JP5331998B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor storage device having the small number of wiring layers. <P>SOLUTION: In this nonvolatile semiconductor storage device, a plurality of memory blocks MB which contain: a plurality of memory cells MC arranged in a plurality of rows and a plurality of columns; a word line WL and a digit line DL provided corresponding to each row; and a bit line BL provided corresponding to each column are put in order in an extension direction of the word line WL, and a metal piling word line MWL is provided in common for the plurality of memory blocks MB corresponding to each word line WL, wherein a magnetic field application current I<SB>DL</SB>is caused to flow in the digit line DL corresponding to the metal piling word line MWL which is set to a selection level of the selected memory blocks MB. Accordingly, as a digit line driving circuit DD is controlled via the metal piling word line MWL, a main digit MDL line is not needed and the number of wiring layers becomes small. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、抵抗値の変化によってデータを記憶するトンネル磁気抵抗素子を用い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 using a tunnel magnetoresistive element that stores data by changing a resistance value.

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(たとえば特許文献1および非特許文献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, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

このMRAMでは、ワード線およびディジット線とビット線との交差部にトンネル磁気抵抗素子およびトランジスタを含むメモリセルが配置される。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接地され、トランジスタのゲートはワード線に接続される。書込動作時は、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ビット線に流し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、ワード線を選択レベルにしてトランジスタを導通させ、ビット線から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。   In this MRAM, a memory cell including a tunnel magnetoresistive element and a transistor is arranged at an intersection of a word line and a digit line and a bit line. One electrode of the tunnel magnetoresistive element is connected to the bit line, the other electrode is grounded through the transistor, and the gate of the transistor is connected to the word line. In the write operation, a magnetic field application current is supplied to the digit line, and a write current having a polarity corresponding to the write data is supplied to the bit line to place the tunnel magnetoresistive element in a high resistance state or a low resistance state. During the read operation, the word line is set to the selected level to make the transistor conductive, and the current flowing out from the bit line through the tunnel magnetoresistive element and the transistor is detected to read the stored data.

また、いわゆる折り返しビット線構成を採用したMRAMもある。このMRAMでは、各行に対応して2本のワード線が設けられる。同じ行の隣接する2つのメモリセルのうちの一方のメモリセルは、対応の2本のワード線のうちのいずれか一方のワード線と対応のビット線との交点に配置され、他方のメモリセルは他方のワード線と対応のビット線との交点に配置される。このMRAMでは、2本のビット線に発生した同相ノイズを除去してデータ読出を正確に行なうことができる。
米国特許第7,019,370号明細書 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
There is also an MRAM that employs a so-called folded bit line configuration. In this MRAM, two word lines are provided corresponding to each row. One memory cell of two adjacent memory cells in the same row is arranged at the intersection of one of the corresponding two word lines and the corresponding bit line, and the other memory cell Is arranged at the intersection of the other word line and the corresponding bit line. In this MRAM, the common-mode noise generated in the two bit lines can be removed and data can be read accurately.
US Pat. No. 7,019,370 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、ポリ−シリコン製のワード線の上方にメタル杭打ちワード線を形成し、ワード線とメタル杭打ちワード線を複数箇所で接続することにより、配線抵抗を低減させてワード線電位の立ち上がり時間を低減させ、読出動作の高速化を図っている。   In such an MRAM, a metal piled word line is formed above the word line made of poly-silicon, and the word line and the metal piled word line are connected at a plurality of locations, thereby reducing the wiring resistance and the word line. The rise time of the potential is reduced to speed up the reading operation.

また、ディジット線には所定の書込電流IDLを流す必要があるので、電源電圧VDDを書込電流IDLで除算した値VDD/IDLよりもディジット線の抵抗値RDLが小さくなるように、ディジット線の長さを制限する必要がある。この対策として、メモリアレイを複数のメモリブロックに分割し、各メモリブロックにディジット線を設け、複数のメモリブロックに共通のメインディジット線を設け、メインディジット線とブロック選択信号でディジット線を制御する方法、すなわちディジット線を階層化する方法がある(図9参照)。 Further, since it is necessary to pass a predetermined write current I DL through the digit line, the resistance value R DL of the digit line becomes smaller than the value VDD / I DL obtained by dividing the power supply voltage VDD by the write current I DL. In addition, it is necessary to limit the length of the digit line. As a countermeasure, the memory array is divided into a plurality of memory blocks, digit lines are provided for each memory block, a common main digit line is provided for the plurality of memory blocks, and the digit lines are controlled by the main digit line and the block selection signal. There is a method, that is, a method of hierarchizing digit lines (see FIG. 9).

しかし、メタル杭打ちワード線とメインディジット線の両方を採用すると、配線層の数が増加し、工程数が増加し、製造コストが高くなるという問題がある。   However, when both the metal piled word line and the main digit line are employed, there are problems that the number of wiring layers increases, the number of processes increases, and the manufacturing cost increases.

それゆえに、この発明の主たる目的は、配線層の数が少ない不揮発性半導体記憶装置を提供することである。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device having a small number of wiring layers.

この発明の一実施例による不揮発性半導体記憶装置は、複数のメモリブロックに分割されたメモリアレイを備えたものである。各メモリブロックは、複数行複数列に配置され、各々が抵抗値の変化によってデータを記憶するトンネル磁気抵抗素子を含む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組の2本のワード線と、それぞれ複数行に対応して設けられた複数のディジット線と、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を含む。同じ行の隣接する2つのメモリセルのうちの一方のメモリセルは、対応の2本のワード線のうちのいずれか一方のワード線と対応のビット線との交点に配置され、他方のメモリセルは対応の2本のワード線のうちの他方のワード線と対応のビット線との交点に配置されている。複数のメモリブロックはワード線の延在方向に配列されている。この不揮発性半導体記憶装置は、さらに、2本の杭打ちワード線と、行デコーダと、列デコーダと、ディジット線駆動回路と、ビット線駆動回路とを備える。2本の杭打ちワード線は、各に対応して複数のメモリブロックに共通に設けられ、それぞれ対応の各組の2本のワード線に接続される。行デコーダは、行アドレス信号に従って、複数行のうちのいずれかの行と、その行に属する2本の杭打ちワード線のうちのいずれかの杭打ちワード線を選択し、選択した杭打ちワード線を選択レベルにする。列デコーダは、列アドレス信号に従って、複数のビット線のうちのいずれかのビット線を選択する。ディジット線駆動回路は、各ディジット線に対応して設けられ、書込動作時に、対応の行の2本の杭打ちワード線のうちのいずれか一方の杭打ちワード線が選択レベルにされたことに応じて対応のディジット線に磁場印加電流を流す。ビット線駆動回路は、書込動作時に、列デコーダによって選択されたビット線に書込電流を流す。 A nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention includes a memory array divided into a plurality of memory blocks. Each memory block is arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, each of which includes a plurality of memory cells including a tunnel magnetoresistive element that stores data by a change in resistance value, and a plurality of sets of 2 provided corresponding to a plurality of rows This includes a word line, a plurality of digit lines provided corresponding to a plurality of rows, and a plurality of bit lines provided corresponding to a plurality of columns, respectively. One memory cell of two adjacent memory cells in the same row is arranged at the intersection of one of the corresponding two word lines and the corresponding bit line, and the other memory cell Are arranged at the intersection of the other of the two corresponding word lines and the corresponding bit line. The plurality of memory blocks are arranged in the extending direction of the word lines. The nonvolatile semiconductor memory device further includes two piled word lines, a row decoder, a column decoder, a digit line driving circuit, and a bit line driving circuit. Two piling word line corresponding to each row is provided in common to a plurality of memory blocks are connected to two word lines of each set of corresponding. The row decoder selects one of the plurality of rows and one of the two piled word lines belonging to the row in accordance with the row address signal, and selects the selected piled- up Set the word line to the selected level. The column decoder selects one of the plurality of bit lines according to the column address signal. A digit line drive circuit is provided corresponding to each digit line, and at the time of a write operation, one of the two piled word lines in the corresponding row is set to the selected level. In response to this, a magnetic field application current is supplied to the corresponding digit line. The bit line driving circuit supplies a write current to the bit line selected by the column decoder during a write operation.

この不揮発性半導体記憶装置では、杭打ちワード線を介してディジット線駆動回路を制御するので、メインディジット線が不要となり、配線層数が少なくて済む。   In this nonvolatile semiconductor memory device, the digit line driving circuit is controlled via the piled word line, so that the main digit line becomes unnecessary and the number of wiring layers can be reduced.

図1は、この発明の一実施の形態によるMRAMデバイス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デバイスは、メモリアレイ1、行デコーダ2、ドライブ回路3、列デコーダ4、読出/書込制御回路5,6、およびコントロール回路7を備える。   FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an MRAM device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the MRAM device includes a memory array 1, a row decoder 2, a drive circuit 3, a column decoder 4, read / write control circuits 5 and 6, and a control circuit 7.

メモリアレイ1は、複数のメモリブロックMBに分割されている。各メモリブロックMB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、各行に対応して設けられたディジット線DLおよび一対のワード線WLと、各列に対応して設けられたビット線BLとを含む。各ディジット線DLの一方端には、電源電圧VDDが印加されている。   The memory array 1 is divided into a plurality of memory blocks MB. As shown in FIG. 2, each memory block MB includes a plurality of memory cells MC arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, a digit line DL and a pair of word lines WL provided corresponding to each row, Corresponding bit lines BL. A power supply voltage VDD is applied to one end of each digit line DL.

また、複数のメモリブロックMBはワード線WLの延在方向に配列されている。複数のメモリブロックMBに共通に、複数のメタル杭打ちワード線MWLと複数のソース線SLが設けられている。各メタル杭打ちワード線MWLは、各ワード線WLに対応して複数のメモリブロックMBに共通に設けられており、対応の各ワード線WLに複数箇所で接続されている。また、複数のソース線SLは、複数行の間および両側に配置されており、各ソース線SLは接地されている。   The plurality of memory blocks MB are arranged in the extending direction of the word lines WL. A plurality of metal piled word lines MWL and a plurality of source lines SL are provided in common to the plurality of memory blocks MB. Each metal piled word line MWL is provided in common to a plurality of memory blocks MB corresponding to each word line WL, and is connected to each corresponding word line WL at a plurality of locations. Further, the plurality of source lines SL are arranged between the plurality of rows and on both sides, and each source line SL is grounded.

各メモリセルMCは、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。各行において、複数のトンネル磁気抵抗素子TMRは対応のディジット線DLに沿って配置されている。   Each memory cell MC includes a tunnel magnetoresistive element TMR and an access transistor (N channel MOS transistor) ATR. In each row, a plurality of tunneling magneto-resistance elements TMR are arranged along corresponding digit lines DL.

各奇数行において、各奇数列のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの一方(図中上側)のソース線SLに接続され、そのゲートは対応の1対のワード線WLのうちの一方(図中上側)のワード線WLに接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介して対応のビット線BLに接続される。   In each odd row, the source of each odd-numbered access transistor ATR is connected to one of the corresponding two source lines SL (upper side in the figure), and its gate is a corresponding pair of word lines. One of the WLs (upper side in the figure) is connected to the word line WL, and the drain thereof is connected to the corresponding bit line BL via the corresponding tunnel magnetoresistive element TMR.

各奇数行において、各偶数列のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの他方(図中下側)のソース線SLに接続され、そのゲートは対応の1対のワード線WLのうちの他方(図中下側)のワード線WLに接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介して対応のビット線BLに接続される。   In each odd-numbered row, the source of each access transistor ATR in each even-numbered column is connected to the other (lower side in the figure) of the corresponding two source lines SL, and its gate is a corresponding pair of words The other word line WL (the lower side in the figure) of the lines WL is connected, and the drain thereof is connected to the corresponding bit line BL via the corresponding tunnel magnetoresistive element TMR.

各偶数行において、各奇数列のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの一方(図中下側)のソース線SLに接続され、そのゲートは対応の1対のワード線WLのうちの一方(図中下側)のワード線WLに接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介して対応のビット線BLに接続される。   In each even row, the source of each odd-numbered column access transistor ATR is connected to one of the corresponding two source lines SL (the lower side in the figure), and its gate is a corresponding pair of words. One of the lines WL (lower side in the figure) is connected to the word line WL, and its drain is connected to the corresponding bit line BL via the corresponding tunneling magneto-resistance element TMR.

各偶数行において、各偶数列のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの他方(図中上側)のソース線SLに接続され、そのゲートは対応の1対のワード線WLのうちの他方(図中上側)のワード線WLに接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介して対応のビット線BLに接続される。   In each even row, the source of access transistor ATR in each even column is connected to the other (upper side in the figure) source line SL of the corresponding two source lines SL, and the gate thereof is a corresponding pair of word lines. The other word line WL (upper side in the figure) of WL is connected to the drain, and the drain thereof is connected to the corresponding bit line BL via the corresponding tunnel magnetoresistive element TMR.

つまり、このメモリブロックMBでは、隣接する2本のビット線BLと1本のワード線WLとの交差部に1つのメモリセルMCが配置され、各ビット線BLに略同数のメモリセルMCが接続されており、折返しビット線構造が実現されている。   That is, in this memory block MB, one memory cell MC is arranged at the intersection of two adjacent bit lines BL and one word line WL, and approximately the same number of memory cells MC are connected to each bit line BL. Therefore, a folded bit line structure is realized.

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。すなわちトンネル磁気抵抗素子TMRは、図3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の抵抗値は比較的大きな値になり、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小さな値になる。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”およびデータ“0”にそれぞれ対応付けられる。   Tunneling magneto-resistance element TMR is an element whose electric resistance value changes according to the logic of stored data. That is, as shown in FIG. 3, 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 magnetization film FL and the free magnetization film VL are the same, the resistance value of the tunnel magnetoresistive element TMR becomes a relatively large value, and when the magnetization directions of the two are opposite, the tunnel magnetoresistive element TMR The electric resistance value is relatively small. The two-stage resistance values of tunneling magneto-resistance element TMR are associated with data “1” and data “0”, for example.

データ書込時は、図3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、ディジット線DLに磁場印加電流IDLが流されるとともにビット線BLに書込電流Iが流される。自由磁化膜VLの磁化方向は、磁場印加電流IDLおよび書込電流I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. 3, the word line WL is set to the “L” level of the non-selection level, the access transistor ATR is made non-conductive, and the magnetic field application current I DL is supplied to the digit line DL. write current I W is caused to flow to the bit line BL with. The magnetization direction of free magnetic film VL is determined by a combination of the directions of magnetic field application current I DL and write current I W.

図4は、データ書込時における電流IDL,Iと磁界の関係を示す図である。図4を参照して、横軸で示される磁界Hxは、ディジット線DLを流れる磁場印加電流IDL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を流れる書込電流Iによって生じる磁界H(BL)を示している。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the currents I DL and I W and the magnetic field during data writing. Referring to FIG. 4, a magnetic field Hx indicated by the horizontal axis indicates a magnetic field H (DL) generated by a magnetic field application current I DL flowing through the digit line DL. On the other hand, the magnetic field Hy which is shown on the vertical axis indicates the magnetic field H (BL) generated by the write current I W that flows through a 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5に示すように、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およびアクセストランジスタATRを介してソース線SL(接地電位VSSのライン)に電流Iが流れる。この電流I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I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. 5, word line WL is set to the “H” level of the selection level, and access transistor ATR is rendered conductive, and source is connected from bit line BL through tunneling magneto-resistance element TMR and access transistor ATR. current flows I S in line SL (the line of ground potential VSS). The value of the current I S will vary depending on the resistance value of the tunneling magneto-resistance element TMR. Therefore, by detecting the value of the current I S, it is possible to read data stored in the tunneling magneto-resistance element TMR.

図6(a)は図2に示したメモリブロックMBのレイアウトを示す平面図であり、図6(b)はメモリブロックMBの断面図である。図6(a)(b)において、半導体基板8の表面に、複数のワード線WLが所定の間隔で形成される。各ワード線WLは、ポリ−シリコンで帯状に形成され、図中Y方向に延在する。複数のワード線WLは、2本ずつグループ化されており、各グループの2本のワード線WLは隣接する2つのメモリセル行にそれぞれ対応する。   6A is a plan view showing the layout of the memory block MB shown in FIG. 2, and FIG. 6B is a cross-sectional view of the memory block MB. 6A and 6B, a plurality of word lines WL are formed on the surface of the semiconductor substrate 8 at a predetermined interval. Each word line WL is formed of poly-silicon in a band shape and extends in the Y direction in the drawing. The plurality of word lines WL are grouped by two, and the two word lines WL in each group correspond to two adjacent memory cell rows, respectively.

各グループの2本のワード線WLをマスクとして半導体基板8の表面に不純物が注入されて複数対のアクセストランジスタATRが形成される。たとえば、奇数番のワード線グループでは、各奇数番のメモリセル列に対応して1対のアクセストランジスタATRが形成され、偶数番のワード線グループでは、各偶数番のメモリセル列に対応して1対のアクセストランジスタATRが形成される。2本のワード線WLの間の不純物領域が2つのアクセストランジスタATRのソースSとなり、2本のワード線WLの両側の不純物領域が2つのアクセストランジスタATRのドレインDとなる。   Impurities are implanted into the surface of the semiconductor substrate 8 using the two word lines WL of each group as a mask to form a plurality of pairs of access transistors ATR. For example, in an odd-numbered word line group, a pair of access transistors ATR is formed corresponding to each odd-numbered memory cell column, and in an even-numbered word line group, corresponding to each even-numbered memory cell column. A pair of access transistors ATR are formed. The impurity region between the two word lines WL is the source S of the two access transistors ATR, and the impurity region on both sides of the two word lines WL is the drain D of the two access transistors ATR.

各メモリセル行において、複数のアクセストランジスタATRのソースSの上方に、第1メタル層を用いてソース線SLが形成される。各ソース線SLは、所定の幅を有し、帯状に形成され、図中Y方向に延在する。各アクセストランジスタATRのソースSは、コンタクトホール(図示せず)を介して上方のソース線SLに接続される。   In each memory cell row, a source line SL is formed using the first metal layer above the sources S of the plurality of access transistors ATR. Each source line SL has a predetermined width, is formed in a strip shape, and extends in the Y direction in the drawing. The source S of each access transistor ATR is connected to the upper source line SL via a contact hole (not shown).

各ワード線WLの上方に第2メタル層を用いてメタル杭打ちワード線MWLが形成され、各メタル杭打ちワード線MWLはコンタクトホール(図示せず)によって対応のワード線WLに接続される。   A metal piled word line MWL is formed above each word line WL using a second metal layer, and each metal piled word line MWL is connected to a corresponding word line WL by a contact hole (not shown).

各ソース線SLおよび2本のメタル杭打ちワード線MWLの上方に、第3メタル層を用いてディジット線DLが形成される。各ディジット線DLの上方において、各メモリセル列に対応して、第4メタル層を用いて矩形の電極ELが形成される。各電極ELの一方端部は、対応のディジット線DLの一方側(図では左側)のアクセストランジスタATRのドレインDの上方まで延びており、コンタクトホールCHを介してそのドレインDに接続される。   A digit line DL is formed using the third metal layer above each source line SL and the two metal piled word lines MWL. Above each digit line DL, a rectangular electrode EL is formed using a fourth metal layer corresponding to each memory cell column. One end of each electrode EL extends to above the drain D of the access transistor ATR on one side (left side in the figure) of the corresponding digit line DL, and is connected to the drain D through the contact hole CH.

また、対応のディジット線DLの上方であって、各電極ELの他方端部の表面には、トンネル磁気抵抗素子TMRが形成される。各メモリセル列の複数のトンネル磁気抵抗素子TMRの上に、第5メタル層を用いてビット線BLが形成されている。なお、基板8とビット線BLの間には絶縁層9が充填されている。   A tunnel magnetoresistive element TMR is formed above the corresponding digit line DL and on the surface of the other end of each electrode EL. A bit line BL is formed on the plurality of tunnel magnetoresistive elements TMR of each memory cell column using a fifth metal layer. An insulating layer 9 is filled between the substrate 8 and the bit line BL.

図1に戻って、行デコーダ2は、アドレス信号ADDに含まれる行アドレス信号RAに従って、メモリアレイ1の複数行のうちのいずれかの行と、その行の2本のメタル杭打ちワード線MWLのうちのいずれか1本のメタル杭打ちワード線MWLを選択し、選択したメタル杭打ちワード線MWLを選択レベルの「H」レベルにする。ドライブ回路3は、データ書込時に、行デコーダ2によって選択された行のディジット線DLに磁場印加電流IDLを流す。 Returning to FIG. 1, in accordance with the row address signal RA included in the address signal ADD, the row decoder 2 and any one of the plurality of rows of the memory array 1 and the two metal piled word lines MWL in the row. Any one of the metal pile driving word lines MWL is selected, and the selected metal pile driving word line MWL is set to the “H” level of the selection level. The drive circuit 3 applies a magnetic field application current I DL to the digit line DL of the row selected by the row decoder 2 at the time of data writing.

列デコーダ4は、アドレス信号ADDに含まれる列アドレス信号CAに従って、メモリアレイ1の複数のメモリブロックMBのうちのいずれかのメモリブロックMBと、そのメモリブロックMBの複数のビット線BLのうちのいずれかi本(ただし、iは自然数である)のビット線を選択する。読出/書込制御回路5,6は、データ書込時は、外部から与えられた書込データ信号D1〜Diに従って、列デコーダ4によって選択されたi本のビット線BLの各々に書込電流Iを流し、i個のメモリセルMCの各々にデータ信号を書込む。また、読出/書込制御回路5,6は、データ読出時は、列デコーダ4によって選択されたi本のビット線BLの各々に流れる電流Isを検出し、検出結果に応じた論理のデータ信号Q1〜Qiを外部に出力する。コントロール回路7は、外部コマンド信号CMDに従ってMRAMデバイス全体を制御する。 In accordance with a column address signal CA included in the address signal ADD, the column decoder 4 selects one of the plurality of memory blocks MB of the memory array 1 and the plurality of bit lines BL of the memory block MB. Any i bit lines (where i is a natural number) are selected. Read / write control circuits 5 and 6 write data to each of i bit lines BL selected by column decoder 4 in accordance with externally applied write data signals D1 to Di at the time of data writing. IW is supplied, and a data signal is written to each of i memory cells MC. Read / write control circuits 5 and 6 detect current Is flowing in each of i bit lines BL selected by column decoder 4 during data read, and a logical data signal corresponding to the detection result. Q1 to Qi are output to the outside. The control circuit 7 controls the entire MRAM device according to the external command signal CMD.

以下、この発明の特徴となるデータ書込方法について説明する。図7は、このMRAMのデータ書込に関連する部分を示す回路ブロック図である。図7において、メモリアレイ1は、複数のメモリブロックMB1,MB2,…に分割されている。メモリブロックMB1,MB2,…の各々の構成は、図2で説明した通りである。図7では説明および図面の簡単化のため、メモリブロックMB1,MB2,…の各々のうちの4つのメモリセルMC1〜MC4のみが示されている。   The data writing method that characterizes the present invention will be described below. FIG. 7 is a circuit block diagram showing a portion related to data writing of the MRAM. 7, the memory array 1 is divided into a plurality of memory blocks MB1, MB2,. The configuration of each of the memory blocks MB1, MB2,... Is as described with reference to FIG. In FIG. 7, only four memory cells MC1 to MC4 in each of the memory blocks MB1, MB2,... Are shown for simplification of explanation and drawing.

メモリブロックMB1は、2行2列に配置された4つのメモリセルMC1〜MC4と、第1メモリセル行に対応して設けられたディジット線DL1および一対のワード線WL1,WL2と、第2メモリセル行に対応して設けられたディジット線DL2および一対のワード線WL3,WL4と、第1メモリセル列に対応して設けられたビット線BL1と、第2メモリセル列に対応して設けられたビット線BL2とを含む。ディジット線DL1,DL2の各々の一方端には、電源電圧VDDが印加されている。   The memory block MB1 includes four memory cells MC1 to MC4 arranged in 2 rows and 2 columns, a digit line DL1 and a pair of word lines WL1 and WL2 provided corresponding to the first memory cell row, a second memory Digit line DL2 and a pair of word lines WL3, WL4 provided corresponding to the cell row, bit line BL1 provided corresponding to the first memory cell column, and corresponding to the second memory cell column Bit line BL2. A power supply voltage VDD is applied to one end of each of the digit lines DL1 and DL2.

また、複数のメモリブロックMB1,MB2,…に共通に、4本のメタル杭打ちワード線MWL1〜MWL4と3本のソース線SLが設けられている。メタル杭打ちワード線MWL1〜MWL4は、それぞれワード線WL1〜WL4に対応して設けられており、各メタル杭打ちワード線MWLは対応の各ワード線WLに複数箇所で接続されている。また、3本のソース線SLは、2つのメモリセル行の間および両側に配置されており、各ソース線SLは接地されている。   Further, four metal piled word lines MWL1 to MWL4 and three source lines SL are provided in common to the plurality of memory blocks MB1, MB2,. The metal pile driving word lines MWL1 to MWL4 are provided corresponding to the word lines WL1 to WL4, respectively, and each metal pile driving word line MWL is connected to each corresponding word line WL at a plurality of locations. Three source lines SL are arranged between and on both sides of the two memory cell rows, and each source line SL is grounded.

メモリセルMC1〜MC4の各々は、トンネル磁気抵抗素子TMRおよびアクセストランジスタATRを含む。各メモリセル行において、2つのトンネル磁気抵抗素子TMRは対応のディジット線DLに沿って配置されている。   Each of memory cells MC1-MC4 includes tunneling magneto-resistance element TMR and access transistor ATR. In each memory cell row, two tunnel magnetoresistive elements TMR are arranged along corresponding digit lines DL.

メモリセルMC1のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの一方(図中上側)のソース線SLに接続され、そのゲートはワード線WL1に接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介してビット線BL1に接続される。   The source of access transistor ATR of memory cell MC1 is connected to one of the two corresponding source lines SL (upper side in the figure), its gate is connected to word line WL1, and its drain is connected to the corresponding one. The tunnel magnetoresistive element TMR is connected to the bit line BL1.

メモリセルMC2のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの他方(図中下側)のソース線SLに接続され、そのゲートはワード線WL2に接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介してビット線BL2に接続される。   The source of the access transistor ATR of the memory cell MC2 is connected to the other (lower side in the figure) of the corresponding two source lines SL, the gate thereof is connected to the word line WL2, and the drain thereof is corresponding. Are connected to the bit line BL2 through the tunnel magnetoresistive element TMR.

メモリセルMC3のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの一方(図中下側)のソース線SLに接続され、そのゲートはワード線WL4に接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介してビット線BL1に接続される。   The source of access transistor ATR of memory cell MC3 is connected to one of the corresponding two source lines SL (lower side in the figure), its gate is connected to word line WL4, and its drain is corresponding. Are connected to the bit line BL1 through the tunnel magnetoresistive element TMR.

メモリセルMC4のアクセストランジスタATRのソースは対応の2本のソース線SLのうちの他方(図中上側)のソース線SLに接続され、そのゲートはワード線WL3に接続され、そのドレインは対応のトンネル磁気抵抗素子TMRを介してビット線BL2に接続される。   The source of the access transistor ATR of the memory cell MC4 is connected to the other source line SL (upper side in the figure) of the corresponding two source lines SL, the gate thereof is connected to the word line WL3, and the drain thereof is connected to the corresponding source line SL. The tunnel magnetoresistive element TMR is connected to the bit line BL2.

複数のメモリブロックMB1,MB2,…に対応してそれぞれディジット線駆動回路DD1,DD2,…が設けられる。ディジット線駆動回路DD1,DD2,…は、それぞれ書込ブロック選択信号WEB1,WEB2,…が活性化レベルの「H」レベルにされたことに応じて活性化され、行デコーダ2によって選択された行のディジット線DLに磁場印加電流IDLを流す。 Digit line drive circuits DD1, DD2,... Are provided corresponding to the plurality of memory blocks MB1, MB2,. The digit line drive circuits DD1, DD2,... Are activated in response to the write block selection signals WEB1, WEB2,. The magnetic field application current I DL is passed through the digit line DL.

すなわち、ディジット線駆動回路DD1は、各メモリセル行に対応して設けられたORゲート10、ANDゲート11、およびNチャネルMOSトランジスタ12を含む。第1メモリセル行では、ORゲート10の2つの入力ノードは、それぞれメタル杭打ちワード線MWL1,MWL2に接続される。ANDゲート11の2つの入力ノードは、それぞれ書込ブロック選択信号WEB1とORゲート10の出力信号とを受ける。NチャネルMOSトランジスタ12は、ディジット線DL1の他方端と接地電位VSSのラインとの間に接続され、そのゲートはANDゲート11の出力信号を受ける。   That is, digit line drive circuit DD1 includes an OR gate 10, an AND gate 11, and an N-channel MOS transistor 12 provided corresponding to each memory cell row. In the first memory cell row, two input nodes of the OR gate 10 are connected to metal piled word lines MWL1 and MWL2, respectively. Two input nodes of AND gate 11 receive write block select signal WEB1 and an output signal of OR gate 10, respectively. N-channel MOS transistor 12 is connected between the other end of digit line DL1 and a line of ground potential VSS, and its gate receives an output signal of AND gate 11.

書込ブロック選択信号WEB1が活性化レベルの「H」レベルにされ、かつ2本のメタル杭打ちワード線MWL1,MWL2のうちのいずれか1つのメタル杭打ちワード線MWLが活性化レベルの「H」レベルにされると、ANDゲート11の出力信号が「H」レベルになってNチャネルMOSトランジスタ12が導通し、ディジット線DL1に磁場印加電流IDLが流れる。 The write block selection signal WEB1 is set to the activation level “H” level, and one of the two metal piled word lines MWL1 and MWL2 is set to the activation level “H”. "" Level, the output signal of the AND gate 11 becomes "H" level, the N-channel MOS transistor 12 becomes conductive, and the magnetic field application current I DL flows through the digit line DL1.

第2メモリセル行では、書込ブロック選択信号WEB1が活性化レベルの「H」レベルにされ、かつ2本のメタル杭打ちワード線MWL3,MWL4のうちのいずれか1つのメタル杭打ちワード線MWLが活性化レベルの「H」レベルにされると、ANDゲート11の出力信号が「H」レベルになってNチャネルMOSトランジスタ12が導通し、ディジット線DL2に磁場印加電流IDLが流れる。 In the second memory cell row, the write block selection signal WEB1 is set to the activation level “H” level, and one of the two metal piled word lines MWL3 and MWL4 is used. Is set to the “H” level of the activation level, the output signal of the AND gate 11 becomes the “H” level, the N-channel MOS transistor 12 becomes conductive, and the magnetic field application current I DL flows through the digit line DL2.

ディジット線駆動回路DD2,…は、書込ブロック選択信号WEB1の代わりに書込ブロック選択信号WEB2,…が与えられる点を除けば、ディジット線駆動回路DD1と同じである。なお、ディジット線駆動回路DD1,DD2,…は、図1のドライブ回路3に含まれる。また、書込ブロック選択信号WEB1,WEB2,…は、外部コマンド信号CMDと列アドレス信号CAに基づいてコントロール回路7、列デコーダ4、および読出/書込制御回路5,6で生成される。   Digit line drive circuits DD2,... Are the same as digit line drive circuits DD1, except that write block selection signals WEB2,... Are applied instead of write block selection signal WEB1. The digit line drive circuits DD1, DD2,... Are included in the drive circuit 3 of FIG. Write block selection signals WEB1, WEB2,... Are generated by control circuit 7, column decoder 4, and read / write control circuits 5, 6 based on external command signal CMD and column address signal CA.

また、メモリブロックMB1,MB2,…の各々のビット線BL1,BL2,…に対応して、それぞれドライバD1a,D1b;D2a,D2b;…が設けられる。ドライバD1a,D2a,…の入力ノードにはそれぞれドライバ制御信号φ1a,φ2a,…が与えられ、それらの出力ノードはそれぞれビット線BL1,BL2,…の一方端に接続される。ドライバD1b,D2b,…の入力ノードにはそれぞれドライバ制御信号φ1b,φ2b,…が与えられ、それらの出力ノードはそれぞれビット線BL1,BL2,…の他方端に接続される。   Further, drivers D1a, D1b; D2a, D2b;... Are provided corresponding to the bit lines BL1, BL2,. Driver control signals φ1a, φ2a,... Are applied to the input nodes of the drivers D1a, D2a,..., Respectively, and their output nodes are connected to one ends of the bit lines BL1, BL2,. Driver control signals φ1b, φ2b,... Are applied to the input nodes of the drivers D1b, D2b,..., Respectively, and their output nodes are connected to the other ends of the bit lines BL1, BL2,.

たとえば、メモリセルMC1またはMC3にデータ“0”を書き込む場合は、ドライバ制御信号φ1a,φ1bをそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにして、ドライバD1aの出力ノードからビット線BL1を介してドライバD1bの出力ノードに書込電流Iを流す。また、メモリセルMC1またはMC3にデータ“1”を書き込む場合は、ドライバ制御信号φ1a,φ1bをそれぞれ「L」レベルおよび「H」レベルにして、ドライバD1bの出力ノードからビット線BL1を介してドライバD1aの出力ノードに書込電流Iを流す。このとき、データ書込を行なわない列に対応する制御信号φ2a,φ2b,…はともに「L」レベルにされ、ビット線BL2,…はともに「L」レベル(接地電位VSS)にされる。 For example, when data “0” is written to memory cell MC1 or MC3, driver control signals φ1a and φ1b are set to “H” level and “L” level, respectively, and the driver is output from the output node of driver D1a via bit line BL1. flowing a write current I W to the output node of D1b. When data “1” is written to the memory cell MC1 or MC3, the driver control signals φ1a and φ1b are set to the “L” level and the “H” level, respectively, and the driver is output from the output node of the driver D1b via the bit line BL1. flowing a write current I W to the output node of D1a. At this time, the control signals φ2a, φ2b,... Corresponding to the columns where data writing is not performed are both set to the “L” level, and the bit lines BL2, are set to the “L” level (ground potential VSS).

なお、ドライバD1a,D1b;D2a,D2b;…は、図1の読出/書込制御回路5,6に含まれる。また、ドライバ制御信号φ1a,φ2a,…;φ1b,φ2b,…は、外部コマンド信号CMDと列アドレス信号CAに基づいてコントロール回路7、列デコーダ4、および読出/書込制御回路5,6で生成される。   The drivers D1a, D1b; D2a, D2b;... Are included in the read / write control circuits 5 and 6 in FIG. Driver control signals φ1a, φ2a,...; Φ1b, φ2b,... Are generated by control circuit 7, column decoder 4, and read / write control circuits 5 and 6 based on external command signal CMD and column address signal CA. Is done.

また、行アドレス信号RA0〜RA8のうちの信号RA0と、書込許可信号WEとがEX−ORゲート13に入力され、EX−ORゲート13の出力信号が行デコーダ2に与えられる。したがって、信号WEが非活性化レベルの「L」レベルにされる読出動作時には、信号RA0は行デコーダ2にそのまま入力され、信号WEが活性化レベルの「H」レベルにされる書込動作時には、信号RA0は反転されて行デコーダ2に入力される。   The signal RA0 of the row address signals RA0 to RA8 and the write enable signal WE are input to the EX-OR gate 13, and the output signal of the EX-OR gate 13 is applied to the row decoder 2. Therefore, at the time of read operation in which signal WE is set to the inactive level “L” level, signal RA0 is input to row decoder 2 as it is, and at the time of write operation in which signal WE is set to the “H” level at the activation level. The signal RA0 is inverted and input to the row decoder 2.

たとえば、行デコーダ2に与えられる信号RA0が「H」レベルの場合は、複数のメタル杭打ちワード線MWL1,MWL2,…のうちの奇数番のメタル杭打ちワード線MWL1,MWL3,…が選択され、残りの行アドレス信号RA1〜RA8によって奇数番のメタル杭打ちワード線MWL1,MWL3,…のうちのいずれか1本のメタル杭打ちワード線MWLが選択される。   For example, when signal RA0 applied to row decoder 2 is at "H" level, odd-numbered metal piled word lines MWL1, MWL3,... Among a plurality of metal piled word lines MWL1, MWL2,. Any one of the odd-numbered metal piled word lines MWL1, MWL3,... Is selected by the remaining row address signals RA1 to RA8.

また、行デコーダ2に与えられる信号RA0が「L」レベルの場合は、複数のメタル杭打ちワード線MWL1,MWL2,…のうちの偶数番のメタル杭打ちワード線MWL2,MWL4,…が選択され、残りの行アドレス信号RA1〜RA8によって偶数番のメタル杭打ちワード線MWL2,MWL4,…のうちのいずれか1本のメタル杭打ちワード線MWLが選択される。   When the signal RA0 applied to the row decoder 2 is at "L" level, the even-numbered metal piled word lines MWL2, MWL4,... Of the plurality of metal piled word lines MWL1, MWL2,. , Any one of the even-numbered metal piled word lines MWL2, MWL4,... Is selected by the remaining row address signals RA1 to RA8.

したがって、読出動作時は、外部行アドレス信号RA0〜RA8によって指定されるメタル杭打ちワード線(たとえばMWL1)がそのまま選択されるが、書込動作時には、外部行アドレス信号RA0〜RA8によって指定される行(たとえば第1メモリセル行)に対応する2本のメタル杭打ちワード線(この場合はMWL1,MWL2)のうちの外部アドレス信号RA0〜RA8によって指定されない方のメタル杭打ちワード線(たとえばMWL2)が選択される。   Therefore, a metal piled word line (for example, MWL1) designated by external row address signals RA0-RA8 is selected as it is during a read operation, but is designated by external row address signals RA0-RA8 during a write operation. Of the two metal piled word lines (in this case, MWL1 and MWL2) corresponding to the row (for example, the first memory cell row), the metal piled word line (for example, MWL2) which is not designated by the external address signals RA0 to RA8 ) Is selected.

これは、たとえばメモリセルMC1のデータを読み出したい場合は、メタル杭打ちワード線MWL1を「H」レベルにしてメモリセルMC1のアクセストランジスタATRを導通させる必要があるのに対し、メモリセルMC1にデータを書込む場合は、メタル杭打ちワード線MWL1を「L」レベルにしてメモリセルMC1のアクセストランジスタATRを非導通に維持しながら、メタル杭打ちワード線MWL2を「H」レベルにしてデジット線DL1に磁場印加電流IDLを流すためである。 For example, when it is desired to read data from the memory cell MC1, it is necessary to set the metal piled word line MWL1 to the “H” level to make the access transistor ATR of the memory cell MC1 conductive. Is written, the metal piled word line MWL1 is set to “L” level to keep the access transistor ATR of the memory cell MC1 nonconductive, while the metal piled word line MWL2 is set to “H” level to set the digit line DL1. This is because a magnetic field application current IDL is passed through the current.

次に、このMRAMの書込動作について説明する。図7中のメモリブロックMB1のメモリセルMC4が外部行アドレス信号RA0〜RA8および外部列アドレス信号CAによって指定されたものとする。書込許可信号WEが活性化レベルの「H」レベルにされ、EX−ORゲート13によって信号RA0が反転されて行デコーダ2に入力される。   Next, the writing operation of this MRAM will be described. Assume that memory cell MC4 of memory block MB1 in FIG. 7 is designated by external row address signals RA0-RA8 and external column address signal CA. Write enable signal WE is set to the activation level “H” level, and signal RA 0 is inverted by EX-OR gate 13 and input to row decoder 2.

外部行アドレス信号RA0〜RA8そのものは、メモリセルMC4に対応するメタル杭打ちワード線MWL3を指定するが、信号RA0が反転されるので、行デコーダ2によってメタル杭打ちワード線MWL4が選択レベルの「H」レベルにされる。また、書込ブロック選択信号WEB1が選択レベルの「H」レベルにされる。これにより、ディジット線駆動回路DD1の第2メモリセル行に対応するNチャネルMOSトランジスタ12が導通し、メモリブロックMB1のディジット線DL2に磁場印加電流IDLが流れる。 The external row address signals RA0 to RA8 themselves specify the metal piled word line MWL3 corresponding to the memory cell MC4. However, since the signal RA0 is inverted, the row decoder 2 sets the metal piled word line MWL4 to the selection level “ H ”level. Further, the write block selection signal WEB1 is set to the “H” level of the selection level. As a result, N channel MOS transistor 12 corresponding to the second memory cell row of digit line drive circuit DD1 is rendered conductive, and magnetic field application current I DL flows through digit line DL2 of memory block MB1.

また、外部列アドレス信号CAおよび書込データ信号Dに従って、たとえばドライバ制御信号φ2a,φ2bがそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされ、ビット線BL2に書込電流Iが流されてメモリセルMC4にデータ信号Dが書き込まれる。このとき、メモリセルMC4のアクセストランジスタATRは非導通にされているので、ビット線BL2からメモリセルMC4を介してソース線SLに電流が漏れることはない。一方、メモリセルMC3のアクセストランジスタATRは導通するが、ドライバ制御回路φ1a,φ1bがともに「L」レベルにされてビット線BL1が「L」レベルにされるので、ビット線BL1からメモリセルMC3を介してソース線SLに電流が流れることはない。 Further, according to the external column address signal CA and the write data signal D, for example, the driver control signal φ2a, φ2b are respectively "H" level and "L" level, the write current I W is passed through the bit line BL2 memory Data signal D is written to cell MC4. At this time, since the access transistor ATR of the memory cell MC4 is turned off, current does not leak from the bit line BL2 to the source line SL via the memory cell MC4. On the other hand, although access transistor ATR of memory cell MC3 is rendered conductive, driver control circuits φ1a and φ1b are both set to “L” level and bit line BL1 is set to “L” level, so that memory cell MC3 is transferred from bit line BL1. No current flows through the source line SL.

図8は、このMRAMの動作を例示するタイムチャートである。図8において、時刻t0において書込許可信号WEが活性化レベルの「H」レベルに立ち上げられ、書込動作が開始される。このとき、図7中のメモリブロックMB1のメモリセルMC2が外部行アドレス信号RA0〜RA8および外部列アドレス信号CAによって指定されたものとする。書込許可信号WEが「H」レベルにされているので、EX−ORゲート13によって信号RA0が反転されて行デコーダ2に入力される。   FIG. 8 is a time chart illustrating the operation of this MRAM. In FIG. 8, at time t0, write permission signal WE is raised to the “H” level of the activation level, and the write operation is started. At this time, it is assumed that memory cell MC2 of memory block MB1 in FIG. 7 is designated by external row address signals RA0-RA8 and external column address signal CA. Since write enable signal WE is at “H” level, signal RA 0 is inverted by EX-OR gate 13 and input to row decoder 2.

外部行アドレス信号RA0〜RA8そのものは、メモリセルMC2に対応するメタル杭打ちワード線MWL2を指定するが、信号RA0が反転されるので、行デコーダ2によってメタル杭打ちワード線MWL1(すなわちワード線WL1)が選択レベルの「H」レベルにされる。また、書込ブロック選択信号WEB1が選択レベルの「H」レベルにされる。ディジット線駆動回路DD1の第1メモリセル行に対応するNチャネルMOSトランジスタ12が導通し、メモリブロックMB1のディジット線DL1に磁場印加電流IDL1が流れる。 External row address signals RA0-RA8 themselves specify metal piled word line MWL2 corresponding to memory cell MC2, but since signal RA0 is inverted, row decoder 2 causes metal piled word line MWL1 (ie, word line WL1). ) Is set to the selection level “H” level. Further, the write block selection signal WEB1 is set to the “H” level of the selection level. N channel MOS transistor 12 corresponding to the first memory cell row of digit line drive circuit DD1 is rendered conductive, and magnetic field application current I DL1 flows through digit line DL1 of memory block MB1.

また、外部列アドレス信号CAおよび書込データ信号Dに従って、たとえばドライバ制御信号φ2a,φ2bがそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされ、ビット線BL2に書込電流+Iが流されてメモリセルMC2にデータ“1”が書き込まれる。ドライバ制御信号φ2a,φ2bがそれぞれ「L」レベルおよび「H」レベルにされ、ビット線BL2に書込電流−Iが流された場合は、メモリセルMC2にデータ“0”が書き込まれる。 Further, according to external column address signal CA and write data signal D, for example, driver control signals φ2a and φ2b are set to “H” level and “L” level, respectively, and write current + I W is supplied to bit line BL2 to provide memory. Data “1” is written in the cell MC2. Driver control signal φ2a, φ2b are respectively "L" level and the "H" level, if the write current -I W to the bit line BL2 is flowed, the data in the memory cell MC2 "0" is written.

このとき、メモリセルMC2のアクセストランジスタATRは非導通にされているので、ビット線BL2からメモリセルMC2を介してソース線SLに電流が漏れることはない。一方、メモリセルMC1のアクセストランジスタATRは導通するが、ドライバ制御回路φ1a,φ1bがともに「L」レベルにされてビット線BL1が「L」レベルにされるので、ビット線BL1からメモリセルMC1を介してソース線SLに電流が流れることはない。   At this time, since the access transistor ATR of the memory cell MC2 is non-conductive, current does not leak from the bit line BL2 to the source line SL via the memory cell MC2. On the other hand, although access transistor ATR of memory cell MC1 is rendered conductive, driver control circuits φ1a and φ1b are both set to “L” level and bit line BL1 is set to “L” level, so that memory cell MC1 is transferred from bit line BL1. No current flows through the source line SL.

次に、時刻t1において、外部行アドレス信号RA0〜RA8のうちの信号RA0のみが反転されて「L」レベルに立ち下げられると、外部行アドレス信号RA0〜RA8そのものは、メモリセルMC1に対応するメタル杭打ちワード線MWL1を指定するが、信号RA0が反転されるので、行デコーダ2によってメタル杭打ちワード線MWL2(すなわちワード線WL2)が選択レベルの「H」レベルにされる。また、書込ブロック選択信号WEB1が選択レベルの「H」レベルに維持され、メモリブロックMB1のディジット線DL1の磁場印加電流IDL1が維持される。 Next, at time t1, when only signal RA0 among external row address signals RA0-RA8 is inverted and falls to "L" level, external row address signals RA0-RA8 themselves correspond to memory cell MC1. Although the metal piled word line MWL1 is designated but the signal RA0 is inverted, the row decoder 2 sets the metal piled word line MWL2 (that is, the word line WL2) to the selected level of “H”. Further, the write block selection signal WEB1 is maintained at the “H” level of the selection level, and the magnetic field application current I DL1 of the digit line DL1 of the memory block MB1 is maintained.

また、外部列アドレス信号CAおよび書込データ信号Dに従って、たとえばドライバ制御信号φ1a,φ1bがそれぞれ「H」レベルおよび「L」レベルにされ、ビット線BL2に書込電流+Iが流されてメモリセルMC1にデータ“1”が書き込まれる。ドライバ制御信号φ1a,φ1bがそれぞれ「L」レベルおよび「H」レベルにされ、ビット線BL2に書込電流−Iが流された場合は、メモリセルMC1にデータ“0”が書き込まれる。 Further, according to the external column address signal CA and the write data signal D, for example, the driver control signal .phi.1a, .phi.1B are respectively "H" level and "L" level, the write current + I W is passed through the bit line BL2 memory Data “1” is written in the cell MC1. Driver control signal .phi.1a, .phi.1B are respectively "L" level and the "H" level, if the write current -I W to the bit line BL2 is flowed, the data in the memory cell MC1 "0" is written.

このとき、メモリセルMC1のアクセストランジスタATRは非導通にされているので、ビット線BL1からメモリセルMC1を介してソース線SLに電流が漏れることはない。一方、メモリセルMC2のアクセストランジスタATRは導通するが、ドライバ制御回路φ2a,φ2bがともに「L」レベルにされてビット線BL2が「L」レベルにされるので、ビット線BL2からメモリセルMC2を介してソース線SLに電流が流れることはない。   At this time, since the access transistor ATR of the memory cell MC1 is turned off, current does not leak from the bit line BL1 to the source line SL via the memory cell MC1. On the other hand, although access transistor ATR of memory cell MC2 is turned on, driver control circuits φ2a and φ2b are both set to “L” level and bit line BL2 is set to “L” level, so that memory cell MC2 is transferred from bit line BL2. No current flows through the source line SL.

次いで、時刻t2において書込許可信号WEが非活性化レベルの「L」レベルに立ち上げられ、読出動作が開始される。信号WEが「L」レベルにされると、書込ブロック選択信号WEB1が「L」レベルにされてディジット線駆動回路DD1が非活性化され、ディジット線DL1の電流が遮断される。また、時刻t2において、外部行アドレス信号RA0〜RA8のうちの信号RA0のみが反転されて「H」レベルに立ち上げられるが、信号WEが「L」レベルにされたので、ワード線WL2が「H」レベルに維持され、メモリセルMC2のアクセストランジスタATRが導通状態に維持される。   Next, at time t2, write enable signal WE is raised to the “L” level of the inactivation level, and the read operation is started. When signal WE is set to “L” level, write block selection signal WEB1 is set to “L” level, digit line drive circuit DD1 is inactivated, and current of digit line DL1 is cut off. At time t2, only signal RA0 of external row address signals RA0-RA8 is inverted and raised to "H" level, but since signal WE has been set to "L" level, word line WL2 is " Maintained at the “H” level, access transistor ATR of memory cell MC2 is maintained in the conductive state.

また、ビット線BL1,BL2は、図示しない読出回路に接続される。読出回路は、ビット線BL2に所定の読出電圧を与えてメモリセルMC2に流れる電流Iを検出する。また、ビット線BL1にはダミーメモリセル(図示せず)が接続されており、読出回路は、ビット線BL1に所定の読出電圧を与えてダミーメモリセルに流れるリファレンス電流Iを検出する。読出回路は、メモリセルMC2に流れる電流Iとダミーメモリセルに流れるリファレンス電流Iとの大小を比較し、比較結果に応じた論理レベルの読出データ信号を出力する。 Bit lines BL1 and BL2 are connected to a read circuit (not shown). Read circuit detects the current I S flowing through the memory cell MC2 is given a predetermined read voltage to the bit line BL2. Further, the bit line BL1 is connected dummy memory cells (not shown), read circuit detects the reference current I R flowing in the dummy memory cell by applying a predetermined read voltage to the bit line BL1. Read circuit compares the magnitude of the reference current I R flowing in the current I S and the dummy memory cell flowing through the memory cell MC2, and outputs a logic level read data signal corresponding to the comparison result.

次いで、時刻t3において、外部行アドレス信号RA0〜RA8のうちの信号RA0のみが反転されて「L」レベルに立ち上げられると、ワード線WL1が「H」レベルに立ち上げられ、メモリセルMC1のアクセストランジスタATRが導通状態にされる。   Next, at time t3, when only the signal RA0 of the external row address signals RA0 to RA8 is inverted and raised to the “L” level, the word line WL1 is raised to the “H” level, and the memory cell MC1 Access transistor ATR is rendered conductive.

上記読出回路は、ビット線BL1に所定の読出電圧を与えてメモリセルMC1に流れる電流Iを検出する。また、ビット線BL2にはダミーメモリセル(図示せず)が接続されており、読出回路は、ビット線BL2に所定の読出電圧を与えてダミーメモリセルに流れるリファレンス電流Iを検出する。読出回路は、メモリセルMC1に流れる電流Iとダミーメモリセルに流れるリファレンス電流Iとの大小を比較し、比較結果に応じた論理レベルの読出データ信号を出力する。 The read circuit detects the current I S flowing through the memory cell MC1 is given a predetermined read voltage to the bit line BL1. Further, the bit line BL2 is connected the dummy memory cells (not shown), read circuit detects the reference current I R flowing in the dummy memory cell by applying a predetermined read voltage to the bit line BL2. Read circuit compares the magnitude of the reference current I R flowing in the current I S and the dummy memory cell flowing through the memory cell MC1, and outputs a logic level read data signal corresponding to the comparison result.

図9は、この実施の形態の比較例を示す回路ブロック図であって、図7と対比される図である。図9を参照して、このMRAMが図7のMRAMと異なる点は、それぞれディジット線DL1,DL2,…に対応して複数のメモリブロックMB1,MB2,…に共通にメインディジット線MDL1,MDL2,…が設けられ、ORゲート10およびEX−ORゲート13が除去されている点である。ANDゲート11の一方入力ノードは、ORゲート10の出力信号を受ける代わりに、対応の行のメインディジット線MDLに接続される。   FIG. 9 is a circuit block diagram showing a comparative example of this embodiment, which is compared with FIG. Referring to FIG. 9, this MRAM is different from the MRAM of FIG. 7 in that main digit lines MDL1, MDL2,... Are shared by a plurality of memory blocks MB1, MB2,. Are provided, and the OR gate 10 and the EX-OR gate 13 are removed. One input node of AND gate 11 is connected to main digit line MDL of the corresponding row instead of receiving the output signal of OR gate 10.

また、信号RA0,WEは、行デコーダ2に直接入力される。行デコーダ2は、書込動作時は、行アドレス信号RA0〜RA8によって指定された行のメインディジット線(たとえばMDL1)を選択レベルの「H」レベルにする。たとえば、書込ブロック選択信号WEB1が選択レベルの「H」レベルにされると、メモリブロックMB1の第1メモリセル行のディジット線DL1に磁場印加電流IDLが流れる。この状態で、第1メモリセル列のビット線BL1に書込電流Iが流されると、メモリセルMC1にデータ信号が書き込まれる。 The signals RA0 and WE are directly input to the row decoder 2. Row decoder 2 sets the main digit line (for example, MDL1) of the row designated by row address signals RA0-RA8 to the selection level “H” level during the write operation. For example, when write block selection signal WEB1 is set to the selection level “H” level, magnetic field application current IDL flows through digit line DL1 of the first memory cell row of memory block MB1. In this state, when the write current I W flows through the bit line BL1 of the first memory cell column, the data signal is written into the memory cell MC1.

また、行デコーダ2は、読出動作時には、行アドレス信号RA0〜RA8によって指定された行のメタル杭打ちワード線(たとえばMWL1)を選択レベルの「H」レベルにする。これにより、メモリセルMCのアクセストランジスタATRが導通する。読出回路(図示せず)は、ビット線BL1からメモリセルMC1を介してソース線SLに流れる電流Iと、ビット線BL2からダミーメモリセル(図示せず)に流れるリファレンス電流I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。 In the read operation, row decoder 2 sets the metal piled word line (for example, MWL1) of the row designated by row address signals RA0-RA8 to the “H” level of the selection level. Thereby, the access transistor ATR of the memory cell MC becomes conductive. Readout circuit (not shown), compares the current I S flowing through the source line SL via the memory cell MC1 from the bit line BL1, and a reference current I R flowing from the bit line BL2 to the dummy memory cells (not shown) Then, a data signal having a logic level corresponding to the comparison result is output.

図10(a)(b)は、図9に示したMRAMのメモリブロックMBのレイアウトおよび断面形状を示す図であって、図6(a)(b)と対比される図である。図10(a)(b)を参照して、このMRAMでは、2本のメタル杭打ちワード線MWLとディジット線DLの間に、メインディジット線MDLが追加されている。したがって、比較例のMRAMでは、実施の形態のMRAMに比べて、メインディジット線MDLの分だけメタル層の数が増加してしまう。逆に、実施の形態のMRAMでは、比較例のMRAMよりもメタル層の数が少なくて済む。したがって、製造工程が少なくなり、製造コストの低減化を図ることができる。   FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the layout and cross-sectional shape of the memory block MB of the MRAM shown in FIG. 9 and are compared with FIGS. 6A and 6B. Referring to FIGS. 10A and 10B, in this MRAM, main digit line MDL is added between two metal piled word lines MWL and digit line DL. Therefore, in the MRAM of the comparative example, the number of metal layers increases by the amount of the main digit line MDL as compared with the MRAM of the embodiment. Conversely, the MRAM of the embodiment requires fewer metal layers than the MRAM of the comparative example. Accordingly, the number of manufacturing steps is reduced, and the manufacturing cost can be reduced.

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.

この発明の一実施の形態によるMRAMの全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of an MRAM according to an embodiment of the present invention. 図1に示したメモリブロックの構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block shown in FIG. 1. 図2に示したメモリセルの構成および書込動作を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration and a write operation of the memory cell shown in FIG. 図3に示したトンネル磁気抵抗素子の特性を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the characteristic of the tunnel magnetoresistive element shown in FIG. 図3に示したメモリセルの読出動作を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a read operation of the memory cell shown in FIG. 3. 図2に示したメモリブロックのレイアウトおよび断面形状を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a layout and a cross-sectional shape of the memory block shown in FIG. 2. 図1〜図6に示したMRAMのデータ書込に関連する部分を示す回路ブロック図である。FIG. 7 is a circuit block diagram showing a portion related to data writing of the MRAM shown in FIGS. 図1〜図7に示したMRAMの動作を例示するタイムチャートである。8 is a time chart illustrating the operation of the MRAM illustrated in FIGS. 実施の形態の比較例を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the comparative example of embodiment. 図9に示したMRAMのメモリブロックのレイアウトおよび断面形状を示す図である。It is a figure which shows the layout and cross-sectional shape of the memory block of MRAM shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 メモリアレイ、2 行デコーダ、3 ドライブ回路、4 列デコーダ、5,6 読出/書込制御回路、7 コントロール回路、MB メモリブロック、MC メモリセル、TMR トンネル磁気抵抗素子、ATR アクセストランジスタ、S ソース、D ドレイン、WL ワード線、MWL メタル杭打ちワード線、DL ディジット線、MDL メインディジット線、SL ソース線、BL ビット線、EL 電極、FL 固定磁化膜、TB トンネル絶縁膜、VL 自由磁化膜、8 半導体基板、9 絶縁層、10 ORゲート、11 ANDゲート、12 NチャネルMOSトランジスタ、13 EX−ORゲート、DD1,DD2 ディジット線駆動回路、D1a,D1b,D2a,D2b ドライバ。   1 memory array, 2 row decoder, 3 drive circuit, 4 column decoder, 5, 6 read / write control circuit, 7 control circuit, MB memory block, MC memory cell, TMR tunnel magnetoresistive element, ATR access transistor, S source , D drain, WL word line, MWL metal piled word line, DL digit line, MDL main digit line, SL source line, BL bit line, EL electrode, FL fixed magnetic film, TB tunnel insulating film, VL free magnetic film, 8 semiconductor substrate, 9 insulating layer, 10 OR gate, 11 AND gate, 12 N channel MOS transistor, 13 EX-OR gate, DD1, DD2 digit line drive circuit, D1a, D1b, D2a, D2b driver.

Claims (4)

複数のメモリブロックに分割されたメモリアレイを備え、
各メモリブロックは、複数行複数列に配置され、各々が抵抗値の変化によってデータを記憶するトンネル磁気抵抗素子を含む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組の2本のワード線と、それぞれ前記複数行に対応して設けられた複数のディジット線と、それぞれ前記複数列に対応して設けられた複数のビット線とを含み、
同じ行の隣接する2つのメモリセルのうちの一方のメモリセルは、対応の2本のワード線のうちのいずれか一方のワード線と対応のビット線との交点に配置され、他方のメモリセルは対応の2本のワード線のうちの他方のワード線と対応のビット線との交点に配置され、
前記複数のメモリブロックは前記ワード線の延在方向に配列され、
さらに、各に対応して前記複数のメモリブロックに共通に設けられ、それぞれ対応の各組の2本のワード線に接続された2本の杭打ちワード線と、
行アドレス信号に従って、前記複数行のうちのいずれかの行と、その行に属する2本の杭打ちワード線のうちのいずれかの杭打ちワード線を選択し、選択した杭打ちワード線を選択レベルにする行デコーダと、
列アドレス信号に従って、前記複数のビット線のうちのいずれかのビット線を選択する列デコーダと、
各ディジット線に対応して設けられ、書込動作時に、対応の行の2本の杭打ちワード線のうちのいずれか一方の杭打ちワード線が前記選択レベルにされたことに応じて対応のディジット線に磁場印加電流を流すディジット線駆動回路と、
前記書込動作時に、前記列デコーダによって選択されたビット線に書込電流を流すビット線駆動回路とを備える、不揮発性半導体記憶装置。
A memory array divided into a plurality of memory blocks,
Each memory block is arranged in a plurality of rows and a plurality of columns, each of which includes a plurality of memory cells including a tunnel magnetoresistive element that stores data according to a change in resistance value, and a plurality of sets each provided corresponding to the plurality of rows Including two word lines, a plurality of digit lines provided corresponding to the plurality of rows, and a plurality of bit lines provided corresponding to the plurality of columns, respectively.
One memory cell of two adjacent memory cells in the same row is arranged at the intersection of one of the corresponding two word lines and the corresponding bit line, and the other memory cell Is arranged at the intersection of the other of the two corresponding word lines and the corresponding bit line,
The plurality of memory blocks are arranged in an extending direction of the word line,
Further, it provided in common to said plurality of memory blocks corresponding to each row, two and piling word lines respectively connected to each set of two word lines correspond,
In accordance with a row address signal, select one of the plurality of rows and one of the two piled word lines belonging to the row, and select the selected piled word line. A row decoder to select level,
A column decoder for selecting any one of the plurality of bit lines according to a column address signal;
It is provided corresponding to each digit line, and when a write operation is performed, one of the two piled word lines in the corresponding row is changed in response to the selection level being set. A digit line drive circuit for applying a magnetic field applied current to the digit line;
A nonvolatile semiconductor memory device comprising: a bit line driving circuit for supplying a write current to the bit line selected by the column decoder during the write operation.
各メモリセルは前記トンネル磁気抵抗素子とトランジスタを含み、
各トランジスタは、対応のビット線と基準電位のラインとの間に対応の抵抗体記憶素子と直列接続され、対応のワード線が前記選択レベルにされたことに応じて導通し、
前記行アドレス信号は、前記複数行のうちのいずれかの行を選択するための第1の副行アドレス信号と、同じ行の2本のワード線のうちのいずれかのワード線を選択するための1ビットの第2の副行アドレス信号とを含み、
さらに、前記行アドレス信号を受け、読出動作時は前記行アドレス信号を前記行デコーダにそのまま通過させ、前記書込動作時は、前記第1の副行アドレス信号を前記行デコーダにそのまま通過させるとともに、前記第2の副行アドレス信号の論理レベルを反転させて前記行デコーダに与えるゲート回路と、
前記読出動作時に、前記列デコーダによって選択されたビット線を介して、前記行デコーダによって選択された杭打ちワード線に対応するメモリセルの記憶データを読み出す読出回路とを備える、請求項に記載の不揮発性半導体記憶装置。
Each memory cell includes the tunnel magnetoresistive element and a transistor,
Each transistor is connected in series with a corresponding resistor memory element between a corresponding bit line and a reference potential line, and is turned on in response to the corresponding word line being set to the selection level.
The row address signal is used to select one of two word lines in the same row as the first sub-row address signal for selecting one of the plurality of rows. A second sub-row address signal of 1 bit,
Further, the row address signal is received, and the row address signal is directly passed to the row decoder during a read operation, and the first sub-row address signal is directly passed to the row decoder during a write operation. A gate circuit that inverts the logic level of the second sub-row address signal and applies it to the row decoder;
During the reading operation, via the bit line selected by the column decoder, and a read circuit for reading data stored in the memory cells corresponding to stake out the word line selected by the row decoder, according to claim 1 Nonvolatile semiconductor memory device.
前記ビット線駆動回路は、前記書込動作時に、前記行デコーダによって前記選択レベルにされた杭打ちワード線に対応する各トランジスタに接続された各ビット線に前記基準電位を与える、請求項に記載の不揮発性半導体記憶装置。 The bit line drive circuit, at the time of the write operation, by the row decoder providing the reference potential to each bit line connected to each transistor corresponding to stake out word lines in the selected level, to claim 2 The nonvolatile semiconductor memory device described. 前記列デコーダは、前記列アドレス信号に従って、前記複数のメモリブロックのうちのいずれかのメモリブロックと、そのメモリブロックに属する前記複数のビット線のうちのいずれかのビット線を選択し、
前記ディジット線駆動回路は、対応のメモリブロックが前記列デコーダによって選択され、かつ対応の行の2本の杭打ちワード線のうちのいずれか一方の杭打ちワード線が前記選択レベルにされたことに応じて対応のディジット線に前記磁場印加電流を流す、請求項1から請求項までのいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
The column decoder selects one of the plurality of memory blocks and one of the plurality of bit lines belonging to the memory block according to the column address signal;
In the digit line driving circuit, the corresponding memory block is selected by the column decoder, and one of the two stake word lines in the corresponding row is set to the selection level. the flow field application current, non-volatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 3 to a corresponding digit line in accordance with.
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