JP2011198416A - Magnetic memory - Google Patents

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尚治 下村
Sumio Ikegawa
純夫 池川
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達也 岸
Masahiko Nakayama
昌彦 中山
Kenji Tsuchida
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic memory reducing a write error.SOLUTION: The magnetic memory includes: a magnetoresistive element 10 including a reference layer 14 having an invariable magnetization direction, a recording layer 12 having a variable magnetization direction, and a non-magnetic layer 13 held between the reference layer 14 and the recording layer 12, and a write circuit 23 for allowing a write current to flow into the magnetoresistive element 10 by using a constant current power supply when setting the magnetization arrangement of the magnetoresistive element 10 from parallel to anti-parallel, and for allowing a write current to flow into the magnetoresistance element 10 by using a constant-voltage power supply when setting the magnetization arrangement of the magnetoresistive element 10 from anti-parallel to parallel.

Description

本発明は、磁気メモリに係り、例えば、磁気抵抗(magnetoresistive)効果を利用した記憶素子を備えた磁気メモリに関する。   The present invention relates to a magnetic memory, for example, a magnetic memory including a storage element using a magnetoresistive effect.

磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)は、磁化の方向により抵抗値が変化する磁気抵抗(magnetoresistive)効果を利用したMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として用いている。また、スピン注入による書き込み方式を用いたスピン注入MRAMは、高速性、高集積性、耐久性に優れており、汎用的な不揮発ランダムアクセスメモリとして期待されている。   A magnetic random access memory (MRAM) uses an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element using a magnetoresistive effect in which a resistance value changes depending on the direction of magnetization as a memory element. A spin injection MRAM using a write method by spin injection is excellent in high speed, high integration, and durability, and is expected as a general-purpose nonvolatile random access memory.

MTJ素子は、磁化の方向が不変である参照層と、磁化の方向が可変である記録層と、参照層および記録層に挟まれ、トンネル障壁を作る絶縁層との3層構造を持つ。記録層と参照層との磁化が平行か反平行かに応じて、MTJ素子が低抵抗あるいは高抵抗になる。MTJ素子の低抵抗状態と高抵抗状態とを2値データに対応付けることで、MTJ素子を記憶素子として用いることができる。   The MTJ element has a three-layer structure of a reference layer whose magnetization direction is invariable, a recording layer whose magnetization direction is variable, and an insulating layer sandwiched between the reference layer and the recording layer to form a tunnel barrier. Depending on whether the magnetizations of the recording layer and the reference layer are parallel or antiparallel, the MTJ element has a low resistance or a high resistance. By associating the low resistance state and high resistance state of the MTJ element with binary data, the MTJ element can be used as a memory element.

スピン注入による書き込みは、MTJ膜面に垂直方向に電流を流し、記録層の磁化を反転させることにより行う。反平行状態から平行状態に磁化を反転させる場合には、記録層から参照層に向かう方向に通電する。この通電により、記録層の磁化には、参照層の磁化と平行に向くようなスピントルクが働く。一方、平行状態から反平行状態に磁化を反転させる場合には、参照層から記録層に向かう方向に通電する。この通電により、記録層の磁化には、参照層の磁化と反平行に向くようなスピントルクが働く。このように通電方向を変えることにより、2値データの書き換えが可能になる。電流値が増えると、記録層の磁化が反転する確率も増大する。記録層の磁化反転の確率が1/2になる電流をIcと定義する。   Writing by spin injection is performed by passing a current in a direction perpendicular to the MTJ film surface and reversing the magnetization of the recording layer. When reversing the magnetization from the antiparallel state to the parallel state, current is applied in the direction from the recording layer toward the reference layer. By this energization, a spin torque that is parallel to the magnetization of the reference layer acts on the magnetization of the recording layer. On the other hand, when the magnetization is reversed from the parallel state to the antiparallel state, current is applied in the direction from the reference layer to the recording layer. By this energization, a spin torque that is antiparallel to the magnetization of the reference layer acts on the magnetization of the recording layer. By changing the energization direction in this way, binary data can be rewritten. As the current value increases, the probability that the magnetization of the recording layer is reversed also increases. A current that reduces the probability of magnetization reversal of the recording layer to 1/2 is defined as Ic.

MTJ素子にデータを書き込む場合、書き込みエラー率(=1−反転確率)を十分小さくする必要がある。書き込み電流がIcの場合は反転確率が1/2であるが、電流が大きくなると反転確率も増大する。しかし、書き込みエラー率の仕様を満足するために書き込み電流を大きくすると、トンネル障壁が絶縁破壊する、あるいは、素子選択のトランジスタおよび周辺回路のトランジスタの電流駆動能力が足りなくなる問題が発生する。   When writing data to the MTJ element, it is necessary to sufficiently reduce the write error rate (= 1−inversion probability). When the write current is Ic, the inversion probability is ½, but as the current increases, the inversion probability also increases. However, if the write current is increased to satisfy the specification of the write error rate, the tunnel barrier breaks down, or the current drive capability of the element selection transistor and the peripheral circuit transistor becomes insufficient.

一方、MTJ素子に記憶されたデータの読み出しも、MTJ膜面に垂直方向に電流を流すことにより行われる。読み出し電流によってデータが書き換わってしまう問題を読み出しディスターブと定義する。読み出し電流を小さくする、あるいは、読み出しパルス幅を小さくすることで、読み出しディスターブの確率は低減されるが、読み出し電流を小さくしすぎると、SN比がとれなくなる問題がある。また、メモリの規模が大きくなると、配線容量によるパルスの遅延が大きくなるため、パルス幅を小さくすることも限界がある。   On the other hand, data stored in the MTJ element is also read by passing a current in a direction perpendicular to the MTJ film surface. The problem that data is rewritten by the read current is defined as read disturb. By reducing the read current or reducing the read pulse width, the probability of read disturb is reduced. However, if the read current is too small, there is a problem that the SN ratio cannot be obtained. Moreover, since the delay of the pulse due to the wiring capacity increases as the scale of the memory increases, there is a limit to reducing the pulse width.

なお、関連技術として、抵抗変化素子の発熱による誤書き込みを抑制する抵抗変化メモリが開示されている(特許文献1)。   As a related technique, a resistance change memory that suppresses erroneous writing due to heat generation of a resistance change element is disclosed (Patent Document 1).

米国特許出願公開第2009/0034320号明細書US Patent Application Publication No. 2009/0034320

本発明は、書き込みエラーを低減することが可能な磁気メモリを提供する。   The present invention provides a magnetic memory capable of reducing write errors.

本発明の一態様に係る磁気メモリは、磁化方向が不変である参照層と、磁化方向が可変である記録層と、前記参照層および前記記録層に挟まれた非磁性層とを有する磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子の磁化配列を平行から反平行に設定する場合に、定電流電源を用いて前記磁気抵抗素子に書き込み電流を流す第1の書き込み回路と、前記磁気抵抗素子の磁化配列を反平行から平行に設定する場合に、定電圧電源を用いて前記磁気抵抗素子に書き込み電流を流す第2の書き込み回路とを具備する。   A magnetic memory according to an aspect of the present invention includes a magnetoresistive element including a reference layer whose magnetization direction is invariable, a recording layer whose magnetization direction is variable, and a nonmagnetic layer sandwiched between the reference layer and the recording layer. A first write circuit for supplying a write current to the magnetoresistive element using a constant current power source when setting the element and the magnetization arrangement of the magnetoresistive element from parallel to antiparallel, and the magnetization arrangement of the magnetoresistive element Is set from anti-parallel to parallel, a second write circuit for supplying a write current to the magnetoresistive element using a constant voltage power supply.

本発明によれば、書き込みエラーを低減することが可能な磁気メモリを提供することができる。   According to the present invention, a magnetic memory capable of reducing write errors can be provided.

一実施形態に係るMTJ素子10の構成を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a configuration of an MTJ element 10 according to an embodiment. MTJ素子10の磁化状態を説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a magnetization state of the MTJ element 10. MTJ素子10の抵抗の電圧依存性を説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining voltage dependency of resistance of the MTJ element 10. 読み出しディスターブが発生する過程を示す模式図。The schematic diagram which shows the process in which read-out disturbance generate | occur | produces. 反転確率の電流依存性を示すグラフ。The graph which shows the electric current dependence of inversion probability. MTJ素子の電流Icrを測定した結果。The result of measuring the current Icr of the MTJ element. 読み出しディスターブが発生する過程を示す模式図。The schematic diagram which shows the process in which read-out disturbance generate | occur | produces. 第1の実施例に係るMRAMの構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a configuration of an MRAM according to a first embodiment. 第1の実施例に係るMRAMの主要部を示す回路図。The circuit diagram which shows the principal part of MRAM which concerns on a 1st Example. 1個のメモリセルMCの構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of one memory cell MC. 第2の実施例に係るMRAMの主要部を示す回路図。The circuit diagram which shows the principal part of MRAM which concerns on a 2nd Example.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。本発明の技術思想は、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることができる。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and ratios of the drawings are not necessarily the same as the actual ones. Further, even when the same portion is represented between the drawings, the dimensional relationship and ratio may be represented differently. In particular, the following embodiments exemplify an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention depends on the shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not specified. Various changes can be added to the technical idea of the present invention without departing from the gist thereof. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.

[1.磁気抵抗素子の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子(MTJ素子)10の構成を示す断面図である。MTJ素子10は、下部電極11、記録層(記憶層、自由層ともいう)12、非磁性層13、参照層(固定層ともいう)14、上部電極15が順に積層されて構成されている。なお、積層順序は逆転していても構わない。
[1. Configuration of magnetoresistive element]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a magnetoresistive element (MTJ element) 10 according to an embodiment of the present invention. The MTJ element 10 is configured by laminating a lower electrode 11, a recording layer (also referred to as a storage layer or a free layer) 12, a nonmagnetic layer 13, a reference layer (also referred to as a fixed layer) 14, and an upper electrode 15 in this order. Note that the stacking order may be reversed.

記録層12および参照層14はそれぞれ、強磁性材料からなり、この強磁性材料としては、例えば、コバルト(Co)、鉄(Fe)、およびニッケル(Ni)のうち1つの元素、又はこれらのうち1つ以上の元素を含む合金を用いることができる。また、記録層12および参照層14はそれぞれ、高い磁気異方性を有する合金あるいは人工格子等からなる層と、高いスピン偏極率を有するCoFeあるいはCoFeB等からなる層とを積層した構造を用いることができる。   Each of the recording layer 12 and the reference layer 14 is made of a ferromagnetic material. Examples of the ferromagnetic material include one element of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni), or of these elements. An alloy containing one or more elements can be used. Each of the recording layer 12 and the reference layer 14 has a structure in which a layer made of an alloy or artificial lattice having a high magnetic anisotropy and a layer made of CoFe or CoFeB having a high spin polarization are stacked. be able to.

記録層12および参照層14はそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。すなわち、MTJ素子10は、記録層12および参照層14の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、いわゆる垂直磁化MTJ素子である。なお、容易磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが低くなる方向である。困難磁化方向とは、あるマクロなサイズの強磁性体を想定して、外部磁界のない状態で自発磁化がその方向を向くと最も内部エネルギーが大きくなる方向である。   Each of the recording layer 12 and the reference layer 14 has magnetic anisotropy in a direction perpendicular to the film surface, and their easy magnetization direction is perpendicular to the film surface. That is, the MTJ element 10 is a so-called perpendicular magnetization MTJ element in which the magnetization directions of the recording layer 12 and the reference layer 14 are perpendicular to the film surface. Note that the easy magnetization direction is a direction in which the internal energy is lowest when the spontaneous magnetization is directed in the absence of an external magnetic field, assuming a macro-sized ferromagnetic material. The difficult magnetization direction is a direction in which the internal energy is maximized when the spontaneous magnetization is directed in the absence of an external magnetic field, assuming a macro-sized ferromagnetic material.

記録層12は、磁化(或いはスピン)方向が可変である(反転する)。参照層14は、磁化方向が不変である(固着している)。参照層14は、記録層12よりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギーを持つように設定する。磁気異方性の設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記録層12の磁化反転電流を小さくし、参照層14の磁化反転電流を記録層12のそれよりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記録層12と磁化方向が不変の参照層14とを備えたMTJ素子10を実現できる。   The recording layer 12 has a variable magnetization (or spin) direction (inverted). The reference layer 14 has an invariable magnetization direction (fixed). The reference layer 14 is set to have a sufficiently large perpendicular magnetic anisotropy energy than the recording layer 12. The magnetic anisotropy can be set by adjusting the material configuration and the film thickness. In this way, the magnetization reversal current of the recording layer 12 is reduced, and the magnetization reversal current of the reference layer 14 is made larger than that of the recording layer 12. Thereby, it is possible to realize the MTJ element 10 including the recording layer 12 having a variable magnetization direction and the reference layer 14 having a constant magnetization direction with respect to a predetermined write current.

非磁性層13としては、非磁性金属、非磁性半導体、絶縁体などを用いることができる。非磁性層13として絶縁体を用いた場合はトンネルバリア層と呼ばれ、非磁性層13として金属を用いた場合はスペーサ層と呼ばれる。トンネルバリア層としては、MgOやAl等の絶縁酸化膜を用いることができる。絶縁酸化膜の厚さは、トンネル電流による面抵抗(sheet resistivity)が数10Ω・μm程度以下になるように、1nm程度以下に設定することが望ましい。MTJ素子10のサイズは、スピン注入を効率よく行うために、直径(φ)100nm以下、特にφ40nm以下であることが望ましい。 As the nonmagnetic layer 13, a nonmagnetic metal, a nonmagnetic semiconductor, an insulator, or the like can be used. When an insulator is used as the nonmagnetic layer 13, it is called a tunnel barrier layer, and when a metal is used as the nonmagnetic layer 13, it is called a spacer layer. As the tunnel barrier layer, an insulating oxide film such as MgO or Al 2 O 3 can be used. The thickness of the insulating oxide film is desirably set to about 1 nm or less so that the sheet resistance due to the tunnel current is about several tens of Ω · μm 2 or less. The size of the MTJ element 10 is desirably a diameter (φ) of 100 nm or less, particularly φ40 nm or less in order to perform spin injection efficiently.

なお、本実施形態では、垂直磁化MTJ素子の例について説明するが、本実施形態の内容は、磁化の方向が膜面に水平方向である面内磁化MTJ素子の場合でも成り立つ。   In the present embodiment, an example of a perpendicular magnetization MTJ element will be described. However, the contents of the present embodiment are valid even in the case of an in-plane magnetization MTJ element in which the direction of magnetization is horizontal to the film surface.

図2は、MTJ素子10の磁化状態を説明する模式図である。本実施形態では、MTJ素子10に直接に書き込み電流を流し、この書き込み電流によってMTJ素子10の磁化状態を制御するスピン注入書き込み方式を採用している。MTJ素子10は、記録層12と参照層14との磁化の相対関係が平行か反平行かによって、高抵抗状態と低抵抗状態との2つの状態のいずれかをとることができる。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the magnetization state of the MTJ element 10. In the present embodiment, a spin injection writing method is adopted in which a write current is directly supplied to the MTJ element 10 and the magnetization state of the MTJ element 10 is controlled by this write current. The MTJ element 10 can take one of two states, a high resistance state and a low resistance state, depending on whether the relative relationship of magnetization between the recording layer 12 and the reference layer 14 is parallel or antiparallel.

図2(a)に示すように、MTJ素子10に対して、記録層12から参照層14へ向かう書き込み電流を流すと、記録層12と参照層14との磁化の相対関係が平行になる。この平行状態の場合、MTJ素子10の抵抗値は最も低くなる、すなわち、MTJ素子10は低抵抗状態に設定される。MTJ素子10の低抵抗状態を、例えばデータ“0”と規定する。   As shown in FIG. 2A, when a write current from the recording layer 12 to the reference layer 14 is passed through the MTJ element 10, the relative relationship of magnetization between the recording layer 12 and the reference layer 14 becomes parallel. In the parallel state, the MTJ element 10 has the lowest resistance value, that is, the MTJ element 10 is set to the low resistance state. The low resistance state of the MTJ element 10 is defined as, for example, data “0”.

一方、図2(b)に示すように、MTJ素子10に対して、参照層14から記録層12へ向かう書き込み電流を流すと、記録層12と参照層14との磁化の相対関係が反平行になる。この反平行状態の場合、MTJ素子10の抵抗値は最も高くなる、すなわち、MTJ素子10は高抵抗状態に設定される。MTJ素子10の高抵抗状態を、例えばデータ“1”と規定する。これにより、MTJ素子10を1ビットデータ(2値データ)を記憶可能な記憶素子として使用することができる。   On the other hand, as shown in FIG. 2B, when a write current from the reference layer 14 to the recording layer 12 is applied to the MTJ element 10, the relative relationship of magnetization between the recording layer 12 and the reference layer 14 is antiparallel. become. In the antiparallel state, the resistance value of the MTJ element 10 is the highest, that is, the MTJ element 10 is set to a high resistance state. The high resistance state of the MTJ element 10 is defined as, for example, data “1”. Thereby, the MTJ element 10 can be used as a storage element capable of storing 1-bit data (binary data).

[2.読み出しおよび書き込み方式]
図3は、MTJ素子10の抵抗の電圧依存性を模式的に示した図である。縦軸はMTJ素子10の抵抗(MTJ抵抗ともいう)を示している。横軸はMTJ素子10に印加される電圧を示しており、ここでは縦軸より左側が参照層14から記録層12に向かって電流が流れる極性、縦軸より右側が記録層12から参照層14に向かって電流が流れる極性を示している。右側を正の電圧、左側を負の電圧とする。上側の線は高抵抗状態のMTJ抵抗であり、下側の線は低抵抗状態のMTJ抵抗である。例えば、MTJ素子10の絶縁破壊を防ぐために、MTJ素子10に印加する電圧は1V程度かそれ以下に設定される。
[2. Read and write methods]
FIG. 3 is a diagram schematically showing the voltage dependence of the resistance of the MTJ element 10. The vertical axis represents the resistance (also referred to as MTJ resistance) of the MTJ element 10. The horizontal axis indicates the voltage applied to the MTJ element 10, where the left side from the vertical axis is the polarity of current flowing from the reference layer 14 to the recording layer 12, and the right side from the vertical axis is from the recording layer 12 to the reference layer 14. The polarity in which a current flows toward is shown. The right side is a positive voltage and the left side is a negative voltage. The upper line is the MTJ resistance in the high resistance state, and the lower line is the MTJ resistance in the low resistance state. For example, in order to prevent dielectric breakdown of the MTJ element 10, the voltage applied to the MTJ element 10 is set to about 1 V or less.

磁化反転による抵抗変化の割合を磁気抵抗比(Magnetoresistance Ratio : MR)と呼び、高抵抗状態の抵抗値をRap、低抵抗状態の抵抗値をRpとした場合、“MR=(Rap−Rp)/Rp”と表される。図3に示すように、MTJ抵抗の電圧依存性が高抵抗状態と低抵抗状態とで異なる。   The rate of resistance change due to magnetization reversal is called the magnetoresistance ratio (MR), where Rap is the resistance value in the high resistance state and Rp is the resistance value in the low resistance state, “MR = (Rap−Rp) / Rp ". As shown in FIG. 3, the voltage dependency of the MTJ resistance is different between the high resistance state and the low resistance state.

MTJ素子10が反平行状態、つまり高抵抗状態の場合には、MTJ抵抗はバイアス電圧に対して強い依存性を示し、印加電圧の絶対値が大きくなると抵抗値が低下する。一方、MTJ素子10が平行状態、つまり低抵抗状態の場合には、MTJ抵抗はバイアス電圧に対する依存性が小さく、印加電圧の絶対値が大きくなっても抵抗値の変化が小さい。このため、印加電圧の絶対値が大きくなると2つの状態の抵抗差の指標であるMRは低下する。今後特に断らない場合には、MTJ素子10への印加電圧が十分小さい場合における抵抗変化率をMRとする。   When the MTJ element 10 is in an antiparallel state, that is, in a high resistance state, the MTJ resistance has a strong dependency on the bias voltage, and the resistance value decreases as the absolute value of the applied voltage increases. On the other hand, when the MTJ element 10 is in a parallel state, that is, in a low resistance state, the MTJ resistance is less dependent on the bias voltage, and the change in the resistance value is small even when the absolute value of the applied voltage increases. For this reason, when the absolute value of the applied voltage increases, MR, which is an index of the resistance difference between the two states, decreases. Unless otherwise specified in the future, the resistance change rate when the applied voltage to the MTJ element 10 is sufficiently small is MR.

MTJ素子10からデータを読み出す場合、読み出し電流の方向は、参照層14から記録層12に向かう方向と、記録層12から参照層14に向かう方向とのどちらか一方を選択して用いる。まず、平行状態から反平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って、読み出しを行う場合について説明する。これは、図3の左半分を使って読み出しを行う場合に相当し、読み出し電流は、参照層14から記録層12に向かって流れる。   When reading data from the MTJ element 10, the direction of the read current is selected and used in either the direction from the reference layer 14 toward the recording layer 12 or the direction from the recording layer 12 toward the reference layer 14. First, a case where reading is performed by energizing in a direction in which spin torque works from a parallel state to an antiparallel state will be described. This corresponds to the case where reading is performed using the left half of FIG. 3, and the reading current flows from the reference layer 14 toward the recording layer 12.

図3の状態A1から状態A3に向かう矢印は、低抵抗状態のMTJ素子10に対して負の定電圧を印加してデータの読み出しを行ない、誤ってデータが反転してしまう読み出しディスターブが発生する過程を示したものである。この過程の磁化の運動とMTJ素子10に流れる読み出し電流とを模式的に説明したのが図4である。図4のA1〜A3は、図3のA1〜A3に対応している。   The arrow from state A1 to state A3 in FIG. 3 causes a read disturb in which data is read by applying a negative constant voltage to the MTJ element 10 in the low resistance state, and the data is erroneously inverted. It shows the process. FIG. 4 schematically illustrates the magnetization movement in this process and the read current flowing through the MTJ element 10. A1 to A3 in FIG. 4 correspond to A1 to A3 in FIG.

図4(A1)は通電直後の状態を示しており、記録層12の磁化の向きは、参照層14の磁化の向きに対してほぼ平行である。その後、図4(A2)に示すように、スピン偏極電流によるスピントルクが記録層12に働き、記録層12の磁化には一様な歳差運動が起こり、磁化の向きが垂直方向から傾く。それによってMTJ抵抗が上昇するため、図3の状態A2でMTJ素子10に流れる電流は図3の状態A1で流れる初期の電流よりも小さくなる。磁化の歳差運動に対しては摩擦力が働いているため、磁化の向きが赤道面を越える前に電流が少なくなると、図3の状態A2から状態A3にならずに、逆に状態A1に戻る確率が高くなる。つまり、スピン注入による磁化の反転確率はA1の初期状態における電流だけでなく、A2の反転途中の電流にも強く依存すると考えられる。定電圧で読み出しを行う場合、MRが大きいMTJ素子10では、読み出しディスターブの確率が下がることになる。   FIG. 4A1 shows a state immediately after energization, and the magnetization direction of the recording layer 12 is substantially parallel to the magnetization direction of the reference layer 14. Thereafter, as shown in FIG. 4 (A2), the spin torque due to the spin-polarized current acts on the recording layer 12, a uniform precession occurs in the magnetization of the recording layer 12, and the magnetization direction tilts from the vertical direction. . As a result, the MTJ resistance increases, so that the current flowing in the MTJ element 10 in the state A2 in FIG. 3 is smaller than the initial current flowing in the state A1 in FIG. Since the frictional force acts on the precession of magnetization, if the current decreases before the magnetization direction crosses the equator plane, the state A2 in FIG. The probability of returning increases. That is, it is considered that the magnetization reversal probability due to spin injection strongly depends not only on the current in the initial state of A1, but also on the current during the reversal of A2. When reading is performed at a constant voltage, the probability of read disturb decreases in the MTJ element 10 having a large MR.

図5は、平行状態から反平行状態へ磁化反転する場合における反転確率の電流依存性を測定した実験結果の一例である。横軸の電流Iは、記録層の磁化の反転確率が1/2となる電流Icで規格化している。縦軸は、MTJ素子の反転確率であり、対数表記である。図5中の“E”は、10の指数表記を意味する。一般には、平行から反平行に磁化反転するIc(Ic_PtoAPとする)と、反平行から平行に磁化反転するIc(Ic_APtoPとする)とは異なり、Ic_PtoAP > Ic_APtoPの関係がある。   FIG. 5 is an example of an experimental result of measuring the current dependence of the reversal probability when the magnetization reversal from the parallel state to the antiparallel state. The current I on the horizontal axis is normalized by a current Ic at which the magnetization reversal probability of the recording layer is ½. The vertical axis represents the inversion probability of the MTJ element and is expressed in logarithm. “E” in FIG. 5 means 10 exponential notation. Generally, there is a relationship of Ic_PtoAP> Ic_APtoP, which is different from Ic (Ic_PtoAP) in which magnetization is reversed from parallel to antiparallel and Ic (Ic_APtoP) in which magnetization is reversed from antiparallel to parallel.

MTJ素子10に流す電流を減らすことにより、反転確率つまり読み出しディスターブ確率が指数関数的に低減している。MTJ素子10を記憶素子として用いる場合、設計上、読み出し電流は、反転確率が許容値以下になるように設定される。ここでは、許容値を1×10−10(=1.E−10)と仮定し、反転確率P=1×10−10となる電流をIcrと定義する。 By reducing the current flowing through the MTJ element 10, the inversion probability, that is, the read disturb probability is exponentially reduced. When the MTJ element 10 is used as a memory element, the read current is set so that the inversion probability is equal to or less than an allowable value by design. Here, it is assumed that the allowable value is 1 × 10 −10 (= 1.E−10), and a current with an inversion probability P = 1 × 10 −10 is defined as Icr.

MRの異なる複数のMTJ素子について電流Icrを測定した結果を図6に示す。横軸はMR(%)である。縦軸は、電流Icrを電流Icで規格化した値である。図6から、MRが大きくなるとIcr/Icの値も増加する傾向がある。これは、MRが大きいMTJ素子ほど読み出しディスターブが低減されることを意味する。図6の実験結果は、図3および図4で説明したように、状態A2で示した磁化反転の途中でMTJ抵抗の増加により電流が減少することによって、磁化反転が抑制された結果と考えることができる。   FIG. 6 shows the result of measuring the current Icr for a plurality of MTJ elements having different MR. The horizontal axis is MR (%). The vertical axis is a value obtained by normalizing the current Icr with the current Ic. From FIG. 6, the value of Icr / Ic tends to increase as MR increases. This means that the read disturb is reduced as the MTJ element has a higher MR. The experimental result of FIG. 6 is considered to be the result of suppressing the magnetization reversal by reducing the current due to the increase of the MTJ resistance during the magnetization reversal shown in the state A2, as described in FIG. 3 and FIG. Can do.

このように、参照層14から記録層12に向かう読み出し電流を用いてデータの読み出しを行う場合は、定電圧電源(constant voltage source)を用いた方が読み出しディスターブが低減できるので有利である。図3において、実線の矢印は高効率の経路を示しており、破線の矢印は効率の悪い経路を示している。   As described above, when data is read using a read current from the reference layer 14 toward the recording layer 12, it is advantageous to use a constant voltage source because read disturbance can be reduced. In FIG. 3, a solid line arrow indicates a highly efficient path, and a broken line arrow indicates an inefficient path.

一方、定電流電源(constant current source)を用いて読み出し電流を流す場合には、磁化反転は図3の状態A1から状態A5に向かう矢印に沿って起こる。この場合には、反転途中の状態A4においてMTJ抵抗が増加し、それに応じてMTJ素子10に印加される電圧の絶対値が増加し、電流は一定のままである。そのため、図3の状態A4から状態A1に戻らずに状態A5に移行し、磁化反転する確率つまり読み出しディスターブが発生する確率が増大することになる。   On the other hand, when a read current is supplied using a constant current source, magnetization reversal occurs along the arrow from state A1 to state A5 in FIG. In this case, the MTJ resistance increases in the state A4 during the inversion, the absolute value of the voltage applied to the MTJ element 10 increases accordingly, and the current remains constant. For this reason, the state A4 in FIG. 3 does not return to the state A1, but the state A5 is shifted to, and the probability of magnetization reversal, that is, the probability of occurrence of read disturb increases.

次に、参照層14から記録層12に向かう方向に書き込み電流を流すことにより、平行状態から反平行状態に書き込みを行う場合について説明する。この場合は、記録層12の磁化を確実に反転させなければならないので、定電流電源を用いた方が有利である。   Next, a case where writing is performed from the parallel state to the antiparallel state by flowing a write current in the direction from the reference layer 14 toward the recording layer 12 will be described. In this case, since the magnetization of the recording layer 12 must be reliably reversed, it is advantageous to use a constant current power source.

定電圧電源では、図3の状態B1から状態B2に向かう矢印の経路に沿って磁化反転が起こるが、反転途中でMTJ抵抗が上昇する。このため、MTJ素子10に流れる電流が減少し、書き込みエラーが起こる確率が高くなる。一方、定電流電源を用いて書き込みを行えば、図3の状態B1から状態B3に向かう矢印の経路を通って磁化反転することになる。この場合、MTJ抵抗の上昇分だけ電圧の絶対値も上昇し、電流は減少しない。よって、MTJ素子10を高効率で磁化反転させることができる。   In the constant voltage power supply, magnetization reversal occurs along the path of the arrow from state B1 to state B2 in FIG. 3, but the MTJ resistance increases during the reversal. For this reason, the current flowing through the MTJ element 10 decreases, and the probability that a write error will occur increases. On the other hand, if writing is performed using a constant current power supply, magnetization reversal will occur through the path of the arrow from state B1 to state B3 in FIG. In this case, the absolute value of the voltage increases by the increase in the MTJ resistance, and the current does not decrease. Therefore, the magnetization of the MTJ element 10 can be reversed with high efficiency.

読み出し信号のSN比(signal-to-noise ratio)を確保するために、状態A1の電圧の絶対値には下限がある。また、状態B3では、書き込み電圧は、トンネル障壁の耐圧以上に大きくすることはできない。平行状態から反平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って読み出しおよび書き込みを行う場合に、読み出しは定電圧電源で行い、書き込みを定電流電源で行うことで、上記2つの制限を満足しつつ、読み出しディスターブと書き込みエラーとを低減することができる。   In order to ensure the signal-to-noise ratio of the read signal, the absolute value of the voltage in state A1 has a lower limit. In the state B3, the write voltage cannot be increased beyond the tunnel barrier breakdown voltage. When reading and writing are performed by applying current in the direction in which spin torque works from the parallel state to the antiparallel state, reading is performed with a constant voltage power supply, and writing is performed with a constant current power supply, thereby satisfying the above two restrictions. However, read disturb and write error can be reduced.

次に、反平行状態から平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って、読み出しを行う場合について説明する。これは、図3の右半分を使って読み出しを行う場合に相当し、読み出し電流は、記録層12から参照層14に向かって流れる。   Next, a case where reading is performed by energizing in the direction in which the spin torque works from the antiparallel state to the parallel state will be described. This corresponds to the case where reading is performed using the right half of FIG. 3, and the reading current flows from the recording layer 12 toward the reference layer 14.

図3の状態C1から状態C3に向かう矢印は、高抵抗状態のMTJ素子10に対して正の定電圧を印加してデータの読み出しを行ない、誤ってデータが反転してしまう読み出しディスターブが発生する過程を示したものである。この過程の磁化の運動とMTJ素子10に流れる読み出し電流とを模式的に説明したのが図7である。図7のC1〜C3は、図3のC1〜C3に対応している。   The arrow from state C1 to state C3 in FIG. 3 causes a read disturb in which data is read by applying a positive constant voltage to the MTJ element 10 in the high resistance state, and the data is erroneously inverted. It shows the process. FIG. 7 schematically illustrates the magnetization movement in this process and the read current flowing through the MTJ element 10. C1 to C3 in FIG. 7 correspond to C1 to C3 in FIG.

図7(C1)は通電直後の状態を示しており、記録層12の磁化の向きは、参照層14の磁化の向きに対してほぼ反平行である。その後、図7(C2)に示すように、スピン偏極電流によるスピントルクが記録層12に働き、記録層12の磁化には一様な歳差運動が起こり、磁化の方向が垂直方向から傾く。それによってMTJ抵抗が減少するため、図3の状態C2でMTJ素子10に流れる電流は状態C1で流れる初期の電流よりも増加する。そのため、図3の状態C2から状態C1に戻らずに状態C3に移行し、磁化反転する確率つまり読み出しディスターブが発生する確率が増大することになる。   FIG. 7C1 shows a state immediately after energization, and the magnetization direction of the recording layer 12 is substantially antiparallel to the magnetization direction of the reference layer 14. Thereafter, as shown in FIG. 7C2, spin torque due to the spin-polarized current acts on the recording layer 12, and uniform precession occurs in the magnetization of the recording layer 12, and the direction of magnetization tilts from the perpendicular direction. . As a result, the MTJ resistance decreases, so that the current flowing in the MTJ element 10 in the state C2 of FIG. 3 increases from the initial current flowing in the state C1. Therefore, the state C2 in FIG. 3 does not return to the state C1, but shifts to the state C3, and the probability of magnetization reversal, that is, the probability of occurrence of read disturb increases.

一方、定電流電源を用いて読み出し電流を流した場合には、磁化反転は図3の状態C1から状態C5に向かう矢印に沿って起こる。この場合には、図3の状態C4で磁化反転の途中においてMTJ抵抗が減少しても、それに応じてMTJ素子10に印加される電圧も減少し、MTJ素子10に流れる電流は増加しない。そのため、状態C4になっても、磁化の歳差運動に伴い発生する摩擦によって再度初期状態のC1に戻り、読み出しディスターブが回避される確率は、状態C2から状態C1に戻る確率よりも高い。すなわち、記録層12から参照層14に向かう方向に読み出し電流を流して読み出しを行う場合には、定電流電源を用いた方が、定電圧電源を用いるよりも、読み出しディスターブを低減するには有利である。   On the other hand, when a read current is passed using a constant current power supply, magnetization reversal occurs along the arrow from state C1 to state C5 in FIG. In this case, even if the MTJ resistance decreases in the middle of the magnetization reversal in the state C4 in FIG. 3, the voltage applied to the MTJ element 10 correspondingly decreases, and the current flowing through the MTJ element 10 does not increase. Therefore, even when the state C4 is reached, the probability of returning to the initial state C1 again by the friction generated by the precession of magnetization and avoiding the read disturb is higher than the probability of returning from the state C2 to the state C1. That is, when reading is performed by flowing a read current in the direction from the recording layer 12 to the reference layer 14, using a constant current power supply is more advantageous for reducing read disturb than using a constant voltage power supply. It is.

次に、記録層12から参照層14に向かう方向に書き込み電流を流すことにより、反平行状態から平行状態に書き込みを行う場合について説明する。この場合は、定電圧電源を用いた方が有利である。   Next, a case where writing is performed from the antiparallel state to the parallel state by flowing a write current in the direction from the recording layer 12 to the reference layer 14 will be described. In this case, it is advantageous to use a constant voltage power source.

定電圧電源を用いた場合、図3の状態D1から状態D2に向かう矢印の経路に沿って磁化反転が起こるが、磁化反転の途中でMTJ抵抗が減少した時に、MTJ素子10に流れる電流が増加する。よって、MTJ素子10を高効率で磁化反転させることができる。   When a constant voltage power supply is used, magnetization reversal occurs along the path of the arrow from state D1 to state D2 in FIG. 3, but when the MTJ resistance decreases during the magnetization reversal, the current flowing through the MTJ element 10 increases. To do. Therefore, the magnetization of the MTJ element 10 can be reversed with high efficiency.

一方、定電流電源を用いた場合、図3の状態D1から状態D3に向かう矢印の経路に沿って磁化反転が起こるが、磁化反転の途中でMTJ素子10に印加される電圧が低下し、電流は一定のままである。よって、磁化反転の途中から磁化の歳差運動に伴い発生する摩擦によって初期状態のD1に戻ってしまう書き込みエラーが発生する確率が増大することになる。   On the other hand, when a constant current power supply is used, magnetization reversal occurs along the path of the arrow from state D1 to state D3 in FIG. 3, but the voltage applied to the MTJ element 10 decreases during the magnetization reversal, Remains constant. Therefore, the probability of occurrence of a write error that returns to the initial state D1 due to friction generated with the precession of magnetization from the middle of magnetization reversal increases.

読み出し信号のSN比を確保するために、状態C1の電圧には下限がある。また、状態D1では、書き込み電圧は、トンネル障壁の耐圧以上に大きくすることはできない。反平行状態から平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って読み出しおよび書き込みを行う場合に、読み出しは定電流電源で行い、書き込みを定電圧電源で行うことで、上記2つの制限を満足しつつ、読み出しディスターブと書き込みエラーとを低減することができる。   In order to ensure the S / N ratio of the read signal, the voltage of the state C1 has a lower limit. In the state D1, the write voltage cannot be increased beyond the tunnel barrier breakdown voltage. When reading and writing are performed by energizing in the direction in which the spin torque works from the antiparallel state to the parallel state, reading is performed with a constant current power source, and writing is performed with a constant voltage power source, thus satisfying the above two restrictions. However, read disturb and write error can be reduced.

[3.MRAMの回路構成]
次に、本実施形態の読み出し方式および書き込み方式を採用したMRAMの回路構成の一例について説明する。MTJ素子10に参照層14から記録層12に向かう方向に読み出し電流を流す場合の回路構成例(第1の実施例)と、MTJ素子10に記録層12から参照層14に向かう方向に読み出し電流を流す場合の回路構成例(第2の実施例)とについて順に説明する。
[3. Circuit configuration of MRAM]
Next, an example of the circuit configuration of the MRAM that employs the reading method and the writing method of the present embodiment will be described. A circuit configuration example (first embodiment) in which a read current flows through the MTJ element 10 in the direction from the reference layer 14 toward the recording layer 12, and a read current in the direction from the recording layer 12 toward the reference layer 14 in the MTJ element 10 A circuit configuration example (second embodiment) in the case of flowing a current will be described in order.

[3−1.第1の実施例]
図8は、第1の実施例に係るMRAMの構成を示すブロック図である。MRAMは、複数個のメモリセルMCがマトリクス状に配列されたメモリセルアレイ20を備えている。メモリセルMCは、MTJ素子10を含む。メモリセルアレイ20には、カラム方向に延在する複数の第1のビット線BL1および複数の第2のビット線BL2が交互に配設されている。また、メモリセルアレイ20には、ロウ方向に延在する複数のワード線WLが配設されている。
[3-1. First Example]
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the MRAM according to the first embodiment. The MRAM includes a memory cell array 20 in which a plurality of memory cells MC are arranged in a matrix. Memory cell MC includes an MTJ element 10. In the memory cell array 20, a plurality of first bit lines BL1 and a plurality of second bit lines BL2 extending in the column direction are alternately arranged. The memory cell array 20 is provided with a plurality of word lines WL extending in the row direction.

第1のビット線BL1および第2のビット線BL2の一端には、第1のビット線選択回路21−1を介して、第1の書き込み回路23−1および第1の読み出し回路24−1が接続されている。第1のビット線BL1および第2のビット線BL2の他端には、第2のビット線選択回路21−2を介して、第2の書き込み回路23−2および第2の読み出し回路24−2が接続されている。   A first write circuit 23-1 and a first read circuit 24-1 are connected to one end of the first bit line BL1 and the second bit line BL2 via the first bit line selection circuit 21-1. It is connected. The second write circuit 23-2 and the second read circuit 24-2 are connected to the other ends of the first bit line BL1 and the second bit line BL2 via the second bit line selection circuit 21-2. Is connected.

カラムデコーダ22には、例えば外部からカラムアドレスが入力される。カラムデコーダ22は、カラムアドレスをデコードし、デコード信号AynおよびBynを第1のビット線選択回路21−1に送り、デコード信号AysおよびBysを第2のビット線選択回路21−2に送る。第1のビット線選択回路21−1は、デコード信号AynおよびBynによって指定されたビット線を選択する。第2のビット線選択回路21−2は、デコード信号AysおよびBysによって指定されたビット線を選択する。   For example, a column address is input to the column decoder 22 from the outside. The column decoder 22 decodes the column address, sends the decode signals Ayn and Byn to the first bit line selection circuit 21-1, and sends the decode signals Ays and Bys to the second bit line selection circuit 21-2. The first bit line selection circuit 21-1 selects a bit line designated by the decode signals Ayn and Byn. The second bit line selection circuit 21-2 selects a bit line designated by the decode signals Ays and Bys.

ワード線WLには、ロウデコーダ25が接続されている。ロウデコーダ25には、例えば外部からロウアドレスが入力される。ロウデコーダ25は、ロウアドレスをデコードし、ロウアドレスによって指定されたワード線を選択する。   A row decoder 25 is connected to the word line WL. For example, a row address is input to the row decoder 25 from the outside. The row decoder 25 decodes the row address and selects a word line specified by the row address.

書き込み回路23−1および23−2は、データ書き込み時、書き込みデータに応じて、第1のビット線BL1、メモリセルMCおよび第2のビット線BL2を経由する第1の書き込み電流、または、第2のビット線BL2、メモリセルMCおよび第1のビット線BL1を経由する第2の書き込み電流を流す。この時、書き込み回路23−1および23−2は、定電流電源を用いて、第1の書き込み電流を生成する。また、書き込み回路23−1および23−2は、定電圧電源を用いて、第2の書き込み電流を生成する。   The write circuits 23-1 and 23-2 write the first write current via the first bit line BL 1, the memory cell MC and the second bit line BL 2, or the first A second write current is passed through the second bit line BL2, the memory cell MC, and the first bit line BL1. At this time, the write circuits 23-1 and 23-2 generate a first write current using a constant current power source. The write circuits 23-1 and 23-2 generate a second write current using a constant voltage power supply.

読み出し回路24−1および24−2は、データ読み出し時、第1のビット線BL1、メモリセルMCおよび第2のビット線BL2を経由する読み出し電流を流す。この時、読み出し回路24−1および24−2は、定電圧電源を用いて、読み出し電流を生成する。   The read circuits 24-1 and 24-2 pass a read current that passes through the first bit line BL1, the memory cell MC, and the second bit line BL2 when reading data. At this time, the read circuits 24-1 and 24-2 generate a read current using a constant voltage power supply.

制御回路26は、第1の書き込み回路23−1に制御信号SRCnおよびSNKnを、第2の書き込み回路23−2に制御信号SRCsおよびSNKsを供給することで、書き込み動作を制御する。また、制御回路26は、第1の読み出し回路24−1にSNKrを、第2の読み出し回路24−2にSRCrを供給することで、読み出し動作を制御する。   The control circuit 26 controls the write operation by supplying the control signals SRCn and SNKn to the first write circuit 23-1 and the control signals SRCs and SNKs to the second write circuit 23-2. Further, the control circuit 26 controls the reading operation by supplying SNKr to the first reading circuit 24-1 and SRCr to the second reading circuit 24-2.

図9は、ビット線選択回路21、書き込み回路23および読み出し回路24の構成を示す回路図である。図9には、マトリクス状に配列されたメモリセルアレイ20のうち2×2領域に接続された回路部分のみを示す。   FIG. 9 is a circuit diagram showing the configuration of the bit line selection circuit 21, the write circuit 23, and the read circuit 24. FIG. 9 shows only the circuit portion connected to the 2 × 2 region in the memory cell array 20 arranged in a matrix.

メモリセルMCは、1個のMTJ素子10と1個の選択トランジスタSTとを有する。図10は、1個のメモリセルMCの構成を示す回路図である。選択トランジスタSTは、例えば、NチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)から構成される。   The memory cell MC has one MTJ element 10 and one select transistor ST. FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of one memory cell MC. The selection transistor ST is composed of, for example, an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

MTJ素子10の参照層14は、上部電極15(図示せず)を介して第1のビット線BL1に接続されている。MTJ素子10の記録層12は、下部電極11(図示せず)を介して選択トランジスタSTの電流経路の一端に接続されている。選択トランジスタSTの電流経路の他端は、第2のビット線BL2に接続されている。選択トランジスタSTのゲートには、ワード線WLが接続されている。   The reference layer 14 of the MTJ element 10 is connected to the first bit line BL1 via the upper electrode 15 (not shown). The recording layer 12 of the MTJ element 10 is connected to one end of the current path of the selection transistor ST via a lower electrode 11 (not shown). The other end of the current path of the selection transistor ST is connected to the second bit line BL2. A word line WL is connected to the gate of the selection transistor ST.

第1のビット線選択回路21−1は、第1のビット線BL1に対応する数のスイッチ素子としてのNチャネルMOSFET(NMOSFET)30と、第2のビット線BL2に対応する数のスイッチ素子としてのNMOSFET31とを備えている。NMOSFET30<t>は、第1のビット線BL1<t>とノードN1との間に接続されている。NMOSFET30<t>のゲートには、カラムデコーダ22からデコード信号Ayn<t>が供給されている。NMOSFET31<t>は、第2のビット線BL2<t>とノードN2との間に接続されている。NMOSFET31<t>のゲートには、カラムデコーダ22からデコード信号Byn<t>が供給されている。   The first bit line selection circuit 21-1 includes N-channel MOSFETs (NMOSFETs) 30 as the number of switch elements corresponding to the first bit line BL1 and the number of switch elements corresponding to the second bit line BL2. NMOSFET 31. The NMOSFET 30 <t> is connected between the first bit line BL1 <t> and the node N1. A decode signal Ayn <t> is supplied from the column decoder 22 to the gate of the NMOSFET 30 <t>. The NMOSFET 31 <t> is connected between the second bit line BL2 <t> and the node N2. A decode signal Byn <t> is supplied from the column decoder 22 to the gate of the NMOSFET 31 <t>.

第2のビット線選択回路21−2は、第1のビット線BL1に対応する数のスイッチ素子としてのNMOSFET32と、第2のビット線BL2に対応する数のスイッチ素子としてのNMOSFET33とを備えている。NMOSFET32<t>は、第1のビット線BL1<t>とノードN3との間に接続されている。NMOSFET32<t>のゲートには、カラムデコーダ22からデコード信号Bys<t>が供給されている。NMOSFET33<t>は、第2のビット線BL2<t>とノードN4との間に接続されている。NMOSFET33<t>のゲートには、カラムデコーダ22からデコード信号Ays<t>が供給されている。   The second bit line selection circuit 21-2 includes NMOSFETs 32 as the number of switch elements corresponding to the first bit line BL1 and NMOSFETs 33 as the number of switch elements corresponding to the second bit line BL2. Yes. The NMOSFET 32 <t> is connected between the first bit line BL1 <t> and the node N3. A decode signal Bys <t> is supplied from the column decoder 22 to the gate of the NMOSFET 32 <t>. The NMOSFET 33 <t> is connected between the second bit line BL2 <t> and the node N4. A decode signal Ays <t> is supplied from the column decoder 22 to the gate of the NMOSFET 33 <t>.

第1の書き込み回路23−1は、定電流電源34、スイッチ素子としてのPチャネルMOSFET(PMOSFET)35、およびスイッチ素子としてのNMOSFET36を備えている。PMOSFET35のソースは定電流電源34に接続され、PMOSFET35のドレインはノードN1に接続され、PMOSFET35のゲートには制御回路26から制御信号SRCnが供給されている。NMOSFET36のドレインはノードN1に接続され、NMOSFET36のソースは接地され、NMOSFET36のゲートには制御回路26から制御信号SNKnが供給されている。VDDは電源電圧であり、VSSは接地電圧である。   The first write circuit 23-1 includes a constant current power supply 34, a P-channel MOSFET (PMOSFET) 35 as a switch element, and an NMOSFET 36 as a switch element. The source of the PMOSFET 35 is connected to the constant current power supply 34, the drain of the PMOSFET 35 is connected to the node N1, and the control signal SRCn is supplied from the control circuit 26 to the gate of the PMOSFET 35. The drain of the NMOSFET 36 is connected to the node N1, the source of the NMOSFET 36 is grounded, and the control signal SNKn is supplied from the control circuit 26 to the gate of the NMOSFET 36. VDD is a power supply voltage, and VSS is a ground voltage.

第2の書き込み回路23−2は、定電圧電源37、スイッチ素子としてのPMOSFET38、およびスイッチ素子としてのNMOSFET39を備えている。PMOSFET38のソースは定電圧電源37に接続され、PMOSFET38のドレインはノードN4に接続され、PMOSFET38のゲートには制御回路26から制御信号SRCsが供給されている。NMOSFET39のドレインはノードN4に接続され、NMOSFET39のソースは接地され、NMOSFET39のゲートには制御回路26から制御信号SNKsが供給されている。   The second write circuit 23-2 includes a constant voltage power source 37, a PMOSFET 38 as a switch element, and an NMOSFET 39 as a switch element. The source of the PMOSFET 38 is connected to the constant voltage power supply 37, the drain of the PMOSFET 38 is connected to the node N4, and the control signal SRCs is supplied from the control circuit 26 to the gate of the PMOSFET 38. The drain of the NMOSFET 39 is connected to the node N4, the source of the NMOSFET 39 is grounded, and the control signal SNKs is supplied to the gate of the NMOSFET 39 from the control circuit 26.

第1の読み出し回路24−1は、スイッチ素子としてのNMOSFET40を備えている。NMOSFET40のドレインはノードN2に接続され、NMOSFET40のソースは接地され、NMOSFET40のゲートには制御回路26から制御信号SNKrが供給されている。   The first readout circuit 24-1 includes an NMOSFET 40 as a switch element. The drain of the NMOSFET 40 is connected to the node N2, the source of the NMOSFET 40 is grounded, and the control signal SNKr is supplied from the control circuit 26 to the gate of the NMOSFET 40.

第2の読み出し回路24−2は、スイッチ素子としてのPMOSFET41、センスアンプSA、および抵抗Rfを備えている。PMOSFET41のドレインはノードN3に接続され、PMOSFET41のソースはセンスアンプSAの第1の入力端子(反転入力端子)に接続され、PMOSFET41のゲートには制御回路26から制御信号SRCrが供給されている。センスアンプSAの第2の入力端子(非反転入力端子)には、基準電圧Vrefが供給されている。センスアンプSAの第1の入力端子と出力端子との間には、抵抗Rfが接続されている。センスアンプSAは、メモリセルMCから読み出されたデータを出力する。   The second readout circuit 24-2 includes a PMOSFET 41 as a switch element, a sense amplifier SA, and a resistor Rf. The drain of the PMOSFET 41 is connected to the node N3, the source of the PMOSFET 41 is connected to the first input terminal (inverted input terminal) of the sense amplifier SA, and the control signal SRCr is supplied from the control circuit 26 to the gate of the PMOSFET 41. A reference voltage Vref is supplied to a second input terminal (non-inverting input terminal) of the sense amplifier SA. A resistor Rf is connected between the first input terminal and the output terminal of the sense amplifier SA. The sense amplifier SA outputs data read from the memory cell MC.

(動作)
このように構成されたMRAMの動作について説明する。まず、MRAMのデータ書き込み動作について説明する。選択されたメモリセルMCのMTJ素子10に対して低抵抗状態から高抵抗状態に書き込みを行う場合には、第1の書き込み回路23−1で生成した定電流を用いて、参照層14から記録層12に向かう書き込み電流をMTJ素子10に流す。
(Operation)
The operation of the MRAM configured as described above will be described. First, the data write operation of the MRAM will be described. When writing to the MTJ element 10 of the selected memory cell MC from the low resistance state to the high resistance state, recording is performed from the reference layer 14 using the constant current generated by the first writing circuit 23-1. A write current directed to the layer 12 is passed through the MTJ element 10.

具体的には、第1のビット線選択回路21−1によって選択された第1のビット線BL1がノードN1に接続され、第2のビット線選択回路21−2によって選択された第2のビット線BL2がノードN4に接続される。また、選択されたワード線WLがハイレベルに設定され、選択されたワード線WLに接続された選択トランジスタSTがオンする。   Specifically, the first bit line BL1 selected by the first bit line selection circuit 21-1 is connected to the node N1, and the second bit selected by the second bit line selection circuit 21-2. Line BL2 is connected to node N4. Further, the selected word line WL is set to the high level, and the selection transistor ST connected to the selected word line WL is turned on.

続いて、制御信号SRCnおよびSNKnがともにローレベルに設定され、PMOSFET35がオン、NMOSFET36がオフする。また、制御信号SRCsおよびSNKsがともにハイレベルに設定され、PMOSFET38がオフ、NMOSFET39がオンする。NMOSFET39および接地端子VSSは、電流シンクとして機能する。これにより、定電流電源34からMTJ素子10に書き込み電流が供給され、MTJ素子10が低抵抗状態から高抵抗状態に設定される。   Subsequently, both the control signals SRCn and SNKn are set to a low level, the PMOSFET 35 is turned on, and the NMOSFET 36 is turned off. Further, both the control signals SRCs and SNKs are set to the high level, the PMOSFET 38 is turned off, and the NMOSFET 39 is turned on. The NMOSFET 39 and the ground terminal VSS function as a current sink. As a result, a write current is supplied from the constant current power supply 34 to the MTJ element 10, and the MTJ element 10 is set from the low resistance state to the high resistance state.

一方、選択されたメモリセルMCのMTJ素子10に対して高抵抗状態から低抵抗状態に書き込みを行う場合には、第2の書き込み回路23−2で生成した定電圧を用いて、記録層12から参照層14に向かう書き込み電流をMTJ素子10に流す。   On the other hand, when writing from the high resistance state to the low resistance state for the MTJ element 10 of the selected memory cell MC, the recording layer 12 is generated using the constant voltage generated by the second writing circuit 23-2. A write current from to the reference layer 14 is passed through the MTJ element 10.

具体的には、制御信号SRCsおよびSNKsがともにローレベルに設定され、PMOSFET38がオン、NMOSFET39がオフする。また、制御信号SRCnおよびSNKnがともにハイレベルに設定され、PMOSFET35がオフ、NMOSFET36がオンする。NMOSFET36および接地端子VSSは、電流シンクとして機能する。ビット線およびワード線の選択動作は、低抵抗状態から高抵抗状態に書き込みを行う場合と同じである。これにより、定電圧電源37からMTJ素子10に書き込み電流が供給され、MTJ素子10が高抵抗状態から低抵抗状態に設定される。   Specifically, both control signals SRCs and SNKs are set to a low level, PMOSFET 38 is turned on, and NMOSFET 39 is turned off. Further, both the control signals SRCn and SNKn are set to the high level, the PMOSFET 35 is turned off, and the NMOSFET 36 is turned on. The NMOSFET 36 and the ground terminal VSS function as a current sink. The selection operation of the bit line and the word line is the same as when writing from the low resistance state to the high resistance state. As a result, a write current is supplied from the constant voltage power supply 37 to the MTJ element 10, and the MTJ element 10 is set from the high resistance state to the low resistance state.

次に、MRAMのデータ読み出し動作について説明する。データ読み出し動作では、第2の読み出し回路24−2で生成した定電圧を用いて、選択されたメモリセルMCのMTJ素子10に対して、参照層14から記録層12に向かう読み出し電流を流す。読み出し電流は、書き込み電流よりも小さい値に設定される。   Next, the data read operation of the MRAM will be described. In the data read operation, a read current from the reference layer 14 toward the recording layer 12 is supplied to the MTJ element 10 of the selected memory cell MC using the constant voltage generated by the second read circuit 24-2. The read current is set to a value smaller than the write current.

具体的には、第1のビット線選択回路21−1によって選択された第2のビット線BL2がノードN2に接続され、第2のビット線選択回路21−2によって選択された第1のビット線BL1がノードN3に接続される。また、選択されたワード線WLがハイレベルに設定され、選択されたワード線WLに接続された選択トランジスタSTがオンする。   Specifically, the second bit line BL2 selected by the first bit line selection circuit 21-1 is connected to the node N2, and the first bit selected by the second bit line selection circuit 21-2. Line BL1 is connected to node N3. Further, the selected word line WL is set to the high level, and the selection transistor ST connected to the selected word line WL is turned on.

続いて、制御信号SNKrがハイレベル、制御信号SRCrがローレベルに設定され、NMOSFET40およびPMOSFET41がともにオンする。NMOSFET40および接地端子VSSは、電流シンクとして機能する。センスアンプSAの第1の入力端子と第2の入力端子とは同電位、すなわち基準電圧Vrefになるため、センスアンプSAの第1の入力端子の電圧、すなわち第2の読み出し回路24−2で生成された定電圧がメモリセルMCに印加される。すなわち、センスアンプSAは、定電圧電源としての機能も果たす。これにより、MTJ素子10に参照層14から記録層12に向かう方向に読み出し電流が流れ、MTJ素子10の抵抗に応じたデータがセンスアンプSAから出力される。   Subsequently, the control signal SNKr is set to the high level, the control signal SRCr is set to the low level, and both the NMOSFET 40 and the PMOSFET 41 are turned on. The NMOSFET 40 and the ground terminal VSS function as a current sink. Since the first input terminal and the second input terminal of the sense amplifier SA have the same potential, that is, the reference voltage Vref, the voltage of the first input terminal of the sense amplifier SA, that is, the second readout circuit 24-2. The generated constant voltage is applied to the memory cell MC. That is, the sense amplifier SA also functions as a constant voltage power source. As a result, a read current flows through the MTJ element 10 in the direction from the reference layer 14 toward the recording layer 12, and data corresponding to the resistance of the MTJ element 10 is output from the sense amplifier SA.

なお、参照層14が選択トランジスタSTと接続される回路構成の場合には、記録層12を第2のビット線BL2に接続し、選択トランジスタSTを第1のビット線BL1に接続する。この構成例は、参照層14の上方に記録層12が配置される構造を有するMTJ素子の場合に該当する。この場合でも、前述した読み出し動作および書き込み動作が可能である。   In the case of a circuit configuration in which the reference layer 14 is connected to the selection transistor ST, the recording layer 12 is connected to the second bit line BL2, and the selection transistor ST is connected to the first bit line BL1. This configuration example corresponds to an MTJ element having a structure in which the recording layer 12 is disposed above the reference layer 14. Even in this case, the above-described read operation and write operation are possible.

また、メモリセルにデータを書き込んだ後、正確にデータが書き込まれたか否かを確認するベリファイ読み出し動作が実行される。このベリファイ読み出し動作は、前述した本実施形態の読み出し動作と同じである。ベリファイ読み出し動作においても、定電圧電源を用いた読み出し動作を適用できる。   In addition, after data is written to the memory cell, a verify read operation for confirming whether or not the data is correctly written is executed. This verify read operation is the same as the read operation of the present embodiment described above. Also in the verify read operation, a read operation using a constant voltage power supply can be applied.

[3−2.第2の実施例]
図11は、第2の実施例に係るビット線選択回路21、書き込み回路23および読み出し回路24の構成を示す回路図である。第2の実施例は、第1の実施例と比べて、読み出し回路24−1および24−2の回路構成が異なり、それに伴って制御回路26からの制御信号SRCrとSNKrとの行き先が逆になるが、これらの点を除いて第2の実施例に係るMRAMのブロック図は図8と同じである。
[3-2. Second embodiment]
FIG. 11 is a circuit diagram showing the configuration of the bit line selection circuit 21, the write circuit 23, and the read circuit 24 according to the second embodiment. The second embodiment differs from the first embodiment in the circuit configuration of the read circuits 24-1 and 24-2, and accordingly, the destinations of the control signals SRCr and SNKr from the control circuit 26 are reversed. However, except for these points, the block diagram of the MRAM according to the second embodiment is the same as FIG.

第1の読み出し回路24−1は、定電流電源42、センスアンプSA、およびスイッチ素子としてのPMOSFET43を備えている。PMOSFET43のソースは定電流電源42に接続され、PMOSFET43のドレインはノードN2に接続され、PMOSFET43のゲートには制御回路26から制御信号SRCrが供給されている。センスアンプSAの第1の入力端子(反転入力端子)は、定電流源42に接続され、センスアンプSAの第2の入力端子(非反転入力端子)には、基準電圧Vrefが供給されている。センスアンプSAは、第1の入力端子と第2の入力端子との電圧を比較することで、メモリセルMCから読み出されたデータを出力する。   The first readout circuit 24-1 includes a constant current power source 42, a sense amplifier SA, and a PMOSFET 43 as a switch element. The source of the PMOSFET 43 is connected to the constant current power source 42, the drain of the PMOSFET 43 is connected to the node N 2, and the control signal SRCr is supplied from the control circuit 26 to the gate of the PMOSFET 43. A first input terminal (inverting input terminal) of the sense amplifier SA is connected to the constant current source 42, and a reference voltage Vref is supplied to a second input terminal (non-inverting input terminal) of the sense amplifier SA. . The sense amplifier SA compares the voltages at the first input terminal and the second input terminal to output data read from the memory cell MC.

第2の読み出し回路24−2は、スイッチ素子としてのNMOSFET44を備えている。NMOSFET44のドレインはノードN3に接続され、NMOSFET44のソースは接地され、NMOSFET44のゲートには制御回路26から制御信号SNKrが供給されている。   The second readout circuit 24-2 includes an NMOSFET 44 as a switch element. The drain of the NMOSFET 44 is connected to the node N 3, the source of the NMOSFET 44 is grounded, and the control signal SNKr is supplied from the control circuit 26 to the gate of the NMOSFET 44.

(動作)
このように構成されたMRAMの動作について説明する。データ読み出し動作では、第1の読み出し回路24−1で生成した定電流を用いて、選択されたメモリセルMCのMTJ素子10に対して、記録層12から参照層14に向かう読み出し電流を流す。
(Operation)
The operation of the MRAM configured as described above will be described. In the data read operation, a read current from the recording layer 12 toward the reference layer 14 is supplied to the MTJ element 10 of the selected memory cell MC using the constant current generated by the first read circuit 24-1.

ビット線およびワード線の選択動作は、第1の実施例の読み出し時と同じである。続いて、制御信号SRCrがローレベル、制御信号SNKrがハイレベルに設定され、PMOSFET43およびNMOSFET44がともにオンする。NMOSFET44および接地端子VSSは、電流シンクとして機能する。これにより、定電流電源42によって、MTJ素子10に記録層12から参照層14に向かう読み出し電流が流れる。この時、センスアンプSAは、2つの入力端子の電圧を比較し、MTJ素子10の抵抗に応じたデータを出力する。   The selection operation of the bit line and the word line is the same as that at the time of reading in the first embodiment. Subsequently, the control signal SRCr is set to a low level, the control signal SNKr is set to a high level, and both the PMOSFET 43 and the NMOSFET 44 are turned on. The NMOSFET 44 and the ground terminal VSS function as a current sink. As a result, a read current from the recording layer 12 toward the reference layer 14 flows through the MTJ element 10 by the constant current power source 42. At this time, the sense amplifier SA compares the voltages of the two input terminals and outputs data corresponding to the resistance of the MTJ element 10.

なお、書き込み回路23の構成および動作は、第1の実施例と同じである。また、第1の実施例と同様に、ベリファイ読み出し動作においても、定電流電源を用いた読み出し動作を適用できる。   The configuration and operation of the write circuit 23 are the same as those in the first embodiment. As in the first embodiment, a read operation using a constant current power source can also be applied in the verify read operation.

[4.効果]
以上詳述したように本実施形態では、(1)平行状態から反平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って書き込みを行う、すなわち、参照層14から記録層12に向かう書き込み電流をMTJ素子10に流してデータを書き込む場合には、定電流電源を用いる。(2)反平行状態から平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って書き込みを行う、すなわち、記録層12から参照層14に向かう書き込み電流をMTJ素子10に流してデータを書き込む場合には、定電圧電源を用いる。(3)平行状態から反平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って読み出しを行う、すなわち、参照層14から記録層12に向かう読み出し電流をMTJ素子10に流してデータを読み出す場合には、定電圧電源を用いる。(4)反平行状態から平行状態にスピントルクが働く方向に通電を行って読み出しを行う、すなわち、記録層12から参照層14に向かう読み出し電流をMTJ素子10に流してデータを読み出す場合には、定電流電源を用いる。
[4. effect]
As described above in detail, in the present embodiment, (1) writing is performed by energizing in the direction in which the spin torque is applied from the parallel state to the antiparallel state, that is, writing current from the reference layer 14 toward the recording layer 12 is changed to MTJ. A constant current power supply is used when data is written by flowing through the element 10. (2) When writing is performed by energizing the anti-parallel state to the parallel state in the direction in which the spin torque acts, that is, when writing data by passing a write current from the recording layer 12 toward the reference layer 14 to the MTJ element 10 A constant voltage power supply is used. (3) When reading is performed by energizing in the direction in which spin torque works from the parallel state to the antiparallel state, that is, when reading data by passing a read current from the reference layer 14 toward the recording layer 12 to the MTJ element 10 A constant voltage power supply is used. (4) When reading is performed by energizing in the direction in which spin torque works from the antiparallel state to the parallel state, that is, when reading data by passing a read current from the recording layer 12 toward the reference layer 14 to the MTJ element 10 A constant current power supply is used.

従って本実施形態によれば、書き込み過程において、MTJ素子10に流れる書き込み電流が減少しないため、書き込みエラーを低減することができる。また、書き込み電流を大きく増やすことなく、書き込みエラーを低減することができる。さらに、読み出し過程において、MTJ素子10に流れる読み出し電流が増加しないため、読み出しディスターブを低減することができる。結果として、データ信頼性の高いMRAMを構成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the write current flowing through the MTJ element 10 does not decrease during the write process, and thus write errors can be reduced. Also, write errors can be reduced without greatly increasing the write current. Further, since the read current flowing through the MTJ element 10 does not increase in the read process, read disturb can be reduced. As a result, an MRAM with high data reliability can be configured.

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、1つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。   The present invention is not limited to the above embodiment, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and are obtained by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in one embodiment or by appropriately combining constituent elements disclosed in different embodiments. Various inventions can be configured. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, the problems to be solved by the invention can be solved and the effects of the invention can be obtained. Embodiments made can be extracted as inventions.

10…MTJ素子、11…下部電極、12…記録層、13…非磁性層、14…参照層、15…上部電極、20…メモリセルアレイ、21…ビット線選択回路、22…カラムデコーダ、23…書き込み回路、24…読み出し回路、25…ロウデコーダ、26…制御回路、30〜33,36,39,40,44…NMOSFET、34,42…定電流電源、35,38,41,43…PMOSFET、37…定電圧電源、MC…メモリセル、WL…ワード線、BL…ビット線、ST…選択トランジスタ、SA…センスアンプ、Rf…抵抗。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... MTJ element, 11 ... Lower electrode, 12 ... Recording layer, 13 ... Nonmagnetic layer, 14 ... Reference layer, 15 ... Upper electrode, 20 ... Memory cell array, 21 ... Bit line selection circuit, 22 ... Column decoder, 23 ... Write circuit, 24 ... Read circuit, 25 ... Row decoder, 26 ... Control circuit, 30 to 33, 36, 39, 40, 44 ... NMOSFET, 34,42 ... Constant current power supply, 35, 38, 41, 43 ... PMOSFET, 37: constant voltage power supply, MC: memory cell, WL: word line, BL: bit line, ST: selection transistor, SA: sense amplifier, Rf: resistance.

Claims (5)

磁化方向が不変である参照層と、磁化方向が可変である記録層と、前記参照層および前記記録層に挟まれた非磁性層とを有する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の磁化配列を平行から反平行に設定する場合に、定電流電源を用いて前記磁気抵抗素子に書き込み電流を流す第1の書き込み回路と、
前記磁気抵抗素子の磁化配列を反平行から平行に設定する場合に、定電圧電源を用いて前記磁気抵抗素子に書き込み電流を流す第2の書き込み回路と、
を具備することを特徴とする磁気メモリ。
A magnetoresistive element having a reference layer whose magnetization direction is invariable, a recording layer whose magnetization direction is variable, and a nonmagnetic layer sandwiched between the reference layer and the recording layer;
A first write circuit for supplying a write current to the magnetoresistive element using a constant current power supply when setting the magnetization arrangement of the magnetoresistive element from parallel to antiparallel;
A second write circuit for supplying a write current to the magnetoresistive element using a constant voltage power supply when setting the magnetization arrangement of the magnetoresistive element from antiparallel to parallel;
A magnetic memory comprising:
前記磁気抵抗素子の一端に接続された第1のビット線と、
前記磁気抵抗素子の他端に電流経路の一端が接続された選択トランジスタと、
前記選択トランジスタの電流形路の他端に接続された第2のビット線と、
をさらに具備し、
前記第1及び第2の書き込み回路の各々は、前記第1及び第2のビット線に接続されることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ。
A first bit line connected to one end of the magnetoresistive element;
A selection transistor having one end of a current path connected to the other end of the magnetoresistive element;
A second bit line connected to the other end of the current path of the selection transistor;
Further comprising
2. The magnetic memory according to claim 1, wherein each of the first and second write circuits is connected to the first and second bit lines.
前記第1の書き込み回路は、前記定電流電源からの電流を引き込む第1の電流シンクを含み、
前記第2の書き込み回路は、前記定電圧電源からの電流を引き込む第2の電流シンクを含むことを特徴とする請求項2に記載の磁気メモリ。
The first write circuit includes a first current sink that draws a current from the constant current power source;
The magnetic memory according to claim 2, wherein the second write circuit includes a second current sink that draws a current from the constant voltage power source.
前記磁気抵抗素子からデータを読み出す場合に、定電圧電源を用いて、前記磁気抵抗素子に磁化配列が平行から反平行にスピントルクが働く方向に読み出し電流を流す読み出し回路をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気メモリ。   When reading data from the magnetoresistive element, the apparatus further comprises a read circuit that uses a constant voltage power supply to flow a read current in a direction in which a spin torque is applied from parallel to antiparallel to the magnetoresistive element. The magnetic memory according to claim 1. 前記磁気抵抗素子からデータを読み出す場合に、定電流電源を用いて、前記磁気抵抗素子に磁化配列が反平行から平行にスピントルクが働く方向に読み出し電流を流す読み出し回路をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気メモリ。   When reading data from the magnetoresistive element, the apparatus further comprises a read circuit that uses a constant current power source to flow a read current in a direction in which a spin torque acts on the magnetoresistive element from antiparallel to parallel. The magnetic memory according to claim 1.
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