JP2004164719A - 磁気メモリ、情報記録回路及び情報読出回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度に素子が形成された磁気メモリであっても、高速で信頼性の高い記録や読み出しが可能な構成とする。
【解決手段】一方の電極が第１のアドレス線に接続された磁性体記憶素子と、磁性体記憶素子の他方の電極がゲートに接続され、ドレインとソースとが第１のアドレス線と第２のアドレス線に接続されたＭＯＳトランジスタと、トランジスタのゲートと第２のアドレス線とを接続する抵抗とを備えた構成とした。記録は、記憶素子に接続されたトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を動作しきい電圧以下に保ちながら、そのトランジスタに接続されたアドレス線に電流を流す。読出しは、記憶素子に接続されたトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を動作しきい電圧より大きくなるように、そのトランジスタに接続されたアドレス線間に時間変化する電圧を印加して、判別する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ ）と称されるトンネル磁気抵抗効果素子を利用したメモリに適用して好適な磁気メモリ、並びにその磁気メモリを使用して情報の記録及び読出しを行う情報記録回路及び情報読出回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータなどでの情報機器ではランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）として、動作が高速で、高密度なダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）が広く使われている。しかし、ＤＲＡＭは電源を切ると情報が消えてしまう揮発性メモリであるため、情報が消えない不揮発のメモリが望まれている。不揮発メモリの候補として、磁性体の磁化で情報を記録する磁気ランダム・アクセス・メモリ（以下ＭＲＡＭと称する）が注目され、開発が進められている。
【０００３】
図１２は、現在開発が進められているＭＲＡＭの一般的な構造を模式的に示した図である。ここでは、磁性体の磁化方向で情報を記憶する記憶素子のトンネル絶縁膜を介した一方の電極が接続されている配線をワード線、そのワード線に直交して配置されている線をビット線と呼ぶ。図１２に示した構成について説明すると、ビット線については、記録（記憶）された情報を読み出す際に、記憶素子５が接続されたＭＯＳトランジスタ６を動作させるための第１のビット線１と、記録の際に電流を流す第２のビット線２との２つのビット線を有する。ワード線３については、各ビット線１，２と直交状態で配置してあり、このワード線３についても、記録の際に同様に電流を流す。
【０００４】
強磁性トンネル効果により磁化状態で抵抗が変化する記憶素子は、第２のビット線２とワード線３が直交する位置の近傍に配置してあり、その記憶素子５の一方の電極はワード線３に接続させてあり、記憶素子５の他方の電極はＭＯＳトランジスタ６のドレインに接続させてある。また、ＭＯＳトランジスタ６のゲートは第１のビット線１に接続させてあり、ソースは第２のビット線２に接続させてある。
【０００５】
このような構成としてあることで、第２のビット線２とワード線３に同時に電流を流すと交点で磁場が合成され強まり、合成磁場４が発生する。なお、以下の説明ではＭＯＳトランジスタ６がｎ型の場合について説明する。記憶素子に情報を書き込む記録動作を行う時は、第１のビット線１の電圧と第２のビット線２の電圧差をＭＯＳトランジスタ６の動作しきい電圧よりも小さくしておいて、ワード線３とビット線２に電流を流し、図１２に示す合成磁場４を発生させる。
【０００６】
記憶素子に記憶された情報を読出す再生動作時は、ワード線３に電圧をかけて第１のビット線１と第２のビット線２の間にＭＯＳトランジスタ６の動作しきい電圧より大きな電圧をかけると、ワード線３から第２のビット線２に電流が流れ、電圧と電流の関係から強磁性トンネル素子のトンネル抵抗が検出でき、記憶素子５に記録（記憶）された情報が読み出しできる。
【０００７】
【非特許文献１】
日経エレクトロニクス 日経ＢＰ社 ２００１年２月１２日 第７８９号 １５１〜１７１頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来から提案されている構造のＭＲＡＭは、絶縁膜を夾んだ磁性体の膜間を流れるトンネル電流で磁化状態を検出するため、安定した検出を行うためには、強磁性トンネル効果による大きなトンネル抵抗の変化が必要である。しかし、大きな抵抗変化率が得られる絶縁膜の厚さは限られていて、特に薄い絶縁膜を再現性良く作製するのは難しく、トンネル接合の単位面積あたりの抵抗を低減することは難しい。
【０００９】
従来から提案されている検出処理では、抵抗ノイズの増加などで抵抗の大きな素子の状態を高速で検出するのは難しく、素子の微細化に伴ってトンネル抵抗も増加し、ＭＲＡＭの動作速度の向上の障害になると考えられる。また、素子の微細化により素子間の保磁力のばらつきが大きくなり、情報を選択的に記録することが難しくなってきている。
【００１０】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたものであり、高密度に素子が形成された磁気メモリであっても、高速で信頼性の高い記録や読み出しを可能にすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気メモリは、磁化方向により情報を保持する複数の磁性体記憶素子を有する磁気メモリにおいて、一方の電極が第１のアドレス線に接続された磁性体記憶素子と、磁性体記憶素子の他方の電極がゲートに接続され、ドレインとソースとが第１のアドレス線と第２のアドレス線に接続されたＭＯＳトランジスタと、ＭＯＳトランジスタのゲートと第２のアドレス線とを接続する抵抗とを備えた構成としたことを特徴とする。
【００１２】
このように構成したことで、第１，第２のアドレスの交点の近傍に配置した磁性体記憶素子と、その磁性体記憶素子に接続したＭＯＳトランジスタ及び抵抗とで、磁気メモリの１つの記憶セルが構成されることになる。
【００１３】
また本発明の磁気メモリの情報記録回路は、上述した磁気メモリに適用される記録回路であり、情報を記録する磁性体記憶素子に接続されたＭＯＳトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を、ＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧以下に保ちながら、そのＭＯＳトランジスタに接続された第１及び第２のアドレス線の少なくとも一方に電流を流して、素子に情報を記録するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
このように構成したことで、第１，第２のアドレス線に同時に電流を流して、それぞれの線で発生する電流磁場の合成によって、ワード線とビット線の交点の記憶素子の磁化が反転し、所望の磁化状態とすることで情報が記録される。
【００１５】
また本発明の磁気メモリの情報読出回路は、上述した磁気メモリに適用される記録回路であり、情報を読出すために選択された磁性体記憶素子に接続されたＭＯＳトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を、ＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧より大きくなるように、そのＭＯＳトランジスタに接続された第１のアドレス線と第２のアドレス線の間に電圧を印加し、その印加された電圧で流れる電流を検出して、素子に記憶された情報を判別するようにしたことを特徴とする。
【００１６】
このように構成したことで、第１，第２のアドレス線間の電圧を動作しきい電圧よりも高くすれば、ＭＯＳトランジスタが動作し、第１のアドレス線から第２のアドレス線に電流が流れる。ここで、第１のアドレス線と第２のアドレス線間に時間変化する電圧、例えば鋸歯状の電圧を加えると、ゲートには強磁性トンネル素子と抵抗体によって分圧された電圧がかかり、ゲート電圧がしきい値電圧を超えたときにドレインとソース間に大きな電流が流れる。強磁性トンネル素子の両側の磁化が平行か反平行かでゲートにかかる電圧が変わるので、磁化状態によってＭＯＳトランジスタが動作する時間が変わり、ビット線に流れるパルス電流の時間およびパルス幅に変化が生じる。この時間やパルス幅から記録された情報を読み出すことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１〜図５を参照して説明する。
まず、本例の磁気メモリの基本的構造について説明する。図１は、本例の磁気メモリの１ビットを記録するための最小単位の回路（セル）を示したものである。図１中１１，１２はアドレス線である。ここでは、アドレス線１１をビット線とし、アドレス線１２をワード線とする。このビット線１１とワード線１２との交点の近傍に、１単位（１セル）の磁気メモリが構成される。
【００１８】
即ち、ワード線１２には、強磁性トンネル素子（以下単に記憶素子と称する）１３の一方の電極と、ＭＯＳトランジスタ１４のドレイン（Ｄ）が接続してある。記憶素子１３の他方の電極は、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート（Ｇ）に接続してあり、さらにこのゲート及び記憶素子１３の他方の電極は、抵抗１５の一方の電極に接続してある。ＭＯＳトランジスタ１４のソース（Ｓ）は、ビット線１１と接続してある。抵抗１５の他方の電極についても、ビット線１１と接続してある。なお、ＭＯＳトランジスタ１４は、ここではｎ型ＭＯＳトランジスタを使用する。
【００１９】
このように磁気メモリを構成した上で、記録（記憶）時には、ビット線１１とワード線１２に電流を流して、ビット線１１とワード線１２の交点の近傍に発生した合成磁場１７を、その交点の近傍に配置された記憶素子１３に作用させて、記憶素子１３の磁化方向を反転させて、情報を記憶する。この情報の記憶時には、ＭＯＳトランジスタ１４の動作を制御するために、ビット線１１とワード線１２の間の電位差を利用する。本例の場合には、記録時にｎ型ＭＯＳトランジスタ１４を動作させないために、ワード線１２とビット線１１の電圧差を、ＭＯＳトランジスタ１４の動作しきい電圧以下に設定する。ここではトランジスタ１４の動作しきい電圧をＶｔと呼ぶ。トランジスタの動作しきい電圧Ｖｔとするためには、記憶素子１３の抵抗値をＲｊとし、抵抗１５の抵抗値をＲｒとしたとき、ワード線の電圧が｛ビット線電圧＋Ｖｔ×〔Ｒｒ／（Ｒｒ＋Ｒｊ）〕｝以下であれば、トランジスタ１４のゲート電圧とソース電圧の電圧差が、動作しきい電圧Ｖｔ以下になる。
【００２０】
磁気メモリからの読出し時には、ワード線１２に時間変化する電圧、例えば鋸歯状の電圧Ｖ１を印加する。この時間変化する電圧を印加すると、トランジスタ１４のゲートには記憶素子１３と抵抗１５によって分圧された電圧がかかり、トランジスタ１４のゲート電圧が、動作しきい電圧Ｖｔを超えたときにドレインとソース間に大きな電流が流れる。この電流を、ビット線１１に接続された抵抗１６を使用して検出し、出力パルスＰ１を得る。なお、抵抗１６は、各ビット線１１に読出し用として接続されているものであり、実際には１ビットの記憶素子毎に接続されているものではない。
【００２１】
図２は、この図１に示す構成で、時間変化する電圧をワード線に印加したときの入出力特性を示した図である。図２（ａ）は、ワード線に印加した時間変化する電圧波形（ここでは徐々に電圧が高くなるいわゆる鋸歯状波）である。このような電圧波形を印加したとき、トランジスタ１４のゲート・ソース間の電圧についても、図２（ｂ）に示すように印加電圧に比例して上昇する。そして、このゲート・ソース間の電圧が動作しきい電圧Ｖｔを超えたとき、このＭＯＳトランジスタ１４が動作し、ワード線１２からビット線１１に電流が流れ、図２（ｃ）に示すように、出力信号電流が得られる。このビット線１１を流れる電流は、図１に示した抵抗１６を使用して、電圧波形として検出することができる。
【００２２】
ここで、入力として図２（ａ）に示すような鋸歯状の電圧が加わった場合、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート−ソース間電圧は、強磁性トンネル素子（記憶素子）１３と抵抗１５で分圧されているので、強磁性トンネル素子の磁化方向でゲート電圧が変化し、強磁性トンネル抵抗が小さい方がゲート電圧が高くなる。即ち、強磁性トンネル抵抗が小さくなる方向の磁化状態（磁化状態１）のときには、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート−ソース間電圧は、図２（ｂ）に破線で示す電圧変化となり、図２（ｃ）に破線で示す出力信号波形が得られる。また、強磁性トンネル抵抗が大きくなる方向の磁化状態（磁化状態２）のときには、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート−ソース間電圧は、図２（ｂ）に実線で示す電圧変化となり、図２（ｃ）に実線で示す出力信号波形が得られ、磁化状態１よりも時間幅の短いパルス波形となる。
【００２３】
なお、ここではワード線１２に電圧をかけてビット線１１で電流を検出する処理について説明したが、ビット線１１に電圧をかけてワード線１２で電流を検出することも可能である。この場合には、ＭＯＳトランジスタのドレインとソースはほぼ等価なので、強磁性トンネル素子と抵抗体の関係が、ワード線１２に電圧をかけてビット線１１で電流を検出する場合と逆になるだけである。図３は、このビット線１１に電圧をかけてワード線１２で電流を検出する場合の入出力特性例を示した図である。入力として図３（ａ）に示すような鋸歯状の電圧をビット線１１に印加したとする。このとき、強磁性トンネル抵抗が小さくなる方向の磁化状態（磁化状態１）のときには、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート−ソース間電圧は、図３（ｂ）に破線で示す電圧変化となり、図３（ｃ）に破線で示す出力信号波形が得られる。また、強磁性トンネル抵抗が大きくなる方向の磁化状態（磁化状態２）のときには、ＭＯＳトランジスタ１４のゲート−ソース間電圧は、図３（ｂ）に実線で示す電圧変化となり、図３（ｃ）に実線で示す出力信号波形が得られ、磁化状態１よりも時間幅の大きいパルス波形となり、図２の例とは大小関係が逆になる。
【００２４】
このようにして、磁化状態１（破線）と磁化状態２（実線）とで、時間幅の異なるパルスが得られる。時間幅の差を検出することで、記憶素子１３の磁化状態を判別することが可能になる。具体的には、例えばパルス幅の違い、或いはパルス応答の少なくともいずれか一方を検出することで、磁化状態を判別できる。
【００２５】
図４は、本例の各セルをマトリクス状に配置して磁気メモリを構成させた回路例を示す図である。この例では、横方向にワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ …が平行に配置してあり、縦方向にビット線Ｂ_１ ，Ｂ_２ ，…Ｂ_ｎ （ｎは任意の整数）が平行に配置してある。各ビット線Ｂ_１ ，Ｂ_２ ，…Ｂ_ｎ の一端及び他端には、ビット線アドレスデコーダ及びドライバ２１，２２が接続してある。同様に、各ワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ …の一端及び他端には、ワード線アドレスデコーダ及びドライバ２３，２４が接続してある。これらのデコーダ及びドライバ２１〜２４には、図示しない制御手段からの制御データが供給されて、その制御データをデコードして、指示されたビット線又はワード線に、記録用又は読出用の電流を流すドライブ処理が行われる。
【００２６】
各セルの構成について説明すると、例えばワード線Ｗ_１ とビット線Ｂ_１ の交点の近傍に形成されるセルは、ワード線Ｗ_１ に、記憶素子３１ａの一方の電極と、ＭＯＳトランジスタ４１ａのドレインとが接続してあり、そのトランジスタ４１ａのゲートに、記憶素子３１ａの他方の電極と、抵抗５１ａの一方の電極とが接続してある。さらに、トランジスタ４１ａのソースと、抵抗５１ａの他方の電極とが、ビット線Ｂ_１ に接続してある。
【００２７】
他のセルについても、記憶素子３１ｂ〜３１ｎ，３２ａ〜３２ｎ，３３ａ〜３３ｎ…と、トランジスタ４１ｂ〜４１ｎ，４２ａ〜４２ｎ，４３ａ〜４３ｎ…と、抵抗５１ｂ〜５１ｎ，５２ａ〜５２ｎ，５３ａ〜５３ｎ…が同様に接続してある。
【００２８】
各ビット線及びワード線が接続されたデコーダ及びドライバでの処理例について説明すると、例えば記録時には、ビット線アドレスデコーダ及びドライバ２１，２２の内の一方のデコーダ及びドライバ２１から、記録を行うセルに接続されたビット線に電流が流す処理が行われ、もう一方のデコーダ及びドライバ２２からは電流が流されない。また、ワード線アドレスデコーダ及びドライバ２３，２４の内の一方のデコーダ及びドライバ２３から、記録を行うセルに接続されたワード線に電流が流す処理が行われ、もう一方のデコーダ及びドライバ２４からは電流が流されない。
【００２９】
そして読出し時には、例えば、ビット線アドレスデコーダ及びドライバ２１，２２は電流を流さず、２つのワード線アドレスデコーダ及びドライバ２３，２４から、読出しを行うセルが接続されたワード線に時間変化する電圧を印加して、各セルのトランジスタを作動させる。
【００３０】
また、ここではワード線アドレスデコーダ及びドライバ２４に、パルス幅判別部２５が接続してあり、各ワード線を流れるパルス電流を、パルス幅判別部２５内の抵抗で検出して、そのパルス幅の判別することで、所望のセルの記憶素子の磁化状態を判別することができる。
【００３１】
なお、本例のように各セルを構成させた場合、抵抗体抵抗値（Ｒｒ）および強磁性トンネル素子の抵抗値（Ｒｊ）を大きくすれば、ＭＯＳトランジスタを通らずに強磁性トンネル素子から抵抗体を通って流れる電流を小さくでき、配線間に流れる漏れ電流を小さくできより信号品質を上げることができる。抵抗体の抵抗値と強磁性トンネル素子の抵抗の比は、ＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧、強磁性トンネル素子の耐圧などを考慮して決定すればよい。
【００３２】
図５は、本例の磁気メモリを半導体で構成させた場合の、１つのセルの断面構造を模式的に示した図である。この磁気メモリは、シリコン基板７２上に構成させてあり、横の素子と横断的に接続されている配線であるワード線６１が、一番上に形成してある。記憶素子としては、トンネル絶縁膜６４の上下に、第１の磁性層６３と第２の磁性層６５とを配置して構成してあり、導体柱６２でワード線６１と第１の磁性層６３との間を接続してある。
【００３３】
抵抗を構成する導体膜６７の上には、この抵抗の一方の電極６６が形成してあり、導体膜６７の下には、ビット線６８が形成してある。このビット線６８は、図中の奥行き方向に連続している。抵抗の電極６６は、記憶素子を構成する第２の磁性層６５と接続してあり、さらに導体柱７３とも接続してある。導体柱７３は、ＭＯＳトランジスタのゲート電極７０とコンデンサの電極６６とを接続してある。ＭＯＳトランジスタのソース電極６９は、ビット線６８に接続してあり、ＭＯＳトランジスタのドレイン電極７１は、導体柱７４を介してワード線６１に接続してある。
【００３４】
この図５に示した構造として形成させる場合に、ＭＯＳトランジスタ、ワード線やビット線などの配線、及び導体柱については、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）等で使用されている一般的な材料や作製技術で作製でできる。
【００３５】
抵抗を構成する導体膜６７としては、非晶質Ｓｉ、ＳｉＣなどの高抵抗体を用いても良いし、薄い絶縁膜を流れるトンネル電流を利用しても良い。抵抗の一方の電極となる電極膜６６は強磁性トンネル素子の下地としても機能するので、強磁性トンネル素子の特性を低下させない材料を用いるのが良く、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗなどが利用できる。強磁性トンネル素子に用いる磁性体の片方は反強磁性体により一方向に磁化が固定された固定磁化層を用いるのが安定した磁化基準として適当である。強磁性体としてはＲｈＭｎ，ＩｒＭｎ，ＰｔＭＮなどのＭｎ合金が適当で、固定磁化層としてはＣｏ，ＣｏＦｅ，ＮｉＦｅなどの結晶質合金、ＣｏＢなどの非晶質を用いることができる。また、固定磁化層をＲｕなどの金属で複数層に分断し、それらを反平行に結合させて外部への漏洩磁場を減らして用いることもできる。もう一方の磁性層はＣｏＦｅ、ＮｉＦｅなどの結晶質合金、ＣｏＢ、ＧｄＦｅＣｏなどの非晶質合金が利用可能である。磁気異方性は素子の形状異方性を利用するのが簡単であるが、さらに、磁場中熱処理を行って誘導磁気異方性を付加しても良い。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態を、図６〜図８を参照して説明する。
本例においては、第１の実施の形態で説明した磁気メモリに、参照用の記憶素子を設けて、記憶素子に記憶された情報の読出しが良好にできるようにしたものである。即ち、第１の実施の形態で説明した図２に示すように、磁化方向の違いにより検出されるパルス幅の変化は、比較的小さな時間であり、パルス幅の検出を精度良く行う必要があるが、本実施の形態では、そのパルス幅の検出を、参照用の記憶素子を設けて簡単かつ確実に検出できるようにしたものである。
【００３７】
図６は、参照用素子を使用して検出する原理を示した図である。各セルの基本的な構成については、既に第１の実施の形態で説明したセル構成と同じであり、ワード線１２に、記憶素子１３の一方の電極と、ｎ型ＭＯＳトランジスタ１４のドレインが接続してある。記憶素子１３の他方の電極は、ＭＯＳトランジスタ１４のゲートに接続してあり、ゲート及び記憶素子１３の他方の電極は、抵抗１５の一方の電極に接続してある。ＭＯＳトランジスタ１４のソースと抵抗１５の他方の電極は、ビット線１１に接続してある。ここではこのセル構成を、記憶セルと称する。
【００３８】
そして本例においては、ビット線１１を、この記憶素子１３に記憶された情報の読出しを行うためのＥｘ−ＯＲゲート１８の一方の入力端に接続してある。このとき、ビット線１１とＥｘ−ＯＲゲート１８の入力端との間には、電流検出用の抵抗１６の一端が接続してある。抵抗１６の他端は接地させてある。
【００３９】
そして図６に示すように、この情報記憶用のセル（記憶セル）とは別に、参照用の記憶素子を使用したセル（参照セル）が構成させてある。即ち、記憶素子１３と等価な構成で、磁化方向が一定の方向に決められた参照用の記憶素子（以下単に参照素子と称する）１７を設け、この参照素子１７の一方の電極を、ｎ型ＭＯＳトランジスタ１４′のドレインとともにワード線１２に接続してある。参照素子１７の他方の電極は、ＭＯＳトランジスタ１４′のゲートに接続してあり、ゲート及び参照素子１７の他方の電極は、抵抗１５′の一方の電極に接続してある。ＭＯＳトランジスタ１４′のソースと抵抗１５′の他方の電極は、Ｅｘ−ＯＲゲート１８の他方の入力端に接続してある。このとき、トランジスタ１４′とＥｘ−ＯＲゲート１８の入力端との間には、電流検出用の抵抗１６′の一端が接続してある。抵抗１６′の他端は接地させてある。そして、Ｅｘ−ＯＲゲート１８で入力信号の排他的論理和演算を行い、その演算出力を出力端子１８ａに得る。
【００４０】
このように構成したことで、記憶素子１３に記憶された情報を読出す際には、ワード線１２にパルス電圧を印加することで、出力端子１８ａに得られる信号から、記憶素子１３に記憶された情報を読出すことが可能になる。この読出し処理について図５の中に記載したパルスを参照して説明すると、ワード線１２に時間変化する電圧Ｖ１（ここでは鋸歯状波）を加えると、記憶セルから記憶素子１３に記憶された情報に基づいたパルス電圧Ｐ１が出力され、参照セルから参照素子１７に記憶された情報に基づいたパルス電圧Ｐ２が出力される。ここで、記憶素子１３での磁化方向と、参照素子１７での磁化方向とが等しい場合には、パルス電圧Ｐ１，Ｐ２が同じパルス電圧になり、２つの素子１３，１７での磁化方向が等しくない場合には、パルス電圧Ｐ１，Ｐ２が異なる長さのパルスとなる。
【００４１】
従って、この２つのパルス信号Ｐ１，Ｐ２をＥｘ−ＯＲゲート回路１８に供給することで、二つの状態が同じときは、パルスの波形が重なるのでＥｘ−ＯＲゲート回路１８からの出力が出ない状態になるが、二つの磁化状態が異なると、パルスの立ち上がりの位置が異なるので、この立ち上がりの時間差に対応したパルスＰ３が出力端子１８ａから出力される。つまり二つの素子の磁化状態が同じか異なるかが判別できる。参照素子の磁化状態は確定しているので、記憶素子の磁化状態も確定できる。
【００４２】
このように参照セルを設けて比較する構成としたことで、記憶素子に記憶された情報の検出が良好に行える。即ち、例えば強磁性トンネル接合の抵抗値にばらつきが有る場合、単独の素子の遅延時間だけでは磁化状態の検出誤りが多くなる。ここで本例の場合には、読み出された素子の磁化が参照素子の磁化と同じ場合は出力がなく、異なる場合に出力が得られるので、検出結果が明瞭になる。なお、読み出そうとする素子と参照素子との距離が離れると、伝送による信号の減衰や遅延の影響が現れるので、参照素子は読み出そうとする素子に近接して配置した方がよいが、全ての素子の近くに参照素子を配置すると記録可能な素子数が減少してしまう。
【００４３】
次に、このような参照セルを設ける場合の磁気メモリ全体の構成例を、図７を参照して説明する。この図７において、第１の実施の形態で説明した磁気メモリの全体構成である、図４に対応する部分には同一符号を付与してある。
【００４４】
図７の例では、各ワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ 毎に参照セルを設ける構成としてあり、各ワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ と、右端のビット線Ｂ_ｘ との交点の近傍に構成されるセルを、参照セルとしてある。即ち、記憶素子３１_ｘ ，３２_ｘ ，３３_ｘ を、予め磁化方向が定まった参照素子としてあり、それぞれの記憶素子３１_ｘ ，３２_ｘ ，３３_ｘ に接続されたトランジスタ４１_ｘ ，４２_ｘ ，４３_ｘ 及び抵抗５１_ｘ ，５２_ｘ ，５３_ｘ で、参照セルを構成してある。記憶セルの構成については、第１の実施の形態で図４で説明した構成と同じであり、ビット線アドレスデコーダ及びドライバ２１，２２とワード線アドレスデコーダ及びドライバ２３，２４についても、同じ構成であり、各デコーダ及びドライバでの、各記憶セルに情報を記録させる処理及び読出しさせる処理についても、基本的に同じである。
【００４５】
この参照セルが接続されたビット線Ｂ_ｘ に得られる信号と、隣接したビット線Ｂ_３ に得られる信号とを、Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ｃの一方及び他方の入力端に供給する。また、ビット線Ｂ_３ に得られる信号と、隣接したビット線Ｂ_２ に得られる信号とを、Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ｂの一方及び他方の入力端に供給する。また、ビット線Ｂ_２ に得られる信号と、隣接したビット線Ｂ_１ に得られる信号とを、Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ａの一方及び他方の入力端に供給する。なお、各ビット線Ｂ_１ ，Ｂ_２ ，Ｂ_３ ，Ｂ_ｘ には、検出用の抵抗８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｘの一端が接続してある。
【００４６】
各Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ａの排他的論理和出力は、判別部８３に供給して、出力状態から各記憶セルの記憶情報を判別する。図８は、判別部８３を使用した判別処理例を示したフローチャートである。まず、読出すワード線が選択される（ステップＳ１１）。ここでは、例えばワード線Ｗ_１ を選択し、このワード線Ｗ_１ に読出し用のパルス状の電流を流したとする。
【００４７】
このとき、判別部８３では、最初にＥｘ−ＯＲゲート回路８２ｃから供給される、参照素子３１ｘの出力と、その参照素子３１ｘに隣接する記憶素子３１ｃの出力との排他的論理和出力を判断して、記憶素子３１ｃに記憶された情報を判断する（ステップＳ１２）。この判断処理については、図６を参照して説明したパルス電圧Ｐ３の有無を判断する処理と同じである。
【００４８】
次に、Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ｂから供給される、記憶素子３１ｃの出力と、その記憶素子３１ｃに隣接する記憶素子３１ｂの出力との排他的論理和出力を判断して、記憶素子３１ｂに記憶された情報を判断する（ステップＳ１３）。このときには、ステップＳ１２で記憶素子３１ｃの記憶状態（磁化方向）については既に判っているので、Ｅｘ−ＯＲゲート回路８２ｂの排他的論理和出力から、記憶素子３１ｃの記憶状態と記憶素子３１ｂの記憶状態とが等しいか否か判り、結果的に記憶素子３１ｂの記憶状態が判断できることになる。
【００４９】
以下、同様にして隣接した記憶素子間での排他的論理和出力を順に判断することで、ワード線Ｗ_１ に接続された全ての記憶セルに記憶された情報が判断できることになる。このように隣接した記憶セル毎に比較して、順に記憶状態を判別することで、常に隣接する素子間で比較して判別することになり、比較する２つの素子の距離を最小にすることができ、良好な読出しが可能になる。即ち、読み出そうとする素子と参照素子との距離が離れると、伝送による信号の減衰や遅延の影響が現れるので、参照素子は読み出そうとする素子に近接して配置した方がよいが、全ての素子の近くに参照素子を配置すると記録可能な素子数が減少してしまうが、本例の読出し処理を行うことで、各ワード線に１つ参照セルを設けるだけで良く、少ない数の参照セルで良好な読出しが可能になる。
【００５０】
なお、図７の例では、各ワード線の右端に記憶セルを配置するようにしたが、その他の位置に、記憶セルを配置するようにしても良い。また、図７の例では、同一のワード線の中で、隣接素子同士を比較するようにしたが、隣接するビット線同士の素子（セル）間でも比較を行うようにして、全てのワード線に参照セルを配置するのではなく、数ワード線に１つだけ参照セルを設けるようにしても良い。或いは、隣接するビット線同士の素子（セル）間での比較を、全ての位置で行うようにして、１個の磁気メモリに１個だけ参照セルを設ける構成とすることも可能である。
【００５１】
また、参照素子を一方向に磁化する処理としては、強い外部磁場を加えて一方向に磁化しても良いし、ビット線とワード線に電流を流して素子を一つずつ磁化しても良いし、まとめて磁化しても良いが、他の記憶素子の磁化に影響を与える可能性もあるので、記録を行う前の初期化の過程で行うのが適当である。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施の形態を、図９〜図１１を参照して説明する。
本例においては、第１の実施の形態で説明した磁気メモリの各記憶セルの近傍に、磁場印加及び加熱用の素子を配置して、記録の選択性を高めた構成としたものである。
【００５３】
図９は、本例の磁気メモリの各記憶セルの構成例を示した図で、図９では１つのワード線１２に接続された２つの記憶セルを示している。ここでは、ワード線１２とビット線１１ａとの交点の近傍に、記憶素子１３ａを使用した１つの記憶セル（第１の記憶セル）が構成され、ワード線１２とビット線１１ｂとの交点の近傍に、記憶素子１３ｂを使用したもう１つの記憶セル（第２の記憶セル）が構成されている。
【００５４】
第１の記憶セルについては、ワード線１２に、記憶素子１３ａの一方の電極が接続してある。ｎ型ＭＯＳトランジスタ１４ａのドレインについては、抵抗１９ａを介してワード線１２に接続してある。記憶素子１３ａの他方の電極は、ＭＯＳトランジスタ１４ａのゲートに接続してあり、ゲート及び記憶素子１３ａの他方の電極は、抵抗１５ａの一方の電極に接続してある。ＭＯＳトランジスタ１４ａのソースと抵抗１５ａの他方の電極は、ビット線１１ａに接続してある。
【００５５】
第２の記憶セルについては、ワード線１２に、記憶素子１３ｂの一方の電極が接続してある。ｎ型ＭＯＳトランジスタ１４ｂのドレインについては、抵抗１９ｂを介してワード線１２に接続してある。記憶素子１３ｂの他方の電極は、ＭＯＳトランジスタ１４ｂのゲートに接続してあり、ゲート及び記憶素子１３ｂの他方の電極は、抵抗１５ｂの一方の電極に接続してある。ＭＯＳトランジスタ１４ｂのソースと抵抗１５ｂの他方の電極は、ビット線１１ａに接続してある。
【００５６】
ここで、第２の記憶セルの抵抗１９ｂについては、第１の記憶セルの記憶素子１３ａと隣接した位置に配置してあり、図９に矢印で示すように、抵抗１９ｂで発する磁場印加及び加熱の作用２０が、記憶素子１３ａに及ばすようにしてある。また、第２の記憶セルの記憶素子１３ｂと隣接した位置には、ワード線１２上の第３の記憶セル（図示せず）の抵抗１９ｃが配置されて、その抵抗１９ｃで発する磁場印加及び加熱が、記憶素子１３ｂに作用するようにしてある。
【００５７】
このように構成した場合の記録動作について説明すると、例えばビット線１１ａとワード線１２の電位を同じにしておいて、隣接したビット線１１ｂの電圧を下げて、ワード線１２とビット線１１ｂの電圧差を、ＭＯＳトランジスタ１４ｂの動作しきい電圧以上にすると、ＭＯＳトランジスタ１４ｂのドレインとソースの間に電流が流れ、抵抗１９ｂの磁場印加および加熱機構が動作する。抵抗１９ｂの発生する磁場や熱によって記憶素子１３ａの保磁力は低下し、ワード線１２やビット線１１ａに流す電流を低減でき、目的の素子以外の素子への影響を少なくできる。
【００５８】
図１０は、このようなセル構成を適用した磁気メモリの全体構成例を示した図である。この例では、第２の実施の形態で説明した参照セルを、各ワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ 毎に配置した構成を適用してあり、図４，図７に対応する部分には同一符号を付与してある。
【００５９】
図１０の例では、各セルのＭＯＳトランジスタ４１ａ〜４１ｘ，４２ａ〜４２ｘ，４３ａ〜４３ｘのドレインと、ワード線Ｗ_１ ，Ｗ_２ ，Ｗ_３ との間に、磁場印加及び加熱の作用を行う抵抗１０１ａ〜１０１ｘ，１０２ａ〜１０２ｘ，１０３ａ〜１０３ｘを接続してある。そして、各抵抗１０１ａ〜１０１ｘ，１０２ａ〜１０２ｘ，１０３ａ〜１０３ｘを、隣接したセルの記憶素子３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃに近接した位置に配置する。なお、各ワード線上の左端に配された記憶セルに接続された抵抗１０１ａ，１０２ａ，１０３ａについては、他の記憶セルと特性を合わせるために接続されたものであり、他のセルに磁場印加及び加熱の作用を行うものではない。また、参照セルの記憶素子（参照素子）３１ｘ，３２ｘ，３３ｘについては、予め磁化方向が定まった素子であり、記憶（記録）処理が必要ないので、磁場印加及び加熱の作用を行う抵抗を近接配置する必要がない。
【００６０】
図１０に示した磁気メモリのビット線アドレスデコーダ及びドライバ２１，２２とワード線アドレスデコーダ及びドライバ２３，２４での、各記憶セルに情報を記録させる処理及び読出しさせる処理は、第２の実施の形態で図７で説明した構成と基本的に同じであり、読出し時に、参照素子を使用したＥｘ−ＯＲゲート回路８２ａ，８２ｂ，８２ｃを使用した検出処理についても、第２の実施の形態で説明した処理と同じである。但し、記憶素子に情報を記憶させる記録処理時には、情報を記憶させる記憶セルに記録用の電流を流すだけでなく、その記憶セルの記憶素子に磁場印加及び加熱の作用を行う抵抗が接続された記憶セルにも、その作用を行うための電流を流すドライブ処理を行う必要がある。
【００６１】
図１１は、本例の磁気メモリを半導体で構成させた場合の、１つのセルの断面構造を模式的に示した図である。この磁気メモリは、シリコン基板７２上に構成させてあり、横の素子と横断的に接続されている配線であるワード線９１が、一番上に形成してある。記憶素子として、トンネル絶縁膜６４の上下に、第１の磁性層６３と第２の磁性層６５とを配置して構成してある点は、第１の実施の形態の構成（図４参照）と同じである。この記憶素子の第１の磁性層６３は、配線９３と導体柱９２とを介してワード線９１に接続してある。
【００６２】
ここで、配線９３は隣接したセルの導体柱９５まで延長されて接続してある。この配線９３で、磁性層６３，６５とトンネル絶縁膜６４で構成される記憶素子に、磁場の印加及び加熱の作用を行う構成としてある。
【００６３】
第２の磁性層６５の下側で、電極６６を介して抵抗を構成する導体膜６７が形成してあり、導体膜６７の下にビット線６８が形成してあり、導体柱７３を介して電極６６とＭＯＳトランジスタのゲート電極７０とが接続してある構成については、図４で説明した構成と同じである。
【００６４】
このように構成して、配線９３を設けたことで、この配線９３の抵抗が、磁場の印加及び加熱の作用を行うようになる。この場合、配線抵抗を小さくすれば電流を多く流しても発熱が小さいので、磁場の印加の効果を主に用いることができ、高抵抗にすれば少ない電流で発熱させることができるので加熱の効果を主に利用することができる。また、磁場の強さを強めるために、配線９３の上面に軟磁性体を配置してもよい。この配線９３による作用を行うためには、ワード線と記録しようとする素子があるビット線に隣接したビット線との電圧差をＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧以上にすればよい。このとき記録しようとする素子のあるワード線、ビット線の一方か両方に電流を流せば、記録が可能である。記憶素子に接続したＭＯＳトランジスタに流せる電流はワード線やビット線の電流に比べれば小さいが、記憶素子近傍に磁場印加や加熱機構を配置することで有効に機能させることができる。また、本例のように磁場印加、加熱機構を用いる場合、ビット線が本来のビット線の本数より一本多く必要であるが、読み出し参照用のビット線を用いれば、素子数の増加を抑えることができ、効率良く磁気メモリを構成することができる。
【００６５】
なお、上述した実施の形態では、配線の抵抗により、磁場の印加と加熱を行うようにしたが、磁場の印加と加熱のいずれか一方だけを行う素子（手段）を配置しても良い。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によると、強磁性トンネル素子の抵抗変化を抵抗とＭＯＳトランジスタによってパルスの遅延時間やパルス幅に変換して出力するので、記憶素子が微細化しても、情報の記録や読出しが安定して行える。
【００６７】
また、２つのアドレス線（ワード線及びビット線）間の電圧でＭＯＳトランジスタの動作を制御するので、アドレス線間の電圧を変えることで、２つのアドレス線の内のそれぞれ一本ずつで記録にも読み出しにも対応できる。
【００６８】
また、磁化参照用の素子を設けて、さらに隣接素子間での演算で記憶情報を検出するようにしたことで、素子間のばらつきや信号遅延の影響を少なくして、確実な情報読み出しができる。この場合、例えば磁化参照用の素子を１つのアドレス線毎に配置したことで、全てのアドレス線から読出す際に、参照用素子を容易に参照することができ、良好な読出しが可能になる。
【００６９】
さらに、記憶素子に近接して隣接したセルへの配線を設けて、磁場印加及び／又は加熱手段を設ける構成としたことで、隣接したセルのトランジスタを磁場印加及び／又は加熱の制御に使用でき、記録誤りを低減でき、良好な記録が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による磁気メモリの構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態による入出力特性の例を示す波形図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による入出力特性の別の例を示す波形図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態による磁気メモリの全体構成例を示す構成図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態による磁気メモリの断面構造の例を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による磁気メモリの構成例を示す回路図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態による磁気メモリの全体構成例を示す構成図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態によるデータ判別処理例を示したフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施の形態による構成例を示す回路図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態による磁気メモリの全体構成例を示す構成図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態による磁気メモリの断面構造の例を示す断面図である。
【図１２】従来から提案されているＭＲＡＭの構成の一例を示した回路図である。
【符号の説明】
１…第１のビット線、２…第２のビット線、３…ワード線、４…合成磁場、５…記憶素子、６…ＭＯＳトランジスタ、１１，１１ａ，１１ｂ…ビット線、１２…ワード線、１３…記憶素子、１４，１４′…ＭＯＳトランジスタ、１５，１５′…コンデンサ、１６，１６′…抵抗、１７…参照用記憶素子、１８…Ｅｘ−ＯＲゲート回路、１８ａ…出力端子、１９ａ〜１９ｃ…抵抗、２１，２２…ビットアドレスデコーダ及びドライバ、２３，２４…ワード線アドレスデコーダ及びドライバ、２５…パルス幅判別部、３１ａ〜３１ｎ，３２ａ〜３２ｎ，３３ａ〜３３ｎ…記憶素子、４１ａ〜４１ｎ，４２ａ〜４２ｎ，４３ａ〜４３ｎ…ＭＯＳトランジスタ、５１ａ〜５１ｎ，５２ａ〜５２ｎ，５３ａ〜５３ｎ…コンデンサ、６１…ワード線、６２…導体柱、６３…第１の磁性層、６４…トンネル絶縁膜、６５…第２の磁性層、６６…抵抗の第１の電極、６７…導体膜（抵抗）、６８…ビット線、６９…トランジスタのソース電極、７０…トランジスタのゲート電極、７１…トランジスタのドレイン電極、７２…シリコン基板、７３，７４…導体柱、８１ａ〜８１ｘ…抵抗、８２ａ〜８２ｃ…Ｅｘ−ＯＲゲート回路、８３…判別部、９１…ワード線、９２…導体柱、９３…配線、９５…導体柱、９６…ビット線、１０１ａ〜１０１ｘ，１０２ａ〜１０２ｘ，１０３ａ〜１０３ｘ…抵抗

Claims (11)

1. 磁化方向により情報を保持する複数の磁性体記憶素子を有する磁気メモリにおいて、
   複数並列に配置された第１のアドレス線と、
   前記それぞれの第１のアドレス線と交差する状態で複数並列に配置された第２のアドレス線と、
   前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線との交差位置に配置され、一方の電極が前記第１のアドレス線に接続された複数の磁性体記憶素子と、
   前記それぞれの磁性体記憶素子の他方の電極がゲートに接続され、ドレインとソースとが前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線に接続された複数のＭＯＳトランジスタと、
   前記それぞれのＭＯＳトランジスタのゲートと第２のアドレス線とを接続する複数の抵抗とを備える
   磁気メモリ。
2. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、
   前記複数の磁性体記憶素子の内の少なくとも１つは、予め磁化方向が決められた参照用の記憶素子である
   磁気メモリ。
3. 請求項２記載の磁気メモリにおいて、
   前記参照用の記憶素子は、前記複数の第１のアドレス線毎に配置した
   磁気メモリ。
4. 請求項１記載の磁気メモリにおいて、
   前記それぞれのＭＯＳトランジスタと前記第１のアドレス線との間に接続された複数の磁場印加及び／又は加熱手段を設け、
   前記それぞれの磁場印加及び／又は加熱手段の一部は、隣接した磁性体記憶素子に近接した位置に配置した
   磁気メモリ。
5. 請求項４記載の磁気メモリにおいて、
   前記それぞれの磁場印加及び／又は加熱手段は、抵抗で構成した
   磁気メモリ。
6. 磁化方向により情報を保持する複数の磁性体記憶素子を有する磁気メモリに情報を記録させる情報記録回路であって、
   前記磁気メモリとして、
   複数並列に配置された第１のアドレス線と、
   前記それぞれの第１のアドレス線と交差する状態で複数並列に配置された第２のアドレス線と、
   前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線との交差位置に配置され、一方の電極が前記第１のアドレス線に接続された複数の磁性体記憶素子と、
   前記それぞれの磁性体記憶素子の他方の電極がゲートに接続され、ドレインとソースとが前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線に接続された複数のＭＯＳトランジスタと、
   前記それぞれのＭＯＳトランジスタのゲートと第２のアドレス線とを接続する複数の抵抗とを備えた構成とし、
   前記複数の磁性体記憶素子の内の情報を記録する素子に接続された前記ＭＯＳトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を、ＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧以下に保ちながら、そのＭＯＳトランジスタに接続された第１及び第２のアドレス線の少なくとも一方に電流を流す駆動手段を備えた
   情報記録回路。
7. 請求項６記載の情報記録回路において、
   前記磁気メモリとして、
   前記それぞれのＭＯＳトランジスタと前記第１のアドレス線との間に接続された複数の磁場印加及び／又は加熱手段を設け、前記それぞれの磁場印加及び／又は加熱手段の一部は、隣接した磁性体記憶素子に近接した位置に配置した場合に、
   前記駆動手段は、情報を記録する素子に近接した磁場印加及び／又は加熱手段に接続された第１のアドレス線と第２のアドレス線との間にも電流を流すようにした
   情報記録回路。
8. 磁化方向により情報を保持する複数の磁性体記憶素子を有する磁気メモリに記録された情報を読出す情報読出回路であって、
   前記磁気メモリとして、
   複数並列に配置された第１のアドレス線と、
   前記それぞれの第１のアドレス線と交差する状態で複数並列に配置された第２のアドレス線と、
   前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線との交差位置に配置され、一方の電極が前記第１のアドレス線に接続された複数の磁性体記憶素子と、
   前記それぞれの磁性体記憶素子の他方の電極がゲートに接続され、ドレインとソースとが前記第１のアドレス線と前記第２のアドレス線に接続された複数のＭＯＳトランジスタと、
   前記それぞれのＭＯＳトランジスタのゲートと第２のアドレス線とを接続する複数の抵抗とを備えた構成とし、
   前記複数の磁性体記憶素子の内の情報を読出すために選択された素子に接続された前記ＭＯＳトランジスタのゲートとソース又はドレイン間の電位差を、ＭＯＳトランジスタの動作しきい電圧より大きくなるように、そのＭＯＳトランジスタに接続された第１のアドレス線と第２のアドレス線の間に電圧を印加する駆動手段と、
   前記駆動手段により印加された電圧で流れる電流を検出して、素子に記憶された情報を判別する判別手段とを備えた
   情報読出回路。
9. 請求項８記載の情報読出回路において、
   前記駆動手段による電圧の印加として、時間変化する電圧を印加し、
   前記判別手段では、電流のパルス幅又はパルス応答の時間遅れの少なくとも何れか一方を検出して、選択された素子に記憶された情報を判別する
   情報読出回路。
10. 請求項８記載の情報読出回路において、
    前記磁気メモリが備える複数の磁性体記憶素子の内の少なくとも１つは、予め磁化方向が決められた参照用の記憶素子であり、
    前記駆動手段は、少なくとも、参照用の記憶素子と選択された記憶素子とから信号を読出すように電圧を印加し、
    前記判別手段は、参照用の記憶素子から読出した信号と、選択された記憶素子から読出した信号との論理演算から、記憶情報を判別する
    情報読出回路。
11. 請求項１０記載の情報読出回路において、
    前記駆動手段は、参照用の記憶素子と、選択された記憶素子との間にある全ての記憶素子から信号を読出すように電圧を印加し、
    前記判別手段での論理演算は、参照用の記憶素子と、選択された記憶素子との間にある全ての記憶素子から信号を読出して、その読出した全ての記憶素子から読出した信号を使用した論理演算を行う
    情報読出回路。

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