JP2013041649A - Write-in circuit of resistance change type nonvolatile storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子の書き込み回路に関する。 The present invention relates to a resistance variable nonvolatile memory element writing circuit.
抵抗変化素子(ReRAM)に代表される抵抗変化型の不揮発性記憶素子(以下、単に「不揮発性記憶素子」ともいう。)は、大容量化、高速動作、低消費電力及びビットコストが低い等の利点を備えるので、次世代の新型の不揮発性記憶素子として期待され、様々な開発が続けらている。 A variable resistance nonvolatile memory element represented by a variable resistance element (ReRAM) (hereinafter also simply referred to as “nonvolatile memory element”) has a large capacity, high speed operation, low power consumption, low bit cost, and the like. Therefore, it is expected as a next-generation new type non-volatile memory element, and various developments are being continued.
このような不揮発性記憶素子は、高抵抗状態(例えば、論理値「1」)と低抵抗状態(例えば、論理値「0」)の少なくとも2つの抵抗状態のいずれかをとり、正の電圧パルス及び負の電圧パルスが印加されたときに、その電圧パルスの極性に応じて、一方の抵抗状態から他方の抵抗状態に遷移する性質を有する。たとえば、不揮発性記憶素子が高抵抗状態(以下、「リセット状態」ともいう。)にある場合に、その不揮発性記憶素子の一端を基準に他端に対して一定の正電圧をもつパルス(以下、「セットパルス」ともいう。)を印加する(以下、「セットする」ともいう。)と、その不揮発性記憶素子は、低抵抗状態(以下、「セット状態」)に遷移する。一方、その不揮発性記憶素子が低抵抗状態(「セット状態」)にある場合に、その不揮発性記憶素子の一端を基準に他端に対して一定の負電圧をもつパルス(以下、「リセットパルス」ともいう。)を印加する(以下、「リセットする」ともいう。)と、その不揮発性記憶素子は、高抵抗状態(「リセット状態」)に遷移する。 Such a nonvolatile memory element has at least one of a high resistance state (for example, a logical value “1”) and a low resistance state (for example, a logical value “0”), and a positive voltage pulse. And when a negative voltage pulse is applied, it has the property of transitioning from one resistance state to the other according to the polarity of the voltage pulse. For example, when a nonvolatile memory element is in a high resistance state (hereinafter also referred to as “reset state”), a pulse having a constant positive voltage with respect to the other end with respect to one end of the nonvolatile memory element (hereinafter referred to as “reset state”). , (Also referred to as “set pulse”), the nonvolatile memory element transitions to a low resistance state (hereinafter referred to as “set state”). On the other hand, when the nonvolatile memory element is in a low resistance state (“set state”), a pulse having a constant negative voltage with respect to the other end with respect to one end of the nonvolatile memory element (hereinafter referred to as “reset pulse”). ”Is applied (hereinafter also referred to as“ reset ”), the nonvolatile memory element transitions to a high resistance state (“ reset state ”).
このような特性を有する不揮発性記憶素子に対して、いま、セット状態に書き込みたいケースを想定する。もっとも単純な書き込み方法として、その不揮発性記憶素子の抵抗状態に拘わらず、その不揮発性記憶素子に対してセットパルスを印加することが考えられる。しかしながら、このような書き込み方法では、既にセット状態にある不揮発性記憶素子に対してセットパルスを印加するという多重書き込みが行われてしまう可能性がある。セット状態にある不揮発性記憶素子に対してセットパルスを印加したり、その逆に、リセット状態にある不揮発性記憶素子に対してリセットパルスを印加したりするという多重書き込みは、不揮発性記憶素子に対して不要なエネルギーを印加することによる消費電力の増大を引き起こすだけでなく、不揮発性記憶素子に対して電気的ストレスがかかることによる不揮発性記憶素子の特性劣化(書き換え回数の減少等)を引き起こしてしまう。 Assume that a nonvolatile memory element having such characteristics is now written in a set state. As the simplest writing method, it is conceivable to apply a set pulse to the nonvolatile memory element regardless of the resistance state of the nonvolatile memory element. However, in such a writing method, there is a possibility that multiple writing in which a set pulse is applied to a nonvolatile memory element already in a set state may be performed. Multiple writing, such as applying a set pulse to a nonvolatile memory element in a set state and vice versa, applying a reset pulse to a nonvolatile memory element in a reset state is performed on the nonvolatile memory element. On the other hand, it not only increases power consumption by applying unnecessary energy, but also causes deterioration of characteristics of the nonvolatile memory element (reduction of the number of rewrites, etc.) due to electrical stress applied to the nonvolatile memory element. End up.
そこで、従来、このような多重書き込みを避ける技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。図12は、従来の書き込み方法の手順を示すフローチャートである。ここでは、不揮発性記憶素子に対する書き込みに際して、まず、その不揮発性記憶素子の抵抗状態を読み出し(S1)、書き込む必要(つまり、抵抗状態を反転させる必要)があるか否かを判定し(S2)、書き込む必要がある場合にのみ(S2でYes)、不揮発性記憶素子への書き込みを行う(S3)。たとえば、不揮発性記憶素子をセットする場合には、まず、その不揮発性記憶素子の抵抗状態を読み出し(S1)、読み出した結果に応じて、その不揮発性記憶素子がリセット状態にあるか否かを判断し(S2)、リセット状態にある場合にだけ(S2でYes)、その不揮発性記憶素子にセットパルスを印加する(S3)。これにより、多重書き込みが回避される。 Therefore, conventionally, a technique for avoiding such multiple writing has been proposed (see, for example, Patent Document 1). FIG. 12 is a flowchart showing a procedure of a conventional writing method. Here, when writing to a non-volatile memory element, first, the resistance state of the non-volatile memory element is read (S1), and it is determined whether or not it is necessary to write (that is, it is necessary to invert the resistance state) (S2). Only when it is necessary to write (Yes in S2), writing to the nonvolatile memory element is performed (S3). For example, when setting a non-volatile memory element, first, the resistance state of the non-volatile memory element is read (S1), and whether or not the non-volatile memory element is in a reset state according to the read result. Judgment is made (S2), and only in the reset state (Yes in S2), a set pulse is applied to the nonvolatile memory element (S3). Thereby, multiple writing is avoided.
しかしながら、上記従来の書き込み方法では、不揮発性記憶素子への書き込みのために、図12のフローチャートから分かるように、読み出し回路、判定回路、及び、書き込み回路が必要とされる。そのために、従来の技術では、不揮発性記憶素子の書き込み回路の規模が大きくなり、消費電力が増大したり、回路が複雑化したりするという問題がある。 However, in the conventional writing method, a read circuit, a determination circuit, and a write circuit are required for writing to the nonvolatile memory element, as can be seen from the flowchart of FIG. For this reason, the conventional technique has a problem that the scale of the write circuit of the nonvolatile memory element is increased, power consumption is increased, and the circuit is complicated.
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、簡素で、かつ、高速に、自立的に多重書き込みを回避した書き込みをすることができる抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路等を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such a problem, and writing of a variable resistance nonvolatile memory element that can perform writing while avoiding multiple writing in a simple and high speed manner. An object is to provide a circuit or the like.
上記目的を達成するために、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路の一形態は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子に対する書き込み回路であって、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合にだけ前記不揮発性記憶素子を低抵抗状態に遷移させるための電圧を前記不揮発性記憶素子に印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合にだけ前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態に遷移させるための電圧を前記不揮発性記憶素子に印加する。これにより、不揮発性記憶素子をセットする場合には、不揮発性記憶素子がリセット状態にある場合にだけセットパルスが印加され、一方、不揮発性記憶素子をリセットする場合には、不揮発性記憶素子がセット状態にある場合にだけリセットパルスが印加されるので、読み出し回路、判定回路、及び、書き込み回路等の回路を必要とすることなく、簡素で、かつ、高速に、多重書き込みを回避した書き込みが自動的(自立的)に行われる。 In order to achieve the above object, one embodiment of a resistance change nonvolatile memory element write circuit according to the present invention is a write circuit for a resistance change nonvolatile memory element, wherein the nonvolatile memory element has a high resistance. A voltage for causing the nonvolatile memory element to transition to a low resistance state is applied to the nonvolatile memory element only when the nonvolatile memory element is in a low resistance state, and only when the nonvolatile memory element is in a low resistance state Is applied to the non-volatile memory element. Thereby, when setting a non-volatile memory element, a set pulse is applied only when the non-volatile memory element is in a reset state. On the other hand, when resetting a non-volatile memory element, the non-volatile memory element is Since the reset pulse is applied only in the set state, writing that avoids multiple writing is simple and fast without the need for circuits such as a read circuit, a determination circuit, and a write circuit. It is done automatically (independently).
ここで、より詳しくは、前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれの抵抗状態にあるかに依存して前記一端に、前記抵抗状態を遷移させるための電圧を発生する電圧発生回路を備える。さらに詳しくは、前記電圧発生回路は、前記不揮発性記憶素子の抵抗状態を読み出して保持する保持部と、前記保持部で保持された抵抗状態に応じた電圧を前記不揮発性記憶素子の一端に印加する印加部とを有するを備える。 More specifically, the resistance state is connected to one end of the nonvolatile memory element, and the resistance state at the one end depends on whether the nonvolatile memory element is in a high resistance state or a low resistance state. A voltage generation circuit for generating a voltage for making a transition. More specifically, the voltage generation circuit reads and holds the resistance state of the nonvolatile memory element, and applies a voltage corresponding to the resistance state held by the holding part to one end of the nonvolatile memory element. And an applying unit.
このとき、前記保持部は、前記不揮発性記憶素子の高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との間の抵抗値をもつ参照抵抗を有し、前記参照抵抗の抵抗値と前記不揮発性記憶素子の抵抗値との大小関係を前記抵抗状態として保持し、前記印加部は、前記保持部に保持された大小関係に応じて、第1電圧及び前記第1電圧よりも低い第2電圧のいずれかを前記不揮発性記憶素子の一端に印加するのが好ましい。これにより、不揮発性記憶素子をセットする場合には、不揮発性記憶素子の抵抗値が参照抵抗の抵抗値より大きい場合にだけセットパルスが印加され、一方、不揮発性記憶素子をリセットする場合には、不揮発性記憶素子の抵抗値が参照抵抗の抵抗値より小さい場合にだけリセットパルスが印加される。 At this time, the holding unit has a reference resistance having a resistance value between a resistance value in a high resistance state and a resistance value in a low resistance state of the nonvolatile memory element, and the resistance value of the reference resistance and the nonvolatile memory element The magnitude relationship with the resistance value of the volatile memory element is held as the resistance state, and the application unit has a first voltage and a second voltage lower than the first voltage according to the magnitude relationship held in the holding unit. Is preferably applied to one end of the nonvolatile memory element. Thereby, when setting the nonvolatile memory element, the set pulse is applied only when the resistance value of the nonvolatile memory element is larger than the resistance value of the reference resistance, while when resetting the nonvolatile memory element. The reset pulse is applied only when the resistance value of the nonvolatile memory element is smaller than the resistance value of the reference resistance.
また、さらに、前記不揮発性記憶素子の他端に接続され、前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態及び低抵抗状態の一方に設定する場合に、第3電圧及び前記第3電圧よりも低い第4電圧のうちの一方を前記他端に印加し、前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態及び低抵抗状態の他方に設定する場合に、前記第3電圧及び前記第4電圧のうちの他方を前記他端に印加するスイッチ部を備えるとしてもよい。これにより、スイッチ部との連動により、多重書き込みを回避した書き込みが行われる。 Further, a fourth voltage lower than the third voltage and the third voltage is connected to the other end of the nonvolatile memory element and the nonvolatile memory element is set to one of a high resistance state and a low resistance state. When one of the voltages is applied to the other end and the nonvolatile memory element is set to the other of the high resistance state and the low resistance state, the other of the third voltage and the fourth voltage is set to the other A switch unit to be applied to the end may be provided. As a result, writing that avoids multiple writing is performed in conjunction with the switch unit.
また、抵抗変化型の不揮発性記憶素子に対する書き込み回路であって、前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合に前記一端に第1電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合に前記一端に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を印加する第1書き込み回路と、前記不揮発性記憶素子の他端に接続され、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合に前記他端に前記第2電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合に前記他端に、前記第1電圧を印加する第2書き込み回路とを備え、前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化される性質を有する構成としてもよい。これにより、2つの書き込み回路を用いて、多重書き込みを回避した書き込みが行われる。 In addition, the write circuit for the variable resistance nonvolatile memory element is connected to one end of the nonvolatile memory element, and applies a first voltage to the one end when the nonvolatile memory element is in a high resistance state. A first write circuit that applies a second voltage lower than the first voltage to the one end when the nonvolatile memory element is in a low resistance state, and is connected to the other end of the nonvolatile memory element; The second voltage is applied to the other end when the nonvolatile memory element is in a high resistance state, and the first voltage is applied to the other end when the nonvolatile memory element is in a low resistance state. The nonvolatile memory element has a resistance value lowered when a first voltage is applied to the one end and a second voltage is applied to the other end. A second voltage is applied to the If the first voltage is applied to the other end, the resistance value may be configured to have a property of being high resistance. Thereby, writing avoiding multiple writing is performed using two writing circuits.
また、抵抗変化型の不揮発性記憶素子を、第1抵抗値と前記第1抵抗値よりも大きな第2抵抗値との間の抵抗値に設定する多値書き込み回路であって、前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記一端に第1電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記一端に前記第1電圧よりも低い第2電圧を印加する第1書き込み回路と、前記不揮発性記憶素子の他端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記他端に前記第2電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記他端に前記第1電圧を印加する第2書き込み回路とを備え、前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化される性質を有する構成としてもよい。これにより、2つの書き込み回路を用いて、不揮発性記憶素子の抵抗値を2つの参照抵抗値の間に設定できる多値書き込みが行われる。よって、2つの参照抵抗値を変更する回路を付加することで、一つの不揮発性記憶素子の抵抗値を3以上の多値のいずれかに設定することが可能になり、1ビットで多値を記憶できるメモリセルが実現され、メモリセルあたりのメモリ容量が増大される。 In addition, the multi-value writing circuit sets the resistance change type nonvolatile memory element to a resistance value between a first resistance value and a second resistance value larger than the first resistance value. When the nonvolatile memory element is connected to one end of the element and has a resistance value smaller than the first resistance value, a first voltage is applied to the one end, and the nonvolatile memory element is more than the first resistance value. A first write circuit that applies a second voltage lower than the first voltage to the one end and the other end of the non-volatile memory element, and the non-volatile memory element is When the resistance value is smaller than the second resistance value, the second voltage is applied to the other end, and when the nonvolatile memory element has a resistance value larger than the second resistance value, the other end A second write circuit for applying the first voltage to The nonvolatile memory element has a high resistance when a first voltage is applied to the one end and a second voltage is applied to the other end, and the second voltage is applied to the one end. When the first voltage is applied to the other end, the resistance value may be reduced. Thereby, multi-value writing in which the resistance value of the nonvolatile memory element can be set between two reference resistance values using two write circuits is performed. Therefore, by adding a circuit for changing two reference resistance values, it becomes possible to set the resistance value of one nonvolatile memory element to any one of three or more multi-values. Memory cells that can be stored are realized, and the memory capacity per memory cell is increased.
また、抵抗変化型の不揮発性記憶素子を、第1抵抗値と前記第1抵抗値よりも大きな第2抵抗値との間の抵抗値に設定する多値書き込み回路であって、前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、第1電圧を前記一端に印加するとともに出力端子から出力し、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を前記一端に印加するとともに出力端子から出力する第1書き込み回路と、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記第2電圧を出力端子から出力し、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記第1電圧を出力端子から出力する第2書き込み回路と、前記不揮発性記憶素子の他端に接続された少なくとも2つのスイッチ素子とを備え、前記2つのスイッチ素子の一つは、前記第1書き込み回路の出力端子から前記第1電圧が出力されたときに、前記第2電圧を前記他端に印加し、前記2つのスイッチ素子の他の一つは、前記第2書き込み回路の出力端子から前記第1電圧が出力されたときに、前記第1電圧を前記他端に印加し、前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化される性質を有する構成としてもよい。これにより、2つの書き込み回路を用いて、不揮発性記憶素子の抵抗値を2つの参照抵抗値の間に設定できる多値書き込みが行われる。よって、2つの参照抵抗値を変更する回路を付加することで、一つの不揮発性記憶素子の抵抗値を3以上の多値のいずれかに設定することが可能になり、1ビットで多値を記憶できるメモリセルが実現され、メモリセルあたりのメモリ容量が増大される。 In addition, the multi-value writing circuit sets the resistance change type nonvolatile memory element to a resistance value between a first resistance value and a second resistance value larger than the first resistance value. When the nonvolatile memory element is connected to one end of an element and has a resistance value smaller than the first resistance value, a first voltage is applied to the one end and output from the output terminal, and the nonvolatile memory element is A first write circuit for applying a second voltage lower than the first voltage to the one end and outputting the output from an output terminal when the non-volatile memory element has the resistance value larger than the first resistance value; When the resistance value is smaller than the second resistance value, the second voltage is output from the output terminal, and when the nonvolatile memory element has a resistance value larger than the second resistance value, the first voltage is output. Output from the output terminal. A second write circuit; and at least two switch elements connected to the other end of the nonvolatile memory element, wherein one of the two switch elements is connected to the first voltage from an output terminal of the first write circuit. Is output to the other end, and the other one of the two switch elements is when the first voltage is output from the output terminal of the second write circuit. The first voltage is applied to the other end, and the nonvolatile memory element has a high resistance value when the first voltage is applied to the one end and the second voltage is applied to the other end. It is good also as a structure which has a characteristic which resistance is made low, when a 2nd voltage is applied to the said one end, and a 1st voltage is applied to the said other end when it resistance-izes. Thereby, multi-value writing in which the resistance value of the nonvolatile memory element can be set between two reference resistance values using two write circuits is performed. Therefore, by adding a circuit for changing two reference resistance values, it becomes possible to set the resistance value of one nonvolatile memory element to any one of three or more multi-values. Memory cells that can be stored are realized, and the memory capacity per memory cell is increased.
なお、本発明は、以上のような抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路及び多値書き込み回路として実現できるだけでなく、これらの書き込み回路及び多値書き込み回路による書き込み手順を行う、あるいは、書き込み手順を制御する書き込み回路の駆動方法として実現してもよい。 The present invention can be realized not only as a write circuit and a multi-value write circuit of the variable resistance nonvolatile memory element as described above, but also by performing a write procedure using these write circuit and multi-value write circuit, or a write procedure. It may be realized as a driving method of a writing circuit for controlling the above.
本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路等によれば、簡素で、かつ、高速に、自立的に多重書き込みを回避した書き込みをすることができる抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路等が実現される。 According to the variable resistance nonvolatile memory element writing circuit and the like according to the present invention, writing of the variable resistance nonvolatile memory element that can perform writing while avoiding multiple writing in a simple and fast manner is possible. A circuit or the like is realized.
よって、大容量、高速動作及び低消費電力の不揮発性メモリが必要とされる電子機器が普及してきた今日における本発明の実用的価値は極めて高い。 Therefore, the practical value of the present invention is extremely high today when electronic devices requiring a large capacity, high-speed operation and low power consumption nonvolatile memory have become widespread.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される回路要素、接続形態、トランジスタの型、動作手順等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Circuit elements, connection modes, transistor types, operation procedures, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. The invention is limited only by the claims. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of the present invention are not necessarily required to achieve the object of the present invention. It will be described as constituting a preferred form.
図1は、本発明の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路の回路図である。なお、本図では、抵抗変化型不揮発性記憶素子として、抵抗変化素子2が用いられているが、抵抗値が変化する不揮発性記憶素子であれば、他のタイプの不揮発性記憶素子(例えば、相変化メモリ(PRAM)、磁気抵抗メモリ(MRAM)等)であってもよい。また、本実施の形態では、抵抗変化素子2は、図示された接続状態において、下側端子を基準に上側端子にHigh電圧(例えば、電圧Vdd)が印加されると低抵抗状態に遷移し(セットされ)、一方、上側端子を基準に下側端子にHigh電圧(例えば、電圧Vdd)が印加されると高抵抗状態に遷移する(リセットされる)特性を有するとする。
FIG. 1 is a circuit diagram of a write circuit of a variable resistance nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention. In this figure, the
この書き込み回路1は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子(ここでは、抵抗変化素子2)に対する書き込み回路であって、抵抗変化素子2が高抵抗状態(リセット状態)にある場合にだけ抵抗変化素子2を低抵抗状態に遷移させるための電圧を抵抗変化素子2に印加(セット)し、抵抗変化素子2が低抵抗状態(セット状態)にある場合にだけ抵抗変化素子2を高抵抗状態に遷移させるための電圧を抵抗変化素子2に印加(リセット)する機能を有する。
The
具体的には、この書き込み回路1は、電圧発生回路25と、スイッチ部40とを備える。電圧発生回路25は、抵抗変化素子2の一端(図示における上側端子)に接続され、抵抗変化素子2が高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれの抵抗状態にあるかに依存して、その一端(上側端子)に、抵抗状態を遷移させるための電圧を発生する。ここでは、電圧発生回路25は、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合に、High電圧(例えば、電圧Vdd)を抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加し、一方、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合に、Low電圧(例えば、GND電位)を抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加する。
Specifically, the
また、スイッチ部40は、抵抗変化素子2の他端(図示における下側端子)に接続され、抵抗変化素子2を高抵抗状態及び低抵抗状態の一方に設定する場合に、第3電圧(ここでは、High電圧)及び第3電圧よりも低い第4電圧(ここでは、Low電圧)のうちの一方を他端(下側端子)に印加し、抵抗変化素子2を高抵抗状態及び低抵抗状態の他方に設定する場合に、第3電圧(High電圧)及び第4電圧(Low電圧)のうちの他方を他端に印加する。具体的には、スイッチ部40は、直列に接続された、電圧Vdd用の電源41とスイッチ42とから構成され、スイッチ42により、図示されていない制御回路からの制御の下で、抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合に、Low電圧を抵抗変化素子2の他端(下側端子)に印加し、抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合に、High電圧を抵抗変化素子2の他端(下側端子)に印加する。
The
このような構成により、本実施の形態における書き込み回路1によれば、以下の動作が行われる。
With such a configuration, the
(1)抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合
抵抗変化素子2の下側端子は、上述したスイッチ部40により、Low電位(GND)に固定される。
(1) When the
一方、抵抗変化素子2の上側端子には、上述した電圧発生回路25により、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合には、High電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合には、Low電圧が印加される。
On the other hand, when the
この結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態(リセット状態)にある場合にだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、下側端子を基準に上側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する(セットされる)。つまり、抵抗変化素子2が既に低抵抗状態にある場合には、抵抗変化素子2の両端には電圧が印加されず、多重書き込みが回避される。
As a result, only when the
(2)抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合
抵抗変化素子2の下側端子は、上述したスイッチ部40により、High電位(電圧Vdd)に固定される。
(2) When the
一方、抵抗変化素子2の上側端子には、上述した電圧発生回路25により、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合には、High電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合には、Low電圧が印加される。
On the other hand, when the
この結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態(セット状態)にある場合にだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、上側端子を基準に下側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する(リセットされる)。つまり、抵抗変化素子2が既に高抵抗状態にある場合には、抵抗変化素子2の両端には電圧が印加されず、多重書き込みが回避される。
As a result, only when the
以下、このような書き込み回路1を構成する電圧発生回路25について、より詳しく説明する。
Hereinafter, the
電圧発生回路25は、図1に示されるように、抵抗変化素子2の抵抗状態を読み出して保持する保持部10と、保持部10で保持された抵抗状態に応じた電圧を抵抗変化素子2の一端(上側端)に印加する印加部30とを有するセンスアンプである。
As shown in FIG. 1, the
保持部10は、抵抗変化素子2の高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との間の抵抗値をもつ参照抵抗21を有し、参照抵抗21の抵抗値と抵抗変化素子2の抵抗値との大小関係を抵抗変化素子2の抵抗状態として保持するラッチ回路である。この保持部10は、参照抵抗21に加えて、SRAMを構成するトランジスタ(NMOSトランジスタ11、13〜15、17〜20、PMOSトランジスタ12及び16)から構成される。
The holding
PMOSトランジスタ12のソースは電源電圧Vddに接続され、PMOSトランジスタ12のドレインはNMOSトランジスタ13のドレインと接続され、NMOSトランジスタ13のソースはNMOSトランジスタ14及び11のドレインと接続され、NMOSトランジスタ14のソースはNMOSトランジスタ19のドレインと接続され、NMOSトランジスタ19のソースはGNDに接続されている。同様に、PMOSトランジスタ16のソースは電源電圧Vddに接続され、PMOSトランジスタ16のドレインはNMOSトランジスタ17のドレインと接続され、NMOSトランジスタ17のソースはNMOSトランジスタ18及び20のドレインと接続され、NMOSトランジスタ18のソースはNMOSトランジスタ19のドレインと接続されている。
The source of the
PMOSトランジスタ12のゲートと、NMOSトランジスタ13及び14のゲートと、NMOSトランジスタ15の一端と、PMOSトランジスタ16のドレインとは相互に接続されている。同様に、PMOSトランジスタ16のゲートと、NMOSトランジスタ17及び18のゲートと、NMOSトランジスタ15の他端と、PMOSトランジスタ12のドレインとは相互に接続されている。
The gate of the
NMOSトランジスタ11のソースは、抵抗変化素子2の一端(上側端子)及びPMOSトランジスタ31のドレインに接続されている。同様に、NMOSトランジスタ20のソースは、参照抵抗21の一端(上側端子)及びPMOSトランジスタ32のドレインに接続されている。参照抵抗21の他端(下側端子)はGNDに接続されている。
The source of the
なお、NMOSトランジスタ11のゲート及びNMOSトランジスタ20のゲートには、図示されていない制御回路から制御信号wlが送られてくる。また、NMOSトランジスタ19のゲートには、図示されていない制御回路から制御信号reが送られてくる。
A control signal wl is sent from a control circuit (not shown) to the gate of the
印加部30は、保持部10に保持された状態(抵抗変化素子2の抵抗値と参照抵抗21の抵抗値との大小関係)に応じて、第1電圧及び第1電圧よりも低い第2電圧のいずれかを抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加する回路であり、ここでは、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合に、抵抗変化素子2の上側端子にHigh電圧を印加し、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合に、抵抗変化素子2の上側端子にLow電圧を印加するためのトランジスタ(PMOSトランジスタ31及び32)から構成される。
The
以上のように構成された本実施の形態における電圧発生回路25の動作について、図2A〜図2Cを用いて説明する。この電圧発生回路25は、抵抗変化素子2の書き込み内容(セットするか、リセットするか)及び抵抗変化素子2の現在の抵抗状態に依存することなく、常に、図2A〜図2Cに示される3つのステップで書き込み動作を行う。
The operation of the
まず、第1のステップとして、図2Aのタイミングチャートにおけるタイミング1に示されるように、制御信号wlと制御信号reと制御信号seと制御信号we_invとがHigh(例えば、電圧Vdd)となる。この状態では、印加部30(PMOSトランジスタ31及び32)がOFFになるとともに、保持部10を構成する全てのトランジスタがONする。このとき、NMOSトランジスタ15がONすることから、NMOSトランジスタ14及びNMOSトランジスタ18のゲートが同電位となり、その結果、NMOSトランジスタ14及びNMOSトランジスタ18のドレインが同電位と(イコライズされた状態)なる。そして、NMOSトランジスタ11及び20がONしているので、抵抗変化素子2及び参照抵抗21の上側端子には同電位の電圧が印加される。その結果、抵抗変化素子2の抵抗値Rm及び参照抵抗21の抵抗値Rrefに依存して、抵抗変化素子2及び参照抵抗21のそれぞれに、電流Im及びIrefが流れる。たとえば、Rm>Rrefの場合には、Iref>Imとなる。なお、この第1のステップでは、図1におけるスイッチ部40では、スイッチ42はGND接続となる。
First, as a first step, as indicated by timing 1 in the timing chart of FIG. 2A, the control signal wl, the control signal re, the control signal se, and the control signal we_inv become High (for example, the voltage Vdd). In this state, the application unit 30 (
次に、第2のステップとして、図2Bのタイミングチャートにおけるタイミング2に示されるように、Highになっていた制御信号seだけがLow(例えば、GND)になる。この状態では、印加部30(PMOSトランジスタ31及び32)がOFFのままであり、保持部10では、正帰還(増幅)が起こり、SRAM(ラッチ回路)として、抵抗変化素子2と参照抵抗21の抵抗の大小関係を保持する。たとえば、Rm>Rref(つまり、Iref>Im)である場合には、ノードvout_left(PMOSトランジスタ12とNMOSトランジスタ13との接続点)の電位が電圧Vddに近づき、一方、ノードvout_right(PMOSトランジスタ16とNMOSトランジスタ17との接続点)の電位がGNDに近づく。なお、この第2のステップでは、図1におけるスイッチ部40では、スイッチ42はGND接続となる。
Next, as a second step, as indicated by timing 2 in the timing chart of FIG. 2B, only the control signal se that has become High becomes Low (for example, GND). In this state, the application unit 30 (
最後に、第3のステップとして、図2Cのタイミングチャートにおけるタイミング4に示されるように、制御信号wlがLowになっている状態で、Highになっていた制御信号we_invがLowになる。その結果、NMOSトランジスタ11及び20がOFFであることから、保持部10では、保持状態が維持されるとともに、PMOSトランジスタ31及び32がONになることから、印加部30では、ノードvout_leftの電位が抵抗変化素子2の上側端子に印加されるとともに、ノードvout_rightの電位が参照抵抗21の上側端子に印加される(つまり、書き込みが行われる)。たとえば、Rm>Rref(つまり、Iref>Im)である場合には、抵抗変化素子2の上側端子にはHigh電圧が印加されるとともに、参照抵抗21の上側端子にはLow電圧が印加される。一方、Rm<Rref(つまり、Iref<Im)である場合には、抵抗変化素子2の上側端子にはLow電圧が印加されるとともに、参照抵抗21の上側端子にはHigh電圧が印加される。なお、この第3のステップでは、図1におけるスイッチ部40では、スイッチ42は、セット時にはGND接続に、一方、リセット時には電圧Vdd接続に、切り替える。
Finally, as a third step, as indicated by timing 4 in the timing chart of FIG. 2C, the control signal we_inv that has become High becomes Low while the control signal wl is Low. As a result, since the
以上のように、本実施の形態における電圧発生回路25によれば、抵抗変化素子2の上側端子には、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合にHigh電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合にLow電圧が印加される。よって、このような電圧発生回路25とスイッチ部40との組み合わせにより、抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合には、抵抗変化素子2が高抵抗状態にあるときにだけ抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、下側端子を基準に上側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。一方、抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合には、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合にだけ抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、上側端子を基準に下側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。よって、抵抗変化素子2への多重書き込みが自動的(自立的)に回避される。
As described above, according to the
なお、上記第3のステップ(書き込み)において、大きな電力を必要とする場合には、図3Aに示される印加部30aのように、PMOSトランジスタ31及び32のソースに、それぞれ、バッファアンプ(ここでは、一段のインバータ)33及び34を追加して接続してもよいし、図3Bに示される印加部30bのように、PMOSトランジスタ31及び32のソースに、それぞれ、バッファアンプ(ここでは、2段のインバータ)35及び36を追加して接続してもよい。これにより、より大きな電流で抵抗変化素子2への書き込みが行われる。
In the third step (writing), when a large amount of power is required, a buffer amplifier (here, a buffer amplifier) is connected to the sources of the
次に、本実施の形態の変形例及び本発明に係る書き込み回路の応用例を説明する。 Next, a modified example of the present embodiment and an application example of the write circuit according to the present invention will be described.
(変形例1)
まず、変形例1に係る書き込み回路を説明する。
(Modification 1)
First, a write circuit according to the first modification will be described.
書き込みの対象となる抵抗変化素子の抵抗値のセンス方式としては、図1に示される書き込み回路1のように、抵抗変化素子2を流れる電流Imと参照抵抗21を流れる電流Irefとの差を検出する電流差動センス方式に限定されるものではなく、電圧差動センス方式であってもよい。
As a method of sensing the resistance value of the variable resistance element to be written, the difference between the current Im flowing through the
図4は、本発明に係る電圧差動センス方式の電圧発生回路25aの回路図である。この電圧発生回路25aは、抵抗変化素子2の抵抗状態を読み出して保持する保持部10aと、その保持部10aで保持された抵抗状態に応じた電圧を抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加する印加部30cとを有する。
FIG. 4 is a circuit diagram of the voltage differential sensing type
保持部10aは、抵抗変化素子2の高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との間の抵抗値Rrefをもつ参照抵抗121を有し、参照抵抗121の抵抗値Rrefと抵抗変化素子2の抵抗値Rmとの大小関係を電圧差動でセンスし、センスした大小関係を抵抗変化素子2の抵抗状態として保持するラッチ回路である。この保持部10aは、参照抵抗121に加えて、SRAMを構成するトランジスタ(NMOSトランジスタ105〜107、PMOSトランジスタ101〜104及び108)から構成される。なお、図中の容量Cout及びCinは寄生容量である。
The holding
印加部30cは、保持部10aに保持された状態(抵抗変化素子2の抵抗値Rmと参照抵抗21の抵抗値Rrefとの大小関係)に応じて、第1電圧及び第1電圧よりも低い第2電圧のいずれかを抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加する回路である。具体的には、この印加部30cは、図1における印加部30と同様に、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の上側端子にHigh電圧を印加し、一方、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の上側端子にLow電圧を印加するためのトランジスタ(NMOSトランジスタ109〜112)から構成される。
The
なお、この電圧発生回路25aでは、抵抗変化素子2及び参照抵抗121と直列に、それぞれ、NMOSトランジスタ123及び124が接続され、いわゆる1T1Rのメモリセルが備えられている。また、図示されていない制御回路から、NMOSトランジスタ109及び110のゲートに制御信号rwが送られ、NMOSトランジスタ111及び112のゲートに制御信号se_controlが送られ、NMOSトランジスタ107のゲートに制御信号seが送られ、NMOSトランジスタ123及び124に制御信号WLが送られてくる。また、抵抗変化素子2及び参照抵抗121の上側端子での電圧をそれぞれVin及びVin_refと表記し、保持部10aの出力端子(PMOSトランジスタ103及び104それぞれのドレイン)での電圧をそれぞれVout及びVout_refと表記し、抵抗変化素子2及び参照抵抗121の下側端子(より正確には、NMOSトランジスタ123及び124の下側端子)をSLと呼ぶ。
In the
図5は、この電圧発生回路25aの動作を示すタイミングチャートである。ここでは、抵抗変化素子2を低抵抗状態にする書き込み(図中の「set」)、抵抗変化素子2を高抵抗状態にする書き込み(図中の「reset」)、及び、抵抗変化素子2からの読み出し(図中の「read」)の3つのケースについて、動作タイミングが示されている。
FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the
まず、第1のステップ(図中の「Equalization」)では、制御信号rwがHighで、かつ、端子SLに一定電位が印加された状態で、制御信号WLがLowからHighになることで、保持部10aの2つの容量Cinへの充電が開始される。つまり、左側の端子SLからの電流がNMOSトランジスタ123、抵抗変化素子2及びNMOSトランジスタ109を介して、PMOSトランジスタ101のゲートに接続された容量Cinに充電されていき、その結果、電圧Vinの波形は、図5のVinに示されるような立ち上がり波形となる。同様に、右側の端子SLからの電流がNMOSトランジスタ124、参照抵抗121及びNMOSトランジスタ110を介して、PMOSトランジスタ102のゲートに接続された容量Cinに充電されていき、その結果、電圧Vin_refの波形は、図5のVin_refに示されるような立ち上がり波形となる。
First, in the first step (“Equalization” in the figure), the control signal WL is held high when the control signal WL changes from high to low while the control signal rw is high and a constant potential is applied to the terminal SL. Charging to the two capacitors Cin of the
次に、第2のステップ(図中の「amplification」)では、低抵抗状態への書き込み(「set」)、高抵抗状態への書き込み(「reset」)、及び、読み出し(「read」)のいずれを行うかに応じて、図示されるように、各種制御信号及び端子SLに所定の電圧が与えられる。ただし、いずれの動作であっても、出力端子での電圧Vout及びVout_refには、それぞれ、入力電圧Vin及びVin_refの差異を増幅したような電圧レベルが出力される。たとえば、いま、抵抗変化素子2の抵抗値が参照抵抗121の抵抗値よりも小さい場合には、左側の容量Cinに流れ込む電流が右側の容量Cinに流れ込む電流よりも大きくなるので、入力電圧Vinは、図5に示されるように、入力電圧Vin_refよりも波高が高くなる。その結果、PMOSトランジスタ102のドレイン電流がPMOSトランジスタ101のドレイン電流よりも大きくなり、PMOSトランジスタ104とNMOSトランジスタ106との接続点(つまり、電圧Vout_ref)の電位が上昇し、一方、PMOSトランジスタ103とNMOSトランジスタ105との接続点(つまり、電圧Vout)の電位が下降する正帰還が働く。
Next, in the second step (“amplification” in the figure), writing to the low resistance state (“set”), writing to the high resistance state (“reset”), and reading (“read”) are performed. Depending on which one is performed, a predetermined voltage is applied to various control signals and the terminal SL as shown in the figure. However, in any operation, voltage levels that amplify the difference between the input voltages Vin and Vin_ref are output to the voltages Vout and Vout_ref at the output terminal, respectively. For example, when the resistance value of the
このように、2つの出力端子の電圧Vout及びVout_refは、抵抗変化素子2の抵抗値Rmと参照抵抗121の抵抗値Rrefとの大小関係に依存して定まる電圧(ここでは、Rm>Rrefの場合には、Vout=Vdd、かつ、Vout_ref=GND、一方、Rm<Rrefの場合には、Vout=GND、かつ、Vout_ref=Vdd)となる。よって、このような電圧(Vout又はVout_ref)を、抵抗変化素子2への書き込みの際に抵抗変化素子2の一端に印加する電圧として利用する(例えば、制御信号se_controlをHighにすることで電圧Voutを抵抗変化素子2の上側端子に印加する)ことで、上記実施の形態における書き込み回路1(あるいは、電圧発生回路25)と同様の機能をもつ電圧差動センス方式の書き込み回路、つまり、多重書き込みを自動的(自立的)に回避できる書き込み回路が実現される。
As described above, the voltages Vout and Vout_ref at the two output terminals are determined depending on the magnitude relationship between the resistance value Rm of the
なお、図5における第3のステップ(図中の「Reset」)は、この電圧発生回路25aの初期状態(書き込みでも読み出しでもない状態)を示している。
Note that the third step in FIG. 5 (“Reset” in the figure) shows the initial state of the
(変形例2)
次に、変形例2に係る書き込み回路を説明する。
(Modification 2)
Next, a write circuit according to the second modification will be described.
本発明に係る書き込み回路に用いられる電流差動センス方式の電圧発生回路としては、図1に示される電圧発生回路25に限られず、他の回路で構成されてもよい。
The voltage generation circuit of the current differential sense system used in the write circuit according to the present invention is not limited to the
図6は、電流差動センス方式の別の電圧発生回路25bの回路図である。この電圧発生回路25bは、抵抗変化素子2の抵抗状態を読み出して保持する保持部としての機能と、その保持部で保持された抵抗状態に応じた電圧を抵抗変化素子2の一端(上側端)に印加する印加部としての機能とを有する。ただし、本変形例では、保持部と印加部とが明確に分離されるのではなく、同一のトランジスタによって保持部と印加部とが構成されている。
FIG. 6 is a circuit diagram of another
つまり、この電圧発生回路25bは、抵抗変化素子2の高抵抗状態における抵抗値と低抵抗状態における抵抗値との間の抵抗値をもつ参照抵抗221を有し、参照抵抗221の抵抗値と抵抗変化素子2の抵抗値との大小関係を電流差動(電流Irefと電流Idataとの差)でセンスし、センスした大小関係を抵抗変化素子2の抵抗状態として保持するとともに、保持された状態に応じて、第1電圧及び第1電圧よりも低い第2電圧のいずれかを抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加する。そのために、この電圧発生回路25bは、参照抵抗121に加えて、SRAMを構成するトランジスタ(NMOSトランジスタ203〜208、211及び212、PMOSトランジスタ201、202、209及び210)から構成される。
That is, the
なお、この電圧発生回路25bでは、抵抗変化素子2及び参照抵抗221と直列に、それぞれ、NMOSトランジスタ223及び224が接続され、いわゆる1T1Rのメモリセルが備えられている。また、図示されていない制御回路から、4つのトランジスタ(PMOSトランジスタ209及び210、NMOSトランジスタ211及び212)のゲートに制御信号OPEが送られ、NMOSトランジスタ207のゲートに制御信号SEが送られ、NMOSトランジスタ208のゲートに制御信号REが送られ、NMOSトランジスタ223及び224に制御信号WLが送られてくる。また、2つの出力端子(PMOSトランジスタ201及び202それぞれのドレイン)での電圧をそれぞれVout及びVout_refと表記し、抵抗変化素子2及び参照抵抗221の下側端子(より正確には、NMOSトランジスタ223及び224の下側端子)をSLと呼ぶ。なお、制御信号OPEは、NMOSトランジスタ203及び204を、SRAM(つまり、ラッチ回路)の一部分として機能させるか、抵抗変化素子2及び参照抵抗221への書き込み(ドライバ)として機能させるかを切り替えるための制御信号である。
In the
図7は、この電圧発生回路25bの動作を示すタイミングチャートである。ここでは、抵抗変化素子2を低抵抗状態にする書き込み(図中の「set」)、抵抗変化素子2を高抵抗状態にする書き込み(図中の「reset」)、及び、抵抗変化素子2からの読み出し(図中の「read」)の3つのケースについて、動作タイミングが示されている。
FIG. 7 is a timing chart showing the operation of the
まず、第1のステップ(図中の「プリチャージ」)では、制御信号WLがHighで、かつ、端子SLに一定電位が印加された状態で、制御信号SE、RE及びOPEがHighになっているので、電圧発生回路25bは、SRAMとして機能し、抵抗変化素子2及び参照抵抗221には、それぞれ、その抵抗値の大小に依存した電流Idata及びIrefが流れる(つまり、プリチャージされる)。
First, in the first step (“precharge” in the figure), the control signals SE, RE, and OPE become High while the control signal WL is High and a constant potential is applied to the terminal SL. Therefore, the
次に、第2のステップ(図中の「増幅」)では、低抵抗状態への書き込み(「set」)、高抵抗状態への書き込み(「reset」)、及び、読み出し(「read」)のいずれを行うかに応じて、図示されるように、各種制御信号及び端子SLに所定の電圧が与えられる。いずれの動作であっても、このステップでは、正帰還による増幅が行われ、抵抗変化素子2の上側端子には、抵抗変化素子2の抵抗値Rmと参照抵抗121の抵抗値Rrefとの大小関係に依存して定まる電圧(ここでは、Rm>Rrefの場合には、電圧Vdd、一方、Rm<Rrefの場合には、GND電位)が印加される。
Next, in the second step (“amplification” in the figure), writing to the low resistance state (“set”), writing to the high resistance state (“reset”), and reading (“read”) are performed. Depending on which one is performed, a predetermined voltage is applied to various control signals and the terminal SL as shown in the figure. In any step, amplification by positive feedback is performed in this step, and the magnitude relationship between the resistance value Rm of the
なお、書き込みを行う場合には(図中の「write」)、制御信号OPEがLowとなり、その結果、NMOSトランジスタ203及び204のゲートには電圧Vddが印加され、NMOSトランジスタ203及び204は、それぞれ、抵抗変化素子2及び参照抵抗221への書き込み(つまり、電流増幅)を行うドライバとして機能する。
When writing is performed (“write” in the figure), the control signal OPE becomes Low, and as a result, the voltage Vdd is applied to the gates of the
以上のように、本変形例における電圧発生回路25bによれば、抵抗変化素子2の上側端子には、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合には、High電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合には、Low電圧が印加される。よって、抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合には、抵抗変化素子2が高抵抗状態(リセット状態)にあるときにだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、下側端子を基準に上側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する。一方、抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合には、抵抗変化素子2が低抵抗状態(セット状態)にある場合にだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、上側端子を基準に下側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する。よって、抵抗変化素子2への多重書き込みが自動的(自立的)に回避される。
As described above, according to the
なお、図7における第3のステップ(図中の「リセット」)は、この電圧発生回路25bの初期状態(書き込みでも読み出しでもない状態)を示している。
Note that the third step in FIG. 7 (“reset” in the figure) shows the initial state (state where neither writing nor reading) of the
(応用例1)
次に、本発明に係る書き込み回路の応用例1を説明する。
(Application 1)
Next, an application example 1 of the write circuit according to the present invention will be described.
図8は、2つの電圧発生回路を用いて多重書き込みを自動的(自立的)に回避する応用例1に係る書き込み回路の回路図である。この書き込み回路は、抵抗変化素子2の上側端子に出力端子が接続された第1書き込み回路(書き込み回路1)と、抵抗変化素子2の下側端子に出力端子が接続された第2書き込み回路(書き込み回路1a)とを備える。
FIG. 8 is a circuit diagram of a write circuit according to Application Example 1 in which multiple writing is automatically (autonomous) avoided using two voltage generation circuits. This write circuit includes a first write circuit (write circuit 1) having an output terminal connected to the upper terminal of the
第1書き込み回路(書き込み回路1)は、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の上側端子に第1電圧(High電圧)を印加し、一方、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の上側端子に第1電圧よりも低い第2電圧(Low電圧)を印加する。
The first write circuit (write circuit 1) applies a first voltage (High voltage) to the upper terminal of the
第2書き込み回路(書き込み回路1a)は、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の下側端子に第2電圧(Low電圧)を印加し、一方、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合に抵抗変化素子2の下側端子に第1電圧(High電圧)を印加する。
The second write circuit (write
なお、抵抗変化素子2は、抵抗変化素子2の上側端子に第1電圧(High電圧)が印加され、かつ、抵抗変化素子2の下側端子に第2電圧(Low電圧)が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化され、抵抗変化素子2の上側端子に第2電圧(Low電圧)が印加され、かつ、抵抗変化素子2の下側端子に第1電圧(High電圧)が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化される性質を有する点は、上記実施の形態と同じである。
In the
以下、2つの書き込み回路1及び1aをより詳しく説明する。
Hereinafter, the two
右側の書き込み回路1における電圧発生回路25は、図1に示されるものと同一である。この電圧発生回路25からの出力電圧Vout1は、スイッチ45を介して、抵抗変化素子2の一端(上側端子)に印加される。
The
一方、左側の電圧発生回路325は、基本的には、右側の電圧発生回路25と同様の電流差動センス方式のラッチ回路であるが、電圧発生回路25と反対の論理で出力電圧Vout1aを出力するように、内部回路が接続されている。つまり、この電圧発生回路325は、NMOSトランジスタ311、313〜315及び317〜320、PMOSトランジスタ312及び316、並びに、参照抵抗21と同じ抵抗値Rrefをもつ参照抵抗321から構成される保持部310と、PMOSトランジスタ331及び332から構成される印加部330とを備える。ここで、印加部330を構成するPMOSトランジスタ331のソースの接続先と、PMOSトランジスタ332のソースの接続先とは、右側の電圧発生回路25での接続先とは逆になっている。そして、この電圧発生回路325からの出力電圧Vout1aは、スイッチ45をa介して、抵抗変化素子2の他端(下側端子)に印加される。
On the other hand, the
なお、スイッチ45は、図示されていない制御回路からの制御の下で、抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合には、抵抗変化素子2の上側端子を電圧発生回路25の出力端子(Vout)に接続し、一方、抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合には、抵抗変化素子2の上側端子をGNDに接続する。同様に、スイッチ45aは、図示されていない制御回路からの制御の下で、抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合には、抵抗変化素子2の下側端子をGNDに接続し、一方、抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合には、抵抗変化素子2の下側端子を電圧発生回路325の出力端子(Vout)に接続する。
The switch 45 sets the upper terminal of the
このように構成された本応用例に係る書き込み回路によれば、以下の動作が行われる。 According to the writing circuit according to this application example configured as described above, the following operation is performed.
(1)抵抗変化素子2を低抵抗状態に設定(セット)する場合
抵抗変化素子2の下側端子は、スイッチ45aにより、Low電位(GND)に固定される。
(1) When the
一方、抵抗変化素子2の上側端子には、右側の電圧発生回路25により、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合には、High電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合には、Low電圧が印加される。
On the other hand, a high voltage is applied to the upper terminal of the
この結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態(リセット状態)にある場合にだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、下側端子を基準に上側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が高抵抗状態から低抵抗状態に遷移する(セットされる)。つまり、抵抗変化素子2が既に低抵抗状態にある場合には、抵抗変化素子2の両端には電圧が印加されず、多重書き込みが回避される。
As a result, only when the
(2)抵抗変化素子2を高抵抗状態に設定(リセット)する場合
抵抗変化素子2の上側端子は、スイッチ45により、Low電位(GND)に固定される。
(2) When the
一方、抵抗変化素子2の下側端子には、左側の電圧発生回路325により、抵抗変化素子2が高抵抗状態にある場合には、Low電圧が印加され、抵抗変化素子2が低抵抗状態にある場合には、High電圧が印加される。
On the other hand, a low voltage is applied to the lower terminal of the
この結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態(セット状態)にある場合にだけ、抵抗変化素子2の両端に電圧(ここでは、上側端子を基準に下側端子にHigh電圧)が印加され、その結果、抵抗変化素子2が低抵抗状態から高抵抗状態に遷移する(リセットされる)。つまり、抵抗変化素子2が既に高抵抗状態にある場合には、抵抗変化素子2の両端には電圧が印加されず、多重書き込みが回避される。
As a result, only when the
(応用例2)
次に、本発明に係る書き込み回路の応用例2を説明する。
(Application example 2)
Next, application example 2 of the write circuit according to the present invention will be described.
この応用例2は、本発明に係る書き込み回路の駆動方法であり、ベリファイ動作を伴いながら不揮発性記憶素子(ここでは、抵抗変化素子)の抵抗値を調整する方法である。 This application example 2 is a method for driving a write circuit according to the present invention, and is a method for adjusting the resistance value of a nonvolatile memory element (here, a resistance change element) with a verify operation.
一般に、抵抗変化素子は、図9Aの特性図に示されるように、抵抗値がばらつく。図9Aには、正及び負の電圧パルスを交互に繰り返して抵抗変化素子に印加することによって抵抗変化素子を高抵抗状態と低抵抗状態とに交互に遷移させた場合における抵抗変化素子の抵抗値がプロットされている。横軸は正及び負の電圧パルスを印加した回数に対応する時間であり、縦軸は抵抗変化素子2の抵抗値である。本図から分かるように、抵抗変化素子の抵抗値は、高抵抗状態及び低抵抗状態のそれぞれにおいて、常に同一の値をとるとは限らず、ランダムにばらつく。特に、高抵抗状態における抵抗値は、大きくばらつく。
Generally, the resistance value of the variable resistance element varies as shown in the characteristic diagram of FIG. 9A. FIG. 9A shows the resistance value of the resistance change element when the resistance change element is alternately switched between the high resistance state and the low resistance state by alternately applying positive and negative voltage pulses to the resistance change element. Is plotted. The horizontal axis is the time corresponding to the number of times that positive and negative voltage pulses are applied, and the vertical axis is the resistance value of the
そこで、本応用例では、抵抗変化素子の書き込み方法として、図9Bのフローチャートに示されるように、ベリファイ動作を伴った書き込みを行う。つまり、まず抵抗変化素子への書き込みを行った後に(S11)、その抵抗変化素子の抵抗値を読み出し(S11)、読み出した抵抗値が規定範囲内であるか否かを判断し(S13)、規定範囲内でない場合には(S13でFail)、再度の書き込みを行う(S11〜S13)。このような処理を、抵抗値が規定範囲内になるまで(S13でPass)、繰り返す。ここで、規定範囲内とは、例えば、抵抗変化素子を低抵抗状態に書き込む(セットする)場合には、典型的な抵抗変化素子の高抵抗状態における抵抗値Rhと低抵抗状態における抵抗値Rlとの中間値(Rh+Rl)/2よりも小さい抵抗値の範囲をいい、一方、抵抗変化素子を高抵抗状態に書き込む(リセットする)場合には、典型的な抵抗変化素子の高抵抗状態における抵抗値Rhと低抵抗状態における抵抗値Rlとの中間値(Rh+Rl)/2よりも大きい抵抗値の範囲をいう。 Therefore, in this application example, as a method of writing the variable resistance element, writing with a verify operation is performed as shown in the flowchart of FIG. 9B. That is, after writing to the variable resistance element (S11), the resistance value of the variable resistance element is read (S11), and it is determined whether the read resistance value is within a specified range (S13). If it is not within the specified range (Fail in S13), writing is performed again (S11 to S13). Such a process is repeated until the resistance value falls within the specified range (pass in S13). Here, within the specified range, for example, when writing (setting) a resistance change element in a low resistance state, a resistance value Rh in a high resistance state and a resistance value Rl in a low resistance state of a typical resistance change element. On the other hand, when the resistance change element is written (reset) in the high resistance state, the resistance of the typical resistance change element in the high resistance state is smaller than the intermediate value (Rh + Rl) / 2. A range of resistance values greater than the intermediate value (Rh + Rl) / 2 between the value Rh and the resistance value Rl in the low resistance state.
ここで、本応用例では、ベリファイ(S13)における「Fail」の場合に同じ書き込みステップを繰り返すのではなく、図9Cに示されるように、直前の書き込み時間よりも大きな書き込み時間で抵抗変化素子への書き込みを行う。たとえば、第1回目の書き込みでは、書き込みフェーズ(図2Cに示される動作)における時間が初期値(t秒)となるようにして書き込みを行い、その後のベリファイ(S13)において「Fail」した場合には、書き込みフェーズにおける時間を直前の2倍の時間(2t秒)にして書き込みを行い、さらにその後のベリファイ(S13)において「Fail」した場合には、書き込みフェーズにおける時間をさらに直前の2倍の時間(4t秒)にして書き込むというように、ベリファイ(S13)において「Pass」するまで、書き込み時間を直前の2倍にして書き込むことを繰り返す。 Here, in this application example, instead of repeating the same write step in the case of “Fail” in the verify (S13), as shown in FIG. 9C, the resistance change element is transferred to the variable resistance element with a write time longer than the previous write time. Write. For example, in the first writing, writing is performed such that the time in the writing phase (the operation shown in FIG. 2C) is the initial value (t seconds), and “Fail” is performed in the subsequent verification (S13). When writing is performed by setting the time in the writing phase to twice the previous time (2 t seconds) and “Fail” in the subsequent verification (S13), the time in the writing phase is further doubled to the previous time. The writing is repeated with the writing time doubled immediately before the “Pass” in the verify (S13), such as writing at time (4 tsec).
このような書き込み方法により、抵抗変化素子の抵抗値は、確実に、規定範囲内の値に調整される。抵抗変化素子は、印加される電圧パルスの時間とともに抵抗状態が遷移する確率が増加するが、無駄に長い時間の電圧パルスを常に印加したのでは、抵抗変化素子の特性を劣化させてしまう。よって、このようなベリファイ動作を伴いつつ、書き込み時間を徐々に大きくしていく書き込み方法により、確実に、かつ、抵抗変化素子に余計なストレスを与えることなく、書き込みが行われる。 By such a writing method, the resistance value of the variable resistance element is surely adjusted to a value within the specified range. In the resistance change element, the probability that the resistance state transitions increases with the time of the applied voltage pulse. However, if a voltage pulse for a long time is always applied unnecessarily, the characteristics of the resistance change element are deteriorated. Therefore, writing is performed reliably and without applying extra stress to the resistance change element by the writing method in which the writing time is gradually increased while accompanying the verify operation.
(応用例3)
次に、本発明に係る書き込み回路の応用例3として、多値書き込み回路を説明する。
(Application example 3)
Next, a multi-value write circuit will be described as an application example 3 of the write circuit according to the present invention.
図10は、本発明の応用例3における多値書き込み回路のブロック図である。この多値書き込み回路は、抵抗変化素子2を、第1抵抗値R1と第1抵抗値R1よりも大きな第2抵抗値R2との間の抵抗値に設定する(書き込む)ことができる多値書き込み回路であって、抵抗変化素子2の一端(左側端子)に接続された第1書き込み回路1a(325)と、抵抗変化素子2の他端(右側端子)に接続された第2書き込み回路1(25)とを備える。
FIG. 10 is a block diagram of a multi-value write circuit in application example 3 of the present invention. The multi-value writing circuit can set (write) the
第1書き込み回路1a(325)は、図8に示された電圧発生回路325と同じ回路構成を有し(ただし、参照抵抗321の抵抗値Rref=第1抵抗値R1)、出力端子OUT1から抵抗変化素子2の一端(左側端子)に電圧を印加する回路である。具体的には、この第1書き込み回路1a(325)は、抵抗変化素子2が第1抵抗値R1よりも小さな抵抗値をもつ場合に、抵抗変化素子2の一端(左側端子)に第1電圧(High電圧)を印加し、抵抗変化素子2が第1抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、抵抗変化素子2の一端(左側端子)に第1電圧(High電圧)よりも低い第2電圧(Low電圧)を印加する。
The
一方、第2書き込み回路1(25)は、図8及び図1に示された電圧発生回路25と同じ回路構成を有し(ただし、参照抵抗21の抵抗値Rref=第2抵抗値R2)、出力端子OUT2から抵抗変化素子2の他端(右側端子)に電圧を印加する回路である。具体的には、この第2書き込み回路1(25)は、抵抗変化素子2が第2抵抗値R2よりも小さな抵抗値をもつ場合に、抵抗変化素子2の他端(右側端子)に第2電圧(Low電圧)を印加し、抵抗変化素子2が第2抵抗値R2よりも大きな抵抗値をもつ場合に、抵抗変化素子2の他端(右側端子)に第1電圧(High電圧)を印加する。
On the other hand, the second write circuit 1 (25) has the same circuit configuration as that of the
なお、この抵抗変化素子2は、図1に示されたものと同一の特性を有する。つまり、この抵抗変化素子2は、一端(左側端子)に第1電圧(High電圧)が印加され、かつ、他端(右側端子)に第2電圧(Low電圧)が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化(リセット)され、一端(左側端子)に第2電圧(Low電圧)が印加され、かつ、他端(右側端子)に第1電圧(High電圧)が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化(セット)される性質を有する。
The
このような多値書き込み回路によれば、図10の右下に示されるように、抵抗変化素子2の抵抗値Rmと参照抵抗321の抵抗値R1及び参照抵抗21の抵抗値R2との関係により、以下の書き込み動作が行われる。
According to such a multi-value writing circuit, as shown in the lower right of FIG. 10, the relationship between the resistance value Rm of the
(1)Rm<R1、R2のとき
出力端子OUT1の電圧はHigh電圧(電圧Vdd)となり、出力端子OUT2の電圧はLow電圧(GND)となり、抵抗変化素子2には、高抵抗化する電圧(RESET電圧)が印加される。
(1) When Rm <R1 and R2, the voltage at the output terminal OUT1 becomes a high voltage (voltage Vdd), the voltage at the output terminal OUT2 becomes a low voltage (GND), and the
(2)R1、R2<Rmのとき
出力端子OUT1の電圧はLow電圧(GND)となり、出力端子OUT2の電圧はHigh電圧(電圧Vdd)となり、抵抗変化素子2には、低抵抗化する電圧(SET電圧)が印加される。
(2) When R1, R2 <Rm, the voltage at the output terminal OUT1 becomes the Low voltage (GND), the voltage at the output terminal OUT2 becomes the High voltage (voltage Vdd), and the
(3)R1<Rm<R2のとき
出力端子OUT1の電圧はLow電圧(GND)となり、出力端子OUT2の電圧はLow電圧(GND)となり、抵抗変化素子2の両端には、電圧が印加されない。
(3) When R1 <Rm <R2 The voltage at the output terminal OUT1 is the Low voltage (GND), the voltage at the output terminal OUT2 is the Low voltage (GND), and no voltage is applied across the
以上のことから、この多値書き込み回路によれば、このような書き込み動作によって、抵抗変化素子2の抵抗値Rmは、第1抵抗値R1と第2抵抗値R2との間の抵抗値に調整される。つまり、第1抵抗値R1を設定したい目標抵抗値の下限値に設定しておき、第2抵抗値R2を目標抵抗値の上限値に設定しておくことで、抵抗変化素子2の抵抗値は、下限値と上限値との間の抵抗値に設定される。
From the above, according to this multi-value write circuit, the resistance value Rm of the
よって、図10の左下に示されるように、例えば、2ビットの制御信号の値に応じて、第1抵抗値R1と第2抵抗値R2との組み合わせを切り替える(4種類の異なる抵抗値の組み合わせから一つを選択する)回路を、このような多値書き込み回路に付加することで、抵抗変化素子2の抵抗値を、4値のうちの所望の一つの値に設定する多値書き込み回路が実現される。その結果、一つのメモリセルで2ビット以上の抵抗状態を記憶させることが可能となり、メモリセルあたりのビット数を増やし、実効的なメモリ容量を増やすことができる。
Therefore, as shown in the lower left of FIG. 10, for example, the combination of the first resistance value R1 and the second resistance value R2 is switched according to the value of the 2-bit control signal (a combination of four different resistance values). A multi-value write circuit that sets the resistance value of the
(応用例4)
次に、本発明に係る書き込み回路の応用例4として、別の多値書き込み回路を説明する。
(Application 4)
Next, as a fourth application example of the writing circuit according to the present invention, another multilevel writing circuit will be described.
図11は、本発明の応用例4における多値書き込み回路50を説明する図である。図11(a)は、本応用例における多値書き込み回路50のブロック図である。この多値書き込み回路50は、抵抗変化型の不揮発性記憶素子(ここでは、抵抗変化素子2)を、第1抵抗値REFAと第1抵抗値REFAよりも大きな第2抵抗値REFBとの間の抵抗値に設定する多値書き込み回路であって、主に、抵抗変化素子2の一端(下側端子RRAMB)に接続された第1書き込み回路(センスアンプampR)と、第2書き込み回路(センスアンプampL)と、抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に接続された(ここでは、NMOSトランジスタ54aを介して接続された)少なくとも2つのスイッチ素子(ここでは、NMOSトランジスタ52及び53)とを備える。
FIG. 11 is a diagram for explaining the
第1書き込み回路(センスアンプampR)は、抵抗変化素子2が第1抵抗値REFAよりも小さな抵抗値をもつ場合に、第1電圧(High電圧)を、抵抗変化素子2の一端(下側端子RRAMB)に印加するとともに出力端子ampRoutから出力し、一方、抵抗変化素子2が第1抵抗値REFAよりも大きな抵抗値をもつ場合に、第1電圧(High電圧)よりも低い第2電圧(Low電圧)を、抵抗変化素子2の一端(下側端子RRAMB)に印加するとともに出力端子ampRoutから出力する。
When the
第2書き込み回路(センスアンプampL)は、抵抗変化素子2が第2抵抗値REFBよりも小さな抵抗値をもつ場合に、第2電圧(Low電圧)を出力端子ampLoutから出力し、一方、抵抗変化素子2が第2抵抗値REFBよりも大きな抵抗値をもつ場合に、第1電圧(High電圧)を出力端子ampLoutから出力する。
The second write circuit (sense amplifier ampL) outputs the second voltage (Low voltage) from the output terminal ampLout when the
抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に接続された少なくとも2つのスイッチ素子(ここでは、NMOSトランジスタ52及び53)の一つ(NMOSトランジスタ53)は、そのゲートが第1書き込み回路(センスアンプampR)の出力端子ampRoutに接続され、その出力端子ampRoutから第1電圧(High電圧)が出力されたときに、ONし、ドレインに接続された第2電圧(電圧Vreset(Low電圧))を、NMOSトランジスタ54aを介して抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に印加する。
One of the at least two switch elements (
また、抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に接続された少なくとも2つのスイッチ素子(ここでは、NMOSトランジスタ52及び53)の他の一つ(NMOSトランジスタ52)は、そのゲートが第2書き込み回路(センスアンプampL)の出力端子ampLoutに接続され、その出力端子ampLoutから第1電圧(High電圧)が出力されたときに、ONし、ドレインに接続された第1電圧(電圧Vset(High電圧))を、NMOSトランジスタ54aを介して抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に印加する。
Further, the gate of the other one (NMOS transistor 52) of at least two switch elements (
抵抗変化素子2は、図1に示されたものと同一の特性を有する。つまり、この抵抗変化素子2は、抵抗変化素子2の一端(下側端子RRAMB)に第1電圧(High電圧)が印加され、かつ、抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に第2電圧(Low電圧)が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化(リセット)され、抵抗変化素子2の一端(下側端子RRAMB)に第2電圧(Low電圧)が印加され、かつ、抵抗変化素子2の他端(上側端子RRAMU)に第1電圧(High電圧)が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化(セット)される性質を有する。
The
以下、この多値書き込み回路50の構成について、より詳しく説明する。
Hereinafter, the configuration of the
この多値書き込み回路50は、主に、3つのNMOSトランジスタ51〜53と、書き込みの対象となる抵抗変化素子2(抵抗値Rm)と、2つのセンスアンプampR及びampLと、2つの参照抵抗(抵抗値REFA及びREFB)とを備える。
The
3つのNMOSトランジスタ51〜53は、それぞれ、読み出し用、低抵抗化(セット)用、及び、高抵抗化(リセット)用のスイッチ素子であり、ドレインが、それぞれ、読み出し用電圧Vread、セット用電圧Vset、及び、リセット用電圧Vresetに接続され、ゲートには、それぞれ、制御信号re、制御信号sete(センスアンプampLの出力端子ampLoutからの信号)、及び、制御信号resete(センスアンプampRの出力端子ampRoutからの信号)が供給される。NMOSトランジスタ51のソースは抵抗変化素子2の上側端子RRAMUに接続され、NMOSトランジスタ52及び53のソースはNMOSトランジスタ54aを介して抵抗変化素子2の上側端子RRAMUに接続されている。
The three
センスアンプampR及びampLは、上述した電圧発生回路に相当する回路であり(ただし、参照抵抗を除外した回路)、抵抗変化素子2及び参照抵抗に接続されるそれぞれの端子を入力端子とし、出力ノード(図1におけるノードvout_left又はvout_right等)を出力端子とする三角形のシンボルで図示されている。なお、センスアンプampRには、その出力端子ampRoutとその入力端子の一つ(抵抗変化素子2に接続されている入力端子)との間に、バッファアンプ(ここでは、2段のインバータ)及びNMOSトランジスタ54bが接続されている。
The sense amplifiers ampR and ampL are circuits corresponding to the above-described voltage generation circuit (however, a circuit excluding the reference resistance), and each terminal connected to the
センスアンプampRは、図10の書き込み回路1a(325)のように、抵抗変化素子2の抵抗値Rmと参照抵抗の抵抗値REFAとの関係がREFA>Rmの場合に、出力端子ampRoutにHigh電圧を出力し、一方、REFA<Rmの場合に、出力端子ampRoutにLow電圧を出力する。また、センスアンプampLは、図10の書き込み回路1(25)のように、REFB>Rmの場合に、出力端子ampRoutにLow電圧を出力し、一方、REFB<Rmの場合に、出力端子ampRoutにHigh電圧を出力する。
As in the
図11(b)は、この多値書き込み回路50の動作目標を説明する図である。抵抗変化素子2の抵抗値Rmと2つの参照抵抗の抵抗値REFA及びREFBとの間には、3つのケースが考えられる(なお、REFA<REFBとする)。ケース1は、Rm<REFA、REFBであり、このケースでは、抵抗変化素子2に対してリセット動作をすることによって高抵抗化する必要がある。また、ケース2は、REFA<Rm<REFBであり、目標となる最終状態であるので、このケースでは、なにもしない。また、ケース3は、REFA、REFB<Rmであり、このケースでは、抵抗変化素子2に対してセット動作をすることによって低抵抗化する必要がある。
FIG. 11B is a diagram for explaining an operation target of the
図11(c)は、このような多値書き込み回路50の動作結果を示す真理値表であり、図11(b)の3つのケース1〜3に対応した電圧(H(High電圧)/L(Low電圧))が記載されている。この多値書き込み回路50は、図11(c)に示されるように、以下のように動作する。
FIG. 11C is a truth table showing the operation result of such a
(1)ケース1(Rm<REFA、REFB)
センスアンプampLの出力端子ampLoutは、Low電圧となり、センスアンプampRの出力端子ampRoutは、High電圧となる。これにより、NMOSトランジスタ51〜53のうち、ゲートに出力端子ampRoutからの信号(resete)が供給されるNMOSトランジスタ53だけがONし、抵抗変化素子2の上側端子RRAMUには、電圧Vreset(ここでは、Low電圧)が印加される。一方、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBには、センスアンプampRの出力端子ampRoutからのHigh電圧がバッファアンプ及びNMOSトランジスタ54bを介して印加される。
(1) Case 1 (Rm <REFA, REFB)
The output terminal ampLout of the sense amplifier ampL has a low voltage, and the output terminal ampRout of the sense amplifier ampR has a high voltage. As a result, only the
この結果、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBにHigh電圧が印加され、その上側端子RRAMUにはLow電圧が印加されるので、図11(b)のケース1で示したように、抵抗変化素子2に対してリセット動作が行われ、抵抗変化素子2が高抵抗化する。
As a result, a high voltage is applied to the lower terminal RRAMB of the
(2)ケース2(REFA<Rm<REFB)
センスアンプampLの出力端子ampLoutは、Low電圧となり、センスアンプampRの出力端子ampRoutは、Low電圧となる。これにより、NMOSトランジスタ51〜53のすべてがOFFとなり、抵抗変化素子2の上側端子RRAMUには、電圧が印加されない(フロート状態となる)。一方、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBには、センスアンプampRの出力端子ampRoutからのLow電圧がバッファアンプ及びNMOSトランジスタ54bを介して印加される。
(2) Case 2 (REFA <Rm <REFB)
The output terminal ampLout of the sense amplifier ampL has a low voltage, and the output terminal ampRout of the sense amplifier ampR has a low voltage. As a result, all of the
この結果、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBにLow電圧が印加され、その上側端子RRAMUはフロート状態となるので、図11(b)のケース2で示したように、抵抗変化素子2に対して電圧が印加されず、抵抗変化素子2の抵抗値は変化しない。
As a result, a low voltage is applied to the lower terminal RRAMB of the
(3)ケース3(REFA、REFB<Rm)
センスアンプampLの出力端子ampLoutは、High電圧となり、センスアンプampRの出力端子ampRoutは、Low電圧となる。これにより、NMOSトランジスタ51〜53のうち、ゲートに出力端子ampLoutからの信号(sete)が供給されるNMOSトランジスタ52だけがONし、抵抗変化素子2の上側端子RRAMUには、電圧Vset(ここでは、High電圧)が印加される。一方、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBには、センスアンプampRの出力端子ampRoutからのLow電圧がバッファアンプ及びNMOSトランジスタ54bを介して印加される。
(3) Case 3 (REFA, REFB <Rm)
The output terminal ampLout of the sense amplifier ampL has a high voltage, and the output terminal ampRout of the sense amplifier ampR has a low voltage. As a result, only the
この結果、抵抗変化素子2の下側端子RRAMBにLow電圧が印加され、その上側端子RRAMUにはHigh電圧が印加されるので、図11(b)のケース3で示したように、抵抗変化素子2に対してセット動作が行われ、抵抗変化素子2が低抵抗化する。
As a result, a low voltage is applied to the lower terminal RRAMB of the
以上のことから、この多値書き込み回路50によれば、書き込み動作によって、抵抗変化素子2の抵抗値Rmは、第1抵抗値REFAと第2抵抗値REFBとの間の抵抗値に調整される。つまり、第1抵抗値REFAを設定したい目標抵抗値の下限値に設定しておき、第2抵抗値REFBを目標抵抗値の上限値に設定しておくことで、抵抗変化素子2の抵抗値は、下限値と上限値との間の抵抗値に設定される。これにより、応用例3と同様に、2つの参照抵抗値の組み合わせを変更する回路を付加することで、一つの不揮発性記憶素子の抵抗値を3以上の多値のいずれかに設定することが可能になり、1ビットで多値を記憶できるメモリセルが実現され、メモリセルあたりのメモリ容量が増大される。
From the above, according to the
以上、本発明に係る抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路及び多値書き込み回路について、実施の形態、変形例及び応用例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態、変形例及び応用例に限定されるものではない。本発明の主旨を逸脱しない範囲で、これらの実施の形態、変形例及び応用例に対して当業者が思いつく各種変形例を施して得られる形態や、これらの実施の形態、変形例及び応用例における回路要素及び手順を任意に組み合わせて実現される回路及び手順も、本発明に含まれる。 As described above, the write circuit and the multi-value write circuit of the variable resistance nonvolatile memory element according to the present invention have been described based on the embodiments, the modified examples, and the application examples. However, the present invention is not limited to these embodiments and modified examples. It is not limited to examples and applications. Without departing from the gist of the present invention, these embodiments, modifications, and applications may be obtained by applying various modifications that a person skilled in the art can think of, and these embodiments, modifications, and applications. Circuits and procedures realized by arbitrarily combining circuit elements and procedures in the above are also included in the present invention.
たとえば、上記応用例1〜4における書き込み回路(あるいは、電圧発生回路)としては、実施の形態、変形例1及び変形例2のいずれの書き込み回路(あるいは、電圧発生回路)で構成してもよい。これらの応用例1〜4は、書き込み回路(あるいは、電圧発生回路)におけるセンス方式(電流差動センス方式、電圧差動センス方式)に依存することなく実現できるからである。 For example, the write circuit (or voltage generation circuit) in the application examples 1 to 4 may be configured by any of the write circuits (or voltage generation circuits) of the embodiment, the first modification, and the second modification. . This is because these application examples 1 to 4 can be realized without depending on the sense method (current differential sense method, voltage differential sense method) in the write circuit (or voltage generation circuit).
本発明は、抵抗変化型不揮発性記憶素子の書き込み回路及び多値書き込み回路として、特に、大容量、高速動作及び低消費電力の不揮発性メモリが必要とされる電子機器用の不揮発性メモリの書き込み回路として、利用できる。 The present invention relates to a write circuit and a multi-value write circuit of a resistance change type nonvolatile memory element, in particular, writing of a nonvolatile memory for an electronic device that requires a large capacity, high speed operation and low power consumption nonvolatile memory. It can be used as a circuit.
1、1a 書き込み回路
2 抵抗変化素子
10、10a、310 保持部
11、13〜15、17〜20、51〜53、54a、54b、105〜107、109〜112、123、124、203〜208、211、212、223、224、311、313〜315、317〜320 NMOSトランジスタ
12、16、31、32、101〜104、108、201、202、209、210、312、316、331、332 PMOSトランジスタ
21、121、221、321 参照抵抗
25、25a、25b、325 電圧発生回路
30、30a、30b、30c、330 印加部
33、34、35、36 バッファアンプ
40 スイッチ部
41 電源41
42、45、45a スイッチ
50 多値書き込み回路
ampR、ampL センスアンプ
1,
42, 45,
Claims (8)
前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合にだけ前記不揮発性記憶素子を低抵抗状態に遷移させるための電圧を前記不揮発性記憶素子に印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合にだけ前記不揮発性記憶素子を高抵抗状態に遷移させるための電圧を前記不揮発性記憶素子に印加する
書き込み回路。 A write circuit for a variable resistance nonvolatile memory element,
Only when the nonvolatile memory element is in a high resistance state, a voltage for causing the nonvolatile memory element to transition to a low resistance state is applied to the nonvolatile memory element, and the nonvolatile memory element is in a low resistance state A writing circuit that applies a voltage to the nonvolatile memory element only when the nonvolatile memory element is shifted to a high resistance state.
請求項1記載の書き込み回路。 A voltage is connected to one end of the nonvolatile memory element, and a voltage for transitioning the resistance state is applied to the one end depending on whether the nonvolatile memory element is in a high resistance state or a low resistance state. The write circuit according to claim 1, further comprising a voltage generation circuit that generates the voltage.
前記不揮発性記憶素子の抵抗状態を読み出して保持する保持部と、
前記保持部で保持された抵抗状態に応じた電圧を前記不揮発性記憶素子の一端に印加する印加部とを有する
請求項2記載の書き込み回路。 The voltage generation circuit includes:
A holding unit that reads and holds the resistance state of the nonvolatile memory element;
The writing circuit according to claim 2, further comprising: an application unit that applies a voltage corresponding to the resistance state held by the holding unit to one end of the nonvolatile memory element.
前記印加部は、前記保持部に保持された大小関係に応じて、第1電圧及び前記第1電圧よりも低い第2電圧のいずれかを前記不揮発性記憶素子の一端に印加する
請求項3記載の書き込み回路。 The holding unit has a reference resistance having a resistance value between a resistance value in a high resistance state and a resistance value in a low resistance state of the nonvolatile memory element, and the resistance value of the reference resistance and the nonvolatile memory element Holding the magnitude relationship with the resistance value of the resistance state,
The application unit applies one of a first voltage and a second voltage lower than the first voltage to one end of the nonvolatile memory element according to a magnitude relationship held in the holding unit. Writing circuit.
請求項3又は4記載の書き込み回路。 Further, when the nonvolatile memory element is connected to the other end of the nonvolatile memory element and is set to one of a high resistance state and a low resistance state, a third voltage and a fourth voltage lower than the third voltage are set. When one of them is applied to the other end and the nonvolatile memory element is set to the other of the high resistance state and the low resistance state, the other of the third voltage and the fourth voltage is set to the other end. The write circuit according to claim 3, further comprising a switch unit to be applied.
前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合に前記一端に第1電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合に前記一端に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を印加する第1書き込み回路と、
前記不揮発性記憶素子の他端に接続され、前記不揮発性記憶素子が高抵抗状態にある場合に前記他端に前記第2電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が低抵抗状態にある場合に前記他端に、前記第1電圧を印加する第2書き込み回路とを備え、
前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化される性質を有する
書き込み回路。 A write circuit for a variable resistance nonvolatile memory element,
Connected to one end of the non-volatile memory element, applies a first voltage to the one end when the non-volatile memory element is in a high resistance state, and applies to the one end when the non-volatile memory element is in a low resistance state. A first write circuit for applying a second voltage lower than the first voltage;
When the nonvolatile memory element is connected to the other end of the nonvolatile memory element, the second voltage is applied to the other end when the nonvolatile memory element is in a high resistance state, and the nonvolatile memory element is in a low resistance state A second write circuit for applying the first voltage to the other end;
The nonvolatile memory element has a low resistance when a first voltage is applied to the one end and a second voltage is applied to the other end, and a second voltage is applied to the one end. And a writing circuit having a property that a resistance value is increased when a first voltage is applied to the other end.
前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記一端に第1電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記一端に前記第1電圧よりも低い第2電圧を印加する第1書き込み回路と、
前記不揮発性記憶素子の他端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記他端に前記第2電圧を印加し、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記他端に前記第1電圧を印加する第2書き込み回路とを備え、
前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化される性質を有する
多値書き込み回路。 A multi-value writing circuit that sets a resistance variable nonvolatile memory element to a resistance value between a first resistance value and a second resistance value larger than the first resistance value,
When the nonvolatile memory element is connected to one end of the nonvolatile memory element and has a resistance value smaller than the first resistance value, a first voltage is applied to the one end, and the nonvolatile memory element is A first writing circuit that applies a second voltage lower than the first voltage to the one end when the resistance value is larger than one resistance value;
When the nonvolatile memory element is connected to the other end of the nonvolatile memory element and has a resistance value smaller than the second resistance value, the second voltage is applied to the other end, and the nonvolatile memory element A second write circuit that applies the first voltage to the other end when the first resistance value is larger than the second resistance value,
The nonvolatile memory element has a high resistance when a first voltage is applied to the one end and a second voltage is applied to the other end, and a second voltage is applied to the one end. A multi-value writing circuit having a property that the resistance value is lowered when a first voltage is applied to the other end.
前記不揮発性記憶素子の一端に接続され、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、第1電圧を前記一端に印加するとともに出力端子から出力し、前記不揮発性記憶素子が前記第1抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記第1電圧よりも低い第2電圧を前記一端に印加するとともに出力端子から出力する第1書き込み回路と、
前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも小さな抵抗値をもつ場合に、前記第2電圧を出力端子から出力し、前記不揮発性記憶素子が前記第2抵抗値よりも大きな抵抗値をもつ場合に、前記第1電圧を出力端子から出力する第2書き込み回路と、
前記不揮発性記憶素子の他端に接続された少なくとも2つのスイッチ素子とを備え、
前記2つのスイッチ素子の一つは、前記第1書き込み回路の出力端子から前記第1電圧が出力されたときに、前記第2電圧を前記他端に印加し、
前記2つのスイッチ素子の他の一つは、前記第2書き込み回路の出力端子から前記第1電圧が出力されたときに、前記第1電圧を前記他端に印加し、
前記不揮発性記憶素子は、前記一端に第1電圧が印加され、かつ、前記他端に第2電圧が印加された場合に、抵抗値が高抵抗化され、前記一端に第2電圧が印加され、かつ、前記他端に第1電圧が印加された場合に、抵抗値が低抵抗化される性質を有する
多値書き込み回路。 A multi-value writing circuit that sets a resistance variable nonvolatile memory element to a resistance value between a first resistance value and a second resistance value larger than the first resistance value,
When the nonvolatile memory element is connected to one end of the nonvolatile memory element and has a resistance value smaller than the first resistance value, a first voltage is applied to the one end and output from an output terminal, and the nonvolatile memory element A first write circuit that applies a second voltage lower than the first voltage to the one end and outputs from the output terminal when the volatile memory element has a resistance value greater than the first resistance value;
When the nonvolatile memory element has a resistance value smaller than the second resistance value, the second voltage is output from an output terminal, and the nonvolatile memory element has a resistance value larger than the second resistance value. A second write circuit for outputting the first voltage from an output terminal;
And at least two switch elements connected to the other end of the nonvolatile memory element,
One of the two switch elements applies the second voltage to the other end when the first voltage is output from the output terminal of the first write circuit.
The other one of the two switch elements applies the first voltage to the other end when the first voltage is output from the output terminal of the second write circuit,
The nonvolatile memory element has a high resistance when a first voltage is applied to the one end and a second voltage is applied to the other end, and a second voltage is applied to the one end. A multi-value writing circuit having a property that the resistance value is lowered when a first voltage is applied to the other end.
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