非易失性半導體存儲裝置及其讀出方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種交叉點型非易失性存儲裝置，能夠抑制由于潛行電流而引起的存儲單元中包含的存儲元件的電阻值的檢測靈敏度低下。交叉點型非易失性存儲裝置具有：多個位線，與多個字線垂直；由存儲單元構成的交叉點單元陣列（1），根據在其立體交差點配置的電信號以可逆的方式在2個以上的狀態下使電阻值變化；偏移檢測單元陣列（2E），構成為包括偏移檢測單元，該偏移檢測單元的字線共通，具有比存儲單元的高電阻狀態下的電阻值高的電阻值；讀出電路（讀出放大器（7）等），利用在交叉點單元陣列（1）的選擇位線中流過的電流判別選擇存儲單元的電阻狀態；以及電流源（6），在讀出動作的期間內，對偏移檢測單元陣列供給電流。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及使用電阻變化型存儲元件的交叉點型的非易失性半導體存儲裝置，特別涉及提高了讀出信號的判別性的單元陣列結構及其讀出方法。
技術介紹
近年來，伴隨數字技術的進展，便攜型信息設備和信息家電等的電子設備進一步實現高功能化。因此，非易失性存儲裝置的大容量化、寫入電力的降低、寫入/讀出時間的聞速化以及長壽命化的要求提聞。針對這樣的要求，現有的使用浮柵的閃存的微細化有所發展。另一方面，作為代替閃存的元件，正在研究開發具有使用所謂的電阻變化型存儲元件構成的存儲元件的非易失性存儲裝置。電阻變化型存儲元件是指如下的元件電阻值根據電信號而變化，具有即使切斷電信號也保持該電阻值(保持為非易失)的性質，能夠通過該電阻值的變化來存儲信息。作為電阻變化型存儲元件的代表性的元件，具有MRAM (Magnetic Random AccessMemory :磁性存儲器)、PRAM (PhaseChange Random Access Memory :相變存儲器)、ReRAM(ResistanceRandom Access Memory :電阻變化存儲器；電阻變化兀件)、SPRAM (SpinTransfer Torque Random Access Memory :自旋注入存儲器)、CBRAM (Conductive BridgeRandom Access Memory)等。作為使用這些電阻變化型存儲元件的非易失性存儲裝置的結構方法的一例，公知有交叉點結構。在交叉點結構中，在垂直配置的位線與字線的立體交叉點位置，以被位線和字線夾持的方式設置具有2個端子的各存儲單元。關于電阻變化型存儲元件單體或構成為電阻變化型存儲元件與二極管等2個端子的開關元件的串聯連接的存儲元件，通過使存儲元件的一個電極與字線連接，使另一個電極與位線連接，從而構成存儲單元。與電阻變化型存儲元件經由具有3個端子的存取晶體管而與位線連接的所謂的ITlR結構相比，交叉點結構具有適于大規模集成化的特征。在交叉點結構中，存儲單元配置成陣列狀(以下稱為交叉點單元陣列)。在交叉點結構中，當為了檢測(讀出)作為對象的存儲單元中包含的存儲元件的電阻值而對對應的位線和字線施加電壓時，除了流過作為檢測對象的存儲單元的電流以外，還流過經由通過上下的位線和字線而并聯連接的其他存儲單元的電流。在本說明書中，將該流經其他存儲單元的電流稱為潛行電流。潛行電流由于依賴于存儲在交叉點單元陣列中的數據的狀態(作為檢測對象的存儲單元所屬的交叉點單元陣列內的全部存儲單元中包含的存儲元件的電阻值及其分布)，所以，在讀出時檢測的電流中，始終包含不是固定值的偏移電流(=潛行電流)。該潛行電流妨礙準確檢測作為讀出對象的存儲單元中包含的存儲元件的電阻值。通過使存儲元件采用串聯連接開關元件和電阻變化型存儲元件的結構，能夠減少該潛行電流。但是，由于潛行電流根據交叉點單元陣列的規模而增加，所以，妨礙交叉點單元陣列的大規模化。在專利文獻I中公開了如下的存儲裝置該存儲裝置具有抑制由于潛行電流而引起的存儲單元中包含的存儲元件的電阻值的檢測靈敏度低下的結構。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本專利第3821066號公報
技術實現思路
專利技術要解決的課題如圖18所示，專利文獻I所記載的存儲裝置的交叉點單元陣列601由存儲單元602和虛擬單元608構成。存儲單元602和虛擬單元608在構造上沒有差別，將與定義為虛擬位線609的位線連接的存儲單元用作虛擬單元。存儲元件使用MRAM。減法電路617生成電流差信號，該電流差信號對應于通過對選擇字線和選擇位線之間施加電壓而在選擇位線中流過的檢測電流Is與通過對選擇字線和虛擬位線之間施加電壓而在虛擬位線中流過的偏移成分電流Ic之差(Is-1c)。讀出電路16根據該電流差信號判別存儲在選擇單元602a中的存儲數據。偏移成分電流Ic是大小接近檢測電流Is中包含的偏移成分的電流。檢測電流Is與偏移成分電流Ic之差(Is-1c)的SN比較高，通過根據與差(Is-1c)對應的電流差信號判別存儲在選擇單元602a中的存儲數據，能夠以較高的可靠性判別存儲數據。在上述存儲裝置中，存儲元件使用MRAM。與其他電阻變化型存儲元件相比，MRAM的電阻值的變化量較小，高電阻狀態下的電阻值(HR)相對于低電阻狀態下的電阻值(LR)大致為1. 2 1. 4倍左右，流過選擇單元的電流中的由于不依賴于所存儲的數據的電阻成分而引起的電流成分比與所存儲的數據對應的電流大。進而，上述存儲裝置中使用的存儲單元僅由MRAM構成,不包括開關元件。因此,記載為與存儲在選擇單元602a中的數據對應的電流大約為I U A，與此相對，偏移成分電流Ic大約為30 u A0但是，在上述存儲裝置中，視為檢測電流Is中包含的偏移成分電流與在虛擬位線中流過的偏移成分電流Ic大致相等的情況僅為滿足上述存儲裝置所記載的條件(即，如下條件流過選擇單元的電流中的由于不依賴于所存儲的數據的電阻成分而引起的電流成分比與所存儲的數據對應的電流大，并且偏移成分電流遠遠大于與存儲在選擇單元中的數據對應的電流)的情況。一般地，從提高讀出精度、低消耗電力化、抑制由于電遷移而引起的布線劣化(提高可靠性)、抑制伴隨基于布線電阻的電壓下降的存儲單元電流的交叉點單元陣列內的位置依賴性、交叉點單元陣列的大規模化等的觀點來看，優選偏移成分電流較小。進而，在PRAM、ReRAM和SPRAM等電阻變化型存儲元件中，LR狀態和HR狀態的電阻變化比較大(大約為I位以上)，流過選擇單元的電流中的由于不依賴于所存儲的數據的電阻成分而引起的電流成分(潛行電流成分)比與所存儲的數據對應的電流小。根據以上說明可以明確，在專利文獻I所記載的存儲裝置的結構中，除了存儲元件不包括開關元件而僅由MRAM構成的情況以外，沒有效果，無法應用。鑒于以上課題，本專利技術的目的在于，提供如下的在使用電阻變化型存儲元件的交叉點型的非易失性半導體存儲裝置中，能夠抑制由于潛行電流而引起的存儲單元中包含的存儲元件的電阻值的檢測靈敏度低下。用于解決課題的手段為了實現上述目的，本專利技術的非易失性半導體存儲裝置的第I方式具有多個字線，在第I平面內以相互平行的方式形成；多個位線，在與所述第I平面平行的第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第I交叉點單元陣列，由針對所述多個字線與所述多個位線的各個立體交差點設置的第I種類的單元的集合體構成；1條以上的虛擬位線，在所述第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第2交叉點單元陣列，針對所述多個字線與所述虛擬位線的各個立體交差點設置所述第I種類的單元和第2種類的單元中的任意一方，由針對任意的所述虛擬位線分別至少具有一個以上的第I種類的單元和第2種類的單元的集合體構成；字線選擇電路，從所述多個字線中選擇I條字線作為選擇字線；位線選擇電路，從所述多個位線中選擇I條位線作為選擇位線；虛擬位線選擇電路，從所述I條以上的虛擬位線中選擇至少I條虛擬位線作為選擇虛擬位線；讀出電路，經由所述選擇字線和所述選擇位線對所述第I交叉點單元陣列中的對應的第I種類的單元即選擇單元施加規定電壓，利用在所述選擇位線中流過的電流判別所述選擇單元的電阻狀態；以及電流源，在所述讀出電路的讀出動本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.07.21 JP 2011-1603781.一種非易失性半導體存儲裝置，具有多個字線，在第I平面內以相互平行的方式形成；多個位線，在與所述第I平面平行的第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第I交叉點單元陣列，由針對所述多個字線與所述多個位線的各個立體交差點設置的第I種類的單元的集合體構成；I條以上的虛擬位線，在所述第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第2交叉點單元陣列，針對所述多個字線與所述虛擬位線的各個立體交差點設置所述第I種類的單元和第2種類的單元中的任意一方，由針對任意的所述虛擬位線分別至少具有一個以上的第I種類的單元和第2種類的單元的集合體構成；字線選擇電路，從所述多個字線中選擇I條字線作為選擇字線；位線選擇電路，從所述多個位線中選擇I條位線作為選擇位線；虛擬位線選擇電路，從所述I條以上的虛擬位線中選擇至少I條虛擬位線作為選擇虛擬位線；讀出電路，經由所述選擇字線和所述選擇位線對所述第I交叉點單元陣列中的對應的第I種類的單元即選擇單元施加規定電壓，利用在所述選擇位線中流過的電流判別所述選擇單元的電阻狀態；以及電流源，在所述讀出電路的讀出動作的期間內，通過所述選擇虛擬位線對所述第2交叉點單元陣列供給電流，所述第I種類的單元構成為包括電阻變化元件，該電阻變化元件進行根據在對應的字線和對應的位線之間施加的電信號以可逆的方式在2個以上的電阻狀態下變化的存儲動作，所述第2種類的單元構成為包括偏移檢測單元，該偏移檢測單元與在對應的字線和對應的虛擬位線之間施加的電信號無關，具有比所述電阻變化元件進行所述存儲動作時的高電阻狀態下的所述電阻變化元件的電阻值高的電阻值，所述虛擬位線選擇電路在所述讀出電路的讀出動作的期間內，選擇在與所述選擇字線之間的立體交差點配置有所述第2種類的單元的虛擬位線，作為所述選擇虛擬位線。2.一種非易失性半導體存儲裝置，具有多個字線，在第I平面內以相互平行的方式形成；多個位線，在與所述第I平面平行的第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第I交叉點單元陣列，由針對所述多個字線與所述多個位線的各個立體交差點設置的第I種類的單元的集合體構成；I條以上的虛擬位線，在所述第2平面內以相互平行且與所述多個字線立體交差的方式形成；第2交叉點單元陣列，針對所述多個字線與所述虛擬位線的各個立體交差點設置所述第I種類的單元和第2種類的單元中的任意一方，由針對任意的所述虛擬位線分別至少具有一個以上的第I種類的單元和第2種類的單元的集合體構成；字線選擇電路，從所述多個字線中選擇I條字線作為選擇字線；位線選擇電路，從所述多個位線中選擇I條位線作為選擇位線；虛擬位線選擇電路，從所述I條以上的虛擬位線中選擇至少I條虛擬位線作為選擇虛擬位線；讀出電路，經由所述選擇字線和所述選擇位線對所述第I交叉點單元陣列中的對應的第I種類的單元即選擇單元施加規定電壓，利用在所述選擇位線中流過的電流判別所述選擇單元的電阻狀態；以及電流檢測電路，在所述讀出電路的讀出動作的期間內，檢測通過所述選擇虛擬位線而在所述第2交叉點單元陣列中流過的電流，所述第I種類的單元構成為包括電阻變化元件，該電阻變化元件進行根據在對應的字線和對應的位線之間施加的電信號以可逆的方式在2個以上的電阻狀態下變化的存儲動作，所述第2種類的單元構成為包括偏移檢測單元，該偏移檢測單元與在對應的字線和對應的虛擬位線之間施加的電信號無關，具有比所述電阻變化元件進行所述存儲動作時的高電阻狀態下的所述電阻變化元件的電阻值高的電阻值，所述虛擬位線選擇電路在所述讀出電路的讀出動作的期間內，選擇在與所述選擇字線之間的立體交差點配置有所述第2種類的單元的虛擬位線，作為所述選擇虛擬位線，所述讀出電路根據與在所述選擇位線中流過的電流對應的值和基于由所述電流檢測電路檢測到的在所述第2交叉點單元陣列中流過的電流的值，判別所述選擇單元的電阻狀態。3.如權利要求2所述的非易失性半導體存儲裝置，其中，所述非易失性半導體存儲裝置還具有第I電流合成電路，由所述第I種類的單元構成，生成第I合成電流，該第I合成電流是在設定為所述2個以上的電阻狀態中的第I電阻狀態的參照單元中流過的電流和將由所述電流檢測電路檢測到的電流放大X倍而得到的電流的合成電流；以及第2電流合成電路，由所述第I種類的單元構成，生成第2合成電流，該第2合成電流是在設定為所述2個以上的電阻狀態中的第2電阻狀態的參照單元中流過的電流和將由所述電流檢測電路檢測到的電流放大X倍而得到的電流的合成電流，所述讀出電路將對所述第I合成電流和所述第2合成電流進行平均后的參照電平作為判定基準，判別所述電阻狀態。4.如權利要求2所述的非易失性半導體存儲裝置，其中，所述讀出電路具有第I負載電路和第2負載電路，通過所述第2負載電路供給由所述電流檢測電路檢測到的電流的規定倍的電流，通過所述第I負載電路生成與所供給的電流和在所述選擇位線中流過的電流的差分相當的電壓，通過對所生成的電壓和規定的基準電壓進行比較，判別所述選擇單元的電阻狀態。5.如權利要求2所述的非易失性半導體存儲裝置，其中，所述電流檢測電路生成在依賴于所述電流的放電時間內確定定時的定時信號，所述讀出電路根據所述定時信號，對表示所述電阻狀態的數據進行鎖存。6.如權利要求2所述的非易失性半導體存儲裝置，其中，所述非易失性半導體存儲裝置還具有監視端子，該監視端子是與由所述虛擬位線選擇電路選擇出的虛擬位線連接的端子，能夠從所述非易失性半導體存儲裝置的外部進行探測。7.如權利要求1或2所述的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：島川一彥，辻清孝，東亮太郎，
申請(專利權)人：松下電器產業株式會社，
類型：
國別省市：