JP2008147685A - Mramメモリアレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】MRAMメモリアレイにおいて、ワードラインおよびビットラインに必要とされる電流を低減させること。
【解決手段】メモリセル150のアレイと、第1の方向に延びる複数の非線形のワードライン110と、第2の方向に延びる複数の実質的に線形のビットライン120とからなり、ワードライン110がビットライン120と複数のメモリセル位置130で交差し、メモリセル150が、ワードライン110とビットライン120の間にあるメモリセル位置130に配置され、メモリセル位置130においてワードライン110の一部がビットライン120の一部と実質的に同延になっており、ワードライン110は、端部と端部が接続され互いにある角度を成して配置された複数の脚部を含み、脚部のそれぞれが、隣接する脚部と鋭角を成している。
【選択図】図4

Description

本発明は、データ記憶用のランダムアクセスメモリに関する。より詳細には、本発明は、電力要件が低減された磁気ランダムアクセスメモリアレイに関する。
磁気ランダムアクセスメモリ(「MRAM」)は、長期データ記憶に用いられる不揮発性メモリの一種である。MRAM装置からのデータのアクセスは、ハードディスク等の従来の長期記憶装置からのデータのアクセスより遥かに高速である。更に、MRAMは、小型であり、ハードディスクその他の従来の長期記憶装置よりも消費電力が小さい。
一般的なMRAM装置は、メモリセルのアレイを含む。図1は、従来のメモリセルアレイ10を示す。メモリセルアレイ10は、メモリセルアレイ10の行に沿って延在するワードライン14と、メモリセルアレイ10の列に沿って延在するビットライン16とを含む。メモリセル12は、各ワードライン14とビットライン16との交点に位置する。各メモリセル12は、情報のビットを磁化の方向として記憶する。各メモリセル12の磁化の方向は、その時々で2つの安定方向のうちの1つをとる。2つの安定方向、すなわち平行および逆平行は、2値論理値「1」および「0」を表す。
選択されたメモリセル12の磁化方向は、そのメモリセル12で交差するワードライン14とビットライン16とに電流を供給することによって切り替えられる。電流は、接続されると、その選択されたメモリセルの磁化方向を平行から逆平行へまたはその逆に切り替える磁界を生成する。
従来のメモリセル12の磁化方向を、図2Aおよび図2Bに示す。基準層24およびデータ記憶層18は、メモリセル12の磁化方向を確定する。データ記憶層18は、図2Aおよび図2Bにデータ記憶層18上に矢印で示す2つの方向のいずれかの方向に磁化することができる。とり得る2つの磁化方向は、データ記憶層18の「磁化容易方向」に整列される。基準層24は、固定の、即ち「ピン止めされた」磁化(基準層24上に矢印で示す)を有する磁気材料の層を含む。基準層の磁化は、磁化容易方向に平行な方向にピン止めされている。メモリセル12で交差するワードライン14およびビットライン16に供給される電流は、データ記憶層18の磁化を、図2Aおよび図2Bに示す状態間で切り替える。メモリセル12の磁化の変化による抵抗値の変化を読み出し回路によって検出し、そのメモリセルの2値状態を判定することができる。
図1、図2Aおよび図2Bに示すように、ワードライン14およびビットライン16は線形であり、データ記憶層18の磁化容易方向は、ワードライン14に対して平行になっている。
図3は、従来の線形のワードライン14およびビットライン16によって生成される磁界と、その結果生じるメモリセル12の磁化Mとを示している。図3において、ビットライン16は、メモリセル12の磁化Mが見えるように、輪郭形態で示されている。ビットライン16を流れる電流Iyによって、磁界Hxが生じる。電流Ixがワードライン14を流れるとき、同様の磁界Hyが生じる。磁界HxとHyとが合わさって、メモリセル12の磁化方向を切り替える。
磁界HxおよびHyが直交する電流によって生成されるので、磁界HxおよびHyによって生じる切り替え用磁界の大きさは、Hx+Hyの大きさより小さい。したがって、電流IxおよびIyは、完全には利用されない。例えば、磁界Hxと磁界Hyの大きさが等しい場合、これらによって生じる磁界は、ワードライン14およびビットライン16から45度の方向であり、約0.7×(Hx+Hy)の大きさである。したがって、ワードラインとビットラインとが直交関係にあることによって、所望の切り替えを行う磁界を生成するための電流IxおよびIyに対する電流要件を高いものにしている。
メモリアレイの電力消費はMRAMの用途において重大な制限要素であるので、ワード電流およびビット電流が大きいことは、望ましくない。ワード電流およびビット電流が大きいと、大電流を扱うためにより大きなビットライン、ワードラインおよび書込み回路が必要になる。その結果、MRAM装置がより大きく高価なものになる。したがって、ワードラインおよびビットラインに必要とされる電流を低減することが望ましい。
したがって、MRAMメモリアレイの電力消費を低減させる必要がある。
非線形ワードラインと永久磁石を有し横方向磁界を生成する低電力MRAMメモリアレイは、上記必要を満たし、従来のMRAM装置には無い他の利点を達成する。
第1の態様によれば、MRAMメモリアレイは、メモリセルのアレイと、第1の方向に延在する複数の非線形のワードラインと、第2の方向に延在する複数の実質的に線形のビットラインとを備える。ワードラインは、メモリセルが位置する複数のメモリセル位置でビットラインと交差する。
また、第1の態様によれば、非線形ワードラインの一部は、y方向においてビットラインの一部と同延(同じ広がりをもつ状態)にすることができる。ワードラインとビットラインとがy方向において同延であるので、ワードラインおよびビットラインの電流によって生成される磁界は、この同延部分においてx方向に整列される。これによって、同延部分に生じる磁界の大きさが増大される。さらに、生じる磁界は、同延部分に位置するメモリセルの磁化容易方向に、より密接に整列される。生じる磁界を磁化容易方向と整列させることによって、メモリセルの磁化方向を変更するのに必要な磁界の大きさが低減される。したがって、より小さいワード電流およびビット電流を用いてメモリセルの2値状態を切り替えることができ、メモリアレイの電力消費が低減される。
第2の態様によれば、各メモリセルは、メモリセルの磁化容易方向に対して横向きの磁化を有する横配向磁性層を含む。横方向磁界は、メモリセルの切り替え動作の再現性を向上させ、メモリセルを切り替えるのに必要とされるワード電流およびビット電流を低減する。
また、第2の態様によれば、横方向磁界を常に印加できるようにするため、永久磁石を用いて横方向の磁性層を形成することができる。横方向磁界を生成するために電流を必要しないので、メモリアレイの電力消費が更に低減される。
他の態様および利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかとなろう。
本発明は、上記のように構成することによって、MRAMメモリアレイにおいて、ワードラインおよびビットラインに必要とされる電流を低減させることができる。
好ましい実施形態および図面を通して、MRAMメモリアレイを説明する。
図4は、非線形ワードライン110とビットライン120とを有するMRAMメモリアレイ100の平面図である。メモリアレイ100において、ワードライン110はx方向に延在し、ビットライン120はy方向に延在している。ワードライン110は、メモリセル位置130(斜線で示す)において、ビットライン120と交差する。ビットライン120は、ワードライン110の上に重なり合っているので、図4には、ビットライン120間の間隙をつなぐようにワードライン110の一部だけが見えている。符号150は、ワードライン110とビットライン120との間に挟まれたメモリセルを示しているが、図4では見えない。メモリセル150は、斜線で示すメモリセル位置のそれぞれに位置し、ワードライン110とビットライン120との交差部分に挟まれている。
図4には、例示の目的で、2本のワードライン110および8本のビットライン120が示され、これらは、16のメモリセル位置130で交差している。実際には、例えば、1024×1024以上のメモリセルのアレイを用いることができる。
書き込み動作の間、メモリアレイ100は、書き込み回路(図示せず)に応答して、ワードライン110およびビットライン120に電流を供給する。また、メモリアレイ100には読み出し回路も接続され、メモリセル150の2値状態を検出することができる。
図5は、非線形ワードライン110の平面図である。図5の実施形態において、非線形ワードライン110は、第1の脚112、第2の脚114、第3の脚116および第4の脚118を含む。第1〜第4の脚112、114、116、118は、端部と端部が接続され、各脚が隣接する脚と直交している。第1〜第4の脚112、114、116、118のパターンを繰返し、非線形ワードライン110を形成する。非線形ワードライン110をMRAMメモリアレイ100に配置するとき、第1の脚112および第3の脚116は、y方向においてビットライン120の一部と同延にする。
図6は、ワードライン110の一部とそのワードライン110の電流Ixによって生成される磁界HxWとを示している。下付きの「W」は、磁界HxWがワードライン110によって生成されることを示す。図7は、ビットライン120の一部とそのビットライン120の電流Iyによって生成される磁界HxBとを示している。下付きの「B」は、磁界HxBがビットライン120によって生成されることを示す。
ワードライン110およびビットライン120がメモリアレイ100に配置されるとき、y方向に延在するワードライン110の一部(本実施形態では、第3の脚116)は、y方向においてビットライン120の一部と同延になっている。メモリセル150は、それらの部分が同延となるメモリセル位置130において、ワードライン110とビットライン120との間に挟まれる。この同延部分では、電流IxおよびIyが実質的にy方向に整列し、即ち、磁界HxWおよびHxBが実質的にx方向に整列することを意味する。したがって、これにより生じる磁界の強度は、およそHxW+HxBになる。また、結果として生じる磁界は、メモリセル150を通過する際にメモリセル150の磁化容易方向(2頭矢印)と整列する。生じる磁界が磁化容易方向と「実質的に整列する」と述べたのは、生じる磁界がy方向に小さなベクトル成分しか有しないことを意味している。
磁界HxWと磁界HxBとを整列させ、その結果生じる磁界を磁化容易方向に整列させることによって、データ記憶層152の磁化の方向を変更するために必要とされる磁界HxWおよびHxBの大きさが低減される。したがって、より小さいワード電流およびビット電流Ix、Iyを用いてメモリセル150の2値状態を切り替えることができ、メモリアレイ100の電力消費が低減される。また、ワード電流およびビット電流Ix、Iyを小さくできるということは、より小さいワードラインおよびビットライン110、120を用いることができ、メモリアレイ100の密度を増大させ、コストを低減させることができることも意味する。
図8は、非線形ワードラインの可能な代替的な実施形態を示す。図8を参照すると、非線形ワードライン210は、一連の第1、第2、第3および第4の脚212、214、216、218の繰り返しを含んでいる。第1〜第4の脚212、214、216、218の各々は、隣接する脚と鋭角βを成す。第1の脚212および第3の脚216は、メモリセル位置230(クロスハッチで示す)においてビットライン220(1つを破線で示す)と交差する方向に配置される。電流は位置間の最短経路を通る傾向があるので、第2および第4の脚214、218の長さが長くなっている。したがって、電流Ixは、第1の脚212および第3の脚216を通じて実質的にy方向に流れる。この構成により、x方向の磁界HxWおよびHxBがよりよく整列する。
図4に示されるMRAMメモリアレイにおいて、他の実施形態の非線形ワードラインを用いることもできる。例えば、図5に示す非線形ワードライン110は、y方向に延在するワードライン110の一部を接続する曲線的な脚部分を含むことができる。さらに、非線形ワードライン110は、ビットライン120の一部と正確に同延の部分を含む必要はない。図8に示すように、ワードラインの一部をずらしていくらか角度を成し、ワードラインおよびビットラインの電流をよりよく整列させることもできる。また、それらの部分は、従来のワードラインとビットラインとの間の角度である90度よりも小さい、他の非ゼロの角度で配置することもできる。例えば、それらの部分は、ワード電流とビット電流とが互いに45度未満になるような方向に配置することができる。
図9は、図4に示したメモリセル150を示している。メモリセル150は、スピン依存トンネル(「SDT」)デバイスであってよい。メモリセル150は、2値状態間で切り替え可能な磁化容易方向164を有するデータ記憶層152を含む。障壁層154は、データ記憶層152をピン層(pinned layer)156から分離する。ピン層156は、磁界が加えられたときに回転しないような固定の磁化方向166を有する。データ記憶層152とピン層156の磁化が同じ方向である場合、磁化方向は「平行である」といわれる。反対方向である場合、磁化方向は「逆平行である」といわれる。これら2つの磁気方向は、それぞれ「1」および「0」の2値状態を表す。
データ記憶層152とピン層156とは、障壁層154によって分離される。障壁層154によって、データ記憶層152とピン層156との間に量子力学のトンネル効果を発生させることができる。このトンネル効果は、電子スピン依存であり、SDTデバイスの抵抗を、データ記憶層152とピン層156との磁化の相対的な方向の関数とする。
ピン層156の磁化をピン止め(固定)するため、反強磁性ピン止め層(antiferromagnetic pinning layer、以下、AF層とよぶ)を設ける。AF層158と横配向磁性層162との間に、分離層160を設ける。実施形態に従うと、横配向磁性層162は、y軸の方向に整列する横方向磁界を磁化方向168に生成する。本発明の実施形態では、ワードラインとビットラインとが実質的に同延になっているので、横配向磁性層162は、メモリセル150内で唯一の横方向磁界を生成することができる。
横方向磁界は、データ記憶層152の磁界を単一の経路に沿って一貫して同じ象限において回転させるので、望ましい。これにより、メモリセル150の切り替えの再現性が増大する。また、横方向磁界は、メモリセル150を切り替えるために必要な電流IxおよびIyの量を低減させる。切り替え電流IxおよびIyを低減させることにって、より小さいワードラインおよびビットラインを用いることができるので、メモリセル密度が増大するという更なる利点が得られる。
上記実施形態によれば、横方向磁界を常に印加することができるので、横配向磁性層162を永久磁石の層で構成することができる。したがって、横方向磁界を生成するために電流が不要となり、メモリアレイの電力要件が低減される。代替的に、横配向磁性層162は、ピン止めされた横方向磁化の層と、その層の磁化をピン止めするための反強磁性材料のピン止め層とから構成することができる。
横配向磁性層162は、様々な磁性材料から作成することができる。例えば、横配向磁性層162は、コバルトおよびクロムの合金から作成することができる。横方向に大きい磁界を加えることによって、横配向磁性層162を室温でセットすることができる。横配向磁性層162の厚さは、所望の横方向磁界を生成するように選択される。
MRAMメモリアレイ100に用いられるメモリセル150は、MRAMメモリアレイ100に用いるために適当なメモリセルの唯一の種類ではない。例えば、巨大磁気抵抗(GMR)デバイス等、他の種類のメモリセルもMRAMメモリアレイ100に用いることができる。
MRAMメモリアレイ100は、多種多様な用途に用いることができる。1つの一般的な用途としては、MRAM記憶モジュールを有するマシンによって実施することができる。MRAM記憶モジュールは、長期記憶用の1つ以上のMRAMメモリアレイを含むことができる。
ノート型コンピュータまたはパーソナルコンピュータ等のマシンの場合、MRAM記憶モジュールは、複数のMRAMメモリアレイを含む場合がある。サーバ等の用途の場合、MRAM記憶モジュールは、多数のMRAMメモリアレイを含む場合がある。かかるMRAM記憶モジュールは、ハードディスク等の従来の長期記憶装置に置き換え、あるいは、追加することができる。
ここまで、例示的な実施形態を参照してMRAMメモリアレイを説明してきたが、当業者にとって多くの変更が容易に明らかであり、本発明の開示は、それらの変更を包含することを意図している。
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
1.メモリセル(150)のアレイと、第1の方向(x)に延在する複数の非線形のワードライン(110)と、第2の方向(y)に延在する複数の実質的に線形のビットライン(120)であって、前記ワードライン(110)が該ビットライン(120)と複数のメモリセル位置(130)で交差し、前記メモリセル(150)が該メモリセル位置(130)に配置される、複数のビットライン(120)と、からなるMRAMメモリアレイ(100)。
2.前記ワードライン(110)は、端部と端部が接続され、互いにある角度を成して配置された複数の脚(112,114,116,118)を含む、項番1のMRAMメモリアレイ(100)。
3.前記脚(112,114,116,118)のそれぞれが、隣接する脚(112,114,116,118)と実質的に直交している、項番2のMRAMメモリアレイ(100)。
4.前記脚(112,114,116,118)のそれぞれが、隣接する脚(112,114,116,118)と鋭角を成している、項番2のMRAMメモリアレイ(100)。
5.前記ワードライン(110)の交互の脚(112,114,116,118)が、前記メモリセル位置(130)において前記ビットライン(120)の一部と実質的に同延になっている、項番2のMRAMメモリアレイ(100)。
6.前記ワードライン(110)の一部が、前記メモリセル位置(130)において前記ビットライン(120)の一部と実質的に同延になっている、項番1のMRAMメモリアレイ。
7.前記ワードライン(110)の一部が、前記メモリセル位置(130)において前記ビットライン(120)の一部と平行になっている、項番6のMRAMメモリアレイ。
8.前記メモリセル(150)のそれぞれが、前記第2の方向(y)に横方向磁界を生成する、項番1のMRAMメモリアレイ。
9.前記メモリセル(150)のそれぞれは、前記横方向磁界を生成する横配向磁性層(162)と、磁化容易方向(164)を有するデータ記憶層(152)と、前記横方向磁界が前記磁化容易方向(164)を横切るピン層(156)と、を含む、項番8のMRAMメモリアレイ(100)。
10.前記ワードライン(110)は、ワード電流を受容するように構成され、前記ビットライン(120)は、ビット電流を受容するように構成され、ワード電流が、メモリセル位置(130)においてビット電流と45度未満の角度を成して配置されている、項番1のMRAMメモリアレイ(100)。
本発明は、電流を低減させることができるMRAMメモリアレイに好適である。
従来のメモリセルアレイを示す。 従来のメモリセルの論理状態を示す。 従来のメモリセルにおいて生成される磁界を示す。 本発明によるMRAMメモリアレイ実施形態の平面図である。 本発明によるMRAMメモリアレイの実施形態の非線形ワードラインの平面図である。 本発明によるMRAMメモリアレイの実施形態の非線形ワードラインの一部を示す。 本発明によるMRAMメモリアレイの実施形態のビットラインの一部を示す。 本発明による非線形ワードラインの代替的な実施形態を示す。 図4に示すMRAMメモリアレイのメモリセルの斜視図である。
符号の説明
100 メモリアレイ、
110 ワードライン、
112 第1の脚、
114 第2の脚、
116 第3の脚、
118 第4の脚、
120 ビットライン、
130 メモリセル位置、
150 メモリセル、
152 データ記憶層、
156 ピン層、
162 横配向磁性層、
164 磁化容易方向。

Claims (13)

  1. メモリセルのアレイと、
    第1の方向に延びる複数の非線形のワードライン(110)と、
    第2の方向に延びる複数の実質的に線形のビットラインと
    からなり、
    前記ワードラインが前記ビットラインと複数のメモリセル位置で交差し、前記メモリセルが、前記ワードラインと前記ビットラインの間にある前記メモリセル位置に配置され、前記メモリセル位置において前記ワードラインの一部が前記ビットラインの一部と実質的に同延になっており、
    前記ワードラインは、端部と端部が接続され互いにある角度を成して配置された複数の脚部を含み、
    前記脚部のそれぞれが、隣接する脚部と鋭角を成している、MRAMメモリアレイ。
  2. 前記鋭角は、前記脚部と前記隣接する脚部との位置間を電流が最短経路を流れる角度であり、
    前記最短経路を流れる電流は、前記メモリセルにおける磁界を前記第2方向に整列させる、請求項1のMRAMメモリアレイ。
  3. 前記ワードラインの交互の脚部が、前記メモリセル位置において前記ビットラインの一部と実質的に同延になっている、請求項1のMRAMメモリアレイ。
  4. 前記メモリセルのそれぞれが、前記第2の方向に横方向磁界を生成する、請求項1のMRAMメモリアレイ。
  5. 前記メモリセルのそれぞれが、前記横方向磁界を生成する横配向磁性層を含む、請求項4のMRAMメモリアレイ。
  6. 前記メモリセルのそれぞれが、磁化容易方向を有するデータ記憶層と、ピン層とを含み、
    前記横方向磁界が前記磁化容易方向を横切る、請求項4のMRAMメモリアレイ。
  7. 前記横配向磁性層は、永久磁性層およびピン止めされた磁性体の層のうちの一方を含む、請求項5のMRAMメモリアレイ。
  8. 前記ワードラインがワード電流を受け取るように構成され、前記ビットラインがビット電流を受け取るように構成され、前記メモリセル位置において前記ワード電流がビット電流と45度未満の角度を成して配置される、請求項1のMRAMメモリアレイ。
  9. 少なくとも1つのメモリセルと、
    第1の方向に延び、第1の電流を受け取るように構成された、少なくとも1本のワードラインと、
    第2の方向に延び、第2の電流を受け取るように構成された、少なくとも1本のビットラインと
    からなり、前記ワードラインが前記ビットラインと少なくとも1つのメモリセル位置で交差し、前記メモリセルが、前記ワードラインと前記ビットラインの間にある前記メモリセル位置に配置され、前記メモリセル位置において前記第1の電流が前記第2の電流に対して45度未満の角度を成して配置され、
    前記少なくとも1つのメモリセルが複数のメモリセルのアレイを含み、
    前記少なくとも1本のワードラインが複数のワードラインを含み、
    前記少なくとも1本のビットラインが複数のビットラインを含み、
    前記ワードラインは、端部と端部が接続され互いにある角度を成して配置された複数の脚部を含む、MRAMメモリアレイ。
  10. 前記メモリセルのそれぞれが、前記第2の方向に横方向磁界を生成する横配向磁性層を含む、請求項9のMRAMメモリアレイ。
  11. 前記メモリセルのそれぞれが、磁化容易方向を有するデータ記憶層と、ピン層とを含み、
    前記横方向磁界が前記磁化容易方向に対して実質的に直交するように配置される、請求項10のMRAMメモリアレイ。
  12. 前記メモリセル位置において前記第1の電流が前記第2の電流と実質的に整列する、請求項9のMRAMメモリアレイ。
  13. メモリセルのアレイであって、該メモリセルのそれぞれが、磁化容易軸方向を有するデータ記憶層と、ピン層と、前記磁化容易軸方向に対して実質的に直交する横方向磁界を生成する横向きに配置された磁性層とからなる、メモリセルのアレイと、
    第1の方向に延びる複数のワードラインであって、該ワードラインのそれぞれが、端部と端部が接続され互いにある角度を成して配置された複数の脚部を含み、前記脚部のそれぞれが、隣接する前記脚部と鋭角を成している複数のワードラインと、
    第2の方向に延びる複数の実質的に線形のビットラインと
    からなり、前記ワードラインが前記ビットラインと複数のメモリセル位置で交差し、前記メモリセルが、前記ワードラインと前記ビットラインの間にある前記メモリセル位置に配置され、前記メモリセル位置において前記ワードラインの一部が前記ビットラインの一部と実質的に同延になっており、
    前記複数のワードラインのそれぞれがワード電流を受け取るように構成され、前記複数のビットラインのそれぞれがビット電流を受け取るように構成され、前記メモリセル位置において前記ワード電流が前記ビット電流と実質的に整列する、MRAMメモリアレイ。
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