JP5175769B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体記憶装置に関する。
近年、フラッシュメモリの後継候補として、記憶素子に可変抵抗素子を用いる抵抗変化メモリ装置が注目されている。ここで、抵抗変化メモリ装置には、遷移金属酸化物を記録層としてその抵抗値状態を不揮発に記憶する狭義の抵抗変化メモリ(ReRAM:Resistive RAM)の他、カルコゲナイド等を記録層として用いてその結晶状態(導体)と非晶質状態(絶縁体)の抵抗値情報を利用する相変化メモリ(PCRAM:Phase Change RAM)等も含むものとする。
抵抗変化メモリ装置のメモリセルには、2種類の動作モードがあることが知られている。1つは、印加電圧の極性を切り替えることにより、高抵抗状態と低抵抗状態とを設定するもので、これはバイポーラ型といわれる。もう1つは、印加電圧の極性を切り替えることなく、電圧値と電圧印加時間を制御することにより、高抵抗状態と低抵抗状態の設定を可能とするもので、これはユニポーラ型といわれる。
高密度メモリセルアレイを実現するためには、ユニポーラ型が好ましい。ユニポーラ型の場合、トランジスタを用いることなく、ビット線及びワード線の交差部に可変抵抗素子とダイオード等の整流素子とを重ねることにより、セルアレイが構成できるからである。さらに、このようなメモリセルアレイを三次元的に積層配列することにより、セルアレイ面積を増大させることなく、大容量を実現することが可能になる(特許文献1参照)。
ユニポーラ型のReRAMの場合、メモリセルに対するデータの書き込みは、可変抵抗素子に所定の電圧を短時間印加することにより行う。これにより、可変抵抗素子が高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する。以下、この可変抵抗素子を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させる動作をセット動作という。一方、メモリセルに対するデータの消去は、セット動作後の低抵抗状態の可変抵抗素子に対し、セット動作時よりも低い所定の電圧を長時間印加することにより行う。これにより、可変抵抗素子が低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。以下、この可変抵抗素子を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる動作をリセット動作という。メモリセルは、例えば高抵抗状態を安定状態(リセット状態)とし、2値データ記憶であれば、リセット状態を低抵抗状態に変化させるセット動作によりデータの書き込みを行う。
このような半導体記憶装置では、メモリセルに対しセット動作、リセット動作に必要な電圧を正確に印加することが求められる。
本発明は、選択メモリセルに対して、確実にリセット動作、セット動作及びリード動作を実行することのできる半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一の態様に係る半導体記憶装置は、整流素子と可変抵抗素子とを直列接続してなるメモリセルが複数の第1配線及び複数の第2配線の交差部に配置されたメモリセルアレイと、選択された前記第1配線及び選択された前記第2配線の交差部に配置された選択メモリセルに所定の電位差がかかるよう、選択された前記第1配線に第1の電圧を印加するとともに選択された前記第2配線に前記第1の電圧よりも小さい電圧値の第2の電圧を印加する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記選択メモリセルに電位差をかける際に、前記選択メモリセルの前記メモリセルアレイ内の位置及び同時に動作を実行する前記選択メモリセルの個数に基づいて前記第2の電圧を調整することを特徴とする。
本発明の別の態様に係る半導体記憶装置は、整流素子と可変抵抗素子とを直列接続してなるメモリセルが複数の第1配線及び複数の第2配線の交差部に配置されたメモリセルアレイと、選択された前記第1配線及び選択された前記第2配線の交差部に配置された選択メモリセルに所定の電位差がかかるよう、選択された前記第1配線に第1の電圧を印加するとともに選択された前記第2配線に前記第1の電圧よりも小さい電圧値の第2の電圧を印加する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記選択メモリセルに電位差をかける際に、同時に動作を実行する前記選択メモリセルの個数に基づいて前記第2の電圧を調整することを特徴とする。
本発明によれば、選択メモリセルに対して、確実にリセット動作、セット動作及びリード動作を実行することのできる半導体記憶装置を提供することができる。
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態において、半導体記憶装置はメモリセルアレイが積層された三次元メモリセルアレイ構造を有する抵抗変化メモリ装置として説明する。しかし、この構成はあくまでも一例であって、本発明がこれに限定されるものでないことは言うまでもない。
[第1の実施の形態]
(第1の実施の形態に係る半導体記憶装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置のメモリセルアレイ100のレイアウトの一部の例を示す図である。ユニポーラ型の抵抗変化メモリ装置は、図1に示すように、互いに交差するビット線BL及びワード線WLの各交差部に、整流素子、例えばダイオードDiと可変抵抗素子VRとが直列接続された抵抗変化型の単位メモリセルMCを配置する。ここでは前提として、ダイオードDiのアノード側につながる信号線をビット線BLとし、カソード側につながる信号線をワード線WLとしている。また、ダイオードDiと可変抵抗素子VRの直列接続によるメモリセルMCを、図示の記号で表している。以下の例でも同様である。ここで、メモリセルMCを構成するダイオードDi及び可変抵抗素子VRの配置、極性も、図示のものに限定されない。図1に示すメモリセルアレイ100は、ビット線BLの長手方向(図1に示すy方向)、及びワード線WLの長手方向(図1に示すx方向)にそれぞれ例えば1×103個の単位メモリセルMCが配置され、二次元マトリクス状に配列されている。
(第1の実施の形態に係る半導体記憶装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置のメモリセルアレイ100のレイアウトの一部の例を示す図である。ユニポーラ型の抵抗変化メモリ装置は、図1に示すように、互いに交差するビット線BL及びワード線WLの各交差部に、整流素子、例えばダイオードDiと可変抵抗素子VRとが直列接続された抵抗変化型の単位メモリセルMCを配置する。ここでは前提として、ダイオードDiのアノード側につながる信号線をビット線BLとし、カソード側につながる信号線をワード線WLとしている。また、ダイオードDiと可変抵抗素子VRの直列接続によるメモリセルMCを、図示の記号で表している。以下の例でも同様である。ここで、メモリセルMCを構成するダイオードDi及び可変抵抗素子VRの配置、極性も、図示のものに限定されない。図1に示すメモリセルアレイ100は、ビット線BLの長手方向(図1に示すy方向)、及びワード線WLの長手方向(図1に示すx方向)にそれぞれ例えば1×103個の単位メモリセルMCが配置され、二次元マトリクス状に配列されている。
可変抵抗素子VRは例えば、電極/遷移金属酸化物/電極からなる構造を有するもの等であり、電圧、電流、熱等の印加条件により金属酸化物の抵抗値変化をもたらし、その抵抗値の異なる状態を情報として不揮発に記憶する。この可変抵抗素子VRとしては、より具体的には、カルコゲナイド等のように結晶状態と非晶質状態の相転移により抵抗値を変化させるもの(PCRAM)、金属陽イオンを析出させて電極間に架橋(コンタクティングブリッジ)を形成したり、析出した金属をイオン化して架橋を破壊したりすることで抵抗値を変化させるもの(CBRAM:Conductive Bridging RAM)、電圧あるいは電流印加により抵抗値が変化するもの(ReRAM)(電極界面に存在する電荷トラップにトラップされた電荷の存在の有無により抵抗変化が起きるものと、酸素欠損等に起因する伝導パスの存在の有無により抵抗変化が起きるものとに大別される。)等を用いることができる。
ユニポーラ型のReRAMの場合、メモリセルMCに対するデータの書き込みは、可変抵抗素子VRに例えば3.5V(ダイオードDiの電圧降下分を含めると実際には4.5V程度)の電圧、10nA程度の電流を10ns−100ns程度の時間印加することにより行う。これにより、可変抵抗素子VRが高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する(セット動作)。
一方、メモリセルMCに対するデータの消去は、セット動作後の低抵抗状態の可変抵抗素子VRに対し、0.8V(ダイオードDiの電圧降下分を含めると実際には1.8V程度)の電圧、1μA−10μA程度の電流を500ns−2μs程度の時間印加することにより行う。これにより、可変抵抗素子VRが低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する(リセット動作)。
メモリセルMCのリード動作は、可変抵抗素子VRに0.4V(ダイオードDiの電圧降下分を含めると実際には1.4V程度)の電圧を与え、可変抵抗素子VRを介して流れる電流をセンスアンプにてモニターすることにより行う。これにより、可変抵抗素子VRが低抵抗状態にあるか高抵抗状態にあるかを判定する。なお、1つのメモリセルMCが2ビットのデータを保持可能な場合、センスアンプでは3通りの異なる参照電圧を生成し、この参照電圧とセル信号とを比較する。
図1に示すメモリセルアレイ100のビット線BL_0〜BL_2には、NMOSトランジスタ4(4_0〜4_2)とNMOSトランジスタ6(6_0〜6_2)とがそれぞれ接続されている。ビット線BL_0〜BL_2は、トランジスタ4及び6により選択され、電位が制御されるものとする。トランジスタ4_0〜4_2は、それぞれ信号線DSA_0〜DSA_2に接続されており、ゲートに入力される信号BLS_0〜BLS_2により制御される。また、トランジスタ6_0〜6_2は、信号線VUBに接続されており、ゲートに入力される信号BLUS_0〜BLUS_2により制御される。
信号線DSA_0〜DSA_2は、後述するセンスアンプ及び書き込み制御回路に接続されている。センスアンプ及び書き込み制御回路は、信号線DSA_0〜DSA_2のいずれか1本に選択ビット線電圧を印加して、選択メモリセルMCに対してセット動作やリセット動作、読み出し動作を実行する。信号線VUBは、非選択ビット線に印加される電位を制御する信号線である。
同様にワード線WL_0〜WL_2にも、NMOSトランジスタ5(5_0〜5_2)とNMOSトランジスタ7(7_0〜7_2)とがそれぞれ接続されている。ワード線WL_0〜WL_2は、トランジスタ5及び7により選択され、電位が制御されるものとする。トランジスタ5_0〜5_2は、それぞれ信号線WLDV_0〜WLDV_2に接続されており、ゲートに入力される信号WLS_0〜WLS_2により制御される。また、トランジスタ7_0〜7_2は、信号線VUXに接続されており、ゲートに入力される信号WLUS_0〜WLUS_2により制御される。
信号線WLDV_0〜WLDV_2はアドレス信号線の一つで、信号線WLDV_0〜WLDV_2のうち選択された1本にロウデコーダから選択ワード線電圧が印加される。信号線VUXは、非選択ワード線に印加される電位を制御する信号線である。
図1は、メモリセルMC_11を選択メモリセルとする場合のリセット動作中の電圧印加状態を示している。選択ビット線BL_1には、トランジスタ4_1を介して信号線DSA_1から選択ビット線電圧V_resetが印加され、その他の非選択ビット線BL_0、BL_2には、トランジスタ6_0、6_2を介して信号線VUBから非選択ビット線電圧として例えば0Vが印加されている。
選択ワード線WL_1には、トランジスタ5_1を介して信号線WLDV_1から選択ワード線電圧として例えば0Vが印加され、その他の非選択ワード線WL_0、WL_2には、トランジスタ7_0と7_2を介して信号線VUXから非選択ワード線電圧V_resetが印加されている。
抵抗変化メモリ装置の動作時において、メモリセルアレイ100のビット線BL及びワード線WLへの印加電圧により、メモリセルMCには3通りの電圧印加状態が存在することになる。以下、メモリセルMCの電圧印加状態についてリセット動作時を例にして説明する。
図1に示す選択ビット線BL_1及び選択ワード線WL_1の交差部に接続されたメモリセルMC_11のことを以下、選択状態(順バイアス状態)にあるとして、図示の記号で表す。選択状態にあるメモリセルMC_11に対して、選択ビット線BL_1(電圧V_reset)から選択ワード線WL_1(電圧0V)へとダイオードDiの順方向にリセット電圧V_resetが印加される。これにより、選択メモリセルMC_11に電位差V_resetが印加されて可変抵抗素子VRが低抵抗状態から高抵抗状態へと変化し、リセット動作が完了する。
図1に示す選択ビット線BL_1及び非選択ワード線WL_0、WL_2の交差部に接続されたメモリセルMC_01、MC_21のことを以下、非選択状態(バイアスなし状態)にあるとして、図示の記号で表す。同様に、選択ワード線WL_1及び非選択ビット線BL_0、BL_2の交差部に接続されたメモリセルMC_10、MC_12のことも以下、非選択状態(バイアスなし状態)にあるとして、図示の記号で表す。非選択ワード線WL_0、WL_2には、選択ビット線BL_1と同じ電圧(電圧V_reset)が印加されている。同様に非選択ビット線BL_0、BL_2には、選択ワード線WL_1と同じ電圧(電圧0V)が印加されている。そのため、非選択状態(バイアスなし状態)のメモリセルMCには電位差が無く、電流が流れることがない。
図1に示す非選択ワード線WL_0、WL_2及び非選択ビット線BL_0、BL_2の交差部に接続されたメモリセルMC_00、MC_20、MC_02、MC_22のことを以下、非選択状態(逆バイアス状態)にあるとして、図示の記号で表す。非選択状態(逆バイアス状態)にあるメモリセルMCに対して、非選択ワード線WL(電圧V_reset)から非選択ビット線BL(電圧0V)へとダイオードDiの逆バイアス方向に電圧が印加されている。そのため、非選択状態(逆バイアス状態)のメモリセルMCにも電流が流れることがない。
このような電圧印加方法により、選択状態にある選択メモリセルMC_11にのみ、所望の電圧を印加することができる。セット動作及びリード動作は、上述のリセット動作時と同様の動作をビット線及びワード線への印加電圧の値を変化させて実行する。上記のような動作を確実に実行するためには、上述の電圧を制御回路からメモリセルMCに確実に転送する必要がある。
ここで、ビット線BL及びワード線WLに電圧を印加する制御回路から離れた位置にあるメモリセルMCを動作させる際には、電流が流れる経路全体の寄生抵抗による電圧降下を考慮に入れる必要がある。すなわち、メモリセルアレイ100内において制御回路から離れて配置されているメモリセルMCは、メモリセルアレイ100内に配設されたワード線WL及びワード線WLを制御回路に接続するための配線の寄生抵抗による影響を受ける。一方、メモリセルアレイ100内において制御回路に近接した位置に配置されているメモリセルMCは、これらの配線の寄生抵抗による影響を殆ど受けない。
例えば、選択ワード線に印加する電圧を0Vとする場合、メモリセルアレイ100内において制御回路に近接した位置に配置されているメモリセルMCのワード線側端部には、制御回路が設定する0Vに非常に近い電圧が与えられる。しかし、メモリセルアレイ100内において制御回路から離れた位置に配置されているメモリセルMCの場合、メモリセルMCから制御回路に至るまでの配線の寄生抵抗による電圧降下のため、メモリセルMCのワード線側端部の電位が上昇してしまう。そのため、同じ電圧をビット線BLに印加したとしても、メモリセルMCの位置の違いにより、メモリセルMCのビット線側端部とワード線側端部の間の電位差が異なる場合が生じる。
また、配線の寄生抵抗による電圧降下は、同時に動作を実行するメモリセルMCの個数によっても影響を受ける。同時に動作させるメモリセル数が異なる場合、配線の寄生抵抗を流れる電流が異なり、電圧降下の値も変化する。メモリセルMCのビット線側端部とワード線側端部の間の電位差は、同時に動作させるメモリセル数が異なる場合にも変化してしまう。
このように、抵抗変化メモリ装置においては、動作を実行する選択メモリセルMCの場所と、同時に動作させるメモリセルMCの個数によって、実質的な動作条件が異なる。そのため動作特性にばらつきが生じるだけでなく、過剰な印加電圧による誤動作の発生が懸念される。例えば、リセット動作時に印加する電圧がメモリセルMCのセット動作を生じさせる電圧を超えてしまい、リセット動作完了後にメモリセルMCが誤ってセットされてしまうおそれがある。本実施の形態では、メモリセルMCに対する動作を確実に行うために、後述するように電圧制御回路において各種の工夫が施されている。
図2は、ビット線及びワード線の動作に必要な電圧を印加するための、周辺回路の構成を示すブロック図である。ここで、上述のメモリセルアレイ100が配列された2つのメモリマットMAT(MATa、MATb)を代表的に示している。本実施の形態において、一つのメモリマットMATaのみに対して動作を実行してもよいし、複数のメモリマットMATa、MATbを同時に動作させてもよい。あるいは、一回のアドレス指定や動作起動の後で、所定の順番で複数のメモリマットMATa、MATbを順次動作させてもよい。
周辺回路は、データ制御回路20、カラムデコーダ60、非選択ビット線駆動回路70、グローバルロウデコーダ80、ローカルロウデコーダ90、非選択ワード線駆動回路110、マットデコーダ120、ラッチデータチェック回路130、アドレスレジスタ140、データ入出力バッファ150、制御回路160、電圧生成回路170、ステータス回路180、及び選択ワード線電圧制御回路200を含んでいる。なお、カラムデコーダ60やローカルロウデコーダ90のようにメモリマットMAT毎に必要な構成は、図2において、添字a、bで区別されている。
ビット線BLは、ビット線選択トランジスタ4_0〜4_2を介してデータ制御回路20に接続されている。データ制御回路20は、後述するように、読み出されたデータを検出するセンスアンプ回路SA、読み出されたデータ及び書き込みデータを一時保持するラッチ回路LT及び電圧制御回路CTRL等を備えている。ビット線BLはまた、ビット線選択トランジスタ6_0〜6_2にも接続されている。ビット線BLが非選択の場合には、ビット線BLは、ビット線線選択トランジスタ6_0〜6_2を介して非選択ビット線駆動回路70に接続され、動作に応じて所定の非選択ビット線電圧が供給される。
また、ワード線WLは、ワード線選択トランジスタ5_0〜5_2を介してローカルロウデコーダ90に接続されている。ワード線WLはまた、ワード線選択トランジスタ7_0〜7_2にも接続されている。ワード線WLが非選択の場合には、ワード線WLは、ワード線選択トランジスタ7_0〜7_2を介して非選択ワード線駆動回路110に接続され、動作に応じて所定の非選択ワード線電圧が供給される。一方、ワード線WLが選択されている場合には、ワード線WLは、ワード線選択トランジスタ5_0〜5_2、及びローカルロウデコーダ90を介して選択ワード線電圧制御回路200に接続され、動作に応じて所定の選択ワード線電圧が供給される。この選択ワード線WLに印加される電圧については、後に詳述する。
この図2では、ロウデコーダはグローバルロウデコーダ80と、各メモリマットMATa、MATbに付随するローカルロウデコーダ90との階層構造とされており、この階層構造のロウデコーダによりワード線選択が行われる。なお、この図2のロウデコーダにおいては、ワード線選択トランジスタ5_0〜5_2とワード線選択トランジスタ7_0〜7_2が両者ともNMOSトランジスタで構成されている。この場合、グローバルロウデコーダ80の出力信号は、図示は省略するが、それぞれのトランジスタのゲート駆動用のために相補信号とされている。同様に、ビット線選択トランジスタ4_0〜4_2とビット線選択トランジスタ6_0〜6_2も、いずれもNMOSトランジスタであり、カラムデコーダ60からそれぞれのゲートを制御する2本の相補信号が出力されている。
なお、ビット線選択トランジスタ4_0〜4_2及びワード線選択トランジスタ7_0〜7_2は、PMOSトランジスタとすることも可能である。その場合には、カラムデコーダ60及びグローバルロウデコーダ80から出力されるデコード信号は相補信号でなく単一の信号でもよい。ビット線選択部及びワード線選択部にPMOSトランジスタが使用できるかどうかは、転送する必要のある電圧が、PMOSトランジスタのしきい値電圧より十分高いか否かにより決定される。
ビット線選択部において、ビット線選択トランジスタ4_0〜4_2をPMOSトランジスタとする場合、ビット線に出力する電圧は、PMOSトランジスタのしきい値電圧Vtにマージンを加えた値以上でなければならない。読み出し時の選択ビット線電圧がもっとも低くなるのは、読み出し動作時のV_readである。例えば、PMOSトランジスタのしきい値電圧Vt(−0.7〜−1V程度)にマージンとして例えば0.4Vを加えると、1.4V以上となり、これが読み出し時の動作設定において問題なければ、PMOSトランジスタ化が可能である。
また、ワード線選択部においては、ワード線選択トランジスタ7_0〜7_2をPMOSトランジスタとすることができる。非選択ワード線WLに出力する電圧の最小値は、読み出し動作時のV_readである。非選択ワード線WLに印加する電圧は、選択ビット線BLに印加する読み出し電圧V_readよりいくらか高くすることも可能なため、ワード線選択トランジスタ7_0〜7_2のPMOSトランジスタ化はビット線選択部よりも容易である。
マットデコーダ120は、メモリマットMATを選択するためのデコーダである。非選択のメモリマットMATでは、隣接するメモリマットMATとビット線BL及びワード線WLが共有されるのでなければ、ビット線BL、ワード線WL共に0Vとすることができる。メモリマットMATaが選択され、メモリマットMATbが非選択とされる場合、マットデコーダ120aは選択状態のデコード信号MATSEL=“H”を出力し、マットデコーダ120bは非選択状態のデコード信号MATSEL=“L”を出力する。それによって、選択メモリマットMATa側のビット線BLやワード線WLには、読み出し及びセット動作やリセット動作によるデータ書き換えに必要な上述の電圧制御が行われる。
一方で、非選択メモリマットMATb側では、隣接するメモリマットMATとビット線BL及びワード線WLを共有するのでなければ、マットデコーダ120bの出力信号を受けて、ローカルロウデコーダ90bの出力は全て0V、非選択ワード線駆動回路110bの出力も全て0Vとなる。また、データ制御回路20bの出力信号(信号線DSAの電位)も0V、非選択ビット線駆動回路70bの出力も全て0Vとなるように制御される。もちろん、メモリマットMATa、MATbを同時に選択状態とすることも可能である。
カラムデコーダ60、グローバルロウデコーダ80、ローカルロウデコーダ90、及びマットデコーダ120は、アドレスレジスタ140から供給されるアドレスデータに基づいて動作する。ここでは、詳細は示さないが、アドレスレジスタ140と各種デコーダの間には、他の一般的なメモリ装置と同様に、プリデコード回路や、アドレスを一時的にラッチするバッファなど、適宜、実施様態にあわせた回路を組み込むことができる。
データ入出力バッファ150は、チップ外部とデータ制御回路20のラッチ回路LTに至るチップ内部の回路との間のデータのやり取りを中継し、必要に応じて一時的にデータを保持する。NAND型フラッシュメモリのようにコマンドやアドレスなどもこのデータ入出力バッファ150を介してチップ内部に取り込まれるような回路構成であってもよい。また、データの書き換え、読み出し等の動作は、制御回路160から出力される種々の制御信号や、電圧発生回路170により出力される電圧によって制御される。それらの動作制御において補助的な役割を果たす回路として、ラッチデータチェック回路130、及びステータス回路180が設けられている。これらは、データ制御回路内のデータラッチに保持されたデータが所定の状態になっているか否かを検出して、制御回路160にフィードバックする機能や、チップ外部にデータ書き換え動作のPass/Fail結果を出力できるようにする機能を有する。
次に、データ制御回路20の詳細を図3を参照して説明する。前述のように、データ制御回路20は、センスアンプ回路SAと、ラッチ回路LTと、電圧制御回路CTRLとから大略構成されている。
センスアンプ回路SAは、クランプトランジスタ21と、差動増幅器22とを備えている。クランプトランジスタ21は、信号線DSAに一端が接続され、他端は差動増幅器22の反転入力端子(センスノードNSEN)に接続されている。信号線DSAは、図3では図示を省略しているが、前述のビット線選択トランジスタ4を介してビット線BLに接続される。差動増幅器22の非反転入力端子には、参照電位VREF_Rが供給されている。
なお、信号線DSAと接地端子(又はVUB端子(0V〜ダイオードの順方向電圧Vf(〜0.6V程度)が印加される端子))との間には、キャパシタ35、NMOSトランジスタ36、37が接続されている。NMOSトランジスタ36は、短絡信号G_GNDをゲートに入力されることにより、信号線DSAを接地電位(またはVUB端子の電位)に放電する機能を有する。また、NMOSトランジスタ37は、ゲートにNORゲート38の出力端子を接続されている。NORゲート38の入力端子には、読み出し動作やベリファイ動作においてビット線に読み出し電圧を印加する場合に“H”になる信号RVFY_P、セット動作においてビット線にセット電圧を印加する場合に“H”に立ち上がる信号SET_P、及びリセット動作においてビット線にリセット電圧を印加する場合に“H”に立ち上がる信号RESET_Pが入力される。
また、センスノードNSENには、NMOSトランジスタ32a、32b、PMOSトランジスタ33a、34a、33b、34bからなるカレントミラー回路CMが接続されている。PMOSトランジスタ33a、34a、33b、34bにより、スイッチ制御機能を有するカレントミラー回路が構成されていると共に、NMOSトランジスタ32a、32bがPMOSトランジスタ33aと接地端子との間に並列に接続されており、これによりカレントミラー回路に電流が供給されている。NMOSトランジスタ32aは信号線DSAにレファレンス電流を入力する場合に信号G_IREF_Rに基づき導通し、NMOSトランジスタ32bは、選択ビット線BLへのプリチャージを行う場合に信号PRECHGに基づき導通する。
センスアンプ回路SAの基本的な動作は、次の通りである。すなわち、ビット線BLの電位をクランプトランジスタ21でクランプしながら、選択メモリセルMCにセル電流を流す。センスノードNSENにはカレントミラー回路CMからレファレンス電流が流し込まれている。このセル電流とレファレンス電流の差分によるセンスノードNSENの電位の変化を差動増幅器22により判定する。
差動増幅器22の出力はセンスアンプ回路SAの出力として、ラッチ回路LTに取り込まれる。ラッチ回路LTは、クロックトインバータ27aと27bとをクロスカップル接続して構成される。なお、クロックトインバータ27aの入力端子をノードDC、出力端子をノードDCnと定義する。
NMOSトランジスタ26aは、ゲート信号RST_UによりノードDCを“H”にセットする。逆に、トランジスタ26bは、ゲート信号SEL_ALLによりノードDCを“L”にセットする。ノードDCには、さらに、差動増幅器22の出力をラッチ回路LTに取り込むため、直列に接続された二つのPMOSトランジスタ24、25が接続されている。PMOSトランジスタ24のゲートGPには、差動増幅器22の出力信号がデータ転送回路23を介して入力される。PMOSトランジスタ25はPMOSトランジスタ24のソースと電源端子(ラッチ回路LTの電源端子と共通)の間に接続され、ゲート信号STRBnが“L”になったときに、ノードDCを“H”に変えることができるようになっている。すなわち、ノードGPが”L”ならば、ノードDCを“H”に変更でき、ノードGPが“H”ならばノードDCは前の状態を保持する。
次に、ラッチ回路LTの状態をビット線BLの制御に反映させるための電圧制御回路CTRLの構成の説明をする。電圧制御回路CTRLは、NORゲート29a、インバータ29b、NANDゲート29c、レベルシフタ30、インバータ31a、31bを備えている。
NORゲート29a、インバータ29bは、信号RVFYが“H”の時(即ちリード動作実行時、ベリファイ動作実行時。以下、「リード系動作」という)にラッチ回路LTの出力をビット線BLに制御に影響させない論理ゲート部として機能する。すなわち、NORゲート29aの入力端子の1つにはノードDCnが接続されているが、信号RVFYが“H”とされることにより、このノードDCnの状態が無視される構成となっている。すなわち、リード系動作においては、ラッチ回路LTに保持されたデータに依存せず、信号RVFYによって決まる所定のデータ制御回路20で読み出し動作を行うことができる。一方、この信号RVFYによる制御は、信号RVFYを“H”にしなければ、ラッチ回路LTに保持されたデータに基づいた動作とすることができる。
インバータ29bの出力信号DCOUTnは、信号MATSELと共にNANDゲート29cに入力されている。信号MATSELは、スタンバイ状態やメモリマットMATが非選択時には“L”となる信号である。信号MATSELが“L”であると、レベルシフタ30を介して信号G_PCM1が“H”とされ、これによりPMOSトランジスタ33a、33bがオフとなり、カレントミラー回路CMの動作が停止される。また、NANDゲート31a及び31bを介して信号G_GNDが“H”とされ、NMOSトランジスタ36はオン状態とされ、信号線DSAを接地電位又はVUB端子の電位まで放電された状態とする。
また、NANDゲート29cの出力信号CTL_Pは、インバータ31aの入力信号となる。インバータ31aの出力信号は更にインバータ31bに入力され、インバータ31bは信号G_GNDを出力する。なお、レベルシフタ30は、例えばNMOSトランジスタ30a、30c、PMOSトランジスタ30d、30e、及びインバータ30bを図3に示すように接続して構成される回路である。トランジスタ30aと30d、トランジスタ30cと30eをそれぞれ電源端子と接地端子との間に接続し、トランジスタ30dと30eのゲート及びドレインが交差接続されて構成される。トランジスタ30aのゲートがレベルシフタ30の入力端子とされている。トランジスタ30cのゲートはインバータ30bを介して入力端子に接続されている。
また、レベルシフタ30の入力端子INには、前述の信号CTL_Pが入力され、レベルシフタ30の出力端子OUTから出力信号G_PCM1が出力される。
次に、ワード線制御回路について説明する。説明の都合上、本実施の形態の比較例のワード線制御回路、及びこれを用いたリセット動作を説明し、続いて、本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置のワード線制御回路、及びこれを用いたリセット動作を説明する。図4は、比較例の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路の詳細を説明する回路図である。
(ワード線制御回路の構成)
比較例の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、メモリセルMCに対する動作を実行する際、選択ワード線に接続されるノードwldrvを例えば0Vにするために用いられる。選択ワード線電圧制御回路200は、ソースが接地され、且つドレインがノードwldrvに接続されたNMOSトランジスタ201からなる。選択ワード線電圧制御回路200は、トランジスタ201のゲートに入力される信号VSELONにより動作が制御される。信号VSELONは、リセット動作が実行される際に“H”となり、ノードwldrvの電位を0Vに設定する信号である。
比較例の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、メモリセルMCに対する動作を実行する際、選択ワード線に接続されるノードwldrvを例えば0Vにするために用いられる。選択ワード線電圧制御回路200は、ソースが接地され、且つドレインがノードwldrvに接続されたNMOSトランジスタ201からなる。選択ワード線電圧制御回路200は、トランジスタ201のゲートに入力される信号VSELONにより動作が制御される。信号VSELONは、リセット動作が実行される際に“H”となり、ノードwldrvの電位を0Vに設定する信号である。
また、ノードwldrvは、ローカルロウデコーダ90に接続される。ローカルロウデコーダ90は、リセット動作時にノードwldrvの電位0Vを信号線WLDVに印加する。これにより、理論的には信号線WLDV及びワード線選択トランジスタ5を介して、選択ワード線WLに選択ワード線電圧0Vが印加される。非選択ワード線WLには、信号線VUX及びワード線選択トランジスタ7を介して、リセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。しかし、後述するように、寄生抵抗の影響により、選択ワード線WLの電圧は0Vにはならず、誤動作の原因となり得る。しかも、寄生抵抗の大きさはメモリセルアレイ100中のメモリセルMCの位置によって異なる。
(メモリセルアレイの構成)
ここで、図4に示すメモリセルアレイ100は、4つの領域A〜領域Dに分割されているものとする。領域Aに配置されたメモリセルMCをMC_a0〜MC_a7で示す。同様に、領域B、Cに配置されたメモリセルMCをMC_b0〜MC_b7、MC_c0〜MC_c7で示す。
ここで、図4に示すメモリセルアレイ100は、4つの領域A〜領域Dに分割されているものとする。領域Aに配置されたメモリセルMCをMC_a0〜MC_a7で示す。同様に、領域B、Cに配置されたメモリセルMCをMC_b0〜MC_b7、MC_c0〜MC_c7で示す。
領域Aは、メモリセルアレイ100内で選択ワード線制御回路200を含むワード線制御回路に最も近接した領域である。選択ワード線制御回路200から領域Aに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLnに接続されるまでの抵抗Rwldv1のみである。また、選択ワード線制御回路200から領域Bに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLfに接続されるまでの抵抗Rwldv1及び抵抗Rwldv2である。選択ワード線制御回路200から領域Dに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLnに接続されるまでの抵抗Rwldv1とワード線WLnの抵抗Rwlである。そして、領域Cは、メモリセルアレイ100内でワード線制御回路から最も離れた領域である。選択ワード線制御回路200から領域Cに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLfに接続されるまでの抵抗Rwldv1及び抵抗Rwldv2とワード線WLfの抵抗Rwlである。このように、メモリセルMCのメモリセルアレイ100内の位置により、選択ワード線電圧制御回路200からメモリセルMCに至るまでの配線の寄生抵抗が異なる。
(ビット線制御回路の構成)
比較例の抵抗変化メモリ装置における選択ビット線に印加される電圧の制御は、前述のデータ制御回路20を用いて実行される。I/Oパッドからデータ入出力バッファ150に入力されたデータが、データ線DQを介してデータ制御回路20のラッチ回路LTに入力される。ラッチ回路LTにセットされたデータに基づいてノードDSAが充電され、ビット線選択トランジスタ4を介して選択ビット線BLに所定の電圧(リセット動作時にはV_reset)が印加される。また、非選択ビット線BLには、信号線VUB及びビット線選択トランジスタ6を介して、所定の非選択ビット線電圧(例えば、0V)が印加される。
比較例の抵抗変化メモリ装置における選択ビット線に印加される電圧の制御は、前述のデータ制御回路20を用いて実行される。I/Oパッドからデータ入出力バッファ150に入力されたデータが、データ線DQを介してデータ制御回路20のラッチ回路LTに入力される。ラッチ回路LTにセットされたデータに基づいてノードDSAが充電され、ビット線選択トランジスタ4を介して選択ビット線BLに所定の電圧(リセット動作時にはV_reset)が印加される。また、非選択ビット線BLには、信号線VUB及びビット線選択トランジスタ6を介して、所定の非選択ビット線電圧(例えば、0V)が印加される。
(比較例の半導体記憶装置におけるリセット動作)
図5Aは、比較例の抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、図3に示すデータ制御回路20が用いられるものとして説明する。
図5Aは、比較例の抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、図3に示すデータ制御回路20が用いられるものとして説明する。
まず、時刻rs0において、非選択ワード線WLにリセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。また、非選択ビット線BLに電圧0Vが印加される。
次に、時刻rs1において、データ制御回路20のNORゲート38に入力される信号RESET_Pを“H”に立ち上げて、ビット線にリセット電圧印加を開始する。ここで、図5Aの時刻rs1〜rs2の期間が実効的なリセット動作時間T_resetとなる。信号RESET_Pにより、信号線DSAにはデータ制御回路20からリセット電圧V_resetが印加され、選択ビット線BLにはメモリセルMCに至るまでの配線の寄生抵抗により低下した電圧が印加される。このとき、選択ワード線WLの電位は、選択ワード線電圧制御回路200により0Vに設定される。しかし、リセット動作開始時に低抵抗状態のメモリセルMCには電流が流れるため、選択ワード線電圧制御回路200からメモリセルMCまでの配線の寄生抵抗による電圧降下の分だけ、メモリセルMCのワード線WLに接続された端部の電圧が上昇する。
図5Aには、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCが選択された場合の選択ワード線WL(far bit)の電位と、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCが選択された場合の選択ワード線WL(near bit)の電位が示されている。実線で示す選択ワード線の電位は、n個のメモリセルMCに対し同時にリセット動作を実行し、リセット動作時間T_resetの途中でm個(m<n)のメモリセルMCがリセット状態に遷移した場合を示している。破線で示す選択ワード線の電位は、1個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行した場合を示している。以下、n個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合について説明する。リセット動作を開始した時刻rs1において、選択ワード線WL(far bit)の電位は、前述の電圧降下の影響によりVf_nに上昇し、選択ワード線WL(near bit)の電位は、Vn_nに上昇している。ここで、電位Vf_n>電位Vn_nである。
この選択ワード線電位の上昇を図5Bを用いて説明する。図5Bにおいて、「far bit」は、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCの状態を示し、「near bit」は、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCの状態を示す。メモリセルMCのビット線側から印加される電圧は、「far bit」、「near bit」の両者とも電圧V_resetである。また、選択ワード線電圧制御回路200からノードwldrvに印加される電圧は0Vである。しかし、メモリセルに接続されたワード線WLからノードwldrvに至るまでの寄生抵抗が異なるため、ワード線WLとメモリセルMCとの接続部での電圧(Vf_n、Vn_n)が「far bit」と、「near bit」とで異なる値となっている。そのため、リセット動作時にメモリセルMCにかかる電位差が、メモリセルMCの位置により異なるという問題が生じる。
図5Aに示すリセット動作時間T_reset内で、m個のメモリセルMCの状態が(n−m)個の残りのメモリセルMCに比べて先に低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、そのm個のメモリセルMCに接続された選択ビット線BLの電圧が図5Aの[Selected BL fast]に示すように変化する。メモリセルMCが低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、メモリセルMCを流れる電流が減少し、信号線DSAからビット線BLへの寄生抵抗の影響が低減されてメモリセルMCに与えられる電圧が大きくなる。また、選択ワード線に流れ込む電流が減少するため、その電流経路の電圧降下が小さくなり、選択ワード線WLの電位上昇も小さくなる。したがって、抵抗状態の変化が完了すると選択ビット線BL及び選択ワード線WLの電位は、図5Aに示すように変化する。一方、残りの(n−m)個のメモリセルMCは、選択ビット線の電位が時間T_resetの間変化しない。このため、(n−m)個のメモリセルMCに対しては、所定のリセット動作時間T_resetが経過するまでリセット動作が継続される。
時刻rs2において、信号RESET_Pが“L”とされ、ビット線へのリセット電圧印加動作が終了する。その後、時刻rs3において、非選択ワード線WLが放電される。
このリセット動作時において、選択ワード線電圧制御回路200から離れた領域CにあるメモリセルMC(far bit)を確実にリセット状態にするためには、電圧V_resetと電圧Vf_nとの電位差をリセット動作に必要な電圧以上にする必要がある。しかし、選択ビット線BLに印加される電圧V_resetを大きくした場合、選択ワード線電圧制御回路200に近い領域AにあるメモリセルMC(near bit)にかかる電圧V_resetと電圧Vn_nとの電位差が大きくなり、リセット動作完了後に誤ってセット動作が発生する危険が高くなる。
また、同じ領域でリセット動作を実行する場合でも、リセット動作を実行する選択メモリセルMCの個数が異なると、図5Aに示すようにメモリセルのワード線側の端部において上昇する電圧が異なる。このように、抵抗変化メモリ装置においては、動作を実行する選択メモリセルのメモリセルアレイ中の場所と、同時に動作させるメモリセルの個数とによって、実質的な動作条件が異なる。
一例として、領域Cにおいて、n個のメモリセルに対してリセット動作を実行する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下は、リセット動作時の電流I_resetとすると、n*I_reset*(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)と表される。
また、領域Aにおいて、1個のメモリセルに対してリセット動作を実行する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下は、リセット動作時の電流I_resetとすると、1*I_reset*Rwldv1と表される。
ここで、各寄生抵抗の値Rwl=6kΩ、Rwldv1=0.4kΩ、Rwldv2=3.6kΩで、n=4の場合を想定する。このとき、領域Cのメモリセルについての電圧降下の値は、I_reset=10μAと仮定すると、n*I_reset*(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)=0.4Vとなる。
また、領域Aのメモリセルについての電圧降下の値は、1*I_reset*Rwldv1=0.004Vとなり、動作を実行する選択メモリセルの場所と、同時に動作させるメモリセルの個数とによって、約0.4Vの印加電圧の条件差が生じる。
次に、本実施の形態の抵抗変化メモリ装置のワード線制御回路、及びこれを用いたリセット動作について説明する。図6は、本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路の詳細を説明する回路図である。
(ワード線制御回路の構成)
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、及びレファレンス電圧発生回路220を含む。選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、及びレファレンス電圧発生回路220は、動作を実行する選択メモリセルの場所と、同時に動作させるメモリセルの個数とに基づいて、選択ワード線WLに印加する電圧を制御する機能を有する。
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、及びレファレンス電圧発生回路220を含む。選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、及びレファレンス電圧発生回路220は、動作を実行する選択メモリセルの場所と、同時に動作させるメモリセルの個数とに基づいて、選択ワード線WLに印加する電圧を制御する機能を有する。
カウンタ210は、データ制御回路20のデータ線DQに接続され、データ制御回路20を介してメモリセルMCの抵抗状態を読み出す。このカウンタ210は、リセット動作に先立って選択メモリセルMCの抵抗状態を読み出し、リセット動作時にリセット電圧を印加する必要のある選択メモリセルMCの数を数える。
レファレンス電圧発生回路220には、カウンタ210により計数された、リセット電圧を印加する必要のある選択メモリセルの数が入力される。また、レファレンス電圧発生回路220には、選択セルの位置情報を表す信号として、選択ワード線アドレス信号及び選択カラムアドレス信号も入力される。レファレンス電圧発生回路220は、選択メモリセルMCの数とワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号に基づいて、所定値のレファレンス電圧VR_WLDRVを出力する。
このレファレンス電圧発生回路220の構成例を図7を参照して説明する。レファレンス電圧発生回路220は、カウンタ210から入力された、リセット電圧を印加する必要のあるメモリセルの個数を示す信号、ワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号をデコードして、信号GT_0〜GTfを出力する機能を有するトリムコントロール回路211を有する。また、レファレンス電圧発生回路220は、ゲートに信号GT_0〜GTfが入力されるNMOSトランジスタ212_0〜212_fと、直列に接続された抵抗素子RT_0〜RT_fからなる抵抗Rbとを有する。直列接続された抵抗素子RT_0〜RT_fの各接続点にトランジスタ212_0〜212_fのドレインがそれぞれ接続されている。トランジスタ212_0〜212_fのソースは共通に接地電圧が与えられている。
また、レファレンス電圧発生回路220は、PMOSトランジスタ213、差動増幅器214及び抵抗Raを有する。トランジスタ213のゲート端子には、差動増幅器214の出力端子が接続され、ソースは電源端子に接続されている。また、トランジスタ213は抵抗Raと直列接続されている。差動増幅器214の反転入力端子にはレファレンス電圧VREFが入力され、非反転入力端子にはトランジスタ213と抵抗Raとの接続ノードmonの電圧が入力される。また、抵抗Raと抵抗Rbとが接続され、この接続ノードからレファレンス電圧VR_WLDRVが出力される。
レファレンス電圧発生回路220は、トリムコントロール回路211から出力された信号GT_0〜GT_fによりトランジスタ212のいずれかを導通させ、抵抗Rbの抵抗値を所定の抵抗値に決定する。また、差動増幅器214は、トランジスタ213及び抵抗Raの接続ノードmonの電位とレファレンス電圧VREFとを比較して、トランジスタ213のゲート端子に入力される電圧を制御する。これによって、抵抗Raと抵抗Rbとの接続ノードから出力されるレファレンス電圧VR_WLDRVの値が、選択メモリセルMCの数とワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号とに基づいて、所定の電圧に制御される。
図6に示すように、選択ワード線電圧制御回路200は、ソースが接地され、ドレインがノードwldrvに接続されたNMOSトランジスタ201及び差動増幅器202を有する。差動増幅器202の出力端子は、トランジスタ201のゲート端子に接続される。また、差動増幅器202の非反転入力端子にはノードwldrvの電圧が入力され、反転入力端子には、レファレンス電圧発生回路220から出力されたレファレンス電圧VR_WLDRVが入力される。差動増幅器202は、ノードwldrvの電圧値と、レファレンス電圧VR_WLDRVの電圧値とを比較して、ノードwldrvの電圧値がレファレンス電圧VR_WLDRVと等しくなるように、トランジスタ201のゲート端子に入力する電圧を制御する。この選択ワード線電圧制御回路200は、リセット動作が実行される際に、ノードwldrvの電位をレファレンス電圧VR_WLDRVの電圧と同じ値に設定する。
ノードwldrvは、ローカルロウデコーダ90に接続される。ローカルロウデコーダ90は、リセット動作時にレファレンス電圧VR_WLDRVと同じ値に設定されたノードwldrvの電位を信号線WLDVに印加する。選択ワード線WLには、選択メモリセルMCの数とワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号とに基づいたノードwldrvの電圧が、信号線WLDV及びワード線選択トランジスタ5を介して印加される。非選択ワード線WLには、信号線VUX及びワード線選択トランジスタ7を介して、リセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。
(メモリセルアレイの構成)
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるメモリセルアレイ100の分割された領域、配線の寄生抵抗の構成は、図4に示した比較例の抵抗変化メモリ装置の構成と同様である。すなわち、図6に示すメモリセルアレイ100は、4つの領域A〜領域Dに分割されているものとする。領域Aに配置されたメモリセルMCをMC_a0〜MC_a7で示す。同様に、領域B、Cに配置されたメモリセルMCをMC_b0〜MC_b7、MC_c0〜MC_c7で示す。
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるメモリセルアレイ100の分割された領域、配線の寄生抵抗の構成は、図4に示した比較例の抵抗変化メモリ装置の構成と同様である。すなわち、図6に示すメモリセルアレイ100は、4つの領域A〜領域Dに分割されているものとする。領域Aに配置されたメモリセルMCをMC_a0〜MC_a7で示す。同様に、領域B、Cに配置されたメモリセルMCをMC_b0〜MC_b7、MC_c0〜MC_c7で示す。
領域Aは、メモリセルアレイ100内で選択ワード線電圧制御回路200を含むワード線制御回路に最も近接した領域である。選択ワード線電圧制御回路200から領域Aに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLnに接続されるまでの抵抗Rwldv1のみである。また、選択ワード線電圧制御回路200から領域Bに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLfに接続されるまでの抵抗Rwldv1及び抵抗Rwldv2である。選択ワード線電圧制御回路200から領域Dに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLnに接続されるまでの抵抗Rwldv1とワード線WLnの抵抗Rwlである。そして、領域Cは、メモリセルアレイ100内でワード線制御回路から最も離れた領域である。選択ワード線電圧制御回路200から領域Cに至るまでの信号線WLDV及びワード線WLの寄生抵抗は、信号線WLDVがワード線WLfに接続されるまでの抵抗Rwldv1及び抵抗Rwldv2とワード線WLfの抵抗Rwlである。このように、メモリセルMCのメモリセルアレイ100内の位置により、選択ワード線電圧制御回路200からメモリセルMCに至るまでの配線の寄生抵抗が異なる。
(ビット線制御回路の構成)
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるビット線制御回路の構成は、図4に示した比較例の抵抗変化メモリ装置の構成と同様であるため、対応する箇所に同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるビット線制御回路の構成は、図4に示した比較例の抵抗変化メモリ装置の構成と同様であるため、対応する箇所に同一の符号を付してその説明を省略する。
(第1の実施の形態に係る半導体記憶装置におけるリセット動作)
図8Aは、第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。
図8Aは、第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。
リセット動作に先立ち、カウンタ210によりリセット動作が実行されるメモリセルMCの個数が計数される。また、レファレンス電圧発生回路220により動作を実行する選択メモリセルの場所と、同時に動作させるメモリセルの個数とに基づくレファレンス電圧VR_WLDRVが出力される。
時刻rs0において、非選択ワード線WLにリセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。また、非選択ビット線BLに電圧0Vが印加される。
次に、時刻rs1において、データ制御回路20のNORゲート38に入力される信号RESET_Pを“H”に立ち上げて、ビット線にリセット電圧印加を開始する。ここで、図8Aの時刻rs1〜rs2の期間が実効的なリセット動作時間T_resetとなる。信号RESET_Pにより、信号線DSAにはデータ制御回路20からリセット電圧V_resetが印加され、選択ビット線BLにはメモリセルMCに至るまでの配線の寄生抵抗により低下した電圧が印加される。このとき、選択ワード線電圧制御回路200からノードwldrvに出力される電圧Vwldrvは、選択メモリセルMCの数とワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号とに基づいて、異なる値に設定された電圧である。すなわち、領域CのメモリセルMCをn個リセット動作させる際には、電圧Vwldrvは、Vwldrv_f_nに設定される。領域CのメモリセルMCをk個(k<n)リセット動作させる際には、電圧Vwldrvは、電圧Vwldrv_f_nより高いVwldrv_f_kに設定される。領域AのメモリセルMCをn個リセット動作させる際には、電圧Vwldrvは、Vwldrv_f_nより高いVwldrv_n_nに設定される。そして、領域Aのメモリセルをk個(k<n)リセット動作させる際には電圧Vwldrvは、Vwldrv_n_nより高いVwldrv_n_kに設定される。
ここで、前述のように、リセット動作開始時に低抵抗状態のメモリセルMCには電流が流れるため、選択ワード線電圧制御回路200からメモリセルMCまでの配線の寄生抵抗による電圧降下の分だけ、メモリセルMCのワード線WLに接続された端部の電圧が上昇する。図8Aには、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCに接続された選択ワード線WL(far bit)の電位と、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCに接続された選択ワード線WL(near bit)の電位が示されている。実線で示す選択ワード線の電位は、n個のメモリセルMCに対し同時にリセット動作を実行し、リセット動作時間T_resetの途中でm個(m<n)のメモリセルMCがリセット状態に遷移した場合を示している。破線で示す選択ワード線の電位は、k個(k<n)のメモリセルMCに対しリセット動作を実行した場合を示している。
以下、領域C内のn個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合と、領域A内のn個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合について説明する。リセット動作を開始した時刻rs1において、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_nに上昇し、選択ワード線WL(near bit)の電位は、Vn_nに上昇している。ここで、電位Vf_n≒電位Vn_nである。
このワード線電位の上昇を図8Bを用いて説明する。図8Bにおいて、「far bit」は、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCの状態を示し、「near bit」は、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCの状態を示す。メモリセルMCのビット線側から印加される電圧は、「far bit」、「near bit」の両者に対して電圧V_resetとなり共通であるが、ノードwldrvに印加される電圧は、電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_n_nとなり異なる電圧になる。この電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_n_nは、Vwldrv_f_n<Vwldrv_n_nとなるように設定されている。
「far bit」と、「near bit」とでは、メモリセルに接続されたワード線WLからノードwldrvに至るまでの寄生抵抗が異なる。そこで電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_n_nは、選択メモリセルの位置情報を表すアドレスに基づいて、この寄生抵抗の違いを加味して設定される。電圧Vwldrv_f_nは、電圧Vf_nから配線の寄生抵抗(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)による電圧降下分を差し引いた程度の電圧に設定される。また、電圧Vwldrv_n_nは、電圧Vn_nから配線の寄生抵抗Rwldv1による電圧降下分を差し引いた程度の電圧に設定される。すなわち、選択ワード線電圧制御回路200の出力電圧を調節することによって、「far bit」の場合でも「near bit」の場合でも選択メモリセル部のワード線電位が略同じになるように制御される。
次に、領域C内のn個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合と、領域C内のk個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合について説明する。リセット動作を開始した時刻rs1において、n個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合には、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_nに上昇している。また、k個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合にも、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_kに上昇している。ここで、電位Vf_n≒電位Vf_kである。
ここで、ノードwldrvに印加される電圧は、それぞれの場合で異なり、電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kとなる。この電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kは、Vwldrv_f_n<Vwldrv_f_kとなるように設定されている。
同じ「far bit」においても、同時に動作させるメモリセルMCの個数により、配線の寄生抵抗を流れる電流が変化するため、電圧降下の値も変化する。そこで電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kは、それぞれの同時選択メモリセルの個数に基づいて、その電圧降下の違いを加味して設定される。電圧Vwldrv_f_nは、n個のメモリセルを流れた電流の和と配線の寄生抵抗(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)による電圧降下分を電圧Vf_nから引いた程度の電圧に設定される。また、電圧Vwldrv_f_kは、k個のメモリセルを流れた電流の和と配線の寄生抵抗(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)による電圧降下分を電圧Vf_kから引いた程度の電圧に設定される。このように選択ワード線電圧制御回路200の出力電圧を変更することによって、選択メモリセルが位置するワード線部の電位がほぼ同じになるように制御される。
このように、領域Cにあるn個のメモリセルMCを選択する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下が最も大きくなるので、ノードwldrvの電位が最も低いレベルに設定される。また、領域CのメモリセルMCであっても、リセット開始時に、リセットの対象になるビット数がk個(n>k)の場合には、寄生抵抗による電圧降下が小さくなることが見込まれるため、電圧Vwldrvのレベルは、電圧Vwldrv_f_kに制御される。そして、領域Aで、k個のセルが選択された場合には、寄生抵抗による電圧降下が最も小さくなるので、ノードwldrvの電位が高く設定される。
図8Aに示すリセット動作時間T_reset内で、領域C内のm個のメモリセルMCの状態が(n−m)個の残りのメモリセルMCに比べて先に低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、そのm個のメモリセルMCに接続された選択ビット線BLの電圧が図8Aの[Selected BL fast]に示すように変化する。メモリセルMCが低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、メモリセルMCを流れる電流が減少し、信号線DSAからビット線BLへの寄生抵抗の影響が低減されてメモリセルMCに与えられる電圧が大きくなる。また、選択ワード線に流れ込む電流が減少するため、その電流経路の電圧降下が小さくなり、選択ワード線WLの電位上昇も小さくなる。したがって、抵抗状態の変化が完了すると選択ビット線BL及び選択ワード線WLの電位は、図8Aに示すように変化する。一方、残りの(n−m)個は、選択ビット線BLの電位が時間T_resetの間変化しない。このため、(n−m)個のメモリセルMCは、所定のリセット動作時間T_resetが経過するまでリセット動作が継続される。
時刻rs2において、信号RESET_Pが“L”とされ、ビット線へのリセット電圧印加動作が終了する。その後、時刻rs3において、非選択ワード線WLが放電される。
(第1の実施の形態に係る半導体記憶装置の効果)
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、領域Cにあるn個のメモリセルMC(far bit)と、領域Aにあるn個のメモリセルMC(near bit)とのワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vn_nは略同一となるため、配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。これにより、リセット動作を実行する選択メモリセルの動作条件を揃えることができる。
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、領域Cにあるn個のメモリセルMC(far bit)と、領域Aにあるn個のメモリセルMC(near bit)とのワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vn_nは略同一となるため、配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。これにより、リセット動作を実行する選択メモリセルの動作条件を揃えることができる。
また、同じ領域Cでリセット動作を実行する場合でも、リセット動作を実行する選択メモリセルMCの個数に基づいて、ノードwldrvに印加する電圧Vwldrvが調整される。同じ領域Cにおけるリセット動作で選択メモリセルの個数が異なる場合でも、ワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vf_kは略同一となるため、リセット電流を流すセルの個数と配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。
選択ワード線電圧制御回路200は、選択メモリセルMCのメモリセルアレイ100内の位置及び同時に動作を実行するメモリセルの個数がどのように変化したとしても、ワード線WLとメモリセルMCとの接続部での電圧(Vf_n、Vf_k、Vn_n、Vn_k)を略同一とするようにノードwldrvの電位を設定する。ワード線WLとメモリセルMCとの接続部での電圧(Vf_n、Vf_k、Vn_n、Vn_k)が略同一である場合、リセット動作時に選択メモリセルMCに印加される電圧はどの選択メモリセルMCでも一定になる。本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、リセット動作時において、選択メモリセルの位置や同時選択セル数の違いから生じる動作条件の差が小さくなるように制御される機能を有するため、どのメモリセルに対しても適切な条件下で動作させることができる。
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置において、レファレンス電圧VR_WLDRVに反映させる選択メモリセルの位置情報は、例えば、図6に示す領域A〜領域Dであった。ここで、リセット動作を実行するメモリセルMCの1個あたりの寄生抵抗による電圧降下は、各領域によって異なるため、レファレンス電圧VR_WLDRVの調整の仕方を、領域によって変化させてもよい。例えば、領域Cにおいて、2個、4個、6個、8個を境にして、レファレンス電圧VR_WLDRVのレベルが調整されるものとする。この場合に、電圧降下が小さくなる領域B、Dにおいては4個を境にして、レファレンス電圧VR_WLDRVのレベルが調整され、領域Aにおいてはセル数に依存しない最適なレベル設定とすることができる。このようなレベル制御は、レファレンス電圧制御回路220のトリムコントロール回路211で行われる。
[第2の実施の形態]
(第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の構成)
次に、本発明の第2の実施の形態の抵抗変化メモリ装置のワード線制御回路、及びこれを用いたリセット動作について説明する。図9は、本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路の詳細を説明する回路図である。本実施の形態の抵抗変化メモリ装置において、メモリセルアレイ100、データ制御回路20等の周辺回路の構成は、上述の第1の実施の形態の抵抗変化メモリ装置と同様である。
(第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の構成)
次に、本発明の第2の実施の形態の抵抗変化メモリ装置のワード線制御回路、及びこれを用いたリセット動作について説明する。図9は、本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路の詳細を説明する回路図である。本実施の形態の抵抗変化メモリ装置において、メモリセルアレイ100、データ制御回路20等の周辺回路の構成は、上述の第1の実施の形態の抵抗変化メモリ装置と同様である。
(ワード線制御回路の構成)
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、レファレンス電圧発生回路220、抵抗制御回路230及び抵抗負荷回路240を含む。これらワード線制御回路は、同時に動作させるメモリセルの個数に基づいて、選択ワード線WLに印加する電圧を制御する機能を有する。また、ワード線制御回路は、動作を実行する選択メモリセルの場所に基づいて、選択ワード線WLと選択ワード線電圧制御回路200との間に抵抗素子を挿入する機能を有する。選択ワード線電圧制御回路200及びカウンタ210の構成は、第1の実施の形態の抵抗変化メモリ装置と同様であるため、対応する箇所に同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態の抵抗変化メモリ装置におけるワード線制御回路は、選択ワード線電圧制御回路200、カウンタ210、レファレンス電圧発生回路220、抵抗制御回路230及び抵抗負荷回路240を含む。これらワード線制御回路は、同時に動作させるメモリセルの個数に基づいて、選択ワード線WLに印加する電圧を制御する機能を有する。また、ワード線制御回路は、動作を実行する選択メモリセルの場所に基づいて、選択ワード線WLと選択ワード線電圧制御回路200との間に抵抗素子を挿入する機能を有する。選択ワード線電圧制御回路200及びカウンタ210の構成は、第1の実施の形態の抵抗変化メモリ装置と同様であるため、対応する箇所に同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施の形態のレファレンス電圧発生回路220には、カウンタ210により計数されたリセット電圧を印加する必要のある選択メモリセルの数のみが入力される。レファレンス電圧発生回路220は、選択メモリセルMCの数に基づいて、所定の値のレファレンス電圧VR_WLDRVを出力する。
選択ワード線電圧制御回路200は、リセット動作が実行される際に、ノードwldrvの電位を選択メモリセルMCの数に基づくレファレンス電圧VR_WLDRVの電圧と同じ値に設定する。
抵抗負荷回路240は、ノードwldrvとローカルロウデコーダ90との間に設けられている。抵抗負荷回路240は、ノードwldrvに並列に接続されたNMOSトランジスタSWa〜SWdと、各トランジスタSWa〜SWdに直列に接続され互いに異なる抵抗値を有する抵抗Ra〜Rdを有する。抵抗Ra〜Rdは、それぞれノードnselに接続され、ノードnselがローカルロウデコーダ90に接続されている。ここで、抵抗Ra〜Rdの抵抗値は、例えばRa≒Rwldv2+Rwl、Rb≒Rwl、Rc≒0、Rd≒Rwldv2となるような値に設定されている。
抵抗制御回路230には、選択セルの位置情報を表す信号として、選択ワード線アドレス信号及び選択カラムアドレス信号が入力される。抵抗制御回路230は、ワード線アドレス信号及びカラムアドレス信号に基づいて、トランジスタSWa〜SWdのゲートに信号を出力し、所定の抵抗を導通させる。ここで、抵抗制御回路230は、選択されるメモリセルMCが領域Aにあることを示しているときは、トランジスタSWaを導通させる。同様に、選択されるメモリセルMCが領域B、C、Dにあることを示しているときは、トランジスタSWb、SWc、SWdをそれぞれ導通させる。これにより、ノードwldrvとノードnselとの間に選択メモリセルMCの位置に基づいた抵抗素子を挿入する。
前述のように、選択ワード線電圧制御回路200により、ノードwldrvの電位は選択メモリセルMCの数に基づく値に設定されている。このノードwldrvから領域AのメモリセルMCに接続されたワード線WLへと電圧が印加される場合、抵抗負荷回路240の抵抗Ra(抵抗値:Rwldv2+Rwl)と信号線WLDVの寄生抵抗Rwldv1とを介して電圧が印加される。また、ノードwldrvから領域BのメモリセルMCに接続されたワード線WLへと電圧が印加される場合、抵抗負荷回路240の抵抗Rb(抵抗値:Rwl)と信号線WLDVの寄生抵抗Rwldv1及びRwldv2とを介して電圧が印加される。ノードwldrvから領域CのメモリセルMCに接続されたワード線WLへと電圧が印加される場合、抵抗負荷回路240の抵抗Rc(抵抗値:付加しない)、信号線WLDVの寄生抵抗Rwldv1及びRwldv2、ワード線の寄生抵抗Rwlを介して電圧が印加される。このように、抵抗負荷回路240により選択メモリセルMCの位置に基づく抵抗が挿入されるため、ノードwldrvからメモリセルアレイ100内の各メモリセルMCに至るまでの抵抗値が略同一の値を有するようになる。
抵抗負荷回路240の出力側のノードnselは、ローカルロウデコーダ90に接続される。ローカルロウデコーダ90は、リセット動作時にノードnselの電位を信号線WLDVに印加する。選択ワード線WLには、信号線WLDV及びワード線選択トランジスタ5を介して、選択ワード線電圧が印加される。非選択ワード線WLには、信号線VUX及びワード線選択トランジスタ7を介して、リセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。
(第2の実施の形態に係る半導体記憶装置におけるリセット動作)
図8Aは、第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。
図8Aは、第1の実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置におけるリセット動作を説明するタイミングチャートである。
リセット動作に先立ち、カウンタ210によりリセット動作が実行されるメモリセルMCの個数が計数される。また、レファレンス電圧発生回路220により同時に動作させるメモリセルの個数に基づくレファレンス電圧VR_WLDRVが出力されるとともに、抵抗負荷回路240により動作を実行する選択メモリセルの場所に基づく抵抗素子が挿入される。
時刻rs0において、非選択ワード線WLにリセット動作時の非選択ワード線電圧V_resetが印加される。また、非選択ビット線BLに電圧0Vが印加される。
次に、時刻rs1において、データ制御回路20のNORゲート38に入力される信号RESET_Pを“H”に立ち上げて、ビット線にリセット電圧印加を開始する。ここで、図8Aの時刻rs1〜rs2の期間が実効的なリセット動作時間T_resetとなる。信号RESET_Pにより、信号線DSAにはデータ制御回路20からリセット電圧V_resetが印加され、選択ビット線BLにはメモリセルMCに至るまでの配線の寄生抵抗により低下した電圧が印加される。このとき、選択ワード線電圧制御回路200からノードwldrvに出力される電圧Vwldrvは、選択メモリセルMCの数に基づいて、所定の値に設定された電圧である。すなわち、メモリセルが配置された領域が領域Aであるか領域Cであるかにかかわらず、メモリセルMCをn個リセット動作させる際には、電圧Vwldrvは同一の値(Vwldrv_f_n=Vwldrv_n_n)に設定される。同様に、メモリセルMCをk個(k<n)リセット動作させる際には、メモリセルが配置された領域が領域Aであるか領域Cであるかにかかわらず、電圧Vwldrvは同一の値(Vwldrv_f_k=Vwldrv_n_k)に設定される。ここで、メモリセルMCをk個リセット動作させる際の電圧値のほうがメモリセルMCをn個リセット動作させる際の電圧値よりも高い値に設定される。
前述のように、リセット動作開始時に低抵抗状態のメモリセルMCには電流が流れるため、選択ワード線電圧制御回路200からメモリセルMCまでの配線の寄生抵抗による電圧降下の分だけ、メモリセルMCのワード線WLに接続された端部の電圧が上昇する。図10Aには、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCに接続された選択ワード線WL(far bit)の電位と、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCに接続された選択ワード線WL(near bit)の電位が示されている。実線で示す選択ワード線の電位は、n個のメモリセルMCに対し同時にリセット動作を実行し、リセット動作時間T_resetの途中でm個(m<n)のメモリセルMCがリセット状態に遷移した場合を示している。破線で示す選択ワード線の電位は、k個(k<n)のメモリセルMCに対しリセット動作を実行した場合を示している。
以下、領域C及び領域A内のn個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合について説明する。リセット動作を開始した時刻rs1において、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_nに上昇し、選択ワード線WL(near bit)の電位は、Vn_nに上昇している。ここで、電位Vf_n≒電位Vn_nである。
このワード線電位の上昇を図10Bを用いて説明する。図10Bにおいて、「far bit」は、選択ワード線電圧制御回路200からの距離が離れている領域CのメモリセルMCの状態を示し、「near bit」は、選択ワード線電圧制御回路200に近接した領域AのメモリセルMCの状態を示す。メモリセルMCのビット線側から印加される電圧は、「far bit」、「near bit」ともに電圧V_resetである。ここで、ノードwldrvに印加される電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_n_nとは、同数のメモリセルをリセット動作する電圧であるため、共通の電圧値に設定されている。
ここで、領域CにあるメモリセルMCを選択する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下が最も大きくなるので、抵抗負荷回路240によりノードnselとノードwldrvとの間に挿入される抵抗の抵抗値が最も小さい値に設定される。逆に、領域AにあるメモリセルMCを選択する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下が最も小さくなるので、抵抗負荷回路240によりノードnselとノードwldrvとの間に挿入される抵抗の抵抗値が最も大きい値に設定される。
「far bit」と、「near bit」とでは、メモリセルに接続されたワード線WLからノードwldrvに至るまでの寄生抵抗が異なる。しかし、本実施の形態の抵抗変化メモリ装置においては、抵抗負荷回路240により選択メモリセルが配置された位置情報に基づいて選択メモリセルとノードwldrvの間の抵抗がほぼ同一の値になるように抵抗が接続される。
次に、領域C内のn個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合と、領域C内のk個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合について説明する。リセット動作を開始した時刻rs1において、n個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合には、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_nに上昇している。また、k個のメモリセルMCに対しリセット動作を実行する場合にも、選択ワード線WL(far bit)の電位は、Vf_kに上昇している。ここで、電位Vf_n≒電位Vf_kである。
ここで、ノードwldrvに印加される電圧は、電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kという異なる電圧である。この電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kとは、Vwldrv_f_n<Vwldrv_f_kとなるように設定されている。
同じ「far bit」においても、同時に動作させるメモリセルMCの個数が変わるとワード線を流れる電流が変化するため電圧降下が変化する。そこで電圧Vwldrv_f_nと、電圧Vwldrv_f_kは、同時に動作が実行される選択メモリセルの個数に基づいて、この電圧降下の違いを加味して設定される。電圧Vwldrv_f_nは、n個のメモリセルを流れる電流と配線の寄生抵抗(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)による電圧降下分を電圧Vf_nから引いた程度の電圧に設定される。また、電圧Vwldrv_f_kは、k個のメモリセルを流れる電流と配線の寄生抵抗(Rwl+Rwldv1+Rwldv2)による電圧降下分を電圧Vf_kから引いた程度の電圧に設定される。
このように、領域CにあるメモリセルMCを選択する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下が最も大きくなるので、抵抗負荷回路240により挿入される抵抗素子の抵抗値は最も低いレベルに設定される。逆に、領域AにあるメモリセルMCを選択する場合、配線の寄生抵抗による電圧降下が最も小さくなるので、抵抗負荷回路240により挿入される抵抗素子の抵抗値は最も高いレベルに設定される。そして、同じ領域のメモリセルMCであっても、リセット開始時に、リセットの対象になるビット数がk個(n>k)の場合には、寄生抵抗による電圧降下が小さくなることが見込まれるため、電圧Vwldrvのレベルは、同時に動作を実行するメモリセルMCの個数により制御される。このような抵抗素子の抵抗値及びノードwldrvの電位の設定により、選択メモリセルの場所や同時に動作するメモリセルの個数によらず、選択メモリセル部のワード線電位は略同一とされる。
図10Aに示すリセット動作時間T_reset内で、領域C内のm個のメモリセルMCの状態が(n−m)個の残りのメモリセルMCに比べて先に低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、そのm個のメモリセルに接続された選択ビット線BLの電圧が図10Aの[Selected BL fast]に示すように変化する。メモリセルMCが低抵抗状態から高抵抗状態に変化すると、メモリセルMCを流れる電流が減少し、信号線DSAからビット線BLへの寄生抵抗の影響が低減されてメモリセルMCに与えられる電圧が大きくなる。また、選択ワード線に流れ込む電流が減少するためその電流経路の電圧降下が小さくなり選択ワード線WLの電位上昇も小さくなる。したがって、抵抗状態の変化が完了すると選択ビット線BL及び選択ワード線WLの電位は、図10Aに示すように変化する。一方、残りの(n−m)個のメモリセルMCは、所定のリセット動作時間T_resetが経過するまでリセット動作が継続される。
時刻rs2において、信号RESET_Pが“L”とされ、ビット線へのリセット電圧印加動作が終了する。その後、時刻rs3において、非選択ワード線WLが放電される。
(第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の効果)
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、領域Cにあるn個のメモリセルMC(far bit)と、領域Aにあるn個のメモリセルMC(near bit)とのワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vn_nは略同一となるため、配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。これにより、動作を実行する選択メモリセルの動作条件を揃えることができる。
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、領域Cにあるn個のメモリセルMC(far bit)と、領域Aにあるn個のメモリセルMC(near bit)とのワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vn_nは略同一となるため、配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。これにより、動作を実行する選択メモリセルの動作条件を揃えることができる。
また、同じ領域Cでリセット動作を実行する場合でも、リセット動作を実行する選択メモリセルMCの個数に基づいて、ノードwldrvに印加する電圧Vwldrvが調整される。同じ領域Cにおけるリセット動作で選択メモリセルの個数が異なる場合でも、ワード線側の端部の電圧Vf_n、電圧Vf_kは略同一となるため、配線の寄生抵抗に起因する印加電圧の差を小さくすることができる。
選択ワード線電圧制御回路200や抵抗負荷回路240は、選択メモリセルMCのメモリセルアレイ100内の位置及び同時に動作を実行するメモリセルの個数がどのように変化したとしても、ワード線WLとメモリセルMCとの接続部での電圧(Vf_n、Vf_k、Vn_n、Vn_k)を略同一とするようにノードwldrvの電位を設定する。ワード線WLとメモリセルMCとの接続部での電圧(Vf_n、Vf_k、Vn_n、Vn_k)が略同一である場合、リセット動作時に選択メモリセルMCに印加される電圧はどの選択メモリセルMCでも一定になる。本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置によれば、リセット動作時において、選択メモリセルの位置や同時選択セル数の違いから生じる動作条件の差が小さくなるように制御される機能を有するため、どのメモリセルに対しても適切な条件下で動作させることができる。
本実施の形態に係る抵抗変化メモリ装置において、m個のメモリセルMCの状態が低抵抗状態から高抵抗状態に変化した際、電圧降下の減少により選択ワード線の電位上昇が小さくなっている。ここで、領域Cにおける選択ワード線WL(far bit)の電位の減少値と、領域Aにおける選択ワード線WL(near bit)の電位の減少値とは、ほぼ同様の値である。一方、図8Aに示す第1の実施の形態において、選択ワード線WL(far bit)の電位の減少値と、選択ワード線WL(near bit)の電位の減少値とは異なっている。
これは、第1の実施の形態において、領域CのメモリセルMCに対するリセット動作と、領域AのメモリセルMCに対するリセット動作とでは、ノードwldrvに印加されている電圧が異なることに起因するものである。領域Cにおける選択ワード線WL(far bit)の電位は、状態が遷移したメモリセルが増えるにつれて減少し、最終的にはVwldrv_f_nの電位まで低下する。しかし、領域Aにおける選択ワード線WL(near bit)の電位は、リセットが完了して高抵抗状態に遷移したメモリセルが増えてもVwldrv_n_nの電位までしか低下しない。
一方、本実施の形態において、同時に動作させるメモリセルMCの個数が同じであれば、メモリセルMCが配置されている領域にかかわらずノードwldrvに印加される電圧は同じ値となる。また、選択メモリセルから選択ワード線電圧制御回路に至る電流経路の抵抗は、抵抗負荷回路により選択メモリセルの位置依存性が小さくなるようにほぼ同じ値になるように調整されている。したがって、n個のメモリセルMCのうちm個がリセット状態に変化した後でも電圧Vf_n−mとVn_n−mとは、略同一の値となる。本実施の形態の抵抗変化メモリ装置によれば、リセット動作の途中でメモリセルMCの状態が遷移したとしても、動作を実行する選択メモリセルの動作条件を揃えることができる。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加等が可能である。例えば、実施の形態において、抵抗変化メモリ装置の動作をリセット動作として説明したが、ビット線及びワード線への電圧印加状態を変更することなく、印加電圧の値を変更することによりセット動作やリード動作とすることも可能である。
読み出し動作における実施例について説明する。例えば、8個のメモリセルを同時に読み出す必要がある場合、ワード線制御回路から最も離れたメモリセルMCに対して、所定の状態のメモリセルMCが読み出しできるように必要十分なビット線電圧が選択ビット線に印加される。このビット線電圧はメモリセルアレイ内で最も電流を流しにくい位置にと複数の選択メモリセルのセル電流による電圧降下が考慮されて設定される電圧であるので、ビット線電圧は高く設定されることになる。したがって、セルアレイ内で最も電流を流しやすい位置にあるメモリセルに対しては、必要以上に高いビット線電圧となる可能性があり、もし、このときのセル電流が大きすぎると誤ってリセット動作を引き起こす懸念がある。その原因は、選択メモリセルの電流経路における電圧降下の違いによるものであり、それは前述のように、選択メモリセルの位置によって変わりうる電流経路上の抵抗と、電圧降下に寄与するセル電流を流すメモリセルの数に依存している。読み出し動作においては、リセット動作と異なり、事前に所定のセル電流を流すメモリセルの数を計数するという動作はしない(それ自身が読み出し動作であるため)が、選択メモリセルの位置情報に基づいて、電流経路上にある抵抗値をそろえることは可能であり、有効な方法となる。したがって、第2の実施の形態において示したように、選択メモリセルのアドレス情報に基づいて、抵抗負荷回路240を機能させることにより、読み出し動作時の選択メモリセルの場所依存性を小さくすることができる。この場合には、選択ワード線電圧制御回路200は共通の動作設定でよい。
また、セット動作においては、セット状態(低抵抗状態)になっているメモリセルにはセット動作をしないことを前提とすると、パルスを印加する最初の状態では、ワード線に電流が流れず、選択メモリセルの場所依存性も同時選択メモリセルの数による差も現れない。しかし、セット動作が完了して高抵抗から低抵抗状態となった場合には、そのメモリセルに応じた電流が流れて、選択ワード線の電位が変動するようになる。この選択ワード線電位の変動の影響に対しては、選択メモリセルの場所依存性が出ないようにすることが望ましい。したがって、セット動作においても、抵抗負荷回路240を機能させてどの位置のメモリセルが選択された場合にも電流経路の抵抗がほぼ等しくなるようにすることは有効である。
4、6・・・ビット線選択トランジスタ、 5、7・・・ワード線選択トランジスタ、 20・・・データ制御回路、 60・・・カラムデコーダ、 70・・・非選択ビット線駆動回路、 80・・・グローバルロウデコーダ、 90・・・ローカルロウデコーダ、 100・・・メモリセルアレイ、 110・・・非選択ワード線駆動回路、 120・・・マットデコーダ、 130・・・ラッチデータチェック回路、 140・・・アドレスレジスタ、 150・・・データ入出力バッファ、 160・・・制御回路、 170・・・電圧生成回路、 180・・・ステータス回路、 200・・・選択ワード線電圧制御回路、 Di・・・ダイオード、 VR・・・抵抗変化素子、 MC・・・メモリセル、 MAT・・・メモリマット、 BL・・・ビット線、 WL・・・ワード線、 SA・・・センスアンプ。
Claims (5)
- 整流素子と可変抵抗素子とを直列接続してなるメモリセルが複数の第1配線及び複数の第2配線の交差部に配置されたメモリセルアレイと、
選択された前記第1配線及び選択された前記第2配線の交差部に配置された選択メモリセルに所定の電位差がかかるよう、選択された前記第1配線に第1の電圧を印加するとともに選択された前記第2配線に前記第1の電圧よりも小さい電圧値の第2の電圧を印加する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記選択メモリセルに電位差をかける際に、前記選択メモリセルの前記メモリセルアレイ内の位置及び同時に動作を実行する前記選択メモリセルの個数に基づいて前記第2の電圧を調整する
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記制御回路は、前記選択メモリセルの前記第2配線に接続される端部に印加される電圧が略同一になるように前記第2の電圧を調整する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記制御回路は、前記選択メモリセルの前記メモリセルアレイ内の位置が前記制御回路から離れるにつれ前記第2の電圧の電圧値を小さくする
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 整流素子と可変抵抗素子とを直列接続してなるメモリセルが複数の第1配線及び複数の第2配線の交差部に配置されたメモリセルアレイと、
選択された前記第1配線及び選択された前記第2配線の交差部に配置された選択メモリセルに所定の電位差がかかるよう、選択された前記第1配線に第1の電圧を印加するとともに選択された前記第2配線に前記第1の電圧よりも小さい電圧値の第2の電圧を印加する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記選択メモリセルに電位差をかける際に、同時に動作を実行する前記選択メモリセルの個数に基づいて前記第2の電圧を調整する
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記制御回路は、前記選択メモリセルの前記メモリセルアレイ内での位置に基づき異なる抵抗値をとる抵抗回路をさらに備え、
前記制御回路は、前記抵抗回路を介して前記第2配線に前記第2の電圧を印加する
ことを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
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