JP4334284B2 - Magnetic random access memory - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果(Magneto Resistive)を利用する磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、トンネル磁気抵抗効果(TMR: Tunneling Magneto Resistive)を利用する磁気ランダムアクセスメモリが、例えば、Roy Scheuerlein et.alによって提案されている(非特許文献1参照)。
【0003】
TMRを示すMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子は、2つの磁性体の間に薄い絶縁体が配置される構造を有する。ここで、MTJ素子は、2つの状態をとることができる。一つは、2つの磁性体の磁化が互いに同じ方向を向いている場合であり、これを、平行状態と定義する。他の一つは、2つの磁性体の磁化が互いに逆向きである場合であり、これを、反平行状態と定義する。
【0004】
MTJ素子の磁化の向きが平行状態である場合、絶縁体にトンネル電流が流れるときのその絶縁体の抵抗値は、最も低くなり、例えば、これを、“1”状態と定義する。また、MTJ素子の磁化の向きが反平行状態である場合、絶縁体にトンネル電流が流れるときのその絶縁体の抵抗値は、最も高くなり、例えば、これを、“0”状態と定義する。
【0005】
選択されたワード線と選択されたデータ選択線との交点に配置されるMTJ素子にデータを書き込むときには、例えば、選択されたワード線に、向きが固定された書き込み電流を流し、選択されたデータ選択線に、書き込みデータに応じた向きを有する書き込み電流を流す。
【0006】
その結果、これらワード線及びデータ選択線に流れる書き込み電流により発生する磁界がMTJ素子に作用し、かつ、その磁界の強さがMTJ素子の記憶層の磁化反転閾値を超え、MTJ素子にデータが書き込まれる。
【0007】
一方、MTJ素子に記憶されたデータを読み出すときには、MTJ素子に読み出し電流を流し、MTJ素子の抵抗値を読み取ればよい。
【0008】
(1) レファレンス電流/電圧に関して
非特許文献1の磁気ランダムアクセスメモリでは、1ビットデータを2セルで記憶している。これに対し、ダイナミックRAMや、フラッシュメモリなどにおいては、1ビットデータを1セルで記憶している。従って、同一のCMOSプロセスを使用すれば、後者のメモリは、前者のそれに比べて、大きなメモリ容量を確保できる。
【0009】
このようなことから、磁気ランダムアクセスメモリの分野においても、1ビットデータを1セルで記憶するための技術が、例えば、Peter K. Naji et.alによって提案されている(非特許文献2参照)。
【0010】
この技術によれば、セルデータを読み出すに当たって、データ値の判定の基準になるレファレンス電流/電圧を生成しなければならない。
【0011】
まず、バイアス電圧発生器(Self-Calibrating Reference Bias Voltage Generator)を用いて、元となる電圧Vbiasに基づいて、バイアス電圧Vbiasrefを生成する。バイアス電圧Vbiasrefは、抵抗値Rmaxを有するMTJ素子(“1”状態)と抵抗値Rminを有するMTJ素子(“0”状態)から生成される。
【0012】
Vbiasref = (Vbias/2)×(1+Rmin/Rmax)
ここで、レファレンスセルが“0”状態(抵抗値Rmin)であると、レファレンスセルには、次に示すレファレンス電流Irefが流れる。
Iref = Vbiasref/Rmin
= (Vbias/2)×(1/Rmin+1/Rmax)
= 1/2 × (Vbias/Rmin+Vbias/Rmax)
一方、メモリセルが“1”状態(抵抗値Rmax)であると、メモリセルには、次に示す電流Iminが流れる。
Imin = Vbias/Rmax
また、メモリセルが“0”状態(抵抗値Rmin)であると、メモリセルには、次に示す電流Imaxが流れる。
Imax = Vbias/Rmin
なお、レファレンス電流Irefの値は、ImaxとIminの半分となるため、読み出し時におけるデータ判定の基準としての役割を果たす。
【0013】
ここで、一つ問題がある。MTJ素子は、トンネル絶縁膜としての絶縁体を介して電流が流れる構造になっているので、その抵抗値は、トンネル絶縁膜の膜厚の変化に対して、指数関数的に変化する。
【0014】
つまり、非特許文献2に基づいてレファレンス電位を生成したとしても、例えば、NOR型フラッシュメモリで採用しているようなレファレンス電位を用いる差動センスアンプ方式による読み出し原理を採用すると、MTJ素子のトンネル絶縁膜の厚さのばらつきにより、MTJ素子の抵抗値にばらつきが発生し、データを読み取れなくなる場合がある。
【0015】
従って、これを防止するため、例えば、TMRによる磁気抵抗変化率(MR比: Magneto Resistive ratio )で決まるMTJ素子の抵抗変動分ΔRの半分(マージン)を、同一状態のレファレンスセルとメモリセルの抵抗値のばらつきよりも大きくしなければならない。
【0016】
しかし、一般的には、MR比は、20〜40%であるため、量産段階での製造マージン、歩留まりなどを考慮すると、十分なマージンを確保できない可能性がある。
【0017】
例えば、非特許文献2におけるバイアス電圧発生器(Self-Calibrating Reference Bias Voltage Generator)内のレファレンスセルの抵抗値Rmin,Rmaxと“0”状態のメモリセルの抵抗値R’minとが互いに異なった場合を想定する。
【0018】
R’min > 10×Rmax
R’min < 10×Rmin
となった場合は、一般的には、20〜40%程度であるMR比では、レファレンスとしての役割を果たし得ない。
【0019】
Rmin < R’min < Rmax として、
R’min = Rmin +δRmin とすると、
Iref = Vbiasref/R’min
= Vbias/2 × (1/Rmin + 1/Rmax)
× Rmin/R’min
= 1/2 × (Vbias/Rmin + Vbias/Rmax)
× Rmin/R’min
= 1/2 × (Vbias/Rmin + Vbias/Rmax)
× 1/(1+δRmin/Rmin) となる。
【0020】
MR比を“MR”と表すと、
Rmax = Rmin × (1+MR) であるから、
Imin = Vbias/Rmax
= Vbias/Rmin × 1/(1+MR)
Imax = Vbias/Rmin
Iref
= 1/2 × (Vbias/Rmin + Vbias/Rmax)
× 1/(1+δRmin/Rmin)
= 1/2 × Vbias/Rmin × (1+1/(1+MR))
× 1/(1+δRmin/Rmin)
= Vbias/Rmin × 1/(1+MR) × (1+MR/2)
×1/(1+δRmin/Rmin)となる。
【0021】
従って、TMRによる磁気抵抗変化率(MR比)で決まるメモリセル(MTJ素子)の抵抗値の変動量の半分以上、メモリセルとレファレンスセルとの間で抵抗値のばらつきが生じると(MR/2 < δRmin/Rmin)、抵抗値がRmaxであるメモリセルとレファレンスセルとの比較ができなくなる。また、かかる場合には、抵抗値がRminであるメモリセルとレファレンスセルとの比較もできなくなる。
【0022】
具体的には、
1/(1+MR) × (1+MR/2)
× 1/(1+δRmin/Rmin)) <1
つまり、
MR/2 × 1/(1+MR) > |δRmin/Rmin|
を満たす必要がある。MR比が、20〜40%の範囲内であれば、抵抗値のばらつきは、MR比により決まる抵抗値の変動量の8.3〜14.2%未満である必要がある。
【0023】
(2) バイアス電圧に関して
MR比は、MTJ素子の両端子間に印加される電位差が増加するに従って減少する特性がある。この特性については、例えば、M. Durlam et.alによって確認されている(非特許文献3参照)。
【0024】
これを考慮しつつ、MTJ素子に対するバイアス電圧の最適値を求める。
【0025】
MTJ素子に対するバイアス電流を、Icとし、“0”状態のMTJ素子の抵抗値をRc(0)とし、“1”状態のMTJ素子の抵抗値をRc(1)とし、バイアス電流Icを与えたときに“0”状態のMTJ素子の両端子間に生じる電位差をV(0)とし、バイアス電流Icを与えたときに“1”状態のMTJ素子の両端子間に生じる電位差をV(1)とすると、
V(1) = Ic×Rc(1)、V(0) = Ic×Rc(0)
となる。
【0026】
また、MR比のバイアス電圧依存性を、
MR(V) = MR(0)−k×V
(但し、V は、MTJ素子に印加するバイアス電圧、MR(V)は、MTJ素子にバイアス電圧Vを印加したときのMR比、MR(0)は“0”状態のMTJ素子のMR比、MR(1)は“1”状態のMTJ素子のMR比、kは、定数である。)
と表すと、
V(1) = Ic×Rc(1) = Ic×Rc(0)×{1+MR(V)}
= Ic×Rc(0)×{1+MR(0)−k×V(1)}
となる。
【0027】
従って、
V(1) = {1+MR(0)}÷[k+1/{Ic×Rc(0)}] より
V(1)−V(0)が最大になるIcを求めると、
d{V(1)−V(0)}/dIc
= [1+MR(0)−{Ic×Rc(0)×k+1}2]×Rc÷{Ic×Rc(0)×k+1}2
より、
Ic = [√{1+MR(0)}−1]/{Rc(0)×k}
となる。
【0028】
MR(0)は、現在、0.5を越えたという報告はない。
√{1+MR(0)}−1 ≒ MR(0)/2と近似する。また、MRは、MR(0)の半分になる電圧をVhとすると、Vh = MR(0)/(2×k)となる。
【0029】
つまり、
Ic = [√{1+MR(0)}−1]/{Rc(0)×k} ≒ Vh/Rc(0)
となる。
【0030】
従って、バイアス電圧は、Vh近傍が望ましいことになる。
【0031】
例えば、非特許文献4に開示される回路において、MOSトランジスタの抵抗がMTJ素子の抵抗よりも十分に小さいならば、バイアス電圧の値を、Vhに設定することになる。
【0032】
この回路においては、レファレンスセル(MTJ素子)とオペアンプを使用してバイアス電圧を生成しているが、このレファレンスセルの抵抗値にばらつきが発生すると、メモリセルに対するバイアス電圧がVhにならなくなる。非特許文献4に使用されている記号を使うと、SL及びbSLの電圧値がVhからずれることになる。
【0033】
例えば、バイアス電圧が高くなると、MR比が小さくなり、“1”と“0”の信号差も小さくなる。また、バイアス電圧が低くなると、バイアス電圧の差が小さくなるため、読み出しマージンが落ちる。
【0034】
(3) バイアス電流に関して
MTJ素子に対するバイアス電流に関しては、センス回路を、図32に示すような簡単な構成でモデル化する。即ち、負荷抵抗R1とメモリセル(MTJ素子)の抵抗Rcとの差を出力電圧Voとして読み出す。以下の考察によれば、負荷抵抗R1をメモリセルの抵抗Rcと同じ程度にすることで、“1”と“0”の信号差を大きくできることが分かる。
【0035】
非特許文献4における回路では、定電流源がこの負荷抵抗に相当する。ここで、この定電流源をMTJ素子で構成すると面積効率が良くなる。例えば、この定電流源を1つのMTJ素子とカレントミラー回路とにより構成する。
【0036】
但し、上記議論と同様、この定電流源を1つのMTJ素子から構成すると、この1つのMTJ素子の抵抗値が、メモリセル(MTJ素子)の抵抗値からずれている場合、信号電圧差は、理想値よりも小さくなる。例えば、この定電流源を、メモリセルアレイが配置される領域とは異なる別の領域にレイアウトした場合、リソグラフィなどの加工バラツキにより、MTJ素子の抵抗値に差異が生じる可能性が充分にある。
【0037】
例えば、図32に示す回路において、Vo(1)とVo(0)の差が大きくなるようなRlの値を求める。
【0038】
ここで、Vo(1) は、MTJ素子が“1”状態のときの出力電圧、Vo(0) は、MTJ素子が“0”状態のときの出力電圧、Rc(1) は、“1”状態のMTJ素子の抵抗値、Rc(0) は、“0”状態のMTJ素子の抵抗値とする。
【0039】
Vo(1) = Vc×Rc(1)/[Rc(1)+Rl]
Vo(0) = Vc×Rc(0)/[Rc(0)+Rl]
Vo(1)−Vo(0) = Vc×{Rc(1)/[Rc(1)+Rl]−Rc(0)/[Rc(0)+Rl]}
従って、
d[Vo(1)−Vo(0)]/dRl =
Vc×{Rc(0)/[Rc(0)+Rl]^2−Rc(1)/[Rc(1)+Rl]^2}
= Vc×Rc(0)×Rc(1)×[Rc(1)Rc(0)−Rl^2}
×[Rc(1)−Rc(0)]/[{[Rc(0)+Rl]^2}×{[Rc(1)+Rl]^2}]
Rc(1)>Rc(0)より、Vo(1)>Vo(0)>0であり、Rl>0の条件から、Vo(1)−Vo(0)が最も大きくなるRlは、
Rl = √(Rc(1)×Rc(0)
となる。
【0040】
この時、
Vo(1)−Vo(0) = Vc×{1/[1+Rl/Rc(1)]−1/[1+Rl/Rc(0)]}
= Vc×{1/[1+√{Rc(0)/Rc(1)}]−1/[1+√{Rc(1)/Rc(0)}]}
= Vc×[Rc(1)−Rc(0)]/[√Rc(1)+√Rc(0)]^2
となる。
【0041】
Rc(0)=Rc、Rc(1)=Rc+ΔRcを代入して、
Rl = √[Rc×(Rc+ΔRc)]
ΔRc<Rcから、√を近似すると、
Rl = Rc×√(1+ΔRc/Rc)
≒ Rc×(1+ΔRc/2×Rc)
= Rc+ΔRc/2 ⇒ Rc(1)とRc(0)の中間値
Vo(1)−Vo(0) = Vc×ΔRc/[2Rc+ΔRc+2Rc×√(1+ΔRc/Rc)]
≒ Vc×ΔRc/[2×(2×Rc+ΔRc)]
となる。
【0042】
以上のように、レファレンスセル及び定電流源を使用し、かつ、バイアス電圧の値を設定するためにMTJ素子を使用する理由は、MTJ素子の抵抗及びMR比に温度依存性やバイアス依存性があり、また、MTJ素子は、MOSトランジスタに対して、特性が大きく異なるためである。MR比の温度依存性に関しては、例えば、非特許文献3に記載されている。
【0043】
(4) 寄生容量に関して
MTJ素子のトンネル絶縁膜の厚さは、数nm程度しかない。つまり、トンネル絶縁膜の厚さは、それを構成する物質の分子の大きさの10倍もなく、たかが数倍程度であり、これ以上のさらなる薄膜化は難しい。微細化技術により、MTJ素子のサイズは、縮小される方向にあるため、トンネル絶縁膜の薄膜化を実現できないとなると、MTJ素子の抵抗は、微細化により、増大することになる。
【0044】
読み出しにより、ビット線には、読み出し電位が現れるが、この電位は、読み出し電流の値とメモリセル(MTJ素子)の抵抗値とにより決定される。電位が安定するまでの時間は、おおまかには、MTJ素子の抵抗と、ビット線などの読み出しに関わる配線の寄生容量との積に比例して増大する。
【0045】
この寄生容量は、微細化により配線間の距離が短くなっているため、配線幅が変わらないとすると、単位長さあたりの容量は、増大する傾向にある。また、微細化により、ビット線の幅が狭くなることが考えられるが、磁気ランダムアクセスメモリの場合には、ビット線には、書き込みのための磁界を発生させるため、数mA程度の電流を流す必要がある。つまり、エレクトロマイグレーションを考慮すると、線幅を減らした場合、線の厚みを増やす必要がある。
【0046】
従って、磁気ランダムアクセスメモリでは、微細化により、単位長さあたりの寄生容量は、さらに増大することになる。
【0047】
【特許文献1】
USP6,081,445、「Method to Write/Read MRAM Arrays」
【0048】
【非特許文献1】
ISSCC2000 Technical Digest p.128,「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」
【0049】
【非特許文献2】
ISSCC2001 Technical Digest p.122,「A 256kb 3.0V 1T1MTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM」
【0050】
【非特許文献3】
ISSCC2000 Technical Digest p.130「Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements」, Slide Supplement (p.96)
【0051】
【非特許文献4】
Roy Scheuerlein et.al, 「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」,Figure 7.2.5
【0052】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、MTJ素子のトンネル絶縁膜に厚さのばらつきが生じても、最適なレファレンス電圧を生成すること、MTJ素子の微細化によってその抵抗値が増大しても、読み出し速度の低下を招かないようにすること、さらに、MTJ素子に対する最適な書き込み電流の値、供給タイミングを見出すことにある。
【0053】
【課題を解決するための手段】
本発明の例に係わる磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第1ノードと第1電源端子との間に接続されるメモリセルと、磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第2ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続され、前記メモリセルのデータを判断する基準を作るためのn(nは、複数)個のレファレンスセルと、前記第1ノードを所定電位にクランプするための第1クランプ回路と、前記第2ノードを所定電位にクランプするための第2クランプ回路と、前記第1ノードと第2電源端子との間に接続される第1MOSトランジスタと、前記第2ノードと第2電源端子との間に接続される第2MOSトランジスタと、前記第1及び第2MOSトランジスタとカレントミラー回路を構成し、定電流源により生成される定電流に基づいて前記メモリセル及び前記n個のレファレンスセルにバイアス電流を与えるためのバイアス電流供給回路と、前記第1MOSトランジスタのドレインと前記第2MOSトランジスタのドレインとの電位を比較して前記メモリセルのデータを判断するセンスアンプとを備え、前記複数のレファレンスセルに対しては、それぞれ、独立に、データの書き込み/読み出しが可能であり、前記第1状態のレファレンスセルの数と前記第2状態のレファレンスセルの数との比は、任意に設定でき、前記第2MOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第1MOSトランジスタの電流駆動能力のn倍である
【0054】
本発明の例に係わる磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第1ノードと第1電源端子との間に接続されるメモリセルと、磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第2ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続され、前記メモリセルのデータを判断する基準を作るためのn(nは、複数)個のレファレンスセルと、磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、前記第1ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続されるn−1個のダミーセルと、前記第1ノードを所定電位にクランプするための第1クランプ回路と、前記第2ノードを所定電位にクランプするための第2クランプ回路と、前記第1ノードと第2電源端子との間に接続される第1MOSトランジスタと、前記第2ノードと第2電源端子との間に接続される第2MOSトランジスタと、前記第1及び第2MOSトランジスタとカレントミラー回路を構成し、定電流源により生成される定電流に基づいて前記メモリセル及び前記n個のレファレンスセルにバイアス電流を与えるためのバイアス電流供給回路と、前記第1MOSトランジスタのドレインと前記第2MOSトランジスタのドレインとの電位を比較して前記メモリセルのデータを判断するセンスアンプとを備え、前記複数のレファレンスセル及び前記n−1個のダミーセルに対しては、それぞれ、独立に、データの書き込み/読み出しが可能であり、前記第1状態のレファレンスセルの数と前記第2状態のレファレンスセルの数との比は、任意に設定でき、前記第1状態のダミーセルの数と前記第2状態のダミーセルの数との比は、任意に設定でき、前記第2MOSトランジスタの電流駆動能力と前記第1MOSトランジスタの電流駆動能力とは、等しい。
【0055】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリについて詳細に説明する。
【0056】
1. 第1実施の形態
図1は、本発明の第1実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の主要部を示している。
【0057】
レファレンス電位Vrefを生成するためのレファレンス電位生成回路10は、メモリセル(MTJ素子)MCと同じ構造を有する複数のレファレンスセル(MTJ素子)RCから構成される。複数のレファレンスセルRCの各々に対しては、個別に、所定のデータを書き込むことができるように、レファレンス電位生成回路10内には、書き込みに必要な回路が配置されている。
【0058】
MTJ素子に使用されるトンネル絶縁膜は、一般的には、Al(アルミナ)である。ここで、このトンネル絶縁膜は、その厚さのばらつきを抑えるために、通常、Al(アルミ)を自然酸化することにより形成される。しかし、製造プロセス上の理由などから、トンネル絶縁膜の厚さにばらつきが生じない、ということは、現実的にはあり得ない。
【0059】
従って、データ“1”を読み出すときに生じる電位とデータ“0”を読み出すときに生じる電位とのちょうど中間の値を有するレファレンス電位Vrefを生成するためには、複数のレファレンスセルRCのうち、データ“1”のセル数とデータ“0”のセル数を半々(同数)とするだけでは、不十分である。
【0060】
つまり、トンネル絶縁膜の厚さのばらつきに依存して、複数のレファレンスセルRCのうち、データ“1”のセル数とデータ“0”のセル数とを自由に変えられることが要求される。例えば、データ“1”を読み出すときに生じる電位とデータ“0”を読み出すときに生じる電位とのちょうど中間の値を有するレファレンス電位Vrefを生成するためには、データ“1”のセル数とデータ“0”のセル数とを、積極的に異ならせなければならない場合もある。
【0061】
つまり、
Rmax > 1/n × ΣRref > Rmin の条件で、
Rmax −1/n × ΣRref = 1/n × ΣRref − Rmin
が実現できるように、n(nは、複数)個のレファレンスセルRCの抵抗値Rrefを調整する。
【0062】
レファレンスセルRCに与えるバイアス電流は、メモリセルMCに与えるバイアス電流のn倍(本実施の形態では、n=8)として、1/nを実現する。このために、カレントミラー回路を使用する。通常、“1”状態のレファレンスセル数と“0”状態のレファレンスセル数とは、等しくするが、ここでは、MTJ素子の抵抗値のばらつきに応じて、例えば、“1”状態のレファレンスセル数を減少させ、“0”状態のレファレンスセル数を増加させるなど、“1”状態のレファレンスセル数と“0”状態のレファレンスセル数とを異ならせる。
【0063】
トンネル絶縁膜の厚さが理想値から極端にはずれているレファレンスセル(MTJ素子)RCについては、それをレファレンスセルとして使用しないように排除する。この場合、レファレンスセルRCの総数nから排除したレファレンスセルの数を引いた数に相当する分だけ、メモリセルMCに流すバイアス電流を増やす。
【0064】
不良のレファレンスセルを排除する方法については、半導体メモリの分野で、良く行われているリダンダンシィ技術を適用する。例えば、レーザカット法により、不良のレファレンスセルのアドレスを記憶素子(フューズ、MTJ素子など)にプログラミングし、そのプログラミングしたアドレスと指定アドレスが一致した場合、カラムデコーダを非選択とし、かつ、バイアス電流を削減して、レファレンス電流/電位を生成する。
【0065】
図1の読み出し回路の具体的な構成について説明する。
ビット線BL<i>には、メモリセルMCとしてのMTJ素子が接続される。メモリセルMCの一端は、読み出し選択トランジスタRSTを経由して、接地点に接続される。
【0066】
読み出し選択トランジスタRSTのゲートは、読み出しワード線WLnに接続される。デコーダとしてのアンド回路AD<WLn>は、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のときに、ロウアドレス信号RD<WLn>に基づいて、読み出し選択トランジスタRSTのオン/オフを制御する。つまり、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のときに、ロウアドレス信号RD<WLn>の全ビットが“H”になると、読み出しワード線WLnが“H”となり、読み出し選択トランジスタRSTがオンとなる。
【0067】
ビット線BL<i>の一端は、転送トランジスタN<BLi>を経由して、データ線DLに接続される。転送トランジスタN<BLi>のオン/オフは、デコーダとしてのアンド回路AD<BLi>の出力信号により制御される。例えば、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のときに、カラムアドレス信号CD<BLi>の全ビットが“H”になると、転送トランジスタN<BLi>は、オンとなる。
【0068】
データ線DLには、ノードN1を、所定電位にクランプするためのクランプ回路が接続される。クランプ回路は、プラス側入力端子にクランプ電位Vclamp が入力され、マイナス側入力端子にノードN1の電位が入力されるオペアンプOP1と、ゲートにオペアンプOP1から出力される出力信号OUTが入力されるNチャネルMOSトランジスタQN1とから構成される。
【0069】
センスアンプS/Aは、レファレンス電位生成回路10から出力されるレファレンス電位Vrefと、データ線DLの電位とを比較し、メモリセルMCのデータを判定する。センスアンプS/Aは、メモリセルMCのデータを、読み出しデータSAOUTとして出力する。
【0070】
レファレンス電位生成回路10は、メモリセルMCと同じMTJ素子から構成されるn(nは、複数)個のレファレンスセルRCを有している。レファレンスセルRCの各々に対しては、個別に、所定のデータを書き込むことができるように、レファレンス電位生成回路10内には、書き込みに必要な回路が配置されている。
【0071】
レファレンスセルRCの一端は、読み出し選択トランジスタRSTを経由して、接地点に接続される。読み出し選択トランジスタRSTのゲートは、読み出しワード線WLnに接続される。アンド回路AD<WLn>は、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のとき、ロウアドレス信号RD<WLn>に基づいて、読み出し選択トランジスタRSTのオン/オフを制御する。
【0072】
例えば、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のとき、ロウアドレス信号RD<WLn>の全ビットが“H”になると、読み出しワード線WLnが“H”となり、読み出し選択トランジスタRSTがオンとなる。
【0073】
レファレンスセルビット線rBL<0>,rBL<1>,・・・rBL<7>の一端は、転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>を経由して、レファレンスセルデータ線rDLに接続される。転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>のオン/オフは、デコーダとしてのアンド回路AD<0>,AD<1>,・・・AD<7>の出力信号により制御される。
【0074】
例えば、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のとき、カラムアドレス信号CD<0>,CD<1>,・・・CD<7>の全ビットが“H”になると、転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>は、オンとなる。
【0075】
レファレンスセルデータ線rDLには、ノードN2を、所定電位にクランプするためのクランプ回路が接続される。クランプ回路は、プラス側入力端子にクランプ電位Vclamp が入力され、マイナス側入力端子にノードN2の電位が入力されるオペアンプOP2と、ゲートにオペアンプOP2から出力される出力信号OUTが入力されるNチャネルMOSトランジスタQN2とから構成される。
【0076】
バイアス電流供給回路CS1は、PチャネルMOSトランジスタQP3、NチャネルMOSトランジスタQN3,QN4及び定電流源I1から構成される。
【0077】
バイアス電流供給回路CS1により生成されたバイアス電流I1は、PチャネルMOSトランジスタQP1,QP3からなるカレントミラー回路により、データ線DL及びビット線BL<i>を経由して、メモリセルMCに供給される。
【0078】
また、バイアス電流I1は、PチャネルMOSトランジスタQP1,QP2からなるカレントミラー回路により、レファレンスデータ線rDL及びレファレンスビット線rBL<0>,rBL<1>,・・・rBL<7>を経由して、レファレンスセルRCに供給される。
【0079】
図2は、図1の読み出し回路の応用例である。この読み出し回路は、図1の読み出し回路に、不良レファレンスセルを排除するためのシステムを搭載した点に特徴を有する。
【0080】
アドレスコンパレータ1は、レファレンスセルRCの数と同じ数だけ設けられている。本実施の形態では、レファレンスセルRCの数は、8個であるため、アドレスコンパレータ1も、レファレンスセルRCの各アドレスに対応して、8個だけ設けられている。
【0081】
アドレスコンパレータ1は、記憶素子(例えば、フューズ、MTJ素子など)に記憶された不良レファレンスセルのアドレスと、レファレンス電流/電圧を生成するために供給されるレファレンスセルをアクセスするためのアドレスとを比較する。
【0082】
そして、アドレスコンパレータ1は、両アドレスが一致する場合に、一致信号MATCH<0>,MATCH<1>,・・・MATCH<7>を“H”にする。
【0083】
例えば、レファレンスビット線rBL<3>に接続されるレファレンスセル(MTJ素子)RCが不良であった場合を考える。この場合、レファレンスビット線rBL<3>に接続されるレファレンスセルを指定するアドレスが、アドレスコンパレータ<3>に対応する記憶素子に記憶される。
【0084】
アドレスコンパレータ<3>は、レファレンス電流/電圧を生成する際に、記憶素子に記憶された不良アドレスと、レファレンス電流/電圧を生成するために供給されるアドレスとを比較する。アドレスコンパレータ<3>は、両アドレスが一致すると、一致信号MATCH<3>を“H”にする。
【0085】
この時、PチャネルMOSトランジスタP3は、オフ状態となる。また、デコーダ<3>は、非動作状態となり、その出力は、アドレス信号にかかわらず、常に、“L”となる。このため、NチャネルMOSトランジスタN3は、オフ状態となる。
【0086】
従って、レファレンスビット線rBL<3>に接続されるレファレンスセル(MTJ素子)は、排除され、レファレンス電流/電圧を生成する際に使用されることがない。この時、残りのレファレンスビット線rBL<0>,・・・rBL<2>,rBL<4>,・・・rBL<7>に接続される7個のレファレンスセルにバイアス電流I1が供給される。
【0087】
なお、図2の回路は、不良のレファレンスセルを単に排除する場合の例であるが、リダンダンシイ回路のように、別途、冗長のレファレンスセルを設けておいて、不良のレファレンスセルを冗長のレファレンスセルに置き換える、という技術を採用してもよい。
【0088】
また、1つのレファレンスセルに単独にアクセスできるようなアドレスを割り当てておき、各々のレファレンスセルに流れる電流を外部からモニタできるようなモニタ回路を付加してもよい。
【0089】
図3は、図2のアドレスコンパレータの回路例を示している。
アドレスコンパレータ<j>(j=0,1,・・・7)は、アドレスのビット数に相当する数のk個のエクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>と、アンド回路AD1とから構成される。
【0090】
エクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>には、記憶素子に記憶された不良アドレスAfuse<0>,・・・Afuse<k>及びアクセスのためのアドレスAref<0>,・・・Aref<k>が入力される。
【0091】
不良アドレスAfuse<0>,・・・Afuse<k>とアクセスのためのアドレスAref<0>,・・・Aref<k>の全ビットが完全に一致する場合には、全てのエクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>の出力信号が“H”となるため、アンド回路AD1から出力される一致信号MATCH<j>は、“H”となる。
【0092】
一方、不良アドレスAfuse<0>,・・・Afuse<k>とアクセスのためのアドレスAref<0>,・・・Aref<k>の少なくとも1つのビットが不一致である場合には、その不一致のビットが入力されたエクスクルーシブノア回路の出力信号が“L”となるため、アンド回路AD1から出力される一致信号MATCH<j>は、“L”となる。
【0093】
図4及び図5は、図2のデコーダの回路例を示している。
デコーダ<j>(j=0,1,・・・7)は、インバータI1と、アンド回路AD2とから構成される。
【0094】
アンド回路AD2には、一致信号MATCH<j>がインバータI1を経由した後に入力される。また、アンド回路AD2には、カラムアドレスイネーブル信号CDenable及びカラムアドレス信号CD<j>が入力される。
【0095】
一致信号MATCH<j>が“L”のときは、カラムアドレスイネーブル信号CDenable及びカラムアドレス信号CD<j>に基づいて、デコーダ<j>の出力信号の値が決定される。つまり、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のとき、カラムアドレス信号CD<j>の全てのビットが“H”であると、デコーダ<j>の出力信号は、“H”になる。
【0096】
これに対し、一致信号MATCH<j>が“H”のときは、カラムアドレスイネーブル信号CDenable及びカラムアドレス信号CD<j>の値にかかわらず、デコーダ<j>の出力信号は、常に“L”となる。
【0097】
デコーダ<BLi>は、アンド回路AD3から構成される。アンド回路AD3には、カラムアドレスイネーブル信号CDenable及びカラムアドレス信号CD<BLi>が入力される。
【0098】
カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のとき、カラムアドレス信号CD<j>の全てのビットが“H”であると、デコーダ<BLi>の出力信号は、“H”になる。これに対し、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“L”のときは、カラムアドレス信号CD<j>にかかわらず、デコーダ<BLi>の出力信号は、常に“L”になる。
【0099】
図6は、図3のアドレスコンパレータをさらに具体的に示したものである。
【0100】
本例では、アドレスコンパレータ<j>は、不良アドレスを記憶する記憶素子を含んでいる。記憶素子は、例えば、プログラム可能なMTJ素子 MTJ(Afuse<0>), MTJ(bAfuse<0>), ・・・MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) から構成される。
【0101】
なお、MTJ素子 MTJ(Afuse<0>), MTJ(bAfuse<0>), ・・・MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) に対するプログラムは、磁化状態(平行又は反平行)ではなく、トンネル絶縁膜を破壊するか否かで行う。従って、記憶素子は、レーザ溶断フューズや、電気的にプログラム可能な電気的フューズ (E-fuse) などであってもよい。
【0102】
エクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>は、例えば、1つのレファレンスセルRCを選択するために必要なアドレスのビット数に相当するだけの数、本例では、(k+1)個だけ存在する。
【0103】
全てのエクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>の構成は、同じであるため、以下では、例えば、エクスクルーシブノア回路Ex−NOR<k>について、その構成を説明する。
【0104】
MTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) の一端は、PチャネルMOSトランジスタQP4及びNチャネルMOSトランジスタQN5’を経由して、電源端子Vddに接続される。MOSトランジスタQP4のゲートには、プログラム信号PROG<k>が与えられ、MOSトランジスタQN5’のゲートには、クランプ信号Vclampが与えられる。
【0105】
また、MTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) の一端は、PチャネルMOSトランジスタQP5を経由して、電源端子Vddに接続される。MOSトランジスタQP5のゲートには、プログラム信号PROG<k>の反転信号bPROG<k>が与えられる。
【0106】
MTJ素子MTJ(Afuse<k>) の他端は、NチャネルMOSトランジスタQN5を経由して、接地端子Vssに接続される。MOSトランジスタQN5のゲートには、レファレンスセルを選択するためのアドレス信号bAref<k>が入力される。
【0107】
また、MTJ素子MTJ(bAfuse<k>) の他端は、NチャネルMOSトランジスタQN6を経由して、接地端子Vssに接続される。MOSトランジスタQN6のゲートには、レファレンスセルを選択するためのアドレス信号Aref<k>が入力される。アドレス信号bAref<k>は、アドレス信号Aref<k>の反転信号である。
【0108】
プログラム信号bPROG<k>は、不良アドレスをMTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) に書き込むときに“L”となる信号である。
【0109】
なお、MTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) は、不良アドレスを書き込む以前は、全て、“1”状態、トンネル絶縁膜が破壊されていない状態になっている。
【0110】
例えば、MTJ素子MTJ(Afuse<k>) に“0”、MTJ素子MTJ(bAfuse<k>) に“1”を書き込む場合、アドレス信号bAref<k>を“H”、アドレス信号Aref<k>を“L”にし、かつ、プログラム信号bPROG<k>を“L”にする。この時、MTJ素子MTJ(Afuse<k>) に過大電圧が印加され、そのトンネル絶縁膜が破壊されて、“0”が書き込まれる。
【0111】
また、MTJ素子MTJ(bAfuse<k>) に“0”、MTJ素子MTJ(Afuse<k>) に“1”を書き込む場合、アドレス信号Aref<k>を“H”、アドレス信号bAref<k>を“L”にし、かつ、プログラム信号bPROG<k>を“L”にする。この時、MTJ素子MTJ(bAfuse<k>) に過大電圧が印加され、そのトンネル絶縁膜が破壊されて、“0”が書き込まれる。
【0112】
MTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) のトンネル絶縁膜の厚さを1〜2nmとすると、このトンネル絶縁膜を破壊するために必要な電圧は、1〜5Vである。現在のMOS型半導体メモリにおいては、電源電圧の値は、約2.5Vであるため、この場合、チップ内に、専用の内部昇圧回路を設けることなく、プログラム動作を実行できる。
【0113】
インバータI2の入力端子は、MTJ素子MTJ(Afuse<k>), MTJ(bAfuse<k>) の一端に接続され、その出力端子からは、エクスクルーシブノア回路Ex−NOR<k>の出力信号OUT<k>が得られる。
【0114】
そして、エクスクルーシブノア回路Ex−NOR<0>,・・・Ex−NOR<k>の出力信号OUT<0>,・・・OUT<k>は、アンド回路AD1に入力される。一致信号MATCH<j>は、アンド回路AD1から出力される。
【0115】
なお、図6の回路は、通常のメモリセルアレイ内における不良セルを救済するためのリダンダンシィ回路に適用することもできる。即ち、図6の回路により、入力アドレスと不良アドレスとが一致するか否かを検出し、両者が一致する場合には、不良セルを冗長セルに置き換える。
【0116】
図7は、図1及び図2のオペアンプの回路例を示している。
このオペアンプOP1,OP2は、入力信号を受けるためのPチャネルMOSトランジスタQP6,QP7と、カレントミラー接続されるNチャネルMOSトランジスタQN7,QN8と、オペアンプの活性/非活性を決めるイネーブル信号Enableを受けるためのNチャネルMOSとトランジスタQN9とから構成される。
【0117】
このオペアンプOP1,OP2は、2つの入力信号(+,−)の差に応じた出力信号Outを出力する。2つの入力信号(+,−)の値が等しいとき、オペアンプOP1,OP2の出力信号は、零になる。
【0118】
図8は、図1及び図2のセンスアンプの回路例を示している。
このセンスアンプS/Aは、入力信号を受けるためのNチャネルMOSトランジスタQN10,QN11と、出力端子に接続されるPチャネルMOSトランジスタQP8,QP10と、クロスカップル接続されるPチャネルMOSトランジスタQP9,QP11と、センスアンプの活性/非活性を決めるイネーブル信号Enableを受けるためのNチャネルMOSとトランジスタQN12とから構成される。
【0119】
このセンスアンプS/Aは、2つの入力信号(+,−)の差を増大し、これを出力信号SAOUT,bSAOUTとして出力する。
【0120】
2. 第2実施の形態
図9は、本発明の第2実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の主要部を示している。
【0121】
MTJ素子のトンネル絶縁膜の厚さは、数nm程度であり、そのトンネル絶縁膜を構成する物質の分子の大きさの数倍程度である。このため、これ以上のトンネル絶縁膜の薄膜化は、難しい状況となっている。
【0122】
メモリセルの微細化の進行に併せて、MTJ素子のサイズも縮小される傾向にあるため、仮に、トンネル絶縁膜を薄膜化できないことになると、メモリセルの微細化に伴って、MTJ素子の抵抗値が増大することになる。
【0123】
ところで、磁気ランダムアクセスメモリでは、読み出し時に、ビット線に読み出し電位が現れる。この読み出し電位は、読み出し電流とMTJ素子の抵抗値とにより生成される。読み出し電位が安定するまでの時間は、大まかに、MTJ素子の抵抗値と、ビット線などの読み出し動作に関わる配線の寄生容量との積に比例して増大する。
【0124】
この寄生容量は、メモリセルの微細化により増大する傾向にある。なぜなら、メモリセルの微細化により、ビット線などの読み出し動作に関わる配線同士の間隔が狭くなるからである。仮に、配線幅が変わらないとすると、配線同士の間隔が狭くなることにより、単位長さ当たりの容量は、増大する。
【0125】
メモリセルの微細化により、ビット線などの読み出し動作に関わる配線が短くなることが考えられるが、磁気ランダムアクセスメモリの場合、例えば、ビット線は、書き込み電流を流すための書き込み線としても使用される。つまり、そのビット線には、書き込みのための磁界を発生させるために、数mAの電流を流す必要がある。これを考慮すると、エレクトロマイグレーションの防止などのため、配線の断面積を縮小させることができない。
【0126】
従って、例えば、配線幅を減らした場合には、その代わりに、厚さを増やし、配線の断面積を縮小させないことが重要となる。結果として、メモリセルの微細化により、ビット線などの読み出し動作に関わる配線の単位長さあたりの寄生容量は増大する。
【0127】
以上のことから、読み出し速度の低下を防ぐため、選択セル(MTJ素子)MCとは別に、選択セルMCと同じ構造の複数のダミーセルDCをチップ内に設ける。そして、選択セルMCに対して並列に、これら複数のダミーセルDCを接続し、読み出し動作時におけるビット線の電流ドライブ能力を上げる。
【0128】
このダミーセルDCに対しても、レファレンスセルRCと同様に、プログラムが可能となるように、書き込みのための回路を付加しておく。このように、選択セルMCとダミーセルDCとを組み合わせることにより、レファレンスセルRCとのバランスを確保できるため、センスアンプS/Aに対する最適な入力電圧を生成できる。
【0129】
図9の読み出し回路の具体的な構成について説明する。
ビット線BL<i>には、メモリセルMCが接続される。また、データ線DLには、メモリセルMCと同じ構成を有する(n−1)個(nは、複数)のダミーセルDCからなるダミーセル回路3が接続される。ダミーセルDCの各々に対しては、個別に、所定のデータを書き込むことができるように、ダミーセル回路3A内には、書き込みに必要な回路が配置される。
【0130】
メモリセルMC及びダミーセルDCの一端は、それぞれ、読み出し選択トランジスタRSTを経由して、接地点に接続される。
【0131】
読み出し選択トランジスタRSTのゲートは、読み出しワード線WLnに接続される。デコーダとしてのアンド回路AD<WLn>は、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のときに、ロウアドレス信号RD<WLn>に基づいて、読み出し選択トランジスタRSTのオン/オフを制御する。つまり、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のときに、ロウアドレス信号RD<WLn>の全ビットが“H”になると、読み出しワード線WLnが“H”となり、読み出し選択トランジスタRSTがオンとなる。
【0132】
ビット線BL<i>の一端は、転送トランジスタN<BLi>を経由して、データ線DLに接続される。転送トランジスタN<BLi>のオン/オフは、デコーダとしてのアンド回路AD<BLi>の出力信号により制御される。例えば、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のときに、カラムアドレス信号CD<BLi>の全ビットが“H”になると、転送トランジスタN<BLi>は、オンとなる。
【0133】
データ線DLとダミーセルDCとの間には、複数の転送トランジスタN<DL>が接続される。転送トランジスタN<DL>のオン/オフは、カラムアドレスイネーブル信号CDenableにより制御される。カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のとき、転送トランジスタN<DL>がオンとなり、メモリセルMCに並列に、ダミーセルDCが接続される。
【0134】
データ線DLには、ノードN1を、所定電位にクランプするためのクランプ回路が接続される。クランプ回路は、プラス側入力端子にクランプ電位Vclamp が入力され、マイナス側入力端子にノードN1の電位が入力されるオペアンプOP1と、ゲートにオペアンプOP1から出力される出力信号outが入力されるNチャネルMOSトランジスタQN1とから構成される。
【0135】
センスアンプS/Aは、レファレンス電位生成回路10から出力されるレファレンス電位Vrefと、データ線DLの電位とを比較し、メモリセルMCのデータを判定する。センスアンプS/Aは、メモリセルMCのデータを、読み出しデータSAOUTとして出力する。
【0136】
レファレンス電位生成回路10は、メモリセルMCと同じMTJ素子から構成されるn(nは、複数)個のレファレンスセルRCを有している。レファレンスセルRCの各々に対しては、個別に、所定のデータを書き込むことができるように、レファレンス電位生成回路10内には、書き込みに必要な回路が配置されている。
【0137】
レファレンスセルRCの一端は、読み出し選択トランジスタRSTを経由して、接地点に接続される。読み出し選択トランジスタRSTのゲートは、読み出しワード線WLnに接続される。アンド回路AD<WLn>は、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のとき、ロウアドレス信号RD<WLn>に基づいて、読み出し選択トランジスタRSTのオン/オフを制御する。
【0138】
例えば、ロウアドレスイネーブル信号RDenableが“H”のとき、ロウアドレス信号RD<WLn>の全ビットが“H”になると、読み出しワード線WLnが“H”となり、読み出し選択トランジスタRSTがオンとなる。
【0139】
レファレンスセルビット線rBL<0>,rBL<1>,・・・rBL<7>の一端は、転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>を経由して、レファレンスセルデータ線rDLに接続される。転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>のオン/オフは、デコーダとしてのアンド回路AD<0>,AD<1>,・・・AD<7>の出力信号により制御される。
【0140】
例えば、カラムアドレスイネーブル信号CDenableが“H”のとき、カラムアドレス信号CD<0>,CD<1>,・・・CD<7>の全ビットが“H”になると、転送トランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>は、オンとなる。
【0141】
レファレンスセルデータ線rDLには、ノードN2を、所定電位にクランプするためのクランプ回路が接続される。クランプ回路は、プラス側入力端子にクランプ電位Vclamp が入力され、マイナス側入力端子にノードN2の電位が入力されるオペアンプOP2と、ゲートにオペアンプOP2から出力される出力信号outが入力されるNチャネルMOSトランジスタQN2とから構成される。
【0142】
バイアス電流供給回路CS1は、PチャネルMOSトランジスタQP3、NチャネルMOSトランジスタQN3,QN4及び定電流源I1から構成される。
【0143】
バイアス電流供給回路CS1により生成された電流I1は、PチャネルMOSトランジスタQP1,QP3からなるカレントミラー回路により、データ線DL及びビット線BL<i>を経由して、メモリセルMCに供給される。
【0144】
また、電流I1は、PチャネルMOSトランジスタQP1,QP2からなるカレントミラー回路により、レファレンスデータ線rDL及びレファレンスビット線rBL<0>,rBL<1>,・・・rBL<7>を経由して、レファレンスセルRCに供給される。
【0145】
図10は、図9の読み出し回路の変形例である。
この変形例では、レファレンスセルRCと同様に、各々のダミーセルDCにアドレスを振り分け、ダミーセル回路3A内の転送トランジスタN<DL>のオン/オフを、カラムアドレス信号CD<0>,CD<1>,・・・CD<7>に基づいて個別に制御するようにしたものである。
【0146】
なお、図9及び図10の例では、メモリセルMCとダミーセルDCの合計数は、レファレンスセルRCの数と等しくなっている。
【0147】
この場合には、負荷用のPチャネルMOSトランジスタQP1,QP2のチャネル幅、及び、クランプ用のNチャネルMOSトランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>,N<BLi>,N<DL>のチャネル幅は、全て、等しくてよい。
【0148】
これに対し、メモリセルMCとダミーセルDCの合計数が、レファレンスセルRCの数と異なる場合には、負荷用のPチャネルMOSトランジスタQP1,QP2のチャネル幅、及び、クランプ用のNチャネルMOSトランジスタN<0>,N<1>,・・・N<7>,N<BLi>,N<DL>のチャネル幅を、それらセル数の比に合わせて、変えればよい。
【0149】
3. 第3実施の形態
図11は、本発明の第3実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリに使用する定電流源を示している。
【0150】
この実施の形態に関わる定電流源I1は、図1、図2、図9及び図10における磁気ランダムアクセスメモリに適用できる。
【0151】
本実施の形態では、メモリセルやレファレンスセルなどに電流バイアスを与えるための定電流源I1に関しても、メモリセル(MTJ素子)と同じ構造の電流源用セル(MTJ素子)RC2から構成する。このようにするのは、定電流源I1を、例えば、BGR回路により構成した場合、このBGR回路は、温度特性を持たないため、メモリセルを構成するMOSトランジスタやMTJ素子などの温度特性を反映しなくなるからである。
【0152】
定電流源I1を構成する電流源用セルRC2は、メモリセルと同じ構造とし、かつ、複数用意する。また、定電流源I1を構成する電流源用セルRC2に対しては、個別に、プログラムが行えるように、定電流源I1内には、書き込みのための回路を設けておく。
【0153】
電流源用セルRC2は、通常のメモリセルアレイと同じセルアレイ内に配置する。電流値の早期安定を図るため、電流源用セルRC2に対しては、メモリセルに対する読み出し動作前にアクセスするか、又は、書き込みモード、スタンバイモード、低消費電力モードなどのモード時以外においては、常に、アクセス状態とあるようにしておくことが望ましい。
【0154】
この場合、書き込みワード線に関しては、通常のメモリセルアレイ内のメモリセルと定電流源I1を構成する電流源用セルRC2とは、共通化しても構わないが、読み出しワード線に関しては、メモリセルに対するもの、レファレンスセルに対するもの、及び、電流源用セルに対するものとは、それぞれ、分離して設けておく。
【0155】
また、例えば、初期設定モードにおいて、各々の電流源用セルが個別に選択可能となるように、アドレスを割り振っておいてもよい。
【0156】
4. 第4実施の形態
図12は、本発明の第4実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリの読み出し回路の主要部を示している。
【0157】
本実施の形態における磁気ランダムアクセスメモリは、セル電流を直接モニタするモードを備える点に特徴を有する。
【0158】
セル電流を直接モニタするモードでは、バイアス電流供給回路CS1が非活性化される。このために、バイアス電流供給回路CS1内には、新たに、バイアス電流供給回路CS1の動作を制御するためのNチャネルMOSトランジスタQN3’,QN4’が配置される。セル電流を直接モニタするモードになると、モニタ制御信号Imonが“H”、その反転信号bImonが“L”になり、バイアス電流供給回路CS1は、非動作状態となる。
【0159】
また、セル電流を直接モニタするモードにおいて、PチャネルMOSトランジスタQP1,QP2のゲートにバイアス電圧を与え、これらトランジスタをオフ状態にしておくためのPチャネルMOSトランジスタQP12が設けられる。MOSトランジスタQP12は、電源端子VddとMOSトランジスタQP1,QP2のゲートとの間に接続され、モニタ制御信号Imonの反転信号bImonにより制御される。
【0160】
さらに、電源端子VddとMOSトランジスタQN1のゲート(オペアンプOP1の出力端子)との間には、PチャネルMOSトランジスタQN13が接続される。MOSトランジスタQP13のゲートには、モニタ制御信号Imonの反転信号bImonが入力される。また、センスアンプS/Aのプラス側入力端子は、NチャネルMOSトランジスタ(トランスファーゲート)QN13を経由して、出力ピンに接続される。MOSトランジスタQN13は、モニタ制御信号Imonにより制御される。
【0161】
モニタ制御信号Imonが“H”のとき、さらに、NチャネルMOSトランジスタN<BLi>,RSTをオン状態にすれば、MOSトランジスタQN13の一端に接続される出力ピンをテスタに繋いで、セル電流をモニタすることができる。
【0162】
ここで、パッケージング後にセル電流をモニタする場合には、例えば、MOSトランジスタQN13の一端に接続される出力ピンは、独自のものではなく、通常動作時には、所定の機能を有する機能ピンとしても働くように、共用されたものであってもよい。但し、ピン数に余裕がある場合などは、その出力ピンは、当然に、モニタ時のみに使用するピンであってもよい。
【0163】
また、パッケージング前にセル電流をモニタするような場合には、センスアンプS/Aのプラス側入力端子は、MOSトランジスタQN13を経由して、テスト専用パッドに接続してもよい。この場合には、パッケージング時、そのテスト専用パッドは、出力ピンに接続されない。
【0164】
本実施の形態によれば、テストモードにおいて、セル電流の直接モニタや、レファレンスセルなどのメモリセル以外のセルに対するアクセスを可能にする。
【0165】
NAND型フラッシュメモリについて考えると、例えば、図13及び図14に示すように、テストコマンドを受けた後に、制御信号CLEに基づいて、セル電流の直接モニタ動作にエントリーしたり、メモリセル以外のセルに対するアクセスを可能にする。アドレスは、例えば、制御信号ALEに基づいて、通常のアドレスピンからチップ内部に取り込む。
【0166】
なお、図13において、♯77(16進数で77を意味する)は、セル電流の直接モニタに関するコマンドコードであり、図14において、♯55(16進数で55を意味する)は、メモリセル以外のセルに対するアドレス取り込み(エクストラアドレスエントリー)のコマンドコードである。
【0167】
また、例えば、図15に示すように、RDRAMのようなインターフェースの場合には、入力パケット内のコマンドコードとして、セル電流の直接モニタや、メモリセル以外のセル(エクストラセル)に対するアクセスなどをエントリーし、パケット内のアドレスコードによりエクストラアドレスを指定する。
【0168】
この技術は、メモリセル以外のセル、例えば、レファレンスセルに流れるセル電流をモニタする場合などに応用できる。
【0169】
5. 第5実施の形態
M Durlam et.alによって提案された非特許文献3に見られるように、MR比は、バイアス電圧を上昇させると、低下する。このため、メモリセル(MTJ素子)に対するバイアス電圧を制御電圧Vclampによって制御し、最適なMR比を得る。
【0170】
ところで、例えば、特許文献1に示されているように、MTJ素子の磁化方向を有利に書き換える方法が存在する。例えば、MTJ素子の磁化方向を決定する磁界を発生するための書き込み電流に関しては、最適な供給タイミング、電流波形、電流値などが存在し、また、MTJ素子に関しては、最適な形状などが存在する。
【0171】
本実施の形態では、書き込み電流の供給タイミング、電流波形、電流値などを、最適な値に設定(プログラミング)するための書き込み電流制御回路と、実際に、予め決められた条件の下で、MTJ素子に対する書き込み動作を実行するための書き込みのための回路を提案する。
【0172】
図16は、本発明の第5実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリの概要を示している。
【0173】
磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)11は、それ自体で1つのメモリチップを構成していてもよいし、また、特定機能を有するチップ内の1つのブロックであってもよい。
【0174】
メモリセルアレイ(データセル)12及びレファレンスセルアレイ13は、例えば、図17に示すような構成を有している。メモリセルアレイ12は、実際に、データを記憶する機能を有し、レファレンスセルアレイ13は、読み出し動作時に、読み出しデータの値を判定するための基準を決める機能を有する。
【0175】
メモリセルアレイ12及びレファレンスセルアレイ13からなるセルアレイのY方向(Easy-Axis方向)の2つの端部のうちの1つには、ロウデコーダ&ドライバ(ロウデコーダ&書き込みワード線ドライバ,ロウデコーダ&読み出しワード線ドライバ)14が配置され、他の1つには、書き込みワード線シンカー15が配置される。
【0176】
ロウデコーダ&ドライバ14は、書き込み動作時、例えば、ロウアドレス信号に基づいて、複数の書き込みワード線のうちの1つを選択し、かつ、選択された1つの書き込みワード線に、書き込み電流を供給する機能を有する。書き込みワード線シンカー15は、書き込み動作時、例えば、選択された1つの書き込みワード線に供給された書き込み電流を吸収する機能を有する。
【0177】
ロウデコーダ&ドライバ14は、読み出し動作時、例えば、ロウアドレス信号に基づいて、複数の読み出しワード線(書き込みワード線と一体化されていてもよい)のうちの1つを選択し、かつ、選択された1つの読み出しワード線に、読み出し電流を流す機能を有する。センスアンプ20は、例えば、この読み出し電流を検出して、読み出しデータを判定する。
【0178】
メモリセルアレイ12のX方向(Hard-Axis方向)の2つの端部のうちの1つには、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aが配置され、他の1つには、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー(カラムトランスファゲート、カラムデコーダを含む)17Aが配置される。
【0179】
カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16A,17Aは、書き込み動作時、例えば、カラムアドレス信号に基づいて、複数の書き込みビット線(又はデータ選択線)のうちの1つを選択し、かつ、選択された1つの書き込みビット線に、書き込みデータに応じた向きを有する書き込み電流を流す機能を有する。カラムトランスファゲート及びカラムデコーダは、読み出し動作時、カラムアドレス信号により選択されたデータ選択線をセンスアンプ20に電気的に接続する機能を有する。
【0180】
レファレンスセルアレイ13のX方向の2つの端部のうちの1つには、レファレンスセル用カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Bが配置され、他の1つには、レファレンスセル用カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー(カラムトランスファゲート、カラムデコーダを含む)17Bが配置される。
【0181】
レファレンスセル用カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16B,17Bは、レファレンスセルアレイ13にレファレンスデータを記憶させる機能を有する。カラムトランスファゲート及びカラムデコーダは、読み出し動作時、レファレンスデータを読み出し、これをセンスアンプ20に転送する機能を有する。
【0182】
アドレスレシーバ18は、アドレス信号を受け、例えば、ロウアドレス信号を、ロウデコーダ&ドライバ14に転送し、カラムアドレス信号を、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16A,17Aに転送する。データ入力レシーバ19は、書き込みデータを、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16A,17Aに転送する。また、出力ドライバ21は、センスアンプ20で検出された読み出しデータを、磁気ランダムアクセスメモリ11の外部へ出力する。
【0183】
制御回路22は、/CE(Chip Enable)信号、/WE(Write Enable)信号及び/OE(Output Enable)信号を受け、磁気ランダムアクセスメモリ11の動作を制御する。
【0184】
例えば、制御回路22は、書き込み動作時、書き込み信号WRITEを、書き込み電流制御回路24に与える。書き込み電流制御回路24は、書き込み信号WRITEを受けると、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV、書き込みワード線シンク信号WWLSNK、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKを生成する。
【0185】
書き込みワード線ドライブ信号WWLDRVは、ロウデコーダ&ドライバ14に供給され、書き込みワード線シンク信号WWLSNKは、書き込みワード線シンカー15に供給される。書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKは、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16A,17Aに供給される。
【0186】
設定回路23は、プログラミング素子を有しており、そのプログラミング素子には、書き込みワード/ビット線電流の電流波形を決定するための設定データがプログラムされる。プログラミング素子としては、例えば、レーザ溶断型フューズ、MTJ素子(MTJ)や、MTJ素子のトンネルバリアを破壊するアンチフューズなどを使用することができる。
【0187】
設定回路23は、書き込み動作時、設定データに基づいて、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>、及び、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>を生成する。
【0188】
書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>は、書き込み電流制御回路24を経由して(書き込み電流制御回路24を経由しなくてもよい)、ロウデコーダ&ドライバ14に与えられる。
【0189】
書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>は、書き込み電流制御回路24を経由して、又は、経由しないで、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aに与えられ、書き込みビット線電流波形信号CP<4>〜CP<7>は、書き込み電流制御回路24を経由して、又は、経由しないで、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aに与えられる。
【0190】
ロウデコーダ&ドライバ14は、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRVが“H”、書き込みワード線シンク信号WWLSNKが“H”のとき、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>に基づいて、ロウアドレス信号により選択された書き込みワード線に流れる書き込み電流の値(大きさ)を決定する。
【0191】
同様に、書き込みワード線シンカー15及びカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16A,17Aは、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRVが“H”、書き込みビット線シンク信号WBLSNKが“H”のとき、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>に基づいて、カラムアドレス信号により選択された書き込みビット線に流れる書き込み電流の値(大きさ)を決定する。
【0192】
書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>は、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aに向かう書き込み電流を流すときに、その書き込みビット線電流の値を決定する。
【0193】
書き込みビット線電流波形信号CP<4>〜CP<7>は、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aに向かう書き込み電流を流すときに、その書き込みビット線電流の値を決定する。
【0194】
書き込み電流の電流吸収タイミングに関しては、例えば、シンク信号WWLSNK,WBLSNKが“H”から“L”になるタイミングを、ドライブ信号WWLDRV,WBLDRVが“H”から“L”になるタイミングよりも遅らせることにより、書き込みワード/ビット線の電位を完全に0Vにする、といった効果を得ることができる。
【0195】
磁気ランダムアクセスメモリのテストモードにおいては、例えば、データ入出力端子から入力される設定データD<j>に基づいて、MTJ素子に対する書き込みテストを実施することもできる。この書き込みテストにより、メモリセルアレイ12内のMTJ素子の書き込み特性を把握し、通常の書き込み動作時における書き込みワード/ビット線電流の値(合成磁界Hx,Hyの強さ)を決定する。
【0196】
なお、このテストモードにおいて、設定データD<j>は、アドレス端子から入力させるようにしてもよい。
【0197】
テストモードの結果を受けて、この後、設定データのプログラミング動作が行われる。このプログラミング動作は、テストモードの結果、即ち、書き込みワード/ビット線電流の値を、設定回路23内のプログラミング素子にプログラミングする動作のことである。
【0198】
プログラミング動作時には、プログラム信号PROGが“H”になる。そして、データ入出力端子又はアドレス端子から入力される設定データD<j>の値を制御し、通常の書き込み動作時における書き込みワード/ビット線電流の値を、設定回路23内のプログラミング素子にプログラミングする。
【0199】
▲2▼ ロウデコーダ&書き込みワード線ドライバ/シンカー
図18は、ロウデコーダ&書き込みワード線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
【0200】
ロウデコーダ&書き込みワード線ドライバ(1ロウ分)14は、ANDゲート回路AD1、NANDゲート回路NDWS0〜NDWS3及びPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3から構成される。PチャネルMOSトランジスタWSi(i=0,1,2,3)のゲートは、NANDゲート回路NDWSiの出力端子に接続され、そのソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、書き込みワード線WWLi(i=1,・・・)の一端に接続される。
【0201】
NANDゲート回路NDWSiの2つの入力端子の一方には、書き込みワード線電流波形信号RP<i>が入力され、他方には、ANDゲート回路AD1の出力信号が入力される。ANDゲート回路AD1には、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV及び複数ビットから構成されるロウアドレス信号(ロウiごとに異なる)が入力される。
【0202】
書き込みワード線シンカー(1ロウ分)15は、NチャネルMOSトランジスタTN1から構成される。NチャネルMOSトランジスタTN1のソースは、接地端子VSSに接続され、そのドレインは、書き込みワード線WWLiの他端に接続される。NチャネルMOSトランジスタTN1のゲートには、書き込みワード線シンク信号WWLSNKが入力される。
【0203】
書き込み動作時、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRVが“H”になると共に、選択されたロウiでは、ロウアドレス信号の全てのビットが“H”となる。即ち、選択されたロウiでは、アンド回路AD1の出力信号が“H”となるため、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>の値に応じて、所定の値(大きさ)を有する書き込みワード線電流が書き込みワード線WWLiに供給される。
【0204】
書き込みワード線シンク信号WWLSNKが“H”になると、NチャネルMOSトランジスタTN1がオン状態となるため、書き込みワード線WWLiに流れる書き込み電流は、NチャネルMOSトランジスタTN1を経由して、接地点VSSに吸収される。
【0205】
このようなロウデコーダ&書き込みワード線ドライバ/シンカーによれば、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>の値を制御することにより、選択されたロウi内の書き込みワード線WWLiに対する書き込み電流の大きさ(電流波形)を制御することができる。
【0206】
また、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRVを“L”に設定した後、書き込みワード線シンク信号WWLSNKを“L”に設定すれば、書き込み動作後の書き込みワード線WWLiの電位を完全に0Vにすることができ、初期化に好都合である。
【0207】
なお、書き込みワード線電流の値(大きさ)を制御するに当たっては、第一に、複数のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のサイズ(チャネル幅)、即ち、駆動能力を、全て同じ値に設定し、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>を用いて、オン状態のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3の数を変える、という制御方法を使用できる。
【0208】
第二に、複数のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のサイズ(チャネル幅)、即ち、駆動能力を、互いに異なる値に設定し、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>を用いて、複数のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のうちの1つを選択的にオン状態にする、という制御方法を使用できる。
【0209】
第三に、これら第一及び第二の方法を組み合せた制御方法、即ち、PチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のサイズを変え、かつ、オン状態のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3の数を変えて、書き込み電流の値(大きさ)を制御する、という制御方法を使用できる。
【0210】
▲3▼ カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー
図19は、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示している。
【0211】
カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー(1カラム分)16Aは、NANDゲート回路NDBS0〜NDBS3、ANDゲート回路AD2,AD3、PチャネルMOSトランジスタBS0〜BS3及びNチャネルMOSトランジスタBN0から構成される。
【0212】
PチャネルMOSトランジスタBSi(i=0,1,2,3)のゲートは、NANDゲート回路NDBSiの出力端子に接続され、そのソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、共通に、書き込みビット線WBLi(i=1,・・・)の一端に接続される。
【0213】
NANDゲート回路NDBSi(i=0,1,2,3)の2つの入力端子の一方には、書き込みワード線電流波形信号CP<i>が入力され、他方には、ANDゲート回路AD2の出力信号が入力される。ANDゲート回路AD2には、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV、複数ビットから構成されるカラムアドレス信号(カラムiごとに異なる)及び書き込みデータDATAが入力される。
【0214】
NチャネルMOSトランジスタBN0のゲートは、ANDゲート回路AD3の出力端子に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのドレインは、書き込みビット線WBLi(i=1,・・・)の一端に接続される。ANDゲート回路AD3には、書き込みビット線シンク信号WBLSNK、複数ビットから構成されるカラムアドレス信号(カラムiごとに異なる)及び書き込みデータの反転信号bDATAが入力される。
【0215】
同様に、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー(1カラム分)17Aは、NANDゲート回路NDBS4〜NDBS7、ANDゲート回路AD4,AD5、PチャネルMOSトランジスタBS4〜BS7及びNチャネルMOSトランジスタBN1から構成される。
【0216】
PチャネルMOSトランジスタBSi(i=4,5,6,7)のゲートは、NANDゲート回路NDBSiの出力端子に接続され、そのソースは、電源端子VDDに接続され、そのドレインは、共通に、書き込みビット線WBLi(i=1,・・・)の他端に接続される。
【0217】
NANDゲート回路NDBSi(i=4,5,6,7)の2つの入力端子の一方には、書き込みワード線電流波形信号CP<i>が入力され、他方には、ANDゲート回路AD4の出力信号が入力される。ANDゲート回路AD4には、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV、複数ビットから構成されるカラムアドレス信号(カラムiごとに異なる)及び書き込みデータの反転信号bDATAが入力される。
【0218】
NチャネルMOSトランジスタBN1のゲートは、ANDゲート回路AD5の出力端子に接続され、そのソースは、接地端子VSSに接続され、そのドレインは、書き込みビット線WBLi(i=1,・・・)の他端に接続される。ANDゲート回路AD5には、書き込みビット線シンク信号WBLSNK、複数ビットから構成されるカラムアドレス信号(カラムiごとに異なる)及び書き込みデータDATAが入力される。
【0219】
書き込み動作時、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKが共に“H”となり、かつ、選択されたカラムiでは、カラムアドレス信号の全てのビットが“H”となる。
【0220】
従って、選択されたカラムiでは、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>により、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aに向かって流れる書き込み電流の値(大きさ)が決定される。
【0221】
また、書き込みビット線電流波形信号CP<4>〜CP<7>により、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aに向かって流れる書き込み電流の値(大きさ)が決定される。
【0222】
書き込みビット線WBLiに流れる書き込み電流の向きは、書き込みデータDATAの値により決まる。
【0223】
例えば、書き込みデータDATAが“1”(=“H”)のときには、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>により、少なくとも1つのPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS3がオン状態になり、また、NチャネルMOSトランジスタBN1も、オン状態となる。このため、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aに向かう書き込み電流が流れる。
【0224】
また、書き込みデータDATAが“0”(=“L”)のときには、書き込みビット線電流波形信号CP<4>〜CP<7>により、少なくとも1つのPチャネルMOSトランジスタBS4〜BS7がオン状態となり、また、NチャネルMOSトランジスタBN0がオン状態となる。このため、カラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー17Aからカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカー16Aに向かう書き込み電流が流れる。
【0225】
このようなカラムデコーダ&書き込みビット線ドライバ/シンカーによれば、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>の値を制御することにより、選択されたカラムi内の書き込みビット線WBLiに対する書き込み電流の大きさ(電流波形)を制御することができる。
【0226】
また、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRVを“L”に設定した後、書き込みビット線シンク信号WBLSNKを“L”に設定すれば、書き込み動作後の書き込みビット線WBLiの電位を完全に0Vにすることができ、初期化に好都合である。
【0227】
なお、書き込みビット線電流の値(大きさ)を制御するに当たっては、第一に、複数のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7のサイズ(チャネル幅)、即ち、駆動能力を、全て同じ値に設定し、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>を用いて、オン状態のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7の数を変える、という制御方法を使用できる。
【0228】
第二に、複数のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7のサイズ(チャネル幅)、即ち、駆動能力を、互いに異なる値に設定し、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>を用いて、複数のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7のうちの1つを選択的にオン状態にする、という制御方法を使用できる。
【0229】
第三に、これら第一及び第二の方法を組み合せた制御方法、即ち、PチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7のサイズを変え、かつ、オン状態のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7の数を変えて、書き込み電流の値(大きさ)を制御する、という制御方法を使用できる。
【0230】
▲4▼ 書き込み電流制御回路
次に、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV、書き込みワード線シンク信号WWLSNK、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKを生成する書き込み電流制御回路の例について説明する。
【0231】
図20及び図21は、書き込み電流制御回路の例を示している。
【0232】
書き込み電流制御回路(その1)24は、書き込み信号WRITEに基づいて、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV及び書き込みワード線シンク信号WWLSNKを生成する。書き込み電流制御回路(その1)24は、インバータ回路IV0,IV1、ナンド回路NAND1、遅延回路WDL0,・・・WDL4及び複数のトランスファゲート回路から構成される。
【0233】
複数のトランスファゲート回路の各々は、NチャネルMOSトランジスタとPチャネルMOSトランジスタとから構成され、制御信号WS<0>,・・・WS<3>,/WS<0>,・・・/WS<3>により制御される。制御信号/WS<0>,・・・/WS<3>は、制御信号WS<0>,・・・WS<3>の反転信号である。
【0234】
書き込み電流制御回路(その2)24は、書き込み信号WRITEに基づいて、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKを生成する。書き込み電流制御回路(その2)24は、インバータ回路IV2,IV3、ナンド回路NAND2、遅延回路BDL0,・・・BDL4及び複数のトランスファゲート回路から構成される。
【0235】
複数のトランスファゲート回路の各々は、NチャネルMOSトランジスタとPチャネルMOSトランジスタとから構成され、制御信号BS<0>,・・・BS<3>,/BS<0>,・・・/BS<3>により制御される。制御信号/BS<0>,・・・/BS<3>は、制御信号BS<0>,・・・BS<3>の反転信号である。
【0236】
▲5▼ 設定回路
次に、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>及び書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>を生成する設定回路について説明する。
【0237】
図22は、設定回路の例を示している。
設定回路23は、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>を生成する第1部分と、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>を生成する第2部分とから構成される。
【0238】
第1部分は、書き込みワード線電流の電流波形(大きさ)を決定する設定データがプログラムされるレジスタ<0>,<1>と、レジスタ<0>,<1>の出力信号TD<0>,TD<1>,bTD<0>,bTD<1>をデコードして、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>を出力するデコーダRP<0>〜RP<3>とを有している。
【0239】
第2部分は、書き込みビット線電流の電流波形(大きさ)を決定する設定データがプログラムされるレジスタ<2>〜<4>と、レジスタ<2>〜<4>の出力信号TD<2>〜TD<4>,bTD<2>〜bTD<4>をデコードして、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>を出力するデコーダCP<0>〜CP<7>とを有している。
【0240】
本例では、チップごと、又は、セルアレイごとに、書き込みワード線/ビット線電流を設定することを前提とする。チップごとに、書き込みワード線/ビット線電流を設定する場合には、チップ内には、設定回路23が1個だけ設けられる。チップ内に複数のセルアレイが存在し、セルアレイごとに、書き込みワード線/ビット線電流を設定する場合には、チップ内には、セルアレイの数と同じ数の設定回路23が設けられる。
【0241】
レジスタ<0>,<1>には、書き込みワード線電流の電流波形を決定する設定データがプログラムされる。書き込みワード線電流の電流波形は、図18に示すように、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>により制御される。本例では、レジスタ<0>,<1>に登録される2ビットの設定データにより、書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>のうちの1つが“H”となる。
【0242】
つまり、図18のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のサイズを変えることにより、4通りの電流波形を実現できる。
【0243】
なお、レジスタ<0>,<1>に登録される2ビットの設定データにより、“H”となる書き込みワード線電流波形信号RP<0>〜RP<3>の数を制御するようにしてもよい。この場合、図18のPチャネルMOSトランジスタWS0〜WS3のサイズを同じにしても、4通りの電流波形を実現できる。
【0244】
D<0>,D<1>は、テストモード時に、磁気ランダムアクセスメモリ(チップ)の外部から入力される設定データである。テストモード時には、この設定データに基づいて、書き込みワード線電流の電流波形を決定し、MTJ素子の特性をテストすることができる。
【0245】
また、D<0>,D<1>は、設定データの登録時に、磁気ランダムアクセスメモリ(チップ)の外部から入力される設定データでもある。設定データの登録時には、この設定データに基づいて、電気的に、レジスタ<0>、<1>内の記憶素子に設定データをプログラムすることができる。
【0246】
レジスタ<2>〜<4>には、書き込みビット線電流の電流波形を決定する設定データがプログラムされる。書き込みビット線電流の電流波形は、図19に示すように、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<3>により制御される。本例では、レジスタ<2>〜<4>に登録される3ビットの設定データにより、書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>のうちの1つがH”となる。
【0247】
つまり、図19のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS3のサイズを変えることにより、書き込みビット線ドライバ16Aから書き込みビット線シンカー17Aに向かう書き込みビット線電流の電流波形を4通りだけ用意することができる。また、PチャネルMOSトランジスタBS4〜BS7のサイズを変えることにより、書き込みビット線ドライバ17Aから書き込みビット線シンカー16Aに向かう書き込みビット線電流の電流波形を4通りだけ用意することができる。
【0248】
なお、レジスタ<2>〜<4>に登録される3ビットの設定データにより、“H”となる書き込みビット線電流波形信号CP<0>〜CP<7>の数を制御するようにしてもよい。この場合、図19のPチャネルMOSトランジスタBS0〜BS7のサイズを同じにしても、書き込みビット線電流の各向きに対して、4通りの電流波形を実現できる。
【0249】
D<2>〜D<4>は、テストモード時に、磁気ランダムアクセスメモリ(チップ)の外部から入力される設定データである。テストモード時には、この設定データに基づいて、書き込みビット線電流の電流波形を決定し、MTJ素子の特性をテストすることができる。
【0250】
また、D<2>〜D<4>は、設定データの登録時に、磁気ランダムアクセスメモリ(チップ)の外部から入力される設定データでもある。設定データの登録時には、この設定データに基づいて、電気的に、レジスタ<2>〜<4>内の記憶素子に設定データをプログラムすることができる。
【0251】
▲6▼ レジスタ<j>
図22の設定回路23内のレジスタ<j>の回路例について説明する。
【0252】
図23は、レジスタの回路例を示している。
本例のレジスタ<j>では、設定データを記憶するための素子として、MTJ素子を使用する。
【0253】
プログラムデータ出力回路29は、設定データを記憶するためのMTJ素子MTJを有している。ここで、MTJ素子MTJには、設定データを、MTJ素子の磁化状態、即ち、固定層の磁化方向と記憶層の磁化方向との関係(平行又は反平行)で記憶することができるが、本例では、そのような方法を用いない。
【0254】
なぜなら、設定データの値に関しては、一度、MTJ素子MTJに書き込んだ後に、再び、それを書き換えるということがない。
【0255】
また、MTJ素子MTJのMR比が20〜40%であることを考慮すると、パワーオンと同時に、MTJ素子MTJのデータを出力する設定回路では、設定データの読み出し時に、MTJ素子MTJの両端に大きな電圧が印加され、誤読み出しする可能性があるからである。
【0256】
MTJ素子MTJは、MTJ素子MTJの両端にかかるバイアス電圧が大きくなるにつれて、MR比が小さくなる、という特性を有している。このため、設定データをMTJ素子の磁化状態で記憶した場合、大きな読み出し信号量を得るために、バイアス電圧を大きくすると、MR比(“1”データと“0”データの読み出し信号差)が小さくなり、誤読み出しの可能性が大きくなる。
【0257】
従って、設定データを記憶するためのMTJ素子MTJに対しては、固定層の磁化方向と記憶層の磁化方向との関係ではなく、トンネルバリアを絶縁破壊するか否かで、設定データをプログラムする。
【0258】
MTJ素子MTJの絶縁破壊を利用した設定データのプログラム方法では、半永久的に、設定データを記憶しておくことができる。
【0259】
MTJ素子MTJの一端は、PチャネルMOSトランジスタP1及びNチャネルMOSトランジスタN1を経由して電源端子VDDに接続され、その他端は、NチャネルMOSトランジスタN2を経由して接地端子VSSに接続される。
【0260】
PチャネルMOSトランジスタP1のゲートは、接地端子VSSに接続され、NチャネルMOSトランジスタN2のゲートは、電源端子VDDに接続されるため、これらMOSトランジスタP1,N2は、常に、オン状態となっている。
【0261】
NチャネルMOSトランジスタN1のゲートには、クランプ電位Vclampが入力される。クランプ電位Vclampを適切な値に設定することにより、設定データの読み出し時に、MTJ素子MTJの電極間に高電圧が印加されるのを防止することができる。
【0262】
なお、クランプ電位Vclampを生成するVclamp生成回路の例を、図22に示す。本例のVclamp生成回路31では、クランプ電位Vclampは、BGR回路の出力電圧を抵抗分割することにより得ている。クランプ電位Vclampは、0.3〜0.5Vとなる。
【0263】
NANDゲート回路ND4及びPチャネルMOSトランジスタP2は、MTJ素子MTJの絶縁破壊を利用した設定データのプログラム方法を採用する場合に必要となる要素である。
【0264】
設定データのプログラム時には、プログラム信号PROGが“H”となる。そして、例えば、MTJ素子MTJに設定データ“1”を書き込む場合には、外部端子(データ入力端子、アドレス端子、専用端子など)から、設定データD<j>として、“1”(=“H”)を入力する。
【0265】
この時、NANDゲート回路ND4の出力信号は、“L”となり、PチャネルMOSトランジスタP2は、オン状態となる。従って、MTJ素子MTJの両端には、大きな電圧が印加され、MTJ素子MTJのトンネルバリアが破壊され、結果として、MTJ素子MTJに、設定データ“1”がプログラムされる。この場合、TD<j>は、“L”、bTD<j>は、“H”となる。
【0266】
一方、例えば、MTJ素子MTJに設定データ“0”を書き込む場合には、外部端子(データ入力端子、アドレス端子、専用端子など)から、設定データD<j>として、“0”(=“L”)を入力する。
【0267】
この時、NANDゲート回路ND4の出力信号は、“H”となり、PチャネルMOSトランジスタP2は、オフ状態となる。従って、MTJ素子MTJの両端には、大きな電圧が印加されることがないため、MTJ素子MTJのトンネルバリアが破壊されずに、結果として、MTJ素子MTJに、設定データ“0”がプログラムされる。この場合、TD<j>は、“H”、bTD<j>は、“L”となる。
【0268】
PチャネルMOSトランジスタP1とNチャネルMOSトランジスタN1の接続点は、インバータI9及びトランスファゲートTG4を経由して、インバータI7の入力端に接続される。インバータI7の出力信号は、bTD<j>となり、インバータI8の出力信号は、TD<j>となる。
【0269】
なお、Vclamp生成回路31の一例を、図24に示す。本例では、BGR回路の出力電圧を抵抗分割することにより、クランプ電位として、Vclamp = 0.3〜0.5Vを得る。
【0270】
▲7▼ デコーダRP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>
図22の設定回路23内のデコーダRP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>の回路例について説明する。
【0271】
図25は、デコーダの回路例を示している。
デコーダRP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>は、それぞれ、NANDゲート回路ND3及びインバータI10から構成される。
【0272】
NANDゲート回路ND3には、3つの入力信号A,B,Cが入力され、その出力信号は、インバータI10に入力される。インバータI10の出力信号Dは、書き込みワード/ビット線電流波形信号RP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>となる。
【0273】
デコーダRP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>のデコーディング表(入力信号と出力信号との関係)を、表1に示す。
【0274】
【表1】

Figure 0004334284
【0275】
▲8▼ 動作波形例
図26は、図18の書き込みワード線ドライバ/シンカーの動作波形例を示している。
【0276】
書き込み信号WRITEが“H”になると、これを受けて、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV及び書き込みワード線シンク信号WWLSNKが“H”になる。書き込みワード線ドライブ信号WWLDRV及び書き込みワード線シンク信号WWLSNKを“H”にするタイミングは、制御信号WS<0>〜WS<3>,/WS<0>〜/WS<3>により制御される。
【0277】
書き込み信号WRITEが“L”になると、これを受けて、まず、書き込みワード線ドライブ信号WWLDRVが“L”になる。そして、それから図20の遅延回路WDL4の遅延時間により決まる一定期間が経過した後、書き込みワード線シンク信号WWLSNKが“L”になる。この一定期間は、書き込み動作終了後、書き込みワード線WWLiの電位を0Vにするための期間である。
【0278】
図27は、図19の書き込みビット線ドライバ/シンカーの動作波形例を示している。
【0279】
書き込み信号WRITEが“H”になると、これを受けて、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKが“H”になる。書き込みビット線ドライブ信号WBLDRV及び書き込みビット線シンク信号WBLSNKを“H”にするタイミングは、制御信号BS<0>〜BS<3>,/BS<0>〜/BS<3>により制御される。
【0280】
書き込み信号WRITEが“L”になると、これを受けて、まず、書き込みビット線ドライブ信号WBLDRVが“L”になる。そして、それから図21の遅延回路BDL4の遅延時間により決まる一定期間が経過した後、書き込みビット線シンク信号WBLSNKが“L”になる。この一定期間は、書き込み動作終了後、書き込みビット線WBLiの電位を0Vにするための期間である。
【0281】
▲9▼ まとめ
以上、説明したように、本例の磁気ランダムアクセスメモリによれば、書き込みワード/ビット線に対する書き込み電流の電流波形(大きさ)を、チップごと、又は、メモリセルアレイごとに、プログラミングにより設定できる。また、書き込みワード線電流の電流波形と書き込みビット線電流の電流波形を、互いに独立に、決定できる。さらに、書き込みビット線電流に関しては、書き込みデータの値(書き込み電流の向き)に対しても、個別に、書き込みビット線電流の電流波形を決定できる。
【0282】
6. 第6実施の形態
次に、本発明の第6実施の形態に関わるデータ読み出し方法について説明する。
【0283】
図28は、本発明の第1実施の形態に関わる読み出し回路を利用した読み出し方法の例を示している。
【0284】
この読み出し方法では、まず、メモリセル及び複数のレファレンスセルを構成する複数のMTJ素子の特性を検査する(ステップST1)。次に、複数のMTJ素子の特性に基づいて、複数のレファレンスセルの各々に、個別に、“0”データ又は“1”データを書き込む(ステップST2)。
【0285】
ここで、例えば、複数のレファレンスセルのうち、“0”データが書き込まれるセルの数と“1”データが書き込まれるセルの数とは、同数の場合もあるし、異なる場合もある。
【0286】
そして、選択されたメモリセルのデータを読み出す際には、これら複数のレファレンスセルを用いてレファレンス電流/電位を生成し、データ値を判定する際の基準とする(ステップST3)。
【0287】
なお、図29に示すように、メモリセルのデータを読み出す際に、アドレス信号に基づいて、複数のレファレンスセルのうちから少なくとも1つのセル(複数又は全てのセルでもよい)をアクセスし、アクセスされたレファレンスセルに基づいて、レファレンス電流/電位を生成してもよい(ステップST2’)。
【0288】
図30は、本発明の第2実施の形態に関わる読み出し回路を利用した読み出し方法の例を示している。
【0289】
この読み出し方法では、まず、メモリセル、複数のレファレンスセル及び複数のダミーセルを構成する複数のMTJ素子の特性を検査する(ステップST1)。次に、複数のMTJ素子の特性に基づいて、複数のレファレンスセル及び複数のダミーセルの各々に対して、個別に、“0”データ又は“1”データを書き込む(ステップST2)。
【0290】
この後、アドレス信号に基づいて、複数のレファレンスセルのうちから少なくとも1つのセル(複数又は全てのセルでもよい)をアクセスし、アクセスされたレファレンスセルに基づいて、レファレンス電流/電位を生成する(ステップST2’)。
【0291】
この時、レファレンスセル側の各MTJ素子に流れる電流とメモリセル側の各MTJ素子に流れる電流とを合わせるため、ダミーセルに対するアクセス動作を行い、レファレンスセル側の電流駆動力とメモリセル側の電流駆動力との調整を図る(ステップST2”)。
【0292】
そして、このようにして生成されたレファレンス電流/電位を、メモリセルのデータ値を判定する際の基準とする(ステップST3)。
【0293】
なお、本例の読み出し方法の場合、各MTJ素子に流れる電流値をほぼ等しくするため、メモリセルとそれに並列接続されたダミーセルの合計数が、複数のレファレンスセルのうちアクセスされるセルの数に等しくなるようにする。
【0294】
図31は、本発明の第3実施の形態に関わる読み出し回路を利用した読み出し方法の例を示している。
【0295】
この読み出し方法では、まず、メモリセル、複数のレファレンスセル及び複数のダミーセルを構成する複数のMTJ素子の特性を検査する(ステップST1)。次に、複数のMTJ素子の特性に基づいて、複数のレファレンスセル、複数のダミーセル及び電流源内の複数のMTJ素子の各々に対して、個別に、“0”データ又は“1”データを書き込む(ステップST2)。
【0296】
この後、アドレス信号に基づいて、電流源内の複数のMTJ素子に対するアクセス動作を行う(ステップST2a)。
【0297】
また、複数のレファレンスセルのうちから少なくとも1つのセルをアクセスし、アクセスされたレファレンスセルに基づいて、レファレンス電流/電位を生成する(ステップST2’)。また、ダミーセルに対するアクセス動作を行い、レファレンスセル側の電流駆動力とメモリセル側の電流駆動力との調整を図る(ステップST2”)。
【0298】
そして、このようにして生成されたレファレンス電流/電位を、メモリセルのデータ値を判定する際の基準とする(ステップST3)。
【0299】
7. その他
このように、本発明の例に関わる磁気ランダムアクセスメモリによれば、アクセス時に、選択されたメモリセル(データセル)以外のセル、例えば、レファレンスセルにもアクセスし、書き込み動作、読み出し動作や、モニタ動作などを行うことができる。
【0300】
また、読み出し動作時に、データ値の判定の基準となるレファレンス電流/電圧を生成する元となる複数のレファレンスセルについては、“1”状態のものと“0”状態のものとが同数である必要がなく、例えば、MTJ素子の抵抗値のばらつきに応じて、最適なレファレンス電流/電圧を生成できるように、“1”状態のものと“0”状態のものとの割合を任意に決定できる。
【0301】
さらに、素子の微細化により、MTJ素子の抵抗値が上昇しても、メモリセル(MTJ素子)とは異なるダミーセル(MTJ素子)を駆動することにより、ビット線やデータ線に対する駆動能力を上げることができる。
【0302】
また、セル電流をモニタするためのモニタ回路を読み出し回路内に設けているため、予め、メモリセルのセル電流をモニタしておくことができる。MTJ素子に与える読み出し電流を生成する電流源についても、MTJ素子から構成することができる。電流源内のMTJ素子については、各々、独立に、データ書き込みができる。
【0303】
なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を構成できる。例えば、上記実施の形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施の形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【0304】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の磁気ランダムアクセスメモリによれば、MTJ素子のトンネル絶縁膜に厚さのばらつきが生じても、最適なレファレンス電圧を生成でき、また、MTJ素子の微細化によってその抵抗値が増大しても、読み出し速度の低下がなく、さらに、MTJ素子に対する最適な書き込み電流の値、供給タイミングを見出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施の形態に関わる読み出し回路の主要部を示す図。
【図2】図1の読み出し回路の応用例を示す図。
【図3】アドレスコンパレータの例を示す図。
【図4】デコーダ<j>の例を示す図。
【図5】デコーダ<BLi>の例を示す図。
【図6】図3のアドレスコンパレータの回路例を示す図。
【図7】オペアンプの回路例を示す図。
【図8】センスアンプの回路例を示す図。
【図9】本発明の第2実施の形態に関わる読み出し回路の主要部を示す図。
【図10】図9の読み出し回路の変形例を示す図。
【図11】本発明の第3実施の形態に関わる電流源を示す図。
【図12】本発明の第4実施の形態に関わる読み出し回路の主要部を示す図。
【図13】NAND型フラッシュメモリの動作例を示す図。
【図14】NAND型フラッシュメモリの動作例を示す図。
【図15】RDRAMの動作例を示す図。
【図16】本発明の第5実施の形態に関わるMRAMの概要を示す図。
【図17】メモリセルアレイの回路例を示す図。
【図18】書き込みワード線ドライバの回路例を示す図。
【図19】書き込みビット線ドライバ/シンカーの回路例を示す図。
【図20】書き込み電流制御回路の回路例その1を示す図。
【図21】書き込み電流制御回路の回路例その2を示す図。
【図22】設定回路の回路例を示す図。
【図23】レジスタ<j>の回路例を示す図。
【図24】Vclamp生成回路の回路例を示す図。
【図25】デコーダRP<0>〜RP<3>,CP<0>〜CP<7>の回路例を示す図。
【図26】図16のMRAMの動作波形の例を示す図。
【図27】図16のMRAMの動作波形の例を示す図。
【図28】本発明の第6実施の形態に関わる読み出し方法を示す図。
【図29】本発明の第6実施の形態に関わる読み出し方法を示す図。
【図30】本発明の第6実施の形態に関わる読み出し方法を示す図。
【図31】本発明の第6実施の形態に関わる読み出し方法を示す図。
【図32】センス回路をモデル化した図。
【符号の説明】
1: アドレスコンパレータ、 2: デコーダ、 10: レファレンス電位生成回路、 11: MRAM、 12: メモリセルアレイ、 13: レファレンスセルアレイ: 14: ロウデコーダ&ワード線ドライバ、 15:ロウデコーダ&ワード線ドライバ/シンカー、 16A,16B,17A,17B: カラムデコーダ&ビット線ドライバ/シンカー、 18: アドレスレシーバ、 19: データ入力レシーバ、 20: センスアンプ、 21: データ出力ドライバ、 22: 制御回路、 23: 設定回路、 24: 書き込み電流制御回路、 CS1: バイアス電流供給回路、 OP1,OP2:オペアンプ、 S/A: センスアンプ、 QP1,・・・QP10: PチャネルMOSトランジスタ、 QN1,・・・QN12: NチャネルMOSトランジスタ、 MC: メモリセル、 RC: レファレンスセル、 I1: 電流源、 AD<BLi>,AD<0>,・・・AD<7>: アンド回路、 RST: 読み出し選択トランジスタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM) that uses a magnetoresistive effect.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a magnetic random access memory using a tunneling magnetoresistive (TMR) has been proposed by, for example, Roy Scheuerlein et.al (see Non-Patent Document 1).
[0003]
An MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element exhibiting TMR has a structure in which a thin insulator is disposed between two magnetic bodies. Here, the MTJ element can take two states. One is the case where the magnetizations of the two magnetic bodies are oriented in the same direction, which is defined as a parallel state. The other one is a case where the magnetizations of the two magnetic bodies are opposite to each other, and this is defined as an antiparallel state.
[0004]
When the magnetization direction of the MTJ element is in the parallel state, the resistance value of the insulator when the tunnel current flows through the insulator is the lowest, and this is defined as, for example, the “1” state. When the magnetization direction of the MTJ element is in the antiparallel state, the resistance value of the insulator when the tunnel current flows through the insulator is the highest, and this is defined as, for example, the “0” state.
[0005]
When data is written to the MTJ element arranged at the intersection of the selected word line and the selected data selection line, for example, a write current having a fixed direction is supplied to the selected word line to select the selected data A write current having a direction corresponding to write data is supplied to the selection line.
[0006]
As a result, a magnetic field generated by a write current flowing through these word lines and data selection lines acts on the MTJ element, and the strength of the magnetic field exceeds the magnetization reversal threshold value of the storage layer of the MTJ element, and data is stored in the MTJ element. Written.
[0007]
On the other hand, when reading data stored in the MTJ element, a read current may be passed through the MTJ element to read the resistance value of the MTJ element.
[0008]
(1) Reference current / voltage
In the magnetic random access memory of Non-Patent Document 1, 1-bit data is stored in two cells. On the other hand, in dynamic RAM, flash memory, etc., 1-bit data is stored in one cell. Therefore, if the same CMOS process is used, the latter memory can secure a larger memory capacity than that of the former.
[0009]
For this reason, in the field of magnetic random access memory, a technique for storing 1-bit data in one cell has been proposed by, for example, Peter K. Naji et.al (see Non-Patent Document 2). .
[0010]
According to this technique, when reading cell data, it is necessary to generate a reference current / voltage that serves as a reference for determining a data value.
[0011]
First, a bias voltage Vbiasref is generated based on the original voltage Vbias using a bias voltage generator (Self-Calibrating Reference Bias Voltage Generator). The bias voltage Vbiasref is generated from an MTJ element having a resistance value Rmax (“1” state) and an MTJ element having a resistance value Rmin (“0” state).
[0012]
Vbiasref = (Vbias / 2) × (1 + Rmin / Rmax)
Here, when the reference cell is in the “0” state (resistance value Rmin), the reference current Iref shown below flows through the reference cell.
Iref = Vbiasref / Rmin
= (Vbias / 2) × (1 / Rmin + 1 / Rmax)
= 1/2 x (Vbias / Rmin + Vbias / Rmax)
On the other hand, when the memory cell is in the “1” state (resistance value Rmax), the current Imin shown below flows through the memory cell.
Imin = Vbias / Rmax
When the memory cell is in the “0” state (resistance value Rmin), a current Imax shown below flows through the memory cell.
Imax = Vbias / Rmin
Since the value of the reference current Iref is half of Imax and Imin, it serves as a reference for data determination at the time of reading.
[0013]
There is one problem here. Since the MTJ element has a structure in which a current flows through an insulator as a tunnel insulating film, the resistance value changes exponentially with the change in the thickness of the tunnel insulating film.
[0014]
That is, even if the reference potential is generated based on Non-Patent Document 2, if the read principle based on the differential sense amplifier method using the reference potential used in the NOR type flash memory is employed, the tunnel of the MTJ element is used. Due to the variation in the thickness of the insulating film, the resistance value of the MTJ element may vary, and data may not be read.
[0015]
Therefore, in order to prevent this, for example, a half (margin) of the resistance variation ΔR of the MTJ element determined by the magnetoresistive change rate (MR ratio: Magneto Resistive ratio) due to TMR is used as the resistance of the reference cell and the memory cell in the same state. It must be greater than the value variation.
[0016]
However, generally, since the MR ratio is 20 to 40%, there is a possibility that a sufficient margin cannot be secured in consideration of the manufacturing margin, the yield, etc. in the mass production stage.
[0017]
For example, when the resistance values Rmin and Rmax of the reference cell in the bias voltage generator (Self-Calibrating Reference Bias Voltage Generator) in Non-Patent Document 2 are different from the resistance value R′min of the memory cell in the “0” state. Is assumed.
[0018]
R′min> 10 × Rmax
R′min <10 × Rmin
In general, an MR ratio of about 20 to 40% cannot serve as a reference.
[0019]
As Rmin <R′min <Rmax,
When R′min = Rmin + δRmin,
Iref = Vbiasref / R'min
= Vbias / 2 x (1 / Rmin + 1 / Rmax)
X Rmin / R'min
= 1/2 x (Vbias / Rmin + Vbias / Rmax)
X Rmin / R'min
= 1/2 x (Vbias / Rmin + Vbias / Rmax)
X 1 / (1 + δRmin / Rmin)
[0020]
When MR ratio is expressed as “MR”,
Since Rmax = Rmin × (1 + MR),
Imin = Vbias / Rmax
= Vbias / Rmin x 1 / (1 + MR)
Imax = Vbias / Rmin
Iref
= 1/2 x (Vbias / Rmin + Vbias / Rmax)
× 1 / (1 + δRmin / Rmin)
= 1/2 * Vbias / Rmin * (1 + 1 / (1 + MR))
× 1 / (1 + δRmin / Rmin)
= Vbias / Rmin × 1 / (1 + MR) × (1 + MR / 2)
× 1 / (1 + δRmin / Rmin).
[0021]
Accordingly, when a variation in resistance value occurs between the memory cell and the reference cell by more than half the amount of change in the resistance value of the memory cell (MTJ element) determined by the magnetoresistance change rate (MR ratio) due to TMR (MR / 2 <ΔRmin / Rmin), it becomes impossible to compare the memory cell having the resistance value Rmax and the reference cell. In such a case, the memory cell having the resistance value Rmin cannot be compared with the reference cell.
[0022]
In particular,
1 / (1 + MR) × (1 + MR / 2)
X 1 / (1 + δRmin / Rmin)) <1
That means
MR / 2 × 1 / (1 + MR)> | δRmin / Rmin |
It is necessary to satisfy. If the MR ratio is in the range of 20 to 40%, the variation in the resistance value needs to be less than 8.3 to 14.2% of the variation amount of the resistance value determined by the MR ratio.
[0023]
(2) Bias voltage
The MR ratio has a characteristic of decreasing as the potential difference applied between both terminals of the MTJ element increases. This characteristic has been confirmed, for example, by M. Durlam et.al (see Non-Patent Document 3).
[0024]
Considering this, the optimum value of the bias voltage for the MTJ element is obtained.
[0025]
The bias current for the MTJ element is Ic, the resistance value of the MTJ element in the “0” state is Rc (0), the resistance value of the MTJ element in the “1” state is Rc (1), and the bias current Ic is given. The potential difference generated between both terminals of the MTJ element in the “0” state is sometimes V (0), and the potential difference generated between both terminals of the MTJ element in the “1” state when the bias current Ic is applied is V (1). Then,
V (1) = Ic x Rc (1), V (0) = Ic x Rc (0)
It becomes.
[0026]
Also, the bias voltage dependence of MR ratio is
MR (V) = MR (0) −k × V
(Where V is the bias voltage applied to the MTJ element, MR (V) is the MR ratio when the bias voltage V is applied to the MTJ element, MR (0) is the MR ratio of the MTJ element in the “0” state, MR (1) is the MR ratio of the MTJ element in the “1” state, and k is a constant.)
And
V (1) = Ic x Rc (1) = Ic x Rc (0) x {1 + MR (V)}
= Ic x Rc (0) x {1 + MR (0)-k x V (1)}
It becomes.
[0027]
Therefore,
From V (1) = {1 + MR (0)} ÷ [k + 1 / {Ic × Rc (0)}]
Finding Ic that maximizes V (1)-V (0),
d {V (1) −V (0)} / dIc
= [1 + MR (0) − {Ic × Rc (0) × k + 1} 2] × Rc ÷ {Ic × Rc (0) × k + 1} 2
Than,
Ic = [√ {1 + MR (0)} − 1] / {Rc (0) × k}
It becomes.
[0028]
There is currently no report that MR (0) has exceeded 0.5.
√ {1 + MR (0)} − 1 Approximate to MR (0) / 2. MR is Vh = MR (0) / (2 × k), where Vh is a voltage that is half of MR (0).
[0029]
That means
Ic = [√ {1 + MR (0)} − 1] / {Rc (0) × k} ≒ Vh / Rc (0)
It becomes.
[0030]
Therefore, it is desirable that the bias voltage be near Vh.
[0031]
For example, in the circuit disclosed in Non-Patent Document 4, if the resistance of the MOS transistor is sufficiently smaller than the resistance of the MTJ element, the value of the bias voltage is set to Vh.
[0032]
In this circuit, a bias voltage is generated using a reference cell (MTJ element) and an operational amplifier. However, if the resistance value of the reference cell varies, the bias voltage for the memory cell does not become Vh. If the symbols used in Non-Patent Document 4 are used, the voltage values of SL and bSL will deviate from Vh.
[0033]
For example, as the bias voltage increases, the MR ratio decreases and the signal difference between “1” and “0” also decreases. Further, when the bias voltage is lowered, the difference in bias voltage is reduced, so that the read margin is lowered.
[0034]
(3) Bias current
As for the bias current for the MTJ element, the sense circuit is modeled with a simple configuration as shown in FIG. That is, the difference between the load resistance R1 and the resistance Rc of the memory cell (MTJ element) is read as the output voltage Vo. According to the following consideration, it can be seen that the signal difference between “1” and “0” can be increased by setting the load resistance R1 to the same level as the resistance Rc of the memory cell.
[0035]
In the circuit in Non-Patent Document 4, a constant current source corresponds to this load resistance. Here, when this constant current source is composed of an MTJ element, the area efficiency is improved. For example, this constant current source is composed of one MTJ element and a current mirror circuit.
[0036]
However, as in the above discussion, when the constant current source is composed of one MTJ element, when the resistance value of the one MTJ element is deviated from the resistance value of the memory cell (MTJ element), the signal voltage difference is It becomes smaller than the ideal value. For example, when this constant current source is laid out in a region different from the region where the memory cell array is arranged, there is a possibility that the resistance value of the MTJ element may differ due to processing variations such as lithography.
[0037]
For example, in the circuit shown in FIG. 32, the value of Rl is determined such that the difference between Vo (1) and Vo (0) is large.
[0038]
Here, Vo (1) is the output voltage when the MTJ element is in the “1” state, Vo (0) is the output voltage when the MTJ element is in the “0” state, and Rc (1) is “1”. The resistance value Rc (0) of the MTJ element in the state is the resistance value of the MTJ element in the “0” state.
[0039]
Vo (1) = Vc x Rc (1) / [Rc (1) + Rl]
Vo (0) = Vc x Rc (0) / [Rc (0) + Rl]
Vo (1) −Vo (0) = Vc × {Rc (1) / [Rc (1) + Rl] −Rc (0) / [Rc (0) + Rl]}
Therefore,
d [Vo (1) −Vo (0)] / dRl =
Vc × {Rc (0) / [Rc (0) + Rl] ^ 2−Rc (1) / [Rc (1) + Rl] ^ 2}
= Vc × Rc (0) × Rc (1) × [Rc (1) Rc (0) −Rl ^ 2}
× [Rc (1) −Rc (0)] / [{[Rc (0) + Rl] ^ 2} × {[Rc (1) + Rl] ^ 2}]
From Rc (1)> Rc (0), Vo (1)> Vo (0)> 0. From the condition of Rl> 0, Rl where Vo (1) −Vo (0) is the largest is
Rl = √ (Rc (1) x Rc (0)
It becomes.
[0040]
At this time,
Vo (1) −Vo (0) = Vc × {1 / [1 + Rl / Rc (1)] − 1 / [1 + Rl / Rc (0)]}
= Vc x {1 / [1 + √ {Rc (0) / Rc (1)}]-1 / [1 + √ {Rc (1) / Rc (0)}]}
= Vc x [Rc (1) -Rc (0)] / [√Rc (1) + √Rc (0)] ^ 2
It becomes.
[0041]
Substituting Rc (0) = Rc, Rc (1) = Rc + ΔRc,
Rl = √ [Rc × (Rc + ΔRc)]
From ΔRc <Rc, approximating √
Rl = Rc × √ (1 + ΔRc / Rc)
≒ Rc × (1 + ΔRc / 2 × Rc)
= Rc + ΔRc / 2 ⇒ Intermediate value between Rc (1) and Rc (0)
Vo (1) −Vo (0) = Vc × ΔRc / [2Rc + ΔRc + 2Rc × √ (1 + ΔRc / Rc)]
≒ Vc × ΔRc / [2 × (2 × Rc + ΔRc)]
It becomes.
[0042]
As described above, the reason why the reference cell and the constant current source are used and the MTJ element is used to set the bias voltage value is that the resistance and MR ratio of the MTJ element have temperature dependency and bias dependency. In addition, the MTJ element has a characteristic greatly different from that of the MOS transistor. The temperature dependency of the MR ratio is described in Non-Patent Document 3, for example.
[0043]
(4) Parasitic capacitance
The thickness of the tunnel insulating film of the MTJ element is only about several nm. That is, the thickness of the tunnel insulating film is not 10 times the size of the molecules of the material constituting the tunnel insulating film, but is about several times higher, and it is difficult to further reduce the thickness. Since the size of the MTJ element tends to be reduced by the miniaturization technique, if the thinning of the tunnel insulating film cannot be realized, the resistance of the MTJ element increases due to the miniaturization.
[0044]
By reading, a read potential appears on the bit line. This potential is determined by the value of the read current and the resistance value of the memory cell (MTJ element). The time until the potential is stabilized roughly increases in proportion to the product of the resistance of the MTJ element and the parasitic capacitance of the wiring related to reading such as a bit line.
[0045]
Since the parasitic capacitance has a shorter distance between wirings due to miniaturization, if the wiring width does not change, the capacitance per unit length tends to increase. In addition, although it is conceivable that the width of the bit line becomes narrow due to miniaturization, in the case of a magnetic random access memory, a current of about several mA is passed through the bit line in order to generate a magnetic field for writing. There is a need. That is, in consideration of electromigration, when the line width is reduced, it is necessary to increase the thickness of the line.
[0046]
Therefore, in the magnetic random access memory, the parasitic capacitance per unit length further increases due to miniaturization.
[0047]
[Patent Document 1]
USP6,081,445, "Method to Write / Read MRAM Arrays"
[0048]
[Non-Patent Document 1]
ISSCC2000 Technical Digest p.128, `` A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell ''
[0049]
[Non-Patent Document 2]
ISSCC2001 Technical Digest p.122, “A 256kb 3.0V 1T1MTJ Nonvolatile Magnetoresistive RAM”
[0050]
[Non-Patent Document 3]
ISSCC2000 Technical Digest p.130 `` Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements '', Slide Supplement (p.96)
[0051]
[Non-Patent Document 4]
Roy Scheuerlein et.al, `` A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell '', Figure 7.2.5
[0052]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to generate an optimum reference voltage even when a thickness variation occurs in the tunnel insulating film of the MTJ element. Even if the resistance value increases due to miniaturization, the read speed is not lowered, and the optimum write current value and supply timing for the MTJ element are found.
[0053]
[Means for Solving the Problems]
  In the example of the present inventionBe involvedMagnetic random access memory is composed of magnetoresistive effect elements.The first and second states can be taken and connected between the first node and the first power supply terminal.A memory cell and a magnetoresistive element,A first state and a second state, wherein the second node and the first power supply terminal are connected in parallel;For making a reference for judging data of the memory celln (n is a plurality)Reference cell andA first clamp circuit for clamping the first node to a predetermined potential; a second clamp circuit for clamping the second node to a predetermined potential; and between the first node and a second power supply terminal. The first MOS transistor to be connected, the second MOS transistor connected between the second node and the second power supply terminal, and the first and second MOS transistors constitute a current mirror circuit, and are generated by a constant current source. A bias current supply circuit for supplying a bias current to the memory cell and the n reference cells based on a constant current, and comparing the potentials of the drain of the first MOS transistor and the drain of the second MOS transistor A sense amplifier that determines the data in the memory cell;Each of the plurality of reference cells can independently write / read data.The ratio between the number of reference cells in the first state and the number of reference cells in the second state can be arbitrarily set, and the current driving capability of the second MOS transistor is the current driving capability of the first MOS transistor. N times.
[0054]
  A magnetic random access memory according to an example of the present invention includes a magnetoresistive effect element, can take a first state and a second state, and is connected to a memory cell connected between a first node and a first power supply terminal. And a magnetoresistive element, which can take the first and second states, and is connected in parallel between the second node and the first power supply terminal, and makes a reference for judging the data of the memory cell. And n (n is a plurality) reference cells and a magnetoresistive effect element, which can take the first and second states, and is parallel between the first node and the first power supply terminal. N-1 dummy cells connected to the first node, a first clamp circuit for clamping the first node to a predetermined potential, a second clamp circuit for clamping the second node to a predetermined potential, and the first 1 node and 2nd power A first MOS transistor connected to the terminal, a second MOS transistor connected between the second node and the second power supply terminal, and the first and second MOS transistors to form a current mirror circuit. A bias current supply circuit for supplying a bias current to the memory cell and the n reference cells based on a constant current generated by a current source; a potential of a drain of the first MOS transistor and a drain of the second MOS transistor; And a sense amplifier that determines the data of the memory cell by comparing the data of the memory cell, and the plurality of reference cells and the n-1 dummy cells can be independently written / read data. , The number of reference cells in the first state and the number of reference cells in the second state Can be arbitrarily set, and the ratio between the number of dummy cells in the first state and the number of dummy cells in the second state can be arbitrarily set, and the current driving capability of the second MOS transistor and the current driving of the first MOS transistor Ability is equal.
[0055]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a magnetic random access memory according to an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0056]
1. First embodiment
FIG. 1 shows the main part of the read circuit of the magnetic random access memory according to the first embodiment of the present invention.
[0057]
The reference potential generation circuit 10 for generating the reference potential Vref is composed of a plurality of reference cells (MTJ elements) RC having the same structure as the memory cell (MTJ element) MC. A circuit required for writing is arranged in the reference potential generation circuit 10 so that predetermined data can be individually written to each of the plurality of reference cells RC.
[0058]
Generally, the tunnel insulating film used for the MTJ element is Al.2O3(Alumina). Here, the tunnel insulating film is usually formed by naturally oxidizing Al (aluminum) in order to suppress variations in thickness. However, it is impossible in reality that the thickness of the tunnel insulating film does not vary due to a manufacturing process.
[0059]
Therefore, in order to generate the reference potential Vref having a value just between the potential generated when data “1” is read and the potential generated when data “0” is read, among the reference cells RC, data It is not sufficient that the number of cells of “1” and the number of cells of data “0” are halved (the same number).
[0060]
That is, it is required that the number of cells of data “1” and the number of cells of data “0” can be freely changed among the plurality of reference cells RC depending on the variation in the thickness of the tunnel insulating film. For example, in order to generate the reference potential Vref having a value intermediate between the potential generated when reading data “1” and the potential generated when reading data “0”, the number of cells of data “1” and the data In some cases, the number of “0” cells must be positively different.
[0061]
That means
Under the condition of Rmax> 1 / n × ΣRref> Rmin,
Rmax -1 / n x ΣRref = 1 / n x ΣRref-Rmin
Is adjusted so that the resistance value Rref of n (n is a plurality) reference cells RC is adjusted.
[0062]
The bias current applied to the reference cell RC is n times the bias current applied to the memory cell MC (n = 8 in this embodiment), and 1 / n is realized. For this purpose, a current mirror circuit is used. Normally, the number of reference cells in the “1” state is equal to the number of reference cells in the “0” state. Here, for example, the number of reference cells in the “1” state depends on variations in the resistance value of the MTJ element. The number of reference cells in the “1” state and the number of reference cells in the “0” state are made different, for example, by increasing the number of reference cells in the “0” state.
[0063]
The reference cell (MTJ element) RC in which the thickness of the tunnel insulating film is extremely deviated from the ideal value is excluded from being used as a reference cell. In this case, the bias current passed through the memory cell MC is increased by an amount corresponding to the number obtained by subtracting the number of reference cells excluded from the total number n of reference cells RC.
[0064]
As a method of eliminating defective reference cells, a redundancy technique that is often used in the field of semiconductor memory is applied. For example, if the address of a defective reference cell is programmed in a storage element (fuse, MTJ element, etc.) by laser cutting, and the programmed address matches the specified address, the column decoder is deselected and the bias current To generate a reference current / potential.
[0065]
A specific configuration of the reading circuit in FIG. 1 will be described.
An MTJ element as a memory cell MC is connected to the bit line BL <i>. One end of the memory cell MC is connected to the ground point via the read selection transistor RST.
[0066]
The gate of the read selection transistor RST is connected to the read word line WLn. The AND circuit AD <WLn> as a decoder controls on / off of the read selection transistor RST based on the row address signal RD <WLn> when the row address enable signal RDenable is “H”. That is, when the row address enable signal RDEnable is “H” and all the bits of the row address signal RD <WLn> are “H”, the read word line WLn is “H” and the read selection transistor RST is turned on. .
[0067]
One end of the bit line BL <i> is connected to the data line DL via the transfer transistor N <BLi>. On / off of the transfer transistor N <BLi> is controlled by an output signal of an AND circuit AD <BLi> as a decoder. For example, when the column address enable signal CDenable is “H” and the all bits of the column address signal CD <BLi> are “H”, the transfer transistor N <BLi> is turned on.
[0068]
A clamp circuit for clamping the node N1 to a predetermined potential is connected to the data line DL. The clamp circuit has an operational amplifier OP1 in which the clamp potential Vclamp is input to the positive input terminal, the potential of the node N1 is input to the negative input terminal, and an output channel OUT that is output from the operational amplifier OP1 is input to the gate. MOS transistor QN1.
[0069]
The sense amplifier S / A compares the reference potential Vref output from the reference potential generation circuit 10 with the potential of the data line DL, and determines the data in the memory cell MC. The sense amplifier S / A outputs the data in the memory cell MC as read data SAOUT.
[0070]
The reference potential generation circuit 10 has n (n is a plurality) reference cells RC composed of the same MTJ elements as the memory cells MC. In each reference cell RC, circuits necessary for writing are arranged in the reference potential generation circuit 10 so that predetermined data can be individually written.
[0071]
One end of the reference cell RC is connected to the ground point via the read selection transistor RST. The gate of the read selection transistor RST is connected to the read word line WLn. The AND circuit AD <WLn> controls on / off of the read selection transistor RST based on the row address signal RD <WLn> when the row address enable signal RDEnable is “H”.
[0072]
For example, when the row address enable signal RDEnable is “H”, when all the bits of the row address signal RD <WLn> are “H”, the read word line WLn is “H” and the read selection transistor RST is turned on.
[0073]
One end of the reference cell bit lines rBL <0>, rBL <1>,... RBL <7> passes through the transfer transistors N <0>, N <1>,. Connected to the cell data line rDL. ON / OFF of the transfer transistors N <0>, N <1>,... N <7> is output signals of AND circuits AD <0>, AD <1>,. Controlled by
[0074]
For example, when the column address enable signal CDenable is “H”, when all the bits of the column address signals CD <0>, CD <1>,... CD <7> are “H”, the transfer transistor N <0>. , N <1>,... N <7> are turned on.
[0075]
A clamp circuit for clamping the node N2 to a predetermined potential is connected to the reference cell data line rDL. The clamp circuit has an operational amplifier OP2 in which the clamp potential Vclamp is input to the positive input terminal, the potential of the node N2 is input to the negative input terminal, and an output channel OUT that is output from the operational amplifier OP2 is input to the gate. MOS transistor QN2.
[0076]
The bias current supply circuit CS1 includes a P channel MOS transistor QP3, N channel MOS transistors QN3 and QN4, and a constant current source I1.
[0077]
The bias current I1 generated by the bias current supply circuit CS1 is supplied to the memory cell MC via the data line DL and the bit line BL <i> by the current mirror circuit including the P-channel MOS transistors QP1 and QP3. .
[0078]
The bias current I1 is passed through the reference data line rDL and the reference bit lines rBL <0>, rBL <1>,... RBL <7> by a current mirror circuit composed of P-channel MOS transistors QP1 and QP2. To the reference cell RC.
[0079]
FIG. 2 is an application example of the readout circuit of FIG. This read circuit is characterized in that a system for eliminating defective reference cells is mounted on the read circuit of FIG.
[0080]
The same number of address comparators 1 as the number of reference cells RC are provided. In the present embodiment, since the number of reference cells RC is 8, only eight address comparators 1 are provided corresponding to each address of the reference cell RC.
[0081]
The address comparator 1 compares the address of the defective reference cell stored in the storage element (eg, fuse, MTJ element, etc.) with the address for accessing the reference cell supplied to generate the reference current / voltage. To do.
[0082]
Then, the address comparator 1 sets the match signals MATCH <0>, MATCH <1>,... MATCH <7> to “H” when both addresses match.
[0083]
For example, consider a case where the reference cell (MTJ element) RC connected to the reference bit line rBL <3> is defective. In this case, the address designating the reference cell connected to the reference bit line rBL <3> is stored in the storage element corresponding to the address comparator <3>.
[0084]
When generating the reference current / voltage, the address comparator <3> compares the defective address stored in the storage element with the address supplied to generate the reference current / voltage. The address comparator <3> sets the match signal MATCH <3> to “H” when both addresses match.
[0085]
At this time, the P-channel MOS transistor P3 is turned off. The decoder <3> is in an inoperative state, and its output is always “L” regardless of the address signal. Therefore, N channel MOS transistor N3 is turned off.
[0086]
Therefore, the reference cell (MTJ element) connected to the reference bit line rBL <3> is eliminated and is not used when generating the reference current / voltage. At this time, the bias current I1 is supplied to the seven reference cells connected to the remaining reference bit lines rBL <0>,... RBL <2>, rBL <4>,. .
[0087]
The circuit in FIG. 2 is an example in which defective reference cells are simply eliminated. However, a redundant reference cell is provided separately as in a redundancy circuit, and the defective reference cell is replaced with a redundant reference cell. You may employ | adopt the technique of replacing with a cell.
[0088]
Further, an address that can be independently accessed to one reference cell may be assigned, and a monitor circuit that can monitor the current flowing through each reference cell from the outside may be added.
[0089]
FIG. 3 shows a circuit example of the address comparator of FIG.
The address comparators <j> (j = 0, 1,... 7) have k exclusive NOR circuits Ex-NOR <0>,... Ex-NOR <k> corresponding to the number of bits of the address. And an AND circuit AD1.
[0090]
The exclusive NOR circuit Ex-NOR <0>,... Ex-NOR <k> includes defective addresses Afuse <0>,... Afuse <k> stored in the storage element and an address Aref <for access. 0>,... Aref <k> is input.
[0091]
When all the bits of the defective address Afuse <0>,... Afuse <k> and the address Aref <0>,... Aref <k> for access completely match, all the exclusive NOR circuits Ex Since the output signal of -NOR <0>,... Ex-NOR <k> is “H”, the match signal MATCH <j> output from the AND circuit AD1 is “H”.
[0092]
On the other hand, if at least one bit of the defective address Afuse <0>,... Afuse <k> and the access address Aref <0>,. Since the output signal of the exclusive NOR circuit to which the bit is input is “L”, the coincidence signal MATCH <j> output from the AND circuit AD1 is “L”.
[0093]
4 and 5 show circuit examples of the decoder of FIG.
The decoder <j> (j = 0, 1,... 7) includes an inverter I1 and an AND circuit AD2.
[0094]
The coincidence signal MATCH <j> is input to the AND circuit AD2 after passing through the inverter I1. Further, the column address enable signal CDenable and the column address signal CD <j> are input to the AND circuit AD2.
[0095]
When the match signal MATCH <j> is “L”, the value of the output signal of the decoder <j> is determined based on the column address enable signal CDenable and the column address signal CD <j>. That is, when the column address enable signal CDenable is “H” and all the bits of the column address signal CD <j> are “H”, the output signal of the decoder <j> is “H”.
[0096]
On the other hand, when the match signal MATCH <j> is “H”, the output signal of the decoder <j> is always “L” regardless of the values of the column address enable signal CDenable and the column address signal CD <j>. It becomes.
[0097]
The decoder <BLi> is composed of an AND circuit AD3. A column address enable signal CDenable and a column address signal CD <BLi> are input to the AND circuit AD3.
[0098]
When the column address enable signal CDenable is “H”, if all bits of the column address signal CD <j> are “H”, the output signal of the decoder <BLi> is “H”. On the other hand, when the column address enable signal CDenable is “L”, the output signal of the decoder <BLi> is always “L” regardless of the column address signal CD <j>.
[0099]
FIG. 6 shows the address comparator of FIG. 3 more specifically.
[0100]
In this example, the address comparator <j> includes a storage element that stores a defective address. The memory element includes, for example, programmable MTJ elements MTJ (Afuse <0>), MTJ (bAfuse <0>),... MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>).
[0101]
The program for MTJ elements MTJ (Afuse <0>), MTJ (bAfuse <0>), ... MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>) is magnetized (parallel or antiparallel) Instead, it is determined by whether or not the tunnel insulating film is destroyed. Therefore, the memory element may be a laser blown fuse, an electrically programmable electric fuse (E-fuse), or the like.
[0102]
The exclusive NOR circuit Ex-NOR <0>,... Ex-NOR <k> is, for example, a number corresponding to the number of bits of an address necessary for selecting one reference cell RC, in this example, There are only (k + 1).
[0103]
Since the configurations of all the exclusive NOR circuits Ex-NOR <0>,... Ex-NOR <k> are the same, the configuration of the exclusive NOR circuit Ex-NOR <k> will be described below, for example. To do.
[0104]
One end of the MTJ elements MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>) is connected to the power supply terminal Vdd via the P-channel MOS transistor QP4 and the N-channel MOS transistor QN5 '. Program signal PROG <k> is applied to the gate of MOS transistor QP4, and clamp signal Vclamp is applied to the gate of MOS transistor QN5 '.
[0105]
Also, one end of the MTJ elements MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>) is connected to the power supply terminal Vdd via the P-channel MOS transistor QP5. An inverted signal bPROG <k> of program signal PROG <k> is applied to the gate of MOS transistor QP5.
[0106]
The other end of the MTJ element MTJ (Afuse <k>) is connected to the ground terminal Vss via the N-channel MOS transistor QN5. An address signal bAref <k> for selecting a reference cell is input to the gate of the MOS transistor QN5.
[0107]
The other end of the MTJ element MTJ (bAfuse <k>) is connected to the ground terminal Vss via the N-channel MOS transistor QN6. An address signal Aref <k> for selecting a reference cell is input to the gate of MOS transistor QN6. The address signal bAref <k> is an inverted signal of the address signal Aref <k>.
[0108]
The program signal bPROG <k> is a signal that becomes “L” when a defective address is written to the MTJ element MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>).
[0109]
Note that the MTJ elements MTJ (Afuse <k>) and MTJ (bAfuse <k>) are all in the “1” state and the tunnel insulating film is not destroyed before the defective address is written.
[0110]
For example, when “0” is written in the MTJ element MTJ (Afuse <k>) and “1” is written in the MTJ element MTJ (bAfuse <k>), the address signal bAref <k> is “H” and the address signal Aref <k>. Is set to “L”, and the program signal bPROG <k> is set to “L”. At this time, an excessive voltage is applied to the MTJ element MTJ (Afuse <k>), the tunnel insulating film is destroyed, and “0” is written.
[0111]
Further, when “0” is written to the MTJ element MTJ (bAfuse <k>) and “1” is written to the MTJ element MTJ (Afuse <k>), the address signal Aref <k> is set to “H” and the address signal bAref <k>. Is set to “L”, and the program signal bPROG <k> is set to “L”. At this time, an excessive voltage is applied to the MTJ element MTJ (bAfuse <k>), the tunnel insulating film is broken, and “0” is written.
[0112]
When the thickness of the tunnel insulating film of the MTJ elements MTJ (Afuse <k>) and MTJ (bAfuse <k>) is 1 to 2 nm, the voltage required to destroy the tunnel insulating film is 1 to 5V. . In the current MOS type semiconductor memory, the value of the power supply voltage is about 2.5 V. In this case, the program operation can be executed without providing a dedicated internal booster circuit in the chip.
[0113]
The input terminal of the inverter I2 is connected to one end of the MTJ element MTJ (Afuse <k>), MTJ (bAfuse <k>), and the output signal OUT <of the exclusive NOR circuit Ex-NOR <k> is output from the output terminal. k> is obtained.
[0114]
Then, the output signals OUT <0>,... OUT <k> of the exclusive NOR circuits Ex-NOR <0>,... Ex-NOR <k> are input to the AND circuit AD1. The coincidence signal MATCH <j> is output from the AND circuit AD1.
[0115]
Note that the circuit of FIG. 6 can also be applied to a redundancy circuit for relieving a defective cell in a normal memory cell array. That is, it is detected by the circuit of FIG. 6 whether or not the input address and the defective address match. If they match, the defective cell is replaced with a redundant cell.
[0116]
FIG. 7 shows a circuit example of the operational amplifier of FIGS. 1 and 2.
The operational amplifiers OP1 and OP2 receive P-channel MOS transistors QP6 and QP7 for receiving input signals, N-channel MOS transistors QN7 and QN8 connected in a current mirror, and an enable signal Enable that determines activation / inactivation of the operational amplifier. N channel MOS and transistor QN9.
[0117]
The operational amplifiers OP1 and OP2 output an output signal Out corresponding to the difference between the two input signals (+, −). When the values of the two input signals (+, −) are equal, the output signals of the operational amplifiers OP1 and OP2 are zero.
[0118]
FIG. 8 shows a circuit example of the sense amplifier of FIGS. 1 and 2.
This sense amplifier S / A includes N-channel MOS transistors QN10 and QN11 for receiving an input signal, P-channel MOS transistors QP8 and QP10 connected to an output terminal, and P-channel MOS transistors QP9 and QP11 connected to each other. And an N channel MOS for receiving an enable signal Enable for determining activation / inactivation of the sense amplifier and a transistor QN12.
[0119]
The sense amplifier S / A increases the difference between the two input signals (+, −) and outputs it as output signals SAOUT and bSAOUT.
[0120]
  2. Second embodiment
  FIG.These show the principal parts of the read circuit of the magnetic random access memory according to the second embodiment of the present invention.
[0121]
The thickness of the tunnel insulating film of the MTJ element is about several nanometers, and is about several times the size of the molecule of the substance constituting the tunnel insulating film. For this reason, it is difficult to make the tunnel insulating film thinner than this.
[0122]
As the size of the MTJ element tends to be reduced with the progress of miniaturization of the memory cell, if the tunnel insulating film cannot be thinned, the resistance of the MTJ element is reduced along with the miniaturization of the memory cell. The value will increase.
[0123]
By the way, in the magnetic random access memory, a read potential appears on the bit line at the time of reading. This read potential is generated by the read current and the resistance value of the MTJ element. The time until the read potential is stabilized roughly increases in proportion to the product of the resistance value of the MTJ element and the parasitic capacitance of the wiring related to the read operation such as the bit line.
[0124]
This parasitic capacitance tends to increase with the miniaturization of memory cells. This is because the interval between wirings related to a read operation such as a bit line becomes narrow due to miniaturization of the memory cell. Assuming that the wiring width does not change, the capacity per unit length increases because the distance between the wirings becomes narrower.
[0125]
It is conceivable that the wiring related to the read operation such as the bit line is shortened due to the miniaturization of the memory cell. However, in the case of the magnetic random access memory, for example, the bit line is also used as a write line for flowing a write current. The That is, it is necessary to pass a current of several mA through the bit line in order to generate a magnetic field for writing. Considering this, the cross-sectional area of the wiring cannot be reduced in order to prevent electromigration.
[0126]
Therefore, for example, when the wiring width is reduced, it is important to increase the thickness and not reduce the cross-sectional area of the wiring instead. As a result, with the miniaturization of the memory cell, the parasitic capacitance per unit length of the wiring related to the read operation such as the bit line increases.
[0127]
From the above, in order to prevent the reading speed from decreasing, a plurality of dummy cells DC having the same structure as the selected cell MC are provided in the chip separately from the selected cell (MTJ element) MC. Then, the plurality of dummy cells DC are connected in parallel to the selected cell MC to increase the current drive capability of the bit line during the read operation.
[0128]
As with the reference cell RC, a circuit for writing is added to the dummy cell DC so that programming is possible. Thus, by combining the selected cell MC and the dummy cell DC, a balance with the reference cell RC can be ensured, so that an optimum input voltage for the sense amplifier S / A can be generated.
[0129]
A specific configuration of the reading circuit in FIG. 9 will be described.
Memory cell MC is connected to bit line BL <i>. Further, a dummy cell circuit 3 composed of (n−1) (n is a plurality) dummy cells DC having the same configuration as the memory cell MC is connected to the data line DL. A circuit necessary for writing is arranged in the dummy cell circuit 3A so that predetermined data can be individually written to each of the dummy cells DC.
[0130]
One end of each of the memory cell MC and the dummy cell DC is connected to the ground point via the read selection transistor RST.
[0131]
The gate of the read selection transistor RST is connected to the read word line WLn. The AND circuit AD <WLn> as a decoder controls on / off of the read selection transistor RST based on the row address signal RD <WLn> when the row address enable signal RDenable is “H”. That is, when the row address enable signal RDEnable is “H” and all the bits of the row address signal RD <WLn> are “H”, the read word line WLn is “H” and the read selection transistor RST is turned on. .
[0132]
One end of the bit line BL <i> is connected to the data line DL via the transfer transistor N <BLi>. On / off of the transfer transistor N <BLi> is controlled by an output signal of an AND circuit AD <BLi> as a decoder. For example, when the column address enable signal CDenable is “H” and the all bits of the column address signal CD <BLi> are “H”, the transfer transistor N <BLi> is turned on.
[0133]
A plurality of transfer transistors N <DL> are connected between the data line DL and the dummy cell DC. On / off of the transfer transistor N <DL> is controlled by a column address enable signal CDenable. When the column address enable signal CDenable is “H”, the transfer transistor N <DL> is turned on, and the dummy cell DC is connected in parallel to the memory cell MC.
[0134]
A clamp circuit for clamping the node N1 to a predetermined potential is connected to the data line DL. The clamp circuit has an operational amplifier OP1 to which the clamp potential Vclamp is input to the positive input terminal, the potential of the node N1 is input to the negative input terminal, and an N channel to which the output signal out output from the operational amplifier OP1 is input to the gate. MOS transistor QN1.
[0135]
The sense amplifier S / A compares the reference potential Vref output from the reference potential generation circuit 10 with the potential of the data line DL, and determines the data in the memory cell MC. The sense amplifier S / A outputs the data in the memory cell MC as read data SAOUT.
[0136]
The reference potential generation circuit 10 has n (n is a plurality) reference cells RC composed of the same MTJ elements as the memory cells MC. In each reference cell RC, circuits necessary for writing are arranged in the reference potential generation circuit 10 so that predetermined data can be individually written.
[0137]
One end of the reference cell RC is connected to the ground point via the read selection transistor RST. The gate of the read selection transistor RST is connected to the read word line WLn. The AND circuit AD <WLn> controls on / off of the read selection transistor RST based on the row address signal RD <WLn> when the row address enable signal RDEnable is “H”.
[0138]
For example, when the row address enable signal RDEnable is “H”, when all the bits of the row address signal RD <WLn> are “H”, the read word line WLn is “H” and the read selection transistor RST is turned on.
[0139]
One end of the reference cell bit lines rBL <0>, rBL <1>,... RBL <7> passes through the transfer transistors N <0>, N <1>,. Connected to the cell data line rDL. ON / OFF of the transfer transistors N <0>, N <1>,... N <7> is output signals of AND circuits AD <0>, AD <1>,. Controlled by
[0140]
For example, when the column address enable signal CDenable is “H”, when all the bits of the column address signals CD <0>, CD <1>,... CD <7> are “H”, the transfer transistor N <0>. , N <1>,... N <7> are turned on.
[0141]
A clamp circuit for clamping the node N2 to a predetermined potential is connected to the reference cell data line rDL. The clamp circuit has an operational amplifier OP2 in which the clamp potential Vclamp is input to the positive input terminal, the potential of the node N2 is input to the negative input terminal, and an output channel out that is output from the operational amplifier OP2 to the gate. MOS transistor QN2.
[0142]
The bias current supply circuit CS1 includes a P channel MOS transistor QP3, N channel MOS transistors QN3 and QN4, and a constant current source I1.
[0143]
The current I1 generated by the bias current supply circuit CS1 is supplied to the memory cell MC via the data line DL and the bit line BL <i> by the current mirror circuit including the P-channel MOS transistors QP1 and QP3.
[0144]
The current I1 is passed through the reference data line rDL and the reference bit lines rBL <0>, rBL <1>,... RBL <7> by a current mirror circuit composed of P-channel MOS transistors QP1 and QP2. Supplied to the reference cell RC.
[0145]
FIG. 10 shows a modification of the readout circuit of FIG.
In this modified example, as with the reference cell RC, addresses are assigned to the respective dummy cells DC, and the ON / OFF of the transfer transistor N <DL> in the dummy cell circuit 3A is turned on / off by column address signals CD <0>, CD <1>. ,... Individually controlled based on CD <7>.
[0146]
In the examples of FIGS. 9 and 10, the total number of memory cells MC and dummy cells DC is equal to the number of reference cells RC.
[0147]
In this case, the channel widths of the load P-channel MOS transistors QP1 and QP2, and the clamp N-channel MOS transistors N <0>, N <1>,... N <7>, N <BLi> , N <DL> may all be equal.
[0148]
In contrast, when the total number of memory cells MC and dummy cells DC is different from the number of reference cells RC, the channel widths of the load P-channel MOS transistors QP1 and QP2 and the clamping N-channel MOS transistor N The channel widths of <0>, N <1>,... N <7>, N <BLi>, N <DL> may be changed in accordance with the ratio of the number of cells.
[0149]
3. Third embodiment
FIG. 11 shows a constant current source used in the magnetic random access memory according to the third embodiment of the present invention.
[0150]
The constant current source I1 according to this embodiment can be applied to the magnetic random access memory in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 9, and FIG.
[0151]
In the present embodiment, the constant current source I1 for applying a current bias to a memory cell, a reference cell or the like is also composed of a current source cell (MTJ element) RC2 having the same structure as the memory cell (MTJ element). This is because when the constant current source I1 is constituted by, for example, a BGR circuit, the BGR circuit does not have temperature characteristics, and therefore reflects the temperature characteristics of the MOS transistors and MTJ elements constituting the memory cell. Because it will not.
[0152]
The current source cell RC2 constituting the constant current source I1 has the same structure as the memory cell, and a plurality of cells are prepared. Further, a circuit for writing is provided in the constant current source I1 so that the current source cell RC2 constituting the constant current source I1 can be individually programmed.
[0153]
The current source cell RC2 is arranged in the same cell array as a normal memory cell array. In order to achieve early stabilization of the current value, the current source cell RC2 is accessed before the read operation to the memory cell, or in modes other than the write mode, standby mode, low power consumption mode, etc. It is desirable to always have an access state.
[0154]
In this case, with respect to the write word line, the memory cell in the normal memory cell array and the current source cell RC2 constituting the constant current source I1 may be shared, but with respect to the read word line, the memory cell The one for the reference cell and the one for the current source cell are separately provided.
[0155]
Further, for example, in the initial setting mode, an address may be allocated so that each current source cell can be individually selected.
[0156]
4). Fourth embodiment
FIG. 12 shows the main part of the read circuit of the magnetic random access memory according to the fourth embodiment of the present invention.
[0157]
The magnetic random access memory according to the present embodiment is characterized in that it has a mode for directly monitoring the cell current.
[0158]
In the mode in which the cell current is directly monitored, the bias current supply circuit CS1 is deactivated. For this purpose, N-channel MOS transistors QN3 'and QN4' for newly controlling the operation of the bias current supply circuit CS1 are arranged in the bias current supply circuit CS1. In the mode in which the cell current is directly monitored, the monitor control signal Imon becomes “H”, the inverted signal bImon becomes “L”, and the bias current supply circuit CS1 becomes inoperative.
[0159]
In a mode in which the cell current is directly monitored, a P-channel MOS transistor QP12 is provided for applying a bias voltage to the gates of P-channel MOS transistors QP1 and QP2 to keep these transistors in an off state. The MOS transistor QP12 is connected between the power supply terminal Vdd and the gates of the MOS transistors QP1 and QP2, and is controlled by the inverted signal bImon of the monitor control signal Imon.
[0160]
Further, a P-channel MOS transistor QN13 is connected between the power supply terminal Vdd and the gate of the MOS transistor QN1 (output terminal of the operational amplifier OP1). An inverted signal bImon of the monitor control signal Imon is input to the gate of the MOS transistor QP13. The positive input terminal of the sense amplifier S / A is connected to the output pin via an N-channel MOS transistor (transfer gate) QN13. The MOS transistor QN13 is controlled by a monitor control signal Imon.
[0161]
When the monitor control signal Imon is “H” and the N-channel MOS transistors N <BLi> and RST are turned on, the output pin connected to one end of the MOS transistor QN13 is connected to the tester, and the cell current is Can be monitored.
[0162]
Here, when the cell current is monitored after packaging, for example, the output pin connected to one end of the MOS transistor QN13 is not unique and also functions as a functional pin having a predetermined function during normal operation. As such, it may be shared. However, when there is a margin in the number of pins, the output pin may naturally be a pin used only for monitoring.
[0163]
When the cell current is monitored before packaging, the positive side input terminal of the sense amplifier S / A may be connected to the test dedicated pad via the MOS transistor QN13. In this case, at the time of packaging, the test dedicated pad is not connected to the output pin.
[0164]
According to the present embodiment, in the test mode, direct cell current monitoring and access to cells other than memory cells such as reference cells can be performed.
[0165]
Considering a NAND flash memory, for example, as shown in FIGS. 13 and 14, after receiving a test command, a cell current direct monitoring operation is entered based on a control signal CLE, or cells other than memory cells are entered. Enable access to. The address is taken into the chip from a normal address pin based on the control signal ALE, for example.
[0166]
In FIG. 13, # 77 (meaning 77 in hexadecimal) is a command code relating to direct monitoring of cell current, and in FIG. 14, # 55 (meaning 55 in hexadecimal) is other than the memory cell. This is a command code for fetching an address (extra address entry) for each cell.
[0167]
Further, for example, as shown in FIG. 15, in the case of an interface such as RDRAM, as a command code in an input packet, entry of direct monitoring of cell current, access to cells (extra cells) other than memory cells, and the like are entered. The extra address is designated by the address code in the packet.
[0168]
This technique can be applied to monitoring a cell current flowing in a cell other than a memory cell, for example, a reference cell.
[0169]
5). Fifth embodiment
As seen in Non-Patent Document 3 proposed by M Durlam et.al, the MR ratio decreases when the bias voltage is increased. Therefore, the bias voltage for the memory cell (MTJ element) is controlled by the control voltage Vclamp to obtain an optimum MR ratio.
[0170]
By the way, for example, as shown in Patent Document 1, there is a method of advantageously rewriting the magnetization direction of the MTJ element. For example, there is an optimum supply timing, current waveform, current value, etc. for the write current for generating a magnetic field that determines the magnetization direction of the MTJ element, and there is an optimum shape, etc. for the MTJ element. .
[0171]
In this embodiment, the write current control circuit for setting (programming) the write current supply timing, current waveform, current value, and the like to an optimum value, and the MTJ actually under a predetermined condition. A circuit for writing to perform a writing operation on the element is proposed.
[0172]
FIG. 16 shows an outline of a magnetic random access memory according to the fifth embodiment of the present invention.
[0173]
The magnetic random access memory (MRAM) 11 may itself constitute one memory chip, or may be one block in a chip having a specific function.
[0174]
The memory cell array (data cell) 12 and the reference cell array 13 have a configuration as shown in FIG. 17, for example. The memory cell array 12 actually has a function of storing data, and the reference cell array 13 has a function of determining a reference for determining the value of read data during a read operation.
[0175]
One of the two ends in the Y direction (Easy-Axis direction) of the cell array composed of the memory cell array 12 and the reference cell array 13 includes a row decoder & driver (row decoder & write word line driver, row decoder & read word). Line driver) 14 is arranged, and the write word line sinker 15 is arranged in the other one.
[0176]
For example, the row decoder & driver 14 selects one of a plurality of write word lines based on a row address signal and supplies a write current to the selected write word line during a write operation. It has the function to do. The write word line sinker 15 has a function of absorbing a write current supplied to, for example, one selected write word line during a write operation.
[0177]
The row decoder & driver 14 selects and selects one of a plurality of read word lines (may be integrated with a write word line) based on, for example, a row address signal during a read operation. The read word line has a function of causing a read current to flow. For example, the sense amplifier 20 detects the read current and determines read data.
[0178]
A column decoder & write bit line driver / sinker 16A is arranged at one of two ends in the X direction (Hard-Axis direction) of the memory cell array 12, and a column decoder & write is provided at the other end. A bit line driver / sinker (including a column transfer gate and a column decoder) 17A is arranged.
[0179]
The column decoder & write bit line driver / sinker 16A, 17A selects and selects one of a plurality of write bit lines (or data selection lines) based on, for example, a column address signal during a write operation. A function of flowing a write current having a direction corresponding to the write data to the one write bit line. The column transfer gate and the column decoder have a function of electrically connecting the data selection line selected by the column address signal to the sense amplifier 20 during the read operation.
[0180]
A reference cell column decoder & write bit line driver / sinker 16B is arranged at one of the two ends in the X direction of the reference cell array 13, and the other one is a reference cell column decoder & write. A bit line driver / sinker (including a column transfer gate and a column decoder) 17B is arranged.
[0181]
The reference cell column decoder & write bit line driver / sinkers 16B and 17B have a function of storing reference data in the reference cell array 13. The column transfer gate and the column decoder have a function of reading the reference data and transferring it to the sense amplifier 20 during the read operation.
[0182]
The address receiver 18 receives an address signal and transfers, for example, a row address signal to the row decoder & driver 14 and transfers a column address signal to the column decoder & write bit line drivers / sinkers 16A and 17A. The data input receiver 19 transfers the write data to the column decoder & write bit line driver / sinker 16A, 17A. The output driver 21 outputs the read data detected by the sense amplifier 20 to the outside of the magnetic random access memory 11.
[0183]
The control circuit 22 receives the / CE (Chip Enable) signal, the / WE (Write Enable) signal, and the / OE (Output Enable) signal, and controls the operation of the magnetic random access memory 11.
[0184]
For example, the control circuit 22 supplies the write signal WRITE to the write current control circuit 24 during the write operation. When the write current control circuit 24 receives the write signal WRITE, the write current control circuit 24 generates a write word line drive signal WWLDRV, a write word line sync signal WWLSNK, a write bit line drive signal WBLDRV, and a write bit line sync signal WBLSNK.
[0185]
The write word line drive signal WWLDRV is supplied to the row decoder & driver 14, and the write word line sync signal WWLSNK is supplied to the write word line sinker 15. The write bit line drive signal WBLDRV and the write bit line sync signal WBLSNK are supplied to the column decoder & write bit line drivers / sinkers 16A and 17A.
[0186]
The setting circuit 23 has a programming element, and setting data for determining the current waveform of the write word / bit line current is programmed in the programming element. As the programming element, for example, a laser blown fuse, an MTJ element (MTJ), an antifuse that breaks the tunnel barrier of the MTJ element, or the like can be used.
[0187]
The setting circuit 23 generates the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> and the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> based on the setting data during the write operation. To do.
[0188]
The write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> are supplied to the row decoder & driver 14 via the write current control circuit 24 (not necessarily via the write current control circuit 24).
[0189]
The write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3> are given to the column decoder & write bit line driver / sinker 16A via the write current control circuit 24 or not, and the write bit line The current waveform signals CP <4> to CP <7> are supplied to the column decoder & write bit line driver / sinker 17A via the write current control circuit 24 or not.
[0190]
When the write word line drive signal WWLDRV is “H” and the write word line sink signal WWLSNK is “H”, the row decoder & driver 14 is based on the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3>. The value (magnitude) of the write current flowing through the write word line selected by the row address signal is determined.
[0191]
Similarly, the write word line sinker 15 and the column decoder & write bit line drivers / sinkers 16A and 17A have the write bit line when the write bit line drive signal WBLDRV is “H” and the write bit line sink signal WBLSNK is “H”. Based on the current waveform signals CP <0> to CP <7>, the value (magnitude) of the write current flowing through the write bit line selected by the column address signal is determined.
[0192]
The write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3> are written when a write current is passed from the column decoder & write bit line driver / sinker 16A to the column decoder & write bit line driver / sinker 17A. Determine the value of the line current.
[0193]
The write bit line current waveform signals CP <4> to CP <7> are written when a write current is passed from the column decoder & write bit line driver / sinker 17A to the column decoder & write bit line driver / sinker 16A. Determine the value of the line current.
[0194]
Regarding the current absorption timing of the write current, for example, the timing at which the sync signals WWLNK and WBLSNK change from “H” to “L” is delayed from the timing at which the drive signals WWLDRV and WBLDRV change from “H” to “L”. The effect of completely setting the write word / bit line potential to 0V can be obtained.
[0195]
In the test mode of the magnetic random access memory, for example, a write test for the MTJ element can be performed based on the setting data D <j> input from the data input / output terminal. By this write test, the write characteristics of the MTJ element in the memory cell array 12 are grasped, and the value of the write word / bit line current (the strength of the combined magnetic fields Hx and Hy) during the normal write operation is determined.
[0196]
In this test mode, the setting data D <j> may be input from the address terminal.
[0197]
After receiving the result of the test mode, the setting data programming operation is performed. This programming operation is an operation of programming the result of the test mode, that is, the value of the write word / bit line current to the programming element in the setting circuit 23.
[0198]
During the programming operation, the program signal PROG becomes “H”. Then, the value of the setting data D <j> input from the data input / output terminal or the address terminal is controlled, and the value of the write word / bit line current during the normal write operation is programmed in the programming element in the setting circuit 23. To do.
[0199]
(2) Row decoder & write word line driver / sinker
FIG. 18 shows a circuit example of the row decoder & write word line driver / sinker.
[0200]
The row decoder & write word line driver (for one row) 14 includes an AND gate circuit AD1, NAND gate circuits NDWS0 to NDWS3, and P channel MOS transistors WS0 to WS3. The gate of the P-channel MOS transistor WSi (i = 0, 1, 2, 3) is connected to the output terminal of the NAND gate circuit NDWSi, its source is connected to the power supply terminal VDD, and its drain is the write word line WWLi. (I = 1,...) Is connected to one end.
[0201]
The write word line current waveform signal RP <i> is input to one of the two input terminals of the NAND gate circuit NDWSi, and the output signal of the AND gate circuit AD1 is input to the other. To the AND gate circuit AD1, a write word line drive signal WWLDRV and a row address signal (different for each row i) composed of a plurality of bits are input.
[0202]
A write word line sinker (for one row) 15 is composed of an N-channel MOS transistor TN1. The source of the N-channel MOS transistor TN1 is connected to the ground terminal VSS, and the drain thereof is connected to the other end of the write word line WWLi. A write word line sync signal WWLSNK is input to the gate of the N-channel MOS transistor TN1.
[0203]
During the write operation, the write word line drive signal WWLDRV becomes “H” and all the bits of the row address signal become “H” in the selected row i. That is, in the selected row i, since the output signal of the AND circuit AD1 becomes “H”, a predetermined value (magnitude) is selected according to the values of the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3>. ) Is supplied to the write word line WWLi.
[0204]
When the write word line sink signal WWLSNK becomes “H”, the N-channel MOS transistor TN1 is turned on, so that the write current flowing through the write word line WWLi is absorbed by the ground point VSS via the N-channel MOS transistor TN1. Is done.
[0205]
According to such a row decoder & write word line driver / sinker, the write word line WWLi in the selected row i is controlled by controlling the values of the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3>. The magnitude of the write current (current waveform) can be controlled.
[0206]
Further, if the write word line sink signal WWLSNK is set to “L” after the write word line drive signal WWLDRV is set to “L”, the potential of the write word line WWLi after the write operation can be completely set to 0V. This is convenient for initialization.
[0207]
In controlling the value (magnitude) of the write word line current, first, the sizes (channel widths) of the plurality of P-channel MOS transistors WS0 to WS3, that is, the driving capability are all set to the same value. A control method of changing the number of P-channel MOS transistors WS0 to WS3 in the on state using the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> can be used.
[0208]
Second, the sizes (channel widths) of the plurality of P-channel MOS transistors WS0 to WS3, that is, the driving capability are set to different values, and the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> are used. Thus, a control method of selectively turning on one of the plurality of P-channel MOS transistors WS0 to WS3 can be used.
[0209]
Third, a control method combining these first and second methods, that is, changing the size of the P-channel MOS transistors WS0 to WS3 and changing the number of the P-channel MOS transistors WS0 to WS3 in the on state, A control method of controlling the value (magnitude) of write current can be used.
[0210]
(3) Column decoder & write bit line driver / sinker
FIG. 19 shows a circuit example of the column decoder & write bit line driver / sinker.
[0211]
The column decoder & write bit line driver / sinker (for one column) 16A includes NAND gate circuits NDBS0 to NDBS3, AND gate circuits AD2 and AD3, P channel MOS transistors BS0 to BS3, and N channel MOS transistor BN0.
[0212]
The gate of the P-channel MOS transistor BSi (i = 0, 1, 2, 3) is connected to the output terminal of the NAND gate circuit NDBSi, its source is connected to the power supply terminal VDD, and its drain is commonly used for writing. Connected to one end of the bit line WBLi (i = 1,...).
[0213]
The write word line current waveform signal CP <i> is input to one of two input terminals of the NAND gate circuit NDBSi (i = 0, 1, 2, 3), and the output signal of the AND gate circuit AD2 is input to the other. Is entered. A write bit line drive signal WBLDRV, a column address signal composed of a plurality of bits (different for each column i), and write data DATA are input to the AND gate circuit AD2.
[0214]
The gate of the N-channel MOS transistor BN0 is connected to the output terminal of the AND gate circuit AD3, the source is connected to the ground terminal VSS, and the drain is one end of the write bit line WBLi (i = 1,...). Connected to. To the AND gate circuit AD3, a write bit line sync signal WBLSNK, a column address signal composed of a plurality of bits (different for each column i), and an inverted signal bDATA of write data are input.
[0215]
Similarly, the column decoder & write bit line driver / sinker (for one column) 17A includes NAND gate circuits NDBS4 to NDBS7, AND gate circuits AD4 and AD5, P channel MOS transistors BS4 to BS7, and N channel MOS transistor BN1. The
[0216]
The gate of the P-channel MOS transistor BSi (i = 4, 5, 6, 7) is connected to the output terminal of the NAND gate circuit NDBSi, its source is connected to the power supply terminal VDD, and its drain is commonly used for writing. Connected to the other end of bit line WBLi (i = 1,...)
[0217]
The write word line current waveform signal CP <i> is input to one of two input terminals of the NAND gate circuit NDBSi (i = 4, 5, 6, 7), and the output signal of the AND gate circuit AD4 is input to the other. Is entered. The AND gate circuit AD4 receives a write bit line drive signal WBLDRV, a column address signal composed of a plurality of bits (different for each column i), and an inverted signal bDATA of write data.
[0218]
The gate of the N-channel MOS transistor BN1 is connected to the output terminal of the AND gate circuit AD5, its source is connected to the ground terminal VSS, and its drain is in addition to the write bit line WBLi (i = 1,...). Connected to the end. A write bit line sync signal WBLSNK, a column address signal composed of a plurality of bits (different for each column i), and write data DATA are input to the AND gate circuit AD5.
[0219]
During the write operation, both the write bit line drive signal WBLDRV and the write bit line sink signal WBLSNK are “H”, and all the bits of the column address signal are “H” in the selected column i.
[0220]
Accordingly, in the selected column i, the column decoder & write bit line driver / sinker 16A is directed to the column decoder & write bit line driver / sinker 17A by the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3>. The value (magnitude) of the flowing write current is determined.
[0221]
In addition, the value (large) of the write current that flows from the column decoder & write bit line driver / sinker 17A to the column decoder & write bit line driver / sinker 16A according to the write bit line current waveform signals CP <4> to CP <7>. Is determined.
[0222]
The direction of the write current flowing through the write bit line WBLi is determined by the value of the write data DATA.
[0223]
For example, when the write data DATA is “1” (= “H”), at least one P-channel MOS transistor BS0 to BS3 is turned on by the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3>. The N channel MOS transistor BN1 is also turned on. Therefore, a write current flows from the column decoder & write bit line driver / sinker 16A to the column decoder & write bit line driver / sinker 17A.
[0224]
When the write data DATA is “0” (= “L”), at least one P channel MOS transistor BS4 to BS7 is turned on by the write bit line current waveform signals CP <4> to CP <7> In addition, N channel MOS transistor BN0 is turned on. Therefore, a write current flows from the column decoder & write bit line driver / sinker 17A to the column decoder & write bit line driver / sinker 16A.
[0225]
According to such a column decoder & write bit line driver / sinker, the write bit line WBLi in the selected column i is controlled by controlling the values of the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7>. The magnitude of the write current (current waveform) can be controlled.
[0226]
Further, if the write bit line sink signal WBLSNK is set to “L” after the write bit line drive signal WBLDRV is set to “L”, the potential of the write bit line WBLi after the write operation can be completely set to 0V. This is convenient for initialization.
[0227]
In controlling the value (magnitude) of the write bit line current, first, the sizes (channel widths) of the plurality of P channel MOS transistors BS0 to BS7, that is, the driving capability are all set to the same value. A control method of changing the number of P-channel MOS transistors BS0 to BS7 in the on state using the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> can be used.
[0228]
Second, the sizes (channel widths) of the plurality of P-channel MOS transistors BS0 to BS7, that is, the driving capability are set to different values, and the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> are used. Thus, a control method of selectively turning on one of the plurality of P-channel MOS transistors BS0 to BS7 can be used.
[0229]
Third, a control method combining these first and second methods, that is, changing the size of the P-channel MOS transistors BS0 to BS7 and changing the number of the P-channel MOS transistors BS0 to BS7 in the on state, A control method of controlling the value (magnitude) of write current can be used.
[0230]
(4) Write current control circuit
Next, an example of a write current control circuit that generates the write word line drive signal WWLDRV, the write word line sync signal WWLSNK, the write bit line drive signal WBLDRV, and the write bit line sync signal WBLSNK will be described.
[0231]
20 and 21 show examples of the write current control circuit.
[0232]
The write current control circuit (part 1) 24 generates a write word line drive signal WWLDRV and a write word line sink signal WWLSNK based on the write signal WRITE. The write current control circuit (part 1) 24 includes inverter circuits IV0 and IV1, a NAND circuit NAND1, delay circuits WDL0,... WDL4, and a plurality of transfer gate circuits.
[0233]
Each of the plurality of transfer gate circuits includes an N channel MOS transistor and a P channel MOS transistor, and control signals WS <0>,... WS <3>, / WS <0>,. 3>. Control signals / WS <0>,... / WS <3> are inverted signals of control signals WS <0>,.
[0234]
The write current control circuit (part 2) 24 generates a write bit line drive signal WBLDRV and a write bit line sink signal WBLSNK based on the write signal WRITE. The write current control circuit (part 2) 24 includes inverter circuits IV2 and IV3, a NAND circuit NAND2, delay circuits BDL0,... BDL4, and a plurality of transfer gate circuits.
[0235]
Each of the plurality of transfer gate circuits includes an N channel MOS transistor and a P channel MOS transistor, and control signals BS <0>,... BS <3>, / BS <0>,. 3>. Control signals / BS <0>,... / BS <3> are inverted signals of control signals BS <0>,.
[0236]
(5) Setting circuit
Next, a setting circuit that generates the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> and the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3> will be described.
[0237]
FIG. 22 shows an example of the setting circuit.
The setting circuit 23 includes a first portion that generates write word line current waveform signals RP <0> to RP <3>, and a second portion that generates write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3>. Consists of
[0238]
The first part is a register <0>, <1> in which setting data for determining a current waveform (magnitude) of a write word line current is programmed, and an output signal TD <0> of the registers <0>, <1>. , TD <1>, bTD <0>, bTD <1> are decoded to output write word line current waveform signals RP <0> to RP <3>. Have.
[0239]
The second part is a register <2> to <4> in which setting data for determining a current waveform (magnitude) of the write bit line current is programmed, and an output signal TD <2> of the registers <2> to <4>. Decoder CP <0> to CP <7> for decoding write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> by decoding ~ TD <4>, bTD <2> to bTD <4> Have.
[0240]
In this example, it is assumed that the write word line / bit line current is set for each chip or for each cell array. When the write word line / bit line current is set for each chip, only one setting circuit 23 is provided in the chip. When there are a plurality of cell arrays in a chip and the write word line / bit line current is set for each cell array, the same number of setting circuits 23 as the number of cell arrays are provided in the chip.
[0241]
Registers <0> and <1> are programmed with setting data for determining the current waveform of the write word line current. The current waveform of the write word line current is controlled by write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> as shown in FIG. In this example, one of the write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> is set to “H” by 2-bit setting data registered in the registers <0> and <1>.
[0242]
In other words, four current waveforms can be realized by changing the sizes of the P-channel MOS transistors WS0 to WS3 in FIG.
[0243]
It should be noted that the number of write word line current waveform signals RP <0> to RP <3> that become “H” may be controlled by 2-bit setting data registered in the registers <0> and <1>. Good. In this case, even if the sizes of the P-channel MOS transistors WS0 to WS3 in FIG. 18 are the same, four current waveforms can be realized.
[0244]
D <0> and D <1> are setting data input from the outside of the magnetic random access memory (chip) in the test mode. In the test mode, the current waveform of the write word line current can be determined based on the setting data, and the characteristics of the MTJ element can be tested.
[0245]
D <0> and D <1> are also setting data input from the outside of the magnetic random access memory (chip) when setting data is registered. At the time of registration of the setting data, the setting data can be electrically programmed into the storage elements in the registers <0> and <1> based on the setting data.
[0246]
Registers <2> to <4> are programmed with setting data for determining the current waveform of the write bit line current. The current waveform of the write bit line current is controlled by write bit line current waveform signals CP <0> to CP <3> as shown in FIG. In this example, one of the write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> is set to H ”according to the 3-bit setting data registered in the registers <2> to <4>.
[0247]
That is, by changing the sizes of the P-channel MOS transistors BS0 to BS3 in FIG. 19, only four current waveforms of the write bit line current from the write bit line driver 16A toward the write bit line sinker 17A can be prepared. Further, by changing the sizes of the P-channel MOS transistors BS4 to BS7, only four kinds of current waveforms of the write bit line current from the write bit line driver 17A toward the write bit line sinker 16A can be prepared.
[0248]
The number of write bit line current waveform signals CP <0> to CP <7> that become “H” may be controlled by 3-bit setting data registered in registers <2> to <4>. Good. In this case, even if the sizes of the P-channel MOS transistors BS0 to BS7 in FIG. 19 are the same, four current waveforms can be realized for each direction of the write bit line current.
[0249]
D <2> to D <4> are setting data input from the outside of the magnetic random access memory (chip) in the test mode. In the test mode, the current waveform of the write bit line current can be determined based on this setting data, and the characteristics of the MTJ element can be tested.
[0250]
D <2> to D <4> are also setting data input from the outside of the magnetic random access memory (chip) when setting data is registered. At the time of registration of the setting data, the setting data can be electrically programmed into the storage elements in the registers <2> to <4> based on the setting data.
[0251]
(6) Register <j>
A circuit example of the register <j> in the setting circuit 23 in FIG. 22 will be described.
[0252]
FIG. 23 illustrates a circuit example of the register.
In the register <j> of this example, an MTJ element is used as an element for storing setting data.
[0253]
The program data output circuit 29 has an MTJ element MTJ for storing setting data. Here, in the MTJ element MTJ, setting data can be stored in the magnetization state of the MTJ element, that is, the relationship between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the storage layer (parallel or antiparallel). The example does not use such a method.
[0254]
This is because the value of the setting data is not rewritten again after it is once written in the MTJ element MTJ.
[0255]
In consideration of the fact that the MR ratio of the MTJ element MTJ is 20 to 40%, in the setting circuit that outputs the data of the MTJ element MTJ at the same time as the power is turned on, the MTJ element MTJ has large This is because a voltage may be applied to cause erroneous reading.
[0256]
The MTJ element MTJ has a characteristic that the MR ratio decreases as the bias voltage applied to both ends of the MTJ element MTJ increases. For this reason, when the setting data is stored in the magnetization state of the MTJ element, the MR ratio (the difference between the read signals of “1” data and “0” data) decreases when the bias voltage is increased to obtain a large read signal amount. This increases the possibility of erroneous reading.
[0257]
Therefore, for the MTJ element MTJ for storing the setting data, the setting data is programmed not by the relationship between the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the storage layer but by whether or not the tunnel barrier is broken down. .
[0258]
In the setting data programming method using the dielectric breakdown of the MTJ element MTJ, the setting data can be stored semi-permanently.
[0259]
One end of the MTJ element MTJ is connected to the power supply terminal VDD via the P-channel MOS transistor P1 and the N-channel MOS transistor N1, and the other end is connected to the ground terminal VSS via the N-channel MOS transistor N2.
[0260]
Since the gate of the P-channel MOS transistor P1 is connected to the ground terminal VSS and the gate of the N-channel MOS transistor N2 is connected to the power supply terminal VDD, these MOS transistors P1 and N2 are always in the on state. .
[0261]
The clamp potential Vclamp is input to the gate of the N-channel MOS transistor N1. By setting the clamp potential Vclamp to an appropriate value, it is possible to prevent a high voltage from being applied between the electrodes of the MTJ element MTJ when setting data is read.
[0262]
An example of a Vclamp generation circuit that generates the clamp potential Vclamp is shown in FIG. In the Vclamp generation circuit 31 of this example, the clamp potential Vclamp is obtained by dividing the output voltage of the BGR circuit by resistance. The clamp potential Vclamp is 0.3 to 0.5V.
[0263]
The NAND gate circuit ND4 and the P-channel MOS transistor P2 are elements required when a setting data programming method using dielectric breakdown of the MTJ element MTJ is employed.
[0264]
When the setting data is programmed, the program signal PROG becomes “H”. For example, when setting data “1” is written to the MTJ element MTJ, “1” (= “H”) is set as setting data D <j> from an external terminal (data input terminal, address terminal, dedicated terminal, etc.). )).
[0265]
At this time, the output signal of the NAND gate circuit ND4 becomes “L”, and the P-channel MOS transistor P2 is turned on. Therefore, a large voltage is applied to both ends of the MTJ element MTJ, the tunnel barrier of the MTJ element MTJ is broken, and as a result, setting data “1” is programmed in the MTJ element MTJ. In this case, TD <j> is “L” and bTD <j> is “H”.
[0266]
On the other hand, for example, when setting data “0” is written to the MTJ element MTJ, “0” (= “L”) is set as setting data D <j> from an external terminal (data input terminal, address terminal, dedicated terminal, etc.). )).
[0267]
At this time, the output signal of the NAND gate circuit ND4 becomes “H”, and the P-channel MOS transistor P2 is turned off. Therefore, since a large voltage is not applied to both ends of the MTJ element MTJ, the tunnel barrier of the MTJ element MTJ is not broken, and as a result, the setting data “0” is programmed in the MTJ element MTJ. . In this case, TD <j> is “H” and bTD <j> is “L”.
[0268]
A connection point between the P-channel MOS transistor P1 and the N-channel MOS transistor N1 is connected to the input terminal of the inverter I7 via the inverter I9 and the transfer gate TG4. The output signal of the inverter I7 is bTD <j>, and the output signal of the inverter I8 is TD <j>.
[0269]
An example of the Vclamp generation circuit 31 is shown in FIG. In this example, by dividing the output voltage of the BGR circuit by resistance, Vclamp = 0.3 to 0.5 V is obtained as a clamp potential.
[0270]
(7) Decoders RP <0> to RP <3>, CP <0> to CP <7>
A circuit example of the decoders RP <0> to RP <3> and CP <0> to CP <7> in the setting circuit 23 of FIG. 22 will be described.
[0271]
FIG. 25 shows a circuit example of the decoder.
Each of the decoders RP <0> to RP <3> and CP <0> to CP <7> includes a NAND gate circuit ND3 and an inverter I10.
[0272]
Three input signals A, B, and C are input to the NAND gate circuit ND3, and the output signals are input to the inverter I10. The output signal D of the inverter I10 becomes the write word / bit line current waveform signals RP <0> to RP <3>, CP <0> to CP <7>.
[0273]
Table 1 shows a decoding table (relationship between input signals and output signals) of the decoders RP <0> to RP <3> and CP <0> to CP <7>.
[0274]
[Table 1]
Figure 0004334284
[0275]
(8) Example of operation waveform
FIG. 26 shows an example of operation waveforms of the write word line driver / sinker of FIG.
[0276]
When the write signal WRITE becomes “H”, the write word line drive signal WWLDRV and the write word line sink signal WWLSNK become “H”. Timings at which the write word line drive signal WWLDRV and the write word line sync signal WWLNK are set to “H” are controlled by control signals WS <0> to WS <3>, / WS <0> to / WS <3>.
[0277]
When the write signal WRITE becomes “L”, first, the write word line drive signal WWLDRV becomes “L”. Then, after a certain period determined by the delay time of the delay circuit WDL4 in FIG. 20, the write word line sync signal WWLSNK becomes “L”. This fixed period is a period for setting the potential of the write word line WWLi to 0 V after the write operation is completed.
[0278]
FIG. 27 shows an example of operation waveforms of the write bit line driver / sinker of FIG.
[0279]
When the write signal WRITE becomes “H”, the write bit line drive signal WBLDRV and the write bit line sink signal WBLSNK become “H”. The timing when the write bit line drive signal WBLDRV and the write bit line sync signal WBLSNK are set to “H” is controlled by the control signals BS <0> to BS <3>, / BS <0> to / BS <3>.
[0280]
When the write signal WRITE becomes “L”, first, the write bit line drive signal WBLDRV becomes “L”. Then, after a certain period determined by the delay time of the delay circuit BDL4 in FIG. 21, the write bit line sync signal WBLSNK becomes “L”. This fixed period is a period for setting the potential of the write bit line WBLi to 0 V after the write operation is completed.
[0281]
▲ 9 ▼ Summary
As described above, according to the magnetic random access memory of this example, the current waveform (magnitude) of the write current for the write word / bit line can be set by programming for each chip or for each memory cell array. Further, the current waveform of the write word line current and the current waveform of the write bit line current can be determined independently of each other. Further, with regard to the write bit line current, the current waveform of the write bit line current can be individually determined for the write data value (write current direction).
[0282]
6). Sixth embodiment
Next, a data reading method according to the sixth embodiment of the present invention will be described.
[0283]
FIG. 28 shows an example of a read method using the read circuit according to the first embodiment of the present invention.
[0284]
In this reading method, first, characteristics of a plurality of MTJ elements constituting a memory cell and a plurality of reference cells are inspected (step ST1). Next, “0” data or “1” data is individually written into each of the plurality of reference cells based on the characteristics of the plurality of MTJ elements (step ST2).
[0285]
Here, for example, among the plurality of reference cells, the number of cells to which “0” data is written may be the same as or different from the number of cells to which “1” data is written.
[0286]
When reading the data of the selected memory cell, a reference current / potential is generated using the plurality of reference cells and used as a reference for determining the data value (step ST3).
[0287]
As shown in FIG. 29, when reading data from a memory cell, access is made by accessing at least one cell (may be a plurality or all cells) from among a plurality of reference cells based on an address signal. The reference current / potential may be generated based on the reference cell (step ST2 ′).
[0288]
FIG. 30 shows an example of a read method using the read circuit according to the second embodiment of the present invention.
[0289]
In this reading method, first, characteristics of a plurality of MTJ elements constituting a memory cell, a plurality of reference cells, and a plurality of dummy cells are inspected (step ST1). Next, “0” data or “1” data is individually written in each of the plurality of reference cells and the plurality of dummy cells based on the characteristics of the plurality of MTJ elements (step ST2).
[0290]
Thereafter, based on the address signal, at least one cell (may be a plurality or all of the cells) is accessed from among the plurality of reference cells, and a reference current / potential is generated based on the accessed reference cell ( Step ST2 ′).
[0291]
At this time, in order to match the current flowing in each MTJ element on the reference cell side with the current flowing in each MTJ element on the memory cell side, an access operation is performed on the dummy cell, and the current driving force on the reference cell side and the current driving on the memory cell side are performed. Adjustment with force is attempted (step ST2 ″).
[0292]
The reference current / potential generated in this way is used as a reference when determining the data value of the memory cell (step ST3).
[0293]
In the case of the read method of this example, in order to make the current values flowing through the MTJ elements substantially equal, the total number of memory cells and dummy cells connected in parallel to the number of cells to be accessed among the plurality of reference cells. To be equal.
[0294]
FIG. 31 shows an example of a read method using the read circuit according to the third embodiment of the present invention.
[0295]
In this reading method, first, characteristics of a plurality of MTJ elements constituting a memory cell, a plurality of reference cells, and a plurality of dummy cells are inspected (step ST1). Next, based on the characteristics of the plurality of MTJ elements, “0” data or “1” data is individually written to each of the plurality of reference cells, the plurality of dummy cells, and the plurality of MTJ elements in the current source ( Step ST2).
[0296]
Thereafter, an access operation for a plurality of MTJ elements in the current source is performed based on the address signal (step ST2a).
[0297]
Further, at least one cell is accessed from among the plurality of reference cells, and a reference current / potential is generated based on the accessed reference cell (step ST2 '). In addition, the dummy cell is accessed to adjust the current driving force on the reference cell side and the current driving force on the memory cell side (step ST2 ″).
[0298]
The reference current / potential generated in this way is used as a reference when determining the data value of the memory cell (step ST3).
[0299]
7. Other
Thus, according to the magnetic random access memory according to the example of the present invention, at the time of access, a cell other than the selected memory cell (data cell), for example, a reference cell is accessed, and a write operation, a read operation, Monitor operation can be performed.
[0300]
In addition, regarding the plurality of reference cells from which the reference current / voltage used as a reference for determining the data value during the read operation is the same, it is necessary that the number in the “1” state and the number in the “0” state are the same. For example, the ratio between the “1” state and the “0” state can be arbitrarily determined so that the optimum reference current / voltage can be generated according to the variation in the resistance value of the MTJ element.
[0301]
Further, even if the resistance value of the MTJ element increases due to the miniaturization of the element, the driving capability for the bit line and the data line is increased by driving a dummy cell (MTJ element) different from the memory cell (MTJ element). Can do.
[0302]
In addition, since the monitor circuit for monitoring the cell current is provided in the readout circuit, the cell current of the memory cell can be monitored in advance. A current source that generates a read current to be applied to the MTJ element can also be configured from the MTJ element. Data can be written independently for each MTJ element in the current source.
[0303]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can actualize by deform | transforming a component. In addition, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
[0304]
【The invention's effect】
As described above, according to the magnetic random access memory of the present invention, an optimum reference voltage can be generated even if the thickness of the tunnel insulating film of the MTJ element varies, and the MTJ element can be miniaturized. Even if the resistance value increases, the reading speed does not decrease, and the optimum write current value and supply timing for the MTJ element can be found.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a main part of a read circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an application example of the reading circuit in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an address comparator.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a decoder <j>.
FIG. 5 is a diagram showing an example of a decoder <BLi>.
6 is a diagram showing a circuit example of the address comparator in FIG. 3;
FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit example of an operational amplifier.
FIG. 8 is a diagram illustrating a circuit example of a sense amplifier.
FIG. 9 is a diagram showing a main part of a read circuit according to a second embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing a modification of the reading circuit in FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing a current source according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a main part of a read circuit according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an operation example of a NAND flash memory.
FIG. 14 is a diagram showing an operation example of a NAND flash memory.
FIG. 15 is a diagram showing an operation example of an RDRAM;
FIG. 16 is a diagram showing an outline of an MRAM according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 17 illustrates a circuit example of a memory cell array.
FIG. 18 is a diagram showing a circuit example of a write word line driver.
FIG. 19 is a diagram showing a circuit example of a write bit line driver / sinker;
FIG. 20 is a diagram showing a circuit example 1 of a write current control circuit;
FIG. 21 is a diagram showing a second example of the write current control circuit;
FIG. 22 is a diagram showing a circuit example of a setting circuit.
FIG. 23 is a diagram showing a circuit example of a register <j>.
FIG. 24 is a diagram showing a circuit example of a Vclamp generation circuit.
FIG. 25 is a diagram showing a circuit example of decoders RP <0> to RP <3> and CP <0> to CP <7>.
FIG. 26 is a view showing an example of operation waveforms of the MRAM in FIG. 16;
FIG. 27 is a diagram showing an example of operation waveforms of the MRAM in FIG. 16;
FIG. 28 is a diagram showing a reading method according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a diagram showing a reading method according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a diagram showing a reading method according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a diagram showing a reading method according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a diagram modeling a sense circuit.
[Explanation of symbols]
1: address comparator, 2: decoder, 10: reference potential generation circuit, 11: MRAM, 12: memory cell array, 13: reference cell array: 14: row decoder & word line driver, 15: row decoder & word line driver / sinker, 16A, 16B, 17A, 17B: column decoder & bit line driver / sinker, 18: address receiver, 19: data input receiver, 20: sense amplifier, 21: data output driver, 22: control circuit, 23: setting circuit, 24 : Write current control circuit, CS1: Bias current supply circuit, OP1, OP2: Operational amplifier, S / A: Sense amplifier, QP1,... QP10: P channel MOS transistor, QN1,. : N-channel MOS transistor, MC: Memory cell, RC: Reference cell, I1: Current source, AD <BLi>, AD <0>,... AD <7>: AND circuit, RST: Read selection transistor.

Claims (5)

磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第1ノードと第1電源端子との間に接続されるメモリセルと、
磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第2ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続され、前記メモリセルのデータを判断する基準を作るためのn(nは、複数)個のレファレンスセルと
前記第1ノードを所定電位にクランプするための第1クランプ回路と、
前記第2ノードを所定電位にクランプするための第2クランプ回路と、
前記第1ノードと第2電源端子との間に接続される第1MOSトランジスタと、
前記第2ノードと第2電源端子との間に接続される第2MOSトランジスタと、
前記第1及び第2MOSトランジスタとカレントミラー回路を構成し、定電流源により生成される定電流に基づいて前記メモリセル及び前記n個のレファレンスセルにバイアス電流を与えるためのバイアス電流供給回路と、
前記第1MOSトランジスタのドレインと前記第2MOSトランジスタのドレインとの電位を比較して前記メモリセルのデータを判断するセンスアンプとを具備し、
前記複数のレファレンスセルに対しては、それぞれ、独立に、データの書き込み/読み出しが可能であり、前記第1状態のレファレンスセルの数と前記第2状態のレファレンスセルの数との比は、任意に設定でき、前記第2MOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第1MOSトランジスタの電流駆動能力のn倍である
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
Consists magnetoresistive element may take the first and second states, and the memory cells that will be connected between the first node and the first power supply terminal,
To make a reference for judging data of the memory cell, which is composed of a magnetoresistive effect element, can take the first and second states, is connected in parallel between the second node and the first power supply terminal. N (n is a plurality) reference cells ,
A first clamping circuit for clamping the first node to a predetermined potential;
A second clamping circuit for clamping the second node to a predetermined potential;
A first MOS transistor connected between the first node and a second power supply terminal;
A second MOS transistor connected between the second node and a second power supply terminal;
A bias current supply circuit configured to form a current mirror circuit with the first and second MOS transistors, and to supply a bias current to the memory cell and the n reference cells based on a constant current generated by a constant current source;
A sense amplifier that compares the potential of the drain of the first MOS transistor and the drain of the second MOS transistor to determine data of the memory cell ;
Data writing / reading can be independently performed on the plurality of reference cells, and the ratio between the number of reference cells in the first state and the number of reference cells in the second state is arbitrary. A magnetic random access memory characterized in that the current driving capability of the second MOS transistor is n times the current driving capability of the first MOS transistor .
前記複数のレファレンスセルのうち不良のレファレンスセルを排除又は救済するためのシステムをさらに具備し、
前記第2MOSトランジスタは、並列接続されるn個のMOSトランジスタから構成され、
前記不良のレファレンスセルがk(kは、1以上の数)個のとき、前記n個のMOSトランジスタのうち前記不良のレファレンスセルにバイアス電流を供給するMOSトランジスタは、オフ状態にされ、前記第2MOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第1MOSトランジスタの電流駆動能力のn−k倍になる
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
Further comprising a system for eliminating or relieving the defective reference cell among the plurality of reference cells,
The second MOS transistor is composed of n MOS transistors connected in parallel,
When the number of defective reference cells is k (k is a number of 1 or more), among the n MOS transistors, a MOS transistor that supplies a bias current to the defective reference cell is turned off, 2. The magnetic random access memory according to claim 1 , wherein the current driving capability of the 2MOS transistor is n−k times the current driving capability of the first MOS transistor .
前記定電流源は、
磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第3ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続されるn個の電流源用セルと、
前記第3ノードを所定電位にクランプするための第3クランプ回路と、
前記第3ノードと前記第2電源端子との間に接続される第3MOSトランジスタと、
前記第3MOSトランジスタとカレントミラー回路を構成する第4MOSトランジスタとから構成され、
前記複数の電流源用セルに対しては、それぞれ、独立に、データの書き込み/読み出しが可能であり、前記第1状態の電流源用セルの数と前記第2状態の電流源用セルの数は、異なり、前記第3MOSトランジスタの電流駆動能力は、前記第4MOSトランジスタの電流駆動能力のn倍である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
The constant current source is:
N current source cells that are composed of magnetoresistive elements, can take the first and second states, and are connected in parallel between a third node and the first power supply terminal;
A third clamping circuit for clamping the third node to a predetermined potential;
A third MOS transistor connected between the third node and the second power supply terminal;
A third MOS transistor and a fourth MOS transistor constituting a current mirror circuit;
Data writing / reading can be independently performed on each of the plurality of current source cells, and the number of current source cells in the first state and the number of current source cells in the second state is different Ri, the current driving capability of the 3MOS transistor is a magnetic random access memory according to claim 1 or 2, characterized in that n times the current driving capability of the first 4MOS transistor.
前記n個の電流源用セルに対するアクセスは、前記メモリセルに対するアクセス以前に始められることを特徴とする請求項に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。4. The magnetic random access memory according to claim 3 , wherein the access to the n current source cells is started before the access to the memory cell. 磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第1ノードと第1電源端子との間に接続されるメモリセルと、A memory cell that is composed of a magnetoresistive element and can take a first state and a second state, and is connected between a first node and a first power supply terminal;
磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、第2ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続され、前記メモリセルのデータを判断する基準を作るためのn(nは、複数)個のレファレンスセルと、In order to make a reference for judging data of the memory cell, which is composed of a magnetoresistive effect element, can take the first and second states, is connected in parallel between the second node and the first power supply terminal. N (n is a plurality) reference cells,
磁気抵抗効果素子から構成され、第1及び第2状態をとることができ、前記第1ノードと前記第1電源端子との間に並列に接続されるn−1個のダミーセルと、N-1 dummy cells that are composed of magnetoresistive elements, can take the first and second states, and are connected in parallel between the first node and the first power supply terminal;
前記第1ノードを所定電位にクランプするための第1クランプ回路と、A first clamping circuit for clamping the first node to a predetermined potential;
前記第2ノードを所定電位にクランプするための第2クランプ回路と、A second clamping circuit for clamping the second node to a predetermined potential;
前記第1ノードと第2電源端子との間に接続される第1MOSトランジスタと、A first MOS transistor connected between the first node and a second power supply terminal;
前記第2ノードと第2電源端子との間に接続される第2MOSトランジスタと、A second MOS transistor connected between the second node and a second power supply terminal;
前記第1及び第2MOSトランジスタとカレントミラー回路を構成し、定電流源により生成される定電流に基づいて前記メモリセル及び前記n個のレファレンスセルにバイアス電流を与えるためのバイアス電流供給回路と、A bias current supply circuit configured to form a current mirror circuit with the first and second MOS transistors, and to supply a bias current to the memory cell and the n reference cells based on a constant current generated by a constant current source;
前記第1MOSトランジスタのドレインと前記第2MOSトランジスタのドレインとの電位を比較して前記メモリセルのデータを判断するセンスアンプとを具備し、A sense amplifier that compares the potential of the drain of the first MOS transistor and the drain of the second MOS transistor to determine data of the memory cell;
前記複数のレファレンスセル及び前記n−1個のダミーセルに対しては、それぞれ、独立に、データの書き込み/読み出しが可能であり、前記第1状態のレファレンスセルの数と前記第2状態のレファレンスセルの数との比は、任意に設定でき、前記第1状態のダミーセルの数と前記第2状態のダミーセルの数との比は、任意に設定でき、前記第2MOSトランジスタの電流駆動能力と前記第1MOSトランジスタの電流駆動能力とは、等しいFor the plurality of reference cells and the n−1 dummy cells, data can be written / read independently, and the number of reference cells in the first state and the reference cells in the second state The ratio between the number of dummy cells in the first state and the number of dummy cells in the second state can be arbitrarily set, and the current driving capability of the second MOS transistor and the first The current drive capability of 1MOS transistor is equal
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。Magnetic random access memory characterized by that.
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