JP5699666B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置に関し、特に抵抗変化型不揮発素子を搭載した半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device equipped with a variable resistance nonvolatile element.
半導体集積回路は微細化によって、電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の小型化・低電力化が進められ、MOSFETは、3年で4倍のペースで高集積化がなされてきた(スケーリング則:Mooreの法則)。 With the miniaturization of semiconductor integrated circuits, field effect transistors (MOSFETs) have been reduced in size and power consumption, and MOSFETs have been highly integrated at a quadruple rate in three years. (Scaling law: Moore's law).
半導体集積回路の微細化によって集積されるMOSFETの素子あたりのコストが劇的に低下する一方で、半導体集積回路(半導体チップ)を製造するコストは大きく増大している。例えば、最先端のMOSFETのゲート寸法は30nmを下回る寸法に達し、MOSFETのパターンを半導体ウエハにパターニングするマスクのコストは非常に高くなっている。 While the cost per device of the MOSFET integrated by the miniaturization of the semiconductor integrated circuit is drastically reduced, the cost for manufacturing the semiconductor integrated circuit (semiconductor chip) is greatly increased. For example, the gate dimensions of state-of-the-art MOSFETs reach dimensions below 30 nm, and the cost of masks for patterning MOSFET patterns on semiconductor wafers is very high.
このような状況から、製造後の半導体チップに対して設計者が所望の回路を電気的にプログラムできるFPGA(Field Programmable Gate Array)チップが使用される機会が増している。FPGAは同一マスクで形成したチップを製造後に電気的にプログラムすることで所望の電気的仕様を得ることができるチップである。特に必要なチップ数が少ない場合、高価なマスクコストを負担する必要がないという点で、FPGAが選択されることが多い。 Under such circumstances, there is an increased use of an FPGA (Field Programmable Gate Array) chip that allows a designer to electrically program a desired circuit on a manufactured semiconductor chip. The FPGA is a chip that can obtain desired electrical specifications by electrically programming a chip formed with the same mask after manufacturing. In particular, when the number of chips required is small, an FPGA is often selected in that it is not necessary to bear an expensive mask cost.
ところで、FPGAはプログラム情報を集積回路に反映させるためのスイッチおよび記憶保持回路を多数必要とする。この点で現下のFPGAでは面積効率が悪く、この傾向はFPGAの規模が大きくなるほど顕著である。 By the way, the FPGA requires a large number of switches and memory holding circuits for reflecting the program information on the integrated circuit. In this respect, the area efficiency of current FPGAs is poor, and this tendency becomes more conspicuous as the scale of FPGAs increases.
これまで主として、配線切り替えのスイッチとしてMOSFETが利用され、記憶保持にはSRAM(Static Random Access Memory)やラッチ回路が使用されてきた。この場合、MOSFETによるスイッチは、十分な導電度を得るためには、素子寸法を一定以上に保つ必要がある。また、しきい値電圧のばらつきを考えると、SRAMについても動作余裕を得るためにはスケーリング則の効果ほどには素子寸法を減少させることは難しい。したがって、スケーリングを進めることによっても、スイッチおよび記憶回路の占有面積は大きくなってしまう。 Until now, MOSFETs have mainly been used as wiring switching switches, and SRAM (Static Random Access Memory) and latch circuits have been used for memory retention. In this case, in order to obtain sufficient conductivity, the MOSFET switch needs to keep the element size at a certain level or more. Considering the variation in threshold voltage, it is difficult to reduce the element size as much as the effect of the scaling law in order to obtain an operation margin for the SRAM. Therefore, the area occupied by the switch and the memory circuit is increased even if the scaling is advanced.
そこで、FPGAのSRAM・配線スイッチを代替するものとして、抵抗変化型不揮発素子が期待される。FPGAの多層配線層内部に抵抗変化型不揮発素子を搭載することで、いっそうの低電力化、小面積化を図ることが可能である。抵抗変化型不揮発素子としては、例えば遷移金属酸化物を用いたReRAM(Resistance Random Access Memory)や、イオン伝導体を用いたNanoBridge(NEC社の登録商標)などが知られている。 Therefore, a variable resistance nonvolatile element is expected as an alternative to the FPGA SRAM / wiring switch. By mounting the variable resistance nonvolatile element inside the multilayer wiring layer of the FPGA, it is possible to further reduce power consumption and area. As the variable resistance nonvolatile element, for example, ReRAM (Resistance Random Access Memory) using a transition metal oxide, NanoBridge (registered trademark of NEC) using an ionic conductor, and the like are known.
特許文献1及び非特許文献1には、電界などの印加によってイオンが自由に動くことのできる固体(イオン伝導体)中における金属イオンの移動と電気化学反応とを利用した抵抗変化型不揮発素子が開示されている。この抵抗変化型不揮発素子は、イオン伝導層、該イオン伝導層に接して対向面に設けられた第1電極及び第2電極から構成されている。第1電極からイオン伝導層に金属イオンが供給され、第2電極からは金属イオンは供給されない。このような抵抗変化型不揮発素子では、印加電圧の極性を変えることでイオン伝導体の抵抗値を変化させ、二つの電極間の導通状態を制御することができる。
In
次に、抵抗変化型不揮発素子の動作を簡単に説明する。第1電極を接地して第2電極に負電圧を印加すると、第1電極の金属が金属イオンになってイオン伝導層に溶解する。そして、イオン伝導層中の金属イオンがイオン伝導層中に金属になって析出し、析出した金属により第1電極と第2電極を接続する金属架橋が形成される。形成された金属架橋で第1電極と第2電極が電気的に接続されることで、スイッチがオン状態になる。これに対し、オン状態で第1電極を接地して第2電極に正電圧を印加すると、金属架橋の一部が切れる。これにより、第1電極と第2電極との電気的接続が切れ、スイッチがオフ状態になる。また、オフ状態からオン状態にするには、再び第1電極を接地して第2電極に負電圧を印加すればよい。 Next, the operation of the variable resistance nonvolatile element will be briefly described. When the first electrode is grounded and a negative voltage is applied to the second electrode, the metal of the first electrode becomes metal ions and dissolves in the ion conductive layer. And the metal ion in an ion conductive layer turns into a metal and precipitates in an ion conductive layer, The metal bridge | crosslinking which connects a 1st electrode and a 2nd electrode with the deposited metal is formed. The first electrode and the second electrode are electrically connected by the formed metal bridge, so that the switch is turned on. In contrast, when the first electrode is grounded and a positive voltage is applied to the second electrode in the ON state, a part of the metal bridge is cut. Thereby, the electrical connection between the first electrode and the second electrode is cut off, and the switch is turned off. In order to change from the off state to the on state, the first electrode is grounded again and a negative voltage is applied to the second electrode.
このような抵抗変化型不揮発素子のうち、低抵抗状態(オン状態)と高抵抗状態(オフ状態)を変化させるために必要な印加電圧が逆の関係にあるものをバイポーラ型と呼ぶ。ここで、バイポーラ型抵抗変化素子において、素子を低抵抗状態にするために他方の電極よりも高い電位を与える電極を正極、もう一方の電極を負極と便宜的に定義する。 Among such variable resistance nonvolatile elements, a bipolar type element in which applied voltages necessary to change between a low resistance state (on state) and a high resistance state (off state) are reversed is called a bipolar type. Here, in the bipolar variable resistance element, in order to bring the element into a low resistance state, an electrode that applies a higher potential than the other electrode is defined as a positive electrode, and the other electrode is defined as a negative electrode.
図1にバイポーラ型抵抗変化素子の電気的特性と構造を模式的に示す。高抵抗状態において、負極を接地して正極に正電圧を印加すると、図1(A)に示すように、ある電圧値を閾値(セット電圧と呼ぶ)として、抵抗変化素子は高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移する電圧電流特性を示す。低抵抗状態においては、図1(B)に示すように、正極101、負極103間に、正極101から析出した金属によりイオン伝導層102中に金属架橋104が形成される。一方、低抵抗状態において、負極103を接地して正極101に負電圧を印加すると、図1(C)に示すように、ある電流値(リセット電流)において低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移する電圧電流特性を示す。高抵抗状態においては、図1(D)に示すように、金属架橋104は質量移動により正極101に吸収され消滅する。
FIG. 1 schematically shows the electrical characteristics and structure of a bipolar variable resistance element. In the high resistance state, when the negative electrode is grounded and a positive voltage is applied to the positive electrode, as shown in FIG. 1 (A), the resistance change element is lowered from the high resistance state with a certain voltage value as a threshold value (referred to as a set voltage). The voltage current characteristic which changes to a resistance state is shown. In the low resistance state, as shown in FIG. 1B, a
このようなバイポーラ型抵抗変化素子を論理回路同士の結線スイッチとして使用する場合、抵抗変化素子のセット電圧およびリセット電流よりも十分小さな電圧電流によって、抵抗変化型不揮発素子は抵抗状態の変化に影響を与えることなく、論理回路の信号が伝播されるようにすることが可能である。 When such a bipolar variable resistance element is used as a connection switch between logic circuits, the variable resistance nonvolatile element affects the change in resistance state due to a voltage current sufficiently smaller than the set voltage and reset current of the variable resistance element. Without giving, it is possible to propagate the signal of the logic circuit.
以下の分析は本発明において与えられる。 The following analysis is given in the present invention.
特許文献1及び非特許文献1に記載のバイポーラ型2端子型抵抗変化素子は、外部電圧・電流によって、低抵抗状態と高抵抗状態とを可逆的に遷移させるため、論理回路の信号経路中に組みこんだ際に極性を有する。書込み後の通常動作時においては、所望の論理回路を低抗状態の抵抗変化素子により結線して信号が伝播されるため、低抵抗状態の抵抗変化素子には次段の論理回路を駆動するためのパルス電流が流れる。このパルス電流が抵抗変化素子を流れる方向は、接続する論理回路の種類によって異なる。たとえば、抵抗変化素子に実質的に直流電流が流れないCMOS回路で論理回路を作成する場合であっても、抵抗変化素子には次段の論理回路を充放電するための充放電パルス電流が流れる。
The bipolar two-terminal variable resistance element described in
ところで、非特許文献1において、バイポーラ型の抵抗変化型不揮発素子において、低抵抗状態への書込み方向と同じ方向の直流電流は低抵抗状態の保持を劣化させるストレスとならないが、逆方向の直流電流は保持を劣化するストレスとなることが示されている。すなわち、リセット電流と同じ方向の電流は、リセット電流より低い電流値においても、ある有限時間内に抵抗変化素子を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させる信頼性上のストレス要因となることが考えられる。したがって、通常動作時の電流はこのような意図しない変化が生じないように設定される必要がある。
By the way, in
抵抗変化素子を論理回路の結線スイッチに使用する場合、このような通常動作時の動作電流では、実用的な時間の範囲(たとえば10年間)では低抵抗状態の保持に問題が起こらないように設計されるべきものである。この場合、ストレスに対する保持特性を改善しようとすると、その分リセット電流も大きくしなければならないという設計上の制約が生じることになる。 When a resistance change element is used as a connection switch for a logic circuit, the operation current during normal operation is designed so that no problem occurs in maintaining a low resistance state within a practical time range (for example, 10 years). Is to be done. In this case, if an attempt is made to improve the holding characteristic against stress, there is a design restriction that the reset current must be increased accordingly.
本発明の目的は、上述した課題を解決し、高信頼化が可能な抵抗変化型不揮発素子を含む半導体装置を提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device including a variable resistance nonvolatile element that can be highly reliable.
はじめに、従来のCMOS論理回路と本発明における抵抗変化型不揮発素子が接続されたCMOS論理回路とで、nFETとpFETの飽和電流の比がどのように設計されるかについて説明する。 First, how the saturation current ratio of nFET and pFET is designed between the conventional CMOS logic circuit and the CMOS logic circuit to which the variable resistance nonvolatile element according to the present invention is connected will be described.
通常のCMOS論理回路では、遅延時間と素子の占有面積の観点から、nFETとpFETの飽和電流の比をおおむね1とすることが一般的である。例えば、CMOS論理インバータの遅延時間τは、パルスの立ち上がり遅延時間τrと立下り遅延時間τfの和であると考えて、下記式(1)で表される。
τ=τr+τf∝(βn+βp)/(βn・βp) ―――式(1)
ここでβnおよびβpは、それぞれnFETおよびpFETにおける利得係数である。
In a normal CMOS logic circuit, the ratio of saturation current of nFET and pFET is generally set to 1 from the viewpoint of delay time and element occupation area. For example, the delay time τ of the CMOS logic inverter is expressed by the following equation (1), assuming that it is the sum of the pulse rising delay time τr and the falling delay time τf.
τ = τr + τf∝ (βn + βp) / (βn · βp) ――― Formula (1)
Here, βn and βp are gain coefficients in nFET and pFET, respectively.
また、利得係数βと飽和電流Idsatとの関係は、電源電圧Vddとトランジスタの閾値電圧Vthを用いて以下のように表される。
Idsatn=1/2・βn・(Vdd−Vthn)2 ―――式(2)
The relationship between the gain coefficient β and the saturation current Idsat is expressed as follows using the power supply voltage Vdd and the threshold voltage Vth of the transistor.
Idsatn = 1/2 · βn · (Vdd−Vthn) 2 ——Expression (2)
さらに、利得係数βは、移動度μ、ゲート酸化膜厚Cox、ゲート長L、ゲート幅Wを用いて以下のように表される。
βn=μn・Cox・Wn/Ln ―――式(3)
Further, the gain coefficient β is expressed as follows using the mobility μ, the gate oxide film thickness Cox, the gate length L, and the gate width W.
βn = μn · Cox · Wn / Ln ――― Formula (3)
上記各式ではnFETに対して扱ったが、pFETに関しても同様である。 The above equations dealt with nFETs, but the same applies to pFETs.
式(3)から分かるとおり、ゲート酸化膜厚Cox、移動度μ、ゲート長Lおよびゲートオーバドライブ電圧(Vdd−Vth)は、プロセスに固有のパラメータであり、自由に設計できるパラメータは、実質的にゲート幅Wである。 As can be seen from Equation (3), the gate oxide film thickness Cox, the mobility μ, the gate length L, and the gate overdrive voltage (Vdd−Vth) are parameters specific to the process, and the parameters that can be freely designed are substantially The gate width W.
ここで、式(1)をゲート幅Wに関して書き直すと、以下のようになる。
τ∝(A・Wn+Wp)/(A・Wn・Wp) ―――式(4)
ただし、A=μn/μp ―――式(5)
Here, when Equation (1) is rewritten with respect to the gate width W, it becomes as follows.
τ∝ (A · Wn + Wp) / (A · Wn · Wp) ――― Formula (4)
However, A = μn / μp ――― Formula (5)
式(4)から分かるとおり、遅延時間τは、ゲート幅Wを大きくするほど短くすることができる。この場合、WnとWpの和が一定という条件を課すと、Wp=A・Wnであるときに最小となることが分かる。ここでpFETに対するnFETの移動度μの比Aは、1<A<2程度であるので、式(6)で表されるようにゲート幅を設計すると、ゲート幅に対する遅延時間の効率がもっとも高くなる。
Wn<Wp<2Wn ―――式(6)
As can be seen from the equation (4), the delay time τ can be shortened as the gate width W is increased. In this case, when the condition that the sum of Wn and Wp is constant, it is found that the minimum is obtained when Wp = A · Wn. Here, since the ratio A of the mobility μ of the nFET to the pFET is about 1 <A <2, when the gate width is designed as expressed by the equation (6), the efficiency of the delay time with respect to the gate width is the highest. Become.
Wn <Wp <2Wn ――― Formula (6)
したがって、通常のCMOS論理回路では、nFETとpFETのゲート幅の関係は、式(6)を満足するようにnFETに対しpFETが大きくなるように設計し、Idsatn≒Idsatpを満足するように設計される。 Therefore, in a normal CMOS logic circuit, the relationship between the gate width of nFET and pFET is designed so that the pFET is larger than the nFET so as to satisfy Equation (6), and is designed to satisfy Idsatn≈Idsatp. The
図2は、インバータ論理回路に結線された抵抗変化型不揮発素子(以下、単に抵抗変化素子と略す)の基本的な回路図を示す。簡単のためにすべての回路は記されていない。図2では抵抗変化素子201は、前段のインバータ202と次段のインバータ203に接続され、さらに抵抗変化素子201の書き込み用トランジスタ群204に接続されている。また、バイポーラ型の特性を表すために抵抗変化素子201において正極205を黒棒で現す。この例では正極は次段のインバータ203に接続されている。
FIG. 2 shows a basic circuit diagram of a variable resistance nonvolatile element (hereinafter simply referred to as a variable resistance element) connected to an inverter logic circuit. For simplicity, all circuits are not shown. In FIG. 2, the
図2では、書き込み用トランジスタ群204によって、抵抗変化素子201は低抵抗状態に設定されている状態にあるものとする。前段のインバータ202を経由して論理信号を次段のインバータ203に伝達する場合、次段のインバータ203のゲート容量Cgateおよび抵抗変化素子201から次段のインバータまでの浮遊容量Cstrayを充放電するための電流が抵抗変化素子201に流れる。
In FIG. 2, it is assumed that the
この様子を図3によりさらに詳しく説明する。前段のインバータ202がLowレベルからHighレベルの信号を出力するとき、前段のインバータ202を構成するnFET207がカットオフ状態となりpFET206が飽和状態となって、抵抗変化素子201を通じてCgateおよびCstrayが充電される。このとき抵抗変化素子201には負極から正極に向けてストレス性の電流I+が流れる。逆に、前段のインバータ202がLowレベルを出力するとき、pFET206がカットオフ状態となりnFET207が飽和状態となるため、nFET207を通じてCgateおよびCstrayが放電される。この際には、正極から負極に向けて非ストレス性の電流I−が流れる。
This will be described in more detail with reference to FIG. When the
以上の動作における抵抗変化素子を流れる電流(I+、I−)のパルス波形は、図4のようになる。ここで、不揮発型抵抗変化素子の低抵抗時の信頼性を向上させるためには、ストレス性の電流I+は、破線で示すように抑圧されることが好ましい。 The pulse waveform of the current (I + , I − ) flowing through the variable resistance element in the above operation is as shown in FIG. Here, in order to improve the reliability of the nonvolatile variable resistance element at the time of low resistance, it is preferable that the stress current I + is suppressed as indicated by a broken line.
次に、抵抗変化素子の低抵抗状態の信頼性を議論するために、配線の平均故障時間(MTF)を、式(7)に示すブラックの関係式(Black’s law)を使って考察する。
MTF=A・(1/Jn)・exp(Ea/kT) ―――式(7)
ここで、Aは比例定数、Jは電流密度、nは1より大きい実数、Eaは活性化エネルギー、kはボルツマン定数、Tは温度である。
Next, in order to discuss the reliability of the resistance change element in the low resistance state, the average failure time (MTF) of the wiring is considered using the black relational expression (Black's law) shown in Expression (7). .
MTF = A · (1 / Jn) · exp (Ea / kT) ――― Formula (7)
Here, A is a proportional constant, J is a current density, n is a real number greater than 1, Ea is an activation energy, k is a Boltzmann constant, and T is a temperature.
パルス電流の場合、Jは充放電電流I(t)を使って式(8)のように表される。
なお、Tcycleは信号周期である。
In the case of a pulse current, J is expressed as shown in Equation (8) using the charge / discharge current I (t).
Tcycle is a signal period.
ここで非ストレス性の電流I−は、MTFに影響を与えないと考えると、バイポーラ型抵抗変化素子のMFTについて式(9)のようになると考えられる。
Here, if it is considered that the non-stress current I − does not affect the MTF, it is considered that the MFT of the bipolar variable resistance element is expressed by Equation (9).
ここで重要な点は、Cgate+Cstrayが一定であるので、仮にn=1であればどのようなβpに対してもMTFは一定となる。しかし、実際には電流値はMTFに対して線形以上の効果を持ちn>1であるで、βpが小さいほどMTFは下に凸の関数で改善する。 The important point here is that Cgate + Cstray is constant, so if n = 1, the MTF is constant for any βp. However, in practice, the current value has an effect that is more than linear with respect to the MTF and n> 1, and the smaller the βp, the better the MTF improves with a downward convex function.
一方、信号の遅延時間の観点からは、βnとβpを同時に小さくした場合、論理回路の遅延時間が許容できないほど増加してしまう。 On the other hand, from the viewpoint of signal delay time, if βn and βp are simultaneously reduced, the delay time of the logic circuit increases unacceptably.
本願発明者らは、これらに対する改善策を検討し、MTFに影響の少ないβnによって論理回路の遅延時間を設計し、βpをβnよりも小さくすることが望ましいことを明らかにした。また、遅延時間を最小とするためには、次段の論理回路の論理閾値は、前段の論理回路の論理閾値と同程度とすることが望ましいことを明らかにした。 The inventors of the present application have studied improvement measures for these, and clarified that it is desirable to design the delay time of the logic circuit with βn that has little influence on MTF and to make βp smaller than βn. Further, it has been clarified that in order to minimize the delay time, it is desirable that the logic threshold value of the logic circuit in the next stage is approximately the same as the logic threshold value of the logic circuit in the preceding stage.
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る半導体装置は、少なくとも2つの論理回路と、前段の論理回路と後段の論理回路との間を電気的に接続可能とする抵抗変化型不揮発素子とを備え、抵抗変化型不揮発素子は、抵抗値が電気的に書き換え可能であり、抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向と、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向とが逆の関係にあるような両極型の遷移特性を有し、前段の論理回路は、前段の論理回路から出力され抵抗変化型不揮発素子を介して流れる信号電流のピーク値が、抵抗変化型不揮発素子が低抵抗状態に遷移する方向に大きく逆方向に小さくなるような駆動能力を有するように構成される。 A semiconductor device according to one aspect (side surface) of the present invention includes at least two logic circuits, and a variable resistance nonvolatile element that can electrically connect a preceding logic circuit and a succeeding logic circuit. The resistance variable nonvolatile element has an electrically rewritable resistance value, the direction of applied voltage or current necessary for the resistance value to transition from the high resistance state to the low resistance state, and the low resistance state to the high resistance state. Bipolar type transition characteristics such that the direction of applied voltage or current necessary for transition to the state is opposite, and the logic circuit in the previous stage is output from the logic circuit in the previous stage and is a variable resistance nonvolatile element Is configured to have such a driving capability that the peak value of the signal current flowing through the capacitor changes greatly in the direction in which the variable resistance nonvolatile element transitions to the low resistance state and decreases in the opposite direction.
本発明によれば、不揮発型抵抗変化素子の低抵抗時の信頼性を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the reliability at the time of the low resistance of a non-volatile resistance change element can be improved.
以下、本発明を実施するための形態について、概説する。なお、以下の概説に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるための例示であり、図示の態様に限定することを意図するものではない。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be outlined. Note that the reference numerals of the drawings attached to the following outline are only examples for facilitating understanding, and are not intended to be limited to the illustrated embodiments.
本発明の一実施形態に係る半導体装置は、少なくとも2つの論理回路(図5の15、16に相当)と、前段の論理回路と後段の論理回路との間を電気的に接続可能とする抵抗変化型不揮発素子(図5の14)とを備え、抵抗変化型不揮発素子は、抵抗値が電気的に書き換え可能であり、抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向と、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向とが逆の関係にあるような両極型の遷移特性を有し、前段の論理回路(図5の15)は、前段の論理回路から出力され抵抗変化型不揮発素子を介して流れる信号電流のピーク値が、抵抗変化型不揮発素子が低抵抗状態に遷移する方向に大きく逆方向に小さくなるような駆動能力を有するように構成される。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes at least two logic circuits (corresponding to 15 and 16 in FIG. 5) and resistors that can electrically connect the preceding logic circuit and the succeeding logic circuit. A variable resistance nonvolatile element (14 in FIG. 5), the resistance variable nonvolatile element has an electrically rewritable resistance value, and an application necessary for the resistance value to transition from the high resistance state to the low resistance state. It has a bipolar transition characteristic in which the direction of the voltage or current and the direction of the applied voltage or current necessary for transition from the low resistance state to the high resistance state are opposite to each other. 15) in FIG. 5 shows that the peak value of the signal current output from the preceding logic circuit and flowing through the variable resistance nonvolatile element is greatly reduced in the direction in which the variable resistance nonvolatile element transitions to the low resistance state. Have the driving ability Configured.
半導体装置において、前段の論理回路は、駆動能力を満足するそれぞれ飽和電流特性を有するp型およびn型トランジスタ(図6の31、32または33、34)を抵抗変化型不揮発素子の電流供給端に対応させて備えるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the logic circuit in the previous stage has p-type and n-type transistors (31, 32 or 33, 34 in FIG. 6) each having saturation current characteristics satisfying the driving capability as the current supply terminals of the variable resistance nonvolatile elements. You may make it respond | correspond.
半導体装置において、飽和電流特性は、それぞれのp型およびn型トランジスタのゲート長の比もしくはゲート幅の比によって定められるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the saturation current characteristic may be determined by the ratio of the gate lengths or the gate widths of the respective p-type and n-type transistors.
半導体装置において、それぞれのp型およびn型トランジスタに対する飽和電流の比は、1を超え2以上の所定値以下であるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the ratio of the saturation current to the respective p-type and n-type transistors may be more than 1 and not more than a predetermined value of 2 or more.
半導体装置において、それぞれのp型およびn型トランジスタに対する飽和電流の比は、2であるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the ratio of the saturation current to the respective p-type and n-type transistors may be 2.
半導体装置において、p型およびn型トランジスタをそれぞれ構成するN型およびP型ウェル領域のゲート幅方向の長さの比が、飽和電流の比を満足するように構成されるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the ratio of the lengths in the gate width direction of the N-type and P-type well regions constituting the p-type and n-type transistors may be configured to satisfy the saturation current ratio.
半導体装置において、抵抗変化型不揮発素子の電流供給端に対応して備えられたp型およびn型トランジスタは、前段の論理回路におけるバッファ回路(図6の30)を構成するようにしてもよい。 In the semiconductor device, the p-type and n-type transistors provided corresponding to the current supply terminals of the variable resistance nonvolatile element may constitute a buffer circuit (30 in FIG. 6) in the preceding logic circuit.
半導体装置において、抵抗変化型不揮発素子の電流供給端に対応して備えられたp型およびn型トランジスタは、前段の論理回路におけるバッファ回路と抵抗変化型不揮発素子の電流供給端との間に挿入されるトランスファゲート(図6の29)を構成するようにしてもよい。 In the semiconductor device, the p-type and n-type transistors provided corresponding to the current supply terminals of the variable resistance nonvolatile element are inserted between the buffer circuit in the preceding logic circuit and the current supply terminal of the variable resistance nonvolatile element. The transfer gate (29 in FIG. 6) may be configured.
半導体装置において、後段の論理回路は、後段の論理回路における抵抗変化型不揮発素子の接続端に対応する論理閾値が前段の論理回路の駆動端の論理閾値と同一であるように構成されるようにしてもよい。 In the semiconductor device, the logic circuit in the subsequent stage is configured so that the logic threshold value corresponding to the connection end of the variable resistance nonvolatile element in the logic circuit in the subsequent stage is the same as the logic threshold value in the driving terminal of the logic circuit in the previous stage. May be.
半導体装置において、複数の抵抗変化型不揮発素子をクロスバスイッチとしてマトリクス状に備え、マトリクスの行方向および列方向における抵抗変化型不揮発素子との接続線にそれぞれ対応させて前段の論理回路と後段の論理回路をそれぞれ備え、複数の抵抗変化型不揮発素子をそれぞれ高抵抗状態あるいは低抵抗状態に設定することで所望の再構成可能な論理回路を構成するようにしてもよい。 In a semiconductor device, a plurality of variable resistance nonvolatile elements are provided in a matrix form as a crossbar switch, and the logic circuit in the previous stage and the logic in the subsequent stage are respectively associated with connection lines to the variable resistance nonvolatile elements in the row direction and the column direction of the matrix. Each of the circuits may be provided, and a desired reconfigurable logic circuit may be configured by setting a plurality of variable resistance nonvolatile elements to a high resistance state or a low resistance state, respectively.
本発明の他の実施形態に係る半導体装置は、複数の論理回路と、論理回路同士を電気的に接続する複数の抵抗変化型不揮発素子とを含む再構成可能論理回路において、抵抗変化型不揮発素子の抵抗値は電気的に書き換え可能であり、抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するために必要な外部印加電圧もしくは電流の方向と、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移するために必要な外部印加電圧もしくは電流の方向が逆の関係にあるような両極型(バイポーラ型)の遷移特性を有し、論理回路から出力され抵抗変化型不揮発素子を介して流れる信号電流のピーク値が、抵抗変化型不揮発素子が低抵抗状態に遷移する方向に大きく逆方向に小さくなるような関係に揃えて設計される。 A semiconductor device according to another embodiment of the present invention includes a variable resistance nonvolatile element in a reconfigurable logic circuit including a plurality of logic circuits and a plurality of variable resistance nonvolatile elements that electrically connect the logic circuits. The resistance value is electrically rewritable, and the direction of the externally applied voltage or current necessary for the resistance value to transition from the high resistance state to the low resistance state and the transition from the low resistance state to the high resistance state It has a bipolar (bipolar) transition characteristic in which the direction of the required externally applied voltage or current is reversed, and the peak value of the signal current output from the logic circuit and flowing through the variable resistance nonvolatile element is The variable resistance nonvolatile element is designed so as to have a relationship that greatly decreases in the direction of transition to the low resistance state and decreases in the reverse direction.
また半導体装置は、論理回路は相補型電界効果トランジスタから構成され、信号電流のピーク値が関係を満足するようにp型トランジスタおよびn型トランジスタの飽和電流が設計されることが好ましい。 In the semiconductor device, the logic circuit is preferably composed of complementary field effect transistors, and the saturation currents of the p-type transistor and the n-type transistor are designed so that the peak value of the signal current satisfies the relationship.
また半導体装置は、飽和電流の関係は、相補型電界トランジスタのゲート長の比もしくはゲート幅の比によって満されることが好ましい。 In the semiconductor device, the saturation current relationship is preferably satisfied by the ratio of the gate length or the gate width of the complementary electric field transistors.
また半導体装置は、飽和電流の比は、抵抗変化型不揮発素子に接続される論理回路部で特異的に大きく2以上であり、不揮発型抵抗変化素子に接続されない論理回路部の飽和電流の比はこれよりも平均的に小さく1に近いことが好ましい。 In the semiconductor device, the saturation current ratio of the logic circuit portion connected to the variable resistance nonvolatile element is specifically large and 2 or more, and the saturation current ratio of the logic circuit portion not connected to the nonvolatile resistance change element is It is preferably smaller than this and close to 1 on average.
また半導体装置は、抵抗変化型不揮発素子に接続される論理回路部を構成するP型ウェル領域およびN型ウェル領域の高さの比が、飽和電流の比を満足するように、他の論理回路部とは異なって設計されることが好ましい。 In addition, the semiconductor device is provided with another logic circuit so that the height ratio of the P-type well region and the N-type well region constituting the logic circuit unit connected to the variable resistance nonvolatile element satisfies the saturation current ratio. The part is preferably designed differently from the part.
また半導体装置、不揮発型抵抗変化素子を介して前段の論理回路から信号が入力される論理回路の論理閾値は、前段の論理回路と同程度に設計されることが好ましい。 Further, it is preferable that the logic threshold value of the logic circuit to which a signal is input from the preceding logic circuit via the semiconductor device and the nonvolatile variable resistance element is designed to be about the same as that of the preceding logic circuit.
以下、本発明の半導体装置の実施例につき、図を参照しながら詳細に説明する。なおここに開示する実施例における各部分の構成は、それぞれ主要な部分のみを例示しており、実際の半導体装置には本実施例には明示されないさまざまな部分を含んでなるものとする。また、ここに開示する実施例における各部を構成する材料および形状は、本発明の主旨を変えない範囲でさまざまに変更可能である。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the structure of each part in the Example disclosed here exemplifies only a main part, and an actual semiconductor device includes various parts not explicitly shown in this example. Moreover, the material and shape which comprise each part in the Example disclosed here can be variously changed in the range which does not change the main point of this invention.
図5は、本発明の第1の実施例に係る半導体装置の回路図である。図5において、半導体装置は、クロスバスイッチ部11、複数の入力ドライバ15、複数の出力ドライバ16を備える。クロスバスイッチ部11は、マトリクス状(アレイ状)に抵抗変化素子14を備え、横方向に並んだ抵抗変化素子14における負極を共通に入力線12を介して入力ドライバ15に接続する。また、縦方向に並んだ抵抗変化素子14における正極を共通に出力線13を介して出力ドライバ16に接続する。このような構成の半導体装置において、クロスバスイッチ部11内の抵抗変化素子14を高抵抗状態あるいは低抵抗状態に設定することで、複数の入力線12と複数の出力線13を任意に結線可能なクロスバスイッチを形成して再構成論理回路とすることができる。
FIG. 5 is a circuit diagram of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, the semiconductor device includes a
図6は、入力ドライバの回路図である。入力ドライバ15は、信号入力線17、前段の論理回路の論理信号を伝えるための出力バッファ回路30、抵抗変化素子14を所望の状態に書き込むための、書き込み用デコーダ信号入力24、書き込み時に出力バッファ回路30を切り離すためのパストランジスタ(トランスファゲート)29、抵抗変化素子のリセット用電圧出力ドライバ26、抵抗変化素子のセット用グランド電圧出力ドライバ27、書き込み時の非選択抵抗変化素子の書き込み干渉防止用のホールド電圧出力ドライバ28、クロスバスイッチ部11への信号出力線である入力線12、を少なくとも含む。
FIG. 6 is a circuit diagram of the input driver. The
出力バッファ回路30は、CMOSインバータ回路を構成するpFET31、nFET32を備え、信号入力線17の信号を反転増幅してパストランジスタ29に出力する。パストランジスタ29は、ソース、ドレインをそれぞれ共通接続するpFET33、nFET34を備え、pFET33のゲートには、インバータ35を介してnFET34のゲートの信号の反転信号が与えられる。パストランジスタ29は、信号24aによって出力バッファ回路30の出力信号を入力線12に伝達するか否かを制御する。リセット用電圧出力ドライバ26は、信号24bによって電圧Vresetを入力線12に与えるか否かを制御する。セット用グランド電圧出力ドライバ27は、信号24cによって接地電位Gndを入力線12に与えるか否かを制御する。ホールド電圧出力ドライバ28は、信号24dによってホールド電圧Vholdを入力線12に与えるか否かを制御する。
The
図7は、出力ドライバの回路図である。出力ドライバ16は、クロスバスイッチ部からの信号入力線である出力線13、次段の論理回路の論理信号を伝えるための入力バッファ回路40、信号出力線18、抵抗変化素子を所望の状態に書き込むための、書き込み用デコーダ信号入力44、抵抗変化素子のセット用電圧出力ドライバ46、抵抗変化素子のリセット用グランド電圧出力ドライバ47、書き込み時の非選択抵抗変化素子の書き込み干渉防止用のホールド電圧出力ドライバ48を少なくとも含む。
FIG. 7 is a circuit diagram of the output driver. The
入力バッファ回路40は、CMOSインバータ回路を構成するpFET41、nFET42を備え、出力線13の信号を反転増幅して信号出力線18に出力する。セット用電圧出力ドライバ46は、信号44bによって電圧Vsetを出力線13に与えるか否かを制御する。リセット用グランド電圧出力ドライバ47は、信号44cによって接地電位Gndを出力線13に与えるか否かを制御する。ホールド電圧出力ドライバ48は、信号44dによってホールド電圧Vholdを出力線13に与えるか否かを制御する。
The
次に、選択された抵抗変化素子を低抵抗状態へ書き込む際の入力ドライバ15および出力ドライバ16の動作について説明する。図8において、中央に示された抵抗変化素子14aを低抵抗状態に書き込むものとする。この場合、選択される抵抗変化素子14aに接続される入力ドライバ15中のセット用グランド電圧出力ドライバ27をオンとし、抵抗変化素子14aに接続される出力ドライバ16中のセット用電圧出力ドライバ46をオンとする。これによって、抵抗変化素子14aの正極にセット電圧Vsetが与えられ、負極にグランド電圧(Gnd)が与えられ、抵抗変化素子14aが低抵抗状態へと遷移する。
Next, operations of the
そのほかの選択されない抵抗変化素子に対応する入力ドライバ15および出力ドライバ16に関しては、入力ドライバ15中のホールド電圧出力ドライバ28をオンとし、出力ドライバ16中のホールド電圧出力ドライバ48をオンとする。これによって、そのほかの選択されない抵抗変化素子の正極および負極には、誤書き込みを防ぐために、ホールド電圧Vholdが与えられる。この場合、最も適切なホールド電圧Vholdは、1/2Vsetである。このようにホールド電圧Vholdを与えることで、書き込み干渉が発生することなく、選択した抵抗変化素子14aのみを低抵抗状態に遷移させることができる。逆に、選択する抵抗変化素子の負極にVreset、正極にグランド電圧(Gnd)を与えると、抵抗変化素子を高抵抗状態に遷移させることができる。
For the
なお、図5では、抵抗変化素子の負極が入力ドライバ15に、正極が出力ドライバ16に接続されているが、逆の接続関係の場合は入力ドライバ、出力ドライバが持つそれぞれのセット電圧・リセット電圧出力ドライバをそれぞれ逆のドライバに置くことになる。
In FIG. 5, the negative electrode of the variable resistance element is connected to the
図9に低抵抗状態の抵抗変化素子14aを介して前段の論理回路と次段の論理回路とを接続した回路図を示す。低抵抗状態の抵抗変化素子14aに流れるストレス性の電流パルスのピーク値を抑制するために、出力バッファ回路30のpFET31の利得係数βpをnFET32の利得係数βnよりも小さくするように(βn/βp>1)、それぞれのゲート幅を設計する。また、遅延時間の増大を防ぐために、次段の論理回路の入力バッファ回路40のpFET41の利得係数とnFET42の利得係数の比を前段の論理回路と同程度に設計することが望ましい。このようにすることで、出力バッファ回路30と入力バッファ回路40の論理閾値が等しくなり、pFETの利得係数を小さくすることによる遅延時間の増大を抑制することができる。
FIG. 9 shows a circuit diagram in which the previous stage logic circuit and the next stage logic circuit are connected via the
以上の場合において、好適な利得係数の比βn/βpは、1を超え2以上の所定値以下とする。ここで、利得係数の比βn/βpを大きく取りすぎると、論理振幅がフルスイングしなくなってしまい、ノイズなどの影響により誤動作を起こしやすくなる。本願発明者らの検討によれば、通常使われるプロセスを用いたシミュレーションによって、βn/βpが10を超えると顕著な誤動作が生じることを見出し、先の所定値は10程度であることが好ましいとの結果を得ている。 In the above case, the preferred gain coefficient ratio βn / βp is more than 1 and not more than a predetermined value of 2 or more. Here, if the gain coefficient ratio βn / βp is too large, the logic amplitude does not fully swing, and malfunction is likely to occur due to the influence of noise or the like. According to the study by the inventors of the present application, it is found by simulation using a commonly used process that a remarkable malfunction occurs when βn / βp exceeds 10, and the predetermined value is preferably about 10. The result is obtained.
次に、出力バッファ回路30と入力バッファ回路40におけるトランジスタのレイアウトについて説明する。図10は、本発明の第1の実施例に係る半導体装置におけるトランジスタのレイアウトを模式的に示す図である。図10において、52は半導体基板上に形成されるn型ウェル、53は半導体基板上に形成されるp型ウェル、54はn型ウェル52上に形成されるp型拡散層、55はp型ウェル53上に形成されるn型拡散層、p型拡散層54上とn型拡散層55上とに共通に配設される56はゲート電極である。そのほかトランジスタに必要な、ウェルコンタクト、ゲート、ソース、ドレイン領域の各配線は、よく知られた内容であり、図示の簡略化のために図示を省略する。
Next, the layout of the transistors in the
図10に示すようなトランジスタのレイアウトによれば、p型拡散層54とゲート電極56とでpFETが構成される。また、n型拡散層55とゲート電極56とでnFETが構成される。この場合、pFETとnFETの利得係数の比を調整するために、pFETとnFETのそれぞれの拡散層の高さ、すなわちゲート幅Wp、Wnを通常のレイアウトから変更することで、nFETとpFETの利得係数の比βn/βpは、1を超え2以上の所定値以下としたインバータを構成することができる。
According to the transistor layout as shown in FIG. 10, the p-
図11は、本発明の第2の実施例に係る半導体装置におけるトランジスタのレイアウトを模式的に示す図である。図11において、52aは半導体基板上に形成されるn型ウェル、53aは半導体基板上に形成されるp型ウェル、54aはn型ウェル52a上に形成されるp型拡散層、55aはp型ウェル53a上に形成されるn型拡散層、p型拡散層54a上とn型拡散層55a上とに共通に配設される56aはゲート電極である。そのほかトランジスタに必要な、ウェルコンタクト、ゲート、ソース、ドレイン領域の各配線は図示を省略する。p型拡散層54aとゲート電極55aとでpFETが構成される。また、n型拡散層55aとゲート電極55aとでnFETが構成される。
FIG. 11 is a diagram schematically showing a layout of transistors in the semiconductor device according to the second example of the present invention. In FIG. 11, 52a is an n-type well formed on the semiconductor substrate, 53a is a p-type well formed on the semiconductor substrate, 54a is a p-type diffusion layer formed on the n-
なお、ここでpFETとnFETのそれぞれの拡散層の高さ、すなわちゲート幅Wp、Wnは、抵抗変化素子の接続と係らない他の論理回路(通常のCMOS論理回路)のゲート幅と同じである。 Here, the heights of the diffusion layers of the pFET and the nFET, that is, the gate widths Wp and Wn are the same as the gate widths of other logic circuits (ordinary CMOS logic circuits) that are not related to the connection of the resistance change elements. .
図11のレイアウトによれば、nFETはゲート本数が実質2本であり、pFETではゲート本数が1本である。したがって、nFETのゲート幅は、2・Wnであり、pFETのゲート幅は、Wpと見なすことができる。このように、トランジスタのゲート本数をpFETとnFETとで異なるようにレイアウトすることで、ゲート幅を調整し、利得係数の比βn/βpを所望の値に設計することができる。 According to the layout of FIG. 11, the nFET has substantially two gates, and the pFET has one gate. Therefore, the gate width of the nFET is 2 · Wn, and the gate width of the pFET can be regarded as Wp. Thus, by laying out the transistors so that the number of gates differs between the pFET and the nFET, the gate width can be adjusted and the gain coefficient ratio βn / βp can be designed to a desired value.
ここで形成されるトランジスタの構成は、1個のpFETに対してnFETが2個並列に接続される構成と等価である。したがって、図11に示すレイアウトが通常のプロセスによるものであるならば、半導体装置における他の論理回路と同様のレイアウト構造をそのまま用いることで、βn/βp=2とすることができる。すなわち、通常の半導体装置のレイアウトに基づいて、pFETおよびnFETに対する利得係数の比を2とすることが実現でき、レイアウト設計上簡単化され好ましい。 The configuration of the transistor formed here is equivalent to a configuration in which two nFETs are connected in parallel to one pFET. Therefore, if the layout shown in FIG. 11 is based on a normal process, βn / βp = 2 can be obtained by using the same layout structure as that of other logic circuits in the semiconductor device. That is, based on the layout of a normal semiconductor device, the ratio of the gain coefficient to pFET and nFET can be set to 2, which is preferable in terms of layout design.
さらに、1個のpFETに対してnFETがk個(k=3〜9)並列に接続されるように構成すれば、pFETおよびnFETに対する利得係数の比βn/βpをkとすることが可能であるのは言うまでも無い。 Furthermore, if the configuration is such that k nFETs (k = 3 to 9) are connected in parallel to one pFET, the gain coefficient ratio βn / βp to pFET and nFET can be set to k. Needless to say, there is.
本実施例では、前段の論理回路の利得係数の比ではなく、図6(図9)の入力ドライバ15内のパストランジスタ(トランスファゲート)29におけるpFET33とnFET34の利得係数の比を設定して、パルス電流のピーク値を制御する。そのほかは、実施例1と同様であるので説明を省略する。
In this embodiment, the ratio of the gain coefficient of the pFET 33 and the
図5の例では、ストレス性のパルス電流は、入力ドライバ15の出力がLowレベルからHighレベルに遷移し、クロスバスイッチの入力線12がGndレベルからHighレベルへ遷移する際に流れる。パルス電流のピークは、LowレベルからHighレベルへ遷移を開始する直後に現れるため、入力線12の電位はLowレベルに近く、図6のパストランジスタ29のpFET33とnFET34のうち、バイアス条件を考慮すると、主としてnFET34を経由して流れる。このため、パストランジスタ29においてストレス性の電流パルスのピーク値を抑制するように、nFET34の電流利得係数をpFET33に対して小さくなるように構成する。
In the example of FIG. 5, the stress-related pulse current flows when the output of the
このように構成することで、非ストレス性の電流ピーク値を抑制せずに、ストレス性の電流ピーク値のみを選択的に抑制することができる。また、非ストレス性の電流ピークを抑制しないことで、遅延時間の増加を防ぐことができる。このとき、図7の入力バッファ回路40のpFET41とnFET42の利得係数の比βn/βpは、通常の論理回路と同様に1であるように設計することが望ましい。
With this configuration, it is possible to selectively suppress only the stress current peak value without suppressing the non-stress current peak value. Moreover, an increase in the delay time can be prevented by not suppressing the non-stress current peak. At this time, it is desirable that the gain coefficient ratio βn / βp of the
図12は、本発明の第3の実施例に係る半導体装置におけるトランジスタのレイアウトを模式的に示す図である。図12において、52bは半導体基板上に形成されるn型ウェル、53bは半導体基板上に形成されるp型ウェル、54bはn型ウェル52b上に形成されるp型拡散層、55bはp型ウェル53b上に形成されるn型拡散層、p型拡散層54b上に配設される56bはゲート電極、n型拡散層55b上に配設される56cはゲート電極である。そのほかトランジスタに必要な、ウェルコンタクト、ゲート、ソース、ドレイン領域の各配線は、よく知られた内容であり、図示の簡略化のために図示を省略する。p型拡散層54bとゲート電極56bとでpFETが構成される。また、n型拡散層55bとゲート電極56cとでnFETが構成される。
FIG. 12 is a diagram schematically showing the layout of the transistors in the semiconductor device according to the third example of the present invention. In FIG. 12, 52b is an n-type well formed on the semiconductor substrate, 53b is a p-type well formed on the semiconductor substrate, 54b is a p-type diffusion layer formed on the n-
図12に示すようなトランジスタのレイアウトによれば、pFETとnFETのそれぞれの拡散層の高さ、すなわちゲート幅Wp、Wnを通常のレイアウトから変更することで、pFETとnFETの利得係数の比βp/βnは、1を超え2以上の所定値以下としたパストランジスタ(トランスファゲート)29を構成することができる。このような構成のトランジスタを含むパストランジスタ29によれば、ストレス性の電流パルスのピーク値を抑制することができる。
According to the transistor layout as shown in FIG. 12, by changing the height of the diffusion layers of the pFET and the nFET, that is, the gate widths Wp and Wn from the normal layout, the ratio βp of the gain coefficient of the pFET and the nFET. / Βn can constitute a pass transistor (transfer gate) 29 that is greater than 1 and less than or equal to 2 and less than a predetermined value. According to the
図13は、本発明の第3の実施例に係る半導体装置におけるトランジスタの他のレイアウトを模式的に示す図である。図13において、52aは半導体基板上に形成されるn型ウェル、53aは半導体基板上に形成されるp型ウェル、54aはn型ウェル52a上に形成されるp型拡散層、55aはp型ウェル53a上に形成されるn型拡散層、p型拡散層54a上に配設される56dはゲート電極、n型拡散層55a上に配設される56eはゲート電極である。そのほかトランジスタに必要な、ウェルコンタクト、ゲート、ソース、ドレイン領域の各配線は図示を省略する。p型拡散層54aとゲート電極56dとでpFETが構成される。また、n型拡散層55aとゲート電極56eとでnFETが構成される。
FIG. 13 is a diagram schematically showing another layout of transistors in the semiconductor device according to the third example of the present invention. In FIG. 13, 52a is an n-type well formed on the semiconductor substrate, 53a is a p-type well formed on the semiconductor substrate, 54a is a p-type diffusion layer formed on the n-
なお、ここでpFETとnFETのそれぞれの拡散層の高さ、すなわちゲート幅Wp、Wnは、抵抗変化素子の接続と係らない他の論理回路(通常のCMOS論理回路)のゲート幅と同じである。 Here, the heights of the diffusion layers of the pFET and the nFET, that is, the gate widths Wp and Wn are the same as the gate widths of other logic circuits (ordinary CMOS logic circuits) that are not related to the connection of the resistance change elements. .
図13に示すようなトランジスタのレイアウトによれば、1個のnFETに対してpFETが2個並列に接続される構成と等価であり、pFETとnFETの利得係数の比βp/βnを2としたパストランジスタ(トランスファゲート)29を構成することができる。 The transistor layout as shown in FIG. 13 is equivalent to a configuration in which two pFETs are connected in parallel to one nFET, and the gain coefficient ratio βp / βn of the pFET and nFET is 2. A pass transistor (transfer gate) 29 can be formed.
これまでの説明では、抵抗変化素子の正極が次段のインバータの入力端に接続される場合について説明したが、逆の極性で配置された場合では、ストレス性のパルス電流は、実施例1、3の場合とは逆方向に流れる。したがって、pFETとnFETのサイズの関係を逆に設定するようにすればよい。すなわち、抵抗変化素子の正極が前段のインバータの出力端に接続されている場合、実施例1、2の場合にあっては、低抵抗状態の抵抗変化素子14に流れるストレス性の電流パルスのピーク値を抑制するために、出力バッファ回路30のnFET32の利得係数βnをpFET31の利得係数βpよりも小さくするようにそれぞれのゲート幅を設計したレイアウトとする。
In the description so far, the case where the positive electrode of the resistance change element is connected to the input terminal of the inverter of the next stage has been described. However, in the case where the variable polarity element is arranged with the reverse polarity, 3 flows in the opposite direction. Therefore, the relationship between the sizes of the pFET and the nFET may be set in reverse. That is, when the positive electrode of the variable resistance element is connected to the output terminal of the inverter at the previous stage, in the case of the first and second embodiments, the peak of the stress current pulse that flows through the
一方、実施例3の場合にあっては、パストランジスタ29によりストレス性の電流パルスのピーク値を抑制する場合、pFET33の電流利得係数をnFET34に対して小さくするように設計したレイアウトとする。
On the other hand, in the case of the third embodiment, when the peak value of the stress current pulse is suppressed by the
以上、CMOS論理回路について、インバータ回路である場合を説明した。しかし、これに限定されることなく、他にNAND回路やNOR回路など既知の回路すべてについて同様に設計することができる。 The case where the CMOS logic circuit is an inverter circuit has been described above. However, the present invention is not limited to this, and other known circuits such as NAND circuits and NOR circuits can be similarly designed.
また、スタティックなCMOS回路のほかに、いわゆるドミノ回路などダイナミック型の論理回路についても充放電の考え方は同じであり、同様に考えることができる。 In addition to static CMOS circuits, the concept of charge / discharge is the same for dynamic logic circuits such as so-called domino circuits.
さらに、nMOS回路やpMOS回路、バイポーラ型トランジスタに関しても、電流のピーク値がストレス性の電流方向に小さくなるように設計することで、信頼性を向上させることができる。 Furthermore, the reliability of the nMOS circuit, the pMOS circuit, and the bipolar transistor can be improved by designing so that the peak value of the current decreases in the stress current direction.
次に、各実施例における抵抗変化型不揮発素子の構造について説明する。図14は、抵抗変化型不揮発素子を模式的に示す断面図である。図14の半導体装置は、半導体基板上に設けられた多層配線層内に、実施例1に記載の抵抗変化素子が設けられている構成とされる。抵抗変化素子は、負極68と正極70とをイオン伝導層69を介して対向して設置することによって形成される。抵抗変化素子の面積の大きさは絶縁性バリア膜64の負極への開口部によって区画される。また、負極68は下層配線を兼ね、上層配線72と正極70を電気的に接続するためのプラグ71が形成される。また、配線層を電気的に絶縁するための層間絶縁膜61、絶縁性バリア膜62、層間絶縁膜63、絶縁性バリア膜64、層間絶縁膜65、絶縁性バリア膜66、層間絶縁膜67が順に形成され各層を形成する。
Next, the structure of the variable resistance nonvolatile element in each example will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a variable resistance nonvolatile element. The semiconductor device of FIG. 14 is configured such that the variable resistance element described in the first embodiment is provided in a multilayer wiring layer provided on a semiconductor substrate. The resistance change element is formed by disposing the
イオン伝導層69には、有機物、有機シロキサン、炭化酸化ケイ素、酸化シリコンタンタル、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、のいずれかを含む材料を用いることができる。また、負極68には、Cuを主成分とする材料を用い、正極70には、Ru又はPtを含む材料を用いることができる。ここで、負極68に用いるCuは、半導体集積回路素子の配線用に用いられるCuをそのまま使用することができる。この場合、イオン伝導層69は配線層のCuに接して形成され、プロセス工程を簡略化することができる。このときCuは含有率が95%以上である。一般にこれ以下のCu含有率になると、配線抵抗が増加する。このように配線層中に形成された抵抗変化素子と、素子下方にシリコン基板上に公知の方法により形成されるCMOS回路とを、多層配線によって結線することにより、再構成論理回路としての機能を供することができる。
For the ion
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができ、さらに、本発明の主旨を変えない範囲で開示した工程の順番は前後しても良い。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be added to the configuration and details of the present invention, and the order of the steps disclosed within the scope of the present invention may be changed. Further, the present invention includes a combination of some or all of the configurations of the above-described embodiments as appropriate.
11:クロスバスイッチ部
12:入力線
13:出力線
14、14a:抵抗変化素子
15:入力ドライバ
16:出力ドライバ
17:信号入力線
18:信号出力線
24、44:書き込み用デコーダ信号入力
26:リセット用電圧出力ドライバ
27:セット用グランド電圧出力ドライバ
28、48:ホールド電圧出力ドライバ
29:パストランジスタ(トランスファゲート)
30:出力バッファ回路
31、33、41:pFET
32、34、42:nFET
35:インバータ
40:入力バッファ回路
46:セット用電圧出力ドライバ
47:リセット用グランド電圧出力ドライバ
52、52a、52b:n型ウェル
53、53a、53b:p型ウェル
54、54a、54b:p型拡散層
55、55a、55b:n型拡散層
56、56a、56b、56c、56d、56e:ゲート電極
61、63、65、67:層間絶縁膜
62、64、66:絶縁性バリア膜
68:負極(下層配線)
69:イオン伝導層
70:正極
71:プラグ
72:上層配線
101:正極
102:イオン伝導層
103:負極
104:金属架橋
201:抵抗変化素子
202、203:インバータ
204:書き込み用トランジスタ群
205:正極
206:pFET
207:nFET
11: Crossbar switch unit 12: Input line 13:
30:
32, 34, 42: nFET
35: Inverter 40: Input buffer circuit 46: Set voltage output driver 47: Reset ground
69: Ion conduction layer 70: Positive electrode 71: Plug 72: Upper layer wiring 101: Positive electrode 102: Ion conduction layer 103: Negative electrode 104: Metal bridge 201:
207: nFET
Claims (9)
前記抵抗変化型不揮発素子は、抵抗値が電気的に書き換え可能であり、前記抵抗値が高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向と、低抵抗状態から高抵抗状態へ遷移するために必要な印加電圧もしくは電流の方向とが逆の関係にあるような両極型の遷移特性を有し、
前記前段の論理回路は、前記前段の論理回路から出力され前記抵抗変化型不揮発素子を介して流れる信号電流のピーク値が、前記抵抗変化型不揮発素子が低抵抗状態に遷移する方向に大きく逆方向に小さくなるような駆動能力を有するように構成されることを特徴とする半導体装置。 Comprising at least two logic circuits, and a variable resistance nonvolatile element that enables electrical connection between the preceding logic circuit and the following logic circuit,
In the variable resistance nonvolatile element, the resistance value is electrically rewritable, the direction of the applied voltage or current necessary for the resistance value to transition from the high resistance state to the low resistance state, and the low resistance state to the high resistance state. It has a bipolar transition characteristic such that the direction of the applied voltage or current necessary for transitioning to the resistance state has an inverse relationship,
In the preceding logic circuit, the peak value of the signal current output from the preceding logic circuit and flowing through the variable resistance nonvolatile element is greatly reversed in the direction in which the variable resistance nonvolatile element transitions to a low resistance state. A semiconductor device characterized in that it has a driving capability that is small.
前記p型トランジスタに対する前記n型トランジスタの飽和電流の比は、1を超え2以上の所定値以下であり、
前記後段の論理回路が、前記他方の電極に接続される場合は、
前記n型トランジスタに対する前記p型トランジスタの飽和電流の比は、1を超え2以上の所定値以下であることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。 When the subsequent logic circuit is connected to an electrode to which a higher potential than the other electrode is applied in order to make the variable resistance nonvolatile element in a low resistance state,
The ratio of saturation currents of the n-type transistor for pre Symbol p-type transistors, are two or more Der predetermined value or less than 1,
When the subsequent logic circuit is connected to the other electrode,
The ratio of the saturation current of the p-type transistor with respect to the n-type transistor, a semiconductor device according to claim 2 or 3, 2 or more, wherein Der Rukoto predetermined value or less than 1.
マトリクスの行方向および列方向における前記抵抗変化型不揮発素子との接続線にそれぞれ対応させて前段の前記論理回路と後段の前記論理回路をそれぞれ備え、
複数の前記抵抗変化型不揮発素子をそれぞれ高抵抗状態あるいは低抵抗状態に設定することで所望の再構成可能な論理回路を構成することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一に記載の半導体装置。 A plurality of the variable resistance nonvolatile elements are provided as a crossbar switch in a matrix,
The logic circuit in the previous stage and the logic circuit in the subsequent stage are respectively provided corresponding to connection lines with the variable resistance nonvolatile elements in the row direction and the column direction of the matrix,
According to any one of claims 1 to 8, characterized in that it constitutes a desired reconfigurable logic circuit by setting a plurality of the resistance variable nonvolatile element to a high resistance state or low resistance state, respectively Semiconductor device.
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