JP5128727B1 - 抵抗変化型不揮発性記憶装置およびその駆動方法 - Google Patents

抵抗変化型不揮発性記憶装置およびその駆動方法 Download PDF

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Abstract

安定した動作をすることができる信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置および抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法を提供する。抵抗変化型不揮発性記憶装置（２００）は、メモリセルアレイ（２０２）と、メモリセル選択回路（２０３、２０４）と、書き込み回路（２０５）と、読み出し回路（２０６）とを備え、書き込み回路（２０５）は、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線の少なくともいずれかに配置されている不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、他のメモリセルの抵抗変化素子（３０）を第１の低抵抗状態での抵抗値より大きい抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするような第２の高抵抗化パルスを印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、抵抗変化型不揮発性記憶装置およびその駆動方法に関し、特に、電圧パルスの印加により低抵抗状態と当該低抵抗状態よりも抵抗値が高い高抵抗状態との間を可逆的に遷移する抵抗変化素子と、ダイオード素子で代表される電流制御素子とで構成されたメモリセルを有する抵抗変化型不揮発性記憶装置およびその駆動方法に関するものである。
近年、半導体微細加工技術の進歩に伴い、記憶装置（メモリ）の高密度化、大容量化が著しく進んでいる。不揮発性記憶装置の分野では、フラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭの技術的進歩（例えば、微細化）が目覚しく、コストも低減されつつあるが、フラッシュメモリの微細化は、限界に迫りつつあると言われている。かかる状況の下で、更なるセル面積の縮小やコスト低減を実現するという観点から、新規な不揮発性記憶装置が注目されている。
新規な不揮発性記憶装置として、抵抗変化素子を用いて構成されたメモリセルを有する不揮発性記憶装置の研究開発が進んでいる。抵抗変化素子とは、電気的信号によって抵抗値が可逆的に変化する性質を有し、さらにはこの抵抗値に対応したデータを、不揮発的に記憶することが可能な素子をいう。
抵抗変化素子を用いた不揮発性記憶装置として、直交するように配置されたビット線とワード線との交点近傍の位置に、ＭＯＳトランジスタと抵抗変化素子を直列に接続した、いわゆる１Ｔ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルをマトリクス状にアレイ配置した不揮発性記憶装置が一般的に知られている。また、トランジスタに代えて電流制御素子であるダイオードを用いた、いわゆる１Ｄ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルをマトリクス状にアレイ配置したクロスポイント構造の不揮発性記憶装置も一般的に知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１では、双方向型の抵抗変化特性を有する可変抵抗素子をメモリセルとして用いた１Ｄ１Ｒ型の不揮発性記憶装置が示されている。また、特許文献２では、単方向の可変抵抗素子をメモリセルとして用いた１Ｄ１Ｒ型メモリセルにおける非線形素子の不良検知方法について示されている。
特開２００６−２０３０９８号公報（図２） 特開２００９−１９９６９５号公報（図６）
メモリセルアレイを大容量化すると、メモリセル不良の発生が増加する傾向にある。例えば、１Ｄ１Ｒ型クロスポイントアレイ構造において、電流制御素子として用いられるダイオード素子がリーク電流異常を有する素子の場合、オフ電流よりも大きなリーク電流が流れ、このリーク電流異常のダイオード素子を含む不良セルを選択した場合に正常な読み出しができなくなる。また、双方向型の電流制御素子（例えばＭＳＭダイオードやＭＩＭダイオード等）を用いた双方向型のメモリセルアレイでは、メモリセルのどちらの方向に電圧を印加しても電流が流れるため、リーク電流異常が起こっている不良メモリセルを検出できないという課題を有している（特許文献２参照）。
上記課題を解決するために、本発明は、安定した動作をすることができる信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置および抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法を提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置は、印加される書き込み電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続され、印加電圧が所定の閾値電圧を超えると導通状態とみなされる電流が流れる電流制御素子とで構成される複数のメモリセルを有し、複数のワード線と複数のビット線との立体交差点のそれぞれに、前記複数のメモリセルの１つが配置されたメモリセルアレイと、前記複数のワード線から少なくとも１つを選択し、前記複数のビット線から少なくとも１つを選択することにより、前記メモリセルアレイから少なくとも１つ以上の前記メモリセルを選択するメモリセル選択回路と、前記選択されたメモリセルに電圧パルスを印加することによって、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗値を書き換える書き込み回路と、前記選択されたメモリセルの前記電流制御素子に前記閾値電圧より高い第１電圧、または、前記閾値電圧以下の第２電圧が印加されるように、前記選択されたメモリセルに読み出し電圧を印加することによって、前記選択されたメモリセルの状態を読み出す読み出し回路と、を備え、前記書き込み回路は、前記書き込み電圧パルスとして第１の低抵抗化パルス、または、第１の高抵抗化パルスを前記選択されたメモリセルに印加することにより、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子をそれぞれ第１の低抵抗状態、または、第１の高抵抗状態にし、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ当該選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すとき、前記選択されたメモリセルが前記第１の低抵抗状態の場合は第１の所定値の電流を検出し、前記第１の高抵抗状態の場合は第２の所定値の電流を検出し、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すときに、前記選択されたメモリセルに、前記第１の低抵抗状態または前記第１の高抵抗状態に対応する前記第１の所定値または前記第２の所定値の電流よりもそれぞれ大きい電流が流れる場合、前記選択されたメモリセルが不良を有する不良メモリセルと判定し、前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線および同一のワード線の少なくともいずれかに配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態での抵抗値以上の抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするように、第２の高抵抗化パルスを印加する。
本発明によれば、安定した動作をすることができる信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置および抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの基本構造を示す模式図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るメモリセルの等価回路図である。 図３Ａは、メモリセルの電圧電流特性を示す図である。 図３Ｂは、抵抗変化素子の抵抗電圧特性を示す図である。 図４は、正常なメモリセルと不良なメモリセルの電圧電流特性を示す図である。 図５は、抵抗変化型不揮発性記憶装置の構成図である。 図６Ａは、アドレス変換表の一例を示す図である。 図６Ｂは、読み出し回路の構成の一例を示す回路図である。 図７は、読み出しモード時の電流パスを説明するための回路図である。 図８は、図７の回路図の等価回路図である。 図９は、読み出しモード時の電流パスを説明するための回路図である。 図１０は、図９の回路図の等価回路図である。 図１１は、セル特性判定モード時の電流パスを説明するための回路図である。 図１２は、図１１の回路図の等価回路図である。 図１３は、モード別真理値表である。 図１４Ａは、電流制御素子特性判定モード時の判定フローの一例である。 図１４Ｂは、電流制御素子特性判定モード時の判定フローの一例である。 図１５は、抵抗変化素子特性判定モード時の判定フローの一例である。 図１６は、救済モード時の判定フローの一例である。 図１７は、書き込み回路の構成の一例を示す回路図である。 図１８は、選択ビット線に印加される電圧と流れる電流の電圧電流特性の一例を示す図である。 図１９は、書き込み回路の構成の一例を示す回路図である。 図２０は、抵抗変化型不揮発性記憶装置の構成図である。 図２１は、救済モード時の判定フローの一例である。 図２２Ａは、メインメモリセルアレイおよび冗長メモリセルアレイの配置の一例を示す図である。 図２２Ｂは、メインメモリセルアレイおよび冗長メモリセルアレイの配置の一例を示す図である。 図２２Ｃは、メインメモリセルアレイおよび冗長メモリセルアレイの配置の一例を示す図である。 図２３は、救済モード時の判定フローの一例である。 図２４は、救済モード時の判定フローの一例である。 図２５は、従来の不揮発性メモリセルの構成図である。 図２６は、従来の不揮発性メモリセルアレイの構成図である。 図２７は、従来の単方向ダイオードを用いたメモリセルのモデルである。
（本発明の基礎となった知見）
以下、本発明の詳細を説明する前に、本発明の基礎となった知見について説明する。
抵抗変化素子を用いた不揮発性記憶装置として、上記したように、１Ｔ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルや１Ｄ１Ｒ型と呼ばれるメモリセルをマトリクス状にアレイ配置したクロスポイント構造の不揮発性記憶装置が一般的に知られている。
図２５は、従来の不揮発性メモリセルの構成図であり、双方向型の抵抗変化特性を有する可変抵抗素子をメモリセルとして用いた１Ｄ１Ｒ型の不揮発性記憶装置が示されている（特許文献１参照）。図２５では、可変抵抗体１２３０を上部電極１２４０および下部電極１２５０の間に挟持した可変抵抗素子１２６０と、非線形素子１２７０とを直列に接続したメモリセル１２８０が、ビット線１２１０とワード線１２２０の交差している箇所に配置されたクロスポイント構造のメモリセルアレイを示している。ここで、可変抵抗素子１２６０は、印加される電圧の極性によって、抵抗値が低抵抗状態と高抵抗状態を可逆的に遷移する双方向型の抵抗変化特性を持った可変抵抗素子である。また、非線形素子１２７０は、非選択セルに流れるいわゆる漏れ電流を低減することを目的として、例えばバリスタにより構成されている。クロスポイント構造のメモリセルアレイは、配線ピッチでメモリセルを配置することができ、また三次元的にメモリセルアレイを積層することが可能であるため、大容量化することができる。
また、図２６は、従来の不揮発性メモリセルアレイの構成図であり、単方向の可変抵抗素子をメモリセルとして用いた１Ｄ１Ｒ型メモリセルにおける非線形素子の不良検知方法について示されている（特許文献２参照）。図２６では、単方向の可変抵抗素子と、アノードとカソードを有する単方向のダイオード素子とを直列に接続したメモリセルが、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３と、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３とで交差している箇所に配置されている。正常なダイオード素子であれば、全てのビット線にＶｄｄ電位、全てのワード線にＶｓｓ電位を印加することによって、逆方向バイアスされた状態では電流が流れないが、不良のダイオード素子があれば、逆方向バイアスされた状態でもＤＣ電流が流れるため、不良のダイオード素子があるビット線の電位がＶｄｄ電位から電位降下する。
特許文献２では、この不良のダイオード素子が属するビット線を不良ビット線であると検知することが開示されている。
図２７は、従来の単方向ダイオードを用いたメモリセルのモデルである。図２７に示すように、不良検知回路２０５３は、ビット線電源回路２０５４と、ラッチ回路２５３１と、スイッチ回路２０５５とを備え、ビット線選択回路２０２４に接続されたビット線に接続されており、スタンバイユニット２０５２において不良のダイオード素子が接続された不良ビット線の検知を行い、救済方法について開示されている。
ここで、メモリセルアレイを大容量化すると、メモリセル不良の発生が増加する傾向にある。１Ｄ１Ｒ型クロスポイントアレイ構造において、電流制御素子として用いられるダイオード素子は、正常な素子の場合、オン状態に流れる電流に対してオフ状態では少なくとも１桁以上少ないオフ電流しか流れない。しかしながら、リーク電流異常を有する素子の場合、オフ電流よりも大きなリーク電流が流れ、このリーク電流異常のダイオード素子を含む不良セルを選択した場合に正常な読み出しができなくなる。また、正常なメモリセルを選択した場合においても、不良メモリセルの影響を受けるため、不良メモリセルが１つであっても、当該不良メモリセルが接続されているビット線またはワード線の複数のメモリセルで不良が発生しているように誤検出され、不良メモリセルのアドレスを特定することができない。そのため、物理解析やＦＩＢ解析等で不良の原因を解析することが極めて困難であるという課題を有している。
また、特許文献２で示される構成では、アノードとカソードを有する単方向ダイオード素子を用いた単方向メモリセルアレイにおける不良ビット線の検出方法について記載されている。つまり、順方向に電圧を印加すると電流が流れ、逆方向に電圧を印加すると電流が流れないことを利用して、リーク電流異常を起こしている不良ビット線の検出を行う方法について記載されている。全てのビット線をＶｄｄ電位、全てのワード線をＶｓｓ電位にして、ダイオード素子を逆バイアス状態にすることで、全てのメモリセルが正常であれば電流は流れないが、リーク電流異常を起こしている不良メモリセルがあると、その不良メモリセルを含むビット線からワード線に対してリーク電流が流れる。このリーク電流を判定することで、リーク電流異常を起こしている不良ビット線の検出ができる。
しかしながら、双方向型の電流制御素子（例えばＭＳＭダイオードやＭＩＭダイオード等）を用いた双方向型のメモリセルアレイでは、メモリセルのどちらの方向に電圧を印加しても電流が流れるため、特許文献２に記載の方法では、リーク電流異常が起こっている不良メモリセルを検出できないという課題を有している。また、図２７で示されるように、不良検知回路２０５３は、ビット線にのみ接続されているため、リーク電流異常を起こしている不良ビット線の検出はできるが、その不良ビット線に接続されているどのメモリセルが不良を起こしているかは検出できないという課題も有している。
メモリセルの不良には、電流制御素子がショート不良を起こしているためにリーク電流異常が起こる不良だけでなく、抵抗変化素子の抵抗状態が超低抵抗状態に張り付いているために、メモリセルに電圧を印加しても抵抗変化素子が高抵抗状態または低抵抗状態に遷移しないという不良もある。
電流制御素子がショート不良である場合には、不良メモリセルの抵抗変化素子を高抵抗化することにより、リーク電流異常を抑制して、ショート不良を有する不良メモリセルのリーク電流が他の正常なメモリセルに与える影響を抑制することができる。
しかし、抵抗変化素子が上記したような不良を有する場合には、超低抵抗状態に張り付いている抵抗変化素子を高抵抗化することは難しく、不良メモリセルが他の正常なメモリセルに与える影響を抑制することはできない。そのため、不良メモリセルに流れるリーク電流により、他の正常なメモリセルの動作が不安定なものとなるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、安定した動作をすることができる信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置および抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法について説明する。
本発明の一形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置は、印加される書き込み電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続され、印加電圧が所定の閾値電圧を超えると導通状態とみなされる電流が流れる電流制御素子とで構成される複数のメモリセルを有し、複数のワード線と複数のビット線との立体交差点のそれぞれに、前記複数のメモリセルの１つが配置されたメモリセルアレイと、前記複数のワード線から少なくとも１つを選択し、前記複数のビット線から少なくとも１つを選択することにより、前記メモリセルアレイから少なくとも１つ以上の前記メモリセルを選択するメモリセル選択回路と、前記選択されたメモリセルに電圧パルスを印加することによって、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗値を書き換える書き込み回路と、前記選択されたメモリセルの前記電流制御素子に前記閾値電圧より高い第１電圧、または、前記閾値電圧以下の第２電圧が印加されるように、前記選択されたメモリセルに読み出し電圧を印加することによって、前記選択されたメモリセルの状態を読み出す読み出し回路と、を備え、前記書き込み回路は、前記書き込み電圧パルスとして第１の低抵抗化パルス、または、第１の高抵抗化パルスを前記選択されたメモリセルに印加することにより、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子をそれぞれ第１の低抵抗状態、または、第１の高抵抗状態にし、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセル（正常なメモリセル）でありかつ当該選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すとき、前記選択されたメモリセルが前記第１の低抵抗状態の場合は第１の所定値の電流を検出し、前記第１の高抵抗状態の場合は第２の所定値の電流を検出し、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すときに、前記選択されたメモリセルに、前記第１の低抵抗状態または前記第１の高抵抗状態に対応する前記第１の所定値または前記第２の所定値の電流よりもそれぞれ大きい電流が流れる場合、前記選択されたメモリセルが不良を有する不良メモリセルと判定し、前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線および同一のワード線の少なくともいずれかに配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態での抵抗値以上の抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするように、第２の高抵抗化パルスを印加する。
この構成によれば、双方向の電流制御素子を用いたクロスポイントアレイ構造のメモリセルにおいて、ショート不良を有する電流制御素子を備えたメモリセル、または、抵抗変化素子が不良である不良メモリセルを特定し、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている他のメモリセルを第２の高抵抗状態にするので、不良メモリセルを高抵抗化することなく、不良メモリセルを救済することができる。これにより、信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。なお、抵抗変化素子が第１の低抵抗状態の場合に正常なメモリセルに流れるメモリセル電流を、第１の所定値という。また、抵抗変化素子が第１の高抵抗状態の場合に正常なメモリセルに流れるメモリセル電流を、第２の所定値という。
また、前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態以上の抵抗値を示す第３の高抵抗状態にするように、第３の高抵抗化パルスを印加することが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている他のメモリセルを第３の高抵抗状態にするので、より信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定することが好ましい。
この構成によれば、閾値電圧より低い第２電圧を印加するので、ショート不良を有していないメモリセルには所定値以上の電流は流れず、ショート不良を有しているメモリセルのみ所定値以上の電流が流れる。したがって、この電流を検知することにより、不良のメモリセルを容易に判定することができる。
また、前記書き込み回路は、選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態にするように前記第１の高抵抗化パルスを印加し、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出し、前記選択されたメモリセルに流れる電流が前記第２の所定値の電流より大きい場合、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子は不良であると判定することが好ましい。
この構成によれば、抵抗変化素子が不良であるメモリセルを容易に判定することができる。
また、前記書き込み回路により前記不良メモリセルに対して前記第１の低抵抗化パルスを印加した後、前記選択されたメモリセルに前記第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定することが好ましい。
この構成によれば、抵抗変化素子を第１の低抵抗状態にした後、電流制御素子の不良を検出するので、不良メモリセルをより確実に検出することができる。これにより、信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記書き込み回路は、前記不良メモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態以上の抵抗値を示す第４の高抵抗状態にするように、前記不良メモリセルに、前記抵抗変化素子が高抵抗化を開始するパルス電圧の絶対値以上の電圧の絶対値を有する第４の高抵抗化パルスを印加することが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセル、および、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線の少なくともいずれかに配置された他のメモリセルを高抵抗化するので、より信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記メモリセルアレイは、主記憶用の前記メモリセルを複数備えたメインメモリセルアレイと、前記メインメモリセルアレイ中の少なくとも１つの前記メモリセルが不良メモリセルの場合に、前記不良メモリセルと同一のビット線またはワード線の少なくともいずれかに配置されている他のメモリセルと置換して使用するための冗長メモリセルを複数備えた冗長メモリセルアレイとを備えていることが好ましい。
この構成によれば、冗長メモリセルを備えているため、高抵抗化したメモリセルに代えて冗長メモリセルを使用することができる。これにより、より信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、前記不良メモリセルと同一のビット線またはワード線の少なくともいずれかに配置されている他のメモリセルのアドレス情報と前記冗長メモリセルのアドレス情報とを対応付けて記憶する不良アドレス記憶回路を備えることが好ましい。
この構成によれば、不良アドレス記憶回路を備えているため、冗長メモリセルと置き換えた不良メモリセルと同一のビット線またはワード線上の他のメモリセルと、冗長メモリセルとを対応付けて記憶することができる。
また、前記不良アドレス記憶回路は、前記不良メモリセルを有するビット線のアドレスと、前記不良メモリセルと同一のビット線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルと置換する前記冗長メモリセルを有するビット線のアドレスとを対応付けて記憶することが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセルと同一のビット線に配置されている他のメモリセルを冗長メモリセルに置き換えることができるので、不良メモリセルを救済して信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記不良アドレス記憶回路は、前記不良メモリセルを有するワード線のアドレスと、前記不良メモリセルと同一のワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルと置換する前記冗長メモリセルを有するワード線のアドレスとを対応付けて記憶することが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセルと同一のワード線に配置されている他のメモリセルを冗長メモリセルに置き換えることができるので、不良メモリセルを救済して信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、本発明の一形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法は、印加される書き込み電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続され、印加電圧が所定の閾値電圧を超えると導通状態とみなされる電流が流れる電流制御素子とで構成される複数のメモリセルを有し、複数のワード線と複数のビット線との立体交差点のそれぞれに、前記複数のメモリセルの１つが配置されたメモリセルアレイを備えた抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法であって、書き込み回路により、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルに第１の低抵抗化パルス、または、第１の高抵抗化パルスを印加することで、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子をそれぞれ第１の低抵抗状態、または、第１の高抵抗状態にする書き込みステップと、読み出し回路により、前記選択されたメモリセルに前記閾値電圧より高い第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出す読み出しステップと、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ前記第１の低抵抗状態の場合に前記選択されたメモリセルに流れる電流を第１の所定値の電流、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ前記第１の高抵抗状態の場合に前記選択されたメモリセルに流れる電流を第２の所定値の電流とすると、前記選択されたメモリセルの抵抗状態を読み出すときに、前記選択されたメモリセルに、前記第１の低抵抗状態または前記第１の高抵抗状態に対応する前記第１の所定値または前記第２の所定値の電流よりもそれぞれ大きい電流が流れる場合、前記選択されたメモリセルが不良を有している不良メモリセルであると判定する不良検知ステップと、前記書き込み回路により、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線の少なくともいずれかに配置されている前記不良メモリセル以外の他の正常メモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態での抵抗値以上の抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするように、第２の高抵抗化パルスを印加する正常メモリセル高抵抗化ステップとを含む。
この構成によれば、双方向の電流制御素子を用いたクロスポイントアレイ構造のメモリセルにおいて、ショート不良を有する電流制御素子を備えたメモリセル、または、抵抗変化素子が不良である不良メモリセルを特定し、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている他のメモリセルを第２の高抵抗状態にするので、不良メモリセルを高抵抗化することなく、不良メモリセルを特定し、救済することができる。これにより、信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態以上の抵抗値を示す第３の高抵抗状態にするように、第３の高抵抗化パルスを印加することが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている他のメモリセルを第３の高抵抗状態にするので、より信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
また、前記不良検知ステップにおいて、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記閾値電圧より低い第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定することが好ましい。
この構成によれば、閾値電圧より低い第２電圧を印加するので、ショート不良を有していないメモリセルには所定値以上の電流は流れず、ショート不良を有しているメモリセルのみ所定値以上の電流が流れる。したがって、この電流を検知することにより、不良のメモリセルを容易に判定することができる。
また、前記不良検知ステップにおいて、前記書き込み回路は、選択されたメモリセルに第１の高抵抗化パルスを印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態にするように前記第１の高抵抗化パルスを印加し、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出し、前記選択されたメモリセルに前記第２の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子は不良であると判定することが好ましい。
この構成によれば、抵抗変化素子が不良である不良メモリセルを検出し、救済することができる。
また、前記正常メモリセル高抵抗化ステップにおいて、前記不良メモリセルに対して、前記不良メモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第４の高抵抗状態にするように、前記書き込み回路により前記抵抗変化素子が高抵抗化を開始するパルス電圧の絶対値以上の電圧の絶対値を有する第４の高抵抗化パルスを印加する不良メモリセル高抵抗化ステップをさらに含むことが好ましい。
この構成によれば、不良メモリセルを第４の高抵抗状態にするように第４の高抵抗化パルス電圧を印加するので、不良メモリセル自体を救済することができる。これにより、信頼性の高い抵抗変化型不揮発性記憶装置を実現することができる。
以下に、本発明の抵抗変化型不揮発性記憶装置（以下、単に「不揮発性記憶装置」ともいう。）の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を参照しながら説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
（第１の実施の形態）
［メモリセル］
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるメモリセルの構成図の一例である。図１に示すメモリセル１０は、直列に接続された電流制御素子２０と抵抗変化素子３０とで構成されている。
図１において、抵抗変化素子３０は、コンタクト４１を介して電流制御素子２０と接続され、抵抗変化素子３０と電流制御素子２０により１ビットの１Ｄ１Ｒ型のメモリセル１０が構成されている。メモリセル１０の一方の端子は、コンタクト４０を介して下部配線５０と接続され、メモリセル１０のもう一方の端子は、コンタクト４２を介して上部配線５１と接続されている。
ここで、図１のメモリセル１０は、電流制御素子２０を下に、抵抗変化素子３０を上にした接続関係になっているが、この接続関係を逆にして、電流制御素子２０を上に、抵抗変化素子３０を下にした接続関係でも構わない。
電流制御素子２０は、下部電極（第１の電極）２１と、上部電極（第２の電極）２３と、下部電極２１と上部電極２３との間に挟持した電流制御層２２（半導体層２２または絶縁体層２２）とを備えている。下部電極２１と半導体層２２とは物理的かつ電気的に接触してショットキー接合を形成しており、上部電極２３と半導体層２２とは物理的かつ電気的に接触してショットキー接合を形成して、双方向の整流特性を有している。半導体層２２の代わりに絶縁体層２２を用いる場合、下部電極２１、絶縁体層２２、および上部電極２３でトンネルダイオードを構成し、双方向の整流特性を有している。
つまり、電流制御素子２０は、ダイオード等に代表されるように、電流制御素子２０の両端に印加される電圧と電流制御素子２０の両端に流れる電流が、非線形の特性を示す素子であり、印加される電圧の極性によって流れる電流の方向が変わる双方向型のダイオードである。つまり、電流制御素子２０は、正の印加電圧領域と負の印加電圧領域とにそれぞれ閾値電圧（ＶＦ）を有し、電流制御素子２０の両端に印加される電圧の絶対値が閾値電圧（ＶＦ）以下の場合は、電流制御素子２０の抵抗値が大きくなり、流れる電流の絶対値は所定の閾値電流以下となるが、電流制御素子２０の両端に印加される電圧の絶対値が閾値電圧（ＶＦ）を超える場合は、電流制御素子２０の抵抗値が小さくなり、流れる電流の絶対値が非線形的に増加する特性を有している。つまり、電流制御素子２０の両端に印加される電圧の絶対値が閾値電圧（ＶＦ）以下であるときは、電流制御素子２０には所定の閾値電流以下のオフ電流しか流れないため、電流制御素子２０はオフ状態になる。また、電流制御素子２０の両端に印加される電圧の絶対値が閾値電圧（ＶＦ）を超える場合は、電流制御素子２０には大きなオン電流が流れ、電流制御素子２０はオン状態になる。つまり、電流制御素子２０の両端に印加される電圧によって、電流制御素子２０はオン状態とオフ状態を持つスイッチの機能を有する。電流制御素子２０が上下対称構造の場合（つまり、２つの電極が同じ材料で、電流制御層２２が上下方向において均質な場合）、電流制御素子２０の電圧−電流特性は、正負の印加電圧に対してほぼ点対称な特性を示す。すなわち、正の印加電圧領域と負の印加電圧領域の閾値電圧の絶対値はほぼ同じ値を示す。
本実施の形態における電流制御素子２０は、例えば、タンタル窒化物で構成される下部電極２１と、Ｓｉ３Ｎ４より窒素含有率が小さい窒素不足型のシリコン窒化膜で構成される半導体層２２と、タンタル窒化物で構成される上部電極２３とを備えたＭＳＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）ダイオードとして構成される。半導体層２２の厚みは例えば３〜２０ｎｍとすることができる。シリコン窒化膜は、窒素含有率を小さくすることにより半導体特性を有するように形成することができ、ＭＳＭダイオードとして構成されるダイオードを簡単な製造プロセスにより作製することができる。例えば、窒素不足型のシリコン窒化膜（ＳｉＮｚ：０＜ｚ≦０．８５）は、例えばＳｉターゲットを用いた窒素ガス雰囲気中でのリアクティブスパッタリングにより形成することができる。このとき、室温条件で、チャンバーの圧力を０．１Ｐａ〜１Ｐａとし、Ａｒ／Ｎ２流量を１８ｓｃｃｍ／２ｓｃｃｍとして作製すればよい。
なお、本実施の形態における電流制御素子２０は、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）ダイオード、ＰＮダイオード、ショットキーダイオード、ツェナーダイオードでも構わない。ＭＩＭダイオードの場合、下部電極２１と上部電極２３との間に、半導体層に代えて絶縁体層２２を備える構成となる。また、電流制御素子２０は一方向にしか電流が流れない単方向型の電流制御素子でも構わない。抵抗変化素子３０は、下部電極（第３の電極）３１と、上部電極（第４の電極）３４と、下部電極３１と上部電極３４との間に挟持した抵抗変化層３５とを備えている。ここで、抵抗変化層３５は、酸素不足型の遷移金属酸化物で構成された第１の遷移金属酸化物層３２と、第１の遷移金属酸化物層３２よりも酸素不足度が小さい遷移金属酸化物で構成された第２の遷移金属酸化物層３３とが積層されて構成されている。本実施形態においては、その一例として、第１の酸素不足型のタンタル酸化物層（以下、第１のＴａ酸化物層）３２と、第２のタンタル酸化物層（以下、第２のＴａ酸化物層）３３とが積層されて構成されている。ここで、第２のＴａ酸化物層３３の酸素含有率は、第１のＴａ酸化物層３２の酸素含有率よりも高くなっている。言い換えると、第２のＴａ酸化物層３３の酸素不足度は、第１のＴａ酸化物層３２の酸素不足度よりも少ない。酸素不足度とは、それぞれの遷移金属において、その化学量論的組成の酸化物を構成する酸素の量に対し、不足している酸素の割合をいう。例えば、遷移金属がタンタル（Ｔａ）の場合、化学量論的な酸化物の組成はＴａ２Ｏ５であるので、ＴａＯ２．５と表現できる。ＴａＯ２．５の酸素不足度は０％である。例えばＴａＯ１．５の組成の酸素不足型のタンタル酸化物の酸素不足度は、酸素不足度＝（２．５−１．５）／２．５＝４０％となる。また、Ｔａ２Ｏ５の酸素含有率は、総原子数に占める酸素原子の比率（Ｏ／（Ｔａ＋Ｏ））であり、５／７＝７１．４ａｔｍ％となる。したがって、酸素不足型のタンタル酸化物は、酸素含有率は０より大きく、７１．４ａｔｍ％より小さいことになる。
抵抗変化層３５を構成する金属は、タンタル以外の遷移金属を用いてもよい。遷移金属としては、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）等を用いることができる。遷移金属は複数の酸化状態をとることができるため、異なる抵抗状態を酸化還元反応により実現することが可能である。例えば、ハフニウム酸化物を用いる場合、第１のハフニウム酸化物層３２の組成をＨｆＯｘとした場合にｘが０．９以上１．６以下であり、且つ、第２のハフニウム酸化物層３３の組成をＨｆＯｙとした場合にｙがｘの値よりも大である場合に、抵抗変化層３５の抵抗値を安定して高速に変化させることが確認できている。この場合、第２のハフニウム酸化物層３３の膜厚は、３ｎｍ以上４ｎｍ以下が好ましい。また、ジルコニウム酸化物を用いる場合、第１のジルコニウム酸化物層３２の組成をＺｒＯｘとした場合にｘが０．９以上１．４以下であり、且つ、第２のジルコニウム酸化物層３３の組成をＺｒＯｙとした場合にｙがｘの値よりも大である場合に、抵抗変化層３５の抵抗値を安定して高速に変化させることが確認できている。この場合、第２のジルコニウム酸化物層３３の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。
なお、第１の遷移金属酸化物層３２を構成する第１の遷移金属と、第２の遷移金属酸化物層３３を構成する第２の遷移金属とは、異なる遷移金属を用いてもよい。この場合、第２の遷移金属酸化物層３３は、第１の遷移金属酸化物層３２よりも酸素不足度が小さい、つまり抵抗が高い方が好ましい。このような構成とすることにより、抵抗変化時に下部電極３１および上部電極３４間に印加された電圧は、第２の遷移金属酸化物層３３に、より多くの電圧が分配され、第２の遷移金属酸化物層３３中で発生する酸化還元反応をより起こしやすくすることができる。また、第１の遷移金属と第２の遷移金属とが互いに異なる材料を用いる場合、第２の遷移金属の標準電極電位は、第１の遷移金属の標準電極電位より低い方が好ましい。抵抗変化現象は、抵抗が高い第２の遷移金属酸化物層３３中に形成された微小なフィラメント（導電パス）中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられるからである。例えば、第１の遷移金属酸化物層３２に、酸素不足型のタンタル酸化物を用い、第２の遷移金属酸化物層３３にチタン酸化物（ＴｉＯ２）を用いることにより、安定した抵抗変化動作が得られる。チタン（標準電極電位＝−１．６３ｅＶ）はタンタル（標準電極電位＝−０．６ｅＶ）より標準電極電位が低い材料である。標準電極電位は、その値が高いほど酸化しにくい特性を表す。第２の遷移金属酸化物層３３に第１の遷移金属酸化物層３２より標準電極電位が低い金属の酸化物を配置することにより、第２の遷移金属酸化物層３３中でより酸化還元反応が発生しやすくなる。
上記の各材料の積層構造の抵抗変化膜における抵抗変化現象は、いずれも抵抗が高い第２の遷移金属酸化物層３３中に形成された微小なフィラメント中で酸化還元反応が起こってその抵抗値が変化し、発生すると考えられる。つまり、第２の遷移金属酸化物層３３側の上部電極３４に、下部電極３１を基準にして正の電圧を印加したとき、抵抗変化層３５中の酸素イオンが第２の遷移金属酸化物層３３側に引き寄せられて第２の遷移金属酸化物層３３中に形成された微小なフィラメント中で酸化反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が増大すると考えられる。逆に、第２の遷移金属酸化物層３３側の上部電極３４に、下部電極３１を基準にして負の電圧を印加したとき、第２の遷移金属酸化物層３３中の酸素イオンが第１の遷移金属酸化物層３２側に押しやられて第２の遷移金属酸化物層３３中に形成された微小なフィラメント中で還元反応が発生して微小なフィラメントの抵抗が減少すると考えられる。
酸素不足度がより小さい第２の遷移金属酸化物層３３に接続されている上部電極３４は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）など、第２の遷移金属酸化物層３３を構成する遷移金属および下部電極３１を構成する材料と比べて標準電極電位がより高い材料で構成する。また、下部電極３１は、上部電極３４より標準電極電位が低い材料（例えばＴａＮ（タンタルナイトライド）等）を主成分とする電極材料で構成する。具体的には、第１の遷移金属酸化物層３２や第２の遷移金属酸化物層３３にタンタル酸化物を用いた場合、下部電極３１は、ＴａＮ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ等で構成される群から選択され、上部電極３４は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ等で構成される群から選択されて構成されることが望ましい。このような構成とすることにより、上部電極３４と第２の遷移金属酸化物層３３の界面近傍の第２の遷移金属酸化物層３３中において、選択的に酸化還元反応が発生し、安定した抵抗変化現象が得られる。
以上のように構成された抵抗変化素子３０を駆動する場合は、外部の電源によって所定の条件を満たす電圧を下部電極３１と上部電極３４との間に印加する。
なお、図１の電流制御素子２０と、抵抗変化素子３０との上下の接続関係を逆にして接続しても構わないし、第１の遷移金属酸化物層３２と第２の遷移金属酸化物層３３との上下の接続関係を逆にし、下部電極３１と上部電極３４との上下の接続関係を逆にしても構わない。
図２は、図１に示した本実施の形態におけるメモリセル１０の等価回路図である。図２では、メモリセル１００は、電流制御素子１０１と抵抗変化素子１０２を直列に接続した等価回路図を示しており、メモリセル１００の一方の端子Ｔ１は電流制御素子１０１に接続され、メモリセル１００のもう一方の端子Ｔ２は抵抗変化素子１０２に接続されている。また、端子Ｔ１は下部配線５０に接続され、端子Ｔ２は上部配線５１に接続されている。
図２において、メモリセル１００の２つの端子Ｔ１とＴ２間に電圧Ｖｃｅが印加されると、印加電圧Ｖｃｅは電流制御素子１０１と抵抗変化素子１０２のそれぞれのインピーダンスによって、分圧されるため、Ｖｃｅ＝Ｖｄｉ＋Ｖｒｅとなる。ここで、Ｖｄｉは電流制御素子１０１の両端に印加される電圧で、Ｖｒｅは抵抗変化素子１０２の両端に印加される電圧である。
ここで、電流制御素子１０１に印加される電圧Ｖｄｉの絶対値が閾値電圧（ＶＦ）を超えると、電流制御素子１０１はオン状態になり、メモリセル１００にメモリセル電流Ｉｃｅが流れる。一方、電流制御素子１０１に印加される電圧Ｖｄｉの絶対値が閾値電圧（ＶＦ）以下だと、電流制御素子１０１はオフ状態になり、メモリセル１００には微小な電流であるオフ電流Ｉｏｆｆしか流れない。つまり、メモリセル１００に印加する電圧の閾値電圧（ＶＦ）に対する高低によって、電流制御素子１０１がオン状態またはオフ状態になることで、メモリセル１００を選択状態または非選択状態に制御することができる。
図３Ａは、本実施の形態における正常なメモリセル１０の電圧電流特性を示す図である。図１の構造を持つメモリセル１０に対し、下部配線５０よりも上部配線５１が高い電圧となる極性を正の電圧とし、上部配線５１よりも下部配線５０が高い電圧となる極性を負の電圧とし、上部配線５１から下部配線５０に流れる電流の向きを正の電流方向とし、下部配線５０から上部配線５１に流れる電流の向きを負の電流方向としたときに、メモリセル１０の両端に電圧を印加した場合の電圧と電流の関係の実測値を示している。
メモリセル１０に対し、上部配線５１よりも下部配線５０が高い電位となるように、電圧を印加していく、つまり、図３Ａにおいて負極性の電圧を印加していくと、Ａ点付近から電流が流れ出し、Ｖｗｌ１を超える辺りで抵抗変化素子３０は高抵抗状態から第１の低抵抗状態へと変化を開始する。さらに、Ｂ点まで印加すると、印加電圧の絶対値に応じて電流の絶対値は大きくなり、徐々に抵抗値は低くなっている。つまり、メモリセル１０に印加する電圧（あるいは電流）に応じて、低抵抗状態の任意の抵抗値を設定することができる。
一方、メモリセル１０に対し、下部配線５０よりも上部配線５１が高い電位となるように、電圧を印加していく、つまり、図３Ａにおいて正極性の電圧を印加していくと、Ｃ点付近から電流が流れ出し、第１の低抵抗状態への変化電圧と概ね対称であるＤ点で、抵抗変化素子３０は第１の低抵抗状態から第１の高抵抗状態へと変化を開始し、メモリセル１０に流れる電流は減少する。さらに、Ｄ’点まで電圧を印加すると印加電圧に応じて電流が増加するが、印加電圧を下げていくと、印加電圧を上げるときと比較して電流が小さくなっているため、より高抵抗な状態に変化していることがわかる。
すなわち、図３Ａに示す実測データは、図１の構造を持つメモリセル１０について、上部配線５１の電圧を基準として下部配線５０の電圧が第１の低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌ１（図３ＡではＶｗｌ１は負電圧を示しており、上部配線５１の電位が、下部配線５０の電位よりもＶｗｌ１だけ低い）になったときに第１の低抵抗状態（Ｂ点）に変化をし、下部配線５０の電圧を基準として上部配線５１の電圧が高抵抗化開始電圧Ｖｗｈ０になったときに低抵抗状態から高抵抗状態に変化し始める（Ｄ点）双方向型の抵抗変化特性を示している。また、図３Ａに示す実測データは、第１の低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌ１と高抵抗化開始電圧Ｖｗｈ０とが、実測データの原点に対して概ね対称な電圧、電流関係にあることを示している。高抵抗化開始電圧Ｖｗｈ０よりもさらに高い第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１を印加すると、第１の高抵抗状態（Ｄ’点）となる。ここで、Ｄ’点における抵抗値は、Ｄ点における抵抗値よりも大きい。
また、メモリセル１０に電圧を印加しても、Ａ点からＣ点で示す電圧区間は顕著には電流が流れない電圧帯がある。これは、メモリセル１０の電流制御素子２０がオフ状態になっているために、メモリセル１０にはほとんど電流が流れない。つまり、メモリセル１０の電流制御素子２０は、印加電圧により流れる電流が非線形の特性を有する素子であるため、電流制御素子２０に印加される電圧の絶対値が電流制御素子２０の閾値電圧（ＶＦ）以下であると電流はほとんど流れず、電流制御素子２０はオフ状態とみなされ、メモリセル１０にはほとんど電流が流れない。ここで、電流制御素子２０の閾値電圧（ＶＦ）とは、電流制御素子２０がオフ状態とみなせるような電流（最大オフ電流）しか流れないときに電流制御素子２０に印加される最大電圧である。また、電流制御素子２０の最大オフ電流とは、少なくともメモリセル１０の抵抗変化素子３０が高抵抗状態のときに流れる最大電流ＩＨＲよりも小さい電流値である。
また、Ａ点やＣ点は、電流制御素子２０の閾値電圧（ＶＦ）と、抵抗変化素子３０に印加される電圧の合計電圧に対応しており、アレイ状に複数のメモリセル１０が配置されたメモリセルアレイ（クロスポイントアレイ）においては、選択したメモリセル（選択メモリセル）１０にはこのＡ点からＣ点の電圧帯を超える電圧を印加し、選択されなかったメモリセル（非選択メモリセル）はこのＡ点からＣ点の間の電圧範囲に電圧が印加されるようにすることで、非選択セルへのリーク電流を抑制して、選択したメモリセル１０に電流が流れるような動作がなされる。
メモリセル１０の抵抗状態を読み出す場合は、例えば、メモリセル１０に図３Ａに示す読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加し、そのときに流れる電流を判定することでメモリセル１０の抵抗状態を判別することができる。このとき、Ｖｒｅａｄの絶対値は、ＶＦの絶対値より大きい。つまり、図３Ａに示す特性の場合、メモリセル１０の抵抗変化素子３０が第１の低抵抗状態であると、読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加したとき、電流制御素子２０がオンし、メモリセル１０に読み出し電流Ｉｒｅａｄ１が流れる。しかし、メモリセル１０の抵抗変化素子３０が第１の高抵抗状態であると、読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加したときにメモリセル１０に読み出し電流Ｉｒｅａｄ２が流れる。この電流値の大小を判定することによって、メモリセル１０の状態を判別することができる。
このようにして、メモリセル１０の電圧電流特性が図３Ａに示すような正常な特性であれば、メモリセル１０に読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加し、そのときに流れるメモリセル電流（Ｉｒｅａｄ１及びＩｒｅａｄ２）を判定することで、メモリセル１０の抵抗状態を判別できる。しかしながら、例えば、メモリセル１０の電流制御素子２０が破壊され、ショート不良であるとメモリセル１０に過剰な電流が流れる。またオープン不良であるとほとんど電流が流れなくなりメモリセル１０の抵抗状態を判別することができなくなる。そのため、不良のメモリセル（不良メモリセル）を検出し、不良メモリセルに異常電流を流さないようにする必要がある。
図３Ｂは、図１に示す抵抗変化素子３０の電圧抵抗特性の一部を模式化して示したものである。横軸は、抵抗変化素子３０の下部電極３１と上部電極３４間に、下部電極を基準にして印加される電圧値であり、縦軸は、抵抗変化素子３０の抵抗値である。
第１の低抵抗状態にある状態Ｏから抵抗変化素子３０に印加される電圧を徐々に増加していくと、抵抗変化素子３０は電圧Ｖｗｈ０（Ａ０）で高抵抗化し始める。抵抗変化素子３０に印加される電圧をさらに増加させると、抵抗変化素子３０は電圧Ｖｗｈ４で最大の抵抗値を有する高抵抗状態Ｂ１（限界高抵抗状態）となる。さらに抵抗変化素子３０に印加される電圧を増加させても、抵抗変化素子３０の抵抗値は変化しない（Ｃ１）。Ｃ１から抵抗変化素子３０に印加される電圧を徐々に減少させても抵抗値は下がらず、限界抵抗状態が維持される。
状態Ａ０から状態Ｂ１にかけての抵抗変化素子３０の電圧・抵抗特性は、所定の傾き（実際は非線形）を有している。通常の高抵抗状態Ａ１（第１の高抵抗状態）にするには、対応する第１の高抵抗化電圧Ｖｗｈ１を印加する。第１の低抵抗状態より抵抗値が高い第２の高抵抗状態Ａ２にするには、対応する第２の高抵抗化電圧Ｖｗｈ２を印加する。第１の高抵抗状態より抵抗値が高い第３の高抵抗状態Ａ３にするには、対応する第３の高抵抗化電圧Ｖｗｈ３を印加する。また、Ｖｗｈ４以上の電圧を印加すると、限界高抵抗状態にすることができる。
［不良メモリセルの特性］
図４は、本実施の形態において、電流制御素子２０が正常な特性を持つメモリセル１０と、電流制御素子２０が不良な特性（ショート不良）を持つメモリセル１０の電圧電流特性を示す図である。図１の下部配線５０と上部配線５１によって選択されたメモリセル１０に対し、下部配線５０よりも上部配線５１が高い電圧となる極性を正の電圧とする。上部配線５１から下部配線５０に流れる電流の向きを正の電流方向としたときに、第１の低抵抗状態を持つ正常なメモリセル１０に印加される正の電圧と電流は、特性（１）で示されるように、メモリセル１０に印加される電圧の絶対値がＶｔｅｓｔ１以下では、メモリセル１０にはほとんど電流が流れないが、Ｖｔｅｓｔ１を超えると、メモリセル１０に電流が流れ、印加される電圧の増加とともに流れる電流は非線形的に増加する。つまり、Ｖｔｅｓｔ１は電流制御素子２０に閾値電圧（ＶＦ）が印加されるような電圧である。
一方、電流制御素子２０が完全に破壊され、ショート状態になった不良のメモリセル１０の場合、抵抗変化素子３０の特性が支配的になる。そのため、抵抗変化素子３０の抵抗値が低抵抗の場合、不良の特性を持ったメモリセル１０は、破線で示す図４の特性（２）のように、電圧と電流の特性は線形の特性を示す。
ここで、例えば、メモリセル１０の両端にＶｔｅｓｔ１を印加した場合、図４の特性（１）で示されるような正常な特性を持つメモリセル１０の場合は、メモリセル１０には数μＡ程度しか電流は流れない。一方、特性（２）で示されるような完全にショート破壊された特性を持つメモリセル１０の場合は、同じようにＶｔｅｓｔ１を印加すると、Ｆ点で示されるように、メモリセル１０にＩｌｅａｋの電流が流れる。
つまり、下部配線５０と上部配線５１によって選択されたメモリセル１０に対し、電流制御素子２０がオフ状態になる閾値電圧ＶＦ以下の電圧が電流制御素子２０に印加されるようにメモリセルの両端にＶｔｅｓｔ１の電圧を印加すると、特性（１）のような正常な特性を示す場合は、Ｅ点に示すようにほとんど電流が流れないが、特性（２）のようなショート不良の特性を示す電流制御素子２０を有するメモリセル１０の場合は、Ｆ点に示すようなより大きな電流が流れる。したがって、メモリセル１０の電流制御素子２０に閾値電圧以下の電圧が印加されるようにメモリセル１０に不良検出のための電圧Ｖｔｅｓｔ１を印加し、このときにメモリセル１０に流れる電流の違いを検出することにより、不良メモリセルであるか否かを判定することができる。
以上、電流制御素子２０が完全に破壊されショート状態になっている特性（２）の場合について記載したが、電流制御素子２０が完全に破壊されてはいないが中間的なショート状態である場合、例えば、電流制御素子２０の閾値電圧が正常なメモリセル１０の電流制御素子２０よりも低くなっている不良の特性の場合でも同様に判定することができる。
図４の特性（３）、特性（４）は、電流制御素子２０の閾値電圧が、それぞれ正常なメモリセル１０の電流制御素子２０の閾値電圧ＶＦよりも小さいときの電圧電流特性である。メモリセル１０の両端にＶｔｅｓｔ１の電圧を印加すると、特性（３）と特性（４）の場合の電流制御素子２０は不良の特性を有しているため、Ｇ点とＨ点で示されるように、メモリセル１０にはそれぞれ電流ＩｇおよびＩｈが流れる。一方、特性（１）のような正常な特性を示すメモリセル１０の場合は、Ｅ点に示すようにほとんど電流が流れないため、この電流の違いを検出することにより、不良メモリセルの特性を調べることができる。
また、メモリセル１０の両端にＶｔｅｓｔ２の電圧を印加した場合、特性（１）と特性（４）の特性を持ったメモリセル１０にはほとんど電流は流れないが、特性（２）と特性（３）の特性を持ったメモリセル１０には、Ｉ点とＪ点で示されるように、それぞれ電流ＩｉおよびＩｊが流れる。つまり、メモリセル１０の電流制御素子２０の閾値電圧に合わせて、メモリセル１０に特性選別のための電圧Ｖｔｅｓｔ２（＜Ｖｔｅｓｔ１）を印加することによって、メモリセル１０の電流制御素子２０の特性を選別することができる。
次に、メモリセル１０が不良な特性（オープン不良）を持つ場合は、メモリセル１０に読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加しても、メモリセル１０にはほとんど電流は流れない。本実施の形態において、読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加した場合、特性（１）のようにメモリセル１０の抵抗変化素子３０の抵抗値が第１の低抵抗状態で、電流制御素子２０が正常な特性を示すメモリセル１０の場合は、Ｋ点で示されるようにメモリセル電流Ｉｒｋが流れるが、オープン不良を持つメモリセル１０の場合はＩｒｋより小さいメモリセル電流（図では示していない）しか流れない。つまり、メモリセル１０の抵抗変化素子３０を第１の低抵抗状態にした後に、メモリセル１０に読み出し電圧Ｖｒｅａｄを印加することによって、メモリセル１０のオープン不良を判定することができる。
また、オープン不良を判定する場合には、ショート不良のメモリセル１０に対して実施すると、メモリセル１０に過剰な電流が流れ、抵抗変化素子３０の抵抗値が変化する、または、抵抗変化素子３０が破壊されるため、ショート不良のメモリセル１０の検出を行った後に、ショート不良のメモリセル１０以外のメモリセル１０に対して、オープン不良の判定を実施するほうが望ましい。
［抵抗変化型不揮発性記憶装置］
図５は、第１の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の構成図を示すものである。図５に示すように、本実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置２００は、基板上にメモリ本体部２０１を備えている。メモリ本体部２０１は、メモリセルアレイ２０２と、ワード線選択回路２０３と、ビット線選択回路２０４と、データの書き込みを行うための書き込み回路２０５と、データの読み出しを行うための読み出し回路２０６と、データ信号入出力回路２０７とを備えている。
読み出し回路２０６は、センスアンプ３００と、ビット線制御電圧切り替え回路４００と、ビット線制御電圧を発生するビット線制御電圧発生回路５００とで構成されており、外部から入出力されるデータ信号の入出力を行うためのデータ信号入出力回路２０７に接続されている。
また、この抵抗変化型不揮発性記憶装置２００は、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の外部から入力されるアドレス情報を受け取るアドレス信号入力回路２０８と、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の外部から入力される制御信号を受け取る制御回路２０９とを備えている。
さらには、書き込み用電源２１０として、低抵抗化用電源２１１と高抵抗化用電源２１２を備え、低抵抗化用電源２１１の出力ＶＬと、高抵抗化用電源２１２の出力ＶＨとは、メモリ本体部２０１の書き込み回路２０５に供給される。
また、この抵抗変化型不揮発性記憶装置２００は、読み出し回路２０６で検出した不良アドレスを記憶する不良アドレス記憶回路２１３と、アドレス比較を行うアドレス比較回路２１４とを備えている。
また、本実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置２００は、動作モードとして、メモリセルにデータを書き込む書き込みモードと、メモリセルのデータを読み出す通常読み出しモードと、メモリセルの特性を判定してメモリセルが不良かどうか判定するセル特性判定モードと、不良のメモリセルと同一のビット線またはワード線に接続された正常なメモリセルを第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態にし、予備の正常なメモリセル（冗長メモリセル）と置き換える救済モードとを備えている。また、不良のメモリセルを第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第４の高抵抗状態にするモードも備えている。
セル特性判定モードは、さらに、電流制御素子の特性を判定する電流制御素子特性判定モードと、抵抗変化素子の特性を判定する抵抗変化素子特性判定モードとを備えている。
メモリセルアレイ２０２は、図２で示した複数個のメモリセル１００が行方向と列方向にマトリクス状に配置されたメインメモリセルアレイ６００と、同じく図２で示した複数個のメモリセル１００が複数個配置された冗長メモリセルアレイ６１０とを備えている。冗長メモリセルアレイ６１０は、メインメモリセルアレイ６００の各行に同数個ずつメモリセル１００が配置されて構成されている。一例として、図５における冗長メモリセルアレイ６１０には、メインメモリセルアレイ６００の各行に１つずつメモリセル１００が配置され、一列の冗長メモリセルアレイ６１０が構成されている。
また、メモリセルアレイ２０２は、互いに交差するように配列された複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・を備えており、さらに、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・と平行に配置された少なくとも１本以上の冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・を備えている。
図５に示すように、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・は、基板の主面に平行な同一の平面内（第１の平面内）において互いに平行に配置されている。同様に、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・は、第１の平面に平行な同一の平面内（第１の平面に平行な第２の平面内）において互いに平行に配置されており、冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・は、第２の平面内において、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・と平行に配置されている。
また、上記した第１の平面と第２の平面は平行に配置され、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・は立体交差するように配置されており、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・も立体交差するように配置されている。
メインメモリセルアレイ６００内で、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・とビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・との立体交差した位置には、メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３、・・・（以下、「メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、・・・」と表す）が配置されており、冗長メモリセルアレイ６１０内で、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・との立体交差した位置には、冗長メモリセルＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ３、・・・が配置されている。つまり、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・は、メインメモリセルアレイ６００と冗長メモリセルアレイ６１０に共通して配置されている。
メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、・・・は、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、・・・（以下、「電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・」と表す）と、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・と直列接続された抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・（以下、「抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・」と表す）とで構成されている。同様に、冗長メモリセルＭＢ１、ＭＢ２、ＭＢ３、・・・は、電流制御素子ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３、・・・と、電流制御素子ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３、・・・と直列接続された抵抗変化素子ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３、・・・とで構成されている。
つまり、図５に示すように、メインメモリセルアレイ６００内の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ１と接続され、抵抗変化素子Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ３２、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ２と接続され、抵抗変化素子Ｒ１３、Ｒ２３、Ｒ３３、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１３、Ｄ２３、Ｄ３３、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ３と接続されている。また、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ１と接続され、電流制御素子Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ２と接続され、電流制御素子Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ３と接続されている。
同様に、冗長メモリセルアレイ６１０内の抵抗変化素子ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３、・・・の一方の端子は、電流制御素子ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３と接続しており、もう一方の端子は、冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・と接続されている。また電流制御素子ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＢ３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子ＲＢ１、ＲＢ２、ＲＢ３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と接続されている。
なお、本実施の形態では、ビット線側に抵抗変化素子を接続し、ワード線側に電流制御素子を接続しているが、ビット線側に電流制御素子を接続し、ワード線側に抵抗変化素子を接続しても構わない。また、本実施の形態では、冗長メモリセルアレイの冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・は少なくとも１本であればよく、冗長メモリセルアレイに配置されたメモリセル１００の列数に応じて複数本搭載しても構わない。
ワード線選択回路２０３は、アドレス信号入力回路２０８から出力された行アドレス情報を受け取り、この行アドレス情報に応じて、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・のうち、選択されたワード線に書き込み回路２０５から供給される電圧を印加するとともに、選択されていないワード線には所定の非選択行印加電圧（Ｖｓｓ以上Ｖｗｌ以下の電圧、またはＶｓｓ以上Ｖｗｈ以下の電圧）を印加するか、または、不活性状態つまりハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）状態に固定することができる。
また、同様に、ビット線選択回路２０４は、アドレス信号入力回路２０８から出力された列アドレス情報と、アドレス比較回路２１４からのアドレス一致判定信号とを受け取り、この列アドレス情報とアドレス一致判定信号に応じて、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・、および冗長ビット線ＢＬＲ１、・・・のうち、選択されたビット線に書き込み回路２０５から供給される電圧、または読み出し回路２０６から供給される電圧を印加するとともに、選択されていないビット線には所定の非選択列印加電圧（Ｖｓｓ以上Ｖｗｌ以下の電圧、またはＶｓｓ以上Ｖｗｈ以下の電圧、またはＶｓｓ以上Ｖｂｌ以下の電圧）を印加するか、またはハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）状態に固定することができる。
なお、ワード線選択回路２０３およびビット線選択回路２０４は、本発明におけるメモリ選択回路に相当する。
書き込み回路２０５は、制御回路２０９から出力された書き込み信号を受け取り、ワード線選択回路２０３とビット線選択回路２０４とで選択されたメモリセルに対して、書き込み電圧を印加することで、メモリセルの状態を書き換えることができる。
図５に示す抵抗変化型不揮発性記憶装置２００において、書き込みモード時に例えば正常なメモリセルＭ１１に対して、ＢＬ１を基準にしてＷＬ１に高い電位となる第１の低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌ１を印加すると、抵抗変化素子Ｒ１１が第１の低抵抗状態に変化する。また、同様に正常なメモリセルＭ１１に対して、ＷＬ１を基準にしてＢＬ１に高い電位となる第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１を印加すると、抵抗変化素子Ｒ１１が第１の高抵抗状態に変化する。
読み出し回路２０６は、通常読み出しモード時において、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線間に、読み出し電圧Ｖｂｌｒを印加し、メモリセルに流れるメモリセル電流をセンスアンプ３００で判定することで、メモリセルに記憶されている状態を読み出すことができる。また、電流制御素子特性判定モード時においては、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線間に、セル特性判定電圧Ｖｂｌｔを印加し、メモリセルに流れるメモリセル電流をセンスアンプ３００で判定することで、メモリセルの電流制御素子特性を判定することができる。なお、読み出し回路２０６は、抵抗変化素子特性判定モード時においては、通常読み出しモード時と同様の動作を行うので、説明を省略する。
ここで、ビット線制御電圧発生回路５００は、通常読み出しモード時および電流制御素子特性判定モード時のそれぞれのモードに応じて、ビット線選択回路２０４によって選択した選択ビット線の電位を設定するため、読み出しクランプ電圧Ｖｃｒと、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔを発生する。読み出しクランプ電圧Ｖｃｒがメモリセルに印加された時、正常なメモリセルの電流制御素子はオンし、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔがメモリセルに印加された時、正常なメモリセルの電流制御素子はオフ状態である。ここで、読み出しクランプ電圧Ｖｃｒは本発明における第１電圧、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔは本発明における第２電圧に相当する。
また、ビット線制御電圧切り替え回路４００は、通常読み出しモード時には、ビット線制御電圧発生回路５００から出力された読み出しクランプ電圧Ｖｃｒをセンスアンプ３００に供給し、電流制御素子特性判定モード時には、ビット線制御電圧発生回路５００から出力されたセル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔをセンスアンプ３００に供給するように、通常読み出しモードと電流制御素子特性判定モードに応じて、センスアンプに供給する電圧を切り替えることができる。
センスアンプ３００は、通常読み出しモード時および電流制御素子特性判定モード時に応じて、ビット線制御電圧切り替え回路４００から供給された読み出しクランプ電圧Ｖｃｒまたはセル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔによって、ビット線の電位をそれぞれ読み出し電圧Ｖｂｌｒ、またはセル特性判定電圧Ｖｂｌｔに設定する。
さらに、センスアンプ３００は、通常読み出しモード時において、ビット線選択回路２０４を介して読み出されたメモリセル電流から、メモリセルの抵抗変化素子の状態が第１の低抵抗状態か、第１の高抵抗状態かを読み出し、その結果がデータ信号入出力回路２０７を介して外部へ出力される。また、電流制御素子特性判定モード時において、ビット線選択回路２０４を介して読み出されたメモリセル電流から、メモリセルの状態が正常な状態か、不良の状態かを読み出し、その結果がデータ信号入出力回路２０７を介して外部へ出力されるとともに、不良アドレス記憶回路２１３にも出力される。
制御回路２０９の動作は以下の通りである。書き込みモードにおいては、データ信号入出力回路２０７から入力された入力データＤｉｎに応じて、書き込み用電圧の印加を指示する信号を書き込み回路２０５へ出力する。通常読み出しモードおよび抵抗変化素子特性判定モードにおいては、読み出し用電圧の印加を指示する信号を読み出し回路２０６に出力する。電流制御素子特性判定モードにおいては、電流制御素子の特性を判定するためのセル判定用電圧の印加を指示する信号を読み出し回路２０６に出力する。救済モードにおいては、不良のメモリセルと同一のビット線またはワード線に接続された正常なメモリセルを第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態にする書き込み用電圧の印加を指示する信号を書き込み回路２０５へ出力し、救済処理を行う信号をメモリ本体部２０１に出力する。
アドレス信号入力回路２０８は、外部から入力されるアドレス情報を受け取り、このアドレス情報に基づいて行アドレス情報をワード線選択回路２０３へ出力するとともに、列アドレス情報をビット線選択回路２０４へ出力する。ここで、アドレス情報とは、メモリセルアレイ２０２内の特定のメモリセルのアドレスを示す情報、列アドレス情報はメモリセルアレイ２０２内の特定の列を示すアドレス情報、行アドレス情報はメモリセルアレイ２０２内の特定の行を示すアドレス情報である。また、アドレス信号入力回路２０８は、不良アドレス記憶回路２１３やアドレス比較回路２１４にアドレス情報（列アドレス情報、行アドレス情報）を出力する。
不良アドレス記憶回路２１３は、読み出し回路２０６の電流制御素子特性判定モード時において、選択されたメモリセルが不良と判定されたとき、アドレス信号入力回路２０８から入力された列アドレス情報を不良アドレスとして記憶する。具体的には、不良アドレス記憶回路２１３は、図６Ａに示すようなアドレス変換表２１３ａを有している。図６Ａは、不良アドレス記憶回路２１３が備えるアドレス変換表の一例を示す図である。図６Ａでは、ビット線単位で不良メモリセルの救済を行う場合を示している。図６Ａに示すように、アドレス変換表２１３ａは、不良メモリセルを有する不良ビット線と、置換先の冗長メモリセルを有する冗長ビット線とを対応付けて記憶する。なお、不良メモリセルは、ビット線単位で置き換えるだけでなく、ワード線単位、または、メモリセル単位で行ってもよい。ワード線単位、または、メモリセル単位で不良メモリセルの救済を行う場合、不良メモリセルを有する不良ワード線または不良メモリセルと、不良ワード線または不良メモリセルを置き換える置換先の冗長ワード線または冗長メモリセルとを対応付けてアドレス変換表２１３ａに記憶してもよい。
アドレス比較回路２１４は、アドレス信号入力回路２０８から入力された列アドレス情報と不良アドレス記憶回路２１３で記憶している不良ビット線アドレスとを比較し、一致しているか一致していないかのアドレス一致判定信号をビット線選択回路２０４に出力する。アドレス信号入力回路２０８から入力された列アドレス情報と不良アドレス記憶回路２１３で記憶している不良ビット線のアドレスとが一致していた場合には、後に説明する救済モードにおいて、図６Ａに示したアドレス変換表２１３ａにより、不良ビット線（例えば、ＢＬ３）を置換先の冗長ビット線（例えば、ＢＬＲ１）に置き換えて記録の書き込みおよび読み出しを行う。
書き込み用電源２１０は、低抵抗化用電源２１１と高抵抗化用電源２１２より構成され、その出力はそれぞれ、メモリ本体部２０１の書き込み回路２０５に供給されている。
図６Ｂは、図５における読み出し回路２０６の構成の一例を示す回路図である。
読み出し回路２０６は、センスアンプ３００と、ビット線制御電圧切り替え回路４００と、ビット線制御電圧発生回路５００と、を備えている。
センスアンプ３００は、比較回路３１０と、カレントミラー回路３２０と、ビット線電圧制御トランジスタＮ１とで構成されている。カレントミラー回路３２０は、ＰＭＯＳトランジスタＰ１と、ＰＭＯＳトランジスタＰ２と、ＰＭＯＳトランジスタＰ３と、定電流回路３３０とで構成されている。カレントミラー回路３２０のＰＭＯＳトランジスタＰ１と、ＰＭＯＳトランジスタＰ２と、ＰＭＯＳトランジスタＰ３のそれぞれのソース端子は電源に接続され、それぞれのゲート端子は互いに接続されるとともに、ＰＭＯＳトランジスタＰ１のドレイン端子と、定電流回路３３０の一方の端子とに接続されている。定電流回路３３０のもう一方の端子は、接地電位に接続されている。ＰＭＯＳトランジスタＰ２のドレイン端子は、比較回路３１０の一方の入力端子（例えば、＋端子）と、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のドレイン端子に接続されている。ＰＭＯＳトランジスタＰ３のドレイン端子は、ビット線制御電圧発生回路５００に接続されている。ビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子は、ビット線制御電圧切り替え回路４００の出力端子と接続され、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のソース端子は、読み出し回路２０６の端子ＢＬＩＮを介して、ビット線選択回路２０４と接続されている。比較回路３１０のもう一方の端子（例えば、−端子）は、読み出し回路２０６の端子ＳＡＲＥＦと接続され、比較回路３１０の出力端子は、読み出し回路２０６の出力端子ＳＡＯＵＴを介して、データ信号入出力回路２０７と接続され、外部にデータを出力する。
ここで、ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２のそれぞれのサイズ比で決まるミラー比Ｍ２（＝Ｐ２／Ｐ１）によって、定電流回路３３０に流れる基準電流Ｉｒｅｆが増幅（または減衰）されて、ＰＭＯＳトランジスタＰ２の負荷電流Ｉｌｄ２（＝Ｉｒｅｆ×ミラー比Ｍ２）が決まる。また、ＰＭＯＳトランジスタＰ１とＰＭＯＳトランジスタＰ３のそれぞれのサイズ比で決まるミラー比Ｍ３（＝Ｐ３／Ｐ１）によって、定電流回路３３０に流れる基準電流Ｉｒｅｆが増幅（または減衰）されて、ＰＭＯＳトランジスタＰ３の負荷電流Ｉｌｄ３（＝Ｉｒｅｆ×ミラー比Ｍ３）が決まる。ＰＭＯＳトランジスタＰ２とＰＭＯＳトランジスタＰ３を同じサイズにすることで、負荷電流は同じ電流値（Ｉｌｄ２＝Ｉｌｄ３）に設定することができる。
一方、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子には、ビット線制御電圧切り替え回路４００から出力されるクランプ電圧（ＶｃｒまたはＶｃｔ）が印加されるため、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のソース端子（端子ＢＬＩＮ）には、ビット線制御電圧切り替え回路４００から出力されるクランプ電圧（ＶｃｒまたはＶｃｔ）からビット線電圧制御トランジスタＮ１の閾値電圧Ｖｔｎ分が降下した電圧が印加され、ビット線選択回路２０４を介して、選択されたビット線に印加される。
また、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のドレイン端子（端子ＳＡＩＮ）の電位は、比較回路３１０の＋端子に印加され、比較回路３１０の−端子には、端子ＳＡＲＥＦから基準電圧Ｖｒｅｆが印加されている。比較回路３１０は、−端子に印加された基準電圧Ｖｒｅｆと＋端子に印加された端子ＳＡＩＮの電位を比較する。比較回路３１０は、出力端子に、端子ＳＡＩＮの電位のほうが端子ＳＡＲＥＦの電位よりも低ければＬ電位を出力し、端子ＳＡＩＮの電位のほうが端子ＳＡＲＥＦの電位よりも高ければＨ電位を出力することで、メモリセル１０の状態を、データ信号入出力回路２０７を介して外部に出力する。
つまり、メモリセル１０に流れる電流が大きければ、端子ＳＡＩＮの電位はＨ電位からＬ電位へと早く変移し、メモリセル１０に流れる電流が小さければ、端子ＳＡＩＮの電位はＨ電位からＬ電位へと遅く変移するか、またはＨ電位のまま維持される。そして、所定の出力センスタイミングで端子ＳＡＩＮと端子ＳＡＲＥＦの電位を比較回路３１０で比較すると、端子ＳＡＩＮの電位のほうが低ければ、出力端子ＳＡＯＵＴにＬ電位を出力し、メモリセル１０に流れる電流が小さいと判定する。また、同様に端子ＳＡＩＮの電位のほうが高ければ、出力端子ＳＡＯＵＴにＨ電位を出力し、メモリセル１０に流れる電流が大きいと判定する。なお、図６Ｂには示していないが、端子ＳＡＲＥＦから印加される基準電圧Ｖｒｅｆは、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００内部で発生させても良いし、または、外部端子から印加しても構わない。
ビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子に印加される電圧は、ビット線制御電圧発生回路５００で生成される。ビット線制御電圧発生回路５００は、リファレンス電流制御素子ＲＤ１０と、ＮＭＯＳトランジスタＮ１０と、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０とで構成されている。
リファレンス電流制御素子ＲＤ１０の一方の端子は、カレントミラー回路３２０のＰＭＯＳトランジスタＰ３のドレイン端子と接続されるとともに、ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ１と接続され、読み出しクランプ電圧Ｖｃｒを出力端子より出力する。リファレンス電流制御素子ＲＤ１０のもう一方の端子は、ＮＭＯＳトランジスタＮ１０のドレイン端子とゲート端子に接続されるとともに、出力端子ＯＵＴ２と接続され、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔを出力端子より出力する。
ＮＭＯＳトランジスタＮ１０のソース端子は、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０の一方の端子と接続され、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０の他方の端子は、接地されている。
ここで、リファレンス電流制御素子ＲＤ１０、および、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０は、メモリセルアレイ２０２に含まれる電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・や抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・と同じ素子で構成される。ここでは明記していないが、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０は、メモリセルアレイ２０２に含まれる抵抗変化素子と同様に高抵抗状態、または低抵抗状態に設定することができ、少なくとも低抵抗状態のメモリセルを検出するためには、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０の抵抗値は、メモリセルアレイ２０２の平均的な高抵抗状態の抵抗値に設定することが望ましい。
ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ１から出力される読み出しクランプ電圧Ｖｃｒ、および出力端子ＯＵＴ２から出力されるセル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔは、リファレンス抵抗変化素子ＲＥ１０に印加される電圧をＶｒｅ（抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・とほぼ同じ印加電圧）、ＮＭＯＳトランジスタＮ１０の閾値電圧をＶｔｎ（ＮＭＯＳトランジスタＮ１とほぼ同じ閾値電圧）、リファレンス電流制御素子ＲＤ１０の閾値電圧をＶＦ（電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・とほぼ同じ閾値電圧）とすると、それぞれ、（式１）、（式２）で表される。
Ｖｃｒ ＝ Ｖｒｅ ＋ Ｖｔｎ ＋ ＶＦ ・・・（式１）
Ｖｃｔ ＝ Ｖｒｅ ＋ Ｖｔｎ ・・・（式２）
ＮＭＯＳトランジスタＮ１０は、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１と同一のトランジスタサイズで構成され、センスアンプ３００のＰＭＯＳトランジスタＰ３はＰＭＯＳトランジスタＰ２と同一のトランジスタサイズで構成されているが、ビット線電圧制御トランジスタＮ１とＰＭＯＳトランジスタＰ２のサイズ比を保って、ＮＭＯＳトランジスタＮ１０とＰＭＯＳトランジスタＰ３を縮小したサイズで構成してもよい。
このような構成にすることで、擬似的に出力端子ＯＵＴ１から読み出し回路２０６の端子ＢＬＩＮの電圧（即ち、メモリセルを読み出し動作するときのビット線電圧）よりビット線電圧制御トランジスタＮ１の閾値電圧Ｖｔｎ分高い電圧が出力される。また、出力端子ＯＵＴ２から、出力端子ＯＵＴ１よりもリファレンス電流制御素子ＲＤ１０の閾値電圧ＶＦ’（メモリセルの電流制御素子の閾値電圧ＶＦと同じであってもよい）分低い電圧が出力される。なお、出力端子ＯＵＴ１および出力端子ＯＵＴ２から出力される電圧が、それぞれ本実施の形態における第１出力および第２出力に相当する。
ビット線制御電圧切り替え回路４００は、スイッチＳＷ１とＳＷ２とで構成されている。ビット線制御電圧切り替え回路４００のスイッチＳＷ１の一方の端子は、ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ１と接続され、スイッチＳＷ２の一方の端子は、ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ２と接続されている。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２のそれぞれのもう一方の端子は、互いに接続され、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子に接続されている。ビット線制御電圧切り替え回路４００は、センスアンプ３００の通常読み出しモード時には、ＳＷ１をオン状態、ＳＷ２をオフ状態にすることで、ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ１の読み出しクランプ電圧ＶｃｒをトランジスタＮ１のゲート端子に出力する。また、電流制御素子特性判定モード時には、ＳＷ１をオフ状態、ＳＷ２をオン状態にすることで、ビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ２のセル特性判定クランプ電圧ＶｃｔをトランジスタＮ１のゲート端子に出力する。
以上の構成によって、ビット線に印加される電圧は、ビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子に印加される電圧からトランジスタＮ１の閾値電圧Ｖｔｎ分低い電圧を超えることはないため、通常読み出しモード時にビット線に印加される読み出し電圧Ｖｂｌｒと、電流制御素子特性判定モード時にビット線に印加されるセル特性判定電圧Ｖｂｌｔは、それぞれ、（式３）、（式４）で表すことができる。
Ｖｂｌｒ ≦ Ｖｒｅ ＋ ＶＦ ・・・（式３）
Ｖｂｌｔ ≦ Ｖｒｅ ・・・（式４）
次に、通常読み出しモード時においてのメモリセルの抵抗状態の読み出し動作について説明する。
図７は、メインメモリセルアレイ６００における電流パスを説明するための回路図である。説明を簡素化するために、前述した図５のメインメモリセルアレイ６００を３×３に配置した場合の回路図で、メモリセルＭ２２を選択する場合についての一例を示している。また、図８は、図７の等価回路図である。
図７のメインメモリセルアレイ６０１の全メモリセルが正常なメモリセルの場合におけるメモリセルの抵抗状態の読み出しについて、メモリセルＭ２２の抵抗状態の読み出しを例として説明をする。
通常読み出しモードでメモリセルＭ２２の抵抗状態を読み出す場合、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬ２にＶｓｓ電位を与え、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬ２に、（式３）に示す読み出し電圧Ｖｂｌｒを印加し、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、ハイインピーダンス状態（Ｈｉ−Ｚ）に固定してメモリセルＭ２２を選択する。本実施の形態では、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、ハイインピーダンス状態に固定しているが、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に印加される電圧以下の電圧値に設定しても構わない。
メモリセルＭ２２を選択した場合、図８に示すように、非選択メモリセルアレイ６０２中の非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３は、３段の直列接続されたメモリセルがメモリセルＭ２２に対して並列に接続されているのと等価的に表される。つまり、非選択メモリセルアレイ６０２に流れる全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｒは、選択ビット線ＢＬ２から選択ワード線ＷＬ２に至る最短の電流経路では少なくとも３段以上の非選択メモリセルを介して、複数の電流パスで電流が流れる。各段には複数の非選択メモリセルが並列に接続されており、１段目は選択ビット線ＢＬ２に接続されている非選択メモリセルＭ１２、Ｍ３２、２段目は非選択ビット線ＢＬ１またはＢＬ３と、非選択ワード線ＷＬ１またはＷＬ３に接続されている非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１３、Ｍ３１、Ｍ３３、３段目は選択ワード線ＷＬ２に接続されている非選択メモリセルＭ２１、Ｍ２３が接続されている。メモリセルアレイの規模が大きくなるほど、２段目に接続される非選択メモリセルの並列接続数が大きくなり、インピーダンスが小さくなる。行方向にＭ（＝１００個）と列方向にＮ（＝１００個）のメモリセルが配置されていると、２段目にあるメモリセルは（Ｍ−１）×（Ｎ−１）個（約１００００個近く）になるため、ほとんどインピーダンスが無視できるくらい小さくなる。
そのため、非選択メモリセルに印加される電圧は、１段目と２段目に配置されている非選択メモリセルＭ１２、Ｍ３２、Ｍ２１、Ｍ２３のインピーダンス比によって分圧されるため、行方向と列方向のメモリセルが同数の場合、各メモリセルの抵抗状態が同じとすると、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に印加される読み出し電圧Ｖｂｌｒの約１／２以下の電圧が、１段目と２段目に配置されている非選択メモリセルＭ１２、Ｍ３２、Ｍ２１、Ｍ２３に印加される。よって、非選択のメモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３が、それぞれ図４の特性（１）で示される正常なメモリセルであれば、非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３の電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ２３、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３には閾値電圧ＶＦ以下の電圧が印加されるため、オフ状態になる。したがって、非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３のそれぞれに流れる非選択セル電流の和ΣＩｎｓｅｌは、１μＡよりも少ないオフ電流しか流れない。
つまり、メモリセルＭ２２の抵抗状態を読み出す場合に流れる選択ビット線ＢＬ２に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｒは（式５）のように、選択セル電流Ｉｓｅｌｒと全非選択セル電流ΣＩｎｓｅｌｒの和になる。しかし、全非選択セル電流ΣＩｎｓｅｌｒの値がほとんど無視できるくらい小さいので、選択ビット線ＢＬ２に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｒは（式６）のように近似できる。よって、選択メモリセルＭ２２のメモリセル電流は選択ビット線ＢＬ２を介して読み出すことができ、選択メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２が第１の高抵抗状態か、低抵抗状態かを読み出すことができる。
Ｉｂｌｒ ＝ Ｉｓｅｌｒ ＋ ΣＩｎｓｅｌｒ ・・・（式５）
Ｉｂｌｒ ≒ Ｉｓｅｌｒ ・・・（式６）
なお、図８に示した非選択メモリセルアレイ６０２では、３段の非選択メモリセルを介して、選択ビット線ＢＬ２から選択ワード線ＷＬ２に流れる非選択電流パスは、少なくとも以下の（ａ）〜（ｄ）の４つのパスがある。よって、全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｒは、（式７）で示される。
（ａ） Ｉｎｓｅｌｒ（ａ）：Ｍ１２→Ｍ１１→Ｍ２１
（ｂ） Ｉｎｓｅｌｒ（ｂ）：Ｍ１２→Ｍ１３→Ｍ２３
（ｃ） Ｉｎｓｅｌｒ（ｃ）：Ｍ３２→Ｍ３１→Ｍ２１
（ｄ） Ｉｎｓｅｌｒ（ｄ）：Ｍ３２→Ｍ３３→Ｍ２３
ΣＩｎｓｅｌｒ ＝ Ｉｎｓｅｌｒ（ａ） ＋ Ｉｎｓｅｌｒ（ｂ）
＋Ｉｎｓｅｌｒ（ｃ） ＋ Ｉｎｓｅｌｒ（ｄ）・・・（式７）
ここで、選択されたメモリセルＭ２２の電流制御素子Ｄ２２が破壊してショートしているような場合、電流制御素子Ｄ２２は導通状態とみなせる状態になり、ビット線電圧Ｖｂｌｒは全て抵抗変化素子Ｒ２２に印加される。そのため、選択ビット線電流Ｉｂｌｒは、メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２が第１の低抵抗状態でも第１の高抵抗状態でも、正常なメモリセルの場合に流れるメモリセル電流より大きい値となる。したがって、メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２の抵抗状態に応じた電流を正確に読み出すことができないため、メモリセルＭ２２の抵抗状態を検出することができない。
ここで、抵抗変化素子Ｒ２２が第１の低抵抗状態の場合に正常なメモリセルに流れるメモリセル電流を、第１の所定値という。また、抵抗変化素子Ｒ２２が第１の高抵抗状態の場合に正常なメモリセルに流れるメモリセル電流を、第２の所定値という。
このような電流制御素子がショート不良を起こしている不良メモリセルの判定方法および不良メモリセルの救済方法については後述する。
また、メモリセルアレイ中の選択メモリセル以外に、ショート不良を起こしている電流制御素子を有する不良メモリセルが含まれている場合のメモリセルの読み出しについても説明をする。
図９は、メインメモリセルアレイ６０１中の非選択メモリセルのひとつ、例えばメモリセルＭ２３がショート不良を起こしている場合の電流パスを説明するための回路図である。説明を簡素化するために、前述した図５のメインメモリセルアレイ６００を３行×３列に配置した場合の回路図で、メモリセルＭ２２を選択し、メモリセルＭ２３がショート不良を起こしている場合についての一例を示している。また、図１０は、図９の等価回路図である。
図９のメインメモリセルアレイ６０１中のメモリセルＭ２２の抵抗状態を読み出しモードで読み出す場合について説明をする。通常読み出しモードでメモリセルＭ２２の抵抗状態を読み出す場合、前述したように、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬ２にＶｓｓ電位を与え、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬ２に、（式３）に示す読み出し電圧Ｖｂｌｒを印加し、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３は、ハイインピーダンス状態（Ｈｉ−Ｚ）に固定してメモリセルＭ２２を選択する。本実施の形態では、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、ハイインピーダンス状態に固定しているが、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に印加される電圧以下の電圧値に設定しても構わない。
ここで、例えば、メインメモリセルアレイ６０１の非選択メモリセルＭ２３がショート不良を起こしている場合、メインメモリセルアレイ６０１には異常電流Ｉｆａｉｌ１やＩｆａｉｌ２が流れることによって、メインメモリセルアレイ６０１全体に影響を及ぼし、選択メモリセルＭ２２の抵抗状態を正確に検出することができない。
詳細には、図１０に示すように、非選択メモリセルアレイ６０２中の非選択メモリセルＭ２３がショート不良を起こしていると、メモリセルＭ２３はほぼ導通状態とみなせる状態になり、先ほどの非選択電流パスの（ｂ）、および（ｄ）の複数の電流パスで抵抗値が低くなり異常電流が流れるため、（式７）で示される全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｒの値が大きな値になり、選択メモリセルＭ２２に流れるメモリセル電流を正常に読み出すことができなくなる。つまり、不良メモリセルＭ２３がメインメモリセルアレイ６０１に接続されている限り、不良メモリセルＭ２３が非選択状態であっても、非選択メモリセルアレイ６０２に異常電流が流れ、メインメモリセルアレイ６０１全体に影響を及ぼすことになり、選択メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２の抵抗状態を検出することが難しくなる。
本願では、このようなショート不良を起こしている不良メモリセルを判定し、救済する方法について以下に示す。
［不良メモリセルの判定方法］
図１１は、本実施の形態のメモリセルアレイ２０２における電流パスを説明するための回路図である。説明を簡素化するために、前述した図５のメインメモリセルアレイ６００を３行×３列に配置した場合の回路図で、メモリセルＭ２２を選択する場合についての一例を示している。また、図１２は、図１１の等価回路図である。
まず、図１１のメインメモリセルアレイ６０１中のメモリセルＭ２２を電流制御素子特性判定モードで判定する場合について説明をする。電流制御素子特性判定モードでメモリセルＭ２２が正常な状態か、ショート不良を起こしている状態かを判定する場合、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬ２にＶｓｓ電位を与え、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬ２に、（式４）に示すセル特性判定電圧Ｖｂｌｔ（第２電圧）を印加し、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３は、ハイインピーダンス状態（Ｈｉ−Ｚ）に固定してメモリセルＭ２２を選択する。すなわち、ビット線ＢＬ２に、通常読み出しモードにおけるビット線電圧Ｖｂｌｒよりも、リファレンス電流制御素子ＲＤ１０の閾値電圧ＶＦ’（電流制御素子Ｄ２２とほぼ同じ閾値電圧）だけ低いビット線電圧Ｖｂｌｔを印加する。なお、本実施の形態では、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３、および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、ハイインピーダンス状態に固定しているが、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に印加される電圧以下の電圧値に設定しても構わない。
図１２に示すように、電流制御素子特性判定モードで、選択ビット線に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｔは、選択されたメモリセルＭ２２に流れる選択メモリセル電流Ｉｓｅｌｔと、非選択メモリセルアレイ６０２に流れる全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｔとの和になる。ここで、メモリセルＭ２２には、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に与えられたセル特性判定電圧Ｖｂｌｔが印加され、メモリセルＭ２２のセル特性状態に応じて選択メモリセル電流Ｉｓｅｌｔが流れる。一方、非選択メモリセルアレイ６０２には、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に与えられたセル特性判定電圧Ｖｂｌｔが印加される。いずれの組み合わせをとっても等価的に３段の直列接続になっているため、選択ビット線ＢＬ２に印加されたセル特性判定電圧Ｖｂｌｔは、非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３のそれぞれのインピーダンスに従って分圧されて印加される。そのため、非選択メモリセルアレイ６０２中の非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３が正常なメモリセルの場合、それぞれの電流制御素子には閾値電圧ＶＦ以下の電圧しか印加されないため、それぞれの電流制御素子はオフ状態になり、非選択メモリセルアレイ６０２の全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｔはほとんど電流が流れない。つまり、選択ビット線電流Ｉｂｌｔは、選択メモリセル電流Ｉｓｅｌｔとほとんど同じになり、選択されたメモリセルＭ２２のセル特性状態を読み出すことができる。また、非選択メモリセルアレイ６０２中の非選択メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３の中のいずれか１つのメモリセルがショート不良を起こしている不良メモリセルの場合であっても、選択ビット線ＢＬ２と選択ワード線ＷＬ２間に与えられたセル特性判定電圧Ｖｂｌｔは電流制御素子Ｄ２２の閾値電圧ＶＦよりも低い。このため、３段の直列接続されたメモリセルのうちの１つがショート不良を起こしていても、他の２つのメモリセルが正常であれば、それぞれの電流制御素子には閾値電圧ＶＦ以下の電圧しか印加されない。したがって、それぞれの電流制御素子はオフ状態になり、非選択メモリセルアレイ６０２の全非選択メモリセル電流ΣＩｎｓｅｌｔはほとんど電流が流れない。つまり、選択ビット線電流Ｉｂｌｔは、選択メモリセル電流Ｉｓｅｌｔとほとんど同じになる。したがって、選択ビット線電流Ｉｂｌｔを検出することによって、選択されたメモリセルＭ２２のセル特性状態を読み出すことができる。
つまり、メモリセルＭ２２の状態を読み出す場合に流れる選択ビット線ＢＬ２に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｔは（式８）のように、選択セル電流Ｉｓｅｌｔと全非選択セル電流ΣＩｎｓｅｌｔとの和になるが、全非選択セル電流ΣＩｎｓｅｌｔの値がほとんど無視できるくらい小さい。このため、選択ビット線ＢＬ２に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｔは（式９）のように近似でき、選択メモリセルＭ２２のメモリセル電流は選択ビット線ＢＬ２を介して読み出すことができ、メモリセルＭ２２が正常な状態か、ショート不良の状態かを読み出すことができる。
Ｉｂｌｔ ＝ Ｉｓｅｌｔ ＋ ΣＩｎｓｅｌｔ ・・・（式８）
Ｉｂｌｔ ≒ Ｉｓｅｌｔ ・・・（式９）
ここで、選択されたメモリセルＭ２２が正常なメモリセルの場合は、（式４）に示すビット線電圧ＶｂｌｔがメモリセルＭ２２に印加されると、電流制御素子Ｄ２２には閾値電圧ＶＦ以下の電圧が印加されるため、電流制御素子Ｄ２２はオフ状態になる。これにより、抵抗変化素子Ｒ２２の抵抗状態に関わらず選択ビット線電流Ｉｂｌｔはほとんど電流が流れない。
一方、メモリセルＭ２２の電流制御素子Ｄ２２がショート破壊している場合、電流制御素子Ｄ２２は通常の導通状態よりも抵抗値が低い状態になり、ビット線電圧Ｖｂｌｔは全て抵抗変化素子Ｒ２２に印加される。ここで、抵抗変化素子Ｒ２２が第１の低抵抗状態のときは、抵抗変化素子Ｒ２２の抵抗値に応じて選択ビット線電流Ｉｂｌｔが流れるため、読み出し回路２０６で電流を検出することで、メモリセルＭ２２がショート破壊されていることを判定することができる。ここで、読み出し回路２０６は、例えば、第１の低抵抗状態の抵抗変化素子と正常な電流制御素子に、正常な電流制御素子がオンし始めるような閾値電圧（第１電圧）を印加したときに、正常な電流制御素子はオフ状態（最大オフ電流が流れる）とみなせる場合に、ショート破壊している電流制御素子Ｄ２２に、正常な電流制御素子に流れる最大オフ電流（第１の所定値）より大きい電流が流れる場合、「メモリセルＭ２２が破壊されている」と判定することとしてもよい。
また、抵抗変化素子Ｒ２２が第１の高抵抗状態のときは、読み出し回路２０６は、例えば、第１の高抵抗状態の抵抗変化素子と正常な電流制御素子に、正常な電流制御素子がオンし始めるような閾値電圧（第２電圧）を印加したときに、正常な電流制御素子はオフ状態（最大オフ電流が流れる）とみなせる場合に、ショート破壊している電流制御素子Ｄ２２に、正常な電流制御素子に流れる最大オフ電流（第２の所定値）より大きい電流が流れる場合、「メモリセルＭ２２が破壊されている」と判定することとしてもよい。
ここで、抵抗変化素子Ｒ２２が第１の高抵抗状態のときは、抵抗変化素子Ｒ２２には選択ビット線電流Ｉｂｌｔがほとんど流れないために、電流制御素子Ｄ２２が破壊しているかどうかは判定することが困難である場合がある。
つまり、双方向型の電流制御素子を用いた本実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置２００において、電流制御素子特性判定モードでは、少なくとも、選択メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２が第１の低抵抗状態の場合は、選択メモリセルＭ２２の電流制御素子Ｄ２２の状態が正常状態か、ショート破壊状態かを判定することができ、不良メモリセルのアドレスの特定をすることができる。また、選択メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２が第１の高抵抗状態の場合は、選択メモリセルＭ２２の電流制御素子Ｄ２２の状態（正常状態またはショート破壊状態）を正しく判定することが困難な場合があるが、選択メモリセルＭ２２の抵抗変化素子Ｒ２２を第１の低抵抗状態にしてから電流制御素子特性判定モードを実施することで、選択メモリセルＭ２２の電流制御素子Ｄ２２の状態が正常状態か、破壊状態かを判定することができる。
また、非選択メモリセルアレイ６０２に流れる非選択電流パスにおいて、３段のメモリセルが直列に接続されているため、非選択メモリセルアレイ６０２中のリーク電流パス経路中の少なくとも２ビット以下のメモリセルが破壊されていても、残り１ビットが正常であれば全非選択メモリセルアレイ電流ΣＩｎｓｅｌｔは流れない。このため、選択ビット線ＢＬ２に流れる選択ビット線電流Ｉｂｌｔを判定することで、不良メモリセルのアドレスの特定をすることができる。また、例えば、Ｍ１２、Ｍ１１、Ｍ２３のように２ビットを超える不良メモリセルが存在しても、（ａ）〜（ｄ）のリーク電流パス上にいずれも２ビット以下の不良メモリセルしかないため非選択メモリセルアレイ電流Ｉｎｓｅｌはほとんど流れず、同様に不良メモリセルのアドレスの特定をすることができる。また、同じリーク電流パス上の３ビット全てが不良メモリセルのような場合は、メモリセルアレイ２０２中の大部分のメモリセルも同様の不良を持っている場合であり、解析等で容易に不良メモリセルを見つけることは可能である。
図１３は、通常読み出しモード時と、電流制御素子特性判定モード時における各設定状態と、図６Ｂに示した読み出し回路２０６の出力端子ＳＡＯＵＴの状態を表した表（モード別真理値表）である。図１３において、「Ｌ」は、本実施の形態における第１の論理出力であり、メモリセルの抵抗状態が第１の低抵抗状態のときにセンスアンプ３００がＬ電位を出力することを示している。また、「Ｈ」は、本実施の形態における第２の論理出力であり、メモリセルの抵抗状態が第１の高抵抗状態のときにセンスアンプ３００の出力がＨ電位を出力することを示している。
通常読み出しモード時においては、図１３に示すように、ビット線制御電圧切り替え回路４００のＳＷ１はオン状態、ＳＷ２はオフ状態になっているため、図６Ｂに示したセンスアンプ３００のビット線制御電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子（ノードＣＬＭＰ）には、読み出しクランプ電圧Ｖｃｒ（＝Ｖｒｅ＋Ｖｔｎ＋ＶＦ）が印加されている。そのため、ビット線選択回路２０４を介して端子ＢＬＩＮと接続されている選択ビット線ＢＬの電圧は、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子の読み出しクランプ電圧Ｖｃｒから、ビット線電圧制御トランジスタＮ１の閾値電圧Ｖｔｎ分降下した（Ｖｒｅ＋ＶＦ）以下の電圧に設定される。
ここで、選択されたメモリセルが正常なセルのとき、メモリセルの電流制御素子はオン状態になり、メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態によって、メモリセルに流れるメモリセル電流が決まる。このメモリセル電流によって、ビット線ＢＬ、およびビット線選択回路２０４を介して、読み出し回路２０６のセンスアンプ３００の端子ＳＡＩＮの電位がＨ電位からＬ電位へと変移する。ここで、メモリセルの抵抗変化素子が第１の低抵抗状態であれば、メモリセル電流が大きくなり、端子ＳＡＩＮの電位は早くＬ電位へと変移し、メモリセルの抵抗変化素子が第１の高抵抗状態であれば、メモリセル電流が小さくなり、端子ＳＡＩＮの電位は遅くＬ電位へと変移するか、もしくはＨ電位のまま維持される。そのため、所定の出力タイミングで端子ＳＡＩＮと端子ＳＡＲＥＦの電位を比較回路３１０で比較すると、端子ＳＡＩＮの電位のほうが低ければ、出力端子ＳＡＯＵＴにＬ電位を出力してメモリセルに流れる電流が小さいと判定し、端子ＳＡＩＮの電位のほうが高ければ、出力端子ＳＡＯＵＴにＨ電位を出力してメモリセルに流れる電流が大きいと判定する。つまり、センスアンプ３００がＬ電位を出力すれば、メモリセルの状態は第１の低抵抗状態を示し、センスアンプ３００の出力がＨ電位を出力すれば、メモリセルの状態は第１の高抵抗状態を示す。
一方、選択されたメモリセルの電流制御素子が破壊されたセルのとき、メモリセルに印加された電圧のほとんどが抵抗変化素子に印加されるため、抵抗変化素子が第１の高抵抗状態であったとしても、メモリセル電流が多く流れる場合がある。つまり、抵抗変化素子が第１の低抵抗状態であれば、センスアンプ３００の出力はＬ電位になり、メモリセルの状態は第１の低抵抗状態を示すが、抵抗変化素子が第１の高抵抗状態の場合、センスアンプ３００の出力は、Ｌ電位、またはＨ電位になるため、メモリセルの抵抗状態を正確に判別することができない。
以上のように、通常読み出しモードにおいては、メモリセルが正常なセルの場合は、センスアンプ３００の出力電位によって、メモリセルの抵抗状態を判定することができる。一方、メモリセルの電流制御素子が破壊されたセルの場合は、メモリセルの抵抗状態を判定することができない。
また、電流制御素子特性判定モード時においては、図１３に示すように、ビット線制御電圧切り替え回路４００のＳＷ１はオフ状態、ＳＷ２はオン状態になっているため、図６Ｂに示したセンスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子（ノードＣＬＭＰ）には、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔ（＝Ｖｒｅ＋Ｖｔｎ）が印加されている。そのため、ビット線選択回路２０４を介して端子ＢＬＩＮと接続されている選択ビット線ＢＬの電圧は、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子のセル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔから、ビット線電圧制御トランジスタＮ１の閾値電圧Ｖｔｎ分降下した（Ｖｒｅ）以下の電圧に設定される。
ここで、選択されたメモリセルが正常なセルのとき、メモリセルの電流制御素子はオフ状態になるため、メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態に関わらず、メモリセルに流れるメモリセル電流はほとんど流れない。このメモリセル電流を、ビット線ＢＬ、およびビット線選択回路２０４を介して、読み出し回路２０６のセンスアンプ３００で判定すると、センスアンプ３００の出力は、抵抗変化素子の抵抗状態に関わらずＨ電位を出力する。
一方、選択されたメモリセルの電流制御素子が破壊されたセルのとき、メモリセルに印加された電圧のほとんどが抵抗変化素子に印加されるため、抵抗変化素子が第１の高抵抗状態であったとしても、メモリセルに電流が多く流れる場合がある。つまり、抵抗変化素子が第１の低抵抗状態であれば、センスアンプ３００の出力は、Ｌ電位になり、電流制御素子が破壊されていることを判定することができるが、抵抗変化素子が第１の高抵抗状態の場合、センスアンプ３００の出力は、抵抗変化素子の抵抗値によって、Ｌ電位、またはＨ電位になるため、メモリセルのセル特性状態を正確に判別することができない。
メモリセルの抵抗変化素子が第１の高抵抗状態の場合は、あらかじめ抵抗変化素子を第１の低抵抗状態にしてから電流制御素子特性判定モードを実施することで、メモリセルの電流制御素子の状態が正常状態か、破壊状態かを判定することができる。あらかじめ抵抗変化素子を第１の低抵抗状態にした場合に、電流制御素子に第１の所定値よりも大きい電流が流れないとき、電流制御素子が正常であると明確に判断することが可能である。抵抗変化素子を第１の低抵抗状態にするには、書き込み回路２０５により、ＢＬを基準にしてＷＬに高い電位となる低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌを印加すると、抵抗変化素子は第１の低抵抗状態に変化する。
以上のように、電流制御素子特性判定モードにおいては、少なくとも、メモリセルの抵抗変化素子が第１の低抵抗状態の場合は、メモリセルの電流制御素子の状態を判定することができる。つまり、抵抗変化素子が低抵抗状態でありかつ電流制御素子に第１の所定値より大きい電流が流れるとき、メモリセルの電流制御素子が短絡異常を有していると判定することができる。なお、第１の所定値は、上記のメモリセルの電流制御素子の最大オフ電流の値としてもよい。
また、メモリセルの抵抗変化素子が第１の高抵抗状態の場合は、メモリセルの電流制御素子の状態を正確に判定することができないが、抵抗変化素子を第１の低抵抗状態にしてから電流制御素子特性判定モードを実施することで、メモリセルの電流制御素子の状態が正常状態か、破壊状態かを判定することができる。破壊状態である電流制御素子を有すると判定されたメモリセルは、使用しないこととするか、または、所定のリペア処理等を行うこととしてもよい。
次に、電流制御素子特性判定モード時の判定フローの一例について説明する。
図１４Ａは、メモリセルの抵抗変化素子の状態に依存しない電流制御素子特性判定モード時の判定フローの一例である。
初めに、読み出し回路２０６を電流制御素子特性判定モードに設定すると（ステップＳ１０１）、ビット線制御電圧切り替え回路４００のＳＷ１はオフ状態になり、ＳＷ２はオン状態になる。これにより、図６Ｂに示したビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ２が選択され、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子には、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔが印加される。
次に、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つのメモリセルを選択する（ステップＳ１０２）。また、その選択されたメモリセルに対して読み出し動作を行う（ステップＳ１０３）。
そして、センスアンプ３００の出力端子ＳＡＯＵＴに出力される電圧を判定し（ステップＳ１０４）、Ｌ電位であればメモリセルの電流制御素子が破壊されたセルとして判定する（ステップＳ１０５）。Ｈ電位であれば正常セルか、もしくは電流制御素子の破壊が検出されなかったセルとして判定をする（ステップＳ１０６）。そして、全メモリセル領域を判定（ステップＳ１０７）した後、電流制御素子特性判定モードを終了する。
つまり、図１４Ａの電流制御素子特性判定モード時の判定フローでは、センスアンプ３００の出力端子ＳＡＯＵＴにＬ電位が出力されれば、メモリセルの電流制御素子が破壊されていると判定できる。
図１４Ｂは、メモリセルの抵抗変化素子の状態を最初に第１の低抵抗状態に設定した後の、電流制御素子特性判定モード時の判定フローの一例である。
初めに、電流制御素子特性判定の対象となるメモリセルに第１の低抵抗化パルスを印加して第１の低抵抗状態に設定し（ステップＳ２００）、その後、読み出し回路２０６を電流制御素子特性判定モードに設定すると（ステップＳ２０１）、ビット線制御電圧切り替え回路４００のＳＷ１はオフ状態になり、ＳＷ２はオン状態になる。これにより、図６Ｂに示したビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ２が選択され、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子には、セル特性判定クランプ電圧Ｖｃｔが印加される。
次に、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つのメモリセルを選択する（ステップＳ２０２）。また、その選択されたメモリセルに対して前述した電流制御素子特性判定動作（電流制御素子特性の読み出し動作）を行う（ステップＳ２０３）。
そして、センスアンプ３００の出力端子ＳＡＯＵＴに出力される電圧を判定し（ステップＳ２０４）、Ｌ電位であればメモリセルの電流制御素子が破壊されたセルとして判定する（ステップＳ２０５）。Ｈ電位であれば正常セルとして判定する（ステップＳ２０６）。そして、全メモリセル領域を判定（ステップＳ２０７）した後、電流制御素子特性判定モードを終了する。
つまり、図１４Ｂの電流制御素子特性判定モード時の判定フローでは、あらかじめメモリセルの抵抗変化素子の状態を第１の低抵抗状態に設定することで、メモリセルの電流制御素子が破壊されているかどうかを正確に判定することができる。
次に、抵抗変化素子特性判定モード時の判定フローの一例について説明する。
図１５は、メモリセルの抵抗変化素子特性判定モード時の判定フローの一例である。メモリセルの抵抗変化素子特性判定は、選択されたメモリセルに対して通常の書き込みを行った後、読み出しを行うことにより、書き込みが成功していれば、正常なメモリセル、書き込みが成功していなければ、破壊されたメモリセルとして判定する。破壊されたメモリセルとは、例えば、抵抗変化素子が第１の低抵抗状態よりも抵抗値が低い第２の低抵抗状態になり、抵抗変化しない状態をいう。
初めに、読み出し回路２０６を抵抗変化素子特性判定モードに設定すると（ステップＳ３０１）、抵抗変化型不揮発性記憶装置は、書き込みモード（高抵抗化）に設定される。
次に、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つのメモリセルを選択する（ステップＳ３０２）。
続けて、その選択されたメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ３０３）。このとき、メモリセルには、第１の高抵抗化パルスを印加する。
書き込み動作終了後、通常読み出しモードと同様、ビット線制御電圧切り替え回路４００のＳＷ１はオン状態になり、ＳＷ２はオフ状態になる。これにより、図６Ｂに示したビット線制御電圧発生回路５００の出力端子ＯＵＴ１が選択され、センスアンプ３００のビット線電圧制御トランジスタＮ１のゲート端子には、読み出しクランプ電圧Ｖｃｒが印加される。その選択されたメモリセルに対して読み出し動作を行う（ステップＳ３０４）。
そして、センスアンプ３００の出力端子ＳＡＯＵＴに出力される電圧を判定し（ステップＳ３０５）、Ｌ電位であればメモリセルの抵抗変化素子が破壊されたセルとして判定する（ステップＳ３０６）。Ｈ電位であれば正常セルとして判定をする（ステップＳ３０７）。そして、全メモリセル領域を判定（ステップＳ３０８）した後、抵抗変化素子特性判定モードを終了する。
つまり、図１５の抵抗変化素子特性判定モード時の判定フローでは、センスアンプ３００の出力端子ＳＡＯＵＴにＬ電位が出力されれば、メモリセルの抵抗変化素子が破壊されていると判定できる。
なお、抵抗変化素子特性判定モード時の書き込み電圧は、上記した第１の高抵抗化パルスに限らず、例えば、抵抗変化素子の初期ブレイク時に印加される初期ブレイク電圧を利用してもよい。
［不良メモリセルの救済方法］
次に、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法について述べる。
図１６は、電流制御素子特性判定モードで不良メモリセルと判定されたメモリセルの救済方法のフローチャートの一例を示している。詳細には、電流制御素子が破壊されている不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外の正常なメモリセルに対して、メモリセルの抵抗変化素子を第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態（通常書き込みの低抵抗状態よりも抵抗値が高い状態）にする。これにより、不良メモリセルが配置されたビット線またはワード線に配置された全てのメモリセルは、使用されないこととなる。さらに、冗長メモリセルを用いて不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに代えて、他の正常なメモリセルを代用するために、代用前後のメモリセルのアドレスを対応付けて記憶する。
図１６に示すように、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法では、初めに、抵抗変化型不揮発性記憶装置を書き込みモード（高抵抗化）に設定し（ステップＳ４０１）、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つの選択された不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外の正常なメモリセルに対して、第２の高抵抗化パルスを印加して高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ４０２）。その後、不良検知モードに設定し（ステップＳ４０３）、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっているかを、読み出し回路２０６のセンスアンプ３００にて判定する（ステップＳ４０４）。
不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっている場合は、対象のメモリセルが高抵抗化成功と判断し（ステップＳ４０５）、対象のメモリセルのアドレスを不良アドレス記憶回路２１３に記憶し（ステップＳ４０６）、終了する。
一方、ステップＳ４０４にて、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっていなかった場合は、モード設定を再び書き込みモード（高抵抗化）に設定する（ステップＳ４０７）。その後、別の書き込み条件を設定することができるか判定し（ステップＳ４０８）、別の書き込み条件を設定することができるようであれば別の書き込み条件に設定し（ステップＳ４０９）、再度、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ４０２）。別の書き込み条件とは、書き込み電圧や、書き込みパルス時間、書き込みドライバーの駆動能力等を変えることである。例えば、別の書き込み条件として、書き込み電圧を、後に説明する第１の高抵抗状態よりもさらに抵抗値の高い第３の高抵抗状態にするための第３の書き込みパルスに変更してもよい。また、ステップＳ４０８で、別の書き込み条件を設定することができないようであれば、対象の不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルの高抵抗化失敗と判断し（ステップＳ４１０）、終了する。この場合は、不良メモリセルは救済できないため不良回路として扱われる。
なお、上記の不良メモリセルの検知フローおよび救済フローは、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の電源投入時、所定の周期毎、または、記録の書き込み毎に行うこととしてもよい。
図１７は、本実施の形態における書き込み回路２０５と書き込み用電源２１０とそれらの接続関係の一例を示す回路図である。
図１７に示すように、書き込み回路２０５は、メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を高抵抗状態に変化させるためにメモリセルに電圧および電流を印加するＨＲ書き込み回路７００と、抵抗変化素子の抵抗状態を第１の低抵抗状態に変化させるためにメモリセルに電圧および電流を印加するＬＲ書き込み回路８００とで構成されている。
ＨＲ書き込み回路７００は、ワード線選択回路２０３およびビット線選択回路２０４で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルが正常なメモリセルの場合、当該メモリセルの抵抗変化素子を第１の高抵抗状態に遷移させるための電圧として、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬを基準にして、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬに、第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１を印加する回路である。
ＨＲ書き込み回路７００は、ＰＭＯＳ７０１と、ＰＭＯＳ７０２と、ＮＭＯＳ７０３と、ＮＭＯＳ７０４と、インバータ７０５と、インバータ７０６とで構成されている。なお、単に「ＰＭＯＳ」、「ＮＭＯＳ」との記載は、それぞれ、「ＰＭＯＳトランジスタ」、「ＮＭＯＳトランジスタ」を意味する。
ＰＭＯＳ７０１と、ＰＭＯＳ７０２と、ＮＭＯＳ７０３と、ＮＭＯＳ７０４とは、この順に直列をなすように互いの主端子（一方のドレイン端子と他方のソース端子）同士が接続され、ひとつの電流経路を形成している。ＰＭＯＳ７０１の２つの主端子のうち、ＰＭＯＳ７０２の接続されていない方の主端子（ソース端子）は、電源（例えば、高抵抗化用電源２１２）に接続されている。また、ＮＭＯＳ７０４の２つの主端子のうち、ＮＭＯＳ７０３と接続されていない方の主端子（ソース端子）は、接地電位に接続されている。
データ信号入出力回路２０７から出力されるＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨは、インバータ７０６の入力端子とＮＭＯＳ７０３のゲートに入力され、インバータ７０６の入力端子から入力されたＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨは、反転信号として、ＰＭＯＳ７０２のゲートに入力される。また、制御回路２０９から出力されるＨＲ書き込みパルス信号ＷＰＨは、インバータ７０５の入力端子に入力され、インバータ７０５の入力端子から入力された信号は、反転信号として、ＰＭＯＳ７０１とＮＭＯＳ７０４のゲートに入力される。ＰＭＯＳ７０２とＮＭＯＳ７０３のそれぞれの一方の主端子（ドレイン端子）は接続され、ＨＲ書き込み回路７００の出力端子ＷＤＨを通して書き込み回路２０５から出力され、ビット線選択回路２０４およびワード線選択回路２０３に接続される。
ＨＲ書き込み回路７００は、ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨがＨ状態のときに、書き込みパルス信号ＷＰＨに従って、高抵抗化用電源２１２から供給されるＶＨ電位（＝第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１）と接地電位（Ｖｓｓ）のいずれかを出力し、ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨがＬ状態のときには、Ｈｉ−Ｚ状態を出力端子ＷＤＨから出力する。
ＬＲ書き込み回路８００は、ワード線選択回路２０３およびビット線選択回路２０４で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルが正常なメモリセルの場合、当該メモリセルの抵抗変化素子を第１の低抵抗状態に遷移させるための電圧として、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬを基準にして、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬに、第１の低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌ１を印加する回路である。
ＬＲ書き込み回路８００は、ＰＭＯＳ８０１と、ＰＭＯＳ８０２と、ＮＭＯＳ８０３と、ＮＭＯＳ８０４と、インバータ８０５と、インバータ８０６とで構成されている。
ＰＭＯＳ８０１と、ＰＭＯＳ８０２と、ＮＭＯＳ８０３と、ＮＭＯＳ８０４とは、この順に直列をなすように主端子（ドレイン端子、またはソース端子）同士が接続され、ひとつの電流経路を形成している。ＰＭＯＳ８０１の２つの主端子のうち、ＰＭＯＳ８０２の接続されていない方の主端子（ソース端子）は電源（例えば、低抵抗化用電源２１１）に接続されている。また、ＮＭＯＳ８０４の２つの主端子のうち、ＮＭＯＳ８０３と接続されていない方の主端子（ソース端子）は、接地電位に接続されている。
データ信号入出力回路２０７から出力されるＬＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＬは、インバータ８０６の入力端子とＮＭＯＳ８０３のゲートに入力され、インバータ８０６の入力端子から入力されたＬＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＬは、反転信号として、ＰＭＯＳ８０２のゲートに入力される。また、制御回路２０９から出力されるＬＲ書き込みパルス信号ＷＰＬは、インバータ８０５の入力端子に入力され、インバータ８０５の入力端子から入力された信号は、反転信号として、ＰＭＯＳ８０１とＮＭＯＳ８０４のゲートに入力される。ＰＭＯＳ８０２とＮＭＯＳ８０３のそれぞれの一方の主端子（ドレイン端子）は接続され、ＬＲ書き込み回路８００の出力端子ＷＤＬを通して書き込み回路２０５から出力され、ワード線選択回路２０３に接続される。
ＬＲ書き込み回路８００は、ＬＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＬがＨ状態のときに、ＬＲ書き込みパルス信号ＷＰＬに従って、低抵抗化用電源２１１から供給されるＶＬ電位（＝第１低抵抗化書き込み電圧Ｖｗｌ１）と接地電位（Ｖｓｓ）のいずれかを出力し、ＬＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＬがＬ状態のときには、Ｈｉ−Ｚ状態を出力端子ＷＤＬから出力する。
不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルを第１の低抵抗状態の抵抗値以上の抵抗値を持つ第２の高抵抗状態にすることで、不良メモリセルに流れていた異常電流を削減することができる。その後、不良メモリセルを含むビット線、またはワード線を冗長ビット線、または冗長ワード線と置き換えることで救済処理を行っても、不良メモリセルには異常電流が流れないため、不良メモリセルがメモリセルアレイ２０２と切断されていない状態であっても異常電流はメモリセルアレイ２０２には流れず、選択メモリセルに対して、安定した読み出しを行うことができる。
図１８は、本実施の形態における選択ビット線に印加される電圧と選択ビット線に流れる電流の電圧電流特性の一例を示す図である。図５の抵抗変化型不揮発性記憶装置２００において、メモリセルアレイ２０２の全てのメモリセル１００が、例えば、図４に示した特性（１）のような正常な特性を示し、かつ、全てのメモリセル１００の抵抗変化素子１０２が第１の低抵抗状態である場合、図１８に示すように横軸に選択ビット線に印加される電圧Ｖ、縦軸に選択ビット線に流れる電流Ｉをとると、図１８の破線の特性（１０）のような特性を示す。同様に、メモリセルアレイ２０２の全てのメモリセル１００が、例えば、図４に示した特性（１）のような正常な特性を示し、かつ、全てのメモリセル１００の抵抗変化素子１０２が第１の高抵抗状態である場合、図１８の太実線の特性（１１）のような特性を示す。
一方、図５の抵抗変化型不揮発性記憶装置２００のメモリセルアレイ２０２中の選択メモリセル１００を第１の高抵抗状態にし、非選択メモリセルの１つが、例えば図９で示したようなメモリセルＭ２３のように電流制御素子Ｄ２３がショート不良を起こし、かつ不良のメモリセルＭ２３の抵抗変化素子Ｒ２３が第１の低抵抗状態の抵抗値よりも低い第２の低抵抗状態の抵抗値である場合、不良のメモリセルＭ２３と同一のビット線に接続されている、不良のメモリセルＭ２３とは別のメモリセルＭ１３、Ｍ３３、・・・を全て第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態にすると、図１８の白三角印の特性（２０）の特性を示す。
つまり、選択メモリセル１００が第１の高抵抗状態で、不良のメモリセルＭ２３と同一のビット線に接続されている、不良のメモリセルＭ２３とは別のメモリセルＭ１３、Ｍ３３、・・・を全て第２の高抵抗状態にしたときの特性（２０）は、選択メモリセル１００が第１の低抵抗状態の特性（１０）よりも高い抵抗値である特性を示している。そのため、不良のメモリセルＭ２３と同一のビット線に接続されている、不良のメモリセルＭ２３とは別のメモリセルＭ１３、Ｍ３３、・・・を全て第１の低抵抗状態の抵抗値よりも高い第２の高抵抗状態の抵抗値にすることで、非選択メモリセルアレイ中のメモリセルの不良の有無に関わらず、選択メモリセルの状態を判定することができる。
また、不良のメモリセルＭ２３と同一のビット線に接続されている、不良のメモリセルＭ２３とは別のメモリセルＭ１３、Ｍ３３、・・・を全て、第１の高抵抗状態よりも抵抗値が高い抵抗状態にしたほうがよりよい。例えば、不良のメモリセルＭ２３と同一のビット線に接続されている、不良のメモリセルＭ２３とは別のメモリセルＭ１３、Ｍ３３、・・・を全て、第１の高抵抗状態の抵抗値よりも約１０倍程度抵抗値が高い第３の高抵抗状態にすると、図１８の白四角印の特性（２１）のような特性を示し、特性（２０）よりもより高抵抗の（電流が少ない）特性を示している。そのため、非選択メモリセルアレイ中のメモリセルの不良の有無に関わらず、選択メモリセルの状態をより正確に判定することができる。
（第１の実施の形態の変形例）
次に、本発明の第２の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置について説明をする。
図１９は、本実施の形態にかかる書き込み回路２５５と書き込み用電源２１０とそれらの接続関係の、第１の実施の形態に記載の構成と異なる構成を示す回路図である。
図１９に示すように、書き込みモード時に書き込み回路２５５は、メモリセルの抵抗変化素子の抵抗状態を高抵抗状態に変化させるためにメモリセルに電圧および電流を印加するＨＲ書き込み回路７５０と、抵抗変化素子の抵抗状態を低抵抗状態に変化させるためにメモリセルに電圧および電流を印加するＬＲ書き込み回路８５０とで構成されている。
ＨＲ書き込み回路７５０は、第１ＨＲ書き込み回路７１０と第２書き込み回路７２０とで構成され、第１書き込み回路７１０の出力端子ＷＤＨ１と、第２書き込み回路７２０の出力端子ＷＤＨ２とは互いに接続されている。第１書き込み回路７１０は、ワード線選択回路２０３およびビット線選択回路２０４で選択されたメモリセルに対して、当該メモリセルが正常なメモリセルの場合、当該メモリセルの抵抗変化素子を第１の高抵抗状態に遷移させるための電圧として、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線ＷＬを基準にして、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線ＢＬに、第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１を印加する。また、書き込み用電源２１０の高抵抗化用電源２１２から出力される電源電圧ＶＨを変えることにより、第２の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ２を印加する。
さらに、ＨＲ書き込み回路７５０は、第２書き込み回路７２０を備えることで、第１書き込み回路７１０の出力端子ＷＤＨ１から第１の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ１と、第２書き込み回路７２０の出力端子ＷＤＨ２から第２の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ２と、それぞれの出力電流を合わせた第３の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ３を出力することができる。つまり、ＨＲ書き込み回路７５０の出力端子ＷＤＨからは、第１の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ１、第２の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ２、第３の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ３が出力される。
ＨＲ書き込み回路７５０の詳細な構成は、以下の通りである。
第１ＨＲ書き込み回路７１０は、ＰＭＯＳ７１１と、ＰＭＯＳ７１２と、ＮＭＯＳ７１３と、ＮＭＯＳ７１４と、インバータ７１５と、インバータ７１６とで構成されている。
ＰＭＯＳ７１１と、ＰＭＯＳ７１２と、ＮＭＯＳ７１３と、ＮＭＯＳ７１４とは、この順に直列をなすように主端子（ドレイン端子、またはソース端子）同士が接続され、ひとつの電流経路を形成している。ＰＭＯＳ７１１の２つの主端子のうち、ＰＭＯＳ７１２の接続されていない方の主端子（ソース端子）は電源（例えば、高抵抗化用電源２１２）に接続されている。また、ＮＭＯＳ７１４の２つの主端子のうち、ＮＭＯＳ７１３と接続されていない方の主端子（ソース端子）は、接地電位に接続されている。
データ信号入出力回路２０７から出力される第１ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ１は、インバータ７１６の入力端子とＮＭＯＳ７１３のゲートに入力され、インバータ７１６の入力端子から入力された第１ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ１は、反転信号として、ＰＭＯＳ７１２のゲートに入力される。また、制御回路２０９から出力されるＨＲ書き込みパルス信号ＷＰＨは、インバータ７１５の入力端子に入力され、インバータ７１５の入力端子から入力された信号は、反転信号として、ＰＭＯＳ７１１とＮＭＯＳ７１４のゲートに入力される。ＰＭＯＳ７１２とＮＭＯＳ７１３のそれぞれの一方の主端子（ドレイン端子）は接続され、ＨＲ書き込み回路７５０の出力端子ＷＤＨを通して書き込み回路２５５から出力され、ビット線選択回路２０４に接続される。
第１ＨＲ書き込み回路７１０は、第１ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ１がＨ状態のときに、書き込みパルス信号ＷＰＨに従って、高抵抗化用電源２１２から供給されるＶＨ電位（＝第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１）および接地電位（Ｖｓｓ）のいずれかを出力し、第１ＨＲ書き込み回路７１０の出力がＶＨ電位および接地電位のときにそれぞれ電流ＩＨＨ１（＝第１の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ１）および電流ＩＨＬ１が流れる。また、第１ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ１がＬ状態のときには、第１書き込み回路７１０の出力は、Ｈｉ−Ｚ状態を出力する。
次に、第２ＨＲ書き込み回路７２０は、ＰＭＯＳ７２１と、ＰＭＯＳ７２２と、インバータ７２３と、インバータ７２４とで構成されている。
ＰＭＯＳ７２１と、ＰＭＯＳ７２２とは、この順に直列をなすように主端子（一方のドレイン端子及び他方のソース端子）同士が接続され、ひとつの電流経路を形成している。ＰＭＯＳ７２１の２つの主端子のうち、ＰＭＯＳ７２２の接続されていない方の主端子（ソース端子）は電源（例えば、高抵抗化用電源２１２）に接続されている。
制御回路２０９から出力される第２ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ２は、インバータ７２４の入力端子のゲートに入力され、インバータ７２４の入力端子から入力された第２ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ２は、反転信号として、ＰＭＯＳ７２２のゲートに入力される。また、制御回路２０９から出力されるＨＲ書き込みパルス信号ＷＰＨは、インバータ７２３の入力端子に入力され、インバータ７２３の入力端子から入力された信号は、反転信号として、ＰＭＯＳ７２１のゲートに入力される。ＰＭＯＳ７２２の一方の主端子（ドレイン端子）は、ＨＲ書き込み回路７５０の出力端子ＷＤＨを通して書き込み回路２５５から出力され、ビット線選択回路２０４に接続される。
第２ＨＲ書き込み回路７２０は、第２ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ２がＨ状態のときに、書き込みパルス信号ＷＰＨに従って、高抵抗化用電源２１２から供給されるＶＨ電位（＝第１の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ１）を出力し、第２ＨＲ書き込み回路７２０の出力がＶＨ電位のときにＩＨＨ２（＝第２の高抵抗化書き込み電流Ｉｗｈ２）の出力電流が流れる。また、第２ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ２がＬ状態のときには、第２書き込み回路７２０の出力は、Ｈｉ−Ｚ状態を出力する。
ＬＲ書き込み回路８５０については、前述しているのでここでは説明を省略する。
不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、例えば、第１ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ１をＨ状態、つまりイネーブル状態にし、第１ＨＲ書き込み回路７１０によって、ＶＨ電位を供給するとともに、電流ＩＨＨ１の出力電流が流れることで、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルを第１の低抵抗状態より大きい抵抗値を示す第２の高抵抗状態にすることで、不良メモリセルに流れていた異常電流を削減することができる。さらに、第２ＨＲ書き込みイネーブル信号ＷＥＨ２をＨ状態、つまりイネーブル状態にすることで、ＨＲ書き込み回路７５０の駆動能力（＝出力電流）を上げることによって、ＶＨ電位を供給するとともに、電流ＩＨＨ２の出力電流をさらに流す（増加する）ことで、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルを第２の高抵抗状態、またはそれ以上の抵抗値とすることができる。また、ＨＲ書き込み回路７５０を用いることにより、以下の実施の形態において、正常なメモリセルを第１の高抵抗状態よりもさらに抵抗値の高い第３の高抵抗状態にすることができる。
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態について説明する。
図２０は、図５の第１の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の構成図に対して、メインメモリセルアレイ６００の各列に同数個ずつメモリセル１００を有する冗長メモリセルアレイ６２０を配置した抵抗変化型不揮発性記憶装置９００の一例を示すものである。一例として、図２０における冗長メモリセルアレイ６２０には、メインメモリセルアレイ６００の各列に１つずつメモリセル１００が配置され、一行の冗長メモリセルアレイ６２０が構成されている。なお、図２０の冗長メモリセルアレイ６２０は、メインメモリセルアレイ６００の上端部に配置しているが、メインメモリセルアレイ６００中に配置しても構わない。
以下の説明において、図５と同じ構成の箇所については説明を省く。
図２０において、本実施の形態に係る抵抗変化型不揮発性記憶装置９００は、基板上にメモリ本体部２０１を備えている。メモリ本体部２０１は、メモリセルアレイ２０２を備えており、メモリセルアレイ２０２は、図２で示した複数個のメモリセル１００が行方向と列方向にマトリクス状に配置されたメインメモリセルアレイ６００と、同じく図２で示した複数個のメモリセル１００が複数個配置された冗長メモリセルアレイ６２０とを備えている。また、互いに交差するように配列された複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・を備えており、さらに、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と平行に配置された少なくとも１本以上の冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・を備えている。
図２０に示すように、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・は、基板の主面に平行な同一の平面内（第１の平面内）において互いに平行に配置されている。同様に、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・は、第１の平面に平行な同一の平面内（第１の平面に平行な第２の平面内）において互いに平行に配置されており、冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・は、第２の平面内において、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と平行に配置されている。
また、上記した第１の平面と第２の平面は平行に配置され、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・と複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・は立体交差するように配置されており、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・と冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・も立体交差するように配置されている。
メインメモリセルアレイ６００内で、ワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・とビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・との立体交差した位置には、メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３、Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３、・・・（以下、「メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、・・・」と表す）が配置されており、冗長メモリセルアレイ６２０内で、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・と冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・との立体交差した位置には、冗長メモリセルＭＷ１、ＭＷ２、ＭＷ３、・・・が配置されている。
メモリセルＭ１１、Ｍ１２、Ｍ１３、・・・は、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、・・・（以下、「電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・」と表す）と、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・と直列接続された抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・（以下、「抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・」と表す）とで構成されている。同様に、冗長メモリセルＭＷ１、ＭＷ２、ＭＷ３、・・・は、電流制御素子ＤＷ１、ＤＷ２、ＤＷ３、・・・と、電流制御素子ＤＷ１、ＤＷ２、ＤＷ３、・・・と直列接続された抵抗変化素子ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３、・・・とで構成されている。
つまり、図２０に示すように、メインメモリセルアレイ６００内の抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ３１、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ１と接続され、抵抗変化素子Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒ３２、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ２と接続され、抵抗変化素子Ｒ１３、Ｒ２３、Ｒ３３、・・・の一方の端子は、電流制御素子Ｄ１３、Ｄ２３、Ｄ３３、・・・と接続しており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ３と接続されている。また、電流制御素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ１と接続され、電流制御素子Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ２と接続され、電流制御素子Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ワード線ＷＬ３と接続されている。
同様に、冗長メモリセルアレイ６２０内の抵抗変化素子ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３、・・・の一方の端子は、電流制御素子ＤＷ１、ＤＷ２、ＤＷ３と接続しており、もう一方の端子は、冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・と接続されている。また電流制御素子ＤＷ１、ＤＷ２、ＤＷ３、・・・の一方の端子は、抵抗変化素子ＲＷ１、ＲＷ２、ＲＷ３、・・・と接続されており、もう一方の端子は、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・と接続されている。
なお、本実施の形態では、ビット線側に抵抗変化素子を接続し、ワード線側に電流制御素子を接続しているが、ビット線側に電流制御素子を接続し、ワード線側に抵抗変化素子を接続しても構わない。また、本実施の形態では、冗長メモリセルアレイ６２０の冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・は少なくとも１本あればよく、複数本搭載しても構わない。
ワード線選択回路２０３は、アドレス信号入力回路２０８から出力された行アドレス情報信号と、アドレス比較回路２１４からのアドレス一致判定信号とを受け取り、この行アドレス情報とアドレス一致判定信号に応じて、複数のワード線ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３、・・・、および冗長ワード線ＷＬＲ１、・・・のうち、選択されたワード線に書き込み回路２０５から供給される電圧を印加する。また、選択されていないワード線には所定の非選択行印加電圧（Ｖｓｓ〜Ｖｗｌ、またはＶｓｓ〜Ｖｗｈ）を印加するか、またはハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）状態に固定する。
また、同様に、ビット線選択回路２０４は、アドレス信号入力回路２０８から出力された列アドレス情報と、アドレス比較回路２１４からのアドレス一致判定信号とを受け取り、この列アドレス情報とアドレス一致判定信号に応じて、複数のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、・・・のうち、選択されたビット線に書き込み回路２０５から供給される電圧、または読み出し回路２０６から供給される電圧を印加するとともに、選択されていないビット線には所定の非選択列印加電圧（Ｖｓｓ以上Ｖｗｌ以下の電圧、またはＶｓｓ以上Ｖｗｈ以下の電圧、またはＶｓｓ以上Ｖｂｌ以下の電圧）を印加するか、またはハイインピーダンス（Ｈｉ−Ｚ）状態に固定することができる。
なお、ワード線選択回路２０３およびビット線選択回路２０４は、本発明におけるメモリ選択回路に相当する。
不良アドレス記憶回路２１３は、読み出し回路２０６の電流制御素子特性判定モードにおいて、選択されたメモリセルが不良と判定されたとき、アドレス信号入力回路２０８から入力された行アドレス情報を不良アドレスとして記憶する。具体的には、ビット線単位で不良アドレスを記憶する場合と同様に、不良アドレス記憶回路２１３は、アドレス変換表（図示せず）を有し、不良メモリセルを有する不良ワード線と、置換先の冗長メモリセルを有する冗長ワード線とを対応付けて記憶する。
また、アドレス比較回路２１４は、アドレス信号入力回路２０８から入力された行アドレス情報と不良アドレス記憶回路２１３で記憶している不良アドレスとを比較し、一致しているか一致していないかのアドレス一致判定信号をワード線選択回路２０３に出力する。アドレス信号入力回路２０８から入力された行アドレス情報と不良アドレス記憶回路２１３で記憶している不良ワード線のアドレスとが一致していた場合には、救済モードにおいて、不良アドレス記憶回路２１３に記憶されたアドレス変換表により、不良ワード線を置換先の冗長ワード線に置き換えて記録の書き込みおよび読み出しを行う。
次に、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法について述べる。
図２１は、電流制御素子特性判定モードで不良メモリセルと判定されたメモリセルの救済方法のフローチャートの一例を示している。詳細には、電流制御素子が破壊されている不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、メモリセルの抵抗変化素子を第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態（通常書き込みの低抵抗状態よりも抵抗値が高い状態）にすることで、不良メモリセルに流れる異常電流をカットする。さらに、冗長メモリセルを用いて不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに代えて、他の正常なメモリセルを代用するために、その代用前後のメモリセルのアドレスを対応付けて記憶する。
図２１に示すように、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法では、初めに、抵抗変化型不揮発性記憶装置を書き込みモード（高抵抗化）に設定し（ステップＳ５０１）、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つの選択された不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ５０２）。その後、不良検知モードに設定し（ステップＳ５０３）、不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっているかを、読み出し回路２０６のセンスアンプ３００にて判定する（ステップＳ５０４）。
不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっている場合は、対象のメモリセルが高抵抗化成功と判断し（ステップＳ５０５）、対象のメモリセルのアドレスを不良アドレス記憶回路２１３に記憶し（ステップＳ５０６）、終了する。
一方、ステップＳ５０４にて、不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっていなかった場合は、モード設定を再び書き込みモード（高抵抗化）に設定する（ステップＳ５０７）。その後、別の書き込み条件を設定することができるか判定し（ステップＳ５０８）、別の書き込み条件を設定することができるようであれば別の書き込み条件に設定し（ステップＳ５０９）、再度、不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ５０２）。別の書き込み条件とは、書き込み電圧や、書き込みパルス時間、書き込みドライバーの駆動能力等を変えることである。例えば、別の書き込み条件として、書き込み電圧を、第１の高抵抗状態よりもさらに抵抗値の高い第３の高抵抗状態にするための第３の書き込みパルスに変更してもよい。また、ステップＳ５０８で、別の書き込み条件を設定することができないようであれば、対象の不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルの高抵抗化失敗と判断し（ステップＳ５１０）、終了する。この場合は、不良メモリセルは救済できないため不良回路として扱われる。
なお、上記の不良メモリセルの検知フローおよび救済フローは、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の電源投入時、所定の周期毎、または、記録の書き込み毎に行うこととしてもよい。
なお、冗長メモリセルアレイ６２０の配置は、図２０に示したように、行方向に限られるものではない。既に第１の実施の形態で述べたように、図５の如く、列方向に配置する構成も考えられるし、その他の配置も有りえる。図２２Ａ、図２２Ｂおよび図２２Ｃは、メインメモリセルアレイおよび冗長メモリセルアレイの他の配置例を示す図である。図２２Ａ、図２２Ｂおよび図２２Ｃにおいて、斜線で示す部分がメモリセルアレイにおける冗長メモリセルアレイの位置を示している。
図２２Ａに示すように、メインメモリセルアレイ６００に対して、列方向および行方向の両方、またはどちらか一方に冗長メモリセルアレイ６３０、６４０を備えたメモリセルアレイ２３２としてもよい。
また、図２２Ｂに示すように、メインメモリセルアレイを複数のメインメモリセルアレイ６５０ａ、６５０ｂ、６５０ｃ、６５０ｄに分割し、これらの分割した複数のメインメモリセルアレイ６５０に対して、各々の列方向および行方向の両方、またはどちらか一方に冗長メモリセルアレイ６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ、６６０ｄ、６７０ａ、６７０ｂ、６７０ｃ、６７０ｄ、を備えたメモリセルアレイ２４２としてもよい。
また、図２２Ｃに示すように、メインメモリセルアレイを複数のメインメモリセルアレイ６８０ａ、６８０ｂ、６８０ｃ、６８０ｄに分割し、これらの分割した複数のメインメモリセルアレイ６８０に対して、各々の列方向および行方向の両方、またはどちらか一方に冗長メモリセルアレイ６９０ａ、６９０ｂ、７００ａ、７００ｂを備えたメモリセルアレイ２５２としてもよい。
（第３の実施の形態）
次に、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法について述べる。
図２３は、電流制御素子特性判定モードで不良メモリセルと判定されたメモリセルの救済方法のフローチャートの一例を示している。詳細には、電流制御素子が破壊されている不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、メモリセルの抵抗変化素子を第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態（通常書き込みの低抵抗状態よりも抵抗値が高い状態）にすることで、不良メモリセルに流れる異常電流をカットする。さらに、冗長メモリセルと同一ビット線およびワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに代えて、他の正常なメモリセルを代用するために、不良アドレス記憶回路に、代用前後のメモリセルのアドレスを対応付けて記憶する。
図２３に示すように、本実施の形態における不良メモリセルの救済方法では、初めに、抵抗変化型不揮発性記憶装置を書き込みモード（高抵抗化）に設定し（ステップ６４０１）、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つの選択された不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ４０２）。また、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つの選択された不良メモリセルと同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ６０３）。
その後、不良検知モードに設定し（ステップＳ６０４）、不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっているかを、読み出し回路２０６のセンスアンプ３００にて判定する（ステップＳ６０５）。
不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっている場合は、対象のメモリセルが高抵抗化成功と判断し（ステップＳ６０６）、対象のメモリセルのアドレスを不良アドレス記憶回路２１３に記憶し（ステップＳ６０７）、終了する。
一方、ステップＳ６０５にて、不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルが第２の高抵抗状態になっていなかった場合は、モード設定を再び書き込みモード（高抵抗化）に設定する（ステップＳ６０８）。その後、別の書き込み条件を設定することができるか判定し（ステップＳ６０９）、別の書き込み条件を設定することができるようであれば別の書き込み条件に設定し（ステップＳ６１０）、再度、不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ６０２、Ｓ６０３）。別の書き込み条件とは、書き込み電圧や、書き込みパルス時間、書き込みドライバーの駆動能力等を変えることである。例えば、別の書き込み条件として、書き込み電圧を、第１の高抵抗状態よりもさらに抵抗値の高い第３の高抵抗状態にするための第３の書き込みパルスに変更してもよい。また、ステップＳ６０９で、別の書き込み条件を設定することができないようであれば、対象の不良メモリセルと同一ビット線および同一ワード線にある不良メモリセル以外のメモリセルの高抵抗化失敗と判断し（ステップＳ６１１）、終了する。この場合は、不良メモリセルは救済できないため不良回路として扱われる。
なお、上記の不良メモリセルの検知フローおよび救済フローは、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００の電源投入時、所定の周期毎、または、記録の書き込み毎に行うこととしてもよい。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態における抵抗変化型不揮発性記憶装置について説明をする。
図２４は、本実施の形態における不良メモリセルの救済フローの一例を示す図である。本実施の形態では、電流制御素子特性判定モードで不良メモリセルと判定されたメモリセルと同一ワード線にある、不良メモリセル以外のメモリセルに対して、メモリセルの抵抗変化素子を第１の低抵抗状態よりも抵抗値が高い第２の高抵抗状態（通常書き込みの低抵抗状態よりも抵抗値が高い状態）にすることで、不良メモリセルに流れる異常電流をカットする。さらに、冗長メモリセルを用いて、不良メモリセルと同一ビット線にある不良メモリセル以外のメモリセルに代えて、他の正常なメモリセルを代用するために、不良アドレス記憶回路に、代用前後の不良メモリセルのアドレスを対応付けて記憶する。
初めに、抵抗変化型不揮発性記憶装置２００を書き込みモード（高抵抗化）に設定し（ステップＳ７０１）、ワード線選択回路２０３で選択されたワード線と、ビット線選択回路２０４で選択されたビット線とによってメモリセルアレイ２０２の少なくとも１つの選択された不良メモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作（１）を行う（ステップＳ７０２）。その後、不良検知モードに設定し（ステップＳ７０３）、不良メモリセルが第１の低抵抗状態よりも抵抗値が高い第４の高抵抗状態になっているかを読み出し回路２０６のセンスアンプ３００にて判定する（ステップＳ７０４）。
第４の高抵抗状態になっている場合は、対象の不良メモリセルが高抵抗化成功と判断し（ステップＳ７０５）、対象の不良メモリセルのアドレスを不良アドレス記憶回路２１３に記憶し（ステップＳ７０６）、終了する。
一方、ステップＳ７０４にて、第４の高抵抗状態になっていなかった場合は、モード設定を再び書き込みモード（高抵抗化）に設定する（ステップＳ７０７）。その後、別の書き込み条件を設定することができるか判定し（ステップＳ７０８）、別の書き込み条件を設定することができるようであれば別の書き込み条件に設定し（ステップＳ７０９）、再度、不良メモリセルに対して、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ７０２）。別の書き込み条件とは、書き込み電圧や、書き込みパルス時間、書き込みドライバーの駆動能力等を変えることである。例えば、別の書き込み条件として、書き込み電圧を、第１の高抵抗状態よりもさらに抵抗値の高い第３の高抵抗状態にするための第３の書き込みパルスに変更してもよい。
また、ステップＳ７０８で、別の書き込み条件を設定することができないようであれば、対象の不良メモリセルと同一のビット線、または、同一のワード線、もしくは、同一ビット線およびワード線に接続されている、不良メモリセルとは別のメモリセルを順次選択し、高抵抗化書き込み動作を行う（ステップＳ７１０）。別のメモリセルとは、上記した不良メモリセルとは別の不良メモリセルであってもよいし、正常なメモリセルであってもよい。このとき、高抵抗化書き込み動作を行うメモリセルには、第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第２の高抵抗状態となるように、例えば、書き込み電圧として上記したＶｗｈ０よりも高い第２の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ２を印加する。なお、第２の高抵抗状態の抵抗値は、例えば第１の高抵抗状態の抵抗値の１０倍以上となるように第３の高抵抗化書き込み電圧Ｖｗｈ３を設定するほうがなおよい。
その後、不良検知モードに設定し（ステップＳ７１１）、対象の不良メモリセルと同一のビット線、またはワード線に接続されている、不良メモリセルとは別のメモリセルが全て第２の高抵抗状態になっているかを読み出し回路２０６のセンスアンプ３００にて判定する（ステップＳ７１２）。対象の不良メモリセルと同一のビット線、またはワード線に接続されている、不良メモリセルとは別のメモリセルが全て第２の高抵抗状態になっている場合は、対象の不良メモリセルのアドレスを不良アドレス記憶回路２１３に記憶し（ステップＳ７０６）、終了する。対象の不良メモリセルと同一のビット線、またはワード線に接続されている、不良メモリセルとは別のメモリセルが全て高抵抗状態になっていない場合は、対象の不良メモリセルの高抵抗化失敗と判断し（ステップＳ７１３）、終了する。この場合は、救済できないためメモリセルアレイ２０２は不良回路として扱われる。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形を行ってもよい。
例えば、メモリセルにおいて、電流制御素子と、抵抗変化素子との上下の接続関係を逆にして接続しても構わないし、第１の抵抗変化層と第２の抵抗変化層との上下の接続関係を逆にし、下部電極と上部電極との上下の接続関係を逆にしても構わない。
また、上記した実施の形態では、ビット線選択回路およびワード線選択回路は、それぞれ、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、ハイインピーダンス状態に固定しているが、これに限らず、非選択ビット線ＢＬ１、ＢＬ３および非選択ワード線ＷＬ１、ＷＬ３を、それぞれ、選択ビット線ＢＬ２および選択ワード線ＷＬ２間に印加される電圧以下の電圧値に設定しても構わない。
また、上記の実施の形態における上部電極、下部電極、第１の抵抗変化層、第２の抵抗変化層の材料は一例であって、その他の材料を用いても構わない。例えば、抵抗変化素子の金属酸化物層はタンタル酸化物の積層構造で構成されるとして説明したが、本発明の上述した作用効果は、金属酸化物層がタンタル酸化物の場合に限って発現されるものではなく、抵抗変化素子は、可逆的に少なくとも２つ以上の抵抗値を遷移する素子であれば、他の構成や材料であっても構わないことは明白である。
また、上記の実施の形態における電流制御素子は双方向型の電流制御素子について記載しているが、単方向ダイオードを用いても構わない。また、上記の実施の形態における電流制御素子は、ＰＮダイオードやショットキーダイオード、ツェナーダイオードでも構わない。
以上説明したように、本発明に係るクロスポイント構成の抵抗変化型不揮発性記憶装置は、双方向特性を有する電流制御素子を用いたメモリセルの不良メモリセルのアドレスの検出をし、その不良メモリセルの救済を行うことで、信頼性の高いメモリを実現するのに有用である。
１０、１００ メモリセル
２０、１０１ 電流制御素子
２１ 電流制御素子の下部電極（第１の電極）
２２ 電流制御素子の半導体層
２３ 電流制御素子の上部電極（第２の電極）
３０、１０２ 抵抗変化素子
３１ 抵抗変化素子の下部電極（第３の電極）
３２ 抵抗変化素子の第１の抵抗変化層
３３ 抵抗変化素子の第２の抵抗変化層
３４ 抵抗変化素子の上部電極（第４の電極）
３５ 抵抗変化素子の抵抗変化層
５０ 下部配線
５１ 上部配線
２００ 抵抗変化型不揮発性記憶装置
２０１ メモリ本体部
２０２、２３２、２４２、２５２ メモリセルアレイ
２０３ ワード線選択回路（メモリセル選択回路）
２０４ ビット線選択回路（メモリセル選択回路）
２０５ 書き込み回路
２０６ 読み出し回路
２０７ データ信号入出力回路
２０８ アドレス信号入力回路
２０９ 制御回路
２１０ 書き込み用電源
２１１ 低抵抗化用電源
２１２ 高抵抗化用電源
２１３ 不良アドレス記憶回路
２１４ アドレス比較回路
３００ センスアンプ
３１０ 比較回路（検知回路）
３２０ カレントミラー回路
３３０ 定電流回路
４００ ビット線制御電圧切り替え回路
５００ ビット線制御電圧発生回路
６００、６０１ メインメモリセルアレイ
６０２ 非選択メモリセルアレイ
６１０、６２０、６３０、６４０ 冗長メモリセルアレイ
６５０ａ、６５０ｂ、６５０ｃ、６５０ｄ メインメモリセルアレイ
６６０ａ、６６０ｂ、６６０ｃ、６６０ｄ 冗長メモリセルアレイ
６７０ａ、６７０ｂ、６７０ｃ、６７０ｄ 冗長メモリセルアレイ
６８０ ビット線電圧検知回路（電圧検知回路）
６８０ａ、６８０ｂ、６８０ｃ、６８０ｄ メインメモリセルアレイ
６９０ａ、６９０ｂ、７００ａ、７００ｂ 冗長メモリセルアレイ
７００ ＨＲ書き込み回路
７１０ 第１ＨＲ書き込み回路
７２０ 第２ＨＲ書き込み回路
８００ ＬＲ書き込み回路
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３ ビット線
ＢＬＲ１ 冗長ビット線
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３ 電流制御素子
Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３ 電流制御素子
Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ３３ 電流制御素子
Ｍ１１、Ｍ１２、Ｍ１３ メモリセル
Ｍ２１、Ｍ２２、Ｍ２３ メモリセル
Ｍ３１、Ｍ３２、Ｍ３３ メモリセル
Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３ 抵抗変化素子
Ｒ２１、Ｒ２２、Ｒ２３ 抵抗変化素子
Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３ 抵抗変化素子
ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３ ワード線
ＷＬＲ１ 冗長ワード線

Claims (15)

  1. 印加される書き込み電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続され、印加電圧が所定の閾値電圧を超えると導通状態とみなされる電流が流れる電流制御素子とで構成される複数のメモリセルを有し、複数のワード線と複数のビット線との立体交差点のそれぞれに、前記複数のメモリセルの１つが配置されたメモリセルアレイと、
    前記複数のワード線から少なくとも１つを選択し、前記複数のビット線から少なくとも１つを選択することにより、前記メモリセルアレイから少なくとも１つ以上の前記メモリセルを選択するメモリセル選択回路と、
    前記選択されたメモリセルに電圧パルスを印加することによって、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗値を書き換える書き込み回路と、
    前記選択されたメモリセルの前記電流制御素子に前記閾値電圧より高い第１電圧、または、前記閾値電圧以下の第２電圧が印加されるように、前記選択されたメモリセルに読み出し電圧を印加することによって、前記選択されたメモリセルの状態を読み出す読み出し回路と、を備え、
    前記書き込み回路は、前記書き込み電圧パルスとして第１の低抵抗化パルス、または、第１の高抵抗化パルスを前記選択されたメモリセルに印加することにより、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子をそれぞれ第１の低抵抗状態、または、第１の高抵抗状態にし、
    前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ当該選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すとき、前記選択されたメモリセルが前記第１の低抵抗状態の場合は第１の所定値の電流を検出し、前記第１の高抵抗状態の場合は第２の所定値の電流を検出し、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出すときに、前記選択されたメモリセルに、前記第１の低抵抗状態または前記第１の高抵抗状態に対応する前記第１の所定値または前記第２の所定値の電流よりもそれぞれ大きい電流が流れる場合、前記選択されたメモリセルが不良を有する不良メモリセルと判定し、
    前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線および同一のワード線の少なくともいずれかに配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態での抵抗値以上の抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするように、第２の高抵抗化パルスを印加する
    抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  2. 前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態以上の抵抗値を示す第３の高抵抗状態にするように、第３の高抵抗化パルスを印加する
    請求項１に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  3. 前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定する
    請求項１または２に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  4. 前記書き込み回路は、選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態にするように前記第１の高抵抗化パルスを印加し、
    前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出し、
    前記選択されたメモリセルに流れる電流が前記第２の所定値の電流より大きい場合、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子は不良であると判定する
    請求項１または２に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  5. 前記書き込み回路により前記不良メモリセルに対して前記第１の低抵抗化パルスを印加した後、前記選択されたメモリセルに前記第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定する
    請求項１または２に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  6. 前記書き込み回路は、前記不良メモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態以上の抵抗値を示す第４の高抵抗状態にするように、前記不良メモリセルに、前記抵抗変化素子が高抵抗化を開始するパルス電圧の絶対値以上の電圧の絶対値を有する第４の高抵抗化パルスを印加する
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  7. 前記メモリセルアレイは、
    主記憶用の前記メモリセルを複数備えたメインメモリセルアレイと、
    前記メインメモリセルアレイ中の少なくとも１つの前記メモリセルが不良メモリセルの場合に、前記不良メモリセルと同一のビット線またはワード線の少なくともいずれかに配置されている他のメモリセルと置換して使用するための冗長メモリセルを複数備えた冗長メモリセルアレイとを備えている
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  8. 前記抵抗変化型不揮発性記憶装置は、
    前記不良メモリセルと同一のビット線またはワード線の少なくともいずれかに配置されている他のメモリセルのアドレス情報と前記冗長メモリセルのアドレス情報とを対応付けて記憶する不良アドレス記憶回路を備える
    請求項７に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  9. 前記不良アドレス記憶回路は、前記不良メモリセルを有するビット線のアドレスと、前記不良メモリセルと同一のビット線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルと置換する前記冗長メモリセルを有するビット線のアドレスとを対応付けて記憶する
    請求項８に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  10. 前記不良アドレス記憶回路は、前記不良メモリセルを有するワード線のアドレスと、前記不良メモリセルと同一のワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルと置換する前記冗長メモリセルを有するワード線のアドレスとを対応付けて記憶する
    請求項８に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置。
  11. 印加される書き込み電圧パルスに応じて可逆的に抵抗値が遷移する抵抗変化素子と、前記抵抗変化素子と直列に接続され、印加電圧が所定の閾値電圧を超えると導通状態とみなされる電流が流れる電流制御素子とで構成される複数のメモリセルを有し、複数のワード線と複数のビット線との立体交差点のそれぞれに、前記複数のメモリセルの１つが配置されたメモリセルアレイを備えた抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法であって、
    書き込み回路により、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルに第１の低抵抗化パルス、または、第１の高抵抗化パルスを印加することで、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子をそれぞれ第１の低抵抗状態、または、第１の高抵抗状態にする書き込みステップと、
    読み出し回路により、前記選択されたメモリセルに前記閾値電圧より高い第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出す読み出しステップと、
    前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ前記第１の低抵抗状態の場合に前記選択されたメモリセルに流れる電流を第１の所定値の電流、前記選択されたメモリセルが不良を有さないメモリセルでありかつ前記第１の高抵抗状態の場合に前記選択されたメモリセルに流れる電流を第２の所定値の電流とすると、前記選択されたメモリセルの抵抗状態を読み出すときに、前記選択されたメモリセルに、前記第１の低抵抗状態または前記第１の高抵抗状態に対応する前記第１の所定値または前記第２の所定値の電流よりもそれぞれ大きい電流が流れる場合、前記選択されたメモリセルが不良を有している不良メモリセルであると判定する不良検知ステップと、
    前記書き込み回路により、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線の少なくともいずれかに配置されている前記不良メモリセル以外の他の正常メモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態での抵抗値以上の抵抗値を示す第２の高抵抗状態にするように、第２の高抵抗化パルスを印加する正常メモリセル高抵抗化ステップとを含む
    抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法。
  12. 前記書き込み回路は、前記不良メモリセルと同一のビット線およびワード線に配置されている前記不良メモリセル以外の他のメモリセルに対して、前記他のメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態以上の抵抗値を示す第３の高抵抗状態にするように、第３の高抵抗化パルスを印加する
    請求項１１に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法。
  13. 前記不良検知ステップにおいて、前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記閾値電圧より低い第２電圧を印加して、前記第１の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルがショート不良を有する不良メモリセルであると判定する
    請求項１１または１２に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法。
  14. 前記不良検知ステップにおいて、
    前記書き込み回路は、選択されたメモリセルに第１の高抵抗化パルスを印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の高抵抗状態にするように前記第１の高抵抗化パルスを印加し、
    前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルに前記第１電圧を印加して前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子の抵抗状態を読み出し、
    前記選択されたメモリセルに前記第２の所定値より大きい電流が流れるとき、前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子は不良であると判定する
    請求項１１または１２に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法。
  15. 前記正常メモリセル高抵抗化ステップにおいて、前記不良メモリセルに対して、前記不良メモリセルの前記抵抗変化素子を前記第１の低抵抗状態よりも抵抗値の高い第４の高抵抗状態にするように、前記書き込み回路により前記抵抗変化素子が高抵抗化を開始するパルス電圧の絶対値以上の電圧の絶対値を有する第４の高抵抗化パルスを印加する不良メモリセル高抵抗化ステップをさらに含む
    請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の抵抗変化型不揮発性記憶装置の駆動方法。
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