JP2013131271A - Nonvolatile memory cell, nonvolatile memory cell array, and nonvolatile memory - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、抵抗変化型素子を利用した不揮発性メモリセルと、この不揮発性メモリセルを備えた不揮発性メモリセルアレイおよび不揮発性メモリに関する。 The present invention relates to a nonvolatile memory cell using a resistance change element, a nonvolatile memory cell array including the nonvolatile memory cell, and a nonvolatile memory.
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリあるいはDRAMに代わり、近年、次世代不揮発性メモリとして抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型メモリが注目されている。この抵抗変化型素子としては、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory;磁気抵抗RAM)、PRAM(Phase change Random Access Memory;相変化RAM)、ReRAM(Resistance Random Access Memory;抵抗変化型RAM)等に用いられているものが挙げられる。このような抵抗変化型素子を利用したメモリは、フラッシュメモリのような複雑なプロセスを必要とせず、標準ロジックプロセスと相性が良く、微細化に向いていること、低電圧で動作することより、将来性を有望視されている。この種の抵抗変化型素子を利用したメモリの素子構成、特性およびアレイ構成は、例えば特許文献1または非特許文献1に開示されている。
In recent years, a resistance change type memory for storing data using a resistance change type element has attracted attention as a next-generation non-volatile memory in place of a flash memory or a DRAM that has become limited in miniaturization. Examples of the resistance change element include MRAM (Magnetoretic Random Access Memory), PRAM (Phase change Random Access Memory), ReRAM (Resistance Random Access Memory). The thing that is. A memory using such a resistance variable element does not require a complicated process like a flash memory, is compatible with a standard logic process, is suitable for miniaturization, and operates at a low voltage. The future is promising. An element configuration, characteristics, and array configuration of a memory using this type of variable resistance element are disclosed in
図12(a)および(b)は、抵抗変化型素子として代表的なMTJ(Magnetic Tunnel Junction;磁気トンネル接合)素子を利用した不揮発性メモリセルの構成と動作を示す図である。図12(a)および(b)に示すように、MTJ素子は、磁気の方向が一定のピン層と、トンネルバリア膜と、磁気の方向が変化するフリー層とからなる。図12(a)に示すように、フリー層からピン層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と同一となり、MTJ素子は低抵抗となり、データ“0”を記憶した状態となる。逆に、図12(b)に示すように、ピン層からフリー層に向かう方向の電流を流すと、フリー層の磁化方向がピン層と反対になり、MTJ素子は高抵抗となり、データ“1”を記憶した状態になる。このようなMTJ素子により不揮発性メモリセルを構成する場合には、図12(a)および(b)に例示するように、MTJ素子を選択するためのスイッチとして、NチャネルトランジスタTsがMTJ素子に直列接続される。このような不揮発性メモリセルの構成は、例えば特許文献1に開示されている。
FIGS. 12A and 12B are diagrams showing the configuration and operation of a nonvolatile memory cell using a typical MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element as a variable resistance element. As shown in FIGS. 12A and 12B, the MTJ element includes a pinned layer having a constant magnetic direction, a tunnel barrier film, and a free layer whose magnetic direction changes. As shown in FIG. 12A, when a current in the direction from the free layer to the pinned layer is passed, the magnetization direction of the free layer becomes the same as that of the pinned layer, the MTJ element has a low resistance, and data “0” is stored. It becomes a state. Conversely, as shown in FIG. 12B, when a current in the direction from the pinned layer toward the free layer is passed, the magnetization direction of the free layer is opposite to that of the pinned layer, the MTJ element becomes high resistance, and data “1” "Is stored. When a nonvolatile memory cell is configured with such an MTJ element, as illustrated in FIGS. 12A and 12B, an N-channel transistor Ts is used as the MTJ element as a switch for selecting the MTJ element. Connected in series. The configuration of such a nonvolatile memory cell is disclosed in
図13は、図12(a)および(b)に示すような不揮発性メモリセルにより構成された従来の不揮発性メモリセルアレイの断面構造を例示する図である。図13に示す例では、半導体基板に図12(a)および(b)に示す選択用のNチャネルトランジスタTsが形成されている。そして、1不揮発性メモリセルを構成する2つのNチャネルトランジスタTsのゲートに選択電圧WLが与えられる。これらのNチャネルトランジスタTsのソースは、スルーホールと第1メタル層1Mとを介して第2メタル層2Mによるソース線SLに接続されている。また、2つのNチャネルトランジスタTsの共用のドレインは、スルーホールを介してMTJ素子のピン層に接続され、このMTJ素子のフリー層はスルーホールを介して第2メタル層2Mによるビット線BLに接続されている。
FIG. 13 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a conventional nonvolatile memory cell array composed of nonvolatile memory cells as shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b). In the example shown in FIG. 13, the N-channel transistor Ts for selection shown in FIGS. 12A and 12B is formed on the semiconductor substrate. A selection voltage WL is applied to the gates of the two N-channel transistors Ts constituting one nonvolatile memory cell. The sources of these N-channel transistors Ts are connected to the source line SL of the
図14は従来の不揮発性メモリセルアレイの回路構成を示す図、図15は同不揮発性メモリセルアレイのレイアウト例を示す図である。図14および図15において、破線により囲った領域は1個分の不揮発性メモリセルを示している。不揮発性メモリセルアレイは、この不揮発性メモリセルを行列状に配列したものである。図14および図15に示すように、不揮発性メモリセルアレイでは、ポリシリコン層による行選択線WL00、WL01、WL10、WL11、WL20、WL21が水平方向に配線されている。不揮発性メモリセルアレイには、垂直方向に延びた矩形のN型不純物領域が水平方向に複数並列に形成されている。そして、ポリシリコン層である行選択線とこれらのN型不純物層との交差部分が図12および図13に示すNチャネルトランジスタTsのゲートとなり、このゲートの両側のN型不純物層がNチャネルトランジスタTsのソースまたはドレインとなる。 FIG. 14 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional nonvolatile memory cell array, and FIG. 15 is a diagram showing a layout example of the nonvolatile memory cell array. 14 and 15, a region surrounded by a broken line indicates one nonvolatile memory cell. The nonvolatile memory cell array is an array of these nonvolatile memory cells. As shown in FIGS. 14 and 15, in the nonvolatile memory cell array, row selection lines WL00, WL01, WL10, WL11, WL20, and WL21 made of a polysilicon layer are wired in the horizontal direction. In the nonvolatile memory cell array, a plurality of rectangular N-type impurity regions extending in the vertical direction are formed in parallel in the horizontal direction. The intersection between the row selection line, which is a polysilicon layer, and these N-type impurity layers becomes the gate of the N-channel transistor Ts shown in FIGS. 12 and 13, and the N-type impurity layers on both sides of the gate are N-channel transistor. It becomes the source or drain of Ts.
不揮発性メモリセルアレイでは、垂直方向に延びた第2メタル層によるソース線SL0、SL1、SL2、SL3と、第2メタル層によるビット線BL0、BL1、BL2、BL3とが水平方向に交互に配列されている。図示の例において、破線で囲まれた不揮発性メモリセルでは、行選択線WL10をゲートとするNチャネルトランジスタのソースと、行選択線WL11をゲートとするNチャネルトランジスタのソースにソース線SL1が接続されている。また、行選択線WL10をゲートとするNチャネルトランジスタと行選択線WL11をゲートとするNチャネルトランジスタの共通のドレインと、第2メタル層M2によるビット線BL1との間にMTJ素子が介挿されている。 In the nonvolatile memory cell array, source lines SL0, SL1, SL2, and SL3 formed of a second metal layer extending in the vertical direction and bit lines BL0, BL1, BL2, and BL3 formed of the second metal layer are alternately arranged in the horizontal direction. ing. In the illustrated example, in a nonvolatile memory cell surrounded by a broken line, a source line SL1 is connected to a source of an N-channel transistor whose gate is the row selection line WL10 and a source of an N-channel transistor whose gate is the row selection line WL11. Has been. An MTJ element is interposed between the common drain of the N-channel transistor whose gate is the row selection line WL10 and the N-channel transistor whose gate is the row selection line WL11, and the bit line BL1 formed by the second metal layer M2. ing.
所望の不揮発性メモリセルのMTJ素子に“0”を書き込む場合、その不揮発性メモリセルのNチャネルトランジスタのゲートに1.2Vの選択電圧WLを与え、ビット線BLに1.2Vを、ソース線SLに0Vを与える。この結果、不揮発性メモリセルのMTJ素子にフリー層からピン層に向かう方向の約49μAの電流が流れ、MTJ素子が低抵抗となり、“0”を記憶した状態となる。一方、所望の不揮発性メモリセルのMTJ素子に“1”を書き込む場合、その不揮発性メモリセルのNチャネルトランジスタのゲートに1.2Vの選択電圧WLを与え、ビット線BLに0Vを、ソース線SLに1.2Vを与える。この結果、不揮発性メモリセルのMTJ素子にピン層からフリー層に向かう方向の約49μAの電流が流れ、MTJ素子が高抵抗となり、“1”を記憶した状態となる。 When “0” is written in the MTJ element of a desired nonvolatile memory cell, a selection voltage WL of 1.2 V is applied to the gate of the N-channel transistor of the nonvolatile memory cell, 1.2 V is applied to the bit line BL, and the source line Apply 0V to SL. As a result, a current of about 49 μA in the direction from the free layer to the pinned layer flows through the MTJ element of the nonvolatile memory cell, the MTJ element becomes low resistance, and “0” is stored. On the other hand, when “1” is written to the MTJ element of a desired nonvolatile memory cell, a selection voltage WL of 1.2 V is applied to the gate of the N-channel transistor of the nonvolatile memory cell, 0 V is applied to the bit line BL, and the source line Apply 1.2V to SL. As a result, a current of about 49 μA in the direction from the pinned layer to the free layer flows through the MTJ element of the nonvolatile memory cell, the MTJ element becomes high resistance, and “1” is stored.
所望の不揮発性メモリセルからデータを読み出す場合は、その不揮発性メモリセルのNチャネルトランジスタのゲートに1.2Vの選択電圧WLを与え、ビット線BLに0.15Vを、ソース線SLに0Vを与える。そして、ビット線BLから不揮発性メモリセルのMTJ素子に流れ込む電流を検出する。MTJ素子が“0”を記憶しており、低抵抗となっている場合、MTJ素子には15μA程度の電流が流れる。一方、MTJ素子が“1”を記憶しており、高抵抗となっている場合、MTJ素子には10μA程度の電流が流れる。従って、MTJ素子に流れ込む電流を検出して閾値と比較することにより、MTJ素子が“0”を記憶しているか“1”を記憶しているかを判定することができる。なお、このような不揮発性メモリセルアレイの構成および不揮発性メモリセルアレイを構成する不揮発性メモリセルの動作条件は例えば非特許文献2に開示されている。 When data is read from a desired nonvolatile memory cell, a selection voltage WL of 1.2 V is applied to the gate of the N-channel transistor of the nonvolatile memory cell, 0.15 V is applied to the bit line BL, and 0 V is applied to the source line SL. give. Then, a current flowing from the bit line BL to the MTJ element of the nonvolatile memory cell is detected. When the MTJ element stores “0” and has a low resistance, a current of about 15 μA flows through the MTJ element. On the other hand, when the MTJ element stores “1” and has a high resistance, a current of about 10 μA flows through the MTJ element. Therefore, it is possible to determine whether the MTJ element stores “0” or “1” by detecting the current flowing into the MTJ element and comparing it with a threshold value. Note that the configuration of such a nonvolatile memory cell array and the operating conditions of the nonvolatile memory cells constituting the nonvolatile memory cell array are disclosed in Non-Patent Document 2, for example.
上述したMRAMは、非常に高速であり、例えば10nsで書き込みおよび読み出しを行うことができる。しかし、このMRAMは、“1”状態(高抵抗)と“0”状態(低抵抗)との差が2倍〜数倍程度とあまり大きくないため、配線抵抗あるいは寄生容量等により微妙に不揮発性メモリセルを流れる電流値や放電時間に場所依存性が生じる。このため、抵抗変化型素子に流れる電流を判定するためのセンスアンプの比較用基準電圧をバランス良く正確に設定することが困難であり、抵抗変化型素子に流れる電流の判定、すなわち、抵抗変化型素子の記憶内容の“1”/“0”判定を高速に行うのが困難であるという問題があった。ここで、MRAMやReRAMにおいて、抵抗変化型素子として電流の向きにより抵抗の変化方向が逆になるバイポーラ型素子を使用し、“0”書き込みと“1”書き込みとで抵抗変化型素子に流す電流の向きを逆にする構成を採ることも考えられる。しかし、その場合、メモリセルに対するアクセスを制御する回路の回路構成が複雑になる問題がある。 The MRAM described above is very fast, and can perform writing and reading in 10 ns, for example. However, the difference between the “1” state (high resistance) and the “0” state (low resistance) is not so large as about 2 to several times, so this MRAM is slightly non-volatile due to wiring resistance or parasitic capacitance. Location dependence occurs in the value of current flowing through the memory cell and the discharge time. For this reason, it is difficult to accurately and accurately set the reference voltage for comparison of the sense amplifier for determining the current flowing through the resistance variable element, and determination of the current flowing through the resistance variable element, that is, the resistance variable type There has been a problem that it is difficult to determine “1” / “0” of the stored contents of the element at high speed. Here, in the MRAM or ReRAM, a bipolar element whose resistance change direction is reversed depending on the direction of the current is used as the resistance variable element, and the current passed through the resistance variable element in “0” writing and “1” writing. It is also possible to adopt a configuration that reverses the direction of. However, in this case, there is a problem that the circuit configuration of the circuit that controls access to the memory cell becomes complicated.
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、高速読み出しが可能な不揮発性メモリセル、不揮発性メモリセルアレイおよび不揮発性メモリを提供することを目的とする。さらにこの発明は、面積を縮小することができ、書き込みが容易な不揮発性メモリセル、不揮発性メモリセルアレイおよび不揮発性メモリを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object thereof is to provide a nonvolatile memory cell, a nonvolatile memory cell array, and a nonvolatile memory capable of high-speed reading. Furthermore, an object of the present invention is to provide a nonvolatile memory cell, a nonvolatile memory cell array, and a nonvolatile memory that can reduce the area and are easy to write.
この発明は、複数の不揮発性メモリセルを行列状に配列してなる不揮発性メモリセルアレイを有する不揮発性メモリであって、前記不揮発性メモリセルアレイは、前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各行毎に各々配線された複数のワード線と、前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のビット線と、前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数の反転ビット線と、前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のソース線とを有し、前記複数の不揮発性メモリセルの各々は、第1および第2の抵抗変化型素子と、各々が属する行のワード線を介して供給される行選択電圧によりON/OFFが切り換えられ、ON状態において、各々が属する列のビット線およびソース線間に前記第1の抵抗変化型素子を接続し、各々が属する列の反転ビット線およびソース線間に前記第2の抵抗変化型素子を接続するスイッチ手段を有し、前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記ビット線および前記反転ビット線から前記ソース線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が第1の方向およびその逆方向の第2の方向に各々変化し、前記ソース線から前記ビット線および前記反転ビット線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が前記第2の方向および前記第1の方向に各々変化するものであり、前記不揮発性メモリは、アクセス対象である不揮発性メモリセルのスイッチ手段をONにする行選択電圧を発生し、ライトアクセス時には、当該不揮発性メモリセルが属する列のビット線および反転ビット線の組とソース線との間に書き込みデータに応じた極性の書き込み電圧を印加し、読み出し時には当該不揮発性メモリセルが属する列のビット線および反転ビット線に発生する信号に基づいて当該不揮発性メモリセルからの読み出しデータを判定することを特徴とする不揮発性メモリを提供する。 The present invention is a non-volatile memory having a non-volatile memory cell array in which a plurality of non-volatile memory cells are arranged in a matrix, and the non-volatile memory cell array is provided for each row of the matrix of the plurality of non-volatile memory cells. A plurality of word lines wired to each of the plurality of bit lines, a plurality of bit lines wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells, and a column for each column of the plurality of the nonvolatile memory cells. A plurality of inverted bit lines that are wired and a plurality of source lines that are wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells, and each of the plurality of nonvolatile memory cells includes: ON / OFF is switched by the second resistance change element and the row selection voltage supplied via the word line of the row to which each belongs, and in the ON state, the bit line of each column to which it belongs and Switch means for connecting the first variable resistance element between the source lines and connecting the second variable resistance element between the inverted bit line and the source line of each column to which the first variable resistance element belongs; And the second variable resistance element has a resistance value of the second direction in the first direction and in the opposite direction when currents flowing from the bit line and the inverted bit line to the source line are respectively flowed. Each resistance value changes in the second direction and the first direction when currents flowing from the source line to the bit line and the inversion bit line respectively flow through the source line. The nonvolatile memory generates a row selection voltage for turning on the switch means of the nonvolatile memory cell to be accessed, and at the time of write access, the bit line of the column to which the nonvolatile memory cell belongs is assigned. A write voltage having a polarity corresponding to the write data is applied between the pair of inverted bit lines and the source line, and at the time of reading, based on a signal generated on the bit line and the inverted bit line of the column to which the nonvolatile memory cell belongs. Provided is a nonvolatile memory characterized by determining read data from the nonvolatile memory cell.
この不揮発性メモリによれば、アクセス対象の不揮発性メモリセルのビット線および反転ビット線の組とソース線との間に書き込みデータに応じた極性の書き込み電圧を印加するという簡単な動作により、第1の抵抗変化型素子と第2の抵抗変化型素子の各抵抗値を互いに逆方向に変化させ、データ書き込みを行うことができる。従って、読み出し時には、当該不揮発性メモリセルが属する列のビット線および反転ビット線に発生する信号間に大きな差が生じることとなり、当該不揮発性メモリセルから高速にデータ読み出しを行うことができる。また、この不揮発性メモリによれば、不揮発性メモリセルを2個の抵抗変化型素子と1個または2個のトランジスタにより構成することができ、1メモリセル当たりの面積を小さくすることができるので、不揮発性メモリの面積を小さくすることができる。 According to this nonvolatile memory, the first operation is performed by applying a write voltage having a polarity according to the write data between the pair of the bit line and the inverted bit line of the nonvolatile memory cell to be accessed and the source line. Data writing can be performed by changing the resistance values of the first variable resistance element and the second variable resistance element in opposite directions. Therefore, at the time of reading, a large difference is generated between signals generated on the bit line and the inverted bit line of the column to which the nonvolatile memory cell belongs, and data can be read from the nonvolatile memory cell at high speed. Further, according to this nonvolatile memory, the nonvolatile memory cell can be constituted by two resistance change elements and one or two transistors, and the area per memory cell can be reduced. The area of the nonvolatile memory can be reduced.
以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態において、トランジスタはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;金属−酸化膜−半導体構造の電界効果トランジスタ)を指す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, the transistor refers to a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor; field-effect transistor having a metal-oxide film-semiconductor structure).
<第1実施形態>
図1は、この発明の第1実施形態である2T2R構成の不揮発性メモリセルの構成を示す回路図である。この不揮発性メモリセルは、第1および第2の抵抗変化型素子R1およびR2と、各々Nチャネルトランジスタである第1および第2の選択トランジスタT1およびT2とを有する。ここで、第1の抵抗変化型素子R1および第1の選択トランジスタT1は、ビット線BLとソース線SLとの間に直列に介挿され、第2の抵抗変化型素子R2および第2の選択トランジスタT2は、反転ビット線BLBとソース線SLとの間に直列に介挿されている。また、第1および第2の抵抗変化型素子R1およびR2はビット線BLおよび反転ビット線BLB側に各々設けられ、第1および第2の選択トランジスタT1およびT2はソース線SL側に各々設けられている。抵抗変化型素子R1およびR2としては、MRAM、PRAM、ReRAM等に用いられるものと同様な抵抗変化型素子を使用することができる。図示の例において、抵抗変化型素子R1およびR2はMRAMに使用されるMTJ素子である。そして、抵抗変化型素子R1は、フリー層がビット線BLに、ピン層が選択トランジスタT1のドレインに接続されており、抵抗変化型素子R2は、ピン層が反転ビット線BLBに、フリー層が選択トランジスタT2のドレインに接続されている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile memory cell having a 2T2R configuration according to the first embodiment of the present invention. This nonvolatile memory cell has first and second variable resistance elements R1 and R2, and first and second select transistors T1 and T2 which are N-channel transistors, respectively. Here, the first variable resistance element R1 and the first selection transistor T1 are interposed in series between the bit line BL and the source line SL, and the second variable resistance element R2 and the second selection transistor are inserted. The transistor T2 is interposed in series between the inverted bit line BLB and the source line SL. The first and second variable resistance elements R1 and R2 are provided on the bit line BL and inverted bit line BLB sides, respectively, and the first and second selection transistors T1 and T2 are provided on the source line SL side, respectively. ing. As the resistance variable elements R1 and R2, resistance variable elements similar to those used for MRAM, PRAM, ReRAM, and the like can be used. In the illustrated example, the resistance variable elements R1 and R2 are MTJ elements used for MRAM. The variable resistance element R1 has a free layer connected to the bit line BL and a pin layer connected to the drain of the selection transistor T1, and the variable resistance element R2 has a pin layer connected to the inverted bit line BLB and a free layer. The drain of the selection transistor T2 is connected.
図2は本実施形態による不揮発性メモリセルの動作条件を示す図である。“0”書き込みの場合は、ワード線WLに1.2Vを、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに1.2Vを、ソース線SLに0Vを与える。これにより、ビット線BLから抵抗変化型素子R1および選択トランジスタT1を介してソース線SLへ向けて電流が流れ、反転ビット線BLBから抵抗変化型素子R2および選択トランジスタT2を介してソース線SLへ向けて電流が流れる。ここで、抵抗変化型素子R1にはフリー層からピン層に向かう電流が流れるので、抵抗変化型素子R1は低抵抗状態となる。一方、抵抗変化型素子R2にはピン層からフリー層に向かう電流が流れるので、抵抗変化型素子R2は高抵抗状態となる。このようにして不揮発性メモリセルは、抵抗変化型素子R1が低抵抗状態、抵抗変化型素子R2が高抵抗状態となり、データ“0”を記憶した状態となる。 FIG. 2 is a diagram showing operating conditions of the nonvolatile memory cell according to the present embodiment. In the case of writing “0”, 1.2 V is applied to the word line WL, 1.2 V is applied to the bit line BL and the inverted bit line BLB, and 0 V is applied to the source line SL. As a result, a current flows from the bit line BL to the source line SL via the resistance change element R1 and the selection transistor T1, and from the inverted bit line BLB to the source line SL via the resistance change element R2 and the selection transistor T2. An electric current flows toward. Here, since a current from the free layer to the pinned layer flows in the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 is in a low resistance state. On the other hand, since a current flowing from the pinned layer to the free layer flows through the resistance variable element R2, the resistance variable element R2 enters a high resistance state. In this manner, the nonvolatile memory cell is in a state in which the variable resistance element R1 is in the low resistance state, the variable resistance element R2 is in the high resistance state, and data “0” is stored.
“1”書き込みの場合は、ワード線WLに1.2Vを、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに0Vを、ソース線SLに1.2Vを与える。これにより、ソース線SLから選択トランジスタT1および抵抗変化型素子R1を介してビット線BLへ向けて電流が流れ、ソース線SLから選択トランジスタT2および抵抗変化型素子R2を介して反転ビット線BLBへ向けて電流が流れる。ここで、抵抗変化型素子R1にはピン層からフリー層に向かう電流が流れるので、抵抗変化型素子R1は高抵抗状態となる。一方、抵抗変化型素子R2にはフリー層からピン層に向かう電流が流れるので、抵抗変化型素子R2は低抵抗状態となる。このようにして不揮発性メモリセルは、抵抗変化型素子R1が高抵抗状態、抵抗変化型素子R2が低抵抗状態となり、データ“1”を記憶した状態となる。 In the case of writing “1”, 1.2 V is applied to the word line WL, 0 V is applied to the bit line BL and the inverted bit line BLB, and 1.2 V is applied to the source line SL. As a result, a current flows from the source line SL to the bit line BL via the selection transistor T1 and the resistance variable element R1, and from the source line SL to the inverted bit line BLB via the selection transistor T2 and the resistance variable element R2. An electric current flows toward. Here, since a current from the pinned layer to the free layer flows through the resistance variable element R1, the resistance variable element R1 is in a high resistance state. On the other hand, since a current from the free layer to the pinned layer flows through the resistance variable element R2, the resistance variable element R2 is in a low resistance state. In this manner, the nonvolatile memory cell is in a state in which the variable resistance element R1 is in the high resistance state, the variable resistance element R2 is in the low resistance state, and data “1” is stored.
読み出しの場合は、ソース線SLに0Vを、ワード線WLに0.5Vを与える。この状態において、図示しないセンスアンプは、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに0.2V程度のバイアスを掛けて抵抗変化型素子R1およびR2に電流を流し、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに発生する各信号の差動増幅を行う。 In the case of reading, 0 V is applied to the source line SL and 0.5 V is applied to the word line WL. In this state, a sense amplifier (not shown) applies a bias of about 0.2 V to the bit line BL and the inverted bit line BLB to cause a current to flow through the resistance variable elements R1 and R2, and is generated in the bit line BL and the inverted bit line BLB. Differential amplification of each signal is performed.
ここで、不揮発性メモリセルがデータ“0”を記憶しており、抵抗変化型素子R1が低抵抗、抵抗変化型素子R2が高抵抗である場合、ビット線BLからソース線SLに向けて流れる電流の方が反転ビット線BLBからソース線SLに向けて流れる電流よりも大きくなる。このため、ビット線BLの電圧がビット線BLBの電圧よりも低くなる。この結果、センスアンプは読み出しデータが“0”であることを示す信号を出力する。 Here, when the nonvolatile memory cell stores data “0”, the resistance variable element R1 has a low resistance, and the resistance variable element R2 has a high resistance, the data flows from the bit line BL toward the source line SL. The current is larger than the current flowing from the inverted bit line BLB toward the source line SL. For this reason, the voltage of the bit line BL becomes lower than the voltage of the bit line BLB. As a result, the sense amplifier outputs a signal indicating that the read data is “0”.
一方、揮発性メモリセルがデータ“1”を記憶しており、抵抗変化型素子R1が高抵抗、抵抗変化型素子R2が低抵抗である場合、ビット線BLからソース線SLに向けて流れる電流の方が反転ビット線BLBからソース線SLに向けて流れる電流よりも小さくなる。このため、ビット線BLの電圧がビット線BLBの電圧よりも高くなる。この結果、センスアンプは読み出しデータが“1”であることを示す信号を出力する。 On the other hand, when the volatile memory cell stores data “1”, the resistance variable element R1 has a high resistance, and the resistance variable element R2 has a low resistance, the current flowing from the bit line BL toward the source line SL. Is smaller than the current flowing from the inverted bit line BLB toward the source line SL. For this reason, the voltage of the bit line BL becomes higher than the voltage of the bit line BLB. As a result, the sense amplifier outputs a signal indicating that the read data is “1”.
以上の読み出し時の動作において、ワード線WLに対する選択電圧を0.5V、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに対する電圧を0.2Vとするのは、抵抗変化型素子R1およびR2に流れる電流を少なくして、誤書き込みを防ぐためである。なお、この例では、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに対する電圧を0.2V程度に下げているので、この電圧で抵抗変化型素子R1およびR2に流れる電流を十分に抑えることができれば、ワード線WLに対する選択電圧を1.2Vとしても正常動作が可能である。 In the above read operation, the selection voltage for the word line WL is set to 0.5 V, and the voltage for the bit line BL and the inverted bit line BLB is set to 0.2 V. The current flowing through the resistance variable elements R1 and R2 is reduced. This is to prevent erroneous writing. In this example, since the voltage with respect to the bit line BL and the inverted bit line BLB is lowered to about 0.2 V, if the current flowing through the resistance variable elements R1 and R2 can be sufficiently suppressed by this voltage, the word line Normal operation is possible even when the selection voltage for WL is 1.2V.
以上説明したように、本実施形態によれば、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに同じ電圧を印加するという簡単な動作により、抵抗変化型素子R1およびR2の各抵抗値を互いに逆方向に変化させてデータ書き込みを行うことができる。従って、動作マージンの広い不揮発性メモリを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, the resistance values of the resistance variable elements R1 and R2 are changed in the opposite directions by a simple operation of applying the same voltage to the bit line BL and the inverted bit line BLB. Thus, data writing can be performed. Therefore, a nonvolatile memory having a wide operation margin can be realized.
<第2実施形態>
図3は、この発明の第2実施形態である不揮発性メモリセルの構成を示す回路図である。本実施形態による不揮発性メモリセルでは、抵抗変化型素子R1およびR2と、選択トランジスタT1およびT2の位置関係が上記第1実施形態(図1)と入れ替わっており、抵抗変化型素子R1およびR2がソース線SL側に設けられている。また、本実施形態では、抵抗変化型素子R1およびR2の各々の極性が上記第1実施形態と逆になっており、抵抗変化型素子R1は、ピン層が選択トランジスタT1のソースに、フリー層がソース線SLに接続されており、抵抗変化型素子R2は、フリー層が選択トランジスタT2のソースに、ピン層がソース線SLに接続されている。
Second Embodiment
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile memory cell according to the second embodiment of the present invention. In the nonvolatile memory cell according to the present embodiment, the positional relationship between the resistance variable elements R1 and R2 and the selection transistors T1 and T2 is changed from that in the first embodiment (FIG. 1), and the resistance variable elements R1 and R2 are Provided on the source line SL side. In the present embodiment, the polarities of the resistance change elements R1 and R2 are opposite to those of the first embodiment, and the resistance change element R1 has a pin layer as a source of the selection transistor T1 and a free layer. Is connected to the source line SL, and the variable resistance element R2 has a free layer connected to the source of the selection transistor T2 and a pinned layer connected to the source line SL.
図4は本実施形態による不揮発性メモリセルの動作条件を示す図である。データ書き込み、データ読み出しのために、ワード線WL、ビット線BLおよび反転ビット線BLB、ソース線SLに与える電圧は上記第1実施形態と同様である。本実施形態では、抵抗変化型素子R1およびR2の極性が上記第1実施形態と逆になっているため、データ“0”の記憶状態とデータ“1”の記憶状態が上記第1実施形態と逆になる。 FIG. 4 is a view showing operating conditions of the nonvolatile memory cell according to the present embodiment. The voltage applied to the word line WL, the bit line BL, the inverted bit line BLB, and the source line SL for data writing and data reading is the same as in the first embodiment. In this embodiment, since the polarities of the resistance variable elements R1 and R2 are opposite to those of the first embodiment, the storage state of data “0” and the storage state of data “1” are different from those of the first embodiment. Vice versa.
“0”書き込みにおいて、ワード線WLに1.2Vを、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに1.2Vを、ソース線SLに0Vを与えると、抵抗変化型素子R1にはピン層からフリー層に向かう電流が流れ、抵抗変化型素子R2にはフリー層からピン層に向かう電流が流れる。この結果、抵抗変化型素子R1が高抵抗に、抵抗変化型素子R2が低抵抗になる。これがデータ“0”を記憶した状態である。“1”書き込みにおいて、ワード線WLに1.2Vを、ビット線BLおよび反転ビット線BLBに0Vを、ソース線SLに1.2Vを与えると、抵抗変化型素子R1にはフリー層からピン層に向かう電流が流れ、抵抗変化型素子R2にはピン層からフリー層に向かう電流が流れる。この結果、抵抗変化型素子R1が低抵抗に、抵抗変化型素子R2が高抵抗になる。これがデータ“1”を記憶した状態である。データ“0”を記憶した状態とデータ“1”を記憶した状態が逆になる点を除けば、本実施形態の構成および動作は上記第1実施形態と同様である。本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。 When “0” is written, when 1.2 V is applied to the word line WL, 1.2 V is applied to the bit line BL and the inverted bit line BLB, and 0 V is applied to the source line SL, the resistance variable element R1 has a pinned layer to a free layer. The current flowing from the free layer to the pinned layer flows through the resistance variable element R2. As a result, the resistance variable element R1 has a high resistance and the resistance variable element R2 has a low resistance. This is a state where data “0” is stored. When “1” is written, when 1.2 V is applied to the word line WL, 0 V is applied to the bit line BL and the inverted bit line BLB, and 1.2 V is applied to the source line SL, the resistance variable element R1 has a free layer to a pinned layer. Current flows toward the free layer through the resistance variable element R2. As a result, the resistance variable element R1 has a low resistance and the resistance variable element R2 has a high resistance. This is a state in which data “1” is stored. The configuration and operation of this embodiment are the same as those of the first embodiment, except that the state in which data “0” is stored and the state in which data “1” is stored are reversed. Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
<第3実施形態>
図5はこの発明の第3実施形態である不揮発性メモリセルの構成を示す回路図である。上記第1実施形態では、抵抗変化型素子R1およびR2をビット線BLおよび反転ビット線BLBとソース線SLとの間に接続するか否かを切り換えるためのスイッチ手段が第1および第2の選択トランジスタT1およびT2により構成された。これに対し、本実施形態による不揮発性メモリセルでは、かかるスイッチ手段が1個の選択トランジスタTにより構成されている。さらに詳述すると、本実施形態ではビット線BLと共通ノードCNとの間に第1の抵抗変化型素子R1が介挿され、反転ビット線BLBと共通ノードCNとの間に第2の抵抗変化型素子R2が介挿されており、この共通ノードCNとソース線SLとの間にスイッチ手段たる選択トランジスタTが介挿されている。そして、本実施形態では、ワード線WLを介して供給される選択電圧により選択トランジスタTのON/OFF切り換えが行われる。本実施形態においても上記第1実施形態と同様な効果が得られる。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile memory cell according to the third embodiment of the present invention. In the first embodiment, the switch means for switching whether or not the resistance variable elements R1 and R2 are connected between the bit line BL and the inverted bit line BLB and the source line SL are the first and second selections. It was constituted by transistors T1 and T2. On the other hand, in the nonvolatile memory cell according to the present embodiment, such switch means is constituted by one selection transistor T. More specifically, in the present embodiment, the first resistance change element R1 is interposed between the bit line BL and the common node CN, and the second resistance change is between the inverted bit line BLB and the common node CN. A type element R2 is inserted, and a selection transistor T as a switch means is inserted between the common node CN and the source line SL. In this embodiment, the selection transistor T is switched on / off by the selection voltage supplied via the word line WL. Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
<第4実施形態>
図6はこの発明の第4実施形態である不揮発性メモリの構成を示す回路図である。本実施形態による不揮発性メモリにおいて、不揮発性メモリセルアレイ100は、行列状に配列された不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)によって構成されている。これらの不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)は、各々前掲図1の不揮発性メモリセルである。本実施形態では、この不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)を上記第1実施形態(図2)の動作条件に従って動作させる。
<Fourth embodiment>
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a nonvolatile memory according to the fourth embodiment of the present invention. In the nonvolatile memory according to the present embodiment, the nonvolatile
不揮発性メモリセルアレイ100では、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各行kに沿って、ワード線WLk(k=0〜m)が各々配線されている。ここで、行kに対応したワード線WLkは、行kに属する不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)の選択トランジスタT1およびT2の各ゲートに接続されている。
In the nonvolatile
また、不揮発性メモリセルアレイ100では、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m、j=0〜n)の各列jに沿って、ビット線BLj(j=0〜n)、反転ビット線BLBj(j=0〜n)およびソース線SLj(j=0〜n)が各々配線されている。ここで、列jに対応したビット線BLjおよび反転ビット線BLBjには、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m)の抵抗変化型素子R1およびR2の各一端(図1に示す例では、抵抗変化型素子R1のフリー層および抵抗変化型素子R2のピン層)が各々接続されている。また、列jに対応したソースSLjには、不揮発性メモリセルMkj(k=0〜m)の選択トランジスタT1およびT2の各ソースが各々接続されている。
In the nonvolatile
行デコーダ200は、不揮発性メモリセルアレイ100へのライトアクセスまたはリードアクセス時に、アクセス対象である不揮発性メモリセルの行アドレスをデコードし、ワード線WLk(k=0〜m)のうち行アドレスが示す行kのワード線WLkに選択トランジスタT1およびT2をONさせる行選択電圧を出力する。
The
カラムゲート部400は、ビット線用カラム選択トランジスタCGj(j=0〜n)、反転ビット線用カラム選択トランジスタCGBj(j=0〜n)およびソース線用カラム選択トランジスタCGSj(j=0〜n)を有する。ここで、ビット線用カラム選択トランジスタCGj(j=0〜n)は、データ線DLと、ビット線BLj(j=0〜n)との間に各々介挿されている。また、反転ビット線用カラム選択トランジスタCGBj(j=0〜n)は、反転データ線DLBと、反転ビット線BLBj(j=0〜n)との間に各々介挿されている。また、ソース線用カラム選択トランジスタCGSj(j=0〜n)は、グローバルソース線GSLと、ソース線SLj(j=0〜n)との間に各々介挿されている。そして、ビット線用カラム選択トランジスタCGj(j=0〜n)、反転ビット線用カラム選択トランジスタCGBj(j=0〜n)およびソース線用カラム選択トランジスタCGSj(j=0〜n)の各ゲートには、列選択線COLj(j=0〜n)が各々接続されている。
The
列デコーダ300は、不揮発性メモリセルアレイ100へのライトアクセス時またはリードアクセス時に、アクセス対象である不揮発性メモリセルの列アドレスをデコードし、ビット線用カラム選択トランジスタCGj(j=0〜n)、反転ビット線用カラム選択トランジスタCGBj(j=0〜n)およびソース線用カラム選択トランジスタCGSj(j=0〜n)のうち列アドレスが示す列jのカラム選択トランジスタCGj、CGBjおよびCGSjをONさせる選択電圧を列選択線COLjに出力する。
The
書き込みドライバ500は、Highレベル出力、Lowレベル出力および出力ハイインピーダンス状態の3状態をとりうる3ステートバッファを含む。書き込みドライバ500は、ライトアクセス時、書き込みデータに応じた極性の電圧をデータ線DLおよび反転データ線DLBの組とグローバルソース線GSLとの間に印加する。また、書き込みドライバ500は、リードアクセス時には、ソース線SLに基準電圧である0Vを印加し、データ線DLおよび反転データ線DLBを切り離してフローティング状態にする。
The
センスアンプ600は、リードアクセス時に、前掲図2の条件に従って、データ線DLおよび反転データ線DLBを介して接続されたビット線BLjおよび反転ビット線BLBjに0.2Vの電圧を与え、このときデータ線DLおよび反転データ線DLBに発生する信号に基づき、アクセス先である不揮発性メモリセルからの読み出しデータを判定する回路である。出力回路700は、センスアンプ600の出力信号を増幅して図示しないポートから出力する回路である。
At the time of read access, the
書き込み制御回路800には、書き込み信号WEと入力データDinが与えられる。書き込み制御回路800は、書き込み信号WEがアクティブレベルであるとき、入力データDinを書き込みデータとして書き込みドライバ500に供給する。
The write control circuit 800 is supplied with a write signal WE and input data Din. When the write signal WE is at the active level, the write control circuit 800 supplies the input data Din to the
以上の構成において、ライトアクセス時には、書き込み信号WEがアクティブレベルとされる。これにより書き込み制御回路800は、入力データDinを書き込みデータとして書き込みドライバ500に供給する。書き込みドライバ500は、書き込みデータが“0”であればデータ線DLおよび反転データ線DLBに1.2Vを出力し、グローバルソース線GSLに0Vを出力する。また、書き込みドライバ500は、書き込みデータが“1”であればデータ線DLおよび反転データ線DLBに0Vを出力し、グローバルソース線GSLに1.2Vを出力する。行デコーダ200は、行アドレスが示す行kに対応したワード線WLkに行選択電圧=1.2Vを出力し、行kの不揮発性メモリセルMkj(j=0〜n)の選択トランジスタT1およびT2をONさせる。また、列デコーダ300は、列アドレスをデコードし、カラム選択トランジスタCGj(j=0〜n)、CGB(j)(j=0〜n)およびCGS(j)(j=0〜n)のうち列アドレスが示す列jのカラム選択トランジスタCGj、CGB(j)およびCGS(j)をONさせ、列jのビット線BLjをデータ線DLに、反転ビット線BLBjを反転データ線DLBに、ソース線SLjをグローバルソース線GSLに接続する。
In the above configuration, at the time of write access, the write signal WE is set to the active level. Thereby, the write control circuit 800 supplies the input data Din to the
これにより行アドレスが示す行kおよび列アドレスが示す列kに対応した不揮発性メモリセルMkjの抵抗変化型素子R1およびR2にデータ線DLおよび反転データ線DLBの組とグローバルソース線GSLとの間の電圧が印加され、抵抗変化型素子R1およびR2に対するデータ書き込みが行われる。 As a result, the resistance change elements R1 and R2 of the nonvolatile memory cell Mkj corresponding to the row k indicated by the row address and the column k indicated by the column address are connected between the data line DL and the inverted data line DLB and the global source line GSL. Is applied to write data to the resistance variable elements R1 and R2.
一方、リードアクセス時には、書き込み信号WEが非アクティブレベルとなり、書き込みドライバ500は、グローバルソース線GSLを0Vとし、データ線DLおよび反転データ線DLBをフローティング状態とする。この状態において、行アドレスが示す行kおよび列アドレスが示す列jに対応した不揮発性メモリセルMkjが選択され、この不揮発性メモリセルMkjの抵抗変化型素子R1がデータ線DLおよびグローバルソース線GSL間に介挿され、抵抗変化型素子R2が反転データ線DLBおよびグローバルソース線GSL間に介挿された状態となる。このときセンスアンプ600は、データ線DLおよび反転データ線DLBに0.2V程度のバイアスを与え、データ線DLおよび反転データ線DLBの各電圧の差動増幅を行うことにより、不揮発性メモリセルからの読み出しデータを示す信号を出力する。出力回路700は、このセンスアンプ600の出力信号を増幅して、アクセス先の不揮発性メモリセルからの読み出しデータとして出力する。
On the other hand, at the time of read access, the write signal WE becomes an inactive level, and the
以上説明したように、本実施形態によれば、データ線DLおよび反転データ線DLBの組とグローバスソース線GSLとの間に書き込みデータに応じた極性の電圧を印加するという簡単な動作により、アクセス対象である不揮発性メモリセルの抵抗変化型素子R1およびR2の各抵抗値を互いに逆方向に変化させてデータ書き込みを行うことができる。従って、動作マージンの広い不揮発性メモリを実現することができる。また、本実施形態によれば、2個のトランジスタと2個の抵抗変化型素子により1ビット分の不揮発性メモリセルを構成することができる。そして、図6に示すように、この不揮発性メモリセルを行列状に配列し、ワード線WLkを行方向に沿って配線し、ビット線BLj、反転ビット線BLBj、ソース線SLjを列方向に沿って配線することにより、面積の小さな不揮発性メモリセルアレイを構成することができる。従って、面積の小さな不揮発性メモリセルを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, the access is performed by a simple operation of applying a voltage having a polarity corresponding to the write data between the set of the data line DL and the inverted data line DLB and the global bus source line GSL. Data can be written by changing the resistance values of the resistance variable elements R1 and R2 of the target nonvolatile memory cell in opposite directions. Therefore, a nonvolatile memory having a wide operation margin can be realized. Further, according to the present embodiment, a 1-bit nonvolatile memory cell can be configured by two transistors and two resistance variable elements. Then, as shown in FIG. 6, the nonvolatile memory cells are arranged in a matrix, the word lines WLk are wired along the row direction, and the bit lines BLj, the inverted bit lines BLBj, and the source lines SLj are aligned along the column direction. Thus, a nonvolatile memory cell array with a small area can be configured. Therefore, a nonvolatile memory cell with a small area can be realized.
なお、第3実施形態(図5)の不揮発性メモリセルを第4実施形態(図6)の不揮発性メモリに適用した場合、列方向に配置した不揮発性メモリセルのビット線BL、反転ビット線BLBが抵抗変化型素子R1およびR2を介してショートされた状態になるので、読出し時の動作マージンが影響を受ける。しかし、抵抗変化型素子R1およびR2間の抵抗差が例えば2倍以上あれば、k=1023(すなわち1024個のメモリセル)程度であれば、選択されたビット線BLおよび反転ビット線BLBの間が、選択された1個の不揮発性メモリセルを除いた1023個の不揮発性メモリセルの抵抗変化型素子R1およびR2を並列化した抵抗(R1+R2)/1023により接続されていても、選択された不揮発性メモリセルの抵抗変化型素子R1およびR2の各抵抗値の比で決まる電流差が取れるので、図示しない電流センス型アンプを用いて、十分に読み出しデータを判定可能である。そして、図5の不揮発性メモリセルを用いれば、さらに面積の小さな不揮発性メモリを実現することができる。 When the nonvolatile memory cell of the third embodiment (FIG. 5) is applied to the nonvolatile memory of the fourth embodiment (FIG. 6), the bit line BL and the inverted bit line of the nonvolatile memory cell arranged in the column direction. Since BLB is short-circuited via the resistance variable elements R1 and R2, the operation margin at the time of reading is affected. However, if the resistance difference between the variable resistance elements R1 and R2 is, for example, twice or more, if k = 1023 (that is, 1024 memory cells), then between the selected bit line BL and the inverted bit line BLB. Are selected even though they are connected by a resistance (R1 + R2) / 1023 in which resistance change elements R1 and R2 of 1023 nonvolatile memory cells excluding the selected nonvolatile memory cell are parallelized. Since a current difference determined by the ratio of the resistance values of the resistance change elements R1 and R2 of the nonvolatile memory cell can be obtained, read data can be sufficiently determined using a current sense amplifier (not shown). If the nonvolatile memory cell of FIG. 5 is used, a nonvolatile memory having a smaller area can be realized.
<第5実施形態>
本実施形態は、上記各実施形態における不揮発性メモリセルアレイのレイアウトに関する実施形態である。図7は本実施形態による不揮発性メモリセルアレイのレイアウト図である。図8は図7のA−A’線断面図、図9は図7のB−B’線断面図、図10は図7のC−C’線断面図、図11は図7のD−D’線断面図である。
<Fifth Embodiment>
The present embodiment is an embodiment relating to the layout of the nonvolatile memory cell array in each of the above embodiments. FIG. 7 is a layout diagram of the nonvolatile memory cell array according to the present embodiment. 8 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 7, FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 7, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line CC ′ of FIG. It is D 'sectional view.
図8〜図11に示すように、本実施形態では、p型の半導体基板1に不揮発性メモリセルの各列間を分離するためのトレンチ分離層2が形成されている。そして、半導体基板1において、各トレンチ分離層2に挟まれた領域に、不揮発性メモリセルの選択トランジスタT1および選択トランジスタT2の各々のソースまたはドレインとなるn型の拡散領域3、4が形成されている。
As shown in FIGS. 8 to 11, in this embodiment, a trench isolation layer 2 is formed in a p-
また、本実施形態では、配線層として、ポリシリコン配線層と、第1メタル層M1と、その上層である第2メタル層M2と、さらにその上層である第3メタル層M3が用いられている。そして、図7に示すレイアウト例では、各々行方向に沿ってポリシリコン層によるワード線WLkが複数本配線されるとともに、列方向に沿って第1メタル層M1によるビット線BLjおよび反転ビット線BLBjと、第3メタル層M3によるソース線SLjの組が複数組配線されている。また、図7に示す例では、ビット線BLj、反転ビット線BLBjおよびソース線SLjの組において、ソース線SLjはビット線BLjおよび反転ビット線BLBjの間に位置している。 In this embodiment, a polysilicon wiring layer, a first metal layer M1, a second metal layer M2 as an upper layer, and a third metal layer M3 as an upper layer are used as the wiring layers. . In the layout example shown in FIG. 7, a plurality of word lines WLk made of polysilicon layers are wired along the row direction, and the bit lines BLj and inverted bit lines BLBj made of the first metal layer M1 along the column direction. A plurality of sets of source lines SLj formed of the third metal layer M3 are wired. In the example shown in FIG. 7, in the set of the bit line BLj, the inverted bit line BLBj, and the source line SLj, the source line SLj is located between the bit line BLj and the inverted bit line BLBj.
図7において破線で囲まれた領域には1ビット分の不揮発性メモリセルが形成されている。1ビット分の不揮発性メモリセルは、行方向に沿って各々並んだ第1および第2の選択トランジスタT1およびT2を有している。破線で囲まれた不揮発性メモリセルの場合、選択トランジスタT1およびT2は、ワード線WL0をゲート電極としており、ワード線WL0を挟んで列方向に沿って並んだ各拡散領域をソースおよびドレインとしている。そして、選択トランジスタT1のソースおよび選択トランジスタT2のソースは、第1メタル層、第2メタル層および層間のコンタクトを介して第3メタル層M3によるソース線SL0に接続されている。 In FIG. 7, a 1-bit nonvolatile memory cell is formed in a region surrounded by a broken line. The nonvolatile memory cell for one bit has first and second selection transistors T1 and T2 that are arranged in the row direction. In the case of a nonvolatile memory cell surrounded by a broken line, the select transistors T1 and T2 use the word line WL0 as a gate electrode, and use the diffusion regions arranged along the column direction with the word line WL0 interposed therebetween as sources and drains. . The source of the selection transistor T1 and the source of the selection transistor T2 are connected to the source line SL0 by the third metal layer M3 through the first metal layer, the second metal layer, and the interlayer contact.
抵抗変化型素子R1およびR2は、図8に示すように、第2コンタクト9を介して第2メタル層M2に接続される第1の電極と、第2第1メタル層M1の上に載せられる第2の電極とを有する。抵抗変化型素子R1およびR2がMTJ素子である場合、第1の電極は例えばフリー層であり、第2の電極は例えばピン層である。この場合、不揮発性メモリセルの等価回路は前掲図1に示すものとなる。上述したように、MTJ素子である抵抗変化型素子R1およびR2は、第1および第2の電極(フリー層およびピン層)間に通電される電流の向きにより異なった方向に抵抗値が変化する素子である。
As shown in FIG. 8, the resistance variable elements R1 and R2 are placed on the first electrode connected to the second metal layer M2 via the
図7の破線により囲まれた不揮発性メモリセルでは、図8に示すように、第1の抵抗変化型素子R1の第1の電極が、第2コンタクト9、第2メタル層M2および第2コンタクト9を介して第1メタル層M1によるビット線BL0に接続されている。また、図8に示すように、第1の抵抗変化型素子R1の第2の電極は、第1メタル層M1および第1コンタクト6を介して拡散層3に接続されている。この第1の抵抗変化型素子R1の第2の電極が接続された拡散層3は、図11に示すようにワード線WL0を挟んで列方向に沿って並んだ拡散層3および4の一方の拡散層3であり、第1の選択トランジスタT1のドレインとなっている。そして、図11においてワード線WL0を挟んで列方向に沿って並んだ拡散層3および4のうち拡散層4は、第1の選択トランジスタT1のソースであり、図11に示すように、第1コンタクト6、第1メタル層M1、第2コンタクト9、第2メタル層M2および第3コンタクト11を介して第3メタル層M3によるソース線SL0に接続されている。
In the nonvolatile memory cell surrounded by a broken line in FIG. 7, as shown in FIG. 8, the first electrode of the first resistance change element R1 is connected to the
一方、図7の破線により囲まれた不揮発性メモリセルの第2の抵抗変化型素子R2は、図8に示すように、第2の電極が第1メタル層M1による反転ビット線BLB0の上に載っており、この反転ビット線BLB0に直接接続されている。そして、同抵抗変化型素子R2の第1の電極は、図8〜図10に示すように、第2コンタクト9、第2メタル層M2、第2コンタクト9、第1メタル層M1、第1コンタクト6を介して、ワード線WL0を挟んで列方向に沿って並んだ拡散層3および4のうちの拡散層3(図10)に接続される。この拡散層3は、第2の選択トランジスタT2のドレインである。そして、図10においてワード線WL0を挟んで列方向に沿って並んだ拡散層3および4のうち拡散層4は、第2の選択トランジスタT2のソースであり、第1コンタクト6、第1メタル層M1、第2コンタクト9、第2メタル層M2および第3コンタクト11を介して第3メタル層M3によるソース線SL0に接続されている。
On the other hand, as shown in FIG. 8, the second resistance change element R2 of the nonvolatile memory cell surrounded by the broken line in FIG. 7 has the second electrode on the inverted bit line BLB0 formed by the first metal layer M1. It is directly connected to the inverted bit line BLB0. As shown in FIGS. 8 to 10, the first electrode of the variable resistance element R2 includes the
以上が1ビット分の不揮発性メモリセルの構成である。本実施形態では、この不揮発性メモリセルが図7に示すように行列状に配列されている。そして、本実施形態では、隣接する2行の不揮発性メモリの第1の選択トランジスタT1の各ソースが同じ拡散領域4を共有し(図11参照)、隣接する2行の不揮発性メモリの第2の選択トランジスタT2の各ソースが同じ拡散領域4を共有している(図10参照)。従って、本実施形態によれば、不揮発性メモリセルアレイの列方向のサイズを小さくすることができる。 The above is the configuration of the nonvolatile memory cell for 1 bit. In the present embodiment, the nonvolatile memory cells are arranged in a matrix as shown in FIG. In this embodiment, the sources of the first select transistors T1 of the adjacent two rows of nonvolatile memories share the same diffusion region 4 (see FIG. 11), and the second adjacent rows of the nonvolatile memories 2 Each source of the select transistor T2 shares the same diffusion region 4 (see FIG. 10). Therefore, according to this embodiment, the size of the nonvolatile memory cell array in the column direction can be reduced.
以上のように本実施形態によれば、図7〜図11に示すような各素子の配置を行なうことで、小さなサイズの不揮発性メモリセルアレイを実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, a small-sized nonvolatile memory cell array can be realized by arranging the elements as shown in FIGS.
<他の実施形態>
以上、この発明の第1〜第5実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記第4実施形態では、不揮発性メモリセルMkjとして、第1実施形態(図1)の構成のものを使用したが、第2実施形態(図3)の構成、あるいは第3実施形態(図5)の構成のものを使用してもよい。
<Other embodiments>
Although the first to fifth embodiments of the present invention have been described above, other embodiments are conceivable for the present invention. For example, in the fourth embodiment, the nonvolatile memory cell Mkj having the configuration of the first embodiment (FIG. 1) is used. However, the configuration of the second embodiment (FIG. 3) or the third embodiment (FIG. You may use the thing of the structure of 5).
T1,T2,T……選択トランジスタ、R1,R2……抵抗変化型素子、BL,BLj(j=0〜n)……ビット線、BLB,BLBj(j=0〜n)……反転ビット線、WL,WLk(k=0〜m)……ワード線、SL,SLj(j=0〜n)……ソース線、100……不揮発性メモリセルアレイ、Mkj(k=0〜m、j=0〜n)……不揮発性メモリセル、200……行デコーダ、300……列デコーダ、400……カラムゲート部、CGj(j=0〜n)……ビット線用カラム選択トランジスタ、CGBj(j=0〜n)……反転ビット線用カラム選択トランジスタ、CGSj(j=0〜n)……ソース線用カラム選択トランジスタ、DL……データ線、DLB……反転データ線、GSL……グローバルソース線、800……書込制御回路、500……書き込みドライバ、600……センスアンプ、700……出力回路。
T1, T2, T... Selection transistor, R1, R2... Variable resistance element, BL, BLj (j = 0 to n)... Bit line, BLB, BLBj (j = 0 to n). , WL, WLk (k = 0 to m)... Word line, SL, SLj (j = 0 to n)... Source line, 100... Nonvolatile memory cell array, Mkj (k = 0 to m, j = 0) ˜n)...
Claims (12)
反転ビット線および前記ソース線間に直列に介挿された第2の抵抗変化型素子および第2の選択トランジスタとを有し、
前記第1および第2の選択トランジスタはワード線を介して供給される選択電圧によりON/OFFが切り換えられるものであり、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記ビット線および前記反転ビット線から前記ソース線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が第1の方向およびその逆方向の第2の方向に各々変化し、前記ソース線から前記ビット線および前記反転ビット線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が前記第2の方向および前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性メモリセル。 A first variable resistance element and a first select transistor interposed in series between the bit line and the source line;
A second variable resistance element and a second selection transistor interposed in series between the inverted bit line and the source line;
The first and second selection transistors are switched on / off by a selection voltage supplied via a word line,
The first and second variable resistance elements have respective resistance values in the first direction and in the opposite direction when currents respectively flowing from the bit line and the inverted bit line to the source line are passed. Each of the resistance values changes in the second direction and the first direction when currents respectively changing in the second direction and flowing from the source line to the bit line and the inverted bit line are supplied to the second direction and the first direction, respectively. A nonvolatile memory cell, which is a variable resistance element that changes.
データ書き込み時に、アクセス対象である不揮発性メモリセルに前記第1および第2の選択トランジスタをONにする選択電圧を供給し、前記ビット線および前記反転ビット線の組と前記ソース線との間に書き込みデータに応じた極性の電圧を印加し、
データ読み出し時に、前記ソース線に基準電圧を与え、アクセス対象である不揮発性メモリセルに前記第1および前記第2の選択トランジスタをONにする選択電圧を供給し、アクセス対象である不揮発性メモリが接続されたビット線および反転ビット線に生じる信号に基づいて当該不揮発性メモリからの読み出しデータを判定することを特徴とする不揮発性メモリ。 A non-volatile memory having a non-volatile memory cell array comprising a plurality of the non-volatile memory cells according to any one of claims 1 to 3,
At the time of data writing, a selection voltage for turning on the first and second selection transistors is supplied to the nonvolatile memory cell to be accessed, and the set between the bit line and the inverted bit line and the source line are supplied. Apply a voltage with polarity according to the write data,
At the time of data reading, a reference voltage is applied to the source line, a selection voltage for turning on the first and second selection transistors is supplied to the nonvolatile memory cell to be accessed, and the nonvolatile memory to be accessed is A non-volatile memory, characterized in that read data from the non-volatile memory is determined based on signals generated on a connected bit line and an inverted bit line.
反転ビット線および前記共通ノード間に介挿された第2の抵抗変化型素子と、
前記共通ノードおよびソース線間に直列に介挿され、ワード線を介して供給される選択電圧によりON/OFFが切り換えられる選択トランジスタとを具備し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記ビット線および前記反転ビット線から前記ソース線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が第1の方向およびその逆方向の第2の方向に各々変化し、前記ソース線から前記ビット線および前記反転ビット線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が前記第2の方向および前記第1の方向に各々変化する抵抗変化型素子であることを特徴とする不揮発性メモリセル。 A first resistance variable element interposed between the bit line and the common node;
A second variable resistance element interposed between the inverted bit line and the common node;
A selection transistor that is inserted in series between the common node and the source line, and that is switched on / off by a selection voltage supplied via a word line;
The first and second variable resistance elements have respective resistance values in the first direction and in the opposite direction when currents respectively flowing from the bit line and the inverted bit line to the source line are passed. Each of the resistance values changes in the second direction and the first direction when currents respectively changing in the second direction and flowing from the source line to the bit line and the inverted bit line are supplied to the second direction and the first direction, respectively. A nonvolatile memory cell, which is a variable resistance element that changes.
データ書き込み時に、アクセス対象である不揮発性メモリセルに前記選択トランジスタをONにする選択電圧を供給し、前記ビット線および前記反転ビット線の組と前記ソース線との間に書き込みデータに応じた極性の電圧を印加し、
データ読み出し時に、前記ソース線に基準電圧を与え、アクセス対象である不揮発性メモリセルに前記選択トランジスタをONにする選択電圧を供給し、アクセス対象である不揮発性メモリが接続されたビット線および反転ビット線に生じる信号に基づいて当該不揮発性メモリからの読み出しデータを判定することを特徴とする不揮発性メモリ。 A non-volatile memory having a non-volatile memory cell array comprising a plurality of the non-volatile memory cells according to claim 5,
At the time of data writing, a selection voltage for turning on the selection transistor is supplied to the nonvolatile memory cell to be accessed, and the polarity according to the write data between the set of the bit line and the inverted bit line and the source line Apply a voltage of
At the time of data reading, a reference voltage is applied to the source line, a selection voltage for turning on the selection transistor is supplied to a nonvolatile memory cell to be accessed, and a bit line connected to the nonvolatile memory to be accessed is inverted. A non-volatile memory, wherein read data from the non-volatile memory is determined based on a signal generated in a bit line.
前記不揮発性メモリセルアレイは、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各行毎に各々配線された複数のワード線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のビット線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数の反転ビット線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のソース線とを有し、
前記複数の不揮発性メモリセルの各々は、
第1および第2の抵抗変化型素子と、
各々が属する行のワード線を介して供給される行選択電圧によりON/OFFが切り換えられ、ON状態において、各々が属する列のビット線およびソース線間に前記第1の抵抗変化型素子を接続し、各々が属する列の反転ビット線およびソース線間に前記第2の抵抗変化型素子を接続するスイッチ手段を有し、
前記第1および第2の抵抗変化型素子は、前記ビット線および前記反転ビット線から前記ソース線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が第1の方向およびその逆方向の第2の方向に各々変化し、前記ソース線から前記ビット線および前記反転ビット線に各々向かう電流を各々に流したときに各々の抵抗値が前記第2の方向および前記第1の方向に各々変化するものであり、
前記不揮発性メモリは、
アクセス対象である不揮発性メモリセルのスイッチ手段をONにする行選択電圧を発生し、ライトアクセス時には、当該不揮発性メモリセルが属する列のビット線および反転ビット線の組とソース線との間に書き込みデータに応じた極性の書き込み電圧を印加し、読み出し時には当該不揮発性メモリセルが属する列のビット線および反転ビット線に発生する信号に基づいて当該不揮発性メモリセルからの読み出しデータを判定することを特徴とする不揮発性メモリ。 A nonvolatile memory having a nonvolatile memory cell array in which a plurality of nonvolatile memory cells are arranged in a matrix,
The nonvolatile memory cell array includes:
A plurality of word lines respectively wired for each row of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of bit lines respectively wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of inverted bit lines respectively wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of source lines wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells,
Each of the plurality of nonvolatile memory cells includes:
First and second variable resistance elements;
ON / OFF is switched by a row selection voltage supplied via the word line of each row to which the first variable resistance element is connected between the bit line and source line of each column to which the column belongs. And switch means for connecting the second variable resistance element between the inverted bit line and the source line of the column to which each belongs,
The first and second variable resistance elements have respective resistance values in the first direction and in the opposite direction when currents respectively flowing from the bit line and the inverted bit line to the source line are passed. Each of the resistance values changes in the second direction and the first direction when currents respectively changing in the second direction and flowing from the source line to the bit line and the inverted bit line are supplied to the second direction and the first direction, respectively. Change,
The nonvolatile memory is
A row selection voltage is generated to turn on the switch means of the nonvolatile memory cell to be accessed, and at the time of write access, between the bit line and inverted bit line pair of the column to which the nonvolatile memory cell belongs and the source line Applying a write voltage having a polarity according to the write data, and at the time of reading, determining the read data from the nonvolatile memory cell based on the signals generated on the bit line and the inverted bit line of the column to which the nonvolatile memory cell belongs Nonvolatile memory characterized by.
データ線と前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列に対応した複数のビット線との間に各々介挿された複数のビット線カラム選択スイッチと、反転データ線と前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列に対応した複数の反転ビット線との間に各々介挿された複数の反転ビット線用カラム選択スイッチと、グローバルソース線と前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列に対応した複数のソース線との間に各々介挿された複数のソース線用カラム選択スイッチとを有するカラムゲート部と、
前記複数のビット線カラム選択スイッチ、前記複数の反転ビット線用カラム選択スイッチおよび前記複数のソース線用カラム選択スイッチのうち列アドレスが示す列に対応したビット線カラム選択スイッチ、反転ビット線用カラム選択スイッチおよびソース線用カラム選択スイッチをONさせる列選択電圧を出力する列デコーダと、
ライトアクセス時に、書き込みデータに対応した極性の書き込み電圧を前記データ線および前記反転データ線の組と前記グローバルソース線との間に印加する書き込みドライバと、
リードアクセス時に前記データ線および前記反転データ線に発生する信号に基づいてアクセス先である不揮発性メモリセルからの読み出しデータを判定するセンスアンプと
を具備することを特徴とする請求項7に記載の不揮発性メモリ。 A row decoder for outputting a row selection voltage for turning on the switch means to a word line corresponding to a row indicated by a row address among the plurality of word lines;
A plurality of bit line column selection switches respectively inserted between a data line and a plurality of bit lines corresponding to each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells; an inverted data line; and the plurality of nonvolatile memories A plurality of inverted bit line column selection switches each inserted between a plurality of inverted bit lines corresponding to each column of the matrix of cells, and each column of a matrix of global source lines and the plurality of nonvolatile memory cells A column gate portion having a plurality of source line column selection switches respectively inserted between a plurality of source lines corresponding to
Of the plurality of bit line column selection switches, the plurality of inverted bit line column selection switches, and the plurality of source line column selection switches, bit line column selection switches corresponding to columns indicated by column addresses, and inverted bit line columns A column decoder for outputting a column selection voltage for turning on the selection switch and the source line column selection switch;
A write driver that applies a write voltage having a polarity corresponding to write data between the set of the data line and the inverted data line and the global source line during write access;
The sense amplifier according to claim 7, further comprising: a sense amplifier that determines read data from a nonvolatile memory cell that is an access destination based on a signal generated in the data line and the inverted data line during read access. Non-volatile memory.
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各行毎に各々配線された複数のワード線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のビット線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数の反転ビット線と、
前記複数の不揮発性メモリセルの行列の各列毎に各々配線された複数のソース線とを有し、
各不揮発性メモリセルは、
行方向に沿って各々並んだ第1および第2の選択トランジスタであって、各々、前記ワード線をゲート電極とし、前記ワード線を挟んで列方向に沿って並んだ各拡散領域をソースおよびドレインとし、各々のソースが当該不揮発性メモリの属する列のソース線に各々接続された第1および第2の選択トランジスタと、
各々第1および第2の電極を有し、第1および第2の電極間に通電される電流の向きにより異なった方向に抵抗値が変化する第1および第2の抵抗変化型素子とを有し、
前記第1の抵抗変化型素子の第1の電極は、当該不揮発性メモリの属する列のビット線に接続され、前記第1の抵抗変化型素子の第2の電極は、前記第1の選択トランジスタのドレインに接続され、前記第2の抵抗変化型素子の第2の電極は、当該不揮発性メモリの属する列の反転ビット線に接続され、前記第2の抵抗変化型素子の第1の電極は、前記第2の選択トランジスタのドレインに接続されていることを特徴とする不揮発性メモリセルアレイ。 A non-volatile memory cell array in which a plurality of non-volatile memory cells are arranged in a matrix,
A plurality of word lines respectively wired for each row of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of bit lines respectively wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of inverted bit lines respectively wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells;
A plurality of source lines wired for each column of the matrix of the plurality of nonvolatile memory cells,
Each nonvolatile memory cell
First and second select transistors arranged along the row direction, each of which has the word line as a gate electrode and each diffusion region arranged along the column direction across the word line as a source and a drain First and second select transistors, each source connected to a source line of a column to which the nonvolatile memory belongs,
First and second variable resistance elements having first and second electrodes, respectively, whose resistance values change in different directions depending on the direction of current passed between the first and second electrodes. And
The first electrode of the first resistance change element is connected to a bit line of a column to which the nonvolatile memory belongs, and the second electrode of the first resistance change element is the first select transistor. A second electrode of the second variable resistance element is connected to an inverted bit line of a column to which the nonvolatile memory belongs, and a first electrode of the second variable resistance element is A nonvolatile memory cell array connected to the drain of the second selection transistor.
前記複数のワード線は、ポリシリコン配線層により構成され、
前記複数のビット線および複数の反転ビット線は、第1メタル層により構成され、
前記複数のソース線は、第3メタル層により構成され、
前記第1の抵抗変化型素子の第1の電極は、第2メタル層を介して第1メタル層である前記ビット線に接続され、前記第1の抵抗変化型素子の第2の電極は、第1メタル層を介して前記第1の選択トランジスタのドレインに接続され、
前記第2の抵抗変化型素子の第2の電極は、第1メタル層である前記反転ビット線に直接接続され、前記第2の抵抗変化型素子の第1の電極は、第2メタル層および第1メタル層を介して前記第2の選択トランジスタのドレインに接続され、
前記第1および第2の選択トランジスタの各ソースは、各々第1メタル層および第2メタル層を介して前記ソース線に接続されていることを特徴とする請求項9または10に記載の不揮発性メモリセルアレイ。 The nonvolatile memory cell array includes, as wiring layers, a polysilicon wiring layer, a first metal layer, an upper second metal layer, and an upper third metal layer.
The plurality of word lines are constituted by a polysilicon wiring layer,
The plurality of bit lines and the plurality of inverted bit lines are constituted by a first metal layer,
The plurality of source lines are constituted by a third metal layer,
The first electrode of the first variable resistance element is connected to the bit line that is the first metal layer via a second metal layer, and the second electrode of the first variable resistance element is Connected to the drain of the first select transistor through a first metal layer;
The second electrode of the second variable resistance element is directly connected to the inverted bit line, which is a first metal layer, and the first electrode of the second variable resistance element includes a second metal layer and Connected to the drain of the second select transistor through a first metal layer;
11. The nonvolatile memory according to claim 9, wherein each source of the first and second selection transistors is connected to the source line through a first metal layer and a second metal layer, respectively. Memory cell array.
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