JP2018092695A - Semiconductor memory - Google Patents

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紘希 野口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory capable of reading data more accurately.SOLUTION: A semiconductor memory includes: a bit line and a source line connected to a memory cell; a driver 31 for applying a first read voltage to the source line; a capacitor 30 connected to the bit line; a readout circuit 24 for finding a first time until a voltage of the bit line reaches the first voltage after the first readout voltage is applied to the source line; and a determination circuit 50 for determining a data of the memory cell by using the first time.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

実施形態は、半導体記憶装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor memory device.

携帯情報端末に用いられるプロセッサは、低消費電力であることが求められる。プロセッサの低消費電力化の方法の1つとして、待機電力の大きいSRAM(static random access memory)で構成されるキャッシュメモリを、不揮発性記憶素子を用いた不揮発性メモリで置き換える方法がある。SRAMは、トランジスタの微細化に伴い、動作時、待機時共にリーク電流が大きくなる。このため、キャッシュメモリを不揮発性メモリで置き換えることにより、待機時にキャッシュメモリを電源遮断することが可能となり、待機時の消費電力を削減することができる。   A processor used for a portable information terminal is required to have low power consumption. As one of the methods for reducing the power consumption of the processor, there is a method of replacing a cache memory composed of a static random access memory (SRAM) having a large standby power with a nonvolatile memory using a nonvolatile memory element. In SRAMs, with the miniaturization of transistors, leakage current increases both during operation and during standby. For this reason, by replacing the cache memory with a non-volatile memory, the cache memory can be powered off during standby, and power consumption during standby can be reduced.

例えば、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)をキャッシュメモリとして使用することにより、プロセッサの低消費電力化を実現しようとする試みが検討されている。MRAMは、現在提案されている不揮発性メモリの中で高い書き換え耐性と、高速に読み出し及び書き込みを行う動作性能と、高集積可能なセル面積との3つの特徴を同時に満たしうるメモリである。MRAMをキャッシュメモリとして利用する際に動作速度が他の不揮発性メモリに比べて高速であることと、面積効率が他の不揮発性メモリに比べて高く、大容量の高速キャッシュをプロセッサに搭載できることが期待されている。   For example, an attempt to reduce the power consumption of a processor by using a magnetic random access memory (MRAM) as a cache memory has been studied. The MRAM is a memory that can simultaneously satisfy the three characteristics of high rewrite resistance, high-speed read / write operation performance, and high-integrable cell area among currently proposed non-volatile memories. When the MRAM is used as a cache memory, the operation speed is higher than that of other nonvolatile memories, the area efficiency is higher than that of other nonvolatile memories, and a large-capacity high-speed cache can be mounted on the processor. Expected.

MRAMの読み出し動作では、参照セルを用いた電流比較の読み出し方式が知られている。この読み出し方式では、高MR(magnetoresistance)比、低RA(resistance area product)、低ばらつきのMTJ(magnetic tunnel junction)素子を実現することが正確な読み出し動作を行うための必須条件となる。しかしながら、MTJ素子の微細化が進展すると、もしくはRAが高くなると、一定のセル電流を担保できなくなり、読み出しエラーが発生してしまう。   In the read operation of the MRAM, a current comparison read method using a reference cell is known. In this read method, it is an essential condition for performing an accurate read operation to realize a high MR (magnetoresistance) ratio, a low RA (resistance area product), and a low variation MTJ (magnetic tunnel junction) element. However, if the miniaturization of the MTJ element progresses or the RA becomes high, a certain cell current cannot be secured and a read error occurs.

米国特許出願公開第2009/0323402号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0323402

実施形態は、より正確にデータを読み出すことが可能な半導体記憶装置を提供する。   Embodiments provide a semiconductor memory device capable of reading data more accurately.

実施形態に係る半導体記憶装置は、可変抵抗素子を含むメモリセルと、前記メモリセルに接続されたビット線及びソース線と、第1読み出し動作において、第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する第1ドライバと、前記第1読み出し動作の後の第2読み出し動作において、前記第1読み出し電圧と異なる第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する第2ドライバと、前記ビット線に接続されたキャパシタと、前記ソース線に前記第1読み出し電圧が印加されてから、前記ビット線の電圧が第1電圧になるまでの第1時間を求める読み出し回路と、前記第1読み出し動作において、前記第1時間を用いて前記メモリセルのデータを判定する判定回路とを具備する。前記読み出し回路は、前記第1読み出し動作により読み出されたデータがエラーである場合、前記ソース線に前記第2読み出し電圧が印加されてから、前記ビット線の電圧が前記第1電圧になるまでの第2時間を求める。前記判定回路は、前記第2読み出し動作において、前記第1時間及び前記第2時間を用いて前記メモリセルのデータを判定する。   The semiconductor memory device according to the embodiment includes a memory cell including a variable resistance element, a bit line and a source line connected to the memory cell, and a first read voltage applied to the source line in a first read operation. One driver; a second driver for applying a second read voltage different from the first read voltage to the source line in a second read operation after the first read operation; a capacitor connected to the bit line; A read circuit for obtaining a first time from when the first read voltage is applied to the source line until the voltage of the bit line becomes the first voltage; and in the first read operation, the first time is And a determination circuit for determining data of the memory cell. When the data read by the first read operation is an error, the read circuit applies the second read voltage to the source line until the voltage of the bit line becomes the first voltage. The second time is calculated. The determination circuit determines data of the memory cell using the first time and the second time in the second read operation.

第1実施形態に係る半導体記憶装置のブロック図。1 is a block diagram of a semiconductor memory device according to a first embodiment. 図1に示したカラム制御回路のブロック図。FIG. 2 is a block diagram of the column control circuit shown in FIG. 1. 図2に示したメモリブロックの回路図。FIG. 3 is a circuit diagram of the memory block shown in FIG. 2. 図3に示したMTJ素子の断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of the MTJ element shown in FIG. 3. 読み出し回路及び読み出しドライバの回路図。FIG. 6 is a circuit diagram of a reading circuit and a reading driver. データ判定回路の回路図。The circuit diagram of a data determination circuit. MTJ素子の抵抗値分布を説明する図。The figure explaining resistance value distribution of an MTJ element. MTJ素子のサイズと読み出し電流との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the size of the MTJ element and the read current. メモリセルに流れる読み出し電流パスを説明する図。FIG. 6 is a diagram illustrating a read current path flowing in a memory cell. 読み出し電流パス上の時定数RCを説明する図。The figure explaining the time constant RC on a read-out electric current path. 平行状態及び反平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流を説明する図。The figure explaining the read-out electric current which flows into the MTJ element of a parallel state and an antiparallel state. 平行状態及び反平行状態において読み出し電流により充電されるキャパシタの電圧を説明する図。The figure explaining the voltage of the capacitor charged by the reading current in the parallel state and the antiparallel state. 第1実施形態に係る読み出し動作を示すフローチャート。6 is a flowchart showing a read operation according to the first embodiment. シングルエンドモードにおける読み出し動作のタイミング図。FIG. 6 is a timing diagram of a read operation in a single end mode. シングルエンドモードにおけるデータ判定動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the data determination operation | movement in single end mode. MTJ素子の印加電圧と抵抗値との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the applied voltage and resistance value of an MTJ element. 自己参照モードにおける読み出し動作のタイミング図。FIG. 6 is a timing diagram of a read operation in a self-reference mode. 自己参照モードにおけるデータ判定動作を示すフローチャート。The flowchart which shows the data determination operation | movement in self-reference mode. 第2実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 2nd embodiment. 第3実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 3rd embodiment. 第4実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 4th embodiment. 第5実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 5th embodiment. 第5実施形態に係る読み出し動作のタイミング図。FIG. 10 is a timing diagram of a read operation according to the fifth embodiment. 読み出し電圧の設定方法を説明する図。6A and 6B illustrate a method for setting a read voltage. 第6実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 6th embodiment. 第7実施形態に係る読み出し回路の回路図。The circuit diagram of the read-out circuit concerning a 7th embodiment. 読み出し動作におけるグローバルビット線の放電の様子を説明する図。FIG. 6 is a diagram for explaining how a global bit line is discharged in a read operation.

以下、実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。各機能ブロックは、ハードウェア、ソフトウェアのいずれかまたは両者を組み合わせたものとして実現することができる。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is specified by the shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not to be done. Each functional block can be realized as hardware, software, or a combination of both. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.

本実施形態では、半導体記憶装置としてMRAM(Magnetic Random Access Memory)を例に挙げて説明する。   In the present embodiment, an explanation will be given by taking an MRAM (Magnetic Random Access Memory) as an example of the semiconductor memory device.

[第1実施形態]
[1]半導体記憶装置の構成
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置(MRAM)10のブロック図である。半導体記憶装置10は、メモリセルアレイ11、ロウデコーダ12、カラムデコーダ13、カラム制御回路14、ECC(Error Checking and Correcting)回路15、入出力回路(I/O回路)16、アドレスレジスタ17、制御回路(コントローラ)18、及び電圧発生回路19を備える。
[First Embodiment]
[1] Configuration of Semiconductor Memory Device FIG. 1 is a block diagram of a semiconductor memory device (MRAM) 10 according to the first embodiment. The semiconductor memory device 10 includes a memory cell array 11, a row decoder 12, a column decoder 13, a column control circuit 14, an ECC (Error Checking and Correcting) circuit 15, an input / output circuit (I / O circuit) 16, an address register 17, and a control circuit. (Controller) 18 and a voltage generation circuit 19 are provided.

メモリセルアレイ11は、複数のメモリセルMCを備える。各メモリセルMCは、記憶素子としてのMTJ(magnetic tunnel junction)素子を含む。メモリセルMCの具体的な構成については後述する。   The memory cell array 11 includes a plurality of memory cells MC. Each memory cell MC includes an MTJ (magnetic tunnel junction) element as a storage element. A specific configuration of the memory cell MC will be described later.

メモリセルアレイ11には、ロウ方向に延びる複数のワード線WL、ロウ方向に交差するカラム方向に延びる複数のローカルビット線LBL、及びカラム方向に延びる複数のローカルソース線LSLが配設される。メモリセルMCは、1本のワード線WL、1本のローカルビット線LBL、及び1本のローカルソース線LSLに接続される。   In the memory cell array 11, a plurality of word lines WL extending in the row direction, a plurality of local bit lines LBL extending in the column direction intersecting the row direction, and a plurality of local source lines LSL extending in the column direction are arranged. Memory cell MC is connected to one word line WL, one local bit line LBL, and one local source line LSL.

ロウデコーダ12は、複数のワード線WLに接続される。ロウデコーダ12は、アドレスレジスタ17からロウアドレスを受ける。ロウデコーダ12は、ロウアドレスをデコードするとともに、デコード信号(ロウ選択信号)に基づいてワード線WLを選択する。ロウデコーダ12は、例えばワード線WLを駆動するドライバ(図示せず)を備える。   The row decoder 12 is connected to a plurality of word lines WL. The row decoder 12 receives a row address from the address register 17. The row decoder 12 decodes a row address and selects a word line WL based on a decode signal (row selection signal). The row decoder 12 includes a driver (not shown) that drives the word line WL, for example.

カラムデコーダ13は、アドレスレジスタ17からカラムアドレスを受ける。カラムデコーダ13は、カラムアドレスをデコードし、デコード信号(カラム選択信号)をカラム制御回路14に送る。   The column decoder 13 receives a column address from the address register 17. The column decoder 13 decodes the column address and sends a decode signal (column selection signal) to the column control circuit 14.

カラム制御回路14は、複数のローカルビット線LBL、及び複数のローカルソース線LSLに接続される。カラム制御回路14は、選択されたカラムに対して、データの読み出し、データの書き込み、及びデータの消去を行う。カラム制御回路14は、読み出し回路(センスアンプ)、及び書き込み回路(ライトドライバ)などを含む。カラム制御回路14の具体的な構成については後述する。   The column control circuit 14 is connected to a plurality of local bit lines LBL and a plurality of local source lines LSL. The column control circuit 14 performs data reading, data writing, and data erasing with respect to the selected column. The column control circuit 14 includes a read circuit (sense amplifier), a write circuit (write driver), and the like. A specific configuration of the column control circuit 14 will be described later.

入出力回路16は、入出力端子I/Oを介して、外部装置に接続される。入出力回路16は、外部装置との間で、データの受け渡しを行う。入出力回路16とカラム制御回路14との間のデータの受け渡しは、バス20を介して行われる。バス20は、双方向データバスである。   The input / output circuit 16 is connected to an external device via an input / output terminal I / O. The input / output circuit 16 exchanges data with an external device. Data exchange between the input / output circuit 16 and the column control circuit 14 is performed via the bus 20. The bus 20 is a bidirectional data bus.

制御回路18は、半導体記憶装置10の全体動作を制御する。制御回路18は、各種の外部制御信号、例えば、チップイネーブル信号/CE、アドレスラッチイネーブル信号ALE、コマンドラッチイネーブル信号CLE、書き込みイネーブル信号/WE、及び読み出しイネーブル信号/REを外部装置(ホストコントローラなど)から受ける。信号名に付記された“/”は、アクティブ・ローを表す。   The control circuit 18 controls the overall operation of the semiconductor memory device 10. The control circuit 18 sends various external control signals such as a chip enable signal / CE, an address latch enable signal ALE, a command latch enable signal CLE, a write enable signal / WE, and a read enable signal / RE to an external device (such as a host controller). ) The “/” appended to the signal name represents active low.

制御回路18は、これらの外部制御信号に基づいて、入出力端子I/Oから供給されるアドレスADDとコマンドCMDとを識別する。そして、制御回路18は、アドレスADDを、アドレスレジスタ17を介してロウデコーダ12及びカラムデコーダ13に送る。また、制御回路18は、コマンドCMDをデコードする。制御回路18は、外部制御信号及びコマンドに従って、データの読み出し、及びデータの書き込み、及びデータの消去の各々に関するシーケンス制御を行う。   The control circuit 18 identifies the address ADD and the command CMD supplied from the input / output terminal I / O based on these external control signals. Then, the control circuit 18 sends the address ADD to the row decoder 12 and the column decoder 13 via the address register 17. In addition, the control circuit 18 decodes the command CMD. The control circuit 18 performs sequence control regarding each of data reading, data writing, and data erasing in accordance with an external control signal and a command.

電圧発生回路19は、各動作に必要な内部電圧(例えば、電源電圧より昇圧された電圧を含む)を発生する。電圧発生回路19は、制御回路18により制御され、必要な電圧を発生する。   The voltage generation circuit 19 generates an internal voltage (for example, including a voltage boosted from the power supply voltage) necessary for each operation. The voltage generation circuit 19 is controlled by the control circuit 18 and generates a necessary voltage.

[1−1]カラム制御回路14の構成
図2は、図1に示したカラム制御回路14のブロック図である。図2では、ビット線及びソース線が階層化される構成例を示している。しかし、これに限定されず、ビット線及びソース線が階層化されていなくてもよい。メモリセルアレイとビット線及びソース線との対応関係は、任意に設定可能である。
[1-1] Configuration of Column Control Circuit 14 FIG. 2 is a block diagram of the column control circuit 14 shown in FIG. FIG. 2 shows a configuration example in which bit lines and source lines are hierarchized. However, the present invention is not limited to this, and the bit line and the source line may not be hierarchized. The correspondence between the memory cell array, the bit line, and the source line can be arbitrarily set.

メモリセルアレイ11は、複数のメモリブロックMB0〜MBjを備える。“j”は、1以上の整数である。なお、本実施形態の説明では、複数のメモリブロックMB0〜MBjを特に区別する必要がない場合は、枝番号を省略して記載し、この枝番号なしの記載に関する説明は、複数のメモリブロックMB0〜MBjの各々に共通する。他の枝番号付きの参照符号についても同様に扱われる。各メモリブロックMBは、マトリクス状に配置された複数のメモリセルMCを備える。メモリブロックMBには、複数のワード線WL(WL0〜WLn)、複数のローカルビット線LBL、及び複数のローカルソース線LSLが配設される。“n”は、1以上の整数である。   The memory cell array 11 includes a plurality of memory blocks MB0 to MBj. “J” is an integer of 1 or more. In the description of the present embodiment, when there is no need to particularly distinguish between the plurality of memory blocks MB0 to MBj, the branch numbers are omitted, and the description regarding the description without the branch numbers is given for the plurality of memory blocks MB0. Common to each of MBj. The other reference numbers with branch numbers are handled in the same manner. Each memory block MB includes a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. In the memory block MB, a plurality of word lines WL (WL0 to WLn), a plurality of local bit lines LBL, and a plurality of local source lines LSL are arranged. “N” is an integer of 1 or more.

カラム制御回路14は、カラム選択回路21−0〜21−j、カラム選択回路22−0〜22−j、書き込み回路23−0〜23−j、読み出し回路24−0〜24−j、読み出しドライバ25−0〜25−j、及びデータバッファ26−0〜26−jを備える。   The column control circuit 14 includes column selection circuits 21-0 to 21-j, column selection circuits 22-0 to 22-j, write circuits 23-0 to 23-j, read circuits 24-0 to 24-j, and read drivers. 25-0 to 25-j and data buffers 26-0 to 26-j.

カラム選択回路21は、メモリブロックMBに配設された複数のローカルビット線LBLに接続される。カラム選択回路21は、カラムデコーダ13からのカラム選択信号に基づいて、1本のローカルビット線LBLを選択する。カラム選択回路21は、選択されたローカルビット線LBLをグローバルビット線GBLに接続する。   The column selection circuit 21 is connected to a plurality of local bit lines LBL arranged in the memory block MB. The column selection circuit 21 selects one local bit line LBL based on a column selection signal from the column decoder 13. The column selection circuit 21 connects the selected local bit line LBL to the global bit line GBL.

カラム選択回路22は、メモリブロックMBに配設された複数のローカルソース線LSLに接続される。カラム選択回路22は、カラムデコーダ13からのカラム選択信号に基づいて、1本のローカルソース線LSLを選択する。カラム選択回路22は、選択されたローカルソース線LSLをグローバルソース線GSLに接続する。   The column selection circuit 22 is connected to a plurality of local source lines LSL arranged in the memory block MB. The column selection circuit 22 selects one local source line LSL based on the column selection signal from the column decoder 13. The column selection circuit 22 connects the selected local source line LSL to the global source line GSL.

書き込み回路23は、グローバルビット線GBL及びグローバルソース線GSLに接続される。書き込み動作において、書き込み回路23は、選択されたメモリセルに、例えば電流を流すことによって、選択メモリセルにデータを書き込む。   The write circuit 23 is connected to the global bit line GBL and the global source line GSL. In the write operation, the write circuit 23 writes data to the selected memory cell by, for example, passing a current through the selected memory cell.

読み出し回路24は、グローバルビット線GBLに接続され、読み出しドライバ25は、グローバルソース線GSLに接続される。読み出し動作において、読み出しドライバ25は、グローバルソース線GSLに読み出し電圧を印加する。読み出し動作において、読み出し回路24は、選択されたメモリセルに流れる電流を検知することによって、メモリセルに格納されたデータを読み出す。読み出し回路24及び読み出しドライバ25の詳細については後述する。   The read circuit 24 is connected to the global bit line GBL, and the read driver 25 is connected to the global source line GSL. In the read operation, the read driver 25 applies a read voltage to the global source line GSL. In the read operation, the read circuit 24 reads the data stored in the memory cell by detecting the current flowing through the selected memory cell. Details of the read circuit 24 and the read driver 25 will be described later.

データバッファ26は、書き込み動作において、メモリセルに書き込むべき書き込みデータを一時的に格納する。データバッファ26は、読み出し動作において、メモリセルから読み出された読み出しデータを一時的に格納する。   The data buffer 26 temporarily stores write data to be written to the memory cell in the write operation. The data buffer 26 temporarily stores read data read from the memory cell in the read operation.

[1−2]メモリブロックMBの構成
図3は、図2に示したメモリブロックMBの回路図である。
[1-2] Configuration of Memory Block MB FIG. 3 is a circuit diagram of the memory block MB shown in FIG.

メモリブロックMBには、ロウ方向に延びる複数のワード線WL(WL0〜WLn)、カラム方向に延びる複数のローカルビット線LBL(LBL0〜LBLm)、及びカラム方向に延びる複数のローカルソース線LSL(LSL0〜LSLm)が配設される。“m”は、1以上の整数である。複数のローカルビット線LBLと複数のローカルソース線LSLとは交互に配置される。   The memory block MB includes a plurality of word lines WL (WL0 to WLn) extending in the row direction, a plurality of local bit lines LBL (LBL0 to LBLm) extending in the column direction, and a plurality of local source lines LSL (LSL0) extending in the column direction. To LSLm). “M” is an integer of 1 or more. The plurality of local bit lines LBL and the plurality of local source lines LSL are alternately arranged.

メモリセルMCは、記憶素子としてのMTJ(magnetic tunnel junction)素子27、及びセルトランジスタ(選択トランジスタ)28を備える。MTJ素子27は、抵抗状態の変化によってデータを記憶し、例えば電流によってデータを書き換え可能な磁気抵抗素子(磁気抵抗効果素子)である。セルトランジスタ28は、例えばnチャネルMOS(metal oxide semiconductor)トランジスタから構成される。   The memory cell MC includes an MTJ (magnetic tunnel junction) element 27 as a storage element and a cell transistor (selection transistor) 28. The MTJ element 27 is a magnetoresistive element (magnetoresistance effect element) that stores data according to a change in resistance state and can rewrite the data with a current, for example. The cell transistor 28 is composed of, for example, an n-channel MOS (metal oxide semiconductor) transistor.

MTJ素子27の一端は、ローカルビット線LBLに接続され、その他端は、セルトランジスタ28のドレインに接続される。セルトランジスタ28のゲートは、ワード線WLに接続され、そのソースは、ローカルソース線LSLに接続される。   One end of the MTJ element 27 is connected to the local bit line LBL, and the other end is connected to the drain of the cell transistor 28. The gate of the cell transistor 28 is connected to the word line WL, and its source is connected to the local source line LSL.

[1−3]MTJ素子27の構成
次に、MTJ素子27の構成の一例について説明する。図4は、図3に示したMTJ素子27の断面図である。
[1-3] Configuration of MTJ Element 27 Next, an example of the configuration of the MTJ element 27 will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of the MTJ element 27 shown in FIG.

MTJ素子27は、下部電極27A、記憶層(自由層)27B、非磁性層(トンネルバリア層)27C、参照層(固定層)27D、及び上部電極27Eが順に積層されて構成される。例えば、下部電極27Aは、セルトランジスタ28に電気的に接続され、上部電極27Eは、ローカルビット線LBLに電気的に接続される。なお、記憶層27Bと参照層27Dとの積層順序は逆転していても構わない。   The MTJ element 27 is configured by laminating a lower electrode 27A, a storage layer (free layer) 27B, a nonmagnetic layer (tunnel barrier layer) 27C, a reference layer (fixed layer) 27D, and an upper electrode 27E in this order. For example, the lower electrode 27A is electrically connected to the cell transistor 28, and the upper electrode 27E is electrically connected to the local bit line LBL. Note that the stacking order of the memory layer 27B and the reference layer 27D may be reversed.

記憶層27B及び参照層27Dはそれぞれ、強磁性材料から構成される。トンネルバリア層27Cは、例えばMgOなどの絶縁材料から構成される。   The storage layer 27B and the reference layer 27D are each made of a ferromagnetic material. The tunnel barrier layer 27C is made of an insulating material such as MgO.

記憶層27B及び参照層27Dはそれぞれ、例えば垂直方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は垂直方向である。ここで、垂直方向の磁気異方性とは、磁化方向が膜面(上面又は下面)に対して垂直又はほぼ垂直となることを示す。ほぼ垂直とは、残留磁化の方向が膜面に対して、45°<θ≦90°の範囲内にあることを含むものとする。なお、記憶層27B及び参照層27Dの磁化方向は、面内方向であってもよい。   Each of the storage layer 27B and the reference layer 27D has, for example, perpendicular magnetic anisotropy, and their easy magnetization direction is perpendicular. Here, the perpendicular magnetic anisotropy indicates that the magnetization direction is perpendicular or almost perpendicular to the film surface (upper surface or lower surface). The term “substantially perpendicular” includes that the direction of residual magnetization is within a range of 45 ° <θ ≦ 90 ° with respect to the film surface. Note that the magnetization directions of the storage layer 27B and the reference layer 27D may be in-plane directions.

記憶層27Bは、磁化方向が可変である(反転する)。“磁化方向が可変”とは、MTJ素子27に所定の書き込み電流を流した場合に、記憶層27Bの磁化方向が変化できることを意味する。参照層27Dは、磁化方向が不変である(固定される)。“磁化方向が不変”とは、MTJ素子27に所定の書き込み電流を流した場合に、参照層27Dの磁化方向が変化しないことを意味する。   The memory layer 27B has a variable magnetization direction (inverts). “The magnetization direction is variable” means that the magnetization direction of the storage layer 27B can be changed when a predetermined write current is passed through the MTJ element 27. The reference layer 27D has an invariable magnetization direction (fixed). “The magnetization direction is unchanged” means that the magnetization direction of the reference layer 27 </ b> D does not change when a predetermined write current is passed through the MTJ element 27.

参照層27Dは、記憶層27Bよりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギー(或いは保磁力)を持つように設定される。磁気異方性の設定は、磁性層の材料、面積、及び膜厚を調整することで可能である。このようにして、記憶層27Bの磁化反転電流を小さくし、参照層27Dの磁化反転電流を記憶層27Bの磁化反転電流よりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記憶層27Bと磁化方向が不変の参照層27Dとを備えたMTJ素子27を実現できる。   The reference layer 27D is set to have a perpendicular magnetic anisotropy energy (or coercive force) sufficiently larger than that of the storage layer 27B. The magnetic anisotropy can be set by adjusting the material, area, and film thickness of the magnetic layer. In this way, the magnetization reversal current of the storage layer 27B is reduced, and the magnetization reversal current of the reference layer 27D is made larger than the magnetization reversal current of the storage layer 27B. Thereby, it is possible to realize the MTJ element 27 including the storage layer 27B having a variable magnetization direction and the reference layer 27D having a constant magnetization direction with respect to a predetermined write current.

本実施形態では、MTJ素子27に直接に書き込み電流を流し、この書き込み電流によってMTJ素子27の磁化状態を制御するスピン注入書き込み方式が用いられる。MTJ素子27は、記憶層27Bと参照層27Dとの磁化の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態と高抵抗状態とのいずれかを取り得る。すなわち、MTJ素子27は、可変抵抗素子である。   In this embodiment, a spin injection writing method is used in which a write current is directly supplied to the MTJ element 27 and the magnetization state of the MTJ element 27 is controlled by this write current. The MTJ element 27 can take either a low resistance state or a high resistance state depending on whether the relative relationship of magnetization between the storage layer 27B and the reference layer 27D is parallel or antiparallel. That is, the MTJ element 27 is a variable resistance element.

MTJ素子27に対して、記憶層27Bから参照層27Dへ向かう書き込み電流を流すと、記憶層27Bと参照層27Dとの磁化の相対関係が平行になる。この平行状態の場合、MTJ素子27の抵抗値は最も低くなり、MTJ素子27は低抵抗状態に設定される。MTJ素子27の低抵抗状態を、例えばデータ“0”と規定する。   When a write current from the storage layer 27B to the reference layer 27D is applied to the MTJ element 27, the relative relationship of magnetization between the storage layer 27B and the reference layer 27D becomes parallel. In the parallel state, the MTJ element 27 has the lowest resistance value, and the MTJ element 27 is set in the low resistance state. The low resistance state of the MTJ element 27 is defined as data “0”, for example.

一方、MTJ素子27に対して、参照層27Dから記憶層27Bへ向かう書き込み電流を流すと、記憶層27Bと参照層27Dとの磁化の相対関係が反平行になる。この反平行状態の場合、MTJ素子27の抵抗値は最も高くなり、MTJ素子27は高抵抗状態に設定される。MTJ素子27の高抵抗状態を、例えばデータ“1”と規定する。   On the other hand, when a write current from the reference layer 27D to the storage layer 27B is applied to the MTJ element 27, the relative relationship of magnetization between the storage layer 27B and the reference layer 27D becomes antiparallel. In the antiparallel state, the MTJ element 27 has the highest resistance value, and the MTJ element 27 is set to the high resistance state. The high resistance state of the MTJ element 27 is defined as data “1”, for example.

これにより、MTJ素子27を1ビットデータ(2値データ)を記憶可能な記憶素子として使用することができる。MTJ素子27の抵抗状態とデータとの割り当ては任意に設定可能である。   Thereby, the MTJ element 27 can be used as a storage element capable of storing 1-bit data (binary data). The assignment of the resistance state and data of the MTJ element 27 can be arbitrarily set.

[1−4]読み出し回路24及び読み出しドライバ25の構成
次に、読み出し回路24及び読み出しドライバ25の構成について説明する。図5は、読み出し回路24及び読み出しドライバ25の回路図である。図5には、1本のグローバルビット線GBL及び1本のグローバルソース線GSLに接続される読み出し回路24及び読み出しドライバ25を抽出して示している。
[1-4] Configurations of Read Circuit 24 and Read Driver 25 Next, configurations of the read circuit 24 and the read driver 25 will be described. FIG. 5 is a circuit diagram of the read circuit 24 and the read driver 25. In FIG. 5, the read circuit 24 and the read driver 25 connected to one global bit line GBL and one global source line GSL are extracted and shown.

図5では、1つのメモリセルMCを抽出して示している。メモリセルMCの一端は、カラム選択回路21に含まれるカラム選択スイッチ21Aを介してグローバルビット線GBLに接続される。メモリセルMCの他端は、カラム選択回路22に含まれるカラム選択スイッチ22Aを介してグローバルソース線GSLに接続される。カラム選択スイッチ21A、22Aは、例えば、nチャネルMOSトランジスタとpチャネルMOSトランジスタとが並列接続された転送ゲートから構成される。カラム選択スイッチ21A、22Aは、カラムデコーダ13からカラム選択信号CL、/CLを受け、カラム選択信号CLがハイレベル(カラム選択信号/CLがローレベル)の場合にオンする。カラム選択信号/CLは、カラム選択信号CLの反転信号である。   In FIG. 5, one memory cell MC is extracted and shown. One end of the memory cell MC is connected to the global bit line GBL via a column selection switch 21A included in the column selection circuit 21. The other end of the memory cell MC is connected to the global source line GSL via a column selection switch 22A included in the column selection circuit 22. The column selection switches 21A and 22A are composed of, for example, transfer gates in which an n-channel MOS transistor and a p-channel MOS transistor are connected in parallel. The column selection switches 21A and 22A receive column selection signals CL and / CL from the column decoder 13, and are turned on when the column selection signal CL is at a high level (the column selection signal / CL is at a low level). The column selection signal / CL is an inverted signal of the column selection signal CL.

グローバルビット線GBLには、キャパシタ30が接続される。キャパシタ30の一方の電極は、グローバルビット線GBLに接続され、キャパシタ30の他方の電極は、接地端子VSSに接続される。キャパシタ30は、読み出し動作において、メモリセルMCに流れる読み出し電流による電荷を積算する。   A capacitor 30 is connected to the global bit line GBL. One electrode of the capacitor 30 is connected to the global bit line GBL, and the other electrode of the capacitor 30 is connected to the ground terminal VSS. Capacitor 30 integrates the charge due to the read current flowing through memory cell MC in the read operation.

読み出しドライバ25は、スイッチング素子31、32、及び電源線33、34を備える。スイッチング素子31、32は、例えばnチャネルMOSトランジスタから構成される。MOSトランジスタ31のソースは、グローバルソース線GSLに接続され、そのドレインは、電源線33に接続され、そのゲートには、制御回路18から読み出し信号(第1読み出し信号)RD1が入力される。MOSトランジスタ32のソースは、グローバルソース線GSLに接続され、そのドレインは、電源線34に接続され、そのゲートには、制御回路18から読み出し信号(第2読み出し信号)RD2が入力される。   The read driver 25 includes switching elements 31 and 32 and power supply lines 33 and 34. The switching elements 31, 32 are composed of, for example, n-channel MOS transistors. The source of the MOS transistor 31 is connected to the global source line GSL, the drain thereof is connected to the power supply line 33, and a read signal (first read signal) RD 1 is input from the control circuit 18 to the gate. The source of the MOS transistor 32 is connected to the global source line GSL, the drain thereof is connected to the power supply line 34, and the read signal (second read signal) RD 2 is input from the control circuit 18 to the gate.

後述するように、本実施形態では、シングルエンドモード及び自己参照モードの2回の読み出し動作が実行可能である。MOSトランジスタ31は、シングルエンドモードにおいて使用され、MOSトランジスタ32は、自己参照モードにおいて使用される。電源線33には、電圧発生回路19により、シングルエンドモード用の読み出し電圧(第1読み出し電圧)VR1が印加される。電源線34には、電圧発生回路19により、自己参照モード用の読み出し電圧(第2読み出し電圧)VR2が印加される。   As will be described later, in the present embodiment, two read operations of a single end mode and a self-reference mode can be executed. MOS transistor 31 is used in the single end mode, and MOS transistor 32 is used in the self-reference mode. A read voltage (first read voltage) VR1 for single end mode is applied to the power supply line 33 by the voltage generation circuit 19. A read voltage (second read voltage) VR2 for the self-reference mode is applied to the power supply line 34 by the voltage generation circuit 19.

グローバルビット線GBLは、スイッチング素子40を介して、読み出し回路24に接続される。スイッチング素子40は、例えばnチャネルMOSトランジスタから構成される。MOSトランジスタ40のドレインは、グローバルビット線GBLに接続され、そのソースは、配線41に接続され、そのゲートには、制御回路18からリードイネーブル信号REが入力される。   The global bit line GBL is connected to the read circuit 24 via the switching element 40. The switching element 40 is composed of, for example, an n-channel MOS transistor. The drain of the MOS transistor 40 is connected to the global bit line GBL, the source is connected to the wiring 41, and the read enable signal RE is input from the control circuit 18 to the gate.

読み出し回路24は、TDC(Time-to-Digital Converter)から構成される。読み出し回路24は、nチャネルMOSトランジスタ(放電素子)42、pチャネルMOSトランジスタ43、インバータ回路44、及びカウンタ46を備える。nチャネルMOSトランジスタは、NMOSトランジスタと表記される場合があり、pチャネルMOSトランジスタは、PMOSトランジスタと表記される場合がある。   The readout circuit 24 is composed of a TDC (Time-to-Digital Converter). The read circuit 24 includes an n-channel MOS transistor (discharge element) 42, a p-channel MOS transistor 43, an inverter circuit 44, and a counter 46. An n-channel MOS transistor may be expressed as an NMOS transistor, and a p-channel MOS transistor may be expressed as a PMOS transistor.

MOSトランジスタ42のドレインは、配線41に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのゲートには、制御回路18からプリディスチャージ信号PDEが入力される。   The drain of the MOS transistor 42 is connected to the wiring 41, the source is connected to the ground terminal VSS, and the pre-discharge signal PDE is input from the control circuit 18 to the gate.

インバータ回路44の入力端子(ノードN1に対応する)は、配線41に接続される。インバータ回路44は、pチャネルMOSトランジスタ44AとnチャネルMOSトランジスタ44Bとが直列接続されて構成される。MOSトランジスタ44Aのソースは、MOSトランジスタ43を介して電源端子VDDに接続され、そのドレインは、ノードN2(インバータ回路44の出力端子に対応する)に接続され、そのゲートは、ノードN1を介して配線41に接続される。MOSトランジスタ43のゲートには、制御回路18からセンスアンプイネーブル信号/SEが入力される。MOSトランジスタ44Bのドレインは、ノードN2に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのゲートは、ノードN1を介して配線41に接続される。   An input terminal of the inverter circuit 44 (corresponding to the node N1) is connected to the wiring 41. The inverter circuit 44 is configured by connecting a p-channel MOS transistor 44A and an n-channel MOS transistor 44B in series. The source of the MOS transistor 44A is connected to the power supply terminal VDD via the MOS transistor 43, the drain thereof is connected to the node N2 (corresponding to the output terminal of the inverter circuit 44), and the gate thereof is connected to the node N1. Connected to the wiring 41. A sense amplifier enable signal / SE is input from the control circuit 18 to the gate of the MOS transistor 43. The drain of the MOS transistor 44B is connected to the node N2, its source is connected to the ground terminal VSS, and its gate is connected to the wiring 41 via the node N1.

ANDゲート45の第1入力端子には、制御回路18からクロック信号CLKが入力され、その第2入力端子は、ノードN2に接続される。   The clock signal CLK is input from the control circuit 18 to the first input terminal of the AND gate 45, and the second input terminal is connected to the node N2.

カウンタ46は、複数のDラッチ回路47−0〜47−k、及び複数のインバータ回路48−0〜48−kを備える。なお、カウンタ46は、図5以外の任意の回路を用いてもよい。   The counter 46 includes a plurality of D latch circuits 47-0 to 47-k and a plurality of inverter circuits 48-0 to 48-k. The counter 46 may be any circuit other than that shown in FIG.

Dラッチ回路47は、クロック信号の立ち下がりエッジで入力端子Dのデータをラッチし、このラッチしたデータを出力端子Qから出力する。Dラッチ回路47は、制御回路18からリセット信号RSTを受け、リセット信号RSTがハイレベルとしてアサートされた場合に、リセットされる。   The D latch circuit 47 latches the data at the input terminal D at the falling edge of the clock signal, and outputs the latched data from the output terminal Q. The D latch circuit 47 receives the reset signal RST from the control circuit 18 and is reset when the reset signal RST is asserted as a high level.

Dラッチ回路47−0のクロック端子は、ANDゲート45の出力端子に接続され、その入力端子Dは、インバータ回路48−0の出力端子に接続され、その出力端子Qは、インバータ回路48−0の入力端子と、次段のDラッチ回路47−1のクロック端子とに接続される。Dラッチ回路47−1〜47−k及びインバータ回路48−1〜48−kの接続関係は、Dラッチ回路47−0及びインバータ回路48−0の接続関係と同じである。   The clock terminal of the D latch circuit 47-0 is connected to the output terminal of the AND gate 45, its input terminal D is connected to the output terminal of the inverter circuit 48-0, and its output terminal Q is connected to the inverter circuit 48-0. And the clock terminal of the D latch circuit 47-1 at the next stage. The connection relationship between the D latch circuits 47-1 to 47-k and the inverter circuits 48-1 to 48-k is the same as the connection relationship between the D latch circuit 47-0 and the inverter circuit 48-0.

Dラッチ回路47−0〜47−kの出力は、バス49を介して、(k+1)ビットの出力信号OUT<k:0>として読み出し回路24から出力される。このように構成されたカウンタ46は、クロック信号CLKをカウントアップし、(k+1)ビットのデジタル信号(デジタルデータ)を出力する。   The outputs of the D latch circuits 47-0 to 47-k are output from the read circuit 24 through the bus 49 as the (k + 1) -bit output signal OUT <k: 0>. The counter 46 configured in this manner counts up the clock signal CLK and outputs a (k + 1) -bit digital signal (digital data).

[1−5]データ判定回路50の構成
次に、読み出し回路24から出力信号OUT<k:0>を受けるデータ判定回路50の構成について説明する。図6は、データ判定回路50の回路図である。データ判定回路50は、カラム制御回路14に含まれる。
[1-5] Configuration of Data Determination Circuit 50 Next, the configuration of the data determination circuit 50 that receives the output signal OUT <k: 0> from the read circuit 24 will be described. FIG. 6 is a circuit diagram of the data determination circuit 50. The data determination circuit 50 is included in the column control circuit 14.

データ判定回路50は、読み出し回路24から送られるデジタル信号を用いて、メモリセルMCに記憶されたデータを判定する。データ判定回路50は、レジスタ51〜54、乗算器55、コンパレータ(Comp)56、57、及びセレクタ(マルチプレクサ)58を備える。   The data determination circuit 50 determines the data stored in the memory cell MC using the digital signal sent from the read circuit 24. The data determination circuit 50 includes registers 51 to 54, a multiplier 55, comparators (Comp) 56 and 57, and a selector (multiplexer) 58.

レジスタ51は、シングルエンドモードにおける出力信号OUT<k:0>を格納する。レジスタ51は、制御回路18から送られるイネーブル信号EN1がハイレベルとしてアサートされた場合に、出力信号OUT<k:0>を格納する。レジスタ52は、自己参照モードにおける出力信号OUT<k:0>を格納する。レジスタ52は、制御回路18から送られるイネーブル信号EN2がハイレベルとしてアサートされた場合に、出力信号OUT<k:0>を格納する。   Register 51 stores output signal OUT <k: 0> in the single end mode. The register 51 stores the output signal OUT <k: 0> when the enable signal EN1 sent from the control circuit 18 is asserted as a high level. The register 52 stores the output signal OUT <k: 0> in the self-reference mode. The register 52 stores the output signal OUT <k: 0> when the enable signal EN2 sent from the control circuit 18 is asserted as a high level.

レジスタ53は、デジタルデータからなる参照データ(基準データ)Drefを格納する。参照データDrefは、メモリセルMCのデータ“1”とデータ“0”とを判定するために使用される。   The register 53 stores reference data (standard data) Dref composed of digital data. The reference data Dref is used to determine data “1” and data “0” of the memory cell MC.

レジスタ54は、所定のα値を格納する。乗算器55は、レジスタ52の出力に、レジスタ54のα値を乗算する。   The register 54 stores a predetermined α value. The multiplier 55 multiplies the output of the register 52 by the α value of the register 54.

コンパレータ56の第1入力端子には、レジスタ53から参照データDrefが入力され、その第2入力端子には、レジスタ51の出力が入力される。コンパレータ56は、レジスタ51の出力が参照データDrefより小さい場合に、データ“0”(MTJ素子が平行状態であることを示す)を出力し、レジスタ51の出力が参照データDrefより大きい場合に、データ“1”(MTJ素子が反平行状態であることを示す)を出力する。   The reference data Dref is input from the register 53 to the first input terminal of the comparator 56, and the output of the register 51 is input to the second input terminal. The comparator 56 outputs data “0” (indicating that the MTJ element is in a parallel state) when the output of the register 51 is smaller than the reference data Dref, and when the output of the register 51 is larger than the reference data Dref. Data “1” (indicating that the MTJ element is in an antiparallel state) is output.

コンパレータ57の第1入力端子には、レジスタ51の出力が入力され、その第2入力端子には、乗算器55の出力が入力される。コンパレータ57は、レジスタ51の出力が乗算器55の出力より小さい場合に、データ“0”を出力し、レジスタ51の出力が乗算器55の出力より大きい場合に、データ“1”を出力する。乗算器55のα値は、自己参照読み出しにおいて、メモリセルMCのデータがより正確に判定できる値に設定される。データ判定の詳細については後述する。   The output of the register 51 is input to the first input terminal of the comparator 57, and the output of the multiplier 55 is input to the second input terminal. The comparator 57 outputs data “0” when the output of the register 51 is smaller than the output of the multiplier 55, and outputs data “1” when the output of the register 51 is larger than the output of the multiplier 55. The α value of the multiplier 55 is set to a value with which the data in the memory cell MC can be more accurately determined in self-reference reading. Details of the data determination will be described later.

セレクタ58の第1入力端子は、コンパレータ56の出力端子に接続され、その第2入力端子は、コンパレータ57の出力端子に接続され、その制御端子には、制御回路18から選択信号SELが入力される。セレクタ58は、選択信号SELに基づいて、シングルエンドモード時には、コンパレータ56の出力を選択し、自己参照モード時には、コンパレータ57の出力を選択する。   The first input terminal of the selector 58 is connected to the output terminal of the comparator 56, the second input terminal is connected to the output terminal of the comparator 57, and the selection signal SEL is input from the control circuit 18 to the control terminal. The Based on the selection signal SEL, the selector 58 selects the output of the comparator 56 in the single-end mode, and selects the output of the comparator 57 in the self-reference mode.

[2]動作
次に、上記のように構成された半導体記憶装置10の動作について説明する。
[2] Operation Next, the operation of the semiconductor memory device 10 configured as described above will be described.

図7は、MTJ素子の抵抗値分布を説明する図である。図7には、平行状態のMTJ素子における抵抗値分布Rと、反平行状態のMTJ素子における抵抗値分布RAPとが示されている。図7の横軸がMTJ素子に印加される電圧[Arbitrary unit]であり、図7の縦軸がMTJ素子の数(ビット数)[Arbitrary unit]である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the resistance value distribution of the MTJ element. Figure 7 shows the resistance distribution R P in the MTJ element in the parallel state, the resistance distribution R AP in the MTJ element are antiparallel state. The horizontal axis of FIG. 7 is the voltage [Arbitrary unit] applied to the MTJ element, and the vertical axis of FIG. 7 is the number of MTJ elements (number of bits) [Arbitrary unit].

平行状態におけるMTJ素子の抵抗値は、反平行状態におけるMTJ素子の抵抗値より低くなる。しかし、平行状態の抵抗値が高いMTJ素子が存在し、このようなMTJ素子は、反平行状態の分布とオーバーラップしている。図7の破線に含まれるMTJ素子は、データを正確に読み出すことができず、読み出しエラーとなる。   The resistance value of the MTJ element in the parallel state is lower than the resistance value of the MTJ element in the antiparallel state. However, there are MTJ elements having a high resistance value in the parallel state, and such MTJ elements overlap with the distribution in the antiparallel state. The MTJ element included in the broken line in FIG. 7 cannot read data correctly, resulting in a read error.

図8は、MTJ素子のサイズ(MTJ径)と読み出し電流との関係を説明する図である。図8から、MTJ素子のサイズが小さくなるにつれて、MTJ素子の読み出し電流が小さくなることが分かる。すなわち、MTJ素子のサイズが小さくなるにつれて、MTJ素子の抵抗値が大きくなる。MTJ素子のサイズを小さくすることで、半導体記憶装置の記憶容量を大きくすることができるので、MTJ素子の微細化が望ましい。   FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the size (MTJ diameter) of the MTJ element and the read current. FIG. 8 indicates that the read current of the MTJ element decreases as the size of the MTJ element decreases. That is, as the size of the MTJ element decreases, the resistance value of the MTJ element increases. Since the storage capacity of the semiconductor memory device can be increased by reducing the size of the MTJ element, it is desirable to make the MTJ element finer.

本実施形態では、MTJ素子の抵抗値が高くなり、読み出し電流が小さくなった場合に、有効な読み出し方式を開示する。このために、読み出し電流によってキャパシタ30を充電する時間に基づく時定数を利用して、読み出し動作を行う。   In the present embodiment, an effective read method is disclosed when the resistance value of the MTJ element increases and the read current decreases. For this purpose, the read operation is performed using a time constant based on the time for charging the capacitor 30 with the read current.

[2−1]読み出し動作の概要
図9は、メモリセルMCに流れる読み出し電流パスを説明する図である。なお、図9では、ビット線及びソース線の階層化構造を省略して示しており、ビット線BL及びソース線SLに接続された複数のメモリセルMCと周辺回路との関係を示している。
[2-1] Overview of Read Operation FIG. 9 is a diagram for explaining a read current path flowing in the memory cell MC. In FIG. 9, the hierarchical structure of the bit lines and the source lines is omitted, and the relationship between the plurality of memory cells MC connected to the bit lines BL and the source lines SL and the peripheral circuits is shown.

読み出しドライバ25は、ソース線SLに読み出し電圧VRを印加する。あるワード線が選択されると、読み出しドライバ25、ソース線SL、選択メモリセルMC、ビット線BL、及びキャパシタ30を順に経由するパスで読み出し電流が流れる。読み出し動作において、ビット線BLが観測点となり、ビット線BLに接続された読み出し回路24がデータを読み出す。   The read driver 25 applies a read voltage VR to the source line SL. When a certain word line is selected, a read current flows through a path that passes through the read driver 25, the source line SL, the selected memory cell MC, the bit line BL, and the capacitor 30 in order. In the read operation, the bit line BL serves as an observation point, and the read circuit 24 connected to the bit line BL reads data.

図10は、読み出し電流パス上の時定数RCを説明する図である。図10(a)は、MTJ素子のサイズが相対的に大きい場合の図であり、図10(b)は、MTJ素子のサイズが相対的に小さい場合の図である。図10において、MTJ素子では、反平行状態(AP状態)の抵抗値が、平行状態(P状態)の抵抗値より大きい。よって、反平行状態の時定数RCは、平行状態の時定数RCより大きい。   FIG. 10 is a diagram for explaining the time constant RC on the read current path. FIG. 10A is a diagram when the size of the MTJ element is relatively large, and FIG. 10B is a diagram when the size of the MTJ element is relatively small. In FIG. 10, in the MTJ element, the resistance value in the antiparallel state (AP state) is larger than the resistance value in the parallel state (P state). Therefore, the time constant RC in the antiparallel state is larger than the time constant RC in the parallel state.

読み出し電流パス上の時定数RCは、MTJ成分(図10のハッチングが付された部分)と、寄生成分(図10のハッチングが付されていない部分)とに分けられる。MTJ成分は、MTJ素子の抵抗値に関する時定数である。寄生成分は、MTJ素子が接続された配線に関する時定数である。寄生成分の時定数は、図10に示すように、概略一定である。   The time constant RC on the read current path is divided into an MTJ component (a portion with hatching in FIG. 10) and a parasitic component (a portion with no hatching in FIG. 10). The MTJ component is a time constant related to the resistance value of the MTJ element. The parasitic component is a time constant related to the wiring to which the MTJ element is connected. The time constant of the parasitic component is approximately constant as shown in FIG.

図10(a)の場合、平行状態の時定数と反平行状態の時定数との差を大きくするには、MTJ素子の磁気抵抗比(MR比:magnetoresistance ratio)を大きくする必要がある。MTJ素子のMR比は、MTJ素子を構成する材料に起因するところが大きいため、MTJ素子のMR比を大きくするのは容易ではない。   In the case of FIG. 10A, in order to increase the difference between the time constant in the parallel state and the time constant in the antiparallel state, it is necessary to increase the magnetoresistance ratio (MR ratio) of the MTJ element. Since the MR ratio of the MTJ element largely depends on the material constituting the MTJ element, it is not easy to increase the MR ratio of the MTJ element.

図10(b)の場合、MTJ素子の抵抗値が大きいため、平行状態の時定数と反平行状態の時定数との差が十分大きい。よって、読み出し動作に時定数を利用することで、メモリセルが記憶するデータをより正確に読み出すことができる。また、MTJ素子のサイズが小さくなるにつれて、平行状態の時定数と反平行状態の時定数との差が大きくなるので、MR比を大きくしなくても、メモリセルが記憶するデータをより正確に読み出すことができる。   In the case of FIG. 10B, since the resistance value of the MTJ element is large, the difference between the time constant in the parallel state and the time constant in the antiparallel state is sufficiently large. Therefore, the data stored in the memory cell can be read more accurately by using the time constant for the read operation. Also, as the MTJ element size decreases, the difference between the time constant in the parallel state and the time constant in the antiparallel state increases, so that the data stored in the memory cell can be more accurately stored without increasing the MR ratio. Can be read.

図11は、平行状態及び反平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流を説明する図である。図11の横軸が時間、図11の縦軸が読み出し電流を表している。図11には、カラム選択信号CL、ワード線WL、及びセンスアンプイネーブル信号SEがアサートされるタイミングを例示している。図11から理解できるように、平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流は、反平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流より大きい。   FIG. 11 is a diagram for explaining the read current flowing through the MTJ element in the parallel state and the anti-parallel state. The horizontal axis in FIG. 11 represents time, and the vertical axis in FIG. 11 represents the read current. FIG. 11 illustrates the timing at which the column selection signal CL, the word line WL, and the sense amplifier enable signal SE are asserted. As can be understood from FIG. 11, the read current flowing through the MTJ element in the parallel state is larger than the read current flowing through the MTJ element in the antiparallel state.

図12は、平行状態及び反平行状態において読み出し電流により充電されるキャパシタ30の電圧(すなわちビット線BLの電圧)を説明する図である。図12の横軸が時間、図12の縦軸がキャパシタ30の電圧を表している。図12から理解できるように、キャパシタ30の電圧が所定電圧(例えば図12の横方向の破線の電圧)になる時間は、反平行状態の方が平行状態より遅い。この時間差を読み出しに利用することで、メモリセルが記憶するデータをより正確に読み出すことができる。   FIG. 12 is a diagram illustrating the voltage of the capacitor 30 (that is, the voltage of the bit line BL) charged by the read current in the parallel state and the antiparallel state. The horizontal axis in FIG. 12 represents time, and the vertical axis in FIG. 12 represents the voltage of the capacitor 30. As can be understood from FIG. 12, the time for which the voltage of the capacitor 30 is a predetermined voltage (for example, the voltage of the broken line in the horizontal direction in FIG. 12) is slower in the antiparallel state than in the parallel state. By using this time difference for reading, the data stored in the memory cell can be read more accurately.

[2−2]読み出し動作のフロー
次に、読み出し動作のフローについて説明する。図13は、第1実施形態に係る読み出し動作を示すフローチャートである。
[2-2] Flow of Read Operation Next, the flow of the read operation will be described. FIG. 13 is a flowchart showing a read operation according to the first embodiment.

制御回路18は、シングルエンドモードで読み出し動作を実行する(ステップS100)。シングルエンドモードとは、メモリセルMCに1回の読み出し電流を流し、この1回の読み出し電流に基づいて、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すモードである。   The control circuit 18 performs a read operation in the single end mode (step S100). The single end mode is a mode in which a single read current is supplied to the memory cell MC and data stored in the memory cell MC is read based on the single read current.

続いて、ECC回路15は、メモリセルアレイ11から読み出された複数ビットのデータに対してエラーチェックを行う(ステップS101)。   Subsequently, the ECC circuit 15 performs an error check on the multi-bit data read from the memory cell array 11 (step S101).

ステップS101においてエラーがないと判定された場合、制御回路18は、メモリセルアレイ11から読み出されたデータを外部装置に出力する(ステップS105)。   When it is determined in step S101 that there is no error, the control circuit 18 outputs the data read from the memory cell array 11 to the external device (step S105).

ステップS101においてエラーがあると判定された場合、ECC回路15は、エラー訂正が可能であるか否かを判定する(ステップS102)。ECC回路15の訂正能力、すなわち、ECC回路15が訂正できるエラービット数は、任意に設定可能である。ECC回路15の訂正能力を大きくすると、ECC回路15の処理時間が長く、かつ回路規模が大きくなる傾向にある。   If it is determined in step S101 that there is an error, the ECC circuit 15 determines whether error correction is possible (step S102). The correction capability of the ECC circuit 15, that is, the number of error bits that can be corrected by the ECC circuit 15, can be arbitrarily set. When the correction capability of the ECC circuit 15 is increased, the processing time of the ECC circuit 15 tends to be long and the circuit scale tends to increase.

ステップS102において訂正可能である判定された場合、ECC回路15は、エラー訂正を行う(ステップS103)。続いて、制御回路18は、訂正されたデータをメモリセルアレイ11に再書き込みする(ステップS104)。その後、ステップS105に移行し、データ出力が行われる。   If it is determined in step S102 that correction is possible, the ECC circuit 15 performs error correction (step S103). Subsequently, the control circuit 18 rewrites the corrected data into the memory cell array 11 (step S104). Thereafter, the process proceeds to step S105, and data output is performed.

一方、ステップS102において訂正可能でないと判定された場合、制御回路18は、自己参照モードで読み出し動作を実行する(ステップS106)。自己参照モードとは、メモリセルMCに時間をずらして2回の読み出し電流を流し、この2回の読み出し電流に基づいて、メモリセルMCに記憶されたデータを読み出すモードである。このように、抵抗値が固定された参照セルに流れる参照電流を用いず、メモリセルMCに対して2回の読み出しを実行し、この2回の読み出しの比較結果を用いてデータを判定する方式を、自己参照読み出しと称する。   On the other hand, if it is determined in step S102 that correction is not possible, the control circuit 18 performs a read operation in the self-reference mode (step S106). The self-referencing mode is a mode in which two read currents are supplied to the memory cell MC while shifting the time, and data stored in the memory cell MC is read based on the two read currents. As described above, a method of executing reading twice with respect to the memory cell MC without using a reference current flowing in a reference cell having a fixed resistance value, and determining data using a comparison result of the two readings. Is referred to as self-referencing readout.

続いて、ECC回路15は、メモリセルアレイ11から読み出された複数ビットのデータに対してエラーチェックを行う(ステップS107)。   Subsequently, the ECC circuit 15 performs an error check on the multi-bit data read from the memory cell array 11 (step S107).

ステップS107においてエラーがないと判定された場合、制御回路18は、メモリセルアレイ11から読み出されたデータを、メモリセルアレイ11にライトバックする(ステップS108)。自己参照モードを実行すると、メモリセルMCのデータが破壊される可能性がある。よって、ステップS108においてライトバックを行うことで、メモリセルMCは、読み出し前のデータを正確に記憶することができる。その後、ステップS105に移行し、データ出力が行われる。   If it is determined in step S107 that there is no error, the control circuit 18 writes back the data read from the memory cell array 11 to the memory cell array 11 (step S108). When the self-reference mode is executed, data in the memory cell MC may be destroyed. Therefore, by performing write back in step S108, the memory cell MC can accurately store the data before reading. Thereafter, the process proceeds to step S105, and data output is performed.

なお、読み出し電流は、MTJ素子を平行状態に設定する方向に流れる。よって、MTJ素子が反平行状態である場合、データが書き換えられる可能性がある。よって、ライトバック処理では、反平行状態のMTJ素子、すなわちデータ“1”を記憶したメモリセルのみライトバック処理を行うようにしてもよい。   Note that the read current flows in a direction in which the MTJ element is set in a parallel state. Therefore, data may be rewritten when the MTJ element is in an antiparallel state. Therefore, in the write-back process, the write-back process may be performed only on the anti-parallel MTJ element, that is, the memory cell storing the data “1”.

ステップS107においてエラーがあると判定された場合、読み出しエラーとなる。よって、制御回路18は、リカバリー動作を行う(ステップS109)。リカバリー動作では、読み出し動作で使用された各種配線の電圧がリセットされる。制御回路18は、読み出しエラーである旨の信号を外部装置に出力してもよい。   If it is determined in step S107 that there is an error, a read error occurs. Therefore, the control circuit 18 performs a recovery operation (step S109). In the recovery operation, the voltages of various wirings used in the read operation are reset. The control circuit 18 may output a signal indicating a read error to an external device.

[2−3]シングルエンドモードにおける読み出し動作の詳細
次に、シングルエンドモードにおける読み出し動作の詳細について説明する。図14は、シングルエンドモードにおける読み出し動作のタイミング図である。以下に、図5の回路図を参照して、読み出し動作を説明する。
[2-3] Details of Read Operation in Single End Mode Next, details of the read operation in the single end mode will be described. FIG. 14 is a timing chart of the read operation in the single end mode. The read operation will be described below with reference to the circuit diagram of FIG.

時刻t1において、カラムデコーダ13は、選択されたカラム選択信号CLをハイレベルにし、ロウデコーダ12は、選択されたワード線WLをハイレベルにする。これにより、カラム選択スイッチ21A、22Aがオンするとともに、メモリセルMCのセルトランジスタ28がオンする。なお、図14の例では、簡略化のために、カラム選択信号CL及びワード線WLが同時にハイレベルにされる。しかし、カラム選択信号CL及びワード線WLがともにハイレベルであるアクティベート状態が趣旨であり、カラム選択信号CLがワード線WLよりも早くハイレベルにされてもよいし、逆の関係でもよい。   At time t1, the column decoder 13 sets the selected column selection signal CL to high level, and the row decoder 12 sets the selected word line WL to high level. As a result, the column selection switches 21A and 22A are turned on, and the cell transistor 28 of the memory cell MC is turned on. In the example of FIG. 14, for simplification, the column selection signal CL and the word line WL are simultaneously set to the high level. However, the activation state in which both the column selection signal CL and the word line WL are at the high level is intended, and the column selection signal CL may be set to the high level earlier than the word line WL, or vice versa.

時刻t2において、制御回路18は、リードイネーブル信号REをハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ40がオンし、グローバルビット線GBLが配線41に接続される。   At time t2, the control circuit 18 asserts the read enable signal RE as a high level. As a result, the MOS transistor 40 is turned on, and the global bit line GBL is connected to the wiring 41.

時刻t3において、制御回路18は、プリディスチャージ信号PDEをハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ42がオンし、配線41及びグローバルビット線GBLがほぼ接地電圧VSSまで放電される。また、時刻t3において、制御回路18は、リセット信号RSTをハイレベルとしてアサートする。これにより、カウンタ46がリセットされる。   At time t3, the control circuit 18 asserts the pre-discharge signal PDE as a high level. As a result, the MOS transistor 42 is turned on, and the wiring 41 and the global bit line GBL are substantially discharged to the ground voltage VSS. At time t3, the control circuit 18 asserts the reset signal RST as a high level. As a result, the counter 46 is reset.

時刻t4において、プリディスチャージ信号PDE及びリセット信号RSTがともにローレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ42がオフするとともに、カウンタ46のリセットが解除される。   At time t4, both the pre-discharge signal PDE and the reset signal RST are set to the low level. Thereby, the MOS transistor 42 is turned off and the reset of the counter 46 is released.

時刻t5において、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ43がオンするとともに、インバータ回路44が動作可能となる。また、時刻t5において、読み出し信号RD1がハイレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ31がオンし、グローバルソース線GSLにシングルエンドモード用の読み出し電圧VR1が印加される。   At time t5, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level. As a result, the MOS transistor 43 is turned on and the inverter circuit 44 is operable. At time t5, the read signal RD1 is asserted as a high level. As a result, the MOS transistor 31 is turned on, and the read voltage VR1 for single end mode is applied to the global source line GSL.

時刻t5以降、メモリセルMCに読み出し電流が流れ、この読み出し電流によりキャパシタ30が充電される。これにより、配線41の電圧が上昇する。インバータ回路44は、閾値電圧を有する。インバータ回路44の閾値電圧は、MOSトランジスタ44A、44Bの閾値電圧、及びサイズなどにより決定される。インバータ回路44は、配線41の電圧が閾値電圧より低い場合、ノードN2からハイレベルを出力し、配線41の電圧が閾値電圧以上である場合、ノードN2からローレベルを出力する。インバータ回路44の閾値電圧は、接地電圧VSS(0V)より高く、かつ読み出し電圧VR1より低い値に設定される。   After time t5, a read current flows through the memory cell MC, and the capacitor 30 is charged by this read current. As a result, the voltage of the wiring 41 increases. The inverter circuit 44 has a threshold voltage. The threshold voltage of the inverter circuit 44 is determined by the threshold voltage and the size of the MOS transistors 44A and 44B. The inverter circuit 44 outputs a high level from the node N2 when the voltage of the wiring 41 is lower than the threshold voltage, and outputs a low level from the node N2 when the voltage of the wiring 41 is equal to or higher than the threshold voltage. The threshold voltage of the inverter circuit 44 is set to a value higher than the ground voltage VSS (0 V) and lower than the read voltage VR1.

ANDゲート45の第1入力端子には、制御回路18からクロック信号CLKが入力される。クロック信号CLKは、高周波クロックからなり、例えば1GHz程度の周波数を有する。ANDゲート45は、インバータ回路44の出力がハイレベルである間、クロック信号CLKを出力する。なお、読み出し電圧VR1、VR1は、クロック信号CLKの周期と整合性のある充電時間になるように、適宜設定することができる。   The clock signal CLK is input from the control circuit 18 to the first input terminal of the AND gate 45. The clock signal CLK is a high frequency clock and has a frequency of about 1 GHz, for example. The AND gate 45 outputs the clock signal CLK while the output of the inverter circuit 44 is at a high level. Note that the read voltages VR1 and VR1 can be set as appropriate so that the charging time is consistent with the cycle of the clock signal CLK.

カウンタ46は、ANDゲート45から出力されるクロック信号CLKをカウントし、カウント値を出力信号OUT<k:0>として出力する。カウンタ46から出力されるデジタルデータは、時間に対応する。すなわち、カウンタ46は、キャパシタ30の充電を開始してから、配線41の電圧がインバータ回路44の閾値電圧に到達するまでの時間を計測している。   The counter 46 counts the clock signal CLK output from the AND gate 45 and outputs the count value as the output signal OUT <k: 0>. The digital data output from the counter 46 corresponds to time. That is, the counter 46 measures the time from when charging of the capacitor 30 is started until the voltage of the wiring 41 reaches the threshold voltage of the inverter circuit 44.

時刻t6において、読み出し信号RD1がローレベルにされ、センスアンプイネーブル信号/SEがハイレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ31、43がオフする。時刻t7において、リードイネーブル信号REがローレベルにされ、MOSトランジスタ40がオフする。時刻t8において、カラム選択信号CL及びワード線WLがローレベルにされ、カラム選択スイッチ21A、22A、及びセルトランジスタ28がオフする。   At time t6, the read signal RD1 is set to low level, and the sense amplifier enable signal / SE is set to high level. Thereby, the MOS transistors 31 and 43 are turned off. At time t7, the read enable signal RE is set to low level, and the MOS transistor 40 is turned off. At time t8, the column selection signal CL and the word line WL are set to the low level, and the column selection switches 21A and 22A and the cell transistor 28 are turned off.

(データ判定動作)
次に、シングルエンドモードにおけるデータ判定動作の一例について説明する。図15は、シングルエンドモードにおけるデータ判定動作を示すフローチャートである。データ判定動作は、図6に示したデータ判定回路50により行われる。
(Data judgment operation)
Next, an example of the data determination operation in the single end mode will be described. FIG. 15 is a flowchart showing the data determination operation in the single end mode. The data determination operation is performed by the data determination circuit 50 shown in FIG.

制御回路18は、イネーブル信号EN1をアサートする。これにより、レジスタ51は、(k+1)ビットの出力信号OUT<k:0>、すなわちシングルエンドモードのデータを格納する(ステップS200)。   The control circuit 18 asserts the enable signal EN1. Thereby, the register 51 stores the output signal OUT <k: 0> of (k + 1) bits, that is, the data of the single end mode (step S200).

続いて、コンパレータ56は、レジスタ51から送られるシングルエンドモードのデータと、レジスタ53から送られる参照データDrefとを比較する(ステップS201)。参照データDrefは、メモリセルMCがデータ“0”を記憶している場合の計測時間と、メモリセルMCがデータ“1”を記憶している場合の計測時間との間の時間(例えば中間の時間)に対応するデジタルデータである。コンパレータ56は、レジスタ51の出力が参照データDrefより小さい場合に、データ“0”(すなわちMTJ素子が平行状態であることを示す)を出力し、レジスタ51の出力が参照データDrefより大きい場合に、データ“1”(すなわちMTJ素子が反平行状態であることを示す)を出力する。   Subsequently, the comparator 56 compares the single-end mode data sent from the register 51 with the reference data Dref sent from the register 53 (step S201). The reference data Dref is a time between a measurement time when the memory cell MC stores data “0” and a measurement time when the memory cell MC stores data “1” (for example, an intermediate Digital data corresponding to time). The comparator 56 outputs data “0” (that is, indicates that the MTJ element is in a parallel state) when the output of the register 51 is smaller than the reference data Dref, and when the output of the register 51 is larger than the reference data Dref. , Data “1” (that is, indicating that the MTJ element is in an antiparallel state) is output.

続いて、セレクタ58は、コンパレータ56の比較結果を、メモリセルの記憶データとして出力する(ステップS202)。   Subsequently, the selector 58 outputs the comparison result of the comparator 56 as data stored in the memory cell (step S202).

[2−4]自己参照モードにおける読み出し動作の詳細
次に、自己参照モードにおける読み出し動作の詳細について説明する。図13で説明したように、シングルエンドモードで読み出されたデータがエラー訂正不可能である場合、自己参照モードが実行される。
[2-4] Details of Read Operation in Self-Reference Mode Next, details of the read operation in the self-reference mode will be described. As described with reference to FIG. 13, when the data read in the single end mode cannot be corrected, the self-reference mode is executed.

図16は、MTJ素子の印加電圧と抵抗値との関係を説明する図である。MTJ素子の印加電圧と抵抗値との関係は、平行状態“P”と反平行状態“AP”とで振る舞いが異なる。反平行状態において、MTJ素子の印加電圧が大きくなるにつれて、MTJ素子の抵抗値は大きく低下する。一方、平行状態において、MTJ素子の印加電圧が大きくなるにつれて、MTJ素子の抵抗値は多少低下するが、低下の幅は小さい。   FIG. 16 is a diagram for explaining the relationship between the applied voltage and the resistance value of the MTJ element. The relationship between the applied voltage and the resistance value of the MTJ element differs between the parallel state “P” and the antiparallel state “AP”. In the antiparallel state, the resistance value of the MTJ element greatly decreases as the applied voltage of the MTJ element increases. On the other hand, in the parallel state, the resistance value of the MTJ element slightly decreases as the applied voltage of the MTJ element increases, but the width of the decrease is small.

具体的には、反平行状態において、印加電圧V1の時のMTJ素子の抵抗値は大きく、印加電圧V2(>V1)の時のMTJ素子の抵抗値は小さい。一方、平行状態において、印加電圧V1の時のMTJ素子の抵抗値は、印加電圧V2(>V1)の時のMTJ素子の抵抗値とそれほど変わらない。   Specifically, in the antiparallel state, the resistance value of the MTJ element at the applied voltage V1 is large, and the resistance value of the MTJ element at the applied voltage V2 (> V1) is small. On the other hand, in the parallel state, the resistance value of the MTJ element at the applied voltage V1 is not so different from the resistance value of the MTJ element at the applied voltage V2 (> V1).

よって、読み出し電圧を変えて2回の読み出し動作を実行し、2回の読み出し動作の結果の差を基準データと比較する。これにより、メモリセルMCが記憶したデータが“0”であるか“1”であるかを判定できる。さらに、本実施形態では、1回目の読み出し動作は、前述したシングルエンドモードの読み出し結果を利用する。自己参照モードは、2回目の読み出し動作に対応する。   Therefore, the read voltage is changed and two read operations are executed, and the difference between the results of the two read operations is compared with the reference data. Thereby, it can be determined whether the data stored in the memory cell MC is “0” or “1”. Further, in the present embodiment, the first read operation uses the read result of the single end mode described above. The self-reference mode corresponds to the second read operation.

図17は、自己参照モードにおける読み出し動作のタイミング図である。以下に、図5の回路図を参照して、読み出し動作を説明する。   FIG. 17 is a timing chart of the read operation in the self-reference mode. The read operation will be described below with reference to the circuit diagram of FIG.

読み出しドライバ25の動作以外は、前述したシングルエンドモードと同じである。具体的には、時刻t5において、読み出し信号RD2がハイレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ32がオンし、グローバルソース線GSLに自己参照モード用の読み出し電圧VR2が印加される。自己参照モード用の読み出し電圧VR2は、シングルエンドモード用の読み出し電圧VR1より大きく設定される。図16の例では、シングルエンドモード用の読み出し電圧VR1は、電圧V1に対応し、自己参照モード用の読み出し電圧VR2は、電圧V2に対応する。   Except for the operation of the read driver 25, it is the same as the single-end mode described above. Specifically, at time t5, the read signal RD2 is asserted as a high level. As a result, the MOS transistor 32 is turned on, and the read voltage VR2 for the self-reference mode is applied to the global source line GSL. The read voltage VR2 for the self-reference mode is set larger than the read voltage VR1 for the single end mode. In the example of FIG. 16, the read voltage VR1 for the single end mode corresponds to the voltage V1, and the read voltage VR2 for the self-reference mode corresponds to the voltage V2.

その後、シングルエンドモードと同様に、カウンタ46によって、配線41の電圧がインバータ回路44の閾値電圧に到達するまでの時間が計測される。   Thereafter, as in the single end mode, the counter 46 measures the time until the voltage of the wiring 41 reaches the threshold voltage of the inverter circuit 44.

(データ判定動作)
次に、自己参照モードにおけるデータ判定動作の一例について説明する。図18は、自己参照モードにおけるデータ判定動作を示すフローチャートである。データ判定動作は、図6に示したデータ判定回路50により行われる。
(Data judgment operation)
Next, an example of the data determination operation in the self-reference mode will be described. FIG. 18 is a flowchart showing the data determination operation in the self-reference mode. The data determination operation is performed by the data determination circuit 50 shown in FIG.

制御回路18は、イネーブル信号EN2をアサートする。これにより、レジスタ52は、出力信号OUT<k:0>、すなわち自己参照モードのデータを格納する(ステップS300)。   The control circuit 18 asserts the enable signal EN2. Thereby, the register 52 stores the output signal OUT <k: 0>, that is, the data in the self-reference mode (step S300).

続いて、乗算器55は、レジスタ52に格納されたデータに、レジスタ54に格納されたα値を乗算する(ステップS301)。図16に示すように、反平行状態では、電圧V1、V2のように読み出し電圧を変えて2回の読み出し(第1及び第2読み出し)を行った場合、第2読み出しの方が第1読み出しより抵抗値が小さい。よって、第2読み出しの方が第1読み出しより読み出し電流が十分大きくなるため、第2読み出しの計測時間は、第1読み出しの計測時間より十分小さくなる。すなわち、第1読み出しと第2読み出しとでカウンタ46による計測時間の差が十分大きくなる。   Subsequently, the multiplier 55 multiplies the data stored in the register 52 by the α value stored in the register 54 (step S301). As shown in FIG. 16, in the anti-parallel state, when the read voltage is changed as in the voltages V1 and V2 and the read is performed twice (first and second read), the second read is the first read. The resistance value is smaller. Therefore, since the read current is sufficiently larger in the second read than in the first read, the measurement time of the second read is sufficiently shorter than the measurement time of the first read. That is, the difference in measurement time by the counter 46 is sufficiently large between the first reading and the second reading.

一方、図16に示すように、平行状態では、電圧V1、V2を用いて第1及び第2読み出しを行った場合、第1読み出しと第2読み出しとで読み出し電流の差が小さく(ほとんど同じ)、カウンタ46による計測時間の差が小さい。なお、“V1<V2”であるため、平行状態及び反平行状態のそれぞれにおいて、第2読み出しの方が第1読み出しより計測時間が短い。   On the other hand, as shown in FIG. 16, in the parallel state, when the first and second readings are performed using the voltages V1 and V2, the difference between the reading currents in the first reading and the second reading is small (almost the same). The difference in measurement time by the counter 46 is small. Since “V1 <V2”, the measurement time is shorter in the second reading than in the first reading in each of the parallel state and the antiparallel state.

本実施形態では、第1読み出しの第1計測時間と、第2読み出しの計測時間をα(>1)倍した第2計測時間とを比較した場合、反平行状態では、“第1計測時間>第2計測時間”、すなわち、α倍する前の関係が維持され、平行状態では、“第1計測時間<第2計測時間”、すなわち、α倍する前の関係が逆転するように、α値を設定する。すなわち、α値は、(1)反平行状態において、第1読み出しの計測時間をα倍した第2計測時間が、第1読み出しの第1計測時間より小さくなり、かつ(2)平行状態において、第1読み出しの計測時間をα倍した第2計測時間が、第1読み出しの第1計測時間より大きくなるように設定される。α値は、例えば、2〜3に設定される。第1読み出しは、シングルエンドモードに対応し、第2読み出しは、自己参照モードに対応する。   In the present embodiment, when the first measurement time of the first reading is compared with the second measurement time obtained by multiplying the measurement time of the second reading by α (> 1), in the antiparallel state, “first measurement time> The “second measurement time”, that is, the relationship before α multiplication is maintained, and in the parallel state, the “first measurement time <second measurement time”, that is, the α value so that the relationship before α multiplication is reversed. Set. That is, the α value is (1) in the anti-parallel state, the second measurement time obtained by multiplying the measurement time of the first readout by α is smaller than the first measurement time of the first readout, and (2) in the parallel state A second measurement time obtained by multiplying the measurement time of the first reading by α is set to be longer than the first measurement time of the first reading. The α value is set to 2 to 3, for example. The first reading corresponds to the single end mode, and the second reading corresponds to the self-reference mode.

続いて、コンパレータ57は、レジスタ51から送られるシングルエンドモードのデータと、乗算器55の出力データとを比較する(ステップS302)。そして、コンパレータ57は、レジスタ51の出力が乗算器55の出力より小さい場合に、MTJ素子が平行状態を表すデータ“0”を出力し、レジスタ51の出力が乗算器55の出力より大きい場合に、MTJ素子が反平行状態を表すデータ“1”を出力する。   Subsequently, the comparator 57 compares the single end mode data sent from the register 51 with the output data of the multiplier 55 (step S302). The comparator 57 outputs data “0” representing the parallel state of the MTJ element when the output of the register 51 is smaller than the output of the multiplier 55, and the output of the register 51 is larger than the output of the multiplier 55. , MTJ element outputs data “1” indicating the anti-parallel state.

続いて、セレクタ58は、コンパレータ57の比較結果を、メモリセルの記憶データとして出力する(ステップS303)。   Subsequently, the selector 58 outputs the comparison result of the comparator 57 as data stored in the memory cell (step S303).

なお、自己参照モードのデータ判定は、上記手法と異なる手法を用いてもよい。例えば、第1読み出しと第2読み出しとの時間の差が基準値より大きい場合に、データ“1”と判定し、第1読み出しと第2読み出しとの時間の差が基準値以下である場合に、データ“0”と判定してもよい。   Note that a method different from the above method may be used for the data determination in the self-reference mode. For example, when the time difference between the first reading and the second reading is larger than the reference value, it is determined that the data is “1”, and when the time difference between the first reading and the second reading is less than the reference value. The data may be determined as “0”.

[3]第1実施形態の効果
以上詳述したように第1実施形態では、シングルエンドモードで第1読み出し動作を実行し、第1読み出し動作により読み出したデータがエラーである場合、自己参照モードで第2読み出しを実行する。シングルエンドモードでは、第1読み出し電圧VR1を用いてメモリセルMCに読み出し電流を流し、キャパシタ30を充電する。読み出し回路24は、キャパシタ30の電圧(配線41の電圧)がインバータ回路44の閾値電圧以上になるまでの第1時間(デジタルデータ)を計測する(求める)。データ判定回路50は、第1時間と、参照データとを比較して、メモリセルMCのデータを判定するようにしている。
[3] Effects of First Embodiment As described in detail above, in the first embodiment, when the first read operation is executed in the single end mode and the data read by the first read operation is an error, the self-reference mode Then, the second reading is executed. In the single end mode, a read current is supplied to the memory cell MC using the first read voltage VR1, and the capacitor 30 is charged. The readout circuit 24 measures (determines) a first time (digital data) until the voltage of the capacitor 30 (voltage of the wiring 41) becomes equal to or higher than the threshold voltage of the inverter circuit 44. The data determination circuit 50 determines the data of the memory cell MC by comparing the first time with the reference data.

また、自己参照モードでは、第1読み出し電圧VR1より高い第2読み出し電圧VR2を用いてメモリセルMCに読み出し電流を流し、キャパシタ30を充電する。読み出し回路24は、キャパシタ30の電圧がインバータ回路44の閾値電圧以上になるまでの第2時間(デジタルデータ)を計測する(求める)。データ判定回路50は、シングルエンドモードの第1時間と、自己参照モードの第2時間とを比較して、メモリセルMCのデータを判定するようにしている。   In the self-reference mode, a read current is supplied to the memory cell MC using the second read voltage VR2 higher than the first read voltage VR1, and the capacitor 30 is charged. The readout circuit 24 measures (determines) a second time (digital data) until the voltage of the capacitor 30 becomes equal to or higher than the threshold voltage of the inverter circuit 44. The data determination circuit 50 determines the data of the memory cell MC by comparing the first time in the single end mode and the second time in the self-reference mode.

従って第1実施形態によれば、時定数(RC)の時間情報をデジタル情報として読み出すことができる。これにより、時間情報の大小関係でMTJ素子の抵抗状態を判定するため、より高抵抗なMTJ素子の読み出しが可能となる。また、MTJ素子の抵抗値が高いほど、読み出しマージンが大きくなるため、より正確にデータの読み出しを行うことができる。   Therefore, according to the first embodiment, time information of the time constant (RC) can be read as digital information. Accordingly, since the resistance state of the MTJ element is determined based on the magnitude relationship of time information, it is possible to read out the MTJ element having a higher resistance. In addition, since the read margin increases as the resistance value of the MTJ element increases, data can be read more accurately.

また、シングルエンドモードで読み出したデータがエラーである場合、自己参照モードに切り替え、2つの時間情報を用いて、MTJ素子の抵抗状態を判定している。これにより、データの読み出しをより正確に行うことができ、信頼性の高い半導体記憶装置10を実現できる。   When the data read in the single end mode is an error, the mode is switched to the self-reference mode, and the resistance state of the MTJ element is determined using two pieces of time information. Thereby, data can be read more accurately, and the highly reliable semiconductor memory device 10 can be realized.

また、本実施形態は、MTJ素子の抵抗値が高くなり、読み出し電流が小さくなった場合に特に有効である。   In addition, this embodiment is particularly effective when the resistance value of the MTJ element increases and the read current decreases.

また、データ読み出し用の参照セルが不要である。これにより、メモリセルアレイの面積を低減できる。   Further, a reference cell for reading data is not necessary. Thereby, the area of the memory cell array can be reduced.

[第2実施形態]
第2実施形態は、第1実施形態のインバータ回路44に換えてコンパレータを用い、このコンパレータは、グローバルビット線GBLの電圧が閾値電圧以上であるか否かを判定するようにしている。図19は、第2実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, a comparator is used instead of the inverter circuit 44 of the first embodiment, and this comparator determines whether or not the voltage of the global bit line GBL is equal to or higher than a threshold voltage. FIG. 19 is a circuit diagram of the readout circuit 24 according to the second embodiment.

読み出し回路24は、コンパレータ60を備える。コンパレータ60の負側入力端子は、配線41に接続され、その正側入力端子には、参照電圧Vrefが入力される。コンパレータ60の出力端子は、ANDゲート45の第2入力端子に接続される。コンパレータ60は、配線41の電圧が参照電圧Vrefより低い場合にハイレベルを出力し、配線41の電圧が参照電圧Vref以上である場合にローレベルを出力する。参照電圧Vrefは、接地電圧VSS(0V)より高く、かつ読み出し電圧VR1より低い値に設定される。   The read circuit 24 includes a comparator 60. The negative input terminal of the comparator 60 is connected to the wiring 41, and the reference voltage Vref is input to the positive input terminal. The output terminal of the comparator 60 is connected to the second input terminal of the AND gate 45. The comparator 60 outputs a high level when the voltage of the wiring 41 is lower than the reference voltage Vref, and outputs a low level when the voltage of the wiring 41 is equal to or higher than the reference voltage Vref. The reference voltage Vref is set to a value higher than the ground voltage VSS (0 V) and lower than the read voltage VR1.

読み出し回路24は、キャパシタ30の充電を開始してから、配線41の電圧が参照電圧Vref以上になるまでの時間を計測する。この時、コンパレータ60は、配線41の電圧を検知する。コンパレータ60以外の動作は、第1実施形態と同じである。   The read circuit 24 measures the time from when charging of the capacitor 30 is started until the voltage of the wiring 41 becomes equal to or higher than the reference voltage Vref. At this time, the comparator 60 detects the voltage of the wiring 41. Operations other than the comparator 60 are the same as those in the first embodiment.

第2実施形態では、参照電圧Vrefを任意に設定可能である。さらに、半導体記憶装置10を製造した後でも、参照電圧Vrefを所望の値に設定可能である。その他の効果は、第1実施形態と同じである。   In the second embodiment, the reference voltage Vref can be arbitrarily set. Furthermore, even after the semiconductor memory device 10 is manufactured, the reference voltage Vref can be set to a desired value. Other effects are the same as those of the first embodiment.

[第3実施形態]
第3実施形態は、閾値電圧の異なる複数のインバータ回路を用意し、これらインバータ回路を用いて、配線41の充電時間を計測するようにしている。図20は、第3実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, a plurality of inverter circuits having different threshold voltages are prepared, and the charging time of the wiring 41 is measured using these inverter circuits. FIG. 20 is a circuit diagram of the readout circuit 24 according to the third embodiment.

読み出し回路24は、検知回路61を備える。検知回路61は、複数のインバータ回路62(62−0〜62−k)を備える。インバータ回路62−0〜62−kはそれぞれ、pチャネルMOSトランジスタ63−0〜63−kと、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kとを備える。   The read circuit 24 includes a detection circuit 61. The detection circuit 61 includes a plurality of inverter circuits 62 (62-0 to 62-k). Inverter circuits 62-0 to 62-k include p-channel MOS transistors 63-0 to 63-k and n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k, respectively.

MOSトランジスタ63−0〜63−kのソースは、MOSトランジスタ43のドレインに接続される。MOSトランジスタ63−0〜63−kのドレインはそれぞれ、MOSトランジスタ64−0〜64−kのドレインに接続される。MOSトランジスタ64−0〜64−kのソースは、接地端子VSSに接続される。   The sources of the MOS transistors 63-0 to 63-k are connected to the drain of the MOS transistor 43. The drains of the MOS transistors 63-0 to 63-k are connected to the drains of the MOS transistors 64-0 to 64-k, respectively. The sources of the MOS transistors 64-0 to 64-k are connected to the ground terminal VSS.

インバータ回路62−0〜62−kの入力端子は、配線41に接続される。すなわち、pチャネルMOSトランジスタ63−0〜63−kのゲート、及びnチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kのゲートは、配線41に接続される。インバータ回路62−0〜62−kの出力端子は、バス49に接続される。すなわち、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kのドレインは、バス49に接続される。   The input terminals of the inverter circuits 62-0 to 62-k are connected to the wiring 41. That is, the gates of the p-channel MOS transistors 63-0 to 63-k and the gates of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k are connected to the wiring 41. The output terminals of the inverter circuits 62-0 to 62-k are connected to the bus 49. That is, the drains of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k are connected to the bus 49.

インバータ回路62−0〜62−kの閾値電圧は、この順に高くなる。インバータ回路62−0の閾値電圧が最も低く、インバータ回路62−kの閾値電圧が最も高い。この関係を満たすために、pチャネルMOSトランジスタ63−0〜63−kのサイズは、この順に大きくなる。pチャネルMOSトランジスタ63−0のサイズが最も小さく、pチャネルMOSトランジスタ63−kのサイズが最も大きい。換言すると、pチャネルMOSトランジスタ63−0〜63−kの電流駆動力は、この順に大きくなる。   The threshold voltages of the inverter circuits 62-0 to 62-k increase in this order. The threshold voltage of the inverter circuit 62-0 is the lowest, and the threshold voltage of the inverter circuit 62-k is the highest. In order to satisfy this relationship, the sizes of the p-channel MOS transistors 63-0 to 63-k increase in this order. The size of the p-channel MOS transistor 63-0 is the smallest, and the size of the p-channel MOS transistor 63-k is the largest. In other words, the current drivability of the p-channel MOS transistors 63-0 to 63-k increases in this order.

nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kのサイズは、この順に小さくなる。nチャネルMOSトランジスタ64−0のサイズが最も大きく、nチャネルMOSトランジスタ64−kのサイズが最も小さい。換言すると、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kの電流駆動力は、この順に小さくなる。なお、MOSトランジスタのサイズは、ゲート幅(チャネル幅)に対応する。ゲート幅は、ゲート電極が延びる方向におけるゲート電極の長さであり、換言すると、チャネル方向(チャネル長方向)と直交する方向(チャネル幅方向)におけるゲート電極の長さである。   The sizes of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k decrease in this order. The n-channel MOS transistor 64-0 has the largest size, and the n-channel MOS transistor 64-k has the smallest size. In other words, the current drivability of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k decreases in this order. The size of the MOS transistor corresponds to the gate width (channel width). The gate width is the length of the gate electrode in the direction in which the gate electrode extends, in other words, the length of the gate electrode in the direction (channel width direction) orthogonal to the channel direction (channel length direction).

なお、このトランジスタのサイジングは、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kのサイズを固定して、pチャネルMOSトランジスタ63−0のサイズだけで調整することも可能である。また、同様に、pチャネルMOSトランジスタ63−0のサイズを固定して、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kのサイズだけで調整することも可能である。   The sizing of this transistor can be adjusted only by the size of the p-channel MOS transistor 63-0 while fixing the size of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k. Similarly, the size of the p-channel MOS transistor 63-0 can be fixed and adjusted only by the size of the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k.

信号RE、/SE、PDEのタイミングは、第1実施形態と同じである。上記のように構成された読み出し回路24において、配線41の電圧が接地電圧VSSである場合、インバータ回路62−0〜62−kの出力は全てハイレベル(全てデータ“1”)である。配線41の電圧が連続的に上昇すると、最初にインバータ回路62−0の出力がローレベル(データ“0”)になり、その後、インバータ回路62−1〜62−kから順にローレベルを出力する。これにより、読み出し回路24は、キャパシタ30の充電を開始してから、配線41の電圧が所定の電圧に到達するまでの時間を計測することができる。   The timings of the signals RE, / SE, and PDE are the same as those in the first embodiment. In the readout circuit 24 configured as described above, when the voltage of the wiring 41 is the ground voltage VSS, the outputs of the inverter circuits 62-0 to 62-k are all at a high level (all data “1”). When the voltage of the wiring 41 rises continuously, the output of the inverter circuit 62-0 first becomes a low level (data “0”), and then the low level is output in order from the inverter circuits 62-1 to 62-k. . Thereby, the readout circuit 24 can measure the time from the start of charging of the capacitor 30 until the voltage of the wiring 41 reaches a predetermined voltage.

出力信号/OUT<k:0>は、“111...”を初期値として、計測時間が経過するにつれて小さくなる。よって、出力信号/OUT<k:0>は、反転されて(すなわち、出力信号OUT<k:0>として)、データ判定回路50に送られる。出力信号/OUT<k:0>に合わせてデータ判定回路50の動作を変更してもよい。   The output signal / OUT <k: 0> becomes smaller as the measurement time elapses with “111...” As an initial value. Therefore, the output signal / OUT <k: 0> is inverted (that is, as the output signal OUT <k: 0>) and sent to the data determination circuit 50. The operation of the data determination circuit 50 may be changed according to the output signal / OUT <k: 0>.

第3実施形態によれば、複数のMOSトランジスタのみを用いて読み出し回路24を構成することができる。これにより、読み出し回路24をより容易に実現できる。その他の効果は、第1実施形態と同じである。   According to the third embodiment, the read circuit 24 can be configured using only a plurality of MOS transistors. Thereby, the read circuit 24 can be realized more easily. Other effects are the same as those of the first embodiment.

なお、pチャネルMOSトランジスタ63−0〜63−kは、プレーナ型FET(Field Effect Transistor)に限らず、3次元トランジスタであるフィン型FET(FinFET)で構成してもよい。FinFETは、基板上に設けられた半導体フィンと、半導体フィンの上面及び両側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、ゲート電極の両側の半導体フィンにそれぞれ設けられたソース領域及びドレイン領域とを備える。FinFETの電流駆動力は、フィンの数を増やす(マルチフィン構造)ことで大きくできる。すなわち、プレーナ型FETのサイズ(ゲート幅)を変えることは、FinFETのフィンの数を変えることに対応する。同様に、nチャネルMOSトランジスタ64−0〜64−kについても、FinFETで構成してもよい。   Note that the p-channel MOS transistors 63-0 to 63-k are not limited to planar FETs (Field Effect Transistors), but may be configured by fin-type FETs (FinFETs) that are three-dimensional transistors. The FinFET includes a semiconductor fin provided on a substrate, a gate electrode provided on a top surface and both side surfaces of the semiconductor fin via a gate insulating film, and a source region and a drain provided on the semiconductor fin on both sides of the gate electrode, respectively. And an area. The current driving force of the FinFET can be increased by increasing the number of fins (multi-fin structure). That is, changing the size (gate width) of the planar FET corresponds to changing the number of fins of the FinFET. Similarly, the n-channel MOS transistors 64-0 to 64-k may be configured by FinFETs.

[第4実施形態]
第4実施形態は、複数の抵抗素子を用いて複数の参照電圧を生成し、これら参照電圧と配線41の電圧とを複数のコンパレータを用いて比較するようにしている。図21は、第4実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。
[Fourth Embodiment]
In the fourth embodiment, a plurality of reference voltages are generated using a plurality of resistance elements, and the reference voltage and the voltage of the wiring 41 are compared using a plurality of comparators. FIG. 21 is a circuit diagram of the readout circuit 24 according to the fourth embodiment.

検知回路61は、複数の抵抗素子65(65−0〜65−(k+1))と、複数のコンパレータ66(66−0〜66−k)とを備える。抵抗素子65−0〜65−(k+1)は、参照電圧Vref1と参照電圧Vref2との間の電圧を分圧する。参照電圧Vref2は、接地電圧VSS(0V)より高く、かつ読み出し電圧VR1より低い値に設定される。参照電圧Vref1は、接地電圧VSS(0V)より高く、かつ参照電圧Vref2より低く設定される。抵抗素子65−0〜65−(k+1)は直列接続され、抵抗素子65−0の一端には、参照電圧Vref1が供給され、抵抗素子65−(k+1)の一端には、参照電圧Vref2が供給される。   The detection circuit 61 includes a plurality of resistance elements 65 (65-0 to 65- (k + 1)) and a plurality of comparators 66 (66-0 to 66-k). Resistive elements 65-0 to 65- (k + 1) divide a voltage between reference voltage Vref1 and reference voltage Vref2. The reference voltage Vref2 is set to a value higher than the ground voltage VSS (0 V) and lower than the read voltage VR1. The reference voltage Vref1 is set higher than the ground voltage VSS (0 V) and lower than the reference voltage Vref2. The resistor elements 65-0 to 65- (k + 1) are connected in series, and a reference voltage Vref1 is supplied to one end of the resistor element 65-0, and a reference voltage Vref2 is supplied to one end of the resistor element 65- (k + 1). Is done.

コンパレータ66−0〜66−kの正側入力端子は、配線41に接続される。コンパレータ66−0の負側入力端子は、抵抗素子65−0と抵抗素子65−1との接続ノードに接続される。同様に、コンパレータ66−1〜65−(k+1)の負側入力端子はそれぞれ、抵抗素子65−1〜65−(k+1)の接続ノードに接続される。コンパレータ66−0〜66−kの出力端子は、バス49に接続される。   The positive side input terminals of the comparators 66-0 to 66-k are connected to the wiring 41. The negative side input terminal of the comparator 66-0 is connected to a connection node between the resistance element 65-0 and the resistance element 65-1. Similarly, the negative side input terminals of the comparators 66-1 to 65- (k + 1) are connected to the connection nodes of the resistance elements 65-1 to 65- (k + 1), respectively. Output terminals of the comparators 66-0 to 66-k are connected to the bus 49.

コンパレータ66は、配線41の電圧が参照電圧以上である場合に、ハイレベルを出力する。よって、読み出し回路24は、配線41の電圧が所定の電圧に到達するまでの時間を計測することができる。その他の効果は、第1実施形態と同じである。   The comparator 66 outputs a high level when the voltage of the wiring 41 is equal to or higher than the reference voltage. Therefore, the readout circuit 24 can measure the time until the voltage of the wiring 41 reaches a predetermined voltage. Other effects are the same as those of the first embodiment.

[第5実施形態]
第5実施形態では、シングルエンドモードにおいて、第1読み出し電圧を用いて、グローバルビット線に接続された第1キャパシタを充電し、第1キャパシタの電圧と参照電圧とを比較してデータを読み出す。自己参照モードでは、第1及び第2読み出し電圧をそれぞれ用いて、グローバルビット線に接続された第1及び第2キャパシタを充電し、第1及び第2キャパシタの電圧を比較してデータを読み出すようにしている。
[Fifth Embodiment]
In the fifth embodiment, in the single end mode, the first read voltage is used to charge the first capacitor connected to the global bit line, and the voltage of the first capacitor is compared with the reference voltage to read data. In the self-reference mode, the first and second capacitors connected to the global bit line are charged using the first and second read voltages, respectively, and the voltages of the first and second capacitors are compared to read data. I have to.

[1]読み出し回路24の構成
図22は、第5実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。なお、図22において、カラム選択スイッチ21A、21Bは図示を省略している。
[1] Configuration of Read Circuit 24 FIG. 22 is a circuit diagram of the read circuit 24 according to the fifth embodiment. In FIG. 22, the column selection switches 21A and 21B are not shown.

グローバルビット線GBLは、転送ゲート70−1を介して配線71−1に接続される。転送ゲート70−1は、読み出し信号RD1がハイレベル(読み出し信号/RD1がローレベル)である場合にオンする。キャパシタ30−1は、配線71−1に接続される。キャパシタ30−1の一方の電極は、配線71−1に接続され、キャパシタ30−1の他方の電極は、接地端子VSSに接続される。   Global bit line GBL is connected to wiring 71-1 through transfer gate 70-1. The transfer gate 70-1 is turned on when the read signal RD1 is at a high level (the read signal / RD1 is at a low level). The capacitor 30-1 is connected to the wiring 71-1. One electrode of the capacitor 30-1 is connected to the wiring 71-1, and the other electrode of the capacitor 30-1 is connected to the ground terminal VSS.

配線71−1は、nチャネルMOSトランジスタ40−1を介して配線41に接続される。MOSトランジスタ40−1のゲートには、制御回路18からリードイネーブル信号RE1が入力される。配線41は、nチャネルMOSトランジスタ42−1を介して接地端子VSSに接続される。MOSトランジスタ42−1のゲートには、制御回路18からプリディスチャージ信号PDE1が入力される。   The wiring 71-1 is connected to the wiring 41 through the n-channel MOS transistor 40-1. A read enable signal RE1 is input from the control circuit 18 to the gate of the MOS transistor 40-1. Wiring 41 is connected to ground terminal VSS via n-channel MOS transistor 42-1. A pre-discharge signal PDE1 is input from the control circuit 18 to the gate of the MOS transistor 42-1.

読み出し回路24は、センスアンプ72を備える。センスアンプ72は、pチャネルMOSトランジスタ43−1、43−2、73−1、73−2と、nチャネルMOSトランジスタ74−1、74−2とを備える。   The read circuit 24 includes a sense amplifier 72. Sense amplifier 72 includes p-channel MOS transistors 43-1, 43-2, 73-1, 73-2 and n-channel MOS transistors 74-1, 74-2.

MOSトランジスタ43−1のソースは、電源端子VDDに接続され、そのゲートには、制御回路18からセンスアンプイネーブル信号/SEが入力される。MOSトランジスタ43−2のソースは、電源端子VDDに接続され、そのゲートには、センスアンプイネーブル信号/SEが入力される。   The source of the MOS transistor 43-1 is connected to the power supply terminal VDD, and the sense amplifier enable signal / SE is input from the control circuit 18 to the gate thereof. The source of the MOS transistor 43-2 is connected to the power supply terminal VDD, and the sense amplifier enable signal / SE is input to the gate thereof.

MOSトランジスタ73−1とMOSトランジスタ74−1とは、インバータ回路を構成する。MOSトランジスタ73−1のソースは、MOSトランジスタ43−1のドレインに接続され、そのドレインは、ノードN11に接続され、そのゲートは、ノードN12に接続される。MOSトランジスタ74−1のドレインは、ノードN11に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのゲートは、ノードN12に接続される。   MOS transistor 73-1 and MOS transistor 74-1 constitute an inverter circuit. The source of the MOS transistor 73-1 is connected to the drain of the MOS transistor 43-1, its drain is connected to the node N11, and its gate is connected to the node N12. The drain of the MOS transistor 74-1 is connected to the node N11, the source thereof is connected to the ground terminal VSS, and the gate thereof is connected to the node N12.

MOSトランジスタ73−2とMOSトランジスタ74−2とは、インバータ回路を構成する。MOSトランジスタ73−2のソースは、MOSトランジスタ43−2のドレインに接続され、そのドレインは、ノードN12に接続され、そのゲートは、ノードN11に接続される。MOSトランジスタ74−2のドレインは、ノードN12に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのゲートは、ノードN11に接続される。センスアンプ72は、ノードN11から出力信号OUTを出力し、ノードN12から出力信号/OUTする。出力信号/OUTは、出力信号OUTの反転信号である。なお、プリディスチャージ信号PDE1がアサートされた場合に、ノードN11とノードN12とを同電位にするイコライズ用のNチャネルMOSトランジスタを備えていてもよい。   MOS transistor 73-2 and MOS transistor 74-2 constitute an inverter circuit. The source of MOS transistor 73-2 is connected to the drain of MOS transistor 43-2, its drain is connected to node N12, and its gate is connected to node N11. The drain of the MOS transistor 74-2 is connected to the node N12, the source is connected to the ground terminal VSS, and the gate is connected to the node N11. The sense amplifier 72 outputs an output signal OUT from the node N11, and outputs an output signal / OUT from the node N12. The output signal / OUT is an inverted signal of the output signal OUT. Note that when the pre-discharge signal PDE1 is asserted, an equalizing N-channel MOS transistor that makes the node N11 and the node N12 have the same potential may be provided.

グローバルビット線GBLは、転送ゲート70−2を介して配線71−2に接続される。転送ゲート70−2は、読み出し信号RD2がハイレベル(読み出し信号/RD2がローレベル)である場合にオンする。キャパシタ30−2は、配線71−2に接続される。キャパシタ30−2の一方の電極は、配線71−2に接続され、キャパシタ30−2の他方の電極は、接地端子VSSに接続される。キャパシタ30−2の容量は、キャパシタ30−2の容量と概略同じに設定される。   Global bit line GBL is connected to wiring 71-2 via transfer gate 70-2. The transfer gate 70-2 is turned on when the read signal RD2 is at a high level (the read signal / RD2 is at a low level). Capacitor 30-2 is connected to wiring 71-2. One electrode of the capacitor 30-2 is connected to the wiring 71-2, and the other electrode of the capacitor 30-2 is connected to the ground terminal VSS. The capacity of the capacitor 30-2 is set to be approximately the same as the capacity of the capacitor 30-2.

配線71−2は、nチャネルMOSトランジスタ40−2を介して配線75に接続される。MOSトランジスタ40−2のゲートには、制御回路18からリードイネーブル信号RE2が入力される。配線75は、nチャネルMOSトランジスタ42−2を介して接地端子VSSに接続される。MOSトランジスタ42−2のゲートには、制御回路18からプリディスチャージ信号PDE2が入力される。   The wiring 71-2 is connected to the wiring 75 through the n-channel MOS transistor 40-2. The read enable signal RE2 is input from the control circuit 18 to the gate of the MOS transistor 40-2. Wiring 75 is connected to ground terminal VSS through n-channel MOS transistor 42-2. A pre-discharge signal PDE2 is input from the control circuit 18 to the gate of the MOS transistor 42-2.

セレクタ76の第1入力端子は、配線75に接続され、その第2入力端子には、参照電圧Vrefが入力され、その制御端子には、制御回路18から選択信号SELが入力される。セレクタ76は、選択信号SELに基づいて、シングルエンドモード時には、参照電圧Vrefを出力し、自己参照モード時には、配線75の電圧を出力する。   The first input terminal of the selector 76 is connected to the wiring 75, the reference voltage Vref is input to the second input terminal, and the selection signal SEL is input to the control terminal from the control circuit 18. Based on the selection signal SEL, the selector 76 outputs the reference voltage Vref in the single end mode, and outputs the voltage of the wiring 75 in the self reference mode.

[2]動作
次に、上記のように構成された半導体記憶装置10の動作について説明する。図23は、第5実施形態に係る読み出し動作のタイミング図である。第1実施形態と同様に、読み出し動作では、シングルエンドモードが実行され、シングルエンドモードにおいてエラーが訂正可能でない場合に、自己参照モードが実行される。
[2] Operation Next, the operation of the semiconductor memory device 10 configured as described above will be described. FIG. 23 is a timing diagram of a read operation according to the fifth embodiment. As in the first embodiment, in the read operation, the single end mode is executed, and the self-reference mode is executed when the error cannot be corrected in the single end mode.

(シングルエンドモード)
まず、シングルエンドモードが実行される。時刻t1において、ロウデコーダ12は、選択されたワード線WLをハイレベルにする。図示は省略するが、第1実施形態と同様に、カラムデコーダ13は、選択されたカラム選択信号CLをハイレベルにする。
(Single-end mode)
First, the single end mode is executed. At time t1, the row decoder 12 sets the selected word line WL to the high level. Although not shown, the column decoder 13 sets the selected column selection signal CL to the high level as in the first embodiment.

時刻t2において、制御回路18は、リードイネーブル信号RE1をハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ40−1がオンし、キャパシタ30−1が配線41に接続される。   At time t2, the control circuit 18 asserts the read enable signal RE1 as a high level. Thereby, the MOS transistor 40-1 is turned on, and the capacitor 30-1 is connected to the wiring 41.

時刻t3において、制御回路18は、プリディスチャージ信号PDE1をハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ42−1がオンし、配線41及びキャパシタ30−1がほぼ接地電圧VSSまで放電される。時刻t4において、プリディスチャージ信号PDE1がローレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ42−1がオフする。   At time t3, the control circuit 18 asserts the pre-discharge signal PDE1 as a high level. As a result, the MOS transistor 42-1 is turned on, and the wiring 41 and the capacitor 30-1 are almost discharged to the ground voltage VSS. At time t4, the pre-discharge signal PDE1 is set to the low level. Thereby, the MOS transistor 42-1 is turned off.

時刻t5において、読み出し信号RD1がハイレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ31がオンし、グローバルソース線GSLにシングルエンドモード用の読み出し電圧VR1が印加される。また、時刻t5において、転送ゲート70−1がオンし、グローバルビット線GBLが配線41に接続される。これにより、メモリセルMCに読み出し電流が流れ、この読み出し電流によりキャパシタ30−1が充電される。   At time t5, the read signal RD1 is asserted as a high level. As a result, the MOS transistor 31 is turned on, and the read voltage VR1 for single end mode is applied to the global source line GSL. At time t5, the transfer gate 70-1 is turned on and the global bit line GBL is connected to the wiring 41. As a result, a read current flows through the memory cell MC, and the capacitor 30-1 is charged by the read current.

時刻t6において、読み出し信号RD1及びリードイネーブル信号RE1がローレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ31、40−1、及び転送ゲート70−1がオフする。   At time t6, the read signal RD1 and the read enable signal RE1 are set to low level. Thereby, the MOS transistors 31 and 40-1 and the transfer gate 70-1 are turned off.

時刻t7において、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ43−1、43−2がオンし、センスアンプ72は、ノードN11、N12の電圧に基づいてデータを検知する。この時、ノードN12には、セレクタ76から参照電圧Vrefが入力される。   At time t7, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level. As a result, the MOS transistors 43-1 and 43-2 are turned on, and the sense amplifier 72 detects data based on the voltages at the nodes N11 and N12. At this time, the reference voltage Vref is input from the selector 76 to the node N12.

時刻t8において、センスアンプイネーブル信号/SEがハイレベルにされ、MOSトランジスタ43−1、43−2がオフされる。これにより、センスアンプ72は、ノードN11、N12の電圧に基づいてデータをラッチする。   At time t8, the sense amplifier enable signal / SE is set to the high level, and the MOS transistors 43-1 and 43-2 are turned off. Thereby, the sense amplifier 72 latches data based on the voltages of the nodes N11 and N12.

センスアンプ72は、ノードN11の電圧(すなわち、配線41の電圧)が参照電圧Vrefより高い場合、出力信号/OUTとしてデータ“0”を出力し、ノードN11の電圧が参照電圧Vrefより低い場合、出力信号/OUTとしてデータ“1”を出力する。   The sense amplifier 72 outputs data “0” as the output signal / OUT when the voltage of the node N11 (that is, the voltage of the wiring 41) is higher than the reference voltage Vref, and when the voltage of the node N11 is lower than the reference voltage Vref, Data “1” is output as the output signal / OUT.

参照電圧Vrefは、MTJ素子が平行状態(メモリセルがデータ“0”を記憶している状態)であるか、MTJ素子が反行状態(メモリセルがデータ“1”を記憶している状態)であるかを判定するために用いられる。すなわち、参照電圧Vrefは、平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流によって充電された配線41の電圧と、反平行状態のMTJ素子に流れる読み出し電流によって充電された配線41の電圧との間の電圧(例えば中間の電圧)に設定される。   The reference voltage Vref is the MTJ element in a parallel state (a state in which the memory cell stores data “0”), or the MTJ element is in a reverse state (a state in which the memory cell stores data “1”). Is used to determine whether or not That is, the reference voltage Vref is a voltage between the voltage of the wiring 41 charged by the read current flowing in the MTJ element in the parallel state and the voltage of the wiring 41 charged by the read current flowing in the MTJ element in the antiparallel state ( For example, an intermediate voltage is set.

MTJ素子が平行状態である場合、読み出し電流が大きく、MTJ素子が反平行状態である場合、読み出し電流が小さい。よって、MTJ素子が平行状態である場合、出力信号/OUTがデータ“0”となり、MTJ素子が反平行状態である場合、出力信号/OUTがデータ“1”となる。最終的に、出力信号/OUTが読み出しデータとして外部に出力される。   When the MTJ element is in a parallel state, the read current is large, and when the MTJ element is in an antiparallel state, the read current is small. Therefore, when the MTJ element is in a parallel state, the output signal / OUT becomes data “0”, and when the MTJ element is in an antiparallel state, the output signal / OUT becomes data “1”. Finally, the output signal / OUT is output to the outside as read data.

時刻t9において、ワード線WLがローレベルにされ、セルトランジスタ28がオフする。   At time t9, the word line WL is set to low level, and the cell transistor 28 is turned off.

(自己参照モード)
次に、自己参照モードについて説明する。
(Self-referencing mode)
Next, the self reference mode will be described.

時刻t10において、ロウデコーダ12は、選択されたワード線WLをハイレベルにする。
時刻t11において、制御回路18は、リードイネーブル信号RE1、RE2をハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ40−1がオンし、キャパシタ30−1が配線41に接続される。キャパシタ30−1は、前述したシングルエンドモード時の電荷を保持している。よって、配線41は、シングルエンドモード時の電圧に充電される。また、MOSトランジスタ40−2がオンし、キャパシタ30−2が配線75に接続される。
At time t10, the row decoder 12 sets the selected word line WL to high level.
At time t11, the control circuit 18 asserts the read enable signals RE1 and RE2 as high level. Thereby, the MOS transistor 40-1 is turned on, and the capacitor 30-1 is connected to the wiring 41. The capacitor 30-1 holds the charge in the single end mode described above. Therefore, the wiring 41 is charged to the voltage in the single end mode. Further, the MOS transistor 40-2 is turned on, and the capacitor 30-2 is connected to the wiring 75.

時刻t12において、制御回路18は、プリディスチャージ信号PDE2をハイレベルとしてアサートする。これにより、MOSトランジスタ42−2がオンし、配線75及びキャパシタ30−2がほぼ接地電圧VSSまで放電される。時刻t13において、プリディスチャージ信号PDE2がローレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ42−2がオフする。   At time t12, the control circuit 18 asserts the pre-discharge signal PDE2 as a high level. As a result, the MOS transistor 42-2 is turned on, and the wiring 75 and the capacitor 30-2 are substantially discharged to the ground voltage VSS. At time t13, the pre-discharge signal PDE2 is set to the low level. Thereby, the MOS transistor 42-2 is turned off.

時刻t14において、読み出し信号RD2がハイレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ32がオンし、グローバルソース線GSLに自己参照モード用の読み出し電圧VR2が印加される。また、時刻t14において、転送ゲート70−2がオンし、グローバルビット線GBLが配線75に接続される。これにより、メモリセルMCに読み出し電流が流れ、この読み出し電流によりキャパシタ30−2が充電される。   At time t14, the read signal RD2 is asserted as a high level. As a result, the MOS transistor 32 is turned on, and the read voltage VR2 for the self-reference mode is applied to the global source line GSL. At time t <b> 14, the transfer gate 70-2 is turned on and the global bit line GBL is connected to the wiring 75. As a result, a read current flows through the memory cell MC, and the capacitor 30-2 is charged by the read current.

第1実施形態と同様に、自己参照モード用の読み出し電圧VR2は、シングルエンドモード用の読み出し電圧VR1より大きく設定される。また、読み出し電圧VR2のパルス幅は、読み出し電圧VR1のパルス幅より小さく設定される。読み出し電圧VR1のパルス幅は、読み出し信号RD1をネゲートするタイミングで制御可能であり、読み出し電圧VR2のパルス幅は、読み出し信号RD2をネゲートするタイミングで制御可能である。読み出し電圧VR1と読み出し電圧VR2との大きさ、及びこれらのパルス幅は、MTJ素子の平行状態と反平行状態とを判別可能なように最適に設定される。読み出し電圧VR1、VR2の設定方法については後述する。   Similar to the first embodiment, the read voltage VR2 for the self-reference mode is set higher than the read voltage VR1 for the single end mode. Further, the pulse width of the read voltage VR2 is set smaller than the pulse width of the read voltage VR1. The pulse width of the read voltage VR1 can be controlled at the timing of negating the read signal RD1, and the pulse width of the read voltage VR2 can be controlled at the timing of negating the read signal RD2. The magnitudes of the read voltage VR1 and the read voltage VR2 and their pulse widths are optimally set so that the parallel state and antiparallel state of the MTJ element can be distinguished. A method for setting the read voltages VR1 and VR2 will be described later.

時刻t15において、読み出し信号RD2及びリードイネーブル信号RE1、RE2がローレベルにされる。これにより、MOSトランジスタ32、40−1、40−2、及び転送ゲート70−2がオフする。   At time t15, the read signal RD2 and the read enable signals RE1 and RE2 are set to low level. Thereby, the MOS transistors 32, 40-1, 40-2 and the transfer gate 70-2 are turned off.

時刻t16において、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされる。これにより、MOSトランジスタ43−1、43−2がオンし、センスアンプ72は、ノードN11、N12の電圧に基づいてデータを検知する。この時、ノードN12には、セレクタ76から配線75の電圧(すなわち、キャパシタ30−2の電圧)が印加される。   At time t16, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level. As a result, the MOS transistors 43-1 and 43-2 are turned on, and the sense amplifier 72 detects data based on the voltages at the nodes N11 and N12. At this time, the voltage of the wiring 75 (that is, the voltage of the capacitor 30-2) is applied from the selector 76 to the node N12.

時刻t17において、センスアンプイネーブル信号/SEがハイレベルにされ、MOSトランジスタ43−1、43−2がオフされる。これにより、センスアンプ72は、ノードN11、N12の電圧に基づいてデータをラッチする。   At time t17, the sense amplifier enable signal / SE is set to the high level, and the MOS transistors 43-1 and 43-2 are turned off. Thereby, the sense amplifier 72 latches data based on the voltages of the nodes N11 and N12.

センスアンプ72は、ノードN11の電圧(すなわち、配線41の電圧)がノードN12の電圧(すなわち、配線75の電圧)より高い場合、出力信号/OUTとしてデータ“0”を出力し、ノードN11の電圧がノードN12の電圧より低い場合、出力信号/OUTとしてデータ“1”を出力する。最終的に、出力信号/OUTが読み出しデータとして外部に出力される。   When the voltage at the node N11 (that is, the voltage at the wiring 41) is higher than the voltage at the node N12 (that is, the voltage at the wiring 75), the sense amplifier 72 outputs data “0” as the output signal / OUT. When the voltage is lower than the voltage of the node N12, data “1” is output as the output signal / OUT. Finally, the output signal / OUT is output to the outside as read data.

時刻t18において、ワード線WLがローレベルにされ、セルトランジスタ28がオフする。   At time t18, the word line WL is set to low level, and the cell transistor 28 is turned off.

[3]読み出し電圧VR1、VR2について
次に、読み出し電圧VR1、VR2の設定方法について説明する。図24は、読み出し電圧の設定方法を説明する図である。図24(a)の横軸が時間、縦軸がキャパシタ30−1の電圧である。図24(b)の横軸が時間、縦軸がキャパシタ30−2の電圧である。図24の時刻ゼロが充電開始時に対応する。図24には、平行状態のMTJ素子に流れる電流でキャパシタを充電した場合の曲線(図24の“P”)、反平行状態のMTJ素子に流れる電流でキャパシタを充電した場合の曲線(図24の“AP”)、及び曲線“P”と曲線“AP”との平均値(図24の“Ref”)を載せている。なお、曲線“Ref”の時間T1及び時間T2における電圧が参照電圧Vrefとなる。
[3] Read Voltages VR1 and VR2 Next, a method for setting the read voltages VR1 and VR2 will be described. FIG. 24 is a diagram illustrating a method for setting a read voltage. In FIG. 24A, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage of the capacitor 30-1. In FIG. 24B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage of the capacitor 30-2. Time zero in FIG. 24 corresponds to the start of charging. FIG. 24 shows a curve when the capacitor is charged with a current flowing through the MTJ element in the parallel state (“P” in FIG. 24), and a curve when the capacitor is charged with the current flowing through the MTJ element in the antiparallel state (FIG. 24). "AP") and an average value of the curve "P" and the curve "AP"("Ref" in FIG. 24). Note that the voltage at time T1 and time T2 of the curve “Ref” is the reference voltage Vref.

前述したように、自己参照モードにおける読み出し電圧VR2は、シングルエンドモードにおける読み出し電圧VR1より大きい。図24(a)に示すように、読み出し電圧VR1を用いて平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−1を充電した場合、時刻T1において、キャパシタ30−1の電圧(配線41の電圧に対応する)は、電圧Vp1となる。読み出し電圧VR1を用いて反平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−1を充電した場合、時刻T1において、キャパシタ30−1の電圧は、電圧Vap1(<Vp1)となる。   As described above, the read voltage VR2 in the self-reference mode is larger than the read voltage VR1 in the single end mode. As shown in FIG. 24A, when a read current is passed through the MTJ element in parallel using the read voltage VR1, and the capacitor 30-1 is charged by this read current, the voltage of the capacitor 30-1 at time T1. (Corresponding to the voltage of the wiring 41) is the voltage Vp1. When a read current is supplied to the MTJ element in the anti-parallel state using the read voltage VR1, and the capacitor 30-1 is charged by this read current, the voltage of the capacitor 30-1 is equal to the voltage Vap1 (<Vp1) at time T1. Become.

図24(b)に示すように、読み出し電圧VR2を用いて平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−2を充電した場合、時刻T2において、キャパシタ30−2の電圧(配線75の電圧に対応する)は、電圧Vp2となる。読み出し電圧VR2を用いて反平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−2を充電した場合、時刻T2において、キャパシタ30−2の電圧は、電圧Vap2(<Vp2)となる。   As shown in FIG. 24B, when a read current is passed through the MTJ element in the parallel state using the read voltage VR2, and the capacitor 30-2 is charged by this read current, the voltage of the capacitor 30-2 at time T2. (Corresponding to the voltage of the wiring 75) is the voltage Vp2. When a read current is supplied to the MTJ element in the antiparallel state using the read voltage VR2, and the capacitor 30-2 is charged by this read current, the voltage of the capacitor 30-2 is equal to the voltage Vap2 (<Vp2) at time T2. Become.

すなわち、MTJ素子が平行状態の場合、シングルエンドモードにおける電圧Vp1は、自己参照モードにおける電圧Vp2より高くなる。一方、MTJ素子が反平行状態の場合、シングルエンドモードにおける電圧Vap1は、自己参照モードにおける電圧Vap2より低くなる。これにより、MTJ素子が平行状態である場合、出力信号/OUTがデータ“0”となり、MTJ素子が反平行状態である場合、出力信号/OUTがデータ“1”となる。   That is, when the MTJ element is in the parallel state, the voltage Vp1 in the single end mode is higher than the voltage Vp2 in the self-reference mode. On the other hand, when the MTJ element is in the antiparallel state, the voltage Vap1 in the single end mode is lower than the voltage Vap2 in the self-reference mode. Thus, when the MTJ element is in the parallel state, the output signal / OUT becomes data “0”, and when the MTJ element is in the anti-parallel state, the output signal / OUT becomes data “1”.

時刻T1が読み出し電圧VR1のパルス幅に対応し、時刻T2が読み出し電圧VR2のパルス幅に対応する。上記のように読み出し電圧VR1と読み出し電圧VR2との大きさ、及びこれらのパルス幅を設定することで、MTJ素子の平行状態と反平行状態とを正確に判別することができる。   Time T1 corresponds to the pulse width of the read voltage VR1, and time T2 corresponds to the pulse width of the read voltage VR2. By setting the magnitudes of the read voltage VR1 and the read voltage VR2 and their pulse widths as described above, it is possible to accurately determine the parallel state and antiparallel state of the MTJ element.

[4]第5実施形態の効果
以上詳述したように第5実施形態では、シングルエンドモードで第1読み出し動作を実行し、第1読み出し動作により読み出したデータがエラーである場合、自己参照モードで第2読み出しを実行する。シングルエンドモードでは、第1読み出し電圧VR1を用いてメモリセルMCに読み出し電流を流し、キャパシタ30−1を充電する。読み出し回路24は、キャパシタ30−1の電圧(配線41の電圧)と、参照電圧Vrefとを比較して、メモリセルMCのデータを判定するようにしている。
[4] Effects of Fifth Embodiment As described in detail above, in the fifth embodiment, when the first read operation is executed in the single end mode and the data read by the first read operation is an error, the self-reference mode Then, the second reading is executed. In the single end mode, a read current is supplied to the memory cell MC using the first read voltage VR1, and the capacitor 30-1 is charged. The read circuit 24 compares the voltage of the capacitor 30-1 (the voltage of the wiring 41) with the reference voltage Vref to determine the data of the memory cell MC.

また、自己参照モードでは、第1読み出し電圧VR1より高い第2読み出し電圧VR2を用いてメモリセルMCに読み出し電流を流し、キャパシタ30−2を充電する。読み出し回路24は、シングルエンドモード時のキャパシタ30−1の電圧と、キャパシタ30−2の電圧とを比較して、メモリセルMCのデータを判定するようにしている。   In the self-reference mode, a read current is supplied to the memory cell MC using the second read voltage VR2 higher than the first read voltage VR1, and the capacitor 30-2 is charged. The read circuit 24 compares the voltage of the capacitor 30-1 in the single end mode with the voltage of the capacitor 30-2 to determine data of the memory cell MC.

従って第5実施形態によれば、1回の読み出し動作(シングルエンドモード)でメモリセルMCのデータを読み出すことができる。また、電圧レベルを比較することで、データの読み出しが可能である。   Therefore, according to the fifth embodiment, data in the memory cell MC can be read out by one read operation (single end mode). Further, data can be read by comparing voltage levels.

また、シングルエンドモードで読み出したデータがエラーである場合、自己参照モードに切り替え、2つの電圧レベルを用いて、MTJ素子の抵抗状態を判定している。これにより、データの読み出しをより正確に行うことができ、信頼性の高い半導体記憶装置10を実現できる。   When the data read in the single end mode is an error, the mode is switched to the self-reference mode, and the resistance state of the MTJ element is determined using two voltage levels. Thereby, data can be read more accurately, and the highly reliable semiconductor memory device 10 can be realized.

[第6実施形態]
第6実施形態は、第1実施形態の変形例であり、プリチャージ型の読み出し動作を行うようにしている。すなわち、グローバルビット線GBL(及びキャパシタ30)を例えば電源電圧VDDに充電した後、メモリセルMCによってグローバルビット線GBLを放電する時間を計測する。
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment is a modification of the first embodiment, and performs a precharge-type read operation. That is, after the global bit line GBL (and the capacitor 30) is charged to the power supply voltage VDD, for example, the time for discharging the global bit line GBL by the memory cell MC is measured.

[1]読み出し回路24の構成
図25は、第6実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。図25の大部分は、第1実施形態で説明した図5と同じであり、以下に、図5と異なる部分のみ説明する。
[1] Configuration of Read Circuit 24 FIG. 25 is a circuit diagram of the read circuit 24 according to the sixth embodiment. Most of FIG. 25 is the same as FIG. 5 described in the first embodiment, and only portions different from FIG. 5 will be described below.

プリチャージ回路80は、配線41に接続される。プリチャージ回路80は、配線41を所定電圧(例えば電源電圧VDD)にプリチャージする。プリチャージ回路80は、pチャネルMOSトランジスタから構成される。MOSトランジスタ80のソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、配線41に接続され、そのゲートには、制御回路18からプリチャージ信号/PCEが入力される。プリチャージ信号/PCEは、第1実施形態で説明したプリディスチャージ信号PDEの論理が反転された信号である。   The precharge circuit 80 is connected to the wiring 41. The precharge circuit 80 precharges the wiring 41 to a predetermined voltage (for example, the power supply voltage VDD). Precharge circuit 80 is formed of a p-channel MOS transistor. The source of the MOS transistor 80 is connected to the power supply terminal VDD, the drain thereof is connected to the wiring 41, and the precharge signal / PCE is input from the control circuit 18 to the gate thereof. The precharge signal / PCE is a signal obtained by inverting the logic of the predischarge signal PDE described in the first embodiment.

インバータ回路81の入力端子は、インバータ回路44のノードN2に接続され、その出力端子は、ANDゲート45の一方の入力端子に接続される。   An input terminal of the inverter circuit 81 is connected to the node N2 of the inverter circuit 44, and an output terminal thereof is connected to one input terminal of the AND gate 45.

ディスチャージ回路82は、グローバルソース線GBLに接続される。ディスチャージ回路82は、nチャネルMOSトランジスタ31、32を備える。ディスチャージ回路82は、読み出し電圧VR1と読み出し電圧VR2とのレベルが異なる以外は、第1実施形態で説明した読み出しドライバ25と同じ回路構成である。   The discharge circuit 82 is connected to the global source line GBL. The discharge circuit 82 includes n-channel MOS transistors 31 and 32. The discharge circuit 82 has the same circuit configuration as the read driver 25 described in the first embodiment except that the levels of the read voltage VR1 and the read voltage VR2 are different.

電源線33には、電圧発生回路19により、シングルエンドモード用の読み出し電圧VR1が印加される。電源線34には、電圧発生回路19により、自己参照モード用の読み出し電圧VR2が印加される。読み出し電圧VR1は、接地電圧VSSより高く、電源電圧VDDより低く設定される。読み出し電圧VR2は、接地電圧VSSより高く、読み出し電圧VR1より低く設定される。   A read voltage VR1 for single end mode is applied to the power supply line 33 by the voltage generation circuit 19. A read voltage VR2 for the self-reference mode is applied to the power supply line 34 by the voltage generation circuit 19. The read voltage VR1 is set higher than the ground voltage VSS and lower than the power supply voltage VDD. The read voltage VR2 is set higher than the ground voltage VSS and lower than the read voltage VR1.

[2]動作
次に、上記のように構成された半導体記憶装置10の動作について説明する。第6実施形態に係る読み出し動作のタイミング図は、プリディスチャージ信号PDEがプリチャージ信号/PCEに替わる以外は、第1実施形態で説明した図14及び図17と同じである。以下では、第1実施形態と異なる部分のみ説明する。
[2] Operation Next, the operation of the semiconductor memory device 10 configured as described above will be described. The timing chart of the read operation according to the sixth embodiment is the same as that of FIGS. 14 and 17 described in the first embodiment except that the pre-discharge signal PDE is replaced with the pre-charge signal / PCE. Below, only a different part from 1st Embodiment is demonstrated.

まず、シングルエンドモードについて説明する。制御回路18は、プリチャージ信号/PCEをローレベルとしてアサートする。これにより、プリチャージ回路80は、キャパシタ30を概略電源電圧VDDまで充電する。   First, the single end mode will be described. The control circuit 18 asserts the precharge signal / PCE as a low level. Thereby, the precharge circuit 80 charges the capacitor 30 to the approximate power supply voltage VDD.

続いて、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされるとともに、読み出し信号RD1がハイレベルとしてアサートされる。これにより、配線41が放電されるとともに、カウンタ46がクロック信号CLKをカウントする。   Subsequently, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level, and the read signal RD1 is asserted as a high level. As a result, the wiring 41 is discharged and the counter 46 counts the clock signal CLK.

続いて、インバータ回路44は、配線41の電圧が自身の閾値電圧より低くなった場合に、ハイレベルを出力する。これにより、カウンタ46のカウント動作が終了する。その後、第1実施形態と同様に、データ判定動作が行われる。   Subsequently, the inverter circuit 44 outputs a high level when the voltage of the wiring 41 becomes lower than its own threshold voltage. Thereby, the count operation of the counter 46 is completed. Thereafter, a data determination operation is performed as in the first embodiment.

次に、自己参照モードについて説明する。自己参照モードでは、放電時に、読み出し電圧VR2(<VR1)が用いられる。それ以外の動作は、前述したシングルエンドモードと同じである。その後、第1実施形態と同様に、データ判定動作が行われる。   Next, the self reference mode will be described. In the self-reference mode, the read voltage VR2 (<VR1) is used during discharge. Other operations are the same as in the single-ended mode described above. Thereafter, a data determination operation is performed as in the first embodiment.

第6実施形態によれば、グローバルビット線GBLを電源電圧VDDからインバータ回路44の閾値電圧まで放電する時間を用いて、メモリセルMCのデータを読み出すことができる。それ以外の効果は、第1実施形態と同じである。また、第6実施形態は、第2乃至4実施形態に適用することも可能である。   According to the sixth embodiment, data in the memory cell MC can be read using the time for discharging the global bit line GBL from the power supply voltage VDD to the threshold voltage of the inverter circuit 44. The other effects are the same as in the first embodiment. The sixth embodiment can also be applied to the second to fourth embodiments.

[第7実施形態]
第7実施形態は、第5実施形態の変形例であり、プリチャージ型の読み出し動作を行うようにしている。
[Seventh Embodiment]
The seventh embodiment is a modification of the fifth embodiment and performs a precharge-type read operation.

[1]読み出し回路24の構成
図26は、第7実施形態に係る読み出し回路24の回路図である。図26の大部分は、第5実施形態で説明した図22と同じであり、以下に、図22と異なる部分のみ説明する。
[1] Configuration of Read Circuit 24 FIG. 26 is a circuit diagram of the read circuit 24 according to the seventh embodiment. Most of FIG. 26 is the same as FIG. 22 described in the fifth embodiment, and only the parts different from FIG. 22 will be described below.

プリチャージ回路80−1は、配線41に接続される。プリチャージ回路80−1は、配線41を所定電圧(例えば電源電圧VDD)にプリチャージする。プリチャージ回路80−1は、pチャネルMOSトランジスタから構成される。MOSトランジスタ80−1のソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、配線41に接続され、そのゲートには、制御回路18からプリチャージ信号/PCE1が入力される。プリチャージ信号/PCE1は、第5実施形態で説明したプリディスチャージ信号PDE1の論理が反転された信号である。   The precharge circuit 80-1 is connected to the wiring 41. The precharge circuit 80-1 precharges the wiring 41 to a predetermined voltage (for example, the power supply voltage VDD). Precharge circuit 80-1 is composed of a p-channel MOS transistor. The source of the MOS transistor 80-1 is connected to the power supply terminal VDD, the drain is connected to the wiring 41, and the precharge signal / PCE 1 is input from the control circuit 18 to the gate. The precharge signal / PCE1 is a signal obtained by inverting the logic of the predischarge signal PDE1 described in the fifth embodiment.

プリチャージ回路80−2は、配線75に接続される。プリチャージ回路80−2は、配線75を所定電圧(例えば電源電圧VDD)にプリチャージする。プリチャージ回路80−2は、pチャネルMOSトランジスタから構成される。MOSトランジスタ80−2のソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、配線75に接続され、そのゲートには、制御回路18からプリチャージ信号/PCE2が入力される。プリチャージ信号/PCE2は、第5実施形態で説明したプリディスチャージ信号PDE2の論理が反転された信号である。   The precharge circuit 80-2 is connected to the wiring 75. The precharge circuit 80-2 precharges the wiring 75 to a predetermined voltage (for example, the power supply voltage VDD). Precharge circuit 80-2 is formed of a p-channel MOS transistor. The source of the MOS transistor 80-2 is connected to the power supply terminal VDD, the drain thereof is connected to the wiring 75, and the precharge signal / PCE2 is inputted from the control circuit 18 to the gate thereof. The precharge signal / PCE2 is a signal obtained by inverting the logic of the predischarge signal PDE2 described in the fifth embodiment.

ディスチャージ回路82は、グローバルソース線GBLに接続される。ディスチャージ回路82の構成は、第6実施形態と同じである。   The discharge circuit 82 is connected to the global source line GBL. The configuration of the discharge circuit 82 is the same as that of the sixth embodiment.

[2]動作
次に、上記のように構成された半導体記憶装置10の動作について説明する。第7実施形態に係る読み出し動作のタイミング図は、プリディスチャージ信号PDE1、PDE2がプリチャージ信号/PCE1、/PCE2に替わる以外は、第5実施形態で説明した図23と同じである。以下では、第5実施形態と異なる部分のみ説明する。
[2] Operation Next, the operation of the semiconductor memory device 10 configured as described above will be described. The timing chart of the read operation according to the seventh embodiment is the same as FIG. 23 described in the fifth embodiment except that the pre-discharge signals PDE1 and PDE2 are replaced with the precharge signals / PCE1 and / PCE2. Below, only a different part from 5th Embodiment is demonstrated.

まず、シングルエンドモードについて説明する。制御回路18は、プリチャージ信号/PCE1をローレベルとしてアサートする。これにより、プリチャージ回路80−1は、キャパシタ30−1を概略電源電圧VDDまで充電する。   First, the single end mode will be described. The control circuit 18 asserts the precharge signal / PCE1 as a low level. Thereby, precharge circuit 80-1 charges capacitor 30-1 to approximately power supply voltage VDD.

続いて、読み出し信号RD1がハイレベルとしてアサートされる。これにより、電源線33の読み出し電圧VR1に応じて、グローバルビット線GBLが放電される。その後、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされ、センスアンプ72は、メモリセルのデータを検知する。   Subsequently, the read signal RD1 is asserted as a high level. Thereby, the global bit line GBL is discharged according to the read voltage VR1 of the power supply line 33. Thereafter, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level, and the sense amplifier 72 detects data in the memory cell.

MTJ素子が平行状態である場合、読み出し電流が大きく、MTJ素子が反平行状態である場合、読み出し電流が小さい。よって、MTJ素子が平行状態である場合、出力信号OUTがデータ“0”となり、MTJ素子が反平行状態である場合、出力信号OUTがデータ“1”となる。最終的に、出力信号OUTが読み出しデータとして外部に出力される。   When the MTJ element is in a parallel state, the read current is large, and when the MTJ element is in an antiparallel state, the read current is small. Therefore, when the MTJ element is in a parallel state, the output signal OUT is data “0”, and when the MTJ element is in an antiparallel state, the output signal OUT is data “1”. Finally, the output signal OUT is output to the outside as read data.

(自己参照モード)
次に、自己参照モードについて説明する。自己参照モードでは、放電時に、読み出し電圧VR2(<VR1)が用いられる。制御回路18は、プリチャージ信号/PCE2をローレベルとしてアサートする。これにより、プリチャージ回路80−2は、キャパシタ30−2を概略電源電圧VDDまで充電する。
(Self-referencing mode)
Next, the self reference mode will be described. In the self-reference mode, the read voltage VR2 (<VR1) is used during discharge. The control circuit 18 asserts the precharge signal / PCE2 as a low level. As a result, the precharge circuit 80-2 charges the capacitor 30-2 to the approximate power supply voltage VDD.

続いて、読み出し信号RD2がハイレベルとしてアサートされる。これにより、電源線34の読み出し電圧VR2に応じて、グローバルビット線GBLが放電される。その後、センスアンプイネーブル信号/SEがローレベルとしてアサートされ、センスアンプ72は、メモリセルのデータを検知する。   Subsequently, the read signal RD2 is asserted as a high level. As a result, the global bit line GBL is discharged according to the read voltage VR2 of the power supply line. Thereafter, the sense amplifier enable signal / SE is asserted as a low level, and the sense amplifier 72 detects data in the memory cell.

図27は、読み出し動作におけるグローバルビット線GBLの放電の様子を説明する図である。図27(a)の横軸が時間、縦軸がキャパシタ30−1の電圧である。図27(b)の横軸が時間、縦軸がキャパシタ30−2の電圧である。   FIG. 27 is a diagram for explaining how the global bit line GBL is discharged in the read operation. In FIG. 27A, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage of the capacitor 30-1. In FIG. 27B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage of the capacitor 30-2.

図27(a)に示すように、読み出し電圧VR1を用いて平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−1を放電した場合、時刻T1において、キャパシタ30−1の電圧(配線41の電圧に対応する)は、電圧Vp1となる。読み出し電圧VR1を用いて反平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−1を放電した場合、時刻T1において、キャパシタ30−1の電圧は、電圧Vap1(>Vp1)となる。   As shown in FIG. 27A, when a read current is supplied to the MTJ element in a parallel state using the read voltage VR1, and the capacitor 30-1 is discharged by this read current, the voltage of the capacitor 30-1 at time T1. (Corresponding to the voltage of the wiring 41) is the voltage Vp1. When a read current is supplied to the anti-parallel MTJ element using the read voltage VR1, and the capacitor 30-1 is discharged by this read current, the voltage of the capacitor 30-1 is the voltage Vap1 (> Vp1) at time T1. Become.

図27(b)に示すように、読み出し電圧VR2を用いて平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−2を放電した場合、時刻T2において、キャパシタ30−2の電圧(配線75の電圧に対応する)は、電圧Vp2となる。読み出し電圧VR2を用いて反平行状態のMTJ素子に読み出し電流を流し、この読み出し電流によりキャパシタ30−2を放電した場合、時刻T2において、キャパシタ30−2の電圧は、電圧Vap2(>Vp2)となる。   As shown in FIG. 27B, when a read current is supplied to the MTJ element in parallel using the read voltage VR2, and the capacitor 30-2 is discharged by this read current, the voltage of the capacitor 30-2 at time T2. (Corresponding to the voltage of the wiring 75) is the voltage Vp2. When a read current is supplied to the MTJ element in the antiparallel state using the read voltage VR2, and the capacitor 30-2 is discharged by this read current, the voltage of the capacitor 30-2 is the voltage Vap2 (> Vp2) at time T2. Become.

すなわち、MTJ素子が平行状態の場合、シングルエンドモードにおける電圧Vp1は、自己参照モードにおける電圧Vp2より低くなる。一方、MTJ素子が反平行状態の場合、シングルエンドモードにおける電圧Vap1は、自己参照モードにおける電圧Vap2より高くなる。これにより、MTJ素子が平行状態である場合、出力信号OUTがデータ“0”となり、MTJ素子が反平行状態である場合、出力信号OUTがデータ“1”となる。最終的に、出力信号OUTが読み出しデータとして外部に出力される。   That is, when the MTJ element is in the parallel state, the voltage Vp1 in the single end mode is lower than the voltage Vp2 in the self-reference mode. On the other hand, when the MTJ element is in the antiparallel state, the voltage Vap1 in the single end mode is higher than the voltage Vap2 in the self-reference mode. Thus, when the MTJ element is in a parallel state, the output signal OUT becomes data “0”, and when the MTJ element is in an antiparallel state, the output signal OUT becomes data “1”. Finally, the output signal OUT is output to the outside as read data.

時刻T1が読み出し電圧VR1のパルス幅に対応し、時刻T2が読み出し電圧VR2のパルス幅に対応する。上記のように読み出し電圧VR1と読み出し電圧VR2との大きさ、及びこれらのパルス幅を設定することで、MTJ素子の平行状態と反平行状態とを正確に判別することができる。   Time T1 corresponds to the pulse width of the read voltage VR1, and time T2 corresponds to the pulse width of the read voltage VR2. By setting the magnitudes of the read voltage VR1 and the read voltage VR2 and their pulse widths as described above, it is possible to accurately determine the parallel state and antiparallel state of the MTJ element.

[3]第7実施形態の効果
第7実施形態によれば、グローバルビット線GBLが所定時間(時刻T1、T2)だけ放電された後の電圧を用いて、メモリセルMCのデータを読み出すことができる。それ以外の効果は、第5実施形態と同じである。
[3] Effects of Seventh Embodiment According to the seventh embodiment, data in the memory cell MC is read using a voltage after the global bit line GBL is discharged for a predetermined time (time T1, T2). it can. The other effects are the same as in the fifth embodiment.

なお、上記各実施形態で示したMRAMは、STT−MRAM(spin transfer torque型magnetoresistive random access memory)であってもよい。   Note that the MRAM shown in each of the above embodiments may be an STT-MRAM (spin transfer torque type magnetoresistive random access memory).

また、上記各実施形態では、半導体記憶装置として、磁気抵抗効果素子を用いたMRAMを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、MRAMと同様の抵抗変化型のメモリ、例えばReRAM(Resistive Random Access Memory)、PCRAM(Phase-Change Random Access Memory)などにも適用可能である。   In each of the above embodiments, the MRAM using the magnetoresistive effect element is described as an example of the semiconductor memory device. However, the present invention is not limited to this, and a resistance change type memory similar to the MRAM, for example, The present invention is also applicable to ReRAM (Resistive Random Access Memory), PCRAM (Phase-Change Random Access Memory), and the like.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…半導体記憶装置、11…メモリセルアレイ、12…ロウデコーダ、13…カラムデコーダ、14…カラム制御回路、15…ECC回路、16…入出力回路、17…アドレスレジスタ、18…制御回路、19…電圧発生回路、20…バス、21,22…カラム選択回路、23…書き込み回路、24…読み出し回路、25…読み出しドライバ、26…データバッファ、27…MTJ素子、28…セルトランジスタ、30…キャパシタ、50…データ判定回路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor memory device, 11 ... Memory cell array, 12 ... Row decoder, 13 ... Column decoder, 14 ... Column control circuit, 15 ... ECC circuit, 16 ... Input / output circuit, 17 ... Address register, 18 ... Control circuit, 19 ... Voltage generating circuit, 20 ... bus, 21, 22 ... column selection circuit, 23 ... write circuit, 24 ... read circuit, 25 ... read driver, 26 ... data buffer, 27 ... MTJ element, 28 ... cell transistor, 30 ... capacitor, 50: Data determination circuit.

Claims (14)

可変抵抗素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビット線及びソース線と、
第1読み出し動作において、第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する第1ドライバと、
前記第1読み出し動作の後の第2読み出し動作において、前記第1読み出し電圧と異なる第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する第2ドライバと、
前記ビット線に接続されたキャパシタと、
前記ソース線に前記第1読み出し電圧が印加されてから、前記ビット線の電圧が第1電圧になるまでの第1時間を求める読み出し回路と、
前記第1読み出し動作において、前記第1時間を用いて前記メモリセルのデータを判定する判定回路と
を具備し、
前記読み出し回路は、前記第1読み出し動作により読み出されたデータがエラーである場合、前記ソース線に前記第2読み出し電圧が印加されてから、前記ビット線の電圧が前記第1電圧になるまでの第2時間を求め、
前記判定回路は、前記第2読み出し動作において、前記第1時間及び前記第2時間を用いて前記メモリセルのデータを判定する
半導体記憶装置。
A memory cell including a variable resistance element;
A bit line and a source line connected to the memory cell;
A first driver for applying a first read voltage to the source line in a first read operation;
A second driver for applying a second read voltage different from the first read voltage to the source line in a second read operation after the first read operation;
A capacitor connected to the bit line;
A read circuit for obtaining a first time from when the first read voltage is applied to the source line until the voltage of the bit line becomes the first voltage;
A determination circuit for determining data of the memory cell using the first time in the first read operation;
When the data read by the first read operation is an error, the read circuit applies the second read voltage to the source line until the voltage of the bit line becomes the first voltage. For the second hour of
The determination circuit determines data of the memory cell by using the first time and the second time in the second read operation.
前記判定回路は、
前記第1読み出し動作時に、前記第1時間と、参照データとを比較して、前記メモリセルのデータを判定し、
前記第2読み出し動作時に、前記第1時間と、前記第2時間とを比較して、前記メモリセルのデータを判定する
請求項1に記載の半導体記憶装置。
The determination circuit includes:
During the first read operation, the first time is compared with reference data to determine data of the memory cell;
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein during the second read operation, the data of the memory cell is determined by comparing the first time with the second time.
前記第1時間をデータとして格納する第1レジスタと、
前記第2時間をデータとして格納する第2レジスタと
をさらに具備する
請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。
A first register for storing the first time as data;
The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: a second register that stores the second time as data.
前記第1及び第2読み出し動作のそれぞれにおいて、クロック信号をカウントし、第1及び第2カウント値を出力するカウンタをさらに具備し、
前記第1カウント値は、前記第1時間に対応し、
前記第2カウント値は、前記第2時間に対応する
請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。
In each of the first and second read operations, the counter further includes a counter that counts clock signals and outputs first and second count values,
The first count value corresponds to the first time,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second count value corresponds to the second time.
前記ビット線の電圧と、参照電圧とを比較するコンパレータをさらに具備し、
前記カウンタは、前記コンパレータの出力に応じてカウント動作を停止する
請求項4に記載の半導体記憶装置。
A comparator for comparing the voltage of the bit line with a reference voltage;
The semiconductor memory device according to claim 4, wherein the counter stops a counting operation according to an output of the comparator.
前記読み出し回路は、
第2電圧と、前記ビット線の電圧とを比較する第1コンパレータと、
前記第2電圧より高い第3電圧と、前記ビット線の電圧とを比較する第2コンパレータと
を含み、
前記第1読み出し動作における前記第1及び第2コンパレータの出力は、前記第1時間に対応し、
前記第2読み出し動作における前記第1及び第2コンパレータの出力は、前記第2時間に対応する
請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。
The readout circuit includes
A first comparator for comparing a second voltage with the voltage of the bit line;
A third comparator that compares a third voltage higher than the second voltage with the voltage of the bit line;
The outputs of the first and second comparators in the first read operation correspond to the first time,
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein outputs of the first and second comparators in the second read operation correspond to the second time.
可変抵抗素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビット線及びソース線と、
第1読み出し動作において、第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する第1ドライバと、
前記第1読み出し動作の後の第2読み出し動作において、前記第1読み出し電圧と異なる第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する第2ドライバと、
前記ビット線に接続されたキャパシタと、
前記ビット線に接続された入力端子を有し、第1PMOSトランジスタ及び第1NMOSトランジスタを有する第1インバータ回路と、
前記ビット線に接続された入力端子を有し、第2PMOSトランジスタ及び第2NMOSトランジスタを有する第2インバータ回路と、
前記第1及び第2インバータ回路の出力信号を用いて、前記メモリセルのデータを判定する判定回路と
を具備し、
前記第2PMOSトランジスタのサイズは、前記第1PMOSトランジスタのサイズより大きい
半導体記憶装置。
A memory cell including a variable resistance element;
A bit line and a source line connected to the memory cell;
A first driver for applying a first read voltage to the source line in a first read operation;
A second driver for applying a second read voltage different from the first read voltage to the source line in a second read operation after the first read operation;
A capacitor connected to the bit line;
A first inverter circuit having an input terminal connected to the bit line and having a first PMOS transistor and a first NMOS transistor;
A second inverter circuit having an input terminal connected to the bit line and having a second PMOS transistor and a second NMOS transistor;
A determination circuit for determining data of the memory cell using output signals of the first and second inverter circuits;
The size of the second PMOS transistor is larger than the size of the first PMOS transistor.
前記第2NMOSトランジスタのサイズは、前記第1NMOSトランジスタのサイズより小さい
請求項7に記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 7, wherein a size of the second NMOS transistor is smaller than a size of the first NMOS transistor.
可変抵抗素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビット線及びソース線と、
第1読み出し動作において、第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する第1ドライバと、
前記第1読み出し動作の後の第2読み出し動作において、前記第1読み出し電圧と異なる第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する第2ドライバと、
前記ビット線に接続されたキャパシタと、
前記ビット線に接続された入力端子を有し、第1PMOSトランジスタ及び第1NMOSトランジスタを有する第1インバータ回路と、
前記ビット線に接続された入力端子を有し、第2PMOSトランジスタ及び第2NMOSトランジスタを有する第2インバータ回路と、
前記第1及び第2インバータ回路の出力信号を用いて、前記メモリセルのデータを判定する判定回路と
を具備し、
前記第2NMOSトランジスタのサイズは、前記第1NMOSトランジスタのサイズより小さい
半導体記憶装置。
A memory cell including a variable resistance element;
A bit line and a source line connected to the memory cell;
A first driver for applying a first read voltage to the source line in a first read operation;
A second driver for applying a second read voltage different from the first read voltage to the source line in a second read operation after the first read operation;
A capacitor connected to the bit line;
A first inverter circuit having an input terminal connected to the bit line and having a first PMOS transistor and a first NMOS transistor;
A second inverter circuit having an input terminal connected to the bit line and having a second PMOS transistor and a second NMOS transistor;
A determination circuit for determining data of the memory cell using output signals of the first and second inverter circuits;
The size of the second NMOS transistor is smaller than the size of the first NMOS transistor.
前記判定回路は、
前記第1読み出し動作時に、前記出力信号と、参照データとを比較して、前記メモリセルのデータを判定し、
前記第2読み出し動作時に、前記第1読み出し動作における第1出力信号と、前記第2読み出し動作における第2出力信号とを比較して、前記メモリセルのデータを判定する
請求項7乃至9のいずれかに記載の半導体記憶装置。
The determination circuit includes:
During the first read operation, the output signal is compared with reference data to determine data of the memory cell;
The data of the memory cell is determined by comparing the first output signal in the first read operation and the second output signal in the second read operation during the second read operation. A semiconductor memory device according to claim 1.
可変抵抗素子を含むメモリセルと、
前記メモリセルに接続されたビット線及びソース線と、
第1読み出し動作において、第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する第1ドライバと、
前記第1読み出し動作の後の第2読み出し動作において、前記第1読み出し電圧と異なる第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する第2ドライバと、
前記ビット線に接続されたキャパシタと、
前記ビット線に接続された入力端子を有し、前記ビット線の電圧が第1電圧になった場合に第1論理レベルを出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路の出力端子に接続された第1入力端子と、クロック信号を受ける第2入力端子とを有するANDゲートと、
前記ANDゲートの出力をカウントするカウンタと、
前記カウンタのカウント値を用いて、前記メモリセルのデータを判定する判定回路と
を具備する半導体記憶装置。
A memory cell including a variable resistance element;
A bit line and a source line connected to the memory cell;
A first driver for applying a first read voltage to the source line in a first read operation;
A second driver for applying a second read voltage different from the first read voltage to the source line in a second read operation after the first read operation;
A capacitor connected to the bit line;
An inverter circuit having an input terminal connected to the bit line, and outputting a first logic level when the voltage of the bit line becomes a first voltage;
An AND gate having a first input terminal connected to the output terminal of the inverter circuit and a second input terminal for receiving a clock signal;
A counter that counts the output of the AND gate;
A semiconductor memory device comprising: a determination circuit that determines data of the memory cell using a count value of the counter.
前記判定回路は、
前記第1読み出し動作時に、前記カウント値と、参照データとを比較して、前記メモリセルのデータを判定し、
前記第2読み出し動作時に、前記第1読み出し動作における第1カウント値と、前記第2読み出し動作における第2カウント値とを比較して、前記メモリセルのデータを判定する
請求項11に記載の半導体記憶装置。
The determination circuit includes:
During the first read operation, the count value and reference data are compared to determine data of the memory cell;
12. The semiconductor according to claim 11, wherein, during the second read operation, data of the memory cell is determined by comparing a first count value in the first read operation and a second count value in the second read operation. Storage device.
前記第2読み出し電圧は、前記第1読み出し電圧より高い
請求項1乃至12のいずれかに記載の半導体記憶装置。
The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second read voltage is higher than the first read voltage.
前記第1読み出し電圧を前記ソース線に印加する前、及び前記第2読み出し電圧を前記ソース線に印加する前に、前記キャパシタを放電する放電素子をさらに具備する
請求項1乃至13のいずれかに記載の半導体記憶装置。
The discharge element which discharges the capacitor before applying the first read voltage to the source line and applying the second read voltage to the source line is further provided. The semiconductor memory device described.
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