JP3817447B2 - Memory circuit block - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は電流駆動によってデータの書き込みを行う記憶回路ブロック及び記憶方法に関する。特に、データを書き込むべき記憶セルの属するビット・ラインを接続することによって、複数の記憶セルのデータ書き込みのために一つの電流パスを共用する記憶回路ブロック及び記憶方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセス記憶装置に関し、図7に、従来からのメモリ・セルの側面図を示す。
【0003】
図7には1KビットのMRAMチップと512ビットのMRAMチップに使用される従来からの1T(1Transistor)1MTJ( 1 Magnetic Tunnel Junction 磁気接合素子)タイプのメモリ・セル700が示されている。
【0004】
MTJ素子728は、磁化の向きが固定された強磁性体の層である固定磁性層726と、トンネル電流を通す絶縁層であるトンネル・バリアー724と、外部からの磁化の向きによって磁化の向きが変化する強磁性体の層である自由強磁性層722とを含む、少なくとも3層の薄いフィルムからなるデータ不揮発性の記憶素子である(ただし自由強磁性層722と固定磁性層726の位置は逆でもよい)。
【0005】
MTJ素子728に電気的に接続されたビット・ライン744は、読み出し動作及び書き込み動作用のラインとして使用される。図中のMX、V2、M2、V1、M1、CAで構成される第1の配線構造体717を介して、MTJ素子728とMOSFET718のドレイン(D)の拡散領域nとが接続されている。なお、MX、M1及びM2は金属線層であり、V1、V2及びCAは、絶縁層に穴(ビア・ホール)を空け、その穴に胴体を埋め込んだ物である。MOSFET718のゲートは読み出しワード・ライン720になっており、読み出し動作時にこの読み出しワード・ライン720に電圧が印加されることによって、MOSFET718がオンになる。これにより、ビット・ライン744からアース731までの電流経路がMTJ素子728を介して形成される。
【0006】
MTJ素子728の抵抗は、固定磁性層726の磁化の向きに対する自由強磁性層722の磁化の向きによって決定され、MTJ素子728の抵抗に流れる読み出し電流の値か、その抵抗と電流によって決定される電圧値によって、MTJ素子728に記憶されたデータが読み出される。例えば固定磁性層726の磁化の向きに対する自由強磁性層722の磁化の向きが同じであれば「0」であり、反対であれば「1」である。
【0007】
このような典型的な1T1MTJタイプのセルに対して、ツイン・セルと呼ばれるセルが知られている。
【0008】
図8は、従来知られている、2T2MTJ(2Transistor 2Magnetic Tunnel Junction)タイプのメモリ・セル、いわゆるツイン・セル800を示した図である。これは2個のMTJ素子と2個のトランジスタを用いたMRAMの記憶セルであり、一つの記憶回路の原理は図7と同じであるため図7と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。なお、隣接する記憶回路の構成要素の符号には「’」を付して記憶回路を区別している。このタイプのメモリ・セルの特徴は、一つのセルについて記憶回路に対応する数のビット・ラインがあることである。
【0009】
このタイプのメモリ・セルは、例えば、書き込み電流経路をループ状に構成し、セル内の隣接する記憶回路に逆向きに電流を流してそれぞれの記憶回路に互いに逆のデータを書き込むことができる。また、それによってノイズの大きさを抑制することができる。つまり、実質的に同一電流値で倍の駆動能力を有するものである。読み出しの際には、Tビット・ライン(true bit line)とCビット・ライン(complement bit line)のそれぞれにそれぞれの記憶回路から互いに逆のデータを差動信号として取り出すので、読み出し信号が1T1MTJセルの2倍となり、ノイズに強い読み出しができる。もっとも、電流経路がループに構成されている必要はなく、Tビット・ライン744とCビット・ライン744’とに逆向きに電流が流れれば書き込みを行うことができる。
【0010】
図9は、このツイン・セルを使ったMRAMの記憶ブロックの構成図である。この書込回路においては、行に対応するライト用ワード・ライン716に駆動電流IWLが流れ、かつ、列に対応するビット・ラインの双方に電流が流れた時にその交点の記憶セルに発生する磁界の向きによって、データが書き込まれる。
ここで、ビット・ラインを流れる電流の向きによって、論理データ「0」と「1」が書き分けられる。
【0011】
図9においては、図右側の書込電流駆動回路910と接続されているビット・ライン744、744’はループ状に接続されているので、Tビット・ライン744の電流の向きとCビット・ライン744’の電流の向きは、セル800に対して逆向きになっている。
【0012】
この構成においては、例えば、図示するとおり、Tビット・ライン744からCビット・ライン744’へ向かう向きに電流が流れた場合には、「1」が書き込まれ、逆の場合(図左側)には「0」が書き込まれるようにすることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図9のような構成では、例えば、同一カラムアドレスに属する複数のデータ・ビットに同時にデータを書き込む場合、ビット・ラインごとに電流を流す必要があるので、書き込みに必要な電流が大きくなるという課題がある。
【0014】
例えば、1KbitのMRAMでは、所望の磁界を得て安定的な書き込みを行うためにビット・ラインに流すのに必要な電流は、10mA程度であることがわかっている。
【0015】
よって、複数ビットのデータを同時に書き込む場合、従来の半導体記憶装置のようにそれぞれのビットのデータに応じて駆動回路を用意すると、nビットのデータを書き込むにはそのn倍の電流が必要となる。例えば、ワード長が64ビットともなれば書き込みに必要な電流は600mAを越えてしまう。
【0016】
この値はかなり大きなものであり、しかも、この値は平均電流値であるので、ピーク電流はその何倍かになり、電流の時間的変化も大きい。さらに、このことは、突入電流によるノイズの発生や電源回路の負担の増大を引き起こすことになる。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る記憶回路ブロックは、第1のビット・ラインと第2のビット・ラインとを含む複数のビット・ライン対と、ビット・ライン対に流れる電流の向きに応じて情報を記憶する複数の記憶セルと、ビット・ライン対の少なくとも一つに接続され、第1のビット・ラインと第2のビット・ラインとに互いに逆向きの電流を流す少なくとも一つの電流駆動源と、ビット・ライン対とビット・ライン対とを接続する少なくとも一つのスイッチ回路と、記憶セルに記憶させる情報に応じて前記スイッチ回路の接続状態を制御する制御回路とを含んでいる。
【0018】
本発明に係る記憶回路ブロックは、ビット・ライン対同士の接続を直列に接続してもよく、ビット・ラインの電流経路をループ状に構成してもよい。
【0019】
本発明に係る記憶回路ブロックは、ビット・ライン対における第1のビット・ラインと第2のビット・ラインの終端を接続した電流経路を一単位として直列に接続してもよい。
【0020】
また、本発明に係る記憶回路ブロックは、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子に情報を記憶するものであってもよい。
【0021】
また、記憶セルは、1ビットにつき2個のMTJを含むいわゆるツイン・セル構成としてもよい。
【0022】
本発明に係る記憶方法は、第1のビット・ラインと第2のビット・ラインとを含む複数のビット・ライン対の少なくとも一つに接続され、前記第1のビット・ラインと前記第2のビット・ラインとに互いに逆向きの電流を流す少なくとも一つの電流駆動源と、ビット・ライン対を接続するスイッチ回路とスイッチ回路を制御するスイッチ回路制御回路とを含む記憶回路ブロックによって、前記ビット・ライン対に流れる電流の向きに応じて情報が記憶される複数の記憶セルに対して情報を記憶する方法であって、記憶セルを選択するステップと、選択された前記記憶セルに記憶させる情報に応じてスイッチ回路の接続状態を制御するステップと、スイッチ回路が、ビット・ライン対とビット・ライン対とを接続するステップと、電流駆動源と接続された第1のビット・ライン及び第2のビット・ラインに対して電流が逆向きに流れるように電流駆動源が電流を流すステップとを含む。
【0023】
【発明の実施の形態】
電流によって磁場を発生させその磁場の向きによって情報の書き込みを行う磁気ランダムアクセス記憶装置(Magnetic Random Access Memory:MRAM)における駆動電流の低減のための回路及び方法に関する実施の形態を説明する。
【0024】
この実施の形態は、例えば、ワード長が8ビット、16ビット、・・・64ビット、128ビット等と長い多ビット構成の例えばMRAMのようなメモリ・アレイを構成した場合に書き込みのための電流を低減する回路及びMRAMへの記憶方法である。
【0025】
本発明は、データを書き込むべき記憶セルの属するビット・ラインを互いに直列に接続することによって、複数の記憶セルのデータ書き込みに一つの電流パスを共用することにある。ただし、セルごとに任意のデータを書き込む必要があるので、接続の仕方を書き込むべきデータによって制御するものである。
【0026】
図1は、本発明の実施の一形態を示す記憶ブロック10の構成図である。図1には、ビット・ラインの直列接続の仕方と接続を切り替えるスイッチの配置の一例が示されている。
【0027】
図1においては、書込電流駆動回路12から見て0番目のビット・ライン対と、K−1番目のビット・ライン対とK番目のビット・ライン対とがスイッチ部20bを介して接続されているビット・ライン・ペア接続部18と、n−1番目のビット・ライン対の最終段とが記載されている。
【0028】
途中の接続状態は同じものの繰り返しになるため途中を省略しつつCビット・ライン14及びTビット・ライン15の対をそれぞれ接続するスイッチ部20a及び20cが表されている。
【0029】
なお、図1においては、0番目から番号を振っている。また、図1には、同時にデータが書き込まれるデータ・ビットに対応する同一カラム・アドレスに属するビット線と記憶セルの一部及び書込に関わる回路のみが明示されている。
【0030】
記憶ブロック10においては、書込電流駆動回路12とCビット・ライン(Complement)14及びTビット・ライン(True)15の対の一端とが接続されている。Tビット・ライン15とCビット・ライン14とは、電流の向きは互いに相補関係にある。
【0031】
Cビット・ライン14及びTビット・ライン15の対の他端はスイッチを介して、さらにCビット・ライン14及びTビット・ライン15とが接続されることになる。
【0032】
ビット・ライン対(ペア)の接続部18を経たn−1番目の最終段においてはCビット・ライン14及びTビット・ライン15とは末端が接続されている。
【0033】
記憶ブロック10は、n−1番目のCビット・ライン14及びTビット・ライン15が終端で接続されることで、書込電流駆動回路12との間で電流が環流するように構成されている。
【0034】
もちろん、n−1番目のビット・ライン対の終端を接続せずに2個目の電流駆動回路を設けて、電流源を補強してもよい。
【0035】
かかる構成の下、図1における記憶ブロック10の動作を説明する。
図1において、Tビット・ライン15に図の下向きに電流が流れる場合に選択された記憶セルに1が書かれるとする。
スイッチは偶数番号のついたビット・ライン対とそれより1大きい番号のついたビット・ライン対との間では記憶されるアレイの下側に配置され、奇数番号のついたビット・ライン対とそれより1大きい番号のついたビット・ライン対との間では記憶セルアレイの上側に配置されるものとする。
【0036】
書き込みのための電流を駆動する回路、すなわち書込電流駆動回路12は、番号0を持つビット・ライン対の外側にあり、番号0を持つビット・ライン上にあって選択された記憶セルに0を書くか1を書くかによって、電流を送り出す信号線が決まり、他方の線からは電流を吸い込むことになる。
【0037】
この配置で、書き込み電流駆動回路から送り出される電流は、偶数番号を持つビット・ライン対には上から下に流れ、奇数番号を持つビット・ライン対には下から上に流れることになる。書込電流駆動回路12に吸い込まれる電流はその逆となる。
【0038】
図2は、図1の記憶ブロック10のうち、ビット・ラインペア接続部18を表した図である。K-1番目のビット・ライン対及びK番目のビット・ライン対がスイッチ部20bを介して接続されている。
図2においては、k−1番目のCビット・ライン14をCビット・ライン14−1、k番目のCビット・ラインをCビット・ライン15−2、k−1番目のTビット・ライン15をTビット・ライン15−1、k番目のTビット・ラインをTビット・ライン14−2のように符号付けして説明する。
【0039】
ワード・ライン26、16、28のうち、ワード・ライン16に流れる電流と、ビット・ライン対に流れる電流が交差するメモリ・セル22、24にデータが書き込まれる。
【0040】
偶数番号kを持つビット・ライン上にあって選択された記憶セル22に0を書き、番号k−1を持つビット・ライン上にあって選択された記憶セル24に1を書くとする。
【0041】
この場合、偶数番号kを持つビット・ライン上にあって選択された記憶セル22の属するビット・ライン対のうちのCビット・ライン15−2に下向きに電流を流しTビット・ライン14−2には上向きに電流を流す必要があるので、このCビット・ラインには書込電流駆動回路(図1の書込電流駆動回路12)から送り出される電流を流す必要がある。
【0042】
一方、番号k−1を持つビット・ライン上にあっては選択された記憶セル24の属するビット・ライン対のうちのCビット・ライン14−1には上向きに電流を流しTビット・ライン15−1には下向きに電流を流す必要があるので、このCビット・ライン14−1にも書き込み電流駆動回路12から送り出される電流が流れる。
【0043】
従って、k-1番目のビット・ライン対と、k番目のビット・ライン対との間のスイッチ20bは、Cビット・ライン14−1(BLCK-1)とCビット・ライン15−2(BLCk)とをつなぎTビット・ライン15−1(BLTkー1)とTビットライン14−2(BLTk)とをつなぐことになる。
【0044】
記憶セル22と記憶セル24に書き込むデータの組み合わせは4通りしかないので、他の3通りの場合も同様に考えると、記憶セル22と記憶セル24に異なるデータを書き込む場合にはTビット・ライン同士及びCビット・ライン同士をつなぎ、同じデータを書き込む場合にはTビット・ラインとCビット・ラインをつなげばよいことがわかる。
【0045】
以上は奇数番号を持つビット・ライン対とそれより1大きい番号を持つビット・ライン対との間のスイッチの場合であるが、偶数番号を持つビット・ライン対とそれより1大きい番号を持つビット・ライン対との間のスイッチの場合も同様の制御でよいことがわかる。
【0046】
図3は、本発明の他の実施の一形態である記憶回路ブロック30の構成図である。
図3における記憶ブロック30においては、Cビット・ライン14及びTビット・ライン15の対については、終端を接続したループを一単位として構成されている。
図3においては、書込電流駆動回路12から見て0番目のビット・ライン対と、K−1番目のビット・ライン対とK番目のビット・ライン対とがスイッチ部36cを介して接続されているビット・ライン・ペア接続部40と、n−1番目の最終段とが記載されている。途中を省略しつつCビット・ライン14及びTビット・ライン15の対をそれぞれ接続するスイッチ部36b又は36dも表されている。
【0047】
なお、図3においても、図1と同様に、0番目から番号を振っている。また、図3においても、図1と同様に同時にデータが書き込まれるデータ・ビットに対応する同一カラム・アドレスに属するビット線と記憶セルの一部及び書込に関わる回路のみが明示されている。
【0048】
書込電流駆動回路12の一端と0番目のCビット・ライン14又はTビット・ライン15とはスイッチ部36aにより切り替え可能な状態で接続されている。また、書込電流駆動回路12の他端とn−1番目のCビット・ライン14又はTビット・ライン15とは、スイッチ部36eにより切り替え可能な状態で接続されている。
【0049】
1番目からn−1番目のCビット・ライン14及びTビット・ライン15の対については、終端を接続したループを一単位として、Cビット・ライン14及びTビット・ライン15の対同士がスイッチを介して接続されている。
【0050】
また、最終段のビット・ライン対もスイッチ部36dに接続されているが、途中の接続状態は繰り返しになるため図1と同じように省略されている。
【0051】
かかる構成の下、図3における記憶ブロック30の動作を説明する。
今、ワード・ライン16に電流が流れるとすると、ワード・ラインと電流が流れるビットライン対との交差する点にデータが書き込まれる。
【0052】
ビット・ライン対は下端でT側とC側が接続されているので、Tビット・ライン15から電流が流れ込み、Cビット・ライン14から電流が流れ出ていく場合に、選択された記憶セルに1が書かれ、その逆の場合に0が書かれる。
【0053】
ここで、番号k−1を持つビット・ライン対と番号kを持つビット・ライン対との間のスイッチ部36cをスイッチSWkと呼び、書き込み電流駆動回路と番号0を持つビット・ライン対との間のスイッチ部36aをSW0、番号n−1を持つビット・ライン対と書込電流駆動回路12との間のスイッチ部36dをSWnと呼ぶことにする。
【0054】
書込電流駆動回路12はどのようなデータを書く場合も、下側の端子から電流を送り出し、上側の端子から電流を吸い込むとする。
以上の設定の下で、スイッチ部36a(SW0)をどちらに倒すかは、番号0を持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに0を書くか1を書くかによって決まる。
【0055】
スイッチ部36c(SWk)の制御は番号k−1を持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに書き込むデータと番号kを持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに書き込むデータとによって決まる。
【0056】
また、スイッチ部36e(SWn)をどちらに倒すかは、番号nを持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに0を書くか1を書くかによって決まる。このように、書き込むべきデータによって、各スイッチを制御することになる。
【0057】
図4は、図3の記憶ブロック30のうち、K-1番目のビット・ライン対及びK番目のビット・ライン対との接続を示すビット・ライン・ペア接続部40を表した図である。
【0058】
図4においては、k−1番目のCビット・ライン14をCビット・ライン14−1、k番目のCビット・ライン14をCビット・ライン14−2、k−1番目のTビット・ライン15をTビット・ライン15−1、k番目のTビット・ライン15をTビット・ライン15−2のように符号付けして説明する。
【0059】
番号kを持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに0を書き込み、番号k−1を持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに1を書き込む場合を考える。
【0060】
番号kを持つビット・ライン上にあって選択されいる記憶セルに0を書き込むことから、番号kを持つビット・ライン対ではCビット・ライン14−2から電流が流れ込み、Tビット・ライン15−2から電流が流れ出なければならない。
【0061】
電流は番号の若いビット・ライン対の方から流れてくるので、スイッチ部36c(SWk)ではCビット・ライン14−2(BLCk)がTビット・ライン15−1(BLTk-1)かCビット・ライン14−1(BLCk-1)につながらなければならない。
【0062】
一方、番号k-1を持つビット・ライン上にあって選択されている記憶セルに1を書き込むことから、番号k-1を持つビット・ライン対ではT側のビット・ラインから電流が流れ込み、C側のビット・ラインに電流が流れ出なければならない。
【0063】
以上から、スイッチ部36c(SWk)は、Cビット・ライン14−1(BLCk-1)とCビット・ライン14−2(BLCk)をつなぎ、Tビット・ライン15−1(BLTkー1)はTビット・ライン15−2(BLTk)ともCビット・ライン14−2(BLCk)ともつながないことになる。
【0064】
図5は、図1におけるスイッチ部20a、20b及び20cの具体回路図の例である。
図1においては、スイッチの接続の仕方は、隣り合う記憶セルに同じデータを書くか、異なるデータを書くかによって決まる。従って、スイッチの制御回路は隣り合うデータビットを入力とする一致回路(EXNOR)か、反一致回路(EXOR)を用いて構成できることになる。
【0065】
図5に示されたスイッチの具体回路は、排他的論理和回路510と否定回路520とを含むスイッチ回路用制御回路505と、MOSFET530乃至560を含むスイッチ回路525とで構成されている。
【0066】
以下、図5のスイッチは、図1及び図2におけるスイッチ部20bであるものとし、図2に示したビット・ラインと同じ符号のものは同じものとして説明する。
【0067】
スイッチ部20bは、k−1番目のデータ入力500及びk番目データ入力502の2入力排他的論理和回路と、排他的論理和回路の出力に接続され、当該出力を反転させる否定回路520と、排他的論理和回路510の出力をゲート入力としてCビット・ライン14−1と14−2とを接続するNMOSFET540及びTビット・ライン15−1と15−2とを接続するNMOSFET550と、否定回路520の出力をゲート入力としてCビット・ライン14−1とTビットライン15−2とを接続するNMOSFET530及びTビット・ライン15−1とCビット・ライン14−2とを接続するNMOSFET560によって構成される。
【0068】
データ入力500とデータ入力502とが一致している場合、排他的論理和回路の出力はLであるため否定回路520の出力がHとなる。よってこの場合には、Cビット・ライン14−1とTビット・ライン15−2とが接続され、Cビット・ライン14−2とTビット・ライン15−1とが接続される。
【0069】
その結果、図1におけるCビット・ライン14−1と14−2は電流の向きが同じになる。
【0070】
このように、スイッチ回路制御回路505によって、書き込むデータ次第でビット・ラインの接続状態を制御することができる。
【0071】
記憶セル22と記憶セル24とに書き込むデータの組み合わせは4通りしかないので、他の3通りの場合も同様に考えると、記憶セル22と記憶セル24に異なるデータを書き込む場合にはTビット・ライン同士及びCビット・ライン同士をつなぎ、同じデータを書き込む場合にはTビット・ラインとCビット・ラインをつなげばよいことがわかる。
【0072】
このことは、奇数番号を持つビット・ライン対とそれより1大きい番号を持つビット・ライン対との間のスイッチの場合であるが、偶数番号を持つビット・ライン対とそれより1大きい番号を持つビット・ライン対との間のスイッチの場合も同様の制御でよい。
【0073】
なお、スイッチは集積回路においては実際にはMOSトランジスタ等で構成されている。また、他のビット・ライン・ペア接続部についても、スイッチ回路部20bに限らず、スイッチ部20a、スイッチ部20cを実現する回路例は図5に示したもので実現可能である。
【0074】
図6は、図2におけるスイッチ部36b、36c及び36dの具体回路図の例である。図2においては、スイッチの両側のビット・ライン対に属する選択された記憶セルに書き込むデータの組み合わせで決まり、2ビットのデータをデコードする形になる。
【0075】
図6に示されたスイッチ部の具体回路は、否定回路604、606及び、論理積回路608乃至614とを含むスイッチ回路用制御回路603と、MOSFET630乃至660を含むスイッチ回路625とで構成されている。
【0076】
以下、図6のスイッチは、図3及び図4におけるスイッチ部36cであるものとし、図4に示したビット・ラインと同じ符号のものは同じものとして説明する。
【0077】
スイッチ部36cは、k−1番目のデータ入力600及びk番目データ入力602を入力として、これらの入力をそれぞれ反転させる否定回路604、606と、データ入力600、602又は、否定回路604、606によって反転された入力信号のいずれか二つの信号を入力とする論理積回路608乃至614と、論理積回路608の出力をゲート入力としてCビット・ライン14−1とTビット・ライン15−2とを接続するNMOSFET630と、論理積回路610の出力をゲート入力としてCビット・ライン14−1とCビット・ライン14−2とを接続するNMOSFET640と、論理積回路612の出力をゲート入力としてTビット・ライン15−1とTビット・ライン15−2とを接続するNMOSFET650と、論理積回路614の出力をゲート入力としてTビット・ライン15−1とCビット・ライン14−2とを接続するNMOSFET660とで構成される。
【0078】
なお、このスイッチ部は、データのデコーダとして機能しており、否定回路604及び606の出力は他のデータに関するデコーダと接続されている(図示せず)。
【0079】
かかるスイッチ部36cの動作を説明する。データ入力600及び602がいずれもLの場合には、論理積回路614の出力がHとなってNMOSFET660がオンとなり、いずれもHの場合には論理積回路608の出力がHとなってNMOSFET630がオンとなる。
【0080】
一方、データ入力600がHでデータ入力602がLの場合には、論理積回路610がHとなってNMOSFET640がオンとなり、逆の場合には、論理積回路612の出力がHとなってNMOSFET650がオンとなる。このようにして各データの組合せにより、ビット・ライン対の接続が決まっていくことになる。
【0081】
なお、スイッチは集積回路においては実際にはMOSトランジスタ等で構成されている。
【0082】
また、スイッチ部36cに限らずスイッチ部36b、36dの各回路を実現する回路例は図6に示したものでよい。
【0083】
以上のとおり、ビット・ライン対を直列に接続している実施の形態においては、電流駆動で書込を行うnビット構成の記憶装置の場合、書込電流がn分の1まで減らすことができる。
【0084】
なお、本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明は、これらの具体例に何ら限定されるものではない。例えば、直列接続ひとつとっても接続の方法にはいろいろな変化があり得る。また、何ビット分のビット・ライン対を直列接続するかについても様々な選択・変形があり得る。
【0085】
例えば、直列接続するビット・ライン対の数は、記憶装置全体として書き込みに許容される最大電流値や、ビット・ライン対とスイッチの抵抗値や、要求される書き込み速さや、記憶セルアレイの構成等によって決めることができる。また、1ワード64ビット構成の記憶装置の場合に16ビット分のビット・ラインを直接接続し、ライトのためのビット・ライン駆動回路を4個設ける等の変形も可能である。
【0086】
なお、上記の図では、MTJを記憶素子とするツイン・セルを例として説明しているが、本発明の記憶回路ブロック及び記憶方法においては、そのようなツイン・セルや複数の記憶素子を有する記憶セルに限定されない。要するに、一つの記憶セルに2本以上のライト用ビット・ラインがあり、それぞれの電流を制御できればどのような電流駆動型セルにも適用が可能である。
従って、特に特許請求の範囲の解釈においては、すべての請求項に記載した発明がツイン・セルに限定して解釈されるべきものではないのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る記憶ブロック10の構成図である。
【図2】 ビット・ライン・ペア接続部18を表した図である。
【図3】 本発明に係る記憶ブロックの他の実施例である記憶ブロック30の構成図である。
【図4】 ビット・ライン・ペア接続部40を表した図である。
【図5】 スイッチ回路の具体回路図である。
【図6】 スイッチ回路の具体回路図である。
【図7】 従来のメモリ・セルの側面図である。
【図8】 従来のツイン・セルの回路構成図である。
【図9】 従来のツイン・セルの記憶ブロックの構成図である。
【符号の説明】
10 記憶ブロック
12 書込電流駆動回路
14、15 ビット・ライン
16 ワード・ライン
18 ビット・ライン対(ペア)接続部
20a、20b、20c スイッチ部
22、24 記憶セル
26、28 ワード・ライン
30 記憶ブロック
36a、36b、36c、36d、36e スイッチ部
40 ビット・ライン対(ペア)接続部
500、502 データ入力
505 スイッチ回路用制御回路
525 スイッチ回路
530〜560 MOSFETスイッチ
600、602 データ入力
603 スイッチ回路用制御回路
625 スイッチ回路
630〜660 MOSFETスイッチ
700 メモリ・セル
713 第2の配線構造体
716 書込ワード・ライン
717 第1の配線構造体
718、718’ スイッチング素子(MOSFET)
720 読出ワード・ライン
722 自由強磁性層
724 トンネルバリアー
726 固定磁性層
728、728’ 記憶素子(MTJ素子)
730 絶縁領域
744、744’ ビット・ライン
800 ツイン・セル
910 書込電流駆動回路[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a memory circuit block and a memory method for writing data by current driving. In particular, the present invention relates to a memory circuit block and a memory method that share one current path for data writing of a plurality of memory cells by connecting bit lines to which memory cells to which data is to be written belong.
[0002]
[Prior art]
For a magnetic random access storage device, FIG. 7 shows a side view of a conventional memory cell.
[0003]
FIG. 7 shows a conventional 1T (1Transistor) 1MTJ (1 Magnetic Tunnel Junction)
[0004]
The
[0005]
A
[0006]
The resistance of the
[0007]
A cell called a twin cell is known for such a typical 1T1MTJ type cell.
[0008]
FIG. 8 is a diagram showing a conventionally known 2T2MTJ (2Transistor 2Magnetic Tunnel Junction) type memory cell, a so-called
[0009]
In this type of memory cell, for example, a write current path is configured in a loop shape, and a current is flown in an opposite direction to adjacent memory circuits in the cell to write data opposite to each other. Moreover, the magnitude of noise can be suppressed thereby. That is, it has a double driving capability at substantially the same current value. At the time of reading, data opposite to each other is taken out from each storage circuit as a differential signal in each of the T bit line (true bit line) and the C bit line (complement bit line), so that the read signal is 1T1MTJ cell. This makes it possible to read noise-resistant. However, the current path does not need to be configured as a loop, and writing can be performed if current flows through the T-
[0010]
FIG. 9 is a block diagram of the storage block of the MRAM using this twin cell. In this write circuit, when a drive current IWL flows through a
Here, logical data “0” and “1” are written separately depending on the direction of the current flowing through the bit line.
[0011]
In FIG. 9, since the
[0012]
In this configuration, for example, as shown in the figure, when a current flows in a direction from the
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the configuration as shown in FIG. 9, for example, when data is simultaneously written to a plurality of data bits belonging to the same column address, it is necessary to pass a current for each bit line, so that the current required for writing increases. There is a problem.
[0014]
For example, in a 1 Kbit MRAM, it is known that the current required to flow through the bit line in order to obtain a desired magnetic field and perform stable writing is about 10 mA.
[0015]
Therefore, when simultaneously writing a plurality of bits of data, if a driving circuit is prepared according to each bit of data as in a conventional semiconductor memory device, n times as much current is required to write n bits of data. . For example, if the word length is 64 bits, the current required for writing exceeds 600 mA.
[0016]
This value is quite large, and since this value is an average current value, the peak current is several times that and the temporal change in current is large. Further, this causes generation of noise due to inrush current and an increase in load on the power supply circuit.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A memory circuit block according to the present invention includes a plurality of bit line pairs including a first bit line and a second bit line, and a plurality of information for storing information according to the direction of current flowing in the bit line pairs. A plurality of memory cells, at least one current driving source connected to at least one of the bit line pair, and passing currents in opposite directions to the first bit line and the second bit line, and the bit line It includes at least one switch circuit for connecting the pair and the bit line pair, and a control circuit for controlling the connection state of the switch circuit in accordance with information stored in the memory cell.
[0018]
In the memory circuit block according to the present invention, the bit line pairs may be connected in series, and the current path of the bit lines may be configured in a loop.
[0019]
The memory circuit block according to the present invention may be connected in series with a current path connecting the end of the first bit line and the second bit line in the bit line pair as a unit.
[0020]
The storage circuit block according to the present invention may store information in an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element.
[0021]
The memory cell may have a so-called twin cell configuration including two MTJs per bit.
[0022]
The storage method according to the present invention is connected to at least one of a plurality of bit line pairs including a first bit line and a second bit line, and the first bit line and the second bit line are connected. By means of a memory circuit block comprising at least one current drive source for flowing currents in opposite directions to the bit line, a switch circuit for connecting the bit line pair and a switch circuit control circuit for controlling the switch circuit, the bit circuit A method of storing information for a plurality of storage cells in which information is stored according to the direction of current flowing in a line pair, comprising: selecting a storage cell; and storing information in the selected storage cell And controlling the connection state of the switch circuit in response, the switch circuit connecting the bit line pair and the bit line pair, and a current drive source, Current driving source so that a current flows in the opposite direction to the connection has been first bit line and second bit line comprises flowing a current.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments relating to a circuit and method for reducing drive current in a magnetic random access memory (MRAM) that generates a magnetic field by an electric current and writes information according to the direction of the magnetic field will be described.
[0024]
In this embodiment, for example, when a memory array such as an MRAM having a long word length of 8 bits, 16 bits,... Is a circuit for reducing data and a method for storing data in an MRAM.
[0025]
It is an object of the present invention to share a single current path for data writing of a plurality of memory cells by connecting in series the bit lines to which the memory cells to which data is to be written belong. However, since it is necessary to write arbitrary data for each cell, the connection method is controlled by the data to be written.
[0026]
FIG. 1 is a configuration diagram of a
[0027]
In FIG. 1, the 0th bit line pair, the (K-1) th bit line pair, and the Kth bit line pair as viewed from the write
[0028]
Since the connection state in the middle is the same, the
[0029]
In FIG. 1, numbers are assigned from the 0th. Further, FIG. 1 clearly shows only bit lines belonging to the same column address corresponding to data bits to which data is simultaneously written, a part of memory cells, and a circuit related to writing.
[0030]
In the
[0031]
The other end of the pair of the
[0032]
In the (n-1) th final stage through the
[0033]
The
[0034]
Of course, the current source may be reinforced by providing a second current driving circuit without connecting the terminal end of the (n-1) th bit line pair.
[0035]
With this configuration, the operation of the
In FIG. 1, it is assumed that 1 is written in the selected memory cell when a current flows through the
The switch is placed on the lower side of the stored array between even numbered bit line pairs and one higher numbered bit line pair, and odd numbered bit line pairs and It is assumed that it is arranged above the storage cell array between the bit line pair numbered by one more.
[0036]
A circuit for driving a current for writing, that is, a write
[0037]
With this arrangement, the current sent from the write current driving circuit flows from the top to the bottom for the even-numbered bit line pairs and from the bottom to the top for the odd-numbered bit line pairs. The current sucked into the write
[0038]
FIG. 2 is a diagram showing the bit / line
In FIG. 2, the k-1 th
[0039]
Of the word lines 26, 16, and 28, data is written into the
[0040]
Assume that 0 is written to the selected
[0041]
In this case, the selected memory cell on the bit line with even number k 22 C bit line of the bit line pair to which 15-2 T-bit line with current flowing down 14-2 Therefore, it is necessary to pass a current sent from the write current drive circuit (write
[0042]
On the other hand, if it is on the bit line having the number k-1, the selected
[0043]
Accordingly, the
[0044]
Since there are only four combinations of data to be written in the
[0045]
The above is the case of a switch between a bit line pair having an odd number and a bit line pair having a higher number, but a bit line pair having an even number and a bit having a higher number than that. It can be seen that the same control can be applied to the switch between the line pair.
[0046]
FIG. 3 is a configuration diagram of a
In the
In FIG. 3, the 0th bit line pair, the (K-1) th bit line pair, and the Kth bit line pair as viewed from the write
[0047]
In FIG. 3, as in FIG. 1, numbers are assigned from the 0th. Also in FIG. 3, only the bit line belonging to the same column address corresponding to the data bit to which data is simultaneously written, a part of the memory cell, and a circuit related to writing are clearly shown in FIG.
[0048]
One end of the write
[0049]
For the 1st to (n-1) th
[0050]
The bit line pair at the final stage is also connected to the
[0051]
With this configuration, the operation of the
Assuming that a current flows through the
[0052]
Since the T side and the C side are connected at the lower end of the bit line pair, when the current flows from the
[0053]
Here, the
[0054]
It is assumed that the write
Under which the setting is made, the
[0055]
The
[0056]
In addition, the switch unit 36e (SWn) is defeated depending on whether 0 or 1 is written in the selected memory cell on the bit line having the number n. Thus, each switch is controlled by the data to be written.
[0057]
FIG. 4 is a diagram showing a bit line
[0058]
In FIG. 4, the k-1 th
[0059]
Consider the case where 0 is written to the selected memory cell on the bit line having the number k and 1 is written to the selected memory cell on the bit line having the number k-1.
[0060]
Since 0 is written to the selected storage cell on the bit line having the number k, current flows from the C bit line 14-2 in the bit line pair having the number k, and the T bit line 15- Current must flow out of 2.
[0061]
Since the current flows from the bit line pair with the smaller number, the C bit line 14-2 (BLCk) is set to the T bit line 15-1 (BLTk-1) or C bit in the
[0062]
On the other hand, since 1 is written to the selected memory cell on the bit line having the number k-1, current flows from the bit line on the T side in the bit line pair having the number k-1. Current must flow out on the C-side bit line.
[0063]
From the above, the
[0064]
FIG. 5 is an example of a specific circuit diagram of the
In FIG. 1, the way of connecting the switches depends on whether the same data is written in different memory cells or different data is written. Therefore, the switch control circuit can be configured by using a coincidence circuit (EXNOR) or an anti-coincidence circuit (EXOR) that receives adjacent data bits.
[0065]
The specific circuit of the switch shown in FIG. 5 includes a switch
[0066]
Hereinafter, the switch of FIG. 5 is assumed to be the
[0067]
The
[0068]
When the
[0069]
As a result, the C bit lines 14-1 and 14-2 in FIG. 1 have the same current direction.
[0070]
Thus, the switch
[0071]
Since there are only four combinations of data to be written in the
[0072]
This is the case for a switch between a bit line pair with an odd number and a bit line pair with a number greater than 1, but with a bit line pair with an even number and a number greater than one. The same control may be applied to a switch between a pair of bit lines.
[0073]
In the integrated circuit, the switch is actually composed of a MOS transistor or the like. Further, the other bit line pair connection units are not limited to the
[0074]
FIG. 6 is an example of a specific circuit diagram of the
[0075]
The specific circuit of the switch unit shown in FIG. 6 includes a switch
[0076]
Hereinafter, the switch in FIG. 6 is assumed to be the
[0077]
The
[0078]
This switch section functions as a data decoder, and the outputs of the
[0079]
The operation of the
[0080]
On the other hand, when the
[0081]
In the integrated circuit, the switch is actually composed of a MOS transistor or the like.
[0082]
Further, a circuit example for realizing each circuit of the
[0083]
As described above, in the embodiment in which bit line pairs are connected in series, in the case of a memory device having an n-bit configuration in which writing is performed by current drive, the write current can be reduced to 1 / n. .
[0084]
Although the present invention has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to these specific examples. For example, even a single serial connection can have various changes in the connection method. Also, various selections and modifications can be made as to how many bit-line pairs are connected in series.
[0085]
For example, the number of bit line pairs connected in series is the maximum current value allowed for writing as a whole storage device, the resistance value of the bit line pair and the switch, the required writing speed, the configuration of the storage cell array, etc. Can be determined by. Further, in the case of a storage device having a 1-word / 64-bit configuration, a 16-bit bit line can be directly connected and four bit line drive circuits for writing can be provided.
[0086]
In the above figure, a twin cell having MTJ as a storage element is described as an example. However, the storage circuit block and the storage method of the present invention have such a twin cell and a plurality of storage elements. The memory cell is not limited. In short, one memory cell has two or more write bit lines and can be applied to any current-driven cell as long as each current can be controlled.
Accordingly, in particular, in interpreting the scope of claims, it is needless to say that the invention described in all claims should not be construed as limited to twin cells.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a
FIG. 2 is a diagram showing a bit line
FIG. 3 is a configuration diagram of a
4 is a diagram illustrating a bit line
FIG. 5 is a specific circuit diagram of a switch circuit.
FIG. 6 is a specific circuit diagram of a switch circuit.
FIG. 7 is a side view of a conventional memory cell.
FIG. 8 is a circuit configuration diagram of a conventional twin cell.
FIG. 9 is a configuration diagram of a storage block of a conventional twin cell.
[Explanation of symbols]
10 storage blocks
12 Write current drive circuit
14, 15 bit line
16 word lines
18-bit line pair connection
20a, 20b, 20c Switch part
22, 24 memory cells
26, 28 word lines
30 storage blocks
36a, 36b, 36c, 36d, 36e Switch part
40 bit line pair connection
500, 502 Data input
505 Control circuit for switch circuit
525 Switch circuit
530-560 MOSFET switch
600, 602 Data input
603 Control circuit for switch circuit
625 switch circuit
630-660 MOSFET switch
700 memory cells
713 Second wiring structure
716 Write word line
717 First wiring structure
718, 718 'switching element (MOSFET)
720 Read word line
722 Free ferromagnetic layer
724 Tunnel Barrier
726 Fixed magnetic layer
728, 728 ′ storage element (MTJ element)
730 Insulation area
744, 744 'bit line
800 twin cells
910 Write current drive circuit
Claims (2)
前記複数のワード・ラインに直交する方向に配置され、それぞれがCビット・ライン及びTビット・ラインからなるn個のビット・ライン対であって、隣接する2つのビット・ライン対のビット・ラインが、Cビット・ライン、Tビット・ライン、Cビット・ライン及びTビット・ラインの順序で配置されており、前記n個のビット・ライン対のうちn−1番目のビット・ライン対のCビット・ライン及びTビット・ラインの下端だけが互いに接続されている、前記n個のビット・ライン対と、 N bit line pairs arranged in a direction orthogonal to the plurality of word lines, each consisting of a C bit line and a T bit line, the bit lines of two adjacent bit line pairs Are arranged in the order of a C bit line, a T bit line, a C bit line, and a T bit line, and the C of the (n-1) th bit line pair among the n bit line pairs. The n bit line pairs, wherein only the lower ends of the bit line and the T bit line are connected to each other;
前記複数のワード・ラインと前記n個のビット・ライン対の前記Cビット・ライン及び前記Tビット・ラインとの交点のそれぞれに配置されたMTJ(磁気トンネル接合)素子であって、1つのワード・ラインと1つのビット・ライン対のうちの前記Cビット・ラインとの交点のMTJ素子と、前記1つのワード・ラインと前記1つのビット・ライン対のうちの前記Tビット・ラインとの交点のMTJ素子とが1つの記憶セルを構成する、前記MTJ素子と、 An MTJ (magnetic tunnel junction) element disposed at each of intersections of the plurality of word lines and the n bit line pairs with the C bit line and the T bit line, An MTJ element at the intersection of a line and the C bit line of one bit line pair, and an intersection of the one word line and the T bit line of the one bit line pair The MTJ element constitutes one memory cell, and the MTJ element,
前記n個のビット・ライン対のうち最初のビット・ライン対である0番目のビット・ライン対のCビット・ライン及びTビット・ラインの上端に接続された書き込み電流駆動回路であって、前記0番目のビット・ライン対のCビット・ライン上のMTJ素子及び前記0番目のビット・ライン対のTビット・ライン上のMTJ素子からなる選択された記憶セルにデータ0を書き込むときに、前記Cビット・ラインに電流を送り出すと共に前記Tビット・ラインから電流を受け取り、前記選択された記憶セルにデータ1を書き込むときに前記Tビット・ラインに電流を送り出すと共に前記Cビット・ラインから電流を受け取る、前記書き込み電流駆動回路と、 A write current driving circuit connected to the upper ends of the C bit line and the T bit line of the 0th bit line pair, which is the first bit line pair among the n bit line pairs, When writing data 0 to a selected storage cell consisting of an MTJ element on the C bit line of the 0th bit line pair and an MTJ element on the T bit line of the 0th bit line pair, Send current to the C bit line and receive current from the T bit line, and send current to the T bit line and write current from the C bit line when writing data 1 to the selected storage cell. Receiving the write current drive circuit; and
前記n個のビット・ライン対のうち前記n−1番目のビット・ライン対を除く前記0番目及び偶数番目のビット・ライン対の下端と、該ビット・ライン対の次のビット・ライン対の下端の間に設けられた第1スイッチ手段と、 Of the n bit line pairs, the lower end of the 0th and even numbered bit line pairs excluding the (n-1) th bit line pair, and the next bit line pair of the bit line pair First switch means provided between the lower ends;
前記n個のビット・ライン対のうち奇数番目のビット・ライン対の上端と、該ビット・ライン対の次のビット・ライン対の上端の間にそれぞれ接続された第2スイッチ手段とを備え、 Second switch means respectively connected between an upper end of an odd-numbered bit line pair of the n bit line pairs and an upper end of a next bit line pair of the bit line pair;
前記第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段は、選択された1つのワード・ライン上で隣接する2つの記憶セルに異なるデータを書き込むときに、前記2つの記憶セルのうちの一方の記憶セルのTビット・ラインと前記2つの記憶セルのうちの他方の記憶セルのTビット・ラインとを接続すると共に、前記一方の記憶セルのCビット・ラインと前記他方の記憶セルのCビット・ラインとを接続し、 When the first switch means and the second switch means write different data to two adjacent memory cells on one selected word line, one of the two storage cells Connecting a T bit line to a T bit line of the other storage cell of the two storage cells, and a C bit line of the one storage cell and a C bit line of the other storage cell; Connect
前記第1スイッチ手段及び前記第2スイッチ手段は、前記選択された1つのワード・ライン上で隣接する前記2つの記憶セルに同じデータを書き込むときに、前記2つの記憶セルのうちの前記一方の記憶セルのTビット・ラインと前記他方の記憶セルのCビット・ラインとを接続すると共に、前記一方の記憶セルのCビット・ラインと前記他方の記憶セルのTビット・ラインとを接続することを特徴とする記憶回路ブロック。 The first switch means and the second switch means may write the same data to the two memory cells adjacent to each other on the selected one word line when the one of the two memory cells is written. Connecting the T bit line of the memory cell and the C bit line of the other memory cell, and connecting the C bit line of the one memory cell and the T bit line of the other memory cell. A memory circuit block characterized by the above.
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