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JP6229982B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、メモリの基本特性の改善、ならびにデータの読出しおよび書込みを高速化する技術に関する。
近年、電子機器、特に携帯電話(スマートフォンを含む)、携帯音楽プレーヤー、デジタルカメラ、タブレット端末等の需要増に伴い、不揮発性半導体記憶装置の需要が高まっており、大容量化、小型化、高速書換え、高速読出し、低消費電力での動作を実現する技術開発が盛んに行われている。
現在主力の不揮発性メモリはフラッシュメモリであるが、フラッシュメモリの書換え時間はマイクロ秒、あるいはミリ秒オーダーであるため、フラッシュメモリを搭載したセット機器の性能向上を阻害する要因となっている。
近年フラッシュメモリと比べて、高速かつ低消費電力での書換えが可能な新規な不揮発性メモリの開発が盛んに行われている。例えば、抵抗変化型素子を記憶素子に用いた抵抗変化型メモリ(ReRAM:Resistive Random Access Memory)等である。抵抗変化型メモリでは、書換え時間がナノ秒オーダーと高速書換えが可能である。さらに、書換え時に必要な電圧が、フラッシュメモリでは10V以上必要であるが、抵抗変化型メモリでは1.8V程度であるため、不揮発性メモリの低消費電力化が実現可能である。
特許文献1には、抵抗変化型メモリの読出し回路の構成が開示されている。抵抗変化型メモリのメモリセルは抵抗変化素子とセルトランジスタの直列接続により構成される。抵抗変化素子は格納データ(“0”データ、“1”データ)に応じて、例えば1KΩから1MΩの抵抗値の範囲において、低抵抗値あるいは高抵抗値に設定されることでデータを記憶する。抵抗変化素子の抵抗値が低い場合はメモリセル電流が多く、高い場合はメモリセル電流が少なくなることを利用して、読出し動作時にはこのメモリセル電流の差異をセンスアンプ回路で検知することでメモリセルに格納されたデータが読み出される。
前述したメモリセルが行列状に配置されたメモリセルアレイにおいて、各列にそれぞれ対応して設けられた複数のメモリセルに含まれる抵抗変化素子に共通に接続された複数のビット線と、各行にそれぞれ対応して設けられた複数のメモリセルに含まれるセルトランジスタのソース端に共通に接続された複数のソース線とを備えている。そして、データ読出し時には、ビット線またはソース線の一方をセンスアンプ回路に入力し、他方を接地し、ビット線、ソース線に電荷を充電する。これにより、メモリセル電流の差異をセンスアンプ回路で検知することができ、メモリセルに格納されたデータの読出しが可能となる。
特許文献2には、抵抗変化型メモリの書込み回路の構成が開示されている。抵抗変化型メモリのメモリセルは抵抗変化素子とセルトランジスタの直列接続により構成される。抵抗変化素子は、書込み電圧の向きに応じて、高抵抗化、あるいは低抵抗化することが可能である。例えばメモリセルの抵抗変化素子側に書込み電圧を印加し、セルトランジスタ側を接地することでメモリセルを高抵抗化することができ、メモリセルの抵抗変化素子側を接地し、セルトランジスタ側に書込み電圧を印加することで、低抵抗化することが可能である。
特開2008−065953号公報 特開2008−052781号公報
しかしながら、前述した従来の抵抗変化型不揮発性メモリには以下に示す課題がある。すなわち、ビット線はメモリセルの抵抗変化素子に共通に接続される為、抵抗変化素子の上層で配線する必要があり、一般に配線抵抗は小さくなるが、寄生容量負荷は大きくなる。しかし、ソース線はメモリセルのセルトランジスタに共通に接続される為、ビット線よりも下層で配線する必要があり、一般に配線抵抗は大きくなり、寄生容量負荷は小さくなる。その為、データ書込み時、抵抗変化素子を高抵抗化する際はビット線に書込み電圧(Vreset)を印加し、低抵抗化する際はソース線に書込み電圧(Vset)を印加するが、これら所定の書込み電圧を印加しても、ビット線、ソース線の抵抗負荷が異なる為、メモリセルの両端では印加された電圧が異なることになる。その結果、書換え回数特性や書換え後のデータ保持特性などの不揮発メモリの基本特性が悪化するおそれがある。また、データ読出し時やデータ書込み時に、ビット線に電荷を充電する必要があるが、ビット線の容量負荷が大きい為、高速に充電することが出来ない。
かかる点に鑑みて、本発明は、不揮発性半導体記憶装置において、メモリの基本特性を改善するとともに、データの読出しおよび書込みを高速化することを目的とする。
上記課題を解決するため本発明によって次のような解決手段を講じた。不揮発性半導体記憶装置は、行列状に配置され、セルトランジスタと前記セルトランジスタのドレイン端に接続された抵抗変化素子とをそれぞれ含む複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのゲート端に共通に接続された複数のワード線と、前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれる抵抗変化素子に共通に接続された複数の第1のデータ線と、前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのソース端に共通に接続された複数の第2のデータ線と、前記複数のワード線のうち少なくとも1本のワード線を含む第1のメモリセルアレイ領域と、前記第1のメモリセルアレイ領域に含まれるワード線とは異なる少なくとも1本のワード線を含む第2のメモリセルアレイ領域とを備え、前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第2および第1のデータ線と接続されている。
あるいは、不揮発性半導体記憶装置は、行列状に配置され、セルトランジスタと前記セルトランジスタのドレイン端に接続された抵抗変化素子とをそれぞれ含む複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルの各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのゲート端に共通に接続された複数のワード線と、前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれる抵抗変化素子に共通に接続された複数の第1のデータ線と、前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのソース端に共通に接続された複数の第2のデータ線と、前記複数のワード線のうち少なくとも1本のワード線を含む第1のメモリセルアレイ領域と、前記第1のメモリセルアレイ領域に含まれるワード線とは異なる少なくとも1本のワード線を含む第2のメモリセルアレイ領域とを備え、前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線と接続されており、前記第1のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第2および第1のデータ線と接続されている。
不揮発性半導体記憶装置において、メモリセルへのデータの書込み時に、抵抗変化素子を高抵抗化する場合、第1のデータ線に書込み電圧が印加され、第2のデータ線が接地される。一方、抵抗変化素子を低抵抗化する場合は第1のデータ線が接地され、第2のデータ線に書込み電圧が印加される。
ここで、従来技術では、第1のデータ線に比べ第2のデータ線の配線抵抗負荷が大きく、これらデータ線の電圧降下量がそれぞれ異なるため、第1および第2のデータ線のそれぞれに同じ書込み電圧を印加しても、メモリセルの両端には同じ書込み電圧が印加されない。例えば、抵抗変化素子を低抵抗化する場合のドレイン電圧Vset(例えば2.4V)は、メモリアレイの端部での電圧降下が300mVであるのに対し、高抵抗化する場合のドレイン電圧Vreset(例えば2.4V)は、メモリアレイの端部での電圧降下が60mVである。そのため、抵抗変化素子を高抵抗化する場合と低抵抗化する場合とで電圧のバランスが崩れてしまう。その結果、書換え回数が増加するにつれて、書換え後のデータ保持特性が悪化する。
これに対して、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置では、第1および第2のデータ線の負荷を均等にすることができる。これにより、第1のデータ線と第2のデータ線に同じ書込み電圧を印加した場合、メモリセルの両端に印加される電圧も同じになる。例えば、抵抗変化素子を低抵抗化する場合のドレイン電圧Vset(例えば2.4V)は、メモリアレイの端部での電圧降下が180mVであるのに対し、高抵抗化する場合のドレイン電圧Vreset(例えば2.4V)はメモリアレイの端部での電圧降下が180mVである。したがって、高抵抗化する場合と低抵抗化する場合とで、電圧バランスが良化し、書換え回数特性や書換え後のデータ保持特性などの不揮発メモリの基本特性が良化する。
また、データの読出し時には、メモリセルに含まれる抵抗変化素子に接続された第1のデータ線から充電し、セルトランジスタのソース端に接続された第2のデータ線を接地電圧に接続して電流を流し、センスアンプによってメモリセルに格納されたデータが判定される。
従来技術では、第1のデータ線やビアの容量負荷が大きいため、第1のデータ線を高速に充電することが出来ない。
これに対して、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置では、第1のデータ線と第2のデータ線の容量負荷を均等にすることができるため、第1のデータ線やビアの容量負荷を実質的に半減することができる。これにより、第1のデータ線を高速に充電することが可能である。
データの書込み時においても、リセット(プログラム)を行う場合、データの読出し時と同様の効果が期待される。
第1のデータ線と第2のデータ線の容量負荷の差異は、メモリ容量が増加するにつれて顕著になるため、本発明はメモリの容量が増加しがちな不揮発性半導体記憶装置において、より有効である。
本発明によると、不揮発性半導体記憶装置において、第1および第2のデータ線の容量負荷を均等にすることができるため、メモリの基本特性を改善するとともに、データの読出しおよび書込みを高速化することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の主要部であるメモリアレイの構成図である。 図2は、図1のメモリアレイの最小単位の構成を示す図である。 図3は、一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成を示す図である。 図4は、図1のメモリアレイに含まれるメモリセルの構成例を示す図である。 図5は、図4に示すメモリセルの断面図である。 図6は、一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の各動作モードとメモリセルに印加される電圧との関係を示す図である。 図7は、一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読出し動作時における選択メモリセルの一例を示す図である。 図8は、実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読出し動作時における動作波形図である。 図9は、一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書込み動作時における選択メモリセルの一例を示す図である。 図10は、一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書込み動作時における動作波形図である。 図11は、図1のメモリアレイの別の構成例を示す図である。 図12は、図1のメモリアレイのさらに別の構成例を示す図である。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面における同一の符号は同一の構成要素を示すため、当該符号を繰り返し説明することを省略する場合がある。
図1は、本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の主要部であるメモリアレイの詳細構成を示す図であり、本発明の特徴であるデータ線の接続方法を示した図である。
図2は、図1のメモリアレイの最小単位の構成を示す図である。なお、図1および図2については本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成を説明した後に詳述する。
図3は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の全体構成を示す図である。不揮発性半導体記憶装置はメモリアレイ10、ワード線ドライバ20、カラムゲート21、ビットスイッチ22、センスアンプ23、ライトドライバ24、制御回路25を備えている。
メモリアレイ10の内部にはデータを格納する複数のメモリセルが配置されている。メモリアレイ10には、複数のメモリセルのそれぞれに対応して設けられた、ワード線WL0_0〜WL0_n,WL1_0〜WL1_n(適宜、WLと略記する。)、ビット線BL0〜BLm(適宜、BLと略記する。)、ソース線SL0〜SLm(適宜、SLと略記する。)が接続される。メモリアレイ10の詳細については後述する。なお、m,nは0以上の整数である。
ワード線ドライバ20は、入力アドレス(図3には図示していない)を受けてメモリアレイ10に接続されたワード線WLのいずれか1本を選択して駆動する回路である。
カラムゲート21は、入力アドレス(図3には図示していない)を受けてメモリアレイ10に接続されたビット線BLのいずれか1本およびソース線SLのいずれか1本を選択し、ビットスイッチ22に接続する回路である。
ビットスイッチ22は、入力アドレス(図3には図示していない)を受けて、カラムゲート21が選択したビット線BLおよびソース線SLのどちらか一方を後述するセンスアンプ23、ライトドライバ24に接続し、他方を接地電圧VSSに接続する回路である。
センスアンプ23は、メモリアレイ10のメモリセルに格納されたデータを読出し動作時に判定する回路である。読出し動作は、メモリセルが接続されたビット線BL0〜BLnがカラムゲート21とビットスイッチ22を介して選択されて、センスアンプ23に接続されることで行われる。本実施形態では、センスアンプ23に流れるリファレンス電流は任意の値として説明するが、このリファレンス電流はメモリセルを用いて発生する場合や、固定抵抗素子を用いて発生する場合においても、本発明は適用可能である。
ライトドライバ24は、データの書換え動作時にメモリアレイ10に書換え電圧を印加する回路である。具体的には、メモリセルに対してデータの書換え動作を行う場合はビット線BLあるいはソース線SLのいずれかを選択して正の電圧を、書換え動作を行わない場合は接地電圧VSSを印加する回路である。ライトドライバ24から供給された電圧はカラムゲート21とビットスイッチ22を介して選択されるビット線BLあるいはソース線SLに印加される。
制御回路25は不揮発性半導体記憶装置の読出し、書換えといった各種動作モードを制御する回路であり、前述したワード線ドライバ20、カラムゲート21、ビットスイッチ22、センスアンプ23、ライトドライバ24を制御する。
図4は、本実施形態に係るメモリアレイに含まれるメモリセルの回路図である。本実施形態では、不揮発性半導体記憶装置を、例えば抵抗変化型メモリ(ReRAM)を用いて構成したものとして説明する。メモリセルMCは抵抗変化素子RRとセルトランジスタTCの直列接続で構成される。ワード線WLはセルトランジスタTCのゲート端子に接続され、ビット線BLは抵抗変化素子RRの一端に接続され、ソース線SLはセルトランジスタのソース端に接続される。本実施形態ではビット線BLに抵抗変化素子RRが、ソース線SLにセルトランジスタTCが接続された構成を例に説明するが、ビット線BLにセルトランジスタTCが、ソース線SLに抵抗変化素子RRが接続されたメモリセルでも本発明は適用可能である。本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルは1つのセルトランジスタTCと1つの抵抗変化素子RRから構成される『1T1R』型の抵抗変化型メモリセルである。
図5は、図4に示すメモリセルの断面図である。半導体基板30上に拡散領域31a,31bが形成されており、拡散領域31aがセルトランジスタTCのソース端子として、拡散領域31bがセルトランジスタのドレイン端子として作用する。拡散領域31a,31b間がセルトランジスタTCのチャネル領域として作用し、このチャネル領域上に酸化膜32、ポリシリコンで形成されるゲート電極33(ワード線WL)が形成されることで、セルトランジスタTCとして作用する。
セルトランジスタTCのソース端子31aはビア34aを介して第1配線層35aであるソース線SLに接続される。セルトランジスタTCのドレイン端子31bはビア34bを介して第1配線層35bに接続される。第1配線層35bはビア36を介して第2配線層37に接続され、さらに、第2配線層37はビア38を介して抵抗変化素子RRに接続される。抵抗変化素子RRは下部電極39、抵抗変化層40、上部電極41から構成される。抵抗変化素子RRはビア42を介して第3配線層43であるビット線BLに接続される。
図6は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の各動作モードとメモリセルに印加される電圧との関係を示す図である。
図6において、データの読出し動作時には、ワード線WLにゲート電圧Vg_read(例えば1.8V)を印加することでセルトランジスタTCを選択状態にし、ビット線BLにドレイン電圧Vread(例えば0.4V)を印加し、ソース線SLに接地電圧VSS(0V)を印加する。これにより、抵抗変化素子RRが高抵抗状態(リセットあるいはプログラム状態)である場合はメモリセル電流が少なく、逆に、抵抗変化素子RRが低抵抗状態(セットあるいはイレーズ状態)の場合はメモリセル電流が多くなる。したがって、センスアンプ23で、この電流値の差異を判定することでメモリセルMCに格納されたデータがわかる。
リセット動作(プログラム動作)時には、ワード線WLにゲート電圧Vg_reset(例えば2.4V)を印加することでセルトランジスタTCを選択状態にし、ビット線BLにドレイン電圧Vreset(例えば2.4V)を印加し、ソース線SLに接地電圧VSS(0V)を印加する。これにより、抵抗変化素子RRの上部電極41に正電圧が印加され高抵抗状態(“0”データ)に抵抗変化する。
セット動作(イレーズ動作)時には、ワード線WLにゲート電圧Vg_set(例えば2.4V)を印加することでセルトランジスタTCを選択状態にし、ビット線BLに接地電圧VSS(0V)を印加し、ソース線SLにソース電圧Vset(例えば2.4V)を印加する。これにより、抵抗変化素子RRの下部電極39に正電圧が印加され低抵抗状態(“1”データ)に抵抗変化する。
図1に戻り、メモリアレイ10は、図4に示すメモリセルMCが行方向と列方向にマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ11とメモリセルアレイ12と、後述する交差領域50とを有する。
第1のメモリセルアレイ領域としてのメモリセルアレイ11は、ワード線WL0_0〜WL0_n、第1のデータ線としてのビット線BL0_0〜BL0_m、第2のデータ線としてのソース線SL0_0〜SL0_mを備え、前述した通り、ワード線WLはセルトランジスタのゲート端に、ビット線BLは抵抗変化素子の一端に、ソース線SLはセルトランジスタのソース端に接続されている。すなわち、メモリセルアレイ11は(n+1)×(m+1)個のメモリセルから構成されている。
第2のメモリセルアレイ領域としてのメモリセルアレイ12は、ワード線WL1_0〜WL1_n、第1のデータ線としてのビット線BL1_0〜BL1_m、第2のデータ線としてのソース線SL1_0〜SL1_mを備え、前述した通り、ワード線WLはセルトランジスタのゲート端に、ビット線BLは抵抗変化素子の一端に、ソース線SLはセルトランジスタのソース端に接続されている。すなわち、メモリセルアレイ12は(n+1)×(m+1)個のメモリセルから構成されている。
なお、ソース線SL0_0〜SL0_mおよびソース線SL1_0〜SL1_mを第1のデータ線としてもよく、ビット線BL0_0〜BL0_mおよびビット線BL1_0〜BL1_mを第2のデータ線としてもよい。
交差領域50は、メモリセルアレイ11のビット線BL0_0〜BL0_mと、メモリセルアレイ12のソース線SL1_0〜SL1_mとがそれぞれ接続され、メモリセルアレイ11のソース線SL0_0〜SL0_mと、メモリセルアレイ12のビット線BL1_0〜BL1_mとがそれぞれ接続される領域である。すなわち、交差領域50において、メモリセルアレイ11のビット線BLおよびメモリセルアレイ12のソース線SL、ならびにメモリセルアレイ11のソース線SLおよびメモリセルアレイ12のビット線BLが、クロスするように接続されている。以下、このような接続状態を、適宜、クロス接続と表記することとする。
次に図2について説明する。図2に示すように、第1のメモリセルMC0は、第1の抵抗変化素子RR0の一端と第1のセルトランジスタTC0のドレイン端との直列接続で構成され、第1のワード線WL0はセルトランジスタTC0のゲート端子に接続される。第2のメモリセルMC1は、第2の抵抗変化素子RR1の一端と第2のセルトランジスタTC1のドレイン端との直列接続で構成され、第2のワード線WL1はセルトランジスタTC1のゲート端子に接続される。ビット線BLは抵抗変化素子RR0の他端とセルトランジスタTC1のソース端に接続され、ソース線SLはセルトランジスタTC0のソース端と抵抗変化素子RR1の他端に接続される。
以下、選択されたメモリセルからデータを読出すモードについて説明する。
図7は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読出し動作時の選択メモリセルの一例を示す図である。ここで、ビットスイッチ22は、第1〜第4のスイッチトランジスタ22a〜22dを有する。第1のスイッチトランジスタ22aは、ゲート端にビットスイッチ線BS1が接続され、ビット線BL0と接地電圧VSSとの接続および遮断を切り替える。第2のスイッチトランジスタ22bは、ゲート端にビットスイッチ線BS0が接続され、ビット線BL0とセンスアンプ23との接続および遮断を切り替える。第3のスイッチトランジスタ22cは、ゲート端にビットスイッチ線BS0が接続され、ソース線SL0と接地電圧VSSとの接続および遮断を切り替える。第4のスイッチトランジスタ22dは、ゲート端にビットスイッチ線BS1が接続され、ソース線SL0とセンスアンプ23との接続および遮断を切り替える。
図7において、メモリアレイ10のワード線WL0、ビット線BL0、ソース線SL0に接続されるメモリセルMC0を選択する場合について説明する。この場合、ビットスイッチ線BS0を選択することで、スイッチトランジスタ22b,22cが活性化し、ビット線BL0がセンスアンプ23に接続され、ソース線SL0が接地電圧VSSに接続される。
また、図7において、メモリアレイ10のワード線WL1、ビット線BL0、ソース線SL0に接続されるメモリセルMC1を選択する場合について説明する。この場合、ビットスイッチ線BS1を選択することで、スイッチトランジスタ22a,22dが活性化し、ソース線SL0がセンスアンプ23に接続され、ビット線BL0が接地電圧VSSに接続される。
読出し動作時は、ビットスイッチ線とワード線WLとが選択され、センスアンプ23に接続されたビット線BL、あるいはソース線SLにドレイン電圧(例えば0.4V)を印加することで、メモリセルにはそれぞれの抵抗変化素子の抵抗値に応じたメモリセル電流が流れる。メモリセル電流がリファレンス電流IREFよりも少ない場合、すなわち抵抗変化素子の抵抗値が高抵抗値の場合、センスアンプ23は“0”データを出力する。一方、メモリセル電流がリファレンス電流よりも多い場合、すなわち抵抗変化素子の抵抗値が低抵抗値の場合、センスアンプ23は“1”データを出力する。これにより、読出し動作が行われる。
図8は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の読出し動作時における動作波形図である。図8において、縦軸は電圧、横軸は時刻を表す。図8は、図7のメモリセルMC0に“1”データ、メモリセルMC1に“0”データが格納されている場合の動作波形図である。図7において、メモリセルMC0を選択する場合、ビットスイッチ線BS0とワード線WL0を選択し、ビット線BL0にドレイン電圧を印加することで、抵抗変化素子RR0の抵抗状態に応じたメモリセル電流が流れる。抵抗変化素子RR0は低抵抗状態であるため、センスアンプ23は読み出されたデータを“1”データと判定し出力端子OUTに“1”データが出力される。
また、メモリセルMC1を選択する場合、ビットスイッチ線BS1とワード線WL1を選択し、ソース線SL0にドレイン電圧を印加することで、抵抗変化素子RR1の抵抗状態に応じたメモリセル電流が流れる。抵抗変化素子RR1は高抵抗状態であるため、センスアンプ23は読み出されたデータを“0”データと判定し出力端子OUTに“0”データが出力される。
なお、図8における、ビット線BL0、ソース線SL0および出力端子OUTに係る点線は従来技術の動作波形である。従来技術のビット線BL0の立ち上がり時刻はt2、出力端子OUTの立ち上がり時刻はt4であるのに対して、本実施形態ではビット線BL0の立ち上がり時刻はt1、出力端子OUTの立ち上がり時刻はt3となり、読出し動作の高速化が実現されているのがわかる。
次に、選択されたメモリセルにデータを格納するモードについて説明する。
図9は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書込み動作時の選択メモリセルの一例を示す図である。
図9に示すビットスイッチ22において、第1のスイッチトランジスタ22aは、ゲート端にビットスイッチ線BS1が接続され、ビット線BL0と接地電圧VSSとの接続および遮断を切り替える。第2のスイッチトランジスタ22bは、ゲート端にビットスイッチ線BS0が接続され、ビット線BL0とライトドライバ24との接続および遮断を切り替える。第3のスイッチトランジスタ22cは、ゲート端にビットスイッチ線BS0が接続され、ソース線SL0と接地電圧VSSとの接続および遮断を切り替える。第4のスイッチトランジスタ22dは、ゲート端にビットスイッチ線BS1が接続され、ソース線SL0とライトドライバ24との接続および遮断を切り替える。
図9において、メモリアレイ10のワード線WL0、ビット線BL0、ソース線SL0に接続されるメモリセルMC0を選択する場合について説明する。図9において、リセット(プログラム)を行う場合は、ビットスイッチ線BS0を選択することで、スイッチトランジスタ22b,22cが活性化し、ビット線BL0がライトドライバ24に接続され、ソース線SL0が接地電圧VSSに接続される。セット(イレーズ)を行う場合は、ビットスイッチ線BS1を選択することで、スイッチトランジスタ22a,22dが活性化し、ソース線SL0がライトドライバ24に接続され、ビット線BL0が接地電圧VSSに接続される。
また、図9において、メモリアレイ10のワード線WL1、ビット線BL0、ソース線SL0に接続されるメモリセルMC1を選択する場合について説明する。リセット(プログラム)を行う場合は、ビットスイッチ線BS1を選択することで、スイッチトランジスタ22a,22dが活性化し、ソース線SL0がライトドライバ24に接続され、ビット線BL0が接地電圧VSSに接続される。セット(イレーズ)を行う場合は、ビットスイッチ線BS0を選択することで、スイッチトランジスタ22b,22cが活性化し、ビット線BL0がライトドライバ24に接続され、ソース線SL0が接地電圧VSSに接続される。
書込み動作時は、ビットスイッチ線とワード線WLとを選択し、ライトドライバ24に接続したビット線BL、あるいはソース線SLにドレイン電圧(例えば2.4V)を印加することで、抵抗変化素子が高抵抗状態(“0”データ)、あるいは低抵抗状態(“1”データ)に抵抗変化する。抵抗変化素子の上部電極に正電圧が印加された場合は高抵抗状態(“0”データ)に抵抗変化し、抵抗変化素子の下部電極に正電圧が印加された場合は低抵抗状態(“1”データ)に抵抗変化する。
図10は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の書込み動作時における動作波形図である。図10において、縦軸は電圧、横軸は時刻を表す。図9のメモリセルMC0にリセット(プログラム)を行う場合、ビットスイッチ線BS0とワード線WL0を選択し、ビット線BL0にドレイン電圧Vresetを印加することで、抵抗変化素子RR0の上部電極に正電圧が印加され、抵抗変化素子RR0が高抵抗状態(“0”データ)に抵抗変化する。
また、メモリセルMC1にリセット(プログラム)を行う場合、ビットスイッチ線BS1とワード線WL1を選択し、ビット線BL0にドレイン電圧Vresetを印加することで、抵抗変化素子RR1の上部電極に正電圧が印加され、抵抗変化素子RR1が高抵抗状態(“0”データ)に抵抗変化する。
なお、図10における、ビット線BL0およびソース線SL0に係る点線は従来技術の動作波形である。従来技術のビット線BL0の立ち上がり時刻はt2、ソース線SL0の立ち上がり時刻はt6であるのに対して、本実施形態ではビット線BL0の立ち上がり時刻はt1、ソース線SL0の立ち上がり時刻はt5となり、書込み動作の高速化が実現されているのがわかる。図9および図10に示すPLSENは、ビット線BLあるいはソース線SLに電圧を印加するタイミングを示すクロック信号である。
以上、本実施形態によると、不揮発性半導体記憶装置において、データの読出しおよび書込みの高速化を図ることができる。
なお、本実施形態では、第1および第2のメモリセルアレイ領域、ならびに交差領域はそれぞれ1つであるとして説明したが、これらはそれぞれ複数配置されていてもよい。以下、その場合について説明する。
図11は、図1のメモリアレイの別の構成例を示す図である。図11に示すように、メモリアレイ10は、複数のメモリセルアレイ11〜1k(ARRAY1〜ARRAYk)と複数の交差領域50〜5k−2とを含んでいてもよい。ここで、kは2以上の整数とする。例えば、k=4とした場合、図11において、ARRAY1,ARRAY3が第1のメモリセルアレイ領域に相当し、ARRAY2,ARRAY4が第2のメモリセルアレイ領域に相当する。そして、ARRAY1,2の間、ARRAY2,3の間、およびARRAY3,4の間に交差領域50,51,52が設けられる。
なお、各メモリセルアレイ11〜1kに接続されるワード線WL0_0〜WL0_n,WL1_0〜WL1_o,WLk−1_0〜WLk−1_p,WLk_0〜WLk_qの本数(n,o,p,qの値)はそれぞれ異なっていてもよい。ここで、n,o,p,qは0以上の整数である。これらワード線WLをより少ない本数毎にメモリセルアレイ11〜1kを構成し、交差領域50〜5k−2を配置することで、ビット線BL0〜BLmとソース線SL0〜SLmの負荷はより均等になるため、上述した効果をさらに向上させることができる。
なお、交差領域50〜5k−2において、ビット線BLとソース線SLとがそれぞれクロス接続されている必要はなく、少なくとも1対のビット線BLとソース線SLとがクロス接続されていればよい。また、クロス接続されるビット線BLとソース線SLとの対は、交差領域50〜5k−2毎に異なっていてもよい。以下、この場合について説明する。
図12は、図1のメモリアレイのさらに別の構成例を示す図である。図12に示すように、メモリアレイ10の複数の交差領域50〜5k−2において、ビット線BL0〜BLmとソース線SL0〜SLmの対のうちの一部をクロス接続するとともに、クロス接続する、ビット線BLとソース線SLとの対が交差領域50〜5k−2毎に異なっていてもよい。クロス接続されていない残りのビット線BLと残りのソース線SLとの対については、各交差領域50〜5k−2において、ビット線BL同士、ソース線SL同士を接続するようにしてもよい。
これにより、クロス接続するビット線BLおよびソース線SLについて、効率的なレイアウトが可能となり、クロス接続に必要なレイアウト面積を削減することが可能である。
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、上述の例示にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更等を加えたものに対しても有効である。例えば、上記実施形態の不揮発性半導体記憶装置は、抵抗変化型不揮発メモリ(ReRAM)の例であったが、本発明は、磁気抵抗型不揮発メモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)、相変化型不揮発メモリ(PRAM:Phase Change Random Access Memory)、強誘電体型不揮発メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)等の不揮発性半導体記憶装置でも適用可能である。
なお、上述したメモリアレイ10において、ビット線BLおよびソース線SLは、列方向に延伸するものとして説明したが、行方向に延伸していてもよい。
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、ビット線とソース線の配線やビアによる負荷を均等にすることが可能である。従って、高抵抗化する場合と低抵抗化する場合の電圧バランスが良化し、書換え回数特性や書換え後のデータ保持特性などの不揮発メモリの基本特性が良化する。更に、データ読出し時やデータ書込み時の寄生容量負荷を実質的に半減可能であり、データ読出し時間、データ書込み時間の高速化が可能である。すなわち、書換え保証回数増加や、データ保持年数の増加、データアクセス時間の高速化に対応する不揮発メモリを実現可能であり、例えば、抵抗変化型不揮発性半導体記憶装置等に対して有用である。
11 メモリセルアレイ(第1のメモリセルアレイ領域)
12 メモリセルアレイ(第2のメモリセルアレイ領域)
22a 第1のスイッチトランジスタ
22b 第2のスイッチトランジスタ
22c 第3のスイッチトランジスタ
22d 第4のスイッチトランジスタ
23 センスアンプ
24 ライトドライバ
50〜5k−2 交差領域
MC0 第1のメモリセル
MC1 第2のメモリセル
RR0 第1の抵抗変化素子
RR1 第2の抵抗変化素子
TC0 第1のセルトランジスタ
TC1 第2のセルトランジスタ
WL0_0〜WL0_n 第1のワード線
WL1_0〜WL1_n 第2のワード線
BL0〜BLm 第1のデータ線
SL0〜SLm 第2のデータ線

Claims (13)

  1. 行列状に配置され、セルトランジスタと前記セルトランジスタのドレイン端に接続された抵抗変化素子とをそれぞれ含む複数のメモリセルと、
    前記複数のメモリセルの各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのゲート端に共通に接続された複数のワード線と、
    前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれる抵抗変化素子に共通に接続された複数の第1のデータ線と、
    前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのソース端に共通に接続された複数の第2のデータ線と、
    前記複数のワード線のうち少なくとも1本のワード線を含む第1のメモリセルアレイ領域と、
    前記第1のメモリセルアレイ領域に含まれるワード線とは異なる少なくとも1本のワード線を含む第2のメモリセルアレイ領域とを備え、
    前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第2および第1のデータ線と接続されている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記第1および第2のメモリセルアレイ領域は隣り合うように配置されており、
    前記第1および第2のメモリセルアレイ領域の間には、
    前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1のデータ線と、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第2のデータ線とがそれぞれ接続され、かつ前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第2のデータ線と、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1のデータ線とがそれぞれ接続される交差領域が設けられている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  3. 請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    複数の前記第1のメモリセルアレイ領域と、
    前記複数の第1のメモリセルアレイ領域にそれぞれ隣り合うように配置された複数の前記第2のメモリセルアレイ領域と、
    前記複数の第1および第2のメモリセルアレイ領域の間にそれぞれ配置された複数の前記交差領域とを備えている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  4. 行列状に配置され、セルトランジスタと前記セルトランジスタのドレイン端に接続された抵抗変化素子とをそれぞれ含む複数のメモリセルと、
    前記複数のメモリセルの各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのゲート端に共通に接続された複数のワード線と、
    前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれる抵抗変化素子に共通に接続された複数の第1のデータ線と、
    前記複数のメモリセルの各列あるいは各行にそれぞれ対応して設けられ、当該対応するメモリセルに含まれるセルトランジスタのソース端に共通に接続された複数の第2のデータ線と、
    前記複数のワード線のうち少なくとも1本のワード線を含む第1のメモリセルアレイ領域と、
    前記第1のメモリセルアレイ領域に含まれるワード線とは異なる少なくとも1本のワード線を含む第2のメモリセルアレイ領域とを備え、
    前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線と接続されており、前記第1のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線は、前記第2のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第2および第1のデータ線と接続されている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  5. 請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記第1および第2のメモリセルアレイ領域は隣り合うように配置されており、
    前記第1および第2のメモリセルアレイ領域の間には、
    前記第1のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線と、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線とが接続され、かつ前記第1のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第1および第2のデータ線と、前記第2のメモリセルアレイ領域における残りの前記複数の第1および第2のデータ線のうち少なくとも1対の第2および第1のデータ線とが接続される交差領域が設けられている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  6. 請求項5の不揮発性半導体記憶装置において、
    複数の前記第1のメモリセルアレイ領域と、
    前記複数の第1のメモリセルアレイ領域にそれぞれ隣り合うように配置された複数の前記第2のメモリセルアレイ領域と、
    前記複数の第1および第2のメモリセルアレイ領域の間にそれぞれ配置された複数の前記交差領域とを備えている
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  7. 請求項6の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数の交差領域では、前記第1のメモリセルアレイ領域における前記少なくとも1対の第1および第2のデータ線と、前記第2のメモリセルアレイ領域における前記少なくとも1対の第2および第1のデータ線とがクロス接続されており、
    前記複数の交差領域のうち第1および第2の交差領域において、クロス接続される、第1および第2のデータ線の対、ならびに第2および第1のデータ線の対が異なる
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  8. 請求項1または4記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのいずれかに格納されたデータを判定するセンスアンプと、
    前記第1のデータ線と接地電圧との接続および遮断を切り替える第1のスイッチトランジスタと、
    前記第1のデータ線と前記センスアンプとの接続および遮断を切り替える第2のスイッチトランジスタと、
    前記第2のデータ線と前記接地電圧との接続および遮断を切り替える第3のスイッチトランジスタと、
    前記第2のデータ線と前記センスアンプとの接続および遮断を切り替える第4のスイッチトランジスタとを有する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  9. 請求項8の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルに格納されたデータを読出すモードでは、前記選択されたメモリセルに対応する前記ワード線に電圧を印加し、
    前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第2のスイッチトランジスタと前記第3のスイッチトランジスタとを活性化し、
    前記第1のデータ線を前記センスアンプに接続し、
    前記第2のデータ線を接地電圧に接続し、
    前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第1のスイッチトランジスタと前記第4のスイッチトランジスタを活性化し、
    前記第2のデータ線を前記センスアンプに接続し、
    前記第1のデータ線を前記接地電圧に接続する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  10. 請求項8の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルに格納されたデータを読出すモードでは、前記選択されたメモリセルに対応する前記ワード線に電圧を印加し、
    前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第2のデータ線に前記選択したメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第1のスイッチトランジスタと前記第4のスイッチトランジスタとを活性化し、
    前記第2のデータ線を前記センスアンプに接続し、
    前記第1のデータ線を前記接地電圧に接続し、
    前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第2のスイッチトランジスタと前記第3のスイッチトランジスタとを活性化し、
    前記第1のデータ線を前記センスアンプに接続し、
    前記第2のデータ線を前記接地電圧に接続する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  11. 請求項1または4記載の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのいずれかに書込み電圧を印加するドライバを備え、
    前記第1のデータ線と接地電圧との接続および遮断を切り替える第1のスイッチトランジスタと、
    前記第1のデータ線と前記ドライバとの接続および遮断を切り替える第2のスイッチトランジスタと、
    前記第2のデータ線と前記接地電圧との接続および遮断を切り替える第3のスイッチトランジスタと、
    前記第2のデータ線と前記ドライバとの接続および遮断を切り替える第4のスイッチトランジスタとを有する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  12. 請求項11の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルにデータを格納するモードでは、前記選択されたメモリセルに対応する前記ワード線に電圧を印加し、
    前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第2のスイッチトランジスタと前記第3のスイッチトランジスタとを活性化し、
    前記第1のデータ線を前記ドライバに接続し、
    前記第2のデータ線を前記接地電圧に接続し、
    前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第1のスイッチトランジスタと前記第4のスイッチトランジスタを活性化し、
    前記第2のデータ線を前記ドライバに接続し、
    前記第1のデータ線を前記接地電圧に接続する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  13. 請求項11の不揮発性半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルにデータを格納するモードでは、前記選択されたメモリセルに対応する前記ワード線に電圧を印加し、
    前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第1のスイッチトランジスタと前記第4のスイッチトランジスタを活性化し、
    前記第2のデータ線をドライバに接続し、
    前記第1のデータ線を接地電圧に接続し、
    前記第2のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記抵抗変化素子が接続され、かつ前記第1のデータ線に前記選択されたメモリセルの前記セルトランジスタのソース端が接続される場合には、
    前記第2のスイッチトランジスタと前記第3のスイッチトランジスタとを活性化し、
    前記第1のデータ線を前記ドライバに接続し、
    前記第2のデータ線を前記接地電圧に接続する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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