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JP2011118970A - Nonvolatile semiconductor memory - Google Patents

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JP2011118970A
JP2011118970A JP2009274180A JP2009274180A JP2011118970A JP 2011118970 A JP2011118970 A JP 2011118970A JP 2009274180 A JP2009274180 A JP 2009274180A JP 2009274180 A JP2009274180 A JP 2009274180A JP 2011118970 A JP2011118970 A JP 2011118970A
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JP
Japan
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voltage
wiring
memory cell
word line
power supply
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2009274180A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Maejima
洋 前嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

【課題】消費電流の低減及び回路の省スペース化を実現する不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【解決手段】書き込み電圧の印加によって状態が変化するメモリ素子及び第1配線からメモリ素子を介して第2配線に流れる電流を順方向として流す整流素子を含む直列回路により形成された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、外部電源電圧を昇圧又は降圧して、第1電圧、第1電圧よりも低い第2電圧、第2電圧よりも低い第3電圧、及び第3電圧よりも低く、第1電圧との電位差が書き込み電圧となる第4電圧を、それぞれ生成する電源電圧と、データ書き込み時に、選択第1配線に第1電圧を印加し、非選択第2配線に第2電圧を印加し、非選択第1配線に第3電圧を印加し、選択第2配線に第4電圧を印加するドライバ回路とを有し、第2電圧は、外部電源電圧よりも低いことを特徴とする。
【選択図】図6
An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that realizes reduction of current consumption and space saving of a circuit.
A plurality of memory cells formed by a series circuit including a memory element whose state is changed by application of a write voltage and a rectifying element that causes a current flowing from the first wiring to the second wiring through the memory element as a forward direction. A memory cell array having a first voltage, a second voltage lower than the first voltage, a third voltage lower than the second voltage, and a lower voltage than the third voltage; A power supply voltage for generating a fourth voltage whose potential difference from the voltage becomes a writing voltage, and a first voltage is applied to the selected first wiring and a second voltage is applied to the non-selected second wiring at the time of data writing, And a driver circuit that applies a third voltage to the unselected first wiring and a fourth voltage to the selected second wiring, wherein the second voltage is lower than the external power supply voltage.
[Selection] Figure 6

Description

この発明は、可変抵抗素子を用いた不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device using a variable resistance element.

近年、フラッシュメモリの後継候補として、抵抗変化メモリが注目されている。ここで抵抗変化メモリ装置には、遷移金属酸化物を記録層としてその抵抗値状態を不揮発に記憶する狭義の抵抗変化メモリ(ReRAM:Resistance RAM)の他、カルコゲナイド等を記録層として用いてその結晶状態(導体)と非晶質状態(絶縁体)の抵抗値情報を利用する相変化メモリ(PCRAM:Phase Change RAM)も含むものとする。   In recent years, resistance change memory has attracted attention as a successor candidate of flash memory. Here, in the resistance change memory device, in addition to a resistance change memory (ReRAM: Resistance RAM) in a narrow sense that uses a transition metal oxide as a recording layer and memorizes its resistance value in a non-volatile manner, chalcogenide or the like is used as a recording layer to crystallize the resistance change memory device. A phase change RAM (PCRAM) that uses resistance value information of a state (conductor) and an amorphous state (insulator) is also included.

ReRAMの可変抵抗素子には、2種の動作モードがあることが知られている。一つは、印加電圧の極性を切り替えることにより、高抵抗状態と低抵抗状態とを設定するもので、これはパイポーラ型といわれる。もう一つは、印加電圧の極性を切り替えることなく、電圧値と電圧印加時間を制御することにより、高抵抗状態と低抵抗状態の設定を可能とするもので、これはユニポーラ型といわれる(例えば、非特許文献1参照)。   It is known that the variable resistance element of ReRAM has two kinds of operation modes. One is to set a high resistance state and a low resistance state by switching the polarity of the applied voltage, which is called a bipolar type. The other is to control the voltage value and voltage application time without switching the polarity of the applied voltage, thereby enabling the setting of a high resistance state and a low resistance state, which is called a unipolar type (for example, Non-Patent Document 1).

高密度メモリセルアレイを実現するためには、ユニポーラ型が好ましい。ユニポーラ型の場合、トランジスタを用いることなく、ビット線とワード線のクロスポイントに可変抵抗素子とダイオード等の整流素子を重ねることにより、セルアレイが構成できるからである。更にこの様なセルアレイを三次元的に積層配列することにより、セルアレイ面積を増大させることなく、大容量を実現することが可能になる(例えば、特許文献1参照)。   In order to realize a high-density memory cell array, a unipolar type is preferable. This is because, in the case of the unipolar type, a cell array can be configured by overlapping a variable resistance element and a rectifier element such as a diode at a cross point between a bit line and a word line without using a transistor. Furthermore, by arranging such cell arrays in a three-dimensional stack, a large capacity can be realized without increasing the cell array area (see, for example, Patent Document 1).

ユニポーラ型のReRAMの場合、可変抵抗メモリに対するデータの書き込みは、可変抵抗素子に、例えば4V程度(電流値は数10nA程度)のプログラム電圧を10ns〜1μs印加することでなされる。これによって、可変抵抗素子が高抵抗状態から低抵抗状態へ変化する。この状態変化を、「プログラム」又は「セット」と呼ぶ。また、データがセットされた可変抵抗素子に3V程度の消去電圧を印加し、1μA〜10μAの電流を数μsだけ流すと、可変抵抗素子は低抵抗状態から高抵抗状態へと変化する。この状態変化を、「消去」又は「リセット」と呼ぶ。   In the case of a unipolar type ReRAM, data is written to the variable resistance memory by applying a program voltage of, for example, about 4 V (current value is about several tens of nA) to the variable resistance element for 10 ns to 1 μs. As a result, the variable resistance element changes from the high resistance state to the low resistance state. This state change is called “program” or “set”. Further, when an erasing voltage of about 3 V is applied to the variable resistance element in which data is set and a current of 1 μA to 10 μA is applied for several μs, the variable resistance element changes from the low resistance state to the high resistance state. This state change is called “erase” or “reset”.

これらのセット動作及びリセット動作では、選択されたワード線及びビット線に接続される可変抵抗素子に、必要なプログラム電圧や消去電圧を印加する。一方、非選択のワード線又はビット線には、ダイオードがオンしないように、例えば逆バイアスとなる制御電圧を印加する必要がある。このとき個々のダイオードに流れる逆バイアスリーク電流は、わずかであるが、非選択のワード線又はビット線は、選択ワード線又はビット線よりもはるかに本数が多いため、結果的にダイオード逆バイアスリークに起因する電流消費が無視できないほど大きくなってしまう。また、非選択のワード線又はビット線に印加される電圧は、選択ワード線又はビット線に印加されるプログラム電圧又は消去電圧と同様、外部電源電圧をチャージポンプで昇圧させた電圧を利用している。このため、逆バイアスリークに起因する消費電流が大きいと、チャージポンプの負荷も増大し、必要とされるポンプ面積も増大するという問題がある。   In these set operations and reset operations, necessary program voltages and erase voltages are applied to the variable resistance elements connected to the selected word lines and bit lines. On the other hand, a non-selected word line or bit line needs to be applied with a control voltage that is, for example, reverse biased so that the diode does not turn on. At this time, the reverse bias leakage current flowing through each diode is small, but the number of unselected word lines or bit lines is much larger than that of the selected word line or bit line. The current consumption due to the current becomes so large that it cannot be ignored. Further, the voltage applied to the non-selected word line or bit line uses the voltage obtained by boosting the external power supply voltage with a charge pump, similar to the program voltage or erase voltage applied to the selected word line or bit line. Yes. For this reason, if the current consumption due to reverse bias leakage is large, there is a problem that the load of the charge pump increases and the required pump area also increases.

特表2006−514392Special table 2006-514392 Y. Hosoi et al, "High Speed Unipolar Switching Resistance RAM(RRAM) Technology" IEEE International Electron Devices Meeting 2006 Technical Digest p.793-796Y. Hosoi et al, "High Speed Unipolar Switching Resistance RAM (RRAM) Technology" IEEE International Electron Devices Meeting 2006 Technical Digest p.793-796

本発明は、以上の点に鑑み、消費電流の低減及び回路の省スペース化を実現する不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。   In view of the above, it is an object of the present invention to provide a nonvolatile semiconductor memory device that realizes reduction of current consumption and space saving of a circuit.

本発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、互いに交差する複数の第1配線及び第2配線、並びに前記第1配線及び第2配線の各交差部において前記第1配線及び第2配線間に接続され、書き込み電圧の印加によって状態が変化するメモリ素子及び前記第1配線から前記メモリ素子を介して前記第2配線に流れる電流を順方向として流す整流素子を含む直列回路により形成された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、外部電源電圧を昇圧又は降圧して、第1電圧、この第1電圧よりも低い第2電圧、この第2電圧よりも低い第3電圧、及び前記第3電圧よりも低く、前記第1電圧との電位差が前記書き込み電圧となる第4電圧を、それぞれ生成する電源電圧と、データ書き込み時に、前記複数のメモリセルのうち、データの書き込みのために選択された選択メモリセルに接続された選択第1配線に前記第1電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続されない非選択第2配線に前記第2電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続されない非選択第1配線に前記第3電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続された選択第2配線に前記第4電圧を印加するドライバ回路とを有し、前記第2電圧は、前記外部電源電圧よりも低いことを特徴とする。   A nonvolatile semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes a plurality of first wirings and second wirings that intersect with each other, and between the first wirings and the second wirings at each intersection of the first wirings and the second wirings. And a series circuit including a memory element whose state is changed by application of a write voltage and a rectifier element that causes a current flowing from the first wiring to the second wiring through the memory element as a forward direction. A memory cell array having a plurality of memory cells, and a first voltage, a second voltage lower than the first voltage, a third voltage lower than the second voltage, and the third voltage by stepping up or down the external power supply voltage A power supply voltage that generates a fourth voltage whose potential difference from the first voltage is the write voltage, and among the plurality of memory cells during data write, Applying the first voltage to a selected first wiring connected to a selected memory cell selected for writing, applying the second voltage to a non-selected second wiring not connected to the selected memory cell, and A driver circuit that applies the third voltage to a non-selected first wiring not connected to a selected memory cell and applies the fourth voltage to a selected second wiring connected to the selected memory cell; The voltage is lower than the external power supply voltage.

本発明によれば、消費電流の低減及び回路の省スペース化を実現する不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a nonvolatile semiconductor memory device that realizes reduction of current consumption and space saving of a circuit.

本発明の実施形態に係る不揮発性メモリのブロック図である。1 is a block diagram of a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention. 同実施形態に係る不揮発性メモリのメモリセルアレイの一部の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a part of the memory cell array of the nonvolatile memory according to the same embodiment. 図2におけるI-I´線で切断して矢印方向に見たメモリセル1つ分の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of one memory cell taken along line II ′ in FIG. 2 and viewed in the direction of the arrow. 同実施形態における可変抵抗素子の一例を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing an example of a variable resistance element in the embodiment. 同実施形態におけるメモリセルアレイのバイアス状態を示す図である。3 is a diagram showing a bias state of the memory cell array in the same embodiment. FIG. 同実施形態におけるメモリセルアレイのバイアス状態を示す図である。3 is a diagram showing a bias state of the memory cell array in the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリの電源回路の系統図である。FIG. 3 is a system diagram of a power supply circuit of the nonvolatile memory according to the same embodiment. 同実施形態におけるメモリセルアレイのバイアス状態を示す図である。3 is a diagram showing a bias state of the memory cell array in the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのメインロウデコーダの回路図である。3 is a circuit diagram of a main row decoder of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのロウドライバの回路図である。3 is a circuit diagram of a row driver of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのロウドライバ及びその周辺回路のウェル構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a well structure of a row driver and its peripheral circuit of the nonvolatile memory according to the same embodiment. 同実施形態に係る不揮発性メモリの書き込み駆動線ドライバの回路図である。3 is a circuit diagram of a write drive line driver of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのカラムデコーダの回路図である。2 is a circuit diagram of a column decoder of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのカラムドライバの回路図である。2 is a circuit diagram of a column driver of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリのセンスアンプ/書き込みバッファの回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a sense amplifier / write buffer of the nonvolatile memory according to the same embodiment. 同実施形態に係る不揮発性メモリの選択ビット線電圧発生回路の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a selected bit line voltage generation circuit of the nonvolatile memory according to the same embodiment. 同実施形態に係る不揮発性メモリの非選択ワード線電圧発生回路の回路図である。3 is a circuit diagram of a non-selected word line voltage generation circuit of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG. 同実施形態に係る不揮発性メモリの選択ワード線電圧発生回路の回路図である。3 is a circuit diagram of a selected word line voltage generation circuit of the nonvolatile memory according to the same embodiment. FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[全体構成]
図1は、本発明の実施形態に係る不揮発性メモリのブロック図である。
[overall structure]
FIG. 1 is a block diagram of a nonvolatile memory according to an embodiment of the present invention.

この不揮発性メモリは、図1中の点線で囲まれたメモリセルアレイコア部100と、このメモリセルアレイコア部100に用いる電圧を生成し、供給する電源回路200を含む。   The nonvolatile memory includes a memory cell array core unit 100 surrounded by a dotted line in FIG. 1 and a power supply circuit 200 that generates and supplies a voltage used for the memory cell array core unit 100.

メモリセルアレイコア部100は、メモリセルアレイ110とロウ系制御回路及びカラム系制御回路とを備える。このメモリセルアレイ110は、ロウ方向に延びる複数の第2配線であるワード線WLと、これらワード線WLに交差するカラム方向に延びる複数の第1配線であるビット線BLと、これらワード線WL及びビット線BLの各交差部に設けられた複数のメモリセルMCからなる。ワード線WLは、メインワード線によって所定数ずつの複数のグループに分かれる。同様に、ビット線BLも、カラム選択線によって所定数ずつの複数のグループに分かれる。   The memory cell array core unit 100 includes a memory cell array 110, a row control circuit, and a column control circuit. The memory cell array 110 includes a plurality of word lines WL that are a plurality of second wirings extending in the row direction, a plurality of bit lines BL that are a plurality of first wirings extending in the column direction intersecting the word lines WL, and the word lines WL and It consists of a plurality of memory cells MC provided at each intersection of the bit lines BL. The word lines WL are divided into a predetermined number of groups by the main word line. Similarly, the bit lines BL are also divided into a predetermined number of groups by the column selection lines.

また、メモリセルアレイコア部100は、外部から供給されるアドレス信号(Address)及び制御信号(Control)に基づいてメモリセルアレイ110内の所定のメモリセルを選択し、セット/リセット/リードの各動作を実行するロウ系制御回路及びカラム系制御回路を備える。   The memory cell array core unit 100 selects a predetermined memory cell in the memory cell array 110 based on an address signal (Address) and a control signal (Control) supplied from the outside, and performs each of the set / reset / read operations. A row control circuit and a column control circuit to be executed are provided.

ロウ系制御回路は、メインロウデコーダ120、ロウドライバ130、書き込み駆動線(WDRV)ドライバ140、及びロウ系周辺回路150を含む。メインロウデコーダ120は、アドレス信号に基づいて所定のメインワード線を選択する。ロウドライバ130は、メインワード線毎に設けられており、メインワード線の選択/非選択の状態に応じて、このメインワード線に対応する所定数のワード線に対してセット動作等に必要な電圧を供給する。書き込み駆動線ドライバ140は、アドレス信号に基づいてワード線ドライバ130がワード線に供給する電圧を準備する。ロウ系周辺回路150は、その他の必要なロウ系の回路を有する。   The row-related control circuit includes a main row decoder 120, a row driver 130, a write drive line (WDRV) driver 140, and a row-related peripheral circuit 150. The main row decoder 120 selects a predetermined main word line based on the address signal. The row driver 130 is provided for each main word line, and is necessary for a set operation or the like for a predetermined number of word lines corresponding to the main word line according to the selected / unselected state of the main word line. Supply voltage. The write drive line driver 140 prepares a voltage that the word line driver 130 supplies to the word line based on the address signal. The row-related peripheral circuit 150 includes other necessary row-related circuits.

一方、カラム系制御回路は、カラムデコーダ160、カラムドライバ170、センスアンプ/書き込みバッファ180、及びカラム系周辺回路190を備える。カラムデコーダ160は、アドレス信号に基づいて所定のカラム選択線を選択する。カラムドライバ170は、カラム選択線毎の設けられており、カラム選択線の選択/非選択の状態に応じて、このカラム選択線に対応する所定数のビット線に対するデータ入出力を行う。センスアンプ/書き込みバッファ180は、データ入出力信号(I/O)を介して入力されたデータをカラムドライバ170に出力したり、カラムドライバ170から受信したビット線に現れたデータをデータ入出力信号として外部に送信したりする。カラム系周辺回路190は、その他の必要なカラム系の回路を有する。   On the other hand, the column-related control circuit includes a column decoder 160, a column driver 170, a sense amplifier / write buffer 180, and a column-related peripheral circuit 190. The column decoder 160 selects a predetermined column selection line based on the address signal. The column driver 170 is provided for each column selection line, and performs data input / output with respect to a predetermined number of bit lines corresponding to the column selection line according to the selection / non-selection state of the column selection line. The sense amplifier / write buffer 180 outputs the data input via the data input / output signal (I / O) to the column driver 170 or the data appearing on the bit line received from the column driver 170 as the data input / output signal. Or send it to the outside. The column peripheral circuit 190 has other necessary column circuits.

[メモリセルアレイ]
図2は、メモリセルアレイ110の一部の斜視図、図3は、図2におけるI-I´線で切断して矢印方向に見たメモリセル1つ分の断面図である。
[Memory cell array]
FIG. 2 is a perspective view of a part of the memory cell array 110, and FIG. 3 is a cross-sectional view of one memory cell taken along the line II 'in FIG.

複数本の第2配線であるワード線WL0〜WL2が平行に配設され、これと交差して複数本の第1の配線であるビット線BL0〜BL2が平行に配設され、これらの各交差部に両配線に挟まれるようにメモリセルMCが配置される。第1及び第2の配線は、熱に強く、且つ抵抗値の低い材料が望ましく、例えばW、WSi、NiSi、CoSi等を用いることができる。   A plurality of second lines, word lines WL0-WL2, are arranged in parallel, and a plurality of first lines, bit lines BL0-BL2, are arranged in parallel. Memory cells MC are arranged so as to be sandwiched between both wirings. The first and second wirings are preferably made of a material that is resistant to heat and has a low resistance value. For example, W, WSi, NiSi, CoSi, or the like can be used.

メモリセルMCは、図3に示すように、可変抵抗素子VRと非オーミック素子NOの直列接続回路からなる。   As shown in FIG. 3, the memory cell MC includes a series connection circuit of a variable resistance element VR and a non-ohmic element NO.

可変抵抗素子VRとしては、電圧印加によって、電流、熱、化学エネルギー等を介して抵抗値を変化させることができるもので、上下にバリアメタル及び接着層として機能する電極EL1、EL2が配置される。電極材としては、Pt、Au、Ag、TiAlN、SrRuO、Ru、RuN、Ir、Co、Ti、TiN、TaN、LaNiO、Al、PtIrOx、 PtRhOx、Rh/TaAlN等が用いられる。また、配向性を一様にするようなメタル膜の挿入も可能である。また、別途バッファ層、バリアメタル層、接着層等を挿入することも可能である。 As the variable resistance element VR, the resistance value can be changed by applying voltage, through current, heat, chemical energy, etc., and electrodes EL1 and EL2 functioning as a barrier metal and an adhesive layer are arranged above and below. . As the electrode material, Pt, Au, Ag, TiAlN, SrRuO, Ru, RuN, Ir, Co, Ti, TiN, TaN, LaNiO, Al, PtIrO x , PtRhO x , Rh / TaAlN, or the like is used. It is also possible to insert a metal film that makes the orientation uniform. It is also possible to insert a buffer layer, a barrier metal layer, an adhesive layer, etc. separately.

可変抵抗素子VRは、カルコゲナイド等のように結晶状態と非晶質状態の相転移により抵抗値を変化させるもの(PCRAM)、金属陽イオンを析出させて電極間に架橋(コンダクティングブリッジ)を形成したり、析出した金属をイオン化して架橋を破壊することで抵抗値を変化させるもの(CBRAM)、電圧あるいは電流印加により抵抗値が変化するもの(ReRAM)(電極界面に存在する電荷トラップにトラップされた電荷の存在の有無により抵抗変化が起きるものと、酸素欠損等に起因する伝導パスの存在の有無により抵抗変化が起きるものとに大別される。)等を用いることができる。   The variable resistance element VR has a resistance value changed by a phase transition between a crystalline state and an amorphous state, such as chalcogenide (PCRAM), and forms a bridging (conducting bridge) between electrodes by depositing metal cations. Or by changing the resistance value by ionizing the deposited metal and breaking the bridge (CBRAM), or by changing the resistance value by applying voltage or current (ReRAM) (trap in the charge trap existing at the electrode interface) And the like in which the resistance change occurs depending on the presence or absence of the generated charge, and the one in which the resistance change occurs depending on the presence or absence of the conduction path caused by oxygen deficiency or the like.

図4は、ReRAMの例を示す図である。図4に示す可変抵抗素子VRは、電極層11、13の間に記録層12を配置してなる。記録層12は、少なくとも2種類の陽イオン元素を有する複合化合物から構成される。陽イオン元素の少なくとも1種類は電子が不完全に満たされたd軌道を有する遷移元素とし、且つ隣接する陽イオン元素間の最短距離は、0.32nm以下とする。具体的には、化学式AxMyXz(AとMは互いに異なる元素)で表され、例えばスピネル構造(AM2O4)、イルメナイト構造(AMO3)、デラフォサイト構造(AMO2)、LiMoN2構造(AMN2)、ウルフラマイト構造(AMO4)、オリビン構造(A2MO4)、ホランダイト構造(AxMO2)、ラムスデライト構造(AxMO2)、ペロブスカイト構造(AMO3)等の結晶構造を持つ材料により構成される。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the ReRAM. The variable resistance element VR shown in FIG. 4 has a recording layer 12 disposed between electrode layers 11 and 13. The recording layer 12 is composed of a composite compound having at least two kinds of cationic elements. At least one of the cation elements is a transition element having a d orbital incompletely filled with electrons, and the shortest distance between adjacent cation elements is 0.32 nm or less. Specifically, it is represented by the chemical formula AxMyXz (A and M are mutually different elements). For example, spinel structure (AM 2 O 4 ), ilmenite structure (AMO 3 ), delafossite structure (AMO 2 ), LiMoN 2 structure ( AMN 2 ), wolframite structure (AMO 4 ), olivine structure (A 2 MO 4 ), hollandite structure (A x MO 2 ), ramsdellite structure (A x MO 2 ), perovskite structure (AMO 3 ), etc. Consists of the materials it has.

図4の例では、AがZn、MがMn、XがOである。記録層12内の小さな白丸は拡散イオン(Zn)、大きな白丸は陰イオン(O)、小さな黒丸は遷移元素イオン(Mn)をそれぞれ表している。記録層12の初期状態は高抵抗状態であるが、電極層11を固定電位、電極層13側に負の電圧を印加すると、記録層12中の拡散イオンの一部が電極層13側に移動し、記録層12内の拡散イオンが陰イオンに対して相対的に減少する。電極層13側に移動した拡散イオンは、電極層13から電子を受け取り、メタルとして析出するため、メタル層14を形成する。記録層12の内部では、陰イオンが過剰となり、結果的に記録層12内の遷移元素イオンの下層を上昇させる。これにより、記録層12はキャリアの注入により電子伝導性を有するようになってセット動作が完了する。再生に関しては、記録層12を構成する材料が抵抗変化を起こさない程度の微小な電流値を流せば良い。プログラム状態(低抵抗状態)を初期状態(高抵抗状態)にリセットするには、例えば記録層12に大電流を充分な時間流してジュール加熱して、記録層12の酸化還元反応を促進すれば良い。また、セット時と逆向きの電場を印加することによってもリセット動作が可能である。以下において、セット動作に必要な電圧及びリセット動作に必要な電圧を「書き込み電圧」と呼ぶ。   In the example of FIG. 4, A is Zn, M is Mn, and X is O. Small white circles in the recording layer 12 represent diffusion ions (Zn), large white circles represent anions (O), and small black circles represent transition element ions (Mn). The initial state of the recording layer 12 is a high resistance state, but when a fixed potential is applied to the electrode layer 11 and a negative voltage is applied to the electrode layer 13 side, some of the diffused ions in the recording layer 12 move to the electrode layer 13 side. As a result, the diffusion ions in the recording layer 12 decrease relative to the anions. The diffused ions that have moved to the electrode layer 13 side receive electrons from the electrode layer 13 and are deposited as metal, so that the metal layer 14 is formed. Inside the recording layer 12, anions become excessive, and as a result, the lower layer of transition element ions in the recording layer 12 is raised. As a result, the recording layer 12 has electron conductivity by carrier injection, and the setting operation is completed. For reproduction, it is sufficient to pass a minute current value that does not cause a change in resistance of the material constituting the recording layer 12. In order to reset the program state (low resistance state) to the initial state (high resistance state), for example, a large current is allowed to flow through the recording layer 12 for a sufficient period of time to promote the oxidation-reduction reaction of the recording layer 12. good. The reset operation can also be performed by applying an electric field in the direction opposite to that at the time of setting. Hereinafter, the voltage necessary for the set operation and the voltage necessary for the reset operation are referred to as “write voltage”.

図5及び図6は、本実施形態におけるセット/リセット動作時のメモリセルアレイのバイアス状態を示す図である。ここでは、図5中の点線で囲まれたメモリセルMC´に対してセット/リセットする場合を例に説明する。   5 and 6 are diagrams showing a bias state of the memory cell array during the set / reset operation in the present embodiment. Here, a case where the memory cell MC ′ surrounded by a dotted line in FIG. 5 is set / reset will be described as an example.

図5に示す通り、選択メモリセルMC´に接続されたビット線BL´(以下、「選択ビット線」と呼ぶ)、選択メモリセルMC´に接続されていないワード線WL(以下、「非選択ワード線」と呼ぶ)、選択メモリセルMC´に接続されていないビット線BL(以下、「非選択ビット線」と呼ぶ)、及び選択メモリセルMC´に接続されたワード線WL´(以下、「選択ワード線」と呼ぶ)にそれぞれ、第1電圧である選択ビット線電圧VWR、第2電圧である非選択ワード線電圧VUX、第3電圧である非選択ビット線電圧VUB、及び第4電圧である選択ワード線電圧VSSROWを印加する。   As shown in FIG. 5, a bit line BL ′ (hereinafter referred to as “selected bit line”) connected to the selected memory cell MC ′ and a word line WL (hereinafter referred to as “non-selected”) not connected to the selected memory cell MC ′. Word line ”), bit line BL not connected to the selected memory cell MC ′ (hereinafter referred to as“ non-selected bit line ”), and word line WL ′ (hereinafter referred to as“ non-selected bit line ”). The selected bit line voltage VWR as the first voltage, the unselected word line voltage VUX as the second voltage, the unselected bit line voltage VUB as the third voltage, and the fourth voltage, respectively. The selected word line voltage VSSROW is applied.

ここで、選択ビット線電圧VWRは、選択ワード線電圧VSSROWに対して書き込み電圧分(例えば、4.0V)だけ高い電圧となる。これによって選択メモリセルMC´には、ダイオードDiの順方向に書き込み電圧が印加されるためセット/リセットされる。非選択ワード線電圧VUXは、非選択ビット線電圧VUBよりも高い電圧である。これによって、非選択ワード線WL及び非選択ビット線BLに接続されたメモリセルMC(以下、「非選択メモリセル」と呼ぶ)には、ダイオードDiの逆方向に電圧「VUX−VUB」が印加されるため、セット/リセットは生じない。また、非選択ワード線電圧VUXは、選択ビット線電圧VWRよりもメモリセルMCのダイオードDiのVF(例えば、0.8V)以下の電圧だけ低い電圧となる。同様に、非選択ビット線BLは、選択ワード線電圧VSSROWよりもメモリセルMCのダイオードDiのVF以下の電圧だけ高い電圧となる。これによって、非選択ワード線WL及び選択ビット線BL´に接続されたメモリセルMC或いは選択ワード線WL´及び非選択ビット線BLに接続されたメモリセルMC(以下、「半選択メモリセル」と呼ぶ)には、ダイオードDiの順方向にVFを超えるバイアスが掛からないため、セット/リセットは生じない。選択ワード線電圧VSSROWは、接地電圧VSSを降圧させたもので、負の電圧(例えば、−0.8V)となる。   Here, the selected bit line voltage VWR is higher than the selected word line voltage VSSROW by a write voltage (for example, 4.0 V). As a result, the selected memory cell MC ′ is set / reset because the write voltage is applied in the forward direction of the diode Di. The unselected word line voltage VUX is higher than the unselected bit line voltage VUB. As a result, the voltage “VUX−VUB” is applied to the memory cell MC (hereinafter referred to as “non-selected memory cell”) connected to the non-selected word line WL and the non-selected bit line BL in the reverse direction of the diode Di. Therefore, no set / reset occurs. The unselected word line voltage VUX is lower than the selected bit line voltage VWR by a voltage equal to or lower than VF (for example, 0.8 V) of the diode Di of the memory cell MC. Similarly, the unselected bit line BL is higher than the selected word line voltage VSSROW by a voltage equal to or lower than VF of the diode Di of the memory cell MC. Thus, the memory cells MC connected to the unselected word lines WL and the selected bit lines BL ′ or the memory cells MC connected to the selected word lines WL ′ and the unselected bit lines BL (hereinafter referred to as “half-selected memory cells”). Is not biased in excess of VF in the forward direction of the diode Di, and therefore no set / reset occurs. The selected word line voltage VSSROW is a voltage obtained by stepping down the ground voltage VSS and becomes a negative voltage (for example, −0.8 V).

次に、図5及び図6に示すバイアス状態における消費電流について説明する。図5からも分かるように、複数あるメモリセルMCのうち、ほとんどが非選択メモリセルとなる。したがって、不揮発性メモリ全体に占める消費電流の多くは、非選択メモリセルによって生じる逆方向のオフリーク電流と言える。   Next, current consumption in the bias state shown in FIGS. 5 and 6 will be described. As can be seen from FIG. 5, most of the plurality of memory cells MC are non-selected memory cells. Accordingly, it can be said that most of the consumption current occupying the entire nonvolatile memory is the off-leakage current in the reverse direction generated by the non-selected memory cells.

ここで、書き込み電圧を4.0V、ダイオードDiのVFを0.8Vとすると、従来の場合、選択ワード線電圧である接地電圧VSS(0V)を基準に、選択ビット線電圧VWRが4.0V、非選択ワード線電圧VUXが3.2V、非選択ビット線電圧VUBが0.8Vとなる。   Here, if the write voltage is 4.0 V and the VF of the diode Di is 0.8 V, the selected bit line voltage VWR is 4.0 V based on the ground voltage VSS (0 V) that is the selected word line voltage in the conventional case. The unselected word line voltage VUX is 3.2V, and the unselected bit line voltage VUB is 0.8V.

この場合、一般的な外部電圧VCCが2.7V〜3.3Vであることを考えると、選択ビット線電圧VWRを得るためには、外部電圧VCCを昇圧させる必要がある。また、電圧降下の影響等を考慮した場合、確実に非選択ワード線電圧VUXを得るためには、チャージポンプによって生成された選択ビット線電圧VWRをレギュレータで降圧させることによって非選択ワード線電圧VUXを生成する必要がある。つまり、非選択ワード線電圧VUXの供給を受ける非選択メモリセルMCのオフリーク電流については、チャージポンプのポンプ効率を考慮する必要がある。つまり、ポンプ効率が50%であった場合、非選択メモリセルMCのオフリーク電流で生じる消費電流が2倍、つまり、不揮発性メモリ全体の消費電流も2倍程度膨れ上がることになる。さらに、消費電流の増大によって、同時アクセス可能なメモリセル数も制限を受けるため、データスループットの低下も問題となる。更に、チャージポンプの負荷が増える分、回路面積も増大する。   In this case, considering that the general external voltage VCC is 2.7 V to 3.3 V, it is necessary to boost the external voltage VCC in order to obtain the selected bit line voltage VWR. In consideration of the influence of the voltage drop and the like, in order to surely obtain the unselected word line voltage VUX, the selected bit line voltage VWR generated by the charge pump is stepped down by the regulator to reduce the unselected word line voltage VUX. Must be generated. That is, it is necessary to consider the pump efficiency of the charge pump for the off-leak current of the unselected memory cell MC that receives the supply of the unselected word line voltage VUX. That is, when the pump efficiency is 50%, the current consumption caused by the off-leakage current of the non-selected memory cell MC is doubled, that is, the current consumption of the entire nonvolatile memory is increased by about twice. Furthermore, since the number of memory cells that can be accessed simultaneously is limited due to an increase in current consumption, a decrease in data throughput also becomes a problem. Further, the circuit area increases as the charge pump load increases.

そこで、本実施形態では、従来の選択ビット線電圧VWR、非選択ワード線電圧VUX、非選択ビット線電圧VUB、及び選択ワード線電圧VSSROW相互のバイアス関係を維持しつつ、非選択ビット線電圧VUBが外部電源電圧VCC以下になるように、全体的に負の方向にシフトさせている。   Therefore, in the present embodiment, the unselected bit line voltage VUB is maintained while maintaining the bias relationship among the conventional selected bit line voltage VWR, unselected word line voltage VUX, unselected bit line voltage VUB, and selected word line voltage VSSROW. Is shifted in the negative direction as a whole so that becomes less than or equal to the external power supply voltage VCC.

この場合、図7に示すように、非選択ワード線電圧VUXは、外部電源電圧VCCから直接レギュレータで変換することができる。つまり、消費電流の大半を占める非選択メモリセルMCのオフリーク電流をチャージポンプで駆動する必要がないため、チャージポンプの負荷電流を抑制することができる。   In this case, as shown in FIG. 7, the unselected word line voltage VUX can be directly converted from the external power supply voltage VCC by a regulator. That is, since it is not necessary to drive the off-leak current of the non-selected memory cell MC that occupies most of the consumption current by the charge pump, the load current of the charge pump can be suppressed.

なお、本実施形態の場合、選択ワード線電圧VSSROWについては、従来にはない、チャージポンプによる接地電圧VSSからの降圧が必要となるため、消費電流算定の際に考慮する必要があるとも考えられる。しかし、チャージポンプによって非選択ワード線電圧VUXを生成する場合の非選択ワード線電圧VUXの負荷がmAオーダーであるのに対し、チャージポンプによって選択ワード線電圧VSSROWを生成する場合の選択ワード線電圧VSSROWの負荷がμAオーダーであるため、消費電流への影響は極めて小さいと考えることができる。   In the case of this embodiment, the selected word line voltage VSSROW needs to be stepped down from the ground voltage VSS by a charge pump, which is not conventional, so it may be necessary to consider when calculating the consumption current. . However, the load of the unselected word line voltage VUX when the unselected word line voltage VUX is generated by the charge pump is on the order of mA, whereas the selected word line voltage when the selected word line voltage VSSROW is generated by the charge pump. Since the VSSROW load is on the order of μA, it can be considered that the influence on the current consumption is extremely small.

さらに、チャージポンプの負荷電流が減るため、チャージポンプも小規模化することができ、これに伴って回路面積を縮小することができる。   Furthermore, since the load current of the charge pump is reduced, the charge pump can be reduced in size, and the circuit area can be reduced accordingly.

ここで、さらに具体的なメモリセルアレイとして図8に示すメモリセルアレイの消費電流について考える。図8に示すメモリセルアレイは、36.2Mビット毎の単位メモリセルアレイ(以下、「MAT」と呼ぶ)に分割されており、隣接するMAT間でワード線WL及びビット線BLが共有されている。つまり、ワード線WLは、図中左隣と右隣のMAT間で交互に共有され、ビット線BLは、図中上隣と下隣のMAT間で交互に共有されている。なお、図8には、MAT<4>にある2つのメモリセルMC´、MC´´を選択した場合のバイアス状態についても併せて示している。MAT<4>と共有していないビット線BLとワード線WLはフローティング状態(F)とされている。   Here, the current consumption of the memory cell array shown in FIG. 8 will be considered as a more specific memory cell array. The memory cell array shown in FIG. 8 is divided into unit memory cell arrays (hereinafter referred to as “MAT”) every 36.2 M bits, and word lines WL and bit lines BL are shared between adjacent MATs. That is, the word lines WL are alternately shared between the left and right adjacent MATs in the figure, and the bit lines BL are alternately shared between the upper and lower adjacent MATs in the figure. FIG. 8 also shows a bias state when two memory cells MC ′ and MC ″ in MAT <4> are selected. The bit line BL and the word line WL that are not shared with MAT <4> are in a floating state (F).

このような、構造のメモリセルアレイの場合、消費電流は、「選択MATの逆バイアス状態のダイオードのオフリーク電流×選択MAT数×隣接MATの共有係数」として表すことができる。   In the case of a memory cell array having such a structure, the current consumption can be expressed as “off-leak current of diode in reverse bias state of selected MAT × number of selected MAT × shared coefficient of adjacent MAT”.

1個のMAT<4>を選択した場合、選択メモリセルMC´、MC´´に接続される選択ワード線WL´を共有するMAT<5>、選択メモリセルMC´、MC´´に接続される選択ビット線BL´、BL´´を共有するMAT<1>、MAT<7>については、36.2Mビットの1/2にあたる非選択メモリセルMCが存在する。さらに、MAT<5>とビット線BLを共有するMAT<2>、MAT<8>についても、36.2Mビットの1/4にあたる非選択メモリセルMCが存在する。したがって、MAT<4>の2つのメモリセルMC´、MC´´を選択したことによって、約36.2Mビット×3の非選択メモリセルが存在する。   When one MAT <4> is selected, MAT <5> sharing the selected word line WL ′ connected to the selected memory cells MC ′ and MC ″, connected to the selected memory cells MC ′ and MC ″. For MAT <1> and MAT <7> that share selected bit lines BL ′ and BL ″, there are unselected memory cells MC corresponding to 1/2 of 36.2 Mbits. Further, unselected memory cells MC corresponding to 1/4 of 36.2 Mbits exist for MAT <2> and MAT <8> sharing the bit line BL with MAT <5>. Therefore, by selecting the two memory cells MC ′ and MC ″ of MAT <4>, there are approximately 36.2 Mbit × 3 non-selected memory cells.

従って、逆バイアス状態の1個のダイオードDiで生じるオフリーク電流を10pAとすると、約1.1mAのオフリーク電流が生じることになる。   Therefore, assuming that the off-leakage current generated in one diode Di in the reverse bias state is 10 pA, an off-leakage current of about 1.1 mA is generated.

この場合、従来のように、非選択ワード線電圧VUXをチャージポンプで昇圧した場合、この1.1mAに、このチャージポンプのポンプ効率を考慮する必要がある。例えば、ポンプ効率が50%の場合、約2.2mAとなってしまう。一方、本実施形態の場合、ポンプ効率を考慮する必要がないため、約1.1mAと半減させることができる。   In this case, when the unselected word line voltage VUX is boosted by the charge pump as in the prior art, it is necessary to consider the pump efficiency of this charge pump to 1.1 mA. For example, when the pump efficiency is 50%, it becomes about 2.2 mA. On the other hand, in the case of this embodiment, since it is not necessary to consider the pump efficiency, it can be halved to about 1.1 mA.

以下において、図5及び図6に示すようなバイアス関係を実現するロウ系制御回路、カラム系制御回路、及び電源回路について説明する。なお、メモリセルアレイ110が、ワード線方向に2Kビット(=2048ビット)、ビット線方向に512ビットのメモリセルMCからなる場合を例として説明する。   Hereinafter, a row control circuit, a column control circuit, and a power supply circuit that realize the bias relationship as shown in FIGS. 5 and 6 will be described. An example in which the memory cell array 110 includes memory cells MC of 2K bits (= 2048 bits) in the word line direction and 512 bits in the bit line direction will be described.

[ロウ系制御回路]
先ず、メインロウデコーダ120について説明する。
[Row control circuit]
First, the main row decoder 120 will be described.

図9は、メインロウデコーダ120の回路図である。メインロウデコーダ120はプリデコーダであり、ロウアドレスを入力し、256対のメインワード線MWLx、MWLbx(x=<255:0>)の1つを選択する。なお、メインロウデコーダ120は、図9に示す回路を、256対のメインワード線MWLx、MWLbxのそれぞれについて有している。図9に示すように、1つのメインロウデコーダ120は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG121、このNANDゲートG121の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、レベルシフタL/Sの出力を入力とするインバータIV121、及びこのインバータIV121の出力を入力とするインバータIV122によって構成される。ここで、インバータIV121、IV122の出力は、それぞれメインワード線MWLx、MWLbxとなっている。   FIG. 9 is a circuit diagram of the main row decoder 120. The main row decoder 120 is a predecoder and receives a row address and selects one of 256 pairs of main word lines MWLx and MWLbx (x = <255: 0>). The main row decoder 120 includes the circuit shown in FIG. 9 for each of the 256 pairs of main word lines MWLx and MWLbx. As shown in FIG. 9, one main row decoder 120 receives an NAND gate G121 that receives an address signal (Address), a level shifter L / S that shifts the output of the NAND gate G121, and an output of the level shifter L / S. The inverter IV121 is an input, and the inverter IV122 is an output of the inverter IV121. Here, the outputs of the inverters IV121 and IV122 are the main word lines MWLx and MWLbx, respectively.

このメインロウデコーダ120は、アドレス信号(Address)に基づいて所定のxを選択し、選択したメインワード線MWLx、MWLbxにそれぞれ電圧VSSROW(“H”)、VWR(“L”)を供給し、非選択のメインワード線MWLx、MWLbxにそれぞれ電圧VWR、VSSROWを供給する。   The main row decoder 120 selects a predetermined x based on an address signal (Address), supplies voltages VSSROW (“H”) and VWR (“L”) to the selected main word lines MWLx and MWLbx, Voltages VWR and VSSROW are supplied to unselected main word lines MWLx and MWLbx, respectively.

続いて、ロウドライバ130について説明をする。   Next, the row driver 130 will be described.

図10は、ロウドライバ130の回路図である。ロウドライバ130には256対のメインワード線MWLx、MWLbx(x=<255:0>)のいずれか1対を入力とする。ロウドライバ130は、1つのメインロウデコーダ120に対して8つ設けられている。図10に示すように、ロウドライバ130は、書き込み駆動線WDRV<7:0>及びワード線WLx<7:0>間に設けられ、それぞれメインワード線MWLbx、MWLxで制御される2つのトランジスタQP131、QN131と、非選択ワード線電圧VUXの電源線及びワード線WLx<7:0>間に設けられメインワード線MWLxで制御されるトランジスタQP132とを備える。   FIG. 10 is a circuit diagram of the row driver 130. One of the 256 pairs of main word lines MWLx and MWLbx (x = <255: 0>) is input to the row driver 130. Eight row drivers 130 are provided for one main row decoder 120. As shown in FIG. 10, the row driver 130 is provided between the write drive lines WDRV <7: 0> and the word lines WLx <7: 0>, and is controlled by the main transistors MWLbx and MWLx, respectively. , QN131, and a transistor QP132 provided between the power supply line of the unselected word line voltage VUX and the word line WLx <7: 0> and controlled by the main word line MWLx.

このロウドライバ130は、メインワード線MWLxの選択/非選択の状態に応じて、書き込み駆動線WDRV<7:0>又は非選択ワード線電圧VUXの電源線のいずれか一方とワード線WLx<7:0>とを接続する。これによって、ワード線WLx<7:0>には、選択ワード線電圧VSSROW、非選択ワード線電圧VUXのいずれかが供給される。   The row driver 130 selects either the write drive line WDRV <7: 0> or the power supply line of the unselected word line voltage VUX and the word line WLx <7 according to the selected / unselected state of the main word line MWLx. : 0> is connected. As a result, either the selected word line voltage VSSROW or the unselected word line voltage VUX is supplied to the word lines WLx <7: 0>.

なお、ロウドライバ130は、その他の周辺回路と同じ第1導電型であるP型の基板上に共通に形成されるが、負の電圧となる選択ワード線電圧VSSROW(例えば、−0.8V)を得るために、図11に示すトリプル・ウェル構造を持つ。具体的には、接地電圧VSSをウェル電圧とするP型基板があり、このP型基板上に非選択ワード線電圧VUXをウェル電圧とする第2導電型であるN型のウェル、このN型ウェル上に選択ワード線電圧VSSROWをウェル電圧とするP型ウェルが順次形成された構造となっており、このP型ウェル上にNMOSトランジスタが形成されている。   The row driver 130 is formed in common on a P-type substrate having the same first conductivity type as other peripheral circuits, but the selected word line voltage VSSROW (for example, −0.8 V) that becomes a negative voltage. In order to obtain the above, the triple well structure shown in FIG. 11 is provided. Specifically, there is a P-type substrate having a ground voltage VSS as a well voltage, and an N-type well of the second conductivity type having a non-selected word line voltage VUX as a well voltage on the P-type substrate. A P-type well having a selected word line voltage VSSROW as a well voltage is sequentially formed on the well, and an NMOS transistor is formed on the P-type well.

続いて、書き込み駆動線ドライバ140について説明する。   Next, the write drive line driver 140 will be described.

図12は、書き込み駆動線ドライバ140の回路図である。書き込み駆動線ドライバ140はプリデコーダである。この書き込み駆動線回路140は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG141、このNANDゲートG141の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、このレベルシフタL/Sの出力を入力とするインバータIV141によって構成される。このインバータIV141は非選択ワード線電圧VUX及び選択ワード線電圧VSSROW間に設けられ、出力が書き込み駆動線WDRVに接続されている。   FIG. 12 is a circuit diagram of the write drive line driver 140. The write drive line driver 140 is a predecoder. The write drive line circuit 140 includes a NAND gate G141 that receives an address signal (Address), a level shifter L / S that shifts the output of the NAND gate G141, and an inverter IV141 that receives the output of the level shifter L / S. Composed. The inverter IV141 is provided between the unselected word line voltage VUX and the selected word line voltage VSSROW, and its output is connected to the write drive line WDRV.

この書き込み駆動線回路140は、入力されたアドレス信号に対応する書き込み駆動線WDRV<127:0>に選択ワード線電圧VSSROWを供給し、その他の書き込み駆動線WDRV<127:0>に非選択ワード線電圧VUXを供給する。この書き込み駆動線WDRVの電圧は、ロウドライバ130を介して、ワード線WLxに供給される。   The write drive line circuit 140 supplies the selected word line voltage VSSROW to the write drive line WDRV <127: 0> corresponding to the input address signal, and unselected words to the other write drive lines WDRV <127: 0>. Supply line voltage VUX. The voltage of the write drive line WDRV is supplied to the word line WLx via the row driver 130.

以上の構成によるメインロウデコーダ120、ロウドライバ130、及び書き込み駆動線ドライバ140によって、アドレス信号で選択されたワード線WLxにのみ選択ワード線電圧VSSROWが供給され、その他のワード線WLには非選択ワード線電圧VUXが供給されることになる。   The main row decoder 120, the row driver 130, and the write drive line driver 140 having the above configuration supply the selected word line voltage VSSROW only to the word line WLx selected by the address signal, and the other word lines WL are not selected. The word line voltage VUX is supplied.

[カラム系制御回路]
先ず、カラムデコーダ160について説明する。
[Column control circuit]
First, the column decoder 160 will be described.

図13は、カラムデコーダ160の回路図である。カラムデコーダ160は、カラムアドレスを入力し、128対のカラム選択線CSLy、CSLby(y=<127:0>)の1つを選択する。なお、カラムデコーダ160は、図13に示すような回路を、128対のカラム選択線CSLy、CSLbyのそれぞれについて有している。図13に示すように、1つのカラムデコーダ160は、アドレス信号(Address)を入力とするNANDゲートG161、このNANDゲートG161の出力をレベルシフトするレベルシフタL/S、このレベルシフタL/Sの出力を入力とするインバータIV161、及びこのインバータIV161の出力を入力とするインバータIV162によって構成される。ここで、インバータIV161、IV162の出力は、それぞれカラム選択線CSLy、CSLbyとなっている。   FIG. 13 is a circuit diagram of the column decoder 160. The column decoder 160 receives a column address and selects one of 128 pairs of column selection lines CSLy and CSLby (y = <127: 0>). Note that the column decoder 160 has a circuit as shown in FIG. 13 for each of 128 pairs of column selection lines CSLy and CSLby. As shown in FIG. 13, one column decoder 160 receives a NAND gate G161 that receives an address signal (Address), a level shifter L / S that level-shifts the output of the NAND gate G161, and outputs the output of the level shifter L / S. The inverter IV161 is an input and the inverter IV162 is an output of the inverter IV161. Here, the outputs of the inverters IV161 and IV162 are column selection lines CSLy and CSLby, respectively.

このカラム選択線160は、アドレス信号(Address)に基づいて所定のyを選択し、選択したカラム選択線CSLy、CLLbyにそれぞれ電圧VWR(“H”)、VSS(“L”)を供給し、非選択のカラム選択線CSLy、CSLbyにそれぞれ電圧VSS、VWRを供給する。   The column selection line 160 selects a predetermined y based on an address signal (Address), and supplies voltages VWR (“H”) and VSS (“L”) to the selected column selection lines CSLy and CLLby, Voltages VSS and VWR are supplied to unselected column selection lines CSLy and CSLby, respectively.

続いて、カラムドライバ170について説明する。   Next, the column driver 170 will be described.

図14は、カラムドライバ170の回路図である。カラムドライバ170には128対のカラム選択線CSLy、CSLby(y=<127:0>)のいずれか1対が入力される。カラムドライバ170は、1つのカラムデコーダ160に対して8つ設けられている。図14に示すように、カラムドライバ170は、ローカルデータ線LDQ<7:0>及びビット線BLy<7:0>間に設けられ、それぞれカラム選択線CSLy、CSLbyで制御される2つのトランジスタQP171、QN171と、非選択ビット線電圧VUBの電源線及びビット線BLy<7:0>間に設けられ、カラム選択線CSLbyで制御されるトランジスタQN172とを備える。   FIG. 14 is a circuit diagram of the column driver 170. Any one of 128 pairs of column selection lines CSLy and CSLby (y = <127: 0>) is input to the column driver 170. Eight column drivers 170 are provided for one column decoder 160. As shown in FIG. 14, the column driver 170 is provided between the local data lines LDQ <7: 0> and the bit lines BLy <7: 0>, and is controlled by the column selection lines CSLy and CSLby, respectively. , QN171 and a transistor QN172 provided between the power supply line of the unselected bit line voltage VUB and the bit line BLy <7: 0> and controlled by the column selection line CSLby.

このカラムドライバ170は、カラム選択線CSCyの選択/非選択の状態に応じて、ローカルデータ線LDQ<7:0>/非選択ビット線電圧VUBの電源線とビット線BLyとを接続する。ここで、ローカルデータ線LDQ<7:0>の電圧は、センスアンプ/書き込みバッファ180から供給される選択ビット線電圧VWR或いは非選択ビット線電圧VUBに相当する電圧VSSである。これによって、ビット線BLy<7:0>には、選択ビット線電圧VWR、非選択ビット線電圧VUBのいずれかが供給される。   The column driver 170 connects the power line of the local data line LDQ <7: 0> / unselected bit line voltage VUB and the bit line BLy according to the selection / non-selection state of the column selection line CSCy. Here, the voltage of the local data line LDQ <7: 0> is a voltage VSS corresponding to the selected bit line voltage VWR or the unselected bit line voltage VUB supplied from the sense amplifier / write buffer 180. As a result, either the selected bit line voltage VWR or the unselected bit line voltage VUB is supplied to the bit lines BLy <7: 0>.

続いて、センスアンプ/書き込みバッファ180について説明する。   Next, the sense amplifier / write buffer 180 will be described.

図15は、センスアンプ/書き込みバッファ180の回路図である。センスアンプ/書き込みバッファ180は、大別して、センスアンプ181と、書き込みバッファ182とからなる。   FIG. 15 is a circuit diagram of the sense amplifier / write buffer 180. The sense amplifier / write buffer 180 is roughly composed of a sense amplifier 181 and a write buffer 182.

センスアンプ181は、ローカルデータ線LDQ<7:0>に現れるメモリセルMCのデータをラッチ回路LAT及びデータ入出力線I/O<7:0>を介して外部に送信するために検知・増幅する回路である。このセンスアンプ182は、図示しないリードイネーブル信号181で活性化される。なお、センスアンプ181には、シングルエンド型、参照セルを用いた差動型など種々のタイプを用いるとこができる。   The sense amplifier 181 detects and amplifies the data of the memory cell MC appearing on the local data line LDQ <7: 0> to be transmitted to the outside via the latch circuit LAT and the data input / output line I / O <7: 0>. Circuit. The sense amplifier 182 is activated by a read enable signal 181 (not shown). The sense amplifier 181 can be of various types such as a single end type or a differential type using a reference cell.

書き込みバッファ182は、データ入出力線I/O<7:0>及びラッチ回路LAT<7:0>を介して入力されてきたデータをレベルシフトするレベルシフタL/Sと、このレベルシフタL/Sの出力を入力とし、ローカルデータ線LDQ<7:0>を出力とするインバータIV181とからなる。このインバータIV181は、ライトイネーブル信号WE、WEbによって活性化される。この書き込みバッファ182は、データ入出力線I/O<7:0>及びラッチ回路LATを介して入力された書き込みデータに応じて、データが“1”の場合には、ローカルデータ線LDQ<7:0>に接地電圧VSSを供給し、データが“0”の場合には、ローカルデータ線LDQ<7:0>に書き込み電圧VWRを供給する。この書き込みバッファ182は、ライトイネーブル信号WEによって活性化される。   The write buffer 182 includes a level shifter L / S for level-shifting data input via the data input / output lines I / O <7: 0> and the latch circuit LAT <7: 0>, and the level shifter L / S The inverter IV181 has an output as an input and a local data line LDQ <7: 0> as an output. The inverter IV181 is activated by the write enable signals WE and WEb. When the data is “1” in accordance with the write data input via the data input / output lines I / O <7: 0> and the latch circuit LAT, the write buffer 182 uses the local data line LDQ <7. : 0> is supplied with the ground voltage VSS, and when the data is “0”, the write voltage VWR is supplied to the local data line LDQ <7: 0>. The write buffer 182 is activated by the write enable signal WE.

以上の構成によるカラムデコーダ160、カラムドライバ170、及びセンスアンプ/書き込みバッファ180によって、セット動作時にはアドレス信号で選択された1本のビット線BLyにのみ選択ビット線電圧VWRが供給され、その他のビット線BLyには非選択ビット線電圧VUBが供給されることになる。   The column decoder 160, the column driver 170, and the sense amplifier / write buffer 180 having the above configuration supply the selected bit line voltage VWR only to one bit line BLy selected by the address signal during the set operation, and other bits. The unselected bit line voltage VUB is supplied to the line BLy.

[電源回路]
電源回路200は、外部電源電圧VCCを昇圧し、選択ビット線電圧VWRを生成する選択ワード線電圧発生回路210、外部電源電圧VCCを調整し、非選択ワード線電圧VUXを生成する非選択ワード線電圧発生回路220、及び接地電圧VSSを降圧し、選択ワード線電圧VSSROWを生成する選択ワード線電圧発生回路240からなる。
[Power supply circuit]
The power supply circuit 200 boosts the external power supply voltage VCC, selects a selected word line voltage generation circuit 210 that generates a selected bit line voltage VWR, adjusts the external power supply voltage VCC, and generates an unselected word line voltage VUX. The voltage generation circuit 220 includes a selection word line voltage generation circuit 240 that steps down the ground voltage VSS and generates a selection word line voltage VSSROW.

先ず、書き込み電圧発生回路210について説明する。   First, the write voltage generation circuit 210 will be described.

図16は、選択ビット線電圧発生回路(チャージポンプ)210の回路図である。選択ビット線電圧発生回路210は、入力(外部電源電圧VCC)及び出力端子(選択ビット線電圧VWR)間に直列接続された3つのトランジスタQN211〜QN213を備える。これら3つのトランジスタQN211〜QN213は、それぞれ入力側をアノード、出力側をカソードとするダイオード接続となっている。また、選択ビット線電圧発生回路210は、一端が、トランジスタQN211、QN212、及びQN213のドレイン側に接続され、他端が共通に接続されたキャパシタC211、C212、及びリミッタ回路(Limiter)を有する。   FIG. 16 is a circuit diagram of the selected bit line voltage generation circuit (charge pump) 210. The selected bit line voltage generation circuit 210 includes three transistors QN211 to QN213 connected in series between an input (external power supply voltage VCC) and an output terminal (selected bit line voltage VWR). These three transistors QN211 to QN213 are in diode connection with the input side serving as an anode and the output side serving as a cathode. The selected bit line voltage generation circuit 210 includes capacitors C211 and C212, one end of which is connected to the drain side of the transistors QN211, QN212, and QN213 and the other end connected in common, and a limiter circuit (Limiter).

この選択ビット線電圧発生回路210は、外部電源電圧VCCから供給される電荷をキャパシタC211に蓄積し、さらに、この電荷と外部電源電圧VCCから供給される電荷とを重畳的にキャパシタC241に蓄積する。このキャパシタC212に蓄積された電荷を放電することで、外部電源電圧VCCよりも高い選択ビット線電圧VWRを得ることができる。なお、この選択ビット線電圧発生回路210の出力は、リミッタ回路によって選択ビット線電圧VWR以上にならないように制限される。   The selected bit line voltage generation circuit 210 accumulates the charge supplied from the external power supply voltage VCC in the capacitor C211, and further accumulates the charge and the charge supplied from the external power supply voltage VCC in the capacitor C241 in a superimposed manner. . By discharging the charge accumulated in the capacitor C212, a selected bit line voltage VWR higher than the external power supply voltage VCC can be obtained. The output of the selected bit line voltage generation circuit 210 is limited by the limiter circuit so as not to exceed the selected bit line voltage VWR.

続いて、非選択ワード線電圧発生回路220について説明する。   Next, the unselected word line voltage generation circuit 220 will be described.

図17は、非選択ワード線電圧発生回路220の回路図である。非選択ワード線電圧発生回路220は、外部電源電圧VCCと接地線との間に直列接続されたPMOSトランジスタQP221、可変抵抗R221及び固定抵抗R222を備える。また、抵抗R221及びR222の接続点の電圧が非反転入力端子に入力され、非選択ワード線電圧VUXを生成するための所定の基準電圧VREFが反転入力端子に入力されるオペアンプOP221を備える。このオペアンプOP221の出力がトランジスタQP221のゲートに入力される。非選択ワード線電圧発生回路220には、以上によって定電圧回路が構成されており、この回路のトランジスタQP221及び抵抗221の接続点に非選択ワード線電圧VUXが生成される。   FIG. 17 is a circuit diagram of the unselected word line voltage generation circuit 220. The unselected word line voltage generation circuit 220 includes a PMOS transistor QP221, a variable resistor R221, and a fixed resistor R222 connected in series between the external power supply voltage VCC and the ground line. In addition, an operational amplifier OP221 is provided in which a voltage at a connection point between the resistors R221 and R222 is input to the non-inverting input terminal, and a predetermined reference voltage VREF for generating the unselected word line voltage VUX is input to the inverting input terminal. The output of the operational amplifier OP221 is input to the gate of the transistor QP221. The non-selected word line voltage generation circuit 220 forms a constant voltage circuit as described above, and the non-selected word line voltage VUX is generated at the connection point of the transistor QP221 and the resistor 221 in this circuit.

続いて、選択ワード線電圧発生回路240について説明する。   Next, the selected word line voltage generation circuit 240 will be described.

図18は、選択ワード線電圧発生回路(チャージポンプ)240の回路図である。選択ワード線電圧発生回路240は、入力(接地電圧VSS)及び出力(選択ワード線電圧VSSROW)間に直列接続された3つのトランジスタQN241〜QN243を備える。これら3つのトランジスタQN241〜QN243は、それぞれ、入力側をカソード、出力側をアノードとするダイオード接続となっている。また、選択ワード線電圧発生回路240は、一端が、トランジスタQN241、QN242、及びQN243のソース側に接続され、他端が共通に接続されたキャパシタC241、C242、及びリミッタ回路(Limiter)とからなる。   FIG. 18 is a circuit diagram of the selected word line voltage generation circuit (charge pump) 240. The selected word line voltage generation circuit 240 includes three transistors QN241 to QN243 connected in series between an input (ground voltage VSS) and an output (selected word line voltage VSSROW). Each of these three transistors QN241 to QN243 has a diode connection in which the input side is a cathode and the output side is an anode. The selected word line voltage generation circuit 240 includes capacitors C241 and C242 having one end connected to the source side of the transistors QN241, QN242 and QN243 and the other end connected in common, and a limiter circuit (Limiter). .

この選択ワード線電圧発生回路240は、選択ワード線電圧VSSROWから供給される電荷をキャパシタC242に蓄積し、さらに、この電荷と接地電圧VSSROWから供給される電荷とを重畳的にキャパシタC241に蓄積する。このキャパシタC241に蓄積された電荷を接地電圧VSS側に放電することで、負の電圧である選択ワード線電圧VSSROWを得ることができる。   The selected word line voltage generation circuit 240 accumulates the charge supplied from the selected word line voltage VSSROW in the capacitor C242, and further accumulates the charge and the charge supplied from the ground voltage VSSROW in the capacitor C241 in a superimposed manner. . By discharging the charge accumulated in the capacitor C241 to the ground voltage VSS side, the selected word line voltage VSSROW which is a negative voltage can be obtained.

以上、本実施形態によれば、非選択ワード線電圧の生成にチャージポンプを用いないためポンプ効率の影響による消費電流の増大を抑制することができる。また、チャージポンプの負荷を小さくすることができるため、チャージポンプを小さく形成することができ、チップ面積の縮小も図ることができる。   As described above, according to the present embodiment, since a charge pump is not used to generate a non-selected word line voltage, an increase in current consumption due to the effect of pump efficiency can be suppressed. Further, since the load of the charge pump can be reduced, the charge pump can be formed small, and the chip area can be reduced.

11、13・・・電極層、12・・・記録層、14・・・メタル層、100・・・メモリセルアレイコア部、110・・・メモリセルアレイ、120・・・メインロウデコーダ、130・・・ロウドライバ、140・・・書き込み駆動線ドライバ、150・・・ロウ系周辺回路、160・・・カラムデコーダ、170・・・カラムドライバ、180・・・センスアンプ/書き込みバッファ、181・・・センスアンプ、182・・・書き込みバッファ、190・・・カラム系周辺回路、200・・・電源回路、210・・・選択ビット線電圧発生回路、220・・・非選択ワード線電圧発生回路、240・・・選択ワード線電圧発生回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 13 ... Electrode layer, 12 ... Recording layer, 14 ... Metal layer, 100 ... Memory cell array core part, 110 ... Memory cell array, 120 ... Main row decoder, 130 ... Row driver 140 ... Write drive line driver 150 ... Row system peripheral circuit 160 ... Column decoder 170 ... Column driver 180 ... Sense amplifier / write buffer 181 ... Sense amplifier, 182... Write buffer, 190... Column system peripheral circuit, 200... Power supply circuit, 210... Selected bit line voltage generation circuit, 220. ... Selected word line voltage generation circuit.

Claims (5)

互いに交差する複数の第1配線及び第2配線、並びに前記第1配線及び第2配線の各交差部において前記第1配線及び第2配線間に接続され、書き込み電圧の印加によって状態が変化するメモリ素子及び前記第1配線から前記メモリ素子を介して前記第2配線に流れる電流を順方向として流す整流素子を含む直列回路により形成された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、
外部電源電圧を昇圧又は降圧して、第1電圧、この第1電圧よりも低い第2電圧、この第2電圧よりも低い第3電圧、及び前記第3電圧よりも低く、前記第1電圧との電位差が前記書き込み電圧となる第4電圧を、それぞれ生成する電源電圧と、
データ書き込み時に、前記複数のメモリセルのうち、データの書き込みのために選択された選択メモリセルに接続された選択第1配線に前記第1電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続されない非選択第2配線に前記第2電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続されない非選択第1配線に前記第3電圧を印加し、前記選択メモリセルに接続された選択第2配線に前記第4電圧を印加するドライバ回路と
を有し、
前記第2電圧は、前記外部電源電圧よりも低い
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of first wirings and second wirings that intersect each other, and a memory that is connected between the first wirings and the second wirings at each intersection of the first wirings and the second wirings, and whose state is changed by application of a write voltage A memory cell array having a plurality of memory cells formed by a series circuit including an element and a rectifying element that causes a current flowing from the first wiring to the second wiring through the memory element as a forward direction;
Boosting or stepping down the external power supply voltage, the first voltage, the second voltage lower than the first voltage, the third voltage lower than the second voltage, and lower than the third voltage, A power supply voltage for generating a fourth voltage at which the potential difference of
At the time of data writing, the first voltage is applied to the selected first wiring connected to the selected memory cell selected for data writing among the plurality of memory cells, and the non-selected not connected to the selected memory cell The second voltage is applied to the second wiring, the third voltage is applied to the non-selected first wiring not connected to the selected memory cell, and the fourth voltage is applied to the selected second wiring connected to the selected memory cell. A driver circuit for applying
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the second voltage is lower than the external power supply voltage.
前記第4電圧は、負の電圧である
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the fourth voltage is a negative voltage.
前記電源回路は、前記外部電源電圧を昇圧して前記第1電圧を生成する
ことを特徴とする請求項1又は2記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the power supply circuit boosts the external power supply voltage to generate the first voltage.
前記第3電圧は、接地電圧である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the third voltage is a ground voltage.
前記ドライバ回路は、第1導電型基板、この第1導電型基板上に形成された第2導電型ウェル、及びこの第2導電型ウェル上に形成された第1導電型ウェルからなるトリプル・ウェル構造を有する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の不揮発性半導体記憶装置。
The driver circuit includes a triple well including a first conductivity type substrate, a second conductivity type well formed on the first conductivity type substrate, and a first conductivity type well formed on the second conductivity type well. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory device has a structure.
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