JP6137180B2 - Programming circuit, semiconductor device, and programming method - Google Patents
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Description
本発明は、抵抗変化型不揮発性素子(以下、「抵抗変化素子」と称す)にデータを書き込むためのプログラミング回路、該プログラミング回路を備える半導体装置及び抵抗変化素子のプログラミング方法に関する。 The present invention relates to a programming circuit for writing data to a variable resistance nonvolatile element (hereinafter referred to as “resistance variable element”), a semiconductor device including the programming circuit, and a programming method for the variable resistance element.
近年、低消費電力で、大容量のデータを高速に書き換えることが可能な不揮発性メモリとして、メモリセルに抵抗変化素子を備えるMRAM(マグネティック・ランダム・アクセス・メモリ)、PRAM(フェイズチェンジ・ランダム・アクセス・メモリ)、ReRAM(レジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ)等が注目されている。 In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory), PRAM (Phase Change Random, Memory), which has a resistance change element in a memory cell, is a non-volatile memory that can rewrite a large amount of data at high speed with low power consumption. Access memory), ReRAM (resistive random access memory), etc. are attracting attention.
例えば、MRAMは、外部の磁場によって設定された強磁性体の磁化方向が、該磁場を除いた後でも強磁性体内で残留する特性を利用してデータを記憶する記憶装置である。 For example, the MRAM is a storage device that stores data by using the characteristic that the magnetization direction of a ferromagnetic material set by an external magnetic field remains in the ferromagnetic material even after the magnetic field is removed.
MRAMの各メモリセルで用いる抵抗変化素子は、例えば2つの強磁性体層と該2つの強磁性体層に挟まれた絶縁層とを有する構成である。これら2つの強磁性体層のうち、一方の強磁性体層(固定層)の磁化方向を参照磁化方向とし、他方の強磁性体層(自由層)の磁化方向を記憶するデータに応じて変更する。この抵抗変化素子は、2つの強磁性体層の磁化方向の一致/不一致によって絶縁層に流れるトンネル電流が異なり、異なる2つのトンネル電流、すなわち異なる2つの電気抵抗に対して論理「1」または「0」が割り当てられる。 The resistance change element used in each memory cell of the MRAM has, for example, a configuration having two ferromagnetic layers and an insulating layer sandwiched between the two ferromagnetic layers. Of these two ferromagnetic layers, the magnetization direction of one ferromagnetic layer (fixed layer) is the reference magnetization direction, and the magnetization direction of the other ferromagnetic layer (free layer) is changed according to the stored data. To do. In this resistance change element, the tunnel currents flowing in the insulating layers differ depending on the coincidence / mismatch of the magnetization directions of the two ferromagnetic layers, and logic “1” or “ 0 "is assigned.
データの書き込み時においては、記憶させるデータにしたがって電流方向を決定し、この電流によって誘起される磁場によりデータ記憶用の強磁性体層(自由層)の磁化方向を設定する。 At the time of data writing, the current direction is determined according to the data to be stored, and the magnetization direction of the ferromagnetic layer (free layer) for data storage is set by the magnetic field induced by this current.
MRAMに対するデータ書き込み方法としては、自由層の近傍に設けた書き込み配線に電流を流し、該電流で発生する磁場により自由層の磁化方向を反転させる電流磁場書き込み方式がある。また、抵抗変化素子に直接電流を流すことで自由層の磁化方向を反転させるスピン注入磁化反転方式もある。 As a data writing method for the MRAM, there is a current magnetic field writing method in which a current is passed through a write wiring provided in the vicinity of the free layer and the magnetization direction of the free layer is reversed by a magnetic field generated by the current. There is also a spin injection magnetization reversal method in which the magnetization direction of the free layer is reversed by passing a current directly through the resistance change element.
PRAMは、外部から供給される電流によって相変化物質が結晶状態または非結晶状態へ変化する特性を利用してデータを記憶する記憶装置である。PRAMの各メモリセルで用いる抵抗変化素子は、2つの電極と該2つの電極に挟まれた相変化物質から成る相変化層とを有する構成である。この抵抗変化素子は、相変化層の結晶構造の違いによって電気抵抗が異なり、これら異なる2つの電気抵抗に対して論理「1」または「0」が割り当てられる。 The PRAM is a storage device that stores data by using a characteristic that a phase change material changes to a crystalline state or an amorphous state by an externally supplied current. The resistance change element used in each memory cell of the PRAM has a configuration including two electrodes and a phase change layer made of a phase change material sandwiched between the two electrodes. This resistance change element has different electric resistance depending on the crystal structure of the phase change layer, and logic “1” or “0” is assigned to these two different electric resistances.
PRAMに対するデータの書き込み方法としては、記憶させるデータに対応するパルス状の電流を抵抗変化素子に流すことで相変化層の結晶構造を変化させる方法がある。PRAMのメモリセルで用いる代表的な相変化物質としては、カルコゲナイド合金が知られており、例えばゲルマニウム(Ge)、アンチモン(Sb)、テルル(Te)から成るGe2Sb2Te5がある。この相変化物質は、一般に「GST」と呼ばれる。 As a method of writing data to the PRAM, there is a method of changing the crystal structure of the phase change layer by flowing a pulsed current corresponding to the data to be stored through the resistance change element. As a typical phase change material used in a PRAM memory cell, a chalcogenide alloy is known, for example, Ge2Sb2Te5 made of germanium (Ge), antimony (Sb), and tellurium (Te). This phase change material is commonly referred to as “GST”.
相変化物質(GST)は、パルス状の電流(プログラミング電流)が流れることで発生するジュール熱により結晶状態または非結晶状態へ可逆的に変化する。一般に、相変化物質が結晶化した状態はセット状態と呼ばれ、セット状態における相変化物質は電気抵抗が小さくなる。一方、相変化物質が非結晶化した状態はリセット状態と呼ばれ、リセット状態における相変化物質はセット状態よりも電気抵抗が大きくなる。相変化物質(GST)をリセット状態に変化させる場合は、比較的大きい電流を短いパルス幅で流す。一方、相変化物質(GST)をセット状態に変化させる場合は、リセットプログラミング電流パルスよりも小さい電流を長いパルス幅で流す。 The phase change material (GST) reversibly changes to a crystalline state or an amorphous state by Joule heat generated by flowing a pulsed current (programming current). Generally, the state in which the phase change material is crystallized is called a set state, and the phase change material in the set state has a low electrical resistance. On the other hand, the state in which the phase change material is non-crystallized is called a reset state, and the phase change material in the reset state has a higher electrical resistance than the set state. When the phase change material (GST) is changed to the reset state, a relatively large current is allowed to flow with a short pulse width. On the other hand, when changing the phase change material (GST) to the set state, a current smaller than the reset programming current pulse is supplied with a long pulse width.
ReRAMは、外部から電圧や電流が供給されることで内部に導電性パスが形成される、または該形成された導電性パスが消失する特性を備えた抵抗変化素子、すなわちスイッチング素子を用いてデータを記憶する記憶装置である。 ReRAM uses a variable resistance element, that is, a switching element, having a characteristic that a conductive path is formed inside when a voltage or current is supplied from the outside, or the formed conductive path disappears. Is a storage device.
ReRAMの各メモリセルで用いる抵抗変化素子は、2つの電極と該2つの電極に挟まれた抵抗変化素子膜とを有する構成である。この抵抗変化素子は、抵抗変化素子膜内に形成される導電性パス(フィラメント)の有無や形状によって電気抵抗が異なり、これら異なる電気抵抗に対して、例えば論理「1」または「0」が割り当てられる。 The variable resistance element used in each memory cell of the ReRAM has a configuration including two electrodes and a variable resistance element film sandwiched between the two electrodes. This resistance change element has different electric resistances depending on the presence or absence and shape of conductive paths (filaments) formed in the resistance change element film. For example, logic “1” or “0” is assigned to these different electric resistances. It is done.
ReRAMにデータを書き込む場合、記憶させるデータに対応する電圧値、電流値及びパルス幅を決定し、抵抗変化素子膜の内部に形成するフィラメント構造を設定する。 When writing data into the ReRAM, the voltage value, current value, and pulse width corresponding to the data to be stored are determined, and the filament structure formed inside the resistance change element film is set.
例えば、非特許文献1には、ReRAMに適用可能なスイッチング素子(抵抗変化素子)として、電界等の印加により内部でイオンが自由に動くことができる固体であるイオン伝導体を備え、該イオン伝導体中における金属イオンの移動及び電気化学反応を利用して導電性パス(フィラメント)の形成/消失を制御できる固体電解質スイッチが記載されている。
For example,
非特許文献1に開示されたスイッチング素子は、イオン伝導体から成るイオン伝導層と、イオン伝導層を挟んで対向して設けられた第1電極(活性電極)及び第2電極(不活性電極)とを有する構成である。第1電極はイオン伝導層に金属イオンを供給する役割を有する。第2電極からはイオン伝導層に金属イオンが供給されない。
The switching element disclosed in
この非特許文献1に開示されたスイッチング素子の動作について簡単に説明する。
The operation of the switching element disclosed in
例えば、上記スイッチング素子の不活性電極を接地し、活性電極に正電圧を印加すると、イオン伝導層中の金属イオンが金属となって析出する。このとき、活性電極中の金属が金属イオンとなってイオン伝導層に溶け込むことで、イオン伝導層内の正負イオンのバランスが維持される。イオン伝導層中で析出した金属は、活性電極と不活性電極とを接続する金属架橋(フィラメント)を形成し、この金属架橋により活性電極と不活性電極とが接続されることでスイッチング素子がオン状態になる。 For example, when the inert electrode of the switching element is grounded and a positive voltage is applied to the active electrode, metal ions in the ion conductive layer are deposited as metal. At this time, the metal in the active electrode becomes metal ions and dissolves in the ion conductive layer, so that the balance of positive and negative ions in the ion conductive layer is maintained. The metal deposited in the ion conductive layer forms a metal bridge (filament) that connects the active electrode and the inert electrode, and the switching element is turned on by connecting the active electrode and the inert electrode by this metal bridge. It becomes a state.
一方、上記オン状態において、活性電極を接地して不活性電極に正電圧を印加すると、上記と逆の電気化学反応により金属架橋の一部が溶解して消失する。これにより、活性電極と不活性電極との接続が切れてスイッチング素子がオフ状態になる。 On the other hand, when the active electrode is grounded and a positive voltage is applied to the inactive electrode in the ON state, a part of the metal bridge is dissolved and disappears due to the reverse electrochemical reaction. As a result, the connection between the active electrode and the inactive electrode is disconnected, and the switching element is turned off.
ところで、上記MRAM、PRAM、ReRAM等で用いる抵抗変化素子では、回路面積の増大を招くことなく、該抵抗変化素子を含む各メモリセルに対して所望のデータを書き込む(プログラミング)ために、適切な書込み電流を流すことが重要である。 By the way, in the variable resistance element used in the MRAM, PRAM, ReRAM, etc., it is appropriate to write (program) desired data in each memory cell including the variable resistance element without increasing the circuit area. It is important to pass a write current.
図1は、背景技術の抵抗素子を備えたメモリセルの等価回路を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of a memory cell including a resistance element of the background art.
図1に示すように、背景技術のメモリセルは、記憶しているデータによって電気抵抗が異なる、一端がプレートライン(PL)102に接続された抵抗変化素子101と、抵抗変化素子101の他端とビットラインライン(BL)103間に挿入され、ワードライン(WL)105に印加される信号電圧(ワード電圧)によってオンまたはオフし、オン時に抵抗変化素子101の他端をビットラインライン(BL)103と接続するアクセストランジスタ(AT)106とを有する。MRAM、PRAM、ReRAM等では、図1に示したメモリセルがマトリクス状に配置されることで、データを保持するメモリセルアレイが形成される。 As shown in FIG. 1, the memory cell of the background art has a resistance change element 101 having one end connected to a plate line (PL) 102 and the other end of the resistance change element 101 having different electric resistances depending on stored data. Is turned on or off by a signal voltage (word voltage) applied to the word line (WL) 105, and the other end of the resistance change element 101 is connected to the bit line line (BL) when turned on. ) 103 and an access transistor (AT) 106 connected to 103. In MRAM, PRAM, ReRAM, and the like, the memory cells shown in FIG. 1 are arranged in a matrix to form a memory cell array that holds data.
図1に示した抵抗変化素子101にデータを書込む場合、例えばビットラインライン(BL)103を接地し、プレートライン(PL)102に所定のプログラミング電圧を印加する。また、プレートライン(PL)102にプログラミング電圧が印加されている状態で、ワードライン(WL)105にパルス状の信号電圧を印加することでアクセストランジスタ(AT)106をオンさせ、抵抗変化素子101に所要のパルス電流を流す。 When data is written to the variable resistance element 101 shown in FIG. 1, for example, the bit line line (BL) 103 is grounded and a predetermined programming voltage is applied to the plate line (PL) 102. Further, in the state where the programming voltage is applied to the plate line (PL) 102, the access transistor (AT) 106 is turned on by applying a pulsed signal voltage to the word line (WL) 105, and the resistance change element 101. The required pulse current is supplied to
このような構成のメモリセルでは、データの書き込み(プログラミング)時に抵抗変化素子101へ流れる電流の大きさがアクセストランジスタ(AT)106の電流駆動能力に依存する。そのため、大きいプログラミング電流が必要な場合は、電流駆動能力が大きいアクセストランジスタ(AT)106、すなわち大面積のアクセストランジスタ(AT)106が必要になる。抵抗変化素子101には、例えばプログラミング電流が大きいほど、プログラミング後の電気抵抗が小さくなる特性を有するものがあり、そのような抵抗変化素子101を用いる場合は比較的大きいプログラミング電流が必要になる。 In the memory cell having such a configuration, the magnitude of the current flowing to the variable resistance element 101 during data writing (programming) depends on the current driving capability of the access transistor (AT) 106. Therefore, when a large programming current is required, an access transistor (AT) 106 having a large current driving capability, that is, a large area access transistor (AT) 106 is required. Some variable resistance elements 101 have a characteristic that the electrical resistance after programming decreases as the programming current increases, for example. When such variable resistance element 101 is used, a relatively large programming current is required.
しかしながら、大面積のアクセストランジスタ(AT)106は、抵抗変化素子101を用いてデータを記憶する半導体装置の高集積化や記憶容量の大容量化を阻害する要因となってしまう。 However, the large-area access transistor (AT) 106 becomes a factor that hinders high integration of a semiconductor device that stores data using the resistance change element 101 and an increase in storage capacity.
なお、抵抗変化素子のプログラミング電流自体を低減する手法は、例えば特許文献1に記載されている。また、プログラミング時における半導体装置のピーク電源電流を抑制する手法は、例えば特許文献2に記載されている。
A technique for reducing the programming current itself of the variable resistance element is described in
特許文献1には、上記MRAM用の抵抗変化素子に対して、2つの電流源回路を用いて生成した、立ち上がり時にオーバーシュートする波形の電流を供給することで、プログラミング電流の実効値を低減すると共に、プログラミング時間(パルス幅)を短縮することが記載されている。
In
また、特許文献2には、上記PRAMにキャパシタあるいはチャージポンプ回路を設け、該キャパシタやチャージポンプ回路が備えるキャパシタに蓄積させておいた電荷を、プログラミング時に抵抗変化素子へ供給することで、プログラミング時におけるPRAMのピーク電源電流を抑制することが記載されている。 Further, in Patent Document 2, a capacitor or a charge pump circuit is provided in the PRAM, and the charge accumulated in the capacitor included in the capacitor or the charge pump circuit is supplied to the variable resistance element at the time of programming. Suppressing the peak power supply current of the PRAM.
上述した特許文献1に記載された技術は、抵抗変化素子にデータを書き込むための回路に加えてオーバーシュートを有する電流波形を生成するための回路(電流源)が必要になる。そのため、メモリセル毎の回路面積の増大を招いてしまう。
The technique described in
また、特許文献2に記載された技術は、抵抗変化素子へ所要のプログラミング電流を供給するために、比較的大きい容量のキャパシタあるいは大きい容量のキャパシタを含むチャージポンプ回路が必要になる。そのため、特許文献2に記載された技術でも、回路面積の増大を招いてしまう。 Further, the technique described in Patent Document 2 requires a relatively large capacitor or a charge pump circuit including a large capacitor in order to supply a required programming current to the variable resistance element. Therefore, even the technique described in Patent Document 2 causes an increase in circuit area.
すなわち、特許文献1や2に記載された技術は、プログラミング電流やプログラミング時における半導体装置のピーク電源電流を抑制できても、半導体装置の高集積化や記憶容量の大容量化に寄与するものではない。
That is, the techniques described in
そこで、本発明は、高集積化や記憶容量の大容量化が可能な、抵抗変化素子にデータを書き込むためのプログラミング回路、該プログラミング回路を備えた半導体装置及び該抵抗変化素子のプログラミング方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a programming circuit for writing data to a resistance change element, a semiconductor device including the programming circuit, and a method for programming the resistance change element, which can be highly integrated and have a large storage capacity. The purpose is to do.
上記目的を達成するため本発明のプログラミング回路は、所定の電圧が印加され電流が流れることで、状態が変化して電気抵抗が変化する抵抗変化素子と、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に接続される第1負荷容量と、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に接続される、直列に接続された切り替えトランジスタ及び第2負荷容量と、
を有する。
In order to achieve the above object, the programming circuit of the present invention includes a variable resistance element that changes its state and changes its electrical resistance when a predetermined voltage is applied and a current flows.
A first load capacitor connected between a ground side terminal of the variable resistance element and a ground potential;
A switching transistor and a second load capacitor connected in series connected between a ground-side terminal of the variable resistance element and a ground potential;
Have
一方、本発明の半導体装置は、上記プログラミング回路と、
前記抵抗変化素子に所定の電圧を印加すると共に、前記電気抵抗の変化に必要な電流を前記抵抗変化素子に供給する駆動回路と、
を有する。On the other hand, the semiconductor device of the present invention includes the programming circuit,
A drive circuit that applies a predetermined voltage to the variable resistance element and supplies a current necessary for the change in the electrical resistance to the variable resistance element;
Have
また、本発明の抵抗変化素子のプログラミング方法は、外部から供給される、所定の電流が流れることで電気抵抗が変化する抵抗変化素子のプログラミング方法であって、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に第1負荷容量を接続しておき、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に、さらに直列に接続された切り替えトランジスタ及び第2負荷容量を接続しておき、
前記電気抵抗の変化に必要な電流の供給時、前記第1負荷容量を充電するために発生する突入電流を含む、オーバーシュートを有する波形の電流を供給し、
前記抵抗変化素子の状態変化時、前記切り替えトランジスタをオンさせて前記第2負荷容量を前記抵抗変化素子の接地側端子と接続し、
前記抵抗変化素子の抵抗値の読み出し時、前記切り替えトランジスタをオフさせて前記第2負荷容量を前記抵抗変化素子の接地側端子から切り離す方法である。
Further, the resistance change element programming method of the present invention is a resistance change element programming method in which an electrical resistance is changed by flowing a predetermined current supplied from the outside,
A first load capacitor is connected between the ground side terminal of the variable resistance element and the ground potential;
A switching transistor and a second load capacitor connected in series are further connected between the ground side terminal of the variable resistance element and the ground potential,
Supplying a current having a waveform having an overshoot, including an inrush current generated to charge the first load capacity when supplying a current necessary for the change in the electrical resistance ;
When the state of the resistance change element changes, the switching transistor is turned on to connect the second load capacitor to the ground side terminal of the resistance change element,
In the reading of the resistance value of the variable resistance element, the switching transistor is turned off to disconnect the second load capacitor from the ground side terminal of the variable resistance element .
次に本発明について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
まず本発明の第1の実施の形態について図面を用いて説明する。Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
以下では、抵抗変化素子として、上記非特許文献1に記載された固体電解質スイッチ(スイッチング素子)を用いる例で説明する。後述する第2の実施の形態〜第5の実施の形態についても同様である。
Below, the example which uses the solid electrolyte switch (switching element) described in the said
図2は、第1の実施の形態の抵抗変化素子のプログラミング回路の構成例を示す回路図である。 FIG. 2 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance variable element programming circuit according to the first embodiment.
図2に示すように、第1の実施の形態のプログラミング回路は、抵抗変化素子201及び負荷容量204を備える。
As illustrated in FIG. 2, the programming circuit according to the first embodiment includes a
抵抗変化素子201は、一端がプレートライン(PL)202に接続され、他端がビットライン(BL)203に接続されている。負荷容量204は、ビットライン(BL)203と接地電位間に接続されている。負荷容量204は、例えばビットライン(BL)203の寄生容量で実現すればよい。負荷容量204をビットライン(BL)203の寄生容量で実現する場合、例えば所望の容量に応じてビットライン(BL)203の配線幅を設定すればよい。なお、負荷容量204は、固定容量素子で実現してもよい。
The
図3は、図2に示した抵抗変化素子の一構成例を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the resistance change element illustrated in FIG. 2.
図3に示す抵抗変化素子は、内部で金属イオンの移動が可能なイオン伝導体301と、イオン伝導体301を挟んで配置された不活性電極303及び活性電極302とを備える。イオン伝導体301には、酸化物、有機ポリマー、カルコゲナイド等から成る薄膜が用いられる。不活性電極303には、PtやRu等の金属電極が用いられる。活性電極302には、CuやAg、あるいはそれらの金属を含む電極が用いられる。
The resistance change element shown in FIG. 3 includes an
次に、第1の実施の形態の抵抗変化素子201のプログラミング方法について図面を用いて説明する。
Next, a programming method for the
ここでは、図3に示した抵抗変化素子201の活性電極302が図2に示したプレートライン(PL)202に接続され、図3に示した不活性電極303が図2に示したビットライン(BL)203に接続されているものとする。また、ここでは、ビットライン(BL)203を接地し、プレートライン(PL)202に正電圧を印加して抵抗変化素子201に電流を流すことで、該抵抗変化素子201を高抵抗状態から低抵抗状態へプログラミングする例で説明する。
Here, the
図4は、図2に示した抵抗変化素子に流れるプログラミング電流の波形例を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a waveform example of a programming current flowing through the variable resistance element shown in FIG.
第1の実施の形態では、時刻t1において、図2に示したプレートライン(PL)202にパルス幅Wp(t2−t1)のプログラミング電圧を印加する。プログラミング電圧は、抵抗変化素子201の電気抵抗を変化させる(状態を変化させる)のに必要な電圧値に設定される。 In the first embodiment, at time t1, a programming voltage having a pulse width Wp (t2-t1) is applied to the plate line (PL) 202 shown in FIG. The programming voltage is set to a voltage value required to change the electrical resistance of the resistance change element 201 (change the state).
プレートライン(PL)202にパルス状のプログラミング電圧が印加されると、該プログラミング電圧の立ち上がり時、抵抗変化素子201には、負荷容量204を充電するための、矢印で示す突入電流が流れる。すなわち、抵抗変化素子201に流れる電流IWは、図4に示すように突入電流の発生期間W1においてオーバーシュート(最大電流Imax)を有し、その後プログラミング電圧と抵抗変化素子201の抵抗値で決まるほぼ一定の電流Isetが流れる波形となる。When a pulsed programming voltage is applied to the plate line (PL) 202, an inrush current indicated by an arrow flows through the
なお、プログラミング時、図4に示す突入電流を発生させるためには、抵抗変化素子201の接地側端子(電流の下流側)に負荷容量204が接続されている必要がある。一方、抵抗変化素子201は、低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるために、図2に示したプレートライン(PL)202を接地し、ビットライン(BL)203にプログラミング電圧を印加することで、上記とは逆方向へプログラミング電流を流すこともある。
During programming, in order to generate the inrush current shown in FIG. 4, the
一般に、抵抗変化素子201は、高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるために流すプログラミング電流の値と、低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるために流すプログラミング電流の値とが異なり、その材料や素子構造によっていずれか一方のプログラミング電流が他方のプログラミング電流よりも大きく設定される。したがって、負荷容量204は、例えば抵抗変化素子201に対してより大きいプログラミング電流を流すときに、抵抗変化素子201の接地側端子、すなわち電流の下流側に位置するように配置すればよい。このことは後述する第2の実施の形態〜第5の実施の形態でも同様である。
In general, the
本実施形態によれば、抵抗変化素子201の接地電位側に負荷容量204を備えることで、上記特許文献1のように、電流源回路等を追加することなく抵抗変化素子201にオーバーシュートを有するプログラミング電流を流すことができる。そのため、プログラミング電流の実効値を低減することが可能であり、プログラミング時間(パルス幅)を短縮できる。また、負荷容量204は、例えばビットラインBLの寄生容量で実現できるため、回路面積の増大を招くことが無い。したがって、抵抗変化素子を備えた半導体装置の高集積化や記憶容量の大容量化を実現できる。
According to the present embodiment, by providing the
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について図面を用いて説明する。(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は、第2の実施の形態の抵抗変化素子のプログラミング回路の構成例を示す回路図である。 FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a resistance variable element programming circuit according to the second embodiment.
図5に示すように、第2の実施の形態のプログラミング回路は、抵抗変化素子501、負荷容量504及びアクセストランジスタ(AT)506を備える。
As shown in FIG. 5, the programming circuit of the second embodiment includes a
抵抗変化素子501は、その一端がアクセストランジスタ(AT)506を介してプレートライン(PL)502に接続され、他端がビットライン(BL)503に接続されている。負荷容量504は、ビットライン(BL)503と接地電位間に接続されている。負荷容量504は、第1の実施の形態と同様に、例えばビットライン(BL)503の寄生容量で実現すればよい。負荷容量504は、固定容量素子で実現してもよい。
One end of the
アクセストランジスタ(AT)506には、例えばNMOS(Negative channel Metal Oxide Semiconductor)トランジスタが用いられる。アクセストランジスタ(AT)506のゲート電極はワードライン(WL)505と接続され、アクセストランジスタ(AT)506のドレイン電極は抵抗変化素子501の一端と接続され、アクセストランジスタ(AT)506のソース電極はプレートライン(PL)502と接続されている。すなわち、アクセストランジスタ(AT)506は、抵抗変化素子501と、抵抗変化素子501に所定のプログラミング電圧を印加すると共に、電気抵抗の変化に必要な電流を抵抗変化素子501に供給する電圧源(不図示)との間に直列に接続される。
As the access transistor (AT) 506, for example, an NMOS (Negative channel Metal Oxide Semiconductor) transistor is used. The gate electrode of access transistor (AT) 506 is connected to word line (WL) 505, the drain electrode of access transistor (AT) 506 is connected to one end of
図6は、図5に示したプログラミング回路を備える半導体装置の一構成例を示す回路図である。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a semiconductor device including the programming circuit shown in FIG.
図6に示すように、図5に示したプログラミング回路は、データを記憶するメモリセルMCとして用いることができる。プレートライン(PL)502には、図5に示した抵抗変化素子501に格納されたデータを読み出すための回路であるリードアンプ507が接続される。ビットライン(BL)503には該ビットライン(BL)503の電位を制御するための制御トランジスタ509が接続されている。
As shown in FIG. 6, the programming circuit shown in FIG. 5 can be used as a memory cell MC for storing data. Connected to the plate line (PL) 502 is a
図6に示す抵抗変化素子501に格納されたデータを読み出す場合、例えばビットライン(BL)503を接地し、プレートライン(PL)502に一定の読み出し用の電流を供給する。この状態でアクセストランジスタ(AT)506に所定のワード電圧を印加してオンさせると、プレートライン(PL)502に抵抗変化素子501の抵抗値に対応する電圧が発生する。リードアンプ507は、予め生成された所定の参照電圧とプレートライン(PL)502の電圧とを比較することで、抵抗変化素子501の抵抗値、すなわち抵抗変化素子501で記憶している論理「1」または「0」を検出できる。
When data stored in the
次に第2の実施の形態のプログラミング方法について図面を用いて説明する。 Next, a programming method according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
ここでは、第1の実施の形態と同様に、抵抗変化素子501の活性電極(図3参照)がアクセストランジスタ(AT)506を介してプレートライン(PL)502に接続され、抵抗変化素子501の不活性電極がビットライン(BL)503に接続されるものとする。また、ここでは、制御トランジスタ509を用いてビットライン(BL)503を接地し、プレートライン(PL)502に正電圧(プログラミング電圧)を印加した状態でアクセストランジスタ(AT)506をオンすることで抵抗変化素子501に電流を流し、該抵抗変化素子501を高抵抗状態から低抵抗状態へプログラミングする例で説明する。
Here, as in the first embodiment, the active electrode (see FIG. 3) of the
図7は、図6に示した抵抗変化素子に流れるプログラミング電流の波形例を示す模式図である。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a waveform example of a programming current flowing through the variable resistance element shown in FIG.
図7に示すように、第2の実施の形態では、まず時刻t1において、図6に示したプレートライン(PL)502にプログラミング電圧VPLを印加する。プログラミング電圧VPLは抵抗変化素子501の電気抵抗を変化させるのに必要な電圧値に設定すればよい。
As shown in FIG. 7, in the second embodiment, first, at time t1, the programming voltage VPL is applied to the plate line (PL) 502 shown in FIG. The programming voltage VPL may be set to a voltage value necessary for changing the electric resistance of the
次に、時刻t2において、図6に示したワードライン(WL)505に所定のワード電圧VWLを印加してアクセストランジスタ(AT)506をオンさせ、抵抗変化素子501にプログラミング電圧VPLを印加する。
Next, at time t2, a predetermined word voltage VWL is applied to the word line (WL) 505 shown in FIG. 6 to turn on the access transistor (AT) 506, and a programming voltage VPL is applied to the
抵抗変化素子501にプログラミング電圧VPLが印加されると、該プログラミング電圧VPLの立ち上がり時、抵抗変化素子501には、負荷容量504を充電するための突入電流が流れる。すなわち、抵抗変化素子501の電流Isnは、突入電流の発生期間W1においてオーバーシュート(最大電流Imax)を有し、その後、プログラミング電圧VPLと抵抗変化素子501の抵抗値で決まるほぼ一定の電流Isetが流れる波形となる。
When the programming voltage VPL is applied to the
抵抗変化素子501に対するプログラミングが終了すると、時刻t4において、ワードライン(WL)505に対するワード電圧VWLの印加を停止してアクセストランジスタ(AT)506をオフさせ、抵抗変化素子501に対するプログラミング電圧の印加を停止する。最後に、時刻t5において、図6に示したプレートライン(PL)502に対するプログラミング電圧VPLの印加を停止する。
When programming to the
本実施形態によれば、アクセストランジスタ(AT)506及び抵抗変化素子501を含むメモリセルMCに負荷容量504を備えることで、第1の実施の形態と同様に、電流源回路等を追加することなく抵抗変化素子501にオーバーシュートを有するプログラミング電流を流すことが可能になる。そのため、プログラミング電流の実効値を低減することが可能であり、プログラミング時間(パルス幅)を短縮できる。また、負荷容量504は、例えばビットライン(BL)503の寄生容量で実現できるため、回路面積の増大を招くことが無い。したがって、抵抗変化素子501を備えた半導体装置の高集積化や記憶容量の大容量化を実現できる。
(第3の実施の形態)
次に本発明の第3の実施の形態について図面を用いて説明する。According to the present embodiment, by providing the memory cell MC including the access transistor (AT) 506 and the
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図8は、第3の実施の形態のプログラミング回路を備える半導体装置の一構成例を示す回路図である。 FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device including the programming circuit according to the third embodiment.
図8に示すように、第3の実施の形態のプログラミング回路は、抵抗変化素子901、切り替えトランジスタ908、第1負荷容量904、第2負荷容量910及びアクセストランジスタ(AT)906を備える。
As shown in FIG. 8, the programming circuit of the third embodiment includes a
抵抗変化素子901は、その一端がアクセストランジスタ(AT)906を介してプレートライン(PL)902に接続され、他端がビットライン(BL)903に接続されている。
One end of the
第1負荷容量904は、ビットライン(BL)903と接地電位間に接続されている。第1負荷容量904は、第1及び第2の実施の形態と同様にビットライン(BL)903の寄生容量で実現すればよい。第1負荷容量904は、固定容量素子で実現してもよい。
The
第2負荷容量910は、その一端が接地電位と接続され、他端が切り替えトランジスタ908を介してビットライン(BL)903と接続されている。すなわち、切り替えトランジスタ908及び第2負荷容量910は、直列に接続されて、抵抗変化素子901の接地側端子と接地電位間に挿入されている。第2負荷容量910は、例えば固定容量素子で実現すればよい。
The
アクセストランジスタ(AT)906には、例えばNMOSトランジスタが用いられる。アクセストランジスタ(AT)906のゲート電極はワードライン(WL)905と接続され、アクセストランジスタ(AT)906のドレイン電極は抵抗変化素子901の一端と接続され、アクセストランジスタ(AT)906のソース電極はプレートライン(PL)902と接続されている。すなわち、アクセストランジスタ(AT)906は、抵抗変化素子901に所定のプログラミング電圧を印加すると共に、電気抵抗の変化に必要な電流を抵抗変化素子901に供給する電圧源(不図示)と、抵抗変化素子901との間に直列に接続される。
As the access transistor (AT) 906, for example, an NMOS transistor is used. The gate electrode of access transistor (AT) 906 is connected to word line (WL) 905, the drain electrode of access transistor (AT) 906 is connected to one end of
プレートライン(PL)902には、抵抗変化素子901に格納されたデータを読み出すための回路であるリードアンプ907が接続されている。ビットライン(BL)903には該ビットライン(BL)903の電位を制御するための制御トランジスタ909が接続されている。
A
次に第3の実施の形態のプログラミング方法について図面を用いて説明する。 Next, a programming method according to the third embodiment will be described with reference to the drawings.
ここでは、第1及び第2の実施の形態と同様に、抵抗変化素子901の活性電極(図3参照)がアクセストランジスタ(AT)906を介してプレートライン(PL)902に接続され、抵抗変化素子901の不活性電極がビットライン(BL)903に接続されるものとする。また、ここでは、制御トランジスタ909を用いてビットライン(BL)903を接地し、プレートライン(PL)902に正電圧(プログラミング電圧)を印加した状態でアクセストランジスタ(AT)906をオンすることで抵抗変化素子901に電流を流し、該抵抗変化素子901を高抵抗状態から低抵抗状態へプログラミングする例で説明する。
Here, as in the first and second embodiments, the active electrode (see FIG. 3) of the
図9は、図8に示した抵抗変化素子に流れるプログラミング電流の波形例を示す模式図である。なお、図9は、プログラミング時に図8に示した抵抗変化素子901に流れる電流波形のみを示している。プレートライン(PL)902、ビットライン(BL)903及びワードライン(WL)905に印加する電圧波形は、図7に示した第2の実施の形態と同様である。図9に示すt1は図7に示したt2に相当し、図9に示すt2は図7に示したt4に相当する。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a waveform example of a programming current flowing through the variable resistance element shown in FIG. FIG. 9 shows only the waveform of a current flowing through the
図9に示すように、第3の実施の形態においても、アクセストランジスタ(AT)906がオンして抵抗変化素子901に所定のプログラミング電圧が印加されると、該プログラミング電圧の立ち上がり時、抵抗変化素子901には、第1負荷容量904を充電するための突入電流が流れる。すなわち、抵抗変化素子901に流れる電流IWは、図9に示すように突入電流の発生期間W1においてオーバーシュート(最大電流Imax)を有し、その後プログラミング電圧と抵抗変化素子901の抵抗値で決まるほぼ一定の電流Isetが流れる波形となる。As shown in FIG. 9, also in the third embodiment, when the access transistor (AT) 906 is turned on and a predetermined programming voltage is applied to the
本実施形態では、抵抗変化素子901のプログラミング(状態変化)時、切り替えトランジスタ908をオンさせることで、ビットライン(BL)903と接地電位間に第1負荷容量904と共に第2負荷容量910も接続可能な構成である。切り替えトランジスタ908は、不図示の制御部から供給される制御信号にしたがってオン/オフされる。ビットライン(BL)903に第1負荷容量904及び第2負荷容量910が接続されている場合、プログラミング電圧の立ち上がり時、抵抗変化素子901には、第1負荷容量904及び第2負荷容量910をそれぞれ充電するための突入電流が流れる。そのため、抵抗変化素子901には突入電流の発生期間W2においてオーバーシュート(最大電流Imax)を有する電流が流れる。但し、W1<W2である。
In the present embodiment, when the
第3の実施の形態によれば、第1及び第2の実施の形態と同様の効果が得られると共に、切り替えトランジスタ908をオンまたはオフさせることでプログラミング電流のオーバーシュート期間を変化させることができる。そのため、抵抗変化素子901がプログラミング電流の大きさによって状態変化後の抵抗値が異なる素子である場合、切り替えトランジスタ908をオンさせることで、抵抗変化素子901の状態変化後の抵抗値をより小さく設定できる。
According to the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, and the overshoot period of the programming current can be changed by turning the switching
なお、本実施形態の構成では、ビットライン(BL)903と接地電位間に接続する負荷容量を大きくすると、抵抗変化素子901に格納されたデータを読み出す場合に、プレートライン(PL)902の電圧が安定するまでに時間を要し、データの読み出し速度が遅くなる可能性がある。そのため、データを読み出す場合(抵抗変化素子901の抵抗値の読み出し時)は、切り替えトランジスタ908をオフさせてビットライン(BL)903から第2負荷容量910を切り離しておくことが望ましい。
(第4の実施の形態)
次に本発明の第4の実施の形態について図面を用いて説明する。In the configuration of this embodiment, when the load capacitance connected between the bit line (BL) 903 and the ground potential is increased, the voltage of the plate line (PL) 902 is read when data stored in the
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第4の実施の形態では、上述した第1の実施の形態〜第3の実施の形態で示した抵抗変化素子のプログラミング時に用いる、ビットラインを駆動するためのビットライン駆動回路、並びにプレートラインを駆動するためのプレートライン駆動回路について説明する。 In the fourth embodiment, the bit line driving circuit for driving the bit line and the plate line used for programming the resistance change element shown in the first to third embodiments are described. A plate line driving circuit for driving will be described.
図10は、ビットライン駆動回路及びプレートライン駆動回路の一構成例を示す回路図である。図10に示すビットライン駆動回路(BD)12Aは、半導体装置が備えるビットライン(BL)毎にそれぞれ設けられ、図10に示すプレートライン駆動回路(PD)12Bは、半導体装置が備えるプレートライン(PL)毎にそれぞれ設けられる。 FIG. 10 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the bit line driving circuit and the plate line driving circuit. A bit line driving circuit (BD) 12A shown in FIG. 10 is provided for each bit line (BL) included in the semiconductor device, and a plate line driving circuit (PD) 12B shown in FIG. PL) is provided for each.
図10に示すように、ビットライン駆動回路(BD)12A及びプレートライン駆動回路(PD)12Bは、抵抗変化素子1001、負荷容量1004及びアクセストランジスタ(AT)1006を含むメモリセル(MC)の両端に接続される。
As shown in FIG. 10, the bit line driving circuit (BD) 12A and the plate line driving circuit (PD) 12B are arranged at both ends of a memory cell (MC) including a
ビットライン駆動回路(BD)12Aは、電圧源とビットライン(BL)間に接続されるPMOS(Positive channel Metal Oxide Semiconductor)トランジスタPT1と、ビットライン(BL)と接地ノード間に接続されるNMOSトランジスタNT1と、カラムデコーダ(不図示)から送信される列選択信号CSLにしたがってメモリセルにデータを書き込む(プログラミング)タイミングを示すタイミング制御信号CSLP及び/CSLNを生成するタイミング制御回路1110と、メモリセル(MC)に書き込むデータである書込データWDATAとタイミング制御信号CSLPとの論理積を出力し、PMOSトランジスタPT1を駆動するNANDゲートNAND1と、書込データWDATAとタイミング制御信号/CSLNとの論理和を出力し、NチャネルMOSトランジスタNT1を駆動するNORゲートNOR1とを有する。
The bit line driving circuit (BD) 12A includes a PMOS (Positive channel Metal Oxide Semiconductor) transistor PT1 connected between the voltage source and the bit line (BL), and an NMOS transistor connected between the bit line (BL) and the ground node. NT1, a
プレートライン駆動回路(PD)12Bは、電圧源とプレートライン(PL)間に接続されるPMOSトランジスタPT2と、プレートライン(PL)と接地ノード間に接続されるNMOSトランジスタNT2と、カラムデコーダ(不図示)から送信される列選択信号CSLにしたがってメモリセル(MC)にデータを書き込む(プログラミング)タイミングを示すタイミング制御信号CSLP及び/CSLNを生成するタイミング制御回路1120と、書込データ/WDATAとタイミング制御信号CSLPとの論理積を出力し、PMOSトランジスタPT2を駆動するNANDゲートNAND2と、書込データ/WDATAとタイミング制御信号/CSLNとの論理和を出力し、NMOSトランジスタNT2を駆動するNORゲートNOR2とを有する。
The plate line driving circuit (PD) 12B includes a PMOS transistor PT2 connected between the voltage source and the plate line (PL), an NMOS transistor NT2 connected between the plate line (PL) and the ground node, and a column decoder (not shown). A
このような構成において、例えば図10に示す抵抗変化素子1001を高抵抗状態から低抵抗状態にプログラミングする場合、まず列選択信号CSLにしたがって、ビットライン駆動回路(BD)が備えるNチャネルMOSトランジスタNT1およびプレートライン駆動回路(PD)が備えるPチャネルMOSトランジスタPT2をそれぞれオンさせる。このとき、抵抗変化素子1001では非活性電極(図3参照)が接地される。
In such a configuration, for example, when programming the
次に、アクセストランジスタ(AT)1006のゲート電極にパルス状のワード電圧を印加することでオンさせる。このとき、抵抗変化素子1001の活性電極(図3参照)には所定のプログラミング電圧(電源電圧VPL)が印加される。
Next, it is turned on by applying a pulsed word voltage to the gate electrode of the access transistor (AT) 1006. At this time, a predetermined programming voltage (power supply voltage VPL) is applied to the active electrode (see FIG. 3) of the
抵抗変化素子1001に所定のプログラミング電圧が印加されると、該プログラミング電圧の立ち上がり時に、抵抗変化素子1001には負荷容量1004を充電するための突入電流が流れる。そのため、抵抗変化素子1001には、第1の実施の形態〜第3の実施の形態で示したようにオーバーシュートを有する電流が流れ、その後、プログラミング電圧と抵抗変化素子1001の抵抗値で決まるほぼ一定の電流が流れる。そのため、電流源回路等を追加することなく抵抗変化素子1001にオーバーシュートを有するプログラミング電流を流すことが可能になる。
When a predetermined programming voltage is applied to the
図11は、プログラミング条件を変えたときの抵抗変化素子の抵抗値の分布を示すグラフである。図11は、抵抗変化素子を高抵抗状態から低抵抗状態にプログラミングしたときの、アクセストランジスタ(AT)の面積(ゲート幅)に対する抵抗変化素子の抵抗値の変化の様子を示している。なお、抵抗変化素子には、上述した固体電解質スイッチを用いるものとする。また、抵抗変化素子のプログラミングには、図10に示した回路を用いて行うものとする。図11(a)、(b)では、グラフの縦軸を「パーセント」とすることで、総測定数に対する測定値(抵抗値)の分布を示している。 FIG. 11 is a graph showing the distribution of resistance values of the variable resistance element when the programming conditions are changed. FIG. 11 shows how the resistance value of the variable resistance element changes with respect to the area (gate width) of the access transistor (AT) when the variable resistance element is programmed from the high resistance state to the low resistance state. In addition, the solid electrolyte switch mentioned above shall be used for a resistance change element. In addition, the resistance change element is programmed using the circuit shown in FIG. In FIGS. 11A and 11B, the distribution of measured values (resistance values) with respect to the total number of measurements is shown by setting the vertical axis of the graph to “percent”.
図11(a)は、負荷容量が2fF以下であり、アクセストランジスタ(AT)のゲート幅Wを0.2μm、0.3μm、0.5μm、1μmに変化させた場合の抵抗変化素子の低抵抗状態における抵抗値の分布を示している。なお、ビットライン駆動回路(BD)12A及びプレートライン駆動回路(PD)12Bは、接地電位側(NT1側)の寄生容量が電源電圧側(PT2側)よりも大きくなるように設計されているものとする。 FIG. 11A shows the low resistance of the variable resistance element when the load capacitance is 2 fF or less and the gate width W of the access transistor (AT) is changed to 0.2 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, and 1 μm. The distribution of resistance values in the state is shown. The bit line drive circuit (BD) 12A and the plate line drive circuit (PD) 12B are designed so that the parasitic capacitance on the ground potential side (NT1 side) is larger than that on the power supply voltage side (PT2 side). And
アクセストランジスタ(AT)の面積はゲート幅Wに比例し、ゲート幅Wが大きいほど電流駆動能力が大きくなる。図11(a)に示すように、ゲート幅Wが大きいアクセストランジスタ(AT)ほど、プログラミング後の抵抗変化素子の抵抗値が小さくなることが分かる。これは、高抵抗状態から低抵抗状態へ遷移する際に大きな電流が流れることで、イオン伝導体中で析出する銅金属が増加し、太いフィラメント(架橋)が形成されることで抵抗値が低くなるためである。すなわち、負荷容量が小さい場合は、突入電流が流れないためアクセストランジスタ(AT)の電流駆動能力に応じて抵抗変化素子に流れる電流が制限されていることが分かる。 The area of the access transistor (AT) is proportional to the gate width W, and the larger the gate width W, the greater the current driving capability. As shown in FIG. 11A, it can be seen that the access transistor (AT) having a larger gate width W has a smaller resistance value of the resistance change element after programming. This is because when a large current flows when transitioning from a high resistance state to a low resistance state, copper metal deposited in the ionic conductor increases, and a thick filament (bridge) is formed, resulting in a low resistance value. It is to become. That is, it can be seen that when the load capacitance is small, no inrush current flows, so that the current flowing through the resistance change element is limited according to the current driving capability of the access transistor (AT).
図11(b)は、ビットラインに4fFの負荷容量を接続し、アクセストランジスタ(AT)のゲート幅Wを0.2μm、0.3μm、0.5μm、1μmに変化させた場合の抵抗変化素子の低抵抗状態における抵抗値の分布を示している。 FIG. 11B shows a variable resistance element when a load capacitance of 4 fF is connected to the bit line and the gate width W of the access transistor (AT) is changed to 0.2 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, and 1 μm. The distribution of resistance values in the low resistance state is shown.
図11(b)に示すように、ビットラインにある程度大きい負荷容量が接続されている場合、プログラミング後の抵抗変化素子の抵抗値は、アクセストランジスタ(AT)のゲート幅Wに依存することなく、小さい値になることが分かる。これは、オーバーシュートを有するプログラミング電流を流すことで、アクセストランジスタATの電流駆動能力に依存することなく、プログラミング後の抵抗変化素子で低い抵抗値が得られることを示している。 As shown in FIG. 11B, when a large load capacitance is connected to the bit line, the resistance value of the resistance change element after programming does not depend on the gate width W of the access transistor (AT). It turns out that it becomes a small value. This indicates that by passing a programming current having an overshoot, a low resistance value can be obtained in the resistance change element after programming without depending on the current driving capability of the access transistor AT.
なお、突入電流の幅(オーバーシュートの幅)を周知の電子回路シミュレータ(SPICE等)を用いて計算すると、負荷容量が3fFの場合、突入電流の幅は0.2nsecであり、負荷容量が4fFの場合、突入電流の幅は0.3nsecであった。一般に、抵抗変化素子は、状態の変化(電気抵抗の変化)に100psec以上の時間が必要であることが知られている。本実施形態で示すように負荷容量を備えた構成では、負荷容量を3fF以上に設定すれば、この電気抵抗の変化に要する時間よりも長い時間幅の突入電流が得られるため、抵抗変化素子を安定してプログラミングできるようになる。
(第5の実施の形態)
次に本発明の第5の実施の形態について図面を用いて説明する。When the width of the inrush current (overshoot width) is calculated using a known electronic circuit simulator (such as SPICE), when the load capacity is 3 fF, the inrush current width is 0.2 nsec and the load capacity is 4 fF. In this case, the width of the inrush current was 0.3 nsec. In general, it is known that a resistance change element requires a time of 100 psec or more to change its state (change in electrical resistance). In the configuration including the load capacitance as shown in the present embodiment, if the load capacitance is set to 3 fF or more, an inrush current having a duration longer than the time required for the change in the electrical resistance can be obtained. It becomes possible to program stably.
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図12は、本発明の半導体装置の要部の構成例を示すブロック図である。図12は、第1の実施の形態〜第3の実施の形態で示したプログラミング回路、並びに第4の実施の形態で示したビットライン駆動回路及びプレートライン駆動回路を備えた半導体装置の一構成例を示している。図12では、抵抗変化素子にデータを書き込むために必要な構成のみ示し、その他の構成は省略している。半導体装置は、データを読み出すための回路、データを入出力するための入出力回路、外部から受信した複数のコマンドから半導体装置を所定のモードで動作させるための制御信号を生成する制御部、半導体装置内部で用いる内部電源電圧を生成する内部電源電圧生成回路等、該半導体装置の仕様に応じた各種の回路を備えている。なお、図8に示した切り替えトランジスタ908をオン/オフさせるための制御信号は、例えば上記制御部から供給される。
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration example of a main part of the semiconductor device of the present invention. FIG. 12 shows one configuration of a semiconductor device including the programming circuit shown in the first to third embodiments and the bit line driving circuit and the plate line driving circuit shown in the fourth embodiment. An example is shown. In FIG. 12, only the configuration necessary for writing data to the variable resistance element is shown, and the other configurations are omitted. A semiconductor device includes a circuit for reading data, an input / output circuit for inputting / outputting data, a control unit for generating a control signal for operating the semiconductor device in a predetermined mode from a plurality of commands received from the outside, a semiconductor Various circuits according to the specifications of the semiconductor device are provided, such as an internal power supply voltage generation circuit for generating an internal power supply voltage used inside the device. Note that a control signal for turning on / off the switching
図12に示すように、半導体装置は、多数のメモリセル(MC)がマトリクス状に配列されたメモリセルアレイ1100を有する構成である。メモリセル(MC)は、第2の実施の形態や第3の実施の形態で示した抵抗変化素子、アクセストランジスタ及び負荷容量を備えた構成である。
As shown in FIG. 12, the semiconductor device has a
メモリセルMCの各列にはビットライン(BL)及びプレートライン(PL)が配置され、メモリセルMCの各行にはワードラインWLが配置されている。 A bit line (BL) and a plate line (PL) are arranged in each column of the memory cells MC, and a word line WL is arranged in each row of the memory cells MC.
ビットラインBLには、図10に示したビットライン駆動回路12Aがそれぞれ接続され、プレートラインPLには、図10に示したプレートライン駆動回路12Bがそれぞれ接続されている。
A bit
ビットライン駆動回路12A及びプレートライン駆動回路12Bには、書き込みまたは読み出し対象となるメモリセルアレイ1100の列を指定する列選択信号を生成するカラムデコーダ1200が接続されている。カラムデコーダ1200は、外部から不図示のバッファ回路を介して受信したカラムアドレス信号YAをデコードして列選択信号を生成する。
A
ビットライン駆動回路12Aは、メモリセルアレイ1100に対するデータの書き込み時にカラムデコーダ1200から供給される列選択信号にしたがって選択された列に対応するビットラインBLを駆動する。プレートライン駆動回路12Bは、メモリセルアレイ1100に対するデータの書き込み時にカラムデコーダ1200から供給される列選択信号にしたがって選択された列に対応するプレートラインPLを駆動する。なお、ビットラインBL及びプレートラインPLを駆動するとは、ビットラインBLまたはプレートラインPLを接地電位に設定する、または所定のプログラミング電圧を印加することである。
The bit
ワードラインWLには、メモリセルアレイ1100に対するデータの書き込み時及びメモリセルアレイ1100からのデータの読み出し時、書き込みまたは読み出し対象となるメモリセルアレイ1100の行を指定する行選択信号にしたがって選択された行に対応するワードラインWLにワード電圧を供給するワード線ドライブ回路1300が接続されている。
The word line WL corresponds to a row selected according to a row selection signal for designating a row of the
ワード線ドライブ回路1300には、行選択信号を生成するロウデコーダ1400が接続されている。ロウデコーダ1400は、外部から不図示のバッファ回路を介して受信したロウアドレス信号XAをデコードして行選択信号を生成する。
A
本実施形態によれば、抵抗変化素子、アクセストランジスタ及び負荷容量を備えるメモリセルMCを有することで、負荷容量を充電するための突入電流により、抵抗変化素子にオーバーシュートを有するプログラミング電流を流すことができる。そのため、アクセストランジスタの電流駆動能力に依存することなく、プログラミング後の抵抗変化素子で低い抵抗値が得られる。したがって、各メモリセルに大きい面積のアクセストランジスタを設けなくて済むため、抵抗変化素子を備えた半導体装置の高集積化や記憶容量の大容量化を実現できる。 According to this embodiment, by having the memory cell MC including the resistance change element, the access transistor, and the load capacitance, a programming current having an overshoot is caused to flow through the resistance change element due to the inrush current for charging the load capacitance. Can do. Therefore, a low resistance value can be obtained in the resistance change element after programming without depending on the current drive capability of the access transistor. Accordingly, since it is not necessary to provide an access transistor having a large area in each memory cell, it is possible to realize high integration of a semiconductor device including a resistance change element and an increase in storage capacity.
なお、上述した各実施の形態では、抵抗変化素子として固体電解質スイッチを用いる例で説明したが、本発明は電流を流すことで電気抵抗が変化するその他の抵抗変化素子をプログラミングする場合にも適用可能である。 In each of the above-described embodiments, the example in which the solid electrolyte switch is used as the variable resistance element has been described. However, the present invention is also applicable to the case of programming another variable resistance element in which the electric resistance is changed by passing a current. Is possible.
また、上述した各実施の形態では、抵抗変化素子を、データを記憶するメモリセルとして用いる例で説明したが、抵抗変化素子は、クロスバースイッチ等、その他の用途のスイッチング素子として用いることも可能である。 In each of the above-described embodiments, the variable resistance element has been described as an example of using as a memory cell that stores data. However, the variable resistance element can also be used as a switching element for other purposes such as a crossbar switch. It is.
また、本発明のスイッチング回路は、製造後の半導体装置の構造から確認することが可能である。具体的には、観察対象の半導体チップ断面をTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)等を用いて観察することで、多層配線に接続される抵抗変化素子の位置を特定する。そして、観察対象の半導体チップを上面から研磨し、光学顕微鏡やSEM(走査型電子顕微鏡)を用いて抵抗変化素子に接続される配線レイアウトを検出する。さらに、該配線の幅を測定することで、抵抗変化素子に接続される負荷容量を見積もることができる。 The switching circuit of the present invention can be confirmed from the structure of the semiconductor device after manufacture. Specifically, the position of the variable resistance element connected to the multilayer wiring is specified by observing a cross section of the semiconductor chip to be observed using a TEM (Transmission Electron Microscope). Then, the semiconductor chip to be observed is polished from the upper surface, and the wiring layout connected to the resistance change element is detected using an optical microscope or SEM (scanning electron microscope). Furthermore, by measuring the width of the wiring, it is possible to estimate the load capacitance connected to the variable resistance element.
半導体装置のテクノロジーノードにも関係するが、配線の寄生容量は0.2fF/μm程度であるため、幅が15μm以上の配線を用いている場合、本発明のプログラミング方法を利用している可能性が高いと判断できる。 Although related to the technology node of the semiconductor device, since the parasitic capacitance of the wiring is about 0.2 fF / μm, when the wiring having a width of 15 μm or more is used, the programming method of the present invention may be used. Can be judged to be high.
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されものではない。本願発明の構成や詳細は本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
この出願は、2012年6月26日に出願された特願2012−143037号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese Patent Application No. 2012-143037 for which it applied on June 26, 2012, and takes in those the indications of all here.
Claims (8)
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に接続される第1負荷容量と、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に接続される、直列に接続された切り替えトランジスタ及び第2負荷容量と、
を有するプログラミング回路。 A resistance change element that changes its state and changes its electrical resistance when a predetermined voltage is applied and a current flows;
A first load capacitor connected between a ground side terminal of the variable resistance element and a ground potential;
A switching transistor and a second load capacitor connected in series connected between a ground-side terminal of the variable resistance element and a ground potential;
A programming circuit.
前記抵抗変化素子の接地側端子が接続されるラインの寄生容量である請求項1から3のいずれか1項記載のプログラミング回路。 The first load capacity is
Programming circuit according to any one of claims 1-3 ground side terminal is parasitic capacitance of the line connected to the variable resistance element.
前記抵抗変化素子に所定の電圧を印加すると共に、前記電気抵抗の変化に必要な電流を前記抵抗変化素子に供給する駆動回路と、
を有する半導体装置。 A programming circuit according to any one of claims 1 to 5 ;
A drive circuit that applies a predetermined voltage to the variable resistance element and supplies a current necessary for the change in the electrical resistance to the variable resistance element;
A semiconductor device.
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に第1負荷容量を接続しておき、
前記抵抗変化素子の接地側端子と接地電位間に、さらに直列に接続された切り替えトランジスタ及び第2負荷容量を接続しておき、
前記電気抵抗の変化に必要な電流の供給時、前記第1負荷容量を充電するために発生する突入電流を含む、オーバーシュートを有する波形の電流を供給し、
前記抵抗変化素子の状態変化時、前記切り替えトランジスタをオンさせて前記第2負荷容量を前記抵抗変化素子の接地側端子と接続し、
前記抵抗変化素子の抵抗値の読み出し時、前記切り替えトランジスタをオフさせて前記第2負荷容量を前記抵抗変化素子の接地側端子から切り離す抵抗変化素子のプログラミング方法。 A method of programming a resistance change element that is supplied from the outside and changes its electrical resistance when a predetermined current flows,
A first load capacitor is connected between the ground side terminal of the variable resistance element and the ground potential;
A switching transistor and a second load capacitor connected in series are further connected between the ground side terminal of the variable resistance element and the ground potential,
Supplying a current having a waveform having an overshoot, including an inrush current generated to charge the first load capacity when supplying a current necessary for the change in the electrical resistance ;
When the state of the resistance change element changes, the switching transistor is turned on to connect the second load capacitor to the ground side terminal of the resistance change element,
A resistance change element programming method in which when the resistance value of the resistance change element is read, the switching transistor is turned off to separate the second load capacitor from the ground-side terminal of the resistance change element.
前記抵抗変化素子が接続されるラインの寄生容量である請求項7記載の抵抗変化素子のプログラミング方法。 The first load capacity is
8. The resistance change element programming method according to claim 7, wherein the resistance change element is a parasitic capacitance of a line to which the resistance change element is connected.
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