JP2006294178A - Nonvolatile memory device - Google Patents

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Tsukasa Oishi
司 大石
Hiroaki Tanizaki
弘晃 谷崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile memory device which can simplify the read circuit configuration and read the data at high-speed. <P>SOLUTION: The data read circuit RDC has a current generator 191 to generate a reference current of 10% smaller based on the pass current which flows when reading the initial data, and a comparator 192 to compare the reference current generated by the current generator 191 and the pass current when writing the predetermined data in the memory cell. Since it is possible to decide the read data based on the comparison results of the comparator 192, it is not required to temporarily store the data in a memory area, such as in a register, and the circuit configuration can be simply built for the data read circuit RDC, and also the data can be read at high speed because there is no storing area. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性記憶装置に関し、より特定的には、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を有するメモリセルを備えたランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory device, and more specifically to a random access memory including a memory cell having a magnetic tunnel junction (MTJ).

近年、新世代の不揮発性記憶装置として、MRAM(Magnetic Random Access Memory)デバイスが注目されている。MRAMデバイスは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体を用いて不揮発的なデータ記憶を行ない、薄膜磁性体の各々に対してランダムアクセスが可能な不揮発性記憶装置である。特に、近年では磁気トンネル接合(MTJ)を利用した薄膜磁性体をメモリセルとして用いることによって、MRAMデバイスの性能が飛躍的に進歩することが発表されている。   In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) devices have attracted attention as a new generation of nonvolatile storage devices. An MRAM device is a non-volatile memory device that performs non-volatile data storage using a plurality of thin film magnetic bodies formed in a semiconductor integrated circuit and can randomly access each of the thin film magnetic bodies. In particular, in recent years, it has been announced that the performance of MRAM devices will be dramatically improved by using a thin film magnetic material using a magnetic tunnel junction (MTJ) as a memory cell.

一般的にこれら不揮発性記憶装置の記憶素子として用いられるメモリセルのデータ読出を実行する場合には、トンネル磁気抵抗素子(TMR)に流れる電流やトンネル磁気抵抗素子(TMR)の両端電圧を測定し、トンネル磁気抵抗素子(TMR)の抵抗値を間接測定することで実現できる。   In general, when reading data from a memory cell used as a memory element of these nonvolatile memory devices, the current flowing through the tunnel magnetoresistive element (TMR) and the voltage across the tunnel magnetoresistive element (TMR) are measured. This can be realized by indirectly measuring the resistance value of the tunnel magnetoresistive element (TMR).

ここで、データレベルが「1」の記憶状態のトンネル磁気抵抗素子(TMR)の抵抗値をR、「0」の記憶状態のトンネル磁気抵抗素子(TMR)の抵抗値を「R+ΔR」とするとき、MR比=ΔR/R×100(%)で定義されるMR比は、TMRの動作マージンを表わす指標となり、10〜20%の値を持つことが望ましい。   Here, when the resistance value of the tunnel magnetoresistive element (TMR) in the storage state with the data level “1” is R, and the resistance value of the tunnel magnetoresistive element (TMR) in the storage state of “0” is “R + ΔR”. The MR ratio defined by MR ratio = ΔR / R × 100 (%) is an index representing the operation margin of TMR, and preferably has a value of 10 to 20%.

このようなトンネル磁気抵抗素子(TMR)をメモリセルに用いたMRAMデバイスの読出方式の一例として、メモリセルアレイ中に通常のメモリセルの他に基準となる参照セルを配置し、両者の比較に基づいて記憶データを読み出す方式が挙げられる。具体的には、参照セルの抵抗値は固定で、メモリセルを構成するトンネル磁気抵抗素子(TMR)のデータレベルが「1」の記憶状態の抵抗値と「0」の記憶状態の抵抗値の中間の値を持つように設定されている。記憶データの読出は、選択されたメモリセルと参照セルとに流れる電流を電圧に増幅変換し、その電圧の大小を比較することによって行なわれる。メモリセルから得られる電圧が参照セルから得られる電圧よりも小さければメモリセルの記憶状態すなわちデータレベルは「0」であり、大きければメモリセルの記憶状態すなわちデータレベルは「1」である。本例においては、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値が高抵抗状態および低抵抗状態について、メモリセルの記憶状態すなわちデータレベルを「0」,「1」にそれぞれ対応付けて説明するが、これに限られず、データレベルを「1」,「0」にそれぞれ対応付けて説明することも可能である。   As an example of a read method of an MRAM device using such a tunnel magnetoresistive element (TMR) as a memory cell, a reference cell serving as a reference is arranged in a memory cell array in addition to a normal memory cell, and a comparison is made between the two. And a method of reading stored data. Specifically, the resistance value of the reference cell is fixed, and the resistance value in the storage state where the data level of the tunnel magnetoresistive element (TMR) constituting the memory cell is “1” and the resistance value in the storage state “0”. It is set to have an intermediate value. Reading of the stored data is performed by amplifying and converting the current flowing through the selected memory cell and the reference cell into a voltage and comparing the magnitudes of the voltages. If the voltage obtained from the memory cell is smaller than the voltage obtained from the reference cell, the memory state, ie, the data level, of the memory cell is “0”, and if it is greater, the memory state, ie, the data level, of the memory cell is “1”. In this example, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is described in relation to the storage state of the memory cell, that is, the data level corresponding to “0” and “1” for the high resistance state and the low resistance state. However, the data levels can be described in association with “1” and “0”, respectively.

ところが、MRAMの記憶素子に用いられるトンネル磁気抵抗素子(TMR)は、非常に薄い絶縁膜と磁性層より構成されている。ここで、印加電圧一定の場合に絶縁膜を通過するトンネル電流、すなわち、トンネル磁気抵抗素子(TMR)の抵抗値は、その厚さに対して指数関数的に変化する。たとえば、絶縁膜の厚みが1原子層(2〜3Å)だけ厚くなったり薄くなったりするだけで、20〜30%の抵抗値ばらつきが生じてしまう。   However, the tunnel magnetoresistive element (TMR) used for the memory element of the MRAM is composed of a very thin insulating film and a magnetic layer. Here, when the applied voltage is constant, the tunnel current passing through the insulating film, that is, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element (TMR) varies exponentially with respect to its thickness. For example, if the thickness of the insulating film is increased or decreased by one atomic layer (2 to 3 mm), resistance value variation of 20 to 30% occurs.

このトンネル磁気抵抗素子(TMR)の抵抗値ばらつきは、トンネル磁気抵抗素子(TMR)の面積が小さくなればなるほど顕著になってくる。したがって上述のMRAMデバイスでは、メモリセルの記憶状態が「0」たとえばトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は高抵抗状態であるにもかかわらず、メモリセルから得られる電圧が参照セルから得られる電圧よりも大きくなる問題が生じる可能性がある。逆に、メモリセルの記憶状態が「1」たとえばトンネル磁気抵抗素子の抵抗値は低抵抗状態であるにもかかわらずメモリセルから得られる電圧が参照セルから得られる電圧よりも小さくなったりする問題が生じる可能性があり、これがセル歩留まりを悪化させる大きな要因ともなる。すなわち、参照セルを用いて生成される基準電圧を正確に設定することが困難となり、データ読出精度が低下する問題がある。   The variation in resistance value of the tunnel magnetoresistive element (TMR) becomes more prominent as the area of the tunnel magnetoresistive element (TMR) becomes smaller. Therefore, in the MRAM device described above, the memory cell storage state is “0”, for example, the tunnel magnetoresistive element has a high resistance state, but the voltage obtained from the memory cell is higher than the voltage obtained from the reference cell. There can be a growing problem. On the contrary, the memory state of the memory cell is “1”. For example, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is low, but the voltage obtained from the memory cell is smaller than the voltage obtained from the reference cell. May occur, which is a major factor that deteriorates the cell yield. That is, it is difficult to accurately set the reference voltage generated using the reference cell, and there is a problem that the data reading accuracy is lowered.

これらの問題を解決するためにメモリセルおよび参照セルにおける、トンネル膜厚製造工程を高精度化する必要がある。   In order to solve these problems, it is necessary to improve the tunnel film thickness manufacturing process in the memory cell and the reference cell.

しかし、製造プロセスにおけるトンネル膜厚精度を厳格化すれば、製造歩留まりの低下等による製造コストの上昇が懸念される。このような背景から、MRAMデバイスにおいて、メモリセルでの上述した抵抗差ΔRに基づいたデータ読出を製造工程の厳格化を招くことなく高精度に実行するための構成が求められる。   However, if tunnel film thickness accuracy in the manufacturing process is tightened, there is a concern about an increase in manufacturing cost due to a decrease in manufacturing yield. Against this background, there is a demand for a configuration for executing data reading based on the above-described resistance difference ΔR in the memory cell with high accuracy without causing a strict manufacturing process in the MRAM device.

このような問題点を解決するために、参照セルを用いることなく選択メモリセルに対するアクセスのみでデータ読出を実行するいわゆるセルフリファレンス方式のデータ読出を実行する構成が提案されている。   In order to solve such problems, a configuration has been proposed in which data reading is performed by a so-called self-reference method in which data reading is performed only by accessing a selected memory cell without using a reference cell.

一般的なセルフリファレンス読出として、1回のデータ読出動作は連続的に実行される、(1)選択メモリセルからの記憶データ読出、(2)当該選択メモリセルへの「0」データの強制書込後のデータ読出、(3)当該選択メモリセルへの「1」データへの強制書込後のデータ読出、(4)上記(1)〜(3)の読出結果に基づいた読出データ生成、および(5)当該選択メモリセルへの読出データ再書込(リストア)によって構成されている。このようなデータ読出動作によれば選択メモリセルに対するアクセスのみでデータ読出を実行することができるため、参照セル等の製造ばらつきに左右されず高精度のデータ読出を実行することができる。   As a general self-reference read, one data read operation is continuously executed, (1) reading stored data from the selected memory cell, and (2) compulsory writing of “0” data to the selected memory cell. Data read after loading, (3) data read after forced writing to “1” data in the selected memory cell, (4) read data generation based on the read results of (1) to (3) above, And (5) read data rewrite (restore) to the selected memory cell. According to such a data reading operation, data reading can be executed only by accessing the selected memory cell, so that high-precision data reading can be executed regardless of manufacturing variations of the reference cell and the like.

特開2003−257173号公報においては、最初(1回目)のデータ読出において選択された選択メモリセルを流れる電流を検出して、その電流値に対応して生成される電圧制御発振器(VCO)からのパルス周波数のパルス数をカウントする。そして、所定データの強制書込後の2回目のデータ読出において選択メモリセルを流れる電流を検出して、その電流値に対応して生成されるVCOのパルス数をカウントする。この計測結果を比較することにより、すなわち1回目の読出と2回目の読出とによって計測されるパルス数の比較に基づいて、読出データを生成するセルフリファレンス方式のMRAMデバイスを開示している。
特開2003−257173号公報
In Japanese Patent Laid-Open No. 2003-257173, a current flowing through a selected memory cell selected in the first (first) data reading is detected, and a voltage controlled oscillator (VCO) generated corresponding to the current value is detected. Count the number of pulses at the pulse frequency. Then, the current flowing through the selected memory cell is detected in the second data reading after the forced writing of predetermined data, and the number of VCO pulses generated corresponding to the current value is counted. A self-reference MRAM device that generates read data by comparing the measurement results, that is, based on the comparison of the number of pulses measured by the first read and the second read is disclosed.
JP 2003-257173 A

しかしながら、上述のセルフリファレンス方式においては、1回目のデータ読出で読出した情報をレジスタに保持し、2回目のデータ読出で読出した情報を別のレジスタに保持することによって、その比較に基づいた読出データを生成する方式が示されている。   However, in the above self-reference method, the information read in the first data read is held in a register, and the information read in the second data read is held in another register, so that reading based on the comparison is performed. A method for generating data is shown.

したがって、このようなセルフリファレンス方式においては、読出データを生成するための読出回路において、レジスタやカウンタ等を設ける必要があり、読出回路の構成が複雑化するとともに、高速なデータ読出の阻害要因ともなる。   Therefore, in such a self-reference method, it is necessary to provide a register, a counter, and the like in the read circuit for generating read data, which complicates the configuration of the read circuit and is an obstacle to high-speed data reading. Become.

本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであって、読出回路の回路構成をより簡易にするとともに、高速なデータ読出を実行することが可能な不揮発性記憶装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a nonvolatile memory device capable of simplifying the circuit configuration of a reading circuit and executing high-speed data reading. For the purpose.

本発明に係る不揮発性記憶装置は、各々において、データ読出時に記憶データに応じた通過電流が流れる複数のメモリセルと、データ読出時に、複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルを介して記憶データに応じて流れる通過電流を検出して、通過電流の比率を変化させた基準電流を生成する電流生成回路と、電流生成回路により生成した基準電流と、データ読出時に選択メモリセルにおいて記憶データに応じて変化する通過電流との比較に基づいて選択メモリセルの読出データを生成する比較回路とを備える。   Each of the nonvolatile memory devices according to the present invention includes a plurality of memory cells through which a passing current corresponding to stored data flows during data reading, and a selection selected as a data reading target among the plurality of memory cells during data reading. A current generation circuit that detects a passing current that flows in accordance with stored data through a memory cell and generates a reference current in which the ratio of the passing current is changed, a reference current generated by the current generation circuit, and a selection at the time of data reading And a comparison circuit that generates read data of the selected memory cell based on a comparison with a passing current that changes in accordance with stored data in the memory cell.

本発明に係る他の不揮発性記憶装置は、各々において、データ読出時に記憶データに応じた通過電流が流れる複数のメモリセルと、複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルに対してデータ書込磁界を印可するためのデータ書込回路と、1回のデータ読出動作内において少なくとも1回実行されるデータ書込磁界の印加に基づいて、印加の前後においてそれぞれ変化する選択メモリセルを流れる通過電流の状態変化を検出して、検出した通過電流の状態変化に基づいて読出データを生成するためのデータ読出回路とを備える。   Other nonvolatile memory devices according to the present invention each include a plurality of memory cells in which a passing current corresponding to stored data flows during data reading, and a selected memory cell selected as a data reading target among the plurality of memory cells. A data write circuit for applying a data write magnetic field to the memory and a selection that changes before and after the application based on the application of the data write magnetic field executed at least once in one data read operation A data read circuit for detecting a change in the state of the passing current flowing through the memory cell and generating read data based on the detected change in the state of the passing current;

本発明に係る別の不揮発性記憶装置は、各々が、データ読出時に記憶データに応じた通過電流が流れる複数のメモリセルと、データ読出時に、複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルを介して固定電圧と電気的に結合されるデータ線と、少なくともデータ読出時にデータ線を所定電圧と結合して選択メモリセルに通過電流を供給するための電流供給回路と、選択メモリセルに対してデータ書込磁界を印加するためのデータ書込回路と、1回のデータ読出動作内において少なくとも1回実行されるデータ書込磁界の印加の前後のそれぞれにおける選択メモリセルの記憶データに基づいて読出データを生成するためのデータ読出回路とを備える。データ読出回路は、データ書込磁界の印加前における選択メモリセルのデータ読出によって流れる通過電流を所定の比率変化させて基準電流を生成する基準電流生成部と、所定のデータ書込磁界の印加後の選択メモリセルのデータ読出によって流れる通過電流と、基準電流との比較に基づいて読出データを生成する比較部とを含む。   In another nonvolatile memory device according to the present invention, each of a plurality of memory cells through which a passing current corresponding to stored data flows at the time of data reading and a data reading target among the plurality of memory cells at the time of data reading are selected. A data line electrically coupled to a fixed voltage through the selected memory cell, a current supply circuit for coupling the data line with a predetermined voltage at least at the time of data reading and supplying a passing current to the selected memory cell, and a selection Data write circuit for applying data write magnetic field to memory cell and storage of selected memory cell before and after application of data write magnetic field executed at least once in one data read operation A data read circuit for generating read data based on the data. The data read circuit includes a reference current generation unit that generates a reference current by changing a predetermined ratio of a passing current that flows by data reading of a selected memory cell before application of a data write magnetic field, and after application of a predetermined data write magnetic field. A comparison unit that generates read data based on a comparison between a passing current that flows when data is read from the selected memory cell and a reference current.

本発明に係る不揮発性記憶装置は、記憶データに応じて流れる通過電流を検出して、通過電流の比率を変化させた基準電流を生成する電流生成回路と、電流生成回路により生成した基準電流と、データ読出時に選択メモリセルにおいて記憶データに応じて変化する通過電流との比較に基づいて選択メモリセルの読出データを生成する比較回路とを備える。したがって、基準電流は、選択メモリセルの通過電流に基づいて生成されるためメモリセルのばらつきに対応することが可能であり、読出マージンの向上を図ることができる。さらには、比較回路は、電流比較に基づいて読出データを生成するためデータ読出により得られた読出データを一時的に記憶しておくレジスタ等を設ける必要はなく簡易な読出回路を構成することができるとともに、高速なデータ読出を実行することができる。   The nonvolatile memory device according to the present invention detects a passing current flowing according to stored data, generates a reference current in which the ratio of the passing current is changed, and a reference current generated by the current generating circuit. And a comparison circuit for generating read data of the selected memory cell based on a comparison with a passing current that changes in accordance with the stored data in the selected memory cell during data reading. Therefore, since the reference current is generated based on the passing current of the selected memory cell, it is possible to cope with the variation of the memory cell, and the read margin can be improved. Furthermore, since the comparison circuit generates read data based on the current comparison, it is not necessary to provide a register or the like for temporarily storing the read data obtained by data reading, and a simple read circuit can be configured. In addition, high-speed data reading can be performed.

また、本発明に係る不揮発性記憶装置は、データ書込磁界の印加に基づいて、印加の前後においてそれぞれ変化する選択メモリセルを流れる通過電流の状態変化を検出して、検出した通過電流の状態変化に基づいて読出データを生成するためのデータ読出回路とを備える。したがって、データ読出回路は、選択メモリセルが有するMR比に基づいて流れる通過電流に従って読出データを生成するため読出マージンの高いデータ読出を実行することができる。   In addition, the nonvolatile memory device according to the present invention detects a state change of the passing current flowing through the selected memory cell that changes before and after the application based on the application of the data write magnetic field, and detects the state of the detected passing current. A data read circuit for generating read data based on the change. Therefore, the data read circuit generates read data in accordance with the passing current that flows based on the MR ratio of the selected memory cell, and therefore can perform data reading with a high read margin.

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に従う不揮発性記憶装置の代表例として示されるMRAMデバイスの全体構成を示す概略ブロック図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an overall configuration of an MRAM device shown as a representative example of a nonvolatile memory device according to Embodiment 1 of the present invention.

なお、以下の説明で明らかなように、本発明の適用は、MTJメモリセルを備えたMRAMデバイスに限定されるものではなく、データ読出の際に通過電流(データ読出電流)が流れるメモリセルを備える不揮発性記憶装置にも適用することができる。特に、複数のメモリセル間の抵抗値ばらつきが激しい、すなわちメモリセル間の均一化が難しいメモリセル構造を有するデバイスに有効である。   As will be apparent from the following description, the application of the present invention is not limited to an MRAM device having an MTJ memory cell, but a memory cell in which a passing current (data read current) flows during data read. The present invention can also be applied to a nonvolatile storage device provided. In particular, this is effective for a device having a memory cell structure in which the resistance value variation among a plurality of memory cells is severe, that is, it is difficult to make the memory cells uniform.

図1を参照して、MRAMデバイス1は、制御信号CMDに応答してMRAMデバイス1の全体動作を制御するコントロール回路5と、行列状に集積配置されたMTJメモリセルMC(以下、単にメモリセルMCとも称する)を含むメモリアレイ10と、行選択回路20と、列デコーダ25とを備える。行選択回路20は、アドレス信号ADDに含まれるロウアドレスRAに基づいて、アクセス対象となるメモリアレイ10における行選択動作を実行する。列デコーダ25は、アドレス信号ADDに含まれるコラムアドレスCAに基づいてアクセス対象となるメモリアレイ10の列選択動作を実行する。   Referring to FIG. 1, an MRAM device 1 includes a control circuit 5 that controls the overall operation of the MRAM device 1 in response to a control signal CMD, and MTJ memory cells MC (hereinafter simply referred to as memory cells) arranged in a matrix. A memory array 10 including an MC), a row selection circuit 20, and a column decoder 25. The row selection circuit 20 performs a row selection operation in the memory array 10 to be accessed based on the row address RA included in the address signal ADD. The column decoder 25 performs a column selection operation of the memory array 10 to be accessed based on the column address CA included in the address signal ADD.

また、MRAMデバイス1は、メモリアレイ10の両側に設けられ、入力データDINに基づくデータ書込あるいは出力データDOUTとして外部に出力するデータ読出を実行する読出/書込制御回路30,35とをさらに備える。なお、以下においては信号、信号線およびデータ等の2値的な高電圧状態および低電圧状態をそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルとも称する。   The MRAM device 1 further includes read / write control circuits 30 and 35 provided on both sides of the memory array 10 for executing data writing based on input data DIN or data reading output to the outside as output data DOUT. Prepare. In the following, the binary high voltage state and low voltage state of signals, signal lines, data, etc. are also referred to as “H” level and “L” level, respectively.

また、メモリアレイ10の行列状に集積配置された複数のメモリセルMCの行および列を、メモリセル行およびメモリセル列ともそれぞれ称する。   In addition, the rows and columns of the plurality of memory cells MC that are integrated and arranged in a matrix of the memory array 10 are also referred to as memory cell rows and memory cell columns, respectively.

メモリアレイ10は、メモリセル行にそれぞれ対応して設けられる複数のワード線WLおよびデジット線DLと、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられる複数のビット線および複数のソース線SLとをさらに備える。ここで、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられる複数のビット線として、データ読出時に用いられるビット線RBLとデータ書込時に用いられるビット線WBLとがそれぞれ設けられる。図1には、代表的に1つのメモリセルMCが示され、メモリセルMCのメモリセル行に対応してワード線WLおよびデジット線DLがそれぞれ1本ずつ示されている。また、メモリセルMCのメモリセル列に対応してビット線RBL,WBLおよびソース線SLが代表的に1本ずつ示されている。   Memory array 10 further includes a plurality of word lines WL and digit lines DL provided corresponding to the memory cell rows, and a plurality of bit lines and a plurality of source lines SL provided corresponding to the memory cell columns, respectively. . Here, a bit line RBL used at the time of data reading and a bit line WBL used at the time of data writing are provided as the plurality of bit lines provided corresponding to the memory cell columns, respectively. FIG. 1 representatively shows one memory cell MC, and shows one word line WL and one digit line DL corresponding to each memory cell row of the memory cells MC. Also, bit lines RBL, WBL and source line SL are typically shown one by one corresponding to the memory cell column of memory cells MC.

また、メモリアレイ10を挟んで行選択回路20の反対領域に、デジット線DLをプルダウンするトランジスタ95が設けられている。なお、トランジスタ95のゲートは、電源電圧Vccと電気的に結合されており、行選択回路20の行選択指示に基づいてデジット線DLには、トランジスタ95を介して固定電圧Vssとの間で電流経路が形成される。   A transistor 95 for pulling down the digit line DL is provided in a region opposite to the row selection circuit 20 across the memory array 10. Note that the gate of the transistor 95 is electrically coupled to the power supply voltage Vcc. Based on the row selection instruction of the row selection circuit 20, the digit line DL is supplied with current from the fixed voltage Vss via the transistor 95. A path is formed.

ここで、メモリセルの構造およびデータ記憶動作について説明する。   Here, the structure of the memory cell and the data storage operation will be described.

図2は、トンネル接合部を有するメモリセルの構成を示す概略図である。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a memory cell having a tunnel junction.

図2を参照して、メモリセルは、磁気的に書込まれた記憶データのデータレベルに応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗素子TMRと、アクセストランジスタATRとを含む。アクセストランジスタATRは、ビット線BLおよびソース線SLの間に、トンネル磁気抵抗素子TMRと直列に接続される。代表的には、アクセストランジスタATRとして、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタが適用される。   Referring to FIG. 2, the memory cell includes a tunnel magnetoresistive element TMR whose electric resistance changes according to the data level of magnetically written storage data, and an access transistor ATR. Access transistor ATR is connected in series with tunneling magneto-resistance element TMR between bit line BL and source line SL. Typically, a field effect transistor formed on a semiconductor substrate is applied as access transistor ATR.

メモリセルに対しては、データ書込時に異なった方向のデータ書込電流をそれぞれ流すためのビット線WBLおよびデジット線DLと、データ読出を指示するためのワード線WLとが設けられる。データ読出時においては、アクセストランジスタATRのターンオンに応答して、トンネル磁気抵抗素子TMRは、固定電圧Vssに設定されたソース線SLとビット線RBLとの間に電気的に結合される。   For memory cells, there are provided bit line WBL and digit line DL for flowing data write currents in different directions at the time of data writing, and word line WL for instructing data reading. At the time of data reading, in response to turn-on of access transistor ATR, tunneling magneto-resistance element TMR is electrically coupled between source line SL set to fixed voltage Vss and bit line RBL.

図3は、MTJメモリセルに対するデータ書込動作を説明する概念図である。   FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a data write operation for the MTJ memory cell.

図3を参照して、トンネル磁気抵抗素子TMRは、固定された一定の磁化方向を有する強磁性体層(以下、単に「固定磁化層」とも称する)FLと、外部からの印加磁界に応じた方向に磁化される強磁性体層(以下、単に「自由磁化層」とも称する)VLとを有する。固定磁化層FLおよび自由磁化層VLの間には、絶縁体膜で形成されるトンネルバリア(トンネル膜)TBが設けられる。自由磁化層VLは、書込まれる記憶データのレベルに応じて、固定磁化層FLと同一方向または固定磁化層FLと反対(反平行)方向に磁化される。これらの固定磁化層FL、トンネルバリアTBおよび自由磁化層VLによって、磁気トンネル接合が形成される。   Referring to FIG. 3, tunneling magneto-resistance element TMR corresponds to a ferromagnetic layer (hereinafter, also simply referred to as “fixed magnetization layer”) FL having a fixed fixed magnetization direction and an externally applied magnetic field. A ferromagnetic layer (hereinafter, also simply referred to as “free magnetic layer”) VL that is magnetized in the direction. A tunnel barrier (tunnel film) TB formed of an insulator film is provided between the fixed magnetic layer FL and the free magnetic layer VL. Free magnetic layer VL is magnetized in the same direction as fixed magnetic layer FL or in the opposite (antiparallel) direction to fixed magnetic layer FL according to the level of stored data to be written. A magnetic tunnel junction is formed by these fixed magnetic layer FL, tunnel barrier TB and free magnetic layer VL.

トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗は、固定磁化層FLおよび自由磁化層VLのそれぞれの磁化方向の相対関係に応じて変化する。具体的には、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗は、固定磁化層FLの磁化方向と自由磁化層VLの磁化方向とが平行である場合に最小値Rminとなり、両者の磁化方向が反対(反平行)方向である場合に最大値Rmaxとなる。   The electric resistance of tunneling magneto-resistance element TMR changes according to the relative relationship between the magnetization directions of fixed magnetic layer FL and free magnetic layer VL. Specifically, the electrical resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR becomes the minimum value Rmin when the magnetization direction of the fixed magnetization layer FL and the magnetization direction of the free magnetization layer VL are parallel, and the magnetization directions of both are opposite (reverse) In the case of the (parallel) direction, the maximum value Rmax is obtained.

データ書込時においては、ワード線WLが非活性化されて、アクセストランジスタATRはターンオフされる。この状態で、自由磁化層VLを磁化するためのデータ書込電流(±Iw)は、ビット線BLおよびデジット線DLのそれぞれにおいて、書込データのレベルに応じた方向に流される。   At the time of data writing, word line WL is deactivated and access transistor ATR is turned off. In this state, a data write current (± Iw) for magnetizing free magnetic layer VL flows in a direction corresponding to the level of write data in each of bit line BL and digit line DL.

図4は、データ書込におけるデータ書込電流とトンネル磁気抵抗素子の磁化方向との関係を示す概念図である。   FIG. 4 is a conceptual diagram showing the relationship between the data write current and the magnetization direction of the tunnel magnetoresistive element in data write.

図4を参照して、横軸H(EA)は、トンネル磁気抵抗素子TMR内の自由磁化層VLにおいて磁化容易軸(EA:Easy Axis)方向に印加される磁界を示す。一方、縦軸H(HA)は、自由磁化層VLにおいて磁化困難軸(HA:Hard Axis)方向に作用する磁界を示す。磁界H(EA)およびH(HA)は、ビット線BLおよびデジット線DLをそれぞれ流れる電流によって生じる2つの磁界の一方ずつにそれぞれ対応する。   Referring to FIG. 4, the horizontal axis H (EA) represents a magnetic field applied in the easy axis (EA) direction in free magnetic layer VL in tunneling magneto-resistance element TMR. On the other hand, the vertical axis H (HA) indicates a magnetic field that acts in the hard magnetization axis (HA) direction in the free magnetic layer VL. Magnetic fields H (EA) and H (HA) respectively correspond to one of two magnetic fields generated by currents flowing through bit line BL and digit line DL, respectively.

メモリセルにおいては、固定磁化層FLの固定された磁化方向は、自由磁化層VLの磁化容易軸に沿っており、自由磁化層VLは、記憶データのレベル(“1”および“0”)に応じて、磁化容易軸方向に沿って、固定磁化層FLと平行あるいは反平行(反対)方向に磁化される。メモリセルは、自由磁化層VLの2通りの磁化方向と対応させて、1ビットのデータ(“1”および“0”)を記憶することができる。   In the memory cell, the fixed magnetization direction of fixed magnetic layer FL is along the easy axis of free magnetic layer VL, and free magnetic layer VL is at the level of stored data (“1” and “0”). Accordingly, it is magnetized in the direction parallel to the fixed magnetization layer FL or in the antiparallel (opposite) direction along the easy axis direction. The memory cell can store 1-bit data (“1” and “0”) corresponding to the two magnetization directions of the free magnetic layer VL.

自由磁化層VLの磁化方向は、印加される磁界H(EA)およびH(HA)の和が、図中に示されるアステロイド特性線の外側の領域に達する場合においてのみ新たに書換えることができる。すなわち、印加されたデータ書込磁界がアステロイド特性線の内側の領域に相当する強度である場合には、自由磁化層VLの磁化方向は変化しない。   The magnetization direction of the free magnetic layer VL can be newly rewritten only when the sum of the applied magnetic fields H (EA) and H (HA) reaches a region outside the asteroid characteristic line shown in the figure. it can. That is, when the applied data write magnetic field has a strength corresponding to the region inside the asteroid characteristic line, the magnetization direction of the free magnetic layer VL does not change.

アステロイド特性線に示されるように、自由磁化層VLに対して磁化困難軸方向の磁界を印加することによって、磁化容易軸に沿った磁化方向を変化させるのに必要な磁化しきい値を下げることができる。   As indicated by the asteroid characteristic line, by applying a magnetic field in the hard axis direction to the free magnetic layer VL, the magnetization threshold required to change the magnetization direction along the easy axis is lowered. be able to.

メモリセルの記憶データ、すなわちトンネル磁気抵抗素子TMRの磁化方向を書換えるためには、デジット線DLとビット線BLとの両方に所定レベル以上のデータ書込電流を流す必要がある。これにより、トンネル磁気抵抗素子TMR中の自由磁化層VLは、磁化容易軸(EA)に沿ったデータ書込磁界の向きに応じて、固定磁化層FLと平行もしくは、反対(反平行)方向に磁化される。トンネル磁気抵抗素子TMRに一旦書込まれた磁化方向、すなわちメモリセルの記憶データは、新たなデータ書込が実行されるまでの間不揮発的に保持される。   In order to rewrite the data stored in the memory cell, that is, the magnetization direction of tunneling magneto-resistance element TMR, it is necessary to pass a data write current of a predetermined level or more to both digit line DL and bit line BL. Thus, free magnetic layer VL in tunneling magneto-resistance element TMR is parallel to fixed magnetic layer FL or in the opposite (anti-parallel) direction according to the direction of the data write magnetic field along the easy axis (EA). Magnetized. The magnetization direction once written in tunneling magneto-resistance element TMR, that is, data stored in the memory cell is held in a nonvolatile manner until new data writing is executed.

図5は、MTJメモリセルからのデータ読出を説明する概念図である。   FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating data reading from the MTJ memory cell.

図5を参照して、データ読出時においては、アクセストランジスタATRは、ワード線WLの活性化に応答してターンオンする。また、ソース線SLは、固定電圧Vssに設定される。これにより、トンネル磁気抵抗素子TMRは、固定電圧Vssでプルダウンされた状態でビット線RBLと電気的に結合される。   Referring to FIG. 5, at the time of data reading, access transistor ATR is turned on in response to activation of word line WL. The source line SL is set to a fixed voltage Vss. Thereby, tunneling magneto-resistance element TMR is electrically coupled to bit line RBL while being pulled down with fixed voltage Vss.

また、ビット線RBLが所定電圧にプルアップされて、ビット線RBLおよびトンネル磁気抵抗素子TMRを含む電流経路を、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗に応じた、すなわちメモリセルの記憶データのレベルに応じたメモリセル電流Icellが通過する。このメモリセル電流Icellすなわち通過電流を用いて後述するがメモリセルから記憶データを読出すことができる。   Further, the bit line RBL is pulled up to a predetermined voltage, and the current path including the bit line RBL and the tunnel magnetoresistive element TMR is set to a level corresponding to the electric resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR, that is, the data stored in the memory cell. The corresponding memory cell current Icell passes. Using this memory cell current Icell, that is, a passing current, stored data can be read from the memory cell as will be described later.

図6は、MTJメモリセルに対して磁界を印加するための電流および、MTJメモリセルの電気抵抗の関係(ヒステリシス特性)を示す図である。   FIG. 6 is a diagram showing the relationship (hysteresis characteristics) between the current for applying a magnetic field to the MTJ memory cell and the electrical resistance of the MTJ memory cell.

図6を参照して、横軸には、ビット線を流れるビット線電流I(BL)が示され、縦軸にはMTJメモリセルの電気抵抗Rcellが示される。ビット線電流I(BL)によって生じる磁界は、図3に示した自由磁化層VLにおいて、磁化容易軸方向(EA)に沿った方向を有する。一方、デジット線DLを流れるデジット線電流I(DL)によって生じる磁界は、自由磁化層VLにおいて、磁化困難軸方向(HA)に沿った方向を有する。   Referring to FIG. 6, the horizontal axis indicates the bit line current I (BL) flowing through the bit line, and the vertical axis indicates the electrical resistance Rcell of the MTJ memory cell. The magnetic field generated by the bit line current I (BL) has a direction along the easy axis direction (EA) in the free magnetic layer VL shown in FIG. On the other hand, the magnetic field generated by the digit line current I (DL) flowing through the digit line DL has a direction along the hard axis direction (HA) in the free magnetization layer VL.

したがって、ビット線電流I(BL)が、自由磁化層VLの磁化方向を反転させるためのしきい値を超えると、自由磁化層VLの磁化方向が反転されて、メモリセル抵抗Rcellが変化する。図2においては、プラス方向のビット線電流I(BL)がしきい値を超えて流された場合にはメモリセル抵抗Rcellが最大値Rmaxとなり、マイナス方向のビット線電流I(BL)がしきい値を超えて流された場合には、メモリセル抵抗Rcellが最小値Rminとなる。このようなビット線電流I(BL)のしきい値は、デジット線DLを流れる電流I(DL)によって異なる。   Therefore, when the bit line current I (BL) exceeds the threshold value for reversing the magnetization direction of the free magnetic layer VL, the magnetization direction of the free magnetic layer VL is reversed and the memory cell resistance Rcell changes. In FIG. 2, when the bit line current I (BL) in the plus direction exceeds the threshold value, the memory cell resistance Rcell becomes the maximum value Rmax, and the bit line current I (BL) in the minus direction is reduced. When flowing beyond the threshold value, the memory cell resistance Rcell becomes the minimum value Rmin. The threshold value of the bit line current I (BL) varies depending on the current I (DL) flowing through the digit line DL.

まず、デジット線DLを流れるデジット線電流I(DL)=0である場合におけるメモリセル抵抗Rcellのヒステリシス特性が、図6中に点線で示される。この場合における、ビット線電流I(BL)のプラス方向およびマイナス方向のしきい値を、それぞれIt0および−It0とする。   First, the hysteresis characteristic of the memory cell resistance Rcell when the digit line current I (DL) = 0 flowing through the digit line DL is shown by a dotted line in FIG. In this case, the threshold values of the bit line current I (BL) in the positive direction and the negative direction are respectively It0 and -It0.

これに対して、デジット線DLに電流が流される場合には、ビット線電流I(BL)のしきい値が低下する。図6には、デジット線電流I(DL)=Ipである場合のメモリセル抵抗Rcellのヒステリシス特性が実線で示される。デジット線電流I(DL)によって生じる磁化困難軸方向の磁界の影響によって、ビット線電流I(BL)のプラス方向およびマイナス方向のしきい値は、それぞれIt1(It1<It0)および−It1(−It1>−It0)に変化する。このヒステリシス特性は、データ書込動作時におけるメモリセル抵抗Rcellの挙動を示している。したがって、データ書込動作時におけるビット線電流I(BL)、すなわちデータ書込電流+Iwおよび−Iwは、It1<+Iw<It0および−It0<−Iw<−It1の範囲に設定されている。   On the other hand, when a current flows through digit line DL, the threshold value of bit line current I (BL) decreases. In FIG. 6, the hysteresis characteristic of the memory cell resistance Rcell when the digit line current I (DL) = Ip is shown by a solid line. Due to the influence of the magnetic field in the hard axis direction caused by the digit line current I (DL), the threshold values in the positive direction and the negative direction of the bit line current I (BL) are It1 (It1 <It0) and −It1 (− It1> -It0). This hysteresis characteristic indicates the behavior of the memory cell resistance Rcell during the data write operation. Therefore, the bit line current I (BL) during the data write operation, that is, the data write currents + Iw and −Iw are set in the range of It1 <+ Iw <It0 and −It0 <−Iw <−It1.

一方、データ読出動作時におけるビット線電流I(BL)、すなわちデータ読出電流Isは、選択メモリセルや寄生容量等をRC負荷として接続されたデータ線DIOの充電電流として流れるので、データ書込時におけるビット線電流I(BL)、すなわちデータ書込電流±Iwと比較すると、2〜3桁小さいレベルとなるのが一般的である。したがって、図6中では、データ読出電流Is≒0とみなすことができる。   On the other hand, the bit line current I (BL) in the data read operation, that is, the data read current Is flows as a charge current for the data line DIO connected with the selected memory cell, parasitic capacitance, etc. as the RC load. Compared with the bit line current I (BL) at, that is, the data write current ± Iw, it is generally a level that is two to three orders of magnitude smaller. Therefore, in FIG. 6, it can be considered that the data read current Is≈0.

データ読出前の状態においては、図6中における(a)または(c)の状態、すなわち選択メモリセルが電気抵抗RminまたはRmaxのいずれかを有するように、トンネル磁気抵抗素子TMR中の自由磁化層の磁化方向が設定されている。   In the state before data reading, the state (a) or (c) in FIG. 6, that is, the free magnetic layer in tunneling magneto-resistance element TMR so that the selected memory cell has either electric resistance Rmin or Rmax. The magnetization direction is set.

図7は、図6に示した各状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化方向を説明する概念図である。ここでは、自由磁化層VLの磁化方向が示され、固定磁化層FLの磁化方向との関係が示されている。   FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating the magnetization direction of the tunneling magneto-resistance element in each state shown in FIG. Here, the magnetization direction of the free magnetic layer VL is shown, and the relationship with the magnetization direction of the fixed magnetic layer FL is shown.

図7(a)は、図6(a)における状態の磁化方向を示している。この状態においては、自由磁化層VLの磁化方向と、固定磁化層FLの磁化方向とは平行であるので、メモリセル抵抗Rcellは、最小値Rminに設定される。   FIG. 7A shows the magnetization direction in the state shown in FIG. In this state, since the magnetization direction of the free magnetic layer VL and the magnetization direction of the fixed magnetic layer FL are parallel, the memory cell resistance Rcell is set to the minimum value Rmin.

図7(c)は、図6(c)における状態の磁化方向を示している。この状態においては、自由磁化層VLの磁化方向と、固定磁化層FLの磁化方向とは反平行(逆方向)であるので、メモリセル抵抗Rcellは、最大値Rmaxに設定される。   FIG.7 (c) has shown the magnetization direction of the state in FIG.6 (c). In this state, since the magnetization direction of the free magnetic layer VL and the magnetization direction of the fixed magnetic layer FL are antiparallel (reverse direction), the memory cell resistance Rcell is set to the maximum value Rmax.

この状態から、デジット線DLに対して所定電流(たとえばデータ書込電流Ip)を流すと、自由磁化層VLの磁化方向は、反転される状態には至らないものの、ある程度回転されて、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗Rcellが変化する。   From this state, when a predetermined current (for example, data write current Ip) is passed through digit line DL, the magnetization direction of free magnetic layer VL is not reversed, but is rotated to some extent, and tunnel magnetism is achieved. The electric resistance Rcell of the resistance element TMR changes.

たとえば、図7(b)に示されるように、図7(a)の磁化状態から、デジット線電流I(DL)による磁化困難軸(HA)方向の所定バイアス磁界がさらに印加された場合には、自由磁化層VLの磁化方向は、いくらか回転して、固定磁化層FLの磁化方向と所定の角度を成すようになる。これにより、図7(b)に対応する磁化状態では、メモリセル抵抗Rcellは、最小値RminからRm0に上昇する。   For example, as shown in FIG. 7B, when a predetermined bias magnetic field in the hard axis (HA) direction by the digit line current I (DL) is further applied from the magnetization state of FIG. 7A. The magnetization direction of the free magnetic layer VL is somewhat rotated to form a predetermined angle with the magnetization direction of the fixed magnetic layer FL. Thereby, in the magnetization state corresponding to FIG. 7B, the memory cell resistance Rcell increases from the minimum value Rmin to Rm0.

同様に、図7(c)の磁化状態から、同様の所定バイアス磁界がさらに印加された場合には、自由磁化層VLの磁化方向はいくらか回転して、固定磁化層FLの磁化方向と所定の角度を成すようになる。これにより、図7(d)に対応する磁化状態では、メモリセル抵抗Rcellは、最大値RmaxからRm1に下降する。   Similarly, when the same predetermined bias magnetic field is further applied from the magnetization state of FIG. 7C, the magnetization direction of the free magnetic layer VL is somewhat rotated, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer FL and the predetermined magnetic field Make an angle. Thereby, in the magnetization state corresponding to FIG. 7D, the memory cell resistance Rcell drops from the maximum value Rmax to Rm1.

このように、磁化困難軸(HA)方向のバイアス磁界を印加することによって、最大値Rmaxに対応するデータを記憶するMTJメモリセルのメモリセル抵抗Rcellが低下する一方で、最小値Rminに対応するデータを記憶するMTJメモリセルのメモリセル抵抗Rcellは上昇する。   As described above, by applying a bias magnetic field in the hard axis (HA) direction, the memory cell resistance Rcell of the MTJ memory cell storing data corresponding to the maximum value Rmax is lowered, while corresponding to the minimum value Rmin. The memory cell resistance Rcell of the MTJ memory cell that stores data increases.

上記において説明したように所定バイアス磁界を印加することにより最大値Rmaxから抵抗値が変化する。具体的には磁化困難軸(HA)方向のバイアス磁界を印加することによって、最大値Rmaxに対応するデータを記憶するMTJメモリセルのメモリセル抵抗Rcellは、最大値Rmaxの値からRm1に下降する。一方、最小値Rminに対応するデータを記憶するMTJメモリセルのメモリセル抵抗Rcellは、上述したように最小値Rminの値からRm0に上昇する。   As described above, the resistance value is changed from the maximum value Rmax by applying a predetermined bias magnetic field. Specifically, by applying a bias magnetic field in the hard axis (HA) direction, the memory cell resistance Rcell of the MTJ memory cell that stores data corresponding to the maximum value Rmax decreases from the maximum value Rmax to Rm1. . On the other hand, the memory cell resistance Rcell of the MTJ memory cell that stores data corresponding to the minimum value Rmin rises from the minimum value Rmin to Rm0 as described above.

このように、ある記憶データが書込まれたMTJメモリセルに対して、磁化困難軸方向のバイアス磁界を印加すれば、記憶データに応じた極性の電気抵抗の変化をメモリセル抵抗Rcellに生じさせることができる。すなわち、バイアス磁界の印加に応答して生じるメモリセル抵抗Rcellの変化は、記憶データレベルに応じて、異なる極性を有する。   In this way, if a bias magnetic field in the hard axis direction is applied to an MTJ memory cell in which certain storage data is written, a change in electrical resistance having a polarity corresponding to the storage data is caused in the memory cell resistance Rcell. be able to. That is, the change in the memory cell resistance Rcell that occurs in response to the application of the bias magnetic field has a different polarity according to the stored data level.

このようにトンネル磁気抵抗素子TMRは、印加されるデータ書込磁界によって書換可能な磁化方向に応じてその電気抵抗が変化するので、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗Rmax/Rminと、記憶データのレベル(“0”/ “1”)とをそれぞれ対応付けることによって、不揮発的なデータ記憶を実行することができる。   As described above, tunnel magnetoresistive element TMR changes its electric resistance in accordance with the direction of magnetization that can be rewritten by the applied data write magnetic field. Therefore, tunnel magnetoresistive element TMR has an electric resistance Rmax / Rmin and a stored data By associating each level (“0” / “1”) with each other, nonvolatile data storage can be executed.

図8は、本発明の実施の形態1に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略構成図である。   FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the memory array and its peripheral circuits according to the first embodiment of the present invention.

図8を参照して、メモリアレイは、分割された複数のメモリブロックを含む。本例においては、代表的に2つのメモリブロックBK1とBK2とに分割された場合について説明する。2つのメモリブロックの構成はほぼ同様であるので、ここでは代表的にメモリブロックBK1について主に説明する。   Referring to FIG. 8, the memory array includes a plurality of divided memory blocks. In this example, a case where the memory block is divided into two memory blocks BK1 and BK2 will be described. Since the configurations of the two memory blocks are almost the same, the memory block BK1 will be mainly described here as a representative.

メモリブロックBK1は、行列状に集積配置されたメモリセルMCを含むメモリ領域10aを含む。メモリ領域10aは、上述したようにメモリセル行にそれぞれ対応して設けられる複数のワード線WLと複数のデジット線DLとを含む。また、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられる複数のビット線RBL,WBLと、複数のソース線SLとを含む。ビット線RBLはデータ読出時に用いられるビット線であり、ビット線WBLはデータ書込時に用いられるビット線である。   Memory block BK1 includes a memory region 10a including memory cells MC arranged in a matrix. Memory region 10a includes a plurality of word lines WL and a plurality of digit lines DL provided corresponding to the memory cell rows as described above. In addition, it includes a plurality of bit lines RBL, WBL provided corresponding to the memory cell columns and a plurality of source lines SL, respectively. Bit line RBL is a bit line used for data reading, and bit line WBL is a bit line used for data writing.

メモリセルMCは、磁気的に書込まれた記憶データのデータレベルに応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗素子TMRと、アクセストランジスタATRとを含む。アクセストランジスタATRは、ビット線RBLおよびソース線SLの間にトンネル磁気抵抗素子TMRと直接に接続される。代表的にはアクセストランジスタATRとして、半導体基板上に形成された電界効果型トランジスタが適用される。また、メモリセルMCに対しては、データ書込時に異なった方向のデータ書込電流をそれぞれ流すためのビット線WBLおよびデジット線DLと、データ読出時に活性化されるワード線WLとが設けられる。データ読出時において、ワード線WLの活性化すなわちアクセストランジスタATRのターンオンに応答して、トンネル磁気抵抗素子TMRは、固定電圧Vssおよびビット線RBLの間に電気的に結合される。   Memory cell MC includes a tunnel magnetoresistive element TMR whose electrical resistance changes according to the data level of magnetically written storage data, and an access transistor ATR. Access transistor ATR is directly connected to tunneling magneto-resistance element TMR between bit line RBL and source line SL. Typically, a field effect transistor formed on a semiconductor substrate is applied as access transistor ATR. For memory cell MC, there are provided bit line WBL and digit line DL for flowing data write currents in different directions at the time of data writing, and word line WL activated at the time of data reading. . In data reading, tunnel magnetoresistive element TMR is electrically coupled between fixed voltage Vss and bit line RBL in response to activation of word line WL, that is, in response to turn-on of access transistor ATR.

列デコーダ25は、アドレス信号具体的にはコラムアドレスCAを伝達するアドレス信号線群ADLと、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられたデコードユニットDCUとを含む。デコードユニットは、伝達されたコラムアドレスCAに基づいて列選択結果であるデコード信号を出力する。なお、列選択結果は、ライトドライバ制御回路180にも入力される。   Column decoder 25 includes an address signal line group ADL for transmitting an address signal, specifically column address CA, and a decode unit DCU provided corresponding to each memory cell column. The decode unit outputs a decode signal as a column selection result based on the transmitted column address CA. The column selection result is also input to the write driver control circuit 180.

行選択回路20は、メモリセル行ごとに配置された行ドライバ80と、ワード線WLと行ドライバ80との間に設けられるトランジスタ90と、デジット線DLと行ドライバ80との間に設けられるトランジスタ85とを含む。トランジスタ85のゲートは、制御信号WEの入力を受ける。トランジスタ90のゲートは、制御信号REの入力を受ける。行ドライバ80は、メモリセル行の一端側に設けられメモリセル行のデコード結果を示すロウデコード信号Rdに基づいて対応するワード線WLあるいはデジット線DLの活性化を制御する。   The row selection circuit 20 includes a row driver 80 arranged for each memory cell row, a transistor 90 provided between the word line WL and the row driver 80, and a transistor provided between the digit line DL and the row driver 80. 85. The gate of transistor 85 receives control signal WE. Transistor 90 has its gate receiving control signal RE. The row driver 80 is provided on one end side of the memory cell row and controls activation of the corresponding word line WL or digit line DL based on a row decode signal Rd indicating a decoding result of the memory cell row.

具体的には、データ読出時にコントロール回路5から出力される制御信号RE(「H」レベル)に応答して、トランジスタ90がオンし、行ドライバ80とワード線WLとが電気的に接続される。そして、ロウデコード信号Rdに基づいて対応するワード線WLの活性化を制御する。なお、ロウデコード信号Rdは、図示しないが行選択回路20のデコード回路によりロウアドレスRAに基づいて行選択結果として出力される。   Specifically, in response to a control signal RE (“H” level) output from control circuit 5 at the time of data reading, transistor 90 is turned on, and row driver 80 and word line WL are electrically connected. . Then, activation of the corresponding word line WL is controlled based on the row decode signal Rd. The row decode signal Rd is output as a row selection result based on the row address RA by the decode circuit of the row selection circuit 20 (not shown).

一方、データ書込時にコントロール回路5から出力される制御信号WE(「H」レベル)に応答して、トランジスタ85がオンし、行ドライバ80とデジット線DLとが電気的に接続される。そして、ロウデコード信号Rdに基づいて対応するデジット線DLが駆動される。デジット線DLの他端側は、上述したようにトランジスタ95が電源電圧Vccの供給を受けて、固定電圧Vssにプルダウンされている。したがって、ロウデコード信号Rdに基づいてデジット線DLにデータ書込電流Ipが供給される。   On the other hand, in response to control signal WE (“H” level) output from control circuit 5 at the time of data writing, transistor 85 is turned on, and row driver 80 and digit line DL are electrically connected. The corresponding digit line DL is driven based on the row decode signal Rd. As described above, the other end side of the digit line DL is pulled down to the fixed voltage Vss by the transistor 95 being supplied with the power supply voltage Vcc. Therefore, data write current Ip is supplied to digit line DL based on row decode signal Rd.

読出/書込制御回路30は、ライトドライバ制御回路180を含む。ライトドライバ制御回路180は、コントロール回路5からの動作指示に応答して動作する。   Read / write control circuit 30 includes a write driver control circuit 180. The write driver control circuit 180 operates in response to an operation instruction from the control circuit 5.

ライトドライバ制御回路180は、動作時に、ラッチ149を介してデータ入力端子4aに入力された入力データDINおよび列デコーダ25からの列選択結果に応じてメモリセル列ごとに書込制御信号WDTa,WDTbを設定する。さらに、ライトドライバ制御回路180は、1回のデータ読出動作期間内において、後述するデータ読出回路RDCからの読出データを受けて書込制御信号WDTa,WDTbを設定する。   In operation, the write driver control circuit 180 writes the write control signals WDTa and WDTb for each memory cell column in accordance with the input data DIN input to the data input terminal 4a via the latch 149 and the column selection result from the column decoder 25. Set. Further, write driver control circuit 180 receives read data from data read circuit RDC, which will be described later, and sets write control signals WDTa and WDTb within one data read operation period.

読出/書込制御回路30は、さらに、メモリセル列ごとに設けられたライトドライバWDVaを含む。同様に読出/書込制御回路35は、メモリセル列ごとに設けられたライトドライバWDVbを含む。   Read / write control circuit 30 further includes a write driver WDVa provided for each memory cell column. Similarly, read / write control circuit 35 includes a write driver WDVb provided for each memory cell column.

各メモリセル列において、ライトドライバWDVaは、対応する書込制御信号WDTa,WDTbに応じて対応する書込ビット線WBLの一端側を電源電圧Vccおよび固定電圧Vssのいずれかで駆動する。同様にライトドライバWDVbは、対応する書込制御信号WDTa,WDTbに応じて対応するビット線WBLの他端側を電源電圧Vccおよび固定電圧Vssのいずれかで駆動する。   In each memory cell column, write driver WDVa drives one end side of corresponding write bit line WBL with either power supply voltage Vcc or fixed voltage Vss in accordance with corresponding write control signals WDTa and WDTb. Similarly, write driver WDVb drives the other end side of corresponding bit line WBL with either power supply voltage Vcc or fixed voltage Vss in accordance with corresponding write control signals WDTa, WDTb.

データ書込時において、選択列に対応する書込制御信号WDTaおよびWDTbは、書込データのレベルに応じて、「H」レベルおよび「L」レベルの一方ずつに設定される。たとえば、ライトドライバWDVaからWDVbへ向かう方向にデータ書込電流−Iwを流すために書込制御信号WDTaが「H」レベルに設定され、WDTbが「L」レベルに設定される。反対にライトドライバWDVbからWDVaへ向かう方向にデータ書込電流+Iwを流すために書込制御信号WDTbが「H」レベルに設定され、WDTaは「L」レベルに設定される。以下においては、異なる方向のデータ書込電流+Iwおよび−Iwを総称して、データ書込電流±Iwとも表記する。   At the time of data writing, write control signals WDTa and WDTb corresponding to the selected column are set to either “H” level or “L” level according to the level of write data. For example, write control signal WDTa is set to “H” level and WDTb is set to “L” level in order to flow data write current −Iw in the direction from write driver WDVa to WDVb. On the other hand, in order to flow data write current + Iw in the direction from write driver WDVb to WDVa, write control signal WDTb is set to “H” level, and WDTa is set to “L” level. In the following, data write currents + Iw and -Iw in different directions are collectively referred to as data write currents ± Iw.

非選択列においては、書込制御信号WDTaおよびWDTbの各々は、「L」レベルに設定される。   In the non-selected column, each of write control signals WDTa and WDTb is set to the “L” level.

したがって、対応するデジット線DLおよびビット線WBLの両方にデータ書込電流Ipおよび±Iwがそれぞれ流されるトンネル磁気抵抗素子TMRにおいて、データ書込電流±Iwの方向に応じた書込データが磁気的に書込まれる。同様の構成は、各メモリセル列のビット線WBLに対応して同様に設けられる。なお、後述するが本願構成においては、データ書込時に用いられるビット線WBLと、データ読出時に用いられるビット線RBLはそれぞれ独立の構成であるため並列にデータ書込およびデータ読出を実行することが可能である。   Therefore, in tunneling magneto-resistance element TMR in which data write currents Ip and ± Iw flow in both corresponding digit line DL and bit line WBL, the write data corresponding to the direction of data write current ± Iw is magnetic Written in. A similar configuration is similarly provided corresponding to the bit line WBL of each memory cell column. As will be described later, in the configuration of the present application, since the bit line WBL used at the time of data writing and the bit line RBL used at the time of data reading are independent from each other, data writing and data reading can be executed in parallel. Is possible.

次に、メモリ領域10aからのデータ読出動作を実行する回路群について説明する。   Next, a circuit group for performing a data read operation from the memory area 10a will be described.

読出/書込制御回路30は、さらに、選択メモリセルの電気抵抗に応じた電流経路を形成するためのデータ線DIOと、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられ、データ線DIOおよび各ビット線RBLの間に設けられた読出選択ゲートRCSGとを含む。読出選択ゲートRCSGのゲートは、対応するデコードユニットDCUからメモリセル列の選択結果であるデコード信号である読出選択信号RCSLの入力を受ける。   Read / write control circuit 30 is further provided corresponding to a data line DIO for forming a current path corresponding to the electric resistance of the selected memory cell, and a memory cell column, respectively. Data line DIO and each bit line And a read selection gate RCSG provided between RBLs. The gate of read selection gate RCSG receives input of read selection signal RCSL which is a decode signal which is a selection result of the memory cell column from corresponding decode unit DCU.

対応するメモリセル列が選択された場合には、読出選択信号RCSL(「H」レベル)に応答して読出選択ゲートRCSGがオンし、ビット線RBLとデータ線DIOとが電気的に結合される。同様の構成は、各メモリセル列に対応して設けられる。すなわちデータ線DIOは、メモリ領域10a上の各ビット線RBLによって共有される。   When the corresponding memory cell column is selected, read select gate RCSG is turned on in response to read select signal RCSL ("H" level), and bit line RBL and data line DIO are electrically coupled. . A similar configuration is provided corresponding to each memory cell column. That is, the data line DIO is shared by each bit line RBL on the memory area 10a.

このような構成とすることにより、選択メモリセルは、データ読出時において選択列のビット線RBLおよび対応する読出選択ゲートRCSGを介してデータ線DIOと電気的に結合される。   With such a configuration, the selected memory cell is electrically coupled to data line DIO via bit line RBL of the selected column and corresponding read selection gate RCSG during data reading.

読出/書込制御回路30は、さらに、データ読出回路RDCを含む。データ読出回路RDCは、電流生成部191と、比較部192と、増幅器190と、ラッチ148と出力バッファ193とを含む。   Read / write control circuit 30 further includes a data read circuit RDC. Data read circuit RDC includes a current generation unit 191, a comparison unit 192, an amplifier 190, a latch 148, and an output buffer 193.

電流生成部191は、データ線DIOを流れる電流に基づいて所定の定電流を生成する。比較部192は、電流生成部191により生成された所定の定電流とデータ線DIOを流れる電流とを比較して、その比較結果を出力する。   The current generator 191 generates a predetermined constant current based on the current flowing through the data line DIO. The comparison unit 192 compares the predetermined constant current generated by the current generation unit 191 with the current flowing through the data line DIO, and outputs the comparison result.

増幅器190は、比較部192から出力された信号を増幅して出力する。ラッチ148は、増幅部190から増幅されたデータを保持する。出力バッファ193は、ラッチ148に保持されたデータを出力データDOUTとして出力端子4bに出力する。   The amplifier 190 amplifies the signal output from the comparison unit 192 and outputs the amplified signal. The latch 148 holds the data amplified from the amplification unit 190. The output buffer 193 outputs the data held in the latch 148 as output data DOUT to the output terminal 4b.

図9は、本発明の実施の形態1に従う電流生成部191および比較部192の回路構成図である。   FIG. 9 is a circuit configuration diagram of current generation unit 191 and comparison unit 192 according to the first embodiment of the present invention.

図9を参照して、本発明の実施の形態1に従う電流生成部191は、トランジスタ120〜125と、スイッチ131,132とを含む。   Referring to FIG. 9, current generation unit 191 according to the first embodiment of the present invention includes transistors 120 to 125 and switches 131 and 132.

トランジスタ120,121は、電源電圧Vccとデータ線DIOとの間に直列に接続される。トランジスタ120のゲートは、基準電圧Vrefの入力を受ける。またトランジスタ121は、ソースが電源電圧Vccと電気的に結合され、ゲートおよびドレインがノードN0と電気的に結合される。トランジスタ122は、ノードN0と電源電圧Vccとの間に接続され、ゲートは、制御信号/PCの入力を受ける。トランジスタ123は、電源電圧VccとノードN1との間に接続され、そのゲートはノードN0と接続されている。トランジスタ124は、ノードN1と固定電圧Vssとの間に接続され、そのゲートはノードN1と接続されている。トランジスタ125は、トランジスタ124と並列にノードN1と固定電圧Vssとの間に接続され、そのゲートはノードN3と接続される。ノードN1とノードN3は、スイッチ132を介して接続されている。スイッチ131は、ノードN0とノードN2との間に配置されている。なお、基準電圧Vrefは、データ線DIOの電圧レベルを所定電圧に調整するための制御電圧である。また、制御信号/PCは、データ読出前すなわち電流生成部191および比較部192が非活性化状態の場合には、「L」レベルに設定される。これにより、トランジスタ122および129がオンし、リーク電流を低減するためにトランジスタ121,123,129のゲートには、「H」レベルの電圧が印加され、トランジスタ121,123,129は、オフ状態に設定される。一方、データ読出時においては、制御信号/PCは、「H」レベルに設定される。これにより、トランジスタ122および129はオフし、電流生成部191および比較部192が活性化状態となる。   Transistors 120 and 121 are connected in series between power supply voltage Vcc and data line DIO. Transistor 120 has its gate receiving reference voltage Vref. Transistor 121 has a source electrically coupled to power supply voltage Vcc, and a gate and a drain electrically coupled to node N0. Transistor 122 is connected between node N0 and power supply voltage Vcc, and has its gate receiving control signal / PC. Transistor 123 is connected between power supply voltage Vcc and node N1, and has its gate connected to node N0. The transistor 124 is connected between the node N1 and the fixed voltage Vss, and its gate is connected to the node N1. Transistor 125 is connected in parallel with transistor 124 between node N1 and fixed voltage Vss, and has its gate connected to node N3. The nodes N1 and N3 are connected via the switch 132. The switch 131 is disposed between the node N0 and the node N2. The reference voltage Vref is a control voltage for adjusting the voltage level of the data line DIO to a predetermined voltage. Control signal / PC is set to “L” level before data reading, that is, when current generation unit 191 and comparison unit 192 are inactive. Thus, transistors 122 and 129 are turned on, and an “H” level voltage is applied to the gates of transistors 121, 123, and 129 in order to reduce leakage current, and transistors 121, 123, and 129 are turned off. Is set. On the other hand, at the time of data reading, control signal / PC is set to “H” level. As a result, the transistors 122 and 129 are turned off, and the current generator 191 and the comparator 192 are activated.

ここで、トランジスタ121と123はカレントミラー回路を形成している。また、トランジスタ124と125のサイズは、1Wおよび9Wにそれぞれ設定されている。したがって、サイズ比は、1対9である。   Here, the transistors 121 and 123 form a current mirror circuit. The sizes of the transistors 124 and 125 are set to 1 W and 9 W, respectively. Therefore, the size ratio is 1 to 9.

比較部192は、トランジスタ127〜129と、キャパシタ126,130とを含む。キャパシタ130は、ノードN2と固定電圧Vssとの間に接続されている。トランジスタ129は、ノードN2と電源電圧Vccとの間に接続されており、そのゲートは、制御信号/PCの入力を受ける。トランジスタ128は、電源電圧VccとノードN4との間に接続され、そのゲートはノードN2と接続されている。トランジスタ127は、ノードN4と固定電圧Vssとの間に接続され、そのゲートはノードN3と接続されている。キャパシタ126は、ノードN3と固定電圧Vssとの間に接続されている。なお、ノードN4に伝達された信号は、増幅器190で増幅されてラッチ148へと伝達される。   Comparison unit 192 includes transistors 127 to 129 and capacitors 126 and 130. The capacitor 130 is connected between the node N2 and the fixed voltage Vss. Transistor 129 is connected between node N2 and power supply voltage Vcc, and has its gate receiving control signal / PC. Transistor 128 is connected between power supply voltage Vcc and node N4, and its gate is connected to node N2. Transistor 127 is connected between node N4 and fixed voltage Vss, and its gate is connected to node N3. The capacitor 126 is connected between the node N3 and the fixed voltage Vss. The signal transmitted to node N4 is amplified by amplifier 190 and transmitted to latch 148.

図10は、メモリセルのデータ読出において、トンネル磁気抵抗素子TMRが高抵抗である場合にトンネル磁気抵抗素子TMRに流れる通過電流に対して10%小さい電流(以下、単に10%小さい電流とも称する)を生成する場合を説明する図である。なお、以下の説明においては、上述したトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値R+ΔR(Rmax)を高抵抗RH、抵抗値R(Rmin)を低抵抗RLと標記して説明する。   FIG. 10 shows that when reading data from a memory cell, when the tunnel magnetoresistive element TMR has a high resistance, the current is 10% smaller than the passing current flowing through the tunnel magnetoresistive element TMR (hereinafter also simply referred to as 10% smaller current) FIG. In the following description, the resistance value R + ΔR (Rmax) of the tunnel magnetoresistive element TMR will be described as a high resistance RH, and the resistance value R (Rmin) will be described as a low resistance RL.

図10を参照して、たとえばトンネル磁気抵抗素子TMRが高抵抗(RH)である場合、トランジスタ121,120、読出選択ゲートRCSGおよびアクセストランジスタATRを介して電源電圧Vccと固定電圧Vssとの間に電流経路が形成される。その際のトンネル磁気抵抗素子TMRを流れる電流をI0とすると、カレントミラー回路によりトランジスタ122を流れる電流はI0となる。そして、トランジスタ124と125のサイズ比は、1対9であるためそれぞれに流れる電流比は1対9となる。したがって、トランジスタ124には、0.1I0が流れる。一方、トランジスタ125には、0.9I0が流れる。この0.9I0の電流量に対応した電荷がキャパシタ126に蓄積される。   Referring to FIG. 10, when tunneling magneto-resistance element TMR has a high resistance (RH), for example, between power supply voltage Vcc and fixed voltage Vss via transistors 121 and 120, read selection gate RCSG and access transistor ATR. A current path is formed. If the current flowing through tunneling magneto-resistance element TMR at that time is I0, the current flowing through transistor 122 by the current mirror circuit is I0. Since the size ratio of the transistors 124 and 125 is 1: 9, the ratio of the currents flowing through them is 1: 9. Accordingly, 0.1I0 flows through the transistor 124. On the other hand, 0.9I0 flows through the transistor 125. The electric charge corresponding to the current amount of 0.9I0 is accumulated in the capacitor 126.

図11は、メモリセルのデータ読出において、トンネル磁気抵抗素子TMRが低抵抗である場合に10%小さい電流を生成する場合を説明する図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating a case where a current that is 10% smaller is generated when the tunnel magnetoresistive element TMR has a low resistance in reading data from a memory cell.

この場合も同様にして、トンネル磁気抵抗素子TMRに流れる電流を電流I1とすると、トランジスタ124には、0.1I1が流れる。一方、トランジスタ125には、0.9I1が流れる。この0.9I1の電荷量に対応した電荷がキャパシタ126に蓄積される。   In this case as well, if the current flowing through tunneling magneto-resistance element TMR is current I1, 0.1I1 flows through transistor 124. On the other hand, 0.9I1 flows through the transistor 125. Charge corresponding to the charge amount of 0.9I1 is accumulated in the capacitor 126.

図12は、本発明の実施の形態1に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。   FIG. 12 is a flowchart illustrating a data read operation according to the first embodiment of the present invention.

図12を参照して、本発明の実施の形態1に従う構成においては、まず、データ読出動作が開始される(ステップS1)と、初期データ読出動作として選択メモリセルの磁化方向がデータ読出動作前と同様である状態、すなわち選択メモリセルが本来読出されるべき記憶データを保持した状態においてデータ読出を実行する(ステップS2)。   Referring to FIG. 12, in the configuration according to the first embodiment of the present invention, first, when the data read operation is started (step S1), the magnetization direction of the selected memory cell is set as the initial data read operation before the data read operation. The data reading is executed in the same state as that in FIG. 1, that is, in the state where the selected memory cell holds the storage data to be originally read (step S2).

次に、電流生成部191は、初期データ読出動作時におけるデータ線DIOを流れる電流を検知して、検知した電流の10%小さい電流を生成する(ステップS2#)。具体的には、図8および9で説明したように電流0.9I0もしくは0.9I1が生成される。   Next, current generation unit 191 detects a current flowing through data line DIO during the initial data read operation, and generates a current that is 10% smaller than the detected current (step S2 #). Specifically, the current 0.9I0 or 0.9I1 is generated as described in FIGS.

次に、所定書込動作として選択メモリセルへデータ(本例においては「0」データ)を書込む(ステップS3)。トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値はRHである。具体的には選択メモリセルは、所定レベルのデータを書込むためのデータ書込磁界の印加を受ける。   Next, data ("0" data in this example) is written to the selected memory cell as a predetermined write operation (step S3). The resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR is RH. Specifically, the selected memory cell receives a data write magnetic field for writing data of a predetermined level.

そして、次に、所定読出動作として選択メモリセルへ当該所定レベル「0」のデータを書込みながら選択メモリセルを対象とするデータ読出を実行する(ステップS4)。本発明の実施の形態1に従うデータ読出においてはデータ書込とデータ読出をこの場合並列に実行しているため高速なデータ読出を実行することができる。   Then, as a predetermined read operation, data reading for the selected memory cell is executed while writing data of the predetermined level “0” to the selected memory cell (step S4). In data reading according to the first embodiment of the present invention, data writing and data reading are executed in parallel in this case, so that high-speed data reading can be executed.

次に、読出確定動作として、初期データ読出動作において選択メモリセルから記憶データを読み出して生成した10%小さい電流と、所定書込動作によって「0」データが書込まれた状態で読出した電流との比較に基づいて読出データRDTを確定する(ステップS5)。   Next, as a read confirmation operation, a 10% smaller current generated by reading stored data from the selected memory cell in the initial data read operation, and a current read in a state where “0” data is written by a predetermined write operation Based on the comparison, the read data RDT is determined (step S5).

次に、ステップS5において確定した読出データRDTが、所定書込動作で書込まれたデータ「0」と同一であるかどうかが判定される(ステップS6)。   Next, it is determined whether or not the read data RDT determined in step S5 is the same as the data “0” written by the predetermined write operation (step S6).

ステップS6において、現在の選択メモリセルの記憶データと、確定された読出データRDTとが不一致である場合には、データ再書込動作として、選択メモリセルに対して読出データRDTの再書込が実行される(ステップS7)。   In step S6, when the data stored in the currently selected memory cell and the determined read data RDT do not match, the read data RDT is rewritten to the selected memory cell as a data rewrite operation. It is executed (step S7).

これにより、読出動作シーケンス内で所定のデータ書込を受けた選択メモリセルについて、その記憶データを再現して、データ読出前の状態に復元することができる。   As a result, for the selected memory cell that has received the predetermined data write in the read operation sequence, the stored data can be reproduced and restored to the state before the data read.

一方、ステップS6において、選択メモリセルの記憶データと確定された読出データRDTとが同一である場合には、次のデータ再書込動作(ステップS7)をスキップして、データ読出動作を終了する(ステップS8)。両者のレベルが同一である場合には、データ再書込動作の実行前において、選択メモリセルの記憶データが、後続のステップS6で再書込しようとするデータ(読出データRDT)と既に同じレベルであるため、データ再書込動作を実行する必要はない。この結果、不要な再書込動作を省略して、データ読出動作時の消費電力を削減することが可能となる。   On the other hand, if the data stored in the selected memory cell and the determined read data RDT are the same in step S6, the next data rewrite operation (step S7) is skipped and the data read operation is terminated. (Step S8). If both levels are the same, the data stored in the selected memory cell is already at the same level as the data (read data RDT) to be rewritten in the subsequent step S6 before the data rewrite operation is executed. Therefore, it is not necessary to execute the data rewriting operation. As a result, unnecessary rewrite operation can be omitted, and power consumption during data read operation can be reduced.

図13は、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「1」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLである。   FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data. When “1” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RL.

図13(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RLに基づいて電流I1が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#で説明したように−10%のリファレンス電流を生成する。次に、ステップS3で説明したように所定書込動作により「0」データを書込まれると、これにより図13(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLからRHに変化する。一方、ステップS4で説明した所定データ読出動作において、図13(b)に示されるように電流値は、上述したように電流I1から電流I0に電流が低下する。   Referring to FIG. 13B, first, in the data read operation, current I1 flows through data line DIO based on resistance value RL as described in step S2. In this case, current generation unit 191 performs step S2 As described in #, −10% reference current is generated. Next, when “0” data is written by the predetermined write operation as described in step S3, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RL to RH as shown in FIG. To do. On the other hand, in the predetermined data read operation described in step S4, as shown in FIG. 13B, the current value decreases from the current I1 to the current I0 as described above.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも小さい電流I0に設定されることになる。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data, the current value is set to a current I0 smaller than the reference current of −10%.

図14は、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「0」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHである。   FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. When “0” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RH.

図14(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RHに基づいて電流I0が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#で説明したように−10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS3で説明したように所定書込動作により「0」データを書込まれると、これにより図14(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHの状態を維持する。同様に、ステップS4で説明した所定データ読出動作において、図14(b)に示されるように電流値は、電流I0の状態を維持することになる。なお、「0」データを書込んだ場合に、抵抗値が変動しているのは、図6および図7で説明したようにデータ書込磁界(バイアス磁界)を印加することにより自由磁化層の磁化方向が少し傾くからである。   Referring to FIG. 14B, first, in the data read operation, current I0 flows through data line DIO based on resistance value RH as described in step S2. In this case, current generation unit 191 performs step S2 As described in #, a reference current of −10% is generated. Next, when “0” data is written by the predetermined write operation as described in step S3, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element maintains the state of RH as shown in FIG. To do. Similarly, in the predetermined data read operation described in step S4, the current value maintains the state of current I0 as shown in FIG. Note that when the “0” data is written, the resistance value fluctuates because the data magnetic field (bias magnetic field) is applied to the free magnetic layer as described with reference to FIGS. This is because the magnetization direction is slightly inclined.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも常に大きい値を取ることになり、小さくなることはない。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data, the current value always takes a value larger than the reference current of −10% and does not become smaller.

したがって、この特性を用いることにより、−10%電流のリファレンス電流を用いて読出データを確定することが可能となる。すなわち、ステップS5で説明したように、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値と、「0」データを読み出した電流とを比較する。これにより、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が小さければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRLすなわちトンネル磁気抵抗素子には「1」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「1」データである。逆に最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が大きければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRHすなわちトンネル磁気抵抗素子には「0」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「0」データである。   Therefore, by using this characteristic, read data can be determined using a reference current of -10% current. That is, as described in step S5, a current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation is compared with the current from which “0” data is read. As a result, if the current for reading “0” data is smaller than the current value generated by the initial initial data read operation by −10%, the resistance value during the initial initial data read operation is RL, that is, the tunnel. That is, “1” data is stored in the magnetoresistive element. That is, the read data RDT is “1” data. On the other hand, if the current from which “0” data is read is larger than the current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation, the resistance value at the initial initial data read operation is RH, that is, tunneling magnetism. That is, “0” data is stored in the resistance element. That is, the read data RDT is “0” data.

したがって、読出データRDTが「1」データである場合には、ステップS6において、読出データRDT(「1」データ)と所定書込動作の書込レベル(「0」データ)とは同一ではないため、ステップS7においてデータ再書込動作(ライトバック)が実行される。図13および図14はライトバックを実行した場合についても、その変化を示している。なお、図14に示されるように読出データRDTが「0」データである場合には、データ再書込動作する必要はないため実際にはライト動作は行なわれず、消費電流を低減することができる。   Therefore, when read data RDT is “1” data, read data RDT (“1” data) and the write level (“0” data) of the predetermined write operation are not the same in step S6. In step S7, a data rewriting operation (write back) is executed. FIG. 13 and FIG. 14 also show the change when the write back is executed. As shown in FIG. 14, when the read data RDT is “0” data, it is not necessary to perform the data rewrite operation, so that the write operation is not actually performed and the current consumption can be reduced. .

図15は、本発明の実施の形態1に従うデータ読出動作のタイミングチャート図である。   FIG. 15 is a timing chart diagram of the data read operation according to the first embodiment of the present invention.

図15を参照して、クロック信号CLKの立ち上がりに同期して、時刻T1において制御信号CS,WT,RDが「H」レベルに設定されるとデータ読出動作が実行される。そして、ワード線WLが活性化されて初期データ読出動作が実行される。具体的には、ロウデコード信号Rdが入力されるとともに、制御信号REが「H」レベルに設定される。これに伴い、トランジスタ90がオンして選択されたワード線WLが活性化される。また、読出選択信号RCSLが「H」レベルに設定されて、選択された読出選択ゲートRCSGがオンし、ビット線RBLとデータ線DIOとが電気的に結合される。これに伴い、ビット線RBLは、基準電圧Vref−Vth(トランジスタ120のしきい値電圧)レベルまでプリチャージされながら、トンネル磁気抵抗素子TMRを介して固定電圧Vssに放電される。また、図示しないが制御信号/PCが「H」レベルから「L」レベルに変化し、電流生成部191および比較部192が活性化される。これらに伴い、データ読出回路RDCから選択メモリセルMCへの電流経路が形成される。すなわち、上述したようにビット線RBLおよびデータ線DIOには、選択メモリセルのトンネル磁気抵抗素子の抵抗値(RHもしくはRL)に応じた電流(I0もしくはI1)が流れる。   Referring to FIG. 15, in synchronization with the rise of clock signal CLK, data read operation is executed when control signals CS, WT, RD are set to “H” level at time T1. Then, the word line WL is activated and an initial data read operation is performed. Specifically, row decode signal Rd is input, and control signal RE is set to the “H” level. Along with this, the transistor 90 is turned on to activate the selected word line WL. Further, read selection signal RCSL is set to “H” level, selected read selection gate RCSG is turned on, and bit line RBL and data line DIO are electrically coupled. Accordingly, the bit line RBL is discharged to the fixed voltage Vss through the tunnel magnetoresistive element TMR while being precharged to the level of the reference voltage Vref−Vth (the threshold voltage of the transistor 120). Although not shown, the control signal / PC changes from the “H” level to the “L” level, and the current generation unit 191 and the comparison unit 192 are activated. Accordingly, a current path from the data read circuit RDC to the selected memory cell MC is formed. That is, as described above, the current (I0 or I1) corresponding to the resistance value (RH or RL) of the tunnel magnetoresistive element of the selected memory cell flows through the bit line RBL and the data line DIO.

そして、制御信号EN1が「H」レベルに設定される。これに応答して、電流生成部191において、スイッチ132がオンし、上述したようにトランジスタ125に−10%のリファレンス電流が流れる。そして、この電流に対応した電荷がキャパシタ126に蓄積されるすなわち、ノードN3の電位はこの電流に対応した電位に設定される。   Then, the control signal EN1 is set to the “H” level. In response to this, in the current generator 191, the switch 132 is turned on, and a reference current of −10% flows through the transistor 125 as described above. Charge corresponding to this current is accumulated in capacitor 126, that is, the potential of node N3 is set to a potential corresponding to this current.

そして、次のクロック信号CLKの立ち上がりに同期して、時刻T2において所定書込動作が実行される。具体的には、デジット線DLおよびビット線WBLに「0」データを書込むための所定データ書込電流が流される。なお、その際には、ワード線WLは活性化されており、データ読出は実行されたままである。したがって、データ読出を実行しながらデータ書込を並列に実行する。すなわち、制御信号REが「H」レベルに設定されているとともに制御信号WEも「H」レベルに設定される。したがって、制御信号WE(「H」レベル)に応答してトランジスタ85はオンし、選択されたデジット線DLにデータ書込電流が流れる。   Then, in synchronization with the next rise of the clock signal CLK, a predetermined write operation is executed at time T2. Specifically, a predetermined data write current for writing “0” data is applied to digit line DL and bit line WBL. At that time, the word line WL is activated and data reading is still executed. Therefore, data writing is executed in parallel while data reading is being executed. That is, control signal RE is set to “H” level and control signal WE is also set to “H” level. Therefore, transistor 85 is turned on in response to control signal WE (“H” level), and a data write current flows through selected digit line DL.

そして、制御信号EN2が「H」レベルに設定される。一方、制御信号EN1は「L」レベルに設定されている。したがって、スィッチ132はオフ状態である。制御信号EN2(「H」レベル)に応答してスイッチ131がオンし、ノードN0とノードN2とが電気的に結合される。すなわち、カレントミラー回路によりトランジスタ128に電流I0を流そうとする電荷がキャパシタ130に蓄積される。   Then, the control signal EN2 is set to the “H” level. On the other hand, the control signal EN1 is set to the “L” level. Therefore, the switch 132 is in the off state. In response to control signal EN2 (“H” level), switch 131 is turned on, and node N0 and node N2 are electrically coupled. In other words, the charge that causes the current I 0 to flow through the transistor 128 by the current mirror circuit is accumulated in the capacitor 130.

一方、キャパシタ126には、上述したようにトランジスタ127に−10%のリファレンス電流を流そうとする電荷が蓄積されており、この電流I0を流そうとする駆動力と、−10%のリファレンス電流を流そうとする駆動力との比較に基づいてノードN4の電位は設定される。具体的には、増幅作用により初期データ読出動作の電流がI1である場合には電流がI0である場合よりもノードN4の電位レベルは低く設定される。これを後段の増幅器190で増幅して読出データRDTとしてラッチ148でラッチする。   On the other hand, as described above, the capacitor 126 stores the charge to flow the reference current of −10% to the transistor 127. The driving force to flow the current I0 and the reference current of −10% The potential of the node N4 is set based on the comparison with the driving force that tries to flow the current. Specifically, when the current of the initial data read operation is I1 due to amplification, the potential level of node N4 is set lower than when the current is I0. This is amplified by the subsequent amplifier 190 and latched by the latch 148 as read data RDT.

そして、上述したように必要である場合、すなわち初期データ読出において読出データRDTが「1」データである場合には、時刻T4において、上述したライトバックが実行される。   When necessary as described above, that is, when the read data RDT is “1” data in the initial data read, the above-described write back is executed at time T4.

下段は、ブロックBK2の動作を説明する図である。本例においては、時刻T4から上述したブロックBK1と同様のデータ読出動作が実行される。詳細については繰り返さない。   The lower part is a diagram for explaining the operation of the block BK2. In this example, a data read operation similar to that of the block BK1 described above is performed from time T4. The details are not repeated.

上述したように本願実施の形態1の方式を用いることにより、セルフリファレンス方式のデータ読出が実行可能である。具体的には、初期データ読出動作により読み出した記憶データに基づく通過電流を用いて、その通過電流の比率を変化させて基準のリファレンス電流を生成し、当該リファレンス電流との比較に基づいて読出データを確定する方式である。したがって、自己のメモリセルが有する抵抗値によって生じる通過電流を基準としてリファレンス電流を規定しているためメモリセルの抵抗値にばらつきが生じている場合においても精度の高いデータ読出を実行することができる。また、データ読出回路において、生成したリファレンス電流と、所定のデータをメモリセルに書込んだ場合の通過電流との比較に基づいて読出データを確定することが可能であるため従来の方式の如く、レジスタ等の記憶領域を設けてデータを格納する必要はない。すなわち、データ読出回路の回路構成を簡易に構成することができるとともに高速なデータ読出を実行することができる。   As described above, by using the method of the first embodiment of the present application, data reading in the self-reference method can be executed. Specifically, using the passing current based on the storage data read by the initial data reading operation, the reference current is generated by changing the ratio of the passing current, and the reading data is based on the comparison with the reference current. Is a method for determining Therefore, since the reference current is defined with reference to the passing current generated by the resistance value of its own memory cell, highly accurate data reading can be executed even when the resistance value of the memory cell varies. . In the data read circuit, the read data can be determined based on a comparison between the generated reference current and a passing current when predetermined data is written to the memory cell. It is not necessary to provide a storage area such as a register to store data. That is, the circuit configuration of the data read circuit can be easily configured and high-speed data read can be performed.

なお、本願構成においては、通過電流の−10%小さい電流をリファレンス電流として当該リファレンス電流との比較に基づいて読出データを確定する方式について説明したがこれに限られず、たとえば+10%大きい電流をリファレンス電流として当該リファレンス電流との比較に基づいて読出データを確定する方式とすることも図13および図14の抵抗値と通過電流の関係から当然可能である。   In the configuration of the present application, a method has been described in which read data is determined based on comparison with a reference current that is −10% smaller than the passing current. However, the present invention is not limited to this. Of course, it is possible to determine the read data based on the comparison with the reference current as the current from the relationship between the resistance value and the passing current in FIGS.

なお、本願方式においては、一例としてリファレンス電流を通過電流の−10%小さい電流とした場合について説明したがこれに限られず他の比率に変更することも当然に可能である。ただし、MR比は上述したように10%〜20%であるためこのMR比の変動に伴い、高抵抗および低抵抗で変化する通過電流の中間値がリファレンス電流となるように比率を調整することができる。たとえば、MR比が30%の場合に、−15%程度の通過電流を設定する場合には、上述した図9において、トランジスタ124と125のサイズ比を3対17に調整することにより設定することが可能である。また、MR比が50%の場合に、−50%程度の通過電流を設定する場合には、上述した図9において、トランジスタ124および125のサイズ比を1対1に調整することにより設定することが可能である。本例においては、−10%小さい通過電流について、一例として説明したがこれに限られず上述したトランジスタのサイズ比を調整することにより−9%あるいは−11%小さい通過電流に設定することも当然に可能である。   In the method of the present application, the case where the reference current is set to a current that is −10% smaller than the passing current has been described as an example. However, the present invention is not limited to this and can be changed to other ratios. However, since the MR ratio is 10% to 20% as described above, the ratio is adjusted so that the intermediate value of the passing current that changes with the high resistance and the low resistance becomes the reference current with the fluctuation of the MR ratio. Can do. For example, when the MR ratio is 30% and a passing current of about −15% is set, the size ratio of the transistors 124 and 125 is set to 3 to 17 in FIG. 9 described above. Is possible. Further, when setting the passing current of about −50% when the MR ratio is 50%, it is set by adjusting the size ratio of the transistors 124 and 125 in FIG. 9 described above. Is possible. In this example, the passing current of −10% is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the passing current may be set to −9% or −11% smaller by adjusting the transistor size ratio. Is possible.

(実施の形態2)
図16は、本発明の実施の形態2に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。
(Embodiment 2)
FIG. 16 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to the second embodiment of the present invention.

図16を参照して、図8で説明した構成と比較して異なる点は、ライトドライバ制御回路180をライトドライバ制御回路180#に変更した点と、ラッチ148から伝達された読出データRDTではなく、増幅器190から伝達された読出データRDTの入力を受ける点で異なる。その他の点は図8で説明した構成と同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。   Referring to FIG. 16, the difference from the configuration described in FIG. 8 is that write driver control circuit 180 is changed to write driver control circuit 180 #, and not read data RDT transmitted from latch 148. The difference is that the read data RDT transmitted from the amplifier 190 is input. Since the other points are the same as the configuration described in FIG. 8, detailed description thereof will not be repeated.

本発明の実施の形態2においては、上記の実施の形態1で説明したデータ読出動作よりも高速なデータ読出動作について説明する。   In the second embodiment of the present invention, a data read operation that is faster than the data read operation described in the first embodiment will be described.

図17は、本発明の実施の形態2に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。   FIG. 17 is a flowchart illustrating a data read operation according to the second embodiment of the present invention.

図17を参照して、本発明の実施の形態2に従うデータ読出動作は、図12で説明したのと同様、データ読出動作を開始(ステップS1)し、初期データ読出動作(ステップS2)、所定書込動作(ステップS3)およびデータ読出動作(ステップS4)を実行する。そして、次に読出データ判定動作を実行する(ステップS5#)。具体的には、初期データ読出動作において選択メモリセルから記憶データを読み出して生成した10%小さい電流と、所定書込動作によって「0」データが書込まれた状態で読出した電流との比較に基づいて読出データRDTを判定する。具体的な判定動作については後述する。そして、ステップS5#において判定した読出データRDTが、所定書込動作で書込まれたデータ「0」と同一であるかどうかが判定される(ステップS6)。   Referring to FIG. 17, in the data read operation according to the second embodiment of the present invention, the data read operation is started (step S1), the initial data read operation (step S2) is performed in the same manner as described in FIG. A write operation (step S3) and a data read operation (step S4) are executed. Next, a read data determination operation is executed (step S5 #). Specifically, a comparison is made between a current that is 10% smaller generated by reading stored data from a selected memory cell in an initial data read operation and a current read in a state where “0” data is written by a predetermined write operation. Based on this, the read data RDT is determined. Specific determination operation will be described later. Then, it is determined whether or not the read data RDT determined in step S5 # is the same as the data “0” written by the predetermined write operation (step S6).

ステップS6において、読出データRDTが、所定書込動作で書込まれたデータ「0」と不一致である場合には、電流反転動作として、選択メモリセルへ「1」データを書込むように電流の向きを反転する(ステップS7#)。   In step S6, when read data RDT does not match data “0” written by the predetermined write operation, current inversion operation is performed so that “1” data is written to the selected memory cell. The direction is reversed (step S7 #).

これにより、読出動作シーケンス内で所定のデータ書込を受けた選択メモリセルについて、その記憶データを再現して、データ読出前の状態に復元することができる。   As a result, for the selected memory cell that has received the predetermined data write in the read operation sequence, the stored data can be reproduced and restored to the state before the data read.

一方、ステップS6において、読出データRDTが、所定書込動作で書込まれたデータ「0」と同一である場合には、次の電流反転動作(ステップS7#)をスキップして、データ読出動作を終了する(ステップS8)。両者のレベルが同一である場合には、データ再書込動作の実行前において、選択メモリセルの記憶データが、後続のステップS6で再書込しようとするデータ(読出データRDT)と既に同じレベルであるため、電流反転動作を実行する必要はない。この結果、不要な書込動作を省略して、データ読出動作時の消費電力を削減することが可能となる。   On the other hand, if the read data RDT is the same as the data “0” written in the predetermined write operation in step S6, the next current inversion operation (step S7 #) is skipped and the data read operation is performed. Is finished (step S8). If both levels are the same, the data stored in the selected memory cell is already at the same level as the data (read data RDT) to be rewritten in the subsequent step S6 before the data rewrite operation is executed. Therefore, it is not necessary to execute the current reversal operation. As a result, unnecessary write operations can be omitted and power consumption during data read operations can be reduced.

図18は、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「1」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLである。   FIG. 18 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data. When “1” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RL.

図18(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RLに基づいて電流I1が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#で説明したように−10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS3で説明したように所定書込動作により「0」データを書込まれると、これにより図13(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLからRHに変化する。一方、ステップS4で説明した所定データ読出動作において、図13(b)に示されるように電流値は、上述したように電流I1から電流I0に電流が低下する。   Referring to FIG. 18B, first, in the data read operation, current I1 flows through data line DIO based on resistance value RL as described in step S2. In this case, current generator 191 includes step S2 As described in #, a reference current of −10% is generated. Next, when “0” data is written by the predetermined write operation as described in step S3, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RL to RH as shown in FIG. To do. On the other hand, in the predetermined data read operation described in step S4, as shown in FIG. 13B, the current value decreases from the current I1 to the current I0 as described above.

図19は、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「0」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHである。   FIG. 19 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. When “0” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RH.

図19(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RHに基づいて電流I0が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#で説明したように−10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS3で説明したように所定書込動作により「0」データが書込まれると、これにより図19(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHの状態を維持する。同様に、ステップS4で説明した所定データ読出動作において、図19(b)に示されるように電流値は、電流I0の状態を維持することになる。   Referring to FIG. 19B, first, in the data read operation, current I0 flows through data line DIO based on resistance value RH as described in step S2. In this case, current generator 191 includes step S2 As described in #, a reference current of −10% is generated. Next, when “0” data is written by the predetermined write operation as described in step S3, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element maintains the state of RH as shown in FIG. To do. Similarly, in the predetermined data read operation described in step S4, the current value maintains the state of current I0 as shown in FIG.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも常に大きく、小さくなることはない。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data, the current value is always larger than the reference current of −10% and never decreases.

したがって、上述したようにこの特性を用いることにより読出データを判定することができる。この点で、本願実施の形態2のデータ読出動作においては、−10%電流のリファレンス電流を用いて読出データを判定する。具体的には、−10%電流のリファレンス電流と「0」データを読み出した電流とをモニタする。これにより、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が小さくなれば、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRLすなわちトンネル磁気抵抗素子には「1」データが記憶されていたと判定することができる。   Therefore, read data can be determined by using this characteristic as described above. In this regard, in the data read operation of the second embodiment, read data is determined using a reference current of −10% current. Specifically, the reference current of −10% current and the current from which “0” data is read are monitored. As a result, if the current from which “0” data is read is smaller than the current value generated by the initial initial data read operation, which is -10% smaller, the resistance value at the initial initial data read operation is RL, It can be determined that “1” data is stored in the tunnel magnetoresistive element.

逆に最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が大きいままであれば、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRHすなわちトンネル磁気抵抗素子には「0」データが記憶されていたと判定することができる。   On the other hand, if the current from which the “0” data is read remains larger than the current value generated by the initial initial data read operation, which is smaller by −10%, the resistance value during the initial initial data read operation is RH. That is, it can be determined that “0” data is stored in the tunnel magnetoresistive element.

この点で、実施の形態1に従うデータ読出動作においては、所定書込動作が完全に終了した後に読出データ確定動作すなわち10%小さい電流と「0」データを読み出した電流との比較動作すなわち読出データRDTの判定を実行していた。   In this regard, in the data read operation according to the first embodiment, after the predetermined write operation is completely completed, the read data determining operation, that is, the comparison operation between the current that is 10% smaller current and the current that has read the “0” data, that is, the read data RDT determination was being performed.

本願実施の形態2においては、所定書込動作が実行されている中でこの判定を実行する方式である。具体的には、ステップS6において、読出データRDTは、所定書込動作の書込レベル(「0」)と同一でないと判定されれば、すなわち−10%小さいリファレンス電流よりも「0」データを読み出した電流の方が小さくなれば、判定結果に基づいて、ステップS7#で説明したように電流反転動作を実行する。具体的には、選択メモリセルへ「1」データを書込むように電流の向きを反転させるようにライトドライバ制御回路180に対して指示する。   In the second embodiment of the present application, this determination is performed while a predetermined write operation is being performed. Specifically, in step S6, if it is determined that the read data RDT is not the same as the write level (“0”) of the predetermined write operation, that is, the “0” data is smaller than the reference current smaller by −10%. If the read current is smaller, based on the determination result, the current reversal operation is executed as described in step S7 #. Specifically, the write driver control circuit 180 is instructed to reverse the direction of the current so as to write “1” data to the selected memory cell.

図18は、電流反転動作(ライトバック)を実行した場合についても、その変化を示している。なお、図19に示されるように読出データRDTが「0」データである場合には、ライトバックする必要はないため実際にはライト動作は行なわれず、消費電流を低減することができる。   FIG. 18 shows the change even when the current reversal operation (write back) is executed. As shown in FIG. 19, when the read data RDT is “0” data, it is not necessary to perform write back, so that the write operation is not actually performed, and the current consumption can be reduced.

図20は、本発明の実施の形態2に従うデータ読出動作のタイミングチャート図である。   FIG. 20 is a timing chart diagram of a data read operation according to the second embodiment of the present invention.

図20を参照して、クロック信号CLKの立ち上がりに同期して、時刻T10において制御信号CS,WT,RDが「H」レベルに設定されるとデータ読出動作が実行される。そして、ワード線WLが活性化されて初期データ読出動作が実行される。具体的には、ロウデコード信号Rdが入力されるとともに、制御信号REが「H」レベルに設定される。これに伴い、トランジスタ90がオンして選択されたワード線WLが活性化される。また、読出選択信号RCSLが「H」レベルに設定されて、選択された読出選択ゲートRCSGがオンし、ビット線RBLとデータ線DIOとが電気的に結合される。これに伴い、データ読出回路RDCから選択メモリセルMCへの電流経路が形成される。すなわち、上述したようにビット線RBLおよびデータ線DIOには、選択メモリセルのトンネル磁気抵抗素子の抵抗値(RHもしくはRL)に応じた電流(I0もしくはI1)が流れる。   Referring to FIG. 20, data read operation is executed when control signals CS, WT, RD are set to “H” level at time T10 in synchronization with the rise of clock signal CLK. Then, the word line WL is activated and an initial data read operation is performed. Specifically, row decode signal Rd is input, and control signal RE is set to the “H” level. Along with this, the transistor 90 is turned on to activate the selected word line WL. Further, read selection signal RCSL is set to “H” level, selected read selection gate RCSG is turned on, and bit line RBL and data line DIO are electrically coupled. Along with this, a current path is formed from the data read circuit RDC to the selected memory cell MC. That is, as described above, the current (I0 or I1) corresponding to the resistance value (RH or RL) of the tunnel magnetoresistive element of the selected memory cell flows through the bit line RBL and the data line DIO.

そして、制御信号EN1,EN2がそれぞれ「H」レベルに設定される。電流生成部191の動作は、上述したのと同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。   Then, control signals EN1 and EN2 are set to “H” level, respectively. Since the operation of current generator 191 is the same as described above, detailed description thereof will not be repeated.

そして、次のクロック信号CLKの立下りに同期して、時刻T11において所定書込動作が実行される。具体的には、デジット線DLおよびビット線WBLに「0」データを書込むための所定データ書込電流が流される。なお、その際には、ワード線WLは活性化されており、データ読出は実行されたままである。したがって、データ読出を実行しながらデータ書込を並列に実行する。すなわち、制御信号REが「H」レベルに設定されているとともに制御信号WEも「H」レベルに設定される。したがって、制御信号WE(「H」レベル)に応答してトランジスタ85はオンし、選択されたデジット線DLにデータ書込電流が流れる。   Then, in synchronization with the fall of the next clock signal CLK, a predetermined write operation is executed at time T11. Specifically, a predetermined data write current for writing “0” data is applied to digit line DL and bit line WBL. At that time, the word line WL is activated and data reading is still executed. Therefore, data writing is executed in parallel while data reading is being executed. That is, control signal RE is set to “H” level and control signal WE is also set to “H” level. Therefore, transistor 85 is turned on in response to control signal WE (“H” level), and a data write current flows through selected digit line DL.

また、上述したようにこれと並列に判定動作も実行している。そして、読出データRDTを判定して、電流反転が必要であると判断した場合、すなわち初期データ読出において読出データRDTが「1」データである場合には、反転したデータ書込電流がビット線WBLに供給される。それと、同時に読出データRDTが確定し、出力される。   Further, as described above, the determination operation is also performed in parallel with this. When read data RDT is determined to determine that current inversion is necessary, that is, when read data RDT is “1” data in the initial data read, the inverted data write current is applied to bit line WBL. To be supplied. At the same time, the read data RDT is determined and output.

下段は、ブロックBK2の動作を説明する図である。本例においては、時刻T13から上述したブロックBK1と同様のデータ読出動作が実行される。詳細についてはブロックBK1と同様であるので繰り返さない。   The lower part is a diagram for explaining the operation of the block BK2. In this example, a data read operation similar to that of the block BK1 described above is performed from time T13. The details are the same as block BK1, and will not be repeated.

本発明の実施の形態2に従う構成においては、判定動作も実施の形態1に従う構成よりも早期に実行されるとともに、ライトバックも読出データの確定と並列に実行されることになる。したがって、実施の形態1に従う構成よりも高速なデータ読出を実行することができる。また、時刻T10から時刻T12の期間までにすなわち1クロックサイクル期間中にデータ読出動作を完了することができ、サイクル数的にも実施の形態1に従うデータ読出方式と比較して高速なデータ読出動作を実行することが可能となる。   In the configuration according to the second embodiment of the present invention, the determination operation is also performed earlier than the configuration according to the first embodiment, and the write back is also performed in parallel with the determination of the read data. Therefore, data reading can be performed at a higher speed than the configuration according to the first embodiment. In addition, the data read operation can be completed from time T10 to time T12, that is, during one clock cycle period, and the number of cycles is higher than that of the data read method according to the first embodiment. Can be executed.

(実施の形態3)
本発明の実施の形態3においては、いわゆるトグルセルを用いたデータ読出動作について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment of the present invention, a data read operation using a so-called toggle cell will be described.

図21は、本発明の実施の形態3に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。   FIG. 21 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to the third embodiment of the present invention.

図21を参照して、図8で説明した構成と比較して、メモリ領域10aをメモリ領域10#に置換した点と、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられたライトドライバWDVa,WDVbをライトドライバWDVa#,WDVb#に置換した点が異なる。その他の点については、図8で説明した構成と同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。   Referring to FIG. 21, as compared with the configuration described with reference to FIG. 8, the write drivers WDVa and WDVb provided corresponding to the points where memory region 10a is replaced with memory region 10 # and the memory cell columns are written. The difference is that the drivers WDVa # and WDVb # are replaced. Since the other points are the same as the configuration described in FIG. 8, detailed description thereof will not be repeated.

メモリ領域10#は、メモリ領域10aと比較して行列状に集積配置されたメモリセルMCをメモリセルMC#に置換した点が異なる。メモリセルMC#はいわゆるトグルセルとして設けられている。   The memory area 10 # is different from the memory area 10a in that the memory cells MC integrated and arranged in a matrix are replaced with the memory cells MC #. Memory cell MC # is provided as a so-called toggle cell.

ライトドライバWDVa#は、ライトドライバWDVaと比較して、トランジスタTr2を削除した点が異なる。また、ライトドライバWDVb#は、ライトドライバWDVbと比較して、トランジスタTr3を削除した点が異なる。具体的には、書込制御信号WDTaに応答してライトドライバWDVa#およびライトドライバWDVb#が動作してビット線WBLの一端側から他端側の方向にのみ電流Iwが流れる。   The write driver WDVa # is different from the write driver WDVa in that the transistor Tr2 is deleted. The write driver WDVb # is different from the write driver WDVb in that the transistor Tr3 is deleted. Specifically, write driver WDVa # and write driver WDVb # operate in response to write control signal WDTa, and current Iw flows only in the direction from one end to the other end of bit line WBL.

ここで、トグルセルMC#について説明する。   Here, the toggle cell MC # will be described.

図22は、本発明の実施の形態3に従うトグルセルMC#を模式的に説明する図である。   FIG. 22 is a diagram schematically illustrating toggle cell MC # according to the third embodiment of the present invention.

図22を参照して、トグルセルMC#は、ビット線220とデジット線230との間に挟まれた薄膜磁性体100を有する。ビット線220およびデジット線230は、電流を通すことが可能な導電性材料を含む。この図では、ビット線220は、薄膜磁性体100の上部に位置付けられており、デジット線230は薄膜磁性体100の下部に位置付けられている。また、デジット線230は、ビット線220に対して90°の角度に方向づけられている。   Referring to FIG. 22, toggle cell MC # has thin film magnetic body 100 sandwiched between bit line 220 and digit line 230. Bit line 220 and digit line 230 include a conductive material capable of conducting current. In this figure, the bit line 220 is positioned above the thin film magnetic body 100, and the digit line 230 is positioned below the thin film magnetic body 100. The digit line 230 is oriented at an angle of 90 ° with respect to the bit line 220.

薄膜磁性体100は、第1の磁気部115と、トンネルバリア116と、第2の磁気部17とを含む。トンネルバリア116は、第1の磁気領域115と第2の磁気領域117との間に挟まれている。   The thin film magnetic body 100 includes a first magnetic part 115, a tunnel barrier 116, and a second magnetic part 17. The tunnel barrier 116 is sandwiched between the first magnetic region 115 and the second magnetic region 117.

本例においては、第1の磁気部115は、3層構造で構成され、2つの強磁性体層145,155と、2つの強磁性体層145,155の間に挟まれた反強磁性体結合スペーサ層165とを有する。さらに、第2の磁気部117は、3層構造で形成され、2つの強磁性体層146,156と、2つの強磁性体層146,156の間に挟まれた反強磁性体結合スペーサ層166とを有する。   In the present example, the first magnetic part 115 has a three-layer structure, and is composed of two ferromagnetic layers 145 and 155 and an antiferromagnetic material sandwiched between the two ferromagnetic layers 145 and 155. A bonding spacer layer 165. Further, the second magnetic part 117 is formed of a three-layer structure, and is formed of two ferromagnetic layers 146 and 156 and an antiferromagnetic coupling spacer layer sandwiched between the two ferromagnetic layers 146 and 156. 166.

一般に、反強磁性体結合スペーサ層165および166は、元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cuのうちの少なくとも1つ、またはそれらの組合せを含む。さらに、強磁性体層145、155、146および156は、元素Ni、Fe、Mn、Coのうちの少なくとも1つ、またはそれらの組合せを含む。また、第1の磁気部115および117は3層構造以外の合成反強磁性層材料構造を含む場合があり、たとえば、1つのそのような合成反強磁性層材料構造は、強磁性体層/反強磁性体結合スペーサ層/強磁性体層/反強磁性体結合スペーサ層/強磁性体層の構造で形成される5層の積層構造とすることも可能である。   Generally, antiferromagnetically coupled spacer layers 165 and 166 include at least one of the elements Ru, Os, Re, Cr, Rh, Cu, or combinations thereof. Further, the ferromagnetic layers 145, 155, 146 and 156 include at least one of the elements Ni, Fe, Mn, Co, or combinations thereof. Also, the first magnetic portions 115 and 117 may include a synthetic antiferromagnetic layer material structure other than a three-layer structure, for example, one such synthetic antiferromagnetic layer material structure may include a ferromagnetic layer / It is also possible to have a laminated structure of five layers formed of an antiferromagnetic coupling spacer layer / ferromagnetic layer / antiferromagnetic coupling spacer layer / ferromagnetic layer structure.

強磁性体層145および155は各々、反強磁性体結合スペーサ層165の結合によって通常時においては反平行に保たれた磁気モーメントベクトル157および153をそれぞれ有する。また、第1の磁気部115は合力磁気モーメントベクトル140を有し、第2の磁気部117は合力磁気モーメントベクトル150を有する。   The ferromagnetic layers 145 and 155 have magnetic moment vectors 157 and 153, respectively, that are normally kept antiparallel due to the coupling of the antiferromagnetic coupling spacer layer 165, respectively. The first magnetic unit 115 has a resultant magnetic moment vector 140, and the second magnetic unit 117 has a resultant magnetic moment vector 150.

合力磁気モーメントベクトル140および150は、磁化容易軸に沿って、ビット線220およびデジット線230に挟まれた間の所定角度に向けられているものとする。好ましくは45°,135°,225°,315°の方向に向けられているものとする。この点が上述のメモリセルMCと相違する。メモリセルMCにおいては、磁化容易軸はビット線方向となるように配置されていたが、トグルセルMC#については、磁化容易軸は、ビット線およびデジット線の双方から所定角度ずれた位置となるように配置されているからである。   It is assumed that resultant magnetic moment vectors 140 and 150 are oriented at a predetermined angle between the bit line 220 and the digit line 230 along the easy magnetization axis. It is preferably oriented in the directions of 45 °, 135 °, 225 °, and 315 °. This is different from the memory cell MC described above. In memory cell MC, the easy magnetization axis is arranged so as to be in the bit line direction. However, for toggle cell MC #, the easy magnetization axis is located at a position shifted by a predetermined angle from both the bit line and the digit line. It is because it is arranged in.

さらに、第1の磁気部115は、自由な強磁性体領域すなわち自由磁化層であり、つまり、印加された磁界の存在下で合力磁気モーメントベクトル140が自由に回転する。第2の磁気部117は、固定された一定の磁化方向を有する強磁性体領域すなわち固定磁化層であり、つまり、合力磁気モーメントベクトル150は適度に印加された磁界の存在下で自由に回転せず、基準層として使用される。   Further, the first magnetic unit 115 is a free ferromagnetic material region, that is, a free magnetic layer, that is, the resultant magnetic moment vector 140 freely rotates in the presence of an applied magnetic field. The second magnetic unit 117 is a ferromagnetic region having a fixed constant magnetization direction, that is, a fixed magnetization layer. That is, the resultant magnetic moment vector 150 is freely rotated in the presence of a moderately applied magnetic field. Rather, it is used as a reference layer.

反強磁性体結合層165は第1の磁気部118の2つの強磁性体層145,155の間に示されているが、強磁性体層は静磁場または他の特徴といった他の手段を介して反強磁性的に結合可能である。   Although the antiferromagnetic coupling layer 165 is shown between the two ferromagnetic layers 145, 155 of the first magnetic portion 118, the ferromagnetic layer can be passed through other means such as a static magnetic field or other feature. And can be antiferromagnetically coupled.

なお、少なくとも強磁性体層145および155の作成において、好ましい磁化容易軸(誘導異方性)を設定するために磁界が提供される。提供された磁界は、磁気モーメントベクトル153および157にとって好ましい異方性軸を作り出す。好ましい軸は、一例としてビット線220とデジット線230との間で45°の角度となるよう設定されている。   Note that a magnetic field is provided to set a preferred easy axis of magnetization (inductive anisotropy) at least in the formation of the ferromagnetic layers 145 and 155. The provided magnetic field creates an anisotropic axis that is favorable for magnetic moment vectors 153 and 157. A preferable axis is set so as to form an angle of 45 ° between the bit line 220 and the digit line 230 as an example.

図23は、本発明の実施の形態3に従うトグルセルの磁化方向を説明する図である。   FIG. 23 is a diagram illustrating the magnetization direction of the toggle cell according to the third embodiment of the present invention.

図23を参照して、トグルセルMC#の薄膜磁性体100は、ビット線220およびデジット線230とが互いに90°の角度で交差する部分に設けられている。なお、説明を簡略化するため、図示されているようなx−y座標系100と、時計回りの回転方向94および反時計回りの回転方向96とを参照することにする。   Referring to FIG. 23, thin film magnetic body 100 of toggle cell MC # is provided at a portion where bit line 220 and digit line 230 intersect each other at an angle of 90 °. For the sake of simplicity, reference will be made to an xy coordinate system 100 as shown, and a clockwise rotation direction 94 and a counterclockwise rotation direction 96.

そして、磁気モーメントベクトル153および157にとって好ましい異方性軸は、−x方向および−y方向に対して45°の角度、+x方向および+y方向に対して45°の角度で方向付けられている。一例として、図23は、磁気モーメントベクトル153が−x方向および−y方向に対して45°の角度で方向付けられていることを示している。磁気モーメントベクトル157は一般に、磁気モーメントベクトル153とは反平行に向けられているため、それは+x方向および+y方向に対して45°の角度で方向付けられている。   The preferred anisotropic axes for the magnetic moment vectors 153 and 157 are oriented at an angle of 45 ° with respect to the −x and −y directions and at an angle of 45 ° with respect to the + x and + y directions. As an example, FIG. 23 shows that the magnetic moment vector 153 is oriented at an angle of 45 ° with respect to the −x and −y directions. Since the magnetic moment vector 157 is generally oriented antiparallel to the magnetic moment vector 153, it is oriented at an angle of 45 ° with respect to the + x and + y directions.

ビット線電流IWは円周方向の磁界HWを誘導し、デジット線電流Iは円周方向のデジット磁界HDを誘導する。 The bit line current I W induces a circumferential magnetic field H W , and the digit line current I p induces a circumferential digit magnetic field H D.

ビット線220は、薄膜磁性体100の上部にあるため、素子の平面において、HWは、ビット線電流IWに対して+y方向に印加される。同様に、デジット線230は、薄膜磁性体100の下部にあるため、素子の平面において、HDは、デジット線電流Iに対して+x方向に印加される。 Since the bit line 220 is above the thin film magnetic body 100, H W is applied in the + y direction with respect to the bit line current I W in the plane of the element. Similarly, digit line 230, since the bottom of the thin film magnetic elements 100, in the plane of the element, H D is applied in the + x direction with respect to the digit line current I p.

次に、本発明の実施の形態3に従うトグルセルの書込方式について説明する。   Next, a toggle cell writing method according to the third embodiment of the present invention will be described.

トグル書込方法を用いる場合、電流の方向にかかわらず、同じ極性の電流パルスがビット線220およびデジット線230の双方に対して選択されている限り、状態は、MRAMデバイスが書込まれるたびにスイッチングされる。たとえば、「1」が最初に記憶されている場合、1つの電流パルスシーケンスがビット線およびデジット線を流れた後で「0」にスイッチングされる。そして、「0」が記憶されている場合、電流パルスシーケンスを繰り返すことは、それを「1」に戻す。   When using the toggle write method, as long as the same polarity current pulse is selected for both the bit line 220 and the digit line 230, regardless of the direction of the current, the state will change each time the MRAM device is written. Switched. For example, if “1” is initially stored, one current pulse sequence is switched to “0” after flowing through the bit and digit lines. Then, if “0” is stored, repeating the current pulse sequence returns it to “1”.

したがって、1回の書込シーケンスにより必ずデータレベルが記憶されたデータレベルから反転したデータレベルへと変化する。   Therefore, the data level always changes from the stored data level to the inverted data level by one writing sequence.

図24は、本発明の実施の形態3に従うトグルセルの書込時における電流パルスシーケンスである。   FIG. 24 shows a current pulse sequence at the time of writing in the toggle cell according to the third embodiment of the present invention.

ここでは、ビット線電流IWおよびデジット線電流Iが示されており、その位相はデジット線電流Iが90°位相遅れた波形が示されている。 Here, the bit line current I W and the digit line current I p are shown, and the phases thereof are shown as waveforms in which the digit line current I p is delayed by 90 °.

図25を用いて、図24で示されたパルスシーケンスを用いてトグルセルのデータ書込について説明する。   The toggle cell data writing will be described with reference to FIG. 25 using the pulse sequence shown in FIG.

ここで図25を参照して、本例においては、パルスシーケンス100を用いて「1」を「0」に書込むためのトグル書込モードを示している。   Referring to FIG. 25, in this example, a toggle write mode for writing “1” to “0” using the pulse sequence 100 is shown.

この図では、時点t0で、磁気モーメントベクトル153および157は、図23に示すような好ましい方向に向けられている。この向きは「1」として定義される。 In this figure, at time t 0 , the magnetic moment vectors 153 and 157 are oriented in a preferred direction as shown in FIG. This orientation is defined as “1”.

時刻t1で、ビット線電流IWがオンになり、それは磁界HWを+y方向に方向付けられるよう誘導する。磁界HWの効果は、ほぼバランスのとれた、反整列された第1の磁気部115の3層構造を「フロップ」させて、印加された磁界の方向に対して約90°に向けられるようにすることである。強磁性体層145および155間の有限の反強磁性体交換相互作用により、磁気モーメントベクトル153および157はここで、磁界の方向に向けて少しの角度それるようになり、合力磁気モーメントベクトル140は磁気モーメントベクトル153および157間の角度の範囲を定めて磁界HWと整列する。このため、磁気モーメントベクトル153は時計回りの方向94に回転する。合力磁気モーメントベクトル140は磁気モーメントベクトル153および157のベクトル加法であるため、磁気モーメントベクトル157も時計回りの方向94に回転する。 At time t 1 , the bit line current I W is turned on, which induces the magnetic field H W to be directed in the + y direction. The effect of the magnetic field H W is such that the nearly balanced, anti-aligned three-layer structure of the first magnetic part 115 is “flopped” and directed to about 90 ° with respect to the direction of the applied magnetic field. Is to do. Due to the finite antiferromagnetic exchange interaction between the ferromagnetic layers 145 and 155, the magnetic moment vectors 153 and 157 now deviate by a small angle toward the direction of the magnetic field and the resultant magnetic moment vector 140. Delimits the angle between magnetic moment vectors 153 and 157 and aligns with magnetic field H W. For this reason, the magnetic moment vector 153 rotates in the clockwise direction 94. Since the resultant magnetic moment vector 140 is a vector addition of the magnetic moment vectors 153 and 157, the magnetic moment vector 157 also rotates in the clockwise direction 94.

時刻t2で、デジット電流Iがオンになり、それは磁界HDを誘導する。したがって、合力磁気モーメントベクトル140は、磁界HWによって+y方向に、磁界HDによって+x方向に同時に方向付けられ、それは、合力磁気モーメントベクトル140を、それが概して+x方向と+y方向との間の45°の角度に向けられるまで時計方向94にさらに回転させる効果を有する。したがって、磁気モーメントベクトル153および157も時計回りの方向94にさらに回転する。 In time t 2, the digit current I p turns on, it induces a magnetic field H D. Thus, the resultant magnetic moment vector 140 is simultaneously directed in the + y direction by the magnetic field H W and in the + x direction by the magnetic field H D, which causes the resultant magnetic moment vector 140 to be generally between the + x and + y directions. It has the effect of further rotating clockwise 94 until it is oriented at an angle of 45 °. Therefore, the magnetic moment vectors 153 and 157 are further rotated in the clockwise direction 94.

時刻t3で、ビット線電流IWがオフになり、そのためここでは磁界HDのみが合力磁気モーメントベクトル140を方向付け、それはここでは+x方向に向けられる。双方の磁気モーメントベクトル153および157はここでは概して、それらの磁化困難軸不安定点を通った角度に方向付けられる。 At time t 3, the bit line current I W is turned off, therefore direct the magnetic field H D only force magnetic moment vector 140 where it is here directed in the + x direction. Both magnetic moment vectors 153 and 157 are here generally oriented at an angle through their hard axis instability points.

時刻t4で、デジット電流Iがオフになり、そのため合力磁気モーメントベクトル140には磁界力が作用していない。したがって、磁気モーメントベクトル153および157は、それらの最も近い好ましい方向に向けられて、異方性エネルギーを最小限に抑える。この場合、磁気モーメントベクトル153にとって好ましい方向は、+y方向および+x方向に対して45°の角度である。この好ましい方向は、時刻t0での磁気モーメントベクトル153の最初の方向から180°でもあり、「0」として定義される。このため、薄膜磁性体100は既に「0」にスイッチングされている。 At time t 4 , the digit current I p is turned off, so that no magnetic force is acting on the resultant magnetic moment vector 140. Thus, magnetic moment vectors 153 and 157 are directed in their closest preferred direction to minimize anisotropic energy. In this case, a preferable direction for the magnetic moment vector 153 is an angle of 45 ° with respect to the + y direction and the + x direction. This preferred direction is also 180 ° from the initial direction of the magnetic moment vector 153 at time t 0 and is defined as “0”. For this reason, the thin film magnetic body 100 has already been switched to “0”.

図26を用いて、図24で示されたパルスシーケンスを用いてトグルセルの別のデータ書込について説明する。   26, another data writing of the toggle cell will be described using the pulse sequence shown in FIG.

ここで図26を参照すると、本例においては、パルスシーケンス100を用いて「0」を「1」に書込むためのトグル書込モードを示している。   Referring now to FIG. 26, this example shows a toggle write mode for writing “0” to “1” using the pulse sequence 100.

図示されているのは、前述のような時刻t0、t1、t2、t3およびt4の各々での磁気モーメントベクトル153および157ならびに合力磁気モーメントベクトル140であり、メモリセルの状態を同じ電流および磁界方向で「0」から「1」にスイッチングできることを示している。 Shown are magnetic moment vectors 153 and 157 and resultant magnetic moment vector 140 at times t 0 , t 1 , t 2 , t 3 and t 4 as described above, and the state of the memory cell is shown as follows. It shows that switching can be performed from “0” to “1” with the same current and magnetic field direction.

本発明の実施の形態3に従うデータ読出方式は、上述のトグルセルを用いてセルフリファレンスを実行する方式について説明する。   As a data reading method according to the third embodiment of the present invention, a method of executing self-reference using the above-described toggle cell will be described.

図27は、本発明の実施の形態3に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。なお、データ書込動作以外の具体的な動作については、図12のフローチャート図で説明したのとほぼ同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。   FIG. 27 is a flowchart illustrating a data read operation according to the third embodiment of the present invention. Since specific operations other than the data write operation are substantially the same as those described in the flowchart of FIG. 12, detailed description thereof will not be repeated.

図27を参照して、本発明の実施の形態3に従う構成においては、まず、データ読出動作が開始される(ステップS11)と、初期データ読出動作として選択メモリセルの磁化方向がデータ読出動作前と同様である状態、すなわち選択メモリセルが本来読出されるべき記憶データを保持した状態においてデータ読出を実行する(ステップS12)。   Referring to FIG. 27, in the configuration according to the third embodiment of the present invention, first, when the data read operation is started (step S11), the magnetization direction of the selected memory cell is set as the initial data read operation before the data read operation. The data reading is executed in the same state as that in FIG. 1, that is, in the state where the selected memory cell holds the storage data to be originally read (step S12).

次に、電流生成部191は、初期データ読出動作時におけるデータ線DIOを流れる電流を検知して、検知した電流の10%小さい電流を生成する(ステップS12#)。具体的には、図8および9で説明したように電流0.9I0もしくは0.9I1が生成される。   Next, current generation unit 191 detects a current flowing through data line DIO during the initial data read operation, and generates a current that is 10% smaller than the detected current (step S12 #). Specifically, the current 0.9I0 or 0.9I1 is generated as described in FIGS.

次に、書込動作として選択メモリセルへデータを書込む(ステップS13)。具体的には、図24で説明したパルスシーケンスを用いて、最初の記憶データの反転データを書込む。   Next, data is written to the selected memory cell as a write operation (step S13). Specifically, the inverted data of the first stored data is written using the pulse sequence described in FIG.

そして、次に、データ読出動作として選択メモリセルへの反転データを書込みながら選択メモリセルを対象とするデータ読出を実行する(ステップS14)。本発明の実施の形態3に従うデータ読出においてはデータ書込とデータ読出をこの場合並列に実行しているため高速なデータ読出を実行することができる。   Then, as a data read operation, data read for the selected memory cell is executed while writing inverted data to the selected memory cell (step S14). In data reading according to the third embodiment of the present invention, since data writing and data reading are executed in parallel in this case, high-speed data reading can be executed.

次に、読出確定動作として、初期データ読出動作において選択メモリセルから記憶データを読み出して生成した10%小さい電流と、書込動作によって反転データが書込まれた状態で今回データを読み出した電流との比較に基づいて読出データRDTを確定する(ステップS15)。   Next, as a read confirmation operation, a current that is 10% smaller generated by reading stored data from the selected memory cell in the initial data read operation, and a current that has been read this time with inverted data written by the write operation, Based on the comparison, the read data RDT is determined (step S15).

次に、書込動作として、選択メモリセルへデータを書込む(ステップS16)。実施の形態1および2のデータ読出動作においては、読出データRDTと初期データとの比較に基づいて再書込を実行する場合を説明していたが、トグルセルの場合には1回の書込動作により反転データに常に書き換わるので初期データに戻すためには2回の書込動作が必要となるからである。   Next, as a write operation, data is written to the selected memory cell (step S16). In the data read operation of the first and second embodiments, the case where rewriting is executed based on the comparison between read data RDT and initial data has been described. However, in the case of a toggle cell, one write operation is performed. This is because the inverted data is always rewritten, so that the write operation is required twice to restore the initial data.

これにより、読出動作シーケンス内で所定のデータ書込を受けた選択メモリセルについて、その記憶データを再現して、データ読出前の状態に復元することができる。   As a result, for the selected memory cell that has received the predetermined data write in the read operation sequence, the stored data can be reproduced and restored to the state before the data read.

そして、データ読出動作を終了する(ステップS17)。   Then, the data reading operation is finished (step S17).

図28は、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「1」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLである。   FIG. 28 is a diagram for explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data. When “1” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RL.

図28(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RLに基づいて電流I1が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS12#で説明したように−10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS13で説明したように書込動作により反転データが書込まれると、これにより図28(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLからRHに変化する。一方、ステップS14で説明したデータ読出動作において、図28(b)に示されるように電流値は、上述したように電流I1から電流I0に電流が低下する。   Referring to FIG. 28B, first, in the data read operation, current I1 flows through data line DIO based on resistance value RL as described in step S2. In this case, current generation unit 191 performs step S12. As described in #, a reference current of −10% is generated. Next, when the inverted data is written by the write operation as described in step S13, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RL to RH as shown in FIG. On the other hand, in the data read operation described in step S14, as shown in FIG. 28B, the current value decreases from the current I1 to the current I0 as described above.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも小さい電流I0に設定されることになる。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data, the current value is set to a current I0 smaller than the reference current of −10%.

図29は、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「0」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHである。   FIG. 29 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. When “0” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RH.

図29(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS12で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RHに基づいて電流I0が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#で説明したように−10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS13で説明したように書込動作により反転データが書込まれると、これにより図29(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHからRLに変化する。一方、ステップS14で説明したデータ読出動作において、図29(b)に示されるように電流値は、電流I0から電流I1に上昇する。   Referring to FIG. 29B, first, in the data read operation, current I0 flows through data line DIO based on resistance value RH as described in step S12. In this case, current generation unit 191 performs step S2 As described in #, a reference current of −10% is generated. Next, when the inverted data is written by the write operation as described in step S13, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RH to RL as shown in FIG. On the other hand, in the data read operation described in step S14, the current value increases from the current I0 to the current I1 as shown in FIG.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも大きくなる。一方、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合には、電流地は、−10%の電流のリファレンス電流よりも小さくなる。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data, the current value becomes larger than the reference current of −10%. On the other hand, when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data, the current ground is smaller than the reference current of −10% current.

したがって、この特性を用いることにより、−10%電流のリファレンス電流を用いて読出データを確定することが可能となる。すなわち、ステップS15で説明したように、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値と、「0」データを読み出した電流とを比較する。これにより、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が小さければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRLすなわちトンネル磁気抵抗素子には「1」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「1」データである。逆に最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が大きければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRHすなわちトンネル磁気抵抗素子には「0」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「0」データである。   Therefore, by using this characteristic, read data can be determined using a reference current of -10% current. That is, as described in step S15, a current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation is compared with the current from which “0” data is read. As a result, if the current for reading “0” data is smaller than the current value generated by the initial initial data read operation by −10%, the resistance value during the initial initial data read operation is RL, that is, the tunnel. That is, “1” data is stored in the magnetoresistive element. That is, the read data RDT is “1” data. On the other hand, if the current from which “0” data is read is larger than the current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation, the resistance value at the initial initial data read operation is RH, that is, tunneling magnetism. That is, “0” data is stored in the resistance element. That is, the read data RDT is “0” data.

なお、図28および図29は書込動作(ライトバック)を実行した場合についても、その変化を示している。   FIG. 28 and FIG. 29 also show the change when the write operation (write back) is executed.

したがって、図27で説明した本発明の実施の形態3に従うデータ読出動作を実行することによりトグルセルにおいても高速かつ読出マージンの高いセルフリファレンスを実行することが可能となる。   Therefore, by performing the data read operation according to the third embodiment of the present invention described with reference to FIG. 27, it is possible to execute self-reference with high speed and high read margin even in the toggle cell.

(実施の形態3の変形例)
図30は、本発明の実施の形態3の変形例に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。
(Modification of Embodiment 3)
FIG. 30 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to a modification of the third embodiment of the present invention.

図30を参照して、図21で説明した構成と比較して、データ読出回路RDCをデータ読出回路RDC#に置換した点が異なる。   Referring to FIG. 30, it differs from the configuration described in FIG. 21 in that data read circuit RDC is replaced with data read circuit RDC #.

本発明の実施の形態3に従う変形例は、実施の形態3に従うデータ読出よりも高速なデータ読出を実行する方式について説明する。   In the modification according to the third embodiment of the present invention, a method of executing data reading at a higher speed than the data reading according to the third embodiment will be described.

データ読出回路RDC#は、電流生成部191aと、比較部192aと、増幅器190aをさらに設けた点が異なる。また、増幅器190aの出力信号は、ライトドライバ制御回路180#aに入力される。   Data read circuit RDC # is different in that a current generation unit 191a, a comparison unit 192a, and an amplifier 190a are further provided. The output signal of the amplifier 190a is input to the write driver control circuit 180 # a.

図31は、本発明の実施の形態3に従う電流生成部191,191aおよび比較部192,192aの回路構成図である。電流生成部191および比較部192については、図9で説明したのと同様であるので園詳細な説明は繰り返さない。   FIG. 31 is a circuit configuration diagram of current generation units 191 and 191a and comparison units 192 and 192a according to the third embodiment of the present invention. Since current generation unit 191 and comparison unit 192 are the same as those described with reference to FIG. 9, detailed description thereof will not be repeated.

電流生成部191aは、データ線DIOを流れる通過電流の約10%大きな電流を生成する。   The current generator 191a generates a current that is approximately 10% larger than the passing current flowing through the data line DIO.

図31を参照して、本発明の実施の形態3に従う電流生成部191aは、トランジスタ122a〜125aと、スイッチ131a,132aとを含む。   Referring to FIG. 31, current generation unit 191a according to the third embodiment of the present invention includes transistors 122a to 125a and switches 131a and 132a.

トランジスタ122aは、ノードN0と電源電圧Vccとの間に接続され、ゲートは、制御信号/PCの入力を受ける。トランジスタ123aは、電源電圧VccとノードN5との間に接続され、そのゲートはノードN0と接続されている。トランジスタ125aは、ノードN5と固定電圧Vssとの間に接続され、そのゲートはノードN7と接続される。ノードN5とノードN7は、スイッチ132aを介して接続されている。スイッチ131aは、ノードN0とノードN6との間に配置されている。   Transistor 122a is connected between node N0 and power supply voltage Vcc, and has its gate receiving control signal / PC. Transistor 123a is connected between power supply voltage Vcc and node N5, and has its gate connected to node N0. Transistor 125a is connected between node N5 and fixed voltage Vss, and has its gate connected to node N7. Nodes N5 and N7 are connected via a switch 132a. The switch 131a is disposed between the node N0 and the node N6.

ここで、トランジスタ121と123aはカレントミラー回路を形成している。また、トランジスタ125aのサイズは、8Wに設定されている。なお、厳密には、トランジスタ125aとトランジスタ127aとのトランジスタのサイズ比が8対9となるためカレントミラー回路によりトランジスタ127aの通過電流は+10%電流に設定されるわけではないが、ここではほぼ+10%であるので説明の簡略化のためほぼ同様のものとして以下において取り扱うものとする。   Here, the transistors 121 and 123a form a current mirror circuit. The size of the transistor 125a is set to 8W. Strictly speaking, since the transistor size ratio of the transistor 125a and the transistor 127a is 8: 9, the current passing through the transistor 127a is not set to + 10% by the current mirror circuit. Therefore, for the sake of simplification of explanation, it will be treated in the following as almost the same thing.

比較部192aは、トランジスタ127a〜129aと、キャパシタ126a,130aとを含む。キャパシタ130aは、ノードN6と固定電圧Vssとの間に接続されている。トランジスタ129aは、ノードN6と電源電圧Vccとの間に接続されており、そのゲートは、制御信号/PCの入力を受ける。トランジスタ128aは、電源電圧VccとノードN8との間に接続され、そのゲートはノードN6と接続されている。トランジスタ127aは、ノードN8と固定電圧Vssとの間に接続され、そのゲートはノードN7と接続されている。キャパシタ126aは、ノードN7と固定電圧Vssとの間に接続されている。なお、ノードN8に伝達された信号は、増幅器190aで増幅されてライトドライバ制御回路180#aへと伝達される。   Comparison unit 192a includes transistors 127a to 129a and capacitors 126a and 130a. The capacitor 130a is connected between the node N6 and the fixed voltage Vss. Transistor 129a is connected between node N6 and power supply voltage Vcc, and its gate receives control signal / PC. Transistor 128a is connected between power supply voltage Vcc and node N8, and has its gate connected to node N6. Transistor 127a is connected between node N8 and fixed voltage Vss, and its gate is connected to node N7. The capacitor 126a is connected between the node N7 and the fixed voltage Vss. The signal transmitted to node N8 is amplified by amplifier 190a and transmitted to write driver control circuit 180 # a.

この電流生成部191および比較部192の動作については図10および図11で説明したのと同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。電流生成部191aおよび比較部192aについても同様である。すなわち、電流生成部191aは、制御信号EN1(「H」レベル)の入力に応答してトランジスタのサイズ比を調整することにより通過電流と比較してほぼ10%大きい電流を流す。そして、その10%大きな通過電流に対応した電荷をキャパシタ126aに蓄積する。そして、同様に制御信号EN2(「H」レベル)に応答してデータ線DIOを流れる通過電流に対応した電荷をキャパシタ130aに蓄積する。比較部192aは、キャパシタ126aおよび130aに蓄積された電荷に基づいて、増幅作用によりノードN8の電位レベルを設定する。すなわち、+10%大きいリファレンス電流を基準とした信号がノードN8から出力される。そして、増幅器190aでさらに増幅されてライトドライバ制御回路180#aに出力される。   Since operations of current generation unit 191 and comparison unit 192 are the same as those described in FIGS. 10 and 11, detailed description thereof will not be repeated. The same applies to the current generation unit 191a and the comparison unit 192a. In other words, current generator 191a passes a current that is approximately 10% larger than the passing current by adjusting the transistor size ratio in response to the input of control signal EN1 ("H" level). Then, a charge corresponding to the 10% larger passing current is accumulated in the capacitor 126a. Similarly, a charge corresponding to the passing current flowing through the data line DIO is stored in the capacitor 130a in response to the control signal EN2 (“H” level). Comparing portion 192a sets the potential level of node N8 by an amplifying action based on the charges accumulated in capacitors 126a and 130a. That is, a signal based on a reference current that is + 10% larger is output from the node N8. Then, it is further amplified by the amplifier 190a and output to the write driver control circuit 180 # a.

図32は、本発明の実施の形態3の変形例に従うデータ読出方式について説明するフローチャート図である。   FIG. 32 is a flowchart illustrating a data read method according to the modification of the third embodiment of the present invention.

図32を参照して、図27のフローチャート図と比較して、異なる点は、ステップS12#をステップS12#aに変更した点と、ステップS15をステップS15aに変更した点が異なる。その他の点については、図27のフローチャート図で説明したのと同様である。   Referring to FIG. 32, the difference from the flowchart of FIG. 27 is that step S12 # is changed to step S12 # a and step S15 is changed to step S15a. Other points are the same as those described in the flowchart of FIG.

具体的には、ステップS12#aにおいて、上述した電流生成部191,191aにおいて読み出した電流の10%小さい電流および10%大きい電流を発生する。   Specifically, in step S12 # a, a current that is 10% smaller and 10% larger than the current read in current generators 191 and 191a described above are generated.

そして、ステップS15の読出データ判定動作において、10%小さい電流および10%大きい電流のそれぞれと今回データを読み出した電流との比較に基づいて読出データRDTを判定する。   Then, in the read data determination operation in step S15, the read data RDT is determined based on a comparison between each of the 10% smaller current and the 10% larger current and the current read data.

そして、次に、ステップS16およびステップS17を実行し、データ読出動作を終了する。   Then, step S16 and step S17 are executed, and the data reading operation is terminated.

図33は、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「1」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLである。   FIG. 33 is a diagram for explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data. When “1” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RL.

図33(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS2で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RLに基づいて電流I1が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS12#aで説明したように−10%および+10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS13で説明したように書込動作により反転データが書込まれると、これにより図33(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRLからRHに変化する。一方、ステップS14で説明したデータ読出動作において、図33(b)に示されるように電流値は、上述したように電流I1から電流I0に電流が低下する。   Referring to FIG. 33B, first, in the data read operation, current I1 flows through data line DIO based on resistance value RL as described in step S2. In this case, current generation unit 191 performs step S12. As described in #a, −10% and + 10% reference currents are generated. Next, when the inverted data is written by the write operation as described in step S13, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RL to RH as shown in FIG. On the other hand, in the data read operation described in step S14, as shown in FIG. 33B, the current value decreases from the current I1 to the current I0 as described above.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも小さい電流I0に設定されることになる。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data, the current value is set to a current I0 smaller than the reference current of −10%.

図34は、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。トンネル磁気抵抗素子に「0」データが記憶されている場合、トンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHである。   FIG. 34 is a diagram illustrating the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. When “0” data is stored in the tunnel magnetoresistive element, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element is RH.

図34(b)を参照して、まず、データ読出動作において、ステップS12で説明したようにデータ線DIOに抵抗値RHに基づいて電流I0が流れ、その場合に電流生成部191は、ステップS2#aで説明したように−10%および+10%のリファレンス電流が生成される。次に、ステップS13で説明したように書込動作により反転データが書込まれると、これにより図34(a)に示されるようにトンネル磁気抵抗素子の抵抗値はRHからRLに変化する。一方、ステップS14で説明したデータ読出動作において、図34(b)に示されるように電流値は、電流I0から電流I1に上昇する。   Referring to FIG. 34B, first, in the data read operation, current I0 flows through data line DIO based on resistance value RH as described in step S12. In this case, current generation unit 191 performs step S2 As described in #a, −10% and + 10% reference currents are generated. Next, when the inverted data is written by the write operation as described in step S13, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element changes from RH to RL as shown in FIG. On the other hand, in the data read operation described in step S14, the current value increases from the current I0 to the current I1, as shown in FIG.

したがって、トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合には、電流値は−10%のリファレンス電流よりも大きくなる。一方、トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合には、電流地は、−10%の電流のリファレンス電流よりも小さくなる。   Therefore, when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data, the current value becomes larger than the reference current of −10%. On the other hand, when the tunnel magnetoresistive element stores “1” data, the current ground is smaller than the reference current of −10% current.

したがって、この特性を用いることにより、−10%電流のリファレンス電流を用いて読出データを確定することが可能となる。すなわち、ステップS15で説明したように、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値と、「0」データを読み出した電流とを比較する。これにより、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が小さければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRLすなわちトンネル磁気抵抗素子には「1」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「1」データである。逆に最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流値よりも、「0」データを読み出した電流の方が大きければ、最初の初期データ読出動作の際の抵抗値はRHすなわちトンネル磁気抵抗素子には「0」データが記憶されていたことになる。すなわち読出データRDTは「0」データである。   Therefore, by using this characteristic, read data can be determined using a reference current of -10% current. That is, as described in step S15, a current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation is compared with the current from which “0” data is read. As a result, if the current for reading “0” data is smaller than the current value generated by the initial initial data read operation by −10%, the resistance value during the initial initial data read operation is RL, that is, the tunnel. That is, “1” data is stored in the magnetoresistive element. That is, the read data RDT is “1” data. On the other hand, if the current from which “0” data is read is larger than the current value that is −10% smaller generated by the initial initial data read operation, the resistance value at the initial initial data read operation is RH, that is, tunneling magnetism. That is, “0” data is stored in the resistance element. That is, the read data RDT is “0” data.

この点で、本願実施の形態3の変形例に従うデータ読出動作においては、−10%電流および+10%電流のリファレンス電流を用いて読出データを判定する。具体的には、−10%および+10%のリファレンス電流とデータを読み出した電流とをモニタする。これにより、最初の初期データ読出動作により生成した−10%小さい電流および+10%大きい電流の境界を必ず越えることになる。したがって、この境界点をモニタリングすることによって、読出データRDTを判定することができる。具体的には、ライトドライバ制御回路180#aは、増幅器190および190aの出力結果から境界点をモニタリングして読出データRDTを判定する。   In this regard, in the data read operation according to the modification of the third embodiment of the present application, read data is determined using a reference current of −10% current and + 10% current. Specifically, the reference current of −10% and + 10% and the current from which data is read are monitored. As a result, the boundary between the -10% smaller current and the + 10% larger current generated by the initial initial data read operation is surely exceeded. Therefore, the read data RDT can be determined by monitoring this boundary point. Specifically, write driver control circuit 180 # a determines the read data RDT by monitoring the boundary points from the output results of amplifiers 190 and 190a.

この点で、実施の形態3に従うデータ読出動作においては、書込動作が完全に終了した後に読出データ確定動作すなわち10%小さい電流と「0」データを読み出した電流との比較動作すなわち読出データRDTの判定を実行していた。   In this regard, in the data read operation according to the third embodiment, after the write operation is completely completed, the read data determination operation, that is, the comparison operation between the current that is 10% smaller and the current that reads the “0” data, that is, read data RDT The judgment was executed.

本願実施の形態3の変形例においては、書込動作が実行されている中でこの判定を実行する方式である。したがって、実施の形態3と比較して、データ読出RDTを確定するための期間を短縮することができ、より高速なデータ読出を実行することができる。   In the modification of Embodiment 3 of the present application, this determination is performed while the write operation is being performed. Therefore, as compared with the third embodiment, the period for determining data read RDT can be shortened, and higher-speed data read can be executed.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の実施の形態1に従う不揮発性記憶装置の代表例として示されるMRAMデバイスの全体構成を示す概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram showing an overall configuration of an MRAM device shown as a representative example of a nonvolatile memory device according to a first embodiment of the present invention. トンネル接合部を有するメモリセルの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the memory cell which has a tunnel junction part. MTJメモリセルに対するデータ書込動作を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the data write-in operation | movement with respect to an MTJ memory cell. データ書込におけるデータ書込電流とトンネル磁気抵抗素子の磁化方向との関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between the data write current in data writing, and the magnetization direction of a tunnel magnetoresistive element. MTJメモリセルからのデータ読出を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the data reading from an MTJ memory cell. MTJメモリセルに対して磁界を印加するための電流および、MTJメモリセルの電気抵抗の関係(ヒステリシス特性)を示す図である。It is a figure which shows the relationship (hysteresis characteristic) of the electric current for applying a magnetic field with respect to an MTJ memory cell, and the electrical resistance of an MTJ memory cell. 図6に示した各状態におけるトンネル磁気抵抗素子の磁化方向を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetization direction of the tunnel magnetoresistive element in each state shown in FIG. 本発明の実施の形態1に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a memory array and its peripheral circuits according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1に従う電流生成部191および比較部192の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the electric current generation part 191 and the comparison part 192 according to Embodiment 1 of this invention. メモリセルのデータ読出において、トンネル磁気抵抗素子TMRが高抵抗である場合に10%小さい電流を生成する場合を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a case where a current that is 10% smaller is generated when the tunnel magnetoresistive element TMR has a high resistance in data reading of a memory cell. メモリセルのデータ読出において、トンネル磁気抵抗素子TMRが低抵抗である場合に10%小さい電流を生成する場合を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a case where a current that is 10% smaller is generated when the tunnel magnetoresistive element TMR has a low resistance in reading data from a memory cell. 本発明の実施の形態1に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。FIG. 7 is a flowchart illustrating a data read operation according to the first embodiment of the present invention. トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between resistance value and current value when a tunnel magnetoresistive element has memorized “1” data. トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. 本発明の実施の形態1に従うデータ読出動作のタイミングチャート図である。FIG. 7 is a timing chart diagram of a data read operation according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。FIG. 7 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the data read-out operation according to Embodiment 2 of this invention. トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between resistance value and current value when a tunnel magnetoresistive element has memorized “1” data. トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. 本発明の実施の形態2に従うデータ読出動作のタイミングチャート図である。FIG. 11 is a timing chart diagram of a data read operation according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。FIG. 10 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to a third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3に従うトグルセルMC#を模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically toggle cell MC # according to Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3に従うトグルセルの磁化方向を説明する図である。It is a figure explaining the magnetization direction of the toggle cell according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3に従うトグルセルの書込時における電流パルスシーケンスである。It is a current pulse sequence at the time of writing of the toggle cell according to the third embodiment of the present invention. 図24で示されたパルスシーケンスを用いてトグルセルのデータ書込について説明する図である。It is a figure explaining the data writing of a toggle cell using the pulse sequence shown by FIG. 図24で示されたパルスシーケンスを用いてトグルセルの別のデータ書込について説明する図である。FIG. 25 is a diagram illustrating another data writing of the toggle cell using the pulse sequence shown in FIG. 24. 本発明の実施の形態3に従うデータ読出動作を説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the data read-out operation according to Embodiment 3 of this invention. トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between resistance value and current value when a tunnel magnetoresistive element has memorized “1” data. トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data. 本発明の実施の形態3の変形例に従うメモリアレイおよびその周辺回路の概略ブロック図である。FIG. 16 is a schematic block diagram of a memory array and its peripheral circuits according to a modification of the third embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態3に従う電流生成部191,191aおよび比較部192,192aの回路構成図である。It is a circuit block diagram of the electric current generation parts 191 and 191a and the comparison parts 192 and 192a according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3の変形例に従うデータ読出方式について説明するフローチャート図である。It is a flowchart figure explaining the data reading system according to the modification of Embodiment 3 of this invention. トンネル磁気抵抗素子が「1」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between resistance value and current value when a tunnel magnetoresistive element has memorized “1” data. トンネル磁気抵抗素子が「0」データを記憶していた場合の抵抗値および電流値の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the resistance value and the current value when the tunnel magnetoresistive element stores “0” data.

符号の説明Explanation of symbols

1 MRAMデバイス、5 コントロール回路、10 メモリアレイ、10a,10# メモリ領域、20 行選択回路、25 列デコーダ、30,35 読出/書込制御回路、180,180#,180#a ライトドライバ制御回路、191,191a 電流生成部、192,192a 比較部、190,190a 増幅部、RDC,RDC# データ読出回路。   1 MRAM device, 5 control circuit, 10 memory array, 10a, 10 # memory area, 20 row selection circuit, 25 column decoder, 30, 35 read / write control circuit, 180, 180 #, 180 # a write driver control circuit , 191, 191 a Current generation unit, 192, 192 a comparison unit, 190, 190 a amplification unit, RDC, RDC # data readout circuit.

Claims (9)

各々において、データ読出時に記憶データに応じた通過電流が流れる複数のメモリセルと、
前記データ読出時に、前記複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルを介して前記記憶データに応じて流れる通過電流を検出して、前記通過電流の比率を変化させた基準電流を生成する電流生成回路と、
前記電流生成回路により生成した前記基準電流と、前記データ読出時に前記選択メモリセルにおいて前記記憶データに応じて変化する通過電流との比較に基づいて前記選択メモリセルの読出データを生成するデータ読出回路とを備えた、不揮発性記憶装置。
In each of the above, a plurality of memory cells through which a passing current corresponding to stored data flows during data reading;
A reference in which a ratio of the passing current is changed by detecting a passing current flowing according to the stored data through a selected memory cell selected as a data reading target among the plurality of memory cells during the data reading. A current generation circuit for generating a current;
A data read circuit for generating read data of the selected memory cell based on a comparison between the reference current generated by the current generation circuit and a passing current that changes in the selected memory cell according to the stored data at the time of data reading A nonvolatile storage device.
前記電流生成回路は、前記通過電流が流れる第1の電流経路と、前記第1の電流経路に対応して設けられ、前記通過電流のカレントミラー電流を流すための第2の電流経路とを有するカレントミラー回路を構成し、
前記第2の電流経路は、前記通過電流の電流量を調整する互いに並列に設けられた第1および第2のトランジスタを含み、
前記第1および第2のトランジスタのチャネル幅は互いに異なる、請求項1記載の不揮発性記憶装置。
The current generation circuit includes a first current path through which the passing current flows, and a second current path that is provided corresponding to the first current path and flows a current mirror current of the passing current. Configure the current mirror circuit,
The second current path includes first and second transistors provided in parallel with each other for adjusting a current amount of the passing current,
The nonvolatile memory device according to claim 1, wherein channel widths of the first and second transistors are different from each other.
前記複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルに対してデータ書込磁界を印可するためのデータ書込回路をさらに備え、
前記データ読出回路は、1回のデータ読出動作内において1回実行される前記データ書込磁界の印加に基づいて印加の前後においてそれぞれ変化する前記選択メモリセルを流れる前記通過電流と、前記基準電流との比較に基づいて読出データを生成する、請求項1記載の不揮発性記憶装置。
A data write circuit for applying a data write magnetic field to a selected memory cell selected as a data read target of the plurality of memory cells;
The data read circuit includes the passing current flowing through the selected memory cell, which changes respectively before and after application based on the application of the data write magnetic field executed once in one data read operation, and the reference current The non-volatile memory device according to claim 1, wherein read data is generated based on a comparison with.
前記データ読出回路は、前記データ書込磁界の印加に基づいて変化する前記選択メモリセルを流れる前記通過電流が所定の基準値を超えたかどうかに基づいて前記読出データの判定を実行する、請求項3記載の不揮発性記憶装置。   The data read circuit performs the determination of the read data based on whether or not the passing current flowing through the selected memory cell that changes based on application of the data write magnetic field exceeds a predetermined reference value. 3. The nonvolatile memory device according to 3. 前記データ書込回路は、
指示に応じて前記データ書込磁界を印可するために前記選択メモリセルに対して第1の方向および前記第1の方向と反対の第2の方向のうちのいずれか一方の方向に対してデータ書込電流を供給するための電流供給部と、
前記データ読出動作内において、前記データ読出回路からの前記読出データの判定結果に基づいて前記電流供給部から前記第1および第2の方向のうちの他方の方向に対して前記データ書込電流を供給するように前記電流供給部に対して指示する制御部とを含む、請求項4記載の不揮発性記憶装置。
The data writing circuit includes:
Data is applied to the selected memory cell in one of a first direction and a second direction opposite to the first direction to apply the data write magnetic field in response to an instruction. A current supply for supplying a write current;
In the data read operation, the data write current is supplied from the current supply unit to the other one of the first and second directions based on a determination result of the read data from the data read circuit. The nonvolatile memory device according to claim 4, further comprising a control unit that instructs the current supply unit to supply the current.
前記不揮発性記憶装置は、クロック信号に同期して動作し、
前記1回のデータ読出動作内において、前記データ書込磁界の印加前の前記通過電流を検出するデータ読出、前記データ書込磁界の印加および前記データ書込磁界の印加後の前記通過電流を検出するデータ読出は1クロックサイクル期間中に連続的に実行される、請求項3記載の不揮発性記憶装置。
The nonvolatile memory device operates in synchronization with a clock signal,
In the one data read operation, data reading for detecting the passing current before application of the data writing magnetic field, application of the data writing magnetic field and detection of the passing current after application of the data writing magnetic field are performed. 4. The nonvolatile memory device according to claim 3, wherein the data reading to be performed is continuously executed during one clock cycle.
各々が、データ読出時に記憶データに応じた通過電流が流れる複数のメモリセルと、
データ読出時に、前記複数のメモリセルのうちのデータ読出対象に選択された選択メモリセルを介して固定電圧と電気的に結合されるデータ線と、
前記データ読出時に前記データ線を所定電圧と結合して選択メモリセルに前記通過電流を供給するための電流供給回路と、
前記選択メモリセルに対してデータ書込磁界を印加するためのデータ書込回路と、
1回のデータ読出動作内において1回実行される前記データ書込磁界の印加の前後のそれぞれにおける前記選択メモリセルの記憶データに基づいて読出データを生成するためのデータ読出回路とを備え、
前記データ読出回路は、
前記データ書込磁界の印加前における前記選択メモリセルのデータ読出によって流れる通過電流を所定の比率変化させて基準電流を生成する基準電流生成部と、
所定の前記データ書込磁界の印加後の前記選択メモリセルのデータ読出によって流れる通過電流と、前記基準電流との比較に基づいて前記読出データを生成する比較部とを含む、不揮発性記憶装置。
Each of a plurality of memory cells through which a passing current corresponding to stored data flows during data reading,
A data line electrically coupled to a fixed voltage via a selected memory cell selected as a data read target of the plurality of memory cells during data reading;
A current supply circuit for coupling the data line to a predetermined voltage and supplying the passing current to a selected memory cell during the data reading;
A data write circuit for applying a data write magnetic field to the selected memory cell;
A data read circuit for generating read data based on data stored in the selected memory cell before and after application of the data write magnetic field executed once in one data read operation,
The data read circuit includes:
A reference current generation unit that generates a reference current by changing a predetermined ratio of a passing current flowing by data reading of the selected memory cell before application of the data write magnetic field;
A non-volatile memory device comprising: a passing current that flows due to data reading of the selected memory cell after application of a predetermined data write magnetic field; and a comparator that generates the read data based on a comparison with the reference current.
前記複数のメモリセルは、行列状に集積配置され、
メモリセル行にそれぞれ対応して設けられた複数の第1の書込電流線と、
メモリセル列にそれぞれ対応して設けられた複数の第2の書込電流線とをさらに備え、
前記データ書込回路は、前記データ書込時に前記選択メモリセルに対応する第1および第2の書込電流線に対して、所定のパルスシーケンスに従う所定のデータ書込磁界を印加し、
各前記メモリセルは、
対応する第1および第2の書込電流線に挟まれる間の角度の磁化容易軸に沿って配置された固定磁化層と、
前記データ書込時に前記所定のデータ書込磁界が印加されることによって磁化方向が反転する自由磁化層とを含む、請求項7に記載の不揮発性記憶装置。
The plurality of memory cells are integrated and arranged in a matrix,
A plurality of first write current lines provided respectively corresponding to the memory cell rows;
A plurality of second write current lines provided corresponding to the memory cell columns,
The data write circuit applies a predetermined data write magnetic field according to a predetermined pulse sequence to the first and second write current lines corresponding to the selected memory cell during the data write,
Each of the memory cells
A pinned magnetic layer disposed along an easy axis of magnetization between the corresponding first and second write current lines;
The nonvolatile memory device according to claim 7, further comprising: a free magnetic layer whose magnetization direction is reversed by applying the predetermined data write magnetic field during the data write.
前記所定のパルスシーケンスは、前記対応する第1および第2の書込電流線に対して90°の位相がずれたデータ書込電流が流れるように設定される、請求項8記載の不揮発性記憶装置。   9. The non-volatile memory according to claim 8, wherein the predetermined pulse sequence is set such that a data write current that is 90 degrees out of phase with respect to the corresponding first and second write current lines flows. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10388345B2 (en) 2017-09-21 2019-08-20 Toshiba Memory Cororation Memory device

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