[Form 2]
When the resistance value of the variable resistance element is written from a high resistance to a low resistance, the word line driving circuit divides the voltage level of the corresponding word line into a plurality of stages in a stepped manner from the first voltage to the first voltage. 2. The mode according to
上記[形態2]によれば、複数の段階に分けて階段状に電圧を変化させることにより、抵抗変化素子の抵抗値が一気に変化することを防ぎ、段階的に抵抗値を低下させる。従って、抵抗値の急減な低下により所望の電流値以上の電流が抵抗変化素子に流れることを防ぐことができる。なお、上記各実施形態では、階段状に電圧を変化させる段階として2段階に電圧を変化させることを好ましい実施形態として示したが、3段階以上の多段階に分けてゲート電圧を制御してもよい。 According to the above [Mode 2], by changing the voltage stepwise in a plurality of stages, the resistance value of the resistance change element is prevented from changing at once, and the resistance value is lowered stepwise. Therefore, it is possible to prevent a current greater than a desired current value from flowing through the resistance change element due to a sudden decrease in the resistance value. In each of the above embodiments, the voltage is changed in two steps as the step of changing the voltage stepwise. However, even if the gate voltage is controlled in three or more steps, the gate voltage is controlled. Good.
[形態3]
一端が第1の端子に接続された抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の他端にソースドレインの一方が接続され、第2の端子にソースドレインの他方が接続され、ゲートが第3の端子に接続されたセルトランジスタと、
を備え、第3の端子に選択レベルの電圧を与えて前記セルトランジスタを導通状態に設定するとともに、前記第1の端子と前記第2の端子との間で所定の電流を流すことにより、前記抵抗変化素子の抵抗値を所定の抵抗値に書き込み可能な抵抗変化性メモリ素子の書き込み方法であって、
抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に設定する場合に、
前記第1の端子を第1の電流を流す電流源に接続すると共に、前記第3の端子を非選択レベルの第1の電圧から前記第1の電圧と選択レベルの第2の電圧との間の電圧である第3の電圧に遷移させ、前記セルトランジスタを比較的高抵抗な状態で導通させ前記抵抗変化素子に前記第1の電流より少ない電流を流すことにより前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗状態と前記低抵抗状態の間の第1の抵抗値に設定する第1のステップと、
前記第3の端子の電圧を前記第3の電圧から前記第2の電圧に向けて緩やかに遷移させ、前記セルトランジスタのオン抵抗を徐々に低下させることによって前記抵抗変化素子に流れる電流値を徐々に前記第1の電流まで増加させ、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記第1の抵抗値から前記第1の電流によって定まる前記低抵抗状態の抵抗値に緩やかに遷移させる第2のステップと、
前記対応する第1の端子を前記電流源から切り離すと共に、前記第3の端子の電圧を前記非選択レベルの第1の電圧に戻し、書き込みを終了させる第3のステップと、
を含む、ことを特徴とする抵抗変化性メモリ素子の書き込み方法。
[Form 3]
A variable resistance element having one end connected to the first terminal;
A cell transistor in which one of the source and drain is connected to the other end of the variable resistance element, the other of the source and drain is connected to the second terminal, and a gate is connected to the third terminal;
And applying a voltage of a selection level to a third terminal to set the cell transistor in a conductive state, and passing a predetermined current between the first terminal and the second terminal, A resistance variable memory element writing method capable of writing a resistance value of a resistance change element to a predetermined resistance value,
When setting the resistance value from the high resistance state to the low resistance state,
The first terminal is connected to a current source for flowing a first current, and the third terminal is connected between the first voltage at a non-selection level and the second voltage at a selection level. The resistance value of the resistance change element is changed by causing the cell transistor to conduct in a relatively high resistance state and causing a current smaller than the first current to flow through the resistance change element. A first step of setting a first resistance value between the high resistance state and the low resistance state;
The voltage of the third terminal is gradually changed from the third voltage toward the second voltage, and the on-resistance of the cell transistor is gradually reduced, whereby the value of the current flowing through the resistance change element is gradually increased. A second step of gradually increasing the resistance value of the variable resistance element from the first resistance value to the resistance value in the low resistance state determined by the first current;
A third step of disconnecting the corresponding first terminal from the current source, returning the voltage of the third terminal to the first voltage of the non-selection level, and terminating writing;
A method for writing into a resistance-change memory element, comprising:
[形態4]
抵抗値を前記低抵抗状態から前記高抵抗状態に設定する場合に、
前記第3の端子の電圧を前記第1の電圧から前記第2の電圧に設定する第4のステップと、
前記第3の端子の電圧を前記第2の電圧に設定した後に、前記第1の端子と第2の端子との間に前記第2のステップとは逆方向に第2の電流を流し、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗状態に設定する第5のステップと、
前記第2の電流を停止すると共に、前記第3の端子の電圧を前記第2の電圧から前記第1の電圧に戻し、書き込みを終了させる第6のステップと、
をさらに含む、ことを特徴とする形態3記載の抵抗変化性メモリ素子の書き込み方法。
[Form 4]
When setting the resistance value from the low resistance state to the high resistance state,
A fourth step of setting the voltage of the third terminal from the first voltage to the second voltage;
After setting the voltage of the third terminal to the second voltage, a second current is passed between the first terminal and the second terminal in a direction opposite to the second step, A fifth step of setting a resistance value of the variable resistance element to the high resistance state;
A sixth step of stopping the second current, returning the voltage of the third terminal from the second voltage to the first voltage, and ending the writing;
The method for writing into a resistance-change memory element according to
本発明のさらに好ましい形態を以下に付記する。 Further preferred embodiments of the present invention are described below.
[付記1]
複数のビット線と、
前記複数のビット線と交差する方向に配線された複数のワード線と、
前記複数のビット線と前記複数のワード線とのそれぞれの交点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルと、
ソース線と、
を有するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイに対応して設けられ、前記複数のワード線のうち、選択したワード線を駆動するワード線駆動回路と、
を備える半導体装置であって、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
一端が対応する前記ビット線に接続され、印加電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の他端、対応する前記ワード線、及び前記ソース線に接続され、前記対応するワード線に印加される電圧によって、前記抵抗変化素子の他端と前記ソース線との間の導通/非導通が制御されるトランジスタと、
を備え、
前記ワード線駆動回路は、
前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗に書き込む場合、
前記選択するワード線を、前記トランジスタが非選択レベルの第1の電圧から、前記第1の電圧と前記トランジスタが選択レベルの第2の電圧との間の電圧である選択レベルの第3の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させ、
前記第3の電圧へ遷移させた後の所定時間後に、前記選択するワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する、ことを特徴とする半導体装置。
[Appendix 1]
Multiple bit lines,
A plurality of word lines wired in a direction intersecting the plurality of bit lines;
A plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to the intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
Source line,
A memory cell array having:
A word line driving circuit which is provided corresponding to the memory cell array and drives a selected word line among the plurality of word lines;
A semiconductor device comprising:
Each of the plurality of memory cells includes
One end is connected to the corresponding bit line, and the resistance change element is writable in a state where the resistance value is high resistance and low resistance by an applied current,
Conduction between the other end of the variable resistance element and the source line is connected to the other end of the variable resistance element, the corresponding word line, and the source line, and is applied to the corresponding word line. A transistor whose non-conduction is controlled,
With
The word line driving circuit includes:
When writing the resistance value of the corresponding variable resistance element from high resistance to low resistance,
The word line to be selected is selected from a first voltage at which the transistor is at a non-selection level to a third voltage at a selection level that is a voltage between the first voltage and a second voltage at which the transistor is at a selection level. And changing the resistance value of the corresponding variable resistance element to a first resistance value in a stage between the high resistance and the low resistance,
After a predetermined time after the transition to the third voltage, the selected word line is transitioned from the third voltage to the second voltage, and the resistance value of the corresponding variable resistance element is changed to the low resistance. A semiconductor device characterized by being set.
[付記2]
前記ワード線駆動回路は、
前記抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗に書き込む場合に、
前記ワード線を、前記第1の電圧から前記第3の電圧まで遷移させた後第1の時間が経過してから、前記第3の電圧から前記第2の電圧まで第2の時間をかけて当該ワード線の電圧を緩やかに遷移させ、
前記抵抗変化素子の抵抗値を、低抵抗から高抵抗に書き込む場合に、
前記第1の時間より短く、かつ、前記第2の時間より短い第3の時間のうちに、当該ワード線を前記第1の電圧から前記第2の電圧に遷移させることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
[Appendix 2]
The word line driving circuit includes:
When writing the resistance value of the variable resistance element from high resistance to low resistance,
After the first time has elapsed since the word line was transitioned from the first voltage to the third voltage, a second time was taken from the third voltage to the second voltage. The voltage of the word line is gradually changed,
When writing the resistance value of the variable resistance element from low resistance to high resistance,
[付記3]
前記ワード線駆動回路は、
前記ワード線に接続するワード線ドライバと、
前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第2のワード線ドライバ電源回路と、
前記第3の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第3のワード線ドライバ電源回路と、
を備える、ことを特徴とする付記1又は2記載の半導体装置。
[Appendix 3]
The word line driving circuit includes:
A word line driver connected to the word line;
A second word line driver power supply circuit for supplying the second voltage to the word line driver;
A third word line driver power supply circuit for supplying the third voltage to the word line driver;
The semiconductor device according to
[付記4]
前記ワード線駆動回路は、
選択されたワード線を直接駆動するワード線ドライバと、
前記抵抗変化素子を低抵抗から高抵抗に書き込む場合及びメモリセルの読み出し時に前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第1のワード線ドライバ電源回路と、
前記抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に書き込む場合に前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第2のワード線ドライバ電源回路と、
前記第3の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第3のワード線ドライバ電源回路と、
を備え、
前記第2のワード線ドライバ電源回路は、前記第1のワード線ドライバ電源回路より出力インピーダンスが高く、
前記抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に書き込む場合に前記第3のワード線トライバ電源回路を活性化させ、選択したワード線を前記第1の電圧から前記第3の電圧に設定した後、前記第3のワード線ドライバ電源回路を非活性化させると共に、前記第2のワード線ドライバ電源回路を活性化させ、前記選択したワード線を前記第3の電圧からさらに前記第2の電圧に設定することを特徴とする付記1又は2記載の半導体装置。
[Appendix 4]
The word line driving circuit includes:
A word line driver that directly drives the selected word line;
A first word line driver power supply circuit for supplying the second voltage to the word line driver when the variable resistance element is written from a low resistance to a high resistance and when reading a memory cell;
A second word line driver power supply circuit for supplying the second voltage to the word line driver when the variable resistance element is written from a high resistance to a low resistance;
A third word line driver power supply circuit for supplying the third voltage to the word line driver;
With
The second word line driver power supply circuit has a higher output impedance than the first word line driver power supply circuit,
When writing the variable resistance element from a high resistance to a low resistance, the third word line triber power supply circuit is activated, and the selected word line is set from the first voltage to the third voltage. The third word line driver power supply circuit is deactivated, the second word line driver power supply circuit is activated, and the selected word line is further set to the second voltage from the third voltage. The semiconductor device according to
[付記5]
前記半導体装置は、
ライトアンプと、
書き込み時に選択されたビット線を前記ライトアンプに接続し、選択されないビット線を前記ソース線に接続するビット線選択回路と、
をさらに備え、
前記ライトアンプと前記ソース線との間で前記ビット線選択回路と選択されたビット線と選択されたメモリセルとを介して電流を流すことにより前記選択されたメモリセルの抵抗変化素子に前記書き込みを行うことを特徴とする付記1乃至4いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 5]
The semiconductor device includes:
A light amplifier,
A bit line selection circuit for connecting a bit line selected at the time of writing to the write amplifier and a bit line not selected to be connected to the source line;
Further comprising
The write operation is performed on the resistance change element of the selected memory cell by causing a current to flow between the write amplifier and the source line via the bit line selection circuit, the selected bit line, and the selected memory cell. 5. The semiconductor device according to any one of
[付記6]
前記対応する抵抗変化素子を高抵抗である状態から低抵抗である状態に書き込みを行う場合に、前記ライトアンプを導通させて前記対応する抵抗変化素子に電流を流しながら前記選択するワード線の電圧を徐々に前記第2の電圧まで遷移させることを特徴とする付記5記載の半導体装置。
[Appendix 6]
When writing from the high resistance state to the low resistance state of the corresponding variable resistance element, the voltage of the word line to be selected is selected while conducting the current to the corresponding variable resistance element by turning on the write amplifier. The semiconductor device according to
[付記7]
前記対応する抵抗変化素子を低抵抗である状態から高抵抗である状態に書き込みを行う場合に、前記選択するワード線の電圧を予め第2の電圧まで遷移させてから、前記ライトアンプを導通させて前記書き込みを開始することを特徴とする付記6記載の半導体装置。
[Appendix 7]
When writing the corresponding variable resistance element from a low resistance state to a high resistance state, the voltage of the selected word line is transitioned to a second voltage in advance, and then the write amplifier is turned on. 7. The semiconductor device according to
[付記8]
外部から与えられたコマンドが選択されたメモリセルの抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に書き換えるコマンドである場合には、
前記ソース線を低電位に固定すると共に、前記複数のビット線のうち、選択されたビット線を前記ライトアンプに接続し、非選択のビット線を前記ソース線に接続する第1の制御と、
前記第1の制御の後に、選択されたワード線を前記第1の電圧と前記第2の電圧の間の電圧である第3の電圧に設定すると共に、前記ライトアンプを導通させ前記ライトアンプから前記選択されたビット線と選択されたメモリセルを介して前記ソース線に電流を流し、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗から前記高抵抗と低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に遷移させる第2の制御と、
前記第2の制御の後で前記選択されたワード線の電圧を前記第3の電圧から前記第2の電圧に緩慢に遷移させ選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第1の抵抗値から前記低抵抗に遷移させる第3の制御と、
前記第3の制御の後でライトアンプの駆動を終了させると共に前記選択されたワード線の前記第3の電圧での駆動を終了させる第4の制御と、
を実行するコマンド制御回路をさらに含むことを特徴とする付記5乃至7いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 8]
When the command given from the outside is a command to rewrite the resistance change element of the selected memory cell from high resistance to low resistance,
A first control for fixing the source line to a low potential, connecting a selected bit line of the plurality of bit lines to the write amplifier, and connecting a non-selected bit line to the source line;
After the first control, the selected word line is set to a third voltage, which is a voltage between the first voltage and the second voltage, and the write amplifier is turned on to A current is passed through the source line via the selected bit line and the selected memory cell, and a resistance value of the variable resistance element is changed from the high resistance to the high resistance and the low resistance. A second control for transitioning to a value;
After the second control, the voltage of the selected word line is slowly shifted from the third voltage to the second voltage, and the variable resistance element of the selected memory cell is changed to the first resistance value. A third control for making a transition from low to low resistance;
A fourth control for ending the driving of the write amplifier after the third control and ending the driving of the selected word line at the third voltage;
The semiconductor device according to any one of
[付記9]
前記第2の制御において、選択されたワード線を前記第3の電圧に設定する制御を行ってから、前記ライトアンプを導通させる制御を行うことを特徴とする付記8記載の半導体装置。
[Appendix 9]
9. The semiconductor device according to appendix 8, wherein in the second control, control for setting the selected word line to the third voltage is performed, and then control for turning on the write amplifier is performed.
[付記10]
前記第2の制御において、前記ライトアンプを導通させる制御を行ってから、選択されたワード線を前記第3の電圧に設定する制御を行うことを特徴とする付記8記載の半導体装置。
[Appendix 10]
9. The semiconductor device according to appendix 8, wherein in the second control, control is performed to turn on the write amplifier, and then control to set the selected word line to the third voltage is performed.
[付記11]
外部から与えられたコマンドが選択されたメモリセルの抵抗変化素子を低抵抗から高抵抗に書き換えるコマンドである場合には、
前記コマンド制御回路は、
前記ソース線を低電位から高電位に立ち上げると共に、前記複数のビット線のうち、選択されたビット線を前記ライトアンプに接続し、非選択のビット線を前記ソース線に接続する第5の制御と、
前記第5の制御の後に、選択されたワード線を前記第2の電圧に設定すると共に、前記ライトアンプを導通させ前記ソース線から前記選択されたメモリセルと選択されたビット線を介して前記ライトアンプへと電流を流す第6の制御と、
前記第6の制御の後で、ライトアンプの駆動を終了させ、前記選択されたワード線の前記第2の電圧での駆動を終了させ、前記ソース線の電位を低電位に戻す第7の制御と、
を実行することを特徴とする付記8乃至10いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 11]
When the command given from the outside is a command to rewrite the resistance change element of the selected memory cell from low resistance to high resistance,
The command control circuit includes:
The source line is raised from a low potential to a high potential, and among the plurality of bit lines, a selected bit line is connected to the write amplifier, and a non-selected bit line is connected to the source line. Control,
After the fifth control, the selected word line is set to the second voltage, and the write amplifier is turned on to pass the selected memory cell and the selected bit line from the source line. A sixth control for passing a current to the write amplifier;
After the sixth control, the driving of the write amplifier is terminated, the driving of the selected word line at the second voltage is terminated, and the seventh control for returning the potential of the source line to a low potential When,
11. The semiconductor device according to any one of appendices 8 to 10, wherein:
[付記12]
前記ライトアンプは、選択されたビット線に定電流を流すように制御する定電流源トランジスタを備えることを特徴とする付記5乃至11いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 12]
12. The semiconductor device according to any one of
[付記13]
前記ライトアンプは、前記定電流源トランジスタの電流出力端子に接続され、前記電流出力端子の出力電圧を一定の電圧にクランプするクランプトランジスタをさらに備えることを特徴とする付記12記載の半導体装置。
[Appendix 13]
13. The semiconductor device according to
[付記14]
差動入力端子に前記電流出力端子と基準電圧とが接続され、出力端子が前記クランプトランジスタのゲートに接続され、前記基準電圧の電圧値に基づいて前記電流出力端子の電圧が一定の電圧になるように制御する差動回路をさらに含むことを特徴とする付記13記載の半導体装置。
[Appendix 14]
The current output terminal and the reference voltage are connected to the differential input terminal, the output terminal is connected to the gate of the clamp transistor, and the voltage of the current output terminal becomes a constant voltage based on the voltage value of the
[付記15]
前記抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に書き込む際に前記ライトアンプに流す電流値を変えて書き込みを行うことにより、前記抵抗変化素子の抵抗値を3通り以上の多値に制御し、前記メモリセルを3値以上の値を記憶する多値メモリセルとすることを特徴とする付記5乃至14いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 15]
When writing the variable resistance element from a high resistance to a low resistance, the resistance value of the variable resistance element is controlled to three or more multi-values by changing the value of the current flowing through the write amplifier and writing. 15. The semiconductor device according to any one of
[付記16]
前記ライトアンプは、それぞれ前記多値に対応して電流値の異なる複数の電流源トランジスタを備え、書き込みしようとする多値の値によって前記電流値の異なる複数の電流源トランジスタの中から前記書き込みに使用する電流源トランジスタを選択して前記書き込みを実行することを特徴とする付記15記載の半導体装置。
[Appendix 16]
Each of the write amplifiers includes a plurality of current source transistors having different current values corresponding to the multi-values, and the write amplifier is configured to perform writing from among the plurality of current source transistors having different current values depending on the multi-values to be written. 16. The semiconductor device according to
[付記17]
前記ライトアンプは、前記複数の電流源トランジスタとそれぞれ直列に接続された複数のスイッチトランジスタをさらに備え、前記複数のスイッチトランジスタの導通/非導通を制御することにより、前記ライトアンプに流す電流値を制御することを特徴とする付記16記載の半導体装置。
[Appendix 17]
The write amplifier further includes a plurality of switch transistors connected in series with the plurality of current source transistors, respectively, and by controlling conduction / non-conduction of the plurality of switch transistors, a current value flowing through the write amplifier is determined. 18. The semiconductor device according to
[付記18]
電流源トランジスタに与えるバイアス電圧を前記多値に合わせて多段階に制御して前記電流源トランジスタに流す電流値を制御するバイアス電圧選択回路をさらに備えることを特徴とする付記15記載の半導体装置。
[Appendix 18]
16. The semiconductor device according to
[付記19]
複数の前記メモリセルアレイと、
前記複数のメモリセルアレイにそれぞれ対応して設けられた複数の前記ワード線駆動回路と、
前記複数のメモリセルアレイにそれぞれ対応して設けられた複数の前記ビット線選択回路と、
グローバルビット線と、
前記グローバルビット線に接続されたセンスアンプと、
前記複数のメモリセルアレイにそれぞれ対応して設けられ、対応するビット線選択回路により選択された対応するメモリセルアレイのビット線と前記グローバルビット線とを接続する複数のスイッチと、
を備え、
読み出し動作時には、前記複数のメモリセルアレイのうち、選択されたメモリセルアレイに対応する前記スイッチを導通させ、選択されたメモリセルアレイの内部で、前記ワード線と前記ビット線により選択されたメモリセルを前記グローバルビット線に接続し、選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗値を前記センスアンプによりデータとして判定して読み出しを行うことを特徴とする付記5乃至18いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 19]
A plurality of the memory cell arrays;
A plurality of the word line drive circuits provided corresponding to the plurality of memory cell arrays,
A plurality of the bit line selection circuits provided corresponding to the plurality of memory cell arrays,
Global bit lines,
A sense amplifier connected to the global bit line;
A plurality of switches provided corresponding to the plurality of memory cell arrays, respectively, for connecting the bit lines of the corresponding memory cell array selected by the corresponding bit line selection circuit and the global bit lines;
With
During the read operation, the switch corresponding to the selected memory cell array among the plurality of memory cell arrays is turned on, and the memory cell selected by the word line and the bit line is selected in the selected memory cell array. The semiconductor device according to any one of
[付記20]
前記複数のメモリセルアレイにそれぞれ対応して設けられた複数の前記ライトアンプを備え、書き込み動作時には前記スイッチを非導通に制御することを特徴とする付記19記載の半導体装置。
[Appendix 20]
20. The semiconductor device according to claim 19, further comprising a plurality of the write amplifiers provided corresponding to the plurality of memory cell arrays, wherein the switch is controlled to be non-conductive during a write operation.
[付記21]
前記ライトアンプが前記グローバルビット線に接続され、
外部から入力したデータに基づいて選択したメモリセルの抵抗変化素子に対して前記書き込みを行う書き込み動作時は、
前記複数のメモリセルアレイのうち、選択されたメモリセルアレイの前記スイッチを導通状態に制御し、前記選択されたメモリセルアレイの選択されたメモリセルが、当該ビット線選択回路と、当該スイッチと、前記グローバルスイッチとを介して前記ライトアンプに接続されることを特徴とする付記19記載の半導体装置。
[Appendix 21]
The write amplifier is connected to the global bit line;
At the time of the write operation for performing the write to the resistance change element of the memory cell selected based on the data input from the outside,
The switch of the selected memory cell array is controlled to be conductive among the plurality of memory cell arrays, and the selected memory cell of the selected memory cell array includes the bit line selection circuit, the switch, and the global 20. The semiconductor device according to appendix 19, wherein the semiconductor device is connected to the light amplifier via a switch.
[付記22]
選択した抵抗変化素子を高抵抗から低抵抗に書き込む場合は、前記選択した抵抗変化素子を経由して前記ライトアンプから前記ソース線へと電流を流し、
選択した抵抗変化素子を低抵抗から高抵抗に書き込む場合は、前記選択した抵抗変化素子を経由して前記ソース線から前記ライトアンプへと前記高抵抗から低抵抗に書き込む場合とは逆方向に電流を流し、
それぞれ書き込みすることを特徴とする付記5乃至21いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 22]
When writing the selected variable resistance element from a high resistance to a low resistance, a current is passed from the write amplifier to the source line via the selected variable resistance element,
When writing the selected resistance change element from a low resistance to a high resistance, the current flows in the opposite direction from the case of writing from the high resistance to the low resistance from the source line to the write amplifier via the selected resistance change element. Shed
22. The semiconductor device according to any one of
[付記23]
前記抵抗変化素子が、
前記一端に接続された第1の電極と、
前記他端に接続された第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に挟まれた絶縁膜と、
を備えることを特徴とする付記1乃至22いずれかに記載の半導体装置。
[Appendix 23]
The variable resistance element is
A first electrode connected to the one end;
A second electrode connected to the other end;
An insulating film sandwiched between the first electrode and the second electrode;
The semiconductor device according to any one of
[付記24]
複数のビット線と複数のワード線との交点にそれぞれ対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルを備え、
前記各メモリセルが、
一端が対応する前記ビット線に接続され流す電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の他端と対応する前記ワード線とソース線とに接続され、前記対応するワード線に印加される電圧によって、前記抵抗変化素子の他端と前記ソース線との間の導通/非導通が制御されるトランジスタと、
を備える半導体装置において、
前記ビット線とワード線とを選択し、対応する抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗から低抵抗に書き込む場合、
選択するビット線を電流源に接続するとともに、前記選択するワード線を非選択レベルの第1の電圧から前記第1の電圧と選択レベルの第2の電圧との間の電圧である第3の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させる第1の制御と、
前記選択するワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させ、前記対応する抵抗変化素子の前記第1の抵抗値を前記低抵抗に設定する第2の制御と、
前記選択するワード線を第1の電圧に戻すとともに、選択するビット線を前記電流源から切り離し、前記対応する抵抗変化素子への書き込みを終了させる第3の制御と、
を含むことを特徴とする半導体装置の制御方法。
[Appendix 24]
A plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to the intersections of a plurality of bit lines and a plurality of word lines, respectively,
Each of the memory cells
A resistance change element capable of writing in a state where a resistance value is high resistance and a state where the resistance value is low resistance by a current flowing at one end connected to the corresponding bit line;
The word line and the source line corresponding to the other end of the variable resistance element are connected to the word line and the source line, and a voltage applied to the corresponding word line causes conduction / conduction between the other end of the variable resistance element and the source line. A transistor whose non-conduction is controlled;
In a semiconductor device comprising:
When selecting the bit line and the word line and writing the resistance value of the corresponding variable resistance element from high resistance to low resistance,
The selected bit line is connected to a current source, and the selected word line is connected to a third voltage which is a voltage between the first voltage at the non-selection level and the second voltage at the selection level. A first control for making a transition to a voltage and changing a resistance value of the corresponding variable resistance element to a first resistance value in a stage between the high resistance and the low resistance;
A second control for transitioning the selected word line from the third voltage to the second voltage and setting the first resistance value of the corresponding variable resistance element to the low resistance;
A third control for returning the selected word line to the first voltage, disconnecting the selected bit line from the current source, and finishing writing to the corresponding variable resistance element;
A method for controlling a semiconductor device, comprising:
[付記25]
前記ビット線とワード線とを選択し、対応する抵抗変化素子の抵抗値を低抵抗から高抵抗に書き込む場合、
前記選択するワード線を前記第1の電圧から前記第2の電圧に遷移させる第4の制御と、
前記選択するワード線が第2の電圧に遷移した状態で選択するビット線に電流を流し、前記対応する抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗から前記高抵抗に遷移させる第5の制御と、
前記選択するワード線を第1の電圧に戻すとともに、選択するビット線に流れる電流を停止して前記対応する抵抗変化素子への書き込みを終了させる第6の制御と、
をさらに含むことを特徴とする付記24記載の半導体装置の制御方法。
[Appendix 25]
When selecting the bit line and the word line and writing the resistance value of the corresponding variable resistance element from low resistance to high resistance,
A fourth control for causing the selected word line to transition from the first voltage to the second voltage;
A fifth control for causing a current to flow through the selected bit line in a state in which the selected word line has transitioned to the second voltage, and causing the resistance value of the corresponding variable resistance element to transition from the low resistance to the high resistance;
A sixth control for returning the selected word line to the first voltage and stopping the current flowing through the selected bit line to finish writing to the corresponding variable resistance element;
The method of controlling a semiconductor device according to appendix 24, further comprising:
[付記26]
メモリ部と、
前記メモリ部の動作を制御すると共に前記メモリ部が記憶する情報を用いて情報処理を行う制御部と、
を備えるメモリシステムにおいて、
前記メモリ部は、
複数のビット線と、
前記複数のビット線と交差する方向に配線された複数のワード線と、
前記複数のビット線と前記複数のワード線との交点に対応してマトリクス状に設けられた複数のメモリセルと、
ソース線と、
前記複数のワード線のうち、選択したワード線を駆動するワード線駆動回路と、
を備え、
前記各メモリセルは、
一端が対応する前記ビット線に接続され流す電流によって抵抗値が高抵抗である状態と低抵抗である状態とに書き込み可能である抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の他端と対応する前記ワード線と前記ソース線とに接続され、前記対応するワード線に印加される電圧によって、前記抵抗変化素子の他端と前記ソース線との間の導通/非導通が制御されるトランジスタと、
を備え、
前記ビット線と前記ワード線とを選択し対応する抵抗変化素子の抵抗値を高抵抗である状態から低抵抗である状態に書き込む場合、前記ワード線駆動回路は選択するワード線を非選択レベルの第1の電圧から選択レベルの第2の電圧まで緩やかに遷移させ、前記第2の電圧への遷移が完了する前に前記抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗である状態に遷移させ、
前記メモリ部は、前記制御部からデータライトコマンドを受けたとき、データを前記抵抗変化素子の抵抗値に置き換えて前記書き込みを行い、前記制御部からデータリードコマンドを受けたとき、前記抵抗変化素子の抵抗値をデータに置き換えてデータリードを行うことを特徴とするメモリシステム。
[Appendix 26]
A memory section;
A control unit that controls the operation of the memory unit and performs information processing using information stored in the memory unit;
In a memory system comprising:
The memory unit is
Multiple bit lines,
A plurality of word lines wired in a direction intersecting the plurality of bit lines;
A plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
Source line,
A word line driving circuit for driving a selected word line among the plurality of word lines;
With
Each memory cell has
A resistance change element capable of writing in a state where a resistance value is high resistance and a state where the resistance value is low resistance by a current flowing at one end connected to the corresponding bit line;
Conduction between the other end of the variable resistance element and the source line is connected to the word line and the source line corresponding to the other end of the variable resistance element, and is applied to the corresponding word line. A transistor whose non-conduction is controlled,
With
When the bit line and the word line are selected and the resistance value of the corresponding variable resistance element is written from a high resistance state to a low resistance state, the word line driving circuit selects the word line to be selected at a non-selection level. A gradual transition from a first voltage to a second voltage at a selected level, and before the transition to the second voltage is completed, the resistance value of the resistance change element is transitioned to the low resistance state;
When the memory unit receives a data write command from the control unit, the memory unit performs the writing by replacing data with a resistance value of the resistance change element, and when the memory unit receives a data read command from the control unit, the resistance change element A memory system that performs data reading by replacing the resistance value of data with data.
本発明の全開示(特許請求の範囲及び図面を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施例ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の特許請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、特許請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 Within the scope of the entire disclosure (including claims and drawings) of the present invention, the examples and the examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. In addition, various combinations or selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention naturally includes various modifications and changes that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the drawings, and the technical idea.
10:半導体装置
10a:メモリ部
11:メモリアレイ(Memory array)
12:センスアンプ(Sense amp.)
13:カラムデコーダ(Column decorder)
14:Xデコーダ(X decorder)
15:モードレジスタ(Mode register)
16:ロウアドレスバッファ(Row address buffer)
17:カラムアドレスバッファ及びバーストカウンタ(Column address buffer and burst counter)
18:データコントロール回路(Data control circuit)
19:コマンドデコーダ(Command decorder)
20:コマンド制御回路(Command control circuit)
21:データ入出力回路(Data Input/Output circuit)
22:クロックジェネレータ(Clock generator)
23:DLL回路(DLL circuit)
30:メモリセルアレイ
31:ビット線
32:(サブ)ワード線
33:ソース線
36:ソース線ドライバ
40:メモリセル
41:抵抗変化素子
42:(セル)トランジスタ
45:第1の電極
46:第2の電極
47:絶縁膜
50:サブワード線駆動回路
51、151:サブワードドライバ
52、152:ワード線電源回路部
53:第1のワード線電源回路
54:第2のワード線電源回路
55、55a:第3のワード線電源回路
55−1:PMOSトランジスタ
55−2:NMOSトランジスタ
56:セレクタ
57:メインワード線ドライバ
58、58−1、58−2:アドレスデコーダ
60、60a、60b、60c、60d、60e、160:ライトアンプ回路
61、61a、61b、61d、61e:SETドライバ
62:定電流源トランジスタ
63:クランプトランジスタ
64:スイッチトランジスタ(PMOSトランジスタ)
65:差動アンプ
67:RESETセレクタ
68:スイッチトランジスタ(NMOSトランジスタ)
69:VSETREFセレクタ
70:ビット線選択回路
71〜74:ビット線選択スイッチ
75:共通ビット線
76:ソース線共通ビット線接続スイッチ
80:メモリアレイ
81:グローバルビット線
82:センスアンプ
83:スイッチ(グローバルビット線選択スイッチ)
84:メインワード線
90:メモリシステム
91:システムバス
92:制御部
93:I/Oデバイス
94:DRAM
95:SRAM
96:ROM
10:
12: Sense amplifier (Sense amp.)
13: Column decoder
14: X decoder
15: Mode register
16: Row address buffer
17: Column address buffer and burst counter (Column address buffer and burst counter)
18: Data control circuit (Data control circuit)
19: Command decoder
20: Command control circuit (Command control circuit)
21: Data input / output circuit (Data Input / Output circuit)
22: Clock generator
23: DLL circuit (DLL circuit)
30: Memory cell array 31: Bit line 32: (Sub) word line 33: Source line 36: Source line driver 40: Memory cell 41: Resistance change element 42: (Cell) transistor 45: First electrode 46: Second Electrode 47: Insulating film 50: Sub word
65: Differential amplifier 67: RESET selector 68: Switch transistor (NMOS transistor)
69: VSETREF selector 70: Bit line selection circuit 71-74: Bit line selection switch 75: Common bit line 76: Source line common bit line connection switch 80: Memory array 81: Global bit line 82: Sense amplifier 83: Switch (global Bit line selection switch)
84: Main word line 90: Memory system 91: System bus 92: Control unit 93: I / O device 94: DRAM
95: SRAM
96: ROM
Claims (29)
前記メモリセルの一端に接続するビット線と、
前記メモリセルの他端に接続するソース線と、
前記トランジスタのゲート電極に接続するワード線と、
前記ワード線に電圧を供給するワード線駆動回路と、を備え、
前記ワード線駆動回路は、
前記抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗にセットする場合、
前記ワード線を、前記トランジスタを非導通にする第1の電圧から、前記第1の電圧と前記トランジスタを第1のインピーダンスで導通にする第2の電圧との間の電圧であり前記トランジスタを前記第1のインピーダンスよりも高い第2のインピーダンスで導通にする第3の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させ、
前記第3の電圧へ遷移させた後の所定時間後に、前記ワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する、ことを特徴とする半導体装置。 A memory cell including a resistance change element that stores information in a resistance value and that is connected in series with each other, and a transistor that accesses the resistance change element,
A bit line connected to one end of the memory cell;
A source line connected to the other end of the memory cell;
A word line connected to the gate electrode of the transistor;
A word line driving circuit for supplying a voltage to the word line,
The word line driving circuit includes:
When setting the resistance value of the variable resistance element from high resistance to low resistance,
The word line is a voltage between a first voltage that causes the transistor to become non-conductive, and a voltage between the first voltage and a second voltage that causes the transistor to become conductive with a first impedance. A transition is made to a third voltage for conducting with a second impedance higher than the first impedance, and the resistance value of the variable resistance element is changed to a first resistance value at a stage between the high resistance and the low resistance. Change
A predetermined time after the transition to the third voltage, the word line is transitioned from the third voltage to the second voltage, and the resistance value of the variable resistance element is set to the low resistance; A semiconductor device.
前記抵抗変化素子の抵抗値を、低抵抗から高対抗にリセットする場合に、
前記所定時間を有することなく、前記ワード線を前記第1の電圧から前記第2の電圧に遷移させる、ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The word line driving circuit includes:
When resetting the resistance value of the variable resistance element from low resistance to high resistance,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the word line is transited from the first voltage to the second voltage without having the predetermined time.
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、前記セットする場合、
前記ビット線制御回路は、前記ワード線が前記第3の電圧に遷移してから、前記ビット線に第4の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 Furthermore, a bit line control circuit for controlling the voltage of the bit line is provided,
When the semiconductor device sets the resistance value of the variable resistance element,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the bit line control circuit supplies a fourth voltage to the bit line after the word line transitions to the third voltage.
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、前記セットする場合、
前記ソース線制御回路は、前記ソース線に前記第4の電圧よりも絶対値で低い第5の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項3記載の半導体装置。 A source line control circuit for controlling the voltage of the source line;
When the semiconductor device sets the resistance value of the variable resistance element,
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the source line control circuit supplies a fifth voltage that is lower in absolute value than the fourth voltage to the source line.
前記ビット線制御回路は、前記ワード線が前記第2の電圧に遷移してから、前記ビット線に第6の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 When the semiconductor device resets the resistance value of the variable resistance element,
The semiconductor device according to claim 4, wherein the bit line control circuit supplies a sixth voltage to the bit line after the word line transitions to the second voltage.
前記ソース線制御回路は、前記ソース線に前記第6の電圧よりも絶対値で高い第7の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。 When the semiconductor device resets the resistance value of the variable resistance element,
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the source line control circuit supplies a seventh voltage that is higher in absolute value than the sixth voltage to the source line.
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、前記セットする場合、
前記ビット線制御回路は、前記ワード線が前記第3の電圧に遷移する前に、前記ビット線に第4の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 Furthermore, a bit line control circuit for controlling the voltage of the bit line is provided,
When the semiconductor device sets the resistance value of the variable resistance element,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the bit line control circuit supplies a fourth voltage to the bit line before the word line makes a transition to the third voltage.
前記半導体装置は、前記抵抗変化素子の抵抗値を、前記セットする場合、
前記ソース線制御回路は、前記ソース線に前記第4の電圧よりも絶対値で低い第5の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置。 A source line control circuit for controlling the voltage of the source line;
When the semiconductor device sets the resistance value of the variable resistance element,
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the source line control circuit supplies a fifth voltage that is lower in absolute value than the fourth voltage to the source line.
前記ビット線制御回路は、前記ビット線に第6の電圧を供給し、
前記ソース線制御回路は、前記ソース線に前記第6の電圧よりも絶対値で高い第7の電圧を供給する、ことを特徴とする請求項8記載の半導体装置。 When the semiconductor device resets the resistance value of the variable resistance element,
The bit line control circuit supplies a sixth voltage to the bit line;
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the source line control circuit supplies a seventh voltage that is higher in absolute value than the sixth voltage to the source line.
前記ワード線に接続するワード線ドライバと、
前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第2のワード線ドライバ電源回路と、
前記第3の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第3のワード線ドライバ電源回路と、
を備える、ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の半導体装置。 The word line driving circuit includes:
A word line driver connected to the word line;
A second word line driver power supply circuit for supplying the second voltage to the word line driver;
A third word line driver power supply circuit for supplying the third voltage to the word line driver;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising:
前記リセット時に、前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給する第1のワード線ドライバ電源回路を備え、
前記第2のワード線ドライバ電源回路は、前記セット時に、前記第2の電圧を前記ワード線ドライバに供給し、
前記第3のワード線ドライバ電源回路は、前記セット時に、前記第3の電圧を前記ワード線ドライバに供給する、ことを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 The word line driving circuit further includes:
A first word line driver power supply circuit for supplying the second voltage to the word line driver at the time of reset;
The second word line driver power supply circuit supplies the second voltage to the word line driver during the setting,
11. The semiconductor device according to claim 10, wherein the third word line driver power supply circuit supplies the third voltage to the word line driver at the time of setting.
前記セットする場合、前記第3の電圧から前記第2の電圧に、第1の時間で遷移させ、
前記リセットする場合、前記第1の電圧から前記第2の電圧に、前記第1の時間よりも短い第2の時間で遷移させる、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 The word line driving circuit includes:
In the setting, the transition is made from the third voltage to the second voltage in a first time,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein, when the reset is performed, the transition is performed from the first voltage to the second voltage in a second time shorter than the first time.
前記ビット線制御回路は、
前記セット時に、前記ビット線に第4の電圧を供給するセットドライバを含み、
前記リセット時に、前記ビット線に第6の電圧を供給するリセットドライバを含む、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 Furthermore, a bit line control circuit for controlling the voltage of the bit line is provided,
The bit line control circuit includes:
A set driver for supplying a fourth voltage to the bit line during the setting;
The semiconductor device according to claim 2, further comprising a reset driver that supplies a sixth voltage to the bit line at the time of the reset.
複数の前記ビット線と、
前記複数のビット線と交差する方向に配線された複数の前記ワード線と、
前記複数のビット線と前記複数のワード線とのそれぞれの交点に対応してマトリクス状に設けられた複数の前記メモリセルと、をそれぞれ含む複数のメモリセルアレイと、
前記複数のビット線及び複数のメモリセルアレイに関連するグローバルビット線と、
前記複数のワード線及び複数のメモリセルアレイに関連するメインワード線と、
前記複数のビット線の電圧を制御するビット線制御回路と、を備える、ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 The semiconductor device includes:
A plurality of the bit lines;
A plurality of the word lines wired in a direction intersecting with the plurality of bit lines;
A plurality of memory cells each including a plurality of memory cells provided in a matrix corresponding to respective intersections of the plurality of bit lines and the plurality of word lines;
A global bit line associated with the plurality of bit lines and a plurality of memory cell arrays;
A main word line associated with the plurality of word lines and a plurality of memory cell arrays;
The semiconductor device according to claim 2, further comprising: a bit line control circuit that controls voltages of the plurality of bit lines.
前記メモリ部の動作を制御すると共に前記メモリ部が記憶する情報を用いて情報処理を行う制御部と、
を備えるメモリシステムにおいて、
前記メモリ部は、
互いに直列に接続する、抵抗値で情報を記憶する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子をアクセスするトランジスタと、を含むメモリセルと、
前記メモリセルの一端に接続するビット線と、
前記メモリセルの他端に接続するソース線と、
前記トランジスタのゲート電極に接続するワード線と、
前記ワード線に電圧を供給するワード線駆動回路と、を備え、
前記ワード線駆動回路は、
前記抵抗変化素子の抵抗値を、高抵抗から低抵抗にセットする場合、
前記ワード線を、前記トランジスタを非導通にする第1の電圧から、前記第1の電圧と前記トランジスタを第1のインピーダンスで導通にする第2の電圧との間の電圧であり前記トランジスタを前記第1のインピーダンスよりも高い第2のインピーダンスで導通にする第3の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記高抵抗と前記低抵抗の間の段階の第1の抵抗値に変化させ、
前記第3の電圧へ遷移させた後の所定時間後に、前記ワード線を前記第3の電圧から前記第2の電圧へ遷移させて、前記抵抗変化素子の抵抗値を前記低抵抗に設定する、
ことを特徴とするメモリシステム。 A memory section;
A control unit that controls the operation of the memory unit and performs information processing using information stored in the memory unit;
In a memory system comprising:
The memory unit is
A memory cell including a resistance change element that stores information in a resistance value and that is connected in series with each other, and a transistor that accesses the resistance change element,
A bit line connected to one end of the memory cell;
A source line connected to the other end of the memory cell;
A word line connected to the gate electrode of the transistor;
A word line driving circuit for supplying a voltage to the word line,
The word line driving circuit includes:
When setting the resistance value of the variable resistance element from high resistance to low resistance,
The word line is a voltage between a first voltage that causes the transistor to become non-conductive, and a voltage between the first voltage and a second voltage that causes the transistor to become conductive with a first impedance. A transition is made to a third voltage for conducting with a second impedance higher than the first impedance, and the resistance value of the variable resistance element is changed to a first resistance value at a stage between the high resistance and the low resistance. Change
A predetermined time after the transition to the third voltage, the word line is transitioned from the third voltage to the second voltage, and the resistance value of the variable resistance element is set to the low resistance;
A memory system characterized by that.
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-
2011
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