(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が、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含み、前記複数のビット線の延在する方向に配列された第１および第２のメモリアレイを備え、
前記第１および第２のメモリアレイの同じ列の２本のビット線は対を成しており、前記第１および第２のメモリアレイの複数のビット線対は予め２対ずつグループ化されており、前記第１および第２のメモリアレイの各々の前記複数のメモリセルは、各行において、ビット線グループに対応して予め２つずつグループ化されており、
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、対応のビット線と基準電圧のラインと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場合に導通するトランジスタとを有し、
前記第１および第２のメモリアレイの各々の予め定められた行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、各参照メモリセルグループに属する２つのメモリセルの抵抗体記憶素子の抵抗値はそれぞれ高レベルおよび低レベルに設定されており、
さらに、アドレス信号に従って、前記第１および第２のメモリアレイのうちのいずれか一方のメモリアレイと、その一方のメモリアレイに属する複数のワード線のうちのいずれかのワード線と、他方のメモリアレイの参照メモリセルグループの行のワード線と、前記複数のビット線対グループのうちのいずれかのビット線対グループとを選択するデコーダと、
前記デコーダによって選択された各ワード線を選択レベルにするドライバと、
各ビット線対グループに対応して設けられ、前記デコーダによって対応のビット線対グループが選択されたことに応じて、対応のビット線対グループに属する４本のビット線のうちの、前記第１のメモリアレイに属する第１および第２のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、前記第２のメモリアレイに属する第３および第４のビット線をそれぞれ第３および第４のノードに接続する第１の切換回路と、
各ビット線対グループに対応して設けられ、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第１のメモリアレイが選択された場合は、第１、第２、第４および第３のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続し、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第２のメモリアレイが選択された場合は、第２、第１、第３および第４のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続する第２の切換回路と、
前記第１のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値と、前記第３のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する第１の比較回路と、
前記第２のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値と、前記第４のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する第２の比較回路と、
前記第１および第２のデータ信号を受け、前記デコーダによって前記第１および第２のメモリアレイのうちの一方のメモリアレイが選択された場合は前記第１および第２のデータ信号をそのまま出力し、前記デコーダによって他方のメモリアレイが選択された場合は前記第１および第２のデータ信号の各々を反転させて出力するゲート回路とを含む、不揮発性半導体記憶装置。
【請求項２】
前記第１の切換回路は、それらの一方端子がそれぞれ前記第１〜第４のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループが選択されたことに応じて導通する第１〜第４のスイッチング素子を含み、
第２の切換回路は、
それらの一方端子がそれぞれ前記第１、第２、第４および第３のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第１のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第５〜第８のスイッチング素子と、
それらの一方端子がそれぞれ前記第２、第１、第３および第４のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第２のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第９〜第１２のスイッチング素子とを含む、請求項１に記載の不揮発性半導体記憶装置。
【請求項３】
各々が、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含み、前記複数のビット線の延在する方向に配列された第１および第２のメモリアレイを備え、
前記第１および第２のメモリアレイの同じ列の２本のビット線は対を成しており、前記第１および第２のメモリアレイの複数のビット線対は予め２対ずつグループ化されており、前記第１および第２のメモリアレイの各々の前記複数のメモリセルは、各行において、ビット線グループに対応して予め２つずつグループ化されており、
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、対応のビット線と基準電圧のラインと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場合に導通するトランジスタとを有し、
前記第１および第２のメモリアレイの各々の予め定められた行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、各参照メモリセルグループに属する２つのメモリセルの抵抗体記憶素子の抵抗値はそれぞれ高レベルおよび低レベルに設定されており、
さらに、アドレス信号に従って、前記第１および第２のメモリアレイのうちのいずれか一方のメモリアレイと、その一方のメモリアレイに属する複数のワード線のうちのいずれかのワード線と、他方のメモリアレイの参照メモリセルグループの行のワード線と、前記複数のビット線対グループのうちのいずれかのビット線対グループとを選択するデコーダと、
前記デコーダによって選択された各ワード線を選択レベルにするドライバと、
各ビット線対グループに対応して設けられ、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、対応のビット線対グループに属する４本のビット線のうちの、前記第１のメモリアレイに属する第１および第２のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、前記第２のメモリアレイに属する第３および第４のビット線をそれぞれ第３および第４のノードに接続し、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、前記第３および第４のビット線をそれぞれ前記第１および第２のノードに接続するとともに、前記第１および第２のビット線をそれぞれ前記第３および第４のノードに接続する第１の切換回路と、
各ビット線対グループに対応して設けられ、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、前記第１および第２のビット線をそれぞれ前記第１および第２のノードに接続するとともに、前記第４および第３のビット線をそれぞれ前記第３および第４のノードに接続し、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、前記第３および第４のビット線をそれぞれ前記第１および第２のノードに接続するとともに、前記第２および第１のビット線をそれぞれ前記第３および第４のノードに接続する第２の切換回路と、
前記第１のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値と、前記第３のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する第１の比較回路と、
前記第２のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値と、前記第４のノードと前記基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する第２の比較回路とを含む、不揮発性半導体記憶装置。
【請求項４】
前記第１の切換回路は、
それらの一方端子がそれぞれ前記第１〜第４のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第１のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第１〜第４のスイッチング素子と、
それらの一方端子がそれぞれ前記第３、第４、第１および第２のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第２のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第５〜第８のスイッチング素子とを含み、
前記第２の切換回路は、
それらの一方端子がそれぞれ前記第１、第２、第４および第３のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第１のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第９〜第１２のスイッチング素子と、
それらの一方端子がそれぞれ前記第３、第４、第２および第１のビット線に接続され、それらの他方端子がそれぞれ前記第１〜第４のノードに接続され、前記デコーダによって対応のビット線対グループおよび前記第２のメモリアレイが選択されたことに応じて導通する第１３〜第１６のスイッチング素子とを含む、請求項３に記載の不揮発性半導体記憶装置。
【請求項５】
前記第１の比較回路は、
一方端子がともに電源電圧を受ける第１および第２の抵抗素子と、
それぞれ前記第１および第２の抵抗素子を介して前記電源電圧を受け、前記第１および第３のノードに一定の電圧を印加する第１および第２の定電圧源と、
前記第１および第２の抵抗素子の他方端子の電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する第１の差動増幅器とを含み、
前記第２の比較回路は、
一方端子がともに前記電源電圧を受ける第３および第４の抵抗素子と、
それぞれ前記第３および第４の抵抗素子を介して前記電源電圧を受け、前記第２および第４のノードに一定の電圧を印加する第３および第４の定電圧源と、
前記第３および第４の抵抗素子の他方端子の電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する第２の差動増幅器とを含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
【請求項６】
前記第１の比較回路は、
それぞれ前記第１および第３のノードに一定の電流を流す第１および第２の定電流源と、
前記第１および第３のノードの電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する第１の差動増幅回路とを含み、
前記第２の比較回路は、
それぞれ前記第２および第４のノードに一定の電流を流す第３および第４の定電流源と、
前記第２および第４のノードの電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する第２の差動増幅回路とを含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
【請求項７】
前記第１の比較回路は、
それぞれ電源電圧のラインと前記第１および第３のノードとの間に接続された第１および第２の定抵抗素子と、
前記第１および第３のノードの電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する第１の差動増幅器とを含み、
前記第２の比較回路は、
それぞれ電源電圧のラインと前記第２および第４のノードとの間に接続された第３および第４の定抵抗素子と、
前記第２および第４のノードの電圧の高低を比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する第２の差動増幅器とを含む、請求項１から請求項４までのいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。複数のメモリセルのうちの２つのメモリセルは参照メモリセルとして使用され、２つの参照メモリセルはそれぞれ高抵抗状態および低抵抗状態にされる。
【０００６】
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。具体的には、選択したメモリセルに対応するビット線を列選択ゲートを介して比較回路の一方入力ノードに接続し、２つの参照メモリセルに対応する２本のビット線を列選択ゲートを介して比較回路の他方入力ノードに並列接続し、一方入力ノードから選択したメモリセルに流れる電流と、他方入力ノードから２つの参照メモリセルに流れる電流とを比較して、記憶データを読み出していた。
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のＭＲＡＭでは、読出動作時に、比較回路の他方入力ノードに２本のビット線を並列接続するための配線が設けられていたので、比較回路の２つの入力ノード間に寄生容量の差が生じ、読出動作が遅延するという問題があった。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、読出動作の高速化を図ることが可能な不揮発性半導体記憶装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る半導体記憶装置は、各々が、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含み、複数のビット線の延在する方向に配列された第１および第２のメモリアレイを備える。第１および第２のメモリアレイの同じ列の２本のビット線は対を成しており、第１および第２のメモリアレイの複数のビット線対は予め２対ずつグループ化されている。第１および第２のメモリアレイの各々の複数のメモリセルは、各行において、ビット線グループに対応して予め２つずつグループ化されている。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、対応のビット線と基準電圧のラインと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場合に導通するトランジスタとを有する。第１および第２のメモリアレイの各々の予め定められた行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、各参照メモリセルグループに属する２つのメモリセルの抵抗体記憶素子の抵抗値はそれぞれ高レベルおよび低レベルに設定されている。
【００１０】
この不揮発性半導体記憶装置は、さらに、デコーダ、ドライバ、第１の切換回路、第２の切換回路、第１の比較回路、第２の比較回路、およびゲート回路を備える。デコーダは、アドレス信号に従って、第１および第２のメモリアレイのうちのいずれか一方のメモリアレイと、その一方のメモリアレイに属する複数のワード線のうちのいずれかのワード線と、他方のメモリアレイの参照メモリセルグループの行のワード線と、複数のビット線対グループのうちのいずれかのビット線対グループとを選択する。ドライバは、デコーダによって選択された各ワード線を選択レベルにする。
【００１１】
第１の切換回路は、各ビット線対グループに対応して設けられ、デコーダによって対応のビット線対グループが選択されたことに応じて、対応のビット線対グループに属する４本のビット線のうちの、第１のメモリアレイに属する第１および第２のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、第２のメモリアレイに属する第３および第４のビット線をそれぞれ第３および第４のノードに接続する。第２の切換回路は、各ビット線対グループに対応して設けられ、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、第１、第２、第４および第３のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続し、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、第２、第１、第３および第４のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続する。
【００１２】
第１の比較回路は、第１のノードと基準電圧のラインとの間の抵抗値と、第３のノードと基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第１のデータ信号を出力する。第２の比較回路は、第２のノードと基準電圧のラインとの間の抵抗値と、第４のノードと基準電圧のラインとの間の抵抗値とを比較し、比較結果に応じたレベルの第２のデータ信号を出力する。ゲート回路は、第１および第２のデータ信号を受け、デコーダによって第１および第２のメモリアレイのうちの一方のメモリアレイが選択された場合は第１および第２のデータ信号をそのまま出力し、デコーダによって他方のメモリアレイが選択された場合は第１および第２のデータ信号の各々を反転させて出力する。
【００１３】
また、この発明に係る他の不揮発性半導体記憶装置は、上記第１および第２のメモリアレイ、上記デコーダ、および上記ドライバに加え、第１の切換回路、第２の切換回路、第１の比較回路、および第２の比較回路を備える。第１の切換回路は、各ビット線対グループに対応して設けられ、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、対応のビット線対グループに属する４本のビット線のうちの、第１のメモリアレイに属する第１および第２のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、第２のメモリアレイに属する第３および第４のビット線をそれ
ぞれ第３および第４のノードに接続し、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、第３および第４のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、第１および第２のビット線をそれぞれ第３および第４のノードに接続する。
【００１４】
第２の切換回路は、各ビット線対グループに対応して設けられ、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、第１および第２のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、第４および第３のビット線をそれぞれ第３および第４のノードに接続し、デコーダによって対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、第３および第４のビット線をそれぞれ第１および第２のノードに接続するとともに、第２および第１のビット線をそれぞれ前記第３および第４のノードに接続する。第１および第２の比較回路は、それぞれ上記第１および第２の比較回路と同じである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る不揮発性半導体記憶装置では、選択されたビット線対グループに属する第１〜第４のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続する第１の切換回路と、第１のメモリアレイが選択された場合は、第１、第２、第４および第３のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続し、第２のメモリアレイが選択された場合は、第２、第１、第３および第４のビット線をそれぞれ第１〜第４のノードに接続する第２の切換回路とが設けられる。したがって、第１〜第４のノードの寄生容量を等しくすることができ、読出速度の高速化を図ることができる。
【００１６】
また、この発明に係る他の不揮発性半導体記憶装置では、対応のビット線対グループおよび第１のメモリアレイが選択された場合は、第１の切換回路によって第１〜第４のビット線がそれぞれ第１〜第４のノードに接続されるとともに、第２の切換回路によって第１、第２、第４および第３のビット線が第１〜第４のノードに接続され、対応のビット線対グループおよび第２のメモリアレイが選択された場合は、第１の切換回路によって第３、第４、第１および第２のビット線がそれぞれ第１〜第４のノードに接続されるとともに、第２の切換回路によって第３、第４、第２および第１のビット線が第１〜第４のノードに接続される。したがって、第１〜第４のノードの寄生容量を等しくすることができ、読出速度の高速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
[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、２つのメモリアレイ１，２、行デコーダ３、ドライバ４、列デコーダ５、書込／読出回路６、および制御回路７を備える。
【００１８】
メモリアレイ１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ＷＬＡ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ＤＬＡと、それぞれ複数列（ここでは、３２列とする）に対応して設けられた複数のビット線ＢＬＡ０〜ＢＬＡ１５，ＢＬＡ３１〜ＢＬＡ１６とを含む。
【００１９】
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と接地電圧ＶＳＳのライン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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
データ読出時は、図６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。
【００２５】
図２に戻って、メモリアレイ２は、メモリアレイ１と同じ構成であり、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ＷＬＢ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ＤＬＢと、それぞれ複数列（ここでは、３２列とする）に対応して設けられた複数のビット線ＢＬＢ０〜ＢＬＢ１５，ＢＬＢ３１〜ＢＬＢ１６とを含む。
【００２６】
メモリアレイ１，２の同じ列の２本のビット線ＢＬＡｎとＢＬＢｎ（ただし、ｎは０から３１までの整数である）は対を成しており、メモリアレイ１，２の複数のビット線対は予め２対ずつグループ化されている。図２では、メモリアレイ１，２の図中左右の両端から内側に向かって２対ずつグループ化されており、ビット線ＢＬＡ０，ＢＬＢ０，ＢＬＡ１６，ＢＬＢ１６；ＢＬＡ１，ＢＬＢ１，ＢＬＡ１７，ＢＬＢ１７；…；ＢＬＡ１５，ＢＬＢ１５，ＢＬＡ３１，ＢＬＢ３１が４本ずつグループ化されている。
【００２７】
メモリアレイ１，２の各々の複数のメモリセルＭＣは、各行において、ビット線グループに対応して予め２つずつグループ化されている。メモリアレイ１，２の各々の予め定められた行（図２では書込／読出回路６に隣接する行）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、その行のワード線ＷＬおよびディジット線ＤＬはそれぞれ参照ワード線ＲＷＬおよび参照ディジット線ＤＬとして使用される。各参照メモリセルグループに属する２つのメモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲは、それぞれ最高値および最低値に設定されている。したがって、それらの２つのメモリセルＭＣの並列接続体の抵抗値は、トンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値の最高値と最低値との平均値となる。これをデータ読出に利用する。
【００２８】
図１に戻って、行デコーダ３は、行アドレス信号ＲＡに従ってメモリアレイ１，２のうちのいずれか一方のメモリアレイと、そのメモリアレイの複数行のうちのいずれかの行のワード線ＷＬおよびディジット線ＤＬと、他方のメモリアレイの参照ワード線ＲＷＬとを選択する。ドライバ４は、データ書込時は行デコーダ３によって選択されたディジット線ＤＬに書込電流を流し、データ読出時は行デコーダ３によって選択されたワード線ＷＬおよび参照ワード線ＲＷＬの各々を選択レベルの「Ｈ」レベルに立上げる。列デコーダ５は、列アドレス信号ＣＡに従って、１６個のビット線対グループのうちのいずれかのビット線対グループを選択する。
【００２９】
書込／読出回路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Ｄ０，Ｄ１に従って、列デコーダ５によって選択されたビット線対グループのうちの、行デコーダ３によって選択されたメモリアレイに属する２本のビット線ＢＬの各々に書込電流を流し、２個のメモリセルＭＣの各々にデータ信号を書込む。
【００３０】
また、書込／読出回路６は、データ読出時は、列デコーダ５によって選択されたビット線対グループのうちの、行デコーダ３によって選択されたメモリアレイに属する２本のビット線ＢＬの各々に流れる電流と、他方のメモリアレイに属する２本のビット線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。
【００３１】
以下、この発明の特徴となるデータ読出方法について説明する。図７は、書込／読出回路６のうちのデータ読出に関連する部分を示す回路図である。図７において、書込／読出回路６は、それぞれ１６個のビット線対グループに対応して設けられた１６本の列選択線ＣＳＬ０〜ＣＳＬ１５と、それぞれ１６個のビット線対グループに対応して設けられた１６組の切換回路１０ａ，１０ｂとを備える。
【００３２】
１６組の切換回路１０ａ，１０ｂは、接続されるビット線ＢＬおよび列選択線ＣＳＬの番号が異なるだけで、同じ構成であるので、ここでは、１つのビット線対グループＢＬＡ０，ＢＬＢ０，ＢＬＡ１６，ＢＬＢ１６に対応する切換回路１０ａ，１０ｂについて説明する。
【００３３】
切換回路１０ａは、ＡＮＤゲート１１，１２およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３〜１８を含む。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３，１４，１５のソースはともにビット線ＢＬＡ０に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ１，Ｎ１，Ｎ３に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１６，１７，１８のソースはともにビット線ＢＬＢ０に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ４，Ｎ２，Ｎ２に接続される。
【００３４】
ＡＮＤゲート１１の一方入力ノードは行アドレス信号／ＲＡ０を受け、その他方入力ノードは列選択線ＣＳＬ０に接続され、その出力信号はＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３
，１６のゲートに与えられる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ１４，１７のゲートは、列選択線ＣＳＬ０に接続される。ＡＮＤゲート１２の一方入力ノードは行アドレス信号ＲＡ０を受け、その他方入力ノードは列選択線ＣＳＬ０に接続され、その出力信号はＮチャネルＭＯＳトランジスタ１５，１８のゲートに与えられる。
【００３５】
切換回路１０ｂは、ＡＮＤゲート２１，２２およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ２３〜２８を含む。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２３，２４，２５のソースはともにビット線ＢＬＡ１６に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ３，Ｎ３，Ｎ１に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２６，２７，２８のソースはともにビット線ＢＬＢ１６に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ２，Ｎ４，Ｎ４に接続される。
【００３６】
ＡＮＤゲート２１の一方入力ノードは行アドレス信号／ＲＡ０を受け、その他方入力ノードは列選択線ＣＳＬ０に接続され、その出力信号はＮチャネルＭＯＳトランジスタ２３，２６のゲートに与えられる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ２４，２７のゲートは、列選択線ＣＳＬ０に接続される。ＡＮＤゲート２２の一方入力ノードは行アドレス信号ＲＡ０を受け、その他方入力ノードは列選択線ＣＳＬ０に接続され、その出力信号はＮチャネルＭＯＳトランジスタ２５，２８のゲートに与えられる。
【００３７】
行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０は、メモリアレイ１，２のうちのいずれか一方のメモリアレイを選択するための信号であり、行デコーダ３で生成される。行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルの場合は、メモリアレイ１が選択され、そのメモリアレイ１の複数のワード線ＷＬＡのうちのいずれかのワード線ＷＬＡが選択レベルの「Ｈ」レベルにされるとともに、他方のメモリアレイ２の参照ワード線ＲＷＬＢが選択レベルの「Ｈ」レベルにされる。行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルの場合は、メモリアレイ２が選択され、そのメモリアレイ２の複数のワード線ＷＬＢのうちのいずれかのワード線ＷＬＢが選択レベルの「Ｈ」レベルにされるとともに、他方のメモリアレイ１の参照ワード線ＲＷＬＡが選択レベルの「Ｈ」レベルにされる。
【００３８】
列選択線ＣＳＬ０〜ＣＳＬ１５は、列デコーダ５に接続される。列デコーダ５は、列アドレス信号ＣＡに従って、１６本の列選択線ＣＳＬ０〜ＣＳＬ１５のうちのいずれかの列選択線を選択レベルの「Ｈ」レベルにする。列選択線ＣＳＬ０が非選択レベルの「Ｌ」レベルの場合は、ＡＮＤゲート１１，１２，２１，２２の出力信号が「Ｌ」レベルに固定され、切換回路１０ａ，１０ｂの全トランジスタ１３〜１８，２３〜２８が非導通にされる。
【００３９】
列選択線ＣＳＬ０が「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ１４，１７，２４，２７が導通し、ビット線ＢＬＡ０，ＢＬＢ０，ＢＬＡ１６，ＢＬＢ１６がそれぞれノードＮ１〜Ｎ４に接続される。この状態で、行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされると、トランジスタ１３，１６，２３，２６が導通し、ビット線ＢＬＡ０，ＢＬＢ０，ＢＬＡ１６，ＢＬＢ１６がそれぞれノードＮ１，Ｎ４，Ｎ３，Ｎ２に接続される。また、その状態で行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされると、トランジスタ１５，１８，２５，２８が導通し、ビット線ＢＬＡ０，ＢＬＢ０，ＢＬＡ１６，ＢＬＢ１６がそれぞれノードＮ３，Ｎ２，Ｎ１，Ｎ４に接続される。
【００４０】
したがって、列選択線ＣＳＬ０が「Ｈ」レベルにされ、かつ行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされると、ノードＮ１〜Ｎ４にそれぞれビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ０；ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６；ＢＬＡ１６，ＢＬＡ１６；ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６が接続される。換言すると、ノードＮ１にビット線ＢＬＡ０を介してメモリアレイ１のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ２にビット線ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６を介
してメモリアレイ２の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。また、ノードＮ３にビット線ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ４にビット線ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６を介してメモリアレイ２の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。
【００４１】
また、列選択線ＣＳＬ０が「Ｈ」レベルにされ、かつ行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされると、ノードＮ１〜Ｎ４にそれぞれビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６；ＢＬＢ０，ＢＬＢ０；ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６；ＢＬＢ１６，ＢＬＢ１６が接続される。換言すると、ノードＮ１にビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１の１対の参照メモリセルＭＣが接続され、ノードＮ２にビット線ＢＬＢ０を介してメモリアレイ２のメモリセルＭＣが接続される。また、ノードＮ３にビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１の１対の参照メモリセルＭＣが接続され、ノードＮ４にビット線ＢＬＢ１６を介してメモリアレイ２のメモリセルＭＣが接続される。
【００４２】
また、書込／読出回路６は、図８に示すように、比較回路３１，３２およびＥＸ−ＯＲゲート３３，３４を備える。なお、図８では、列選択線ＣＳＬ０に「Ｈ」レベル（電源電圧ＶＣＣ）が印加され、行アドレス信号／ＲＡ０がＡＮＤゲート１１，２１を通過してＮチャネルＭＯＳトランジスタ１３，１６，２３，２６のゲートに与えられ、行アドレス信号ＲＡ０がＡＮＤゲート１２，２２を通過してＮチャネルＭＯＳトランジスタ１５，１８，２５，２８のゲートに与えられている状態が示されている。
【００４３】
比較回路３１は、ノードＮ１，Ｎ２に一定の電圧を印加してノードＮ１，Ｎ２から流出する電流Ｉ１，Ｉ２を比較し、たとえば、Ｉ１＞Ｉ２の場合は信号φ３１を「Ｌ」レベルにし、Ｉ１＜Ｉ２の場合は信号φ３１を「Ｈ」レベルにする。比較回路３２は、ノードＮ３，Ｎ４に一定の電圧を印加してノードＮ３，Ｎ４から流出する電流Ｉ３，Ｉ４を比較し、たとえば、Ｉ３＞Ｉ４の場合は信号φ３２を「Ｌ」レベルにし、Ｉ３＜Ｉ４の場合は信号φ３２を「Ｈ」レベルにする。
【００４４】
図９は、比較回路３１の構成を示す回路図である。図９において、比較回路３１は、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ４１〜４６、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ４７〜５３、およびインバータ５４を含む。トランジスタ４５，５２は電源電圧ＶＣＣのラインとノードＮ１との間に直列接続され、トランジスタ４６，５３は電源電圧ＶＣＣのラインとノードＮ２との間に直列接続される。トランジスタ４５，４６のゲートは接地され、トランジスタ４５，４６の各々は抵抗素子を構成する。トランジスタ５２，５３のゲートは一定の電圧ＶＳＡを受け、トランジスタ５２，５３は、それぞれノードＮ１，Ｎ２に一定の電圧を印加する定電圧源を構成する。ノードＮ１，Ｎ２の各々には、電圧ＶＳＡよりもトランジスタ５２，５３のしきい値電圧だけ低い一定の電圧ＶＣが印加される。
【００４５】
ノードＮ１と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲが接続される。メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、書込データ信号に応じて最高値Ｒmaxまたは最低値Ｒminに設定されている。ノードＮ１から接地電圧ＶＳＳのラインに流出する電流Ｉ１は、ＶＣ／Ｒmax＝ＶＣ（１／Ｒmax＋１／Ｒmax）／２またはＶＣ／Ｒmin=ＶＣ（１／Ｒmin＋１／Ｒmin）／２となる。
【００４６】
一方、ノードＮ２と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの並列接続体が接続されている。一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、それぞれ最高値Ｒmaxおよび最低値Ｒminに設定されている。ノードＮ２から接地電圧ＶＳＳのラインに流出する電流Ｉ２は、ＶＣ（１／Ｒmax＋１／Ｒmin）／２となる。ここで、電流Ｉ２がＶＣ（１／Ｒmax＋１／Ｒmin）の２分の１となるのは、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子
ＴＭＲの並列接続体には、もう１つの比較回路３２からも同じ値の電流が供給されるからである。
【００４７】
したがって、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最高値Ｒmaxに設定されている場合はＩ１＜Ｉ２となり、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最低値Ｒminに設定されている場合はＩ１＞Ｉ２となる。よって、電流Ｉ１，Ｉ２の大小関係を検出することにより、メモリセルＭＣの記憶データを読み出すことができる。
【００４８】
トランジスタ４１，４７，４９は電源電圧ＶＣＣのラインとノードＮ５１との間に直列接続され、トランジスタ４２，４８，５０は電源電圧ＶＣＣのラインとノードＮ５１との間に直列接続され、トランジスタ５１はノードＮ５１と接地電圧ＶＳＳのラインとの間に接続される。トランジスタ４１，４７のゲートはトランジスタ４２，４８の間のノードＮ４４に接続され、トランジスタ４２，４８のゲートはトランジスタ４１，４７の間のノードＮ４３に接続される。トランジスタ４９のゲートはトランジスタ４５，５２間のノードＮ４５の電圧Ｖ４５を受け、トランジスタ５０のゲートはトランジスタ４６，５３間の電圧Ｖ４６を受ける。トランジスタ５１のゲートは、活性化信号ＳＥを受ける。
【００４９】
トランジスタ４３，４４のソースはともに電源電圧ＶＣＣを受け、それらのドレインはそれぞれノードＮ４３，Ｎ４４に接続され、それらのゲートはプリチャージ信号ＰＣを受ける。インバータ５４は、ノードＮ４３に現れる信号の反転信号を、比較回路３１の出力信号φ３１として出力する。トランジスタ４１〜４４，４７〜５１およびインバータ５４は、差動増幅回路５５を構成する。
【００５０】
次に、この比較回路３１の動作について説明する。ノードＮ１から流出する電流Ｉ１がノードＮ２から流出する電流Ｉ２よりも大きい場合は、トランジスタ４５，４６の電圧降下により、ノードＮ４５の電圧Ｖ４５がノードＮ４６の電圧Ｖ４６よりも低くなり、トランジスタ４９の電流駆動能力がトランジスタ５０の電流駆動能力よりも低くなる。逆に、Ｉ１がＩ２よりも小さい場合は、Ｖ４５がＶ４６よりも高くなり、トランジスタ４９の電流駆動能力がトランジスタ５０の電流駆動能力よりも高くなる。
【００５１】
この状態で、プリチャージ信号ＰＣが所定時間だけ活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。これにより、トランジスタ４３，４４が所定時間だけ導通し、ノードＮ４３，Ｎ４４がともに「Ｈ」レベル（電源電圧ＶＣＣ）に充電される。このとき、インバータ５４の出力信号φ３１は、「Ｌ」レベルになっている。
【００５２】
次いで、活性化信号ＳＥが活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられると、トランジスタ５１が導通して差動増幅回路５５が活性化される。Ｉ１＞Ｉ２の場合は、トランジスタ４９の電流駆動能力がトランジスタ５０の電流駆動能力よりも低いので、ノードＮ４４が「Ｌ」レベルに引き下げられ、信号φ３１は「Ｌ」レベルに維持される。逆に、Ｉ１＜Ｉ２の場合は、トランジスタ４９の電流駆動能力がトランジスタ５０の電流駆動能力よりも高いので、ノードＮ４３が「Ｌ」レベルに引き下げられ、信号φ３１は「Ｈ」レベルに立ち上げられる。比較回路３２も、比較回路３１と同じ構成である。
【００５３】
図８に戻って、ＥＸ−ＯＲゲート３３は、比較回路３１の出力信号φ３１と行アドレス信号／ＲＡ０とを受け、読出データ信号Ｑ０を出力する。行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｌ」レベルの場合は、比較回路３１の出力信号φ３１がそのまま読出データ信号Ｑ０となり、行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｈ」レベルの場合は、比較回路３１の出力信号φ３１の反転信号が読出データ信号Ｑ０となる。
【００５４】
ＥＸ−ＯＲゲート３４は、比較回路３２の出力信号φ３２と行アドレス信号／ＲＡ０とを受け、読出データ信号Ｑ１を出力する。行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｌ」レベルの場合は、比較回路３２の出力信号φ３２がそのまま読出データ信号Ｑ１となり、行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｈ」レベルの場合は、比較回路３２の出力信号φ３２の反転信号が読出データ信号Ｑ１となる。
【００５５】
なお、行アドレス信号／ＲＡ０のレベルに応じて比較回路３１，３２の出力信号φ３１，φ３２を反転させるのは、上述の通り、行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｈ」レベルの場合はノードＮ２，Ｎ４に一対の参照メモリセルＭＣが接続されるのに対し、行アドレス信号／ＲＡ０が「Ｌ」レベルの場合はノードＮ１，Ｎ３に一対の参照メモリセルＭＣが接続され、行アドレス信号／ＲＡ０の論理レベルに応じて比較回路３１，３２の出力信号φ３１，φ３２の極性が変わるからである。
【００５６】
この実施の形態１では、図８に示したように、ノードＮ１に３つのトランジスタ１３，１４，２５のドレインが接続され、ノードＮ２に３つのトランジスタ１７，１８，２６のドレインが接続され、ノードＮ３に３つのトランジスタ２３，２４，１５のドレインが接続され、ノードＮ４に３つのトランジスタ２７，２８，１６のドレインが接続されている。したがって、比較回路３１の入力ノードＮ１，Ｎ２の寄生容量が等しく、比較回路３２の入力ノードＮ３，Ｎ４の寄生容量が等しいので、比較回路の２つの入力ノードの寄生容量に差があった従来に比べ、読出速度の高速化を図ることができる。また、トランジスタ１４，１７，２４，２７が列選択ゲートを兼ねているので、トランジスタ１３〜１８，２３〜２８による信号遅延は小さくて済む。
【００５７】
図１０は、この実施の形態１の変更例を示す回路図であって、図９と対比される図である。図１０を参照して、このＭＲＡＭでは、比較回路３１が比較回路６１で置換され、比較回路３２も比較回路６１と同様の比較回路で置換される。比較回路６１は、比較回路３１のトランジスタ５２，５３を除去してノードＮ１，Ｎ２をそれぞれノードＮ４５，Ｎ４６に接続し、トランジスタ４５，４６のゲートに所定の電圧ＶＲＥＦを印加したものである。トランジスタ４５，４６は、それぞれノードＮ１，Ｎ２に一定の電流を流す定電流源を構成する。
【００５８】
ノードＮ１と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲが接続される。メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、書込データ信号に応じて最高値Ｒmaxまたは最低値Ｒminに設定されている。ノードＮ１から接地電圧ＶＳＳのラインに定電流ＩＣを流すと、ノードＮ４５の電圧Ｖ４５は、Ｖ４５＝ＩＣ×ＲmaxまたはＩＣ×Ｒminとなる。
【００５９】
一方、ノードＮ２と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの並列接続体が接続されている。一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、それぞれ最高値Ｒmaxおよび最低値Ｒminに設定されている。ノードＮ２から接地電圧ＶＳＳのラインに定電流ＩＣを流すと、ノードＮ４６の電圧Ｖ４６は、Ｖ４６＝２ＩＣ×Ｒmax×Ｒmin／（Ｒmax＋Ｒmin）となる。ここで、電圧Ｖ４６がＩＣ×Ｒmax×Ｒmin／（Ｒmax＋Ｒmin）の２倍になるのは、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの並列接続体には、もう１つの比較回路からも同じ値の定電流ＩＣが供給されるからである。
【００６０】
メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最高値Ｒmaxに設定されている場合はＶ４５＞Ｖ４６となり、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最低値Ｒminに設定されている場合はＶ４５＜Ｖ４６となる。したがって、電圧Ｖ４５，Ｖ４６の大小関係を差動増幅回路５５によって検出することにより、メモリセルＭＣの
記憶データを読み出すことができる。
【００６１】
図１１は、この実施の形態１の他の変更例を示す回路図であって、図９と対比される図である。図１１を参照して、このＭＲＡＭでは、比較回路３１が比較回路６２で置換され、比較回路３２も比較回路６２と同様の比較回路で置換される。比較回路６２は、比較回路３１のトランジスタ５２，５３を除去してノードＮ１，Ｎ２をそれぞれノードＮ４５，Ｎ４６に接続し、トランジスタ４５，４６をそれぞれ定抵抗素子６３，６４で置換したものである。定抵抗素子６３，６４は、それぞれ負荷電源電圧ＶＬのラインとノードＮ４５，Ｎ４６との間に接続される。定抵抗素子６３，６４の各々は一定の抵抗値ＲＣを有する。
【００６２】
ノードＮ１と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲが接続される。メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、書込データ信号に応じて最高値Ｒmaxまたは最低値Ｒminに設定されている。ノードＮ４５の電圧Ｖ４５は、Ｖ４５＝ＶＬ×Ｒmax／（Ｒmax＋ＲＣ）またはＶＬ×Ｒmin／（Ｒmin＋ＲＣ）となる。
【００６３】
一方、ノードＮ２と接地電圧ＶＳＳのラインとの間には、たとえば、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの並列接続体が接続されている。一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値は、それぞれ最高値Ｒmaxおよび最低値Ｒminに設定されている。Ｒmax×Ｒmin／（Ｒmax＋Ｒmin）をＲＭとすると、ノードＮ４６の電圧Ｖ４６は、Ｖ４６＝２ＲＭ／（ＲＣ＋２ＲＭ）となる。ここで、ＲＭを２倍にするのは、一対の参照メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの並列接続体には、もう１つの比較回路の定抵抗素子６４も接続されるからである。
【００６４】
メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最高値Ｒmaxに設定されている場合はＶ４５＞Ｖ４６となり、メモリセルＭＣのトンネル磁気抵抗素子ＴＭＲの抵抗値が最低値Ｒminに設定されている場合はＶ４５＜Ｖ４６となる。したがって、電圧Ｖ４５，Ｖ４６の大小関係を差動増幅回路５５によって検出することにより、メモリセルＭＣの記憶データを読み出すことができる。
【００６５】
[実施の形態２]
図１２は、この発明の実施の形態２によるＭＲＡＭの書込／読出回路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１２において、このＭＲＡＭでは、各メモリセルグループに対応して切換回路が設けられ、この切換回路はＮチャネルＭＯＳトランジスタ７１〜７８，８１〜８８を含む。図８では、列選択線ＣＳＬ０に対応する切換回路において、対応の列選択線ＣＳＬ０が選択レベルの「Ｈ」レベルにされて、行アドレス信号／ＲＡ０がトランジスタ７２，７３，７５，７８，８２，８３，８５，８８のゲートに与えられ、行アドレス信号ＲＡ０がトランジスタ７１，７４，７６，７７，８１，８４，８６，８７のゲートに与えられている状態が示されている。
【００６６】
トランジスタ７１〜７４のソースはともにビット線ＢＬＡ０に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ４，Ｎ１，Ｎ１，Ｎ２に接続されている。トランジスタ７５〜７８のソースはともにビット線ＢＬＢ０に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ２，Ｎ１，Ｎ１，Ｎ４に接続されている。トランジスタ８１〜８４のソースはともにビット線ＢＬＡ１６に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ２，Ｎ３，Ｎ３，Ｎ４に接続されている。トランジスタ８５〜８８のソースはともにビット線ＢＬＢ１６に接続され、それらのドレインはそれぞれノードＮ４，Ｎ３，Ｎ３，Ｎ２に接続されている。
【００６７】
行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｌ」レベルおよび「Ｈ」レベルにされると、
トランジスタ７２，７３，７５，７８，８２，８３，８５，８８が導通し、ノードＮ１〜Ｎ４にそれぞれビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ０；ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６；ＢＬＡ１６，ＢＬＡ１６；ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６が接続される。換言すると、ノードＮ１にビット線ＢＬＡ０を介してメモリアレイ１のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ２にビット線ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６を介してメモリアレイ２の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。また、ノードＮ３にビット線ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ４にビット線ＢＬＢ０，ＢＬＢ１６を介してメモリアレイ２の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。
【００６８】
また、行アドレス信号ＲＡ０，／ＲＡ０がそれぞれ「Ｈ」レベルおよび「Ｌ」レベルにされると、ノードＮ１〜Ｎ４にそれぞれビット線ＢＬＢ０，ＢＬＢ０；ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６；ＢＬＢ１６，ＢＬＢ１６；ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６が接続される。換言すると、ノードＮ１にビット線ＢＬＢ０を介してメモリアレイ２のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ２にビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。また、ノードＮ３にビット線ＢＬＢ１６を介してメモリアレイ２のメモリセルＭＣが接続され、ノードＮ３にビット線ＢＬＡ０，ＢＬＡ１６を介してメモリアレイ１の１対の参照メモリセルＭＣが接続される。
【００６９】
比較回路３１は、ノードＮ１，Ｎ２の一定の電圧を印加し、ノードＮ１，Ｎ２から流出する電流Ｉ１，Ｉ２を比較し、たとえば、Ｉ１＞Ｉ２の場合はデータ信号Ｑ０を「Ｌ」レベルにし、Ｉ１＜Ｉ２の場合はデータ信号Ｑ０を「Ｈ」レベルにする。比較回路３２は、ノードＮ３，Ｎ４の一定の電圧を印加し、ノードＮ３，Ｎ４から流出する電流Ｉ３，Ｉ４を比較し、たとえば、Ｉ３＞Ｉ４の場合はデータ信号Ｑ１を「Ｌ」レベルにし、Ｉ３＜Ｉ４の場合はデータ信号Ｑ１を「Ｈ」レベルにする。
【００７０】
なお、ＥＸ−ＯＲゲート３３，３４は不要である。これは、上述の通り、行アドレス信号／ＲＡ０の論理レベルに応じて比較回路３１，３２の出力信号φ３１，φ３２の極性が変わらないからである。
【００７１】
この実施の形態２では、ノードＮ１に４つのトランジスタ７２，７３，７６，７７のドレインが接続され、ノードＮ２に４つのトランジスタ７４，７５，８１，８８のドレインが接続され、ノードＮ３に４つのトランジスタ８２，８３，８６，８７のドレインが接続され、ノードＮ４に４つのトランジスタ７１，７８，８４，８５のドレインが接続されている。したがって、比較回路３１の入力ノードＮ１，Ｎ２の寄生容量が等しく、比較回路３２の入力ノードＮ３，Ｎ４の寄生容量が等しいので、比較回路の２つの入力ノードの寄生容量に差があった従来に比べ、読出速度の高速化を図ることができる。また、トランジスタ７１〜７８，８１〜８８が列選択ゲートを兼ねているので、トランジスタ７１〜７８，８１〜８８による信号遅延は小さくて済む。
【００７２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】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２】図１に示したメモリアレイの構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示したメモリセルの構成を示す回路図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】図１に示した書込／読出回路の要部を示す回路図である。
【図８】図１に示した書込／読出回路の要部を示す他の回路図である。
【図９】図８に示した比較回路の構成を示す回路図である。
【図１０】実施の形態１の変更例を示す回路図である。
【図１１】実施の形態１の他の変更例を示す回路図である。
【図１２】この発明の実施の形態２によるＭＲＡＭの書込／読出回路の要部を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７４】
１，２  メモリアレイ、３  行デコーダ、４  ドライバ、５  列デコーダ、７  制御回路、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、ＷＬ  ワード線、ＤＬ  ディジット線、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、ＣＳＬ  列選択線、１１，１２，２１，２２  ＡＮＤゲート、１３〜１８，２３〜２８，４７〜５３，７１〜７８，８１〜８８  ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、３１，３２，６１，６２  比較回路、３３，３４  ＥＸ−ＯＲゲート、４１〜４６  ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、５４  インバータ、６３，６４  定抵抗素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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