JP2012195038A - Semiconductor storage 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、磁気的にデータ信号を記憶するメモリセルを備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor device including a memory cell that magnetically stores a data signal.
近年、低消費電力で不揮発的なデータの記憶が可能な半導体記憶装置として、MRAM(Magnetic Random Access Memory)が注目されている(たとえば、非特許文献1参照)。 In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) has attracted attention as a semiconductor memory device capable of storing nonvolatile data with low power consumption (see, for example, Non-Patent Document 1).
MRAMは、複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、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とを含む。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、対応のビット線と基準電圧のラインとの間に磁気抵抗素子と直列接続され、そのゲートが対応のワード線に接続されたアクセストランジスタとを有する。 The MRAM includes a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, a plurality of digit lines provided corresponding to the plurality of rows, respectively. And a plurality of bit lines provided corresponding to a plurality of columns. Each memory cell is connected in series with a magnetoresistive element that stores a data signal according to a resistance level change, and between the corresponding bit line and the reference voltage line, and its gate is connected to the corresponding word line. A connected access transistor.
書込動作時は、選択されたディジット線に磁化電流を流して、そのディジット線に対応する各メモリセルの磁気抵抗素子を半選択状態にするとともに、選択されたビット線にデータ信号の論理に応じた方向の書込電流を流して、選択されたディジット線とビット線の交差部に配置されたメモリセルの磁気抵抗素子にデータ信号を書込む。 During a write operation, a magnetizing current is passed through the selected digit line to place the magnetoresistive element of each memory cell corresponding to the digit line in a half-selected state, and the selected bit line is set to the logic of the data signal. A data current is written in the magnetoresistive element of the memory cell arranged at the intersection of the selected digit line and the bit line by supplying a write current in a corresponding direction.
読出動作時は、選択されたワード線を選択レベルにして、そのワード線に対応する各メモリセルのアクセストランジスタを導通させ、選択されたビット線に書込動作時よりも十分に低い電圧を印加し、そのビット線を介して選択されたメモリセルの磁気抵抗素子に流れる電流を検出し、その検出結果に基づいてその磁気抵抗素子の記憶データを読み出す。 During the read operation, the selected word line is set to the selection level, the access transistor of each memory cell corresponding to the word line is made conductive, and a voltage sufficiently lower than that during the write operation is applied to the selected bit line. Then, the current flowing through the magnetoresistive element of the selected memory cell via the bit line is detected, and the stored data of the magnetoresistive element is read based on the detection result.
また、2つのメモリブロックと2つのディジット線ドライバを備え、各ディジット線ドライバは各ディジット線に対応して設けられたドライバトランジスタを含むMRAMにおいて、一方のメモリブロックに対応するドライバトランジスタを他方のメモリブロック内に配置し、他方のメモリブロックに対応するドライバトランジスタを一方のメモリブロック内に配置したものもある。このMRAMでは、アクセストランジスタのサイズを適正化し、空いた領域にドライバトランジスタを配置することにより、レイアウト面積の縮小化を図ることができる(たとえば、特許文献1参照)。 Further, in an MRAM including two memory blocks and two digit line drivers, each digit line driver including a driver transistor provided corresponding to each digit line, a driver transistor corresponding to one memory block is connected to the other memory. In some cases, the driver transistors corresponding to the other memory block are arranged in one block and arranged in one memory block. In this MRAM, the layout area can be reduced by optimizing the size of the access transistor and disposing the driver transistor in the vacant region (see, for example, Patent Document 1).
しかし、特許文献1では、その図6に示されるように、シリコン基板の表面にドライバトランジスタおよびアクセストランジスタのどちらにも使えない空き領域が発生し、ドライバトランジスタおよびアクセストランジスタのサイズを十分に大きくすることができないと言う問題があった。
However, in
ドライバトランジスタのサイズが小さいと、磁化電流が不足して歩留が低下してしまう。また、アクセストランジスタのサイズが小さいと、読出動作時において磁気抵抗素子に直列接続される寄生抵抗値が増加し、アクセス時間が長くなって読出性能の劣化やマージン不足を引き起こす。 If the size of the driver transistor is small, the magnetizing current is insufficient and the yield decreases. If the size of the access transistor is small, the parasitic resistance value connected in series with the magnetoresistive element during the read operation increases, and the access time becomes long, leading to deterioration in read performance and insufficient margin.
それゆえに、この発明の主たる目的は、半導体基板の表面の空き領域が少ない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 free area on the surface of a semiconductor substrate.
この発明に係る半導体記憶装置は、半導体基板の表面に形成された半導体記憶装置であって、複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、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と、それぞれ複数のディジット線に対応して設けられた複数の補助配線とを含むメモリアレイを備えたものである。各ディジット線の一方端は対応の補助配線に接続される。各メモリセルは、その第1の電極が対応のビット線に接続され、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、それらのドレインがともに磁気抵抗素子の第2の電極に接続され、それらのソースがそれぞれ基準電圧のラインおよび対応の補助配線に接続され、それらのゲートがともに対応のワード線に接続された第1および第2のアクセストランジスタとを有する。この半導体記憶装置は、さらに、複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルにデータ信号を書込む書込回路を備える。この書込回路は、複数のディジット線のうちの選択されたディジット線の他方端と選択されたディジット線に対応する補助配線との間に所定の電圧を印加して磁化電流を流し、選択されたディジット線に対応する各メモリセルの磁気抵抗素子を半選択状態にするディジット線ドライバと、複数のビット線のうちの選択されたビット線にデータ信号に応じた方向の書込電流を流すビット線ドライバとを含む。 A semiconductor memory device according to the present invention is a semiconductor memory device formed on the surface of a semiconductor substrate, and a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, and a plurality of memory cells provided corresponding to the plurality of rows, respectively. Word lines, a plurality of digit lines provided corresponding to a plurality of rows, a plurality of bit lines provided corresponding to a plurality of columns, and a plurality of bit lines provided corresponding to a plurality of digit lines, respectively. A memory array including auxiliary wiring is provided. One end of each digit line is connected to a corresponding auxiliary wiring. Each memory cell has a first electrode connected to a corresponding bit line, and a magnetoresistive element that stores a data signal according to a change in the resistance value level, and a drain connected to the second electrode of the magnetoresistive element. The first and second access transistors have their sources connected to the reference voltage line and the corresponding auxiliary wiring, respectively, and their gates connected to the corresponding word line. The semiconductor memory device further includes a write circuit for writing a data signal to a selected memory cell among the plurality of memory cells. This write circuit applies a predetermined voltage between the other end of the selected digit line of the plurality of digit lines and the auxiliary wiring corresponding to the selected digit line to cause a magnetizing current to flow and is selected. A digit line driver for half-selecting the magnetoresistive element of each memory cell corresponding to the digit line, and a bit for supplying a write current in a direction corresponding to the data signal to the selected bit line of the plurality of bit lines Line driver.
この発明に係る半導体記憶装置では、各メモリセルが第1および第2のアクセストランジスタを含み、第1のアクセストランジスタのソースが基準電圧のラインに接続され、第2のアクセストランジスタのソースが対応の補助配線に接続される。したがって、第2のアクセストランジスタのソースとディジット線ドライバに含まれるドライバトランジスタのソースとを共通化することができ、ドライバトランジスタおよびアクセストランジスタのどちらにも使えない空き領域を減らすことができる。よって、ドライバトランジスタおよびアクセストランジスタのサイズを大きくすることができ、歩留および読出性能の向上を図ることができる。 In the semiconductor memory device according to the present invention, each memory cell includes first and second access transistors, the source of the first access transistor is connected to the reference voltage line, and the source of the second access transistor corresponds to Connected to auxiliary wiring. Therefore, the source of the second access transistor and the source of the driver transistor included in the digit line driver can be made common, and an empty area that cannot be used for either the driver transistor or the access transistor can be reduced. Therefore, the size of the driver transistor and the access transistor can be increased, and the yield and reading performance can be improved.
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1によるMRAMは、図1に示すように、メモリアレイ1、行デコーダ2、列デコーダ3、書込回路4、および読出回路5を備える。メモリアレイ1は、2つのメモリブロックMB1,MB2を含む。メモリブロックMB1,MB2の各々は、複数行複数列に配置され、各々が磁気的にデータ信号を記憶する複数のメモリセルを含む。
[Embodiment 1]
As shown in FIG. 1, the MRAM according to the first embodiment of the present invention includes a
行デコーダ2は、行アドレス信号に従って、メモリブロックMB1,MB2のうちのいずれかのメモリブロックMBと、そのメモリブロックMBの複数行のうちのいずれかの行を選択する。列デコーダ3は、列アドレス信号に従って、メモリブロックMB1,MB2のうちの行デコーダ2によって選択されたメモリブロックMBの複数列のうちのいずれかの列を選択する。
The
書込回路4は、書込動作時に、デコーダ2,3によって選択されたメモリブロックMBのメモリセルにデータ信号を書込む。読出回路5は、読出動作時に、デコーダ2,3によって選択されたメモリブロックMBのメモリセルからデータ信号を読み出す。
Write circuit 4 writes a data signal to a memory cell of memory block MB selected by
図2は、図1に示したMRAMの要部を示すブロック図である。図2において、メモリブロックMB1,MB2の各々は、複数行複数列に配置され、各々が磁気的にデータ信号を記憶する複数のメモリセル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とを含む。 FIG. 2 is a block diagram showing a main part of the MRAM shown in FIG. In FIG. 2, each of memory blocks MB1 and MB2 is arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, each of which has a plurality of memory cells MC that magnetically store data signals, and a plurality of memory cells MC respectively provided corresponding to the plurality of rows. It includes a word line WL, a plurality of digit lines DL provided corresponding to a plurality of rows, and a plurality of bit lines BL provided corresponding to a plurality of columns, respectively.
各メモリセルMCは、図3に示すように、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18と、アクセストランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)19a,19bとを含む。アクセストランジスタ19a,19bのゲートは対応のワード線WLに接続され、それらのソースはそれぞれソース線SLおよび補助配線ALに接続され、それらのドレインはともに磁気抵抗素子18を介して対応のビット線BLに接続される。ソース線SLは接地電圧VSSを受ける。補助配線ALは、読出動作時は接地電圧VSSを受け、書込動作時は選択的に接地電圧VSSを受ける。補助配線ALについては、後で詳細に説明する。
As shown in FIG. 3, each memory cell MC includes a
図2に戻って、メモリブロックMB1に対応してDLドライバ10、BLドライバ11,12、およびWLドライバ13が設けられ、メモリブロックMB2に対応してDLドライバ14、BLドライバ15,16、およびWLドライバ17が設けられる。DLドライバ10,14およびBLドライバ11,12,15,16は図1の書込回路4に含まれ、WLドライバ13,17は図1の読出回路5に含まれる。
Returning to FIG. 2,
DLドライバ10は、書込動作時に、行デコーダ2によって対応のメモリブロックMB1が選択されたことに応じて活性化され、行デコーダ2によって選択された行のディジット線DLに磁化電流を流して、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18を半選択状態にする。
The
DLドライバ14は、書込動作時に、行デコーダ2によって対応のメモリブロックMB2が選択されたことに応じて活性化され、行デコーダ2によって選択された行のディジット線DLに磁化電流を流して、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18を半選択状態にする。
The
BLドライバ11,12は、書込動作時に、行デコーダ2によって対応のメモリブロックMB1が選択されたことに応じて活性化され、列デコーダ3によって選択されたビット線BLに書込データ信号の論理に応じた方向の電流を流して、半選択状態にされた複数の磁気抵抗素子18のうちのそのビット線BLに対応する磁気抵抗素子18にデータ信号を書込む。
The
BLドライバ15,16は、書込動作時に、行デコーダ2によって対応のメモリブロックMB2が選択されたことに応じて活性化され、列デコーダ3によって選択されたビット線BLに書込データ信号の論理に応じた方向の電流を流して、半選択状態にされた複数の磁気抵抗素子18のうちのそのビット線BLに対応する磁気抵抗素子18にデータ信号を書込む。
The
WLドライバ13,17は、読出動作時に、行デコーダ2によって選択されたメモリブロックMBの選択されたワード線WLを選択レベルの「H」レベルにし、そのワード線WLに対応する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bを導通させる。読出回路5は、列デコーダ3によって選択されたビット線BLから接地電圧VSSのラインに流れる電流を検出し、その検出結果に基づいて選択されたメモリセルMCの磁気抵抗素子18の記憶データを読み出す。
During the read operation, the
図3および図4は、メモリブロックMB1,MB2およびDLドライバ10,14の構成およびレイアウトを示す図である。図3および図4において、メモリブロックMB1,MB2の各々は、4行4列のメモリセルMCを含む。実際には、メモリブロックMB1,MB2の各々は多数のメモリセルMCを含むが、図面の簡単化を図るため、4行4列のメモリセルMCが示されている。
3 and 4 are diagrams showing configurations and layouts of the memory blocks MB1 and MB2 and the
各行に対応してワード線WL、ディジット線DL、ソース線SL、補助配線AL、およびゲート線GLが設けられ、各列に対応してビット線BLが設けられる。各ワード線WLは、複数のリング部を含む。複数のリング部は、それぞれ対応の行の複数のメモリセルMCに対応して配置される。ワード線WLの各リング部は、対応のメモリセルMCの2つのアクセストランジスタ19a,19bの共通のゲートを構成している。
A word line WL, a digit line DL, a source line SL, an auxiliary wiring AL, and a gate line GL are provided corresponding to each row, and a bit line BL is provided corresponding to each column. Each word line WL includes a plurality of ring portions. The plurality of ring portions are arranged corresponding to the plurality of memory cells MC in the corresponding row, respectively. Each ring portion of the word line WL forms a common gate of the two
各ディジット線DLは、対応の行の複数の磁気抵抗素子18に沿うように配置されている。メモリブロックMB1の各ディジット線DLの一方端はノードN1に接続され、その他方端はメモリブロックMB2の対応の行の補助配線ALに接続されている。メモリブロックMB2の各ディジット線DLの一方端はノードN2に接続され、その他方端はメモリブロックMB1の対応の行の補助配線ALに接続されている。
Each digit line DL is arranged along the plurality of
また、各ソース線SLは、対応のメモリセル行の一方側(図中の右側)に配置され、対応の各メモリセルMCのアクセストランジスタ19aのソースに接続されている。また、ソース線SLは、図中の左端のメモリセル行の他方側(図中の左側)にも配置される。各ソース線SLは、接地電圧VSSを受ける。また、各補助配線ALは、対応のメモリセル行の他方側(図中の左側)に配置され、対応の各メモリセルMCのアクセストランジスタ19bのソースに接続されている。
Each source line SL is arranged on one side (right side in the drawing) of the corresponding memory cell row, and is connected to the source of the
すなわち、各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのゲートは対応のワード線WLに接続され、それらのドレインはともに磁気抵抗素子18を介してビット線BLに接続され、それらのソースはそれぞれ対応のソース線SLおよび補助配線ALに接続される。
That is, the gates of the
DLドライバ10は、PチャネルMOSトランジスタP1、NチャネルMOSトランジスタQ1、各行に対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)20、およびメモリブロックMB2の各メモリセルMCに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)21を含む。
PチャネルMOSトランジスタP1は、電源電圧VDD1のラインとノードN1との間に接続され、そのゲートは信号DLE1nを受ける。NチャネルMOSトランジスタQ1は、ノードN1と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号DLE1を受ける。 P-channel MOS transistor P1 is connected between a line of power supply voltage VDD1 and node N1, and has its gate receiving signal DLE1n. N-channel MOS transistor Q1 is connected between node N1 and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal DLE1.
ドライバトランジスタ20は、メモリブロックMB1,MB2間のメモリブロックMB1側の領域A1に配置される。ドライバトランジスタ20のドレインはメモリブロックMB1の対応のディジット線DLの他方端に接続され、そのソースは接地電圧VSSを受け、そのゲートはメモリブロックMB2の対応のゲート線GLに接続される。ドライバトランジスタ21は、メモリブロックMB2内の対応のメモリセルMCの他方側(図中の左側)に配置され、補助配線ALとソース線SLの間に接続され、そのゲートは対応のゲート線GLに接続される。
なお、隣接する2本のソース線SL同士を複数箇所で接続することにより、ソース線SLの抵抗値を小さくすることができる。この場合、ソース線SLと直交し、かつソース線SLと異なる配線層で形成された配線でソース線SL同士を接続することが好ましい。 Note that the resistance value of the source line SL can be reduced by connecting two adjacent source lines SL at a plurality of locations. In this case, it is preferable that the source lines SL are connected to each other by a wiring that is orthogonal to the source line SL and is formed of a wiring layer different from the source line SL.
信号DLE1n,DLE1がともに「L」レベルにされると、PチャネルMOSトランジスタP1が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ1が非導通になり、ノードN1に電源電圧VDD1が与えられる。また、メモリブロックMB2の複数のゲート線GLのうちのいずれかのゲート線GLが選択レベルの「H」レベルにされると、そのゲート線GLに対応するドライバトランジスタ20,21が導通する。これにより、電源電圧VDD1のラインから、そのゲート線GLに対応するメモリブロックMB1のディジット線DLおよびドライバトランジスタ20,21を介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。
When signals DLE1n and DLE1 are both set to "L" level, P channel MOS transistor P1 is turned on and N channel MOS transistor Q1 is turned off, and power supply voltage VDD1 is applied to node N1. When any one of the plurality of gate lines GL of the memory block MB2 is set to the “H” level of the selection level, the
DLドライバ14は、PチャネルMOSトランジスタP2、NチャネルMOSトランジスタQ2、各行に対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)22、およびメモリブロックMB1の各メモリセルMCに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)23を含む。
PチャネルMOSトランジスタP2は、電源電圧VDD1のラインとノードN2との間に接続され、そのゲートは信号DLE2nを受ける。NチャネルMOSトランジスタQ2は、ノードN2と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号DLE2を受ける。 P-channel MOS transistor P2 is connected between a line of power supply voltage VDD1 and node N2, and has its gate receiving signal DLE2n. N channel MOS transistor Q2 is connected between node N2 and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal DLE2.
ドライバトランジスタ22は、メモリブロックMB1,MB2間のメモリブロックMB2側の領域A2に配置される。ドライバトランジスタ22のドレインはメモリブロックMB2の対応のディジット線DLの他方端に接続され、そのソースは接地電圧VSSを受け、そのゲートはメモリブロックMB1の対応のゲート線GLに接続される。ドライバトランジスタ23は、メモリブロックMB1内の対応のメモリセルMCの他方側(図中の左側)に配置され、補助配線ALとソース線SLの間に接続され、そのゲートは対応のゲート線GLに接続される。
信号DLE2n,DLE2がともに「L」レベルにされると、PチャネルMOSトランジスタP2が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ2が非導通になり、ノードN2に電源電圧VDD1が与えられる。また、メモリブロックMB1の複数のゲート線GLのうちのいずれかのゲート線GLが選択レベルの「H」レベルにされると、そのゲート線GLに対応するドライバトランジスタ22,23が導通する。これにより、電源電圧VDD1のラインから、そのゲート線GLに対応するメモリブロックMB2のディジット線DLおよびドライバトランジスタ22,23を介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。
When signals DLE2n and DLE2 are both set to "L" level, P channel MOS transistor P2 is turned on and N channel MOS transistor Q2 is turned off, and power supply voltage VDD1 is applied to node N2. Further, when any one of the plurality of gate lines GL of the memory block MB1 is set to the “H” level of the selection level, the
図5は、BLドライバ11,12の構成を示す回路図である。図5において、BLドライバ11は、各ビット線BLに対応して設けられたインバータ25を備える。インバータ25は、PチャネルMOSトランジスタ26およびNチャネルMOSトランジスタ27を含む。PチャネルMOSトランジスタ26は、電源電圧VDD2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、そのゲートは信号φ1を受ける。NチャネルMOSトランジスタ27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、そのゲートは信号φ1を受ける。
FIG. 5 is a circuit diagram showing the configuration of the
BLドライバ12は、各ビット線BLに対応して設けられたインバータ28を備える。インバータ28は、PチャネルMOSトランジスタ29およびNチャネルMOSトランジスタ30を含む。PチャネルMOSトランジスタ29は、電源電圧VDD2のラインと対応のビット線BLの他方端との間に接続され、そのゲートは信号φ2を受ける。NチャネルMOSトランジスタ30は、対応のビット線BLの他方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号φ2を受ける。
The
スタンバイ時は、信号φ1,φ2はともに「H」レベルにされている。これにより、トランジスタ26,29が非導通になり、トランジスタ27,30が導通し、各ビット線BLは「L」レベルに保持される。
During standby, signals φ1 and φ2 are both at the “H” level. As a result,
書込動作時において書込データ信号が「H」レベルの場合は、たとえば、選択された列の信号φ1が「L」レベルに立ち下げられる。これにより、その列のトランジスタ26が導通するとともにトランジスタ27が非導通になり、電源電圧VDD2のラインからトランジスタ26、ビット線BL、およびNチャネルMOSトランジスタ30を介して接地電圧VSSのラインに書込電流が流れる。
When the write data signal is at “H” level during the write operation, for example, signal φ1 of the selected column is lowered to “L” level. As a result,
書込データ信号が「L」レベルの場合は、たとえば、選択された列の信号φ2が「L」レベルに立ち下げられる。これにより、その列のトランジスタ29が導通するとともにトランジスタ30が非導通になり、電源電圧VDD2のラインからトランジスタ29、ビット線BL、およびNチャネルMOSトランジスタ27を介して接地電圧VSSのラインに書込電流が流れる。BLドライバ15,16は、それぞれBLドライバ11,12と同じ構成である。
When the write data signal is at “L” level, for example, signal φ2 of the selected column is lowered to “L” level. As a result,
次に、図1〜図5に示したMRAMの動作について説明する。読出動作時およびスタンバイ動作時においては、図3および図4の信号DLE1n,DLE1,DLE2n,DLE2がともに「H」レベルにされる。これにより、PチャネルMOSトランジスタP1,P2が非導通にされるとともに、NチャネルMOSトランジスタQ1,Q2が導通し、全てのディジット線DLと全ての補助配線ALは接地電圧VSSとなる。また、ソース線SLは、常に接地電圧VSSである。したがって、各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのソースは、接地電圧VSSにされる。また、全てのゲート線GLは「L」レベルにされ、ドライバトランジスタ20〜23は非導通にされる。
Next, the operation of the MRAM shown in FIGS. 1 to 5 will be described. In read operation and standby operation, signals DLE1n, DLE1, DLE2n, and DLE2 in FIGS. 3 and 4 are all set to the “H” level. As a result, P channel MOS transistors P1, P2 are rendered non-conductive, N channel MOS transistors Q1, Q2 are rendered conductive, and all digit lines DL and all auxiliary lines AL are at ground voltage VSS. Further, the source line SL is always at the ground voltage VSS. Therefore, the sources of the
読出動作時においては、メモリブロックMB1,MB2のうちの選択された1つのメモリブロックMBに属する複数のワード線WLのうちの選択された1本のワード線WLが選択レベルの「H」レベルに立ち上げられる。これにより、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bが導通する。また、選択されたメモリブロックMBに属する複数のビット線BLのうちの選択された1本のビット線BLに所定の電圧が印加されて、選択されたメモリセルMCの磁気抵抗素子18に流れる電流値が検出される。その電流値と参照電流値との高低が比較され、その比較結果に基いて、メモリセルMCの記憶データの論理が判別される。
In the read operation, one selected word line WL among the plurality of word lines WL belonging to one selected memory block MB among the memory blocks MB1 and MB2 is set to the “H” level of the selection level. Launched. Thereby, the
たとえば、メモリセルMCに流れる電流値が参照電流値よりも高い場合は、メモリセルMCの記憶データは「H」レベル(1)であると判別される。逆に、メモリセルMCに流れる電流値が参照電流値よりも低い場合は、メモリセルMCの記憶データは「L」レベル(0)であると判別される。 For example, when the value of the current flowing through memory cell MC is higher than the reference current value, it is determined that the storage data of memory cell MC is at “H” level (1). Conversely, when the value of the current flowing through the memory cell MC is lower than the reference current value, it is determined that the storage data of the memory cell MC is at the “L” level (0).
書込動作時において、メモリブロックMB1,MB2のうちの選択されたメモリブロック(たとえば、MB1)に属する複数のメモリセルMCのうちの選択されたメモリセルMC(たとえば、図3の左端の一番上のメモリセルMC)にデータ信号を書き込む場合は、そのメモリセルMCに対応するディジット線DL(この場合、図3の左端のディジット線DL)に磁化電流を流す。そのディジット線DLに磁化電流を流すため、選択されていない方のメモリブロック(この場合、MB2)の対応の行のゲート線GL(この場合、図4の左端のゲート線GL)を活性化レベルの「H」レベルにする。 During the write operation, the selected memory cell MC (for example, the first leftmost in FIG. 3) among the plurality of memory cells MC belonging to the selected memory block (for example, MB1) of the memory blocks MB1 and MB2. When a data signal is written to the upper memory cell MC), a magnetizing current is passed through the digit line DL (in this case, the leftmost digit line DL in FIG. 3) corresponding to the memory cell MC. In order to pass a magnetizing current through the digit line DL, the gate line GL (in this case, the leftmost gate line GL in FIG. 4) in the corresponding row of the non-selected memory block (in this case, MB2) is activated. To “H” level.
これにより、図3の左端のドライバトランジスタ20と、図4の左端の各ドライバトランジスタ21が導通し、図4の左端の補助配線ALが接地電圧VSSのラインに接続される。この状態で、図3の信号DLE1n,DLE1をともに「L」レベルにすると、PチャネルMOSトランジスタP1が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ1が非導通になる。これにより、電源電圧VDD1のラインからPチャネルMOSトランジスタP1、ノードN1、図3の左端のディジット線DL、ドライバトランジスタ20,21を介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。
As a result, the
次に、選択されたメモリセルMCに対応するビット線BL(この場合、図3の上端のビット線BL)に、書込データ信号の論理に応じた方向の書込電流を流すことにより、選択されたメモリセルMCにデータ信号を書き込むことができる。 Next, a selection is made by flowing a write current in a direction corresponding to the logic of the write data signal to the bit line BL (in this case, the bit line BL at the upper end in FIG. 3) corresponding to the selected memory cell MC. A data signal can be written in the memory cell MC.
図6(a)は、メモリブロックMB1のうちの4つのメモリセルMCと4つのNチャネルMOSトランジスタ23のレイアウトを示す図であり、図6(b)は図6(a)のVIB−VIB線断面図である。図6(a)(b)において、シリコン基板31の表面に2本のゲート線GLと2本のワード線WLが平行に形成される。2本のゲート線GLと2本のワード線WLは、1本ずつ交互に配置される。ゲート線GLおよびワード線WLは、ともにY方向に延在している。
6A is a diagram showing a layout of four memory cells MC and four N-
各ワード線WLは、梯子状に形成されており、各々がY方向に延在する2本の配線部WLa,WLbと、各々がX方向に延在する複数の配線部WLcとを含む。各配線部WLcは、隣接する2つのメモリセル列の間に配置され、2本の配線部WLa,WLb間に接続されている。隣接する2本の配線部WLcと、その両側の2本の配線部WLa,WLbによってワード線WLのリング部が形成される。ゲート線GLおよびワード線WLの各々とシリコン基板31の表面との間には、ゲート酸化膜(図示せず)が形成されている。
Each word line WL is formed in a ladder shape, and includes two wiring portions WLa and WLb each extending in the Y direction, and a plurality of wiring portions WLc each extending in the X direction. Each wiring portion WLc is arranged between two adjacent memory cell columns and connected between the two wiring portions WLa and WLb. A ring portion of the word line WL is formed by the two adjacent wiring portions WLc and the two wiring portions WLa and WLb on both sides thereof. A gate oxide film (not shown) is formed between each of the gate line GL and the word line WL and the surface of the
2本のゲート線GLおよび2本のワード線WLをマスクとして、シリコン基板31の表面に不純物拡散領域が形成される。隣接する2つの配線部WLcと、その両側の2本の配線部WLa,WLbによって囲まれた矩形領域は、アクセストランジスタ19a,19bの共通のドレインDとなる。ワード線WLの配線部WLaとゲート線GLとの間の領域は、アクセストランジスタ19aのソースSと、ドライバトランジスタ23のソースSとを兼ねた領域となり、対応のソース線SLを介して接地電圧VSSのラインに接続される。
Impurity diffusion regions are formed on the surface of the
ワード線WLの配線部WLbとゲート線GLとの間の領域は、アクセストランジスタ19bのソースSと、ドライバトランジスタ23のドレインDとを兼ねた領域となり、対応の補助配線ALを介してメモリブロックMB2のディジット線DLに接続される。
A region between the wiring part WLb of the word line WL and the gate line GL serves as a region serving as the source S of the
各ゲート線GLの上方に、Y方向に延在するディジット線DLが形成される。各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのドレインDの上方から左側のディジット線DLの上方に架けて四角形の電極ELが形成される。アクセストランジスタ19a,19bのドレインDと、その上方の電極ELとは、コンタクトホールCHによって接続される。電極ELとディジット線DLが上下に重なる各領域において、電極EL上に磁気抵抗素子18が形成される。磁気抵抗素子18は、ディジット線DLに磁化電流を流したときに磁気抵抗素子18の磁化困難軸方向に磁界が発生するように形成される。X方向に配列された各2つの磁気抵抗素子18の上に、X方向に延在するビット線BLが形成される。
A digit line DL extending in the Y direction is formed above each gate line GL. A rectangular electrode EL is formed from above the drain D of the
選択されたディジット線DLに磁化電流を流すと、その上方の磁気抵抗素子18が半選択状態にされる。選択されたビット線BLに書込電流を流すと、その下の半選択状態にされた磁気抵抗素子18にデータ信号が書き込まれる。選択されたワード線WLを「H」レベルにするとアクセストランジスタ19a,19bが導通し、読出電圧が印加されたビット線BLから磁気抵抗素子18、電極EL、コンタクトホールCH、およびトランジスタ19a,19bを介してソース線SLに磁気抵抗素子18の抵抗値に応じた値の電流が流れる。
When a magnetizing current is passed through the selected digit line DL, the
この実施の形態1では、ドライバトランジスタ21,23のソースS(またはドレインD)がアクセストランジスタ19a,19bのソースSと共通化されている。また、読出動作においては、一方のアクセストランジスタ19aのソースSは接地電圧VSSを常時受け、他方のアクセストランジスタ19bのソースSはディジット線DLなどを介して接地電圧VSSを受ける。そのため、アクセストランジスタ19a,19b(のゲート)の全てがトランジスタとして動作する。また、図6(a)において、1メモリセルMCに対応するドライバトランジスタ23は、ゲート幅WDRのトランジスタとして機能している。したがって、メモリブロックMB内において無駄な空き領域をほとんど無くすことができる。よって、ドライバトランジスタ20〜23およびアクセストランジスタ19a,19bのサイズを大きくすることができ、歩留および読出性能の向上を図ることができる。
In the first embodiment, the sources S (or drains D) of the
なお、この実施の形態1では、DLドライバ10をトランジスタ20と複数のトランジスタ21で構成したが、複数のトランジスタ21のみで十分な磁化電流を流すことができる場合はトランジスタ20を無くしてもよい。同様に、トランジスタ22を無くしてDLドライバ14を複数のトランジスタ23のみで構成してもよい。この場合は、トランジスタ20,22を配置する領域A1,A2が不要になるので、さらにレイアウト面積を小さくすることができる。
In the first embodiment, the
[実施の形態2]
図7および図8は、この発明の実施の形態2によるMRAMのメモリブロックMB1,MB2およびDLドライバ10,14の構成およびレイアウトを示す図であって、図3および図4と対比される図である。図7および図8において、メモリブロックMB1は上下に2つのサブブロックSB1U,SB1Dに分割され、メモリブロックMB2は上下に2つのサブブロックSB2U,SB2Dに分割されている。サブブロックSB1U,SB1D,SB2U,SB2Dの各々は、4行2列のメモリセルMCを含む。各メモリセルMCは、磁気抵抗素子18と、2つのアクセストランジスタ19a,19bを含む。実際には、サブブロックSB1U,SB1D,SB2U,SB2Dの各々は多数のメモリセルMCを含むが、図面の簡単化を図るため、4行2列のメモリセルMCが示されている。
[Embodiment 2]
7 and 8 are diagrams showing configurations and layouts of the memory blocks MB1 and MB2 and
メモリブロックMB1,MB2の各々において、各行に対応してディジット線DLが設けられ、各列に対応してビット線BLが設けられ、各ディジット線DLは、対応の行の複数の磁気抵抗素子18に沿うように配置される。3本のソース線SLは、4つのメモリセル行の両側と中央に配置される。
In each of memory blocks MB1 and MB2, digit line DL is provided corresponding to each row, bit line BL is provided corresponding to each column, and each digit line DL includes a plurality of
また、メモリブロックMB1においては、さらに、2本の補助配線ALUと、2本の補助配線ALDが設けられる。2本の補助配線ALUは、メモリブロックMB1の1番目のメモリセル行と2番目のメモリセル行の間と、3番目のメモリセル行と4番目のメモリセル行の間とにそれぞれ配置される。2本の補助配線ALDは、サブブロックSB1Dの1番目のメモリセル行と2番目のメモリセル行の間と、3番目のメモリセル行と4番目のメモリセル行の間とにそれぞれ配置される。 Further, in the memory block MB1, two auxiliary wirings ALU and two auxiliary wirings ALD are further provided. The two auxiliary wirings ALU are respectively arranged between the first memory cell row and the second memory cell row of the memory block MB1 and between the third memory cell row and the fourth memory cell row. . Two auxiliary wirings ALD are arranged between the first memory cell row and the second memory cell row of sub-block SB1D, and between the third memory cell row and the fourth memory cell row, respectively. .
また、メモリブロックMB2においては、さらに、2本の補助配線ALUと、2本の補助配線ALDが設けられる。2本の補助配線ALDは、メモリブロックMB2の1番目のメモリセル行と2番目のメモリセル行の間と、3番目のメモリセル行と4番目のメモリセル行の間とにそれぞれ配置される。2本の補助配線ALUは、サブブロックSB1Dの1番目のメモリセル行と2番目のメモリセル行の間と、3番目のメモリセル行と4番目のメモリセル行の間とにそれぞれ配置される。 Further, in the memory block MB2, two auxiliary wirings ALU and two auxiliary wirings ALD are further provided. The two auxiliary wirings ALD are arranged between the first memory cell row and the second memory cell row of the memory block MB2, and between the third memory cell row and the fourth memory cell row, respectively. . The two auxiliary wirings ALU are arranged between the first memory cell row and the second memory cell row of the sub-block SB1D, and between the third memory cell row and the fourth memory cell row, respectively. .
メモリブロックMB1の奇数番のディジット線DLの一方端はノードN1に接続され、その他方端はメモリブロックMB2の対応の行に隣接する補助配線ALUに接続されている。メモリブロックMB1の偶数番のディジット線DLの一方端はノードN1に接続され、その他方端はメモリブロックMB2の対応の行に隣接する補助配線ALDに接続されている。 One end of the odd-numbered digit line DL of the memory block MB1 is connected to the node N1, and the other end is connected to the auxiliary wiring ALU adjacent to the corresponding row of the memory block MB2. One end of the even-numbered digit line DL of the memory block MB1 is connected to the node N1, and the other end is connected to the auxiliary wiring ALD adjacent to the corresponding row of the memory block MB2.
メモリブロックMB2の奇数番のディジット線DLの一方端はノードN2に接続され、その他方端はメモリブロックMB1の対応の行に隣接する補助配線ALUに接続されている。メモリブロックMB2の偶数番のディジット線DLの一方端はノードN2に接続され、その他方端はメモリブロックMB1の対応の行に隣接する補助配線ALDに接続されている。 One end of the odd-numbered digit line DL of the memory block MB2 is connected to the node N2, and the other end is connected to the auxiliary wiring ALU adjacent to the corresponding row of the memory block MB1. One end of the even-numbered digit line DL of the memory block MB2 is connected to the node N2, and the other end is connected to the auxiliary wiring ALD adjacent to the corresponding row of the memory block MB1.
また、サブブロックSB1U,SB2Uの各々において、各行に対応してワード線WLUが設けられる。サブブロックSB1D,SB2Dの各々において、各行に対応してワード線WLDが設けられる。各ワード線WL(WLUまたはWLD)は、複数のリング部を含む。複数のリング部は、それぞれ対応の行の複数のメモリセルMCに対応して配置される。ワード線WLの各リング部は、対応のメモリセルMCの2つのアクセストランジスタ19a,19bの共通のゲートを構成している。
In each of sub-blocks SB1U and SB2U, a word line WLU is provided corresponding to each row. In each of sub-blocks SB1D and SB2D, a word line WLD is provided corresponding to each row. Each word line WL (WLU or WLD) includes a plurality of ring portions. The plurality of ring portions are arranged corresponding to the plurality of memory cells MC in the corresponding row, respectively. Each ring portion of the word line WL forms a common gate of the two
また、左端のソース線SLは、隣接する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19bのソースに接続されている。中央のソース線SLは、隣接する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのソースに接続されている。右端のソース線SLは、隣接する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19aのソースに接続されている。各ソース線SLは、接地電圧VSSを受ける。
The leftmost source line SL is connected to the source of the
また、サブブロックSB1U,SB2Uの各々において、各補助配線ALUは、隣接する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのソースに接続されている。サブブロックSB1D,SB2Dの各々において、各補助配線ALDは、隣接する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのソースに接続されている。
In each of the sub-blocks SB1U and SB2U, each auxiliary wiring ALU is connected to the sources of the
すなわち、各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのゲートは対応のワード線WLに接続され、それらのドレインはともに磁気抵抗素子18を介して対応のビット線BLに接続され、それらのソースは隣接するソース線SLまたは補助配線ALに接続される。
That is, the gates of the
DLドライバ10は、PチャネルMOSトランジスタP1、NチャネルMOSトランジスタQ1、各補助配線ALUに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)20U、各補助配線ALDに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)20D、およびメモリブロックMB2のアクセストランジスタ19a,19bを含む。すなわち、メモリブロックMB2のアクセストランジスタ19a,19bは、DLドライバ10のドライバトランジスタを兼ねている。
The
PチャネルMOSトランジスタP1は、電源電圧VDD1のラインとノードN1との間に接続され、そのゲートは信号DLE1nを受ける。NチャネルMOSトランジスタQ1は、ノードN1と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号DLE1を受ける。 P-channel MOS transistor P1 is connected between a line of power supply voltage VDD1 and node N1, and has its gate receiving signal DLE1n. N-channel MOS transistor Q1 is connected between node N1 and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal DLE1.
ドライバトランジスタ20U,20Dは、メモリブロックMB1,MB2間のメモリブロックMB2側の領域A2に配置される。ドライバトランジスタ20UのドレインはメモリブロックMB2の対応の補助配線ALUに接続され、そのソースは接地電圧VSSを受ける。ドライバトランジスタ20DのドレインはメモリブロックMB2の対応の補助配線ALDに接続され、そのソースは接地電圧VSSを受ける。
信号DLE1n,DLE1がともに「L」レベルにされると、PチャネルMOSトランジスタP1が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ1が非導通になり、ノードN1に電源電圧VDD1が与えられる。また、メモリブロックMB1の選択されたディジット線DLに対応する補助配線AL(ALUまたはALD)に接続されたドライバトランジスタ20(20Uまたは20D)が導通状態にされる。 When signals DLE1n and DLE1 are both set to "L" level, P channel MOS transistor P1 is turned on and N channel MOS transistor Q1 is turned off, and power supply voltage VDD1 is applied to node N1. In addition, the driver transistor 20 (20U or 20D) connected to the auxiliary wiring AL (ALU or ALD) corresponding to the selected digit line DL of the memory block MB1 is turned on.
さらに、その補助配線ALに接続され、かつ選択されたディジット線DLに対応するメモリセル行のワード線WL(WLUまたはWLD)が選択レベルの「H」レベルにされて、そのワード線WLに対応する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bが導通状態し、その補助配線ALがアクセストランジスタ19a,19bを介してソース線SLに接続される。これにより、電源電圧VDD1のラインからメモリブロックMB1の選択されたディジット線DLおよびトランジスタ20(20Uまたは20D),19a,19bを介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。
Further, the word line WL (WLU or WLD) of the memory cell row connected to the auxiliary line AL and corresponding to the selected digit line DL is set to the “H” level of the selection level and corresponds to the word line WL. The
DLドライバ14は、PチャネルMOSトランジスタP2、NチャネルMOSトランジスタQ2、各補助配線ALUに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)22U、各補助配線ALDに対応して設けられたドライバトランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)22D、およびメモリブロックMB1のアクセストランジスタ19a,19bを含む。すなわち、メモリブロックMB1のアクセストランジスタ19a,19bは、DLドライバ14のドライバトランジスタを兼ねている。
The
PチャネルMOSトランジスタP2は、電源電圧VDD1のラインとノードN2との間に接続され、そのゲートは信号DLE2nを受ける。NチャネルMOSトランジスタQ2は、ノードN2と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号DLE2を受ける。 P-channel MOS transistor P2 is connected between a line of power supply voltage VDD1 and node N2, and has its gate receiving signal DLE2n. N channel MOS transistor Q2 is connected between node N2 and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal DLE2.
ドライバトランジスタ22U,22Dは、メモリブロックMB1,MB2間のメモリブロックMB1側の領域A1に配置される。ドライバトランジスタ22UのドレインはメモリブロックMB1の対応の補助配線ALUに接続され、そのソースは接地電圧VSSを受ける。ドライバトランジスタ22DのドレインはメモリブロックMB1の対応の補助配線ALDに接続され、そのソースは接地電圧VSSを受ける。
信号DLE2n,DLE2がともに「L」レベルにされると、PチャネルMOSトランジスタP2が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ2が非導通になり、ノードN2に電源電圧VDD1が与えられる。また、メモリブロックMB2の選択されたディジット線DLに対応する補助配線AL(ALUまたはALD)に接続されたドライバトランジスタ22(22Uまたは22D)が導通状態にされる。 When signals DLE2n and DLE2 are both set to "L" level, P channel MOS transistor P2 is turned on and N channel MOS transistor Q2 is turned off, and power supply voltage VDD1 is applied to node N2. In addition, the driver transistor 22 (22U or 22D) connected to the auxiliary wiring AL (ALU or ALD) corresponding to the selected digit line DL of the memory block MB2 is turned on.
さらに、その補助配線ALに隣接し、かつ選択されたディジット線DLに対応するメモリセル行のワード線WL(WLUまたはWLD)が選択レベルの「H」レベルにされて、そのワード線WLに対応する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bが導通状態し、その補助配線ALがアクセストランジスタ19a,19bを介してソース線SLに接続される。これにより、電源電圧VDD1のラインからメモリブロックMB1の選択されたディジット線DLおよびトランジスタ22(22Uまたは22D),19a,19bを介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。
Further, the word line WL (WLU or WLD) of the memory cell row adjacent to the auxiliary line AL and corresponding to the selected digit line DL is set to the “H” level of the selection level and corresponds to the word line WL. The
次に、このMRAMの動作について説明する。読出動作時およびスタンバイ動作時においては、図7および図8の信号DLE1n,DLE1,DLE2n,DLE2がともに「H」レベルにされる。これにより、PチャネルMOSトランジスタP1,P2が非導通にされるとともに、NチャネルMOSトランジスタQ1,Q2が導通し、全てのディジット線DLと全ての補助配線ALは接地電圧VSSとなる。また、ソース線SLは、常に接地電圧VSSである。したがって、各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bのソースは、接地電圧VSSにされる。
Next, the operation of this MRAM will be described. In read operation and standby operation, signals DLE1n, DLE1, DLE2n, and DLE2 in FIGS. 7 and 8 are all set to "H" level. As a result, P channel MOS transistors P1, P2 are rendered non-conductive, N channel MOS transistors Q1, Q2 are rendered conductive, and all digit lines DL and all auxiliary lines AL are at ground voltage VSS. Further, the source line SL is always at the ground voltage VSS. Therefore, the sources of the
読出動作時においては、サブブロックSB1U,SB1D,SB2U,SB2Dのうちの選択された1つのサブブロックSBに属する複数のワード線WLのうちの選択された1本のワード線WLが選択レベルの「H」レベルに立ち上げられる。これにより、選択されたワード線WLに対応する各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bが導通する。また、選択されたサブブロックSBに属する複数のビット線BLのうちの選択された1本のビット線BLに所定の電圧が印加されて、選択されたメモリセルMCの磁気抵抗素子18に流れる電流値が検出される。その電流値と参照電流値との高低が比較され、その比較結果に基いて、メモリセルMCの記憶データの論理が判別される。
In the read operation, one selected word line WL among the plurality of word lines WL belonging to one selected sub-block SB among the sub-blocks SB1U, SB1D, SB2U, and SB2D is selected at “ Launched to “H” level. Thereby, the
たとえば、メモリセルMCに流れる電流値が参照電流値よりも高い場合は、メモリセルMCの記憶データは「H」レベル(1)であると判別される。逆に、メモリセルMCに流れる電流値が参照電流値よりも低い場合は、メモリセルMCの記憶データは「L」レベル(0)であると判別される。 For example, when the value of the current flowing through memory cell MC is higher than the reference current value, it is determined that the storage data of memory cell MC is at “H” level (1). Conversely, when the value of the current flowing through the memory cell MC is lower than the reference current value, it is determined that the storage data of the memory cell MC is at the “L” level (0).
書込動作時において、サブブロックSB1U,SB1D,SB2U,SB2Dのうちの選択されたサブブロックに属する複数のメモリセルMCのうちの選択されたメモリセルMC(たとえば、図7の左端の一番上のメモリセルMC)にデータ信号を書き込む場合は、そのメモリセルMCに対応するディジット線DL(この場合、図7の左端のディジット線DL)に磁化電流を流す。 During the write operation, the selected memory cell MC (for example, the topmost left end in FIG. 7) of the plurality of memory cells MC belonging to the selected sub block of the sub blocks SB1U, SB1D, SB2U, and SB2D. When a data signal is written into the memory cell MC), a magnetizing current is passed through the digit line DL (in this case, the leftmost digit line DL in FIG. 7) corresponding to the memory cell MC.
この場合、そのディジット線DLに対応するドライバトランジスタ20Uを導通させるとともに、そのディジット線DLに対応するワード線WLU(選択されていない方のメモリブロックMB2のサブブロックSB2Uの左端のワード線WLU)を選択レベルの「H」レベルにし、そのワード線WLUに接続された各メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bを導通させる。このとき、サブブロックSB2Uの左端のワード線WLUに加え、その右側のワード線WLUも「H」レベルにして、電流駆動力を増大させてもよい。これにより、図8の左端の補助配線ALUが接地電圧VSSのラインに接続される。
In this case, the
この状態で、図3の信号DLE1n,DLE1をともに「L」レベルにすると、PチャネルMOSトランジスタP1が導通するとともにNチャネルMOSトランジスタQ1が非導通になる。これにより、電源電圧VDD1のラインからPチャネルMOSトランジスタP1、ノードN1、図7の左端のディジット線DL、図8の左端の補助配線ALUを介して接地電圧VSSのラインに磁化電流が流れる。 In this state, when signals DLE1n and DLE1 in FIG. 3 are both set to "L" level, P-channel MOS transistor P1 is turned on and N-channel MOS transistor Q1 is turned off. As a result, a magnetizing current flows from the power supply voltage VDD1 line to the ground voltage VSS line via the P-channel MOS transistor P1, the node N1, the leftmost digit line DL in FIG. 7, and the leftmost auxiliary line ALU in FIG.
次に、選択されたメモリセルMCに対応するビット線BL(この場合、図7の上端のビット線BL)に、書込データ信号の論理に応じた方向の書込電流を流すことにより、選択されたメモリセルMCにデータ信号を書き込むことができる。 Next, a selection is made by flowing a write current in a direction according to the logic of the write data signal to the bit line BL (in this case, the bit line BL at the upper end of FIG. 7) corresponding to the selected memory cell MC. A data signal can be written in the memory cell MC.
図9(a)は、サブブロックSB1Uのうちの4つのメモリセルMCのレイアウトを示す図であり、図9(b)は図9(a)のIXB−IXB線断面図である。図9(a)(b)において、シリコン基板31の表面に2本のワード線WLUが平行に形成される。各ワード線WLUは、Y方向に延在している。
FIG. 9A is a diagram showing a layout of four memory cells MC in the sub-block SB1U, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line IXB-IXB in FIG. 9A. 9A and 9B, two word lines WLU are formed on the surface of the
各ワード線WLUは、梯子状に形成されており、各々がY方向に延在する2本の配線部WLa,WLbと、各々がX方向に延在する複数の配線部WLcとを含む。各配線部WLcは、隣接する2つのメモリセル列の間に配置され、2本の配線部WLa,WLb間に接続されている。隣接する2本の配線部WLcと、その両側の2本の配線部WLa,WLbによってワード線WLUのリング部が形成される。ワード線WLUとシリコン基板31の表面との間には、ゲート酸化膜(図示せず)が形成されている。
Each word line WLU is formed in a ladder shape and includes two wiring parts WLa and WLb each extending in the Y direction and a plurality of wiring parts WLc each extending in the X direction. Each wiring portion WLc is arranged between two adjacent memory cell columns and connected between the two wiring portions WLa and WLb. A ring portion of the word line WLU is formed by the two adjacent wiring portions WLc and the two wiring portions WLa and WLb on both sides thereof. A gate oxide film (not shown) is formed between the word line WLU and the surface of the
2本のワード線WLUをマスクとして、シリコン基板31の表面に不純物拡散領域が形成される。各ワード線WLUにおいて、隣接する2つの配線部WLcと、その両側の2本の配線部WLa,WLbによって囲まれた矩形領域は、1つのメモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bの共通のドレインDとなる。
An impurity diffusion region is formed on the surface of the
隣接する2本のワード線WLUのうちの一方のワード線WLUの配線部WLaと他方のワード線WLUの配線部WLbとの間の領域は、隣接する2つのメモリセルMCのうちの一方のメモリセルMCのアクセストランジスタ19aのソースSと、他方のメモリセルMCのアクセストランジスタ19bのソースSとを兼ねた領域となり、対応のソース線SLを介して接地電圧VSSのラインに接続される。
An area between the wiring part WLa of one word line WLU and the wiring part WLb of the other word line WLU of two adjacent word lines WLU is a memory of one of the two adjacent memory cells MC. This region serves as both the source S of the
左端のワード線WLUの左側の領域は、アクセストランジスタ19bのソースSとなり、対応の補助配線ALUを介してメモリブロックMB2のディジット線DLに接続される。右端のワード線WLUの右側の領域は、アクセストランジスタ19aのソースSとなり、対応の補助配線(図示せず)を介してメモリブロックMB2のディジット線DLに接続される。
The area on the left side of the leftmost word line WLU becomes the source S of the
各隣接する2本のワード線WLの間の領域の上方に、Y方向に延在するディジット線DLが形成される。各アクセストランジスタ19a,19bのドレインDの上方から左側のディジット線DLの上方に架けて四角形の電極ELが形成される。各アクセストランジスタ19a,19bのドレインDと、その上方の電極ELとは、コンタクトホールCHによって接続される。電極ELとディジット線DLが上下に重なる各領域において、電極EL上に磁気抵抗素子18が形成される。磁気抵抗素子18は、ディジット線DLに磁化電流を流したときに磁気抵抗素子18の磁化困難軸方向に磁界が発生するように形成される。X方向に配列された各2つの磁気抵抗素子18の上に、X方向に延在するビット線BLが形成される。
A digit line DL extending in the Y direction is formed above a region between each adjacent two word lines WL. A square electrode EL is formed from above the drain D of each
選択されたディジット線DLに磁化電流を流すと、その上方の磁気抵抗素子18が半選択状態にされる。選択されたビット線BLに書込電流を流すと、その下の半選択状態にされた磁気抵抗素子18にデータ信号が書き込まれる。選択されたワード線WLを「H」レベルにするとアクセストランジスタ19a,19bが導通し、読出電圧が印加されたビット線BLから磁気抵抗素子18、電極EL、コンタクトホールCH、およびトランジスタ19a,19bを介してソース線SLに磁気抵抗素子18の抵抗値に応じた値の電流が流れる。
When a magnetizing current is passed through the selected digit line DL, the
この実施の形態2では、実施の形態1と同じ効果が得られる他、メモリセルMCのアクセストランジスタ19a,19bがDLドライバ10,14のドライバトランジスタを兼ねるのでレイアウト面積の低減化を図ることができる。
In the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the
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.
1 メモリアレイ、2 行デコーダ、3 列デコーダ、4 書込回路、5 読出回路、10,14 DLドライバ、11,12,15,16 BLドライバ、13,17 WLドライバ、18 磁気抵抗素子、19a,19b アクセストランジスタ、20〜23 ドライバトランジスタ、25,28 インバータ、P,26,29 PチャネルMOSトランジスタ、Q,27,30 NチャネルMOSトランジスタ、31 シリコン基板、A1,A2 領域、AL 補助配線、BL ビット線、CH コンタクトホール、D ドレイン、DL ディジット線、EL 電極、GL ゲート線、MB メモリブロック、MC メモリセル、S ソース、SB サブブロック、SL ソース線、WL ワード線。 1 memory array, 2 row decoder, 3 column decoder, 4 write circuit, 5 read circuit, 10, 14 DL driver, 11, 12, 15, 16 BL driver, 13, 17 WL driver, 18 magnetoresistive element, 19a, 19b access transistor, 20-23 driver transistor, 25, 28 inverter, P, 26, 29 P channel MOS transistor, Q, 27, 30 N channel MOS transistor, 31 silicon substrate, A1, A2 region, AL auxiliary wiring, BL bit Line, CH contact hole, D drain, DL digit line, EL electrode, GL gate line, MB memory block, MC memory cell, S source, SB sub-block, SL source line, WL word line.
Claims (1)
複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、それぞれ前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ前記複数行に対応して設けられた複数のディジット線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のビット線と、それぞれ前記複数のディジット線に対応して設けられた複数の補助配線とを含むメモリアレイを備え、
各ディジット線の一方端は対応の補助配線に接続され、
各メモリセルは、
その第1の電極が対応のビット線に接続され、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、
それらのドレインがともに前記磁気抵抗素子の第2の電極に接続され、それらのソースがそれぞれ基準電圧のラインおよび対応の補助配線に接続され、それらのゲートがともに対応のワード線に接続された第1および第2のアクセストランジスタとを有し、
さらに、前記複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルにデータ信号を書込む書込回路を備え、
前記書込回路は、
前記複数のディジット線のうちの選択されたディジット線の他方端と前記選択されたディジット線に対応する補助配線との間に所定の電圧を印加して磁化電流を流し、前記選択されたディジット線に対応する各メモリセルの前記磁気抵抗素子を半選択状態にするディジット線ドライバと、
前記複数のビット線のうちの選択されたビット線に前記データ信号に応じた方向の書込電流を流すビット線ドライバとを含む、半導体記憶装置。 A semiconductor memory device formed on the surface of a semiconductor substrate,
A plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, a plurality of digit lines provided corresponding to the plurality of rows, respectively, A memory array including a plurality of bit lines provided corresponding to a plurality of columns and a plurality of auxiliary wirings provided corresponding to the plurality of digit lines respectively.
One end of each digit line is connected to the corresponding auxiliary wiring,
Each memory cell
A magnetoresistive element whose first electrode is connected to a corresponding bit line and stores a data signal by a change in level of a resistance value;
Their drains are both connected to the second electrode of the magnetoresistive element, their sources are connected to the reference voltage line and the corresponding auxiliary wiring, respectively, and their gates are both connected to the corresponding word line. 1 and a second access transistor,
And a write circuit for writing a data signal to a selected memory cell of the plurality of memory cells.
The writing circuit includes:
Applying a predetermined voltage between the other end of the selected digit line of the plurality of digit lines and the auxiliary wiring corresponding to the selected digit line to flow a magnetizing current, and the selected digit line A digit line driver that makes the magnetoresistive element of each memory cell corresponding to the half-selected state,
And a bit line driver that causes a write current in a direction according to the data signal to flow through a selected bit line of the plurality of bit lines.
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US9281344B2 (en) | 2014-02-04 | 2016-03-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Magnetic memory device |
EP3852161A1 (en) * | 2020-01-16 | 2021-07-21 | United Microelectronics Corp. | Layout pattern for magnetoresistive random access memory |
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