JP2014154201A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に記載の実施の形態は、不揮発性半導体記憶装置に関する。 Embodiments described in this specification relate to a nonvolatile semiconductor memory device.
近年、フラッシュメモリの後継候補として、抵抗変化メモリが注目されている。抵抗変化メモリのメモリセルは可変抵抗素子を含み、高抵抗状態と低抵抗状態との間で変化し、その抵抗状態に基づいてデータを記憶する。 In recent years, resistance change memory has attracted attention as a successor candidate of flash memory. A memory cell of the resistance change memory includes a variable resistance element, changes between a high resistance state and a low resistance state, and stores data based on the resistance state.
抗変化メモリは多くの場合、このような可変抵抗素子を有するメモリセルを、複数のビット線と複数のワード線の交点に配置することで構成される(クロスポイント型)。 In many cases, the anti-change memory is configured by disposing memory cells having such variable resistance elements at intersections of a plurality of bit lines and a plurality of word lines (cross point type).
このようなクロスポイント型の抵抗変化メモリでは、書き込み動作(セット動作)及び消去動作(リセット動作)の対象となる選択メモリセルとドライバ回路との間の距離により、寄生抵抗が変化し、電圧印加条件が異なるという問題がある。このような電圧印加条件の違いは、メモリセルへの負担を増加させ、データ保持特性を劣化させると共に、メモリ装置のパフォーマンスを低下させる。 In such a cross-point resistance change memory, the parasitic resistance changes depending on the distance between the selected memory cell and the driver circuit that are the target of the write operation (set operation) and the erase operation (reset operation), and voltage application is performed. There is a problem that the conditions are different. Such a difference in voltage application conditions increases the load on the memory cell, degrades the data retention characteristics, and lowers the performance of the memory device.
以下に記載する実施の形態は、メモリセルへの負担を軽減し、データ保持特性に劣化を抑制することができる不揮発性半導体記憶装置を提供するものである。 Embodiments described below provide a nonvolatile semiconductor memory device that can reduce a burden on a memory cell and suppress deterioration in data retention characteristics.
以下に記載する実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイは、平行に配置された複数の第1配線と、第1配線と交差するように配置された複数の第2配線との交差部に配置されたメモリセルを備える。メモリセルは可変抵抗素子を含む。セット動作用第1ドライバ回路は、メモリセルに対し高抵抗状態から低抵抗状態に切り替えるセット動作を実行する場合に第1配線に電圧を供給する。リセット動作用第1ドライバ回路は、メモリセルに対し低抵抗状態から高抵抗状態に切り替えるリセット動作を実行する場合に第1配線に電圧を供給する。セット動作用第1ドライバ回路とメモリセルアレイとの間の配線の長さは、リセット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さに比べて長い。 A memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment described below includes a plurality of first wirings arranged in parallel and a plurality of second wirings arranged so as to cross the first wiring. The memory cell arranged in the part is provided. The memory cell includes a variable resistance element. The first driver circuit for set operation supplies a voltage to the first wiring when executing the set operation for switching the memory cell from the high resistance state to the low resistance state. The first driver circuit for reset operation supplies a voltage to the first wiring when executing a reset operation for switching the memory cell from the low resistance state to the high resistance state. The length of the wiring between the first driver circuit for set operation and the memory cell array is longer than the length of the wiring between the first driver circuit for reset operation and the memory cell array.
以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
まず、第1の実施の形態に係る不揮発性半導体装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
[First Embodiment]
First, the nonvolatile semiconductor device according to the first embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[全体構成]
図1は、第1の実施の形態に係る不揮発性メモリのブロック図の一例である。
[overall structure]
FIG. 1 is an example of a block diagram of the nonvolatile memory according to the first embodiment.
この不揮発性メモリは、図1中の点線で囲まれたメモリセルアレイコア部100と、このメモリセルアレイコア部100に用いる電圧を生成し、供給する電源回路200を含む。
The nonvolatile memory includes a memory cell
メモリセルアレイコア部100は、メモリセルアレイ110とロウ系制御回路及びカラム系制御回路とを備える。このメモリセルアレイ110は、ロウ方向に延びる複数のワード線WLと、これらワード線WLに交差するカラム方向に延びる複数のビット線BLと、これらワード線WL及びビット線BLの交差部に設けられた複数のメモリセルMCからなる。図1では、メモリセルアレイコア部100は、4個のメモリセルアレイ110をマトリクス状に配置して構成されているが、複数のメモリセルアレイの配置はこれに限定されない。
The memory cell
ワード線WLは、メインワード線(図1では図示せず)によって所定数ずつの複数のグループに分かれる。同様に、ビット線BLも、カラム選択線(図1では図示せず)によって所定数ずつの複数のグループに分かれる。 The word lines WL are divided into a predetermined number of groups by main word lines (not shown in FIG. 1). Similarly, the bit lines BL are divided into a predetermined number of groups by column selection lines (not shown in FIG. 1).
また、メモリセルアレイコア部100は、外部から供給されるアドレス信号(Add)及び制御信号(Cntr)に基づいてメモリセルアレイ110内の所定のメモリセルを選択し、セット/リセット/リードの各動作を実行するロウ系制御回路及びカラム系制御回路を備える。
The memory cell
ロウ系制御回路は、メインロウデコーダ120、ロウドライバ130、書き込み駆動線(WDRV)ドライバ140、及びロウ系周辺回路150を含む。メインロウデコーダ120は、アドレス信号に基づいて所定のメインワード線を選択する。ロウドライバ130は、メインワード線の選択/非選択の状態に応じて、このメインワード線に対応する所定数のワード線に対してセット動作等に必要な電圧を供給する。書き込み駆動線ドライバ140は、アドレス信号に基づいてワード線ドライバ130がワード線に供給する電圧を準備する。ロウ系周辺回路150は、その他の必要なロウ系の回路を有する。
The row-related control circuit includes a
また、ロウドライバ130は、セット動作用ロウドライバ130Sと、リセット動作用ロウドライバ130Rとを備えている。セット動作用ロウドライバ130Sは、セット動作時において所定数のワード線に対してセット動作に必要な電圧を供給する。リセット動作用ロウドライバ130Rは、リセット動作時において所定数のワード線に対してリセット動作に必要な電圧を供給する。セット動作用ロウドライバ130Sと、リセット動作用ロウドライバ130Rとは、ロウ系周辺回路150に与えられる制御信号に基づいて選択的に動作する。そして、セット動作用ロウドライバ130Sは、リセット動作用ロウドライバ130Rに比べ、メモリセルアレイ110から見て遠い位置に配置されている。すなわち、セット動作用ロウドライバ130Sとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLsは、リセット動作用ロウドライバ130Rとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLrに比べて長い。ここで、配線Lの長さの定義は後に述べる。このようなレイアウトを採用している理由は、セット動作時におけるメモリセルへの負担を軽減するためである。詳しくは後述する。
The
また、図1の例では、複数のメモリセルアレイ110が1つのメモリセルアレイコア部100に設けられ、この複数のメモリセルアレイ110の間の領域に、セット動作用ロウドライバ130S及びリセット動作用ロウドライバ130Rが設けられている。そして、セット動作用ロウドライバ130Sは、この複数のメモリセルアレイ110により共有されている。一方、リセット動作用ロウドライバ130Rは、1つのメモリセルアレイ110ごとに設けられている。これは、先に説明した距離LrとLsの関係がLs>Lrとなっていることに基づく。
In the example of FIG. 1, a plurality of
一方、カラム系制御回路は、カラムデコーダ160、カラムドライバ170、センスアンプ/書き込みバッファ180、及びカラム系周辺回路190を備える。カラムデコーダ160は、アドレス信号に基づいて所定のカラム選択線を選択する。カラムドライバ170は、カラム選択線の選択/非選択の状態に応じて、このカラム選択線に対応する所定数のビット線に対するデータ入出力を行う。センスアンプ/書き込みバッファ180は、データ入出力信号(I/O)を介して入力されたデータをカラムドライバ170に出力したり、カラムドライバ170から受信したビット線に現れたデータをデータ入出力信号として外部に送信したりする。カラム系周辺回路190は、その他の必要なカラム系の回路を有する。
On the other hand, the column-related control circuit includes a
また、カラムドライバ170は、セット動作用カラムドライバ170Sと、リセット動作用カラムドライバ170Rとを備えている。セット動作用カラムドライバ170Sは、セット動作時において所定数のビット線BLに対してセット動作に必要な電圧を供給する。リセット動作用カラムドライバ170Rは、リセット動作時において所定数のビット線BLに対してリセット動作に必要な電圧を供給する。セット動作用カラムドライバ170Sと、リセット動作用カラムドライバ170Rとは、カラム系周辺回路190に与えられる制御信号に基づいて選択的に動作する。
The
そして、セット動作用カラムドライバ170Sは、リセット動作用カラムドライバ170Rに比べ、メモリセルアレイ110から見て遠い位置に配置されている。すなわち、セット動作用カラムドライバ170Sとメモリセルアレイ110との間の配線の長さLs’は、リセット動作用カラムドライバ170Rとメモリセルアレイ110との間の配線の長さLr’に比べて長い。その理由はロウドライバ130の場合と同様である。
The set
また、図1の例では、複数のメモリセルアレイ110が1つのメモリセルアレイコア部100に設けられ、この複数のメモリセルアレイ110の間の領域に、セット動作用カラムドライバ170S及びリセット動作用カラムドライバ170Rが設けられている。そして、セット動作用カラムドライバ170Sは、この複数のメモリセルアレイ110により共有されている。一方、リセット動作用カラムドライバ170Rは、1つのメモリセルアレイ110ごとに設けられている。これは、先に説明した距離Lr’とLs’の関係がLs’>Lr’となっていることに基づく。
In the example of FIG. 1, a plurality of
[メモリセルアレイ]
図2Aは、メモリセルアレイ110の一部の斜視図の一例、図3は、図2におけるI-I´線で切断して矢印方向に見たメモリセル1つ分の断面図の一例である。
[Memory cell array]
2A is an example of a perspective view of a part of the
複数本の第2配線であるワード線WL0〜WL2が平行に配設され、これと交差して複数本の第1の配線であるビット線BL0〜BL2が平行に配設され、これらの各交差部に両配線に挟まれるようにメモリセルMCが配置される。第1及び第2の配線は、熱に強く、且つ抵抗値の低い材料が望ましく、例えばW、WSi、NiSi、CoSi等を用いることができる。なお図2Bのように、メモリセルアレイ110を4層重ねて4層構造のメモリブロックにすることもできる。なおメモリセルアレイの層数は4層に限定されない。
A plurality of second lines, word lines WL0-WL2, are arranged in parallel, and a plurality of first lines, bit lines BL0-BL2, are arranged in parallel. Memory cells MC are arranged so as to be sandwiched between both wirings. The first and second wirings are preferably made of a material that is resistant to heat and has a low resistance value. For example, W, WSi, NiSi, CoSi, or the like can be used. As shown in FIG. 2B, four
メモリセルMCは、図3に示すように、可変抵抗素子VRと非オーミック素子NOの直列接続回路からなる。
可変抵抗素子VRとしては、電圧印加によって、電流、熱、化学エネルギー等を介して抵抗値を変化させることができるもので、上下にバリアメタル及び接着層として機能する電極EL1、EL2が配置される。電極材としては、Pt、Au、Ag、TiAlN、SrRuO、Ru、RuN、Ir、Co、Ti、TiN、TaN、LaNiO、Al、PtIrOx、 PtRhOx、Rh/TaAlN等が用いられる。また、配向性を一様にするようなメタル膜の挿入も可能である。また、別途バッファ層、バリアメタル層、接着層等を挿入することも可能である。
As shown in FIG. 3, the memory cell MC includes a series connection circuit of a variable resistance element VR and a non-ohmic element NO.
As the variable resistance element VR, the resistance value can be changed by applying voltage, through current, heat, chemical energy, etc., and electrodes EL1 and EL2 functioning as a barrier metal and an adhesive layer are arranged above and below. . As the electrode material, Pt, Au, Ag, TiAlN, SrRuO, Ru, RuN, Ir, Co, Ti, TiN, TaN, LaNiO, Al, PtIrOx, PtRhOx, Rh / TaAlN, or the like is used. It is also possible to insert a metal film that makes the orientation uniform. It is also possible to insert a buffer layer, a barrier metal layer, an adhesive layer, etc. separately.
可変抵抗素子VRは、カルコゲナイド等のように結晶状態と非晶質状態の相転移により抵抗値を変化させるもの(PCRAM)、金属陽イオンを析出させて電極間に架橋(コンダクティングブリッジ)を形成したり、析出した金属をイオン化して架橋を破壊することで抵抗値を変化させるもの(CBRAM)、電圧あるいは電流印加により抵抗値が変化するもの(ReRAM)(電極界面に存在する電荷トラップにトラップされた電荷の存在の有無により抵抗変化が起きるものと、酸素欠損等に起因する伝導パスの存在の有無により抵抗変化が起きるものに大別される。)等を用いることができる。 The variable resistance element VR has a resistance value changed by a phase transition between a crystalline state and an amorphous state, such as chalcogenide (PCRAM), and forms a bridging (conducting bridge) between electrodes by depositing metal cations. Or by changing the resistance value by ionizing the deposited metal and breaking the bridge (CBRAM), or by changing the resistance value by applying voltage or current (ReRAM) (trap in the charge trap existing at the electrode interface) And the like in which the resistance change occurs depending on the presence or absence of the generated charge, and the one in which the resistance change occurs depending on the presence or absence of the conduction path due to oxygen deficiency or the like.
[各回路の具体的構成]
以下において、各回路の具体的構成について説明する。なお、メモリセルアレイ110が、ワード線方向に2Kビット(=2048ビット)、ビット線方向に512ビットのメモリセルMCからなる場合を例として説明する。
[Specific configuration of each circuit]
Hereinafter, a specific configuration of each circuit will be described. An example in which the
[ロウ系制御回路]
図4は、メインロウデコーダ120の回路図の一例である。メインロウデコーダ120はプリデコーダであり、ロウアドレスを入力し、256対のメインワード線MWLx、MWLbx(x=<255:0>)の1つを選択する。なお、メインロウデコーダ120は、図4に示す回路を、256対のメインワード線MWLx、MWLbxのそれぞれについて有している。
[Row control circuit]
FIG. 4 is an example of a circuit diagram of the
図4に示すように、1つのメインロウデコーダ120は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG121、このNANDゲートG121の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、レベルシフタL/Sの出力信号を入力信号として取り込むインバータIV121、及びこのインバータIV121の出力信号を入力信号とするインバータIV122によって構成される。インバータIV121、IV122の出力端子は、それぞれメインワード線MWLx、MWLbxに接続されている。このメインロウデコーダ120は、アドレス信号(Address)に基づいて所定のxを選択し、選択したメインワード線MWLx、MWLbxにそれぞれ電圧VSSROW(“H”)、VWR(“L”)を供給し、非選択のメインワード線MWLx、MWLbxにそれぞれ電圧VWR、VSSROWを供給する。
As shown in FIG. 4, one
図5は、ロウドライバ130(セット動作用ロウドライバ130S、リセット動作用ロウドライバ130R)の回路図の一例である。セット動作用ロウドライバ130S、及びリセット動作用ロウドライバ130Rは、いずれも同一の回路構成を採用し得るので、以下ではセット動作用ロウドライバ130Sの構造を説明する。
FIG. 5 is an example of a circuit diagram of the row driver 130 (set
図5に示すセット動作用ロウドライバ130Sは、配線Lを介してワード線WLx<7:0>のいずれかに接続されていると共に、256対のメインワード線MWLx、MWLbx(x=<255:0>)のいずれか1対に接続される。
The set
図5に示すように、セット動作用ロウドライバ130Sは、2つのトランジスタQP131、QN131を備えている。トランジスタQP131、QN131は、書き込み駆動線WDRV<7:0>及びワード線WLx<7:0>間に接続されていて、そのゲートにそれぞれメインワード線MWLbx、MWLxが接続されている。また、セット動作用ロウドライバ130Sは、トランジスタQP132を備えている。トランジスタQP132は、非選択ワード線電圧VUXの電源線及びワード線WLx<7:0>間に接続されており、そのゲートにはメインワード線MWLxが接続されている。
As shown in FIG. 5, the set
セット動作用ロウドライバ130Sは、セット動作が行われる場合において、メインワード線MWLxの選択/非選択の状態に応じて、書き込み駆動線WDRV<7:0>又は非選択ワード線電圧VUXの電源線のいずれか一方とワード線WLx<7:0>とを接続する。これによって、ワード線WLx<7:0>には、選択ワード線電圧VSSROW、非選択ワード線電圧VUXのいずれかが供給される。
When the set operation is performed, the set
一方、リセット動作用ロウドライバ130Rも、同様の構成を有する。リセット動作用ロウドライバ130Rは、リセット動作が行われる場合において、メインワード線MWLxの選択/非選択の状態に応じて、書き込み駆動線WDRV<7:0>又は非選択ワード線電圧VUXの電源線のいずれか一方と配線Lを介してワード線WLx<7:0>とを接続する。
On the other hand, the reset
なお、ロウドライバ130は、その他の周辺回路と同じP型の基板上に共通に形成されるが、負の電圧となる選択ワード線電圧VSSROW(例えば、−0.8V)を与えるために、図6に示すトリプル・ウェル構造を持つ。具体的には、接地電圧VSSをウェル電圧とするP型基板があり、このP型基板上に非選択ワード線電圧VUXをウェル電圧とする第2導電型であるN型のウェル、このN型ウェル上に選択ワード線電圧VSSROWをウェル電圧とするP型ウェルが順次形成された構造となっており、このP型ウェル上にNMOSトランジスタが形成されている。
Note that the
図7は、書き込み駆動線ドライバ140の回路図の一例である。書き込み駆動線回路140は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG141、このNANDゲートG141の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、このレベルシフタL/Sの出力を入力とするインバータIV141によって構成される。このインバータIV141は非選択ワード線電圧VUX及び選択ワード線電圧VSSROW間に設けられ、出力端子が書き込み駆動線WDRVに接続されている。この書き込み駆動線回路140は、入力されたアドレス信号に対応する書き込み駆動線WDRV<127:0>に選択ワード線電圧VSSROWを供給し、その他の書き込み駆動線WDRV<127:0>に非選択ワード線電圧VUXを供給する。この書き込み駆動線WDRVの電圧は、ロウドライバ130を介して、ワード線WLxに供給される。以上の構成によるメインロウデコーダ120、ロウドライバ130、及び書き込み駆動線ドライバ140によって、アドレス信号で選択されたワード線WLxにのみ選択ワード線電圧VSSROWが供給され、その他のワード線WLには非選択ワード線電圧VUXが供給されることになる。
FIG. 7 is an example of a circuit diagram of the write
[カラム系制御回路]
図8は、カラムデコーダ160の回路図の一例である。カラムデコーダ160は、カラムアドレスを入力し、128対のカラム選択線CSLy、CSLby(y=<127:0>)の1つを選択する。なお、カラムデコーダ160は、図8に示すような回路を、128対のカラム選択線CSLy、CSLbyのそれぞれについて有している。図8に示すように、1つのカラムデコーダ160は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG161、このNANDゲートG161の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、このレベルシフタL/Sの出力を入力とするインバータIV161、及びこのインバータIV161の出力を入力とするインバータIV162によって構成される。ここで、インバータIV161、IV162の出力端子は、それぞれカラム選択線CSLy、CSLbyに接続されている。このカラムデコーダ160は、アドレス信号(Address)に基づいて所定のyを選択し、選択したカラム選択線CSLy、CLLbyにそれぞれ電圧VWR(“H”)、VSS(“L”)を供給し、非選択のカラム選択線CSLy、CSLbyにそれぞれ電圧VSS、VWRを供給する。
[Column control circuit]
FIG. 8 is an example of a circuit diagram of the
図9は、カラムドライバ170(セット動作用カラムドライバ170S、リセット動作用カラムドライバ170R)の回路図の一例である。セット動作用カラムドライバ170S、及びリセット動作用カラムドライバ170Rは、いずれも同一の構成を採用し得るので、以下ではセット動作用カラムドライバ170Sの構造を説明する。図9のセット動作用カラムドライバ170Sには128対のカラム選択線CSLy、CSLby(y=<127:0>)のいずれか1対が入力される。図9に示すように、セット動作用カラムドライバ170Sは、ローカルデータ線LDQ<7:0>及びビット線BLy<7:0>間に設けられ、それぞれカラム選択線CSLy、CSLbyで制御される2つのトランジスタQP171、QN171と、非選択ビット線電圧VUBの電源線及びビット線BLy<7:0>間に設けられ、カラム選択線CSLbyで制御されるトランジスタQN172とを備える。
FIG. 9 is an example of a circuit diagram of the column driver 170 (set
このセット動作用カラムドライバ170Sは、カラム選択線CSCyの選択/非選択の状態に応じて、ローカルデータ線LDQ<7:0>/非選択ビット線電圧VUBの電源線とビット線BLyとを接続する。ここで、ローカルデータ線LDQ<7:0>の電圧は、センスアンプ/書き込みバッファ180から供給される選択ビット線電圧VWR或いは非選択ビット線電圧VUBに相当する電圧VSSである。これによって、ビット線BLy<7:0>には、選択ビット線電圧VWR、非選択ビット線電圧VUBのいずれかが供給される。
The set
次に、セット動作用ロウドライバ130Sとメモリセルアレイ110との間の配線L(L0、L1・・・Ln)の長さLs(Ls0、Ls1、・・・Lsn)が、リセット動作用ロウドライバ130Rとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLr(Lr0、Lr1、・・・Lrn)に比べて長くされるレイアウトが採用されている理由を説明する。なお、セット動作用カラムドライバ170Sとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLs’が、リセット動作用カラムドライバ170Rとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLr’に比べて長くされるレイアウトが採用されている理由も同様であるので、以下では前者の理由を中心に説明する。
Next, the length Ls (Ls0, Ls1,... Lsn) of the wiring L (L0, L1... Ln) between the set
メモリセルアレイ11内には、複数のメモリセルMCがマトリクス状に配置され、セット動作用ロウドライバ130Sから近いメモリセルMC(以下、ニアビット(Near Bit)という)と、遠いメモリセルMC(以下、ファービット(Far Bit)という)とが存在する(図10A参照)。この時、長さLsが小さいと、ニアビットにおいて、セット動作後のオン電流Icellのバラつきがファービットに比べ大きくなる(電流分布の幅が大きくなる)という問題がある(図11参照)。なお、図11は比較例におけるオン電流Icellの分布であり、配線Lの長さLs’と長さLr’はほぼ等しい長さである。図11を見ると、セット動作後において、ニアビットに属する複数のメモリセルのオン電流Icellの分布が、ファービットに属する複数のメモリセルのオン電流Icellの分布よりも広いことが解る。
In the memory cell array 11, a plurality of memory cells MC are arranged in a matrix, and a memory cell MC (hereinafter referred to as a near bit) and a distant memory cell MC (hereinafter referred to as a far bit) from the set
ニアビットにおいてオン電流Icellのバラつきが大きくなる理由を説明する。セット動作は、前述のようにメモリセルMCの可変抵抗素子の抵抗値を高抵抗状態から低抵抗状態に切り替える動作である。メモリセルの可変抵抗素子の抵抗値が、電圧印加により低抵抗状態に切り替わると、メモリセルMCに流れる電流が急激に増加する。このような電流の急激な増加は、セット動作が完了されたメモリセルが逆にリセットされてしまったり(誤リセット動作)、メモリセルMCに不要な負担を与え、メモリセルMCのデータ保持特性を劣化させたりするなどの問題がある。一方、リセット動作は、メモリセルMCの可変抵抗素子の抵抗値を低抵抗状態から高抵抗状態に切り替える動作であるので、上記のような問題は生じにくい。 The reason why the variation of the on-current Icell increases in the near bit will be described. As described above, the set operation is an operation of switching the resistance value of the variable resistance element of the memory cell MC from the high resistance state to the low resistance state. When the resistance value of the variable resistance element of the memory cell is switched to the low resistance state by voltage application, the current flowing through the memory cell MC increases rapidly. Such a sudden increase in current causes the memory cell that has completed the set operation to be reset (erroneous reset operation), places an unnecessary burden on the memory cell MC, and reduces the data retention characteristics of the memory cell MC. There are problems such as deterioration. On the other hand, the reset operation is an operation for switching the resistance value of the variable resistance element of the memory cell MC from the low resistance state to the high resistance state, and thus the above-described problem hardly occurs.
そこで、本実施の形態では、図10Aに示すように、セット動作用ロウドライバ130Sとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLsが、リセット動作用ロウドライバ130Rとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLrに比べて長くされるレイアウトが採用している。ここで、メモリセルアレイ110にはメモリセルMCがマトリクス状に配置されている。図10Aにおいては、上側から0番目のワード線WL0に接続されているメモリセルMCを、Bit0と称し、n番目のワード線WLnに接続されているメモリセルMCをBitnと称する。なお、nは2以上の整数である。ワード線WL0〜nには、それぞれ複数のメモリセルMCが接続されており、そのうちでリセット動作用ロウデコーダ130R及びセット動作用ロウデコーダ130Sから見て遠い位置にあるメモリセルMCをファービットFar Bit0〜nと称する。一方、リセット動作用ロウデコーダ130R及びセット動作用ロウデコーダ130Sから見て近い位置にあるメモリセルMCをニアビットNear Bit0〜nと称する。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 10A, the length Ls of the wiring L between the set
ワード線WL0〜nは配線L0〜Lnにそれぞれ接続されている。配線L0〜Lnはリセット動作用ロウドライバ130Rをまたぎ、セット動作用ロウドライバ130Sに到達するように、カラム方向(Col)に延びている。リセット動作用ロウドライバ130RにはコンタクトZiaR0〜ZiaRnが配置されている。また、セット動作用ロウドライバ130SにはコンタクトZiaS0〜ZiaSnが配置されている。
コンタクトZiaR0〜ZiaRnは配線Lを介してワード線WL0〜nにそれぞれ接続されている。コンタクトZiaS0〜ZiaSnは配線Lを介してワード線WL0〜nにそれぞれ接続されている。言い換えると、ワード線WLi(i=0〜n)に1つのコンタクトZiaRiと1つのコンタクトZiaSiが配線Lを介して接続されている。ここで、配線Li(i=0〜n)の長さLsiはメモリセルアレイ110の端(セット動作用ロウドライバ130S側の端)からコンタクトZiaSiまでの距離である。また、配線Liの長さLriはメモリセルアレイ110の端(リセット動作用ロウドライバ130R側の端)からコンタクトZiaRiまでの距離である。また、それぞれのワード線WLiにおいて、配線の長さLsi>Lriの関係が成り立つ。すなわち、配線の長さLs0>Lr0、Ls1>Lr1、・・・Lsn>Lrnである。さらに、配線Ls0とLrnの長さは、Ls0>Lrnの関係を有している。
The word lines WL0 to n are connected to the wirings L0 to Ln, respectively. The wirings L0 to Ln straddle the reset
Contacts ZiaR0 to ZiaRn are connected to word lines WL0 to WLn via wiring L, respectively. Contacts ZiaS0 to ZiaSn are connected to word lines WL0 to WLn via wiring L, respectively. In other words, one contact ZiaRi and one contact ZiaSi are connected to the word line WLi (i = 0 to n) via the wiring L. Here, the length Lsi of the wiring Li (i = 0 to n) is the distance from the end of the memory cell array 110 (the end on the set
ここで、図10Aの点線aの断面図の一例を図10Bに示す。
図10Bに示すように、ワード線WLは0層目からt層目までの積層構造を有している。なおtは2以上の整数である。配線Lnも、同様に0層目からt層目までの積層構造を有している(配線Lnは、配線Ln0〜Lntからなる)。配線Ln0〜Lntは、ワード線WLn0〜WLntにそれぞれ接続されている。ここで、ワード線WLn0〜WLntは図10Aを上面視した場合において重なっている。すなわち、図10Bに示す配線Ln0〜Lntは図10Aを上面視した場合において重なっている。
Here, an example of a cross-sectional view taken along the dotted line a in FIG. 10A is shown in FIG. 10B.
As shown in FIG. 10B, the word line WL has a stacked structure from the 0th layer to the tth layer. T is an integer of 2 or more. Similarly, the wiring Ln has a laminated structure from the 0th layer to the tth layer (the wiring Ln is composed of wirings Ln0 to Lnt). The wirings Ln0 to Lnt are connected to the word lines WLn0 to WLnt, respectively. Here, the word lines WLn0 to WLnt overlap when FIG. 10A is viewed from above. That is, the wirings Ln0 to Lnt illustrated in FIG. 10B overlap when the top view of FIG. 10A is viewed.
コンタクトZiaRnは、それぞれの配線Ln0〜Lntを貫くように、積層方向である方向Lamに延びている。ここで、コンタクトZiaRnは最上層の配線Lntに形成された開口Atから方向Lam下方に延びている。すなわち、配線Lntの開口Atの側面に接することにより、配線Lntと電気的に接続されている。同様に、開口Atから方向Lam下方に延びたコンタクトZiaRnは配線Lntの下層に配置された配線Ln(t−1)、・・・Ln0に同様に接続することができる。
ここで、最下層に配置された配線Ln0の開口A0からLam方向に延びたコンタクトZiaRnは配線M0に接続されている。配線M0は下層コンタクトUCにより、それぞれトランジスタQP131、QN131の拡散層に接続されている。
The contact ZiaRn extends in the direction Lam, which is the stacking direction, so as to penetrate each of the wirings Ln0 to Lnt. Here, the contact ZiaRn extends downward from the opening At formed in the uppermost wiring Lnt in the direction Lam. That is, the contact with the side face of the opening At of the wiring Lnt is electrically connected to the wiring Lnt. Similarly, the contact ZiaRn extending downward from the opening At in the direction Lam can be similarly connected to the wirings Ln (t−1),... Ln0 arranged below the wiring Lnt.
Here, the contact ZiaRn extending in the Lam direction from the opening A0 of the wiring Ln0 arranged in the lowermost layer is connected to the wiring M0. The wiring M0 is connected to the diffusion layers of the transistors QP131 and QN131 by lower layer contacts UC, respectively.
セット動作用ロウドライバ130Sもリセット用ロウドライバ130Rと同様のコンタクトZiaSnを有している。コンタクトZiaSnも、コンタクトZiaRnと同様の要領で配線Ln0〜tに接続されている。また、図示はしていないが、ZiaSnも配線M0と同じレベルの配線に接続され、それぞれセット動作用ロウドライバ130S中のトランジスタQP131、QN131の拡散層に接続されている。
The set
メモリセルMCに供給されるべき電圧は、トランジスタQP131、QN131からコンタクトZiaR、ZiaS、及び配線Lを介してメモリセルMCに供給される。これにより、配線Lの長さLsが長くなることにより、セット動作用ロウドライバ130Sとメモリセルアレイ110との間の配線抵抗が増加する。配線Lの配線抵抗が増加することにより、セット動作完了後においてメモリセルMCに流れるオン電流Icellの増加は抑制されるので、メモリセルMCのデータ保持特性を維持することができる。なお、コンタクトZiaR、ZiaSの抵抗は配線Lの抵抗に比べて小さい。また、配線M0の長さは配線の長さLs、Lrに比べて小さい。よって、トランジスタQP131、QN131からメモリセルアレイ110までの間の配線抵抗は、配線Lの長さLs、Lrによって大きく支配されている。
The voltage to be supplied to the memory cell MC is supplied from the transistors QP131 and QN131 to the memory cell MC via the contacts ZiaR and ZiaS and the wiring L. As a result, the length Ls of the wiring L is increased, so that the wiring resistance between the set
また、図10Cに示すように、配線L0〜LnのそれぞれにコンタクトZiaRi_1、ZiaRi_2、ZirSi_1及びZiaSi_2の4つのコンタクトを配置することもできる(iは0〜nの整数、以下同様)。ここで、ZiaRi_1、ZiaRi_2はリセット用ロウドライバ130R内に配置され、ZiaSi_1、ZiaSi_2はセット用ロウドライバ130S内に配置されている。
As shown in FIG. 10C, four contacts ZiaRi_1, ZiaRi_2, ZirSi_1, and ZiaSi_2 can be arranged in each of the wirings L0 to Ln (i is an integer of 0 to n, and so on). Here, ZiaRi_1 and ZiaRi_2 are arranged in the
配線Lの長さLs、Lrはメモリセルアレイ110の端(セット動作用ロウドライバ130S側の端)からメモリセルアレイ110に近いコンタクトZiaRi_1、ZiaSi_1で定義される。図10Cの破線bの断面図の一例を図10Dに示す。また、コンタクトZiaRn_1、ZiaRn_2、ZirSn_1及びZiaSn_2の構造は図10Bに示す構造と同じであるため説明を省略する。
The lengths Ls and Lr of the wiring L are defined by contacts ZiaRi_1 and ZiaSi_1 close to the
コンタクトZiaRn_1はトランジスタQP131の拡散層に接続されている。また、コンタクトZiaRn_2はトランジスタQN131の拡散層に接続されている。図10Dでは、図10Bと異なり、配線M0を用いずにコンタクトZiaが直接トランジスタの拡散層と接続しているが、これに限定する趣旨ではない。また、カラムドライバ170に関してはロウドライバ130と同様のレイアウトのため説明を省略する。
Contact ZiaRn_1 is connected to the diffusion layer of transistor QP131. Contact ZiaRn_2 is connected to the diffusion layer of transistor QN131. In FIG. 10D, unlike FIG. 10B, the contact Zia is directly connected to the diffusion layer of the transistor without using the wiring M0. However, the present invention is not limited to this. Since the
[第2の実施の形態]
次に、第2の実施の形態に係る不揮発性半導体装置を、図面を参照しつつ詳細に説明する。図12は、第2の実施の形態に係る不揮発性メモリのブロック図である。第1の実施の形態と同一の構成については図12において同一の符号を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。この実施の形態では、メモリセルアレイ110が形成されている半導体基板(図示せず)の直下に、セット動作用ロウドライバ130S及びリセット動作用ロウドライバ130Rが形成されている。セット動作用ロウドライバ130S及びリセット動作用ロウドライバ130Rは、配線CL、及びビアコンタクト領域210に形成され半導体基板に対し垂直に伸びるコンタクト配線を介してメモリセルアレイ110に接続される。ビアコンタクト領域210には複数のコンタクトZiaL0〜ZiaLn、ZiaR0〜ZiaRnが配置されている。ここで、コンタクトZiaL0〜ZiaLnはカラム方向(Col)において左側に配置されたメモリセルアレイ110から延びる配線LL0〜LLnに接続されるコンタクトである。コンタクトZiaR0〜ZiaRnはカラム方向(Col)において右側に配置されたメモリセルアレイのから延びる配線LR0〜LRnに接続されるコンタクトである。
[Second Embodiment]
Next, the nonvolatile semiconductor device according to the second embodiment will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 12 is a block diagram of a nonvolatile memory according to the second embodiment. The same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals in FIG. 12, and detailed description thereof will be omitted below. In this embodiment, a set
なお配線LL0〜LLnははカラム方向(Col)において左側に配置されたメモリセルアレイ110のワード線WL0〜WLnにそれぞれ接続されている。配線LR0〜LRnはカラム方向(Col)において右側に配置されたメモリセルアレイのワード線WL0〜WLnにそれぞれ接続されている。
The wirings LL0 to LLn are respectively connected to the word lines WL0 to WLn of the
ここで、コンタクトZiaLnを例に取って説明する。具体的に、図13に示すように、コンタクトZiaLnの底面は配線M0に接続されている。配線M0は下層コンタクトUCによってそれぞれ、セット動作用ロウドライバ130SのトランジスタQN131、QP131に接続され、リセット動作用ロウドライバ130RのトランジスタQN131、QP131に接続されている。ここでの配線Lの長さLsはコンタクトZiaLnと配線M0が接する位置からセット動作用ロウドライバ130Sの下層コンタクトUCまでの距離である。また、配線Lの長さLrはコンタクトZiaLnと配線M0が接する位置からリセット動作用ロウドライバ130Rの下層コンタクトUCまでの距離である。ここで、リセット動作用ロウドライバ130R及びセット動作用ロウドライバ130Sに2つのコンタクトUCが配置されているが、配線Lの距離Lr、LsはコンタクトZiaLnに近い方のコンタクトUCからの距離として定義される。
Here, the contact ZiaLn will be described as an example. Specifically, as shown in FIG. 13, the bottom surface of the contact ZiaLn is connected to the wiring M0. The wiring M0 is connected to the transistors QN131 and QP131 of the set
なお、コンタクト配線の抵抗は、ワード線WL及び配線CLの抵抗よりも小さい。第1の実施の形態と同様に、セット動作用ロウドライバ130Sとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLsが、リセット動作用ロウドライバ130Rとメモリセルアレイ110との間の配線Lの長さLrに比べて長くされるレイアウトが採用されている。なお、図12では、半導体基板の直下にセット動作用ロウドライバ130S及びリセット動作用ロウドライバ130Sが形成されている例を説明したが、これに代えて、半導体基板の直下にセット動作用カラムドライバ170S及びリセット動作用カラムドライバ170Rを形成してもよい。また、セット動作用ロウドライバ130S、リセット動作用ロウドライバ130R、セット動作用カラムドライバ170S及びリセット動作用カラムドライバ170Rの全てが半導体基板の直下に形成されていてもよい。
Note that the resistance of the contact wiring is smaller than the resistance of the word line WL and the wiring CL. As in the first embodiment, the length Ls of the wiring L between the set
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
(付記1)
さらに、前記メモリセルアレイが複数層配置されたブロックを有し、
前記コンタクト配線は上面視した場合において重なっている前記配線を共通接続していることを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
(付記2)
2本の前記コンタクト配線は、前記複数の配線を前記セット動作用第1ドライバ回路又は前記リセット動作用第1ドライバ回路に接続させることを特徴とする請求項7記載の不揮発性半導体記憶装置。
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
(Appendix 1)
Furthermore, the memory cell array has a block in which a plurality of layers are arranged,
5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein the contact wirings are connected in common to the wirings that overlap when viewed from above.
(Appendix 2)
8. The nonvolatile semiconductor memory device according to
100・・・メモリセルアレイコア部、 110・・・メモリセルアレイ、 120・・・メインロウデコーダ、 130・・・ロウドライバ、 130S・・・セット動作用ロウドライバ、 130R・・・リセット動作用ロウドライバ、 140・・・書き込み駆動線(WDRV)ドライバ、 150・・・ロウ系周辺回路、 160・・・カラムデコーダ、 170・・・カラムドライバ、 180・・・センスアンプ/書き込みバッファ、 190・・・カラム系周辺回路。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記メモリセルに対し高抵抗状態から低抵抗状態に切り替えるセット動作を実行する場合に前記第1配線に電圧を供給するセット動作用第1ドライバ回路と
前記メモリセルに対し低抵抗状態から高抵抗状態に切り替えるリセット動作を実行する場合に前記第1配線に電圧を供給するリセット動作用第1ドライバ回路と
を備え、
前記セット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記リセット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さに比べ長い
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A memory cell array in which memory cells including variable resistance elements arranged at intersections between a plurality of first wirings arranged in parallel and a plurality of second wirings arranged so as to cross the first wiring are arranged When,
A first driver circuit for setting operation for supplying a voltage to the first wiring when executing a set operation for switching the memory cell from a high resistance state to a low resistance state; A reset operation first driver circuit for supplying a voltage to the first wiring when executing a reset operation for switching to
The length of the wiring between the first driver circuit for set operation and the memory cell array is longer than the length of the wiring between the first driver circuit for reset operation and the memory cell array. Nonvolatile semiconductor memory device.
前記メモリセルに対し前記リセット動作を実行する場合に前記第2配線に電圧を供給するリセット動作用第2ドライバ回路と
を更に備え、
前記セット動作用第2ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記リセット動作用第2ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さに比べ長い
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 A second driver circuit for set operation for supplying a voltage to the second wiring when the set operation is performed on the memory cell;
A reset operation second driver circuit for supplying a voltage to the second wiring when the reset operation is performed on the memory cell;
The length of the wiring between the second driver circuit for set operation and the memory cell array is longer than the length of the wiring between the second driver circuit for reset operation and the memory cell array. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
前記セット動作用第1ドライバ回路は、前記複数のメモリセルアレイにより共有され、
前記リセット動作用第1ドライバ回路は、前記複数のメモリセルアレイのそれぞれに対応するように設けられている
ことを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置。 The first driver circuit for set operation and the first driver circuit for reset operation are formed in a region between the plurality of memory cell arrays,
The first driver circuit for set operation is shared by the plurality of memory cell arrays,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first driver circuit for reset operation is provided so as to correspond to each of the plurality of memory cell arrays.
前記セット動作用第1ドライバ回路及び前記リセット動作用第1ドライバ回路は、前記メモリセルアレイの直下の領域に形成され、
前記セット動作用第1ドライバ回路及び前記リセット動作用第1ドライバ回路は、前記コンタクト配線を介して前記第1配線に接続されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 A contact wiring extending in a direction perpendicular to the semiconductor substrate on which the memory cell array is formed and connected to the first wiring;
The first driver circuit for set operation and the first driver circuit for reset operation are formed in a region immediately below the memory cell array,
4. The nonvolatile device according to claim 1, wherein the first driver circuit for set operation and the first driver circuit for reset operation are connected to the first wiring via the contact wiring. 5. Semiconductor memory device.
前記複数の前記コンタクト配線のそれぞれに接続される下層配線と、
前記下層配線に接続された複数の下層コンタクトと、
を更に有し、
前記セット動作用第1ドライバ回路及び前記リセット動作用第1ドライバ回路は、前記下層配線に共通に接続され、
前記複数の下層コンタクトのうち第1下層コンタクトは前記セット動作用第1ドライバ回路と前記下層配線とを接続し、
前記複数の下層コンタクトのうち第2下層コンタクトは前記リセット動作用第1ドライバ回路と前記下層配線とを接続し、
前記セット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記コンタクト配線から前記第1下層コンタクトまでの前記下層配線の距離であり、
前記リセット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記コンタクト配線から前記第2下層コンタクトまでの前記下層配線の距離である
ことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。 A via contact region in which a plurality of the contact wirings are disposed;
A lower layer wiring connected to each of the plurality of contact wirings;
A plurality of lower layer contacts connected to the lower layer wiring;
Further comprising
The first driver circuit for set operation and the first driver circuit for reset operation are commonly connected to the lower layer wiring,
Of the plurality of lower layer contacts, a first lower layer contact connects the first driver circuit for set operation and the lower layer wiring,
The second lower layer contact of the plurality of lower layer contacts connects the first driver circuit for reset operation and the lower layer wiring,
The length of the wiring between the first driver circuit for set operation and the memory cell array is the distance of the lower layer wiring from the contact wiring to the first lower layer contact,
5. The length of the wiring between the first driver circuit for reset operation and the memory cell array is a distance of the lower layer wiring from the contact wiring to the second lower layer contact. Nonvolatile semiconductor memory device.
コンタクト配線とを有し、
前記コンタクト配線は上面視した場合において重なっている複数の配線を共通接続し、
1本の前記コンタクト配線が、前記複数の配線を前記セット動作用第1ドライバ回路又は前記リセット動作用第1ドライバ回路に接続させ、
前記セット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記メモリセルアレイの前記セット動作用第1ドライバ回路側の端から前記セット動作用第1ドライバ回路に配置された前記コンタクト配線までの前記配線の距離であり、
前記リセット動作用第1ドライバ回路と前記メモリセルアレイとの間の配線の長さは、前記メモリセルアレイの前記セット動作用第1ドライバ回路側の端から前記リセット動作用第1ドライバ回路に配置された前記コンタクト配線までの前記配線の距離である
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 Further, a block in which the memory cell array is arranged in a plurality of layers,
Contact wiring,
The contact wiring commonly connects a plurality of overlapping wirings when viewed from above.
One contact wiring connects the plurality of wirings to the first driver circuit for set operation or the first driver circuit for reset operation,
The length of the wiring between the first driver circuit for set operation and the memory cell array is arranged in the first driver circuit for set operation from the end on the first driver circuit side for set operation of the memory cell array. The distance of the wiring to the contact wiring;
The length of the wiring between the first driver circuit for reset operation and the memory cell array is arranged in the first driver circuit for reset operation from the end of the memory cell array on the first driver circuit side for set operation The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the distance is a distance of the wiring to the contact wiring.
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