半導體存儲裝置及其驅動方法

半導體存儲裝置及其驅動方法
【專利摘要】本發明涉及半導體存儲裝置及其驅動方法。一種半導體存儲裝置包括可變電阻元件作為存儲元件，該可變電阻元件根據施加的電壓的極性和大小更改電阻值。半導體存儲裝置包括待命模式，在待命模式中，電源電壓或接地電壓被施加到字線和位線這兩者上。半導體存儲裝置包括數據寫入模式，在數據寫入模式中，在字線和位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓差。半導體存儲裝置包括讀取模式，在讀取模式中，通過僅更改在待命模式中施加的字線和位線的一個電壓，在字線和位線之間施加小于第一電壓的電壓差，并且讀取被寫入存儲元件的數據。
【專利說明】半導體存儲裝置及其驅動方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于并要求2015年3月12日提交的編號為2015-50034的日本專利申請的優先權益，該申請的全部內容通過引用的方式在此納入。
技術領域
[0003]此處描述的實施例一般地涉及半導體存儲裝置及其驅動方法。
【背景技術】
[0004]傳統上，公開了一種用于半導體存儲裝置的技術，該半導體存儲裝置使用可變電阻元件作為存儲元件。該可變電阻元件根據所施加的電壓的值、所施加的電壓的極性、或施加時間更改電阻值。電阻值的差異被賦予數據“O”或“1”，以便可變電阻元件可被用作存儲元件。
[0005]在相關技術中，在讀取被寫入可變電阻元件的數據的情況下，或者在將數據寫入可變電阻元件的情況下，在全部字線和全部位線的電位被增加到預定電壓的狀態(即，預充電狀態)下讀取或寫入數據。但是，由于預充電會花費時間，因此在讀取和寫入數據之前需要時間。此外，期望的是，減少在從待命(standby)模式直到數據被讀取或寫入的預充電狀態下消耗的能量。

【發明內容】

[0006]實施例的一個方面提供一種半導體存儲裝置及其驅動方法，其可以快速地讀出或寫入數據，并且還可降低電力消耗。
[0007]一個實施例提供:
[0008]—種半導體存儲裝置，其配備可變電阻元件作為存儲元件，所述可變電阻元件被連接在字線和位線之間，以根據在所述字線和所述位線之間施加的電壓的極性和所述電壓的大小更改電阻值，所述半導體存儲裝置包括:
[0009]待命模式，其將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上；
[0010]數據寫入模式，其通過在所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓以更改所述存儲元件的電阻值，來將數據寫入所述存儲元件；以及
[0011]讀取模式，其通過在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，來讀取被寫入所述存儲元件的數據，其中通過更改在所述待命模式中施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，從所述待命模式轉換為所述讀取模式。
[0012]進一步地，一個實施例提供:
[0013]—種半導體存儲裝置的驅動方法，該半導體存儲裝置配備可變電阻元件作為存儲元件，所述可變電阻元件被連接在字線和位線之間以根據在所述字線和所述位線之間施加的電壓的極性和所述電壓的大小更改電阻值，所述驅動方法包括:
[0014]在待命模式中，將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上；
[0015]在所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓，以將數據寫入所述存儲元件；以及
[0016]在讀取模式中，在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，以讀取被寫入所述存儲元件的數據，其中通過更改在所述待命模式的狀態下施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，從所述待命模式轉換為所述讀取模式。
[0017]進一步地，一個實施例提供:
[0018]—種半導體存儲裝置，其包括:
[0019]多個字線；
[0020]多個位線；
[0021]多個可變電阻元件，所述多個可變電阻元件中的每一個相應地連接到所述字線和所述位線并且通過被施加到其兩端上的電壓而更改電阻值；以及
[0022]控制電路，其將預定電壓施加到所述多個字線和所述多個位線，其中
[0023]所述控制電路被配置為:
[0024]在待命模式中，將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述多個字線和所述多個位線這兩者上；
[0025]在被連接到選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓，以將數據寫入所述選定的可變電阻元件；以及
[0026]在讀取模式中，在被連接到所述選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，以讀取被寫入所述選定的可變電阻元件的數據，其中所述控制電路進行控制以更改在所述待命模式中被施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，以便從所述待命模式轉換為所述讀取模式。
【附圖說明】
[0027]圖1是示出第一實施例的半導體存儲裝置的配置的圖；
[0028]圖2是用于描述第二實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0029]圖3是用于描述第三實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0030]圖4是用于描述第四實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0031]圖5是用于描述第五實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0032]圖6是用于描述第六實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0033]圖7是用于描述第七實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0034]圖8是用于描述第八實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖；
[0035]圖9是用于描述可變電阻元件的特征的圖；以及
[0036]圖10是示出感測放大器的實施例的圖。
【具體實施方式】
[0037]下面將參考附圖詳細地解釋半導體存儲裝置及其驅動方法的示例性實施例。本發明不限于以下實施例。
[0038](第一實施例)
[0039]圖1是示出第一實施例的半導體存儲裝置的配置的圖。該實施例的半導體存儲裝置包括存儲單元陣列10。存儲單元陣列10包括多個位線(BL0到BLn)和多個字線(WL0到WLn)。可變電阻元件VR被連接在每個位線和每個字線之間。
[0040]作為可變電阻元件VR，例如，可使用雙極型可變電阻元件，通過更改在可變電阻元件的電極之間施加的電壓的極性，可將這種雙極型可變電阻元件的狀態設定為高電阻狀態或低電阻狀態。進一步地，可使用這樣的可變電阻元件:這種可變電阻元件通過沉淀金屬陽離子在電極之間形成導電橋，或者通過電離沉淀的金屬以破壞導電橋來更改電阻值。
[0041]該實施例包括行控制電路20。行控制電路20包括電壓產生電路(22到27)，這些電路根據半導體存儲裝置的每個操作模式產生電壓。待命電壓產生電路22產生待命模式中的電壓待命電壓。例如，高電位側的電源電壓VDD或接地電壓(ground voltage)VSS可被用作待命電壓。
[0042]待命讀電壓產生電路23產生待命讀取(下文稱為SBRD)模式中的電壓SBRD電壓。SBRD模式將在下面描述。作為SBRD電壓，例如，使用比電源電壓VDD低預定電壓的電壓或比接地電壓VSS高預定電壓的電壓。使用SBRD電壓和電源電壓VDD之間的電壓差或SBRD電壓和接地電壓VSS之間的電壓差作為用于讀取選定的存儲單元(下文稱為選定存儲單元)的數據的電壓。在SBRD電壓被施加到選定存儲單元VRl上的情況下，SBRD電壓被設定為這樣的電壓:該電壓使得選定存儲單元VRl的電阻值不被更改，從而防止數據被破壞。待命寫電壓產生電路24產生待命寫入(下文稱為SBWT)模式中的電壓SBWT電壓。SBWT將在下面描述。讀電壓產生電路25產生讀取操作中的電壓READ電壓。寫電壓產生電路26產生寫入操作中的電壓WRITE電壓。預充電電壓產生電路27產生預充電操作中的電壓PRCH電壓。PRCH電壓例如被設定為在電源電壓VDD和接地電壓VSS之間的中間電壓。
[0043]該實施例包括行選擇電路21。行選擇電路21通過控制電路40的控制，將電壓產生電路(22到27)的電壓施加到根據半導體存儲裝置的操作模式選定的字線(WL0到WLn)上。
[0044]該實施例包括列控制電路30。列控制電路30包括電壓產生電路(32到37)，這些電路根據半導體存儲裝置的每個操作模式產生電壓。待命電壓產生電路32產生待命模式中的電壓待命電壓。例如，高電位側的電源電壓VDD或接地電壓VSS可被用作待命電壓。SBRD電壓產生電路33產生SBRD模式中的電壓SBRD電壓。作為SBRD電壓，使用比電源電壓VDD低預定電壓的電壓或比接地電壓VSS高預定電壓的電壓。待命寫電壓產生電路34產生SBWT時的電壓SBWT電壓。讀電壓產生電路35產生讀取操作中的電壓READ電壓。寫電壓產生電路36產生寫入操作中的電壓WRITE電壓。預充電電壓產生電路37產生預充電操作中的電壓PRCH電壓。PRCH電壓例如被設定為在電源電壓VDD和接地電壓VSS之間的中間電壓。
[0045]在待命模式中，待命電壓從行選擇電路21和列選擇電路31被施加到全部字線和全部位線上。例如，高電位側的電源電壓VDD或接地電壓VSS中的一個電壓被施加到全部字線和全部位線上。
[0046]在SBRD模式中，在不進入預充電狀態的情況下，將SBRD電壓從行選擇電路21和列選擇電路31施加到與選定存儲單元相連的字線(下文稱為選定字線)和與選定存儲單元相連的位線(下文稱為選定位線)上。例如，在待命模式中接地電壓VSS被施加到全部字線和全部位線上的狀態下選擇被連接到字線WLO和位線BLl的存儲單元VRl的情況下，僅增加被連接到選定存儲單元VRl的選定字線WLO的電壓，并且SBRD電壓被施加到選定存儲單元VRl上。換言之，僅增加選定字線WLO的電壓，并且電壓SBRD電壓被施加到選定存儲單元VRl上以讀取數據。由于僅增加選定字線WLO的電壓，因此電壓可在短時間內增加。此夕卜，由于在不進入預充電狀態的情況下僅使選定字線WLO增加，因此消除了轉換到SBRD之前的預充電狀態，并且可降低電力消耗。進一步地，在待命模式中高電位側的電源電壓VDD被施加到全部字線和全部位線上的情況下，在SBRD中施加SBRD電壓，SBRD電壓比電源電壓VDD低這樣的電壓:該電壓是將數據從選定存儲單元VRl讀到與選定存儲單元VRl相連的選定位線BLl所需的電壓。因此，SBRD電壓被施加到選定存儲單元VRl上。
[0047]在SBWT模式中，在不進入預充電狀態的情況下，將SBWT電壓從行選擇電路21和列選擇電路31施加到選定字線WLO和選定位線BLl上。例如，在待命模式中接地電壓VSS被施加到全部字線和全部位線上的狀態下選擇被連接到字線WLO和位線BLl的存儲單元VRl的情況下，僅增加被連接到選定存儲單元VRl的選定字線WLO的電壓，并且SBWT電壓被施加到選定存儲單元VRl上。換言之，僅增加選定字線WLO的電壓，并且電壓SBWT電壓被施加到選定存儲單元VRl上以讀取數據。由于僅增加選定字線WLO的電壓，因此電壓可在短時間內增加。此外，由于在不進入預充電狀態的情況下僅使選定字線WLO增加，因此消除了轉換到SBWT之前的預充電狀態，并且可降低電力消耗。進一步地，在SBWT模式中寫入數據例如可在這樣的情況下使用:在此情況下，寫入具有用于將數據“O”或“I”寫入可變電阻元件VR的低電壓的數據。
[0048]在該實施例的半導體存儲裝置中，由于SBRD模式被用于在不進入預充電狀態的情況下將數據從選定存儲單元VRl讀出，因此可執行快速讀取操作。此外，由于在SBRD模式中僅增加選定字線WLO的電壓，因此與通過預充電狀態執行讀取操作的情況相比，可降低電力消耗。進一步地，為了方便起見，行控制電路20的電壓產生電路(22到27)和列控制電路30的電壓產生電路(32到37)被描述為根據各個操作產生預定電壓的單獨的電壓產生電路，但是可以是根據控制電路40的控制產生待命電壓、SBRD電壓、SBffT電壓、READ電壓、WRITE電壓或PRCH電壓的電路配置。
[0049](第二實施例)
[0050]圖2是用于描述第二實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。此驅動方法在狀態轉換圖中示出。在該實施例中，包括從標準模式(100)直接轉換為SBRD模式￠00)的模式(106)，其中讀取選定存儲單元的數據。在SBRD模式(600)中，僅更改被連接到選定存儲單元的選定字線或被連接到選定存儲單元的選定位線中的一者的電壓，以讀取選定存儲單元的數據。進一步地，包括從SBRD模式(600)轉換為待命模式(100)的模式(161)，以及包括從SBRD模式(600)轉換為預充電狀態(200)的模式￠02)。
[0051]在該實施例中，包括從待命模式(100)直接轉換為SBWT模式(700)的模式(107)，其中數據被寫入選定存儲單元。在SBWT模式(700)中，僅更改被連接到選定存儲單元的選定字線和被連接到選定存儲單元的選定位線中的一者的電壓，以將數據寫入選定存儲單元。包括從SBWT模式(700)轉換為待命模式(100)的模式(171)，以及包括從SBWT模式(700)轉換為預充電狀態(200)的模式(702)。
[0052]在該實施例中，包括從預充電狀態(200)轉換為讀取操作(300)的模式(203)。包括從讀取操作(300)轉換為預充電狀態(200)的模式(262)，以及包括從讀取操作(300)轉換為待命模式(100)的模式(301)。
[0053]在該實施例中，包括從預充電狀態(200)轉換為寫入操作(400)的模式(204)。包括從寫入操作(400)轉換為預充電狀態(200)的模式(242)，以及包括從寫入操作(400)轉換為待命模式(100)的模式(401)。
[0054]在該實施例中，包括從待命模式(100)轉換為預充電狀態(200)的模式(101)，以及包括從預充電狀態(200)轉換為待命模式(100)的模式(102)。
[0055]在該實施例中，包括重置全部存儲單元的數據的重置模式(500)。例如，包括通過預充電狀態(200)轉換為重置模式(500)的模式(205)，以及包括在重置模式(500)之后轉換為預充電狀態(200)的模式(252)。此外，包括在重置模式(500)之后轉換為待命模式
(100)的模式(501)。例如，通過從行選擇電路21和列選擇電路31向字線(WL0到WLn)和位線(BL0到BLn)提供WRITE電壓以將數據“O”寫入全部存儲單元，來將“O”寫入所有存儲單元，從而可重置全部存儲單元。
[0056]在該實施例中，包括在不進入預充電狀態(200)的情況下直接讀取選定存儲單元VRl的數據的SBRD模式(600)，以及包括將數據直接寫入選定存儲單元VRl的SBWT模式(700)。因此，數據可被快速地從選定存儲單元VRl讀出，并且數據可被快速地寫入選定存儲單元。進一步地，在控制電路40的控制下，通過借助行選擇電路21和列選擇電路31向字線(WL0到WLn)和位線(BL0到BLn)中的每一個提供對應于每個模式的電壓，從而進行到每個模式的轉換。
[0057](第三實施例)
[0058]圖3是用于描述第三實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。此驅動方法在狀態轉換圖中示出。對應于上述實施例的配置由相同的標號指示。在該實施例中，包括在圖2中描述的各個模式中的待命模式(100)、SBRD模式(600)、預充電狀態(200)、讀取模式(300)和寫入模式(400)。通過僅更改被連接到選定存儲單元VRl的選定字線WLO或被連接到選定存儲單元VRl的選定位線BLl中的一者的電壓，可進行從待命模式(100)到SBRD模式(600)的轉換。
[0059]在該實施例中，包括在不進入預充電狀態(200)的情況下直接讀取選定存儲單元VRl的數據的SBRD模式￠00)。因此，數據可被快速地從選定存儲單元VRl讀出。由于在不進入預充電狀態(200)的情況下進行到SBRD模式(600)的轉換，因此可消除數據被讀出之前的預充電狀態PRCH，并且可降低電力消耗。
[0060](第四實施例)
[0061]圖4是用于描述第四實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。在該實施例中，在提供待命模式STBY、SBRD模式SBRD、寫入模式WRITE、讀取模式READ、以及預充電狀態PRCH的情況下提供了一種驅動方法的實施例。該實施例是與圖3的狀態轉換圖中示出的實施例對應的驅動方法的實施例。
[0062]在待命模式中，接地電壓VSS被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上。在從待命模式轉換為SBRD模式，并且讀取選定存儲單元VRl的數據的情況下，SBRD電壓VSBRD被施加到與選定存儲單元VRl相連的選定字線WLO上。SBRD電壓VSBRD被設定為這樣的電壓:該電壓使得選定存儲單元VRl的電阻值不被更改，從而防止數據被破壞。此外，SBRD電壓VSBRD的施加時間被設定為這樣的時間:該時間不會由于施加SBRD電壓VSBRD而導致存儲單元VRl的電阻值的更改。
[0063]在該實施例中，在SBRD模式之后進行到預充電狀態的轉換。例如，行控制電路20的預充電電壓產生電路27的預充電電壓PRCH電壓通過行選擇電路21被施加到全部字線(WL0到WLn)上。此外，同時，列控制電路30的預充電電壓產生電路37的預充電電壓PRCH電壓通過列選擇電路31被施加到全部位線(BL0到BLn)上。
[0064]在將數據“ I”寫入選定存儲單元VRl的情況下，例如，電源電壓VDD作為WRITE電壓被施加到選定字線WLO上。同時，接地電壓VSS作為WRITE電壓被施加到選定位線BLl上。因此，在選定存儲單元VRl的兩端之間施加與電源電壓VDD相同的電壓。通過施加與電源電壓VDD相同的電壓，更改選定存儲單元VRl的電阻值，可寫入數據“ I ”。
[0065]在數據“ I ”被寫入選定存儲單元VRl之后，預充電電壓VPRCH被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上，以轉換為預充電狀態。
[0066]接下來，在將數據“O”寫入選定存儲單元VRl的情況下，例如，接地電壓VSS被施加到選定字線WLO上。同時，電源電壓VDD被施加到選定位線BLl上。因此，在選定存儲單元VRl的兩端之間施加這樣的電壓:該電壓的充電極性與寫入數據“I”(具有等于電源電壓VDD的絕對值)的情況下的電壓的極性相反。因此，更改選定存儲單元VRl的電阻值，從而可寫入數據“O”。
[0067]在數據“O”被寫入選定存儲單元VRl之后，預充電電壓PRCH電壓被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上，以轉換為預充電狀態。
[0068]接下來，進行到用于讀取選定存儲單元VRl的數據的讀取模式READ的轉換。在讀取模式READ中，讀出電壓VREADW被施加到與選定存儲單元VRl相連的選定字線WLO上。同時，讀出電壓VREADB被施加到與選定存儲單元VRl相連的選定位線BLl上。例如，被施加到選定字線WLO上的讀出電壓VREADW是略高于預充電電壓VPRCH的電壓，被施加到選定位線BLO上的讀出電壓VREADB是略低于預充電電壓VPRCH的電壓。被施加到選定字線WLO上的讀出電壓VREADW和被施加到選定位線BLl上的讀出電壓VREADB之間的電壓差被設定為這樣的范圍:在此范圍內，更改選定存儲單元VRl的電阻值，以防止數據被破壞。
[0069]在該實施例中，包括SBRD模式，在該模式中，僅通過從待命模式STBY (其中接地電壓VSS被施加到全部字線和全部位線上)起更改選定字線WLO的電壓來將數據從選定存儲單元VRl讀出。因此，在不進入預充電狀態的情況下，可快速地讀取選定存儲單元VRl的數據。此外，由于在不進入預充電狀態的情況下進行到SBRD模式的轉換，因此可以降低進入預充電狀態所導致的電力消耗。
[0070](第五實施例)
[0071]圖5是用于描述第五實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。在該實施例中，在SBRD模式中，將非選定位線的電位增加電壓AV。因此，由于被連接到非選定可變電阻元件VR的非選定位線(BLl到BLn)和選定字線WLO之間的電壓差變小，所以可降低電力消耗。
[0072]盡管將非選定位線的電位增加電壓AV以在非選定位線和非選定字線之間產生電壓差，但是通過使用具有非線性特征的可變電阻元件(其中電流不會在小電壓下流動)，可以避免施加電壓AV而導致的電流流過非選定位線和非選定字線之間的非選定可變電阻元件。SBRD模式之后的操作模式轉換與第四實施例的情況類似。
[0073]在該實施例中，在SBRD模式中，將非選定位線的電位增加電壓△ V。因此，由于被連接到非選定可變電阻元件VR的非選定位線和選定字線之間的電壓差變小，所以可降低電力消耗。可抑制SBRD模式中的電力消耗。
[0074](第六實施例)
[0075]圖6是用于描述第六實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。在該實施例中，在待命模式中，電源電壓VDD被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上。
[0076]在該實施例中，在SBRD模式中，只有被連接到選定存儲單元VRl的選定位線BLl的電壓降低為SBRD電壓VSBRD。因此，在選定存儲單元VRl的兩端產生電壓差(VDD-VSBRD)，并且通過電壓差讀取選定存儲單元VRl的數據。
[0077]在下文中，通過預充電狀態、數據(I)的WRITE(I)、預充電狀態、數據(O)的WRITE(O)、預充電狀態、以及讀取模式READ進行到待命模式的轉換。
[0078]在該實施例中，在其中電源電壓VDD被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上的待命模式之后包括SBRD模式，并且在SBRD模式中，通過僅更改選定位線BLl的電壓來將數據從選定存儲單元VRl讀出。因此，在不進入預充電狀態的情況下，可快速地讀取選定存儲單元VRl的數據。此外，由于直接進行從待命模式到SBRD模式的轉換，因此可以降低進入預充電狀態所導致的電力消耗。
[0079](第七實施例)
[0080]圖7是用于描述第七實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。在該實施例中，在SBRD模式中，將非選定字線(WLl到WLn)的電位降低或減少電壓AV。因此，由于被連接到非選定可變電阻元件VR的非選定字線(WLl到WLn)和選定位線BLl之間的電壓差變小，所以可降低電力消耗。
[0081]盡管將非選定字線的電位降低電壓AV以產生非選定字線和非選定位線之間的電壓差，但是通過使用具有非線性特征的可變電阻元件(其中電流不會在小電壓下流動)，可以避免施加在非選定字線和非選定位線之間所產生的電壓差AV而導致的電流流過非選定可變電阻元件。SBRD模式之后的操作模式轉換與第六實施例的情況類似。
[0082]在該實施例中，在SBRD模式中，將非選定字線的電位降低這樣的電壓:該電壓不會導致可變電阻元件的電阻值變化。因此，在SBRD模式中，可降低電力消耗。
[0083](第八實施例)
[0084]圖8是用于描述第八實施例的半導體存儲裝置的驅動方法的圖。在該實施例中，在待命模式之后，包括SBWT模式，在SBWT中，數據“I”被寫入選定存儲單元。換言之，在其中接地電壓VSS被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上的待命模式之后包括SBWT模式，并且在SBWT模式中，通過將增加的SBWT電壓VSBWT施加到選定字線WLO上，將數據寫入選定存儲單元VRl。
[0085]在以不同的電壓將數據“O”和“I”寫入可變電阻元件的情況下，可在需要較低的寫電壓的數據被寫入時使用SBWT模式。
[0086]在SBWT模式之后，進行到預充電狀態的轉換。在預充電狀態下，預充電電壓VPRCH被施加到全部字線(WL0到WLn)和全部位線(BL0到BLn)上。
[0087]接下來，數據“O”被寫入選定存儲單元VR1。接地電壓VSS作為寫電壓被施加到選定字線WLO上，并且電源電壓VDD作為寫電壓被施加到選定位線BLl上，以便將數據“O”寫入選定存儲單元VRl。
[0088]在數據“ O ”被寫入之后，進行到預充電狀態的轉換。在預充電狀態下，預充電電壓VPRCH通過行選擇電路21被施加到全部字線(WL0到WLn)，并且預充電電壓VPRCH從列選擇電路21被施加到全部位線(BL0到BLn)上。
[0089]在讀取模式READ下，讀出電壓VREADW被施加到選定字線WLO上，并且讀出電壓VREADB被施加到選定位線BLl上。讀出電壓VREADW是略高于預充電電壓VPRCH的電壓，讀出電壓VREADB是略低于預充電電壓VPRCH的電壓。讀出電壓VREADW和讀出電壓VREADB之間的電壓差(VREADW-VREADB)被用于將數據從選定存儲單元VRl讀出。
[0090]根據該實施例，包括SBWT模式，其中在不從待命模式進入預充電狀態的情況下將數據直接寫入選定存儲單元VRl。因此，在不進入預充電狀態的情況下，可快速地將數據寫入選定存儲單元VR1。此外，由于直接從待命模式轉換為SBWT模式，因此可以降低進入預充電狀態所導致的電力消耗。
[0091]圖9是用于描述可變電阻元件的特征的圖。水平軸指示電壓施加時間(t)，垂直軸指示電阻(R)。作為充當上述實施例的存儲單元的可變電阻元件VR的特征，例如，在可變電阻元件VR的兩端之間施加高電壓(例如，電源電壓VDD)的情況下，電阻值在時間tl處增加，如實線⑴所示。在可變電阻元件VR的兩端之間施加低電壓(例如，電源電壓VDD和接地電壓VSS之間的中間電壓)的情況下，電阻值在時間t2處增加，如實線(ii)所示。因此，可根據所施加的電壓以及施加時間的設定將對應于電阻值的數據寫入選定存儲單元VRl0
[0092](第九實施例)
[0093]圖10是示出感測放大器的實施例的圖，該感測放大器可被用于讀取在上述實施例中被寫入選定存儲單元的數據。該實施例的感測放大器包括端子92，該端子被連接到選定存儲單元80的一端。選定字線的電壓VWL被施加到端子92上。端子94被連接到空單元(dummy cell)81的一端。空單元81具有對應于預定數據“I”或“O”的電阻值。作為空單元81，可變電阻元件VR以類似于選定存儲單元80的方式被使用。選定字線的電壓VWL被施加到端子94上。
[0094]選定存儲單元80的另一端被連接到NMOS晶體管60的漏極和柵極。NMOS晶體管61的柵極被連接到NMOS晶體管60的柵極。NMOS晶體管60和61充當電流鏡電路(currentmirror circuit)。NMOS晶體管60的源極被連接到NMOS晶體管71的漏極。NMOS晶體管61的源極被連接到NMOS晶體管72的漏極。
[0095]空單元81的另一端被連接到NMOS晶體管63的漏極和柵極。NMOS晶體管62的柵極被連接到NMOS晶體管63的柵極。NMOS晶體管62和63充當電流鏡電路。NMOS晶體管63的源極被連接到NMOS晶體管74的漏極。NMOS晶體管62的源極被連接到NMOS晶體管73的漏極。NMOS晶體管71到74的柵極被連接到端子70。控制信號S/A被施加到端子70以控制感測放大器的操作。當控制信號S/A處于H電平時，操作感測放大器以執行讀取操作。NMOS晶體管(71到74)的源極被連接到端子75。在選定位線BLl上施加的電壓VBL被施加到端子75上。
[0096]NMOS晶體管62的漏極被連接到PMOS晶體管91的漏極。NMOS晶體管61的漏極被連接到PMOS晶體管90的漏極和柵極。PMOS晶體管90的柵極被連接到PMOS晶體管91的柵極。PMOS晶體管90和91充當電流鏡電路。PMOS晶體管(90和91)的源極被連接到端子93。電源電壓VDD被施加到端子93上。
[0097]在執行讀取操作(SBRD和READ)時，被施加到端子70的控制信號S/A達到H電平。NMOS晶體管71到74通過控制信號S/A而被接通，并且電流被提供給選定存儲單元80和空單元81。端子95的輸出電壓根據選定存儲單元80和空單元81之間的電阻值差異而不同。在選定存儲單元80的電阻小于空單元81的電阻的情況下，充當電流鏡電路的PMOS晶體管90和PMOS晶體管91的柵電壓降低，PMOS晶體管91的漏電壓增加，并且端子95的電壓達到高電平。相反地，在選定存儲單元80的電阻大于空單元81的電阻的情況下，充當電流鏡電路的PMOS晶體管90和PMOS晶體管91的柵電壓增加，并且PMOS晶體管91的漏電壓降低，從而端子95的電壓達到低電平。由于可通過測定端子95的電壓來獲取選定存儲單元80的電阻值和空單元81的電阻值之間的大小關系，因此可讀取被寫入選定存儲單元80的數據。
[0098]盡管已經描述了特定實施例，但是這些實施例僅通過舉例的方式給出，并非旨在限制本發明的范圍。實際上，此處描述的新穎實施例可通過多種其它形式體現；而且，在不偏離本發明的精神的情況下，可對此處描述的實施例的形式做出各種省略、替換和更改。所附權利要求及其等同物旨在涵蓋這些將落在本發明的范圍和精神內的形式或修改。
【主權項】
1.一種半導體存儲裝置，其配備可變電阻元件作為存儲元件，所述可變電阻元件被連接在字線和位線之間，以根據在所述字線和所述位線之間施加的電壓的極性和所述電壓的大小更改電阻值，所述半導體存儲裝置包括: 待命模式，其將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上; 數據寫入模式，其通過在所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓以更改所述存儲元件的電阻值，來將數據寫入所述存儲元件；以及 讀取模式，其通過在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，來讀取被寫入所述存儲元件的數據，其中通過更改在所述待命模式中施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，從所述待命模式轉換為所述讀取模式。2.根據權利要求1所述的半導體存儲裝置，其中 在所述待命模式中，所述接地電壓被施加到所述字線和所述位線上，并且在所述讀取模式中，比所述接地電壓高預定電壓的電壓被施加到所述字線上，以在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓。3.根據權利要求1所述的半導體存儲裝置，其中 在所述待命模式中，所述高電位側的所述電源電壓被施加到所述字線和所述位線上，并且在所述讀取模式中，比所述電源電壓低預定電壓的電壓被施加到所述位線上，以在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓。4.根據權利要求1所述的半導體存儲裝置，其中 所述數據寫入模式包括第一寫入模式和第二寫入模式，在所述第一寫入模式中，通過將所述高電位側的所述電源電壓施加到所述字線上以及將所述接地電壓施加到所述位線上來寫入第一數據，在所述第二寫入模式中，通過將所述接地電壓施加到所述字線上以及將所述高電位側的所述電源電壓施加到所述位線上來寫入第二數據。5.根據權利要求1所述的半導體存儲裝置，其中 所述數據寫入模式包括第三寫入模式和第四寫入模式，在所述第三寫入模式中，通過在所述可變電阻元件的兩端之間施加等于或大于所述第一電壓的電壓以更改所述可變電阻元件的電阻值，來寫入對應于第一數據的數據，在所述第四寫入模式中，通過在所述可變電阻元件的兩端之間施加低于所述第一電壓的電壓以更改所述可變電阻元件的電阻值，來寫入對應于第二數據的數據，并且 在所述待命模式中施加的所述字線和所述位線的一個電壓被更改，以在所述可變電阻元件的兩端之間施加小于所述第一電壓的電壓，以便從所述待命模式直接轉換為所述第四寫入模式。6.一種半導體存儲裝置的驅動方法，該半導體存儲裝置配備可變電阻元件作為存儲元件，所述可變電阻元件被連接在字線和位線之間以根據在所述字線和所述位線之間施加的電壓的極性和所述電壓的大小更改電阻值，所述驅動方法包括: 在待命模式中，將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上; 在所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓，以將數據寫入所述存儲元件；以及 在讀取模式中，在所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，以讀取被寫入所述存儲元件的數據，其中通過更改在所述待命模式的狀態下施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，從所述待命模式轉換為所述讀取模式。7.根據權利要求6所述的半導體存儲裝置的驅動方法，其中 施加小于所述第一電壓的電壓包括:將所述字線的電壓增加到比所述接地電壓高預定電壓的電壓，其中在所述待命模式中，所述接地電壓被施加到所述字線和所述位線上。8.根據權利要求6所述的半導體存儲裝置的驅動方法，其中 施加小于所述第一電壓的電壓包括:將所述位線的電壓降低到比所述電源電壓低預定電壓的電壓，其中在所述待命模式中，所述高電位側的所述電源電壓被施加到所述字線和所述位線上。9.根據權利要求8所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在施加電壓以讀取被寫入所述存儲元件的數據之后，將預充電電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上。10.根據權利要求9所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在將所述預充電電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上之后，在所述字線和所述位線之間施加等于或大于所述第一電壓的電壓，以將數據寫入所述存儲元件。11.根據權利要求6所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括 在用于將第一數據寫入所述可變電阻元件的電壓不同于用于將第二數據寫入所述可變電阻元件的電壓的情況下，以及在將通過用于寫入所述第一數據和所述第二數據的電壓之間的較低電壓而寫入的數據寫入所述可變電阻元件的情況下，更改被施加到所述字線和所述位線上的電壓中的一者的電壓以將所述第一數據或所述第二數據寫入所述可變電阻元件，以便從所述待命模式進行轉換。12.根據權利要求11所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在更改被施加到所述字線和所述位線上的電壓中的一者的電壓之后，將預充電電壓施加到所述字線和所述位線這兩者上。13.根據權利要求12所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在將所述預充電電壓施加到所述字線和所述位線上之后，在所述字線和所述位線之間施加等于或大于所述第一電壓的電壓，以將數據寫入所述存儲元件。14.根據權利要求6所述的半導體存儲裝置的驅動方法，其中 所述半導體存儲裝置包括多個字線、多個位線、以及多個可變電阻元件，所述可變電阻元件相應地連接到所述字線和所述位線并且通過施加到其兩端上的電壓而更改電阻值， 在所述待命模式中，所述高電位側的所述電源電壓或所述接地電壓被施加到所有多個字線和所有多個位線這兩者上， 施加電壓以寫入包括:在所述多個字線和所述多個位線中的被連接到在所述多個可變電阻元件中選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線之間施加等于或大于所述第一電壓的電壓，其中 施加電壓以讀取包括:更改所述多個字線和所述多個位線中的被連接到在所述多個可變電阻元件中選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線中的一者的電壓。15.根據權利要求14所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在施加電壓以讀取時，在所述待命模式中所述接地電壓被施加到所述多個字線和所述多個位線上的情況下，將除了連接到所述選定的可變電阻元件的所述位線之外的位線的電壓增加預定電壓。16.根據權利要求14所述的半導體存儲裝置的驅動方法，進一步包括在施加電壓以讀取時，在所述待命模式中所述高電位側的所述電源電壓被施加到所述多個字線和所述多個位線上的情況下，將除了連接到所述選定的可變電阻元件的所述字線之外的字線的電壓降低預定電壓。17.一種半導體存儲裝置，其包括: 多個字線； 多個位線； 多個可變電阻元件，所述多個可變電阻元件中的每一個相應地連接到所述字線和所述位線并且通過施加到其兩端上的電壓而更改電阻值；以及 控制電路，其將預定電壓施加到所述多個字線和所述多個位線，其中 所述控制電路被配置為: 在待命模式中，將高電位側的電源電壓或接地電壓施加到所述多個字線和所述多個位線這兩者上； 在連接到選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線之間施加等于或大于第一電壓的電壓，以將數據寫入所述選定的可變電阻元件；以及 在讀取模式中，在被連接到所述選定的可變電阻元件的所述字線和所述位線之間施加小于所述第一電壓的電壓，以讀取被寫入所述選定的可變電阻元件的數據，其中所述控制電路進行控制以更改在所述待命模式中被施加的所述字線和所述位線中的一者的電壓，以便從所述待命模式轉換為所述讀取模式。18.根據權利要求17所述的半導體存儲裝置，其中 在所述待命模式中所述高電位側的所述電源電壓被施加到所述多個字線和所述多個位線上的情況下，所述控制電路在所述讀取模式中將除了被連接到所述選定的可變電阻元件的所述字線之外的字線的電壓降低預定電壓。19.根據權利要求17所述的半導體存儲裝置，其中 在所述待命模式中所述接地電壓被施加到所述多個字線和所述多個位線上的情況下，所述控制電路在所述讀取模式中將除了被連接到所述選定的可變電阻元件的所述位線之外的位線的電壓增加預定電壓。20.根據權利要求17所述的半導體存儲裝置，其中 在用于將第一數據寫入所述可變電阻元件的電壓不同于用于將第二數據寫入所述可變電阻元件的電壓的情況下，以及在將通過用于寫入所述第一數據和所述第二數據的電壓之間的較低電壓而寫入的數據寫入所述選定的可變電阻元件的情況下，所述控制電路更改在所述待命模式中被施加于連接到所述選定的可變電阻元件的所述字線或連接到所述選定的可變電阻元件的所述位線上的電壓中的一者的電壓。
【文檔編號】G11C7/12GK105976854SQ201510547973
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年8月31日
【發明人】宮崎隆行, 市原玲華, 杉前紀久子, 巖田佳久
【申請人】株式會社東芝