JPWO2008035392A1 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Abstract

例えば、ワード線WL0とビット線BL0の交点に設けられたメモリセル内の相変化素子に対して、この相変化素子をreset動作によってアモルファス状態にする場合、ビット線BL0の立ち上がり時間trb/立ち下がり時間tfbを、ワード線WL0の立ち上がり時間trw/立ち下がり時間tfwより長くなるように構成する。この際に、reset動作で必要な相変化素子の急冷は、ワード線WL0の立ち下がり時間tfwを用いて行う。このような構成および動作を用いることで、ビット線BL0とワード線WL1の交点に設けられた非選択メモリセル内の相変化素子に対するディスターブ電流IBL01が低減し、相変化メモリの信頼性が向上する。For example, when the phase change element in the memory cell provided at the intersection of the word line WL0 and the bit line BL0 is brought into an amorphous state by a reset operation, the rise time trb / fall of the bit line BL0 The time tfb is configured to be longer than the rise time trw / fall time tfw of the word line WL0. At this time, the rapid cooling of the phase change element necessary for the reset operation is performed using the fall time tfw of the word line WL0. By using such a configuration and operation, disturb current IBL01 for the phase change element in the non-selected memory cell provided at the intersection of bit line BL0 and word line WL1 is reduced, and the reliability of the phase change memory is improved. .

Description

本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に抵抗値の差を利用して記憶情報を弁別するメモリセル、例えば、相変化材料を用いたメモリセルを含む高密度集積メモリ回路、あるいはメモリ回路と論理回路とが同一半導体基板に設けられたロジック混載型メモリ、あるいはアナログ回路を有する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a memory cell that discriminates stored information using a difference in resistance value, for example, a high-density integrated memory circuit including a memory cell using a phase change material, or a memory circuit and The present invention relates to a technology effective when applied to a logic-embedded memory in which a circuit is provided on the same semiconductor substrate or a semiconductor integrated circuit device having an analog circuit.

携帯電話に代表されるモバイル機器の需要に牽引された、不揮発メモリの市場の伸びは著しい。その代表がFLASHメモリであるが、本質的に速度が遅いために、プログラマブルなROMとして用いられている。一方、作業用のメモリとしては、高速なRAMが必要であり、携帯機器には、FLASHとDRAMの両方のメモリが搭載されている。これら2つのメモリの特徴を具備した素子が実現できれば、FLASHとDRAMを1チップに統合することが可能となるばかりでなく、全ての半導体メモリを置き換えることになるという点で、そのインパクトは極めて大きい。   The non-volatile memory market has grown significantly, driven by demand for mobile devices such as mobile phones. A typical example is a FLASH memory, which is used as a programmable ROM because of its inherently low speed. On the other hand, a high-speed RAM is required as a working memory, and both FLASH and DRAM memories are mounted on portable devices. If an element having the characteristics of these two memories can be realized, not only will it be possible to integrate FLASH and DRAM on one chip, but the impact will be extremely large in that all semiconductor memories will be replaced. .

その素子を実現する候補のひとつが、相変化膜を用いた不揮発メモリである。相変化メモリは、PRAM(Phase change RAM)、またはOUM(Ovonic Unified Memory)と呼ばれることもある。既に知られているように、相変化メモリセルはある相から他の相に可逆切替可能な材料を用いている。これらの相状態は電気特性の異なりにより読み出すことが可能である。例えば、これらの材料は、アモルファス状態の乱れた相と、結晶状態の規則正しい相との間で変化し得る。アモルファス状態は、結晶状態より電気抵抗が高く、この電気抵抗の差を利用して情報を記憶することができる。相変化メモリセルに適した材料はカルコゲナイドと呼ばれる硫黄、セレン、テルルのうちの少なくとも1元素を含む合金である。現在、もっとも有望なカルコゲナイドは、ゲルマニウム、アンチモンそしてテルルからなる合金(GeSbTe)であり、既に書き換え可能な光ディスクにおいて情報記憶部に幅広く使用されている。One candidate for realizing the element is a nonvolatile memory using a phase change film. The phase change memory is sometimes called PRAM (Phase change RAM) or OUM (Ovonic Unified Memory). As already known, phase change memory cells use materials that can be reversibly switched from one phase to another. These phase states can be read out depending on the difference in electrical characteristics. For example, these materials can change between a disordered phase in the amorphous state and an ordered phase in the crystalline state. The amorphous state has a higher electrical resistance than the crystalline state, and information can be stored using the difference in electrical resistance. A suitable material for the phase change memory cell is an alloy containing at least one element of sulfur, selenium, and tellurium called chalcogenide. At present, the most promising chalcogenide is an alloy (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) made of germanium, antimony and tellurium, and is already widely used for information storage units in rewritable optical disks.

前述したように情報の記憶は、カルコゲナイドの相状態の違いを利用して行う。相変化は、カルコゲナイドの温度を局所的に昇温することにより得る。70℃以下もしくは130℃以下では、両相ともに安定しており、情報が保持される。カルコゲナイドの10年間データ保持温度は、組成に依存するが、一般に70〜130℃である。この温度以上で10年間保持すると、アモルファス状態から熱力学的に安定な結晶状態への相変化が生じる。カルコゲナイドが200℃以上の結晶化温度で十分な時間保持されると、相が変化し結晶状態になる。結晶化時間はカルコゲナイドの組成や保持する温度により異なる。Ge2Sb2Te5の場合は、例えば150ナノ秒である。カルコゲナイドをアモルファス状態に戻すには、温度を融点(約600℃)以上に昇温し、急冷する。   As described above, information is stored by using a difference in phase state of chalcogenide. The phase change is obtained by locally raising the temperature of the chalcogenide. At 70 ° C. or lower or 130 ° C. or lower, both phases are stable and information is retained. The 10-year data retention temperature for chalcogenides is generally 70-130 ° C., depending on the composition. Holding for 10 years above this temperature causes a phase change from an amorphous state to a thermodynamically stable crystalline state. When the chalcogenide is held at a crystallization temperature of 200 ° C. or higher for a sufficient time, the phase changes and becomes a crystalline state. The crystallization time varies depending on the composition of chalcogenide and the temperature to be held. In the case of Ge2Sb2Te5, it is 150 nanoseconds, for example. In order to return the chalcogenide to an amorphous state, the temperature is raised to the melting point (about 600 ° C.) or more and then rapidly cooled.

昇温方法としては、カルコゲナイドに電流を流し、カルコゲナイド内部もしくは近接する電極から発生するジュール熱により加熱する方法がある。以後、相変化メモリセルのカルコゲナイドを結晶化させることをセット(set)動作、アモルファス化させることをリセット(reset)動作と呼ぶ。また、相変化部が結晶化している状態をセット(set)状態または結晶状態、アモルファス化している状態をリセット(reset)状態またはアモルファス状態と呼ぶ。set時間は例えば150ナノ秒、reset時間は例えば50ナノ秒である。   As a method of raising the temperature, there is a method in which an electric current is passed through the chalcogenide and heated by Joule heat generated from the chalcogenide inside or from an adjacent electrode. Hereinafter, crystallizing the chalcogenide of the phase change memory cell is referred to as a set operation, and making it amorphous is referred to as a reset operation. The state in which the phase change portion is crystallized is referred to as a set state or a crystalline state, and the state in which it is amorphized is referred to as a reset state or an amorphous state. The set time is, for example, 150 nanoseconds, and the reset time is, for example, 50 nanoseconds.

読出動作(以降、リード(read)動作と呼ぶ)は以下の通りである。電圧をカルコゲナイドに印加し、それを通過する電流を測定することによってカルコゲナイドの抵抗を読み取り、情報を識別する。このときにカルコゲナイドがset状態であれば、結晶化温度まで昇温したとしても、もともと結晶化していたため、set状態が保たれる。しかし、reset状態の場合は、情報が破壊される。そこで、結晶化を生じさせないように、読出電圧を例えば0.3Vなどの微小な電圧にしなければならない。相変化メモリの特長は、相変化部の抵抗値が結晶か非結晶状態かに応じて2桁から3桁も変化し、この抵抗値の高低を2進情報‘0’と‘1’に対応させて読み出すので、抵抗差が大きい分だけ、センス動作が容易であり、読み出しが高速である点である。さらに、3進以上の情報に対応させることで、多値記憶を行うことも可能である。   A read operation (hereinafter referred to as a read operation) is as follows. By applying a voltage to the chalcogenide and measuring the current passing through it, the resistance of the chalcogenide is read to identify the information. At this time, if the chalcogenide is in the set state, even if the temperature is raised to the crystallization temperature, the chalcogenide has been crystallized from the beginning, so that the set state is maintained. However, in the reset state, information is destroyed. Therefore, the read voltage must be a very small voltage such as 0.3 V so as not to cause crystallization. The feature of the phase change memory is that the resistance value of the phase change part varies by 2 to 3 digits depending on whether it is crystalline or non-crystalline, and this resistance value corresponds to binary information '0' and '1' Therefore, the sensing operation is easy and the reading is fast because the resistance difference is large. Furthermore, multivalue storage can be performed by corresponding to information of ternary or higher.

また、相変化メモリセルの構造は、通常、情報記憶部と選択トランジスタからなることが多いが、選択トランジスタを有しないクロスポイント型のメモリセルも考えられる。情報記憶部は、カルコゲナイドとそれを挟む上部電極と下部電極を有する。一般的に下部電極は、上部電極よりもカルコゲナイドとの接触面積が小さなプラグ構造を取る。   In addition, the structure of the phase change memory cell is usually composed of an information storage unit and a selection transistor, but a cross-point type memory cell having no selection transistor is also conceivable. The information storage unit includes a chalcogenide, an upper electrode and a lower electrode sandwiching the chalcogenide. Generally, the lower electrode has a plug structure having a smaller contact area with the chalcogenide than the upper electrode.

非特許文献1には、前述したような相変化メモリセルの一般的な動作が記載されている。reset動作は、ワード線を立ち上げ、20〜50ナノ秒のパルス幅を持つ電流パルスをビット線に印加して行う。set動作は、ワード線を立ち上げ、60〜200ナノ秒のパルス幅を持つ電流パルスをビット線に印加して行う。read動作は、ワード線を立ち上げ、20〜100ナノ秒のパルス幅を持つ電流パルスをビット線に印加して行う。なお、このような動作に際し、特許文献1の図8などに記載されているように、ワード線を用いてreset電流を制御する方法が提案されている。また、非特許文献2には、アモルファス半導体のような不規則系固体の特性は、CTRW(continuous−time random−walk)近似に基づく等価回路で表せることが記載されている。
特開2005−260014号公報 「2004年・アイ・イー・イー・イー、インターナショナル・ソリッドステート・サーキッツ・コンファレンス、ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ(2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers)」、p.40−41 「乱れた系における動的電気伝導の普遍性」、応用物理、1996年、第65巻、第3号、p.256−260
Non-Patent Document 1 describes a general operation of the phase change memory cell as described above. The reset operation is performed by starting the word line and applying a current pulse having a pulse width of 20 to 50 nanoseconds to the bit line. The set operation is performed by starting the word line and applying a current pulse having a pulse width of 60 to 200 nanoseconds to the bit line. The read operation is performed by starting the word line and applying a current pulse having a pulse width of 20 to 100 nanoseconds to the bit line. In such an operation, a method of controlling the reset current using a word line has been proposed as described in FIG. Non-Patent Document 2 describes that the characteristics of an irregular solid such as an amorphous semiconductor can be expressed by an equivalent circuit based on a CTRW (continuous-time random-walk) approximation.
JP 2005-260014 A “2004 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers”, p. 40-41 “Universality of dynamic electric conduction in disordered systems”, Applied Physics, 1996, Vol. 65, No. 3, p. 256-260

前述したような相変化メモリのメモリセルは、例えば図16のような構成となっている。図16は、本発明の前提として検討した半導体集積回路装置において、そのメモリセル周りの構成例を示す回路図である。メモリセルMCは、選択素子SWと相変化素子Rからなる。選択素子SWとしては、マイコン混載用メモリとしてプロセス適合性の良く、駆動能力が大きなNMOSトランジスタを用いられるのが良い。NMOSトランジスタはPMOSトランジスタに比べて駆動電流が大きい。このとき相変化素子Rを流れる電流はビット線BLからソース線SLに向かって流れる。   The memory cell of the phase change memory as described above has a configuration as shown in FIG. 16, for example. FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration example around the memory cell in the semiconductor integrated circuit device studied as a premise of the present invention. Memory cell MC includes a selection element SW and a phase change element R. As the selection element SW, it is preferable to use an NMOS transistor having a good process compatibility as a microcomputer mixed memory and a large driving capability. The NMOS transistor has a larger drive current than the PMOS transistor. At this time, the current flowing through the phase change element R flows from the bit line BL toward the source line SL.

図16では、相変化素子Rは選択素子SWとビット線BLの間に置いている。選択素子SWを相変化素子Rとビット線BLの間に置いた場合には、SWのソース電位がソース線SLに比べて上昇するため、SWの電流駆動能力は図16の配置よりも低下する。その場合、同じreset電流を確保するためには、選択素子SWのゲート幅を大きくせざるを得ないため、メモリセル面積が大きくなる問題がある。よって、相変化素子Rは選択素子SWとビット線BLの間に置くのがよい。   In FIG. 16, the phase change element R is placed between the selection element SW and the bit line BL. When the selection element SW is placed between the phase change element R and the bit line BL, the source potential of the SW rises compared to the source line SL, so that the current drive capability of the SW is lower than the arrangement of FIG. . In that case, in order to secure the same reset current, the gate width of the selection element SW has to be increased, which causes a problem that the memory cell area increases. Therefore, the phase change element R is preferably placed between the selection element SW and the bit line BL.

図17は、図16の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。図17では、例えば、メモリセルMC00を選択して、reset動作、set動作およびread動作を行っており、メモリセルMC01は非選択となっている。ところが、MC00の動作の際にビット線BL0に矩形波形状のパルスを印加することが、同じビット線BL0に接続されたメモリセルMC01に影響を与えてしまう。   FIG. 17 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. In FIG. 17, for example, the memory cell MC00 is selected and the reset operation, the set operation, and the read operation are performed, and the memory cell MC01 is not selected. However, when a pulse having a rectangular waveform is applied to the bit line BL0 during the operation of MC00, the memory cell MC01 connected to the same bit line BL0 is affected.

すなわち、MC01に接続されたワード線WL1の電圧は0Vであり非選択となっている。そのため選択素子SW01はオフとなり、そのドレイン電流ID01は流れない。しかし、MC01の相変化素子R01がreset状態であるならば、R01の等価回路は、非特許文献2に記載されたCTRW近似を用いて、図18に示すような容量と抵抗のペアが直列に接続された回路となる。そのため、R01は電荷を蓄積し、結果として、図17に示すように、ビット線BL0の立ち上がり/立ち下がりの際にR01に対して電流IBL01が生じる。また、実際上のプロセスにおいて、相変化素子Rと選択素子SWとの間に容量性の界面層を形成する場合があるが、この場合も同様に電流IBL01が生じてしまう。   That is, the voltage of the word line WL1 connected to MC01 is 0V and is not selected. Therefore, the selection element SW01 is turned off and the drain current ID01 does not flow. However, if the phase change element R01 of MC01 is in the reset state, the equivalent circuit of R01 uses a CTRW approximation described in Non-Patent Document 2, and a pair of a capacitor and a resistor as shown in FIG. It becomes a connected circuit. Therefore, R01 accumulates electric charges, and as a result, as shown in FIG. 17, a current IBL01 is generated with respect to R01 when the bit line BL0 rises / falls. In a practical process, a capacitive interface layer may be formed between the phase change element R and the selection element SW. In this case, the current IBL01 is generated similarly.

このような電流IBL01が生じると、メモリセルMC01のデータ保持特性は低下する。半導体メモリには、一般に70〜120℃の温度で10年間データを保持することが要求される。それに対して、アモルファスカルコゲナイドの10年間データ保持温度は、組成に依存するが、一般に70〜130℃であり、高温側で10℃分マージンが少ない。そのため、データ保持特性を確保するためには、リセット状態の非選択メモリセルに流れる電流を最低限に抑える必要がある。   When such a current IBL01 is generated, the data retention characteristic of the memory cell MC01 is degraded. A semiconductor memory is generally required to retain data for 10 years at a temperature of 70 to 120 ° C. On the other hand, the 10-year data retention temperature of amorphous chalcogenide is generally 70 to 130 ° C., depending on the composition, but has a margin of 10 ° C. on the high temperature side. Therefore, in order to ensure the data retention characteristic, it is necessary to minimize the current flowing through the non-selected memory cell in the reset state.

図19および図20は、非選択メモリセルのディスターブの影響を調査するため、本発明者等が実施した実験内容を説明する図である。環境温度を室温とし、図19に示すような回路を備えたTEG(Test Element Group)に対して、図20に示すような動作を行った。図19に示すメモリセルMCは、選択素子SWと相変化素子Rからなり、ソース線SLは0V、ワード線WLは0.1Vにした。選択素子SWは、NMOSトランジスタであり、その閾値電圧は0.2〜0.4Vであり、オフとなっている。通常、選択素子SWのドレインに3Vが印加されたときに流れる電流は100ナノアンペア以下であり、この程度の電流を印加しても相変化素子Rの抵抗に変化は生じない。   19 and 20 are diagrams for explaining the contents of experiments conducted by the present inventors in order to investigate the influence of disturbance on unselected memory cells. The operation as shown in FIG. 20 was performed on a TEG (Test Element Group) having a circuit as shown in FIG. The memory cell MC shown in FIG. 19 includes a selection element SW and a phase change element R, and the source line SL is set to 0V and the word line WL is set to 0.1V. The selection element SW is an NMOS transistor, and its threshold voltage is 0.2 to 0.4 V, and is off. Normally, the current that flows when 3 V is applied to the drain of the selection element SW is 100 nanoamperes or less, and even if such a current is applied, the resistance of the phase change element R does not change.

そこで、ビット線BLに対して、図20に示すように、振幅3V、パルス幅30ナノ秒、立ち上がり幅2ナノ秒、立ち下がり幅2ナノ秒のパルスを印加した。立ち上がり時間と立ち下がり時間の定義には複数の種類があるが、ここでは、パルス振幅が10%(0.3V)から90%(2.7V)に遷移するまでの時間と、パルス振幅が90%(2.7V)から10%(0.3V)に遷移するまでの時間である。そして、このようなパルスを連続的に10万回印加した。   Therefore, as shown in FIG. 20, a pulse having an amplitude of 3 V, a pulse width of 30 nanoseconds, a rising width of 2 nanoseconds, and a falling width of 2 nanoseconds was applied to the bit line BL. There are a plurality of types of definitions of the rise time and the fall time. Here, the time until the pulse amplitude transitions from 10% (0.3 V) to 90% (2.7 V) and the pulse amplitude is 90%. % (2.7V) to 10% (0.3V) transition time. And such a pulse was applied 100,000 times continuously.

図21は、図19および図20の実験結果の一例を示す図である。図21では、リセットした直後のTEGの抵抗値と10万回のパルスを印加するディスターブ試験を行った後のTEGの抵抗値とを示している。ディスターブ試験を行うことにより、一桁以上の抵抗値の上昇が生じる結果となった。抵抗上昇後にはset動作に要する電圧が高くなり、通常のset動作ではset状態に遷移させることが困難となる。また、相変化素子Rに電流が流れることで、高温における相変化メモリのデータ保持特性が低下し、容易にreset状態が破壊され、set状態に変化することで、情報が失われることもある。このように、ビット線BLを矩形波形状パルスにて駆動すると、当該ビット線に接続された非選択メモリセルMCに電流が流れることにより、相変化メモリの信頼性が低下することが懸念される。   FIG. 21 is a diagram illustrating an example of the experimental results of FIGS. 19 and 20. FIG. 21 shows the resistance value of the TEG immediately after resetting and the resistance value of the TEG after performing a disturb test in which 100,000 pulses are applied. By conducting the disturb test, the resistance value increased by an order of magnitude or more. The voltage required for the set operation increases after the resistance rises, and it is difficult to shift to the set state in the normal set operation. In addition, when the current flows through the phase change element R, the data retention characteristics of the phase change memory at a high temperature deteriorate, the reset state is easily destroyed, and information may be lost by changing to the set state. As described above, when the bit line BL is driven by the rectangular wave-shaped pulse, there is a concern that the reliability of the phase change memory may be lowered due to the current flowing through the non-selected memory cells MC connected to the bit line. .

本発明は、このような問題等を鑑みてなされたものである。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The present invention has been made in view of such problems. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明による半導体集積回路装置は、ワード線およびビット線と、ビット線に一端が接続された相変化素子(記憶素子)と、記憶素子の他端に接続されワード線によって制御される第1トランジスタとを備え、記憶素子を高抵抗状態に書き込む際に、ビット線の立ち上がり/立ち下がり時間がワード線のそれよりも長いことが特徴となっている。これによって、同一ビット線に接続された非選択の記憶素子に対するディスターブが低減され、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。また、記憶素子を低抵抗状態に書き込む際にも、同様に、ビット線の立ち上がり/立ち下がり時間を長くすることで、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。   A semiconductor integrated circuit device according to the present invention includes a word line and a bit line, a phase change element (storage element) having one end connected to the bit line, and a first transistor connected to the other end of the storage element and controlled by the word line When the memory element is written in a high resistance state, the rise / fall time of the bit line is longer than that of the word line. As a result, disturbance to non-selected storage elements connected to the same bit line is reduced, and the reliability of the phase change memory can be improved. Similarly, when the memory element is written in a low resistance state, the reliability of the phase change memory can be improved by lengthening the rise / fall time of the bit line.

なお、記憶素子を高抵抗状態に書き込む際には、記憶素子を急冷させる必要があるが、この急冷は、ワード線の立ち下がりを用いることで実現することが可能である。また、ビット線の立ち上がり/立ち下がり時間を長くするための具体的手段としては、例えば、ビット線からビット線選択スイッチ(第2トランジスタ)を介して接続される書き込み回路内に容量素子を設け、書き込みを行う際にこの容量素子を接続することでCR遅延を生じさせる方式が挙げられる。また、他の一例として、この書き込み回路の駆動能力を低く設計する方式が挙げられる。後者を用いると、前者に比べて回路面積を低減できる。   Note that when the memory element is written in a high resistance state, the memory element needs to be rapidly cooled. This rapid cooling can be realized by using the falling edge of the word line. Further, as a specific means for extending the rise / fall time of the bit line, for example, a capacitive element is provided in the write circuit connected from the bit line via the bit line selection switch (second transistor), There is a system in which CR delay is generated by connecting this capacitive element when writing. Another example is a method of designing the writing circuit with a low driving capability. When the latter is used, the circuit area can be reduced compared to the former.

後者の場合、より具体的には、例えば、書き込み回路内に設けられ、書き込み時に電圧または電流を出力する書き込みスイッチ(第3トランジスタ)の駆動能力(例えばゲート幅)を、ビット線選択スイッチ(第2トランジスタ)の駆動能力(例えばゲート幅)よりも小さくするとよい。これによって、読み出し動作時の高速性を維持すると共に、同一ビット線に接続された非選択の記憶素子に対するディスターブを低減されることで、書き込み動作時の信頼性を向上させることができる。なお、この非選択の記憶素子に対するディスターブは、この記憶素子の第1トランジスタ側の接続部に熱効率を高めるための容量性の界面層が形成されている場合に、より顕在化するため、このような構成に対して前述したような構成を適用すると一層効果的となる。   In the latter case, more specifically, for example, the driving capability (for example, gate width) of a write switch (third transistor) that is provided in the write circuit and outputs a voltage or a current at the time of writing is set to a bit line selection switch (first It is preferable to make it smaller than the driving capability (for example, gate width) of two transistors. This maintains high speed during the read operation and reduces the disturbance to the non-selected storage elements connected to the same bit line, thereby improving the reliability during the write operation. The disturbance to the non-selected memory element becomes more obvious when a capacitive interface layer for increasing thermal efficiency is formed at the connection portion on the first transistor side of the memory element. If the configuration as described above is applied to a simple configuration, it becomes more effective.

また、前述したように書き込み回路の駆動能力の調整によってビット線の立ち上がり/立ち下がり時間を長くする方式では、記憶素子を高抵抗状態にする際と低抵抗状態にする際とで、同一の書き込み回路を用いて、当該ビット線に向けて同一の電圧値を出力させることができる。この場合、高抵抗状態にする場合と低抵抗状態にする場合とでは、異なるワード線の電圧値を用いることで、異なる大きさの電流を記憶素子に流せばよい。このように、高抵抗状態の書き込みと低抵抗状態の書き込みを共通の書き込み回路で実現することで、より回路面積の低減が可能となる。   Further, as described above, in the method of increasing the rise / fall time of the bit line by adjusting the driving capability of the writing circuit, the same writing is performed when the storage element is set to the high resistance state and to the low resistance state. A circuit can be used to output the same voltage value toward the bit line. In this case, currents with different magnitudes may be supplied to the memory element by using different word line voltage values for the high resistance state and the low resistance state. Thus, by realizing writing in a high resistance state and writing in a low resistance state with a common writing circuit, the circuit area can be further reduced.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。   If the effect obtained by the representative one of the inventions disclosed in the present application is briefly described, the reliability of the phase change memory can be improved.

本発明の実施の形態1による半導体集積回路装置において、そのメモリセル周りの一部の構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration example of a part around a memory cell in a semiconductor integrated circuit device according to a first embodiment of the present invention; 図1の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1. 図1のメモリセルを含むメモリセルアレイの構成例を示す要部レイアウト図である。FIG. 2 is a main part layout diagram illustrating a configuration example of a memory cell array including the memory cell of FIG. 1. 図3のメモリセルアレイの製造工程を段階的に示すものであり、各段階での図3のX−X’間の構成例を示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part illustrating a manufacturing process of the memory cell array of FIG. 3 in stages and illustrating a configuration example between X and X ′ in FIG. 3 in each stage. 図3のメモリセルアレイの製造工程を段階的に示すものであり、各段階での図3のX−X’間の構成例を示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part illustrating a manufacturing process of the memory cell array of FIG. 3 in stages and illustrating a configuration example between X and X ′ in FIG. 3 in each stage. 図3のメモリセルアレイの製造工程を段階的に示すものであり、各段階での図3のX−X’間の構成例を示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part illustrating a manufacturing process of the memory cell array of FIG. 3 in stages and illustrating a configuration example between X and X ′ in FIG. 3 in each stage. 図3のメモリセルアレイの製造工程を段階的に示すものであり、各段階での図3のX−X’間の構成例を示す要部断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a main part illustrating a manufacturing process of the memory cell array of FIG. 3 in stages and illustrating a configuration example between X and X ′ in FIG. 3 in each stage. 本発明の実施の形態2による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a semiconductor integrated circuit device according to a second embodiment of the present invention. 図8の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。FIG. 9 is a waveform diagram showing an example of operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 8. 本発明の実施の形態3による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a semiconductor integrated circuit device according to a third embodiment of the present invention. 図10の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。FIG. 11 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 10. 本発明の実施の形態4による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the configuration of a semiconductor integrated circuit device according to a fourth embodiment of the present invention. 図12の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。FIG. 13 is a waveform diagram showing an example of operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 12. 本発明の実施の形態5による半導体集積回路装置において、それに含まれるメモリセルの構成例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell included in a semiconductor integrated circuit device according to a fifth embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態6による半導体集積回路装置において、それに含まれるメモリセルの構成例を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell included in a semiconductor integrated circuit device according to a sixth embodiment of the present invention. 本発明の前提として検討した半導体集積回路装置において、そのメモリセル周りの構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing a configuration example around a memory cell in a semiconductor integrated circuit device studied as a premise of the present invention. 図16の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。FIG. 17 is a waveform diagram showing an example of operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. 16. アモルファス状態の記憶素子を表す等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram showing a memory element in an amorphous state. 非選択メモリセルのディスターブの影響を調査するため、本発明者等が実施した実験内容を説明する図である。It is a figure explaining the content of the experiment which the present inventors etc. conducted in order to investigate the influence of disturbance of a non-selected memory cell. 非選択メモリセルのディスターブの影響を調査するため、本発明者等が実施した実験内容を説明する図である。It is a figure explaining the content of the experiment which the present inventors etc. conducted in order to investigate the influence of disturbance of a non-selected memory cell. 図19および図20の実験結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the experimental result of FIG. 19 and FIG.

以下、本発明に係わる半導体装置の好適ないくつかの事例につき、図面を用いて説明する。また、図面において、PMOSトランジスタにはゲートに矢印の記号を付すことで、NMOSトランジスタと区別することとする。なお、図面において、MOSトランジスタの基板電位の接続は特に明記しないが、MOSトランジスタが正常に動作可能な範囲であれば、その接続方法は特に限定しない。また、本明細書では、reset状態をロウレベル‘L’(または‘0’)、set状態をハイレベル‘H’(または‘1’)とするが、勿論、reset状態を‘H’、set状態を‘L’とすることも可能である。   Several preferred examples of the semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawing, the PMOS transistor is distinguished from the NMOS transistor by adding an arrow symbol to the gate. In the drawing, the connection of the substrate potential of the MOS transistor is not specified, but the connection method is not particularly limited as long as the MOS transistor can operate normally. In this specification, the reset state is low level 'L' (or '0') and the set state is high level 'H' (or '1'). Of course, the reset state is 'H' and set state. Can be set to 'L'.

(実施の形態1)
前述したように、非選択メモリセルのディスターブが生じる原因は、ビット線の電圧が変化するときに、同じビット線に接続され、ワード線が異なるメモリセルに電流が流れることである。この解決策として、本実施の形態1では、ビット線の電圧変化の速度を低下させることで、相変化素子に含まれる容量成分の充放電の時間を長くする。これによって、ピーク電流を低減されることができるため、熱拡散により非選択メモリセルの発熱が減り、ディスターブの影響を小さくできる。
(Embodiment 1)
As described above, the cause of disturbance of unselected memory cells is that when the voltage of the bit line changes, the current is connected to the same bit line and the word line flows to different memory cells. As a solution to this, in the first embodiment, the charge / discharge time of the capacitive component included in the phase change element is lengthened by reducing the speed of the voltage change of the bit line. As a result, the peak current can be reduced, so that the heat generated by the non-selected memory cells is reduced by thermal diffusion, and the influence of disturbance can be reduced.

図1は、本発明の実施の形態1による半導体集積回路装置において、そのメモリセル周りの一部の構成例を示す回路図である。図1に半導体集積回路装置は、ビット線BL0と、このBL0に対応する複数のワード線WL0,WL1と、これらのワード線とビット線の交点にそれぞれ配置されたメモリセルMC00,MC01とを含んでいる。メモリセルMC00は、選択素子SW00と相変化素子R00を備えている。相変化素子R00は、選択素子SW00とビット線BL0の間に接続され、ワード線WL0によりSW00がオンに制御されることで、BL0からR00を介してSW00の一端となるソース線SL0までの電流パスが形成される。同様に、メモリセルMC01は、選択素子SW01と相変化素子R01を備え、R01は、選択素子SW01とビット線BL0の間に接続され、選択素子SW01は、ワード線WL1によって制御される。   FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a part around a memory cell in the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the semiconductor integrated circuit device includes a bit line BL0, a plurality of word lines WL0 and WL1 corresponding to the BL0, and memory cells MC00 and MC01 arranged at intersections of these word lines and bit lines, respectively. It is out. Memory cell MC00 includes selection element SW00 and phase change element R00. The phase change element R00 is connected between the selection element SW00 and the bit line BL0. When the SW00 is controlled to be turned on by the word line WL0, a current flows from BL0 to the source line SL0 serving as one end of SW00 via R00. A path is formed. Similarly, the memory cell MC01 includes a selection element SW01 and a phase change element R01, which is connected between the selection element SW01 and the bit line BL0, and the selection element SW01 is controlled by the word line WL1.

図2は、図1の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。ここでは、メモリセルMC00を動作させる場合を例としている。このとき、ビット線BL0とワード線WL0を駆動し、その他のビット線とワード線は立ち下げたままである。reset動作を行うときには、まずビット線BL0を立ち上げる。このときの立ち上がり時間trbは、後述するワード線WL0の立ち上がり時間trwよりも長くする。次に、ワード線WL0を立ち上げ、相変化素子R00に電流を流し、溶融させる。その後に、ワード線WL0を立ち下げることで、R00を急冷し、アモルファス化させる。このときのワード線WL0の立ち下がり時間tfwは、急冷させる都合上、短くする必要がある。その後に、ビット線BL0を立ち下げる。このときの立ち下がり時間tfbは、ワード線WL0の立ち下がり時間tfwよりも長くする。ビット線を立ち下げることで相変化素子の急冷を行わないため、ビット線の立ち下がり時間が短い必要はない。   FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. Here, a case where the memory cell MC00 is operated is taken as an example. At this time, the bit line BL0 and the word line WL0 are driven, and the other bit lines and the word line remain fallen. When performing the reset operation, the bit line BL0 is first raised. The rise time trb at this time is made longer than the rise time trw of a word line WL0 described later. Next, the word line WL0 is raised, and a current is passed through the phase change element R00 to melt it. Thereafter, the word line WL0 is lowered to rapidly cool R00 and make it amorphous. At this time, the fall time tfw of the word line WL0 needs to be shortened for convenience of rapid cooling. Thereafter, the bit line BL0 is lowered. The fall time tfw at this time is made longer than the fall time tfw of the word line WL0. Since the phase change element is not rapidly cooled by lowering the bit line, the fall time of the bit line need not be short.

このように、ビット線BL0の立ち上がり時間および立ち下がり時間を長くすることによって、非選択メモリセルMC01の相変化素子R01に流れる充放電電流IBL01を低減することが可能となる。また、ワード線WL0の立ち下げを用いてreset動作に必要な急冷を行うため、ビット線BL0の立ち下がり時間を長くしてもreset動作を問題なく行うことができる。したがって、確実なメモリ動作を保証した上でディスターブの影響を低減でき、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。   Thus, by increasing the rise time and fall time of the bit line BL0, the charge / discharge current IBL01 flowing through the phase change element R01 of the non-selected memory cell MC01 can be reduced. In addition, since the rapid cooling necessary for the reset operation is performed by using the fall of the word line WL0, the reset operation can be performed without any problem even if the fall time of the bit line BL0 is lengthened. Therefore, it is possible to reduce the influence of disturbance while ensuring a reliable memory operation, and to improve the reliability of the phase change memory.

なお、通常、ビット線BL0に流れる電流は、reset動作時において最も大きくなるため、特にreset動作時のBL0の立ち上がり/立ち下がり時間を長くすることが、充放電電流IBL01の低減に最も効果的であるが、勿論、同様にset動作時の立ち上がり/立ち下がり時間を長くすることも有益である。図2では、reset動作時と同様に、set動作時においても、ビット線BL0の立ち上がり/立ち下がり時間を、ワード線WL0の立ち上がり/立ち下がり時間よりも長くしている。この場合、set動作に伴って相変化素子R00に電圧が印加されるタイミングは、ワード線WL0によって規定してもビット線BL0によって規定してもよい。また、相変化素子R00に印加される電圧値は、ここでは、ビット線BL0の電圧値によって決めている。   Normally, the current flowing through the bit line BL0 is the largest during the reset operation, and therefore, it is most effective to reduce the charge / discharge current IBL01, especially by increasing the rise / fall time of BL0 during the reset operation. Of course, it is of course also beneficial to increase the rise / fall time during the set operation. In FIG. 2, similarly to the reset operation, the rise / fall time of the bit line BL0 is longer than the rise / fall time of the word line WL0 during the set operation. In this case, the timing at which a voltage is applied to the phase change element R00 with the set operation may be defined by the word line WL0 or the bit line BL0. In addition, the voltage value applied to the phase change element R00 is determined here by the voltage value of the bit line BL0.

図3は、図1のメモリセルを含むメモリセルアレイの構成例を示す要部レイアウト図である。図3に示すメモリアレイは、複数のワード線WLが平行に配置され、それと直行する方向に、複数のビット線BLが平行に配置されている。あるワード線WLを挟んで、一方の側にはプラグ電極PLGが設けられ、他方の側にはソース線SLが設けられる。このプラグ電極PLGは、断面構造で見るとビット線BLの下部に位置し、このプラグ電極PLGに対しては、図示しない相変化素子が接続されている。ソース線SL並びにビット線BLの間隔は、メモリセルの駆動電流に応じて、最適な距離を選択する。   FIG. 3 is a main part layout diagram showing a configuration example of a memory cell array including the memory cell of FIG. In the memory array shown in FIG. 3, a plurality of word lines WL are arranged in parallel, and a plurality of bit lines BL are arranged in parallel in a direction perpendicular thereto. A plug electrode PLG is provided on one side across a word line WL, and a source line SL is provided on the other side. The plug electrode PLG is located below the bit line BL in a cross-sectional structure, and a phase change element (not shown) is connected to the plug electrode PLG. As the interval between the source line SL and the bit line BL, an optimum distance is selected according to the drive current of the memory cell.

次に、図3のメモリセルアレイの製造方法の一例について説明する。図4〜図7は、図3のメモリセルアレイの製造工程を段階的に示すものであり、各段階での図3のX−X’間の構成例を示す要部断面図である。まず、通常の半導体製造工程を用いて図4の要部断面図に示す構造を作製する。図4の示す構造は、フィールド酸化膜ISL1により、拡散層DFが分離されている。ゲート電極GTは、ゲート絶縁膜ISL2、サイドウォールSDW、金属シリサイドSSと接する。コンタクトCNT1と層間絶縁膜ISL3との密着性を高め、剥離を防ぐために、密着層(バリア層)BR1が形成されている。また、コンタクトCNT1の上部にはメタル配線層M1が形成されている。   Next, an example of a method for manufacturing the memory cell array in FIG. 3 will be described. 4 to 7 show the manufacturing process of the memory cell array of FIG. 3 step by step, and are principal part cross-sectional views showing a configuration example between X and X ′ of FIG. 3 in each step. First, the structure shown in the cross-sectional view of the main part of FIG. In the structure shown in FIG. 4, the diffusion layer DF is separated by the field oxide film ISL1. The gate electrode GT is in contact with the gate insulating film ISL2, the sidewall SDW, and the metal silicide SS. An adhesion layer (barrier layer) BR1 is formed in order to improve adhesion between the contact CNT1 and the interlayer insulating film ISL3 and prevent peeling. A metal wiring layer M1 is formed on the contact CNT1.

次に、層間絶縁膜ISL3に対してメタル配線層M1に向けたコンタクトホールを形成し、化学的気相成長法(CVD)により、密着層BR2及び、プラグ電極PLGを形成する。プラグ電極PLGは、カルコゲナイドとの間に、非オーミックな接触を形成する材料を選択する。また、熱抵抗の高いプラグ材料を用いることで、プラグからのジュール熱の拡散を防止し、書き換えに必要な電力を低減することができる。密着層BR2の組成としてはTiN(窒化チタン)、プラグ電極PLGの組成としてはW(タングステン)を用いることができる。   Next, a contact hole toward the metal wiring layer M1 is formed in the interlayer insulating film ISL3, and an adhesion layer BR2 and a plug electrode PLG are formed by chemical vapor deposition (CVD). The plug electrode PLG selects a material that forms a non-ohmic contact with the chalcogenide. In addition, by using a plug material having a high thermal resistance, the diffusion of Joule heat from the plug can be prevented, and the power required for rewriting can be reduced. TiN (titanium nitride) can be used as the composition of the adhesion layer BR2, and W (tungsten) can be used as the composition of the plug electrode PLG.

続いて、図5に示すように、プラグ電極PLGならびに密着層BR2とカルコゲナイドCNとの間に界面層Lを形成するとよい。界面層Lは、プラグ電極PLGよりも高い電気抵抗を持ち、書き換え動作時にヒーターとして電流をジュール熱に効率的に変換する。また、界面層Lは、接着層としても用いることが出来る。界面層Lは層間絶縁膜ISL3、プラグ電極PLGおよびカルコゲナイドCNと良好な接着力を持ち、製造工程でのカルコゲナイドの剥離、カルコゲナイド中の空乏部の発生ならびにメモリセル動作中のカルコゲナイド中の空乏部の発生を防止することが出来る。その結果、製造時の歩留まりと書き換えに伴う信頼性が向上する。界面層Lとしては、例えば、Ta(酸化タンタル)などの容量性の材料が挙げられる。Subsequently, as shown in FIG. 5, an interface layer L may be formed between the plug electrode PLG and the adhesion layer BR2 and the chalcogenide CN. The interface layer L has an electric resistance higher than that of the plug electrode PLG, and efficiently converts current to Joule heat as a heater during the rewriting operation. The interface layer L can also be used as an adhesive layer. The interface layer L has a good adhesive force with the interlayer insulating film ISL3, the plug electrode PLG, and the chalcogenide CN, peeling of the chalcogenide in the manufacturing process, generation of a depletion portion in the chalcogenide, and formation of a depletion portion in the chalcogenide during the memory cell operation. Generation can be prevented. As a result, the manufacturing yield and the reliability associated with rewriting are improved. Examples of the interface layer L include capacitive materials such as Ta 2 O 5 (tantalum oxide).

さらに、相変化素子となるカルコゲナイドCNと、上部電極Uとをスパッタもしくは真空蒸着により成膜し、層間絶縁膜ISL4を形成する。カルコゲナイドCNの組成としては、例えば、記録型光ディスクにおいて幅広い実績を持つ、Ge−Sb−Teの合金、もしくは、その合金に添加物を加えたものが適する。   Further, a chalcogenide CN serving as a phase change element and the upper electrode U are formed by sputtering or vacuum deposition to form an interlayer insulating film ISL4. As the composition of the chalcogenide CN, for example, a Ge—Sb—Te alloy having a wide track record in a recordable optical disk, or an alloy obtained by adding an additive to the alloy is suitable.

その後、図6に示すように、コンタクトホールを形成し、化学的気相成長法(CVD)により、密着層BR3、及びビット線とのコンタクトCNT2を形成する。さらに、図7に示すように、密着層BR4を形成し、ビット線BLをスパッタにより形成する。続いて、層間絶縁膜ISL5を形成し、さらに上部配線を形成することで、所望のメモリを作製することが可能である。   Thereafter, as shown in FIG. 6, a contact hole is formed, and an adhesion layer BR3 and a contact CNT2 with the bit line are formed by chemical vapor deposition (CVD). Further, as shown in FIG. 7, the adhesion layer BR4 is formed, and the bit line BL is formed by sputtering. Subsequently, by forming an interlayer insulating film ISL5 and further forming an upper wiring, a desired memory can be manufactured.

このような製造方法は、通常のCMOSロジック混載設計ルールに準じて製造することが可能であり、ロジック混載メモリの製造にも適する。また、図5で述べたように、界面層Lを形成した場合、前述した非選択メモリセルの相変化素子に流れる充放電電流がより大きくなることが考えられる。したがって、このような界面層を備えた構成に対して、図2で述べたような立ち上がり/立ち下がり時間を長くする動作を適用すると、より有益な効果が得られる。   Such a manufacturing method can be manufactured according to a normal CMOS logic mixed design rule, and is also suitable for manufacturing a logic embedded memory. Further, as described with reference to FIG. 5, when the interface layer L is formed, the charge / discharge current flowing through the phase change element of the non-selected memory cell described above may be increased. Therefore, a more beneficial effect can be obtained by applying the operation of increasing the rise / fall time as described in FIG. 2 to the configuration including such an interface layer.

以上、本実施の形態1の半導体集積回路装置を用いることで、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。特に、相変化メモリが、カルコゲナイドとプラグ電極との間に界面層を備えている場合、その相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。   As described above, by using the semiconductor integrated circuit device according to the first embodiment, the reliability of the phase change memory can be improved. In particular, when the phase change memory includes an interface layer between the chalcogenide and the plug electrode, the reliability of the phase change memory can be improved.

(実施の形態2)
本実施の形態2では、実施の形態1で説明した立ち上がり/立ち下がり時間を長くする機能を実現する回路構成の一例について説明する。図8は、本発明の実施の形態2による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。図8に示す半導体集積回路装置は、メモリアレイ部ARYと、X系アドレスデコーダX−DECと、Y系アドレスデコーダY−DECと、読み出し・書き込み回路RWCにより構成される。メモリアレイ部ARYは、複数のワード線WL0〜WLnと、複数のビット線BL0〜BLmと、各ワード線と各ビット線の交点にそれぞれ設けられた複数のメモリセルMC00〜MCnmから構成される。なお、実際には、これに加えて例えば複数のビット線BL0〜BLmと対になる形で複数のソース線SL0〜SLmが含まれる場合もあるが、ここでは省略してソース線SLをグラウンドGNDとしている。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an example of a circuit configuration that realizes the function of extending the rise / fall time described in the first embodiment will be described. FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 8 includes a memory array unit ARY, an X-system address decoder X-DEC, a Y-system address decoder Y-DEC, and a read / write circuit RWC. The memory array unit ARY includes a plurality of word lines WL0 to WLn, a plurality of bit lines BL0 to BLm, and a plurality of memory cells MC00 to MCnm provided at the intersections of the word lines and the bit lines. Actually, in addition to this, for example, a plurality of source lines SL0 to SLm may be included in pairs with a plurality of bit lines BL0 to BLm, but here, the source line SL is omitted and the ground GND is omitted. It is said.

各メモリセルMC00〜MCnmは、それぞれ対応するワード線およびビット線が異なる以外は同様の構成であるため、ここではメモリセルMC00を例として構成を説明する。メモリセルMC00は、選択素子MN00と記憶素子R00で構成される。記憶素子R00は、相変化素子であり、結晶状態では例えば1kΩ〜10kΩの低い抵抗となり、また、アモルファス状態では、例えば100kΩ〜100MΩの高い抵抗となる。選択素子MN00は、NMOSトランジスタである。選択素子MN00のゲート電極はワード線WL0に接続され、ドレイン電極は記憶素子R00の一端に接続され、ソース電極はソース線(グラウンドGND)に接続されている。また、記憶素子R00の他端は、ビット線BL0に接続される。ここでは、選択素子MN00としてMOSトランジスタを用いているが、その代わりにバイポーラトランジスタを用いてもよい。この場合、マイコンのロジック回路と同時に相変化メモリセルの選択素子を形成できないため、マイコン混載メモリとしては製造コストが上昇する問題があるものの、選択素子の面積当たりの駆動能力が大きいため、メモリセル面積を縮小できる利点がある。   Each of the memory cells MC00 to MCnm has the same configuration except that the corresponding word line and bit line are different from each other, and therefore the configuration will be described by taking the memory cell MC00 as an example. The memory cell MC00 includes a selection element MN00 and a storage element R00. The memory element R00 is a phase change element, and has a low resistance of, for example, 1 kΩ to 10 kΩ in the crystalline state, and has a high resistance of, for example, 100 kΩ to 100 MΩ in the amorphous state. The selection element MN00 is an NMOS transistor. The gate electrode of the selection element MN00 is connected to the word line WL0, the drain electrode is connected to one end of the storage element R00, and the source electrode is connected to the source line (ground GND). The other end of the storage element R00 is connected to the bit line BL0. Here, a MOS transistor is used as the selection element MN00, but a bipolar transistor may be used instead. In this case, since the selection element of the phase change memory cell cannot be formed at the same time as the logic circuit of the microcomputer, there is a problem that the manufacturing cost rises as a microcomputer-embedded memory, but since the driving capability per area of the selection element is large, the memory cell There is an advantage that the area can be reduced.

各ワード線WL0〜WLnは、X系アドレスデコーダX−DECに接続されており、X−DECが発生するX系アドレス信号によって、一本のワード線WLが選択される。また、ビット線BLの一端にはY系アドレスデコーダY−DECが接続されており、Y−DECが発生するY系アドレス信号によってビット線選択スイッチYS0〜YSmの内の一つが選択され、当該ビット線BLがノードN1を経て後述のRWCに接続される。なお、ここでは、メモリアレイ部ARY毎に、読み出し・書き込み回路RWCが一つ設置されているが、もちろん複数のRWCを設置しても良い。その場合、複数ビットに同時に書き込み・読み出し動作が行えるため、高速な動作が可能となる効果がある。   Each word line WL0 to WLn is connected to an X-system address decoder X-DEC, and one word line WL is selected by an X-system address signal generated by the X-DEC. A Y-system address decoder Y-DEC is connected to one end of the bit line BL, and one of the bit line selection switches YS0 to YSm is selected by a Y-system address signal generated by the Y-DEC, and the bit line BL The line BL is connected to an RWC described later via the node N1. Here, one read / write circuit RWC is provided for each memory array unit ARY, but a plurality of RWCs may of course be provided. In this case, since writing / reading operations can be performed simultaneously on a plurality of bits, there is an effect that high-speed operation is possible.

読み出し・書き込み回路RWCは、読み出し用電流源Irdおよび読み出しスイッチRSWと、set用電流源IsetおよびsetスイッチSS−SWと、reset用電流源IrstおよびresetスイッチRS−SWと、センスアンプSAとを含んでいる。そして更に、RWCは、容量Cwtおよび容量付加スイッチWC−SWと、グラウンドスイッチGSWとを備えている。RSW、SS−SWおよびRS−SWは、それぞれ、Ird、IsetおよびIrstをノードN1に接続するスイッチであり、このノードN1は、ビット線選択スイッチYSが選択された際に、対応するビット線に接続される。なお、Ird、IsetおよびIrstのスイッチ側と異なる一端には、それぞれ、電圧Vrd、VsetおよびVrstが供給されている。センスアンプSAは、センスアンプイネーブル信号SEが活性化した際に、選択されたビット線の読み出し信号を参照電圧REFと比較して増幅し、データ出力線Dに出力する。   The read / write circuit RWC includes a read current source Ird and a read switch RSW, a set current source Iset and a set switch SS-SW, a reset current source Irst and a reset switch RS-SW, and a sense amplifier SA. It is out. Further, the RWC includes a capacitor Cwt and a capacitor addition switch WC-SW, and a ground switch GSW. RSW, SS-SW, and RS-SW are switches that connect Ird, Iset, and Irst to the node N1, respectively. The node N1 is connected to the corresponding bit line when the bit line selection switch YS is selected. Connected. Note that voltages Vrd, Vset, and Vrst are respectively supplied to one ends of the Ird, Iset, and Irst that are different from the switch side. When the sense amplifier enable signal SE is activated, the sense amplifier SA amplifies the read signal of the selected bit line in comparison with the reference voltage REF, and outputs it to the data output line D.

容量付加スイッチWC−SWは、容量CwtをノードN1に接続するスイッチである。Cwtは、例えばMOSトランジスタを利用して形成される。グラウンドスイッチGSWは、ノードN1をグラウンドGNDに接続するスイッチである。WC−SW、CwtおよびGSWは、後述するようにビット線BLの立ち上がり/立ち下がり時間を長くするための手段である。   The capacity addition switch WC-SW is a switch that connects the capacity Cwt to the node N1. Cwt is formed using, for example, a MOS transistor. The ground switch GSW is a switch that connects the node N1 to the ground GND. WC-SW, Cwt, and GSW are means for extending the rise / fall time of the bit line BL as will be described later.

次に、メモリセルMC00を動作させる場合を例として、MC00と同一のビット線BL0に接続されたMCn0が受ける影響について述べる。図9は、図8の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。図9に示すように、reset動作(RESET)は、次のように行われる。読み出しスイッチRSW、setスイッチSS−SW、およびグラウンドスイッチGSWはオフ状態とする。まず、容量付加スイッチWC−SWをオンにし、Y−DECおよびYS0によりBL0を選択してから、resetスイッチRS−SWをオンにする。そうすると、BL0等の配線容量に加えて容量Cwtにも電荷が蓄積されるため、瞬時にはBL0の電圧は上昇せず、後述するワード線WL0よりも立ち上がり時間を長くすることができる。   Next, the effect of MCn0 connected to the same bit line BL0 as MC00 will be described by taking the case where memory cell MC00 is operated as an example. FIG. 9 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. As shown in FIG. 9, the reset operation (RESET) is performed as follows. The read switch RSW, the set switch SS-SW, and the ground switch GSW are turned off. First, the capacitor addition switch WC-SW is turned on, BL0 is selected by Y-DEC and YS0, and then the reset switch RS-SW is turned on. Then, since charges are accumulated in the capacitor Cwt in addition to the wiring capacitance such as BL0, the voltage of BL0 does not rise instantaneously, and the rise time can be made longer than the word line WL0 described later.

その後、X−DECによりWL0を選択することで、メモリセルMC00に後述するset電流よりも大きな電流を流す。電流を一定時間流した後に、ワード線WL0を立ち下げる。これにより記憶素子R00は、溶融状態から急冷されることで、アモルファス状態になる。その後、resetスイッチRS−SWをオフにして、グラウンドスイッチGSWをオンにする。これにより、BL0等の配線容量に加えて容量Cwtからも電荷が放出されるため、瞬時にはBL0の電圧は低下せず、前述したワード線WL0よりも立ち下がり時間を長くすることができる。BL0が立ち下がった後は、YS0、GSWおよびWC−SWをオフにする。このようなreset動作を行うと、メモリセルMCn0の記憶素子Rn0は、それが接続されているビット線BL0の電圧変化の速度が遅いため、その電圧変化の影響を殆ど受けない。その結果、Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることが可能となる。   Thereafter, by selecting WL0 by X-DEC, a current larger than a set current described later is caused to flow through the memory cell MC00. After supplying a current for a certain time, the word line WL0 is lowered. As a result, the memory element R00 is rapidly cooled from the melted state to be in an amorphous state. Thereafter, the reset switch RS-SW is turned off and the ground switch GSW is turned on. Thereby, charges are discharged from the capacitance Cwt in addition to the wiring capacitance such as BL0. Therefore, the voltage of BL0 does not decrease instantaneously, and the fall time can be made longer than that of the word line WL0 described above. After BL0 falls, YS0, GSW and WC-SW are turned off. When such a reset operation is performed, the memory element Rn0 of the memory cell MCn0 is hardly affected by the voltage change because the voltage change speed of the bit line BL0 to which the memory cell MCn0 is connected is slow. As a result, the current Iceln0 flowing through Rn0 can be reduced.

また、set動作(SET)は、次のように行われる。読み出しスイッチRSWとresetスイッチRS−SWはオフ状態とする。まず、容量付加スイッチWC−SWをオンにして、Y−DECおよびYS0によりBL0を選択する。次に、setスイッチSS−SWをオンにする。そうすると、BL0等の配線容量に加えて容量Cwtにも電荷が蓄積されるため、BL0の電圧は瞬時には上昇せず、後述するワード線WL0よりも立ち上がり時間を長くできる。   The set operation (SET) is performed as follows. The read switch RSW and the reset switch RS-SW are turned off. First, the capacitor addition switch WC-SW is turned on, and BL0 is selected by Y-DEC and YS0. Next, the set switch SS-SW is turned on. Then, charges are accumulated in the capacitance Cwt in addition to the wiring capacitance such as BL0, so the voltage of BL0 does not rise instantaneously, and the rise time can be made longer than the word line WL0 described later.

続いて、X−DECによりWL0を選択することで、メモリセルMC00に前述のreset動作よりも小さな電流を流す。前述のリセット動作よりも長い間、電流を流した後に、setスイッチSS−SWをオフにして、グラウンドスイッチGSWをオンにする。そうすると、BL0等の配線容量に加えて容量Cwtからも電荷が放出されるため、BL0の電圧は瞬時には低下せず、前述したワード線WL0よりも立ち下がり時間を長くできる。また、これにより記憶素子R00は結晶化する。このようなset動作を行うと、メモリセルMCn0の記憶素子Rn0は、それが接続されているビット線BL0の電圧変化の速度が遅いため、その電圧変化の影響を殆ど受けない。その結果、Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることが可能となる。   Subsequently, by selecting WL0 by X-DEC, a current smaller than that in the reset operation described above is caused to flow through the memory cell MC00. After passing a current for a longer time than the above-described reset operation, the set switch SS-SW is turned off and the ground switch GSW is turned on. Then, charges are discharged from the capacitance Cwt in addition to the wiring capacitance such as BL0, so that the voltage of BL0 does not drop instantaneously and the fall time can be made longer than that of the word line WL0 described above. As a result, the memory element R00 is crystallized. When such a set operation is performed, the memory element Rn0 of the memory cell MCn0 is hardly affected by the voltage change because the voltage change speed of the bit line BL0 to which the memory cell MCn0 is connected is slow. As a result, the current Iceln0 flowing through Rn0 can be reduced.

また、read動作(READ)は、次のように行われる。resetスイッチRS−SW、グラウンドスイッチGSW、setスイッチSS−SW、容量付加スイッチWC−SWはオフとする。X−DECおよびY−DECによりメモリセルMC00を選択し、読み出しスイッチRSWをオンとする。一定時間後、読み出しスイッチRSWをオフにする。この際に、記憶素子R00では抵抗値に応じた電流が流れることになる。すなわち、記憶素子R00が高抵抗状態(アモルファス状態)であれば、ビット線BL0は低抵抗状態(結晶状態)の時よりも高電圧に充電される。センスアンプイネーブル信号SEをオンにすることで、この電位差がセンスアンプSAにより増幅され、データ出力線Dから、データを得ることができる。   The read operation (READ) is performed as follows. The reset switch RS-SW, the ground switch GSW, the set switch SS-SW, and the capacitance addition switch WC-SW are turned off. The memory cell MC00 is selected by X-DEC and Y-DEC, and the read switch RSW is turned on. After a certain time, the read switch RSW is turned off. At this time, a current corresponding to the resistance value flows in the memory element R00. That is, if the memory element R00 is in a high resistance state (amorphous state), the bit line BL0 is charged with a higher voltage than in the low resistance state (crystalline state). By turning on the sense amplifier enable signal SE, this potential difference is amplified by the sense amplifier SA, and data can be obtained from the data output line D.

read動作では、容量付加スイッチWC−SWがオフのため、ビット線の容量は小さく、高速かつ省電力の読み出しが可能である。すなわち、read動作においては、set動作またはreset動作と異なり用いる電圧が低いため、容量付加スイッチWC−SWをオフにしても、非選択メモリセルの記憶素子は影響を受けにくく、その情報は破壊されにくい。   In the read operation, since the capacitance addition switch WC-SW is off, the bit line capacitance is small, and high-speed and power-saving reading is possible. That is, in the read operation, the voltage used is low unlike the set operation or the reset operation. Therefore, even if the capacitor addition switch WC-SW is turned off, the storage element of the non-selected memory cell is not easily affected, and the information is destroyed. Hateful.

以上、本実施の形態2の半導体集積回路装置を用いることで、読み出し速度を維持した上で、前述した実施の形態1で述べたように、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。また、実際上、読み出し・書き込み回路RWC内に容量Cwtなどを設けても、面積オーバーヘッドの影響は少ない。すなわち、図8のように、複数のビット線BL0〜BLmに対して一つの容量Cwtを設ければよく、その容量値もある程度は配線容量で賄うことができる。   As described above, by using the semiconductor integrated circuit device according to the second embodiment, it is possible to improve the reliability of the phase change memory as described in the first embodiment while maintaining the reading speed. Become. In practice, even if the capacitor Cwt or the like is provided in the read / write circuit RWC, the influence of the area overhead is small. That is, as shown in FIG. 8, it is sufficient to provide one capacitor Cwt for a plurality of bit lines BL0 to BLm, and the capacitance value can be covered to some extent by the wiring capacitance.

さらに、読み出し・書き込み回路RWC内に容量Cwtを設けることで、書き込み時のビット線容量を安定させる効果がある。すなわち、ビット線から見たメモリセルの容量は、set状態に比べ、reset状態のメモリセルの方が大きい。そのため、ビット線にreset状態のメモリセルが多数接続される場合と、set状態のメモリセルが多数接続される場合を比較すると、前者の方が、ビット線容量は多くなる。この各メモリセルの記憶状態に依存したビット容量の変化は、書き込み時のビット線の遷移タイミングに影響を及ぼすため、安定な書き込みが困難となる。そこで、容量Cwtを用いることで、書き込み時のビット線容量をある一定の値以上に保つことが可能となり、相対的なビット線容量の変化を少なくできる。その結果、メモリセルの記憶状態によらず、安定した書き込みが可能となる。   Further, providing the capacitor Cwt in the read / write circuit RWC has an effect of stabilizing the bit line capacitance at the time of writing. That is, the capacity of the memory cell viewed from the bit line is larger in the memory cell in the reset state than in the set state. Therefore, comparing the case where a large number of memory cells in the reset state are connected to the bit line and the case where a large number of memory cells in the set state are connected, the former has a larger bit line capacity. The change in the bit capacity depending on the storage state of each memory cell affects the transition timing of the bit line at the time of writing, so that stable writing becomes difficult. Therefore, by using the capacitance Cwt, the bit line capacitance at the time of writing can be maintained at a certain value or more, and the change in relative bit line capacitance can be reduced. As a result, stable writing is possible regardless of the storage state of the memory cell.

(実施の形態3)
本実施の形態3では、実施の形態1で説明した立ち上がり/立ち下がり時間を長くする機能を実現する、実施の形態2とは異なる回路構成の一例について説明する。図10は、本発明の実施の形態3による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。図10に示す半導体集積回路装置は、メモリアレイ部ARYaと、X系アドレスデコーダX−DECaと、Y系アドレスデコーダY−DECaと、読み出し・書き込み回路RWCaにより構成される。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, an example of a circuit configuration different from the second embodiment that realizes the function of extending the rise / fall time described in the first embodiment will be described. FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 10 includes a memory array unit ARYa, an X-system address decoder X-DECa, a Y-system address decoder Y-DECa, and a read / write circuit RWCa.

メモリアレイ部ARYaは、前述した図8と同様の構成であり、複数のサブワード線SWL0〜SWLnと、複数のビット線BL0〜BLmと、各サブワード線と各ビット線の交点にそれぞれ設けられた複数のメモリセルMC00〜MCnmから構成される。ここでも、図8と同様にソース線は省略し、グラウンドGNDとしている。各メモリセルMC00〜MCnmも、図8と同様の構成であり、例えば、MC00は、選択素子MN00と記憶素子R00で構成され、選択素子MN00は、例えばNMOSトランジスタである。選択素子MN00のゲート電極はサブワード線SWL0に接続され、ドレイン電極は記憶素子R00の一端に接続され、ソース電極はソース線(グラウンドGND)に接続されている。また、記憶素子R00の他端は、ビット線BL0に接続される。   The memory array unit ARYa has the same configuration as that of FIG. 8 described above, and a plurality of sub word lines SWL0 to SWLn, a plurality of bit lines BL0 to BLm, and a plurality of sub word lines provided at intersections of the bit lines. Memory cells MC00 to MCnm. Here again, as in FIG. 8, the source line is omitted and the ground GND is used. Each of the memory cells MC00 to MCnm has the same configuration as that in FIG. 8. For example, MC00 includes a selection element MN00 and a storage element R00, and the selection element MN00 is an NMOS transistor, for example. The gate electrode of the selection element MN00 is connected to the sub word line SWL0, the drain electrode is connected to one end of the storage element R00, and the source electrode is connected to the source line (ground GND). The other end of the storage element R00 is connected to the bit line BL0.

各サブワード線SWL0〜SWLnは、X系アドレスデコーダX−DECaに接続される。X−DECaは、各サブワード線SWL0〜SWLnをそれぞれ駆動するサブワード線ドライバXDR0〜XDRnと、XDR0〜XDRnのオン/オフを制御するメインワード線MWL1〜MWLpと、XDR0〜XDRnがオンとなった際のSWL0〜SWLnの駆動電圧を設定するFXドライバFXDR1〜FXDR8などから構成される。例えば、XDR0がオンとなった際には、FXDR1の出力電圧FXOが、XDR0内のワード線駆動トランジスタXTRを介してSWL0に出力される。また、FXDR1の出力電圧FXOは、制御信号FXIに対応して電源電圧VDDとなり、制御信号FXBに対応してグラウンドGNDとなる。   Each sub word line SWL0 to SWLn is connected to an X-system address decoder X-DECa. X-DECa is when sub word line drivers XDR0 to XDRn for driving sub word lines SWL0 to SWLn, main word lines MWL1 to MWLp for controlling on / off of XDR0 to XDRn, and when XDR0 to XDRn are turned on. FX drivers FXDR1 to FXDR8 for setting drive voltages of SWL0 to SWLn. For example, when XDR0 is turned on, the output voltage FXO of FXDR1 is output to SWL0 via the word line drive transistor XTR in XDR0. Further, the output voltage FXO of FXDR1 becomes the power supply voltage VDD corresponding to the control signal FXXI, and becomes the ground GND corresponding to the control signal FXB.

各ビット線BL0〜BLmは、Y系アドレスデコーダY−DECaに接続される。Y−DECaは、複数のビット線BL0〜BLmのいずれかを選択してノードN1に接続するビット線選択スイッチYS0〜YSmを備える。例えば、YS0はビット線接続トランジスタYTR0を含み、このYTR0は、ビット線選択信号BLSW0を活性化した際にBL0とN1とを接続する。ここで、YTR0は、例えばMOSトランジスタで構成する。同様に、YSm内のビット線接続トランジスタ(図示せず)は、ビット線選択信号BLSWmを活性化した際にBLmとN1とを接続する。   Each bit line BL0 to BLm is connected to a Y-system address decoder Y-DECa. Y-DECa includes bit line selection switches YS0 to YSm that select any of the plurality of bit lines BL0 to BLm and connect to the node N1. For example, YS0 includes a bit line connection transistor YTR0. This YTR0 connects BL0 and N1 when the bit line selection signal BLSW0 is activated. Here, YTR0 is formed of, for example, a MOS transistor. Similarly, a bit line connection transistor (not shown) in YSm connects BLm and N1 when the bit line selection signal BLSWm is activated.

このノードN1には、読み出し・書き込み回路RWCaが接続される。RWCaは、reset用電流源IrstおよびresetスイッチRS−SWと、set用電流源IsetおよびsetスイッチSS−SWと、読み出し回路とを含んでいる。読み出し回路は、ビット線プリチャージ用の電圧源Vpreと、VpreをノードN1に接続するためのプリチャージスイッチPREおよび読み出しスイッチTGと、TGとPREの間のノードに接続されたセンスアンプSAとを含んでいる。なお、IrstおよびIsetのスイッチ側と異なる一端には、それぞれ、電圧Vrstおよび電圧Vsetが供給されている。また、RS−SWやSS−SWは、例えばMOSトランジスタで構成する。   A read / write circuit RWCa is connected to the node N1. The RWCa includes a reset current source Irst and a reset switch RS-SW, a set current source Iset and a set switch SS-SW, and a readout circuit. The read circuit includes a voltage source Vpre for bit line precharge, a precharge switch PRE and a read switch TG for connecting Vpre to the node N1, and a sense amplifier SA connected to a node between TG and PRE. Contains. Note that the voltage Vrst and the voltage Vset are respectively supplied to one ends of the Irst and Iset different from the switch side. The RS-SW and SS-SW are composed of, for example, MOS transistors.

このような構成において、本実施の形態3では、書き込み動作時のビット線の立ち上がり/立ち下がり時間を、resetスイッチRS−SWや、setスイッチSS−SWの駆動能力を低くすることによって長くする。具体的には、例えば、リセットスイッチRS−SWやsetスイッチSS−SWのゲート幅を、サブワード線ドライバXDR内のワード線駆動トランジスタXTRのゲート幅に比べて小さくする。また、例えば、リセットスイッチRS−SWやsetスイッチSS−SWのゲート幅を、ビット線選択スイッチYS内のビット線接続トランジスタYTRのゲート幅よりも小さくする。   In such a configuration, in the third embodiment, the rise / fall time of the bit line during the write operation is lengthened by lowering the drive capability of the reset switch RS-SW and the set switch SS-SW. Specifically, for example, the gate width of the reset switch RS-SW and the set switch SS-SW is made smaller than the gate width of the word line driving transistor XTR in the sub word line driver XDR. For example, the gate width of the reset switch RS-SW and the set switch SS-SW is made smaller than the gate width of the bit line connection transistor YTR in the bit line selection switch YS.

図11は、図10の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。ここでは、メモリセルMC00に対して動作を行う場合を例として説明する。図11に示すように、reset動作(RESET)を行う場合、resetスイッチRS−SWとビット線選択スイッチYS0内のビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることで、ビット線BL0を選択し、立ち上げる。このとき、RS−SWの駆動能力は低いため、BL0の立ち上がり時間は長くなる。そのため、同じビット線BL0に接続されている、例えばメモリセルMC10の記憶素子R10に流れる電流Icel10を小さくすることができる。   FIG. 11 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. Here, a case where an operation is performed on the memory cell MC00 will be described as an example. As shown in FIG. 11, when the reset operation (RESET) is performed, the bit line BL0 is selected and activated by turning on the reset switch RS-SW and the bit line connection transistor YTR0 in the bit line selection switch YS0. . At this time, since the drive capability of the RS-SW is low, the rise time of BL0 becomes long. Therefore, for example, the current Icel10 flowing through the storage element R10 of the memory cell MC10 connected to the same bit line BL0 can be reduced.

その後、FXドライバFXDR1に対する制御信号FXIとメインワード線MWL1を選択し、制御信号FXBを非選択とすることで、サブワード線SWL0を立ち上げる。記憶素子R00が融点まで加熱されるのに十分な時間経過後、FXIとMWL1を非選択とし、制御信号FXBを選択することでSWL0を立ち下げる。この際に、ワード線駆動トランジスタXTRを含むサブワード線ドライバXDR0内の各トランジスタは駆動能力が高く設計されており、SWL0を急速に立ち下げることが可能となっている。そして、これによって記憶素子R00は、急冷され、アモルファス状態となる。続いて、RS−SWとYTR0をオフにすることで、BL0を立ち下げる。この際も、RW−SWの駆動能力が低く設計されているため、BL0の立ち下がり時間は長くなる。したがって、例えば記憶素子R10に流れる電流Icel10を小さくすることができる。   Thereafter, the control signal FXI and the main word line MWL1 for the FX driver FXDR1 are selected, and the control signal FXB is deselected to start up the sub word line SWL0. After a sufficient time has elapsed for the memory element R00 to be heated to the melting point, FXI and MWL1 are deselected and the control signal FXB is selected to cause SWL0 to fall. At this time, each transistor in the sub word line driver XDR0 including the word line drive transistor XTR is designed to have high driving capability, and SWL0 can be rapidly lowered. As a result, the memory element R00 is rapidly cooled to be in an amorphous state. Subsequently, BL0 is lowered by turning off RS-SW and YTR0. Also at this time, since the drive capability of the RW-SW is designed to be low, the fall time of BL0 becomes long. Therefore, for example, the current Icel10 flowing through the memory element R10 can be reduced.

また、set動作(SET)を行う場合、setスイッチSS−SWとビット線選択スイッチYS0内のビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることで、ビット線BL0を選択し、立ち上げる。このとき、SS−SWの駆動能力は低いため、BL0の立ち上がり時間は長くなり、例えば記憶素子R10に流れる電流Icel10を小さくすることができる。その後、reset動作時と同様にしてサブワード線SWL0を立ち上げ、記憶素子R00に対してreset動作時よりも小さい電流をreset動作時よりも長い時間が流した後、SWL0を立ち下げる。また、SWL0の立ち下げと共に、SS−SWとYTR0をオフにすることで、BL0を立ち下げる。この際、SS−SWの駆動能力が低く設計されているため、BL0の立ち下がり時間は長くなる。これによって、記憶素子R00は結晶状態となり、さらに、例えば記憶素子R10に流れる電流Icel10を小さくすることができる。   When performing the set operation (SET), the bit line BL0 is selected and turned on by turning on the set switch SS-SW and the bit line connection transistor YTR0 in the bit line selection switch YS0. At this time, since the drive capability of SS-SW is low, the rise time of BL0 becomes long, and for example, the current Icel10 flowing through the memory element R10 can be reduced. Thereafter, the sub-word line SWL0 is raised in the same manner as in the reset operation, and a current smaller than that in the reset operation is passed through the storage element R00 for a longer time than in the reset operation, and then SWL0 is lowered. In addition, by turning off SS-SW and YTR0 along with the fall of SWL0, BL0 is lowered. At this time, since the SS-SW drive capability is designed to be low, the fall time of BL0 becomes long. As a result, the memory element R00 enters a crystalline state, and further, for example, the current Icel10 flowing through the memory element R10 can be reduced.

また、read動作(READ)を行う場合、読み出しスイッチTGおよびプリチャージスイッチPREとビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることで、ビット線BL0を選択し、BL0に対して電圧源Vpreの電圧をプリチャージする。この際、プリチャージ電圧は低いため、例えば記憶素子R10にディスターブとして流れる電流Icel10は小さく、非選択メモリセルへのディスターブの影響は小さい。その後、PREをオフにして、reset動作時と同様にしてサブワード線SWL0を立ち上げる。そうすると、BL0の電圧は、記憶素子R00がアモルファス状態の場合にはほぼプリチャージ電圧に維持され、結晶状態の場合にはグラウンドGNDに向けて放電される。したがって、このBL0の電圧の違いをセンスアンプSAで感知することで読み出しが可能となる。読み出しデータが確定した後は、TGとYTR0をオフにする。   Further, when the read operation (READ) is performed, the read switch TG, the precharge switch PRE, and the bit line connection transistor YTR0 are turned on to select the bit line BL0 and precharge the voltage of the voltage source Vpre to BL0. Charge. At this time, since the precharge voltage is low, for example, the current Icel10 flowing as a disturb in the storage element R10 is small, and the influence of the disturb on the unselected memory cells is small. Thereafter, PRE is turned off, and the sub word line SWL0 is raised in the same manner as in the reset operation. Then, the voltage of BL0 is maintained at a precharge voltage when the storage element R00 is in an amorphous state, and is discharged toward the ground GND when the storage element R00 is in a crystalline state. Therefore, reading is possible by sensing the difference in voltage of BL0 with the sense amplifier SA. After the read data is determined, TG and YTR0 are turned off.

ところで、一般的には、ビット線BLに対する電流または電圧の供給/停止を高速に行うため、resetスイッチRS−SWまたはsetスイッチSS−SWの駆動能力(ゲート幅)はある程度大きく設計される。特に、reset動作における急冷を、ビット線BLに対する電流を停止することによって実現する方式では、RS−SWのゲート幅を十分に大きくしなければならない。また、一般的に、ビット線接続トランジスタYTRは、RS−SWまたはSS−SWと異なり各ビット線毎に設ける必要があり、トランジスタ数が多くなるため、通常、RS−SWまたはSS−SWよりもゲート幅が小さく設計される。   By the way, generally, in order to supply / stop the current or voltage to / from the bit line BL at high speed, the drive capability (gate width) of the reset switch RS-SW or the set switch SS-SW is designed to be somewhat large. In particular, in the method of realizing the rapid cooling in the reset operation by stopping the current for the bit line BL, the gate width of the RS-SW must be sufficiently increased. In general, the bit line connection transistor YTR needs to be provided for each bit line, unlike the RS-SW or SS-SW, and the number of transistors increases. Therefore, the bit line connection transistor YTR is usually more than the RS-SW or SS-SW. The gate width is designed to be small.

一方、本実施の形態3の回路では、これとは逆の大小関係となり、回路面積が許容可能な範囲でできるだけ大きなゲート幅を備えたビット線接続トランジスタYTRを設計し、このYTRよりもゲート幅が小さくなるようにRS−SWまたはSS−SWを設計する。そうすると、read動作時において、ビット線接続トランジスタYTRのゲート幅がある程度大きく設計されているため、高速な読み出し動作が可能となる。更に、reset動作時またはset動作時においては、RS−SWまたはSS−SWのゲート幅を小さく設計したため、書き込み動作時のビット線の遷移時間を長くでき、非選択メモリセルへのディスターブの影響を低減することが可能となる。そして、RS−SWのゲート幅を小さく設計した場合でも、reset動作時の急冷はワード線WLの立ち下げによって行うため問題は生じない。   On the other hand, in the circuit of the third embodiment, the magnitude relationship is opposite to this, and a bit line connection transistor YTR having a gate width as large as possible within the allowable circuit area is designed, and the gate width is larger than this YTR. RS-SW or SS-SW is designed so as to be small. Then, at the time of the read operation, the gate width of the bit line connection transistor YTR is designed to be somewhat large, so that a high-speed read operation can be performed. Furthermore, since the gate width of the RS-SW or SS-SW is designed to be small at the time of the reset operation or the set operation, the bit line transition time at the time of the write operation can be lengthened, and the influence of disturb on the unselected memory cells can be reduced. It becomes possible to reduce. Even when the gate width of the RS-SW is designed to be small, no problem arises because the rapid cooling during the reset operation is performed by the fall of the word line WL.

また、一般的に、リセット時に大きな電流を流す必要がある相変化メモリにおいては、サブワード線ドライバXDR内のワード線駆動トランジスタXTRなどのゲート幅は、resetスイッチRS−SWまたはsetスイッチSS−SWのゲート幅よりも小さく設計される。この理由は、サブワード線SWL毎に存在するXTRに比べて、複数のビット線BLに1つだけ存在するRS−SWまたはSS−SWの数が少ないためである。一方、本実施の形態3の回路では、ワード線WLの立ち下げでreset動作の急冷を行うのに十分なXTRのゲート幅を確保した上で、このXTRよりも小さいゲート幅を備えたRS−SWまたはSS−SWを設けることで、非選択メモリセルへのディスターブの影響を低減する。すなわち、前述した一般的な構成とは逆の大小関係になり得る。   In general, in a phase change memory that requires a large current to flow at reset, the gate width of the word line drive transistor XTR in the sub word line driver XDR is the same as that of the reset switch RS-SW or the set switch SS-SW. Designed to be smaller than the gate width. This is because the number of RS-SWs or SS-SWs that exist only one in the plurality of bit lines BL is smaller than the XTRs that exist for each sub-word line SWL. On the other hand, in the circuit of the third embodiment, an RS− with a gate width smaller than this XTR is secured after securing a gate width of XTR sufficient for rapid reset operation by the fall of the word line WL. By providing SW or SS-SW, the influence of disturb on unselected memory cells is reduced. That is, the magnitude relationship can be opposite to that of the general configuration described above.

以上、本実施の形態3の半導体集積回路装置を用いることで、読み出し速度を維持した上で、前述した実施の形態1で述べたように、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。また、resetスイッチRS−SWまたはsetスイッチSS−SWのトランジスタサイズを小さくできるため、小さい回路面積で相変化メモリの信頼性を向上させることできる。   As described above, by using the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment, it is possible to improve the reliability of the phase change memory as described in the first embodiment while maintaining the reading speed. Become. Further, since the transistor size of the reset switch RS-SW or the set switch SS-SW can be reduced, the reliability of the phase change memory can be improved with a small circuit area.

(実施の形態4)
本実施の形態4では、実施の形態1で説明した立ち上がり/立ち下がり時間を長くする機能を実現する、実施の形態2,3とは異なる回路構成の一例について説明する。図12は、本発明の実施の形態4による半導体集積回路装置において、その構成の一例を示す回路図である。図12に示す半導体集積回路装置は、メモリアレイ部ARYbと、X系アドレスデコーダX−DECbと、Y系アドレスデコーダY−DECbと、読み出し・書き込み回路RWCbにより構成される。図12の構成例は、実施の形態3で述べた図10の構成例を変形したものであり、以下、図10の構成例と異なる箇所に着目して説明を行う。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, an example of a circuit configuration different from the second and third embodiments that realizes the function of extending the rise / fall time described in the first embodiment will be described. FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the semiconductor integrated circuit device according to the fourth embodiment of the present invention. The semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 12 includes a memory array unit ARYb, an X-system address decoder X-DECb, a Y-system address decoder Y-DECb, and a read / write circuit RWCb. The configuration example of FIG. 12 is a modification of the configuration example of FIG. 10 described in the third embodiment, and the following description will be made by paying attention to different points from the configuration example of FIG.

図12に示すARYbおよびY−DECbは、前述した図10のARYaおよびY−DECaと同様の構成である。図12のX−DECbは、図10のX−DECaとはFXドライバの構成が異なっており、それ以外は同様である。すなわち、図10のFXドライバFXDRが電源電圧VDDまたはグラウンドGNDの2値を出力するドライバであるのに対して、図12のFXドライバFXbDRは、セット用電源電圧VWsetまたはリセット用電源電圧VWrstまたはグラウンドGNDの3値を出力するドライバとなっている。FXbDRの出力電圧FXOは、制御信号FXSETに対応してVWsetとなり、制御信号FXRSTに対応してVWrstとなり、制御信号FXBに対応してグラウンドGNDとなる。そして、この出力電圧FXOは、図10と同様に、サブワード線ドライバXDRに供給され、メインワード線MWLが選択された際に、XDR内のワード線駆動トランジスタXTRを介してサブワード線SWLの駆動電圧となる。   ARYb and Y-DECb shown in FIG. 12 have the same configuration as ARYa and Y-DECa of FIG. 10 described above. The X-DECb in FIG. 12 is the same as the X-DECa in FIG. 10 except for the configuration of the FX driver. That is, the FX driver FXDR in FIG. 10 is a driver that outputs a binary value of the power supply voltage VDD or the ground GND, whereas the FX driver FXbDR in FIG. 12 has the set power supply voltage VWset or the reset power supply voltage VWrst or the ground. It is a driver that outputs three values of GND. The output voltage FXO of FXbDR becomes VWset corresponding to the control signal FXSET, becomes VWrst corresponding to the control signal FXRST, and becomes ground GND corresponding to the control signal FXB. This output voltage FXO is supplied to the sub word line driver XDR as in FIG. 10, and when the main word line MWL is selected, the drive voltage of the sub word line SWL is passed through the word line drive transistor XTR in the XDR. It becomes.

また、図12に示す読み出し・書き込み回路RWCbは、図10の読み出し・書き込み回路RWCaと異なり、書き込み制御信号WTによって制御される書き込み用トランジスタWTRと、読み出し制御信号RDによって制御される読み出し用トランジスタRTRと、センスアンプSAとを備えた構成となっている。図12のRWCbは、図10のRWCaがreset動作用のスイッチおよび電流源とset動作用のスイッチおよび電流源を備えていたのに対して、reset動作とset動作で共通のトランジスタWTRおよび電圧源Vwtを有することが特徴となっている。なお、WTRは、例えばMOSトランジスタで構成する。   Further, the read / write circuit RWCb shown in FIG. 12 is different from the read / write circuit RWCa of FIG. 10 in that the write transistor WTR controlled by the write control signal WT and the read transistor RTR controlled by the read control signal RD. And a sense amplifier SA. The RWCb of FIG. 12 is different from the RWCa of FIG. 10 in that it includes a reset operation switch and current source, and a set operation switch and current source, whereas the reset operation and the set operation have a common transistor WTR and voltage source. It is characterized by having Vwt. The WTR is composed of, for example, a MOS transistor.

このような構成において、本実施の形態4では、実施の形態3と同様に、書き込み動作時のビット線の立ち上がり/立ち下がり時間を、WTRの駆動能力を低くすることによって長くする。具体的には、例えば、WTRのゲート幅を、ビット線選択スイッチYS内のビット線接続トランジスタYTRのゲート幅よりも小さくする。   In such a configuration, in the fourth embodiment, as in the third embodiment, the rise / fall time of the bit line during the write operation is lengthened by lowering the drive capability of the WTR. Specifically, for example, the gate width of the WTR is made smaller than the gate width of the bit line connection transistor YTR in the bit line selection switch YS.

図13は、図12の半導体集積回路装置の動作の一例を示す波形図である。図13の動作は、図11の動作と異なり、set動作とreset動作でサブワード線の駆動電圧を変えることが特徴となっている。以下、メモリセルMC00に対して動作を行う場合を例として動作例を説明する。図13に示すように、reset動作(RESET)を行う場合、書き込み制御信号WTによってWTRを導通し、ビット線選択スイッチYS0内のビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることで、ビット線BL0を選択し、BL0に電圧Vwtを供給する。このとき、WTRの駆動能力は低いため、BL0の立ち上がり時間は長くなる。そのため、同じビット線BL0に接続されている、例えばメモリセルMCn0の記憶素子Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることができる。   FIG. 13 is a waveform diagram showing an example of the operation of the semiconductor integrated circuit device of FIG. The operation of FIG. 13 is different from the operation of FIG. 11 in that the drive voltage of the sub word line is changed by the set operation and the reset operation. Hereinafter, an example of operation will be described by taking as an example the case of performing an operation on the memory cell MC00. As shown in FIG. 13, when performing a reset operation (RESET), the bit line BL0 is selected by turning on the WTR by the write control signal WT and turning on the bit line connection transistor YTR0 in the bit line selection switch YS0. Then, the voltage Vwt is supplied to BL0. At this time, since the drive capability of the WTR is low, the rise time of BL0 becomes long. Therefore, for example, the current Iceln0 that is connected to the same bit line BL0 and flows through the memory element Rn0 of the memory cell MCn0 can be reduced.

その後、FXドライバFXbDR1に対する制御信号FXRSTとメインワード線MWL1を選択し、制御信号FXBを非選択とすることで、サブワード線SWL0を立ち上げる。この際には、FXbDR1によってリセット用電源電圧VWrstが出力され、この電圧がワード線駆動トランジスタXTRを介してサブワード線SWL0の駆動電圧となる。記憶素子R00が融点まで加熱されるのに十分な時間経過後、FXRSTとMWL1を非選択とし、制御信号FXBを選択することでSWL0を立ち下げる。この際に、ワード線駆動トランジスタXTRを含むサブワード線ドライバXDR0内の各トランジスタは駆動能力が高く設計されており、SWL0を急速に立ち下げることが可能となっている。そして、これによって記憶素子R00は、急冷され、アモルファス状態となる。続いて、WTRとYTR0をオフにすることで、BL0を立ち下げる。この際も、WTRの駆動能力が低く設計されているため、BL0の立ち下がり時間は長くなる。したがって、例えば記憶素子Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることができる。   Thereafter, the control signal FXRST and the main word line MWL1 for the FX driver FXbDR1 are selected, and the control signal FXB is deselected, thereby starting up the sub word line SWL0. At this time, the reset power supply voltage VWrst is output by FXbDR1, and this voltage becomes the drive voltage of the sub word line SWL0 via the word line drive transistor XTR. After a sufficient time has elapsed for the memory element R00 to be heated to the melting point, FXRST and MWL1 are deselected and the control signal FXB is selected to cause SWL0 to fall. At this time, each transistor in the sub word line driver XDR0 including the word line drive transistor XTR is designed to have high driving capability, and SWL0 can be rapidly lowered. As a result, the memory element R00 is rapidly cooled to be in an amorphous state. Subsequently, BL0 is lowered by turning off WTR and YTR0. Also at this time, since the drive capability of the WTR is designed to be low, the fall time of BL0 becomes long. Therefore, for example, the current Iceln0 flowing through the memory element Rn0 can be reduced.

また、set動作(SET)を行う場合、書き込み制御信号WTによってWTRを導通し、ビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることで、ビット線BL0を選択し、BL0にreset動作時と同様の電圧Vwtを供給する。このとき、WTRの駆動能力は低いため、BL0の立ち上がり時間は長くなり、例えば記憶素子Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることができる。その後、FXドライバFXbDR1に対する制御信号FXSETとメインワード線MWL1を選択し、制御信号FXBを非選択とすることで、サブワード線SWL0を立ち上げる。この際には、FXbDR1によってVWrstよりも電圧値が小さいセット用電源電圧VWsetが出力され、この電圧がXTRを介してSWL0の駆動電圧となる。   When performing the set operation (SET), WTR is turned on by the write control signal WT and the bit line connection transistor YTR0 is turned on to select the bit line BL0, and BL0 has the same voltage Vwt as in the reset operation. Supply. At this time, since the drive capability of the WTR is low, the rise time of BL0 becomes long, and for example, the current Iceln0 flowing through the storage element Rn0 can be reduced. Thereafter, the control signal FXSET and the main word line MWL1 for the FX driver FXbDR1 are selected, and the control signal FXB is deselected to start up the sub word line SWL0. At this time, FXbDR1 outputs a set power supply voltage VWset having a voltage value smaller than VWrst, and this voltage becomes the drive voltage of SWL0 via XTR.

このSWL0の駆動電圧の違いを用いて、記憶素子R00に対してreset動作時よりも小さい電流をreset動作時よりも長い時間が流した後、SWL0を立ち下げる。また、SWL0の立ち下げと共に、WTRとYTR0をオフにすることで、BL0を立ち下げる。この際、WTRの駆動能力が低く設計されているため、BL0の立ち下がり時間は長くなる。これによって、記憶素子R00は結晶状態となり、さらに、例えば記憶素子Rn0に流れる電流Iceln0を小さくすることができる。   By using the difference in the drive voltage of SWL0, a current smaller than that in the reset operation is passed through the storage element R00 for a longer time than in the reset operation, and then SWL0 is lowered. In addition, BL0 is lowered by turning off WTR and YTR0 simultaneously with the fall of SWL0. At this time, since the drive capability of the WTR is designed to be low, the fall time of BL0 becomes long. As a result, the memory element R00 enters a crystalline state, and for example, the current Iceln0 flowing through the memory element Rn0 can be reduced.

また、read動作(READ)を行う場合、読み出し制御信号RDによって読み出しトランジスタRTRを導通させ、ビット線接続トランジスタYTR0をオンにすることでビット線BL0を選択し、BL0に対して読み出し用の電圧Vrdを印加する。この際、読み出し用の電圧または電流は小さいため、例えば記憶素子Rn0に流れる電流Iceln0も小さい。その後、例えばreset動作時と同様に制御信号FXRSTを用いてサブワード線SWL0を立ち上げる。これによって、記憶素子R00では、その状態に応じた放電が発生し、その放電状態の違いをセンスアンプSAで感知および増幅する。読み出しデータが確定した後は、サブワード線SWL0を立ち下げ、読み出しトランジスタRTRとYTR0をオフにする。   When the read operation (READ) is performed, the read transistor RTR is turned on by the read control signal RD and the bit line connection transistor YTR0 is turned on to select the bit line BL0, and the read voltage Vrd with respect to BL0. Is applied. At this time, since the voltage or current for reading is small, for example, the current Iceln0 flowing through the memory element Rn0 is also small. Thereafter, the sub word line SWL0 is raised using the control signal FXRST, for example, as in the reset operation. Thereby, in the memory element R00, a discharge corresponding to the state is generated, and the difference in the discharge state is sensed and amplified by the sense amplifier SA. After the read data is determined, the sub word line SWL0 is lowered and the read transistors RTR and YTR0 are turned off.

この図12の構成例では、図10の構成例と同様に、ビット線接続トランジスタYTR0よりも書き込みトランジスタWTRのゲート幅を小さく設計することで、read動作の高速化を実現でき、また、reset動作時またはset動作時における非選択メモリセルへのディスターブを低減できる。更に、ここでは、サブワード線SWLの駆動電圧を変えることで、set動作時とreset動作時の書き込み回路の共通化を実現しているため、図10の構成例と比べて更に回路面積の低減が可能となる。   In the configuration example of FIG. 12, similarly to the configuration example of FIG. 10, the read operation can be speeded up by designing the gate width of the write transistor WTR to be smaller than the bit line connection transistor YTR0, and the reset operation. Disturbances to unselected memory cells during the time or set operation can be reduced. Furthermore, since the writing circuit is shared between the set operation and the reset operation by changing the drive voltage of the sub word line SWL, the circuit area can be further reduced as compared with the configuration example of FIG. It becomes possible.

以上、本実施の形態4の半導体集積回路装置を用いることで、読み出し速度を維持した上で、前述した実施の形態1で述べたように、相変化メモリの信頼性を向上させることが可能となる。また、本実施の形態3の半導体集積回路装置よりも更に回路面積の低減が実現可能となる。   As described above, by using the semiconductor integrated circuit device according to the fourth embodiment, it is possible to improve the reliability of the phase change memory as described in the first embodiment while maintaining the reading speed. Become. Further, the circuit area can be further reduced as compared with the semiconductor integrated circuit device according to the third embodiment.

(実施の形態5)
本実施の形態5の半導体集積回路装置は、非選択メモリセルに対するディスターブを、メモリセルの構成によって防止するものである。図14は、本発明の実施の形態5による半導体集積回路装置において、それに含まれるメモリセルの構成例を示す回路図である。図14のメモリセルMCは、選択素子SWと記憶素子(相変化素子)Rに加えてダイオードDを備えている。選択素子SWは、例えばNMOSトランジスタであり、ゲートがワード線WLに接続され、ソースがソース線SLに接続され、ドレインが相変化素子Rの一端に接続される。相変化素子Rの他端は、ダイオードDのカソードに接続され、ダイオードDのアノードは、ビット線BLに接続される。
(Embodiment 5)
In the semiconductor integrated circuit device according to the fifth embodiment, disturbance to unselected memory cells is prevented by the configuration of the memory cells. FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell included in the semiconductor integrated circuit device according to the fifth embodiment of the present invention. The memory cell MC of FIG. 14 includes a diode D in addition to the selection element SW and the storage element (phase change element) R. Selection element SW is an NMOS transistor, for example, and has a gate connected to word line WL, a source connected to source line SL, and a drain connected to one end of phase change element R. The other end of phase change element R is connected to the cathode of diode D, and the anode of diode D is connected to bit line BL.

このような構成を用いると、ダイオードDによって逆方向へ流れる電流を防止できるため、非選択メモリセルのディスターブの影響を半減させることができる。このダイオードDは、例えば、拡散層を用いて形成することができる。   When such a configuration is used, the current flowing in the reverse direction due to the diode D can be prevented, so that the influence of the disturb of the unselected memory cell can be halved. The diode D can be formed using a diffusion layer, for example.

(実施の形態6)
本実施の形態6の半導体集積回路装置は、実施の形態5と同様に、非選択メモリセルに対するディスターブを、メモリセルの構成によって防止するものである。図15は、本発明の実施の形態6による半導体集積回路装置において、それに含まれるメモリセルの構成例を示す回路図である。図15のメモリセルMCは、2つの選択素子SWa,SWbと、その間に接続された記憶素子(相変化素子)Rとを備えている。選択素子SWa,SWbは、例えばNMOSトランジスタである。SWaは、ゲートがワード線WLに接続され、ドレインがビット線BLに接続され、ソースが相変化素子Rの一端に接続される。SWbは、ゲートがワード線WLに接続され、ドレインが相変化素子Rの他端に接続され、ソースがソース線SLに接続される。
(Embodiment 6)
In the semiconductor integrated circuit device according to the sixth embodiment, similarly to the fifth embodiment, the disturbance to the non-selected memory cells is prevented by the configuration of the memory cells. FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration example of the memory cell included in the semiconductor integrated circuit device according to the sixth embodiment of the present invention. The memory cell MC of FIG. 15 includes two selection elements SWa and SWb, and a storage element (phase change element) R connected therebetween. The selection elements SWa and SWb are, for example, NMOS transistors. SWa has a gate connected to word line WL, a drain connected to bit line BL, and a source connected to one end of phase change element R. SWb has a gate connected to word line WL, a drain connected to the other end of phase change element R, and a source connected to source line SL.

このような構成を用いると、メモリセルMCが非選択の際には、選択素子SWaによってビット線BLと相変化素子Rが遮断されるため、ディスターブの影響が殆ど生じない。なお、選択素子SWaは、選択素子SWbに比べて閾値電圧が低く設計されており、リーク電流は大きくなるが、十分な駆動力を備えている。したがって、書き込み時の電流量などは、実質、SWbの設計によって調整される。   When such a configuration is used, when the memory cell MC is not selected, the bit line BL and the phase change element R are cut off by the selection element SWa, so that the influence of disturbance hardly occurs. Note that the selection element SWa is designed to have a threshold voltage lower than that of the selection element SWb, and the leakage current increases, but it has a sufficient driving force. Therefore, the amount of current at the time of writing is substantially adjusted by the design of SWb.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明の半導体集積回路装置は、相変化材料を用いたメモリセルを含む高密度集積メモリ回路、あるいはメモリ回路と論理回路とが同一半導体基板に設けられたロジック混載型メモリなどに広く適用可能であり、このような製品が高温条件下で用いられる場合に更に有益なものとなる。   The semiconductor integrated circuit device of the present invention can be widely applied to a high-density integrated memory circuit including memory cells using a phase change material, or a logic-embedded memory in which a memory circuit and a logic circuit are provided on the same semiconductor substrate. Yes, it is even more beneficial when such products are used under high temperature conditions.

Claims (17)

複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点にそれぞれ配置された複数のメモリセルとを含み、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
前記複数のビット線のいずれかに一端が接続され、高抵抗状態または低抵抗状態に書き込まれることで情報を記憶する記憶素子と、
前記記憶素子の他端に一端が接続され、前記複数のワード線のいずれかによってオン/オフが制御される第1トランジスタとを備え、
前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記複数のビット線の立ち上がり時間は、前記複数のワード線の立ち上がり時間よりも長い、又は、前記複数のビット線の立ち下がり時間は、前記複数のワード線の立ち下がり時間より長いことを特徴とする半導体集積回路装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines extending in a direction intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells respectively disposed at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Each of the plurality of memory cells includes
One end is connected to one of the plurality of bit lines, and a storage element that stores information by being written in a high resistance state or a low resistance state;
A first transistor having one end connected to the other end of the memory element and controlled on / off by any of the plurality of word lines;
When writing the storage element to a high resistance state, the rise time of the plurality of bit lines is longer than the rise time of the plurality of word lines, or the fall time of the plurality of bit lines is the plurality of words. A semiconductor integrated circuit device characterized by being longer than the fall time of the line.
請求項1記載の半導体集積回路装置において、更に、
前記記憶素子を低抵抗状態に書き込む際、前記複数のビット線の立ち上がり時間は、前記複数のワード線の立ち上がり時間よりも長い、又は、前記複数のビット線の立ち下がり時間は、前記複数のワード線の立ち下がり時間より長いことを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, further comprising:
When writing the memory element to a low resistance state, the rise time of the plurality of bit lines is longer than the rise time of the plurality of word lines, or the fall time of the plurality of bit lines is the plurality of words. A semiconductor integrated circuit device characterized by being longer than the fall time of the line.
請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記複数のビット線は、アドレスデコーダからの選択信号によってオン/オフが制御される第2トランジスタを介して書き込み回路に接続され、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記書き込み回路内に設けられた容量素子を用いて、前記複数のビット線の立ち上がり時間/立ち下がり時間を長くすることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1.
The plurality of bit lines are connected to a write circuit through a second transistor whose on / off is controlled by a selection signal from an address decoder,
The write circuit uses the capacitor provided in the write circuit to increase the rise time / fall time of the plurality of bit lines when the memory element is written in a high resistance state. Semiconductor integrated circuit device.
請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記複数のビット線は、アドレスデコーダからの選択信号によってオン/オフが制御される第2トランジスタを介して書き込み回路に接続され、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際の駆動能力が低く設計されることによって、前記複数のビット線の立ち上がり時間/立ち下がり時間を長くすることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1.
The plurality of bit lines are connected to a write circuit through a second transistor whose on / off is controlled by a selection signal from an address decoder,
The write circuit is designed to increase the rise time / fall time of the plurality of bit lines by designing the write circuit to have a low driving capability when writing the memory element in a high resistance state. .
請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するワード線の立ち下がりを用いて前記記憶素子を急冷させることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1.
A semiconductor integrated circuit device characterized in that when the memory element is written in a high resistance state, the memory element is rapidly cooled using a fall of a word line corresponding to the memory element.
請求項1記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子の前記第1トランジスタ側の接続部には、前記記憶素子に対して効率的に熱を伝達するための容量性の界面層が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1.
2. A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a capacitive interface layer for efficiently transferring heat to the storage element is formed at a connection portion on the first transistor side of the storage element.
請求項4記載の半導体集積回路装置において、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するビット線に向けて第3トランジスタを介して電圧信号または電流信号を出力し、
前記第3トランジスタは、前記第2トランジスタよりも駆動能力が小さいことを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 4.
The write circuit outputs a voltage signal or a current signal through a third transistor toward a bit line corresponding to the storage element when writing the storage element to a high resistance state,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the third transistor has a driving capability smaller than that of the second transistor.
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点にそれぞれ配置された複数のメモリセルとを含み、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
前記複数のビット線のいずれかに一端が接続され、高抵抗状態または低抵抗状態に書き込まれることで情報を記憶する記憶素子と、
前記記憶素子の他端に一端が接続され、前記複数のワード線のいずれかによってオン/オフが制御される第1トランジスタとを備え、
前記複数のビット線は、アドレスデコーダからの選択信号によってオン/オフが制御される第2トランジスタを介して書き込み回路に接続され、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際と低抵抗状態に書き込む際とで同一の回路を用いて同一レベルの電圧値を出力し、
前記複数のワード線は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際に第1レベルの電圧値を出力し、前記記憶素子を低抵抗状態に書き込む際に第2レベルの電圧値を出力するワード線駆動回路によって駆動されることを特徴とする半導体集積回路装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines extending in a direction intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells respectively disposed at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Each of the plurality of memory cells includes
One end is connected to one of the plurality of bit lines, and a storage element that stores information by being written in a high resistance state or a low resistance state;
A first transistor having one end connected to the other end of the memory element and controlled on / off by any of the plurality of word lines;
The plurality of bit lines are connected to a write circuit through a second transistor whose on / off is controlled by a selection signal from an address decoder,
The writing circuit outputs a voltage value of the same level using the same circuit when writing the storage element in a high resistance state and when writing in a low resistance state,
The plurality of word lines output a first level voltage value when the memory element is written in a high resistance state, and output a second level voltage value when the memory element is written in a low resistance state. A semiconductor integrated circuit device driven by a drive circuit.
請求項8記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子に対して書き込みを行う際、前記複数のビット線の立ち上がり時間は、前記複数のワード線の立ち上がり時間よりも長い、又は、前記複数のビット線の立ち下がり時間は、前記複数のワード線の立ち下がり時間より長いことを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 8.
When writing to the storage element, rise times of the plurality of bit lines are longer than rise times of the plurality of word lines, or fall times of the plurality of bit lines are equal to the plurality of words. A semiconductor integrated circuit device characterized by being longer than the fall time of the line.
請求項8記載の半導体集積回路装置において、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際と低抵抗状態に書き込む際とで第4トランジスタを介して同一レベルの電圧値を出力し、
前記第4トランジスタは、前記第2トランジスタよりも駆動能力が小さいことを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 8.
The write circuit outputs a voltage value of the same level via the fourth transistor when writing the storage element in a high resistance state and when writing to the low resistance state,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the fourth transistor has a driving capability smaller than that of the second transistor.
請求項8記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するワード線の立ち下がりを用いて前記記憶素子を急冷させることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 8.
A semiconductor integrated circuit device characterized in that when the memory element is written in a high resistance state, the memory element is rapidly cooled using a fall of a word line corresponding to the memory element.
請求項8記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子の前記第1トランジスタ側の接続部には、前記記憶素子に対して効率的に熱を伝達するための容量性の界面層が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 8.
2. A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a capacitive interface layer for efficiently transferring heat to the storage element is formed at a connection portion on the first transistor side of the storage element.
複数のワード線と、
前記複数のワード線と交差する方向に延在する複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の交点にそれぞれ配置された複数のメモリセルとを含み、
前記複数のメモリセルのそれぞれは、
前記複数のビット線のいずれかに一端が接続され、高抵抗状態または低抵抗状態に書き込まれることで情報を記憶する記憶素子と、
前記記憶素子の他端に一端が接続され、前記複数のワード線のいずれかによってオン/オフが制御される第1トランジスタとを備え、
前記複数のビット線は、アドレスデコーダからの選択信号によってオン/オフが制御される第2トランジスタを介して書き込み回路に接続され、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するビット線に向けて第3トランジスタを介して電圧信号または電流信号を出力し、
前記第3トランジスタの駆動能力は、前記第2トランジスタの駆動能力に比べて小さいことを特徴とする半導体集積回路装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines extending in a direction intersecting the plurality of word lines;
A plurality of memory cells respectively disposed at intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
Each of the plurality of memory cells includes
One end is connected to one of the plurality of bit lines, and a storage element that stores information by being written in a high resistance state or a low resistance state;
A first transistor having one end connected to the other end of the memory element and controlled on / off by any of the plurality of word lines;
The plurality of bit lines are connected to a write circuit through a second transistor whose on / off is controlled by a selection signal from an address decoder,
The write circuit outputs a voltage signal or a current signal through a third transistor toward a bit line corresponding to the storage element when writing the storage element to a high resistance state,
The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the driving capability of the third transistor is smaller than the driving capability of the second transistor.
請求項13記載の半導体集積回路装置において、更に、
前記書き込み回路は、前記記憶素子を低抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するビット線に向けて第5トランジスタを介して電圧信号または電流信号を出力し、
前記第5トランジスタの駆動能力は、前記第2トランジスタの駆動能力に比べて小さいことを特徴とする半導体集積回路装置。
14. The semiconductor integrated circuit device according to claim 13, further comprising:
The write circuit outputs a voltage signal or a current signal through a fifth transistor toward the bit line corresponding to the storage element when writing the storage element in a low resistance state.
The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the drive capability of the fifth transistor is smaller than the drive capability of the second transistor.
請求項13記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子を高抵抗状態に書き込む際、前記記憶素子に対応するワード線の立ち下がりを用いて前記記憶素子を急冷させることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 13.
A semiconductor integrated circuit device characterized in that when the memory element is written in a high resistance state, the memory element is rapidly cooled using a fall of a word line corresponding to the memory element.
請求項13記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子の前記第1トランジスタ側の接続部には、前記記憶素子に対して効率的に熱を伝達するための容量性の界面層が形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 13.
2. A semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a capacitive interface layer for efficiently transferring heat to the storage element is formed at a connection portion on the first transistor side of the storage element.
請求項14記載の半導体集積回路装置において、
前記記憶素子を高抵抗状態または低抵抗状態に書き込む際、前記複数のビット線の立ち上がり時間は、前記複数のワード線の立ち上がり時間よりも長い、又は、前記複数のビット線の立ち下がり時間は、前記複数のワード線の立ち下がり時間より長いことを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 14.
When writing the storage element to a high resistance state or a low resistance state, the rise time of the plurality of bit lines is longer than the rise time of the plurality of word lines, or the fall time of the plurality of bit lines is 2. A semiconductor integrated circuit device, wherein the plurality of word lines have a fall time longer than the fall time.
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