JP2010055667A - Semiconductor memory device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体記憶装置に関し、特に、抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する磁気抵抗素子を用いた半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device using a magnetoresistive element that stores a data signal by changing a level of a resistance value.
不揮発性半導体記憶装置は、電源電圧が遮断されても記憶データを保持することができ、待機状態時において電源電圧を供給する必要がない。このため、低消費電力であることが要求される携帯機器において広く用いられている。 The nonvolatile semiconductor memory device can hold stored data even when the power supply voltage is cut off, and does not need to supply the power supply voltage in a standby state. For this reason, it is widely used in portable devices that are required to have low power consumption.
このような不揮発性半導体記憶装置の1つに、磁気抵抗効果を利用してデータを記憶するMRAM(Magnetic Random Access Memory)がある。また、MRAMの1つに、STTS(Spin Torque transfer magnetization Switching)を利用したものがある(たとえば、非特許文献1参照)。 One such nonvolatile semiconductor memory device is an MRAM (Magnetic Random Access Memory) that stores data using the magnetoresistive effect. One of the MRAMs uses STTS (Spin Torque Transfer Magnetization Switching) (for example, see Non-Patent Document 1).
このMRAMは、複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、各行に対応して設けられたワード線と、各列に対応して設けられたビット線およびソース線とを含むメモリアレイを備える。各メモリセルは、磁気抵抗素子およびトランジスタを含む。磁気抵抗素子の一方電極はビット線に接続され、その他方電極はトランジスタを介してソース線に接続され、トランジスタのゲートはワード線に接続される。 The MRAM includes a memory array including a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a word line provided corresponding to each row, and a bit line and a source line provided corresponding to each column. Prepare. Each memory cell includes a magnetoresistive element and a transistor. One electrode of the magnetoresistive element is connected to the bit line, the other electrode is connected to the source line via the transistor, and the gate of the transistor is connected to the word line.
書込動作時は、選択した行のワード線を選択レベルにしてその行の各メモリセルのトランジスタを導通させるとともに、書込データに応じた極性の書込電流を選択した列のビット線とソース線の間に流して、選択したメモリセルの磁気抵抗素子を高抵抗状態または低抵抗状態にする。読出動作時は、選択した行のワード線を選択レベルにしてその行の各メモリセルのトランジスタを導通させ、選択した列のビット線から選択したメモリセルの磁気抵抗素子およびトランジスタを介してソース線に流れる電流に基づいて、そのメモリセルの記憶データを読み出す。
このようなMRAMのメモリセルのレイアウト面積を縮小するためには、書込電流を減らしてメモリセルのトランジスタのチャネル幅を減らす必要がある。書込電流を減らす方法としては、各行に対応してディジット線を設け、選択された行のディジット線に電流を流し、その行の各磁気抵抗素子の磁化困難軸方向の磁界を発生させ、各磁気抵抗素子の抵抗状態を反転し易くする方法が考えられる。 In order to reduce the layout area of such an MRAM memory cell, it is necessary to reduce the write current and the channel width of the memory cell transistor. As a method of reducing the write current, a digit line is provided corresponding to each row, a current is passed through the digit line of the selected row, a magnetic field in the hard axis direction of each magnetoresistive element of that row is generated, A method for easily reversing the resistance state of the magnetoresistive element is conceivable.
しかし、この方法では、選択された行の全ての磁気抵抗素子が半選択状態にされるので、選択された行に抵抗状態が反転し易い磁気抵抗素子があると、その磁気抵抗素子の抵抗状態、すなわち記憶データが誤って反転される恐れがある。このため、ディジット線の電流による磁界を十分に大きくできず、メモリセルのレイアウト面積の低減化が抑制される恐れがある。 However, in this method, since all the magnetoresistive elements in the selected row are in a half-selected state, if there is a magnetoresistive element whose resistance state is easily reversed in the selected row, the resistance state of the magnetoresistive element That is, the stored data may be reversed by mistake. For this reason, the magnetic field due to the current of the digit line cannot be sufficiently increased, and the reduction in the layout area of the memory cell may be suppressed.
それゆえに、この発明の主たる目的は、レイアウト面積が小さな半導体記憶装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having a small layout area.
この発明に係る半導体記憶装置は、M行N列(ただし、M,Nの各々は2以上の整数である)に配置されたM×N個のメモリセルと、それぞれM行に対応して設けられたM本のワード線と、それぞれM行に対応して設けられたM本のディジット線と、それぞれN列に対応して設けられたN本のビット線と、それぞれN列に対応して設けられたN本のソース線とを含むメモリアレイを備えたものである。各メモリセルは、抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する磁気抵抗素子と、ゲートが対応のワード線に接続され、ソースが対応のソース線に接続され、ドレインが磁気抵抗素子を介して対応のビット線に接続されたトランジスタとを有する。この半導体記憶装置は、さらに、行デコーダ、第1のドライバ、およびN個の第2のドライバを備える。行デコーダは、行アドレス信号に従ってM本のワード線のうちのいずれかのワード線を選択レベルにし、そのワード線に対応するN個のトランジスタを導通させる。第1のドライバは、行デコーダによって選択されたワード線と同じ行のディジット線に磁化電流を流し、その行のN個のメモリセルの磁気抵抗素子を半選択状態にする。N個の第2のドライバは、それぞれN列に対応して設けられ、それぞれN個のデータ信号を受ける。各第2のドライバは、受けたデータ信号の論理に応じた方向の書込電流を対応の列のビット線とソース線の間に流して、半選択状態にされた対応の列のメモリセルの磁気抵抗素子にデータ信号を書込む。 The semiconductor memory device according to the present invention is provided with M × N memory cells arranged in M rows and N columns (where each of M and N is an integer of 2 or more), corresponding to each M row. M word lines provided, M digit lines provided corresponding to M rows, N bit lines provided corresponding to N columns, and N columns corresponding to N columns, respectively. A memory array including N source lines provided is provided. Each memory cell has a magnetoresistive element that stores a data signal according to a change in resistance level, a gate connected to a corresponding word line, a source connected to a corresponding source line, and a drain connected via a magnetoresistive element. And a transistor connected to the bit line. The semiconductor memory device further includes a row decoder, a first driver, and N second drivers. The row decoder sets one of the M word lines to a selection level according to the row address signal, and turns on N transistors corresponding to the word line. The first driver applies a magnetizing current to the digit line in the same row as the word line selected by the row decoder, and puts the magnetoresistive elements of the N memory cells in the row into a half-selected state. The N second drivers are provided corresponding to the N columns, respectively, and receive N data signals. Each second driver causes a write current in a direction according to the logic of the received data signal to flow between the bit line and the source line of the corresponding column, so that the memory cell of the corresponding column that has been half-selected is supplied. Write a data signal to the magnetoresistive element.
この発明に係る半導体記憶装置では、選択された行のディジット線の磁界によって半選択状態にされたN個のメモリセルの全てに並列にデータを書込む。したがって、選択された行のN個のメモリセルの中に記憶データが反転し易いものがあっても、そのメモリセルの記憶データは書込データに書き換えられ、誤って反転することはない。よって、ディジット線の電流による磁界を十分に大きくすることができ、メモリセルのトランジスタのチャネル幅を小さくしてメモリセルのレイアウト面積の縮小化を図ることができる。 In the semiconductor memory device according to the present invention, data is written in parallel to all the N memory cells that are half-selected by the magnetic field of the digit line of the selected row. Therefore, even if some of the N memory cells in the selected row are likely to invert the stored data, the stored data in the memory cell is rewritten to the write data and will not be inverted by mistake. Therefore, the magnetic field due to the digit line current can be sufficiently increased, and the channel width of the memory cell transistor can be reduced to reduce the memory cell layout area.
図1は、この発明の一実施の形態によるMRAMの全体構成を示すブロック図である。図1において、このMRAMは、メモリアレイMA1,MA2、行デコーダ1、列デコーダ2、書込回路3、および読出回路4を備える。メモリアレイMA1はRAM(Random Access Memory)として使用され、メモリアレイMA1はROM(Read Only Memory)として使用される。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an MRAM according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, this MRAM includes memory arrays MA1 and MA2, a
メモリアレイMA1は、図2に示すように、複数行複数列に配置された複数のメモリセルMCと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線WLと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のディジット線DLと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線BLと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のソース線SLとを含む。 As shown in FIG. 2, the memory array MA1 corresponds to a plurality of memory cells MC arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines WL provided corresponding to the plurality of rows, and a plurality of rows, respectively. A plurality of digit lines DL, a plurality of bit lines BL provided corresponding to a plurality of columns, and a plurality of source lines SL provided corresponding to the plurality of columns, respectively.
各メモリセルMCは、磁気抵抗素子5およびNチャネルMOSトランジスタ6を含む。NチャネルMOSトランジスタ6のゲートは対応のワード線WLに接続され、そのソースは対応のソース線SLに接続され、そのドレインは磁気抵抗素子5を介して対応のビット線BLに接続される。
Each memory cell MC includes a
磁気抵抗素子5は、STTSを利用したものであり、抵抗値のレベル変化によってデータを記憶する。磁気抵抗素子5は、対応のディジット線DLに磁化電流が流されたときに発生する磁界により、抵抗状態が反転し易い半選択状態になる。半選択状態にされた磁気抵抗素子5は、対応のビット線BLとソース線SLの間に対応のトランジスタ6を介して流される書込電流の極性により、高抵抗状態または低抵抗状態に変化する。
The
メモリアレイMA2は、列の数が異なるだけで、メモリアレイMA1と同じ構成である。たとえば、メモリアレイMA2の列の数は248であり、メモリアレイMA1の列の数は8である。メモリアレイMA1とMA2の行の数は同じである。メモリアレイMA1のワード線WLとメモリアレイMA2のワード線WLは1本に形成されている。ディジット線DLは、メモリアレイMA1,MA2に別々に設けられている。 The memory array MA2 has the same configuration as the memory array MA1 except that the number of columns is different. For example, the number of columns of the memory array MA2 is 248, and the number of columns of the memory array MA1 is 8. The number of rows in the memory arrays MA1 and MA2 is the same. The word line WL of the memory array MA1 and the word line WL of the memory array MA2 are formed as one. Digit line DL is provided separately in memory arrays MA1 and MA2.
図1に戻って、行デコーダ1は、行アドレス信号に従って、複数のワード線WLのうちのいずれかのワード線WLを選択し、選択したワード線WLを選択レベルの「H」レベル(電源電圧VCC)にし、そのワード線WLに対応する各メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ6を導通させる。列デコーダ2は、列アドレス信号に従って、複数の列のうちのいずれかの列を選択する。
Returning to FIG. 1, the
書込回路3は、外部制御信号に従ってメモリアレイMA1またはMA2を選択し、選択したメモリアレイMAのうちの行デコーダ1によって選択されたワード線WLに対応する全メモリセルMCに並列にデータを書込む。すなわち、書込回路3は、選択されたメモリアレイMA1のうちの行デコーダ1によって選択されたワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流を流し、そのディジット線DLに対応する全メモリセルMCを半選択状態にする。また、書込回路3は、選択されたメモリアレイMAの各列のビット線BLとソース線SLの間にその列の書込データ信号に応じた極性の電流を流し、選択されたワード線WLに対応する全メモリセルMCに並列にデータを書込む。
Write
ある列の書込データ信号が「L」レベル(“0”)の場合は、書込回路3は、その列のビット線BLおよびソース線SLをそれぞれ「H」レベル(電源電圧VCC)および「L」レベル(接地電圧VSS)にする。これにより、ビット線BLから、メモリセルMCの磁気抵抗素子5およびNチャネルMOSトランジスタ6を介して、ソース線SLに書込電流が流れ、磁気抵抗素子5はたとえば低抵抗状態にされる。
When the write data signal of a certain column is at “L” level (“0”), write
また、ある列の書込データ信号が「H」レベル(“1”)の場合は、その列のビット線BLおよびソース線SLをそれぞれ「L」レベル(接地電圧VSS)および「H」レベル(電源電圧VCC)にする。これにより、ソース線SLから、メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ6および磁気抵抗素子5を介して、ビット線BLに書込電流が流れ、磁気抵抗素子5はたとえば高抵抗状態にされる。
When the write data signal of a certain column is at “H” level (“1”), the bit line BL and source line SL of that column are set to “L” level (ground voltage VSS) and “H” level ( The power supply voltage VCC). As a result, a write current flows from the source line SL to the bit line BL via the N-
読出回路4は、列デコーダ2によって選択された列のビット線BLおよびソース線SL間に書込電圧よりも十分に低い読出電圧を印加し、ビット線BL、デコーダ1,2によって選択されたメモリセルMC、ソース線SLの経路に流れる読出電流に基づいて、そのメモリセルMCの記憶データを読み出す。たとえば、読出電流が所定のしきい値電流よりも小さい場合は、そのメモリセルMCの磁気抵抗素子5は高抵抗状態であるので、記憶データは“1”となる。逆に、読出電流が所定のしきい値電流よりも大きい場合は、そのメモリセルMCの磁気抵抗素子5は低抵抗状態であるので、記憶データは“0”となる。
The
図3は、書込回路3の構成を示す回路ブロック図である。図3では、図面の簡単化のため、2行分のメモリセルMCのみが示されている。図3において、書込回路3は、DLドライバ10,13、データラッチ回路LA0〜LA255、およびBL/SLドライバ14,15を備える。
FIG. 3 is a circuit block diagram showing the configuration of the
DLドライバ10は、メモリアレイMA1の各行に対応して設けられたANDゲート11およびNチャネルMOSトランジスタ12を含む。ANDゲート11の一方入力ノードはメモリアレイMA1のディジット線DLの活性化を指示するための信号DLE1を受け、その他方入力ノードは対応のワード線WLに接続される。NチャネルMOSトランジスタ12は、対応のディジット線DLの一方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートはANDゲート11の出力信号を受ける。各ディジット線DLの他方端は、電源電圧VCCを受ける。
信号DLE1が活性化レベルの「H」レベルになり、かつ対応のワード線WLが選択レベルの「H」レベルにされると、ANDゲート11の出力信号が「H」レベルに立ち上げられ、トランジスタ12が導通する。これにより、電源電圧VCCのラインから、ディジット線DLおよびトランジスタ12を介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れ、ディジット線DLの周囲に磁界が発生し、そのディジット線DLに対応する各メモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。
When the signal DLE1 becomes the “H” level of the activation level and the corresponding word line WL is set to the “H” level of the selection level, the output signal of the AND
信号DLE1が非活性化レベルの「L」レベルになるか、対応のワード線WLが非選択レベルの「L」レベルにされている場合は、ANDゲート11の出力信号が「L」レベルになる。この場合は、トランジスタ12が非導通になり、ディジット線DLに磁化電流は流れない。
When the signal DLE1 becomes the “L” level of the inactivation level or the corresponding word line WL is set to the “L” level of the non-selection level, the output signal of the AND
DLドライバ13は、メモリアレイMA2の各行に対応して設けられたANDゲート11およびNチャネルMOSトランジスタ12を含む。ANDゲート11の一方入力ノードはメモリアレイMA2のディジット線DLの活性化を指示するための信号DLE2を受け、その他方入力ノードは対応のワード線WLに接続される。DLドライバ13の他の構成および動作は、DLドライバ10と同様であるので、その説明は繰り返さない。
データラッチ回路LA0〜LA7はそれぞれメモリアレイMA1の8つの列に対応して設けられ、データラッチ回路LA8〜LA255はそれぞれメモリアレイMA2の248個の列に対応して設けられる。データラッチ回路LA0〜LA255は、予め8個ずつ32個のグループに分割されている。32個のグループに対応して、32本の列選択線CSL0〜CSL31がそれぞれ設けられている。各グループの8個のデータラッチ回路LAには、それぞれ書込データ信号DI0〜DI7が与えられる。32個のグループは所定時間ずつ順次選択され、選択されたグループの8個のデータラッチ回路LAにそれぞれデータ信号DI0〜DI7が並列に書き込まれる。 Data latch circuits LA0-LA7 are provided corresponding to eight columns of memory array MA1, respectively, and data latch circuits LA8-LA255 are provided corresponding to 248 columns of memory array MA2. The data latch circuits LA0 to LA255 are divided into 32 groups of 8 in advance. Corresponding to the 32 groups, 32 column selection lines CSL0 to CSL31 are respectively provided. Write data signals DI0 to DI7 are supplied to the eight data latch circuits LA of each group, respectively. The 32 groups are sequentially selected for a predetermined time, and the data signals DI0 to DI7 are respectively written in parallel to the eight data latch circuits LA of the selected group.
各データラッチ回路LAは、対応の列選択線CSLが選択レベルの「H」レベルにされている場合は対応の書込データ信号DIを取り込み、対応の列選択線CSLが非選択レベルの「L」レベルにされたことに応じて対応の書込データ信号DIを保持および出力する。 Each data latch circuit LA takes in the corresponding write data signal DI when the corresponding column selection line CSL is at the “H” level of the selection level, and the corresponding column selection line CSL is “L” at the non-selection level. The corresponding write data signal DI is held and output in response to the change to "" level.
BL/SLドライバ14は、メモリアレイ選択線MSL1が選択レベルの「H」レベルにされ、かつ制御信号R/Wが「L」レベルにされた場合に活性化され、データラッチ回路LA0〜LA7の出力データ信号をメモリアレイMA1の半選択状態にされた8個のメモリセルMCに並列に書込む。
The BL /
BL/SLドライバ15は、メモリアレイ選択線MSL2が選択レベルの「H」レベルにされ、かつ制御信号R/Wが「L」レベルにされた場合に活性化され、データラッチ回路LA8〜LA255の出力データ信号をメモリアレイMA2の半選択状態にされた288個のメモリセルMCに並列に書込む。
The BL /
図4は、データラッチ回路LA0およびBL/SLドライバ14の構成を示す回路図である。図4において、データラッチ回路LA0は、インバータ20〜22を含む。インバータ20は、列選択線CSL0が非選択レベルの「L」レベルの場合に活性化され、インバータ21の出力信号を反転させてインバータ21に与える。インバータ22は、列選択線CSL0が選択レベルの「H」レベルの場合に活性化され、書込データ信号DI0を反転させてインバータ21に与える。
FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the data latch circuit LA0 and the BL /
書込データ信号DI0が与えられ、列選択線CSL0が選択レベルの「H」レベルに立ち上げられると、インバータ20が非活性化されるとともにインバータ22が活性化され、書込データ信号DI0がインバータ22,21を介して次段に出力される。次いで、列選択線CSL0が非選択レベルの「L」レベルに立ち下げられると、インバータ20が活性化されるとともにインバータ22が非活性化され、インバータ20,21からなるラッチ回路によって書込データ信号DI0が保持されるとともに次段に出力される。他のデータラッチ回路LA1〜LA255も、データラッチ回路LA0と同様の構成である。
When write data signal DI0 is applied and column select line CSL0 is raised to the selected level “H” level,
BL/SLドライバ14は、メモリアレイMA1の各列に対応して設けられたBLドライバ16およびSLドライバ17を含む。BLドライバ16は、ゲート回路23、NANDゲート24,26、ORゲート25、PチャネルMOSトランジスタ27、およびNチャネルMOSトランジスタ28を含む。SLドライバ17は、NANDゲート29、PチャネルMOSトランジスタ30、およびNチャネルMOSトランジスタ31を含む。
BL /
書込データ信号DI0は、インバータ22を介してNANDゲート24およびORゲート25の一方入力ノードに入力されるとともに、インバータ22,21を介してNANDゲート29の一方入力ノードに入力される。メモリアレイ選択線MSL1は、ゲート回路23およびNANDゲート26の一方入力ノードに接続される。制御信号R/Wは、ゲート回路23およびORゲート25の他方入力ノードに入力される。ゲート回路23の出力信号は、NANDゲート24,29の他方入力ノードに入力される。ORゲート25の出力信号はNANDゲート26の他方入力ノードに入力される。
Write data signal DI0 is input to one input node of
PチャネルMOSトランジスタ27は、電源電圧VCCのラインと対応のビット線BLの一方端との間に接続され、そのゲートはNANDゲート24の出力信号を受ける。NチャネルMOSトランジスタ28は、対応のビット線BLの一方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートはNANDゲート26の出力信号を受ける。
P-
PチャネルMOSトランジスタ30は、電源電圧VCCのラインと対応のソース線SLの一方端との間に接続され、そのゲートはNANDゲート29の出力信号を受ける。NチャネルMOSトランジスタ31は、対応のソース線SLの一方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートはNANDゲート29の出力信号を受ける。BL/SLドライバ15も、BL/SLドライバ14と同様の構成である。
P-
次に、図4に示したデータラッチ回路LA0、BLドライバ16、およびSLドライバ17の動作について説明する。書込動作時は、制御信号R/Wが「L」レベルにされる。対応のメモリアレイ選択線MSL1および列選択線CSL0がともに選択レベルの「H」レベルにされ、かつ対応の書込データ信号DI0が「L」レベルにされた場合、NANDゲート24,26の出力信号がともに「L」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ27が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタ28が非導通になり、対応のビット線BLの一方端が「H」レベルにされる。また、NANDゲート29の出力信号が「H」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ30が非導通になるとともにNチャネルMOSトランジスタ31が導通し、対応のソース線SLの一方端が「L」レベルにされる。
Next, operations of the data latch circuit LA0, the
次いで、信号DLE1が活性化レベルの「H」レベルにされるとともに選択されたワード線WLが選択レベルの「H」レベルにされると、そのワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流が流れ、そのディジット線DLに対応する各メモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。また、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ6が導通する。これにより、電源電圧VCCのライン、PチャネルMOSトランジスタ27、ビット線BL、磁気抵抗素子5、NチャネルMOSトランジスタ6、ソース線SL、NチャネルMOSトランジスタ31、および接地電圧VSSのラインの経路で書込電流が流れ、磁気抵抗素子5がたとえば低抵抗状態にされる。
Next, when the signal DLE1 is set to the activation level “H” level and the selected word line WL is set to the selection level “H” level, the magnetizing current is applied to the digit line DL corresponding to the word line WL. Then, the
また、対応のメモリアレイ選択線MSL1および列選択線CSL0が選択レベルの「H」レベルにされ、かつ対応の書込データ信号DI0が「H」レベルにされた場合、NANDゲート24,26の出力信号がともに「H」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ27が非導通になるとともにNチャネルMOSトランジスタ28が導通し、対応のビット線BLの一方端が「L」レベルにされる。また、NANDゲート29の出力信号が「L」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ30が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタ31が非導通になり、対応のソース線SLの一方端が「H」レベルにされる。
When the corresponding memory array selection line MSL1 and column selection line CSL0 are set to the selection level “H” level and the corresponding write data signal DI0 is set to “H” level, the outputs of
次いで、信号DLE1が活性化レベルの「H」レベルにされるとともに選択されたワード線WLが選択レベルの「H」レベルにされると、そのワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流が流れ、そのディジット線DLに対応する各メモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。また、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ6が導通する。これにより、電源電圧VCCのライン、PチャネルMOSトランジスタ30、ソース線SL、NチャネルMOSトランジスタ6、磁気抵抗素子5、ビット線BL、NチャネルMOSトランジスタ28、および接地電圧VSSのラインの経路で書込電流が流れ、磁気抵抗素子5がたとえば高抵抗状態にされる。
Next, when the signal DLE1 is set to the activation level “H” level and the selected word line WL is set to the selection level “H” level, the magnetizing current is applied to the digit line DL corresponding to the word line WL. Then, the
また、読出動作時は、制御信号R/Wが「H」レベルにされる。対応のメモリアレイ選択線MSL1および列選択線CSL0が選択レベルの「H」レベルにされた場合、NANDゲート24,26の出力信号がそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルになり、トランジスタ27,28がともに非導通になり、対応のビット線BLの一方端がハイ・インピーダンス状態にされる。また、NANDゲート29の出力信号が「H」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ30が非導通になるとともにNチャネルMOSトランジスタ31が導通し、対応のソース線SLの一方端が「L」レベルにされる。
In read operation, control signal R / W is set to “H” level. When the corresponding memory array selection line MSL1 and column selection line CSL0 are set to the selection level “H” level, the output signals of the
また、選択されたワード線WLが選択レベルの「H」レベルにされ、そのワード線WLに対応する各メモリセルMCのNチャネルMOSトランジスタ6が導通する。読出回路4は、選択された列のビット線BLおよびソース線SL間に書込動作時の電圧よりも十分に低い読出電圧を印加し、ビット線BLから選択メモリセルMCを介してソース線SLに流れる電流に基づいて、選択メモリセルMCの記憶データを読み出す。
Further, the selected word line WL is set to the selection level “H” level, and the N-
なお、メモリアレイ選択線MSL1が非選択レベルの「L」レベルの場合は、データ信号DIおよび制御信号R/Wに関係なく、ゲート回路23の出力信号が「L」レベルになり、NANDゲート24,26,29の出力信号がともに「H」レベルになり、PチャネルMOSトランジスタ27,30が非導通になるとともにNチャネルMOSトランジスタ28,31が導通し、ビット線BLおよびソース線SLの一方端に接地電圧VSSが与えられる。
When the memory array selection line MSL1 is at the non-selection level “L” level, the output signal of the gate circuit 23 becomes “L” level regardless of the data signal DI and the control signal R / W, and the
図5は、このMRAMの書込動作を示すタイムチャートである。図5において、書込データ信号DIxは、書込データ信号DI0〜DI7のうちのいずれかのデータ信号を示している。ビット線BLxおよびソース線SLxは、そのデータ信号DIxが書き込まれる列のビット線BLおよびソース線SLを示している。 FIG. 5 is a time chart showing the write operation of this MRAM. In FIG. 5, a write data signal DIx indicates any one of the write data signals DI0 to DI7. The bit line BLx and the source line SLx indicate the bit line BL and the source line SL of the column to which the data signal DIx is written.
時刻t0〜t3では、メモリアレイMA1の選択された行の8つのメモリセルMCに8つのデータ信号DI0〜DI7が並列に書き込まれる。図5では、8つのメモリセルMCのうちのあるメモリセルMCに「H」レベルのデータ信号DIxを書込む場合の信号の時刻変化が示されている。 At time t0 to t3, eight data signals DI0 to DI7 are written in parallel to the eight memory cells MC in the selected row of the memory array MA1. FIG. 5 shows the time change of the signal when the “H” level data signal DIx is written in a certain memory cell MC among the eight memory cells MC.
まず時刻t0において、制御信号R/Wが「L」レベルにされて書込動作が開始されるとともに、書込データ信号DI0〜DI7が入力される。書込データ信号DI0〜DI7のうちのある書込データ信号DIxは「H」レベルに立ち上げられる。 First, at time t0, the control signal R / W is set to the “L” level to start the write operation, and the write data signals DI0 to DI7 are input. A write data signal DIx among write data signals DI0-DI7 is raised to "H" level.
次いで時刻t1において、信号DLE1が活性化レベルの「H」レベルに立ち上げられるとともに選択されたワード線WLが選択レベルの「H」レベルに立ち上げられ、メモリアレイMA1の選択されたワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流IDL1が流される。これにより、そのディジット線DLに対応する各メモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。
Next, at time t1, the signal DLE1 is raised to the activation level “H” level, the selected word line WL is raised to the selection level “H” level, and the selected word line WL of the memory array MA1 is selected. The magnetizing current IDL1 is caused to flow through the digit line DL corresponding to. Thereby, the
また、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのトランジスタ6が導通する。また、列選択線CSL0およびメモリアレイ選択線MSL1がともに選択レベルの「H」レベルに立ち上げられ、BL/SLドライバ14によって7組のビット線BLおよびソース線SL間に書込データ信号DI0〜DI7に応じた極性の電圧が印加され、選択された7つのメモリセルMCにデータ信号DI0〜DI7が並列に書き込まれる。図5では、ビット線BLxおよびソース線SLxがそれぞれ「L」レベルおよび「H」レベルにされた状態が示されている。
Further, the
次に時刻t2において、信号DLE1が非活性化レベルの「L」レベルに立ち下げられ、ディジット線DLの電流IDL1が遮断される。次いで時刻t3において、ワード線WL、列選択線CSL0、およびメモリアレイ選択線MSL1がともに非選択レベルの「L」レベルに立ち下げられる。これにより、各メモリセルMCのトランジスタ6は非導通にされ、ビット線BLおよびソース線SLはともに「L」レベルにされ、メモリアレイMA1への1回の書込が終了する。なお、メモリセルMCのトランジスタ6を非導通にする前に、ディジット線DLの電流IDL1を遮断するのは、過剰に印加される磁界によって誤書込が発生するのを防止するためである。
Next, at time t2, the signal DLE1 falls to the “L” level of the inactivation level, and the current IDL1 of the digit line DL is cut off. Next, at time t3, the word line WL, the column selection line CSL0, and the memory array selection line MSL1 are all lowered to the “L” level of the non-selection level. As a result,
また、時刻t3〜t6では、メモリアレイMA1の選択された行の8つのメモリセルMCに8つのデータ信号DI0〜DI7が並列に書き込まれる。図5では、8つのメモリセルMCのうちのあるメモリセルMCに「L」レベルのデータ信号DIxを書込む場合の信号の時刻変化が示されている。この場合は、ビット線BLxおよびソース線SLxがそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされる。他の動作は、時刻t0〜t3の書込動作と同じである。 At time t3 to t6, eight data signals DI0 to DI7 are written in parallel to the eight memory cells MC in the selected row of the memory array MA1. FIG. 5 shows a time change of a signal when an “L” level data signal DIx is written in a certain memory cell MC among the eight memory cells MC. In this case, bit line BLx and source line SLx are set to “H” level and “L” level, respectively. Other operations are the same as the write operations at times t0 to t3.
また、時刻t6〜t8では、メモリアレイMA2に対応するデータラッチ回路LA8〜LA255の各々にデータ信号DIが書き込まれる。すなわち、時刻t6において、制御信号R/Wが「H」レベルされるとともにメモリアレイ選択線MSL1,MSL2がともに「L」レベルにされて、BL/SLドライバ14,15が非活性化され、ビット線BLおよびソース線SLが「L」レベルに固定される。また、データ信号DI0〜DI7が所定の周期で31回入力するとともに、列選択線CSL1〜CSL31を1本ずつ所定の周期で順次「H」レベルにする。これにより、データラッチ回路LA8〜LA255の各々にデータ信号DIが書き込まれる。
At times t6 to t8, data signal DI is written to each of data latch circuits LA8 to LA255 corresponding to memory array MA2. That is, at time t6, control signal R / W is set to “H” level and memory array selection lines MSL1 and MSL2 are both set to “L” level to inactivate BL /
また、時刻t8〜t11では、メモリアレイMA2の選択された行の248個のメモリセルMCにデータラッチ回路LA8〜LA255から出力される248個のデータ信号DIが並列に書き込まれる。図5では、248個のメモリセルMCのうちのあるメモリセルMCに「H」レベルのデータ信号DIxを書込む場合の信号の時刻変化が示されている。 Further, from time t8 to t11, 248 data signals DI output from the data latch circuits LA8 to LA255 are written in parallel to 248 memory cells MC in the selected row of the memory array MA2. FIG. 5 shows a time change of a signal when the data signal DIx of “H” level is written in a certain memory cell MC among 248 memory cells MC.
まず時刻t8において、制御信号R/Wが「L」レベルにされて書込動作が開始される。次いで時刻t9において、信号DLE2が活性化レベルの「H」レベルに立ち上げられるとともに選択されたワード線WLが選択レベルの「H」レベルに立ち上げられ、メモリアレイMA2の選択されたワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流IDL2が流される。これにより、そのディジット線DLに対応する各メモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。
First, at time t8, the control signal R / W is set to the “L” level and the writing operation is started. Next, at time t9, the signal DLE2 is raised to the activation level “H” level, the selected word line WL is raised to the selection level “H” level, and the selected word line WL of the memory array MA2 is selected. A magnetizing current IDL2 is passed through the digit line DL corresponding to. Thereby, the
また、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのトランジスタ6が導通する。また、メモリアレイ選択線MSL2が選択レベルの「H」レベルに立ち上げられ、BL/SLドライバ15によって248組のビット線BLおよびソース線SL間にデータラッチ回路LA8〜LA255の出力データ信号DIに応じた極性の電圧が印加され、選択された248個のメモリセルMCに248個のデータ信号DIが並列に書き込まれる。図5では、ビット線BLxおよびソース線SLxがそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされた状態が示されている。
Further, the
次に時刻t10において、信号DLE2が非活性化レベルの「L」レベルに立ち下げられ、ディジット線DLの電流IDL2が遮断される。次いで時刻t11において、ワード線WLおよびメモリアレイ選択線MSL2がともに非選択レベルの「L」レベルに立ち下げられ、メモリアレイMA2への書込が終了する。 Next, at time t10, signal DLE2 falls to “L” level, which is an inactivation level, and current IDL2 of digit line DL is cut off. Next, at time t11, both the word line WL and the memory array selection line MSL2 are lowered to the “L” level which is the non-selection level, and the writing to the memory array MA2 is completed.
図6は、この実施の形態の比較例を示す回路ブロック図であって、図3と対比される図である。図6において、この比較例では、DLドライバ13が除去され、メモリアレイMA1,MA2にディジット線DLとDLドライバ10が共通に設けられる。これに伴い、信号DLE1,DLE2が信号DLEで置換される。また、データラッチ回路LA0〜LA255が除去され、BL/SLドライバ14,15がBL/DLドライバ35で置換される。BL/SLドライバ35は、制御信号R/Wが「L」レベルの場合に活性化され、データ信号DI0〜DI7に従って、列選択線CSL0〜CSL31のうちの「H」レベルにされた列選択線CSLに対応する8組のビット線BLおよびソース線SLを駆動し、8つのメモリセルMCにデータ信号DI0〜DI7を書込む。
FIG. 6 is a circuit block diagram showing a comparative example of this embodiment, which is compared with FIG. In FIG. 6, in this comparative example, the
書込動作時は、制御信号R/Wが「L」レベルにされてBL/SLドライバ35が活性化される。選択されたワード線WLが「H」レベルにされるとともに、信号DLEが「H」レベルにされ、選択されたワード線WLに対応するディジット線DLに磁化電流が流れ、そのディジット線DLに対応する256個のメモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされる。また、選択されたワード線WLに対応する256個のメモリセルMCのトランジスタ6が導通する。また、データ信号DI0〜DI7が入力されるとともに、列選択線CSL0〜CSL31のうちのいずれかの列選択線CSLが「H」レベルにされ、BL/SLドライバ35により、その列選択線CSLに対応する8つのメモリセルMCにデータ信号DI0〜DI7が書き込まれる。
During the write operation, control signal R / W is set to “L” level and BL /
この比較例では、1本のディジット線DLに対応する256個のメモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされ、8個のメモリセルMCの磁気抵抗素子5のみにデータ信号DIが書き込まれる。したがって、残りの248個のメモリセルMCの磁気抵抗素子5のうちの記憶データが反転し易い磁気抵抗素子5では、記憶データが誤反転する恐れがある。
In this comparative example, the
これに対して本願発明では、1本のディジット線DLに対応する8個(または248個)のメモリセルMCの磁気抵抗素子5が半選択状態にされ、半選択状態にされた8個(または248個)のメモリセルMCの磁気抵抗素子5の全てにデータ信号DIが並列に書き込まれる。したがって、磁気抵抗素子5の記憶データが誤反転することはない。このため、ディジット線DLに大きな磁化電流を流すことができ、磁気抵抗素子5およびトランジスタ6に流す電流を小さくすることができる。よって、トランジスタ6のチャネル幅を小さくしてメモリセルMCのレイアウト面積を小さくすることができ、MRAMのレイアウト面積を縮小することができる。
On the other hand, in the present invention, the eight (or 248)
また、本願発明では、メモリアレイMA1のディジット線DLの長さをメモリアレイMA2のディジット線DLの長さよりも短くしたので、RAMであるメモリアレイMA1の書込動作を高速に行なうことができる。 In the present invention, since the length of the digit line DL of the memory array MA1 is shorter than the length of the digit line DL of the memory array MA2, the writing operation of the memory array MA1 which is a RAM can be performed at high speed.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
MA1,MA2 メモリアレイ、1 行デコーダ、2 列デコーダ、3 書込回路、4 読出回路、MC メモリセル、WL ワード線、DL ディジット線、BL ビット線、SL ソース線、CSL 列選択線、MSL メモリアレイ選択線、5 磁気抵抗素子、6,12,28,31 NチャネルMOSトランジスタ、10,13 DLドライバ、11 ANDゲート、14,15,35 BL/SLドライバ、LA データラッチ回路、16 BLドライバ、17 SLドライバ、20〜22 インバータ、23 ゲート回路、24,26,29 NANDゲート、25 ORゲート、27,30 PチャネルMOSトランジスタ。 MA1, MA2 memory array, 1 row decoder, 2 column decoder, 3 write circuit, 4 read circuit, MC memory cell, WL word line, DL digit line, BL bit line, SL source line, CSL column select line, MSL memory Array selection line, 5 Magnetoresistive element, 6, 12, 28, 31 N channel MOS transistor, 10, 13 DL driver, 11 AND gate, 14, 15, 35 BL / SL driver, LA data latch circuit, 16 BL driver, 17 SL driver, 20-22 inverter, 23 gate circuit, 24, 26, 29 NAND gate, 25 OR gate, 27, 30 P channel MOS transistor.
Claims (1)
各メモリセルは、抵抗値のレベル変化によってデータ信号を記憶する磁気抵抗素子と、ゲートが対応のワード線に接続され、ソースが対応のソース線に接続され、ドレインが前記磁気抵抗素子を介して対応のビット線に接続されたトランジスタとを有し、
さらに、行アドレス信号に従って前記M本のワード線のうちのいずれかのワード線を選択レベルにし、そのワード線に対応するN個のトランジスタを導通させる行デコーダ、
前記行デコーダによって選択されたワード線と同じ行のディジット線に磁化電流を流し、その行のN個のメモリセルの磁気抵抗素子を半選択状態にする第1のドライバ、および
それぞれ前記N列に対応して設けられ、それぞれN個のデータ信号を受け、各々が、受けたデータ信号の論理に応じた方向の書込電流を対応の列のビット線とソース線の間に流して、半選択状態にされた対応の列のメモリセルの磁気抵抗素子に前記データ信号を書込むN個の第2のドライバを備える、半導体記憶装置。 M × N memory cells arranged in M rows and N columns (where each of M and N is an integer equal to or greater than 2), and M word lines provided corresponding to the M rows, , M digit lines provided corresponding to the M rows, N bit lines provided corresponding to the N columns, respectively, and N bit lines provided corresponding to the N columns, respectively. A memory array including a plurality of source lines,
Each memory cell has a magnetoresistive element that stores a data signal according to a change in resistance value, a gate connected to a corresponding word line, a source connected to a corresponding source line, and a drain via the magnetoresistive element. A transistor connected to a corresponding bit line,
A row decoder for setting any one of the M word lines to a selection level according to a row address signal and conducting N transistors corresponding to the word lines;
A first driver that applies a magnetizing current to a digit line in the same row as the word line selected by the row decoder and sets the magnetoresistive elements of N memory cells in the row to a half-selected state; Correspondingly provided, each receives N data signals, each passing a write current in a direction according to the logic of the received data signal between the bit line and source line of the corresponding column, and half-select A semiconductor memory device comprising N second drivers for writing the data signal to the magnetoresistive elements of the memory cells in the corresponding column brought into a state.
Priority Applications (1)
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CN107818806A (en) * | 2016-09-13 | 2018-03-20 | 东芝存储器株式会社 | Semiconductor storage |
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2008
- 2008-08-27 JP JP2008217939A patent/JP2010055667A/en not_active Withdrawn
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