JP2014154189A - Resistance change type memory counter basis read-out circuit - Google Patents

Resistance change type memory counter basis read-out circuit Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a read-out circuit which prevents a resistance change type memory from malfunctioning due to a low voltage condition and temperature change, requires no reference voltage necessary for logic determination, and avoids lowering in a reading margin.SOLUTION: A resistance change type memory read-out circuit is constituted of: a negative resistance circuit connected in parallel via a read-out node of a resistance change type memory cell; a pressure rise load circuit connected to the negative resistance circuit in parallel and sharing a power source voltage therewith; a variable resistive element configuring the resistance change type memory cell; and a determination circuit for determining a data logic held in the memory cell on the basis of the voltage of the read-out node changed by a current flowing in the negative resistance circuit. The determination circuit is configured by a ring oscillator, and determines the data logic held in the resistance change type memory cell by converting the voltage of the read-out node into a frequency of the ring oscillator and counting the number of oscillations.

Description

本発明は、抵抗値に応じてデータを保持するメモリセルを有する抵抗変化型メモリの読み出し回路に関するものである。   The present invention relates to a read circuit of a resistance change type memory having memory cells that hold data according to a resistance value.

抵抗変化型メモリとは、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunneling Junction)素子を用いたメモリセルにより構成されたMRAM(Magneto resistive RAM)やCER(Colossal Electro
Resistance)素子を用いたReRAM(Resistance RAM)等である。
例えば、MRAMの場合、データの書き込みおよびデータの読み出しをMTJ素子に電流を流すことで行う。MRAMメモリセルへのデータの書き込みは、磁化反転が起こる閾値電流値より大きい書き込み電流をMTJ素子に流すことで行われるのに対し、MRAMメモリセルからのデータの読み出しは、閾値電流値より小さい読み出し電流をMTJ素子に流すことにより磁化反転を起こすことなく行われる。
MRAMメモリセルからのデータの読み出し回路は、例えば、図25に示す読み出し回路の構成が知られている。
The resistance change type memory is an MRAM (Magneto resistive RAM) or CER (Colossal Electro) composed of memory cells using a magnetic tunnel junction (MTJ) element.
ReRAM (Resistance RAM) using a resistance element.
For example, in the case of an MRAM, data writing and data reading are performed by passing a current through the MTJ element. Data writing to the MRAM memory cell is performed by passing a write current larger than the threshold current value at which magnetization reversal occurs to the MTJ element, while data reading from the MRAM memory cell is smaller than the threshold current value. This is done without causing magnetization reversal by passing a current through the MTJ element.
As a circuit for reading data from the MRAM memory cell, for example, the configuration of the read circuit shown in FIG. 25 is known.

一般的に、抵抗変化型メモリの電気的特性は、製造条件の変動等によりばらつきやすい。例えば、抵抗変化型メモリがMTJ素子で構成される場合、電気的特性のばらつきにより磁化反転が起こる閾値電流値が小さくなり、読み出し電流の値程度になったとする。その場合、メモリセルに保持されているデータは読み出し動作中に書き換わり、抵抗変化型メモリが誤動作するといった問題がある。磁化反転閾値電流値のばらつきを考慮し、抵抗変化型メモリの誤書き込み動作を防止するために、読み出し電流の値は十分に小さい値に設定される必要がある。しかし読み出し電流の値が小さく設定されると、抵抗変化型メモリセルからデータを読み出すときに得られる電荷量が少なくなることから、速度の低下や読み出しマージンの減少といった問題が生じる。   In general, the electrical characteristics of the resistance change type memory are likely to vary due to variations in manufacturing conditions. For example, in the case where the resistance change type memory is composed of MTJ elements, it is assumed that the threshold current value at which magnetization reversal occurs due to variations in electrical characteristics is reduced to about the value of the read current. In that case, there is a problem that the data held in the memory cell is rewritten during the read operation, and the resistance change type memory malfunctions. In consideration of variations in the magnetization reversal threshold current value, the read current value needs to be set to a sufficiently small value in order to prevent erroneous write operation of the resistance change memory. However, when the value of the read current is set to be small, the amount of charge obtained when reading data from the resistance change type memory cell is reduced, which causes problems such as a decrease in speed and a decrease in read margin.

図25に示すようなpMOS負荷回路を用いた従来の読み出し回路では、抵抗変化型メモリセルの抵抗値の変化に伴う電位の変化(電位差)が数10mVと小さいことから、低電圧動作(例えば、0.4V動作)のセンスアンプでの読み出しは困難であった。また、電位差を大きくしようとすると速度が遅くなる一方、速度を速くしようとすると電位差が小さくなるといった問題があった。   In the conventional read circuit using the pMOS load circuit as shown in FIG. 25, since the change in potential (potential difference) accompanying the change in resistance value of the resistance change type memory cell is as small as several tens mV, low voltage operation (for example, Reading with a sense amplifier (0.4 V operation) was difficult. In addition, there is a problem that when the potential difference is increased, the speed is decreased, whereas when the speed is increased, the potential difference is decreased.

上記問題に鑑みて、本発明者らは、低電圧下での誤動作を防止し、読み出しマージンを向上する抵抗変化型メモリ読み出し回路を既に提案している(特願2011−273934号)。
本発明者らが提案した抵抗変化型メモリ読み出し回路は、図26に示すように、抵抗変化型メモリセルの読み出しノードを介して並列に接続される負性抵抗回路と、負性抵抗回路を構成する一対のpMOSトランジスタの基板バイアス電圧を制御するための基板端子と、負性抵抗回路と並列に接続され、電源電圧を共通とする昇圧負荷回路と、抵抗変化型メモリセルを構成する可変抵抗素子と、負荷抵抗回路に流れる電流により変化する読み出しノードの電圧に基づいて、抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する判定回路と、から構成される。
In view of the above problems, the present inventors have already proposed a resistance change type memory read circuit that prevents a malfunction under a low voltage and improves a read margin (Japanese Patent Application No. 2011-273934).
As shown in FIG. 26, the resistance change type memory read circuit proposed by the present inventors comprises a negative resistance circuit connected in parallel via a read node of a resistance change type memory cell, and a negative resistance circuit. A substrate terminal for controlling the substrate bias voltage of the pair of pMOS transistors, a boost load circuit connected in parallel with the negative resistance circuit and sharing the power supply voltage, and a variable resistance element constituting the resistance change type memory cell And a determination circuit that determines the data logic held in the resistance change type memory cell based on the voltage of the read node that changes depending on the current flowing through the load resistance circuit.

上記の提案した抵抗変化型メモリ読み出し回路では、負性抵抗回路による負荷線と昇圧負荷回路による負荷線を足し合わせることにより、抵抗変化型メモリの可変抵抗素子が低抵抗状態にある場合の読み出し安定電位と、可変抵抗素子が高抵抗状態にある場合の読み出し安定電位との電位差を大きくすることができ、抵抗変化型メモリの低電圧下での誤動作を防止し、読み出しマージンを向上する。すなわち、負性抵抗回路と昇圧負荷回路を組み合わせることで、従来の読み出し回路に比べて、判定回路に用いられるセンスアンプの読み出しに十分な電位差を得るものである。
また、可変抵抗素子が低抵抗状態にある場合の読み出し電流が小さく、誤書き込みを排除できる一方で、可変抵抗素子が高抵抗状態にある場合の読み出し電流が大きく、読み出し速度を向上する。
In the above-described resistance change type memory read circuit, by adding the load line of the negative resistance circuit and the load line of the boost load circuit, the read stability when the variable resistance element of the resistance change type memory is in the low resistance state is added. The potential difference between the potential and the stable reading potential when the variable resistance element is in the high resistance state can be increased, and the malfunction of the resistance change memory under a low voltage is prevented, and the reading margin is improved. That is, by combining the negative resistance circuit and the boost load circuit, a potential difference sufficient for reading of the sense amplifier used in the determination circuit can be obtained as compared with the conventional reading circuit.
Further, the read current is small when the variable resistance element is in the low resistance state, and erroneous writing can be eliminated. On the other hand, the read current is large when the variable resistance element is in the high resistance state, and the read speed is improved.

上記提案中の抵抗変化型メモリ読み出し回路の負荷線について、図27を参照して説明する。
図27は、負荷線(TTコーナー)の一例を示しており、負性抵抗回路の電流−電圧特性を示している。横軸はノード(S)の電圧、縦軸はノード(S)に流れ込む電流及びノード(S)から流れ出す電流を表している。TTコーナーは、トランジスタの閾値電圧が典型的(Typical)な値でのシミュレーションである。
図27において、実線が提案中の読み出し回路、その内、点線で描かれた右下がりの点線の直線が昇圧nMOS回路、2点鎖線の曲線が負性抵抗回路の負荷線であり、それぞれノード(S)に流れ込む電流を表している。また、低抵抗状態および高抵抗状態のプロットは、抵抗変化型メモリセルが引き抜く電流を表している。提案中の読み出し回路のプロット(実線)は、昇圧nMOS回路のプロット(点線の直線)と負性抵抗回路によるプロット(2点鎖線の曲線)を足し合わせたものになっている。
A load line of the resistance change type memory reading circuit proposed above will be described with reference to FIG.
FIG. 27 shows an example of a load line (TT corner) and shows the current-voltage characteristics of the negative resistance circuit. The horizontal axis represents the voltage of the node (S), and the vertical axis represents the current flowing into the node (S) and the current flowing out from the node (S). The TT corner is a simulation in which the threshold voltage of the transistor is a typical value.
In FIG. 27, the solid line is the proposed readout circuit, of which the dotted line drawn to the right is a boosted nMOS circuit, and the dashed-dotted line is the load line of the negative resistance circuit. It represents the current flowing into S). Further, the plots of the low resistance state and the high resistance state represent the current drawn by the resistance change type memory cell. The plot of the readout circuit under proposal (solid line) is a combination of the plot of the boosting nMOS circuit (dotted line) and the plot of the negative resistance circuit (dotted line curve).

抵抗変化型メモリの読み出し動作を開始すると、ノード(S)の電圧が0から上昇する。提案中の抵抗変化型メモリの読み出し回路の場合、メモリセルが低抵抗状態である場合、低抵抗状態のプロットと実線のプロットの交点のところ、すなわち、図中で“L”と記載されている箇所(0.08V付近)で電圧の上昇は止まることになる。
一方、メモリセルが高抵抗状態の場合、同様に読み出し動作を開始すると、ノード(S)の電圧が0から上昇するが、0.08V付近では高抵抗状態のプロットと実線のプロットの交点は無く、そのまま電圧は上昇していき、高抵抗状態のプロットと実線のプロットの交点のところ、図中で“H”と記載されている箇所(0.38V付近)で電圧の上昇は止まることになる。
When the read operation of the resistance change memory is started, the voltage of the node (S) rises from zero. In the proposed resistance change memory read circuit, when the memory cell is in the low resistance state, the low resistance state plot and the solid line plot are indicated at the intersection, that is, “L” in the figure. The voltage rise stops at the point (around 0.08V).
On the other hand, when the memory cell is in the high resistance state, when the read operation is similarly started, the voltage of the node (S) rises from 0, but there is no intersection between the high resistance state plot and the solid line plot in the vicinity of 0.08V. The voltage rises as it is, and at the intersection of the high resistance state plot and the solid line plot, the voltage rise stops at the place marked "H" in the figure (near 0.38V). .

図27の負性抵抗回路のプロット(2点鎖線)からわかるように、負性抵抗回路のみで読み出し動作を行うと、ノード(S)の電圧は0(V)で交点になっているため、電圧は0のまま上昇しない。図27における提案中の読み出し回路のプロット(実線)から、ノード(S)の電位が0.28Vを超えると負性抵抗として動作することがわかる。また、低抵抗状態では、複数の交点を持っていてもよく、最も低電圧側の交点が安定点となる。   As can be seen from the plot of the negative resistance circuit in FIG. 27 (two-dot chain line), when the read operation is performed only with the negative resistance circuit, the voltage of the node (S) is 0 (V), which is the intersection. The voltage remains zero. From the plot (solid line) of the proposed readout circuit in FIG. 27, it can be seen that it operates as a negative resistance when the potential of the node (S) exceeds 0.28V. In the low resistance state, a plurality of intersections may be provided, and the intersection on the lowest voltage side is the stable point.

また、図28に示すように、提案中の抵抗変化型メモリの読み出し回路の負荷線の場合、上述の通り、メモリセルが低抵抗状態なら“L”と記載されている箇所(0.08V付近)で電圧の上昇は止まり、高抵抗状態なら“H”と記載されている箇所(0.38V付近)で電圧の上昇は止まるため、抵抗変化型メモリの可変抵抗素子が低抵抗状態にある場合の読み出し安定電位と、可変抵抗素子が高抵抗状態にある場合の読み出し安定電位との電位差を約0.3V(=0.38−0.08)と大きくすることができる(図中のΔVpropを参照)。これは、従来回路(pMOS負荷回路)の負荷線の場合の電位差ΔVconv(=0.28−0.1)と比べて大きくでき、論理判定の電圧マージンが向上することがわかる。   Further, as shown in FIG. 28, in the case of the load line of the proposed resistance change type memory read circuit, as described above, if the memory cell is in a low resistance state, the location indicated as “L” (near 0.08V) ) Stops the voltage rise, and the high voltage resistance stops at the location marked “H” (around 0.38 V) in the high resistance state, so the variable resistance element of the resistance change memory is in the low resistance state. Difference between the read stable potential and the read stable potential when the variable resistive element is in the high resistance state can be increased to about 0.3 V (= 0.38-0.08) (ΔVprop in the figure is reference). This can be made larger than the potential difference ΔVconv (= 0.28−0.1) in the case of the load line of the conventional circuit (pMOS load circuit), and it can be seen that the voltage margin for logic determination is improved.

また、提案中の抵抗変化型メモリの読み出し回路では、基板端子により、負性抵抗回路のpMOS基板バイアスを制御し、負荷線を任意に変更・調整でき、これによってプロセスばらつきに対応できるようにしている。
図29に示すように、負性抵抗回路のpMOS基板バイアスを変化させて、低抵抗状態と高抵抗状態の間のウィンドウを負荷線が通るように、負荷特性を調整する。
In the proposed resistance change memory read circuit, the substrate terminal can be used to control the pMOS substrate bias of the negative resistance circuit, so that the load line can be changed and adjusted arbitrarily, thereby adapting to process variations. Yes.
As shown in FIG. 29, the load characteristic is adjusted so that the load line passes through the window between the low resistance state and the high resistance state by changing the pMOS substrate bias of the negative resistance circuit.

しかしながら、従来知られている抵抗変化型メモリ読み出し回路の場合、読み出し動作の際にセンスアンプを用いているが(センスアンプでは、“0”状態または“1”状態の電圧と、“0”状態と“1”状態の中間値Vref=リファレンス電圧を比較することにより読み出しを行う)、マージンが狭いためこのVrefを生成することがより難しく、センスアンプの読み出しマージンを低下する要因になっている。   However, in the conventional resistance change type memory read circuit, a sense amplifier is used in the read operation (in the sense amplifier, the voltage in the “0” state or “1” state and the “0” state) The intermediate value Vref in the “1” state is read by comparing the reference voltage), and since the margin is narrow, it is more difficult to generate this Vref, which causes a reduction in the read margin of the sense amplifier.

対して、上記提案中の抵抗変化型メモリ読み出し回路の場合においては、可変抵抗素子が低抵抗状態にある場合の読み出し安定電位がより低く、可変抵抗素子が高抵抗状態にある場合の読み出し安定電位がより高いことから、判定回路がセンスアンプで構成された場合のリファレンス電圧を、例えば、電源電圧の約1/2(Half VDD)にしても、読み出しマージンをより大きく取ることができる。しかしながら実際には“0”状態と“1”状態の中間値が、従来読み出し回路同様に理想的である。   On the other hand, in the case of the proposed resistance change type memory read circuit, the read stable potential when the variable resistance element is in the low resistance state is lower, and the read stable potential when the variable resistance element is in the high resistance state. Therefore, even when the reference voltage when the determination circuit is configured by a sense amplifier is set to, for example, about ½ of the power supply voltage (Half VDD), a read margin can be further increased. However, in practice, an intermediate value between the “0” state and the “1” state is ideal as in the conventional read circuit.

上記の提案した抵抗変化型メモリ読み出し回路の場合、負性抵抗回路を構成する一対のpMOSトランジスタの基板バイアスにより、負荷線を任意に変更・調整でき、これによってプロセスばらつきに対応できるようにしている。つまりプロセスばらつきには対応できるものの、図30に示すように、常温から高温(125℃)に温度変化した場合に、基板バイアス条件を変えないままでは、読み出しが困難になる問題を本発明者らは認識した。   In the case of the proposed resistance change memory read circuit, the load line can be arbitrarily changed / adjusted by the substrate bias of the pair of pMOS transistors constituting the negative resistance circuit, thereby making it possible to cope with process variations. . That is, although the process variation can be dealt with, as shown in FIG. 30, when the temperature changes from room temperature to high temperature (125 ° C.), the present inventors have a problem that reading is difficult without changing the substrate bias condition. Recognized.

特開2011−159358号公報JP 2011-159358 A

上記状況に鑑みて、本発明は、抵抗値に応じてデータを保持するメモリセルを有する抵抗変化型メモリの低電圧下ならびに温度変化による誤動作を防止し、読み出しマージンを向上し、かつ、論理判定に必要なリファレンス電圧を生成する必要が無く、不適切なリファレンス電圧生成に伴う読み出しマージンの低下を回避する抵抗変化型メモリの読み出し回路を提供することを目的とする。   In view of the above situation, the present invention prevents a malfunction due to a low voltage and a temperature change of a resistance change type memory having a memory cell that holds data according to a resistance value, improves a read margin, and performs logic determination. It is an object of the present invention to provide a resistance change type memory read circuit that does not require generation of a reference voltage necessary for the above-described and avoids a decrease in read margin caused by inappropriate reference voltage generation.

上記目的を達成すべく、本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路は、抵抗変化型メモリセルの読み出しノードを介して並列に接続される負性抵抗回路と、負性抵抗回路と並列に接続され、電源電圧を共通とする昇圧負荷回路と、抵抗変化型メモリセルを構成する可変抵抗素子と、負荷抵抗回路に流れる電流により変化する読み出しノードの電圧に基づいて、抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する判定回路と、から構成される。
そして、上記の判定回路はリング・オシレータで構成され、読み出しノードの電圧をリング・オシレータの周波数に変換して、発振回数をカウントすることにより、抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する。
読み出しノードの電圧をリング・オシレータの周波数に変換することから、電位での比較で論理判定をするのでは無く、発振数というデジタル値の比較で論理判定を行うことから、従来のようなセンスアンプが不要となる。また、発振数というデジタル値で読み出し後の演算が可能であるため、リファレンスの値を算術で生成することが可能である。
In order to achieve the above object, the resistance change type memory counter base read circuit of the present invention is connected in parallel via a read node of the resistance change type memory cell, and in parallel with the negative resistance circuit. And held in the resistance change type memory cell based on the voltage of the read load node that changes depending on the current flowing through the load resistance circuit, the variable load element that constitutes the resistance change type memory cell, and the boost load circuit that shares the power supply voltage And a determination circuit for determining the data logic.
The above determination circuit is composed of a ring oscillator, converts the voltage of the read node into the frequency of the ring oscillator, and counts the number of oscillations, thereby obtaining the data logic held in the resistance change type memory cell. judge.
Since the voltage of the read node is converted to the frequency of the ring oscillator, the logic judgment is not performed by comparing the potential with the potential, but the logic judgment is performed by comparing the digital value of the number of oscillations. Is no longer necessary. In addition, since a calculation after reading can be performed using a digital value called the number of oscillations, a reference value can be generated arithmetically.

ここで、昇圧負荷回路は、回路に流れる電流量を段階的に小さい電流量から大きい電流量に切り替え可能な構成とされることが好ましい。昇圧負荷回路は、負性抵抗回路と並列に接続され、電源電位VDDを共通とする。昇圧負荷回路は、具体的にはnMOSトランジスタで構成され、nMOSトランジスタのゲート端子はデータの読み出し開始時にONになる。昇圧負荷回路を設けることにより、負性抵抗回路による負荷線に昇圧負荷回路による負荷線を足し合わせることができるため、読み出し回路の読み出し動作を行う際に、電圧を0から上昇できる。nMOSトランジスタのゲート端子には、電源電位よりも昇圧された電圧を印加することで、nMOSトランジスタのゲート電位とソース電位の差が大きくなり、nMOSトランジスタの閾値電圧変動の影響が小さくでき、プロセスばらつきの変動に強い。
上記の昇圧負荷回路を、回路に流れる電流量を段階的に小さい電流量から大きい電流量に切り替え可能な構成とすることによりダイナミックな負荷線を実現する。
Here, the boost load circuit is preferably configured to be able to switch the amount of current flowing through the circuit from a small amount of current to a large amount of current in a stepwise manner. The boost load circuit is connected in parallel with the negative resistance circuit and shares the power supply potential VDD. The boosting load circuit is specifically composed of an nMOS transistor, and the gate terminal of the nMOS transistor is turned ON at the start of data reading. By providing the boosting load circuit, it is possible to add the load line due to the boosting load circuit to the load line due to the negative resistance circuit, so that the voltage can be increased from 0 when performing the read operation of the read circuit. By applying a voltage higher than the power supply potential to the gate terminal of the nMOS transistor, the difference between the gate potential and the source potential of the nMOS transistor is increased, and the influence of the threshold voltage fluctuation of the nMOS transistor can be reduced, resulting in process variations. Resistant to fluctuations.
A dynamic load line is realized by adopting a configuration in which the amount of current flowing through the circuit can be switched from a small amount of current to a large amount of current in a stepwise manner.

昇圧負荷回路の一態様としては、同サイズのnMOSトランジスタが複数個並列に接続され、各々のnMOSトランジスタのゲートスイッチを順次オンすることにより、回路に流れる電流量を段階的に変化させる回路構成とされる。
また、昇圧負荷回路の他の態様としては、異なるサイズのnMOSトランジスタが複数個並列に接続され、各々のnMOSトランジスタのゲートスイッチをオン・オフ制御することにより、回路に流れる電流量を段階的に変化させる回路構成とされる。
As one aspect of the boost load circuit, a circuit configuration in which a plurality of nMOS transistors of the same size are connected in parallel and a gate switch of each nMOS transistor is sequentially turned on to change the amount of current flowing in the circuit in stages. Is done.
As another aspect of the boost load circuit, a plurality of nMOS transistors having different sizes are connected in parallel, and the gate switch of each nMOS transistor is controlled to be turned on / off, whereby the amount of current flowing in the circuit is stepwise. The circuit configuration is changed.

ここで、本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路において、上記の負性抵抗回路と並列に接続される非動作時バイアス電流抑制スイッチを更に備えることがより好ましい。
非動作時バイアス電流抑制スイッチを設けることにより、読み出し動作をしない場合の電力の消費を無くすことができる。非動作時バイアス電流抑制スイッチは、例えば、インバータ(NOT回路)とnMOSトランジスタで構成でき、nMOSトランジスタのゲート回路にインバータが接続されることにより実現できる。
Here, it is more preferable that the resistance change type memory counter base readout circuit of the present invention further includes a non-operating bias current suppression switch connected in parallel with the negative resistance circuit.
By providing the non-operating bias current suppression switch, it is possible to eliminate power consumption when the read operation is not performed. The non-operating bias current suppression switch can be constituted by, for example, an inverter (NOT circuit) and an nMOS transistor, and can be realized by connecting the inverter to the gate circuit of the nMOS transistor.

また、本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路において、抵抗変化型メモリセルと負性抵抗回路を接続する配線上にクランプ用スイッチ回路を更に備えることがより好ましい。
クランプ用スイッチ回路を設けることにより、抵抗変化型メモリセルに大きな電流が流れないようにすることができ、誤書き込み発生を防止できる。クランプ用スイッチ回路は、例えば、nMOSトランジスタを抵抗変化型メモリセルと負性抵抗回路を接続するライン上に設けることにより実現できる。
Further, in the resistance change type memory counter base read circuit of the present invention, it is more preferable that a clamp switch circuit is further provided on the wiring connecting the resistance change type memory cell and the negative resistance circuit.
By providing the clamp switch circuit, it is possible to prevent a large current from flowing through the resistance change type memory cell and to prevent erroneous writing. The clamp switch circuit can be realized, for example, by providing an nMOS transistor on a line connecting the resistance change type memory cell and the negative resistance circuit.

ここで、WL昇圧電位とは、ワードライン(WL)に印加される昇圧された電位である。例えば、チャージポンプ回路等を用いて、電源電位からWL昇圧電位を生成する。なお、メモリセル内のnMOSトランジスタ(アクセストランジスタ)の低電源電圧動作において、ゲート電位とソース電位の差が大きいほどトランジスタの閾値電圧変動の影響が小さくなりプロセスばらつきに対する耐性が向上できる。また、アクセストランジスタのゲート電位を昇圧することでトランジスタサイズを小さくでき、ひいてはメモリセル面積を小さくできるので、ワードライン(WL)の昇圧は好適である。   Here, the WL boosted potential is a boosted potential applied to the word line (WL). For example, the WL boost potential is generated from the power supply potential using a charge pump circuit or the like. Note that, in the low power supply voltage operation of the nMOS transistor (access transistor) in the memory cell, as the difference between the gate potential and the source potential is larger, the influence of the threshold voltage variation of the transistor becomes smaller and the tolerance to process variations can be improved. In addition, boosting the gate potential of the access transistor can reduce the transistor size and thus the memory cell area. Therefore, boosting of the word line (WL) is preferable.

また、本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の判定回路において、データ論理の判定に用いる閾値は、リファレンスとなるメモリセル(Reference cell)に対して、低抵抗状態のリング・オシレータの発振数と、高抵抗状態のリング・オシレータの発振数とを予め取得し、取得した両発振数をパラメータとする算術平均を含む算術演算結果の値であることが好適である。
リング・オシレータの発振数はデジタル値であり、デジタル値で読み出し後の算術演算が可能である。そのため、データの論理判定の閾値を算術演算で生成することができる。
リファレンスとなるメモリセルに対して本発明の読み出し回路を用いて、低抵抗状態のリング・オシレータの発振数、高抵抗状態のリング・オシレータの発振数を求める。そして、両発振数をパラメータとして、例えば算術平均を行って、結果のカウント値を閾値に設定する。抵抗変化型メモリセルの個々のメモリセルが、設定した閾値よりも大きなカウント値であれば“0”、閾値よりも小さなカウント値であれば“1”と論理判定する。
なお、算術平均以外の算術演算を用いても構わない。また、リファレンスとなるメモリセルのカウント値の分布統計情報を加味して閾値を設定することも可能である。
Further, in the determination circuit of the resistance change type memory counter base read circuit according to the present invention, the threshold used for determining the data logic is the number of oscillations of the ring oscillator in the low resistance state with respect to the reference memory cell. And the number of oscillations of the ring oscillator in the high resistance state are acquired in advance, and the value is preferably an arithmetic operation result value including an arithmetic average using the acquired both oscillation numbers as parameters.
The number of oscillations of the ring oscillator is a digital value, and an arithmetic operation after reading can be performed with the digital value. Therefore, the threshold value for data logic determination can be generated by arithmetic operation.
Using the readout circuit of the present invention for the reference memory cell, the number of oscillations of the ring oscillator in the low resistance state and the number of oscillations of the ring oscillator in the high resistance state are obtained. Then, for example, arithmetic averaging is performed using both oscillation numbers as parameters, and the resulting count value is set as a threshold value. If each memory cell of the resistance change type memory cell has a count value larger than the set threshold value, the logical determination is “0”, and if the count value is smaller than the threshold value, “1” is logically determined.
An arithmetic operation other than the arithmetic average may be used. It is also possible to set a threshold value in consideration of the distribution statistical information of the count value of the memory cell serving as a reference.

本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路によれば、抵抗値に応じてデータを保持するメモリセルを有する抵抗変化型メモリの低電圧下での誤動作を防止し、読み出しマージンを向上できると共に、従来のような電位での比較で論理判定をするのでは無く、発振数というデジタル値の比較で論理判定を行うことで、センスアンプが不要となり、デジタル値で読み出し後の演算が可能で、リファレンスの値を算術で生成することができるといった効果がある。   According to the resistance change type memory counter base read circuit of the present invention, it is possible to prevent malfunction under low voltage of a resistance change type memory having a memory cell that holds data according to a resistance value, and to improve a read margin. Rather than making a logical determination by comparison with a potential as in the past, by making a logical determination by comparing the digital value of the number of oscillations, a sense amplifier is unnecessary, and operations after reading with a digital value are possible. The value of can be generated by arithmetic.

本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の基本構成Basic configuration of resistance change type memory counter base readout circuit of the present invention 実施例1の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の回路説明1Circuit description 1 of a resistance change type memory counter base read circuit according to the first embodiment 実施例1の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の回路説明2Circuit description 2 of the resistance change type memory counter base read circuit according to the first embodiment 昇圧負荷回路の構成例(1)Configuration example of boost load circuit (1) 昇圧負荷回路の構成例(2)Configuration example of boost load circuit (2) 昇圧負荷回路の構成例(3)Configuration example of boost load circuit (3) 昇圧負荷を16段階に切り替えた時のダイナミック負荷線;(a)はTTコーナー(25℃);(b)はSSコーナー(−20℃)Dynamic load line when boosting load is switched to 16 steps; (a) TT corner (25 ° C); (b) SS corner (-20 ° C) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(TTコーナー:−20℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (TT corner: −20 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(TTコーナー:25℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the readout circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (TT corner: 25 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(TTコーナー:100℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (TT corner: 100 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FFコーナー:−20℃)The graph which shows the oscillation state of the ring oscillator in the read-out circuit of the resistance change memory of Example 1 (FF corner: -20 degreeC) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FFコーナー:25℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (FF corner: 25 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FFコーナー:100℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (FF corner: 100 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FSコーナー:−20℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (FS corner: −20 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FSコーナー:25℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the readout circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (FS corner: 25 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(FSコーナー:100℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (FS corner: 100 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SFコーナー:−20℃)The graph which shows the oscillation state of the ring oscillator in the read-out circuit of the resistance change type memory of Example 1 (SF corner: -20 degreeC) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SFコーナー:25℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment (SF corner: 25 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SFコーナー:100℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the readout circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (SF corner: 100 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SSコーナー:−20℃)The graph which shows the oscillation state of the ring oscillator in the read-out circuit of the resistance change type memory of Example 1 (SS corner: -20 degreeC) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SSコーナー:25℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the readout circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (SS corner: 25 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの発振状態を示すグラフ(SSコーナー:100℃)Graph showing the oscillation state of the ring oscillator in the readout circuit of the resistance change memory according to the first embodiment (SS corner: 100 ° C.) 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの各プロセスコーナーの発振カウント数の比較表Comparison table of oscillation count numbers at each process corner of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment 実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路における論理判定の説明図Explanatory drawing of the logic determination in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment. 従来の読み出し回路(先行技術)Conventional readout circuit (prior art) 提案中の読み出し回路(先行技術)Proposed readout circuit (prior art) 提案中の読み出し回路と従来の読み出し回路の負荷線1(TTコーナー)Load line 1 (TT corner) of proposed readout circuit and conventional readout circuit 提案中の読み出し回路と従来の読み出し回路の負荷線2(TTコーナー)Load line 2 (TT corner) of proposed readout circuit and conventional readout circuit 提案中の読み出し回路と従来の読み出し回路の負荷線(25℃)Load line (25 ° C) of proposed readout circuit and conventional readout circuit 提案中の読み出し回路と従来の読み出し回路の負荷線(125℃)Load line (125 ° C) of proposed readout circuit and conventional readout circuit リング・オシレータの回路構成の変形例1Modification 1 of the circuit configuration of the ring oscillator リング・オシレータの回路構成の変形例2Modification 2 of ring oscillator circuit configuration リング・オシレータの回路構成の変形例3Modified example 3 of the circuit configuration of the ring oscillator

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.

図1を参照して、本発明の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の基本構成について説明する。抵抗変化型メモリの読み出しノード(S)の電圧を、リング・オシレータ3の周波数に変換して、発振数をカウンタ回路12でカウントすることにより抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する。
リング・オシレータ3は、一個のNAND回路と偶数個のインバータを直列に接続し、最終段のインバータの出力をNAND回路にフィードバック入力した構成をとる。また、それぞれのNAND及びインバータは電源側ソース端子にpMOSトランジスタのドレイン端子が接続されており、これらトランジスタのソース端子は電源電位となる。
With reference to FIG. 1, a basic configuration of a resistance change type memory counter base read circuit of the present invention will be described. The voltage of the read node (S) of the resistance change memory is converted into the frequency of the ring oscillator 3 and the oscillation circuit counts the number of oscillations by the counter circuit 12 to determine the data logic held in the resistance change memory cell. To do.
The ring oscillator 3 has a configuration in which one NAND circuit and an even number of inverters are connected in series, and the output of the final stage inverter is fed back to the NAND circuit. Each NAND and inverter has a power source side source terminal connected to the drain terminal of the pMOS transistor, and the source terminal of these transistors becomes the power source potential.

つまりpMOSトランジスタを2段積みにしたリング・オシレータ3の上部のpMOSのゲート端子を読み出しノードSに接続することにより、リング・オシレータが発振する。このリング・オシレータ3を“0”状態及び“1”状態のリファレンスセル、読み出し対象のメモリセルにそれぞれ接続して、発振数をカウントする。“0”状態及び“1”状態のリファレンスセルの発振数から算術生成されたリファレンス値と読み出し対象セルの発振数を比較することで読み出しを行う。   That is, by connecting the gate terminal of the pMOS above the ring oscillator 3 in which the pMOS transistors are stacked in two stages to the read node S, the ring oscillator oscillates. The ring oscillator 3 is connected to the reference cell in the “0” state and “1” state and the memory cell to be read, and the number of oscillations is counted. Reading is performed by comparing the reference value arithmetically generated from the oscillation number of the reference cell in the “0” state and the “1” state with the oscillation number of the read target cell.

すなわち、読み出しノードの電圧をリング・オシレータの周波数に変換して、発振回数をカウントし、算術生成されたリファレンス値と読み出し対象セルの発振数を比較することにより、抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する。
従来のように、電位での比較で論理判定をするのでは無く、発振数というデジタル値の比較で論理判定を行うことから、従来のようなセンスアンプが不要となり、リファレンスの値を算術で生成することができる。
That is, the voltage of the read node is converted to the frequency of the ring oscillator, the number of oscillations is counted, and the arithmetically generated reference value is compared with the number of oscillations of the read target cell to be held in the resistance change type memory cell. Determine the data logic that is present.
Unlike conventional methods, logic is determined by comparing digital values such as the number of oscillations, rather than making logical determinations by comparing potentials. Conventional sense amplifiers are not required, and reference values are generated arithmetically. can do.

次に、図2を参照して、本実施例の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路の構成について説明する。
本実施例の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路は、負性抵抗回路1と、昇圧負荷回路2と、リング・オシレータ3と、カウンタ回路12と、クランプトランジスタ5から構成される。なお、クランプトランジスタ5の有無は、抵抗素子の読み出し性能に依存する。そのため、クランプトランジスタ5が必ずしも必要というものではない。
負性抵抗回路1は、抵抗変化型メモリセル10の読み出しノード(S)を介して昇圧負荷回路2と並列に接続される。
Next, with reference to FIG. 2, the configuration of the resistance change type memory counter base readout circuit of this embodiment will be described.
The resistance change type memory counter base readout circuit of the present embodiment includes a negative resistance circuit 1, a boost load circuit 2, a ring oscillator 3, a counter circuit 12, and a clamp transistor 5. Note that the presence or absence of the clamp transistor 5 depends on the reading performance of the resistance element. Therefore, the clamp transistor 5 is not always necessary.
The negative resistance circuit 1 is connected in parallel with the boost load circuit 2 via the read node (S) of the resistance change type memory cell 10.

また、昇圧負荷回路2は、負性抵抗回路1と並列に接続され、電源電位VDDを共通とする。昇圧負荷回路2は、具体的にはnMOSトランジスタで構成される。nMOSトランジスタのゲート端子は、“Read
Enable”信号ラインと接続される。読み出し開始時に“Read Enable”信号ラインがONになる。昇圧負荷回路2を設けることにより、上述した通り、負性抵抗回路1による負荷線に昇圧負荷回路2による負荷線を足し合わせることができるため、抵抗変化型メモリセル10の読み出し回路の読み出し動作を行う際に、電圧が0から上昇する。
なお、この“Read
Enable”信号ラインには、電源電位VDDよりも昇圧された電圧を印加することが好適である。
The boost load circuit 2 is connected in parallel with the negative resistance circuit 1 and shares the power supply potential VDD. The boost load circuit 2 is specifically composed of an nMOS transistor. The gate terminal of the nMOS transistor is “Read
The “Read Enable” signal line is turned ON at the start of reading. By providing the boosting load circuit 2, the load line by the negative resistance circuit 1 is connected to the load line by the boosting load circuit 2 as described above. Since the load lines can be added together, the voltage rises from 0 when the read operation of the read circuit of the resistance change type memory cell 10 is performed.
This “Read”
It is preferable to apply a voltage boosted from the power supply potential VDD to the “Enable” signal line.

また、図3のように、非動作時バイアス電流抑制スイッチ4を設けてもよい。非動作時バイアス電流抑制スイッチ4は、負性抵抗回路1と並列に接続され、読み出し動作をしない場合の電力の消費を無くす機能を果たす。具体的には、インバータ(NOT回路)とnMOSトランジスタで構成され、nMOSトランジスタのゲート回路にインバータが接続されている。“Read
Enable”信号ラインがOFFになった場合、ノード(S)は接地電位になる。
Further, as shown in FIG. 3, a non-operating bias current suppression switch 4 may be provided. The non-operating bias current suppression switch 4 is connected in parallel with the negative resistance circuit 1 and functions to eliminate power consumption when the read operation is not performed. Specifically, it is composed of an inverter (NOT circuit) and an nMOS transistor, and the inverter is connected to the gate circuit of the nMOS transistor. “Read
When the “Enable” signal line is turned OFF, the node (S) becomes the ground potential.

また、クランプトランジスタ5は、抵抗変化型メモリセル10に大きな電流が流れないようにするために設けられ、具体的には、ノード(S)に接続されるビットライン(BL)にnMOSトランジスタを設ける場合が多い(必ずしも必要というものではない)。   The clamp transistor 5 is provided to prevent a large current from flowing through the resistance change type memory cell 10, and specifically, an nMOS transistor is provided on the bit line (BL) connected to the node (S). There are many cases (not necessarily necessary).

図2や図3の回路構成によれば、負性抵抗回路1による負荷線と昇圧負荷回路2による負荷線を足し合わせることになり、抵抗変化型メモリの可変抵抗素子が低抵抗状態にある場合の読み出し安定電位と、可変抵抗素子が高抵抗状態にある場合の読み出し安定電位との電位差を大きくすることができる。   According to the circuit configurations of FIGS. 2 and 3, when the load line by the negative resistance circuit 1 and the load line by the boost load circuit 2 are added, the variable resistance element of the resistance change memory is in a low resistance state. The potential difference between the stable read potential and the stable read potential when the variable resistance element is in the high resistance state can be increased.

また、読み出しノード(S)の電圧をリング・オシレータの周波数に変換して、カウンタ回路12で発振回数をカウントすることにより、抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定することから、従来のようなセンスアンプが不要となる。また、発振数というデジタル値で読み出し後の演算が可能であるため、リファレンスの値を算術で生成することが可能になる。   Further, since the voltage of the read node (S) is converted into the frequency of the ring oscillator and the number of oscillations is counted by the counter circuit 12, the data logic held in the resistance change type memory cell is determined. A conventional sense amplifier is not required. Further, since a post-read operation can be performed with a digital value called the number of oscillations, a reference value can be generated arithmetically.

図2を参照して、負性抵抗回路の構成を説明する。負性抵抗回路は、一対のpMOSトランジスタ(P1,P2)と、nMOSトランジスタN1から成る。pMOSトランジスタP1は、ソースが電源電位VDDに接続され、ゲートおよびドレインが互いに接続されている。また、pMOSトランジスタP2は、ソースが電源電位VDDに接続され、ゲートがpMOSトランジスタP1のゲートに接続され、ドレインがノード(S)に接続されている。
また、nMOSトランジスタN1は、ソースが接地され、ゲートがノード(S)に接続され、ドレインがpMOSトランジスタP1のドレインに接続されている。
The configuration of the negative resistance circuit will be described with reference to FIG. The negative resistance circuit includes a pair of pMOS transistors (P1, P2) and an nMOS transistor N1. In the pMOS transistor P1, the source is connected to the power supply potential VDD, and the gate and the drain are connected to each other. The pMOS transistor P2 has a source connected to the power supply potential VDD, a gate connected to the gate of the pMOS transistor P1, and a drain connected to the node (S).
The nMOS transistor N1 has a source grounded, a gate connected to the node (S), and a drain connected to the drain of the pMOS transistor P1.

次に、図4〜6を参照して、昇圧負荷回路の構成例について説明する。
図4〜6に示す昇圧負荷回路は、回路に流れる電流量を段階的に小さい電流量から大きい電流量に切り替えることができる。
図4に示す昇圧負荷回路では、電流駆動能力比(Drive capability ratio)が等しいnMOSトランジスタが16個並列に接続されている。16個のnMOSトランジスタのゲートスイッチを順次オンすることにより、回路に流れる電流量を16段階に変化させることが可能である。
また、図5に示す昇圧負荷回路では、4種類の異なる電流駆動能力比(Drive capability ratio)のnMOSトランジスタが4個並列に接続されている。4種類の電流駆動能力比は、1,2,4,8としている。これらの4個のnMOSトランジスタのゲートスイッチをオン・オフ制御することにより、回路に流れる電流量が16通りになり16段階に変化させることが可能である。
また、図6に示す昇圧負荷回路では、異なる電流駆動能力比のnMOSトランジスタが2個並列に接続されている。2個のnMOSトランジスタの電流駆動能力比は、1と15といったように大きな差を設けている。電流駆動能力比の大きな差の2個のnMOSトランジスタのゲートスイッチを緩やかに順次オンすることにより、回路に流れる電流量を緩やかな変化で2段階に変化させることが可能である。
Next, a configuration example of the boost load circuit will be described with reference to FIGS.
4 to 6 can switch the amount of current flowing through the circuit from a small amount of current to a large amount of current step by step.
In the boosting load circuit shown in FIG. 4, 16 nMOS transistors having the same current drive capability ratio are connected in parallel. By sequentially turning on the gate switches of the 16 nMOS transistors, the amount of current flowing through the circuit can be changed in 16 steps.
Further, in the boost load circuit shown in FIG. 5, four nMOS transistors having different types of drive capability ratios are connected in parallel. The four types of current drive capability ratios are 1, 2, 4, and 8. By controlling on / off of the gate switches of these four nMOS transistors, the amount of current flowing through the circuit becomes 16 and can be changed in 16 steps.
In the boost load circuit shown in FIG. 6, two nMOS transistors having different current drive capability ratios are connected in parallel. The current drive capability ratio of the two nMOS transistors has a large difference such as 1 and 15. By gradually turning on the gate switches of the two nMOS transistors having a large difference in current drive capability ratio, the amount of current flowing in the circuit can be changed in two steps with a gradual change.

図7は、昇圧負荷を16段階に切り替えた時のダイナミック負荷線を示している。図7(a)はTTコーナー(25℃)の負荷線であり、図7(b)はSSコーナー(−20℃)の負荷線である。
昇圧負荷を多段階に切り替えることで、図7(a),(b)に示すように、低抵抗状態と高抵抗状態の間のウィンドウを動的(ダイナミック)に負荷線が通るように負荷特性を時間的に変化させることが可能である。
背景技術で述べたように、高温(125℃)に温度変化した場合に、同じ負荷線を用いたのでは、負荷特性制御が困難であるとしていたが、昇圧負荷を時間的に切り替えることで、いずれかのタイミングで低抵抗状態と高抵抗状態の間のウィンドウを負荷線が通るように調整が図れることになる。
FIG. 7 shows a dynamic load line when the boost load is switched to 16 levels. FIG. 7A shows a load line at the TT corner (25 ° C.), and FIG. 7B shows a load line at the SS corner (−20 ° C.).
By switching the boosting load in multiple stages, as shown in FIGS. 7A and 7B, the load characteristic is such that the load line passes dynamically through the window between the low resistance state and the high resistance state. Can be changed over time.
As described in the background art, when the temperature changes to a high temperature (125 ° C.), if the same load line is used, it is difficult to control the load characteristics, but by switching the boosting load in time, Adjustment can be made so that the load line passes through the window between the low resistance state and the high resistance state at any timing.

図8〜22は、実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路のTTコーナー,FFコーナー,FSコーナー,SFコーナー,SSコーナーについて、それぞれ−20℃、25℃、100℃の温度条件における低抵抗状態及び高抵抗状態のリング・オシレータの発振の様子を示している。
TTコーナー,FFコーナー,FSコーナー,SFコーナー,SSコーナーは、以下のようなプロセスコーナーである。
・TTコーナーは、nMOSトランジスタの閾値電圧が典型的(Typical)な値で、pMOSトランジスタの閾値電圧が典型的(Typical)な値をいう。
・FFコーナーは、nMOSトランジスタの閾値電圧が典型的な値よりも低く,pMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値も典型的な値よりも低い値をいう。
・FSコーナーは、nMOSトランジスタの閾値電圧が典型的な値よりも低く、pMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値は典型的な値よりも高い値をいう。
・SFコーナーは、nMOSトランジスタの閾値電圧が典型的な値よりも高く、pMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値は典型的な値よりも低い値をいう。
・SSコーナーは、nMOSトランジスタの閾値電圧が典型的な値よりも高く、pMOSトランジスタの閾値電圧の絶対値も典型的な値よりも高い値をいう。
8 to 22 show the low resistance under the temperature conditions of −20 ° C., 25 ° C., and 100 ° C. for the TT corner, the FF corner, the FS corner, the SF corner, and the SS corner of the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment. The state of the oscillation of the ring oscillator in the state and the high resistance state is shown.
The TT corner, FF corner, FS corner, SF corner, and SS corner are the following process corners.
The TT corner is a value with a typical threshold voltage of the nMOS transistor and a value with a typical threshold voltage of the pMOS transistor.
The FF corner is a value where the threshold voltage of the nMOS transistor is lower than a typical value and the absolute value of the threshold voltage of the pMOS transistor is also lower than a typical value.
The FS corner means that the threshold voltage of the nMOS transistor is lower than a typical value, and the absolute value of the threshold voltage of the pMOS transistor is higher than a typical value.
The SF corner is a value in which the threshold voltage of the nMOS transistor is higher than a typical value, and the absolute value of the threshold voltage of the pMOS transistor is lower than a typical value.
The SS corner is a value where the threshold voltage of the nMOS transistor is higher than a typical value, and the absolute value of the threshold voltage of the pMOS transistor is also higher than a typical value.

図8〜22から、プロセスコーナーが変化しても、低抵抗状態のリング・オシレータの発振数と高抵抗状態のリング・オシレータの発振数とで、カウント値の差が明らかに確認できる。
全てのプロセスコーナー及び温度において、ダイナミックに負荷線を変えることにより、時間的に低抵抗状態の読み出しノード(S)の電圧と高抵抗状態の読み出しノード(S)の電圧の間に差分を出すことができており、これによりリング・オシレータの出力波形の発振回数に差分を与えている。
8 to 22, even if the process corner changes, the difference in the count value can be clearly confirmed between the number of oscillations of the ring oscillator in the low resistance state and the number of oscillations of the ring oscillator in the high resistance state.
By dynamically changing the load line at all process corners and temperatures, temporally, a difference is generated between the voltage of the readout node (S) in the low resistance state and the voltage of the readout node (S) in the high resistance state. As a result, a difference is given to the number of oscillations of the output waveform of the ring oscillator.

図23は、実施例1の抵抗変化型メモリの読み出し回路におけるリング・オシレータの各プロセスコーナーの発振カウント数の比較表である。全てのプロセスコーナーの−20℃、25℃、100℃の温度条件下で、高抵抗状態(7kΩ)と低抵抗状態(3.5kΩ)の区別が可能になっていることがわかる。   FIG. 23 is a comparison table of oscillation count numbers at each process corner of the ring oscillator in the read circuit of the resistance change type memory according to the first embodiment. It can be seen that the high resistance state (7 kΩ) and the low resistance state (3.5 kΩ) can be distinguished under the temperature conditions of −20 ° C., 25 ° C., and 100 ° C. at all process corners.

図24を参照して、本実施例の抵抗変化型メモリの読み出し回路における論理判定について説明する。
まずリファレンスとなるメモリセル(Reference cell)に対して読み出し回路を用いて、発振数を求める。“低抵抗状態=0”状態(3KΩ)の際のリング・オシレータの発振数が239、“高抵抗状態=1”状態(7.5KΩ)の際のリング・オシレータの発振数が180であったとする。この場合、例えば算術平均、(239+180)/2=209.5のカウント値を閾値に設定し、抵抗変化型メモリセル(MRAM cell array)の個々のメモリセルが、閾値よりも大きなカウント値であれば“0”、閾値よりも小さなカウント値であれば“1”と論理判定する。
なお、上記の説明では、リファレンスとなるメモリセルの低抵抗状態のリング・オシレータの発振数と高抵抗状態のリング・オシレータの発振数との中間値を閾値としているが、リファレンスとなるメモリセルのカウント値の分布統計情報を加味して閾値を設定することも可能である。
With reference to FIG. 24, the logic determination in the read circuit of the resistance change type memory according to the present embodiment will be described.
First, the number of oscillations is obtained for a reference memory cell using a read circuit. The number of oscillations of the ring oscillator in the “low resistance state = 0” state (3 KΩ) is 239, and the number of oscillations of the ring oscillator in the “high resistance state = 1” state (7.5 KΩ) is 180. To do. In this case, for example, a count value of arithmetic mean, (239 + 180) /2=209.5 is set as a threshold value, and each memory cell of the resistance change type memory cell (MRAM cell array) has a count value larger than the threshold value. If the count value is smaller than the threshold, the logical determination is “1”.
In the above description, the threshold value is an intermediate value between the number of oscillations of the low-resistance ring oscillator and the number of oscillations of the high-resistance ring oscillator of the reference memory cell. It is also possible to set a threshold in consideration of the distribution statistical information of the count value.

(その他の実施例)
・リング・オシレータのバリエーション(変形例)について説明する。図31〜33は、上記実施例におけるリング・オシレータの回路構成の変形例を示している。いずれの場合も低抵抗状態と高抵抗状態で発振数が異なる。
上記実施例のリング・オシレータ、並びに、図31〜33に示す構成のリング・オシレータにおけるNAND回路を、NOR回路にしても構わない。
(Other examples)
-The variation (modification example) of a ring oscillator is demonstrated. 31 to 33 show modifications of the circuit configuration of the ring oscillator in the above embodiment. In either case, the number of oscillations differs between the low resistance state and the high resistance state.
The NAND circuit in the ring oscillator of the above embodiment and the ring oscillator having the configuration shown in FIGS. 31 to 33 may be a NOR circuit.

本発明は、MRAMやReRAM等の抵抗変化型メモリの読み出し回路に有用である。   The present invention is useful for a read circuit of a resistance change type memory such as MRAM or ReRAM.

1 負性抵抗回路
2 昇圧負荷回路
3 リング・オシレータ
4 非動作時バイアス電流抑制回路
5 クランプトランジスタ
8 アクセストランジスタ
9 可変抵抗素子
10 抵抗変化型メモリセル
12 カウンタ回路
WL ワードライン
VDD 電源電位
MTJ MTJ(Magnetic Tunneling Junction)素子
OSOUT リング・オシレータ出力
S 読み出しノード
SA センスアンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative resistance circuit 2 Boost load circuit 3 Ring oscillator 4 Non-operation bias current suppression circuit 5 Clamp transistor 8 Access transistor 9 Variable resistance element 10 Resistance change type memory cell 12 Counter circuit WL Word line VDD Power supply potential MTJ MTJ (Magnetic Tunneling Junction) element OSOUT Ring oscillator output S Read node SA Sense amplifier

Claims (7)

抵抗変化型メモリセルの読み出しノードを介して並列に接続される負性抵抗回路と、
前記負性抵抗回路と並列に接続され、電源電圧を共通とする昇圧負荷回路と、
前記抵抗変化型メモリセルを構成する可変抵抗素子と、前記負荷抵抗回路に流れる電流により変化する前記読み出しノードの電圧に基づいて、前記抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する判定回路、から構成される抵抗変化型メモリ読み出し回路において、
前記判定回路はリング・オシレータで構成され、前記読み出しノードの電圧をリング・オシレータの周波数に変換して、発振回数をカウントすることにより、前記抵抗変化型メモリセルに保持されているデータ論理を判定する、ことを特徴とする抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。
A negative resistance circuit connected in parallel via a read node of the resistance change type memory cell;
A boost load circuit connected in parallel with the negative resistance circuit and sharing a power supply voltage;
Determination of data logic held in the resistance change type memory cell based on a variable resistance element constituting the resistance change type memory cell and a voltage of the read node which is changed by a current flowing in the load resistance circuit In the resistance change type memory reading circuit composed of a circuit,
The determination circuit is composed of a ring oscillator, and the data logic held in the resistance change type memory cell is determined by converting the voltage of the read node into the frequency of the ring oscillator and counting the number of oscillations. A resistance change type memory counter base readout circuit characterized by:
前記昇圧負荷回路は、回路に流れる電流量を段階的に小さい電流量から大きい電流量に切り替え可能な構成とされる、ことを特徴とする請求項1に記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。   2. The resistance change type memory counter base read circuit according to claim 1, wherein the boost load circuit is configured to be able to switch the amount of current flowing in the circuit from a small amount of current to a large amount of current stepwise. . 前記昇圧負荷回路は、同サイズのnMOSトランジスタが複数個並列に接続され、各々のnMOSトランジスタのゲートスイッチを順次オンすることにより、回路に流れる電流量を段階的に変化させる、ことを特徴とする請求項2に記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。   The boost load circuit is characterized in that a plurality of nMOS transistors of the same size are connected in parallel, and the amount of current flowing in the circuit is changed stepwise by sequentially turning on the gate switch of each nMOS transistor. The resistance change type memory counter base read circuit according to claim 2. 前記昇圧負荷回路は、異なるサイズのnMOSトランジスタが複数個並列に接続され、各々のnMOSトランジスタのゲートスイッチをオン・オフ制御することにより、回路に流れる電流量を段階的に変化させる、ことを特徴とする請求項2に記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。   The boost load circuit includes a plurality of nMOS transistors having different sizes connected in parallel, and the amount of current flowing in the circuit is changed stepwise by controlling on / off of the gate switch of each nMOS transistor. The resistance change type memory counter base read circuit according to claim 2. 前記負性抵抗回路と並列に接続される非動作時バイアス電流抑制スイッチを、更に備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。   5. The resistance change type memory counter base read circuit according to claim 1, further comprising a non-operating bias current suppression switch connected in parallel with the negative resistance circuit. 6. 前記抵抗変化型メモリセルと前記負性抵抗回路を接続するライン上にクランプ用スイッチ回路を、更に備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。   6. The resistance change type memory counter base read-out according to claim 1, further comprising a clamping switch circuit on a line connecting the resistance change type memory cell and the negative resistance circuit. circuit. 前記判定回路において、データ論理の判定に用いる閾値は、リファレンスとなるメモリセル(Reference cell)に対して、低抵抗状態のリング・オシレータの発振数と、高抵抗状態のリング・オシレータの発振数とを予め取得し、取得した両発振数をパラメータとする算術平均を含む算術演算結果の値であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路。
In the determination circuit, the threshold value used for determining the data logic is the number of oscillations of the low resistance ring oscillator and the number of oscillations of the ring oscillator in the high resistance state with respect to a reference memory cell. The resistance change type memory counter base read circuit according to claim 1, wherein the resistance change type memory counter base read circuit is a value of an arithmetic operation result including an arithmetic average using the acquired number of oscillations as a parameter.
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