JP2020047317A - 不揮発性記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 効率的な読み出し動作を行うことが可能な不揮発性記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1及び第2の配線と、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方をデータとして設定可能な抵抗変化記憶素子と抵抗変化記憶素子を選択する2端子スイッチ素子との直列接続を有するメモリセルと、第1及び第2の読み出し期間で抵抗変化記憶素子からデータを読み出す読み出し回路30と、第1及び第2の読み出し期間の間の書き込み期間で抵抗変化記憶素子にデータを書き込む書き込み回路20と、第1の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第1の電圧を第2の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第2の電圧と比較することで第1の読み出し期間で読み出されたデータを判定する判定回路40とを備え、第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間でメモリセルに同一方向の電流が流れるように構成されている。【選択図】 図1
Description
本発明の実施形態は、不揮発性記憶装置に関する。
ワード線とビット線とのクロスポイントに、抵抗変化記憶素子とスイッチ機能を有する素子との直列接続を有するメモリセルが配置された不揮発性記憶装置が提案されている。
しかしながら、従来のクロスポイント型の不揮発性記憶装置では、必ずしも効率的な読み出し動作が行われているとはいえなかった。
効率的な読み出し動作を行うことが可能な不揮発性記憶装置を提供する。
実施形態に係る不揮発性記憶装置は、第1の配線と、前記第1の配線に交差する第2の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられたメモリセルであって、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方をデータとして設定可能な抵抗変化記憶素子と、前記抵抗変化記憶素子を選択する2端子スイッチ素子との直列接続を有するメモリセルと、第1の読み出し期間及び第2の読み出し期間で前記抵抗変化記憶素子からデータを読み出す読み出し回路と、前記第1の読み出し期間と前記第2の読み出し期間との間の書き込み期間で前記抵抗変化記憶素子にデータを書き込む書き込み回路と、前記第1の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第1の電圧を前記第2の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第2の電圧と比較することで前記第1の読み出し期間で読み出されたデータを判定する判定回路と、を備えた不揮発性記憶装置であって、前記第1の読み出し期間、前記書き込み期間及び前記第2の読み出し期間で前記メモリセルに同一方向の電流が流れるように構成されている。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図1は、実施形態に係る不揮発性記憶装置の概略構成を示したブロック図である。
図1に示した不揮発性記憶装置は、メモリセルアレイ10、書き込み回路20、読み出し回路30、判定回路40、定電流回路50及び制御回路60を備えている。
図2は、メモリセルアレイ10の構成を示した電気回路図である。
図2に示したメモリセルアレイ10は、複数のワード線(第1の配線)11と、複数のビット線(第2の配線)12と、複数のメモリセル13とを含んでいる。ワード線11とビット線12とは互いに交差しており、ワード線11とビット線12との交差点(クロスポイント)にメモリセル13が配置されている。具体的には、ワード線11、ビット線12及びメモリセル13は積層構造を有しており、ワード線11とビット線12との間にメモリセル13が設けられている。メモリセル13の一端はワード線11に接続され、メモリセル13の他端はビット線12に接続されている。
メモリセル13は、抵抗変化記憶素子14と、抵抗変化記憶素子14を選択する2端子セレクタ素子15との直列接続によって構成されている。このようなメモリセル13がアレイ状に配置されてメモリセルアレイ10が構成されている。
抵抗変化記憶素子14は、低抵抗状態及び低抵抗状態よりも高い抵抗を有する高抵抗状態の一方を選択的にデータ(0又は1)として設定可能である。例えば、抵抗変化記憶素子14には、磁気抵抗効果素子、すなわちMTJ(magnetic tunnel junction)素子を用いることができる。
磁気抵抗効果素子14は、記憶層と、参照層と、記憶層と参照層との間のトンネルバリア層とを含んでいる。記憶層の磁化方向が参照層の磁化方向に対して平行である場合には、磁気抵抗効果素子14は低抵抗状態を呈する。記憶層の磁化方向が参照層の磁化方向に対して反平行である場合には、磁気抵抗効果素子14は高抵抗状態を呈する。磁気抵抗効果素子14の抵抗状態(低抵抗状態、高抵抗状態)は、磁気抵抗効果素子14に流れる書き込み電流の方向に応じて設定することができる。また、読み出しは、書き込み電流よりも小さい読み出し電流を磁気抵抗効果素子に流すことによって行われる。
2端子セレクタ素子15は、2端子間スイッチとして機能する。2端子間に印加される電圧が閾電圧よりも小さい場合には、2端子間スイッチ素子は高抵抗状態(例えば、電気的に非導通状態)である。2端子間に印加される電圧が閾電圧よりも大きい場合には、2端子間スイッチ素子は低抵抗状態(例えば、電気的に導通状態)である。2端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。
上述したスイッチ素子は、Te、Se及びSからなる群から選択された少なくとも1つのカルコゲン元素を含んでもよい。或いは、これらのカルコゲン元素を含有する化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。また、上述したスイッチ素子は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P及びSbからなる群から選択された少なくとも1つの元素を含んでいてもよい。
ワード線11とビット線12との間に電圧を印加して、2端子セレクタ素子15の2端子間に印加される電圧を閾電圧よりも大きくすることで、2端子セレクタ素子15は低抵抗状態(オン状態)となる。
図3は、2端子セレクタ素子15の電圧―電流特性を模式的に示した図である。2端子セレクタ素子15の2端子間に印加される電圧を増加させて印加電圧がV1になると、2端子間の電圧はV2に減少する。さらに印加電圧を増加させると電流は急激に増加する。すなわち、2端子セレクタ素子15の電圧―電流特性を一般的に述べると、2端子間の電圧がV1までは電流が単調に増加し、2端子間の電圧がV1になると電圧がV2まで減少し、電圧をV2から増加させると電流が単調に増加する。
図1の説明に戻る。
書き込み回路20は、メモリセル13に(抵抗変化記憶素子14に)所望のデータを書き込むための回路である。すなわち、書き込み回路20によって2端子セレクタ素子15を介して抵抗変化記憶素子14に書き込み電流を流すことで、抵抗変化記憶素子14に所望のデータ(低抵抗状態或いは高抵抗状態に対応するデータ)が書き込まれる。この書き込み回路20は、ライトドライバ(W/D)等によって構成されている。
読み出し回路30は、メモリセル13から(抵抗変化記憶素子14から)データを読み出すための回路である。すなわち、読み出し回路30によって2端子セレクタ素子15を介して抵抗変化記憶素子14に読み出し電流を流すことで、抵抗変化記憶素子14に記憶されているデータ(低抵抗状態或いは高抵抗状態に対応するデータ)が読み出される。この読み出し回路30は、センスアンプ(S/A)等によって構成されている。
判定回路40は、読み出し回路30によって読み出されたデータ(低抵抗状態或いは高抵抗状態に対応するデータ)を判定するものである。この判定回路40については、後で詳細に説明する。
定電流回路50は、メモリセル13に定電流を供給するものである。この定電流回路50については、後で詳細に説明する。
制御回路60は、書き込み回路20、読み出し回路30及び定電流回路50等を制御するものである。
本実施形態では、読み出し動作は自己参照読み出し方式によって行われる。以下、自己参照読み出し方式について説明する。
例えば、抵抗変化記憶素子14として磁気抵抗効果素子を用いた場合、抵抗変化記憶素子14の読み出しマージンを大きくとることは難しい。特に、素子毎に抵抗値がばらつくと、低抵抗状態と高抵抗状態との間の閾値を一定値に固定することが難しくなる。自己参照読み出し方式を用いることで、このような問題を低減することが可能である。
自己参照読み出し方式では、まず、第1の読み出し期間で、抵抗変化記憶素子14に記憶されているデータを読み出す。具体的には、第1の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第1の電圧を保持しておく。続いて、書き込み期間において、基準データを抵抗変化記憶素子14に書き込む。具体的には、低抵抗状態に対応するデータ或いは高抵抗状態に対応するデータを基準データとして抵抗変化記憶素子14に書き込む。続いて、第2の読み出し期間で、書き込み期間で書き込まれた基準データに基づくデータを抵抗変化記憶素子14から読み出す。具体的には、第2の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第2の電圧が読み出される。そして、第1の電圧を第2の電圧と比較することで、第1の読み出し期間で読み出されたデータを判定する。すなわち、第1の読み出し期間で読み出されたデータが低抵抗状態に対応するデータであるか或いは高抵抗状態に対応するデータであるかが判定される。この判定動作は、判定回路40によって行われる。
例えば、基準データとして低抵抗状態に対応するデータを用いた場合を想定する。この場合、第1の電圧と第2の電圧との差がほとんどない場合には、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)は低抵抗状態に対応するデータであると判定される。第1の電圧と第2の電圧との差が大きい場合には、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)は高抵抗状態に対応するデータであると判定される。なお、読み出し精度をより高めるためには、後述するオフセット電圧を用いることが好ましい。
上述したような自己参照読み出し方式を用いることで、素子毎に抵抗値がばらついていたとしても、抵抗変化記憶素子14に記憶されているデータ(元々記憶されていたデータ)を確実に読み出すことが可能である。
本実施形態では、上述した自己参照読み出し方式において、第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間で、メモリセル13に同一方向の電流が流れるように構成されている。すなわち、制御回路60によって書き込み回路20及び読み出し回路30を制御することで、第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間でメモリセル13に同一方向の電流が流れるように構成されている。以下、この点について説明を加える。
すでに述べたように、2端子セレクタ素子15は図3に示すような電圧−電流特性を有している。すなわち、2端子セレクタ素子15が一旦オフ状態になると、図3の電圧V1まで電圧を印加しないと2端子セレクタ素子15は再びオン状態にはならない。そのため、読み出し期間と書き込み期間とでメモリセル13に流れる電流の方向が変わると、読み出し期間と書き込み期間との間の期間で2端子セレクタ素子15が一旦オフ状態になってしまい、再度、2端子セレクタ素子15をオン状態に移行させる必要がある。そのため、効率的な自己参照読み出し動作を行うことが困難になる。
本実施形態では、第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間で抵抗変化記憶素子14に同一方向の電流が流れるように構成されているため、上述したような問題を防止することができ、効率的な読み出し動作を行うことが可能となる。
また、本実施形態では、定電流回路50を設けることで、上述したような問題をより効果的に防止することができる。
第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間で抵抗変化記憶素子14に同一方向の電流が流れるように構成されていても、読み出し期間と書き込み期間との間でメモリセル13に電流が流れない期間が存在すると、そのような期間で2端子セレクタ素子15がオフ状態になるおそれがある。
本実施形態では、定電流回路50を設けることで、第1の読み出し期間、書き込み期間及び第2の読み出し期間で連続的に抵抗変化記憶素子14に電流を供給することができる。そのため、上述したような問題を防止することができ、より効率的な読み出し動作を行うことが可能となる。
次に、本実施形態に係る不揮発性記憶装置のより詳細な構成例(第1の構成例)及びより詳細な動作について、図4(電気回路図)及び図5(タイミング図)を参照して説明する。
図4に示すように、書き込み回路20にはライトドライバ(W/D)21が含まれており、W/D21によって書き込みが実行される。
読み出し回路30には、サンプルアンドホールド(S/A)回路31が含まれている。S/A回路31内には、S/Aメイン回路に加えて、オフセット回路32が含まれている。また、読み出し回路30内には、定電流源(第1の定電流源)51が含まれている。すなわち、図1に示した定電流回路50に含まれる定電流源は、実質的には読み出し回路30に定電流源51として含まれている。定電流源51は、トランジスタ51a及びトランジスタ51bによって構成されている。また、定電流源51には、グローバルビット線GBLを介してメモリセル13が接続されている。さらに、読み出し回路30内には、トランジスタ対35、トランジスタ対36、キャパシタ37及びキャパシタ38が含まれている。
図5に示すように、第1の読み出し期間RD1において、REN信号がハイレベルとなり、トランジスタ51aがオン状態になる。また、SPL信号及びEVAL信号もハイレベルであるため、トランジスタ対35及びトランジスタ対36もオン状態になっている。その結果、メモリセル13のデータ(抵抗変化記憶素子のデータ)がトランジスタ51a、トランジスタ対35及びトランジスタ対36を介して読み出され、メモリセル13のデータに対応した電圧がキャパシタ37及びキャパシタ38に充電される。
書き込み期間WTでは、ライトドライバ21からメモリセル13内の抵抗変化記憶素子に基準データ(0又は1)が書き込まれる。また、SPL信号がロウレベルに切り替わるため、トランジスタ対35がオフ状態になる。その結果、キャパシタ37に充電電圧が保持される。本実施形態では、書き込み期間WTにおいても、REN信号(a)がハイレベルに維持されており、トランジスタ51aがオン状態に維持されている。そのため、メモリセル13には、第1の読み出し期間RD1及び書き込み期間WTで連続的に電流が流れる。したがって、すでに述べたように、メモリセル13内の2端子セレクタ素子は、オフ状態になることはなく、オン状態が維持される。これに対して、比較例の場合には、REN信号(b)がロウレベルに切り替わるため、トランジスタ51aがオフ状態になる。そのため、メモリセル13には電流が流れず、メモリセル13内の2端子セレクタ素子はオフ状態になる。
第2の読み出し期間RD2でも、REN信号がハイレベルに維持されている。また、第2の読み出し期間RD2の前半では、EVAL信号がハイレベルであるため、トランジスタ対36を通してキャパシタ38に電圧が充電される。すなわち、基準データに対応する電圧がキャパシタ38に充電される。第2の読み出し期間RD2の後半では、EVAL信号がロウレベルになるため、キャパシタ38に充電電圧が保持される。第2の読み出し期間RD2でも、REN信号がハイレベルに維持されているため、書き込み期間WT及び第2の読み出し期間RD2で連続的に電流が流れる。したがって、すでに述べたように、メモリセル13内の2端子セレクタ素子は、オフ状態になることはなく、オン状態が維持される。
図6(a)はグローバルビット線GBL及びグローバルワード線GWLの電圧を示したタイミング図であり、図6(b)はメモリセル13を流れる電流を示したタイミング図である。図6(a)及び(b)からわかるように、第1の読み出し期間RD1、書き込み期間WT及び第2の読み出し期間RD2で連続的に、メモリセル13に電圧が印加され、メモリセル13に電流が流れている。
判定回路40では、キャパシタ37に保持されている電圧(電圧Vaとする)とキャパシタ38に保持されている電圧(電圧Vbとする)とを比較する。このとき、電圧Vaと電圧Vbとを単純に比較するのではなく、電圧Va及び電圧Vbの一方にオフセット回路32で生成されたオフセット電圧を足し合わせる。以下、このオフセット回路32の機能について説明する。
例えば、基準データ(電圧Vbに対応するデータ)としてロウレベルデータを用いた場合を想定する。この場合、電圧Vaと電圧Vbとの差がほとんどない場合には、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)はロウレベルのデータであると判定される。電圧Vaと電圧Vbとの差が大きい場合には、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)はハイレベルのデータであると判定される。しかしながら、通常の判定動作では、元々記憶されていたデータの電圧レベル(電圧レベルVxとする)を基準データの電圧レベル(電圧レベルVyとする)と比較して、Vx>VyであるかVx<Vyであるかを判定する。そのため、電圧Vaと電圧Vbとを単純に比較した場合には、正確な判定動作を行うことは困難である。そこで、本実施形態では、電圧Va及び電圧Vbの一方に対してオフセット電圧を足し合わせるようにしている。
図7及び図8は、上述したオフセット回路32の機能について示した図である。図7はオフセット回路32を設けた場合(本実施形態の場合)であり、図8はオフセット回路32を設けていない場合(比較例の場合)である。
図8の比較例では、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)がロウレベルのデータである場合、理想的には電圧Vaと電圧Vbとは等しくなる。しかしながら、実際には、電圧Vaが電圧Vbよりも若干高い電圧であるときもあれば、電圧Vaが電圧Vbよりも若干低い電圧であるときもある。そのため、比較例の方法では、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)を正確に判別できないおそれがある。
図7に示した本実施形態の例では、電圧Vbにオフセット電圧ΔVを加えてVb+ΔVを基準電圧(閾電圧)としている。この基準電圧(閾電圧)Vb+ΔVを基準として電圧Vaを判定すれば、第1の読み出し期間で読み出されたデータ(元々記憶されていたデータ)がロウレベルのデータであるかハイレベルのデータであるかを確実に判定することができる。
なお、上述した例では、電圧Vb(基準データに対応する電圧)にオフセット電圧ΔVを加えるようにしたが、電圧Va(元々記憶されていたデータに対応する電圧)にオフセット電圧ΔVを加えるようにしてもよい。すなわち、上述した例では、第2の読み出し期間でメモリセル13から読み出された電圧Vbに対してオフセット電圧ΔVを加えるようにしたが、第1の読み出し期間でメモリセル13から読み出された電圧Vaに対してオフセット電圧ΔVを加えるようにしてもよい。
次に、本実施形態に係る不揮発性記憶装置の変更例(第2の構成例)について、図9(電気回路図)及び図10(タイミング図)を参照して説明する。
図4に示した第1の構成例では、定電流回路50に1つの定電流源(第1の定電流源)51が含まれていたが、第2の構成例では、図9に示すように、定電流回路50に2つの定電流源(第1の定電流源)51及び定電流源(第2の定電流源)52が含まれている。なお、本構成例においても、第2の定電流源52以外の基本的な構成は第1の構成例と同様である。
図9(a)はグローバルビット線GBL及びグローバルワード線GWLの電圧を示したタイミング図であり、図9(b)はメモリセル13を流れる電流を示したタイミング図である。期間P1は第1の電流源51のオン期間であり、期間P2は第2の電流源52のオン期間である。
図9(a)及び(b)からわかるように、第1の構成例と同様に、第1の読み出し期間RD1、書き込み期間WT及び第2の読み出し期間RD2で連続的に、メモリセル13に電圧が印加され、メモリセル13に電流が流れている。
本構成例では、第1の読み出し期間RD1の初期にのみ、メモリセル13に電流を供給する第2の定電流源52をオンさせている。この第2の定電流源52を設けることにより、第1の読み出し期間RD1の初期に素早く2端子セレクタ素子をオン状態にすることができ、自己参照読み出し方式の動作を早めることができる。
また、上述の各実施形態では、セレクタとして2端子間スイッチ素子が適用される場合について説明したが、セレクタとして3端子間スイッチ素子である電界効果トランジスタなど、MOS(metal oxide semiconductor )トランジスタやFINトランジスタなどの選択トランジスタが適用されてもよい。また、2端子型のダイオード機能を有するスイッチ素子が適用されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。
10…メモリセルアレイ
11…ワード線(第1の配線) 12…ビット線(第2の配線)
13…メモリセル 14…抵抗変化記憶素子 15…2端子セレクタ素子
20…書き込み回路 21…ライトドライバ
30…読み出し回路
31…サンプルアンドホールド回路 32…オフセット回路
35…トランジスタ対 36…トランジスタ対
37…キャパシタ 38…キャパシタ
40…判定回路
50…定電流回路 51…第1の定電流源 52…第2の定電流源
60…制御回路
11…ワード線(第1の配線) 12…ビット線(第2の配線)
13…メモリセル 14…抵抗変化記憶素子 15…2端子セレクタ素子
20…書き込み回路 21…ライトドライバ
30…読み出し回路
31…サンプルアンドホールド回路 32…オフセット回路
35…トランジスタ対 36…トランジスタ対
37…キャパシタ 38…キャパシタ
40…判定回路
50…定電流回路 51…第1の定電流源 52…第2の定電流源
60…制御回路
Claims (9)
- 第1の配線と、
前記第1の配線に交差する第2の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられたメモリセルであって、低抵抗状態及び高抵抗状態の一方をデータとして設定可能な抵抗変化記憶素子と、前記抵抗変化記憶素子を選択する2端子スイッチ素子との直列接続を有するメモリセルと、
第1の読み出し期間及び第2の読み出し期間で前記抵抗変化記憶素子からデータを読み出す読み出し回路と、
前記第1の読み出し期間と前記第2の読み出し期間との間の書き込み期間で前記抵抗変化記憶素子にデータを書き込む書き込み回路と、
前記第1の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第1の電圧を前記第2の読み出し期間で読み出されたデータに基づく第2の電圧と比較することで前記第1の読み出し期間で読み出されたデータを判定する判定回路と、
を備えた不揮発性記憶装置であって、
前記第1の読み出し期間、前記書き込み期間及び前記第2の読み出し期間で前記メモリセルに同一方向の電流が流れるように構成されている
ことを特徴とする不揮発性記憶装置。 - 前記第1の読み出し期間、前記書き込み期間及び前記第2の読み出し期間で連続的に前記メモリセルに電流を供給する第1の定電流源をさらに備える
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の定電流源は、前記読み出し回路に含まれている
ことを特徴とする請求項2に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の読み出し期間の初期に前記メモリセルに電流を供給する第2の定電流源をさらに備える
ことを特徴とする請求項2に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第1の電圧は、前記第1の読み出し期間で前記メモリセルから読み出された電圧に対してオフセット電圧が加えられた電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記第2の電圧は、前記第2の読み出し期間で前記メモリセルから読み出された電圧に対してオフセット電圧が加えられた電圧である
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記2端子スイッチ素子は、2端子間に印加される電圧が閾値よりも大きいときには低抵抗状態を呈し、2端子間に印加される電圧が閾値よりも小さいときには高抵抗状態を呈する
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記2端子スイッチ素子は、カルコゲン元素を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。 - 前記抵抗変化記憶素子は、磁気抵抗効果素子である
ことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性記憶装置。
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