JP2004193603A - ２つの書込み導体を有するｍｒａｍ - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＲＡＭセルに書込みを行う際にセルの選択性を向上すること。
【解決手段】本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル(100)は、磁化容易軸(108)と磁化困難軸(110)とを有する磁気記憶素子(106)と、磁化容易軸および磁化困難軸のうちの一方に沿って配置された書込み導体(102)と、磁化容易軸および磁化困難軸の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置された書込み導体(104)とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して２つの書込み導体を有する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は不揮発性メモリである。ＭＲＡＭデバイスにおける読出しおよび書込み動作の実行は、ハードディスクドライブのような従来の長期記憶装置における読出しおよび書込み動作の実行よりも数桁速い。さらに、ＭＲＡＭデバイスは、ハードディスクドライブおよび他の従来の長期記憶装置よりもコンパクトであり、消費電力が小さい。

一般的なＭＲＡＭデバイスはメモリセルのアレイを含む。ワード線がメモリセルの行に沿って延在し、ビット線がメモリセルの列に沿って延在する。したがって、各メモリセルはワード線とビット線の交点に配置される。メモリセルは磁化の向きとして１ビットの情報を格納する。各メモリセルの磁化は常に、２つの安定した向き、すなわち平行および反平行（０および１の論理値に対応する）のうちの１つを有することができる。

所望のメモリセルにおいて格納された値を変更するために、適切なワード線およびビット線にバイアスがかけられ、メモリセルの磁気の向きが切り替えられる。各線は多数のメモリセルを横断するので、ワード線とビット線の交点にある所望のメモリセルのみがその磁気の向きを切り替えられるように、ワード線およびビット線に注意深くバイアスがかけられる。しかしながら、そのような選択性は達成するのが困難になる可能性があるが、それにもかかわらず正確で、信頼性の高いＭＲＡＭデバイスを実現するためには重要である。

本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、磁気記憶素子と２つの書込み導体とを備える。磁気記憶素子は磁化容易軸と磁化困難軸とを有する。書込み導体のうちの一方は、磁化容易軸および磁化困難軸のうちの一方に沿って配置される。他方の書込み導体は、磁化容易軸および磁化困難軸の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置される。

本発明によれば、磁化容易軸および磁化困難軸の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置される書込み導体を用いることにより、ＭＲＡＭセルに書込みを行う際の選択性が向上する。

本明細書において参照される図面は、本明細書の一部を構成する。図面に示される要素は、明確に指示されない限り、本発明のいくつかの実施形態を例示しているにすぎず、本発明の全ての実施形態を例示することを意味しない。

本発明の例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成し、本発明が実施され得る特定の例示的な実施形態を例示する添付図面を参照する。

図１は、本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１００の平面図を示す。ＭＲＡＭセル１００は、書込み導体１０４の下に配置された書込み導体１０２を含む。ＭＲＡＭセル１００の読出し導体（単数または複数）は、図示の明瞭化のために図１に示されない。しかしながら、書込み導体１０２は一実施形態において、読出し導体としても機能することができる。互いに対して垂直な磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０も図１に示される。

書込み導体１０２は、磁化容易軸１０８に沿って、すなわち磁化容易軸１０８に平行に配置される。代替の実施形態では、書込み導体１０２は磁化困難軸１１０に沿って、すなわち磁化困難軸１１０に平行に配置されることもできる。書込み導体１０４は、磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置される。図１の実施形態では、書込み導体１０４は書込み導体１０２に対して時計方向に、すなわち右に回転するように示されるが、代替の実施形態では、書込み導体１０４は、書込み導体１０２に対して反時計方向に、すなわち左に回転することもできる。

磁気記憶素子１０６は、書込み導体１０２と書込み導体１０４との間に配置される。磁気記憶素子１０６は、磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０を有すると言うことができる。磁気記憶素子１０６は、ＭＲＡＭセル１００が格納する論理値を示す磁気の向きを有する。磁気記憶素子１０６は、たとえば、論理値０および１に対応する平行な磁気の向き、および反平行な磁気の向きを有することができる。

書込み導体１０４を磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度に配置することにより、ＭＲＡＭセル１００に書込みを行う際の、すなわちＭＲＡＭセル１００の磁気の向きを切り替える際の選択性が向上する。そのような書込みまたは切替えは、書込み導体１０２および書込み導体１０４の両方にバイアスをかけることにより達成される。書込み導体１０２にバイアスをかけることにより、導体１０２に沿って、それゆえ磁化容易軸１０８に沿って磁界が生成される。同様に、書込み導体１０４にバイアスをかけることにより、導体１０４に沿って、それゆえ、軸１０８および１１０の両方に平行でもなく垂直でもない角度で磁界が生成される。

図２は、本発明の一実施形態による、磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０に沿って磁界が存在する場合にＭＲＡＭセル１００が磁気の向きを切り替える際のグラフ２００を示す。線２０２の一方の側には切替え領域２０４がある。磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０に沿った磁界が切替え領域２０４内にあるとき、ＭＲＡＭセル１００の磁気の向きは平行から反平行に、またはその逆に切り替わる。したがって、図１の導体１０２および１０４にバイアスをかける結果として、そのような磁界が切替え領域２０４に入るようにするとともに、そのような磁界が書込み導体１０２または書込み導体１０４の近くにある任意の他のＭＲＡＭセルの切替え領域に入らないようにすることが好ましい。

図３Ａは、本発明の一実施形態による、線２０２およびその線が画定する切替え領域２０４に対する、書込み導体１０２のみにバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３０２を示すグラフ３００を示す。磁界ベクトル３０２は磁化容易軸１０８上に存在し、そのため磁化困難軸１１０上には成分を持たない。結果として、書込み導体１０２にバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３０２は、切替え領域２０４内には及ばず、磁界ベクトル３０２だけでは、ＭＲＡＭセル１００を含む導体１０２に沿った任意のＭＲＡＭセルの磁気の向きを切り替えるには不十分である。

図３Ｂは、本発明の一実施形態による、線２０２およびその線が画定する切替え領域２０４に対する、書込み導体１０４のみにバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３２２を示すグラフ３２０を示す。磁界ベクトル３２２は、磁化容易軸１０８に沿った容易成分３２４と、磁化困難軸１１０に沿った困難成分３２６とに分解され得る。しかしながら、書込み導体１０４にバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３２２の大きさは、切替え領域２０４内に達するには不十分であり、同様に磁界ベクトル３２２だけでは、ＭＲＡＭセル１００を含む導体１０４に沿った任意のＭＲＡＭセルの磁気の向きを切り替えるには不十分である。

図３Ｃは、本発明の一実施形態による、線２０２およびその線が画定する切替え領域２０４に対する、書込み導体１０２および書込み導体１０４の両方にバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３４２を示すグラフ３４０を示す。磁界ベクトル３４２は、書込み導体１０２のみから生じる図３Ａの磁界ベクトル３０２と、書込み導体１０４のみから生じる図３Ｂの磁界ベクトル３２２との和である。磁界ベクトルは、磁化容易軸１０８に沿った容易成分３４４と、磁化困難軸１１０に沿った困難成分３４６とに分解され得る。容易成分３４４は、完全に磁化容易軸１０８上に存在する図３Ａの磁界ベクトル３０２と、図３Ｂの磁界ベクトル３２２の容易成分３２４との和に等しい。困難成分３４６は、図３Ａの磁界ベクトル３０２が困難成分を持たないので、図３Ｂの磁界ベクトル３２２の困難成分３２６に等しい。

書込み導体１０２および書込み導体１０４の両方にバイアスをかけることにより生じる磁界ベクトル３４２は、切替え領域２０４内に達し、したがって、導体１０２および１０４の両方に沿った唯一のＭＲＡＭセルであるＭＲＡＭセル１００の磁気の向きを切り替えるのに十分な大きさを有する。書込み導体１０２に沿った他のＭＲＡＭセルは、図３Ａの磁界ベクトル３０２のみを受けるので、それらの向きは切り替わらない。同じように、書込み導体１０４に沿った他のＭＲＡＭセルは、図３Ｂの磁界ベクトル３２２のみを受けるので、それらの向きは切り替わらない。このように、磁化容易軸１０８および磁化困難軸１１０の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置される書込み導体、すなわち書込み導体１０４を用いることにより、ＭＲＡＭセル１００に書込みを行う際の選択性が向上する。

図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の特定の実施形態による、図１の磁気記憶素子１０６を例示する概略図を示す。図４Ａおよび図４Ｂの実施形態の磁気記憶素子１０６は、スピン依存トンネル（ＳＤＴ）接合デバイスである。素子１０６はピン留め層４０４を含み、そのピン留め層４０４は、ピン留め層４０４の平面内に向けられるが、磁界がかけられる場合も回転しないように固定された磁化を有する。また、素子１０６は、ピン留めされない、すなわち固定されない磁化の向きを有するフリー層４０２も含む。もっと正確に言えば、その磁化は、フリー層４０２の平面内に存在する磁化容易軸に沿った２つの方向のうちのいずれかに向けられ得る。すなわち、フリー層４０２の磁化は回転可能であり、そのためその磁界はその２つの方向の間で切り替えることができる。

フリー層４０２およびピン留め層４０４の磁化が同じ方向にある場合には、その向きは平行であると言われ、それは図４Ａにおいて同じ方向を指す矢印４０８および４１０によって表される。フリー層４０２およびピン留め層４０４の磁化が逆の方向にある場合には、その向きは反平行であると言われ、それは図４Ｂにおいて逆の方向を指す矢印４０８および４１０によって表される。フリー層４０２の磁化は、前述したように図１の書込み導体１０２と１０４にバイアスをかけることにより変更される磁化を有することができる。

絶縁性トンネル障壁４０６は、フリー層４０２とピン留め層４０４とを分離することが好ましい。絶縁性トンネル障壁４０６によって、層４０２と４０４との間に量子力学的トンネル効果が生じるようになる。このトンネル現象は電子スピンに依存し、磁気記憶素子１０６の抵抗が、フリー層４０２およびピン留め層４０４の磁化の相対的な向きの関数になる。たとえば、層４０２と４０４の磁化の向きが平行である場合には、磁気記憶素子１０６の抵抗は第１の値になることができ、その磁化の向きが反平行である場合には、第１の値よりも大きい第２の値になることができる。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の一実施形態による、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル５００のアレイを示す。具体的には、図５ＡはＭＲＡＭセル５００の平面図であり、一方、図５ＢはＭＲＡＭセル５００の正面図である。

ＭＲＡＭセル５００は、まとめて磁気記憶素子５１０と呼ばれる、磁気記憶素子５１０Ａ、５１０Ｂ、．．．、５１０Ｎの３×３のアレイを含む。磁気記憶素子５１０のそれぞれは、前述された図４の記憶素子１０６として実施され得る。当業者には理解されるように、ＭＲＡＭセル５００はおそらく数百、数千またはそれ以上の係る磁気記憶素子５１０を含む。図示の明瞭化のために、図５Ａには磁気記憶素子５１０が９個だけ示されている。

また、ＭＲＡＭセル５００は、互いに平行な多数の書込み導体５０２と、互いに平行な多数の書込み導体５０４とを含む。書込み導体５０２のそれぞれは、多数の磁気記憶素子５１０の下に存在し、前述された図１の書込み導体１０２として実施され得る。書込み導体５０４のそれぞれは、多数の磁気記憶素子５１０の上に存在し、前述された図１の書込み導体１０４として実施され得る。

書込み導体５０４は、磁化容易軸１０８または磁化困難軸１１０のいずれかに平行に、またはそれに沿って配置される書込み導体５０２に対して、平行でもなく垂直でもない角度で配置される。図５Ａでは、書込み導体５０２は、特に磁化容易軸１０８に沿って配置される。書込み導体５０２のうちの３つ、および書込み導体５０４のうちの５つのみが図５Ａに示されるが、これは図示の明瞭化のためであり、実際には、ＭＲＡＭセル５００は数百、数千、またはそれ以上の係る導体５０２および５０４を含む。

ＭＲＡＭセル５００は、互いに平行な多数の読出し導体５０６と、同じく互いに平行な多数の読出し導体５０８とを含む。読出し導体５０６のそれぞれは、多数の磁気記憶素子５１０の上に存在するが、書込み導体５０４のうちの対応する書込み導体の下に存在する。読出し導体５０６および書込み導体５０２は、明瞭に図示するためだけに、互いに対してわずかにオフセットされて図５Ａに示される。実際には、図５Ｂに示されるように、読出し導体５０６および書込み導体５０２は互いからオフセットされない。読出し導体５０８のそれぞれは、多数の磁気記憶素子５１０の下に存在するが、書込み導体５０２のうちの対応する書込み導体の上に存在する。

読出し導体５０６および読出し導体５０８は、互いに対して垂直に配置される。読出し導体５０６は特に、図５Ａでは磁化容易軸１０８に沿って配置されるのに対して、読出し導体５０８は特に、図５Ａでは磁化困難軸１１０に沿って配置される。しかしながら、代替の実施形態では、読出し導体５０６は、磁化困難軸１１０に沿って配置されることができ、読出し導体５０８は、磁化容易軸１０８に沿って配置されることができる。読出し導体５０６のうちの３つ、および読出し導体５０８のうちの３つのみが図５Ａに示されるが、これは図示の明瞭化のためであり、実際には、ＭＲＡＭセル５００は数百、数千、またはそれ以上の係る導体５０６および５０８を含む。

本発明の別の代替実施形態では、読出し導体５０６は存在せず、そのため書込み導体５０２が読出しおよび書込み両方の機能的役割を担う。したがって、本発明のこの代替実施形態は、ＭＲＡＭセル５００が３つの異なるタイプの導体、すなわち書込み導体５０２、書込み導体５０４および読出し導体５０８を含むので、３導体アレイのＭＲＡＭセルである。しかしながら、図５Ａおよび図５Ｂに実際に示される実施形態では、ＭＲＡＭセル５００のアレイは、４つの異なるタイプの導体、すなわち書込み導体５０２、書込み導体５０４、読出し導体５０６および読出し導体５０８を含む４導体の記憶デバイスである。さらに、本発明の別の代替実施形態では、ＭＲＡＭセル５００はアレイに構成されないことに留意されたい。すなわち、ＭＲＡＭセル５００は、一例として図５の実施形態においてアレイとして構成されるが、本発明の全ての実施形態に関して制約するものではない。

図６は、本発明の一実施形態による、図５のＭＲＡＭセル５００のアレイを利用する典型的なＭＲＡＭ記憶デバイス６００を示す。ＭＲＡＭ記憶デバイス６００は、書込み駆動回路６０２Ａと読出し駆動回路６０２Ｂとを含む。書込み駆動回路６０２Ａおよび読出し駆動回路６０２Ｂは、まとめて駆動回路６０２と呼ばれる。駆動回路６０２によって、ＭＲＡＭセル５００のアレイに論理値を選択的に書き込むことができ、かつＭＲＡＭセル５００のアレイから論理値を選択的に読み出すことができる。具体的には、書込み駆動回路６０２Ａは、ＭＲＡＭセル５００に論理値を選択的に書き込むために設けられ、一方読出し駆動回路６０２Ｂは、ＭＲＡＭセル５００から論理値を選択的に読み出すために設けられる。

図７は、本発明の一実施形態による、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに書込みを行うための方法７００を示す。その方法７００は一実施形態では、図６の書込み駆動回路６０２Ａによって実行され得る。ＭＲＡＭセルのアレイの選択されたＭＲＡＭセルのために、そのＭＲＡＭセルの下を通過する書込み導体１０２／５０２にバイアスがかけられる（７０２）。これにより、書込み導体１０２／５０２に電流が流れ、第１の磁界が生成される。同様に、ＭＲＡＭセル上を通過する書込み導体１０４／５０４にバイアスがかけられ（７０４）、それにより書込み導体１０４／５０４に電流が流れ、第２の磁界が生成される。第１の磁界と第２の磁界との組み合わせは、ＭＲＡＭセルの磁気の向きを切り替えるのに十分であり、セルに格納された値が論理０から論理１に、またはその逆に切り替わる。それらの書込み導体に沿った他のＭＲＡＭセルは、第１の磁界または第２の磁界だけを受けており、両方の磁界を同時に受けないので影響を受けない。

図８は、本発明の一実施形態による、ＭＲＡＭセルを読み出すための方法８００を示す。方法８００は、一実施形態では図６の読出し駆動回路６０２Ｂによって実行され得る。ＭＲＡＭセルのアレイの選択されたＭＲＡＭセルのために、ＭＲＡＭセル上を通過する読出し導体５０６が、ＭＲＡＭセルの下を通過する読出し導体５０８に対して、またはその逆にバイアスがかけられる（８０２）。これにより、読出し導体５０６からＭＲＡＭセルを通って読出し導体５０８まで、または読出し導体５０８からＭＲＡＭセルを通って読出し導体５０６まで電流が流れる。その後、ＭＲＡＭセルの磁気記憶素子を流れるこの電流が判定され、または測定される（８０４）。

ＭＲＡＭセルの磁気記憶素子の抵抗は、ＭＲＡＭセルによって格納された論理値に基づく。すなわち、磁気記憶素子の抵抗は、ＭＲＡＭセルの磁気の向きに基づく。磁気の向きが平行である場合には、抵抗は第１の値になることができ、磁気の向きが反平行である場合には第２の値になることができる。さらに、読出し導体は互いに対して一定のレベルでバイアスをかけられており、電流は電圧を抵抗で割った値に等しいため、これはＭＲＡＭセルを流れる電流が、ＭＲＡＭセルの抵抗に基づくことを意味する。

したがって、判定または測定された電流は、ＭＲＡＭセルの磁気記憶素子に格納された論理値に相関する（８０６）。たとえば、第１の値の電流は、磁気の向きが平行であることに対応し、ＭＲＡＭセルによって論理０が格納されていることを表すことができる。第２の値の電流は磁気の向きが反平行であることに対応し、ＭＲＡＭセルによって論理１が格納されていることを表すことができる。このように、方法８００は、ＭＲＡＭセルによって格納された論理値を読み出す。

本発明の一実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの平面図である。 本発明の一実施形態による、図１のＭＲＡＭセルが磁気の向きを切り替える際のグラフである。 本発明の一実施形態による、図１の書込み導体にバイアスをかけることにより生じる図１の磁気記憶素子上の磁界ベクトルを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、図１の書込み導体にバイアスをかけることにより生じる図１の磁気記憶素子上の磁界ベクトルを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、図１の両方の書込み導体にバイアスをかけることにより生じる図１の磁気記憶素子上の磁界ベクトルを示すグラフである。 本発明の一実施形態による、図１の磁気記憶素子の種々の層の磁気の向きを示す概略図である。 本発明の一実施形態による、図１の磁気記憶素子の種々の層の磁気の向きを示す概略図である。 本発明の一実施形態によるＭＲＡＭセルのアレイの概略図である。 本発明の一実施形態によるＭＲＡＭセルのアレイの概略図である。 本発明の一実施形態による典型的なＭＲＡＭ記憶デバイスの図である。 本発明の一実施形態による、ＭＲＡＭ記憶デバイスのＭＲＡＭメモリセルに論理値を書き込むための方法の流れ図である。 本発明の一実施形態による、ＭＲＡＭ記憶デバイスのＭＲＡＭメモリセルから論理値を読み出すための方法の流れ図である。

符号の説明

100、500 ＭＲＡＭセル
102、104、502、504 書込み導体
106、510 磁気記憶素子
108 磁化容易軸
110 磁化困難軸
402 フリー層
404 ピン留め層
406 絶縁性トンネル障壁
506、508 読出し導体
600 ＭＲＡＭ記憶デバイス
602 駆動回路

Claims (8)

1. 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル（１００）であって、
   磁化容易軸（１０８）および磁化困難軸（１１０）を有する磁気記憶素子（１０６）と、
   前記磁化容易軸および前記磁化困難軸のうちの一方に沿って配置された書込み導体（１０２）と、および
   前記磁化容易軸および前記磁化困難軸の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置された書込み導体（１０４）とを備える、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル。
2. 前記磁気記憶素子が、
   前記磁化容易軸に沿って第１の方向に向けられた固定された磁化を有するピン留め層（４０４）と、および
   前記磁化容易軸に沿って、前記第１の方向および前記第１の方向とは反対の第２の方向の一方に切替え可能に向けられる回転可能な磁化を有するフリー層（４０２）とを備える、請求項１に記載のＭＲＡＭセル。
3. 前記磁化容易軸および前記磁化困難軸の一方に沿って配置された前記書込み導体が、前記磁化容易軸に沿って配置される、請求項１に記載のＭＲＡＭセル。
4. 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）記憶デバイス（６００）であって、
   磁化容易軸（１０８）および磁化困難軸（１１０）を有する複数の磁気記憶素子（５１０）と、
   １組の平行な書込み導体（５０２）であって、その全てが前記磁化容易軸および前記磁化困難軸の一方に沿って配置される、１組の平行な書込み導体と、および
   １組の平行な書込み導体（５０４）であって、その全てが前記磁化容易軸および前記磁化困難軸の両方に対して平行でもなく垂直でもない角度で配置される、１組の平行な書込み導体とを備える、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）記憶デバイス。
5. １組の平行な読出し導体（５０６）であって、その全てが前記磁化容易軸および前記磁化困難軸のうちの一方に沿って配置される、１組の平行な読出し導体と、および
   １組の平行な読出し導体（５０８）であって、その全てが前記磁化容易軸および前記磁化困難軸のうちの他方に沿って配置される、１組の平行な読出し導体とをさらに含む、請求項４に記載のＭＲＡＭ記憶デバイス。
6. 前記複数の磁気記憶素子から値を選択的に読み出し、かつ前記複数の磁気記憶素子に値を選択的に書き込むための駆動回路（６０２）をさらに含む、請求項４に記載のＭＲＡＭ記憶デバイス。
7. 前記磁気記憶素子がそれぞれ、
   前記磁化容易軸に沿って第１の方向に向けられた固定された磁化を有するピン留め層（４０４）と、および
   前記磁化容易軸に沿って、前記第１の方向および前記第１の方向とは反対の第２の方向の一方に切替え可能に向けられる回転可能な磁化を有するフリー層（４０２）とを備える、請求項４に記載のＭＲＡＭ記憶デバイス。
8. 前記磁化容易軸および前記磁化困難軸の一方に沿って配置される前記１組の平行な書込み導体が、前記磁化容易軸に沿って配置される、請求項４に記載のＭＲＡＭ記憶デバイス。

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