JP4668668B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置および半導体記憶装置に関し、特に不揮発メモリやシステムLSI(マイクロコンピュータ等)に搭載されるオンチップメモリに関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor memory device, and more particularly to an on-chip memory mounted on a nonvolatile memory or a system LSI (microcomputer or the like).

高速で高集積な不揮発性メモリを目指して、相変化メモリの開発が進められている。相変化メモリについては、非特許文献1や特許文献1で述べられている。例えば非特許文献1に示されるように相変化メモリでは、カルコゲナイド材料と呼ばれる相変化材料が、状態により抵抗が異なることを利用して情報を記憶する。相変化抵抗の書き換えは、電流を流して発熱させることにより、状態を変化させて行う。リセット(RESET)動作とも呼ばれる高抵抗化(アモルファス化)は、比較的高温に保つことにより行い、セット(SET)動作とも呼ばれる低抵抗化(結晶化)は、比較的低温に十分な期間保つことにより行う。また、特許文献1では、相変化材料の読出し電流は、相変化抵抗の状態を変化させない範囲で、書換え電流より小さくすることが述べられている。
アイ・イー・イー・イー、インターナショナル・ソリッドステート・サーキッツ・コンファレンス、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第202頁〜第203頁(2002年)(2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp. 202-203.) 米国特許第6590807号公報
Phase change memory is being developed with the aim of high-speed and highly integrated nonvolatile memory. The phase change memory is described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1. For example, as shown in Non-Patent Document 1, in a phase change memory, information is stored by utilizing the fact that a phase change material called a chalcogenide material has different resistance depending on the state. The rewriting of the phase change resistor is performed by changing the state by causing a current to flow to generate heat. High resistance (amorphization), also called reset (RESET) operation, is performed by keeping it at a relatively high temperature, and low resistance (crystallization), also called set operation (SET), is kept at a relatively low temperature for a sufficient period. To do. Further, Patent Document 1 states that the read current of the phase change material is made smaller than the rewrite current within a range in which the state of the phase change resistance is not changed.
IEE, International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pages 202-203 (2002) (2002 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, pp. 202-203.) US Patent No. 6590807

しかしながら、読出し時には、情報の破壊を防止するために相変化抵抗の状態を変化させない範囲で電流を流す必要があり、書換え電流より小さい電流を流すことになる。しかし、電流を小さくすると読出し速度を劣化する。すなわち、情報破壊の防止の観点から見れば、読出し電流を小さくする必要があり、読出し速度の観点から見れば、読出し電流を大きくする必要があり、トレードオフの関係にある。   However, at the time of reading, it is necessary to flow a current within a range in which the state of the phase change resistance is not changed in order to prevent destruction of information, and a current smaller than the rewriting current is flowed. However, when the current is decreased, the reading speed is deteriorated. That is, from the viewpoint of preventing information destruction, it is necessary to reduce the reading current, and from the viewpoint of reading speed, it is necessary to increase the reading current, which is in a trade-off relationship.

本願明細書において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。   The following is a brief description of an outline of typical inventions among the inventions disclosed in this specification.

第1に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと入出力回路とを有し、リード動作時に読出した情報を再書込みすることにある。   The first is to have a memory cell and an input / output circuit for storing information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and to rewrite the information read during the read operation.

第2に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと入出力回路とを有し、ライト動作時に、読出した情報を外部からの書込み情報で置換え、置き換えた情報をメモリセルに書込むことにある。   Second, it has a memory cell and an input / output circuit for storing information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and at the time of write operation, the read information is replaced with external write information. To write to a memory cell.

第3に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと入出力回路とを有し、読出しと書込みで同一の回路によりセルを電流駆動することにある。   Third, there is a memory cell and an input / output circuit for storing information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and the cell is current-driven by the same circuit for reading and writing.

第4に、第1に述べた読出しと再書込みまたは、第2に述べた読出しと書込みの間に、再書込みパルス電流あるいは書込みパルス電流に先行してそれらと逆極性のパルス電流を印加することにある。   Fourth, between the reading and rewriting described in the first, or between the reading and writing described in the second, a rewriting pulse current or a pulse current having a polarity opposite to that is applied prior to the writing pulse current. It is in.

第5に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと入出力回路とを有し、書込み動作時にワード線電圧を電源電圧より高くすることにある。   Fifth, there is a memory cell and an input / output circuit for storing information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and the word line voltage is made higher than the power supply voltage at the time of write operation.

第6に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと入出力回路とを有し、ワード線電圧のローレベルを接地電位より低くすることにある。   Sixth, there is a memory cell and an input / output circuit for storing information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and the low level of the word line voltage is made lower than the ground potential.

第7に、加える温度により結晶の状態が変化することにより情報を記憶するメモリセルと読出し・書込み回路を有し、同一ワード線上の複数のメモリセルは対応する複数の読出し・書込み回路に同時に接続できることにある。   Seventh, there are memory cells and read / write circuits that store information by changing the crystal state depending on the applied temperature, and multiple memory cells on the same word line are connected to the corresponding multiple read / write circuits simultaneously There is something you can do.

第8に、上記第1から第7の手段を任意に組み合わせることにある。   Eighth is to arbitrarily combine the first to seventh means.

本発明によれば、半導体装置の読出し速度を高速化できる。   According to the present invention, the reading speed of the semiconductor device can be increased.

以下、本発明に係わる半導体記憶装置の好適ないくつかの事例につき、図面を用いて説明する。実施例の各機能ブロックを構成する回路素子は、特に制限がないが、公知のCMOS(相補型MOSトランジスタ)等の集積回路技術によって、単結晶シリコンのような一つの半導体基板上に形成される。図面には、MOSトランジスタの基板電位の接続は特に明記しないが、MOSトランジスタが正常に動作可能な範囲であれば、その接続方法は特に限定しない。また、特に断りのない場合、信号のローレベルを‘L’、ハイレベルを‘H’とする。   Several preferred examples of the semiconductor memory device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The circuit elements constituting each functional block of the embodiment are not particularly limited, but are formed on a single semiconductor substrate such as single crystal silicon by a known integrated circuit technology such as a CMOS (complementary MOS transistor). . In the drawing, the connection of the substrate potential of the MOS transistor is not specified, but the connection method is not particularly limited as long as the MOS transistor can operate normally. Unless otherwise noted, the low level of the signal is ‘L’ and the high level is ‘H’.

《実施例1》
<メモリモジュール構成>
図1のメモリモジュールを用いて詳細に説明する。メモリモジュールを構成するメモリアレイARRAYは、複数のワード線WLと複数のビット線BLから構成されており、ワード線WLとビット線BLの交点にメモリセルMCが接続されている。各メモリセルMCは、メモリセルMC00で例示されているように、Nチャネル型MOSトランジスタMN00と記憶素子R00で構成される。記憶素子R00は、相変化抵抗と呼ばれる素子であり、例えば、結晶状態では1KΩ〜10KΩ程度の低い抵抗で、アモルファス状態では100KΩ以上の高い抵抗であることを特徴とする素子である。Nチャネル型MOSトランジスタMN00のゲート電極には、ワード線WL0が接続され、Nチャネル型MOSトランジスタを選択状態ではオン状態に、非選択状態ではオフ状態となるように制御する。R00の一方の端子がビット線BL0に接続され、もう一方の端子がMN00のドレイン電極に接続される。MN00のソース電極は接地電位に接続される。本実施例では、相変化素子Rは、ビット線BLとNチャネル型MOSトランジスタMNの間に接続されているが、接地電位とNチャネル型MOSトランジスタMNの間に接続してもよい。またMOSトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを使うことも可能である。
Example 1
<Memory module configuration>
This will be described in detail using the memory module of FIG. The memory array ARRAY constituting the memory module is composed of a plurality of word lines WL and a plurality of bit lines BL, and a memory cell MC is connected to the intersection of the word line WL and the bit line BL. Each memory cell MC includes an N-channel MOS transistor MN00 and a storage element R00, as exemplified by the memory cell MC00. The memory element R00 is an element called a phase change resistor. For example, the memory element R00 is a low resistance of about 1 KΩ to 10 KΩ in a crystalline state and a high resistance of 100 KΩ or more in an amorphous state. A word line WL0 is connected to the gate electrode of the N-channel MOS transistor MN00, and the N-channel MOS transistor is controlled to be turned on in the selected state and turned off in the non-selected state. One terminal of R00 is connected to the bit line BL0, and the other terminal is connected to the drain electrode of MN00. The source electrode of MN00 is connected to the ground potential. In this embodiment, the phase change element R is connected between the bit line BL and the N-channel MOS transistor MN, but may be connected between the ground potential and the N-channel MOS transistor MN. It is also possible to use bipolar transistors instead of MOS transistors.

ワード線WLには、X系アドレスデコーダブロックが接続されており、X系アドレス信号により1つのワード線WLが選択される。   An X-system address decoder block is connected to the word line WL, and one word line WL is selected by the X-system address signal.

ビット線BLには、ビット線選択回路BLSが接続されており、スイッチSWにより選択的にコモン線CLに接続される。スイッチSWは、Y系アドレスデコーダブロックからのビット線選択信号BSにより制御される。   A bit line selection circuit BLS is connected to the bit line BL, and is selectively connected to the common line CL by the switch SW. The switch SW is controlled by a bit line selection signal BS from the Y-system address decoder block.

読出し・書込み回路RWCは、センスアンプSAとライトアンプWA、書込みデータ選択回路WDC、読出し制御回路RAから構成される。センスアンプSAは、コモン線CLの信号を増幅する。読出し制御回路RAは、スイッチRSWと電流源(Iread)からなる。ライトアンプWAは、Pチャネル型MOSトランジスタ(MP0、MP1)と電流源(Iset、Ireset)、書込み電流選択回路WICよりなり、カレントミラー回路を構成している。Pチャネル型MOSトランジスタMP0のソース電極には電源電位VDDが、ゲート電極とドレイン電極はノードNGが、Pチャネル型MOSトランジスタMP1のソース電極には電源電位VDDが、ゲート電極にはノードNGが、ドレイン電極はコモン線CLがそれぞれ接続されている。ノードNGには書込み電流選択回路WICにより電流源(セット電流源Isetまたはリセット電流源Ireset)が接続される。ノードNGの電位は、接続された電流源の電流とMP0に流れる電流IW0が同一となるよう変化する。また、MP1とMP0はゲート−ソース間電圧が同じであるので、電流IW1もIW0と同じ電流となる。この結果、ビット線BLへ流れる電流がノードNGに接続された電流源の電流と同じになる。   The read / write circuit RWC includes a sense amplifier SA, a write amplifier WA, a write data selection circuit WDC, and a read control circuit RA. The sense amplifier SA amplifies the signal of the common line CL. The read control circuit RA includes a switch RSW and a current source (Iread). The write amplifier WA includes a P-channel MOS transistor (MP0, MP1), a current source (Iset, Ireset), and a write current selection circuit WIC, and forms a current mirror circuit. The source electrode of the P-channel MOS transistor MP0 has a power supply potential VDD, the gate electrode and the drain electrode have a node NG, the source electrode of the P-channel MOS transistor MP1 has a power supply potential VDD, the gate electrode has a node NG, A common line CL is connected to each drain electrode. A current source (set current source Iset or reset current source Ireset) is connected to the node NG by a write current selection circuit WIC. The potential of the node NG changes so that the current of the connected current source and the current IW0 flowing through MP0 are the same. Since MP1 and MP0 have the same gate-source voltage, the current IW1 is the same as IW0. As a result, the current flowing to the bit line BL becomes the same as the current of the current source connected to the node NG.

書込みデータ選択回路WDCは書込み制御信号WEと入力データDi、出力データDoが入力され、信号(リセット電流選択信号RIS、セット電流選択信号SIS)を書込みデータ選択回路WICへ出力する。   The write data selection circuit WDC receives the write control signal WE, input data Di, and output data Do, and outputs signals (reset current selection signal RIS, set current selection signal SIS) to the write data selection circuit WIC.

<動作方式>
次に、図2を用いて詳細な動作について説明する。内部回路の電源電圧VDDは例えば1.5Vである。はじめは待機状態STANDBYにあり、アドレスADDが切り替わり、ライト制御信号WEが‘L’になるとリード動作READが始まる。ここでは主に、‘1’(リセット(高抵抗)状態)をメモリセルMC00から読み出す場合について説明する。図2では実線で示している。‘0’(セット(低抵抗)状態)を読み出す場合は破線で示している。
<Operation method>
Next, a detailed operation will be described with reference to FIG. The power supply voltage VDD of the internal circuit is, for example, 1.5V. Initially, it is in the standby state STANDBY, the address ADD is switched, and the read operation READ starts when the write control signal WE becomes 'L'. Here, a case where “1” (reset (high resistance) state) is read from the memory cell MC00 will be mainly described. In FIG. 2, it is shown by a solid line. When reading “0” (set (low resistance) state), it is indicated by a broken line.

ワード線WL0を‘L’から‘H’に活性化すると同時にスイッチRSWをオンし、ビット線BL0へ駆動電流Ireadを流す。相変化素子は熱により結晶の状態が変わる素子であり、特にアモルファス(リセット)状態は、小さい電流による発熱でも徐々に結晶化(セット)していく。この変化は累積していくので、結晶化を少しでも遅らせるため、従来読出し時には、書込み電流より小さい電流を流す必要があった。Ireadと読み出し回数の関係を図3に示す。例えば100uAの電流を流すと、1度の読出しでデータが破壊するが、10uA程度の電流であれば、ほぼ無限に読出しが可能となる。しかしながら10uA程度の電流では、ビット線BLの電位が変化するまで時間がかかり、読出し速度が遅くなる。そこで、本発明ではIreadを例えば100uAと大きくし、読出し速度を高速化する。ただし、データが破壊する可能性があるので、読出したデータは再書込みする。   At the same time that the word line WL0 is activated from ‘L’ to ‘H’, the switch RSW is turned on, and the drive current Iread is supplied to the bit line BL0. The phase change element is an element whose crystal state is changed by heat. In particular, the amorphous (reset) state is gradually crystallized (set) even by heat generated by a small current. Since this change is accumulated, in order to delay crystallization as much as possible, it has been necessary to flow a current smaller than the write current at the time of conventional reading. Fig. 3 shows the relationship between Iread and the number of reads. For example, if a current of 100 uA is applied, data is destroyed by reading once, but if the current is about 10 uA, reading can be performed almost infinitely. However, with a current of about 10 uA, it takes time until the potential of the bit line BL changes, and the reading speed becomes slow. Therefore, in the present invention, Iread is increased to, for example, 100 uA to increase the reading speed. However, since the data may be destroyed, the read data is rewritten.

読出し電流Ireadをビット線BL0に流すと、メモリセルMC00には例えば100kΩの高抵抗(データ‘1’に相当)の値が書き込まれているので、ビット線BL0の電位が電源付近まで上昇し、例えば1.2Vになる。もしメモリセルMC00に例えば10kΩの低抵抗(データ‘0’に相当)の値が書き込まれていれば、ビット線BL0はあまり上昇せず1.0V程度となる。この電圧をセンスアンプ活性化信号SEを‘H’にすることにより、センスアンプ回路SAでリファレンス電圧REFと比較し、この電位差を増幅する。増幅されたデータをDoへ出力し読出しが終了する。高抵抗値が書き込まれている場合はDoに‘1’を出力し、低抵抗値が書き込まれている場合はDoに‘0’を出力する。   When the read current Iread is passed through the bit line BL0, the memory cell MC00 is written with a high resistance value of 100 kΩ (corresponding to data '1'), for example, so that the potential of the bit line BL0 rises to near the power supply, For example, it becomes 1.2V. If a value of a low resistance of 10 kΩ (corresponding to data “0”) is written in the memory cell MC00, the bit line BL0 does not rise so much and becomes about 1.0V. This voltage is compared with the reference voltage REF by the sense amplifier circuit SA by setting the sense amplifier activation signal SE to ‘H’, and this potential difference is amplified. The amplified data is output to Do and the reading ends. When a high resistance value is written, “1” is output to Do, and when a low resistance value is written, “0” is output to Do.

本実施例では、読み出し後に、読出したデータを再書込みする。これにより、読み出し時のデータ破壊は問題なくなる。   In this embodiment, after reading, the read data is rewritten. This eliminates the problem of data destruction during reading.

本実施例では、‘1’が読み出されており、読出されたデータが、書込みデータ選択回路WDCに送られ、リセット電流選択信号RISが‘L’から‘H’に変化する。これにより、書込み電流選択回路WICを駆動し、電流源IresetをNGへ接続する。これによりPチャネル型MOSトランジスタMP1の電流IW1もIresetとなり、ビット線BL0に向かって電流Iresetを流すことができる。   In this embodiment, “1” is read out, the read data is sent to the write data selection circuit WDC, and the reset current selection signal RIS changes from “L” to “H”. This drives the write current selection circuit WIC and connects the current source Ireset to NG. As a result, the current IW1 of the P-channel MOS transistor MP1 also becomes Ireset, and the current Ireset can flow toward the bit line BL0.

リセット電流Iresetは例えば200uAである。読出しによりデータが破壊され素子が低抵抗化している場合には、200uAの電流が流れ続け、ビット線は電源電位付近まで上昇する。また、読出しにより素子が低抵抗化していなくても、リセット電流Iresetにより素子は低抵抗化し、200uAの電流が流れ続ける。この状態を5ナノ秒から数十ナノ秒続けることにより素子は溶融状態となる。この後、素子に流れる電流を急激に下げて急冷することにより記憶素子R00はアモルファス化し高抵抗(データ‘1’に相当)となる。
また、非選択のビット線BLは、接地電位に接続されている。
The reset current Ireset is, for example, 200 uA. When data is destroyed by reading and the element has a low resistance, a current of 200 uA continues to flow, and the bit line rises to near the power supply potential. Even if the resistance of the element is not reduced by reading, the element is reduced in resistance by the reset current Ireset, and a current of 200 uA continues to flow. By continuing this state from 5 nanoseconds to several tens of nanoseconds, the device enters a molten state. Thereafter, the current flowing in the element is rapidly lowered and rapidly cooled, whereby the memory element R00 becomes amorphous and becomes high resistance (corresponding to data '1').
The unselected bit line BL is connected to the ground potential.

もし‘0’が読出された場合は、記憶素子Rはセット状態であるので、読出し時に読出し電流Ireadを流しても抵抗値が変化することはなく、データを書き戻す必要はない。ただし、本実施例では、制御を簡略化するために‘0’を読み出した場合も書込みを行っている。この場合は、読出し後にライトアンプWAによりセット電流Isetをビット線BL0へ向かって流す。素子は低抵抗化しているので、100uAの電流が流れ続ける。この状態を100ナノ秒程度続け書込み動作を終える。   If “0” is read, the memory element R is in the set state, so that the resistance value does not change even when the read current Iread is passed during reading, and it is not necessary to write back the data. However, in this embodiment, in order to simplify the control, writing is performed even when “0” is read. In this case, a set current Iset is caused to flow toward the bit line BL0 by the write amplifier WA after reading. Since the element has a low resistance, a current of 100 uA continues to flow. This state is continued for about 100 nanoseconds and the writing operation is finished.

書込みが終了するとワード線WL0が‘H’から‘L’へ遷移しセット動作が終了する。
ライト動作WRITEは、データを読出した後に、書込みデータ選択回路WDCにより、外部からの入力データDiを選択し、このデータに基づいて、リセット電流選択信号RISやセット電流選択信号SISを制御してデータを書込む。
When the writing is completed, the word line WL0 changes from “H” to “L”, and the setting operation ends.
In the write operation WRITE, after the data is read, the write data selection circuit WDC selects the input data Di from the outside, and the reset current selection signal RIS and the set current selection signal SIS are controlled based on this data. Write.

本実施例の実線で示した波形図は、‘1’を読み出した後‘0’を書き込んでおり、破線で示した波形図は、‘0’を読み出した後‘1’を書き込んでいる。‘0’を書込む場合は、SIS信号を‘L’から‘H’とし、セット電流Isetをビット線BLへ流すことにより素子をセットする。‘1’を書込む場合は、RIS信号を‘L’から‘H’にすることにより、リセット電流Iresetをビット線BLへ流し素子をリセットする。   The waveform diagram indicated by the solid line in the present embodiment writes ‘0’ after reading ‘1’, and the waveform diagram indicated by the broken line writes ‘1’ after reading ‘0’. When “0” is written, the element is set by changing the SIS signal from “L” to “H” and passing a set current Iset to the bit line BL. When writing “1”, the RIS signal is changed from “L” to “H” to cause the reset current Ireset to flow to the bit line BL to reset the element.

ライト動作WRITEでの、読出しは必要ないが、制御を簡略化するためリード動作READと同一の制御を行なっている。   Reading in the write operation WRITE is not necessary, but the same control as the read operation READ is performed to simplify the control.

本実施例では、リセット時に200uAの電流Iresetを素子に流す必要がある。従って、メモリセルMCのNチャネル型MOSトランジスタMNも同等の電流を流す駆動力が必要となる。電流駆動力を大きくするためにはトランジスタのゲート幅を大きくすれば良いが、これはメモリセルのサイズを増大させてしまう。そこで、ゲート幅を大きくする代わりにワード線WLが‘H’の時の電圧を電源電圧VDDより高い値にブーストし、電流駆動力を増大させた。本実施例ではワード線の電圧を、電源電圧VDDより1.0V高い2.5Vとした。図4に、200uAの電流を流す場合に必要なメモリセルサイズとワード電圧との関係を示した。ワード電圧を上げると、流れる電流が増加するので、相対的にゲート幅を小さくでき、セルサイズを縮小できる。ワード電圧を1.5Vにし、ゲート幅を大きくした場合に比べ、ワード電圧を2.5Vにブーストした場合では、セル面積を約60%にし、セルサイズを6F2とすることができる。ブーストする電圧は信頼性を考慮して5MV/cm以上の電圧がゲート電極に印加されないようにする必要がある。   In this embodiment, it is necessary to flow a current Ireset of 200 uA to the element at the time of reset. Accordingly, the N-channel MOS transistor MN of the memory cell MC also needs a driving force that allows an equivalent current to flow. In order to increase the current driving capability, the gate width of the transistor may be increased, but this increases the size of the memory cell. Therefore, instead of increasing the gate width, the voltage when the word line WL is ‘H’ is boosted to a value higher than the power supply voltage VDD to increase the current driving capability. In this embodiment, the word line voltage is set to 2.5 V, which is 1.0 V higher than the power supply voltage VDD. FIG. 4 shows the relationship between the memory cell size and the word voltage necessary for supplying a current of 200 uA. When the word voltage is increased, the flowing current increases, so that the gate width can be relatively reduced and the cell size can be reduced. When the word voltage is boosted to 2.5 V, compared with the case where the word voltage is 1.5 V and the gate width is increased, the cell area can be reduced to about 60% and the cell size can be 6F2. In consideration of reliability, the voltage to be boosted must be such that a voltage of 5 MV / cm or higher is not applied to the gate electrode.

また、メモリセルMCのNチャネル型MOSトランジスタMNの電流駆動力を増大させる別の方法として、しきい値を下げる方法もある。この場合、ワード線WLが‘H’の時の電圧を電源電圧VDDとすることができるが、非選択時のリーク電流が増大するため、ワード線WLが‘L’の時に負電圧を印加する必要がある。例えばしきい値を0.5V下げた場合には、ワード線WLを2Vにブーストしたのと同じ効果となるが、非選択のワード線WLに-0.5Vを印加する必要がある。   As another method for increasing the current driving capability of the N-channel MOS transistor MN of the memory cell MC, there is a method for lowering the threshold value. In this case, the voltage when the word line WL is “H” can be set to the power supply voltage VDD. However, since the leakage current when not selected increases, a negative voltage is applied when the word line WL is “L”. There is a need. For example, when the threshold value is lowered by 0.5 V, the same effect is obtained as when the word line WL is boosted to 2 V, but −0.5 V needs to be applied to the non-selected word line WL.

図5は、メモリアレイの平面図を示している。ワード線WLはポリシリコン層(PS)で、ソース線SLは第1の配線層M1で、ビット線BLは第2の配線層M2でそれぞれ形成されている。また、拡散層Lと配線層M1はコンタクトCNTで接続され、配線層M1と配線層M2はビアVIAでそれぞれ接続される。   FIG. 5 shows a plan view of the memory array. The word line WL is formed of a polysilicon layer (PS), the source line SL is formed of a first wiring layer M1, and the bit line BL is formed of a second wiring layer M2. The diffusion layer L and the wiring layer M1 are connected by a contact CNT, and the wiring layer M1 and the wiring layer M2 are connected by a via VIA.

<ワード線を制御する場合>
図6のメモリモジュールを用いてワード線を制御する場合を説明する。メモリモジュールを構成するメモリアレイARRAYは、複数のワード線WLと複数のビット線BLから構成されており、ワード線WLとビット線BLの交点にメモリセルMCが接続されている。各メモリセルMCは、メモリセルMC00で例示されているように、Nチャネル型MOSトランジスタMN00と記憶素子R00で構成される。記憶素子R00は、相変化抵抗と呼ばれる素子である。ワード線WLには、ワードドライバアレイWD_ARYが接続されており、X系アドレスデコーダADECにより、X系アドレス信号XADDがデコードされ1つのワード線WLが選択される。ワードドライバアレイWD_ARYは、ワードドライバWDで構成されており、ワードドライバWD0は例えば、Nチャネル型MOSトランジスタMN10とPチャネル型MOSトランジスタMP10で構成されるインバータ回路となっており、出力はワード線WLに接続され、Pチャネル型MOSトランジスタMP10のソース電極は電源線VWLに接続される。
<When controlling word lines>
A case where the word line is controlled using the memory module of FIG. 6 will be described. The memory array ARRAY constituting the memory module is composed of a plurality of word lines WL and a plurality of bit lines BL, and a memory cell MC is connected to the intersection of the word line WL and the bit line BL. Each memory cell MC includes an N-channel MOS transistor MN00 and a storage element R00, as exemplified by the memory cell MC00. The memory element R00 is an element called a phase change resistor. A word driver array WD_ARY is connected to the word line WL, and the X-system address decoder ADEC decodes the X-system address signal XADD to select one word line WL. The word driver array WD_ARY is composed of word drivers WD, and the word driver WD0 is an inverter circuit composed of, for example, an N-channel MOS transistor MN10 and a P-channel MOS transistor MP10, and the output is a word line WL. The source electrode of the P-channel MOS transistor MP10 is connected to the power supply line VWL.

ビット線BLには、ビット線選択回路BLSが接続されており、スイッチSWにより選択的にコモン線CLに接続される。スイッチSWは、Y系アドレスデコーダブロックからのビット線選択信号BSにより制御される。   A bit line selection circuit BLS is connected to the bit line BL, and is selectively connected to the common line CL by the switch SW. The switch SW is controlled by a bit line selection signal BS from the Y-system address decoder block.

読出し・書込み回路RWCは、センスアンプSAとライトアンプWA、書込みデータ選択回路WDC、書き込み制御回路WICで構成される。書込みデータ選択回路WDCは書込み制御信号WEと入力データDi、出力データDoが入力され、制御信号CWを書込み書き込み制御回路WICへ出力する。書込み制御回路WICはCE信号を基に電源線VWLや信号BSを制御する。ライトアンプWAはPチャネル型MOSトランジスタMP1で構成され、ゲート電極には制御信号BCが入力される。   The read / write circuit RWC includes a sense amplifier SA, a write amplifier WA, a write data selection circuit WDC, and a write control circuit WIC. The write data selection circuit WDC receives the write control signal WE, the input data Di, and the output data Do, and outputs the control signal CW to the write / write control circuit WIC. The write control circuit WIC controls the power supply line VWL and the signal BS based on the CE signal. The write amplifier WA is composed of a P-channel MOS transistor MP1, and a control signal BC is input to the gate electrode.

<動作方式>
次に、図7を用いて詳細な動作について説明する。内部回路の電源電圧VDDは例えば1.5Vである。はじめは待機状態STANDBYにあり、アドレスADDが切り替わり、ライト制御信号WEが‘L’になるとリード動作READが始まる。ここでは主に、‘1’(リセット(高抵抗)状態)をメモリセルMC00から読み出す場合について説明する。図2では実線で示している。‘0’(セット(低抵抗)状態)を読み出す場合は破線で示している。
<Operation method>
Next, a detailed operation will be described with reference to FIG. The power supply voltage VDD of the internal circuit is, for example, 1.5V. Initially, it is in the standby state STANDBY, the address ADD is switched, and the read operation READ starts when the write control signal WE becomes 'L'. Here, a case where “1” (reset (high resistance) state) is read from the memory cell MC00 will be mainly described. In FIG. 2, it is shown by a solid line. When reading “0” (set (low resistance) state), it is indicated by a broken line.

はじめに、ビット線BL0を制御信号BCを‘L’にすることによりプリチャージする。ワード線WL0を‘L’から‘H’に活性化し、ビット線BL0からメモリセルMC00により電流を引き抜く。メモリセルMC00には例えば100kΩの高抵抗(データ‘1’に相当)の値が書き込まれているので、ビット線BL0の電位はほとんど変化せず、例えば1.5Vになる。もしメモリセルMC00に例えば10kΩの低抵抗(データ‘0’に相当)の値が書き込まれていれば、ビット線BL0低下し0.5V程度となる。この電圧をセンスアンプ活性化信号SEを‘H’にすることにより、センスアンプ回路SAでリファレンス電圧REFと比較し、この電位差を増幅する。増幅されたデータをDoへ出力し読出しが終了する。高抵抗値が書き込まれている場合はDoに‘1’を出力し、低抵抗値が書き込まれている場合はDoに‘0’を出力する。   First, the bit line BL0 is precharged by setting the control signal BC to ‘L’. The word line WL0 is activated from 'L' to 'H', and current is drawn from the bit line BL0 by the memory cell MC00. Since the value of a high resistance of 100 kΩ (corresponding to data “1”) is written in the memory cell MC00, for example, the potential of the bit line BL0 hardly changes and becomes 1.5 V, for example. If a value of a low resistance of 10 kΩ (corresponding to data “0”) is written in the memory cell MC00, for example, the bit line BL0 is lowered to about 0.5V. This voltage is compared with the reference voltage REF by the sense amplifier circuit SA by setting the sense amplifier activation signal SE to ‘H’, and this potential difference is amplified. The amplified data is output to Do and the reading ends. When a high resistance value is written, “1” is output to Do, and when a low resistance value is written, “0” is output to Do.

本実施例では、読み出し後に、読出したデータを再書込みする。これにより、読み出し時のデータ破壊は問題なくなる。   In this embodiment, after reading, the read data is rewritten. This eliminates the problem of data destruction during reading.

本実施例では、‘1’が読み出されており、読出されたデータが、書込みデータ選択回路WDCに送られ、信号CWを出力する。この結果、書込み制御回路WICにより電源線VWLと信号BCが制御される。‘1’が読み出された場合は、ビット線は電源電圧1.5Vに、ワード電圧は電源電圧1.5Vのままとなる。   In this embodiment, “1” is read, and the read data is sent to the write data selection circuit WDC to output a signal CW. As a result, the power supply line VWL and the signal BC are controlled by the write control circuit WIC. When ‘1’ is read, the bit line remains at the power supply voltage 1.5V and the word voltage remains at the power supply voltage 1.5V.

読出し前には素子は高抵抗であるが、読出しによりデータが破壊され素子が低抵抗化している場合には、リセット電流Iresetが200uA流れる。また、読出しにより素子が低抵抗化していなくても、リセット電流Iresetにより素子は低抵抗化し、200uAの電流が流れ続ける。この状態を5ナノ秒から数十ナノ秒続けることにより素子は溶融状態となる。この後、素子に流れる電流を急激に下げて急冷することにより記憶素子R00はアモルファス化し高抵抗(データ‘1’に相当)となる。   The element has a high resistance before reading, but when data is destroyed by reading and the element has a low resistance, a reset current Ireset flows through 200 uA. Even if the resistance of the element is not reduced by reading, the element is reduced in resistance by the reset current Ireset, and a current of 200 uA continues to flow. By continuing this state from 5 nanoseconds to several tens of nanoseconds, the device enters a molten state. Thereafter, the current flowing in the element is rapidly lowered and rapidly cooled, whereby the memory element R00 becomes amorphous and becomes high resistance (corresponding to data “1”).

また、非選択のビット線BLは、接地電位に接続されている。   The unselected bit line BL is connected to the ground potential.

もし‘0’が読出された場合は、記憶素子Rはセット状態であるので、読出し時に読出し電流Ireadを流しても抵抗値が変化することはなく、データを書き戻す必要はない。ただし、本実施例では、制御を簡略化するために‘0’を読み出した場合もセットの書込みを行っている。この場合は、読出し後にビット線は電源電圧1.5Vに、ワード電圧は1.0Vに設定され、素子は低抵抗化しているので、100uAの電流が流れ続ける。この状態を100ナノ秒程度続け書込み動作を終える。   If “0” is read, the memory element R is in the set state, so that the resistance value does not change even when the read current Iread is passed during reading, and it is not necessary to write back the data. However, in this embodiment, in order to simplify the control, the set is written even when “0” is read. In this case, after reading, the bit line is set to the power supply voltage 1.5V, the word voltage is set to 1.0V, and the resistance of the element is reduced, so that a current of 100 uA continues to flow. This state is continued for about 100 nanoseconds and the writing operation is finished.

書込みが終了するとワード線WL0が‘H’から‘L’へ遷移しセット動作が終了する。
ライト動作WRITEは、データを読出した後に、書込みデータ選択回路WDCにより、外部からの入力データDiを選択し、このデータに基づいて、電源電圧VWLを制御してデータを書込む。
When the writing is completed, the word line WL0 changes from “H” to “L”, and the setting operation ends.
In the write operation WRITE, after reading data, the write data selection circuit WDC selects the input data Di from the outside, and writes the data by controlling the power supply voltage VWL based on this data.

本実施例の実線で示した波形図は、‘1’を読み出した後‘0’を書き込んでおり、破線で示した波形図は、‘0’を読み出した後‘1’を書き込んでいる。
ライト動作WRITEでの、読出しは必要ないが、制御を簡略化するためリード動作READと同一の制御を行なっている。
The waveform diagram indicated by the solid line in this embodiment writes “0” after reading “1”, and the waveform diagram indicated by the broken line writes “1” after reading “0”.
Reading in the write operation WRITE is not necessary, but the same control as the read operation READ is performed to simplify the control.

《実施例2》
ここでは、再書き込みや書込みの前に、電流パルスを印加する方法について説明する。本方式により書換えを無限回行なうことが可能となる。また、本実施例ではセット電流源Isetと読出し用電流源Ireadを共有化し、読出し用制御回路RAを削除し面積の低減を図っている。
Example 2
Here, a method of applying a current pulse before rewriting or writing will be described. With this method, rewriting can be performed infinitely. In this embodiment, the set current source Iset and the read current source Iread are shared, and the read control circuit RA is deleted to reduce the area.

<メモリモジュール構成>
図8を用いて実施例1と異なる点のみ述べる。ソース線SLは接地電位に接続されず、ビット線BLと平行に形成され、ビット線選択回路BLSでコモンソース線CSLに接続される。例えばソース線SL0はソース線スイッチSSW0で、コモンソース線CSLに接続される。また、ビット線BLも、ビット線選択回路BLSでコモンビット線CBLに接続される。例えばビット線BL0はビット線スイッチBSW0でコモンビット線CBLに接続される。
ビット線スイッチBSWはビット線選択信号BSで制御され、ソース線スイッチSSWはソース線選択信号SSでそれぞれ制御される。
<Memory module configuration>
Only differences from the first embodiment will be described with reference to FIG. The source line SL is not connected to the ground potential, is formed in parallel with the bit line BL, and is connected to the common source line CSL by the bit line selection circuit BLS. For example, the source line SL0 is connected to the common source line CSL by the source line switch SSW0. The bit line BL is also connected to the common bit line CBL by the bit line selection circuit BLS. For example, the bit line BL0 is connected to the common bit line CBL by the bit line switch BSW0.
The bit line switch BSW is controlled by a bit line selection signal BS, and the source line switch SSW is controlled by a source line selection signal SS.

コモンビット線CBLとコモンソース線CSLは、クロスバースイッチCBSWに入力され、コモン線CLまたは接地電位と接続される。   The common bit line CBL and the common source line CSL are input to the crossbar switch CBSW and connected to the common line CL or the ground potential.

<動作方式>
図9を用いて実施例1と異なる点のみ述べる。リード動作READでデータを読出すまでは実施例1と同じである。データを読み出した後、まず、電流パルスを入力する。
<Operation method>
Only differences from the first embodiment will be described with reference to FIG. The process is the same as in the first embodiment until data is read by the read operation READ. After reading the data, first, a current pulse is input.

例えば‘1’が読み出された場合には、セット電流選択信号SISを‘L’から‘H’にすることにより、ビット線BL0にセット電流Isetを流す。‘0’が読み出された場合には、リセット電流選択信号RISを‘L’から‘H’にすることにより、ビット線BL0にリセット電流Iresetを流す。その後逆の電流向きで、読み出した値を再書込みする。‘1’が読み出された場合には、ビット線BL0を接地電位に接続し、セット電流選択信号SISを‘H’から‘L’にし、リセット電流選択信号RISを‘L’から‘H’にすることにより、ソース線SL0にリセット電流Iresetを流し、‘1’を書込む。‘0’が読み出された場合には、ビット線BL0を接地電位に接続し、リセット電流選択信号RISを‘H’から‘L’にし、セット電流選択信号SISを‘L’から‘H’にすることにより、ソース線SL0にセット電流Isetを流し、‘0’を書込む。   For example, when “1” is read, the set current selection signal SIS is changed from “L” to “H”, thereby causing the set current Iset to flow through the bit line BL0. When ‘0’ is read, the reset current selection signal RIS is changed from ‘L’ to ‘H’, thereby causing the reset current Ireset to flow through the bit line BL <b> 0. Thereafter, the read value is rewritten in the reverse current direction. When '1' is read, the bit line BL0 is connected to the ground potential, the set current selection signal SIS is changed from 'H' to 'L', and the reset current selection signal RIS is changed from 'L' to 'H'. As a result, a reset current Ireset is caused to flow through the source line SL0, and “1” is written. When '0' is read, the bit line BL0 is connected to the ground potential, the reset current selection signal RIS is changed from 'H' to 'L', and the set current selection signal SIS is changed from 'L' to 'H'. As a result, a set current Iset is caused to flow through the source line SL0 and '0' is written.

書込み動作は、同様に読出し後、電流パルスを入力し、その後、書込みデータ(Diの値)を逆方向の電流を流して書き込みを行なう。   Similarly, in the write operation, after reading, a current pulse is input, and then write data (Di value) is written by flowing a current in the reverse direction.

以上のように書込む前に逆方向の電流パルスを印加することにより、書換えを無限回行なうことが可能となり、読出し時に書き戻す方式を行なっても、書き込み回数に限界がないため問題とならない。この原理について、記憶素子の材料として、カルコゲナイドGe2Sb2Te5を例に取り説明する。   By applying a current pulse in the reverse direction before writing as described above, rewriting can be performed infinitely, and even if a method of rewriting at the time of reading is performed, there is no problem because there is no limit on the number of writing. This principle will be described by taking chalcogenide Ge2Sb2Te5 as an example of the material of the memory element.

書込み動作を一度も行っていない場合のカルコゲナイドの断面図を図10に示した。組成が均一なカルコゲナイド膜102の上に上部電極103が、下にプラグ電極154が形成されている。上部電極103はビット線BLと接続され、プラグ電極154は、トランジスタを介してソース線SLに接続される。図11(a)は1回‘1’を書込んだときの断面図である。カルコゲナイド膜102は、プラグ電極154の上部のみ半円状にアモルファス化111し、その他の領域は結晶状態110のままである。   FIG. 10 shows a cross-sectional view of the chalcogenide when the writing operation has never been performed. An upper electrode 103 is formed on the chalcogenide film 102 having a uniform composition, and a plug electrode 154 is formed below. The upper electrode 103 is connected to the bit line BL, and the plug electrode 154 is connected to the source line SL via a transistor. FIG. 11 (a) is a cross-sectional view when “1” is written once. The chalcogenide film 102 is amorphized 111 in a semicircular shape only at the upper part of the plug electrode 154, and the other regions remain in the crystalline state 110.

書込みを繰り返すと、カルコゲナイドが高温の状態で電界が印加されるため、カルコゲナイドを構成する元素の電気陰性度の違いによりイオン伝導が生じ、組成の偏りが生じる。例えば、Ge2Sb2Te5の場合、Ge(ポーリングの電気陰性度 1.8)とSb(同 1.9)はTe(同 2.1)に比べて電気陰性度が低く、相対的に正の元素であるため電流方向に移動する。それに対して、Teは相対的に負の元素であるため電流と逆方向に移動する。   When writing is repeated, an electric field is applied in a state where the chalcogenide is at a high temperature. Therefore, ion conduction occurs due to the difference in electronegativity of the elements constituting the chalcogenide, resulting in a compositional bias. For example, in the case of Ge2Sb2Te5, Ge (Pauling electronegativity 1.8) and Sb (1.9) have lower electronegativity than Te (2.1) and move in the current direction because they are relatively positive elements. . On the other hand, Te moves in the opposite direction to the current because it is a relatively negative element.

従来方式では、常に電流がビット線BLからソース線SLに流れて書込みを行なうため、相変化素子Rのビット線側のカルコゲナイドはTeの組成比が高くなり、トランジスタ側のカルコゲナイドは、Ge、Sbの組成比が高くなる。図12に多数回書き換えた後のカルコゲナイドの組成を示す。上部電極付近では、Teの組成比が増加したGe1.8Sb1.8Te5.4(132)となり、プラグ電極付近では、Ge、Sbの組成比が増加したGe2.2Sb2.2Te4.6(133)となる。   In the conventional method, since current always flows from the bit line BL to the source line SL and writing is performed, the chalcogenide on the bit line side of the phase change element R has a high Te composition ratio, and the chalcogenide on the transistor side has Ge, Sb The composition ratio becomes higher. FIG. 12 shows the composition of the chalcogenide after being rewritten many times. Near the upper electrode is Te1.8Sb1.8Te5.4 (132) with an increased Te composition ratio, and near the plug electrode is Ge2.2Sb2.2Te4.6 (133) with an increased composition ratio of Ge and Sb. .

結晶化速度はカルコゲナイドの組成に依存する。材料組成の偏析により、結晶化速度が高速になった部分133は、リセットパルスを印加してもアモルファス化せず、結晶のまま残り(図11(b)の143)、正常な書込みを行なうことができなくなる。つまり、従来の書込み方式で、繰り返し書込みを行なうと、素子への書込みができなくなる。   The crystallization rate depends on the chalcogenide composition. The portion 133 where the crystallization speed is increased due to the segregation of the material composition does not become amorphous even when a reset pulse is applied, and remains as a crystal (143 in FIG. 11 (b)), and normal writing is performed. Can not be. In other words, if writing is repeated by the conventional writing method, writing to the element becomes impossible.

本実施例では、書込みの途中で電流方向を逆にしている。このため、書込みにより組成に偏りが生じても、電流方向を逆にしたパルスの印加により組成の偏りは解消され組成は元の状態に戻る。この結果、イオン伝導に伴うカルコゲナイドの組成の偏析を防止することが可能となり、書込可能回数が増大し、無限回の書換えが可能となる。   In this embodiment, the current direction is reversed during writing. For this reason, even if the composition is biased by writing, the composition bias is eliminated by applying a pulse with the current direction reversed, and the composition returns to the original state. As a result, segregation of the chalcogenide composition accompanying ion conduction can be prevented, the number of writable times can be increased, and infinite rewriting is possible.

図13は、メモリアレイの平面図を示している。ワード線WLはポリシリコン層(PS)で、ソース線SLは第1の配線層M1で、ビット線BLは第2の配線層M2でそれぞれ形成されている。ビット線BLとソース線SLは平行に形成されている。   FIG. 13 shows a plan view of the memory array. The word line WL is formed of a polysilicon layer (PS), the source line SL is formed of a first wiring layer M1, and the bit line BL is formed of a second wiring layer M2. The bit line BL and the source line SL are formed in parallel.

《実施例3》
図14に本方式を使ってマルチポートメモリアレイを構成した例を示す。各ビット線は2つの選択スイッチSWに接続されており、例えば、BL0をスイッチSW00により読出し・書込み回路RWC0に接続し、SW10を介してRWC1に接続されている。このような構成とすることにより、リード動作とライト動作を並行して処理できる。また、本方式を使ってライト動作時に読出したデータでテストを行なうことができ、データの有効活用が可能である。
Example 3
FIG. 14 shows an example in which a multi-port memory array is configured using this method. Each bit line is connected to two selection switches SW. For example, BL0 is connected to the read / write circuit RWC0 by the switch SW00, and is connected to RWC1 via SW10. With such a configuration, the read operation and the write operation can be processed in parallel. In addition, a test can be performed on the data read during the write operation using this method, and the data can be used effectively.

例えば、リード動作とライト動作を並行して処理する場合には、BL0をSW00によりRWC0に接続しリード動作を行うと同時に、BL1をスイッチSW11によりRWC1に接続しライト動作を行う。
For example, when processing a read operation and a write operation in parallel, BL0 is connected to RWC0 by SW00 and a read operation is performed, and simultaneously, BL1 is connected to RWC1 by a switch SW11 and a write operation is performed.

実施例1に関するメモリモジュールの回路図である。2 is a circuit diagram of a memory module according to Embodiment 1. FIG. 図1示すメモリモジュールの動作波形図である。FIG. 2 is an operation waveform diagram of the memory module shown in FIG. 読出し回数と読出し電流の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency | count of reading, and read-out electric current. ワード線ブーストの効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of a word line boost. メモリアレイの平面図である。It is a top view of a memory array. 実施例1に関するメモリモジュールの回路図である。2 is a circuit diagram of a memory module according to Embodiment 1. FIG. 図1示すメモリモジュールの動作波形図である。FIG. 2 is an operation waveform diagram of the memory module shown in FIG. 実施例2に関するメモリモジュールの回路図である。3 is a circuit diagram of a memory module according to Embodiment 2. FIG. 図5示すメモリモジュールの動作波形図である。FIG. 6 is an operation waveform diagram of the memory module shown in FIG. 素子の断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure of an element. Ge-Sb-Teの相状態を示す図である。It is a figure which shows the phase state of Ge-Sb-Te. 従来方式で多数回書き込み後のGe-Sb-Teの組成を示す図である。It is a figure which shows the composition of Ge-Sb-Te after many writing by the conventional system. メモリアレイの平面図である。It is a top view of a memory array. 実施例3に関するメモリモジュールの回路図である。6 is a circuit diagram of a memory module according to Embodiment 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

102…組成が均一なカルコゲナイド膜、103…上部電極、110、142、143…結晶状態、111、141…アモルファス状態、132…カルコゲナイド膜(組成比:Ge1.8Sb1.8Te5.4)、133…カルコゲナイド膜(組成比:Ge2.2Sb2.2Te4.6)、154…プラグ電極、ADD…アドレス、ARRAY…メモリアレイ、BL…ビット線、BLS…ビット線選択回路、BS…ビット線選択信号、BSW…ビット線スイッチ、CBL…コモンビット線、CBSW…クロスバースイッチ、CL…コモン線、CNT…コンタクト、CSL…コモンソース線、Di…入力データ、Do…出力データ、Icell…メモリセル電流、Iread…読出し電流(源)、Ireset…リセット電流(源)、Iset…セット電流(源)、IW…書込み電流、L…拡散層、M1…第2の配線層、M2…第1の配線層、MC…メモリセル、MN…Nチャネル型MOSトランジスタ、MP…Pチャネル型MOSトランジスタ、NG…ノード、PS…ポリシリコン層、R…記憶素子、RA…読出し制御回路、READ…読出し動作、REF…リファレンス電圧、RIS…リセット電流選択信号、RSW…スイッチ、RWC…読出し・書込み回路、SA…センスアンプ、SE…センスアンプ活性化信号、SIS…セット電流選択信号、SL…ソース線、SS…ソース線選択信号、SSW…ソース線スイッチ、STANDBY…待機状態、SW…スイッチ、VDD…電源電位、VIA…ビア、WA…ライトアンプ、WDC…書込みデータ選択回路、WE…書込み制御信号、WIC…書込み電流選択回路、WL…ワード線、WRITE…書込み動作、WD_ARY…ワードドライバアレイ、ADEC…X系アドレスデコーダ、VWL…電源線、WIC…書き込み制御回路。   102 ... chalcogenide film with uniform composition, 103 ... upper electrode, 110, 142, 143 ... crystalline state, 111, 141 ... amorphous state, 132 ... chalcogenide film (composition ratio: Ge1.8Sb1.8Te5.4), 133 ... chalcogenide Film (composition ratio: Ge2.2Sb2.2Te4.6), 154 ... plug electrode, ADD ... address, ARRAY ... memory array, BL ... bit line, BLS ... bit line selection circuit, BS ... bit line selection signal, BSW ... bit Line switch, CBL ... Common bit line, CBSW ... Crossbar switch, CL ... Common line, CNT ... Contact, CSL ... Common source line, Di ... Input data, Do ... Output data, Icell ... Memory cell current, Iread ... Read current (Source), Ireset ... reset current (source), Iset ... set current (source), IW ... write current, L ... diffusion layer, M1 ... second wiring layer, M2 ... first wiring layer, MC ... memory cell , MN ... N-channel MOS transistor, MP ... P-channel MOS transistor, NG ... Node, PS ... polysilicon layer, R ... memory element, RA ... read control circuit, READ ... read operation, REF ... reference voltage, RIS ... reset current selection signal, RSW ... switch, RWC ... read / write circuit, SA ... sense Amplifier, SE ... Sense amplifier activation signal, SIS ... Set current selection signal, SL ... Source line, SS ... Source line selection signal, SSW ... Source line switch, STANDBY ... Standby state, SW ... Switch, VDD ... Power supply potential, VIA ... via, WA ... write amplifier, WDC ... write data selection circuit, WE ... write control signal, WIC ... write current selection circuit, WL ... word line, WRITE ... write operation, WD_ARY ... word driver array, ADEC ... X system address decoder , VWL: Power line, WIC: Write control circuit.

Claims (7)

複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点に配置される複数のメモリセルと、
読出し・書込み回路を具備してなり、
前記複数のメモリセルは、相変化素子を含み、
リード動作時に前記複数のメモリセルから読出した情報を再書込みし、
前記読出しと前記再書込みの間に、前記再書込みパルス電流に先行してそれと逆極性のパルス電流を印加することを特徴とする半導体装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells arranged at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
It has a read / write circuit,
The plurality of memory cells include phase change elements;
Rewrite information read from the plurality of memory cells during a read operation ,
A semiconductor device , wherein a pulse current having a polarity opposite to that of the rewriting pulse current is applied between the reading and the rewriting .
請求項1において、ライト動作時に、読出した情報を外部からの書込み情報で置換え、前記置き換えた情報をメモリセルに書込むことを特徴とする半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein at the time of a write operation, the read information is replaced with external write information, and the replaced information is written into the memory cell. 請求項1または請求項2において、前記読出しと前記再書き込みと前記書込みで同一の回路により前記メモリセルを駆動することを特徴とする半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the memory cell is driven by the same circuit in the reading, the rewriting, and the writing. 請求項2において、前記読出しと前記書込みの間に、前記書込みパルス電流に先行してそれと逆極性のパルス電流を印加することを特徴とする半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 2, wherein a pulse current having a polarity opposite to that of the write pulse current is applied between the read and the write. 複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点に配置される複数のメモリセルとを具備してなり、
前記複数のメモリセルの夫々は、相変化素子を含み、
前記ワード線のハイレベルを、前記ビット線を駆動する電源電圧より高く、ゲート酸化膜に対して5MV/cmまたはそれ以下となる電圧とするものであり、
リード動作時に前記複数のメモリセルから読出した情報を再書込みし、
前記読出しと前記再書込みの間に、前記再書込みパルス電流に先行してそれと逆極性のパルス電流を印加することを特徴とする半導体装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells arranged at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Each of the plurality of memory cells includes a phase change element;
The high level of the word line is higher than the power supply voltage for driving the bit line, and is a voltage that is 5 MV / cm or less with respect to the gate oxide film ,
Rewrite information read from the plurality of memory cells during a read operation,
A semiconductor device , wherein a pulse current having a polarity opposite to that of the rewriting pulse current is applied between the reading and the rewriting .
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点に配置される複数のメモリセルとを具備してなり、
前記複数のメモリセルの夫々は、相変化素子を含み、
前記ワード線のローレベルの電位を、接地電位より低くするものであり、
リード動作時に前記複数のメモリセルから読出した情報を再書込みし、
前記読出しと前記再書込みの間に、前記再書込みパルス電流に先行してそれと逆極性のパルス電流を印加することを特徴とする半導体装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells arranged at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Each of the plurality of memory cells includes a phase change element;
A low level potential of the word line is made lower than a ground potential ;
Rewrite information read from the plurality of memory cells during a read operation,
A semiconductor device , wherein a pulse current having a polarity opposite to that of the rewriting pulse current is applied between the reading and the rewriting .
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点に配置される複数のメモリセルと、複数の書込み・読出し回路を具備してなり、
前記複数のメモリセルの夫々は、相変化素子を含み、
前記複数のメモリセルは、対応する前記複数の書込み・読出し回路に同時に接続できるものであり、
リード動作時に前記複数のメモリセルから読出した情報を再書込みし、
前記読出しと前記再書込みの間に、前記再書込みパルス電流に先行してそれと逆極性のパルス電流を印加することを特徴とする半導体装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells arranged at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines, and a plurality of write / read circuits;
Each of the plurality of memory cells includes a phase change element;
The plurality of memory cells can be simultaneously connected to the corresponding plurality of write / read circuits ,
Rewrite information read from the plurality of memory cells during a read operation,
A semiconductor device , wherein a pulse current having a polarity opposite to that of the rewriting pulse current is applied between the reading and the rewriting .
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