JP2008085349A - Magnetic random access memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、トンネル磁気抵抗(Tunneling Magneto Resistive)効果により“1”,“0”−情報を記憶するTMR素子を利用してメモリセルを構成した磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetic Random Access Memory)に関する。 The present invention relates to a magnetic random access memory (MRAM) in which memory cells are configured using TMR elements that store “1”, “0” -information by a tunneling magnetoresistive effect. .
近年、新たな原理により情報を記憶するメモリが数多く提案されているが、そのうちの一つに、Roy Scheuerlein et.al.によって提案されたトンネル磁気抵抗(Tunneling Magneto Resistive: 以後、TMRと表記する。) 効果を利用したメモリがある(例えば、ISSCC2000 Technical Digest p.128「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」を参照)。 In recent years, many memories for storing information based on a new principle have been proposed. One of them is a tunneling magnetoresistive (hereinafter referred to as TMR) proposed by Roy Scheuerlein et.al. ) There is a memory that uses the effect (for example, see ISSCC2000 Technical Digest p.128 “A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”).
磁気ランダムアクセスメモリは、TMR素子により“1”,“0”−情報を記憶する。TMR素子は、2つの磁性層(強磁性層)により絶縁層(トンネルバリア)を挟んだ構造を有する。TMR素子に記憶される情報は、2つの磁性層のスピンの向きが平行か又は反平行かによって判断される。 The magnetic random access memory stores “1”, “0” -information by the TMR element. The TMR element has a structure in which an insulating layer (tunnel barrier) is sandwiched between two magnetic layers (ferromagnetic layers). Information stored in the TMR element is determined by whether the spin directions of the two magnetic layers are parallel or antiparallel.
ここで、平行とは、2つの磁性層のスピンの向きが同じであることを意味し、反平行とは、2つの磁性層のスピンの向きが逆向きであることを意味する。 Here, “parallel” means that the spin directions of the two magnetic layers are the same, and “antiparallel” means that the spin directions of the two magnetic layers are opposite.
通常、TMR素子を構成する2つの磁性層のうちの一つは、スピンの向きが固定される固定層となるため、“1”,“0”−情報をTMR素子に記憶させる場合には、書き込み情報に応じて、これら2つの磁性層のうちの他の一つ(自由層)のスピンの向きを変えてやればよい。 Usually, one of the two magnetic layers constituting the TMR element is a fixed layer in which the spin direction is fixed. Therefore, when storing “1”, “0” -information in the TMR element, Depending on the write information, the spin direction of the other one (free layer) of these two magnetic layers may be changed.
ところで、近年では、種々のデバイス構造又は回路構造のMRAMが提案されており、そのうちの一つに、一つのスイッチング素子(選択トランジスタ)に複数のTMR素子を接続したデバイス構造が知られている。この構造は、セルの高密度化や読み出しマージンの向上を図るうえで有利である。 In recent years, MRAMs having various device structures or circuit structures have been proposed, and one of them is a device structure in which a plurality of TMR elements are connected to one switching element (select transistor). This structure is advantageous in increasing the cell density and improving the read margin.
例えば、特願2000−296082(平成12年9月28日出願)は、上部配線と下部配線の間に複数のTMR素子を並列に接続したセル構造を提案する。このセル構造では、図8に示すように、複数のTMR素子10が基板上に複数段(本例では、4段)に積み上げられる。また、各段においては、上部配線11と下部配線12の間に複数のTMR素子10が並列に接続される。
For example, Japanese Patent Application No. 2000-296082 (filed on Sep. 28, 2000) proposes a cell structure in which a plurality of TMR elements are connected in parallel between an upper wiring and a lower wiring. In this cell structure, as shown in FIG. 8, a plurality of
上部配線11は、X方向に延び、その一端は、選択トランジスタ14に接続される。下部配線12も、X方向に延び、その一端は、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路に接続される。本例では、読み出し電流は、上部配線11、TMR素子10、下部配線12という経路、即ち、X方向に沿って流れる。書き込み配線13は、TMR素子10に隣接して配置され、Y方向に延びている。
The upper wiring 11 extends in the X direction, and one end thereof is connected to the
図9のセル構造は、図8の下部配線と書き込み配線を一体化した例である。即ち、下部配線12は、Y方向に延び、その一端は、センスアンプ(S/A)に接続される。書き込み時には、下部配線12は、書き込み配線として機能する。読み出し時には、下部配線12は、読み出し配線として機能する。即ち、読み出し電流は、まず、上部配線(X方向)11に流れ、この後、TMR素子10を経由して下部配線(Y方向)12に流れる。
The cell structure in FIG. 9 is an example in which the lower wiring and the write wiring in FIG. 8 are integrated. That is, the
磁気ランダムアクセスメモリのセルの基本構造は、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子(選択トランジスタ)を対応させた1セル−1トランジスタ構造である。しかし、TMR素子を複数段に積み重ねたデバイス構造では、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子を対応させると、スイッチング素子数が多くなり、セルの高密度化に不利となる。 The basic structure of the magnetic random access memory cell is a one-cell to one-transistor structure in which one switching element (selection transistor) is associated with one TMR element. However, in a device structure in which TMR elements are stacked in a plurality of stages, if one TMR element is associated with one switching element, the number of switching elements increases, which is disadvantageous for increasing the cell density.
そこで、TMR素子10を複数段に積み重ねたデバイス構造の場合、1つのTMR素子に1つのスイッチング素子を対応させなくても、読み出し動作や書き込み動作を行うことができるようなデバイス構造が採用される。
Therefore, in the case of a device structure in which the
例えば、図8及び図9に示すデバイス構造では、TMR素子10のアレイの各段において、上部配線10と下部配線12との間に複数のTMR素子10を接続する。そして、例えば、上部配線11の一端に選択トランジスタ14を接続し、下部配線12の一端にセンスアンプ(S/A)15を接続する。
For example, in the device structure shown in FIGS. 8 and 9, a plurality of
しかし、この場合、図8の例では、TMR素子10のアレイの各段に配置される上部配線11のそれぞれに対して選択トランジスタが必要になる。また、図10に示すように、上部配線11は、TMR素子10のアレイ16上においてX方向に延びている。つまり、上部配線11に接続される選択トランジスタは、アレイ16の端部のエリア17に集中して配置されることになる。
However, in this case, in the example of FIG. 8, a selection transistor is required for each of the upper wirings 11 arranged at each stage of the array of the
同様に、TMR素子10のアレイの各段に配置される下部配線(読み出し配線)12のそれぞれに対してセンスアンプ(トランジスタ)が必要になる。つまり、図10に示すように、下部配線12は、TMR素子10のアレイ16上においてX方向に延びているため、下部配線12に接続されるトランジスタは、アレイ16の端部のエリア18に集中して配置されることになる。
Similarly, a sense amplifier (transistor) is required for each lower wiring (readout wiring) 12 arranged in each stage of the array of
同様に、TMR素子10のアレイの各段に配置される書き込み配線13のそれぞれに対しても、選択トランジスタが必要になる。つまり、図10に示すように、書き込み配線13は、TMR素子10のアレイ16上においてY方向に延びているため、書き込み配線13に接続される選択トランジスタは、アレイ16の端部のエリア19A,19Bに集中して配置されることになる。
Similarly, a selection transistor is required for each of the
ところで、TMR素子に対するデータ書き込み/読み出し動作においては、TMR素子の特性に起因し、大電流が必要になることが知られている。このため、上部配線11、下部配線12及び書き込み配線13に接続されるトランジスタのサイズは、必然的に大きくなることが予想される。
Incidentally, it is known that a large current is required in the data write / read operation for the TMR element due to the characteristics of the TMR element. For this reason, it is expected that the size of the transistors connected to the upper wiring 11, the
従って、アレイ16の周辺に配置される電流駆動のためのトランジスタを配置するエリア17,18,19A,19Bの面積も大きくなり、チップサイズの縮小や1チップ当たりの製造コストの低下などが図れなくなる。また、TMR素子を積み重ねる段数に比例して選択トランジスタの数も増えるため、TMR素子の積み重ね段数が非常に多くなると、選択トランジスタのレイアウトに多大な時間を要し、開発時間が長くなる。
本発明の目的は、TMR素子のアレイ内の配線に接続され、TMR素子のアレイの端部に配置されるトランジスタの数を減らすことが可能な新規なデバイス構造を提案することにより、チップサイズの縮小、1チップ当たりの製造コストの低下、開発時間の短縮などを図ることにある。 An object of the present invention is to propose a novel device structure that can be connected to wiring in an array of TMR elements and can reduce the number of transistors disposed at the end of the array of TMR elements. The purpose is to reduce the manufacturing cost per chip and shorten the development time.
本発明の例に係る磁気ランダムアクセスメモリは、複数段に積み重ねられた複数のTMRアレイと、前記TMRアレイ内に配置され、前記TMRアレイの第1方向における一端から他端まで延びる書き込み線と、前記第1方向における一端において前記TMRアレイ内の書き込み線を共通に接続するコンタクトプラグと、前記第1方向における他端において前記TMRアレイ内の書き込み線を共通に接続するコンタクトプラグと、前記TMRアレイ内に配置され、前記TMRアレイの前記第1方向に直交する第2方向における一端から他端まで延びる配線と、前記配線の一端に接続される第1選択トランジスタとを備え、複数の前記TMRアレイ内のTMR素子には個別に選択トランジスタが接続されない。 A magnetic random access memory according to an example of the present invention includes a plurality of TMR arrays stacked in a plurality of stages, a write line disposed in the TMR array and extending from one end to the other end in the first direction of the TMR array, A contact plug for commonly connecting a write line in the TMR array at one end in the first direction; a contact plug for commonly connecting a write line in the TMR array at the other end in the first direction; and the TMR array. A plurality of the TMR arrays including a wiring extending from one end to the other end in a second direction orthogonal to the first direction of the TMR array, and a first selection transistor connected to one end of the wiring. The select transistors are not individually connected to the TMR elements.
本発明によれば、TMR素子のアレイ内の配線に接続され、TMR素子のアレイの端部に配置されるトランジスタの数を減らすことが可能な新規なデバイス構造を提案することにより、チップサイズの縮小、1チップ当たりの製造コストの低下、開発時間の短縮などを図ることができる。 According to the present invention, by proposing a novel device structure capable of reducing the number of transistors connected to the wiring in the array of TMR elements and arranged at the end of the array of TMR elements, It is possible to reduce the manufacturing cost per chip and shorten the development time.
以下、図面を参照しながら、本発明の磁気ランダムアクセスメモリについて詳細に説明する。 Hereinafter, the magnetic random access memory of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、TMR素子が複数段に積み重ねられたアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリに適用される。 The present invention is applied to a magnetic random access memory having an array structure in which TMR elements are stacked in a plurality of stages.
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、TMR素子のアレイの1ロウ又は1カラム内において、各段に配置される同一機能を有する配線(例えば、書き込み配線、読み出し配線など)を直列又は並列に接続した点に特徴を有する。この場合、その配線には、その一端に1つ、又は、その両端に1つずつのトランジスタを配置すればよいため、TMR素子のアレイの端部に配置されるトランジスタの数を減らすことができる。 In the magnetic random access memory of the present invention, wirings having the same function (for example, writing wirings, reading wirings, etc.) arranged in each stage in one row or one column of the array of TMR elements are connected in series or in parallel. Characterized by points. In this case, since it is only necessary to arrange one transistor at one end or one transistor at each end of the wiring, the number of transistors arranged at the end of the array of TMR elements can be reduced. .
また、本発明のデバイス構造によれば、TMR素子の積み重ね段数にかかわらず、TMR素子のアレイの1ロウ又は1カラム内で直列又は並列に接続された配線にトランジスタを接続すればよいため、TMR素子の積み重ね段数を増やして、メモリ容量の増大を図っても、トランジスタ数が増大することはなく、そのレイアウトが複雑になることもない。 In addition, according to the device structure of the present invention, the transistor may be connected to the wiring connected in series or in parallel in one row or one column of the array of TMR elements regardless of the number of stacked TMR elements. Even if the number of stacked elements is increased to increase the memory capacity, the number of transistors does not increase and the layout thereof does not become complicated.
さらに、TMR素子のアレイの1ロウ又は1カラム内の各段に配置される同一機能を有する配線に接続するトランジスタ数が常に一定となるため、TMR素子のアレイを小さな1つのブロックとし、複数ブロックを集めて大きなメモリセルアレイを構成してもよい。この場合、TMR素子のアレイの直下にトランジスタ又はセンスアンプなどのコア回路を配置することができる。 Further, since the number of transistors connected to the wiring having the same function arranged at each stage in one row or one column of the TMR element array is always constant, the TMR element array is made into one small block, and a plurality of blocks A large memory cell array may be configured by collecting the above. In this case, a core circuit such as a transistor or a sense amplifier can be disposed immediately below the array of TMR elements.
[第1実施の形態]
図1は、本発明の第1実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部のレイアウトの概要を示している。図2は、図1のセルアレイ部のX方向に沿った断面、即ち、図1のII−II線に沿う断面を示している。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an outline of the layout of the cell array portion of the magnetic random access memory according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a cross section along the X direction of the cell array portion of FIG. 1, that is, a cross section taken along the line II-II of FIG.
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、3段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
A plurality of
上部配線11及び下部配線12は、共に、X方向に延び、両配線11,12の間には、X方向に配置される複数のTMR素子10が配置されている。上部配線11の一端には、選択トランジスタ14が接続される。また、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路が接続される。
Both the upper wiring 11 and the
本実施の形態では、上部配線11及び下部配線12は、読み出し配線として機能する。即ち、データ読み出し時、読み出し電流は、上部配線11、TMR素子10、下部配線12という経路、即ち、X方向に沿って流れる。
In the present embodiment, the upper wiring 11 and the
具体的な読み出し方法としては、まず、上部配線11と下部配線12に読み出し電流を流し、例えば、この時の下部配線12の電位をセンスアンプにより検出する。次に、選択されたTMR素子(メモリセル)に所定データ(“0”又は“1”)を書き込み、この後、再び、上部配線11と下部配線12に読み出し電流を流し、この時の下部配線12の電位をセンスアンプにより検出する。1回目と2回目の読み出しで、センスアンプにより検出された電位が同じならば、選択されたTMR素子のデータは、所定データと同じと判断され、異なれば、選択されたTMR素子のデータは、所定データと異なると判断される。最後に、選択されたTMR素子に、正しいデータを再書き込みする。
As a specific reading method, first, a read current is supplied to the upper wiring 11 and the
書き込み配線13は、TMR素子10のアレイの各段において、TMR素子10上に配置され、Y方向に延びている。また、書き込み配線13は、TMR素子10の自由層に近接して配置される。さらに、X方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1カラム、Y方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1ロウとした場合に、本例では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される書き込み配線13を直列接続している。
The
即ち、図3に示すように、TMR素子10のアレイの端部において、上段の書き込み配線13と下段の書き込み配線13をコンタクトプラグを介して互いに電気的に接続する。なお、図3では、簡略化のため、上部配線及び下部配線を省略している。
That is, as shown in FIG. 3, at the end of the array of the
具体的な書き込み方法としては、例えば、書き込み配線として機能する選択された1カラム内の下部配線12に書き込みデータの値に応じて一方向又は他方向に向かう書き込み電流を流す。同時に、選択された1ロウ内の書き込み配線13に一方向に向かう書き込み電流を流す。これにより、下部配線12と書き込み配線13の間に配置されるTMR素子(メモリセル)10に所定データが書き込まれる。
As a specific writing method, for example, a write current flowing in one direction or the other direction is caused to flow through the
このように、本実施の形態では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される同一機能を有する配線、即ち、書き込み配線を直列に接続することにより、その書き込み配線には、図3に示すように、その両端に1つずつのトランジスタを配置すればよい。このため、TMR素子10のアレイ16の端部のエリア19A,19Bに配置されるトランジスタ数を大幅に減らすことができる。
As described above, in this embodiment, by connecting the wirings having the same function, that is, the writing wirings arranged in each stage in one row of the array of the
また、このようなデバイス構造によれば、TMR素子10の積み重ね段数にかかわらず、TMR素子10のアレイ16の1ロウ内で直列に接続された配線にトランジスタを接続すればよいため、TMR素子10の積み重ね段数を増やして、メモリ容量の増大を図っても、トランジスタが増大することはなく、そのレイアウトが複雑になることもない。
In addition, according to such a device structure, a transistor may be connected to a wiring connected in series within one row of the array 16 of the
さらに、TMR素子10のアレイ16の1ロウ内の各段に配置される書き込み配線13に接続するトランジスタ数が常に一定となるため、TMR素子10のアレイ16を小さな1つのブロックとし、複数ブロックを集めて大きなメモリセルアレイを構成してもよい。この場合、例えば、図3に示すように、各ブロック内のTMR素子10の直下にトランジスタ又はセンスアンプなどのコア回路を配置することが可能になる。
Furthermore, since the number of transistors connected to the
なお、図1において、積み重ねられたTMR素子、X方向に延びる配線及びY方向に延びる配線は、それぞれ、各段において互いにずれているように記載されているが、これは、説明を分かり易くするためであり、実際は、互いにずれていても、又は、完全にオーバーラップしていても、どちらでもよい。 In FIG. 1, the stacked TMR elements, the wiring extending in the X direction, and the wiring extending in the Y direction are described so as to be shifted from each other in each stage, but this makes the explanation easy to understand. Actually, they may be shifted from each other or completely overlapped.
[第2実施の形態]
図4は、本発明の第2実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部の概要を示している。
[Second Embodiment]
FIG. 4 shows an outline of the cell array portion of the magnetic random access memory according to the second embodiment of the present invention.
本実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリは、図2の磁気ランダムアクセスメモリと比較すると、図2のTMR素子10の積み重ね段数を4段にした点に特徴を有し、その他の点については、図2の磁気ランダムアクセスメモリと同じとなっている。
The magnetic random access memory according to the present embodiment is characterized in that the number of stacking stages of the
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、4段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
A plurality of
上部配線11及び下部配線12は、共に、X方向に延び、両配線11,12の間には、X方向に配置される複数のTMR素子10が配置されている。上部配線11の一端には、選択トランジスタ14が接続される。また、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路が接続される。
Both the upper wiring 11 and the
上部配線11及び下部配線12は、読み出し配線として機能する。即ち、データ読み出し時、読み出し電流は、上部配線11、TMR素子10、下部配線12という経路、即ち、X方向に沿って流れる。
The upper wiring 11 and the
書き込み配線13は、TMR素子10のアレイの各段において、TMR素子10上に配置され、Y方向に延びている。また、書き込み配線13は、TMR素子10の自由層に近接して配置される。さらに、X方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1カラム、Y方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1ロウとした場合に、本例では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される書き込み配線13を直列接続している。
The
即ち、図5に示すように、TMR素子10のアレイの端部において、上段の書き込み配線13と下段の書き込み配線13をコンタクトプラグを介して互いに電気的に接続する。なお、図5では、簡略化のため、上部配線及び下部配線を省略している。
That is, as shown in FIG. 5, at the end of the array of
本実施の形態では、TMR素子10の積み重ね段数が4段である。即ち、TMR素子10の積み重ね段数が偶数段(2,4,6,・・・段)である場合には、図5に示すように、書き込み配線13とトランジスタとを接続するための2つのコンタクト部が、共に、TMR素子10のアレイ部の一端部に配置される。
In the present embodiment, the number of stacking stages of the
この場合には、例えば、図5に示すように、ブロックBK0内の書き込み配線13の一端に接続されるトランジスタを、ブロックBK0に隣接するブロックBK1のアレイの直下に配置し、ブロックBK0内の書き込み配線13の他端に接続されるトランジスタを、ブロックBK0のアレイの直下に配置する。
In this case, for example, as shown in FIG. 5, a transistor connected to one end of the
なお、上述の第1実施の形態のように、TMR素子10の積み重ね段数が奇数段(3,5,7,・・・段)である場合には、図3に示すように、書き込み配線13の一端とトランジスタとを接続するためのコンタクト部は、TMR素子10のアレイ部の一端部に配置され、書き込み配線13の他端とトランジスタとを接続するためのコンタクト部は、TMR素子10のアレイ部の一端部に対向する他端部に配置される。
If the number of stacked stages of the
従って、この場合には、例えば、図3に示すように、ブロックBK0内の書き込み配線13の一端及び他端に接続されるトランジスタを、それぞれ、ブロックBK0のアレイの直下に配置する。
Therefore, in this case, for example, as shown in FIG. 3, the transistors connected to one end and the other end of the
このように、本実施の形態では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される同一機能を有する配線、即ち、書き込み配線を直列に接続することにより、その書き込み配線には、図5に示すように、その両端に1つずつのトランジスタを配置すればよい。このため、TMR素子10のアレイの端部に配置されるトランジスタ数を大幅に減らすことができる。
As described above, in this embodiment, by connecting the wirings having the same function, that is, the writing wirings arranged in each stage in one row of the array of the
また、このようなデバイス構造によれば、TMR素子の積み重ね段数にかかわらず、TMR素子10のアレイの1ロウ内で直列に接続された配線にトランジスタを接続すればよいため、TMR素子10の積み重ね段数を増やして、メモリ容量の増大を図っても、トランジスタ数が増大することはなく、そのレイアウトが複雑になることもない。
In addition, according to such a device structure, the transistors may be connected to the wirings connected in series in one row of the array of
さらに、TMR素子10のアレイの1ロウ内の各段に配置される書き込み配線13に接続するトランジスタ数が常に一定となるため、TMR素子10のアレイを小さな1つのブロックとし、複数ブロックを集めて大きなメモリセルアレイを構成してもよい。この場合、例えば、図5に示すように、各ブロック内のTMR素子10の直下にトランジスタ又はセンスアンプなどのコア回路を配置することが可能になる。
Furthermore, since the number of transistors connected to the
[第3実施の形態]
図6は、本発明の第3実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部の概要を示している。
[Third Embodiment]
FIG. 6 shows an outline of the cell array portion of the magnetic random access memory according to the third embodiment of the present invention.
本実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリは、図4の磁気ランダムアクセスメモリと比較すると、図4のTMR素子10の固定層の磁化の向きを1段ごとに変えた点に特徴を有し、その他の点については、図4の磁気ランダムアクセスメモリと同じとなっている。
Compared with the magnetic random access memory of FIG. 4, the magnetic random access memory of this embodiment is characterized in that the magnetization direction of the fixed layer of the
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、4段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
A plurality of
上部配線11及び下部配線12は、共に、X方向に延び、両配線11,12の間には、X方向に配置される複数のTMR素子10が配置されている。上部配線11の一端には、選択トランジスタ14が接続される。また、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路が接続される。
Both the upper wiring 11 and the
上部配線11及び下部配線12は、読み出し配線として機能する。即ち、データ読み出し時、読み出し電流は、上部配線11、TMR素子10、下部配線12という経路、即ち、X方向に沿って流れる。
The upper wiring 11 and the
書き込み配線13は、TMR素子10のアレイの各段において、TMR素子10上に配置され、Y方向に延びている。また、書き込み配線13は、TMR素子10の自由層に近接して配置される。さらに、X方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1カラム、Y方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1ロウとした場合に、本例では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される書き込み配線13を直列接続している。
The
即ち、図5に示すように、TMR素子10のアレイの端部において、上段の書き込み配線13と下段の書き込み配線13をコンタクトプラグを介して互いに電気的に接続する。
That is, as shown in FIG. 5, at the end of the array of
ところで、上述の第2実施の形態では、書き込み配線13は、図5から明らかなように、Y−Z平面内において蛇行して配置されている。この場合、図6に示すように、書き込み配線13に一方向の電流を流す場合、各段においては、書き込み配線13に流れる電流の向きは、1段ごとに互いに逆向きとなる。
Incidentally, in the second embodiment described above, the write wirings 13 meander in the YZ plane, as is apparent from FIG. In this case, as shown in FIG. 6, when a current in one direction flows through the
図6の場合では、奇数段目の書き込み配線13、即ち、半導体基板に最も近い1段目の書き込み配線13及び3段目の書き込み配線13には、紙面の表から裏に向かう書き込み電流が流れ、偶数段目の書き込み配線13、即ち、2段目と4段目の書き込み配線13には、紙面の裏から表に向かう書き込み電流が流れる。
In the case of FIG. 6, a write current flows from the front to the back of the page through the odd-numbered
このような状況において、例えば、全てのTMR素子10の固定層の磁化の向きが同じであるとすると、例えば、奇数段目のTMR素子と遇数段目のTMR素子に同じデータを書き込む場合には、書き込み配線13に異なる向きの書き込み電流を流さなければならない。
In such a situation, for example, if the magnetization directions of the fixed layers of all the
即ち、全てのTMR素子10の固定層の磁化の向きが同じで、下部配線12の書き込み電流の向きが一定である場合には、書き込み配線13に一方向の書き込み電流のみを流すと、各段のTMR素子10の自由層の磁化の向きは、1段ごとに逆向きとなる。即ち、各段のTMR素子10の磁化状態は、1段ごとに、平行、反平行となり、同一動作であるにもかかわらず、各段のTMR素子10には、異なるデータが書き込まれてしまう。
That is, when the magnetization directions of the fixed layers of all the
このように、第2実施の形態では、書き込み配線13に一方向の電流を流す場合には、各段においては、書き込み配線13に流れる電流は、互いに逆向きになってしまうため、書き込み動作の制御方法が複雑になる可能性がある。
As described above, in the second embodiment, when a current in one direction is supplied to the
そこで、本実施の形態では、このような事態を解決するため、図6に示すように、TMR素子10の固定層の磁化の向きを、1段ごとに変えることを提案する。この場合、書き込み配線13に一方向の書き込み電流のみを流すと、各段のTMR素子10の自由層の磁化の向きは、1段ごとに逆向きとなるが、各段のTMR素子10の磁化状態は、各段において同じ(平行又は反平行)となる。つまり、各段のTMR素子10には、同じデータが書き込まれる。
Therefore, in this embodiment, in order to solve such a situation, it is proposed to change the magnetization direction of the fixed layer of the
TMR素子10の固定層の磁化の向きに関しては、従来のプロセスにより、容易に、1段ごとに変えることが可能である。即ち、TMR素子10の固定層の磁化の向きを1段ごとに変えるには、固定層を構成する材料を堆積するときに、磁界の向きを調整してやればよい。
The magnetization direction of the fixed layer of the
なお、本実施の形態では、書き込み配線13が蛇行していることによる問題を、TMR素子10の固定層の磁化の向きを1段ごとに変えることで解決したが、これ以外にも、いくつかの解決方法がある。
In this embodiment, the problem caused by the meandering of the
例えば、書き込み制御が複雑になるが、上述のように、書き込み配線13に異なる向きの電流を流したり、また、下部配線12に流す書き込み電流の向きを変えることも可能である。また、同一データを各段において異なる磁化状態で保存することを認め、データ判定の条件を各段ごとに変えてもよい。
For example, although write control is complicated, as described above, it is possible to pass a current in a different direction through the
このように、本実施の形態では、TMR素子の固定層の磁化の向きを、1段ごとに変えている。この場合、書き込み配線に一方向の書き込み電流のみを流すと、各段のTMR素子の自由層の磁化の向きは、1段ごとに逆向きとなるが、各段のTMR素子の磁化状態は、各段において同じ(平行又は反平行)となる。 Thus, in this embodiment, the magnetization direction of the fixed layer of the TMR element is changed for each stage. In this case, when only a write current in one direction is passed through the write wiring, the magnetization direction of the free layer of each stage of the TMR element is reversed in each stage, but the magnetization state of each stage of the TMR element is It is the same (parallel or antiparallel) at each stage.
従って、本実施の形態によれば、上述の第2実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリと同様の効果が得られると共に、書き込み動作の制御方法も複雑になることがない。 Therefore, according to the present embodiment, the same effect as the magnetic random access memory of the second embodiment described above can be obtained, and the control method of the write operation is not complicated.
[第4実施の形態]
図7は、本発明の第4実施の形態に関わる磁気ランダムアクセスメモリのセルアレイ部の概要を示している。なお、図7では、簡略化のため、TMR素子に接続される上部配線及び下部配線を省略している。
[Fourth embodiment]
FIG. 7 shows an outline of a cell array portion of a magnetic random access memory according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 7, the upper wiring and the lower wiring connected to the TMR element are omitted for simplification.
本実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリは、図4の磁気ランダムアクセスメモリと比較すると、図4のTMR素子10の各段に配置される書き込み配線13を、直列接続ではなく、並列接続した点に特徴を有し、その他の点については、図4の磁気ランダムアクセスメモリと同じとなっている。
Compared with the magnetic random access memory of FIG. 4, the magnetic random access memory of the present embodiment is different from the magnetic random access memory of FIG. 4 in that the write wirings 13 arranged in each stage of the
半導体基板上には、複数のTMR素子10が複数段(本例では、4段)に積み重ねられている。また、各段においては、TMR素子10は、X−Y平面内においてアレイを構成している。
A plurality of
本実施の形態においても、図4に示すように、上部配線11及び下部配線12は、共に、X方向に延び、両配線11,12の間には、X方向に配置される複数のTMR素子10が配置されている。上部配線11の一端には、選択トランジスタ14が接続される。また、下部配線12の一端には、センスアンプ(S/A)15などの周辺回路が接続される。
Also in this embodiment, as shown in FIG. 4, the upper wiring 11 and the
図7に示すように、書き込み配線13は、TMR素子10のアレイの各段において、TMR素子10上に配置され、Y方向に延びている。また、書き込み配線13は、TMR素子10の自由層に近接して配置される。さらに、X方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1カラム、Y方向に配置される複数のTMR素子からなるグループを1ロウとした場合に、本例では、TMR素子10のアレイの1ロウ内において、各段に配置される書き込み配線13を並列接続している。
As shown in FIG. 7, the
即ち、TMR素子10のアレイの端部において、上段の書き込み配線13と下段の書き込み配線13をコンタクトプラグを介して互いに電気的に接続する。
That is, at the end of the array of the
ところで、上述の第2実施の形態では、各段の書き込み配線13は、互いに直列接続されるため、図5から明らかなように、書き込み配線13は、Y−Z平面内において蛇行して配置される。これに対し、本実施の形態では、各段の書き込み配線13は、互いに並列接続されるため、図7から明らかなように、書き込み配線13は、Y−Z平面内においてはしご状となる。
Incidentally, in the second embodiment described above, the write wirings 13 at each stage are connected in series with each other. Therefore, as is apparent from FIG. 5, the write wirings 13 meander in the YZ plane. The On the other hand, in the present embodiment, the write wirings 13 at the respective stages are connected in parallel to each other. Therefore, as apparent from FIG. 7, the
本実施の形態では、書き込み配線13に一方向の電流を流す場合、第2実施の形態とは異なり、各段においては、書き込み配線13に流れる電流の向きは、互いに同じ向きとなる。
In the present embodiment, when a current in one direction flows through the
従って、本実施の形態によれば、上述の第2実施の形態の磁気ランダムアクセスメモリと同様の効果が得られると共に、上述の第3実施の形態のように、TMR素子の固定層の磁化の向きを1段ごとに変えるという対策をとらなくても、書き込み動作を容易に制御できる。 Therefore, according to the present embodiment, the same effect as the magnetic random access memory of the second embodiment described above can be obtained, and the magnetization of the fixed layer of the TMR element can be obtained as in the third embodiment described above. The writing operation can be easily controlled without taking a measure of changing the direction for each stage.
また、本実施の形態では、各段の書き込み配線が並列に接続されるため、書き込み配線とトランジスタのコンタクト部は、TMR素子のアレイの互いに対向する2つの端部に1つずつ設けられる。このため、TMR素子のアレイを小さな1つのブロックとし、複数ブロックを集めて大きなメモリセルアレイを構成してもよい。この場合、各ブロック内のTMR素子の直下にトランジスタ又はセンスアンプなどのコア回路を容易に配置することができる。 In the present embodiment, since the write wirings at each stage are connected in parallel, the write wiring and the contact portion of the transistor are provided one each at two opposite ends of the array of TMR elements. For this reason, the array of TMR elements may be made into one small block, and a large memory cell array may be configured by collecting a plurality of blocks. In this case, a core circuit such as a transistor or a sense amplifier can be easily arranged immediately below the TMR element in each block.
[その他]
上述の第1乃至第4実施の形態では、TMR素子が複数段に積み重ねられたアレイ構造において、1ロウ内の各段に配置される書き込み配線(書き込み専用配線)を直列又は並列接続した場合について説明したが、本発明は、この書き込み配線以外のTMR素子のアレイ内に配置される配線に適用することができる。例えば、図8の上部配線11及び下部配線12、並びに、図9の上部配線11及び下部配線12に、それぞれ本発明を適用することもできる。
[Others]
In the first to fourth embodiments described above, in the array structure in which the TMR elements are stacked in a plurality of stages, the write wirings (write-only wirings) arranged in each stage in one row are connected in series or in parallel. As described above, the present invention can be applied to wiring arranged in an array of TMR elements other than the write wiring. For example, the present invention can be applied to the upper wiring 11 and the
また、上述の第1乃至第4実施の形態では、複数段に積み重ねられたTMR素子の各段に配置された配線を例に説明したが、例えば、上下のTMR素子で配線を共有化する場合などにおいては、同一機能を有する配線は、各段に配置されず、1段おきに配置される。このような場合でも、1段おきに配置された配線を、直列又は並列接続し、本発明を構成することができる。 In the first to fourth embodiments described above, the wiring arranged in each stage of the TMR elements stacked in a plurality of stages has been described as an example. For example, the wiring is shared between the upper and lower TMR elements. In such a case, wirings having the same function are not arranged in each stage but arranged every other stage. Even in such a case, the present invention can be configured by connecting wirings arranged every other stage in series or in parallel.
さらに、上述の第1乃至第4実施の形態において、TMR素子のアレイ内の配線に接続されるトランジスタは、MOSトランジスタが一般的であるが、バイポーラトランジスタやダイオードなどであってもよい。 Furthermore, in the first to fourth embodiments described above, the transistor connected to the wiring in the array of TMR elements is generally a MOS transistor, but may be a bipolar transistor or a diode.
本発明は、TMR素子が複数段に積み重ねられたセルアレイ構造を有する磁気ランダムアクセスメモリであれば、如何なる構造のものにも適用可能である。 The present invention can be applied to any structure as long as the magnetic random access memory has a cell array structure in which TMR elements are stacked in a plurality of stages.
以上、説明したように、本発明の磁気ランダムアクセスメモリによれば、TMR素子が複数段に積み重ねられたアレイ構造において、各段に配置される同一機能を有する配線を直列又は並列接続しているため、その配線には、その一端に1つ、又は、その両端に1つずつのトランジスタを配置すればよく、TMR素子のアレイの端部に配置されるトランジスタの数を減らすことができる。 As described above, according to the magnetic random access memory of the present invention, in an array structure in which TMR elements are stacked in a plurality of stages, wirings having the same function arranged in each stage are connected in series or in parallel. Therefore, it is only necessary to arrange one transistor at one end or one transistor at each end of the wiring, and the number of transistors arranged at the end of the array of TMR elements can be reduced.
また、TMR素子の積み重ね段数にかかわらず、TMR素子のアレイの1ロウ又は1カラム内で直列又は並列に接続された配線にトランジスタを接続すればよい。このため、TMR素子の積み重ね段数を増やして、メモリ容量の増大を図っても、トランジスタ数が増大することはなく、また、そのレイアウトが複雑になることもない。 Regardless of the number of stacked TMR elements, the transistors may be connected to wirings connected in series or in parallel in one row or one column of the array of TMR elements. Therefore, even if the number of stacked TMR elements is increased to increase the memory capacity, the number of transistors does not increase and the layout thereof does not become complicated.
さらに、TMR素子のアレイの各段に配置される同一機能を有する配線に接続するトランジスタ数が一定であるため、TMR素子のアレイを小さな1つのブロックとし、複数ブロックを集めて大きなメモリセルアレイを構成してもよい。この場合、TMR素子のアレイの直下にトランジスタ又はセンスアンプなどのコア回路を配置することができる。 Furthermore, since the number of transistors connected to the wiring having the same function arranged in each stage of the TMR element array is constant, the TMR element array is made into one small block, and a large memory cell array is formed by collecting a plurality of blocks. May be. In this case, a core circuit such as a transistor or a sense amplifier can be disposed immediately below the array of TMR elements.
10:TMR素子、11:上部配線、12:下部配線、13:書き込み配線、14:スイッチング素子、15:センスアンプ、16:TMR素子のアレイ、17,18,19A,19B:TMR素子のアレイの端部のエリア。 10: TMR element, 11: upper wiring, 12: lower wiring, 13: write wiring, 14: switching element, 15: sense amplifier, 16: array of TMR elements, 17, 18, 19A, 19B: array of TMR elements Edge area.
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