JP2012185878A - Semiconductor storage device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor storage device capable of reducing chip costs by simplifying a memory cell and a comparison operation.SOLUTION: A semiconductor storage device comprises: a memory cell array 31 including a plurality of memory cells for holding data by a change in a resistance value; and a determination part 30 for comparing reference data held in the memory cells with comparison data to determine whether they match with each other. The determination part determines whether the reference data and the comparison data match with each other using the reference data, a comparison data level signal that is in accordance with the level of the comparison data, and the comparison data whose level is determined to be a first level.

Description

本発明は、半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device.

近年、例えば、民生機器市場においては、画像処理やゲームといった高速で大容量のデータ処理が必要なサービスが主流となっている。具体的に、例えば、携帯端末装置により3次元(3D)画像や動画像の処理が頻繁に扱われるようになっている。   In recent years, for example, in the consumer equipment market, services that require high-speed and large-capacity data processing such as image processing and games have become mainstream. Specifically, for example, processing of a three-dimensional (3D) image and a moving image is frequently handled by a mobile terminal device.

このようなサービスを支える技術として、例えば、ネットワークを通じたデータ検索やルータスイッチの大容量化および高速化が重要になって来ている。そのため、例えば、SRAM(Static Random Access Memory)を使った大容量の連想メモリといった半導体記憶装置が利用されている。   As technologies supporting such services, for example, data retrieval through a network and increase in capacity and speed of router switches have become important. Therefore, for example, a semiconductor memory device such as a large-capacity associative memory using an SRAM (Static Random Access Memory) is used.

また、近年、微細化および高速動作が可能なメモリとして、MRAM(Magneto-resistive Random Access Memory),PRAM(Phase change RAM),ReRAM(Resistive RAM)などが注目されている。ところで、近年、例えば、MRAMセルを使った連想メモリ(半導体記憶装置)が研究・開発されている。   In recent years, MRAM (Magneto-resistive Random Access Memory), PRAM (Phase change RAM), ReRAM (Resistive RAM), and the like are attracting attention as memories capable of miniaturization and high-speed operation. In recent years, for example, associative memories (semiconductor memory devices) using MRAM cells have been researched and developed.

特表2010−506341号公報Special table 2010-506341 特開2004−086934号公報JP 2004-086934 A

上述したように、従来、SRAMを使った大容量の連想メモリが利用されているが、SRAMセルは素子数が多いため、連想メモリのチップコストが高くなっていた。   As described above, a large-capacity associative memory using an SRAM has been conventionally used. However, since the SRAM cell has a large number of elements, the chip cost of the associative memory has been increased.

また、例えば、MRAMセルを使った連想メモリも研究・開発されているが、制御が複雑になり、或いは、メモリセルの寿命を短縮するといった課題があるため、実用化には到っていない。   Also, for example, an associative memory using MRAM cells has been researched and developed, but has not yet been put into practical use because of problems such as complicated control or shortening the lifetime of the memory cells.

一実施形態によれば、抵抗値の変化によりデータを保持するメモリセルを複数含むメモリセルアレイと、判定部と、を有する半導体記憶装置が提供される。前記判定部は、前記メモリセルに保持された参照データと、比較データと、を比較して一致するか否かを判定する。   According to one embodiment, a semiconductor memory device is provided that includes a memory cell array including a plurality of memory cells that hold data according to a change in resistance value, and a determination unit. The determination unit compares the reference data held in the memory cell with the comparison data to determine whether or not they match.

前記判定部は、前記参照データと、前記比較データのレベルに従った比較データレベル信号と、第1レベルとされた前記比較データとにより、該参照データと該比較データが一致するか否かを判定する。   The determination unit determines whether the reference data and the comparison data match based on the reference data, the comparison data level signal according to the level of the comparison data, and the comparison data set to the first level. judge.

開示の半導体記憶装置は、メモリセルおよび比較動作をシンプルにしてチップコストを低廉化することができるという効果を奏する。   The disclosed semiconductor memory device is advantageous in that the memory cell and the comparison operation can be simplified and the chip cost can be reduced.

半導体記憶装置の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a semiconductor memory device. 1T−1R型メモリセルの一例としてのMRAMに用いるMTJ素子を説明するための図(その1)である。FIG. 3 is a diagram (part 1) for explaining an MTJ element used in an MRAM as an example of a 1T-1R type memory cell; 1T−1R型メモリセルの一例としてのMRAMに用いるMTJ素子を説明するための図(その2)である。FIG. 5 is a diagram (part 2) for explaining an MTJ element used in an MRAM as an example of a 1T-1R type memory cell; 1T−1R型メモリセルの一例としてのMRAMに用いるMTJ素子を説明するための図(その3)である。FIG. 6 is a third diagram illustrating an MTJ element used in an MRAM as an example of a 1T-1R type memory cell; 本実施例の半導体記憶装置に適用する1T−1R型メモリセルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the 1T-1R type | mold memory cell applied to the semiconductor memory device of a present Example. 図5の1T−1R型メモリセルによるデータ比較動作を説明するための図(その1)である。FIG. 6 is a diagram (part 1) for explaining a data comparison operation by the 1T-1R type memory cell of FIG. 5; 図5の1T−1R型メモリセルによるデータ比較動作を説明するための図(その2)である。FIG. 6 is a diagram (No. 2) for explaining the data comparison operation by the 1T-1R type memory cell of FIG. 5; 第1実施例の半導体記憶装置の全体構成の要部を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a main part of the overall configuration of a semiconductor memory device according to a first embodiment. 図8に示す半導体記憶装置におけるH/L判定部の一例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of an H / L determination unit in the semiconductor memory device illustrated in FIG. 8. 図8に示す半導体記憶装置における一致判定部の一例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of a coincidence determination unit in the semiconductor memory device illustrated in FIG. 8. 第2実施例の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the semiconductor memory device of 2nd Example. 図11に示す半導体記憶装置におけるMRAMアレイを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the MRAM array in the semiconductor memory device shown in FIG. 図12に示すMRAMアレイの動作シーケンスを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation | movement sequence of the MRAM array shown in FIG. 1T−1R型メモリセルの他の例としてのReRAMおよびPCRAMを示す図である。It is a figure which shows ReRAM and PCRAM as another example of a 1T-1R type | mold memory cell.

まず、半導体記憶装置の実施例を詳述する前に、図1を参照して半導体記憶装置の一例を説明する。図1は、半導体記憶装置の一例を示す回路図であり、SRAMを適用した連想メモリの例を示している。   First, an example of a semiconductor memory device will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram illustrating an example of a semiconductor memory device, and illustrates an example of an associative memory to which an SRAM is applied.

図1において、参照符号101はデータ部を示し、また、102および103はサーチ部を示す。なお、参照符号113,114,121,122,131,132は、nチャネル型MOSトランジスタ(nMOSトランジスタ)を示し、また、111,112は、インバータを示す。   In FIG. 1, reference numeral 101 indicates a data portion, and 102 and 103 indicate search portions. Reference numerals 113, 114, 121, 122, 131, and 132 denote n-channel MOS transistors (nMOS transistors), and 111 and 112 denote inverters.

図1に示されるように、連想メモリは、SRAMセルで構成されたデータ部101と、それぞれ2つのトランジスタ121,122および131,132を含むサーチ部102および103を有する。   As shown in FIG. 1, the associative memory includes a data portion 101 composed of SRAM cells and search portions 102 and 103 each including two transistors 121, 122, 131, and 132.

データ部101は、高レベル『H』または低レベル『L』のデータを保持するための入出力が交差接続された2つのインバー111,112と、相補のデータ線BLD,/BLDとの接続を制御するトランジスタ113,114を有する。   The data unit 101 connects two invars 111 and 112 whose inputs and outputs for holding high-level “H” or low-level “L” data are cross-connected to complementary data lines BLD and / BLD. Transistors 113 and 114 to be controlled are included.

ここで、トランジスタ113,114のゲートは、ワード線WLに接続され、ワード線WLが『H』のときにオンして、SRAMセル(データ部101)の相補の記憶保持ノードD,/Dをデータ線BLD,/BLDに接続するようになっている。   Here, the gates of the transistors 113 and 114 are connected to the word line WL and are turned on when the word line WL is “H”, so that the complementary storage holding nodes D and / D of the SRAM cell (data portion 101) are turned on. The data lines BLD and / BLD are connected.

すなわち、データ部101からデータを読み出す場合、ワード線WLを『H』に立ち上げてトランジスタ113,114をオンし、データ線BLD,/BLDを介して記憶保持ノードD,/Dのレベルを読み出す。   That is, when data is read from the data section 101, the word line WL is raised to “H”, the transistors 113 and 114 are turned on, and the levels of the storage holding nodes D and / D are read via the data lines BLD and / BLD. .

また、データ部101にデータを書き込む場合、ワード線WLを『H』に立ち上げてトランジスタ113,114をオンし、データ線BLD,/BLDを介して記憶保持ノードD,/Dのレベルを制御して所定のデータを書き込む。このデータ部101に書き込まれた所定のデータが参照データになる。   When writing data to the data section 101, the word line WL is raised to "H" to turn on the transistors 113 and 114, and control the levels of the storage holding nodes D and / D via the data lines BLD and / BLD. Then, predetermined data is written. Predetermined data written in the data portion 101 becomes reference data.

ところで、連想メモリは、データの読み出しおよび書き込み動作だけでなく、上述した参照データと、比較対象のデータとの比較動作も行うことができるようになっている。   By the way, the associative memory can perform not only the data read and write operations but also the comparison operation between the reference data and the comparison target data.

すなわち、比較動作を行う場合、比較対象となる比較データを相補の比較データ線SB,/SBに与えて参照データとの比較(一致、または、不一致の判定)を行う。この比較データ線SB,/SBに与える比較データは相補信号であり、それぞれサーチ部102,103のnMOSトランジスタ122,132のゲートに供給される。   That is, when a comparison operation is performed, comparison data to be compared is supplied to complementary comparison data lines SB and / SB and compared with reference data (determination of coincidence or non-coincidence). The comparison data applied to the comparison data lines SB and / SB is a complementary signal and is supplied to the gates of the nMOS transistors 122 and 132 of the search units 102 and 103, respectively.

ここで、サーチ部102では、SBがゲートに接続されたトランジスタ122に対して、記憶保持ノードDの電位がゲートに与えられたトランジスタ121が直列に接続されている。また、サーチ部103では、/SBがゲートに接続されたトランジスタ132に対して、記憶保持ノード/Dの電位がゲートに与えられたトランジスタ131が直列に接続されている。   Here, in the search unit 102, a transistor 121 in which the potential of the storage holding node D is applied to the gate is connected in series to the transistor 122 in which SB is connected to the gate. In the search unit 103, a transistor 131 in which the potential of the storage holding node / D is applied to the gate is connected in series to the transistor 132 in which / SB is connected to the gate.

従って、各サーチ部102または103において、直列接続されたトランジス121,122または131,132が両方ともオンしたとき、すなわち、両トランジスタのゲートが『H』のときに、マッチライン/MLが『L』になる。このマッチライン/MLが『L』になったとき、参照データと比較データが一致したと判定する。   Accordingly, in each search unit 102 or 103, when both of the transistors 121, 122 or 131, 132 connected in series are turned on, that is, when the gates of both transistors are “H”, the match line / ML is set to “L”. "become. When the match line / ML becomes “L”, it is determined that the reference data and the comparison data match.

具体的に、例えば、記憶保持ノードDが『H』で/Dが『L』に対して、比較データ線SBが『H』で/SBが『L』ならば一致と判定し、逆に、比較データ線SBが『L』で/SBが『H』ならば不一致と判定する。   Specifically, for example, if the memory holding node D is “H” and / D is “L”, and the comparison data line SB is “H” and / SB is “L”, it is determined that there is a match. If the comparison data line SB is “L” and / SB is “H”, it is determined that there is a mismatch.

このように、図1に示す連想メモリは、多数の素子(トランジスタ)を使用して構成されているため、連想メモリのチップコストが高くなっていた。   As described above, since the associative memory shown in FIG. 1 is configured using a large number of elements (transistors), the chip cost of the associative memory is high.

以下、半導体記憶装置の実施例を、添付図面を参照して詳述するが、まず、図2〜図4を参照して、本実施例の半導体記憶装置(連想メモリ)に適用される1T−1R型メモリセルの一例としてのMRAMに用いるMTJ素子を説明する。   Hereinafter, embodiments of the semiconductor memory device will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, referring to FIGS. 2 to 4, 1T− applied to the semiconductor memory device (associative memory) of this embodiment. An MTJ element used in an MRAM as an example of a 1R type memory cell will be described.

ここで、1T−1R型メモリセルの一例としてのMRAMは、MTJ(Magneto Tunnel Junction:磁気トンネル接合)素子の抵抗値が、強磁性体(自由層)の磁化方向で変わる性質を利用してデータを格納する不揮発性メモリである。   Here, the MRAM as an example of the 1T-1R type memory cell uses the property that the resistance value of the MTJ (Magneto Tunnel Junction) element changes depending on the magnetization direction of the ferromagnetic material (free layer). Is a nonvolatile memory.

まず、図2を参照して、MTJ素子からのデータ読み出し処理を説明する。図2(a)に示されるように、MTJ素子1は、情報を記憶するための強磁性体層(自由層:フリー層)11、原子数個程度の厚さを有する絶縁膜(トンネルバリア膜)12および電流により磁化の方向が変化しない強磁性体層(固定層:ピン層)13を有する。   First, referring to FIG. 2, a data reading process from the MTJ element will be described. As shown in FIG. 2A, the MTJ element 1 includes a ferromagnetic layer (free layer: free layer) 11 for storing information, and an insulating film (tunnel barrier film) having a thickness of about several atoms. ) 12 and a ferromagnetic layer (pinned layer: pinned layer) 13 whose magnetization direction does not change with current.

ここで、自由層11は、磁化反転が生じ易い強磁性体層であり、また、固定層13は、磁化反転が生じ難い強磁性体層である。なお、参照符号T1およびT2は、それぞれ自由層11および固定層13に接続された端子を示している。   Here, the free layer 11 is a ferromagnetic layer that is susceptible to magnetization reversal, and the fixed layer 13 is a ferromagnetic layer that is difficult to cause magnetization reversal. Reference numerals T1 and T2 indicate terminals connected to the free layer 11 and the fixed layer 13, respectively.

MTJ素子1は、図2(b)に示されるように、自由層11の磁化方向が固定層13の磁化方向と同じとき、すなわち、自由層11が固定層13と同じ向きに磁化されているとき、その抵抗値は小さくなり、端子T1からT2対して大きな電流Ipが流れる。   2B, the MTJ element 1 is magnetized when the magnetization direction of the free layer 11 is the same as the magnetization direction of the fixed layer 13, that is, the free layer 11 is magnetized in the same direction as the fixed layer 13. When the resistance value becomes small, a large current Ip flows from the terminals T1 to T2.

一方、図2(c)に示されるように、自由層11の磁化方向が固定層13の磁化方向と逆のとき、すなわち、自由層11が固定層13と逆向きに磁化されているとき、その抵抗値は大きくなり、端子T1からT2対して小さな電流Iapしか流れない。   On the other hand, as shown in FIG. 2C, when the magnetization direction of the free layer 11 is opposite to the magnetization direction of the fixed layer 13, that is, when the free layer 11 is magnetized in the opposite direction to the fixed layer 13, The resistance value increases, and only a small current Iap flows from the terminals T1 to T2.

そして、MRAMは、MTJ素子1において、固定層13に対する自由層11の磁化方向が同じ場合の電流Ipと逆の場合の電流Iapの特性の違い(Ip>Iap)に従って、MTJ素子1に書き込まれたデータの読み出しを行う。   The MRAM is written into the MTJ element 1 in accordance with the difference in the characteristics of the current Iap when the magnetization direction of the free layer 11 with respect to the fixed layer 13 is the same in the MTJ element 1 (Ip> Iap). Read the data.

ここで、MTJ素子1に対して電流を流し過ぎると、自由層11の磁化方向が反転してしまうため、例えば、読み出し電流と書き込み電流の間には、十分なマージンが設けられるようになっている。   Here, if a current is excessively applied to the MTJ element 1, the magnetization direction of the free layer 11 is reversed. For example, a sufficient margin is provided between the read current and the write current. Yes.

次に、図3および図4を参照して、MTJ素子に対するデータ書き込み処理を説明する。ここで、MTJ素子1に対してデータを書き込む手法としては、例えば、図3に示すスピン注入方式、並びに、図4に示す合成磁場方式がある。   Next, a data writing process for the MTJ element will be described with reference to FIGS. Here, as a method of writing data to the MTJ element 1, for example, there are a spin injection method shown in FIG. 3 and a synthetic magnetic field method shown in FIG.

まず、スピン注入方式は、磁性材料に電流を流すことで磁化の方向が反転する現象「スピン注入磁化反転」を利用してデータの書き込みを行うものである。すなわち、スピン注入方式は、図3(a)および図3(b)に示されるように、例えば、自由層11と固定層13の磁化方向が逆で抵抗が大きいMTJ素子1に対して、端子T1とT2の間に流す電流Iの絶対値を制御してデータの書き込みを行う。   First, in the spin injection method, data is written using a phenomenon “spin injection magnetization reversal” in which the direction of magnetization is reversed by passing a current through a magnetic material. That is, as shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the spin injection method has, for example, a terminal for the MTJ element 1 in which the magnetization directions of the free layer 11 and the fixed layer 13 are opposite and the resistance is large. Data is written by controlling the absolute value of the current I flowing between T1 and T2.

具体的に、例えば、初期状態として、自由層11と固定層13の磁化方向が逆である状態、すなわち、MTJ素子1の抵抗値が大きい状態であった場合、MTJ素子1に流す電流Iの絶対値を自由層の磁化方向が変化する閾値Icより大きくすると、自由層11の磁化方向が固定層13の磁化方向と同じ向きに変化して抵抗値が小さくなる。一方、MTJ素子1に流す電流Iの絶対値が閾値Icより小さいと、自由層11の磁化方向は変化せず、MTJ素子1の抵抗値は大きいままとなる。   Specifically, for example, as an initial state, when the magnetization directions of the free layer 11 and the fixed layer 13 are opposite, that is, when the resistance value of the MTJ element 1 is large, the current I flowing through the MTJ element 1 When the absolute value is made larger than the threshold value Ic at which the magnetization direction of the free layer changes, the magnetization direction of the free layer 11 changes to the same direction as the magnetization direction of the fixed layer 13 and the resistance value becomes small. On the other hand, if the absolute value of the current I flowing through the MTJ element 1 is smaller than the threshold value Ic, the magnetization direction of the free layer 11 does not change and the resistance value of the MTJ element 1 remains large.

すなわち、MTJ素子1への電流Iの絶対値が所定の閾値を超えると、自由層11の磁化方向が変化して、例えば、MTJ素子1の大きな抵抗値が小さく変化する。   That is, when the absolute value of the current I to the MTJ element 1 exceeds a predetermined threshold, the magnetization direction of the free layer 11 changes, and for example, the large resistance value of the MTJ element 1 changes small.

次に、合成磁場方式は、MTJ素子の上下の配線に流れる電流による磁場(合成磁場)を利用してデータの書き込みを行うものである。すなわち、合成磁場方式は、図4に示されるように、例えば、MTJ素子1の上下の配線L1およびL2に流れる電流IyおよびIxの合成磁場により、自由層11の磁化方向を制御してデータ書き込みを行う。   Next, in the synthetic magnetic field method, data is written using a magnetic field (synthetic magnetic field) caused by currents flowing in the upper and lower wirings of the MTJ element. That is, in the synthetic magnetic field method, as shown in FIG. 4, for example, the magnetization direction of the free layer 11 is controlled by the synthetic magnetic field of the currents Iy and Ix flowing in the upper and lower wirings L1 and L2 of the MTJ element 1, and data writing is performed. I do.

このように、MRAMは、MTJ素子1において、固定層13に対する自由層11の磁化方向を制御することで、MTJ素子1の抵抗値を変化させてデータ書き込みを行うことができるようになっている。   As described above, the MRAM can write data by changing the resistance value of the MTJ element 1 by controlling the magnetization direction of the free layer 11 with respect to the fixed layer 13 in the MTJ element 1. .

次に、図5〜図7を参照して1T−1R型メモリセルによるデータ比較動作、すなわち、連想メモリとして使用する場合のデータ比較動作について説明する。ここで、図5は、本実施例の半導体記憶装置に適用する1T−1R型メモリセルの等価回路を示す図であり、また、図6および図7は、図5の1T−1R型メモリセルによるデータ比較動作を説明するための図である。   Next, a data comparison operation using 1T-1R type memory cells, that is, a data comparison operation when used as an associative memory will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of the 1T-1R type memory cell applied to the semiconductor memory device of this embodiment, and FIGS. 6 and 7 show the 1T-1R type memory cell of FIG. It is a figure for demonstrating the data comparison operation | movement by these.

なお、本実施例の半導体記憶装置に適用する1T−1R型メモリセルは、上述したMTJ素子を使用したMRAMのセルに限定されるものではなく、図14を参照して後述するReRAMおよびPCRAMといったセルであってもよい。   Note that the 1T-1R type memory cell applied to the semiconductor memory device of this embodiment is not limited to the MRAM cell using the MTJ element described above, such as ReRAM and PCRAM described later with reference to FIG. It may be a cell.

図5〜図7において、参照符号DBはデータバス(データ線,フィールド線,ビット線とも呼ばれる)を示し、WLはワード線を示し、そして、VSSは低電位電源線を示す。   5 to 7, reference symbol DB indicates a data bus (also called a data line, a field line, or a bit line), WL indicates a word line, and VSS indicates a low-potential power supply line.

図5に示されるように、MRAMセルは、図2〜図4を参照して説明したMTJ素子1に対応する可変抵抗R0と、セルトランジスタTr0により表される。ここで、可変抵抗R0およびトランジスタTr0は、データバスDBと低電位電源線VSSとの間に直列接続されている。   As shown in FIG. 5, the MRAM cell is represented by a variable resistor R0 corresponding to the MTJ element 1 described with reference to FIGS. 2 to 4 and a cell transistor Tr0. Here, the variable resistor R0 and the transistor Tr0 are connected in series between the data bus DB and the low potential power supply line VSS.

ここで、可変抵抗R0の抵抗値が大きいとき、すなわち、自由層11の磁化方向が固定層13の磁化方向と逆向きのとき、MRAMセル10に高レベル『H』のデータが保持されているものとする。   Here, when the resistance value of the variable resistor R 0 is large, that is, when the magnetization direction of the free layer 11 is opposite to the magnetization direction of the fixed layer 13, high-level “H” data is held in the MRAM cell 10. Shall.

逆に、可変抵抗R0の抵抗値が小さいとき、すなわち、自由層11の磁化方向が固定層13の磁化方向と同じ向きのとき、MRAMセル10に低レベル『L』のデータが保持されているものとする。   On the contrary, when the resistance value of the variable resistor R0 is small, that is, when the magnetization direction of the free layer 11 is the same as the magnetization direction of the fixed layer 13, data of low level “L” is held in the MRAM cell 10. Shall.

図6を参照して、比較対象となる比較データが『H』のとき、この『H』の比較データとMTJ素子1に書き込まれた参照データの比較動作を説明する。   With reference to FIG. 6, when the comparison data to be compared is “H”, the comparison operation between the comparison data of “H” and the reference data written in the MTJ element 1 will be described.

まず、図6(a)に示されるように、MTJ素子1に書き込まれた参照データが『H』のとき可変抵抗R0の抵抗値は大きく、また、図6(b)に示されるように、MTJ素子1に書き込まれたデータが『L』のとき可変抵抗R0の抵抗値は小さい。   First, as shown in FIG. 6A, the resistance value of the variable resistor R0 is large when the reference data written to the MTJ element 1 is “H”, and as shown in FIG. 6B, When the data written to the MTJ element 1 is “L”, the resistance value of the variable resistor R0 is small.

従って、『H』の比較データとの比較を行う場合、ワード線WLを『H』としてトランジスタTr0をオンし、データバスDBに対して高レベル『H』(例えば、高電位電源線のレベル)を印加して可変抵抗R0を流れる電流をチェックする。   Therefore, when comparing with the comparison data of “H”, the word line WL is set to “H”, the transistor Tr0 is turned on, and the data bus DB is set to the high level “H” (for example, the level of the high potential power supply line). Is applied to check the current flowing through the variable resistor R0.

ここで、図6(a)に示されるように、電流I0が小ならば、可変抵抗R0が大きくて、MTJ素子1(MRAMセル10)に書き込まれた参照データが『H』の場合であり、比較データとMRAMセル10に書き込まれた参照データは一致すると判定する。   Here, as shown in FIG. 6A, when the current I0 is small, the variable resistor R0 is large and the reference data written in the MTJ element 1 (MRAM cell 10) is “H”. The comparison data and the reference data written in the MRAM cell 10 are determined to match.

一方、図6(b)に示されるように、電流I0が大ならば、可変抵抗R0が小さくて、MTJ素子1に書き込まれた参照データが『L』の場合であり、比較データとMRAMセル10に書き込まれた参照データは不一致であると判定する。   On the other hand, as shown in FIG. 6B, if the current I0 is large, the variable resistor R0 is small and the reference data written in the MTJ element 1 is “L”. The comparison data and the MRAM cell It is determined that the reference data written in 10 does not match.

次に、図7を参照して、比較対象となる比較データが『L』のとき、この『L』の比較データとMTJ素子1に書き込まれた参照データの比較動作を説明する。   Next, referring to FIG. 7, when the comparison data to be compared is “L”, the comparison operation of the comparison data of “L” and the reference data written in the MTJ element 1 will be described.

まず、図7(a)に示されるように、MTJ素子1に書き込まれた参照データが『H』のとき可変抵抗R0の抵抗値は大きく、また、図7(b)に示されるように、MTJ素子1に書き込まれたデータが『L』のとき可変抵抗R0の抵抗値は小さい。   First, as shown in FIG. 7A, when the reference data written to the MTJ element 1 is “H”, the resistance value of the variable resistor R0 is large, and as shown in FIG. 7B, When the data written to the MTJ element 1 is “L”, the resistance value of the variable resistor R0 is small.

なお、『L』の比較データとの比較を行う場合、ワード線WLを『H』としてトランジスタTr0をオンし、『H』の比較データとの比較を行う場合と同様に、データバスDBに対して高レベル『H』を印加して可変抵抗R0を流れる電流をチェックする。すなわち、データバスDBに対しては、低レベル『L』の比較データそのものではなく、『L』の比較データを反転(論理反転)した『H』を印加する。   When comparing with the comparison data of “L”, the word line WL is set to “H”, the transistor Tr0 is turned on, and the comparison with the comparison data of “H” is performed with respect to the data bus DB. Then, a high level “H” is applied to check the current flowing through the variable resistor R0. That is, “H” obtained by inverting (logic inversion) of the “L” comparison data is applied to the data bus DB, not the low level “L” comparison data itself.

ただし、『L』の比較データとの比較を行う場合、図6(a)および図6(b)を参照して説明した本来の『H』の比較データとの比較を行う場合とは異なり、可変抵抗R0を流れる電流I0の大小による判定結果は逆になる。   However, when comparing with the comparison data of “L”, unlike the case of comparing with the original comparison data of “H” described with reference to FIGS. 6A and 6B, The determination result based on the magnitude of the current I0 flowing through the variable resistor R0 is reversed.

すなわち、図7(a)に示されるように、電流I0が大ならば、可変抵抗R0が小さくて、MTJ素子1に書き込まれた参照データが『L』の場合となって、そのまま判定すると不一致となる。しかしながら、これは、比較データを『L』から『H』に反転した比較結果なので、判定を逆にして、比較データとMRAMセル10に書き込まれた参照データは一致すると判定する。   That is, as shown in FIG. 7A, if the current I0 is large, the variable resistor R0 is small and the reference data written to the MTJ element 1 is “L”. It becomes. However, since this is a comparison result obtained by inverting the comparison data from “L” to “H”, the determination is reversed and it is determined that the comparison data and the reference data written in the MRAM cell 10 match.

一方、図7(b)に示されるように、電流I0が小ならば、可変抵抗R0が大きくて、MTJ素子1に書き込まれたデータが『H』の場合となって、そのまま判定すると一致となる。しかしながら、これは、比較データを『L』から『H』に反転した比較結果なので、判定を逆にして、比較データとMRAMセル10に書き込まれた参照データは不一致であると判定する。   On the other hand, as shown in FIG. 7B, if the current I0 is small, the variable resistor R0 is large and the data written in the MTJ element 1 is “H”. Become. However, since this is a comparison result obtained by inverting the comparison data from “L” to “H”, the determination is reversed and it is determined that the comparison data and the reference data written in the MRAM cell 10 do not match.

すなわち、比較データが『H』でも『L』でも電流値I0を観測できるように、データバス(マッチライン)には、常に『H』データを伝送し、参照データと比較データの一致/不一致を、電流値I0の大小と共に、比較データのレベルを考慮して判定を行う。   In other words, “H” data is always transmitted to the data bus (match line) so that the current value I0 can be observed regardless of whether the comparison data is “H” or “L”, and whether the reference data and the comparison data match or not. The determination is made in consideration of the level of the comparison data together with the magnitude of the current value I0.

すなわち、後述するように、本実施例の半導体記憶装置においては、比較データが『H』か『L』かはH/L判定部(21)により判定し、その判定結果を踏まえて一致判定部(23)が一致/不一致を調整して判定する。   That is, as will be described later, in the semiconductor memory device of this embodiment, whether the comparison data is “H” or “L” is determined by the H / L determination unit (21), and the coincidence determination unit is based on the determination result. (23) is determined by adjusting the match / mismatch.

図8は、第1実施例の半導体記憶装置の全体構成の要部を示すブロック図である。図8において、参照符号20はMRAM連想メモリ(半導体記憶装置),21はH/L判定部,22はMRAMアレイ,23は一致判定部,そして,24はアンドゲートを示す。   FIG. 8 is a block diagram showing the main part of the overall configuration of the semiconductor memory device of the first embodiment. In FIG. 8, reference numeral 20 denotes an MRAM associative memory (semiconductor memory device), 21 denotes an H / L determination unit, 22 denotes an MRAM array, 23 denotes a coincidence determination unit, and 24 denotes an AND gate.

図8に示されるように、H/L判定部(比較データレベル判定部)21は、比較対象となる比較データD0〜Dmがそれぞれ高レベル『H』であるか低レベル『L』であるかを判定し、データバスDBに対しては全て『H』を印加する。   As shown in FIG. 8, the H / L determination unit (comparison data level determination unit) 21 determines whether the comparison data D0 to Dm to be compared are each at a high level “H” or a low level “L”. And “H” is applied to all the data buses DB.

すなわち、比較データD0〜Dmのうち『H』のものは、そのまま対応するデータバスDBを『H』とし、また、比較データD0〜Dmのうち『L』のものは、その『L』を『H』に反転して対応するデータバスDBを『H』とする。   That is, among the comparison data D0 to Dm, “H” indicates that the corresponding data bus DB is “H”, and among the comparison data D0 to Dm, “L” indicates “L” as “L”. The corresponding data bus DB is inverted to “H” and set to “H”.

ここで、H/L判定部21は、『H』の比較データ、および、『L』を『H』に反転した比較データの情報(データの極性情報)DLHを一致判定部23に供給する。すなわち、H/L判定部21は、元から『H』の比較データと、『L』を『H』に反転した比較データの情報DLHを、例えば、mビットのデータとして、H/L判定部21から一致判定部23に供給する。   Here, the H / L determination unit 21 supplies the comparison data “H” and information (data polarity information) DLH of comparison data obtained by inverting “L” to “H” to the coincidence determination unit 23. That is, the H / L determination unit 21 originally uses the comparison data “H” and the comparison data information DLH obtained by inverting “L” to “H” as m-bit data, for example. 21 to the coincidence determination unit 23.

一致判定部23では、データの極性情報DLHに従って、『H』のままの比較データと、『L』を『H』に反転した比較データを認識して、一致/不一致の判定結果を調整する。すなわち、『L』を『H』に反転した比較データに対しては、一致/不一致の判定結果を逆にして出力する。   In accordance with the polarity information DLH of the data, the coincidence determination unit 23 recognizes the comparison data as “H” and the comparison data obtained by inverting “L” to “H”, and adjusts the coincidence / mismatch determination result. In other words, for the comparison data in which “L” is inverted to “H”, the match / mismatch determination result is reversed.

一致判定部23は、上述した『H』のままの比較データと、『L』を『H』に反転した比較データとの判定結果の調整を行った後、例えば、一致の場合は『H』を、また、不一致の場合は『L』を、それぞれ信号線DBJに出力する。   The coincidence determination unit 23 adjusts the determination result between the above-described comparison data as “H” and comparison data obtained by inverting “L” to “H”. If there is no match, “L” is output to the signal line DBJ.

さらに、アンドゲート24は、信号線DBJを介して一致判定部23からの全ビットの一致/不一致の判定結果を受け取り、全ビット一致ならば、そのアドレスは、検索データが格納されているアドレスということになり、信号線DJを介して『H』を出力する。   Further, the AND gate 24 receives the determination result of coincidence / non-coincidence of all bits from the coincidence determination unit 23 via the signal line DBJ. If all the bits match, the address is referred to as an address where search data is stored. Therefore, “H” is output via the signal line DJ.

図9は、図8に示す半導体記憶装置におけるH/L判定部21の一例を示す回路図である。図9に示されるように、H/L判定部21は、複数のインバータ211〜216およびトランスファゲート217〜219を有する。なお、図9に示すH/L判定部21は、単なる例であり、様々な回路構成とすることができるのはいうまでもない。   FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of the H / L determination unit 21 in the semiconductor memory device shown in FIG. As illustrated in FIG. 9, the H / L determination unit 21 includes a plurality of inverters 211 to 216 and transfer gates 217 to 219. Note that the H / L determination unit 21 illustrated in FIG. 9 is merely an example, and it is needless to say that various circuit configurations can be employed.

図9に示されるように、H/L判定部21は、内部クロックCLKにより、トランスファゲート217を制御してデータDn(比較データD0〜Dm)を取り込む。取り込んだデータDnは、サイクル中は交差接続されたインバータ212,213(ラッチ)に保持しておく。   As shown in FIG. 9, the H / L determination unit 21 takes in the data Dn (comparison data D0 to Dm) by controlling the transfer gate 217 with the internal clock CLK. The fetched data Dn is held in the inverters 212 and 213 (latch) that are cross-connected during the cycle.

ここで、データDnが『H』のとき、ラッチ(212,213)およびインバータ214を介した『H』の信号がトランスファゲート219を介してデータ線DBnに出力される。このとき、その『H』のデータDnに対応するビットのデータ極性情報DLHは、『H』となる。   Here, when the data Dn is “H”, the “H” signal via the latches (212, 213) and the inverter 214 is output to the data line DBn via the transfer gate 219. At this time, the data polarity information DLH of the bit corresponding to the “H” data Dn is “H”.

また、データDnが『L』のとき、ラッチ(212,213)およびインバータ214を介した『L』の信号がインバータ216で反転され、トランスファゲート218を経由して、『H』の信号がデータ線DBnに出力される。このとき、その『L』のデータDnに対応するビットのデータ極性情報DLHは、『L』となる。   When the data Dn is “L”, the “L” signal via the latches (212, 213) and the inverter 214 is inverted by the inverter 216, and the “H” signal is transferred to the data via the transfer gate 218. Output to line DBn. At this time, the data polarity information DLH of the bit corresponding to the “L” data Dn is “L”.

以上により、H/L判定部21は、入力された『H』の比較データはそのまま『H』として出力し、また、入力された『L』の比較データは『H』に反転して出力する。そして、H/L判定部21は、元から『H』の比較データと、『L』を『H』に反転した比較データの情報を、データ極性情報DLHとして後述する一致判定部23に出力する。   Thus, the H / L determination unit 21 outputs the input comparison data of “H” as “H” as it is, and the input comparison data of “L” is inverted to “H” and output. . Then, the H / L determination unit 21 originally outputs the comparison data of “H” and the comparison data obtained by inverting “L” to “H” to the coincidence determination unit 23 described later as data polarity information DLH. .

図10は、図8に示す半導体記憶装置における一致判定部23の一例を示す回路図である。図10に示されるように、一致判定部23は、電流源231、コンパレータ232、複数のインバータ233,234およびトランスファゲート235,236を有する。なお、図10に示す一致判定部23は、単なる例であり、様々な回路構成とすることができるのはいうまでもない。   FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the coincidence determination unit 23 in the semiconductor memory device shown in FIG. As shown in FIG. 10, the coincidence determination unit 23 includes a current source 231, a comparator 232, a plurality of inverters 233 and 234, and transfer gates 235 and 236. Note that the coincidence determination unit 23 shown in FIG. 10 is merely an example, and it is needless to say that various circuit configurations can be employed.

図10に示されるように、一致判定部23は、コンパレータ232により、データバスDBの信号レベルと基準電圧Vrefの比較を行い、そのコンパレータ232の出力信号PDBJは、トランスファゲート235および236に入力される。   As shown in FIG. 10, the coincidence determination unit 23 compares the signal level of the data bus DB with the reference voltage Vref by the comparator 232, and the output signal PDBJ of the comparator 232 is input to the transfer gates 235 and 236. The

なお、基準電圧Vrefは、コンパレータ232の負入力に与えられ、例えば、高レベル『H』(高電位電源電圧:例えば、1.5V)と低レベル『L』(低電位電源電圧:例えば、0V)の中間の電位(例えば、0.75V)とされている。また、コンパレータ232の正入力には、データバスDBの電位が与えられるが、電流源231により『H』レベルに保持されるようになっている。   The reference voltage Vref is given to the negative input of the comparator 232, and for example, a high level “H” (high potential power supply voltage: eg 1.5 V) and a low level “L” (low potential power supply voltage: eg 0 V). ) (For example, 0.75 V). Further, the potential of the data bus DB is given to the positive input of the comparator 232, but is held at the “H” level by the current source 231.

ここで、トランスファゲート235および236には、データ極性情報DLHの信号が供給され、DLHが『H』のときは、信号PDBJがトランスファゲート236を介してそのままDBJとして出力される。   Here, the signal of the data polarity information DLH is supplied to the transfer gates 235 and 236. When DLH is “H”, the signal PDBJ is directly output as DBJ through the transfer gate 236.

一方、DLHが『L』のとき、信号PDBJは、インバータ234により反転され、トランスファゲート235を経由してその信号PDBJが反転された信号がDBJとして出力される。   On the other hand, when DLH is “L”, the signal PDBJ is inverted by the inverter 234 and a signal obtained by inverting the signal PDBJ via the transfer gate 235 is output as DBJ.

具体的に、例えば、Vref=0.75Vで、DBが『H(1.5V)』だとPDJBは『H』判定となり、DBが『L(0V)』だとPDJBは『L』となる。そして、DLHが『H』のとき、すなわち、比較データが『H』のときは、PDJBがそのままDBJとして出力される。   Specifically, for example, when Vref = 0.75 V and DB is “H (1.5 V)”, PDJB is determined to be “H”, and when DB is “L (0 V)”, PDJB is “L”. . When DLH is “H”, that is, when the comparison data is “H”, PDJB is output as DBJ as it is.

一方、DLHが『L』のとき、すなわち、比較データが『L』で、その『L』の比較データを『H』に反転して参照データとの比較を行った場合、PDJBを反転した信号がDBJとして出力される。   On the other hand, when DLH is “L”, that is, when the comparison data is “L” and the comparison data of “L” is inverted to “H” and compared with the reference data, the signal obtained by inverting PDJB Is output as DBJ.

これにより、一致判定部23では、DLHに従って、『H』のままの比較データに対しては、一致/不一致の判定結果をそのまま出力し、また、『L』を『H』に反転した比較データに対しては、一致/不一致の判定結果を逆にして出力する。   As a result, the match determination unit 23 outputs the match / mismatch determination result as it is for the comparison data that remains “H” according to DLH, and the comparison data in which “L” is inverted to “H”. Is output with the match / mismatch judgment result reversed.

上述した第1実施例および以下に述べる第2実施例の半導体記憶装置によれば、連想メモリを、例えば、MRAMの1T−1R型といったシンプルな素子で構成することにより、大幅にコストダウンを図ることができる。さらに、参照データと比較データの比較動作をシンプルにすることで、回路を簡略化してチップコストを低廉化することが可能になる。   According to the semiconductor memory device of the first embodiment described above and the second embodiment described below, the associative memory is configured by a simple element such as, for example, the 1T-1R type of MRAM, thereby greatly reducing the cost. be able to. Further, by simplifying the comparison operation between the reference data and the comparison data, the circuit can be simplified and the chip cost can be reduced.

図11は、第2実施例の半導体記憶装置の全体構成を示すブロック図である。ここで、図8〜図10を参照して説明したH/L判定部21および一致判定部23は、図11に示す半導体記憶装置3では、判定部30としてまとめられている。   FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the semiconductor memory device of the second embodiment. Here, the H / L determination unit 21 and the coincidence determination unit 23 described with reference to FIGS. 8 to 10 are combined as a determination unit 30 in the semiconductor memory device 3 illustrated in FIG. 11.

図11に示されるように、本第2実施例の半導体記憶装置(MRAM連想メモリ)3は、判定部30、MRAMアレイ31、ワードデコーダ32、コラムスイッチ33、アドレスカウンタ34、および、アドレスバッファ35を有する。   As shown in FIG. 11, the semiconductor memory device (MRAM associative memory) 3 of the second embodiment includes a determination unit 30, an MRAM array 31, a word decoder 32, a column switch 33, an address counter 34, and an address buffer 35. Have

さらに、連想メモリ3は、コマンドバッファ36、コマンドデコーダ37、リード/ライト(R/W)アンプ38、および、データバッファ39を有する。ここで、上述したように、判定部30は、H/L判定部21および一致判定部23の両方の機能を有している。   The associative memory 3 further includes a command buffer 36, a command decoder 37, a read / write (R / W) amplifier 38, and a data buffer 39. Here, as described above, the determination unit 30 has both functions of the H / L determination unit 21 and the coincidence determination unit 23.

連想メモリ3は、外部からアドレス信号Addおよびコマンド信号CMDを入力し、データの書き込み動作、データの読み出し動作、および、参照データと比較データの比較動作を選択して行うようになっている。   The associative memory 3 receives an address signal Add and a command signal CMD from the outside, and selects and performs a data write operation, a data read operation, and a reference data and comparison data comparison operation.

ここで、コマンド信号CMDは、コマンドバッファ36を介してコマンドデコーダ37およびアドレスカウンタ34に供給される。コマンドデコーダ37は、与えられたコマンドをデコードして、ワードデコーダ32、コラムスイッチ33、R/Wアンプ38、データバッファ39、および、判定部30を制御する。なお、アドレスカウンタ34は、外部からのアドレス信号Addを用いずに内部アドレスを生成するために使用される。   Here, the command signal CMD is supplied to the command decoder 37 and the address counter 34 via the command buffer 36. The command decoder 37 decodes the given command and controls the word decoder 32, column switch 33, R / W amplifier 38, data buffer 39, and determination unit 30. The address counter 34 is used to generate an internal address without using an external address signal Add.

まず、通常使用時の書き込み動作は、アドレス信号Addをアドレスバッファ35に入力し、そのAddに対応したMRAMアレイ31におけるメモリセルをワードデコーダ32およびコラムスイッチ33により選択する。   First, in a write operation during normal use, an address signal Add is input to the address buffer 35, and a memory cell in the MRAM array 31 corresponding to the Add is selected by the word decoder 32 and the column switch 33.

そして、その選択されたMRAMアレイ31のメモリセルに対して、データバッファ39,R/Wアンプ38およびコラムスイッチ33を介して、与えられたデータDQを書き込む。ここで、通常使用時の書き込み動作では、判定部30は使用しない。   Then, given data DQ is written into the selected memory cell of the MRAM array 31 via the data buffer 39, the R / W amplifier 38, and the column switch 33. Here, the determination unit 30 is not used in the write operation during normal use.

また、通常使用時の読み出し動作は、書き込み動作と同様に、アドレス信号Addをアドレスバッファ35に入力し、そのAddに対応したMRAMアレイ31におけるメモリセルをワードデコーダ32およびコラムスイッチ33により選択する。   Further, in the read operation during normal use, as in the write operation, the address signal Add is input to the address buffer 35, and the memory cell in the MRAM array 31 corresponding to the Add is selected by the word decoder 32 and the column switch 33.

そして、その選択されたMRAMアレイ31のメモリセルからコラムスイッチ33,R/Wアンプ38およびデータバッファ38を介してデータDQを読み出す。ここで、通常使用時の読み出し動作では、判定部30は使用しない。   Then, the data DQ is read from the selected memory cell of the MRAM array 31 via the column switch 33, the R / W amplifier 38, and the data buffer 38. Here, the determination unit 30 is not used in the read operation during normal use.

次に、参照データと比較データの比較動作を説明する。まず、データ検出のためのコマンドCMDが入力されると、内部アドレスカウンタ34によってMRAMアレイ31において、比較するアドレスのデータ(参照データ)を指定する。   Next, a comparison operation between reference data and comparison data will be described. First, when a command CMD for data detection is input, the internal address counter 34 designates address data (reference data) to be compared in the MRAM array 31.

すなわち、アドレスカウンタ34からアドレスバッファ35に対して選択アドレスが入力され、ワードデコーダ32およびコラムスイッチ33を介して、MRAMアレイ31にける所定のメモリセルが選択される。   That is, a selection address is input from the address counter 34 to the address buffer 35, and a predetermined memory cell in the MRAM array 31 is selected via the word decoder 32 and the column switch 33.

そして、選択されたメモリセルに保持されているデータは、参照データとしてコラムスイッチ33を介して判定部30に供給される。ここで、アドレスカウンタ34で発生された内部アドレスにより選択される参照データは、例えば、8ビット、16ビット、或いは、32ビットといった複数ビットのデータである。   The data held in the selected memory cell is supplied to the determination unit 30 via the column switch 33 as reference data. Here, the reference data selected by the internal address generated by the address counter 34 is, for example, data of a plurality of bits such as 8 bits, 16 bits, or 32 bits.

判定部30には、データバッファ39およびR/Wアンプ38を介して、比較対象となる比較データ(DQ)が入力され、図8〜図10を参照して説明したH/L判定部21および一致判定部23による処理が行われる。ここで、判定部30に与える比較データは、例えば、参照データと同じビット数とされ、それらのビット数が全て一致したときに、一致判定を行う。   Comparison data (DQ) to be compared is input to the determination unit 30 via the data buffer 39 and the R / W amplifier 38, and the H / L determination unit 21 and the description described with reference to FIGS. Processing by the coincidence determination unit 23 is performed. Here, the comparison data given to the determination unit 30 is, for example, the same number of bits as that of the reference data, and the coincidence determination is performed when all the bit numbers coincide.

図11に示す連想メモリ3において、判定部30からの一致判定としては、アドレスバッファ35を介した一致アドレスと一致フラグが出力されるようになっている。   In the associative memory 3 shown in FIG. 11, as a match determination from the determination unit 30, a match address and a match flag are output via the address buffer 35.

図12は、図11に示す半導体記憶装置におけるMRAMアレイを説明するための図である。図12に示されるように、MRAMアレイ31は、マトリクス状に設けられたデータバスDB0,DB1,DB2,…とワード線WL0,WL1,WL2,…との交差個所に設けられた複数のメモリセルMCを有する。   FIG. 12 is a diagram for explaining the MRAM array in the semiconductor memory device shown in FIG. As shown in FIG. 12, the MRAM array 31 includes a plurality of memory cells provided at intersections between data buses DB0, DB1, DB2,... Provided in a matrix and word lines WL0, WL1, WL2,. Has MC.

ここで、各メモリセルMCは、例えば、前述した図5、或いは、後述する図14のような1T−1R型の素子とされている。なお、1T−1R型の素子を描いた図におけるデータバスDBおよびワード線WLは、それぞれ図12におけるデータバスDB0,DB1,DB2,…のいずれか1本およびワード線WL0,WL1,WL2,…のいずれか1本に相当する。   Here, each memory cell MC is, for example, a 1T-1R type element as shown in FIG. 5 described above or FIG. 14 described later. Note that the data bus DB and the word line WL in the drawing depicting the 1T-1R type element are one of the data buses DB0, DB1, DB2,... And the word lines WL0, WL1, WL2,. It corresponds to any one of these.

図13は、図12に示すMRAMアレイの動作シーケンスを説明するための図である。ここで、図13は、例えば、MRAMアレイ31の全てのメモリセルに『L』が書き込まれていた場合、ワード線WL0〜WL8を順番に選択したときの判定結果iDB0〜iDB8を示している。   FIG. 13 is a diagram for explaining an operation sequence of the MRAM array shown in FIG. Here, FIG. 13 shows determination results iDB0 to iDB8 when the word lines WL0 to WL8 are sequentially selected, for example, when “L” is written in all the memory cells of the MRAM array 31.

図13に示されるように、ワード線WL0〜WL8を順番に『H』にして、そのワード線の立ち上げ毎に判定を行った場合、例えば、ワード線WL0とWL8を選択して判定を行ったときに、全てのiDB0〜iDB8が『H』になる。   As shown in FIG. 13, when the word lines WL0 to WL8 are sequentially set to “H” and a determination is made every time the word line rises, for example, the determination is performed by selecting the word lines WL0 and WL8. All iDB0 to iDB8 become “H”.

すなわち、ワード線WL0およびWL8を選択したとき、これらWL0およびWL8対応するアドレスのMRAMアレイ31のメモリセルに書き込まれていたデータ(参照データ)と比較データが一致するのが分かる。従って、WL0とWL8のアドレスでデータが一致しているという判定結果が得られることになる。   That is, when the word lines WL0 and WL8 are selected, it can be seen that the data (reference data) written in the memory cells of the MRAM array 31 at the addresses corresponding to these WL0 and WL8 match the comparison data. Therefore, a determination result that the data matches at the addresses WL0 and WL8 is obtained.

図14は、1T−1R型メモリセルの他の例としてのReRAMおよびPCRAMを示す図であり、図14(a)は、メモリセルを構成する可変抵抗素子50およびスイッチング素子51を示し、また、図14(b)は、メモリセルの等価回路図を示す。   FIG. 14 is a diagram showing ReRAM and PCRAM as other examples of the 1T-1R type memory cell, and FIG. 14A shows a variable resistance element 50 and a switching element 51 constituting the memory cell, FIG. 14B shows an equivalent circuit diagram of the memory cell.

前述したように、本実施例に適用される1T−1R型メモリセルは、図2〜図5を参照して説明したMRAMセルだけでなく、ReRAMやPCRAMといったメモリセルも適用することができる。   As described above, not only the MRAM cell described with reference to FIGS. 2 to 5 but also a memory cell such as ReRAM or PCRAM can be applied to the 1T-1R type memory cell applied to the present embodiment.

すなわち、図14(a)において、前述したMRAMセルでは、可変抵抗素子50がMTJ素子であり、スイッチング素子51がnMOSトランジスタとされている。これに対して、ReRAMセルでは、可変抵抗素子50がCER(Colossal Electro-Resistance Effect)素子として構成されている。   That is, in FIG. 14A, in the MRAM cell described above, the variable resistance element 50 is an MTJ element, and the switching element 51 is an nMOS transistor. On the other hand, in the ReRAM cell, the variable resistance element 50 is configured as a CER (Colossal Electro-Resistance Effect) element.

ここで、ReRAMセルは、金属酸化物によって構成された記憶素子に電圧を印加することによって発生する電気抵抗の変化を利用した不揮発性のメモリセルである。また、等価回路としては、図14(b)に示されるように、MRAMセルと同様に可変抵抗R0とトランジスタTr0で表すことができる。   Here, the ReRAM cell is a non-volatile memory cell that utilizes a change in electrical resistance that occurs when a voltage is applied to a memory element made of a metal oxide. Further, as shown in FIG. 14B, the equivalent circuit can be represented by a variable resistor R0 and a transistor Tr0 as in the MRAM cell.

また、PCRAMセルでは、図14(a)における可変抵抗素子50が、例えば、カルコゲナイド膜とされている。すなわち、PCRAMセルでは、カルコゲナイド膜等の記憶素子(50)の層状態による抵抗値の違いを使用した不揮発性のメモリセルである。なお、等価回路としては、図14(b)に示されるように、MRAMセルと同様に可変抵抗R0とトランジスタTr0で表すことができる。   In the PCRAM cell, the variable resistance element 50 in FIG. 14A is, for example, a chalcogenide film. That is, the PCRAM cell is a non-volatile memory cell that uses the difference in resistance value depending on the layer state of the storage element (50) such as a chalcogenide film. As shown in FIG. 14B, the equivalent circuit can be represented by a variable resistor R0 and a transistor Tr0 as in the case of the MRAM cell.

このPCRAMセルは、非晶質のアモルファス状態のときは高抵抗で、結晶質のときは低抵抗になる性質を利用するものあり、記憶素子50としてのカルコゲナイド膜は、単なる例に過ぎず、様々なものを使用することができる。なお、層状態は、例えば、熱を印加して変化させることができる。   This PCRAM cell uses the property that it has a high resistance when it is amorphous and has a low resistance when it is crystalline. The chalcogenide film as the memory element 50 is merely an example. Can be used. The layer state can be changed by applying heat, for example.

このように、本実施例の半導体記憶装置に適用される1T−1R型メモリセルとしては、MRAMセルに限定されるものではなく、例えば、ReRAMセルやPCRAMセル等の1T−1R型メモリセルであればよい。   As described above, the 1T-1R type memory cell applied to the semiconductor memory device of this embodiment is not limited to the MRAM cell. For example, a 1T-1R type memory cell such as a ReRAM cell or a PCRAM cell is used. I just need it.

また、本実施例の半導体記憶装置に適用される1T−1R型メモリセルでなくとも、抵抗値の変化によりデータを保持するメモリセルであれば、例えば、相補の構成を有する2T−2R型メモリセルや、他の様々なメモリセルを適用することができる。さらに、上述したMRAMセル,ReRAMセルおよびPCRAMセルは、全て不揮発性のメモリセルであるが、本実施例に適用するメモリセルとしては、揮発性のメモリセルであってもよい。   Further, even if it is not a 1T-1R type memory cell applied to the semiconductor memory device of this embodiment, it may be, for example, a 2T-2R type memory having a complementary configuration as long as it is a memory cell that retains data by a change in resistance value. A cell or other various memory cells can be applied. Further, the MRAM cell, ReRAM cell, and PCRAM cell described above are all non-volatile memory cells. However, the memory cell applied to this embodiment may be a volatile memory cell.

以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
(付記1)
抵抗値の変化によりデータを保持するメモリセルを複数含むメモリセルアレイと、
前記メモリセルに保持された参照データと、比較データと、を比較して一致するか否かを判定する判定部と、を有する半導体記憶装置であって、
前記判定部は、前記参照データと、前記比較データのレベルに従った比較データレベル信号と、第1レベルとされた前記比較データとにより、該参照データと該比較データが一致するか否かを判定することを特徴とする半導体記憶装置。
Regarding the embodiment including the above examples, the following supplementary notes are further disclosed.
(Appendix 1)
A memory cell array including a plurality of memory cells that retain data according to a change in resistance value;
A determination unit that compares the reference data held in the memory cell and the comparison data to determine whether or not they match,
The determination unit determines whether the reference data and the comparison data match based on the reference data, the comparison data level signal according to the level of the comparison data, and the comparison data set to the first level. A semiconductor memory device characterized by determining.

(付記2)
付記1に記載の半導体記憶装置において、
前記判定部は、
前記比較データを受け取り、該比較データのレベルを判定して前記比較データレベル信号を出力すると共に、該比較データを前記第1レベルとして出力する比較データレベル判定部と、
前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較し、前記比較データレベル信号に従って該参照データと該比較データが一致するか否かの判定を調整する一致判定部と、を有することを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 2)
In the semiconductor memory device according to attachment 1,
The determination unit
A comparison data level determination unit that receives the comparison data, determines a level of the comparison data, outputs the comparison data level signal, and outputs the comparison data as the first level;
A comparison determination unit that compares the reference data with the reference data at the first level and adjusts whether or not the reference data and the comparison data match according to the comparison data level signal; A semiconductor memory device.

(付記3)
付記2に記載の半導体記憶装置において、
前記比較データレベル判定部は、
前記比較データのレベルが前記第1レベルのとき、該第1レベルの比較データをそのまま出力すると共に、前記比較データのレベルが前記第1レベルであることを示す第1比較データレベル信号を出力し、また、
前記比較データのレベルが前記第1レベルとは異なる第2レベルのとき、該第2レベルの比較データを前記第1レベルに変換して出力すると共に、前記比較データのレベルが前記第2レベルであることを示す第2比較データレベル信号を出力することを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 3)
In the semiconductor memory device according to attachment 2,
The comparison data level determination unit
When the level of the comparison data is the first level, the comparison data of the first level is output as it is, and a first comparison data level signal indicating that the level of the comparison data is the first level is output ,Also,
When the level of the comparison data is a second level different from the first level, the comparison data of the second level is converted to the first level and output, and the level of the comparison data is the second level. A semiconductor memory device that outputs a second comparison data level signal indicating the presence.

(付記4)
付記3に記載の半導体記憶装置において、
前記一致判定部は、
前記比較データレベル判定部から前記第1比較データレベル信号を受け取ったとき、前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較して、一致したときは、そのまま一致の判定結果を出力し、また、
前記比較データレベル判定部から前記第2比較データレベル信号を受け取ったとき、前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較して、一致したときは、その判定結果を逆にして不一致の判定結果を出力することを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 4)
In the semiconductor memory device according to attachment 3,
The match determination unit
When the first comparison data level signal is received from the comparison data level determination unit, the comparison data set to the first level is compared with the reference data, and if they match, the match determination result is output as it is. And also
When the second comparison data level signal is received from the comparison data level determination unit, the comparison data set to the first level is compared with the reference data, and when they match, the determination result is reversed. A semiconductor memory device that outputs a determination result of mismatch.

(付記5)
付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルは、
保持するデータにより抵抗値が変化する可変抵抗素子、および、該可変抵抗素子との接続を制御するトランジスタを有することを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 5)
In the semiconductor memory device according to any one of appendices 1 to 4,
The memory cell is
A semiconductor memory device comprising: a variable resistance element whose resistance value changes depending on data to be held; and a transistor for controlling connection to the variable resistance element.

(付記6)
付記5に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルは、1T−1R型メモリセルであることを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 6)
In the semiconductor memory device according to attachment 5,
The semiconductor memory device, wherein the memory cell is a 1T-1R type memory cell.

(付記7)
付記6に記載の半導体記憶装置において、
前記可変抵抗素子および前記トランジスタは、前記第1レベルとされた前記比較データが与えられた高電位電源レベルのデータバスと、低電位電源レベルの低電位電源線との間に直列に接続され、
前記トランジスタは、そのゲートにワード線が接続されたnチャネル型MOSトランジスタであり、
前記データバスのレベルに従って、前記参照データと前記比較データが一致するか否かを判定することを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 7)
In the semiconductor memory device according to attachment 6,
The variable resistance element and the transistor are connected in series between a high-potential power level data bus to which the comparison data at the first level is applied and a low-potential power line at a low potential power level,
The transistor is an n-channel MOS transistor having a gate connected to a word line,
2. A semiconductor memory device according to claim 1, wherein it is determined whether or not the reference data matches the comparison data according to a level of the data bus.

(付記8)
付記5〜7のいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルは、MRAMセル,ReRAMセルまたはPCRAMセルであることを特徴とする半導体記憶装置。
(Appendix 8)
In the semiconductor memory device according to any one of appendices 5 to 7,
The semiconductor memory device, wherein the memory cell is an MRAM cell, a ReRAM cell, or a PCRAM cell.

1 MTJ素子
3,20 半導体記憶装置(MRAM連想メモリ)
10 MRAMセル
11 強磁性体層(自由層:フリー層)
12 絶縁膜(トンネルバリア膜)
13 強磁性体層(固定層:ピン層)
21 H/L判定部(比較データレベル判定部)
22,31 MRAMアレイ
23 一致判定部
24 アンドゲート
30 判定部
32 ワードデコーダ
33 コラムスイッチ
34 アドレスカウンタ
35 アドレスバッファ
36 コマンドバッファ
37 コマンドデコーダ
38 リード/ライト(R/W)アンプ
39 データバッファ
50 可変抵抗素子
51 スイッチング素子
101 データ部
102,103 サーチ部
1 MTJ element 3,20 Semiconductor memory device (MRAM associative memory)
10 MRAM cell 11 Ferromagnetic layer (free layer: free layer)
12 Insulating film (tunnel barrier film)
13 Ferromagnetic layer (fixed layer: pinned layer)
21 H / L determination unit (comparison data level determination unit)
22, 31 MRAM array 23 Match determination unit 24 AND gate 30 determination unit 32 Word decoder 33 Column switch 34 Address counter 35 Address buffer 36 Command buffer 37 Command decoder 38 Read / write (R / W) amplifier 39 Data buffer 50 Variable resistance element 51 Switching element 101 Data section 102, 103 Search section

Claims (5)

抵抗値の変化によりデータを保持するメモリセルを複数含むメモリセルアレイと、
前記メモリセルに保持された参照データと、比較データと、を比較して一致するか否かを判定する判定部と、を有する半導体記憶装置であって、
前記判定部は、前記参照データと、前記比較データのレベルに従った比較データレベル信号と、第1レベルとされた前記比較データとにより、該参照データと該比較データが一致するか否かを判定することを特徴とする半導体記憶装置。
A memory cell array including a plurality of memory cells that retain data according to a change in resistance value;
A determination unit that compares the reference data held in the memory cell and the comparison data to determine whether or not they match,
The determination unit determines whether the reference data and the comparison data match based on the reference data, the comparison data level signal according to the level of the comparison data, and the comparison data set to the first level. A semiconductor memory device characterized by determining.
請求項1に記載の半導体記憶装置において、
前記判定部は、
前記比較データを受け取り、該比較データのレベルを判定して前記比較データレベル信号を出力すると共に、該比較データを前記第1レベルとして出力する比較データレベル判定部と、
前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較し、前記比較データレベル信号に従って該参照データと該比較データが一致するか否かの判定を調整する一致判定部と、を有することを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The determination unit
A comparison data level determination unit that receives the comparison data, determines a level of the comparison data, outputs the comparison data level signal, and outputs the comparison data as the first level;
A comparison determination unit that compares the reference data with the reference data at the first level and adjusts whether or not the reference data and the comparison data match according to the comparison data level signal; A semiconductor memory device.
請求項2に記載の半導体記憶装置において、
前記比較データレベル判定部は、
前記比較データのレベルが前記第1レベルのとき、該第1レベルの比較データをそのまま出力すると共に、前記比較データのレベルが前記第1レベルであることを示す第1比較データレベル信号を出力し、また、
前記比較データのレベルが前記第1レベルとは異なる第2レベルのとき、該第2レベルの比較データを前記第1レベルに変換して出力すると共に、前記比較データのレベルが前記第2レベルであることを示す第2比較データレベル信号を出力することを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 2,
The comparison data level determination unit
When the level of the comparison data is the first level, the comparison data of the first level is output as it is, and a first comparison data level signal indicating that the level of the comparison data is the first level is output ,Also,
When the level of the comparison data is a second level different from the first level, the comparison data of the second level is converted to the first level and output, and the level of the comparison data is the second level. A semiconductor memory device that outputs a second comparison data level signal indicating the presence.
請求項3に記載の半導体記憶装置において、
前記一致判定部は、
前記比較データレベル判定部から前記第1比較データレベル信号を受け取ったとき、前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較して、一致したときは、そのまま一致の判定結果を出力し、また、
前記比較データレベル判定部から前記第2比較データレベル信号を受け取ったとき、前記第1レベルとされた前記比較データと前記参照データを比較して、一致したときは、その判定結果を逆にして不一致の判定結果を出力することを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 3.
The match determination unit
When the first comparison data level signal is received from the comparison data level determination unit, the comparison data set to the first level is compared with the reference data, and if they match, the match determination result is output as it is. And also
When the second comparison data level signal is received from the comparison data level determination unit, the comparison data set to the first level is compared with the reference data, and when they match, the determination result is reversed. A semiconductor memory device that outputs a determination result of mismatch.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置において、
前記メモリセルは、
保持するデータにより抵抗値が変化する可変抵抗素子、および、該可変抵抗素子との接続を制御するトランジスタを有することを特徴とする半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1,
The memory cell is
A semiconductor memory device comprising: a variable resistance element whose resistance value changes depending on data to be held; and a transistor for controlling connection to the variable resistance element.
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