JP4992859B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、プログラム可能な半導体装置の配線構造、該配線構造を有する論理集積回路装置、演算回路装置、メモリ装置と、それらのプログラミング回路に関する。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a wiring structure of a programmable semiconductor device, a logic integrated circuit device having the wiring structure, an arithmetic circuit device, a memory device, and a programming circuit thereof.

従来の半導体集積回路は、半導体基板に形成されたトランジスタ等の素子と、該素子を接続するために半導体基板の上層に形成された配線構造を備えて構成されている。配線は、集積回路の設計段階でパターンが決められており、半導体集積回路製造後に、トランジスタ同士の接続を変更することは不可能である。   A conventional semiconductor integrated circuit includes an element such as a transistor formed on a semiconductor substrate and a wiring structure formed on an upper layer of the semiconductor substrate to connect the element. The wiring has a pattern determined at the design stage of the integrated circuit, and it is impossible to change the connection between the transistors after manufacturing the semiconductor integrated circuit.

FPGA(Field Programmable Gate Array)などのプログラム可能な半導体集積回路は、前記課題を解決することが可能である。プログラム可能な半導体集積回路は、論理回路や演算回路の動作や論理回路や演算回路同士の接続をメモリに記憶することで、論理動作や配線の接続の変更を可能にしている。ここで、構成情報の記憶を行うメモリ素子としては、SRAM(Static Random Access Memory)セル、アンチヒューズ、フローティングゲートMOSトランジスタなどを用いている。   A programmable semiconductor integrated circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) can solve the above problems. The programmable semiconductor integrated circuit stores the operation of the logic circuit and the arithmetic circuit and the connection between the logic circuit and the arithmetic circuit in a memory, thereby making it possible to change the logic operation and the wiring connection. Here, an SRAM (Static Random Access Memory) cell, an antifuse, a floating gate MOS transistor, or the like is used as a memory element for storing configuration information.

また、DRAM(Dynamic Random Access Memory)セルや強誘電体キャパシタなどを用いることもできる。   A DRAM (Dynamic Random Access Memory) cell, a ferroelectric capacitor, or the like can also be used.

米国特許第6,487,106号明細書US Pat. No. 6,487,106

従来の半導体集積回路では、製造後に不具合が発見された場合や設計の変更を行った場合には、配線パターンを設計し直してから、再度製造を行う必要がある。   In the conventional semiconductor integrated circuit, when a defect is found after manufacturing or when the design is changed, it is necessary to redesign the wiring pattern and then perform manufacturing again.

また、設計変更がある場合には、配線パターンの再設計やマスクの製造のために、莫大なコストが発生してしまう。集積回路の大規模化に伴い、製造後に不具合が発生する確率は益々高くなり、また、微細化に伴いマスクのコストは急激に高騰している。そのため、マスクの作り直しを行うことなく製造後の不具合の修正や仕様の変更に対応できる技術が求められる。   In addition, when there is a design change, enormous costs are required for redesigning the wiring pattern and manufacturing the mask. Along with the increase in scale of integrated circuits, the probability of occurrence of defects after manufacturing is increasing, and the cost of masks is rapidly increasing with miniaturization. For this reason, there is a need for a technique that can cope with correction of defects after manufacturing and change of specifications without remaking the mask.

また、FPGAなどのプログラム可能な半導体集積回路はメモリの記憶内容を変更することで、回路構成を変更することが可能であるが、メモリ素子が半導体基板上のトランジスタと同じ層に形成されているため、非常に大きな面積を占有する問題がある。このことから、プログラム可能な集積回路はチップ面積が大きくなり、製造コストが上昇する。
また、このようなメモリ素子が大きな面積を占有するFPGAでは、論理回路や演算回路同士の接続を変更する配線スイッチの面積が大きくなるために、チップ面積に占める論理回路や演算回路の割合が低くなってしまうも問題がある。このため、通常のFPGAでは1つの論理回路や演算回路に出来るだけ多くの機能を持たせ、論理回路や演算回路の粒度を大きくすることで、チップ面積に占める論理回路や演算回路の割合を高めている。しかし、このような粒度の粗い論理回路や演算回路は、割り当てられる機能によっては無駄が生じるために、使用効率が低くなってしまう問題がある。
In addition, a programmable semiconductor integrated circuit such as an FPGA can change the circuit configuration by changing the memory content, but the memory element is formed in the same layer as the transistor on the semiconductor substrate. Therefore, there is a problem of occupying a very large area. For this reason, a programmable integrated circuit has a large chip area and an increased manufacturing cost.
Further, in an FPGA in which such a memory element occupies a large area, the area of the wiring switch for changing the connection between the logic circuit and the arithmetic circuit becomes large, so that the ratio of the logic circuit and the arithmetic circuit in the chip area is low. There is a problem even if it becomes. For this reason, in an ordinary FPGA, one logic circuit or arithmetic circuit is provided with as many functions as possible, and by increasing the granularity of the logic circuit or arithmetic circuit, the proportion of the logic circuit or arithmetic circuit in the chip area is increased. ing. However, such a coarse-grained logic circuit or arithmetic circuit has a problem that the use efficiency is low because it is wasted depending on the assigned function.

また、今後は回路の構成情報を記憶しているメモリ素子のリーク電流により消費電力が大きくなることや、宇宙線によるソフトエラーにより記憶内容が破壊されるといった問題が現れてくる。   In the future, there will be a problem that the power consumption increases due to the leakage current of the memory element storing circuit configuration information, and the stored contents are destroyed due to a soft error caused by cosmic rays.

また、スイッチ回路は、メモリ回路とパストランジスタ、または、これらが一体化した素子によって構成されるが、該素子のオン抵抗は、数百オームから数キロオームと大きく、信号の遅延が大きくなる問題がある。   In addition, the switch circuit includes a memory circuit and a pass transistor, or an element in which these are integrated, but the on-resistance of the element is as large as several hundred ohms to several kilohms, and there is a problem in that the signal delay increases. is there.

一方で、プログラム可能な素子としてヒューズやアンチヒューズを用いたFPGAもある。アンチヒューズなどこれらの素子は、オン抵抗を数百Ω程度に小さく出来るが、一度オンまたはオフの状態にプログラムを行うと、元の状態に戻すことが不可能である。したがって、本発明が解決しようとする製造後の回路の修正や、機能の変更に対応することができない。   On the other hand, there is an FPGA using a fuse or an antifuse as a programmable element. These elements such as antifuses can have an on-resistance as small as several hundred Ω, but once programmed to an on or off state, they cannot be restored to their original state. Therefore, it is impossible to cope with correction of a circuit after manufacture and a change in function which the present invention intends to solve.

したがって、本発明の目的は、製造後に配線接続構成の変更を可能とし、製造後の半導体集積回路、メモリ装置等において、不具合の修正や仕様の変更を可能とし、コスト低減を図る半導体装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of changing the wiring connection configuration after manufacturing, enabling correction of defects and changing specifications in the semiconductor integrated circuit, memory device, etc. after manufacturing, and reducing costs. There is to do.

本発明の他の目的は、チップ面積の低減を図る、再構成可能な半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a reconfigurable semiconductor device that reduces the chip area.

さらに、本発明の他の目的は、粒度が細かい論理回路や演算回路を用いて、論理回路や演算回路の使用効率が高い、再構成可能な半導体装置を提供することにある。   It is another object of the present invention to provide a reconfigurable semiconductor device that uses a logic circuit or arithmetic circuit with a fine granularity and has high use efficiency of the logic circuit or arithmetic circuit.

さらに、本発明の他の目的は、信号の遅延の低減を図る、再構成可能な半導体装置を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to provide a reconfigurable semiconductor device that reduces signal delay.

前記目的を達成する本発明の1つのアスペクトに係る半導体装置は、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極間に介在され、金属イオンが伝導するイオン伝導体と、を有し、前記第2の電極は、前記第1の電極よりもイオン化傾向の低い材料よりなり、前記金属イオンの酸化還元反応によって、前記第1の電極と前記第2の電極間の導電率が変化する2端子スイッチ素子と、前記第1の電極に接続された、互いに異なる極性の第1及び第2のトランジスタと、前記第2の電極に接続された、互いに異なる極性の第3及び第4のトランジスタと、を含むスイッチ回路を備えている。   A semiconductor device according to one aspect of the present invention that achieves the above object includes a first electrode, a second electrode, and a metal ion that is interposed between the first electrode and the second electrode. The second electrode is made of a material having a lower ionization tendency than the first electrode, and the first electrode and the second electrode are formed by a redox reaction of the metal ion. A two-terminal switch element in which the conductivity between the electrodes changes, the first and second transistors having different polarities connected to the first electrode, and the different polarities connected to the second electrode A switch circuit including the third and fourth transistors.

本発明においては、素子が形成される基板と、前記基板上層に設けられる配線構造と、を有し、前記配線構造のうち、互いに離間した第1の端部と第2の端部の間に導電率可変型の部材を含む配線を有し、前記配線構造内に、前記配線の前記第1の端部と前記第2の端部を2端子とするスイッチ素子を備えている。   The present invention includes a substrate on which an element is formed and a wiring structure provided in an upper layer of the substrate, and the first and second end portions separated from each other in the wiring structure. A wiring element including a variable conductivity type member is provided, and a switching element having the first end and the second end of the wiring as two terminals is provided in the wiring structure.

本発明において、前記導電率可変型の部材を含む配線が接続孔である。本発明において、前記導電率可変型の部材は、電解質材料やカルコゲナイド材料等であり、スイッチ素子の2端子間は短絡、開放、短絡と開放の中間状態のいずれかに可変に設定される。   In the present invention, the wiring including the variable conductivity type member is a connection hole. In the present invention, the variable conductivity type member is an electrolyte material, a chalcogenide material, or the like, and the two terminals of the switch element are variably set to a short circuit, an open state, or an intermediate state between the short circuit and the open state.

本発明の他のアスペクトに係る半導体装置は、素子が形成される基板と、前記基板上層に設けられる配線構造と、を有し、前記配線構造のうち、互いに離間した第1の端部と第2の端部の間に導電率可変型の部材を含む配線を有する一の配線層と、さらに前記配線層と別の配線層に、前記導電率可変型の部材を覆い前記第1の端部と第2の端部と一部で重なる配線を有し、前記配線構造内に、前記一の配線層の配線の前記第1の端部と前記第2の端部が第1、第2の端子をなし、前記第1の端部と第2の端部と一部で重なる前記別の配線層の配線が前記制御端子をなす3端子のスイッチ素子を、を備えてなる、ことを特徴とする。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a substrate on which an element is formed, and a wiring structure provided on an upper layer of the substrate. One wiring layer having a wiring including a variable conductivity type member between two end portions, and further, the first end portion covering the variable conductivity type member in a wiring layer different from the wiring layer And a wiring that partially overlaps the second end, and the first end and the second end of the wiring of the one wiring layer are in the first and second ends in the wiring structure. A three-terminal switching element that forms a terminal and the wiring of the other wiring layer that partially overlaps the first end portion and the second end portion forms the control terminal. To do.

本発明の他のアスペクトに係る半導体装置は、2本の配線間に配置された電解質材料から導電性物質を析出させたり、溶解させたりすることで、2本の配線間の導電率を変化させる、不揮発性スイッチ素子を提供する。本発明によれば、これらのスイッチ素子を用いて再構成可能な論理回路や演算回路を構成したり、トランジスタ同士の接続にこれらのスイッチ素子を用いたりすることで、プログラム可能な論理回路や演算回路、メモリ回路などの半導体装置を形成する。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention changes conductivity between two wirings by depositing or dissolving a conductive substance from an electrolyte material disposed between the two wirings. A non-volatile switch element is provided. According to the present invention, a programmable logic circuit or arithmetic circuit can be configured by configuring a reconfigurable logic circuit or arithmetic circuit using these switch elements, or by using these switch elements for connecting transistors. A semiconductor device such as a circuit or a memory circuit is formed.

本発明の他のアスペクトに係る半導体装置は、第1の電極と、前記第1の電極と隣り合う第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極とに対向する第3の電極と、前記第1の電極と、前記第2の電極、前記第3の電極間に介在された金属イオンが伝導するイオン伝導体と、を有し、前記第1の電極と前記第2の電極の少なくとも一方は、前記第3の電極よりイオン化傾向の低い材料であり、前記金属イオンの酸化還元反応によって前記第1の電極と第2の電極間の導電率が変化する3端子スイッチ素子を備え、さらに、前記第1の電極に接続された、互いに異なる極性の第1及び第2のトランジスタと、前記第2の電極に接続された、互いに異なる極性の第3及び第4のトランジスタと、前記第3の電極に接続された、互いに異なる極性の第5及び第6のトランジスタを備えている。   A semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a first electrode, a second electrode adjacent to the first electrode, and a third electrode facing the first electrode and the second electrode. An ion conductor that conducts metal ions interposed between the first electrode, the second electrode, and the third electrode, the first electrode and the second electrode At least one of the electrodes is a material having a lower ionization tendency than the third electrode, and a three-terminal switch element in which the conductivity between the first electrode and the second electrode is changed by an oxidation-reduction reaction of the metal ion. And first and second transistors having different polarities connected to the first electrode, and third and fourth transistors having different polarities connected to the second electrode, Different polarities connected to the third electrode And a fifth and sixth transistors.

本発明によれば、製造後の半導体集積回路において、配線の接続の変更が可能とされているため、製造後の半導体集積回路において、不具合の修正や仕様の変更が可能となり、低コストでの半導体集積回路の開発や生産を可能としている。   According to the present invention, since it is possible to change the connection of wiring in a semiconductor integrated circuit after manufacture, it is possible to correct defects and change specifications in the semiconductor integrated circuit after manufacture. It enables development and production of semiconductor integrated circuits.

また、従来のプログラム可能な集積回路で用いられていた、構成情報を記憶するためのメモリ素子またはメモリ回路と、配線同士の接続を行うためのパストランジスタの双方を、本発明の配線構造で置き換えることが可能である。   Also, both the memory element or memory circuit for storing configuration information and the pass transistor for connecting the wirings, which are used in the conventional programmable integrated circuit, are replaced with the wiring structure of the present invention. It is possible.

本発明によれば、スイッチ素子は、配線層中に多層に積層することが可能であり、単位面積あたりのスイッチ素子の密度を高めることが可能である。   According to the present invention, the switch elements can be stacked in multiple layers in the wiring layer, and the density of the switch elements per unit area can be increased.

さらに、本発明は、このスイッチ素子は基板上に形成されたスイッチ素子と異なり、基盤に流れるリーク電流が無いため、消費電力を小さくすることが可能である。   Further, according to the present invention, unlike the switch element formed on the substrate, the switch element has no leakage current flowing through the substrate, so that power consumption can be reduced.

また、このスイッチ素子はパストランジスタに比べてオン抵抗が小さいため、負荷の駆動能力を高くでき、回路を高速動作させることが可能である。このように、本発明の配線構造は、従来のメモリ素子とパストランジスタの組み合わせと比較して、占有面積、消費電力、動作速度などの点で優れた特性を提供する。本発明によれば、面積、遅延、リーク電流、ソフトエラー耐性などの特性を向上した再構成可能な半導体装置を提供することができる。   In addition, since this switch element has a smaller on-resistance than a pass transistor, the load driving capability can be increased and the circuit can be operated at high speed. As described above, the wiring structure of the present invention provides superior characteristics in terms of occupied area, power consumption, operation speed, and the like, as compared with a conventional combination of a memory element and a pass transistor. According to the present invention, it is possible to provide a reconfigurable semiconductor device having improved characteristics such as area, delay, leakage current, and soft error resistance.

添付図面を用いて、発明を実施するための最良の形態について以下説明する。   The best mode for carrying out the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明の配線構造の第1の実施形態を示す図である。図1(A)は、本発明のプログラム可能なスイッチ回路の立体構造を説明するための図である。図1(A)を参照すると、本発明に係わる配線構造の実施形態は、半導体基板100、第1の配線層101、第2の配線層102、ビア形状のスイッチ素子103を備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a wiring structure according to the present invention. FIG. 1A is a diagram for explaining a three-dimensional structure of a programmable switch circuit according to the present invention. Referring to FIG. 1A, an embodiment of a wiring structure according to the present invention includes a semiconductor substrate 100, a first wiring layer 101, a second wiring layer 102, and a via-shaped switch element 103.

半導体基板100には、トランジスタなどの素子が形成されている。第1の配線層101と第2の配線層102は、それぞれ平面状の配線を有しており、配線は銅やアルミニウムなどの導電性材料からなる。スイッチ機能を有するビア103は、第1の配線層101の中の配線の1本と、第2の配線層102の中の配線の1本を接続するための縦の配線である。   Elements such as transistors are formed on the semiconductor substrate 100. The first wiring layer 101 and the second wiring layer 102 each have a planar wiring, and the wiring is made of a conductive material such as copper or aluminum. The via 103 having a switching function is a vertical wiring for connecting one wiring in the first wiring layer 101 and one wiring in the second wiring layer 102.

ビア103の内部、または、ビア103と第1の配線層101の配線、または第2の配線層102の配線が接触する部分には、金属イオンを含有する電解質材料が配置され、導電性材料を析出させる方法により、導電率を変える。   An electrolyte material containing metal ions is disposed in the via 103 or in a portion where the via 103 and the wiring of the first wiring layer 101 or the wiring of the second wiring layer 102 are in contact with each other. The conductivity is changed by the method of precipitation.

例えば、図1(B)に示すように、ビア103に電解質材料104として、硫化銅(Cu2S)を配置し、この電解質材料と、第1の配線層101が接続される部分に、銅の電極(「第1の電極」と呼ぶ)105を配設し、電解質材料と第2の配線層が接続される部分に、チタンや白金など酸化され難い材料の電極(「第2の電極」と呼ぶ)106を配設する。   For example, as shown in FIG. 1B, copper sulfide (Cu 2 S) is disposed as an electrolyte material 104 in the via 103, and a copper electrode is formed at a portion where the electrolyte material and the first wiring layer 101 are connected. (Referred to as “first electrode”) 105 is disposed, and an electrode made of a material that is difficult to oxidize such as titanium or platinum (referred to as “second electrode”) is connected to the portion where the electrolyte material and the second wiring layer are connected. ) 106 is disposed.

図1(B)において、第1の電極105に正の電圧を印加し、第2の電極106に負の電圧を印加すると、基本的に、金属メッキと同様の原理にしたがって、第2の電極106から電解質材料104に電子(e−)が供給され、第2の電極106付近で硫化銅の中の銅イオン(Cu2+)が還元され(Cu2++2e−→Cu)、第2の電極106付近に、銅(Cu)が析出する。さらに、電圧を印加することで、第2の電極106から析出した銅が第1の電極105に向かって成長し、第1の電極105と接触する。このとき、第1の電極105と第2の電極106は、析出した銅によって接続されるため、両端子間の抵抗は小さくできる。この状態での具体的な両端子間の抵抗値(オン抵抗)としては、50Ω以下にすることも可能であり、パストランジスタを用いた接続に比べて、抵抗値を10分の1から100分の1程度に低減できる。   In FIG. 1B, when a positive voltage is applied to the first electrode 105 and a negative voltage is applied to the second electrode 106, the second electrode basically follows the same principle as metal plating. Electrons (e−) are supplied from 106 to the electrolyte material 104, copper ions (Cu2 +) in the copper sulfide are reduced in the vicinity of the second electrode 106 (Cu2 + 2 + 2e− → Cu), and in the vicinity of the second electrode 106, Copper (Cu) is deposited. Further, by applying a voltage, copper deposited from the second electrode 106 grows toward the first electrode 105 and comes into contact with the first electrode 105. At this time, since the first electrode 105 and the second electrode 106 are connected by the deposited copper, the resistance between both terminals can be reduced. In this state, the specific resistance value between both terminals (on-resistance) can be 50Ω or less, and the resistance value is reduced to 1/10 to 100 minutes compared to the connection using the pass transistor. Can be reduced to about 1.

また、この状態から、第1の電極105に負の電圧を、第2の電極106に正の電圧を印加すると、第1の電極105と第2の電極106の間に析出していた銅が酸化され(Cu→Cu2++2e−)、電解質材料104中に、再び銅イオン(Cu2+)となって溶け出し、第1の電極105と第2の電極106の接続が断たれる。この状態での第1の電極105と第2の電極106の間の電気抵抗(オフ抵抗)は、電解質材料104の厚みや、ビア103の面積にも依存するが、試作した素子では1MΩ以上と高抵抗である。かかる動作原理により、第1の配線層101の配線と、第2の配線層102の配線を、短絡または開放させることができ、スイッチ素子として利用することが可能である。また、短絡と開放の状態は、1000回以上繰り返し再プログラムすることが可能である。さらに、この短絡または開放させた状態は、常温では1000時間以上保持されることが確認されている。なお、本発明に係るビア構成を、スタックトビアに適用してもよいことは勿論である。   From this state, when a negative voltage is applied to the first electrode 105 and a positive voltage is applied to the second electrode 106, the copper deposited between the first electrode 105 and the second electrode 106 is removed. Oxidized (Cu → Cu2 + 2e−) and dissolved again in the electrolyte material 104 as copper ions (Cu2 +), and the connection between the first electrode 105 and the second electrode 106 is broken. The electrical resistance (off-resistance) between the first electrode 105 and the second electrode 106 in this state depends on the thickness of the electrolyte material 104 and the area of the via 103, but is 1 MΩ or more in the prototype device. High resistance. With such an operation principle, the wiring of the first wiring layer 101 and the wiring of the second wiring layer 102 can be short-circuited or opened, and can be used as a switch element. Moreover, the short circuit and the open state can be reprogrammed repeatedly 1000 times or more. Furthermore, it has been confirmed that this short-circuited or opened state is maintained for 1000 hours or more at room temperature. Of course, the via structure according to the present invention may be applied to a stacked via.

図2は、本発明の配線構造の別の実施形態を示す図である。図2を参照すると、本発明の配線構造は、半導体基板100、第1の配線層111、第2の配線層112を備えている。   FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the wiring structure of the present invention. Referring to FIG. 2, the wiring structure of the present invention includes a semiconductor substrate 100, a first wiring layer 111, and a second wiring layer 112.

半導体基板100は、トランジスタなどの素子を有している。第1の配線層111と第2の配線層112は、それぞれ平面状の配線を有しており、配線は銅やアルミなどの導電性材料からなる。第1の配線層111の2本の配線は、微小な空隙117を介して近接しており、ソース電極114とドレイン電極115を形成している。空隙117の内部とその周辺には、電解質材料113が積層されており、その上に、第2の配線層112の配線が配設され、ゲート電極116を構成している。空隙117は、一例として10nm〜1μmの範囲としてもよい。   The semiconductor substrate 100 has elements such as transistors. The first wiring layer 111 and the second wiring layer 112 each have a planar wiring, and the wiring is made of a conductive material such as copper or aluminum. The two wirings of the first wiring layer 111 are close to each other through a minute gap 117 to form a source electrode 114 and a drain electrode 115. An electrolyte material 113 is laminated inside and around the gap 117, and the wiring of the second wiring layer 112 is disposed thereon to constitute the gate electrode 116. The space | gap 117 is good also as the range of 10 nm-1 micrometer as an example.

電解質材料113では、ゲート116に適切な電圧または電流を印加することにより、電解質材料から導電性材料を析出させる方法で、導電率を変える。   In the electrolyte material 113, the conductivity is changed by applying a suitable voltage or current to the gate 116 to deposit a conductive material from the electrolyte material.

例えば、ソース電極114とドレイン電極115を、チタンや白金など酸化されにくい材料とし、ゲート電極116を銅で構成し、それらの間に配置される部材113を硫化銅(Cu2S)とした場合について説明する。   For example, a case where the source electrode 114 and the drain electrode 115 are made of a material that is not easily oxidized such as titanium or platinum, the gate electrode 116 is made of copper, and the member 113 disposed therebetween is made of copper sulfide (Cu 2 S) will be described. To do.

ゲート電極116に正の電圧、ソース電極114とドレイン電極115に負の電圧を与えると、金属メッキと同様の原理により、ソース電極114とドレイン電極115付近で、硫化銅に電子が供給され、硫化銅中の銅イオンCu2+が還元され、図37(a)に示すように、ソース電極114とドレイン電極115付近で銅119が析出する。さらに電圧を印加すると、この銅の析出物119が徐々に成長し、図37(b)に示すように、やがてソース電極114から成長した銅の析出物と、ドレイン電極115から成長した銅の析出物が接触し、両者は電気的に接続される。   When a positive voltage is applied to the gate electrode 116 and a negative voltage is applied to the source electrode 114 and the drain electrode 115, electrons are supplied to the copper sulfide in the vicinity of the source electrode 114 and the drain electrode 115 according to the same principle as metal plating. Copper ions Cu 2+ in the copper are reduced, and copper 119 is deposited in the vicinity of the source electrode 114 and the drain electrode 115 as shown in FIG. When a voltage is further applied, this copper precipitate 119 gradually grows, and eventually copper precipitates grown from the source electrode 114 and copper precipitates grown from the drain electrode 115 as shown in FIG. Things come into contact and they are electrically connected.

逆に、ソース電極114とドレイン電極115に正の電圧を、ゲート電極116に負の電圧を印加すると、ソース電極114およびドレイン電極115付近に析出していた銅119が酸化され、再び電解質材料中に溶け出し、ソース電極114とドレイン電極115の間の接続は断たれる。   Conversely, when a positive voltage is applied to the source electrode 114 and the drain electrode 115 and a negative voltage is applied to the gate electrode 116, the copper 119 deposited near the source electrode 114 and the drain electrode 115 is oxidized, and again in the electrolyte material. And the connection between the source electrode 114 and the drain electrode 115 is broken.

これにより、ソース114とドレイン115を短絡または開放させることができる。このようにして、ゲート116に印加する電圧または電流により、ソース114とドレイン115の間の導電率を調整することができる3端子スイッチ素子118が、基板上層の配線層の中に形成される。   Thereby, the source 114 and the drain 115 can be short-circuited or opened. In this way, the three-terminal switch element 118 capable of adjusting the conductivity between the source 114 and the drain 115 by the voltage or current applied to the gate 116 is formed in the wiring layer on the upper layer of the substrate.

図1または図2に示したスイッチ素子として、電解質材料の酸化還元反応を用いたものである場合は、少なくとも1つの端子に、第1の電極材料として、白金、アルミニウム、金、銀、銅、チタン、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、または、これらの金属の窒化物、または、これらの金属のシリ化物のいずれか1つを有する。また、別の少なくとも1つの端子に第2の電極材料として、銅、銀、クロム、タンタル、タングステンなどを有し、第1の電極と第2の電極の間に第2の電極材料の硫化物など、金属イオンを含有する電解質材料、または、第2の電極からイオン化して溶け出した金属イオンが、自由に動くことができる電解質材料が配置された構造を有する。かかる電極構造により、端子間に電圧を印加するか電流を流すことで、該電解質材料中の金属イオンの酸化還元反応により端子間の金属析出物の量が変わり、金属析出物により端子間を短絡または開放させることで、端子間の導電率を変更することが出来る。   When the switch element shown in FIG. 1 or 2 uses an oxidation-reduction reaction of an electrolyte material, at least one terminal and platinum, aluminum, gold, silver, copper, It includes any one of titanium, tungsten, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, nitrides of these metals, or silicides of these metals. Another at least one terminal includes copper, silver, chromium, tantalum, tungsten, or the like as the second electrode material, and the sulfide of the second electrode material between the first electrode and the second electrode. For example, an electrolyte material containing metal ions or a metal ion ionized and melted from the second electrode has a structure in which an electrolyte material that can move freely is arranged. With this electrode structure, the amount of metal precipitates between the terminals changes due to the oxidation-reduction reaction of metal ions in the electrolyte material by applying a voltage or flowing current between the terminals, and the terminals are short-circuited by the metal precipitates. Alternatively, the electrical conductivity between the terminals can be changed by opening.

図3は、前記のスイッチ素子を用いた半導体集積回路の断面構成を模式的に説明する図である。図3を参照すると、本発明に係る半導体集積回路の一実施形態は、半導体基板100、半導体基板100に形成された複数の論理回路121、122、123、第1の配線層101、第2の配線層102、通常のビア126、前記実施形態で説明したスイッチング機能を有するビア103a、103bを備えている。   FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of a semiconductor integrated circuit using the switch element. Referring to FIG. 3, an embodiment of a semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a semiconductor substrate 100, a plurality of logic circuits 121, 122, 123 formed on the semiconductor substrate 100, a first wiring layer 101, a second wiring layer. The wiring layer 102, the normal via 126, and the vias 103a and 103b having the switching function described in the above embodiment are provided.

半導体基板100は、複数の論理回路が形成されており、複数の論理回路が第1の配線層101、第2の配線層102またはその他の配線層の配線で接続されている。異なる配線層の配線はビア126または103で接続される。   A plurality of logic circuits are formed on the semiconductor substrate 100, and the plurality of logic circuits are connected by wiring of the first wiring layer 101, the second wiring layer 102, or other wiring layers. Wirings in different wiring layers are connected by vias 126 or 103.

この実施形態では、一部のビアは、図1に示したような導電率を変えられるビア103であり、残りのビアは、通常の導電性材料のビア126である。このような構成の半導体集積回路においては、導電率が変えられるビアの状態を制御することによって、回路の動作を変更することができる。   In this embodiment, some vias are vias 103 with variable conductivity as shown in FIG. 1, and the remaining vias are vias 126 of normal conductive material. In the semiconductor integrated circuit having such a configuration, the operation of the circuit can be changed by controlling the state of the via whose conductivity is changed.

例えば、論理回路121と123から出力が得られ、論理回路122に信号を入力する場合を考えると、ビア103aの導電率が高く、ビア103bの導電率が低く設定された場合には、論理回路122は論理回路121の出力結果に依存して動作する。逆に、ビア103aの導電率が低く、ビア103bの導電率が高く設定された場合には、論理回路122は論理回路123の出力結果に依存して動作する。このようにして、導電率を変えることが出来るビア103a、103bの設定を変えることで、論理回路122の動作を変更することが出来る。   For example, in the case where outputs are obtained from the logic circuits 121 and 123 and a signal is input to the logic circuit 122, when the conductivity of the via 103a is set high and the conductivity of the via 103b is set low, the logic circuit 122 operates depending on the output result of the logic circuit 121. On the other hand, when the conductivity of the via 103 a is low and the conductivity of the via 103 b is set high, the logic circuit 122 operates depending on the output result of the logic circuit 123. In this manner, the operation of the logic circuit 122 can be changed by changing the settings of the vias 103a and 103b that can change the conductivity.

図4は、図3の回路の導電率が変えられるビア103a及び103bを、3端子デバイス118a及び118bに置き換えたものである。図4を参照すると、本発明に係る半導体集積回路の一実施形態は、半導体基板100、半導体基板100に形成された複数の論理回路131、132、133、第1の配線層111、第2の配線層112、第2の配線層に形成されたゲート端子116a、116b、図2に示したようにゲート端子の電圧によって第1の配線層の2つの端子の導電率を変えることができる3端子デバイス118a及び118b、3端子デバイス118の中で端子間の導電率を変える役割を果たす材料113を備えている。   FIG. 4 is a diagram in which the vias 103a and 103b in which the conductivity of the circuit of FIG. 3 is changed are replaced with three-terminal devices 118a and 118b. Referring to FIG. 4, an embodiment of a semiconductor integrated circuit according to the present invention includes a semiconductor substrate 100, a plurality of logic circuits 131, 132, 133 formed on the semiconductor substrate 100, a first wiring layer 111, a second wiring layer. The wiring layer 112, the gate terminals 116a and 116b formed in the second wiring layer, and the three terminals that can change the conductivity of the two terminals of the first wiring layer by the voltage of the gate terminal as shown in FIG. In the devices 118a and 118b, the three-terminal device 118 is provided with a material 113 that serves to change the conductivity between the terminals.

図4に示す回路においては、ゲート116a、116bに、適切な電圧または電流を印加することにより、3端子デバイス118a、118bのチャネル間の導電率を変えることが可能である。例えば、3端子デバイス118aの導電率を高く、3端子デバイス118bの導電率を低く設定すると、論理回路132は論理回路131と接続され、逆に3端子デバイス118aの導電率を低く、3端子デバイス118bの導電率を高く設定することで、論理回路132は論理回路133と接続される。このようにして、3端子デバイス118aと118bの導電率を適切に設定することで、論理回路132の動作を変更することができる。   In the circuit shown in FIG. 4, the conductivity between the channels of the three-terminal devices 118a and 118b can be changed by applying an appropriate voltage or current to the gates 116a and 116b. For example, when the conductivity of the three-terminal device 118a is set high and the conductivity of the three-terminal device 118b is set low, the logic circuit 132 is connected to the logic circuit 131, and conversely, the conductivity of the three-terminal device 118a is lowered. By setting the conductivity of 118b high, the logic circuit 132 is connected to the logic circuit 133. In this way, the operation of the logic circuit 132 can be changed by appropriately setting the conductivity of the three-terminal devices 118a and 118b.

以下、前記実施形態で説明した本発明に係るスイッチ素子を、プログラム可能な論理回路、メモリ装置等に適用した各種実施例について図面を参照して説明する。   Hereinafter, various examples in which the switch element according to the present invention described in the above embodiment is applied to a programmable logic circuit, a memory device, and the like will be described with reference to the drawings.

図5は、本発明のスイッチ素子を用いたプログラム可能な論理回路の一実施例の構成を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a programmable logic circuit using the switch element of the present invention.

図5を参照すると、本実施例の半導体集積回路は、複数の入力端子150、セレクタ回路151、複数のスイッチ素子152、センス回路153、出力端子154を備えている。ここで、スイッチ152素子は、図1、図3に示したビア103、または、図2、図4に示したスイッチ素子118のように配線層に形成され、2端子間の導電率が変えられるものである。   Referring to FIG. 5, the semiconductor integrated circuit of this embodiment includes a plurality of input terminals 150, a selector circuit 151, a plurality of switch elements 152, a sense circuit 153, and an output terminal 154. Here, the switch 152 element is formed in the wiring layer like the via 103 shown in FIGS. 1 and 3 or the switch element 118 shown in FIGS. 2 and 4, and the conductivity between the two terminals is changed. Is.

セレクタ回路151は、スイッチ素子152の出力と、センス回路153の入力との間に3個直列に接続され8個のスイッチ素子152に対応して8行備え、3本の入力150のそれぞれについてインバータ153−1による反転信号と正転信号をゲートに入力とするパストランジスタ153−2がアレイ状に配設されている。3本の入力信号150が”000”のときは、第1列のスイッチ素子152の出力が選択されてセンス回路153に伝達され、3本の入力信号150が”001”のときは、第2列のスイッチ素子152の出力が選択されてセンス回路153に伝達され、以下同様にして、3本の入力信号150が”111”のときは、第8列のスイッチ素子152の出力が選択されてセンス回路153に伝達される。セレクタ回路151の出力はセンス回路153のインバータ153−1に入力され、インバータ153−1の入力と電源間にはpチャネルMOSトランジスタ153−2が接続されている。   The selector circuit 151 includes three rows connected in series between the output of the switch element 152 and the input of the sense circuit 153, corresponding to the eight switch elements 152, and an inverter for each of the three inputs 150. Pass transistors 153-2 having the inverted signal of 153-1 and the normal signal input to the gate are arranged in an array. When the three input signals 150 are “000”, the output of the switch element 152 in the first column is selected and transmitted to the sense circuit 153, and when the three input signals 150 are “001”, the second The output of the switch element 152 in the column is selected and transmitted to the sense circuit 153. Similarly, when the three input signals 150 are “111”, the output of the switch element 152 in the eighth column is selected. This is transmitted to the sense circuit 153. The output of the selector circuit 151 is input to the inverter 153-1 of the sense circuit 153, and a p-channel MOS transistor 153-2 is connected between the input of the inverter 153-1 and the power source.

図5に示す回路において、入力150の論理の組み合わせにより、セレクタ151がスイッチ素子152の中から、入力した論理に対応するスイッチを1つ選択し、選択されたスイッチ素子152の導電率が高ければ、定電位155に接続され、低ければ開放される。   In the circuit shown in FIG. 5, the selector 151 selects one switch corresponding to the input logic from the switch elements 152 according to the logic combination of the input 150, and the selected switch element 152 has a high conductivity. , Connected to a constant potential 155 and open if low.

センス回路153が、これらの状態を判別することによって”1”または”0”を出力する。例えばスイッチ素子152は、導電率が高い状態を”0”、導電率が低い状態を”1”と規定し、予め導電率がプログラムされており、このプログラムの内容によって、入力と出力の間の論理関数が設定される。スイッチ素子152のプログラミングを行う場合には、セレクタによりプログラミングを行うスイッチ素子を選択し、センス回路から適切な電圧を印加することで、選択されたスイッチ素子の2端子間に電圧が印加され、導電率が変更される。また、スイッチ素子152が3端子デバイス118である場合には、ゲート端子116に適切な電圧を印加することで、導電率が変更される。   The sense circuit 153 discriminates these states and outputs “1” or “0”. For example, the switch element 152 defines a high conductivity state as “0” and a low conductivity state as “1”, and the conductivity is programmed in advance. A logical function is set. When programming the switch element 152, the switch element to be programmed is selected by the selector, and an appropriate voltage is applied from the sense circuit, whereby a voltage is applied between the two terminals of the selected switch element, and the conductive element The rate is changed. Further, when the switch element 152 is the three-terminal device 118, the conductivity is changed by applying an appropriate voltage to the gate terminal 116.

図6は、本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能なセレクタ回路の一実施例の構成を示す図である。図6を参照すると、本実施例のセレクタ回路は、複数の入出力端子160、複数のスイッチ素子161、1つの入出力端子162を備えている。スイッチ素子161は、図1の103または図2の118のように配線層に形成され、2端子間の導電率が変えられるものである。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a programmable selector circuit using the switch element according to the present invention. Referring to FIG. 6, the selector circuit of this embodiment includes a plurality of input / output terminals 160, a plurality of switch elements 161, and one input / output terminal 162. The switch element 161 is formed in the wiring layer as indicated by 103 in FIG. 1 or 118 in FIG. 2, and the conductivity between the two terminals can be changed.

図6に示す回路において、複数あるスイッチ素子161の中から、1つのスイッチ素子の導電率を高くし、残りのスイッチ素子の導電率を低くすることで、複数ある入出力端子160の中の任意の1つの端子と、入出力端子162を接続することができる。これにより、例えば、複数ある入力の中から1つの入力を選択して出力するセレクタや、複数ある信号線の中から任意の信号線に信号を出力するといったことが可能となる。このセレクタ回路の入出力端子160の中から任意の選んだ1つと、入出力端子162の間の導電率を高くしたい場合には、入出力端子160の中の任意に選んだ端子に、ある一定の電圧を印加し、入出力端子160のその他の端子には別の電圧が印加される。このとき、入出力端子162はオープンまたは、トランジスタや抵抗素子を介して一定の電圧にバイアスされている。   In the circuit shown in FIG. 6, by increasing the conductivity of one switch element among the plurality of switch elements 161 and decreasing the conductivity of the remaining switch elements, any one of the plurality of input / output terminals 160 can be selected. Can be connected to the input / output terminal 162. Thereby, for example, a selector that selects and outputs one input from a plurality of inputs, or a signal can be output to an arbitrary signal line from the plurality of signal lines. When it is desired to increase the conductivity between any one of the input / output terminals 160 of the selector circuit and the input / output terminal 162, the arbitrarily selected terminal of the input / output terminals 160 has a certain constant value. And another voltage is applied to the other terminals of the input / output terminal 160. At this time, the input / output terminal 162 is open or biased to a constant voltage via a transistor or a resistance element.

図7は、本発明の別の実施例の構成を示す図である。本実施例は、図6に示したセレクタに制御ゲートを付加したものである。図7を参照すると、本実施例のセレクタ回路は、複数の入出力端子160と、複数のスイッチ素子161と、複数のトランジスタ171と、制御入力172と、1つの入出力端子162を備えている。   FIG. 7 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. In this embodiment, a control gate is added to the selector shown in FIG. Referring to FIG. 7, the selector circuit of this embodiment includes a plurality of input / output terminals 160, a plurality of switch elements 161, a plurality of transistors 171, a control input 172, and one input / output terminal 162. .

図7の回路において、制御入力172から与える信号により、トランジスタ171をオフ状態とし、スイッチ素子161に電圧や電流が印加されないようにすることが可能である。これにより、プログラミングを行いたいスイッチ素子161に接続されているトランジスタ171だけをオン状態にし、他のトランジスタ171をオフ状態にすることで、スイッチ素子161を選択的にプログラミングすることができる。トランジスタ171は、スイッチ素子161と入力端子160の間に配置されていてもよい。また、トランジスタ171のゲート端子に接続されている制御入力172は、全てのトランジスタで共通であっても良いし、各々のトランジスタに別個の制御入力が接続されていてもよい。   In the circuit of FIG. 7, the signal supplied from the control input 172 can turn off the transistor 171 so that no voltage or current is applied to the switch element 161. Thus, only the transistor 171 connected to the switch element 161 to be programmed is turned on and the other transistors 171 are turned off, so that the switch element 161 can be selectively programmed. The transistor 171 may be disposed between the switch element 161 and the input terminal 160. Further, the control input 172 connected to the gate terminal of the transistor 171 may be common to all the transistors, or a separate control input may be connected to each transistor.

図8は、本発明の別の実施例の構成を示す図である。本実施例は、図6または図7のセレクタ回路にバイアス回路を付加したものである。図8を参照すると、本実施例のセレクタ回路は、複数の入出力端子160、複数のスイッチ素子161、トランジスタ、抵抗素子、またはそれらの組み合わせからなる回路180、定電圧源181、1つの入出力端子162を備えている。   FIG. 8 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. In this embodiment, a bias circuit is added to the selector circuit of FIG. 6 or FIG. Referring to FIG. 8, the selector circuit of this embodiment includes a plurality of input / output terminals 160, a plurality of switch elements 161, a circuit 180 composed of transistors, resistor elements, or a combination thereof, a constant voltage source 181, and one input / output. A terminal 162 is provided.

図8の回路は、スイッチ素子161をプログラミングする際にスイッチ素子161の2端子間に適切な電圧が印加されるようにする回路である。例えば、スイッチ素子161は、入出力端子160側に正の電圧、入出力端子162側に負の電圧を印加された場合(「順バイアス」と呼ぶ)にオン状態になり、逆向きに電圧を印加された場合(「逆バイアス」と呼ぶ)にはオフになるものとする。ここで、入出力端子160の1つに、1ボルトの電圧を印加し、入出力端子160の他の端子には、0ボルトを印加し、入出力端子162は開放し、定電圧源181は0ボルトであるとする。この場合、入出力端子162は、抵抗素子またはトランジスタ180を介して0ボルトに接地されており、スイッチ素子161の1つ(「A」と呼ぶ)は、入力端子160から1ボルトが印加されているので、このスイッチ素子Aには、順バイアスが印加され、オン状態になる。すると、入出力端子160から1ボルトの電圧がスイッチ素子Aを介して、入出力端子162に伝わり、入出力端子162の電位が上昇する。すると、A以外のスイッチ素子には、逆バイアスが印加されるので、A以外のスイッチ素子はオフ状態となる。このようにして、入出力端子162の電圧が適切な電圧になるような回路を付加することで、任意の1つのスイッチ素子の導電率を高くすることができる。抵抗素子またはトランジスタ180が入出力端子160側に付加され、入出力端子160にもバイアス電圧を与えるようなプログラミング方法も可能である。   The circuit of FIG. 8 is a circuit that applies an appropriate voltage between two terminals of the switch element 161 when programming the switch element 161. For example, the switch element 161 is turned on when a positive voltage is applied to the input / output terminal 160 side and a negative voltage is applied to the input / output terminal 162 side (referred to as “forward bias”), and the voltage is reversed. When applied (referred to as “reverse bias”), it shall be off. Here, a voltage of 1 volt is applied to one of the input / output terminals 160, 0 volt is applied to the other terminals of the input / output terminal 160, the input / output terminal 162 is opened, and the constant voltage source 181 is Assume that it is 0 volts. In this case, the input / output terminal 162 is grounded to 0 volt through a resistance element or transistor 180, and one volt (referred to as “A”) of the switch element 161 is applied with 1 volt from the input terminal 160. Therefore, a forward bias is applied to the switch element A and the switch element A is turned on. Then, a voltage of 1 volt is transmitted from the input / output terminal 160 to the input / output terminal 162 via the switch element A, and the potential of the input / output terminal 162 is increased. Then, since a reverse bias is applied to the switch elements other than A, the switch elements other than A are turned off. In this way, by adding a circuit in which the voltage of the input / output terminal 162 becomes an appropriate voltage, the conductivity of any one switch element can be increased. A programming method in which a resistance element or transistor 180 is added to the input / output terminal 160 side and a bias voltage is applied to the input / output terminal 160 is also possible.

図9は、本発明の別の実施例の構成を示す図である。本実施例は、図8のセレクタ回路に制御ゲートを付加したものである。図9を参照すると、本実施例のセレクタ回路は、複数の入出力端子160、複数のスイッチ素子161、トランジスタ、抵抗素子、またはそれらの組み合わせからなる回路180、トランジスタ190、定電圧源181、制御入力191、1つの入出力端子162を備えている。   FIG. 9 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention. In this embodiment, a control gate is added to the selector circuit of FIG. Referring to FIG. 9, the selector circuit of this embodiment includes a plurality of input / output terminals 160, a plurality of switch elements 161, a circuit 180 composed of transistors, resistor elements, or a combination thereof, a transistor 190, a constant voltage source 181, and a control. An input 191 and one input / output terminal 162 are provided.

図9に示す回路において、制御入力191により、トランジスタ190をオフにすることができる。これにより、スイッチ素子161のプログラミング時には入出力端子162に適正な電圧が印加されるように回路180を機能させ、逆にセレクタとして動作する際にはトランジスタ190をオフにすることで、回路180がセレクタの動作に影響しないようにすることができる。   In the circuit shown in FIG. 9, the transistor 190 can be turned off by the control input 191. Accordingly, the circuit 180 functions so that an appropriate voltage is applied to the input / output terminal 162 during programming of the switch element 161, and conversely, when the switch 180 operates as a selector, the transistor 190 is turned off. It is possible not to affect the operation of the selector.

図10は、本発明の別の実施例として、図6から図9に示した本実施例のセレクタ回路の応用例の1つを示す図である。図10を参照すると、本実施例の半導体集積回路は、複数の入力端子200、前記のセレクタ回路201、論理回路202、出力端子203、グローバル配線204を備えている。配線204は他の論理回路との接続に用いられる長さが数十ミクロンから数ミリ程度の配線である。   FIG. 10 is a diagram showing one application example of the selector circuit of this embodiment shown in FIGS. 6 to 9 as another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, the semiconductor integrated circuit of this embodiment includes a plurality of input terminals 200, the selector circuit 201, the logic circuit 202, the output terminal 203, and the global wiring 204. The wiring 204 is a wiring having a length of about several tens of microns to several millimeters used for connection with other logic circuits.

図10に示す回路において、セレクタ201により、入力端子200のうちの1つが論理回路202の入力端子に接続される。論理回路の出力203は、セレクタ201がどの入力端子を選択するかによって動作が変わる。これにより、他の論理回路と接続される配線204と、論理回路202に接続を変更することができる。   In the circuit shown in FIG. 10, one of the input terminals 200 is connected to the input terminal of the logic circuit 202 by the selector 201. The operation of the output 203 of the logic circuit varies depending on which input terminal the selector 201 selects. Thus, the connection to the wiring 204 connected to another logic circuit and the logic circuit 202 can be changed.

図11は、本発明の別の実施例として、図6から図9に示した本発明のセレクタ回路の応用例の1つを示す図である。図11を参照すると、本実施例の半導体集積回路は、前述したセレクタ回路211、論理回路202、複数の出力端子213、他の論理回路と接続されたグローバル配線204を備えている。配線204は他の論理回路との接続に用いられる長さが数十ミクロンから数ミリ程度の配線である。図11に示す回路では、セレクタ211により、論理回路202の出力を配線204の中の任意に選択した1つまたは複数の配線に伝播させることができる。   FIG. 11 is a diagram showing one application example of the selector circuit of the present invention shown in FIGS. 6 to 9 as another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the semiconductor integrated circuit of this embodiment includes the selector circuit 211, the logic circuit 202, the plurality of output terminals 213, and the global wiring 204 connected to other logic circuits. The wiring 204 is a wiring having a length of about several tens of microns to several millimeters used for connection with other logic circuits. In the circuit illustrated in FIG. 11, the selector 211 can propagate the output of the logic circuit 202 to one or more wirings arbitrarily selected in the wiring 204.

図12は、本発明のスイッチ素子を適用したプログラム可能な論理回路(半導体集積回路)の一実施例の構成を示す図である。図12を参照すると、本実施例は、複数の入力端子220、複数個のスイッチ素子221、論理ゲート222、出力端子223を備えている。ここで、入力端子220の本数がM本、論理ゲート222の入力端子の総数がN本だとすると、スイッチ素子221はこれら縦横の配線の各交点に1つずつ配置され、スイッチ素子221の総数はM×N個となる。   FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a programmable logic circuit (semiconductor integrated circuit) to which the switch element of the present invention is applied. Referring to FIG. 12, this embodiment includes a plurality of input terminals 220, a plurality of switch elements 221, a logic gate 222, and an output terminal 223. Here, if the number of input terminals 220 is M and the total number of input terminals of the logic gate 222 is N, one switch element 221 is arranged at each intersection of the vertical and horizontal wirings, and the total number of switch elements 221 is M. × N.

スイッチ素子221は、図1のビア103または図2のスイッチ素子118のように配線層に形成され、2端子間の導電率が変えられるものである。   The switch element 221 is formed in the wiring layer like the via 103 in FIG. 1 or the switch element 118 in FIG. 2, and the conductivity between the two terminals can be changed.

図12に示す回路は、NANDやインバータなどの単純なゲートが規則的に配置された論理回路(論理ゲート)222と、入出力される信号の接続を変更するスイッチ素子221によって、入力と出力の間の論理関数を変更することができる。   The circuit shown in FIG. 12 includes an input and an output by a logic circuit (logic gate) 222 in which simple gates such as NANDs and inverters are regularly arranged and a switch element 221 that changes connection of input and output signals. The logic function between can be changed.

図13(a)乃至図13(d)に、その構成例を示す。図13は、本発明の配線構造を適用した、論理関数をプログラム可能な半導体集積回路の例である。図13を参照すると、本実施例の半導体集積回路は、スイッチマトリクス400、NANDゲート401〜404、インバータ405〜408、スイッチマトリクス409、スイッチマトリクス410を備えている。スイッチマトリクス400、409、410の配線の交点には、図1または図2に示した構造のスイッチ素子を有する。   An example of the configuration is shown in FIGS. FIG. 13 shows an example of a semiconductor integrated circuit to which a logic function can be programmed, to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 13, the semiconductor integrated circuit of this embodiment includes a switch matrix 400, NAND gates 401 to 404, inverters 405 to 408, a switch matrix 409, and a switch matrix 410. At the intersections of the wirings of the switch matrices 400, 409, and 410, the switch elements having the structure shown in FIG. 1 or FIG. 2 are provided.

これら交点のうち、縦の配線と横の配線がスイッチ素子により接続される部分は黒い点411で示される。また、これら交点のうち黒い点411が付されて無いものは、縦の配線と横の配線を接続するスイッチ素子がオープンの状態で接続されていないことを示す。   Of these intersections, a portion where the vertical wiring and the horizontal wiring are connected by the switch element is indicated by a black dot 411. In addition, among the intersections, those without the black dot 411 indicate that the switch elements that connect the vertical wiring and the horizontal wiring are not connected in an open state.

図13(a)は、この半導体集積回路を用いて半加算器を構成した例である。スイッチマトリクス400、409、410を適切にプログラムすることで、論理ゲート401〜408の接続を変更し、図13(b)に示した半加算器と等価な回路を構成できる。   FIG. 13A shows an example in which a half adder is configured using this semiconductor integrated circuit. By appropriately programming the switch matrices 400, 409, and 410, the connection of the logic gates 401 to 408 can be changed, and a circuit equivalent to the half adder shown in FIG. 13B can be configured.

図13(c)は、この半導体集積回路を用いてイネーブル入力つきセットリセットフリップフロップを構成した例である。スイッチマトリクス400、409、410を適切にプログラムすることで、論理ゲート401〜408の接続を変更し、図13(d)に示したフリップフロップ(イネーブル入力つきセットリセット)と等価な回路を構成できる。   FIG. 13C shows an example in which a set-reset flip-flop with an enable input is configured using this semiconductor integrated circuit. By appropriately programming the switch matrices 400, 409, and 410, the connection of the logic gates 401 to 408 can be changed, and a circuit equivalent to the flip-flop (set reset with enable input) shown in FIG. .

図14は、図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクス400、409、410の接続を変更する方法の一例を説明するための図である。図14を参照すると、このスイッチマトリクスは、横方向の配線424、縦方向の配線422、スイッチ素子420、横方向の配線424を定電位に設定するためのトランジスタ426を備えている。ここで、スイッチ素子420は図1または図2に示した配線層中に形成されたスイッチ素子であり、縦配線と横配線の交点の数だけ配置される。例えば、縦の配線422がm本、横の配線424がn本の場合、このスイッチはm×n個配置される。これらスイッチ素子の初期状態は全てオフであると仮定する。また、このスイッチ素子の2つある端子のうち、縦配線422に接続される側の端子に正の電圧を、横配線424に接続される側の端子に負の電圧を印加し、両端子間の電位差がしきい値VTHよりも大きい場合にスイッチがオン状態に遷移するものとする。 FIG. 14 is a diagram for explaining an example of a method for changing the connection of the switch matrices 400, 409, and 410 of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. Referring to FIG. 14, the switch matrix includes a horizontal wiring 424, a vertical wiring 422, a switch element 420, and a transistor 426 for setting the horizontal wiring 424 to a constant potential. Here, the switch element 420 is a switch element formed in the wiring layer shown in FIG. 1 or 2, and is arranged by the number of intersections of the vertical wiring and the horizontal wiring. For example, when there are m vertical wirings 422 and n horizontal wirings 424, m × n switches are arranged. Assume that the initial states of these switch elements are all off. Further, of the two terminals of the switch element, a positive voltage is applied to a terminal connected to the vertical wiring 422 and a negative voltage is applied to a terminal connected to the horizontal wiring 424. Assume that the switch transitions to the ON state when the potential difference between is greater than the threshold value V TH .

図14に示す回路において、ターゲットとなるスイッチ素子420aをオフ状態からオン状態にする場合には、スイッチ素子420aと接続されている縦配線422aにしきい値VTHよりも高い電圧(ここでは2VTH)を印加する。さらに、スイッチ素子420aと接続されている横配線424aは、トランジスタ426aをオンにすることにより接地する。すると、ターゲットとなるスイッチ素子420aの両端子間には、スイッチ素子のしきい値VTHよりも高い電圧2VTHが印加されるので、スイッチがオン状態に遷移する。このとき、ターゲットとなるスイッチ素子420aと接続されていない縦配線422には、しきい値VTHよりも低い電圧(ここではVTH)を印加し、スイッチ素子420aと接続されていない横配線424は、トランジスタ426がオフ状態であり、縦配線422の電圧VTHが伝播している。そのため、縦配線422aと横配線424に接続されている素子の両端子には、それぞれ2VTHとVTHが印加されるため、端子間電圧はVTHとなるが、この電圧はしきい値電圧をVTHを超えないので、スイッチの状態は変わらない。また、縦配線422と横配線424aに接続されている素子の両端子には、VTHと0ボルトが印加されるため、端子間電圧はVTHとなるが、この電圧もしきい値電圧をVTH超えないので、スイッチの状態は変わらない。縦配線422と横配線424に接続されている素子の両端子にはVTHが印加されるため、端子間電圧はゼロであり、スイッチの状態は変わらない。このようにして、任意に選択したスイッチ素子420aの状態だけをオン状態に遷移させることができる。 In the circuit shown in FIG. 14, when the target switch element 420a is changed from the OFF state to the ON state, a voltage higher than the threshold value V TH (here, 2V TH) is applied to the vertical wiring 422a connected to the switch element 420a. ) Is applied. Further, the horizontal wiring 424a connected to the switch element 420a is grounded by turning on the transistor 426a. Then, since the voltage 2V TH higher than the threshold value V TH of the switch element is applied between both terminals of the target switch element 420a, the switch transits to the ON state. At this time, a voltage lower than the threshold value V TH (here, V TH ) is applied to the vertical wiring 422 not connected to the target switch element 420a, and the horizontal wiring 424 not connected to the switch element 420a. The transistor 426 is in an OFF state, and the voltage V TH of the vertical wiring 422 is propagated. Therefore, since 2V TH and V TH are applied to both terminals of the elements connected to the vertical wiring 422a and the horizontal wiring 424, respectively, the voltage between the terminals becomes V TH , but this voltage is the threshold voltage. Does not exceed V TH , so the switch state does not change. Further, since V TH and 0 volt are applied to both terminals of the element connected to the vertical wiring 422 and the horizontal wiring 424a, the voltage between the terminals becomes V TH, and this voltage also has a threshold voltage V Since TH does not exceed, the state of the switch does not change. Since VTH is applied to both terminals of the elements connected to the vertical wiring 422 and the horizontal wiring 424, the voltage between the terminals is zero, and the state of the switch does not change. In this way, only the state of the arbitrarily selected switch element 420a can be shifted to the on state.

図15は、図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクス400、409、410の接続を変更する方法の一例を示す図である。図15を参照すると、このスイッチマトリクスは、横方向の配線501、縦方向の配線500、スイッチ素子504、縦配線500とスイッチ素子504との間に直列に挿入されたトランジスタ505、トランジスタ505のゲート端子を制御するための制御線502を備えている。ここで、スイッチ素子504は、図1または図2に示した配線層中に形成されたスイッチ素子103、118であり、縦配線と横配線の交点の数だけ配置される。例えば、縦の配線500がm本、横の配線501がn本の場合、このスイッチはm×n個配置される。これらスイッチ素子の2つある端子のうち、縦配線500に接続される側の端子に正の電圧を、横配線501に接続される側の端子に負の電圧を印加した場合にスイッチがオン状態に遷移し、逆方向に電圧を印加するとオフ状態に遷移するものとする。   FIG. 15 is a diagram showing an example of a method for changing the connection of the switch matrices 400, 409, and 410 of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. Referring to FIG. 15, the switch matrix includes a horizontal wiring 501, a vertical wiring 500, a switch element 504, a transistor 505 inserted in series between the vertical wiring 500 and the switch element 504, and a gate of the transistor 505. A control line 502 for controlling the terminals is provided. Here, the switch elements 504 are the switch elements 103 and 118 formed in the wiring layer shown in FIG. 1 or FIG. 2, and are arranged by the number of intersections of the vertical wiring and the horizontal wiring. For example, when there are m vertical wirings 500 and n horizontal wirings 501, m × n switches are arranged. Of these two terminals of the switch element, when a positive voltage is applied to the terminal connected to the vertical wiring 500 and a negative voltage is applied to the terminal connected to the horizontal wiring 501, the switch is turned on. When a voltage is applied in the reverse direction, the state transitions to the off state.

図15に示す回路において、ターゲットとなるスイッチ素子504aをオン状態にして、縦配線500aと横配線501aを接続する場合には、スイッチ素子504aと接続されている縦配線500aに1ボルト程度の電圧が印加される。スイッチ素子504aと接続されていない縦配線500は接地される。さらに、スイッチ素子504aと接続されているトランジスタ505aのゲートには、トランジスタ505aがオンになるように、制御端子502aに電圧が印加される。そのほかの制御端子502は接地される。すると、縦配線500aと隣の縦配線500の間に印加された電圧は、ターゲットとなるスイッチ素子504aと、ターゲット以外のスイッチ素子504bによって抵抗分割され、スイッチ素子504aには順方向バイアスが、スイッチ素子504bには逆方向バイアスが印加される。このとき、順方向バイアスが印加されたスイッチ素子504aは、オン状態に遷移し、逆方向バイアスが印加されたスイッチ素子504bは、オフ状態に遷移する。逆方向バイアスが印加されたスイッチ素子504bが全てオフ状態に遷移した後は、横方向の配線501aを接地して、スイッチ素子504aに、さらに順方向バイアスを印加することが可能である。   In the circuit shown in FIG. 15, when the target switching element 504a is turned on and the vertical wiring 500a and the horizontal wiring 501a are connected, a voltage of about 1 volt is applied to the vertical wiring 500a connected to the switching element 504a. Is applied. The vertical wiring 500 that is not connected to the switch element 504a is grounded. Further, a voltage is applied to the control terminal 502a so that the transistor 505a is turned on at the gate of the transistor 505a connected to the switch element 504a. Other control terminals 502 are grounded. Then, the voltage applied between the vertical wiring 500a and the adjacent vertical wiring 500 is resistance-divided by the switch element 504a serving as the target and the switch element 504b other than the target, and the forward bias is applied to the switch element 504a. A reverse bias is applied to the element 504b. At this time, the switch element 504a to which the forward bias is applied transitions to the on state, and the switch element 504b to which the reverse bias is applied transitions to the off state. After all of the switch elements 504b to which the reverse bias is applied have transitioned to the OFF state, the forward wiring can be further applied to the switch element 504a by grounding the horizontal wiring 501a.

このようにして、スイッチ素子504aがオンとなり、スイッチ素子504bがオフとなることで、任意に選択した配線500aと配線501aが接続される。このとき、制御信号502は接地されているため、トランジスタ505はオフ状態であり、スイッチ素子504の両端子間には電圧が印加されず、スイッチ素子504のインピーダンスは変化しない。このため、他の横方向の配線501に接続されるスイッチ素子には影響を及ぼさない。   In this manner, the switch element 504a is turned on and the switch element 504b is turned off, so that the arbitrarily selected wiring 500a and the wiring 501a are connected. At this time, since the control signal 502 is grounded, the transistor 505 is in an off state, no voltage is applied between both terminals of the switch element 504, and the impedance of the switch element 504 does not change. For this reason, the switch element connected to the other wiring 501 in the horizontal direction is not affected.

図16は、図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクス400、409、410の接続を変更する方法を説明するための図である。図16を参照すると、このスイッチマトリクスは、横方向の配線511、縦方向の配線510、スイッチ素子513、スイッチ素子513のゲート端子を制御するための制御線512を備えている。ここで、スイッチ素子513は、図2に示した配線層中に形成されたスイッチ素子118であり、縦配線と横配線の交点の数だけ配置される。例えば、縦の配線510がm本、横の配線511がn本の場合、このスイッチは、m×n個配置される。   FIG. 16 is a diagram for explaining a method of changing the connection of the switch matrices 400, 409, and 410 of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. Referring to FIG. 16, the switch matrix includes a horizontal wiring 511, a vertical wiring 510, a switch element 513, and a control line 512 for controlling the gate terminal of the switch element 513. Here, the switch element 513 is the switch element 118 formed in the wiring layer shown in FIG. 2, and is arranged by the number of intersections of the vertical wiring and the horizontal wiring. For example, when there are m vertical wirings 510 and n horizontal wirings 511, m × n switches are arranged.

これらスイッチ素子513の3つある端子のうち、制御線512に接続されているゲート端子に正の電圧を印加し、縦配線510に接続される側の端子または横配線511に接続される側の端子の少なくともいずれか一方に負の電圧を印加した場合に、当該スイッチ素子513がオン状態に遷移し、逆方向に電圧を印加すると、オフ状態に遷移するものとする。   Among these three terminals of the switch element 513, a positive voltage is applied to the gate terminal connected to the control line 512, and the terminal connected to the vertical wiring 510 or the side connected to the horizontal wiring 511 is connected. When a negative voltage is applied to at least one of the terminals, the switch element 513 transitions to an on state, and when a voltage is applied in the reverse direction, it transitions to an off state.

図16に示す回路において、ターゲットとなるスイッチ素子513aをオン状態にして、縦の配線510aと横配線511aを接続する場合には、スイッチ素子513aと接続されている縦配線510aは接地される。スイッチ素子513aと接続されていない縦配線510には1ボルト程度の電圧が印加される。さらに、スイッチ素子513aと接続されている制御端子512aには1ボルト程度の電圧が印加される。そのほかの制御端子512は開放する。すると、スイッチ素子513aの制御ゲートに正の電圧が印加され、縦配線510aと接続されている端子は接地されるため、スイッチ素子513aがオン状態になる。スイッチ素子513bは、制御ゲートと縦配線の両方に1ボルト程度の電圧が印加されているため状態は変わらない。制御端子512に接続されているスイッチ素子513は、制御端子が開放されているため、制御端子での電子の授受が行われないため、スイッチ素子の状態は変化しない。このようにして、スイッチ素子513aがオンになることで、任意に選択した配線510aと配線511aが接続される。   In the circuit shown in FIG. 16, when the switch element 513a as a target is turned on and the vertical wiring 510a and the horizontal wiring 511a are connected, the vertical wiring 510a connected to the switch element 513a is grounded. A voltage of about 1 volt is applied to the vertical wiring 510 that is not connected to the switch element 513a. Further, a voltage of about 1 volt is applied to the control terminal 512a connected to the switch element 513a. Other control terminals 512 are opened. Then, a positive voltage is applied to the control gate of the switch element 513a, and the terminal connected to the vertical wiring 510a is grounded, so that the switch element 513a is turned on. The switch element 513b does not change its state because a voltage of about 1 volt is applied to both the control gate and the vertical wiring. Since the switch element 513 connected to the control terminal 512 is open at the control terminal, electrons are not exchanged at the control terminal, so that the state of the switch element does not change. In this manner, when the switch element 513a is turned on, the arbitrarily selected wiring 510a and the wiring 511a are connected.

図17(A)及び(B)は、図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクス400、409、410の立体構造の一実施例を示したものである。図17(A)及び(B)を参照すると、このスイッチマトリクスは、半導体基板100、半導体基板100上に形成された配線431、配線同士を接続(短絡)または開放するスイッチ素子432を備えている。また、スイッチ素子432は、配線層に2次元状または3次元状に配置され、半導体基板100とは、別平面にスイッチマトリクス433を形成している。図13における論理ゲート401〜408は、半導体基板100上に形成されている。なお、図17(A)では、スイッチ素子432は、異なる配線層の配線431間の縦方向、図17(B)では、スイッチ素子432は、縦と横の配線間(同一配線層)に設けられている。   FIGS. 17A and 17B show an embodiment of the three-dimensional structure of the switch matrices 400, 409, and 410 of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. Referring to FIGS. 17A and 17B, this switch matrix includes a semiconductor substrate 100, wirings 431 formed on the semiconductor substrate 100, and switch elements 432 that connect (short-circuit) or open the wirings. . The switch elements 432 are two-dimensionally or three-dimensionally arranged in the wiring layer, and a switch matrix 433 is formed on a different plane from the semiconductor substrate 100. Logic gates 401 to 408 in FIG. 13 are formed on the semiconductor substrate 100. Note that in FIG. 17A, the switch element 432 is provided in the vertical direction between the wirings 431 of different wiring layers, and in FIG. 17B, the switch element 432 is provided between the vertical and horizontal wirings (same wiring layer). It has been.

一方、図18は、本発明の比較例(本発明の構成を採用しない構成)をなすスイッチマトリクスの立体構造の一例を示す図である。図18を参照すると、比較例によるスイッチマトリクス433は、半導体基板100、配線431、半導体基板100に形成されたメモリ素子442、半導体基板に形成されたパストランジスタ443を備えている。比較例によるスイッチマトリクスは、配線層だけでなく、半導体基板上のメモリ回路やパストランジスタを必要とし、論理ゲート430とは別の場所に形成されるため、面積が非常に大きくなる。また、パストランジスタのオン抵抗が大きいために信号の伝播遅延が大きくなる問題がある。さらに、今後は半導体基板上に形成された回路のリーク電流が大きくなることや、ソフトエラーによりメモリ素子に記憶されたコンフィグレーション情報が破壊されるなどの問題が起こることが予想される。このような理由から、図17に示した、本発明に係るスイッチマトリクスは、面積、遅延、リーク電流、ソフトエラー耐性などの点で、従来の技術で構成したものよりも有利である。   On the other hand, FIG. 18 is a diagram showing an example of a three-dimensional structure of a switch matrix that constitutes a comparative example of the present invention (a configuration not employing the configuration of the present invention). Referring to FIG. 18, the switch matrix 433 according to the comparative example includes a semiconductor substrate 100, wiring 431, a memory element 442 formed on the semiconductor substrate 100, and a pass transistor 443 formed on the semiconductor substrate. The switch matrix according to the comparative example requires not only a wiring layer but also a memory circuit and a pass transistor on a semiconductor substrate, and is formed at a location different from the logic gate 430, so that the area becomes very large. In addition, since the on-resistance of the pass transistor is large, there is a problem that a signal propagation delay is increased. Furthermore, in the future, it is expected that problems such as an increase in leakage current of a circuit formed on the semiconductor substrate and destruction of configuration information stored in the memory element due to a soft error will occur. For this reason, the switch matrix according to the present invention shown in FIG. 17 is more advantageous than the conventional one in terms of area, delay, leakage current, soft error resistance, and the like.

図19は、本発明の配線構造を適用したスイッチボックスの一実施例を示す図である。図19を参照すると、本実施例のスイッチボックスは、複数の入出力端子230と、入出力端子230の中の2つの端子を接続する複数のスイッチ素子231を備えている。スイッチ素子231は、図1の103または図2の118のように配線層に形成され、2端子間の導電率が変えられるものである。   FIG. 19 is a diagram showing an embodiment of a switch box to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 19, the switch box of this embodiment includes a plurality of input / output terminals 230 and a plurality of switch elements 231 that connect two terminals of the input / output terminals 230. The switch element 231 is formed in the wiring layer as indicated by 103 in FIG. 1 or 118 in FIG. 2, and the conductivity between the two terminals can be changed.

図19に示す回路は、任意のスイッチ素子をオン状態にすることで、ある任意の入出力端子と、別の任意の入出力端子を接続するものである。また、複数のスイッチ素子をオン状態にすることで、ある1つの端子から入力された信号を、複数の配線ノードに出力することも可能である。   The circuit shown in FIG. 19 connects an arbitrary input / output terminal and another arbitrary input / output terminal by turning on an arbitrary switch element. In addition, by turning on a plurality of switch elements, it is possible to output a signal input from a certain terminal to a plurality of wiring nodes.

スイッチ素子231は、入出力端子230の中から選ばれる2端子の組み合わせ全てに対して配置されている場合もあり、または一部に対して配置されている場合もある。図19は、4つの入出力端子230を有し、これらの中から選ばれる2端子の組み合わせ全てに対してスイッチが配置されている例である。このような、N個の入出力端子の中から全ての2端子の組み合わせに対してスイッチ素子が配置される場合は、スイッチ素子は個必要となる。 The switch element 231 may be arranged for all combinations of two terminals selected from the input / output terminals 230, or may be arranged for a part thereof. FIG. 19 shows an example in which four input / output terminals 230 are provided, and switches are arranged for all combinations of two terminals selected from these. When such switch elements are arranged for all combinations of two terminals among the N input / output terminals, two N C switch elements are required.

図20は、本発明の配線構造を適用したプログラム可能な半導体集積回路の一実施例を示す図である。図20を参照すると、本実施例の半導体集積回路は、複数の論理ブロック240、複数の論理ブロック240同士を接続するスイッチボックス241を備えている。   FIG. 20 is a diagram showing an embodiment of a programmable semiconductor integrated circuit to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 20, the semiconductor integrated circuit of the present embodiment includes a plurality of logic blocks 240 and a switch box 241 for connecting the plurality of logic blocks 240 to each other.

論理ブロック240は、図5のルックアップテーブルや、図12のプログラム可能なスイッチと論理ゲートの組み合わせにより、入力と出力の間の論理関数が任意にプログラムできる構造になっている。スイッチ241は図6のセレクタや図19のスイッチボックスが集まって出来ており、任意の入出力端子と別の任意の入出力端子を接続することが可能である。これらにより、任意の論理関数をプログラムした論理ブロック同士を任意に接続することで、所望の機能を実現する半導体集積回路を実現することができる。   The logic block 240 has a structure in which a logic function between an input and an output can be arbitrarily programmed by the look-up table of FIG. 5 or the combination of the programmable switch and logic gate of FIG. The switch 241 is made up of the selector in FIG. 6 and the switch box in FIG. 19, and can connect an arbitrary input / output terminal to another arbitrary input / output terminal. Accordingly, a semiconductor integrated circuit that realizes a desired function can be realized by arbitrarily connecting logic blocks programmed with an arbitrary logic function.

図21(A)及び(B)は、本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの一実施例の構成を示す図であり、(A)は断面構成、(B)は回路構成を示している。図21(A)及び(B)を参照すると、本実施例のメモリセルは、半導体基板100、半導体基板100に形成されたトランジスタ251、第1の配線層101、第2の配線層102、導電率が変えられるビア103(2端子スイッチ素子)、ビット線255、ワード線256、プレート線257を備えている。   FIGS. 21A and 21B are diagrams showing a configuration of an embodiment of a memory cell to which the wiring structure according to the present invention is applied, in which FIG. 21A shows a cross-sectional configuration and FIG. 21B shows a circuit configuration. Yes. Referring to FIGS. 21A and 21B, the memory cell of this embodiment includes a semiconductor substrate 100, a transistor 251, a first wiring layer 101, a second wiring layer 102, and a conductive layer formed on the semiconductor substrate 100. A via 103 (two-terminal switching element) whose rate is changed, a bit line 255, a word line 256, and a plate line 257 are provided.

導電率が変えられるビア103(2端子スイッチ素子)は、図1を参照して説明したように、金属硫化物などの電解質材料を含んでおり、端子間に印加される電圧または流れる電流により、端子付近で金属物質を析出または溶解させて端子間の導電率を変えることができる。この導電率が変えられるビア103の一側の端子は、トランジスタ251のソース端子またはドレイン端子に接続されている。また、トランジスタ251のソース端子またはドレイン端子のうち、ビア103に接続されていない側の端子は、ビット線255またはプレート線257に接続される。さらに、ビット線255またはプレート線257のうちトランジスタ251に接続されていない側の線は、ビア103の端子のうちトランジスタ251と接続されていない側の端子と接続される。トランジスタ251のゲート端子はワード線256に接続されている。   As described with reference to FIG. 1, the via 103 (two-terminal switch element) whose conductivity is changed includes an electrolyte material such as a metal sulfide. The electrical conductivity between the terminals can be changed by depositing or dissolving a metal substance in the vicinity of the terminals. A terminal on one side of the via 103 whose conductivity is changed is connected to a source terminal or a drain terminal of the transistor 251. Further, of the source terminal or the drain terminal of the transistor 251, the terminal that is not connected to the via 103 is connected to the bit line 255 or the plate line 257. Further, the line of the bit line 255 or the plate line 257 that is not connected to the transistor 251 is connected to the terminal of the via 103 that is not connected to the transistor 251. The gate terminal of the transistor 251 is connected to the word line 256.

このような構造のメモリセルを複数個有する半導体集積回路において、各メモリセルのビアの導電率を予めプログラムしておき、ある1つのメモリセルのワード線256の電圧を操作することで、トランジスタ251をオン状態とし、この状態でビット線255とプレート線257の間の導電率を検出することで、プログラムされている情報を読み出すことができる。   In a semiconductor integrated circuit having a plurality of memory cells having such a structure, the conductivity of the via of each memory cell is programmed in advance, and the voltage of the word line 256 of one memory cell is manipulated, whereby the transistor 251 Is turned on, and the programmed information can be read by detecting the conductivity between the bit line 255 and the plate line 257 in this state.

また、プログラム時には、ある1つのメモリセルのワード線256の電圧を操作することで、トランジスタ251をオン状態とし、この状態でビット線255とプレート線257の間に適正な電圧を印加するか電流を流すことで、ビア103の導電率を変えることができる。このように、本発明の配線構造を応用することで、情報の記憶を行うメモリ回路が実現できる。   Further, at the time of programming, the transistor 251 is turned on by manipulating the voltage of the word line 256 of a certain memory cell, and an appropriate voltage is applied between the bit line 255 and the plate line 257 in this state. , The conductivity of the via 103 can be changed. Thus, a memory circuit for storing information can be realized by applying the wiring structure of the present invention.

図22(A)及び図22(B)は、本発明の配線構造を適用したメモリセルの別の実施例の構成を示す図であり、(A)は断面構成、(B)は回路構成を示している。図22(A)及び(B)を参照すると、本実施例のメモリセルは、半導体基板100、半導体基板100に形成されたトランジスタ251、第1の配線層111、第2の配線層112、金属硫化物などを含む電解質材料113、電解質材料113中の金属析出物の量を制御するためのゲート端子116、ビット線255、ワード線256、プレート線257を備えている。   22A and 22B are diagrams showing the configuration of another embodiment of the memory cell to which the wiring structure of the present invention is applied. FIG. 22A shows a cross-sectional configuration, and FIG. 22B shows a circuit configuration. Show. 22A and 22B, the memory cell of this embodiment includes a semiconductor substrate 100, a transistor 251 formed on the semiconductor substrate 100, a first wiring layer 111, a second wiring layer 112, and a metal. An electrolyte material 113 containing sulfide and the like, a gate terminal 116 for controlling the amount of metal precipitates in the electrolyte material 113, a bit line 255, a word line 256, and a plate line 257 are provided.

電解質材料113とゲート116は、図2に示したように、第1の配線層111の2つの配線を短絡または開放させる機能を有する。電解質材料113は、金属硫化物などを含んでおり、端子間に印加される電圧または流れる電流により、端子付近で金属物質を析出または溶解させて、端子間の導電率を変えることができる。この電解質材料113と接する端子の1つは、トランジスタ251のソース端子またはドレイン端子に接続されている。また、トランジスタ251のソース端子またはドレイン端子のうち、電解質材料113と接する端子に接続されていない側の端子は、ビット線255またはプレート線257に接続される。さらに、ビット線255またはプレート線257のうちトランジスタ251に接続されていない側の線は、電解質材料113に接する端子のうちトランジスタ251と接続されていない側の端子と接続される。トランジスタ251のゲート端子はワード線256に接続される。   As shown in FIG. 2, the electrolyte material 113 and the gate 116 have a function of short-circuiting or opening the two wirings of the first wiring layer 111. The electrolyte material 113 contains a metal sulfide or the like, and the electrical conductivity between the terminals can be changed by depositing or dissolving a metal substance near the terminals by a voltage applied between the terminals or a flowing current. One terminal in contact with the electrolyte material 113 is connected to the source terminal or the drain terminal of the transistor 251. Further, of the source terminal or the drain terminal of the transistor 251, the terminal that is not connected to the terminal in contact with the electrolyte material 113 is connected to the bit line 255 or the plate line 257. Further, the line of the bit line 255 or the plate line 257 that is not connected to the transistor 251 is connected to the terminal that is not connected to the transistor 251 among the terminals in contact with the electrolyte material 113. The gate terminal of the transistor 251 is connected to the word line 256.

このような構造のメモリセルを複数個有する半導体集積回路において、各メモリセルの電解質材料113の導電率を予めプログラムしておき、ある1つのメモリセルのワード線256の電圧を操作することで、トランジスタ251をオン状態にし、この状態でビット線255とプレート線257の間の導電率を検出することで、プログラムされている情報を読み出すことができる。   In a semiconductor integrated circuit having a plurality of memory cells having such a structure, the conductivity of the electrolyte material 113 of each memory cell is programmed in advance, and the voltage of the word line 256 of one memory cell is manipulated, The programmed information can be read by turning on the transistor 251 and detecting the conductivity between the bit line 255 and the plate line 257 in this state.

また、プログラム時には、ビット線255、プレート線257、ゲート端子116の間に適正な電圧を印加するか電流を流すことで、電解質材料113の導電率を変えることができる。このように、本発明の配線構造を応用することで、情報の記憶を行うメモリ回路が実現できる。   At the time of programming, the conductivity of the electrolyte material 113 can be changed by applying an appropriate voltage or passing a current between the bit line 255, the plate line 257, and the gate terminal 116. Thus, a memory circuit for storing information can be realized by applying the wiring structure of the present invention.

図23は、本発明のメモリセルを用いたメモリセルアレイの一実施例の構成を示す図である。図23を参照すると、このメモリセルアレイは、ビット線255、ワード線256、スイッチ素子258、アクセストランジスタ251、プレート線257を備えている。スイッチ素子258とアクセストランジスタ251は、図21または図22に示したメモリセルを構成し、ビット線とワード線の交点の数だけ配置される。例えば、ビット線255がm本、ワード線256がn本の場合、このスイッチは、m×n個、マトリクス状に配置される。   FIG. 23 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a memory cell array using the memory cell of the present invention. Referring to FIG. 23, this memory cell array includes a bit line 255, a word line 256, a switch element 258, an access transistor 251, and a plate line 257. The switch element 258 and the access transistor 251 constitute the memory cell shown in FIG. 21 or FIG. 22, and are arranged by the number of intersections between the bit line and the word line. For example, when there are m bit lines 255 and n word lines 256, m × n switches are arranged in a matrix.

図23に示す回路において、メモリセルの情報の書き換えは、ターゲットとなるメモリセルのスイッチ素子のインピーダンスを変えることによって実現される。本実施例では、ワード線256aに、1ボルトから2ボルト程度の電圧が印加される。すると、アクセストランジスタ251aがオン状態になり、スイッチ素子258aの2端子間に、ビット線255の電圧とプレート線257の電圧がそれぞれ印加される。このとき、スイッチ素子に順方向バイアスが印加されていると、スイッチ素子258aのインピーダンスは小さくなり、逆方向バイアスが印加されていると、インピーダンスは大きくなる。他のワード線256bは接地されているので、アクセストランジスタ251bはオフ状態であり、スイッチ素子258bの2端子間には電圧は印加されず、インピーダンスは変化しない。   In the circuit shown in FIG. 23, rewriting of information in the memory cell is realized by changing the impedance of the switch element of the target memory cell. In this embodiment, a voltage of about 1 to 2 volts is applied to the word line 256a. Then, the access transistor 251a is turned on, and the voltage of the bit line 255 and the voltage of the plate line 257 are applied between the two terminals of the switch element 258a. At this time, when a forward bias is applied to the switch element, the impedance of the switch element 258a decreases, and when a reverse bias is applied, the impedance increases. Since other word line 256b is grounded, access transistor 251b is off, no voltage is applied between the two terminals of switch element 258b, and the impedance does not change.

このようにして、任意に選択したワード線に接続されているメモリセルのインピーダンスだけを変えることができる。   In this way, only the impedance of the memory cells connected to the arbitrarily selected word line can be changed.

また、このメモリセルに書き込まれている情報を読み出す際には、読み出し対象のメモリセルが接続するワード線256aに1ボルトから2ボルト程度の電圧を印加してアクセストランジスタ251aをオン状態にし、プレート線257を接地電位とし、ビット線255を1ボルトから2ボルト程度の電圧にプリチャージする。このとき、スイッチ素子258aのインピーダンスが高ければ、ビット線255の電圧は、それぞれ1ボルトから2ボルト程度の電圧が現れ、逆に、スイッチ素子258aのインピーダンスが低ければ、ビット線255には、0ボルト近辺の電圧が現れる。   When reading the information written in the memory cell, a voltage of about 1 to 2 volts is applied to the word line 256a connected to the memory cell to be read to turn on the access transistor 251a, and the plate The line 257 is set to the ground potential, and the bit line 255 is precharged to a voltage of about 1 to 2 volts. At this time, if the impedance of the switch element 258a is high, a voltage of about 1 to 2 volts appears as the voltage of the bit line 255, and conversely, if the impedance of the switch element 258a is low, 0% is applied to the bit line 255. A voltage near volt appears.

このように、ビット線に現れる電圧を検出することで、選択したワードのメモリセルに書き込まれている情報を読み出すことができる。また、選択されていないメモリセルのアクセストランジスタ251bはオフ状態であるため、スイッチ素子258bの状態がこの読み出し操作に対して影響を及ぼすことは無い。   Thus, by detecting the voltage appearing on the bit line, the information written in the memory cell of the selected word can be read. Further, since the access transistor 251b of the memory cell that is not selected is in the OFF state, the state of the switch element 258b does not affect this read operation.

図23に示すメモリセルアレイは、前記したスイッチマトリクスとは異なり、あるビット線255に接続されている複数のメモリセルは、全て共通のプレート線257に接続されている。つまり、対になっているビット線255とプレート線257の間の導電率を変えることができるが、任意の2本の配線を接続することはできない。   In the memory cell array shown in FIG. 23, unlike the switch matrix described above, a plurality of memory cells connected to a certain bit line 255 are all connected to a common plate line 257. That is, the conductivity between the paired bit line 255 and the plate line 257 can be changed, but any two wirings cannot be connected.

図24は、本発明の配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路の一実施例の構成を示す図である。図24を参照すると、本実施例のメモリセルの書き込み回路または読み出し回路は、電流源270、スイッチ素子258を含有するメモリセル271、参照電圧273、電圧比較器274、出力端子275を備えている。   FIG. 24 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a write circuit or a read circuit of a memory cell to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 24, the memory cell write circuit or read circuit of this embodiment includes a current source 270, a memory cell 271 containing a switch element 258, a reference voltage 273, a voltage comparator 274, and an output terminal 275. .

図24に示す回路において、電流源270により、メモリセル271に電流が流され、このとき、メモリセル271の中のスイッチ素子258の導電率により、メモリセル271に現れる電圧が変化する。電圧比較器274は、メモリセル271に現れる電圧と、参照電圧273とを電圧比較し、メモリセル271に現れる電圧が参照電圧273よりも高いか低いかを判定する。例えば、スイッチ素子258の導電率を所望の導電率まで高くしたい場合、電流源270からメモリセル271に電流を流し込むことで、スイッチ素子258の導電率を徐々に高くすると、メモリセル271に現れる電圧は徐々に低下する。メモリセル271に現れる電圧が、参照電圧273よりも小さくなると、電圧比較器274の出力端子275の値が変化するので、これにより、メモリセル271の導電率が所望の値まで上がったことを判別できる。   In the circuit shown in FIG. 24, a current is supplied to the memory cell 271 by the current source 270. At this time, the voltage appearing in the memory cell 271 changes depending on the conductivity of the switch element 258 in the memory cell 271. The voltage comparator 274 compares the voltage appearing in the memory cell 271 with the reference voltage 273 and determines whether the voltage appearing in the memory cell 271 is higher or lower than the reference voltage 273. For example, when it is desired to increase the conductivity of the switch element 258 to a desired conductivity, when the current of the switch element 258 is gradually increased by flowing current from the current source 270 into the memory cell 271, the voltage appearing in the memory cell 271 is increased. Gradually decreases. When the voltage appearing at the memory cell 271 becomes smaller than the reference voltage 273, the value of the output terminal 275 of the voltage comparator 274 changes, so that it is determined that the conductivity of the memory cell 271 has increased to a desired value. it can.

逆に、メモリセル271の導電率を低くしたい場合には、メモリセル271に現れる電圧が徐々に上昇するので、この電圧が参照電圧273よりも高くなるタイミングを検出することで、所望の導電率に達したことが判別できる。このようにして、本発明の回路を用いることで、メモリセルの導電率が所望の値にプログラムされたかを判別することができる。   Conversely, when it is desired to reduce the conductivity of the memory cell 271, the voltage appearing in the memory cell 271 gradually increases. Therefore, by detecting the timing at which this voltage becomes higher than the reference voltage 273, the desired conductivity can be obtained. Can be determined. Thus, by using the circuit of the present invention, it is possible to determine whether the conductivity of the memory cell is programmed to a desired value.

図25は、図24のメモリセルの書き込み回路または読み出し回路において、参照電圧をレプリカメモリセルで発生させる構成の一実施例を示す図である。図25を参照すると、本実施例のメモリセルの書き込みまたは読み出し回路は、2つの電流源270、スイッチ素子258を有するメモリセル271、抵抗素子またはトランジスタなど一定の導電率を有する素子285を有するレプリカメモリセル284、電圧比較器274、出力端子275を備えている。レプリカメモリセル284は、メモリセル271のスイッチ素子258を、導電率が一定の素子285で置き換えた構成を有する。   FIG. 25 is a diagram showing an embodiment of a configuration in which a reference voltage is generated in a replica memory cell in the write circuit or read circuit of the memory cell of FIG. Referring to FIG. 25, the memory cell write or read circuit of this embodiment includes two current sources 270, a memory cell 271 having a switch element 258, and a replica having an element 285 having a certain conductivity such as a resistance element or a transistor. A memory cell 284, a voltage comparator 274, and an output terminal 275 are provided. Replica memory cell 284 has a configuration in which switching element 258 of memory cell 271 is replaced with element 285 having a constant conductivity.

図25に示す回路においては、スイッチ素子258を有するメモリセル271と、導電率が固定のレプリカメモリセル284の双方に同じ電流を流し、両者に現れる電圧の大小関係を電圧比較器274で比較することで、メモリセル271の導電率とレプリカメモリセル284の導電率のいずれが高いかを判別することができる。例えば、レプリカメモリセル284の導電率を、メモリセル271をプログラムする際の目標となる導電率に設定することで、メモリセル271の導電率が目標の導電率に到達したか否かを判別できる。かかるプログラミング回路により、メモリセルの導電率が所望の値にプログラムされたかを判別することができる。さらに、導電率が異なるレプリカメモリセル284を複数備えることで、導電率が異なる複数のレプリカメモリセルと、メモリセル271の導電率の比較を行うことが可能となり、導電率の違いを、アナログ情報や多値情報に割り当てることで、アナログ情報や多値情報の判別が可能となる。レプリカメモリセル284が備える抵抗素子285のインピーダンスは、好ましくは、スイッチ素子258のオン抵抗よりも大きく、オフ抵抗よりも小さく設定される。   In the circuit shown in FIG. 25, the same current is supplied to both the memory cell 271 having the switch element 258 and the replica memory cell 284 having a fixed conductivity, and the voltage comparator 274 compares the magnitude relation of the voltages appearing in both. Thus, it can be determined which of the conductivity of the memory cell 271 and the conductivity of the replica memory cell 284 is higher. For example, by setting the conductivity of the replica memory cell 284 to a target conductivity when the memory cell 271 is programmed, it is possible to determine whether or not the conductivity of the memory cell 271 has reached the target conductivity. . Such a programming circuit can determine whether the conductivity of the memory cell has been programmed to a desired value. Further, by providing a plurality of replica memory cells 284 having different conductivities, it becomes possible to compare the conductivities of a plurality of replica memory cells having different conductivities and the memory cells 271, and the difference in conductivities can be compared with analog information. It is possible to distinguish analog information and multi-value information by assigning them to multi-value information. The impedance of the resistance element 285 included in the replica memory cell 284 is preferably set larger than the on-resistance of the switch element 258 and smaller than the off-resistance.

図26は、本発明の配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路の別の実施例の構成を示す図である。図26を参照すると、本発明のメモリセルの書き込みまたは読み出し回路は、電圧源290、スイッチ素子258を有するメモリセル271、参照電流292、電流比較器293、出力端子294を備えている。   FIG. 26 is a diagram showing the configuration of another embodiment of the write circuit or read circuit of the memory cell to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 26, the memory cell write or read circuit of the present invention includes a voltage source 290, a memory cell 271 having a switch element 258, a reference current 292, a current comparator 293, and an output terminal 294.

図26に示す回路では、電圧源290からメモリセル271に電圧を印加することで、スイッチ素子258の導電率に依存して電流が流れる。その電流が参照電流292よりも大きいか小さいかを電流比較器293で比較することで、スイッチ素子の導電率が所望の導電率よりも高いか低いかを判別することができる。   In the circuit shown in FIG. 26, a current flows depending on the conductivity of the switch element 258 by applying a voltage from the voltage source 290 to the memory cell 271. By comparing whether the current is larger or smaller than the reference current 292 with the current comparator 293, it is possible to determine whether the conductivity of the switch element is higher or lower than the desired conductivity.

図27は、図26のメモリセルの書き込みまたは読み出し回路において、参照電流をレプリカメモリセルで発生させる一例を示す図である。図27を参照すると、本発明のメモリセルの書き込みまたは読み出し回路は、2つの電圧源290、スイッチ素子258を有するメモリセル271、抵抗素子またはトランジスタなど一定の導電率を有する素子285を有するレプリカメモリセル284、電流比較器293、出力端子294を備えている。   FIG. 27 is a diagram showing an example in which a reference current is generated in the replica memory cell in the memory cell write or read circuit of FIG. Referring to FIG. 27, a memory cell write or read circuit according to the present invention includes two voltage sources 290, a memory cell 271 having a switch element 258, and a replica memory having an element 285 having a certain conductivity such as a resistance element or a transistor. A cell 284, a current comparator 293, and an output terminal 294 are provided.

図27に示す回路では、メモリセル271とレプリカメモリセル284に同じ電圧を印加し、両者に流れる電流の大小関係を比較することで、メモリセル271の導電率がレプリカメモリセル284の導電率よりも高いか低いかを判別する。レプリカメモリセル284に目標値となる導電率の素子を配置しておくことで、メモリセル271が目標の導電率に到達したか否かを判別できる。さらに、メモリセル271の導電率をアナログ情報または多値情報に対応させ、導電率が異なるレプリカメモリセルを複数個用意し、それらのレプリカメモリセルとメモリセル271の導電率を比較することで、メモリセルの導電率をアナログ的に扱い、アナログ情報や多値情報の判別が可能となる。   In the circuit shown in FIG. 27, the same voltage is applied to the memory cell 271 and the replica memory cell 284, and the magnitude relationship between the currents flowing through both is compared, whereby the conductivity of the memory cell 271 is greater than the conductivity of the replica memory cell 284. Is also determined as being high or low. By disposing an element having a target conductivity in the replica memory cell 284, it can be determined whether or not the memory cell 271 has reached the target conductivity. Furthermore, by making the conductivity of the memory cell 271 correspond to analog information or multi-value information, preparing a plurality of replica memory cells having different conductivity, and comparing the conductivity of the replica memory cell and the memory cell 271, The conductivity of the memory cell is handled in an analog manner, and analog information and multi-value information can be discriminated.

図28は、図25に示したメモリの書き込み回路及びメモリセルアレイの詳細な回路構成の一例を示す図である。図28を参照すると、メモリの書き込み回路は、データ入力450をデータ端子Dに入力し書き込みパルス451をクロック端子に入力し正転出力(Q)466と反転出力(/Q)452を出力する非同期リセット入力付きD型フリップフロップ471と、データ入力450をインバータ478で反転した信号をデータ端子Dに入力し書き込みパルス451をクロック端子に入力し正転出力(Q)453と反転出力(/Q)467を出力する非同期リセット入力付きD型フリップフロップ472と、ソースが電源に接続され、ゲートに、D型フリップフロップ471の反転出力452を入力するpMOSスイッチ(トランジスタ)454と、ソースが接地され、ゲートにD型フリップフロップ472の正転出力453を入力するnMOSスイッチ455と、pMOSスイッチ454のドレインに接続されたpMOSカレントミラー回路456と、nMOSスイッチ455のドレインに接続されたnMOSカレントミラー457を備えている。   FIG. 28 is a diagram showing an example of a detailed circuit configuration of the write circuit and the memory cell array of the memory shown in FIG. Referring to FIG. 28, the memory write circuit is an asynchronous circuit that inputs a data input 450 to a data terminal D, inputs a write pulse 451 to a clock terminal, and outputs a normal output (Q) 466 and an inverted output (/ Q) 452. A D-type flip-flop 471 with a reset input, a signal obtained by inverting the data input 450 by the inverter 478, is input to the data terminal D, and a write pulse 451 is input to the clock terminal, and a normal output (Q) 453 and an inverted output (/ Q) A D-type flip-flop 472 with an asynchronous reset input for outputting 467, a source connected to a power source, a pMOS switch (transistor) 454 for inputting the inverted output 452 of the D-type flip-flop 471 to the gate, and a source grounded, An nMOS switch in which the normal output 453 of the D-type flip-flop 472 is input to the gate. And Ji 455, and a pMOS current mirror circuit 456 which is connected to the drain of the pMOS switch 454, the nMOS current mirror 457 connected to the drain of nMOS switch 455.

メモリセルアレイ461は、ビット線255、参照線459、プレート線257、複数のメモリセル271から構成されている。メモリセル271は、アクセストランジスタ251と、スイッチ素子258を有し、アクセストランジスタ251のゲートはワード線に接続され、ソース及びドレインの一方はビット線に接続され、ソース及びドレインの他方はスイッチ素子258の一端に接続され、スイッチ素子258の他端は、プレート線257に接続されている。   The memory cell array 461 includes a bit line 255, a reference line 459, a plate line 257, and a plurality of memory cells 271. The memory cell 271 includes an access transistor 251 and a switch element 258. The gate of the access transistor 251 is connected to the word line, one of the source and the drain is connected to the bit line, and the other of the source and the drain is the switch element 258. The other end of the switch element 258 is connected to the plate line 257.

メモリの書き込み回路は、2つのレプリカメモリセル(図25参照)を有し、第1のレプリカメモリセル284aは、ダミーアクセストランジスタ474とリファレンス抵抗素子285aを有し、第2のレプリカメモリセル284bは、ダミーアクセストランジスタ477とリファレンス抵抗285bを備えている。第1のレプリカメモリセル284aのダミーアクセストランジスタ474と、第2のレプリカメモリセル284bのダミーアクセストランジスタ477は、ソースとドレインの一方が参照線459に共通に接続され、ゲートには、データ入力450とデータ入力450をインバータ479で反転した信号がそれぞれ入力されている。第1のレプリカメモリセル284aのスイッチ素子285aと第2のレプリカメモリセル284bのスイッチ素子285bの第1及び第2の端子の一方は、プレート線257に共通に接続され、第1及び第2の端子の他方は、ダミーアクセストランジスタ474、477のソースとドレインの他方に接続されている。プレート線257とグランド間には、nMOSスイッチ468が挿入され、nMOSスイッチ468のゲートには、D型フリップフロップ471の正転出力466が入力され、オンのときプレート線257をグランド電位とする。プレート線257と電源VDD間には、pMOSスイッチ469が挿入され、pMOSスイッチ469のゲートには、D型フリップフロップ472の反転出力467が入力され、オンのときプレート線257を電源電位とする。参照線459は、pMOSカレントミラー回路456とnMOSカレントミラー回路457のトランジスタ対の一方のトランジスタ(ソースとドレインが接続されたトランジスタ)のドレインに接続されている。ビット線255は、pMOSカレントミラー回路456とnMOSカレントミラー回路457のトランジスタ対の他方のトランジスタのドレインに接続されている。選択されたメモリセル271が接続されるビット線255に流れる電流と、選択されたレプリカメモリセル284が接続される参照線459に流れる電流(ミラー電流)は等しく設定される。電圧比較回路274は、ビット線255と参照線459の電圧を比較し、出力は、D型フリップフロップ471、472のリセット端子Rに接続されている。   The memory write circuit has two replica memory cells (see FIG. 25), the first replica memory cell 284a has a dummy access transistor 474 and a reference resistance element 285a, and the second replica memory cell 284b has A dummy access transistor 477 and a reference resistor 285b are provided. In the dummy access transistor 474 of the first replica memory cell 284a and the dummy access transistor 477 of the second replica memory cell 284b, one of the source and the drain is commonly connected to the reference line 459, and a data input 450 is connected to the gate. The signals obtained by inverting the data input 450 by the inverter 479 are respectively input. One of the first and second terminals of the switch element 285a of the first replica memory cell 284a and the switch element 285b of the second replica memory cell 284b is connected in common to the plate line 257, and the first and second terminals The other terminal is connected to the other of the sources and drains of the dummy access transistors 474 and 477. An nMOS switch 468 is inserted between the plate line 257 and the ground, and the normal output 466 of the D-type flip-flop 471 is input to the gate of the nMOS switch 468. When it is on, the plate line 257 is set to the ground potential. A pMOS switch 469 is inserted between the plate line 257 and the power supply VDD, and the inverted output 467 of the D-type flip-flop 472 is input to the gate of the pMOS switch 469, and when it is on, the plate line 257 is set to the power supply potential. The reference line 459 is connected to the drain of one transistor (a transistor in which the source and the drain are connected) of the transistor pair of the pMOS current mirror circuit 456 and the nMOS current mirror circuit 457. The bit line 255 is connected to the drain of the other transistor of the transistor pair of the pMOS current mirror circuit 456 and the nMOS current mirror circuit 457. The current flowing through the bit line 255 to which the selected memory cell 271 is connected and the current (mirror current) flowing through the reference line 459 to which the selected replica memory cell 284 is connected are set equal. The voltage comparison circuit 274 compares the voltages of the bit line 255 and the reference line 459, and the output is connected to the reset terminals R of the D-type flip-flops 471 and 472.

スイッチ素子258は、図1または図2に示した、配線層に形成されたスイッチ素子である。ダミーアクセストランジスタ474、477は、メモリセル271のアクセストランジスタ251と同じ特性をもつ素子である。リファレンス抵抗素子285a、285bは、メモリセル271のスイッチ素子258の抵抗値を設定する際の目標となる抵抗値を持つ素子であり、リファレンス抵抗285bのインピーダンスは、リファレンス抵抗285aのインピーダンスよりも大きい。図28に示す書き込み回路の動作について説明する。   The switch element 258 is the switch element formed in the wiring layer shown in FIG. 1 or FIG. The dummy access transistors 474 and 477 are elements having the same characteristics as the access transistor 251 of the memory cell 271. The reference resistance elements 285a and 285b are elements having a target resistance value when setting the resistance value of the switching element 258 of the memory cell 271, and the impedance of the reference resistance 285b is larger than the impedance of the reference resistance 285a. The operation of the write circuit shown in FIG. 28 will be described.

図28に示す回路において、データ入力450に”1”を設定して書き込み動作を行う場合、スイッチ素子258のインピーダンスを、リファレンス抵抗の抵抗値よりも低くなるようにプログラミングを行う。例えば、データ450を”1”に設定し、書き込みパルス入力451に、立ち上がりエッジが入力されると、出力452が”0”に、出力466が”1”になる。すると、pMOSスイッチ454がオンとなり、pMOSカレントミラー回路456に電流が供給される。また、nMOSスイッチ468がオンとなり、プレート線257が接地電位となる。   In the circuit shown in FIG. 28, when performing a write operation by setting “1” to the data input 450, programming is performed so that the impedance of the switch element 258 is lower than the resistance value of the reference resistor. For example, when the data 450 is set to “1” and a rising edge is input to the write pulse input 451, the output 452 becomes “0” and the output 466 becomes “1”. Then, the pMOS switch 454 is turned on, and a current is supplied to the pMOS current mirror circuit 456. Further, the nMOS switch 468 is turned on, and the plate line 257 is set to the ground potential.

ワード線256(選択ワード線256はHレベル、他のワード線はLレベル)によって選択されたメモリセル271のアクセストランジスタ251はオン状態であり、pMOSカレントミラー回路456から供給される電流は、ビット線255を経由し、メモリセル271のアクセストランジスタ251と、スイッチ素子258を経由して、プレート線257に流れる。また、データ450を”1”に設定したとき、第1のレプリカメモリセル284aのアクセストランジスタ474がオンし、第1のレプリカメモリセル284aが選択される。   The access transistor 251 of the memory cell 271 selected by the word line 256 (the selected word line 256 is at the H level and the other word lines are at the L level) is in the ON state, and the current supplied from the pMOS current mirror circuit 456 is The current flows to the plate line 257 via the line 255, via the access transistor 251 of the memory cell 271 and the switch element 258. When the data 450 is set to “1”, the access transistor 474 of the first replica memory cell 284a is turned on, and the first replica memory cell 284a is selected.

このとき、選択されたメモリセル271のスイッチ素子258には、順方向バイアスが印加されるので、選択されたメモリセル271のスイッチ素子258のインピーダンスは徐々に小さくなる。   At this time, since a forward bias is applied to the switch element 258 of the selected memory cell 271, the impedance of the switch element 258 of the selected memory cell 271 gradually decreases.

一方、pMOSカレントミラー回路456から供給される電流は、参照線459を経由して、レプリカメモリセル284aに流れ込む。pMOSカレントミラー回路456は、メモリセル271に流れ込む電流と同じ電流を、参照線459からレプリカメモリセル284aに流し込むため、抵抗素子(リファレンス抵抗)285aのインピーダンスが、メモリセル271のスイッチ素子258のインピーダンスよりも小さければ、参照線459の電圧は、ビット線255の電圧よりも小さくなり、逆に、リファレンス抵抗285aのインピーダンスがメモリセル271のスイッチ素子258のインピーダンスよりも大きければ、参照線459の電圧はビット線255の電圧よりも大きくなる。   On the other hand, the current supplied from the pMOS current mirror circuit 456 flows into the replica memory cell 284a via the reference line 459. Since the pMOS current mirror circuit 456 flows the same current as the current flowing into the memory cell 271 from the reference line 459 to the replica memory cell 284a, the impedance of the resistance element (reference resistance) 285a is the impedance of the switching element 258 of the memory cell 271. If the impedance of the reference resistor 485 is larger than the impedance of the switching element 258 of the memory cell 271, the voltage of the reference line 459 is smaller than the voltage of the bit line 255. Becomes larger than the voltage of the bit line 255.

このため、メモリセル271のスイッチ素子258に、順方向バイアスが印加され、メモリセル271のスイッチ素子258のインピーダンスが徐々に小さくなり、メモリセル271のスイッチ素子258のインピーダンスがリファレンス抵抗285aのインピーダンスよりも低くなったところで、電圧比較器274の出力470が”1”になる。   For this reason, a forward bias is applied to the switch element 258 of the memory cell 271, the impedance of the switch element 258 of the memory cell 271 gradually decreases, and the impedance of the switch element 258 of the memory cell 271 is smaller than the impedance of the reference resistor 285a. When the voltage becomes lower, the output 470 of the voltage comparator 274 becomes “1”.

すると、D型フリップフロップ471の出力がリセットされ、反転出力(/Q)452が”1”に、正転出力(Q)466が”0”となり、pMOSスイッチ454がオフし、ビット線255への電流の供給が停止され、同時に、nMOSスイッチ468がオフし、プレート線257もオープン状態となり、スイッチ素子258のプログラミングが終了する。   Then, the output of the D-type flip-flop 471 is reset, the inverted output (/ Q) 452 becomes “1”, the normal output (Q) 466 becomes “0”, the pMOS switch 454 is turned off, and the bit line 255 is turned on. At the same time, the nMOS switch 468 is turned off, the plate line 257 is also opened, and the programming of the switch element 258 is completed.

逆に、データ450を”0”に設定し、書き込みパルス入力451に立ち上がりエッジが入力されると、D型フリップフロップ472の正転出力453が”1”に、反転出力467が”0”になる。すると、nMOSスイッチ455がオンし、nMOSカレントミラー457が活性化される。また、pMOSスイッチ469がオンとなり、プレート線257に電流が供給される。   Conversely, when the data 450 is set to “0” and a rising edge is input to the write pulse input 451, the normal output 453 of the D-type flip-flop 472 is set to “1”, and the inverted output 467 is set to “0”. Become. Then, the nMOS switch 455 is turned on and the nMOS current mirror 457 is activated. Further, the pMOS switch 469 is turned on, and a current is supplied to the plate line 257.

ワード線256により任意に選択されたメモリセル271のアクセストランジスタ251はオン状態であり、pMOSスイッチ469からプレート線257を介して供給される電流は、選択されたメモリセル271のスイッチ素子258とアクセストランジスタ251を経由してビット線255に流れる。   The access transistor 251 of the memory cell 271 arbitrarily selected by the word line 256 is in the on state, and the current supplied from the pMOS switch 469 via the plate line 257 accesses the switch element 258 of the selected memory cell 271. It flows to the bit line 255 via the transistor 251.

このとき、メモリセル271のスイッチ素子258には逆方向バイアスが印加されるので、スイッチ素子258のインピーダンスは徐々に大きくなる。   At this time, since a reverse bias is applied to the switch element 258 of the memory cell 271, the impedance of the switch element 258 gradually increases.

一方、選択された第2のレプリカメモリセル284b(データ入力450:”0”でダミーアクセストランジスタ477がオンされる)から参照線459を経由して、nMOS型カレントミラー回路457に流れ込む。ここで、nMOS型カレントミラー回路457は、メモリセル271に流れる電流と同じ電流を、レプリカメモリセル284bにも流し込もうとする。このため、リファレンス抵抗285bのインピーダンスがスイッチ素子258のインピーダンスよりも大きければ、参照線459の電圧はビット線255の電圧よりも小さくなり、逆に、リファレンス抵抗285bのインピーダンスがスイッチ素子258のインピーダンスよりも小さければ、参照線459の電圧はビット線255の電圧よりも大きくなる。   On the other hand, the selected second replica memory cell 284b (data input 450: “0” turns on the dummy access transistor 477) flows into the nMOS current mirror circuit 457 via the reference line 459. Here, the nMOS-type current mirror circuit 457 attempts to flow the same current as the current flowing through the memory cell 271 into the replica memory cell 284b. Therefore, if the impedance of the reference resistor 285b is larger than the impedance of the switch element 258, the voltage of the reference line 459 becomes smaller than the voltage of the bit line 255. Conversely, the impedance of the reference resistor 285b is larger than the impedance of the switch element 258. Is smaller, the voltage of the reference line 459 becomes larger than the voltage of the bit line 255.

このため、メモリセル271のスイッチ素子258に逆方向バイアスが印加され、スイッチ素子258のインピーダンスが徐々に大きくなり、スイッチ素子258のインピーダンスがリファレンス抵抗285bのインピーダンスよりも高くなったところで、比較器274の出力470が”1”になる。すると、D型フリップフロップ472の出力がリセットされ、正転出力453は”0”、反転出力467は”1”となり、pMOSスイッチ469がオフし、プレート線257への電流の供給が停止され、同時に、nMOSスイッチ455がオフし、ビット線255もオープン状態となり、スイッチ素子258のプログラミングが終了する。   Therefore, a reverse bias is applied to the switch element 258 of the memory cell 271, and the impedance of the switch element 258 gradually increases, and when the impedance of the switch element 258 becomes higher than the impedance of the reference resistor 285b, the comparator 274 Output 470 becomes “1”. Then, the output of the D flip-flop 472 is reset, the normal output 453 is “0”, the inverted output 467 is “1”, the pMOS switch 469 is turned off, and the current supply to the plate line 257 is stopped. At the same time, the nMOS switch 455 is turned off, the bit line 255 is also opened, and the programming of the switch element 258 is completed.

このようにして、図28に示した回路構成により、データ450に”1”を設定して書き込み動作を行った場合には、スイッチ素子258のインピーダンスが、リファレンス抵抗285aのインピーダンスに設定され、データ450に”0”を設定して書き込み動作を行った場合には、スイッチ素子258のインピーダンスが、リファレンス抵抗285bのインピーダンスに設定される。   Thus, with the circuit configuration shown in FIG. 28, when the data 450 is set to “1” and the write operation is performed, the impedance of the switch element 258 is set to the impedance of the reference resistor 285a, and the data When the write operation is performed with 450 set to “0”, the impedance of the switch element 258 is set to the impedance of the reference resistor 285b.

図28に示した回路を用いることで、スイッチ素子258を任意のインピーダンスに精度良く調整できる。このため、多値情報の書き込みや、書き込み動作による素子へのストレスを軽減、特性のばらつきが大きい素子に対してプログラミング動作を保障することなどに効果がある。   By using the circuit shown in FIG. 28, the switch element 258 can be accurately adjusted to an arbitrary impedance. For this reason, it is effective in writing multi-value information, reducing stress on the element due to the writing operation, and ensuring a programming operation for an element having a large variation in characteristics.

図29は、本発明の配線構造を適用したメモリセルの構成の一実施例を示す図である。図29を参照すると、本発明のメモリセルは、交差接続した二つのインバータ(pMOSトランジスタMP1、nMOSトランジスタMN1と、pMOSトランジスタMP2、nMOSトランジスタMN2)からなるフリップフロップを有するSRAMセル310、2つのスイッチ素子311a、311b、制御線313を備えている。317a、317bはアクセストランジスタであり、ゲートにはワード線(不図示)が接続され、ワード線が高電位のときオンし、フリップフロップをビット線対(不図示)に接続する。スイッチ素子311a、311bは、図1の103または図2の118に示したような構造であり、内部に電解質材料やカルコゲナイド材料を備えている。スイッチ素子311a、311bのオン抵抗は、二つのインバータを構成するpMOSトランジスタMP1、MP2のオン抵抗よりも高い。   FIG. 29 is a diagram showing an embodiment of a memory cell configuration to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 29, the memory cell of the present invention includes an SRAM cell 310 having two flip-flops composed of two inverters (pMOS transistor MP1, nMOS transistor MN1, pMOS transistor MP2, nMOS transistor MN2) that are cross-connected, and two switches. Elements 311a and 311b and a control line 313 are provided. Reference numerals 317a and 317b denote access transistors, each of which has a gate connected to a word line (not shown), is turned on when the word line is at a high potential, and connects the flip-flop to a bit line pair (not shown). The switch elements 311a and 311b have a structure as shown at 103 in FIG. 1 or 118 in FIG. 2, and include an electrolyte material or a chalcogenide material inside. The on resistances of the switch elements 311a and 311b are higher than the on resistances of the pMOS transistors MP1 and MP2 constituting the two inverters.

図29の回路では、電源が供給されている時には、通常のSRAMとして動作し、電源がオフの時、スイッチ素子311に情報を導電率として記憶する。再び、電源がオンになった場合には、スイッチ素子311の導電率の違いにより、ノード314および315の電圧レベルが設定される。例えば、電源がオンの状態で、端子314が”H”(電源電圧)、端子315が”L”(接地)の状態であったとする。ここで、制御線313を電源電圧と接地電圧の中間の電位にすることで、スイッチ素子311aには順方向バイアスが、スイッチ素子311bには逆方向バイアスが印加される。この状態で、電源電圧をオフにすると、SRAMセルの記憶内容は失われるが、スイッチ素子311aは導電率が高い状態を、スイッチ素子311bは導電率が低い状態を維持している。   The circuit in FIG. 29 operates as a normal SRAM when power is supplied, and stores information as conductivity in the switch element 311 when the power is off. When the power is turned on again, the voltage levels of the nodes 314 and 315 are set due to the difference in conductivity of the switch element 311. For example, it is assumed that the terminal 314 is “H” (power supply voltage) and the terminal 315 is “L” (grounded) while the power is on. Here, by setting the control line 313 to an intermediate potential between the power supply voltage and the ground voltage, a forward bias is applied to the switch element 311a and a reverse bias is applied to the switch element 311b. When the power supply voltage is turned off in this state, the stored contents of the SRAM cell are lost, but the switch element 311a maintains a high conductivity state and the switch element 311b maintains a low conductivity state.

次に再び電源が投入されるときに、制御線313を電源電圧と等しくなるように設定することで、SRAMセルの端子314は高い導電率で電源に接続され、端子315が低い導電率で電源に接続されるため、SRAMセルの端子314と315の電圧にはアンバランスが生じ、このアンバランスがSRAMセルのインバータの交差接続構成により増幅され、最終的にノード314には”H”が設定され、ノード315には”L”が設定される。   When the power is turned on again, the control line 313 is set to be equal to the power supply voltage, so that the terminal 314 of the SRAM cell is connected to the power supply with high conductivity and the terminal 315 is connected to the power supply with low conductivity. Therefore, the voltage at the terminals 314 and 315 of the SRAM cell is unbalanced, and this unbalance is amplified by the cross-connection configuration of the inverter of the SRAM cell, and finally the node 314 is set to “H”. Thus, “L” is set in the node 315.

このようにして、本発明のメモリセルは、電源を断しても記憶を保持し、電源を再投入した際に、元の記憶内容を修復させるSRAMセルを実現することが可能である。   In this manner, the memory cell of the present invention can realize an SRAM cell that retains memory even when the power is turned off and restores the original memory contents when the power is turned on again.

さらに、スイッチ素子311は、配線層に形成されるため、通常のSRAMセルに対して、メモリセル面積を増やすことなく、不揮発メモリを実現できる。   Furthermore, since the switch element 311 is formed in the wiring layer, a nonvolatile memory can be realized without increasing the memory cell area with respect to a normal SRAM cell.

図30は、本発明の配線構造を適用したメモリセルの他の実施例の構成を示す図である。図30を参照すると、本発明のメモリセルは、SRAMセル310、2つのトランジスタ321a、321b、2つのスイッチ素子322a、322b、バイアス電圧を与える制御線313を備えている。スイッチ素子322a、322bは、図1の103または図2の118に示したものと同一の構成とされ、内部に電解質材料やカルコゲナイド材料を備えている。   FIG. 30 is a diagram showing a configuration of another embodiment of a memory cell to which the wiring structure of the present invention is applied. Referring to FIG. 30, the memory cell of the present invention includes an SRAM cell 310, two transistors 321a and 321b, two switch elements 322a and 322b, and a control line 313 for supplying a bias voltage. The switch elements 322a and 322b have the same configuration as that shown in 103 of FIG. 1 or 118 of FIG. 2, and include an electrolyte material and a chalcogenide material inside.

図30の回路の動作は、図29に示した回路の動作と同じであり、電源が投入されている間は、通常のSRAMとして動作し、電源が断されると、スイッチ素子322が導電率を変化させることで情報を記憶し、電源が再投入されると、元の記憶内容を書き戻す。   The operation of the circuit of FIG. 30 is the same as the operation of the circuit shown in FIG. 29, and operates as a normal SRAM while the power is turned on. Is stored, and when the power is turned on again, the original stored contents are written back.

ただし、図30の回路は、図29の回路と異なり、ノード314、315と、スイッチ素子322a、322b間にそれぞれ、トランジスタ321a、321bが付加されている。   However, the circuit of FIG. 30 is different from the circuit of FIG. 29 in that transistors 321a and 321b are added between the nodes 314 and 315 and the switch elements 322a and 322b, respectively.

通常動作時は、これらのトランジスタ321a、321bをオフ状態にして、スイッチ素子322が動作に影響を及ぼさないようにすることが可能である。電源を切る直前に、これらのトランジスタ321a、321bをオンにして、スイッチ素子322a、322bに情報を書き込み、電源を再投入した際にも、SRAMセル310に記憶を書き戻すまでの間、これらのトランジスタ321a、321bをオンにすることで、スイッチ素子322a、322bの導電率の違いにより、ノード314および315に、電圧のアンバランスを生じさせる。このアンバランスが、SRAMセルの交差接続されたフリップフロップにより増幅され、最終的に、ノード314と315に、元の記憶内容が設定される。このようにして、本発明のメモリセルは、電源を切っても記憶を保持し、電源を再投入した際に元の記憶内容を修復させるSRAMセルを実現することが可能である。   During normal operation, these transistors 321a and 321b can be turned off so that the switch element 322 does not affect the operation. Immediately before the power is turned off, the transistors 321a and 321b are turned on, information is written to the switch elements 322a and 322b, and when the power is turned on again, these memories are written back to the SRAM cell 310. By turning on the transistors 321a and 321b, voltage imbalance is generated in the nodes 314 and 315 due to the difference in conductivity between the switch elements 322a and 322b. This unbalance is amplified by the cross-connected flip-flops of the SRAM cells, and finally the original stored contents are set in the nodes 314 and 315. In this manner, the memory cell of the present invention can realize an SRAM cell that retains memory even when the power is turned off and restores the original memory contents when the power is turned on again.

図31は、本発明の配線構造の一実施例を示す図である。図31を参照すると、本発明の配線構造は、横方向の配線480、縦方向の配線481、縦方向の配線と横方向の配線の交点に配置されたスイッチ素子232(例えば図19の232参照)を備えている。スイッチ素子232は、図1のスイッチ素子103または図2のスイッチ素子118と同様、配線層に形成されたスイッチ素子を有し、図19に示したように、4方向の配線の接続を任意に切り替えることが出来る。スイッチ素子232をプログラムすることで、任意の配線483を形成することができる。   FIG. 31 is a diagram showing an embodiment of the wiring structure of the present invention. Referring to FIG. 31, the wiring structure of the present invention includes a horizontal wiring 480, a vertical wiring 481, and a switch element 232 disposed at the intersection of the vertical wiring and the horizontal wiring (see, for example, 232 in FIG. 19). ). The switch element 232 has a switch element formed in the wiring layer, like the switch element 103 in FIG. 1 or the switch element 118 in FIG. 2, and arbitrarily connects the wirings in four directions as shown in FIG. You can switch. An arbitrary wiring 483 can be formed by programming the switch element 232.

図32は、本発明の配線構造とスイッチ素子の配置の他の例を示す図である。図32を参照すると、本発明の配線構造は縦方向の配線543、横方向の配線544、縦配線543と横配線544の交点に配置されたスイッチ素子540、横配線544に配置されたスイッチ素子541、縦配線543に配置されたスイッチ素子542を備えている。図32において、スイッチ素子540〜542は、図1または図2に示した構造を有する。縦配線543と横配線544は、互いに異なる配線層に形成されている場合と、同じ層に形成されている場合がある。縦配線543と横配線544が異なる配線層に形成される場合には、横配線544同士を接続するスイッチ素子541と縦配線543同士を接続するスイッチ素子542が図2で示された構造であり、縦配線543と横配線544を接続するスイッチ素子540が、図1に示したように異なる配線層同士を接続するビアの形状を有している。   FIG. 32 is a diagram showing another example of the wiring structure and the arrangement of the switch elements according to the present invention. Referring to FIG. 32, the wiring structure of the present invention has a vertical wiring 543, a horizontal wiring 544, a switching element 540 disposed at the intersection of the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544, and a switching element disposed in the horizontal wiring 544. 541 and a switch element 542 disposed in the vertical wiring 543. 32, switch elements 540 to 542 have the structure shown in FIG. 1 or FIG. The vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 may be formed in different wiring layers or in the same layer. When the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 are formed in different wiring layers, the switch element 541 that connects the horizontal wirings 544 and the switch element 542 that connects the vertical wirings 543 have the structure shown in FIG. The switch element 540 that connects the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 has a shape of a via that connects different wiring layers as shown in FIG.

一方、縦配線543と横配線544が同じ配線層に形成される場合には、スイッチ素子540、541、542が、図2で示された構造を有する。図示したような層構造と、スイッチ素子の配置により、図31に示したような任意の配線をプログラムできる集積回路を構成することができる。なお、同一配線層の配線間に配線される配線間のスイッチ素子は、第1、第2配線層についてみると、1μm〜10mm程度としてもよい。層の配線抵抗が異なる場合、配線抵抗の相対的に小さい配線層の方が、配線抵抗の相対的に大きい配線層よりもスイッチ素子とスイッチ素子の間隔は長く設定される。縦配線543と横配線544の配線間隔は、例えば1μm〜10μm程度としてもよい。   On the other hand, when the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 are formed in the same wiring layer, the switch elements 540, 541, and 542 have the structure shown in FIG. An integrated circuit capable of programming an arbitrary wiring as shown in FIG. 31 can be configured by the layer structure as shown and the arrangement of the switch elements. In addition, the switch element between the wirings wired between the wirings of the same wiring layer may be about 1 μm to 10 mm in the first and second wiring layers. When the wiring resistances of the layers are different, the distance between the switch elements is set longer in the wiring layer having a relatively small wiring resistance than in the wiring layer having a relatively large wiring resistance. The wiring interval between the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 may be about 1 μm to 10 μm, for example.

図33は、図32の配線構造およびスイッチの配置を示す図であり、縦配線543と横配線544が異なる層に形成された構成例を立体的に表したものである。   FIG. 33 is a diagram showing the wiring structure and switch arrangement of FIG. 32, and shows a three-dimensional configuration example in which the vertical wiring 543 and the horizontal wiring 544 are formed in different layers.

図34は、本発明の配線構造の断面の一実施例を示す図である。図34を参照すると、本発明の配線構造は、半導体基板100、半導体基板と配線層または層が異なる配線層同士を接続するビア126、配線層111、112、550、配線層中に形成されたスイッチ素子118、スイッチ素子の導電率を制御するための制御ゲート116を備えている。スイッチ素子は、図2に示した構造であり、制御ゲート116の電圧を制御することで、任意にオン状態118dまたはオフ状態118cに設定することができる。   FIG. 34 is a diagram showing an example of a cross section of the wiring structure of the present invention. Referring to FIG. 34, the wiring structure of the present invention is formed in the semiconductor substrate 100, the via 126 connecting the wiring layers different from the semiconductor substrate and the wiring layer, the wiring layers 111, 112, and 550, and the wiring layer. A switch element 118 and a control gate 116 for controlling the conductivity of the switch element are provided. The switch element has the structure shown in FIG. 2, and can be arbitrarily set to the on state 118d or the off state 118c by controlling the voltage of the control gate 116.

一般に、集積回路の配線層は、半導体基板に近い配線層が局所的な配線に用いられ、上層の配線ほど大きなブロック同士を接続するグローバル配線として用いられる。このように、集積回路の配線は層ごとに信号を伝播する距離が異なる階層構造を成している。   In general, as a wiring layer of an integrated circuit, a wiring layer close to a semiconductor substrate is used for local wiring, and an upper layer wiring is used as a global wiring for connecting larger blocks. As described above, the wiring of the integrated circuit has a hierarchical structure in which a signal propagation distance is different for each layer.

本発明に係る配線構造では、配線の接続と開放を任意にプログラムすることができるので、配線の階層構造を任意にプログラムすることができる。この特徴を応用することで、必要に応じて無駄の無い最適な回路構成を実現することができる。   In the wiring structure according to the present invention, the connection and release of the wiring can be arbitrarily programmed, so that the hierarchical structure of the wiring can be arbitrarily programmed. By applying this feature, an optimum circuit configuration without waste can be realized as necessary.

図35は、本発明の配線構造を用いたメモリセルの構成の一実施例を示す図である。図35を参照すると、このメモリセルは、第1のスイッチ素子560と、第2のスイッチ素子561と、入出力端子562と、第1の電圧源563と、第2の電圧源564を備えている。スイッチ素子561、562は、図1または図2に示したスイッチ素子である。スイッチ素子561、562は共に、図の上側の端子に負の電圧、下側の端子に正の電圧(以下、「順方向バイアス」と呼ぶ)を印加すると、スイッチがオン状態になり、逆向きの電圧(「逆方向バイアス」と呼ぶ)を印加するとオフ状態になる。また、第1の電圧源563の電圧は、第2の電圧源564の電圧よりも高く設定されている。   FIG. 35 is a diagram showing an embodiment of a memory cell configuration using the wiring structure of the present invention. Referring to FIG. 35, the memory cell includes a first switch element 560, a second switch element 561, an input / output terminal 562, a first voltage source 563, and a second voltage source 564. Yes. The switch elements 561 and 562 are the switch elements shown in FIG. 1 or FIG. The switch elements 561 and 562 are both turned on when a negative voltage is applied to the upper terminal and a positive voltage (hereinafter referred to as “forward bias”) is applied to the lower terminal. When the voltage (referred to as “reverse bias”) is applied, the device is turned off. The voltage of the first voltage source 563 is set higher than the voltage of the second voltage source 564.

図35に示す回路において、入出力端子562に、第1の電圧源563の電圧よりも高い電圧を入力すると、スイッチ素子560には順方向バイアスが印加される。また、スイッチ素子561には逆方向バイアスが印加されるので、スイッチ素子560がオン状態になり、スイッチ素子561がオフ状態になる。この状態で、入出力端子562を開放すると、入出力端子562には、第1の電圧源563の電圧が現れる。逆に、入出力端子562に、第2の電圧源564の電圧よりも低い電圧を入力すると、スイッチ素子561には、順方向バイアスが印加される。また、スイッチ素子560には、逆方向バイアスが印加されるので、スイッチ素子561がオン状態になり、スイッチ素子560がオフ状態になる。この状態で、入出力端子562を開放すると、入出力端子562には、第2の電圧源564の電圧が現れる。また、入出力端子562を開放した状態で電源を切ると、2つのスイッチ素子は状態を保つことができる。ここで、第1の電圧源563の電圧が論理値”1”に対応する電圧であり、第2の電圧源564の電圧が論理値”0”に対応する電圧であると想定すると、この回路は、不揮発メモリ回路として機能する。   In the circuit illustrated in FIG. 35, when a voltage higher than the voltage of the first voltage source 563 is input to the input / output terminal 562, a forward bias is applied to the switch element 560. In addition, since a reverse bias is applied to the switch element 561, the switch element 560 is turned on and the switch element 561 is turned off. When the input / output terminal 562 is opened in this state, the voltage of the first voltage source 563 appears at the input / output terminal 562. Conversely, when a voltage lower than the voltage of the second voltage source 564 is input to the input / output terminal 562, a forward bias is applied to the switch element 561. Further, since a reverse bias is applied to the switch element 560, the switch element 561 is turned on and the switch element 560 is turned off. When the input / output terminal 562 is opened in this state, the voltage of the second voltage source 564 appears at the input / output terminal 562. Further, when the power is turned off with the input / output terminal 562 open, the two switch elements can maintain the state. Assuming that the voltage of the first voltage source 563 is a voltage corresponding to the logical value “1” and the voltage of the second voltage source 564 is a voltage corresponding to the logical value “0”, this circuit Functions as a nonvolatile memory circuit.

図36は、本発明のスイッチ素子を用いて、異なる2つの配線層を接続した配線構造の立体構造を模式的に示した図である。図36を参照すると、本発明の配線構造は、第1の配線層101、第2の配線102、第1の配線101と第2の配線102を接続するスイッチ素子103を複数個備える。複数個のスイッチ素子103を並列に配置することで、スイッチ素子が1個の場合と比べ、例えば電流によるストレス(エレクトロマイグレーション)に対する耐性が高くなるほか、スイッチ素子の1つまたは複数が破壊された場合でも動作が可能となり、さらに素子の欠陥による製造歩留まりの悪化を改善することが可能である。   FIG. 36 is a diagram schematically showing a three-dimensional structure of a wiring structure in which two different wiring layers are connected using the switch element of the present invention. Referring to FIG. 36, the wiring structure of the present invention includes a first wiring layer 101, a second wiring 102, and a plurality of switch elements 103 that connect the first wiring 101 and the second wiring 102. By arranging a plurality of switch elements 103 in parallel, compared to the case of a single switch element, for example, resistance to stress (electromigration) due to current is increased, and one or more of the switch elements are destroyed. Even in such a case, the operation is possible, and the deterioration of the manufacturing yield due to the defect of the element can be improved.

[別の実施例]
図38は、本発明の配線構造の別の実施例を示す図である。図38には、FPGAなどで用いられている再構成可能なスイッチ回路が示されている。図38を参照すると、再構成可能なスイッチ回路は、半導体基板1100と該基板上に形成された論理回路、演算回路、アナログ回路、メモリ回路などの電子回路1120、2端子間の接続をオンまたはオフに変更可能なスイッチ回路1121、電子回路1120とスイッチ回路1121を接続するためのコンタクトまたはビア1122および配線1123から構成される。スイッチ回路1121がオン状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bが互いに接続され、スイッチ回路1121がオフ状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bの接続は断たれる。
[Another embodiment]
FIG. 38 is a diagram showing another embodiment of the wiring structure of the present invention. FIG. 38 shows a reconfigurable switch circuit used in an FPGA or the like. Referring to FIG. 38, the reconfigurable switch circuit turns on or off a connection between a semiconductor substrate 1100 and an electronic circuit 1120 formed on the substrate, such as a logic circuit, an arithmetic circuit, an analog circuit, and a memory circuit, and two terminals. The switch circuit 1121 that can be turned off, the contact or via 1122 for connecting the electronic circuit 1120 and the switch circuit 1121, and the wiring 1123 are included. If the switch circuit 1121 is programmed to the on state, the electronic circuits 1120a and 1120b are connected to each other, and if the switch circuit 1121 is programmed to the off state, the electronic circuits 1120a and 1120b are disconnected.

図39は、図38の該スイッチ回路1121の構成例を示す図である。図39(a)には、SRAM(スタティックランダムアクセスメモリ)1124と、パストランジスタ1125で、スイッチ回路1121を構成した例が示されており、図39(b)には、フリップフロップ回路1128とパストランジスタ1125でスイッチ回路1121を構成した例が示されている。   FIG. 39 is a diagram showing a configuration example of the switch circuit 1121 in FIG. FIG. 39A shows an example in which the switch circuit 1121 is configured by an SRAM (Static Random Access Memory) 1124 and a pass transistor 1125, and FIG. 39B shows a flip-flop circuit 1128 and a pass circuit. An example in which a switch circuit 1121 is configured by a transistor 1125 is shown.

これらのトランジスタを用いた回路によって、スイッチ回路1121を構成する場合は、図38に示したように、スイッチ回路1121を半導体基板1100に形成する必要があり、該スイッチ回路が半導体基板上で一定の面積を占有することになる。FPGAでは一般的に、スイッチ回路が半導体基板の半分程度の面積を占有しており、チップ面積が大きくなり、コスト増加の主因となっている。   When the switch circuit 1121 is configured by a circuit using these transistors, the switch circuit 1121 must be formed on the semiconductor substrate 1100 as shown in FIG. 38, and the switch circuit is fixed on the semiconductor substrate. Will occupy the area. In the FPGA, the switch circuit generally occupies about half the area of the semiconductor substrate, which increases the chip area and is a major cause of cost increase.

図40は、本発明による再構成可能なスイッチ回路の実施例の構成を示す図である。図40(a)は、図1を参照して説明した2端子素子を用いたスイッチ回路であり、図40(b)は、図2を参照して説明した3端子素子を用いたスイッチ回路である。   FIG. 40 is a diagram showing a configuration of an example of a reconfigurable switch circuit according to the present invention. FIG. 40A is a switch circuit using the two-terminal element described with reference to FIG. 1, and FIG. 40B is a switch circuit using the three-terminal element described with reference to FIG. is there.

図40(a)を参照すると、本実施例の再構成可能なスイッチ回路は、半導体基板1100と該基板上に形成された論理回路、演算回路、アナログ回路、メモリ回路などの電子回路1120、2端子間の接続をオンまたはオフに変更可能なスイッチ機能を有するビア1103、該ビア1103と電子回路1120を接続するためのコンタクト1122および配線1123から構成される。該ビア1103がオン状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bが互いに接続され、該ビア1103がオフ状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bの接続は断たれる。   Referring to FIG. 40A, the reconfigurable switch circuit of this embodiment includes a semiconductor substrate 1100 and electronic circuits 1120, 2 such as a logic circuit, an arithmetic circuit, an analog circuit, and a memory circuit formed on the substrate. A via 1103 having a switching function capable of changing the connection between terminals to ON or OFF, a contact 1122 for connecting the via 1103 and the electronic circuit 1120, and a wiring 1123 are included. If the via 1103 is programmed to the on state, the electronic circuits 1120a and 1120b are connected to each other, and if the via 1103 is programmed to the off state, the electronic circuits 1120a and 1120b are disconnected.

また、図40(b)を参照すると、本実施例の再構成可能なスイッチ回路は、半導体基板1100と該基板上に形成された論理回路、演算回路、アナログ回路、メモリ回路などの電子回路1120、金属イオンを含有する電解質材料1113、該電解質材料と接するように配置されているゲート電極1116、該電解質材料1113と電子回路1120を接続するためのコンタクト1122および配線1123から構成される。電解質材料1113中の、配線1123aおよび配線1123bと接する部分に金属物質が析出し、これら金属析出物同士が接触して、配線1123aと配線1123bの間がオン状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bが互いに接続され、該電解質材料中に配線1123aと1123bを接続させるための金属析出物が十分に存在せず、配線1123aと1123bの間がオフ状態にプログラムされていれば、電子回路1120aと1120bの接続は断たれる。   Referring to FIG. 40B, the reconfigurable switch circuit of this embodiment includes a semiconductor substrate 1100 and an electronic circuit 1120 such as a logic circuit, an arithmetic circuit, an analog circuit, and a memory circuit formed on the substrate. , An electrolyte material 1113 containing metal ions, a gate electrode 1116 disposed so as to be in contact with the electrolyte material, a contact 1122 for connecting the electrolyte material 1113 and the electronic circuit 1120, and a wiring 1123. If a metal substance is deposited on the portion of the electrolyte material 1113 that is in contact with the wiring 1123a and the wiring 1123b, the metal precipitates are in contact with each other, and the space between the wiring 1123a and the wiring 1123b is programmed to be on. If 1120a and 1120b are connected to each other, and there is not enough metal deposit in the electrolyte material to connect the wirings 1123a and 1123b, and the circuit between the wirings 1123a and 1123b is programmed to be in an off state, the electronic circuit The connection between 1120a and 1120b is broken.

図40を参照して説明した実施例の再構成可能なスイッチ回路を用いることにより、半導体基板1100上に回路を形成することなく、配線間のスイッチ機能を提供することが可能であり、FPGAなどのプログラム可能な半導体集積回路において、チップ面積を大幅に減らすことが可能であり、低コストでプログラム可能な半導体集積回路を実現することができる。   By using the reconfigurable switch circuit of the embodiment described with reference to FIG. 40, it is possible to provide a switch function between wirings without forming a circuit on the semiconductor substrate 1100, such as an FPGA. In the programmable semiconductor integrated circuit, the chip area can be greatly reduced, and a programmable semiconductor integrated circuit can be realized at low cost.

図41は、図1を参照して説明したスイッチ機能を有するビア(以下、「2端子スイッチ素子」と呼ぶ)のプログラムを行うための回路の一実施例を示す図である。図41を参照すると、この実施例のプログラミング回路は、2端子スイッチ素子1103、pMOSトランジスタ1203、1205、nMOSトランジスタ1204、1206、制御入力端子1207、1208、1209、1210、電圧源1211、1212から構成される。電圧源1211および1212から供給される電圧は、論理信号の伝播に用いる信号電圧よりも高いものとする。トランジスタ1203、1204、1205、1206は、論理信号を扱う通常のトランジスタよりも、高い電圧を扱うため、耐圧が高いトランジスタであることが好ましい。また、2端子スイッチ素子1103は、端子1201(以下、「アノード」と呼ぶ)の電圧が、端子1202(以下、「カソード」と呼ぶ)の電圧よりも高い(以下、「フォワードバイアス」または「順方向バイアス」と呼ぶ)ときにオン状態にプログラムされ、アノード1201の電圧が、カソード1202の電圧よりも低い(以下、「リバースバイアス」または「逆方向バイアス」と呼ぶ)ときにオフ状態にプログラムされるものとする。   FIG. 41 is a diagram showing an embodiment of a circuit for programming a via (hereinafter referred to as “two-terminal switch element”) having a switching function described with reference to FIG. Referring to FIG. 41, the programming circuit of this embodiment includes a two-terminal switch element 1103, pMOS transistors 1203 and 1205, nMOS transistors 1204 and 1206, control input terminals 1207, 1208, 1209 and 1210, and voltage sources 1211 and 1212. Is done. The voltage supplied from the voltage sources 1211 and 1212 is higher than the signal voltage used for propagation of the logic signal. Since the transistors 1203, 1204, 1205, and 1206 handle a higher voltage than normal transistors that handle logic signals, it is preferable that the transistors have high withstand voltage. The two-terminal switch element 1103 has a voltage at a terminal 1201 (hereinafter referred to as “anode”) higher than a voltage at a terminal 1202 (hereinafter referred to as “cathode”) (hereinafter referred to as “forward bias” or “forward”). Programmed to the ON state when the voltage on the anode 1201 is lower than the voltage on the cathode 1202 (hereinafter referred to as “reverse bias” or “reverse bias”). Shall be.

ここで、端子1207と1208をL(low level)に、端子1209と1210をH(high level)に設定すると、スイッチ素子1103のアノード1201には、電圧源1211から電圧が供給され、カソード1202は接地され、スイッチ素子1103はフォワードバイアスの状態となる。ここで、電圧源1211から供給される電圧が、スイッチ素子1103のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1103はオン状態にプログラムされる。また、端子1207と1208をHに、端子1209と1210をLに設定すると、スイッチ素子1103のアノード1201は接地され、カソード1202は電圧源1212から電圧が供給され、スイッチ素子1103はリバースバイアスの状態になる。ここで、電圧源1212から供給される電圧が、スイッチ素子1103のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1103はオフ状態にプログラムされる。   Here, when the terminals 1207 and 1208 are set to L (low level) and the terminals 1209 and 1210 are set to H (high level), a voltage is supplied from the voltage source 1211 to the anode 1201 of the switch element 1103, and the cathode 1202 The switch element 1103 is grounded and is in a forward bias state. Here, if the voltage supplied from the voltage source 1211 is higher than the threshold voltage of the switch element 1103, the switch element 1103 is programmed to be in an ON state. When the terminals 1207 and 1208 are set to H and the terminals 1209 and 1210 are set to L, the anode 1201 of the switch element 1103 is grounded, the cathode 1202 is supplied with voltage from the voltage source 1212, and the switch element 1103 is in a reverse bias state. become. Here, if the voltage supplied from the voltage source 1212 is higher than the threshold voltage of the switch element 1103, the switch element 1103 is programmed to the off state.

このように、図41に示した回路を用いることで、2端子スイッチ素子1103をオン状態またはオフ状態の任意の状態にプログラムすることが可能である。   As described above, by using the circuit shown in FIG. 41, the two-terminal switch element 1103 can be programmed to an arbitrary state of an on state or an off state.

プログラム可能な2端子素子としては、従来から、アンチヒューズがある。しかしながら、アンチヒューズには極性が無いため、プログラミング回路のバイアスは単方向にしか印加できない構造を有する。   Conventionally, as the programmable two-terminal element, there is an antifuse. However, since the antifuse has no polarity, the bias of the programming circuit can be applied only in one direction.

本発明のスイッチ素子は、極性を有しており、プログラムするときには極性に注意する必要がある。また、本発明のスイッチ素子は再プログラムが可能であるが、再プログラムを行うためには、双方向からバイアス電圧を印加するための回路が必要となる。   The switch element of the present invention has polarity, and it is necessary to pay attention to the polarity when programming. The switch element of the present invention can be reprogrammed, but a circuit for applying a bias voltage from both directions is required to perform reprogramming.

図41に示した回路は、再プログラム可能であるというこのスイッチの特徴を利用するために、不可欠な基本回路である。   The circuit shown in FIG. 41 is an essential basic circuit in order to take advantage of this switch feature of being reprogrammable.

また、アンチヒューズでは、一度オン状態にしたスイッチをオフ状態に戻すことが出来ないが、本発明のスイッチでは、オン状態のスイッチに対して適切な電圧を印加することで、オフ状態に戻すことができる。ここで、オン状態のスイッチ素子をオフ状態にするために、スイッチ素子の端子間に電圧を印加すると、端子間に電流が流れる。   In addition, with an antifuse, a switch once turned on cannot be turned off, but with the switch of the present invention, it can be turned off by applying an appropriate voltage to the switch in the on state. Can do. Here, when a voltage is applied between the terminals of the switch element in order to turn off the switch element in the on state, a current flows between the terminals.

本発明のスイッチ素子では、通常、オン抵抗が低いために、スイッチの端子間に電圧を印加しようとすると、スイッチに流れる電流は大きくなる。そのため、オン状態のスイッチ素子をオフ状態に戻すためには、図41のトランジスタ1204および1205には電流駆動能力が高いトランジスタが必要となる。この点でも、アンチヒューズのプログラミング回路とは異なる。   In the switch element of the present invention, since the on-resistance is usually low, when a voltage is applied between the switch terminals, the current flowing through the switch increases. Therefore, in order to return the on-state switch element to the off-state, the transistors 1204 and 1205 in FIG. 41 need to have high current driving capability. This is also different from the antifuse programming circuit.

図42は、並列に接続された複数個の2端子スイッチ素子をプログラムするための回路の一実施例の構成を示す図である。図42を参照すると、この実施例のプログラミング回路は、2端子スイッチ素子1103、pMOSトランジスタ1203、1205、nMOSトランジスタ1204、1206、制御入力端子1207、1208、1209、1210、電圧源1211、1212、選択トランジスタ1215、制御入力端子1216を備えて構成されている。   FIG. 42 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a circuit for programming a plurality of two-terminal switch elements connected in parallel. 42, the programming circuit of this embodiment includes a two-terminal switch element 1103, pMOS transistors 1203 and 1205, nMOS transistors 1204 and 1206, control input terminals 1207, 1208, 1209 and 1210, voltage sources 1211 and 1212, and a selection. A transistor 1215 and a control input terminal 1216 are provided.

ここで、端子1207と1208をL(lowレベル)に、端子1209と1210をH(highレベル)に、端子1216aと端子1216cをLに、端子1216bをHに設定すると、スイッチ素子1103bのアノード1201bには、電圧源1211から電圧が供給され、カソード1202は接地され、スイッチ素子1103bはフォワードバイアスの状態となる。ここで、電圧源1211から供給される電圧が、スイッチ素子1103のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1103bはオン状態にプログラムされる。また、選択トランジスタ1215aと1215cはオフ状態のため、電圧源1211からの電圧は遮断され、スイッチ素子1103aと1103cのアノード端子1201aおよび1201cには電圧が印加されないので、スイッチの状態は変化しない。また、端子1207と1208をHに、端子1209と1210をLに、端子1216aと端子1216cをLに、端子1216bをHに設定すると、スイッチ素子1103bのアノード1201bは接地され、カソード1202は電圧源1212から電圧が供給され、スイッチ素子1103bはリバースバイアスの状態になる。ここで、電圧源1212から供給される電圧が、スイッチ素子1103のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1103bはオフ状態にプログラムされる。   When the terminals 1207 and 1208 are set to L (low level), the terminals 1209 and 1210 are set to H (high level), the terminals 1216a and 1216c are set to L, and the terminal 1216b is set to H, the anode 1201b of the switch element 1103b is set. Is supplied with a voltage from the voltage source 1211, the cathode 1202 is grounded, and the switch element 1103b is in a forward bias state. Here, if the voltage supplied from the voltage source 1211 is higher than the threshold voltage of the switch element 1103, the switch element 1103b is programmed to be in an ON state. Since the selection transistors 1215a and 1215c are in the off state, the voltage from the voltage source 1211 is cut off, and no voltage is applied to the anode terminals 1201a and 1201c of the switch elements 1103a and 1103c, so that the switch state does not change. When the terminals 1207 and 1208 are set to H, the terminals 1209 and 1210 are set to L, the terminals 1216a and 1216c are set to L, and the terminal 1216b is set to H, the anode 1201b of the switch element 1103b is grounded, and the cathode 1202 is connected to the voltage source. A voltage is supplied from 1212, and the switch element 1103b is in a reverse bias state. Here, if the voltage supplied from the voltage source 1212 is higher than the threshold voltage of the switch element 1103, the switch element 1103 b is programmed to the off state.

このように、図42に示した回路を用いることにより、並列に接続された複数の2端子スイッチ素子1103a〜1103cを、オン状態またはオフ状態の任意の状態にプログラムすることが可能である。   In this way, by using the circuit shown in FIG. 42, it is possible to program a plurality of two-terminal switch elements 1103a to 1103c connected in parallel to any state of an on state or an off state.

図43は、図2で説明した3端子スイッチ素子118の、プログラムを行う回路の一実施例を示している。図43を参照すると、この実施例のプログラミング回路は、3端子スイッチ素子1118、pMOSトランジスタ1220、1222、1224、nMOSトランジスタ1221、1223、1225、制御入力端子1226、1227、1228、1229、1230、1231、電圧源1232、1233、1234から構成される。また、3端子スイッチ素子1118は、端子1116(以下、「ゲート」と呼ぶ)の電圧が、端子1114および端子1115(以下、「ソース」、「ドレイン」と呼ぶ)の電圧よりも高い(以下、「フォワードバイアス」または「順方向バイアス」と呼ぶ)ときにオン状態にプログラムされ、ゲート1116の電圧が、ソース1114およびドレイン1115の電圧よりも低い(以下、「リバースバイアス」または「逆方向バイアス」と呼ぶ)ときにオフ状態にプログラムされるものとする。   FIG. 43 shows an embodiment of a circuit for programming the three-terminal switch element 118 described in FIG. 43, the programming circuit of this embodiment includes a three-terminal switch element 1118, pMOS transistors 1220, 1222, and 1224, nMOS transistors 1221, 1223, and 1225, and control input terminals 1226, 1227, 1228, 1229, 1230, and 1231. , Voltage sources 1232, 1233 and 1234. The three-terminal switch element 1118 has a voltage at a terminal 1116 (hereinafter referred to as “gate”) higher than a voltage at a terminal 1114 and a terminal 1115 (hereinafter referred to as “source” and “drain”) (hereinafter, referred to as “gate”). Programmed to the on state when called “forward bias” or “forward bias”), and the voltage at gate 1116 is lower than the voltage at source 1114 and drain 1115 (hereinafter “reverse bias” or “reverse bias”). Called off).

ここで、端子1230と1231をLに、端子1226、1227、1228、1229をHに設定すると、スイッチ素子1118のゲート1116には、電圧源1234から電圧が供給され、ソース1114とドレイン1115は接地され、スイッチ素子1118はフォワードバイアスの状態となる。   Here, when the terminals 1230 and 1231 are set to L and the terminals 1226, 1227, 1228, and 1229 are set to H, a voltage is supplied from the voltage source 1234 to the gate 1116 of the switch element 1118, and the source 1114 and the drain 1115 are grounded. Thus, the switch element 1118 is in a forward bias state.

ここで、電圧源1234から供給される電圧が、スイッチ素子1118のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1118はオン状態にプログラムされる。また、端子1230と1231をHに、端子1226、1227、1228、1229をLに設定すると、スイッチ素子1118のゲート1116は接地され、ソース1114およびドレイン1115は電圧源1232および1233から電圧が供給され、スイッチ素子1118はリバースバイアスの状態になる。   Here, if the voltage supplied from voltage source 1234 is higher than the threshold voltage of switch element 1118, switch element 1118 is programmed to be in an on state. When the terminals 1230 and 1231 are set to H and the terminals 1226, 1227, 1228, and 1229 are set to L, the gate 1116 of the switch element 1118 is grounded, and the source 1114 and the drain 1115 are supplied with voltages from the voltage sources 1232 and 1233. The switch element 1118 is in a reverse bias state.

ここで、電圧源1232および1233から供給される電圧が、スイッチ素子1118のしきい値電圧よりも高ければ、スイッチ素子1118はオフ状態にプログラムされる。   Here, if the voltage supplied from voltage sources 1232 and 1233 is higher than the threshold voltage of switch element 1118, switch element 1118 is programmed to the off state.

このように、図43で説明した回路を用いることで、3端子スイッチ素子1118をオン状態またはオフ状態の任意の状態にプログラムすることが可能である。   As described above, by using the circuit described with reference to FIG. 43, the three-terminal switch element 1118 can be programmed to any state of the on state or the off state.

図44は、並列に接続された複数の2端子スイッチ素子1103のプログラムを行う回路の一実施例の構成を示したものである。図44を参照すると、この実施例のプログラミング回路は、2端子スイッチ素子1103a、1103b、1103c、1103d、pMOSトランジスタ1252、1258、nMOSトランジスタ1255、制御入力端子1251、1254a、1254b、1254c、1254d、1257、電圧源1253、1259、配線1250、1256a、1256b、1256c、1256dから構成される。1201は2端子スイッチ素子1103のアノード端子であり、1202a、1202b、1202c、1202dはそれぞれ、スイッチ素子1103a、1103b、1103c、1103dのカソード端子である。   FIG. 44 shows a configuration of an embodiment of a circuit for programming a plurality of two-terminal switch elements 1103 connected in parallel. Referring to FIG. 44, the programming circuit of this embodiment includes two-terminal switch elements 1103a, 1103b, 1103c, 1103d, pMOS transistors 1252, 1258, nMOS transistor 1255, control input terminals 1251, 1254a, 1254b, 1254c, 1254d, 1257. , Voltage sources 1253 and 1259, and wirings 1250, 1256a, 1256b, 1256c and 1256d. Reference numeral 1201 denotes an anode terminal of the two-terminal switch element 1103, and reference numerals 1202a, 1202b, 1202c, and 1202d denote cathode terminals of the switch elements 1103a, 1103b, 1103c, and 1103d, respectively.

以下では、一例として、スイッチ素子1103bをオン状態にプログラムする場合を説明する。初期状態では、入力1251と入力1257はHレベル、入力1254a、1254b、1254c、1254dはLレベルである。入力1251をLレベルにすると、配線1256a、1256b、1256c、1256dにそれぞれ、トランジスタ1252を通して、電圧源1253から電圧が供給される。ここでは、電圧源1253から供給される電圧をVpp/2とする。   Hereinafter, as an example, a case where the switch element 1103b is programmed to be in an on state will be described. In the initial state, the inputs 1251 and 1257 are at the H level, and the inputs 1254a, 1254b, 1254c, and 1254d are at the L level. When the input 1251 is set to the L level, a voltage is supplied from the voltage source 1253 to the wirings 1256a, 1256b, 1256c, and 1256d through the transistor 1252. Here, the voltage supplied from the voltage source 1253 is Vpp / 2.

次に、入力1251をHレベルにし、入力1254bをHレベルにする。すると、配線1256bはトランジスタ1255bを介して接地される。ここまでの操作により、配線1256a、1256c、1256dの電圧はVpp/2、配線1256bの電圧は0(グランド電位)となる。   Next, the input 1251 is set to H level, and the input 1254b is set to H level. Then, the wiring 1256b is grounded through the transistor 1255b. Through the operations so far, the voltages of the wirings 1256a, 1256c, and 1256d are Vpp / 2, and the voltage of the wiring 1256b is 0 (ground potential).

次に、入力1254bをLレベルに戻し、入力1257をLレベルにすると、2端子スイッチ素子1103のアノード1201には、トランジスタ1258を介して電圧源1259の電圧が供給される。ここで、電圧源1259の電圧をVppとすると、スイッチ素子1103a、1103c、1103dのカソード端子1202a、1202c、1202dの電圧はVpp/2であることから、これらスイッチ素子の2端子間の電位差は、Vpp/2となり、スイッチ素子1103bのカソード端子1202bの電圧は0であることから、スイッチ素子1103bの2端子間には、電位差Vppが印加される。   Next, when the input 1254b is returned to the L level and the input 1257 is set to the L level, the voltage of the voltage source 1259 is supplied to the anode 1201 of the two-terminal switch element 1103 through the transistor 1258. Here, when the voltage of the voltage source 1259 is Vpp, the voltage of the cathode terminals 1202a, 1202c, and 1202d of the switch elements 1103a, 1103c, and 1103d is Vpp / 2. Since Vpp / 2 and the voltage of the cathode terminal 1202b of the switch element 1103b is 0, the potential difference Vpp is applied between the two terminals of the switch element 1103b.

ここで、この2端子素子のしきい値が、Vpp/2とVppの間にあると仮定すると、スイッチ素子1103bは2端子間の電位差がしきい値を超えているため、オン状態にプログラムされ、スイッチ素子1103a、1103c、1103dの2端子間の電位差は、しきい値を超えていないため状態は変化しない。以上のように、並列に接続された複数の2端子スイッチ素子の中から、任意に選択したスイッチ素子をオン状態にプログラムすることができる。また、通常動作時に論理信号の伝播のために用いる電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   Here, assuming that the threshold value of the two-terminal element is between Vpp / 2 and Vpp, switch element 1103b is programmed to be on because the potential difference between the two terminals exceeds the threshold value. Since the potential difference between the two terminals of the switch elements 1103a, 1103c, and 1103d does not exceed the threshold value, the state does not change. As described above, an arbitrarily selected switch element from a plurality of two-terminal switch elements connected in parallel can be programmed to an on state. In addition, the voltage used for propagation of the logic signal during normal operation is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図45は、マトリクス状に縦横に並列に接続された複数の2端子スイッチ素子(以下、「スイッチマトリクス」と呼ぶ)のプログラムを行う回路の一実施例の構成を示したものである。図45を参照すると、本実施例のプログラミング回路は、2端子スイッチ素子1103aa、1103ab、1103ac、1103ad、1103ba、1103bb、1103bc、1103bd、1103ca、1103cb、1103cc、1103cd、pMOSトランジスタ1252、1258a、1258b、1258c、nMOSトランジスタ1255a、1255b、1255c、1255d、制御入力端子1251、1254a、1254b、1254c、1254d、1257a、1257b、1257c、電圧源1253、1259、配線1250a、1250b、1250c、1256a、1256b、1256c、1256dから構成される。   FIG. 45 shows the configuration of an embodiment of a circuit for programming a plurality of two-terminal switch elements (hereinafter referred to as “switch matrix”) connected in parallel in a matrix in the vertical and horizontal directions. Referring to FIG. 45, the programming circuit of this embodiment includes two-terminal switch elements 1103aa, 1103ab, 1103ac, 1103ad, 1103ba, 1103bb, 1103bc, 1103bd, 1103ca, 1103cb, 1103cc, 1103cd, pMOS transistors 1252, 1258a, 1258b, 1258c, nMOS transistors 1255a, 1255b, 1255c, 1255d, control input terminals 1251, 1254a, 1254b, 1254c, 1254d, 1257a, 1257b, 1257c, voltage sources 1253, 1259, wirings 1250a, 1250b, 1250c, 1256a, 1256b, 1256c, 1256d.

1201は2端子スイッチ素子1103のアノード端子であり、1202はスイッチ素子1103のカソード端子である。   1201 is an anode terminal of the two-terminal switch element 1103, and 1202 is a cathode terminal of the switch element 1103.

以下では、一例として、スイッチ素子1103bbをオン状態にプログラムする場合について説明する。初期状態では、入力1251と入力1257a、1257b、1257cはHレベル、入力1254a、1254b、1254c、1254dはLレベルである。入力1251をLレベルにすると、配線1256a、1256b、1256c、1256dにそれぞれ、トランジスタ1252を通して、電圧源1253から電圧が供給される。ここで、電圧源1253から供給される電圧をVpp/2とすると、配線1256a、1256b、1256c、1256dの電圧は全てVpp/2にチャージアップされる。   Hereinafter, as an example, a case where the switch element 1103bb is programmed to an on state will be described. In the initial state, the inputs 1251 and 1257a, 1257b, and 1257c are at the H level, and the inputs 1254a, 1254b, 1254c, and 1254d are at the L level. When the input 1251 is set to the L level, a voltage is supplied from the voltage source 1253 to the wirings 1256a, 1256b, 1256c, and 1256d through the transistor 1252. Here, when the voltage supplied from the voltage source 1253 is Vpp / 2, the voltages of the wirings 1256a, 1256b, 1256c, and 1256d are all charged up to Vpp / 2.

次に、入力1251をHレベルにし、入力1254bをHレベルにする。すると、配線1256bはトランジスタ1255bを介して接地される。ここまでの操作により、配線1256a、1256c、1256dの電圧はVpp/2、配線1256bの電圧は0となる。次に、入力1254bをLレベルに戻し、入力1257bをLレベルにすると、2端子スイッチ素子1103ba、1103bb、1103bc、1103bdのアノード1201bには、トランジスタ1258bを介して電圧源1259の電圧が供給される。ここで、電圧源1259の電圧をVppとすると、スイッチ素子1103ba、1103bc、1103bdのカソード端子1202ba、1202bc、1202bdの電圧はVpp/2であることから、これらスイッチ素子の2端子間の電位差は、Vpp/2となり、スイッチ素子1103bbのカソード端子1202bbの電圧は0であることから、スイッチ素子1103bbの2端子間には電位差Vppが印加される。   Next, the input 1251 is set to H level, and the input 1254b is set to H level. Then, the wiring 1256b is grounded through the transistor 1255b. By the operation so far, the voltages of the wirings 1256a, 1256c, and 1256d are Vpp / 2, and the voltage of the wiring 1256b is 0. Next, when the input 1254b is returned to the L level and the input 1257b is set to the L level, the voltage of the voltage source 1259 is supplied to the anode 1201b of the two-terminal switch elements 1103ba, 1103bb, 1103bc, and 1103bd through the transistor 1258b. . Here, if the voltage of the voltage source 1259 is Vpp, the voltage of the cathode terminals 1202ba, 1202bc, and 1202bd of the switch elements 1103ba, 1103bc, and 1103bd is Vpp / 2. Therefore, the potential difference between the two terminals of these switch elements is Since Vpp / 2 and the voltage of the cathode terminal 1202bb of the switch element 1103bb is 0, the potential difference Vpp is applied between the two terminals of the switch element 1103bb.

ここで、この2端子素子のしきい値が、Vpp/2とVppの間にあると仮定すると、スイッチ素子1103bbは2端子間の電位差がしきい値を超えているためオン状態にプログラムされ、スイッチ素子1103ba、1103bc、1103bdの2端子間の電位差はしきい値を越えていないため状態は変化しない。   Assuming that the threshold value of the two-terminal element is between Vpp / 2 and Vpp, the switching element 1103bb is programmed to be in the on state because the potential difference between the two terminals exceeds the threshold value. Since the potential difference between the two terminals of the switch elements 1103ba, 1103bc, and 1103bd does not exceed the threshold value, the state does not change.

また、トランジスタ1258aと1258cはオンにさせていないため、スイッチ素子1103aa、1103ab、1103ac、1103ad、1103ca、1103cb、1103cc、1103cdのアノード端子1201aと1201cの電圧は0であり、これらスイッチ素子の2端子間にはVpp/2以上の電位差が生じないため、これらのスイッチのプログラミング状態も変化しない。   Since the transistors 1258a and 1258c are not turned on, the voltages of the anode terminals 1201a and 1201c of the switch elements 1103aa, 1103ab, 1103ac, 1103ad, 1103ca, 1103cb, 1103cc, and 1103cd are 0, and the two terminals of these switch elements Since there is no potential difference of Vpp / 2 or more between them, the programming state of these switches does not change.

以上のように、並列に接続された複数の2端子スイッチ素子の中から、任意に選択したスイッチ素子をオン状態にプログラムすることができる。また、通常動作時に論理信号の伝播のために用いる電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   As described above, an arbitrarily selected switch element from a plurality of two-terminal switch elements connected in parallel can be programmed to an on state. In addition, the voltage used for propagation of the logic signal during normal operation is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図46は、スイッチマトリクスの接続状態をオフ状態にする回路の一実施例の構成を示したものである。図46を参照すると、本実施例のプログラミング回路は、2端子スイッチ素子1103aa、1103ab、1103ac、1103ad、1103ba、1103bb、1103bc、1103bd、1103ca、1103cb、1103cc、1103cd、pMOSトランジスタ1260、nMOSトランジスタ1264a、1264b、1264c、制御入力端子1261、1263a、1263b、1263c、電圧源1262、配線1250a、1250b、1250c、1256a、1256b、1256c、1256dから構成される。1201は2端子スイッチ素子1103のアノード端子であり、1202はスイッチ素子1103のカソード端子である。   FIG. 46 shows a configuration of an embodiment of a circuit for turning off the connection state of the switch matrix. Referring to FIG. 46, the programming circuit of the present embodiment includes two-terminal switch elements 1103aa, 1103ab, 1103ac, 1103ad, 1103ba, 1103bb, 1103bc, 1103bd, 1103ca, 1103cb, 1103cc, 1103cd, pMOS transistor 1260, nMOS transistor 1264a, 1264b, 1264c, control input terminals 1261, 1263a, 1263b, 1263c, a voltage source 1262, wirings 1250a, 1250b, 1250c, 1256a, 1256b, 1256c, 1256d. 1201 is an anode terminal of the two-terminal switch element 1103, and 1202 is a cathode terminal of the switch element 1103.

初期状態では、入力端子1261はHレベル、入力端子1263a、1263b、1263cは全てLレベルである。   In the initial state, the input terminal 1261 is at the H level, and the input terminals 1263a, 1263b, and 1263c are all at the L level.

ここで、スイッチ素子1103ba、1103bb、1103bc、1103bdをオフ状態にプログラムする場合について説明する。この場合、入力端子1261をLレベルに、入力端子1263bをHレベルに設定すると、配線1256a、1256b、1256c、1256dには、トランジスタ1260を通して電圧源1262の電圧が供給され、スイッチ素子1103ba、1103bb、1103bc、1103bdのカソード端子1202ba、1202bb、1202bc、1202bdには、電圧源1262の電圧が供給される。また、アノード端子1201bは、トランジスタ1264bを介して接地される。   Here, the case where the switch elements 1103ba, 1103bb, 1103bc, and 1103bd are programmed to the off state will be described. In this case, when the input terminal 1261 is set to the L level and the input terminal 1263b is set to the H level, the voltage of the voltage source 1262 is supplied to the wirings 1256a, 1256b, 1256c, and 1256d through the transistor 1260, and the switch elements 1103ba, 1103bb, The voltage of the voltage source 1262 is supplied to the cathode terminals 1202ba, 1202bb, 1202bc, and 1202bd of 1103bc and 1103bd. The anode terminal 1201b is grounded via the transistor 1264b.

この状態では、スイッチ素子1103ba、1103bb、1103bc、1103bdには、逆バイアスが印加され、2端子間の電圧がしきい値電圧を越えていれば、スイッチ素子1103ba、1103bb、1103bc、1103bdはオフ状態にプログラムされる。   In this state, if a reverse bias is applied to the switch elements 1103ba, 1103bb, 1103bc, and 1103bd and the voltage between the two terminals exceeds the threshold voltage, the switch elements 1103ba, 1103bb, 1103bc, and 1103bd are in the off state. To be programmed.

また、スイッチ素子1103aa、1103ab、1103ac、1103ad、1103ba、1103bb、1103bc、1103bd、1103ca、1103cb、1103cc、1103cdの全てをオフ状態にプログラムする場合には、入力端子1261をLレベルに、入力端子1263a、1263b、1263cをHレベルに設定する。配線1256a、1256b、1256c、1256dにはトランジスタ1260を通して電圧源1262の電圧が供給され、全てのスイッチ素子1103のカソード端子1202aa、1202ab、1202ac、1202ad、1202ba、1202bb、1202bc、1202bd、1202ca、1202cb、1202cc、1202cdには電圧源1262の電圧が供給される。また、アノード端子1201a、1201b、1201cは、トランジスタ1264a、1264b、1264cを通して接地される。この状態では、全てのスイッチ素子1103に逆バイアスが印加され、2端子間の電圧がしきい値電圧を越えていれば、スイッチ素子1103aa、1103ab、1103ac、1103ad、1103ba、1103bb、1103bc、1103bd、1103ca、1103cb、1103cc、1103cdの全てがオフ状態にプログラムされる。   When all of the switch elements 1103aa, 1103ab, 1103ac, 1103ad, 1103ba, 1103bb, 1103bc, 1103bd, 1103ca, 1103cb, 1103cc, and 1103cd are programmed to be in the OFF state, the input terminal 1261 is set to the L level and the input terminal 1263a. , 1263b, 1263c are set to the H level. The wirings 1256a, 1256b, 1256c, and 1256d are supplied with the voltage of the voltage source 1262 through the transistor 1260, and the cathode terminals 1202aa, 1202ab, 1202ac, 1202ba, 1202ba, 1202bc, 1202bd, 1202ca, and 1202cb of all the switch elements 1103, The voltage of the voltage source 1262 is supplied to 1202cc and 1202cd. The anode terminals 1201a, 1201b, and 1201c are grounded through the transistors 1264a, 1264b, and 1264c. In this state, if a reverse bias is applied to all the switch elements 1103 and the voltage between the two terminals exceeds the threshold voltage, the switch elements 1103aa, 1103ab, 1103ac, 1103ad, 1103ba, 1103bb, 1103bc, 1103bd, All of 1103ca, 1103cb, 1103cc, and 1103cd are programmed to the off state.

図47は、本発明のスイッチマトリクスおよび、そのプログラミング回路を用いた、プログラム可能な2入力論理回路の構成の一例を示す図である。図47を参照すると、本実施例のプログラム可能な論理回路は、プログラミング回路1270、1271、第1の配線1250a〜1250f、第2の配線1256a〜1256e、セレクタ回路1273、インバータ1274、制御信号入力端子1272、から構成され、配線1250と配線1256の各交差部には、2端子スイッチ素子1103が配置され、該スイッチ素子1103のアノード端子1201は第1の配線1250a〜1250fのいずれか1本に接続され、該スイッチ素子1103のカソード端子1202は、第2の配線1256a〜1256eのいずれか1本に接続されている。プログラミング回路1270、1271は、図45と図46を参照して説明した、プログラミング回路、消去回路に対応する。   FIG. 47 is a diagram showing an example of the configuration of a programmable two-input logic circuit using the switch matrix of the present invention and its programming circuit. Referring to FIG. 47, the programmable logic circuit of this embodiment includes programming circuits 1270 and 1271, first wirings 1250a to 1250f, second wirings 1256a to 1256e, a selector circuit 1273, an inverter 1274, and a control signal input terminal. 1272, and a two-terminal switch element 1103 is disposed at each intersection of the wiring 1250 and the wiring 1256, and the anode terminal 1201 of the switching element 1103 is connected to any one of the first wirings 1250a to 1250f. The cathode terminal 1202 of the switch element 1103 is connected to one of the second wirings 1256a to 1256e. The programming circuits 1270 and 1271 correspond to the programming circuit and the erase circuit described with reference to FIGS.

セレクタ回路1273は、1256cの論理値が“L”(low)レベルの場合には、1256aの論理値を1256dに出力し、1256cの論理値が“H”(high)レベルの場合には、1256bの論理値を1256dに出力する。インバータ1274は、1256dの論理値を反転した値を1256eに出力する。   The selector circuit 1273 outputs the logical value of 1256a to 1256d when the logical value of 1256c is "L" (low) level, and 1256b when the logical value of 1256c is "H" (high) level. Is output to 1256d. The inverter 1274 outputs a value obtained by inverting the logical value of 1256d to 1256e.

図47に示した回路は、配線1250と配線1256の接続を変更することで、任意の2入力論理関数を実現することができる。   The circuit shown in FIG. 47 can realize an arbitrary two-input logic function by changing the connection between the wiring 1250 and the wiring 1256.

図48は、セレクタとインバータを用いて、AND、NAND、OR、NOR、XOR、XNOR論理を実現した回路構成の一例を示す図である。例えば、AND論理を実現する場合、入力Aが“L”レベルの場合には0が選択されて出力されるので、出力は“L”レベルに、入力Aが“H”レベルの場合には、“B”が出力される。従って、AとBの両方が“H”レベルの場合のみ、“H”レベルが出力される。また、セレクタ1273の各入力端子に入力される値を変更することで、OR論理やXOR論理などを構成できる。   FIG. 48 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration in which AND, NAND, OR, NOR, XOR, and XNOR logic are realized using a selector and an inverter. For example, when the AND logic is realized, when the input A is “L” level, 0 is selected and output, so that the output is “L” level, and when the input A is “H” level, “B” is output. Therefore, the “H” level is output only when both A and B are at the “H” level. Further, by changing the value input to each input terminal of the selector 1273, OR logic, XOR logic, or the like can be configured.

図48の回路において、例えば、配線1250aにAという論理値、配線1250bにBという論理値を与え、1250cは常に“L”レベル(論理値0)であると仮定する。ここで、プログラミング回路1270および1271を用いて、配線1250aと配線1256c、配線1250bと配線1256b、配線1250cと配線1256a、配線1256dと配線1250d、配線1256eと配線1250eがそれぞれ接続されるように、2端子スイッチ素子1103をプログラムすると、論理値Aと論理値Bが共に“H”レベルの場合のみ、配線1256dに“H”レベルが現れる。このようにして、AND論理が実現される。   In the circuit of FIG. 48, for example, it is assumed that a logical value A is given to the wiring 1250a and a logical value B is given to the wiring 1250b, and that 1250c is always at the “L” level (logical value 0). Here, the programming circuits 1270 and 1271 are used to connect the wiring 1250a and the wiring 1256c, the wiring 1250b and the wiring 1256b, the wiring 1250c and the wiring 1256a, the wiring 1256d and the wiring 1250d, and the wiring 1256e and the wiring 1250e, respectively. When the terminal switch element 1103 is programmed, the “H” level appears in the wiring 1256d only when the logical values A and B are both “H” level. In this way, AND logic is realized.

また、同様に、配線1250aにAという論理値、配線1250bにBという論理値を与え、1250fは常に“H”レベル(論理値1)であると仮定して、配線1250aと配線1256c、配線1250fと配線1256a、配線1250cと配線1256b、配線1256dと配線1250d、配線1256eと配線1250eがそれぞれ接続されるように、2端子スイッチ素子1103をプログラムすると、論理値Aまたは論理値Bの少なくともどちらか一方が“H”レベルの場合に、配線1256dに“H”レベルが現れる。このようにして、OR論理が実現される。   Similarly, a logical value of A is given to the wiring 1250a and a logical value of B is given to the wiring 1250b, and it is assumed that 1250f is always at the “H” level (logical value 1), and the wirings 1250a, 1256c, and 1250f are assumed. When the two-terminal switch element 1103 is programmed so that the wiring 1256a, the wiring 1250c and the wiring 1256b, the wiring 1256d and the wiring 1250d, and the wiring 1256e and the wiring 1250e are connected to each other, at least one of the logical value A and the logical value B "H" level appears in the wiring 1256d. In this way, OR logic is realized.

以上説明したように、本発明の2端子スイッチマトリクスとそのプログラミング回路を用いることで、任意の2入力論理関数を実現できるプログラム可能な論理回路が構成される。   As described above, by using the two-terminal switch matrix of the present invention and its programming circuit, a programmable logic circuit that can realize an arbitrary two-input logic function is configured.

図47に示した回路では、セレクタ1273とインバータ1274は、出力をハイインピーダンスにすることができる3ステート回路を用いて、スイッチマトリクスのプログラミングを行う際には制御入力1272からの入力信号により、セレクタ1273とインバータ1274の出力をハイインピーダンスにして、これらの回路の出力が、配線1256dと配線1256eの信号レベルに影響を与えないようにすることが望ましい。   In the circuit shown in FIG. 47, the selector 1273 and the inverter 1274 use a three-state circuit capable of setting the output to high impedance, and when the switch matrix is programmed, the selector 1273 and the inverter 1274 are selected by the input signal from the control input 1272. It is desirable that the outputs of 1273 and the inverter 1274 have high impedance so that the outputs of these circuits do not affect the signal levels of the wirings 1256d and 1256e.

図49は、本発明に係る2端子スイッチマトリクスと、それを応用したプログラム可能な論理回路を組み合わせた、フィールドプログラマブル論理回路の一実施例の構成を示す図である。図49を参照すると、本実施例のフィールドプログラマブル論理回路は、セレクタ1273とインバータ1274を有する複数のプログラム可能な論理回路1281、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、2端子スイッチ素子1103を有し、縦方向の配線1256と横方向の配線1250の各交点をオン状態またはオフ状態に任意にプログラム可能なスイッチマトリクス1283、2端子スイッチ素子1103を有し、横方向の配線1250とプログラム可能な論理回路1281の各端子の接続をオン状態またはオフ状態に任意にプログラム可能なスイッチマトリクス1284、横方向の配線、縦方向の配線1256同士または横方向の配線1250同士の接続をオン状態またはオフ状態の任意の状態にプログラム可能なスイッチ回路1282、から構成される。   FIG. 49 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a field programmable logic circuit in which a two-terminal switch matrix according to the present invention and a programmable logic circuit to which the two-terminal switch matrix is applied are combined. Referring to FIG. 49, the field programmable logic circuit of this embodiment includes a plurality of programmable logic circuits 1281 having a selector 1273 and an inverter 1274, a vertical wiring 1256, a horizontal wiring 1250, and a two-terminal switch element 1103. A switch matrix 1283 and a two-terminal switch element 1103 that can be arbitrarily programmed to turn on or off each intersection of the vertical wiring 1256 and the horizontal wiring 1250, and can be programmed with the horizontal wiring 1250 The switch matrix 1284 that can be arbitrarily programmed to connect each terminal of the logic circuit 1281 to the on state or the off state, the horizontal wiring, the vertical wiring 1256, or the horizontal wiring 1250 are connected to each other. A switch that can be programmed to any of the states Circuit 1282, consists of.

スイッチマトリクス1283および1284は、縦方向の配線と横方向の配線の各交点に2端子スイッチ素子1103が配置され、該スイッチ素子の2つの端子がそれぞれ、縦方向の配線と横方向の配線に接続された構造を有する。   In the switch matrices 1283 and 1284, two-terminal switch elements 1103 are arranged at the intersections of the vertical wiring and the horizontal wiring, and the two terminals of the switch elements are connected to the vertical wiring and the horizontal wiring, respectively. Has a structured.

また、スイッチ1282は、スイッチ素子1103が、パストランジスタ1280のソースおよびドレイン端子と並列に接続された構造を有する。   The switch 1282 has a structure in which the switch element 1103 is connected in parallel with the source and drain terminals of the pass transistor 1280.

複数個あるプログラム可能な論理回路1281に、それぞれ任意の論理関数をプログラムし、スイッチマトリクス1283、1284と、スイッチ1285の接続状態を変更して、複数個あるプログラム可能な論理回路1281の相互接続を任意にプログラムすることで、複雑な論理関数を有する論理回路を構成することができる。   An arbitrary logic function is programmed in each of the plurality of programmable logic circuits 1281, and the connection state of the switch matrices 1283 and 1284 and the switch 1285 is changed to interconnect the plurality of programmable logic circuits 1281. By arbitrarily programming, a logic circuit having a complicated logic function can be configured.

図50は、図49で示したフィールドプログラマブル論理回路の、スイッチマトリクス1283およびスイッチ回路1285のプログラミング回路を説明するための図である。   FIG. 50 is a diagram for explaining a programming circuit of the switch matrix 1283 and the switch circuit 1285 of the field programmable logic circuit shown in FIG.

図50を参照すると、本実施例のフィールドプログラマブル論理回路のプログラミング回路は、スイッチマトリクス1283、スイッチ回路1285、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、pMOSトランジスタ1290、1292、1294、nMOSトランジスタ1291、1293、1295、制御信号入力端子1296a、1296b、1296c、電圧源1297から構成される。電圧源1297は、スイッチ素子1103のしきい値電圧よりも高い電圧Vppを供給する。   Referring to FIG. 50, the programming circuit of the field programmable logic circuit of this embodiment includes a switch matrix 1283, a switch circuit 1285, a vertical wiring 1256, a horizontal wiring 1250, pMOS transistors 1290, 1292, 1294, and an nMOS transistor 1291. , 1293, 1295, control signal input terminals 1296a, 1296b, 1296c, and a voltage source 1297. Voltage source 1297 supplies a voltage Vpp higher than the threshold voltage of switch element 1103.

ここで、スイッチマトリクス1283の中の、スイッチ素子1103aをオン状態にプログラムする場合を考える。トランジスタ1290と1295をオン状態に、トランジスタ1291、1292、1293、1294はオフ状態に設定し、縦方向の配線1256a、1256c、1256x、1256y、横方向の配線1250a、1250cには、電圧源1297から供給される電圧Vppの半分の電圧Vpp/2を印加する。   Here, consider a case where the switch element 1103a in the switch matrix 1283 is programmed to the ON state. The transistors 1290 and 1295 are turned on, the transistors 1291, 1292, 1293, and 1294 are turned off. The vertical wirings 1256a, 1256c, 1256x, and 1256y, and the horizontal wirings 1250a and 1250c are supplied from the voltage source 1297. A voltage Vpp / 2 that is half of the supplied voltage Vpp is applied.

また、制御信号入力1296a、1296b、1296cは、全て“H”レベルとし、トランジスタ1280は、全てオン状態にする。すると、横方向の配線1250bからは電圧Vppがスイッチ素子1103aのアノード端子に供給され、縦方向の配線1256bを通じてスイッチ素子1103bのカソード端子は接地される。   Further, the control signal inputs 1296a, 1296b, and 1296c are all set to the “H” level, and the transistors 1280 are all turned on. Then, the voltage Vpp is supplied from the horizontal wiring 1250b to the anode terminal of the switching element 1103a, and the cathode terminal of the switching element 1103b is grounded through the vertical wiring 1256b.

ここで、スイッチ素子1103aの2端子間には、しきい値を超える電圧Vppが印加されるため、スイッチ素子1103aはオン状態にプログラムされる。その他のスイッチ素子には、少なくとも片側の端子にVpp/2の電圧が印加されているため、2端子間の電位差はVpp/2以下となるため、スイッチの接続状態は変化しない。   Here, since the voltage Vpp exceeding the threshold is applied between the two terminals of the switch element 1103a, the switch element 1103a is programmed to the ON state. Since the voltage of Vpp / 2 is applied to at least one terminal of the other switch elements, the potential difference between the two terminals is Vpp / 2 or less, and the connection state of the switch does not change.

このようにして、スイッチマトリクス1283の中の任意のスイッチ素子をプログラムすることができる。   In this way, any switch element in the switch matrix 1283 can be programmed.

スイッチマトリクス1283の中のスイッチ素子を全てオフ状態にプログラム(消去)するには、縦方向の配線1256の全てに、Vppを印加し、横方向の全ての配線を接地し、トランジスタ1280は全てオンになるように制御信号入力1296a、1296b、1296cは全て“H”レベルにする。   In order to program (erase) all switch elements in the switch matrix 1283 in an off state, Vpp is applied to all the vertical wirings 1256, all the horizontal wirings are grounded, and all the transistors 1280 are turned on. The control signal inputs 1296a, 1296b and 1296c are all set to the “H” level so that

すると、スイッチ素子1103のカソード側には縦方向の配線1256を介してVppが印加され、該スイッチ素子のアノード側は、トランジスタ1280を介して接地される。このため、スイッチ素子1103のプログラミング状態は消去され、オフ状態に設定される。   Then, Vpp is applied to the cathode side of the switch element 1103 via the vertical wiring 1256, and the anode side of the switch element is grounded via the transistor 1280. For this reason, the programming state of the switch element 1103 is erased and set to the off state.

次に、スイッチ1285の中の、スイッチ素子1103bをプログラムする場合を考える。トランジスタ1290と1293をオン状態に、トランジスタ1291、1292、1294、1295は全てオフ状態に、縦の配線1256は全てVpp/2の電位に設定し、制御入力信号1296aと1296cは“H”レベルに、制御入力信号1296bは“L”レベルに設定する。   Next, consider the case where the switch element 1103b in the switch 1285 is programmed. Transistors 1290 and 1293 are turned on, transistors 1291, 1292, 1294, and 1295 are all turned off, vertical wirings 1256 are all set to a potential of Vpp / 2, and control input signals 1296a and 1296c are set to the “H” level. The control input signal 1296b is set to the “L” level.

すると、スイッチ素子1103bの片側の端子には、トランジスタ1290を通して電圧Vppが供給され、スイッチ素子1103bのもう片方の端子は、トランジスタ1293を通して接地される。スイッチ素子1103bと直列に接続されている他のスイッチ素子は、それらのスイッチ素子と並列に接続されているトランジスタ1280a、1280cがオン状態のため、これらスイッチ素子の端子間には電圧がかからない。   Then, the voltage Vpp is supplied to one terminal of the switch element 1103b through the transistor 1290, and the other terminal of the switch element 1103b is grounded through the transistor 1293. Since the other switch elements connected in series with the switch element 1103b are in the on state, the transistors 1280a and 1280c connected in parallel with these switch elements are not applied with voltage.

また、横方向の配線1250と縦方向の配線1256の交点に接続されているスイッチ素子に関しては、縦方向の配線1256にVpp/2の電圧が印加されているため、スイッチ素子の2端子間の電位差はVpp/2以下であり、これら交点のスイッチ素子のプログラミング状態は変化しない。   In addition, regarding the switch element connected to the intersection of the horizontal wiring 1250 and the vertical wiring 1256, a voltage of Vpp / 2 is applied to the vertical wiring 1256, and therefore, between the two terminals of the switch element. The potential difference is Vpp / 2 or less, and the programming state of the switch elements at these intersections does not change.

このようにして、スイッチ1285のなかから、任意に選択したスイッチ素子1103bのプログラミング状態を変化させることができる。   In this way, the programming state of the switch element 1103b arbitrarily selected from the switches 1285 can be changed.

図51は、本発明によるスイッチマトリクスのプログラミングの状態を検証(ベリファイ)するための回路の一例を示す図である。図51を参照すると、この実施例の検証回路は、2端子スイッチ素子1103、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、nMOSトランジスタ1255、1306、pMOSトランジスタ1301、1303、1305、入力端子1254、1300、1302、1304、出力端子1307から構成される。この検証回路を用いることで、オン状態にプログラムされているべきスイッチが全てオン状態になっているかを行単位で検証することができる。   FIG. 51 is a diagram showing an example of a circuit for verifying the state of programming of the switch matrix according to the present invention. Referring to FIG. 51, the verification circuit of this embodiment includes a two-terminal switch element 1103, a vertical wiring 1256, a horizontal wiring 1250, nMOS transistors 1255 and 1306, pMOS transistors 1301, 1303 and 1305, an input terminal 1254, 1300, 1302, and 1304, and an output terminal 1307. By using this verification circuit, it is possible to verify in line units whether all the switches that should be programmed to the ON state are in the ON state.

例えば、スイッチ素子1103aaと1103acをオン状態にプログラムしたと仮定する。これを確認するためには、入力端子1300に“L”レベルのパルスを与え、トランジスタ1301を通して縦の配線1256を全てプリチャージする。次に、検証したいプログラミングパターンを入力(1254)する。例えば、ここでは、1103aaと1103acをオン状態にプログラムしたので、それらの列に対応する入力1254aと入力1254cに“H”レベルを、それ以外の入力1254bと1254dは“L”レベルにする。   For example, assume that switch elements 1103aa and 1103ac are programmed to an on state. In order to confirm this, an “L” level pulse is applied to the input terminal 1300 and all the vertical wirings 1256 are precharged through the transistor 1301. Next, a programming pattern to be verified is input (1254). For example, since 1103aa and 1103ac are programmed to be in the ON state here, the input 1254a and input 1254c corresponding to those columns are set to “H” level, and the other inputs 1254b and 1254d are set to “L” level.

すると、縦の配線1256aと1256cはトランジスタ1254aと1254cを介して接地され、その電位がゼロになる。次に、入力1302に“L”レベルのパルスを与えると、トランジスタ1303を介して、出力1307がプリチャージされる。ここでは、1256bと1256dが“H”レベルにプリチャージされたままであるが、1256aと1256cは電位がゼロなので、トランジスタ1306aと1306cはオフであり、出力1307はプリチャージされたまま“H”レベルを保つ。   Then, the vertical wirings 1256a and 1256c are grounded through the transistors 1254a and 1254c, and the potential becomes zero. Next, when an “L” level pulse is applied to the input 1302, the output 1307 is precharged via the transistor 1303. Here, 1256b and 1256d remain precharged to "H" level, but 1256a and 1256c have zero potential, so that transistors 1306a and 1306c are off and output 1307 remains precharged. Keep.

次に、入力1254全てを“L”レベルに戻し、入力1304aを“L”レベルにすると、トランジスタ1305aを介して配線1250aが“H”レベルになる。ここで、スイッチ素子1103aaと1103acがオン状態にプログラムされていれば、これらのスイッチ素子を通して配線1256aと1256cが“H”レベルになる。   Next, when all the inputs 1254 are returned to the “L” level and the input 1304a is set to the “L” level, the wiring 1250a is set to the “H” level through the transistor 1305a. Here, if switch elements 1103aa and 1103ac are programmed to be in an ON state, wirings 1256a and 1256c are set to “H” level through these switch elements.

すると、トランジスタ1306a〜1306dが全てオンになり、出力1307は接地され、“L”レベルになる。もしここで、スイッチ素子1103aaまたは1103acが正常にプログラムされずにオフ状態のままであれば、配線1256aまたは配線1256cが“L”レベルのままとなり、トランジスタ1306aまたは1306cがオフ状態のままとなる。   Then, the transistors 1306a to 1306d are all turned on, the output 1307 is grounded, and becomes “L” level. If the switching element 1103aa or 1103ac is not normally programmed and remains off, the wiring 1256a or the wiring 1256c remains at the “L” level, and the transistor 1306a or 1306c remains off.

すると、出力1307は“H”レベルのままとなり、本来オン状態にプログラムされているはずのスイッチがオフ状態であることを検出できる。ここで、これらの動作に用いられる信号電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   Then, the output 1307 remains at the “H” level, and it can be detected that the switch that should have been programmed to the on state is in the off state. Here, the signal voltage used for these operations is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図52は、スイッチマトリクスのプログラミングの状態を検証(ベリファイ)するための回路の一実施例の構成を示す図である。図52を参照すると、この実施例の検証回路は、2端子スイッチ素子1103、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、nMOSトランジスタ1255、1312、pMOSトランジスタ1301、1305、1311、入力端子1254、1300、1304、1310、出力端子1313から構成される。この検証回路を用いることで、オフ状態にプログラムされているべきスイッチが全てオフ状態になっているかを検証することができる。例えば、スイッチ素子1103aaと1103acをオン状態に、スイッチ素子1103abと1103adをオフ状態にプログラムしたと仮定する。これを確認するためには、入力端子1254a〜1254dにHレベルのパルスを与えて、縦の配線1256を全て接地し、配線1256の電位を全て“L”レベルにする。   FIG. 52 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a circuit for verifying the state of programming of the switch matrix. Referring to FIG. 52, the verification circuit of this embodiment includes a two-terminal switch element 1103, a vertical wiring 1256, a horizontal wiring 1250, nMOS transistors 1255 and 1312, pMOS transistors 1301, 1305, and 1311, an input terminal 1254, 1300, 1304, 1310 and an output terminal 1313. By using this verification circuit, it is possible to verify whether all the switches that should be programmed to the OFF state are in the OFF state. For example, assume that switch elements 1103aa and 1103ac are programmed to an on state and switch elements 1103ab and 1103ad are programmed to an off state. In order to confirm this, an H level pulse is applied to the input terminals 1254a to 1254d, all the vertical wirings 1256 are grounded, and all the potentials of the wirings 1256 are set to the "L" level.

その後、入力端子1304aに“L”レベルのパルスを与え、トランジスタ1305aを通して横の配線1250aをHレベルにプリチャージする。ここで、スイッチ素子1103aaと1103acはオン状態のため、縦の配線1256aと1256cが“H”レベルになる。次に、検証したいプログラミングパターンを入力(1254)する。例えば、ここでは1103aaと1103acをオン状態にプログラムしたので、それらの列に対応する入力1254aと入力1254cに“H”レベルを、それ以外の入力1254bと1254dは“L”レベルにする。すると、縦の配線1256aと1256cはトランジスタ1254aと1254cを介して接地され、その電位がゼロになる。   After that, an “L” level pulse is applied to the input terminal 1304a, and the horizontal wiring 1250a is precharged to the H level through the transistor 1305a. Here, since the switch elements 1103aa and 1103ac are in the ON state, the vertical wirings 1256a and 1256c are set to the “H” level. Next, a programming pattern to be verified is input (1254). For example, since 1103aa and 1103ac are programmed to be in the ON state here, the inputs 1254a and 1254c corresponding to those columns are set to “H” level, and the other inputs 1254b and 1254d are set to “L” level. Then, the vertical wirings 1256a and 1256c are grounded through the transistors 1254a and 1254c, and the potential becomes zero.

次に、入力1310に“L”レベルのパルスを与えると、トランジスタ1311を介して、出力1313がプリチャージされる。ここで、1256bと1256dは最初に配線1256を接地したときから“L”レベルのままであり、1256aと1256cはトランジスタ1305aとスイッチ素子1103aa、1103acを介して“H”レベルにプリチャージされた後、入力端子1254から与えられた入力パターンによって、トランジスタ1255を介して接地されたので“L”レベルである。従って、トランジスタ1312a〜1312dは全てオフであり、出力1313はプリチャージされたまま“H”レベルを保つ。   Next, when an “L” level pulse is applied to the input 1310, the output 1313 is precharged via the transistor 1311. Here, 1256b and 1256d remain at the “L” level from when the wiring 1256 is first grounded, and 1256a and 1256c are precharged to the “H” level via the transistor 1305a and the switch elements 1103aa and 1103ac. Since it is grounded through the transistor 1255 by the input pattern given from the input terminal 1254, it is at the “L” level. Accordingly, the transistors 1312a to 1312d are all off, and the output 1313 is kept at the “H” level while being precharged.

もし、ここで、スイッチ素子1103abまたは1103adが正常にプログラムされずに、オン状態であれば、入力端子1304aに“L”レベルのパルスを与えた際に、配線1256a、1256cと共に、配線1256bまたは配線1256dが“H”レベルになり、入力端子1254からパターンを与えた際にも、“H”レベルになった配線1256bまたは配線1256dは“H”レベルのままである。   If the switch element 1103ab or 1103ad is not normally programmed and is in an ON state, when the “L” level pulse is applied to the input terminal 1304a, the wiring 1256b or the wiring 1256b is connected together with the wirings 1256a and 1256c. Even when the pattern 1256d is set to the “H” level and the pattern is applied from the input terminal 1254, the wiring 1256b or the wiring 1256d that is set to the “H” level remains at the “H” level.

すると、出力1313はトランジスタ1312bまたは1312dを介して接地され、“L”レベルを出力する。このようにして、本来オフ状態にプログラムされているはずのスイッチがオン状態であることを検出することができる。ここで、これらの動作に用いられる信号電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   Then, the output 1313 is grounded via the transistor 1312b or 1312d, and outputs an “L” level. In this way, it can be detected that the switch that should have been programmed to the off state is in the on state. Here, the signal voltage used for these operations is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図53は、スイッチマトリクスのスイッチ素子の一部または全てがオフ状態であることを検証するための回路の一実施例の構成を示す図である。図53を参照すると、この実施例の検証回路は、2端子スイッチ素子1103、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、nMOSトランジスタ1306、1321、pMOSトランジスタ1301、1303、制御入力端子1300、1302、1320、出力端子1307から構成される。この検証回路を用いることで、全てオフ状態にプログラムされているべきスイッチの中にオン状態のスイッチが無いかを、行単位またはスイッチマトリクス全体で検証することができる。この検証を行うには、入力端子1300に“L”レベルのパルスを与え、トランジスタ1301を通して縦の配線1256を全て“H”レベルにプリチャージする。   FIG. 53 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a circuit for verifying that some or all of the switch elements of the switch matrix are in the OFF state. Referring to FIG. 53, the verification circuit of this embodiment includes a two-terminal switch element 1103, a vertical wiring 1256, a horizontal wiring 1250, nMOS transistors 1306 and 1321, pMOS transistors 1301 and 1303, and control input terminals 1300 and 1302. 1320 and an output terminal 1307. By using this verification circuit, it is possible to verify on a row basis or the entire switch matrix whether there are any switches in the on state among the switches that should be programmed to the off state. In order to perform this verification, an “L” level pulse is applied to the input terminal 1300, and all the vertical wirings 1256 are precharged to the “H” level through the transistor 1301.

次に、検証したい行のトランジスタ1321をオンにする。例えば、2つの行を一括して検証する場合には、入力端子1320a、1320bを“H”レベルにし、トランジスタ1321a、1321bを介して、横方向の配線1250a、1250bを接地する。   Next, the transistor 1321 of the row to be verified is turned on. For example, when verifying two rows at a time, the input terminals 1320a and 1320b are set to the “H” level, and the horizontal wirings 1250a and 1250b are grounded via the transistors 1321a and 1321b.

ここで、もし、スイッチ素子1103の中にオン状態のものがあれば、“H”レベルにプリチャージされた配線1256が、そのオン状態のスイッチ素子、配線1250、トランジスタ1321を介して接地され“L”レベルになる。   Here, if one of the switch elements 1103 is in an on state, the wiring 1256 precharged to the “H” level is grounded via the switch element in the on state, the wiring 1250, and the transistor 1321. L ”level.

次に、入力端子1302に“L”レベルのパルスを入力すると、トランジスタ1303を介して、出力1307が“H”レベルにプリチャージされる。ここで、全てのスイッチ素子1103がオフであれば、縦方向の配線1256は全て“H”レベルを保っているので、出力1307はトランジスタ1306を介して接地されて“L”レベルを出力するが、スイッチ素子1103の中にオン状態のものがあれば、一部の縦方向の配線が“L”レベルになるので、その列のトランジスタ1306がオフ状態になり、出力1307は接地されず、“H”レベルを保つ。   Next, when an “L” level pulse is input to the input terminal 1302, the output 1307 is precharged to the “H” level via the transistor 1303. Here, if all the switch elements 1103 are off, the vertical wirings 1256 are all kept at the “H” level, so that the output 1307 is grounded via the transistor 1306 and outputs the “L” level. If some of the switch elements 1103 are in the on state, some of the vertical wirings are at the “L” level, so that the transistor 1306 in that column is in the off state, and the output 1307 is not grounded. Keep H ”level.

このようにして、スイッチマトリクスのスイッチ素子の中にオン状態のスイッチ素子が有るかを検証することができる。ここで、これらの動作に用いられる信号電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   In this way, it is possible to verify whether or not there is an on-state switch element in the switch matrix. Here, the signal voltage used for these operations is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図54は、図49および図50を参照して説明したフィールドプログラマブル論理回路で、スイッチ回路1282が直列に複数個接続された構造において、接続の検証を行う回路の一実施例の構成を示す図である。図54を参照すると、この実施例の検証回路は、直列に接続された複数個の2端子スイッチ素子1103、該スイッチ素子と並列にソース端子とドレイン端子が接続されたトランジスタ1280、該トランジスタのゲート端子に接続された制御入力端子1296、pMOSトランジスタ1325、nMOSトランジスタ1327、制御入力端子1324、1326、出力端子1328、1329を備える。   54 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a circuit for verifying connection in the field programmable logic circuit described with reference to FIGS. 49 and 50 in a structure in which a plurality of switch circuits 1282 are connected in series. It is. Referring to FIG. 54, the verification circuit of this embodiment includes a plurality of two-terminal switch elements 1103 connected in series, a transistor 1280 having a source terminal and a drain terminal connected in parallel to the switch elements, and a gate of the transistor A control input terminal 1296 connected to the terminals, a pMOS transistor 1325, an nMOS transistor 1327, control input terminals 1324 and 1326, and output terminals 1328 and 1329 are provided.

ここで、スイッチ素子1103aの接続がオン状態かオフ常態かを検証する場合を考える。入力信号1296aを“L”レベルに、1296bを“H”レベルにする。次に、入力信号1324に“L”レベルのパルスを加える。すると、出力信号1328はプリチャージされる。次に、入力信号1326を“H”レベルにすると、出力信号1329は接地される。ここで、スイッチ素子1103aがオン状態であれば、入力信号1328にプリチャージされた電荷が、トランジスタ1280b、スイッチ素子1103aとトランジスタ1327を通して接地されるので、出力1328からは“L”レベルが出力される。   Here, a case is considered in which it is verified whether the connection of the switch element 1103a is in an on state or an off state. The input signal 1296a is set to “L” level, and 1296b is set to “H” level. Next, an “L” level pulse is added to the input signal 1324. Then, the output signal 1328 is precharged. Next, when the input signal 1326 is set to the “H” level, the output signal 1329 is grounded. Here, if the switch element 1103a is in an on state, the charge precharged to the input signal 1328 is grounded through the transistor 1280b, the switch element 1103a, and the transistor 1327, so that the output 1328 outputs an “L” level. The

逆に、スイッチ素子1103aがオフ状態であれば、出力端子1328にプリチャージされた電荷が保持されるため、“H”レベルが出力される。このとき、検証を行うスイッチ素子1103a以外のスイッチ素子1103bは、オン状態であってもオフ状態であっても、それらスイッチ素子1103bと並列に接続されたトランジスタ1280bによって2端子間がオン状態になっているため、1103aの検証には影響しない。   On the other hand, if the switch element 1103a is in the off state, the precharged electric charge is held in the output terminal 1328, so that the “H” level is output. At this time, the switch element 1103b other than the switch element 1103a to be verified is turned on between the two terminals by the transistor 1280b connected in parallel with the switch element 1103b, whether the switch element 1103b is on or off. Therefore, the verification of 1103a is not affected.

以上で説明した手順により、直列に複数個接続された2端子スイッチ素子の中から、任意のスイッチ素子の接続状態を調べることができる。また、この検証は、先に入力端子1326に“H”レベルのパルスを与えて出力1329を“L”レベルにした後、入力端子1324に“L”レベルのパルスを与えて、出力端子1329のレベルを判別する方法でも、同様の結果を得ることができる。ここで、これらの動作に用いられる信号電圧は、2端子素子1103のしきい値電圧よりも低いことが好ましい。   According to the procedure described above, it is possible to check the connection state of an arbitrary switch element from a plurality of two-terminal switch elements connected in series. In this verification, an “H” level pulse is first applied to the input terminal 1326 to set the output 1329 to the “L” level, and then an “L” level pulse is applied to the input terminal 1324 to Similar results can be obtained by the method of determining the level. Here, the signal voltage used for these operations is preferably lower than the threshold voltage of the two-terminal element 1103.

図55は、以上で説明した書き込み・消去回路と検証回路を用いた、2端子スイッチ素子1103のプログラミングの手順を示すフローチャートである。図55を参照すると、2端子スイッチ素子のプログラミング手順は、以下のステップよりなる。   FIG. 55 is a flowchart showing a programming procedure of the two-terminal switch element 1103 using the write / erase circuit and the verification circuit described above. Referring to FIG. 55, the programming procedure of the two-terminal switch element includes the following steps.

複数個のスイッチ素子の一部または全てのスイッチをオフ状態にプログラムする(ステップ1330)。   Some or all of the plurality of switch elements are programmed to the off state (step 1330).

オフ状態にプログラムした全てのスイッチがオフ状態であるか否かを検証(ベリファイ)する(ステップ1331)。   It is verified whether all the switches programmed to the off state are in the off state (step 1331).

その結果を判別する(ステップ1332)。ここでオン状態のスイッチがあれば、ステップ1330から始まる手順を繰り返す。一方、全てのスイッチがオフであれば、選択したスイッチ素子をオン状態にプログラムする(ステップ1333)。   The result is discriminated (step 1332). If there is an ON switch here, the procedure starting from step 1330 is repeated. On the other hand, if all the switches are off, the selected switch element is programmed to the on state (step 1333).

選択したスイッチ素子がオン状態であるか検証(ベリファイ)する(ステップ1334)。   It is verified (verified) whether or not the selected switch element is on (step 1334).

その結果を判別する(ステップ1335)。ここでオフ状態のままのスイッチ素子があれば、ステップ1333から始まる手順を繰り返し、逆に、オン状態にプログラムしたスイッチ素子が全てオン状態にプログラムなっていれば、プログラミングを終了する。   The result is discriminated (step 1335). If there is any switch element that remains off, the procedure starting from step 1333 is repeated. Conversely, if all the switch elements that have been programmed to the on state are programmed to the on state, the programming is terminated.

全てのスイッチをオフ状態にプログラムするステップ1330には、図46の回路を用いることで実現することができる。   Step 1330 for programming all switches to the OFF state can be realized by using the circuit of FIG.

オフ状態にプログラムした全てのスイッチがオフ状態であるか否かを検証(ベリファイ)し(ステップ1331)、その結果を判別するステップ1332には、図53に示した回路を用いることができる。   The circuit shown in FIG. 53 can be used in step 1332 to verify whether all the switches programmed to the off state are in the off state (step 1331) and determine the result.

スイッチ素子をオン状態にプログラムするステップ1333には、図45に示した回路をもちいることができる。   The circuit shown in FIG. 45 can be used in step 1333 for programming the switch element to the ON state.

選択したスイッチ素子がオン状態であるか検証(ベリファイ)し(ステップ1334)、その結果を判別するステップ1335には、図51、図52で示した回路を用いることができる。   The circuit shown in FIGS. 51 and 52 can be used in step 1335 for verifying whether the selected switch element is in the on state (step 1334) and determining the result.

以上で説明した手順により、複数個のスイッチ素子1103が接続された回路において、所望の接続を確実にプログラムすることができる。   By the procedure described above, a desired connection can be reliably programmed in a circuit in which a plurality of switch elements 1103 are connected.

図56は、本発明によるスイッチマトリクスを用いたプログラム可能な入出力(I/O)回路の一実施例の構成を示す図である。図56を参照すると、この実施例のI/O回路は、縦方向の配線1256、横方向の配線1250、配線1256と配線1250の各交点に、1つずつ配置され、一方の端子が配線1256に、他方の端子が配線1250に接続された2端子スイッチ素子1103と、出力を“H”レベル、“L”レベル、ハイインピーダンスの3状態に設定可能な3ステートバッファ1340と、2つのインバータ1341、1342と、入出力端子1343と、を備えて構成されている。3ステートバッファ1340は、一例として、配線1256aから“H”レベルが入力されれば、配線1256bから入力された値を入出力端子1343に出力し、配線1256aから“L”レベルが入力されれば、出力はハイインピーダンスになるものとする。   FIG. 56 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a programmable input / output (I / O) circuit using a switch matrix according to the present invention. Referring to FIG. 56, in the I / O circuit of this embodiment, one wiring is arranged at each intersection of vertical wiring 1256, horizontal wiring 1250, wiring 1256 and wiring 1250, and one terminal is wiring 1256. In addition, a two-terminal switch element 1103 having the other terminal connected to the wiring 1250, a three-state buffer 1340 capable of setting the output to three states of “H” level, “L” level, and high impedance, and two inverters 1341 , 1342 and an input / output terminal 1343. For example, when the “H” level is input from the wiring 1256a, the 3-state buffer 1340 outputs the value input from the wiring 1256b to the input / output terminal 1343, and when the “L” level is input from the wiring 1256a. The output is assumed to be high impedance.

このI/O回路を出力バッファとして用い、LSI内部の配線1250aの値を、入出力端子1343と介して外部に出力する場合を考えると、スイッチの接続の一例として、配線1256aと配線1250b、配線1256bと配線1250a、がそれぞれ接続されるように、配線1256aと配線1250bの交点のスイッチ素子と、配線1256bと配線1250aの交点のスイッチ素子をオン状態にプログラムする。それら以外のスイッチ素子は全てオフ状態にプログラムする。ここで、配線1250bには常に“H”レベルの信号が供給されるようにすると、3ステートバッファ1340は配線1256bを介して伝播された配線1250aの信号を、入出力端子1343に出力する。   Considering the case where the value of the wiring 1250a in the LSI is output to the outside through the input / output terminal 1343 using this I / O circuit as an output buffer, the wiring 1256a and the wiring 1250b, The switching element at the intersection of the wiring 1256a and the wiring 1250b and the switching element at the intersection of the wiring 1256b and the wiring 1250a are programmed to be in an ON state so that the 1256b and the wiring 1250a are connected to each other. All other switch elements are programmed to the off state. Here, when the signal of “H” level is always supplied to the wiring 1250 b, the three-state buffer 1340 outputs the signal of the wiring 1250 a propagated through the wiring 1256 b to the input / output terminal 1343.

また、このI/O回路を入力バッファとして用い、LSI外部から入出力端子1343に入力される信号の値を、LSI内部の配線1250dに、その値を反転した値を配線1250eに入力する場合を考えると、スイッチの接続の一例として、配線1256aと配線1250b、配線1256cと配線1250d、配線1256dと配線1250e、がそれぞれ接続されるように、配線1256aと配線1250bの交点のスイッチ素子と、配線1256cと配線1250dの交点のスイッチ素子と、配線1256dと配線1250eの交点のスイッチ素子、をオン状態にプログラムする。それら以外のスイッチ素子は全てオフ状態にプログラムする。ここで、配線1250bには常に“L”レベルの信号が供給されるようにすると、3ステートバッファ1340の出力はハイインピーダンス状態になるので、配線1256bの値が入出力端子1343に影響を及ぼすことはない。   In addition, when this I / O circuit is used as an input buffer, a value of a signal input from the outside of the LSI to the input / output terminal 1343 is input to the wiring 1250d inside the LSI, and a value obtained by inverting the value is input to the wiring 1250e. Considering, as an example of switch connection, the switch element at the intersection of the wiring 1256a and the wiring 1250b, and the wiring 1256c so that the wiring 1256a and the wiring 1250b, the wiring 1256c and the wiring 1250d, and the wiring 1256d and the wiring 1250e are connected, respectively. And the switch element at the intersection of the wiring 1250d and the switch element at the intersection of the wiring 1256d and the wiring 1250e are programmed to the ON state. All other switch elements are programmed to the off state. Here, if the signal of “L” level is always supplied to the wiring 1250b, the output of the three-state buffer 1340 is in a high impedance state, so that the value of the wiring 1256b affects the input / output terminal 1343. There is no.

また、入出力端子1343から入力された値は、インバータ1341、1342、配線1256cを伝播して、配線1250dに出力される。また、入出力端子1343から入力された値を反転した値が、インバータ1341、配線1256dを伝播して、配線1250eに出力される。以上の例で述べたように、スイッチマトリクスの接続を変更することで、入力にも出力にも使え、チップ内の任意の配線の信号を外部に入力したり、外部から入力される信号をチップ内の任意の配線に出力したりすることができるI/O回路を実現することができる。   A value input from the input / output terminal 1343 is propagated through the inverters 1341 and 1342 and the wiring 1256c and output to the wiring 1250d. A value obtained by inverting the value input from the input / output terminal 1343 is propagated through the inverter 1341 and the wiring 1256d and output to the wiring 1250e. As described in the above example, by changing the switch matrix connection, it can be used for both input and output, and signals from any wiring in the chip can be input to the outside, or signals input from the outside can be It is possible to realize an I / O circuit that can output to any of the wirings.

図57は、図2で説明した3端子スイッチ素子を用いたスイッチマトリクスの一実施例の構成を示す図である。図57を参照すると、本実施例のスイッチマトリクスは、縦方向の配線1400と、縦方向のプログラム制御線1401と、横方向のプログラム制御線1402と、横方向の配線1403と、スイッチ素子1118と、インバータ1404と、を備えて構成されている。   FIG. 57 is a diagram showing a configuration of an example of a switch matrix using the three-terminal switch element described in FIG. Referring to FIG. 57, the switch matrix of this embodiment includes a vertical wiring 1400, a vertical program control line 1401, a horizontal program control line 1402, a horizontal wiring 1403, a switch element 1118, and the like. , And an inverter 1404.

スイッチ素子1118は、縦方向の配線1400と横方向の配線1403の各交点に配置され、ソース端子またはドレイン端子が、それぞれ配線1400または配線1403に接続される。また、ゲート端子はインバータ1404の出力端子に接続される。インバータのゲート入力端子には縦方向のプログラム制御線1401が接続され、インバータの電源入力には横方向のプログラム制御線1402が接続される。インバータ1404の内部は、図57(b)に示すように、入力端子1405、出力端子1406、電源入力1407、pMOSトランジスタ1408、nMOSトランジスタ1409から構成され、入力端子1405に“H”レベルが入力されると出力端子1406は0ボルトを出力し、入力端子1405に“L”レベルが入力されると出力端子1406は、電源入力1407に与えられる電圧を出力する。   The switch element 1118 is arranged at each intersection of the vertical wiring 1400 and the horizontal wiring 1403, and the source terminal or the drain terminal is connected to the wiring 1400 or the wiring 1403, respectively. The gate terminal is connected to the output terminal of the inverter 1404. A vertical program control line 1401 is connected to the gate input terminal of the inverter, and a horizontal program control line 1402 is connected to the power input of the inverter. As shown in FIG. 57B, the inverter 1404 includes an input terminal 1405, an output terminal 1406, a power input 1407, a pMOS transistor 1408, and an nMOS transistor 1409, and an “H” level is input to the input terminal 1405. Then, the output terminal 1406 outputs 0 volt. When the “L” level is input to the input terminal 1405, the output terminal 1406 outputs the voltage applied to the power input 1407.

図57に示す回路において、スイッチ素子1118aをオン状態にプログラムして、配線1400aと配線1403aを接続する場合について以下に説明する。縦方向の配線1400と横方向の配線1403は全て接地し、3端子スイッチ素子1118のソース端子およびドレイン端子の電位を全てゼロ(グランド電位)にする。   In the circuit shown in FIG. 57, the case where the switch element 1118a is programmed to be in an on state and the wiring 1400a and the wiring 1403a are connected will be described below. The vertical wiring 1400 and the horizontal wiring 1403 are all grounded, and the potentials of the source terminal and the drain terminal of the three-terminal switch element 1118 are all zero (ground potential).

次に、縦方向のプログラム制御線1401bを“H”レベルに、1401aを“L”レベルにし、横方向のプログラム制御線1402bに0ボルト、1402aに電圧Vppを与える。ここで、電圧Vppは、3端子スイッチ素子のしきい値よりも大きい電圧である。すると、インバータ1404aはVppを出力し、1404bは0ボルトを出力する。このため、スイッチ素子1118aのゲートにだけ電圧Vppが印加され、1118aのソース端子とドレイン端子間がオン状態にプログラムされる。   Next, the vertical program control line 1401b is set to "H" level, 1401a is set to "L" level, 0 volt is applied to the horizontal program control line 1402b, and voltage Vpp is applied to 1402a. Here, the voltage Vpp is a voltage larger than the threshold value of the three-terminal switch element. Then, inverter 1404a outputs Vpp, and 1404b outputs 0 volts. Therefore, the voltage Vpp is applied only to the gate of the switch element 1118a, and the source terminal and the drain terminal of the 1118a are programmed to be in an on state.

また、スイッチ素子1118全てをオフ状態にプログラムする場合には、縦の配線1400の全てと、横の配線1403の全てに対して電圧Vppを印加し、縦方向のプログラム制御線1401を全て“H”レベルに設定するか、横方向のプログラム制御線1402を全て0ボルトに設定することで、全てのソース端子およびドレイン端子には電圧Vppが印加され、全てのゲート端子の電圧が0ボルトになるため、全てのスイッチ素子1118はオフ状態にプログラムされる。   When all the switch elements 1118 are programmed to be in the OFF state, the voltage Vpp is applied to all the vertical wirings 1400 and all the horizontal wirings 1403, and all the vertical program control lines 1401 are set to “H”. By setting the level or setting the lateral program control lines 1402 to all 0 volts, the voltage Vpp is applied to all the source terminals and drain terminals, and the voltages of all the gate terminals become 0 volts. Thus, all switch elements 1118 are programmed to the off state.

以上説明したように、本発明による3端子素子を用いたスイッチマトリクスは、3端子スイッチ素子の一括消去および選択的なプログラミングが可能である。   As described above, the switch matrix using the three-terminal elements according to the present invention can collectively erase and selectively program the three-terminal switch elements.

また、以上説明した3端子スイッチ素子を用いたスイッチマトリクスは、配線の各交点に2個のトランジスタと3端子スイッチ素子を配置するだけで実現できるため、図39に示したような、従来のスイッチ回路を、配線の各交点に配置した構成に比べて、回路面積を数分の1にまで減少させることができる。   In addition, since the switch matrix using the three-terminal switch element described above can be realized simply by arranging two transistors and a three-terminal switch element at each intersection of wiring, the conventional switch as shown in FIG. Compared with the configuration in which the circuit is arranged at each intersection of the wiring, the circuit area can be reduced to a fraction.

図58は、本発明による、トランジスタを用いないで構成できるスイッチマトリクスの一実施例の構成を示す図である。図58を参照すると、本実施例のスイッチマトリクスは、縦方向の配線1400と、横方向の配線1403と、プログラム制御線1402と、スイッチ素子1118とを備えて構成される。   FIG. 58 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a switch matrix that can be configured without using a transistor according to the present invention. Referring to FIG. 58, the switch matrix of this embodiment includes a vertical wiring 1400, a horizontal wiring 1403, a program control line 1402, and a switch element 1118.

スイッチ素子1118は、縦方向の配線1400と横方向の配線1403の各交点に配置され、ソース端子またはドレイン端子が、それぞれ配線1400または配線1403に接続される。また、ゲート端子はプログラム制御線1402に接続されている。また、プログラム制御線1402同士は、図中に破線で示した部分を接続しても良い。   The switch element 1118 is arranged at each intersection of the vertical wiring 1400 and the horizontal wiring 1403, and the source terminal or the drain terminal is connected to the wiring 1400 or the wiring 1403, respectively. The gate terminal is connected to the program control line 1402. Further, the program control lines 1402 may be connected to a portion indicated by a broken line in the drawing.

この実施例のスイッチマトリクスによれば、配線1400の1本と配線1403の1本の間の交点が1点しかないのと同様に、配線1400の1本と配線1402の1本の間の交点も1点しかなく、配線1403の1本と配線1402の1本の間の交点も1点しかない構造を有する。つまり、配線1402はスイッチマトリクスの同一行内もしくは同一列内の2つ以上のスイッチのゲート端子とは接続されない構造を有する。例えば、m列×n行のスイッチマトリクスのスイッチ素子をSx,y(x<m、y<n)とすると、配線1402の1本はSn,n(n=1,2,3,...)に接続され、配線1402の他の1本はSn+1,nに接続されるような場合などが、この条件を満たす。   According to the switch matrix of this embodiment, the intersection between one of the wirings 1400 and one of the wirings 1402 is the same as there is only one intersection between one of the wirings 1400 and one of the wirings 1403. There is only one point, and there is only one point of intersection between one of the wirings 1403 and one of the wirings 1402. That is, the wiring 1402 has a structure that is not connected to gate terminals of two or more switches in the same row or column of the switch matrix. For example, if the switch element of the switch matrix of m columns × n rows is Sx, y (x <m, y <n), one of the wirings 1402 is Sn, n (n = 1, 2, 3,. ) And the other one of the wirings 1402 is connected to Sn + 1, n.

また、図58に示す回路も、この条件を満たしており、さらに、図58に示す回路において、破線で示したように1402bと1402g、1402cと1402f、1402dと1402eをそれぞれ接続して、プログラム制御線を4本にした場合でも、この条件を満たす。   The circuit shown in FIG. 58 also satisfies this condition. Further, in the circuit shown in FIG. 58, program control is performed by connecting 1402b and 1402g, 1402c and 1402f, and 1402d and 1402e, respectively, as indicated by broken lines. This condition is satisfied even when the number of lines is four.

図58のスイッチマトリクスにおいて、スイッチ素子1118aをオン状態にプログラムして、配線1400aと1403aを接続する場合を考える。スイッチ素子1118aのソース端子およびドレイン端子にそれぞれ接続されている配線1400aと配線1400bを接地し、スイッチ素子1118aのゲート端子に接続されているプログラム制御線1402aに電圧Vppを印加する。また、スイッチ素子1118aのいずれの端子とも接続を持たない配線1400b、1403b、1402bは、Vpp/2の電圧に設定する。ここで、電圧Vppはスイッチ素子1118のしきい値電圧を超える電圧であり、その半分の電圧Vpp/2はしきい値電圧を超えない。   Consider the case where the switch element 1118a is programmed to the on state in the switch matrix of FIG. 58 and the wirings 1400a and 1403a are connected. The wiring 1400a and the wiring 1400b connected to the source terminal and the drain terminal of the switch element 1118a are grounded, and the voltage Vpp is applied to the program control line 1402a connected to the gate terminal of the switch element 1118a. In addition, wirings 1400b, 1403b, and 1402b that are not connected to any terminal of the switch element 1118a are set to a voltage of Vpp / 2. Here, voltage Vpp exceeds the threshold voltage of switch element 1118, and half of the voltage Vpp / 2 does not exceed the threshold voltage.

このような条件では、スイッチ素子1118aのソース端子およびドレイン端子は0ボルト、ゲート端子にはVppが印加されるため、ゲートとチャネル間の電位差はVppであり、スイッチ素子1118aがオン状態にプログラムされる。また、プログラム制御線1402aに接続されているその他のスイッチ素子のソース端子およびドレイン端子にはVpp/2の電圧が印加されているため、ゲートとの電位差はVpp/2であり、プログラミングの状態は変化しない。また、これら以外のスイッチ素子では、ゲート端子の電圧がVpp/2であり、ソース端子およびドレイン端子の電圧は0〜Vpp/2なので、その電位差は0〜Vpp/2であり、プログラミング状態は変化しない。   Under such conditions, the source terminal and the drain terminal of the switch element 1118a are applied with 0 volt, and Vpp is applied to the gate terminal. Therefore, the potential difference between the gate and the channel is Vpp, and the switch element 1118a is programmed to the on state. The Since the voltage of Vpp / 2 is applied to the source terminal and drain terminal of the other switch elements connected to the program control line 1402a, the potential difference from the gate is Vpp / 2, and the programming state is It does not change. In other switch elements, the gate terminal voltage is Vpp / 2 and the source terminal and drain terminal voltages are 0 to Vpp / 2. Therefore, the potential difference is 0 to Vpp / 2, and the programming state changes. do not do.

また、オン状態であるスイッチ素子1118aをオフ状態に選択的にプログラムするには、配線1400aと1403aをVppに、プログラム制御線1402aを0ボルト、それ以外の端子をVpp/2に設定することで実現できる。このようにして、任意に選択した1つのスイッチ素子をオン状態またはオフ状態にプログラムすることができる。   In order to selectively program the switch element 1118a in the on state to the off state, the wirings 1400a and 1403a are set to Vpp, the program control line 1402a is set to 0 volt, and the other terminals are set to Vpp / 2. realizable. In this way, one arbitrarily selected switch element can be programmed to an on state or an off state.

また、全てのスイッチ素子をオフ状態にプログラムする場合には、配線1400の全てと、配線1403の全てに電圧Vppを印加し、プログラム制御線1402は全て接地する。この場合、全てのスイッチ素子のソース端子およびドレイン端子は電圧Vppが印加され、全てのゲート端子は0ボルトであるため、ゲートとチャネル間には−Vppの電圧が印加され、全てのスイッチ素子がオフ状態にプログラムされる。   When all the switch elements are programmed to be in the OFF state, the voltage Vpp is applied to all of the wirings 1400 and all of the wirings 1403, and all the program control lines 1402 are grounded. In this case, since the voltage Vpp is applied to the source terminal and the drain terminal of all the switch elements and all the gate terminals are 0 volts, a voltage of −Vpp is applied between the gate and the channel. Programmed to the off state.

以上説明したように、図58に示した、トランジスタを用いないで構成したスイッチマトリクスにおいて、スイッチ素子の一括消去および、選択的なプログラミングが実現できる。   As described above, in the switch matrix configured without using the transistors shown in FIG. 58, the switch elements can be erased collectively and selectively programmed.

本発明による、トランジスタを用いないスイッチマトリクスは、従来のSRAMやFFとパスとランジスを組み合わせた構成に比べて、SRAMやFFが要らないために回路面積を低減できるほか、トランジスタを用いないという特徴のため、配線層に3端子スイッチ素子を並べるだけで構成でき、回路面積がさらに小さくできる。また、スイッチマトリクスが構成される配線層の下に、自由にトランジスタが配置できるため、別のトランジスタ回路とスイッチマトリクスを立体的に配置することが可能となり、LSIの面積効率を飛躍的に向上させることができる。   The switch matrix that does not use a transistor according to the present invention does not require an SRAM or FF compared to a conventional SRAM or FF combined with a path and a runges. Therefore, it can be configured by simply arranging the three-terminal switch elements in the wiring layer, and the circuit area can be further reduced. In addition, since transistors can be freely arranged under the wiring layer that constitutes the switch matrix, it becomes possible to arrange another transistor circuit and the switch matrix in three dimensions, thereby dramatically improving the area efficiency of the LSI. be able to.

図59は、スイッチ素子1118を用いた無極性スイッチの構成を示す図である。図59を参照すると、このスイッチは、2つの2端子スイッチ素子1118aと1118bを、互いに極性が逆向きになるように並列に接続したものであり、端子1410と端子1411の間で対称な構造になっている。この素子に、例えば端子1410側からしきい値電圧を超える電圧Vppを、端子1411側から0ボルト(グランド電位)を与えると、スイッチ素子1103aにフォワードバイアスが印加されるため、端子1410と端子1411の間がオン状態にプログラムされる。端子1410と1411に印加する電圧を入れ替えたとしても、スイッチ素子1103bにフォワードバイアスが印加されるので、端子1410と端子1411の間がオン状態にプログラムされる。   FIG. 59 is a diagram illustrating a configuration of a nonpolar switch using the switch element 1118. Referring to FIG. 59, this switch has two two-terminal switch elements 1118a and 1118b connected in parallel so that their polarities are opposite to each other, and has a symmetrical structure between terminal 1410 and terminal 1411. It has become. For example, when a voltage Vpp exceeding the threshold voltage is applied to this element from the terminal 1410 side and 0 volt (ground potential) is applied from the terminal 1411 side, a forward bias is applied to the switch element 1103a. Is programmed to be on. Even if the voltages applied to the terminals 1410 and 1411 are switched, a forward bias is applied to the switching element 1103b, so that the terminal 1410 and the terminal 1411 are programmed to be in an ON state.

このようにして、どちらの端子から電圧を印加してもオン状態にプログラムできる無極性スイッチを構成することができる。この素子は基本的にアンチヒューズと同様の動作をするため、既存のアンチヒューズ用の回路に適用することができる。   In this way, it is possible to configure a nonpolar switch that can be programmed to be turned on regardless of the voltage applied from either terminal. Since this element basically operates in the same manner as an antifuse, it can be applied to an existing antifuse circuit.

図60(a)、(b)、(c)は、2端子スイッチ素子1103を用いたメモリセルアレイの一実施例の回路構成、レイアウト図、断面図を示したものである。図60を参照すると、本発明のメモリセルアレイは、2端子スイッチ素子1103、ワード線1500、ビット線1501、プレート線1502、配線またはビア1503、トランジスタ1504を備えて構成される。   FIGS. 60A, 60B, and 60C show a circuit configuration, a layout diagram, and a cross-sectional view of an embodiment of a memory cell array using the two-terminal switch element 1103. FIG. Referring to FIG. 60, the memory cell array of the present invention includes a two-terminal switch element 1103, a word line 1500, a bit line 1501, a plate line 1502, a wiring or via 1503, and a transistor 1504.

トランジスタ1504は、ゲート端子がワード線1500と接続され、ソース端子とドレイン端子は、スイッチ素子1118のアノード端子、カソード端子と接続される。   The transistor 1504 has a gate terminal connected to the word line 1500, and a source terminal and a drain terminal connected to the anode terminal and the cathode terminal of the switch element 1118.

また、このスイッチ素子とトランジスタを並列に接続したメモリセルは、直列に複数個接続される。直列に複数個接続されたトランジスタ1504は隣り合うトランジスタ同士でソースおよびドレインを共有している。また、複数個のメモリセルが直列に接続されたものが複数個並列に並び、それらの間でワード線が共有されている。   A plurality of memory cells in which the switch element and the transistor are connected in parallel are connected in series. A plurality of transistors 1504 connected in series share a source and a drain between adjacent transistors. A plurality of memory cells connected in series are arranged in parallel, and a word line is shared between them.

このメモリセルアレイにおいて、任意に選択したメモリセルをプログラムする例を、図61を用いて説明する。一例として、スイッチ素子1103baをプログラムする場合を考えると、プログラムを行いたいメモリセルが接続されているワード線1500bを“L”レベルにし、それ以外のワード線1500a、1500c、1500dを全て“H”レベルにする。   An example of programming an arbitrarily selected memory cell in this memory cell array will be described with reference to FIG. As an example, when programming the switch element 1103ba, the word line 1500b to which the memory cell to be programmed is connected is set to “L” level, and the other word lines 1500a, 1500c, 1500d are all set to “H”. To level.

また、プログラムを行いたいメモリセル列とビット線、プレート線を接続するため、ワード線1509aを“H”レベルにする。メモリセル1103ab〜1103dnには、プログラムを行わないので、ワード線1509b〜1509nは全て“L”レベルする。   Further, the word line 1509a is set to the “H” level in order to connect the memory cell column to be programmed with the bit line and the plate line. Since the memory cells 1103ab to 1103dn are not programmed, the word lines 1509b to 1509n are all set to the “L” level.

このような条件では、スイッチ素子1103aa、1103ca、1103daがオン状態であってもオフ状態であっても、それぞれ、トランジスタ1504aa、1504ca、1504daを介して、ビット線1516とプレート線1517の電圧がスイッチ素子1103baの両端子に伝わる。   Under such conditions, the voltages of the bit line 1516 and the plate line 1517 are switched via the transistors 1504aa, 1504ca, and 1504da, respectively, regardless of whether the switch elements 1103aa, 1103ca, and 1103da are in the on state or the off state. It is transmitted to both terminals of the element 1103ba.

また、スイッチ素子1103baと並列に接続されているトランジスタ1504baはオフ状態のため電流は流れず、スイッチ素子1103baのアノードとカソードの2端子間に、ビット線1516の電圧とプレート線1517の電圧が印加される。ここで、入力端子1505、1506、1507、1508に信号を与え、トランジスタ1512、1513、1514、1515を適宜オン状態またはオフ状態に設定することでビット線1516とプレート線1517の電圧を制御し、スイッチ素子1103baにフォワードバイアスまたはリバースバイアスを印加することができる。また、スイッチ素子1103aa、1103ca、1103daは、それぞれ並列に接続されているトランジスタ1504aa、1504ca、1504daがオン状態のため、2端子間に書き換えに十分な電位差発生しない。   In addition, since the transistor 1504ba connected in parallel with the switch element 1103ba is in an off state, no current flows, and the voltage of the bit line 1516 and the voltage of the plate line 1517 are applied between the two terminals of the anode and the cathode of the switch element 1103ba. Is done. Here, signals are applied to the input terminals 1505, 1506, 1507, and 1508, and the voltages of the bit line 1516 and the plate line 1517 are controlled by appropriately setting the transistors 1512, 1513, 1514, and 1515 to an on state or an off state, A forward bias or a reverse bias can be applied to the switch element 1103ba. Further, the switch elements 1103aa, 1103ca, and 1103da do not generate a potential difference sufficient for rewriting between the two terminals because the transistors 1504aa, 1504ca, and 1504da connected in parallel are turned on.

また、スイッチ素子1103ab、1103bb、1103cb、1103db、1103an、1103bn、1103cn、1103dnは、トランジスタ1510b、1510n、1511b、1511nによってビット線1516およびプレート線1517との接続が断たれているため、ビット線1516およびプレート線1517の電圧はスイッチ素子には印加されず、プログラムの状態が変化することはない。このようにして、任意に選択した1つのスイッチ素子のプログラミング状態を変更することができる。   In addition, the switch elements 1103ab, 1103bb, 1103cb, 1103db, 1103an, 1103bn, 1103cn, and 1103dn are disconnected from the bit line 1516 and the plate line 1517 by the transistors 1510b, 1510n, 1511b, and 1511n. The voltage of the plate line 1517 is not applied to the switch element, and the program state does not change. In this way, the programming state of one arbitrarily selected switch element can be changed.

本発明のメモリセル構造は、特許文献(米国特許US6,487,106の請求項12)に記載されているような、トランジスタとスイッチ素子を直列に接続した構成に比べて、メモリセル面積を小さくすることができ、チップの単位面積あたりの記憶容量を高められるというメリットがある。   The memory cell structure of the present invention reduces the memory cell area as compared with a configuration in which a transistor and a switch element are connected in series as described in a patent document (claim 12 of US Pat. No. 6,487,106). There is an advantage that the storage capacity per unit area of the chip can be increased.

図62は、図60で示した2端子スイッチ素子を用いたメモリセルアレイを改良したも構成を示す図であり、(a)、(b)、(c)には、その回路構成、レイアウト、断面構成が示されている。2端子スイッチ素子1103のアノードとカソードの向きが、交互に逆向きになった構造を有する。つまり、隣接する2端子スイッチ素子1103は、アノード同士、カソード同士が接続された構造を有する。   FIG. 62 is a diagram showing a configuration obtained by improving the memory cell array using the two-terminal switch element shown in FIG. 60. FIGS. 62 (a), (b), and (c) show the circuit configuration, layout, and cross section. The configuration is shown. The two-terminal switch element 1103 has a structure in which the directions of the anode and the cathode are alternately reversed. That is, the adjacent two-terminal switch element 1103 has a structure in which anodes and cathodes are connected to each other.

図60のメモリセルアレイでは、通常の金属配線のビア1503Vと、ビアの形状をしたスイッチ素子1103が、1つのメモリセルの中に1つずつ並んで配置されており、ビアの直径および間隔の制限から、セル面積の縮小が困難となる。   In the memory cell array of FIG. 60, a normal metal wiring via 1503V and a switching element 1103 in the shape of a via are arranged one by one in one memory cell, and the via diameter and spacing are limited. Therefore, it becomes difficult to reduce the cell area.

これに対して、図62に示したメモリセルアレイの構造では、金属配線のビア1503Vが、2つのメモリセルで共有されているため、1つのメモリセルの中には、1/2個のビア1503Vと、1つのスイッチ素子1103が並ぶ構造となる。このように、ビア1503Vの本数を減らすことにより、セル間隔を狭めることができ、チップの単位面積当たりの記憶容量を、図60に示した構成よりも、さらに高めることができる。   On the other hand, in the structure of the memory cell array shown in FIG. 62, the via 1503V of the metal wiring is shared by two memory cells, so that one memory cell includes ½ via 1503V. And one switch element 1103 is arranged. Thus, by reducing the number of vias 1503V, the cell interval can be narrowed, and the storage capacity per unit area of the chip can be further increased as compared with the configuration shown in FIG.

ただし、縦に直列接続されたスイッチ素子1103は、奇数番目のものと、偶数番目のもので、極性が反転している。このため、奇数番目のメモリセルと、偶数番目のメモリセルでは、プログラミング時のバイアス方向を反転させるか、読み出し時にオン状態とオフ状態に対する、論理値“0”と“1”の割り当てを反転させるなどの機能を、書き込み回路、または読み出し回路で実現することが好ましい。   However, the switch elements 1103 vertically connected in series are odd-numbered and even-numbered, and the polarities are inverted. For this reason, in the odd-numbered memory cells and the even-numbered memory cells, the bias direction at the time of programming is reversed, or the assignment of the logical values “0” and “1” to the on state and the off state at the time of reading is reversed. These functions are preferably realized by a writing circuit or a reading circuit.

図63は、2端子スイッチ素子1103を用いたメモリセルアレイの一実施例のレイアウト図(図63(a))、断面図(図63(b))を示したものである。図63を参照すると、このメモリセルアレイは、縦方向の配線1523が金属配線で構成されており、横方向の配線がNウェル1521で構成されている。Nウェル1521は、N+拡散層1524を介して、配線1522に接続されている。配線1523とNウェル1521の各交点には、2端子スイッチ素子1103が配置され、該スイッチ素子1103とNウェル1521との接続には、P+拡散層1525を介しているので、スイッチ素子1103とNウェル1521の間にはダイオードが直列に接続された構成となる。   FIG. 63 shows a layout diagram (FIG. 63A) and a cross-sectional view (FIG. 63B) of one embodiment of a memory cell array using the two-terminal switch element 1103. Referring to FIG. 63, in this memory cell array, a vertical wiring 1523 is formed of a metal wiring, and a horizontal wiring is formed of an N well 1521. The N well 1521 is connected to the wiring 1522 through the N + diffusion layer 1524. A two-terminal switch element 1103 is disposed at each intersection of the wiring 1523 and the N well 1521. Since the switch element 1103 and the N well 1521 are connected via the P + diffusion layer 1525, the switch element 1103 and the N well 1521 are connected to each other. A diode is connected in series between the wells 1521.

2端子素子1103のアノード端子はP+拡散層1525と接続され、カソード端子は配線1523に接続される。このメモリセルアレイは、読み書きにアクセストランジスタを必要としないため、セル面積を従来構成よりも小さく出来る。   The anode terminal of the two-terminal element 1103 is connected to the P + diffusion layer 1525 and the cathode terminal is connected to the wiring 1523. Since this memory cell array does not require an access transistor for reading and writing, the cell area can be made smaller than that of the conventional configuration.

図64は、図63を参照して説明したメモリセルの読み出しと書き込みを説明するために、図63(a)のレイアウト構成を、回路図(等価回路)で示したしたものである。図64において、Nウェル1521とP+拡散層1525の接合部は、ダイオード1530として記載されている。ダイオード1530はスイッチ素子1103と直列に接続され、ダイオード1530のアノード端子とスイッチ素子1103のアノード端子が互いに接続される。   FIG. 64 is a circuit diagram (equivalent circuit) showing the layout configuration of FIG. 63A in order to explain reading and writing of the memory cell described with reference to FIG. In FIG. 64, the junction between the N well 1521 and the P + diffusion layer 1525 is described as a diode 1530. The diode 1530 is connected in series with the switch element 1103, and the anode terminal of the diode 1530 and the anode terminal of the switch element 1103 are connected to each other.

また、スイッチ素子1103のしきい値は電圧Vppよりも0.7V以上低いものとし、オン状態にすることを消去、オフ状態にすることを書き込みと仮定する。初期状態では、全てのダイオードのアノード端子の電圧は0ボルト〜0.7ボルト程度であるとする。   Further, the threshold value of switch element 1103 is assumed to be 0.7 V or more lower than voltage Vpp, and it is assumed that the ON state is erased and the OFF state is write. In the initial state, it is assumed that the voltage of the anode terminal of all the diodes is about 0 to 0.7 volts.

先ず、全ビットを消去する場合について以下に説明する。ここでは、配線1522を全て接地し、配線1523の全てに接地した状態よりも低い電圧である−Vppを印加する。すると、スイッチ素子1103のアノードには0ボルト〜0.7ボルト程度の電圧、カソードには−Vppが印加されるため、スイッチ素子1103は順方向バイアス状態になり、全てのスイッチ素子1103がオン状態になる。ここでは、ダイオード1530があるために、スイッチがオン状態になっても、配線1522から配線1523には電流は流れない。このようにして、全てのスイッチ素子の消去が行われる。全てのスイッチがオンになったら、配線1523を全て接地する。   First, the case of erasing all bits will be described below. Here, all of the wirings 1522 are grounded, and −Vpp, which is a lower voltage than the state of grounding all of the wirings 1523, is applied. Then, since the voltage of about 0 to 0.7 volts is applied to the anode of the switch element 1103 and −Vpp is applied to the cathode, the switch element 1103 is in the forward bias state, and all the switch elements 1103 are in the on state. become. Here, since the diode 1530 is provided, no current flows from the wiring 1522 to the wiring 1523 even when the switch is turned on. In this way, all switch elements are erased. When all the switches are turned on, all the wirings 1523 are grounded.

次に、選択したビットを書き込む場合について説明する。一例として、スイッチ素子1103baをオン状態に書き込む場合には、配線1523aに正の電圧Vppを印加し、1523b、1523c、1523dは接地する。また、配線1522bは接地し、1522aと1522cには正の電圧(例えばVppまたはVpp/2)を印加する。   Next, a case where the selected bit is written will be described. As an example, when the switch element 1103ba is written in the ON state, a positive voltage Vpp is applied to the wiring 1523a, and 1523b, 1523c, and 1523d are grounded. Further, the wiring 1522b is grounded, and a positive voltage (for example, Vpp or Vpp / 2) is applied to 1522a and 1522c.

すると、スイッチ素子1103baのカソード端子には、配線1523aから正の電圧(Vpp)が印加され、アノード端子はダイオード1530baと配線1522bを介して接地されるので、スイッチ素子1103baは、逆バイアス状態になり、オフ状態に書き込まれる。オフに書き込まれると、スイッチ素子1103baのアノード側の電位は、ダイオード1530baを介して、0ボルトから0.7ボルト程度の間の電圧に収束する。スイッチ素子1103aaや1103caには、それぞれ、配線1522a、1522cを介して、アノードにもカソードにも電圧が印加されているので、アノードとカソードの端子間の電位差がしきい値電圧を超えない限りは、オフ状態に書き込まれない。また、配線1523b、1523c、1523dは、接地されているので、これらに接続されているスイッチ素子には、逆バイアスが印加されず、書き込みは行われない。   Then, a positive voltage (Vpp) is applied from the wiring 1523a to the cathode terminal of the switching element 1103ba, and the anode terminal is grounded via the diode 1530ba and the wiring 1522b, so that the switching element 1103ba is in a reverse bias state. Written in the off state. When written off, the potential on the anode side of the switch element 1103ba converges to a voltage of about 0 to 0.7 volts via the diode 1530ba. Since voltage is applied to the anode and the cathode to the switch elements 1103aa and 1103ca via the wirings 1522a and 1522c, respectively, as long as the potential difference between the anode and cathode terminals does not exceed the threshold voltage. , Not written off state. In addition, since the wirings 1523b, 1523c, and 1523d are grounded, no reverse bias is applied to the switch elements connected thereto, and writing is not performed.

また、ダイオードが配線1522aと1522cからの電圧を遮断するので、スイッチ素子1103には順方向バイアスも印加されないので、オフ状態にプログラムされている2端子素子の記憶内容を破壊することも無い。   In addition, since the diode cuts off the voltage from the wirings 1522a and 1522c, no forward bias is applied to the switch element 1103, so that the memory contents of the two-terminal element programmed to the off state are not destroyed.

配線1523ba(スイッチ素子1103ba)の読み出しを行う場合には、配線1522bの電位を、配線1523aの電位よりも0.7V以上低く設定する。配線1522aと1522cの電位は、配線1523aの電位と等しいか大きく、配線1523b、1523c、1523dの電位は、配線1522bの電位と等しいか、それよりも低く設定する。   In the case of reading data from the wiring 1523ba (switching element 1103ba), the potential of the wiring 1522b is set to be 0.7 V or more lower than the potential of the wiring 1523a. The potentials of the wirings 1522a and 1522c are equal to or higher than the potential of the wiring 1523a, and the potentials of the wirings 1523b, 1523c, and 1523d are set to be equal to or lower than the potential of the wiring 1522b.

すると、ダイオード1530baのみが順方向バイアスの条件となるので、スイッチ素子1103baがオン状態であれば、ダイオード1530baを介して、配線1523aから1522bに電流が流れ、オフ状態であれば、どこにも電流が流れない。ここで、配線1523aまたは配線1522bの電流を検出するか、或いは、配線1523bにプリチャージした電圧が保たれるか否かを検出することにより、スイッチ素子1103baにプログラムされた状態を読み出すことができる。   Then, since only the diode 1530ba is in a forward bias condition, if the switch element 1103ba is in the on state, a current flows from the wiring 1523a to 1522b via the diode 1530ba, and if it is in the off state, no current flows anywhere. Not flowing. Here, the state programmed in the switch element 1103ba can be read by detecting the current of the wiring 1523a or the wiring 1522b or detecting whether the voltage precharged in the wiring 1523b is maintained. .

図65は、本発明によるスイッチアレイを3次元的に配置した実施例の構成を示す図である。図65を参照すると、この実施例のスイッチアレイは、半導体基板1100と、スイッチ素子1103と、第1の配線層1123aと、第2の配線層1123bと、第3の配線層1123cと、第4の配線層1123dとを備え、各配線層の間に、スイッチ素子1103が配置されている。   FIG. 65 is a diagram showing a configuration of an embodiment in which the switch array according to the present invention is three-dimensionally arranged. Referring to FIG. 65, the switch array of this embodiment includes a semiconductor substrate 1100, a switch element 1103, a first wiring layer 1123a, a second wiring layer 1123b, a third wiring layer 1123c, and a fourth wiring layer. Wiring layer 1123d, and a switch element 1103 is disposed between the wiring layers.

従来の半導体素子で構成されるスイッチ回路は、半導体基板1100上に平面的に形成されるため、スイッチの数に比例して、スイッチが占める面積が大きくなるという問題がある。   Since a conventional switch circuit composed of semiconductor elements is formed on a semiconductor substrate 1100 in a planar manner, there is a problem that the area occupied by the switches increases in proportion to the number of switches.

これに対して、本発明によるスイッチアレイ構造は、配線層に形成されるスイッチを用いるため、多層に形成された配線層に埋め込むことで、スイッチ素子も多層に形成することができる。このことにより、単位面積あたりのスイッチの数を増やすことが可能であり、集積度を高めることができる。   On the other hand, since the switch array structure according to the present invention uses switches formed in the wiring layer, the switch elements can be formed in multiple layers by embedding in the wiring layer formed in multiple layers. As a result, the number of switches per unit area can be increased, and the degree of integration can be increased.

上記した、抵触領域、配線層にスイッチ素子を有する半導体集積回路に関しては、特許請求の範囲の請求項記載の発明の原理及び範囲を逸脱しない範囲で当業者であればなし得るであろう、種々の変更および変形、修正を含むことは勿論である。   With respect to the above-described semiconductor integrated circuit having a switch element in the conflict region and the wiring layer, those skilled in the art will be able to make various modifications without departing from the principle and scope of the invention described in the claims. Needless to say, changes, changes and modifications are included.

本発明の一実施形態を説明するための図であり、(A)は、ビアにスイッチ素子を備える配線構造の立体構造を模式的に示す図であり、(B)はビアにスイッチ素子を備える配線構造の断面を模式的に示す図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of this invention, (A) is a figure which shows typically the three-dimensional structure of a wiring structure provided with a switch element in a via, (B) equips a via with a switch element. It is a figure which shows typically the cross section of a wiring structure. 本発明の他の実施形態による制御ゲート付きのスイッチ素子を備える配線構造を示す図である。It is a figure which shows a wiring structure provided with the switch element with a control gate by other embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による、論理回路の接続を変更できる配線構造を示す図である。It is a figure which shows the wiring structure which can change the connection of a logic circuit by one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態による、論理回路の接続を変更できる配線構造を示す図である。It is a figure which shows the wiring structure which can change the connection of a logic circuit by other embodiment of this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能な論理回路の一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the programmable logic circuit using the switch element concerning this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能なセレクタ回路の一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the programmable selector circuit using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能なセレクタ回路の別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the programmable selector circuit using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能なセレクタ回路のさらに別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the programmable selector circuit using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたプログラム可能なセレクタ回路のさらに別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the programmable selector circuit using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたセレクタを有する論理回路の一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the logic circuit which has a selector using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたセレクタを有する論理回路の別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the logic circuit which has a selector using the switch element based on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いたセレクタと論理ゲートを有するPLDの一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of PLD which has the selector and logic gate using the switch element based on this invention. 本発明に係る配線構造を適用した、論理関数をプログラム可能な半導体集積回路の例を示す図であり、(a)、(b)は、半加算器とその等価回路、(c)、(d)はフリップフロップとその等価回路を示す図である。It is a figure which shows the example of the semiconductor integrated circuit which can program a logic function to which the wiring structure which concerns on this invention is applied, (a), (b) is a half adder and its equivalent circuit, (c), (d ) Is a diagram showing a flip-flop and its equivalent circuit. 図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクスの接続を変更する方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the method of changing the connection of the switch matrix of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクスの接続を変更する方法の一例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating an example of the method of changing the connection of the switch matrix of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクスの接続を変更する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method to change the connection of the switch matrix of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 図13に示した半導体集積回路のスイッチマトリクスの立体構造の一実施例を示したものである14 shows an example of a three-dimensional structure of a switch matrix of the semiconductor integrated circuit shown in FIG. 比較例をなすスイッチマトリクスの立体構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the three-dimensional structure of the switch matrix which makes a comparative example. 本発明に係る配線構造を適用したスイッチボックスの一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the switch box to which the wiring structure which concerns on this invention is applied. 本発明に係る配線構造を適用したプログラム可能な半導体集積回路の一実施例を示す図である1 is a diagram showing an example of a programmable semiconductor integrated circuit to which a wiring structure according to the present invention is applied. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの一実施例の構成を示す図であり、(A)は断面構成、(B)は回路構成を示している。It is a figure which shows the structure of one Example of the memory cell to which the wiring structure which concerns on this invention is applied, (A) is a cross-sectional structure, (B) has shown the circuit structure. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの別の実施例の構成を示す図であり、(A)は断面構成、(B)は回路構成を示している。It is a figure which shows the structure of another Example of the memory cell to which the wiring structure based on this invention is applied, (A) is a cross-sectional structure, (B) has shown the circuit structure. 本発明に係るメモリセルを用いたメモリセルアレイの一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the memory cell array using the memory cell based on this invention. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路の一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the write circuit or read-out circuit of the memory cell to which the wiring structure which concerns on this invention is applied. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路の他の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the other Example of the write circuit or read-out circuit of the memory cell to which the wiring structure which concerns on this invention is applied. 本発明の配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路の別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the write circuit or read circuit of a memory cell to which the wiring structure of this invention is applied. 本発明の配線構造を適用したメモリセルの書き込み回路または読み出し回路のさらに別の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of another Example of the write circuit or read-out circuit of the memory cell to which the wiring structure of this invention is applied. 図25に示したメモリの書き込み回路の詳細な回路構成の一例を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing an example of a detailed circuit configuration of a write circuit of the memory shown in FIG. 25. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの構成の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of a structure of the memory cell to which the wiring structure which concerns on this invention is applied. 本発明に係る配線構造を適用したメモリセルの他の実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the other Example of the memory cell to which the wiring structure which concerns on this invention is applied. 本発明の配線構造の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the wiring structure of this invention. 本発明の配線構造の他の実施例を示す図である。It is a figure which shows the other Example of the wiring structure of this invention. 図32の配線構造およびスイッチの配置を示す図である。It is a figure which shows the wiring structure of FIG. 32, and arrangement | positioning of a switch. 本発明の配線構造の断面の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the cross section of the wiring structure of this invention. 本発明に係る配線構造を用いたメモリセルの一実施例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one Example of the memory cell using the wiring structure which concerns on this invention. 本発明に係るスイッチ素子を用いて異なる2つの配線層を接続した例の立体構造を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the three-dimensional structure of the example which connected two different wiring layers using the switch element which concerns on this invention. 本発明の実施例に係る3端子スイッチ素子の動作説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the 3 terminal switch element based on the Example of this invention. 本発明の別の実施例による半導体基板上に形成された集積回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the integrated circuit formed on the semiconductor substrate by another Example of this invention. プログラム可能な従来のスイッチ回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional switch circuit which can be programmed. 本発明の実施例に係る固体電解質を用いたスイッチ素子によるプログラム可能なスイッチ回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programmable switch circuit by the switch element using the solid electrolyte which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る2端子スイッチ素子のプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the 2 terminal switch element based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る並列に複数個接続された2端子スイッチ素子のプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the two-terminal switch element connected in parallel based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る3端子スイッチ素子のプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the 3 terminal switch element based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る並列に複数個接続された2端子スイッチ素子のプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the two-terminal switch element connected in parallel based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るスイッチマトリクスのプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the switch matrix based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るスイッチマトリクスのプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the switch matrix based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るスイッチマトリクスを用いたプログラム可能な論理回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programmable logic circuit using the switch matrix based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るプログラム可能な論理回路の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of the programmable logic circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るフィールドプログラマブル論理回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the field programmable logic circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るフィールドプログラマブル論理回路中のスイッチ回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the switch circuit in the field programmable logic circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る接続検証回路を備えたスイッチマトリクスのプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the switch matrix provided with the connection verification circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る接続検証回路を備えたスイッチマトリクスのプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the switch matrix provided with the connection verification circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る接続検証回路を備えたスイッチマトリクスのプログラミング回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming circuit of the switch matrix provided with the connection verification circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る直列に接続されたスイッチ回路の接続検証回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the connection verification circuit of the switch circuit connected in series which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るスイッチ回路のプログラミング手順の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programming procedure of the switch circuit which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るプログラム可能な入出力回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the programmable input / output circuit based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る3端子スイッチ素子を用いたスイッチマトリクスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the switch matrix using the 3 terminal switch element based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る3端子スイッチ素子を用いたスイッチマトリクスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the switch matrix using the 3 terminal switch element based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る無極性スイッチ回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the nonpolar switch circuit based on the Example of this invention. (a)、(b)、(c)は、本発明の実施例に係るメモリセルアレイの回路図、レイアウト図、断面図を示す図である。(A), (b), (c) is a figure which shows the circuit diagram of the memory cell array based on the Example of this invention, a layout diagram, and sectional drawing. 図60のメモリセルアレイの動作の説明図である。FIG. 61 is an explanatory diagram of the operation of the memory cell array of FIG. 60. (a)、(b)、(c)は、本発明の実施例に係るメモリセルアレイの回路図、レイアウト図、断面図を示す図である。(A), (b), (c) is a figure which shows the circuit diagram of the memory cell array based on the Example of this invention, a layout diagram, and sectional drawing. (a)、(b)は、本発明の実施例に係るメモリセルアレイのレイアウト図、断面図を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the layout figure and sectional drawing of the memory cell array based on the Example of this invention. 図63のメモリセルアレイの動作の説明する図である。FIG. 64 is a diagram for explaining the operation of the memory cell array in FIG. 63. 本発明の実施例に係る、スイッチ素子が配線層中に3次元状に配置された集積回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the integrated circuit by which the switch element based on the Example of this invention is arrange | positioned in the wiring layer in three dimensions.

符号の説明Explanation of symbols

100 半導体基板
101 第1の配線層
102 第2の配線層
103 導電率を変えることが可能なビア(スイッチ素子)
104 硫化銅
105 電極
106 電極
111 第1の配線層
112 第2の配線層
113 導電率可変部材(電解質材料)
114 ソース電極
115 ドレイン電極
116 ゲート電極
117 空隙
118 スイッチ素子
119 導電性の金属析出物
1120 電子回路
121、122、123、131、132、133 論理回路
126 ビア
150 入力端子
151 セレクタ
152 スイッチ素子
153 センス回路
153−1 インバータ
153−2 トランジスタ
154 出力端子
155 定電圧源
160 入出力端子
161 スイッチ素子
162 入出力端子
171 トランジスタ
172 制御入力
180 抵抗素子、トランジスタ、またはそれらの組み合わせ
181 定電圧源
190 トランジスタ
191 制御端子
200 入力端子
201 セレクタ
202 論理回路
203 出力端子
204 グローバル配線
211 セレクタ
213 出力端子
220 入力端子
221 スイッチ素子
222 論理ゲート
223 出力端子
230 入出力端子
231 スイッチ素子
232 スイッチボックス
240 論理回路ブロック
241 スイッチ回路(スイッチボックス)
251 アクセストランジスタ
255 ビット線
256 ワード線
257 プレート線
258 スイッチ素子
270 電流源
271 メモリセル
273 参照電圧
274 電圧比較器
275 出力端子
284 レプリカメモリセル
285 抵抗素子
290 電圧源
292 参照電流
293 電流比較器
294 出力端子
310 SRAMセル
311 スイッチ素子
313 バイアス電圧
314、315 端子
317 アクセストランジスタ
321 トランジスタ
322 スイッチ素子
400 スイッチマトリクス
401〜404 NANDゲート
405〜408 インバータ
409、410 スイッチマトリクス
411 オン状態のスイッチ素子
420 スイッチ素子
422 縦の配線
424 横の配線
426 トランジスタ
430 論理ゲート
431 配線
432 スイッチ素子
433 スイッチマトリクス
442 メモリ素子
443 パストランジスタ
450 データ入力
451 書き込みパルス
452、467 反転出力
453、466 正転出力
454 pMOSスイッチ
455 nMOSスイッチ
456 pMOS型カレントミラー回路
457 nMOS型カレントミラー回路
459 参照線
461 メモリセルアレイ
468 nMOSスイッチ
469 pMOSスイッチ
470 電圧比較出力(リセット信号)
471、472 D型フリップフロップ
474、477 ダミーアクセストランジスタ
478、479 インバータ
480 横の配線
481 縦の配線
483 プログラムされた配線
500 縦の配線
501 横の配線
502 制御線
504 スイッチ素子
505 トランジスタ
510 縦の配線
511 横の配線
512 制御線
513 3端子スイッチ素子
540 縦の配線と横の配線を接続するスイッチ素子
541 横の配線同士を接続するスイッチ素子
542 縦の配線同士を接続するスイッチ素子
543 縦の配線
544 横の配線
550 第3の配線層
560、561 スイッチ素子
562 入出力端子
563 第1の電圧源
564 第2の電圧源
1100 半導体基板
1103 ビア(2端子スイッチ素子)
1113 電解質材料
1114 ソース
1115 ドレイン
1116 ゲート電極
1118 3端子スイッチ
1120 電子回路
1121 スイッチ回路
1122 コンタクトまたはビア
1123 配線
1124 SRAM
1125 パストランジスタ
1126 プログラム可能なスイッチの第1の端子
1127 プログラム可能なスイッチの第2の端子
1128 フリップフロップ
1201 アノード電極
1202 カソード電極
1203 pMOSトランジスタ
1204 nMOSトランジスタ
1205 pMOSトランジスタ
1206 nMOSトランジスタ
1207 制御入力
1208 制御入力
1209 制御入力
1210 制御入力
1211 電圧源
1212 電圧源
1215 選択トランジスタ
1216 制御入力
1220 pMOSトランジスタ
1221 nMOSトランジスタ
1222 pMOSトランジスタ
1223 nMOSトランジスタ
1224 pMOSトランジスタ
1225 nMOSトランジスタ
1226 制御入力
1227 制御入力
1228 制御入力
1229 制御入力
1230 制御入力
1231 制御入力
1232 電圧源
1233 電圧源
1234 電圧源
1250 配線
1251 制御入力
1252 pMOSトランジスタ
1253 電圧源
1254 制御入力
1255 nMOSトランジスタ
1256 配線
1257 制御入力
1258 pMOSトランジスタ
1259 電圧源
1260 pMOSトランジスタ
1261 制御入力
1262 電圧源
1263 制御入力
1264 nMOSトランジスタ
1270 プログラミング回路
1271 プログラミング回路
1272 3ステート回路制御入力
1273 セレクタ
1274 インバータ
1280 パストランジスタ
1281 論理回路または演算回路
1282 スイッチ回路
1283 配線同士のスイッチマトリクス
1284 論理回路1281と配線を接続するスイッチマトリクス
1285 縦方向の配線同士、または横方向の配線同士を接続するスイッチ回路
1290 pMOSトランジスタ
1291 nMOSトランジスタ
1292 pMOSトランジスタ
1293 nMOSトランジスタ
1294 pMOSトランジスタ
1295 nMOSトランジスタ
1296 制御入力
1297 電圧源
1300 制御入力
1301 pMOSトランジスタ
1302 制御入力
1303 pMOSトランジスタ
1304 制御入力
1305 pMOSトランジスタ
1306 nMOSトランジスタ
1307 出力端子
1310 制御入力
1311 pMOSトランジスタ
1312 nMOSトランジスタ
1313 出力端子
1320 制御入力
1321 nMOSトランジスタ
1324 制御入力
1325 pMOSトランジスタ
1326 制御入力
1327 nMOSトランジスタ
1328 出力端子
1329 出力端子
1330 スイッチ素子をオフ状態にプログラムする過程
1331 1330で正常にオフ状態にプログラムできたかを確認する過程
1332 1331の過程で異常が無いかの判定
1333 選択したスイッチ素子をオン状態にプログラムする過程
1334 1333で選択したスイッチ素子がオン状態にプログラムできたかを確認する過程
1335 1334の過程で異常が無いかの判定
1340 3ステートバッファ
1341 インバータ
1342 インバータ
1343 入出力端子
1400 配線
1401 プログラム制御線
1402 プログラム制御線
1403 配線
1404 プログラム制御ゲート(インバータ)
1405 制御入力
1406 制御出力
1407 電源入力
1408 pMOSトランジスタ
1409 nMOSトランジスタ
1410 第1の入出力端子
1411 第2の入出力端子
1500 ワード線
1501 ビット線
1502 プレート線
1503 配線又はビア
1504 トランジスタ
1505 制御入力
1506 制御入力
1507 制御入力
1508 制御入力
1509 ワード線
1510 アクセストランジスタ
1511 アクセストランジスタ
1512 pMOSトランジスタ
1513 nMOSトランジスタ
1514 pMOSトランジスタ
1515 nMOSトランジスタ
1516 ビット線
1517 プレート線
1520 シリコン基板
1521 Nウェル
1522 配線
1523 配線
1524 n+拡散層
1525 p+拡散層
1530 ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Semiconductor substrate 101 1st wiring layer 102 2nd wiring layer 103 Via (switching element) which can change electrical conductivity
104 Copper sulfide 105 Electrode 106 Electrode 111 First wiring layer 112 Second wiring layer 113 Conductivity variable member (electrolyte material)
114 Source electrode 115 Drain electrode 116 Gate electrode 117 Void 118 Switch element 119 Conductive metal deposit 1120 Electronic circuit 121, 122, 123, 131, 132, 133 Logic circuit 126 Via 150 Input terminal 151 Selector 152 Switch element 153 Sense circuit 153-1 Inverter 153-2 Transistor 154 Output terminal 155 Constant voltage source 160 Input / output terminal 161 Switch element 162 Input / output terminal 171 Transistor 172 Control input 180 Resistive element, transistor, or a combination thereof 181 Constant voltage source 190 Transistor 191 Control terminal 200 input terminal 201 selector 202 logic circuit 203 output terminal 204 global wiring 211 selector 213 output terminal 220 input terminal 221 Switch element 222 logic gates 223 output terminal 230 output terminal 231 the switch element 232 switch box 240 logic block 241 the switching circuit (switch box)
251 Access transistor 255 Bit line 256 Word line 257 Plate line 258 Switch element 270 Current source 271 Memory cell 273 Reference voltage 274 Voltage comparator 275 Output terminal 284 Replica memory cell 285 Resistance element 290 Voltage source 292 Reference current 293 Current comparator 294 Output Terminal 310 SRAM cell 311 Switch element 313 Bias voltage 314, 315 Terminal 317 Access transistor 321 Transistor 322 Switch element 400 Switch matrix 401-404 NAND gate 405-408 Inverter 409, 410 Switch matrix 411 On-state switch element 420 Switch element 422 Vertical Wiring 424 side wiring 426 transistor 430 logic gate 431 wiring 432 Switch element 433 Switch matrix 442 Memory element 443 Pass transistor 450 Data input 451 Write pulse 452, 467 Inverted output 453, 466 Normal output 454 pMOS switch 455 nMOS switch 456 pMOS type current mirror circuit 457 nMOS type current mirror circuit 459 Reference line 461 Memory cell array 468 nMOS switch 469 pMOS switch 470 Voltage comparison output (reset signal)
471, 472 D-type flip-flop 474, 477 Dummy access transistor 478, 479 Inverter 480 Horizontal wiring 481 Vertical wiring 483 Programmed wiring 500 Vertical wiring 501 Horizontal wiring 502 Control line 504 Switch element 505 Transistor 510 Vertical wiring 511 Horizontal wiring 512 Control line 513 Three-terminal switch element 540 Switch element connecting vertical wiring and horizontal wiring 541 Switch element connecting horizontal wiring 542 Switch element connecting vertical wiring 543 Vertical wiring 544 Horizontal wiring 550 Third wiring layer 560, 561 Switch element 562 Input / output terminal 563 First voltage source 564 Second voltage source 1100 Semiconductor substrate 1103 Via (two-terminal switch element)
1113 Electrolyte material 1114 Source 1115 Drain 1116 Gate electrode 1118 Three-terminal switch 1120 Electronic circuit 1121 Switch circuit 1122 Contact or via 1123 Wiring 1124 SRAM
1125 Pass transistor 1126 Programmable switch first terminal 1127 Programmable switch second terminal 1128 Flip flop 1201 Anode electrode 1202 Cathode electrode 1203 pMOS transistor 1204 nMOS transistor 1205 pMOS transistor 1206 nMOS transistor 1207 Control input 1208 Control input 1209 control input 1210 control input 1211 voltage source 1212 voltage source 1215 selection transistor 1216 control input 1220 pMOS transistor 1221 nMOS transistor 1222 pMOS transistor 1223 nMOS transistor 1224 pMOS transistor 1225 nMOS transistor 1226 control input 1227 control Input 1229 Control input 1230 Control input 1231 Control input 1232 Voltage source 1233 Voltage source 1233 Voltage source 1234 Voltage source 1250 Wiring 1251 Control input 1252 pMOS transistor 1253 Voltage source 1254 Control input 1255 nMOS transistor 1256 Wiring 1257 Control input 1258 pMOS transistor 1259 Voltage source 1261 Control input 1262 Voltage source 1263 Control input 1264 nMOS transistor 1270 Programming circuit 1271 Programming circuit 1272 Three-state circuit control input 1273 Selector 1274 Inverter 1280 Pass transistor 1281 Logic circuit or arithmetic circuit 1282 Switch circuit 1283 Switch matrix 1284 between wirings 1284 Logic circuit 1 Switch matrix 1285 connecting the wirings to the wiring 1285 Switch circuit connecting the vertical wirings or the horizontal wirings 1290 pMOS transistor 1291 nMOS transistor 1292 pMOS transistor 1293 nMOS transistor 1294 pMOS transistor 1295 nMOS transistor 1296 Control input 1297 Voltage source 1300 Control input 1301 pMOS transistor 1302 Control input 1303 pMOS transistor 1304 Control input 1305 pMOS transistor 1306 nMOS transistor 1307 Output terminal 1310 Control input 1311 pMOS transistor 1312 nMOS transistor 1313 Output terminal 1320 Control input 1321 nMOS transistor 1324 Control input 1324 25 pMOS transistor 1326 control input 1327 nMOS transistor 1328 output terminal 1329 output terminal 1330 process for programming switch element to OFF state 1331 process for confirming whether or not normally programmed to OFF state 1332 1331 whether there is any abnormality in process Judgment 1333 Process of programming the selected switch element to the ON state 1334 Process of confirming whether the switch element selected by the 1333 has been programmed to the ON state 1335 Judging whether there is no abnormality in the process of 1334 1340 Three-state buffer 1341 Inverter 1342 Inverter 1343 Input / output terminal 1400 Wiring 1401 Program control line 1402 Program control line 1403 Wiring 1404 Program control gate (inverter)
1405 control input 1406 control output 1407 power input 1408 pMOS transistor 1409 nMOS transistor 1410 first input / output terminal 1411 second input / output terminal 1500 word line 1501 bit line 1502 plate line 1503 wiring or via 1504 transistor 1505 control input 1506 control input 1507 Control input 1508 Control input 1509 Word line 1510 Access transistor 1511 Access transistor 1512 pMOS transistor 1513 nMOS transistor 1514 pMOS transistor 1515 nMOS transistor 1516 Bit line 1517 Plate line 1520 Silicon substrate 1521 N well 1522 Wiring 1523 Wiring 1524 25+ Tier 15 0 diode

Claims (9)

第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極間に介在され、金属イオンが伝導するイオン伝導体と、
を有し、
前記第2の電極は、前記第1の電極よりもイオン化傾向の低い材料よりなり、
前記金属イオンの酸化還元反応によって、前記第1の電極と前記第2の電極間の導電率が変化する2端子スイッチ素子と、
前記第1の電極に接続された、互いに異なる極性の第1及び第2のトランジスタと、
前記第2の電極に接続された、互いに異なる極性の第3及び第4のトランジスタと、
を含み、
前記2端子スイッチ素子の前記第1電極と、前記第2電極の接続状態が、前記イオン伝導体を介して、短絡、開放、または前記短絡と前記開放の中間状態に、可変に設定自在とされ、
前記第1のトランジスタが、ドレイン端子が前記第1の電極に接続され、ソース端子が定電圧源に接続された第1のpMOSトランジスタよりなり、
前記第2のトランジスタが、ドレイン端子が前記第1の電極に接続され、ソース端子が接地された第1のnMOSトランジスタよりなり、
前記第3のトランジスタが、ドレイン端子が前記第2の電極に接続され、ソース端子が定電圧源に接続された第2のpMOSトランジスタよりなり、
前記第4のトランジスタが、ドレイン端子が前記第2の電極に接続され、ソース端子が接地された第2のnMOSトランジスタよりなり、
前記第1の電極と前記第2の電極が、論理回路又は演算回路の端子に接続され、
前記第1及び第2のpMOSトランジスタのゲート端子と、前記第1及び第2のnMOSトランジスタのゲート端子は、それぞれ、制御信号に接続され、
前記定電圧源から供給される電圧は、前記論理回路又は前記演算回路の電源電圧よりも高い電圧である、ことを特徴とするスイッチ回路。
A first electrode;
A second electrode;
An ion conductor interposed between the first electrode and the second electrode and conducting metal ions;
Have
The second electrode is made of a material having a lower ionization tendency than the first electrode,
A two-terminal switch element in which the conductivity between the first electrode and the second electrode is changed by an oxidation-reduction reaction of the metal ions;
First and second transistors of different polarities connected to the first electrode;
Third and fourth transistors of different polarities connected to the second electrode;
Including
The connection state of the first electrode and the second electrode of the two-terminal switch element can be variably set to a short circuit, an open state, or an intermediate state between the short circuit and the open state via the ion conductor. ,
The first transistor comprises a first pMOS transistor having a drain terminal connected to the first electrode and a source terminal connected to a constant voltage source;
The second transistor comprises a first nMOS transistor having a drain terminal connected to the first electrode and a source terminal grounded;
The third transistor comprises a second pMOS transistor having a drain terminal connected to the second electrode and a source terminal connected to a constant voltage source;
The fourth transistor comprises a second nMOS transistor having a drain terminal connected to the second electrode and a source terminal grounded;
The first electrode and the second electrode are connected to a terminal of a logic circuit or an arithmetic circuit;
The gate terminals of the first and second pMOS transistors and the gate terminals of the first and second nMOS transistors are connected to a control signal, respectively.
The voltage supplied from the constant voltage source is a voltage higher than a power supply voltage of the logic circuit or the arithmetic circuit.
前記2端子スイッチ素子が複数並列に接続されることを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。 The switch circuit according to claim 1 , wherein a plurality of the two-terminal switch elements are connected in parallel. 前記2端子スイッチ素子の前記第1の電極と、前記第1のpMOSトランジスタ、前記第1のnMOSトランジスタとの間、または、前記第2の電極と、前記第2のpMOSトランジスタ、前記第2のnMOSトランジスタとの間に、
少なくとも1以上のトランジスタを有する、ことを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。
Between the first electrode of the two-terminal switch element and the first pMOS transistor and the first nMOS transistor, or between the second electrode and the second pMOS transistor and the second pMOS transistor Between nMOS transistors,
The switch circuit according to claim 2 , comprising at least one transistor.
第1の電極と、
前記第1の電極と隣り合う第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極とに対向する第3の電極と、
前記第1の電極と、前記第2の電極、前記第3の電極間に介在された金属イオンが伝導するイオン伝導体と、
を有し、
前記第1の電極と前記第2の電極の少なくとも一方は、前記第3の電極よりイオン化傾向の低い材料であり、
前記金属イオンの酸化還元反応によって前記第1の電極と第2の電極間の導電率が変化する3端子スイッチ素子と、
前記第1の電極に接続された、互いに異なる極性の第1及び第2のトランジスタと、
前記第2の電極に接続された、互いに異なる極性の第3及び第4のトランジスタと、
前記第3の電極に接続された、互いに異なる極性の第5及び第6のトランジスタと、
を備えている、ことを特徴とするスイッチ回路。
A first electrode;
A second electrode adjacent to the first electrode;
A third electrode facing the first electrode and the second electrode;
An ion conductor that conducts metal ions interposed between the first electrode, the second electrode, and the third electrode;
Have
At least one of the first electrode and the second electrode is a material having a lower ionization tendency than the third electrode,
A three-terminal switch element in which the conductivity between the first electrode and the second electrode is changed by an oxidation-reduction reaction of the metal ions;
First and second transistors of different polarities connected to the first electrode;
Third and fourth transistors of different polarities connected to the second electrode;
Fifth and sixth transistors of different polarities connected to the third electrode;
A switch circuit comprising:
前記第1のトランジスタは、ドレイン端子が前記第1の電極に接続され、ソース端子が定電圧源に接続された第1のpMOSトランジスタよりなり、
前記第2のトランジスタは、ドレイン端子が前記第1の電極に接続され、ソース端子が接地された第1のnMOSトランジスタよりなり、
前記第3のトランジスタは、ドレイン端子が前記第2の電極に接続され、ソース端子が定電圧源に接続された第2のpMOSトランジスタよりなり、
前記第4のトランジスタは、ドレイン端子が前記第2の電極に接続され、ソース端子が接地された第2のnMOSトランジスタよりなり、
前記第5のトランジスタは、ドレイン端子が前記第3の電極に接続され、ソース端子が定電圧源に接続された第3のpMOSトランジスタよりなり、
前記第6のトランジスタは、ドレイン端子が前記第3の電極に接続され、ソース端子が接地された第3のnMOSトランジスタよりなり、
前記第1、第2、第3のpMOSトランジスタのゲート端子と、前記第1、第2、第3のnMOSトランジスタのゲート端子は、それぞれ、制御信号に接続されている、ことを特徴とする請求項に記載のスイッチ回路。
The first transistor includes a first pMOS transistor having a drain terminal connected to the first electrode and a source terminal connected to a constant voltage source.
The second transistor comprises a first nMOS transistor having a drain terminal connected to the first electrode and a source terminal grounded,
The third transistor comprises a second pMOS transistor having a drain terminal connected to the second electrode and a source terminal connected to a constant voltage source.
The fourth transistor includes a second nMOS transistor having a drain terminal connected to the second electrode and a source terminal grounded.
The fifth transistor includes a third pMOS transistor having a drain terminal connected to the third electrode and a source terminal connected to a constant voltage source.
The sixth transistor comprises a third nMOS transistor having a drain terminal connected to the third electrode and a source terminal grounded,
The gate terminals of the first, second, and third pMOS transistors and the gate terminals of the first, second, and third nMOS transistors are connected to a control signal, respectively. Item 5. The switch circuit according to item 4 .
並設されたn本の配線からなる第1の配線セットと、
並設されたm本の配線からなる第2の配線セットと、
n本の配線からなる第1のプログラム制御線セットと、
m本の配線からなる第2のプログラム制御線セットと、
n×m個の請求項に記載の3端子スイッチ素子と、
n×m個のpMOSトランジスタと、
n×m個のnMOSトランジスタと、
を備え、
前記第1の配線セットと前記第2の配線セットは互いに交差するように配置され、
前記第1の配線セットのn本の配線と前記第2の配線セットのm本の配線が交差するn×m箇所の交点部には、請求項に記載の前記3端子スイッチ素子が1つずつ配置され、
前記3端子スイッチ素子の第1の端子は、前記第1の配線セットの配線に接続され、第2の端子は、前記第2の配線セットの配線に接続され、
前記第1のプログラム制御線セットのn本の配線は、それぞれ、前記第1の配線セットのn本の配線と平行に近接して配置され、
前記第2のプログラム制御線セットのm本の配線は、それぞれ、前記第2の配線セットのm本の配線と平行に近接して配置され、
前記第1のプログラム制御線セットのn本の配線と、前記第2のプログラム制御線セットのm本の配線とが交差するn×m箇所の交差部には、前記pMOSトランジスタと前記nMOSトランジスタとが1つずつ配置され、前記pMOSトランジスタのソース端子は、前記第2のプログラム制御線セットの配線に接続され、前記pMOSトランジスタのゲート端子は、前記第1のプログラム制御線セットの配線に接続され、前記pMOSトランジスタのドレイン端子は、前記3端子スイッチ素子の第3の端子に接続され、
前記nMOSトランジスタのソース端子は接地され、前記nMOSトランジスタのゲート端子は、前記第1のプログラム制御線セットの配線に接続され、前記nMOSトランジスタのドレイン端子は、前記3端子スイッチ素子の第3の端子に接続されている、ことを特徴とするスイッチ回路。
A first wiring set composed of n wirings arranged in parallel;
A second wiring set comprising m wirings arranged in parallel;
a first program control line set consisting of n wires;
a second program control line set comprising m wires;
n × m three-terminal switch elements according to claim 4 ;
n × m pMOS transistors;
n × m nMOS transistors;
With
The first wiring set and the second wiring set are arranged to cross each other,
5. One of the three-terminal switch elements according to claim 4 is provided at an intersection of n × m places where n wirings of the first wiring set and m wirings of the second wiring set intersect. One by one,
The first terminal of the three-terminal switch element is connected to the wiring of the first wiring set, the second terminal is connected to the wiring of the second wiring set,
N wirings of the first program control line set are respectively arranged in parallel and close to n wirings of the first wiring set;
The m wirings of the second program control line set are arranged in parallel and close to the m wirings of the second wiring set, respectively.
At the intersection of n × m places where the n wirings of the first program control line set and the m wirings of the second program control line set intersect, the pMOS transistor, the nMOS transistor, Are arranged one by one, the source terminal of the pMOS transistor is connected to the wiring of the second program control line set, and the gate terminal of the pMOS transistor is connected to the wiring of the first program control line set. , The drain terminal of the pMOS transistor is connected to the third terminal of the three-terminal switch element;
The source terminal of the nMOS transistor is grounded, the gate terminal of the nMOS transistor is connected to the wiring of the first program control line set, and the drain terminal of the nMOS transistor is the third terminal of the three-terminal switch element. A switch circuit connected to the switch.
並設されたn本の配線からなる第1の配線セットと、
並設されたm本の配線からなる第2の配線セットと、
n本以上(n+m−1)本以下の配線からなるプログラム制御線セットと、
n×m個の請求項4に記載の3端子スイッチ素子と、
を備え、
前記第1の配線セットと前記第2の配線セットは互いに交差するように配置され、前記第1の配線セットのn本の配線と、前記第2の配線セットのm本の配線が交差するn×m箇所の交差部に、前記3端子スイッチ素子が1つずつ配置され、
前記3端子スイッチ素子の第1の端子は、前記第1の配線セットの配線に接続され、
前記3端子スイッチ素子の第2の端子は、前記第2の配線セットの配線に接続され、
前記3端子スイッチ素子の第3の端子は、前記プログラム制御線セットの配線に接続され、
前記プログラム制御線セットの配線はそれぞれ、前記第1の配線セットの配線と前記第2の配線セットの配線の交点付近で、前記第1の配線セットの配線と、前記第2の配線セットと交差するように配置され、
前記プログラム制御線セットの各配線は、同一行内の前記3端子スイッチ素子とは1箇所でしか接続されず、同一列内の前記3端子スイッチ素子とも1箇所でしか接続されず、
同一行内の前記3端子スイッチ素子の第3の端子はそれぞれ、前記プログラム制御線セットの異なる配線に接続され、
同一列内の前記3端子スイッチ素子の第3の端子はそれぞれ、プログラム制御線セットの異なる配線に接続される、ことを特徴とするスイッチ回路。
A first wiring set composed of n wirings arranged in parallel;
A second wiring set comprising m wirings arranged in parallel;
a program control line set comprising n or more (n + m−1) or less wires;
n × m three-terminal switch elements according to claim 4 ;
With
The first wiring set and the second wiring set are arranged so as to cross each other, and n wirings of the first wiring set and n wirings of the second wiring set cross each other. The three-terminal switch elements are arranged one by one at intersections of × m places,
The first terminal of the three-terminal switch element is connected to the wiring of the first wiring set,
The second terminal of the three-terminal switch element is connected to the wiring of the second wiring set,
The third terminal of the three-terminal switch element is connected to the wiring of the program control line set,
The program control line set wiring crosses the first wiring set wiring and the second wiring set near an intersection of the first wiring set wiring and the second wiring set wiring, respectively. Arranged to
Each wiring of the program control line set is connected to the three-terminal switch elements in the same row only at one place, and is connected to the three-terminal switch elements in the same column only at one place,
Third terminals of the three-terminal switch elements in the same row are respectively connected to different wires of the program control line set,
3. The switch circuit according to claim 1, wherein third terminals of the three-terminal switch elements in the same column are respectively connected to different wires of the program control line set.
請求項に記載のスイッチ回路のプログラミング方法であって、
前記第3の電極に第1の電圧が供給され、
前記第1及び第2の電極が接地された場合に、前記スイッチをオンにするプログラミングを行い、
前記第3の電圧が接地され、前記第1及び第2の電極に第2の電圧が供給された場合にスイッチをオフにするプログラミングを行う、ことを特徴とするプログラミング方法。
A method of programming a switch circuit according to claim 4 ,
A first voltage is supplied to the third electrode;
Programming to turn on the switch when the first and second electrodes are grounded;
A programming method comprising: programming to turn off a switch when the third voltage is grounded and the second voltage is supplied to the first and second electrodes.
請求項に記載のスイッチ回路のプログラミング方法であって、
前記第3の電極が接地され、前記第1及び第2の電極に第2の電圧が供給された場合にスイッチをオンにするプログラミングを行い、
前記第3の電極に第1の電圧が供給され、前記第1及び第2の電極が接地された場合にスイッチをオフにするプログラミングを行う、ことを特徴とするプログラミング方法。
A method of programming a switch circuit according to claim 4 ,
Programming to turn on the switch when the third electrode is grounded and a second voltage is applied to the first and second electrodes;
A programming method comprising: programming to turn off a switch when a first voltage is supplied to the third electrode and the first and second electrodes are grounded.
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