JP4619004B2 - プログラマブル導電ランダムアクセスメモリ及びその検知方法 - Google Patents

プログラマブル導電ランダムアクセスメモリ及びその検知方法 Download PDF

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Description

本発明は、集積メモリ回路に関する。更に詳しくは、本発明は、プログラマブル導電ランダムアクセスメモリ(PCRAM)セルの内容を検知する方法に関する。
DRAM集積回路アレイができてから30年を超え、半導体製造技術及び回路設計技術の発展により記憶容量が著しく増大している。これら二つの技術の著しい発展により、集積レベルも更に高くなり、これによって、メモリアレイサイズ及びコストが著しく減少するとともに、歩留まりが増大している。
DRAMセルは、典型的には、基本的な構成要素として、アクセストランジスタ(スイッチ)と、電荷の形態で2値データビットを格納するキャパシタとを具える。典型的には、一方の極性の電荷が、論理ハイ(例えば、2値“1”)を表すためにキャパシタに格納され、逆の極性の格納された電荷が論理ロー(例えば、2値“0”)を表す。DRAMの基本的な欠点は、キャパシタの電荷が最終的には漏洩することであり、したがって、キャパシタ電荷を「リフレッシュ」する必要があり、リフレッシュを行わない場合には、メモリセルに格納されたデータが消失する。
それに対して、通常のSRAMのメモリセルは、基本的な構成要素として、一つ以上のアクセストランジスタと、双安定ラッチとして機能するよう相互接続された二つ以上の集積回路装置の形態の記憶素子とを具える。そのような双安定ラッチの一例は、交差結合インバータである。双安定ラッチは、DRAMセルの場合のように「リフレッシュ」される必要なく、電源電圧を受信し続ける間はデータビットを容易かつ無限に格納する。
不揮発性又は半揮発性記憶素子の他の形態を識別する努力がなされ続けている。近年の研究は、高抵抗状態と低抵抗状態のいずれかを示すようプログラムすることができる抵抗材料を注目している。そのような材料のプログラマブル抵抗素子を、例えば2値“1”データビットを格納するために高抵抗状態にプログラム(設定)し、又は、2値“0”を格納するために低抵抗状態にプログラムすることができる。格納されたデータビットを、アクセスデバイスにより抵抗性記憶素子を通じて切り替えられた読出し電流の大きさを検出することによって探索することができ、これによって、以前にプログラムされた安定した抵抗状態を表す。
最近では、プログラマブル導電記憶素子が開発されている。例えば、切替可能な抵抗状態を有するカルコゲニドガラスが、DRAM装置のような記憶装置で用いられるデータ格納メモリセルとして研究されている。米国特許第5,761,115号、米国特許第5,896,312号及び米国特許第6,084,796号は全てこの技術を記載しており、参照することによってここに組み込まれる。上記カルコゲニドガラスで構成されるようなプログラマブル導電記憶素子の特徴の一つは、典型的には金属イオンをドープすることができるカルコゲニドガラス及びガラスの一つ以上の表面上で互いに離間したカソード及びアノードを有する。ドープされたガラスは、通常の安定した高抵抗状態を有する。カソードとアノードの間に電圧を印加することによって、安定した低抵抗経路がガラスに生じる。したがって、安定した低抵抗状態及び高抵抗状態を用いて2値データを格納することができる。
ドープされたカルコゲニドガラス材料で構成されたプログラマブル導電記憶素子は、典型的には、記憶素子の両端間に電圧を印加することによって低抵抗状態にプログラムすることができる安定した高抵抗状態を有する。メモリセルを高抵抗状態に戻すために、典型的には、記憶素子を低抵抗状態にプログラムするのに用いられる電圧以上の負すなわち逆電圧にセルをプログラムする必要がある。特に期待されるプログラマブル導電カルコゲニドガラスの一つは、Ge:Seガラス組成を有し、銀がドープされている。
プログラマブル導電記憶素子のアレイからデータを読み出す適切な回路は、まだ十分に開発されていない。したがって、機能的なプログラマブル導電メモリを実現するために、アレイの記憶素子に格納されたデータを非破壊で検知するために適切な読出し回路が要求される。
プログラマブル導電ランダムアクセスメモリ(PCRAM)セルの抵抗レベルを読み出す検知回路を提供する。上昇した行ライン電圧からアクセストランジスタを起動することによって、PCRAMセルの両端間に電圧差が生じる。ディジットラインとディジット相補基準ラインの両方は、第1の予め設定された電圧にプリチャージされる。検知されたセルは、PCRAMセルのプログラマブル導電記憶素子の抵抗を通じてディスチャージされたプリチャージ電圧を有する。ディジットラインで読み出された電圧と基準導体で読み出された導体との比較が行われる。ディジットラインの電圧が基準電圧より高い場合、セルは、高抵抗値(例えば、論理ハイ)として読み出され、それに対して、ディジットラインで測定された電圧が基準電圧の値より低い場合、セルは、低抵抗値(例えば、論理ロー)として読み出される。本発明の他の態様において、論理「ハイ」を再書込みするために、セルが検知された後、検知されたセルに関連した行ラインを、更に高い電圧に上昇することができる。
本発明を、以下説明する実施の形態により図1〜8に関連して説明する。他の実施の形態を実現することができ、本発明の範囲を逸脱することなく、開示した実施の形態に対して他の変更を行うことができる。
本発明の実施の形態によれば、メモリアレイの対を、複数のセンス増幅器にそれぞれ結合し、この場合、各メモリアレイを、複数のプログラマブルメモリセルによって構成する。所定のメモリセルの論理状態を読み出すために、適切な電圧差をプログラマブル導電記憶素子の両端間に印加する。電圧差は、プログラマブル導電記憶素子の読出し状態を可能にするのに十分である必要があるが、素子をプログラム(すなわち書き込む)ことができるには不十分である必要がある。一旦、適切な電圧差が記憶素子の両端間に存在すると、ディジット(ビット)ライン電圧値が、メモリセル及びプログラマブル導電記憶素子を通じてディスチャージされる。ディスチャージ開始後の所定の期間中、所定のメモリセルに関連したセンス増幅器を通じて、ディジットライン電圧と、基準ビットラインのディジット相補基準電圧との間の比較を行う。
予め設定された期間後にディジットライン電圧が基準ラインの電圧より高くなると、高い抵抗状態が検出され、基準ラインがグランド電位になる。しかしながら、ディジットライン電圧が基準ライン106の電圧より低くなると、低抵抗状態が検出され、ディジットラインがグランド電位になる。基準電圧が、隣接するメモリアレイに関連したディジット相補ラインによって発生する。互いに隣接する二つのメモリアレイはそれぞれ、二つのメモリアレイの他方が選択メモリを有する際の基準電圧のソースとして作用する。図1は、本発明の実施の形態を更に詳細に示す。
図1は、各々が複数の列108,112,106,110及び行122,126,128,124,130,132を有するメモリアレイ100,165の対の一部を示す。行及び列の交差部には、メモリセル120のようなプログラマブル導電ランダムアクセスメモリ(PCRAM)セルが形成される。センス増幅器102は、列ライン108及び列ライン106からの入力を受信する。センス増幅器104は、列ライン112及び列ライン110からの入力を受信する。各センス増幅器102,104は、検知されたメモリセル120が論理ハイ又は論理ローの値を格納するか否かを決定するために、読み出されたセル120のディジット(ビット)ライン(例えば、108)の電圧と基準ライン(例えば、106)の電圧とを比較するよう構成される。図1の配置において、セル120が読み出されると、ディジットライン108の電圧は、センス増幅器102によって相補ディジットライン106の基準電圧と比較される。
センス増幅器102のいずれの側が関心のあるメモリセル120を有するかに応じて、ディジットライン108又は106がディジットラインDとして作動し、他の側のディジットライン106が基準ディジットラインD*として作動する。本例では、検知されたセルがメモリセル120であると仮定する。メモリセル120に関連する列ライン108を、ディジット(ビット)ラインDと言及する。列ライン106を、ディジット相補ラインD*すなわち基準ラインと言及する。
各プログラマブル導電メモリセル120は、アクセストランジスタ114及びプログラマブル導電記憶素子116からなる。プログラマブル導電記憶素子116の一端を、セルプレート118に結合する。プログラマブル導電記憶素子116の他端を、アクセストランジスタ114のソース/ドレイン端子に結合する。アクセストランジスタ114の他のソース/ドレイン端子を、ディジットライン108に結合する。アクセストランジスタ114のゲートを、メモリセル120に関連した行ライン122に結合する。
さらに、D及びD*ラインを、予め設定された電圧値(例えば、Vdd)にD及びD*ラインをプリチャージするプリチャージ回路175に結合する。D*ラインを、p型相補形金属酸化膜半導体(CMOS)トランジスタ177の一端に結合し、トランジスタ177の他端をVddに結合する。Dラインを、p型CMOSトランジスタ179の一端に結合し、トランジスタ179の他端をVddに結合する。両トランジスタ177,179のゲートを、プリチャージ制御新語を受信するために互いに結合する。プリチャージ制御信号を受信すると、両トランジスタ177,179がターンオンされ、ディジットラインDとディジット相補ラインD*の両方がVddにチャージされる。図1は、Dディジットライン及びD*ディジットラインの電圧を等しくする等化回路も示す。プリチャージ信号によってD及びD*がVddにプリチャージされた後、ラインは、トランジスタ180に供給された等化EQ信号によって等化される。
図2(a)において、プログラマブル導電メモリセル120の簡単な線形図を示す。本発明を説明するために描写的なセル120を使用すると、ディジットラインDが、プリチャージ中にVddに結合され、アクセストランジスタ114の第1端子にも結合される。アクセストランジスタ114をn型CMOSとして示すが、他の構成要素及び電圧の対応する極性を対応するように変形する限りアクセストランジスタ114を容易にp型CMOSトランジスタに置換することができる。トランジスタ114の第2端子は、プログラマブル導電記憶素子116の第1端子に結合される。既に説明したように、プログラマブル導電記憶素子116を、カルコゲニドガラス又は2値の記憶ができる他の任意の双安定抵抗材料で構成することができる。プログラマブル導電記憶素子116は、複数のプログラマブル導電記憶素子に対する共通導体であるセルプレート118に結合される。セルプレート118は、予め設定された電圧レベル(例えば、Vdd/2)をセルプレート118に供給するために電圧端子に結合される。十分な電圧が行ライン122に印加されると、アクセストランジスタ114がターンオンして導通し、ディジットラインD108をプログラマブル導電記憶素子116に結合する。
行ライン122に印加される電圧値は、どの動作をプログラマブル導電記憶素子116で実行するかを命令する。例えば、Dライン108がVdd(例えば、2.5V)に結合されるとともにセルプレートが1/2Vdd(例えば、1.25V)に結合されると、アクセストランジスタ114を起動するために、少なくとも2.05Vをそのゲートに印加する必要がある。アクセストランジスタ114のゲートの2.05Vの電圧は、トランジスタ114をターンオンするのに十分である。その理由は、ゲートと、セルプレート118に結合したソース/ドレイン端子との間に少なくともしきい値電圧(vt)の電位差を形成するからである。
アクセストランジスタ114のゲートに印加される2.05Vがアクセストランジスタ114をターンオンするのに十分である間、その電圧は、プログラマブル導電メモリセル120の読出し及び書込みを行うのに十分ではない。本実施の形態によれば、読出しを行うためにプログラマブル導電記憶素子116の両端間に焼く0.2Vを要する。さらに、プログラマブル導電記憶素子116に書込み(例えば、その値の再プログラム)を行うために、その両端に少なくとも0.25Vを必要とし、0.25Vの極性は、論理ハイと論理ローのうちのいずれが記憶素子116に再書込みされたかに依存する。
図2(b)において、電圧レベル及びその極性を詳細に説明する。読出し動作に対して、プログラマブル導電記憶素子116の両端間に約0.2Vを要するので、約2.25Vの電圧が、アクセストランジスタ122のゲートに結合された行ライン122に印加される。しきい値電圧Vtが2.25Vから減算され、ポイントAが約1.45Vとなる。1.25Vのセルプレートは、プログラマブル導電記憶素子116の両端間で0.2Vので電圧降下が生じ、その電圧は、素子116の内容を読み出すのに十分であるが、素子116に書込みを行うには不十分である。
図2(c)は、プログラマブル導電記憶素子116を論理ローに書き戻すための電圧レベル及び極性の例を示す。後に詳細に説明するように、プログラマブル導電メモリセル120に格納されたものとしてローレベルが読み出されると、Dライン108は、センス増幅器102によってグランドレベルになる。ポイントAもほぼグランドレベルとなり、したがって、−1.25Vの電圧降下がプログラマブルコンタクト部の両端間に生じ、論理ローがプログラマブル導電記憶素子115に再び書き込まれる。
図2(d)は、プログラマブル導電記憶素子116を論理ハイに書き戻すための電圧レベル及び極性の例を示す。後に詳細に説明するように、プログラマブル導電メモリセル120格納されたものとして論理ハイレベルが読み出されると、Dライン108は、センス増幅器102によってほぼVddまで電圧を上げる。その後、行ライン122がほぼ2.25V(読出し動作中の電圧レベル)からほぼVddまで上昇し、これによって、ポイントAの電圧がほぼ1.7Vになる。ポイントAの1.7Vは、論理ハイレベルを再書込みするためにプログラマブル導電記憶素子116の両端間に約0.45Vの電位差を形成する。
図1に戻ると、増幅器102は、Nセンス増幅器部及びPセンス増幅器部を有する。図3は、Nセンス増幅器部350を示す。Nセンス増幅器350の第1端子は、ディジット相補ラインD*(すなわち、関心のあるメモリセルを有するメモリアレイに隣接するメモリアレイの列ライン)を受信し、n型CMOSトランジスタ305のゲート及びn型CMOSトランジスタ300の第1端子にも結合される。Nセンス増幅器350の第2端子は、ディジットラインD(すなわち、関心のあるセルを有するメモリアレイの列ライン)を受信し、トランジスタ300のゲート及びトランジスタ305の第1端子にも結合される。トランジスタ300の第2端子及びトランジスタ305の第2端子は、CMOSトランジスタ310の第1端子に結合される。トランジスタ310の第2端子がグランドに結合され、トランジスタ310のゲートは起動N制御信号を受信する。起動N制御信号は、後に詳細に説明するように、所望のメモリセル行ラインが起動された後の予め設定された期間にNセンス増幅器350によって受信される。
図4は、センス増幅器102のようなセンス増幅器のPセンス増幅器部360を示す。Pセンス増幅器350の第1端子は、ディジット相補ラインD*を受信し、p型CMOSトランジスタ330のゲート及びp型CMOSトランジスタ325のゲートにも結合される。Pセンス増幅器360の第2端子は、ディジットラインDを受信し、トランジスタ325のゲート及びトランジスタ330の第1端子にも結合される。トランジスタ325の第2端子及びトランジスタ330の第2端子は、トランジスタ320の第1端子に結合される。トランジスタ320のゲートは、起動P制御信号を受信する。起動P制御信号は、起動N制御信号がNセンス増幅器350によって受信された後の所定の期間にPセンス増幅器360によって受信される。
図5において、本発明の実施の形態による図1及び2の線形図の動作フローを表すフローチャートを示す。この処理フローの例において、PCRAMセルの以下のパラメータを仮定する。i)高抵抗状態への切替を行うプログラマブル導電記憶素子116の結晶を成長させ、したがって、論理1の書込みを行う0.25Vの消去電圧。ii)約10μAの消去電流。iii)−0.25Vのプログラム電圧(“1”素子に論理0を書き込む。)iv)約10μAのプログラム電流。v)論理0に対応する約10KΩの抵抗。vi)論理1に対応する約10MΩより上の任意の値の抵抗。本発明の範囲を逸脱することなく他のパラメータ、動作電圧及び抵抗をPCRAMセルに対して選択することができるのは明らかである。
プロセスは、プロセスセグメント500で開始する。セグメント502において、センス増幅器102は、2本のラインD,D*を観察し、この場合、D,D*の両方を、互いに相違するメモリアレイ100,165からの各列ライン108,106とする。この説明のために、Vddが約2.5Vであると仮定する。セルプレート118は、メモリがアクティブであるときに常に存在する状態又はメモリ動作によって切り替えることができる状態である予め設定された電圧(例えば、Vdd/2又は約1.25V)に結合される。このように図示した実施の形態において、Vdd/2電圧がプロセスセグメント506でターンオンされる。セグメント508において、両方のラインD,D*が、プリチャージ回路175によって予め設定された電圧(例えば、Vdd=約2.5V)にプリチャージされ、その後、等化回路176によって等化される。
選択された行ライン122は、セグメント510において、予め設定された電圧を行ラインデコーダからその行ライン122に印加することによって起動される。本例において、予め設定された電圧を、ここで説明するように約2.25Vに選択する。メモリセル120の内容を読み出すために、更に詳しくは、メモリセル120のプログラマブル導体記憶素子116の抵抗を読み出すために、約0.2Vの電圧が素子116の両端間に存在する必要がある。これは、約2.25Vの電圧を行ライン122に印加する必要がある。行ライン122に印加される約2.25Vの電圧によってトランジスタ114がターンオンされる。トランジスタ114のしきい値電圧が約0.8Vであるので、約1.45Vの電圧がポイントAに存在し、同時に、約1.25Vの電圧が、図5のセグメント512に示されるような約0.2Vの要求される読出し電圧の差としてセルプレート118に存在する。
アクセストランジスタ114が導通すると、ディジットラインD108の電圧は、実際にはメモリセルの行ライン108と列ライン122との間に固有の寄生容量(例えば、図1の138)に起因して約0.1V(から約2.6Vに至るまで)増大する。この結果、ディジットラインD、読み出させるセル120に関連した列ライン108、D*106、基準ディジットライン間の差は約0.1Vとなる。寄生容量138は、メモリセルの構造の関数として変化するおそれがあり、又は読み出し動作中に回路中で切り替えられるとともにディジットラインD108に接続される製造されたキャパシタの形態の他のキャパシタンスも形成されるおそれがある。したがって、本発明の実施の形態によれば、行ライン122が起動されたときの電圧の増大量を、メモリアーキテクチャによって制御することができる。D108の電圧の増大を、セグメント514に記載する。
センス増幅器102によって検知されるようなDとD*との間の電圧差を増大する他の方法が存在する。例えば、ダミー行ライン124を、関心のないメモリアレイ(例えば、165)に使用して、ダミー行ライン124が常にオンになるとともにVdd(例えば、2.5V)にプリチャージされるようにすることができる。所望の行ライン122が起動され、寄生容量138に起因して所望のディジットラインD108が約2.6Vまで上昇すると、ダミー行ライン124がターンオフされ、その結果、ディジット相補ラインD*の電圧が、ダミー行ライン124と列ライン106との間の寄生容量に起因して約2.4Vまで降下する。最終的な結果は、D108が後に説明するように放電を開始する際にD108とD*106とが少なくとも約0.2V相違する。
更に図5を参照すると、セグメント516において、関心のあるディジットラインD108が、プログラマブル導電記憶素子の抵抗を通じて約2.6Vから約1.25Vのセルプレート118電圧まで降下するように放電を開始する。放電動作が長くなると、プログラマブル導電記憶素子116の抵抗レベルが高くなる。セグメント510において、選択された行ライン122が起動された後の予め設定された時間(例えば、15〜30ns)、Nセンス増幅器350が制御信号FireNを通じてイネーブルされ、セグメント518において、D108ラインとD*106との間で電圧を比較する。セグメント520において、プログラマブル導電素子116がハイ抵抗レベルを有するかロー抵抗レベルを有するか決定する。
例えば、セグメント522において、予め設定された時間フレーム(例えば、15〜30ns)でD108の初期電圧がD*106の電圧より下にディスチャージしたか否かを決定する。図3を参照すると、D*106及びD108の電圧値はそれぞれ、トランジスタ305及び300のゲートに供給される。予め設定された時間t2において、ディジットラインD108の電圧がディジット相補ラインD*106の電圧より高い場合、D*106がグランド状態になるとともに、Dが浮遊状態(floating)のままであり、セグメント524において高抵抗レベル(例えば、論理ハイ)を有すると考えられる。
行ライン122を、アクセストランジスタ144がターンオフされた後にターンオフすることができる。しかしながら、そうすることによって、プログラマブル導電記憶素子116の再書込みが妨げられる。このことは、論理ハイが読み出されたときには好ましい場合がある。その理由は、プログラマブル導電記憶素子116の通常状態である論理ハイの各読出し動作の後の再書込みが好ましくないおそれがあり、繰り返される不所望な書込みの結果として時間中に素子116が損傷するおそれがあるからである。
更にセグメント522を参照すると、予め設定された時間t2において、D108の電圧がD*106の電圧より低い場合、ラインD108がグランド状態となり、D108は、セグメント526において低抵抗レベル(例えば、論理ロー)を有すると考えられる。
セグメント528において、Pセンス増幅器360が、Nセンス増幅器350がイネーブルされた後の予め設定された時間(例えば、1〜5ns)で制御信号FirePを通じてイネーブルされる。セグメント524で高抵抗レベルが認識されると(すなわち、D108が論理ハイであるとき)、セグメント530において、トランジスタ330がオンになるとともにトランジスタ325がオフになり、ラインD108の電圧が約Vddまで上昇される。
セグメント524で低抵抗レベルが認識されると(すなわち、D108が論理ローであるとき)、セグメント532において、トランジスタ330がオフになるとともにトランジスタ325がオンになり、D*106が約Vddに維持される。
セグメント534において、行ライン122電圧が約Vddまで上昇する。プログラマブル導電記憶素子116が低抵抗状態を有する場合、既に説明したように、低抵抗状態に再書込みするために行ライン122で夏を約Vddまで上昇する必要がない。しかしながら、それにもかかわらず、行ライン122は、高抵抗状態の再書込みを容易にするために上昇する。すなわち、プログラマブル導電記憶素子116が高抵抗状態を有する場合、行ライン122が約Vddまで上昇してポイントAの電圧を約1.7Vに設定し、これによって、再書込みに十分な約0.45Vの電位差がプログラマブル導電記憶素子116の両端間に生じる。
図6は、図5の一部に関連して説明した高抵抗レベルを見つけるためのプロセスフローを示すタイミング図を表す。例えば、先ず、D108とD*106の両方が約Vddにプリチャージされる。時間t1において、行ライン122が起動し、トランジスタ114をオンにする。D108の電圧は、行ライン122と列ライン108との間の寄生容量に起因して約0.1Vから約2.6Vまで増大する。その後、ラインD108は、約15〜30nsの間に約2.6Vからディスチャージされるとともに、ラインD*106は、約Vddに維持される。時間t2において、Nセンス増幅器350がイネーブルされ、ラインD108の電圧とラインD*106の電圧とを比較する。D108で測定された電圧がD*106で測定された電圧より高い場合、図5に関連して説明したように、高抵抗レベルが認識される。更に、ラインD*106は、時間t2でグランド状態(0V)に強いられる。時間t3において、Pセンス増幅器360がイネーブルされ、ラインDがVddまで上昇され、論理ハイとして読み出される。時間t4において、行ライン122電圧が約2.25Vから約Vddまで増大し、これによって、プログラマブル導電素子116の内容を再書込みすることができる。
図7は、図5の一部に関連して説明した低抵抗レベルを見つけるためのプロセスフローを示すタイミング図を表す。例えば、先ず、ラインD108とラインD*106の両方が約Vddにプリチャージされる。時間t1において、行ライン122が起動し、トランジスタ114をオンにする。D108の電圧は、寄生容量138に起因して約0.1Vから約2.6Vまで増大する。その後、D108は、約15〜30nsの間約2.6Vからディスチャージされるとともに、D*が約Vddに維持される。時間t2において、Nセンス増幅器350がイネーブルされ、ラインD108の電圧とラインD*106の電圧とを比較する。D108で測定された電圧がD*106の電圧より低い場合、図5に関連して説明したように低抵抗レベルが認識される。さらに、時間t2でラインD108がグランド状態(0V)に強いられる。時間t3において、Pセンス増幅器360がイネーブルされ、ラインDが0Vのままであり、論理ローとして読み出され、ラインD*が約Vddに維持される。時間t4において、行ライン122電圧が約2.25Vから約Vddに増大する。既に説明したように、プログラマブル導電記憶素子116に低抵抗レベルの再書込みが必要でないが、高抵抗レベルを格納する他のメモリセルを再書込みできるように行われる。
図8は、図1〜7に関連して説明したPCRAMを有するプロセッサシステム800のブロック図を示す。例えば、図1〜7に関連して説明したPCRAMのメモリアレイ100,165を、既に説明したようなPCRAM構造を有する一つ以上の記憶装置を有すrプラグインモジュールとして構成することができるランダムアクセスメモリ(RAM)808の一部とすることができる。プロセッサに基づくシステム800を、コンピュータシステム又は他の任意のプロセッサシステムとすることができる。システム800は、バス820上でフロッピーディスクドライブ812、CD ROMドライブ814及びRAM808と通信を行う中央処理ユニット(CPU)802、例えば、マイクロプロセッサを有する。バス820を、プロセッサに基づくシステムで通常使用される一連のバス及びブリッジとすることができるが、簡便のために、バス820を単一バスとして示す。入力/出力(I/O)装置(例えば、モニタ)804,806をバス820に接続することもできるが、本発明を実施するには必要でない。プロセッサに基づくシステム800は、ソフトウェアプログラムを格納するために使用することもできる読み出し専用メモリ(ROM)800も有する。
図8のブロック図が一つのCPUのみを示すが、図8のシステムを、並列処理を実行する並列プロセッサマシンとして構成することもできる。従来既知のように、並列プロセッサマシンを、全てのプロセッサが同一命令を同時に実行する単一命令/複数データ(SIMD)、又は各プロセッサが互いに相違する命令を実行する複数命令/複数データとして分類することができる。
本発明は、PCRAMセル120及びメモリセル120の内容を読み出す方法を提供する。メモリセル120は、アクセストランジスタ114の第1端子に直列接続したプログラマブル導電記憶素子116からなる。プログラマブル導電記憶素子116の他の側は、複数のプログラマブル導電記憶素子116の間に延在することができるセルプレート118に結合される。アクセストランジスタ114の第2端子は、所望のディジットライン(D)とすることができる列ライン108に結合される。トランジスタ114のゲートは、メモリセル120の行ライン122に結合される。第1の予め設定された電圧(例えば、Vdd)は、隣接するメモリセル165のディジットラインD108及び基準ディジットラインD*106に印加される。第2の予め設定された電圧はセルプレート118に印加される。所望のメモリセル120に対する行ライン122が、第3の予め設定された電圧(例えば、約2.25V)で起動され、アクセストランジスタ114がオンにされて導通し、ディジットラインD108が、ラインD108及びラインD*106が互いに比較される予め設定された期間(例えば、15〜30ns)の間にセンス増幅器102を用いてディスチャージを行って、プログラマブル導電素子116が高抵抗レベルと低抵抗レベルのいずれを有するかを決定する。読み出されるメモリセル120は、ラインD108及びラインD*106並びに行ライン122電圧を約Vddまでプリチャージすることによって次のサイクルに対する準備がされ、メモリセルが実際に高抵抗レベルを有した場合に高抵抗レベルをメモリセル120に書き込むことができる。メモリセル120が低抵抗レベルを有した場合、ラインD108,D*106及び行ライン122は、メモリセル120の抵抗に影響を及ぼさない。
本発明の好適な実施の形態に関連して詳細に説明したが、開示した実施の形態に本発明が制限されないことは容易に理解することができる。本発明を、本発明の範囲に等しいこれまで説明しなかった複数の変形例を組み合わせることによって変更することができる。例えば、本発明を特定の電圧レベルに関連して説明したが、ここに記載したのと異なる電圧レベルを用いて同一結果を達成できることは明らかである。さらに、本発明をn型CMOSトランジスタ及びp型CMOSトランジスタに関連して説明したが、相補型CMOSトランジスタを変わりに用いることもできる。さらに、本発明をメモリセル120の特定の極性に関連して説明したが、トランジスタ114、セルプレート118、ディジットラインD108及びディジット相補ラインD*106に印加される電圧レベルが相違するように極性を逆にすることができる。したがって、本発明は、これまでの説明又は図面によって制約されるものではなく、添付した請求の範囲によってのみ制約される。
本発明の実施の形態による各々が複数のPCRAMセルを用いる二つのメモリアレイを示す。 図1のPCRAMセルを示す。 図1のPCRAMセルを示す。 図1のPCRAMセルを示す。 図1のPCRAMセルを示す。 図1のメモリアレイで用いられるNセンス増幅器を示す。 図1のメモリアレイで用いられるPセンス増幅器を示す。 本発明の一実施の形態による動作フローを表すフローチャートを示す。 本発明の一実施の形態による、検知されたメモリセルの高抵抗を読み出すタイミング図である。 本発明の一実施の形態による、検知されたメモリセルの低抵抗を読み出すタイミング図である。 本発明の一実施の形態によるPCRAMを有する、プロセッサに基づくシステムのブロック図である。

Claims (56)

  1. 可変抵抗記憶素子の格納された値を検知する方法であって、
    ディジットライン及びディジット相補ラインを、予め設定された電圧値にプリチャージし、
    前記可変抵抗記憶素子と前記ディジットラインとの間に結合されたアクセストランジスタに、前記可変抵抗記憶素子を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗記憶素子をプログラムするのに不十分であるゲート電圧を印加し
    前記ディジットラインの電圧と、前記ディジット相補ラインの電圧とを比較して、前記可変抵抗記憶素子の論理状態を抵抗レベルで決定することを特徴とする方法。
  2. 前記プリチャージを実行する際に、前記ディジットライン及び前記ディジット相補ラインを約Vddにプリチャージすることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 前記プリチャージを実行する際に、プリチャージ制御信号をプリチャージ回路で受信するとともに、前記ディジットライン及び前記ディジット相補ラインを約Vddに結合することを特徴とする請求項1記載の方法。
  4. 前記プリチャージを実行する際に、前記ディジットラインの電圧と前記ディジット相補ラインの電圧とを等しくすることを特徴とする請求項1記載の方法。
  5. 前記起動を実行する際に、前記アクセストランジスタのゲートに結合した行ラインを起動することを特徴とする請求項1記載の方法。
  6. 前記比較を実行する前の予め設定された期間中に前記ディジットラインの電圧をディスチャージすることを特徴とする請求項1記載の方法。
  7. 前記ディスチャージを実行する際に、前記予め設定された電圧に更なる電圧を加えたものにほぼ等しい電圧値から前記ディジットラインの電圧をディスチャージすることを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. 前記更なる電圧が、前記アクセストランジスタに結合した前記ディジットラインと行ラインとの間の寄生容量に起因することを特徴とする請求項7記載の方法。
  9. 前記可変抵抗記憶素子の低抵抗レベルを読み出すことを特徴とする請求項1記載の方法。
  10. 前記可変抵抗記憶素子に低抵抗レベルを再書込みすることを特徴とする請求項9記載の方法。
  11. 前記可変抵抗記憶素子の高抵抗レベルを読み出すことを特徴とする請求項1記載の方法。
  12. 前記可変抵抗記憶素子の第2端子に電圧を印加し、その電圧を0Vと予め設定された電圧との間とすることを特徴とする請求項1記載の方法。
  13. 前記印加を実行する際に、前記電圧をセルプレートに印加して、前記可変抵抗記憶素子の前記第2端子に結合することを特徴とする請求項12記載の方法。
  14. 可変抵抗メモリセルを読み出す方法であって、
    前記可変抵抗メモリセルの抵抗素子の第1部分に結合した前記可変抵抗メモリセルのセルプレートの電圧を、第1の予め設定された電圧に設定し、
    前記可変抵抗メモリセルのアクセストランジスタの第1端子及び基準導体を、第2の予め設定された電圧にチャージし、前記第1端子を前記可変抵抗メモリセルの列ラインに結合し、前記トランジスタの第2端子を前記抵抗素子の第2部分に結合し、前記第1端子及び前記基準導体を、コンパレータの入力に結合し、
    前記可変抵抗メモリセルを読み出すために、前記アクセストランジスタのゲートを、第3の予め設定された電圧にチャージし、前記ゲートを、前記可変抵抗メモリセルの行ラインに結合し、前記第3の予め設定された電圧が、前記可変抵抗メモリセルを読み出すのに十分であるが前記可変抵抗メモリセルをプログラムするのに不十分であり、
    前記第1端子を、前記抵抗素子を通じて、前記予め設定された電圧からディスチャージし、
    前記可変抵抗メモリセルの論理状態を決定するために、ディスチャージを実行した後の予め設定された期間中に前記第1端子の電圧と前記第2の予め設定された電圧とを比較することを特徴とする方法。
  15. 前記第2の予め設定された電圧を、前記第1の予め設定された電圧より高くすることを特徴とする請求項14記載の方法。
  16. 前記放電を実行する際に、前記第1端子を、前記第2の予め設定された電圧と僅かにことなる第4の予め設定された電圧からディスチャージし、前記第4の予め設定された電圧が、前記列ラインに関連した寄生容量に起因することを特徴とする請求項14記載の方法。
  17. 前記第3の予め設定された電圧を、前記可変抵抗メモリセルが読み出された後に前記可変抵抗メモリセルに前記抵抗レベルを再書込みするのに十分なレベルにチャージすることを特徴とする請求項14記載の方法。
  18. 前記チャージを実行する際に、前記第3の予め設定された電圧を前記第2の予め設定された電圧まで増大することを特徴とする請求項17記載の方法。
  19. 前記増大を実行する際に、前記第3の予め設定された電圧のレベルを約Vddまで増大することを特徴とする請求項18記載の方法。
  20. 前記可変抵抗メモリセルに前記高抵抗レベルを再書込みすることを特徴とする請求項17記載の方法。
  21. 前記設定を行う際に、前記セルプレートの電圧を約Vddに設定することを特徴とする請求項14記載の方法。
  22. 前記設定を行う際に、前記セルプレートの電圧を約Vdd/2に設定することを特徴とする請求項14記載の方法。
  23. トランジスタの第1端子をチャージする際に、前記第1端子及び前記基準導体を約Vddにチャージすることを特徴とする請求項14記載の方法。
  24. ゲートをチャージする際に、前記抵抗素子を読み出すのに十分である値であるが前記可変抵抗メモリセルをプログラムすることができる値より下の値に前記ゲートをチャージすることを特徴とする請求項14記載の方法。
  25. 前記ゲートをチャージする際に、前記ゲートを、前記第1の予め設定された電圧と前記第2の予め設定された電圧との間の電圧レベルにチャージすることを特徴とする請求項24記載の方法。
  26. 前記第1端子をディスチャージする際に、前記第1端子を、約Vddに更なる電圧を加えたものからディスチャージすることを特徴とする請求項16記載の方法。
  27. 前記第1端子をディスチャージする際に、前記第1端子を、約Vddに約0.1Vを加えたものからディスチャージすることを特徴とする請求項26記載の方法。
  28. 前記比較を実行する際に、前記ディスチャージの実行の開始後の約15〜30nsに前記第1端子の電圧と前記第2の予め設定された電圧とを比較することを特徴とする請求項14記載の方法。
  29. 前記可変抵抗メモリセルが論理ハイ状態を有するのを決定することを特徴とする請求項14記載の方法。
  30. 前記可変抵抗メモリセルが論理ロー状態を有するのを決定することを特徴とする請求項14記載の方法。
  31. 可変抵抗メモリセルの格納された値を検知する方法であって、
    前記可変抵抗メモリセルのアクセストランジスタの第1端子に結合したディジットラインを、第1の予め設定した電圧にプリチャージし、
    前記可変抵抗メモリセルのセルプレートを第2の予め設定された電圧にチャージし、前記第2の予め設定された電圧を、0Vと前記第1の予め設定された電圧との間とし、
    前記アクセストランジスタのゲートに結合した行ラインに第3の予め設定された電圧を印加して、前記可変抵抗メモリセルの両端間の結果的に得られる電圧が、前記可変抵抗メモリセルの論理状態を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗メモリセルをプログラムするのには不十分であることを特徴とする方法。
  32. 可変抵抗メモリセルの格納された値を検知する方法であって、
    ディジットラインを基準電圧値にプリチャージし、前記ディジットラインを、前記可変抵抗メモリセルのアクセストランジスタの第1端子に結合し、
    前記可変抵抗メモリセルのセルプレートを第1の予め設定された電圧にチャージし、前記第1の予め設定された電圧を、0Vと前記基準電圧値との間の値とし、
    前記可変抵抗メモリセルの行ラインを、第2の予め設定された電圧を印加することによって起動し、前記第2の予め設定された電圧が、前記可変抵抗メモリセルを読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗メモリセルをプログラムするのに不十分であり、
    前記可変抵抗メモリセルの論理状態を決定するために、前記ディジットラインで読み出された電圧と、前記基準電圧とを比較することを特徴とする方法。
  33. 可変抵抗メモリ構造であって、
    ディジットライン及びディジット相補ラインと、
    読出し動作前に、前記ディジットライン及びディジット相補ラインを、予め設定された電圧値にプリチャージする回路と、
    読出し動作中に可変抵抗記憶素子を前記ディジットラインに結合するアクセストランジスタと、
    当該可変抵抗メモリ構造を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗メモリ構造をプログラムするのに不十分である、前記アクセストランジスタのゲート電圧を供給する行ラインと、
    前記読出し動作中に前記ディジットラインの電圧と前記ディジット相補ラインの電圧とを比較して、前記可変抵抗記憶素子の論理状態を抵抗レベルで決定するセンス増幅器とを具えることを特徴とする可変抵抗メモリ構造。
  34. 前記予め設定された電圧を約Vddとしたことを特徴とする請求項33記載の構造。
  35. 前記可変抵抗記憶素子が、第1及び第2電極を有するカルコゲニドガラスを含むことを特徴とする請求項33記載の構造。
  36. 前記カルコゲニドガラスがGe,Se及びAg組成を有することを特徴とする請求項35記載の構造。
  37. 前記ディジットラインと前記メモリ構造の行ラインとの間に可変寄生容量を更に具え、前記読出し動作中、前記可変寄生容量によって、前記ディジットラインが、前記予め設定された電圧より高い電圧レベルにチャージされることを特徴とする請求項33記載の構造。
  38. 前記ディジット相補ラインを、前記可変抵抗メモリセルに関連するメモリアレイとは異なるメモリアレイに関連させることを特徴とする請求項33記載の構造。
  39. 前記ディジットライン及び前記ディジット相補ラインを前記予め設定された電圧に等しくする等化回路を更に具えることを特徴とする請求項33記載の構造。
  40. 可変抵抗記憶素子と、
    列ラインと、
    行ラインと、
    前記プログラマブル導電記憶素子の第1端子に第1電圧を印加する導体と、
    前記行ラインに印加されるゲート電圧に応答して前記可変抵抗記憶素子の他の端子に前記列ラインを選択的に結合するトランジスタであって、前記ゲート電圧が、前記可変抵抗記憶素子を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗記憶素子をプログラムするのに不十分である、トランジスタと、
    前記列ライン及び基準導体に結合したセンス増幅器と、
    前記行ラインにゲート電圧を印加する前に、前記列ライン及び基準導体を、予め設定された電圧にプリチャージするプリチャージ回路とを具え、
    前記センス増幅器が、前記ゲート電圧を前記行ラインに印加した後に前記可変抵抗記憶素子の抵抗値を決定するために前記列ラインの電圧と基準ラインの電圧とを比較することを特徴とする半導体メモリ。
  41. 前記第1電圧を、0Vと約Vddとの間の電圧としたことを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  42. 前記可変抵抗記憶素子が、第1及び第2電極を有するカルコゲニドガラスを含むことを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  43. 前記カルコゲニドガラスがGe,Se及びAg組成を有することを特徴とする請求項42記載のメモリ。
  44. 前記列ラインに関連した可変寄生容量を更に具え、前記可変寄生容量によって、前記列ラインが、前記行ラインに印加される前記ゲート電圧に応答して前記プリチャージ回路によって印加される前記予め設定された電圧より高い電圧レベルにチャージされることを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  45. 前記可変寄生容量によって、前記列ラインが、前記プリチャージ回路によって印加される前記予め設定された電圧より高い約0.1Vにチャージされることを特徴とする請求項44記載のメモリ。
  46. 前記センス増幅器が、
    Nセンス増幅器と、
    前記Nセンス増幅器に結合されたPセンス増幅器とを具え、
    前記Nセンス増幅器及び前記Pセンス増幅器が、前記列ラインの電圧値と前記基準導体の電圧値とを比較することを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  47. 前記基準導体を、前記記憶素子に関連したメモリアレイと異なるメモリアレイに関連させることを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  48. 前記基準導体に関連したダミー行ラインを更に具え、前記ダミー行ラインが、通常はダミー行ライン電圧で起動され、前記ゲート電圧が前記行ラインに印加されると、前記ダミー行ラインが不作動状態になり、前記基準導体の前記予め設定された電圧が、前記ダミー行ラインに関連した列ラインの寄生容量によって減少することを特徴とする請求項40記載のメモリ。
  49. プロセッサと、
    前記プロセッサに結合した可変抵抗記憶素子からなる半導体メモリ構造とを具え、
    前記半導体メモリ構造が、
    ディジットライン及びディジット相補ラインと、
    読出し動作前に、前記ディジットライン及び前記ディジット相補ラインを、予め設定された電圧値にプリチャージする回路と、
    読出し動作中に前記可変抵抗記憶素子を前記ディジットラインに結合するアクセストランジスタと、
    前記可変抵抗記憶素子を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗記憶素子をプログラムするのに不十分である、前記アクセストランジスタのゲート電圧を供給する行ラインと、
    前記可変抵抗記憶素子の論理状態を抵抗レベルで決定するために前記読出し動作中に前記ディジットラインの電圧と前記ディジット相補ラインの電圧とを比較するセンス増幅器とを具えることを特徴とするプロセッサシステム。
  50. 前記予め設定された電圧を約Vddとしたことを特徴とする請求項49記載のシステム。
  51. 前記可変抵抗記憶素子が、第1及び第2電極を有するカルコゲニドガラスを含むことを特徴とする請求項49記載のシステム。
  52. 前記カルコゲニドガラスがGe,Se及びAg組成を有することを特徴とする請求項51記載のシステム。
  53. 前記可変抵抗記憶素子の前記ディジットラインと行ラインとの間の可変寄生容量を更に具え、前記可変寄生容量によって、前記ディジットラインが、前記読出し動作中に前記予め設定された電圧より高い電圧レベルにチャージされることを特徴とする請求項49記載のシステム。
  54. 前記ディジット相補ラインを、前記可変抵抗記憶素子に関連したメモリアレイと異なるメモリアレイに関連させることを特徴とする請求項49記載のシステム。
  55. プロセッサと、
    前記プロセッサに結合した半導体メモリとを具え、
    前記半導体メモリが、
    可変抵抗記憶素子と、
    列ラインと、
    行ラインと、
    前記可変抵抗記憶素子の第1端子に第1電圧を印加する導体と、
    前記行ラインに印加されるゲート電圧に応答して、前記可変抵抗記憶素子の他の端子に前記列ラインを選択的に結合するトランジスタであって、前記ゲート電圧が、前記可変抵抗記憶素子を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗記憶素子をプログラムするのに不十分である、トランジスタと、
    前記列ライン及び基準導体に結合したセンス増幅器と、
    前記行ラインにゲート電圧を印加する前に、前記列ライン及び基準導体を、予め設定された電圧にプリチャージするプリチャージ回路とを有し、
    前記センス増幅器が、前記ゲート電圧が前記行ラインに印加された後に前記可変抵抗記憶素子の抵抗値を決定するために前記列ラインの電圧と基準ラインの電圧とを比較することを特徴とするプロセッサシステム。
  56. 可変抵抗記憶素子からなる半導体メモリセルを読み出す方法であって、
    ディジットライン及びディジット相補ラインを、予め設定された電圧値にプリチャージし、
    前記可変抵抗記憶素子と前記ディジットラインとの間に結合されたアクセストランジスタに、前記可変抵抗記憶素子を読み出すのに十分であるが、前記可変抵抗記憶素子をプログラムするのに不十分であるゲート電圧を印加し
    前記ディジットラインの電圧と、前記ディジット相補ラインの電圧とを比較して、前記可変抵抗記憶素子の論理状態を抵抗レベルで決定することを特徴とする方法。
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