JP4388889B2 - プレチャージ回路を有するメモリおよびそのプレチャージ方法 - Google Patents
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Description
保つことが困難となる。MRAMを含むどのような型のメモリに対しても、メモリサイズの縮小および性能の向上は絶えず求められている。メモリの性能を計る重要な要素の1つは、メモリの読み出しやプログラミング(書き込み)の速度である。この速度を制限するものとして、ビットセルの性能およびアレイ中を走る配線の静電容量が挙げられる。これらの特性を改善するため、種々の技術が開発されている。例えば、メモリアレイは、通常単一のラインが過度に容量性とならないようサブアレイに分割されている。そうすることで電力消費も低減できる。メモリでは、書き込みサイクル速度を読み出しサイクル速度に近づけるため、書き込み回路を効率的にスイッチすることが重要である。FLASHメモリの大きな欠点はこの目的を達成できないことである。
Cuのうちの少なくとも1つの元素またはそれらの組合せを含む。さらに、強磁性体層45、55、46および56は、Ni、Fe、Mn、Coのうちの少なくとも1つの元素またはそれらの組合せを含む。また、磁性領域15および17は、3層構造に限らず、合成反強磁性体(SAF)層の材料構造を含むこともあり、実施形態で3層構造を用いるのは単に説明のためであるということは理解されよう。例えば、そのような合成反強磁性体層の材料構造の1例としては、強磁性体層/反強磁性体結合スペーサ層/強磁性体層/反強磁性体結合スペーサ層/強磁性体層の構造を持つ、5層スタックが挙げられる。
57のための好ましい異方性軸は、負のX方向および負のY方向に対して45°の角度、および正のX方向および正のY方向に対して45°の角度を持つと仮定する。一実施例として、図2では、磁気モーメントベクトル53が負のX方向および負のY方向に対して45°の角度を持つことを示している。磁気モーメントベクトル57は一般的に磁気モーメントベクトル53に対して逆平行の向きとなるので、正のX方向および正のY方向に対して45°の角度を持つことになる。後述するが、この初期方向は書き込み方法の例を示すために使用される。
びに状態がスイッチされるからである。例えば「1」が最初に格納されている場合、正の電流パルス系列が1つ、書き込みワードラインおよび書き込みビットラインに流れると、その後素子の状態は「0」にスイッチされる。「0」状態が格納されているところに正の電流パルス系列を繰り返すと、状態は「0」に戻る。このように、メモリ素子に所望の状態を書き込むためには、MRAM素子10の初期状態を先ず読み出して、書き込みたい状態と比較する必要がある。この読み出しおよび比較のために、情報を格納するためのバッファと記憶状態を比較するためのコンパレータを含む付加的な論理回路が必要になるかもしれない。この比較の後、格納されている状態と書き込みを所望する状態が異なる場合にのみ、MRAM素子10への書き込みが行なわれる。トグル書き込みの利点の1つは、異なるビットだけがスイッチされるので消費電力が低減されることである。トグル書き込みを使用することのもう1つの利点は、単極性の電圧のみが必要とされるので、その結果MRAM素子を駆動するN―チャンネルトランジスタの大きさを小さくできる。本発明の開示全体にわたり、領域97における動作を「トグル書き込みモード」と定義する。
なる。この場合、磁気モーメントベクトル53の好ましい方向は、正のy−方向および正のx−方向に対して45°の角度をなす方向となる。また、この好ましい方向は、時刻t0における磁気モーメントベクトル53°の初期値であり、「0」と定義された方向から180°の角度の方向となる。したがって、MRAM素子10は「0」に切り替えられている。書き込みワードライン20と書き込みビットライン30の双方に負の電流を流して、磁気モーメントベクトル53、57および40を反時計回り96の方向に回転させることによっても、MRAM素子10をスイッチできることが理解されるであろうが、ここでは説明のため、そうでない方法を示した。
したがって、この規約に従い、「0」を書き込むためには、書き込みワードライン60と書き込みビットライン70の双方に正の電流を流すことが必要であり、逆に「1」を書き込むためには、書き込みワードライン60と書き込みビットライン70の双方に負の電流を流すことが必要である。
って互いに結合されている。例えば、読み出しビットデコーダ124は、複数のアドレス信号からなる列アドレスを受け取る。メモリアレイ112は、トグル動作でスイッチされるメモリセルのアレイである。メモリアレイ112用メモリセルの1区分が、図14に示すメモリアレイ200であり、このMRAMセルアレイに対して、180°に達するまで45°の角度ずつ4ステップで書き込みが行なわれるという、図1のメモリアレイ3について説明した方法により、書き込みが行なわれる。この特に好ましいセルアレイは、書き込み動作および読み出し動作のため、ワードラインおよびビットラインを個別に備える。
2番目の角度変化を起こす。書き込みビットラインおよび書き込みワードラインを流れる電流の交差点においてのみ、この2番目の角度変化が生じる。選択された書き込みワードラインを電流がまだ流れているうちに、選択された書き込みビットラインを流れる電流が停止されると、選択されたメモリセルでは3番目の角度変化が生じる。書き込みビットラインおよび書き込みワードラインを流れる電流の交差点においてのみ、この3番目の角度変化が生じる。選択された書き込みビットラインを流れる電流が停止されると、選択されたメモリセルでは4番目の角度変化が生じる。
ーバルビットラインRGBL1に接続された、第1の電流電極を有する。トランジスタ280と282はそれぞれ、互いに結合され、またグローバルビットラインRGBL1に接続された、第1の電流電極を有する。トランジスタ250、252、254、256、276、278、280、282はそれぞれ、ローカルビットライン251、253、255、257、277、279、281、283に接続された第2の電流電極を有する。ローカルビットライン251、253、255、257、277、279、281、283は、MRAM素子202と204、206と208、210と212、213と214、216と218、220と222、224と226、227と228の、3番目の電流路にそれぞれ接続される。グループ選択ラインGS0はグループ選択トランジスタ250および276に接続される。グループ選択ラインGS1はグループ選択トランジスタ252および278に接続される。グループ選択ラインGS2はグループ選択トランジスタ254および280に接続される。グループ選択ラインGS3はグループ選択トランジスタ256および282に接続される。
ない場合には、1列ごとに1つの読み出しグローバルビットラインが必要である。このように、折り返さない場合は、折り返す場合に比べ、2セル幅を占める2列ごとに読み出しグローバルビットラインが1つ余計に必要になるという結果になる。このように、得失を考えれば明らかにビットライン折り返しのほうが有利である。この空間上の利点を、ラインの抵抗値を減少させるためにライン寸法を大きくすること、メモリコアのサイズを減少させること、またはその両者の組合せに利用できる。
等しい電位に接続される。トランジスタ404のゲートは、ビット書き込みデコード/比較回路362からのプレチャージ制御信号P1に接続される。トランジスタ404のドレインは第2の共通レール399に接続される。
レスを受け取るための第4の入力とを有する。タイマー356の第2の出力は、ワード書き込みデコーダ358の第1の入力に接続される。ワード書き込みデコーダ358の第2の入力は、マルチビットワードアドレスを受け取る。ワード書き込みデコーダ358の出力は、ワード書き込みドライバ360の入力に接続される。ワード書き込みドライバ360は複数の出力を有し、そのそれぞれの出力は、メモリアレイ352中の所定の行ラインまたはワードラインに接続される。図示の形態では、トランジスタ402、404、446、444、442、440、426、422、424、420はP−チャネルトランジスタであり、図18中の他のすべてのトランジスタはN−チャネルトランジスタである。ビット書き込みドライバの詳細は図18に示されていることを認識されたい。単純化のためワード書き込みドライバ360の詳細は明確に示していないが、ビット書き込みドライバ354に類似した構造を有している。
は、スイッチ可能な電流ミラー段421を形成し、トランジスタ450、452、454、および456は、スイッチ可能な電流ミラー段419を形成する。スイッチ可能なトランジスタ420、422、424、および426は、スイッチ可能な電流ミラー段423を形成し、トランジスタ430、432、434、および436は、スイッチ可能な電流ミラー段425を形成する。3段直列接続された電流ミラー2つは、いずれも共通の基準回路364からバイアスを供給される。基準回路364からの基準電流Irefは、第1段のミラー段の共有N−チャネルミラー素子であるトランジスタ410から、雑音の無い、分離された接地端子VSSCへと流れるが、ここでラベル名VSSCの「C」は「クリーン」を表わす。トランジスタ410に加わるゲート電圧はIref電流から基準電圧を形成し、トランジスタ412からVSSCへ流れる基準電流を設定することにより、中間のスイッチ可能な電流ミラー段421に結合される。同様に、トランジスタ410に加わるゲート電圧はIref電流から基準電圧を形成し、トランジスタ414からVSSCへ流れる基準電流を設定することにより、中間のスイッチ可能な電流ミラー段423に結合される。
スに対して、現在のデータ値(Data Out)を所望のデータ値(Data In)と比較する動作を実行し、トグル動作が必要かどうかを判定する。時刻ten2から一定の固定遷移時間tRBをかけて、書き込みビットライン電流は0(または0に近い値)から所定の大きさまで増加させられる。ワード電流の大きさおよびビット電流の大きさを、図では理解を容易にするために異なるものとしているが、これら2つの電流は同じ大きさであってもよい。書き込みビットライン電流は、時刻ten4までほぼ一定に保持される。時刻ten3から一定の固定遷移時間tFWをかけて、ワードライン電流の遷移は0に近い値に戻る。時刻ten4から一定の固定遷移時間tFBをかけて、ビットライン電流の遷移は0に近い値に戻る。
9の書き込みビット電流パルスの開始および終了を決定する。NANDゲート490の出力はワード書き込みデコーダ358に出力され、NANDゲート492の出力はビット書き込みデコード/比較回路362に供給される。
みビットラインを通じて流れ始めると、ゼロ近くから高い電流値になるまでに、ある長さの遷移時間tRBを要する。この遷移時間tRBは、書き込み電流の大きさ、電圧変動、温度変動に関わりなく略一定である必要がある。この一定の遷移時間は、MRAMアーキテクチャ350によって与えられる。制御信号C0が一度アクティブになると、スイッチ可能な電流ミラー419は、書き込みビットラインの寄生抵抗RBおよび共通レール397の寄生容量405を介して、一定値の電流ISを吸引する。定電流ISが、寄生容量405と共に作用する抵抗器RBを通じて流れるので、RCネットワークを利用して、書き込み電流IBの遷移時間の電圧および温度の変動に対する感度を下げ、それによりIBを実質的に一定に保つ。遷移時間tRBは、RC時定数の値を変えることにより異なる値に調節できる。この調節はMRAMアーキテクチャ350中で行なわれ、必要時にメタルオプション398によって共通レール397と共通レール399を直接接続するようにする。メタルオプション398は、設計者が、集積回路の中で、先ずある接続を提供しておき、意図したレール接続をあとで実装するための接続を有する別のフォトマスクを用意するという既存の回路設計技術であることが理解されよう。メタルオプション以外の接続技術が使用されてもよい。例えば、所望の値に調節した遷移時間tRB後に接続が終了するように、プログラマブルヒューズまたはトランジスタスイッチを実装することもできる。こうして得られた導体路は、定電流ISから見た静電容量を2倍にし、したがって書き込み電流IBの遷移時間tRBを2倍にする。2つの共通レールを接続する単一のメタルオプションを示しているが、複数の共通レール部分を接続するために任意数のメタルオプション接続を用いてもよいことが理解されよう。
れた他の素子の接合からの漏洩により、共通レール397の電位はVSSに向かって降下する。列デコードスイッチ390が制御信号B0−0によって導通する場合、共通レール397上の電位が降下すると、完全にVDDまで充電されていた書き込みビットラインに関わる寄生容量は、列デコードスイッチ390を通じて共通レール寄生容量405に放電される。寄生容量405との間で起きるこの電荷の共有のため、潜在的に有害な電流スパイクが、選択された書き込みビットラインを流れることになる。この電流スパイクは、書き込みビットラインの任意の選択されたセルに、意図しない書き込み動作を発生させる可能性がある。この問題を回避するため、2つの書き込み動作の間、トランジスタ402および404によるプレチャージ回路が、共通レール397および399を、VDD−Vtを近似する基準回路364によって生成される電圧VDD−Vtに保持する。トランジスタ402および404を制御するため、ビット書き込みデコード/比較回路362が図21に示す制御信号P0を供給する。制御信号P(P0、P1等)は、書き込み動作中は非導通にされる。プレチャージ電圧の値はVDD−Vtを大きくこえてはならないが、それは、C0が書き込み動作のために実行可能にされる場合、信号B0によって実行可能にされた列デコードスイッチ390が十分に導通し始めて書き込みビットラインから書き込み動作のための電流を吸引し出す前に、寄生容量405上の電荷は共通レール397上の電圧がVDD−Vtに降下する時点まで、先ず定電流Is通じて放電されなければならないからである。これは書き込み動作の始めに遅れを生じさせるのでメモリの速度を劣化させる。したがって、VDD−Vtから著しく外れるプレチャージ電圧は有害である。電圧が高過ぎると速度が落ち、低過ぎると意図しない書き込みが起きる可能性が増す。基準回路364内の回路は、列デコードスイッチの閾値電圧Vtおよび電源VDDの、電圧、プロセス、および温度による変動に追随するように設計されている。
Claims (9)
- 行と列に構成された複数のメモリセル(134,136,138,140)と、前記メモリセルのうちのそれぞれが行と列の交点に配置されていることと、
複数の書き込みライン(WL)と、前記複数の書き込みラインは第1の終端及び第2の終端を有し、前記第1の終端から前記第2の終端へと流れる電流は、前記複数のメモリセル中の所定のメモリセルにデータ値を設定するために使用されることと、
複数の書き込みデコードスイッチ(390〜395)と、前記複数の書き込みデコードスイッチは、前記複数の書き込みラインのうちの対応する1つの前記第2の終端に接続された第1の端子と、前記複数の書き込みでコードスイッチのうちのそれぞれの第2の終端に第1の共通のノードで共通して接続されている第2の端子とを有することと、
前記複数のメモリセルへの書き込みを制御するために前記第1の共通ノードに接続される出力を有する書き込み回路(354の419)と、
前記第1の共通ノードを所定の第1の電圧にプレチャージするプレチャージ回路とを備え、前記複数の書き込みラインのそれぞれの第1の終端は、所定の第2の電圧を受け取る第2の共通のノードで互いに結合され、前記所定の第2の電圧は、金属酸化物半導体トランジスタの閾値電圧に近い電圧だけ所定の第1の電圧と異なる、メモリ。 - 前記プレチャージ回路は、メモリの書き込みサイクル後に前記それぞれの書き込みデコードスイッチの第2の端子を再びチャージする、請求項1記載のメモリ。
- 前記メモリは磁気抵抗ランダムアクセスメモリである請求項1記載のメモリ。
- 前記所定のメモリセルを2つの論理状態の間でトグル動作させることにより、前記所定のメモリセルにデータ値を格納するようにした、請求項3記載のメモリ。
- 前記書き込み回路に接続された書き込み制御回路(362)をさらに有し、前記書き込み制御回路が書き込みサイクル以前に読み出し動作を開始して、現在格納されているデータ値が所定のメモリセルへの書き込みを所望するデータ値と一致する場合には、書き込みサイクルの少なくとも一部を終了させるようにした、請求項4記載のメモリ。
- 前記複数の書き込みラインは、複数の書き込みビットラインのうちの1つの書き込みビットラインが前記複数のメモリセルの1つの列に対応するようにした複数の書き込みビットラインである、請求項1記載のメモリ。
- 前記複数の書き込みラインは、複数の書き込みワードラインのうちの1つの書き込みワードラインが前記複数のメモリセルの1つの行に対応するようにした複数の書き込みワードラインである、請求項1記載のメモリ。
- 前記複数の書き込みラインの第1の終端は、電源電圧が供給される共通ノードにすべて接続された、請求項1記載のメモリ。
- 複数の磁気抵抗ランダムアクセスメモリセル(380,382)を行と列に構成するメモリ(350)において、複数の書き込みライン(366〜368)が共通ノード(397)で互いに結合され、前記複数の書き込みライン(354)のうちの選択された書き込みラインを通じて書き込み電流(Ib)を流す書き込み回路が前記共通ノードに接続され、前記複数の磁気抵抗ランダムアクセスメモリセルの所定のメモリセルにデータ値を書き込む方法が、
前記共通ノード(397)を所定の電圧にプレチャージするステップ(402)と、
前記所定のメモリセルの読み出し動作(120,124)を開始して、前記所定のメモリセルに現在格納されているデータ値を判定するステップと、
前記所定のメモリセルに現在格納されているデータ値を所定のメモリセルに書き込むべき新しいデータ値と比較(130)して、前記新しいデータ値が現在格納されているデータ値と異なるかどうかを判定するステップと、
前記現在格納されているデータ値から前記新しいデータ値にトグル切替えを行なうため、前記複数の書き込みラインのうちの選択された書き込みラインに書き込み電流を流すことにより所定のメモリセルへの書き込み動作(116,128)を開始するステップとを備える、データ値を書き込むための方法。
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