JP4322048B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、メモリセルにデータを書込むためにビット線に双方向に電流を流すことができる書込駆動回路を備える半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、低消費電力で不揮発性の記憶装置として、MRAM(Magnetic Random Access Memory)が注目されている。MRAMは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体を用いて不揮発的なデータ記憶を行ない、薄膜磁性体の各々に対してランダムアクセスが可能な記憶装置である。
【0003】
MRAMにおいては、データ書込時、所定の電源電圧が供給されて動作する書込駆動回路によって、選択ビット線においては書込データに応じた方向に電流が流され、非選択ビット線はフローティング状態とされる。そして、選択ビット線において所定量の電流が流れることによって、データ書込対象のメモリセルにおいて自由磁化層と呼ばれる強磁性層の磁化方向が変化する。そして、この内部状態の変化により抵抗値が変化することを利用してメモリセルにデータが不揮発的に記憶される。
【0004】
MRAMにおいてデータの書込みを行なうには、上記のように、ビット線に双方向に電流を流す必要がある。そこで、従来のMRAMにおいては、PチャネルMOSトランジスタとNチャネルMOSトランジスタとからなる書込駆動回路が各ビット線の両側に配置され、書込データに応じて一方の書込駆動回路から他方の書込駆動回路へ電流を流すことによってメモリセルへのデータの書込みが行なわれている。
【0005】
一方、特開2002−197851号公報には、MRAMにおいてワード線およびビット線に発生するエレクトロマイグレーション現象を防止することを課題として、ワード線においては一端の電位を固定して他端の電位を変化させ、ビット線においては両端の電位もしくは少なくとも一端の電位を変化させることによって、データ書込後にデータ書込時と逆方向の電流を配線に流し、上記エレクトロマイグレーション現象を防止する技術が開示されている(特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−197851号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の携帯化などを背景に、半導体記憶装置に対する小型化のニーズがますます高まってきている。上述のように、ビット線に双方向に電流を流すことによってメモリセルにデータを書込む半導体記憶装置においては、一般に、ビット線ごとに、かつ、その両側に電流ドライバである書込駆動回路が配置されている。このため、書込駆動回路の占有面積が大きく、また、多数の書込駆動回路のために配線総数も多くなっている。そこで、MRAMに代表されるこのような半導体記憶装置においては、特に、書込駆動回路の面積削減、およびそれ自体の数の削減が従来より課題とされている。
【0008】
また、ビット線に電流を流してメモリセルにデータを書込む場合、書込駆動回路の電流駆動力は十分に確保されなければならず、書込駆動回路の削減による電流駆動力の低下に十分留意する必要がある。ここで、電流駆動力の確保という点からは、書込駆動回路の削減の有無に拘わらず、ビット線に電流が流されたときにビット線に接続される負荷抵抗(下流に配置されるゲートトランジスタなど)において発生する電圧降下の影響も考慮する必要がある。すなわち、負荷抵抗により生じる電圧降下は、書込駆動回路を構成するドライバトランジスタのソース−ドレイン間電圧を小さくするように作用するため、この影響によっても電流駆動力は低下する。したがって、これらを考慮したうえで、書込駆動回路の電流駆動力が十分に確保されなければならない。
【0009】
さらに、近年の省エネルギー化を背景に、半導体記憶装置においては、小型化に加え、低消費電力化も大きな課題となっている。上述の特開2002−197851号公報に記載のMRAMは、エレクトロマイグレーション現象を防止して動作安定性の向上を図るには有用であるが、上述のように、近年はさらに、半導体記憶装置の小型化、半導体記憶装置を小型化したうえでの動作安定化、および低消費電力化を実現する半導体記憶装置が望まれている。
【0010】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、書込駆動回路の面積を削減して装置の小型化を実現する半導体記憶装置を提供することである。
【0011】
また、この発明の別の目的は、書込駆動回路の面積を削減して装置の小型化を図り、電流駆動力の低下をさらに防止する半導体記憶装置を提供することである。
【0012】
また、さらに、この発明の別の目的は、書込駆動回路の面積を削減して装置の小型化を図り、低消費電力化をさらに実現する半導体記憶装置を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、半導体記憶装置は、行列状に配置される複数のメモリセルと、複数のメモリセルの列に対応して設けられる複数のビット線と、複数のビット線に対応して設けられ、各々が対応するビット線の一端に接続され、対応するビット線に書込データの論理レベルに応じた方向に電流を流す複数の書込駆動回路と、複数のビット線に対応して設けられ、各々が、対応するビット線の他端と所定電位の電圧が印加される定電位ノードとの間に設けられ、データ書込時に対応するビット線の選択を指示するライトビット線選択信号の活性化に応答して対応するビット線の他端と定電位ノードとを接続する複数の接続回路とを備え、複数の書込駆動回路の各々は、所定の電位よりも高い第1の電位の電圧および所定の電位よりも低い第2の電位の電圧を受け、書込データが第1の論理レベルのとき、第1の電位と所定の電位との電位差に基づいて対応するビット線の一端から他端へ電流を流し、書込データが第1の論理レベルに相補な第2の論理レベルのとき、所定の電位と第2の電位との電位差に基づいて対応するビット線の他端から一端へ電流を流す。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【0015】
[実施の形態1]
図1は、この発明による書込駆動回路の構成を示す回路図である。図1を参照して、書込駆動回路1は、ノードND1と、電流ドライバ2と、ゲート電位制御回路4と、プリチャージ回路6と、定電位ノード8と、負荷回路10とを備える。
【0016】
電流ドライバ2は、PチャネルMOSトランジスタP101と、NチャネルMOSトランジスタN101と、電源ノードVccと、接地ノードGNDとを含む。PチャネルMOSトランジスタP101は、電源ノードVccとノードND1との間に接続され、NANDゲートG101からの制御電圧をゲートに受ける。NチャネルMOSトランジスタN101は、ノードND1と接地ノードGNDとの間に接続され、ANDゲートG102からの制御電圧をゲートに受ける。
【0017】
電流ドライバ2は、ゲート電位制御回路4によってその動作が制御され、電源ノードVccと定電位ノード8との電位差、および定電位ノード8と接地ノードGNDとの電位差に基づいて、ノードND1に双方向に電流を流す。PチャネルMOSトランジスタP101が接続される電源ノードVccの電位は、後述するように、書込駆動回路1の動作状態に応じて変化する。
【0018】
ゲート電位制御回路4は、NANDゲートG101と、ANDゲートG102とを含む。NANDゲートG101は、少なくとも1つの駆動条件信号の論理積を演算し、その演算結果を反転した信号を出力する。ANDゲートG102は、前述の少なくとも1つの駆動条件信号の論理積を演算した信号を出力する。
【0019】
ゲート電位制御回路4は、駆動条件信号に応じて電流ドライバ2の動作を制御し、トライステート状態を形成することができる。すなわち、ゲート電位制御回路4は、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101をそれぞれON,OFFすることによって電流ドライバ2からノードND1へ電流が流れる第1の状態と、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101をそれぞれOFF,ONすることによってノードND1から電流ドライバ2へ電流が流れる第2の状態と、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101をいずれもOFFすることによってノードND1に電流を流さない第3の状態とを形成することができる。
【0020】
ゲート電位制御回路4は、図示されない電源ノードおよび接地ノードから供給される電圧に基づいて動作する。そして、このゲート電位制御回路4に供給される電圧も、後述するように、書込駆動回路1の動作状態に応じて変化する。
【0021】
プリチャージ回路6は、NチャネルMOSトランジスタN102と、電源ノードVpreとを含む。NチャネルMOSトランジスタN102は、電源ノードVpreとノードND1との間に接続され、プリチャージ信号PREをゲートに受ける。
【0022】
プリチャージ回路6は、電流ドライバ2によってノードND1に電流が流されていないときにノードND1を所定の電圧にプリチャージし、ノードND1に電流が流されているときは、NチャネルMOSトランジスタN102がOFFされて不活性化される。
【0023】
定電位ノード8は、電位が固定されたノードであって、その電位は、電源ノードVccに印加される電源電圧と接地ノードGNDに印加される接地電圧との間の電位に設定される。
【0024】
ノードND1と定電位ノード8との間に接続される負荷回路10は、ノードND1に流れる電流の大きさを調整する等価抵抗に相当する。具体的には、負荷回路10は、ノードND1に対して定電位ノード8の接続/切離しを行なうスイッチトランジスタなどが該当する。負荷回路10がOFF状態にあるとき、負荷回路10は超高抵抗となり、ノードND1と定電位ノード8との間に電流はほとんど流れない。一方、負荷回路10がON状態にあるとき、負荷回路10は低抵抗となり、ノードND1と定電位ノード8との間には電流ドライバ2側の電位と定電位ノード8の電位との電位差に応じた電流が流れる。
【0025】
負荷回路10が設けられているのは、この書込駆動回路1が半導体記憶装置に用いられたとき、データ読出時およびノードND1をプリチャージ回路6によってプリチャージする時、定電位ノード8をノードND1から切離す必要があるからである。
【0026】
この書込駆動回路1においては、電流ドライバ2がノードND1に電流を流すときと流さないときとで各電源ノードの電圧配置が変化する。電流ドライバ2が電流を流さないときは、書込駆動回路1がスタンバイ中であるか否かに応じてさらに電圧配置が変化する。以下では、書込駆動回路1が不活性化されており、かつ、電流ドライバ2が電流を流さないときを「待機時」と称し、書込駆動回路1が活性化されており、かつ、電流ドライバ2が電流を流さないときを「スタンバイ時」と称し、電流ドライバ2が電流を流すときを「選択時」と称する。
【0027】
次に、この書込駆動回路1の特徴点について述べる。書込駆動回路1の第1の特徴点は、ノードND1に双方向に電流を流す電流ドライバ2がノードND1の片側のみに配置され、ノードND1の他端側は、定電位ノード8によって電位が固定されることである。そして、電流ドライバ2を構成するPチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101のON/OFFを制御することによって、電源ノードVccから電源ノードVccの電位よりも低電位の定電位ノード8へ、すなわち電流ドライバ2から負荷回路10へ向かう方向に電流を流すことができ、また、接地ノードGNDの電位よりも高電位の定電位ノード8から接地ノードGNDへ、すなわち負荷回路10から電流ドライバ2へ向かう方向に電流を流すことができる。
【0028】
書込駆動回路1の第2の特徴点は、電流ドライバ2を構成するPチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101が、電流駆動系よりも低電圧で動作する周辺回路系で通常用いられるトランジスタの膜厚と同等の膜厚からなるゲート絶縁膜を有するトランジスタで構成されていることである。
【0029】
なお、以下では、このような膜厚からなるゲート絶縁膜を有するトランジスタを「薄膜トランジスタ」と称し、これに対して、これまで通常電流駆動系で用いられていたトランジスタを「厚膜トランジスタ」とも称する。
【0030】
電流ドライバ2が薄膜トランジスタで構成されるのは、ノードND1に双方向に電流を流す電流ドライバ2をノードND1の片側配置にしたため、電流ドライバを両側配置にした場合に比べてノードND1の両端に生じる電位差が小さくなることによる電流駆動力の低下を防止するためである。
【0031】
すなわち、電流ドライバをノードの両側配置にする場合は、電源ノードVccと接地ノードGNDとの電位差が電流駆動力となる。しかしながら、この書込駆動回路1においては、電源ノードVccと接地ノードGNDよりも電位の高い定電位ノード8との電位差、または、電源ノードVccよりも電位の低い定電位ノード8と接地ノードGNDとの電位差によって電流駆動力が決まり、両側配置の場合に比べて電流駆動力を発生させる電位差が小さい。
【0032】
したがって、この書込駆動回路1では、電流ドライバを構成するトランジスタに電流駆動力の大きい薄膜トランジスタを用いることによって電流駆動力が確保されている。なお、薄膜トランジスタを用いることによるゲート絶縁膜の耐圧およびリーク電流増大の問題については、後述する第4の特徴点によって、その解決が図られている。
【0033】
書込駆動回路1の第3の特徴点は、書込駆動回路1が活性化されると、電源ノードVccの電位がブーストされることである。電流ドライバ2から定電位ノード8へ電流が流されているとき、ノードND1の電位は、負荷回路10において発生する電圧降下の影響によって定電位ノード8の電位よりも上昇する。したがって、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ドレイン間電圧はさらに低下し、書込駆動回路1の電流駆動力もさらに低下する。
【0034】
そこで、この書込駆動回路1においては、電流ドライバ2を薄膜トランジスタで構成したうえ、さらに、書込駆動回路1が活性化されると電源ノードVccの電位がブーストされ、電流駆動力の低下の防止が図られる。
【0035】
また、電源ノードVccの電位がブーストされるのに応じて、ゲート電位制御回路4の動作電位もブーストされる。そうすると、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位もブーストされ、電源ノードVccの電位がブーストされた状態でPチャネルMOSトランジスタP101がONしたときに、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ゲート間に生じる過大な電位差が緩和される。これにより、ゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0036】
なお、上記においては、電流ドライバ2側から定電位ノード8側に向けて電流が流される場合について説明したが、定電位ノード8側から電流ドライバ2側に向けて電流が流される場合についても同様に考えることができる。すなわち、定電位ノード8側から電流ドライバ2側に向けて電流が流される場合、書込駆動回路1の活性化に応じて接地ノードGNDの電位を接地レベルより下げるように変化させ、NチャネルMOSトランジスタN101のドレイン−ソース間の電位差を大きくすることによって電流駆動力の低下の防止を図ることができる。
【0037】
書込駆動回路1の第4の特徴点は、ノードND1に電流が流されていない待機時またはスタンバイ時に、プリチャージ回路6によってノードND1がプリチャージされることである。電源ノードVccは、選択時の前段階であるスタンバイ時に前もってブーストされ、また、それに応じてPチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位もブーストされている。しかしながら、ドレイン部(ノードND1)の電位が接地レベルでは、薄膜トランジスタで構成されるPチャネルMOSトランジスタP101におけるゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間に過大な電界が生じ、ゲート絶縁膜が破壊されるおそれがある。
【0038】
そこで、ノードND1をプリチャージ回路6によって所定の電位にプリチャージすることによって、PチャネルMOSトランジスタP101におけるゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差が緩和される。これにより、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0039】
また、PチャネルMOSトランジスタP101は、厚膜トランジスタに比べてリーク電流が大きくなる薄膜トランジスタで構成されるが、ノードND1をプリチャージすることによってPチャネルMOSトランジスタP101のソース−ドレイン間の電位差が抑えられるので、PチャネルMOSトランジスタP101におけるリーク電流も抑えられる。
【0040】
図2は、図1に示した書込駆動回路1の待機時における動作状態を示す図である。図2を参照して、待機時においては、電流ドライバであるPチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101はOFFされる。そして、NチャネルMOSトランジスタN102がONされ、ノードND1が所定の電位にプリチャージされる。なお、負荷回路10は、OFF状態、すなわち動作していない状態である。
【0041】
図3は、図1に示した書込駆動回路1の待機時における電圧配置を示す図である。図3を参照して、NANDゲートG101およびANDゲートG102は、いずれも1.5Vの電源電圧および0Vの接地電圧を受けて動作する。これにより、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101のゲート電位Vgは、それぞれ1.5Vおよび0Vとなる。また、電源ノードVcc,Vpreには、それぞれ1.5V,0.6Vの電圧が印加される。NチャネルMOSトランジスタN102がONされているので、ノードND1の電位は、電源ノードVpreの電位に応じて0.6Vとなる。定電位ノード8の電位V8は、待機時、スタンバイ時および選択時に拘わらず、1.2Vに固定されている。
【0042】
このように、待機時、ノードND1は所定の電位にプリチャージされる。したがって、厚膜トランジスタに比べてリーク電流が大きくなる薄膜トランジスタでPチャネルMOSトランジスタP101を構成しても、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ドレイン間の電位差が小さく抑えられているので、PチャネルMOSトランジスタP101におけるリーク電流が抑えられる。
【0043】
図4は、図1に示した書込駆動回路1のスタンバイ時における動作状態を示す図である。スタンバイ時における書込駆動回路1の動作状態は、図2に示した待機時における動作状態と同じである。
【0044】
図5は、図1に示した書込駆動回路1のスタンバイ時における電圧配置を示す図である。図5を参照して、スタンバイ時においては、電源ノードVccの電位が1.5Vから2.5Vにブーストされる。これに応じて、NANDゲートG101の動作電位もブーストされ、NANDゲートG101は、2.5Vの電源電圧および1.0Vの接地電圧を受けて動作する。これにより、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位Vgは2.5Vとなる。そして、PチャネルMOSトランジスタP101におけるゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差がPチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の耐圧を超えないように、電源ノードVpreには所定の電圧が印加される。ここでは、待機時と同じく0.6Vの電圧が印加され、ノードND1の電圧レベルは0.6Vとなる。
【0045】
このように、スタンバイ時、電源ノードVccが受ける電位は、2.5Vにブーストされる。ここで、ノードND1も所定の電位にプリチャージされているので、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ドレイン間の電位差は、PチャネルMOSトランジスタP101の耐圧よりも低く抑えられている。したがって、PチャネルMOSトランジスタP101を薄膜トランジスタで構成しても、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0046】
図6は、図1に示した書込駆動回路1の選択時における第1の動作状態を示す図である。この第1の動作状態は、電流ドライバ2側から定電位ノード8側へ電流が流されるときの状態である。
【0047】
図6を参照して、第1の動作状態においては、PチャネルMOSトランジスタP101がONされ、NチャネルMOSトランジスタN101,N102がOFFされる。負荷回路10は、ON状態、すなわち動作状態となり、電源ノードVccからPチャネルMOSトランジスタP101、ノードND1および負荷回路10を介して定電位ノード8へ電流が流れる。
【0048】
図7は、図1に示した書込駆動回路1の第1の動作状態における電圧配置を示す図である。図7を参照して、第1の動作状態におけるNANDゲートG101およびANDゲートG102ならびに電源ノードVccが受ける電圧レベルは、スタンバイ時と同じである。PチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位Vgは、NANDゲートG101の接地電位に応じて1.0Vとなる。定電位ノード8の電位V8は、1.2Vであり、ノードND1の電位は、負荷回路10の等価抵抗により生じる電圧降下の影響によって1.7V程度となる。
【0049】
このように、第1の動作状態時、ノードND1の電位は、接地電位よりも電位の高い定電位ノード8の電位V8からもさらに上昇するが、電源ノードVccの電位が2.5Vにブーストされるので、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ドレイン間には、十分な電位差が発生する。したがって、PチャネルMOSトランジスタP101は、飽和領域で動作することができ、所定の電流駆動力が確保される。
【0050】
また、電流駆動力を確保するため、電源ノードVccの電位が2.5Vにブーストされているが、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位VgもNANDゲートG101の接地電位に応じて1.0Vに上昇するので、PチャネルMOSトランジスタP101のソース−ゲート間には、1.5Vの電位差しか発生しない。したがって、PチャネルMOSトランジスタP101が薄膜トランジスタで構成されていても、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0051】
図8は、図1に示した書込駆動回路1の選択時における第2の動作状態を示す図である。この第2の動作状態は、定電位ノード8側から電流ドライバ2側へ電流が流されるときの状態である。
【0052】
図8を参照して、第2の動作状態においては、NチャネルMOSトランジスタN101がONされ、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN102がOFFされる。負荷回路10は、ON状態、すなわち動作状態となり、定電位ノード8から負荷回路10、ノードND1およびNチャネルMOSトランジスタN101を介して接地ノードGNDへ電流が流れる。
【0053】
図9は、図1に示した書込駆動回路1の第2の動作状態における電圧配置を示す図である。図9を参照して、第2の動作状態におけるNANDゲートG101およびANDゲートG102ならびに電源ノードVccが受ける電圧レベルは、スタンバイ時および第1の動作状態時と同じである。NチャネルMOSトランジスタN101のゲート電位Vgは、ANDゲートG101の電源電位に応じて1.5Vである。定電位ノード8の電位V8は、1.2Vであり、ノードND1の電位は、負荷回路10の等価抵抗により生じる電圧降下の影響によって0.8V程度となる。
【0054】
このように、第2の動作状態時、ノードND1の電位は、電源ノードVccよりも電位が低い定電位ノード8の電位V8からもさらに低下するが、NチャネルMOSトランジスタN101は、薄膜トランジスタで構成されているので、所定の電流駆動力が確保される。
【0055】
なお、上記においては、待機時、ノードND1が0.6Vにプリチャージされたが、電源ノードVccおよびPチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位に合わせてプリチャージ電位を1.5Vとしてもよい。これにより、リーク電流が大きくなる薄膜トランジスタでPチャネルMOSトランジスタP101を構成しても、PチャネルMOSトランジスタP101のソース、ドレインおよびゲート間の電圧差は0となるので、PチャネルMOSトランジスタP101におけるリーク電流を0にすることができる。
【0056】
また、待機時において、NチャネルMOSトランジスタN101のリーク電流も考慮して、ノードND1のプリチャージ電位が電源ノードVccに印加される電位と接地ノードGNDに印加される電位との中間電位になるようにプリチャージ電位を設定してもよい。
【0057】
さらに、スタンバイ時において、PチャネルMOSトランジスタP101の耐圧を考慮して、電源ノードVccの電位の上昇に応じてプリチャージ電位を上昇させてもよい。たとえば、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101のゲート絶縁膜の耐圧が1.5V程度であれば、スタンバイ時におけるプリチャージ電位を1.2V程度に上昇させることによって、PチャネルMOSトランジスタP101およびNチャネルMOSトランジスタN101のゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差を1.5V以内に抑えることができる。これにより、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0058】
また、さらに、NチャネルMOSトランジスタN101の電流駆動力をより高くするために、電源ノードVccの電位がブーストされるのに応じて、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート絶縁膜の耐圧範囲内で接地ノードGNDの電位を低くしてもよい。
【0059】
また、さらに、第1の動作状態において、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート絶縁膜の耐圧を考慮して、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート電位をしきい値を超えない範囲で上昇させてもよい。これは、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート電位を制御するANDゲートG102のソース電位を上昇させることによって可能である。そこで、たとえば、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート絶縁膜の耐圧が1.5V程度であれば、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート電位を0.5V程度にすることによって、NチャネルMOSトランジスタN101のゲート−ドレイン間の電圧差は、1.5V以内に抑えられる。
【0060】
また、さらに、第2の動作状態において、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の耐圧を考慮して、NANDゲートG101の動作電位および電源ノードVccの電位を待機時の値にしてもよい。たとえば、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート絶縁膜の耐圧が1.5V程度であれば、PチャネルMOSトランジスタP101のゲート電位および電源ノードVccの電位を待機時の1.5Vにすることによって、PチャネルMOSトランジスタのゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差を1.5V以内に抑えることができる。
【0061】
以上のように、この書込駆動回路1によれば、電流ドライバ2がノードND1の片側にのみ配置されるので、書込駆動回路1が搭載されるデバイスにおいて書込駆動回路1の占める面積が削減され、そのデバイスの小型化に貢献することができる。
【0062】
また、書込駆動回路1を片側配置とすることによって、データ情報などの信号をノードの片側に集中することができ、書込駆動回路1の制御が容易になる。
【0063】
さらに、電流ドライバ2が薄膜トランジスタで構成されるので、電流駆動力の低下を防止し、所定の電流駆動力を確保することができる。
【0064】
また、さらに、待機時およびスタンバイ時にプリチャージ回路6によってビット線をプリチャージするようにしたので、電流ドライバ2を構成するドライバトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性が確保される。また、ゲートリーク電流およびソース−ドレイン間のリーク電流も大幅に削減されるので、低消費電力化が達成される。
【0065】
また、さらに、待機時、スタンバイ時および選択時の各状態を確立できるようにしたので、このような状態が必要とされる半導体記憶装置の書込駆動回路に適用することができる。
【0066】
[実施の形態2]
図10は、この発明によるMRAMの全体構成を示す概略ブロック図である。図10を参照して、MRAM100は、外部から制御信号CMDおよびアドレス信号ADDに応答してランダムアクセスを行ない、データ読出またはデータ書込対象に選択されたメモリセル(以下、「選択メモリセル」とも称する。)に対して、入力データDINの書込み、または、出力データDOUTの読出しを行なう。
【0067】
MRAM100は、制御信号CMDに応答してMRAM100の全体動作を制御するコントロール回路105と、行列状に配置されたメモリセルMCを含むメモリアレイ110とを備える。
【0068】
メモリアレイ110においては、メモリセルの行に対応してワード線WLおよびライトディジット線WDLが配置され、メモリセルの列に対応してビット線BLおよびソース線SLが配置される。図10においては、代表的に示される1個のメモリセルMCと、これに対応するワード線WL、ライトディジット線WDL、ビット線BLおよびソース線SLの配置が示される。
【0069】
MRAM100は、アドレス信号ADDによって示されるロウアドレスRAに応じた行選択を実行するための行選択回路120と、アドレス信号ADDによって示されるコラムアドレスCAに基づいてメモリアレイ110における列選択を実行するための列デコーダ125と、読出/書込制御回路130,135とをさらに備える。
【0070】
読出/書込制御回路130,135は、メモリアレイ110に配置されたメモリセルMCに対して、データ読出動作およびデータ書込動作を実行するための回路群を総括的に表記したものである。
【0071】
以下においては、信号、信号線およびデータ等の二次的な高電圧状態(たとえば電源電圧)および低電圧状態(たとえば接地電圧)を、それぞれ「Hレベル」および「Lレベル」とも称する。
【0072】
次に、MRAMにおけるメモリセルの構造について説明する。
図11は、MRAMのメモリセルの構成を示す概略図である。MRAMのメモリセルにおいては、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を利用した薄膜磁性体が用いられる。以下では、磁気トンネル接合部を有するメモリセルを「MTJメモリセル」と称する。
【0073】
図11を参照して、MTJメモリセルは、磁気的に書込まれた記憶データの値(“1”または“0”)に応じて電気抵抗が変化するトンネル磁気抵抗素子TMRと、アクセストランジスタATRとを含む。アクセストランジスタATRは、ライトビット線WBLおよびリードビット線RBLの間にトンネル磁気抵抗素子TMRと直列に接続される。
【0074】
データ書込時は、書込データに応じた方向のデータ書込電流がライトビット線WBLに流れ、さらに、ライトディジット線WDLにも電流が流れる。アクセストランジスタATRはOFFされる。データ読出時は、ワード線WLが活性化し、アクセストランジスタATRがONする。アクセストランジスタATRがONすると、トンネル磁気抵抗素子TMRは、接地電圧GNDに設定されたライトビット線WBLと、データ読出電流の供給を受けるリードビット線RBLとの間に電気的に結合される。
【0075】
図12は、MTJメモリセルへのデータ書込動作を説明する概念図である。図12を参照して、トンネル磁気抵抗素子TMRは、固定された一定の磁化方向を有する強磁性体層(以下、単に「固定磁化層」とも称する。)FLと、外部からの印加磁界に応じた方向に磁化される強磁性体層(以下、単に「自由磁化層」とも称する。)VLとを有する。固定磁化層FLおよび自由磁化層VLの間には、絶縁体膜で形成されるトンネルバリア(トンネル膜)TBが設けられる。自由磁化層VLは、書込まれるデータの値に応じて、固定磁化層FLと同一方向または固定磁化層FLと反対方向(反平行方向)に磁化される。これらの固定磁化層FL、トンネルバリアTBおよび自由磁化層VLによって磁気トンネル接合が形成される。
【0076】
トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗は、固定磁化層FLおよび自由磁化層VLの磁化方向の相対関係に応じて変化する。具体的には、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗は、固定磁化層FLの磁化方向と自由磁化層VLの磁化方向とが平行である場合に最小値Rminとなり、両者の磁化方向が反対方向(反平行方向)である場合に最大値Rmaxとなる。
【0077】
データ書込時は、ワード線WLが不活性化され、アクセストランジスタATRはOFFされる。この状態で、ライトビット線WBLおよびライトディジット線WDLのそれぞれにおいて、自由磁化層VLを磁化するためのデータ書込電流が書込データの論理レベルに応じた方向に流される。そうすると、ライトビット線WBLおよびライトディジット線WDLの各々において電流方向に応じた磁界が発生し、これらの磁界の和が自由磁化層VLに印加される。そして、自由磁化層VLは、この発生された磁界によって、固定磁化層FLの固定された磁化方向に沿った磁化容易軸方向に沿って固定磁化層FLと平行あるいは反平行方向(反対方向)に磁化される。
【0078】
MTJメモリセルの記憶データ、すなわちトンネル磁気抵抗素子TMRの磁化方向を書換えるためには、ライトディジット線WDLとライトビット線WBLとの両方に所定レベル以上のデータ書込電流を流す必要がある。トンネル磁気抵抗素子TMRに一旦書込まれた磁化方向、すなわちMTJメモリセルの記憶データは、新たなデータの書込みが実行されるまでの間、不揮発的に保持される。
【0079】
図13は、MTJメモリセルからのデータ読出動作を説明する概念図である。図13を参照して、データ読出時においては、アクセストランジスタATRは、ワード線WLの活性化に応答してONする。また、ライトビット線WBLは、接地電圧GNDに設定される。これにより、トンネル磁気抵抗素子TMRは、接地電圧GNDでプルダウンされた状態でリードビット線RBLと電気的に結合される。
【0080】
この状態で、リードビット線RBLを所定電圧でプルアップすれば、リードビット線RBLおよびトンネル磁気抵抗素子TMRを含む電流経路を、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗に応じた、すなわちMTJメモリセルの記憶データの値に応じたメモリセル電流Icellが通過する。そして、このメモリセル電流Icellを所定の基準電流と比較することにより、MTJメモリセルから記憶データが読出される。
【0081】
このようにトンネル磁気抵抗素子TMRは、印加されるデータ書込磁界によって書換可能な磁化方向に応じてその電気抵抗が変化するので、トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗RmaxおよびRminを記憶データの値(“1”および“0”)とそれぞれ対応付けることによって、不揮発的にデータを記憶することができる。
【0082】
図14は、図10に示したMRAM100の要部の構成を示す回路図である。図14を参照して、メモリアレイ110a,110bには、複数のMTJメモリセルMCおよびダミーMTJメモリセルDMCがそれぞれ配置される。MTJメモリセルMCおよびダミーMTJメモリセルDMCの各々は、対応するビット線BLとソース線SLとの間に直列に配置されるトンネル磁気抵抗素子TMRおよびアクセストランジスタATRを含む。ダミーMTJメモリセルDMCは、データを読出す際に読出対象のMTJメモリセルMCに流れるメモリセル電流Icellと比較される基準電流を生成するためのメモリセルである。
【0083】
読出/書込制御回路130は、複数のビット線BLに対応して設けられる複数のNチャネルMOSトランジスタN2,N3と、定電位ノード216と、電源ノードVccdと、ノード218とを含む。NチャネルMOSトランジスタN2の各々は、対応するビット線を定電位ノード216に接続する接続回路を構成する。NチャネルMOSトランジスタN2の各々は、対応するビット線BLと定電位ノード216との間に接続され、ライトビット線選択信号WACT(図示せず)をゲートに受ける。定電位ノード216には、1.2Vの固定電圧が印加される。そして、ライトビット線選択信号WACTが活性化されると、各NチャネルMOSトランジスタN2は、対応するビット線BLを定電位ノード216に接続する。ここで、ライトビット線選択信号WACTは、データ書込時にビット線BLの活性化を指示する信号である。
【0084】
NチャネルMOSトランジスタN3の各々は、電源ノードVccdとともに、対応するビット線BLを所定の電圧にプリチャージするプリチャージ回路を構成する。各NチャネルMOSトランジスタN3は、対応するビット線BLと電源ノードVccdに接続されるノード218との間に接続され、ライトビット線選択信号WACTの反転信号/WACT(図示せず)をゲートに受ける。電源ノードVccdには、0.6Vの電圧が印加されている。そして、反転信号/WACTが活性化されている間(ライトビット線選択信号WACTが不活性化されている間)、各NチャネルMOSトランジスタN3は、対応するビット線を電源ノードVccdに接続されるノード218に接続し、ビット線BLは、0.6Vの電位にプリチャージされる。
【0085】
また、読出/書込制御回路130は、リードコラム線RCSLと、読出選択ゲートRSG1,RSG2と、データ線対DIOと、センスアンプ202〜206と、ラッチ回路208と、出力バッファ210とを含む。これらについては、後ほど行なうMRAM100の動作説明のところで詳しく述べる。
【0086】
読出/書込制御回路135は、複数のビット線BLに対応して設けられる複数のPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1ならびに複数のライトドライバデコーダBLDKと、セレクタSEL1と、電源ノードVcca,Vccbと、NチャネルMOSトランジスタN52と、ノード214とを含む。
【0087】
ビット線ごとに設けられたPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1ならびにライトドライバデコーダBLDKは、前述の対応するビット線BLにデータ書込電流を流す書込駆動回路を構成する。PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1の各々は、薄膜トランジスタで構成される。各PチャネルMOSトランジスタP1は、セレクタSEL1に接続されるノード214と対応するビット線BLとの間に接続され、対応するライトドライバデコーダBLDKからの制御電圧をゲートに受ける。各NチャネルMOSトランジスタN1は、上記の対応するビット線BLと接地ノードとの間に接続され、対応するライトドライバデコーダBLDKからの制御電圧をゲートに受ける。
【0088】
なお、電流ドライバであるPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1は、電流駆動部を構成し、ライトドライバデコーダBLDKは、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1の動作を制御する制御回路を構成する。
【0089】
セレクタSEL1、電源ノードVcca,VccbおよびNチャネルMOSトランジスタN52は、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1で構成される電流ドライバに電圧を供給する電圧供給回路を構成する。セレクタSEL1は、電源ノードVccaおよびNチャネルMOSトランジスタN52とノード214との間に接続される。
【0090】
電源ノードVcca,Vccbには、それぞれ2.5Vおよび1.5Vの電圧が印加される。セレクタSEL1は、電源ノードVccaとNチャネルMOSトランジスタN52を介して電源ノードVccbとから電圧を受け、活性期間中(スタンバイ時および選択時)は電源ノードVccaを選択し、不活性期間中(待機時)は電源ノードVccbを選択してノード214に電圧を供給する。電源ノードVccbとセレクタSEL1との間に接続されるNチャネルMOSトランジスタN52は、セレクタSEL1によって不活性期間中に電源ノードVccbが選択されたときにノード214の電圧レベルを1.5Vからさらに低減させ、PチャネルMOSトランジスタP1におけるソース−ドレイン間のリーク電流を低減するために設けられているものである。
【0091】
次に、MRAM100におけるデータ書込動作および読出動作について説明する。データ書込動作については、後ほど図15以降で説明し、まず、データ読出動作について説明する。
【0092】
データ読出時、NチャネルMOSトランジスタN2,N3は、いずれもOFFされる。点線で囲まれたMTJメモリセルMCからデータを読出すときは、そのMTJメモリセルMCが接続されるワード線WLがワード線ドライバ120aによって活性化される。また、同時に、点線で囲まれたダミーMTJメモリセルDMCが接続されるダミーワード線DWLがワード線ドライバ120aによって活性化される。そして、図示されない列デコーダによってリードコラム線RCSLが活性化されると、読出選択ゲートRSG1,RSG2がONし、選択ビット線およびダミーMTJメモリセルDMCが接続されたビット線は、それぞれ読出選択ゲートRSG1,RSG2を介してデータ線対DIOに接続される。
【0093】
そうすると、データ線対DIOから対象のMTJメモリセルMCおよびダミーMTJメモリセルDMCに読出電流が流れ、MTJメモリセルMCおよびダミーMTJメモリセルDMCの抵抗値に応じた電圧がノードND101,ND102に発生する。そして、このノードND101,ND102の電圧差をセンスアンプ202〜206によって検出し、ラッチ回路208および出力バッファ210を介してデータ入出力端子212にMTJメモリセルMCに記憶されていたデータが読出される。
【0094】
次に、MRAM100において、MTJメモリセルMCにデータを書込む場合について説明する。
【0095】
図15は、実施の形態2によるMRAM100における書込駆動回路の構成を示す回路図である。図15は、図14に示したMRAM100の構成において、書込駆動回路に関する部分を抽出して詳細に示したものである。なお、図14における説明と重複する説明については繰返さない。
【0096】
図15を参照して、ライトドライバデコーダBLDKは、NANDゲートG1と、ANDゲートG2とからなる。NANDゲートG1は、ノード214,220から電圧の供給を受けて動作する。NANDゲートG1は、図示されない列デコーダ125から受けるデコード信号DKSおよび図示されないコントロール回路105から受けるライトビット線選択信号WACTの論理積を演算し、その演算結果を反転した信号を出力する。ANDゲートG2は、デコード信号DKSおよびライトビット線選択信号WACTの論理積を演算した信号を出力する。
【0097】
ビット線BLと定電位ノード216との間に設けられるNチャネルMOSトランジスタN2は、ライトビット線選択信号WACTをゲートに受ける。ビット線BLをプリチャージするプリチャージ回路を構成するNチャネルMOSトランジスタN3は、電源ノードVccdとビット線BLとの間に接続され、ライトビット線選択信号WACTの反転信号/WACTをゲートに受ける。
【0098】
そして、このPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1ならびにライトドライバデコーダBLDKによって構成される電流ドライバと、NチャネルMOSトランジスタN2,N3と、これらに対応するビット線BLとによって構成される回路群が、複数のビット線BLに対応して繰返し配置されている。
【0099】
セレクタSEL1は、PチャネルMOSトランジスタP60と、NチャネルMOSトランジスタN60とからなる。また、MRAM100は、図14に示されていないセレクタSEL2をさらに含む。セレクタSEL2は、PチャネルMOSトランジスタP62と、NチャネルMOSトランジスタN62とからなる。セレクタSEL1,SEL2は、上記回路群において共用される。
【0100】
PチャネルMOSトランジスタP60およびNチャネルMOSトランジスタN60,N52は、端子間に2.5V程度の電圧がかかってもゲート絶縁膜の信頼性が確保される厚膜トランジスタで構成される。PチャネルMOSトランジスタP60は、電源ノードVccaとノード214との間に接続され、チップ活性化信号/ACTをゲートに受ける。NチャネルMOSトランジスタN60は、NチャネルMOSトランジスタN52とノード214との間に接続され、チップ活性化信号/ACTをゲートに受ける。
【0101】
また、PチャネルMOSトランジスタP62およびNチャネルMOSトランジスタN62は、ノード214と接地ノードとの間に並列に接続され、チップ活性化信号/ACTをゲートに受ける。ここで、PチャネルMOSトランジスタP62は、しきい値電圧が1.0V程度に設計されている。
【0102】
このMRAM100においては、待機時は、チップ活性化信号/ACTおよびライトビット線選択信号WACTがそれぞれHレベル,Lレベルであり、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1,N2がOFFし、NチャネルMOSトランジスタN3がONする。したがって、ビット線BLは、電源ノードVccdおよびNチャネルMOSトランジスタN3によって所定の電位にプリチャージされる。セレクタSEL1においては、NチャネルMOSトランジスタN60がONし、電源ノードVccbが選択されている。また、セレクタSEL2においては、NチャネルMOSトランジスタN62がONし、ノード220の電圧レベルは接地レベルとなっている。
【0103】
チップ活性化信号/ACTがLレベルとなり、メモリアレイが活性化されると、セレクタSEL1においてPチャネルMOSトランジスタP60がONし、電源ノードVccaが選択され、ノード214の電位が2.5Vに上昇する。また、セレクタSEL2においてPチャネルMOSトランジスタP62がONする。ここで、上述したように、PチャネルMOSトランジスタP62のしきい値は1.0Vに設計されているので、PチャネルMOSトランジスタP62がONすると、ノード220の電位は、1.0Vにクランプされる。
【0104】
なお、このメモリアレイが活性化され、ビット線は駆動されていない状態を、実施の形態1で行なった説明と対応させて「スタンバイ状態」と称する。
【0105】
そして、メモリアレイが活性化された後、Hレベル(“1”)のデータを選択されたMTJメモリセルMCに書込む場合には、対応するビット線のライトビット線選択信号WACTがHレベルとなり、ビット線BLと定電位ノード216との間に設けられたNチャネルMOSトランジスタN2がONされ、ライトドライバデコーダBLDKによってPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1がそれぞれON,OFFされる。そうすると、PチャネルMOSトランジスタP1からNチャネルMOSトランジスタN2を介して定電位ノード216へ向かう方向にデータ書込電流+Iwが流れる。
【0106】
反対に、Lレベル(“0”)のデータをMTJメモリセルMCに書込む場合には、ライトドライバデコーダBLDKによってPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1がそれぞれOFF,ONされる。そうすると、定電位ノード216からNチャネルMOSトランジスタN2を介してNチャネルMOSトランジスタN1へ向かう方向にデータ書込電流−Iwが流れる。
【0107】
この状態で、図示されないライトディジット線ドライバ120bによって書込対象のMTJメモリセルMCが接続されるライトディジット線WDLが活性化され、データ書込電流が流れているビット線BLおよびライトディジット線WDLの交点に配置されたMTJメモリセルMCにデータ書込電流の方向に応じた書込データが磁気的に書込まれる。
【0108】
なお、ビット線BLにデータ書込電流が流される状態を実施の形態1で行なった説明と対応させて「選択状態」と称し、さらに、ビット線BLにデータ書込電流+Iw,−Iwが流される状態をそれぞれ「第1の動作状態」および「第2の動作状態」と称する。
【0109】
図16〜図24は、図15に示した書込駆動回路の待機時、スタンバイ時および選択時における電圧配置を説明するための図である。
【0110】
図16は、図15に示した各書込駆動回路における電圧配置を説明するためにその要部の構成を概略的に示した回路図である。図16を参照して、電圧V1は、図15に示したノード214の電圧に対応する。
【0111】
図17は、図16に示した書込駆動回路の待機時における動作状態を示す図である。図17を参照して、待機時においては、電流ドライバであるPチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1は、いずれもOFFされ、NチャネルMOSトランジスタN2,N3は、それぞれOFF,ONされる。
【0112】
図18は、図17に示した待機状態時の電圧配置の一例を示す図である。図18を参照して、待機時においては、NANDゲートG1およびANDゲートG2は、いずれも、1.5Vの電源電圧および0Vの接地電圧を受けて動作する。電源ノードV1,Vccdには、それぞれ1.5Vおよび0.6Vの電圧が印加される。定電位ノード216の電位V216は、待機時、スタンバイ時および選択時に拘わらず、1.2Vに固定されている。
【0113】
PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1はいずれもOFFしており、そのゲート電位Vgは、NANDゲートG1およびANDゲートG2の動作電圧に基づいてそれぞれ1.5Vおよび0Vである。また、ビット線BLの電位VBLは、電源ノードVccdの電位に応じて0.6Vである。
【0114】
このように、待機時、ビット線BLは所定の電位にプリチャージされる。したがって、厚膜トランジスタに比べてリーク電流が大きくなる薄膜トランジスタでPチャネルMOSトランジスタP1を構成しても、PチャネルMOSトランジスタP1のソース−ドレイン間の電位差が小さく抑えられているので、PチャネルMOSトランジスタP1におけるリーク電流が抑えられる。
【0115】
図19は、図16に示した書込駆動回路のスタンバイ時における動作状態を示す図である。図19を参照して、スタンバイ時における書込駆動回路の動作状態は、図17に示した待機時における動作状態と同じである。
【0116】
図20は、図19に示したスタンバイ状態時の電圧配置の一例を示す図である。図20を参照して、スタンバイ時においては、図15に示されたセレクタSEL1によって電源ノードVccaが選択されるので、電圧V1は2.5Vとなる。また、図15に示されたセレクタSEL2によってノード220の電位は1.0Vとなっており、NANDゲートG1は、2.5Vの電源電圧および1.0Vの接地電圧を受けて動作する。ANDゲートG2は、待機時と同じく1.5Vの電源電圧および0Vの接地電圧を受けて動作する。電源ノードVccdおよび定電圧ノード216には、待機時と同様に、それぞれ0.6Vおよび1.2Vの電圧が印加される。
【0117】
PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1はいずれもOFFしており、そのゲート電位Vgは、NANDゲートG1およびANDゲートG2の動作電圧に基づいてそれぞれ2.5Vおよび0Vである。また、ビット線BLの電位VBLは、電源ノードVccdの電位に応じて0.6Vである。
【0118】
このように、スタンバイ時、電源ノードV1の電位およびPチャネルMOSトランジスタP1のゲート電位は、いずれも2.5Vに上昇する。ここで、ビット線BLも0.6Vにプリチャージされているので、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差が緩和され、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート絶縁膜の耐圧よりも低く抑えられている。したがって、薄膜トランジスタで構成されるPチャネルMOSトランジスタP1のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0119】
また、PチャネルMOSトランジスタP1のソース−ドレイン間における電位差の緩和は、PチャネルMOSトランジスタP1におけるリーク電流を減少させる。
【0120】
図21は、図16に示した書込駆動回路の選択時における第1の動作状態を示す図である。図21を参照して、第1の動作状態においては、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1は、それぞれON,OFFされ、NチャネルMOSトランジスタN2がONされる。NチャネルMOSトランジスタN3はOFFされる。
【0121】
図22は、図21に示した第1の動作状態時の電圧配置の一例を示す図である。図22を参照して、第1の動作状態におけるNANDゲートG1およびANDゲートG2が受ける電圧、ならびに電源ノードV1に印加される電圧は、スタンバイ時と同じである。PチャネルMOSトランジスタP1のゲート電位は、NANDゲートG1の接地電位に応じて1.0Vである。定電位ノード216の電位V216は、1.2Vであり、ビット線BLの電位VBLは、NチャネルMOSトランジスタN2において生じる電圧降下の影響によって1.7V程度となる。
【0122】
このように、第1の動作状態時、ビット線BLの電位VBLは、接地電位よりも電位が高い定電位ノード216の電位V216よりもさらに高い電位に上昇するが、PチャネルMOSトランジスタP1のソース電位が2.5Vにブーストされるので、PチャネルMOSトランジスタP1のソース−ドレイン間には、十分な電位差が発生する。さらに、PチャネルMOSトランジスタP1は、電流駆動力の大きい薄膜トランジスタで構成されている。したがって、PチャネルMOSトランジスタP1の電流駆動力が確保される。
【0123】
また、電源ノードV1の電位が2.5Vに上昇するに際して、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート電位VgがNANDゲートG1の接地電位に応じて1.0Vに上昇するので、PチャネルMOSトランジスタP1におけるソース−ゲート間の電圧差は緩和されている。したがって、PチャネルMOSトランジスタP1が薄膜トランジスタで構成されていても、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0124】
図23は、図16に示した書込駆動回路の選択時における第2の動作状態を示す図である。図23を参照して、第2の動作状態においては、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1は、それぞれOFF,ONされ、NチャネルMOSトランジスタN2がONされる。NチャネルMOSトランジスタN3はOFFされる。
【0125】
図24は、図23に示した第2の動作状態時の電圧配置の一例を示す図である。図24を参照して、第2の動作状態におけるNANDゲートG1およびANDゲートG2が受ける電圧、ならびに電源ノードV1に印加される電圧も、スタンバイ時と同じである。定電位ノード216の電位V216は、1.2Vであり、ビット線BLの電位VBLは、NチャネルMOSトランジスタN2において生じる電圧降下の影響によって0.8V程度となる。
【0126】
このように、第2の動作状態時、ビット線BLの電位VBLは、電源ノードV1よりも電位が低い定電位ノード216の電位V216よりもさらに低い電位に低下するが、NチャネルMOSトランジスタN1は、薄膜トランジスタで構成されているので、その電流駆動力は確保される。
【0127】
なお、上記においては、待機時、ビット線BLは0.6Vにプリチャージされたが、電源ノードV1およびPチャネルMOSトランジスタP1のゲート電位に合わせて、電源ノードVccdの電位を1.5Vとしてもよい。これにより、待機時において、ビット線BLのプリチャージ電位は1.5Vとなり、リーク電流が大きくなる薄膜トランジスタでPチャネルMOSトランジスタP1を構成しても、PチャネルMOSトランジスタP1のソース、ドレインおよびゲート間の電位差は0であるので、PチャネルMOSトランジスタP1においてリーク電流を0とすることができる。
【0128】
また、待機時において、NチャネルMOSトランジスタN1のリーク電流も考慮して、ビット線BLのプリチャージ電位が電源ノードV1に印加される電位と接地ノードGNDに印加される電位との中間電位になるようにプリチャージ電位を設定してもよい。
【0129】
さらに、スタンバイ時において、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート絶縁膜の耐圧を考慮して、電源ノードV1の電位の上昇に応じてプリチャージ電位を上昇させてもよい。たとえば、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1の耐圧が1.5V程度であれば、スタンバイ時におけるプリチャージ電位を1.2V程度に上昇させることによって、PチャネルMOSトランジスタP1およびNチャネルMOSトランジスタN1のゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差は、1.5V以内に抑えられる。これにより、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート絶縁膜の信頼性が確保される。
【0130】
また、さらに、NチャネルMOSトランジスタN1の電流駆動力をより高くするために、電源ノードV1の電位がブーストされるとともに、NチャネルMOSトランジスタN1が接続される接地ノードGNDの電位をNチャネルMOSトランジスタN1の耐圧の範囲内で接地電位よりも低くするようにしてもよい。この場合、電源ノードV1に電圧を供給する、セレクタSEL1、電源ノードVcca,VccbおよびNチャネルMOSトランジスタN52からなる電圧供給回路と同様に、接地ノードGNDに接地電位および接地電位よりも低い電位を選択的に与える電圧供給回路を設けてもよい。なお、この場合、この電圧供給回路は、もう1つの電圧供給回路を構成する。
【0131】
また、さらに、第1の動作状態において、NチャネルMOSトランジスタN1のゲート絶縁膜の耐圧を考慮して、NチャネルMOSトランジスタN1のゲート電位をしきい値を超えない範囲で上昇させてもよい。これは、NチャネルMOSトランジスタN1のゲート電位を制御するANDゲートG2のソース電位を上昇させることによって可能である。そこで、たとえば、NチャネルMOSトランジスタN1の耐圧が1.5V程度であれば、NチャネルMOSトランジスタN1のゲート電位を0.5V程度とすることによって、NチャネルMOSトランジスタN1のゲート−ドレイン間の電位差は、1.5V以内に抑えられる。
【0132】
また、さらに、第2の動作状態において、PチャネルMOSトランジスタP1の耐圧を考慮して、NANDゲートG1の動作電位および電源ノードV1の電位を待機時の値としてもよい。たとえば、PチャネルMOSトランジスタP1の耐圧が1.5V程度であれば、PチャネルMOSトランジスタP1のゲート電位および電源ノードV1の電位を待機時の1.5Vにすることによって、PチャネルMOSトランジスタのゲート−ドレイン間およびソース−ドレイン間の電位差は、1.5V以内に抑えられる。
【0133】
以上のように、この実施の形態2によるMRAM100によれば、書込駆動回路は、ビット線BLの片側にのみ配置されるので、書込駆動回路の占める面積が大幅に削減され、MRAMの小型化が実現できる。
【0134】
また、書込駆動回路のドライバトランジスタを薄膜トランジスタで形成したので、書込駆動回路による電流駆動力を確保することができる。
【0135】
さらに、待機時およびスタンバイ時にプリチャージ回路によってビット線をプリチャージするようにしたので、電流ドライバを構成するドライバトランジスタのゲート絶縁膜の信頼性が確保される。また、ゲートリーク電流およびソース−ドレイン間のリーク電流を大幅に削減することができる。
【0136】
[実施の形態3]
実施の形態2では、図15に示したように、各ライトドライバデコーダは、ビット線に対して、隣接するビット線のライトドライバデコーダと同一側に配置された。実施の形態3では、ビット線に対してライトドライバデコーダがビット線毎に左右交互に配置される。
【0137】
実施の形態3によるMRAMの全体構成は、図10に示したMRAMの全体構成と同じであり、その説明は繰返さない。
【0138】
図25は、実施の形態3によるMRAMにおける書込駆動回路の構成を示す回路図である。図25は、実施の形態2における図15に対応した図であり、図15と同様に、複数あるビット線のうち隣接する4本のビット線に関する部分についてのみ示されている。なお、図15に示された書込駆動回路と重複する部分についての説明は繰返さない。
【0139】
図25を参照して、ビット線BLaに対応して、電流ドライバを構成するPチャネルMOSトランジスタP11およびNチャネルMOSトランジスタN11、ならびにライトドライバデコーダBLDK1を構成するNANDゲートG11およびANDゲートG21は、ビット線BLaの第1の側(図25においてビット線BLaの左側)に配置される。一方、NチャネルMOSトランジスタN21およびプリチャージ回路を構成するNチャネルMOSトランジスタN31は、ビット線BLaの第2の側(図25においてビット線BLaの右側)に配置される。
【0140】
ビット線BLaに隣接するビット線BLbにおいては、電流ドライバを構成するPチャネルMOSトランジスタP12およびNチャネルMOSトランジスタN12、ならびにライトドライバデコーダBLDK2を構成するNANDゲートG12およびANDゲートG22は、ビット線BLbの第2の側に配置され、NチャネルMOSトランジスタN22およびプリチャージ回路を構成するNチャネルMOSトランジスタN32は、ビット線BLbの第1の側に配置される。
【0141】
以下のビット線についても、同様に、隣接するビット線に対して電流ドライバが左右に交互配置され、この電流ドライバに対応してライトドライバデコーダ、プリチャージ回路、定電位ノードが配置される。
【0142】
そして、対応するビット線の第1の側に配置された電流ドライバおよびライトドライバデコーダは、セレクタSEL1,SEL2から電圧の供給を受け、対応するビット線の第2の側に配置された電流ドライバおよびライトドライバデコーダは、セレクタSEL1,SEL2とそれぞれ同じ機能を有するセレクタSEL3,SEL4から電圧の供給を受ける。
【0143】
なお、ビット線の第2の側に配置された電流ドライバおよびライトドライバデコーダ用にセレクタSEL3,SEL4を別途設けることなく、セレクタSEL1,SEL2からビット線の第2の側に配置された電流ドライバおよびライトドライバデコーダへ配線を設けて電圧を供給するような構成としてもよい。
【0144】
以上のように、実施の形態3によるMRAMによれば、隣接するビット線について電流ドライバの配置を左右交互に配置するようにしたので、レイアウトの込み具合を解消し、レイアウト設計の自由度が向上する。
【0145】
なお、上記の各実施の形態では、プリチャージ回路を構成するトランジスタは、NチャネルMOSトランジスタとしたが、PチャネルMOSトランジスタで構成してもよい。上記において、NチャネルMOSトランジスタを用いたのは、プリチャージ電位(0.6V)がPチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧と近い値であるため、トランジスタとしてのON抵抗が大きくなり、ノードまたはビット線をプリチャージできなくなる可能性があるからである。
【0146】
しかしながら、電流ドライバの耐圧の関係からプリチャージ電位をより高くする必要があるときは、逆にNチャネルMOSトランジスタの方がON抵抗が大きくなるため、この場合は、PチャネルMOSトランジスタを用いる方が望ましい。なお、PチャネルMOSトランジスタを用いた場合は、ゲートにプリチャージ信号PREの反転信号/PREを受ける。
【0147】
また、上記の各実施の形態では、プリチャージ電位は、プリチャージ回路によって与えられたが、別途プリチャージ回路を設けることなく、定電位ノードを用いてビット線をプリチャージしてもよい。すなわち、データ読出時以外は、ビット線を定電位ノードに接続するNチャネルMOSトランジスタを常時ONし、電流ドライバを構成するドライバトランジスタがいずれもOFFしているときは、定電位ノードからビット線をプリチャージし、選択状態となってドライバトランジスタのいずれかがONしたときは、上述した定電位ノードとしての機能を果たすようにしてもよい。
【0148】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0149】
【発明の効果】
この発明によれば、ビット線に電流を双方向に流す書込駆動回路がビット線の片側にのみ配置されるので、書込駆動回路の占める面積が大幅に削減され、その結果、半導体記憶装置の小型化が実現できる。
【0150】
また、書込駆動回路を片側配置とすることによって、ビット線選択情報やデータ情報などの信号をビット線の片側に集中することができ、書込駆動回路の制御が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明による書込駆動回路の構成を示す回路図である。
【図2】 図1に示す書込駆動回路の待機時における動作状態を示す図である。
【図3】 図1に示す書込駆動回路の待機時における電圧配置を示す図である。
【図4】 図1に示す書込駆動回路のスタンバイ時における動作状態を示す図である。
【図5】 図1に示す書込駆動回路のスタンバイ時における電圧配置を示す図である。
【図6】 図1に示す書込駆動回路の選択時における第1の動作状態を示す図である。
【図7】 図1に示す書込駆動回路の第1の動作状態における電圧配置を示す図である。
【図8】 図1に示す書込駆動回路の選択時における第2の動作状態を示す図である。
【図9】 図1に示す書込駆動回路の第2の動作状態における電圧配置を示す図である。
【図10】 この発明によるMRAMの全体構成を示す概略ブロック図である。
【図11】 MRAMのメモリセルの構成を示す概略図である。
【図12】 MTJメモリセルへのデータ書込動作を説明する概念図である。
【図13】 MTJメモリセルからのデータ読出動作を説明する概念図である。
【図14】 図10に示すMRAMの要部の構成を示す回路図である。
【図15】 実施の形態2によるMRAMにおける書込駆動回路の構成を示す回路図である。
【図16】 図15に示す各書込駆動回路における電圧配置を説明するためにその要部の構成を概略的に示した回路図である。
【図17】 図16に示す書込駆動回路の待機時における動作状態を示す図である。
【図18】 図17に示す待機状態時の電圧配置の一例を示す図である。
【図19】 図16に示す書込駆動回路のスタンバイ時における動作状態を示す図である。
【図20】 図19に示すスタンバイ状態時の電圧配置の一例を示す図である。
【図21】 図16に示す書込駆動回路の選択時における第1の動作状態を示す図である。
【図22】 図21に示す第1の動作状態時の電圧配置の一例を示す図である。
【図23】 図16に示す書込駆動回路の選択時における第2の動作状態を示す図である。
【図24】 図23に示す第2の動作状態時の電圧配置の一例を示す図である。
【図25】 実施の形態3によるMRAMにおける書込駆動回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 書込駆動回路、2 電流ドライバ、4 ゲート電位制御回路、6 プリチャージ回路、8,216 定電位ノード、10 負荷回路、100 MRAM、105 コントロール回路、110 メモリアレイ、120 行選択回路、120a ワード線デコーダ、120b ライトディジット線デコーダ、125 列デコーダ、130,135 読出/書込制御回路、202〜206 センスアンプ、208 ラッチ回路、210 出力バッファ、212 データ入出力端子、ATR アクセストランジスタ、BL,BLa,BLb ビット線、BLDK,BLDK1,BLDK2 ライトドライバデコーダ、DIO データ線対、DWL ダミーワード線、DWDL ダミーライトディジット線、FL 固定磁化層、G1,G101 NANDゲート、G2,G102 ANDゲート、GND 接地ノード、MC MTJメモリセル、ND1,ND101,ND102 ノード、RCSL リードコラム選択線、RBL リードビット線、RSG1,RSG2 読出選択ゲート、SEL1〜SEL4 セレクタ、SL ソース線、TBトンネルバリア、TMR トンネル磁気抵抗素子、Vcc,Vcca〜Vccd,Vpre 電源ノード、VL 自由磁化層、WACT ライトビット線選択信号、WBL ライトビット線、WDL ライトディジット線、WL ワード線。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a semiconductor memory device including a write drive circuit capable of flowing a current bidirectionally to a bit line in order to write data in a memory cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, MRAM (Magnetic Random Access Memory) has attracted attention as a non-volatile storage device with low power consumption. The MRAM is a storage device that performs non-volatile data storage using a plurality of thin film magnetic bodies formed in a semiconductor integrated circuit and can randomly access each of the thin film magnetic bodies.
[0003]
In the MRAM, when data is written, a write driving circuit that operates by supplying a predetermined power supply voltage causes a current to flow in the direction corresponding to the write data in the selected bit line, and the unselected bit line is in a floating state. It is said. Then, when a predetermined amount of current flows through the selected bit line, the magnetization direction of a ferromagnetic layer called a free magnetic layer in the memory cell to be written with data changes. Then, data is stored in the memory cell in a nonvolatile manner by utilizing the change in the resistance value due to the change in the internal state.
[0004]
In order to write data in the MRAM, it is necessary to flow a current bidirectionally through the bit line as described above. Therefore, in the conventional MRAM, a write drive circuit composed of a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor is arranged on both sides of each bit line, and from one write drive circuit to the other in accordance with write data. Data is written to the memory cell by passing a current through the drive circuit.
[0005]
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-197851 discloses that the potential of one end of the word line is fixed and the potential of the other end is changed in order to prevent the electromigration phenomenon occurring in the word line and bit line in the MRAM. In the bit line, a technique for preventing the electromigration phenomenon is disclosed by changing the potential at both ends or the potential at at least one end to flow a current in the reverse direction after data writing to the wiring. (See Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-197851 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been an increasing need for miniaturization of semiconductor memory devices against the background of the portability of electronic devices. As described above, in a semiconductor memory device in which data is written to a memory cell by flowing a current bidirectionally to a bit line, generally, a write drive circuit that is a current driver is provided for each bit line and on both sides thereof. Has been placed. For this reason, the occupation area of the write drive circuit is large, and the total number of wirings is large due to the large number of write drive circuits. Therefore, in such a semiconductor memory device represented by MRAM, reduction of the area of the write drive circuit and reduction of the number of devices itself have been problems.
[0008]
In addition, when data is written to the memory cell by passing a current through the bit line, the current driving capability of the write driving circuit must be sufficiently ensured, which is sufficient to reduce the current driving capability due to the reduction of the write driving circuit. It is necessary to keep in mind. Here, from the viewpoint of securing the current driving capability, a load resistor (a gate disposed downstream) connected to the bit line when a current flows through the bit line regardless of whether or not the write driving circuit is reduced. It is also necessary to consider the influence of the voltage drop generated in the transistor). That is, the voltage drop caused by the load resistance acts to reduce the source-drain voltage of the driver transistor that constitutes the write drive circuit, so that the current drive capability also decreases due to this influence. Therefore, in consideration of these, the current driving capability of the write driving circuit must be sufficiently ensured.
[0009]
Furthermore, against the background of energy saving in recent years, in semiconductor memory devices, in addition to miniaturization, low power consumption has become a major issue. The MRAM described in JP-A-2002-197851 described above is useful for preventing electromigration and improving operational stability. However, as described above, in recent years, the size of semiconductor memory devices has been further reduced. Therefore, there is a demand for a semiconductor memory device that realizes stable operation and low power consumption after downsizing the semiconductor memory device.
[0010]
Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that can reduce the area of the write drive circuit and realize downsizing of the device.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which the area of a write drive circuit is reduced to reduce the size of the device and further prevent a decrease in current drive capability.
[0012]
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that further reduces power consumption by reducing the area of the write drive circuit to reduce the size of the device.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a semiconductor memory device is provided corresponding to a plurality of memory cells arranged in a matrix, a plurality of bit lines provided corresponding to columns of the plurality of memory cells, and a plurality of bit lines. Each connected to one end of the corresponding bit line , A current flows in the direction corresponding to the logic level of the write data to the corresponding bit line Multiple write drive circuits Are provided corresponding to a plurality of bit lines, each being provided between the other end of the corresponding bit line and a constant potential node to which a voltage of a predetermined potential is applied, and corresponding bit lines at the time of data writing A plurality of connection circuits for connecting the other end of the corresponding bit line and a constant potential node in response to activation of a write bit line selection signal for instructing selection And with , Each of the plurality of write drive circuits receives a voltage of a first potential higher than a predetermined potential and a voltage of a second potential lower than the predetermined potential, and when the write data is at the first logic level, When a current flows from one end of the corresponding bit line to the other end based on the potential difference between the first potential and the predetermined potential, and the write data is at the second logic level complementary to the first logic level, Based on the potential difference between the potential and the second potential, a current is passed from the other end of the corresponding bit line to one end.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[0015]
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit according to the present invention. Referring to FIG. 1, write
[0016]
[0017]
The operation of the
[0018]
Gate potential control circuit 4 includes a NAND gate G101 and an AND gate G102. The NAND gate G101 calculates a logical product of at least one drive condition signal and outputs a signal obtained by inverting the calculation result. The AND gate G102 outputs a signal obtained by calculating a logical product of at least one driving condition signal.
[0019]
The gate potential control circuit 4 can control the operation of the
[0020]
Gate potential control circuit 4 operates based on voltages supplied from a power supply node and a ground node (not shown). The voltage supplied to the gate potential control circuit 4 also changes according to the operating state of the
[0021]
[0022]
The
[0023]
Constant potential node 8 is a node having a fixed potential, and the potential is set to a potential between a power supply voltage applied to power supply node Vcc and a ground voltage applied to ground node GND.
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
In
[0027]
Next, features of the
[0028]
The second feature of the
[0029]
In the following, a transistor having a gate insulating film having such a film thickness is referred to as a “thin film transistor”, whereas a transistor that has been used in a normal current drive system is also referred to as a “thick film transistor”. .
[0030]
The
[0031]
That is, when the current driver is arranged on both sides of the node, the potential difference between the power supply node Vcc and the ground node GND becomes the current driving force. However, in
[0032]
Therefore, in this
[0033]
A third feature of
[0034]
Therefore, in this
[0035]
In addition, the operating potential of gate potential control circuit 4 is boosted as the potential of power supply node Vcc is boosted. As a result, the gate potential of P channel MOS transistor P101 is also boosted, and when P channel MOS transistor P101 is turned on with the potential of power supply node Vcc being boosted, an excessive amount is generated between the source and gate of P channel MOS transistor P101. The potential difference is relaxed. This ensures the reliability of the gate insulating film.
[0036]
In the above description, the case where current flows from the
[0037]
A fourth feature of the
[0038]
Therefore, by precharging node ND1 to a predetermined potential by
[0039]
P channel MOS transistor P101 is formed of a thin film transistor whose leakage current is larger than that of a thick film transistor, but the potential difference between the source and drain of P channel MOS transistor P101 can be suppressed by precharging node ND1. Therefore, the leakage current in P channel MOS transistor P101 is also suppressed.
[0040]
FIG. 2 is a diagram showing an operating state during standby of the
[0041]
FIG. 3 is a diagram showing a voltage arrangement in the standby state of
[0042]
Thus, at the time of standby, the node ND1 is precharged to a predetermined potential. Therefore, even if the P-channel MOS transistor P101 is constituted by a thin film transistor having a leak current larger than that of the thick film transistor, the potential difference between the source and drain of the P-channel MOS transistor P101 is suppressed to a small value. Leakage current at P101 is suppressed.
[0043]
FIG. 4 is a diagram showing an operation state during standby of
[0044]
FIG. 5 is a diagram showing a voltage arrangement at the time of standby of
[0045]
Thus, the potential received by power supply node Vcc is boosted to 2.5V during standby. Here, since the node ND1 is also precharged to a predetermined potential, the potential difference between the source and drain of the P-channel MOS transistor P101 is suppressed to be lower than the withstand voltage of the P-channel MOS transistor P101. Therefore, even if P channel MOS transistor P101 is formed of a thin film transistor, the reliability of the gate insulating film of P channel MOS transistor P101 is ensured.
[0046]
FIG. 6 is a diagram showing a first operation state when the
[0047]
Referring to FIG. 6, in the first operation state, P channel MOS transistor P101 is turned on and N channel MOS transistors N101 and N102 are turned off.
[0048]
FIG. 7 is a diagram showing a voltage arrangement in the first operation state of
[0049]
Thus, in the first operating state, the potential of the node ND1 is the potential V of the constant potential node 8 that is higher than the ground potential. 8 However, since the potential of power supply node Vcc is boosted to 2.5V, a sufficient potential difference is generated between the source and drain of P channel MOS transistor P101. Therefore, P channel MOS transistor P101 can operate in a saturation region, and a predetermined current driving capability is ensured.
[0050]
In order to secure current driving capability, the potential of power supply node Vcc is boosted to 2.5V, but the gate potential Vg of P-channel MOS transistor P101 also rises to 1.0V according to the ground potential of NAND gate G101. Therefore, a potential difference of 1.5 V is generated between the source and gate of the P-channel MOS transistor P101. Therefore, even if P channel MOS transistor P101 is formed of a thin film transistor, the reliability of the gate insulating film of P channel MOS transistor P101 is ensured.
[0051]
FIG. 8 is a diagram showing a second operation state when
[0052]
Referring to FIG. 8, in the second operation state, N channel MOS transistor N101 is turned on, and P channel MOS transistor P101 and N channel MOS transistor N102 are turned off.
[0053]
FIG. 9 is a diagram showing a voltage arrangement in the second operation state of
[0054]
Thus, in the second operation state, the potential of the node ND1 is the potential V of the constant potential node 8 which is lower than the power supply node Vcc. 8 However, since the N-channel MOS transistor N101 is formed of a thin film transistor, a predetermined current driving capability is ensured.
[0055]
In the above description, node ND1 is precharged to 0.6 V during standby, but the precharge potential may be set to 1.5 V in accordance with the gate potentials of power supply node Vcc and P channel MOS transistor P101. As a result, even if the P channel MOS transistor P101 is configured by a thin film transistor having a large leakage current, the voltage difference between the source, drain and gate of the P channel MOS transistor P101 becomes 0. Therefore, the leakage current in the P channel MOS transistor P101 Can be set to zero.
[0056]
In the standby mode, the leakage current of N channel MOS transistor N101 is also taken into consideration so that the precharge potential of node ND1 becomes an intermediate potential between the potential applied to power supply node Vcc and the potential applied to ground node GND. A precharge potential may be set to.
[0057]
Further, in standby, the precharge potential may be increased in accordance with the increase in the potential of power supply node Vcc in consideration of the breakdown voltage of P channel MOS transistor P101. For example, if the breakdown voltage of the gate insulating films of P-channel MOS transistor P101 and N-channel MOS transistor N101 is about 1.5V, the precharge potential during standby is raised to about 1.2V, thereby causing P-channel MOS transistor P101. Further, the potential difference between the gate and drain and the source and drain of N channel MOS transistor N101 can be suppressed to within 1.5V. Thereby, the reliability of the gate insulating film of P channel MOS transistor P101 is ensured.
[0058]
Further, in order to further increase the current driving capability of N channel MOS transistor N101, the ground node is within the breakdown voltage range of the gate insulating film of N channel MOS transistor N101 as the potential of power supply node Vcc is boosted. The potential of GND may be lowered.
[0059]
Furthermore, in the first operating state, the gate potential of N channel MOS transistor N101 may be raised within a range not exceeding the threshold value in consideration of the breakdown voltage of the gate insulating film of N channel MOS transistor N101. This is possible by raising the source potential of the AND gate G102 that controls the gate potential of the N-channel MOS transistor N101. Therefore, for example, if the breakdown voltage of the gate insulating film of N channel MOS transistor N101 is about 1.5V, the gate potential of N channel MOS transistor N101 is reduced by setting the gate potential of N channel MOS transistor N101 to about 0.5V. The voltage difference between the drains is suppressed within 1.5V.
[0060]
Further, in the second operation state, the operating potential of NAND gate G101 and the potential of power supply node Vcc may be set to standby values in consideration of the breakdown voltage of the gate insulating film of P channel MOS transistor P101. For example, if the breakdown voltage of the gate insulating film of P-channel MOS transistor P101 is about 1.5V, the gate potential of P-channel MOS transistor P101 and the potential of power supply node Vcc are set to 1.5V during standby, thereby The potential difference between the gate and drain of the MOS transistor and between the source and drain can be suppressed within 1.5V.
[0061]
As described above, according to the
[0062]
Further, by arranging the
[0063]
Furthermore, since the
[0064]
In addition, since the bit line is precharged by the
[0065]
Further, since each state at the time of standby, standby and selection can be established, the present invention can be applied to a write drive circuit of a semiconductor memory device which requires such a state.
[0066]
[Embodiment 2]
FIG. 10 is a schematic block diagram showing the overall configuration of the MRAM according to the present invention. Referring to FIG. 10,
[0067]
The
[0068]
In
[0069]
The
[0070]
Read /
[0071]
Hereinafter, secondary high voltage states (for example, power supply voltage) and low voltage states (for example, ground voltage) such as signals, signal lines, and data are also referred to as “H level” and “L level”, respectively.
[0072]
Next, the structure of the memory cell in the MRAM will be described.
FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the memory cell of the MRAM. In the memory cell of the MRAM, a thin film magnetic body using a magnetic tunnel junction (MTJ) is used. Hereinafter, a memory cell having a magnetic tunnel junction is referred to as an “MTJ memory cell”.
[0073]
Referring to FIG. 11, the MTJ memory cell includes a tunnel magnetoresistive element TMR whose electric resistance changes according to the value (“1” or “0”) of magnetically written storage data, and access transistor ATR. Including. Access transistor ATR is connected in series with tunneling magneto-resistance element TMR between write bit line WBL and read bit line RBL.
[0074]
At the time of data writing, a data write current in a direction corresponding to the write data flows through write bit line WBL, and further a current also flows through write digit line WDL. Access transistor ATR is turned off. At the time of data reading, the word line WL is activated and the access transistor ATR is turned on. When access transistor ATR is turned on, tunneling magneto-resistance element TMR is electrically coupled between write bit line WBL set at ground voltage GND and read bit line RBL receiving the supply of data read current.
[0075]
FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a data write operation to the MTJ memory cell. Referring to FIG. 12, tunneling magneto-resistance element TMR corresponds to a ferromagnetic layer (hereinafter, also simply referred to as “fixed magnetization layer”) FL having a fixed constant magnetization direction and a magnetic field applied from the outside. A ferromagnetic layer (hereinafter also simply referred to as a “free magnetic layer”) VL that is magnetized in a certain direction. A tunnel barrier (tunnel film) TB formed of an insulator film is provided between the fixed magnetic layer FL and the free magnetic layer VL. Free magnetic layer VL is magnetized in the same direction as fixed magnetic layer FL or in the opposite direction (antiparallel direction) to fixed magnetic layer FL according to the value of data to be written. A magnetic tunnel junction is formed by these fixed magnetic layer FL, tunnel barrier TB, and free magnetic layer VL.
[0076]
The electric resistance of tunneling magneto-resistance element TMR changes according to the relative relationship between the magnetization directions of fixed magnetic layer FL and free magnetic layer VL. Specifically, the electric resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR becomes the minimum value Rmin when the magnetization direction of the fixed magnetization layer FL and the magnetization direction of the free magnetization layer VL are parallel, and the magnetization directions of both are opposite directions ( In the case of anti-parallel direction, the maximum value Rmax is obtained.
[0077]
At the time of data writing, word line WL is inactivated and access transistor ATR is turned off. In this state, in each of write bit line WBL and write digit line WDL, a data write current for magnetizing free magnetic layer VL flows in a direction according to the logic level of the write data. Then, a magnetic field corresponding to the current direction is generated in each of write bit line WBL and write digit line WDL, and the sum of these magnetic fields is applied to free magnetic layer VL. The free magnetic layer VL is parallel or antiparallel (opposite direction) to the fixed magnetic layer FL along the easy axis direction along the fixed magnetization direction of the fixed magnetic layer FL by the generated magnetic field. Magnetized.
[0078]
In order to rewrite the storage data of the MTJ memory cell, that is, the magnetization direction of the tunnel magnetoresistive element TMR, it is necessary to pass a data write current of a predetermined level or more to both the write digit line WDL and the write bit line WBL. The magnetization direction once written in tunneling magneto-resistance element TMR, that is, the storage data of the MTJ memory cell is held in a nonvolatile manner until new data is written.
[0079]
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a data read operation from the MTJ memory cell. Referring to FIG. 13, at the time of data reading, access transistor ATR is turned on in response to activation of word line WL. Write bit line WBL is set to ground voltage GND. Thereby, tunneling magneto-resistance element TMR is electrically coupled to read bit line RBL while being pulled down by ground voltage GND.
[0080]
In this state, if the read bit line RBL is pulled up with a predetermined voltage, the current path including the read bit line RBL and the tunnel magnetoresistive element TMR is changed according to the electric resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR, that is, the MTJ memory cell. A memory cell current Icell corresponding to the value of the stored data passes. The memory data is read from the MTJ memory cell by comparing the memory cell current Icell with a predetermined reference current.
[0081]
Thus, tunnel magnetoresistive element TMR changes its electric resistance in accordance with the direction of magnetization that can be rewritten by the applied data write magnetic field, so that electric resistances Rmax and Rmin of tunnel magnetoresistive element TMR are set to the values of stored data. By associating with (“1” and “0”), data can be stored in a nonvolatile manner.
[0082]
FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of
[0083]
Read /
[0084]
Each of N channel MOS transistors N3, together with power supply node Vccd, constitutes a precharge circuit for precharging corresponding bit line BL to a predetermined voltage. Each N channel MOS transistor N3 is connected between a corresponding bit line BL and a
[0085]
Read /
[0086]
Read /
[0087]
P-channel MOS transistor P1 and N-channel MOS transistor N1 and write driver decoder BLDK provided for each bit line constitute a write drive circuit for supplying a data write current to the corresponding bit line BL. Each of P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 is formed of a thin film transistor. Each P-channel MOS transistor P1 is connected between a
[0088]
The P-channel MOS transistor P1 and the N-channel MOS transistor N1 that are current drivers constitute a current driver, and the write driver decoder BLDK is a control circuit that controls the operations of the P-channel MOS transistor P1 and the N-channel MOS transistor N1. Configure.
[0089]
Selector SEL1, power supply nodes Vcca and Vccb, and N channel MOS transistor N52 constitute a voltage supply circuit that supplies a voltage to a current driver formed of P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1. Selector SEL1 is connected between power supply node Vcca and N-channel MOS transistor N52 and
[0090]
Voltages of 2.5 V and 1.5 V are applied to power supply nodes Vcca and Vccb, respectively. Selector SEL1 receives a voltage from power supply node Vcca and power supply node Vccb via N channel MOS transistor N52, selects power supply node Vcca during the active period (during standby and selection), and inactive period (during standby) ) Selects the power supply node Vccb and supplies a voltage to the
[0091]
Next, a data write operation and a read operation in
[0092]
At the time of data reading, both N channel MOS transistors N2 and N3 are turned off. When data is read from the MTJ memory cell MC surrounded by the dotted line, the
[0093]
Then, a read current flows from data line pair DIO to target MTJ memory cell MC and dummy MTJ memory cell DMC, and voltages corresponding to the resistance values of MTJ memory cell MC and dummy MTJ memory cell DMC are generated at nodes ND101 and ND102. . The voltage difference between the nodes ND101 and ND102 is detected by the
[0094]
Next, a case where data is written to the MTJ memory cell MC in the
[0095]
FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit in
[0096]
Referring to FIG. 15, the write driver decoder BLDK includes a NAND gate G1 and an AND gate G2. NAND gate G1 operates by receiving a voltage supply from
[0097]
N channel MOS transistor N2 provided between bit line BL and constant
[0098]
A circuit group including a current driver constituted by the P-channel MOS transistor P1 and N-channel MOS transistor N1 and the write driver decoder BLDK, N-channel MOS transistors N2 and N3, and a bit line BL corresponding thereto. Are repeatedly arranged corresponding to the plurality of bit lines BL.
[0099]
The selector SEL1 includes a P channel MOS transistor P60 and an N channel MOS transistor N60. The
[0100]
P-channel MOS transistor P60 and N-channel MOS transistors N60 and N52 are formed of thick film transistors that ensure the reliability of the gate insulating film even when a voltage of about 2.5 V is applied between the terminals. P channel MOS transistor P60 is connected between power supply node Vcca and
[0101]
P channel MOS transistor P62 and N channel MOS transistor N62 are connected in parallel between
[0102]
In
[0103]
When chip activation signal / ACT becomes L level and the memory array is activated, P channel MOS transistor P60 is turned on in selector SEL1, power supply node Vcca is selected, and the potential of
[0104]
The state in which the memory array is activated and the bit line is not driven is referred to as a “standby state” in correspondence with the description given in the first embodiment.
[0105]
Then, when data of H level (“1”) is written into the selected MTJ memory cell MC after the memory array is activated, the write bit line selection signal WACT of the corresponding bit line becomes H level. N channel MOS transistor N2 provided between bit line BL and constant
[0106]
On the contrary, when L level (“0”) data is written to the MTJ memory cell MC, the P channel MOS transistor P1 and the N channel MOS transistor N1 are turned OFF and ON by the write driver decoder BLDK, respectively. Then, data write current -Iw flows in the direction from constant
[0107]
In this state, the write
[0108]
The state in which the data write current flows through the bit line BL is referred to as a “selected state” in correspondence with the description given in the first embodiment, and the data write currents + Iw and −Iw flow through the bit line BL. These states are referred to as “first operation state” and “second operation state”, respectively.
[0109]
16 to 24 are diagrams for explaining voltage arrangements during standby, standby, and selection of the write drive circuit shown in FIG.
[0110]
FIG. 16 is a circuit diagram schematically showing the configuration of the main part in order to explain the voltage arrangement in each write drive circuit shown in FIG. Referring to FIG. 16, voltage V1 corresponds to the voltage at
[0111]
FIG. 17 is a diagram showing an operation state during standby of the write drive circuit shown in FIG. Referring to FIG. 17, at the time of standby, P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 which are current drivers are both turned OFF, and N channel MOS transistors N2 and N3 are turned OFF and ON, respectively.
[0112]
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a voltage arrangement in the standby state illustrated in FIG. Referring to FIG. 18, in the standby state, both NAND gate G1 and AND gate G2 operate by receiving a power supply voltage of 1.5V and a ground voltage of 0V. Voltages of 1.5V and 0.6V are applied to power supply nodes V1 and Vccd, respectively. Potential V of constant
[0113]
P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 are both OFF, and their gate potentials Vg are 1.5 V and 0 V, respectively, based on the operating voltages of NAND gate G1 and AND gate G2. Further, the potential VBL of the bit line BL is 0.6 V according to the potential of the power supply node Vccd.
[0114]
In this manner, the bit line BL is precharged to a predetermined potential during standby. Therefore, even if the P-channel MOS transistor P1 is composed of a thin film transistor having a leakage current larger than that of the thick film transistor, the potential difference between the source and drain of the P-channel MOS transistor P1 is suppressed to a small value. Leakage current at P1 is suppressed.
[0115]
FIG. 19 is a diagram showing an operation state during standby of the write drive circuit shown in FIG. Referring to FIG. 19, the operation state of the write drive circuit during standby is the same as the operation state during standby shown in FIG.
[0116]
FIG. 20 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the standby state shown in FIG. Referring to FIG. 20, during standby, power supply node Vcca is selected by selector SEL1 shown in FIG. 15, so that voltage V1 is 2.5V. Further, the potential of the
[0117]
P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 are both OFF, and their gate potentials Vg are 2.5 V and 0 V, respectively, based on the operating voltages of NAND gate G1 and AND gate G2. Further, the potential VBL of the bit line BL is 0.6 V according to the potential of the power supply node Vccd.
[0118]
Thus, at the time of standby, the potential of power supply node V1 and the gate potential of P channel MOS transistor P1 both rise to 2.5V. Here, since bit line BL is also precharged to 0.6 V, the potential difference between the gate and drain of P channel MOS transistor P1 and between the source and drain is alleviated, and the breakdown voltage of the gate insulating film of P channel MOS transistor P1 is reduced. Is kept lower. Therefore, the reliability of the gate insulating film of the P-channel MOS transistor P1 composed of thin film transistors is ensured.
[0119]
Further, the relaxation of the potential difference between the source and drain of the P channel MOS transistor P1 reduces the leakage current in the P channel MOS transistor P1.
[0120]
FIG. 21 is a diagram showing a first operation state when the write drive circuit shown in FIG. 16 is selected. Referring to FIG. 21, in the first operation state, P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 are turned on and off, respectively, and N channel MOS transistor N2 is turned on. N-channel MOS transistor N3 is turned off.
[0121]
FIG. 22 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the first operation state shown in FIG. Referring to FIG. 22, the voltage received by NAND gate G1 and AND gate G2 in the first operation state and the voltage applied to power supply node V1 are the same as in the standby mode. The gate potential of P channel MOS transistor P1 is 1.0 V in accordance with the ground potential of NAND gate G1. Potential V of constant
[0122]
Thus, in the first operation state, the potential VBL of the bit line BL is equal to the potential V of the constant
[0123]
When the potential of power supply node V1 rises to 2.5V, gate potential Vg of P channel MOS transistor P1 rises to 1.0V in accordance with the ground potential of NAND gate G1, so that the source in P channel MOS transistor P1 -The voltage difference between the gates is relaxed. Therefore, even if P channel MOS transistor P1 is formed of a thin film transistor, the reliability of the gate insulating film of P channel MOS transistor P1 is ensured.
[0124]
FIG. 23 is a diagram showing a second operation state when the write driving circuit shown in FIG. 16 is selected. Referring to FIG. 23, in the second operation state, P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 are turned OFF and ON, respectively, and N channel MOS transistor N2 is turned ON. N-channel MOS transistor N3 is turned off.
[0125]
FIG. 24 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the second operation state shown in FIG. Referring to FIG. 24, the voltages received by NAND gate G1 and AND gate G2 in the second operation state, and the voltage applied to power supply node V1 are the same as in the standby state. Potential V of constant
[0126]
Thus, in the second operation state, the potential VBL of the bit line BL is the potential V of the constant
[0127]
In the above description, bit line BL is precharged to 0.6 V during standby, but the potential of power supply node Vccd may be set to 1.5 V in accordance with the gate potentials of power supply node V1 and P channel MOS transistor P1. Good. Thereby, in the standby state, the precharge potential of the bit line BL becomes 1.5 V, and even if the P channel MOS transistor P1 is configured by a thin film transistor in which the leak current becomes large, between the source, drain and gate of the P channel MOS transistor P1 Since the potential difference is 0, the leakage current can be reduced to 0 in the P-channel MOS transistor P1.
[0128]
In standby mode, the precharge potential of bit line BL becomes an intermediate potential between the potential applied to power supply node V1 and the potential applied to ground node GND in consideration of the leakage current of N channel MOS transistor N1. In this way, the precharge potential may be set.
[0129]
Further, in standby, the precharge potential may be raised in accordance with the rise in the potential of power supply node V1 in consideration of the breakdown voltage of the gate insulating film of P channel MOS transistor P1. For example, if the withstand voltage of P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor N1 is about 1.5V, the precharge potential during standby is raised to about 1.2V, so that P channel MOS transistor P1 and N channel MOS transistor The potential difference between the gate and drain of the transistor N1 and between the source and drain is suppressed within 1.5V. Thereby, the reliability of the gate insulating film of P channel MOS transistor P1 is ensured.
[0130]
Further, in order to further increase the current driving capability of N channel MOS transistor N1, the potential of power supply node V1 is boosted and the potential of ground node GND to which N channel MOS transistor N1 is connected is set to N channel MOS transistor. It may be made lower than the ground potential within the range of the breakdown voltage of N1. In this case, a ground potential and a potential lower than the ground potential are selected for ground node GND in the same manner as a voltage supply circuit including selector SEL1, power supply nodes Vcca and Vccb and N-channel MOS transistor N52 that supplies a voltage to power supply node V1. A voltage supply circuit may be provided. In this case, this voltage supply circuit constitutes another voltage supply circuit.
[0131]
Furthermore, in the first operation state, the gate potential of N channel MOS transistor N1 may be raised within a range not exceeding the threshold value in consideration of the breakdown voltage of the gate insulating film of N channel MOS transistor N1. This is possible by raising the source potential of the AND gate G2 that controls the gate potential of the N-channel MOS transistor N1. Therefore, for example, if the breakdown voltage of N channel MOS transistor N1 is about 1.5V, the potential difference between the gate and drain of N channel MOS transistor N1 is set by setting the gate potential of N channel MOS transistor N1 to about 0.5V. Is suppressed within 1.5V.
[0132]
Further, in the second operation state, the operating potential of NAND gate G1 and the potential of power supply node V1 may be set to standby values in consideration of the breakdown voltage of P channel MOS transistor P1. For example, if the breakdown voltage of P channel MOS transistor P1 is about 1.5V, the gate potential of P channel MOS transistor P1 is set to 1.5V during standby by setting the gate potential of P channel MOS transistor P1 and the potential of power supply node V1 to 1.5V. The potential difference between the drain and the source-drain is suppressed within 1.5V.
[0133]
As described above, according to the
[0134]
Further, since the driver transistor of the write drive circuit is formed of a thin film transistor, the current drive capability of the write drive circuit can be ensured.
[0135]
Further, since the bit line is precharged by the precharge circuit during standby and standby, the reliability of the gate insulating film of the driver transistor constituting the current driver is ensured. In addition, the gate leakage current and the source-drain leakage current can be greatly reduced.
[0136]
[Embodiment 3]
In the second embodiment, as shown in FIG. 15, each write driver decoder is arranged on the same side as the write driver decoder of the adjacent bit line with respect to the bit line. In the third embodiment, write driver decoders are alternately arranged on the left and right for each bit line.
[0137]
The overall configuration of the MRAM according to the third embodiment is the same as the overall configuration of the MRAM shown in FIG. 10, and description thereof will not be repeated.
[0138]
FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit in the MRAM according to the third embodiment. FIG. 25 is a diagram corresponding to FIG. 15 in the second embodiment, and similarly to FIG. 15, only a portion related to four adjacent bit lines among a plurality of bit lines is shown. The description of the same parts as those of the write drive circuit shown in FIG. 15 will not be repeated.
[0139]
Referring to FIG. 25, corresponding to bit line BLa, P channel MOS transistor P11 and N channel MOS transistor N11 forming a current driver, and NAND gate G11 and AND gate G21 forming write driver decoder BLDK1 Arranged on the first side of line BLa (left side of bit line BLa in FIG. 25). On the other hand, N channel MOS transistor N21 and N channel MOS transistor N31 constituting the precharge circuit are arranged on the second side of bit line BLa (the right side of bit line BLa in FIG. 25).
[0140]
In bit line BLb adjacent to bit line BLa, P channel MOS transistor P12 and N channel MOS transistor N12 constituting the current driver, and NAND gate G12 and AND gate G22 constituting write driver decoder BLDK2 are connected to bit line BLb. N channel MOS transistor N22 arranged on the second side and N channel MOS transistor N32 constituting the precharge circuit is arranged on the first side of bit line BLb.
[0141]
Similarly for the following bit lines, current drivers are alternately arranged on the left and right with respect to adjacent bit lines, and a write driver decoder, a precharge circuit, and a constant potential node are arranged corresponding to the current drivers.
[0142]
The current driver and the write driver decoder arranged on the first side of the corresponding bit line are supplied with voltages from the selectors SEL1 and SEL2, and the current driver and the write driver decoder arranged on the second side of the corresponding bit line The write driver decoder receives a voltage from selectors SEL3 and SEL4 having the same functions as selectors SEL1 and SEL2, respectively.
[0143]
It should be noted that the current driver and the write driver decoder arranged on the second side of the bit line are not separately provided with the selectors SEL3 and SEL4, and the current driver arranged on the second side of the bit line from the selectors SEL1 and SEL2 A configuration may be adopted in which wiring is provided to the write driver decoder to supply a voltage.
[0144]
As described above, according to the MRAM according to the third embodiment, the arrangement of the current drivers is arranged alternately on the left and right for the adjacent bit lines, thereby eliminating the complexity of the layout and improving the flexibility of layout design. To do.
[0145]
In each of the above embodiments, the transistors constituting the precharge circuit are N-channel MOS transistors, but may be constituted by P-channel MOS transistors. In the above, the N-channel MOS transistor is used because the precharge potential (0.6 V) is close to the threshold voltage of the P-channel MOS transistor. This is because there is a possibility that the line cannot be precharged.
[0146]
However, when it is necessary to increase the precharge potential due to the breakdown voltage of the current driver, the N-channel MOS transistor has a higher ON resistance. In this case, it is preferable to use the P-channel MOS transistor. desirable. When a P channel MOS transistor is used, the inverted signal / PRE of precharge signal PRE is received at the gate.
[0147]
In each of the above embodiments, the precharge potential is supplied by the precharge circuit. However, the bit line may be precharged using a constant potential node without providing a separate precharge circuit. That is, except when data is read, when the N channel MOS transistor that connects the bit line to the constant potential node is always ON, and all the driver transistors that constitute the current driver are OFF, the bit line is connected from the constant potential node. When one of the driver transistors is turned on by being precharged, the above function as the constant potential node may be achieved.
[0148]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiment but by the scope of claims for patent, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
[0149]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the write drive circuit that allows current to flow in the bit line bidirectionally is disposed only on one side of the bit line, the area occupied by the write drive circuit is greatly reduced. As a result, the semiconductor memory device Can be miniaturized.
[0150]
Further, by arranging the write drive circuit on one side, signals such as bit line selection information and data information can be concentrated on one side of the bit line, and the write drive circuit can be easily controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an operation state during standby of the write drive circuit shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a voltage arrangement during standby of the write drive circuit shown in FIG. 1;
4 is a diagram showing an operation state during standby of the write drive circuit shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a voltage arrangement during standby of the write drive circuit shown in FIG. 1;
6 is a diagram showing a first operation state when the write drive circuit shown in FIG. 1 is selected. FIG.
7 is a diagram showing a voltage arrangement in the first operation state of the write drive circuit shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a second operation state when the write drive circuit shown in FIG. 1 is selected.
FIG. 9 is a diagram showing a voltage arrangement in the second operation state of the write drive circuit shown in FIG. 1;
FIG. 10 is a schematic block diagram showing an overall configuration of an MRAM according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of an MRAM memory cell;
FIG. 12 is a conceptual diagram illustrating a data write operation to an MTJ memory cell.
FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a data read operation from an MTJ memory cell.
14 is a circuit diagram showing a configuration of a main part of the MRAM shown in FIG.
FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit in the MRAM according to the second embodiment;
16 is a circuit diagram schematically showing a configuration of a main part for explaining a voltage arrangement in each write drive circuit shown in FIG. 15;
17 is a diagram showing an operating state during standby of the write drive circuit shown in FIG. 16;
18 is a diagram showing an example of a voltage arrangement in the standby state shown in FIG.
FIG. 19 is a diagram showing an operation state at the time of standby of the write drive circuit shown in FIG. 16;
20 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the standby state shown in FIG.
FIG. 21 is a diagram showing a first operation state when the write driving circuit shown in FIG. 16 is selected.
22 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the first operating state shown in FIG. 21. FIG.
FIG. 23 is a diagram showing a second operation state when the write drive circuit shown in FIG. 16 is selected.
24 is a diagram showing an example of voltage arrangement in the second operation state shown in FIG. 23. FIG.
FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration of a write drive circuit in the MRAM according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 write drive circuit, 2 current driver, 4 gate potential control circuit, 6 precharge circuit, 8,216 constant potential node, 10 load circuit, 100 MRAM, 105 control circuit, 110 memory array, 120 row selection circuit, 120a word Line decoder, 120b write digit line decoder, 125 column decoder, 130, 135 read / write control circuit, 202-206 sense amplifier, 208 latch circuit, 210 output buffer, 212 data input / output terminal, ATR access transistor, BL, BLa BLb bit line, BLDK, BLDK1, BLDK2 write driver decoder, DIO data line pair, DWL dummy word line, DWDL dummy write digit line, FL pinned magnetization layer, G1, G101 NAND gate, G2, G102 AND , GND ground node, MC MTJ memory cell, ND1, ND101, ND102 node, RCSL read column selection line, RBL read bit line, RSG1, RSG2 read selection gate, SEL1 to SEL4 selector, SL source line, TB tunnel barrier, TMR tunnel magnetoresistive element, Vcc, Vcca to Vccd, Vpre power supply node, VL free magnetic layer, WACT write bit line selection signal, WBL write bit line, WDL write digit line, WL word line.
Claims (10)
前記複数のメモリセルの列に対応して設けられる複数のビット線と、
前記複数のビット線に対応して設けられ、各々が対応するビット線の一端に接続され、前記対応するビット線に書込データの論理レベルに応じた方向に電流を流す複数の書込駆動回路と、
前記複数のビット線に対応して設けられ、各々が、前記対応するビット線の他端と所定電位の電圧が印加される定電位ノードとの間に設けられ、データ書込時に前記対応するビット線の選択を指示するライトビット線選択信号の活性化に応答して前記対応するビット線の前記他端と前記定電位ノードとを接続する複数の接続回路とを備え、
前記複数の書込駆動回路の各々は、前記所定の電位よりも高い第1の電位の電圧および前記所定の電位よりも低い第2の電位の電圧を受け、書込データが第1の論理レベルのとき、前記第1の電位と前記所定の電位との電位差に基づいて前記対応するビット線の前記一端から前記他端へ電流を流し、前記書込データが前記第1の論理レベルに相補な第2の論理レベルのとき、前記所定の電位と前記第2の電位との電位差に基づいて前記対応するビット線の前記他端から前記一端へ電流を流す、半導体記憶装置。A plurality of memory cells arranged in a matrix;
A plurality of bit lines provided corresponding to the columns of the plurality of memory cells;
A plurality of write drive circuits provided corresponding to the plurality of bit lines, each connected to one end of the corresponding bit line, and causing a current to flow in the direction corresponding to the logic level of the write data to the corresponding bit line When,
Provided corresponding to the plurality of bit lines, each provided between the other end of the corresponding bit line and a constant potential node to which a voltage of a predetermined potential is applied. A plurality of connection circuits for connecting the other end of the corresponding bit line and the constant potential node in response to activation of a write bit line selection signal for instructing line selection ;
Each of the previous SL plurality of write drive circuit receives the voltage and voltage of the predetermined second potential lower than the potential of the high first potential than the predetermined potential, the write data is a first logic In the case of level, a current is passed from the one end to the other end of the corresponding bit line based on the potential difference between the first potential and the predetermined potential, and the write data is complementary to the first logic level. A semiconductor memory device that causes a current to flow from the other end of the corresponding bit line to the one end based on a potential difference between the predetermined potential and the second potential at the second logic level.
前記複数のプリチャージ回路の各々は、第2のトランジスタを含み、
前記第1および第2のトランジスタは、前記ライトビット線選択信号をゲートに受け、前記ライトビット線選択信号が活性化されているとき、それぞれオンおよびオフされる、請求項4に記載の半導体記憶装置。Each of the plurality of connection circuits includes a first transistor;
Each of the plurality of precharge circuits includes a second transistor;
Said first and second transistor receives the write bit line select signal to the gate, when the write bit line selection signal is activated, is respectively turned on and off, the semiconductor memory according to claim 4 apparatus.
前記電圧供給回路は、前記所定の電位よりも高い第3の電位の電圧および前記第3の電位よりも高い第4の電位の電圧を受け、当該半導体記憶装置が不活性化されているとき、前記第3の電位の電圧を前記第1の電位の電圧として前記複数の書込駆動回路に供給し、当該半導体記憶装置が活性化されているとき、前記第4の電位の電圧を前記第1の電位の電圧として前記複数の書込駆動回路に供給する、請求項1に記載の半導体記憶装置。A voltage supply circuit for supplying a voltage of the first potential to the plurality of write drive circuits;
The voltage supply circuit receives a third potential voltage higher than the predetermined potential and a fourth potential voltage higher than the third potential, and when the semiconductor memory device is inactivated, The third potential voltage is supplied as the first potential voltage to the plurality of write driving circuits, and when the semiconductor memory device is activated, the fourth potential voltage is changed to the first potential voltage. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is supplied to the plurality of write drive circuits as a voltage having a potential of 1.
前記対応するビット線に電流を流す電流駆動部と、
前記電流駆動部の動作を制御する制御回路とを含み、
前記制御回路は、当該半導体記憶装置が活性化されているとき、不活性時に受ける第1の動作電圧よりも高い第2の動作電圧を受け、前記第2の動作電圧に基づいて前記電流駆動部の動作を制御する、請求項6に記載の半導体記憶装置。Each of the plurality of write drive circuits includes:
A current driver for passing a current through the corresponding bit line;
A control circuit for controlling the operation of the current driver,
When the semiconductor memory device is activated, the control circuit receives a second operating voltage higher than the first operating voltage received when the semiconductor memory device is inactive, and based on the second operating voltage, the current driver The semiconductor memory device according to claim 6 , which controls the operation of
前記第1の電位の電圧が印加される第1のノードと前記対応するビット線との間に接続され、前記第1のノードから前記対応するビット線へ電流を流す第1のトランジスタと、
前記対応するビット線と前記第2の電位の電圧が印加される第2のノードとの間に接続され、前記対応するビット線から前記第2のノードへ電流を流す第2のトランジスタとからなり、
前記制御回路は、当該半導体記憶装置が活性化されているとき、前記第2の動作電圧に基づいて前記第1のトランジスタのゲート電位を制御する、請求項7に記載の半導体記憶装置。The current driver is
A first transistor connected between a first node to which the voltage of the first potential is applied and the corresponding bit line, and for passing a current from the first node to the corresponding bit line;
A second transistor connected between the corresponding bit line and a second node to which a voltage of the second potential is applied, and configured to flow current from the corresponding bit line to the second node; ,
The semiconductor memory device according to claim 7 , wherein the control circuit controls a gate potential of the first transistor based on the second operating voltage when the semiconductor memory device is activated.
前記もう1つの電圧供給回路は、前記所定の電位よりも低い第5の電位の電圧および前記第5の電位よりも低い第6の電位の電圧を受け、当該半導体記憶装置が不活性化されているとき、前記第5の電位の電圧を前記第2の電位の電圧として前記複数の書込駆動回路に供給し、当該半導体記憶装置が活性化されているとき、前記第6の電位の電圧を前記第2の電位の電圧として前記複数の書込駆動回路に供給する、請求項6に記載の半導体記憶装置。And further comprising another voltage supply circuit for supplying the voltage of the second potential to the plurality of write drive circuits,
The another voltage supply circuit receives a voltage of a fifth potential lower than the predetermined potential and a voltage of a sixth potential lower than the fifth potential, and the semiconductor memory device is inactivated. When the semiconductor memory device is activated, the fifth potential voltage is supplied to the plurality of write drive circuits as the second potential voltage as the second potential voltage. The semiconductor memory device according to claim 6 , wherein the semiconductor memory device supplies the plurality of write drive circuits as the voltage of the second potential.
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