JP2019169214A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質な半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、メモリセルに流れる電流に基づく電荷をチャージする第1チャージ部と、第1チャージ部に接続された第2チャージ部と、第2チャージ部にチャージされた電荷に基づいて、データを判定するセンスアンプと、第1、第2チャージ部、及びセンスアンプを制御する制御回路と、を備え、制御回路は読み出し動作において、第1チャージ部にメモリセルに流れる電流に基づく第1電荷をチャージし、スイッチ素子をオンすることにより、第1電荷に基づく第2電荷を前記第2チャージ部にシェアし、第1チャージ部にメモリセルに流れる電流に基づく第3電荷をチャージし、スイッチ素子をオンすることにより、第2及び第3電荷に基づく第4電荷を第2チャージ部にシェアし、第4電荷をセンスアンプに供給することで、データを判定する。【選択図】 図10
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
近年、半導体記憶装置の一つとして、相変化メモリ(PCM(Phase Change Memory))が開発されている。PCMでは、電圧を印加することにより可変抵抗素子の結晶状態を相変化させる。この相変化により、可変抵抗素子は低抵抗状態(LRS:low resistance state)あるいは高抵抗状態(HRS:high resistance state)となり、この2つの状態によりデータを記憶する。
高品質な半導体記憶装置を提供する。
実施形態の半導体記憶装置は、データを記憶する抵抗変化型のメモリセルと、前記メモリセルに流れる電流に基づく電荷をチャージする第1チャージ部と、スイッチ素子を介して前記第1チャージ部に接続された第2チャージ部と、前記第2チャージ部にチャージされた電荷に基づいて、前記メモリセルに記憶されているデータを判定するセンスアンプと、前記第1チャージ部、前記第2チャージ部、及び前記センスアンプを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は読み出し動作において、前記第1チャージ部に前記メモリセルに流れる電流に基づく第1電荷をチャージし、前記スイッチ素子をオンすることにより、チャージされた前記第1電荷に基づく第2電荷を前記第2チャージ部にシェアし、前記第1チャージ部に前記メモリセルに流れる電流に基づく第3電荷をチャージし、前記スイッチ素子をオンすることにより、前記第2電荷及び前記第3電荷に基づく第4電荷を前記第2チャージ部にシェアし、シェアされた前記第4電荷を前記センスアンプに供給することで、前記メモリセルに記憶されているデータを判定する。
以下、実施形態の詳細を図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
以下の実施形態では、半導体記憶装置として、PCM(Phase Change Memory)を例に挙げて説明する。
<1>第1実施形態
第1実施形態の半導体記憶装置について説明する。
第1実施形態の半導体記憶装置について説明する。
<1−1>構成
<1−1−1>半導体記憶装置
図1は、第1実施形態の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10、センスアンプ20、カラムデコーダ30、ロウデコーダ40、及びシーケンサ50を備える。
<1−1−1>半導体記憶装置
図1は、第1実施形態の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10、センスアンプ20、カラムデコーダ30、ロウデコーダ40、及びシーケンサ50を備える。
メモリセルアレイ10は、複数のメモリセルMCを備える。各メモリセルMCはローカルビット線LBL及びワード線WLの交点に設けられる。そして、各メモリセルMCへのアクセスは、グローバルビット線GBL、及びローカルビット線LBLと、メインワード線MWL、及びワード線WLと、を介して行なわれる。詳細については後述する。
センスアンプ20は、グローバルビット線GBL毎にセンスアンプ回路を備えている。センスアンプ回路は、データの読み出し時には、メモリセルMCからグローバルビット線GBLに読み出されたデータをセンスする。また、センスアンプ20は、データの書き込み時には書き込みデータに応じた電圧をメモリセルMCに供給する。これらの電圧は、シーケンサ50から与えられる。
カラムデコーダ30は、カラムアドレスをデコードして、カラムアドレスデコード信号を得る。
ロウデコーダ40は、ロウアドレスをデコードして得たロウアドレスデコード信号に基づいて、いずれかのメインワード線MWLを選択する。
シーケンサ50は、半導体記憶装置1全体の動作を制御する。また、シーケンサ50は、半導体記憶装置1の外部から供給される電源電圧VDDを昇圧または降圧することによりデータの読み出し、書き込み、及び消去に必要な電圧及び電流を発生させ、例えばメモリセルアレイ10、センスアンプ20、カラムデコーダ30、あるいはロウデコーダ40に供給する。
<1−1−2>メモリセルアレイ
図2を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10について説明する。図2は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10を示すブロック図である。
図2を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10について説明する。図2は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10を示すブロック図である。
図2に示すように、メモリセルアレイ10は、マトリクス状に配置された複数のサブセルアレイ100を備える。そして、サブセルアレイ100は、グローバルビット線GBLを介してセンスアンプ20に接続される。
センスアンプ20は、グローバルビット線GBL毎に電圧転送回路210及びセンスアンプ回路200を備えている。電圧転送回路210は、グローバルビット線GBLからの電圧をセンスアンプ回路200に転送、またはグローバルビット線GBLに電圧を転送する。センスアンプ回路200は、電圧転送回路210から転送されたデータをセンスする。
サブセルアレイ100は、MAT11、カラムスイッチ回路12、及びロウスイッチ回路13を備えている。
MAT11は、半導体基板上にマトリクス状に配置された複数のメモリセルMCを備える。詳細については後述する。
カラムスイッチ回路12は、カラムデコーダ30からの信号に基づいて、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御する。
ロウスイッチ回路13は、シーケンサ50からの信号に基づいて、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御する。
<1−1−3>カラムスイッチ回路及び電圧転送回路
図3を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図3は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図3を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図3は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図3に示すように、カラムスイッチ回路12は、ローカルビット線LBL毎にカラム制御回路120を備えている。
カラム制御回路120は、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御するNMOSトランジスタ121と、ローカルビット線LBLに負電圧VNEGを転送するNMOSトランジスタ122と、ローカルビット線LBLに基準電圧VSS(VNEG<VSS)を転送するPMOSトランジスタ123と、ローカルビット線LBLの電荷を蓄積するキャパシタ124と、を備えている。
トランジスタ121は、“H”レベルの信号SW1に基づいてオン状態(導通状態)になり、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、を接続する。
トランジスタ122は、“H”レベルの信号SW2に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、負電圧VNEGを転送する。
トランジスタ123は、“L”レベルの信号SW3に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、基準電圧VSSを転送する。
キャパシタ124の一端はローカルビット線LBLに接続され、他端は基準電圧VSSが供給される。また、キャパシタ124の静電容量はC1である。このキャパシタ124は、例えばローカルビット線LBLそのものである。
図3に示すように、電圧転送回路210は、グローバルビット線GBLと、センスアンプ回路200と、の接続を制御するNMOSトランジスタ211と、グローバルビット線GBLに負電圧VNEGを転送するNMOSトランジスタ212と、グローバルビット線GBLの電荷を蓄積するキャパシタ213と、を備えている。
トランジスタ211は、“H”レベルの信号SW4に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLと、センスアンプ回路200と、を接続する。
トランジスタ212は、“H”レベルの信号SW5に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLに、電圧VNEGを転送する。
キャパシタ213の一端はグローバルビット線GBLに接続され、他端は基準電圧VSSが供給される。また、キャパシタ213の静電容量はC2である。このキャパシタ213は、例えばグローバルビット線GBLそのものである。
<1−1−4>ロウスイッチ回路
図4を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路について説明する。図4は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路を示す回路図である。
図4を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路について説明する。図4は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路を示す回路図である。
図4に示すように、ロウスイッチ回路13は、ワード線WL毎にロウ制御回路130を備えている。
ロウ制御回路130は、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御するPMOSトランジスタ131と、ワード線WLに基準電圧VSSを転送するNMOSトランジスタ132と、を備えている。
トランジスタ131は、“L”レベルの信号SW6に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLと、ワード線WLと、を接続する。
トランジスタ132は、“H”レベルの信号SW7に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、基準電圧VSSを転送する。
<1−1−5>MAT
次に、図5を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のMATについて説明する。図5は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のMATを示す回路図である。
次に、図5を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のMATについて説明する。図5は、第1実施形態に係る半導体記憶装置のMATを示す回路図である。
図5に示すように、MATは、半導体基板上にマトリクス状に配置された複数のメモリセルMCを備える。なお、メモリセルMCの個数は任意である。同一列に配置されたメモリセルMCは、いずれかのローカルビット線LBLk(kは0以上の整数)に共通に接続される。また、同一行に配置されたメモリセルMCは、いずれかのワード線WLm(mは0以上の整数)に共通に接続される。メモリセルMCは、PCM及びセレクタを含む。本実施形態でのPCMは、結晶状態が変化することにより、低抵抗または高抵抗の状態になる。以下では、PCMの結晶状態が変化することを「相変化」と呼び、PCMが低抵抗状態(LRS)にある場合を「セット状態」と呼び、高抵抗状態(HRS)にある場合を「リセット状態」と呼ぶ。また、本実施形態でのセレクタは、例えば2端子間スイッチ素子である。2端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、そのスイッチ素子は”オフ”状態、例えば電気的に高抵抗状態である。2端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、スイッチ素子は”オン”状態、例えば電気的に低抵抗状態に変わる。スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。例えば、このスイッチ素子には、Te、SeおよびSからなる群より選択された少なくとも1種以上のカルコゲン元素を含む。または、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。また、このスイッチ素子は、カルコゲナイド系以外の、As doped SiO2や揮発なCBRAM等でも良い。
<1−1−6>メモリセルの特性
次に、図6〜図9を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの電流電圧(IV)特性について説明する。図6〜図9はメモリセルのIV特性を示すグラフである。横軸は、メモリセルMCに印加される電圧(ワード線の電圧V(WL)とローカルビット線の電圧V(LBL)との差)であり、縦軸は、メモリセルMCに流れるセル電流である。また、縦軸はLogスケールである。
次に、図6〜図9を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの電流電圧(IV)特性について説明する。図6〜図9はメモリセルのIV特性を示すグラフである。横軸は、メモリセルMCに印加される電圧(ワード線の電圧V(WL)とローカルビット線の電圧V(LBL)との差)であり、縦軸は、メモリセルMCに流れるセル電流である。また、縦軸はLogスケールである。
図6に示すように、メモリセルMCは、低抵抗状態LRSと、高抵抗状態HRSと、におけるIV特性が異なる。
メモリセルMCが低抵抗状態LRSである場合、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSに達するまでは、メモリセルMCの特性は図中の第1特性となる。そのため、セル電流は第1特性に従って変動する。メモリセルMCの特性が第1特性である場合において、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSを超えると、メモリセルMCの特性は、図中の第1特性から第2特性へと遷移する。そのため、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSを超えると、セル電流は第2特性に従って変動する。また、メモリセルMCの特性が第2特性である場合において、メモリセルMCの元の抵抗状態を変えずにメモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下となると、メモリセルMCの特性は図中の第2特性から第1特性へと遷移する。そのため、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下となると、セル電流は第1特性に従って変動する。
メモリセルMCが高抵抗状態HRSである場合、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VHRSに達するまでは、メモリセルMCの特性は図中の第3特性となる。そのため、セル電流は第3特性に従って変動する。メモリセルMCの特性が第3特性である場合において、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VHRSを超えると、メモリセルMCの特性は、図中の第3特性から第2特性へと遷移する。そのため、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VHRSを超えると、セル電流は第2特性に従って変動する。また、メモリセルMCの特性が第2特性である場合において、メモリセルMCの元の抵抗状態を変えずにメモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下となると、メモリセルMCの特性は図中の第2特性から第3特性へと遷移する。そのため、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下となると、セル電流は第3特性に従って変動する。
図7を用いて、メモリセルMCが低抵抗状態LRSである場合におけるセル電流について具体的に説明する。
図7に示すように、メモリセルMCに印加される電圧が基準電圧VSSから電圧VLRS(VSS<VLRS)へと昇圧(充電)されると、セル電流は、第1特性に従って電流ISSから電流ILRSL(ISS<ILRSL)へと大きくなる(矢印A1参照)。そして、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSを超えると、セル電流は、電流ILRSLから、電流ILRST(ILRSL<<ILRST)へと急激に大きくなる(矢印A2参照)。このように、低抵抗状態LRSのメモリセルMCに流れるセル電流が急激に大きくなる電圧を第1閾値電圧とも記載する。メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSから電圧VH(VH<VLRS)へと降圧(放電)されると、セル電流は、第2特性に従って電流ILRSTから電流IRST(IRST<ILRST)へと小さくなる(矢印A3参照)。そして、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下に降圧されると、セル電流は、電流IRSTから、電流IHL(IHL<<IRST)へと急激に小さくなる(矢印A4参照)。このように、低抵抗状態LRSのメモリセルMCに流れる電流が急激に小さくなる電圧を第2閾値電圧とも記載する。
続いて、図8を用いて、メモリセルMCが高抵抗状態HRSである場合おけるセル電流について具体的に説明する。
図8に示すように、メモリセルMCに印加される電圧が基準電圧VSSから電圧VHRS(VSS<VHRS)へと昇圧されると、セル電流は、第3特性に従って電流ISSから電流IHRS(ISS<IHRS)へと大きくなる(矢印A5参照)。そして、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VHRSを超えると、セル電流は、電流IHRSから、電流IHRST(IHRS<<IHRST)へと急激に大きくなる(矢印A6参照)。このように、高抵抗状態HRSのメモリセルMCに流れるセル電流が急激に大きくなる電圧を第3閾値電圧とも記載する。メモリセルMCに印加される電圧が電圧VHRSから電圧VH(VH<VHRS)へと降圧されると、セル電流は、第2特性に従って電流IHRSTから電流IRST(IRST<IHRST)へと小さくなる(矢印A7参照)。そして、メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下に降圧されると、セル電流は、電流IRSTから、電流IHH(IHH<<IRST)へと急激に小さくなる(矢印A8参照)。このように、高抵抗状態HRSのメモリセルMCに流れる電流が急激に小さくなる電圧を第4閾値電圧とも記載する。なお、図6〜図8に示す例では、第2閾値電圧と、第4閾値電圧とは同じ電圧である。
図9を用いて、メモリセルMCの抵抗状態を判定するための電圧VREADについて説明する。
メモリセルMCの抵抗状態によって、メモリセルMCに流れる電流が急激に大きくなる閾値電圧が異なる。そこで、図9に示すように、低抵抗状態LRSのメモリセルMCに流れる電流が急激に大きくなる第1閾値電圧と、高抵抗状態HRSのメモリセルMCに流れる電流が急激に大きくなる第3閾値電圧と、の間に、読み出し電圧VREADが設定される。これにより、半導体記憶装置1は、メモリセルMCに流れる電流の大小に基づいて、メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。そして、半導体記憶装置1は、その結果に基づいてデータを判定する。読み出し動作の詳細については後述する。
<1−2>読み出し動作
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
<1−2−1>概要
図10を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図10は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
図10を用いて、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図10は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
[ステップS1001]
シーケンサ50は、データを読み出すメモリセル(選択メモリセル)MCが接続されているローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLに対してプリチャージ(第1プリチャージ)を行なう。
シーケンサ50は、データを読み出すメモリセル(選択メモリセル)MCが接続されているローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLに対してプリチャージ(第1プリチャージ)を行なう。
[ステップS1002]
シーケンサ50は、ステップS1001の後、選択メモリセルMCが接続されているワード線(選択ワード線)WLに対してチャージを行なう。ステップS1001のプリチャージと、選択ワード線へのチャージにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS1001の後、選択メモリセルMCが接続されているワード線(選択ワード線)WLに対してチャージを行なう。ステップS1001のプリチャージと、選択ワード線へのチャージにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
[ステップS1003]
シーケンサ50は、ステップS1002の後、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする(第1チャージシェア)。
シーケンサ50は、ステップS1002の後、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする(第1チャージシェア)。
[ステップS1004]
シーケンサ50は、ステップS1003の後、電圧転送回路210のキャパシタ213にチャージされた電荷を保持したまま、選択ローカルビット線LBLに対して2回目のプリチャージ(第2プリチャージ)を行なう。
シーケンサ50は、ステップS1003の後、電圧転送回路210のキャパシタ213にチャージされた電荷を保持したまま、選択ローカルビット線LBLに対して2回目のプリチャージ(第2プリチャージ)を行なう。
[ステップS1005]
シーケンサ50は、ステップS1004の後、第2プリチャージを止めることにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第2読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS1004の後、第2プリチャージを止めることにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第2読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
[ステップS1006]
シーケンサ50は、ステップS1005の後、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする(第2チャージシェア)。これにより、電圧転送回路210のキャパシタ213には、第1読み出しと、第2読み出しと、に基づく電荷がキャパシタ213にチャージされる。このように、1回の読み出し動作においてチャージシェアを2回行なうことで、キャパシタ213にチャージされる電荷を増やすことができる。
シーケンサ50は、ステップS1005の後、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする(第2チャージシェア)。これにより、電圧転送回路210のキャパシタ213には、第1読み出しと、第2読み出しと、に基づく電荷がキャパシタ213にチャージされる。このように、1回の読み出し動作においてチャージシェアを2回行なうことで、キャパシタ213にチャージされる電荷を増やすことができる。
[ステップS1007]
シーケンサ50は、ステップS1006の後、キャパシタ213にチャージされた電荷をセンスアンプ回路200に転送する。これにより、センスアンプ回路200は、メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路200は、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことができる。
シーケンサ50は、ステップS1006の後、キャパシタ213にチャージされた電荷をセンスアンプ回路200に転送する。これにより、センスアンプ回路200は、メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路200は、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことができる。
以下に、読み出し動作における詳細な説明を記載する。
<1−2−2>読み出し動作の詳細
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
<1−2−2−1>読み出し動作時のメモリセル
読み出し動作時において、選択メモリセルMC、非選択メモリセルMC、及び半選択メモリセルMCが存在する。
読み出し動作時において、選択メモリセルMC、非選択メモリセルMC、及び半選択メモリセルMCが存在する。
ここで、図11を用いて、選択メモリセルMC、非選択メモリセルMC、及び半選択メモリセルMCの定義について説明する。図11は、選択メモリセルMC、非選択メモリセルMC、及び半選択メモリセルMCを示す回路図である。
図11に示すように、選択メモリセルMCとは、読み出し対象となるメモリセルMCである。選択メモリセルMCに接続されるローカルビット線LBLを選択ローカルビット線LBLと記載する。また、選択メモリセルMCに接続されるワード線WLを選択ワード線WLと記載する。
図11に示すように、非選択メモリセルMCとは、選択ローカルビット線LBL、及び選択ワード線WLのどちらにも接続されないメモリセルMCである。非選択メモリセルMCに接続されるローカルビット線LBLを非選択ローカルビット線LBLと記載する。また、非選択メモリセルMCに接続されるワード線WLを非選択ワード線WLと記載する。
図11に示すように、半選択メモリセルMCとは、読み出し対象のメモリセルMCではないが、選択ローカルビット線LBLまたは選択ワード線WLのいずれか一方に接続されるメモリセルMCである。ここでは、選択ローカルビット線LBL及び非選択ワード線WLに接続されるメモリセルMCを第1半選択メモリセルMCと記載する。また、非選択ローカルビット線LBL及び選択ワード線WLに接続されるメモリセルMCを第2半選択メモリセルMCと記載する。
<1−2−2−2>選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
まず図12を用いて、選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図12は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図12では、ワード線WL、ローカルビット線LBL、及びグローバルビット線GBLの電圧、信号SW1〜SW7のレベル、セル電流Icellを示している。
まず図12を用いて、選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図12は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図12では、ワード線WL、ローカルビット線LBL、及びグローバルビット線GBLの電圧、信号SW1〜SW7のレベル、セル電流Icellを示している。
[時刻T1〜時刻T2](ステップS1001に対応)
時刻T1〜時刻T2における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T1〜時刻T2における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択メモリセルMCに係るローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLをプリチャージする。具体的には、シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLに接続されているカラム制御回路(選択カラム制御回路)120に対する信号SW1、SW2、SW3を “H”レベルにする。また、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120が接続されるグローバルビット線(選択グローバルビット線)GBLに関する電圧転送回路(選択電圧転送回路)210に対する信号SW4、SW5を“H”レベルにする。また、シーケンサ50は、選択メモリセルMCに係るワード線(選択ワード線)WLに接続されるロウ制御回路(選択ロウ制御回路)130に対する信号SW6、及び信号SW7を“H”レベルにする。
図13を用いて、時刻T1〜時刻T2における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図13は、時刻T1〜時刻T2における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図13では、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。具体的には、選択メモリセルMC、選択ローカルビット線LBL、選択カラム制御回路120、選択グローバルビット線GBL、選択電圧転送回路210、選択センスアンプ回路200、選択ワード線WL、選択ロウ制御回路130、選択メインワード線MWLを示している。
図13に示すように、時刻T1〜時刻T2において、選択電圧転送回路210のトランジスタ211、及び212がオン状態となる。そのため、トランジスタ211、及び212を介して負電圧VNEGが選択グローバルビット線GBLに転送される(矢印B1参照)。また、選択カラム制御回路120のトランジスタ121がオン状態となる。そのため、選択グローバルビット線GBLを介して負電圧VNEGが選択ローカルビット線LBLに転送される(矢印B1参照)。また、選択カラム制御回路120のトランジスタ122がオン状態となる。そのため、負電圧VNEGが選択ローカルビット線LBLに転送される(矢印B2参照)。また、選択ロウ制御回路130のトランジスタ132はオン状態になり、ワード線WLに基準電圧VSSが転送される。
なお、図13に示すように、選択カラム制御回路120のトランジスタ123、及び選択ロウ制御回路130のトランジスタ131はオフ状態(非導通状態)となる。
[時刻T2〜時刻T3](ステップS1001に対応)
図12に戻って、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLをプリチャージしている間に、選択ワード線に、読み出し電圧(正電圧)VRWを転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対して、信号SW6のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対して、信号SW7のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。なお、読み出し電圧VRWは、選択メモリセルMCに印加される電圧(選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値)が電圧VREADとなるような電圧である。
図14を用いて、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図14は、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図14では、図13と同様に選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図14に示すように、選択ロウ制御回路130のトランジスタ132はオフ状態となり、トランジスタ131はオン状態となる。そのため、トランジスタ131を介して、選択メインワード線MWLから選択ワード線WLに電圧VRWが転送される。その結果、選択メモリセルMCの一端に電圧VRWが印加されていく(矢印B3参照)。
ところで、選択メモリセルMCには、選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値が印加される。そして、その差分の絶対値に応じた電流がセル電流として選択メモリセルMCに流れる(矢印B4参照)。
ここで、図15を用いて、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルのIV特性について説明する。図15は、時刻T2〜時刻T3における、選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
図15に示すように、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が少なくとも電圧VLRSに達するまでは、メモリセルMCの抵抗状態にかかわらず、メモリセルMCに流れるセル電流Icellは急激には大きくならない。
具体的には、選択メモリセルMCが低抵抗状態である場合、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が少なくとも電圧VLRSに達するまでは、セル電流Icellは、Iss〜ILRSLの範囲の電流となる。
また、選択メモリセルMCが高抵抗状態である場合、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が少なくとも電圧VHRSに達するまでは、セル電流Icellは、Iss〜IHLRSの範囲の電流となる。
[時刻T3〜時刻T4](ステップS1002に対応)
図12に戻って、時刻T3〜時刻T4における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T3〜時刻T4における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLのプリチャージを止め、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1、SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。また、シーケンサ50は、選択電圧転送回路210に対する信号SW4、SW5を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ローカルビット線LBLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
ここで、図16を用いて、時刻T3〜時刻T4における、選択メモリセルのIV特性について説明する。図16は、時刻T3〜時刻T4における、選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
図16に示すように、選択ワード線の電圧V(WL)が昇圧され、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が、電圧VLRSに達すると、低抵抗状態の選択メモリセルMCに流れるセル電流Icellは急激に大きくなる(矢印A9参照)。
具体的には、選択メモリセルMCが低抵抗状態である場合、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が電圧VLRSに達すると、セル電流Icellは、ILRSLから、ILRST(ILRSL<ILRST)へと急激に大きくなる。そして、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が電圧VREADになると、ILRSTからIREADLへと増加する(矢印A10参照)。
そして、選択メモリセルMCにおいて、選択ワード線から選択ローカルビット線へと大きなセル電流が流れることで、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)の電圧が電圧V1Lへと昇圧(または充電)される。これにより、選択メモリセルMCに印加される電圧(選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差)が小さくなる。前述したように、選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下になると、メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に遷移する。
また、選択メモリセルMCが高抵抗状態である場合、選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差が電圧VREADに達すると、セル電流Icellは、IREADH(IREADH<<ILRST<IREADL)となる。選択メモリセルMCが高抵抗状態である場合、選択メモリセルMCが低抵抗状態である場合と比べ、セル電流Icellの変動が小さい。そして、選択メモリセルMCにおいて、選択ワード線から選択ローカルビット線へと小さなセル電流が流れることで、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)の電圧が電圧V1Hへと昇圧される。この電圧V1Hは、ほぼ電圧VNEGと同じ大きさである。
読み出し結果となる選択ローカルビット線LBLの電圧に基づき、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に電荷(C1×V1)が記憶される。
[時刻T4〜時刻T5](ステップS1003に対応)
図12に戻って、時刻T4〜時刻T5における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T4〜時刻T5における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に記憶された電荷を、選択電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対信号SW1を“H”レベルにする。これにより、選択ローカルビット線LBLとグローバルビット線GBLとが電気的に接続される。これにより、選択ローカルビット線LBLの電圧が選択グローバルビット線GBLにシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧VNEGから電圧V2Lに昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧VNEGから電圧V2Hに昇圧される。
図17を用いて、時刻T4〜時刻T5における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図17は、時刻T4〜時刻T5における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図17では、図13と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図17に示すように、選択カラム制御回路120のトランジスタ121がオン状態となる。そのため、キャパシタ124にチャージされた電荷(C1×V1)がトランジスタ121を介してキャパシタ213にシェアされる(矢印B5参照)。その結果、キャパシタ213に電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)が保持される。
[時刻T5〜時刻T6](ステップS1004に対応)
図12に戻って、時刻T5〜時刻T6における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T5〜時刻T6における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLをプリチャージする。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1を“L”レベルにし、信号SW2、SW3を“H”レベルにする。
図18を用いて、時刻T5〜時刻T6における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図18は、時刻T5〜時刻T6における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図18では、図13と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図18に示すように、選択カラム制御回路120のトランジスタ121がオフ状態となる。そのため、キャパシタ213に保持された電荷は選択ローカルビット線LBLに流出しない。また、選択カラム制御回路120のトランジスタ122がオン状態となる。そのため、負電圧VNEGが選択ローカルビット線LBLに転送される(矢印B6参照)。
[時刻T6〜時刻T7](ステップS1005に対応)
図12に戻って、時刻T6〜時刻T7における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T6〜時刻T7における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLのプリチャージをとめ、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ローカルビット線LBLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
図19を用いて、時刻T6〜時刻T7における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図19は、時刻T6〜時刻T7における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図19では、図13と同様に選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図19に示すように、トランジスタ131を介して、選択メインワード線MWLから選択ワード線WLに電圧VRWが転送される。その結果、選択メモリセルMCの一端に電圧VRWが印加されていく(矢印B7参照)。
ところで、選択メモリセルMCには、選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値が印加される。そして、その差分の絶対値に応じた電流がセル電流として選択メモリセルMCに流れる(矢印B8参照)。この際におけるセル電流Icellは、図16を用いて説明した動作と同様の動作となる。
読み出し結果となる選択ローカルビット線LBLの電圧に基づき、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に電荷(C1×V1)が記憶される。
[時刻T7〜時刻T8](ステップS1006に対応)
図12に戻って、時刻T7〜時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T7〜時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に記憶された電荷を、選択電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1を“H”レベルにする。これにより、選択ローカルビット線LBLとグローバルビット線GBLとが電気的に接続される。これにより、選択ローカルビット線LBLの電圧が選択グローバルビット線GBLにシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧V2Lから電圧V3L(V3L=V2L+dV3)に昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧V2Hから電圧V3Hに昇圧される。
また、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対する信号SW6のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。また、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対して、信号SW7のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択ロウ制御回路130のトランジスタ131はオフ状態となり、トランジスタ132はオン状態となる。そのため、選択ワード線WLは、基準電圧VSSとなる。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧は大きく降圧され、選択メモリセルMCの特性は第2特性から第1特性へと遷移する。そのため、選択メモリセルMCに流れるセル電流は、大きく減少する。
図20を用いて、時刻T7〜時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図20は、時刻T7〜時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図20では、図13と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図20に示すように、選択カラム制御回路120のトランジスタ121がオン状態となる。そのため、キャパシタ124にチャージされた電荷(C1×V1)がトランジスタ121を介してキャパシタ213にシェアされる(矢印B9参照)。その結果、キャパシタ213に電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))が保持される。
キャパシタ213に保持される電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))は、時刻T4〜時刻T5においてキャパシタ213に保持されていた電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)よりも大きい。
[時刻T8〜](ステップS1007に対応)
図12に戻って、時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図12に戻って、時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、キャパシタ213に保持される電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))をセンスアンプ回路200に転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。そして、シーケンサ50は、選択電圧転送回路210に対する信号SW4のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。
図21を用いて、時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図21は、時刻T8における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図21では、図13と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図21に示すように、選択電圧転送回路210のトランジスタ211がオン状態となる。そのため、キャパシタ213に保持された電荷がセンスアンプ回路200に転送される(矢印B10参照)。
これにより、センスアンプ回路200は、電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))に基づいて、選択メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。
<1−2−2−3>非選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
図12を用いて、非選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
図12を用いて、非選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
シーケンサ50は、非選択メモリセルMCに係るローカルビット線(非選択ローカルビット線)LBLを基準電圧Vssに維持する。具体的には、シーケンサ50は、非選択ローカルビット線LBLに接続されているカラム制御回路(非選択カラム制御回路)120に対する信号SW1、SW2、SW3を“L”レベルにする。また、シーケンサ50は、非選択カラム制御回路120が接続されるグローバルビット線(非選択グローバルビット線)GBLに関する電圧転送回路(非選択電圧転送回路)210に対する信号SW4、SW5を“L”レベルにする。シーケンサ50は、非選択メモリセルMCに係るワード線(非選択ワード線)WLに接続されるロウ制御回路(非選択ロウ制御回路)130に対する信号SW6、及び信号SW7を“H”レベルにする。
これにより、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流も流れない。
<1−2−2−4>半選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
上述したように、半選択メモリセルMCには、2種類の半選択メモリセルMCがある。
上述したように、半選択メモリセルMCには、2種類の半選択メモリセルMCがある。
<1−2−2−4−1>第1半選択メモリセル
図22を用いて、第1半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図22は、第1半選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
図22を用いて、第1半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図22は、第1半選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
上述したように、第1半選択メモリセルMCとは、選択ローカルビット線LBL及び非選択ワード線WLに接続されるメモリセルMCである。
そのため、第1半選択メモリセルMCにおいては読み出し動作の間、ワード線WLの電圧は基準電圧VSSに維持されるが、ローカルビット線LBLには、負電圧VNEGが供給される。
図22に示すように、負電圧VNEGの絶対値は、電圧VLRSを超えないように設定される。そのため、低抵抗状態の第1半選択メモリセルMCに流れる電流は電流INEGLとなり、高抵抗状態の第1半選択メモリセルMCに流れる電流は電流INEGH(INEGH<INEGL)となる。この電流INEGL及び電流INEGHは、低抵抗状態の選択メモリセルMCに流れる電流IREADLよりも遙かに小さい。そのため、第1半選択メモリセルMCにセル電流が流れても、読み出し動作には影響を及ぼさない。
<1−2−2−4−2>第2半選択メモリセル
図23を用いて、第2半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図23は、第2半選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
図23を用いて、第2半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図23は、第2半選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
上述したように、第2半選択メモリセルMCとは、非選択ローカルビット線LBL及び選択ワード線WLに接続されるメモリセルMCである。
そのため、第2半選択メモリセルMCにおいては読み出し動作の間、ワード線WLには電圧VRWが供給されるが、ローカルビット線LBLは基準電圧VSSに維持される。
図23に示すように、電圧VRWは、電圧VLRSを超えないように設定される。そのため、低抵抗状態の第2半選択メモリセルMCに流れる電流は電流IRWLとなり、高抵抗状態の第2半選択メモリセルMCに流れる電流は電流IRWH(IRWH<IRWL)となる。この電流IRWL及び電流IRWHは、低抵抗状態の選択メモリセルMCに流れる電流IREADLよりも遙かに小さい。そのため、第1半選択メモリセルMCにセル電流が流れても、読み出し動作には影響を及ぼさない。
以上の様にして、第1実施形態に係る半導体記憶装置は、選択メモリセルMCの抵抗状態を電荷に変換できる。そして、電荷に基づいてセンスアンプ回路200は選択メモリセルMCに記憶されたデータを判定することができる。
<1−3>効果
<1−3−1>概要
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。これにより、セル電流Icellの読み出しを1回しか行なわない場合と比較し、センスアンプ回路200に転送される電荷を、大きくすることができる。そのため、センスアンプ回路200は、良好にデータを判定することができる。
<1−3−1>概要
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。これにより、セル電流Icellの読み出しを1回しか行なわない場合と比較し、センスアンプ回路200に転送される電荷を、大きくすることができる。そのため、センスアンプ回路200は、良好にデータを判定することができる。
以下に、本実施形態の効果を説明するために、比較例について説明する。
<1−3−2>比較例1
以下に、比較例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、比較例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
図24、図25を用いて、比較例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図24は、比較例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。図25は、比較例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図24に示すように、比較例1では、図10で説明したステップS1004〜S1006を行なわない。つまり、比較例1では、1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを1回のみ行っている。
そのため、キャパシタ213には、1回分のセル電流Icellの読み出しの情報しか記憶されない。
図25に示すように、比較例1では、第1実施形態と異なり、選択ローカルビット線LBLの電圧を選択グローバルビット線GBLにシェアする動作は1回(時刻T4〜時刻T5)しか行なわれない。そのため、セル電流読み出し動作後の選択グローバルビット線GBL電圧は、電圧V2LまたはV2Hとなる。他方で、第1実施形態ではセル電流読み出し動作後の選択グローバルビット線GBL電圧は、電圧V3L(V2L<V3L)またはV3H(V2H<V3H)となる。そのため、比較例1では、第1実施形態と比較して、センスアンプ回路200に転送される電荷は少なくなる。
<1−3−3>まとめ
上述したような抵抗変化型メモリにおいては、セルのIV特性により、セル電流Icellの読み出し時の電荷(信号量)が制限される。例えば、半導体記憶装置の微細化が進むと、セル電流Icellの読み出し時の電荷が更に少なくなる可能性がある。その結果、センスアンプ回路200はセル電流Icellに基づき、メモリセルMCのデータを適切に読み出せない可能性がある。
上述したような抵抗変化型メモリにおいては、セルのIV特性により、セル電流Icellの読み出し時の電荷(信号量)が制限される。例えば、半導体記憶装置の微細化が進むと、セル電流Icellの読み出し時の電荷が更に少なくなる可能性がある。その結果、センスアンプ回路200はセル電流Icellに基づき、メモリセルMCのデータを適切に読み出せない可能性がある。
そこで、上述した実施形態のように、1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なうことにより、セル電流Icellの読み出し時の電荷を大きくする。これにより、センスアンプ回路200は、良好にデータを判定することができる。
<2>第2実施形態
第2実施形態について説明する。第2実施形態では、セル電流を流している間に、チャージシェアを行なうについて説明する。尚、第2実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
第2実施形態について説明する。第2実施形態では、セル電流を流している間に、チャージシェアを行なうについて説明する。尚、第2実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
<2−1>読み出し動作
以下に、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
<2−1−1>概要
図26を用いて、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図26は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
図26を用いて、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図26は、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
[ステップS3001]
ステップS3001の際、シーケンサ50は、ステップS1001と同様の動作を行なう。
ステップS3001の際、シーケンサ50は、ステップS1001と同様の動作を行なう。
[ステップS3002]
シーケンサ50は、ステップS3001の後、選択メモリセルMCが接続されているワード線に対してチャージを行なう。ステップS3001のプリチャージと、選択ワード線へのチャージに、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS3001の後、選択メモリセルMCが接続されているワード線に対してチャージを行なう。ステップS3001のプリチャージと、選択ワード線へのチャージに、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、カラム制御回路120にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてカラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされる。
[ステップS3003]
シーケンサ50は、ステップS3002において、選択メモリセルMCの特性が、第2特性から第1特性に変化する前に、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする。
シーケンサ50は、ステップS3002において、選択メモリセルMCの特性が、第2特性から第1特性に変化する前に、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷を、電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする。
これにより、カラム制御回路120のキャパシタ124にチャージされた電荷が減る。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧が昇圧され、電圧転送回路210のキャパシタ213に、セル電流に基づく電荷が蓄積される。このように、セル電流の読み出し動作中に、チャージシェアを行なうことで、キャパシタ213にチャージされる電荷を増やすことができる。
[ステップS3004]
シーケンサ50は、ステップS3003の後、キャパシタ213にチャージされた電荷をセンスアンプ回路200に転送する。これにより、センスアンプ回路200は、メモリセルの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路200は、メモリセルに記憶されたデータを読み出すことができる。
シーケンサ50は、ステップS3003の後、キャパシタ213にチャージされた電荷をセンスアンプ回路200に転送する。これにより、センスアンプ回路200は、メモリセルの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路200は、メモリセルに記憶されたデータを読み出すことができる。
以下に、読み出し動作における詳細な説明を記載する。
<2−1−2>読み出し動作の詳細
以下に、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下に、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下では、選択メモリセル、非選択メモリセル、半選択メモリセル毎に読み出し動作の詳細について説明する。
<2−1−2−1>選択メモリセルに関する動作の詳細
まず図27を用いて、選択メモリセルMCに関する動作の詳細を説明する。図27は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
まず図27を用いて、選択メモリセルMCに関する動作の詳細を説明する。図27は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
[時刻T11〜時刻T13](ステップS3001に対応)
時刻T11〜時刻T13における、動作は、図12において説明した時刻T1〜時刻T3の動作と同様である。
時刻T11〜時刻T13における、動作は、図12において説明した時刻T1〜時刻T3の動作と同様である。
[時刻T13〜時刻T14](ステップS3002に対応)
時刻T13〜時刻T14における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T13〜時刻T14における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ローカルビット線LBLのプリチャージを止め、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1、SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。また、シーケンサ50は、選択電圧転送回路210に対する信号SW4、SW5を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ローカルビット線LBLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
図28〜図30を用いて、選択メモリセルMCに流れるセル電流について説明する。図28〜図30は、選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
図28に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が基準電圧VSSから電圧VLRS(VSS<VLRS)へと昇圧されると、セル電流は、第1特性に従って電流ISSから電流ILRSL(ISS<ILRSL)へと大きくなる(矢印C1参照)。
また、高抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が基準電圧VSSから電圧VLRS(VSS<VLRS)へと昇圧されると、セル電流は、第3特性に従って電流ISSから電流ILRSH(ISS<ILRSH<ILRSL)へと大きくなる(矢印C2参照)。
そして、図29に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSに達すると、セル電流は、電流ILRSLから、電流ILRST(ILRSL<<ILRST)へと急激に大きくなる(矢印C3参照)。そして、選択メモリセルMCにおいて、選択ワード線から選択ローカルビット線へと大きなセル電流が流れることで、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)の電圧が電圧V1Lへと昇圧される。これにより、選択メモリセルMCに印加される電圧(選択ワード線の電圧V(WL)と、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差)が小さくなる。
また、高抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSに達しても、セル電流は、第3特性に沿って変動する。つまり低抵抗状態の選択メモリセルMCのように、セル電流は急激に変動しない。そして、選択メモリセルMCにおいて、選択ワード線から選択ローカルビット線へと小さなセル電流が流れることで、選択ローカルビット線の電圧V(LBL)の電圧が電圧V1Hへと昇圧される。この電圧V1Hは、ほぼ電圧VNEGと同じ大きさである。
そして、図30に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSから電圧VH(VH<VLRS)へと降圧されると、セル電流は、第2特性に従って電流ILRSTから電流IRST(IRST<ILRST)へと小さくなる(矢印C4参照)。
高抵抗状態の選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSから電圧VH(VH<VLRS)へと降圧されると、セル電流は、第3特性に従って変動する(矢印C5参照)。
[時刻T14〜時刻T17](ステップS3003に対応)
図27に戻って、時刻T14〜時刻T17における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図27に戻って、時刻T14〜時刻T17における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、セル電流の読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に記憶された電荷を、選択電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1を“H”レベルにする。そのため、選択カラム制御回路120のトランジスタ121がオン状態となる。選択ローカルビット線LBLとグローバルビット線GBLとが電気的に接続される。その結果、キャパシタ124にチャージされた電荷がトランジスタ121を介してキャパシタ213にシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧VNEGから電圧V4Lに昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択グローバルビット線GBLの電圧が電圧VNEGから電圧V4Hに昇圧される。
図31、図32を用いて、選択メモリセルMCに流れるセル電流について説明する。図31、図32は、選択メモリセルのIV特性を示すグラフである。
第2特性時の選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VH以下に降圧されると、セル電流は、電流IRSTから、電流IHL(IHL<<IRST)へと急激に小さくなる。そこで、本実施形態に係るシーケンサ50は、選択メモリセルMCが第2特性から第1特性に遷移する前に、キャパシタ124にチャージされた電荷を、キャパシタ213にシェアする。キャパシタ124にチャージされた電荷が、キャパシタ213にシェアされることで、選択ローカルビット線LBLの電圧が降圧される。その結果、選択ローカルビット線LBLの電圧と、選択ワード線WLの電圧と、の差が広がり、選択メモリセルMCに印加される電圧が昇圧される。低抵抗状態の選択メモリセルMCに流れるセル電流は、図31の矢印C6に示すように、第2特性に沿って変動し、高抵抗状態の選択メモリセルMCに流れるセル電流は、図31の矢印C7に示すように、第3特性に沿って変動する。
そして、図27の時刻T15において、低抵抗状態の選択メモリセルMCに係る選択ローカルビット線LBL及びグローバルビット線GBLの電圧が電圧V5L(V5L=V4L+dV5L)まで昇圧されると、図30に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCのセル電流は、第2特性に従って少なくなる(矢印C4参照)。また、高抵抗状態の選択メモリセルMCに係る選択ローカルビット線LBL及びグローバルビット線GBLの電圧が電圧V5Hまで昇圧される。
図27の時刻T16において、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対する信号SW6のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。シーケンサ50は、選択ロウ制御回路130に対する信号SW7のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択ロウ制御回路130のトランジスタ131はオフ状態となり、トランジスタ132はオン状態となる。そのため、選択ワード線WLは、基準電圧VSSとなる。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧は大きく降圧される。そのため、図32に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCの特性は第2特性から第1特性へと遷移する(矢印C8参照)。そのため、選択メモリセルMCに流れるセル電流は、大きく減少する。
[時刻T17〜](ステップS3004に対応)
時刻T17〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T17〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、キャパシタ213に保持される電荷をセンスアンプ回路200に転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。そして、シーケンサ50は、選択電圧転送回路210に対する信号SW4のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択電圧転送回路210のトランジスタ211がオン状態となる。そのため、キャパシタ213に保持された電荷がセンスアンプ回路200に転送される。
これにより、センスアンプ回路200は、電荷に基づいて、選択メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。
<2−1−2−2>非選択メモリセル、半選択メモリセルに関する動作
非選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流は流れない。
非選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流は流れない。
また、半選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、半選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSを超えないように設定されているので、半選択メモリセルMCに流れる電流は非常に小さく、読み出し動作には影響を及ぼさない。
以上の様にして、第2実施形態に係る半導体記憶装置は、選択メモリセルMCの抵抗状態を電荷に変換できる。そして、電荷に基づいてセンスアンプ回路200は選択メモリセルMCに記憶されたデータを判定することができる。
<2−2>効果
<2−2−1>概要
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。
<2−2−1>概要
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。
以下に、本実施形態の効果を説明するために、比較例について説明する。
<2−2−2>比較例2
以下に、比較例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、比較例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
図33を用いて、比較例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図33は、比較例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
比較例2では、第2実施形態で説明した、選択カラム制御回路120のキャパシタ124に記憶された電荷を、選択電圧転送回路210のキャパシタ213にシェアする動作を、行なわず、キャパシタ124と、キャパシタ213と、を電気的に接続したまま、セル電流の読み出し動作を行なう。
つまり、図33の信号SW1に示すように、ローカルビット線LBLのプリチャージから、セル電流読み出しが終わるまで、シーケンサ50は、選択カラム制御回路120に対する信号SW1のレベルを“H”レベルに維持する。
これにより、第2実施形態と同様に、キャパシタ213にチャージされる電荷を、比較例1と比較して増やすことができる。しかしながら、第2実施形態と比較して、セル電流の読み出しに要する時間は長くなってしまう。具体的には、比較例2のセル電流読み出し期間(時刻T13−時刻T19)は、第2実施形態のセル電流読み出し期間(時刻T13−時刻T17)よりも長い。これは、セル電流の読み出し開始の時点で選択ローカルビット線LBLのみならず、容量の大きい選択グローバルビット線GBLにもセル電流が流れるため、選択ローカルビット線LBL及び選択グローバルビット線GBLの昇圧に時間がかかるためである。
<2−2−3>まとめ
上述した実施形態によれば、セル電流Icellの読み出しを1回しか行なわない場合と比較し、センスアンプ回路200に転送される電荷を大きくすることができる。また、セル電流Icellの読み出しと同時に、選択ローカルビット線及び選択グローバルビット線を接続する場合と比較し、ピーク電流が流れる期間が短くなるのでセルへのディスターブが小さくなる。そのため、センスアンプ回路200は、良好にデータを判定することができる。
上述した実施形態によれば、セル電流Icellの読み出しを1回しか行なわない場合と比較し、センスアンプ回路200に転送される電荷を大きくすることができる。また、セル電流Icellの読み出しと同時に、選択ローカルビット線及び選択グローバルビット線を接続する場合と比較し、ピーク電流が流れる期間が短くなるのでセルへのディスターブが小さくなる。そのため、センスアンプ回路200は、良好にデータを判定することができる。
<3>第3実施形態
第3実施形態について説明する。第3実施形態では、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される場合について説明する。尚、第3実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
第3実施形態について説明する。第3実施形態では、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される場合について説明する。尚、第3実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
<3−1>構成
第3実施形態では、シーケンサ50は、読み出し動作において、ワード線WLに負電圧を印加する。そして、シーケンサ50は、読み出し動作において、ローカルビット線に正電圧を印加する。以下では、シーケンサ50がこのような動作を実現できるカラムスイッチ回路、電圧転送回路、及びロウスイッチ回路について説明する。
第3実施形態では、シーケンサ50は、読み出し動作において、ワード線WLに負電圧を印加する。そして、シーケンサ50は、読み出し動作において、ローカルビット線に正電圧を印加する。以下では、シーケンサ50がこのような動作を実現できるカラムスイッチ回路、電圧転送回路、及びロウスイッチ回路について説明する。
<3−1−1>カラムスイッチ回路及び電圧転送回路
図34を用いて、第3実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図34は、第3実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図34を用いて、第3実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図34は、第3実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図34に示すように、カラムスイッチ回路12は、ローカルビット線LBL毎にカラム制御回路120を備えている。
カラム制御回路120は、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御するPMOSトランジスタ127と、ローカルビット線LBLに正電圧VPOSを転送するPMOSトランジスタ125と、ローカルビット線LBLに基準電圧VSS(VSS<VPOS)を転送するNMOSトランジスタ126と、ローカルビット線LBLの電荷を蓄積するキャパシタ124と、を備えている。
トランジスタ127は、“L”レベルの信号SW1に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御する。
トランジスタ125は、“L”レベルの信号SW2に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、正電圧VPOSを転送する。
トランジスタ126は、“H”レベルの信号SW3に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、基準電圧VSSを転送する。
図34に示すように、電圧転送回路210は、グローバルビット線GBLと、センスアンプ回路200と、の接続を制御するPMOSトランジスタ215と、グローバルビット線GBLに正電圧VPOSを転送するPMOSトランジスタ214と、グローバルビット線GBLの電荷を蓄積するキャパシタ213と、を備えている。
トランジスタ215は、“L”レベルの信号SW4に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLと、センスアンプ回路200と、の接続を制御する。
トランジスタ214は、“L”レベルの信号SW5に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLに、電圧VPOSを転送する。
<3−1−2>ロウスイッチ回路
図35を用いて、第3実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路について説明する。図35は、第3実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路を示す回路図である。
図35を用いて、第3実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路について説明する。図35は、第3実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路を示す回路図である。
図35に示すように、ロウスイッチ回路13は、ワード線WL毎にロウ制御回路130を備えている。
ロウ制御回路130は、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御するNMOSトランジスタ134と、ワード線WLに基準電圧VSSを転送するPMOSトランジスタ133と、を備えている。
トランジスタ134は、“H”レベルの信号SW7に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御する。
トランジスタ133は、“L”レベルの信号SW7に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、基準電圧VSSを転送する。
<3−2>読み出し動作
図36を用いて第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図36は、第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図36を用いて第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図36は、第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要は、図10で説明したものと同様である。第3実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、で異なる点は、選択ワード線WL、選択ローカルビット線、選択グローバルビット線の電圧、及び信号SW2、SW3、SW5、SW7のレベルを反転させた点である。
具体的には、図36に示すように、シーケンサ50は、信号SW1〜SW5のレベルを反転させることにより、選択ローカルビット線LBL、選択グローバルビット線GBLに正電圧VPOS(例えば負電圧VNEGを正負反転させた電圧)を供給できる。また、シーケンサ50は、信号SW7のレベルを反転させることにより、選択ワード線WLに負電圧VNRW(例えば正電圧VRWを正負反転させた電圧)を供給できる。
<3−3>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第1実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第1実施形態と第3実施形態で異なる点は、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第1実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第1実施形態と第3実施形態で異なる点は、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
<3−4>第3実施形態の変形例
次に、第3実施形態の変形例について説明する。
次に、第3実施形態の変形例について説明する。
<3−4−1>読み出し動作
図37を用いて第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図37は、第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図37を用いて第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。図37は、第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要は、図26で説明したものと同様である。第3実施形態の変形例に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、第2実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、で異なる点は、選択ワード線WL、選択ローカルビット線LBL、選択グローバルビット線GBLの電圧、及び信号SW2、SW3、SW5、SW7のレベルを反転させた点である。
具体的には、図37に示すように、シーケンサ50は、信号SW2、SW3、SW5のレベルを反転させることにより、選択ローカルビット線LBL、選択グローバルビット線GBLに正電圧VPOS(例えば負電圧VNEGを正負反転させた電圧)を供給できる。また、シーケンサ50は、信号SW7のレベルを反転させることにより、選択ワード線WLに負電圧VNRW(例えば正電圧VRWを正負反転させた電圧)を供給できる。
<3−4−2>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。第2実施形態と第3実施形態の変形例で異なる点は、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第2実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。第2実施形態と第3実施形態の変形例で異なる点は、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第2実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
<4>第4実施形態
第4実施形態について説明する。第4実施形態では、ワード線にセンスアンプが接続される場合について説明する。尚、第4実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
第4実施形態について説明する。第4実施形態では、ワード線にセンスアンプが接続される場合について説明する。尚、第4実施形態に係る装置の基本的な構成及び基本的な動作は、上述した第1実施形態に係る装置と同様である。従って、上述した第1実施形態で説明した事項及び上述した第1実施形態から容易に類推可能な事項についての説明は省略する。
<4−1>構成
以下に、第1実施形態のワード線とビット線とを入れ替える場合の構成について説明する。
以下に、第1実施形態のワード線とビット線とを入れ替える場合の構成について説明する。
<4−1−1>半導体記憶装置
図38を用いて、第4実施形態の半導体記憶装置の全体構成を説明する。図38は、第4実施形態の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10、センスアンプ60、ロウデコーダ70、カラムデコーダ80、及びシーケンサ50を備える。
図38を用いて、第4実施形態の半導体記憶装置の全体構成を説明する。図38は、第4実施形態の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10、センスアンプ60、ロウデコーダ70、カラムデコーダ80、及びシーケンサ50を備える。
センスアンプ60は、メインワード線MWL毎にセンスアンプ回路を備えている。センスアンプ回路は、データの読み出し時には、メモリセルMCからメインワード線MWLに読み出されたデータをセンスする。また、センスアンプ60は、データの書き込み時には書き込みデータに応じた電圧をメモリセルMCに供給する。これらの電圧は、シーケンサ50から与えられる。
ロウデコーダ70は、ロウアドレスをデコードして、ロウアドレスデコード信号を得る。
シーケンサ50は、データの読み出し、書き込みに必要な電圧を例えばセンスアンプ60に供給する。
シーケンサ50は、データの読み出し、書き込み、及び消去に必要な電圧をカラムデコーダ80に供給する。
カラムデコーダ80は、カラムアドレスをデコードして得たカラムアドレスデコード信号に基づいて、いずれかのグローバルビット線GBLを選択する。
シーケンサ50は、半導体記憶装置1の外部から供給される電源電圧VDDを昇圧または降圧することによりデータの読み出し、書き込み、及び消去に必要な電圧及び電流を発生させ、例えばメモリセルアレイ10、センスアンプ60、ロウデコーダ70、あるいはカラムデコーダ80に供給する。
<4−1−2>メモリセルアレイ
図39を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10について説明する。図39は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10を示すブロック図である。
図39を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10について説明する。図39は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイ10を示すブロック図である。
図39に示すように、メモリセルアレイ10は、マトリクス状に配置された複数のサブセルアレイ100を備える。そして、サブセルアレイ100は、メインワード線MWLを介してセンスアンプ60に接続される。
センスアンプ60は、メインワード線MWL毎に電圧転送回路610及びセンスアンプ回路600を備えている。電圧転送回路610は、メインワード線MWLからの電圧をセンスアンプ回路600に転送、またはメインワード線MWLに電圧を転送する。センスアンプ回路600は、電圧転送回路610から転送されたデータをセンスする。
サブセルアレイ100は、MAT11、ロウスイッチ回路14、及びカラムスイッチ回路15を備えている。
MAT11は、半導体基板上にマトリクス状に配置された複数のメモリセルMCを備える。詳細については後述する。
ロウスイッチ回路14は、ロウデコーダ70からの信号に基づいて、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御する。
カラムスイッチ回路15は、シーケンサ50からの信号に基づいて、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御する。
<4−1−3>ロウスイッチ回路及び電圧転送回路
図40を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図40は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図40を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図40は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図40に示すように、ロウスイッチ回路14は、ワード線WL毎にロウ制御回路140を備えている。
ロウ制御回路140は、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御するNMOSトランジスタ141と、ワード線WLに負電圧VNEGを転送するNMOSトランジスタ142と、ワード線WLに基準電圧VSS(VNEG<VSS)を転送するPMOSトランジスタ143と、ワード線WLの電荷を蓄積するキャパシタ144と、を備えている。
トランジスタ141は、“H”レベルの信号SW1に基づいてオン状態(導通状態)になり、メインワード線MWLと、ワード線WLと、を接続する。
トランジスタ142は、“H”レベルの信号SW2に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、負電圧VNEGを転送する。
トランジスタ143は、“L”レベルの信号SW3に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、基準電圧VSSを転送する。
キャパシタ144の一端はワード線WLに接続され、他端は基準電圧VSSが供給される。また、キャパシタ144の静電容量はC1である。このキャパシタ144は、例えばワード線WLそのものである。
図40に示すように、電圧転送回路610は、メインワード線MWLと、センスアンプ回路600と、の接続を制御するNMOSトランジスタ611と、メインワード線MWLに負電圧VNEGを転送するNMOSトランジスタ612と、メインワード線MWLの電荷を蓄積するキャパシタ613と、を備えている。
トランジスタ611は、“H”レベルの信号SW4に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLと、センスアンプ回路600と、を接続する。
トランジスタ612は、“H”レベルの信号SW5に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLに、電圧VNEGを転送する。
キャパシタ613の一端はメインワード線MWLに接続され、他端は基準電圧VSSが供給される。また、キャパシタ613の静電容量はC2である。このキャパシタ613は、例えばメインワード線MWLそのものである。
<4−1−4>カラムスイッチ回路
図41を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路について説明する。図41は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路を示す回路図である。
図41を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路について説明する。図41は、第4実施形態に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路を示す回路図である。
図41に示すように、カラムスイッチ回路15は、ローカルビット線LBL毎にカラム制御回路150を備えている。
カラム制御回路150は、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御するPMOSトランジスタ151と、ローカルビット線LBLに基準電圧VSSを転送するNMOSトランジスタ152と、を備えている。
トランジスタ151は、“L”レベルの信号SW6に基づいてオン状態になり、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、を接続する。
トランジスタ152は、“H”レベルの信号SW7に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、基準電圧VSSを転送する。
<4−2>読み出し動作
以下に、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
<4−2−1>概要
図42を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図42は、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
図42を用いて、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図42は、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
[ステップS4001]
シーケンサ50は、データを読み出すメモリセル(選択メモリセル)MCが接続されているワード線(選択ワード線)WLに対してプリチャージ(第1プリチャージ)を行なう。
シーケンサ50は、データを読み出すメモリセル(選択メモリセル)MCが接続されているワード線(選択ワード線)WLに対してプリチャージ(第1プリチャージ)を行なう。
[ステップS4002]
シーケンサ50は、ステップS4001の後、選択メモリセルMCが接続されているローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLに対してチャージを行なう。ステップS4001のプリチャージと、選択ローカルビット線LBLへのチャージにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS4001の後、選択メモリセルMCが接続されているローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLに対してチャージを行なう。ステップS4001のプリチャージと、選択ローカルビット線LBLへのチャージにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
[ステップS4003]
シーケンサ50は、ステップS4002の後、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする(第1チャージシェア)。
シーケンサ50は、ステップS4002の後、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする(第1チャージシェア)。
[ステップS4004]
シーケンサ50は、ステップS4003の後、電圧転送回路610のキャパシタ613にチャージされた電荷を保持したまま、選択ワード線WLに対して2回目のプリチャージ(第2プリチャージ)を行なう。
シーケンサ50は、ステップS4003の後、電圧転送回路610のキャパシタ613にチャージされた電荷を保持したまま、選択ワード線WLに対して2回目のプリチャージ(第2プリチャージ)を行なう。
[ステップS4005]
シーケンサ50は、ステップS4004の後、第2プリチャージを止めることにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第2読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS4004の後、第2プリチャージを止めることにより、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第2読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
[ステップS4006]
シーケンサ50は、ステップS4005の後、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする(第2チャージシェア)。これにより、電圧転送回路610のキャパシタ613には、第1読み出しと、第2読み出しと、に基づく電荷がキャパシタ613にチャージされる。このように、1回の読み出し動作においてチャージシェアを2回行なうことで、キャパシタ613にチャージされる電荷を増やすことができる。
シーケンサ50は、ステップS4005の後、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする(第2チャージシェア)。これにより、電圧転送回路610のキャパシタ613には、第1読み出しと、第2読み出しと、に基づく電荷がキャパシタ613にチャージされる。このように、1回の読み出し動作においてチャージシェアを2回行なうことで、キャパシタ613にチャージされる電荷を増やすことができる。
[ステップS4007]
シーケンサ50は、ステップS4006の後、キャパシタ613にチャージされた電荷をセンスアンプ回路600に転送する。これにより、センスアンプ回路600は、メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路600は、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことができる。
シーケンサ50は、ステップS4006の後、キャパシタ613にチャージされた電荷をセンスアンプ回路600に転送する。これにより、センスアンプ回路600は、メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路600は、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すことができる。
以下に、読み出し動作における詳細な説明を記載する。
<4−2−2>読み出し動作の詳細
以下に、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下に、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下では、選択メモリセルMC、非選択メモリセルMC、半選択メモリセルMC毎に読み出し動作の詳細について説明する。
<4−2−2−1>選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
まず図43を用いて、選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図43は、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図43では、ローカルビット線LBL、ワード線WL、及びメインワード線MWLの電圧、信号SW1〜SW7のレベル、セル電流Icellを示している。
まず図43を用いて、選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。図43は、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図43では、ローカルビット線LBL、ワード線WL、及びメインワード線MWLの電圧、信号SW1〜SW7のレベル、セル電流Icellを示している。
[時刻T21〜時刻T22](ステップS4001に対応)
時刻T21〜時刻T22における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T21〜時刻T22における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択メモリセルMCに係るワード線(選択ワード線)WLをプリチャージする。具体的には、シーケンサ50は、選択ワード線WLに接続されているロウ制御回路(選択ロウ制御回路)140に対する信号SW1、SW2、SW3を“H”レベルにする。また、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140が接続されるメインワード線(選択メインワード線)MWLに関する電圧転送回路(選択電圧転送回路)610に対する信号SW4、SW5を“H”レベルにする。また、シーケンサ50は、選択メモリセルMCに係るローカルビット線(選択ローカルビット線)LBLに接続されるカラム制御回路(選択カラム制御回路)150に対する信号SW6、及び信号SW7を“H”レベルにする。
図44を用いて、時刻T21〜時刻T22における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図44は、時刻T21〜時刻T22における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図44では、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。具体的には、選択メモリセルMC、選択ワード線WL、選択ロウ制御回路140、選択メインワード線MWL、選択電圧転送回路610、選択センスアンプ回路600、選択ローカルビット線LBL、選択カラム制御回路150、選択グローバルビット線GBLを示している。
図44に示すように、時刻T21〜時刻T22において、選択電圧転送回路610のトランジスタ611、及び612がオン状態となる。そのため、トランジスタ611、及び612を介して負電圧VNEGが選択メインワード線MWLに転送される(矢印D1参照)。また、選択ロウ制御回路140のトランジスタ141がオン状態となる。そのため、選択メインワード線MWLを介して負電圧VNEGが選択ワード線WLに転送される(矢印D1参照)。また、選択ロウ制御回路140のトランジスタ142がオン状態となる。そのため、負電圧VNEGが選択ワード線WLに転送される(矢印D2参照)。また、選択カラム制御回路150のトランジスタ152はオン状態になり、ローカルビット線LBLに基準電圧VSSが転送される。
なお、図44に示すように、選択ロウ制御回路140のトランジスタ143、及び選択カラム制御回路150のトランジスタ151はオフ状態となる。
[時刻T22〜時刻T23](ステップS4001に対応)
図43に戻って、時刻T22〜時刻T23における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T22〜時刻T23における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ワード線WLをプリチャージしている間に、選択ローカルビット線に、読み出し電圧(正電圧)VRWを転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対して、信号SW6のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対して、信号SW7のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。なお、読み出し電圧VRWは、選択メモリセルMCに印加される電圧(選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値)が電圧VREADとなるような電圧である。
図45を用いて、時刻T22〜時刻T23における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図45は、時刻T22〜時刻T23における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図45では、図44と同様に選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図45に示すように、選択カラム制御回路150のトランジスタ152はオフ状態となり、トランジスタ151はオン状態となる。そのため、トランジスタ151を介して、選択グローバルビット線GBLから選択ローカルビット線LBLに電圧VRWが転送される。その結果、選択メモリセルMCの一端に電圧VRWが印加されていく(矢印D3参照)。
ところで、選択メモリセルMCには、選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値が印加される。そして、その差分の絶対値に応じた電流がセル電流として選択メモリセルMCに流れる(矢印D4参照)。
時刻T22〜時刻T23におけるセル電流については、図15を用いて説明したセル電流と同じである。
[時刻T23〜時刻T24](ステップS4002に対応)
図43に戻って、時刻T23〜時刻T24における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T23〜時刻T24における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ワード線WLのプリチャージを止め、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1、SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。また、シーケンサ50は、選択電圧転送回路610に対する信号SW4、SW5を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ワード線WLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
時刻T23〜時刻T24におけるセル電流については、図16を用いて説明したセル電流と同じである。
読み出し結果となる選択ワード線WLの電圧に基づき、選択ロウ制御回路140のキャパシタ144に電荷(C1×V1)が記憶される。
[時刻T24〜時刻T25](ステップS4003に対応)
図43に戻って、時刻T24〜時刻T25における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T24〜時刻T25における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140のキャパシタ144に記憶された電荷を、選択電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対信号SW1を“H”レベルにする。これにより、選択ワード線WLとメインワード線MWLとが電気的に接続される。これにより、選択ワード線WLの電圧が選択メインワード線MWLにシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧VNEGから電圧V2Lに昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧VNEGから電圧V2Hに昇圧される。
図46を用いて、時刻T24〜時刻T25における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図46は、時刻T24〜時刻T25における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図46では、図44と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図46に示すように、選択ロウ制御回路140のトランジスタ141がオン状態となる。そのため、キャパシタ144にチャージされた電荷(C1×V1)がトランジスタ141を介してキャパシタ613にシェアされる(矢印D5参照)。その結果、キャパシタ613に電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)が保持される。
[時刻T25〜時刻T26](ステップS4004に対応)
図43に戻って、時刻T25〜時刻T26における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T25〜時刻T26における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ワード線WLをプリチャージする。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1を“L”レベルにし、信号SW2、SW3を“H”レベルにする。
図47を用いて、時刻T25〜時刻T26における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図47は、時刻T25〜時刻T26における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図47では、図44と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図47に示すように、選択ロウ制御回路140のトランジスタ141がオフ状態となる。そのため、キャパシタ613に保持された電荷は選択ワード線WLに流出しない。また、選択ロウ制御回路140のトランジスタ142がオン状態となる。そのため、負電圧VNEGが選択ワード線WLに転送される(矢印D6参照)。
[時刻T26〜時刻T27](ステップS4005に対応)
図43に戻って、時刻T26〜時刻T27における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T26〜時刻T27における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ワード線WLのプリチャージをとめ、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ワード線WLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
図48を用いて、時刻T26〜時刻T27における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図48は、時刻T26〜時刻T27における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図48では、図44と同様に選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図48に示すように、トランジスタ151を介して、選択グローバルビット線GBLから選択ローカルビット線LBLに電圧VRWが転送される。その結果、選択メモリセルMCの一端に電圧VRWが印加されていく(矢印D7参照)。
ところで、選択メモリセルMCには、選択ワード線の電圧V(WL)と選択ローカルビット線の電圧V(LBL)との差分の絶対値が印加される。そして、その差分の絶対値に応じた電流がセル電流として選択メモリセルMCに流れる(矢印D8参照)。この際におけるセル電流Icellは、図16を用いて説明した動作と同様の動作となる。
読み出し結果となる選択ワード線WLの電圧に基づき、選択ロウ制御回路140のキャパシタ144に電荷(C1×V1)が記憶される。
[時刻T27〜時刻T28](ステップS4006に対応)
図43に戻って、時刻T27〜時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T27〜時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140のキャパシタ144に記憶された電荷を、選択電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1を“H”レベルにする。これにより、選択ワード線WLとメインワード線MWLとが電気的に接続される。これにより、選択ワード線WLの電圧が選択メインワード線MWLにシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧V2Lから電圧V3L(V3L=V2L+dV3)に昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧V2Hから電圧V3Hに昇圧される。
また、シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対する信号SW6のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。また、シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対して、信号SW7のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択カラム制御回路150のトランジスタ151はオフ状態となり、トランジスタ152はオン状態となる。そのため、選択ローカルビット線LBLは、基準電圧VSSとなる。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧は大きく降圧され、選択メモリセルMCの特性は第2特性から第1特性へと遷移する。そのため、選択メモリセルMCに流れるセル電流は、大きく減少する。
図49を用いて、時刻T27〜時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図49は、時刻T27〜時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図49では、図44と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図49に示すように、選択ロウ制御回路140のトランジスタ141がオン状態となる。そのため、キャパシタ144にチャージされた電荷(C1×V1)がトランジスタ141を介してキャパシタ613にシェアされる(矢印D9参照)。その結果、キャパシタ613に電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))が保持される。
キャパシタ613に保持される電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))は、時刻T24〜時刻T25においてキャパシタ613に保持されていた電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)よりも大きい。
[時刻T28〜](ステップS4007に対応)
図43に戻って、時刻T28〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図43に戻って、時刻T28〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、キャパシタ613に保持される電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))をセンスアンプ回路600に転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。そして、シーケンサ50は、選択電圧転送回路610に対する信号SW4のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。
図50を用いて、時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を示す。図50は、時刻T28における、選択メモリセルMCに関する動作を示す回路図である。図50では、図44と同様に、選択メモリセルMCに係る構成のみを抽出して記載している。
図50に示すように、選択電圧転送回路610のトランジスタ611がオン状態となる。そのため、キャパシタ613に保持された電荷がセンスアンプ回路600に転送される(矢印D10参照)。
これにより、センスアンプ回路600は、電荷(C1×C2/(C1+C2)×V1)×(2−C1/(C1+C2))に基づいて、選択メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。
<4−2−2−2>非選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
図43を用いて、非選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
図43を用いて、非選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
シーケンサ50は、非選択メモリセルMCに係るワード線(非選択ワード線)WLを基準電圧Vssに維持する。具体的には、シーケンサ50は、非選択ワード線WLに接続されているロウ制御回路(非選択ロウ制御回路)140に対する信号SW1、SW2、SW3を“L”レベルにする。また、シーケンサ50は、非選択ロウ制御回路140が接続されるメインワード線(非選択メインワード線)MWLに関する電圧転送回路(非選択電圧転送回路)610に対する信号SW4、SW5を“L”レベルにする。シーケンサ50は、非選択メモリセルMCに係るローカルビット線(非選択ローカルビット線)LBLに接続されるカラム制御回路(非選択カラム制御回路)150に対する信号SW6、及び信号SW7を“H”レベルにする。
これにより、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流も流れない。
<4−2−2−3>半選択メモリセルに関する読み出し動作の詳細
上述したように、半選択メモリセルMCには、2種類の半選択メモリセルMCがある。
上述したように、半選択メモリセルMCには、2種類の半選択メモリセルMCがある。
<4−2−2−3−1>第1半選択メモリセル
次に、第1半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
次に、第1半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
上述したように、第1半選択メモリセルMCとは、選択ワード線WL及び非選択ローカルビット線LBLに接続されるメモリセルMCである。
そのため、第1半選択メモリセルMCにおいては読み出し動作の間、ローカルビット線LBLの電圧は基準電圧VSSに維持されるが、ワード線WLには、負電圧VNEGが供給される。第1半選択メモリセルMCに流れるセル電流については、図22で説明したセル電流と同じである。
<4−2−2−3−2>第2半選択メモリセル
次に、第2半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
次に、第2半選択メモリセルMCに関する読み出し動作の詳細を説明する。
上述したように、第2半選択メモリセルMCとは、非選択ワード線WL及び選択ローカルビット線LBLに接続されるメモリセルMCである。
そのため、第2半選択メモリセルMCにおいては読み出し動作の間、ローカルビット線LBLには電圧VRWが供給されるが、ワード線WLは基準電圧VSSに維持される。
第2半選択メモリセルMCに流れるセル電流については、図23で説明したセル電流と同じである。
以上の様にして、第4実施形態に係る半導体記憶装置は、選択メモリセルMCの抵抗状態を電荷に変換できる。そして、電荷に基づいてセンスアンプ回路600は選択メモリセルMCに記憶されたデータを判定することができる。
<4−3>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第1実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第1実施形態と第3実施形態で異なる点は、ビット線ではなくワード線をセンスアンプに接続する点である。このような場合においても、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第1実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第1実施形態と第3実施形態で異なる点は、ビット線ではなくワード線をセンスアンプに接続する点である。このような場合においても、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
<4−4>第4実施形態の変形例1
次に、第4実施形態の変形例1について説明する。
次に、第4実施形態の変形例1について説明する。
<4−4−1>読み出し動作
以下に、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
以下に、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作について説明する。
<4−4−1−1>概要
図51を用いて、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図51は、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
図51を用いて、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要について説明する。図51は、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すフローチャートである。
[ステップS5001]
ステップS5001の際、シーケンサ50は、ステップS4001と同様の動作を行なう。
ステップS5001の際、シーケンサ50は、ステップS4001と同様の動作を行なう。
[ステップS5002]
シーケンサ50は、ステップS5001の後、選択メモリセルMCが接続されているローカルビット線に対してチャージを行なう。ステップS5001のプリチャージと、選択ローカルビット線へのチャージに、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
シーケンサ50は、ステップS5001の後、選択メモリセルMCが接続されているローカルビット線に対してチャージを行なう。ステップS5001のプリチャージと、選択ローカルビット線へのチャージに、選択メモリセルMCに印加される電圧を電圧VREADにする。そして、ロウ制御回路140にて選択メモリセルMCに流れるセル電流を読み出す(第1読み出し)。具体的には、セル電流の読み出し結果は、電荷としてロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされる。
[ステップS5003]
シーケンサ50は、ステップS5002において、選択メモリセルMCの特性が、第2特性から第1特性に変化する前に、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする。
シーケンサ50は、ステップS5002において、選択メモリセルMCの特性が、第2特性から第1特性に変化する前に、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷を、電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする。
これにより、ロウ制御回路140のキャパシタ144にチャージされた電荷が減る。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧が昇圧され、電圧転送回路610のキャパシタ613に、セル電流に基づく電荷が蓄積される。このように、セル電流の読み出し動作中に、チャージシェアを行なうことで、キャパシタ613にチャージされる電荷を増やすことができる。
[ステップS5004]
シーケンサ50は、ステップS5003の後、キャパシタ613にチャージされた電荷をセンスアンプ回路600に転送する。これにより、センスアンプ回路600は、メモリセルの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路600は、メモリセルに記憶されたデータを読み出すことができる。
シーケンサ50は、ステップS5003の後、キャパシタ613にチャージされた電荷をセンスアンプ回路600に転送する。これにより、センスアンプ回路600は、メモリセルの抵抗状態を判定することができる。その結果、センスアンプ回路600は、メモリセルに記憶されたデータを読み出すことができる。
以下に、読み出し動作における詳細な説明を記載する。
<4−4−1−2>読み出し動作の詳細
以下に、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下に、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作の詳細について説明する。
以下では、選択メモリセル、非選択メモリセル、半選択メモリセル毎に読み出し動作の詳細について説明する。
<4−4−1−2−1>選択メモリセルに関する動作の詳細
まず図52を用いて、選択メモリセルMCに関する動作の詳細を説明する。図52は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
まず図52を用いて、選択メモリセルMCに関する動作の詳細を説明する。図52は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
[時刻T31〜時刻T33](ステップS5001に対応)
時刻T31〜時刻T33における、動作は、図43において説明した、時刻T21〜時刻T23の動作と同様である。
時刻T31〜時刻T33における、動作は、図43において説明した、時刻T21〜時刻T23の動作と同様である。
[時刻T33〜時刻T34](ステップS5002に対応)
時刻T33〜時刻T34における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T33〜時刻T34における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、選択ワード線WLのプリチャージを止め、メモリセルMCに読み出し電圧を印加する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1、SW2を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。また、シーケンサ50は、選択電圧転送回路610に対する信号SW4、SW5を“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。これにより、選択ワード線WLへの電圧供給がとまり、メモリセルMCに読み出し電圧が印加される。
時刻T33〜時刻T34における、選択メモリセルMCに流れるセル電流については、図28〜図30で説明したセル電流と同じである。
[時刻T34〜時刻T37](ステップS5003に対応)
図52に戻って、時刻T34〜時刻T37における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
図52に戻って、時刻T34〜時刻T37における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、セル電流の読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ロウ制御回路140のキャパシタ144に記憶された電荷を、選択電圧転送回路610のキャパシタ613にシェアする。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1を“H”レベルにする。そのため、選択ロウ制御回路140のトランジスタ141がオン状態となる。選択ワード線WLとメインワード線MWLとが電気的に接続される。その結果、キャパシタ144にチャージされた電荷がトランジスタ141を介してキャパシタ613にシェアされる。選択メモリセルが低抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧VNEGから電圧V4Lに昇圧される。また、選択メモリセルが高抵抗状態の場合は、選択メインワード線MWLの電圧が電圧VNEGから電圧V4Hに昇圧される。
本実施形態に係るシーケンサ50は、選択メモリセルMCが第2特性から第1特性に遷移する前に、キャパシタ144にチャージされた電荷を、キャパシタ613にシェアする。キャパシタ144にチャージされた電荷が、キャパシタ613にシェアされることで、選択ワード線WLの電圧が降圧される。その結果、選択ワード線WLの電圧と、選択ワード線WLの電圧と、の差が広がり、選択メモリセルMCに印加される電圧が昇圧される。低抵抗状態の選択メモリセルMCに流れるセル電流は、図31の矢印C6に示すように、第2特性に沿って変動し、高抵抗状態の選択メモリセルMCに流れるセル電流は、図31の矢印C7に示すように、第3特性に沿って変動する。
そして、図52の時刻T35〜時刻T36において、低抵抗状態の選択メモリセルMCに係る選択ワード線WL及びメインワード線MWLの電圧が電圧V5L(V5L=V4L+dV5L)まで昇圧されると、図30に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCのセル電流は、第2特性に従って少なくなる(矢印C4参照)。また、高抵抗状態の選択メモリセルMCに係る選択ワード線WL及びメインワード線MWLの電圧が電圧V5Hまで昇圧される。
図52の時刻T36において、シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対する信号SW6のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。シーケンサ50は、選択カラム制御回路150に対する信号SW7のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択カラム制御回路150のトランジスタ151はオフ状態となり、トランジスタ152はオン状態となる。そのため、選択ローカルビット線LBLは、基準電圧VSSとなる。その結果、選択メモリセルMCに印加される電圧は大きく降圧される。そのため、図32に示すように、低抵抗状態の選択メモリセルMCの特性は第2特性から第1特性へと遷移する(矢印C8参照)。そのため、選択メモリセルMCに流れるセル電流は、大きく減少する。
[時刻T37〜](ステップS5004に対応)
時刻T37〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
時刻T37〜における、選択メモリセルMCに関する動作を説明する。
シーケンサ50は、キャパシタ613に保持される電荷をセンスアンプ回路600に転送する。具体的には、シーケンサ50は、選択ロウ制御回路140に対する信号SW1のレベルを“H”レベルから“L”レベルに立ち下げる。そして、シーケンサ50は、選択電圧転送回路610に対する信号SW4のレベルを“L”レベルから“H”レベルに立ち上げる。これにより、選択電圧転送回路610のトランジスタ611がオン状態となる。そのため、キャパシタ613に保持された電荷がセンスアンプ回路600に転送される。
これにより、センスアンプ回路600は、電荷に基づいて、選択メモリセルMCの抵抗状態を判定することができる。
<4−4−1−2−2>非選択メモリセル、半選択メモリセルに関する動作
非選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流は流れない。
非選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、非選択メモリセルMCの両端に電圧差が発生しないため、セル電流は流れない。
また、半選択メモリセルMCに関しては、第1実施形態で説明した原理と同様の理由により、読み出し動作中において、半選択メモリセルMCに印加される電圧が電圧VLRSを超えないように設定されているので、半選択メモリセルMCに流れる電流は非常に小さく、読み出し動作には影響を及ぼさない。
以上の様にして、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置は、選択メモリセルMCの抵抗状態を電荷に変換できる。そして、電荷に基づいてセンスアンプ回路600は選択メモリセルMCに記憶されたデータを判定することができる。
<4−4−2>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。第2実施形態と第4実施形態の変形例1で異なる点は、ビット線ではなくワード線をセンスアンプに接続する点である。このような場合においても、第2実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択ローカルビット線LBLと、選択グローバルビット線GBLと、を接続する。第2実施形態と第4実施形態の変形例1で異なる点は、ビット線ではなくワード線をセンスアンプに接続する点である。このような場合においても、第2実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
<4−5>第4実施形態の変形例2
次に、第4実施形態の変形例2について説明する。第4実施形態の変形例2では、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される場合について説明する。
次に、第4実施形態の変形例2について説明する。第4実施形態の変形例2では、読み出し動作において、ワード線に負電圧が印加され、ローカルビット線に正電圧が印加される場合について説明する。
<4−5−1>構成
第4実施形態の変形例2では、シーケンサ50は、読み出し動作において、ローカルビット線LBLに負電圧を印加する。そして、シーケンサ50は、読み出し動作において、ワード線WLに正電圧を印加する。以下では、シーケンサ50がこのような動作を実現できるカラムスイッチ回路、電圧転送回路、及びロウスイッチ回路について説明する。
第4実施形態の変形例2では、シーケンサ50は、読み出し動作において、ローカルビット線LBLに負電圧を印加する。そして、シーケンサ50は、読み出し動作において、ワード線WLに正電圧を印加する。以下では、シーケンサ50がこのような動作を実現できるカラムスイッチ回路、電圧転送回路、及びロウスイッチ回路について説明する。
<4−5−1−1>ロウスイッチ回路及び電圧転送回路
図53を用いて、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図53は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図53を用いて、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路について説明する。図53は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のロウスイッチ回路及び電圧転送回路を示す回路図である。
図53に示すように、ロウスイッチ回路14は、ワード線WL毎にロウ制御回路140を備えている。
ロウ制御回路140は、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御するPMOSトランジスタ147と、ワード線WLに正電圧VPOSを転送するPMOSトランジスタ145と、ワード線WLに基準電圧VSS(VSS<VPOS)を転送するNMOSトランジスタ146と、ワード線WLの電荷を蓄積するキャパシタ144と、を備えている。
トランジスタ147は、“L”レベルの信号SW1に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLと、ワード線WLと、の接続を制御する。
トランジスタ145は、“L”レベルの信号SW2に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、正電圧VPOSを転送する。
トランジスタ146は、“H”レベルの信号SW3に基づいてオン状態になり、ワード線WLに、基準電圧VSSを転送する。
図53に示すように、電圧転送回路610は、メインワード線MWLと、センスアンプ回路600と、の接続を制御するPMOSトランジスタ615と、メインワード線MWLに正電圧VPOSを転送するPMOSトランジスタ614と、メインワード線MWLの電荷を蓄積するキャパシタ613と、を備えている。
トランジスタ615は、“L”レベルの信号SW4に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLと、センスアンプ回路600と、の接続を制御する。
トランジスタ614は、“L”レベルの信号SW5に基づいてオン状態になり、メインワード線MWLに、電圧VPOSを転送する。
<4−5−1−2>カラムスイッチ回路
図54を用いて、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路について説明する。図54は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路を示す回路図である。
図54を用いて、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路について説明する。図54は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置のカラムスイッチ回路を示す回路図である。
図54に示すように、カラムスイッチ回路15は、ローカルビット線LBL毎にカラム制御回路150を備えている。
カラム制御回路150は、グローバルビット線GBLと、ローカルビット線LBLと、の接続を制御するNMOSトランジスタ151と、ローカルビット線LBLに基準電圧VSSを転送するPMOSトランジスタ153と、を備えている。
トランジスタ153は、“L”レベルの信号SW7に基づいてオン状態になり、ローカルビット線LBLに、基準電圧VSSを転送する。
<4−5−2>読み出し動作
図55を用いて第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作を説明する。図55は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図55を用いて第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作を説明する。図55は、第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要は、図42で説明したものと同様である。第4実施形態の変形例2に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、第4実施形態に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、で異なる点は、選択メインワード線MWL、選択ワード線WL、選択ローカルビット線の電圧、及び信号SW1〜SW7のレベルを反転させた点である。
具体的には、図55に示すように、シーケンサ50は、第4実施形態の信号SW2、SW3、SW5のレベルを反転させることにより、選択ワード線WL、選択メインワード線MWLに正電圧VPOS(例えば負電圧VNEGを正負反転させた電圧)を供給できる。また、シーケンサ50は、第4実施形態信号SW7のレベルを反転させることにより、選択ローカルビット線LBLに負電圧VNRW(例えば正電圧VRWを正負反転させた電圧)を供給できる。
<4−5−3>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第4実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第4実施形態と第4実施形態の変形例2で異なる点は、読み出し動作において、ローカルビット線に負電圧が印加され、ワード線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第4実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、第4実施形態と同様に1回の読み出し動作において、セル電流Icellの読み出しを2回行なっている。第4実施形態と第4実施形態の変形例2で異なる点は、読み出し動作において、ローカルビット線に負電圧が印加され、ワード線に正電圧が印加される点である。このような場合においても、第4実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
<4−6>第4実施形態の変形例3
次に、第4実施形態の変形例3について説明する。
次に、第4実施形態の変形例3について説明する。
<4−6−1>読み出し動作
図56を用いて第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作を説明する。図56は、第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
図56を用いて第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作を説明する。図56は、第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作の概要は、図52で説明したものと同様である。第4実施形態の変形例3に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、第4実施形態の変形例1に係る半導体記憶装置の読み出し動作と、で異なる点は、選択メインワード線MWL、選択ワード線WL、選択ローカルビット線の電圧、及び信号SW2、SW3、SW5、SW7のレベルを反転させた点である。
具体的には、図56に示すように、シーケンサ50は、信号SW2、SW3、SW5のレベルを反転させることにより、選択ワード線WL、選択メインワード線MWLに正電圧VPOS(例えば負電圧VNEGを正負反転させた電圧)を供給できる。また、シーケンサ50は、信号SW7のレベルを反転させることにより、選択ローカルビット線LBLに負電圧VNRW(例えば正電圧VRWを正負反転させた電圧)を供給できる。
<4−6−2>効果
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択メインワード線MWLと、選択ワード線WLと、を接続する。第4実施形態の変形例1と第4実施形態の変形例3で異なる点は、読み出し動作において、ローカルビット線LBLに負電圧が印加され、ワード線WLに正電圧が印加される点である。このような場合においても、第4実施形態の変形例1と同様の効果を得ることが可能である。
上述した実施形態によれば、半導体記憶装置は、セル電流Icellの読み出しを行なっている最中、且つ選択メモリセルMCの特性が第2特性から第1特性に切り替わる前に、選択メインワード線MWLと、選択ワード線WLと、を接続する。第4実施形態の変形例1と第4実施形態の変形例3で異なる点は、読み出し動作において、ローカルビット線LBLに負電圧が印加され、ワード線WLに正電圧が印加される点である。このような場合においても、第4実施形態の変形例1と同様の効果を得ることが可能である。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出される。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば、発明として抽出され得る。
1…半導体記憶装置
10…メモリセルアレイ
12、15…カラムスイッチ回路
13、14…ロウスイッチ回路
20、60…センスアンプ
30、80…カラムデコーダ
40、70…ロウデコーダ
50…シーケンサ
100…サブセルアレイ
120、150…カラム制御回路
121、122、123、125、126、131、132、133、134、141、142、143、145、146、152、152、153、211、212、214、611、612、614、…トランジスタ
124、144、213、613…キャパシタ
130、140…ロウ制御回路
200、600…センスアンプ回路
210、610…電圧転送回路
10…メモリセルアレイ
12、15…カラムスイッチ回路
13、14…ロウスイッチ回路
20、60…センスアンプ
30、80…カラムデコーダ
40、70…ロウデコーダ
50…シーケンサ
100…サブセルアレイ
120、150…カラム制御回路
121、122、123、125、126、131、132、133、134、141、142、143、145、146、152、152、153、211、212、214、611、612、614、…トランジスタ
124、144、213、613…キャパシタ
130、140…ロウ制御回路
200、600…センスアンプ回路
210、610…電圧転送回路
Claims (5)
- データを記憶する抵抗変化型のメモリセルと、
前記メモリセルに流れる電流に基づく電荷をチャージする第1チャージ部と、
スイッチ素子を介して前記第1チャージ部に接続された第2チャージ部と、
前記第2チャージ部にチャージされた電荷に基づいて、前記メモリセルに記憶されているデータを判定するセンスアンプと、
前記第1チャージ部、前記第2チャージ部、及び前記センスアンプを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は読み出し動作において、
前記第1チャージ部に前記メモリセルに流れる電流に基づく第1電荷をチャージし、
前記スイッチ素子をオンすることにより、チャージされた前記第1電荷に基づく第2電荷を前記第2チャージ部にシェアし、
前記第1チャージ部に前記メモリセルに流れる電流に基づく第3電荷をチャージし、
前記スイッチ素子をオンすることにより、前記第2電荷及び前記第3電荷に基づく第4電荷を前記第2チャージ部にシェアし、
シェアされた前記第4電荷を前記センスアンプに供給することで、前記メモリセルに記憶されているデータを判定する
半導体記憶装置。 - 前記メモリセルの第1端、及び前記第1チャージ部に接続される第1配線と、
前記メモリセルの第2端に接続される第2配線と、
を更に備え、
前記制御回路は読み出し動作において、
前記第1配線を充電し、
前記第1配線を充電した後、前記第2配線を充電することで、前記メモリセルに電流を流す
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記制御回路は読み出し動作において、
前記第1チャージ部に、前記メモリセルに流れる電流に基づく第3電荷をチャージする前に、前記第1配線を充電し、
前記第1配線の充電をとめることで、前記メモリセルに電流を流して前記第3電荷をチャージする
請求項2に記載の半導体記憶装置。 - データを記憶する抵抗変化型のメモリセルと、
前記メモリセルに流れる電流に基づく電荷をチャージする第1チャージ部と、
スイッチ素子を介して前記第1チャージ部に接続された第2チャージ部と、
前記第2チャージ部にチャージされた電荷に基づいて、前記メモリセルに記憶されているデータを判定するセンスアンプと、
前記第1チャージ部、前記第2チャージ部、及び前記センスアンプを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、読み出し動作において、
前記第1チャージ部に、前記メモリセルに流れる電流に基づき電荷をチャージし、
前記第1チャージ部に前記メモリセルに流れる電流に基づく第1電荷のチャージが完了する前に、前記スイッチ素子をオンすることにより前記第2チャージ部に第2電荷をシェアし、
前記第2チャージ部に前記第2電荷がシェアされた後、
シェアされた前記第2電荷を、前記センスアンプに供給することで、前記メモリセルに記憶されているデータを判定する
半導体記憶装置。 - 前記メモリセルの第1端、及び前記第1チャージ部に接続される第1配線と、
前記メモリセルの第2端に接続される第2配線と、
を更に備え、
前記制御回路は、読み出し動作において、
前記第1配線を充電し、
前記第1配線の充電した後、前記第2配線を充電することで、前記メモリセルに電流を流す
請求項4に記載の半導体記憶装置。
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