JP2020149746A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 寄生ダイオード電流の発生を防止する。【解決手段】 実施形態の半導体記憶装置は、2端子メモリ素子の一方端に接続された高電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記高電圧ラインに印加する電圧を切換える第1のMOSトランジスタを含む第1の選択回路と、前記2端子メモリ素子の他方端に接続された低電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記低電圧ラインに印加する電圧を切換える第2のMOSトランジスタを含む第2の選択回路と、を具備し、前記第1及び第2のMOSトランジスタは、|Vth|<|VG−VB|+VFを満足する(但し、Vthは閾値電圧、VGはゲートと第2端子との間の電位差、VBは基板電圧、VFはダイオード順方向電圧である)半導体記憶装置。【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
近年、ワード線とビット線との交点に、セレクタと可変抵抗素子を配置してメモリセルを構成したクロスポイント型メモリが提案されている。クロスポイント型メモリとしては、メモリセルをマトリクス状に平面的に配置するものだけでなく、メモリセルを立体的に配置したものも提案されている。クロスポイント型メモリに採用される可変抵抗素子は、例えば、高電圧パルスの印加により抵抗値が変化する。セレクタと可変抵抗素子とにより構成される2端子メモリ素子に選択的に書き込み電圧を印加し、選択的に読み出し電圧を印加することで、書き込み又は読み出し対象のメモリセル(選択メモリセル)に対して、1ビットずつ書き込み又は読み出しが可能である。
このような2端子メモリ素子に対する書き込み又は読み出しのために、ワード線及びビット線に、MOSトランジスタによるスイッチを設け、選択メモリセルに対して選択的に電圧を印加するようになっている。
MOSトランジスタ(例えば、NMOSトランジスタ)においては、例えば、チャネル領域(例えばp型半導体)とソース・ドレイン領域(例えばn型半導体)とによるpn接合が、寄生ダイオードとして作用しえる。上記のような2端子メモリ素子においては、メモリセルの選択状態と非選択状態との間の移行時のタイミングずれによって、MOSトランジスタの寄生ダイオードに順方向電圧以上の電圧が印加され、これにより、基板に寄生ダイオード電流が流れえる。
特開2014−225314号公報
本実施形態は、寄生ダイオード電流の発生を防止することができる半導体記憶装置を提供する。
実施形態の半導体記憶装置は、2端子メモリ素子の一方端に接続された高電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記高電圧ラインに印加する電圧を切換える第1のMOSトランジスタを含む第1の選択回路と、前記2端子メモリ素子の他方端に接続された低電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記低電圧ラインに印加する電圧を切換える第2のMOSトランジスタを含む第2の選択回路と、を具備し、前記第1及び第2のMOSトランジスタは、|Vth|<|VG−VB|+VFを満足する(但し、Vthは閾値電圧、VGはゲートと第2端子との間の電位差、VBは基板電圧、VFはダイオード順方向電圧である)半導体記憶装置。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本実施の形態は、2端子メモリ素子により構成されるメモリセル(以下、2端子メモリセルという)に電圧を印加するためのMOSトランジスタの閾値電圧を寄生ダイオードの順方向電圧に基づいて設定することにより、選択状態と非選択状態との間の移行のタイミングずれに拘わらず、寄生ダイオード電流(寄生ダイオードに順方向電圧以上の電圧が印加された場合に流れる電流)の発生を確実に防止するものである。
図1は半導体記憶装置の全体構成の一例を示すブロック図である。
半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ2、ワード線(WL)デコーダ3、ビット線(BL)デコーダ4、制御回路5、及び、電源回路6を備えている。メモリセルアレイ2は、マトリクス状に配置された複数の2端子メモリセルによって構成されている。
図2は、記憶装置の外観の一例を示す説明図である。半導体基板(例えば、シリコン基板)11上には、通常用いられるプロセスによる配線層を含むCMOS回路12が形成される。CMOS回路12上に、複数のメモリセル部13を含む層15が形成されている。図2の個々のメモリセル部13は、図1のメモリセルアレイ2に対応し、例えば、20nmのデザインルールで配線が形成されている。また、図1のデコーダ3,4及び制御回路5を含む、通常のメモリにおいて周辺回路と呼ばれている部分は、図2のCMOS回路12に含まれている。
なお、CMOS回路12は、メモリセル部13との接続部を除き、メモリセル部13よりも加工難易度の低い、例えば、100nmデザインルールで設計/製作することができる。層15は、CMOS回路12との電気的接続部を、各メモリセル部13の周囲に有する。これらメモリセル部13と接続部とを単位としたブロックは、マトリックス状に配置されている。さらに、層15には図示しないスルーホールが形成されている。入出力部14は、このスルーホールを介してCMOS回路12の入出力部と電気的な結合を有する端子を含んでおり、例えば、層15の端部に形成されるかメモリセル部13の周辺に形成される。
メモリセル部13とCMOS回路12とは、基板面に対して垂直方向に結合しており、チップ面積の増大を伴わずに、動作時間の短縮や同時に読み書きできるセル数の大幅な増加が可能となる。なお、装置の入出力部14に配線引き出しパッドを形成し、パッケージ工程においてリードフレームにボンディングすることもできる。
図3はメモリセルアレイ2の構成の一例を説明するための説明図である。図3に示すように、第1方向(X方向)に沿って平行に形成された複数のワード線WLと、第1方向に直交する第2方向(Y方向)に沿って平行に形成された複数のビット線BLとが第3方向(Z方向)に配置されている。各ワード線WLと各ビット線BLとの交差位置に2端子メモリ素子MCが配置される。2端子メモリ素子MCの一方端はワード線WLに接続され、他方端はビット線BLに接続される。なお、図3はマトリクス状に配置された2端子メモリセルをZ方向に2段に設けたものである。
図4はメモリセルアレイ2の等価回路を示す回路図である。なお、図4はマトリクス状に配置された2端子メモリセルの一部のみを示すものである。図4に示すように、平行に配線された複数のワード線WLと平行に配線された複数のビット線BLとが直交配置される。ワード線WLとビット線BLの各交点において、一端がワード線WLに接続され、他端がビット線BLに接続された2端子メモリ素子MCが設けられる。2端子メモリ素子MCがワード線WLとビット線BLとの各交点に設けられることで、マトリクス状に2端子メモリセルが配置される。
2端子メモリ素子MCは、可変抵抗素子VRとセレクタDiとが直列に接続されて構成される。なお、2端子メモリ素子MCとしては、種々の構成のものを採用することができる。例えば、セレクタDiとしては、所定の電圧が印加されることで所定の電流を流す整流素子等を採用することができ、例えば、ダイオード、フィラメント型RERAM(Resistive Random Access Memory)、OTS(Ovonic Threshold Switch)等を用いてもよい。
また、可変抵抗素子VRとしては、例えば、電圧、電流、熱等の印加条件により金属酸化物の抵抗値変化を生じ、その抵抗値の異なる状態を情報として不揮発に記憶する素子が採用される。例えば、可変抵抗素子VRとしては、カルコゲナイド等のように結晶状態と非晶質状態の相転移により抵抗値を変化させるもの(PCRAM)、金属陽イオンを析出させて電極間に架橋(コンタクティングブリッジ)を形成したり、析出した金属をイオン化して架橋を破壊したりすることで抵抗値を変化させるもの(CBRAM:Conductive Bridging RAM)、電圧あるいは電流印加により抵抗値が変化するもの(ReRAM)(電極界面に存在する電荷トラップにトラップされた電荷の存在の有無により抵抗変化が起きるものと、酸素欠損等に起因する伝導パスの存在の有無により抵抗変化が起きるものとに大別される。)等を用いることができる。
図1において、制御回路5は、CPUやFPGA等を用いたプロセッサによって構成されていてもよく、図示しないメモリに記憶されたプログラムに従って動作して各部を制御するものであってもよいし、ハードウェアの電子回路で機能の一部又は全部を実現するものであってもよい。制御回路5は、WLデコーダ3及びBLデコーダ4を制御して、図示しない外部のホスト機器から受信した書き込みデータをメモリセルアレイ2に書き込むと共に、メモリセルアレイ2から読み出した読み出しデータを図示しない外部のホスト機器に出力することができる。
電源回路6は、メモリセルアレイ2の書き込み及び読み出しに必要な電圧を発生してWLデコーダ3及びBLデコーダ4に供給する。WLデコーダ3には、メモリセルアレイ2の所定の2端子メモリセルに対して書き込み又は読み出しを行うためのワードライン(WL)選択情報が制御回路5から与えられ、BLデコーダ4には、メモリセルアレイ2の所定の2端子メモリセルに対して書き込み又は読み出しを行うためのビットライン(BL)選択情報が制御回路5から与えられる。
WLデコーダ3は、WL選択情報に基づく電圧を各ワード線WLに対して与え、BLデコーダ4は、BL選択情報に基づく電圧を各ビット線BLに対して与える。WLデコーダ3によって選択されたワード線WLを選択ワード線、選択されていないワード線WLを非選択ワード線という。また、BLデコーダ4によって選択されたビット線BLを選択ビット線といい、選択されていないビット線BLを非選択ビット線という。
選択ワード線と選択ビット線との交点の2端子メモリセルを選択メモリセルといい、選択ワード線と非選択ビット線との交点又は非選択ワード線と選択ビット線との交点の2端子メモリセルを半選択メモリセルといい、非選択ワード線と非選択ビット線との交点の2端子メモリセルを非選択メモリセルというものとする。
図5及び図6は選択メモリセル、半選択メモリセル、非選択メモリセルの区別と書き込み及び読み出しを説明するための説明図である。図5は書き込み時の状態の一例を示し、図6は読み出し時の状態の一例を示している。図5及び図6においては水平方向に延びたワード線WLと垂直方向に延びたビット線BLとの交点に配置される2端子メモリセルを丸で囲って示している。
2端子メモリ素子MCを構成する可変抵抗素子VRは、例えば、6Vよりも高い電圧のパルス電圧によって書き込みが行われるものとする。可変抵抗素子VRとして相変化メモリを採用した場合には、パルス電圧の変化の仕方に応じて、アモルファス状態(高抵抗状態)と結晶状態(低抵抗状態)とすることが可能である。また、2端子メモリ素子MCを構成するセレクタDiは、例えば閾値が5.5Vであり、2端子メモリ素子MCに閾値以上の電圧が印加されることでオンとなり、閾値未満のある電圧以下ではオフとなる。即ち、2端子メモリ素子MCは、ワード線WLとビット線BLとにより閾値以上の電圧が印加されることで選択状態となり、閾値未満のある電圧以下の電圧が印加されることで非選択状態となる。
例えば、図5に示すように、書き込み時には、WLデコーダ3は、選択ワード線(WL2)に5Vを印加し、非選択ワード線(WL1,WL3)に0Vを印加する。また、BLデコーダ4は、選択ビット線(BL2)に−5Vを印加し、非選択ビット線(BL1,BL3)に0Vを印加する。この結果、選択ワード線と選択ビット線との交点の選択メモリセルには、2端子メモリ素子MCに10Vが印加されて選択状態となる。なお、図5に示すように、半選択メモリセルには5V又は−5Vが印加され、非選択メモリセルには0Vが印加される。これらのメモリセルの2端子メモリ素子MCは非選択状態である。
つまり、図5の例では、2端子メモリ素子MCに10Vが印加される選択メモリセルのセレクタDiのみがオンとなって、可変抵抗素子VRに対する書き込みが行われる。選択メモリセル以外のメモリセルの2端子メモリ素子MCはオフ(非選択状態)であり、書き込みは行われない。
図6に示す読み出し時には、WLデコーダ3は、選択ワード線(WL2)に3Vを印加し、非選択ワード線(WL1,WL3)に0Vを印加する。また、BLデコーダ4は、選択ビット線(BL2)に−3Vを印加し、非選択ビット線(BL1,BL3)に0Vを印加する。この結果、選択ワード線と選択ビット線との交点の選択メモリセルには、2端子メモリ素子MCに6Vが印加されることになる。なお、図6に示すように、半選択メモリセルには3V又は−3Vが印加され、非選択メモリセルには0Vが印加される。
図6の例においても、2端子メモリ素子MCに6Vが印加される選択メモリセルのセレクタDiのみがオン(選択状態)となって、可変抵抗素子VRに対する読み出しが行われる。なお、選択メモリセルの可変抵抗素子VRには6Vが印加されるが、6Vの電圧では書き込みは行われず、可変抵抗素子VRの抵抗値は維持される。なお、選択メモリセル以外のメモリセルの2端子メモリ素子MCはオフ(非選択状態)であり、読み出しは行われない。
即ち、2端子メモリ素子MCの選択状態は、ワード線WLが選択ワード線となり、ビット線BLが選択ビット線となって、2端子メモリ素子MCにセレクタDiを導通状態とする電圧が印加されて、2端子メモリ素子MCの書き込み又は読み出しが可能となる状態である。逆に、2端子メモリ素子MCの非選択状態は、ワード線WLが非選択ワード線となり、ビット線BLが非選択ビット線となって、2端子メモリ素子MCにセレクタDiを非導通状態とする電圧が印加されて、2端子メモリ素子MCの書き込み又は読み出しが不可能となる状態である。
なお、図5及び図6の例では、ワード線WLに高電圧、ビット線BLに低電圧を供給して、2端子メモリ素子MCを駆動する例を示したが、ワード線WLに低電圧、ビット線BLに高電圧を印加してもよい。そこで、ワード線WL及びビット線BLの用語に代えて、2端子メモリ素子MCに高電圧を印加するラインと低電圧を印加するラインを、それぞれ高電圧ライン、低電圧ラインともいう場合もある。
図7はWLデコーダ3及びBLデコーダ4の具体的な構成の一例を示す回路図である。WLデコーダ3は、ワード線WL毎に設けられた複数のワード線選択回路WLSELを有しており、BLデコーダ4は、ビット線BL毎に設けられた複数のビット線選択回路BLSELを有している。図7では、所定のワード線WL及び所定のビット線BLに設けられた1つのワード線選択回路WLSEL及び1つKビット線選択回路BLSELと、これらの回路によって駆動される1つの2端子メモリ素子MCとを示している。
ワード線選択回路WLSELは、電源回路6からの5Vの電源電圧を供給する電源ラインと0Vの電源電圧を供給する電源ラインとの間に、ソース・ドレイン路が形成されるPMOSトランジスタTwp及びNMOSトランジスタTwnにより構成される。また、ビット線選択回路BLSELは、電源回路6からの0Vの電源電圧を供給する電源ラインと−5Vの電源電圧を供給する電源ラインとの間に、ソース・ドレイン路が形成されるPMOSトランジスタTbp及びNMOSトランジスタTbnにより構成される。トランジスタTwp,Twn,Tbp,Tbnのゲートには、それぞれゲート電圧VWP,VWN,VBP,VBNが供給される。
なお、トランジスタTwn及びトランジスタTbpについては、端子の電位に応じた「ソース」及び「ドレイン」の呼称を用いると説明が煩雑となる虞がある。そこで、以下の説明では、トランジスタTwp,Twnについては、ソース、ドレインのうちワード線WLに接続される端子を第1端子といい、電源ラインに接続される端子を第2端子というものとする。また、トランジスタTbp,Tbnについては、ソース、ドレインのうちビット線BLに接続される端子を第1端子といい、電源ラインに接続される端子を第2端子というものとする。
ワード線選択回路WLSELが例えば5Vをワード線WLに印加することでワード線WLは選択ワード線となり、例えば0Vをワード線WLに印加することでワード線WLは非選択ワード線となる。また、ビット線選択回路BLSELが例えば−5Vをビット線BLに印加することでビット線BLは選択ビット線となり、例えば0Vをビット線BLに印加することでビット線BLは非選択ビット線となる。
図8はトランジスタTwp,Twn,Tbp,Tbnにそれぞれ印加されるゲート電圧VWP,VWN,VBP,VBNの変化を示すタイミングチャートである。いま、図8の左側の状態、即ち、ゲート電圧VWP,VWNがローレベル(L)で、ゲート電圧VBP,VBNがハイレベル(H)の状態であるものとする。この場合には、トランジスタTwp,Tbnがオンで、トランジスタTwn,Tbpがオフである。従って、ワード線WLは5Vが印加されて選択ワード線となり、ビット線BLは−5Vが印加されて選択ビット線となって、2端子メモリ素子MCは選択状態である。
また、図8の右側の状態、即ち、ゲート電圧VWP,VWNがHで、ゲート電圧VBP,VBNがLの状態であるものとする。この場合には、トランジスタTwp,Tbnがオフで、トランジスタTwn,Tbpがオンである。従って、ワード線WLは0Vが印加されて非選択ワード線となり、ビット線BLは0Vが印加されて非選択ビット線となって、2端子メモリ素子MCは非選択状態である。
また、図8の中央の状態は、全てのトランジスタTwp,Twn,Tbp,Tbnはオフであり、ワード線選択回路WLSEL及びビット線選択回路BLSELにおいて、貫通電流が流れることが防止される。このように、図8の状態は、選択状態から非選択状態への移行時に、ゲート電圧の供給のタイミング制御が正常に行われた場合の例である。
なお、図7の例では、ワード線WLに高電圧を印加しビット線BLに低電圧を印加して2端子メモリ素子MCを選択する例を説明したが、ワード線WLに低電圧を印加しビット線BLに高電圧を印加して2端子メモリ素子MCを選択するようになっていてもよい。そこで、ワード線選択回路WLSEL及びビット線選択回路BLSELを構成する4つのトランジスタのうち、2端子メモリ素子MCに高電圧を印加して選択状態にするためのトランジスタを高電圧ライン選択トランジスタ(図7ではトランジスタTwp)といい、高電圧を印加させずに非選択状態にするためのトランジスタを高電圧ライン非選択トランジスタ(図7ではトランジスタTwn)というものとする。また、ワード線選択回路WLSEL及びビット線選択回路BLSELを構成する4つのトランジスタのうち、2端子メモリ素子MCに低電圧を印加して選択状態にするためのトランジスタを低電圧ライン選択トランジスタ(図7ではトランジスタTbn)といい、低電圧を印加させずに非選択状態にするためのトランジスタを低電圧ライン非選択トランジスタ(図7ではトランジスタTbp)というものとする。
(課題)
ところで、図8では正常なタイミング制御の例を示したが、何からの原因によって、タイミング制御に数n秒程度のずれが生じることがある。図9はこの場合のゲート電圧VWP,VWN,VBP,VBNの変化を示すタイミングチャートである。図9の例は、図8の選択状態から非選択状態への移行時の正常時の状態に比べて、ゲート電圧VBNがHからLに変化するタイミングが若干遅れたことを示している。
ところで、図8では正常なタイミング制御の例を示したが、何からの原因によって、タイミング制御に数n秒程度のずれが生じることがある。図9はこの場合のゲート電圧VWP,VWN,VBP,VBNの変化を示すタイミングチャートである。図9の例は、図8の選択状態から非選択状態への移行時の正常時の状態に比べて、ゲート電圧VBNがHからLに変化するタイミングが若干遅れたことを示している。
本実施の形態においては、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタとして、このような場合における問題を回避可能にするトランジスタTwn及びトランジスタTbpを採用している。仮に、高電圧ライン非選択トランジスタ(図7ではトランジスタTwn)、又は、低電圧ライン非選択トランジスタ(図7ではトランジスタTbp)として、本実施の形態における対策を施していないトランジスタを採用した場合の問題を説明する。
図10はトランジスタTwnに代えて、本実施の形態における対策を施していないトランジスタTwn’を採用した場合の問題を説明するための説明図である。図9のタイミング遅れが生じると、トランジスタTbnがオフになるタイミングが若干遅れ、図10の回路では、トランジスタTwp,Twn’,Tbpはオフであるが、トランジスタTbnはオンのままとなる期間が生じる。
2端子メモリ素子MCを構成するセレクタDiは、一旦オンになると、端子電圧が所定の電圧値以下に低下するまでオフにならないという特性を有する。従って、選択状態からトランジスタTwn’,Tbpがオンとなって非選択状態になるまでの間、セレクタDiがオフ状態になるとは限らない。トランジスタTbnのみがオンの場合には、図10の矢印に示すように、トランジスタTbnの第2端子に印加される電圧とトランジスタTwn’の第1端子に印加される電圧とに応じて、トランジスタTwn’の第2端子と第1端子との間に電位差が生じて、基板と第1端子との間に寄生ダイオードが形成される。これにより、トランジスタTwn’の第2端子と第1端子との間は寄生ダイオードを介して導通し、トランジスタTwn’の第2端子から寄生ダイオード、ワード線WL、2端子メモリ素子MC、トランジスタTbnを介してその第2端子に電流が流れる。なお、トランジスタTwn’の第1端子は、寄生ダイオードの順方向電圧に応じた例えば−1Vとなる。
図11はこの状態において図10の破線で囲ったトランジスタTwn’の等価回路を示す説明図である。図11に示すように、トランジスタTwn’には寄生ダイオードPDが形成されて、当該寄生ダイオードPDの両端子に印加される電圧によっては矢印に示す電流が流れえる。
このように、タイミングずれによって、トランジスタTwn’に含まれる寄生ダイオードによる寄生ダイオード電流が発生しえる。なお、同様の理由により、トランジスタTwpがオンになるタイミングがトランジスタTbnより若干早くなった場合には、低電圧ライン非選択トランジスタとして対策を施していないトランジスタを採用したときには、そのトランジスタに含まれる寄生ダイオードにより寄生ダイオード電流が発生しえる。
なお、図9から図11では、選択状態から非選択状態に移行する場合に発生しうる寄生ダイオード電流について説明したが、非選択状態から選択状態に移行する場合にも、タイミングずれによって、高電圧ライン選択トランジスタのみがオン又は低電圧ライン選択トランジスタのみがオンとなって、高電圧ライン非選択トランジスタ又は低電圧ライン非選択トランジスタに含まれる寄生ダイオードによる寄生ダイオード電流が発生しうる。
なお、図9から図11では、選択状態から非選択状態に移行する場合に発生しうる寄生ダイオード電流について説明したが、非選択状態から選択状態に移行する場合にも、タイミングずれによって、高電圧ライン選択トランジスタのみがオン又は低電圧ライン選択トランジスタのみがオンとなって、高電圧ライン非選択トランジスタ又は低電圧ライン非選択トランジスタに含まれる寄生ダイオードによる寄生ダイオード電流が発生しうる。
(解決手法)
そこで、本実施の形態においては、高電圧ライン非選択トランジスタとして下記(1)式に示す条件を満足するトランジスタを採用し、低電圧ライン非選択トランジスタとして下記(2)式に示す条件を満足するトランジスタを採用する。
そこで、本実施の形態においては、高電圧ライン非選択トランジスタとして下記(1)式に示す条件を満足するトランジスタを採用し、低電圧ライン非選択トランジスタとして下記(2)式に示す条件を満足するトランジスタを採用する。
なお、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタにおいて寄生ダイオード電流が発生しないように基板電圧を設定する方法も考えられる。例えば、高電圧ライン非選択トランジスタについては、基板電圧を第1端子の電圧よりも十分に低くすればよい。しかしながら、この手法では、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタとして十分に高い耐圧の素子を採用する必要があるという欠点がある。トランジスタの耐圧は、ゲート絶縁膜、寄生ダイオードを構成するジャンクション、ゲート幅、ゲート長等のトランジスタの構造によって変更可能である。しかし、トランジスタの高耐圧化を図ると、トランジスタのサイズが大きくなるという欠点がある。
そこで、本実施の形態においては、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタとして、比較的低い耐圧の素子、即ち、高電圧ラインと低電圧ラインとの差電圧よりも耐圧が低い素子を採用しながら上述の問題を回避可能とするために、(1),(2)式の条件を設定する。
下記(1)の条件を満足する場合には、後述するように、高電圧ライン非選択トランジスタは、上述した図9の状態において、寄生ダイオードがオンする前に高電圧ライン非選択トランジスタがオン(チャネルが導通)となり、寄生ダイオード電流の発生を阻止することができる。同様に、下記(2)の条件を満足する場合には、低電圧ライン非選択トランジスタにおいて、寄生ダイオード電流の発生を阻止することができる。
Vthn < VG−VB+VF …(1)
Vthp > VG−(VB+VF) …(2)
(1)式において、Vthn,VG,VB,VFは、それぞれ、高電圧ライン非選択トランジスタの閾値電圧、ゲートと第2端子との間の電位差、基板電圧、寄生ダイオード順方向電圧(順電圧)である。
Vthp > VG−(VB+VF) …(2)
(1)式において、Vthn,VG,VB,VFは、それぞれ、高電圧ライン非選択トランジスタの閾値電圧、ゲートと第2端子との間の電位差、基板電圧、寄生ダイオード順方向電圧(順電圧)である。
また、(2)式において、Vthp,VG,VB,VFは、それぞれ、低電圧ライン非選択トランジスタの閾値電圧、ゲートと第2端子との間の電位差、基板電圧、寄生ダイオード順方向電圧(順電圧)である。
なお、トランジスタの閾値電圧は、ゲートの材質、チャネルの不純物濃度等によって変更可能である。
また、一般的に、ダイオードの順方向電流は下記(3)式で定義される。本実施の形態では、順方向電圧VFは、寄生ダイオードをオンにするために必要な電圧である。また、本実施の形態では、閾値電圧と同じゲート・ソース間電圧が印加されている状態でトランジスタに流れるドレイン電流と同じ大きさの電流が寄生ダイオードに流れるために必要なバイアス電圧を、順方向電圧VFと定義する。
高電圧ライン非選択トランジスタは、本来、第1端子に高電位、第2端子に低電位が供給されて、ゲート電圧がLの場合にオフとなって高電圧ラインを選択状態(選択ワード線)にすることを可能にし、Hの場合にオンとなって高電圧ラインを非選択状態(非選択ワード線)とする。これに対し、本実施の形態では、第1端子が第2端子よりも低電位となる場合を考慮して、高電圧ライン非選択トランジスタをオンにする条件を設定する。この場合に、高電圧ライン非選択トランジスタがオンとなる条件は、下記(4)式で表される。
VG−V1−Vthn>0 …(4)
なお、V1は、第1端子の電圧である。一方、この高電圧ライン非選択トランジスタにおいて寄生ダイオードがオンにならない条件は、下記(5)式で表される。
なお、V1は、第1端子の電圧である。一方、この高電圧ライン非選択トランジスタにおいて寄生ダイオードがオンにならない条件は、下記(5)式で表される。
V1>VB−VF …(5)
上記(4),(5)式を変形することで、上記(1)式が得られる。本実施の形態においては、閾値電圧Vthnが上記(1)式を満足する高電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
上記(4),(5)式を変形することで、上記(1)式が得られる。本実施の形態においては、閾値電圧Vthnが上記(1)式を満足する高電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
上記(1)式は、VB−VF<VG−Vthnとなることを意味する。上記図9の選択状態、即ち、V1>VG−Vthn及びV1>VB−VFによって、高電圧ライン非選択トランジスタ及びその寄生ダイオードがいずれもオフの状態から、図10のようにワード線WLが負電位になってV1が低下し始めたとしても、必ずVB−VFよりもVG−Vthnの方が先にV1よりも大きくなる。即ち、寄生ダイオードがオンとなる前に高電圧ライン非選択トランジスタがオンとなる。そうすると、第1端子の電圧V1は、第2端子の電圧V2−Vthnを維持することになり、それ以上低下しない。従って、V1<VB−VFになることはなく、寄生ダイオードはオフのままである。
なお、ゲート電圧VG=0V(=VS(第2端子の電圧))であるものと仮定した場合には、下記(6)式を満足する高電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
Vthn < −VB+VF …(6)
この仮定では、第2端子の電圧をゲートに印加すればよく、ゲート電圧用の電源を別途設ける必要がないという利点がある。
更に、基板電圧VB=0Vであるものと仮定した場合には、下記(7)式を満足する高電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
この仮定では、第2端子の電圧をゲートに印加すればよく、ゲート電圧用の電源を別途設ける必要がないという利点がある。
更に、基板電圧VB=0Vであるものと仮定した場合には、下記(7)式を満足する高電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
Vthn < VF …(7)
一方、低電圧ライン非選択トランジスタは、本来、第1端子に低電位、第2端子に高電位が供給されて、ゲート電圧がHの場合にオフとなって低電圧ラインを選択状態(選択ビット線)にすることを可能にし、Lの場合にオンとなって低電圧ラインを非選択状態とする。これに対し、本実施の形態では、第1端子が第2端子よりも高電位となる場合を考慮して、低電圧ライン非選択トランジスタをオンにする条件を設定する。この場合に、低電圧ライン非選択トランジスタがオンとなる条件は、下記(8)式で表される。
一方、低電圧ライン非選択トランジスタは、本来、第1端子に低電位、第2端子に高電位が供給されて、ゲート電圧がHの場合にオフとなって低電圧ラインを選択状態(選択ビット線)にすることを可能にし、Lの場合にオンとなって低電圧ラインを非選択状態とする。これに対し、本実施の形態では、第1端子が第2端子よりも高電位となる場合を考慮して、低電圧ライン非選択トランジスタをオンにする条件を設定する。この場合に、低電圧ライン非選択トランジスタがオンとなる条件は、下記(8)式で表される。
VG−V1−Vthp<0 …(8)
なお、Vthp<0である。一方、この低電圧ライン非選択トランジスタにおいて寄生ダイオードがオンにならない条件は、下記(9)式で表される。
なお、Vthp<0である。一方、この低電圧ライン非選択トランジスタにおいて寄生ダイオードがオンにならない条件は、下記(9)式で表される。
V1<VB+VF …(9)
なお、VFは上記定義により正の値である。上記(8),(9)式を変形することで、上記(2)式が得られる。本実施の形態においては、閾値電圧Vthpが上記(2)式を満足する低電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
なお、VFは上記定義により正の値である。上記(8),(9)式を変形することで、上記(2)式が得られる。本実施の形態においては、閾値電圧Vthpが上記(2)式を満足する低電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
上記(2)式は、VB+VF>VG−Vthpとなることを意味する。2端子メモリセルの選択状態、即ち、V1<VG−Vthp及びV1<VB+VFによって、低電圧ライン非選択トランジスタ及びその寄生ダイオードがいずれもオフの状態から、高電圧ライン選択トランジスタのみがオンとなってビット線BLの電位V1が上昇し始めたとしても、必ずVB+VFよりもVG−Vthpの方が先にV1よりも小さくなる。即ち、寄生ダイオードがオンとなる前に低電圧ライン非選択トランジスタがオンとなる。そうすると、第1端子の電圧V1は、第2端子の電圧V2−Vthpを維持することになり、それ以上上昇しない。従って、V1>VB+VFになることはなく、寄生ダイオードはオフのままである。
なお、ゲート電圧VG=0V(=VS)であるものと仮定した場合には、下記(10)式を満足する低電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
Vthp < −VB−VF …(10)
この仮定では、第2端子の電圧をゲートに印加すればよく、ゲート電圧用の電源を別途設ける必要がないという利点がある。
更に、基板電圧VB=0Vであるものと仮定した場合には、下記(11)式を満足する低電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
この仮定では、第2端子の電圧をゲートに印加すればよく、ゲート電圧用の電源を別途設ける必要がないという利点がある。
更に、基板電圧VB=0Vであるものと仮定した場合には、下記(11)式を満足する低電圧ライン非選択トランジスタを選択すればよい。
Vthp > −VF …(11)
以上のように、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタ(以下、これらを区別する必要がない場合には非選択トランジスタという)については、下記(12),(13)式を満足するトランジスタを採用する。
以上のように、高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタ(以下、これらを区別する必要がない場合には非選択トランジスタという)については、下記(12),(13)式を満足するトランジスタを採用する。
|Vthn|<|VG−VB|+VF …(12)
|Vthp|<|VG−VB|+VF …(13)
つまり、非選択トランジスタの閾値電圧Vthは、(VG−VB)の絶対値と寄生ダイオードの順方向電圧VFの和よりも、0に近ければよい。言い換えると、非選択トランジスタの閾値電圧Vthの絶対値は、(VG−VB)の絶対値と寄生ダイオードの順方向電圧VFの和よりも小さければよい。
|Vthp|<|VG−VB|+VF …(13)
つまり、非選択トランジスタの閾値電圧Vthは、(VG−VB)の絶対値と寄生ダイオードの順方向電圧VFの和よりも、0に近ければよい。言い換えると、非選択トランジスタの閾値電圧Vthの絶対値は、(VG−VB)の絶対値と寄生ダイオードの順方向電圧VFの和よりも小さければよい。
なお、図7及び図10では書き込み時の選択状態から非選択状態への移行時の例で説明したが、読み出し時においても同様の問題が生じる。即ち、ワード線選択回路WLSEL及びビット線選択回路BLSELの4つのトランジスタのうち高電圧ライン選択トランジスタのみがオンとなる期間又は低電圧ライン選択トランジスタのみがオンとなる期間が生じた場合の問題である。いずれの場合にも、高電圧ライン非選択トランジスタとして上記(12)式の条件を満足するトランジスタを採用し、低電圧ライン非選択トランジスタとして上記(13)式の条件を満足するトランジスタを採用すればよい。
更に、上記説明では、ワード線選択回路WLSELが高電圧ライン選択トランジスタと高電圧ライン非選択トランジスタの2つのトランジスタにより構成され、ビット線選択回路BLSELが低電圧ライン選択トランジスタと低電圧ライン非選択トランジスタの2つのトランジスタにより構成される例を説明した。しかし、ワード線選択回路WLSELを1つの高電圧ライン非選択トランジスタのみによって構成し、、ビット線選択回路BLSELを1つの低電圧ライン非選択トランジスタによって構成することも可能である。この場合においても、本実施の形態においては、高電圧ライン非選択トランジスタとして上記(12)式の条件を満足するトランジスタを採用し、低電圧ライン非選択トランジスタとして上記(13)式の条件を満足するトランジスタを採用すればよい。
なお、高電圧ライン選択トランジスタ及び低電圧ライン選択トランジスタの閾値電圧については、特に言及しなかったが、これらの閾値電圧を高電圧ライン非選択トランジスタ及び低電圧ライン非選択トランジスタの閾値電圧よりも高い閾値電圧に設定してもよい。これより、リーク電流が発生しにくいという効果が得られる。
次に、このように構成された実施の形態の動作について図12から図14を参照して説明する。図12は2端子メモリ素子MCが選択状態の例を示す回路図である。また、図13から図16は2端子メモリ素子MCの選択状態から非選択状態への移行途中の例を示す回路図である。なお、図12〜図16においては、ゲート電圧のL,Hの状態及び各トランジスタのオン,オフの状態を括弧書きで示している。
いま、メモリセルアレイ2中の所定の2端子メモリセルの2端子メモリ素子MCを選択状態にして書き込みを行うものとする。この場合には、制御回路5からのWL選択情報に基づいて、WLデコーダ3は、当該2端子メモリ素子MCに接続されたワード線WLを選択ワード線にし、BLデコーダ4は、当該2端子メモリ素子MCに接続されたビット線BLを選択ビット線にする。即ち、WLデコーダ3は、WL選択情報に基づいて、選択ワード線に接続されたワード線選択回路WLSELのトランジスタTwpに供給するゲート電圧VWPをLにし、トランジスタTwnに供給するゲート電圧VWNをLにする。BLデコーダ4は、BL選択情報に基づいて、選択ビット線に接続されたビット線選択回路BLSELのトランジスタTbnに供給するゲート電圧VBNをHにし、トランジスタTbpに供給するゲート電圧VBPをHにする。
これにより、図12に示すように、トランジスタTwp,Tbnがオンとなり、トランジスタTwn,Tbpがオフとなって、ワード線WLには5Vが印加され、ビット線BLには−5Vが印加されて、2端子メモリ素子MCは10Vの電圧で駆動されて書き込みが行われる。
次に、図12の選択状態から非選択状態への移行が行われるものとする。制御回路5は、一旦全てのトランジスタTwp,Twn,Tbp,TbnをオフにするためのWL選択情報及びBL選択情報を出力する。これにより、ゲート電圧VWN,VBPのL,Hは変化せず、ゲート電圧VWPについてはLからHに、ゲート電圧VBNについてはHからLに変化する。この場合において、図9と同様に、タイミング制御のずれによって、ゲート電圧VBNのHからLへの変化がゲート電圧VWPの変化よりも遅れるものとする。この場合には、図13に示すように、トランジスタTbnのみがオンとなる期間が生じる。
そうすると、トランジスタTbnの第2端子に印加されている−5Vによって、ワード線WLの電圧が低下する。即ち、高電圧ライン非選択トランジスタであるトランジスタTwnの第1端子の電位が低下する。これにより、第1端子の電位V1よりもVG−Vthnが大きくなり、図14に示すように、ゲート電圧VWNがLであってもトランジスタTwnのチャネルが導通してオンとなる。この結果、トランジスタTwnの第2端子からトランジスタTwnのチャネル、ワード線WL、2端子メモリ素子MC、ビット線BL及びトランジスタTbnを介してその第2端子に電流が流れる。
この結果、VWN=0とするならばトランジスタTwnの第1端子の電位は−Vthnとなる。この電位は、VB−VFよりも大きく、トランジスタTwnの寄生ダイオードにおける寄生ダイオード電流は発生しない。その後、ゲート電圧VBNがHからLに変化すると、トランジスタTbnはオフとなり、トランジスタTwnもオフとなる。
なお、非選択状態においては、ゲート電圧VWP,VWNはHとなり、ゲート電圧VBP,VBNはLとなる。即ち、非選択状態ではトランジスタTwn,Tbpがオンとなり、トランジスタTwp,Tbnがオフとなる。この結果、ワード線WL及びビット線BLのいずれにも0Vが印加されて、2端子メモリ素子MCは非選択状態となる。
次に、選択状態から非選択状態への移行時において、図9とは逆の状態、即ち、タイミング制御のずれによって、ゲート電圧VBNのHからLへの変化がゲート電圧VWPの変化よりも早くなるものとする。この場合には、図15に示すように、トランジスタTwpのみがオンとなる期間が生じる。
そうすると、トランジスタTwpの第2端子に印加されている5Vによって、ビット線BLの電圧が上昇する。即ち、低電圧ライン非選択トランジスタであるトランジスタTbpの第1端子の電位が上昇する。これにより、第1端子の電位V1よりもVG−Vthpが小さくなり、図16に示すように、ゲート電圧VBPがHであってもトランジスタTbpのチャネルが導通してオンとなる。この結果、トランジスタTwpの第2端子からトランジスタTwpのチャネル、ワード線WL、2端子メモリ素子MC、ビット線BL及びトランジスタTbpを介してその第2端子に電流が流れる。
この結果、VBP=0とするならばトランジスタTbpの第1端子の電位は−Vthpとなる。この電位は、VB+VFよりも小さく、トランジスタTbpの寄生ダイオードにおける寄生ダイオード電流は発生しない。その後、ゲート電圧VWPがHからLに変化すると、トランジスタTwpはオフとなり、トランジスタTbpもオフとなる。
なお、この場合においても、非選択状態においては、ゲート電圧VWP,VWNはHとなり、ゲート電圧VBP,VBNはLとなる。即ち、非選択状態ではトランジスタTwn,Tbpがオンとなり、トランジスタTwp,Tbnがオフとなる。この結果、ワード線WL及びビット線BLのいずれにも0Vが印加されて、2端子メモリ素子MCは非選択状態となる。
このように本実施の形態においては、2端子メモリセルに電圧を印加するためのMOSトランジスタの閾値電圧を寄生ダイオードの順方向電圧に基づいて設定することにより、選択状態と非選択状態との間の移行のタイミングずれに拘わらず、寄生ダイオード電流の発生を確実に防止することが可能である。また、これらのMOSトランジスタとして、耐圧が、高電圧ラインと低電圧ラインに印加される電圧の差よりも小さいトランジスタを採用可能である。
なお、上記実施の形態においては、図2に示すクロスポイント型メモリに限らず、図17に示すように、立体的に2端子メモリセルを配置したメモリセルアレイを採用してもよい。図17はメモリセルアレイの他の例を示す説明図である。
図17に示すメモリセルアレイは、複数の大域列線21、行線22、及び、列線23が設けられている。複数の大域列線21は、それぞれが第一の方向に沿って互いに平行に形成され、例えば、メモリセルアレイの最下層に配置されている。複数の行線22は、それぞれ第一の方向に直交する第二の方向に沿って互いに平行に形成され、大域列線21よりも第一及び第二の方向と交差する第三の方向において高い位置に設けられている。この複数の行線22の層(図17のfirst layer, second layer, third layer …)は、第三の方向(大域列線21が配列される面の法線方向)に、複数、設けられている。
列線23は、隣接する行線22間に、第三の方向に沿って延び、第一及び第二の方向に複数個配置される。列線23の一端(下端)は、いずれかの大域列線21に電気的に接続される。より具体的には、第一の方向と第二の方向で形成される二次元平面内において、第一の方向に沿って同一列に配列された列線23は、同一の大域列線21に電気的に接続される。
各行線22と列線23との間に、可変抵抗素子を含む2端子メモリ素子MCが形成されている。本例では、列線23の側面(行線22と相対する面)の全面に抵抗変化材24が形成されている。列線23と行線22の間に配置された抵抗変化材24の部分がそれぞれメモリセルMCとして機能する。
なお、本例における抵抗変化材24は、列線23の側面の対向する2つの組のうち、第一の方向で対向する2つの側面(行線22に対向する2つの側面)に設けられ、第二の方向で対向する2つの側面(行線22に対向しない2つの側面)には設けられない。
大域列線21と、それに対応する列線との間には選択素子(シートセレクタ)SSが設けられている。選択素子SSは、例えば、FET(Field Effect Transistor)である。ここで、このFETを「選択FET」と称する場合がある。この場合、選択素子SSは、大域列線21上に形成されたソース領域25と、ソース領域25上に形成された半導体層(チャネル領域)26と、半導体層26上に形成されたドレイン領域27とを備えている。半導体層26は、例えば、シリコン層である。
また、隣接する半導体層26間に、第二の方向に沿った選択ゲート線(選択FETの選択ゲート電極)28が形成されている。選択ゲート線28は、行線22と平行に配列されている。更に、選択ゲート線28と半導体層26との間には、ゲート絶縁層29が形成されている。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
1…半導体記憶装置、2…メモリセルアレイ、3…WLデコーダ、4…BLデコーダ、5…制御回路、6…電源回路、12…CMOS回路、13…メモリセル部、BL…ビット線、BLSEL…ビット線選択回路、Di…セレクタ、MC…2端子メモリ素子、Tbn,Tbp,Twn,Twp…トランジスタ、VR…可変抵抗素子、WL…ワード線、WLSEL…ワード線選択回路。
Claims (12)
- 2端子メモリ素子の一方端に接続された高電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記高電圧ラインに印加する電圧を切換える第1のMOSトランジスタを含む第1の選択回路と、
前記2端子メモリ素子の他方端に接続された低電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて、前記低電圧ラインに印加する電圧を切換える第2のMOSトランジスタを含む第2の選択回路と、
を具備し、
前記第1及び第2のMOSトランジスタは、
|Vth|<|VG−VB|+VFを満足する
但し、Vthは閾値電圧、VGはゲートと第2端子との間の電位差、VBは基板電圧、VFはダイオード順方向電圧である
半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2のMOSトランジスタの耐圧は、前記高電圧ライン及び低電圧ラインに印加される電圧の差よりも小さい
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の選択回路は、グランド電位よりも高い電圧を前記高電圧ラインに印加し、
前記第2の選択回路は、グランド電位よりも低い電圧を前記低電圧ラインに印加する
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1のMOSトランジスタは、NMOSトランジスタである
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2の選択回路は、前記第1のMOSトランジスタの基板電位よりも低い電圧を前記低電圧ラインに印加する
請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2のMOSトランジスタは、PMOSトランジスタである
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の選択回路は、前記第2のMOSトランジスタの基板電位よりも高い電圧を前記高電圧ラインに印加する
請求項6に記載の半導体記憶装置。 - 前記ゲートと第2端子とが同一電位である
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記ゲートと第2端子とは、0vである
請求項8に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1の選択回路は、前記高電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて前記高電圧ラインに印加する電圧を切換える第3のMOSトランジスタを含み、
前記第2の選択回路は、前記低電圧ラインに第1端子が接続され第2端子に電源電圧が印加されて前記低電圧ラインに印加する電圧を切換える第4のMOSトランジスタを含む
請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第1及び第4のMOSトランジスタは、NMOSトランジスタである
前記第2及び第3のMOSトランジスタは、PMOSトランジスタである
請求項10に記載の半導体記憶装置。 - 前記第3及び第4のMOSトランジスタの閾値電圧は、前記第1及び第2のMOSトランジスタの閾値電圧よりも高い電圧である
請求項10に記載の半導体記憶装置。
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