JP2004234816A - Semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流を流すことにより記憶素子に情報を書き込む半導体記憶装置に関し、特に、電流を流すことにより発生した磁界によりトンネル磁気抵抗素子に情報を書き込む半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device that writes information to a memory element by flowing a current, and more particularly to a semiconductor memory device that writes information to a tunnel magnetoresistive element by a magnetic field generated by flowing a current.
近年、携帯電話等の急速な普及により、不揮発、大記憶容量、低電圧動作、低消費電力特性を持つメモリの需要が高まっている。MRAM(磁気ランダムアクセスメモリー)は、これらの特性を備えたメモリとして期待されている。MRAMの記憶素子はTMR(トンネル磁気抵抗)素子で構成され、各TMR素子は、例えば図16に示すような構成となっている。TMR素子は、順次に固定強磁性層(ピン層)901、トンネル絶縁層902、および自由強磁性層(フリー層)903を積層することにより構成されている。上記ピン層901の磁化の向きは、製造時に固定されている。これに対して、フリー層903の磁化方向は配線電流の生成する磁場により反転可能になっており、例えば、TMR素子の上下に配置されているビット線BLとワード線WLに流れる電流の生成する磁場により反転することができる。その磁化の向きによって「1」または「0」が割り当てられている。ピン層901とフリー層903の磁化の相対方向が平行な時(図16での「0」)は電気抵抗が小さく、反平行な時(図16での「1」)は電気抵抗が大きいため、この電気抵抗の差を検出することにより、記憶素子の状態を読み出すことが可能である。 In recent years, with the rapid spread of mobile phones and the like, there is an increasing demand for memories having nonvolatile characteristics, large storage capacity, low voltage operation, and low power consumption characteristics. MRAM (Magnetic Random Access Memory) is expected as a memory having these characteristics. The memory element of the MRAM is composed of a TMR (tunnel magnetoresistive) element, and each TMR element has a structure as shown in FIG. 16, for example. The TMR element is configured by sequentially laminating a fixed ferromagnetic layer (pinned layer) 901, a tunnel insulating layer 902, and a free ferromagnetic layer (free layer) 903. The magnetization direction of the pinned layer 901 is fixed at the time of manufacture. On the other hand, the magnetization direction of the free layer 903 can be reversed by a magnetic field generated by the wiring current. For example, the current flowing through the bit line BL and the word line WL disposed above and below the TMR element is generated. It can be reversed by a magnetic field. “1” or “0” is assigned depending on the magnetization direction. When the relative directions of magnetization of the pinned layer 901 and the free layer 903 are parallel (“0” in FIG. 16), the electric resistance is small, and when the relative directions are antiparallel (“1” in FIG. 16), the electric resistance is large. By detecting this difference in electrical resistance, the state of the memory element can be read out.
このような構成のTMR素子をメモリセルとして使用する半導体記憶装置は、図17(A)のように、複数個のメモリセル904がマトリックス状に配置された構成を持ち、各メモリセルの上方において、横方向に延びる複数本のビット線BL905と、各メモリセルの下方において、縦方向に延びる複数本のワード線WL906と、を構成要素としている。各メモリセル904は、上記TMR素子により構成されており、選択セルの上下に存在するビット線BLとワード線WLに電流が流れた時、それぞれの電流が生成する磁場HY ,HX の組み合わせが所定の条件を満たした時、フリー層の磁化方向が反転され得るようになっている。この磁化反転に必要な最低磁場の組み合わせは、図17(B)に示すような、アステロイドカーブと呼ばれる曲線を成す(図17(B)では、「0」から「1」への反転を考えている)。アステロイド曲線の外側(“Reversal”領域及び“Multiple Write”領域)の磁場を加えれば、選択セルSに対して書込みが行われる。例えば、図17(B)において、X方向磁場HDX、Y方向磁場HDYを加えると、選択セルSにおける磁場ベクトル(HX ,HY)=(HDX,HDY)は反転領域にあるため、磁化反転がおきる。つまり、その磁化の向きを反転させることにより、「0」または「1」のデータ書込を行なうことができるようになっている。またこのとき、選択ビット線上、選択ワード線上の非選択メモリセルUX ,UY においては、アステロイドカーブの内側(“Retention”領域)に収まるような磁場HDXのみ、またはHDYのみが存在するため、磁化反転は起きない。つまり、選択的書込みが行われる。
A semiconductor memory device using the TMR element having such a configuration as a memory cell has a configuration in which a plurality of
図17(B)における磁場(HX ,HY)は、Ampereの法則(I=H/2πr、rは配線中心と磁性体中心間の距離)により、ワード線電流IDY、ビット線電流IDXについて書き直すことが出来る。書き直した結果を図17(C)に示す。ワード線電流IDY、ビット線電流IDX電流を流すと、選択セルSにおける電流の組み合わせ(IBL,IWL)=(IDX,IDY)は反転領域にあるため、磁化反転がおきる。つまり、その磁化の向きを反転させることにより、「0」または「1」のデータ書込を行なうことができるようになっている。またこのとき、選択ビット線上、選択ワード線上の非選択メモリセルUX ,UY においては、アステロイドカーブの内側(「保持」領域)に収まるような電流IDX,IDYのみが流れるため、磁化反転は起きない。つまり、選択的書込みが行われる。 The magnetic fields (H X , H Y ) in FIG. 17B are based on the Ampere's law (I = H / 2πr, r is the distance between the wiring center and the magnetic material center), and the word line current I DY and the bit line current I You can rewrite about DX . The rewritten result is shown in FIG. Word line current I DY, the flow bit line current I DX current, a combination of the current in the selected cell S (I BL, I WL) = (I DX, I DY) Because in the inversion region, the magnetization reversal occurs. In other words, data reversal of “0” or “1” can be performed by reversing the magnetization direction. At this time, only the currents I DX and I DY that fit inside the asteroid curve (the “hold” region) flow in the non-selected memory cells U X and U Y on the selected bit line and the selected word line. Magnetization reversal does not occur. That is, selective writing is performed.
ところがMRAMの場合は、図17(A)が示すように、選択ビット線BL905と選択ワード線WL906には非選択セルが多数接続されているため、配線に電流が流れるとこれらの非選択セルが擾乱磁場を受けることになる。例えば、図17(C)における格子模様の領域(“Multiple Write”領域)にある書込電流を流すと、非選択メモリセルUX での電流IBL,非選択メモリセルUY での電流IWLはアステロイドカーブの外側に出るため、非選択メモリセルUX ,UY に対しても書込みが行われる。つまり、誤書込みが起こる。従って、選択的書込みを行なうためには、図17(C)における白抜き部分“Reversal”領域内の電流を流す必要があり、書込電流値の正確な調整が必要である。 However, in the case of the MRAM, as shown in FIG. 17A, since many non-selected cells are connected to the selected bit line BL905 and the selected word line WL906, when a current flows through the wiring, these non-selected cells You will receive a disturbing magnetic field. For example, when a write current in the lattice pattern region (“Multiple Write” region) in FIG. 17C is passed, current I BL in unselected memory cell U X , current I in unselected memory cell U Y Since WL goes outside the asteroid curve, writing is also performed on the unselected memory cells U X and U Y. That is, erroneous writing occurs. Therefore, in order to perform selective writing, it is necessary to pass the current in the white portion “Reversal” region in FIG. 17C, and it is necessary to accurately adjust the write current value.
なお、本発明に関連する先行技術文献として以下のものがある。
磁性体の磁化反転時間は1ナノ秒以下と高速であることから、MRAMは高速書込みが原理的に可能であることが、その長所の一つとなっている。しかし、上記従来の技術で説明したように、MRAMの書込電流は正確である必要があるため、書込電流源としては、定電流源を使う必要がある。ところが、上記のような従来の定電流書込回路では、書込電流源がオンされた直後では、配線およびセレクタに存在する寄生キャパシタに電荷が蓄積されるために、実際に選択ビット線BL905及び選択ワード線WL906の選択セルの位置に定電流が流れるまでに一定の時間が必要であった。このため、書込み時の消費電力が増大する問題を有していた。この問題を、図18〜21を用いて説明する。図18はメモリセルアレイ(図では4×4のセルを表示)であり、X側、Y側にそれぞれ定電流源回路が用意されている。理想的には図19(A)で示すように、この定電流源が出力する定電流ICX,ICYはアレイ内でもそのまま定電流IAX,IAYとして流れる。このため、瞬時に書込電流が立ち上げることが期待される。しかし、実際の回路には、図18に示すような寄生キャパシタCLX,CLY,CX1,…,CXm,CY1,…,CYmが存在する(m行m列アレイの場合)。そのため定電流源が、アレイ外においては定電流ICX,ICYを流しても、アレイ内での電流は、特に電流を流した直後において上記の寄生キャパシタを充電するために費やされるため、電流波形は図19(B)のように鈍る。特にMRAMの場合は、特定の値以下の電流は書込能力を有さないため、電流値が必要な値になるまで待たなくてはならない。このため、高速な書込みが難しくなるばかりでなく、図19(B)斜線部のように無駄な電流が生じる。このため、特にMRAMの場合は書込電流値が大きい(数mA)ことを反映して、消費電力が増大してしまうという難点があった。 Since the magnetization reversal time of the magnetic material is as high as 1 nanosecond or less, one of the advantages of MRAM is that high-speed writing is possible in principle. However, as described in the above prior art, since the write current of the MRAM needs to be accurate, it is necessary to use a constant current source as the write current source. However, in the conventional constant current write circuit as described above, immediately after the write current source is turned on, charges are accumulated in the parasitic capacitors existing in the wiring and the selector. A certain time is required until a constant current flows to the position of the selected cell of the selected word line WL906. For this reason, there has been a problem that power consumption during writing increases. This problem will be described with reference to FIGS. FIG. 18 shows a memory cell array (4 × 4 cells are shown in the figure), and constant current source circuits are prepared on the X side and the Y side, respectively. Ideally, as shown in FIG. 19A, the constant currents ICX and ICY output from the constant current source flow as constant currents IAX and IAY as they are in the array. For this reason, it is expected that the write current rises instantaneously. However, in an actual circuit, there exist parasitic capacitors CLX, CLY, CX1,..., CXm, CY1,... CYm as shown in FIG. Therefore, even if the constant current source supplies the constant currents ICX and ICY outside the array, the current in the array is consumed to charge the parasitic capacitor immediately after the current is supplied. It becomes dull as shown in FIG. In particular, in the case of MRAM, since a current below a specific value does not have a writing capability, it is necessary to wait until the current value becomes a required value. For this reason, not only high-speed writing becomes difficult, but a wasteful current is generated as shown by the hatched portion in FIG. For this reason, particularly in the case of the MRAM, there is a problem that the power consumption increases due to the fact that the write current value is large (several mA).
この問題は、メモリの容量が大きくなるに従って顕著になる。図20は、大記憶容量アレイに従来型の定電流源回路を用いて電流を流す時の構成を示すブロック図である。大記憶容量アレイは、N×M個の小アレイで構成されているとする。メモリ占有面積を大きくするために、X側の電流源は同一行の小アレイM個に対して書込みを行い、Y側の電流源は同一列の小アレイN個に対して書込みを行なう構成になっている。このため、例えばX側の書込電流に関しては、小アレイ(1,1)に電流を流す場合の電流経路Iと、小アレイ(1,M)に電流を流す場合の電流経路Mは、電流経路の長さが異なる。これらの電流経路には配線抵抗Rp 、寄生キャパシタCp が付随するため、定電流を流す場合でも、大体時定数Δt=Cp Rp で与えられる遅延時間が生じる。電流経路が異なると、配線抵抗と寄生キャパシタが異なるのはもちろん、配線電位が異なることによって、寄生キャパシタに充電するのに必要な電荷量も異なってくる。この違いを、図21を用いて説明する。終端電位をV0 、小アレイ921とセレクタ922の合成抵抗をr、小アレイ921とセレクタ922の合成寄生キャパシタの容量をCA とし、小アレイk(1<k<M)を選択したとすると、電流Iを流す時に寄生キャパシタに蓄積される電荷量は、
This problem becomes more prominent as the memory capacity increases. FIG. 20 is a block diagram showing a configuration when a current is supplied to a large storage capacity array using a conventional constant current source circuit. It is assumed that the large storage capacity array is composed of N × M small arrays. In order to increase the memory occupation area, the current source on the X side writes to the M small arrays in the same row, and the current source on the Y side writes to the N small arrays in the same column. It has become. For this reason, for example, with respect to the X-side write current, the current path I when a current is passed through the small array (1, 1) and the current path M when a current is passed through the small array (1, M) are: The length of the route is different. Since these current paths are accompanied by the wiring resistance Rp and the parasitic capacitor Cp, a delay time given by the time constant Δt = Cp Rp is generated even when a constant current is passed. When the current path is different, not only the wiring resistance and the parasitic capacitor are different, but also the amount of electric charge required to charge the parasitic capacitor is different depending on the wiring potential. This difference will be described with reference to FIG. The terminal potential V 0, the combined resistance of the
しかしながら、従来型の定電流源を用いただけでは、選択アレイの場所に依存する寄生キャパシタの影響を最小化し、短時間で書込電流を流すことは困難であった。また、寄生キャパシタの容量の大きさは書込電流値にも依存するため、実際に流す電流値に従って寄生キャパシタの影響を最小化し、短時間で書込電流を流すことは困難であった。さらに、実際に付随する寄生キャパシタはチップによって異なる可能性があるため、寄生キャパシタの影響を最小化して短時間で書込電流を流すことは困難であった。 However, it is difficult to flow the write current in a short time by minimizing the influence of the parasitic capacitor depending on the location of the selected array only by using the conventional constant current source. Further, since the size of the capacitance of the parasitic capacitor also depends on the write current value, it is difficult to minimize the influence of the parasitic capacitor in accordance with the actual current value to flow and to flow the write current in a short time. Furthermore, since the parasitic capacitor that actually accompanies may vary from chip to chip, it is difficult to minimize the influence of the parasitic capacitor and allow the write current to flow in a short time.
本発明は、寄生キャパシタにより書込電流が所定値に達するまでの時間が長引くことを防止することにより、書込み速度を速め、消費電力を削減することを目的とする。 An object of the present invention is to increase the writing speed and reduce the power consumption by preventing the parasitic capacitor from prolonging the time until the write current reaches a predetermined value.
上記の課題を解決するために、本発明の半導体記憶装置は、書込電流源路が、書込スタンバイ時に電荷を蓄積し、書込動作時に前記電荷が瞬間的に開放される回路(以下、ブースト回路と呼ぶ)を有する構成とする。本ブースト回路を用いることで、配線やセレクタゲートに存在する寄生キャパシタを瞬間的に充電することができ、その結果、ブースト回路と別個に存在する定電流源回路から流れる電流が寄生キャパシタに対して充電する量を小さくすることができるため、書込電流は短時間で立ち上がることが可能になる。結果的に短時間で書き込むことができ、電力消費量の増大を防ぐことができる。 In order to solve the above problems, a semiconductor memory device of the present invention is a circuit in which a write current source path accumulates charges during a write standby and instantaneously releases the charges during a write operation (hereinafter, referred to as a circuit). (Referred to as a boost circuit). By using this boost circuit, it is possible to instantaneously charge the parasitic capacitor that exists in the wiring and selector gate. As a result, the current flowing from the constant current source circuit that exists separately from the boost circuit flows to the parasitic capacitor. Since the amount to be charged can be reduced, the write current can rise in a short time. As a result, writing can be performed in a short time, and an increase in power consumption can be prevented.
また、本半導体記憶装置のブースト回路は、複数個のブースト用キャパシタとキャパシタセレクタから成り、セルアレイの場所や電流値によって容量を選択可能な構成となっているため、任意のセル、任意の電流についての書込みにおいて効果を持たせることができる構成となっている。 The boost circuit of the semiconductor memory device includes a plurality of boost capacitors and a capacitor selector, and has a configuration in which the capacitance can be selected depending on the location of the cell array and the current value. It is the structure which can give an effect in writing.
さらに本半導体記憶装置のブースト回路は、上記のブースト用キャパシタを選択パターンに従って等比級数的に分割しているため、最大ブースト時(最遠方アレイ書込み、最大電流)にブースト用キャパシタキャパシタが全て使用される構成となっている。このため、ブースト用キャパシタの占有面積に無駄が生じることがないため、アレイ占有面積を高めることが出来る。 Furthermore, the boost circuit of this semiconductor memory device divides the boost capacitor in a geometric series according to the selection pattern, so that all the capacitor capacitors for boost are used at the time of maximum boost (farthest array write, maximum current). It becomes the composition which is done. For this reason, there is no waste in the area occupied by the boost capacitor, and the area occupied by the array can be increased.
本発明によれば、情報を記憶する記憶素子と、電流を流すことにより前記記憶素子に情報を書き込むために設けられた定電流源と、前記記憶素子に関連した所定位置において、前記定電流源により流された電流の量が前記記憶素子に情報を書き込むために必要な電流の量に達するまでの間に、寄生キャパシタを充電するためのブースト回路と、を備えることを特徴とする半導体記憶装置が提供される。 According to the present invention, a storage element for storing information, a constant current source provided for writing information to the storage element by flowing current, and the constant current source at a predetermined position associated with the storage element And a boost circuit for charging a parasitic capacitor until the amount of current passed by the capacitor reaches the amount of current necessary to write information to the storage element. Is provided.
上記の半導体記憶装置において、前記記憶素子は、トンネル磁気抵抗素子であってもよく、前記所定位置は、前記トンネル磁気抵抗素子に電流による磁界を与える位置であってもよい。 In the semiconductor memory device, the storage element may be a tunnel magnetoresistive element, and the predetermined position may be a position where a magnetic field due to current is applied to the tunnel magnetoresistive element.
上記の半導体記憶装置において、前記ブースト回路は、前記寄生キャパシタを充電するための電荷を蓄積するコンデンサを備えていてもよい。 In the semiconductor memory device, the boost circuit may include a capacitor that accumulates electric charge for charging the parasitic capacitor.
上記の半導体記憶装置は、前記コンデンサの両極間電圧を電源電圧以上にするための回路を更に備えていてもよい。 The semiconductor memory device may further include a circuit for setting a voltage between both electrodes of the capacitor to a power supply voltage or higher.
上記の半導体記憶装置において、前記コンデンサは複数有ってもよく、前記ブースト回路は、前記寄生キャパシタを充電するために必要な電荷の量に応じて、充電に用いるコンデンサを切り替える切替手段を備えていてもよい。 In the semiconductor memory device described above, the capacitor may include a plurality of capacitors, and the boost circuit includes a switching unit that switches a capacitor used for charging according to an amount of charge necessary to charge the parasitic capacitor. May be.
上記の半導体記憶装置において、前記切替手段は、前記寄生キャパシタを充電するために必要な電荷の量に応じて、充電に用いるコンデンサの組み合わせを切り替えてもよい。 In the semiconductor memory device, the switching unit may switch a combination of capacitors used for charging according to an amount of electric charge necessary for charging the parasitic capacitor.
上記の半導体記憶装置において、前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、相互に等比級数の関係にあってもよい。 In the semiconductor memory device, at least some of the plurality of capacitors may have a geometric series relationship with each other.
上記の半導体記憶装置において、前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、前記記憶素子に情報を書き込むために必要な電流の量に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていてもよい。 In the above semiconductor memory device, the capacitance of at least some of the plurality of capacitors may be determined according to the capacitance of the parasitic capacitor depending on the amount of current necessary for writing information to the storage element. Good.
上記の半導体記憶装置において、前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、前記記憶素子の位置に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていてもよい。 In the above semiconductor memory device, the capacitance of at least a part of the plurality of capacitors may be determined according to the capacitance of the parasitic capacitor depending on the position of the storage element.
上記の半導体記憶装置において、前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、プロセス条件に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていてもよい。 In the semiconductor memory device described above, the capacitance of at least some of the plurality of capacitors may be determined according to the capacitance of the parasitic capacitor depending on process conditions.
本発明の半導体記憶装置は、電流経路に存在する寄生容量の電荷をブースト回路の電荷を蓄積する節点に還流させる環流手段を有するので消費電流の少ないMRAMを得ることができている。 Since the semiconductor memory device of the present invention has the circulating means for returning the charge of the parasitic capacitance existing in the current path to the node for storing the charge of the boost circuit, an MRAM with low current consumption can be obtained.
本発明の半導体記憶装置は、前記ブースト回路に電荷を蓄積する時刻を前記電流源の活性化期間終了後に設定しているので、定電流源回路を安定的に動作させることができ、ひいては歩留まりの高いMRAMを得ることができている。 In the semiconductor memory device of the present invention, since the time for accumulating charges in the boost circuit is set after the end of the activation period of the current source, the constant current source circuit can be stably operated, and thus the yield can be increased. A high MRAM can be obtained.
本発明の半導体記憶装置は、動作モードの履歴に依存して、前記電流経路に存在する寄生容量の電荷の一部を保持し、ブースト回路の放電を抑える電荷保持手段を有するので消費電流の少ないMRAMを得ることができている。 Since the semiconductor memory device of the present invention has charge holding means for holding a part of the charge of the parasitic capacitance existing in the current path depending on the history of the operation mode and suppressing the discharge of the boost circuit, the current consumption is small. MRAM can be obtained.
本発明によれば、スタンバイ時は電源からキャパシタに対する充電、動作時はキャパシタに蓄積された電荷の放電が行われることによって、寄生キャパシタに対する充電が短時間で行われ、書込時間を短縮することができる。また、一般にこれらの寄生キャパシタの大きさは、書込セルの位置や電流値に依存するが、複数のキャパシタアレイ、および適正なキャパシタを選択するキャパシタセレクタを書込定電流源回路に付加することで、寄生キャパシタを適切な速度で充電することができる。つまり、高速書込みが実現できるため、特にMRAMの大記憶容量化に対して効果が大きい。 According to the present invention, the capacitor is charged from the power supply during standby, and the charge accumulated in the capacitor is discharged during operation, so that the parasitic capacitor is charged in a short time and the writing time is shortened. Can do. In general, the size of these parasitic capacitors depends on the position and current value of the write cell, but a plurality of capacitor arrays and a capacitor selector for selecting an appropriate capacitor are added to the write constant current source circuit. Thus, the parasitic capacitor can be charged at an appropriate speed. That is, since high-speed writing can be realized, it is particularly effective for increasing the storage capacity of the MRAM.
本発明の上記および他の目的、特徴及び利点を明確にすべく、添付した図面を参照しながら、本発明の形態を以下に詳述する。 In order to clarify the above and other objects, features and advantages of the present invention, embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態の半導体記憶装置を説明する。
[First Embodiment]
A semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention will be described.
図1は、第1の実施の形態の半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。図1のX側ブースト回路101において、ブースト用キャパシタCBXは一端が接地され、もう一端は端子VBXを介してPMOSトランジスタ MSXおよびPMOSトランジスタ MBXに接続されている。PMOSトランジスタ MBXのもう一端は電源電圧Vddに接続されている。ブーストスタンバイ時(VBSTX=Lレベル(GND))では、PMOSトランジスタ MSXはオフ、PMOSトランジスタ MBXはオンになっているため、ブースト用キャパシタCBXには、電荷QB=CBX×Vddが蓄積されている。Y側ブースト回路102においても同様である。X側書込定電流回路103、Y側書込定電流回路104は出力インピーダンスの大きな電流源であり、配線抵抗等の影響を受けずに、定電流を流すことができるものとする(この設定電流値が、最終的にセルアレイに流したい電流値となる)。この書込定電流回路103、104の構成は、例えば図2のようなトランジスタのカスコード接続を作ることで実現出来る。PMOSトランジスタのゲートへの入力電圧Vb1,Vb2は、全てのトランジスタを飽和領域で動作可能な電圧となっており、バイアス回路で生成する。選択スイッチSW1,…,SWn(書込開始信号WENXと電流選択信号の論理積)の切り替えにより、電流値を設定できる。図2ではnビット、バイナリの電流源から成るので、2n通り(i、2i、3i、…、(2n −1)i)の電流値を設定できることになる。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the semiconductor memory device according to the first embodiment. In the
定電流制御回路の動作および効果を、図3(A)(B)に示したタイミングチャートを用いて説明する。主にX側の動作について説明するが、Y側においても同様であることは、明らかである。 The operation and effect of the constant current control circuit will be described with reference to timing charts shown in FIGS. The operation on the X side will be mainly described, but it is clear that the same is true on the Y side.
定電流源回路が動作状態となり、信号WENXと信号VBSTXがLレベルからHレベル(Vdd)に切り替わると、PMOSトランジスタ MBXがオフ、PMOSトランジスタ MSXがオンとなる。ノードVBXの電位は、ほぼ電源電圧Vddであり、配線NLXの電位はこれ以下の電位、例えばGNDであるため、ブースト用キャパシタCBXに蓄積された電荷が急激に選択配線に流れる。この電流は放電現象を反映して瞬間的なオーバーシュート電流であり、寄生キャパシタCLX,CX1,…,CXmを充電しながら、数ナノ秒の間電流が流れる。やがて、ノードVBXの電位と配線電位NLXが等しくなると、ブースト電流の流れが止まる。この様子を図3(B)内の電流波形IBXで示す。信号VBSTXがHレベルの間、ノードVBXはΔVBXの電位降下が起こり、それとは逆に、選択された配線の電位NLXはGND電位からVdd−ΔVBXまで上昇する。 When the constant current source circuit is activated and the signal WENX and the signal VBSTX are switched from the L level to the H level (Vdd), the PMOS transistor MBX is turned off and the PMOS transistor MSX is turned on. Since the potential of the node VBX is substantially the power supply voltage Vdd and the potential of the wiring NLX is a potential lower than this, for example, GND, the charge accumulated in the boost capacitor CBX suddenly flows to the selection wiring. This current is an instantaneous overshoot current reflecting the discharge phenomenon, and the current flows for several nanoseconds while charging the parasitic capacitors CLX, CX1,..., CXm. Eventually, when the potential of the node VBX and the wiring potential NLX become equal, the flow of the boost current stops. This state is indicated by a current waveform IBX in FIG. While the signal VBSTX is at the H level, the potential drop of ΔVBX occurs in the node VBX. On the contrary, the potential NLX of the selected wiring rises from the GND potential to Vdd−ΔVBX.
このブースト回路101が仮にオフであるとすると、X側書込定電流源回路103からの電流は、寄生キャパシタに流入してしまうため、配線終端での電流IAXは立ち上がりが鈍ってしまう(図3(B)内IAX参照)。しかし、ブースト回路101がオンである場合、上記のようにブースト電流IBXで寄生キャパシタを充電することができるため、電流波形の鈍りは減少する。ブースト用キャパシタCBXの容量を適正に設計すれば、実際にセルアレイに流れる電流IAX=ICX+IBXは、図3(B)の最下行の信号のように短時間(2ナノ秒程度)で立ち上げることができる。そのため、書込みは短時間で完了し、消費電力の増大を防ぐことが出来る。
If the
[第2の実施の形態]
発明の第2の実施の形態の半導体記憶装置を説明する。第2の実施の形態は、第1の実施の形態に記載のブースト用キャパシタCBX,CBYに印加する電圧を昇圧することで、蓄積できる電荷量を増大させ、書込時間の一層の短時間化を目的としている。また、本回路構成によると、ブースト用キャパシタCBX,CBYに蓄積されるキャパシタ単位面積当たりの電荷量が大きくなるため、ブースト用キャパシタCBX,CBYの面積を小さく出来ると言う利点がある。
[Second Embodiment]
A semiconductor memory device according to a second embodiment of the invention will be described. In the second embodiment, by increasing the voltage applied to the boost capacitors CBX and CBY described in the first embodiment, the amount of charge that can be accumulated is increased, and the writing time is further shortened. It is an object. Further, according to the present circuit configuration, the amount of charge per unit area of the capacitor stored in the boost capacitors CBX and CBY increases, so that there is an advantage that the areas of the boost capacitors CBX and CBY can be reduced.
まず昇圧回路の動作を、図4(A)を用いて説明する。ダイオードの閾値電圧をVtとすると、スタンバイ時、入力端子A1の電位はV(A1)=0、出力端子VBTの電位はV(VBT)=Vdd−2Vt、ノードA2の電位はV(A2)=Vdd−Vtである。この状態でV(A1)=Vddとすると、キャパシタCB のカップリングにより、ノードA2の電位V(A2)は一瞬2Vdd−Vtに上昇しようとする(ただし、同時にダイオードD2を通じて放電されるため、実際の電位は2Vdd−Vt以下である)。このため、ダイオードD1はオフ、D2はオンし、安定化容量CLは対充電される。このため、出力電圧VBTは上昇する。次に、V(A1)=GNDになると、ノードA2の電位は一瞬GND近くまで降下するため、ダイオードD1はオン、D2はオフとなり、V(A2)=Vdd−Vtになるまで、キャパシタCB に対して充電が行われる。以下同様にして、ノードA1に周期的なパルス電圧が入力されると、安定化容量CBはV(A1)=GND時は充電され、V(A1)=Vdd時は放電される。結局、V(A2)−Vt=VBTとなるまでA2から出力端子VBTに対して電流が流れ、安定化容量CLを充電する。このときの出力電位VBT=2Vdd−2Vtとなる。
First, the operation of the booster circuit will be described with reference to FIG. When the threshold voltage of the diode is Vt, the potential of the input terminal A1 is V (A1) = 0, the potential of the output terminal VBT is V (VBT) = Vdd−2Vt, and the potential of the node A2 is V (A2) = Vdd-Vt. When V (A1) = Vdd in this state, since the coupling of the capacitor C B, the potential of the node A2 V (A2) attempts to increase the
次に、レベルシフト回路の動作を、図4(B)を用いて説明する。図4(B)のレベルシフト回路において、入力端子INがLレベルである時、NMOSトランジスタ MN1とPMOSトランジスタ MP2はオン、NMOSトランジスタ MN2とPMOSトランジスタ MP1はオフとなるため、出力電位OUTはLレベルとなる。一方、入力端子INがHレベルである時、NMOSトランジスタ MN2とPMOSトランジスタ MP1はオン、NMOSトランジスタ MN1とPMOSトランジスタ MP2はオフとなるため、出力電位OUTはVBTとなる。つまり、VddからVBTへのレベル変換が行われる。 Next, the operation of the level shift circuit will be described with reference to FIG. In the level shift circuit of FIG. 4B, when the input terminal IN is at the L level, the NMOS transistor MN1 and the PMOS transistor MP2 are turned on, and the NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP1 are turned off, so that the output potential OUT is at the L level. It becomes. On the other hand, when the input terminal IN is at the H level, the NMOS transistor MN2 and the PMOS transistor MP1 are turned on, and the NMOS transistor MN1 and the PMOS transistor MP2 are turned off, so that the output potential OUT becomes VBT. That is, level conversion from Vdd to VBT is performed.
図5は、本実施の形態2の半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。図5のX側ブースト回路101Bにおいて、ブースト用キャパシタCBXは一端が接地され、もう一端は端子VBXを介してトランジスタMSXおよびMBXに接続されている。トランジスタMBXのもう一端は、前記昇圧回路101B−1によって電源電圧Vddが昇圧された昇圧電圧VBTに接続されている。また、オフ時に電流がリークしないようにするために、PMOSトランジスタ MSX、MBXのゲート電圧は、VBTにする必要がある。このため、PMOSトランジスタMSXのゲート電圧を制御するインバータ101B−2の電源電圧はVBTとし、PMOSトランジスタMBXのゲートの入力電圧は、前記レベルシフト回路101B−3によってVddが変換されたVBTとしてある。ブーストスタンバイ時(VBSTX=Lレベル)においては、PMOSトランジスタ MSXはオフ、MBXはオンとなっているため、ブースト用キャパシタCBXには、電荷QB=CBX×VBTが蓄積されている。Y側ブースト回路102Bにおいても同様である。X側書込定電流回路103、Y側書込定電流回路104は出力インピーダンスの大きな電流源であり、配線抵抗等の影響を受けずに、定電流を流すことができるものとする(この設定電流値が、最終的にセルアレイに流したい電流値となる)。この構成は、例えば図2のようなトランジスタのカスコード接続を作ることで実現出来る。
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the semiconductor memory device according to the second embodiment. In the
本回路の動作を、図6(A)(B)に示したタイミングチャートを用いて説明する。主にX側の動作について説明するが、Y側においても同様であることは、明らかである。 The operation of this circuit will be described with reference to timing charts shown in FIGS. The operation on the X side will be mainly described, but it is clear that the same is true on the Y side.
定電流源回路103が動作状態となり、書込開始信号WENXとブースト開始信号VBSTXがLレベルからHレベルに切り替わると、PMOSトランジスタ MBXがオフとなり、PMOSトランジスタ MSXがオンとなる。この切り替わり直前でのノードVBXの電位は、ほぼ昇圧電圧VBTであり、配線NLXの電位はこれ以下の電圧、例えばグランド電位であるため、MSXがオンとなった瞬間に、ブースト用キャパシタCBXに蓄積された電荷が急激に選択配線に流れる。この電流は瞬間的なオーバーシュート電流であり、寄生キャパシタCLX,CX1,…,CXmを充電しながら、数ナノ秒の間電流が流れる。ノードVBXの電位と配線電位NLXが等しくなると、ブースト電流の流れが止まる。この様子を図6(B)内の電流波形で示す。信号VBSTXがオンの間、ノードVBXはΔVBXの電位降下が起こり、それとは逆に、選択された配線の電位NLXはGNDからVBT−ΔVBXまで上昇する。
When the constant
このブースト回路101Bが仮にオフであるとすると、X側書込定電流源回路103からの電流は、寄生キャパシタに流入するために、アレイ内電流IAXは立ち上がりが鈍ってしまう(図6(B)内参照)。しかし、ブースト回路101Bがオンした場合、上記のようにブースト電流IBXで寄生キャパシタを充電することができるため、電流波形の鈍りは減少する。ブースト用キャパシタCBXの容量を適正に設計すれば、実際にセルアレイに流れる電流IAX=ICX+IBXは、図6(B)の最下行に示すように短時間(2ナノ秒程度)で立ち上げることができる。そのため、書込みは短時間で完了し、消費電力の増大を防ぐことが出来る。
If the
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態の半導体記憶装置を説明する。
[Third Embodiment]
A semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention will be described.
第3の実施の形態は、図20の大記憶容量アレイに対して電流ブースト回路を適用する方法について述べたものである。本実施の形態で用いる書込回路図を図7で示す。X側電流ブースト用キャパシタアレイ111およびX側キャパシタセレクタ112が、X側のメイン配線113に対して接続され、Y側電流ブースト用キャパシタアレイ114およびキャパシタセレクタ115が、Y側のメイン配線116に対して接続されていることが、第3の実施の形態の特徴である。また、「0」「1」の書込みの切替えはY側の書込電流方向の切替えにより行う、双方向の書込電流に対してブースト電流を加えられるように、Y側については、2系統(L,Rと表記)のキャパシタアレイ及びキャパシタセレクタが用意されている。X側書込みとY側書込みの動作は、基本的に同様であるので、以下ではX側書込みに関してのみ説明する。
In the third embodiment, a method of applying a current boost circuit to the large storage capacity array of FIG. 20 is described. FIG. 7 shows a write circuit diagram used in this embodiment. X-side current
図7で示したX側書込定電流源103は、IX1,IX2、…,IXnのn通りの電流値を出力することができるとする。これは、MRAMの磁化反転電流はプロセス条件等によりばらつきがあり、かならずしも設計した電流値が最適な電流値ではない可能性があるため、製造出荷時に電流値を調整する必要があるためである。このn通りの書込電流値によって、寄生キャパシタQkは式(1)に従って変化するため、電流ブースト用キャパシタもn通り用意する必要がある。また、X方向にはM個の小アレイXA1,…,XAMが並ぶが、X方向書込アレイ位置k(k=1、2、…、M)によっても寄生キャパシタQkは式(1)に従って変化するため、M通りの電流ブースト用キャパシタを用意する必要がある。さらに、プロセス条件等により、実際の寄生キャパシタは設計値と異なる可能性があるため、電流ブースト量を補正する必要があり、この目的でs通りのブースト用キャパシタを用意する必要がある。以上の要請から、図7の各行におけるX側キャパシタアレイ111をM×n×s個のキャパシタで構成したとすると、電流ブースト用キャパシタの占有面積が巨大になる恐れがある。
Assume that the X-side write constant
しかし、最大ブースト時(電流値最大、最遠方のアレイ選択時、補正ブースト量最大時)に全てのブースト用キャパシタに充電した電荷を用いる構成にし、浮遊キャパシタの式(1)を近似できるようにキャパシタ間の関係を等比級数的にすれば、ブースト用キャパシタの数を減らせ、従ってブースト用キャパシタの占有面積を小さくすることが出来る。例えば、本実施の形態では、X側キャパシタアレイ、X側キャパシタセレクタのブロックとして、図8に示すものを用いる(Y側についても同様の構成が可能である)。図8に示すブロックはアレイの行毎に用意される。ここでは、X方向書込みアレイ位置数M=4、電流値数n=4、補正値数s=4としている。 However, it is possible to approximate the floating capacitor equation (1) by using the charge charged in all the boost capacitors at the time of maximum boost (when the current value is maximum, when selecting the farthest array, when the correction boost amount is maximum). If the relationship between capacitors is made a geometric series, the number of boost capacitors can be reduced, and therefore the area occupied by the boost capacitors can be reduced. For example, in the present embodiment, the block shown in FIG. 8 is used as the block of the X-side capacitor array and the X-side capacitor selector (the same configuration is possible on the Y side). The blocks shown in FIG. 8 are prepared for each row of the array. Here, the number of X-direction write array positions M = 4, the number of current values n = 4, and the number of correction values s = 4.
そして、X方向書込みアレイ位置数M=4としたことに伴い、端子XA2〜XA4でブースト用キャパシタの容量を調整する。図8の端子"ARRAY"を制御する論理ゲートの構成から明らかなように、X方向位置が1、Y方向位置がjのアレイを選択し、書込開始信号WENXがHレベルとなったときには、キャパシタセレクタ(A)に接続されるキャパシタ#1〜#6が使用候補のキャパシタとなり、X方向位置が2、Y方向位置がjのアレイを選択し、書込開始信号WENXがHレベルとなったときには、キャパシタセレクタ(A)に接続されるキャパシタ#1〜#6及びキャパシタセレクタ(B)に接続されるキャパシタ#7〜#14が使用候補のキャパシタとなり、X方向位置が3、Y方向位置がjのアレイを選択し、書込開始信号WENXがHレベルとなったときには、キャパシタセレクタ(A)に接続されるキャパシタ#1〜#6、キャパシタセレクタ(B)に接続されるキャパシタ#7〜#14及びキャパシタセレクタ(C)に接続されるキャパシタ#13〜#18が使用候補のキャパシタとなり、X方向位置が4、Y方向位置がjのアレイを選択し、書込開始信号WENXがHレベルとなったときには、キャパシタセレクタ(A)に接続されるキャパシタ#1〜#6、キャパシタセレクタ(B)に接続されるキャパシタ#7〜#14、キャパシタセレクタ(C)に接続されるキャパシタ#13〜#18及びキャパシタセレクタ(D)に接続されるキャパシタ#19〜#24が使用候補のキャパシタとなる。
Then, in accordance with the X-direction write array position number M = 4, the capacitance of the boost capacitor is adjusted at the terminals XA2 to XA4. As is apparent from the configuration of the logic gate that controls the terminal “ARRAY” in FIG. 8, when an array having an X-direction position of 1 and a Y-direction position of j is selected and the write start signal WENX becomes H level,
電流値数n=4としたことに伴い、端子I1、I2で各キャパシタセレクタに接続されるキャパシタのうち実際に使用するキャパシタを選択する。また、補正値数s=4としたことに伴い、端子S1、S2で各キャパシタセレクタに接続されるキャパシタのうち実際に使用するキャパシタを選択する。これらを合わせて端子I1、I2、S1、S2で各キャパシタセレクタに接続されるキャパシタのうち実際に使用するキャパシタを選択する。ブースト用キャパシタは#1〜#24まであるので、ブースト用キャパシタの数は、合計で24個である。M×n×s=4×4×4=64であるので、これと比較するとブースト用キャパシタの数が削減されていることがわかる。各キャパシタセレクタのブースト電流出力端子は、IB1,IB2,IB3であり、これらはX側メイン配線113(配線NLXに相当)に接続される。従って、X側定電流源103が出力する調整された定電流に端子IB1、IB2、IB3から出力される電流が加わる。図8では、キャパシタセレクタ(A)〜(D)内のトランジスタサイズは特に規定していないが、電流ブースト用キャパシタの大きさに従って、MBXj,MSXj(j=1,…,6)(図9参照)のゲート幅等を調整することは容易である。
Along with the number of current values n = 4, a capacitor to be actually used is selected from the capacitors connected to the capacitor selectors at the terminals I1 and I2. In addition, with the correction value number s = 4, a capacitor to be actually used is selected from the capacitors connected to each capacitor selector at the terminals S1 and S2. Together, these are used to select a capacitor to be actually used among the capacitors connected to each capacitor selector at terminals I1, I2, S1, and S2. Since there are # 1 to # 24 boost capacitors, the total number of boost capacitors is 24. Since M × n × s = 4 × 4 × 4 = 64, it can be seen that the number of boost capacitors is reduced as compared with this. Boost current output terminals of each capacitor selector are IB1, IB2, and IB3, which are connected to the X-side main wiring 113 (corresponding to the wiring NLX). Therefore, the current output from the terminals IB1, IB2, and IB3 is added to the adjusted constant current output from the X-side constant
各キャパシタセレクタ121を図9に、キャパシタアレイを図10に示す。図9内の“ARRAY”端子は、図8に示す“ARRAY”端子に対応する。
Each
図9内の“I1”、“I2”端子は、図8に示す“I1”、“I2”端子に対応し、調整された書込定電流の値に応じて式(1)に従ってブースト量を調整するために用いられる。例えば、I1=L、I2=Lの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19)及び出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20)が選択候補Tなる。I1=H、I2=Lの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19)、出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20)、出力端子C3に接続されたブースト用キャパシタ(#3、#9、#15又は#21)及び出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#4、#10、#16又は#22)が選択候補となる。I1=L、I2=Hの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19)、出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20)、出力端子C5に接続されたブースト用キャパシタ(#5、#11、#17又は#23)及び出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#6、#12、#18又は#24)が選択候補となる。I1=H、I2=Hの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19)、出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20)、出力端子C3に接続されたブースト用キャパシタ(#3、#9、#15又は#21)及び出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#4、#10、#16又は#22)、出力端子C5に接続されたブースト用キャパシタ(#5、#11、#17又は#23)及び出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#6、#12、#18又は#24)が選択候補となる。
The “I1” and “I2” terminals in FIG. 9 correspond to the “I1” and “I2” terminals shown in FIG. 8, and the boost amount is set according to the formula (1) according to the adjusted write constant current value. Used to adjust. For example, when I1 = L and I2 = L, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9 and the boost capacitor connected to the output terminal C2 The capacitor (# 2, # 8, # 14 or # 20) is the selection candidate T. When I1 = H and I2 = L, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9, and the boost capacitor connected to the output terminal C2 ( # 2, # 8, # 14 or # 20), a boost capacitor (# 3, # 9, # 15 or # 21) connected to the output terminal C3 and a boost capacitor (# 4) connected to the output terminal C4 , # 10, # 16 or # 22) are selection candidates. When I1 = L and I2 = H, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9, and the boost capacitor connected to the output terminal C2 ( # 2, # 8, # 14 or # 20), a boost capacitor (# 5, # 11, # 17 or # 23) connected to the output terminal C5 and a boost capacitor (# 6) connected to the output terminal C4 , # 12, # 18 or # 24) are selection candidates. When I1 = H and I2 = H, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9 and the boost capacitor connected to the output terminal C2 ( # 2, # 8, # 14 or # 20), a boost capacitor (# 3, # 9, # 15 or # 21) connected to the output terminal C3 and a boost capacitor (# 4) connected to the output terminal C4 , # 10, # 16 or # 22), a boost capacitor (# 5, # 11, # 17 or # 23) connected to the output terminal C5 and a boost capacitor (# 6, # 23) connected to the
図9内の“S1”、“S2”端子は、図8に示す“S1”、“S2”端子に対応し、寄生キャパシタQkのプロセス条件依存性を補償するために用いられる。例えば、S1=L、S2=Lの時は、ブースト用キャパシタは選ばれない。S1=H、S2=Lの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19)、出力端子C3に接続されたブースト用キャパシタ(#3、#9、#15又は#21)及び出力端子C5に接続されたブースト用キャパシタ(#5、#11、#17又は#23)が選択候補となる。S1=L、S2=Hの時は、図9内の出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20),出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#4、#10、#16又は#22)及び出力端子C6に接続されたブースト用キャパシタ(#6、#12、#18又は#24)が選択候補となる。I1=H、I2=Hの時は、図9内の出力端子C1に接続されたブースト用キャパシタ(#1、#7、#13又は#19),出力端子C2に接続されたブースト用キャパシタ(#2、#8、#14又は#20)及び出力端子C3に接続されたブースト用キャパシタ(#3、#9、#15又は#21)、出力端子C4に接続されたブースト用キャパシタ(#4、#10、#16又は#22)、出力端子C5(#5、#11、#17又は#23)に接続されたブースト用キャパシタ及び出力端子C6に接続されたブースト用キャパシタ(#6、#12、#18又は#24)が選択候補となる。 The “S1” and “S2” terminals in FIG. 9 correspond to the “S1” and “S2” terminals shown in FIG. 8 and are used to compensate the process condition dependency of the parasitic capacitor Qk. For example, when S1 = L and S2 = L, the boost capacitor is not selected. When S1 = H and S2 = L, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9 and the boost capacitor connected to the output terminal C3 ( # 3, # 9, # 15 or # 21) and the boost capacitor (# 5, # 11, # 17 or # 23) connected to the output terminal C5 are selection candidates. When S1 = L and S2 = H, the boost capacitor (# 2, # 8, # 14 or # 20) connected to the output terminal C2 in FIG. 9 and the boost capacitor connected to the output terminal C4 ( # 4, # 10, # 16 or # 22) and the boost capacitor (# 6, # 12, # 18 or # 24) connected to the output terminal C6 are selection candidates. When I1 = H and I2 = H, the boost capacitor (# 1, # 7, # 13 or # 19) connected to the output terminal C1 in FIG. 9 and the boost capacitor connected to the output terminal C2 ( # 2, # 8, # 14 or # 20) and a boost capacitor (# 3, # 9, # 15 or # 21) connected to the output terminal C3, a boost capacitor (# 4) connected to the output terminal C4 , # 10, # 16 or # 22), a boost capacitor connected to the output terminal C5 (# 5, # 11, # 17 or # 23) and a boost capacitor connected to the output terminal C6 (# 6, # 22) 12, # 18 or # 24) are selection candidates.
上記の三種類の選択候補の論理積をとったブースト用キャパシタが実際に用いられる。すなわち、以上のXAj(j=(1),2,…,4),I1,I2,S1,S2の組み合わせにより、最適なブースト用キャパシタが選ばれる。全ての組み合わせを、図11に示す。図11中では、I(j)=I(I1+2×I2)、A(j)=XAj、S(j)=S(S1+2×S2)である(ただし、数値化のためにL=0、H=1とした)。例えば、I1=1、I2=0のときにはI(j)=I(1+2×0)=I(1)となり、XA1のときには、A(j)=A(1)となり、S1=1、S2=0のときにはS(j)=S(1+2×0)=S(1)となる。 A boost capacitor obtained by taking the logical product of the above three types of selection candidates is actually used. That is, an optimum boost capacitor is selected by a combination of the above XAj (j = (1), 2,..., 4), I1, I2, S1, and S2. All combinations are shown in FIG. In FIG. 11, I (j) = I (I1 + 2 × I2), A (j) = XAj, S (j) = S (S1 + 2 × S2) (however, L = 0, H for quantification) = 1). For example, when I1 = 1 and I2 = 0, I (j) = I (1 + 2 × 0) = I (1), and when XA1, A (j) = A (1), S1 = 1, S2 = When 0, S (j) = S (1 + 2 × 0) = S (1).
容量は#1〜#24の24個が存在し、図10のように分割してある。容量の合計は20.4pFであり、最大ブースト時(上述)にすべてのブースト用キャパシタが使われる。(小アレイ数M)×(電流値n通り)×(ブースト調整4通り)=4×4×4=64通りについて各々ブースト用キャパシタを用意した場合は、図11の容量の合計306.8pFが必要となる。つまり、本実施例では、使用面積を6.6%程度に削減できている。
There are 24
図10を参照すると、#1+#2の幅:#3+#4の幅:#5+#6の幅=1:1:2であり、#3+#4の幅と#5+#6の幅は等比級数の関係にある。#1の幅:#2の幅=1:2であり、#1の幅と#2の幅は等比級数の関係にある。#3の幅:#4の幅=1:2であり、#3の幅と#4の幅は等比級数の関係にある。#5の幅:#6の幅=1:2であり、#5の幅と#6の幅は等比級数の関係にある。#1の高さ:#7の高さ:#13の高さ:#19の高さ=4:1:2:4であり、#7の高さ、#13の高さ及び#19の高さは等比級数の関係にある。 Referring to FIG. 10, the width of # 1 + # 2: the width of # 3 + # 4: the width of # 5 + # 6 = 1: 1: 2, and the width of # 3 + # 4 and the width of # 5 + # 6 are equal. It is related to the ratio series. # 1 width: # 2 width = 1: 2, and # 1 width and # 2 width are in a geometric series relationship. The width of # 3: the width of # 4 = 1: 2, and the width of # 3 and the width of # 4 have a geometric series relationship. The width of # 5: the width of # 6 = 1: 2, and the width of # 5 and the width of # 6 are in a relation of geometric series. # 1 height: # 7 height: # 13 height: # 19 height = 4: 1: 2: 4, # 7 height, # 13 height and # 19 height S is in a geometric series relationship.
図12は、容量1MビットのMRAMセルアレイに対して、設定値8mAの書込電流を流した時のシミュレーション結果である。8mAの書込み電流が6ナノ秒継続したときに書込みセルに対して書込みが行われるが、書込み電流が8mA未満である時には書込みセルに対して書込みができない。電流値が8mAになってからの書込時間が5ナノ秒として、ブースト回路を用いない場合(A)は、書込電流を流す時間として80ナノ秒程度の時間を要している。ここでは、70%程度(斜線部)が無駄な電流である。一方、適正なブースト電流を用いた場合(B)は、書込時間は15ナノ秒程度に短縮できており、無駄な電流も40%程度(斜線部)である。ただし、ブースト量が多いと所望の電流(ここでは8mA)以上の電流が流れ、誤書込みの要因となるので、容量の正確な設計が必要である。本発明の場合、図9の容量調整端子を用いて、ブースト量を調整することが出来る。 FIG. 12 shows a simulation result when a write current having a set value of 8 mA is supplied to an MRAM cell array having a capacity of 1 Mbit. When the write current of 8 mA continues for 6 nanoseconds, the write cell is written, but when the write current is less than 8 mA, the write cell cannot be written. When the writing time after the current value reaches 8 mA is 5 nanoseconds and the boost circuit is not used (A), it takes about 80 nanoseconds as the time for supplying the writing current. Here, about 70% (shaded portion) is a wasteful current. On the other hand, when an appropriate boost current is used (B), the writing time can be reduced to about 15 nanoseconds, and the wasteful current is also about 40% (shaded area). However, if the boost amount is large, a current greater than or equal to a desired current (8 mA in this case) flows and causes erroneous writing. Therefore, an accurate capacity design is required. In the case of the present invention, the boost amount can be adjusted using the capacitance adjustment terminal of FIG.
[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施の形態の半導体記憶装置を説明する。
[Fourth Embodiment]
A semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
本発明の第4の実施の形態101の回路図を図13に示す。この図は、説明を容易にするためにX側の回路のみを取り出している。S1〜S6は信号を表し、/S5、/S6はそれぞれS5、S6の反転信号を表す。N1、N2は節点の電位を表す。
FIG. 13 shows a circuit diagram of the
図14を参照すると、時刻t100でブースト容量からの電流供給は終了するが、第1の実施形態とは異なり、すぐにはブースト容量を充電しない。したがって、実施形態1とは異なり、信号S1は信号VBSTXから分離されている。ブースト回路の節点(VBX)を充電すると電源Vddから電流が流れ出し、これにより電源ノイズが発生する。この電源ノイズは同じ電源Vddを使用するX側書込み定電流源回路の定電流の精度を下げる。本実施形態では、定電流源回路の動作中にはブースト容量を充電しないためこの弊害は起きない。 Referring to FIG. 14, the current supply from the boost capacitor ends at time t100, but unlike the first embodiment, the boost capacitor is not charged immediately. Therefore, unlike the first embodiment, the signal S1 is separated from the signal VBSTX. When the node (VBX) of the boost circuit is charged, current flows out from the power supply Vdd, thereby generating power supply noise. This power supply noise reduces the accuracy of the constant current of the X-side write constant current source circuit that uses the same power supply Vdd. In this embodiment, since the boost capacitor is not charged during the operation of the constant current source circuit, this problem does not occur.
時刻t101で定電流源回路が停止するとき、節点NLXはリセットされずに電位(電荷)を保持する。次に時刻t102に信号S3が“Low”となり、節点N1がフローティング状態となる。次に時刻t103に信号S5により、節点NLXと節点N1が電気的に接続され、節点NLXからN1へ電荷が転送される。時刻t104にN1が再びフローティング状態になった後、時刻t105に節点N2をフローティング状態とする。次に時刻t106に節点N2と節点NLXが電気的に接続される。このとき、節点N1はフローティングであるため、容量素子CRXのカップリングによって、ほぼ節点NLXの電位分上昇する。次に時刻t107に信号S2が活性化され節点N1から節点NLXに電荷が転送される。このとき、節点NLXの電位は容量素子CRXのカップリングにより、減少するので、実質的に節点NLXの電荷がブースト回路の節点VBXに転送されている。時刻t108〜t110の間に各信号をリセットする。最後に時刻t111に節点VBXを電源Vddの電位まで充電するが、実施形態1の場合と比べて、充電に必要な電力は小さい。 When the constant current source circuit stops at time t101, the node NLX is not reset and holds a potential (charge). Next, at time t102, the signal S3 becomes “Low”, and the node N1 enters a floating state. Next, at time t103, the signal NLX electrically connects the node NLX and the node N1, and charges are transferred from the node NLX to N1. After N1 becomes floating again at time t104, the node N2 is brought into floating state at time t105. Next, at time t106, the node N2 and the node NLX are electrically connected. At this time, since the node N1 is floating, the potential of the node NLX is increased by the coupling of the capacitor CRX. Next, at time t107, the signal S2 is activated and charges are transferred from the node N1 to the node NLX. At this time, since the potential of the node NLX decreases due to the coupling of the capacitive element CRX, the charge at the node NLX is substantially transferred to the node VBX of the boost circuit. Each signal is reset between times t108 and t110. Finally, the node VBX is charged to the potential of the power supply Vdd at time t111, but the power required for charging is smaller than that in the first embodiment.
[第5の実施の形態]
本発明の第5の実施の形態の半導体記憶装置を説明する。
[Fifth Embodiment]
A semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
本発明の第5の実施形態の回路図を図15に示す。本実施形態では、書込みモードが終了しても、信号S10を活性化しないため、節点NLXはリセットされず、節点NLXの電位は接地電位とならない。なお、このリセットトランジスタM103は第1〜4の実施形態の図では省略されていたが、動作波形より、このような作用を持つ回路が存在していることは明らかである。リセットをしなければ、NLXの寄生容量には電荷が保持される。書込みモードの後、続けて書込みモードだった場合、動作モード判定回路105が連続書込みを検知し、連続検知信号S11を“Low”として、ブースト容量を活性化しない。これは既にNLXは充電されており、充電する必要がないためである。この場合、ブースト容量を充電するための電力が節約される。動作モード判定回路105が読み出しモードを判定した場合、信号S10が活性化され節点NLXはリセットされる。
A circuit diagram of the fifth embodiment of the present invention is shown in FIG. In the present embodiment, even when the write mode ends, the signal S10 is not activated, so the node NLX is not reset and the potential of the node NLX does not become the ground potential. Although the reset transistor M103 is omitted in the drawings of the first to fourth embodiments, it is clear from the operation waveform that a circuit having such an action exists. If the reset is not performed, charge is held in the parasitic capacitance of the NLX. When the writing mode is continued after the writing mode, the operation
本発明は、MRAMにおける書き込み動作に利用することができる。 The present invention can be used for a write operation in an MRAM.
101、101B X側ブースト回路
102、102B Y側ブースト回路
103 X側書込定電流源回路
104 Y側書込定電流源回路
105 動作モード判定回路
101, 101B
Claims (13)
電流を流すことにより前記記憶素子に情報を書き込むために設けられた定電流源と、
前記記憶素子に関連した所定位置において、前記定電流源により流された電流の量が前記記憶素子に情報を書き込むために必要な電流の量に達するまでの間に、寄生キャパシタを充電するためのブースト回路と、
を備えることを特徴とする半導体記憶装置。 A storage element for storing information;
A constant current source provided for writing information to the storage element by passing a current;
For charging a parasitic capacitor at a predetermined location associated with the storage element until the amount of current passed by the constant current source reaches the amount of current required to write information to the storage element Boost circuit,
A semiconductor memory device comprising:
前記記憶素子は、トンネル磁気抵抗素子であり、前記所定位置は、前記トンネル磁気抵抗素子に電流による磁界を与える位置であることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the memory element is a tunnel magnetoresistive element, and the predetermined position is a position that applies a magnetic field by current to the tunnel magnetoresistive element.
前記ブースト回路は、前記寄生キャパシタを充電するための電荷を蓄積するコンデンサを備えることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 1,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the boost circuit includes a capacitor that accumulates charges for charging the parasitic capacitor.
前記コンデンサの両極間電圧を電源電圧以上にするための回路を更に備えることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 3.
A semiconductor memory device, further comprising a circuit for setting a voltage between both electrodes of the capacitor to a power supply voltage or higher.
前記コンデンサは複数有り、
前記ブースト回路は、前記寄生キャパシタを充電するために必要な電荷の量に応じて、充電に用いるコンデンサを切り替える切替手段を備えることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 3.
There are multiple capacitors,
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the boost circuit includes switching means for switching a capacitor used for charging according to an amount of electric charge necessary for charging the parasitic capacitor.
前記切替手段は、前記寄生キャパシタを充電するために必要な電荷の量に応じて、充電に用いるコンデンサの組み合わせを切り替えることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 5.
The semiconductor memory device, wherein the switching unit switches a combination of capacitors used for charging in accordance with an amount of electric charge necessary for charging the parasitic capacitor.
前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、相互に等比級数の関係にあることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 5.
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein at least some of the plurality of capacitors have a geometric series relationship with each other.
前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、前記記憶素子に情報を書き込むために必要な電流の量に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 5.
The capacity of at least a part of the plurality of capacitors is determined according to the capacitance of the parasitic capacitor depending on the amount of current necessary for writing information to the storage element. .
前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、前記記憶素子の位置に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 5.
A capacity of at least a part of the plurality of capacitors is determined in accordance with a capacitance of the parasitic capacitor depending on a position of the storage element.
前記複数のコンデンサのうちの少なくとも一部のものの容量は、プロセス条件に依存した前記寄生キャパシタの容量に従って決定されていることを特徴とする半導体記憶装置。 The semiconductor memory device according to claim 5.
The capacity of at least a part of the plurality of capacitors is determined according to the capacitance of the parasitic capacitor depending on process conditions.
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