JP5076182B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

この発明は不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、抵抗値のレベル変化によってデータを記憶する抵抗体記憶素子を備えた不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly, to a nonvolatile semiconductor memory device including a resistor memory element that stores data according to a change in resistance value level.

不揮発性半導体記憶装置は、電源電圧が遮断されても記憶データを保持することができ、待機状態時において電源電圧を供給する必要がない。このため、低消費電力であることが要求される携帯機器において広く用いられている。   The nonvolatile semiconductor memory device can hold stored data even when the power supply voltage is cut off, and does not need to supply the power supply voltage in a standby state. For this reason, it is widely used in portable devices that are required to have low power consumption.

このような不揮発性半導体記憶装置の1つに、磁気抵抗効果を利用してデータを記憶するMRAM(Magnetic Random Access Memory)がある。また、MRAMの1つに、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を有するトンネル磁気抵抗素子を用いたものがある(たとえば、非特許文献1参照)。   One such nonvolatile semiconductor memory device is an MRAM (Magnetic Random Access Memory) that stores data using the magnetoresistive effect. One of the MRAMs uses a tunnel magnetoresistive element having a magnetic tunnel junction (MTJ) (see, for example, Non-Patent Document 1).

このMRAMは、複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、各行に対応して設けられたワード線、ソース線、およびディジット線と、各列に対応して設けられたビット線とを備える。各メモリセルは、トンネル磁気抵抗素子およびトランジスタを含む。トンネル磁気抵抗素子の一方電極はビット線に接続され、その他方電極はトランジスタを介してソース線に接続され、トランジスタのゲートはワード線に接続される。各ソース線は接地される。   This MRAM includes a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a word line, a source line and a digit line provided corresponding to each row, and a bit line provided corresponding to each column. Prepare. Each memory cell includes a tunnel magnetoresistive element and a transistor. One electrode of the tunnel magnetoresistive element is connected to the bit line, the other electrode is connected to the source line through the transistor, and the gate of the transistor is connected to the word line. Each source line is grounded.

書込動作時は、選択した行のディジット線に磁場印加電流を流すとともに、書込データに応じた極性の書込電流を選択した列のビット線に流して、選択したメモリセルのトンネル磁気抵抗素子を高抵抗状態または低抵抗状態にする。読出動作時は、選択した行のワード線を選択レベルにしてその行の各メモリセルのトランジスタを導通させ、選択した列のビット線から選択したメモリセルのトンネル磁気抵抗素子およびトランジスタを介して流出する電流を検出して、記憶データを読み出す。
2004 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers p.450-453 A 1.2V 1Mbit Embedded MRAM Core with Folded Bit-Line Array Architecture
During a write operation, a magnetic field application current is supplied to the digit line of the selected row, and a write current having a polarity corresponding to the write data is supplied to the bit line of the selected column, so that the tunnel magnetoresistance of the selected memory cell The element is put into a high resistance state or a low resistance state. During a read operation, the word line of the selected row is set to the selected level, the transistor of each memory cell in that row is turned on, and the memory cell flows out from the bit line of the selected column through the tunnel magnetoresistive element and transistor of the selected memory cell. Current is detected and the stored data is read out.
2004 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers p.450-453 A 1.2V 1Mbit Embedded MRAM Core with Folded Bit-Line Array Architecture

このようなMRAMでは、各ビット線に双方向の数mAの書込電流を流すためのドライバが設けられている。このドライバは、ビット線の一方端に接続されたPチャネルMOSトランジスタおよびNチャネルMOSトランジスタと、ビット線の他方端に接続されたPチャネルMOSトランジスタおよびNチャネルMOSトランジスタとを含む(図2参照)。各トランジスタのゲート幅は、メモリセルのトランジスタのゲート幅の少なくとも数十倍にされている。したがって、各ビット線にはドライバの4つのトランジスタの寄生容量が付加されており、この寄生容量によって読出動作が遅延するという問題があった。   In such an MRAM, a driver for supplying a bidirectional write current of several mA to each bit line is provided. This driver includes a P channel MOS transistor and an N channel MOS transistor connected to one end of the bit line, and a P channel MOS transistor and an N channel MOS transistor connected to the other end of the bit line (see FIG. 2). . The gate width of each transistor is at least several tens of times the gate width of the transistor of the memory cell. Therefore, the parasitic capacitance of the four transistors of the driver is added to each bit line, and there is a problem that the read operation is delayed by this parasitic capacitance.

それゆえに、この発明の主たる目的は、読出動作が速い不揮発性半導体記憶装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, a main object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a fast read operation.

この発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線と、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のソース線とを含むメモリアレイを備える。各メモリセルは、抵抗値のレベル変化によってデータを記憶する抵抗体記憶素子と、対応のビット線とソース線の間に抵抗体記憶素子と直列接続され、対応のワード線が選択レベルにされたことに応じて導通するトランジスタとを有する。この不揮発性半導体記憶装置は、さらに、複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルに対応するワード線を選択レベルにし、選択されたメモリセルのトランジスタを導通させる行デコーダと、選択されたメモリセルに対応するソース線を介して、選択されたメモリセルのデータを読み出す読出回路とを備える。読出回路は、選択されたメモリセルに対応するビット線に予め定められたバイアス電圧を印加するビット線バイアス回路と、選択されたメモリセルに対応するソース線の電圧を接地電圧にするクランプ回路とを含み、選択されたメモリセルに対応するソース線に流れる電流に基づいて、選択されたメモリセルのデータを読み出す。   A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is provided with a plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, and a plurality of columns, respectively. A memory array including a plurality of bit lines and a plurality of source lines provided corresponding to a plurality of columns, respectively. Each memory cell is connected in series with a resistor memory element that stores data by changing the level of the resistance value, and between the corresponding bit line and the source line, and the corresponding word line is set to the selected level. And a transistor which conducts accordingly. The nonvolatile semiconductor memory device further includes a row decoder for setting a word line corresponding to a selected memory cell of a plurality of memory cells to a selection level and conducting a transistor of the selected memory cell, and the selected memory And a read circuit for reading data of a selected memory cell through a source line corresponding to the cell. The read circuit includes a bit line bias circuit that applies a predetermined bias voltage to the bit line corresponding to the selected memory cell, and a clamp circuit that sets the voltage of the source line corresponding to the selected memory cell to the ground voltage. The data of the selected memory cell is read based on the current flowing through the source line corresponding to the selected memory cell.

この発明に係る不揮発性半導体記憶装置では、各メモリセル行に対応してワード線を設けるとともに、各メモリセル列に対応してビット線とソース線を設け、選択されたメモリセルに対応するソース線を介して選択されたメモリセルのデータを読み出す。したがって、寄生容量が大きなビット線を介してデータを読み出していた従来に比べ、読出動作の高速化を図ることができる。   In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a word line is provided corresponding to each memory cell row, a bit line and a source line are provided corresponding to each memory cell column, and a source corresponding to the selected memory cell is provided. Read the data of the selected memory cell via the line. Therefore, the reading operation can be speeded up as compared with the conventional case where data is read through a bit line having a large parasitic capacitance.

[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1によるMRAMの全体構成を示すブロック図である。図1において、このMRAMは、メモリアレイ1、行デコーダ2、列デコーダ3、書込/読出回路4、および制御回路5を備える。メモリアレイ1は、2つのメモリブロックMB0,MB1に分割されている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of an MRAM according to Embodiment 1 of the present invention. 1, this MRAM includes a memory array 1, a row decoder 2, a column decoder 3, a write / read circuit 4, and a control circuit 5. The memory array 1 is divided into two memory blocks MB0 and MB1.

メモリブロックMB0は、図2に示すように、複数行複数列に配置された複数のメモリセルMCと、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のワード線WLと、それぞれ複数行に対応して設けれた複数のディジット線DLと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数のビット線BLと、それぞれ複数列に対応して設けられた複数対のソース線SL0,SL1とを含む。   As shown in FIG. 2, the memory block MB0 corresponds to a plurality of memory cells MC arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines WL provided corresponding to the plurality of rows, and a plurality of rows, respectively. A plurality of digit lines DL, a plurality of bit lines BL corresponding to a plurality of columns, and a plurality of pairs of source lines SL0 and SL1 respectively corresponding to a plurality of columns.

複数のワード線WLは予め複数のワード線グループに分割されており、各ワード線グループは隣接する4本のワード線WLを含む。各列の複数のメモリセルMCは、それぞれ複数のワード線グループに対応する複数のメモリセルグループに分割されている。各メモリセルグループは、隣接する4つのメモリセルMCを含む。ソース線SL0は、各メモリセルグループの4つのメモリセルMCのうちの1番目と2番目のメモリセルMCに対応して設けられている。ソース線SL1は、各メモリセルグループの4つのメモリセルMCのうちの3番目と4番目のメモリセルMCに対応して設けられている。   The plurality of word lines WL are previously divided into a plurality of word line groups, and each word line group includes four adjacent word lines WL. The plurality of memory cells MC in each column are divided into a plurality of memory cell groups respectively corresponding to a plurality of word line groups. Each memory cell group includes four adjacent memory cells MC. The source line SL0 is provided corresponding to the first and second memory cells MC of the four memory cells MC in each memory cell group. The source line SL1 is provided corresponding to the third and fourth memory cells MC of the four memory cells MC in each memory cell group.

各メモリセルMCは、図3に示すように、トンネル磁気抵抗素子TMRおよびアクセストランジスタ(NチャネルMOSトランジスタ)ATRを含む。トンネル磁気抵抗素子TMRおよびアクセストランジスタATRは対応のビット線BLとソース線SL(SL0またはSL1)との間に直列接続され、アクセストランジスタATRのゲートは対応のワード線WLに接続される。トンネル磁気抵抗素子TMRは、記憶データの論理に応じて電気抵抗値が変化する素子である。   Each memory cell MC includes a tunnel magnetoresistive element TMR and an access transistor (N channel MOS transistor) ATR as shown in FIG. Tunneling magneto-resistance element TMR and access transistor ATR are connected in series between corresponding bit line BL and source line SL (SL0 or SL1), and the gate of access transistor ATR is connected to corresponding word line WL. Tunneling magneto-resistance element TMR is an element whose electric resistance value changes according to the logic of stored data.

すなわちトンネル磁気抵抗素子TMRは、図4に示すように、電極ELとビット線BLの間に積層された固定磁化膜FL、トンネル絶縁膜TBおよび自由磁化膜VLを含む。固定磁化膜FLおよび自由磁化膜VLの各々は、強磁性体膜で構成されている。固定磁化膜FLの磁化方向は一方方向に固定されている。自由磁化膜VLの磁化方向は、一方方向および他方方向のうちのいずれかの方向に書込まれる。固定磁化膜FLおよび自由磁化膜VLの磁化方向が同一である場合はトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値は比較的高い値になり、両者の磁化方向が逆である場合はトンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗値は比較的低い値になる。トンネル磁気抵抗素子TMRの2段階の抵抗値は、たとえばデータ「1」,「0」にそれぞれ対応付けられる。   That is, as shown in FIG. 4, tunnel magnetoresistive element TMR includes fixed magnetization film FL, tunnel insulating film TB, and free magnetization film VL stacked between electrode EL and bit line BL. Each of the fixed magnetization film FL and the free magnetization film VL is composed of a ferromagnetic film. The magnetization direction of the fixed magnetization film FL is fixed in one direction. The magnetization direction of free magnetic film VL is written in one of one direction and the other direction. When the magnetization directions of the fixed magnetic film FL and the free magnetic film VL are the same, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element TMR becomes a relatively high value, and when the magnetization directions of the two are opposite, the tunnel magnetoresistive element TMR The electrical resistance value is relatively low. The two-stage resistance values of tunneling magneto-resistance element TMR are associated with, for example, data “1” and “0”, respectively.

データ書込時は、図4に示すように、ワード線WLが非選択レベルの「L」レベルにされてアクセストランジスタATRが非導通状態にされ、ビット線BLおよびディジット線DLの各々に書込電流が流される。自由磁化膜VLの磁化方向は、ビット線BLおよびディジット線DLに流れる書込電流の方向の組合せによって決定される。   At the time of data writing, as shown in FIG. 4, word line WL is set to the “L” level of the non-selection level and access transistor ATR is made non-conductive, and writing is performed to each of bit line BL and digit line DL. A current flows. The magnetization direction of free magnetic film VL is determined by the combination of the directions of the write currents flowing through bit line BL and digit line DL.

図5は、データ書込時におけるデータ書込電流の方向と磁界方向との関係を示す図である。図5を参照して、横軸で示される磁界Hxは、ディジット線DLを流れるデータ書込電流によって生じる磁界H(DL)を示している。一方、縦軸に示される磁界Hyは、ビット線BLを流れるデータ書込電流によって生じる磁界H(BL)を示している。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the direction of the data write current and the magnetic field direction during data writing. Referring to FIG. 5, a magnetic field Hx indicated by the horizontal axis indicates a magnetic field H (DL) generated by a data write current flowing through digit line DL. On the other hand, the magnetic field Hy indicated on the vertical axis indicates the magnetic field H (BL) generated by the data write current flowing through the bit line BL.

自由磁化膜VLに記憶される磁界方向は、磁界H(DL)とH(BL)の和が図中に示されるアステロイド特性線の外側の領域に達する場合においてのみ、新たに書込まれる。すなわち、アステロイド特性線の内側の領域に相当する磁界が印加された場合においては、自由磁化膜VLに記憶される磁界方向は更新されない。したがって、トンネル磁気抵抗素子TMRの記憶データを書込動作によって更新するためには、ディジット線DLとビット線BLとの両方に電流を流す必要がある。トンネル磁気抵抗素子TMRに一旦記憶された磁界方向すなわち記憶データは、新たなデータ書込が実行されるまでの間不揮発的に保持される。   The magnetic field direction stored in the free magnetic film VL is newly written only when the sum of the magnetic fields H (DL) and H (BL) reaches a region outside the asteroid characteristic line shown in the drawing. That is, when a magnetic field corresponding to the area inside the asteroid characteristic line is applied, the magnetic field direction stored in the free magnetic film VL is not updated. Therefore, in order to update the storage data of tunneling magneto-resistance element TMR by the write operation, it is necessary to pass a current through both digit line DL and bit line BL. The magnetic field direction once stored in tunneling magneto-resistance element TMR, that is, the stored data is held in a nonvolatile manner until new data writing is executed.

データ読出時は、図6に示すように、ソース線SLが接地電圧VSSにされ、ワード線WLが選択レベルの「H」レベルにされてアクセストランジスタATRが導通し、ビット線BLからトンネル磁気抵抗素子TMR、アクセストランジスタATR、およびソース線SLを介して接地電位VSSのラインに電流Isが流れる。この電流Isの値は、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値に応じて変化する。したがって、この電流Isの値を検知することにより、トンネル磁気抵抗素子TMRの記憶データを読み出すことができる。   At the time of data reading, as shown in FIG. 6, the source line SL is set to the ground voltage VSS, the word line WL is set to the “H” level of the selection level, and the access transistor ATR is turned on. A current Is flows through the element TMR, the access transistor ATR, and the source line SL to the line of the ground potential VSS. The value of this current Is changes according to the resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR. Therefore, the data stored in tunneling magneto-resistance element TMR can be read by detecting the value of current Is.

図7は、メモリブロックMB0のレイアウトを示す図である。図7では、4行2列のメモリセルMCのレイアウトが示されている。図7において、P型シリコン基板(図示せず)の表面に、図中Y方向に延在する4本のワード線WLが形成される。各ワード線WLとP型シリコン基板の表面とは、ゲート酸化膜(図示せず)によって絶縁されている。   FIG. 7 is a diagram showing a layout of the memory block MB0. FIG. 7 shows a layout of memory cells MC in 4 rows and 2 columns. In FIG. 7, four word lines WL extending in the Y direction in the drawing are formed on the surface of a P-type silicon substrate (not shown). Each word line WL and the surface of the P-type silicon substrate are insulated by a gate oxide film (not shown).

4本のワード線WLをマスクとして、2行2列の計4つの矩形のN型拡散領域NDが形成される。各N型拡散領域NDは、2本のワード線WLの間および両側に渡って形成されている。各N型拡散領域NDのうちの2本のワード線WLの間の領域は隣接する2つのメモリセルMCのアクセストランジスタATRの共通のソースとなり、2本のワード線WLの両側の領域は2つのメモリセルMCのアクセストランジスタATRのドレインとなる。   A total of four rectangular N-type diffusion regions ND of two rows and two columns are formed using the four word lines WL as a mask. Each N-type diffusion region ND is formed between two word lines WL and across both sides. A region between two word lines WL in each N-type diffusion region ND serves as a common source for access transistors ATR of two adjacent memory cells MC, and two regions on both sides of the two word lines WL have two regions. It becomes the drain of the access transistor ATR of the memory cell MC.

2行2列のN型拡散領域NDの上方に、図中X方向に延在する2対のソース線SL0,SL1が形成される。ソース線SL0は、対応する列のN型拡散領域NDの一方端部の上方に形成され、コンタクトホールCHを介して2行目のN型拡散領域NDの一方端部の中央部に接続される。ソース線SL1は、対応する列のN型拡散領域NDの他方端部の上方に形成され、コンタクトホールCHを介して1行目のN型拡散領域NDの他方端部の中央部に接続される。   Two pairs of source lines SL0 and SL1 extending in the X direction in the figure are formed above the N-type diffusion region ND of 2 rows and 2 columns. Source line SL0 is formed above one end of N-type diffusion region ND in the corresponding column, and is connected to the center of one end of N-type diffusion region ND in the second row via contact hole CH. . Source line SL1 is formed above the other end of N-type diffusion region ND in the corresponding column, and is connected to the center of the other end of N-type diffusion region ND in the first row via contact hole CH. .

2対のソース線SL0,SL1の上方に、図中Y方向に延在する4本のディジット線DLが形成される。各ディジット線DLは、上方から見て2本のワード線WLの間に配置される。4本のディジット線DLの上方に、4行2列の計8個の矩形の電極ELが形成される。各電極ELは、上方から見て対応のディジット線DLから対応のアクセストランジスタATRのドレインの上方に渡って形成され、コンタクトホールCHを介して対応のアクセストランジスタATRのドレインに接続される。   Four digit lines DL extending in the Y direction in the figure are formed above the two pairs of source lines SL0 and SL1. Each digit line DL is arranged between two word lines WL as viewed from above. A total of eight rectangular electrodes EL in four rows and two columns are formed above the four digit lines DL. Each electrode EL is formed from the corresponding digit line DL over the drain of the corresponding access transistor ATR as viewed from above, and is connected to the drain of the corresponding access transistor ATR via the contact hole CH.

各電極ELの上にトンネル磁気抵抗素子TMRが形成される。各トンネル磁気抵抗素子TMRは、上方から見て対応のディジット線DLの上方に配置される。4行2列のトンネル磁気抵抗素子TMRの上に、図中X方向に延在する2本のビット線BLが形成される。各ビット線BLは、対応の列の4つのトンネル磁気抵抗素子TMRに接続される。   A tunnel magnetoresistive element TMR is formed on each electrode EL. Each tunnel magnetoresistive element TMR is arranged above the corresponding digit line DL as viewed from above. Two bit lines BL extending in the X direction in the figure are formed on the 4 × 2 tunnel magnetoresistive element TMR. Each bit line BL is connected to four tunneling magneto-resistance elements TMR in the corresponding column.

図2に戻って、メモリブロックMB0の複数のメモリセルMCは、各行において、予め4つずつグループ化されている。各メモリセルグループの1番目と2番目のメモリセルMCの各々のアクセストランジスタATRのソースはソース線SL0に接続され、3番目と4番目のメモリセルMCの各々のアクセストランジスタATRのソースはソース線SL1に接続されている。   Returning to FIG. 2, a plurality of memory cells MC of the memory block MB0 are grouped in advance in groups of four in each row. The sources of the access transistors ATR of the first and second memory cells MC of each memory cell group are connected to the source line SL0, and the sources of the access transistors ATR of the third and fourth memory cells MC are source lines. Connected to SL1.

また、メモリブロックMB0の複数列のうちの予め定められた列の各メモリセルグループは参照メモリセルグループとして使用され、その列のビット線BLは参照ビット線RBLとして使用され、その列のソース線SL0,SL1は参照ソース線RSL0,RSL1として使用される。その列の複数の参照メモリセルグループのうちの1番目と2番目のメモリセルMCの各々のトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値は高レベルに設定され、3番目と4番目のメモリセルMCの各々のトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値は低レベルに設定されている。したがって、奇数番のメモリセルMCのトンネル磁気抵抗素子TMRと偶数番のメモリセルMCのトンネル磁気抵抗素子TMRとの並列接続体の抵抗値は、トンネル磁気抵抗素子TMRの高レベルの抵抗値と低レベルの抵抗値との平均値となる。これをデータ読出に利用する。メモリブロックMB1は、メモリブロックMB0と同じ構成である。   Also, each memory cell group in a predetermined column of the plurality of columns of the memory block MB0 is used as a reference memory cell group, the bit line BL in that column is used as a reference bit line RBL, and the source line in that column SL0 and SL1 are used as reference source lines RSL0 and RSL1. The resistance value of the tunnel magnetoresistive element TMR of each of the first and second memory cells MC of the plurality of reference memory cell groups in the column is set to a high level, and each of the third and fourth memory cells MC is set. The resistance value of the tunnel magnetoresistive element TMR is set to a low level. Therefore, the resistance value of the parallel connection body of the tunnel magnetoresistive element TMR of the odd-numbered memory cell MC and the tunnel magnetoresistive element TMR of the even-numbered memory cell MC is lower than the high level resistance value of the tunnel magnetoresistive element TMR. It becomes the average value with the resistance value of the level. This is used for data reading. The memory block MB1 has the same configuration as the memory block MB0.

図1に戻って、行デコーダ2は、データ書込時は、行アドレス信号RAに従って、メモリブロックMB0,MB1の各々において、複数のディジット線DLのうちのいずれかのディジット線DLを選択する。また、行デコーダ2は、データ読出時は、行アドレス信号RAに従って、メモリブロックMB0,MB1の各々において、複数のワード線WLのうちのいずれかのワード線WLを選択し、選択したワード線WLを選択レベルの「H」レベルに立ち上げる。このとき行デコーダ2は、奇数番のワード線WLを選択したときは同じワード線グループのもう1本の奇数番のワード線WLを「H」レベルに立ち上げ、偶数番のワード線WLを選択したときは同じワード線グループのもう1本の偶数番のワード線WLを「H」レベルに立ち上げる。また、行デコーダ2は、メモリブロックMB0,MB1の一方のメモリブロックで奇数番のワード線WLを選択したときは他方のメモリブロックで偶数番のワード線WLを選択する。   Returning to FIG. 1, row decoder 2 selects one of a plurality of digit lines DL in each of memory blocks MB0 and MB1 in accordance with row address signal RA at the time of data writing. In the data read operation, the row decoder 2 selects one of the plurality of word lines WL in each of the memory blocks MB0 and MB1 according to the row address signal RA, and selects the selected word line WL. Is raised to the “H” level of the selection level. At this time, when the odd-numbered word line WL is selected, the row decoder 2 raises the other odd-numbered word line WL in the same word line group to “H” level and selects the even-numbered word line WL. In this case, another even-numbered word line WL in the same word line group is raised to “H” level. When the row decoder 2 selects the odd-numbered word line WL in one of the memory blocks MB0 and MB1, the row decoder 2 selects the even-numbered word line WL in the other memory block.

列デコーダ5は、データ書込時は、列アドレス信号CAに従って、メモリブロックMB0,MB1の各々において、複数列のうちのいずれかの列を選択する。また、列デコーダ5は、データ読出時は、列アドレス信号CAに従って、メモリブロックMB0,MB1の各々において、複数列のうちのいずれかの列を選択し、その列の2本のソース線SL0,SL1のうちの行デコーダ2によって選択されたワード線WLに対応するソース線SL0またはSL1を選択する。このとき列デコーダ5は、ソース線SL0,SL1を選択したときはそれぞれ参照ソース線RSL1,RSL0も選択する。   Column decoder 5 selects one of a plurality of columns in each of memory blocks MB0 and MB1 in accordance with column address signal CA during data writing. In the data read operation, column decoder 5 selects one of a plurality of columns in each of memory blocks MB0 and MB1 in accordance with column address signal CA, and two source lines SL0, The source line SL0 or SL1 corresponding to the word line WL selected by the row decoder 2 in SL1 is selected. At this time, when the column decoder 5 selects the source lines SL0 and SL1, the column decoder 5 also selects the reference source lines RSL1 and RSL0, respectively.

書込/読出回路4は、データ書込時は、メモリブロックMB0,MB1の各々において、行デコーダ2によって選択されたディジット線DLに一定の書込電流を流すとともに、列デコーダ5によって選択された列に対応するビット線BLに書込データ信号D0またはD1に応じた極性の書込電流を流し、メモリセルMCにデータ信号を書込む。   Write / read circuit 4 supplies a constant write current to digit line DL selected by row decoder 2 and is selected by column decoder 5 in each of memory blocks MB0 and MB1 during data writing. A write current having a polarity corresponding to the write data signal D0 or D1 is supplied to the bit line BL corresponding to the column, and the data signal is written to the memory cell MC.

また、書込/読出回路4は、データ読出時は、メモリブロックMB0,MB1の各々において、列デコーダ5によって選択された列のビット線BLと参照ビット線RBLとの各々にバイアス電圧VBを印加するとともに、ソース線SL0,SL1および参照ソース線RSL0,RSL1の各々を接地電圧VSSにする。そして書込/読出回路4は、ソース線SL0,SL1の各々に流れる電流の値と、2本の参照ソース線RSL0,RSL1に流れる電流値の平均値とを比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q0,Q1を外部に出力する。制御回路7は、外部コマンド信号CMDに従ってMRAM全体を制御する。   Write / read circuit 4 applies bias voltage VB to each of bit line BL and reference bit line RBL in the column selected by column decoder 5 in each of memory blocks MB0 and MB1 during data reading. At the same time, the source lines SL0 and SL1 and the reference source lines RSL0 and RSL1 are set to the ground voltage VSS. Then, the write / read circuit 4 compares the value of the current flowing through each of the source lines SL0 and SL1 with the average value of the current values flowing through the two reference source lines RSL0 and RSL1, and determines the logic according to the comparison result. Level data signals Q0 and Q1 are output to the outside. The control circuit 7 controls the entire MRAM according to the external command signal CMD.

詳しく説明すると、書込/読出回路4は、図2に示すように、メモリブロックMB0,MB1の各々に対応して設けられたDLドライバ6、BLドライバ10,13、およびBLバイアス回路16と、メモリブロックMB0,MB1に共通に設けられた列選択ゲート18と、それぞれメモリブロックMB0,MB1に対応して設けられた比較回路19,20とを含む。なお、図2では、図面の簡単化のため、メモリブロックMB1と、それに対応するDLドライバ6、BLドライバ10,13、およびBLバイアス回路16との図示は省略されている。DLドライバ6は、各ディジット線DLに対応して設けられたNチャネルMOSトランジスタ7を含む。各ディジット線DLの一方端は電源電圧VDDのラインに接続され、その他方端は対応のNチャネルMOSトランジスタ7を介して接地電圧VSSのラインに接続される。各NチャネルMOSトランジスタ7のゲートは、信号φDを受ける。   More specifically, as shown in FIG. 2, the write / read circuit 4 includes a DL driver 6, BL drivers 10, 13 and a BL bias circuit 16 provided corresponding to each of the memory blocks MB0 and MB1, Column selection gate 18 provided in common to memory blocks MB0 and MB1 and comparison circuits 19 and 20 provided corresponding to memory blocks MB0 and MB1, respectively. In FIG. 2, the illustration of the memory block MB1, the DL driver 6, the BL drivers 10, 13 and the BL bias circuit 16 corresponding to the memory block MB1 is omitted for simplification of the drawing. DL driver 6 includes an N channel MOS transistor 7 provided corresponding to each digit line DL. One end of each digit line DL is connected to a power supply voltage VDD line, and the other end is connected to a ground voltage VSS line via a corresponding N-channel MOS transistor 7. The gate of each N channel MOS transistor 7 receives signal φD.

データ書込時に、行デコーダ2によって複数のディジット線DLのうちのいずれかのディジット線DLが選択されると、そのディジット線DLに対応する信号φDが活性化レベルの「H」レベルにされ、その信号φDに対応するNチャネルMOSトランジスタ7が導通し、選択されたディジット線DLに書込電流が流れる。   When one of the plurality of digit lines DL is selected by the row decoder 2 during data writing, the signal φD corresponding to the digit line DL is set to the activation level “H” level, N channel MOS transistor 7 corresponding to the signal φD is rendered conductive, and a write current flows through selected digit line DL.

BLドライバ10は、複数のビット線BLおよび参照ビット線RBLの各々に対応して設けられたPチャネルMOSトランジスタ11およびNチャネルMOSトランジスタ12を含む。PチャネルMOSトランジスタ11は、電源電圧VDDのラインと対応のビット線BLまたはRBLの一方端との間に接続され、そのゲートは信号φW1を受ける。NチャネルMOSトランジスタ12は、対応のビット線BLまたはRBLの一方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号φW1を受ける。   BL driver 10 includes a P channel MOS transistor 11 and an N channel MOS transistor 12 provided corresponding to each of a plurality of bit lines BL and reference bit line RBL. P channel MOS transistor 11 is connected between a line of power supply voltage VDD and one end of corresponding bit line BL or RBL, and its gate receives signal φW1. N-channel MOS transistor 12 is connected between one end of corresponding bit line BL or RBL and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal φW1.

BLドライバ13は、複数のビット線BLおよび参照ビット線RBLの各々に対応して設けられたPチャネルMOSトランジスタ14およびNチャネルMOSトランジスタ15を含む。PチャネルMOSトランジスタ14は、電源電圧VDDのラインと対応のビット線BLまたはRBLの他方端との間に接続され、そのゲートは信号φW2を受ける。NチャネルMOSトランジスタ15は、対応のビット線BLまたはRBLの他方端と接地電圧VSSのラインとの間に接続され、そのゲートは信号φW2を受ける。   BL driver 13 includes a P channel MOS transistor 14 and an N channel MOS transistor 15 provided corresponding to each of a plurality of bit lines BL and reference bit line RBL. P-channel MOS transistor 14 is connected between a line of power supply voltage VDD and the other end of corresponding bit line BL or RBL, and has its gate receiving signal φW2. N channel MOS transistor 15 is connected between the other end of corresponding bit line BL or RBL and the line of ground voltage VSS, and has its gate receiving signal φW2.

データ書込時において、データ信号D0が「H」レベルの場合は、たとえば、列デコーダ3によって選択された列のビット線BLまたはRBLに対応する信号φW1,φW2がそれぞれ「L」レベルおよび「H」レベルにされる。これにより、そのビット線BLまたはRBLに対応するトランジスタ11,15が導通するとともにトランジスタ12,14が非導通になり、電源電圧VDDのラインからトランジスタ11、ビット線BLまたはRBL、およびトランジスタ15を介して接地電圧VSSのラインに書込電流が流れる。   When data signal D0 is at “H” level during data writing, for example, signals φW1 and φW2 corresponding to bit line BL or RBL of the column selected by column decoder 3 are at “L” level and “H” level, respectively. To the level. As a result, the transistors 11 and 15 corresponding to the bit line BL or RBL become conductive and the transistors 12 and 14 become non-conductive, and the transistor 11, the bit line BL or RBL, and the transistor 15 are connected from the power supply voltage VDD line. Thus, a write current flows through the line of the ground voltage VSS.

また、データ書込時において、データ信号D0が「L」レベルの場合は、たとえば、列デコーダ3によって選択された列のビット線BLまたはRBLに対応する信号φW1,φW2がそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされる。これにより、そのビット線BLまたはRBLに対応するトランジスタ12,14が導通するとともにトランジスタ11,15が非導通になり、電源電圧VDDのラインからトランジスタ14、ビット線BLまたはRBL、およびトランジスタ12を介して接地電圧VSSのラインに書込電流が流れる。   At the time of data writing, if data signal D0 is at “L” level, for example, signals φW1 and φW2 corresponding to bit line BL or RBL in the column selected by column decoder 3 are at “H” level and It is set to “L” level. As a result, the transistors 12 and 14 corresponding to the bit line BL or RBL are turned on and the transistors 11 and 15 are turned off, and the transistor 14, the bit line BL or RBL, and the transistor 12 are connected from the power supply voltage VDD line. Thus, a write current flows through the line of the ground voltage VSS.

したがって、DLドライバ6によって1本のディジット線DLに書込電流を流すとともに、BLドライバ10,16によって1本のビット線BLまたはRBLに書込データ信号Dに応じた方向の書込電流を流すことにより、そのディジット線DLとそのビット線BLまたはRBLとの交差部のメモリセルMCにデータ信号Dを書き込むことができる。   Accordingly, a write current is supplied to one digit line DL by the DL driver 6 and a write current in a direction corresponding to the write data signal D is supplied to one bit line BL or RBL by the BL drivers 10 and 16. Thus, the data signal D can be written to the memory cell MC at the intersection of the digit line DL and the bit line BL or RBL.

また、BLバイアス回路16は、複数のビット線BLおよび参照ビット線RBLの各々に対応して設けられたNチャネルMOSトランジスタ17を含む。各NチャネルMOSトランジスタ17のドレインはバイアス電圧VBを受け、そのソースは対応のビット線BLまたはRBLに接続され、そのゲートは信号φRを受ける。   BL bias circuit 16 includes an N-channel MOS transistor 17 provided corresponding to each of the plurality of bit lines BL and reference bit line RBL. The drain of each N channel MOS transistor 17 receives a bias voltage VB, its source is connected to the corresponding bit line BL or RBL, and its gate receives a signal φR.

データ読出時に、列デコーダ3によって複数列のうちのいずれかの列が選択されると、その列のビット線BLと参照ビット線RBLとに対応する信号φRが活性化レベルの「H」レベルにされる。これにより、その信号φRに対応するNチャネルMOSトランジスタ17が導通し、その信号φRに対応するビット線BLおよびRBLにバイアス電圧VBが印加される。   When one of a plurality of columns is selected by column decoder 3 at the time of data reading, signal φR corresponding to bit line BL and reference bit line RBL of that column is set to the activation level “H” level. Is done. As a result, N channel MOS transistor 17 corresponding to signal φR is rendered conductive, and bias voltage VB is applied to bit lines BL and RBL corresponding to signal φR.

列選択ゲート18は、データ読出時に、列デコーダ3によって選択されたメモリブロックMB0のソース線SL0またはSL1を比較回路19の一方入力ノード19aに接続するとともに、参照ソース線RSL1またはRSL0を比較回路19の他方入力ノード19bに接続する。また、列選択ゲート18は、データ読出時に、列デコーダ3によって選択されたメモリブロックMB1のソース線SL0またはSL1を比較回路20の一方入力ノード20aに接続するとともに、参照ソース線RSL1またはRSL0を比較回路20の他方入力ノード20bに接続する。比較回路19,20の他方入力ノード19b,20bは互いに接続されている。   The column selection gate 18 connects the source line SL0 or SL1 of the memory block MB0 selected by the column decoder 3 to one input node 19a of the comparison circuit 19 and reads the reference source line RSL1 or RSL0 at the time of data reading. To the other input node 19b. Column select gate 18 connects source line SL0 or SL1 of memory block MB1 selected by column decoder 3 to one input node 20a of comparison circuit 20 and compares reference source line RSL1 or RSL0 during data reading. Connected to the other input node 20b of the circuit 20. The other input nodes 19b and 20b of the comparison circuits 19 and 20 are connected to each other.

比較回路19は、選択されたソース線SL0またはSL1に流れる電流の値と、参照ソース線RSL0,RSL1に流れる電流の平均値とを比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q0を出力する。比較回路20は、選択されたソース線SL0またはSL1に流れる電流の値と、参照ソース線RSL0,RSL1に流れる電流の平均値とを比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q1を出力する。   The comparison circuit 19 compares the value of the current flowing through the selected source line SL0 or SL1 with the average value of the current flowing through the reference source lines RSL0 and RSL1, and outputs a data signal Q0 having a logic level according to the comparison result. To do. The comparison circuit 20 compares the value of the current flowing through the selected source line SL0 or SL1 with the average value of the current flowing through the reference source lines RSL0 and RSL1, and outputs a data signal Q1 having a logic level according to the comparison result. To do.

図8は、比較回路19,20の構成を示す回路図である。図8では、列選択ゲート18によって、ソース線SL0,SL1が比較回路19,20の一方入力ノード19a,20aにそれぞれ接続され、参照ソース線RSL1,RSL0が比較回路19,20の他方入力ノード19b,20bにそれぞれ接続された状態が示されている。参照ソース線RSL0,RSL1に対応するトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値はそれぞれ高レベル値RHおよび低レベル値RLに設定され、ソース線SL0,SL1に対応するトンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値R0,R1の各々は高レベル値RHまたは低レベル値RLに設定されている。また、ビット線BLおよび参照ビット線RBLの各々にはバイアス電圧VB(たとえば0.3〜2V程度の電圧)が印加されている。   FIG. 8 is a circuit diagram showing the configuration of the comparison circuits 19 and 20. In FIG. 8, the column selection gate 18 connects the source lines SL0 and SL1 to the one input nodes 19a and 20a of the comparison circuits 19 and 20, respectively, and the reference source lines RSL1 and RSL0 are the other input nodes 19b of the comparison circuits 19 and 20, respectively. , 20b are shown connected. The resistance values of the tunnel magnetoresistive elements TMR corresponding to the reference source lines RSL0 and RSL1 are set to the high level value RH and the low level value RL, respectively, and the resistance values R0, RMR of the tunnel magnetoresistive elements TMR corresponding to the source lines SL0, SL1 are set. Each of R1 is set to a high level value RH or a low level value RL. A bias voltage VB (for example, a voltage of about 0.3 to 2 V) is applied to each of the bit line BL and the reference bit line RBL.

図8において、比較回路19は、PチャネルMOSトランジスタ21,22、NチャネルMOSトランジスタ23,24、および差動アンプ25を含む。トランジスタ21,23は一方入力ノード19aと負電圧VN(たとえば−0.7V)のラインとの間に直列接続され、トランジスタ22,24は他方入力ノード19bと負電圧VNのラインとの間に直列接続されている。   In FIG. 8, comparison circuit 19 includes P channel MOS transistors 21 and 22, N channel MOS transistors 23 and 24, and differential amplifier 25. Transistors 21 and 23 are connected in series between one input node 19a and a negative voltage VN (for example, -0.7V) line, and transistors 22 and 24 are connected in series between the other input node 19b and a negative voltage VN line. It is connected.

PチャネルMOSトランジスタ21,22は、入力ノード19a,19bの電圧を接地電圧VSSに固定するクランプ回路を構成する。すなわち、PチャネルMOSトランジスタ21,22のゲートには所定の電圧VSANが印加されている。電圧VSANは、入力ノード19a,19bの電圧が接地電圧VSSになるように予め設定されている。電圧VSANは、0VからPチャネルMOSトランジスタ21,22のしきい値電圧の絶対値|Vthp|を減算した電圧よりも若干大きな電圧0−|Vthp|+αである。   P-channel MOS transistors 21 and 22 constitute a clamp circuit that fixes the voltages of input nodes 19a and 19b to ground voltage VSS. That is, a predetermined voltage VSAN is applied to the gates of the P channel MOS transistors 21 and 22. The voltage VSAN is set in advance so that the voltages of the input nodes 19a and 19b become the ground voltage VSS. Voltage VSAN is a voltage 0− | Vthp | + α that is slightly larger than the voltage obtained by subtracting the absolute value | Vthp | of the threshold voltage of P channel MOS transistors 21 and 22 from 0V.

NチャネルMOSトランジスタ23,24のゲートには接地電圧VSSが印加され、それらのバックゲートには負電圧VNが印加されている。NチャネルMOSトランジスタ23,24の各々は、所定の抵抗値を有する負荷抵抗素子を構成する。トランジスタ23のドレインには、ソース線SL0に流れる電流の値とトランジスタ23の抵抗値との積である電圧が発生する。トランジスタ24のドレインには、参照ソース線RSL0およびRSL1に流れる電流の平均値とトランジスタ23の抵抗値との積である電圧が発生する。   A ground voltage VSS is applied to the gates of the N-channel MOS transistors 23 and 24, and a negative voltage VN is applied to their back gates. Each of N channel MOS transistors 23 and 24 constitutes a load resistance element having a predetermined resistance value. A voltage that is the product of the value of the current flowing through the source line SL 0 and the resistance value of the transistor 23 is generated at the drain of the transistor 23. A voltage that is the product of the average value of the currents flowing through the reference source lines RSL 0 and RSL 1 and the resistance value of the transistor 23 is generated at the drain of the transistor 24.

差動アンプ25は、トランジスタ23と24のドレイン電圧を比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q0を出力する。たとえば、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値が高レベル値RHである場合のデータ信号を「H」レベル(データ「1」)とし、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値が低レベル値RLである場合のデータ信号を「L」レベル(データ「0」)とする。この場合は、差動アンプ25は、トランジスタ23のドレイン電圧がトランジスタ24のドレイン電圧よりも低い場合にデータ信号Q0を「H」レベルにし、高い場合にデータ信号Q0を「L」レベルにする。   The differential amplifier 25 compares the drain voltages of the transistors 23 and 24 and outputs a data signal Q0 having a logic level corresponding to the comparison result. For example, when the resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR is high level value RH, the data signal is “H” level (data “1”), and the resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR is low level value RL. Are set to the “L” level (data “0”). In this case, the differential amplifier 25 sets the data signal Q0 to “H” level when the drain voltage of the transistor 23 is lower than the drain voltage of the transistor 24, and sets the data signal Q0 to “L” level when it is higher.

比較回路20も比較回路19と同じ構成である。比較回路20では、トランジスタ23のドレインには、ソース線SL1に流れる電流の値とトランジスタ23の抵抗値との積である電圧が発生する。トランジスタ24のドレインには、参照ソース線RSL0およびRSL1に流れる電流の平均値とトランジスタ23の抵抗値との積である電圧が発生する。差動アンプ25は、トランジスタ23と24のドレイン電圧を比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q1を出力する。   The comparison circuit 20 has the same configuration as the comparison circuit 19. In the comparison circuit 20, a voltage that is the product of the value of the current flowing through the source line SL1 and the resistance value of the transistor 23 is generated at the drain of the transistor 23. A voltage that is the product of the average value of the currents flowing through the reference source lines RSL 0 and RSL 1 and the resistance value of the transistor 23 is generated at the drain of the transistor 24. The differential amplifier 25 compares the drain voltages of the transistors 23 and 24 and outputs a data signal Q1 having a logic level corresponding to the comparison result.

この実施の形態1では、各行にワード線WLを設けるとともに各列にビット線BLおよびソース線SL0,SL1を設け、ソース線SL0,SL1を介してメモリセルMCの記憶データを読み出すので、寄生容量が大きなビット線BLを介してメモリセルMCの記憶データを読み出していた従来に比べ、データ読出を迅速に行なうことができる。   In the first embodiment, the word line WL is provided in each row, the bit line BL and the source lines SL0 and SL1 are provided in each column, and the storage data of the memory cell MC is read through the source lines SL0 and SL1, so that the parasitic capacitance Compared to the conventional case where the stored data of the memory cell MC is read via the bit line BL having a large length, the data can be read quickly.

また、ソース線SL0,SL1,RSL0,RSL1の各々を接地電圧VSSにクランプするので、ソース線SL0,SL1,RSL0,RSL1の電圧が上昇してアクセストランジスタATRの抵抗値が高くなり、読出速度が低下するのを防止することができる。   In addition, since each of source lines SL0, SL1, RSL0, and RSL1 is clamped to ground voltage VSS, the voltages of source lines SL0, SL1, RSL0, and RSL1 are increased, the resistance value of access transistor ATR is increased, and the reading speed is increased. It is possible to prevent the decrease.

[実施の形態2]
図9は、この発明の実施の形態2によるMRAMの要部を示す回路図であって、図8と対比される図である。図9において、このMRAMが実施の形態1のMRAMと異なる点は、比較回路19,20がそれぞれ比較回路30,31で置換されている点である。図9では、列選択ゲート18によって、ソース線SL0,SL1が比較回路30,31の一方入力ノード30a,31aにそれぞれ接続され、参照ソース線RSL1,RSL0が比較回路30,31の他方入力ノード30b,31bにそれぞれ接続された状態が示されている。また、ビット線BLおよび参照ビット線RBLの各々にはバイアス電圧VB(たとえば0.3〜2V程度の電圧)が印加されている。
[Embodiment 2]
FIG. 9 is a circuit diagram showing the main part of the MRAM according to the second embodiment of the present invention, which is compared with FIG. In FIG. 9, the MRAM differs from the MRAM according to the first embodiment in that the comparison circuits 19 and 20 are replaced with comparison circuits 30 and 31, respectively. In FIG. 9, the source lines SL0 and SL1 are connected to one input nodes 30a and 31a of the comparison circuits 30 and 31, respectively, and the reference source lines RSL1 and RSL0 are connected to the other input node 30b of the comparison circuits 30 and 31, respectively. , 31b are shown connected. A bias voltage VB (for example, a voltage of about 0.3 to 2 V) is applied to each of the bit line BL and the reference bit line RBL.

図9において、比較回路30は、PチャネルMOSトランジスタ32,33、NチャネルMOSトランジスタ34〜37、および差動アンプ38を含む。トランジスタ32,34,36は、電源電圧VDD(たとえば1.2V)のラインと負電圧VN(たとえば−0.7V)のラインとの間に直列接続され、トランジスタ33,35,37は電源電圧VDDのラインと負電圧VNのラインとの間に直列接続されている。トランジスタ34,35のソースは、それぞれ入力ノード30a,30bに接続される。   In FIG. 9, comparison circuit 30 includes P-channel MOS transistors 32 and 33, N-channel MOS transistors 34 to 37, and differential amplifier 38. Transistors 32, 34, and 36 are connected in series between a line of power supply voltage VDD (for example, 1.2V) and a line of negative voltage VN (for example, -0.7V), and transistors 33, 35, and 37 are connected to power supply voltage VDD. And the negative voltage VN line are connected in series. The sources of the transistors 34 and 35 are connected to the input nodes 30a and 30b, respectively.

PチャネルMOSトランジスタ32,33のゲートには、接地電圧VSSが印加されている。PチャネルMOSトランジスタ32,33の各々は、所定の抵抗値を有する負荷抵抗素子を構成する。   A ground voltage VSS is applied to the gates of the P-channel MOS transistors 32 and 33. Each of P channel MOS transistors 32 and 33 constitutes a load resistance element having a predetermined resistance value.

NチャネルMOSトランジスタ34,35は、入力ノード30a,30bの電圧を接地電圧VSSに固定するクランプ回路を構成する。すなわち、PチャネルMOSトランジスタ34,35のゲートには所定の電圧VSAPが印加されている。電圧VSAPは、入力ノード30a,30bの電圧が接地電圧VSSになるように予め設定されている。電圧VSAPは、NチャネルMOSトランジスタ34,35のしきい値電圧Vthnよりも若干小さな電圧Vthn−αである。   N-channel MOS transistors 34 and 35 constitute a clamp circuit that fixes the voltage of input nodes 30a and 30b to ground voltage VSS. That is, a predetermined voltage VSAP is applied to the gates of the P channel MOS transistors 34 and 35. The voltage VSAP is set in advance so that the voltages of the input nodes 30a and 30b become the ground voltage VSS. Voltage VSAP is a voltage Vthn-α that is slightly smaller than threshold voltage Vthn of N-channel MOS transistors 34 and 35.

NチャネルMOSトランジスタ36,37のゲートには接地電圧VSSが印加され、それらのバックゲートには負電圧VNが印加されている。NチャネルMOSトランジスタ36,37の各々は、所定の抵抗値を有する負荷抵抗素子を構成する。入力ノード30a,30bの電圧が接地電圧VSSに固定されているので、NチャネルMOSトランジスタ36,37の各々には一定の電流が流れる。   A ground voltage VSS is applied to the gates of the N-channel MOS transistors 36 and 37, and a negative voltage VN is applied to their back gates. Each of N channel MOS transistors 36 and 37 constitutes a load resistance element having a predetermined resistance value. Since the voltages of input nodes 30a and 30b are fixed to ground voltage VSS, a constant current flows through each of N channel MOS transistors 36 and 37.

トランジスタ32には、トランジスタ36に流れる定電流Iとソース線SL0に流れる電流ISL0との差の電流I32=I−ISL0が流れる。トランジスタ32の抵抗値をRとすると、トランジスタ32のドレイン電圧V32は、V32=VDD−R×I32=VDD−R×(I−ISL0)となる。また、参照ソース線RSL0とRSL1に流れる電流の平均値をITHとすると、トランジスタ33のドレイン電圧V33は、V33=VDD−R×(I−ITH)となる。 A current I 32 = I C −I SL0, which is the difference between the constant current I C flowing through the transistor 36 and the current I SL0 flowing through the source line SL 0, flows through the transistor 32 . When the resistance value of the transistor 32 is R C , the drain voltage V 32 of the transistor 32 is V 32 = VDD−R C × I 32 = VDD−R C × (I C −I SL0 ). Further, when the average value of the currents flowing through the reference source lines RSL0 and RSL1 is I TH , the drain voltage V 33 of the transistor 33 is V 33 = VDD− RC × (I C −I TH ).

差動アンプ38は、トランジスタ32,33のドレイン電圧V32,V33を比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q0を出力する。たとえば、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値が高レベル値RHである場合のデータ信号を「H」レベル(データ「1」)とし、トンネル磁気抵抗素子TMRの抵抗値が低レベル値RLである場合のデータ信号を「L」レベル(データ「0」)とする。この場合は、差動アンプ38は、トランジスタ32のドレイン電圧V32がトランジスタ33のドレイン電圧V33よりも低い場合にデータ信号Q0を「H」レベルにし、高い場合にデータ信号Q0を「L」レベルにする。 The differential amplifier 38 compares the drain voltages V 32 and V 33 of the transistors 32 and 33 , and outputs a data signal Q0 having a logic level corresponding to the comparison result. For example, when the resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR is high level value RH, the data signal is “H” level (data “1”), and the resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR is low level value RL. Are set to the “L” level (data “0”). In this case, the differential amplifier 38, and a data signal Q0 to the "H" level when the drain voltage V 32 of the transistor 32 is lower than the drain voltage V 33 of the transistor 33, "L" data signal Q0 is higher To level.

比較回路31も比較回路30と同じ構成である。比較回路31では、トランジスタ32には、トランジスタ36に流れる定電流Iとソース線SL1に流れる電流ISL1との差の電流I32=I−ISL1が流れる。トランジスタ32のドレイン電圧V32は、V32=VDD−R×(I−ISL1)となる。また、トランジスタ33のドレイン電圧V33は、V33=VDD−R×(I−ITH)となる。差動アンプ38は、トランジスタ32,33のドレイン電圧V32,V33を比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号Q1を出力する。 The comparison circuit 31 has the same configuration as the comparison circuit 30. In the comparison circuit 31, a current I 32 = I C −I SL1, which is the difference between the constant current I C flowing in the transistor 36 and the current I SL1 flowing in the source line SL 1, flows in the transistor 32. The drain voltage V 32 of the transistor 32 is V 32 = VDD− RC × (I C −I SL1 ). The drain voltage V 33 of the transistor 33 becomes V 33 = VDD-R C × (I C -I TH). The differential amplifier 38 compares the drain voltages V 32 and V 33 of the transistors 32 and 33 , and outputs a data signal Q1 having a logic level corresponding to the comparison result.

この実施の形態2でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。また、接地電圧VSSにクランプしたい入力ノード(たとえば30a)と負電圧VNのラインとの間に1つのトランジスタ36しか接続されていないので、入力ノード(たとえば19a)と負電圧VNのラインとの間に2つのトランジスタ21,23が接続されている実施の形態1よりも、負電圧VNの絶対値を小さくすることができ、負電圧発生回路の構成の簡単化を図ることができる。また、クランプ回路を構成するトランジスタ34,35のゲート電圧VSAPを正電圧にできるので、トランジスタ21,22のゲート電圧VSANが負電圧である実施の形態1に比べ、トランジスタ34,35のゲート電圧VSAPを容易に調整することができる。   Also in this second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Also, since only one transistor 36 is connected between the input node (for example, 30a) to be clamped to the ground voltage VSS and the negative voltage VN line, it is between the input node (for example, 19a) and the negative voltage VN line. The absolute value of the negative voltage VN can be made smaller than in the first embodiment in which the two transistors 21 and 23 are connected to each other, and the configuration of the negative voltage generating circuit can be simplified. Further, since the gate voltage VSAP of the transistors 34 and 35 constituting the clamp circuit can be made positive, the gate voltage VSAP of the transistors 34 and 35 is compared with the first embodiment in which the gate voltage VSAN of the transistors 21 and 22 is negative. Can be adjusted easily.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

この発明の実施の形態1によるMRAMの全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of MRAM by Embodiment 1 of this invention. 図1に示したメモリアレイおよび書込/読出回路の構成を示す回路ブロック図である。FIG. 2 is a circuit block diagram showing a configuration of a memory array and a write / read circuit shown in FIG. 1. 図2に示したメモリセルの構成を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a memory cell shown in FIG. 2. 図3に示したメモリセルのデータ書込方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of writing data in the memory cell shown in FIG. 3. 図3に示したメモリセルのデータ書込方法を説明するための他の図である。FIG. 4 is another diagram for explaining a data writing method of the memory cell shown in FIG. 3. 図3に示したメモリセルのデータ読出方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a data reading method of the memory cell shown in FIG. 3. 図2に示したメモリアレイのレイアウトを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a layout of the memory array shown in FIG. 2. 図2に示した比較回路の構成を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a comparison circuit shown in FIG. 2. この発明の実施の形態2によるMRAMの要部を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the principal part of MRAM by Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 メモリアレイ、MB メモリブロック、2 行デコーダ、3 列デコーダ、4 書込/読出回路、5 制御回路、MC メモリセル、WL ワード線、DL ディジット線、BL ビット線、RBL 参照ビット線、SL ソース線、RSL 参照ソース線、6 DLドライバ、7,12,17,23,24,34,37 NチャネルMOSトランジスタ、10,13 BLドライバ、11,14,21,22,32,33 PチャネルMOSトランジスタ、18 列選択ゲート、19,20,30,31 比較回路、TMR トンネル磁気抵抗素子、ATR アクセストランジスタ、EL 電極、FL 固定磁化膜、TB トンネル絶縁膜、VL 自由磁化膜、ND N型拡散領域、CH コンタクトホール、25,38 差動アンプ。   1 memory array, MB memory block, 2 row decoder, 3 column decoder, 4 write / read circuit, 5 control circuit, MC memory cell, WL word line, DL digit line, BL bit line, RBL reference bit line, SL source Line, RSL reference source line, 6 DL driver, 7, 12, 17, 23, 24, 34, 37 N channel MOS transistor, 10, 13 BL driver, 11, 14, 21, 22, 32, 33 P channel MOS transistor , 18 column selection gate, 19, 20, 30, 31 comparison circuit, TMR tunnel magnetoresistive element, ATR access transistor, EL electrode, FL fixed magnetization film, TB tunnel insulation film, VL free magnetization film, NDN type diffusion region, CH contact hole, 25, 38 differential amplifier.

Claims (2)

複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、それぞれ前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のビット線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のソース線とを含むメモリアレイを備え、
各メモリセルは、抵抗値のレベル変化によってデータを記憶する抵抗体記憶素子と、対応のビット線とソース線の間に前記抵抗体記憶素子と直列接続され、対応のワード線が選択レベルにされたことに応じて導通するトランジスタとを有し、
さらに、前記複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルに対応するワード線を選択レベルにし、前記選択されたメモリセルのトランジスタを導通させる行デコーダと、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線を介して、前記選択されたメモリセルのデータを読み出す読出回路とを備え、
前記読出回路は、
前記選択されたメモリセルに対応するビット線に予め定められたバイアス電圧を印加するビット線バイアス回路と、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線の電圧を接地電圧にするクランプ回路とを含み、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線に流れる電流に基づいて、前記選択されたメモリセルのデータを読み出し、
前記クランプ回路は、そのソースが前記選択されたメモリセルに対応するソース線に接続され、そのゲートが予め定められた電圧を受けるPチャネルMOSトランジスタを含み、
前記読出回路は、
その一方電極が前記PチャネルMOSトランジスタのドレインに接続され、その他方電極が予め定められた負電圧を受ける負荷素子と、
前記負荷素子の一方電極の電圧と予め定められた基準電圧とを比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号を出力する比較回路とを含む、不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, a plurality of bit lines provided corresponding to the plurality of columns, respectively, A memory array including a plurality of source lines provided corresponding to a plurality of columns;
Each memory cell is connected in series with a resistor memory element that stores data according to a change in resistance value level, and a corresponding bit line and a source line, and the corresponding word line is set to a selected level. And a transistor that conducts in response to
A row decoder for setting a word line corresponding to the selected memory cell of the plurality of memory cells to a selection level and conducting a transistor of the selected memory cell;
A read circuit for reading data of the selected memory cell via a source line corresponding to the selected memory cell;
The readout circuit includes:
A bit line bias circuit for applying a predetermined bias voltage to the bit line corresponding to the selected memory cell;
A clamp circuit for setting the voltage of the source line corresponding to the selected memory cell to the ground voltage,
Based on the current flowing through the source line corresponding to the selected memory cell, and read out the data of the selected memory cell,
The clamp circuit includes a P-channel MOS transistor having a source connected to a source line corresponding to the selected memory cell and a gate receiving a predetermined voltage,
The readout circuit includes:
A load element having one electrode connected to the drain of the P-channel MOS transistor and the other electrode receiving a predetermined negative voltage;
A non-volatile semiconductor memory device including a comparison circuit that compares a voltage of one electrode of the load element with a predetermined reference voltage and outputs a data signal of a logic level according to the comparison result .
複数行複数列に配置された複数のメモリセルと、それぞれ前記複数行に対応して設けられた複数のワード線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のビット線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のソース線とを含むメモリアレイを備え、
各メモリセルは、抵抗値のレベル変化によってデータを記憶する抵抗体記憶素子と、対応のビット線とソース線の間に前記抵抗体記憶素子と直列接続され、対応のワード線が選択レベルにされたことに応じて導通するトランジスタとを有し、
さらに、前記複数のメモリセルのうちの選択されたメモリセルに対応するワード線を選択レベルにし、前記選択されたメモリセルのトランジスタを導通させる行デコーダと、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線を介して、前記選択されたメモリセルのデータを読み出す読出回路とを備え、
前記読出回路は、
前記選択されたメモリセルに対応するビット線に予め定められたバイアス電圧を印加するビット線バイアス回路と、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線の電圧を接地電圧にするクランプ回路とを含み、
前記選択されたメモリセルに対応するソース線に流れる電流に基づいて、前記選択されたメモリセルのデータを読み出し、
前記クランプ回路は、そのソースが前記選択されたメモリセルに対応するソース線に接続され、そのゲートが予め定められた電圧を受けるNチャネルMOSトランジスタを含み、
前記読出回路は、
その一方電極が前記NチャネルMOSトランジスタのソースに接続され、その他方電極が予め定められた負電圧を受ける第1の負荷素子と、
その一方電極が電源電圧を受け、その他方電極が前記NチャネルMOSトランジスタのドレインに接続された第2の負荷素子と、
前記第2の負荷素子の他方電極の電圧と予め定められた基準電圧とを比較し、比較結果に応じた論理レベルのデータ信号を出力する比較回路とを含む、不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of memory cells arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a plurality of word lines provided corresponding to the plurality of rows, a plurality of bit lines provided corresponding to the plurality of columns, respectively, A memory array including a plurality of source lines provided corresponding to a plurality of columns;
Each memory cell is connected in series with a resistor memory element that stores data according to a change in resistance value level, and a corresponding bit line and a source line, and the corresponding word line is set to a selected level. And a transistor that conducts in response to
A row decoder for setting a word line corresponding to the selected memory cell of the plurality of memory cells to a selection level and conducting a transistor of the selected memory cell;
A read circuit for reading data of the selected memory cell via a source line corresponding to the selected memory cell;
The readout circuit includes:
A bit line bias circuit for applying a predetermined bias voltage to the bit line corresponding to the selected memory cell;
A clamp circuit for setting the voltage of the source line corresponding to the selected memory cell to the ground voltage,
Based on the current flowing in the source line corresponding to the selected memory cell, the data of the selected memory cell is read,
The clamp circuit includes an N-channel MOS transistor having a source connected to a source line corresponding to the selected memory cell and a gate receiving a predetermined voltage.
The readout circuit includes:
A first load element having one electrode connected to the source of the N-channel MOS transistor and the other electrode receiving a predetermined negative voltage;
A second load element having one electrode receiving a power supply voltage and the other electrode connected to the drain of the N-channel MOS transistor;
The second compares the voltage with a predetermined reference voltage of the other electrode of the load element, and a comparator circuit for outputting a logic level of the data signal corresponding to the comparison result, nonvolatile semiconductor memory device.
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