JP2013242960A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To read a memory cell at high speed by large current while preventing read disturbance of the memory cell using a spin injection magnetization reversal.SOLUTION: A semiconductor device comprises: a plurality of word lines WL; a plurality of bit lines BL; a plurality of memory cells MC; readout circuits SA and LA which read information from selected memory cells; and rewriting circuits WD1 and WD2 which perform rewriting to the selected memory cells on the basis of the information which the readout circuits SA and LA read. Periods when the readout circuits SA and LA read the information from the selected memory cells are shorter than periods when the rewriting circuits WD1 and WD2 write the information in the selected memory cells on the basis of the information which the readout circuits SA and LA have read.

Description

本発明は、半導体装置に係わり、特に、磁気抵抗変化を利用したメモリセルアレーにおいて、高速読み出し方式、または、読み出しディスターブフリーとする方式に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a high-speed read method or a read disturb-free method in a memory cell array using magnetoresistance change.

不揮発性メモリのなかで、磁気抵抗変化を利用したメモリであるMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)やSPRAM(Spin Transfer Torque RAM、スピン注入RAM)は、高速動作が可能であり、かつ、実用上無限回の書き換え可能な不揮発RAMとしての可能性がある。   Among non-volatile memories, MRAM (Magnetic Resistive Random Access Memory) and SPRAM (Spin Transfer Torque RAM, spin injection RAM), which use magnetoresistive changes, are capable of high-speed operation and are practically infinite. As a rewritable nonvolatile RAM.

非特許文献1や非特許文献2に示されるSPRAMのセルは、図60(a)の回路図に示すように、1つのトンネル磁気抵抗素子TMRと選択トランジスタMCT、ワード線WLとビット線BL、ソース線SLからなる。図60(b)にその断面構造例を示す。トンネル磁気抵抗素子TMRには、図61に示すように、少なくとも2つの磁性層があり、1つは、スピンの向きが固定されている固定層PL、他方は、スピンの向きが固定層に対して、平行状態、反平行状態の2状態をとる自由層FLからなる。これらの膜の間にはトンネル障壁膜TBがある。情報の記憶は、この自由層のスピンの向きで記憶し、図61(a)の固定層に対して反平行状態(AP)ではトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗が高抵抗状態となり、図61(b)の平行状態(P)で低抵抗状態となる。これを情報の”0”と”1”に割り当てる。読み出し動作では、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗の大小を読み取り、記憶された情報を得る。書き換え動作では、固定層PL、トンネル障壁膜TB、自由層FLが積層された方向に垂直な方向の電流によって、自由層のスピンの向きを制御できる。   As shown in the circuit diagram of FIG. 60A, the SPRAM cell shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 includes one tunnel magnetoresistive element TMR, a select transistor MCT, a word line WL, a bit line BL, It consists of a source line SL. FIG. 60B shows an example of the cross-sectional structure. As shown in FIG. 61, tunnel magnetoresistive element TMR has at least two magnetic layers, one is fixed layer PL in which the spin direction is fixed, and the other is spin direction with respect to the fixed layer. The free layer FL has two states, a parallel state and an antiparallel state. There is a tunnel barrier film TB between these films. Information is stored in the direction of the spin of the free layer. In the antiparallel state (AP) with respect to the fixed layer of FIG. 61A, the electric resistance of the tunnel magnetoresistive element becomes a high resistance state, and FIG. In the parallel state (P) of b), the low resistance state is obtained. This is assigned to information “0” and “1”. In the read operation, the magnitude of the resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR is read to obtain stored information. In the rewrite operation, the spin direction of the free layer can be controlled by a current in a direction perpendicular to the direction in which the fixed layer PL, tunnel barrier film TB, and free layer FL are stacked.

すなわち、固定層PLから自由層FLの向きに電流を流すと、自由層FLへは、この層の磁化の向きを固定層PLと逆の向きにする方向のスピンを持った電子が主に流れる。このため、この電流値が一定のしきい値を越すと、固定層PLと自由層FLの磁化の向きは反平行となる。逆に、自由層FLから固定層PLへの向きに電流を流すと、自由層FLへは、この層の磁化の向きを固定層PLと同じ向きのスピンを持った電子が主に流れる。この電流値が一定のしきい値を越すと、固定層PLと自由層FLの磁化の向きは平行となる。すなわち、このメモリでは、情報”0”と”1”とを電流の向きで書き分けられる。この方式を用いると、書き換えに必要な電流(しきい値)がトンネル磁気抵抗素子TMRの大きさに比例するため、微細化と共に書換え電流が低減でき、スケーラビリティの点で優れる。トンネル障壁膜TBとしては、MgOなどが用いられる。   That is, when a current is passed from the fixed layer PL in the direction of the free layer FL, electrons having a spin in the direction that makes the magnetization direction of the layer opposite to the fixed layer PL mainly flow to the free layer FL. . For this reason, when the current value exceeds a certain threshold value, the magnetization directions of the fixed layer PL and the free layer FL become antiparallel. On the other hand, when a current flows in the direction from the free layer FL to the fixed layer PL, electrons having a spin in the same direction as the fixed layer PL flow mainly in the free layer FL. When this current value exceeds a certain threshold value, the magnetization directions of the fixed layer PL and the free layer FL become parallel. That is, in this memory, the information “0” and “1” can be written in the direction of current. When this method is used, the current (threshold) required for rewriting is proportional to the size of the tunnel magnetoresistive element TMR, so that the rewriting current can be reduced along with miniaturization, which is excellent in terms of scalability. MgO or the like is used as the tunnel barrier film TB.

また、特許文献1の図13には、書き換え時間とその時に必要な書き換え電流の関係を示した実験結果が記載されている(本願の図62に特許文献1の図13を示す(一部符号の変更を加えている。))。特許文献1の図13(本願の図62)によると、トンネル磁気抵抗素子TMRは、書き換え時間を短くすると書き換えるために必要となる電流値が増加する。この性質を利用して、読み出し時にトンネル磁気抵抗素子TMRに流す電流の時間をt1とし、書き換え動作時にトンネル磁気抵抗素子TMRに流す電流の時間t2よりも短くし、その電流値はi1と同程度にすることで、読み出し/書き換えを区別する発明が特許文献1には記載されている。   FIG. 13 of Patent Document 1 describes experimental results showing the relationship between the rewriting time and the rewriting current necessary at that time (FIG. 62 of this application shows FIG. 13 of Patent Document 1 (partial reference numerals). ))). According to FIG. 13 of Patent Document 1 (FIG. 62 of the present application), the tunnel magnetoresistive element TMR increases the current value necessary for rewriting when the rewriting time is shortened. Utilizing this property, the time of the current flowing through the tunnel magnetoresistive element TMR at the time of reading is set to t1, which is shorter than the time t2 of the current flowing through the tunnel magnetoresistive element TMR during the rewriting operation, and the current value is about the same as i1. Thus, Patent Document 1 discloses an invention that distinguishes reading / rewriting.

特開2007−310949号公報JP 2007-310949 A

2009 Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers, pp.84-85, June 2009.2009 Symposium on VLSI Circuits, Digest of Technical Papers, pp.84-85, June 2009. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 43, pp. 109-120, January 2008IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 43, pp. 109-120, January 2008

しかしながら、スケーリング(微細化)が進むにつれて、このメモリの特徴であるが、書き換え電流が減少する。この時、読み出し電流について課題が生じる。つまり、書き換え時と同様に読み出し時にもトンネル磁気抵抗素子に電流を流すため、この電流によってメモリセルの状態が影響を受ける。これを読み出しディスターブと呼ぶ。読み出しディスターブとは、読み出し動作において、弱い書き換え動作が起こってしまい、書き込まれているデータが変わってしまう、又は、変わってしまわなくとも変わり易い不安定な状態に変化する現象を指す。これを避けるために、一般には読み出し電流は、書き換え電流よりも十分に低く設定する。   However, as scaling (miniaturization) progresses, the rewrite current decreases, which is a feature of this memory. At this time, a problem arises regarding the read current. That is, since the current flows through the tunnel magnetoresistive element during reading as well as during rewriting, the state of the memory cell is affected by this current. This is called a read disturb. The read disturb refers to a phenomenon in which a weak rewrite operation occurs in a read operation and the written data changes or changes to an unstable state that is easily changed even if it does not change. In order to avoid this, the read current is generally set sufficiently lower than the rewrite current.

しかしながら、スケーリングが進むにつれて書き込み電流を小さくできることは、読み出し電流もまた小さくなることを意味する。即ち、スケーリングが進むと図62に示すように書き換えに必要な電流が全体的に下の方向にシフトする((a)から(b)の曲線にシフトする)。この時に特許文献1のように書き換え時間により読み出し/書き換えを区別するようにすると、時間t1を十分に短くしt1’とするか、読み出し電流i1を十分に小さくしi1’とする必要がある。しかしながら、時間を短くすることは、駆動回路のトランジスタの特性により実現できない可能性がある。一方、読み出し電流を小さくすることは、高速な読み出しが難しくなるという問題がある。スケーラビリティが優れているというこのメモリ素子の特徴を活かすにはこの課題を解決する必要がある。   However, the ability to reduce the write current as scaling progresses means that the read current also decreases. That is, as scaling progresses, the current required for rewriting shifts downward as a whole as shown in FIG. 62 (shifts from curve (a) to curve (b)). At this time, if the reading / rewriting is distinguished by the rewriting time as in Patent Document 1, it is necessary to sufficiently shorten the time t1 to t1 'or to sufficiently reduce the reading current i1 to i1'. However, shortening the time may not be realized due to the characteristics of the transistors in the driver circuit. On the other hand, reducing the read current has a problem that high-speed reading becomes difficult. It is necessary to solve this problem in order to take advantage of the feature of this memory element that is excellent in scalability.

本発明で示す代表的な手段は下記である。即ち、複数のワード線と、前記複数のワード線と直交する方向配線される複数のビット線と、前記複数のワード線と前記複数のビット線の所定の交点に配置される複数のメモリセルと、前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルから情報を読み出す読み出し回路と、前記読み出し回路が読み出した情報に基づいて、前記選択されたメモリセルに書き換えを行う書き換え回路とを有し、前記複数のメモリセルの夫々は、トンネル膜と固定層と自由層とが積層されたトンネル磁気抵抗素子と、そのゲートが前記複数のワード線のうち対応する一つに接続され、そのドレインが前記トンネル磁気抵抗素子の前記固定層側に接続されるMOSFETと、を有し、前記トンネル磁気抵抗素子の前記自由層側は、前記複数のビット線のうち対応する一つに接続され、前記固定層は、前記トンネル膜に隣接して配置され電子スピンの向きが所定の方向に固定され、前記自由層は、前記トンネル膜の固定層に隣接する面に対向する面で隣接して、電子スピンの向きが前記固定層に対して平行、反平行のいずれかをとり、前記読み出し回路が前記選択されたメモリセルから情報を読み出す期間は、前記書き換え回路が前記読み出し回路が読み出した情報に基づいて前記選択されたメモリセルに情報を書き込む期間より短いことを特徴とする。   Representative means shown in the present invention are as follows. A plurality of word lines; a plurality of bit lines wired in a direction orthogonal to the plurality of word lines; and a plurality of memory cells disposed at predetermined intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines; A read circuit that reads information from a selected memory cell among the plurality of memory cells, and a rewrite circuit that rewrites the selected memory cell based on information read by the read circuit, Each of the plurality of memory cells includes a tunnel magnetoresistive element in which a tunnel film, a fixed layer, and a free layer are stacked, a gate connected to a corresponding one of the plurality of word lines, and a drain connected to the tunnel A MOSFET connected to the fixed layer side of the magnetoresistive element, and the free layer side of the tunnel magnetoresistive element corresponds to the plurality of bit lines. The fixed layer is disposed adjacent to the tunnel film, the direction of electron spin is fixed in a predetermined direction, and the free layer faces the surface of the tunnel film adjacent to the fixed layer. Adjacent to each other in a plane, the direction of electron spin is either parallel or anti-parallel to the fixed layer, and the read circuit reads the information from the selected memory cell while the read circuit reads information from the selected memory cell. The period is shorter than a period of writing information to the selected memory cell based on information read by the circuit.

読み出しディスターブの影響は著しく軽減される。また、書き換えに必要な電流は、パルス幅に依存にする。よって、短いパルス幅、すなわち短いパルス印加時間であればTMRの状態を変えることなく読み出し動作が可能となる。このため、スケーリングで書き換え電流が減少しても高速な読み出しが可能となる。この結果、スケーリングで書き換え電流が減少しても高速な読み出しが可能となる。   The effect of read disturb is significantly reduced. Further, the current required for rewriting depends on the pulse width. Therefore, a read operation can be performed without changing the TMR state if the pulse width is short, that is, if the pulse application time is short. For this reason, high-speed reading is possible even if the rewrite current is reduced by scaling. As a result, high-speed reading is possible even if the rewrite current is reduced by scaling.

本発明の第1の実施例を示す概略的な回路ブロック図である。1 is a schematic circuit block diagram showing a first embodiment of the present invention. 図1の回路ブロック図の第1の動作例である。FIG. 3 is a first operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の第1の動作例である。FIG. 3 is a first operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の第2の動作例である。FIG. 6 is a second operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の第2の動作例である。FIG. 6 is a second operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の第3の動作例である。FIG. 6 is a third operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の第3の動作例である。FIG. 6 is a third operation example of the circuit block diagram of FIG. 1. FIG. 図1の回路ブロック図の詳細な回路図である。FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the circuit block diagram of FIG. 1. 図5の回路図の動作例である。6 is an operation example of the circuit diagram of FIG. 5. 本発明の実施例を用いた時のメモリセルの抵抗の時間変化の実験結果の模式図である。It is a schematic diagram of the experimental result of the time change of the resistance of a memory cell when the Example of this invention is used. 実験結果の模式図に図2の動作に対応した電流と時間を書き加えた図である。It is the figure which added the electric current and time corresponding to the operation | movement of FIG. 2 to the schematic diagram of an experimental result. 本発明の実施例を用いた他の実験結果の模式図である。It is a schematic diagram of the other experiment result using the Example of this invention. 温度を考慮した実験結果の模式図に図2の動作に対応した電流と時間を書き加えた図である。It is the figure which added the electric current and time corresponding to the operation | movement of FIG. 2 to the schematic diagram of the experimental result which considered temperature. トランジスタ又は微細化加工ルールの世代毎の本発明の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the Example of this invention for every generation of a transistor or a refinement | miniaturization process rule. トランジスタ又は微細化加工ルールの世代毎の本発明の他の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the other Example of this invention for every generation of a transistor or a refinement | miniaturization process rule. 本発明の第2の実施例を示す概略的な回路ブロック図である。It is a schematic circuit block diagram which shows the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例を示す概略的な回路ブロック図である。It is a schematic circuit block diagram which shows the 3rd Example of this invention. 図14の回路ブロック図の動作例である。FIG. 15 is an operation example of the circuit block diagram of FIG. 14. FIG. 図14の回路ブロック図の動作例である。FIG. 15 is an operation example of the circuit block diagram of FIG. 14. FIG. 本発明の第4の実施例を示す概略的な回路ブロック図である。It is a schematic circuit block diagram which shows the 4th Example of this invention. 図16の回路ブロック図の動作例である。FIG. 17 is an operation example of the circuit block diagram of FIG. 16. FIG. 本発明の第5の実施例を示す概略的な回路ブロック図である。It is a schematic circuit block diagram which shows the 5th Example of this invention. 図18の回路ブロック図の動作例である。FIG. 19 is an operation example of the circuit block diagram of FIG. 18. FIG. 本発明の第1の実施例から第5の実施例で適用されるメモリセルアレーを示す図である。It is a figure which shows the memory cell array applied in the 1st Example to the 5th Example of this invention. 図20のメモリセルアレーを制御するチップ制御回路を示した図である。FIG. 21 is a diagram showing a chip control circuit for controlling the memory cell array of FIG. 20. 図21の動作例である。It is the operation example of FIG. 本発明の第1の実施例から第5の実施例に適用されるメモリセルアレーの断面構造例と回路図を示す図である。It is a figure which shows the example of a cross-section of a memory cell array applied to the 1st Example to the 5th Example of this invention, and a circuit diagram. 本発明の第1の実施例から第5の実施例に適用されるメモリセルアレーの他の断面構造例と回路図を示す図である。It is a figure which shows the other cross-sectional structure example and circuit diagram of the memory cell array applied to the 1st Example to the 5th Example of this invention. TMR素子部分の構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a TMR element part. TMR素子部分の他の構造例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of a TMR element part. メモリセルアレーのレイアウト例を示す図である。It is a figure which shows the example of a layout of a memory cell array. 図27のA−A’間の断面図と周辺回路の断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing between A-A 'of FIG. 27, and sectional drawing of a peripheral circuit. 図27のB−B’間の断面図、C−C’間の断面図を示す図である。It is a figure which shows sectional drawing between B-B 'of FIG. 27, and sectional drawing between C-C'. メモリセルアレーの他の断面構造例を示す図である。It is a figure which shows the other cross-sectional structure example of a memory cell array. 図30のメモリセルアレーの平面図例を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing an example of a plan view of the memory cell array of FIG. 30. TMR素子抵抗−電流特性の温度特性例を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic example of a TMR element resistance-current characteristic. TMR素子抵抗の温度特性例を示す図である。It is a figure which shows the temperature characteristic example of a TMR element resistance. 読み出し動作に用いるVrefを実現する参照セルの実現方法を示す図である。It is a figure which shows the implementation | achievement method of the reference cell which implement | achieves Vref used for read-out operation. 図34の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of FIG. メモリセルと周辺回路の断面構造例を示す図である。It is a figure which shows the example of a cross-section of a memory cell and a peripheral circuit. メモリセルと周辺回路の他の断面構造例を示す図である。It is a figure which shows the other cross-sectional structure example of a memory cell and a peripheral circuit. 本発明を用いたプロセッサシステム例を示す図である。It is a figure which shows the example of a processor system using this invention. TMR素子を有したフリップフロップであるSP−FFの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of SP-FF which is a flip-flop which has a TMR element. 図39の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of FIG. 断面構造例やプロセッサシステム例で用いる内部電源発生回路例を示す図である。It is a figure which shows the example of an internal power generation circuit used in the cross-section structure example and the processor system example. 本発明を用いたプロセッサシステムの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the processor system using this invention. 図42の動作例を示す図である。FIG. 43 is a diagram illustrating an operation example of FIG. 42. 可変論理ユニットを構成する時のスイッチ素子回路例を示す図である。It is a figure which shows the switch element circuit example at the time of comprising a variable logic unit. 図44の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of FIG. スイッチ素子回路記号例を示す図である。It is a figure which shows the example of a switch element circuit symbol. TMRスイッチアレー例を示す図である。It is a figure which shows a TMR switch array example. TMRスイッチを用いたAND−OR面例を示す図である。It is a figure which shows the example of AND-OR surface using a TMR switch. 可変論理ユニットの第1の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 1st structural example of a variable logic unit. 可変論理ユニットの第2の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd structural example of a variable logic unit. 可変論理ユニットの第3の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd structural example of a variable logic unit. 可変論理ユニットの第4の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 4th structural example of a variable logic unit. 可変論理ユニット動作例を示す図である。It is a figure which shows the variable logic unit operation example. LSIシステム例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an LSI system. 携帯機器システム例を示す図である。It is a figure which shows the example of a portable device system. ボードシステム例を示す図である。It is a figure which shows the board system example. マルチチップパッケージ例を示す図である。It is a figure which shows the example of a multichip package. ネットワークプロセッサ例を示す図である。It is a figure which shows the example of a network processor. コンピューティング構造比較例を示す図である。It is a figure which shows the example of a computing structure comparison. 従来構造例Conventional structure example 従来構造のTMR素子構成例Example of TMR element configuration with conventional structure 特許文献1の図13、及び、その課題を示した図である。It is the figure which showed FIG. 13 of patent document 1, and the subject.

本発明の第1の実施例を図1及び図2A,Bを用いて説明する。まず、図1を用いて本実施例の構成を説明する。メモリセルアレーの主要な部分のメモリセルMCは、選択トランジスタ(MOSFET)MCTと、記憶されている情報に応じて異なる抵抗を取る可変抵抗素子TMRとからなる。これらは、ビット線BL,ソース線SLとの間に直列に接続された配置されており、MCTはワード線WLによって制御される。SAはセンスアンプであり、ビット線BLと接続されており、SAの活性化信号がSAEである。センスアンプSAは、参照電圧Vrefとビット線BLの電圧を比較し、その電圧差を増幅する。IOは、後述するビット線BLに読み出された信号をSAで増幅した結果を、カラム選択信号YSで制御されるスイッチS1を介して、チップ又はメモリブロックの外へ出力する回路へ伝える信号であると共に、YSで制御されるS1を介してメモリセルに書き込む信号をSAに伝える信号である。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2A and 2B. First, the configuration of this embodiment will be described with reference to FIG. The memory cell MC of the main part of the memory cell array includes a selection transistor (MOSFET) MCT and a variable resistance element TMR that takes different resistances according to stored information. These are arranged in series between the bit line BL and the source line SL, and the MCT is controlled by the word line WL. SA is a sense amplifier connected to the bit line BL, and the SA activation signal is SAE. The sense amplifier SA compares the reference voltage Vref and the voltage of the bit line BL, and amplifies the voltage difference. IO is a signal that conveys the result of amplifying a signal read to the bit line BL described later with SA to a circuit that outputs the result to the outside of the chip or the memory block via the switch S1 controlled by the column selection signal YS. In addition, it is a signal for transmitting a signal to be written to the memory cell to SA via S1 controlled by YS.

LAは、SAで増幅された又はIOから取り込まれた信号の結果が出力されるSAOの信号をラッチするラッチ回路である。LAの出力がLA1及びLA2であり、一般には相補信号である。これは、書き込みドライバであるWD1とWD2へ入力している。WD1とWD2は、書き込み活性化信号WEによって活性化される。WD1はビット線BLを駆動し、WD2はソース線SLを駆動し、書き換え時にはこれによってメモリセルMCに流す電流の向きと大きさを制御する。なお、後述のように、読み出し時の電流の向きが、その時の書き込み信号にディスターブを与えない向きの場合は、再書き込みを行なわない動作もある。   LA is a latch circuit that latches the SAO signal to which the result of the signal amplified by SA or taken in from IO is output. The outputs of LA are LA1 and LA2, and are generally complementary signals. This is input to the write drivers WD1 and WD2. WD1 and WD2 are activated by a write activation signal WE. WD1 drives the bit line BL, and WD2 drives the source line SL, which controls the direction and magnitude of the current flowing through the memory cell MC during rewriting. As will be described later, when the direction of the current at the time of reading is such that the disturb is not given to the write signal at that time, there is an operation in which rewriting is not performed.

図2AとBに本発明の動作例を示す。読み出し動作と共に再書き込み動作を行う例である。ワード線WLの信号で低レベルは0であり、高レベルがV1である。再書き込み動作の時は、ビット線BLとソース線SLも共に、低レベルは0であり、高レベルがV1である。このV1はここでは、3つの信号線で同一としたが異なっていても良い。例えば、ワード線WLの高レベルは、他のビット線BL,ソース線よりも高くても良い。また、読み出し動作の時のビット線のプリチャージ電圧はV2であり、ここでは、V1よりも低い電位とする。従来例で述べたように、情報”0”と“1”の書き分けは電流の向きによって行なう。まず図2Aは、読み出すメモリセルのTMRの状態が反平行状態であり、高い抵抗を持った場合の例である。ビット線はV2にプリチャージされ、ソース線SLは0のままである。このセルが選択されるとワード線WLが0からV1のレベルとなる。この結果、ビット線にメモリセルの情報が読み出される。一定の時間t1の後、SAEが0よりV1に切り替わり、センスアンプSAが活性化され読み出された信号は増幅される。この時、メモリセルの抵抗は高抵抗であるので、ビット線の電位は、参照信号電圧Vrefよりも高い。このため、この例ではSAOでは高レベルV1となり、これがラッチ回路LAにてラッチされる。読み出しを行なっている時間である、t1とSAによる増幅、及びLAにてラッチされるまでの時間の総和は、書き換え時間より短く、例えば10nsである。   2A and 2B show an operation example of the present invention. This is an example of performing a rewrite operation together with a read operation. In the signal of the word line WL, the low level is 0 and the high level is V1. During the rewrite operation, both the bit line BL and the source line SL have a low level of 0 and a high level of V1. The V1 is the same for the three signal lines here, but may be different. For example, the high level of the word line WL may be higher than other bit lines BL and source lines. In addition, the precharge voltage of the bit line at the time of the read operation is V2, which is a potential lower than V1 here. As described in the conventional example, the writing of information “0” and “1” is performed according to the direction of current. First, FIG. 2A shows an example in which the TMR state of the memory cell to be read is antiparallel and has a high resistance. The bit line is precharged to V2, and the source line SL remains at 0. When this cell is selected, the word line WL goes from 0 to V1. As a result, the memory cell information is read out to the bit line. After a certain time t1, SAE is switched from 0 to V1, the sense amplifier SA is activated, and the read signal is amplified. At this time, since the resistance of the memory cell is high, the potential of the bit line is higher than the reference signal voltage Vref. For this reason, in this example, the SAO has a high level V1 and is latched by the latch circuit LA. The sum of the time during which reading is performed, the amplification by t1 and SA, and the time until latching by LA is shorter than the rewrite time, for example, 10 ns.

読み出し信号はラッチ回路LAにてラッチされると、YSが選択されて、これが制御するスイッチS1がオンし、IOに読み出された信号を伝える。並行して、LAの相補的な出力であるLA1とLA2は図に示すようにLA1は高レベルV1となり、LA2は0のままである。ここで、書き込みドライバWD1とWD2の活性化信号であるWEが高レベルV1となり、ビット線BLとソース線SLに、読み出し信号と同じ信号を書き込む信号が印加される。つまり、ビット線BLは0となり、ソース線SLは高レベルV1となる。これによって、ソース線SLよりビット線BLに電流が流れ、TMRの状態は読み出し前の状態に再書き込みされることになる。これによって、読み出しの時に与えられたディスターブはリセットされることになる。   When the read signal is latched by the latch circuit LA, YS is selected, the switch S1 controlled by this is turned on, and the read signal is transmitted to the IO. In parallel, LA1 and LA2 which are complementary outputs of LA are at the high level V1 and LA2 remains 0 as shown in the figure. Here, the activation signal WE of the write drivers WD1 and WD2 becomes the high level V1, and a signal for writing the same signal as the read signal is applied to the bit line BL and the source line SL. That is, the bit line BL becomes 0, and the source line SL becomes the high level V1. As a result, a current flows from the source line SL to the bit line BL, and the TMR state is rewritten to the state before reading. As a result, the disturbance given at the time of reading is reset.

このように、本発明では、その後この読み出された信号と同じ情報を書き込むため、読み出し時のディスターブはリセットされメモリセルは安定な状態となるという特徴がある。また、センスアンプに取り込まれた後では、読み出し電流でメモリセルの情報が破壊されても本発明では再書き込みを行なうため、本来の情報が失われることはない。よって、書き換えを生じさせないための読み出し電流のマージンを取る必要がなくなり、比較的大きな電流で読み出しを行なうことができ、高速で読み出すことができるという特徴がある。   Thus, the present invention is characterized in that since the same information as the read signal is written thereafter, the disturb at the time of reading is reset and the memory cell becomes stable. In addition, after being taken in by the sense amplifier, even if the information in the memory cell is destroyed by the read current, rewriting is performed in the present invention, so that the original information is not lost. Therefore, there is no need to provide a read current margin for preventing rewriting, and it is possible to perform reading with a relatively large current and to perform reading at high speed.

図2Bは、読み出された信号が図2Aと逆であった場合である。同様に、ビット線BLがV2にプリチャージされてワード線WLが選択されて読み出しが始まるが、ここではメモリセル中のTMR状態は平行状態であり、その抵抗値は小さい。よって、一定の時間t1後では、ビット線BLの電位は参照信号電圧Vrefよりも低い。これがセンスアンプSAで増幅され、その結果がラッチLAへ伝わり、この情報に基づいて書き換えドライバWD1とWD2が動作する。すなわちWEが切り替わると、ビット線BLを高レベルV1に、ソース線SLを0に駆動する。これによって、ビット線BLよりソース線SLに電流が流れ、TMRの状態は読み出し時の状態に再書き込みされることになる。読み出し後には、図2Aで説明したのと同様に、YSが選択されて、これが制御するスイッチS1がオンし、IOに読み出された信号を伝える。特徴は、図2Aと同様である。読み出しの時に与えられたディスターブはリセットされることになる。   FIG. 2B shows a case where the read signal is the reverse of FIG. 2A. Similarly, the bit line BL is precharged to V2 and the word line WL is selected to start reading, but here the TMR state in the memory cell is a parallel state and its resistance value is small. Therefore, after a certain time t1, the potential of the bit line BL is lower than the reference signal voltage Vref. This is amplified by the sense amplifier SA, the result is transmitted to the latch LA, and the rewrite drivers WD1 and WD2 operate based on this information. That is, when WE is switched, the bit line BL is driven to the high level V1 and the source line SL is driven to 0. As a result, a current flows from the bit line BL to the source line SL, and the TMR state is rewritten to the state at the time of reading. After reading, YS is selected as described with reference to FIG. 2A, the switch S1 controlled by this is turned on, and the read signal is transmitted to the IO. Features are the same as in FIG. 2A. The disturb given at the time of reading is reset.

このように、本発明では、比較的大きな電流で読み出しを行なうことができる。なお、TMR構造に従って、再書き込み時の電流の向き、すなわちビット線BLとソース線SLの電位関係は、本実施例の逆向きとしてもよい。   Thus, in the present invention, reading can be performed with a relatively large current. Note that according to the TMR structure, the direction of current at the time of rewriting, that is, the potential relationship between the bit line BL and the source line SL may be opposite to that of the present embodiment.

図3A及び図3Bは、書き込みの動作例である。この例では、IOの信号をYSで制御されるスイッチS1を介して、センスアンプSAに取り込み、これをラッチ回路LAでラッチして、ラッチ回路LAの出力に従い書き込みドライバWD1とWD2とを駆動することによりメモリセルへ信号を書き込む。図3AとBは、メモリセルに書き込む情報“1”と“0”に応じて、IOの信号が異なることに対応した例である。図3Aは、例えば、“0”の書き込みに当たり、この時,スイッチS1で信号を取り込む時のIOの信号は、V1である。この信号がセンスアンプSAに入力し、SAEの信号でSAが活性化すると、対応した信号がSAOに現れる。この信号がラッチ回路LAでラッチされ、対応した出力がLA1とLA2に現れる。すなわち、LA1がV1であり、LA2が0である。これと共にWEが切り変わり、書き込みドライバWD1とWD2が動作して、ビット線BLとソース線SLとを駆動し、メモリセルに情報を書き込む。ソース線SLがV1となっており、ビット線BLは0である。図3Bは、“1”の書き込みに当たり、この時,スイッチS1で信号を取り込む時のIOの信号は、0である。この信号がセンスアンプSAで増幅され、ラッチ回路LAに取り込まれ、図3Aとは逆の極性をLA1とLA2に与える。すなわち、今度はLA1が0であり、LA2がV1である。対応して、ソース線SLが0、ビット線BLがV1となり、これによってメモリセルに情報が書き込まれる。   3A and 3B show an example of writing operation. In this example, the IO signal is taken into the sense amplifier SA via the switch S1 controlled by YS, latched by the latch circuit LA, and the write drivers WD1 and WD2 are driven according to the output of the latch circuit LA. Thus, a signal is written to the memory cell. FIGS. 3A and 3B are examples corresponding to different IO signals depending on the information “1” and “0” written in the memory cell. In FIG. 3A, for example, when writing “0”, at this time, the IO signal when the signal is taken in by the switch S1 is V1. When this signal is input to the sense amplifier SA and the SA is activated by the SAE signal, a corresponding signal appears in the SAO. This signal is latched by the latch circuit LA, and corresponding outputs appear at LA1 and LA2. That is, LA1 is V1 and LA2 is 0. At the same time, the WE is switched and the write drivers WD1 and WD2 operate to drive the bit line BL and the source line SL and write information into the memory cell. The source line SL is V1, and the bit line BL is 0. FIG. 3B shows the writing of “1”. At this time, the IO signal when the signal is taken in by the switch S1 is 0. This signal is amplified by the sense amplifier SA and taken into the latch circuit LA, and gives the opposite polarity to LA1 and LA2 as shown in FIG. 3A. That is, LA1 is now 0 and LA2 is V1. Correspondingly, the source line SL becomes 0 and the bit line BL becomes V1, whereby information is written in the memory cell.

図4A及び図4Bは、図1のメモリセルアレーの主要な部分の他の動作例である。この例では、図2の例とは異なり、ビット線BLのプリチャージ電圧が、再書き込み時の電圧と同じくV1である。これによって電源の種類を減らすことができる。また、回路構成によってはビット線BLを制御する回路を簡単にすることができる。本実施例でも、読み出し時に、メモリセルに電流を流す時間を短くすることにより、メモリセルの情報を壊さずにその書き込み情報を読み出すことができ、これをセンスアンプSAで増幅し、その結果をラッチLAに取り込み、書き込みドライバWD1とWD2とで、ビット線BLとソース線SLに再書き込みに必要な電圧を与えることができる。なお、IO線への信号の読み出し波形は省略しているが、センスアンプに読み出された後の、S1を制御しての読み出しは、図2と同じである。   4A and 4B show another example of the operation of the main part of the memory cell array of FIG. In this example, unlike the example of FIG. 2, the precharge voltage of the bit line BL is V1 like the voltage at the time of rewriting. As a result, the types of power supplies can be reduced. Further, a circuit for controlling the bit line BL can be simplified depending on the circuit configuration. Also in this embodiment, by shortening the time for supplying current to the memory cell at the time of reading, the write information can be read without destroying the information of the memory cell, and this is amplified by the sense amplifier SA, and the result is obtained. The voltage required for rewriting can be applied to the bit line BL and the source line SL by the latch LA and the write drivers WD1 and WD2. Note that the readout waveform of the signal to the IO line is omitted, but the readout by controlling S1 after the readout to the sense amplifier is the same as in FIG.

図4Aと図4Bとは、メモリセルに書き込まれている情報が異なっているが、一定の時間t1後に、ビット線の電位が、参照信号電圧Vrefよりも高いか低いかによって、その差をセンスアンプSAで増幅し、これをラッチ回路LAに取り込み、書き込みドライバWD1とWD2と駆動する点は共通している。本実施例によれば、少ない電源数でありながら、短いパルス幅、又は印加時間で読み出しを行なうと共に再書込みを行うため、比較的大きな電流で読み出しを行なうことができるという特徴がある。更に、その後この読み出された信号と同じ情報を書き込むため、読み出し時のディスターブはリセットされメモリセルは安定な状態となるという特徴がある。なお、図2の例と同様に、センスアンプに取り込まれた後では、読み出し電流でメモリセルの情報が破壊されても再書き込みを行なうため、本来の情報が失われることはない。   4A and 4B differ in the information written in the memory cell, but the difference is sensed depending on whether the potential of the bit line is higher or lower than the reference signal voltage Vref after a certain time t1. They are common in that they are amplified by the amplifier SA, taken into the latch circuit LA, and driven by the write drivers WD1 and WD2. According to the present embodiment, although the number of power supplies is small, reading is performed with a short pulse width or application time and rewriting is performed, so that reading can be performed with a relatively large current. Further, since the same information as the read signal is written thereafter, the disturb at the time of reading is reset, and the memory cell is in a stable state. Similar to the example of FIG. 2, after being taken into the sense amplifier, even if the information in the memory cell is destroyed by the read current, rewriting is performed, so that the original information is not lost.

図1〜図4を合わせて再度述べると、短いパルス幅、又は印加時間で読み出しを行なうと共に再書込みを行うことで、比較的大きな電流で読み出しを行なうことができ、更に、読み出し時のディスターブはリセットされメモリセルは安定な状態となるという特徴がある。よって、スケーリングが進んで、書き換えに電流に必要な電流が減少しても、比較的大きな電流で高速な読み出しが可能となり、また、同じ電流値で時間のみを変えて読み出しと書き換えを制御できるので制御も簡便となる。   1 to 4 together, it is possible to read out with a relatively large current by performing reading and rewriting with a short pulse width or application time, and further disturbing at the time of reading is The memory cell is reset and is in a stable state. Therefore, even if the scaling progresses and the current required for rewriting decreases, high-speed reading is possible with a relatively large current, and reading and rewriting can be controlled by changing only the time with the same current value. Control is also simple.

図5は、図1に示すブロック図の回路構成例を示した図である。ここでは、メモリセル周りのみを示している。ビット線BLL,BLR、ソース線SLL,SLRの間に、ワードドライバによってワード線WL1、WR1で駆動されるメモリセルSLC1、SCR1が配置される。実際はメモリセルは一組のビット線、ソース線に対し、例えば512個など多数配置され、この多数のメモリセルを備えたビット線、ソース線対がチップ上には多数個配置されている。DCL,DCRはダミーメモリセルであり、ワードドライバによってダミーワード線DWL、DWRで駆動され、その流す電流は、メモリセルの取りうる情報“0”と“1”に対応した2つの状態の時に流れる電流値の中間となるように、この図の例ではDCGを制御する。このDCGの電圧には、温度特性を持たせTMR素子の温度特性に追随した温度特性をダミーメモリセルDCL,DCRが取るようにしておくこともできる。ダミーメモリセルは後述のように“1”の情報を記憶したメモリセルと“0”の情報を記憶したセルを用いて構成することもできる。   FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration example of the block diagram shown in FIG. Here, only the periphery of the memory cell is shown. Between the bit lines BLL and BLR and the source lines SLL and SLR, memory cells SLC1 and SCR1 driven by the word lines WL1 and WR1 by the word driver are arranged. Actually, a large number of memory cells, such as 512, are arranged for a set of bit lines and source lines, and a large number of bit line / source line pairs each having such a large number of memory cells are arranged on the chip. DCL and DCR are dummy memory cells, which are driven by dummy word lines DWL and DWR by a word driver, and the currents flow in two states corresponding to information “0” and “1” that can be taken by the memory cells. In the example of this figure, DCG is controlled so as to be in the middle of the current value. The DCG voltage may have a temperature characteristic so that the dummy memory cells DCL and DCR have a temperature characteristic that follows the temperature characteristic of the TMR element. As will be described later, the dummy memory cell can also be configured using a memory cell storing “1” information and a cell storing “0” information.

PCはプリチャージ信号であり、この信号によって、ビット線BLL,BLRはVddに、センスアンプSAの入力部はVdd’に、夫々、プリチャージ用MOSFETを介して、プリチャージされる。REは読み出し時にビット線BLL、BLRとセンスアンプSAを接続する信号であり、読み出し用MOSFETを制御する。センスアンプSAは信号SAEによって活性化される。その出力がSAOであり、本実施例ではこれはセンスアンプSAの負荷抵抗も兼ねたラッチ回路LAに接続されている。また、ラッチ回路LAは、センスアンプSAで検出された信号差を更に増幅する機能も有している。なお、センスアンプの出力結果は、チップ内部のIO線IOR、IOLに選択信号YSで選択されるMOSを介して接続されており、読み出し結果をIO線に伝える。   PC is a precharge signal. By this signal, the bit lines BLL and BLR are precharged to Vdd, and the input portion of the sense amplifier SA is precharged to Vdd 'via a precharge MOSFET. RE is a signal for connecting the bit lines BLL and BLR and the sense amplifier SA at the time of reading, and controls the reading MOSFET. The sense amplifier SA is activated by the signal SAE. The output is SAO, which in this embodiment is connected to a latch circuit LA that also serves as the load resistance of the sense amplifier SA. The latch circuit LA also has a function of further amplifying the signal difference detected by the sense amplifier SA. The output result of the sense amplifier is connected to the IO lines IOR and IOL in the chip via the MOS selected by the selection signal YS, and the read result is transmitted to the IO line.

これらのプリチャージ用MOSFET、読み出し用MOSFET、センスアンプSA、及び、ラッチ回路LAで読み出し回路を構成する。なお、読み出し回路の具体的な実現方法は、様々考えられるが、要は、読み出し回路は、選択されたメモリセルに電流を流すことにより情報を読み出すようになっていればよい。   These precharge MOSFET, read MOSFET, sense amplifier SA, and latch circuit LA constitute a read circuit. Note that various specific implementation methods of the read circuit are conceivable, but in short, the read circuit only needs to read information by flowing a current through a selected memory cell.

次に、WEは、このラッチ回路LAの出力が接続されている書き換えドライバWD1R、WD2R、WD1L、WD2Lの起動信号である。この書き換えドライバの出力はWEL、WERで制御されるMOSFETによって(書き換えドライバの一部と見なしても良い)、再書き込みのために、ビット線BLL,BLR、ソース線SLL,SLRに電気的に接続される。これは通常の書き込みにも使用される。これらの書き換えドライバWD1R,WD2R,WD1L、WD2L、及び、WER,WELで制御されるMOSFETで書き換え回路を構成する。なお、書き換え回路は、様々な具体的な実現方法が考えられるが、要は、”0”を書き込む場合と、”1”を書き込む場合で、メモリセル(トンネル磁気抵抗素子)に流れる電流の向きを変更することができるようになっていればよい。またこの図では、DCSで制御されるソース線を低電位とするMOSトランジスタが、DCBで制御されるビット線を低電位とするMOSトランジスタが配置される。   Next, WE is an activation signal for the rewrite drivers WD1R, WD2R, WD1L, and WD2L to which the output of the latch circuit LA is connected. The output of the rewrite driver is electrically connected to the bit lines BLL and BLR and the source lines SLL and SLR for rewriting by a MOSFET controlled by WEL and WER (may be regarded as a part of the rewrite driver). Is done. This is also used for normal writing. These rewrite drivers WD1R, WD2R, WD1L, WD2L, and MOSFETs controlled by WER, WEL constitute a rewrite circuit. The rewrite circuit can be realized in various specific ways. In short, the direction of the current flowing in the memory cell (tunnel magnetoresistive element) when writing “0” and when writing “1”. As long as it can be changed. In this figure, a MOS transistor that lowers the source line controlled by DCS and a MOS transistor that lowers the bit line controlled by DCB are arranged.

なお、図1においては、書き換え時のデータがIO線からセンスアンプSAに入力された後、ラッチ回路LAに入力していたが、図5においては、ラッチ回路LAが、センスアンプSAで検出した信号差を更に増幅する機能も兼ねているため、書き換え時のデータをIO線から直接ラッチ回路LAに入力している。   In FIG. 1, the data at the time of rewriting is input from the IO line to the sense amplifier SA and then input to the latch circuit LA. However, in FIG. 5, the latch circuit LA is detected by the sense amplifier SA. Since it also functions to further amplify the signal difference, the data at the time of rewriting is input directly from the IO line to the latch circuit LA.

図6は、図5の回路の動作例を示す図である。まず、読み出しを行う。PCが高レベルから低レベルとなり、DCBが高レベルから低レベルとなり、REが立ち上がると、ワード線WR1が選択される。同時にこれと対となるダミーワード線DWLが選択される。これにより、ビット線BLRにメモリセルの情報に対応した変化が、BLLにダミーメモリのセルに対応した変化(点線)が現れる。ここでSAEを変化させセンスアンプSAを起動させその結果をラッチ回路LAに伝えることで、LA1とLA2に大振幅信号が発生する。センスアンプにメモリセルの信号が読み出されたのでREは元のレベル戻し、ビット線をセンスアンプから切り離して良い。SAEはラッチ回路LAの状態保持のためにも必要なので、高レベルのままで保持する。この後、YSを選択し、この読み出し信号はIO線IORとIOLに伝えられる。既にこの状態では読み出しは終了しているので、ワード線WR1及びダミーワード線DWLを閉じ、また、DCBを元のレベルに戻す。これまでの実施例ではワード線は開いたままで再書き込みに移ったが、不要な電流を流さないために、このように一旦ワード線を閉じても良い。ワード線を開いたままの動作も、DCSとDCBなどを左右で独立に制御する場合もあるが、可能である。次に、再書き込みに移る。なお、YSを選択し、読み出し信号をIO線に伝える動作は、再書き込み動作と並行で行うことで、再書き込み時間を隠蔽することができる。   FIG. 6 is a diagram illustrating an operation example of the circuit of FIG. First, reading is performed. When PC changes from high level to low level, DCB changes from high level to low level, and RE rises, word line WR1 is selected. At the same time, the dummy word line DWL paired with this is selected. Thereby, a change corresponding to the information of the memory cell appears on the bit line BLR, and a change (dotted line) corresponding to the cell of the dummy memory appears on the BLL. Here, a large amplitude signal is generated in LA1 and LA2 by changing the SAE to activate the sense amplifier SA and transmitting the result to the latch circuit LA. Since the signal of the memory cell is read to the sense amplifier, RE may return to the original level and the bit line may be disconnected from the sense amplifier. Since SAE is also necessary for holding the state of the latch circuit LA, it is held at a high level. Thereafter, YS is selected, and this read signal is transmitted to the IO lines IOR and IOL. Since reading has already been completed in this state, the word line WR1 and the dummy word line DWL are closed, and the DCB is returned to the original level. In the embodiments so far, the word line is kept open and rewriting is performed. However, the word line may be once closed in this way in order not to pass an unnecessary current. An operation with the word line open may be possible although DCS and DCB may be controlled independently on the left and right sides. Next, rewriting is started. The operation of selecting YS and transmitting the read signal to the IO line can be performed in parallel with the rewrite operation, thereby hiding the rewrite time.

再書き込みでは、まず、DCSとDCBを低レベルとする。ここでWE及びWERを変化させる。これによって、ラッチLAの情報がビット線BLRとソース線SLRに繋がり、再書き込み情報に応じてビット線BLRとソース線SLRの電位関係が確定する。同時にワード線WR1が選択され書き込みが始まる。書き込みが終了したら、ワード線WR1を閉じ、WE、WERを元に戻し、またPC、DCS、DCBを元に戻す。適当な時期に、SAE、YSも戻す。このような動作例によって、本発明である読出しとその再書き込みの動作が完了するのである。   In rewriting, first, DCS and DCB are set to a low level. Here, WE and WER are changed. Thereby, the information in the latch LA is connected to the bit line BLR and the source line SLR, and the potential relationship between the bit line BLR and the source line SLR is determined according to the rewrite information. At the same time, the word line WR1 is selected and writing starts. When writing is completed, the word line WR1 is closed, WE and WER are restored, and PC, DCS, and DCB are restored. Return SAE and YS at an appropriate time. By such an operation example, the reading and rewriting operations according to the present invention are completed.

図7に、本発明の実施例を用いた時のメモリセルの抵抗の時間変化の実験結果の模式図の例を示したものである。TMRが平行状態であり低い抵抗を取る時、その抵抗値をR1、TMRが反平行状態であり高い抵抗を取るとき、その抵抗値をR2とする。書き込まれた状態とは逆の状態に書き込む電流を与えて、その抵抗の時間変化をプロットしたものである。この電流は充分な時間の間印加すると、つなり、長いパルスを与えると、このTMRの状態を反転させる、つまり書き込むことができる値とする。図7の上図では、TMRが平行状態であった場合であり、電流をt0で印加すると抵抗R1を示す。時間t1までかけてもこの抵抗値は変化しない。   FIG. 7 shows an example of a schematic diagram of the experimental result of the time change of the resistance of the memory cell when the embodiment of the present invention is used. When TMR is in a parallel state and takes a low resistance, its resistance value is R1, and when TMR is in an anti-parallel state and takes a high resistance, its resistance value is R2. The current is written in the opposite state to the written state, and the time change of the resistance is plotted. If this current is applied for a sufficient period of time, then if a long pulse is applied, the TMR state is reversed, that is, a value that can be written. In the upper diagram of FIG. 7, the TMR is in a parallel state, and when a current is applied at t0, the resistor R1 is shown. The resistance value does not change until time t1.

つまり、t1−t0の時間間隔では、書き換えに必要な電流値は大きく、書き込みが起こりにくい。本発明では、この期間を利用して読み出しを行なう。次に、時間t2まで電流をかけ続ける。すると、t1とt2の間のいずれかの時点で書き換えが起こり、抵抗値はR2に変化する。t1とt2の間のどの時間ポイントで変化するかは、TMRが持つ特徴である熱安定性や周囲温度などによって変わるが、t1−t0の時間幅(パルス幅)では変化しない、つまり書き換わらないが、t2まで印加し続けt2−t0の時間幅(パルス幅)では書き換わるという性質を持つ。   That is, at the time interval t1-t0, the current value required for rewriting is large and writing is difficult to occur. In the present invention, reading is performed using this period. Next, the current continues to be applied until time t2. Then, rewriting occurs at any point between t1 and t2, and the resistance value changes to R2. The time point between t1 and t2 changes depending on the thermal stability and ambient temperature, which are the characteristics of TMR, but does not change in the time width (pulse width) of t1-t0, that is, it is not rewritten. However, it continues to be applied until t2 and is rewritten in the time width (pulse width) of t2-t0.

本発明は、この現象を利用したものである。図7の下図では、TMRが反平行状態であった場合であり、電流をt0で印加すると抵抗R2を示す。同様にt1−t0の時間幅、パルス幅では変化しないが、t2−t0の時間幅、パルス幅では書き換わる。図に示すとおり、最初の状態が平行状態か、反平行状態かで、変化しない時間は異なるが、両者を共に満たす、t1−t0の時間幅では変化しないが、t2−t0の時間幅では書き換わるという条件は容易に見出すことができる。特に、再書込みを行うため、t1は、書き換えフェーズとの間のマージンを取る必要がなくなるため、条件が見出しやすい。   The present invention utilizes this phenomenon. The lower diagram in FIG. 7 shows a case where TMR is in an antiparallel state, and shows resistance R2 when current is applied at t0. Similarly, it does not change with the time width and pulse width of t1-t0, but it is rewritten with the time width and pulse width of t2-t0. As shown in the figure, the time that does not change is different depending on whether the initial state is the parallel state or the anti-parallel state, but it does not change in the time width of t1-t0 that satisfies both, but it is written in the time width of t2-t0. The condition of changing can be easily found. In particular, since rewriting is performed, it is not necessary to take a margin between t1 and the rewriting phase.

図8は、実験結果の模式図に本発明の図2の動作に対応した電流と時間を書き加えた例である。読み出しはpの点に相当し、電流がi1、時間がt1で行う。再書き込みはqの点に相当し、電流がi2、時間がt2で行う。読み出し点pは、書き換えが起こる特性である(a)に対して、時間は短く、電流も充分に小さい。しかしながら、再書き込み点qに対しては、電流を大きく下げてはいない。60%から40%程度である。このように取ることによって、読み出し電流を大きく下げることなく、高速な読み出しを行なうことができ、その後の再書き込みに必要な読み出し情報を得ることができるのである。   FIG. 8 is an example in which the current and time corresponding to the operation of FIG. 2 of the present invention are added to the schematic diagram of the experimental results. Reading corresponds to a point p, and the current is i1 and the time is t1. Rewriting corresponds to the point q, and the current is i2 and the time is t2. The read point p is a characteristic in which rewriting occurs (a), and the time is short and the current is sufficiently small. However, the current is not greatly reduced for the rewrite point q. It is about 60% to 40%. By taking in this way, high-speed reading can be performed without greatly reducing the read current, and read information necessary for subsequent rewriting can be obtained.

図9は、本発明の実施例を用いた他の実験結果の模式図の例を示す。温度を変えたときのものである。横軸に電流を流す時間、すなわちパルス幅、縦軸にメモリセルに流れる電流を示している。ここで、実線で示した2つの曲線(a)と(b)は、本発明で用いるメモリセルのそれぞれ低温及び高温での書き換えに必要なパルス幅と必要な電流値を示すものである(作図の都合上、折れ線になっているがこれは一般に同様な傾向を示す滑らかな曲線である)。   FIG. 9 shows an example of a schematic diagram of another experimental result using the embodiment of the present invention. This is when the temperature is changed. The horizontal axis represents the time for flowing current, that is, the pulse width, and the vertical axis represents the current flowing through the memory cell. Here, two curves (a) and (b) indicated by solid lines indicate the pulse width and the necessary current value required for rewriting the memory cell used in the present invention at low and high temperatures, respectively (drawing). For convenience, it is a polygonal line, but this is a smooth curve that generally shows the same tendency).

これらは、従来例で示したTMR素子構造、及びその様々な変形例に共通の特性である。(a)は低温時であり、(b)の高温時であり、同じパルス幅では低温時は高温時よりも電流値が大きい。この低温とは、例えば製品仕様において保証する最低温度と同じ又はより低い温度であり、高温とは同様に製品仕様において保証する最高温度と同じ又はより高い温度である。また、両曲線ともにパルス幅が短くなると必要な電流値が増加する。この増加はパルス幅が例えば10ns以下で顕著となる。   These are characteristics common to the TMR element structure shown in the conventional example and various modifications thereof. (A) is at a low temperature, and (b) is at a high temperature. With the same pulse width, the current value is larger at a low temperature than at a high temperature. The low temperature is, for example, the same or lower temperature as the minimum temperature guaranteed in the product specification, and the high temperature is the same or higher temperature as the maximum temperature guaranteed in the product specification. In both curves, the required current value increases as the pulse width decreases. This increase becomes significant when the pulse width is 10 ns or less, for example.

このような特性を示すメモリセルに対し、本発明では以下の考え方に基づく動作を特徴とする。まず、読み出しと再書き込みとでメモリセルに同じ電流値i1を流して行う方式、即ち、図4の実施例の方式について説明する。この電流値は、書き込み時間t2において、低温における必要書き換え電流よりも大きな電流値である。低温の方が高温より大きな書き換え電流が必要である。よって、この電流値i1にて再書き込み時の印加時間t2であれば、如何なる温度でも確実に再書き込みを行うことができる。これが第1の特徴である。第2の特徴としては、電流値i1において、読み出しのパルス幅t1を、高温での曲線(b)で示される書き換え特性において、書き換えが起こらない短いパルス幅に設定する。低温の方が高温よりも書き換えは起こりにくい。これによって、如何なる温度でも安定な読み出しを行なうことができる。このような設定することで、製品仕様の全温度領域で安定な読み出し+再書き込み動作を行うことができるという特徴があり、動作が安定した高信頼な半導体記憶装置を実現できるのである。   For a memory cell having such characteristics, the present invention is characterized by an operation based on the following concept. First, a method of performing the same current value i1 in the memory cell for reading and rewriting, that is, a method of the embodiment of FIG. 4 will be described. This current value is larger than the necessary rewriting current at a low temperature at the writing time t2. A lower rewrite current is required at a lower temperature than at a higher temperature. Therefore, if the current value i1 is the application time t2 at the time of rewriting, the rewriting can be reliably performed at any temperature. This is the first feature. As a second feature, at the current value i1, the read pulse width t1 is set to a short pulse width at which rewriting does not occur in the rewriting characteristics indicated by the curve (b) at high temperature. Rewriting is less likely to occur at lower temperatures than at higher temperatures. As a result, stable reading can be performed at any temperature. Such a setting is characterized in that a stable read + rewrite operation can be performed in the entire temperature range of the product specification, and a highly reliable semiconductor memory device with stable operation can be realized.

図10は、温度を考慮した実験結果の模式図に本発明の図2の動作に対応した電流と時間を書き加えた例である。読み出しはpの点に相当し、電流がi1、時間がt1で行う。これにより、書き込みが起こり易い、すなわち読み出しでより不安定となる高温での特性(b)に対して充分に安定な読み出しを行なうことができ、その後の再書き込みに必要な読み出し情報を得ることができる。再書き込みはqの点に相当し、電流がi2、時間がt2で行う。これにより、書き込み難い低温の特性(a)に対して充分な書き換え電流を供給できる。以上から、この例のように電流値(ワード線電圧とビット線電圧とで制御できる。図2はワード線電圧は変えずに、ビット線電圧を変えた例である)と印加時間を選択すれば、広い温度範囲において、再書き込み動作を伴う読み出しを安定に行なうことができるのである。以上のように動作温度を考慮した場合、電流値を書き込みと読み出しの方を小さくした方がより安定した動作を実現することができる。この際に再書込みを行うことで、読み出し電流のマージンを小さくできるので、高温での読み出し電流を大きくすることが可能となる。   FIG. 10 is an example in which the current and time corresponding to the operation of FIG. 2 of the present invention are added to the schematic diagram of the experimental result in consideration of the temperature. Reading corresponds to a point p, and the current is i1 and the time is t1. As a result, it is possible to perform sufficiently stable reading with respect to the characteristic (b) at a high temperature at which writing is likely to occur, that is, when reading is more unstable, and reading information necessary for subsequent rewriting can be obtained. it can. Rewriting corresponds to the point q, and the current is i2 and the time is t2. Thereby, a sufficient rewriting current can be supplied for the low temperature characteristic (a) which is difficult to write. From the above, as in this example, the current value (which can be controlled by the word line voltage and the bit line voltage. FIG. 2 shows an example in which the bit line voltage is changed without changing the word line voltage) and the application time are selected. For example, reading with a rewriting operation can be stably performed in a wide temperature range. As described above, when the operating temperature is taken into consideration, a more stable operation can be realized by reducing the writing and reading of the current value. By performing rewriting at this time, the margin of the read current can be reduced, so that the read current at a high temperature can be increased.

図11はトランジスタ又は微細化加工ルールの世代毎の本発明の実施例を説明する図である。この図で横軸は、メモリ素子を作成する加工ルール、又は最小寸法を示している。横軸で右に行くほど加工ルールが小さくなる、すなわち微細化、スケーリングが進んだ状態を示す。縦軸は書き込み及び読み出しの電流を示す。例えば90nmのルールでは、TMR素子の平面寸法を90nm×90nmとしたりする。MOSトランジスタの最小寸法とTMR素子の最小寸法は異なっていても良い。例えば、45nmのルールのMOSトランジスタを用いたメモリセルであっても、TMR素子の平面寸法は90nm×90nmであって良い。或いは逆に、TMR素子の加工ルールがMOSトランジスタの加工ルールよりも進んだものであっても良い。   FIG. 11 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention for each generation of transistors or miniaturization processing rules. In this figure, the horizontal axis indicates a processing rule for creating a memory element, or a minimum dimension. The processing rule becomes smaller as it goes to the right on the horizontal axis, that is, a state in which miniaturization and scaling have progressed. The vertical axis represents write and read currents. For example, in the rule of 90 nm, the planar dimension of the TMR element is set to 90 nm × 90 nm. The minimum dimension of the MOS transistor and the minimum dimension of the TMR element may be different. For example, even in a memory cell using a 45 nm rule MOS transistor, the planar dimension of the TMR element may be 90 nm × 90 nm. Or conversely, the processing rule of the TMR element may be more advanced than the processing rule of the MOS transistor.

この図に示すように、スピン注入型RAMにおいては、スケーリングが進み微細な素子となると、書き込みに必要な電流は減少する。一方、読み出し電流は、読み出しディスターブを避けるためには、一般的にはこれよりも小さくとる必要がある。この図では、およそ一桁小さな値を選択した例を示している。しかしながら、そうすると微細化が進み書き込み電流が小さくなった領域では、読み出し電流の値が小さくなり過ぎるという課題が生じる。これは、読み出し電流を例えば書き込み電流の1/3に選んだとしてもいずれは同じ課題が生じる。そこで、本発明では、読み出し電流がある一定値以下の条件では、これ以上下げることを回避することができる。これは、図7〜図10に示したように書き換えに必要な電流がその印加時間に依存することに気づき、また、再書込みを行うことで読み出し電流を大きく取れることを活かした本発明の創作によるものである。   As shown in this figure, in the spin injection type RAM, the current required for writing decreases as the scaling progresses and the element becomes finer. On the other hand, the read current generally needs to be smaller than this in order to avoid read disturb. This figure shows an example in which a value that is about one digit smaller is selected. However, in this case, there is a problem that the value of the read current becomes too small in a region where the miniaturization progresses and the write current becomes small. This causes the same problem even if the read current is selected to be 1/3 of the write current, for example. Therefore, in the present invention, it is possible to avoid further lowering under the condition where the read current is not more than a certain value. As shown in FIGS. 7 to 10, the present invention makes use of the fact that the current required for rewriting depends on the application time, and that the read current can be increased by rewriting. Is due to.

図12に示したように、読み出しと再書き込みの電流値をある加工ルールの世代からまったく同じとする思想も本発明であれば具現化できる。動作例は図4で説明した通りである。   As shown in FIG. 12, the idea that the current values for reading and rewriting are exactly the same from the generation of a certain processing rule can be realized by the present invention. An example of the operation is as described in FIG.

図13は、本発明の第2の実施例を示す図である。本発明の思想は、読み出しディスターブを受けたメモリセルに対して再書き込みを行い、この読み出しディスターブの影響を無くすことである。一方、読み出し時の電流を流す向きが、その時に記憶されている状態にとって、ディスターブに当たらない場合がある。一般に読み出しは一方向で行われる。例えば、ビット線側に自由層が接続された構成において、ビット線からソース線へ、つまり自由層から固定層への電流の向きで読み出しを行なうことを考える。この時、電子は固定層から自由層へ流れるが、スピン注入方式の原理に従い、自由層を固定層と平行にする働きを持つスピン状態である電子のみが自由層に流れる。よって、元々記憶されている状態が、平行状態であれば、この読み出しではディスターブは生じない。よって、再書き込みを行なう必要は無い。   FIG. 13 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. The idea of the present invention is to rewrite the memory cell that has been subjected to the read disturb and eliminate the influence of the read disturb. On the other hand, the direction in which the current flows during reading may not be disturbed for the state stored at that time. In general, reading is performed in one direction. For example, in a configuration in which a free layer is connected to the bit line side, it is assumed that reading is performed in the direction of current from the bit line to the source line, that is, from the free layer to the fixed layer. At this time, electrons flow from the fixed layer to the free layer, but according to the principle of the spin injection method, only electrons in a spin state having a function of making the free layer parallel to the fixed layer flow to the free layer. Therefore, if the originally stored state is a parallel state, no disturbance occurs in this reading. Therefore, there is no need to rewrite.

本実施例では、このような場合には再書き込みを行なわないというものである。そうすることで、再書き込みに必要な書き換えドライバによるビット線又はソース線の駆動が不要となり低電力とすることが可能となる。このために、本実施例では、書き換えドライバの制御信号が2系統用意されている。すなわち、通常の書き換え動作時には、書き換え信号WEを用い、読み出しに続く再書き込み時には再書込み信号WEREを用いる。再書込み信号WEREが入力されると、読み出しの電流方向に一致する方向では書き込みが起こらない。これは、例えば、上記の例では、読み出しがビット線からソース線へ向かう向きであれば、再書き込み時には、ビット線を高レベルにはしない動作とすれば良い。読み出された結果が、再書き込みを行なう場合はビット線を高いレベルに、ソース線を0Vに、すなわち、読み出しと同様にビット線からソース線へ向かう向きである場合は、ビット線は高いレベルにはならず、書き換えは起こらない。一方、読み出された結果が、再書き込みとしてビット線を0Vに、ソース線を高レベルにする場合は、そのままこの電圧が印加されることになる。   In this embodiment, rewriting is not performed in such a case. By doing so, it is not necessary to drive the bit line or the source line by a rewrite driver necessary for rewriting, and the power can be reduced. For this purpose, in this embodiment, two systems of rewrite driver control signals are prepared. That is, the rewrite signal WE is used during normal rewrite operation, and the rewrite signal WERE is used during rewrite following read. When the rewrite signal WERE is input, writing does not occur in the direction corresponding to the read current direction. For example, in the above example, if reading is in the direction from the bit line to the source line, the operation may be performed so that the bit line is not set to the high level at the time of rewriting. If the read result indicates that the bit line is set to a high level when rewriting is performed and the source line is set to 0 V, that is, the direction from the bit line to the source line is the same as when reading, the bit line is set to a high level. Rewriting does not occur. On the other hand, when the read result indicates that the bit line is set to 0 V and the source line is set to the high level as rewriting, this voltage is applied as it is.

具体的な回路構成は様々考えられるが、上記の考え方に従い、WEとWEREとで論理を取ったり、或いは、予め定めた読み出し電流方向、即ち、ディスターブが起こらない条件では、書き込みドライバの片側のみを不活性にする簡単な回路構成などがある。例えば、読み出しがビット線からソース線への電流方向であった場合、再書き込みの時にこの方向の電流での動作は不要となる。この時は、図5のWD1RやWD1Lで再書き込みモードでは、WEやWER、WELで書き込み動作が始まってもWD1RやWD1Lの出力は常に低レベルとなるようにすれば良い。これは、WEREによってこの信号が低レベルであれば、常にWD1RやWD1Lの出力は低レベルとなる論理を追加すれば良い。具体的な例としては、様々あるが、WD1RやWD1Lを3入力NAND+インバータとして、3入力のひとつをWEREとし、WD2RやWD2Lのインバータ一段を二段にする例がある。   Various specific circuit configurations can be considered. In accordance with the above-mentioned concept, logic is taken between WE and WERE, or only one side of the write driver is set in a predetermined read current direction, that is, in a condition in which no disturbance occurs. There is a simple circuit configuration to make it inactive. For example, when the reading is in the current direction from the bit line to the source line, the operation with the current in this direction becomes unnecessary at the time of rewriting. At this time, in the WD1R or WD1L rewrite mode of FIG. 5, the output of the WD1R or WD1L may always be at a low level even if the write operation starts with WE, WER, or WEL. If this signal is at a low level due to WERE, it is sufficient to add a logic that always outputs the output of WD1R or WD1L at a low level. There are various specific examples, but there is an example in which WD1R or WD1L is a three-input NAND + inverter, one of the three inputs is WERE, and one stage of the WD2R or WD2L inverter is two stages.

再書込みをするか否かの判断は、読み出しを行なうメモリセルのビット毎に行なうことができる。よって、本実施例では再書き込み時の電力を小さくすることができる。一般に、データのパタンは、時間平均、又は複数の読み出しビットで平均すると、“1”と“0”とはランダムにほぼ半数づつとみなすことができる。よって、この場合は、再書き込みが半数のセルでしか行なわれないので、この部分の電力は半減するのである。   Whether or not to rewrite can be determined for each bit of the memory cell to be read. Therefore, in this embodiment, the power at the time of rewriting can be reduced. In general, when the data pattern is time-averaged or averaged over a plurality of read bits, “1” and “0” can be regarded as being almost half at random. Therefore, in this case, since rewriting is performed only in half of the cells, the power in this portion is halved.

図14は本発明の第3の実施例を示す図である。このように、WEREが選択されても、その読み出し電流方向ではディスターブが起こらない場合は,ラッチ回路がその方向への書き込み動作の信号を書き込みドライバに出力しない方式も取れる。図15A及びBが図14の動作例である。この例では、読み出し時の電流の方向は、TMR素子中の自由層を固定層と平行な向きにしようとする向きのスピンを有する電子が自由層に流れる方向とする。すなわち、読み出された結果が、平行状態であった時、この読み出しは読み出されたメモリセルのTMR素子にまったくディスターブを与えていない。よって、再書き込みを行なう必要はない。   FIG. 14 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. As described above, even if WERE is selected, if disturb does not occur in the read current direction, a method in which the latch circuit does not output a write operation signal in that direction to the write driver can be used. 15A and 15B are examples of the operation of FIG. In this example, the direction of the current at the time of reading is a direction in which electrons having a spin in a direction in which the free layer in the TMR element is oriented in parallel with the fixed layer flows in the free layer. That is, when the read result is in a parallel state, this read does not disturb the TMR element of the read memory cell at all. Therefore, there is no need to rewrite.

図15Aは、メモリセルの抵抗は高抵抗状態である場合とする。ワード線WLの信号で低レベルは0であり、高レベルがV1である。再書き込み動作の時は、ビット線BLとソース線SLも共に、低レベルは0であり、高レベルがV1である。ビット線はV1にプリチャージされ、ソース線SLは0のままである。このセルが選択されるとワード線WLが0からV1のレベルとなる。この結果、ビット線にメモリセルの情報が読み出される。一定の時間t1の後、SAEが0よりV1に切り替わり、センスアンプSAが活性化され読み出された信号は増幅される。この時、メモリセルの抵抗は高抵抗であるので、ビット線の電位は、参照信号電圧Vrefよりも高い。メモリセルは、読み出されている間、この読み出し電流でディスターブを受けている。読み出し電流の方向は、自由層を固定層と平行にする方向の電流であるが、メモリセル内の自由層は固定層と反平行のため(よって抵抗は高く、ビット線に読み出された信号は参照信号電圧Vrefよりも高い)である。このため、この例ではSAOでは高レベルV1となり、これがラッチ回路LAにてラッチされる。ここで、再書き込み時の再書込み信号WEREが立ち上がる。ここでは、ディスターブを受けた方向であるので、ラッチ回路はLA1がV1、LA2が0となって、反平行方向への再書き込みを行う。   FIG. 15A assumes that the resistance of the memory cell is in a high resistance state. In the signal of the word line WL, the low level is 0 and the high level is V1. During the rewrite operation, both the bit line BL and the source line SL have a low level of 0 and a high level of V1. The bit line is precharged to V1, and the source line SL remains at 0. When this cell is selected, the word line WL goes from 0 to V1. As a result, the memory cell information is read out to the bit line. After a certain time t1, SAE is switched from 0 to V1, the sense amplifier SA is activated, and the read signal is amplified. At this time, since the resistance of the memory cell is high, the potential of the bit line is higher than the reference signal voltage Vref. The memory cell is disturbed by the read current while it is being read. The direction of the read current is a current in a direction in which the free layer is parallel to the fixed layer. However, since the free layer in the memory cell is antiparallel to the fixed layer (therefore, the resistance is high and the signal read to the bit line) Is higher than the reference signal voltage Vref). For this reason, in this example, the SAO has a high level V1 and is latched by the latch circuit LA. Here, the rewrite signal WERE at the time of rewriting rises. Here, since the direction is disturbed, LA1 becomes V1 and LA2 becomes 0, and the latch circuit performs rewriting in the antiparallel direction.

一方、図15Bは、メモリセルの抵抗が低抵抗状態、すなわち、TMR素子の自由層と固定層の状態が平行である場合である。ここでは、一定の時間t1の後では、ビット線の電位は、参照信号電圧Vrefよりも低い。この時は、メモリセルは、読み出されている間、この読み出し電流ではディスターブを受けてはいない。よって、再書き込みは不要である。SAEが0よりV1に切り替わり、センスアンプSAが活性化され読み出された信号は増幅され、SAOでは0となり、これがラッチ回路LAにてラッチされる。この時は、再書き込み時の再書込み信号WEREが立ち上がっても、LA1もLA2も0のままである。よって、再書き込みは行なわれず、このための電力も消費されないという特徴がある。   On the other hand, FIG. 15B shows a case where the resistance of the memory cell is in a low resistance state, that is, the state of the free layer and the fixed layer of the TMR element is parallel. Here, after a certain time t1, the potential of the bit line is lower than the reference signal voltage Vref. At this time, the memory cell is not disturbed by the read current while it is being read. Therefore, rewriting is not necessary. SAE is switched from 0 to V1, the sense amplifier SA is activated and the read signal is amplified and becomes 0 at SAO, which is latched by the latch circuit LA. At this time, even if the rewrite signal WERE at the time of rewriting rises, both LA1 and LA2 remain 0. Therefore, there is a feature that rewriting is not performed and power for this is not consumed.

具体的な回路構成例としては、ラッチ回路LAの出力に、WEREにより制御されるスイッチを設けると共に、WD1,WD2の入力を0とするプリチャージ回路を設ける。また、BLR側が選択された場合は、LA1に設けられたスイッチを導通状態とし、BLL側が選択された場合は、LA2に設けられたスイッチを導通状態とするように制御することで実現できる。   As a specific circuit configuration example, a switch controlled by WIRE is provided at the output of the latch circuit LA, and a precharge circuit for setting the inputs of WD1 and WD2 to 0 is provided. In addition, when the BLR side is selected, the switch provided in LA1 is turned on, and when the BLL side is selected, the switch provided in LA2 is controlled to be turned on.

図16は本発明の第4の実施例を示すメモリセルとその関連回路の回路図である。ここでは、ビット線BLとコモンソース線CSLとの間に選択トランジスタとTMR素子とが配置されている。コモンソース線CSLの一定の電圧をVCSLとする。この実施例においては、コモンソース線CSLの電圧は、読み出し及び書き換え動作時は一定の電圧VCSLであるという特徴がある。これによって、駆動回路やアレー構造を簡単にすることができる。図17に図16の回路の動作例を示す。ワード線WLの信号で低レベルは0であり、高レベルがV1である。ビット線BLは、ソース線SLも共に、低レベルは0であり、高レベルが読み出し時のプリチャージ電圧はVB1であり、書き込み時はV2である。VCSLは、低レベル0と、高レベルV1間に来るように設定する。通常は、V1の半分の電圧である。   FIG. 16 is a circuit diagram of a memory cell and related circuits showing a fourth embodiment of the present invention. Here, a selection transistor and a TMR element are arranged between the bit line BL and the common source line CSL. A constant voltage of the common source line CSL is defined as VCSL. This embodiment is characterized in that the voltage of the common source line CSL is a constant voltage VCSL during read and rewrite operations. As a result, the drive circuit and the array structure can be simplified. FIG. 17 shows an operation example of the circuit of FIG. In the signal of the word line WL, the low level is 0 and the high level is V1. In both the bit line BL and the source line SL, the low level is 0, the high level is VB1 when reading, and V2 when writing. The VCSL is set to be between the low level 0 and the high level V1. Usually, it is half the voltage of V1.

図17(a)の読み出し動作では、ビット線は、VCSLよりV2にプリチャージされ、ワード線WLが選択されたことにより読み出しが行なわれる。ここでは、メモリセル中のTMR素子は反平行状態であり、その抵抗は高い。よって、ビット線はVrefより高い電圧となり、ここには波形は示していないが、これまでの実施例の説明と同様にセンスアンプSAで増幅され、IOに読み出されると共に、LAにラッチされ、再書き込みが可能となる。この(a)の例では、書き込みドライバWD1によって、ビット線はV1となり、また、コモンソース線CSLはVCSLであるため、再書き込みのための書き換え電流が流れることとなる。   In the read operation of FIG. 17A, the bit line is precharged to V2 from the VCSL, and reading is performed when the word line WL is selected. Here, the TMR element in the memory cell is in an antiparallel state, and its resistance is high. Accordingly, the voltage of the bit line becomes higher than Vref, and the waveform is not shown here, but is amplified by the sense amplifier SA, read to IO, latched to LA, and re-similar to the description of the previous embodiments. Writing becomes possible. In the example of (a), the bit line is set to V1 by the write driver WD1, and the common source line CSL is VCSL. Therefore, a rewrite current for rewriting flows.

一方、図17(b)は、メモリセルに(a)とは逆の情報が書き込まれていた場合である。ここでは読み出しにより、ビット線はVrefより低い電圧となり、ここには波形は示していないが、センスアンプSAで増幅され、IOに読み出されると共に、LAにラッチされ、再書き込みが可能となる。ここでは、書き込みドライバWD1によって、ビット線は0となる。これは、コモンソース線CSLよりも低い電圧であり、(a)の場合とは逆の向きの電流がTMR素子に流れることになる。このようにして、本動作例では、読み出し情報に応じて再書き込みを行なうことができる。読み出しの時間や、ビット線のプリチャージ電圧などは以前の実施例に述べたとおりである。読み出し時間は短く取り、よって、読み出し電流は大きく取る事ができ、安定な読み出しが可能となる。なお、読み出し+再書き込みの時、他の実施例で述べたように、読み出し電流の方向がディスターブを与えない方向であることが読み出しでわかった時、再書き込みは行なわずに終了することもできる。   On the other hand, FIG. 17B shows a case where information opposite to that shown in FIG. Here, the voltage of the bit line becomes lower than Vref by reading, and although the waveform is not shown here, it is amplified by the sense amplifier SA, read to IO, latched to LA, and can be rewritten. Here, the bit line is set to 0 by the write driver WD1. This is a voltage lower than that of the common source line CSL, and a current in a direction opposite to that in the case of (a) flows through the TMR element. Thus, in this operation example, rewriting can be performed in accordance with the read information. Read time, bit line precharge voltage, and the like are as described in the previous embodiments. The reading time can be shortened. Therefore, the reading current can be increased, and stable reading can be performed. At the time of reading + rewriting, as described in other embodiments, when it is found by reading that the direction of the reading current is a direction not giving disturbance, the reading can be ended without performing rewriting. .

図18は、本発明の第5の実施例を示すメモリセルとその関連回路の概念の回路図である。ラッチ回路と書き換えドライバWD1,WD2との間に書き換え制御回路WCTが挿入されている。書き換え制御回路WCTは、ラッチ回路LAの出力を受けて、本来の書き込み動作の前に書き込むべき信号の逆の情報をまず書き込み、連続してその逆となる本来書き込むべき信号を書き込むように書き換えドライバWD1,WD2を制御する。すなわち、メモリセルに流れる電流が、一回の書き込み毎に双方向に流れることになる。これは通常の書き込みの時も同様な動作とすることができる。これによって、メモリセルの信頼性が向上できるという特徴がある。これによって書き換えを繰り返しても、トンネル酸化膜に発生するトラップは数も少なく、分布を偏ることはない。また、自由層のある部分が確率的に逆方向に回転する現象も抑えられる。   FIG. 18 is a circuit diagram showing the concept of a memory cell and its related circuit according to the fifth embodiment of the present invention. A rewrite control circuit WCT is inserted between the latch circuit and the rewrite drivers WD1 and WD2. The rewrite control circuit WCT receives the output of the latch circuit LA, first writes the reverse information of the signal to be written before the original write operation, and continuously writes the signal to be originally written that is the reverse of the information. WD1 and WD2 are controlled. That is, the current flowing through the memory cell flows in both directions for each writing. This can be the same operation during normal writing. As a result, the reliability of the memory cell can be improved. Thus, even if rewriting is repeated, the number of traps generated in the tunnel oxide film is small, and the distribution is not biased. In addition, a phenomenon in which a portion of the free layer is stochastically rotated in the opposite direction can be suppressed.

図19は、図18の実施例の動作例である。読み出しは、通常と同じである。(a)では、Vrefよりも高いビット線電圧が読み出し結果である。再書き込み動作においては、本来の書き込み動作は、ビット線をV1に、ソース線を0として、ビット線からメモリセルを介してソース線に流れる電流の向きである。本発明では、その前に(a)の期間(R)に示すように、ビット線をV1に、ソース線を0として、この本来の書き込みで流す電流とは逆の向きの電流を流す。その後、期間(N)で本来の書き込みを行なうのである。(b)は読み出し結果が、(a)とは逆の結果の場合であるが、再書き込みの動作は同様に、本来の書き込みで流す電流とは逆の向きに書き込みを行なう期間(R)と、本来の書き込みを行なう期間(N)とが存在する。なお、ソース線をコモンソース線として一定の電圧とする場合も、ビット線の電位をこのコモンソース線の電圧の上下に駆動することにより、同様な書き込みを行なうことができる。   FIG. 19 shows an operation example of the embodiment of FIG. Reading is the same as usual. In (a), a bit line voltage higher than Vref is a read result. In the rewrite operation, the original write operation is the direction of current flowing from the bit line to the source line through the memory cell, with the bit line set to V1 and the source line set to 0. In the present invention, as shown in the period (R) of (a), the bit line is set to V1 and the source line is set to 0, and a current in the direction opposite to the current flowing in the original writing is supplied. Thereafter, the original writing is performed in the period (N). (B) shows a case where the read result is the opposite result to (a), but the rewrite operation is also similar to the period (R) in which the write is performed in the direction opposite to the current flowing in the original write. There is a period (N) during which original writing is performed. Note that even when the source line is a common source line and a constant voltage is used, the same writing can be performed by driving the potential of the bit line above and below the voltage of the common source line.

以下、上述の実施例1〜5に共通な部分について言及する。
<メモリセルアレー>
図20は図1のメモリセル廻りの回路でメモリセルアレーを組んだARY11、ARY12と、チップ外への入出力端子DQまでの構成例を示した例である。なお、本図では、図1の実施例にあわせた記載となっているが、その他の実施例にも適用可能なのは言うまでもない。対応するビット線B1〜B4、ソース線S1〜S4に接続されたMC11,MC12〜MC42はメモリセルであり、MC11に示したように各々はTMR素子TMRと選択トランジスタMCTとで構成されている。ワード線WL1、WL2によって、各メモリセルの選択トランジスタが駆動される。SA1〜SA4はセンスアンプであり、LA1〜LA4はセンスアンプのセンス結果の格納するラッチ回路であり、WD11・WD12〜WD41・WD42は、書き換えドライバである。
Hereinafter, the part common to the above-mentioned Examples 1 to 5 will be referred to.
<Memory cell array>
FIG. 20 is an example showing a configuration example of ARY11 and ARY12 in which memory cell arrays are assembled in a circuit around the memory cell of FIG. 1 and an input / output terminal DQ outside the chip. In this figure, the description is made in accordance with the embodiment of FIG. 1, but it goes without saying that it can be applied to other embodiments. MC11 and MC12 to MC42 connected to the corresponding bit lines B1 to B4 and source lines S1 to S4 are memory cells, and each is composed of a TMR element TMR and a selection transistor MCT as shown in MC11. The select transistor of each memory cell is driven by the word lines WL1 and WL2. SA1 to SA4 are sense amplifiers, LA1 to LA4 are latch circuits for storing the sense results of the sense amplifiers, and WD11 / WD12 to WD41 / WD42 are rewrite drivers.

ARY11のセンスアンプはYS信号YS1で選択され、ARY12のセンスアンプはYS信号YS2で選択される。この例では、各メモリセルアレーARY11、ARY12からは、4本の内部入出力ラインIO1〜IO4へセンスアンプの結果が伝えられる構成となっている。このIO1〜IO4と各メモリセルアレーARY11、ARY12との接続が、YS1、YS2によって行なわれる。なお、メモリセルアレーは実際はもっと多く配置され、これに対応したワード線、YS信号が用意される。内部入出力ラインIO1〜IO4は、マルチプレクサMUX1にてひとつが選択され、チップ外への入出力端子DQへその信号が出力される。外部からのデータの入力も同様であり、DQからの信号は、MUX1で各IO1〜IO4に振り分けられ、YS信号によって書き込むべきアレーへ信号が伝えられる。このようなアレー構成例によって、本発明をメモリアレーとして実現することができる。   The sense amplifier of ARY11 is selected by the YS signal YS1, and the sense amplifier of ARY12 is selected by the YS signal YS2. In this example, each memory cell array ARY11, ARY12 is configured to transmit the result of the sense amplifier to four internal input / output lines IO1-IO4. Connection between the IO1 to IO4 and the memory cell arrays ARY11 and ARY12 is performed by YS1 and YS2. Note that more memory cell arrays are actually arranged, and corresponding word lines and YS signals are prepared. One of the internal input / output lines IO1 to IO4 is selected by the multiplexer MUX1, and the signal is output to the input / output terminal DQ outside the chip. The same applies to the input of data from the outside, and the signal from DQ is distributed to each IO1 to IO4 by MUX1, and the signal is transmitted to the array to be written by the YS signal. With such an array configuration example, the present invention can be realized as a memory array.

<チップ制御回路>
図21は、図20のメモリセルアレーを制御するチップ上の制御回路例を示したものである。CHIPはこのメモリチップ又はこのメモリ部分を含んだ装置のチップであり、Vddは外部電源であり、Aiはアドレス信号、Clockはクロック信号、Commandはコマンド信号、DQは入出力信号である。Commandは専用の信号の場合もあれば、これらから合成された信号の場合もあり、これらを纏めて示している。他に、グラウンドへも接続されており、また、無線などのインタフェースを備える場合もある。OVGは内部電圧発生回路であり、Vddとグラウンドから、内蔵する基準電圧発生回路を基に、内部のVdd、Vdd’、Vdl1、V1、V2といった、Vddよりも低い電圧、高い電圧、又はほぼ同じながら安定化された電圧をチップ上の回路に給電する。
<Chip control circuit>
FIG. 21 shows an example of a control circuit on a chip for controlling the memory cell array of FIG. CHIP is a chip of this memory chip or a device including this memory part, Vdd is an external power supply, Ai is an address signal, Clock is a clock signal, Command is a command signal, and DQ is an input / output signal. Command may be a dedicated signal or may be a signal synthesized from these signals, and these are collectively shown. In addition, it may be connected to the ground and may have a wireless interface. OVG is an internal voltage generation circuit. From Vdd and ground, based on a built-in reference voltage generation circuit, internal Vdd, Vdd ′, Vdl1, V1, V2, voltages lower than Vdd, higher voltage, or almost the same However, the stabilized voltage is supplied to the circuit on the chip.

CMDは、外部入力のバッファ回路や、コマンド信号より内部信号を発生する回路であり、センスアンプ起動信号SAEや、書き込みイネーブル信号WEなどを発生する。DECは、アドレス信号から選択すべきワード線を選択するデコード回路であり、WLDはワードドライバであり、ワード線WL1などを駆動する。YSDは、アドレス信号から選択すべきYS信号YSiを選択するデコード回路及びドライバ回路である。IOkは内部IO信号であり、MUXとDOBは、IOkより、DQへの出力を選択、駆動したり、DQからの入力を分配したりする回路である。アレー内でMCで現したものがメモリセルであり、実際の構成は図20のMC11のようなものである。本実施例により、本発明を実現し、クロック信号で同期してデータの授受を行なうメモリを実現できる。   The CMD is an external input buffer circuit or a circuit that generates an internal signal from a command signal, and generates a sense amplifier activation signal SAE, a write enable signal WE, and the like. DEC is a decode circuit that selects a word line to be selected from an address signal, WLD is a word driver, and drives the word line WL1 and the like. YSD is a decoding circuit and a driver circuit for selecting the YS signal YSi to be selected from the address signal. IOk is an internal IO signal, and MUX and DOB are circuits for selecting and driving the output to DQ and distributing the input from DQ by IOk. What is represented by MC in the array is a memory cell, and the actual configuration is like MC11 in FIG. According to the present embodiment, the present invention can be realized, and a memory that exchanges data in synchronization with a clock signal can be realized.

図22は、図21の回路の動作例である。クロック信号Clockに同期して、コマンド信号Commandとして、ACTが入力するとワード線が立ち上がり、SAEでセンスアンプが活性化されて読み出し信号が得られる。SAiは、複数のSAの出力を纏めて示している。センスアンプに読み出し信号が得られると、以下の動作と並行してここでは示していないが、これまでの実施例にしめしたように再書き込み動作が進行する。Readが入力するとYSが立ち上がり、IOに読み出し信号が現れ、これがDQに順次出力される。Writeが入力すると、DQよりの入力を、IOに分配し、センスアンプを介してPREの信号によってメモリセルに書き込んで行く。これによって、クロック信号に同期した本発明の動作ができる。   FIG. 22 shows an operation example of the circuit of FIG. In synchronization with the clock signal Clock, when ACT is input as the command signal Command, the word line rises, the sense amplifier is activated by SAE, and a read signal is obtained. SAi collectively indicates outputs of a plurality of SAs. When a read signal is obtained in the sense amplifier, a rewrite operation proceeds as shown in the previous embodiments, although not shown here in parallel with the following operation. When Read is input, YS rises and a read signal appears at IO, which is sequentially output to DQ. When Write is input, the input from DQ is distributed to IO and written to the memory cell by the PRE signal via the sense amplifier. Thus, the operation of the present invention synchronized with the clock signal can be performed.

<メモリセルアレーの具体的構成例>
図23は、本発明に用いるメモリセルの断面構造例(a)を、その回路図(b)と共に示したものである。Si基板上にMOSトランジスタ(MOSFET)を形成し、これは選択トランジスタとなる。DはこのMOSトランジスタのドレイン領域、SはこのMOSトランジスタのソース領域であり、電気的な動作は必要に応じて相互にソースにもドレインにもなりえる。WLはワード線に接続しているゲートである。この選択トランジスタとなるMOSトランジスタに、ソース線SLとビット線BLが金属配線で構成されている。またこの例では、TMR素子TMRは、MOSトランジスタのドレイン領域Dと接続した金属配線BEとビット線BLとの間に配置されており、その配置されている場所は、ドレイン領域Dと金属配線BEとを接続しているこの図で縦の金属配線と接した領域とは異なる場所にある場合もある。プロセスによっては、これによって金属配線BEのより平坦な表面の上にTMR素子を作成できるので、良好な特性を持つTMR素子となる。なお、この図で注意しておくが、金属配線BEとドレイン領域Dとを接続するこの図で縦の金属配線は、ソース線SLとは接続されておらず、ソース線SLの背後を通過している。このような断面構造例のメモリセルを用いて本発明の動作を行うことができる。
<Specific configuration example of memory cell array>
FIG. 23 shows a cross-sectional structure example (a) of a memory cell used in the present invention together with its circuit diagram (b). A MOS transistor (MOSFET) is formed on a Si substrate, which becomes a selection transistor. D is a drain region of the MOS transistor, and S is a source region of the MOS transistor, and electrical operations can be both a source and a drain as needed. WL is a gate connected to the word line. A source line SL and a bit line BL are formed of metal wirings in the MOS transistor that serves as the selection transistor. In this example, the TMR element TMR is disposed between the metal wiring BE connected to the drain region D of the MOS transistor and the bit line BL, and the disposed location is the drain region D and the metal wiring BE. In this figure, the region may be in a different location from the region in contact with the vertical metal wiring. Depending on the process, a TMR element can be formed on a flatter surface of the metal wiring BE, thereby obtaining a TMR element having good characteristics. Note that in this figure, the vertical metal wiring in this figure that connects the metal wiring BE and the drain region D is not connected to the source line SL but passes behind the source line SL. ing. The operation of the present invention can be performed using a memory cell having such a cross-sectional structure example.

図24は、本発明に用いる他のメモリセルの断面構造例(a)を、その回路図(b)と共に示したものである。一つのセルあたり、基本的に同時に選択される2本のワード線WLを有している。この構成では、断面構造例(a)に示すように隣り合うセルとは、そのセルのワード線の電圧0V、すなわちゲート電圧が0Vでありこれによって電気的に絶縁する。これによって、トランジスタをメモリセルあたり2個用いながら、小さなレイアウト面積とすることができる。このような断面構造例のメモリセルを用いて本発明の動作を行うことができる。   FIG. 24 shows a cross-sectional structure example (a) of another memory cell used in the present invention together with its circuit diagram (b). Each cell has two word lines WL that are basically selected at the same time. In this configuration, as shown in the cross-sectional structure example (a), the voltage of the word line of the cell is 0 V, that is, the gate voltage is 0 V, thereby being electrically insulated. This makes it possible to reduce the layout area while using two transistors per memory cell. The operation of the present invention can be performed using a memory cell having such a cross-sectional structure example.

図25はTMR素子部分の実施例を示したものである。従来例でも説明したようにトンネル磁気抵抗素子TMRには、少なくとも2つの磁性層があり、1つは、スピンの向きが固定されている固定層PL、他方はスピンの向きが固定層に対して、(a)の平行状態、(b)の反平行状態の2状態をとる自由層FLからなる。これらの膜の間にはトンネル障壁膜TBがある。この構造をより詳しくした例を(c)に示す。金属配線MLとビット線BLは図3に対応したものである。この図でも固定層PL、自由層FL、及び、トンネル障壁膜TBがある。   FIG. 25 shows an embodiment of the TMR element portion. As described in the conventional example, the tunnel magnetoresistive element TMR has at least two magnetic layers, one is the fixed layer PL in which the spin direction is fixed, and the other is the spin direction with respect to the fixed layer. , (A) is a parallel state, and (b) is an anti-parallel state. There is a tunnel barrier film TB between these films. A more detailed example of this structure is shown in (c). The metal wiring ML and the bit line BL correspond to FIG. Also in this figure, there are a fixed layer PL, a free layer FL, and a tunnel barrier film TB.

まず、金属配線MLの上には、金属層108が置かれる。この上に固定層PLが配置されるが、この図では103と102の2層構造となっている。103は反強磁性体膜であり、102は強磁性体膜である。このように反強磁性体膜103を強磁性体膜102に合わせることによって、最初に定めた磁化の向きが強固に固定されることになる。これによって、書き換えの電流などでは磁化が変化しない固定層PLとなる。その上にトンネル障壁膜TBが置かれ、その上に自由層FLが置かれる。トンネル障壁膜TBはMgOなどの絶縁膜である。自由層FLは、この例では、104、105、106の多層構造となっている。104と106は強磁性体膜であり、105はRu(ルテニウム)などの金属である。また、104と106の磁化は互いに反平行となるようにしてあり、ここでは、2つの強磁性体膜で金属層を挟んだ構造としたが、これを増やして4つの強磁性体膜を用いてそれらの互いの間に金属層(この場合は合計で3層が必要となる)を挿入した構造としても良く、更に多層でも良い。このようにすることで、熱の擾乱による自由層FLの磁化の向きの揺らぎに対する耐性を高めることができる。一般に温度が上がると熱によって自由層FLの磁化の向きが揺らぎやすくなり、書き込んだ向きと逆の向きに回転してしまう確率が高くなる。しかしながら、このような多層構造をすることによってこの逆に方向に回転してしまう確率を実用上問題無い低いレベルに抑えることができる。また、書き換えを行なう電流のしきい値を低く抑えることができる。この自由層FLの上部は金属層107を介してビット線BLと接続されることになる。この例のようなTMR素子を本発明の動作を行なうことができる。   First, the metal layer 108 is placed on the metal wiring ML. A fixed layer PL is disposed thereon, and in this figure, a two-layer structure of 103 and 102 is formed. Reference numeral 103 denotes an antiferromagnetic film, and reference numeral 102 denotes a ferromagnetic film. By aligning the antiferromagnetic film 103 with the ferromagnetic film 102 in this way, the initially determined magnetization direction is firmly fixed. As a result, the fixed layer PL whose magnetization is not changed by a rewriting current or the like is obtained. A tunnel barrier film TB is placed thereon, and a free layer FL is placed thereon. The tunnel barrier film TB is an insulating film such as MgO. In this example, the free layer FL has a multilayer structure of 104, 105, and 106. 104 and 106 are ferromagnetic films, and 105 is a metal such as Ru (ruthenium). Also, the magnetizations of 104 and 106 are antiparallel to each other. Here, the metal layer is sandwiched between two ferromagnetic films, but this is increased to use four ferromagnetic films. Further, a structure in which metal layers (in this case, three layers in total are required) are inserted between them may be used, or a multilayer may be used. By doing so, it is possible to increase resistance to fluctuations in the magnetization direction of the free layer FL due to thermal disturbance. In general, when the temperature rises, the magnetization direction of the free layer FL easily fluctuates due to heat, and the probability of rotating in the direction opposite to the written direction increases. However, with such a multi-layer structure, the probability of rotating in the opposite direction can be suppressed to a low level that is practically acceptable. In addition, the threshold value of the current for rewriting can be kept low. The upper portion of the free layer FL is connected to the bit line BL via the metal layer 107. A TMR element like this example can perform the operation of the present invention.

図26は、本発明を実現する他のメモリセルアレーのTMR素子の部分を模式的に示したものである。この実施例では、自由層と固定層の磁化の向きがトンネル障壁層に対して水平ではなく垂直となっている。このような材料を選択することで熱による擾乱に対してTMR素子の2つの状態(平行と反平行)が安定なメモリ素子とすることができる。これに本発明の温度制御や、再書き込みを行う方式を適用した実施例では、スケーリングが進んでも、広い温度範囲で安定に動作するメモリ動作を実現できるという特徴がある。このような構造のTMR素子を適用した様々なメモリセルを用いて、本発明の特徴である本来の書き換え信号の前にこれとは逆特性の書き換え信号を与える動作を実現できる。   FIG. 26 schematically shows a portion of a TMR element of another memory cell array realizing the present invention. In this embodiment, the magnetization directions of the free layer and the fixed layer are not horizontal but perpendicular to the tunnel barrier layer. By selecting such a material, a memory element in which two states (parallel and antiparallel) of the TMR element are stable against thermal disturbance can be obtained. In the embodiment to which the temperature control and the rewriting method of the present invention are applied, there is a feature that a memory operation that stably operates in a wide temperature range can be realized even if scaling is advanced. By using various memory cells to which the TMR element having such a structure is applied, an operation of giving a rewrite signal having a characteristic opposite to that of the original rewrite signal, which is a feature of the present invention, can be realized.

図27は、本発明の実施例を実現するメモリセルアレーの他のレイアウト例である。グローバルビット線の下にローカルビット線とソース線を配置する場合の実施例である。上位のグローバルビット線は示していない。メモリセルの面積は、ワード線あるいはビット線の配線ピッチを2Fとした場合8F2である。また、図28は図27のA−A‘間の断面図と周辺回路の断面図を示している。図29はB−B’間の断面図、C−C‘間の断面図を示している。   FIG. 27 shows another layout example of the memory cell array for realizing the embodiment of the present invention. This is an embodiment in which a local bit line and a source line are arranged under a global bit line. The upper global bit line is not shown. The area of the memory cell is 8F2 when the wiring pitch of the word lines or bit lines is 2F. FIG. 28 shows a cross-sectional view taken along a line A-A ′ in FIG. 27 and a cross-sectional view of a peripheral circuit. FIG. 29 shows a cross-sectional view between B-B 'and a cross-sectional view between C-C'.

メモリセルは、1つのnMOSトランジスタとトンネル磁気抵抗TMRからなる。ワード線WLはトランジスタのゲートGPに接続される。ゲート材料は、P型ポリシリコンやP型ポリシリコンの上部にシリサイドあるいは、タングステン(W)が積層され、低抵抗化されている。メモリセルトランジスタは、p型の半導体領域pWEL中に形成される。p型半導体領域pWELは、n型半導体領域DWELの中に形成され、このDWELはP―Sub上に形成される。nMOSトランジスタの拡散層LNの一方には、ソース線コンタクトSLCが配置される。ソース線コンタクトは、隣接するメモリセルと共有化して小面積化している。ソース線コンタクト上には、ワード線と直行する方向にソース線が配線される。ソースコンタクトが配置されない拡散層LPには、トンネル磁気抵抗TMRに接続される下部電極コンタクトBECが配置される。下部電極コンタクトBECはトンネル磁気抵抗が配置される下部電極BEに接続される。下部電極BE上には、複数の磁性体膜とトンネル膜からなるトンネル磁気抵抗TMRが配置される。トンネル磁気抵抗TMRには、少なくとも1層のトンネル膜TBとその両側に配置される固定層PLと自由層FLが含まれる。磁性体の固定層PLでは、内部の電子のスピンの向きが一定方向に固定されている。一方、磁性体の自由層FLでは、内部の電子のスピンの向きが固定層に対して平行・反平行状態の2状態のいずれかの状態にある。   The memory cell includes one nMOS transistor and a tunneling magnetoresistance TMR. The word line WL is connected to the gate GP of the transistor. As the gate material, silicide or tungsten (W) is stacked on top of P-type polysilicon or P-type polysilicon to reduce resistance. The memory cell transistor is formed in the p-type semiconductor region pWEL. The p-type semiconductor region pWEL is formed in the n-type semiconductor region DWEL, and this DWEL is formed on the P-Sub. A source line contact SLC is disposed on one of the diffusion layers LN of the nMOS transistor. The source line contact is shared with adjacent memory cells to reduce the area. A source line is wired on the source line contact in a direction perpendicular to the word line. In the diffusion layer LP where the source contact is not disposed, the lower electrode contact BEC connected to the tunnel magnetoresistance TMR is disposed. The lower electrode contact BEC is connected to the lower electrode BE where the tunneling magnetoresistance is arranged. On the lower electrode BE, a tunnel magnetoresistance TMR composed of a plurality of magnetic films and a tunnel film is disposed. The tunnel magnetoresistance TMR includes at least one tunnel film TB and a fixed layer PL and a free layer FL disposed on both sides thereof. In the magnetic fixed layer PL, the direction of spin of electrons inside is fixed in a fixed direction. On the other hand, in the magnetic free layer FL, the internal spin direction of the electrons is in one of two states, a parallel state and an antiparallel state to the fixed layer.

本構成では、トンネル膜TBと下部電極の間に固定層PLが配置され、トンネル磁気抵抗TMRの上層に配線されるビット線BLとトンネル膜TBの間に自由層FLが配置される。ビット線は、ワード線と直交し、ソース線と平行に配線される。トンネル磁気抵抗TMRはビット線配線方向がワード線配線方向に比べて長い長方形あるいは、楕円形状になっている。これにより、自由層FLのスピン方向の保持特性がよくなる利点がある。このような断面構造のメモリセルを用いて、本発明の動作を行なうことができる。   In this configuration, the fixed layer PL is disposed between the tunnel film TB and the lower electrode, and the free layer FL is disposed between the bit line BL and the tunnel film TB wired on the upper layer of the tunnel magnetoresistance TMR. The bit line is wired perpendicular to the word line and parallel to the source line. The tunnel magnetoresistance TMR has a rectangular or elliptical shape in which the bit line wiring direction is longer than the word line wiring direction. Thereby, there is an advantage that the retention characteristic in the spin direction of the free layer FL is improved. The operation of the present invention can be performed using a memory cell having such a cross-sectional structure.

図30は、本発明を実現する他のメモリセルアレーの断面構造例を示した図である。メモリセルトランジスタを縦型MOSで構成したものであり、メモリセル面積を、Fを加工の最小寸法として、4F2まで低減できる。PLは固定層、FLは自由層、TBはトンネルバリアでありTMR素子を形成している。この図ではPLが上部にあるが、PLがFLよりも下部にあっても良い。また、縦型MOSとの高さ方向の配置の順番もこの図とは異なる順番でも良い。GAがゲートであり、上下のn+領域がソース及びドレインであり、p領域にゲートGAに印加される電圧によって通常のMOSと同じ動作をする。ゲートGAはp領域を環状に包む場合もあれば、2方向から或いは3方向から縦型構造の面を制御する場合もある。また、縦型MOSとしてはこの図はnMOSであるが、pMOSでも構成できる。   FIG. 30 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of another memory cell array for realizing the present invention. The memory cell transistor is composed of a vertical MOS, and the memory cell area can be reduced to 4F2 with F being the minimum dimension for processing. PL is a fixed layer, FL is a free layer, TB is a tunnel barrier, and forms a TMR element. In this figure, PL is at the top, but PL may be below FL. Also, the order of arrangement in the height direction with the vertical MOS may be different from this figure. GA is a gate, upper and lower n + regions are a source and a drain, and the same operation as that of a normal MOS is performed by a voltage applied to the gate GA in the p region. The gate GA may wrap the p region in a ring shape, or may control the surface of the vertical structure from two directions or from three directions. As the vertical MOS, this figure is an nMOS, but a pMOS can also be used.

図31は、この構造の平面図である。図30に対応しているが、構造を説明するために、4つのセルで表示する層を変えて示している。右下のセルは、ソース線SLとトランジスタ領域とゲート配線を示している。右上は、これにTMR素子を形成する台座のメタル層であるBEが載った状態を示している。左上はこれにTMR素子TMRが載った状態であり、左下がビット線BLを被せた状態である。このような構造のメモリセルを用いて、本発明の動作を行なうことができる。   FIG. 31 is a plan view of this structure. Although corresponding to FIG. 30, in order to explain the structure, the layers to be displayed in four cells are changed and shown. The lower right cell shows a source line SL, a transistor region, and a gate wiring. The upper right shows a state where BE, which is a metal layer of a pedestal that forms the TMR element, is placed on the upper right. The upper left is a state in which the TMR element TMR is mounted, and the lower left is a state in which the bit line BL is covered. The operation of the present invention can be performed using a memory cell having such a structure.

<参照電圧の発生方法>
図32に本発明に用いるTMR素子の温度特性例を示す。本発明の読み出し及び再書き込みはこの特性例を考慮して、その流す電流を決定している。この図は、横軸がTMR素子に流す電流であり、縦軸がその時の抵抗を示す。実線が低温時であり、破線は高温時である。最初の状態を平行状態であるとすると、この時は低抵抗であり、その値はRpである。電流をこの図で右の方向へ増加させていくと、この向きの電流量がある電流値よりも大きくなるとTMR素子の状態が変わり、反平行状態となる。この状態では、抵抗は大きく、Rapの値である。この状態になった後、今度は流す電流を逆向きに増加させて行く。そうするとここの向きの電流量がある電流値よりも大きくなるとTMR素子の状態が変わり、元の平行状態に戻る。温度によってこの特性は異なる。第1に高抵抗状態である反平行状態の抵抗値Rapは低温では大きいが、高温では小さい。また、状態が切り替わる電流の大きさも、それぞれの向きでの絶対値において、低温では大きいが高温では小さい。一方、平行状態の抵抗値Rpは温度に殆どよらない。読み出し時の抵抗を、横軸を温度に取って示すと図33のようになる。この特性を考慮して、本発明を実現するメモリセルアレーを組む。
<Generation method of reference voltage>
FIG. 32 shows an example of temperature characteristics of the TMR element used in the present invention. In the reading and rewriting of the present invention, the flowing current is determined in consideration of this characteristic example. In this figure, the horizontal axis represents the current flowing through the TMR element, and the vertical axis represents the resistance at that time. The solid line is when the temperature is low, and the broken line is when the temperature is high. If the initial state is a parallel state, the resistance is low at this time, and its value is Rp. When the current is increased in the right direction in this figure, when the amount of current in this direction becomes larger than a certain current value, the state of the TMR element changes and the antiparallel state is obtained. In this state, the resistance is large and the value of Rap. After this state is reached, the current to be passed is increased in the opposite direction. Then, when the amount of current in this direction becomes larger than a certain current value, the state of the TMR element changes and returns to the original parallel state. This characteristic varies with temperature. First, the resistance value Rap in the anti-parallel state, which is a high resistance state, is large at low temperatures but small at high temperatures. In addition, the magnitude of the current at which the state is switched is large at low temperatures but small at high temperatures in absolute values in the respective directions. On the other hand, the resistance value Rp in the parallel state hardly depends on the temperature. FIG. 33 shows the resistance at the time of reading with the horizontal axis representing the temperature. In consideration of this characteristic, a memory cell array for realizing the present invention is assembled.

図34は、このような特性を踏まえて、本発明で用いるアレーにおいて、読み出し動作に用いるVrefを実現する参照セルの実現方法の他の例を示したものである。2つのメモリセルアレーArray1とArray2とがあり、センスアンプAMP(その出力がSAt)に対し、それぞれ読み出しセルと参照セルとを有している。この例では、例えば、Array1において、左側のRC1が読み出しセルであり、右側は下記述べるようにArray2と共に参照セルを構成している。同時に、この図面には簡略化のために示していないが、左側にも参照セルがあり、これは右側のメモリセルを読み出す場合に使用する。Rsaはセンスアンプの入力の負荷抵抗であり、Csaはこの部分の寄生容量、Cbはビット線の寄生容量である。また、センスアンプAMPの入力端子において、Array1とArray2との間にスイッチがあり、参照セル側はこのスイッチを閉じ(On)、読み出しセル側はこのスイッチを開いている(Off)。   FIG. 34 shows another example of a method for realizing a reference cell that realizes Vref used for a read operation in an array used in the present invention, based on such characteristics. There are two memory cell arrays Array1 and Array2, each having a read cell and a reference cell for the sense amplifier AMP (whose output is SAt). In this example, for example, in Array1, the left RC1 is a readout cell, and the right side constitutes a reference cell together with Array2 as described below. At the same time, although not shown in the drawing for simplicity, there is also a reference cell on the left side, which is used when reading the right memory cell. Rsa is a load resistance of the input of the sense amplifier, Csa is a parasitic capacitance of this portion, and Cb is a parasitic capacitance of the bit line. Further, at the input terminal of the sense amplifier AMP, there is a switch between Array1 and Array2, the reference cell side is closed (On), and the read cell side is opened (Off).

このようにして、参照セルとしてRapである“1”の状態のセルと,Rpである“0”の状態のセルの2つを参照セル(ダミーセル)として用いる。この時、Array1とArray2とのセンスアンプの入力をショートすることにより、負荷抵抗は等価的にRsaの半分となっている。これにより、参照セル側のセンスアンプの入力には、“1”読み出し時と“0”読み出し時の中間の電位Vrefを発生することができる。左側では、Array1でもArray2でも読み出しを行なう。   In this way, two cells are used as reference cells (dummy cells), which are Rap “1” state cells and Rp “0” state cells. At this time, the load resistance is equivalently half of Rsa by short-circuiting the inputs of the sense amplifiers of Array1 and Array2. As a result, an intermediate potential Vref between “1” reading and “0” reading can be generated at the input of the sense amplifier on the reference cell side. On the left side, reading is performed in both Array1 and Array2.

これらからは、その記憶している情報に対応した抵抗に対応した電流が流れ、センスアンプにおいて、参照セルが入力した端子と対を成す他方の入力端子にて、負荷抵抗Rsaによって対応した電圧信号が現れる。この信号とVrefとの差を、これまでに実施例で述べたようにセンスアンプで読み出すことにより高速に読み出すことができる。この実施例では、Array1とArray2を用いることによって、センスアンプ内の寄生容量が等しくなり、また抵抗の同じものを用いているため、読み出し時の過渡状態でも、参照セルが発生するVrefが,“1”読み出しと、“0”読み出しの中間となるのでセンスアンプの起動タイミングを早めることができ,高速アクセスを実現できる。   From these, a current corresponding to the resistance corresponding to the stored information flows, and in the sense amplifier, the voltage signal corresponding to the load resistance Rsa at the other input terminal paired with the terminal input by the reference cell. Appears. The difference between this signal and Vref can be read at high speed by reading with the sense amplifier as described in the embodiments so far. In this embodiment, by using Array1 and Array2, the parasitic capacitances in the sense amplifier are equal and the same resistance is used, so that Vref generated by the reference cell is “ Since it is intermediate between “1” reading and “0” reading, the activation timing of the sense amplifier can be advanced and high-speed access can be realized.

図35に、アレー全体を記述したシミュレーションによる波形を示す。参照セルの電位が、読み出し時の過渡状態でも、“1”読み出しと、“0”読み出しの中間となっている。これによりセンスアンプ起動信号SAEを早めに動作させることができる。この後、読み出しセルも、参照セルも再書き込みを行なう。参照セルの再書き込みには常に同じデータが書き込まれるようにして行なう。このような構造のメモリセルアレーを用いて、本発明の特徴である読み出し時は再書き込みを行なうことにより、比較的大きな電流で安定に読み出しを高速に行なうことができるのである。   FIG. 35 shows a simulation waveform describing the entire array. The potential of the reference cell is intermediate between “1” reading and “0” reading even in a transient state during reading. As a result, the sense amplifier activation signal SAE can be operated early. Thereafter, the read cell and the reference cell are rewritten. The reference data is rewritten so that the same data is always written. By using the memory cell array having such a structure and performing rewriting at the time of reading, which is a feature of the present invention, it is possible to stably perform reading at a high speed with a relatively large current.

<MOSトランジスタの構造>
本発明は、TMR素子の微細化が進んだ場合に、特に効果を発揮する。しかし、TMR素子の微細化と共にMOSトランジスタの微細化が進むと様々な課題が生じる。よって、本発明が実施される際に好適なMOSトランジスタの構造について、以下、説明する。
<Structure of MOS transistor>
The present invention is particularly effective when the TMR element is miniaturized. However, various problems arise when the miniaturization of the MOS transistor advances with the miniaturization of the TMR element. Therefore, a structure of a MOS transistor suitable when the present invention is implemented will be described below.

図36は、本発明の他の実施例を示す図である。3種類の素子の断面構造が示されている。共に、埋め込み酸化膜(BOX)層であるUTBを持ち、その厚さは30nm以下と薄いという特徴がある。nMOSとpMOSの部分は完全空乏(FD)型であり、UTBの上のSi層の厚さが薄く、Memoryの部分はTMR素子を有しているという特徴がある。また、Memoryの部分はpMOSを用いて形成する場合もある。このような断面構造を取ることで、共にUTBをゲート絶縁膜と見なし、その下部にそれぞれ形成したバックゲートによる制御動作を行うことができる。完全空乏(FD)型の部分では、しきい値電圧のばらつきの補正や動作モードに応じたダイナミックなしきい値電圧の制御を行うことができ、高速かつ低電力・低リーク電流を実現できる。メモリセルとなっている部分では、書き換えに必要な駆動能力を得つつ、待機時はリーク電流を小さく抑えることができる。これらの実現には、UTBの厚さが30nm以下と薄い必要がある。この薄いUTBによって、UTB下の電圧を制御してしきい電流の動的な制御又はばらつきの補正を行なうことができ、TMR素子の反転に必要な充分な大きさの書き換え電流を得ることができることになる。特に、選択されたメモリセルのみ低いしきい値として充分な書き換え電流を得ることができる点が優れている。また、書き換え動作時、電流の向きからTMR素子に供給される電流がMOSのソースフォロワモードで供給される時にも充分に電流を得ることができる方法となる。   FIG. 36 is a diagram showing another embodiment of the present invention. The cross-sectional structures of three types of elements are shown. Both are characterized by having a UTB which is a buried oxide film (BOX) layer, and the thickness is as thin as 30 nm or less. The nMOS and pMOS portions are fully depleted (FD), the Si layer on the UTB is thin, and the Memory portion has a TMR element. Also, the Memory portion may be formed using pMOS. By taking such a cross-sectional structure, it is possible to perform the control operation by using the back gate formed under the UTB as a gate insulating film. In the fully depleted (FD) type portion, variations in threshold voltage and dynamic threshold voltage control according to the operation mode can be performed, and high speed, low power, and low leakage current can be realized. In the memory cell portion, the leakage current can be kept small during standby while obtaining the driving capability necessary for rewriting. To realize these, the thickness of the UTB needs to be as thin as 30 nm or less. With this thin UTB, the voltage under the UTB can be controlled to dynamically control the threshold current or correct the variation, and a rewriting current large enough to invert the TMR element can be obtained. become. In particular, only a selected memory cell is excellent in that a sufficient rewriting current can be obtained with a low threshold. In addition, during the rewriting operation, a current can be sufficiently obtained even when the current supplied to the TMR element is supplied in the MOS source follower mode from the direction of the current.

以下、本実施例におけるこの図の各部の構造を説明する。nMOSとpMOSとは、p−sub上下記で説明する構造をつけた形で形成され、両者は溝堀型絶縁領域であるSTIで分離される。pMOSについてまず述べると、埋め込み酸化膜UTB下にはn領域が置かれ、これがバックゲートとなっている。このバックゲートはn+を介して半導体表面に取り出す。nMOS部分では、埋め込み酸化膜UTB下にはp領域が置かれ、これがバックゲートとなっている。このバックゲートはp+を介して半導体表面に取り出す。更に、UTB下p領域と、同じp型半導体であるp−subとの分離に、n型半導体であるdn領域を設ける。このdn領域は、STI領域の下に配置したn領域と、n+領域とで半導体表面に取り出す。STIは、このように構成されるnMOSとpMOSとを分離している。dn領域と、pMOSのバックゲート領域であるn領域も分離している。これによって、回路の動作状態に応じてしきい値電圧を変えることができ、高速かつ低電力・低リーク電流である半導体装置を実現できる。Memoryの部分は、MOS構造はnMOSと同じである。   Hereafter, the structure of each part of this figure in a present Example is demonstrated. The nMOS and pMOS are formed on the p-sub with a structure described below, and both are separated by STI, which is a trench type insulating region. First, regarding the pMOS, an n region is placed under the buried oxide film UTB, which serves as a back gate. This back gate is taken out to the semiconductor surface via n +. In the nMOS portion, a p region is placed under the buried oxide film UTB, which serves as a back gate. This back gate is taken out to the semiconductor surface via p +. Further, a dn region that is an n-type semiconductor is provided to separate the p region under the UTB from the p-sub that is the same p-type semiconductor. This dn region is taken out to the semiconductor surface by an n region and an n + region arranged under the STI region. The STI separates the nMOS and the pMOS configured as described above. The dn region and the n region which is the back gate region of the pMOS are also separated. As a result, the threshold voltage can be changed according to the operation state of the circuit, and a high-speed, low power and low leakage current semiconductor device can be realized. The Memory portion has the same MOS structure as the nMOS.

ゲートはワード線(WL)と接続され、ドレインはビット線(BL)と接続され、ソースはソース線(SL)と接続されている。SLは拡散層でメモリセル間を接続し、いくつかのメモリセルの塊毎に、より低抵抗な金属配線などと接続される。ここでも埋め込み酸化膜UTB下にはp領域が置かれ、これがバックゲートとなっており、このバックゲートはp+を介して半導体表面に取り出す。更に、UTB下p領域と、同じp型半導体であるp−subとの分離に、n型半導体であるdn領域を設ける。このdn領域は、STI領域の下に配置したn領域と、n+領域とで半導体表面に取り出す。これによって、書き換えに必要な駆動能力を得つつ、待機時はリーク電流を小さく抑えられるメモリセルが実現できる。待機時はMOSのしきい電圧を高く、選択された動作の時はMOSのしきい値を低くすることができる。もちろん、本発明の特徴である読み出し時は、再書き込みを行なうことにより、比較的大きな電流で安定に読み出しを行なうことができるのである。   The gate is connected to the word line (WL), the drain is connected to the bit line (BL), and the source is connected to the source line (SL). SL connects memory cells with a diffusion layer, and is connected to a lower resistance metal wiring or the like for each of several memory cell clusters. Again, a p region is placed under the buried oxide film UTB, which serves as a back gate, and this back gate is taken out to the semiconductor surface via p +. Further, a dn region that is an n-type semiconductor is provided to separate the p region under the UTB from the p-sub that is the same p-type semiconductor. This dn region is taken out to the semiconductor surface by an n region and an n + region arranged under the STI region. As a result, it is possible to realize a memory cell that can obtain a driving capability necessary for rewriting and suppress a leakage current during standby. The MOS threshold voltage can be increased during standby, and the MOS threshold can be decreased during selected operations. Of course, at the time of reading, which is a feature of the present invention, reading can be performed stably with a relatively large current by performing rewriting.

図37は本発明の他の実施例を示す図である。図36の実施例との差は、UTBを取り去ったMOSの部分を持つことある。バルクと記載した部分のpMOS、nMOSの部分がそれにあたる。UTBは30nm以下と薄いため、このような部分を容易に作成することができる。この部分の構造は、従来のバルクCMOSと同じ構造である。この構造を備えることによって、入出力回路における保護素子を実現することができる。また、一部アナログ回路の過去のバルクの資産を活かすことも可能となる。   FIG. 37 shows another embodiment of the present invention. The difference from the embodiment of FIG. 36 is that it has a MOS portion from which UTB is removed. The portion described as bulk corresponds to the pMOS and nMOS portions. Since UTB is as thin as 30 nm or less, such a portion can be easily formed. The structure of this part is the same as that of a conventional bulk CMOS. With this structure, a protection element in the input / output circuit can be realized. It is also possible to utilize the past bulk assets of some analog circuits.

<本発明の応用例>
以上の通り、本発明を適用するとTMR素子の微細化が実現でき、それに伴い、MOSトランジスタの微細化も可能となる。その結果、多くのMOSトランジスタを集積でき様々な応用が考えられる。以下では、TMR素子及びMOSトランジスタの微細化が進んだ場合に好適な応用例について説明する。
<Application example of the present invention>
As described above, when the present invention is applied, the TMR element can be miniaturized, and accordingly, the MOS transistor can be miniaturized. As a result, many MOS transistors can be integrated and various applications can be considered. In the following, an application example suitable when the TMR element and the MOS transistor are miniaturized will be described.

図38は本発明応用例を示す図であり、後述の論理回路中にTMR素子を持ったフリップフロップ回路を用いた回路ブロックを持ち、図36又は図37の構造のMOSトランジスタで構成された論理ブロックを持ち、かつ読み出し時は再書き込みを行なうメモリセルアレーSPRAMを有したプロセッサの例を示したものである。この図の主要な内容は、複数のアクセラレータ(演算器)からなるプロセッサにおいて、各アクセラレータはパイプライン動作を行うが、そのパイプライン各段の回路を構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を、各段ごとに独立に制御するしかけを持っていることである。   FIG. 38 is a diagram showing an application example of the present invention, which has a circuit block using a flip-flop circuit having a TMR element in a logic circuit to be described later, and is configured by a MOS transistor having the structure of FIG. 36 or FIG. The figure shows an example of a processor having a memory cell array SPRAM having a block and rewriting at the time of reading. The main content of this figure is that in a processor composed of a plurality of accelerators (arithmetic units), each accelerator performs a pipeline operation. The threshold voltage of the MOS transistor constituting the circuit of each stage of the pipeline is It has a chance to control each stage independently.

具体的には、図38の複数のアクセラレータ1〜アクセラレータnにおいて、ひとつのアクセラレータ1を例に取ると、それは図38の下部のようになる。すなわち、アクセラレータ1においては、状態を保持するTMR素子を有したフリップフロップであるSP−FFと2つのSP−FFの間に設けられた論理ブロックとが配置され、これが段の単位であり、この図では、論理ブロック1、論理ブロック2から論理ブロックmが示されている。この各段の論理ブロックに対応して、この論理ブロックを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を制御する回路はCBG1、CBG2からCBGmまでが配置されている。これらの回路によって、各論理ブロックを構成するMOSトランジスタのしきい値電圧を、この各論理ブロックへ供給する電圧BG1N/BG1P、BG2N/BG2P、からBGmN/BGmPを変化させることで制御する。これらは、MOSトランジスタのバックゲート電圧として使用される。   Specifically, when one accelerator 1 is taken as an example in the plurality of accelerators 1 to n in FIG. 38, it is as shown in the lower part of FIG. That is, in the accelerator 1, an SP-FF that is a flip-flop having a TMR element that holds a state and a logic block provided between two SP-FFs are arranged, and this is a unit of a stage. In the figure, logical block 1, logical block 2 to logical block m are shown. Corresponding to the logic blocks of the respective stages, CBG1, CBG2 to CBGm are arranged as circuits for controlling the threshold voltages of the MOS transistors constituting the logic block. By these circuits, the threshold voltage of the MOS transistor constituting each logic block is controlled by changing BGmN / BGmP from voltages BG1N / BG1P and BG2N / BG2P supplied to each logic block. These are used as the back gate voltage of the MOS transistor.

MOSトランジスタの構成例は、図36又は図37である。これによって、各段である各論理ブロックの速度を製造後に変えることができるという特徴がある。これによって、各段において、同じ一定の時間内で処理を終了させることが可能となる。このような構成を持ったアクセラレータはひとつの場合もあるが、本発明では更にこれらが複数個集積化されたプロセッサシステムを構成する。この複数個のアクセラレータの各々が、パイプライン動作を行う演算器であり、その各々のアクセラレータ内において、このパイプラインの各段の速度を製造後に変えることができる。   A configuration example of the MOS transistor is shown in FIG. 36 or FIG. As a result, the speed of each logic block in each stage can be changed after manufacturing. This makes it possible to finish the processing within the same fixed time in each stage. Although there may be one accelerator having such a configuration, the present invention constitutes a processor system in which a plurality of such accelerators are integrated. Each of the plurality of accelerators is an arithmetic unit that performs a pipeline operation. In each accelerator, the speed of each stage of the pipeline can be changed after manufacturing.

なお、後述するが、このプロセッサは、複数が組み合わさって並列処理を行う構成とする。更にネットワークを通じて数万個以上のプロセッサが接続されて計算器システムを形作る。このひとつのプロセッサは、前述のように製造後に各段の速度を調整できるパイプラインを備えた複数のアクセラレータ1〜アクセラレータnと、このプロセッサの全体を統括する場合もある。その他に、演算回路ONとこれまでに実施例で述べた読み出し時は再書き込みを行なうメモリブロックSPRAMと、外付けのメモリを制御するメモリコントローラと、プロセッサ全体への基板電圧及びバックゲート電圧の発生、制御を行うバックバイアス制御と、バックバイアス電圧発生回路と、からなり、また複数のクロックを発生しこれを適宜使用するための、PLLとクロック発生及び制御からなる。アクセラレータ1で例として説明した回路ブロックCBG1などでは、その回路のすべてが各アクセラレータに置かれる場合もあれば、できるだけ共通な部分は図38上のバックバイアス制御とバックバイアス電圧発生回路の部分に置かれる場合もある。MOSトランジスタのしきい値電圧の制御を行うには、バルクMOSでは基板電圧を制御し、図37の例のようなFD−SOIではバックゲートを制御する。これによって、状態を保持するTMR素子を有したフリップフロップであるSP−FFに状態が保存されている限りは、論理ブロック1〜mのMOSは何時でも電源を遮断することも、そのMOSのしきい値電圧を高く設定してリークを極めて小さく抑えることもできる。また、SPRAM部分は、比較的大きな電流で安定した読み出しを行なうことができる。   As will be described later, this processor is configured to perform parallel processing by combining a plurality of processors. Furthermore, tens of thousands of processors are connected through a network to form a computer system. As described above, this one processor may supervise a plurality of accelerators 1 to n having a pipeline capable of adjusting the speed of each stage after manufacturing, and the entire processor. In addition, the arithmetic circuit ON, the memory block SPRAM that performs rewriting at the time of reading described in the embodiments so far, the memory controller that controls the external memory, and the generation of the substrate voltage and the back gate voltage for the entire processor , And a back bias voltage generation circuit, and includes a PLL and clock generation and control for generating a plurality of clocks and using them appropriately. In the circuit block CBG1 described as an example of the accelerator 1, all of the circuits may be placed in each accelerator, or the common part as much as possible is placed in the back bias control and back bias voltage generation circuit portion in FIG. There is also a case where In order to control the threshold voltage of the MOS transistor, the substrate voltage is controlled in the bulk MOS, and the back gate is controlled in the FD-SOI as in the example of FIG. As a result, as long as the state is stored in the SP-FF which is a flip-flop having a TMR element for holding the state, the MOSs of the logic blocks 1 to m can be cut off at any time, or the MOS can be turned off. It is also possible to keep the leak extremely small by setting the threshold voltage high. Further, the SPRAM portion can perform stable reading with a relatively large current.

図39は、状態を保持するTMR素子を有したフリップフロップであるSP−FFを構成する記憶素子の例を示したものである。SRAMの回路を構成するMOSトランジスタM21、M22、M31、M32、M41、M42に加えて、TMR素子TMR1,TMR2が、MOSトランジスタM12,M12を介してSRAMの記憶ノードに接続されている例である。TMR素子の他端はS1に接続されている。RWはワード線であり、D1、/D1はビット線、SWはTMR素子に書き込み及びデータの転送を行なう時にM12とM12を駆動する制御線であり、VDとVSは電源である。本記憶素子では、電源を遮断してもTMR素子TMR1とTMR2が情報を保持しているため、次に電源がオンしたときに極めて高速に記憶しているデータをSRAMの回路部分にロードすることができる。これによって、電源を遮断しても状態を保持するフリップフロップが可能となる。   FIG. 39 shows an example of a memory element that constitutes an SP-FF that is a flip-flop having a TMR element that holds a state. In this example, in addition to the MOS transistors M21, M22, M31, M32, M41, and M42 constituting the SRAM circuit, the TMR elements TMR1 and TMR2 are connected to the storage node of the SRAM via the MOS transistors M12 and M12. . The other end of the TMR element is connected to S1. RW is a word line, D1 and / D1 are bit lines, SW is a control line for driving M12 and M12 when writing and transferring data to the TMR element, and VD and VS are power supplies. In this memory element, since the TMR elements TMR1 and TMR2 retain information even when the power is turned off, the stored data is loaded into the SRAM circuit portion when the power is next turned on. Can do. As a result, a flip-flop that maintains the state even when the power is cut off can be realized.

図40に図39の回路の動作例を示す。(a)は、TMR素子TMR1とTMR2にデータを書き込む動作であり、(b)はこのTMR素子の情報をロードし、その後はSRAM回路の部分のデータを読み出して動作を行う例である。まず、(a)においては、RWを高レベルVAとし、MOSトランジスタM21とM22を充分にオンさせる。ついで、D1と/D1に書き込むべき信号を与え、ここではD1に高レベルVAを、/D1に0Vを与え、SWを高レベルVAに、S1をVAの半分の電位であるVBとする。これによって、TMR1では、一方の端子であるノードN1にVAよりM11のしきい値落ちの電圧が、他方の端子S1にはVBの電圧が印加され、電流はN1からS1へ流れる。TMR2では、一方の端子/N1には0V、他方の端S1にはVBの電圧が印加されているので、S1から/N1に、TMR1とは逆の向きに電流が流れることになる。これによって、TMR1とTMR2は逆の状態に書き込まれることになる。例えば、TMR1は高抵抗状態に、TMR2は低抵抗状態に書き込まれる。(b)では、データロードの時は、M12とM12を駆動する制御線であるSWを高レベルVBとする。RWは0Vのままである。これによって、TMR1とTMR2の抵抗差がSRAM部分に転送されることになる。この時、VDを0Vから所望の電圧まで昇圧させる動作を伴う場合もある。その後は、通常の読み出しによって、RWを選択してこの情報を何時でも読み出すことができる。   FIG. 40 shows an operation example of the circuit of FIG. (A) is an operation for writing data to the TMR elements TMR1 and TMR2, and (b) is an example in which the information of the TMR element is loaded, and thereafter, the operation is performed by reading the data of the SRAM circuit portion. First, in (a), RW is set to the high level VA, and the MOS transistors M21 and M22 are sufficiently turned on. Next, a signal to be written is applied to D1 and / D1, where a high level VA is applied to D1, 0V is applied to / D1, SW is set to a high level VA, and S1 is set to VB, which is a half potential of VA. As a result, in TMR1, a voltage lower than the threshold value M11 from VA is applied to the node N1, which is one terminal, and a voltage VB is applied to the other terminal S1, and the current flows from N1 to S1. In TMR2, since a voltage of 0 V is applied to one terminal / N1, and a voltage VB is applied to the other end S1, a current flows from S1 to / N1 in the opposite direction to TMR1. As a result, TMR1 and TMR2 are written in the opposite states. For example, TMR1 is written in the high resistance state and TMR2 is written in the low resistance state. In (b), at the time of data loading, SW which is a control line for driving M12 and M12 is set to the high level VB. RW remains at 0V. As a result, the resistance difference between TMR1 and TMR2 is transferred to the SRAM portion. At this time, there is a case where VD is boosted from 0 V to a desired voltage. Thereafter, this information can be read at any time by selecting the RW by normal reading.

次に図38で述べた基板電圧(バックゲート電圧)を変える回路ブロック図を図41に示す。回路CKEは、図38の論理ブロック1などの回路であり、その電源電圧はVdとVsであり、基板電圧(バックゲート電圧)の端子及びその電圧はVP及びVNである。ここでは、プロセス変動などに応じた電圧を発生するVthp及びVthnを備えている。それぞれ電源VddとVssで動作し(これはVdとVsと同一の場合もあれば、異なる場合もある)、VthpではpMOSと抵抗とで電圧が発生させられ、VthnではnMOSと抵抗とで電圧を発生する。これらの電圧は、使用したpMOS及びnMOSがプロセス条件を反映することによって、プロセス条件に応じた電圧を発生する。これらの電圧は、一旦OPアンプで安定化される。このときにはプロセスによらない基準電圧Vrefが必要となる。これは良く知られたバンドギャップジェネレータなどで発生できる。   Next, FIG. 41 shows a circuit block diagram for changing the substrate voltage (back gate voltage) described in FIG. The circuit CKE is a circuit such as the logic block 1 of FIG. 38, the power supply voltages are Vd and Vs, the substrate voltage (back gate voltage) terminals and the voltages are VP and VN. Here, there are provided Vthp and Vthn for generating a voltage corresponding to a process variation or the like. Each operates with power supplies Vdd and Vss (this may or may not be the same as Vd and Vs). In Vthp, a voltage is generated by a pMOS and a resistor, and in Vthn, a voltage is generated by an nMOS and a resistor. Occur. These voltages are generated according to the process conditions by reflecting the process conditions by the used pMOS and nMOS. These voltages are once stabilized by the OP amplifier. At this time, a reference voltage Vref independent of the process is required. This can occur with a well-known bandgap generator or the like.

この出力電圧が、それぞれVPL及びVNLであり、本発明では回路CKEの高速動作に適したしきい値となる基板電圧(バックゲート電圧)であり、前述のようにプロセス変動や設計ばらつきを補償することもできる。これらの電圧より一定電圧シフトした電圧をVoltage Shifterで作成する。これらは、電源電圧又は内部で発生した電圧とVPL及びVNLとでダイオードを用いたり、抵抗を用いたり、或いはチャージポンプを用いて発生することができる。この出力がVPH及びVNHであり、回路を動作させないような状態がある場合、回路CKEのしきい値電圧を高くしてリーク電流を削減することも調整できることができる。これらの発生電圧をMUXで切り替えて、VP又はVNの電圧として使用すれば良い。この切り替えは、コントローラMCよりの信号MSBによって、B−Registorと示したレジスタの内容を書き換えることで行う。このレジスタが切り替わると、それに応じてMUXが切り替えられて、VP及びVNへの出力を、VPH/VPL及びVNH/VNLから選択することができる。なお、MUXでは切り替えと共に、OPアンプを用いて出力電圧の安定性を高めることも行われる場合がある。以上、仕組みを用いることによって、本発明に必要な基板電圧(バックゲート電圧)を変える機能を実現することができる。   These output voltages are VPL and VNL, respectively, and in the present invention, they are substrate voltages (back gate voltages) serving as threshold values suitable for high-speed operation of the circuit CKE, and compensate for process variations and design variations as described above. You can also. A voltage shifted by a certain voltage from these voltages is created by the voltage shifter. These can be generated by using a diode, a resistor, or a charge pump with a power supply voltage or an internally generated voltage and VPL and VNL. When the outputs are VPH and VNH and there is a state in which the circuit is not operated, the threshold voltage of the circuit CKE can be increased to reduce the leakage current. These generated voltages may be switched by MUX and used as VP or VN voltage. This switching is performed by rewriting the contents of the register indicated as B-Register by the signal MSB from the controller MC. When this register is switched, the MUX is switched accordingly, and the output to VP and VN can be selected from VPH / VPL and VNH / VNL. In addition, in MUX, the stability of the output voltage may be increased using an OP amplifier together with switching. As described above, the function of changing the substrate voltage (back gate voltage) necessary for the present invention can be realized by using the mechanism.

図42は本発明の他の実施例である。この実施例の主要な内容は、半導体チップCHIP上のメモリコントローラがメモリ(主記憶)の制御を行うが、このメモリコントローラの動作状態に応じた、又は動作状態を示す信号によって、これがメモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す状態となっている期間、演算を行う回路ブロックPUの電力状態を変化させるものである。全体の構成例は、半導体チップCHIP上に少なくともひとつの演算を行う回路ブロックPUがあり、これは電力状態を変化できる機能を備えており、内部バスBUS1にSPRAMを用いたキャッシュメモリCMと共に接続されており、このBUS1にCHIP上の色々な回路ブロックを統括管理するCPUと、メモリと、外部との信号のやり取りを行なう回路ブロックでありがIO接続されている。IOはチップの外へのバスBUS3は接続され、このBUS3には例えばファイルメモリが接続されている。ファイルメモリは例えばフラッシュメモリやHDDなどで構成される。   FIG. 42 shows another embodiment of the present invention. The main contents of this embodiment are that the memory controller on the semiconductor chip CHIP controls the memory (main memory). This is based on the operation state of the memory controller or the signal indicating the operation state. The power state of the circuit block PU performing the operation is changed during the period in which the head address of the memory is searched. The entire configuration example includes a circuit block PU that performs at least one operation on the semiconductor chip CHIP, which has a function of changing the power state, and is connected to the internal bus BUS1 together with a cache memory CM using SPRAM. The BUS1 is a circuit block for exchanging signals between the CPU, the memory, and the outside for managing various circuit blocks on the CHIP, and is IO-connected. The bus BUS3 to the outside of the chip is connected to the IO, and a file memory, for example, is connected to the BUS3. The file memory is composed of, for example, a flash memory or an HDD.

BUS1にはメモリコントローラが接続され、このメモリコントローラには、チップの外へのバスBUS2が接続され、BUS2にはメモリ(主記憶)が接続される。このメモリ(主記憶)は、SPRAM又はSPRAMとDRAMの混合などである。このような構成において、PUの回路CKEはCMOS素子で構成されており、電源は高電位は、Vd、低電位はVsであるが、その基板又はバックゲートの電圧を制御できるようになっている。この基板又はバックゲートに与える電圧及びその端子がVP及びVNであり、pMOS用がVPであり、nMOSがVNである。これらの値は制御する回路ブロックがBBコントローラであり、回路CKEに与えるクロックCLKの周波数を制御する回路ブロックがCLKGである。これらは、PUひとつ毎に準備される場合もあれば、動作内容に応じて複数のPUで纏められることもある。また、共通部分を取り出して、これ以外を各PUに備える場合もある。これらBBコントローラとCLKGによって、PUの電力状態を変えることができる。   A memory controller is connected to BUS1, a bus BUS2 to the outside of the chip is connected to this memory controller, and a memory (main memory) is connected to BUS2. This memory (main memory) is SPRAM or a mixture of SPRAM and DRAM. In such a configuration, the circuit CKE of the PU is composed of a CMOS element, and the power source has a high potential of Vd and a low potential of Vs, but the substrate or back gate voltage can be controlled. . The voltage applied to the substrate or the back gate and its terminals are VP and VN, the pMOS is VP, and the nMOS is VN. The circuit block that controls these values is the BB controller, and the circuit block that controls the frequency of the clock CLK applied to the circuit CKE is CLKG. These may be prepared for each PU, or may be collected by a plurality of PUs depending on the operation content. Moreover, a common part may be taken out and other PUs may be provided in each PU. The power state of the PU can be changed by these BB controller and CLKG.

この電力状態を変える信号が、MSKとMSBであり、共にメモリコントローラの状態による信号である。つまり、メモリコントローラがメモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す状態になっていることを示す信号であり、この信号によって、PUの回路CKEの周波数及び基板電圧(バックゲート電圧)が変えられ、低電力な状態とすることができるのである。なお、このメモリコントローラの状態は、BUS1に接続されたCPUが行っているので、このMSKとMSBはCPUが発生した信号であると言うこともできる。このような構成により、本発明では演算を行う回路ブロックPUがキャッシュメモリCMの情報のみでは動作が行えず(キャッシュミス)、CHIP外部のメモリ(主記憶)の先頭アドレスを探しに行っている期間において、MSKとMSBによって回路CKEの周波数と基板又はバックゲートに与える電圧を変えて、回路ブロックPUを低電力な状態を取ることができるという特徴がある。   The signals for changing the power state are MSK and MSB, both of which are signals depending on the state of the memory controller. In other words, this signal indicates that the memory controller is in a state of searching for the start address of the memory (main memory). By this signal, the frequency of the circuit CKE of the PU and the substrate voltage (back gate voltage) are changed. It can be in a power state. Note that since the state of the memory controller is performed by the CPU connected to BUS1, it can be said that the MSK and MSB are signals generated by the CPU. With such a configuration, in the present invention, the circuit block PU that performs the operation cannot operate with only the information in the cache memory CM (cache miss), and is searching for the start address of the memory outside the CHIP (main memory). The circuit block PU can be brought into a low power state by changing the frequency of the circuit CKE and the voltage applied to the substrate or the back gate by MSK and MSB.

なお、回路ブロックPUは複数個存在する場合は、そのそれぞれにおいてこのような低電力な状態を取ることができるという特徴がある。また、オンチップメモリの待機電力は非常に小さく、PUでは、SP−FFを備えることで非動作時をみつけて電源を落とすことができる。以上の中でSPRAMの一部又はすべては、読み出し時は再書き込みを行なうメモリセルアレーである。   It should be noted that when there are a plurality of circuit blocks PU, each of them has a feature that it can take such a low power state. In addition, the standby power of the on-chip memory is very small. In the PU, the SP-FF can be used to find the non-operating time and turn off the power. Among the above, a part or all of the SPRAM is a memory cell array that performs rewriting at the time of reading.

図43は、本発明の動作の主要な部分例を示したものである。MSBとMSKは、図42の回路CKEに与えるクロック周波数と基板電圧(バックゲート電圧)を変化させる信号である。VPとVNはその基板電圧(バックゲート電圧)信号であり、CLKはそのクロック周波数である。図42で、キャッシュメモリへのミスが生じ、メモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す状態に時刻t1においてなったとする。すると、MSBとMSKが切り替わり、より電力の小さな状態へ回路CKEは移行する。すなわち、VPはそれまので電位VPLからVPHへ、VNはそれまのでVNLからVNHへ変化する。ここで回路CKEにおいては、VPLとVNLの電位では、pMOSもnMOSもそのしきい値電圧は低く高速動作が可能である。一方、VPHとVNHの電位では、pMOSとnMOSのしきい値電圧は高くリーク電流を低く抑えることができる。   FIG. 43 shows an example of a main part of the operation of the present invention. MSB and MSK are signals for changing the clock frequency and the substrate voltage (back gate voltage) applied to the circuit CKE in FIG. VP and VN are the substrate voltage (back gate voltage) signals, and CLK is the clock frequency. In FIG. 42, it is assumed that a miss to the cache memory has occurred and the state of searching for the start address of the memory (main memory) is reached at time t1. Then, MSB and MSK are switched, and the circuit CKE shifts to a state where power is lower. That is, VP changes from potential VPL to VPH, and VN changes from VNL to VNH. Here, in the circuit CKE, at the potentials VPL and VNL, both the pMOS and nMOS have low threshold voltages and can operate at high speed. On the other hand, at the potentials VPH and VNH, the threshold voltages of the pMOS and nMOS are high and the leakage current can be kept low.

このt1では、CLKも変化させる。時刻t1以前では、高い周波数f1であったが、ここで低い周波数f2に切り替わる。これによって、メモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す状態では、周波数は低く、しきい電圧は高いので、充放電電力もリーク電力も低く抑えることができる。或いはSP−FFを備えた回路であれば、完全に電源を遮断してしまっても良い。この後、メモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す動作が終了すると、この時刻t2で再びMSBとMSKが切り替わり、VPとVNはそれぞれVPLとVNLに戻り、CLKはf1に戻る。これにより高速動作が可能な状態となる。このように本実施例では、メモリ(主記憶)の先頭アドレスを探す状態において、電力を低く抑えることが可能となるのである。なお、後述するが、t2において、メモリ(主記憶)からのデータを用いて直接PUが動作を行う場合があり、これは一般的にキャッシュメモリCMの内容で動作を行う時よりも低速である。このため、これに適したクロック周波数CLKと基板電圧(バックゲート電圧)VPとVNを与えることもできる。   At t1, CLK is also changed. Before the time t1, the frequency f1 was high, but here it switches to the low frequency f2. As a result, in the state where the head address of the memory (main memory) is searched, the frequency is low and the threshold voltage is high, so that the charge / discharge power and the leak power can be kept low. Or if it is a circuit provided with SP-FF, you may cut off a power supply completely. Thereafter, when the operation of searching for the head address of the memory (main memory) is completed, MSB and MSK are switched again at time t2, VP and VN return to VPL and VNL, and CLK returns to f1. As a result, high-speed operation is possible. As described above, in this embodiment, it is possible to keep power low in a state where the head address of the memory (main memory) is searched. As will be described later, at t2, the PU may directly operate using data from the memory (main memory), which is generally slower than when operating on the contents of the cache memory CM. . Therefore, the clock frequency CLK and the substrate voltages (back gate voltages) VP and VN suitable for this can be given.

FPGA(Field Programmable Gate Array)若しくはFPLD(Field Programmable Logic Device)のように称される可変論理ユニットを用いて演算回路を構成する技術が進んでいる。可変論理ユニットでは書き換え可能な不揮発のスイッチ素子が必要となるが、これはTMR素子を用いて作成することができる。よって、このスイッチ素子ができれば、これまで述べた比較的大きな読み出し電流が可能な安定なSPRAMや不揮発フリップフロップSP−FFを用いて、可変論理ユニットの電力を大きく下げることが可能となる。   2. Description of the Related Art A technology for configuring an arithmetic circuit using a variable logic unit called an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an FPLD (Field Programmable Logic Device) is in progress. The variable logic unit requires a rewritable nonvolatile switching element, which can be created using a TMR element. Therefore, if this switch element is made, the power of the variable logic unit can be greatly reduced by using the stable SPRAM or the nonvolatile flip-flop SP-FF capable of relatively large read current as described above.

図44は、このスイッチ素子S11の構成の例である。MOSトランジスタM1側のノードN2とMOSトランジスタM3側のノードN3との間に、フリップフロップ回路が挿入されている。この回路によって、ノードN2に現われた信号を保持することができ、このN2の反転信号がN3に現われ、これによってMOSトランジスタM3を制御することができる。N2の信号は、端子bとノードN1の間にあるTMR素子TMR1と、SWで制御されるMOSトランジスタM2によって決まる。TMR素子TMR1は高抵抗状態と、低抵抗状態の場合があるが、SWが切り替わると、この状態に対応した信号がN2に現れこれがフリップフロップ回路で保持されることになる。フリップフロップによって、N3のノードの電圧が高レベルであれば、MOSトランジスタM3はオンとなるので、D1とD2は導通する。一方、フリップフロップによって、N3のノードの電圧が低レベルであれば、M3はオフとなるので、D1とD2は非導通となる。これを利用して後述のように可変論理ユニットを組み替えることができる。   FIG. 44 shows an example of the configuration of the switch element S11. A flip-flop circuit is inserted between the node N2 on the MOS transistor M1 side and the node N3 on the MOS transistor M3 side. By this circuit, a signal appearing at the node N2 can be held, and an inverted signal of this N2 appears at N3, whereby the MOS transistor M3 can be controlled. The signal N2 is determined by the TMR element TMR1 between the terminal b and the node N1 and the MOS transistor M2 controlled by SW. The TMR element TMR1 may be in a high resistance state or a low resistance state. When the SW is switched, a signal corresponding to this state appears at N2 and is held by the flip-flop circuit. If the voltage at the node N3 is high by the flip-flop, the MOS transistor M3 is turned on, and D1 and D2 are conducted. On the other hand, if the voltage at the node of N3 is low level by the flip-flop, M3 is turned off, so that D1 and D2 become non-conductive. Using this, the variable logic unit can be rearranged as described later.

図45に図44の回路への書き込み時の動作例を示す。RWは0Vのままであり、SWを立ち上げるが、書き込み1と示した部分では、bは高レベルV1、S1は低レベル0Vである。よって、TMR素子にはbからS1の方向に電流が流れ、これに対応した情報が書き込まれる。書き込み2と示した部分では、反対にbは0V、S1はV1である。よって、TMR素子にはS1からbの方向に電流が流れ、これに対応した情報が書き込まれることとなる。なお、書き込み1と書き込み2は、書き込むべき情報に応じた2つの場合を示したのであって、これが時間的に連続して動作することを示したものではない。   FIG. 45 shows an operation example at the time of writing to the circuit of FIG. RW remains at 0V and SW is raised, but in the portion indicated as writing 1, b is at the high level V1, and S1 is at the low level 0V. Therefore, a current flows from b to S1 in the TMR element, and information corresponding to the current is written. On the other hand, in the portion shown as writing 2, b is 0V and S1 is V1. Therefore, a current flows in the direction from S1 to b in the TMR element, and information corresponding to this flows. Note that writing 1 and writing 2 show two cases according to the information to be written, and do not indicate that these operate continuously in time.

図46(a)は、直交する信号線CNと信号線RNとを接続するスイッチを示している。このような接続の形態が、可変論理ユニットには多く使用される。このスイッチは、図44の実施例で示した回路で実現することができる。すなわち図46(b)に示したように、図44のRC1のD1とD2をこの信号線CNと信号線RNとに接続すれば良い。今後、スイッチSは、このRC1を例とするような回路であり、“TMRスイッチ”と呼ぶことにする。このスイッチが閉じている状態とは、D1とD2とが電気的に導通している状態であり、開いている状態とは電気的に非道通の状態であり、この2つの状態はTMRの状態によって実現できることは、図44と図45で述べたとおりである。   FIG. 46A shows a switch that connects the orthogonal signal line CN and the signal line RN. This type of connection is often used for variable logic units. This switch can be realized by the circuit shown in the embodiment of FIG. That is, as shown in FIG. 46B, D1 and D2 of RC1 in FIG. 44 may be connected to the signal line CN and the signal line RN. In the future, the switch S is a circuit using the RC1 as an example, and will be referred to as a “TMR switch”. The state in which the switch is closed is a state in which D1 and D2 are electrically connected, and the state in which the switch is open is an electrically out of state state. These two states are TMR states. As described with reference to FIGS.

図47(a)には図46のTMRスイッチをアレー上に並べたTMRスイッチアレーである。ここで、S11は、縦方向信号配線CN1と横方向信号配線RN1とを選択的に接続分離可能なスイッチである。これを図47(b)のように示す場合もあるに。この図のように、CN1〜CNnのn列、RN1〜RNmのm行にTMRスイッチを配置した構成によって、任意のCN1〜CNnと任意のRN1〜RNmとを接続することができる。   FIG. 47A shows a TMR switch array in which the TMR switches of FIG. 46 are arranged on the array. Here, S11 is a switch that can selectively connect and disconnect the vertical signal wiring CN1 and the horizontal signal wiring RN1. In some cases, this is shown in FIG. 47 (b). As shown in this figure, any CN1 to CNn and any RN1 to RNm can be connected by a configuration in which TMR switches are arranged in n columns of CN1 to CNn and m rows of RN1 to RNm.

図48には、機能が可変な回路ブロック、又は可変論理ユニットRCP1の例としてAND/OR回路が例示される。回路ブロックRCP1はAND(アンド)面とOR(オアー)面を有する。およそ一般的な論理演算は、複数の入力に対して、積演算を行うAND回路と和演算を行うOR回路とが用意され、どの信号に対してAND演算を行い、これらの結果信号に対してどれに対してOR演算を行うかに分解される。図48の例に示すような回路を用意すれば、この組み合わせを実現することができる。すなわち、この図の例では、入力A,B,C、Dに対して、AND面内部の前述のTMRスイッチアレーによって、どの信号に対してAND演算を行うかが選択される。この結果の信号が、OR面に入力するが、ここでもこれらの信号のどの信号に対してOR演算を行うかが後述のTMRスイッチアレーによって選択される。この結果であるF1〜F4は、入力A,B,C、Dに対して、所望の積和演算を行った結果となる。このようにして、TMR素子を用いたTMRスイッチを操作することによって、所望の論理演算を行う装置に組み替えることができる、機能可変な論理演算回路を実現できるのである。これを本発明の部品として用いれば、低電力で機能可変なLSIを作成することができる。   FIG. 48 illustrates an AND / OR circuit as an example of a circuit block having a variable function or a variable logic unit RCP1. The circuit block RCP1 has an AND surface and an OR surface. For general logic operations, an AND circuit that performs a product operation and an OR circuit that performs a sum operation are prepared for a plurality of inputs. It is decomposed to which one is subjected to OR operation. If a circuit as shown in the example of FIG. 48 is prepared, this combination can be realized. That is, in the example of this figure, for the inputs A, B, C, and D, which signal is to be AND-operated is selected by the aforementioned TMR switch array inside the AND plane. The resulting signal is input to the OR plane. Here again, which of these signals is subjected to the OR operation is selected by a TMR switch array described later. The results F1 to F4 are the results of performing a desired product-sum operation on the inputs A, B, C, and D. In this way, by operating a TMR switch using a TMR element, a function variable logic operation circuit that can be rearranged into a device that performs a desired logic operation can be realized. If this is used as a component of the present invention, a low-power and function-variable LSI can be created.

図49より、TMRスイッチ素子をFPGAユニットに適用した例であるRCPユニットを示す。このユニットは複数の論理セルL11〜L33、接続セルC11〜52、及びスイッチセルS11〜S22がマトリクス状に配置されて構成される。論理セルL11〜L33、接続セルC11〜52、及びスイッチセルS11〜S22の夫々には前記TMRスイッチ素子が設けられ、これらの状態に応じて所望の機能を設定可能にされる。例えば、論理セルL11〜L33はノア、ナンドなどの論理機能をTMRスイッチ素子よって変更可能にされる。接続セルC11〜52は対応する論理セルL11〜L33と配線との接続をTMRスイッチ素子よって変更可能にされる。スイッチセルS11〜S22は配線間の接続をTMRスイッチ素子よって変更可能にされる。従来は、不揮発性メモリとMOS回路で構成したスイッチでこれらが変更可能にされるが、低電圧動作ができないという欠点があった。   FIG. 49 shows an RCP unit which is an example in which a TMR switch element is applied to an FPGA unit. This unit includes a plurality of logic cells L11 to L33, connection cells C11 to 52, and switch cells S11 to S22 arranged in a matrix. Each of the logic cells L11 to L33, the connection cells C11 to 52, and the switch cells S11 to S22 is provided with the TMR switch element, and a desired function can be set according to these states. For example, in the logic cells L11 to L33, logic functions such as NOR and NAND can be changed by the TMR switch element. In the connection cells C11 to 52, the connection between the corresponding logic cells L11 to L33 and the wiring can be changed by the TMR switch element. In the switch cells S11 to S22, the connection between the wirings can be changed by the TMR switch element. Conventionally, these can be changed by a switch composed of a nonvolatile memory and a MOS circuit, but there is a drawback that low voltage operation is not possible.

図50には別の例が示される。このユニットは論理ブロックL11〜L22と相互結線ブロックCBとを有する。論理ブロックL11〜L22及び相互結線ブロックCBの夫々には前記TMRスイッチ素子が設けられ、これらの状態に応じて所望の機能を設定可能にされる。例えば、論理ブロックL11〜L22はレジスタや演算器などの論理機能が設定可能にされる。相互結線ブロックCBでは論理ブロックL11〜L22に設定される機能回路の相互接続を切り換えることが可能とされる。この構成は、一般に、CPLD(Complicated Programmable Logic Device)と呼ばれる構成に対応される。切り換え可能な相互結線ブロック周辺に配線が集中しているので、配線遅延が小さくほぼ一定になるというメリットがある。   FIG. 50 shows another example. This unit has logic blocks L11 to L22 and an interconnection block CB. Each of the logic blocks L11 to L22 and the interconnection block CB is provided with the TMR switch element, and a desired function can be set according to these states. For example, the logical blocks L11 to L22 can be set with logical functions such as registers and arithmetic units. In the interconnection block CB, the interconnection of the functional circuits set in the logic blocks L11 to L22 can be switched. This configuration generally corresponds to a configuration called CPLD (Compliant Programmable Logic Device). Since the wiring is concentrated around the switchable interconnection block, there is an advantage that the wiring delay is small and almost constant.

図51は、他の機能可変な論理ブロックRCP3の例を示している。この図において、A1はTMRスイッチによって機能を変えることができる回路ブロックであり、図48そのものや図49を構成する単位ユニット、ブロック、又はこれを複数組み合わせたものである。これらの中のTMRスイッチを制御する回路がCTRであり、A1の演算結果への入出力回路がINFであり、SPRAMは読み出し時には再書き込みを行なうスピン注入RAMであり、PRCはそれ自ら演算を行いながらも、全体を統合するプロセッサであり、外部との入出力バスがIOである。なお、SPRAMはこのようにINFへ接続し、各々のA1で共用して使用する方法でも良いが、他に各A1内部に分散して配置する方法でも良い。本実施例によれば、IOからのデータと命令とに従い、A1の接続方法、各々の機能を変えること可能となる。   FIG. 51 shows an example of another functional variable logical block RCP3. In this figure, A1 is a circuit block whose function can be changed by the TMR switch, and is a unit unit or block constituting FIG. 48 itself or FIG. 49, or a combination thereof. Among these, the circuit that controls the TMR switch is the CTR, the input / output circuit for the calculation result of A1 is INF, the SPRAM is a spin injection RAM that performs rewriting at the time of reading, and the PRC performs its own calculation. However, it is a processor that integrates the whole, and the input / output bus with the outside is IO. The SPRAM may be connected to the INF in this way and used in common with each A1. Alternatively, the SPRAM may be distributed within each A1. According to the present embodiment, the connection method of A1 and each function can be changed according to data and commands from the IO.

図52は、他の機能可変な論理ブロックRCP4の例を示している。図51との差は、このマトリクスを構成する各々の回路ブロックがそれぞれ回路構成が異なっていても良い点と、SHFLと示した回路機能の切り換えを内部で行う回路を追加した点である。まず、各々の回路ブロックではそれぞれ回路構成が異なっているため、この図で示したA11〜Aijはそれぞれ回路構成が異なる回路ブロックであり、これらの各々の機能、これらの間の接続の方法はCTRで制御される。これらを切り換える手段はTMRスイッチを用いて行う。これによって、各々の機能を切り換えると共に、これらの接続方法を切り換えることができるため、より高度の機能を切り換えることができるのである。次に、SHFLの機能を図53を用いて説明する。この図では、A22とAabとAxyの回路での、データ処理量の時間変化を模式的に示している。この例では、A22のみが、時間のt1〜t2の間でのデータ処理量が大きいが、他のAabとAxyではこれと比較して処理量が小さい。A22に処理が集中しているのである。この時、A22では消費電力が大きく、発熱も大きく、また、処理可能量を超えてしまう場合がある。これの状態が続くと全体の処理が低下してしまう。一方、このような状態に一度入り込むと、この状態が続く場合が多い。これを避けるためにSHFLを設けている。このSHFLは各回路ブロックの電流量や、データの量からこの回路ブロックの活性度をモニタしており、A22に過度な処理量が加わる場合、再度機能を再編成しなおす。これは、他の回路ブロックに単純に処理の半分を回し、これらを統合する機能を他の回路ブロック、又は問題としている回路ブロック内部に付加することで実現しても良い。これを行うことにより、図53の例では、t2以降は処理量が分散される。   FIG. 52 shows an example of another function variable logical block RCP4. The difference from FIG. 51 is that each circuit block constituting this matrix may have a different circuit configuration, and a circuit for internally switching the circuit function indicated as SHFL is added. First, since each circuit block has a different circuit configuration, each of A11 to Aij shown in this figure is a circuit block having a different circuit configuration. Each of these functions and the method of connection between them is CTR. It is controlled by. The means for switching between these is performed using a TMR switch. As a result, each function can be switched and these connection methods can be switched, so that more advanced functions can be switched. Next, the function of SHFL will be described with reference to FIG. In this figure, the time change of the data processing amount in the A22, Aab, and Axy circuits is schematically shown. In this example, only A22 has a large data processing amount between t1 and t2 of time, but other Aab and Axy have a small processing amount compared to this. Processing is concentrated on A22. At this time, in A22, the power consumption is large, the heat generation is also large, and the processable amount may be exceeded. If this state continues, the overall processing is degraded. On the other hand, once entering such a state, this state often continues. In order to avoid this, SHFL is provided. This SHFL monitors the activity of each circuit block from the current amount and data amount of each circuit block, and when an excessive amount of processing is added to A22, the function is reorganized again. This may be realized by simply passing half of the processing to another circuit block and adding a function for integrating them to another circuit block or the circuit block in question. By doing this, in the example of FIG. 53, the processing amount is distributed after t2.

図54にはTMRスイッチ素子を用いたRCP(TMRスイッチを用いたFPGA、又は他の可変論理を用いた回路ブロック)を用いた本発明の半導体集積回路の例が示される。同図に示される半導体集積回路は、特に制限されないが、単結晶シリコンのような1個の半導体基板(半導体チップ)に、CMOS集積回路製造技術により形成される。この半導体集積回路は、例えばマイコン部、TMRスイッチにより機能を切り換えられる論理ユニットとしてのRCPユニット、入出力回路IO、及び周辺回路部、周辺バスであるPバスを有する。このマイコン部は、CPU(Central processing Unit)、SPRAMを有し、更に他の種類のメモリORAMが混載される場合もある。これらは、内部バス(Iバス)に共通接続される。周辺回路部PeriはPバスに接続され、IOはPバス及びIバスに接続される。IOは図示を省略する外部バスや外部周辺回路とインタフェースされる。前記RCPユニットはIバスとIOに接続される。前記その他周辺回路部は特に制限されないがタイマやカウンタ等を備える。   FIG. 54 shows an example of a semiconductor integrated circuit according to the present invention using an RCP (FPGA using a TMR switch or a circuit block using another variable logic) using a TMR switch element. The semiconductor integrated circuit shown in the figure is not particularly limited, but is formed on a single semiconductor substrate (semiconductor chip) such as single crystal silicon by a CMOS integrated circuit manufacturing technique. This semiconductor integrated circuit has, for example, a microcomputer unit, an RCP unit as a logic unit whose function can be switched by a TMR switch, an input / output circuit IO, a peripheral circuit unit, and a P bus which is a peripheral bus. The microcomputer unit includes a CPU (Central processing Unit) and an SPRAM, and other types of memory ORAM may be mounted together. These are commonly connected to an internal bus (I bus). The peripheral circuit portion Peri is connected to the P bus, and the IO is connected to the P bus and the I bus. IO is interfaced with an external bus or an external peripheral circuit (not shown). The RCP unit is connected to the I bus and IO. The other peripheral circuit section is not particularly limited, but includes a timer, a counter, and the like.

CPUやPeriは、図38で説明したようはSP−FFによって、自在に内部動作をその情報を失わずに止めることができ、SPRAMは読み出し時は再書き込みするので安定した動作ができる。これによれば、SPRAMとCPUによる通常のプログラマブルマイコンとTMRスイッチ素子を用いた高速なFPGAを同一チップに形成でき、その処理速度と自由度を大きく向上できる。更に、不揮発性を活かしたSP−FF、SPRAMによって大きく電力を削減できるのである。   As described with reference to FIG. 38, the CPU and Peri can freely stop the internal operation without losing the information by SP-FF, and the SPRAM is rewritten at the time of reading, so that stable operation can be performed. According to this, a high-speed FPGA using a normal programmable microcomputer and a TMR switch element by SPRAM and CPU can be formed on the same chip, and the processing speed and flexibility can be greatly improved. Furthermore, the power can be greatly reduced by SP-FF and SPRAM utilizing the non-volatility.

図55には本発明に係る半導体装置を適用したデータ処理システムの一例が示される。同図に示されるシステムは携帯電話機などの携帯機器システムであり、アンテナ、パワーアンプ81、高周波部(RF−IC)、プロセッサ、A/D・D/A、マイク・スピーカ、液晶ディスプレイ(LCD)、LCDドライバ、ORAM(種々のRAM)/OROM(種々のROM)、SPRAM、ICカードインタフェース及びフラッシュメモリカードインタフェースを備えて成る。前記プロセッサは、SPRAM及びTMRスイッチを用いたRCP+CPU部によって構成される。更にSP−FFが使用され、情報を失わずに自在に動作を止めることが可能である。したがって、CPUによるソフト処理とRCPによるハード処理の両方がプログラマブルに機能設定可能であるから、市場の変化、規格の変化、サービスの変化に迅速に対応可能になる。かつ低電力となる。   FIG. 55 shows an example of a data processing system to which the semiconductor device according to the present invention is applied. The system shown in the figure is a mobile device system such as a mobile phone, and includes an antenna, a power amplifier 81, a high frequency unit (RF-IC), a processor, A / D / D / A, a microphone / speaker, and a liquid crystal display (LCD). LCD driver, ORAM (various RAM) / OROM (various ROM), SPRAM, IC card interface and flash memory card interface. The processor includes an RCP + CPU unit using SPRAM and a TMR switch. Furthermore, SP-FF is used, and the operation can be stopped freely without losing information. Accordingly, both software processing by the CPU and hardware processing by the RCP can be set in a programmable manner, so that it is possible to quickly respond to market changes, standard changes, and service changes. And low power.

図56には本発明に係る半導体装置をMCM(マルチチップモジュール)化した例が示される。図56(a)は平面図、図56(b)は正面図である。TMRスイッチとSPRAMを備えて機能を切り替えることが出来るCPUチップ、TMRスイッチを備えた機能可変なRCPチップ、読み出し時には再書き込みを行なう場合もあるSPRAM、NANDフラッシュなどの固体素子で構成したストレージ素子SSDを高密度実装基板に搭載して成る。RFチップなどが搭載される場合もある。これによれば、ユーザの実現したい機能を高性能で且つシングルチップ化する場合よりも短い期間で実現可能になる。   FIG. 56 shows an example in which the semiconductor device according to the present invention is made into an MCM (multichip module). 56A is a plan view, and FIG. 56B is a front view. CPU chip that can switch functions with TMR switch and SPRAM, variable-function RCP chip with TMR switch, SPRAM that may be rewritten at the time of reading, storage element SSD composed of solid state elements such as NAND flash Is mounted on a high-density mounting board. An RF chip or the like may be mounted. According to this, the function that the user wants to realize can be realized in a shorter period than in the case of high performance and single chip.

図57には本発明に係る半導体装置をMCP(マルチチップパッケージ)化した例が示される。図57(a)は平面図、図57(b)は正面図である。MCP化された半導体装置は、TMRスイッチとSPRAMを備えて機能を切り替えることが出来るCPUチップ、TMRスイッチを備えた機能可変なRCPチップ、SPRAMなどである。これにより、試作期間が短く、かつ低電力なシステムを構成できる。   FIG. 57 shows an example in which the semiconductor device according to the present invention is made into an MCP (multichip package). FIG. 57A is a plan view, and FIG. 57B is a front view. The MCP semiconductor device includes a CPU chip that can be switched in function by including a TMR switch and an SPRAM, a variable function RCP chip that includes a TMR switch, an SPRAM, and the like. Thus, a system with a short trial period and low power can be configured.

図58において、各プロセッサは、例えば図38に示すプロセッサである。この図58の例では、4つのプロセッサ、プロセッサ0〜プロセッサ3がひとつのノードを形成し、このノードM個(ノード1〜ノードM−1)がネットワークで形成されている。このプロセッサ0〜プロセッサ3は、同種のプロセッサが4つでも、或いは異なるプロセッサの組み合わせでも良い。このような構成の大型計算機は並列計算に向いており、各ノードに分配された必要な計算が、4つのプロセッサで同時に処理される。この時、例えば、プロセッサ0が、全体の計算のスケジューリングや他のノードとの通信処理を受け持つ。   58, each processor is the processor shown in FIG. 38, for example. In the example of FIG. 58, four processors, processor 0 to processor 3, form one node, and M nodes (node 1 to node M-1) are formed in a network. The processors 0 to 3 may be four processors of the same type or a combination of different processors. A large computer having such a configuration is suitable for parallel computation, and necessary computations distributed to each node are simultaneously processed by four processors. At this time, for example, the processor 0 is responsible for scheduling of the entire calculation and communication processing with other nodes.

図59は、計算機システムにおけるメモリを主体とした階層構造を示した図である。CPU、RAM、ストレージの3階層とした。この内、CPUには、ロジック、レジスタやFF、キャッシュなどを含んでいる。ストレージはHDDやNANDフラッシュなどで構成される。(a)は従来であり、大まかには、CPUとRAMは、揮発性を前提、すなわち電源が遮断されるとすべての情報が消えてしまうことを前提としており、ストレージのみが不揮発性となっている。一部ROMの部分が不揮発性の素子として、CPU(混載の場合)及びRAM領域には存在するが、メモリの多くの領域は揮発性であるDRAMやSRAMである。また、ストレージでも、DRAMで構成したe−ファイルメモリと呼ばれる構成もある。ここでは、不意の電源遮断を避けるために、通常多重化してデータを保持している。また、電池を用意して、データ保持時の揮発性の部分のデータが消えるのを避ける対策が取られる。このような構成を取るために、つまり、不揮発の部分と揮発の部分が混在し、データの信頼性としては不揮発の部分に置かざるを得ないため、電源投入時のシステムのブート、様々なデータのロードに長い時間が必要であり、また、電源遮断の際も、今度は揮発性の内容で必要なものをすべて不揮発の部分に格納する必要があり、これもまた時間を要した。また、不揮発の部分のコピーが揮発の部分にあるので、一定の時間ごとの両者を一致させる動作が必要であったり、さもなくばe−ファイルメモリのように多重化しておくことが必要であったり、電池を用意したりで、電力及び装置の占有面積が大きくなるなどの課題があった。   FIG. 59 is a diagram showing a hierarchical structure mainly including a memory in the computer system. Three layers of CPU, RAM, and storage are used. Among these, the CPU includes logic, registers, FFs, caches, and the like. The storage is composed of an HDD, a NAND flash or the like. (A) is conventional. Roughly speaking, the CPU and RAM are premised on volatility, that is, on the premise that all information will be lost when the power is cut off, and only the storage becomes non-volatile. Yes. A part of ROM exists as a non-volatile element in a CPU (in the case of mixed mounting) and a RAM area, but many areas of the memory are volatile DRAM and SRAM. The storage also has a configuration called e-file memory configured with DRAM. Here, in order to avoid unexpected power interruption, data is normally multiplexed and held. Also, a measure is taken to prepare a battery and avoid erasing the volatile data at the time of data retention. In order to adopt such a configuration, that is, the non-volatile part and the volatile part are mixed, and the data reliability must be placed in the non-volatile part. It takes a long time to load, and also when the power is cut off, it is necessary to store everything necessary for the volatile contents in the non-volatile portion, which also takes time. In addition, since the copy of the non-volatile part is in the volatile part, it is necessary to make the both coincide with each other at regular intervals, or it is necessary to multiplex like an e-file memory. Or preparing batteries, there are problems such as an increase in the area occupied by power and devices.

本実施例で述べた方式を使えば、これを(b)の如く、すべて不揮発の部分に変えることができ、NV−CPU、NV−RAM、ストレージのすべて不揮発の3階層となる。また、主にNV−RAMの部分では、読み出し動作の後に再書き込み動作を行い信頼性を高めることもできる。これにより、上記の課題は解決され、瞬時に起動でき、何時で遮断でき、かつ微小な電流でデータを保持する必要もない。本発明の実施例によれば、このような特徴を持つ装置が実現できる。   If the system described in the present embodiment is used, this can be changed to all non-volatile parts as shown in (b), and the NV-CPU, NV-RAM, and storage are all non-volatile three layers. Further, mainly in the NV-RAM portion, the rewrite operation can be performed after the read operation to improve the reliability. As a result, the above-mentioned problems are solved, the system can be started instantly, can be shut off at any time, and there is no need to hold data with a minute current. According to the embodiment of the present invention, an apparatus having such characteristics can be realized.

本発明は、半導体記憶装置に係わり、不揮発かつ書き換え回数が多く、小面積なメモリアレーにおいて、読み出し動作の後に再書き込み動作を行い、読み出しディスターブの影響を無くし、高速性と信頼性を高めた混載メモリ又は単品メモリの分野に関する。   The present invention relates to a semiconductor memory device, and is a non-volatile, large number of rewrites, a small area memory array that performs a rewrite operation after a read operation, eliminates the influence of the read disturb, and improves the high speed and reliability. The present invention relates to the field of memory or single item memory.

MCT:選択トランジスタ、TMR:記憶されている情報に応じて異なる抵抗を取る磁性体素子、Vref:読み出し参照電圧、BL:ビット線、SL:ソース線、WD1,WD2:書き換えドライバ、WE:書き込み制御信号、SA:センスアンプ、LA:書き換えラッチ,SAE:センスアンプ制御信号、YS:Y選択信号,IO:IO線、MC,MC11,MC12,SCR1:メモリセル、T1:TMR素子、WL1,WR1:ワード線、MC11,MC12:メモリセル、RE:読み出し制御信号、IO:入出力線、Y1:列選択信号、SL,SL1:ソース線、SLC:ソース線コンタクト、BEC:下部電極コンタクト、BL,BL1:ビット線、BE:下部電極、TMR:トンネル磁気抵抗素子、GP:P型ポリシリコンゲート、LP:P型拡散層、FL:自由層、TB:トンネル膜、PL:固定層、GN:n型ポリシリコンゲート、LN:n型拡散層、PWEL:P型半導体領域、NWEL:N型半導体領域、P−Sub:p型基板、STI:素子分離領域。   MCT: selection transistor, TMR: magnetic element taking different resistance depending on stored information, Vref: read reference voltage, BL: bit line, SL: source line, WD1, WD2: rewrite driver, WE: write control Signal, SA: sense amplifier, LA: rewrite latch, SAE: sense amplifier control signal, YS: Y selection signal, IO: IO line, MC, MC11, MC12, SCR1: memory cell, T1: TMR element, WL1, WR1: Word line, MC11, MC12: Memory cell, RE: Read control signal, IO: I / O line, Y1: Column selection signal, SL, SL1: Source line, SLC: Source line contact, BEC: Lower electrode contact, BL, BL1 : Bit line, BE: lower electrode, TMR: tunnel magnetoresistive element, GP: P-type polysilicon gate LP: P type diffusion layer, FL: free layer, TB: tunnel film, PL: fixed layer, GN: n type polysilicon gate, LN: n type diffusion layer, PWEL: P type semiconductor region, NWEL: N type Semiconductor region, P-Sub: p-type substrate, STI: element isolation region.

Claims (6)

複数のワード線と、
前記複数のワード線と直交する方向に配線される複数のビット線と、
前記複数のワード線と前記複数のビット線の所定の交点に配置される複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルのうち選択されたメモリセルから情報を読み出す読み出し回路と、
前記読み出し回路が読み出した情報に基づいて、前記選択されたメモリセルに書き換えを行う書き換え回路とを有し、
前記複数のメモリセルの夫々は、トンネル膜と固定層と自由層とが積層されたトンネル磁気抵抗素子と、そのゲートが前記複数のワード線のうち対応する一つに接続され、そのドレインが前記トンネル磁気抵抗素子の前記固定層側に接続されるMOSFETと、を有し、
前記トンネル磁気抵抗素子の前記自由層側は、前記複数のビット線のうち対応する一つに接続され、
前記固定層は、前記トンネル膜に隣接して配置され電子スピンの向きが所定の方向に固定され、
前記自由層は、前記トンネル膜の固定層に隣接する面に対向する面に隣接して、電子スピンの向きが前記固定層に対して平行、反平行のいずれかをとり、
前記読み出し回路が前記選択されたメモリセルから情報を読み出す期間は、前記書き換え回路が前記読み出し回路が読み出した情報を前記選択されたメモリセルに再度書き込む期間より短いことを特徴とする半導体装置。
Multiple word lines,
A plurality of bit lines wired in a direction orthogonal to the plurality of word lines;
A plurality of memory cells arranged at predetermined intersections of the plurality of word lines and the plurality of bit lines;
A read circuit for reading information from a selected memory cell among the plurality of memory cells;
A rewriting circuit for rewriting the selected memory cell based on information read by the read circuit;
Each of the plurality of memory cells includes a tunnel magnetoresistive element in which a tunnel film, a fixed layer, and a free layer are stacked, a gate thereof connected to a corresponding one of the plurality of word lines, and a drain thereof A MOSFET connected to the fixed layer side of the tunnel magnetoresistive element,
The free layer side of the tunnel magnetoresistive element is connected to a corresponding one of the plurality of bit lines,
The fixed layer is disposed adjacent to the tunnel film, and the direction of electron spin is fixed in a predetermined direction.
The free layer is adjacent to a surface opposite to the surface adjacent to the fixed layer of the tunnel film, and the direction of electron spin is either parallel or antiparallel to the fixed layer,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein a period in which the read circuit reads information from the selected memory cell is shorter than a period in which the rewrite circuit writes information read by the read circuit into the selected memory cell again.
請求項1において、
前記読み出し回路は、前記選択されたメモリセルから情報を読み出す際に、前記トンネル磁気抵抗素子に流れる電流を第1方向とし、
前記トンネル磁気抵抗素子は、第1情報が書き込まれる場合に、前記第1方向に電流が流れ、前記第1情報とは異なる第2情報が書き込まれる場合に、前記第1方向と逆の第2方向に電流が流れ、
前記書き換え回路は、前記読み出し回路から受けた情報が前記第1情報であった場合は、書き換え動作を行わず、前記読み出し回路から受けた情報が前記第2情報であった場合は、書き換え動作を行うことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The read circuit has a first direction as a current flowing through the tunnel magnetoresistive element when reading information from the selected memory cell,
The tunnel magnetoresistive element has a second current opposite to the first direction when current flows in the first direction when the first information is written and second information different from the first information is written. Current flows in the direction
The rewrite circuit does not perform a rewrite operation when the information received from the read circuit is the first information, and performs a rewrite operation when the information received from the read circuit is the second information. A semiconductor device comprising:
請求項1において、
前記トンネル磁気抵抗素子は、第1情報が書き込まれる場合に、前記第1方向に電流が流れ、前記第1情報とは異なる第2情報が書き込まれる場合に、前記第1方向と逆の第2方向に電流が流れ、
前記書き換え回路は、前記第1情報を書き込む場合に、前記第2方向に電流を流した後、前記第1方向に電流を流し、前記第2情報を書き込む場合に、前記第1方向に電流を流した後、前記第2方向に電流を流すことを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The tunnel magnetoresistive element has a second current opposite to the first direction when current flows in the first direction when the first information is written and second information different from the first information is written. Current flows in the direction
When the first information is written, the rewrite circuit passes a current in the second direction, then flows a current in the first direction, and writes the second information in the first direction. After flowing, a current flows in the second direction.
請求項1において、
前記トンネル磁気抵抗素子は、第1情報が書き込まれる場合に、前記第1方向に電流が流れ、前記第1情報とは異なる第2情報が書き込まれる場合に、前記第1方向と逆の第2方向に電流が流れ、
前記MOSFETのソースは、固定電位に接続され、
前記書き換え回路は、前記第1情報を書き込む場合に、前記複数のビット線のうち選択されたビット線の電位を前記固定電位より小さい第1電位とし、前記第2情報を書き込む場合に、前記選択されたビット線の電位を前記固定電位より高い第2電位とすることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The tunnel magnetoresistive element has a second current opposite to the first direction when current flows in the first direction when the first information is written and second information different from the first information is written. Current flows in the direction
The source of the MOSFET is connected to a fixed potential,
When the first information is written, the rewrite circuit sets the potential of the selected bit line out of the plurality of bit lines to a first potential lower than the fixed potential, and writes the second information. A semiconductor device characterized in that the potential of the bit line is a second potential higher than the fixed potential.
請求項1において、
前記読み出し回路により読み出された情報は、クロック信号に同期して出力されることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
Information read by the reading circuit is output in synchronization with a clock signal.
請求項1において、
前記自由層及び固定層は、その磁化の向きが前記トンネル膜と前記自由層又は前記固定層の界面の方向に対して垂直であることを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The free layer and the fixed layer have a magnetization direction perpendicular to the direction of the interface between the tunnel film and the free layer or the fixed layer.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10128311B2 (en) 2017-03-17 2018-11-13 Toshiba Memory Corporation Magnetic memory device
WO2019073333A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-18 株式会社半導体エネルギー研究所 Storage device, electronic component, and electronic device
CN109784483A (en) * 2019-01-24 2019-05-21 电子科技大学 Computation accelerator in binaryzation convolutional neural networks memory based on FD-SOI technique
US10325638B2 (en) 2016-09-13 2019-06-18 Toshiba Memory Corporation Magnetic storage device with voltage generator that varies voltages according to temperature
CN111724838A (en) * 2019-03-20 2020-09-29 东芝存储器株式会社 Semiconductor memory device with a plurality of memory cells

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190364A (en) * 2005-01-04 2006-07-20 Toshiba Corp Write-in method and read-out method of magnetic recording apparatus
JP2007134027A (en) * 2005-10-13 2007-05-31 Renesas Technology Corp Nonvolatile storage device
JP2007242118A (en) * 2006-03-07 2007-09-20 Tdk Corp Read-out circuit of magnetic memory
WO2007111318A1 (en) * 2006-03-28 2007-10-04 Nec Corporation Magnetic random access memory and operation method thereof
JP2009230798A (en) * 2008-03-21 2009-10-08 Toshiba Corp Magnetic storage device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006190364A (en) * 2005-01-04 2006-07-20 Toshiba Corp Write-in method and read-out method of magnetic recording apparatus
JP2007134027A (en) * 2005-10-13 2007-05-31 Renesas Technology Corp Nonvolatile storage device
JP2007242118A (en) * 2006-03-07 2007-09-20 Tdk Corp Read-out circuit of magnetic memory
WO2007111318A1 (en) * 2006-03-28 2007-10-04 Nec Corporation Magnetic random access memory and operation method thereof
JP2009230798A (en) * 2008-03-21 2009-10-08 Toshiba Corp Magnetic storage device

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10325638B2 (en) 2016-09-13 2019-06-18 Toshiba Memory Corporation Magnetic storage device with voltage generator that varies voltages according to temperature
US10854253B2 (en) 2016-09-13 2020-12-01 Toshiba Memory Corporation Magnetic storage device with voltage generator that varies voltages according to temperature
US10128311B2 (en) 2017-03-17 2018-11-13 Toshiba Memory Corporation Magnetic memory device
WO2019073333A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-18 株式会社半導体エネルギー研究所 Storage device, electronic component, and electronic device
US11094360B2 (en) 2017-10-13 2021-08-17 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Storage device, electronic component, and electronic device
US11532340B2 (en) 2017-10-13 2022-12-20 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Storage device, electronic component, and electronic device
US11922987B2 (en) 2017-10-13 2024-03-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Storage device, electronic component, and electronic device
CN109784483A (en) * 2019-01-24 2019-05-21 电子科技大学 Computation accelerator in binaryzation convolutional neural networks memory based on FD-SOI technique
CN109784483B (en) * 2019-01-24 2022-09-09 电子科技大学 FD-SOI (field-programmable gate array-silicon on insulator) process-based binary convolution neural network in-memory computing accelerator
CN111724838A (en) * 2019-03-20 2020-09-29 东芝存储器株式会社 Semiconductor memory device with a plurality of memory cells
CN111724838B (en) * 2019-03-20 2023-11-10 铠侠股份有限公司 Semiconductor memory device with a memory cell having a memory cell with a memory cell having a memory cell

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