JP2014229327A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、記憶素子を備える半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device including a memory element.
特許文献1において、縦構造トランジスタを用いた抵抗変化型メモリが開示されている。特許文献1が開示するように、PRAM(Phase change RAM)、ReRAM(Resistance Random Access Memory)及びSTTRAM(Spin Transfer Torque RAM)等の抵抗変化型メモリは、抵抗変化素子(抵抗変化型メモリ素子)に流す電流により、その抵抗値を変化させて情報を記憶する。即ち、抵抗変化素子に電流を流すことでデータの書き込みを行うことから、抵抗変化素子に接続されるメモリセルトランジスタには、一定の電流供給能力が要求される。 In Patent Document 1, a resistance change type memory using a vertical transistor is disclosed. As disclosed in Patent Document 1, resistance change type memories such as PRAM (Phase change RAM), ReRAM (Resistance Random Access Memory), and STTRAM (Spin Transfer Torque RAM) are used as resistance change elements (resistance change type memory elements). The information is stored by changing the resistance value according to the flowing current. That is, since data is written by passing a current through the resistance change element, a certain current supply capability is required for the memory cell transistor connected to the resistance change element.
なお、上記先行技術文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。 The disclosure of the above prior art document is incorporated herein by reference. The following analysis was made by the present inventors.
上述のように、抵抗変化型メモリに用いられるメモリセルトランジスタには一定の電流供給能力が要求される。一方で、半導体メモリに対する微細化の要求に応えるため、メモリセルトランジスタのサイズは減少の一途である。その結果、メモリセルトランジスタに要求される電流供給能力を確保するのが困難な状況にある。 As described above, the memory cell transistor used in the resistance change type memory is required to have a constant current supply capability. On the other hand, in order to meet the demand for miniaturization of semiconductor memories, the size of memory cell transistors is steadily decreasing. As a result, it is difficult to ensure the current supply capability required for the memory cell transistor.
本発明の第1の視点によれば、グローバルビット線と、前記グローバルビット線と選択的に接続される複数のローカルビット線と、ワード線と、前記ワード線及び前記複数のローカルビット線との間に其々設けられ、抵抗変化素子が主電極に、前記ワード線が制御電極に其々接続されるメモリセルトランジスタを其々含む複数のメモリセルと、を備え、複数の前記メモリセルトランジスタにおけるボディ部は、前記ワード線が活性状態の時に互いのチャネル部が接続されるように、互いに隣接するメモリセルトランジスタについて互いに接続されている半導体装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, a global bit line, a plurality of local bit lines selectively connected to the global bit line, a word line, the word line, and the plurality of local bit lines A plurality of memory cells each including a memory cell transistor each having a resistance change element connected to a main electrode and a word line connected to a control electrode. A semiconductor device is provided in which the body portions are connected to each other in adjacent memory cell transistors so that the channel portions are connected to each other when the word line is in an active state.
本発明の1視点によれば、縦構造トランジスタをメモリセルトランジスタとして用いる構造において、メモリセルトランジスタの電流供給能力を向上することに寄与する半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device that contributes to improving the current supply capability of a memory cell transistor in a structure using a vertical transistor as a memory cell transistor.
一実施形態の概要について説明する。図1に示すように、半導体装置は、グローバルビット線(例えば、グローバルビット線GBL0)と、グローバルビット線と選択的に接続される複数のローカルビット線(例えば、ローカルビット線LBL0〜LBL7)と、共通ソース線(例えば、共通ソース線SL)と、共通ソース線及び複数のローカルビット線の間に其々設けられ、各々が共通ソース線及び複数のローカルビット線との間に直列に接続された抵抗変化素子(例えば、図1の参照符号34)及びメモリセルトランジスタ(例えば、図1の参照符号35)を備える複数のメモリセル(例えば、図1の参照符号32)と、複数のメモリセルにおける複数のメモリセルトランジスタの複数のゲートと共通に接続されるワード線(例えば、ワード線WL0)と、其々のゲートにワード線が共通に接続され、其々に対応する互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタのソース及びドレインの一方同志の間にチャネルを形成するように構成される複数の制御トランジスタ(例えば、図1の参照符号33)と、を備える。
An outline of one embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the semiconductor device includes a global bit line (for example, global bit line GBL0) and a plurality of local bit lines (for example, local bit lines LBL0 to LBL7) selectively connected to the global bit line. The common source line (for example, the common source line SL) is provided between the common source line and the plurality of local bit lines, and each is connected in series between the common source line and the plurality of local bit lines. A plurality of memory cells (for example, reference numeral 32 in FIG. 1) each including a variable resistance element (for example,
一実施形態に係る半導体装置は、複数のメモリセルのうち、グローバルビット線を共有するメモリセルを構成するメモリセルトランジスタは、ワード線の活性化に応じてメモリセルトランジスタに形成されるチャネルを互いに接続する構成を有する。グローバルビット線を共有する複数のメモリセルのうち、ワード線により選択され、アクセスの対象となるメモリセルは1つである。換言するならば、グローバルビット線を共有するメモリセルのうち、ワード線により選択されないメモリセルはアクセスの対象からは外れている。そこで、一実施形態に係る半導体装置では、アクセスの対象となるメモリセルに含まれるメモリセルトランジスタだけではなく、アクセスの対象から外れているメモリセルに含まれるメモリセルトランジスタをも使用して、抵抗変化素子に電流を流す。即ち、抵抗変化素子にデータを書き込む際のメモリセルトランジスタにおける電流供給能力を高めることができる。 In the semiconductor device according to the embodiment, the memory cell transistors that constitute the memory cells sharing the global bit line among the plurality of memory cells have channels formed in the memory cell transistors in response to activation of the word lines. It has a configuration to connect. Of the plurality of memory cells sharing the global bit line, one memory cell is selected by the word line and is to be accessed. In other words, among the memory cells that share the global bit line, memory cells that are not selected by the word line are excluded from access targets. Therefore, in the semiconductor device according to the embodiment, not only the memory cell transistor included in the memory cell to be accessed, but also the memory cell transistor included in the memory cell that is excluded from the access target is used. Current is passed through the change element. That is, the current supply capability of the memory cell transistor when writing data to the variable resistance element can be increased.
以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。 Hereinafter, specific embodiments will be described in more detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
第1の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
[First Embodiment]
The first embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、第1の実施形態に係る半導体装置10の構成の一例を示す図である。図2に示すメモリセルアレイ11は、二次元的に配置された複数の抵抗変化型のメモリセルを含む。各メモリセルは、抵抗変化素子(図1に示す参照符号34)とメモリセルトランジスタ(図1に示す参照符号35)から構成される。各抵抗変化素子は、高抵抗状態「0」と低抵抗状態「1」のいずれかの抵抗状態を記憶し、不揮発性記憶素子として機能する。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
半導体装置10は、メモリセルを選択し、高抵抗状態を低抵抗状態に変化させるSET書き込み、低抵抗状態を高抵抗状態に変化させるRESET書き込み、抵抗状態の読み出しの3つの動作を行う。図2において、メモリセルアレイ11以外のブロックは、メモリセルアレイ11に対して、上記3つの動作を制御している。
The
アドレス入力回路12は、アクセスするメモリセルのアドレスADDを入力する。アドレスラッチ回路13は、入力されたアドレスADDをラッチし、ロウアドレスADD_ROWと、カラムアドレスADD_COLUMNに分離する。
The
アドレスラッチ回路13は、ロウアドレスADD_ROWをロウ制御回路14に、カラムアドレスADD_COLUMNをカラム制御回路15に、それぞれ出力する。なお、アドレスラッチ回路13はロウアドレスADD_ROW及びカラムアドレスADD_COLUMNを時分割で受けても良い。 The address latch circuit 13 outputs the row address ADD_ROW to the row control circuit 14 and the column address ADD_COLUMN to the column control circuit 15. The address latch circuit 13 may receive the row address ADD_ROW and the column address ADD_COLUMN in a time division manner.
ロウ制御回路14は、ロウデコーダ(図示せず)を備え、ロウアドレスADD_ROWからロウ選択信号をデコードする。複数のワード線WLのなかから、ロウ選択信号により選択されたワード線WLが活性化する。 The row control circuit 14 includes a row decoder (not shown) and decodes a row selection signal from the row address ADD_ROW. Of the plurality of word lines WL, the word line WL selected by the row selection signal is activated.
カラム制御回路15は、カラムデコーダ(図示せず)を備え、カラムアドレスADD_COLUMNからカラム選択信号YJをデコードする。カラム制御回路15は、カラム選択信号YJをメモリセルアレイ11に出力する。カラム選択信号YJにより選択されたビット線BLが活性化する。 The column control circuit 15 includes a column decoder (not shown), and decodes the column selection signal YJ from the column address ADD_COLUMN. The column control circuit 15 outputs a column selection signal YJ to the memory cell array 11. The bit line BL selected by the column selection signal YJ is activated.
クロック入力回路16は、外部から半導体装置10に供給される相補の外部クロック信号CK、/CKを受け、内部クロックICLKを生成する。クロック入力回路16は、生成した内部クロックICLKを、タイミングジェネレータ17に供給する。
The
タイミングジェネレータ17は、内部クロックICLKに基づき、半導体装置10の動作に必要な種々のタイミング信号を生成し、図示しない各部へ供給する。なお、本明細書において、信号名の「/」はロウレベルがアクティブの信号であることを示す。
The
データ入出力端子DQは入出力回路18と接続され、データ入出力端子DQに書き込みデータが入力されることに応じて書き込みデータが入出力回路18に取り込まれる。また、入出力回路18はリードライトアンプ(RWAMP)19と接続される。リードライトアンプ19は、書き込みデータを、メモリセルアレイ11を延伸するグローバルビット線GBLに出力する。また、リードライトアンプ19は、メモリセルから読み出したデータを、グローバルビット線GBLを介して入力し、当該データを増幅した後、入出力回路18に出力する。入出力回路18は、リードライトアンプ19にて増幅されたデータを、データ入出力端子DQから出力する。 The data input / output terminal DQ is connected to the input / output circuit 18, and the write data is taken into the input / output circuit 18 in response to the write data being input to the data input / output terminal DQ. The input / output circuit 18 is connected to a read / write amplifier (RWAMP) 19. The read / write amplifier 19 outputs write data to the global bit line GBL that extends the memory cell array 11. The read / write amplifier 19 inputs data read from the memory cell via the global bit line GBL, amplifies the data, and outputs the amplified data to the input / output circuit 18. The input / output circuit 18 outputs the data amplified by the read / write amplifier 19 from the data input / output terminal DQ.
コマンド入力回路20は、制御信号として、ロウアドレスストローブ信号/RAS、カラムアドレスストローブ信号/CAS、ライトイネーブル信号/WE等を入力する。
The
コマンドデコード回路21は、これらの制御信号をデコードし、デコードされたコマンドの実行に必要な制御信号を半導体装置10内の各部に出力する。コマンドデコード回路21は、制御信号のデコード結果に基づいて、プログラム(ライト)コマンド信号PROG又はリードコマンド信号READをロウ制御回路14及びカラム制御回路15に供給する。
The
ロウ制御回路14及びカラム制御回路15は、プログラムコマンド信号PROG又はリードコマンド信号READと共に供給されるアドレス信号(ロウアドレスADD_ROW、カラムアドレスADD_COLUMN)によりアクセス対象のメモリセルを選択する。データのプログラム時には、リードライトアンプ19において増幅されるデータが、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLを経由して、選択されたメモリセルに書き込まれる。一方、データのリード時には、メモリセルから読み出されるデータが、ローカルビット線LBL及びグローバルビット線GBLを経由し、リードライトアンプ19により増幅された後に読み出される。 The row control circuit 14 and the column control circuit 15 select a memory cell to be accessed by an address signal (row address ADD_ROW, column address ADD_COLUMN) supplied together with the program command signal PROG or the read command signal READ. At the time of data programming, data amplified by the read / write amplifier 19 is written into the selected memory cell via the global bit line GBL and the local bit line LBL. On the other hand, when reading data, data read from the memory cell is read after being amplified by the read / write amplifier 19 via the local bit line LBL and the global bit line GBL.
内部電源発生回路22は、外部から供給される電源VDD、VSSを入力し、半導体装置10内の各部で必要な電圧VPP、VREAD、VSET、VRESET、VSL、VPERI等を生成し、各部へ供給する。
The internal power supply generation circuit 22 receives power supply VDD and VSS supplied from the outside, generates voltages VPP, VREAD, VSET, VRESET, VSL, VPERI and the like necessary for each part in the
電圧VREADは、センスアンプ(図示せず)が、選択されたビット線BLに所定の電圧を印加し、抵抗変化素子の抵抗変化を読み取る際に使用される。電圧VSETは、リードライトアンプ19に供給され、SET書き込み時に使用される。電圧VRESETは、リードライトアンプ19に供給され、RESET書き込み時に使用される。電圧VSLは、共通ソース線SLを介して、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLをプリチャージする際に使用される。電圧VPERIは、メモリセルアレイ11の周辺回路の電源として使用される。 The voltage VREAD is used when a sense amplifier (not shown) applies a predetermined voltage to the selected bit line BL and reads the resistance change of the resistance change element. The voltage VSET is supplied to the read / write amplifier 19 and used during SET writing. The voltage VRESET is supplied to the read / write amplifier 19 and used at the time of RESET writing. The voltage VSL is used when precharging the global bit line GBL and the local bit line LBL via the common source line SL. The voltage VPERI is used as a power source for peripheral circuits of the memory cell array 11.
次に、メモリセルアレイ11の内部構成について説明する。 Next, the internal configuration of the memory cell array 11 will be described.
図1は、メモリセルアレイ11の内部構成の一例を示す図である。図1を参照すると、メモリセルアレイ11は、複数のYスイッチ回路30−1〜30−8と、複数のプリチャージ回路31−1〜31−8と、複数のメモリセル32−1〜32−8と、複数の連結トランジスタ33−1〜33−7と、を含んで構成されている。なお、以降の説明において、Yスイッチ回路を区別する特段の理由がない場合には、「Yスイッチ回路30」と表記する。プリチャージ回路、メモリセル、連結トランジスタ、抵抗変化素子及びメモリセルトランジスタについても同様の表記を行う。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the internal configuration of the memory cell array 11. Referring to FIG. 1, the memory cell array 11 includes a plurality of Y switch circuits 30-1 to 30-8, a plurality of precharge circuits 31-1 to 31-8, and a plurality of memory cells 32-1 to 32-8. And a plurality of coupled transistors 33-1 to 33-7. In the following description, when there is no particular reason for distinguishing the Y switch circuit, it is expressed as “Y switch circuit 30”. The same notation is applied to the precharge circuit, the memory cell, the connection transistor, the resistance change element, and the memory cell transistor.
メモリセルアレイ11に含まれる各メモリセル32は、ワード線WL及びビット線BLにより選択される。メモリセル32の選択に用いられるビット線BLは、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、に階層化されている。例えば、図1において、グローバルビット線GBL0にローカルビット線LBL0〜LBL7のいずれかが選択され、接続されるように構成されている。 Each memory cell 32 included in the memory cell array 11 is selected by a word line WL and a bit line BL. The bit line BL used for selecting the memory cell 32 is hierarchized into a global bit line GBL and a local bit line LBL. For example, in FIG. 1, one of the local bit lines LBL0 to LBL7 is selected and connected to the global bit line GBL0.
このように、メモリセルアレイ11は、複数のグローバルビット線GBLが配線され、かつ、各グローバルビット線GBLには、複数のローカルビット線LBLのいずれかが選択的に接続される。 As described above, in the memory cell array 11, a plurality of global bit lines GBL are wired, and any one of the plurality of local bit lines LBL is selectively connected to each global bit line GBL.
Yスイッチ回路30は、グローバルビット線GBLと複数のローカルビット線LBLの間にそれぞれ設けられるスイッチ回路である。Yスイッチ回路30は、グローバルビット線GBLと複数のローカルビット線LBL間の接続を切り替えるスイッチとして機能する。Yスイッチ回路30は、例えば、Nチャネル型MOSトランジスタ等により構成され、そのゲート端子(制御電極)にてカラム選択信号YJを受け付ける。例えば、図1において、カラム選択信号YJ0が活性状態、カラム選択信号YJ1〜YJ7が非活性状態であれば、Yスイッチ回路30−1が導通し、グローバルビット線GBL0とローカルビット線LBL0が接続される。このように、各Yスイッチ回路30はそれぞれ、複数のローカルビット線LBLのグローバルビット線GBLへの接続を切り替えるカラム選択信号YJに応じて、導通する。なお、各Yスイッチ回路30のそれぞれに対応するカラム選択信号YJは互いに独立の選択信号である。 The Y switch circuit 30 is a switch circuit provided between the global bit line GBL and the plurality of local bit lines LBL. The Y switch circuit 30 functions as a switch that switches connection between the global bit line GBL and the plurality of local bit lines LBL. The Y switch circuit 30 is composed of, for example, an N-channel MOS transistor or the like, and receives a column selection signal YJ at its gate terminal (control electrode). For example, in FIG. 1, if the column selection signal YJ0 is in the active state and the column selection signals YJ1 to YJ7 are in the inactive state, the Y switch circuit 30-1 is turned on and the global bit line GBL0 and the local bit line LBL0 are connected. The In this way, each Y switch circuit 30 is turned on in response to the column selection signal YJ that switches connection of the plurality of local bit lines LBL to the global bit line GBL. The column selection signals YJ corresponding to the respective Y switch circuits 30 are independent selection signals.
プリチャージ回路31は、複数のローカルビット線LBLにそれぞれ接続される回路である。プリチャージ回路31は、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLの電位を電圧VSLにプリチャージする回路である。プリチャージ回路31は、例えば、Nチャネル型MOSトランジスタ等により構成され、そのゲート端子にてプリチャージ信号YBを受け付ける。各プリチャージ回路31は、プリチャージ信号YBが活性化することに応じて、ローカルビット線LBLと電圧VSLを供給する共通ソース線SLを接続することで、グローバルビット線GBL及びローカルビット線LBLを電圧VSLにプリチャージする。なお、プリチャージ信号YBは、カラム選択信号YJが非活性状態の場合(Yスイッチ回路30が非選択である場合)に、活性化する信号である。即ち、プリチャージ回路31は、Yスイッチ回路30のいずれもが非選択である時に導通する。
The
図1において、ロウ制御回路14及びカラム制御回路15が生成する各種の制御信号により、ワード線WL及びローカルビット線LBLが選択される。ワード線WL及び複数のローカルビット線LBLとの間には、それぞれメモリセル32が設けられ、ワード線WL及びローカルビット線LBLが選択された後に、その交点に位置するメモリセル32がアクセスの対象となる。 In FIG. 1, the word line WL and the local bit line LBL are selected by various control signals generated by the row control circuit 14 and the column control circuit 15. Memory cells 32 are respectively provided between the word line WL and the plurality of local bit lines LBL. After the word line WL and the local bit line LBL are selected, the memory cell 32 located at the intersection is accessed. It becomes.
メモリセル32は、抵抗変化素子34とメモリセルトランジスタ35から構成されている。メモリセルトランジスタ35の第1主電極(ソース端子及びドレイン端子の一方)は抵抗変化素子34に、第2主電極(ソース端子及びドレイン端子の他の一方)は共通ソース線SLに、制御電極(ゲート端子)はワード線WLにそれぞれ接続される。このように、メモリセル32は、共通ソース線SL及び複数のローカルビット線LBLの間に其々設けられ、各々が共通ソース線SL及び複数のローカルビット線LBLとの間に直列に接続された抵抗変化素子34及びメモリセルトランジスタ35を備える。
The memory cell 32 includes a
各メモリセル32にデータを書き込む場合には、データを書き込もうとするメモリセル32に対応したワード線WLが選択されることで、メモリセルトランジスタ35がオン状態となる。さらに、共通ソース線SLとローカルビット線LBLとの間に書き込み電圧を印加し、抵抗変化素子34に電流を流すことで書き込み動作を行う。
When writing data in each memory cell 32, the word line WL corresponding to the memory cell 32 to which data is to be written is selected, so that the
より詳細には、メモリセル32にデータ「0」を書き込む際には、グローバルビット線GBLに低電位の電圧VRESETを印加する。一方、メモリセルにデータ「1」を書き込む際には、グローバルビット線GBLに高電位の電圧VSETを印加する。なお、メモリセルにデータを書き込む際に、グローバルビット線GBLに印加する電圧は、リードライトアンプ19を制御することで切り替わる。リードライトアンプ19は電圧VRESET及びVSETを受けており、書き込むべきデータに対応してグローバルビット線GBLに供給する電圧を変化させる。 More specifically, when data “0” is written in the memory cell 32, a low-potential voltage VRESET is applied to the global bit line GBL. On the other hand, when writing data “1” in the memory cell, a high-potential voltage VSET is applied to the global bit line GBL. Note that when data is written to the memory cell, the voltage applied to the global bit line GBL is switched by controlling the read / write amplifier 19. The read / write amplifier 19 receives the voltages VRESET and VSET, and changes the voltage supplied to the global bit line GBL corresponding to the data to be written.
また、抵抗変化素子34に電圧VREADが印加され、その際に流れる電流により、抵抗変化素子34の抵抗状態(低抵抗状態又は高抵抗状態)を判定することで、メモリセル32からデータを読み出す。
Further, the voltage VREAD is applied to the
連結トランジスタ33は、隣接するメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35におけるボディ部を相互に接続するためのトランジスタである。例えば、連結トランジスタ33−1は、メモリセルトランジスタ35−1のボディ部と、メモリセルトランジスタ35−2のボディ部と、を接続する。このように、連結トランジスタ33は、隣接するメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部を接続する連結部として機能する。
The connection transistor 33 is a transistor for connecting the body portions of the
なお、連結トランジスタ33が、相互に接続するメモリセル32の範囲は、特定のグローバルビット線GBLと特定のワード線WLにより選択可能な複数のメモリセル32に限られる。換言するならば、複数のメモリセル32のうち、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有とするメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部が互いに接続される。例えば、メモリセル32−1〜32−8は、連結トランジスタ33−1〜33−7により相互に接続されるが、他のメモリセル(例えば、メモリセル32−9等)とは接続されない。つまり、複数のメモリセル32のうち、グローバルビット線GBL及びワード線WLを非共有とするメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタのボディ部は、互いに非接続である。
The range of the memory cells 32 to which the coupling transistor 33 is connected is limited to a plurality of memory cells 32 that can be selected by a specific global bit line GBL and a specific word line WL. In other words, the body portions of the
各連結トランジスタ33のゲート端子は、対応するワード線WLに接続されている。そのため、対応するワード線WLが活性化することで、連結トランジスタ33は導通する。即ち、対応するワード線WLが活性化することで、連結トランジスタ33のボディ部にはチャネルが形成される。また、ワード線WLが活性化することで、メモリセルトランジスタ35のボディ部にもチャネルが形成される。さらに、後述するように、グローバルビット線GBLとワード線WLを共有する複数のメモリセル32に含まれるメモリセルトランジスタ35のボディ部(シリコンピラー)は、一本のピラーとして形成される。従って、各メモリセルトランジスタ35におけるボディ部は、ワード線WLが活性状態の時に互いのチャネル部が接続されるように、互いに隣接するメモリセルトランジスタ35を接続すると捉えることもできる。図1においては、ワード線WL0が活性状態になることで、連結トランジスタ33−1〜33−7がそれぞれ導通し、各メモリセルトランジスタ35のボディ部を接続する。
The gate terminal of each connection transistor 33 is connected to the corresponding word line WL. Therefore, when the corresponding word line WL is activated, the connection transistor 33 becomes conductive. That is, when the corresponding word line WL is activated, a channel is formed in the body portion of the connection transistor 33. Further, when the word line WL is activated, a channel is also formed in the body portion of the
このように、各連結トランジスタ33は、其々のゲートにワード線WLが共通に接続され、其々に対応する互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35のソース及びドレインの一方同志の間にチャネルを形成するように構成される。そのため、互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35におけるソース及びドレインの一方は、ワード線WLが活性状態の時に、連結トランジスタ33のチャネルを介して互いに電気的に接続され、ワード線WLが非活性状態の時に、連結トランジスタ33のチャネルが形成されないことに応じて電気的に独立となる。なお、対応するワード線WLが非活性状態であれば、連結トランジスタ33が導通することはなく、メモリセル32内部の各メモリセルトランジスタ35のボディ部が相互に接続されることもない。
In this way, each of the connection transistors 33 has a common word line WL connected to each gate, and a channel between one of the sources and drains of the two adjacent
なお、ビット線BLだけではなく、ワード線WLも階層化してもよい。その場合には、ワード線WLを、メインワード線とサブワード線に階層化し、メインワードドライバ(図示せず)やサブワードドライバ(図示せず)を用いてメモリセル32の選択を行う。 Note that not only the bit lines BL but also the word lines WL may be hierarchized. In that case, the word line WL is hierarchized into a main word line and a sub word line, and the memory cell 32 is selected using a main word driver (not shown) or a sub word driver (not shown).
図3は、図1に示すメモリセル32−1〜32−8及びその周辺の回路構成を、所謂プレーナタイプトランジスタで形成したレイアウト図である。この構成においては、各トランジスタのソース、チャネル、ドレイン、が平面的に重ならずに配置されている。本発明は、この様なプレーナタイプトランジスタを用いて構成することが出来る。 FIG. 3 is a layout diagram in which the memory cells 32-1 to 32-8 shown in FIG. 1 and their peripheral circuit configurations are formed of so-called planar type transistors. In this configuration, the source, channel, and drain of each transistor are arranged so as not to overlap in a plane. The present invention can be configured using such a planar type transistor.
一方、図4は、上記回路構成を、所謂縦型トランジスタで形成した構造図であり、図1に示すメモリセル32−1〜32−8におけるワード線WL方向の断面を示す図である。この構成においては各メモリセルトランジスタ35のソース、チャネル(及びボディ)、ドレインは平面的に重なり、半導体基板に垂直な方向に並んで配置される。更に、連結トランジスタ33は互いに隣接する2つのメモリセルトランジスタ35のソース及びドレインの一方の間にチャネルを形成するように、即ちプレーナタイプトランジスタの様に形成されている。なお、図3及び図4において、理解の容易のために、トランジスタの回路記号を図示している。
On the other hand, FIG. 4 is a structural diagram in which the above circuit configuration is formed by so-called vertical transistors, and is a diagram showing a cross section in the word line WL direction in the memory cells 32-1 to 32-8 shown in FIG. In this configuration, the source, channel (and body), and drain of each
図3を参照すると、メモリセルトランジスタ35を形成するN型拡散層102は、第1コンタクト103を介して抵抗変化素子34の一端と電気的に接続される。さらに、抵抗変化素子34の他の一端が、ローカルビット線LBLと電気的に接続される。また、メモリセルトランジスタ35を形成するN型拡散層101は、第2コンタクト104を介して、共通ソース線SLと電気的に接続される。さらに、メモリセルトランジスタ35のゲート端子が、対応するワード線WLに電気的に接続される。なお、N型拡散層101及び102に挟まれた領域にチャネルを形成する。さらに、各メモリセルトランジスタ35の互いに隣接するローカルビット線LBL側のノード間において、連結トランジスタ33が形成される。この様に、図3における各とトランジスタは平面的に配置されている。
Referring to FIG. 3, the N-
図4を参照すると、各メモリセルトランジスタは半導体基板に垂直な方向に形成され、その一部分たるN型拡散層102同士の間に形成される連結トランジスタ33により、メモリセルトランジスタ35のボディ部が互いに電気的に接続されるように形成されている。即ち、基板106上にN型拡散層101を積層し、さらにシリコンピラー107を各メモリセルトランジスタ35に共通する1本のピラーとして形成する。シリコンピラー107上には、複数のN型拡散層102が複数の抵抗変化素子34に其々対応して形成され、さらに、シリコンピラー107は、ボディ部上面が略平坦となるように形成される。その結果、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有する複数のメモリセルトランジスタ35間において、ボディ部は、連結トランジスタ33を介して共有される。また、シリコンピラー107の両側には所定の間隔をおいて(ゲート酸化膜を介して)、ゲート電極(図示せず)が配置され、対応するワード線WL0と電気的に接続されている。プロセス上の形成難度は高いものの、この様に形成することで半導体装置のサイズを小さく抑えることが出来る。
Referring to FIG. 4, each memory cell transistor is formed in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, and the body portion of the
なお、メモリセルトランジスタ35のボディ部同士を接続するのは、グローバルビット線GBL及びワード線WLを共有するメモリセルトランジスタ35に限られ、グローバルビット線GBL及びワード線WLのいずれか一方を共有しないメモリセルトランジスタ35同士は互いに接続しない。つまり、互いに隣接して配置されるメモリセルトランジスタ35(例えば、ワード線WL0に接続されたメモリセルトランジスタ35)のソース及びドレインの一方と、接続されるワード線WLが異なる他のメモリセルトランジスタ35(例えば、ワード線WL0以外のワード線WLに接続されたメモリセルトランジスタ35)のソース及びドレインの一方は、いずれのワード線WLが活性化しても電気的に独立である。
Note that the body parts of the
次に、図1を参照しつつ、半導体装置10の動作について説明する。ここでは、図1に示すメモリセル32−4にデータ「1」を書き込む場合の動作について説明する。
Next, the operation of the
初めに、ロウ制御回路14に含まれるロウデコーダが、アドレスラッチ回路13から供給されるロウアドレスADD_ROWに基づき、アクセスの対象となるメモリセル32が接続されたワード線WLを活性化する。ここでは、メモリセル32−4がアクセス対象のメモリセルであるので、ワード線WL0が活性状態に遷移する。ワード線WL0が活性状態となることで、当該ワード線WL0に接続されたメモリセルトランジスタ35−1〜35−8と、連結トランジスタ33−1〜33−7と、がそれぞれオン状態となる。 First, the row decoder included in the row control circuit 14 activates the word line WL to which the memory cell 32 to be accessed is connected based on the row address ADD_ROW supplied from the address latch circuit 13. Here, since the memory cell 32-4 is a memory cell to be accessed, the word line WL0 changes to the active state. When the word line WL0 is activated, the memory cell transistors 35-1 to 35-8 and the connection transistors 33-1 to 33-7 connected to the word line WL0 are turned on.
次に、カラム制御回路15に含まれるカラムデコーダが、アドレスラッチ回路13から供給されるカラムアドレスADD_COLUMNからカラム選択信号YJをデコードする。ここでは、カラム選択信号YJ3が活性状態となり、他のカラム選択信号YJは非活性状態を維持する。カラム選択信号YJ3が活性状態、他のカラム選択信号YJが非活性状態となることで、Yスイッチ回路30−4が導通し、他のYスイッチ回路30は非導通となる。 Next, the column decoder included in the column control circuit 15 decodes the column selection signal YJ from the column address ADD_COLUMN supplied from the address latch circuit 13. Here, the column selection signal YJ3 is activated, and the other column selection signals YJ remain inactive. When the column selection signal YJ3 is activated and the other column selection signals YJ are deactivated, the Y switch circuit 30-4 is turned on and the other Y switch circuits 30 are turned off.
さらにその後、データ「1」の書き込みを行うべく、グローバルビット線GBLに電圧VSETが供給される。ここでは、グローバルビット線GBL0に電圧VSETが供給される。Yスイッチ回路30−4が導通しているので、グローバルビット線GBL0及びローカルビット線LBL3を介して抵抗変化素子34−4に電流が流れる。その際、ワード線WL0の活性化に応じて、連結トランジスタ33−1〜7が導通する。つまり、抵抗変化素子34−4には、メモリセルトランジスタ35−4だけではなく、連結トランジスタ33−1〜7及び他のメモリセルトランジスタ35−1〜3、5〜8を介しても電流が流れる。このように多数のメモリセルトランジスタ35を導通状態とすることで、抵抗変化素子34(ここでは、抵抗変化素子34−4)の抵抗状態を変化させるのに十分な電流を確保できる。
Thereafter, the voltage VSET is supplied to the global bit line GBL in order to write the data “1”. Here, the voltage VSET is supplied to the global bit line GBL0. Since the Y switch circuit 30-4 is conductive, a current flows through the resistance change element 34-4 via the global bit line GBL0 and the local bit line LBL3. At that time, the connection transistors 33-1 to 7-3 are turned on in response to the activation of the word line WL0. That is, a current flows through the resistance change element 34-4 not only through the memory cell transistor 35-4 but also through the connection transistors 33-1 to 3-7 and the other memory cell transistors 35-1 to 35-3, 5-8. . Thus, by making many
このように、第1の実施形態に係る半導体装置10は、1本のグローバルビット線GBLに対して選択されるローカルビット線LBLは1本であることに着目し、非選択のローカルビット線LBLに対応するメモリセルトランジスタの電流供給能力を集約することで、電流供給能力を向上させている。
As described above, the
なお、メモリセル32にデータ「0」を書き込む場合には、データ「1」を書き込む場合と比較して、電流が流れる向きが逆になるだけで、基本的な動作は同一である。そのため、さらなる説明を省略する。 Note that when data “0” is written to the memory cell 32, the basic operation is the same, only the direction of current flow is reversed compared to when data “1” is written. Therefore, further explanation is omitted.
ここで、抵抗変化素子34に流す電流量を増やすために、メモリセルアレイ11の構成を図5のようにすることも考えられる。図5に示す各メモリセル32は、連結トランジスタ33を介さず、互いに接続される構成を有する。なお、図5において図1と同一構成要素には、同一の符号を表し、その説明を省略する。
Here, in order to increase the amount of current flowing through the
ここで、図5に示すメモリセルアレイ11の構成では、非選択のワード線WLに属するメモリセル32を介しての電流の回り込みが生じる可能性があり、メモリセルアレイ11の設計及び抵抗変化素子34の特性上問題が生じない範囲においてのみの採用となるが、図1に示す構成では、メモリセル32の間に設けた連結トランジスタ33により、電流の回り込みを防止できる。
Here, in the configuration of the memory cell array 11 shown in FIG. 5, there is a possibility of current sneaking through the memory cells 32 belonging to the non-selected word line WL. The design of the memory cell array 11 and the
例えば、図5の構成おいて、上述の場合と同様に、ワード線WL0及びカラム選択信号YJ3が活性状態にある場合を考える。この場合、グローバルビット線GBL0からローカルビット線LBL3に流れる電流は、メモリセル32−10及び32−11を介してローカルビット線LBL2にも伝達する。一方、図1に示す構成では、メモリセル32−10とメモリセル32−11の間に形成される連結トランジスタ33−8が導通することはないのでローカルビット線LBL2に電流が回り込むことはない。 For example, in the configuration of FIG. 5, a case where the word line WL0 and the column selection signal YJ3 are in the active state is considered as in the case described above. In this case, the current flowing from the global bit line GBL0 to the local bit line LBL3 is also transmitted to the local bit line LBL2 via the memory cells 32-10 and 32-11. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 1, since the connection transistor 33-8 formed between the memory cell 32-10 and the memory cell 32-11 is not conducted, no current flows into the local bit line LBL2.
なお、引用した上記の特許文献の開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。 The disclosure of the cited patent document is incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment or example, each element of each drawing, etc.) within the scope of the claims of the present invention, Selection is possible. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea. In particular, with respect to the numerical ranges described in this document, any numerical value or small range included in the range should be construed as being specifically described even if there is no specific description.
10 半導体装置
11 メモリセルアレイ
12 アドレス入力回路
13 アドレスラッチ回路
14 ロウ制御回路
15 カラム制御回路
16 クロック入力回路
17 タイミングジェネレータ
18 入出力回路
19 リードライトアンプ(RWAMP)
20 コマンド入力回路
21 コマンドデコード回路
22 内部電源発生回路
30、30−1〜30−8 Yスイッチ回路
31、31−1〜31−8 プリチャージ回路
32、32−1〜32−11 メモリセル
33、33−1〜33−8 連結トランジスタ
34、34−1〜34−8 抵抗変化素子
35、35−1〜35−8 メモリセルトランジスタ
101、102 N型拡散層
103 第1コンタクト
104 第2コンタクト
105 フィールド
106 基板
107 シリコンピラー
DESCRIPTION OF
20
Claims (8)
前記グローバルビット線と選択的に接続される複数のローカルビット線と、
共通ソース線と、
前記共通ソース線及び前記複数のローカルビット線の間に其々設けられ、各々が前記共通ソース線及び前記複数のローカルビット線との間に直列に接続された抵抗変化素子及びメモリセルトランジスタを備える複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルにおける複数の前記メモリセルトランジスタの複数のゲートと共通に接続されるワード線と、
其々のゲートに前記ワード線が共通に接続され、其々に対応する互いに隣接する2つの前記メモリセルトランジスタのソース及びドレインの一方同志の間にチャネルを形成するように構成される複数の制御トランジスタと、を備えることを特徴とする半導体装置。 Global bit lines,
A plurality of local bit lines selectively connected to the global bit line;
A common source line;
A resistance change element and a memory cell transistor, each provided between the common source line and the plurality of local bit lines, each connected in series between the common source line and the plurality of local bit lines; A plurality of memory cells;
A word line commonly connected to a plurality of gates of the plurality of memory cell transistors in the plurality of memory cells;
A plurality of controls configured to form a channel between one of the sources and drains of two adjacent memory cell transistors corresponding to each other, the word line being commonly connected to each gate. A semiconductor device comprising: a transistor;
前記複数の他のメモリセルにおける複数の前記他のメモリセルトランジスタの複数のゲートと共通に接続される他のワード線と、
其々のゲートに前記他のワード線が共通に接続され、其々に対応する互いに隣接する2つの前記他のメモリセルトランジスタのソース及びドレインの一方同志の間にチャネルを形成するように構成される複数の他の制御トランジスタと、をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。 Other resistance change elements and other memories provided between the common source line and the plurality of local bit lines, each connected in series between the common source line and the plurality of local bit lines. A plurality of other memory cells comprising cell transistors;
Another word line commonly connected to a plurality of gates of the plurality of other memory cell transistors in the plurality of other memory cells;
The other word line is commonly connected to each gate, and a channel is formed between one of the sources and drains of the two other memory cell transistors adjacent to each other. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a plurality of other control transistors.
前記複数のスイッチ回路は其々に対応する互いに独立の選択信号に応じて、導通することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の半導体装置。 A plurality of switch circuits provided respectively between the global bit line and the plurality of local bit lines;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of switch circuits are turned on according to selection signals corresponding to each other.
前記複数のプリチャージ回路は、前記複数のスイッチ回路のいずれもが非選択である時に導通状態となることを特徴とする請求項7の半導体装置。 A plurality of precharge circuits respectively connected to the plurality of local bit lines;
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the plurality of precharge circuits are turned on when all of the plurality of switch circuits are not selected.
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