JP5012802B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、電気的刺激を与えることにより抵抗状態が変化する抵抗記憶素子を用いた不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device using a resistance memory element whose resistance state is changed by applying an electrical stimulus.

前記不揮発性半導体記憶装置は、RRAM(Resistance Random Access Memory)と呼ばれ、外部から電気的刺激を与えることにより抵抗状態が変化する抵抗記憶素子をメモリセルに用いる。そして、抵抗記憶素子の高抵抗状態と低抵抗状態とを、例えば情報の“0”と“1”とに対応づける。   The nonvolatile semiconductor memory device is called RRAM (Resistance Random Access Memory), and uses a resistance memory element whose resistance state is changed by applying an electrical stimulus from the outside as a memory cell. The high resistance state and the low resistance state of the resistance memory element are associated with, for example, information “0” and “1”.

抵抗記憶素子の代表例としては、遷移金属を含む酸化物材料が知られているが、上記のような特性を有する抵抗記憶素子は、一般に、高抵抗状態から低抵抗状態へ、或いは、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移した場合に、その抵抗値の変化が大きく、また、その抵抗値が急激に変化する。そこで、データを書き込む際に、抵抗記憶素子に過剰な電流が流れてしまうという現象を防止するために、RRAMには、所定のタイミングで電流を制限すること(電流コンプライアンス)が必要になる。   As a typical example of a resistance memory element, an oxide material containing a transition metal is known. However, a resistance memory element having the above-described characteristics generally has a low resistance state or a low resistance state. When the state changes to the high resistance state, the resistance value changes greatly, and the resistance value changes abruptly. Therefore, in order to prevent the phenomenon that an excessive current flows through the resistance memory element when writing data, the RRAM needs to limit the current (current compliance) at a predetermined timing.

従来、このような電流コンプライアンスの機能を実現する方法として、電流制限を行いながら、抵抗記憶素子への電源供給をパルス状に行なう方法が提案されているが、このような方法では、電流制限回路を設ける必要があることに加えて、正しくセット動作が行なわれたか否かをチェックする、いわゆるベリファイ動作を行なうことが必要になる。そのため、回路が複雑になり回路規模が大きくなってしまう上に、書き込み時間が長くなるという欠点がある。   Conventionally, as a method for realizing such a function of current compliance, a method of supplying power to the resistance memory element in a pulsed manner while limiting the current has been proposed. In such a method, a current limiting circuit is provided. In addition, it is necessary to perform a so-called verify operation for checking whether or not the set operation has been performed correctly. As a result, the circuit becomes complicated and the circuit scale becomes large, and the write time becomes long.

また、上記の書き込み時間に関する欠点を解消するものとして、抵抗記憶素子の抵抗値の変化を監視し、その監視した状態をフィードバックさせて、抵抗記憶素子への電源供給を切断するという方法も提案されている(特許文献1参照)。   In order to eliminate the above-mentioned drawbacks related to the writing time, a method of monitoring the change in the resistance value of the resistance memory element and feeding back the monitored state to cut off the power supply to the resistance memory element has also been proposed. (See Patent Document 1).

特許文献1によれば、抵抗記憶素子の一端の電圧値を監視し、監視した結果をセンスアンプ回路に入力する。一方、複数の抵抗素子(リファレンス抵抗)により前記センスアンプ回路のリファレンス電圧を作成し、抵抗記憶素子の抵抗値が所定のリファレンス抵抗の抵抗値まで変化したときに、書き込みを停止する。   According to Patent Document 1, the voltage value at one end of the resistance memory element is monitored, and the monitored result is input to the sense amplifier circuit. On the other hand, a reference voltage of the sense amplifier circuit is created by a plurality of resistance elements (reference resistances), and writing is stopped when the resistance value of the resistance memory element changes to a resistance value of a predetermined reference resistance.

特開2004−234707号公報JP 2004-234707 A

(発明が解決しようとする課題) (Problems to be solved by the invention)

しかしながら、特許文献1に記載されている方法では、リファレンス抵抗を組み合わせてリファレンス電圧を作成しているため、センスアンプ回路の他に、リファレンス抵抗を新たに設ける必要があり、相変わらず、回路が大規模化するという問題が残る。   However, in the method described in Patent Document 1, since the reference voltage is created by combining the reference resistors, it is necessary to newly provide a reference resistor in addition to the sense amplifier circuit. The problem remains.

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、短時間で確実な書き込みを行なうことができ、且つ、簡易な回路構成からなる書き込み回路を有する不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a nonvolatile semiconductor memory device that can perform reliable writing in a short time and has a writing circuit having a simple circuit configuration. For the purpose.

(課題を解決するための手段)
上記の課題について、本発明者らは、書き込み中に抵抗記憶素子の抵抗状態が変化するという(フラッシュメモリ等には無い)特性を利用した、新規な回路構成によって解決可能であることを見出し、本発明をなすに至った。
(Means for solving the problem)
The present inventors have found that the above problem can be solved by a novel circuit configuration utilizing the characteristic that the resistance state of the resistance memory element changes during writing (not in flash memory or the like) It came to make this invention.

すなわち、書き込みの際に、抵抗記憶素子に高電圧を印加し、その抵抗状態を変化させる。そして、前記抵抗状態の変化に応じて変化する(書き込み回路内の)電圧に注目し、当該電圧を所定のしきい値を有するモニタ回路で受け、当該電圧の変化をトリガとして、瞬時に抵抗記憶素子への電源供給を制限することによって、課題の解決を実現する。   That is, at the time of writing, a high voltage is applied to the resistance memory element to change its resistance state. Then, paying attention to the voltage (within the writing circuit) that changes according to the change in the resistance state, the voltage is received by a monitor circuit having a predetermined threshold value, and the resistance change is instantaneously triggered by the change in the voltage as a trigger The solution to the problem is realized by limiting the power supply to the element.

本発明の一観点によれば、電圧の印加によって高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる抵抗記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子の一端に第1の電圧を発生させる電圧印加回路と、所定のしきい値電圧を有し、前記第1の電圧が所定のしきい値電圧に達したことを検出するモニタ回路と、前記モニタ回路の前記検出に基づいて、前記電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電源供給を制限する遮断回路とを有する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a nonvolatile semiconductor memory device having a resistance memory element that switches between a high resistance state and a low resistance state by application of a voltage, the power source being supplied to the resistance memory element, and the resistance memory A voltage applying circuit for generating a first voltage at one end of the element; a monitor circuit having a predetermined threshold voltage; and detecting that the first voltage has reached a predetermined threshold voltage; A non-volatile semiconductor memory device is provided that includes a cutoff circuit that limits power supply from the voltage application circuit to the resistance memory element based on the detection of the monitor circuit.

また、本発明の他の観点によれば、電圧の印加によって高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる抵抗記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶素子が高抵抗状態のときに、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子の一端に第1の電圧を発生させる第1の電圧印加回路と、前記抵抗記憶素子が低抵抗状態のときに、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子の一端に前記第1の電圧より低い第2の電圧を発生させる第2の電圧印加回路と、所定のしきい値電圧を有し、前記第1の電圧が第1のしきい値電圧に達したことを検出する第1のモニタ回路と、所定のしきい値電圧を有し、前記第1の電圧が第2のしきい値電圧に達したことを検出する第2のモニタ回路と、前記第1のモニタ回路の前記検出に基づいて、前記第1の電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電流供給を遮断する第1の遮断回路と、前記第2のモニタ回路の前記検出に基づいて、前記第2の電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電圧印加を遮断する第2の遮断回路とを有する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a non-volatile semiconductor memory device having a resistance memory element that switches between a high resistance state and a low resistance state by application of a voltage, and the resistance memory element is in a high resistance state. A first voltage applying circuit for supplying power to the resistance memory element and generating a first voltage at one end of the resistance memory element; and when the resistance memory element is in a low resistance state, the resistance memory element A second voltage applying circuit for supplying a power to the first resistance memory element and generating a second voltage lower than the first voltage at one end of the resistance memory element; and a predetermined threshold voltage, and the first voltage A first monitor circuit for detecting that the first threshold voltage has been reached, and a predetermined threshold voltage, wherein the first voltage has reached the second threshold voltage. A second monitor circuit to detect, and the first monitor circuit A first cutoff circuit that cuts off current supply from the first voltage application circuit to the resistance memory element, and a second voltage application based on the detection of the second monitor circuit. There is provided a nonvolatile semiconductor memory device having a second cutoff circuit that cuts off voltage application from the circuit to the resistance memory element.

また、本発明の他の観点によれば、電圧の印加によって高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる抵抗記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置であって、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子を含むメモリセルの所定箇所に第1の電圧を発生させる電圧印加回路と、所定のしきい値電圧を有し、前記第1の電圧が所定のしきい値電圧に達したことを検出するモニタ回路とを有し、前記モニタ回路の前記検出に基づいて、前記電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電源供給を制限する不揮発性半導体記憶装置が提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a nonvolatile semiconductor memory device having a resistance memory element that switches between a high resistance state and a low resistance state by application of a voltage, and supplies power to the resistance memory element. A voltage application circuit for generating a first voltage at a predetermined location of a memory cell including the resistance memory element; a predetermined threshold voltage; and the first voltage has reached a predetermined threshold voltage There is provided a non-volatile semiconductor memory device that limits power supply from the voltage application circuit to the resistance memory element based on the detection of the monitor circuit.

(発明の効果)
本発明によれば、書き込みの際に、抵抗記憶素子に高電圧を印加し、その抵抗状態を変化させる。そして、前記抵抗状態の変化に応じて変化する(書き込み回路内の)電圧に注目し、当該電圧の所定の変化をトリガとして、瞬時に抵抗記憶素子への電流供給を制限するので、短時間で確実な書き込みを行なうことが可能であり、且つ、そのような書き込み処理を簡易な回路で実現できる。
(Effect of the invention)
According to the present invention, at the time of writing, a high voltage is applied to the resistance memory element to change its resistance state. Then, paying attention to the voltage (within the writing circuit) that changes in accordance with the change in the resistance state, the current supply to the resistance memory element is instantaneously limited by using the predetermined change in the voltage as a trigger. Reliable writing can be performed, and such writing processing can be realized with a simple circuit.

また、半導体プロセスにおける汎用の設計ツール及び設計手法を使用し、容易に回路設計を行なうことも可能である。   It is also possible to easily design a circuit using a general-purpose design tool and design method in a semiconductor process.

は、単極性抵抗記憶材料を用いた抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフである。These are graphs showing the current-voltage characteristics of a resistance memory element using a unipolar resistance memory material. は、不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a basic configuration of a memory cell in a nonvolatile semiconductor memory device. は、メモリセル10がマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ20を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a memory cell array 20 in which memory cells 10 are arranged in a matrix. は、実施例1に係る周辺回路の概略構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a peripheral circuit according to the first embodiment. は、実施例1に係るセットドライバ回路の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a set driver circuit according to the first embodiment. は、実施例1に係るセットドライバ回路の書き込み動作を示すタイミングチャートである。FIG. 3 is a timing chart illustrating a write operation of the set driver circuit according to the first embodiment. は、実施例1に係るリセットドライバ回路の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a reset driver circuit according to the first embodiment. は、実施例1に係るリセットドライバ回路の書き込み動作を示すタイミングチャートである。FIG. 3 is a timing chart illustrating a write operation of the reset driver circuit according to the first embodiment. は、CMOS構造を有するモニタ回路の入力部における、nMOSのゲート幅とpMOSのゲート幅の比と、前記入力部のスレッシュホールド電圧との関係を示すグラフである。These are graphs showing the relationship between the ratio of the gate width of the nMOS and the gate width of the pMOS and the threshold voltage of the input section in the input section of the monitor circuit having the CMOS structure.

以下に、本発明の実施形態に係る詳細を、図面を参照しながら説明する。   Below, the detail which concerns on embodiment of this invention is demonstrated, referring drawings.

(実施例1)
−抵抗記憶素子の基本動作−
まず、単極性抵抗記憶材料を用いた抵抗記憶素子の基本動作を、図を用いて説明する。図1は、単極性抵抗記憶材料を用いた抵抗記憶素子の電流−電圧特性を示すグラフである。このグラフは、単極性抵抗記憶材料の典型例であるTiOを用いた場合である。
(Example 1)
-Basic operation of resistance memory element-
First, the basic operation of a resistance memory element using a unipolar resistance memory material will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a graph showing current-voltage characteristics of a resistance memory element using a unipolar resistance memory material. This graph is a case where TiO x which is a typical example of a unipolar resistance memory material is used.

抵抗記憶素子の初期状態をa点とする。このa点から印加電圧を徐々に増加していくと、電流は曲線Aに沿って徐々に増加する。印加電圧が更に大きくなり約1.5V(図中のb点)を超えると、抵抗記憶素子が高抵抗状態から低抵抗状態にスイッチ(セット)する。   Let the initial state of the resistance memory element be point a. As the applied voltage is gradually increased from the point a, the current gradually increases along the curve A. When the applied voltage further increases and exceeds about 1.5 V (point b in the figure), the resistance memory element is switched (set) from the high resistance state to the low resistance state.

これに伴い、電流の絶対値が急激に増加し、電流−電圧特性は曲線Aの高抵抗状態から曲線C,Dで示した低抵抗状態に遷移する。なお、b点からc点までの間、電流値が約2mAで一定(直線B)になるが、これは、電流制限を施しているためである。すなわち、抵抗記憶素子は、b点の時点で既に低抵抗状態に遷移している。   As a result, the absolute value of the current increases rapidly, and the current-voltage characteristic transitions from the high resistance state of curve A to the low resistance state shown by curves C and D. It should be noted that the current value is approximately 2 mA and is constant (straight line B) from the point b to the point c because the current is limited. That is, the resistance memory element has already transitioned to the low resistance state at the point b.

従って、仮に電流制限を外した場合には、曲線Dを、d点を超えて1.5Vまで延長したときの値の大電流が抵抗記憶素子に流れることになり、抵抗記憶素子が破損する可能性がある。   Therefore, if the current limit is removed, a large current having a value obtained when the curve D is extended to 1.5 V beyond the point d will flow to the resistance memory element, and the resistance memory element may be damaged. There is sex.

次に、c点の時点で上記電流制限が外される。そして、c点から徐々に電圧を減少していくと、電流は曲線Cに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に減少する。反対に、印加電圧を再度徐々に増加していくと、電流は曲線Dに沿って矢印の方向に変化し、その絶対値は徐々に増加する。   Next, the current limitation is removed at the time point c. When the voltage is gradually decreased from the point c, the current changes along the curve C in the direction of the arrow, and the absolute value thereof gradually decreases. Conversely, when the applied voltage is gradually increased again, the current changes along the curve D in the direction of the arrow, and its absolute value gradually increases.

印加する正電圧を更に大きくし、約0.7V(d点)を超えると、抵抗記憶素子が低抵抗状態から高抵抗状態にスイッチ(リセット)する。これに伴い、曲線Eに沿って、電流の絶対値が急激に減少し、電流−電圧特性はd点からe点に遷移する。   When the applied positive voltage is further increased and exceeds about 0.7 V (point d), the resistance memory element is switched (reset) from the low resistance state to the high resistance state. Along with this, the absolute value of the current sharply decreases along the curve E, and the current-voltage characteristic transitions from the point d to the point e.

e点に遷移後、e点の状態から電圧を減少或いは増加していくと、電流は曲線A沿って変化する。電圧がb点を超えない限り、この抵抗記憶素子は、そのまま高抵抗状態を維持する。   After the transition to the point e, the current changes along the curve A when the voltage is decreased or increased from the state at the point e. As long as the voltage does not exceed the point b, this resistance memory element maintains the high resistance state as it is.

以上のように、抵抗記憶素子としてTiOを使用した場合、高抵抗状態では、印加電圧がb点の電圧(約1.5V)よりも低ければ、電流−電圧特性は曲線Aに沿って線形的に変化し、高抵抗状態が維持される。同様に、低抵抗状態では、印加電圧がd点(約0.7V)の電圧よりも低ければ、電流−電圧特性は曲線Cに沿って変化し、低抵抗状態が維持される。As described above, when TiO x is used as the resistance memory element, the current-voltage characteristic is linear along the curve A if the applied voltage is lower than the voltage at the point b (about 1.5 V) in the high resistance state. Change and the high resistance state is maintained. Similarly, in the low resistance state, if the applied voltage is lower than the voltage at the point d (about 0.7 V), the current-voltage characteristic changes along the curve C, and the low resistance state is maintained.

すなわち、抵抗記憶素子の抵抗状態がいずれの状態であっても、抵抗記憶素子への印加電圧が所定の電圧(ここでは、例えば0.7V)より低ければ安定であり、電源を切ってもその時点における抵抗状態が保たれる。   In other words, regardless of the resistance state of the resistance memory element, the resistance memory element is stable if the voltage applied to the resistance memory element is lower than a predetermined voltage (e.g., 0.7 V in this case). The resistance state at the time is maintained.

なお、上記材料を用いて抵抗記憶素子を形成する場合、素子形成直後の初期状態では図1に示すような特性は得られない。抵抗記憶材料を高抵抗状態と低抵抗状態との間で可逆的に変化しうる状態にするためには、フォーミングと呼ばれる処理が必要になるケースもある。フォーミングは、抵抗記憶材料にセット電圧よりも高い電圧を印加する。一度フォーミングを行った後は、抵抗記憶素子が初期状態に戻ることはない。   Note that when a resistance memory element is formed using the above-described material, characteristics as shown in FIG. 1 cannot be obtained in an initial state immediately after the element is formed. In order to make the resistance memory material reversibly changeable between a high resistance state and a low resistance state, a process called forming may be required. In forming, a voltage higher than the set voltage is applied to the resistance memory material. Once forming is performed, the resistance memory element does not return to the initial state.

−メモリセルの基本構成−
次に、不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルの基本構成を、図2を使用して説明する。図2(a)は、不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルを示す回路図であり、図2(b)は、不揮発性半導体記憶装置におけるメモリセルの構造を示す概略断面図である。なお、この図2は、従来の不揮発性半導体記憶装置および本実施例の不揮発性半導体記憶装置に共通した構成である。
-Basic configuration of memory cell-
Next, the basic configuration of the memory cell in the nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to FIG. 2A is a circuit diagram showing a memory cell in the nonvolatile semiconductor memory device, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing a structure of the memory cell in the nonvolatile semiconductor memory device. FIG. 2 shows a configuration common to the conventional nonvolatile semiconductor memory device and the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment.

不揮発性半導体記憶装置のメモリセル10は、図2(a)に示すように、抵抗記憶素子12およびセル選択トランジスタ14を有している。抵抗記憶素子12は、その一端がビット線BLに接続され、他端がセル選択トランジスタ14のドレインDに接続されている。セル選択トランジスタ14のソースSはソース線SLに接続され、ゲートGはワード線WLに接続されている。   As shown in FIG. 2A, the memory cell 10 of the nonvolatile semiconductor memory device includes a resistance memory element 12 and a cell selection transistor 14. The resistance memory element 12 has one end connected to the bit line BL and the other end connected to the drain D of the cell selection transistor 14. The source S of the cell selection transistor 14 is connected to the source line SL, and the gate G is connected to the word line WL.

抵抗記憶素子12は、図2(b)に示すように、一対の電極(12a,12c)間に抵抗記憶材料12bが狭持されたものである。ここで、抵抗記憶材料12bは、例えばTiOからなる単極性抵抗記憶材料である。なお、図2(b)において、ビット線BLは紙面と平行に伸びており、ソース線SLおよびワード線WLは、紙面の表から裏に向かって、すなわち紙面に対して垂直に伸びている。As shown in FIG. 2B, the resistance memory element 12 has a resistance memory material 12b sandwiched between a pair of electrodes (12a, 12c). Here, the resistance memory material 12b is a unipolar resistance memory material made of, for example, TiO x . In FIG. 2B, the bit line BL extends parallel to the paper surface, and the source line SL and the word line WL extend from the front to the back of the paper surface, that is, perpendicular to the paper surface.

図3は、図2に示すメモリセル10がマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ20を示す回路図の例である。このように、複数のメモリセル10が列方向(図面縦方向)及び行方向(図面横方向)に隣接して配置される。   FIG. 3 is an example of a circuit diagram showing a memory cell array 20 in which the memory cells 10 shown in FIG. 2 are arranged in a matrix. Thus, the plurality of memory cells 10 are arranged adjacent to each other in the column direction (vertical direction in the drawing) and the row direction (horizontal direction in the drawing).

行方向には、複数のワード線WL1,*WL1,WL2,*WL2・・・が配されており、行方向に並ぶメモリセル10にそれぞれ接続されている。同じく、行方向には、ソース線SL1,SL2・・・が配され、行方向に並ぶメモリセル10にそれぞれ接続されている。なお、本図では、ワード線2本につき1本の割合でソース線を設けた例を示したが、電源ノイズの発生量等との関係で、ワード線と同数或いはそれ以上のソース線を設けても良い。   A plurality of word lines WL1, * WL1, WL2, * WL2,... Are arranged in the row direction, and are connected to the memory cells 10 arranged in the row direction. Similarly, source lines SL1, SL2,... Are arranged in the row direction and are connected to the memory cells 10 arranged in the row direction. In this figure, an example is shown in which one source line is provided for every two word lines. However, the number of source lines equal to or more than the number of word lines is provided in relation to the amount of power noise generated. May be.

列方向には、複数のビット線BL1,BL2,BL3,BL4・・・が配されており、列方向に並ぶメモリセル10にそれぞれ接続されている。各ビット線BLには、可変抵抗素子としての機能を有するビット線選択トランジスタ16が設けられている。   A plurality of bit lines BL1, BL2, BL3, BL4... Are arranged in the column direction, and are connected to the memory cells 10 arranged in the column direction. Each bit line BL is provided with a bit line selection transistor 16 having a function as a variable resistance element.

−書き込み・読み出し用の周辺回路−
次に、これまで説明したメモリセルに対して書き込み等の処理を行なう周辺回路について説明する。図4は、実施例1に係る周辺回路の概略構成を示すブロック図である。
-Peripheral circuits for writing and reading-
Next, a peripheral circuit that performs processing such as writing on the memory cells described so far will be described. FIG. 4 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the peripheral circuit according to the first embodiment.

図4に示すように、上述したメモリセルアレイ20に対する周辺回路は、メモリセル10に対してデータの書き込みを行なうセットドライバ回路30およびリセットドライバ回路40と、メモリセル10からデータの読み出しを行なう読み出し回路28と、これらの回路を制御するコントロール回路26等から構成される。   As shown in FIG. 4, the peripheral circuit for the memory cell array 20 described above includes a set driver circuit 30 and a reset driver circuit 40 that write data to the memory cell 10, and a read circuit that reads data from the memory cell 10. 28 and a control circuit 26 for controlling these circuits.

なお、メモリセルアレイ20には、アレイ状に配置されたメモリセル(MS11〜MSij)の他に、ワード線WLを選択するワード線セレクタ22や、ビット線BLを選択するビット線セレクタ24も含まれる。メモリセルアレイ20におけるメモリセルの部分は、例えば、前述した図3で示した回路と同様の回路が対応するが、図4では、図示の便宜上、このメモリセルの部分について、回路中の配線を一部省略して記載している。   The memory cell array 20 includes a word line selector 22 for selecting a word line WL and a bit line selector 24 for selecting a bit line BL in addition to the memory cells (MS11 to MSij) arranged in an array. . The memory cell portion in the memory cell array 20 corresponds to, for example, a circuit similar to the circuit shown in FIG. 3 described above, but in FIG. 4, for convenience of illustration, wiring in the circuit is set for this memory cell portion. Parts are omitted.

メモリセル10の選択は、このワード線セレクタ22とビット線セレクタ24によって行なわれる。また、ワード線セレクタ22およびビット線セレクタ24はアドレス線25にも接続される。アドレス線25へのアドレス設定は、コントロール回路26により行なわれる。   Selection of the memory cell 10 is performed by the word line selector 22 and the bit line selector 24. The word line selector 22 and the bit line selector 24 are also connected to the address line 25. Address setting to the address line 25 is performed by the control circuit 26.

<セットドライバ回路>
セットドライバ回路30は、書き込みの際に選択されたメモリセル10に所定の電圧(および電流)を印加する電圧印加回路32と、ビット線の電圧を検出するモニタ回路34と、モニタ回路34からの通知を受けてメモリセル10への電源供給を遮断する遮断回路36等から構成される。
<Set driver circuit>
The set driver circuit 30 includes a voltage application circuit 32 that applies a predetermined voltage (and current) to the memory cell 10 selected at the time of writing, a monitor circuit 34 that detects the voltage of the bit line, and a In response to the notification, the power supply to the memory cell 10 is constituted by a cutoff circuit 36 and the like.

また、セットドライバ回路30は、書き込みを行なう前にビット線BLの電圧を所定の値にセットするプリチャージ回路38を有する。プリチャージ回路38は、書き込み処理における誤動作を回避する。   The set driver circuit 30 includes a precharge circuit 38 that sets the voltage of the bit line BL to a predetermined value before writing. The precharge circuit 38 avoids a malfunction in the writing process.

<リセットドライバ回路>
リセットドライバ回路40は、書き込みの際に選択されたメモリセル10に所定の電圧(および電流)を印加する電圧印加回路42と、ビット線の電圧を検出するモニタ回路44と、モニタ回路44からの通知を受けてメモリセル10への電源供給を遮断する遮断回路46等から構成される。
<Reset driver circuit>
The reset driver circuit 40 includes a voltage application circuit 42 that applies a predetermined voltage (and current) to the memory cell 10 selected at the time of writing, a monitor circuit 44 that detects the voltage of the bit line, and a In response to the notification, the power supply to the memory cell 10 is cut off.

また、リセットドライバ回路40は、書き込みを行なう前にビット線BLの電圧を所定の値にセットするプリチャージ回路48を有する。プリチャージ回路48は、書き込み処理における誤動作を回避する。   The reset driver circuit 40 includes a precharge circuit 48 that sets the voltage of the bit line BL to a predetermined value before writing. The precharge circuit 48 avoids a malfunction in the writing process.

<コントロール回路>
コントロール回路26は、CPU(Central Processing Unit)26aや、CPU26aについての制御用プログラムを格納するメモリ26b、これらの間で信号を伝送するバス26c等から構成される。
<Control circuit>
The control circuit 26 includes a CPU (Central Processing Unit) 26a, a memory 26b that stores a control program for the CPU 26a, a bus 26c that transmits signals between them, and the like.

コントロール回路26は、上記のような構成を備えるとともに、制御信号27a,27bを介して(経由して)、セットドライバ回路30およびリセットドライバ回路40における書き込み動作を制御し、また、制御信号27cにより、読み出し回路28における読み出し動作を制御する。その際、コントロール回路26は、制御信号27dにより、メモリセルアレイ20についても制御を行なう。   The control circuit 26 has the above-described configuration, and controls the write operation in the set driver circuit 30 and the reset driver circuit 40 via (via) the control signals 27a and 27b, and also by the control signal 27c. The read operation in the read circuit 28 is controlled. At that time, the control circuit 26 also controls the memory cell array 20 by the control signal 27d.

<読み出し回路>
読み出し回路28内には、センスアンプ(不図示)を有し、当該センスアンプによりビット線BLの電圧を測定して、選択されたメモリセルの記憶状態を認識する。
<Read circuit>
The read circuit 28 includes a sense amplifier (not shown), and the voltage of the bit line BL is measured by the sense amplifier to recognize the storage state of the selected memory cell.

―セットドライバ回路の回路構成例―
次に、図4に示した回路(メモリセルアレイ20およびその周辺回路)の個々のブロックについて、図を用いて説明する。最初に、セットドライバ回路30について説明する。図5は、実施例1に係るセットドライバ回路の一例を示す回路図である。
-Circuit configuration example of set driver circuit-
Next, individual blocks of the circuit (memory cell array 20 and its peripheral circuits) shown in FIG. 4 will be described with reference to the drawings. First, the set driver circuit 30 will be described. FIG. 5 is a circuit diagram illustrating an example of a set driver circuit according to the first embodiment.

<メモリセルアレイ>
メモリセルアレイ20は、図に示すように、ビット線BLと基準電圧Vssの間に配置される。本図においては、図示の便宜上、メモリセルアレイ20内に存在する多数のメモリセルのうち、1つだけを代表して記載している。他のメモリセルは、図に示したメモリセル10と並列に配置されている。
<Memory cell array>
As shown in the figure, the memory cell array 20 is arranged between the bit line BL and the reference voltage Vss. In the drawing, for convenience of illustration, only one of the many memory cells existing in the memory cell array 20 is shown as a representative. The other memory cells are arranged in parallel with the memory cell 10 shown in the drawing.

メモリセル10内では、図に示すように、抵抗記憶素子12とセル選択トランジスタ14(TR11)とが直列に接続されている。具体的には、抵抗記憶素子12の一方の端はビット線BLに接続され、他方の端がTR11のドレインDに接続される。また、TR11のソースSは基準電圧Vssに接続され、TR11のゲートGはワード線WLに接続される。   In the memory cell 10, as shown in the drawing, the resistance memory element 12 and the cell selection transistor 14 (TR11) are connected in series. Specifically, one end of the resistance memory element 12 is connected to the bit line BL, and the other end is connected to the drain D of TR11. The source S of TR11 is connected to the reference voltage Vss, and the gate G of TR11 is connected to the word line WL.

この抵抗記憶素子12の抵抗値は、低抵抗状態における抵抗値は数kΩであり、高抵抗状態における抵抗値は数10k〜1000kΩになる。抵抗記憶素子12は、通常の抵抗体と異なり、抵抗値に対する面積依存性が非常に小さい。   The resistance value of the resistance memory element 12 is several kΩ in the low resistance state and several tens k to 1000 kΩ in the high resistance state. Unlike a normal resistor, the resistance memory element 12 has a very small area dependency on the resistance value.

抵抗記憶素子12に直列に接続されるセル選択トランジスタ14は、抵抗記憶素子12と同数設ける必要があるため、できるだけ小さい面積であることが望ましい。   Since it is necessary to provide the same number of cell selection transistors 14 connected in series to the resistance memory element 12 as the resistance memory element 12, it is desirable that the area be as small as possible.

面積が小さいセル選択トランジスタ14の一例としては、ゲート幅とゲート長の比が2.8(ゲート幅=0.5um/ゲート長=0.18um)となる構造が考えられる。このような構造を用いた場合、オン抵抗が2kΩ程度のセル選択トランジスタ14を形成することが可能である。このようなセル選択トランジスタ14を使用する場合には、セル選択トランジスタ14に必要な電圧が印加されるように、低抵抗状態における抵抗値が4kΩ程度(且つ、リセット動作時の最大電流が数100μA程度)になるような抵抗記憶素子12を使用することが望ましい。   As an example of the cell selection transistor 14 having a small area, a structure in which the ratio of the gate width to the gate length is 2.8 (gate width = 0.5 μm / gate length = 0.18 μm) can be considered. When such a structure is used, the cell selection transistor 14 having an on-resistance of about 2 kΩ can be formed. When such a cell selection transistor 14 is used, the resistance value in the low resistance state is about 4 kΩ (and the maximum current during the reset operation is several hundred μA so that a necessary voltage is applied to the cell selection transistor 14. It is desirable to use a resistance memory element 12 having a degree of

<セット電圧印加回路>
セット電圧印加回路32は、図5に示すように、TR32とTR33とを有するカレントミラー回路により構成される。カレントミラー回路は、電源Vddに接続される安定電源である。カレントミラー回路において、電源Vddに接続される側と反対側の端は、図に示すように、ビット線BLおよびTR31のドレインDに接続される。
<Set voltage application circuit>
As shown in FIG. 5, the set voltage application circuit 32 includes a current mirror circuit having TR32 and TR33. The current mirror circuit is a stable power supply connected to the power supply Vdd. In the current mirror circuit, the end opposite to the side connected to the power supply Vdd is connected to the drains D of the bit lines BL and TR31 as shown in the figure.

ここで、不揮発性半導体装置のメモリ容量密度を高めるため、メモリセル10内のセル選択トランジスタ14(TR11)をnMOSとするとともに、前記カレントミラー回路を構成するトランジスタ(TR32,TR33)をpMOSとすることが好適である。   Here, in order to increase the memory capacity density of the nonvolatile semiconductor device, the cell selection transistor 14 (TR11) in the memory cell 10 is an nMOS and the transistors (TR32, TR33) constituting the current mirror circuit are pMOS. Is preferred.

TR31は、セット電圧印加回路32と後述の遮断回路36との間に設けられ、書き込み時におけるセットドライバ回路30の動作を有効にする。TR31のドレインDはTR32のソースS、すなわちノードN1に接続され、TR31のソースSは遮断回路36(具体的には、TR34のドレインD)と接続される。また、TR31のゲートGは、書き込みを許可するセットライトイネーブル信号SetWEに接続される。書き込み処理を行なう場合には、このSetWE信号を、予めHighレベル(例えば、約1.5〜1.7V)にしてから行なう。   The TR 31 is provided between the set voltage application circuit 32 and a cutoff circuit 36 described later, and enables the operation of the set driver circuit 30 at the time of writing. The drain D of TR31 is connected to the source S of TR32, that is, the node N1, and the source S of TR31 is connected to the cutoff circuit 36 (specifically, the drain D of TR34). The gate G of TR31 is connected to a set write enable signal SetWE that permits writing. When performing the writing process, the SetWE signal is set to a high level (for example, about 1.5 to 1.7 V) in advance.

<遮断回路>
遮断回路36は、図に示すように、前述のTR31と基準電圧Vssとの間に設けられる。遮断回路36は、例えば、TR31と基準電圧Vssの間に配置されたトランジスタTR34を有し、そのドレインDがTR31のソースSに接続される。また、TR34のソースSは基準電圧Vssに接続され、TR34のゲートGにはモニタ回路34の出力が接続される。なお、基準電圧Vssは、例えば接地(GND)レベルとしても良い。また、トランジスタTR34は、例えばnMOS構造を有する。
<Cutoff circuit>
As shown in the figure, the cutoff circuit 36 is provided between the aforementioned TR31 and the reference voltage Vss. The cutoff circuit 36 includes, for example, a transistor TR34 disposed between TR31 and the reference voltage Vss, and its drain D is connected to the source S of TR31. The source S of TR34 is connected to the reference voltage Vss, and the output of the monitor circuit 34 is connected to the gate G of TR34. The reference voltage Vss may be a ground (GND) level, for example. The transistor TR34 has, for example, an nMOS structure.

<モニタ回路>
モニタ回路34は、例えば、図に示すように、直列に連結された2つのインバータIN11,IN12から構成される。インバータIN11の入力はビット線BLに接続され、その出力はインバータIN12の入力に接続される。インバータIN12の出力は、前述したように、遮断回路36を構成するトランジスタTR34のゲートGに接続される。
<Monitor circuit>
The monitor circuit 34 includes, for example, two inverters IN11 and IN12 connected in series as shown in the drawing. The input of the inverter IN11 is connected to the bit line BL, and the output is connected to the input of the inverter IN12. As described above, the output of the inverter IN12 is connected to the gate G of the transistor TR34 constituting the cutoff circuit 36.

ここで、ビット線BLに接続されるインバータIN11については、そのスレッシュホールド電圧(しきい値電圧)を、低抵抗状態に遷移したことが認識できる値に設定する。このIN11のスレッシュホールドの値は、例えば、1.0V〜1.2Vであるが、抵抗記憶素子12を構成する材料や、抵抗記憶素子12の周辺回路の特性に応じて、その最適値を決定する。後段のインバータIN12については、特にこのような制限は無い。   Here, for the inverter IN11 connected to the bit line BL, the threshold voltage (threshold voltage) is set to a value that allows the transition to the low resistance state. The threshold value of IN11 is, for example, 1.0 V to 1.2 V, but the optimum value is determined according to the material constituting the resistance memory element 12 and the characteristics of the peripheral circuit of the resistance memory element 12. To do. There is no particular limitation on the subsequent inverter IN12.

なお、本明細書では、「しきい値電圧」と「スレッシュホールド電圧」を、同義の用語として使用する。   In this specification, “threshold voltage” and “threshold voltage” are used as synonymous terms.

インバータIN11は、例えば、pMOS構造のトランジスタとnMOS構造のトランジスタから構成されるCMOS構造の入力部(不図示)を有する。そして、この入力部のスレッシュホールド電圧が、モニタ回路34のスレッシュホールド電圧になる。   The inverter IN11 has, for example, a CMOS structure input section (not shown) composed of a pMOS transistor and an nMOS transistor. Then, the threshold voltage of this input unit becomes the threshold voltage of the monitor circuit 34.

ここで、前記CMOS構造の形態とスレッシュホールド電圧との関係について説明する。図9は、CMOS構造を有するモニタ回路の入力部における、nMOSのゲート幅とpMOSのゲート幅の比と、前記入力部のスレッシュホールド電圧との関係を示すグラフである。   Here, the relationship between the form of the CMOS structure and the threshold voltage will be described. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the ratio of the gate width of the nMOS and the gate width of the pMOS and the threshold voltage of the input section in the input section of the monitor circuit having the CMOS structure.

図9に示すように、nMOSのゲート幅とpMOSのゲート幅の比を変えることによって、スレッシュホールド電圧を制御することが可能である。具体的には、nMOSのゲート幅とpMOSのゲート幅の比を1より大きくすることにより、すなわち、pMOSのゲート幅をnMOSのゲート幅よりも広くすることにより、スレッシュホールド電圧を1.0V〜1.2Vにすることが可能である。   As shown in FIG. 9, the threshold voltage can be controlled by changing the ratio of the gate width of the nMOS and the gate width of the pMOS. Specifically, by setting the ratio of the gate width of the nMOS to the gate width of the pMOS larger than 1, that is, by making the gate width of the pMOS wider than the gate width of the nMOS, the threshold voltage is set to 1.0 V to It can be 1.2V.

なお、所定の配線ルール下において、nMOSのゲート幅を0.36μm,pMOSのゲート幅を7.2μmとして設計した場合、そのスレッシュホールド電圧を約1.1Vにすることが可能である。   If the gate width of the nMOS is 0.36 μm and the gate width of the pMOS is 7.2 μm under a predetermined wiring rule, the threshold voltage can be about 1.1V.

なお、本図では、モニタ回路34を構成するインバータが2個の例を示したが、タイミングを調整するために、4個以上の偶数のインバータが直列に連結される構成としても良い。   In this figure, the example in which the number of inverters constituting the monitor circuit 34 is two is shown, but four or more even number of inverters may be connected in series in order to adjust the timing.

<プリチャージ回路>
プリチャージ回路38は、図に示すように、電源Vddとビット線BLとの間に設けられる。プリチャージ回路38は、例えば、ビット線BLと電源Vddとの間に配置され、pMOS構造からなるトランジスタTR35を有し、TR35のドレインDが電源Vddに接続される。また、TR35のゲートGはコントロール回路26からの制御信号PrSETに接続され、TR35のソースSがビット線BLに接続される。
<Precharge circuit>
As shown in the figure, the precharge circuit 38 is provided between the power supply Vdd and the bit line BL. For example, the precharge circuit 38 is disposed between the bit line BL and the power supply Vdd, has a transistor TR35 having a pMOS structure, and the drain D of TR35 is connected to the power supply Vdd. The gate G of TR35 is connected to the control signal PrSET from the control circuit 26, and the source S of TR35 is connected to the bit line BL.

―セットドライバ回路の書き込み動作―
次に、上記セットドライバ回路30の書き込み動作について説明する。図6は、実施例1に係るセットドライバ回路の書き込み動作を示すタイミングチャートである。
-Set driver circuit write operation-
Next, the write operation of the set driver circuit 30 will be described. FIG. 6 is a timing chart illustrating the write operation of the set driver circuit according to the first embodiment.

ステップ1:最初に、ビット線BLをプリチャージする。すなわち、セットプリチャージ信号PrSETをLowレベルにしてTR35をオンさせ、ビット線BLを電源Vddと略同じ電圧値になるようにする。なお、電源Vddの電圧は、例えば約1.8Vとする。   Step 1: First, the bit line BL is precharged. That is, the set precharge signal PrSET is set to Low level to turn on TR35 so that the bit line BL has substantially the same voltage value as the power supply Vdd. The voltage of the power supply Vdd is about 1.8V, for example.

このように、プリチャージ回路38は、抵抗記憶素子12に電圧を印加する前に、抵抗記憶素子12の一端を所定の電圧に確定する。   As described above, the precharge circuit 38 determines one end of the resistance memory element 12 at a predetermined voltage before applying a voltage to the resistance memory element 12.

ステップ2:次に、この状態でSetWE信号を有効にする。すなわち、SetWE信号をHighレベルにしてTR31をオンさせる。このとき、既に、ステップ1のプリチャージ後にTR34がオン状態になっているから、TR31がオンすることによって、ノードN1の電圧値が大幅に下がり、L1の経路に大電流が流れ易い状態になる。   Step 2: Next, the SetWE signal is validated in this state. That is, the SetWE signal is set to High level to turn on TR31. At this time, since TR34 is already in the ON state after the precharge in Step 1, when TR31 is turned on, the voltage value of the node N1 is greatly reduced, and a large current easily flows through the path of L1. .

その結果、カレントミラー回路が作動して、L2の経路にも大電流が流れ易い状態になる。但し、この状態では、セル選択トランジスタ14であるTR11がオフの状態になっているため、L2の経路には大電流が流れず、また、抵抗記憶素子12に高電圧が印加されない。(すわなち、抵抗記憶素子12はまだ高抵抗状態を維持している。)なお、この時点で、ステップ1のプリチャージによりTR35がオン状態となり、ビット線BLの電圧値は、電源Vddと略同じ値(約1.6V〜1.8V)になっている。   As a result, the current mirror circuit operates and a large current easily flows through the path L2. However, in this state, since the cell selection transistor TR11 is in an OFF state, no large current flows through the path L2, and no high voltage is applied to the resistance memory element 12. (That is, the resistance memory element 12 is still in a high resistance state.) At this time, the TR 35 is turned on by the precharge in step 1, and the voltage value of the bit line BL is equal to the power supply Vdd. The values are substantially the same (approximately 1.6 V to 1.8 V).

ステップ3:次に、ビット線BLのプリチャージを停止する。すなわち、セットプリチャージ信号PrSETをHighレベル(例えば、約1.5V〜1.8V)に戻して、TR35をオフさせる。   Step 3: Next, the precharge of the bit line BL is stopped. That is, the set precharge signal PrSET is returned to the high level (for example, about 1.5 V to 1.8 V), and the TR 35 is turned off.

このように、プリチャージ回路38は、内部のトランジスタTR35をオンして抵抗記憶素子12の一端を所定の電圧とした後、トランジスタ35をオフしてプリチャージを停止する。   As described above, the precharge circuit 38 turns on the internal transistor TR35 to set one end of the resistance memory element 12 to a predetermined voltage, and then turns off the transistor 35 to stop the precharge.

ステップ4:次に、書き込みをしたいメモリセル10を選択する。すなわち、コントロール回路26により、アドレス線25に対してアドレスを指定し、メモリセル10のワード線WLを有効にする。その結果、ワード線WLがHighレベル(例えば、1.5〜1.7V)になり、セル選択トランジスタであるTR11がオンする。そして、TR11がオンすると同時に、抵抗記憶素子12にセット可能な高電圧(例えば、約1.6V)が印加される。なお、抵抗記憶素子に印加される電圧を、図6のグラフ「VR」に示す。   Step 4: Next, the memory cell 10 to be written is selected. That is, the control circuit 26 designates an address with respect to the address line 25 and enables the word line WL of the memory cell 10. As a result, the word line WL becomes a high level (for example, 1.5 to 1.7 V), and the cell selection transistor TR11 is turned on. As soon as TR11 is turned on, a high voltage (for example, about 1.6 V) that can be set is applied to the resistance memory element 12. The voltage applied to the resistance memory element is shown in the graph “VR” in FIG.

ステップ5:次に、抵抗記憶素子12がセットする。すなわち、セット可能な高電圧が所定時間(数ns〜50ns)印加されることにより、抵抗記憶素子12がセット状態になり、抵抗記憶素子12が高抵抗状態から低抵抗状態に急激に遷移する。   Step 5: Next, the resistance memory element 12 is set. That is, when a settable high voltage is applied for a predetermined time (several ns to 50 ns), the resistance memory element 12 enters the set state, and the resistance memory element 12 rapidly changes from the high resistance state to the low resistance state.

このように、電圧印加回路32により、抵抗記憶素子12の両端に、抵抗記憶素子12の抵抗状態を切り変えることが可能な電圧が印加され、その後、(抵抗状態を切り変えることが可能な電圧が印加されてから)所定の時間が経過した後に、前記抵抗状態が切り替わる。   In this way, the voltage application circuit 32 applies a voltage capable of switching the resistance state of the resistance memory element 12 to both ends of the resistance memory element 12, and then (the voltage capable of switching the resistance state). The resistance state is switched after a predetermined time has elapsed (after the voltage is applied).

ステップ6:次に、セット状態がモニタ回路により検出される。すなわち、抵抗記憶素子12が低抵抗状態に遷移すると、それに応じて、ビット線BLの電圧が急激に下降する。そして、ビット線BLの電圧値がモニタ回路34内のインバータIN11のスレッシュホールド電圧(例えば、約1.0V〜1.2V)よりも低い値になると、モニタ回路34が作動する。   Step 6: Next, the set state is detected by the monitor circuit. That is, when the resistance memory element 12 transitions to the low resistance state, the voltage of the bit line BL rapidly decreases accordingly. When the voltage value of the bit line BL becomes lower than the threshold voltage (for example, about 1.0 V to 1.2 V) of the inverter IN11 in the monitor circuit 34, the monitor circuit 34 operates.

インバータIN11のスレッシュホールド電圧については、モニタ回路34の感度を高めるために、抵抗記憶素子12が低抵抗状態に遷移する途中で、すなわち、前記抵抗状態が切り替わり始めた後、切り替わりが終わる前に、前記ビット線BLの電圧値がインバータIN11のスレッシュホールド電圧値に達するような設定にすることが望ましい。   Regarding the threshold voltage of the inverter IN11, in order to increase the sensitivity of the monitor circuit 34, during the transition of the resistance memory element 12 to the low resistance state, that is, after the resistance state starts switching, It is desirable to set so that the voltage value of the bit line BL reaches the threshold voltage value of the inverter IN11.

モニタ回路34は、ビット線BLの電圧が所定のスレッシュホールド電圧値に達したときに、内部の論理素子の論理が変化(反転)する。すなわち、その電圧値がLowレベルの場合には、LowレベルからHighレベルへ変化し、その電圧値がHighレベルの場合には、HighレベルからLowレベルへ変化する。   The monitor circuit 34 changes (inverts) the logic of an internal logic element when the voltage of the bit line BL reaches a predetermined threshold voltage value. That is, when the voltage value is low level, it changes from low level to high level, and when the voltage value is high level, it changes from high level to low level.

ステップ7:次に、抵抗記憶素子12への電源供給が遮断される。すなわち、モニタ回路34が抵抗記憶素子12のセットを検出し、モニタ回路の出力信号StatSETがLowレベル(例えば、約0V〜0.5V)に変化する。このStatSETによって、外部へセット完了を通知することができる。StatSET信号がLowレベルになることにより、遮断回路36内のTR34がオフし、L1の経路の電流が遮断される。   Step 7: Next, power supply to the resistance memory element 12 is cut off. That is, the monitor circuit 34 detects the set of the resistance memory element 12, and the output signal StatSET of the monitor circuit changes to a low level (for example, about 0V to 0.5V). The completion of setting can be notified to the outside by this StatSET. When the StatSET signal becomes low level, TR 34 in the cutoff circuit 36 is turned off, and the current in the path L1 is cut off.

そして、セット電圧印加回路32内のカレントミラー回路が作動し、L2の経路に流れる電流が遮断される。なお、セットの場合、抵抗記憶素子12の抵抗状態が切り替わってから、L1の経路の電流が遮断される迄の時間は、数ns〜数十nsである。   Then, the current mirror circuit in the set voltage application circuit 32 is activated, and the current flowing through the path L2 is interrupted. In the case of the set, the time from when the resistance state of the resistance memory element 12 is switched to when the current in the path L1 is cut off is several ns to several tens ns.

このように、遮断回路36は、抵抗記憶素子へ供給する電流量を制限する電流制限回路の電流を制限する。ここで、電流制限回路は、上記カレントミラー回路であり、遮断回路36は、このカレントミラー回路における一方の電流経路を遮断することにより、抵抗記憶素子へ供給する電流量を制限する。   Thus, the cutoff circuit 36 limits the current of the current limiting circuit that limits the amount of current supplied to the resistance memory element. Here, the current limiting circuit is the current mirror circuit, and the cutoff circuit 36 limits the amount of current supplied to the resistance memory element by blocking one of the current paths in the current mirror circuit.

以上のようなステップにより、抵抗記憶素子12を低抵抗状態にする(セットする)書き込みが確実に行なわれる。   By the steps as described above, writing to set (set) the resistance memory element 12 in a low resistance state is performed reliably.

以上、抵抗記憶素子12が最初に高抵抗状態の場合の書き込み動作について説明した。回路を単純化するために、低抵抗状態の抵抗記憶素子12に対して上記のような書き込みを行なった場合には、低抵抗状態が変化せず、低抵抗状態をそのまま保持していることが望ましい。
この点については、カレントミラー回路の電流制限機能によって、抵抗記憶素子12が低抵抗状態の場合における、当該抵抗記憶素子12へ印加される電圧値は、抵抗状態が変化しない値(例えば0.6V以下)になる。したがって、上記のようなステップで書き込みを行なった場合、抵抗記憶素子12の抵抗状態は、低抵抗状態のまま変化しない。そして、その低抵抗状態を保持したまま、すぐに、セット完了が外部に通知される。
The write operation when the resistance memory element 12 is initially in the high resistance state has been described above. In order to simplify the circuit, when the above-described writing is performed on the resistance memory element 12 in the low resistance state, the low resistance state does not change and the low resistance state is maintained as it is. desirable.
Regarding this point, when the resistance memory element 12 is in the low resistance state by the current limiting function of the current mirror circuit, the voltage value applied to the resistance memory element 12 is a value at which the resistance state does not change (for example, 0.6 V). The following). Therefore, when writing is performed in the steps as described above, the resistance state of the resistance memory element 12 remains unchanged in the low resistance state. The completion of the setting is immediately notified to the outside while the low resistance state is maintained.

―リセットドライバ回路の回路構成例―
次に、リセットドライバ回路40について説明する。図7は、実施例1に係るセットドライバ回路の一例を示す回路図である。
-Circuit configuration example of reset driver circuit-
Next, the reset driver circuit 40 will be described. FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of a set driver circuit according to the first embodiment.

<メモリセルアレイ>
メモリセルアレイ30は、セットドライバ回路の項で既に説明しているため、ここでは説明を省略する。
<Memory cell array>
Since the memory cell array 30 has already been described in the section of the set driver circuit, description thereof is omitted here.

<リセット電圧印加回路>
リセット電圧印加回路42は、図7に示すように、TR42とTR43とを有するカレントミラー回路により構成される。カレントミラー回路は、電源Vddに接続される安定電源である。カレントミラー回路において、電源Vddに接続される側と反対側の端は、図に示すように、ビット線BLおよびTR41のドレインDに接続される。
<Reset voltage application circuit>
As shown in FIG. 7, the reset voltage application circuit 42 is configured by a current mirror circuit having TR42 and TR43. The current mirror circuit is a stable power supply connected to the power supply Vdd. In the current mirror circuit, the end opposite to the side connected to the power supply Vdd is connected to the drains D of the bit lines BL and TR41 as shown in the figure.

ここで、不揮発性半導体装置のメモリ容量密度を高めるため、メモリセル10内のセル選択トランジスタ14(TR11)をnMOSとするとともに、前記カレントミラー回路を構成するトランジスタ(TR42,TR43)をpMOSとすることが好適である。   Here, in order to increase the memory capacity density of the nonvolatile semiconductor device, the cell selection transistor 14 (TR11) in the memory cell 10 is an nMOS, and the transistors (TR42, TR43) constituting the current mirror circuit are pMOS. Is preferred.

TR41は、リセット電圧印加回路42と後述の遮断回路46との間に設けられ、書き込み時におけるリセットドライバ回路40の動作を有効にする。TR41のドレインDはTR42のソースS、すなわちノードN2に接続され、TR41のソースSは遮断回路46(具体的には、TR44のドレインD)と接続される。また、TR41のゲートGは、書き込みを許可するリセットライトイネーブル信号ResetWEに接続される。書き込み処理を行なう場合には、このResetWE信号を、予めHighレベル(例えば、約1.5〜1.7V)にしてから行なう。   The TR 41 is provided between the reset voltage application circuit 42 and a cutoff circuit 46 described later, and enables the operation of the reset driver circuit 40 at the time of writing. The drain D of TR41 is connected to the source S of TR42, that is, the node N2, and the source S of TR41 is connected to the cutoff circuit 46 (specifically, the drain D of TR44). The gate G of TR41 is connected to a reset write enable signal ResetWE that permits writing. When performing the writing process, the ResetWE signal is set to a high level (for example, about 1.5 to 1.7 V) in advance.

<遮断回路>
遮断回路46は、図に示すように、前述のTR41と基準電圧Vssとの間に設けられる。遮断回路46は、例えば、TR41と基準電圧Vssの間に配置されたトランジスタTR44を有し、そのドレインDがTR41のソースSに接続される。また、TR44のソースSは基準電圧Vssに接続され、TR44のゲートGには、モニタ回路44の出力が接続される。また、トランジスタTR44は、例えばnMOS構造を有する。
<Cutoff circuit>
As shown in the figure, the cutoff circuit 46 is provided between the aforementioned TR 41 and the reference voltage Vss. The cutoff circuit 46 includes, for example, a transistor TR44 disposed between TR41 and the reference voltage Vss, and its drain D is connected to the source S of TR41. The source S of TR44 is connected to the reference voltage Vss, and the output of the monitor circuit 44 is connected to the gate G of TR44. The transistor TR44 has, for example, an nMOS structure.

<モニタ回路>
モニタ回路44は、例えば、図に示すように、1つのインバータIN21およびフリップフロップ回路FFを有する。インバータIN21の入力はビット線BLに接続され、その出力は、フリップフロップ回路FFの一方の入力に接続される。
<Monitor circuit>
The monitor circuit 44 has, for example, one inverter IN21 and a flip-flop circuit FF as shown in the figure. The input of the inverter IN21 is connected to the bit line BL, and the output thereof is connected to one input of the flip-flop circuit FF.

ここで、インバータIN21については、そのスレッシュホールド電圧を、高抵抗状態に遷移したことが認識できる値に設定する。このIN21のスレッシュホールド電圧は、例えば、1.0V〜1.2Vであるが、抵抗記憶素子12を構成する材料や、抵抗記憶素子12の周辺回路の特性に応じて、その最適値を決定する。   Here, for the inverter IN21, the threshold voltage is set to a value that can be recognized as having transitioned to the high resistance state. The threshold voltage of IN21 is, for example, 1.0 V to 1.2 V, and the optimum value is determined according to the material constituting the resistance memory element 12 and the characteristics of the peripheral circuit of the resistance memory element 12. .

インバータIN21は、例えば、pMOS構造のトランジスタとnMOS構造のトランジスタから構成されるCMOS構造の入力部(不図示)を有し、この入力部のスレッシュホールド電圧が、モニタ回路44のスレッシュホールド電圧になる。なお。インバータIN21におけるCMOS構造の形態とスレッシュホールド電圧との関係は、セットドライバ回路内のモニタ回路と同様であるため、ここでは説明を省略する。   The inverter IN21 has, for example, a CMOS structure input section (not shown) composed of a pMOS structure transistor and an nMOS structure transistor, and the threshold voltage of this input section becomes the threshold voltage of the monitor circuit 44. . Note that. Since the relationship between the CMOS structure in the inverter IN21 and the threshold voltage is the same as that of the monitor circuit in the set driver circuit, the description thereof is omitted here.

フリップフロップ回路FFは、例えば、2つのNAND回路(NA1,NA2)から構成される。遮断回路46内におけるTR44のゲートGには、このフリップフロップ回路FFの出力が接続される。フリップフロップ回路FFの一方の入力には、インバータIN21の出力が接続され、他方の入力には、X−StartRESET信号が接続される。X−StartRESET信号は、フリップフロップ回路FFの出力(StatRESET信号)をHighレベルに設定する。   The flip-flop circuit FF is composed of, for example, two NAND circuits (NA1, NA2). The output of the flip-flop circuit FF is connected to the gate G of the TR 44 in the cutoff circuit 46. The output of the inverter IN21 is connected to one input of the flip-flop circuit FF, and the X-StartRESET signal is connected to the other input. The X-StartRESET signal sets the output of the flip-flop circuit FF (StatRESET signal) to a high level.

フリップフロップ回路FFは、リセットドライバ回路40による書き込み動作が完了した後、ビット線BLの電圧が降下した際に、その電圧変化によって遮断回路46のTR44が再度オンして、リセットドライバ回路40が再起動してしまうことを防止する。   In the flip-flop circuit FF, when the voltage of the bit line BL drops after the write operation by the reset driver circuit 40 is completed, the TR44 of the cutoff circuit 46 is turned on again by the voltage change, and the reset driver circuit 40 is restarted. Prevents startup.

ここで、フリップフロップ回路FFの基本的な動作を説明する。先ず、X−StartRESET信号を一旦LowレベルにしてからHighレベルに戻し、その後、StatRESET信号をHighレベルに設定する。次に、書き込み動作によって、ビット線BLの電圧が上昇し、ビット線BLの電圧がインバータIN21の入力のスレッシュホールド電圧値を超えると、StatRESET信号がHighレベルからLowレベルに変化する。   Here, the basic operation of the flip-flop circuit FF will be described. First, the X-StartRESET signal is once set to the Low level and then returned to the High level, and then the StatRESET signal is set to the High level. Next, when the voltage of the bit line BL rises by the write operation and the voltage of the bit line BL exceeds the threshold voltage value of the input of the inverter IN21, the StatRESET signal changes from the High level to the Low level.

その後、例えば、ビット線BLの電圧が下降し、インバータIN21の入力のスレッシュホールド電圧値よりも低下したとしても、StatRESET信号の電圧レベルがLowレベルになっているため、NAND回路NA2の出力が変化せず、フリップフロップ回路FFの内部の論理は変化しない。すなわち、フリップフロップ回路FFの出力の論理は変化せず、StatRESET信号(TR44のゲートGへの入力信号)の電圧がLowレベルに保持される。   After that, for example, even if the voltage of the bit line BL drops and falls below the threshold voltage value of the input of the inverter IN21, the output level of the NAND circuit NA2 changes because the voltage level of the StatRESET signal is low level. The logic inside the flip-flop circuit FF does not change. That is, the logic of the output of the flip-flop circuit FF does not change, and the voltage of the StatRESET signal (input signal to the gate G of TR44) is held at the low level.

また、再度書き込み動作を行なう場合には、X−StartRESET信号をHighレベルからLowレベルに変化させ、StatRESET信号をHighレベルに戻してやれば良い。StatRESET信号がHighレベルになったら、その後、X−StartRESET信号を(Lowレベルから)Highレベルに戻す。このように、X−StartRESET信号は、フリップフロップ回路FFを初期(初期待機)の状態にし、再度、動作を可能にするための機能を有する。   When the write operation is performed again, the X-Start RESET signal may be changed from the High level to the Low level, and the Stat RESET signal may be returned to the High level. When the StatRESET signal becomes High level, the X-StartRESET signal is returned to High level (from Low level). As described above, the X-StartRESET signal has a function for setting the flip-flop circuit FF to the initial state (initial standby) and enabling the operation again.

このように、モニタ回路44は、ビット線BLの電圧が所定のスレッシュホールド電圧に達して内部の論理が変化した後、前記論理が再び変化をすることを防ぐ安定動作用回路としての機能を有する。更に、モニタ回路44は、X−StartRESET信号により、必要に応じて、外部から論理の固定を解除可能とする機能を備える。   As described above, the monitor circuit 44 functions as a stable operation circuit that prevents the logic from changing again after the voltage of the bit line BL reaches a predetermined threshold voltage and the internal logic changes. . Further, the monitor circuit 44 has a function of enabling the logic to be released from the outside according to the X-StartRESET signal as necessary.

なお、本図では、モニタ回路34の入力部を構成するインバータが1個の例を示したが、タイミングを調整するために、3個以上の奇数のインバータが直列に連結される構成としても良い。   In addition, although the example which showed the inverter which comprises the input part of the monitor circuit 34 was shown in this figure, in order to adjust a timing, it is good also as a structure by which three or more odd number inverters are connected in series. .

<プリチャージ回路>
プリチャージ回路48は、図に示すように、ビット線BLと基準電圧Vssとの間に設けられる。プリチャージ回路48は、例えば、ビット線BLと基準電圧Vssとの間に配置され、nMOS構造からなるトランジスタTR45を有し、TR45のドレインDがビット線BLに接続される。また、TR45のゲートGはコントロール回路26からの制御信号PrRESETに接続され、TR45のソースSが基準電圧Vssに接続される。
<Precharge circuit>
As shown in the figure, the precharge circuit 48 is provided between the bit line BL and the reference voltage Vss. For example, the precharge circuit 48 is disposed between the bit line BL and the reference voltage Vss, has a transistor TR45 having an nMOS structure, and the drain D of TR45 is connected to the bit line BL. The gate G of TR45 is connected to the control signal PrRESET from the control circuit 26, and the source S of TR45 is connected to the reference voltage Vss.

―リセットドライバ回路の書き込み動作―
次に、上記リセットドライバ回路40の書き込み動作について説明する。図8は、実施例1に係るリセットドライバ回路の書き込み動作を示すタイミングチャートである。
-Write operation of reset driver circuit-
Next, the write operation of the reset driver circuit 40 will be described. FIG. 8 is a timing chart illustrating the write operation of the reset driver circuit according to the first embodiment.

ステップ1:最初に、ビット線BLをプリチャージする。すなわち、リセットプリチャージ信号PrRESETをHighレベル(例えば、約1.5〜1.8V)にしてTR45をオンさせ、ビット線BLを基準電圧Vssと略同じ電圧値になるようにする。このように、プリチャージ回路48は、抵抗記憶素子12に電圧を印加する前段階で、抵抗記憶素子12の一端を所定の電圧に確定し、回路の誤動作を防止する。   Step 1: First, the bit line BL is precharged. That is, the reset precharge signal PrRESET is set to a high level (for example, about 1.5 to 1.8 V) to turn on the TR 45 so that the bit line BL has substantially the same voltage value as the reference voltage Vss. As described above, the precharge circuit 48 determines one end of the resistance memory element 12 at a predetermined voltage before the voltage is applied to the resistance memory element 12, and prevents malfunction of the circuit.

また、このとき、X−StartRESET信号をHighレベルからLowレベルに変化させ、StatRESET信号をLowレベルからHighレベルに変化させる。   At this time, the X-StartRESET signal is changed from High level to Low level, and the StatRESET signal is changed from Low level to High level.

なお、配線遅延や、トランジスタの特性ばらつき等によって、PrRESET信号とX−StartRESET信号のどちらか一方の信号が、他の信号よりも早いタイミングで動作したとしても、回路は正しく動作する。   Note that the circuit operates correctly even if one of the PrRESET signal and the X-StartRESET signal operates at an earlier timing than the other signals due to wiring delay, transistor characteristic variation, and the like.

ステップ2:次に、書き込みをしたいメモリセル10を選択する。すなわち、コントロール回路26により、アドレス線25に対してアドレスを指定し、メモリセル10のワード線WLを有効にする。その結果、ワード線WLがHighレベル(例えば、1.5〜1.7V)になり、セル選択トランジスタであるTR11がオンする。   Step 2: Next, the memory cell 10 to be written is selected. That is, the control circuit 26 designates an address with respect to the address line 25 and enables the word line WL of the memory cell 10. As a result, the word line WL becomes a high level (for example, 1.5 to 1.7 V), and the cell selection transistor TR11 is turned on.

ステップ3:次に、ResetWE信号を有効にする。すなわち、リセットドライバ回路40を有効にするResetWE信号をHighレベル(例えば、約1.5〜1.7V)にしてTR41をオンさせる。このとき、既に、ステップ1およびステップ2の処理により、プリチャージ回路48のトランジスタTR45、遮断回路46のTR44、メモリセル10のTR11がオン状態になっているから、TR41がオンすることによって、カレントミラー回路が作動して、L4の経路に大電流が流れ始める。   Step 3: Next, the ResetWE signal is enabled. That is, the ResetWE signal for enabling the reset driver circuit 40 is set to a high level (for example, about 1.5 to 1.7 V), and the TR 41 is turned on. At this time, the transistor TR45 of the precharge circuit 48, the TR44 of the cutoff circuit 46, and the TR11 of the memory cell 10 have already been turned on by the processing of Step 1 and Step 2, so that the TR41 is turned on, so that the current The mirror circuit is activated and a large current begins to flow through the path L4.

但し、この状態では、プリチャージ回路48のトランジスタTR45がオンしているため、プリチャージ回路48側に電流が流れ、メモリセル10側のL0の経路には、殆ど電流が流れていない。そのため、この時点で、ビット線BLの電圧も殆ど変わらず、ビット線BLの電圧値は、基準電圧Vssと略同じ値(約0V〜0.5V)を維持している。その結果、抵抗記憶素子12に高電圧が印加されず、抵抗記憶素子12は低抵抗状態を維持している。   However, in this state, since the transistor TR45 of the precharge circuit 48 is on, a current flows to the precharge circuit 48 side, and almost no current flows to the path L0 on the memory cell 10 side. For this reason, the voltage of the bit line BL is hardly changed at this time, and the voltage value of the bit line BL is maintained at substantially the same value (about 0 V to 0.5 V) as the reference voltage Vss. As a result, a high voltage is not applied to the resistance memory element 12, and the resistance memory element 12 maintains a low resistance state.

ステップ4:次に、ビット線BLのプリチャージを停止する。すなわち、PrRESET信号をLowレベルに戻してTR45をオフし、プリチャージを停止する。また、プリチャージを停止するとともに、X−StartRESET信号をLowレベルからHighレベルから変化させる。そして、TR11がオンすると同時に、抵抗記憶素子12にセット可能な高電圧(約0.9V)が印加される。なお、抵抗記憶素子に印加される電圧を、図8のグラフ「VR」に示す。   Step 4: Next, precharge of the bit line BL is stopped. That is, the PrRESET signal is returned to the low level, the TR45 is turned off, and the precharge is stopped. Further, the precharge is stopped and the X-StartRESET signal is changed from the low level to the high level. As soon as TR11 is turned on, a high voltage (approximately 0.9 V) that can be set is applied to the resistance memory element 12. The voltage applied to the resistance memory element is shown in the graph “VR” in FIG.

ステップ5:次に、抵抗記憶素子12がリセットする。リセット可能な高電圧が所定時間印加されることにより、抵抗記憶素子12がリセット状態になり、抵抗記憶素子12が低抵抗状態から高抵抗状態に急激に遷移する。抵抗記憶素子12がリセットするために必要な時間(前記所定時間)は条件によって異なり、通常、数100ns〜数10msであるが、ここでは、図8に示すように、例えば800nsである。   Step 5: Next, the resistance memory element 12 is reset. When the resettable high voltage is applied for a predetermined time, the resistance memory element 12 is reset, and the resistance memory element 12 is rapidly changed from the low resistance state to the high resistance state. The time required for resetting the resistance memory element 12 (the predetermined time) varies depending on conditions, and is usually several hundred ns to several tens of ms, but here, for example, 800 ns as shown in FIG.

このように、電圧印加回路42により、抵抗記憶素子12の両端に、抵抗記憶素子12の抵抗状態を切り変えることが可能な電圧が印加され、(抵抗状態を切り変えることが可能な電圧が印加されてから)所定の時間経過後に、前記抵抗状態が切り替わる。   In this way, the voltage application circuit 42 applies a voltage capable of switching the resistance state of the resistance memory element 12 to both ends of the resistance memory element 12, and applies a voltage capable of switching the resistance state. The resistance state is switched after a predetermined time has elapsed.

ステップ6:次に、リセット状態がモニタ回路により検出される。すなわち、抵抗記憶素子12が高抵抗状態に遷移すると、それに応じて、ビット線BLの電圧が急激に上昇する。そして、ビット線BLの電圧値がモニタ回路44内のインバータIN21のスレッシュホールド電圧(例えば、約1.0V〜1.2V)よりも高い値になると、モニタ回路44が作動する。このとき、StatRESET信号によって、外部へリセットが完了したことを通知することができる。   Step 6: Next, the reset state is detected by the monitor circuit. That is, when the resistance memory element 12 transitions to the high resistance state, the voltage of the bit line BL rapidly increases accordingly. When the voltage value of the bit line BL becomes higher than a threshold voltage (for example, about 1.0 V to 1.2 V) of the inverter IN21 in the monitor circuit 44, the monitor circuit 44 is activated. At this time, the completion of the reset can be notified to the outside by a StatRESET signal.

このように、インバータIN21のスレッシュホールド電圧については、モニタ回路44の感度を高めるために、抵抗記憶素子12が低抵抗状態に遷移する途中で、すなわち、前記抵抗状態が切り替わり始めた後、切り替わりが終わる前に、前記ビット線BLの電圧値がインバータIN21のスレッシュホールド電圧に達するような設定にすることが望ましい。   As described above, the threshold voltage of the inverter IN21 is switched during the transition of the resistance memory element 12 to the low resistance state, that is, after the resistance state starts to be switched, in order to increase the sensitivity of the monitor circuit 44. It is desirable to set so that the voltage value of the bit line BL reaches the threshold voltage of the inverter IN21 before finishing.

モニタ回路44は、ビット線BLの電圧がLowレベルからHighレベルに変化し、所定のスレッシュホールド電圧値に達したときに、内部の論理素子の論理が変化(反転)する。   The monitor circuit 44 changes (inverts) the logic of an internal logic element when the voltage of the bit line BL changes from a low level to a high level and reaches a predetermined threshold voltage value.

ステップ7:次に、抵抗記憶素子12への電源供給が遮断される。すなわち、モニタ回路44が抵抗記憶素子12のリセットを検出し、モニタ回路の出力信号StatRESETがHighレベルからLowレベル(例えば、約0V〜0.5V)に変化させる。StatRESET信号がLowレベルに変化することにより、遮断回路46内のTR44がオフし、L3の経路の電流が遮断される。   Step 7: Next, power supply to the resistance memory element 12 is cut off. That is, the monitor circuit 44 detects the reset of the resistance memory element 12 and changes the output signal StatRESET of the monitor circuit from a high level to a low level (for example, about 0 V to 0.5 V). When the StatRESET signal changes to the Low level, TR44 in the cutoff circuit 46 is turned off, and the current in the path L3 is cut off.

そして、電圧印加回路42内のカレントミラー回路が作動し、L4の経路に流れる電流が遮断される。なお、リセットの場合、抵抗記憶素子12の抵抗状態が切り替わってから、L4の経路の電流が遮断される迄の時間は、数ns〜数十nsである。   Then, the current mirror circuit in the voltage application circuit 42 is activated, and the current flowing through the path L4 is interrupted. In the case of reset, the time from when the resistance state of the resistance memory element 12 is switched to when the current in the path L4 is cut off is several ns to several tens ns.

このように、遮断回路46は、抵抗記憶素子へ供給する電流量を制限する電流制限回路の電流を制限する。電流制限回路は、例えば、図7に示すように上記カレントミラー回路であり、遮断回路46は、このカレントミラー回路における一方の電流経路を遮断することにより、抵抗記憶素子へ供給する電流量を制限する。   As described above, the cutoff circuit 46 limits the current of the current limiting circuit that limits the amount of current supplied to the resistance memory element. The current limiting circuit is, for example, the current mirror circuit as shown in FIG. 7, and the blocking circuit 46 limits the amount of current supplied to the resistance memory element by blocking one current path in the current mirror circuit. To do.

その後、L3の経路の電流が遮断されたことにより、上昇していたビット線BLの電圧レベルが下降し、インバータIN21のスレッシュホールド電圧値よりも低下するが、StatRESET信号の電圧レベルがLowレベルになっているため、NAND回路NA2の出力が変化せず、フリップフロップ回路FFの内部の論理は変化しない。すなわち、フリップフロップ回路FFの出力の論理は変化せず、StatRESET信号(TR44のゲートGへの入力信号)の電圧がLowレベルに保持される。   After that, the current of the path L3 is cut off, so that the voltage level of the bit line BL that has risen falls and falls below the threshold voltage value of the inverter IN21. However, the voltage level of the StatRESET signal becomes low Therefore, the output of the NAND circuit NA2 does not change, and the logic inside the flip-flop circuit FF does not change. That is, the logic of the output of the flip-flop circuit FF does not change, and the voltage of the StatRESET signal (input signal to the gate G of TR44) is held at the low level.

以上のようなステップにより、抵抗記憶素子12を高抵抗状態にする(リセットする)書き込みが確実に行なわれる。   By the steps as described above, writing to reset (reset) the resistance memory element 12 is reliably performed.

以上、抵抗記憶素子12が最初に低抵抗状態の場合の書き込み動作について説明した。回路を単純化するために、高抵抗状態の抵抗記憶素子12に対して上記のような書き込みを行なった場合には、高抵抗状態が変化せず、高抵抗状態をそのまま保持していることが望ましい。   The write operation when the resistance memory element 12 is initially in the low resistance state has been described above. In order to simplify the circuit, when the above-described writing is performed on the resistance memory element 12 in the high resistance state, the high resistance state does not change and the high resistance state is maintained as it is. desirable.

この点については、例えば、抵抗記憶素子12が最初から高抵抗状態の場合には、ステップ4において、抵抗記憶素子12に高電圧を印加した直後に、ビット線BLの電圧がモニタ回路21のスレッシュホールド電圧値よりも高くなる。このことから、抵抗記憶素子12の抵抗状態が変化する時間よりも短い時間(例えば数ns)で、抵抗記憶素子12への電源供給を瞬時に遮断するように調整することにより、実現可能である。また、すぐに外部へリセット完了を通知する。   Regarding this point, for example, when the resistance memory element 12 is in a high resistance state from the beginning, immediately after the high voltage is applied to the resistance memory element 12 in step 4, the voltage of the bit line BL becomes the threshold of the monitor circuit 21. It becomes higher than the hold voltage value. From this, it can be realized by adjusting the power supply to the resistance memory element 12 to be instantaneously cut off in a shorter time (for example, several ns) than the time when the resistance state of the resistance memory element 12 changes. . Also, the reset completion is immediately notified to the outside.

以上のように、本実施例によれば、抵抗記憶素子への書き込み回路を、主に、電界効果型トランジスタ(MOS FET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)から構成される素子を組み合わせた回路によって構成しているため、従来のCMOS形成用プロセスを流用して、不揮発性記憶装置を簡易に製造することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the write circuit to the resistance memory element is configured by a circuit in which elements composed mainly of field effect transistors (MOS FETs) are combined. Therefore, it is possible to easily manufacture a nonvolatile memory device by diverting a conventional CMOS formation process.

また、リファレンス抵抗として、抵抗値に応じた所定の大きさを必要とする拡散抵抗やポリシリコン抵抗を設ける必要が無い。そのため、回路の大規模化が回避でき、大容量メモリの用途として好適である。   Further, it is not necessary to provide a diffused resistor or a polysilicon resistor that requires a predetermined size corresponding to the resistance value as the reference resistor. Therefore, it is possible to avoid an increase in the scale of the circuit, which is suitable for use as a large capacity memory.

更には、抵抗記憶素子12に大電流が流れる前に、瞬時に電流供給源を遮断するようにしたため、簡易な回路で済むというメリットがある。   Furthermore, since the current supply source is instantaneously cut off before a large current flows through the resistance memory element 12, there is an advantage that a simple circuit is sufficient.

符号の説明Explanation of symbols

10…メモリセル
12…抵抗記憶素子
12a、12c…一対の電極
12b…抵抗記憶材料
14…セル選択トランジスタ
16…ビット線選択トランジスタ
20…メモリセルアレイ
22…ワード線セレクタ
24…ビット線セレクタ
25…アドレス線
26…コントロール回路
26a…CPU
26b…メモリ
26c…バス
27a、27b、27c、27d…制御信号
28…読み出し回路
30…セットドライバ回路
32、42…電圧印加回路
34、44…モニタ回路
36、46…遮断回路
38、48…プリチャージ回路
40…リセットドライバ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Memory cell 12 ... Resistance memory element 12a, 12c ... A pair of electrode 12b ... Resistance memory material 14 ... Cell selection transistor 16 ... Bit line selection transistor 20 ... Memory cell array 22 ... Word line selector 24 ... Bit line selector 25 ... Address line 26: Control circuit 26a ... CPU
26b ... Memory 26c ... Buses 27a, 27b, 27c, 27d ... Control signal 28 ... Read circuit 30 ... Set driver circuit 32, 42 ... Voltage application circuit 34, 44 ... Monitor circuit 36, 46 ... Cut-off circuit 38, 48 ... Precharge Circuit 40 ... Reset driver circuit

Claims (4)

電圧の印加によって高抵抗状態と低抵抗状態とが切り替わる抵抗記憶素子を有する不揮発性半導体記憶装置において、
前記抵抗記憶素子が高抵抗状態のときに、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子の一端に第1の電圧を発生させる第1の電圧印加回路と、
前記抵抗記憶素子が低抵抗状態のときに、前記抵抗記憶素子に電源を供給し、前記抵抗記憶素子の一端に前記第1の電圧より低い第2の電圧を発生させる第2の電圧印加回路と、
所定のしきい値電圧を有し、前記第1の電圧が第1のしきい値電圧に達したことを検出する第1のモニタ回路と、
所定のしきい値電圧を有し、前記第の電圧が第2のしきい値電圧に達したことを検出する第2のモニタ回路と、
前記第1のモニタ回路の前記検出に基づいて、前記第1の電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電流供給を遮断する第1の遮断回路と、
前記第2のモニタ回路の前記検出に基づいて、前記第2の電圧印加回路から前記抵抗記憶素子への電圧印加を遮断する第2の遮断回路とを有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
In a nonvolatile semiconductor memory device having a resistance memory element that switches between a high resistance state and a low resistance state by application of a voltage,
A first voltage application circuit for supplying a power to the resistance memory element and generating a first voltage at one end of the resistance memory element when the resistance memory element is in a high resistance state;
A second voltage application circuit for supplying power to the resistance memory element and generating a second voltage lower than the first voltage at one end of the resistance memory element when the resistance memory element is in a low resistance state; ,
A first monitor circuit having a predetermined threshold voltage and detecting that the first voltage has reached the first threshold voltage;
It has a predetermined threshold voltage, and the second monitor circuit detects that the second voltage reaches a second threshold voltage,
A first cutoff circuit that shuts off a current supply from the first voltage application circuit to the resistance memory element based on the detection of the first monitor circuit;
A non-volatile semiconductor memory device comprising: a second cutoff circuit that cuts off voltage application from the second voltage application circuit to the resistance memory element based on the detection of the second monitor circuit .
前記第2のモニタ回路は、前記第2の電圧が前記所定のしきい値電圧に達して内部の論理が変化した後、前記第2の電圧が前記所定のしきい値より下降した場合に、前記変化後の論理を維持することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。  The second monitor circuit, when the second voltage falls below the predetermined threshold after the second voltage reaches the predetermined threshold voltage and the internal logic changes, The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the logic after the change is maintained. 前記第2のモニタ回路は、更に、前記論理が変化しない状態に保持された後、前記保持された状態を外部から解除する機能を有することを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。  3. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 2, wherein the second monitor circuit further has a function of releasing the held state from the outside after the logic is held in a state in which the logic does not change. apparatus. 前記第2のモニタ回路は、2つのNAND回路を組み合わせたフリップフロップ回路を有し、
前記フリップフロップ回路により、前記第2の電圧が前記所定のしきい値電圧に達して内部の論理が変化した後、前記第2の電圧が前記所定のしきい値より下降した場合に、前記変化後の論理を維持することを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The second monitor circuit has a flip-flop circuit that combines two NAND circuits,
When the second voltage falls below the predetermined threshold after the second voltage reaches the predetermined threshold voltage and the internal logic changes by the flip-flop circuit, the change The non-volatile semiconductor memory device according to claim 2, wherein the subsequent logic is maintained.
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Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4366448B2 (en) 2007-02-23 2009-11-18 パナソニック株式会社 Nonvolatile memory device and data writing method in nonvolatile memory device
JP5121439B2 (en) 2007-12-26 2013-01-16 株式会社東芝 Nonvolatile semiconductor memory device
US8111539B2 (en) * 2008-06-27 2012-02-07 Sandisk 3D Llc Smart detection circuit for writing to non-volatile storage
US7869258B2 (en) * 2008-06-27 2011-01-11 Sandisk 3D, Llc Reverse set with current limit for non-volatile storage
JP5268481B2 (en) 2008-07-31 2013-08-21 株式会社東芝 Nonvolatile semiconductor memory device
JP5127661B2 (en) * 2008-10-10 2013-01-23 株式会社東芝 Semiconductor memory device
JP5293132B2 (en) * 2008-12-09 2013-09-18 ソニー株式会社 Semiconductor device
KR20100095079A (en) 2009-02-20 2010-08-30 삼성전자주식회사 Resistive memory device having variable resistance memory cell array, memory system having the resistive memory device, and method of inputting and outputting data of the same
JP4856202B2 (en) 2009-03-12 2012-01-18 株式会社東芝 Semiconductor memory device
WO2010119671A1 (en) * 2009-04-15 2010-10-21 パナソニック株式会社 Resistance-change non-volatile memory device
JP5044617B2 (en) 2009-08-31 2012-10-10 株式会社東芝 Nonvolatile semiconductor memory device
WO2011045886A1 (en) * 2009-10-15 2011-04-21 パナソニック株式会社 Resistance-change-type non-volatile storage device
KR101652333B1 (en) 2010-02-10 2016-08-30 삼성전자주식회사 Variable resistance memory device and program method thereof
JP5367641B2 (en) * 2010-06-03 2013-12-11 株式会社東芝 Nonvolatile semiconductor memory device
JP5209013B2 (en) 2010-09-22 2013-06-12 株式会社東芝 Nonvolatile semiconductor memory device
JP5736988B2 (en) * 2011-06-14 2015-06-17 ソニー株式会社 Resistance change type memory device and operation method thereof
JP5622715B2 (en) 2011-12-28 2014-11-12 株式会社東芝 Semiconductor memory device
WO2015147016A1 (en) * 2014-03-24 2015-10-01 国立大学法人東北大学 Data-write device for resistance-change memory element
JP6363543B2 (en) * 2015-03-20 2018-07-25 東芝メモリ株式会社 Nonvolatile semiconductor memory
US9601176B2 (en) 2015-03-20 2017-03-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile memory

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08335400A (en) * 1995-03-21 1996-12-17 Hyundai Electron Ind Co Ltd Automatic verification circuit of limiting voltage of nonvolatile memory cell and confirmation method of program and erasure state of nonvolatile memory cell utilizing it
JP2004234707A (en) * 2002-12-04 2004-08-19 Sharp Corp Semiconductor memory device and method for writing and erasing for memory cell
JP2005108395A (en) * 2003-09-12 2005-04-21 Renesas Technology Corp Storage device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07508121A (en) * 1993-05-11 1995-09-07 富士通株式会社 Non-volatile memory device, non-volatile memory cell, and method for adjusting the threshold of each of the non-volatile memory cell and a plurality of transistors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08335400A (en) * 1995-03-21 1996-12-17 Hyundai Electron Ind Co Ltd Automatic verification circuit of limiting voltage of nonvolatile memory cell and confirmation method of program and erasure state of nonvolatile memory cell utilizing it
JP2004234707A (en) * 2002-12-04 2004-08-19 Sharp Corp Semiconductor memory device and method for writing and erasing for memory cell
JP2005108395A (en) * 2003-09-12 2005-04-21 Renesas Technology Corp Storage device

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