JP5259279B2 - Semiconductor device and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、揮発性のデータ記憶素子を有する半導体装置及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a volatile data storage element and a control method thereof.

半導体装置に用いられるデータ記憶素子には、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)等の揮発性の記憶素子と、フラッシュメモリやEEPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)等の不揮発性の記憶素子とがある。揮発性の記憶素子は、データの書き込み・読み出しを高速に行うことができるが、データの保持性に乏しいという特性がある。一方、不揮発性の記憶素子は、データの保持性に優れる反面、データの書き込み・読み出し速度が揮発性の記憶素子に比べて遅いという特性がある。   Data storage elements used in semiconductor devices include volatile storage elements such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory), and non-volatile storage such as flash memory and EEPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Memory elements. Volatile storage elements can write and read data at high speed, but have a characteristic of poor data retention. On the other hand, a non-volatile memory element is excellent in data retention, but has a characteristic that data writing / reading speed is slower than that of a volatile memory element.

近年、相変化メモリ(Phase-Change Random Access Memory)と呼ばれるデータ記憶素子が開発されている。相変化メモリは、相変化材料の2つの異なる結晶状態を記憶情報とする記憶素子である。相変化材料を高抵抗状態であるアモルファス状態と低抵抗状態である結晶状態とにすることで、論理“0”と“1”とのデータを記憶することができる。   In recent years, data storage elements called phase-change random access memories have been developed. The phase change memory is a storage element that uses two different crystal states of the phase change material as storage information. By making the phase change material into an amorphous state which is a high resistance state and a crystalline state which is a low resistance state, data of logic “0” and “1” can be stored.

例えば、特許文献1には、相変化メモリを揮発性の記憶素子及び不揮発性の記憶素子として選択的に動作させる技術が開示されている。例えば、特許文献2には、相変化メモリにおいて、アモルファス状態と結晶状態との間の中間状態を形成し、多値記憶を行うことが可能な技術が開示されている。また、特許文献3には、不揮発性メモリデバイスにおいて、メモリセルを選択的にリフレッシュする技術が開示されている。
特開2004−296076号公報 特開2003−100084号公報 特開2004−355793号公報
For example, Patent Document 1 discloses a technique for selectively operating a phase change memory as a volatile storage element and a nonvolatile storage element. For example, Patent Document 2 discloses a technique capable of performing multilevel storage by forming an intermediate state between an amorphous state and a crystalline state in a phase change memory. Patent Document 3 discloses a technique for selectively refreshing memory cells in a nonvolatile memory device.
JP 2004-296076 A JP 2003-100084 A JP 2004-355793 A

可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶するデータ記憶素子を、揮発性の記憶素子として用いる場合、一定時間ごとにリフレッシュを行い、データの保持時間を延ばすことが求められる。   When a data storage element that stores data using a resistance value of a variable resistor is used as a volatile storage element, it is required to perform refreshing at regular intervals to extend the data holding time.

そこで、本発明は、可変抵抗を用いたデータ記憶素子を、揮発性の記憶素子として用いる場合に、リフレッシュを行いデータの保持時間を延ばすことが可能な半導体装置及びその制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a semiconductor device capable of refreshing and extending the data retention time when a data storage element using a variable resistor is used as a volatile storage element, and a control method thereof. Objective.

本発明は、可変抵抗を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶する第1モードを有するデータ記憶素子と、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子が前記低抵抗状態及び前記高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定し、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子を低抵抗状態にさせるための第1電圧条件及び前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子を高抵抗状態にさせるための第2電圧条件のいずれかにより、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うリフレッシュ制御回路と、を有することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対し、リフレッシュを行うことが可能となり、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子のデータの保持時間を長くすることができる。   According to the present invention, there is provided a data storage element having a first mode for storing data by changing a variable resistance to either a low resistance state or a high resistance state, and a data storage element for storing data in the first mode. Determine whether the resistance state or the high resistance state, and store data in the first voltage condition and the first mode for setting the data storage element storing data in the first mode to the low resistance state A refresh control circuit that refreshes the data storage element that stores data in the first mode according to any of the second voltage conditions for causing the data storage element to be in a high resistance state. Device. According to the present invention, the data storage element that stores data in the first mode can be refreshed, and the data retention time of the data storage element that stores data in the first mode can be extended. .

上記構成において、前記データ記憶素子が接続されたデータラインと、複数の前記データラインが接続されたグローバルデータラインと、を具備し、前記リフレッシュ制御回路は、前記グローバルデータラインを介して前記データラインに前記第1電圧条件及び前記第2電圧条件のいずれかを供給することにより、前記データラインに接続された前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行う構成とすることができる。この構成によれば、1つのリフレッシュ制御回路を設けることで、複数のデータ記憶素子に対して、リフレッシュを実行することができる。   In the above configuration, the data storage device includes a data line to which the data storage element is connected, and a global data line to which the plurality of data lines are connected, and the refresh control circuit includes the data line via the global data line. By supplying either the first voltage condition or the second voltage condition to the data line, the data storage element that stores data in the first mode connected to the data line can be refreshed. . According to this configuration, by providing one refresh control circuit, it is possible to perform refresh for a plurality of data storage elements.

上記構成において、前記データ記憶素子が接続されたデータラインと、前記データラインが接続されたセンスアンプと、前記センスアンプを介して、複数の前記データラインが接続されたグローバルデータラインと、を具備し、前記リフレッシュ制御回路は、前記センスアンプと前記グローバルデータラインとの間に接続され、複数の前記データラインごとに、前記判定と前記リフレッシュとを行う構成とすることができる。この構成によれば、複数のデータ記憶素子に対して、リフレッシュを同時に並行して行うことができる。また、リフレッシュ動作の高速化を図ることができる。   In the above configuration, a data line to which the data storage element is connected, a sense amplifier to which the data line is connected, and a global data line to which a plurality of the data lines are connected via the sense amplifier. The refresh control circuit may be connected between the sense amplifier and the global data line and perform the determination and the refresh for each of the plurality of data lines. According to this configuration, refresh can be performed simultaneously on a plurality of data storage elements in parallel. In addition, the refresh operation can be speeded up.

上記構成において、前記リフレッシュ制御回路は、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子に実行したリフレッシュの回数を計測し、前記回数に応じて、前記第1電圧条件及び前記第2電圧条件を変化させて、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行う構成とすることができる。この構成によれば、データ記憶素子の状態に対応した最適な再書き込み電圧条件により、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うことができる。   In the above configuration, the refresh control circuit measures the number of refreshes performed on the data storage element that stores data in the first mode, and sets the first voltage condition and the second voltage condition according to the number of times. It is possible to change the data storage element that stores data in the first mode to perform a refresh. According to this configuration, the data storage element that stores data in the first mode can be refreshed under the optimum rewrite voltage condition corresponding to the state of the data storage element.

上記構成において、前記データ記憶素子は、前記第1モードに加え、前記第1モードの高抵抗状態における前記可変抵抗の抵抗値より大きい抵抗値からなる高抵抗状態及び前記第1モードの低抵抗状態における前記可変抵抗の抵抗値より小さい抵抗値からなる低抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶する第2モードを有し、前記リフレッシュ制御回路は、前記第2モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対してリフレッシュを行わない構成とすることができる。この構成によれば、データ記憶素子の記憶モードに応じて、データ記憶素子に対して行うリフレッシュを制御することができる。   In the above configuration, in addition to the first mode, the data storage element includes a high resistance state having a resistance value greater than a resistance value of the variable resistance in the high resistance state of the first mode and a low resistance state of the first mode. And a second mode for storing data by changing to any one of a low resistance state having a resistance value smaller than the resistance value of the variable resistor in the memory, wherein the refresh control circuit stores data in the second mode. The memory element can be configured not to be refreshed. According to this configuration, the refresh performed on the data storage element can be controlled in accordance with the storage mode of the data storage element.

上記構成において、前記データ記憶素子は、電極に蓄えられた電荷量によりデータを記憶する第3モードを有し、前記リフレッシュ制御回路は、前記第3モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、前記判定を行うことなく、前記電極に電荷を充電させるための第3電圧条件によりリフレッシュを行う構成とすることができる。この構成によれば、データ記憶素子の記憶モードに応じて、データ記憶素子に対して行うリフレッシュを制御することができる。   In the above configuration, the data storage element has a third mode in which data is stored according to the amount of electric charge stored in the electrode, and the refresh control circuit is provided for the data storage element that stores data in the third mode. Further, it is possible to adopt a configuration in which refresh is performed according to a third voltage condition for charging the electrode without performing the determination. According to this configuration, the refresh performed on the data storage element can be controlled in accordance with the storage mode of the data storage element.

上記構成において、前記リフレッシュ制御回路は、前記第3モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、リフレッシュの回数によって、前記第3電圧条件を変化させることなく、前記第3モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行う構成とすることができる。   In the above configuration, the refresh control circuit stores data in the third mode without changing the third voltage condition depending on the number of refreshes for a data storage element that stores data in the third mode. The data storage element to be refreshed can be configured to be refreshed.

上記構成において、前記リフレッシュ制御回路は、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子に実行したリフレッシュの回数を計測し、前記回数に応じて、前記第1電圧条件及び前記第2電圧条件を変化させて、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行う構成とすることができる。この構成によれば、データ記憶素子の状態に対応した最適な再書き込み電圧条件により、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うことができる。   In the above configuration, the refresh control circuit measures the number of refreshes performed on the data storage element that stores data in the first mode, and sets the first voltage condition and the second voltage condition according to the number of times. It is possible to change the data storage element that stores data in the first mode to perform a refresh. According to this configuration, the data storage element that stores data in the first mode can be refreshed under the optimum rewrite voltage condition corresponding to the state of the data storage element.

上記構成において、前記リフレッシュ制御回路は、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、再書き込みを複数回繰り返して行うことにより、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行う構成とすることができる。この構成によれば、データ記憶素子の可変抵抗に与えるストレスを低減することができる。   In the above configuration, the refresh control circuit is a data storage element that stores data in the first mode by repeatedly rewriting the data storage element that stores data in the first mode a plurality of times. It can be configured to perform refresh. According to this configuration, stress applied to the variable resistance of the data storage element can be reduced.

本発明は、可変抵抗を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶する第1モードを有するデータ記憶素子と前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うリフレッシュ制御回路とを有する半導体装置の制御方法であって、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子が前記低抵抗状態及び前記高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定するステップと、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子を低抵抗状態にさせるための第1電圧条件及び前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子を高抵抗状態にさせるための第2電圧条件のいずれかにより、前記第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うステップと、を有することを特徴とする半導体装置の制御方法である。本発明によれば、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対し、リフレッシュを行うことが可能となり、第1モードでデータを記憶するデータ記憶素子のデータの保持時間を長くすることができる。   The present invention refreshes a data storage element having a first mode for storing data by changing a variable resistance to either a low resistance state or a high resistance state, and a data storage element for storing data in the first mode. A method for controlling a semiconductor device having a refresh control circuit, comprising: determining whether a data storage element that stores data in the first mode is in the low resistance state or the high resistance state; Either a first voltage condition for causing the data storage element that stores data in the first mode to be in a low resistance state or a second voltage condition for causing the data storage element that stores data in the first mode to be in a high resistance state And a step of refreshing a data storage element that stores data in the first mode. It is a control method. According to the present invention, the data storage element that stores data in the first mode can be refreshed, and the data retention time of the data storage element that stores data in the first mode can be extended. .

本発明によれば、可変抵抗を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶するデータ記憶素子に対し、リフレッシュを行うことが可能となり、データ記憶素子のデータの保持時間を長くすることができる。   According to the present invention, it is possible to perform refresh for a data storage element that stores data by changing the variable resistance to either the low resistance state or the high resistance state, and the data storage time of the data storage element can be reduced. Can be long.

以下、図面を用い本発明に係る実施例について説明する。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、実施例1に係る半導体装置100の構成を示したブロック図である。図1において、メモリセルアレイ10は、データ記憶素子(不図示)を含む複数のメモリセルMCを有する。メモリセルアレイ10には、複数のデータラインDLと複数のワードラインWLとが設けられている。メモリセルMCは、データラインDLとワードラインWLとの交差領域に設けられ、データラインDLとワードラインWLとに接続されている。複数のデータラインDLのうち、隣接するデータラインDLである、第1データラインDLzと第2データラインDLxとはデータライン対を構成する。複数のメモリセルのうち、第1メモリセルMCzは第1データラインDLzに接続され、第2メモリセルMCxは第2データラインDLxに接続されている。第1メモリセルMCzと第2メモリセルMCxとは、ワードラインWL1本おきに交互に設けられている。   FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the semiconductor device 100 according to the first embodiment. In FIG. 1, a memory cell array 10 has a plurality of memory cells MC including data storage elements (not shown). The memory cell array 10 is provided with a plurality of data lines DL and a plurality of word lines WL. The memory cell MC is provided in the intersection region between the data line DL and the word line WL, and is connected to the data line DL and the word line WL. Of the plurality of data lines DL, the first data line DLz and the second data line DLx, which are adjacent data lines DL, constitute a data line pair. Among the plurality of memory cells, the first memory cell MCz is connected to the first data line DLz, and the second memory cell MCx is connected to the second data line DLx. The first memory cells MCz and the second memory cells MCx are alternately provided every other word line WL.

ワードラインWLには行選択を行うためのロウデコーダ12が接続され、データラインDLには列選択を行うためのカラムデコーダ14が接続されている。ロウデコーダ12で選択される行とカラムデコーダ14で選択される列との組み合わせによりアクセス対象となるメモリセルMCが選択される。メモリセルMCを選択するためのアドレス信号は、外部から、アドレスバッファ16を介して、ロウデコーダ12とカラムデコーダ14とに送られる。   A row decoder 12 for selecting a row is connected to the word line WL, and a column decoder 14 for selecting a column is connected to the data line DL. A memory cell MC to be accessed is selected by a combination of a row selected by the row decoder 12 and a column selected by the column decoder 14. An address signal for selecting the memory cell MC is sent from the outside to the row decoder 12 and the column decoder 14 via the address buffer 16.

書き込み回路18は、データを書き込む際に、メモリセルMCに印加されるデータ書き込み用の高電圧を生成する。リセット回路20は、データを読み出す際に、データラインDLに印加されるリファレンス電圧Vrefを供給する。クランプ回路21は、データを読み出す際に、データラインDLに印加されるクランプ電圧Vclmpを供給する。センスアンプ22は、メモリセルMCからの信号の読み出し及び増幅を行う。センスアンプドライバ24は、データを読み出す際に、センスアンプ22を駆動させる。入出力回路26は、メモリセルアレイ10と外部との間でデータのやり取りを行う。   The writing circuit 18 generates a high voltage for data writing applied to the memory cell MC when data is written. The reset circuit 20 supplies a reference voltage Vref applied to the data line DL when reading data. The clamp circuit 21 supplies a clamp voltage Vclmp applied to the data line DL when reading data. The sense amplifier 22 reads and amplifies a signal from the memory cell MC. The sense amplifier driver 24 drives the sense amplifier 22 when reading data. The input / output circuit 26 exchanges data between the memory cell array 10 and the outside.

選択レジスタ28は、メモリセルMCにデータを記憶する際の記憶モードに関する情報を格納する。制御部30は、選択レジスタ28に記憶された記憶モードに関する情報に基づき、メモリセルMCの記憶モードを選択する。また、制御部30は、外部からのコマンド信号に応じて、書き込み回路18、リセット回路20、クランプ回路21、入出力回路26に対する制御を行う。さらに、制御部30は、カラムデコーダ14を制御することにより、第1データラインDLz及び第2データラインDLxからなるデータライン対の中から、データを書き込む際及び読み出す際に、電圧を印加すべき1本のデータラインDLを選択する。リフレッシュ制御回路32は、メモリセルMCのデータ記憶素子40に対するリフレッシュの制御を行う。   The selection register 28 stores information related to a storage mode when data is stored in the memory cell MC. The control unit 30 selects the storage mode of the memory cell MC based on the information regarding the storage mode stored in the selection register 28. In addition, the control unit 30 controls the write circuit 18, the reset circuit 20, the clamp circuit 21, and the input / output circuit 26 in accordance with an external command signal. Further, the control unit 30 controls the column decoder 14 to apply a voltage when writing and reading data from the data line pair including the first data line DLz and the second data line DLx. One data line DL is selected. The refresh control circuit 32 controls refresh for the data storage element 40 of the memory cell MC.

図2(a)から図2(d)は、図1におけるメモリセルMCの構成を示す回路図である。図2(a)及び図2(b)において、メモリセルMCは、データ記憶素子40と選択トランジスタ41とを有する。選択トランジスタ41を有する構造のメモリセルMCを1T1R型と称する。選択トランジスタ41はデータ記憶素子40に対するアクセスを制御する。選択トランジスタ41のゲートはワードラインWLに接続し、ドレインはデータラインDLに接続し、ソースはデータ記憶素子40に接続する。データ記憶素子40は、記憶モードにより、容量及び可変抵抗のいずれかで機能する。データ記憶素子40の一端は、不図示のソースライン(接地電位)または任意の電圧レベル(電位)に接続されている。   2A to 2D are circuit diagrams showing the configuration of the memory cell MC in FIG. 2A and 2B, the memory cell MC includes a data storage element 40 and a selection transistor 41. A memory cell MC having a structure having the selection transistor 41 is referred to as a 1T1R type. The selection transistor 41 controls access to the data storage element 40. The selection transistor 41 has a gate connected to the word line WL, a drain connected to the data line DL, and a source connected to the data storage element 40. The data storage element 40 functions as either a capacitor or a variable resistor depending on the storage mode. One end of the data storage element 40 is connected to a source line (ground potential) (not shown) or an arbitrary voltage level (potential).

図2(c)及び図2(d)において、メモリセルMCは、データ記憶素子40と選択ダイオード42とを有する。選択ダイオード42を有する構造のメモリセルMCを1D1R型と称する。データ記憶素子40のアノード側はワードラインWLに接続され、カソード側はデータラインDLに接続されている。図2(a)及び図2(b)のように、選択トランジスタ41を設けていないため、データ記憶素子40の非選択時においては、データラインDLの電位をワードラインWLの電位より高く維持することで、選択ダイオード42の働きにより、データ記憶素子40に電流が流れるのを防ぐことができる。逆に、データラインDLの電位をワードラインWLの電位より低くすることで、データ記憶素子40を選択することができる。   2C and 2D, the memory cell MC includes a data storage element 40 and a selection diode 42. The memory cell MC having the structure having the selection diode 42 is referred to as a 1D1R type. The anode side of the data storage element 40 is connected to the word line WL, and the cathode side is connected to the data line DL. As shown in FIGS. 2A and 2B, since the selection transistor 41 is not provided, the potential of the data line DL is maintained higher than the potential of the word line WL when the data storage element 40 is not selected. As a result, it is possible to prevent a current from flowing through the data storage element 40 by the action of the selection diode 42. Conversely, the data storage element 40 can be selected by making the potential of the data line DL lower than the potential of the word line WL.

図3は、図2(a)から図2(d)におけるデータ記憶素子40の構成を示す断面図である。図3において、データ記憶素子40は、可変抵抗43及び電極44を有する。可変抵抗43は、抵抗値の大小によりデータを記憶するもので、電流が流れることにより抵抗値が大きく変化(例えば、10倍以上)する材料からなる。具体的な材料として、例えば、CuOをはじめとする遷移金属酸化物が挙げられる。電極44は、容量として電荷を蓄えることによりデータを記憶するもので、例えばCuなどの伝導性の高い物質からなる。電極44は可変抵抗43の両端に設けられている。可変抵抗43は、絶縁部46にて周囲を覆われている。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the data storage element 40 in FIGS. 2 (a) to 2 (d). In FIG. 3, the data storage element 40 includes a variable resistor 43 and an electrode 44. Variable resistor 43, the magnitude of the resistance value used for storing data, comprising a material change in resistance value is large (e.g., 10 four times or more) when a current flows. Specific examples of the material include transition metal oxides including CuO. The electrode 44 stores data by storing electric charge as a capacitor, and is made of a highly conductive material such as Cu. The electrodes 44 are provided at both ends of the variable resistor 43. The variable resistor 43 is covered with an insulating portion 46.

次に、表1を用いて、メモリセルMCにデータを記憶する際の記憶モードについて説明をする。表1において、メモリセルMCにデータを記憶する記憶モードは、3つの記憶モード(NVMモード、MIDモード、RAMモード)がある。NVMモードとMIDモードとは、可変抵抗43を高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかに変化させることでデータの記憶を行う。ここで、MIDモードのことを第1モードとし、NVMモードのことを第2モードとする。NVMモードにおいて、高抵抗状態は、例えば10Ω程度で、この時に論理“0”を記憶する。低抵抗状態は、例えば10Ω程度で、この時に論理“1”を記憶する。MIDモードにおいては、高抵抗状態は、例えば10Ω程度で、この時に論理“0”を記憶する。低抵抗状態は、例えば10Ω程度で、この時に論理“1”を記憶する。このように、第2モードであるNVMモードの高抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値は、第1モードであるMIDモードの高抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値に比べて大きい。また、NVMモードの低抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値は、MIDモードの低抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値に比べて小さい。即ち、可変抵抗43の高抵抗状態と低抵抗状態との抵抗値の差は、MIDモードの方がNVMモードに比べて小さい。 Next, the storage mode when data is stored in the memory cell MC will be described using Table 1. In Table 1, there are three storage modes (NVM mode, MID mode, and RAM mode) for storing data in the memory cell MC. In the NVM mode and the MID mode, data is stored by changing the variable resistor 43 to either the high resistance state or the low resistance state. Here, the MID mode is the first mode, and the NVM mode is the second mode. In the NVM mode, the high resistance state is, for example, about 10 8 Ω, and logic “0” is stored at this time. The low resistance state is, for example, about 10 2 Ω, and logic “1” is stored at this time. In the MID mode, the high resistance state is, for example, about 10 7 Ω, and logic “0” is stored at this time. The low resistance state is, for example, about 10 3 Ω, and logic “1” is stored at this time. Thus, the resistance value of the variable resistor 43 in the high resistance state of the NVM mode that is the second mode is larger than the resistance value of the variable resistor 43 in the high resistance state of the MID mode that is the first mode. The resistance value of the variable resistor 43 in the low resistance state of the NVM mode is smaller than the resistance value of the variable resistor 43 in the low resistance state of the MID mode. That is, the difference in resistance value between the high resistance state and the low resistance state of the variable resistor 43 is smaller in the MID mode than in the NVM mode.

第3モードであるRAMモードは、容量である電極44に蓄えられた電荷量によりデータを記憶する。容量に電荷が蓄えられていない場合(放電時)に論理“0”を記憶し、電荷が蓄えられている場合(充電時)に論理“1”を記憶する。以上より、図2(a)及び図2(c)のように、NVMモード及びMIDモードの場合には、データ記憶素子40は可変抵抗として機能し、図2(b)及び図2(d)のように、RAMモードの場合には、データ記憶素子40は容量として機能する。

Figure 0005259279
In the RAM mode, which is the third mode, data is stored by the amount of charge stored in the electrode 44 that is a capacitor. When no charge is stored in the capacitor (when discharging), a logic “0” is stored, and when a charge is stored (when charging), a logic “1” is stored. As described above, as shown in FIGS. 2A and 2C, in the NVM mode and the MID mode, the data storage element 40 functions as a variable resistor, and FIGS. 2B and 2D. As described above, in the RAM mode, the data storage element 40 functions as a capacitor.
Figure 0005259279

表2は、各記憶モードにおけるデータ記憶素子40の特性を示したものである。なお、表2の括弧内の数値は一例である。表2において、NVMモードはデータの保持時間が長い(例えば10年)反面アクセス速度が遅い(例えば300ns)。これは、従来の不揮発性の記憶素子(フラッシュメモリ等)に近い性質を示す。MIDモードは、データの保持時間はNVMモードに比べて短く(例えば1日)、アクセス速度はNVMモードに比べて速い(例えば70ns)。MIDモードにおいて、データの保持時間をより長くするためには、一定時間ごとにリフレッシュを行う必要がある。RAMモードは、アクセス速度は速い(例えば50ns)が、データの保持時間は短い(例えば1秒)。これは、従来の揮発性の記憶素子(DRAM等)に近い性質を示す。データの保持時間を長くするためには、リフレッシュを行う必要がある。以上のように、MIDモードは、NVMモードとRAMモードの中間の性質を有する。   Table 2 shows the characteristics of the data storage element 40 in each storage mode. The numbers in parentheses in Table 2 are examples. In Table 2, the NVM mode has a long data retention time (for example, 10 years) while the access speed is slow (for example, 300 ns). This shows a property close to that of a conventional nonvolatile memory element (flash memory or the like). In the MID mode, the data retention time is shorter than that of the NVM mode (for example, one day), and the access speed is higher than that of the NVM mode (for example, 70 ns). In the MID mode, in order to extend the data holding time, it is necessary to perform refreshing at regular intervals. In the RAM mode, the access speed is fast (for example, 50 ns), but the data retention time is short (for example, 1 second). This shows a property close to that of a conventional volatile memory element (DRAM or the like). In order to increase the data retention time, it is necessary to perform refresh. As described above, the MID mode has an intermediate property between the NVM mode and the RAM mode.

また、NVMモード及びMIDモードへのデータの書き込みは可変抵抗43の状態変化を伴い、データ記憶素子40にダメージを与えるため、データの書き換え回数に制限がある(例えばNVMモードは10000回、MIDモードは100000回)。一方、RAMモードは、電極44への電荷の出し入れのみが行われ、データ記憶素子40へのダメージが少ないため、実質的に無限に書き換えを行うことができる。

Figure 0005259279
In addition, since data writing to the NVM mode and the MID mode is accompanied by a change in the state of the variable resistor 43 and damages the data storage element 40, the number of data rewrites is limited (for example, NVM mode is 10,000 times, MID mode Is 100,000 times). On the other hand, in the RAM mode, only charge is taken in and out of the electrode 44 and damage to the data storage element 40 is small, so that rewriting can be performed virtually infinitely.
Figure 0005259279

データ記憶素子40は、流れる電流の大きさ及び印加する電圧の時間を制御することにより、NVMモード、MIDモード、RAMモードの異なる3つの記憶モードで、データを機能させることができる。ここで、1T1R型メモリセルMCの場合での、データの書き込み及び読み出し動作を説明する。表3は、1T1R型メモリセルMCの各記憶モードにおける、データの書き込み及び読み出し動作に対応した、選択トランジスタ41のゲート電圧Vg、ドレイン電圧Vd、電圧印加時間Sの一例を示す表である。電圧印加時間Sは、例えばデータ記憶素子40に加える電圧条件を変化させることにより制御することができる。なお、電圧条件とは、メモリセルMCに印加する電圧の大きさ及び印加時間をいう。

Figure 0005259279
The data storage element 40 can function data in three storage modes different from the NVM mode, the MID mode, and the RAM mode by controlling the magnitude of the flowing current and the time of the applied voltage. Here, data writing and reading operations in the case of the 1T1R type memory cell MC will be described. Table 3 is a table showing an example of the gate voltage Vg, the drain voltage Vd, and the voltage application time S of the selection transistor 41 corresponding to the data write and read operations in each storage mode of the 1T1R type memory cell MC. The voltage application time S can be controlled by changing the voltage condition applied to the data storage element 40, for example. The voltage condition refers to the magnitude of voltage applied to the memory cell MC and the application time.
Figure 0005259279

まず、NVMモードにおけるデータの書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。図4は、データ記憶素子40の電圧−電流特性を示すグラフである。図4において、実線の矢印で示された(a)は、データ記憶素子40内の可変抵抗43が、低抵抗状態から高抵抗状態に移行する場合の電圧−電流特性の変化を示し、破線の矢印で示された(b)は、可変抵抗43が高抵抗状態から低抵抗状態に移行する場合の電圧−電流特性の変化を示す。   First, voltage conditions for data writing and reading in the NVM mode will be described. FIG. 4 is a graph showing voltage-current characteristics of the data storage element 40. In FIG. 4, (a) indicated by a solid line arrow shows a change in voltage-current characteristics when the variable resistor 43 in the data storage element 40 shifts from the low resistance state to the high resistance state. (B) indicated by an arrow shows a change in voltage-current characteristics when the variable resistor 43 shifts from the high resistance state to the low resistance state.

データ記憶素子40には、可変抵抗43を高抵抗状態から低抵抗状態へと変化させるための閾値電圧Vthが存在する。論理“0”を書き込む場合には、閾値電圧Vthより低い電圧を一定時間印加する。これにより、データ記憶素子40には所定時間経過後からほとんど電流が流れなくなり、可変抵抗43は低抵抗状態から高抵抗状態へと移行する。(図4の(a)参照)。このときのゲート電圧Vgは2.5V、ドレイン電圧Vdは1.2V、印加電圧時間Sは250nsである(表3参照)。論理“1”を書き込む場合には、閾値電圧Vthより高い電圧を印加する。これにより、データ記憶素子40に電流が流れ、可変抵抗43は高抵抗状態から低抵抗状態へと変化する(図4の(b)参照)。このときのゲート電圧Vgは1.2V、ドレイン電圧Vdは4V、印加電圧時間Sは100nsである(表3参照)。このようにして、NVMモードでのデータの書き込みを行うことができる。   The data storage element 40 has a threshold voltage Vth for changing the variable resistor 43 from the high resistance state to the low resistance state. When writing logic “0”, a voltage lower than the threshold voltage Vth is applied for a predetermined time. As a result, almost no current flows through the data storage element 40 after a predetermined time has elapsed, and the variable resistor 43 shifts from the low resistance state to the high resistance state. (See FIG. 4A). At this time, the gate voltage Vg is 2.5 V, the drain voltage Vd is 1.2 V, and the applied voltage time S is 250 ns (see Table 3). When writing logic “1”, a voltage higher than the threshold voltage Vth is applied. As a result, a current flows through the data storage element 40, and the variable resistor 43 changes from the high resistance state to the low resistance state (see FIG. 4B). At this time, the gate voltage Vg is 1.2 V, the drain voltage Vd is 4 V, and the applied voltage time S is 100 ns (see Table 3). In this way, data can be written in the NVM mode.

NVMモードにおいて、データを読み出す際には、データ記憶素子40に対して閾値電圧Vthより低く、且つ可変抵抗43を高抵抗状態にする場合の電圧より低い電圧を加える。これにより、可変抵抗43が低抵抗状態の場合は電流が流れ、高抵抗状態の場合は電流が流れないので、論理“0”及び“1”を判別することができる。このときのゲート電圧Vgは1.0Vであり、ドレイン電圧VdはVclmpである。   In the NVM mode, when data is read, a voltage lower than the threshold voltage Vth and lower than the voltage for setting the variable resistor 43 to the high resistance state is applied to the data storage element 40. Thereby, when the variable resistor 43 is in the low resistance state, current flows, and when the variable resistance 43 is in the high resistance state, current does not flow, so that logic “0” and “1” can be determined. At this time, the gate voltage Vg is 1.0 V, and the drain voltage Vd is Vclmp.

次に、MIDモードにおけるデータの書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。表3において、MIDモードでデータを書き込む際の、選択トランジスタ41のゲート電圧Vgの大きさとドレイン電圧Vdの大きさとは、NVMモードの場合と同じであり、電圧印加時間Sのみ異なる。MIDモードでのデータ書き込み時の電圧印加時間Sは50nsである。MIDモードにおいて、データを読み出す際の電圧条件は、NVMモードの場合と同じである。   Next, voltage conditions for data writing and reading in the MID mode will be described. In Table 3, the magnitude of the gate voltage Vg and the drain voltage Vd of the selection transistor 41 when writing data in the MID mode is the same as in the NVM mode, and only the voltage application time S is different. The voltage application time S at the time of data writing in the MID mode is 50 ns. In the MID mode, the voltage condition for reading data is the same as in the NVM mode.

次に、RAMモードにおけるデータの書き込み及び読み出しの電圧条件について説明する。表3において、RAMモードでデータを書き込む場合の選択トランジスタ41のゲート電圧Vgは常に2.5Vである。これは、NVMモード及びMIDモードにおいて可変抵抗43を高抵抗状態にする場合のゲート電圧と同じ大きさである。即ち、RAMモードでは、可変抵抗43は高抵抗状態に維持される。RAMモードで論理“0”を書き込む場合には、データ記憶素子40に低電圧(例えば、接地電位Vss)を印加して、電極44に蓄えられた電荷を放電させる。このときのドレイン電圧Vdは0V、印加電圧時間Sは10nsである。論理“1”を書き込む場合には、データ記憶素子40に高電圧を印加して、電極44に電荷を蓄積して充電する。このときのドレイン電圧Vdは1.2V、電圧印加時間Sは10nsである。RAMモードでは、電極44への電荷の出し入れが行われるのみで、可変抵抗43の状態変化は起こらない。このため、NVMモード及びMIDモードにおける電圧印加時間Sは、RAMモードにおける電圧印加時間Sより長くなっている。また、電極44に印加される電圧の大きさは、データ記憶素子40の閾値電圧より小さい。   Next, voltage conditions for data writing and reading in the RAM mode will be described. In Table 3, the gate voltage Vg of the selection transistor 41 when data is written in the RAM mode is always 2.5V. This is the same magnitude as the gate voltage when the variable resistor 43 is set to the high resistance state in the NVM mode and the MID mode. That is, in the RAM mode, the variable resistor 43 is maintained in a high resistance state. When writing logic “0” in the RAM mode, a low voltage (eg, ground potential Vss) is applied to the data storage element 40 to discharge the charge stored in the electrode 44. At this time, the drain voltage Vd is 0 V, and the applied voltage time S is 10 ns. When writing logic “1”, a high voltage is applied to the data storage element 40 to accumulate and charge the electrode 44. At this time, the drain voltage Vd is 1.2 V, and the voltage application time S is 10 ns. In the RAM mode, charges are only taken in and out of the electrode 44, and the state of the variable resistor 43 does not change. For this reason, the voltage application time S in the NVM mode and the MID mode is longer than the voltage application time S in the RAM mode. The voltage applied to the electrode 44 is smaller than the threshold voltage of the data storage element 40.

RAMモードにおいて、データを読み出す際には、データ記憶素子40に対してデータ読み出し用のリファレンス電圧Vrefを加える。このときのゲート電圧Vgは2.5Vであり、ドレイン電圧VdはVrefである。   In the RAM mode, when reading data, a reference voltage Vref for reading data is applied to the data storage element 40. At this time, the gate voltage Vg is 2.5 V, and the drain voltage Vd is Vref.

次に、1T1R型メモリセルMCへのデータ書き込みに関する具体的な回路構成及び動作について説明する。図5は、図1におけるロウデコーダ12の構成を示す回路図である。図5において、斜線のあるトランジスタ53から55はpMOSトランジスタであり、それぞれのゲート端子への入力AxxからCxxに応じて、それぞれのソース端子に印加された電圧Vx1からVx3を選択する。pMOSトランジスタ53から55のドレイン端子は、ワードラインWLを介して選択トランジスタ41のゲート端子に接続している。このため、電圧Vx1からVx3の中から選択された1つの電圧が、選択トランジスタ41のゲート電圧Vgとして印加される。Vx1は2.5Vであり、Vx2は1.2Vであり、Vx3は1.0Vである。したがって、表3によれば、NVMモード及びMIDモードにおける論理“0”の書き込みと、RAMモードにおける書き込み及び読み出しとにおいてVx1が選択される。NVMモード及びMIDモードにおける論理“1”の書き込みにはVx2が選択される。NVMモード及びMIDモードにおけるデータの読み出しにはVx3が選択される。   Next, a specific circuit configuration and operation regarding data writing to the 1T1R type memory cell MC will be described. FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of row decoder 12 in FIG. In FIG. 5, the hatched transistors 53 to 55 are pMOS transistors, and select voltages Vx1 to Vx3 applied to their source terminals according to inputs Axx to Cxx to their gate terminals. The drain terminals of the pMOS transistors 53 to 55 are connected to the gate terminal of the selection transistor 41 via the word line WL. Therefore, one voltage selected from the voltages Vx1 to Vx3 is applied as the gate voltage Vg of the selection transistor 41. Vx1 is 2.5V, Vx2 is 1.2V, and Vx3 is 1.0V. Therefore, according to Table 3, Vx1 is selected for writing logic “0” in the NVM mode and MID mode, and writing and reading in the RAM mode. Vx2 is selected for writing logic “1” in the NVM mode and the MID mode. Vx3 is selected for reading data in the NVM mode and the MID mode.

NANDゲート50には、ワードライン選択のためのアドレス信号A#x/zと、選択トランジスタ41のゲート電圧Vgの立ち上げ及び立ち下げをコントロールするタイミング信号Timxpzが入力される。アドレス信号A#x/zがH(ハイ)レベルの時、タイミング信号Timxpzに応じて電圧Vx1からVx3のいずれかが、インバータ52を介してワードラインWLに印加される。   The NAND gate 50 receives an address signal A # x / z for selecting a word line and a timing signal Timxpz for controlling the rise and fall of the gate voltage Vg of the selection transistor 41. When the address signal A # x / z is at the H (high) level, one of the voltages Vx1 to Vx3 is applied to the word line WL via the inverter 52 in accordance with the timing signal Timxpz.

図6は、図1におけるカラムデコーダ14の構成を示す回路図である。図6において、NANDゲート56には、データライン選択のためのアドレス信号A#x/zと、選択トランジスタ41のドレイン電圧Vdの立ち上げ及び立ち下げをコントロールするタイミング信号Timypzが入力される。インバータ58はNANDゲート56の出力を反転させる。アドレス信号A#x/zがHレベルの時、タイミング信号Timypzに応じて、制御信号Timypzbが書き込み回路18に出力される。ここで、カラムデコーダ14はアクセス対象となるメモリセルMCが接続されたデータラインと、それに対応したデータラインとからなるデータライン対を選択する。データライン対を構成する2本のデータラインのうち、ドレイン電圧Vdを印加するデータラインは、後述するデータライン選択部62(図8参照)において選択される。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of the column decoder 14 in FIG. In FIG. 6, an address signal A # x / z for selecting a data line and a timing signal Timepz for controlling the rise and fall of the drain voltage Vd of the selection transistor 41 are input to the NAND gate 56. Inverter 58 inverts the output of NAND gate 56. When the address signal A # x / z is at the H level, the control signal Timepzb is output to the write circuit 18 in accordance with the timing signal Timepz. Here, the column decoder 14 selects a data line pair including a data line to which the memory cell MC to be accessed is connected and a data line corresponding to the data line. Of the two data lines constituting the data line pair, the data line to which the drain voltage Vd is applied is selected by the data line selection unit 62 (see FIG. 8) described later.

図7は、図1における書き込み回路18の構成を示す回路図である。図7において、書き込み回路18は、電圧選択部60とデータライン選択部62とを備える。電圧選択部60内のpMOSトランジスタ66から68は、それぞれソース端子にVy1、Vy2、Vclmpが印加されている。pMOSトランジスタ66から68のドレイン端子は、データライン選択部62とデータラインDLとを介して選択トランジスタ41のドレイン端子に接続されている。これにより、電圧Vy1、Vy2、Vclmpの中から選択された電圧が、選択トランジスタ41のドレイン電圧Vdとして印加される。Vy1は4Vであり、Vy2は1.2Vであり、Vclmpは0.8Vである。したがって、表3によれば、NVMモード及びMIDモードにおける論理“1”の書き込みにおいてVy1が選択される。NVMモード及びMIDモードにおける論理“0”の書き込みと、RAMモードにおける論理“1”の書き込みにおいてVy2が選択される。NVMモード及びMIDモードにおけるデータの読み出しにはVclmpが選択される。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the write circuit 18 in FIG. In FIG. 7, the write circuit 18 includes a voltage selection unit 60 and a data line selection unit 62. In the pMOS transistors 66 to 68 in the voltage selection unit 60, Vy1, Vy2, and Vclmp are applied to the source terminals, respectively. The drain terminals of the pMOS transistors 66 to 68 are connected to the drain terminal of the selection transistor 41 via the data line selection unit 62 and the data line DL. As a result, a voltage selected from the voltages Vy1, Vy2, and Vclmp is applied as the drain voltage Vd of the selection transistor 41. Vy1 is 4V, Vy2 is 1.2V, and Vclmp is 0.8V. Therefore, according to Table 3, Vy1 is selected in writing logical “1” in the NVM mode and the MID mode. Vy2 is selected in writing of logic “0” in the NVM mode and MID mode and writing of logic “1” in the RAM mode. Vclmp is selected for reading data in the NVM mode and the MID mode.

NANDゲート64には、信号RAMzがインバータ63により反転されて入力されると共に、データ記憶素子40に記憶される論理値に対応した信号DATAzが入力される。つまり、RAMモードにおいて、信号RAMzはHレベルとなり、NANDゲート64の出力は常にHレベルとなる。NANDゲート64の出力はインバータ65により反転されてトランジスタ67のゲート端子に入力される。これにより、トランジスタ67がONとなり電圧Vy2が選択される。NVMモード及びMIDモードにおいては、RAMzはLレベルとなり、信号DATAzに応じて電圧が選択される。即ち、NVMモード及びMIDモードにおける論理“0”の書き込みにおいては、信号DATAzはLレベルとなり、NANDゲート64の出力はHレベルとなる。これにより、RAMモードの場合と同じくトランジスタ67がONとなり、電圧Vy2が選択される。NVMモード及びMIDモードにおける論理“1”書き込みにおいては、信号DATAzはHレベルとなり、NANDゲート64の出力はLレベルとなる。これにより、トランジスタ66がONとなり、電圧Vy1が選択される。   The NAND gate 64 receives the signal RAMz inverted by the inverter 63 and receives the signal DATAz corresponding to the logical value stored in the data storage element 40. That is, in the RAM mode, the signal RAMz is at the H level, and the output of the NAND gate 64 is always at the H level. The output of the NAND gate 64 is inverted by the inverter 65 and input to the gate terminal of the transistor 67. Thereby, the transistor 67 is turned on and the voltage Vy2 is selected. In the NVM mode and the MID mode, RAMz is at L level, and a voltage is selected according to the signal DATAz. That is, in the writing of logic “0” in the NVM mode and the MID mode, the signal DATAz becomes L level and the output of the NAND gate 64 becomes H level. As a result, the transistor 67 is turned on as in the RAM mode, and the voltage Vy2 is selected. In the logic “1” write in the NVM mode and the MID mode, the signal DATAz becomes H level, and the output of the NAND gate 64 becomes L level. Thereby, the transistor 66 is turned on and the voltage Vy1 is selected.

実施例1に係る半導体装置100は、第1データラインDLz及び第2データラインDLxからなるデータライン対を備え、それぞれのデータラインDLにはメモリセルMCが交互に配置されている。このため、NVMモード、MIDモードとRAMモードとでは、ドレイン電圧Vdを印加すべきデータラインの選択方法が異なる。以下、これについて説明する。   The semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a data line pair including a first data line DLz and a second data line DLx, and memory cells MC are alternately arranged on each data line DL. For this reason, the selection method of the data line to which the drain voltage Vd is applied differs between the NVM mode, the MID mode, and the RAM mode. This will be described below.

図8は、図7におけるデータライン選択部62と図1におけるメモリセルアレイ10の一部との構成を示す回路図である。図8(a)はNVMモード及びMIDモードに対応し、図8(b)はRAMモードに対応する。図8(a)及び図8(b)において、データライン選択部62は、インバータ70から72、NANDゲート73、パスゲート74、75で構成される。インバータ70と71とには、電圧選択部60において選択されたドレイン電圧Vdが印加されている。パスゲート74には第1データラインDLzが、パスゲート75には第2データラインDLxがそれぞれ接続されている。第1データラインDLzには、第1データ記憶素子を有する第1メモリセルMCzが接続され、第2データラインDLxには、第2データ記憶素子を有する第2メモリセルMCxが接続されている。   FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration of the data line selection unit 62 in FIG. 7 and a part of the memory cell array 10 in FIG. FIG. 8A corresponds to the NVM mode and the MID mode, and FIG. 8B corresponds to the RAM mode. 8A and 8B, the data line selection unit 62 includes inverters 70 to 72, a NAND gate 73, and pass gates 74 and 75. The drain voltage Vd selected by the voltage selection unit 60 is applied to the inverters 70 and 71. The first data line DLz is connected to the pass gate 74, and the second data line DLx is connected to the pass gate 75, respectively. A first memory cell MCz having a first data storage element is connected to the first data line DLz, and a second memory cell MCx having a second data storage element is connected to the second data line DLx.

図8(a)において、NVMモード及びMIDモードの場合、NANDゲート73に入力される信号NVMzがHレベルとなり、カラムデコーダ14から入力されるタイミング信号Timypzbに応じて、パスゲート74及び75がON又はOFFに切り替わる。また、インバータ70に入力される信号Ya0zは、第1データラインDLzと第2データラインDLxとからなるデータライン対のうち、データ書き込み対象となるメモリセルが接続されたデータラインを選択するアドレス信号である。   In FIG. 8A, in the NVM mode and the MID mode, the signal NVMz input to the NAND gate 73 becomes H level, and the pass gates 74 and 75 are turned ON or OFF according to the timing signal Timepzb input from the column decoder 14. Switch to OFF. The signal Ya0z input to the inverter 70 is an address signal for selecting a data line to which a memory cell to which data is to be written is connected, among the data line pair composed of the first data line DLz and the second data line DLx. It is.

図8(b)において、RAMモードの場合、NANDゲート73に入力される信号RAMzがHレベルとなり、カラムデコーダ14から入力されるタイミング信号Timypzbに応じて、パスゲート74及び75がONまたはOFFに切り替わる。また、インバータ70に入力される信号DATAzは、メモリセルMCに書き込まれるデータの論理値である。以下において、論理H(ハイ)は表1における論理“1”に対応し、論理L(ロー)は表1における論理“0”に対応するものとする。   In FIG. 8B, in the RAM mode, the signal RAMz input to the NAND gate 73 becomes H level, and the pass gates 74 and 75 are switched ON or OFF according to the timing signal Timepzb input from the column decoder 14. . The signal DATAz input to the inverter 70 is a logical value of data written in the memory cell MC. In the following, it is assumed that the logic H (high) corresponds to the logic “1” in Table 1, and the logic L (low) corresponds to the logic “0” in Table 1.

次に、図9を用い、図1における第1メモリセルMCzと第2メモリセルMCxとへのデータ書き込みについて説明する。図9において、制御部30が、メモリセルMCに行うデータ記憶の記憶モードを選択する(ステップS10)。NVMモード及びMIDモードの場合はステップS11へ、RAMモードの場合はステップS15へとそれぞれ進む。   Next, data writing to the first memory cell MCz and the second memory cell MCx in FIG. 1 will be described with reference to FIG. In FIG. 9, the control unit 30 selects a storage mode for storing data in the memory cell MC (step S10). In the case of the NVM mode and the MID mode, the process proceeds to step S11, and in the case of the RAM mode, the process proceeds to step S15.

NVMモード及びMIDモードの場合、書き込み対象であるデータ記憶素子40を有するメモリセルMCが、第1メモリセルMCzであるか第2メモリセルMCxであるか判定する(ステップS11)。第1メモリセルMCz内の第1データ記憶素子に書き込みを行う場合には、制御部30は、第1データラインDLzを選択する。このとき、図8(a)における信号Ya0zがHレベルとなり、第1データラインDLzはHレベルに、第2データラインDLxはHレベルより低い電圧レベル(例えば、電源電圧Vccの半分)にそれぞれ設定される(ステップS12)。第2メモリセルMCx内の第2データ記憶素子に書き込みを行う場合には、制御部30は、第2データラインDLxを選択する。このとき、図8(a)における信号Ya0zはLレベルとなり、第2データラインDLxがHレベルに、第1データラインDLzがHレベルより低い電圧レベルにそれぞれ設定される(ステップS13)。   In the NVM mode and the MID mode, it is determined whether the memory cell MC having the data storage element 40 to be written is the first memory cell MCz or the second memory cell MCx (step S11). When writing to the first data storage element in the first memory cell MCz, the control unit 30 selects the first data line DLz. At this time, the signal Ya0z in FIG. 8A becomes the H level, the first data line DLz is set to the H level, and the second data line DLx is set to a voltage level lower than the H level (for example, half of the power supply voltage Vcc). (Step S12). When writing to the second data storage element in the second memory cell MCx, the control unit 30 selects the second data line DLx. At this time, the signal Ya0z in FIG. 8A becomes L level, the second data line DLx is set to H level, and the first data line DLz is set to voltage level lower than H level (step S13).

次に、制御部30が、書き込み回路18を制御することにより、ステップS12及びステップS13においてHレベルに設定されたデータラインに対して書き込み電圧を印加し、データの書き込みを行う(ステップS14)。図8(a)において、第1データラインDLz及び第2データラインDLxに対し印加される書き込み電圧は、電圧選択部60(図7参照)において選択されたドレイン電圧Vdであり、データ記憶素子40内の可変抵抗43を高抵抗状態及び低抵抗状態のいずれかに変化させるためのものである。   Next, the control unit 30 controls the write circuit 18 to apply a write voltage to the data line set to H level in step S12 and step S13, thereby writing data (step S14). In FIG. 8A, the write voltage applied to the first data line DLz and the second data line DLx is the drain voltage Vd selected by the voltage selection unit 60 (see FIG. 7), and the data storage element 40 This is for changing the variable resistor 43 in either the high resistance state or the low resistance state.

図9に戻り、ステップS10においてRAMモードと判定された場合は、メモリセルMC内のデータ記憶素子40に記憶する論理値に応じて、書き込み電圧を印加すべきデータラインを選択する。まず、制御部30が、メモリセルMCに書き込まれるデータの論理値を判定する(ステップS15)。論理“1”(論理H)を書き込む場合は、制御部30は第1データラインDLzを選択する。このとき、図8(b)における信号DATAzがHレベルとなり第1データラインDLzがHレベルに、第2データラインDLxがLレベルにそれぞれ設定される(ステップS16)。論理“0”(論理L)を書き込む場合は、制御部30は第2データラインDLxを選択する。このとき、図8(b)における信号DATAzがLレベルとなり、第1データラインDLzがLレベルに、第2データラインDLxがHレベルにそれぞれ設定される(ステップS17)。   Returning to FIG. 9, when it is determined in step S10 that the RAM mode is selected, the data line to which the write voltage is to be applied is selected according to the logical value stored in the data storage element 40 in the memory cell MC. First, the control unit 30 determines the logical value of data written to the memory cell MC (step S15). When writing logic “1” (logic H), the control unit 30 selects the first data line DLz. At this time, the signal DATAz in FIG. 8B becomes H level, the first data line DLz is set to H level, and the second data line DLx is set to L level (step S16). When writing logic “0” (logic L), the control unit 30 selects the second data line DLx. At this time, the signal DATAz in FIG. 8B becomes L level, the first data line DLz is set to L level, and the second data line DLx is set to H level (step S17).

次に、制御部30が、書き込み回路18を制御することにより、ステップS16及びステップS17においてHレベルに設定されたデータラインに対し、データ記憶素子40内の電極44に電荷を充電するための電圧を印加し、データの書き込みを行う(ステップS18)。図8(b)において、Hレベルに設定されたデータラインに対し印加される書き込み電圧は、電圧選択部60(図7参照)において選択されたドレイン電圧Vdである。また、制御部30は、同時に、Lレベルに設定されたデータラインに対し、データ記憶素子40内の電極44から電荷を放電させるための電圧(例えば、接地電位Vss)を印加する。以上により、データ記憶素子40へのデータの書き込みが完了する。   Next, a voltage for charging the electrode 44 in the data storage element 40 with respect to the data line set to H level in Step S16 and Step S17 by the control unit 30 controlling the writing circuit 18. Is applied to write data (step S18). In FIG. 8B, the write voltage applied to the data line set to the H level is the drain voltage Vd selected by the voltage selection unit 60 (see FIG. 7). At the same time, the control unit 30 applies a voltage (for example, ground potential Vss) for discharging charges from the electrode 44 in the data storage element 40 to the data line set to the L level. Thus, the writing of data to the data storage element 40 is completed.

RAMモードにおいては、書き込み対象となるメモリセルMCが第1データラインDLz及び第2データラインDLxのどちらに接続されているかに関係なく、メモリセルMCに記憶される論理値に応じて、ドレイン電圧Vdを印加すべきデータラインを選択する。このため、メモリセルMCに記憶される論理値(以下、外部の論理)と、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の状態を示す論理値(以下、内部の論理)とは必ずしも一致しない。以下、これについて説明する。   In the RAM mode, the drain voltage depends on the logical value stored in the memory cell MC regardless of whether the memory cell MC to be written is connected to the first data line DLz or the second data line DLx. A data line to which Vd is to be applied is selected. For this reason, a logical value (hereinafter, external logic) stored in the memory cell MC and a logical value (hereinafter, internal logic) indicating the state of the data storage element 40 in the memory cell MC do not necessarily match. This will be described below.

例えば、第1メモリセルMCzに論理“1”を記憶する場合(外部の論理が1)、図8(b)における信号DATAzはHレベルとなり、第1データラインDLzがHレベルに設定される。このため、第1メモリセルMCzは充電される(内部の論理は1)。第1メモリセルMCzに論理“0”を記憶する場合(外部の論理が0)、図8(b)における信号DATAzはLレベルとなり、第1データラインDLzがLレベルに設定されるため、第1メモリセルMCzは放電する(内部の論理は0)。このように、第1メモリセルMCzにおいては、外部の論理と内部の論理とは同じになる。   For example, when logic “1” is stored in the first memory cell MCz (external logic is 1), the signal DATAz in FIG. 8B becomes H level, and the first data line DLz is set to H level. For this reason, the first memory cell MCz is charged (the internal logic is 1). When logic “0” is stored in the first memory cell MCz (external logic is 0), the signal DATAz in FIG. 8B becomes L level, and the first data line DLz is set at L level. One memory cell MCz is discharged (internal logic is 0). Thus, in the first memory cell MCz, the external logic and the internal logic are the same.

一方、第2メモリセルMCxに論理“1”を記憶する場合(外部の論理が1)、図8(b)における信号DATAzはHレベルとなり、第1データラインDLzがHレベルに設定される。このとき、第2データラインDLxはLレベルに設定されるため、第2データラインDLxに接続された第2メモリセルMCxは放電する(内部の論理は0)。第2メモリセルMCxに論理“0”を記憶する場合(外部の論理が0)、図8(b)における信号DATAzはLレベルとなり、第1データラインDLzがLレベルに設定される。このとき、第2データラインDLxはHレベルに設定されるため、第2データラインDLxに接続された第2メモリセルMCxは充電される(内部の論理は1)。このように、第2メモリセルMCxにおいては、外部の論理と内部の論理とが反対となる。しかしながら、後述するように、第2メモリセルMCxからのデータの読み出しの際に、論理値を逆転させて読み出しを行うため、それぞれのメモリセルMCからデータを正しく読み出すことが可能となる。   On the other hand, when logic “1” is stored in the second memory cell MCx (external logic is 1), the signal DATAz in FIG. 8B becomes H level, and the first data line DLz is set to H level. At this time, since the second data line DLx is set to the L level, the second memory cell MCx connected to the second data line DLx is discharged (internal logic is 0). When logic “0” is stored in the second memory cell MCx (external logic is 0), the signal DATAz in FIG. 8B becomes L level, and the first data line DLz is set to L level. At this time, since the second data line DLx is set to the H level, the second memory cell MCx connected to the second data line DLx is charged (internal logic is 1). Thus, in the second memory cell MCx, the external logic and the internal logic are opposite. However, as will be described later, when data is read from the second memory cell MCx, data is read with the logical value reversed, so that data can be read correctly from each memory cell MC.

NVMモードとMIDモードとは、可変抵抗43の抵抗値によりデータを記憶するため、データの書き込みに際しては共通の回路(図6から図8)を用いることができる。制御部30は、選択トランジスタ41のゲート電圧Vg、及びドレイン電圧Vdをコントロールするタイミング信号Timxpz及びTimypzを制御することにより、メモリセルに対する電圧印加時間を制御し、NVMモード、MIDモード、及びRAMモードの切り替えを行うことができる。   In the NVM mode and the MID mode, data is stored based on the resistance value of the variable resistor 43. Therefore, a common circuit (FIGS. 6 to 8) can be used for writing data. The control unit 30 controls the voltage application time to the memory cell by controlling the timing signals Timxpz and Timepz that control the gate voltage Vg and the drain voltage Vd of the selection transistor 41, and the NVM mode, the MID mode, and the RAM mode Can be switched.

次に、1D1R型メモリセルMCへのデータ書き込みに関する具体的な回路構成及び動作について説明する。1D1R型メモリセルMCにおいては、前述の通り、セルを選択するための選択トランジスタ41を有していないため、データ記憶素子40の可変抵抗43の抵抗値を変化させるためには、電圧条件が設定されたパルスをグローバルデータラインGDL及びデータラインDLを介して、データ記憶素子40に送る必要がある。ここで、表4に、メモリセルMCに印加する電圧条件の一例を示す。   Next, a specific circuit configuration and operation regarding data writing to the 1D1R type memory cell MC will be described. Since the 1D1R type memory cell MC does not have the selection transistor 41 for selecting the cell as described above, the voltage condition is set in order to change the resistance value of the variable resistor 43 of the data storage element 40. It is necessary to send the generated pulse to the data storage element 40 through the global data line GDL and the data line DL. Here, Table 4 shows an example of a voltage condition applied to the memory cell MC.

表4において、NVMモードの場合、データ記憶素子40の可変抵抗43を高抵抗状態にするためには、振幅の小さいパルス(例えば1.2V)を長時間(例えば250ns)印加する。また、データ記憶素子40の可変抵抗43を低抵抗状態にするためには、振幅の大きいパルス(例えば4.0V)を短時間(例えば100ns)印加する。   In Table 4, in the NVM mode, a pulse having a small amplitude (for example, 1.2 V) is applied for a long time (for example, 250 ns) in order to set the variable resistance 43 of the data storage element 40 to a high resistance state. Further, in order to put the variable resistor 43 of the data storage element 40 in a low resistance state, a pulse with a large amplitude (for example, 4.0 V) is applied for a short time (for example, 100 ns).

次に、MIDモードの場合、表4のように、印加する電圧の大きさは、NVMモードの場合と同じであり、電圧印加時間Sのみ異なり、NVMモードの半分の時間を印加する。また、RAMモードの場合、データ記憶素子40の電極44を放電状態にするためには、振幅の小さいパルス(例えば0V)を短時間(例えば10ns)印加する。また、電極44を充電状態にするためには、振幅の大きいパルス(例えば1.2V)を短時間(例えば10ns)印加する。

Figure 0005259279
Next, in the MID mode, as shown in Table 4, the magnitude of the voltage to be applied is the same as in the NVM mode, only the voltage application time S is different, and half the time of the NVM mode is applied. In the RAM mode, a pulse with a small amplitude (for example, 0 V) is applied for a short time (for example, 10 ns) in order to put the electrode 44 of the data storage element 40 into a discharged state. Further, in order to put the electrode 44 in a charged state, a pulse with a large amplitude (for example, 1.2 V) is applied for a short time (for example, 10 ns).
Figure 0005259279

図10(a)から図10(d)は、図1における周辺回路の構成を示した回路図である。図10(a)から図10(d)を用いて、NVMモード及びMIDモードでのデータの書き込みを説明する。図10(a)において、入出力回路26は、外部から入力される信号I/Ozに応じて、メモリセルMCに書き込まれるデータであるデータ信号Datazを出力する。   FIG. 10A to FIG. 10D are circuit diagrams showing the configuration of the peripheral circuit in FIG. Data writing in the NVM mode and the MID mode will be described with reference to FIGS. In FIG. 10A, the input / output circuit 26 outputs a data signal Dataz that is data to be written in the memory cell MC in accordance with an externally input signal I / Oz.

図10(b)において、選択回路であるワードライン駆動回路WDr(図1において不図示)は、書き込み信号WRz及びアドレス信号Add.に応じて、メモリセルMCを選択するための選択信号をワードラインWLに供給する。書き込み信号WRz及びアドレス信号Add.はNANDゲート134に入力され、双方の入力が共に“H”の場合にのみ、電位がVdd1の選択信号がインバータ136を介してワードラインWLに出力される。Vdd1は、例えば4.0Vである。   10B, a word line driving circuit WDr (not shown in FIG. 1) as a selection circuit includes a write signal WRz and an address signal Add. Accordingly, a selection signal for selecting the memory cell MC is supplied to the word line WL. Write signal WRz and address signal Add. Is input to the NAND gate 134, and only when both inputs are "H", the selection signal having the potential Vdd1 is output to the word line WL via the inverter 136. Vdd1 is, for example, 4.0V.

非選択時におけるメモリセルMCの電位は、ワードラインWL側が低電位に、データラインDL側が高電位にそれぞれ設定されている。ワードライン駆動回路WDrから供給される選択信号により、ワードラインWLの電位は上昇し、データラインDLの電位と等しくなる。この段階では、メモリセルMCに電流は流れない。   When the memory cell MC is not selected, the word line WL side is set to a low potential and the data line DL side is set to a high potential. Due to the selection signal supplied from the word line driving circuit WDr, the potential of the word line WL rises and becomes equal to the potential of the data line DL. At this stage, no current flows through the memory cell MC.

図10(c)において、書き込み制御回路130(図1において不図示)は、書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて第1パルス生成信号WRHz及び第2パルス生成信号WRLzを出力する。書き込み制御回路130は、2つのNANDゲート138及び140と、それぞれのNANDゲートに接続された遅延回路142からなる。NANDゲート138に接続された遅延回路142のインバータの数は、NANDゲート140に接続されたインバータの数より多い。従って、第1パルス生成信号WRHzのパルス幅は、第2パルス生成信号WRLzのパルス幅より短くなる。   In FIG. 10C, the write control circuit 130 (not shown in FIG. 1) outputs the first pulse generation signal WRHz and the second pulse generation signal WRLz according to the write signal WRz and the timing signal Timepz. The write control circuit 130 includes two NAND gates 138 and 140 and a delay circuit 142 connected to each NAND gate. The number of inverters of the delay circuit 142 connected to the NAND gate 138 is larger than the number of inverters connected to the NAND gate 140. Therefore, the pulse width of the first pulse generation signal WRHz is shorter than the pulse width of the second pulse generation signal WRLz.

図10(d)において、データライン駆動回路DDr(図1において不図示)は、入出力回路26から供給されるデータ信号Datazに応じて、第1パルス生成信号WRHzから第1パルスを、第2パルス生成信号WRLzから第2パルスをそれぞれ生成する。データライン駆動回路DDrは、生成された第1パルス及び第2パルスのいずれかである書き込みパルスをデータラインDLへ供給する。   10D, the data line driving circuit DDr (not shown in FIG. 1) receives the first pulse from the first pulse generation signal WRHz in accordance with the data signal Dataz supplied from the input / output circuit 26. Second pulses are respectively generated from the pulse generation signal WRLz. The data line driving circuit DDr supplies a write pulse, which is one of the generated first pulse and second pulse, to the data line DL.

図10(d)のように、データ信号Datazはインバータ146及び148を介し、パスゲート150及び152、並びにN型トランジスタ154及び156のON/OFFを制御する。第1パルス生成信号WRHzはP型トランジスタ160及びN型トランジスタ162のゲートに入力される。第2パルス生成信号WRLzはP型トランジスタ158及びN型トランジスタ164のゲートに入力される。データの書き込みが行われない場合は、第1パルス生成信号WRHz及び第2パルス生成信号WRLzは共に“L”となるため、P型トランジスタ158及び160はONに、N型トランジスタ162及び164はOFFに設定される。その結果、P型トランジスタ158及び160を介して電圧Vdd1が出力され、データラインDLの電位はVdd1に維持される。   As shown in FIG. 10D, the data signal Dataz controls ON / OFF of the pass gates 150 and 152 and the N-type transistors 154 and 156 via the inverters 146 and 148. The first pulse generation signal WRHz is input to the gates of the P-type transistor 160 and the N-type transistor 162. The second pulse generation signal WRLz is input to the gates of the P-type transistor 158 and the N-type transistor 164. When data is not written, since the first pulse generation signal WRHz and the second pulse generation signal WRLz are both “L”, the P-type transistors 158 and 160 are turned on, and the N-type transistors 162 and 164 are turned off. Set to As a result, the voltage Vdd1 is output via the P-type transistors 158 and 160, and the potential of the data line DL is maintained at Vdd1.

データ信号Datazが“H”の場合には、パスゲート152がONとなり第1パルス生成信号WRHzが回路に入力される。また、N型トランジスタ154はONに、N型トランジスタ156はOFFに設定される。N型トランジスタ156がOFFに設定されたことで、P型トランジスタ160のゲートには第1パルス生成信号WRHzの“H”が入力され、OFFに設定される。また、N型トランジスタ162のゲートにも同様に“H”が入力され、こちらはONに設定される。この結果、電圧VssがデータラインDLへと出力される。Vssは、例えば接地電位である。   When the data signal Dataz is “H”, the pass gate 152 is turned on and the first pulse generation signal WRHz is input to the circuit. Further, the N-type transistor 154 is set to ON and the N-type transistor 156 is set to OFF. Since the N-type transistor 156 is set to OFF, “H” of the first pulse generation signal WRHz is input to the gate of the P-type transistor 160 and set to OFF. Similarly, “H” is input to the gate of the N-type transistor 162, which is set to ON. As a result, the voltage Vss is output to the data line DL. Vss is a ground potential, for example.

ワードラインWLの電位が選択信号によりVdd1に設定されている場合、前述のようにデータラインDLの電位をVssとすることで両者の電位差はVdd1となり、バイアスが逆転するためメモリセルMCに電流が流れる。この状態を、表4の低抵抗“1”の場合の印加時間だけ維持することにより、メモリセルMCの可変抵抗43は低抵抗状態となり、論理“1”が書き込まれる。以上のように、データライン駆動回路DDrは、選択信号がメモリセルMCに対し印加されている間に、第1パルス生成信号WRHzに応じて、可変抵抗43を低抵抗状態に変化させる第1パルスをデータラインDLに供給する。   When the potential of the word line WL is set to Vdd1 by the selection signal, the potential difference between the two becomes Vdd1 by setting the potential of the data line DL to Vss as described above. Flowing. By maintaining this state for the application time in the case of the low resistance “1” in Table 4, the variable resistance 43 of the memory cell MC becomes the low resistance state, and the logic “1” is written. As described above, the data line driving circuit DDr causes the first pulse to change the variable resistor 43 to the low resistance state according to the first pulse generation signal WRHz while the selection signal is applied to the memory cell MC. Is supplied to the data line DL.

データ信号Datazが“L”の場合には、パスゲート150がONとなり第2パルス生成信号WRLzが回路に入力される。また、N型トランジスタ154はOFFに、N型トランジスタ156はONに設定される。N型トランジスタ154がOFFに設定されたことで、P型トランジスタ158のゲートには第2パルス生成信号WRLzの“H”が入力されOFFに設定される。また、N型トランジスタ164のゲートにも同様に“H”が入力され、こちらはONに設定される。この結果、電圧Vdd1−Vdd0がデータラインDLへと出力される。Vdd0は、例えば1.2Vである。   When the data signal Dataz is “L”, the pass gate 150 is turned on and the second pulse generation signal WRLz is input to the circuit. Further, the N-type transistor 154 is set to OFF and the N-type transistor 156 is set to ON. Since the N-type transistor 154 is set to OFF, “H” of the second pulse generation signal WRLz is input to the gate of the P-type transistor 158 and set to OFF. Similarly, “H” is input to the gate of the N-type transistor 164, which is set to ON. As a result, voltages Vdd1-Vdd0 are output to the data line DL. Vdd0 is, for example, 1.2V.

ワードラインWLの電位が選択信号によりVdd1に設定されている場合、前述のようにデータラインDLの電位をVdd1−Vdd0とすることで両者の電位差はVdd0となり、バイアスが逆転するためメモリセルMCに電流が流れる。この状態を表4の高抵抗“0”の場合の印加時間だけ維持することにより、メモリセルMCの可変抵抗43は高抵抗状態となり、論理“0”が書き込まれる。以上のように、データライン駆動回路DDrは、選択信号がメモリセルMCに対し印加されている間に、第2パルス生成信号WRLzに応じて、可変抵抗43を高抵抗状態に変化させる第2パルスをデータラインDLに供給する。   When the potential of the word line WL is set to Vdd1 by the selection signal, the potential difference between the two becomes Vdd0 by setting the potential of the data line DL to Vdd1-Vdd0 as described above. Current flows. By maintaining this state for the application time in the case of the high resistance “0” in Table 4, the variable resistance 43 of the memory cell MC becomes the high resistance state, and logic “0” is written. As described above, the data line driving circuit DDr causes the second pulse to change the variable resistor 43 to the high resistance state according to the second pulse generation signal WRLz while the selection signal is applied to the memory cell MC. Is supplied to the data line DL.

図11は、データ書き込み時の動作を示したフローチャートである。図10及び図11を参照に、データ書き込みの開始時においてワードラインWLの電位はVssに、データラインDLの電位はVdd1に設定されている。メモリセルMCには逆バイアスが印加されており、電流は流れない。最初に、制御部30が、メモリセルMCに行うデータ記憶の記憶モードを選択する(ステップS20)。NVMモード及びMIDモードである場合はステップS22へ進む。RAMモードの場合はステップS26に進む。   FIG. 11 is a flowchart showing an operation at the time of data writing. Referring to FIGS. 10 and 11, at the start of data writing, the potential of word line WL is set to Vss, and the potential of data line DL is set to Vdd1. A reverse bias is applied to the memory cell MC, and no current flows. First, the control unit 30 selects a storage mode for data storage performed in the memory cell MC (step S20). If it is the NVM mode or the MID mode, the process proceeds to step S22. In the case of the RAM mode, the process proceeds to step S26.

NVMモード及びMIDモードである場合、選択回路であるワードライン駆動回路WDrは、ワードラインWLに対し選択信号を供給する(ステップS22)。これにより、ワードラインWLの電位はVdd1に上昇する。次に、論理“1”のデータを書き込む場合、データライン駆動回路DDrは、データラインDLに対し電圧条件が設定された第1パルスを供給する(ステップS24)。これにより、データラインの電位はVssとなり、メモリセルMCに電流が流れ、データ記憶素子40内の可変抵抗43は低抵抗状態となる。また、論理“0”のデータを書き込む場合、書き込み回路であるデータライン駆動回路DDrは、データラインDLに対し電圧条件が設定された第2パルスを供給する(ステップS22)。これにより、データラインDLの電位はVdd1−Vdd0となり、メモリセルMCに電流が流れ、データ記憶素子40内の可変抵抗43は高抵抗状態となる。以上のステップにより、NVMモード及びMIDモードでの、メモリセルMCへのデータの書き込みが完了する。   In the NVM mode and the MID mode, the word line driving circuit WDr, which is a selection circuit, supplies a selection signal to the word line WL (step S22). As a result, the potential of the word line WL rises to Vdd1. Next, when data of logic “1” is written, the data line driving circuit DDr supplies the first pulse with the voltage condition set to the data line DL (step S24). As a result, the potential of the data line becomes Vss, a current flows through the memory cell MC, and the variable resistor 43 in the data storage element 40 is in a low resistance state. When writing data of logic “0”, the data line driving circuit DDr, which is a writing circuit, supplies the second pulse with the voltage condition set to the data line DL (step S22). As a result, the potential of the data line DL becomes Vdd1-Vdd0, a current flows through the memory cell MC, and the variable resistor 43 in the data storage element 40 enters a high resistance state. Through the above steps, data writing to the memory cell MC in the NVM mode and the MID mode is completed.

RAMモードである場合も、選択回路であるワードライン駆動回路WDrは、ワードラインWLに対し選択信号を供給する(ステップS26)。次に、論理“1”のデータを書き込む場合、書き込み回路であるデータライン駆動回路DDrは、データラインDLに対し電圧条件が設定された第3パルスを供給する(ステップS28)。これにより、メモリセルMCに電流が流れ、データ記憶素子40の電極44に電荷を蓄えることができる。この際、表4に示すように、RAMモードにおける電圧印加時間は短時間であるため、可変抵抗43は高抵抗状態を維持する。論理“0”のデータを書き込む場合には、データ駆動回路DDrが、データラインDLに対し、降伏電圧(ブレークダウン電圧)を印加(供給)する(ステップS28)。これにより、データ記憶素子40の電極44に蓄えられている電荷を引き抜く(放電する)ことができ、論理“0”のデータを書き込むことができる。以上のステップにより、RAMモードでの、メモリセルMCへのデータの書き込みが完了する。   Even in the RAM mode, the word line driving circuit WDr, which is a selection circuit, supplies a selection signal to the word line WL (step S26). Next, when writing data of logic “1”, the data line driving circuit DDr, which is a writing circuit, supplies a third pulse with a voltage condition set to the data line DL (step S28). As a result, a current flows through the memory cell MC, and charges can be stored in the electrode 44 of the data storage element 40. At this time, as shown in Table 4, since the voltage application time in the RAM mode is short, the variable resistor 43 maintains a high resistance state. When data of logic “0” is written, the data drive circuit DDr applies (supplies) a breakdown voltage (breakdown voltage) to the data line DL (step S28). Thereby, the electric charge stored in the electrode 44 of the data storage element 40 can be extracted (discharged), and data of logic “0” can be written. Through the above steps, data writing to the memory cell MC in the RAM mode is completed.

次に、メモリセルMCからのデータの読み出しに関する具体的な回路構成及び動作について説明する。図12は、図1におけるメモリセルアレイ10、リセット回路20、検出回路であるセンスアンプ22の構成を示す回路図である。図12において、第1データラインDLzには第1メモリセルMCzが接続しており、第2データラインDLxには第2メモリセルMCxが接続している。このため、第1メモリセルMCzに記憶されたデータは第1データラインDLzから読み出され、第2メモリセルMCxに記憶されたデータは第2データラインDLxから読み出される。   Next, a specific circuit configuration and operation regarding reading of data from the memory cell MC will be described. FIG. 12 is a circuit diagram showing the configuration of the memory cell array 10, the reset circuit 20, and the sense amplifier 22 as a detection circuit in FIG. In FIG. 12, the first memory cell MCz is connected to the first data line DLz, and the second memory cell MCx is connected to the second data line DLx. Therefore, data stored in the first memory cell MCz is read from the first data line DLz, and data stored in the second memory cell MCx is read from the second data line DLx.

リセット回路20は、第1データラインDLzと第2データラインDLxとの間に設けられている。つまり、データライン対に対してリセット回路20が設けられている。リセット回路20は、トランジスタ84、86、88で構成される。トランジスタ84は、リセット信号BRSzに応じて第1データラインDLzと第2データラインDLxとを短絡させる。トランジスタ86と88とは、リセット信号BRSzに応じて、第1データラインDLzと第2データラインDLxとに対しリファレンス電圧Vrefを供給する。   The reset circuit 20 is provided between the first data line DLz and the second data line DLx. That is, the reset circuit 20 is provided for the data line pair. The reset circuit 20 includes transistors 84, 86, and 88. The transistor 84 short-circuits the first data line DLz and the second data line DLx according to the reset signal BRSz. The transistors 86 and 88 supply the reference voltage Vref to the first data line DLz and the second data line DLx in response to the reset signal BRSz.

センスアンプ22は、第1データラインDLzと第2データラインDLxとの間に、リセット回路20に対応して設けられており、インバータ80と82とからなるインバータ・ペアで構成される。インバータ80と82とには、センスアンプドライバ24から電源電圧Vccと接地電圧Vssとが供給されている。センスアンプ22は、ラッチ信号LEz(不図示)に応じて両データライン間の電位差を増幅する。ここで、リファレンス電圧Vrefは、電源電圧Vccの半分程度の大きさである場合が好ましい。電源電圧Vccは、例えば1.2Vであり、リファレンス電圧Vrefは、例えば0.6Vである。   The sense amplifier 22 is provided corresponding to the reset circuit 20 between the first data line DLz and the second data line DLx, and is configured of an inverter pair including inverters 80 and 82. The inverters 80 and 82 are supplied with the power supply voltage Vcc and the ground voltage Vss from the sense amplifier driver 24. The sense amplifier 22 amplifies a potential difference between both data lines in accordance with a latch signal LEz (not shown). Here, the reference voltage Vref is preferably about half the power supply voltage Vcc. The power supply voltage Vcc is, for example, 1.2V, and the reference voltage Vref is, for example, 0.6V.

図13は、図1におけるクランプ回路21の構成を示す回路図である。図13において、クランプ回路21は、NANDゲート90と91、インバータ92と93、pMOSトランジスタ94と95で構成される。pMOSトランジスタ94と95とのソース端子は、図7における電圧選択部60の出力端子Vdに接続されている。図7において、NVMモード及びMIDモードで記憶されたデータをメモリセルMCから読み出す場合には、出力端子Vdにクランプ電圧Vclmpが供給される。クランプ電圧Vclmpはリファレンス電圧Vrefより高くなるよう設定されている。Vclmpは、例えば0.8Vである。   FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of the clamp circuit 21 in FIG. In FIG. 13, the clamp circuit 21 includes NAND gates 90 and 91, inverters 92 and 93, and pMOS transistors 94 and 95. The source terminals of the pMOS transistors 94 and 95 are connected to the output terminal Vd of the voltage selection unit 60 in FIG. In FIG. 7, when the data stored in the NVM mode and the MID mode is read from the memory cell MC, the clamp voltage Vclmp is supplied to the output terminal Vd. The clamp voltage Vclmp is set to be higher than the reference voltage Vref. Vclmp is, for example, 0.8V.

NANDゲート90と91とに入力されるクランプ信号clmpzは、クランプ回路21を作動させるための信号である。NVMモード及びMIDモードで記憶されたデータを読み出す場合に、クランプ信号clmpzはHレベルに設定される。インバータ92に入力されるアドレス信号Ya0zは、クランプ電圧Vclmpを印加すべきデータラインを選択する信号である。クランプ信号clmpzがHレベルの場合、アドレス信号Ya0zに応じて、クランプ電圧Vclmpが印加されるデータラインが選択される。即ち、NVMモード及びMIDモードでデータを記憶した第1メモリセルMCzからデータを読み出す場合は、信号Ya0zはHレベルとなり、pMOSトランジスタ94がONとなる。これにより、第1データラインDLzに対しクランプ電圧Vclmpが印加される。NVMモード及びMIDモードでデータを記憶した第2メモリセルMCxからデータを読み出す場合は、信号Ya0zはLレベルとなり、pMOSトランジスタ95がONとなる。これにより、第2データラインDLxに対しクランプ電圧Vclmpが印加される。   The clamp signal clmpz input to the NAND gates 90 and 91 is a signal for operating the clamp circuit 21. When reading data stored in the NVM mode and the MID mode, the clamp signal clmpz is set to the H level. The address signal Ya0z input to the inverter 92 is a signal for selecting a data line to which the clamp voltage Vclmp is to be applied. When the clamp signal clmpz is at the H level, the data line to which the clamp voltage Vclmp is applied is selected according to the address signal Ya0z. That is, when data is read from the first memory cell MCz storing data in the NVM mode and the MID mode, the signal Ya0z becomes H level and the pMOS transistor 94 is turned on. As a result, the clamp voltage Vclmp is applied to the first data line DLz. When data is read from the second memory cell MCx storing data in the NVM mode and the MID mode, the signal Ya0z is at L level and the pMOS transistor 95 is turned on. As a result, the clamp voltage Vclmp is applied to the second data line DLx.

図14は、図1におけるセンスアンプドライバ24の構成を示す回路図である。図14において、センスアンプドライバ24は、インバータ96、pMOSトランジスタ97、nMOSトランジスタ98で構成される。pMOSトランジスタ97のソース端子には、電源電圧Vccが印加されており、nMOSトランジスタ98のソース端子には接地電圧Vssが印加されている。pMOSトランジスタ97のドレイン端子PSAはセンスアンプ22のPチャネル側に接続され、nMOSトランジスタ98のドレイン端子NSAはセンスアンプ22のNチャネル側に接続されている。インバータ96は、ラッチ信号LEzをpMOSトランジスタ97のゲート端子に反転して入力する。ラッチ信号LEzがHレベルに設定されると、pMOSトランジスタ97とnMOSトランジスタ98とはそれぞれONになる。よって、pMOSトランジスタ97のドレイン端子PSAには電源電圧Vccが供給され、nMOSトランジスタ98のドレイン端子NSAには接地電圧Vssが供給される。   FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of sense amplifier driver 24 in FIG. In FIG. 14, the sense amplifier driver 24 includes an inverter 96, a pMOS transistor 97, and an nMOS transistor 98. A power supply voltage Vcc is applied to the source terminal of the pMOS transistor 97, and a ground voltage Vss is applied to the source terminal of the nMOS transistor 98. The drain terminal PSA of the pMOS transistor 97 is connected to the P channel side of the sense amplifier 22, and the drain terminal NSA of the nMOS transistor 98 is connected to the N channel side of the sense amplifier 22. The inverter 96 inverts and inputs the latch signal LEz to the gate terminal of the pMOS transistor 97. When the latch signal LEz is set to the H level, the pMOS transistor 97 and the nMOS transistor 98 are turned on. Therefore, the power supply voltage Vcc is supplied to the drain terminal PSA of the pMOS transistor 97, and the ground voltage Vss is supplied to the drain terminal NSA of the nMOS transistor 98.

図15は、メモリセルMCからのデータの読み出しにおける制御を示したフローチャートである。図15において、まず、制御部30は、データの読み出し対象である第1メモリセルMCz又は第2メモリセルMCxがそれぞれ接続する、第1データラインDLzと第2データラインDLxとにリファレンス電圧Vrefを印加する(ステップS30)。このとき、図12において、リセット回路20にリセット信号BRSzが供給され、トランジスタ84がONとなることで、第1データラインDLzと第2データラインDLxとが短絡する。後述するように、データの読み出しが終了した後は、第1データラインDLz及び第2データラインDLxのうちいずれか一方は電源電圧Vccが印加され、他方は接地電圧Vssが印加される。このため、両者を短絡させることで、データラインの電圧をリファレンス電圧Vref(=Vcc/2)付近に制御することが可能となる。これにより、回路の消費電力を抑制することができる。また、リセット信号BRSzによりトランジスタ86と88とがONとなるため、第1データラインDLzと第2データラインDLxとにリファレンス電圧Vrefが供給される。これにより、第1データラインDLzと第2データラインDLxとがリファレンス電圧Vrefに正確に設定される。   FIG. 15 is a flowchart showing control in reading data from the memory cell MC. In FIG. 15, first, the control unit 30 applies the reference voltage Vref to the first data line DLz and the second data line DLx to which the first memory cell MCz or the second memory cell MCx that is a data read target is connected, respectively. Apply (step S30). At this time, in FIG. 12, the reset signal BRSz is supplied to the reset circuit 20 and the transistor 84 is turned ON, whereby the first data line DLz and the second data line DLx are short-circuited. As will be described later, after the data reading is completed, the power supply voltage Vcc is applied to one of the first data line DLz and the second data line DLx, and the ground voltage Vss is applied to the other. For this reason, it is possible to control the voltage of the data line near the reference voltage Vref (= Vcc / 2) by short-circuiting them. Thereby, the power consumption of the circuit can be suppressed. Further, since the transistors 86 and 88 are turned on by the reset signal BRSz, the reference voltage Vref is supplied to the first data line DLz and the second data line DLx. Thereby, the first data line DLz and the second data line DLx are accurately set to the reference voltage Vref.

次に、制御部30は、読み出し対象であるメモリセルMCの記憶モードの判定を行う(ステップS32)。記憶モードがNVMモード及びMIDモードのいずれかである場合はステップS34に進み、記憶モードがRAMモードである場合はステップS50に進む。   Next, the control unit 30 determines the storage mode of the memory cell MC to be read (step S32). If the storage mode is either the NVM mode or the MID mode, the process proceeds to step S34. If the storage mode is the RAM mode, the process proceeds to step S50.

記憶モードがNVMモード及びMIDモードのいずれかである場合、制御部30は、読み出し対象であるメモリセルMCの特定を行う(ステップS34)。読み出し対象のメモリセルMCが、第1データ記憶素子を有する第1メモリセルMCzである場合、制御部30は、第1データラインDLzを選択する(ステップS36)。読み出し対象のメモリセルMCが、第2データ記憶素子を有する第2メモリセルMCxである場合、制御部30は、第2データラインDLxを選択する(ステップS38)。そして、選択されたデータラインに対してクランプ電圧Vclmpを印加する(ステップS40)。クランプ電圧Vclmpは、図13に示したクランプ回路21により供給される。これにより、読み出し対象であるメモリセルMCが接続されたデータラインDLの電圧は、リファレンス電圧Vrefより高いクランプ電圧Vclmpまで上昇する。一方、読み出し対象のメモリセルMCが接続されていないデータラインDLの電圧は、リファレンス電圧Vrefのまま維持される。   When the storage mode is either the NVM mode or the MID mode, the control unit 30 specifies the memory cell MC that is a read target (step S34). When the memory cell MC to be read is the first memory cell MCz having the first data storage element, the control unit 30 selects the first data line DLz (step S36). When the memory cell MC to be read is the second memory cell MCx having the second data storage element, the control unit 30 selects the second data line DLx (step S38). Then, the clamp voltage Vclmp is applied to the selected data line (step S40). The clamp voltage Vclmp is supplied by the clamp circuit 21 shown in FIG. As a result, the voltage of the data line DL to which the memory cell MC to be read is connected rises to a clamp voltage Vclmp that is higher than the reference voltage Vref. On the other hand, the voltage of the data line DL to which the memory cell MC to be read is not connected is maintained at the reference voltage Vref.

次に、制御部30は、メモリセルMC内のデータ記憶素子40とデータラインDLとを導通させる(ステップS42)。   Next, the control unit 30 makes the data storage element 40 in the memory cell MC and the data line DL conductive (step S42).

データ記憶素子40内の可変抵抗43が高抵抗状態の場合は、メモリセルMCに電流が流れないため、データラインDLの電圧はVclmpのまま変化しない。したがって、読み出し対象であるメモリセルMCが接続するデータラインDL(第1データラインDLz及び第2データラインDLxのうちいずれか一方)の電圧は、読み出し対象のメモリセルが接続しないデータラインDL(第1データラインDLz及び第2データラインDLxの他方)の電圧に比べて高くなる。   When the variable resistor 43 in the data storage element 40 is in a high resistance state, no current flows through the memory cell MC, so the voltage of the data line DL remains Vclmp. Therefore, the voltage of the data line DL (one of the first data line DLz and the second data line DLx) to which the memory cell MC to be read is connected is equal to the data line DL (first data line DL to which the memory cell to be read is not connected). The voltage is higher than the voltage of the other one of the first data line DLz and the second data line DLx.

データ記憶素子40内の可変抵抗43が低抵抗状態の場合は、メモリセルMCに電流が流れるため、読み出し対象のメモリセルMCが接続するデータラインDLの電圧はVclmpから降下する。したがって、読み出し対象であるメモリセルMCが接続するデータラインDLの電圧は、読み出し対象のメモリセルMCが接続しないデータラインDLの電圧に比べて低くなる。このように、制御部30が、第1データラインDLzと第2データラインDLxとの電圧を比較することで、メモリセルMCからのデータの読み出しを行う(ステップS44)。   When the variable resistor 43 in the data storage element 40 is in a low resistance state, a current flows through the memory cell MC, so that the voltage of the data line DL connected to the memory cell MC to be read drops from Vclmp. Accordingly, the voltage of the data line DL to which the memory cell MC to be read is connected is lower than the voltage of the data line DL to which the memory cell MC to be read is not connected. In this manner, the control unit 30 reads data from the memory cell MC by comparing the voltages of the first data line DLz and the second data line DLx (step S44).

ここで、図16に、NVMモード及びMIDモードの場合の、データ読み出し時の動作を表したタイミングチャートを示す。図16において、制御部30から供給されるリセット信号BRSzにより、データライン電圧はVrefに維持されている。データ読み出し時には、制御部30は、リセット信号BRSzをLレベルに設定し、リセット電圧Vrefの供給を停止する(A)。次に、制御部30は、クランプ信号clmpzをHレベルに設定し(B)、データライン電圧をVclmpへと上昇させる(C)。その後、再びクランプ信号clmpzをLレベルに設定し(D)、クランプ電圧Vclmpの供給を停止する。   Here, FIG. 16 shows a timing chart showing an operation at the time of data reading in the NVM mode and the MID mode. In FIG. 16, the data line voltage is maintained at Vref by the reset signal BRSz supplied from the control unit 30. At the time of data reading, the control unit 30 sets the reset signal BRSz to L level and stops supplying the reset voltage Vref (A). Next, the control unit 30 sets the clamp signal clmpz to the H level (B) and raises the data line voltage to Vclmp (C). Thereafter, the clamp signal clmpz is set to the L level again (D), and the supply of the clamp voltage Vclmp is stopped.

次に、制御部30は、ワードラインWL(選択トランジスタ41のゲート電圧Vg)の電圧を上昇させ(E)、データ記憶素子40とデータラインDLとを導通させる。データ記憶素子40に論理“0”が記憶されている場合は、可変抵抗43は高抵抗状態のため、データライン電圧は変化しない(F)。データ記憶素子40に論理“1”が記憶されている場合は、可変抵抗43は低抵抗状態のため、データライン電圧は下降していき、リファレンス電圧Vrefを下回る(G)。次に、制御部30は、ラッチ信号LEzをHレベルに設定すると(H)、データライン電圧がVrefより高い場合は、電源電圧Vccまで上昇し(I)、データライン電圧がVrefより低い場合は、接地電圧Vssまで下降する(J)。これにより、データ記憶素子40から読み出された信号が増幅され、外部へと取り出される。   Next, the control unit 30 increases the voltage of the word line WL (the gate voltage Vg of the selection transistor 41) (E), and makes the data storage element 40 and the data line DL conductive. When logic “0” is stored in the data storage element 40, the data line voltage does not change (F) because the variable resistor 43 is in a high resistance state. When the logic “1” is stored in the data storage element 40, the variable resistance 43 is in a low resistance state, so that the data line voltage decreases and falls below the reference voltage Vref (G). Next, when the control unit 30 sets the latch signal LEz to the H level (H), when the data line voltage is higher than Vref, it rises to the power supply voltage Vcc (I), and when the data line voltage is lower than Vref. The voltage drops to the ground voltage Vss (J). Thereby, the signal read from the data storage element 40 is amplified and taken out to the outside.

図15に戻り、記憶モードがRAMモードである場合、制御部30は、メモリセルMC内のデータ記憶素子40とデータラインDLとを導通させる(ステップS50)。RAMモードにおいては、データラインDLへのクランプ電圧Vclmpの供給は行わない。   Returning to FIG. 15, when the storage mode is the RAM mode, the control unit 30 makes the data storage element 40 in the memory cell MC and the data line DL conductive (step S50). In the RAM mode, the clamp voltage Vclmp is not supplied to the data line DL.

データ記憶素子40が充電状態である場合、電極44に蓄えられた電荷はデータラインDLに放出される。これにより、読み出し対象であるメモリセルMCが接続するデータラインDL(第1データラインDLz及び第2データラインDLxのうちいずれか一方)の電圧は上昇し、読み出し対象のメモリセルが接続しないデータラインDL(第1データラインDLz及び第2データラインDLxの他方)の電圧Vrefより高くなる。   When the data storage element 40 is in a charged state, the charge stored in the electrode 44 is released to the data line DL. As a result, the voltage of the data line DL (one of the first data line DLz and the second data line DLx) to which the memory cell MC to be read is connected rises, and the data line to which the memory cell to be read is not connected. It becomes higher than the voltage Vref of DL (the other of the first data line DLz and the second data line DLx).

データ記憶素子40が放電状態である場合、電極44に電荷が充電されるため、読み出し対象のメモリセルMCが接続するデータラインDLの電圧は降下する。したがって、読み出し対象のメモリセルMCが接続するデータラインDLの電圧は、読み出し対象のメモリセルMCが接続しないデータラインDLの電圧Vrefに比べて低くなる。   When the data storage element 40 is in a discharged state, the electrode 44 is charged, and the voltage of the data line DL to which the memory cell MC to be read is connected drops. Therefore, the voltage of the data line DL connected to the memory cell MC to be read is lower than the voltage Vref of the data line DL to which the memory cell MC to be read is not connected.

制御部30は、第1データラインDLzの電圧と第2データラインDLxの電圧との比較を行い(ステップS52)、第1データラインDLzの電圧が大きい場合は論理“1”を読み出し(ステップS54)、第2データラインDLxの電圧が大きい場合は論理“0”を読み出す(ステップS56)。   The controller 30 compares the voltage of the first data line DLz and the voltage of the second data line DLx (step S52), and reads the logic “1” when the voltage of the first data line DLz is large (step S54). ) When the voltage of the second data line DLx is large, the logic “0” is read (step S56).

このように、RAMモードで記憶するメモリセルMCからのデータの読み出しにおいて、制御部30は、第1データラインDLzの電圧レベルに基づきデータの読み出しを行う。即ち、第1データラインDLzがHレベルの場合は論理“1”が読み出され、第1データラインDLzがLレベルの場合は論理“0”が読み出される。その結果、読み出し対象であるメモリセルMCが第1メモリセルMCzである場合、第1メモリセルMCz内の第1データ記憶素子の状態(内部の論理)と読み出されるデータの論理値(外部の論理)とは同じになる。一方、読み出し対象であるメモリセルMCが第2メモリセルMCxである場合、第2メモリセルMCx内の第2データ記憶素子の状態(内部の論理)と読み出されるデータの論理値(外部の論理)とは反対になる。   Thus, in reading data from the memory cell MC stored in the RAM mode, the control unit 30 reads data based on the voltage level of the first data line DLz. That is, when the first data line DLz is at the H level, logic “1” is read, and when the first data line DLz is at the L level, logic “0” is read. As a result, when the memory cell MC to be read is the first memory cell MCz, the state (internal logic) of the first data storage element in the first memory cell MCz and the logical value of the read data (external logic) ) Is the same. On the other hand, when the memory cell MC to be read is the second memory cell MCx, the state (internal logic) of the second data storage element in the second memory cell MCx and the logical value (external logic) of the read data Is the opposite.

例えば、第2データ記憶素子が放電状態の場合(内部の論理は“0”)、データ読み出し時に第1データラインDLzはHレベルになり、第2データラインDLxはLレベルになるため、論理“1”が読み出される(外部の論理は“1”)。第2データ記憶素子が充電状態の場合(内部の論理は“1”)、データ読み出し時に第1データラインDLzはLレベルになり、第2データラインDLxはHレベルになるため、論理“0”が読み出される(外部の論理は“0”)。前述のように、RAMモードで第2メモリセルMCxにデータを記憶させる場合、第2データ記憶素子の状態を示す内部の論理と、第2メモリセルMCxに記憶するデータを示す外部の論理とは反対であった。このため、第2メモリセルMCxからデータを読み出す場合には、内部の論理と外部の論理とを逆転させることで、データを正確に読み出すことが可能となる。   For example, when the second data storage element is in a discharged state (internal logic is “0”), the first data line DLz is at H level and the second data line DLx is at L level when data is read. 1 "is read (external logic is" 1 "). When the second data storage element is in a charged state (internal logic is “1”), the first data line DLz is at L level and the second data line DLx is at H level when data is read. Is read (external logic is “0”). As described above, when data is stored in the second memory cell MCx in the RAM mode, the internal logic indicating the state of the second data storage element and the external logic indicating the data stored in the second memory cell MCx are: It was the opposite. For this reason, when data is read from the second memory cell MCx, the data can be read accurately by reversing the internal logic and the external logic.

ここで、図17に、RAMモードの場合の、データ読み出し時の動作を表したタイミングチャートを示す。図17において、最初に、制御部30から供給されるリセット信号BRSzにより、データライン電圧はVrefに維持されている。データ読み出し時には、制御部30は、リセット信号BRSzをLレベルに設定し(A)、リセット電圧Vrefの供給を停止する。次に、制御部30は、ワードラインWL(選択トランジスタのゲート電圧Vg)の電圧を上昇させ(B)、データ記憶素子とデータラインとを導通させる。データ記憶素子40に論理“0”が記憶されている場合、電極44は放電状態のため、データライン電圧は下降していく(C)。データ記憶素子40に論理“1”が記憶されている場合は、電極44は充電状態のため、データライン電圧は上昇していく(D)。   Here, FIG. 17 shows a timing chart showing an operation at the time of data reading in the RAM mode. In FIG. 17, first, the data line voltage is maintained at Vref by the reset signal BRSz supplied from the control unit 30. At the time of data reading, the control unit 30 sets the reset signal BRSz to L level (A) and stops supplying the reset voltage Vref. Next, the control unit 30 increases the voltage of the word line WL (the gate voltage Vg of the selection transistor) (B), and makes the data storage element and the data line conductive. When logic “0” is stored in the data storage element 40, the electrode 44 is in a discharged state, so the data line voltage decreases (C). When logic “1” is stored in the data storage element 40, the electrode 44 is in a charged state, and the data line voltage increases (D).

次に、制御部30が、ラッチ信号LEzをHレベルに設定すると(E)、データライン電圧がVrefより高い場合は、電源電圧Vccまで上昇し(F)、データライン電圧がVrefより低い場合は、接地電圧Vssまで下降する(G)。これにより、データ記憶素子40から読み出された信号が増幅され、外部へと取り出される。   Next, when the control unit 30 sets the latch signal LEz to the H level (E), when the data line voltage is higher than Vref, it rises to the power supply voltage Vcc (F), and when the data line voltage is lower than Vref. Then, the voltage drops to the ground voltage Vss (G). Thereby, the signal read from the data storage element 40 is amplified and taken out to the outside.

次に、データ記憶素子40に対して行うリフレッシュについて説明する。表2に示すように、MIDモード及びRAMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40は、データの保持時間が短いが、リフレッシュを行うことで、データの保持時間を延ばすことができる。図18は、図1におけるリフレッシュ制御回路32の構成を示すブロック図である。図18において、リフレッシュ制御回路32は、リフレッシュ回路34とタイマー36とで構成されている。リフレッシュ回路34は、グローバルデータラインGDLに接続されている。グローバルデータラインGDLは、複数のデータラインDLに接続されている。   Next, refresh performed on the data storage element 40 will be described. As shown in Table 2, the data storage element 40 that stores data in the MID mode and the RAM mode has a short data holding time, but the data holding time can be extended by performing refresh. FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the refresh control circuit 32 in FIG. In FIG. 18, the refresh control circuit 32 includes a refresh circuit 34 and a timer 36. The refresh circuit 34 is connected to the global data line GDL. The global data line GDL is connected to a plurality of data lines DL.

タイマー36には、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュの間隔に対応する時間が予め設定されている。また、タイマー36には、制御部30から、データ記憶素子40の記憶モードに関する信号Modeが入力される。タイマー36は、制御部30から入力された信号ModeがMIDモードであると判定した場合、タイマーを始動させる。そして、タイマー36は、タイマー始動後、設定時間に到達したら、信号timerをリフレッシュ回路34に出力する。   The timer 36 is preset with a time corresponding to a refresh interval performed for the data storage element 40 that stores data in the MID mode. The timer 36 receives a signal Mode related to the storage mode of the data storage element 40 from the control unit 30. When the timer 36 determines that the signal Mode input from the control unit 30 is in the MID mode, the timer 36 starts the timer. The timer 36 outputs a signal timer to the refresh circuit 34 when the set time is reached after the timer is started.

リフレッシュ回路34には、制御部30から、データ記憶素子40の記憶モードに関する信号Modeが入力される。リフレッシュ回路34は、制御部30から入力された信号ModeがMIDモードであると判定した場合、タイマー36から、信号timerが入力されるまで待機する。リフレッシュ回路34は、タイマー36から信号timerが入力された後、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行する。また、リフレッシュ回路34は、制御部30から入力された信号ModeがRAMモードであると判定した場合は、即座にRAMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行する。さらに、リフレッシュ回路34は、制御部30から入力された信号ModeがNVMモードであると判定した場合は、NVMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行しない。   A signal Mode relating to the storage mode of the data storage element 40 is input from the control unit 30 to the refresh circuit 34. When the refresh circuit 34 determines that the signal Mode input from the control unit 30 is in the MID mode, the refresh circuit 34 waits until the signal timer is input from the timer 36. After the signal timer is input from the timer 36, the refresh circuit 34 refreshes the data storage element 40 that stores data in the MID mode. Further, when it is determined that the signal Mode input from the control unit 30 is in the RAM mode, the refresh circuit 34 immediately performs a refresh on the data storage element 40 that stores data in the RAM mode. Furthermore, when the refresh circuit 34 determines that the signal Mode input from the control unit 30 is in the NVM mode, the refresh circuit 34 does not perform refresh on the data storage element 40 that stores data in the NVM mode.

図19は、データ記憶素子40に対して行うリフレッシュの制御を示したフローチャートである。図19において、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された信号Modeに基づき、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の記憶モードを判定する(ステップS60)。信号Modeは、メモリセルMCに対してデータの書き込み又はリフレッシュを行った際に、制御部30から入力される。リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された信号Modeに基づき、データ記憶素子40の記憶モードがMIDモードであると判定した場合、内蔵するタイマー36を始動させる(ステップS62)。前述したように、タイマー36には、予め、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュの間隔に対応する時間が設定されている。   FIG. 19 is a flowchart showing refresh control performed on the data storage element 40. In FIG. 19, the refresh control circuit 32 determines the storage mode of the data storage element 40 in the memory cell MC based on the signal Mode input from the control unit 30 (step S60). The signal Mode is input from the control unit 30 when data is written or refreshed to the memory cell MC. When the refresh control circuit 32 determines that the storage mode of the data storage element 40 is the MID mode based on the signal Mode input from the controller 30, the refresh control circuit 32 starts the built-in timer 36 (step S62). As described above, the timer 36 is set in advance with a time corresponding to a refresh interval performed for the data storage element 40 that stores data in the MID mode.

リフレッシュ制御回路32は、タイマー36に設定されている時間に到達した後、制御部30に対して、メモリセルMCからデータを読み出すよう指示する(ステップS64)。このときのデータの読み出し方法は、前述したメモリセルMCからのデータの読み出し方法を用いることができる。メモリセルMCから読み出されたデータは、データラインDLとグローバルデータラインGDLとを介してリフレッシュ制御回路32に入力される。リフレッシュ制御回路32は、メモリセルMCから読み出されたデータが、論理“1”であるか論理“0”であるか判定する(ステップS66)。   After reaching the time set in the timer 36, the refresh control circuit 32 instructs the control unit 30 to read data from the memory cell MC (step S64). As a method for reading data at this time, the method for reading data from the memory cell MC described above can be used. Data read from the memory cell MC is input to the refresh control circuit 32 via the data line DL and the global data line GDL. The refresh control circuit 32 determines whether the data read from the memory cell MC is logic “1” or logic “0” (step S66).

リフレッシュ制御回路32は、メモリセルMCから読み出されたデータが論理“1”(データ記憶素子40の可変抵抗43は低抵抗状態)であると判定した場合、制御部30に、論理“1”である旨の判定結果を出力する。   When the refresh control circuit 32 determines that the data read from the memory cell MC is logic “1” (the variable resistor 43 of the data storage element 40 is in the low resistance state), the refresh control circuit 32 sends the logic “1” to the control unit 30. The determination result to the effect is output.

メモリセルMCが1T1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“1”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の可変抵抗43を低抵抗状態にするための第1電圧条件を設定する。ロウデコーダ12及びカラムデコーダ14により、リフレッシュを行うメモリセルMCが選択され、書き込み回路18により、リフレッシュ制御回路32で設定された第1電圧条件に基づいて、可変抵抗43を低抵抗状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS68)。   When the memory cell MC is a 1T1R type, the refresh control circuit 32 can change the data storage element 40 in accordance with the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “1” input from the control unit 30. A first voltage condition for setting the resistor 43 to a low resistance state is set. The memory cell MC to be refreshed is selected by the row decoder 12 and the column decoder 14, and the write circuit 18 performs a refresh that causes the variable resistor 43 to be in a low resistance state based on the first voltage condition set by the refresh control circuit 32. Is executed (step S68).

メモリセルMCが1D1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“1”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の可変抵抗43を低抵抗状態にするための第1電圧条件が設定された第1パルスを生成する。リフレッシュ制御回路32は、生成された第1パルスを、グローバルデータラインGDLを介してデータラインDLに供給し、可変抵抗43を低抵抗状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS68)。   When the memory cell MC is of the 1D1R type, the refresh control circuit 32 can change the data storage element 40 according to the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “1” input from the control unit 30. A first pulse in which a first voltage condition for setting the resistor 43 to a low resistance state is set is generated. The refresh control circuit 32 supplies the generated first pulse to the data line DL via the global data line GDL, and performs a refresh that causes the variable resistor 43 to be in a low resistance state (step S68).

次に、リフレッシュ制御回路32は、メモリセルMCから読み出されたデータが論理“0”(データ記憶素子40の可変抵抗43は高抵抗状態)であると判定した場合、制御部30に、論理“0”である旨の判定結果を出力する。   Next, when the refresh control circuit 32 determines that the data read from the memory cell MC is logic “0” (the variable resistor 43 of the data storage element 40 is in the high resistance state), The determination result indicating that it is “0” is output.

メモリセルMCが1T1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“0”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の可変抵抗43を高抵抗状態にするための第2電圧条件を設定する。ロウデコーダ12及びカラムデコーダ14により、リフレッシュを行うメモリセルMCが選択され、書き込み回路18により、リフレッシュ制御回路32で設定された第2電圧条件に基づいて、可変抵抗43を高抵抗状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS70)。   When the memory cell MC is a 1T1R type, the refresh control circuit 32 can change the data storage element 40 according to the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “0” input from the control unit 30. A second voltage condition for setting the resistor 43 to a high resistance state is set. The memory cell MC to be refreshed is selected by the row decoder 12 and the column decoder 14, and the write circuit 18 refreshes the variable resistor 43 in a high resistance state based on the second voltage condition set by the refresh control circuit 32. Is executed (step S70).

メモリセルMCが1D1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“0”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の可変抵抗43を高抵抗状態にするための第2電圧条件が設定された第2パルスを生成する。リフレッシュ制御回路32は、生成された第2パルスを、グローバルデータラインGDLを介してデータラインDLに供給し、可変抵抗43を高抵抗状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS70)。   When the memory cell MC is a 1D1R type, the refresh control circuit 32 can change the data storage element 40 according to the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “0” input from the control unit 30. A second pulse in which a second voltage condition for setting the resistor 43 to a high resistance state is set is generated. The refresh control circuit 32 supplies the generated second pulse to the data line DL via the global data line GDL, and performs a refresh that causes the variable resistor 43 to be in a high resistance state (step S70).

次に、リフレッシュ制御回路32が、制御部30から入力された信号Modeに基づき、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の記憶モードがRAMモードであると判定(ステップS60)した場合、ステップS72に進む。リフレッシュ制御回路32は、内蔵タイマー36を始動させずに、制御部30に対して、メモリセルMCからデータを読み出すよう指示する(ステップS72)。メモリセルMCから読み出されたデータは、データラインDLとグローバルデータラインGDLとを介してリフレッシュ制御回路32に入力される。リフレッシュ制御回路32は、メモリセルMCから読み出されたデータが論理“1”(データ記憶素子40の電極44は充電状態)であると判定した場合、制御部30に、論理“1”の判定結果を出力する。   Next, when the refresh control circuit 32 determines that the storage mode of the data storage element 40 in the memory cell MC is the RAM mode based on the signal Mode input from the control unit 30 (step S60), the process proceeds to step S72. move on. The refresh control circuit 32 instructs the control unit 30 to read data from the memory cell MC without starting the built-in timer 36 (step S72). Data read from the memory cell MC is input to the refresh control circuit 32 via the data line DL and the global data line GDL. When the refresh control circuit 32 determines that the data read from the memory cell MC is logic “1” (the electrode 44 of the data storage element 40 is in a charged state), the refresh control circuit 32 determines whether the data is “1”. Output the result.

メモリセルMCが1T1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“1”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の電極44に電荷を充電するための第3電圧条件を設定する。ロウデコーダ12及びカラムデコーダ14により、リフレッシュを行うメモリセルMCが選択され、書き込み回路18により、リフレッシュ制御回路32で設定された第3電圧条件に基づいて、電極44を充電状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS74)。   When the memory cell MC is of the 1T1R type, the refresh control circuit 32 determines the electrode of the data storage element 40 according to the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “1” input from the control unit 30. 44, a third voltage condition for charging the electric charge is set. The memory cell MC to be refreshed is selected by the row decoder 12 and the column decoder 14, and the refresh for causing the electrode 44 to be in a charged state is executed by the write circuit 18 based on the third voltage condition set by the refresh control circuit 32. (Step S74).

メモリセルMCが1D1R型である場合、リフレッシュ制御回路32は、制御部30から入力された、論理“1”の判定結果に基づく書き込み信号WRz及びタイミング信号Timypzに応じて、データ記憶素子40の電極44に電荷を充電するための第3電圧条件が設定された第3パルスを生成する。リフレッシュ制御回路32は、生成された第3パルスを、グローバルデータラインGDLを介してデータラインDLに供給し、電極44を充電状態にさせるリフレッシュを実行する(ステップS74)。   When the memory cell MC is of the 1D1R type, the refresh control circuit 32 receives the electrode of the data storage element 40 according to the write signal WRz and the timing signal Timepz based on the determination result of logic “1” input from the control unit 30. A third pulse in which a third voltage condition for charging the electric charge is set is generated. The refresh control circuit 32 supplies the generated third pulse to the data line DL via the global data line GDL, and performs refreshing for bringing the electrode 44 into a charged state (step S74).

次に、リフレッシュ制御回路32が、制御部30から入力された信号Modeに基づき、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の記憶モードがNVMモードであると判定(ステップS60)した場合、リフレッシュ制御回路32は、NVMモードでデータを記憶するメモリセルMCに対して、リフレッシュを実行しない。NVMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40は、データの保持時間が長いため、リフレッシュを行わなくても、データが消失することはないためである。   Next, when the refresh control circuit 32 determines that the storage mode of the data storage element 40 in the memory cell MC is the NVM mode based on the signal Mode input from the control unit 30 (step S60), the refresh control circuit No. 32 does not perform refresh for the memory cell MC storing data in the NVM mode. This is because the data storage element 40 that stores data in the NVM mode has a long data retention time, so that data is not lost even if refreshing is not performed.

ここで、図20に、1T1R型メモリセルMCの場合において、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対する再書き込み(リフレッシュ)を表したタイミングチャートを示す。図20(a)は、論理“1”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示しており、図20(b)は、論理“0”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示している。   Here, FIG. 20 shows a timing chart showing rewriting (refreshing) to the data storage element 40 storing data in the MID mode in the case of the 1T1R type memory cell MC. FIG. 20A shows a timing chart of the refresh operation performed on the data storage element 40 in the memory cell MC in the logic “1” state, and FIG. 20B shows the logic “0”. 6 shows a timing chart of a refresh operation performed on the data storage element 40 in the memory cell MC in a state.

図20(a)において、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“1”であると判定し、判定結果を制御部30に出力した後、制御部30から供給されるタイミング信号Timxpzが立ち上がる(A)。それに伴い、ワードラインWLが立ち上がり、リフレッシュされるメモリセルMCのゲートにゲート電圧(Vg=1.2V)を印加する(B)。続いて、制御部30から供給されるタイミング信号Timypzが立ち上がる(C)。それに伴い、データラインDLも立ち上がり、リフレッシュされるメモリセルMCのドレインにドレイン電圧(Vd=4.0V)を時間(t=50ns)だけ印加する(D)。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行することができる。   In FIG. 20A, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “1”, outputs the determination result to the control unit 30, and then the timing signal Timxpz supplied from the control unit 30 rises. (A). Accordingly, the word line WL rises and a gate voltage (Vg = 1.2 V) is applied to the gate of the memory cell MC to be refreshed (B). Subsequently, the timing signal Timepz supplied from the control unit 30 rises (C). Accordingly, the data line DL also rises, and a drain voltage (Vd = 4.0 V) is applied to the drain of the memory cell MC to be refreshed for a time (t = 50 ns) (D). Through the above process, the data storage element 40 in the memory cell MC can be refreshed.

図20(b)においても同様に、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“0”であると判定し、判定結果を制御部30に出力した後、制御部30から供給されるタイミング信号Timxpzが立ち上がる(A)。それに伴い、ワードラインWLが立ち上がり、リフレッシュされるメモリセルMCのゲートにゲート電圧(Vg=2.5V)を印加する(B)。続いて、制御部30から供給されるタイミング信号Timypzが立ち上がる(C)。それに伴い、データラインDLも立ち上がり、リフレッシュされるメモリセルMCのドレインにドレイン電圧(Vd=1.2V)を時間(t=50ns)だけ印加する(D)。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行することができる。   Similarly, in FIG. 20B, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “0”, outputs the determination result to the control unit 30, and then supplies a timing signal supplied from the control unit 30. Timxpz rises (A). Accordingly, the word line WL rises and a gate voltage (Vg = 2.5 V) is applied to the gate of the memory cell MC to be refreshed (B). Subsequently, the timing signal Timepz supplied from the control unit 30 rises (C). Accordingly, the data line DL also rises, and a drain voltage (Vd = 1.2 V) is applied to the drain of the memory cell MC to be refreshed for a time (t = 50 ns) (D). Through the above process, the data storage element 40 in the memory cell MC can be refreshed.

次に、図21に、1D1R型メモリセルMCの場合において、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対する再書き込み(リフレッシュ)を表したタイミングチャートを示す。図21(a)は、論理“1”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示しており、図21(b)は、論理“0”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示している。   Next, FIG. 21 shows a timing chart showing rewrite (refresh) to the data storage element 40 for storing data in the MID mode in the case of the 1D1R type memory cell MC. FIG. 21A shows a timing chart of the refresh operation performed on the data storage element 40 in the memory cell MC in the logic “1” state, and FIG. 21B shows the logic “0”. 6 shows a timing chart of a refresh operation performed on the data storage element 40 in the memory cell MC in a state.

図21(a)において、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“1”であると判定し、判定結果を制御部30に出力した後、制御部30から供給されるタイミング信号Timypzが立ち上がる(A)。続いて、書き込み信号WRHzが立ち上がり(B)、リフレッシュ制御回路32は、書き込み信号WRHzに応じた、時間(t=50ns)と書き込み電圧(V=4.0V)とに対応した第1パルスを生成し、この第1パルスをグローバルデータラインGDLに供給する。第1パルスは、グローバルデータラインGDLに接続するデータラインDLにも供給され(C)、所望のメモリセルMCに第1パルスが印加される。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子に対してリフレッシュを実行することができる。ここで、第1パルスは、データ記憶素子の可変抵抗43を低抵抗状態にさせるパルスであり、高電圧で短時間のパルスを用いることできる。   In FIG. 21A, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “1”, outputs the determination result to the control unit 30, and then the timing signal Timepz supplied from the control unit 30 rises. (A). Subsequently, the write signal WRHz rises (B), and the refresh control circuit 32 generates a first pulse corresponding to the time (t = 50 ns) and the write voltage (V = 4.0 V) according to the write signal WRHz. Then, the first pulse is supplied to the global data line GDL. The first pulse is also supplied to the data line DL connected to the global data line GDL (C), and the first pulse is applied to a desired memory cell MC. Through the above process, the data storage element in the memory cell MC can be refreshed. Here, the first pulse is a pulse that causes the variable resistor 43 of the data storage element to be in a low resistance state, and a pulse with a high voltage and a short time can be used.

図21(b)においても同様に、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“0”であると判定し、判定結果を制御部30に出力した後、制御部30から供給されるタイミング信号Timypzが立ち上がる(A)。続いて、書き込み信号WRLzが立ち上がり(B)、リフレッシュ制御回路32は、書き込み信号WRLzに応じた、時間(t=125ns)と書き込み電圧(V=1.2V)に対応した第2パルスを生成し、この第2パルスをグローバルデータラインGDLに供給する。第2パルスは、グローバルデータラインGDLに接続するデータラインDLにも供給され(C)、所望のメモリセルに第2パルスが印加される。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子に対してリフレッシュを実行することができる。ここで、第2パルスは、データ記憶素子の可変抵抗43を高抵抗状態にさせるパルスであり、低電圧で長時間のパルスを用いることができる。   Similarly in FIG. 21B, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “0”, outputs the determination result to the control unit 30, and then supplies the timing signal supplied from the control unit 30. Timepz rises (A). Subsequently, the write signal WRLz rises (B), and the refresh control circuit 32 generates a second pulse corresponding to the time (t = 125 ns) and the write voltage (V = 1.2 V) according to the write signal WRLz. The second pulse is supplied to the global data line GDL. The second pulse is also supplied to the data line DL connected to the global data line GDL (C), and the second pulse is applied to a desired memory cell. Through the above process, the data storage element in the memory cell MC can be refreshed. Here, the second pulse is a pulse that causes the variable resistor 43 of the data storage element to be in a high resistance state, and a low-voltage and long-time pulse can be used.

実施例1の半導体装置100は、可変抵抗43と電極44とを備えたデータ記憶素子40を有する。データ記憶素子40は、可変抵抗43を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶するMIDモード(第1モード)とNVMモード(第2モード)とを有する。また、電極44の電荷量によりデータを記憶するRAMモード(第3モード)を有する。さらに、半導体装置100は、リフレッシュ制御回路32を有する。リフレッシュ制御回路32は、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40の可変抵抗43が低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定する。そして、リフレッシュ制御回路32は、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40の可変抵抗43を低抵抗状態にさせるための第1電圧条件及び高抵抗状態にさせるための第2電圧条件のいずれかを用いて、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40にリフレッシュを行う。このような、リフレッシュ制御回路32を備えていることで、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、リフレッシュを実行することが可能となる。このため、MIDモードでデータを記憶するメモリセルMCのデータの保持時間を長くすることが可能となり、例えば実質的に不揮発性の記憶素子として使用することも可能となる。   The semiconductor device 100 according to the first embodiment includes a data storage element 40 including a variable resistor 43 and an electrode 44. The data storage element 40 has an MID mode (first mode) and an NVM mode (second mode) for storing data by changing the variable resistor 43 to either the low resistance state or the high resistance state. In addition, a RAM mode (third mode) in which data is stored according to the charge amount of the electrode 44 is provided. Further, the semiconductor device 100 has a refresh control circuit 32. The refresh control circuit 32 determines whether the variable resistance 43 of the data storage element 40 that stores data in the MID mode is in a low resistance state or a high resistance state. Then, the refresh control circuit 32 is either a first voltage condition for setting the variable resistor 43 of the data storage element 40 that stores data in the MID mode to a low resistance state or a second voltage condition for setting the variable resistance 43 to a high resistance state. Is used to refresh the data storage element 40 that stores data in the MID mode. By providing such a refresh control circuit 32, it is possible to perform refresh on a data storage element that stores data in the MID mode. For this reason, the data retention time of the memory cell MC that stores data in the MID mode can be extended, and for example, it can be used as a substantially nonvolatile storage element.

また、データ記憶素子40が有するNVMモードの高抵抗状態は、MIDモードの高抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値より大きい抵抗値からなり、NVMモードの低抵抗状態は、MIDモードの低抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値より小さい抵抗値からなる。このように、NVMモードでは、高抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値をより大きくし、低抵抗状態における可変抵抗43の抵抗値をより小さくすることで、NVMモードでデータを記憶するメモリセルMCを、不揮発性の記憶素子として使用することができる。このため、表2のように、NVMモードでデータを記憶するメモリセルMCのデータの保持時間は長くなる。よって、リフレッシュ制御回路32は、NVMモードでデータを記憶するデータ記憶素子に対しては、リフレッシュを実行しない。   Further, the high resistance state in the NVM mode of the data storage element 40 has a resistance value larger than the resistance value of the variable resistor 43 in the high resistance state in the MID mode, and the low resistance state in the NVM mode is the low resistance state in the MID mode. The resistance value is smaller than the resistance value of the variable resistor 43 in FIG. As described above, in the NVM mode, the resistance value of the variable resistor 43 in the high resistance state is increased, and the resistance value of the variable resistor 43 in the low resistance state is further decreased, whereby the memory cell MC that stores data in the NVM mode. Can be used as a nonvolatile memory element. For this reason, as shown in Table 2, the data retention time of the memory cell MC storing data in the NVM mode becomes long. Therefore, the refresh control circuit 32 does not perform refresh on the data storage element that stores data in the NVM mode.

さらに、データ記憶素子40が有するRAMモードは、電極44に蓄えられた電荷量により、データの記憶を行う。これにより、RAMモードでデータを記憶するメモリセルMCは、揮発性の記憶素子として働き、表2のように、データの保持時間が短くなる。このため、データの保持時間を延ばすには、リフレッシュが必要となる。したがって、リフレッシュ制御回路32は、RAMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して、電極44に電荷を充電させるための第3電圧条件によりリフレッシュを実行する。   Further, in the RAM mode of the data storage element 40, data is stored by the amount of charge stored in the electrode 44. Thus, the memory cell MC that stores data in the RAM mode functions as a volatile storage element, and the data retention time is shortened as shown in Table 2. Therefore, refreshing is required to extend the data retention time. Therefore, the refresh control circuit 32 performs a refresh on the data storage element 40 that stores data in the RAM mode according to the third voltage condition for charging the electrode 44 with charges.

このように、リフレッシュ制御回路32は、データ記憶素子40の記憶モードに応じて、データ記憶素子40に行うリフレッシュを制御することができる。換言すれば、リフレッシュ制御回路32は、データ記憶素子40の記憶モードに応じて、データ再書き込みの電圧条件を変更して、データ記憶素子40に対してリフレッシュを実行することが可能となる。   As described above, the refresh control circuit 32 can control the refresh performed on the data storage element 40 in accordance with the storage mode of the data storage element 40. In other words, the refresh control circuit 32 can perform a refresh on the data storage element 40 by changing the voltage condition for data rewriting according to the storage mode of the data storage element 40.

また、図21で説明したように、1D1R型メモリセルMCにおいて、リフレッシュ制御回路32は、グローバルデータラインGDLを介して、データラインDLに第1パルス及び第2パルスのいずれかを供給することにより、データラインDLに接続されたメモリセルMC内のデータ記憶素子40にリフレッシュを実行している。グローバルデータラインGDLには複数のデータラインDLが接続しているため、1つのリフレッシュ制御回路32を設けることで、複数のデータ記憶素子40に対して、リフレッシュを実行することが可能となる。   As described with reference to FIG. 21, in the 1D1R type memory cell MC, the refresh control circuit 32 supplies either the first pulse or the second pulse to the data line DL via the global data line GDL. The data storage element 40 in the memory cell MC connected to the data line DL is refreshed. Since a plurality of data lines DL are connected to the global data line GDL, by providing one refresh control circuit 32, it is possible to perform a refresh on the plurality of data storage elements 40.

また、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュにおいて、リフレッシュを行う前のデータ記憶素子40の可変抵抗43が、既にある程度、低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかになっていることを考慮すると、表3及び表4で示した、書き込み時の電圧及び電圧印加時間より、低い電圧及び短い電圧印加時間を用いて、リフレッシュを行うことができる。これにより、消費電力の低減を図ることができる。さらに、より低い電圧、より短い電圧印加時間を用いて、複数回繰り返して再書き込みを行うことで、リフレッシュを実行してもよい。これにより、データ記憶素子40の可変抵抗43に与えるストレスを低減することができる。   In the refresh performed on the data storage element 40 that stores data in the MID mode, the variable resistance 43 of the data storage element 40 before the refresh is already in a low resistance state or a high resistance state to some extent. Therefore, refresh can be performed using a voltage and a voltage application time that are lower than the voltage and the voltage application time at the time of writing shown in Tables 3 and 4. Thereby, power consumption can be reduced. Further, the refresh may be executed by rewriting the data a plurality of times using a lower voltage and a shorter voltage application time. Thereby, the stress applied to the variable resistor 43 of the data storage element 40 can be reduced.

また、図18に示すように、リフレッシュ制御回路32は、タイマー36を備えている。タイマー36には、予め、MIDモードで記憶するデータ記憶素子40に行うリフレッシュ間隔に対応した時間が設定されている。設定する時間は任意に変更することが可能であり、MIDモードで記憶するデータ記憶素子40のデータの保持時間より短い時間を設定する場合が好ましい。そして、リフレッシュ制御回路32は、設定した時間に応じて、リフレッシュの対象であるデータ記憶素子40の可変抵抗43が低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定し、可変抵抗43を低抵抗状態にさせるための第1電圧条件及び高抵抗状態にさせるための第2電圧条件のいずれかにより、データ記憶素子40にリフレッシュを実行する。これにより、例えば、データ記憶素子40のデータ保持時間が1日である場合や1年である場合でも、データ記憶素子40に行うリフレッシュに、柔軟に対応することができる。   Further, as shown in FIG. 18, the refresh control circuit 32 includes a timer 36. The timer 36 is set in advance with a time corresponding to the refresh interval performed for the data storage element 40 stored in the MID mode. The set time can be arbitrarily changed, and it is preferable to set a time shorter than the data holding time of the data storage element 40 stored in the MID mode. Then, the refresh control circuit 32 determines whether the variable resistor 43 of the data storage element 40 to be refreshed is in a low resistance state or a high resistance state according to the set time, and sets the variable resistor 43 in the low resistance state. The data storage element 40 is refreshed in accordance with either the first voltage condition for causing the low resistance state or the second voltage condition for causing the high resistance state. Thereby, for example, even when the data retention time of the data storage element 40 is one day or one year, it is possible to flexibly cope with the refresh performed on the data storage element 40.

実施例1において、データ記憶素子40は、NVMモード、MIDモード、及びRAMモードの3つの記憶モードを有する場合を例に示したが、この場合に限られない。少なくともMIDモードのような、可変抵抗を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させ、揮発性の性質の記憶モードを有していれば良い。   In the first embodiment, the case where the data storage element 40 has three storage modes of the NVM mode, the MID mode, and the RAM mode has been described as an example. However, the present invention is not limited to this case. It is only necessary to change the variable resistance to either the low resistance state or the high resistance state, as in the MID mode, and to have a volatile memory mode.

また、実施例1において、図18に示すように、リフレッシュ制御回路32は、リフレッシュ回路34とタイマー36とを備えている場合を例に示したが、更に、カウンタ38を備えている場合でも良い。図22に、カウンタ38を更に備えたリフレッシュ制御回路32のブロック図を示す。図22において、カウンタ38が、タイマー36とリフレッシュ回路34との間に設けられている。カウンタ38は、タイマー36からリフレッシュ回路34に出力される信号timerに応じて、リフレッシュを実行するメモリセルMCのアドレス等をカウントする。つまり、例えば、MIDモードでデータを記憶するメモリセルMCのデータ記憶素子に対して、3回目のリフレッシュを実行する場合は、カウンタ38は、メモリセルMCについてリフレッシュ回数を3としてカウントする。   In the first embodiment, as shown in FIG. 18, the refresh control circuit 32 includes the refresh circuit 34 and the timer 36. However, the refresh control circuit 32 may further include a counter 38. . FIG. 22 shows a block diagram of the refresh control circuit 32 further provided with a counter 38. In FIG. 22, a counter 38 is provided between the timer 36 and the refresh circuit 34. The counter 38 counts the address and the like of the memory cell MC that performs the refresh according to the signal timer output from the timer 36 to the refresh circuit 34. That is, for example, when the third refresh is performed on the data storage element of the memory cell MC that stores data in the MID mode, the counter 38 counts the number of refreshes as 3 for the memory cell MC.

MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して、リフレッシュを繰り返し行っていくと、データ記憶素子40は、不揮発性の性質に近づいていく。図23(a)から図23(d)に、MIDモードとRAMモードとにおいて、リフレッシュを実行した回数とリフレッシュのための再書き込みに必要な電圧の大きさ、電圧印加時間との関係を示している。図23(a)は1T1R型メモリセルのゲート電圧、図23(b)は1T1R型メモリセルに与える電圧印加時間、図23(c)はメモリセルのドレイン(カソード)電圧、図23(d)は1D1R型メモリセルに与える電圧印加時間をそれぞれ示す。   When refresh is repeatedly performed on the data storage element 40 that stores data in the MID mode, the data storage element 40 approaches a non-volatile property. FIG. 23 (a) to FIG. 23 (d) show the relationship between the number of refreshes performed, the magnitude of the voltage required for rewriting for refresh, and the voltage application time in the MID mode and the RAM mode. Yes. 23A shows the gate voltage of the 1T1R type memory cell, FIG. 23B shows the voltage application time applied to the 1T1R type memory cell, FIG. 23C shows the drain (cathode) voltage of the memory cell, and FIG. Indicates the voltage application time applied to the 1D1R type memory cell.

図23(a)及び図23(c)において、横軸はリフレッシュを実行した回数、縦軸はリフレッシュのための再書き込みに必要な電圧の大きさを示している。グラフ中の実線は、MIDモードにおけるリフレッシュで、データ記憶素子40の可変抵抗43を高抵抗状態(論理“0”)にさせるために必要な電圧の大きさを示し、一点鎖線は、可変抵抗43を低抵抗状態(論理“1”)にさせるために必要な電圧の大きさを示す。また、二点鎖線は、RAMモードにおけるリフレッシュで、データ記憶素子40の電極44に電荷を蓄積させるために必要な電圧の大きさを示す。図23(b)及び図23(d)において、横軸はリフレッシュを実行した回数、縦軸はリフレッシュのための再書き込みに必要な電圧印加時間を示している。グラフ中の実線は、MIDモードにおけるリフレッシュについて示しており、二点鎖線は、RAMモードにおけるリフレッシュについて示している。   In FIG. 23A and FIG. 23C, the horizontal axis indicates the number of times refresh is executed, and the vertical axis indicates the magnitude of the voltage necessary for rewriting for refresh. A solid line in the graph indicates a magnitude of a voltage necessary for setting the variable resistor 43 of the data storage element 40 to a high resistance state (logic “0”) by refresh in the MID mode, and a one-dot chain line indicates the variable resistor 43. Indicates the magnitude of the voltage required to bring the signal to the low resistance state (logic “1”). A two-dot chain line indicates the magnitude of a voltage necessary for accumulating charges in the electrode 44 of the data storage element 40 by refresh in the RAM mode. In FIG. 23B and FIG. 23D, the horizontal axis indicates the number of times refresh is executed, and the vertical axis indicates the voltage application time required for rewriting for refresh. A solid line in the graph indicates refresh in the MID mode, and a two-dot chain line indicates refresh in the RAM mode.

図23(a)及び図23(c)によれば、MIDモードにおけるリフレッシュの場合、リフレッシュの回数が増えるに従い、リフレッシュのための再書き込みに必要な電圧が低くなっていくことが分かる。一方、RAMモードにおけるリフレッシュ場合、リフレッシュの回数に関わらず、リフレッシュのための再書き込みに必要な電圧は一定であることが分かる。図23(b)及び図23(d)によれば、MIDモードにおけるリフレッシュ場合、リフレッシュの回数が増えるに従い、リフレッシュのための再書き込みに必要な電圧印加時間が短くなっていくことが分かる。一方、RAMモードにおけるリフレッシュの場合、リフレッシュの回数に関わらず、リフレッシュのための再書き込みに必要な電圧印加時間は一定であることが分かる。   According to FIGS. 23A and 23C, in the case of refresh in the MID mode, it can be seen that the voltage necessary for rewriting for refresh decreases as the number of refreshes increases. On the other hand, in the case of refresh in the RAM mode, it can be seen that the voltage required for rewriting for refresh is constant regardless of the number of refreshes. According to FIGS. 23B and 23D, in the case of refresh in the MID mode, it can be seen that as the number of refreshes increases, the voltage application time necessary for rewriting for refreshing becomes shorter. On the other hand, in the case of refresh in the RAM mode, it can be seen that the voltage application time required for rewriting for refresh is constant regardless of the number of refreshes.

このことから、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュの際、データ記憶素子40に対して実行したMIDモードでのリフレッシュ回数を計測し、このリフレッシュ回数に応じて、第1電圧条件及び第2電圧条件を変化させて、リフレッシュを実行することが好ましい。このように、データ記憶素子40の状態に対応した最適な再書き込み電圧条件によりリフレッシュを行うことで、データ記憶素子40の不揮発性化を防止し、書き換え回数を増加させることが可能になる。また、RAMモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュは、データ記憶素子40に対して実行したRAMモードでのリフレッシュ回数に関わらず、第3電圧条件を変化させずに、リフレッシュを実行することが好ましい。   Therefore, when the refresh is performed on the data storage element 40 that stores data in the MID mode, the number of refreshes in the MID mode performed on the data storage element 40 is measured. It is preferable to perform refresh by changing the first voltage condition and the second voltage condition. In this way, by performing refresh under the optimum rewrite voltage condition corresponding to the state of the data storage element 40, it is possible to prevent the data storage element 40 from becoming non-volatile and increase the number of rewrites. In addition, the refresh performed on the data storage element 40 that stores data in the RAM mode is refreshed without changing the third voltage condition regardless of the number of refreshes performed on the data storage element 40 in the RAM mode. Is preferably performed.

図24は、実施例2に係る半導体装置100の一部分に関してのブロック図である。なお、その他の部分については実施例1と同じ構成をしている。図24において、リフレッシュ制御回路32は、センスアンプ22とグローバルデータラインGDLとの間に設けられている。センスアンプ22には、データラインDLが接続されている。また、リフレッシュ制御回路32に対応してリフレッシュ選択回路35が設けられている。リフレッシュ制御回路32は、実施例1と同じように、メモリセルMC内のデータ記憶素子40の記憶モードの判定を行う。そして、リフレッシュ制御回路32は、データ記憶素子40の記憶モードがMIDモードであると判定した場合は、メモリセルMCから読み出されたデータが論理“1”であるか論理“0”であるか判定する。そして、その判定結果により、Timyhpz、Timylpzを選択するための切り替え信号SWzをリフレッシュ選択回路35に出力する。   FIG. 24 is a block diagram of a part of the semiconductor device 100 according to the second embodiment. Other parts have the same configuration as that of the first embodiment. In FIG. 24, the refresh control circuit 32 is provided between the sense amplifier 22 and the global data line GDL. A data line DL is connected to the sense amplifier 22. A refresh selection circuit 35 is provided corresponding to the refresh control circuit 32. As in the first embodiment, the refresh control circuit 32 determines the storage mode of the data storage element 40 in the memory cell MC. If the refresh control circuit 32 determines that the storage mode of the data storage element 40 is the MID mode, whether the data read from the memory cell MC is logic “1” or logic “0”. judge. Then, based on the determination result, a switching signal SWz for selecting Timeyhpz, Timeylpz is output to the refresh selection circuit 35.

リフレッシュ選択回路35は、リフレッシュ制御回路32から入力された切り替え信号SWzに基づき、制御部30から出力されているタイミング信号Timyphz、Timyplzのいずれかを選択し、リフレッシュ制御回路32に入力する。この場合のタイミング信号Timyphz、Timyplzは書き込み信号として作用する。   The refresh selection circuit 35 selects one of the timing signals Timeyphz and Timepyz output from the control unit 30 based on the switching signal SWz input from the refresh control circuit 32 and inputs the selected timing signal to the refresh control circuit 32. In this case, the timing signals Timeyphz and Timep1z act as write signals.

リフレッシュ制御回路32は、リフレッシュ選択回路35から入力されたタイミング(書き込み)信号TimyphzまたはTimyplzに応じて、リフレッシュのための再書き込みパルスを生成する。リフレッシュ制御回路32は、生成された再書き込みパルスをデータラインDLに供給することで、メモリセルMC内のデータ記憶素子40に対してリフレッシュを実行する。   The refresh control circuit 32 generates a rewrite pulse for refresh in response to the timing (write) signal Timeyphz or Timepyz input from the refresh selection circuit 35. The refresh control circuit 32 performs refresh on the data storage element 40 in the memory cell MC by supplying the generated rewrite pulse to the data line DL.

ここで、図25に、1D1R型メモリセルMCの場合において、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対する再書き込み(リフレッシュ)を表したタイミングチャートを示す。図25(a)は、論理“1”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示しており、図25(b)は、論理“0”の状態にあるメモリセルMC内のデータ記憶素子に対して行うリフレッシュ動作のタイミングチャートを示している。   Here, FIG. 25 shows a timing chart showing rewrite (refresh) to the data storage element 40 storing data in the MID mode in the case of the 1D1R type memory cell MC. FIG. 25A shows a timing chart of the refresh operation performed on the data storage element in the memory cell MC in the logic “1” state, and FIG. 25B shows the logic “0” state. 2 is a timing chart of a refresh operation performed on the data storage element in the memory cell MC.

図25(a)において、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“1”であると判定し、判定結果に応じた切り替え信号SWzがHレベルになる(A)。リフレッシュ選択回路35は、切り替え信号SWzに基づき、制御部30から出力されているタイミング信号Timypzのうち、データ記憶素子の可変抵抗43を低抵抗状態にさせる、タイミング信号Timyphzを選択する。   In FIG. 25A, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “1”, and the switching signal SWz corresponding to the determination result becomes H level (A). Based on the switching signal SWz, the refresh selection circuit 35 selects a timing signal Timeyphz that causes the variable resistor 43 of the data storage element to be in a low resistance state among the timing signals Timepz output from the control unit 30.

リフレッシュ選択回路35から供給されるタイミング信号Timyphzが立ち上がり(B)、リフレッシュ制御回路32は、タイミング(書き込み)信号Timyphzに応じた、時間(t=50ns)と書き込み電圧(V=4.0V)とに対応した第1パルスを生成し、この第1パルスを、データラインDLを介して(C)、所望のメモリセルMCに印加する。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子を低抵抗状態にリフレッシュさせることができる。   The timing signal Timeyphz supplied from the refresh selection circuit 35 rises (B), and the refresh control circuit 32 determines the time (t = 50 ns) and the write voltage (V = 4.0 V) according to the timing (write) signal Timeyphz. A first pulse corresponding to is generated, and this first pulse is applied to a desired memory cell MC via the data line DL (C). Through the above process, the data storage element in the memory cell MC can be refreshed to a low resistance state.

図25(b)においても同様に、リフレッシュ制御回路32が、メモリセルMCは論理“0”であると判定し、判定結果に応じて切り替え信号SWzがLレベルになる(A)。リフレッシュ選択回路35は、切り替え信号SWzに基づき、制御部30から出力されているタイミング信号Timypzのうち、データ記憶素子の可変抵抗43を高抵抗状態にさせる、タイミング信号Timyplzを選択する。   Similarly in FIG. 25B, the refresh control circuit 32 determines that the memory cell MC is logic “0”, and the switching signal SWz becomes L level according to the determination result (A). Based on the switching signal SWz, the refresh selection circuit 35 selects a timing signal Timep1z that causes the variable resistor 43 of the data storage element to be in a high resistance state among the timing signals Timepz output from the control unit 30.

リフレッシュ選択回路35から供給されるタイミング信号Timyplzが立ち上がり(B)、リフレッシュ制御回路32は、タイミング(書き込み)信号Timyplzに応じた、時間(t=125ns)と書き込み電圧(V=1.2V)とに対応した第2パルスを生成し、この第2パルスを、データラインDLを介して(C)、所望のメモリセルMCに印加する。以上のプロセスにより、メモリセルMC内のデータ記憶素子の抵抗素子43を高抵抗状態にリフレッシュさせることができる。   The timing signal Timep1z supplied from the refresh selection circuit 35 rises (B), and the refresh control circuit 32 determines the time (t = 125 ns) and the write voltage (V = 1.2 V) according to the timing (write) signal Timep1z. A second pulse corresponding to is generated, and this second pulse is applied to the desired memory cell MC via the data line DL (C). Through the above process, the resistance element 43 of the data storage element in the memory cell MC can be refreshed to a high resistance state.

実施例2の半導体装置100は、図24のように、リフレッシュ制御回路32が、センスアンプ22とグローバルデータラインGDLとの間に設けられている。リフレッシュ制御回路32に対応してリフレッシュ選択回路35が設けられている。また、センスアンプ22には、データラインDLが接続されている。これにより、データ記憶素子40に行うリフレッシュをデータラインDL単位で制御することができる。つまり、複数のデータラインDLごとに、データ記憶素子40の論理状態の判定とリフレッシュとを実行することができる。このため、複数のデータラインDLにそれぞれ接続するデータ記憶素子40に対して、リフレッシュを同時に並行して行うことが可能となる。また、実施例1のように、メモリセルMCのデータをグローバルデータラインGDLまで出力する必要がない。このため、実施例1に比べて、リフレッシュ動作の高速化を図ることができる。   In the semiconductor device 100 according to the second embodiment, as shown in FIG. 24, the refresh control circuit 32 is provided between the sense amplifier 22 and the global data line GDL. A refresh selection circuit 35 is provided corresponding to the refresh control circuit 32. A data line DL is connected to the sense amplifier 22. Thereby, the refresh performed on the data storage element 40 can be controlled in units of data lines DL. That is, the determination and refresh of the logic state of the data storage element 40 can be executed for each of the plurality of data lines DL. For this reason, it becomes possible to perform the refresh simultaneously on the data storage elements 40 respectively connected to the plurality of data lines DL. Further, unlike the first embodiment, it is not necessary to output the data of the memory cell MC to the global data line GDL. Therefore, the refresh operation can be speeded up as compared with the first embodiment.

実施例2において、MIDモードでデータを記憶するデータ記憶素子40に対して行うリフレッシュの間隔が、全てのデータ記憶素子40で同じである場合は、図26のように、リフレッシュ制御回路32それぞれにタイマー36を設けず、全てのリフレッシュ制御回路32に対して、タイマー36を1つ設ける場合でもよい。   In the second embodiment, when the refresh interval performed for the data storage elements 40 that store data in the MID mode is the same for all the data storage elements 40, each refresh control circuit 32 is set as shown in FIG. There may be a case where one timer 36 is provided for all the refresh control circuits 32 without providing the timer 36.

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible.

図1は実施例1に係る半導体装置の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2はメモリセルの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the memory cell. 図3はデータ記憶素子の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the data storage element. 図4はデータ記憶素子の電圧−電流特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing voltage-current characteristics of the data storage element. 図5はロウデコーダの構成を示す図である。FIG. 5 shows the configuration of the row decoder. 図6はカラムデコーダの構成を示す図である。FIG. 6 shows the configuration of the column decoder. 図7は書き込み回路の構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the write circuit. 図8はデータライン選択部及びメモリセルアレイの一部の構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a partial configuration of the data line selection unit and the memory cell array. 図9は、1T1R型メモリセルMCにおける、データ書き込み時の動作を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing an operation at the time of data writing in the 1T1R type memory cell MC. 図10は図1における周辺回路の構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the peripheral circuit in FIG. 図11は、1D1R型メモリセルMCにおける、データ書き込み時の動作を示すフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart showing an operation at the time of data writing in the 1D1R type memory cell MC. 図12はリセット回路及びセンスアンプの構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the reset circuit and the sense amplifier. 図13はクランプ回路の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the clamp circuit. 図14はセンスアンプドライバの構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the sense amplifier driver. 図15は、データ読み出し時の動作を示すフローチャートである。FIG. 15 is a flowchart showing an operation at the time of data reading. 図16は、NVMモード及びMIDモードにおけるデータ読み出し時のタイミングチャートである。FIG. 16 is a timing chart at the time of data reading in the NVM mode and the MID mode. 図17は、RAMモードにおけるデータ読み出し時のタイミングチャートである。FIG. 17 is a timing chart when reading data in the RAM mode. 図18はリフレッシュ制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the refresh control circuit. 図19はリフレッシュ時の動作を示すフローチャートである。FIG. 19 is a flowchart showing the operation during refresh. 図20は、1T1R型メモリセルMCの場合の、MIDモードにおけるリフレッシュ動作のタイミングチャートである。FIG. 20 is a timing chart of the refresh operation in the MID mode in the case of the 1T1R type memory cell MC. 図21は、1D1R型メモリセルMCの場合の、MIDモードにおけるリフレッシュ動作のタイミングチャートである。FIG. 21 is a timing chart of the refresh operation in the MID mode in the case of the 1D1R type memory cell MC. 図22はカウンタを備えたリフレッシュ制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 22 is a block diagram showing a configuration of a refresh control circuit including a counter. 図23はリフレッシュ回数と印加電圧及び電圧印加時間との関係を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the number of refreshes, the applied voltage, and the voltage application time. 図24は実施例2に係る半導体装置の構成の一部を示すブロック図である。FIG. 24 is a block diagram illustrating a part of the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment. 図25は、1D1R型メモリセルMCの場合の、MIDモードにおけるリフレッシュ動作のタイミングチャートである。FIG. 25 is a timing chart of the refresh operation in the MID mode in the case of the 1D1R type memory cell MC. 図26は複数のリフレッシュ制御回路に対して、タイマーを1つ備えた場合の構成を示すブロック図である。FIG. 26 is a block diagram showing a configuration when one timer is provided for a plurality of refresh control circuits.

符号の説明Explanation of symbols

10 メモリセルアレイ
12 ロウデコーダ
14 カラムデコーダ
16 アドレスバッファ
18 書き込み回路
20 リセット回路
21 クランプ回路
22 センスアンプ
24 センスアンプドライバ
26 入出力回路
28 選択レジスタ
30 制御部
32 リフレッシュ制御回路
34 リフレッシュ回路
35 リフレッシュ選択回路
36 タイマー
38 カウンタ
40 データ記憶素子
41 選択トランジスタ
42 選択ダイオード
43 可変抵抗
44 電極
46 絶縁部
60 電圧選択部
62 データライン選択部
100 半導体装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Memory cell array 12 Row decoder 14 Column decoder 16 Address buffer 18 Write circuit 20 Reset circuit 21 Clamp circuit 22 Sense amplifier 24 Sense amplifier driver 26 Input / output circuit 28 Selection register 30 Control part 32 Refresh control circuit 34 Refresh circuit 35 Refresh selection circuit 36 Timer 38 Counter 40 Data storage element 41 Selection transistor 42 Selection diode 43 Variable resistance 44 Electrode 46 Insulation part 60 Voltage selection part 62 Data line selection part 100 Semiconductor device

Claims (9)

可変抵抗を有し、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子であって、第1電圧条件が供給されたときに前記可変抵抗を低抵抗状態に変化させ、第2電圧条件が供給されたときに前記可変抵抗を高抵抗状態に変化させることでデータを記憶するデータ記憶素子と、
前記可変抵抗が前記低抵抗状態及び前記高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定し、前記データ記憶素子にリフレッシュを行うリフレッシュ制御回路と、を有し、
前記リフレッシュ制御回路は、前記データ記憶素子に実行したリフレッシュの回数を計測し、前記回数に応じて、前記データ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする半導体装置。
A data storage element having a variable resistor and storing data in a storage mode for storing data according to a resistance value of the variable resistor, wherein the variable resistor is changed to a low resistance state when a first voltage condition is supplied. A data storage element for storing data by changing the variable resistance to a high resistance state when the second voltage condition is supplied ;
The variable resistor is determined whether the low resistance state and any state of the high-resistance state, anda refresh control circuit for refreshing the data storage element,
The refresh control circuit measures the number of refreshes performed on the data storage element, and refreshes the data storage element in accordance with the number of refreshes .
前記データ記憶素子が接続されたデータラインと、
複数の前記データラインが接続されたグローバルデータラインと、を具備し、
前記リフレッシュ制御回路は、前記グローバルデータラインを介して前記データラインに前記第1電圧条件及び前記第2電圧条件のいずれかを供給することにより、前記データラインに接続された前記データ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
A data line to which the data storage element is connected;
A global data line to which a plurality of the data lines are connected, and
Said refresh control circuit, wherein by supplying either the first voltage condition and said second voltage condition to said data lines via the global data lines, refresh in the data storage element connected to the data line The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記データ記憶素子が接続されたデータラインと、
前記データラインに接続されたセンスアンプと、
前記センスアンプを介して、複数の前記データラインが接続されたグローバルデータラインと、を具備し、
前記リフレッシュ制御回路は、前記センスアンプと前記グローバルデータラインとの間に接続され、複数の前記データラインごとに、前記判定と前記リフレッシュとを行うことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
A data line to which the data storage element is connected;
A sense amplifier connected to the data line;
A global data line to which a plurality of the data lines are connected via the sense amplifier;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the refresh control circuit is connected between the sense amplifier and the global data line and performs the determination and the refresh for each of the plurality of data lines.
前記データ記憶素子は、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードに加え、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードの高抵抗状態における前記可変抵抗の抵抗値より大きい抵抗値からなる高抵抗状態及び前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードの低抵抗状態における前記可変抵抗の抵抗値より小さい抵抗値からなる低抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶する前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する他の記憶モードを有し、
前記リフレッシュ制御回路は、前記他の記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対してリフレッシュを行わないことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の半導体装置。
The data storage element has a resistance value larger than the resistance value of the variable resistor in a high resistance state in a storage mode in which data is stored by the resistance value of the variable resistor in addition to a storage mode in which data is stored by the resistance value of the variable resistor. Data is stored by changing to a low resistance state consisting of a resistance value smaller than the resistance value of the variable resistance in a high resistance state consisting of and a low resistance state of the storage mode for storing data according to the resistance value of the variable resistance. Another storage mode for storing data according to the resistance value of the variable resistor ;
Said refresh control circuit, a semiconductor device of any one of claims 1 to 3, characterized in that does not perform a refresh for data storage element that stores data in the other storage modes.
前記データ記憶素子は、前記可変抵抗の両端に設けられた電極に生じる容量に蓄えられた電荷量によりデータを記憶する記憶モードを有し、
前記リフレッシュ制御回路は、前記電荷量によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、前記電極に電荷を充電させるための第3電圧条件によりリフレッシュを行うことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の半導体装置。
The data storage element has a storage mode for storing data according to the amount of charge stored in a capacitance generated in electrodes provided at both ends of the variable resistor ,
The refresh control circuit refreshes a data storage element that stores data in a storage mode for storing data according to the charge amount , under a third voltage condition for charging the electrode with charge. the semiconductor device of any one of claims 1 to 4.
前記リフレッシュ制御回路は、前記電荷量によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、リフレッシュの回数によって、前記第3電圧条件を変化させることなく、前記電荷量によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする請求項記載の半導体装置。 The refresh control circuit is configured to store data according to the charge amount without changing the third voltage condition depending on the number of refreshes for a data storage element that stores data in a storage mode for storing data according to the charge amount. 6. The semiconductor device according to claim 5 , wherein refresh is performed on a data storage element that stores data in a storage mode for storing. 前記リフレッシュ制御回路は、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子に実行したリフレッシュの回数を計測し、前記回数に応じて、前記第1電圧条件及び前記第2電圧条件を変化させて、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする請求項記載の半導体装置。 The refresh control circuit measures the number of refreshes performed on a data storage element that stores data in a storage mode in which data is stored according to a resistance value of the variable resistor, and according to the number of times, the first voltage condition and the The semiconductor device according to claim 6 , wherein the second voltage condition is changed, and the data storage element that stores data is refreshed in a storage mode in which data is stored according to the resistance value of the variable resistor . 前記リフレッシュ制御回路は、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子に対して、再書き込みを複数回繰り返して行うことにより、前記可変抵抗の抵抗値によりデータを記憶する記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする請求項1からのいずれか一項記載の半導体装置。 The refresh control circuit performs data rewrite for a data storage element that stores data in a storage mode for storing data according to a resistance value of the variable resistor, by repeating rewriting a plurality of times, thereby obtaining data according to the resistance value of the variable resistor. the semiconductor device of any one of claims 1 to 7, characterized in that the refresh data storage device that stores data in storage mode for storing. 可変抵抗を低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかに変化させてデータを記憶する記憶モードを有するデータ記憶素子と前記記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うリフレッシュ制御回路とを有する半導体装置の制御方法であって、
前記記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子の可変抵抗が前記低抵抗状態及び前記高抵抗状態のいずれの状態にあるか判定するステップと、
前記記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子の可変抵抗を低抵抗状態にさせるための第1電圧条件及び前記記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子の可変抵抗を高抵抗状態にさせるための第2電圧条件のいずれかにより、前記記憶モードでデータを記憶するデータ記憶素子にリフレッシュを行うステップと、を有し、
前記リフレッシュを行うステップでは、前記データ記憶素子に実行したリフレッシュの回数を計測し、前記回数に応じて、前記データ記憶素子にリフレッシュを行うことを特徴とする半導体装置の制御方法。
And a refresh control circuit for refreshing the data storage elements for storing data in the storage mode and the data storage element having a variable resistance is changed to either a low resistance state and high resistance state storage mode for storing data A method for controlling a semiconductor device, comprising:
Determining whether the variable resistance of the data storage element that stores data in the storage mode is in the low resistance state or the high resistance state;
The for causing the variable resistance of the data storage element that stores data at a first voltage condition and the storage mode for causing the variable resistance of the data storage elements for storing data in the storage mode to the low resistance state to the high resistance state by either of the two voltage conditions, have a, and performing refresh the data storage elements for storing data in the storage mode,
In the refreshing step, the number of refreshes performed on the data storage element is measured, and the data storage element is refreshed according to the number of times .
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