JP2007141312A - Read-out circuit of semiconductor memory apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a read-out circuit of a semiconductor memory apparatus in which read-out operation speed can be increased and the number of reference cells for read-out operation can be decreased, in a multi-level type semiconductor memory apparatus. <P>SOLUTION: The circuit is the read-out circuit of the semiconductor memory apparatus in which a memory cell current is supplied to a selection memory cell selected as a read-out object out of a plurality of memory cells included in a memory cell array from a load circuit through a bit line, read-out voltage is generated by current-voltage-converting a read-out current flowing in the selection memory cell in accordance with a memory state of the selection memory cell, and both voltage are compared by a differential type circuit of which the differential input is read-out voltage and reference voltage, The differential type circuit is constituted so that a circuit property for input of a read-out voltage side can be varied in accordance with the number of memory states being able to take. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、1個のメモリセルに2ビット以上のデータを記憶することができる多値技術を用いたフラッシュEEPROM等の半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device such as a flash EEPROM using a multi-value technology capable of storing data of 2 bits or more in one memory cell.

一般に、半導体記憶装置の読み出し回路は、情報が記憶されているメモリセルに電流を供給し、そのメモリセルを通って流れる電流(メモリセル電流)と、基準電流(リファレンス電流)とを比較して、リファレンス電流に対してメモリセル電流が大きいか小さいかを判断することによってメモリセルに書き込まれた情報を読み出している。このように、メモリセル電流を比較して情報を読み出す方式は、電流センス方式と称されている。   In general, a read circuit of a semiconductor memory device supplies a current to a memory cell in which information is stored, and compares a current flowing through the memory cell (memory cell current) with a reference current (reference current). The information written in the memory cell is read by determining whether the memory cell current is larger or smaller than the reference current. As described above, the method of reading information by comparing the memory cell currents is called a current sensing method.

例えば、1つのメモリセルに1ビットの情報が格納されている、いわゆる2値型の半導体記憶装置においては、図8(B)に示すように、メモリセルを通って流れるメモリセル電流が多い状態(情報“1”に相当する)と少ない状態(情報“0”に相当する)との2状態が存在することから、リファレンス電流の値を2つの状態の中間の値に設定することにより、1ビットの情報を読み出すことができる。尚、実際には、電流センス方式では、メモリセル電流及びリファレンス電流の夫々を電流−電圧変換して、夫々の電圧を比較している。   For example, in a so-called binary semiconductor memory device in which 1-bit information is stored in one memory cell, as shown in FIG. 8B, the memory cell current flowing through the memory cell is large. Since there are two states (corresponding to information “1”) and a small state (corresponding to information “0”), by setting the value of the reference current to an intermediate value between the two states, 1 Bit information can be read. Actually, in the current sense system, each of the memory cell current and the reference current is subjected to current-voltage conversion, and the respective voltages are compared.

近年、記憶容量の拡大、半導体チップの製造コスト削減を図るために、1個のメモリセルに2ビット以上の情報を格納可能な多値型の半導体記憶装置が製造されている。   In recent years, in order to increase the storage capacity and reduce the manufacturing cost of a semiconductor chip, a multi-value type semiconductor memory device capable of storing information of 2 bits or more in one memory cell has been manufactured.

例えば、1つのメモリセルに2ビットの情報を格納する多値型の半導体記憶装置では、図8(A)に示すように、メモリセル電流が取り得る状態は4種類存在することから、メモリセル電流夫々のデータ領域分布の間に3種類のリファレンス電流を設定することにより、2ビットの情報を読み出すことができる。同様にして、一つのメモリセルにnビットの情報を格納する多値型の半導体記憶装置では、メモリセル電流値が取り得る状態は2種類存在し、リファレンス電流値を(2−1)種類設定することで情報を読み出すことができる。 For example, in a multilevel semiconductor memory device that stores 2-bit information in one memory cell, there are four states that the memory cell current can take as shown in FIG. By setting three types of reference currents between the data area distributions of the respective currents, 2-bit information can be read. Similarly, in a multi-level semiconductor memory device that stores n-bit information in one memory cell, there are 2 n types of states that can be taken by the memory cell current value, and the reference current value is (2 n −1). Information can be read by setting the type.

図8(A)及び図8(B)から分かるように、2ビットのデータを読み出す場合には3種類の電流比較を行う必要があり、一般に、多値型の半導体記憶装置においては、2値型の半導体記憶装置と比較して、メモリセルに格納されている情報を取り出すために多数の電流比較を行う必要がある。このため、多値型の半導体記憶装置では読み出し時間が遅くなる虞がある。   As can be seen from FIGS. 8A and 8B, when reading 2-bit data, it is necessary to compare three kinds of currents. In general, in a multivalued semiconductor memory device, a binary value is used. Compared with a semiconductor memory device of a type, it is necessary to perform a large number of current comparisons in order to extract information stored in memory cells. For this reason, there is a possibility that the read time is delayed in the multi-value type semiconductor memory device.

これらの事情を踏まえて、多値型の半導体記憶装置からデータ読み出しを行う際には、いくつかの方式が提案されている。その一つとして、先ず、中間の値を持つリファレンス電流に基づいて電流比較を行い、その結果に応じて別の状態について電流比較を行う時分割センス方式が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   In view of these circumstances, several methods have been proposed for reading data from a multilevel semiconductor memory device. As one of them, first, a time division sensing method is disclosed in which current comparison is performed based on a reference current having an intermediate value, and current comparison is performed for another state according to the result (for example, Patent Document 1). reference).

以下、この時分割センス方式について、図8(A)に示す2ビットの情報を記憶する多値型半導体記憶装置のデータを読み出す際の動作について、図9を用いて説明する。   Hereinafter, with respect to this time-division sensing method, an operation when reading data of the multilevel semiconductor memory device storing 2-bit information shown in FIG. 8A will be described with reference to FIG.

図9は、従来の半導体記憶装置における時分割センス方式の読み出し回路J100の概略構成例を示す回路図である。図9において、この時分割センス方式を用いた読み出し回路J100は、データ読み出しが行われるメモリセルである選択メモリセルJ7のドレイン(ドレイン電極)に電圧を与えて読み出し電流(メモリセル電流)を得る電流負荷回路J1と、3つのリファレンスセルJ810〜J830の何れかの電流を得るための電流負荷回路J2とを備えている。ここでは、負荷電流回路としてカレントミラー型の回路構成を図示しているが、電流負荷回路の構成は特に限定されるものではない。   FIG. 9 is a circuit diagram showing a schematic configuration example of a time division sensing read circuit J100 in a conventional semiconductor memory device. In FIG. 9, the read circuit J100 using the time-division sensing method obtains a read current (memory cell current) by applying a voltage to the drain (drain electrode) of the selected memory cell J7 that is a memory cell from which data is read. A current load circuit J1 and a current load circuit J2 for obtaining any one of the three reference cells J810 to J830 are provided. Here, a current mirror type circuit configuration is illustrated as the load current circuit, but the configuration of the current load circuit is not particularly limited.

選択メモリセルJ7のドレインと電流負荷回路J1との間にはセンス線J9が接続されており、電流負荷回路J2にはリファレンス線J10が接続されている。センス線J9及びリファレンス線J10に接続されるNMOSトランジスタJ131及びJ132は選択メモリセルJ7及びリファレンスセルのドレイン電圧を制限するためのものであり、内部回路で生成されるバイアス電圧をゲートに印加することにより、選択メモリセルJ7及びリファレンスセルJ8のドレイン電圧を一定値以下にすることで読み出し時の電圧印加による保持データの劣化の抑える事を目的としている。   A sense line J9 is connected between the drain of the selected memory cell J7 and the current load circuit J1, and a reference line J10 is connected to the current load circuit J2. The NMOS transistors J131 and J132 connected to the sense line J9 and the reference line J10 are for limiting the drain voltage of the selected memory cell J7 and the reference cell, and apply a bias voltage generated in the internal circuit to the gate. Accordingly, an object of the present invention is to suppress deterioration of retained data due to voltage application at the time of reading by setting the drain voltages of the selected memory cell J7 and the reference cell J8 below a certain value.

NMOSトランジスタJ131、J132と選択メモリセルJ7及びリファレンスセルJ8の間には、ビット線を選択するためのNMOSトランジスタが数段挿入されている。尚、これらビット線選択トランジスタの段数は記憶装置の記憶容量やメモリセルアレイのアレイ構成等により決定される。   Several stages of NMOS transistors for selecting a bit line are inserted between the NMOS transistors J131 and J132 and the selected memory cell J7 and reference cell J8. The number of stages of these bit line selection transistors is determined by the storage capacity of the storage device, the array configuration of the memory cell array, and the like.

センス線J9及びリファレンス線J10は、センス線J9とリファレンス線J10との間の電圧差を増幅出力するためのセンスアンプJ3の入力部と接続されている。また、センスアンプJ3の出力部には、1回目のセンス結果をラッチする第1データラッチ回路J4と、2回目のセンス結果をラッチする第2データラッチ回路J5とが接続されている。第1データラッチ回路J4からの出力データJ11は、リファレンス選択回路J6と接続されており、リファレンス選択回路J6は、第1データラッチ回路J4からの出力データJ11に基づいて、リファレンスセルJ810〜J830を切り替えてリファレンス線J10と接続させるように構成している。   The sense line J9 and the reference line J10 are connected to an input part of a sense amplifier J3 for amplifying and outputting a voltage difference between the sense line J9 and the reference line J10. The output section of the sense amplifier J3 is connected to a first data latch circuit J4 that latches the first sense result and a second data latch circuit J5 that latches the second sense result. The output data J11 from the first data latch circuit J4 is connected to the reference selection circuit J6, and the reference selection circuit J6 receives the reference cells J810 to J830 based on the output data J11 from the first data latch circuit J4. It is configured to be switched and connected to the reference line J10.

次に、このように構成された時分割センス方式の読み出し回路J100における選択セルJ7からのデータ読み出し動作について説明する。   Next, a data read operation from the selected cell J7 in the time-division sensing read circuit J100 configured as described above will be described.

先ず、第1読み出し動作を行うために、リファレンスセル選択回路J6はリファレンスセルJ810を選択し、リファレンスセルJ810のゲート(ゲート電極)とドレイン(ドレイン電極)とに適切な電圧を印加することによって、リファレンスセルJ810を流れるリファレンス電流を発生させる。このリファレンス電流と電流負荷回路J2を構成するPMOSトランジスタとの間の電流バランスにより、リファレンス線J10にリファレンス電圧が発生する。   First, in order to perform the first read operation, the reference cell selection circuit J6 selects the reference cell J810 and applies an appropriate voltage to the gate (gate electrode) and the drain (drain electrode) of the reference cell J810. A reference current flowing through the reference cell J810 is generated. A reference voltage is generated on the reference line J10 due to the current balance between the reference current and the PMOS transistor constituting the current load circuit J2.

一方、選択セルJ7のゲート(ゲート電極)とドレイン(ドレイン電極)とに適切な電圧を印加することによって、選択セルJ7を流れるメモリセル電流を発生させる。そして、電流負荷回路J1を構成するPMOSトランジスタのゲートには、リファレンス線J10に発生するリファレンス電圧が印加される。これにより電流負荷回路J1とJ2はカレントミラー回路の振る舞いをする。つまり、電流負荷回路J1の電流能力は選択されたリファレンスセルJ810と電流負荷回路J2により制御される。このように電流能力を制御された電流負荷回路J1と記憶状態によって電流駆動能力の変化する選択セルJ7との間の電流バランスにより、センス線J9にセンス電圧(読み出し電圧)が発生する。   On the other hand, by applying an appropriate voltage to the gate (gate electrode) and drain (drain electrode) of the selected cell J7, a memory cell current flowing through the selected cell J7 is generated. A reference voltage generated on the reference line J10 is applied to the gate of the PMOS transistor that constitutes the current load circuit J1. As a result, the current load circuits J1 and J2 behave as current mirror circuits. That is, the current capability of the current load circuit J1 is controlled by the selected reference cell J810 and the current load circuit J2. Thus, a sense voltage (read voltage) is generated on the sense line J9 due to the current balance between the current load circuit J1 whose current capability is controlled and the selected cell J7 whose current driving capability changes depending on the storage state.

このようにして発生したセンス電圧とリファレンス電圧との電位差がセンスアンプJ3にて増幅出力され、その出力結果が第1読み出し結果として第1データラッチ回路J4に記憶される。ここで、第1読み出し時に、リファレンスセル選択回路J6によって選択されるリファレンスセルJ810のリファレンス電流は、図8(A)に示す三つのリファレンス電流のうち、データ領域“01”と“10”との間のリファレンス電流値“M”を得るためのものである。通常、リファレンスセルJ810〜J830は、適切なリファレンス電流を得ることができるようにメモリセルと同じ構造のものを使用し、閾値電圧を厳密に調整することでその特性が得られる。   The potential difference between the sense voltage and the reference voltage generated in this way is amplified and output by the sense amplifier J3, and the output result is stored in the first data latch circuit J4 as the first read result. Here, the reference current of the reference cell J810 selected by the reference cell selection circuit J6 at the time of the first reading is the data region “01” and “10” among the three reference currents shown in FIG. The reference current value “M” is obtained. In general, the reference cells J810 to J830 have the same structure as that of the memory cell so that an appropriate reference current can be obtained, and the characteristics can be obtained by strictly adjusting the threshold voltage.

続いて、第1データラッチ回路J4に記憶された第1読み出し結果に基づいて、リファレンスセル選択回路J6によってリファレンスセルJ810からリファレンスセルJ820またはリファレンスセルJ830に切り替えられる。このとき、第1データラッチ回路J4に記憶されている第1読み出し結果が“0”であった場合にはリファレンスセルJ820に切り替えられ、第1読み出し結果が“1”であった場合にはリファレンスセルJ830に切り替えられる。   Subsequently, the reference cell selection circuit J6 switches the reference cell J810 to the reference cell J820 or the reference cell J830 based on the first read result stored in the first data latch circuit J4. At this time, when the first read result stored in the first data latch circuit J4 is “0”, the reference cell J820 is switched, and when the first read result is “1”, the reference is read. Switch to cell J830.

ここで、リファレンスセルJ820は、図8(A)に示す3つのリファレンス電流のうち、データ領域“00”と“01”との間のリファレンス電流値“H”を得るためのものであり、リファレンスセルJ830は、データ領域“10”と“11”との間のリファレンス電流値“L”を得るためのものである。   Here, the reference cell J820 is for obtaining a reference current value “H” between the data areas “00” and “01” among the three reference currents shown in FIG. The cell J830 is for obtaining a reference current value “L” between the data areas “10” and “11”.

その後、第1読み出し動作時と同様に第2読み出し動作を行い、第2データラッチ回路J5に第2読み出し結果を記憶する。以上のようにして、一つのメモリセルJ7に記憶された2ビットのデータを得ることが可能である。同様に、1個のメモリセルにnビットの情報を格納した場合に、時分割センス方式を用いると、最低n回の読み出し動作を行うことによってnビットの情報を読み出すことが可能である。   Thereafter, the second read operation is performed similarly to the first read operation, and the second read result is stored in the second data latch circuit J5. As described above, 2-bit data stored in one memory cell J7 can be obtained. Similarly, when n-bit information is stored in one memory cell, the n-bit information can be read by performing the read operation at least n times by using the time-division sensing method.

この時分割センス方式によれば、最低1つのセンスアンプによって多ビットの情報を読み出すことができるため、センス回路が占有するチップ面積、瞬時に必要とされる消費電流等を最小に抑えることが可能である。   According to this time-division sensing method, since multi-bit information can be read out by at least one sense amplifier, it is possible to minimize the chip area occupied by the sense circuit, current consumption required instantaneously, and the like. It is.

次に、この読み出し回路を用いた時のメモリセル電流及びリファレンス電流をセンス電圧とリファレンス電圧に変換する原理について図10を用いて説明する。尚、これ以降の説明で電圧−電流特性という表現を用いるが、これは全てトランジスタのドレインとソースの間に印加される電圧に対するドレインとソースの間に流れる電流の特性を表す。   Next, the principle of converting the memory cell current and the reference current when using this read circuit into a sense voltage and a reference voltage will be described with reference to FIG. In the following description, the expression voltage-current characteristic is used, which all represents the characteristic of the current flowing between the drain and source with respect to the voltage applied between the drain and source of the transistor.

時分割センス方式の場合、先ず、第1読み出し動作においてリファレンスセル選択回路J6によって図8(A)に示す三つのリファレンス電流のうち、データ領域“01”と“10”との間のリファレンス電流値“M”を得るリファレンスセルJ810が選択される。リファレンスセルJ810の電圧−電流特性は図10(A) に示すようにI(refmj)のようになる。また、リファレンスセルJ8の電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2の電圧−電流特性はI(pj2)のようになる。従って、第1読み出し動作時にリファレンス線J10に出力されるリファレンス電圧はI(refmj)とI(pj2)の2つの電流の安定点(図中の交点)により決定されるV(refmj)となる。一方、図9に示すように、PMOSトランジスタJ1とJ2はカレントミラー動作して同じ特性をもつように構成されるため、電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性はI(pj1_m)のようになる。ここでI(pj1_m)は、リファレンスセルJ810のI(refmj)とリファレンスセルの電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2のI(pj2)の交点と交わる特性を示すのが大きな特徴である。   In the case of the time-division sensing method, first, the reference current value between the data regions “01” and “10” among the three reference currents shown in FIG. 8A by the reference cell selection circuit J6 in the first read operation. The reference cell J810 that obtains “M” is selected. The voltage-current characteristic of the reference cell J810 is as shown by I (refmj) as shown in FIG. Further, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor J2, which is the current load circuit of the reference cell J8, becomes I (pj2). Accordingly, the reference voltage output to the reference line J10 during the first read operation is V (refmj) determined by the stable points (intersections in the figure) of the two currents I (refmj) and I (pj2). On the other hand, as shown in FIG. 9, since the PMOS transistors J1 and J2 are configured to have the same characteristics by the current mirror operation, the voltage-current characteristics of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit is I (pj1_m). It becomes like this. Here, I (pj1_m) is characterized by a characteristic that it intersects with an intersection of I (refmj) of the reference cell J810 and I (pj2) of the PMOS transistor J2 which is a current load circuit of the reference cell.

一方、選択メモリセルが図8(A)のData00、01、10、11の夫々の状態にあるときの電圧−電流特性は、図10のI(j00)、I(j01)、I(j10)、I(j11)に夫々対応する。図8(A)に示すように、メモリセルが複数存在している場合、そのメモリセル群は各データの状態で分布の幅を持ってしまうため、当然電圧−電流特性も各データ状態において幅を持ってしまうが、ここでは各状態の中間値の電圧−電流特性を例として挙げる。   On the other hand, the voltage-current characteristics when the selected memory cell is in the states of Data 00, 01, 10, and 11 in FIG. 8A are I (j00), I (j01), and I (j10) in FIG. , I (j11) respectively. As shown in FIG. 8A, when there are a plurality of memory cells, the memory cell group has a distribution width in each data state. Here, a voltage-current characteristic of an intermediate value in each state is taken as an example.

センス線J9のセンス電圧は、PMOSトランジスタJ1とメモリセルJ7の安定点により決定される。つまり図10のI(pj1_m)とI(j00)、I(pj1_m)とI(j01)、I(pj1_m)とI(j10)、I(pj1_m)とI(j11)の夫々の出力V(mj00)、V(mj01)、V(mj10)、V(mj11)の何れかがセンス電圧として出力される。   The sense voltage of the sense line J9 is determined by the stable points of the PMOS transistor J1 and the memory cell J7. That is, the outputs V (mj00) of I (pj1_m) and I (j00), I (pj1_m) and I (j01), I (pj1_m) and I (j10), I (pj1_m) and I (j11) in FIG. ), V (mj01), V (mj10), or V (mj11) is output as a sense voltage.

このようにして、リファレンス電圧がリファレンス線J10に出力され、センス電圧がセンス線J9に出力され、それらがセンスアンプJ3に入力される。図10(A)に示すようにData00、01のセンス電圧V(mj00)、V(mj01)はリファレンスセルJ810のリファレンス電圧V(refmj)より高電圧に、Data10、11のセンス電圧V(mj10)、V(mj11)はリファレンス電圧V(refmj)より低電圧になる。ここで、センスアンプJ3はセンス電圧がリファレンス電圧より高電圧であれば0を、逆にセンスアンプJ3はセンス電圧がリファレンス電圧より低電圧であれば1を出力する構成になっているものとする。従って、第1読み出し動作では、選択されたメモリセルがData00、01状態にあれば0を出力し、逆にData10、11の状態にあれば1を出力する。このようにして、第1読み出し動作により、メモリセル状態を4状態から2状態に限定することが可能となる。第1読み出し動作で出力されたデータは、第1データラッチ回路J4で保持され、出力データJ11として出力される。   In this way, the reference voltage is output to the reference line J10, the sense voltage is output to the sense line J9, and they are input to the sense amplifier J3. As shown in FIG. 10A, the sense voltages V (mj00) and V (mj01) of Data00 and 01 are higher than the reference voltage V (refmj) of the reference cell J810, and the sense voltage V (mj10) of Data10 and 11 is used. , V (mj11) is lower than the reference voltage V (refmj). Here, it is assumed that the sense amplifier J3 outputs 0 if the sense voltage is higher than the reference voltage, and conversely the sense amplifier J3 outputs 1 if the sense voltage is lower than the reference voltage. . Therefore, in the first read operation, 0 is output if the selected memory cell is in the Data00, 01 state, and 1 is output if it is in the Data10, 11 state. In this manner, the memory cell state can be limited from the four states to the two states by the first read operation. The data output in the first read operation is held by the first data latch circuit J4 and output as output data J11.

出力データJ11は、リファレンスセル選択回路J6に入力されている。これは第1読み出し動作の結果を反映し第2読み出し動作時に使用するリファレンスセルを選択するためである。リファレンスセル選択回路J6は、第1読み出し動作における出力が0、つまり選択されたメモリセルのDataが00または01であった場合、第2読み出し動作では、この二つの状態を判別するために、Data00とData01の中間のメモリセル電流、つまり図8(A)のH状態にあるリファレンスセルJ820を選択する。一方、第1読み出し動作の出力が1、つまり選択されたメモリセルのDataが10または11であった場合、第2読み出し動作では、この2つの状態を判別するために、Data10とData11の中間のメモリセル電流、つまり図8(A)のL状態にあるリファレンスセルJ830を選択する。図9に示すように、リファレンスセルの選択は、リファレンスセル選択信号J811、J821、J831で行われる。リファレンスセル選択回路J6は、第1読み出し動作時はJ811を選択し、第2読み出し動作時には、第1読み出し動作の結果が0の場合はJ821を、1の場合はJ831を選択する。   The output data J11 is input to the reference cell selection circuit J6. This is because the result of the first read operation is reflected to select the reference cell used during the second read operation. When the output in the first read operation is 0, that is, when the data of the selected memory cell is 00 or 01, the reference cell selection circuit J6 uses the Data00 to determine these two states in the second read operation. And the memory cell current between Data01, that is, the reference cell J820 in the H state of FIG. 8A is selected. On the other hand, when the output of the first read operation is 1, that is, when the data of the selected memory cell is 10 or 11, in the second read operation, in order to determine the two states, an intermediate between Data 10 and Data 11 The memory cell current, that is, the reference cell J830 in the L state in FIG. 8A is selected. As shown in FIG. 9, reference cell selection is performed by reference cell selection signals J811, J821, and J831. The reference cell selection circuit J6 selects J811 during the first read operation, and selects J821 when the result of the first read operation is 0 and J831 when the result is 1 during the second read operation.

続いて、第2読み出し動作時の動作について説明する。先ず、第1読み出し動作の結果が“0”であった場合について説明する。   Next, the operation during the second read operation will be described. First, a case where the result of the first read operation is “0” will be described.

第1読み出し動作の結果が“0”であった場合、第2読み出し動作では、図8(A)のH状態にあるリファレンスセルJ820が使用される。図10(B)に示すように、リファレンスセルJ820の電圧−電流特性はI(refhj)のようになる。H状態にあるリファレンスセルJ820は、第1読み出し動作で使用されたM状態にあるリファレンスセルJ810に比較して流す電流は少なくなるが、リファレンスセルの電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2の電圧−電流特性は、第1読み出し動作時と同様にI(pj2)のようになる。従って、第2読み出し動作時にリファレンス線J10に出力されるリファレンス電圧は、I(refhj)とI(pj2)の2つの電流の安定点(図中の交点)により決定されるV(refhj)となる。一方、PMOSトランジスタJ1とJ2はカレントミラー動作して同じ特性をもつように構成されるため、電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性は、I(pj1_h)のようになる。ここでI(pj1_h)は、リファレンスセルJ820のI(refhj)とリファレンスセルの電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2のI(pj2)の交点と交わる特性を示す。   When the result of the first read operation is “0”, the reference cell J820 in the H state in FIG. 8A is used in the second read operation. As shown in FIG. 10B, the voltage-current characteristic of the reference cell J820 is as I (refhj). The reference cell J820 in the H state has less current flow than the reference cell J810 in the M state used in the first read operation, but the voltage-current of the PMOS transistor J2 that is the current load circuit of the reference cell The characteristic is I (pj2) as in the first read operation. Therefore, the reference voltage output to the reference line J10 during the second read operation is V (refhj) determined by the stable points (intersections in the figure) of the two currents I (refhj) and I (pj2). . On the other hand, since the PMOS transistors J1 and J2 are configured to have the same characteristics by the current mirror operation, the voltage-current characteristics of the PMOS transistor J1, which is a current load circuit, are I (pj1_h). Here, I (pj1_h) indicates a characteristic that intersects with an intersection of I (refhj) of the reference cell J820 and I (pj2) of the PMOS transistor J2 that is a current load circuit of the reference cell.

また、第1読み出し動作の結果が“0”であった場合の選択メモリセルの状態は、Data00またはData01のどちらかであるので、メモリセルの電圧−電流特性は図10(B)のI(j00)、I(j01)のみ考慮すればよい。つまり、図10(B)のI(pj1_h)とI(j00)、I(pj1_h)とI(j01)による出力のみを考慮することになる。   Further, since the state of the selected memory cell when the result of the first read operation is “0” is either Data00 or Data01, the voltage-current characteristic of the memory cell is I ( j00) and I (j01) only need to be considered. That is, only the output by I (pj1_h) and I (j00), I (pj1_h) and I (j01) in FIG.

選択メモリセルがData00であった場合、電圧−電流特性は図10(B)のI(j00)を示し、センス電圧は、I(pj1_h)で示される電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性との安定点であるV(hj00)が出力される。一方、選択メモリセルがData01であった場合、電圧−電流特性は図10(B)のI(j01)を示し、センス電圧は、I(pj1_h)で示される電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性との安定点であるV(hj01)が出力される。図10(B)に示すように、Data00のセンス電圧V(hj00)はリファレンス電圧V(refhj)より高電圧に、Data01のセンス電圧V(hj01)はリファレンス電圧V(refhj)より低電圧になる。ここで、センスアンプJ3は、センス電圧がリファレンス電圧より高電圧であれば0を、逆にセンス電圧がリファレンス電圧より低電圧であれば1を出力する構成になっているので、選択メモリセルがData00の状態にあれば0を出力し、逆にData01の状態にあれば1を出力する。   When the selected memory cell is Data00, the voltage-current characteristic indicates I (j00) in FIG. 10B, and the sense voltage is the voltage of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit indicated by I (pj1_h) − V (hj00), which is a stable point with respect to the current characteristics, is output. On the other hand, when the selected memory cell is Data01, the voltage-current characteristic indicates I (j01) in FIG. 10B, and the sense voltage of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit indicated by I (pj1_h). V (hj01) which is a stable point with the voltage-current characteristic is output. As shown in FIG. 10B, the sense voltage V (hj00) of Data00 is higher than the reference voltage V (refhj), and the sense voltage V (hj01) of Data01 is lower than the reference voltage V (refhj). . Here, the sense amplifier J3 is configured to output 0 if the sense voltage is higher than the reference voltage, and conversely, if the sense voltage is lower than the reference voltage, the sense amplifier J3 outputs 1. If it is in the state of Data00, 0 is output. Conversely, if it is in the state of Data01, 1 is output.

この結果、選択メモリセルがData00であった場合、第1読み出し動作の結果は0、第2読み出し動作の結果は0となり、選択メモリセルがData01であった場合、第1読み出し動作の結果は0、第2読み出し動作の結果は1となり、正しく情報を読み出すことができる。   As a result, when the selected memory cell is Data00, the result of the first read operation is 0, the result of the second read operation is 0, and when the selected memory cell is Data01, the result of the first read operation is 0. The result of the second read operation is 1, and information can be read correctly.

続いて、第1読み出し動作の結果が“1”であった場合について説明する。   Next, a case where the result of the first read operation is “1” will be described.

第1読み出し動作の結果が“1”であった場合、第2読み出し動作では、図8(A)のL状態にあるリファレンスセルJ830が使用される。図10(C)に示すように、リファレンスセルJ830の電圧−電流特性はI(reflj)のようになる。L状態にあるリファレンスセルJ830は、第1読み出し動作で使用されたM状態にあるリファレンスセルJ810に比較して流す電流は多くなるが、リファレンスセルの電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2の電圧−電流特性は、第1読み出し動作時と同様にI(pj2)のようになる。従って、第2読み出し動作時にリファレンス線J10に出力されるリファレンス電圧は、I(reflj)とI(pj2)の2つの電流の安定点(図中の交点)により決定されるV(reflj)となる。一方、PMOSトランジスタJ1とJ2はカレントミラー動作して同じ特性をもつように構成されるため、電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性はI(pj1_l)のようになる。ここでI(pj1_l)は、リファレンスセルJ830のI(reflj)とリファレンスセルの電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ2のI(pj2)の交点と交わる特性を示す。   When the result of the first read operation is “1”, the reference cell J830 in the L state in FIG. 8A is used in the second read operation. As shown in FIG. 10C, the voltage-current characteristic of the reference cell J830 is I (refflj). The reference cell J830 in the L state flows more current than the reference cell J810 in the M state used in the first read operation, but the voltage-current of the PMOS transistor J2 that is the current load circuit of the reference cell The characteristic is I (pj2) as in the first read operation. Therefore, the reference voltage output to the reference line J10 during the second read operation is V (refflj) determined by the stable points (intersections in the figure) of the two currents I (refflj) and I (pj2). . On the other hand, since the PMOS transistors J1 and J2 are configured to have the same characteristic by the current mirror operation, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit is as I (pj1_l). Here, I (pj1_l) indicates a characteristic that intersects with an intersection of I (reflj) of the reference cell J830 and I (pj2) of the PMOS transistor J2 that is a current load circuit of the reference cell.

また、第2読み出し動作の結果が“1”であった場合の選択メモリセルの状態は、Data10またはData11のどちらかであるので、メモリセルの電圧−電流特性は図10(C)のI(j10)、I(j11)のみ考慮すればよい。つまり、図10(C)のI(pj1_l)とI(j00)、I(pj1_h)とI(j01)による出力のみを考慮することになる。   Further, since the state of the selected memory cell when the result of the second read operation is “1” is either Data 10 or Data 11, the voltage-current characteristics of the memory cell are I ( Only j10) and I (j11) need be considered. That is, only the output by I (pj1_l) and I (j00), I (pj1_h) and I (j01) in FIG.

選択メモリセルがData10であった場合、電圧−電流特性は図10(C)のI(j10)を示し、センス電圧は、I(pj1_l)で示される電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性との安定点であるV(lj10)が出力される。一方、選択メモリセルがData11であった場合、電圧−電流特性は図10(C)のI(j11)を示し、センス電圧は、I(pj1_l)で示される電流負荷回路であるPMOSトランジスタJ1の電圧−電流特性との安定点であるV(hj11)が出力される。図10(C)に示すように、Data10のセンス電圧V(lj10)はリファレンス電圧V(reflj)より高電圧に、Data11のセンス電圧V(lj11)はリファレンス電圧V(reflj)より低電圧になる。ここで、センスアンプJ3は、センス電圧がリファレンス電圧より高電圧であれば0を、逆にセンス電圧がリファレンス電圧より低電圧であれば1を出力する構成になっているので、選択メモリセルがData10の状態にあれば0を出力し、逆にData11の状態にあれば1を出力する。   When the selected memory cell is Data10, the voltage-current characteristic indicates I (j10) in FIG. 10C, and the sense voltage is the voltage of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit indicated by I (pj1_l) − V (lj10) which is a stable point with the current characteristic is output. On the other hand, when the selected memory cell is Data11, the voltage-current characteristic indicates I (j11) in FIG. 10C, and the sense voltage of the PMOS transistor J1 which is a current load circuit indicated by I (pj1_l). V (hj11), which is a stable point with the voltage-current characteristic, is output. As shown in FIG. 10C, the sense voltage V (lj10) of Data10 is higher than the reference voltage V (refflj), and the sense voltage V (lj11) of Data11 is lower than the reference voltage V (refflj). . Here, the sense amplifier J3 is configured to output 0 if the sense voltage is higher than the reference voltage, and conversely, if the sense voltage is lower than the reference voltage, the sense amplifier J3 outputs 1. If it is in the state of Data10, 0 is output. Conversely, if it is in the state of Data11, 1 is output.

この結果、選択メモリセルがData10であった場合、第1読み出し動作の結果は1、第2読み出し動作の結果は0となり、選択メモリセルがData11であった場合、第1読み出し動作の結果は1、第2読み出し動作の結果は1となり、正しく情報を読み出すことができる。   As a result, when the selected memory cell is Data 10, the result of the first read operation is 1, and the result of the second read operation is 0. When the selected memory cell is Data 11, the result of the first read operation is 1. The result of the second read operation is 1, and information can be read correctly.

次に、読み出し回路J100の動作を、読み出し回路J100に入力される制御パルスのタイミングに沿って説明する。実際は、半導体記憶装置にアドレスやチップ制御信号が入力されることにより読み出し動作が行われる。読み出し動作が開始されると半導体記憶装置内部では格子状に配列された複数のメモリセル群の中から指定されたアドレスに対応するメモリセルを選択するためのアドレス信号のデコード処理が実行されると共に、半導体記憶装置内部の様々な回路を効率よく動作させるために様々な制御パルスが発生されるが、ここではそれらの制御パルスのうち、読み出し回路J100を制御する代表的なパルスに関してのみ説明する。   Next, the operation of the readout circuit J100 will be described along the timing of control pulses input to the readout circuit J100. Actually, a read operation is performed by inputting an address or a chip control signal to the semiconductor memory device. When a read operation is started, an address signal decoding process for selecting a memory cell corresponding to a specified address from a plurality of memory cell groups arranged in a grid is executed in the semiconductor memory device. Various control pulses are generated in order to efficiently operate various circuits in the semiconductor memory device. Of these control pulses, only typical pulses for controlling the read circuit J100 will be described here.

ここで、図11は、読み出し回路J100に入力される制御パルス、センス線J9の電圧レベル及びリファレンス線J10の電圧レベルのタイミング波形を示している。読み出し回路J100の読み出し動作は、プリチャージ、ビット線駆動、センスアンプ制御、及び、データラッチの一連の動作をメモリセルのビット数に応じて行う。従って、例えば1個のメモリセルに2ビットのデータを保持できる場合は、これらの一連の読み出し動作を2回行う必要があり、nビットのデータを保持できる場合は、これらの一連の読み出し動作をn回行う必要がある。各動作に関して以下に順を追って説明する。   Here, FIG. 11 shows timing waveforms of the control pulse, the voltage level of the sense line J9, and the voltage level of the reference line J10 input to the read circuit J100. The read operation of the read circuit J100 performs a series of precharge, bit line drive, sense amplifier control, and data latch operations according to the number of bits of the memory cell. Therefore, for example, when 2 bits of data can be held in one memory cell, it is necessary to perform these series of read operations twice. When n bits of data can be held, these series of read operations are performed. n times are required. Each operation will be described in order below.

先ず初めに、1回目のプリチャージ制御パルスが発生すると、その間、読み出し回路J100は、半導体記憶装置に入力されたアドレスに対応するメモリセルに対して、該メモリセルに接続されたビット線を一定電圧まで上昇させる動作を行う。尚、この期間を第1プリチャージ期間と呼ぶ。この動作を行うために、図12に示すように、読み出し回路J100に、プリチャージ回路J14やビット線イコライズ用トランジスタJ15が設けられる場合もある。読み出し用の電流負荷回路J1及びJ2の電流供給能力に対し、ビット線負荷が大きくアクセスタイムに大きな影響を与える場合に、プリチャージ回路J14は負荷の大きいビット線を急速に充電するために使用される。また、イコライズ用トランジスタJ15は選択メモリセルとリファレンスセルのビット線のプリチャージ時の電圧レベルを一定にするために使用される。タイミング的には、プリチャージ回路J14とイコライズ用トランジスタJ15の制御タイミングは同時でも問題ないため、ここでは同一の制御パルスを入力しているが、夫々を個別に制御するために個別の制御パルスを入力する場合もある。   First, when the first precharge control pulse is generated, the read circuit J100 keeps the bit line connected to the memory cell constant for the memory cell corresponding to the address input to the semiconductor memory device. The operation to raise the voltage is performed. This period is called a first precharge period. In order to perform this operation, as shown in FIG. 12, the read circuit J100 may be provided with a precharge circuit J14 and a bit line equalizing transistor J15. The precharge circuit J14 is used to rapidly charge the bit line having a large load when the bit line load is large and greatly affects the access time with respect to the current supply capability of the current load circuits J1 and J2 for reading. The The equalizing transistor J15 is used to make the voltage level constant when precharging the bit lines of the selected memory cell and the reference cell. In terms of timing, there is no problem with the control timing of the precharge circuit J14 and the equalizing transistor J15 at the same time. Therefore, the same control pulse is input here, but in order to control each individually, individual control pulses are used. You may enter it.

1回目のプリチャージ制御パルスの終了後から1回目のセンス制御パルス発生までの間に、センス線J9及びリファレンス線J10はプリチャージ電圧レベルから図10(A)で示したメモリセルと電流負荷回路及びリファレンスセルと電流負荷回路の安定点の電圧レベルに向かって充放電を行う。この期間を第1ビット線駆動期間と呼ぶ。例えば、センスアンプJ3がカレントミラー回路のような差動増幅回路であった場合、センス線とリファレンス線の電圧レベルに一定以上の差がなければセンスアンプのオフセットにより誤判定を起こす可能性がある。もちろんセンスアンプJ3が動作している間にセンス線とリファレンス線の電圧レベルに一定以上の差が開けば最終的には正しく判定はできるが、その際センスアンプ出力の充放電による電流消費や出力反転に要する時間遅延を生じる危険性がある。一方、センスアンプJ3がラッチ型センスアンプであった場合、センス制御パルス発生と同時にセンスアンプ出力が確定してしまい、その後データの判定はできないという問題があるため、ビット線駆動期間の制御はより精度が必要となる。   Between the end of the first precharge control pulse and the generation of the first sense control pulse, the sense line J9 and the reference line J10 are connected to the memory cell and current load circuit shown in FIG. And charging / discharging is performed toward the voltage level of the stable point of a reference cell and a current load circuit. This period is called a first bit line driving period. For example, if the sense amplifier J3 is a differential amplifier circuit such as a current mirror circuit, an erroneous determination may occur due to the offset of the sense amplifier if the voltage level between the sense line and the reference line does not exceed a certain level. . Of course, if the voltage level of the sense line and the reference line is more than a certain level while the sense amplifier J3 is operating, a correct determination can be finally made. However, at this time, current consumption and output due to charge / discharge of the sense amplifier output There is a risk of causing a time delay for inversion. On the other hand, if the sense amplifier J3 is a latch type sense amplifier, the sense amplifier output is fixed at the same time as the generation of the sense control pulse, and there is a problem that data cannot be determined thereafter. Accuracy is required.

第1ビット線駆動期間後の1回目のセンス制御パルスが発生すると、センスアンプJ3はセンス線とリファレンス線の電圧レベルを比較し、データを出力する。この期間を第1センス期間と呼ぶ。センス期間中はセンスアンプJ3からはセンスデータが出力されるが、センスデータラッチ解除パルスが発生するまでは、第1データラッチ回路J4及び第2データラッチ回路J5は以前に読み出したセンスデータを、若しくは読み出し時にデータラッチ回路を初期化している場合は初期化データを保持しており、センスデータは読み出し回路J100からは出力されない。その後、第2読み出し判定パルスが発生していない状態でセンスデータラッチ解除パルスが発生すると、第1センスデータは第1データラッチ回路J4を経由してJ11より出力され、出力系の回路及びリファレンスセル選択回路J6に入力される。センスデータラッチ解除パルスが終了すると第1データラッチ回路J4はセンスアンプJ3からのデータを保持し、以後センスアンプJ3の出力が変化しても出力J11は変化しなくなる。その後センス制御パルスが終了し、1回目の読み出し動作が終了する。   When the first sense control pulse after the first bit line driving period is generated, the sense amplifier J3 compares the voltage levels of the sense line and the reference line and outputs data. This period is called a first sense period. During the sensing period, the sense data is output from the sense amplifier J3. Until the sense data latch release pulse is generated, the first data latch circuit J4 and the second data latch circuit J5 store the previously read sense data. Alternatively, when the data latch circuit is initialized at the time of reading, the initialization data is held, and the sense data is not output from the reading circuit J100. Thereafter, when a sense data latch release pulse is generated in a state where the second read determination pulse is not generated, the first sense data is output from J11 via the first data latch circuit J4, and the output system circuit and reference cell Input to the selection circuit J6. When the sense data latch release pulse ends, the first data latch circuit J4 holds the data from the sense amplifier J3, and the output J11 does not change even if the output of the sense amplifier J3 subsequently changes. Thereafter, the sense control pulse ends, and the first read operation ends.

その後、第2読み出し判定パルスが発生することで、読み出し回路J100は2回目の読み出し動作を行う。2回目の読み出しにおいてリファレンスセル選択回路J6は1回目の読み出しの結果つまり第1データ出力J11を反映し、リファレンスセルをM状態からH状態又はL状態に切り替える。   Thereafter, when the second read determination pulse is generated, the read circuit J100 performs the second read operation. In the second read, the reference cell selection circuit J6 reflects the result of the first read, that is, the first data output J11, and switches the reference cell from the M state to the H state or the L state.

2回目の読み出しが開始されると再度プリチャージ制御パルスが発生する。この期間を第2プリチャージ期間と呼ぶ。この期間において、1回目の読み出しで充放電が行われたビット線を再度ビット線駆動前の一定電圧レベルに保持することにより、1回目と2回目の読み出し動作に差異が出ないようにすることが目的である。この際、第1プリチャージ期間と同様にプリチャージ回路J14やイコライズ用トランジスタJ15を用いることで、メモリセルと電流負荷回路又はリファレンスセルと電流負荷回路のみでビット線を駆動するよりも短時間でプリチャージが可能である。   When the second reading is started, a precharge control pulse is generated again. This period is called a second precharge period. In this period, the bit line that has been charged / discharged in the first read is held again at a constant voltage level before driving the bit line, so that there is no difference between the first read operation and the second read operation. Is the purpose. At this time, using the precharge circuit J14 and the equalizing transistor J15 in the same manner as in the first precharge period, the bit line is driven in a shorter time than when the memory cell and the current load circuit or the reference cell and the current load circuit alone are driven. Precharge is possible.

2回目のプリチャージ制御パルスの終了後から2回目のセンス制御パルス発生までの間に、センス線J9及びリファレンス線J10はプリチャージ電圧レベルから図10(B)または(C)で示したメモリセルと電流負荷回路、及び、リファレンスセルと電流負荷回路の安定点の電圧レベルに向かって充放電を行う。この期間を第2ビット線駆動期間と呼ぶ。この期間の目的は第1ビット線駆動期間と同じである。2回目の読み出しの際にはリファレンスセルはM状態からH状態またはL状態に切り替わっているため、リファレンスセルはH状態が選択されていれば、リファレンス線の電圧レベルは1回目の電圧レベルに対してやや高く、L状態が選択されていれば、リファレンス線の電圧レベルは1回目の電圧レベルに対してやや低くなる。   Between the end of the second precharge control pulse and the generation of the second sense control pulse, the sense line J9 and the reference line J10 are memory cells shown in FIG. 10B or 10C from the precharge voltage level. And charge and discharge toward the voltage level at the stable point of the reference load cell and the current load circuit. This period is called a second bit line driving period. The purpose of this period is the same as that of the first bit line driving period. Since the reference cell is switched from the M state to the H state or the L state at the time of the second reading, if the H state is selected for the reference cell, the voltage level of the reference line is relative to the first voltage level. If the L state is selected, the voltage level of the reference line is slightly lower than the first voltage level.

第2ビット線駆動期間後の2回目のセンス制御パルスが発生すると、センスアンプJ3はセンス線J9とリファレンス線J10の電圧レベルを比較し、データを出力する。この期間を第2センス期間と呼ぶ。センス期間中はセンスアンプJ3からはセンスデータが出力されるが、センスデータラッチ解除パルスが発生するまでは、第2データラッチ回路J5は以前に読み出したセンスデータを、若しくは読み出し時にデータラッチ回路を初期化している場合は初期化データを保持しており、センスデータは読み出し回路J100からは出力されない。その後、第2読み出し判定パルスが発生している状態でセンスデータラッチ解除パルスが発生すると第2センスデータは第2データラッチ回路J5を経由してJ12より出力され、出力系の回路に入力される。センスデータラッチ解除パルスが終了すると第2データラッチ回路J5はセンスアンプJ3からのデータを保持し、以後センスアンプJ3の出力が変化しても出力J12は変化しなくなる。その後、センス制御パルスが終了し、2回目の読み出し動作が終了する。   When the second sense control pulse after the second bit line driving period is generated, the sense amplifier J3 compares the voltage levels of the sense line J9 and the reference line J10 and outputs data. This period is called a second sense period. During the sense period, sense data is output from the sense amplifier J3, but until the sense data latch release pulse is generated, the second data latch circuit J5 uses the previously read sense data or the data latch circuit at the time of reading. In the case of initialization, initialization data is held, and sense data is not output from the read circuit J100. Thereafter, when the sense data latch release pulse is generated in a state where the second read determination pulse is generated, the second sense data is output from J12 via the second data latch circuit J5 and input to the output system circuit. . When the sense data latch release pulse ends, the second data latch circuit J5 holds the data from the sense amplifier J3, and the output J12 does not change even if the output of the sense amplifier J3 changes thereafter. Thereafter, the sense control pulse ends, and the second read operation ends.

1個のメモリセルに2ビットのデータを保持できる場合は、読み出し動作を2回行えばよいので2回目の読み出し後、読み出し回路はスタンバイ状態に戻り、読み出し動作は完了する。   When 2-bit data can be held in one memory cell, the read operation may be performed twice. Therefore, after the second read, the read circuit returns to the standby state, and the read operation is completed.

特開2004−63018号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-63018

上記特許文献1に記載の時分割で順次電流比較を行う時分割センス方式を用いた読み出し回路は、上記制御パルスを用いて制御することで、1個のメモリセルから4値のデータを読み出すことが可能である。しかしながら、特許文献1に記載の時分割センス方式の場合、2回目の読み出し時にリファレンスセルJ8を切り替える必要があるため、切り替えたリファレンスセルJ8のビット線を充放電する必要がある。また、リファレンス線の電圧が変わることで、リファレンス線がゲートに入力されている電流負荷回路J1の電流負荷能力が変わることにより、電流負荷回路J1に接続されているメモリセルJ7のビット線の充放電も再度必要となる。   A readout circuit using a time-division sensing method that sequentially compares currents in a time-division manner described in Patent Document 1 reads out quaternary data from one memory cell by controlling using the control pulse. Is possible. However, in the case of the time-division sensing method described in Patent Document 1, since it is necessary to switch the reference cell J8 at the second read time, it is necessary to charge / discharge the bit line of the switched reference cell J8. In addition, when the voltage of the reference line changes, the current load capability of the current load circuit J1 whose reference line is input to the gate changes, thereby charging the bit line of the memory cell J7 connected to the current load circuit J1. Discharging is required again.

更に、より大きな問題は、Data01のように1回目の読み出し時にはセンス線は高電圧に遷移するが、2回目の読み出し時には逆にセンス線は低電圧に遷移する場合や、Data10のように1回目の読み出し時にはセンス線は低電圧に遷移するが、2回目の読み出し時には逆にセンス線は高電圧に遷移するといった場合のように、2回の読み出しでセンス線の遷移方向が異なる場合の読み出しである。   Furthermore, a larger problem is that the sense line transitions to a high voltage at the time of the first read as in Data01, but the sense line transitions to a low voltage at the time of the second read, or the first time as at Data10. In the read operation, the sense line transitions to a low voltage, but in the second read operation, conversely, the sense line transitions to a high voltage. is there.

大容量の半導体記憶装置では、チップサイズの縮小のため、1本のビット線に多くのメモリセルを接続して面積の効率的な利用を図っており、その寄生容量は1pF程度になる場合もある。それに対して、各メモリセルと電流負荷回路によるビット線の充放電電流は多値型のフラッシュEEPROMでは5〜10μA程度であることから、ビット線の充放電時間に非常に時間を要する(仮に1pFの寄生容量を持つビット線を5μAの電流で駆動させると、0.1Vの振幅を得るために20nsの時間が必要となる)。更に、時分割センス方式のように、1個のメモリセルのデータを読み出すのに複数回の読み出し動作を実行しなければならない場合、その影響はより大きくなり、アクセスタイムの大幅な遅延を招くこととなる。   In a large-capacity semiconductor memory device, in order to reduce the chip size, many memory cells are connected to one bit line for efficient use of area, and the parasitic capacitance may be about 1 pF. is there. On the other hand, since the charge / discharge current of the bit line by each memory cell and the current load circuit is about 5 to 10 μA in the multi-value flash EEPROM, it takes a very long time to charge / discharge the bit line (assuming 1 pF) When a bit line having a parasitic capacitance of 5 μA is driven with a current of 5 μA, a time of 20 ns is required to obtain an amplitude of 0.1 V). Furthermore, when the read operation must be executed a plurality of times to read data of one memory cell as in the time-division sensing method, the influence becomes larger and the access time is greatly delayed. It becomes.

また、1個のメモリセルにnビットのデータを保持させる多値読み出しを行う場合、(2−1)種類のリファレンスセルが必要となるが、リファレンスセルの設定は一般的に出荷前のテスト時に実施されるため、リファレンスセルの数が増える事によりテスト時間が増加し、結果的にテストコストの増加につながるという問題があった。 In addition, when performing multi-level reading in which n-bit data is held in one memory cell, (2 n −1) types of reference cells are required, but the setting of reference cells is generally a test before shipment. Since this is sometimes performed, the test time increases due to the increase in the number of reference cells, resulting in an increase in test cost.

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、多値型の半導体記憶装置において、読み出し動作の高速化を図ること及び読み出し用のリファレンスセルの数を削減することが可能な半導体記憶装置の読み出し回路を提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to increase the speed of a read operation and reduce the number of reference cells for reading in a multilevel semiconductor memory device. Another object of the present invention is to provide a read circuit for a semiconductor memory device.

上記目的を達成するための本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路は、メモリセルアレイに含まれる複数のメモリセルのうち、読み出し対象として選択された選択メモリセルに負荷回路からビット線を介してメモリセル電流を供給し、前記選択メモリセルの記憶状態に応じて前記選択メモリセルを流れる読み出し電流を電流‐電圧変換して読み出し電圧を生成し、前記読み出し電圧とリファレンス電圧とを差動入力とする差動型回路によって前記両電圧を比較する半導体記憶装置の読み出し回路であって、前記差動型回路は、前記読み出し電圧側の入力に対する回路特性を前記記憶状態の取り得る状態数に応じて変更可能に構成されていることを第1の特徴とする。   In order to achieve the above object, a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention includes a memory cell array including a plurality of memory cells, and a selected memory cell selected as a read target from a load circuit to a memory via a bit line. A cell current is supplied, a read current flowing through the selected memory cell is subjected to current-voltage conversion according to a storage state of the selected memory cell to generate a read voltage, and the read voltage and the reference voltage are used as a differential input. A read circuit of a semiconductor memory device that compares the two voltages with a differential circuit, wherein the differential circuit changes a circuit characteristic with respect to an input on the read voltage side in accordance with the number of states that the storage state can take. The first feature is that it can be configured.

上記第1の特徴の半導体記憶装置の読み出し回路は、前記差動型回路が、第1NMOSトランジスタと、前記第1NMOSトランジスタのゲートと各ゲートが接続する電流能力の異なる複数の第2NMOSトランジスタにより構成されたカレントミラー回路を備え、前記第1NMOSトランジスタのゲート及びドレインと、ゲートに前記リファレンス電圧が入力する第1PMOSトランジスタのドレインが接続し、前記第2NMOSトランジスタの各ドレインと、ゲートに前記読み出し電圧が入力する第2PMOSトランジスタがのドレインが接続し、且つ、前記各第2NMOSトランジスタのソースが特性制御用NMOSトランジスタのドレインと格別に接続し、前記特性制御用NMOSトランジスタのオンオフを切り替えることで、前記第2PMOSトランジスタのドレイン電流に対する負荷特性が前記回路特性として変化することを第2の特徴とする。   In the read circuit of the semiconductor memory device according to the first feature, the differential circuit includes a first NMOS transistor, and a plurality of second NMOS transistors having different current capabilities connected to the gate of the first NMOS transistor. A current mirror circuit, the gate and drain of the first NMOS transistor are connected to the drain of the first PMOS transistor to which the reference voltage is input, and the read voltage is input to each drain and gate of the second NMOS transistor. The drain of the second PMOS transistor is connected, and the source of each of the second NMOS transistors is connected to the drain of the characteristic control NMOS transistor to switch the characteristic control NMOS transistor on and off, Load characteristics for the drain current of the 2PMOS transistor is a second feature that varies as the circuit characteristics.

上記第1の特徴の半導体記憶装置の読み出し回路は、前記差動型回路が、第1PMOSトランジスタと、前記第1PMOSトランジスタのゲートと各ゲートが接続する電流能力の異なる複数の第2PMOSトランジスタにより構成されたカレントミラー回路を備え、前記第1PMOSトランジスタのゲート及びドレインと、ゲートに前記リファレンス電圧が入力する第1NMOSトランジスタのドレインが接続し、前記第2PMOSトランジスタの各ドレインと、ゲートに前記読み出し電圧が入力する第2NMOSトランジスタがのドレインが接続し、且つ、前記各第2PMOSトランジスタのソースが特性制御用PMOSトランジスタのドレインと格別に接続し、前記特性制御用PMOSトランジスタのオンオフを切り替えることで、前記第2NMOSトランジスタのドレイン電流に対する負荷特性が前記回路特性として変化することを第3の特徴とする。   In the read circuit of the semiconductor memory device according to the first feature, the differential circuit includes a first PMOS transistor, and a plurality of second PMOS transistors having different current capacities connected to the gate of the first PMOS transistor. A current mirror circuit, the gate and drain of the first PMOS transistor are connected to the drain of the first NMOS transistor to which the reference voltage is input, and the read voltage is input to each drain and gate of the second PMOS transistor. The drain of the second NMOS transistor is connected, and the source of each of the second PMOS transistors is connected to the drain of the characteristic control PMOS transistor, and the on / off of the characteristic control PMOS transistor is switched. Load characteristics for the drain current of the 2NMOS transistor to a third feature that varies as the circuit characteristics.

上記第2または第3の特徴の半導体記憶装置の読み出し回路は、前記読み出し電圧側の前記回路特性を変更する制御信号を前記状態数に応じて複数回出力し、2回目以降の前記制御信号を1回前に出力した前記制御信号に対する前記差動型回路の出力に応じて決定する制御信号出力回路を備えることを第4の特徴とする。   The read circuit of the semiconductor memory device according to the second or third feature outputs a control signal for changing the circuit characteristics on the read voltage side a plurality of times according to the number of states, and outputs the control signal for the second and subsequent times. A fourth feature is that a control signal output circuit that is determined according to the output of the differential circuit with respect to the control signal output once before is provided.

本発明によれば、読み出し電圧とリファレンス電圧とを差動入力とする差動型回路が、読み出し電圧側の入力に対する回路特性をメモリセルの記憶状態の取り得る状態数に応じて変更可能に構成されているので、従来の時分割センス方式の読み出しに対し、寄生負荷の軽いノードの電圧を変位させ、ビット線の寄生負荷に影響されるセンス線やリファレンス線の電圧が変位しないようにすることで、時分割センス方式の各読み出し動作における充放電時間の短縮が可能となる。結果として、メモリセルに対するアクセスタイムの高速化を図ることが可能になる。   According to the present invention, a differential circuit using a read voltage and a reference voltage as a differential input can change circuit characteristics with respect to an input on the read voltage side in accordance with the number of states that a memory cell can take. Therefore, in comparison with the conventional time-division sensing method, the voltage of the node with a lighter parasitic load is displaced so that the voltage of the sense line and the reference line affected by the parasitic load of the bit line is not displaced. Thus, it is possible to shorten the charge / discharge time in each read operation of the time-division sensing method. As a result, it is possible to increase the access time for the memory cell.

また、従来はnビットの多値読み出しを行う際に(2−1)種類のリファレンスセルが必要とされていたが、本発明によれば、1種類のリファレンスセルで読み出しが可能となる。リファレンスセルの設定は出荷前のテスト時に実施しているため、リファレンスセルの数を削減することにより、テスト時間の短縮が可能になり、更に、テストコストの削減が可能となる。 Conventionally, (2 n −1) types of reference cells are required when performing n-bit multilevel reading. However, according to the present invention, reading can be performed with one type of reference cells. Since the reference cells are set at the time of the test before shipment, the test time can be shortened and the test cost can be reduced by reducing the number of reference cells.

以下、本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路(以下、適宜「本発明回路」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention (hereinafter, abbreviated as “the circuit of the present invention” as appropriate) will be described with reference to the drawings.

尚、本実施形態では、不揮発性半導体記憶装置の読み出し動作について説明するが、本発明回路は、読み出しのために電流センス方式を採用している半導体記憶装置一般に適用可能なものであり、不揮発性半導体記憶装置または揮発性半導体記憶装置に限定されるものではない。また、読み出し動作に関する部分についてのみ説明を行い、書き込み回路、消去回路、制御回路等については、その説明を省略する。   In this embodiment, the read operation of the nonvolatile semiconductor memory device will be described. However, the circuit of the present invention is applicable to general semiconductor memory devices adopting a current sensing method for reading, and is nonvolatile. It is not limited to a semiconductor memory device or a volatile semiconductor memory device. Only the portion related to the read operation will be described, and the description of the write circuit, erase circuit, control circuit, etc. will be omitted.

先ず、本発明回路の構成について図1を基に説明する。ここで、図1は、本発明回路である読み出し回路H100の構成例を示す概略回路図である。   First, the configuration of the circuit of the present invention will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing a configuration example of a readout circuit H100 which is a circuit of the present invention.

図1において、読み出し回路H100は、メモリセルアレイに含まれる複数のメモリセルのうち、読み出し対象として、ビット線選択トランジスタH151によって選択されたビット線H141を介してメモリセルH7を選択し、メモリセルH7に流れるメモリセル電流を電流−電圧変換してセンス線H9のセンス電圧(読み出し電圧に相当)を得る。同様にして、ビット線選択トランジスタH152によって選択されたビット線H142を介してリファレンスセルH8を選択し、リファレンスセルH8に流れるメモリセル電流を電流−電圧変換してリファレンス線H10のリファレンス電圧を得る。そして、センス線H9のセンス電圧とリファレンス線H10のリファレンス電圧を比較することによって、メモリセルH7に記憶されたデータを読み出すようになっている。センス線H9及びリファレンス線H10に接続されるNMOSトランジスタH131及びH132はメモリセル及びリファレンスセルのドレイン電圧を制限するためのものであり、内部回路で生成されるバイアス電圧をゲートに印加することにより、メモリセル及びリファレンスセルのドレイン電圧を一定値以下にすることで読み出し時の電圧印加による保持データの劣化の抑える事を目的としている。   In FIG. 1, a read circuit H100 selects a memory cell H7 as a read target from a plurality of memory cells included in the memory cell array via a bit line H141 selected by a bit line selection transistor H151, and the memory cell H7 The memory cell current flowing through the memory cell is subjected to current-voltage conversion to obtain a sense voltage (corresponding to a read voltage) of the sense line H9. Similarly, the reference cell H8 is selected via the bit line H142 selected by the bit line selection transistor H152, and the memory cell current flowing in the reference cell H8 is converted from current to voltage to obtain the reference voltage of the reference line H10. Then, the data stored in the memory cell H7 is read out by comparing the sense voltage of the sense line H9 and the reference voltage of the reference line H10. The NMOS transistors H131 and H132 connected to the sense line H9 and the reference line H10 are for limiting the drain voltage of the memory cell and the reference cell. By applying a bias voltage generated in the internal circuit to the gate, An object of the present invention is to suppress deterioration of retained data due to voltage application at the time of reading by setting drain voltages of a memory cell and a reference cell to a certain value or less.

続いて、電流負荷回路(負荷回路に相当)に関して説明する。電流負荷回路は本実施形態ではPMOSトランジスタを使用しているが、これは特にPMOSトランジスタに限定するものではなく、NMOSトランジスタやウェル抵抗等の抵抗素子等どのような素子を用いても本発明に影響はない。メモリセルH7の電流負荷回路であるPMOSトランジスタH1は、ソースが電源に接続されており、ゲートはリファレンス線H10に接続され、ドレインはセンス線H9が接続される。リファレンスセルの電流負荷であるPMOSトランジスタH2は、ソースが電源に接続されており、ゲートとドレインがリファレンス線H10に接続されている。   Next, a current load circuit (corresponding to a load circuit) will be described. The current load circuit uses a PMOS transistor in this embodiment, but this is not particularly limited to a PMOS transistor, and any element such as an NMOS transistor or a resistance element such as a well resistor may be used in the present invention. There is no effect. The PMOS transistor H1, which is a current load circuit of the memory cell H7, has a source connected to the power supply, a gate connected to the reference line H10, and a drain connected to the sense line H9. The PMOS transistor H2, which is a current load of the reference cell, has a source connected to the power supply and a gate and a drain connected to the reference line H10.

続いて、カレントミラー回路(差動型回路に相当)H101の回路構成を説明する。
センス線H9はPMOSトランジスタH203のゲートに入力され、リファレンス線H10はPMOSトランジスタH202のゲートに入力され、夫々のPMOSトランジスタH203、H202のソースには電源が接続されている。
Next, the circuit configuration of the current mirror circuit (corresponding to a differential circuit) H101 will be described.
The sense line H9 is input to the gate of the PMOS transistor H203, the reference line H10 is input to the gate of the PMOS transistor H202, and a power source is connected to the sources of the PMOS transistors H203 and H202.

PMOSトランジスタH202のドレインは、NMOSトランジスタH201のゲート及びドレインと接続されている。更に、NMOSトランジスタH201のソースは、NMOSトランジスタH200のドレインと接続されている。NMOSトランジスタH200のソースは接地されている。NMOSトランジスタH200はカレントミラー回路H101の制御用に用いられ、ゲートにハイレベル(電源電圧レベル)の信号が入力されたときカレントミラー回路H101は動作する。   The drain of the PMOS transistor H202 is connected to the gate and drain of the NMOS transistor H201. Further, the source of the NMOS transistor H201 is connected to the drain of the NMOS transistor H200. The source of the NMOS transistor H200 is grounded. The NMOS transistor H200 is used for controlling the current mirror circuit H101, and the current mirror circuit H101 operates when a high level (power supply voltage level) signal is input to the gate.

PMOSトランジスタH203のドレインは、NMOSトランジスタH211、H221、H231のドレインと接続されている。NMOSトランジスタH211、H221、H231のゲートは、NMOSトランジスタH201のゲート及びドレインと接続されている。NMOSトランジスタH211、H221、H231のソースは夫々、対応するNMOSトランジスタH210、H220、H230のドレインと接続されている。NMOSトランジスタH211、H221、H231は従来技術で使用していた多値読み出し用のリファレンスセルと同じ働きをし、例えば、ゲート幅を変えることにより、夫々異なる電流特性を持たせることで、時分割センス方式において、これらのNMOSトランジスタのオンオフを選択的に切り替えることで多値読み出しを行うことができる。   The drain of the PMOS transistor H203 is connected to the drains of the NMOS transistors H211, H221, and H231. The gates of the NMOS transistors H211, H221, and H231 are connected to the gate and drain of the NMOS transistor H201. The sources of the NMOS transistors H211, H221, and H231 are connected to the drains of the corresponding NMOS transistors H210, H220, and H230, respectively. The NMOS transistors H211, H221, and H231 function in the same manner as the reference cells for multi-level reading used in the prior art. For example, by changing the gate width, the NMOS transistors H211, H221, and H231 have different current characteristics, respectively. In the system, multi-value reading can be performed by selectively switching on and off these NMOS transistors.

NMOSトランジスタH210、H220、H230はソースが接地されている。NMOSトランジスタH210、H220、H230のゲートには夫々、カレントミラー切り替え回路(制御信号出力回路に相当)H6より出力される制御信号H212、H222、H232が入力され、読み出し時にNMOSトランジスタトランジスタH211、H221、H231を選択できるようになっている。   The sources of the NMOS transistors H210, H220, and H230 are grounded. Control signals H212, H222, and H232 output from a current mirror switching circuit (corresponding to a control signal output circuit) H6 are input to the gates of the NMOS transistors H210, H220, and H230, respectively, and the NMOS transistor transistors H211, H221, H231 can be selected.

カレントミラー切り替え回路H6は、読み出しデータH11が入力されており、時分割センス方式を実行するために、読み出しデータH11に応じてNMOSトランジスタH211、H221、H231を選択するように構成されている。   The read current data H11 is input to the current mirror switching circuit H6, and the NMOS transistors H211, H221, and H231 are selected according to the read data H11 in order to execute the time division sensing method.

カレントミラー回路H101の出力H14は、出力電圧の振幅が十分であれば、それをセンスアンプの出力として使用することも可能であるが、本実施形態では、カレントミラー回路H101の出力H14、H15をセンスアンプH3を利用して出力信号を更に増幅する場合を例に説明する。   The output H14 of the current mirror circuit H101 can be used as the output of the sense amplifier if the amplitude of the output voltage is sufficient, but in this embodiment, the outputs H14 and H15 of the current mirror circuit H101 are used. A case where the output signal is further amplified using the sense amplifier H3 will be described as an example.

カレントミラー回路H101からの出力H14は、PMOSトランジスタH203のドレインに接続され、もう一方の出力H15はPMOSトランジスタH202のドレインに接続されている。センスアンプH3には、出力H14及び出力H15が入力され、出力H15をリファレンス電圧としてセンスアンプH3を動作させることで、出力H14の電圧を判定し増幅する。センスアンプH3の出力は、第1データラッチ回路H4及び第2データラッチ回路H5を経由して出力系の回路に入力されるが、これ以降は従来の半導体記憶装置と異なる点はない。ここで、従来技術に対し、センス線H9及びリファレンス線H10とセンスアンプH3の間にカレントミラー回路H3を有しているため、従来と同じ構成のセンスアンプH3を使用している場合、センスアンプH3の出力は、メモリセルの保持データに対して反転したデータを出力することとなる。このため、図1に示すように、センスアンプH3のデータをインバータで反転させ、第1データラッチ回路H4及び第2データラッチ回路H5に入力する。尚、センスアンプH3の出力をインバータで反転させなくても、第1データラッチ回路H4及び第2データラッチ回路H5の内部で反転処理させる、若しくは、出力系の回路で反転処理をさせる等しても良い。   The output H14 from the current mirror circuit H101 is connected to the drain of the PMOS transistor H203, and the other output H15 is connected to the drain of the PMOS transistor H202. The sense amplifier H3 receives the output H14 and the output H15, and operates the sense amplifier H3 using the output H15 as a reference voltage, thereby determining and amplifying the voltage of the output H14. The output of the sense amplifier H3 is input to the output system circuit via the first data latch circuit H4 and the second data latch circuit H5, but there is no difference from the conventional semiconductor memory device thereafter. Here, since the current mirror circuit H3 is provided between the sense line H9 and the reference line H10 and the sense amplifier H3 as compared with the conventional technique, when the sense amplifier H3 having the same configuration as the conventional one is used, the sense amplifier The output of H3 outputs data inverted with respect to the data held in the memory cell. Therefore, as shown in FIG. 1, the data of the sense amplifier H3 is inverted by the inverter and input to the first data latch circuit H4 and the second data latch circuit H5. Even if the output of the sense amplifier H3 is not inverted by an inverter, it is inverted inside the first data latch circuit H4 and the second data latch circuit H5, or is inverted by an output system circuit. Also good.

次に、本実施形態の読み出し回路H100の動作原理について説明する。
先ず、リファレンスセルH8のゲート及びドレインに適切な電圧を印加することによって、リファレンスセルH8を流れるリファレンス電流を発生させる。このリファレンス電流と電流負荷回路を構成するPMOSトランジスタH2との間の電流バランスにより、リファレンス線H10にリファレンス電圧が発生する。リファレンス電流の値は、本実施形態では、閾値電圧を調整することにより、図2に示すData01とData10の中間、つまり従来技術のM状態にしておく。
Next, the operation principle of the read circuit H100 of this embodiment will be described.
First, by applying appropriate voltages to the gate and drain of the reference cell H8, a reference current flowing through the reference cell H8 is generated. A reference voltage is generated on the reference line H10 due to the current balance between the reference current and the PMOS transistor H2 constituting the current load circuit. In this embodiment, the value of the reference current is set to the middle of Data01 and Data10 shown in FIG. 2, that is, the M state of the prior art by adjusting the threshold voltage.

一方、メモリセルH7のゲート及びドレインに適切な電圧を印加することによって、メモリセルH7を流れるメモリセル電流を発生させる。ここで、電流負荷回路を構成するPMOSトランジスタH1のゲートには、リファレンス線H10に発生するリファレンス電圧が印加されているため、電流負荷回路H1とH2はカレントミラー回路の振る舞いをし、電流負荷回路H1の電流能力は、リファレンスセルH8と電流負荷回路H2により制御される。このように電流能力を制御された電流負荷回路H1と記憶状態によって電流駆動能力の変化する選択セルH7との間の電流バランスにより、センス線H9にセンス電圧が発生する。   On the other hand, by applying an appropriate voltage to the gate and drain of the memory cell H7, a memory cell current flowing through the memory cell H7 is generated. Here, since the reference voltage generated in the reference line H10 is applied to the gate of the PMOS transistor H1 constituting the current load circuit, the current load circuits H1 and H2 behave as a current mirror circuit, and the current load circuit The current capability of H1 is controlled by the reference cell H8 and the current load circuit H2. A sense voltage is generated on the sense line H9 due to the current balance between the current load circuit H1 whose current capability is controlled in this way and the selected cell H7 whose current driving capability changes depending on the storage state.

このようにして発生したセンス電圧とリファレンス電圧との電位差がカレントミラー回路H101にて判定される。カレントミラー回路からの出力の電位差がセンスアンプH3にて増幅出力され、その出力が出力データH11として第1データラッチ回路H4に保持される。ここで、出力データH11を得るための読み出し動作を第1読み出し動作とすると、第1読み出し動作時にカレントミラー切り替え回路H6によって選択されるNMOSトランジスタH211は、NMOSトランジスタH201と同じ特性にしておき、NMOSトランジスタH211とH201でカレントミラー動作をさせる。   The potential difference between the sense voltage and the reference voltage generated in this way is determined by the current mirror circuit H101. The potential difference of the output from the current mirror circuit is amplified and output by the sense amplifier H3, and the output is held in the first data latch circuit H4 as output data H11. Here, if the read operation for obtaining the output data H11 is the first read operation, the NMOS transistor H211 selected by the current mirror switching circuit H6 during the first read operation has the same characteristics as the NMOS transistor H201, and the NMOS transistor A current mirror operation is performed by the transistors H211 and H201.

続いて、第1読み出し動作によって第1データラッチ回路H4に保持された出力データH11に基づいて、カレントミラー切り替え回路H6が、制御信号H212を制御信号H222または制御信号H232に切り替える。これによって、カレントミラー回路H101内において、NMOSトランジスタH211が、NMOSトランジスタH221またはH231に切り替えられる。   Subsequently, the current mirror switching circuit H6 switches the control signal H212 to the control signal H222 or the control signal H232 based on the output data H11 held in the first data latch circuit H4 by the first read operation. As a result, the NMOS transistor H211 is switched to the NMOS transistor H221 or H231 in the current mirror circuit H101.

このとき、第1データラッチ回路H4に保持されている第1読み出し動作の結果が“0”であった場合には、カレントミラー回路H101内のNMOSトランジスタはH211からH221に切り替えられ、第1読み出し動作の結果が“1”であった場合には、カレントミラー回路H101内のNMOSトランジスタはH211からH231に切り替えられる。ここで、NMOSトランジスタH221は図2に示すデータ領域“00”と“01”とを判定するものであり、NMOSトランジスタH231は図2に示すデータ領域“10”と“11”とを判定するものである。   At this time, if the result of the first read operation held in the first data latch circuit H4 is “0”, the NMOS transistor in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H221, and the first read is performed. When the operation result is “1”, the NMOS transistor in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H231. Here, the NMOS transistor H221 determines the data areas “00” and “01” shown in FIG. 2, and the NMOS transistor H231 determines the data areas “10” and “11” shown in FIG. It is.

その後、第1読み出し動作時と同様に第2読み出し動作を行い、第2データラッチ回路H5に第2読み出し動作の結果として出力データH12を記憶する。以上のようにして、一つのメモリセルH7に記憶された2ビットのデータを出力データH11、H12として得ることが可能である。同様に、一つのメモリセルにnビットの情報を格納した場合に時分割センス方式を用いると、最低n回のセンス動作を行うことによってnビットの情報を読み出すことが可能である。   Thereafter, the second read operation is performed as in the first read operation, and the output data H12 is stored in the second data latch circuit H5 as a result of the second read operation. As described above, 2-bit data stored in one memory cell H7 can be obtained as output data H11 and H12. Similarly, when n-bit information is stored in one memory cell, the n-bit information can be read by performing the sensing operation at least n times when the time-division sensing method is used.

次に、読み出し回路H100を用いた時の読み出し原理に関して図3及び図4を用いて説明する。   Next, the read principle when the read circuit H100 is used will be described with reference to FIGS.

図3は、リファレンスセルH8、電流負荷回路のPMOSトランジスタH1、H2及びメモリセルH7の電圧−電流特性である。リファレンスセルH8はI(ref)に、リファレンスセルH8の電流負荷回路のPMOSトランジスタH2はI(ph2)に、メモリセルH7の電流負荷回路のPMOSトランジスタH1はI(ph1)に夫々対応し、更に、メモリセルH7は、保持しているデータが“00”、“01”、“10”、“11”に対してI(00)、I(01)、I(10)、I(11)が夫々対応している。   FIG. 3 shows voltage-current characteristics of the reference cell H8, the PMOS transistors H1 and H2 of the current load circuit, and the memory cell H7. The reference cell H8 corresponds to I (ref), the PMOS transistor H2 of the current load circuit of the reference cell H8 corresponds to I (ph2), the PMOS transistor H1 of the current load circuit of the memory cell H7 corresponds to I (ph1), and The memory cell H7 has I (00), I (01), I (10), and I (11) for data “00”, “01”, “10”, and “11”. Each corresponds.

読み出し動作時にリファレンス線H10に出力されるリファレンス電圧は、I(ref)とI(ph2)の2つの電流の安定点(図中の交点)により決定されるV(ref)となる。一方、PMOSトランジスタH1のゲートにはリファレンス線H10が接続され、PMOSトランジスタH1、H2はカレントミラー動作して同じ特性をもつように構成されている。このため、PMOSトランジスタH1の電圧−電流特性を示すI(ph1)は、リファレンスセルH8のI(ref)とPMOSトランジスタH2のI(ph2)の交点と交わる特性を示すのが大きな特徴である。   The reference voltage output to the reference line H10 during the read operation is V (ref) determined by the stable points (intersections in the figure) of the two currents I (ref) and I (ph2). On the other hand, a reference line H10 is connected to the gate of the PMOS transistor H1, and the PMOS transistors H1 and H2 are configured to have the same characteristics by performing a current mirror operation. For this reason, I (ph1) indicating the voltage-current characteristics of the PMOS transistor H1 has a major characteristic that it shows a characteristic that intersects with the intersection of I (ref) of the reference cell H8 and I (ph2) of the PMOS transistor H2.

続いて、センス線H9の動作について説明する。尚、図2に示すように、メモリセルが複数存在している場合、そのメモリセル群は各データの状態で分布の幅を持ってしまうため、当然電圧−電流特性も各データ状態において幅を持ってしまうが、ここでは各状態の中間値の電圧−電流特性を例として挙げる。   Subsequently, the operation of the sense line H9 will be described. As shown in FIG. 2, when there are a plurality of memory cells, the memory cell group has a distribution width in each data state, so naturally the voltage-current characteristic also has a width in each data state. However, here, the voltage-current characteristic of the intermediate value of each state is given as an example.

センス線H9のセンス電圧は、PMOSトランジスタH1とメモリセルH7の安定点により決定される。つまり、メモリセルH7の記憶状態に応じて、図3のI(ph1)とI(00)の交点、I(ph1)とI(01)の交点、I(ph1)とI(10)の交点、I(ph1)とI(11)の交点の何れかにより決定され、夫々の出力V(00)、V(01)、V(10)、V(11)の何れかがセンス線のセンス電圧として出力される。   The sense voltage of the sense line H9 is determined by the stable points of the PMOS transistor H1 and the memory cell H7. That is, according to the storage state of the memory cell H7, the intersection of I (ph1) and I (00), the intersection of I (ph1) and I (01), the intersection of I (ph1) and I (10) in FIG. , I (ph1) and I (11) are determined by one of the intersections, and each of the outputs V (00), V (01), V (10), and V (11) is the sense voltage of the sense line. Is output as

このようにして、リファレンス電圧がリファレンス線H10に出力され、センス電圧がセンス線H9に出力され、それらがカレントミラー回路H101に入力される。   In this way, the reference voltage is output to the reference line H10, the sense voltage is output to the sense line H9, and they are input to the current mirror circuit H101.

センス電圧により、カレントミラー回路H101のPMOSトランジスタH203の電圧−電流特性は、図4(A)のI(p00)、I(p01)、I(p10)、I(p11)のようになり、リファレンス電圧により、PMOSトランジスタH202の電圧−電流特性はI(pref)のようになる。センス電圧はV(00)、V(01)、V(10)、V(11)の順に電圧が低くなっていくため、その電圧が入力されるPMOSトランジスタH203の電流はI(p00)、I(p01)、I(p10)、I(p11)の順に高くなっていく。そして、リファレンス電圧V(ref)はV(01)、V(10)の中間にあるため、PMOSトランジスタH201の電流I(pref)はI(p01)、I(p10)の中間になる。   Depending on the sense voltage, the voltage-current characteristics of the PMOS transistor H203 of the current mirror circuit H101 become I (p00), I (p01), I (p10), and I (p11) in FIG. Depending on the voltage, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor H202 becomes I (pref). Since the sense voltage decreases in the order of V (00), V (01), V (10), and V (11), the current of the PMOS transistor H203 to which the voltage is input is I (p00), I It increases in the order of (p01), I (p10), and I (p11). Since the reference voltage V (ref) is between V (01) and V (10), the current I (pref) of the PMOS transistor H201 is between I (p01) and I (p10).

NMOSトランジスタH201の電圧−電流特性はI(n201)のようになり、PMOSトランジスタH201の電流I(pref)との安定点により、PMOSトランジスタH202のドレイン(ノードH15)にV(refmh)が出力される。一方NMOSトランジスタH211はNMOSトランジスタH201と同じ特性にしているので、電圧−電流特性はI(n211)のようにI(pref)とI(n201)の交点と交わる。   The voltage-current characteristic of the NMOS transistor H201 becomes I (n201), and V (refmh) is output to the drain (node H15) of the PMOS transistor H202 due to the stable point with the current I (pref) of the PMOS transistor H201. The On the other hand, since the NMOS transistor H211 has the same characteristics as the NMOS transistor H201, the voltage-current characteristic intersects with the intersection of I (pref) and I (n201) like I (n211).

その結果、図4(A)に示すようにメモリセルH7がData00、01である場合のPMOSトランジスタH203のドレイン(ノードH14)に出力される出力電圧V(mh00)、V(mh01)はリファレンス電圧V(refmh)より低電圧に、メモリセルH7がData10、11である場合の出力電圧V(mh10)、V(mh11)はリファレンス電圧V(ref)より高電圧になる。ここで、本実施形態では、センスアンプH3はセンス電圧がリファレンス電圧より高電圧であれば“0”を、逆にセンス電圧がリファレンス電圧より低電圧であれば“1”を出力する構成になっている。従って、選択されたメモリセルH7がData00、01状態にあれば、第1読み出し動作におけるセンスアンプH3の出力は“1”となり、逆に、Data10、11の状態にあれば、センスアンプH3の出力は“0”となる。このようにして、第1読み出し動作により、メモリセルH7の状態を4状態から2状態に限定することが可能となる。第1読み出し動作で出力されたデータはインバータで反転されて、第1データラッチ回路H4に入力される。第1データラッチ回路H4は、Data00、01の場合は0を保持し、Data10、11の場合は1を保持し、更に、保持したデータを出力データH11として出力する。   As a result, the output voltages V (mh00) and V (mh01) output to the drain (node H14) of the PMOS transistor H203 when the memory cell H7 is Data00, 01 as shown in FIG. The output voltages V (mh10) and V (mh11) when the memory cell H7 is Data10 and 11 are lower than the voltage V (refmh) and higher than the reference voltage V (ref). In this embodiment, the sense amplifier H3 outputs “0” if the sense voltage is higher than the reference voltage, and conversely outputs “1” if the sense voltage is lower than the reference voltage. ing. Therefore, if the selected memory cell H7 is in the Data00, 01 state, the output of the sense amplifier H3 in the first read operation is “1”, and conversely if it is in the Data10, 11 state, the output of the sense amplifier H3. Becomes “0”. In this manner, the state of the memory cell H7 can be limited from 4 states to 2 states by the first read operation. The data output in the first read operation is inverted by the inverter and input to the first data latch circuit H4. The first data latch circuit H4 holds 0 in the case of Data00, 01, holds 1 in the case of Data10, 11, and further outputs the held data as output data H11.

また、出力データH11はカレントミラー切り替え回路H6に入力されている。これは、第1読み出し動作の結果を第2読み出し動作時に反映し、第2読み出し動作においてカレントミラー回路H101で使用するNMOSトランジスタをH211からH221またはH231に切り替えるためである。第1データラッチ回路H4の出力データH11が“0”、つまり、選択されたメモリセルH7がData00または01の状態であった場合、第2読み出し動作では、この2つの状態を判別するために、カレントミラー回路H101で使用するNMOSトランジスタをH211からH221に切り替える。NMOSトランジスタH221はNMOSトランジスタH211に比較して、電流供給能力を少なくしておく(2/3倍程度)ことで、Data00と01を判別できるようにする。一方、第1データラッチ回路H4の出力データH11が“1”、つまり、選択されたメモリセルH7がData10または11の状態であった場合、第2読み出し動作では、この2つの状態を判別するために、カレントミラー回路H101で使用するNMOSトランジスタをH211からH231に切り替える。NMOSトランジスタH231はNMOSトランジスタH211に比較して、電流供給能力を高くしておく(1.5倍程度)ことで、Data10と11を判別できるようにする。図1に示すように、NMOSトランジスタの切り替えは、選択信号H212、H222、H232の選択(何れか1つをハイレベルにすること)によって行われるため、カレントミラー切り替え回路H6は、第1読み出し動作時はH212を選択し、第2読み出し動作時には、第1読み出し動作における出力データH11が“0”ならばH222を、“1”ならばH232を選択する機能をもつ。   The output data H11 is input to the current mirror switching circuit H6. This is because the result of the first read operation is reflected during the second read operation, and the NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 in the second read operation is switched from H211 to H221 or H231. When the output data H11 of the first data latch circuit H4 is “0”, that is, when the selected memory cell H7 is in the state of Data00 or 01, in order to determine these two states in the second read operation, The NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H221. The NMOS transistor H221 has a smaller current supply capability (about 2/3 times) than the NMOS transistor H211 so that Data00 and 01 can be distinguished. On the other hand, when the output data H11 of the first data latch circuit H4 is “1”, that is, when the selected memory cell H7 is in the state of Data 10 or 11, in the second read operation, these two states are discriminated. The NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H231. The NMOS transistor H231 has a higher current supply capability (about 1.5 times) than the NMOS transistor H211 so that the data 10 and 11 can be distinguished. As shown in FIG. 1, since the switching of the NMOS transistor is performed by selecting the selection signals H212, H222, and H232 (one of them is set to the high level), the current mirror switching circuit H6 performs the first read operation. H212 is selected at the time, and at the time of the second read operation, H222 is selected if the output data H11 in the first read operation is “0”, and H232 is selected if it is “1”.

続いて、第2読み出し動作において、第1読み出し動作において出力データH11が“0”であった場合について説明する。   Next, the case where the output data H11 is “0” in the first read operation in the second read operation will be described.

第1読み出し動作において出力データH11が“0”であった場合、第2読み出し動作時は、カレントミラー回路H101で使用するNMOSトランジスタはH211からH221に切り替わる。図4(B)に示すように、NMOSトランジスタH221の電圧−電流特性はI(n221)のようにI(n211)より電流供給能力を少なくしておく。メモリセルの状態は、Data00、01のどちらかであるので、メモリセルの電圧−電流特性は図4(B)のI(p00)、I(p01)のみ考慮すればよい。つまり、図4(B)のI(n221)とI(p00)の交点、I(n221)とI(p01)の交点によって決定される出力のみを考慮することになる。   When the output data H11 is “0” in the first read operation, the NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H221 during the second read operation. As shown in FIG. 4B, the voltage-current characteristic of the NMOS transistor H221 has a current supply capability smaller than that of I (n211) as I (n221). Since the state of the memory cell is either Data00 or 01, the voltage-current characteristics of the memory cell need only consider I (p00) and I (p01) in FIG. That is, only the output determined by the intersection of I (n221) and I (p00) and the intersection of I (n221) and I (p01) in FIG.

選択されたメモリセルがData00であった場合、カレントミラー回路H101のPMOSトランジスタH203の電圧−電流特性は図4(B)のI(p00)を示し、出力電圧は、NMOSトランジスタH221の電圧−電流特性I(n221)との安定点であるV(hh00)となる。一方、選択されたメモリセルがData01であった場合、カレントミラー回路H101のPMOSトランジスタH203の電圧−電流特性は図4(B)のI(p01)を示し、出力電圧は、NMOSトランジスタH221の電圧−電流特性I(n221)との安定点であるV(hh01)となる。従って、図4(B)に示すように、Data00のセンス電圧V(hh00)はリファレンス電圧V(refmh)より低電圧に、Data01のセンス電圧V(hh01)はリファレンス電圧V(refmh)より高電圧になる。ここで、センスアンプH3はセンス電圧H14がリファレンス電圧H15より高電圧であれば“0”を、逆にセンス電圧H14がリファレンス電圧H15より低電圧であれば“1”を出力する構成になっているので、選択されたメモリセルH7がData00の状態にあれば、第2読み出し動作の出力は“1”となり、逆にData01の状態にあれば出力は“0”となる。このようにして出力された第2読み出し動作の出力はインバータで反転されて、第2データラッチ回路H5に入力される。第2データラッチ回路H5は、Data00の場合は“0”を保持し、Data01の場合は“1”を保持し、更に、保持したデータを出力データH12として出力する。   When the selected memory cell is Data00, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor H203 of the current mirror circuit H101 indicates I (p00) in FIG. 4B, and the output voltage is the voltage-current of the NMOS transistor H221. V (hh00), which is a stable point with the characteristic I (n221). On the other hand, when the selected memory cell is Data01, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor H203 of the current mirror circuit H101 indicates I (p01) in FIG. 4B, and the output voltage is the voltage of the NMOS transistor H221. -V (hh01) which is a stable point with the current characteristic I (n221). Therefore, as shown in FIG. 4B, the sense voltage V (hh00) of Data00 is lower than the reference voltage V (refmh), and the sense voltage V (hh01) of Data01 is higher than the reference voltage V (refmh). become. Here, the sense amplifier H3 outputs “0” if the sense voltage H14 is higher than the reference voltage H15, and conversely outputs “1” if the sense voltage H14 is lower than the reference voltage H15. Therefore, if the selected memory cell H7 is in the Data00 state, the output of the second read operation is “1”. Conversely, if the selected memory cell H7 is in the Data01 state, the output is “0”. The output of the second read operation output in this way is inverted by the inverter and input to the second data latch circuit H5. The second data latch circuit H5 holds “0” in the case of Data00, holds “1” in the case of Data01, and further outputs the held data as output data H12.

結果として、メモリセルH7がData00であった場合、第1読み出し動作の出力データH11は“0”、第2読み出し動作の出力データH12は“0”となり、メモリセルH7がData01であった場合、第1読み出し動作の出力データH11は“0”、第2読み出し動作の出力データH12は“1”となり、夫々正しくデータを出力することができる。   As a result, when the memory cell H7 is Data00, the output data H11 of the first read operation is “0”, the output data H12 of the second read operation is “0”, and the memory cell H7 is Data01. The output data H11 for the first read operation is “0” and the output data H12 for the second read operation is “1”, so that data can be output correctly.

引き続き、第2読み出し動作において、第1読み出し動作において出力データH11が“1”であった場合について説明する。   Subsequently, a case where the output data H11 is “1” in the first read operation in the second read operation will be described.

第1読み出し動作において出力データH11が“1”であった場合、第2読み出し動作時は、カレントミラー回路H101で使用するNMOSトランジスタはH211からH231に切り替わる。図4(C)に示すように、NMOSトランジスタH231の電圧−電流特性はI(n231)のようにI(n211)より電流供給能力を高くしておく。メモリセルの状態は、Data10、11のどちらかであるので、メモリセルの電圧−電流特性は図4(C)のI(p10)、I(p11)のみ考慮すればよい。つまり、図4(C)のI(n231)とI(p10)の交点、I(n231)とI(p11)の交点によって決定される出力のみを考慮することになる。   When the output data H11 is “1” in the first read operation, the NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H231 during the second read operation. As shown in FIG. 4C, the voltage-current characteristic of the NMOS transistor H231 has a current supply capability higher than that of I (n211) as in I (n231). Since the state of the memory cell is either Data 10 or 11, the voltage-current characteristics of the memory cell need only take into account I (p10) and I (p11) in FIG. That is, only the output determined by the intersection of I (n231) and I (p10) and the intersection of I (n231) and I (p11) in FIG.

選択されたメモリセルがData10であった場合、カレントミラー回路H101のPMOSトランジスタH203の電圧−電流特性は図4(C)のI(p10)を示し、出力電圧は、NMOSトランジスタH231の電圧−電流特性I(n231)との安定点であるV(lh10)となる。一方、選択されたメモリセルがData11であった場合、カレントミラー回路H101のPMOSトランジスタH203の電圧−電流特性は図4(C)のI(p11)を示し、出力電圧は、NMOSトランジスタH231の電圧−電流特性I(n231)との安定点であるV(lh11)となる。従って、図4(C)に示すように、Data10のセンス電圧V(lh10)はリファレンス電圧V(refmh)より低電圧に、Data11のセンス電圧V(lh11)はリファレンス電圧V(refmh)より高電圧になる。ここで、センスアンプH3はセンス電圧H14がリファレンス電圧H15より高電圧であれば0を、逆にセンス電圧H14がリファレンス電圧H15より低電圧であれば1を出力する構成になっているので、選択されたメモリセルH7がData10の状態にあれば、第2読み出し動作の出力は1となり、逆にData11の状態にあれば第2センスの出力は0となる。このようにして出力された第2読み出し動作の出力はインバータで反転されて、第2データラッチ回路H5に入力される。第2データラッチ回路H5は、Data10の場合は0を保持し、Data11の場合は1を保持し、更に、保持したデータを出力データH12として出力する。   When the selected memory cell is Data10, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor H203 of the current mirror circuit H101 indicates I (p10) in FIG. 4C, and the output voltage is the voltage-current of the NMOS transistor H231. V (lh10) which is a stable point with the characteristic I (n231) is obtained. On the other hand, when the selected memory cell is Data11, the voltage-current characteristic of the PMOS transistor H203 of the current mirror circuit H101 indicates I (p11) in FIG. 4C, and the output voltage is the voltage of the NMOS transistor H231. -V (lh11) which is a stable point with the current characteristic I (n231). Therefore, as shown in FIG. 4C, the sense voltage V (lh10) of Data10 is lower than the reference voltage V (refmh), and the sense voltage V (lh11) of Data11 is higher than the reference voltage V (refmh). become. Here, the sense amplifier H3 is configured to output 0 if the sense voltage H14 is higher than the reference voltage H15, and conversely, if the sense voltage H14 is lower than the reference voltage H15, 1 is output. If the memory cell H7 is in the state of Data10, the output of the second read operation is 1, and conversely, if it is in the state of Data11, the output of the second sense is 0. The output of the second read operation output in this way is inverted by the inverter and input to the second data latch circuit H5. The second data latch circuit H5 holds 0 in the case of Data10, holds 1 in the case of Data11, and further outputs the held data as output data H12.

結果として、メモリセルH7がData10であった場合、第1読み出し動作の出力データH11は1、第2読み出し動作の出力データH12は0となり、メモリセルH7がData11であった場合、第1読み出し動作の出力データH11は1、第2読み出し動作の出力データH12は1となり、夫々正しくデータを出力することができる。   As a result, when the memory cell H7 is Data10, the output data H11 of the first read operation is 1, the output data H12 of the second read operation is 0, and when the memory cell H7 is Data11, the first read operation The output data H11 is 1, and the output data H12 of the second read operation is 1, so that the data can be output correctly.

次に、この原理を利用した読み出し回路H100の動作を、読み出し回路H100に入力される制御パルスのタイミングに沿って説明する。   Next, the operation of the readout circuit H100 using this principle will be described along the timing of control pulses input to the readout circuit H100.

尚、実際は、半導体記憶装置にアドレスやチップ制御信号が入力されることにより読み出し動作が行われる。読み出し動作が開始されると半導体記憶装置内部では格子状に配列された複数のメモリセル群の中から指定されたアドレスに対応するメモリセルを選択するためのアドレス信号のデコード処理が実行されると共に、半導体記憶装置内部の様々な回路を効率よく動作させるために様々な制御パルスが発生されるが、ここではそれらの制御パルスのうち、読み出し回路H100を制御する代表的なパルスに関してのみ説明する。   Actually, a read operation is performed by inputting an address or a chip control signal to the semiconductor memory device. When a read operation is started, an address signal decoding process for selecting a memory cell corresponding to a specified address from a plurality of memory cell groups arranged in a grid is executed in the semiconductor memory device. Various control pulses are generated in order to efficiently operate various circuits in the semiconductor memory device. Of these control pulses, only typical pulses for controlling the read circuit H100 will be described here.

ここで、図5は、読み出し回路H100に入力される制御パルス、センス線H9の電圧レベル、リファレンス線H10、カレントミラー回路H101の出力H14の電圧レベルのタイミング波形を示している。読み出し回路H100の動作は、プリチャージ、ビット線駆動を行った後、センスアンプ制御、データラッチで一連の読み出し動作を行う。従って、例えば1個のメモリセルに2ビットのデータを保持できる場合は、センスアンプ制御、データラッチの動作を2回行う必要があり、nビットのデータを保持できる場合は、これらの動作をn回行う必要がある。各動作に関して以下に順を追って説明する。   Here, FIG. 5 shows timing waveforms of the control pulse input to the read circuit H100, the voltage level of the sense line H9, the reference line H10, and the voltage level of the output H14 of the current mirror circuit H101. The read circuit H100 performs a series of read operations by sense amplifier control and data latch after precharge and bit line drive. Therefore, for example, when 2 bits of data can be held in one memory cell, it is necessary to perform the sense amplifier control and data latch operations twice. When n bits of data can be held, these operations are performed n times. It is necessary to do it once. Each operation will be described in order below.

先ず初めに、プリチャージ制御パルスが発生すると、その間、読み出し回路H100は、半導体記憶装置に入力されたアドレスに対応するメモリセルに対して、該メモリセルに接続されたビット線を、読み出し前の一定電圧まで上昇させる動作を行う。この期間をプリチャージ期間と呼ぶ。この動作を行うために、図6に示すように、読み出し回路にプリチャージ回路H17やビット線イコライズ用トランジスタH16が設けられる場合もある。読み出し用の電流負荷回路H1及びH16の電流供給能力に対しビット線負荷が大きくアクセスタイムに大きな影響を与える場合に、プリチャージ回路H17は負荷の大きいビット線を急速に充電するために使用される。また、イコライズ用トランジスタH16は、メモリセルとリファレンスセルのビット線のプリチャージ時の電圧レベルを一定にするために使用される。タイミング的には、プリチャージ回路H17とイコライズ用トランジスタH16の制御タイミングは同時でも問題ないため、ここでは同一の制御パルスを入力しているが、夫々を個別に制御するために個別の制御パルスを入力する場合もある。   First, when a precharge control pulse is generated, during that time, the read circuit H100 applies the bit line connected to the memory cell to the memory cell corresponding to the address input to the semiconductor memory device. The operation to raise to a certain voltage is performed. This period is called a precharge period. In order to perform this operation, as shown in FIG. 6, a precharge circuit H17 or a bit line equalizing transistor H16 may be provided in the read circuit. The precharge circuit H17 is used to rapidly charge a heavily loaded bit line when the bit line load is large and has a large influence on the access time with respect to the current supply capability of the current load circuits H1 and H16 for reading. . The equalizing transistor H16 is used to keep the voltage level constant when precharging the bit lines of the memory cell and the reference cell. In terms of timing, there is no problem with the control timing of the precharge circuit H17 and the equalizing transistor H16 at the same time, so the same control pulse is input here. However, in order to individually control each of the control pulses, You may enter it.

プリチャージ制御パルス終了後からセンス制御パルス発生までの間に、センス線H9及びリファレンス線H10はプリチャージ電圧レベルから図4(A)で示したメモリセルと電流負荷回路及びリファレンスセルと電流負荷回路の安定点の電圧レベルに向かって充放電を行う。この期間をビット線駆動期間と呼ぶ。カレントミラー回路H101は、センス線とリファレンス線の電圧レベルに一定以上の差がなければオフセットにより誤判定を起こす可能性がある。もちろんカレントミラー回路H101が動作している間にセンス線H9とリファレンス線H10の電圧レベルに一定以上の差が開けば最終的には正しく判定はできるが、その際のカレントミラー回路H101の出力の充放電による電流消費や出力反転に要する時間遅延を生じる危険性がある。   Between the end of the precharge control pulse and the generation of the sense control pulse, the sense line H9 and the reference line H10 are driven from the precharge voltage level by the memory cell, current load circuit, reference cell, and current load circuit shown in FIG. Charging and discharging is performed toward the voltage level of the stable point. This period is called a bit line driving period. The current mirror circuit H101 may cause an erroneous determination due to an offset if there is no difference between the voltage level of the sense line and the reference line beyond a certain level. Of course, if there is a certain level difference between the voltage levels of the sense line H9 and the reference line H10 while the current mirror circuit H101 is operating, the final determination can be made correctly, but the output of the current mirror circuit H101 at that time There is a risk of current consumption due to charging / discharging and time delay required for output inversion.

ビット線駆動期間後にセンス制御パルスが発生すると、カレントミラー回路H101は、センス線H9とリファレンス線H10の電圧レベルを比較して、出力データH14、H15を出力する。出力データH14、H15が入力されたセンスアンプH3は、センスデータを出力する。センス制御パルスが発生してから第1センスデータをラッチするまでの期間を第1センス期間と呼ぶ。センス期間中、センスアンプH3からは第1センスデータが出力されるが、センスデータラッチ解除パルスが発生するまでは、第1データラッチ回路H4は、以前に読み出したセンスデータを、若しくは、読み出し時に第1データラッチ回路H4が初期化されている場合は初期化データを保持しており、第1センスデータは読み出し回路H100からは出力されない。その後、第2読み出し判定パルスが発生していない状態でセンスデータラッチ解除パルスが発生すると第1センスデータは第1データラッチ回路H4を経由して出力データH11として出力し、出力系の回路及びカレントミラー切り替え回路H6に入力される。その後、センスデータラッチ解除パルスが終了すると、第1データラッチ回路H4はセンスアンプH3からの第1センスデータを保持し、以後センスアンプH3の出力が変化しても出力データH11は変化しなくなり、1回目の読み出し動作が終了する。   When a sense control pulse is generated after the bit line drive period, the current mirror circuit H101 compares the voltage levels of the sense line H9 and the reference line H10 and outputs output data H14 and H15. The sense amplifier H3 to which the output data H14 and H15 are input outputs sense data. A period from when the sense control pulse is generated until the first sense data is latched is referred to as a first sense period. During the sensing period, the first sense data is output from the sense amplifier H3, but until the sense data latch release pulse is generated, the first data latch circuit H4 receives the previously read sense data or at the time of reading. When the first data latch circuit H4 is initialized, the initialization data is held, and the first sense data is not output from the read circuit H100. Thereafter, when a sense data latch release pulse is generated in a state where the second read determination pulse is not generated, the first sense data is output as output data H11 via the first data latch circuit H4, and the output system circuit and current Input to the mirror switching circuit H6. Thereafter, when the sense data latch release pulse ends, the first data latch circuit H4 holds the first sense data from the sense amplifier H3, and the output data H11 does not change even if the output of the sense amplifier H3 changes thereafter. The first read operation is completed.

1回目の読み出しから2回目の読み出しに移る際に、カレントミラー切り替え回路H6は1回目の読み出しの結果、つまり、出力データH11を反映し、カレントミラー回路H101で使用しているNMOSトランジスタをH211からH221又はH231に切り替える。   When shifting from the first reading to the second reading, the current mirror switching circuit H6 reflects the result of the first reading, that is, the output data H11, and the NMOS transistor used in the current mirror circuit H101 is changed from H211. Switch to H221 or H231.

カレントミラー回路H101のNMOSトランジスタが切り替えられることにより、カレントミラー回路H101は、図4(B)または(C)の原理に従いデータを出力し、その出力が入力されたセンスアンプH3は第2センスデータを出力する。カレントミラー回路H101のNMOSトランジスタをH211からH221又はH231に切り替えてから、センス制御パルスが終了するまでの期間を第2センス期間と呼ぶ。第2センス期間中は、センスアンプH3からは第2センスデータが出力されるが、センスデータラッチ解除パルスが発生するまでは、第2データラッチ回路H5は以前に読み出したセンスデータを、若しくは読み出し時に第2データラッチ回路H5が初期化されている場合は初期化データを保持しており、センスデータは読み出し回路H100からは出力されない。その後、第2読み出し判定パルスが発生している状態でセンスデータラッチ解除パルスが発生すると、第2センスデータは第2データラッチ回路H5を経由して出力データH12として出力され、出力系の回路に入力される。センスデータラッチ解除パルスが終了すると、第2データラッチ回路H5は、センスアンプH3からのデータを保持し、以後センスアンプH3の出力が変化しても出力データH12は変化しなくなる。その後、センス制御パルスが終了し、2回目の読み出し動作が終了する。   When the NMOS transistor of the current mirror circuit H101 is switched, the current mirror circuit H101 outputs data according to the principle of FIG. 4B or 4C, and the sense amplifier H3 to which the output is input receives the second sense data. Is output. A period from when the NMOS transistor of the current mirror circuit H101 is switched from H211 to H221 or H231 until the sense control pulse ends is referred to as a second sense period. During the second sense period, the second sense data is output from the sense amplifier H3. However, until the sense data latch release pulse is generated, the second data latch circuit H5 reads or reads the previously read sense data. Sometimes, when the second data latch circuit H5 is initialized, the initialization data is held, and the sense data is not output from the read circuit H100. Thereafter, when the sense data latch release pulse is generated in a state where the second read determination pulse is generated, the second sense data is output as the output data H12 via the second data latch circuit H5, and is output to the output system circuit. Entered. When the sense data latch release pulse ends, the second data latch circuit H5 holds the data from the sense amplifier H3, and the output data H12 does not change even if the output of the sense amplifier H3 changes thereafter. Thereafter, the sense control pulse ends, and the second read operation ends.

本実施形態では、1個のメモリセルに2ビットのデータを保持できる場合を想定しているため、読み出し動作が2回行えばよく、2回目の読み出し後、読み出し回路はスタンバイ状態に戻り、読み出し動作は完了する。   In this embodiment, since it is assumed that 2-bit data can be held in one memory cell, the read operation may be performed twice. After the second read, the read circuit returns to the standby state, and the read operation is performed. The operation is complete.

本実施形態では、カレントミラー回路H101の特性を切り替える際に、NMOSトランジスタH211、H221、H231の3種類使用しているが、H211及びH221を同時に選択する事でH231と同様の働きを持たせる事が可能であるならば、NMOSトランジスタH231を削除し面積を削減することも可能である。   In this embodiment, when switching the characteristics of the current mirror circuit H101, three types of NMOS transistors H211, H221, and H231 are used. By selecting H211 and H221 at the same time, the same function as H231 can be provided. If possible, the area can be reduced by removing the NMOS transistor H231.

〈別実施形態〉
次に、本発明回路の別実施形態について説明する。
<Another embodiment>
Next, another embodiment of the circuit of the present invention will be described.

本実施形態では、図7を参照して上記実施形態とは構成の異なるカレントミラー回路H101Cについて説明する。   In the present embodiment, a current mirror circuit H101C having a configuration different from that of the above embodiment will be described with reference to FIG.

センス線H9はNMOSトランジスタH303のゲートに入力され、リファレンス線H10はNMOSトランジスタH302のゲートに入力され、夫々のNMOSトランジスタH303、H302のソースは接地されている。   The sense line H9 is input to the gate of the NMOS transistor H303, the reference line H10 is input to the gate of the NMOS transistor H302, and the sources of the NMOS transistors H303 and H302 are grounded.

NMOSトランジスタH302のドレインは、PMOSトランジスタH301のゲート及びドレインと接続されている。更に、PMOSトランジスタH301のソースは、PMOSトランジスタH300のドレインと接続されている。PMOSトランジスタH300のソースには電源が接続されている。PMOSトランジスタH300はカレントミラー回路H101の制御用に用いられ、ゲートにローレベル(接地電圧レベル)の信号が入力されたときカレントミラー回路H101Cは動作する。   The drain of the NMOS transistor H302 is connected to the gate and drain of the PMOS transistor H301. Further, the source of the PMOS transistor H301 is connected to the drain of the PMOS transistor H300. A power source is connected to the source of the PMOS transistor H300. The PMOS transistor H300 is used for controlling the current mirror circuit H101, and the current mirror circuit H101C operates when a low level (ground voltage level) signal is input to the gate.

NMOSトランジスタH303のドレインは、PMOSトランジスタH311、H321、H331のドレインと接続されている。PMOSトランジスタH311、H321、H331のゲートは、PMOSトランジスタH301のゲート及びドレインと接続されている。PMOSトランジスタH311、H321、H331のソースは夫々、PMOSトランジスタH310、H320、H330のドレインと接続されている。PMOSトランジスタH311、H321、H331は、上記実施形態と同様に、従来技術で使用していた多値読み出し用のリファレンスセルと同じ働きをし、例えば、ゲート幅を変えることにより、夫々異なる電流特性を持たせることで、時分割センス方式において、これらのPMOSトランジスタのオンオフを選択的に切り替えることで多値読み出しを行うことができる。   The drain of the NMOS transistor H303 is connected to the drains of the PMOS transistors H311, H321, and H331. The gates of the PMOS transistors H311, H321, and H331 are connected to the gate and drain of the PMOS transistor H301. The sources of the PMOS transistors H311, H321, and H331 are connected to the drains of the PMOS transistors H310, H320, and H330, respectively. The PMOS transistors H311, H321, and H331 function in the same manner as the multilevel read reference cell used in the prior art, as in the above embodiment. For example, by changing the gate width, different current characteristics are obtained. By providing this, multi-value reading can be performed by selectively switching on and off these PMOS transistors in the time-division sensing method.

PMOSトランジスタH310、H320、H330はソースが電源に接続されている。PMOSトランジスタH310、H320、H330のゲートには夫々、カレントミラー切り替え回路H6より出力される制御信号H212B、H222B、H232Bが入力され、読み出し時にPMOSトランジスタトランジスタH311、H321、H331を選択できるようになっている。   The sources of the PMOS transistors H310, H320, and H330 are connected to the power source. Control signals H212B, H222B, and H232B output from the current mirror switching circuit H6 are input to the gates of the PMOS transistors H310, H320, and H330, respectively, so that the PMOS transistor transistors H311, H321, and H331 can be selected at the time of reading. Yes.

尚、図7のカレントミラー回路H101Cは、図1に示すカレントミラー回路H101と相補的関係にあるため、その回路動作は信号の極性が逆になるだけで全く同様であり、その説明を割愛する。   The current mirror circuit H101C in FIG. 7 is complementary to the current mirror circuit H101 shown in FIG. 1, and therefore the circuit operation is exactly the same except that the signal polarity is reversed. .

本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路の一構成例を示す回路図FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention 多値型半導体記憶装置におけるメモリセル電流とデータ領域との関係を示す分布図Distribution diagram showing relationship between memory cell current and data area in multi-level semiconductor memory device 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路におけるメモリセル電流及びリファレンス電流と電流負荷回路の電圧−電流特性を示すグラフ6 is a graph showing voltage-current characteristics of a memory cell current and a reference current and a current load circuit in a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路におけるカレントミラー回路の電圧−電流特性を示すグラフ6 is a graph showing voltage-current characteristics of a current mirror circuit in a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路の各制御パルス及び各出力データのタイミングチャートTiming chart of each control pulse and each output data of read circuit of semiconductor memory device according to the present invention 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路で用いるプリチャージ回路及びイコライズ回路の一構成例を示す回路図FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a precharge circuit and an equalize circuit used in a read circuit of a semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路の別実施形態の構成を示す回路図The circuit diagram which shows the structure of another embodiment of the read-out circuit of the semiconductor memory device based on this invention 多値型半導体記憶装置におけるメモリセル電流とデータ領域との関係を示す分布図、及び、2値型半導体記憶装置におけるメモリセル電流とデータ領域との関係を示す分布図Distribution diagram showing relationship between memory cell current and data area in multilevel semiconductor memory device, and distribution diagram showing relationship between memory cell current and data region in binary semiconductor memory device 従来技術に係る半導体記憶装置の読み出し回路の一構成例を示す回路図A circuit diagram showing an example of a configuration of a read circuit of a semiconductor memory device according to the prior art 従来技術に係る半導体記憶装置の読み出し回路におけるメモリセル電流及びリファレンス電流と電流負荷回路の電圧−電流特性を示すグラフThe graph which shows the voltage-current characteristic of the memory cell current in the read-out circuit of the semiconductor memory device concerning a prior art, a reference current, and a current load circuit 従来技術に係る半導体記憶装置の読み出し回路の各制御パルス及び出力データのタイミングチャートTiming chart of each control pulse and output data of read circuit of semiconductor memory device according to prior art 従来技術に係る半導体記憶装置の読み出し回路で用いるプリチャージ回路及びイコライズ回路の一構成例を示す回路図FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of a precharge circuit and an equalize circuit used in a read circuit of a semiconductor memory device according to a conventional technique

符号の説明Explanation of symbols

H100: 本発明に係る半導体記憶装置の読み出し回路
J100: 従来技術に係る半導体記憶装置の読み出し回路
H101: カレントミラー回路
H101C: カレントミラー回路
H1、H2、J1、J2: PMOSトランジスタ
H3、J3: センスアンプ
H4、J4: 第1データラッチ回路
H5、J5: 第2データラッチ回路
H6: カレントミラー切り替え回路
H7、J7: メモリセル
H8、J810、J820、J830: リファレンスセル。
H141、H142、J141、J142: ビット線
H16、H131、H132、H151、H152、H200、H201、H202、H203、H210、H220、H230、H211、H221、H231、H300、H301、H302、H303、H310、H320、H330、H311、H321、H331、J15、J131、J132: トランジスタ
H17、J14 : プリチャージ回路
J6: リファレンスセル選択回路
H100: Read circuit J100 of the semiconductor memory device according to the present invention J100: Read circuit H101 of the semiconductor memory device according to the prior art: Current mirror circuit H101C: Current mirror circuit H1, H2, J1, J2: PMOS transistor H3, J3: Sense amplifier H4, J4: first data latch circuit H5, J5: second data latch circuit H6: current mirror switching circuit H7, J7: memory cells H8, J810, J820, J830: reference cells.
H141, H142, J141, J142: Bit lines H16, H131, H132, H151, H152, H200, H201, H202, H203, H210, H220, H230, H211, H221, H231, H300, H301, H302, H303, H310, H320, H330, H311, H321, H331, J15, J131, J132: Transistors H17, J14: Precharge circuit J6: Reference cell selection circuit

Claims (4)

メモリセルアレイに含まれる複数のメモリセルのうち、読み出し対象として選択された選択メモリセルに負荷回路からビット線を介してメモリセル電流を供給し、前記選択メモリセルの記憶状態に応じて前記選択メモリセルを流れる読み出し電流を電流‐電圧変換して読み出し電圧を生成し、前記読み出し電圧とリファレンス電圧とを差動入力とする差動型回路によって前記両電圧を比較する半導体記憶装置の読み出し回路であって、
前記差動型回路は、前記読み出し電圧側の入力に対する回路特性を前記記憶状態の取り得る状態数に応じて変更可能に構成されていることを特徴とする半導体記憶装置の読み出し回路。
A memory cell current is supplied from a load circuit to a selected memory cell selected as a reading target among a plurality of memory cells included in the memory cell array via a bit line, and the selected memory is selected according to a storage state of the selected memory cell. A read circuit of a semiconductor memory device that generates a read voltage by performing current-voltage conversion on a read current flowing through a cell, and compares the two voltages with a differential circuit that uses the read voltage and a reference voltage as a differential input. And
The read circuit of a semiconductor memory device, wherein the differential circuit is configured to be able to change a circuit characteristic with respect to an input on the read voltage side in accordance with the number of states that the storage state can take.
前記差動型回路は、第1NMOSトランジスタと、前記第1NMOSトランジスタのゲートと各ゲートが接続する電流能力の異なる複数の第2NMOSトランジスタにより構成されたカレントミラー回路を備え、前記第1NMOSトランジスタのゲート及びドレインと、ゲートに前記リファレンス電圧が入力する第1PMOSトランジスタのドレインが接続し、前記第2NMOSトランジスタの各ドレインと、ゲートに前記読み出し電圧が入力する第2PMOSトランジスタがのドレインが接続し、且つ、前記各第2NMOSトランジスタのソースが特性制御用NMOSトランジスタのドレインと格別に接続し、前記特性制御用NMOSトランジスタのオンオフを切り替えることで、前記第2PMOSトランジスタのドレイン電流に対する負荷特性が前記回路特性として変化することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の読み出し回路。   The differential circuit includes a current mirror circuit including a first NMOS transistor and a plurality of second NMOS transistors having different current capacities connected to the gate of the first NMOS transistor, and the gate of the first NMOS transistor, A drain and a drain of a first PMOS transistor to which the reference voltage is input are connected to the gate, each drain of the second NMOS transistor is connected to a drain of a second PMOS transistor to which the read voltage is input to the gate, and The source of each second NMOS transistor is connected to the drain of the characteristic control NMOS transistor, and the on / off of the characteristic control NMOS transistor is switched, so that the negative current with respect to the drain current of the second PMOS transistor is reduced. Read circuit for a semiconductor memory device according to claim 1, characteristic, characterized in that the varying as the circuit characteristics. 前記差動型回路は、第1PMOSトランジスタと、前記第1PMOSトランジスタのゲートと各ゲートが接続する電流能力の異なる複数の第2PMOSトランジスタにより構成されたカレントミラー回路を備え、前記第1PMOSトランジスタのゲート及びドレインと、ゲートに前記リファレンス電圧が入力する第1NMOSトランジスタのドレインが接続し、前記第2PMOSトランジスタの各ドレインと、ゲートに前記読み出し電圧が入力する第2NMOSトランジスタがのドレインが接続し、且つ、前記各第2PMOSトランジスタのソースが特性制御用PMOSトランジスタのドレインと格別に接続し、前記特性制御用PMOSトランジスタのオンオフを切り替えることで、前記第2NMOSトランジスタのドレイン電流に対する負荷特性が前記回路特性として変化することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の読み出し回路。   The differential circuit includes a current mirror circuit including a first PMOS transistor and a plurality of second PMOS transistors having different current capacities connected to the gate of the first PMOS transistor, and the gate of the first PMOS transistor, The drain and the drain of the first NMOS transistor to which the reference voltage is input are connected to the gate, the drain of the second PMOS transistor is connected to the drain of the second NMOS transistor to which the read voltage is input, and the drain The source of each second PMOS transistor is connected to the drain of the characteristic control PMOS transistor, and the on / off of the characteristic control PMOS transistor is switched, so that the negative current with respect to the drain current of the second NMOS transistor is reduced. Read circuit for a semiconductor memory device according to claim 1, characteristic, characterized in that the varying as the circuit characteristics. 前記読み出し電圧側の前記回路特性を変更する制御信号を前記状態数に応じて複数回出力し、2回目以降の前記制御信号を1回前に出力した前記制御信号に対する前記差動型回路の出力に応じて決定する制御信号出力回路を備えることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体記憶装置の読み出し回路。   A control signal for changing the circuit characteristics on the read voltage side is output a plurality of times in accordance with the number of states, and the output of the differential circuit with respect to the control signal output the control signal for the second and subsequent times one time before 4. The read circuit for a semiconductor memory device according to claim 2, further comprising a control signal output circuit that is determined in accordance with the control signal output circuit.
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