JP2011210364A - Thin-film magnetic body storage device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film magnetic body storage device having a magnetic body memory cell which is independent of the level of storage data to be written and whose magnetic characteristics are symmetrical.SOLUTION: In a magnetization free layer in a tunnel magneto-resistive element, a coupled magnetic field ΔHp between the magnetization free layer and a fixed magnetization layer acts in a direction along a magnetic field easy axis (EA). the coupled magnetic field being caused by magnetostatic connection. A data writing magnetic field H(WWL) is not applied in completely parallel to the magnetic hard axis (HA) of the magnetization free layer but is applied so as to form a predetermined angle α together with the magnetic hard axis HA. The uniform coupled magnetic field ΔHp is offset by a component in the direction along an easy magnetization axis (EA) of the H(WWL).

Description

この発明は、薄膜磁性体記憶装置に関し、より特定的には、磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunneling Junction)を有するメモリセルを備えたランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a thin film magnetic memory device, and more particularly to a random access memory including a memory cell having a magnetic tunnel junction (MTJ).

低消費電力で不揮発的なデータの記憶が可能な記憶装置として、MRAM(Magnetic Random Memory)デバイスが注目されている。MRAMデバイスは、半導体集積回路に形成された複数の薄膜磁性体を用いて不揮発的なデータ記憶を行ない、薄膜磁性体の各々に対してランダムアクセスが可能な記憶装置である。   An MRAM (Magnetic Random Memory) device has attracted attention as a storage device capable of storing nonvolatile data with low power consumption. An MRAM device is a storage device that performs non-volatile data storage using a plurality of thin film magnetic bodies formed in a semiconductor integrated circuit and allows random access to each of the thin film magnetic bodies.

特に、近年では磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を利用した薄膜磁性体をメモリセルとして用いることによって、MRAMデバイスの性能が飛躍的に進歩することが発表されている。磁気トンネル接合を有するメモリセルを備えたMRAMデバイスについては、“A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.2, Feb. 2000.および“Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements", ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.3, Feb. 2000.等の技術文献に開示されている。   In particular, in recent years, it has been announced that the performance of an MRAM device will be dramatically improved by using a thin film magnetic material using a magnetic tunnel junction (MTJ) as a memory cell. For MRAM devices with memory cells with magnetic tunnel junctions, see “A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”, ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.2, Feb 2000. and “Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements”, ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.3, Feb. 2000.

図48は、磁気トンネル接合を有するメモリセル(以下単に「MTJメモリセル」とも称する)の構成およびデータ読出動作を示す概念図である。   FIG. 48 is a conceptual diagram showing the configuration and data read operation of a memory cell having a magnetic tunnel junction (hereinafter also simply referred to as “MTJ memory cell”).

図48を参照して、MTJメモリセルは、記憶データのデータレベルに応じて電気抵抗値が変化するトンネル磁気抵抗素子TMRと、データ読出時にトンネル磁気抵抗素子TMRを通過するセンス電流の経路を形成するためのアクセストランジスタATRとを備える。アクセストランジスタATRは、たとえば電界効果型トランジスタで形成され、トンネル磁気抵抗素子TMRと接地電圧VSSとの間に結合される。   Referring to FIG. 48, the MTJ memory cell forms a tunnel magnetoresistive element TMR whose electric resistance value changes according to the data level of stored data, and a path of a sense current passing through tunnel magnetoresistive element TMR during data reading. And an access transistor ATR. Access transistor ATR is formed of a field effect transistor, for example, and is coupled between tunneling magneto-resistance element TMR and ground voltage VSS.

トンネル磁気抵抗素子TMRは、一定方向の固定磁界を有する強磁性体層(以下、単に「固定磁化層」とも称する)FLと、外部から印加される磁界によって変化する方向に磁化される強磁性体層(以下、単に「自由磁化層」とも称する)VLとを有する。固定磁化層FLおよび自由磁化層VLとの間には、絶縁体膜で形成されるトンネルバリアTBが配置される。自由磁化層VLは、記憶データのレベルに応じて、固定磁化層FLと同一方向または、固定磁化層FLと異なる方向に磁化される。   The tunnel magnetoresistive element TMR includes a ferromagnetic layer (hereinafter, also simply referred to as “fixed magnetization layer”) FL having a fixed magnetic field in a certain direction, and a ferromagnetic material magnetized in a direction changed by a magnetic field applied from the outside. Layer (hereinafter also referred to simply as “free magnetic layer”) VL. A tunnel barrier TB formed of an insulator film is disposed between the fixed magnetic layer FL and the free magnetic layer VL. Free magnetic layer VL is magnetized in the same direction as fixed magnetic layer FL or in a different direction from fixed magnetic layer FL according to the level of stored data.

MTJメモリセルに対しては、データ書込を指示するためのライトワード線WWLと、データ読出を指示するためのリードワード線RWLと、データ読出時およびデータ書込時において、記憶データのレベルに対応した電気信号を伝達するためのデータ線であるビット線BLとが配置される。   For MTJ memory cells, write word line WWL for instructing data writing, read word line RWL for instructing data reading, and at the level of stored data at the time of data reading and data writing A bit line BL which is a data line for transmitting a corresponding electric signal is arranged.

データ読出時においては、アクセストランジスタATRがリードワード線RWLの活性化に応じてターンオンされる。これにより、ビット線BL〜トンネル磁気抵抗素子TMR〜アクセストランジスタATR〜接地電圧VSSの電流経路に、センス電流Isを流すことができる。   At the time of data reading, access transistor ATR is turned on in response to activation of read word line RWL. As a result, the sense current Is can flow through the current path of the bit line BL, the tunnel magnetoresistive element TMR, the access transistor ATR, and the ground voltage VSS.

トンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗値は、固定磁化層FLおよび自由磁化層VLの磁化方向の相対関係に応じて変化する。具体的には、固定磁化層FLの磁化方向と自由磁化層VLに書込まれた磁化方向とが揃っている場合には、両者の磁化方向が異なる場合に比べてトンネル磁気抵抗素子TMRの電気抵抗値は小さくなる。以下、本明細書においては、記憶データの“1”および“0”にそれぞれ対応するトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗値をR1およびR0でそれぞれ示すこととする。ただし、R1>R0であるものとする。   The electric resistance value of tunneling magneto-resistance element TMR changes according to the relative relationship between the magnetization directions of fixed magnetic layer FL and free magnetic layer VL. Specifically, when the magnetization direction of the pinned magnetic layer FL and the magnetization direction written in the free magnetic layer VL are aligned, the electrical resistance of the tunnel magnetoresistive element TMR is larger than when the magnetization directions of the two are different. The resistance value becomes smaller. Hereinafter, in this specification, the electrical resistance values of the tunnel magnetoresistive elements corresponding to the stored data “1” and “0”, respectively, are denoted by R1 and R0, respectively. However, it is assumed that R1> R0.

このように、トンネル磁気抵抗素子TMRは、磁化方向に応じてその電気抵抗値が変化する。したがって、トンネル磁気抵抗素子TMR中の自由磁気層VLの2通りの磁化方向と記憶データのレベル(“1”および "0”)とをそれぞれ対応付けることによって、データ記憶を実行することができる。すなわち、自由磁化層VLは、MTJメモリセルのストレージノードに相当する。   Thus, the tunnel magnetoresistive element TMR changes its electric resistance value according to the magnetization direction. Therefore, data storage can be executed by associating the two magnetization directions of free magnetic layer VL in tunneling magneto-resistance element TMR with the levels (“1” and “0”) of stored data. That is, the free magnetic layer VL corresponds to a storage node of the MTJ memory cell.

センス電流Isによってトンネル磁気抵抗素子TMRで生じる電圧変化は、自由磁化層VLの磁化方向、すなわち記憶データレベルに応じて異なる。これにより、ビット線BLを一定電圧にプリチャージした状態とした後に、トンネル磁気抵抗素子TMRにセンス電流Isを流せば、ビット線BLの電圧レベル変化の監視によって、MTJメモリセルの記憶データを読出すことができる。   The voltage change caused in the tunnel magnetoresistive element TMR by the sense current Is differs depending on the magnetization direction of the free magnetic layer VL, that is, the stored data level. As a result, if the sense current Is is passed through the tunnel magnetoresistive element TMR after the bit line BL is precharged to a constant voltage, the storage data of the MTJ memory cell is read by monitoring the voltage level change of the bit line BL. Can be put out.

図49は、MTJメモリセルに対するデータ書込動作を説明する概念図である。
図49を参照して、データ書込時においては、リードワード線RWLは非活性化され、アクセストランジスタATRはターンオフされる。この状態で、自由磁化層VLを書込データに応じた方向に磁化するためのデータ書込電流がライトワード線WWLおよびビット線BLにそれぞれ流される。自由磁化層VLの磁化方向は、ライトワード線WWLおよびビット線BLをそれぞれ流れるデータ書込電流の向きの組合せによって決定される。
FIG. 49 is a conceptual diagram illustrating a data write operation for the MTJ memory cell.
Referring to FIG. 49, at the time of data writing, read word line RWL is inactivated and access transistor ATR is turned off. In this state, a data write current for magnetizing free magnetic layer VL in the direction corresponding to the write data is supplied to write word line WWL and bit line BL. The magnetization direction of free magnetic layer VL is determined by the combination of the directions of data write currents flowing through write word line WWL and bit line BL, respectively.

図50は、データ書込時におけるデータ書込電流の方向と磁化方向との関係を説明する概念図である。   FIG. 50 is a conceptual diagram illustrating the relationship between the direction of data write current and the magnetization direction during data writing.

図50を参照して、横軸Hxは、ビット線BLを流れるデータ書込電流によって生じるデータ書込磁界H(BL)の方向を示すものとする。一方、縦軸Hyは、ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流によって生じるデータ書込磁界H(WWL)の方向を示すものとする。   Referring to FIG. 50, the horizontal axis Hx represents the direction of the data write magnetic field H (BL) generated by the data write current flowing through the bit line BL. On the other hand, the vertical axis Hy represents the direction of the data write magnetic field H (WWL) generated by the data write current flowing through the write word line WWL.

自由磁化層VLの磁化方向は、データ書込磁界H(BL)とH(WWL)との和が図中に示されるアステロイド特性線の外側の領域に達する場合においてのみ、新たに書換えることができる。すなわち、印加されたデータ書込磁界がアステロイド特性線の内側の領域に相当する強度である場合には、自由磁化層VLの磁化方向は変化しない。   The magnetization direction of the free magnetic layer VL is newly rewritten only when the sum of the data write magnetic fields H (BL) and H (WWL) reaches a region outside the asteroid characteristic line shown in the figure. Can do. That is, when the applied data write magnetic field has a strength corresponding to the region inside the asteroid characteristic line, the magnetization direction of the free magnetic layer VL does not change.

したがって、トンネル磁気抵抗素子TMRの記憶内容をデータ書込動作によって更新するためには、ライトワード線WWLとビット線BLとの両方に所定レベル以上の電流を流す必要がある。トンネル磁気抵抗素子TMRに一旦記憶された磁化方向すなわち記憶データは、新たなデータ書込が実行されるまでの間不揮発的に保持される。   Therefore, in order to update the stored contents of tunneling magneto-resistance element TMR by the data write operation, it is necessary to pass a current of a predetermined level or more to both write word line WWL and bit line BL. The magnetization direction once stored in tunneling magneto-resistance element TMR, that is, stored data is held in a nonvolatile manner until new data writing is executed.

データ読出動作時においても、ビット線BLにはセンス電流Isが流れる。しかし、センス電流Isは一般的に、上述したデータ書込電流よりは1〜2桁程度小さくなるように設定されるので、センス電流Isの影響によりデータ読出時においてMTJメモリセルの記憶データが誤って書換えられる可能性は小さい。   Even during the data read operation, sense current Is flows through bit line BL. However, since the sense current Is is generally set to be about 1 to 2 digits smaller than the data write current described above, the stored data in the MTJ memory cell is erroneously read at the time of data reading due to the influence of the sense current Is. The possibility of rewriting is small.

ロイ・ショイアーライン(Roy Scheuerlein)他6名、“各セルにFETスイッチおよび磁気トンネル接合を用いた10ns読出・書込の不揮発メモリアレイ(A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell)”,(米国),2000年米国電気電子学会国際固体回路会議・技術論文集TA7.2(2000 IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.2),p.128−129Roy Scheuerlein and 6 others, “A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Using FET Switches and Magnetic Tunnel Junctions in Each Cell Junction and FET Switch in each Cell), (USA), 2000 IEICE International Solid Circuit Conference and Technical Papers TA7.2 (2000 IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.2), p. 128-129 ダーラム(M.Durlam)他5名、“磁気トンネル接合素子に基づいた不揮発ランダムアクセスメモリ(Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements)”,(米国),2000年米国電気電子学会国際固体回路会議・技術論文集TA7.3(2000 IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.3),p.130−131D. Durlam and five others, “Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements” (USA), 2000 International Solid State Circuit Conference / Technology of the Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2000 Proceedings TA7.3 (2000 IEEE ISSCC Digest of Technical Papers, TA7.3), p. 130-131

しかしながら、このようなトンネル磁気抵抗素子TMRを用いたMRAMデバイスにおいては、メモリセルサイズの縮小に伴って、以下に述べるような問題点が発生してしまう。   However, in the MRAM device using such a tunnel magnetoresistive element TMR, the following problems occur as the memory cell size is reduced.

MTJメモリセルにおいては、記憶データを自由磁化層VLの磁化方向によって蓄積されるが、自由磁化層の磁化方向を書換えるために印加することが必要な磁界強度(以下、「反転磁界強度」とも称する)は、磁性体層の厚さをTとし、磁性体層の磁化方向の長さをLとすると、T/Lに比例する。したがって、メモリセルサイズを縮小すると、平面方向サイズのスケーリングに従って、反転磁界強度は増大していく。   In the MTJ memory cell, stored data is stored according to the magnetization direction of the free magnetic layer VL. However, the magnetic field strength (hereinafter referred to as “reversing magnetic field strength”) that needs to be applied to rewrite the magnetization direction of the free magnetic layer. Is proportional to T / L, where T is the thickness of the magnetic layer and L is the length in the magnetization direction of the magnetic layer. Therefore, when the memory cell size is reduced, the switching magnetic field strength increases in accordance with the scaling of the planar size.

また、メモリセルサイズの縮小に伴い、MTJメモリセルの外部および内部において、固定磁化層と自由磁化層との間に生じる磁界干渉が大きくなる。これにより、データ書込に必要なデータ書込磁界のしきい値(図50におけるアスロイド特性線に相当)が、書込データのパターンに依存して変化したり、データ書込磁界の方向に依存して非対称形になってしまったりする。   As the memory cell size is reduced, magnetic field interference generated between the fixed magnetic layer and the free magnetic layer increases outside and inside the MTJ memory cell. Thereby, the threshold value of the data write magnetic field necessary for data writing (corresponding to the asroid characteristic line in FIG. 50) changes depending on the pattern of the write data or depends on the direction of the data write magnetic field. And become asymmetrical.

このような現象により、MTJメモリセルのスケーリングは困難となり、メモリセルサイズの縮小に伴って、消費電流が増大するなどの問題が生じてしまう。   Such a phenomenon makes it difficult to scale the MTJ memory cell, and causes problems such as an increase in current consumption as the memory cell size is reduced.

このような問題点を解決するために、米国特許公報(USP)6,166,948には、MTJメモリセルの自由磁化層を、それぞれが異なる磁気モーメントを有する2層の強磁性体層によって形成する技術が開示されている。以下においては、このような、2層の磁性体層によって自由磁化層を形成する構造を「2層ストレージノード構造」とも称する。これに対して、図48および図49に示される、単層の磁性体層によって自由磁化層を形成する構造を「単層ストレージノード構造」とも称する。   In order to solve such problems, US Pat. No. 6,166,948 discloses that free magnetic layers of MTJ memory cells are formed by two ferromagnetic layers each having a different magnetic moment. Techniques to do this are disclosed. Hereinafter, such a structure in which a free magnetic layer is formed by two magnetic layers is also referred to as a “two-layer storage node structure”. On the other hand, the structure shown in FIGS. 48 and 49 in which the free magnetic layer is formed by a single magnetic layer is also referred to as a “single layer storage node structure”.

図51は、2層ストレージノード構造を有する従来のトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。   FIG. 51 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional tunnel magnetoresistive element having a two-layer storage node structure.

図51を参照して、従来のトンネル磁気抵抗素子は、反強磁性体層AFLと、固定磁化層FLと、自由磁化層VL1,VL2と、固定磁化層FLと自由磁化層VL1との間に形成されるトンネルバリアTBと、自由磁化層VL1,VL2の間に形成される中間層IMLとを含む。中間層IMLは、非磁性体で形成される。図51に示すトンネル磁気抵抗素子を有するMTJメモリセルにおいては、固定磁化層FLおよび自由磁化層VL1の磁化方向の相対関係に応じて、記憶データが蓄積される。   Referring to FIG. 51, the conventional tunnel magnetoresistive element includes an antiferromagnetic layer AFL, a fixed magnetic layer FL, free magnetic layers VL1 and VL2, and a fixed magnetic layer FL and a free magnetic layer VL1. It includes a tunnel barrier TB to be formed and an intermediate layer IML formed between free magnetic layers VL1 and VL2. The intermediate layer IML is formed of a nonmagnetic material. In the MTJ memory cell having the tunnel magnetoresistive element shown in FIG. 51, stored data is accumulated according to the relative relationship between the magnetization directions of the fixed magnetic layer FL and the free magnetic layer VL1.

自由磁化層VL1とVL2とは、中間層IMLを挟んで配置される。自由磁化層VL1の磁気モーメントは、自由磁化層VL2よりも大きい。したがって、磁化方向を変化させるための磁化しきい値は、自由磁化層VL1の方が自由磁化層VL2よりも大きい。   Free magnetic layers VL1 and VL2 are arranged with intermediate layer IML interposed therebetween. The magnetic moment of free magnetic layer VL1 is larger than that of free magnetic layer VL2. Therefore, the magnetization threshold value for changing the magnetization direction is larger in free magnetic layer VL1 than in free magnetic layer VL2.

また、磁気モーメントに強弱を付けているので、自由磁化層VL1の磁化方向が変化した場合には、自由磁化層VL1との間で磁化ループを形成するように、自由磁化層VL2の磁化方向も追随して変化する。   In addition, since the strength of the magnetic moment is applied, when the magnetization direction of the free magnetic layer VL1 changes, the magnetization direction of the free magnetic layer VL2 also forms a magnetization loop with the free magnetic layer VL1. It changes following.

図52は、図51に示すトンネル磁気抵抗素子における磁化を説明するためのヒステリシス図である。図52においては、データ書込磁界Hによる自由磁化層VL1,VL2の磁化容易軸方向における磁化の挙動が示される。   FIG. 52 is a hysteresis diagram for explaining the magnetization in the tunnel magnetoresistive element shown in FIG. In FIG. 52, the behavior of magnetization in the easy axis direction of free magnetic layers VL1 and VL2 by data write magnetic field H is shown.

図52を参照して、まず、データ書込磁界が負方向に増大される場合の磁化方向の変化について説明する。   With reference to FIG. 52, first, the change in the magnetization direction when the data write magnetic field is increased in the negative direction will be described.

まず、H>H01の領域(状態1A)においては、自由磁化層VL1およびVL2とも、正方向(右方向)に磁化されている。次に、H<H01に変化すると(状態2A)、磁気モーメントの小さい自由磁化層VL2における磁化方向のみが反転される。 First, in the region of H> H 01 (state 1A), free magnetic layers VL1 and VL2 are both magnetized in the positive direction (right direction). Next, when H <H 01 is changed (state 2A), only the magnetization direction in the free magnetic layer VL2 having a small magnetic moment is reversed.

さらに、磁界を負方向に変化させて、しきい値−H02を超える領域(状態3A)に入ると、磁気モーメントの大きい自由磁化層VL1における磁化方向が正方向(右側)から負方向(左側)へ変化する。これに追随して、自由磁化層VL2における磁化方向も、状態2Aから反転する。 Further, when the magnetic field is changed in the negative direction to enter the region exceeding the threshold value −H 02 (state 3A), the magnetization direction in the free magnetic layer VL1 having a large magnetic moment changes from the positive direction (right side) to the negative direction (left side). ). Following this, the magnetization direction in the free magnetic layer VL2 is also reversed from the state 2A.

さらに、データ書込磁界Hが負方向に増大して、H<−H03の領域(状態4A)に入ると、自由磁化層VL1およびVL2の両方において、磁化方向が負方向(左側)に変化する。 Further, when data write magnetic field H increases in the negative direction and enters the region of H <−H 03 (state 4A), the magnetization direction changes in the negative direction (left side) in both free magnetic layers VL1 and VL2. To do.

次に、データ書込磁界Hが正方向に増大される場合における磁化方向の変化について説明する。   Next, a change in the magnetization direction when the data write magnetic field H is increased in the positive direction will be described.

H<−H01の領域(状態4B)においては、自由磁化層VL1およびVL2とも、負方向(左方向)に磁化されている。次に、H>−H01に変化すると(状態3B)、磁気モーメントの小さい自由磁化層VL2における磁化方向のみが反転される。 In the region of H <−H 01 (state 4B), both free magnetic layers VL1 and VL2 are magnetized in the negative direction (left direction). Next, when H> −H 01 is changed (state 3B), only the magnetization direction in the free magnetic layer VL2 having a small magnetic moment is reversed.

さらに、磁界を正方向に変化させて、しきい値H02を超える領域(状態2B)に入ると、磁気モーメントの大きい自由磁化層VL1における磁化方向が負方向(左側)から正方向(右側)へ変化する。これに追随して、自由磁化層VL2における磁化方向も、状態3Bから反転する。 Further, when the magnetic field is changed in the positive direction to enter the region exceeding the threshold value H 02 (state 2B), the magnetization direction in the free magnetic layer VL1 having a large magnetic moment changes from the negative direction (left side) to the positive direction (right side). To change. Following this, the magnetization direction in the free magnetic layer VL2 is also reversed from the state 3B.

さらに、データ書込磁界Hが正方向に増大して、H>H03の領域(状態1B)に入ると、自由磁化層VL1およびVL2の両方において、磁化方向が正方向(右側)に変化する。 Further, when data write magnetic field H increases in the positive direction and enters the region of H> H 03 (state 1B), the magnetization direction changes in the positive direction (right side) in both free magnetic layers VL1 and VL2. .

このように、自由磁化層を、それぞれが異なる磁化しきい値(磁気モーメント)を有する強磁性体層で形成し、この間に非磁化層である中間層を挟んで構成し、自由磁化層の磁場が上/下層で互いに反転するような状態をデータ記憶状態として用いることによって、自由磁化層の反転磁界強度を軽減することができる。また、データ記憶状態において、2層の自由磁化層はループ状に磁化されるので、MTJメモリセル外に磁束が拡がらないようにして、磁界干渉による悪影響を抑制することもできる。   In this way, each free magnetic layer is formed of ferromagnetic layers having different magnetization threshold values (magnetic moments), and an intermediate layer that is a non-magnetized layer is sandwiched between them. By using a state in which the layers are inverted between the upper and lower layers as the data storage state, the reversal magnetic field strength of the free magnetic layer can be reduced. In addition, since the two free magnetic layers are magnetized in a loop shape in the data storage state, the magnetic flux does not spread outside the MTJ memory cell, and the adverse effect due to magnetic field interference can be suppressed.

しかしながら、図51に示した2層ストレージノード構造のMTJメモリセルにおいては、自由磁化層VL1およびVL2のそれぞれが異なる磁化しきい値(磁気モーメント)を持つ必要があるので、材質や厚さ等が異なる2つの磁性体層を堆積させる必要があり、製造装置および製造工程が複雑化してしまう。   However, in the MTJ memory cell having the two-layer storage node structure shown in FIG. 51, each of the free magnetic layers VL1 and VL2 needs to have a different magnetization threshold (magnetic moment). It is necessary to deposit two different magnetic layers, which complicates the manufacturing apparatus and the manufacturing process.

特に、図52に示したように、自由磁化層VL1およびVL2の間における磁気モーメントの差がデータ記憶状態に及ぼす影響が大きいので、磁気モーメントの製造時のばらつきによって、MTJメモリセルのデータ記憶特性が大きく変化してしまうおそれがある。   In particular, as shown in FIG. 52, since the difference in magnetic moment between free magnetic layers VL1 and VL2 has a great influence on the data storage state, the data storage characteristics of MTJ memory cells are affected by variations in the magnetic moment during manufacture. May change significantly.

また、図48、49および52に示したように、MTJメモリセルにおいては、記憶データに応じた方向に磁化される自由磁化層VL,VL1,VL2と、固定された磁化方向を有する固定磁化層FLおよび反強磁性体層AFLとが近接して配置されるため、自由磁化層における磁化特性が、記憶データのレベルに応じて不均一となってしまう問題がある。   As shown in FIGS. 48, 49 and 52, in the MTJ memory cell, free magnetic layers VL, VL1 and VL2 which are magnetized in a direction corresponding to stored data, and a fixed magnetic layer having a fixed magnetization direction. Since the FL and the antiferromagnetic layer AFL are arranged close to each other, there is a problem that the magnetization characteristics in the free magnetic layer become non-uniform according to the level of stored data.

図53は、単層ストレージノード構造のMTJメモリセルにおける磁化特性の不均一性を説明する概念図である。   FIG. 53 is a conceptual diagram illustrating non-uniformity of magnetization characteristics in an MTJ memory cell having a single-layer storage node structure.

図53を参照して、固定磁化層FLおよび反強磁性体層AFLは、同一の固定された磁化方向を有する。反強磁性体層AFLは、固定磁化層FLの磁化方向をより強力に固定するために配置されている。   Referring to FIG. 53, fixed magnetic layer FL and antiferromagnetic material layer AFL have the same fixed magnetization direction. The antiferromagnetic material layer AFL is disposed in order to more strongly fix the magnetization direction of the fixed magnetization layer FL.

ストレージノードとして機能する自由磁化層VLは、記憶データのレベルに応じて、正方向(+方向)および負方向(−方向)のいずれかに磁化される。図53においては、固定磁化層FLと同一方向の磁化方向を正方向とし、固定磁化層FLと反対方向の磁化方向を負方向と定義する。   The free magnetic layer VL functioning as a storage node is magnetized in either the positive direction (+ direction) or the negative direction (− direction) depending on the level of stored data. In FIG. 53, the magnetization direction in the same direction as the fixed magnetization layer FL is defined as a positive direction, and the magnetization direction opposite to the fixed magnetization layer FL is defined as a negative direction.

このように複数の磁性体層が近接して設けられていることから、反強磁性体層AFLおよび固定磁化層FLからの磁界が静磁性結合して、自由磁化層VLにおいて、磁化容易軸方向に一様な磁界ΔHpが印加される。一様磁界ΔHpは、固定磁化層FLの磁化方向と反対方向、すなわち負方向に作用する。このような一様磁界ΔHpの存在によって、自由磁化層VLにおける磁化特性が、磁界方向に依存して非対称となってしまう。   Since the plurality of magnetic layers are provided close to each other in this way, the magnetic fields from the antiferromagnetic layer AFL and the fixed magnetization layer FL are magnetostatically coupled to each other in the direction of easy magnetization in the free magnetization layer VL. A uniform magnetic field ΔHp is applied. The uniform magnetic field ΔHp acts in the direction opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer FL, that is, in the negative direction. Due to the presence of such a uniform magnetic field ΔHp, the magnetization characteristics in the free magnetic layer VL become asymmetric depending on the magnetic field direction.

図54は、図53に示した自由磁化層VLにおける磁化特性を説明するためのヒステリシス図である。図54においては、磁化容易軸方向のデータ書込磁界Hexによる自由磁化層VLの磁化挙動が示される。   FIG. 54 is a hysteresis diagram for explaining the magnetization characteristics in free magnetic layer VL shown in FIG. FIG. 54 shows the magnetization behavior of free magnetic layer VL by data write magnetic field Hex in the easy axis direction.

図54を参照して、負方向に磁化された自由磁化層VLを正方向に磁化するためには、+Hspを超えて正方向の磁界Hexを印加する必要がある。反対に、正方向に磁化された自由磁化層VLを負方向に磁化するためには、−Hsnを超えて負正方向の磁界Hexを印加する必要がある。   Referring to FIG. 54, in order to magnetize free magnetic layer VL magnetized in the negative direction in the positive direction, it is necessary to apply magnetic field Hex in the positive direction beyond + Hsp. Conversely, in order to magnetize the free magnetic layer VL magnetized in the positive direction in the negative direction, it is necessary to apply a magnetic field Hex in the negative and positive direction beyond -Hsn.

ここで、固定磁化層FLとの間の静磁性結合による一様磁界ΔHpの影響で、正方向への磁化しきい値Hspは、負方向の磁化しきい値HsnよりもΔHpだけ大きくなる。このように、印加磁界の方向に応じて、自由磁化層VLにおける磁化特性が非対称となるため、MTJメモリセルへの書込データのレベルに依存して、自由磁化層VLに印加が必要な磁界強度が異なってしまう。このようなトンネル磁気抵抗素子をメモリセルとして用いるためには、いずれのデータレベルを書込む場合においても、大きい方の磁化しきい値を超える磁界を印加する必要がある。すなわち、磁化しきい値Hspを超える磁界を発生させるためのデータ書込電流を、自由磁化層VLを負方向に磁化する場合においても印加する必要がある。したがって、このような場合において、データ書込電流が不必要に大きくなっていることになる。これにより消費電力の増大や、配線の電流密度の増加による配線信頼性の低下といった問題点が生じるおそれがある。   Here, due to the influence of the uniform magnetic field ΔHp due to the magnetostatic coupling with the fixed magnetic layer FL, the magnetization threshold value Hsp in the positive direction is larger than the magnetization threshold value Hsn in the negative direction by ΔHp. As described above, the magnetization characteristics in the free magnetic layer VL become asymmetric according to the direction of the applied magnetic field. Therefore, the magnetic field that needs to be applied to the free magnetic layer VL depends on the level of the write data to the MTJ memory cell. Strength will be different. In order to use such a tunnel magnetoresistive element as a memory cell, it is necessary to apply a magnetic field that exceeds the larger magnetization threshold value when writing any data level. That is, it is necessary to apply a data write current for generating a magnetic field exceeding the magnetization threshold value Hsp even when the free magnetic layer VL is magnetized in the negative direction. Therefore, in such a case, the data write current is unnecessarily large. This may cause problems such as an increase in power consumption and a decrease in wiring reliability due to an increase in wiring current density.

このような現象は、2層ストレージノード構造のトンネル磁気抵抗素子においても同様に生じる。   Such a phenomenon also occurs in a tunnel magnetoresistive element having a two-layer storage node structure.

図55は、2層ストレージノード構造のMTJメモリセルにおける磁化特性の不均一性を説明する概念図である。   FIG. 55 is a conceptual diagram for explaining the non-uniformity of magnetization characteristics in an MTJ memory cell having a two-layer storage node structure.

図55を参照して、2層ストレージノード構造のトンネル磁気抵抗素子においても、単層ストレージノード構造と同様に、自由磁化層VL1において、反強磁性体層AFLおよび固定磁化層FLとの間の静磁性結合によって、磁化容易軸方向に一様磁界ΔHpが印加される。これにより、自由磁化層VL1およびVL2における磁化容易軸方向の磁化の挙動が非対称となってしまう。   Referring to FIG. 55, also in the tunnel magnetoresistive element of the two-layer storage node structure, in the free magnetic layer VL1 between the antiferromagnetic layer AFL and the fixed magnetic layer FL, similarly to the single-layer storage node structure. Due to the magnetostatic coupling, a uniform magnetic field ΔHp is applied in the direction of the easy axis of magnetization. As a result, the magnetization behavior in the easy axis direction in the free magnetic layers VL1 and VL2 becomes asymmetric.

図56は、図55に示した自由磁化層VLにおける磁化特性を説明するためのヒステリシス図である。   FIG. 56 is a hysteresis diagram for explaining the magnetization characteristics in free magnetic layer VL shown in FIG.

図56を参照して、固定磁化層FLとの間の静磁性結合によって生じる一様磁界ΔHpの影響によって、磁化容易軸方向のデータ書込磁界Hexによる自由磁化層VL1,VL2の磁化挙動挙動は、図52に示した理論的な特性と比較して、ΔHpだけシフトした特性となってしまう。すなわち、図52に示した正方向の印加磁界に対するしきい値+H01,+H02,+H03に対して、負方向の磁界に対するしきい値−H01′,−H02′,−H03′は、それぞれΔHpだけずれており正方向の磁界と負方向の磁界とのそれぞれに対して磁化特性が非対称となってしまう。すなわち、H01−|−H01′|=H02−|−H02′|=H03−|−H03′|=ΔHpである。 Referring to FIG. 56, the magnetization behavior behavior of free magnetic layers VL1 and VL2 by data write magnetic field Hex in the direction of easy axis is described by the influence of uniform magnetic field ΔHp generated by magnetostatic coupling with fixed magnetic layer FL. Compared with the theoretical characteristic shown in FIG. 52, the characteristic is shifted by ΔHp. That is, the threshold + H 01 for the positive direction of the applied magnetic field as shown in FIG. 52, + H 02, against + H 03, threshold -H 01 for the negative direction of the magnetic field ', -H 02', -H 03 ' Are shifted by ΔHp, and the magnetization characteristics become asymmetric with respect to the positive magnetic field and the negative magnetic field, respectively. That is, H 01 − | −H 01 ′ | = H 02 − | −H 02 ′ | = H 03 − | −H 03 ′ | = ΔHp.

このように、単層ストレージノード構造および2層ストレージノード構造のいずれのトンネル磁気抵抗素子においても、磁界特性の非対称性に起因して、データ書込電流のレベルを不必要に大きくする必要が生じていた。   As described above, in any of the tunnel magnetoresistive elements of the single-layer storage node structure and the double-layer storage node structure, it is necessary to unnecessarily increase the level of the data write current due to the asymmetry of the magnetic field characteristics. It was.

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、製造工程の複雑化を招くことなく、磁化特性が単純で、かつ動作マージンを十分確保可能なMTJメモリセルを有する薄膜磁性体記憶装置を提供することである。   The present invention was made to solve such problems, and the object of the present invention is to provide a simple magnetization characteristic and a sufficient operating margin without complicating the manufacturing process. It is an object to provide a thin film magnetic memory device having an MTJ memory cell.

この発明の他の目的は、書込まれる記憶データのレベルに依存せず磁化特性が対称なMTJメモリセルを有する薄膜磁性体記憶装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a thin film magnetic memory device having MTJ memory cells having symmetrical magnetization characteristics independent of the level of stored data to be written.

この発明に従う薄膜磁性体記憶装置は、複数のメモリセルを備える。複数のメモリセル各々は、データ記憶を実行し、記憶データに応じて電気抵抗値が変化する磁気記憶部と、導通時において、磁気記憶部にデータ読出電流を通過させるための読出アクセス素子とを含む。磁気記憶部は、固定された磁化方向を有する第1の磁性体層と、印加されるデータ書込磁界に応じて、互いに逆方向に磁化される第2および第3の磁性体層と、第2および第3の磁性体層の間に形成される非磁性かつ導電性の中間層と、第2および第3の磁性体層の一方と、第1の磁性体層との間に形成される絶縁層とを有する。データ書込時において、データ書込磁界の少なくとも一部は、中間層を流れる第1のデータ書込電流によって発生される。   A thin film magnetic memory device according to the present invention includes a plurality of memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a magnetic storage unit that performs data storage and an electrical resistance value changes in accordance with the stored data, and a read access element for passing a data read current through the magnetic storage unit when conducting. Including. The magnetic memory unit includes a first magnetic layer having a fixed magnetization direction, second and third magnetic layers that are magnetized in opposite directions according to an applied data write magnetic field, Formed between the nonmagnetic and conductive intermediate layer formed between the second and third magnetic layers, one of the second and third magnetic layers, and the first magnetic layer. And an insulating layer. At the time of data writing, at least a part of the data write magnetic field is generated by the first data write current flowing through the intermediate layer.

好ましくは、中間層は、複数メモリセルの一部によって共有される。
さらに好ましくは、複数のメモリセルは行列状に配置され、中間層は、メモリセル行およびメモリセル列のいずれかに対応して、帯状の平面形状を有するように形成される。
Preferably, the intermediate layer is shared by a part of the plurality of memory cells.
More preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, and the intermediate layer is formed to have a belt-like planar shape corresponding to any one of the memory cell rows and the memory cell columns.

あるいは、好ましくは、複数のメモリセルは、行列状に配置される。薄膜磁性体記憶装置は、中間層を用いて形成され、メモリセル行およびメモリセル列の一方にそれぞれ対応して設けられる、各々が、第1のデータ書込電流を流すための複数の第1のデータ書込線と、メモリセル行およびメモリセル列の他方にそれぞれ対応して設けられ、データ書込時において、データ書込磁界を発生するための第2のデータ書込電流が流される複数の第2のデータ書込線とをさらに備える。対応する第1および第2のデータ書込線の両方に対して、第1および第2のデータ書込電流がそれぞれ流されるメモリセルにおいて、第2および第3の磁性体層の磁化方向は書換可能である。   Alternatively, preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix. The thin film magnetic memory device is formed using an intermediate layer, and is provided corresponding to one of the memory cell row and the memory cell column, each of which includes a plurality of first data flows for flowing a first data write current. A plurality of data write lines are provided in correspondence with the other of the memory cell row and the memory cell column, respectively, and a second data write current for generating a data write magnetic field is supplied during data writing. The second data write line is further provided. In both of the corresponding first and second data write lines, the magnetization directions of the second and third magnetic layers are rewritten in the memory cells through which the first and second data write currents flow, respectively. Is possible.

特に、磁気記憶部は、読出アクセス素子の上層に形成され、データ書込配線は、磁気記憶部よりも上層に形成される。   In particular, the magnetic memory unit is formed in an upper layer of the read access element, and the data write wiring is formed in an upper layer than the magnetic memory unit.

あるいは、好ましくは、アクセス素子は、データ読出時において、磁気記憶部を固定電圧と電気的に結合し、データ読出電流は、中間層を介して磁気記憶部に流される。   Alternatively, preferably, the access element electrically couples the magnetic storage unit with a fixed voltage during data reading, and the data read current is passed to the magnetic storage unit via the intermediate layer.

あるいは、好ましくは、薄膜磁性体記憶装置は、データ読出時において、データ読出電流を流すための読出データ線をさらに備える。データ読出時において、読出アクセス素子は、磁気記憶部を読出データ線と電気的に結合し、中間層は、データ読出時において、固定電圧に設定される。   Alternatively, preferably, the thin film magnetic memory device further includes a read data line for flowing a data read current during data reading. At the time of data reading, the read access element electrically couples the magnetic memory portion with the read data line, and the intermediate layer is set to a fixed voltage at the time of data reading.

また、好ましくは、複数のメモリセルは、行列状に配置され、中間層は、メモリセル列にそれぞれ対応する複数のデータ線として、メモリセル列方向に延在して形成される。薄膜磁性体記憶装置は、データ書込時において、対をなす2本のデータ線の一端のそれぞれを、書込データのレベルに応じて第1および第2の電圧の一方ずつに設定するためのデータ書込回路と、対をなす2本のデータ線ごとに設けられ、データ書込時において、対応する2本のデータ線の他端同士を電気的に結合するための電流スイッチとをさらに備える。   Preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, and the intermediate layer is formed to extend in the memory cell column direction as a plurality of data lines respectively corresponding to the memory cell columns. The thin-film magnetic memory device is configured to set one end of each of the two data lines forming a pair to one of the first voltage and the second voltage according to the level of the write data during data writing. A data write circuit and a current switch provided for each of the two data lines forming a pair and electrically coupling the other ends of the corresponding two data lines at the time of data writing .

この発明の他の構成に従う薄膜磁性体記憶装置は、各々がデータ記憶を実行する複数のメモリセルと、データ書込配線とを備える。各メモリセルは、記憶データに応じて電気抵抗値が変化する磁気記憶部と、導通時において、磁気記憶部にデータ読出電流を通過させるためのアクセス素子とを含む。磁気記憶部は、固定された磁化方向を有する第1の磁性体層と、印加されるデータ書込磁界に応じて互いに逆方向に磁化される、それぞれが異なる磁気モーメントを有する第2および第3の磁性体層と、第2および第3の磁性体層の間に形成される非磁性体の中間層と、第2および第3の磁性体層の一方と、第1の磁性体層との間に形成される絶縁層とを有する。データ書込配線は、データ書込時において、データ書込磁界を発生するためのデータ書込電流を流す。   A thin film magnetic memory device according to another configuration of the present invention includes a plurality of memory cells, each of which executes data storage, and a data write wiring. Each memory cell includes a magnetic storage unit whose electrical resistance value changes in accordance with stored data, and an access element for passing a data read current through the magnetic storage unit when conducting. The magnetic storage unit includes a first magnetic layer having a fixed magnetization direction, and second and third magnetized in opposite directions according to an applied data write magnetic field, each having a different magnetic moment. A magnetic layer, a nonmagnetic intermediate layer formed between the second and third magnetic layers, one of the second and third magnetic layers, and the first magnetic layer And an insulating layer formed therebetween. The data write wiring passes a data write current for generating a data write magnetic field at the time of data writing.

好ましくは、中間層は、複数のメモリセルの少なくとも一部によって共有されるように、平面状に形成される。   Preferably, the intermediate layer is formed in a planar shape so as to be shared by at least some of the plurality of memory cells.

この発明のさらに他の構成に従う薄膜磁性体記憶装置は、複数のメモリセルと、グローバルデータ線と、ローカルデータ線とを備える。各メモリセルは、データ記憶を実行し、印加される磁界に応答して書換えられる磁化方向に応じて、電気抵抗値が変化する磁気記憶部と、導通時において、磁気記憶部にデータ読出電流を通過させるためのアクセス素子とを含む。グローバルデータ線およびローカルデータ線は、データ書込時において、磁気記憶部を書込データに応じた方向に磁化するためのデータ書込電流を流すために、階層的に設けられる。   A thin film magnetic memory device according to still another configuration of the present invention includes a plurality of memory cells, a global data line, and a local data line. Each memory cell executes data storage, and a magnetic storage unit that changes its electric resistance value according to the magnetization direction rewritten in response to an applied magnetic field, and a data read current to the magnetic storage unit when conducting. And an access element for passing through. The global data line and the local data line are provided hierarchically in order to flow a data write current for magnetizing the magnetic storage unit in the direction corresponding to the write data during data writing.

好ましくは、データ書込時において、グローバルデータ線およびローカルデータ線を流れるデータ書込電流によってそれぞれ生じる磁界が、磁気記憶部において互いに強め合う。   Preferably, at the time of data writing, the magnetic fields generated by the data write currents flowing through the global data line and the local data line reinforce each other in the magnetic memory unit.

また、好ましくは、複数のメモリセルは行列状に配置され、グローバルデータ線は、メモリセル行およびメモリセル列の一方に対応して配置され、ローカルデータ線は、同一のグローバルデータ書込線に対応するメモリセル群の所定区分ごとに配置される。薄膜磁性体記憶装置は、データ書込時において、対をなす2本のグローバルデータ線の一端のそれぞれを、書込データのレベルに応じて第1および第2の電圧の一方ずつに設定するデータ書込回路と、対をなす2本のローカルデータ線ごとに設けられ、データ書込時において、対応する2本のローカルデータ線の一端同士を電気的に結合するための第1の電流スイッチ部と、対をなす2本のローカルデータ線ごとに設けられ、対応する2本のローカルデータ線の他端のそれぞれを、対応する2本のグローバル書込データ線とそれぞれ接続するための第2の電流スイッチ部とをさらに備える。   Preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, the global data line is arranged corresponding to one of the memory cell row and the memory cell column, and the local data line is connected to the same global data write line. It is arranged for each predetermined section of the corresponding memory cell group. The thin film magnetic memory device is a data for setting one end of each of the two global data lines forming a pair to one of the first voltage and the second voltage according to the level of the write data at the time of data writing. A first current switch portion provided for each of the two local data lines paired with the write circuit and for electrically coupling one end of the corresponding two local data lines at the time of data writing Provided for each of the two local data lines that form a pair, and a second for connecting each of the other ends of the corresponding two local data lines to the corresponding two global write data lines, respectively. And a current switch unit.

あるいは、好ましくは、薄膜磁性体記憶装置は、データ読出時において、対をなす2本のグローバルデータ線の各々にデータ読出電流を流すとともに、対をなす2本のグローバルデータ線の電圧比較に応じて読出データを生成するデータ読出回路と、グローバルデータ線ごとに設けられ、データ読出電流の通過に応答して参照電圧を発生するための参照電圧発生部とをさらに備える。データ読出対象に選択されたメモリセルは、対応するローカルデータ線を介して対応するグローバルデータ線と接続された状態で、データ読出電流を流される。データ読出時において、選択されたメモリセルに対応するグローバルデータ線と対をなすグローバルデータ線は、参照電圧発生部と接続される。   Alternatively, preferably, the thin film magnetic memory device causes a data read current to flow through each of the two global data lines that make a pair, and responds to a voltage comparison between the two global data lines that make a pair. And a data read circuit for generating read data, and a reference voltage generator provided for each global data line and generating a reference voltage in response to passage of the data read current. A memory cell selected as a data read target is supplied with a data read current while being connected to a corresponding global data line via a corresponding local data line. At the time of data reading, the global data line paired with the global data line corresponding to the selected memory cell is connected to the reference voltage generating unit.

あるいは、好ましくは、複数のメモリセルは行列状に配置され、グローバルデータ線は、メモリセル行およびメモリセル列の一方に対応して配置され、ローカルデータ線は、同一のグローバルデータ書込線に対応するメモリセル群の所定区分ごとに配置される。薄膜磁性体記憶装置は、データ書込時において、対をなす2本のグローバルデータ線の一端のそれぞれを、書込データのレベルに応じて第1および第2の電圧の一方ずつに設定するデータ書込回路と、対をなす2本のローカルデータ線ごとに設けられ、対をなす2本のローカルデータ線の一方を、対応する2本のグローバルデータ線の間に接続するための電流スイッチ部とをさらに備える。   Alternatively, preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, the global data line is arranged corresponding to one of the memory cell row and the memory cell column, and the local data line is connected to the same global data write line. It is arranged for each predetermined section of the corresponding memory cell group. The thin film magnetic memory device is a data for setting one end of each of the two global data lines forming a pair to one of the first voltage and the second voltage according to the level of the write data at the time of data writing. Current switch portion provided for each of two local data lines that make a pair with the write circuit, and for connecting one of the two local data lines that make a pair between the corresponding two global data lines And further comprising.

さらに好ましくは、薄膜磁性体記憶装置は、データ読出時において、対をなす2本のグローバルデータ線の各々にデータ読出電流を流すとともに、対をなす2本のグローバルデータ線の電圧比較に応じて読出データを生成するためのデータ読出回路と、グローバルデータ線ごとに設けられ、データ読出電流の通過に応答して参照電圧を発生するための参照電圧発生部とをさらに備える。電流スイッチ部は、対をなす2本のローカルデータ線のうちのデータ読出対象に選択されたメモリセルに対応する一方を、対応するグローバルデータ線と接続する。データ読出時において、対応するグローバルデータ線と対をなすグローバルデータ線は、参照電圧発生部と接続される。   More preferably, in the thin film magnetic memory device, at the time of data reading, a data read current is supplied to each of the two global data lines forming a pair, and a voltage comparison between the two global data lines forming a pair is performed. A data read circuit for generating read data and a reference voltage generation unit provided for each global data line and generating a reference voltage in response to passage of the data read current are further provided. The current switch unit connects one of the paired local data lines corresponding to the memory cell selected as a data read target to the corresponding global data line. At the time of data reading, the global data line paired with the corresponding global data line is connected to the reference voltage generator.

また、好ましくは、複数のメモリセルは行列状に配置され、グローバルデータ線は、複数のメモリセル列ごとに配置され、ローカルデータ線は、各メモリセル列において所定区分ごとに配置される。   Preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, the global data line is arranged for each of the plurality of memory cell columns, and the local data line is arranged for each predetermined section in each memory cell column.

あるいは好ましくは、各メモリセルは、複数のメモリセルのうちのデータ書込対象に選択されたメモリセルに対応する中間層に対して、第1のデータ書込電流を選択的に流すための書込アクセス素子をさらに含む。   Alternatively, preferably, each memory cell has a write for selectively flowing the first data write current to the intermediate layer corresponding to the memory cell selected as the data write target among the plurality of memory cells. An access device.

さらに好ましくは、複数のメモリセルは行列状に配置され、薄膜磁性体記憶装置は、各メモリセル列毎に設けられる第1および第2のデータ線をさらに備える。データ書込時において、選択されたメモリセルを含むメモリセル列に対応する第1および第2のデータ線は、書込データのレベルに応じて、第1および第2の電圧の一方ずつにそれぞれ設定され、各書込アクセス素子は、対応する第1および第2のデータ線の間に、中間層と直列に接続されて、選択されたメモリセルを含むメモリセル行においてオンする。   More preferably, the plurality of memory cells are arranged in a matrix, and the thin film magnetic memory device further includes first and second data lines provided for each memory cell column. At the time of data writing, the first and second data lines corresponding to the memory cell column including the selected memory cell are respectively connected to one of the first and second voltages according to the level of the write data. Each write access element is set and connected in series with the intermediate layer between corresponding first and second data lines and turned on in the memory cell row including the selected memory cell.

特に、読出アクセス素子は、データ読出時において、データ読出対象に選択されたメモリセルの磁気記憶部を、第1および第2のデータ線のうちのデータ読出電流が供給される一方と所定電圧との間に電気的に結合するためのトランジスタを有する。   In particular, in the read access element, in the data read operation, the magnetic storage portion of the memory cell selected as the data read target is connected to one of the first and second data lines supplied with the data read current and a predetermined voltage. A transistor for electrical coupling is provided between the transistors.

あるいは、特に、記薄膜磁性体記憶装置は、各メモリセル行毎に設けられ、データ読出対象に選択されたメモリセルを含むメモリセル行において、所定電圧よりも高い電圧に設定されるリードワード線をさらに備える。中間層は、データ読出時において、第1および第2のデータ線の一方を介して所定電圧と結合される。読出アクセス素子は、対応するリードワード線から磁気記憶部に向かう方向を順方向として、対応するリードワード線および磁気記憶部の間に設けられるダイオード素子を有する。   Alternatively, in particular, the thin film magnetic memory device is provided for each memory cell row, and a read word line set to a voltage higher than a predetermined voltage in a memory cell row including a memory cell selected as a data read target Is further provided. The intermediate layer is coupled to a predetermined voltage via one of the first and second data lines during data reading. The read access element has a diode element provided between the corresponding read word line and the magnetic storage unit, with the direction from the corresponding read word line toward the magnetic storage unit as the forward direction.

この発明のさらに他の構成に従う薄膜磁性体記憶装置は、各々がデータ記憶を実行する複数のメモリセルを備える。各メモリセルは、記憶データに応じて電気抵抗値が変化する磁気記憶部を含む。磁気記憶部は、固定された磁化方向を有する第1の磁性体層と、記憶データのレベルに応じた方向に磁化される第2の磁性体層と、第1および第2の磁性体層の間に形成される絶縁層とを有する。薄膜磁性体記憶装置は、複数のメモリセルのうちのデータ書込対象に選択された少なくとも1つの選択メモリセルに対して、第2の磁性体層を磁化するための第1のデータ書込磁界を発生させる第1のデータ書込電流線をさらに備える。第1のデータ書込磁界は、記憶データのレベルにかかわらず、第2の磁性体層において第1の磁性体層から第2の磁性体層へ作用する結合磁界を打ち消す方向の成分を有する。   A thin film magnetic memory device according to still another configuration of the present invention includes a plurality of memory cells each for executing data storage. Each memory cell includes a magnetic storage unit whose electrical resistance value changes according to stored data. The magnetic storage unit includes a first magnetic layer having a fixed magnetization direction, a second magnetic layer that is magnetized in a direction corresponding to the level of stored data, and first and second magnetic layers. And an insulating layer formed therebetween. The thin film magnetic memory device includes a first data write magnetic field for magnetizing the second magnetic layer for at least one selected memory cell selected as a data write target among the plurality of memory cells. A first data write current line for generating. The first data write magnetic field has a component in a direction that cancels the coupling magnetic field that acts on the second magnetic layer from the first magnetic layer regardless of the level of the stored data.

好ましくは、薄膜磁性体記憶装置は、選択メモリセルに対して、第2の磁性体層を磁化するための第2のデータ書込磁界を発生させる第2のデータ書込電流線をさらに備える。第1のデータ書込磁界は、第2の磁性体層の磁化困難軸方向に沿った方向の成分を主に含み、第2のデータ書込磁界は、第2の磁性体層の磁化容易軸方向に沿った方向の成分を主に含み、第1のデータ書込電流線は、磁化容易軸方向と所定角度を成すように配置される。   Preferably, the thin film magnetic memory device further includes a second data write current line for generating a second data write magnetic field for magnetizing the second magnetic layer for the selected memory cell. The first data write magnetic field mainly includes a component in a direction along the hard axis of the second magnetic layer, and the second data write magnetic field includes the easy axis of the second magnetic layer. The first data write current line mainly includes a component in the direction along the direction, and is arranged to form a predetermined angle with the easy axis direction.

さらに好ましくは、各磁気記憶部は、長方形形状を有し、第1のデータ書込電流線は、各磁気記憶部の長辺方向と所定角度を成すように配置される。   More preferably, each magnetic memory unit has a rectangular shape, and the first data write current line is arranged to form a predetermined angle with the long side direction of each magnetic memory unit.

あるいは、さらに好ましくは、第2のデータ書込電流線は、磁化容易軸方向と直交するように設けられる。第2のデータ書込磁界は、記憶データのレベルに応じた方向を有する。   Alternatively, more preferably, the second data write current line is provided to be orthogonal to the easy axis direction. The second data write magnetic field has a direction corresponding to the level of stored data.

また、さらに好ましくは、第1および第2のデータ書込電流線は、互いに直交する方向に設けられる。   More preferably, the first and second data write current lines are provided in directions orthogonal to each other.

特にこのような構成においては、少なくとも1つの選択メモリセルに記憶データを書込むために第1のデータ書込電流線に流される電流の和は、第2のデータ書込電流線に流される電流の和よりも小さい。   In particular, in such a configuration, the sum of the currents that flow through the first data write current line to write the storage data to at least one selected memory cell is the current that flows through the second data write current line. Smaller than the sum of

あるいは、さらに好ましくは、第1のデータ書込磁界は、記憶データのレベルにかかわらず同一方向に印加され、第2のデータ書込磁界は、記憶データのレベルに応じた方向に印加される。   Alternatively, more preferably, the first data write magnetic field is applied in the same direction regardless of the level of stored data, and the second data write magnetic field is applied in a direction according to the level of stored data.

また、好ましくは、磁気記憶部は、絶縁層とは反対側に形成されて、第2の磁性体層と逆方向に磁化される第3の磁性体層と、第2および第3の磁性体層の間に形成される非磁性体の中間層とをさらに有する。   Preferably, the magnetic memory portion is formed on the side opposite to the insulating layer, and is magnetized in a direction opposite to the second magnetic layer, and the second and third magnetic bodies. And a nonmagnetic intermediate layer formed between the layers.

請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置は、自由磁化層である第2および第3の磁化層に挟まれた中間層を流れるデータ書込電流によって、2つの自由磁化層をループ状に効率的に磁化することができる。また、一方の自由磁化層の磁化によって生じた磁束は、もう一方の自由磁化層を磁化するための磁束として、互いに作用する。この結果、自由磁化層の磁化方向の書換えに必要なデータ書込電流を小さくすることができるので、メモリセルサイズの縮小と、消費電力削減および磁気ノイズの抑制とを両立することができる。   2. The thin film magnetic memory device according to claim 1, wherein the two free magnetic layers are efficiently looped by a data write current flowing through an intermediate layer sandwiched between the second and third magnetic layers which are free magnetic layers. Can be magnetized. The magnetic flux generated by the magnetization of one free magnetic layer acts as a magnetic flux for magnetizing the other free magnetic layer. As a result, the data write current required for rewriting the magnetization direction of the free magnetic layer can be reduced, so that both reduction in memory cell size, reduction in power consumption, and suppression of magnetic noise can be achieved.

請求項2および3記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、データ書込電流を効率的に供給できる。   The thin film magnetic memory device according to claims 2 and 3 can efficiently supply the data write current, in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 1.

請求項4記載の薄膜磁性体記憶装置は、ビット線および書込ワード線の一方ずつにそれぞれ相当する第1および第2のデータ書込線を用いて、行列状に配置された複数のメモリセルの1個を選択して、データ書込を実行できる。   5. The thin film magnetic memory device according to claim 4, wherein a plurality of memory cells are arranged in a matrix using first and second data write lines corresponding to one of each of a bit line and a write word line. Data writing can be executed by selecting one of these.

請求項5記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項4記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、トンネル磁気抵抗素子に相当する磁気記憶部と、アクセストランジスタに相当するアクセス素子との間に配線層を設ける必要がなくなるので、両者の間を電気的に結合するためのビアホールの形成が容易になり、製造工程の簡易化を図ることができる。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a thin film magnetic memory device comprising: a magnetic memory portion corresponding to a tunnel magnetoresistive element; and an access element corresponding to an access transistor, in addition to the effects exhibited by the thin film magnetic memory device according to the fourth aspect. Since there is no need to provide a wiring layer between them, it is easy to form a via hole for electrically coupling the two, and the manufacturing process can be simplified.

請求項6記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、中間層を用いて、データ読出電流の供給線を形成できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 6 can form a data read current supply line by using the intermediate layer in addition to the effect of the thin film magnetic memory device according to claim 1.

請求項7記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、リードビット線に相当する読出データ線の電圧を検知してデータ読出を実行できる。   The thin film magnetic memory device according to the seventh aspect can perform data reading by detecting the voltage of the read data line corresponding to the read bit line in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to the first aspect.

請求項8記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、データ線におけるデータ書込電流の方向を、書込データのレベルに応じて、簡易に制御できる。   The thin-film magnetic memory device according to claim 8 can simplify the direction of the data write current in the data line according to the level of the write data, in addition to the effect exhibited by the thin-film magnetic memory device according to claim 1. Can be controlled.

請求項9および10記載の薄膜磁性体記憶装置は、自由磁化層である第2および第3の磁化層において、一方の自由磁化層の磁化によって生じた磁束は、もう一方の自由磁化層を磁化するための磁束として互いに作用する。したがって、自由磁化層の磁化方向の書換えに必要なデータ書込電流を小さくすることができるので、メモリセルサイズの縮小と消費電力削減および磁気ノイズの抑制とを両立することができる。さらに、中間層について、メモリセル間の電気的な干渉を考慮する必要がなくなるため、形状の自由度が高まる。したがって、製造プロセスが容易になり歩留まりが向上する。   11. The thin film magnetic memory device according to claim 9, wherein in the second and third magnetic layers that are free magnetic layers, the magnetic flux generated by the magnetization of one free magnetic layer magnetizes the other free magnetic layer. It acts as a magnetic flux to do. Therefore, since the data write current required for rewriting the magnetization direction of the free magnetic layer can be reduced, it is possible to simultaneously reduce the memory cell size, reduce power consumption, and suppress magnetic noise. Furthermore, since it is not necessary to consider the electrical interference between the memory cells in the intermediate layer, the degree of freedom in shape increases. Therefore, the manufacturing process is facilitated and the yield is improved.

請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置は、階層的に設けられたグローバル/ローカルデータ線を用いて、効率的にデータ書込を実行できる。   The thin film magnetic memory device according to the eleventh aspect of the invention can efficiently perform data writing using the global / local data lines provided in a hierarchical manner.

請求項12記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、磁気記憶部の磁化方向を書換えるために必要な必要なデータ書込電流を小さくすることができるので、消費電力削減および磁気ノイズの抑制を図ることができる。   The thin film magnetic memory device according to claim 12 has a small data write current required for rewriting the magnetization direction of the magnetic memory portion in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 11. Therefore, it is possible to reduce power consumption and suppress magnetic noise.

請求項13記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、ローカルデータ線におけるデータ書込電流の方向を、書込データのレベルに応じて、簡易に制御できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 13 has the effect of the thin film magnetic memory device according to claim 11 in addition to the direction of the data write current in the local data line according to the level of the write data. Easy to control.

請求項14記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、対をなす2本のデータ線の電圧比較に基づく、動作マージンの大きい相補型のデータ読出を実行できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 14 is a complementary type having a large operation margin based on a voltage comparison between two data lines forming a pair, in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 11. Data reading can be executed.

請求項15記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、開放型ビット線構成に基づいて配置されたローカルデータ線に対して、データ書込電流の方向を書込データのレベルに応じて簡易に制御できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 15 has the effect of writing data to a local data line arranged based on the open bit line configuration in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 11. The direction of the current can be easily controlled according to the level of the write data.

請求項16記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項15記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、対をなす2本のデータ線の電圧比較に基づく、動作マージンの大きい相補型のデータ読出を実行できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 16 is a complementary type having a large operation margin based on a voltage comparison of two data lines forming a pair, in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 15. Data reading can be executed.

請求項17記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項11記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、グローバルデータ線の配線ピッチを確保して、その配線幅すなわち断面積を十分確保できる。この結果、グローバルデータ線の電流密度を抑制して、エレクトロマイグレーション等の発生を抑制できるので、薄膜磁性体記憶装置の動作安定性を向上することができる。   The thin film magnetic memory device according to claim 17 can secure the wiring pitch of the global data line and sufficiently secure the wiring width, that is, the cross-sectional area, in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 11. . As a result, the current density of the global data line can be suppressed and the occurrence of electromigration or the like can be suppressed, so that the operational stability of the thin film magnetic memory device can be improved.

請求項18および19記載の薄膜磁性体記憶装置は、選択メモリセルに対応する中間層にのみデータ書込電流を選択的に流して、データ書込を実行することができる。したがって、非選択メモリセルにおけるデータ誤書込の発生を防止することができる。   In the thin film magnetic memory device according to the eighteenth and nineteenth aspects, the data write can be executed by selectively passing the data write current only to the intermediate layer corresponding to the selected memory cell. Therefore, occurrence of erroneous data writing in unselected memory cells can be prevented.

請求項20記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項19記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、データ書込に用いられる第1および第2のデータ線を共用して、選択メモリセルからのデータ読出を実行できる。   The thin film magnetic memory device according to claim 20 has the selection memory by sharing the first and second data lines used for data writing in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 19. Data can be read from the cell.

請求項21記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項19記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、ダイオードを読出アクセス素子として用いるので、MTJメモリセルを小型化することが可能となる。   The thin-film magnetic memory device according to claim 21 uses the diode as a read access element in addition to the effect exhibited by the thin-film magnetic memory device according to claim 19. Therefore, the MTJ memory cell can be reduced in size. .

請求項22から25および28記載の薄膜磁性体記憶装置は、磁気記憶部(トンネル磁気抵抗素子)中の第2の磁性体層(自由磁化層)において、磁化容易軸に沿った方向の磁化特性を、書込データのレベルに依存せず対称にすることができる。この結果、記憶データの書込に必要なデータ書込電流を抑制することが可能となる。この結果、MRAMデバイスにおける消費電力の削減およびデータ書込電流線における電流密度低下による動作信頼性の向上を図ることができる。   29. The thin film magnetic memory device according to claim 22, wherein the second magnetic layer (free magnetic layer) in the magnetic memory portion (tunnel magnetoresistive element) has a magnetization characteristic in a direction along the easy magnetization axis. Can be made symmetric without depending on the level of the write data. As a result, it is possible to suppress the data write current necessary for writing the stored data. As a result, it is possible to reduce the power consumption in the MRAM device and improve the operation reliability by reducing the current density in the data write current line.

請求項26および27記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項23記載の薄膜磁性体記憶装置が奏する効果に加えて、選択メモリセルに対して記憶データを書込むために必要なデータ書込電流が、第1および第2のデータ書込電流線間で大きく異なる場合に、MRAMデバイスにおける消費電力をさらに削減することができる。   The thin film magnetic memory device according to claim 26 and 27 has a data write current required for writing stored data to the selected memory cell in addition to the effect exhibited by the thin film magnetic memory device according to claim 23. However, when the first and second data write current lines differ greatly, the power consumption in the MRAM device can be further reduced.

請求項29記載の薄膜磁性体記憶装置は、請求項22に従う薄膜磁性体記憶装置が奏する効果を、磁化方向の書換えに必要なデータ書込電流を小さくすることが可能な2層ストレージノード構成のMTJメモリセルに対しても享受することができる。   The thin-film magnetic memory device according to claim 29 has the same effect as that of the thin-film magnetic memory device according to claim 22 in a two-layer storage node configuration capable of reducing a data write current required for rewriting the magnetization direction. It can also be enjoyed for MTJ memory cells.

本発明の実施の形態1に従うMRAMデバイス1の全体構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the whole structure of the MRAM device 1 according to Embodiment 1 of this invention. 図1に示されるメモリアレイの構成例を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a configuration example of a memory array illustrated in FIG. 1. 図2に示される2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルの構成例を示す概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration example of an MTJ memory cell having the two-layer storage node structure shown in FIG. データ書込時における自由磁化層の磁化方向を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the magnetization direction of the free magnetic layer at the time of data writing. 2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルの他の構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the other structural example of the MTJ memory cell which has a two-layer storage node structure. メモリアレイ10の他の構成例を示すブロック図である。4 is a block diagram showing another configuration example of the memory array 10. FIG. メモリアレイ10のさらに他の構成例を示すブロック図である。4 is a block diagram showing still another configuration example of the memory array 10. FIG. 図7に示されるメモリセルの構成を示す構造図である。FIG. 8 is a structural diagram illustrating a configuration of a memory cell illustrated in FIG. 7. 2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルのさらに他の構成を示す構造図である。FIG. 11 is a structural diagram showing still another configuration of an MTJ memory cell having a two-layer storage node structure. 実施の形態2に従うメモリアレイの構成を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a memory array according to a second embodiment. 図10に示されたメモリブロックMBaの構成を示す回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBa shown in FIG. 10. 実施の形態2の変形例1に従うメモリブロックMBbの構成を示す回路図である。FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBb according to a first modification of the second embodiment. 実施の形態2の変形例1に従うメモリブロックにおけるデータ書込磁界の発生の様子を説明する概念図である。FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating a state of generation of a data write magnetic field in a memory block according to a first modification of the second embodiment. 実施の形態2の変形例2に従うメモリアレイの構成を示す概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a memory array according to a second modification of the second embodiment. 実施の形態2の変形例3に従うメモリアレイの構成を示す概略図である。FIG. 16 is a schematic diagram showing a configuration of a memory array according to a third modification of the second embodiment. 図15に示されるメモリブロックMBbの構成を説明する回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram illustrating a configuration of a memory block MBb illustrated in FIG. 15. 実施の形態2の変形例4に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 22 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to a fourth modification of the second embodiment. 図17に示されるメモリブロックMBdの構成を説明する回路図である。FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration of a memory block MBd shown in FIG. 17. 実施の形態2の変形例5に従うメモリアレイ10の構成を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a memory array 10 according to a fifth modification of the second embodiment. 単層ストレージノード構造のMTJメモリセルの構成が示される。A configuration of an MTJ memory cell having a single-layer storage node structure is shown. 2層ストレージノード構造を有する従来のMTJメモリセルの構成を示す構造図である。It is a structural diagram showing a configuration of a conventional MTJ memory cell having a two-layer storage node structure. 実施の形態3に従うメモリブロックMBeの構成を示す回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBe according to the third embodiment. 実施の形態3の変形例1に従うメモリブロックMBfの構成を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBf according to a first modification of the third embodiment. 実施の形態3の変形例1に従うメモリブロックにおけるデータ書込磁界の発生の様子を説明する概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram illustrating a state of generation of a data write magnetic field in a memory block according to a first modification of the third embodiment. 実施の形態3の変形例2に従うメモリブロックMBgの構成を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBg according to a second modification of the third embodiment. 実施の形態3の変形例3に従うメモリブロックMBhの構成を示す回路図である。FIG. 22 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block MBh according to a third modification of the third embodiment. 実施の形態4に従う2層ストレージ構成を有するMTJメモリセルの構成を示す概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram showing a configuration of an MTJ memory cell having a two-layer storage configuration according to the fourth embodiment. 図27に示すMTJメモリセルにおけるデータ書込磁界の発生の様子を示す概念図である。FIG. 28 is a conceptual diagram showing how a data write magnetic field is generated in the MTJ memory cell shown in FIG. 27. 図27に示されるMTJメモリセルを行列状に配置したメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 28 is a block diagram showing a configuration of a memory array in which MTJ memory cells shown in FIG. 27 are arranged in a matrix. 実施の形態4の変形例1に従うメモリアレイの構成を示す回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram showing a configuration of a memory array according to a first modification of the fourth embodiment. 実施の形態4の変形例2に従う階層ワード線構成を説明する概念図である。FIG. 22 is a conceptual diagram illustrating a hierarchical word line configuration according to a second modification of the fourth embodiment. 実施の形態4の変形例3に従う階層ワード線構成を説明する概念図である。FIG. 22 is a conceptual diagram illustrating a hierarchical word line configuration according to a third modification of the fourth embodiment. 実施の形態5に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to a fifth embodiment. 実施の形態5に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell according to a fifth embodiment. 実施の形態5に従うMTJメモリセルに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。FIG. 17 is an operation waveform diagram illustrating data reading and data writing operations for an MTJ memory cell according to the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例1に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 22 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to a first modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例1に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating a structure of an MTJ memory cell according to a first modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例2に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 25 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to a second modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell according to a second modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。FIG. 32 is an operation waveform diagram illustrating data read and data write operations on an MTJ memory cell according to the second modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例3に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。FIG. 25 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to a third modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram illustrating a structure of an MTJ memory cell according to a third modification of the fifth embodiment. 実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。FIG. 29 is an operation waveform diagram illustrating data read and data write operations on an MTJ memory cell according to the third modification of the fifth embodiment. 実施の形態6に従うデータ書込磁界の方向を示す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing the direction of a data write magnetic field according to the sixth embodiment. 実施の形態6に従うトンネル磁気抵抗素子の配置を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows arrangement | positioning of the tunnel magnetoresistive element according to Embodiment 6. 実施の形態6の変形例に従うデータ書込磁界の方向を示す概念図である。FIG. 22 is a conceptual diagram showing the direction of a data write magnetic field according to a modification of the sixth embodiment. 実施の形態6の変形例に従うトンネル磁気抵抗素子の配置を示す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing the arrangement of tunnel magnetoresistive elements according to a modification of the sixth embodiment. MTJメモリセルの構成およびデータ読出動作を示す概念図である。3 is a conceptual diagram showing a configuration of a MTJ memory cell and a data read operation. MTJメモリセルに対するデータ書込動作を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the data write-in operation | movement with respect to an MTJ memory cell. MTJメモリセルに対するデータ書込時におけるデータ書込電流の方向と磁化方向との関係を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the relationship between the direction of the data write current and the magnetization direction at the time of data writing to the MTJ memory cell. 2層の自由磁化層で構成される従来のトンネル磁気抵抗素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the conventional tunnel magnetoresistive element comprised with two free magnetic layers. 図51に示すトンネル磁気抵抗素子における磁化を説明するためのヒステリシス図である。FIG. 52 is a hysteresis diagram for explaining magnetization in the tunneling magneto-resistance element shown in FIG. 51. 単層ストレージノード構造のMTJメモリセルにおける磁化特性の不均一性を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the nonuniformity of the magnetization characteristic in the MTJ memory cell of a single layer storage node structure. 図53に示した自由磁化層における磁化特性を説明するためのヒステリシス図である。FIG. 54 is a hysteresis diagram for explaining the magnetization characteristics in the free magnetization layer shown in FIG. 53. 2層ストレージノード構造のMTJメモリセルにおける磁化特性の不均一性を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the nonuniformity of the magnetization characteristic in the MTJ memory cell of a two-layer storage node structure. 図55に示した自由磁化層における磁化特性を説明するためのヒステリシス図である。FIG. 56 is a hysteresis diagram for explaining the magnetization characteristics in the free magnetization layer shown in FIG. 55.

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図中における同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol in a figure shall show the same or an equivalent part.

[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に従うMRAMデバイス1の全体構成を示す概略ブロック図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing an overall configuration of an MRAM device 1 according to the first embodiment of the present invention.

図1を参照して、MRAMデバイス1は、外部からの制御信号CMDおよびアドレス信号ADDに応答してランダムアクセスを実行し、書込データDINの入力および読出データDOUTの出力を実行する。   Referring to FIG. 1, MRAM device 1 performs random access in response to external control signal CMD and address signal ADD, and executes input of write data DIN and output of read data DOUT.

MRAMデバイス1は、制御信号CMDに応答してMRAMデバイス1の全体動作を制御するコントロール回路5と、行列状に配置された複数のMTJメモリセルを有するメモリアレイ10とを備える。メモリアレイ10の構成については後ほど詳細に説明するが、MTJメモリセルの行(以下、単に「メモリセル行」とも称する)にそれぞれ対応して複数のライトワード線WWLおよびリードワード線RWLが配置される。また、MTJメモリセルの列(以下、単に「メモリセル列」とも称する)に対応してビット線BLおよびソース線SLが配置される。   The MRAM device 1 includes a control circuit 5 that controls the overall operation of the MRAM device 1 in response to a control signal CMD, and a memory array 10 having a plurality of MTJ memory cells arranged in a matrix. The configuration of the memory array 10 will be described in detail later. A plurality of write word lines WWL and read word lines RWL are arranged corresponding to the MTJ memory cell rows (hereinafter also simply referred to as “memory cell rows”). The Bit lines BL and source lines SL are arranged corresponding to the MTJ memory cell columns (hereinafter also simply referred to as “memory cell columns”).

MRAMデバイス1は、さらに、行デコーダ20と、列デコーダ25と、ワード線ドライバ30と、ワード線電流制御回路40と、読出/書込制御回路50,60とを備える。   The MRAM device 1 further includes a row decoder 20, a column decoder 25, a word line driver 30, a word line current control circuit 40, and read / write control circuits 50 and 60.

行デコーダ20は、アドレス信号ADDによって示されるロウアドレスRAに応じて、メモリアレイ10における行選択を実行する。列デコーダ25は、アドレス信号ADDによって示されるコラムアドレスCAに応じて、メモリアレイ10における列選択を実行する。ワード線ドライバ30は、行デコーダ20の行選択結果に基づいて、リードワード線RWLもしくはライトワード線WWLを選択的に活性化する。ロウアドレスRAおよびコラムアドレスCAによって、データ読出もしくはデータ書込対象に指定されたメモリセル(以下、「選択メモリセル」とも称する)が示される。   Row decoder 20 performs row selection in memory array 10 in accordance with row address RA indicated by address signal ADD. Column decoder 25 performs column selection in memory array 10 in accordance with column address CA indicated by address signal ADD. The word line driver 30 selectively activates the read word line RWL or the write word line WWL based on the row selection result of the row decoder 20. A memory cell (hereinafter also referred to as “selected memory cell”) designated as a data read or data write target is indicated by row address RA and column address CA.

ワード線電流制御回路40は、データ書込時において、ライトワード線WWLにデータ書込電流を流すために設けられる。読出/書込制御回路50,60は、データ読出およびデータ書込時において、ビット線BLにデータ書込電流およびセンス電流(データ読出電流)を流すために、メモリアレイ10に隣接する領域に配置される回路群を総称したものである。   The word line current control circuit 40 is provided for supplying a data write current to the write word line WWL during data writing. Read / write control circuits 50 and 60 are arranged in a region adjacent to memory array 10 in order to pass a data write current and a sense current (data read current) through bit line BL during data read and data write. This is a general term for circuit groups to be used.

図2は、メモリアレイ10の構成を示す概念図である。
図2を参照して、メモリアレイ10は、n行×m列(n,m:自然数)に配列される、2層ストレージノード構造のMTJメモリセルMCaを含む。メモリセルMCaは、アクセストランジスタATRおよびトンネル磁気抵抗素子100aを含む。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the memory array 10.
Referring to FIG. 2, memory array 10 includes MTJ memory cells MCa having a two-layer storage node structure arranged in n rows × m columns (n, m: natural numbers). Memory cell MCa includes an access transistor ATR and a tunnel magnetoresistive element 100a.

メモリセル行に対応して、リードワード線RWL1〜RWLnおよびライトワード線WWL1〜WWLnがそれぞれ設けられる。メモリセル列にそれぞれ対応して、ビット線BL1〜BLmおよびソース線SL1〜SLmがそれぞれ設けられる。ソース線SL1〜SLmの各々は、対応するメモリセル行においてアクセストランジスタATRのソース側と結合されるとともに、接地電圧VSSを供給する。   Corresponding to the memory cell rows, read word lines RWL1 to RWLn and write word lines WWL1 to WWLn are provided, respectively. Bit lines BL1 to BLm and source lines SL1 to SLm are provided corresponding to the memory cell columns, respectively. Each of source lines SL1 to SLm is coupled to the source side of access transistor ATR in the corresponding memory cell row and supplies ground voltage VSS.

ワード線電流制御回路40は、メモリアレイ10を挟んでワード線ドライバ30と反対側の領域において、各ライトワード線WWLを接地電圧VSSと結合する。これにより、ワード線ドライバ30によって選択的に電源電圧VDDと結合されたライトワード線に対して、一定方向のデータ書込電流Ipを流すことができる。   The word line current control circuit 40 couples each write word line WWL to the ground voltage VSS in a region opposite to the word line driver 30 across the memory array 10. Thereby, data write current Ip in a fixed direction can be supplied to the write word line selectively coupled to power supply voltage VDD by word line driver 30.

図2には、第1、2行および第n行と、第1および第m列とに対応する、リードワード線RWL1,RWL2,RWLn、ライトワード線WWL1,WWL2,WWLn、ビット線BL1,BLmおよびソース線SL1,SLmおよびこれらに対応する一部のメモリセルが代表的に示される。   FIG. 2 shows read word lines RWL1, RWL2, RWLn, write word lines WWL1, WWL2, WWLn, and bit lines BL1, BLm corresponding to the first, second and nth rows and the first and mth columns. In addition, source lines SL1 and SLm and a part of memory cells corresponding thereto are typically shown.

図3は、図2に示されるMTJメモリセルMCaの構成例を示す概念図である。
図3を参照して、トンネル磁気抵抗素子100aは、反強磁性体層101と、固定磁化層102と、自由磁化層103および104と、トンネルバリア105と、中間層107とを含む。
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration example of the MTJ memory cell MCa shown in FIG.
Referring to FIG. 3, tunneling magneto-resistance element 100 a includes an antiferromagnetic material layer 101, a fixed magnetization layer 102, free magnetization layers 103 and 104, a tunnel barrier 105, and an intermediate layer 107.

固定磁化層102は、固定された磁化方向を有し、反強磁性体層101の上に形成される。反強磁性体層101は、固定磁化層102の磁化方向をより強力に固定するために配置されている。トンネルバリア105は、固定磁化層102と自由磁化層103との間に形成される。自由磁化層103および104は、磁性的に中性な特性を有する中間層107を挟むように配置される。中間層107は、非磁性の導電体で形成される。   The fixed magnetization layer 102 has a fixed magnetization direction and is formed on the antiferromagnetic material layer 101. The antiferromagnetic material layer 101 is disposed to more strongly fix the magnetization direction of the fixed magnetization layer 102. The tunnel barrier 105 is formed between the fixed magnetic layer 102 and the free magnetic layer 103. Free magnetic layers 103 and 104 are arranged so as to sandwich intermediate layer 107 having magnetically neutral characteristics. The intermediate layer 107 is formed of a nonmagnetic conductor.

中間層107の形状および電気特性は自由に定めることができる。実施の形態1に従う構成においては、中間層107を用いて、ビット線BLを形成する。すなわち、同一のメモリセル列に属するMTJメモリセルの間で中間層107同士が電気的に結合されるように、列方向に延在してストライプ状に形成された金属配線として中間層107を配置することによって、ビット線BLが形成される。   The shape and electrical characteristics of the intermediate layer 107 can be freely determined. In the structure according to the first embodiment, bit line BL is formed using intermediate layer 107. That is, the intermediate layer 107 is arranged as a metal wiring formed in a stripe shape extending in the column direction so that the intermediate layers 107 are electrically coupled to each other between MTJ memory cells belonging to the same memory cell column. As a result, the bit line BL is formed.

データ書込時において、中間層107(ビット線BL)には、書込データのレベルに応じてその方向が変化するデータ書込電流±Iwが流される。一方、行方向に沿って配置されるライトワード線WWLには、書込データのレベルにかかわらず一定方向のデータ書込電流Ipが流される。   At the time of data writing, a data write current ± Iw whose direction changes according to the level of the write data flows through the intermediate layer 107 (bit line BL). On the other hand, a data write current Ip in a certain direction flows through write word line WWL arranged along the row direction regardless of the level of the write data.

自由磁化層103および104に対して、中間層107(ビット線BL)を流れる書込電流±Iwによって発生するデータ書込磁界により、磁化容易軸(EA:Easy Axis)方向の磁場が印加される。これに対して、ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流Ipによって生じるデータ書込磁界によって、磁化困難軸(HA:Hard Axis)の磁場が印加される。   A magnetic field in the easy axis (EA: Easy Axis) direction is applied to free magnetic layers 103 and 104 by a data write magnetic field generated by a write current ± Iw flowing through intermediate layer 107 (bit line BL). . On the other hand, a magnetic axis of a hard axis (HA) is applied by a data write magnetic field generated by the data write current Ip flowing through the write word line WWL.

図4は、データ書込時における自由磁化層の磁化方向を説明する概念図である。図4は、図3におけるP−Q断面図に相当する。   FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the magnetization direction of the free magnetic layer at the time of data writing. 4 corresponds to the PQ cross-sectional view in FIG.

図4(a),(b)を参照して、中間層107(ビット線BL)を流れるデータ書込電流±Iwの方向は、書込データのレベルによって異なる。   4A and 4B, the direction of data write current ± Iw flowing through intermediate layer 107 (bit line BL) varies depending on the level of write data.

図4(a)には、中間層107(ビット線BL)に正方向のデータ書込電流+Iwを流す場合が示される。対応するライトワード線WWLにもデータ書込電流Ipが流されると、自由磁化層103および104の磁化方向は、データ書込電流+Iwによって生じるデータ書込磁界に応答して書換えられる。   FIG. 4A shows a case where a positive data write current + Iw is passed through the intermediate layer 107 (bit line BL). When data write current Ip is also passed through corresponding write word line WWL, the magnetization directions of free magnetic layers 103 and 104 are rewritten in response to the data write magnetic field generated by data write current + Iw.

この際に、自由磁化層103および104を非磁性体の中間層107を挟んで層状に形成することにより、中間層107を流れるデータ書込電流によって生じる磁界によって、両者をループ状に効率的に磁化することができる。また、一方の自由磁化層の磁化によって生じた磁束は、もう一方の自由磁化層を磁化するための磁束として、互いに作用する。   At this time, the free magnetic layers 103 and 104 are formed in a layered shape with the nonmagnetic intermediate layer 107 interposed therebetween, so that both can be efficiently looped by the magnetic field generated by the data write current flowing through the intermediate layer 107. It can be magnetized. The magnetic flux generated by the magnetization of one free magnetic layer acts as a magnetic flux for magnetizing the other free magnetic layer.

これにより、自由磁化層103および104の反転磁界強度の発生に必要なデータ書込電流を小さくすることができる。また、磁束が外部に拡がらないので、他のメモリセルに悪影響を及ぼすことも抑制できる。   Thereby, the data write current required for generating the switching magnetic field strength of free magnetic layers 103 and 104 can be reduced. Further, since the magnetic flux does not spread to the outside, it is possible to suppress adverse effects on other memory cells.

一方、固定磁化層102の磁化方向は、一定方向に固定されている。したがって、データ書込電流+Iwによってデータ書込が行なわれた結果、固定磁化層102と自由磁化層103との磁化方向は逆方向となるので、トンネル磁気抵抗素子100aの電気抵抗値は大きくなる。   On the other hand, the magnetization direction of the fixed magnetization layer 102 is fixed in a certain direction. Therefore, as a result of data writing by the data write current + Iw, the magnetization directions of the fixed magnetic layer 102 and the free magnetic layer 103 are reversed, so that the electric resistance value of the tunnel magnetoresistive element 100a is increased.

一方、図4(b)には、中間層107(ビット線BL)に負方向のデータ書込電流−Iwを流す場合が示される。この場合には、図4(a)のケースとは反対方向に、自由磁化層103および104が磁化される。なお、ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流Ipは、既に説明したように、書込データのレベルにかかわらず一定方向に保たれる。   On the other hand, FIG. 4B shows a case where a negative data write current −Iw is supplied to the intermediate layer 107 (bit line BL). In this case, the free magnetic layers 103 and 104 are magnetized in the opposite direction to the case of FIG. Note that the data write current Ip flowing through the write word line WWL is maintained in a constant direction regardless of the level of the write data, as already described.

したがって、データ書込電流−Iwによってデータ書込が実行されたメモリセルにおいては、固定磁化層102と自由磁化層103の磁化方向は揃うことになる。この結果、トンネル磁気抵抗素子100aの電気抵抗値は小さくなる。   Therefore, in the memory cell in which data writing is executed by the data write current −Iw, the magnetization directions of the fixed magnetic layer 102 and the free magnetic layer 103 are aligned. As a result, the electrical resistance value of the tunnel magnetoresistive element 100a becomes small.

このように、対応するライトワード線WWLと中間層107(ビット線BL)との両方にデータ書込電流が流されたMTJメモリセルのみにおいて、自由磁化層103および104の磁化方向が変化可能なるように、すなわちデータ書込が実行されるように、自由磁化層103および104の材質や厚さは決定される。   As described above, the magnetization directions of the free magnetic layers 103 and 104 can be changed only in the MTJ memory cell in which the data write current is supplied to both the corresponding write word line WWL and the intermediate layer 107 (bit line BL). In other words, the material and thickness of free magnetic layers 103 and 104 are determined so that data writing is executed.

また、実施の形態1に従うMTJメモリセル中のトンネル磁気抵抗素子においては、図51に示した従来のトンネル磁気抵抗素子とは異なり、自由磁化層103および104の磁気モーメントに強弱をつける必要がない。したがって、自由磁化層103および104の各々を、等材質・等厚で形成することも可能である。これにより、製造工程の複雑化を回避することができる。   In the tunnel magnetoresistive element in the MTJ memory cell according to the first embodiment, unlike the conventional tunnel magnetoresistive element shown in FIG. 51, it is not necessary to increase or decrease the magnetic moment of free magnetic layers 103 and 104. . Accordingly, each of the free magnetic layers 103 and 104 can be formed with the same material and the same thickness. Thereby, complication of a manufacturing process can be avoided.

再び図3を参照して、アクセストランジスタATRは、P型基板110上に形成されたn型領域であるソース/ドレイン領域111および112と、ゲート電極113とを含む。ソース/ドレイン領域111は、接地電圧VSSと電気的に結合される。   Referring again to FIG. 3, access transistor ATR includes source / drain regions 111 and 112, which are n-type regions formed on P-type substrate 110, and gate electrode 113. Source / drain region 111 is electrically coupled to ground voltage VSS.

同一のメモリセル行に属するMTJメモリセルの間でゲート電極113が互いに電気的に結合されるように、ゲート電極113を行方向に延在して配置することによって、リードワード線RWLが配置される。すなわち、リードワード線RWLの活性化(Hレベル)に応答して、アクセストランジスタATRはターンオンする。   The read word line RWL is arranged by extending the gate electrode 113 in the row direction so that the gate electrodes 113 are electrically coupled to each other between MTJ memory cells belonging to the same memory cell row. The That is, in response to activation (H level) of read word line RWL, access transistor ATR is turned on.

トンネル磁気抵抗素子100aと、アクセストランジスタATRのソース/ドレイン領域112とは、バリアメタル108およびビアホール115を介して電気的に結合される。バリアメタル108は、反強磁性体101との間で電気的なコンタクトを得るための緩衝材である。   Tunneling magneto-resistance element 100a and source / drain region 112 of access transistor ATR are electrically coupled through barrier metal 108 and via hole 115. The barrier metal 108 is a buffer material for obtaining an electrical contact with the antiferromagnetic material 101.

データ読出時においては、リードワード線RWLを活性化(Hレベル)することによって、ビット線BLを、トンネル磁気抵抗素子100aの電気抵抗を介して接地電圧VSSにプルダウンすることができる。既に説明したように、自由磁化層103と固定磁化層102との磁化方向の相対関係に応じてトンネル磁気抵抗素子100aの電気抵抗値は変化するので、MTJメモリセルの記憶データに応じて、ビット線BLの電圧変化挙動は異なってくる。   At the time of data reading, by activating (H level) read word line RWL, bit line BL can be pulled down to ground voltage VSS via the electric resistance of tunneling magneto-resistance element 100a. As already described, since the electric resistance value of the tunnel magnetoresistive element 100a changes according to the relative relationship of the magnetization directions of the free magnetic layer 103 and the fixed magnetic layer 102, the bit is changed according to the storage data of the MTJ memory cell. The voltage change behavior of the line BL is different.

したがって、ビット線BLには、MTJメモリセルMCaの記憶データレベルに応じた電圧変化が生じるので、センス電流が流れたときのビット線BLの電圧を検知することによって、MTJメモリセルMCaの記憶データを読出すことができる。   Therefore, a voltage change corresponding to the storage data level of the MTJ memory cell MCa occurs in the bit line BL. Therefore, the storage data of the MTJ memory cell MCa is detected by detecting the voltage of the bit line BL when the sense current flows. Can be read out.

このように、自由磁化層104は、データ書込時において、自由磁化層103とループ状に磁化されるために設けられるが、データ書込時およびデータ読出時において、電気的には何ら作用しない。したがって、自由磁化層104は、図3に示すようにMTJメモリセルごとの孤立エレメントとして配置してもよいし、ビット線BLと同様のパターンでストライプ状に配置してもよい。   As described above, the free magnetic layer 104 is provided to be magnetized in a loop with the free magnetic layer 103 at the time of data writing, but has no electrical effect at the time of data writing and data reading. . Therefore, the free magnetic layer 104 may be arranged as an isolated element for each MTJ memory cell as shown in FIG. 3, or may be arranged in a stripe pattern with the same pattern as the bit line BL.

このような構成とすることにより、図2に示されるメモリアレイにおいて、選択メモリセルに対応するライトワード線WWLおよびビット線BLのそれぞれにデータ書込電流を流し、かつデータ読出時においては、選択メモリセルに対応するライトワード線RWLを活性化するとともにビット線BLの電圧を検知することによって、データ書込およびデータ読出を実行することが可能である。   With such a configuration, in the memory array shown in FIG. 2, a data write current is supplied to each of the write word line WWL and bit line BL corresponding to the selected memory cell, and at the time of data reading, a selection is made. Data writing and data reading can be executed by activating the write word line RWL corresponding to the memory cell and detecting the voltage of the bit line BL.

図5は、2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルの他の構成例を示す概念図である。   FIG. 5 is a conceptual diagram showing another configuration example of an MTJ memory cell having a two-layer storage node structure.

図5を参照して、2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルMCbは、図3に示したMTJメモリセルMCaと比較して、ライトワード線WWLが、トンネル磁気抵抗素子100aおよびビット線BLよりも上層に配置される点で異なる。その他の部分の構成については図3と同様であるので詳細な説明は繰返さない。したがって、メモリセルMCbに対するデータ書込およびデータ読出は、メモリセルMCaと同様に実行できる。   Referring to FIG. 5, MTJ memory cell MCb having a two-layer storage node structure has write word line WWL from tunneling magneto-resistance element 100a and bit line BL as compared with MTJ memory cell MCa shown in FIG. Are different in that they are arranged in the upper layer. Since the configuration of other parts is the same as that of FIG. 3, detailed description will not be repeated. Therefore, data writing and data reading with respect to memory cell MCb can be performed in the same manner as memory cell MCa.

このような構成とすることにより、トンネル磁気抵抗素子100aとアクセストランジスタATRとの間に配線層を設ける必要がなくなるので、両者の距離を短縮できる。この結果、ビアホール115のアスペクト比(縦/横寸法比)を小さくすることができるので、ビアホール115の形成が容易になり、製造工程の簡易化を図ることができる。   With such a configuration, it is not necessary to provide a wiring layer between the tunnel magnetoresistive element 100a and the access transistor ATR, so that the distance between the two can be shortened. As a result, since the aspect ratio (vertical / horizontal dimension ratio) of the via hole 115 can be reduced, the formation of the via hole 115 is facilitated, and the manufacturing process can be simplified.

図6は、メモリアレイ10の他の構成例を示すブロック図である。図6の構成には、図2および図5にそれぞれ示したMTJメモリセルMCaおよびMCbのいずれを適用することもできる。   FIG. 6 is a block diagram illustrating another configuration example of the memory array 10. 6 can be applied to any of the MTJ memory cells MCa and MCb shown in FIGS. 2 and 5, respectively.

図6を参照して、各メモリセル列に対応して、ビット線対が配置される。ビット線対BLPは、2本の相補ビット線から構成される。図6においては、第1列および第m列のビット線対BLP1およびBLPmが代表的に示される。ビット線対BLP1はビット線BL1および/BL1を含み、ビット線対BLPmは、ビット線BLmおよび/BLmを含む。以下においては、ビット線対BLP1〜BLPmをビット線対BLPとも総称する。同様に、ビット線/BL1〜/BLmをビット線/BLとも総称する。ビット線BLおよび/BLは、中間層107を用いて形成される。   Referring to FIG. 6, a bit line pair is arranged corresponding to each memory cell column. The bit line pair BLP is composed of two complementary bit lines. In FIG. 6, bit line pairs BLP1 and BLPm in the first column and the m-th column are representatively shown. Bit line pair BLP1 includes bit lines BL1 and / BL1, and bit line pair BLPm includes bit lines BLm and / BLm. Hereinafter, the bit line pairs BLP1 to BLPm are also collectively referred to as bit line pairs BLP. Similarly, bit lines / BL1 to / BLm are also collectively referred to as bit lines / BL. Bit lines BL and / BL are formed using intermediate layer 107.

MTJメモリセルは、1行おきに、ビット線BLおよび/BLのいずれか一方ずつと結合される。たとえば、第1列に属するメモリセルについて説明すれば、第1行のメモリセルは、ビット線BL1と結合され、第2行目のメモリセルはビット線/BL1と結合される。以下同様に、メモリセルの各々は、奇数行において、ビット線対の一方ずつBL1〜BLmと接続され、偶数行においてビット線対の他方ずつの/BL1〜/BLmと接続される。この結果、リードワード線RWLが行選択結果に応じて選択的に活性化されると、ビット線対の一方ずつBL1〜BLmおよびビット線対の他方ずつ/BL1〜/BLmのいずれかがメモリセルと結合される。   MTJ memory cells are coupled to either one of bit lines BL and / BL every other row. For example, the memory cells belonging to the first column will be described. The memory cells in the first row are coupled to the bit line BL1, and the memory cells in the second row are coupled to the bit line / BL1. Similarly, each of the memory cells is connected to one of the bit line pairs BL1 to BLm in the odd-numbered row and is connected to each other of / BL1 to / BLm in the other bit line pair in the even-numbered row. As a result, when read word line RWL is selectively activated according to the row selection result, one of bit line pairs BL1 to BLm and the other of bit line pairs / BL1 to / BLm are either memory cells. Combined with.

列デコーダ25は、コラムアドレスCAのデコード結果に応じて、メモリセル列にそれぞれ対応する列選択信号YS1〜YSmのうちのいずれか1つを選択状態(Hレベル)に活性化する。読出データおよび書込データを伝達するためのデータバス対DBPは、相補のデータバスDBおよび/DBを有する。   Column decoder 25 activates any one of column selection signals YS1 to YSm corresponding to each memory cell column to a selected state (H level) according to the decoding result of column address CA. Data bus pair DBP for transmitting read data and write data has complementary data buses DB and / DB.

読出/書込制御回路50は、コラム選択ゲートCSG1〜CSGmと、データ書込回路51Wと、データ読出回路51Rとを含む。   Read / write control circuit 50 includes column select gates CSG1 to CSGm, a data write circuit 51W, and a data read circuit 51R.

コラム選択ゲートCSG1〜CSGmは、ビット線対BLP1〜BLPmとデータバス対DBPとの間にそれぞれ配置される。コラム選択ゲートCSG1〜CSGmの各々は、データバスDBと対応するビット線BLとの間に電気的に結合されるトランジスタスイッチと、データバス/DBと対応するビット線/BLとの間に電気的に結合されるトランジスタスイッチとを含む。これらのトランジスタスイッチは、対応する列選択信号の活性化に応答してオンする。   Column selection gates CSG1 to CSGm are arranged between bit line pairs BLP1 to BLPm and data bus pair DBP, respectively. Each of column select gates CSG1-CSGm is electrically connected between a transistor switch electrically coupled between data bus DB and corresponding bit line BL, and between bit line / BL corresponding to data bus / DB. And a transistor switch coupled to the. These transistor switches are turned on in response to activation of the corresponding column selection signal.

たとえば、コラム選択ゲートCSG1は、データバスDBとビット線BL1との間に電気的に結合され、列選択信号YS1の活性化に応答してオンするトランジスタスイッチと、データバス/DBとビット線/BL1との間に電気的に結合されて、列選択信号YS1の活性化に応答してターンオンするトランジスタスイッチとを含む。   For example, column select gate CSG1 is electrically coupled between data bus DB and bit line BL1, and is turned on in response to activation of column select signal YS1, data bus / DB and bit line / And a transistor switch electrically coupled to BL1 and turned on in response to activation of column selection signal YS1.

ビット線対BLP1〜BLPmにそれぞれ対応して、対応する相補ビット線同士を電気的に結合するための短絡トランジスタEQT1〜EQTmおよび制御信号EQS1〜EQSmがそれぞれ設けられる。制御信号EQS1〜EQSmは、データ書込時に、対応するメモリセル列がデータ書込対象に選択された場合に、Hレベルに活性化される。以下においては、短絡トランジスタEQT1〜EQTmを総称して、短絡トランジスタEQTとも称する。   Corresponding to bit line pairs BLP1 to BLPm, short-circuit transistors EQT1 to EQTm and control signals EQS1 to EQSm for electrically coupling corresponding complementary bit lines are provided. Control signals EQS1 to EQSm are activated to H level when a corresponding memory cell column is selected as a data writing target during data writing. Hereinafter, the short-circuit transistors EQT1 to EQTm are collectively referred to as a short-circuit transistor EQT.

各短絡トランジスタEQTは、制御信号EQS1〜EQSmの対応する1つがHレベルに活性化されると、対応するビット線BLおよび/BLを電気的に結合する。あるいは、制御信号EQS1〜EQSmの各々に代えて、データ書込時に活性化(Hレベル)される制御信号WEを用いることもできる。   Each short-circuit transistor EQT electrically couples corresponding bit lines BL and / BL when corresponding one of control signals EQS1-EQSm is activated to H level. Alternatively, instead of each of control signals EQS1 to EQSm, control signal WE activated (H level) at the time of data writing can be used.

データ書込回路51Wは、データ書込時において、書込データDINに応じて、データバスDBおよび/DBを、電源電圧VDDおよび接地電圧VSSの一方ずつに設定する。さらに、データ書込時においては、少なくとも選択メモリセル列において、短絡トランジスタEQTがターンオンするので、データ書込回路51Wによって設定されたデータバスDBおよび/DBの電圧差に応じて、選択されたメモリセル列のビット線BLおよび/BLを、データ書込電流が往復電流として流れる。一方、選択されたメモリセル行に対応するライトワード線WWLには書込データのレベルに依存しない一定方向のデータ書込電流Ipが供給される。   Data write circuit 51W sets data buses DB and / DB to one of power supply voltage VDD and ground voltage VSS according to write data DIN during data writing. Further, at the time of data writing, at least in the selected memory cell column, short circuit transistor EQT is turned on, so that the selected memory is selected according to the voltage difference between data buses DB and / DB set by data write circuit 51W. A data write current flows as a round trip current through bit lines BL and / BL of the cell column. On the other hand, data write current Ip in a fixed direction independent of the level of write data is supplied to write word line WWL corresponding to the selected memory cell row.

このような構成とすることによって、データ書込時において、データバスDBおよび/DBの電圧設定を書込データDINのレベルに応じて入れ替えるだけで、ビット線BL(/BL)を流れるデータ書込電流±Iwの方向を容易に制御することができる。すなわち、データ書込回路51Wの構成を簡易化することが可能となる。   With such a configuration, at the time of data writing, data writing that flows through the bit line BL (/ BL) can be performed simply by changing the voltage setting of the data buses DB and / DB in accordance with the level of the write data DIN. The direction of the current ± Iw can be easily controlled. That is, the configuration of the data write circuit 51W can be simplified.

次に、データ読出動作について説明する。
データ読出時においては、データバスDBおよび/DBの一方を、対応するビット線BLもしくは/BLと、選択メモリセル中のトンネル磁気抵抗素子100aとを介して,接地電圧VSSにプルダウンすることができる。この結果、選択メモリセルと接続されたデータバスDBまたは/DBには、選択メモリセルの記憶データレベルに応じた電圧変化が生じる。データ読出回路51Rは、データバスDBおよび/DBの電圧に応じて、読出データDOUTを生成する。
Next, the data read operation will be described.
At the time of data reading, one of data buses DB and / DB can be pulled down to ground voltage VSS via corresponding bit line BL or / BL and tunneling magneto-resistance element 100a in the selected memory cell. . As a result, a voltage change corresponding to the storage data level of the selected memory cell occurs in the data bus DB or / DB connected to the selected memory cell. Data read circuit 51R generates read data DOUT according to the voltages of data buses DB and / DB.

あるいは、メモリアレイ10に、MTJメモリセルの電気抵抗値R0およびR1の中間値を有するダミーメモリセル(図示せず)を配置して、データ読出時において、データバスDBおよび/DBに、選択メモリセルおよびダミーメモリセルの一方ずつが接続される構成とすることもできる。この場合には、データ読出回路51Rは、データバスDBおよび/DBの電圧比較に基づいて、相補型のデータ読出を実行できるので、動作マージンが向上する。   Alternatively, a dummy memory cell (not shown) having an intermediate value between the electrical resistance values R0 and R1 of the MTJ memory cell is arranged in memory array 10, and the selected memory is connected to data buses DB and / DB during data reading. One of the cells and the dummy memory cells may be connected. In this case, data read circuit 51R can execute complementary data reading based on the voltage comparison of data buses DB and / DB, and therefore the operation margin is improved.

図7は、メモリアレイ10のさらに他の構成例を示す回路図である。
図7に示される構成においては、2層ストレージノード構造を有するメモリセルMCcがn行×m列に配置される。さらに、データ書込用のライトビット線WBLと、データ読出用のリードビット線RBLとが分割して配置される。一方、ソース線SLの配置は省略されている。
FIG. 7 is a circuit diagram showing still another configuration example of the memory array 10.
In the configuration shown in FIG. 7, memory cells MCc having a two-layer storage node structure are arranged in n rows × m columns. Further, a write bit line WBL for data writing and a read bit line RBL for data reading are arranged separately. On the other hand, the arrangement of the source lines SL is omitted.

ライトビット線WBLおよびリードビット線RBLは、メモリセル列にそれぞれ対応して配置される。図7においては、代表的に第1列および第m列に対応する、ライトビット線WBL1,WBLmと、リードビット線RBL1,RBLmとが示されている。なお、リードビット線RBL1〜RBLmを総称する場合、およびライトビット線WBL1〜WBLmを総称する場合には、符号RBLおよびWBLをそれぞれ用いることとする。   Write bit line WBL and read bit line RBL are arranged corresponding to the memory cell columns, respectively. FIG. 7 shows write bit lines WBL1 and WBLm and read bit lines RBL1 and RBLm, which typically correspond to the first column and the m-th column. When generically referring to read bit lines RBL1 to RBLm and generically referring to write bit lines WBL1 to WBLm, symbols RBL and WBL are used, respectively.

図8は、図7に示されるメモリセルの構成を示す構造図である。
図8を参照して、2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルMCcは、図5に示されたMTJメモリセルMCaと比較して、列方向に延在して設けられるリードビット線RBLがさらに配置される点で異なる。
FIG. 8 is a structural diagram showing the configuration of the memory cell shown in FIG.
Referring to FIG. 8, MTJ memory cell MCc having a two-layer storage node structure further includes a read bit line RBL provided extending in the column direction as compared with MTJ memory cell MCa shown in FIG. It is different in point to be arranged.

中間層107を用いてライトビット線WBLが形成される。ライトビット線WBLには、データ書込時において、データ書込電流±Iwが流される。一方、データ読出時には、読出/書込制御回路50,60によって、各ライトビット線WBLは接地電圧VSSに設定される。   A write bit line WBL is formed using the intermediate layer 107. Data write current ± Iw is applied to write bit line WBL during data writing. On the other hand, at the time of reading data, read / write control circuits 50 and 60 set each write bit line WBL to ground voltage VSS.

リードビット線RBLは、ビアホール116を介して、アクセストランジスタATRのソース/ドレイン領域111と電気的に結合される。データ読出時においては、ソース/ドレイン領域112が、アクセストランジスタATRのソースとして作用する。   Read bit line RBL is electrically coupled to source / drain region 111 of access transistor ATR through via hole 116. In data reading, source / drain region 112 functions as a source of access transistor ATR.

この結果、アクセストランジスタATRのターンオンに応答して、リードビット線RBL〜アクセストランジスタATR〜トンネル磁気抵抗素子100a〜ライトビット線WBL(接地電圧VSS)にセンス電流の経路を形成することができる。   As a result, in response to the turn-on of access transistor ATR, a sense current path can be formed in read bit line RBL, access transistor ATR, tunneling magneto-resistance element 100a, and write bit line WBL (ground voltage VSS).

再び図7を参照して、選択メモリセルに対応するライトワード線WWLおよびライトビット線WBLに、データ書込電流Ipおよび±Iwをそれぞれ流すことによって、データ書込が実行される。   Referring again to FIG. 7, data writing is executed by flowing data write currents Ip and ± Iw to write word line WWL and write bit line WBL corresponding to the selected memory cell, respectively.

データ読出時には、選択メモリセルに対応するリードワード線RWLの活性化に応答して、選択メモリセルに対応するリードビット線RBLを、選択メモリセル中のトンネル磁気抵抗素子100aを介して接地電圧VSSにプルダウンすることができる。この結果、リードビット線RBLには、選択メモリセルの記憶データレベルに応じた電圧変化が生じるので、選択メモリセルの記憶データを読出すことができる。   At the time of data reading, in response to activation of the read word line RWL corresponding to the selected memory cell, the read bit line RBL corresponding to the selected memory cell is connected to the ground voltage VSS via the tunnel magnetoresistive element 100a in the selected memory cell. Can be pulled down to As a result, a voltage change corresponding to the storage data level of the selected memory cell occurs on read bit line RBL, so that the storage data of the selected memory cell can be read.

図9は、2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルのさらに他の構成を示す構造図である。   FIG. 9 is a structural diagram showing still another configuration of an MTJ memory cell having a two-layer storage node structure.

図9を参照して、MTJメモリセルMCdは、図5に示したMTJメモリセルMCbと比較して、中間層107にビット線BLを形成せず、ビット線BLを独立した金属配線層に設ける点が異なる。   9, MTJ memory cell MCd does not form bit line BL in intermediate layer 107, but provides bit line BL in an independent metal wiring layer as compared with MTJ memory cell MCb shown in FIG. The point is different.

すなわち、図9の構成においては、中間層107は、固定電圧、たとえば接地電圧VSSに固定される。この結果、MTJメモリセル間における電気的な干渉を考慮する必要がなくなるため、中間層107をプレーン状やストライプ状のいずれの形状とすることも可能となる。すなわち、中間層107の形状の自由度が高まるため、製造プロセスが容易になり歩留まりが向上するという効果が得られる。   That is, in the configuration of FIG. 9, intermediate layer 107 is fixed to a fixed voltage, for example, ground voltage VSS. As a result, it is not necessary to consider electrical interference between the MTJ memory cells, and the intermediate layer 107 can be formed in either a plain shape or a stripe shape. That is, since the degree of freedom of the shape of the intermediate layer 107 is increased, the manufacturing process is facilitated and the yield is improved.

ビット線BLは、列方向に延在して配置され、アクセストランジスタATRのソース/ドレイン領域111と、ビアホール116を介して電気的に結合される。一方、アクセストランジスタATRのソース/ドレイン領域112は、ビアホール115およびバリアメタル108を介して、トンネル磁気抵抗素子100aと電気的に結合される。   Bit line BL extends in the column direction, and is electrically coupled to source / drain region 111 of access transistor ATR via via hole 116. On the other hand, source / drain region 112 of access transistor ATR is electrically coupled to tunneling magneto-resistance element 100a through via hole 115 and barrier metal 108.

データ書込時においては、ビット線BLおよびライトワード線WWLにデータ書込電流±IwおよびIpをそれぞれ流すことによって、自由磁化層103および104を書込データDINに応じた方向に磁化することができる。なお、MTJメモリセルMCdにおいては、自由磁化層103および104の磁気モーメント(磁化しきい値)に強弱をつけるように、それぞれの材質や厚さが作り分けられる。   In data writing, free magnetic layers 103 and 104 can be magnetized in a direction according to write data DIN by flowing data write currents ± Iw and Ip through bit line BL and write word line WWL, respectively. it can. In the MTJ memory cell MCd, the materials and thicknesses of the free magnetic layers 103 and 104 are made different so as to increase and decrease the magnetic moment (magnetization threshold value) of the free magnetic layers 103 and 104.

データ読出時においては、リードワード線RWLを活性化することによって、ビット線BLを、トンネル磁気抵抗素子100aの電気抵抗を介して接地電圧VSSにプルダウンすることができる。この結果、ビット線BLには、トンネル磁気抵抗素子の電気抵抗値、すなわちMTJメモリセルの記憶データレベルに応じた電圧変化が生じるので、選択メモリセルの記憶データを読出すことができる。   In data reading, by activating read word line RWL, bit line BL can be pulled down to ground voltage VSS via the electric resistance of tunneling magneto-resistance element 100a. As a result, the bit line BL changes in voltage according to the electrical resistance value of the tunnel magnetoresistive element, that is, the storage data level of the MTJ memory cell, so that the storage data of the selected memory cell can be read.

このように実施の形態1に従う2層ストレージノード構造のMTJメモリセルによれば、メモリセルサイズを縮小した場合でも、反転磁界強度を生じさせるためのデータ書込電流量の増大を抑制できるので、メモリセルのスケーリングが容易となる。   As described above, according to the MTJ memory cell having the two-layer storage node structure according to the first embodiment, even when the memory cell size is reduced, an increase in the amount of data write current for generating the switching magnetic field strength can be suppressed. The memory cell can be easily scaled.

また、同一サイズのメモリセルに対しては、反転磁界強度を生じさせるためのデータ書込電流量を抑制できるので、消費電力を低減することができる。特に、2層の自由磁化層に挟まれた中間層にデータ書込電流を流すため、反転磁界強度を効率的に得ることができるので、より小さいデータ書込電流でデータ書込が可能となり、消費電流をさらに削減できる。   In addition, for memory cells of the same size, the amount of data write current for generating the reversal magnetic field strength can be suppressed, so that power consumption can be reduced. In particular, since the data write current flows through the intermediate layer sandwiched between the two free magnetic layers, the reversal magnetic field strength can be obtained efficiently, so that data can be written with a smaller data write current, The current consumption can be further reduced.

また、トンネル磁気抵抗素子内の中間層を用いてビット線を形成するため、必要とされる金属配線層の数が削減される。このため、特に、MRAMデバイスとロジック等に混載してシステムオンチップデバイスを構成する場合において、MRAMアレイ上部の領域で使用可能な金属配線層の数が増えるので、ロジック側の設計の自由度が増し、チップサイズを低減することができる。   In addition, since the bit line is formed using the intermediate layer in the tunnel magnetoresistive element, the number of metal wiring layers required is reduced. For this reason, in particular, when a system-on-chip device is configured by mixing MRAM devices and logic etc., the number of metal wiring layers that can be used in the region above the MRAM array increases. It is possible to increase the chip size.

[実施の形態2]
実施の形態1においては、トンネル磁気抵抗素子内の中間層を用いてビット線を形成する構成について説明した。しかし、中間層の膜厚はある程度薄く設計せざるを得ないので、中間層を列方向に延在してビット線BLを配置すると、その電気抵抗値が比較的大きくなってしまうおそれがある。これにより、データ読出速度が低下したり、十分なデータ書込電流の供給が困難になるおそれがある。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the configuration in which the bit line is formed using the intermediate layer in the tunnel magnetoresistive element has been described. However, since the thickness of the intermediate layer must be designed to be somewhat thin, if the bit line BL is arranged with the intermediate layer extending in the column direction, the electrical resistance value may be relatively large. As a result, the data reading speed may be reduced, and it may be difficult to supply a sufficient data write current.

したがって、実施の形態2においては、実施の形態1で説明した2層ストレージノード構造のMTJメモリセルが配置されたメモリアレイに対して、階層ビット線構成を適用する。   Therefore, in the second embodiment, the hierarchical bit line configuration is applied to the memory array in which the MTJ memory cells having the two-layer storage node structure described in the first embodiment are arranged.

図10は、実施の形態2に従うメモリアレイ10の構成を示す概略図である。
図10を参照して、実施の形態2に従う構成においては、メモリセル列にそれぞれ対応して、メインビット線MBLとサブビット線SBLとが階層的に配置される。さらに、メモリセル列にそれぞれ対応して、メインビット線MBLと相補のメインビット線/MBLおよびサブビット線SBLと相補のサブビット線/SBLがさらに配置される。サブビット線SBLおよび/SBLは、図3および図5に示したビット線BLと同様に、トンネル磁気抵抗素子100aの中間層107を用いて形成される。一方、メインビット線MBLおよび/MBLは、電気抵抗の小さい金属配線を用いて形成される。メインビット線MBLおよび/MBLは、メインビット線対MBLPを構成し、サブビット線SBLおよび/SBLは、サブビット線対SBLPを構成する。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of memory array 10 according to the second embodiment.
Referring to FIG. 10, in the configuration according to the second embodiment, main bit line MBL and sub bit line SBL are arranged hierarchically corresponding to each memory cell column. Further, a main bit line / MBL complementary to the main bit line MBL and a sub bit line / SBL complementary to the sub bit line SBL are further arranged corresponding to the memory cell columns, respectively. Sub-bit lines SBL and / SBL are formed using intermediate layer 107 of tunneling magneto-resistance element 100a, similarly to bit line BL shown in FIGS. On the other hand, main bit lines MBL and / MBL are formed using metal wirings having a small electric resistance. Main bit lines MBL and / MBL constitute main bit line pair MBLP, and sub bit lines SBL and / SBL constitute sub bit line pair SBLP.

図10においては、第1列および第m列におけるメインビット線MBL1,/MBL1およびMBLm,/MBLmが代表的に示される。メインビット線MBL1および/MBL1は、メインビット線対MBLP1を構成し、メインビット線MBLmおよび/MBLmは、メインビット線対MBLPmを構成する。以下においては、メインビット線MBL1〜MBLmおよび/MBL1〜/MBLmのそれぞれを総称する場合には、単にメインビット線MBLおよび/MBLとも称する。また、メインビット線対MBLP1〜MBLPmを総称する場合には、単にメインビット線対MBLPとも称する。   In FIG. 10, main bit lines MBL1, / MBL1 and MBLm, / MBLm in the first column and the m-th column are representatively shown. Main bit lines MBL1 and / MBL1 constitute a main bit line pair MBLP1, and main bit lines MBLm and / MBLm constitute a main bit line pair MBLPm. Hereinafter, when the main bit lines MBL1 to MBLm and / MBL1 to / MBLm are generically referred to, they are also simply referred to as main bit lines MBL and / MBL. Further, when the main bit line pairs MBLP1 to MBLPm are collectively referred to, they are also simply referred to as main bit line pairs MBLP.

読出/書込制御回路50は、選択されたメモリセル列に対応するメインビット線MBLおよび/MBLに対する、データ書込電流±Iwの供給源として機能する。たとえば、読出/書込制御回路50は、図6と同様の構成を有し、選択されたメモリセル列に対応するメインビット線MBLおよび/MBLのそれぞれを、書込データDINのデータレベルに応じて、電源電圧VDDおよび接地電圧VSSの一方ずつと結合する。   Read / write control circuit 50 functions as a supply source of data write current ± Iw for main bit lines MBL and / MBL corresponding to the selected memory cell column. For example, read / write control circuit 50 has a configuration similar to that of FIG. 6, and each of main bit lines MBL and / MBL corresponding to the selected memory cell column is set in accordance with the data level of write data DIN. Are coupled to one of the power supply voltage VDD and the ground voltage VSS.

各メモリセル列は、行方向に沿って、k個のメモリブロックに分割される。たとえば、第1列に属するMTJメモリセル群は、メモリブロックMBa11〜MBak1に分割され、同様に、第m列に属するメモリセル群は、メモリブロックMBa1m〜MBakmに分割されている。メモリアレイ10全体においては、メモリブロックMBa11〜MBakmが、k行×m列に行列状に配置される。以下においては、メモリブロックMBa11〜MBakmを総称する場合には、単にメモリブロックMBaとも称する。   Each memory cell column is divided into k memory blocks along the row direction. For example, the MTJ memory cell group belonging to the first column is divided into memory blocks MBa11 to MBak1, and similarly, the memory cell group belonging to the mth column is divided into memory blocks MBa1m to MBakm. In the entire memory array 10, memory blocks MBa11 to MBakm are arranged in a matrix of k rows × m columns. Hereinafter, when the memory blocks MBa11 to MBakm are generically referred to, they are also simply referred to as memory blocks MBa.

各メモリセル列において、サブビット線SBLは、メモリブロックMBaごとに配置される。さらに、メモリブロックMBaの各々において、サブビット線SBLと相補のサブビット線/SBLが配置される。互いに相補なサブビット線SBLおよび/SBLは、サブビット線対SBLPを構成する。たとえば、メモリブロックMBa11においては、サブビット線対SBLP11を構成するサブビット線SBL11および/SBL11が配置される。   In each memory cell column, sub bit line SBL is arranged for each memory block MBa. Further, sub bit line / SBL complementary to sub bit line SBL is arranged in each of memory blocks MBa. Sub-bit lines SBL and / SBL complementary to each other constitute sub-bit line pair SBLP. For example, in memory block MBa11, sub bit lines SBL11 and / SBL11 constituting sub bit line pair SBLP11 are arranged.

以下においては、サブビット線SBL11〜SBLkmおよび/SBL11〜/SBLkmのそれぞれを総称する場合には、単にサブビット線SBLおよび/SBLとも称する。   In the following, when each of sub bit lines SBL11 to SBLkm and / SBL11 to / SBLkm are generically referred to, they are also simply referred to as sub bit lines SBL and / SBL.

ブロック選択信号BS1〜BSkは、メモリブロックの行にそれぞれ対応して設けられる。以下、ブロック選択信号BS1〜BSkを総称して、単にブロック選択信号BSとも称する。ブロック選択信号BSは、選択メモリセルが含まれるメモリブロックの行において活性化される。   Block selection signals BS1 to BSk are provided corresponding to the rows of the memory blocks, respectively. Hereinafter, the block selection signals BS1 to BSk are collectively referred to simply as a block selection signal BS. Block selection signal BS is activated in the row of the memory block including the selected memory cell.

すなわち、ブロック選択信号BSおよびメモリセル列(メインビット線対MBLP)の選択によって、選択メモリセルを含む特定のメモリブロックを選択することができる。   That is, a specific memory block including the selected memory cell can be selected by selecting the block selection signal BS and the memory cell column (main bit line pair MBLP).

図11は、メモリブロックMBaの構成を示す回路図である。各メモリブロックMBaの構成は同様であるので、図11には、メモリブロックMBa11の構成が代表的に示される。メモリブロックMBa11には、サブビット線SBL11および/SBL11が配置される。   FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of the memory block MBa. Since the configuration of each memory block MBa is the same, FIG. 11 representatively shows the configuration of the memory block MBa11. Sub-bit lines SBL11 and / SBL11 are arranged in memory block MBa11.

図11を参照して、メモリブロックMBa11には、複数行(たとえば3行)×1列のメモリセル群が配置される。   Referring to FIG. 11, a plurality of (for example, 3 rows) × 1 column memory cell groups are arranged in memory block MBa11.

以下、実施の形態2およびその変形例においては、各メモリブロックに含まれるメモリセル行の数を3個とした構成例を示すが、本願発明の適用はこのような構成に限定されず、各メモリブロックに対応するメモリセル行の数は、任意の複数個とすることができる。   Hereinafter, in the second embodiment and its modification, a configuration example in which the number of memory cell rows included in each memory block is three is shown, but the application of the present invention is not limited to such a configuration, The number of memory cell rows corresponding to the memory block can be arbitrarily plural.

図6に示した構成と同様に、各メモリセル列において、MTJメモリセルMCaは、1行ごとに、サブビット線SBL11および/SBL11の一方ずつと接続される。たとえば、奇数行に対応するMTJメモリセルMCaは、サブビット線SBL11と結合され、偶数行に対応するMTJメモリセルMCaは、サブビット線/SBL11と結合される。   Similar to the configuration shown in FIG. 6, in each memory cell column, MTJ memory cell MCa is connected to one of sub bit lines SBL11 and / SBL11 for each row. For example, MTJ memory cells MCa corresponding to odd rows are coupled to sub bit line SBL11, and MTJ memory cells MCa corresponding to even rows are coupled to sub bit line / SBL11.

以下、実施の形態2およびその変形例においては、各メモリブロックにMTJメモリセルMCaが配置される構成を例示するが、MTJメモリセルMCaに代えて、図5および図9にそれぞれ示したMTJメモリセルMCbおよびMCdを適用することもできる。   Hereinafter, in the second embodiment and its modification, the configuration in which the MTJ memory cell MCa is arranged in each memory block will be exemplified. However, the MTJ memory shown in FIGS. Cells MCb and MCd can also be applied.

MTJメモリセルMCaは、アクセストランジスタATRとトンネル磁気抵抗素子100aとを含む。アクセストランジスタATRは、トンネル磁気抵抗素子100aと接地電圧VSSとの間に電気的に結合される。アクセストランジスタATRのゲートは、対応するメモリセル行のリードワード線RWLと結合される。   MTJ memory cell MCa includes an access transistor ATR and a tunnel magnetoresistive element 100a. Access transistor ATR is electrically coupled between tunneling magneto-resistance element 100a and ground voltage VSS. Access transistor ATR has its gate coupled to read word line RWL of the corresponding memory cell row.

サブビット線SBL11および/SBL11の各々は、メモリブロックMBaごとに分割されるので、短配線化される。この結果、トンネル磁気抵抗素子100aの中間層107を用いて形成される各サブビット線SBLの電気抵抗値を抑制することができる。   Since each of sub bit lines SBL11 and / SBL11 is divided for each memory block MBa, the wiring is shortened. As a result, the electric resistance value of each sub-bit line SBL formed using the intermediate layer 107 of the tunnel magnetoresistive element 100a can be suppressed.

メモリブロックMBa11は、電流スイッチトランジスタSWTaおよびSWTbと、短絡トランジスタEQT11とをさらに含む。   Memory block MBa11 further includes current switch transistors SWTa and SWTb and a short-circuit transistor EQT11.

電流スイッチトランジスタSWTaは、メインビット線MBL1と、サブビット線SBL11の一端(読出/書込制御回路50に近い側)との間に電気的に結合される。同様に、電流スイッチトランジスタSWTbは、メインビット線/MBL1と、サブビット線/SBL11の一端(読出/書込制御回路50に近い側)との間を電気的に結合する。電流スイッチトランジスタSWTa11およびSWTb11の各々のゲートには、ブロック選択信号BS1が入力される。   Current switch transistor SWTa is electrically coupled between main bit line MBL1 and one end of sub-bit line SBL11 (side closer to read / write control circuit 50). Similarly, current switch transistor SWTb electrically couples main bit line / MBL1 and one end (side closer to read / write control circuit 50) of sub bit line / SBL11. Block selection signal BS1 is input to the gates of current switch transistors SWTa11 and SWTb11.

短絡トランジスタEQT11は、サブビット線SBL11および/SBL11の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)同士を、書込選択信号WMB11に応答して電気的に結合する。   Short-circuit transistor EQT11 electrically couples the other ends (side far from read / write control circuit 50) of sub-bit lines SBL11 and / SBL11 in response to write selection signal WMB11.

書込選択信号WMB11は、少なくとも、データ書込時においてブロック選択信号BS1が活性化された場合にHレベルに活性化される。あるいは、さらに列選択結果を加えて、データ書込時において、ブロック選択信号BS1が活性化され、かつメインビット線対MBLP1に対応するメモリセル列が選択された場合にHレベルに活性化される。   Write selection signal WMB11 is activated to H level at least when block selection signal BS1 is activated during data writing. Alternatively, the column selection result is further added to activate H level when block selection signal BS1 is activated and the memory cell column corresponding to main bit line pair MBLP1 is selected at the time of data writing. .

メモリブロックMBa11がデータ書込対象となった場合には、短絡トランジスタEQT11および電流スイッチトランジスタSWTa,SWTbの各々がターンオンする。この結果、読出/書込制御回路50によって、メインビット線MBL1および/MBL1の電圧極性(電源電圧VDDおよび接地電圧VSS)を切換えることによって、書込データDINのレベルに応じた方向のデータ書込電流±Iwを、サブビット線SBL11および/SBL11において、短絡トランジスタEQT11によって折り返される往復電流として流することができる。したがって、データ書込電流±Iwの供給源である読出/書込制御回路50の構成を簡易化できる。   When memory block MBa11 is a data write target, each of short circuit transistor EQT11 and current switch transistors SWTa and SWTb is turned on. As a result, read / write control circuit 50 switches the voltage polarities (power supply voltage VDD and ground voltage VSS) of main bit lines MBL1 and / MBL1, thereby writing data in the direction corresponding to the level of write data DIN. Current ± Iw can be supplied as a round-trip current folded by short-circuit transistor EQT11 in sub-bit lines SBL11 and / SBL11. Therefore, the configuration of read / write control circuit 50 which is a supply source of data write current ± Iw can be simplified.

さらに、選択メモリセルに対応するライトワード線WWLが選択的に活性化されて、データ書込電流Ipの供給を受ける。これにより、選択メモリセルに対して、書込データDINを書込むことができる。   Further, write word line WWL corresponding to the selected memory cell is selectively activated to receive supply of data write current Ip. Thereby, the write data DIN can be written to the selected memory cell.

一方、メモリブロックMBa11がデータ読出対象に選択された場合には、電流スイッチトランジスタSWTaおよびSWTbがオンされる一方で、短絡トランジスタEQT11はターンオフされる。これにより、サブビット線SBL11および/SBL11は、メインビット線MBL1および/MBL1とそれぞれ電気的に結合される。   On the other hand, when memory block MBa11 is selected as a data read target, current switch transistors SWTa and SWTb are turned on, while short circuit transistor EQT11 is turned off. Thus, sub bit lines SBL11 and / SBL11 are electrically coupled to main bit lines MBL1 and / MBL1, respectively.

実施の形態2に従う構成においては、ダミーメモリセルDMCを用いた、いわゆる相補型のデータ読出が実行される。相補型のデータ読出を実行するためのダミーメモリセルDMCは、メインビット線MBL,/MBLの各々に対応して配置される。図11には、メインビット線MBL1に対応して設けられるダミーメモリセルと、メインビット線/MBL1に対応して設けられるダミーメモリセルとが代表的に示される。   In the configuration according to the second embodiment, so-called complementary data reading using dummy memory cell DMC is performed. Dummy memory cells DMC for executing complementary data reading are arranged corresponding to main bit lines MBL and / MBL. FIG. 11 representatively shows a dummy memory cell provided corresponding to main bit line MBL1, and a dummy memory cell provided corresponding to main bit line / MBL1.

ダミーメモリセルDMCの各々は、アクセストランジスタATRと、ダミー抵抗Rdとを有する。ダミー抵抗Rdの電気抵抗値は、記憶データのレベル“1”および“0”にそれぞれ対応するMTJメモリセルの電気抵抗値R1およびR0の中間値に、すなわちR1<Rd<R0に設定される。   Each dummy memory cell DMC has an access transistor ATR and a dummy resistor Rd. The electric resistance value of the dummy resistor Rd is set to an intermediate value between the electric resistance values R1 and R0 of the MTJ memory cell corresponding to the stored data levels “1” and “0”, that is, R1 <Rd <R0.

メインビット線MBL1に対応するダミーメモリセルは、ダミーワード線DWL0の活性化に応答して、接地電圧VSSとメインビット線MBL1との間に電気的に結合される。一方、メインビット線/MBL1に対応して配置されるダミーメモリセルは、ダミーワード線DWL1の活性化に応答して、メインビット線/MBL1と接地電圧VSSとの間に電気的に結合される。   A dummy memory cell corresponding to main bit line MBL1 is electrically coupled between ground voltage VSS and main bit line MBL1 in response to activation of dummy word line DWL0. On the other hand, the dummy memory cell arranged corresponding to main bit line / MBL1 is electrically coupled between main bit line / MBL1 and ground voltage VSS in response to activation of dummy word line DWL1. .

ダミーワード線DWL0およびDWL1は、選択メモリセルが奇数行/偶数行のいずれに属するかに応じて、選択的に活性化される。すなわち、選択メモリセルが奇数行に属する場合、すなわち選択メモリセルがメインビット線MBL1と電気的に結合される場合には、ダミーメモリセルDMCをメインビット線/MBL1と電気的に結合するために、ダミーワード線DWL1が活性化される。反対に、選択メモリセルが偶数行に属する場合には、ダミーメモリセルDMCをメインビット線MBLと電気的に結合するために、ダミーワード線DWL0が活性化される。   Dummy word lines DWL0 and DWL1 are selectively activated according to whether the selected memory cell belongs to an odd row or an even row. That is, when the selected memory cell belongs to an odd row, that is, when the selected memory cell is electrically coupled to main bit line MBL1, in order to electrically couple dummy memory cell DMC to main bit line / MBL1 The dummy word line DWL1 is activated. On the other hand, when the selected memory cell belongs to an even row, dummy word line DWL0 is activated to electrically couple dummy memory cell DMC with main bit line MBL.

これにより、データ読出時においては、相補のメインビット線MBL1および/MBL1に、選択メモリセルおよびダミーメモリセルDMCの一方ずつが電気的に結合される。したがって、メインビット線MBL1および/MBL1の電圧差を検知することによって、選択メモリセルの記憶データを読出すことができる。   Thereby, at the time of data reading, one of each of the selected memory cell and dummy memory cell DMC is electrically coupled to complementary main bit lines MBL1 and / MBL1. Therefore, the data stored in the selected memory cell can be read by detecting the voltage difference between main bit lines MBL1 and / MBL1.

各サブビット線SBL,/SBLは短配線化されており、その電気抵抗値は小さいので、実施の形態1に従う2層ストレージノード構造のMTJメモリセルを用いて、データ書込時における消費電力の削減を図る構成としても、データ読出速度の低下を招くことがない。   Each sub-bit line SBL, / SBL has a short wiring and its electric resistance value is small. Therefore, the MTJ memory cell having the two-layer storage node structure according to the first embodiment is used to reduce power consumption during data writing. Even if it is the structure which aims at, the fall of a data reading speed is not caused.

[実施の形態2の変形例1]
実施の形態2の変形例1に対しては、さらに、効率的なデータ書込電流の供給を実行できる階層サブビット線構成について説明する。
[Modification 1 of Embodiment 2]
For the first modification of the second embodiment, a hierarchical sub-bit line configuration capable of efficiently supplying a data write current will be described.

図12は、実施の形態2の変形例1に従うメモリブロックの構成を示す回路図である。
実施の形態2の変形例1に従う構成においては、図10に示したメモリアレイ10の構成において、メモリブロックMBa11〜MBakmに代えて、メモリブロックMBb11〜MBbkmが配置される。メモリブロックMBb11〜MBbkmの各々は同様の構成を有するので、図12にはメモリブロックMBb11の構成が代表的に示される。
FIG. 12 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block according to the first modification of the second embodiment.
In the configuration according to the first modification of the second embodiment, memory blocks MBb11 to MBbkm are arranged instead of the memory blocks MBa11 to MBakm in the configuration of the memory array 10 shown in FIG. Since each of memory blocks MBb11-MBbkm has the same configuration, FIG. 12 representatively shows the configuration of memory block MBb11.

図12を参照して、メモリブロックMBb11は、図11に示されたメモリブロックMBa11と比較して、短絡トランジスタEQT11および電流スイッチトランジスタSWTa,SWTbの配置位置が入れ換えられている点で異なる。   Referring to FIG. 12, memory block MBb11 is different from memory block MBa11 shown in FIG. 11 in that the arrangement positions of short-circuit transistor EQT11 and current switch transistors SWTa and SWTb are interchanged.

メモリブロックMBb11においては、短絡トランジスタEQT11は、サブビット線SBL11および/SBL11の読出/書込制御回路50に近い側の一端同士を接続する。同様に、電流スイッチトランジスタSWTaは、サブビット線SBL11の読出/書込制御回路50から遠い側の他端と、メインビット線MBL1との間に電気的に結合され、電流スイッチトランジスタSWTbは、サブビット線/SBL11の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)と、メインビット線/MBL1との間に電気的に結合される。   In memory block MBb11, short-circuit transistor EQT11 connects one ends of sub-bit lines SBL11 and / SBL11 closer to the read / write control circuit 50. Similarly, current switch transistor SWTa is electrically coupled between the other end of sub bit line SBL11 on the side far from read / write control circuit 50 and main bit line MBL1, and current switch transistor SWTb is connected to sub bit line SBLb. / SBL11 is electrically coupled between the other end (the side far from read / write control circuit 50) and main bit line / MBL1.

このような構成とすることにより、データ書込時において、データ書込電流±Iwは、メインビット線MBL1およびサブビット線SBL11のそれぞれにおいて、互いに逆方向に流される。同様に、メインビット線/MBL1とサブビット線/SBL11との間においても、データ書込電流±Iwは、それぞれ逆方向に流される。   With such a configuration, at the time of data writing, data write current ± Iw flows in the opposite direction in each of main bit line MBL1 and sub bit line SBL11. Similarly, data write current ± Iw flows in the opposite direction between main bit line / MBL1 and sub bit line / SBL11.

図13は、実施の形態2の変形例1に従うメモリブロックにおけるデータ書込磁界の発生の様子を説明する概念図である。   FIG. 13 is a conceptual diagram illustrating a state of generation of a data write magnetic field in the memory block according to the first modification of the second embodiment.

図13(a)には、サブビット線SBL(/SBL)に、正方向のデータ書込電流+Iwが流される場合のデータ書込磁界の様子が示される。この場合に、メインビット線MBL(/MBL)には、反対方向にデータ書込電流が流されるので、サブビット線SBL(/SBL)およびメインビット線MBL(/MBL)をそれぞれ流れるデータ書込電流によってそれそれ生じるデータ書込磁界は、自由磁化層104において互いに強め合う。自由磁化層104の磁化によって生じた磁束は、もう一方の自由磁化層103を磁化するための磁束として作用するので、より小さいデータ書込電流によって反転磁界強度を発生することができる。   FIG. 13A shows the state of the data write magnetic field when the data write current + Iw in the positive direction is supplied to the sub bit line SBL (/ SBL). In this case, since the data write current flows through main bit line MBL (/ MBL) in the opposite direction, the data write current flowing through sub bit line SBL (/ SBL) and main bit line MBL (/ MBL) respectively. Thus, the data write magnetic fields generated thereby strengthen each other in the free magnetic layer 104. Since the magnetic flux generated by the magnetization of the free magnetic layer 104 acts as a magnetic flux for magnetizing the other free magnetic layer 103, the switching magnetic field strength can be generated by a smaller data write current.

図13(b)には、サブビット線SBL(/SBL)に対して、負方向のデータ書込電流−Iwが流される場合のデータ書込磁界の様子が示されている。この場合においても、図13(a)のケースと同様に、自由磁化層104に作用するデータ書込磁界は、互いに強め合うので、より小さなデータ書込電流によって、MTJメモリセルに対するデータ書込を実行できる。   FIG. 13B shows the state of the data write magnetic field when the negative data write current −Iw is supplied to the sub bit line SBL (/ SBL). Also in this case, as in the case of FIG. 13A, the data write magnetic fields acting on the free magnetic layer 104 reinforce each other, so that data write to the MTJ memory cell can be performed with a smaller data write current. Can be executed.

再び図12を参照して、メモリブロックMBb11のその他の部分の構成は、図11に示されたメモリブロックMBa11と同様であるのでその詳細は繰返さない。すなわち、実施の形態2の変形例1に従う構成におけるデータ読出動作は、実施の形態2に従うメモリブロックMBaと同様に実行できる。   Referring to FIG. 12 again, the configuration of the other parts of memory block MBb11 is similar to that of memory block MBa11 shown in FIG. 11, and therefore details thereof will not be repeated. That is, the data read operation in the configuration according to the first modification of the second embodiment can be performed in the same manner as the memory block MBa according to the second embodiment.

[実施の形態2の変形例2]
実施の形態2の変形例2においては、メインビット線を複数のメモリセル列ごとに配置する構成について説明する。
[Modification 2 of Embodiment 2]
In the second modification of the second embodiment, a configuration in which a main bit line is arranged for each of a plurality of memory cell columns will be described.

図14は、実施の形態2の変形例2に従うメモリアレイの構成を示す概略図である。
図14を参照して、行列状に配されたメモリブロックMBb11〜MBbkmのそれぞれにおいて、サブビット線対SBLPを構成する、サブビット線SBLおよび/SBLが独立して設けられる。各メインビット線対MBLPは、複数のメモリセル列ごとに配置される。図12においては、一例として、2個のメモリセル列ごとにメインビット線対MBLPが配置される構成が示される。したがって、メモリアレイ10全体においては、h個(h:h=m/2の整数)のメインビット線対MBLP1〜MBLPhが配置される。各メインビット線MBLに対するダミーメモリセルDMCの配置は、図11と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a memory array according to the second modification of the second embodiment.
Referring to FIG. 14, in each of memory blocks MBb11-MBbkm arranged in a matrix, sub-bit lines SBL and / SBL constituting sub-bit line pair SBLP are independently provided. Each main bit line pair MBLP is arranged for each of a plurality of memory cell columns. FIG. 12 shows a configuration in which main bit line pair MBLP is arranged for every two memory cell columns as an example. Therefore, in the entire memory array 10, h (h: integer of h = m / 2) main bit line pairs MBLP1 to MBLPh are arranged. Arrangement of dummy memory cells DMC for each main bit line MBL is the same as that in FIG.

メインビット線対MBLP1はメモリブロックMBb11〜MBbk1およびメモリブロックMBb12〜MBbk2によって共有される。   Main bit line pair MBLP1 is shared by memory blocks MBb11-MBbk1 and memory blocks MBb12-MBbk2.

図12において、電流スイッチトランジスタSWTaおよびSWTbのゲートに入力されたブロック選択信号BS1は、同一のメインビット線対に対応する複数のメモリセル間の選択をおこなうために、細分化される。   In FIG. 12, block selection signal BS1 input to the gates of current switch transistors SWTa and SWTb is subdivided in order to select between a plurality of memory cells corresponding to the same main bit line pair.

図14の構成においては、ブロック選択信号BS1は、ブロック選択信号BS1AとBS1Bとに分割される。ブロック選択信号BS1Aは、第1行目のメモリブロックが選択され、かつ選択メモリセルが奇数列に属する場合に活性化される。一方、ブロック選択信号BS1Bは、第1行目のメモリブロックが選択され、かつ選択メモリセルが偶数列に属する場合に活性化される。すなわち、同一のメモリブロックの行に対応するブロック選択信号BS1AおよびBS1Bは、選択メモリセルが偶数列/奇数列のいずれに属するかに応じて、いずれか一方が活性化される。   In the configuration of FIG. 14, block selection signal BS1 is divided into block selection signals BS1A and BS1B. The block selection signal BS1A is activated when the memory block in the first row is selected and the selected memory cell belongs to an odd column. On the other hand, the block selection signal BS1B is activated when the memory block in the first row is selected and the selected memory cell belongs to an even column. That is, one of block select signals BS1A and BS1B corresponding to the same memory block row is activated depending on whether the selected memory cell belongs to an even column or an odd column.

メモリブロックMBa11〜MBak1に対しては、ブロック選択信号BS1A〜BSkAがそれぞれ伝達され、メモリブロックMBa12〜MBak2に対しては、ブロック選択信号BS1B〜BSkBがそれぞれ伝達される。メインビット線対MBPの選択と、ブロック選択信号BS1A,BS1B〜BSkA,BSkBとの組合せによって、選択メモリセルを含むメモリブロックを指定できる。   Block selection signals BS1A to BSkA are transmitted to memory blocks MBa11 to MBak1, respectively, and block selection signals BS1B to BSkB are transmitted to memory blocks MBa12 to MBak2, respectively. A memory block including a selected memory cell can be designated by a combination of selection of the main bit line pair MBP and block selection signals BS1A, BS1B to BSkA, BSkB.

このような構成とすることにより、メモリアレイ10全体において、メインビット線の配置本数を削減することができる。この結果、メインビット線の配線ピッチを確保できる。   With this configuration, the number of main bit lines arranged in the entire memory array 10 can be reduced. As a result, the wiring pitch of the main bit line can be secured.

これにより、データ書込時において比較的大きな電流が流れるメインビット線の配線幅、すなわち断面積を十分に確保して、電流密度を低下できる。したがって、メインビット線におけるエレクトロマイグレーション等の発生を抑制して、MRAMデバイスの動作信頼性を向上することができる。   As a result, it is possible to sufficiently secure the wiring width, that is, the cross-sectional area of the main bit line through which a relatively large current flows during data writing, thereby reducing the current density. Therefore, the occurrence of electromigration or the like in the main bit line can be suppressed, and the operation reliability of the MRAM device can be improved.

さらに、メインビット線の配置本数が削減されることに伴って、ダミーメモリセルの配置個数も削減することができるので、チップ面積の削減を図ることも可能である。   Furthermore, since the number of dummy memory cells can be reduced as the number of main bit lines is reduced, the chip area can be reduced.

[実施の形態2の変形例3]
実施の形態2の以降の変形例においては、各メモリブロックが開放型ビット線構成を有する場合について説明する。
[Modification 3 of Embodiment 2]
In the following modifications of the second embodiment, a case where each memory block has an open bit line configuration will be described.

図15は、実施の形態2の変形例3に従うメモリアレイの構成を示す概略図である。
図15を参照して、実施の形態2の変形例3に従うメモリアレイ10においては、メモリブロックMBc11〜MBckhが、k行×h列に行列状に配される。メモリブロックMBc11〜MBckhの各々は、2個のメモリセル列を含んでいる。したがって、メモリセル行およびメモリセル列の数を実施の形態2と同様とすれば、メモリブロックの個数は実施の形態2の場合の半分となる。なお、以下においては、メモリブロックMBc11〜MBchkを総称して、単にメモリブロックMBcとも称する。
FIG. 15 is a schematic diagram showing a configuration of a memory array according to the third modification of the second embodiment.
Referring to FIG. 15, in memory array 10 according to the third modification of the second embodiment, memory blocks MBc11 to MBckh are arranged in a matrix of k rows × h columns. Each of memory blocks MBc11-MBckh includes two memory cell columns. Therefore, if the number of memory cell rows and memory cell columns is the same as in the second embodiment, the number of memory blocks is half that in the second embodiment. In the following description, the memory blocks MBc11 to MBchk are collectively referred to simply as a memory block MBc.

メインビット線MBL1〜MBLmは、メモリセル列にそれぞれ対応して設けられる。すなわち、各メモリブロックMBcには、対をなす2本ずつのメインビット線MBLが対応付けられる。   Main bit lines MBL1-MBLm are provided corresponding to the memory cell columns, respectively. In other words, each memory block MBc is associated with two main bit lines MBL that form a pair.

図10と同様のブロック選択信号BS1〜BSkに加えて、書込選択信号WMB1A,WMB1B〜WMBkA,WMBkBが設けられる。書込選択信号WMB1A,WMB1B〜WMBkA,WMBkBは、選択メモリセルが属するメモリブロックの行および選択メモリセルが奇数列/偶数列のいずれに属するに応じて、選択的に活性化される。たとえば、書込選択信号WMB1Aは、選択メモリセルが1番目のメモリブロックの行に属し、かつ奇数列に属する場合に活性化される。同様に、書込選択信号WMB1Bは、選択メモリセルが1番目のメモリブロックの行に属し、かつ偶数列に属する場合に活性化される。   In addition to block selection signals BS1 to BSk similar to those in FIG. 10, write selection signals WMB1A, WMB1B to WMBkA, WMBkB are provided. Write selection signals WMB1A, WMB1B to WMBkA, WMBkB are selectively activated according to which row of the memory block to which the selected memory cell belongs and whether the selected memory cell belongs to either the odd column or the even column. For example, write selection signal WMB1A is activated when the selected memory cell belongs to the row of the first memory block and belongs to the odd column. Similarly, write selection signal WMB1B is activated when the selected memory cell belongs to the row of the first memory block and belongs to the even column.

図16は、図15に示されるメモリブロックMBbの構成を説明する回路図である。メモリブロックMBc11〜MBckhの構成は同様であるので、図16においては、メモリブロックMBc11の構成が代表的に示される。   FIG. 16 is a circuit diagram illustrating the configuration of memory block MBb shown in FIG. Since the configurations of the memory blocks MBc11 to MBckh are similar, the configuration of the memory block MBc11 is representatively shown in FIG.

図16を参照して、メモリブロックMBc11は、3行×2列のメモリセルを有する。メモリブロックMBc11には、サブビット線SBL11および/SBL11が配置される。MTJメモリセルMTaは、各メモリセル行において、サブビット線SBL11および/SBL11の両方にそれぞれ対応して配置される。   Referring to FIG. 16, memory block MBc11 has 3 × 2 memory cells. Sub-bit lines SBL11 and / SBL11 are arranged in memory block MBc11. MTJ memory cell MTa is arranged corresponding to both sub bit lines SBL11 and / SBL11 in each memory cell row.

メモリブロックMBc11は、さらに、電流スイッチトランジスタSWTa,SWTb,SWTc,SWTdを有する。   The memory block MBc11 further includes current switch transistors SWTa, SWTb, SWTc, and SWTd.

電流スイッチトランジスタSWTaは、メインビット線MBL1と、サブビット線SBL11の読出/書込制御回路50に近い側の一端との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTbは、メインビット線/MBL1と、サブビット線/SBL11の一端(読出/書込制御回路50に近い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTaおよびSWTbの各々のゲートには、ブロック選択信号BS1が入力される。   Current switch transistor SWTa is electrically coupled between main bit line MBL1 and one end of sub bit line SBL11 on the side closer to read / write control circuit 50. Current switch transistor SWTb is electrically coupled between main bit line / MBL1 and one end of sub bit line / SBL11 (side closer to read / write control circuit 50). Block selection signal BS1 is input to the gates of current switch transistors SWTa and SWTb.

電流スイッチトランジスタSWTcは、メインビット線/MBL1と、サブビット線SBL11の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTdは、メインビット線MBL1と、サブビット線/SBL11の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTdのそれぞれのゲートには、書込選択信号WMB1AおよびWMB1Bがそれぞれ入力される。   Current switch transistor SWTc is electrically coupled between main bit line / MBL1 and the other end (side far from read / write control circuit 50) of sub-bit line SBL11. Current switch transistor SWTd is electrically coupled between main bit line MBL1 and the other end (the side far from read / write control circuit 50) of sub-bit line / SBL11. Write selection signals WMB1A and WMB1B are input to the gates of current switch transistors SWTc and SWTd, respectively.

次に、メモリブロックMBc11におけるデータ書込動作について説明する。
サブビット線SBL11に接続されたメモリセルがデータ書込対象に選択された場合には、ブロック選択信号BS1および書込選択信号WMB1AがHレベルに活性化されて、電流スイッチトランジスタSWTa,SWTb,SWTcがオンする。一方、電流スイッチトランジスタSWTdはオフされる。これにより、メインビット線MBL1〜電流スイッチトランジスタSWTa〜サブビット線SBL11〜電流スイッチトランジスタSWTc〜メインビット線MBL2(/MBL1)の電流経路が形成される。
Next, a data write operation in memory block MBc11 will be described.
When a memory cell connected to sub bit line SBL11 is selected as a data write target, block selection signal BS1 and write selection signal WMB1A are activated to H level, and current switch transistors SWTa, SWTb, SWTc are activated. Turn on. On the other hand, the current switch transistor SWTd is turned off. Thus, a current path is formed from main bit line MBL1 to current switch transistor SWTa to sub bit line SBL11 to current switch transistor SWTc to main bit line MBL2 (/ MBL1).

同様に、サブビット線/SBL11に接続されたメモリセルがデータ書込対象に選択された場合には、ブロック選択信号BS1および書込選択信号WMB1BがHレベルに活性化されて、電流スイッチトランジスタSWTa,SWTb,SWTdがオンする。一方、電流スイッチトランジスタSWTcはオフされる。これにより、メインビット線MBL1〜電流スイッチトランジスタSWTd〜サブビット線/SBL11〜電流スイッチトランジスタSWTb〜メインビット線MBL2(/MBL1)の電流経路が形成される。   Similarly, when a memory cell connected to sub bit line / SBL11 is selected as a data write target, block select signal BS1 and write select signal WMB1B are activated to H level, and current switch transistors SWTa, SWTb and SWTd are turned on. On the other hand, the current switch transistor SWTc is turned off. Thus, a current path is formed from main bit line MBL1 to current switch transistor SWTd to sub bit line / SBL11 to current switch transistor SWTb to main bit line MBL2 (/ MBL1).

さらに、メモリブロックMBc11に対応する、対をなす2本のメインビット線MBL1およびMBL2の電圧を、読出/書込制御回路50によって、図11等における相補のメインビット線MBL1および/MBL1と同様に設定することによって、書込データDINのデータレベルに応じた方向のデータ書込電流±Iwをサブビット線SBL11または/SBL11に流すことができる。   Further, the voltages of the paired main bit lines MBL1 and MBL2 corresponding to the memory block MBc11 are applied by the read / write control circuit 50 in the same manner as the complementary main bit lines MBL1 and / MBL1 in FIG. By setting, data write current ± Iw in the direction according to the data level of write data DIN can be supplied to sub bit line SBL11 or / SBL11.

一方、データ読出時においては、電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTdの両方がターンオフされる一方で、電流スイッチトランジスタSWTaおよびSWTbはターンオンされる。したがって、メインビット線MBL1およびMBL2の各々に、選択されたメモリセル行に対応するメモリセルが電気的に結合される。この結果、選択されたメモリセル列に対応するメインビット線MBLの電圧を検知することによって、選択メモリセルの記憶データを読出すことができる。   On the other hand, at the time of data reading, both current switch transistors SWTc and SWTd are turned off, while current switch transistors SWTa and SWTb are turned on. Therefore, a memory cell corresponding to the selected memory cell row is electrically coupled to each of main bit lines MBL1 and MBL2. As a result, the data stored in the selected memory cell can be read by detecting the voltage of the main bit line MBL corresponding to the selected memory cell column.

このような構成とすることにより、各メモリブロックにおいて開放型ビット線構成に基づいて、サブビット線およびMTJメモリセルを配置した構成においても、実施の形態2と同様の効果を享受したデータ書込およびデータ読出を実行できる。   By adopting such a configuration, even in a configuration in which sub bit lines and MTJ memory cells are arranged in each memory block based on an open bit line configuration, data writing and receiving effects similar to those of the second embodiment can be achieved. Data reading can be executed.

[実施の形態2の変形例4]
図17は、実施の形態2の変形例4に従うメモリアレイ10の構成を示すブロック図である。
[Modification 4 of Embodiment 2]
FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of memory array 10 according to the fourth modification of the second embodiment.

図17を参照して、実施の形態2の変形例4に従う構成においては、メモリブロックMBc11〜MBckhに代えて、メモリブロックMBd11〜MBdkhが配置される点が、図15に示した実施の形態2の変形例3に従う構成と異なる。なお、メモリブロックMBd11〜MBdkhを総称して、メモリブロックMBdとも称する。   Referring to FIG. 17, in the configuration according to the fourth modification of the second embodiment, memory blocks MBd11-MBdkh are arranged instead of memory blocks MBc11-MBckh, and the second embodiment shown in FIG. This is different from the configuration according to the third modification. Note that the memory blocks MBd11 to MBdkh are also collectively referred to as a memory block MBd.

さらに、ブロック選択信号BS1〜BSkは、列選択結果を反映したブロック選択信号BS1A,BS1B〜BSkA〜BSkBに細分化される。ブロック選択信号BS1A,BS1B〜BSkA〜BSkBの設定については、既に説明したとおりであるので詳細な説明は繰り返さない。   Further, the block selection signals BS1 to BSk are subdivided into block selection signals BS1A and BS1B to BSkA to BSkB reflecting the column selection results. Since the setting of block selection signals BS1A, BS1B to BSkA to BSkB has already been described, detailed description will not be repeated.

図18は、図17に示されるメモリブロックMBdの構成を説明する回路図である。メモリブロックMBd11〜MBdkhの構成は同様であるので、図18においても、メモリブロックMBd11の構成が示される。   FIG. 18 is a circuit diagram illustrating a configuration of memory block MBd shown in FIG. Since the configurations of the memory blocks MBd11 to MBdkh are the same, the configuration of the memory block MBd11 is also shown in FIG.

図18を参照して、メモリブロックMBd11は、図16に示されたメモリブロックMBc11と比較して、電流スイッチトランジスタSWTc,SWTd,SWTe,SWTfを有する点で異なる。   Referring to FIG. 18, memory block MBd11 differs from memory block MBc11 shown in FIG. 16 in that it includes current switch transistors SWTc, SWTd, SWTe, and SWTf.

電流スイッチトランジスタSWTcは、メインビット線MBL2と、サブビット線SBL1の一端(読出/書込制御回路50に近い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTdは、メインビット線MBL1と、サブビット線/SBL1の一端(読出/書込制御回路50から近い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTdのそれぞれのゲートには、書込選択信号WMB1AおよびWBM1Bがそれぞれ与えられる。   Current switch transistor SWTc is electrically coupled between main bit line MBL2 and one end (side closer to read / write control circuit 50) of sub-bit line SBL1. Current switch transistor SWTd is electrically coupled between main bit line MBL1 and one end (side closer to read / write control circuit 50) of sub bit line / SBL1. Write selection signals WMB1A and WBM1B are applied to the respective gates of current switch transistors SWTc and SWTd.

電流スイッチトランジスタSWTeは、メインビット線MBL1と、サブビット線SBL1の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTfは、メインビット線MBL2と、サブビット線/SBL1の他端(読出/書込制御回路50から遠い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTeおよびSWTfのそれぞれのゲートには、ブロック選択信号BS1AおよびBS1Bがそれぞれ与えられる。   Current switch transistor SWTe is electrically coupled between main bit line MBL1 and the other end (side far from read / write control circuit 50) of sub-bit line SBL1. Current switch transistor SWTf is electrically coupled between main bit line MBL2 and the other end (side far from read / write control circuit 50) of sub-bit line / SBL1. Block selection signals BS1A and BS1B are applied to the respective gates of current switch transistors SWTe and SWTf.

次に、メモリブロックMBd11におけるデータ書込動作について説明する。
サブビット線SBL11に接続されるメモリセルがデータ書込対象に選択された場合には、ブロック選択信号BS1AおよびWMB1Aが活性化されるので、電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTeがターンオンされる。一方で、電流スイッチトランジスタSWTdおよびSWTfがターンオフされる。この結果、メインビット線MBL1〜電流スイッチトランジスタSWTe〜サブビット線SBL11〜電流スイッチトランジスタSWTc〜メインビット線MBL2(/MBL1)の電流経路にデータ書込電流±Iwを流すことができる。
Next, a data write operation in memory block MBd11 will be described.
When a memory cell connected to sub bit line SBL11 is selected as a data write target, block selection signals BS1A and WMB1A are activated, so that current switch transistors SWTc and SWTe are turned on. On the other hand, current switch transistors SWTd and SWTf are turned off. As a result, data write current ± Iw can be supplied to the current path of main bit line MBL1 through current switch transistor SWTe through sub bit line SBL11 through current switch transistor SWTc through main bit line MBL2 (/ MBL1).

したがって、実施の形態2の変形例4に従う構成においては、メインビット線MBL1およびサブビット線SBL11のそれぞれを反対方向に流れるデータ書込電流±Iwによって生じるデータ書込磁界が選択メモリセルに印加される。   Therefore, in the configuration according to the fourth modification of the second embodiment, the data write magnetic field generated by the data write current ± Iw flowing in the opposite direction through each of main bit line MBL1 and sub bit line SBL11 is applied to the selected memory cell. .

この場合には、メインビット線MBL2(/MBL1)およびサブビット線/SBL11のそれぞれを反対方向に流れるデータ書込電流±Iwによって生じるデータ書込磁界が選択メモリセルに印加される。   In this case, a data write magnetic field generated by data write current ± Iw flowing in the opposite direction through main bit line MBL2 (/ MBL1) and sub bit line / SBL11 is applied to the selected memory cell.

メモリブロックMBd11に対応する2本のメインビット線MBL1およびMBL2の電圧設定は、図16に示したメモリブロックMBc11と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。   Since the voltage setting of two main bit lines MBL1 and MBL2 corresponding to memory block MBd11 is the same as that of memory block MBc11 shown in FIG. 16, detailed description will not be repeated.

この結果、実施の形態2の変形例4に従うデータ書込時には、図13に示したのと同様に、トンネル磁気抵抗素子100a中の自由磁化層104において互いに強め合う方向に作用するデータ書込磁界が印加されることになる。   As a result, at the time of data writing according to the fourth modification of the second embodiment, the data write magnetic field acting in the direction in which the free magnetic layer 104 in the tunnel magnetoresistive element 100a strengthens each other, as shown in FIG. Will be applied.

したがって、実施の形態2の変形例3に従う構成によって享受される効果に加えて、より少ないデータ書込電流によってトンネル磁気抵抗素子中の自由磁化層に反転磁界強度を得ることができるので、データ書込電流の抑制による消費電力低減を図ることが可能となる。   Therefore, in addition to the effect enjoyed by the configuration according to the third modification of the second embodiment, the reversal magnetic field strength can be obtained in the free magnetic layer in the tunnel magnetoresistive element with a smaller data write current. It is possible to reduce power consumption by suppressing the incoming current.

一方、データ読出時においては、選択メモリセルがサブビット線SBL11および/SBL11のいずれに対応するかに応じて、ブロック選択信号BS1AおよびBS1Bのいずれか一方が選択的に活性化される。また、書込選択信号WMB1AおよびWMB1Bの各々は、非活性化される。   On the other hand, at the time of data reading, either one of block selection signals BS1A and BS1B is selectively activated according to which of the sub-bit lines SBL11 and / SBL11 corresponds to the selected memory cell. Write selection signals WMB1A and WMB1B are deactivated.

したがって、データ読出時において、電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTdの両方はターンオフされる。一方、電流スイッチトランジスタSWTeおよびSWTfは、選択メモリセルが奇数列/偶数列のいずれに属するかに応じて、選択的にターンオンされる。   Therefore, at the time of data reading, both current switch transistors SWTc and SWTd are turned off. On the other hand, current switch transistors SWTe and SWTf are selectively turned on according to whether the selected memory cell belongs to an odd column or an even column.

このような構成とすることにより、選択メモリセルが含まれるメモリブロックに対応する2本のメインビット線のうちの、選択メモリセルに対応する一方に対して、サブビット線SBLまたは/SBLを介して、選択メモリセルが電気的に結合される。   By adopting such a configuration, one of the two main bit lines corresponding to the memory block including the selected memory cell corresponding to the selected memory cell is connected via the sub bit line SBL or / SBL. , The selected memory cell is electrically coupled.

一方、当該2本のメインビット線のうちの他方に対しては、MTJメモリセルは結合されないので、実施の形態2で説明したのと同様に、ダミーメモリセルDMCを結合することによって、相補型のデータ読出を実行して、データ読出時の動作マージンを向上することができる。すなわち、図17に示されるように、隣接する2本のメインビット線のそれぞれに対応して、ダミーワード線DWL0によって選択されるダミーメモリセルと、ダミーワード線DWL1によって選択されるダミーメモリセルとをそれぞれ配置することによって、相補型のデータ読出を実行できる。   On the other hand, since the MTJ memory cell is not coupled to the other of the two main bit lines, the dummy memory cell DMC is coupled to form the complementary type as described in the second embodiment. Thus, the operation margin at the time of data reading can be improved. That is, as shown in FIG. 17, a dummy memory cell selected by dummy word line DWL0 and a dummy memory cell selected by dummy word line DWL1 corresponding to each of two adjacent main bit lines, By arranging each of them, complementary data reading can be executed.

[実施の形態2の変形例5]
実施の形態2の変形例5においては、1本のメインビット線MBLを、複数個のメモリブロックの列によって共有する構成が示される。
[Modification 5 of Embodiment 2]
Modification 5 of the second embodiment shows a configuration in which one main bit line MBL is shared by a plurality of memory block columns.

図19は、実施の形態2の変形例5に従うメモリアレイ10の構成を示すブロック図である。   FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of memory array 10 according to the fifth modification of the second embodiment.

図19には、2列分のメモリブロックによって、対をなす2本のメインビット線MBLを共有する構成が示される。したがって、4個のメモリセル列に対応して、2本のメインビット線MBLが配置されることになる。   FIG. 19 shows a configuration in which two main bit lines MBL making a pair are shared by memory blocks for two columns. Therefore, two main bit lines MBL are arranged corresponding to four memory cell columns.

これに対応して、図15に示したブロック選択信号BS1〜BSkは、対をなす2本のメインビット線に対応付けられる4個のメモリセル列に関する4:1の列選択結果を含んだ、ブロック選択信号BS1A,BS1B,BS1C,BS1D〜BSkA,BSkB,BSkC,BSkDに細分化される。   Correspondingly, the block selection signals BS1 to BSk shown in FIG. 15 include a 4: 1 column selection result for the four memory cell columns associated with the two main bit lines forming a pair. Block selection signals BS1A, BS1B, BS1C, BS1D to BSkA, BSkB, BSkC, BSkD are subdivided.

同様に、データ書込時に活性化される書込選択信号についても、WMB1A,WMB1B,WMB1C,WMB1D〜WMBkA,WMBkB,WMBkC,WMBkDに細分化される。   Similarly, the write selection signal activated at the time of data writing is also subdivided into WMB1A, WMB1B, WMB1C, WMB1D to WMBkA, WMBkB, WMBkC, and WMBkD.

たとえば、メモリブロックMBd12において、サブビット線SBL12に対応するメモリセルがデータ書込対象に選択された場合には、ブロック選択信号BS1Cおよび書込選択信号WMB1Cが活性化される。これに対して、サブビット線/SBL11に対応するメモリセルがデータ読出対象に選択された場合には、ブロック選択信号BS1Dのみが活性化される。   For example, in memory block MBd12, when a memory cell corresponding to sub bit line SBL12 is selected as a data write target, block selection signal BS1C and write selection signal WMB1C are activated. In contrast, when a memory cell corresponding to sub bit line / SBL11 is selected as a data read target, only block selection signal BS1D is activated.

メモリブロックMBd11〜MBdkmの構成については、図18と同様であるので詳細な説明は繰返さない。ただし、電流スイッチトランジスタSWTc,SWTd,SWTe,SWTfのそれぞれのゲートに入力されるブロック選択信号および書込選択信号が、4:1の列選択結果を反映した、図19に示されるブロック選択信号および書込選択信号に置換される点のみが異なる。   Since the configuration of memory blocks MBd11-MBdkm is similar to that of FIG. 18, detailed description thereof will not be repeated. However, the block selection signal and the write selection signal input to the gates of the current switch transistors SWTc, SWTd, SWTe, and SWTf respectively reflect the block selection signal shown in FIG. The only difference is that it is replaced by a write selection signal.

このような構成とすることにより、メモリアレイ10全体におけるメインビット線MBLの配置本数を、l本(l:l=h/2=m/4で示される整数)にさらに抑制することができる。すなわち、メインビット線の配置本数は、メモリセル列の数の半分でよいことになる。この結果、メインビット線の配線ピッチおよび配線幅(すなわち断面積)を確保することができるので、電流密度を抑制して、エレクトロマイグレーション等の発生を回避してMRAMデバイスの動作安定性を向上することができる。   With such a configuration, the number of main bit lines MBL arranged in the entire memory array 10 can be further suppressed to 1 (l: an integer represented by 1 = h / 2 = m / 4). That is, the number of main bit lines arranged may be half of the number of memory cell columns. As a result, the wiring pitch and the wiring width (that is, the cross-sectional area) of the main bit line can be secured, so that the current density is suppressed, the occurrence of electromigration and the like is avoided, and the operational stability of the MRAM device is improved. be able to.

[実施の形態3]
実施の形態3においては、実施の形態2で説明した階層ビット線構成を、実施の形態1で説明した2層ストレージノード構造以外のMTJメモリセルに対しても適用する技術について説明する。
[Embodiment 3]
In the third embodiment, a technique for applying the hierarchical bit line configuration described in the second embodiment to MTJ memory cells other than the two-layer storage node structure described in the first embodiment will be described.

図20には、単層ストレージノード構造のMTJメモリセルの構成が示される。
図20を参照して、単層ストレージノード構造のMTJメモリセルMCeは、トンネル磁気抵抗素子100bと、アクセストランジスタATRとを含む。トンネル磁気抵抗素子100bは、反強磁性体層101と、固定磁化層102と、自由磁化層103と、トンネルバリア105とを含む。すなわち、トンネル磁気抵抗素子100bは図48および図49に示した従来の構成のトンネル磁気抵抗素子TMRと同様の構成を有し、ストレージノードに相当する自由磁化層は、単層で構成される。
FIG. 20 shows the configuration of an MTJ memory cell having a single-layer storage node structure.
Referring to FIG. 20, MTJ memory cell MCe having a single-layer storage node structure includes a tunnel magnetoresistive element 100b and an access transistor ATR. The tunnel magnetoresistive element 100 b includes an antiferromagnetic material layer 101, a fixed magnetic layer 102, a free magnetic layer 103, and a tunnel barrier 105. That is, tunneling magneto-resistance element 100b has the same configuration as tunneling magneto-resistance element TMR having the conventional configuration shown in FIGS. 48 and 49, and the free magnetic layer corresponding to the storage node is formed of a single layer.

アクセストランジスタATRの構造は、図3に示したMTJメモリセルMCaと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。アクセストランジスタATRは、バリアメタル108およびビアホール115を介して、トンネル磁気抵抗素子100bと電気的に結合される。   Since access transistor ATR has the same structure as MTJ memory cell MCa shown in FIG. 3, detailed description thereof will not be repeated. Access transistor ATR is electrically coupled to tunneling magneto-resistance element 100b through barrier metal 108 and via hole 115.

自由磁化層103は、列方向に延在して金属配線層に形成されるビット線BLと電気的に結合される。さらに、別の金属配線層に行方向に延在して、ライトワード線WWLが配置される。ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流Ipと、ビット線BLを流れるデータ書込電流±Iwによってそれぞれ生じるデータ書込磁界の組合せに応じて、自由磁化層103の磁化方向を変化させるためのデータ書込磁界が発生される。   Free magnetic layer 103 extends in the column direction and is electrically coupled to bit line BL formed in the metal wiring layer. Further, a write word line WWL is arranged in another metal wiring layer so as to extend in the row direction. Data for changing the magnetization direction of free magnetic layer 103 according to the combination of data write magnetic field generated by data write current Ip flowing through write word line WWL and data write current ± Iw flowing through bit line BL, respectively. A write magnetic field is generated.

図21は、2層ストレージノード構造を有する従来のMTJメモリセルの構成を示す構造図である。   FIG. 21 is a structural diagram showing a configuration of a conventional MTJ memory cell having a two-layer storage node structure.

図21を参照して、メモリセルMCfは、トンネル磁気抵抗素子100cと、アクセストランジスタATRとを含む。   Referring to FIG. 21, memory cell MCf includes a tunnel magnetoresistive element 100c and an access transistor ATR.

トンネル磁気抵抗素子100cは、反強磁性体層101と、固定磁化層102と、自由磁化層103および104と、自由磁化層103および104の間に形成される非磁性の中間層107と、トンネルバリア105とを含む。   The tunnel magnetoresistive element 100c includes an antiferromagnetic material layer 101, a fixed magnetic layer 102, free magnetic layers 103 and 104, a nonmagnetic intermediate layer 107 formed between the free magnetic layers 103 and 104, a tunnel And a barrier 105.

すなわち、トンネル磁気抵抗素子100cは、図51に示した従来の技術に従うトンネル磁気抵抗素子と同様の構成を有している。   That is, tunneling magneto-resistance element 100c has the same configuration as that of the tunneling magneto-resistance element according to the conventional technique shown in FIG.

アクセストランジスタATRの構造は、図3に示したMTJメモリセルMCaと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。アクセストランジスタATRは、バリアメタル108およびビアホール115を介して、トンネル磁気抵抗素子100cと電気的に結合される。   Since access transistor ATR has the same structure as MTJ memory cell MCa shown in FIG. 3, detailed description thereof will not be repeated. Access transistor ATR is electrically coupled to tunneling magneto-resistance element 100 c through barrier metal 108 and via hole 115.

メモリセルMCfに対するデータ書込は、従来の技術の項において、図52を用いて説明したのと同様に行なわれる。   Data writing to memory cell MCf is performed in the same manner as described with reference to FIG.

実施の形態3においては、図20および図21にそれぞれ示されるMTJメモリセルMCeまたはMCfが配置されたメモリアレイにおいて、階層ビット線構成を適用する。以下、実施の形態3およびその変形例においては、各メモリブロックにMTJメモリセルMCeが配置される構成を例示するが、MTJメモリセルMCeに代えて、MTJメモリセルMCfを適用することも可能である。   In the third embodiment, a hierarchical bit line configuration is applied to a memory array in which MTJ memory cells MCe or MCf shown in FIGS. 20 and 21 are arranged, respectively. Hereinafter, in the third embodiment and its modification, the configuration in which the MTJ memory cell MCe is arranged in each memory block is illustrated, but the MTJ memory cell MCf can be applied instead of the MTJ memory cell MCe. is there.

図22は、実施の形態3に従うメモリブロックの構成を示す回路図である。
実施の形態3に従う構成においては、図10に示したメモリアレイ10の構成において、メモリブロックMBa11〜MBakmに代えて、メモリブロックMBe11〜MBekmが配置される。メモリブロックMBe11〜MBekmの各々は同様の構成を有するので、図22にはメモリブロックMBe11の構成が代表的に示される。以下においては、メモリブロックMBe11〜MBekmを総称して、単にメモリブロックMBeとも称する。
FIG. 22 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block according to the third embodiment.
In the configuration according to the third embodiment, memory blocks MBe11 to MBekm are arranged in place of memory blocks MBa11 to MBakm in the configuration of memory array 10 shown in FIG. Since each of memory blocks MBe11-MBekm has the same configuration, FIG. 22 representatively shows the configuration of memory block MBe11. Hereinafter, the memory blocks MBe11 to MBekm are collectively referred to as a memory block MBe.

図22を図11と比較して、メモリブロックMBe11においては、図11に示されたメモリブロックMBa11の構成において、MTJメモリセルMCaが、MTJメモリセルMCeによって置換されている。これらのMTJメモリセルMCfに対するデータ読出およびデータ書込は、図11で説明したのと同様に実行される。   FIG. 22 is compared with FIG. 11. In memory block MBe11, MTJ memory cell MCa is replaced with MTJ memory cell MCe in the configuration of memory block MBa11 shown in FIG. Data reading and data writing to these MTJ memory cells MCf are performed in the same manner as described with reference to FIG.

なお、実施の形態3およびその変形例においても、各メモリブロック含まれるメモリセル行の数を3個とした構成例を示すが、本願発明の適用はこのような構成に限定されず、各メモリブロックに対応するメモリセル行の数は、任意の複数個とすることができる。   In the third embodiment and its modification, a configuration example in which the number of memory cell rows included in each memory block is three is shown, but the application of the present invention is not limited to such a configuration, and each memory The number of memory cell rows corresponding to a block can be any number.

このような構成とすることにより、従来の構成のMTJメモリセルが配置されたメモリアレイに対しても、階層ビット線構成を適用して、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。   By adopting such a configuration, the same effect as that of the second embodiment can be obtained by applying the hierarchical bit line configuration to the memory array in which the MTJ memory cells having the conventional configuration are arranged.

[実施の形態3の変形例1]
図23は、実施の形態3の変形例1に従うメモリブロックの構成を示す回路図である。
[Modification 1 of Embodiment 3]
FIG. 23 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block according to the first modification of the third embodiment.

実施の形態3の変形例1に従う構成においては、図10に示したメモリアレイ10の構成において、メモリブロックMBa11〜MBakmに代えて、メモリブロックMBf11〜MBfkmが配置される。メモリブロックMBf11〜MBfkmの各々は同様の構成を有するので、図23にはメモリブロックMBf11の構成が代表的に示される。以下においては、メモリブロックMBf11〜MBfkmを総称して、単にメモリブロックMBfとも称する。   In the configuration according to the first modification of the third embodiment, memory blocks MBf11 to MBfkm are arranged instead of memory blocks MBa11 to MBakm in the configuration of memory array 10 shown in FIG. Since each of memory blocks MBf11-MBfkm has the same configuration, FIG. 23 representatively shows the configuration of memory block MBf11. Hereinafter, the memory blocks MBf11 to MBfkm are collectively referred to simply as a memory block MBf.

図23を参照して、実施の形態3の変形例1に従うメモリブロックMBf11は、図12に示したメモリブロックMBb11と比較して、電流スイッチトランジスタSWTaが、メインビット線MBL1と、サブビット線/SBL11の読出/書込制御回路50より遠い側の一端との間に電気的に結合される点と、電流スイッチトランジスタSWTbが、メインビット線/MBL1と、サブビット線SBL11の一端(読出/書込制御回路50より遠い側)側との間に電気的に結合される点とが異なる。さらに、メモリセルMCaに代えて、メモリセルMCeが配置されている。   23, memory block MBf11 according to the first modification of the third embodiment has a current switch transistor SWTa, a main bit line MBL1, and a sub bit line / SBL11 compared to memory block MBb11 shown in FIG. And the current switch transistor SWTb is connected to one end of the main bit line / MBL1 and one end of the sub bit line SBL11 (read / write control). It is different in that it is electrically coupled to the side farther from the circuit 50. Further, a memory cell MCe is arranged instead of the memory cell MCa.

このような構成とすることにより、データ書込時におけるデータ書込電流±Iwは、短絡トランジスタEQT11で折り返されて、メインビット線MBL1とサブビット線SBL11とを同一方向を流れる。同様に、メインビット線/MBL1とサブビット線/SBL11との間でも、データ書込電流±Iwは、同一方向を流れる。   With such a configuration, data write current ± Iw at the time of data writing is turned back by short-circuit transistor EQT11 and flows in the same direction through main bit line MBL1 and sub bit line SBL11. Similarly, data write current ± Iw flows in the same direction between main bit line / MBL1 and sub bit line / SBL11.

図24は、図23に示されるメモリブロックにおけるデータ書込磁界の発生の様子を説明する概念図である。   FIG. 24 is a conceptual diagram illustrating a state of generation of a data write magnetic field in the memory block shown in FIG.

図24(a)には、サブビット線SBL(/SBL)に正方向のデータ書込電流+Iwが流される場合が示される。この場合において、対応するメインビット線MBL(/MBL)においても、同方向のデータ書込電流が流される。したがって、これらのデータ書込電流によってそれぞれ生じるデータ書込磁界は、自由磁化層103において互いに強め合う。   FIG. 24A shows a case where a data write current + Iw in the positive direction is supplied to sub bit line SBL (/ SBL). In this case, a data write current in the same direction is also applied to the corresponding main bit line MBL (/ MBL). Therefore, the data write magnetic fields generated by these data write currents reinforce each other in free magnetic layer 103.

図24(b)においては、サブビット線SBL(/SBL)に負方向のデータ書込電流−Iwが流される場合が示される。この場合にも、サブビット線SBL(/SBL)およびメインビット線MBL(/MBL)を流れるデータ書込電流によってそれぞれ生じるデータ書込磁界は、自由磁化層103において互いに強め合う。   FIG. 24B shows a case where negative direction data write current -Iw is caused to flow through sub-bit line SBL (/ SBL). Also in this case, the data write magnetic fields generated by the data write currents flowing through the sub bit line SBL (/ SBL) and the main bit line MBL (/ MBL) reinforce each other in the free magnetic layer 103.

この結果、より小さいデータ書込電流によって、自由磁化層103における反転磁化強度を得ることができる。この結果、MRAMデバイスの低消費電力化を図ることができる。また、データ書込時に選択メモリセル以外に対して発生する磁気ノイズも低減することができる。   As a result, the reversal magnetization intensity in the free magnetic layer 103 can be obtained with a smaller data write current. As a result, the power consumption of the MRAM device can be reduced. Also, magnetic noise generated for data other than the selected memory cell during data writing can be reduced.

このような構成とすることにより、従来の構成のMTJメモリセルに対しても、階層ビット線構成を適用して、データ読出の高速化および低消費電力化を図ることができる。   With such a configuration, the hierarchical bit line configuration can be applied even to the MTJ memory cell having the conventional configuration to achieve high-speed data reading and low power consumption.

また、図21に示される従来の2層ストレージノード構造を有するMTJメモリセルMCfを適用する場合には、同一のデータ書込電流±Iwによって生じるデータ書込磁界は、自由磁化層103において自由磁化層104よりも大きい。したがって、自由磁化層103および104の磁気モーメント(磁化しきい値)を同様に設計しても、自由磁化層103の磁化に追随させて、自由磁化層104を磁気することができる。ただし、図51で説明したのと同様に、自由磁化層103の磁気モーメント(磁化しきい値)を自由磁化層104より大きく設計すれば、自由磁化層103および104の磁化、すなわちデータ書込動作をより確実に実行できる。   When the MTJ memory cell MCf having the conventional two-layer storage node structure shown in FIG. 21 is applied, the data write magnetic field generated by the same data write current ± Iw is generated in the free magnetization layer 103 by the free magnetization. Larger than layer 104. Therefore, even if the magnetic moments (magnetization threshold values) of free magnetic layers 103 and 104 are similarly designed, free magnetic layer 104 can be magnetized following the magnetization of free magnetic layer 103. However, as described with reference to FIG. 51, if the magnetic moment (magnetization threshold) of free magnetic layer 103 is designed to be larger than that of free magnetic layer 104, the magnetization of free magnetic layers 103 and 104, that is, the data write operation Can be executed more reliably.

[実施の形態3の変形例2]
図25は、実施の形態3の変形例2に従うメモリブロックの構成を示す回路図である。
[Modification 2 of Embodiment 3]
FIG. 25 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block according to the second modification of the third embodiment.

実施の形態3の変形例2に従う構成においては、図15に示したメモリアレイ10の構成において、メモリブロックMBc11〜MBckmに代えて、メモリブロックMBg11〜MBgkmが配置される。メモリブロックMBg11〜MBgkmの各々は同様の構成を有するので、図12にはメモリブロックMBg11の構成が代表的に示される。以下においては、メモリブロックMBg11〜MBgkmを総称して、単にメモリブロックMBgとも称する。   In the configuration according to the second modification of the third embodiment, memory blocks MBg11 to MBgkm are arranged instead of memory blocks MBc11 to MBckm in the configuration of memory array 10 shown in FIG. Since each of memory blocks MBg11-MBgkm has the same configuration, FIG. 12 representatively shows the configuration of memory block MBg11. Hereinafter, the memory blocks MBg11 to MBgkm are collectively referred to as a memory block MBg.

図25を参照して、実施の形態3の変形例2に従うメモリブロックMBg11は、図16に示したメモリブロックMBc11と同様の構成を有し、メモリセルMCaがメモリセルMCfに置換されている。すなわち、サブビット線SBL11および/SBL11は、開放型ビット線構成に従って配置され、各メモリセル列において、各メモリセル行ごとにMTJメモリセルMCeが配置される。   Referring to FIG. 25, memory block MBg11 according to the second modification of the third embodiment has the same configuration as memory block MBc11 shown in FIG. 16, and memory cell MCa is replaced with memory cell MCf. That is, sub bit lines SBL11 and / SBL11 are arranged according to an open bit line configuration, and in each memory cell column, MTJ memory cell MCe is arranged for each memory cell row.

電流制御スイッチSWTa,SWTb,SWTc,SWTdの接続関係およびオン・オフ条件は、図16で説明したのと同様であるので詳細な説明は繰返さない。   Since the connection relationship and on / off conditions of current control switches SWTa, SWTb, SWTc, and SWTd are the same as those described in FIG. 16, detailed description thereof will not be repeated.

このような構成とすることにより、従来の構成のMTJメモリセルを開放型ビット線構成に従って配置したメモリアレイにおいても、実施の形態2の変形例3と同様の効果を享受して、データ読出およびデータ書込を実行することができる。   By adopting such a configuration, even in a memory array in which MTJ memory cells having a conventional configuration are arranged according to an open bit line configuration, the same effect as in the third modification of the second embodiment can be enjoyed, and data read and Data writing can be executed.

[実施の形態3の変形例3]
図26は、実施の形態3の変形例3に従うメモリブロックの構成を示す回路図である。
[Modification 3 of Embodiment 3]
FIG. 26 is a circuit diagram showing a configuration of a memory block according to the third modification of the third embodiment.

実施の形態3の変形例3に従う構成においては、図15に示したメモリアレイ10の構成において、メモリブロックMBc11〜MBckmに代えて、メモリブロックMBh11〜MBhkmが配置される。メモリブロックMBh11〜MBhkmの各々は同様の構成を有するので、図26にはメモリブロックMBh11の構成が代表的に示される。以下においては、メモリブロックMBh11〜MBhkmを総称して、単にメモリブロックMBhとも称する。   In the configuration according to the third modification of the third embodiment, memory blocks MBh11 to MBhkm are arranged in place of memory blocks MBc11 to MBckm in the configuration of memory array 10 shown in FIG. Since each of memory blocks MBh11 to MBhkm has the same configuration, FIG. 26 representatively shows the configuration of memory block MBh11. In the following, the memory blocks MBh11 to MBhkm are collectively referred to simply as a memory block MBh.

図26を参照して、実施の形態3の変形例3に従うメモリブロックMBh11は、図25に示したメモリブロックMBg11と比較して、電流スイッチトランジスタSWTa,SWTbに代えて、電流スイッチトランジスタSWTe,SWTfが配置される点で異なる。   Referring to FIG. 26, memory block MBh11 according to the third modification of the third embodiment is different from memory block MBg11 shown in FIG. 25 in place of current switch transistors SWTa, SWTb, and current switch transistors SWTe, SWTf. Is different in that it is placed.

電流スイッチトランジスタSWTeは、メインビット線MBL1と、サブビット線SBL11の読出/書込制御回路50から近い側の一端との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTfは、メインビット線/MBL1と、サブビット線/SBL11の一端(読出/書込制御回路50から近い側)との間に電気的に結合される。電流スイッチトランジスタSWTeおよびSWTfのそれぞれのゲートには、ブロック選択信号BS1AおよびBS1Bがそれぞれ入力される。   Current switch transistor SWTe is electrically coupled between main bit line MBL1 and one end of sub bit line SBL11 on the side closer to read / write control circuit 50. Current switch transistor SWTf is electrically coupled between main bit line / MBL1 and one end of sub bit line / SBL11 (the side closer to read / write control circuit 50). Block selection signals BS1A and BS1B are input to the respective gates of current switch transistors SWTe and SWTf.

このような構成とすることにより、電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTeをターンオンして、サブビット線SBL11に、メインビット線MBL1と同方向のデータ書込電流±Iwを流すことができる。反対に、電流スイッチトランジスタSWTdおよびSWTfとをターンオンすることによって、サブビット線/SBL11に、メインビット線MBL2(/MBL1)と同一方向のデータ書込電流±Iwを流すことができる。   With such a configuration, current switch transistors SWTc and SWTe can be turned on, and data write current ± Iw in the same direction as main bit line MBL1 can be supplied to sub bit line SBL11. Conversely, by turning on current switch transistors SWTd and SWTf, data write current ± Iw in the same direction as main bit line MBL2 (/ MBL1) can be supplied to sub bit line / SBL11.

一方、データ読出時においては、電流スイッチトランジスタSWTcおよびSWTdの両方ターンオフするとともに、電流スイッチトランジスタSWTeおよびSWTfのうちの選択メモリセルに対応する一方のみをターンオンさせる。これにより、図18に示したメモリブロックMBd11と同様に、対をなす2本のメインビット線のうちの選択メモリセルと電気的に結合されない一方をダミーメモリセルと結合させて、相補型のデータ読出を実行することができる。   On the other hand, at the time of data reading, both current switch transistors SWTc and SWTd are turned off, and only one of current switch transistors SWTe and SWTf corresponding to the selected memory cell is turned on. As a result, like the memory block MBd11 shown in FIG. 18, one of the two main bit lines forming a pair that is not electrically coupled to the selected memory cell is coupled to the dummy memory cell, so that the complementary data Reading can be performed.

このように、実施の形態3に従う構成によれば、従来の構造のMTJメモリセルが配置されたメモリアレイにおいても、階層ビット線構成を適用してデータ書込およびデータ読出を実行できる。特に、メインビット線およびサブビット線をそれぞれ流れるデータ書込電流によってそれぞれ生じるデータ書込磁界を、自由磁化層において互いに強め合うように発生させることができる。これにより、データ書込電流を低減することができるので、磁気ノイズの抑制および低消費電力化が図られる。   Thus, according to the configuration according to the third embodiment, data writing and data reading can be executed by applying the hierarchical bit line configuration even in a memory array in which MTJ memory cells having a conventional structure are arranged. In particular, the data write magnetic fields generated by the data write currents flowing through the main bit line and the sub bit line, respectively, can be generated so as to strengthen each other in the free magnetic layer. As a result, the data write current can be reduced, so that magnetic noise can be suppressed and power consumption can be reduced.

[実施の形態4]
実施の形態4においては、実施の形態1に説明した2層ストレージノード構造のMTJメモリセルの他の構成例について説明する。
[Embodiment 4]
In the fourth embodiment, another configuration example of the MTJ memory cell having the two-layer storage node structure described in the first embodiment will be described.

図27は、実施の形態4に従う2層ストレージノード構成を有するMTJメモリセルの構成を示す概念図である。   FIG. 27 is a conceptual diagram showing a configuration of an MTJ memory cell having a two-layer storage node configuration according to the fourth embodiment.

図27を参照して、実施の形態4に従うMTJメモリセルMCgは、トンネル磁気抵抗素子100dとアクセストランジスタATRとを含む。トンネル磁気抵抗素子100dは、反強磁性体層101、固定磁化層102、自由磁化層103,104、トンネルバリア105および中間層107を有する。   Referring to FIG. 27, MTJ memory cell MCg according to the fourth embodiment includes a tunnel magnetoresistive element 100d and an access transistor ATR. The tunnel magnetoresistive element 100d has an antiferromagnetic material layer 101, a fixed magnetic layer 102, free magnetic layers 103 and 104, a tunnel barrier 105, and an intermediate layer 107.

実施の形態4に従う構成においては、中間層107は、行方向に延在するように配置されて、ライトワード線WWLを形成する。一方、ビット線BLは、列方向に延在して、トンネル磁気抵抗素子100dの上層または下層に位置する金属配線層に配置される。図27においては、ビット線BLは、トンネル磁気抵抗素子100dの上層に配置される構造例が示される。   In the configuration according to the fourth embodiment, intermediate layer 107 is arranged to extend in the row direction to form write word line WWL. On the other hand, the bit line BL extends in the column direction and is arranged in a metal wiring layer located in an upper layer or a lower layer of the tunnel magnetoresistive element 100d. FIG. 27 shows an example of a structure in which the bit line BL is disposed in the upper layer of the tunnel magnetoresistive element 100d.

アクセストランジスタATRは、トンネル磁気抵抗素子100dとビット線BLとの間に電気的に結合される。アクセストランジスタATRのゲートには、行方向に延在して配置されるライトワード線RWLが形成される。   Access transistor ATR is electrically coupled between tunneling magneto-resistance element 100d and bit line BL. A write word line RWL extending in the row direction is formed at the gate of access transistor ATR.

図28は、MTJメモリセルMCgにおけるデータ書込磁界の発生の様子を示す概念図である。図28(a),(b)は、図27におけるR−S断面図に相当する。   FIG. 28 is a conceptual diagram showing how a data write magnetic field is generated in MTJ memory cell MCg. 28A and 28B correspond to the cross-sectional view taken along the line RS in FIG.

図28(a)においては、ビット線BLに正方向のデータ書込電流+Iwが流される場合が示され、図28(b)においては、ビット線BLに負方向のデータ化個電流−Iwが流される場合が示される。図28(a)および(b)の場合の両方において、中間層107(ライトワード線WWL)を流れるデータ書込電流Ipの向きは一定である。   FIG. 28A shows a case where a positive direction data write current + Iw flows through bit line BL, and FIG. 28B shows a case where negative direction data write current −Iw flows through bit line BL. The case is shown. In both cases of FIGS. 28A and 28B, the direction of the data write current Ip flowing through the intermediate layer 107 (write word line WWL) is constant.

自由磁化層103および104における、磁化困難軸(HA)方向の磁化は、中間層107を流れるデータ書込電流Ipによって実行される。このような構成とすることにより、自由磁化層103および104にて、磁化困難軸(HA)のデータ書込磁界の発生に必要なデータ書込電流量を抑制することができる。この結果、MRAMデバイスの低消費電力および磁気ノイズの低減が実現される。   Magnetization in the direction of hard axis (HA) in free magnetic layers 103 and 104 is executed by data write current Ip flowing through intermediate layer 107. With such a configuration, it is possible to suppress the amount of data write current required for generating the data write magnetic field of the hard axis (HA) in free magnetic layers 103 and 104. As a result, low power consumption and magnetic noise reduction of the MRAM device are realized.

自由磁化層103および104における磁化容易軸(EA)方向の磁界は、ビット線BLを流れるデータ書込電流±Iwによって行なわれる。   The magnetic field in the easy axis (EA) direction in free magnetic layers 103 and 104 is performed by data write current ± Iw flowing through bit line BL.

トンネル磁気抵抗素子100dにおいては、ビット線BLを流れるデータ書込電流によって生じる磁化容易軸(EA)方向の磁界と中間層107(ライトワード線WWL)を流れるデータ書込電流によって生じる磁化困難軸(HA)方向の磁界とが重畳されて、データ書込が実行される。すなわち、両者の磁界が重畳して印加されるメモリセルのみで磁化方向の反転を伴うデータ書込が実行されるように、自由磁化層103および104の材質や厚さを作り分けて、それぞれの磁気モーメント(磁化しきい値)に強弱をつける必要がある。   In tunnel magnetoresistive element 100d, a magnetic axis in the direction of easy axis (EA) generated by a data write current flowing through bit line BL and a hard axis of magnetization generated by a data write current flowing through intermediate layer 107 (write word line WWL) ( Data writing is performed by superimposing the magnetic field in the direction HA). That is, the materials and thicknesses of the free magnetic layers 103 and 104 are made differently so that data writing with reversal of the magnetization direction is executed only in the memory cell to which both magnetic fields are applied in a superimposed manner. It is necessary to increase or decrease the magnetic moment (magnetization threshold).

図29は、MTJメモリセルMCgを行列状に配置したメモリアレイの構成を示すブロック図である。   FIG. 29 is a block diagram showing a configuration of a memory array in which MTJ memory cells MCg are arranged in a matrix.

図29を参照して、メモリアレイ10は、n行×m列(n,m:自然数)に配列される、2層ストレージノード構造のMTJメモリセルMCgを含む。メモリセルMCgは、アクセストランジスタATRおよびトンネル磁気抵抗素子100dを含む。   Referring to FIG. 29, memory array 10 includes MTJ memory cells MCg having a two-layer storage node structure arranged in n rows × m columns (n, m: natural numbers). Memory cell MCg includes an access transistor ATR and a tunnel magnetoresistive element 100d.

メモリセル行に対応して、リードワード線RWL1〜RWLnおよびライトワード線WWL1〜WWLnがそれぞれ設けられる。メモリセル列にそれぞれ対応して、ビット線BL1〜BLmがそれぞれ設けられる。   Corresponding to the memory cell rows, read word lines RWL1 to RWLn and write word lines WWL1 to WWLn are provided, respectively. Bit lines BL1 to BLm are provided corresponding to the memory cell columns, respectively.

ワード線電流制御回路40は、メモリアレイ10を挟んでワード線ドライバ30と反対側の領域において、各ライトワード線WWLを接地電圧VSSと結合する。これにより、ワード線ドライバ30によって選択的に電源電圧VDDと結合されたライトワード線に対して、一定方向のデータ書込電流Ipを流すことができる。   The word line current control circuit 40 couples each write word line WWL to the ground voltage VSS in a region opposite to the word line driver 30 across the memory array 10. Thereby, data write current Ip in a fixed direction can be supplied to the write word line selectively coupled to power supply voltage VDD by word line driver 30.

図29には、第1行および第n行と、第1、第(m−1)列、および第m列とに対応する、リードワード線RWL1,RWLn、ライトワード線WWL1,WWLn、ビット線BL1,BLm−1,BLmおよびこれらに対応する一部のメモリセルが代表的に示される。   FIG. 29 shows read word lines RWL1, RWLn, write word lines WWL1, WWLn, and bit lines corresponding to the first and nth rows, the first, (m−1) th and mth columns. BL1, BLm-1, BLm and some of the memory cells corresponding thereto are typically shown.

データ読出時においては、中間層107、すなわちライトワード線WWLは、接地電圧VSSに固定される。さらに、選択メモリセルに対応するリードワード線RWLを選択的に活性化することによって、対応するビット線BLと接地電圧VSSとの間に、トンネル磁気抵抗素子100dを電気的に結合することができる。これにより、選択メモリセルと結合されたビット線BLの電圧変化を検知することによって、選択メモリセルの記憶データを読出すことができる。   At the time of data reading, intermediate layer 107, that is, write word line WWL is fixed to ground voltage VSS. Further, by selectively activating read word line RWL corresponding to the selected memory cell, tunneling magneto-resistance element 100d can be electrically coupled between corresponding bit line BL and ground voltage VSS. . Thereby, the storage data of the selected memory cell can be read by detecting the voltage change of the bit line BL coupled to the selected memory cell.

中間層107は、自由磁化層103および104の間に、非磁性の導電体で形成される。中間層107の形状および電気特性は自由に定めることができる。実施の形態4に従う構成においては、中間層107を用いて、ライトワード線WWLが形成されるので、同一のメモリセル列に属するMTJメモリセルの間で中間層107同士が電気的に結合されるように、中間層107は、列方向に延在してストライプ状に配置される。   The intermediate layer 107 is formed of a nonmagnetic conductor between the free magnetic layers 103 and 104. The shape and electrical characteristics of the intermediate layer 107 can be freely determined. In the configuration according to the fourth embodiment, since write word line WWL is formed using intermediate layer 107, intermediate layers 107 are electrically coupled between MTJ memory cells belonging to the same memory cell column. Thus, the intermediate layer 107 extends in the column direction and is arranged in a stripe shape.

[実施の形態4の変形例1]
図30は、実施の形態4の変形例1に従うメモリアレイ10の構成を示す回路図である。
[Modification 1 of Embodiment 4]
FIG. 30 is a circuit diagram showing a configuration of memory array 10 according to the first modification of the fourth embodiment.

図30を参照して、実施の形態4の変形例1に従う構成においては、ライトワード線WWLは階層的に配置される。すなわち、メモリセル行のそれぞれに対応して、メインライトワード線MWWL1〜MWWLnがさらに配置される。以下においては、メインライトワード線MWWL1〜MWWLnを総称して、メインライトワード線MWWLとも称する。   Referring to FIG. 30, in the configuration according to the first modification of the fourth embodiment, write word lines WWL are arranged hierarchically. That is, main write word lines MWWL1 to MWWLn are further arranged corresponding to each of the memory cell rows. In the following, the main write word lines MWWL1 to MWWLn are also collectively referred to as main write word lines MWWL.

実施の形態4に従うメモリセルMCgにおいては、ライトワード線WWLはトンネル磁気抵抗素子100dの中間層107を用いて形成されるので、その電気抵抗値は比較的高くなってしまう。メインライトワード線MWWL1〜MWWLnは、トンネル磁気抵抗素子100dより上層の金属配線層を用いて形成される。   In memory cell MCg according to the fourth embodiment, write word line WWL is formed using intermediate layer 107 of tunneling magneto-resistance element 100d, so that its electrical resistance value is relatively high. The main write word lines MWWL1 to MWWLn are formed using a metal wiring layer above the tunnel magnetoresistive element 100d.

各メモリセル行において、メインライトワード線とライトワード線の一端同士は、ワード線ドライバ30と反対側の領域(ワード線電流制御回路40)において、電気的に結合される。一方、各ライトワード線WWL、すなわち中間層107は、ワード線ドライバ30側の一端において、接地電圧VSSと電気的に結合されている。ワード線ドライバ30は、行選択結果に応じて、データ書込時において選択メモリセルに対応するメインライトワード線MWWLを電源電圧VDDと結合する。   In each memory cell row, one end of the main write word line and the write word line are electrically coupled in a region opposite to the word line driver 30 (word line current control circuit 40). On the other hand, each write word line WWL, that is, the intermediate layer 107 is electrically coupled to the ground voltage VSS at one end on the word line driver 30 side. The word line driver 30 couples the main write word line MWWL corresponding to the selected memory cell to the power supply voltage VDD at the time of data writing according to the row selection result.

このような構成とすることにより、選択メモリセルに対応するメモリセル行において、メインライトワード線MWWLおよびライトワード線WWLに対して、互いに逆方向にデータ書込電流Ipを流すことができる。この結果、メインライトワード線MWWLを流れるデータ書込電流およびライトワード線WWLを流れるデータ書込電流によって、選択メモリセルの自由磁化層に発生する、磁化困難軸(HA)方向の磁界は互いに強め合う。したがって、データ書込電流Ipをさらに抑制することが可能である。   With such a configuration, in the memory cell row corresponding to the selected memory cell, data write current Ip can flow in the opposite directions to main write word line MWWL and write word line WWL. As a result, the magnetic field in the hard axis (HA) direction generated in the free magnetic layer of the selected memory cell is strengthened by the data write current flowing through the main write word line MWWL and the data write current flowing through the write word line WWL. Fit. Therefore, data write current Ip can be further suppressed.

さらに、選択メモリセルに対応するメモリセル列において、対応するビット線BLに書込データDINのデータレベルに応じた方向のデータ書込電流±Iwを流すことによって、選択メモリセルに対するデータ書込を実行することができる。   Further, in the memory cell column corresponding to the selected memory cell, the data write current ± Iw in the direction corresponding to the data level of the write data DIN is supplied to the corresponding bit line BL to write data to the selected memory cell. Can be executed.

一方、データ読出時においては、メインライトワード線MWWLおよびライトワード線WWLの各々を接地電圧VSSに設定し、かつ、選択メモリセルに対応するリードワード線RWLを活性化することによって、選択メモリセルのトンネル磁気抵抗素子100dを、対応するビット線BLと接地電圧VSSとの間に電気的に結合することができる。   On the other hand, at the time of data reading, each of main write word line MWWL and write word line WWL is set to ground voltage VSS, and read word line RWL corresponding to the selected memory cell is activated, thereby selecting memory cell. Tunnel magnetoresistive element 100d can be electrically coupled between corresponding bit line BL and ground voltage VSS.

[実施の形態4の変形例2]
図31は、実施の形態4の変形例2に従う階層ワード線構成を説明する概念図である。
[Modification 2 of Embodiment 4]
FIG. 31 is a conceptual diagram illustrating a hierarchical word line configuration according to the second modification of the fourth embodiment.

図31を参照して、各メモリセル行にそれぞれ対して配置されるライトワード線WWLは、一定領域ごとに、サブライトワード線に分割される。たとえば、第1行に対応するライトワード線WWL1は、k本(k:自然数)のサブライトワード線SWWL11〜SWWL1kに分割して配置される。同様に、第n行のメモリセル行においては、サブライトワード線SWWLn1〜SWWLnkが配置される。以下においては、サブライトワード線SWWL11〜SWWLnkを総称して、単にサブライトワード線SWWLとも称する。サブワード選択信号SW1〜SWkは、サブライトワード線SWWLが分割配置される領域に対応してそれぞれ定義される。   Referring to FIG. 31, write word line WWL arranged for each memory cell row is divided into sub-write word lines for each predetermined region. For example, the write word line WWL1 corresponding to the first row is divided into k (k: natural number) sub-write word lines SWWL11 to SWWL1k. Similarly, sub write word lines SWWLn1 to SWWLnk are arranged in the nth memory cell row. In the following, the sub write word lines SWWL11 to SWWLnk are collectively referred to simply as the sub write word line SWWL. The sub word selection signals SW1 to SWk are respectively defined corresponding to regions where the sub write word lines SWWL are dividedly arranged.

このように、各メモリセル行において、メインライトワード線MWWLおよびサブライトワード線SWWLの階層ワード線構成が適用される。実施の形態4の変形例1と同様に、各サブライトワード線SWWLは、トンネル磁気抵抗素子100dの中間層107を用いて配置される。   Thus, the hierarchical word line configuration of the main write word line MWWL and the sub write word line SWWL is applied to each memory cell row. As in the first modification of the fourth embodiment, each sub-write word line SWWL is arranged using the intermediate layer 107 of the tunnel magnetoresistive element 100d.

したがって、厚さが薄く、単位抵抗当たりの電気抵抗値が比較的高い中間層に形成されるサブライトワード線SWWLを短配線化して、その電気抵抗値を低減できる。   Therefore, the sub-write word line SWWL formed in the intermediate layer having a small thickness and a relatively high electric resistance value per unit resistance can be shortened to reduce the electric resistance value.

メインライトワード線MWWL1〜MWWLnのそれぞれは、ワード線ドライバ30に配置されるメインワードドライバMWD1〜MWDnによって、選択的に電源電圧VDDと結合することによって活性化される。また、サブライトワード線SWWL11〜SWWLnkにそれぞれ対応して、サブワードドライバSWD11〜SWDnkが配置される。以下においては、サブワードドライバSWD11〜SWDnkを総称して、サブワードドライバSWDとも称する。   Each of main write word lines MWWL1 to MWWLn is activated by being selectively coupled to power supply voltage VDD by main word drivers MWD1 to MWDn arranged in word line driver 30. Sub word drivers SWD11 to SWDnk are arranged corresponding to the sub write word lines SWWL11 to SWWLnk, respectively. Hereinafter, the sub word drivers SWD11 to SWDnk are collectively referred to as a sub word driver SWD.

サブワードドライバSWD11〜SWDnkの各々は、対応するメインライトワード線MWWLおよびサブワード選択信号SWi(i:1〜kの整数)に基づいて、両者が活性化された場合に、対応するサブライトワード線SWWLの一端を電源電圧VDDと結合して、活性化する。   Each of the sub word drivers SWD11 to SWDnk corresponds to the corresponding sub write word line SWWL when both are activated based on the corresponding main write word line MWWL and the sub word selection signal SWi (i: integer of 1 to k). One end of each is coupled with the power supply voltage VDD and activated.

たとえば、サブワードドライバSWDは、対応するメインライトワード線MWWLおよびサブライトワード線SWWLの一端との間に接続されて、対応するサブワード選択信号SWiに応答してオン・オフするスイッチ素子によって構成できる。各サブライトワード線SWWLのサブワードドライバSWDと反対側の他端は、接地電圧VSSと結合される。   For example, the sub word driver SWD can be configured by a switch element connected between the corresponding main write word line MWWL and one end of the sub write word line SWWL and turned on / off in response to the corresponding sub word selection signal SWi. The other end of each sub-write word line SWWL opposite to the sub-word driver SWD is coupled to the ground voltage VSS.

サブワードドライバSWDは、メインライトワード線MWWLを流れるデータ書込電流Ipと、サブライトワード線SWWLを流れるデータ書込電流Ipとによってそれぞれ生じるデータ書込磁界が、選択メモリセルの自由磁化層においてが互いに強め合うように考慮して配置される。   The sub word driver SWD generates a data write magnetic field generated by the data write current Ip flowing through the main write word line MWWL and the data write current Ip flowing through the sub write word line SWWL, in the free magnetic layer of the selected memory cell. Arranged so as to strengthen each other.

すなわち、図31に示す構成においては、サブワードドライバSWDは、サブライトワード線SWWLのメインワードドライバMWDよりも遠い側の一端に対応して配置され、サブライトワード線SWWLの他端(メインワードドライバMWDに近い側)が接地電圧VSSと電気的に結合される。   That is, in the configuration shown in FIG. 31, the sub word driver SWD is arranged corresponding to one end of the sub write word line SWWL on the side farther from the main word driver MWD, and the other end (main word driver) of the sub write word line SWWL. The side closer to the MWD) is electrically coupled to the ground voltage VSS.

このような構成とすることにより、実施の形態4に従うMTJメモリセルにおいて、磁化困難軸(HA)方向の必要磁界を発生するためのデータ書込電流Ipを抑制することができる。また、メモリアレイ10全体において行方向に延在させた中間層を用いてライトワード線を構成する場合と比較して、ライトワード線の電気抵抗値を低減することができるので、高速動作が可能である。   With such a configuration, in MTJ memory cell according to the fourth embodiment, data write current Ip for generating a required magnetic field in the hard axis (HA) direction can be suppressed. In addition, the electrical resistance value of the write word line can be reduced as compared with the case where the write word line is configured using the intermediate layer extending in the row direction in the entire memory array 10, so that high speed operation is possible. It is.

[実施の形態4の変形例3]
図32は、実施の形態4の変形例3に従う階層ワード線構成を説明する概念図である。
[Modification 3 of Embodiment 4]
FIG. 32 is a conceptual diagram illustrating a hierarchical word line configuration according to the third modification of the fourth embodiment.

図32を参照して、実施の形態4の変形例3においては、ライトワード線WWLは、実施の形態4の変形例2と同様に、メインライトワード線MWWLおよびサブライトワード線SWWLで階層的に配置される。さらに、リードワード線RWLについても、ライトワード線と同様に、分割配置される。たとえば、第1行のメモリセル行に対応するリードワード線RWL1は、サブライトワード線SWWL11〜SWWL1kにそれぞれ対応するサブリードワード線SRWL11〜SRWL1kに分割される。   Referring to FIG. 32, in the third modification of the fourth embodiment, the write word line WWL is hierarchically composed of the main write word line MWWL and the sub write word line SWWL as in the second modification of the fourth embodiment. Placed in. Further, the read word line RWL is also dividedly arranged in the same manner as the write word line. For example, read word line RWL1 corresponding to the first memory cell row is divided into sub read word lines SRWL11 to SRWL1k corresponding to sub write word lines SWWL11 to SWWL1k, respectively.

既に説明したように、リードワード線RWLは、アクセストランジスタATRのゲート電極層を用いて、ポリシリコン等の比較的高抵抗の材料によって形成される。したがって、各メモリセル行において、短配線化されたサブリードワード線SRWLに分割配置することによって、各サブリードワード線SRWLの電気抵抗値を低減することができる。   As already described, read word line RWL is formed of a relatively high resistance material such as polysilicon using the gate electrode layer of access transistor ATR. Therefore, in each memory cell row, the electrical resistance value of each sub read word line SRWL can be reduced by arranging the sub read word line SRWL in a short wiring.

さらに、サブリードワード線SRWL11〜SRWL1kにそれぞれ対応するサブリードドライバSRD11〜SRD1kが配置される。以下においては、サブリードドライバSRD11〜SRD1kを総称して、サブリードドライバSRDとも称する。サブリードドライバSRDは、データ読出時において、対応するメインライトワード線MWWLおよびサブリードワード線SRWLの一端との間に接続されて、対応するサブワード選択信号SWiの活性化に応答してオンするスイッチ素子によって構成できる。   Further, sub read drivers SRD11 to SRD1k corresponding to the sub read word lines SRWL11 to SRWL1k are arranged. Hereinafter, the sub read drivers SRD11 to SRD1k are also collectively referred to as a sub read driver SRD. The sub read driver SRD is connected between the corresponding main write word line MWWL and one end of the sub read word line SRWL at the time of data reading, and is turned on in response to the activation of the corresponding sub word selection signal SWi. It can be constituted by an element.

メインワードドライバMWD1〜MWDnの各々は、データ読出時およびデータ書込時の両方において、選択メモリセルに対応するメインライトワード線MWWLを選択的に活性化する。   Each of main word drivers MWD1-MWDn selectively activates main write word line MWWL corresponding to the selected memory cell in both data reading and data writing.

このような構成とすることにより、データ書込時においては、図31に示した構成と同様に、メインライトワード線MWWLおよびサブライトワード線SWWLの両方を用いてデータ書込電流Ipを流して、データ書込磁界を発生することができる。したがって、データ書込時においては、図31に示した実施の形態3の変形例に従う構成と同様の効果を強調することができる。   With such a configuration, at the time of data writing, data write current Ip is caused to flow using both main write word line MWWL and sub write word line SWWL, similarly to the configuration shown in FIG. A data write magnetic field can be generated. Therefore, at the time of data writing, the same effect as that of the configuration according to the modification of the third embodiment shown in FIG. 31 can be emphasized.

さらに、データ読出時においては、対応するメインライトワード線MWWLの活性化およびサブリードドライバSRDのオンに応答して、選択メモリセルに対応するサブリードワード線SRWLを活性化することができる。これにより、選択メモリセルに対するデータ読出を実行することができる。   Further, at the time of data reading, sub read word line SRWL corresponding to the selected memory cell can be activated in response to activation of corresponding main write word line MWWL and turning on of sub read driver SRD. Thereby, data reading from the selected memory cell can be executed.

このように、サブリードワード線SRWLを、金属配線であり電気抵抗値の小さいメインライトワード線MWWLを介して活性化することにより、選択メモリセルに対応するサブリードワード線SRWLを、高速に活性化することができる。すなわち、データ読出時におけるサブリードワード線SRWLの信号伝搬時間を短縮して、データ読出動作を高速化することができる。   Thus, by activating the sub read word line SRWL via the main write word line MWWL which is a metal wiring and has a small electric resistance value, the sub read word line SRWL corresponding to the selected memory cell is activated at high speed. Can be That is, it is possible to shorten the signal propagation time of sub read word line SRWL at the time of data reading, and to speed up the data reading operation.

[実施の形態5]
実施の形態1から4においては、2層の自由磁化層の間に設けられる中間層を行方向または列方向に延在して配置して、ライトワード線WWLまたはビット線BLを形成する構成について説明した。実施の形態5においては、各メモリセルごとに中間層を独立に設けることにより、選択メモリセルに対応する中間層に対してのみデータ書込電流を供給可能な構成について説明する。
[Embodiment 5]
In the first to fourth embodiments, an intermediate layer provided between two free magnetic layers is arranged extending in the row direction or the column direction to form the write word line WWL or the bit line BL. explained. In the fifth embodiment, a configuration in which a data write current can be supplied only to an intermediate layer corresponding to a selected memory cell by providing an intermediate layer independently for each memory cell will be described.

図33は、実施の形態5に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。
図33を参照して、実施の形態5に従うMTJメモリセルMCpは、メモリアレイ10全体において、n行×m列にわたって行列状に配置される。各MTJメモリセルMCpは、トンネル磁気抵抗素子100aと、アクセス素子であるアクセストランジスタATRrおよびATRwとを有する。
FIG. 33 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to the fifth embodiment.
Referring to FIG. 33, MTJ memory cells MCp according to the fifth embodiment are arranged in a matrix over n rows × m columns in memory array 10 as a whole. Each MTJ memory cell MCp includes tunneling magneto-resistance element 100a and access transistors ATRr and ATRw which are access elements.

メモリセル行に対応して、リードワード線RWL1〜RWLnおよびライトワード線WWL1〜WWLnに加えて、ライトロウ選択線WRSL1〜WRSLnが配置される。以下においては、ライトロウ選択線WRSL1〜WRSLnを総称してライトロウ選択線WRSLとも称する。   Corresponding to the memory cell rows, write row selection lines WRSL1 to WRSLn are arranged in addition to read word lines RWL1 to RWLn and write word lines WWL1 to WWLn. Hereinafter, the write row selection lines WRSL1 to WRSLn are collectively referred to as a write row selection line WRSL.

また、各メモリセル列に対応して、ビット線BLおよび/BLが設けられる。したがって、メモリアレイ全体においては、リードワード線RWL1〜RWLn、ライトワード線WWL1〜WWLn、ライトロウ選択線WRSL1〜WRSLnおよびビット線BL1〜BLm,/BL1〜/BLmが配置される。   Bit lines BL and / BL are provided corresponding to each memory cell column. Therefore, in the entire memory array, read word lines RWL1 to RWLn, write word lines WWL1 to WWLn, write row selection lines WRSL1 to WRSLn, and bit lines BL1 to BLm, / BL1 to / BLm are arranged.

ライトロウ選択線WRSLは、データ書込時において、選択行に対応してHレベルに活性化される。したがって、ワード線ドライバ30は、各ライトロウ選択線WRSLを、対応するライトワード線WWLと同様のデコード結果に応じて駆動できる。ただし、選択行に対応するライトワード線WWLに対してデータ書込電流Ipが流される一方で、ライトロウ選択線WRSLは、対応するアクセストランジスタATRwのゲート電圧を制御するために設けられるので、積極的に電流が流されることはない。   Write row select line WRSL is activated to H level corresponding to the selected row at the time of data writing. Therefore, the word line driver 30 can drive each write row selection line WRSL according to the same decoding result as that of the corresponding write word line WWL. However, since the data write current Ip is supplied to the write word line WWL corresponding to the selected row, the write row selection line WRSL is provided to control the gate voltage of the corresponding access transistor ATRw. No current is passed through the circuit.

各MTJメモリセルMCpにおいて、トンネル磁気抵抗素子100aはビット線/BLと電気的に結合される。また、アクセストランジスタATRrおよびATRwは、ビット線BLおよびトンネル磁気抵抗素子100aの間に電気的に結合される。アクセストランジスタATRrのゲート電圧は、対応するリードワード線RWLによって制御され、アクセストランジスタATRwのゲート電圧は、対応するライトロウ選択線WRSLによって制御される。   In each MTJ memory cell MCp, tunneling magneto-resistance element 100a is electrically coupled to bit line / BL. Access transistors ATRr and ATRw are electrically coupled between bit line BL and tunneling magneto-resistance element 100a. The gate voltage of access transistor ATRr is controlled by the corresponding read word line RWL, and the gate voltage of access transistor ATRw is controlled by the corresponding write row selection line WRSL.

図34は、実施の形態5に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。
図34を参照して、実施の形態5に従う構成においては、非磁性の導電体で形成される中間層107は、各MTJメモリセルMCpごとに独立に設けられる。中間層107の一端は、ビット線/BLと電気的に結合される。さらに、中間層107の他端は、アクセストランジスタATRwを介してビット線BLと電気的に結合される。すなわち、アクセストランジスタATRwは、対応するビット線BLおよび/BLの間に中間層107と直列に接続されて、中間層107に対してデータ書込電流を選択的に流す機能を有する。
FIG. 34 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell according to the fifth embodiment.
Referring to FIG. 34, in the configuration according to the fifth embodiment, intermediate layer 107 formed of a nonmagnetic conductor is provided independently for each MTJ memory cell MCp. One end of intermediate layer 107 is electrically coupled to bit line / BL. Further, the other end of intermediate layer 107 is electrically coupled to bit line BL via access transistor ATRw. That is, access transistor ATRw is connected in series with intermediate layer 107 between corresponding bit lines BL and / BL, and has a function of selectively allowing a data write current to flow through intermediate layer 107.

トンネル磁気抵抗素子100aに対するデータ書込は、図4(a),(b)で説明したのと同様に実行される。すなわち、中間層107の一端および他端の電圧を制御して、中間層107を流れるデータ書込電流の方向を、書込データに応じて+Iwまたは−Iwとすることによって、自由磁化層103,104を書込データのレベルに応じて磁化することができる。   Data writing to the tunnel magnetoresistive element 100a is executed in the same manner as described with reference to FIGS. That is, by controlling the voltage at one end and the other end of the intermediate layer 107 so that the direction of the data write current flowing through the intermediate layer 107 is + Iw or −Iw depending on the write data, 104 can be magnetized according to the level of the write data.

反強磁性体層101とビット線BLとの間には、アクセストランジスタATRrが設けられる。アクセストランジスタATRwおよびATRrのゲートには、ライトロウ選択線WRSLおよびリードワード線RWLがそれぞれ接続される。   An access transistor ATRr is provided between the antiferromagnetic material layer 101 and the bit line BL. A write row selection line WRSL and a read word line RWL are connected to the gates of access transistors ATRw and ATRr, respectively.

図35は、実施の形態5に従うMTJメモリセルMCpに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。   FIG. 35 is an operation waveform diagram illustrating data read and data write operations on MTJ memory cell MCp according to the fifth embodiment.

図35を参照して、データ読出時においては、ワード線ドライバ30は、選択行に対応するリードワード線RWLを、LレベルからHレベルへ活性化する。これにより、選択行に対応するアクセストランジスタATRrは、ターンオンする。一方、各ライトロウ選択線WRSLおよび各ライトワード線WWLの電圧はLレベル(接地電圧VSS)に維持されるので、アクセストランジスタATRwの各々はターンオフされる。   Referring to FIG. 35, at the time of data reading, word line driver 30 activates read word line RWL corresponding to the selected row from L level to H level. As a result, the access transistor ATRr corresponding to the selected row is turned on. On the other hand, the voltages of each write row selection line WRSL and each write word line WWL are maintained at the L level (ground voltage VSS), so that each of access transistors ATRw is turned off.

読出/書込制御回路50および60は、ビット線/BLを接地電圧VSSと結合するとともに、ビット線BLに対してセンス電流(データ読出電流)Isを供給する。したがって、ターンオンしたアクセストランジスタATRrによって、センス電流Isの供給を受けるビット線BLと接地電圧VSSとの間に、選択メモリセルのトンネル磁気抵抗素子100aを電気的に結合することができる。これにより、ビット線BLには、選択されたMTJメモリセルの記憶データに応じた電圧変化が生じる。したがって、ビット線BLの電圧を検知することによって選択されたMTJメモリセルからのデータ読出が可能である。   Read / write control circuits 50 and 60 couple bit line / BL to ground voltage VSS and supply sense current (data read current) Is to bit line BL. Therefore, tunnel magnetoresistive element 100a of the selected memory cell can be electrically coupled between bit line BL that receives supply of sense current Is and ground voltage VSS by turned on access transistor ATRr. As a result, a voltage change corresponding to the storage data of the selected MTJ memory cell occurs in the bit line BL. Therefore, data can be read from the selected MTJ memory cell by detecting the voltage of the bit line BL.

データ書込時においては、選択行に対応するライトロウ選択線WRSLおよびライトワード線WWLがワード線ドライバ30によって、Hレベル(電源電圧VCC)と結合される。これにより、選択行に対応するライトワード線WWLにはデータ書込電流Ipが流される。また、選択行において、アクセストランジスタATRwがオンする。   At the time of data writing, write row selection line WRSL and write word line WWL corresponding to the selected row are coupled to H level (power supply voltage VCC) by word line driver 30. As a result, the data write current Ip flows through the write word line WWL corresponding to the selected row. In the selected row, access transistor ATRw is turned on.

一方、選択列に対応するビット線BLおよび/BLは、読出/書込制御回路50,60によって、電源電圧VCCおよび接地電圧VSSの一方ずつにそれぞれ設定される。たとえば、“1”の記憶データを書込むために、+Iwのデータ書込電流を流すためには、ビット線BLが電源電圧VCCに設定される一方で、ビット線/BLは接地電圧VSSに設定される。反対に、“0”の記憶データを書込むために中間層107に−Iwの電流を流す場合には、ビット線/BLが電源電圧VCCに設定され、ビット線BLは接地電圧VSSに設定される。一方、非選択列に対応するビット線BLおよび/BLは、接地電圧VSSに設定される。   On the other hand, bit lines BL and / BL corresponding to the selected column are set to one of power supply voltage VCC and ground voltage VSS by read / write control circuits 50 and 60, respectively. For example, to write the stored data of “1”, in order to pass a data write current of + Iw, the bit line BL is set to the power supply voltage VCC while the bit line / BL is set to the ground voltage VSS. Is done. On the other hand, when a current of −Iw is passed through the intermediate layer 107 to write “0” stored data, the bit line / BL is set to the power supply voltage VCC, and the bit line BL is set to the ground voltage VSS. The On the other hand, the bit lines BL and / BL corresponding to the non-selected columns are set to the ground voltage VSS.

これにより、選択メモリセルに対応する中間層107に対してのみデータ書込電流が流して、データ書込を実行することができる。すなわち、非選択メモリセルにおいては、選択メモリセルと同一のメモリセル列あるいは同一のメモリセル行に属する場合であっても、中間層107にデータ書込電流±Iwは流されない。ビット線BLおよび/BLは、トンネル磁気抵抗素子からは離れて配置されているので、実施の形態6に従う構成においては、非選択メモリセルにおけるデータ誤書込の発生を防止することが可能となる。   As a result, the data write current flows only to the intermediate layer 107 corresponding to the selected memory cell, and the data write can be executed. That is, in the non-selected memory cell, even if it belongs to the same memory cell column or the same memory cell row as the selected memory cell, the data write current ± Iw is not passed through the intermediate layer 107. Since bit lines BL and / BL are arranged away from the tunnel magnetoresistive element, in the configuration according to the sixth embodiment, it is possible to prevent erroneous data writing in unselected memory cells. .

[実施の形態5の変形例1]
図36は、実施の形態5の変形例1に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。
[Modification 1 of Embodiment 5]
FIG. 36 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to the first modification of the fifth embodiment.

図36を参照して、実施の形態5の変形例1に従うMTJメモリセルMCqは、メモリアレイ10全体において、n行×m列にわたって行列状に配置される。各MTJメモリセルMCqは、ビット線BLと結合されたトンネル磁気抵抗素子100aと、ビット線/BLおよびトンネル磁気抵抗素子100aの間に設けられたアクセストランジスタATRwと、トンネル磁気抵抗素子100aと接地電圧VSSの間に設けられたアクセストランジスタATRrとを有する。アクセストランジスタATRrのゲート電圧は対応するリードワード線RWLによって制御され、アクセストランジスタATRwのゲート電圧は対応するライトロウ選択線WRSLによって制御される。   Referring to FIG. 36, MTJ memory cells MCq according to the first modification of the fifth embodiment are arranged in a matrix over n rows × m columns in the entire memory array 10. Each MTJ memory cell MCq includes a tunnel magnetoresistive element 100a coupled to bit line BL, an access transistor ATRw provided between bit line / BL and tunnel magnetoresistive element 100a, a tunnel magnetoresistive element 100a and a ground voltage. And an access transistor ATRr provided between VSS. The gate voltage of access transistor ATRr is controlled by the corresponding read word line RWL, and the gate voltage of access transistor ATRw is controlled by the corresponding write row selection line WRSL.

リードワード線RWL、ライトワード線WWL、ライトロウ選択線WRSLおよびビット線BL,/BLの配置は実施の形態6と同様であるので詳細な説明は繰返さない。   Since the arrangement of read word line RWL, write word line WWL, write row selection line WRSL, and bit lines BL, / BL is the same as in the sixth embodiment, detailed description will not be repeated.

図37は、実施の形態5の変形例1に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。   FIG. 37 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell according to the first modification of the fifth embodiment.

図37を参照して、実施の形態5の変形例1に従うMTJメモリセルMCqにおいては、MTJメモリセルごとに独立に設けられる中間層107の一端はビット線BLと結合され、中間層107の他端は、アクセストランジスタATRwを介してビット線/BLと結合される。したがって、アクセストランジスタATRwは、実施の形態5と同様に、対応するビット線BLおよび/BLの間に中間層107と直列に接続されて、中間層107に対してデータ書込電流を選択的に流す機能を有する。アクセストランジスタATRrは、反強磁性体層101と接地電圧VSSとの間に設けられる。   Referring to FIG. 37, in MTJ memory cell MCq according to the first modification of the fifth embodiment, one end of intermediate layer 107 provided independently for each MTJ memory cell is coupled to bit line BL. The end is coupled to bit line / BL via access transistor ATRw. Therefore, as in the fifth embodiment, access transistor ATRw is connected in series with intermediate layer 107 between corresponding bit lines BL and / BL, and selectively applies a data write current to intermediate layer 107. Has the function of flowing. Access transistor ATRr is provided between antiferromagnetic material layer 101 and ground voltage VSS.

アクセストランジスタATRwは、対応するライトロウ選択線WRSLがHレベル(電源電圧VCC)に設定された場合にターンオンし、Lレベル(接地電圧VSS)に設定された場合にターンオンする。同様に、アクセストランジスタATRrは、対応するリードワード線RWLがHレベル(電源電圧VCC)に設定された場合にターンオンし、Lレベル(接地電圧VSS)に設定された場合にターンオフする。   The access transistor ATRw is turned on when the corresponding write row selection line WRSL is set to H level (power supply voltage VCC), and is turned on when it is set to L level (ground voltage VSS). Similarly, the access transistor ATRr is turned on when the corresponding read word line RWL is set to H level (power supply voltage VCC), and is turned off when it is set to L level (ground voltage VSS).

実施の形態5の変形例1に従う構成における、データ読出時およびデータ書込時における、リードワード線RWL、ライトワード線WWL、ライトロウ選択線WRSLおよびビット線BL,/BLの動作波形は、図35に示したのと同様である。すなわち、実施の形態5の変形例1に従う構成においても、リードワード線RWL、ライトワード線WWL、ライトロウ選択線WRSLおよびビット線BL,/BLの電圧および電流を実施の形態5と同様に制御して、データ読出およびデータ書込動作を実行することができる。これにより、実施の形態5と同様に、データ書込時において、選択メモリセルに対応する中間層107のみにデータ書込電流±Iwが流されるので、非選択メモリセルにおいてデータ誤書込が発生することを防止できる。   The operation waveforms of read word line RWL, write word line WWL, write row selection line WRSL, and bit lines BL and / BL at the time of data reading and data writing in the configuration according to the first modification of the fifth embodiment are shown in FIG. It is the same as shown in. That is, in the configuration according to the first modification of the fifth embodiment, the voltages and currents of read word line RWL, write word line WWL, write row selection line WRSL and bit lines BL and / BL are controlled in the same manner as in the fifth embodiment. Thus, data reading and data writing operations can be executed. As in the fifth embodiment, this causes data write current ± Iw to flow only in intermediate layer 107 corresponding to the selected memory cell during data writing, so that erroneous data writing occurs in unselected memory cells. Can be prevented.

[実施の形態5の変形例2]
図38は、実施の形態5の変形例2に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。
[Modification 2 of Embodiment 5]
FIG. 38 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to the second modification of the fifth embodiment.

図38を参照して、実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルMCrは、メモリアレイ10全体においてn行×m列に行列状に配置される。MTJメモリセルMCrは、ビット線/BLと結合されるトンネル磁気抵抗素子100aと、ビット線BLとトンネル磁気抵抗素子100aとの間に電気的に結合されるアクセストランジスタATRwと、リードワード線RWLからトンネル磁気抵抗素子100aに向かう方向を順方向として両者の間にアクセス素子として結合されるアクセスダイオードADrとを含む。   Referring to FIG. 38, MTJ memory cells MCr according to the second modification of the fifth embodiment are arranged in a matrix of n rows × m columns in the entire memory array 10. MTJ memory cell MCr includes tunneling magneto-resistance element 100a coupled to bit line / BL, access transistor ATRw electrically coupled between bit line BL and tunneling magneto-resistance element 100a, and read word line RWL. It includes an access diode ADr coupled as an access element between the two with the direction toward tunneling magneto-resistance element 100a as the forward direction.

リードワード線RWL、ライトワード線WWL、ライトロウ選択線WRSLおよびビット線BL,/BLの配置は実施の形態5と同様であるので詳細な説明は繰返さない。   Since the arrangement of read word line RWL, write word line WWL, write row selection line WRSL and bit lines BL, / BL is the same as in the fifth embodiment, detailed description will not be repeated.

図39は、実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルMCrの構造を説明する概念図である。   FIG. 39 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell MCr according to the second modification of the fifth embodiment.

図39を参照して、実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルMCrは、図34に示した実施の形態5に従うMTJメモリセルMCpと比較して、アクセストランジスタATRrに代えて、アクセスダイオードADrを含む点で異なる。アクセスダイオードADrは、リードワード線RWLから反強磁性体層101に向かう方向を順方向として、両者の間に電気的に結合される。その他の部分の構成は、実施の形態5に従うMTJメモリセルMCpと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。   Referring to FIG. 39, MTJ memory cell MCr according to the second modification of the fifth embodiment has an access diode in place of access transistor ATRr, as compared with MTJ memory cell MCp according to the fifth embodiment shown in FIG. It differs in that it includes ADr. Access diode ADr is electrically coupled between the read word line RWL and the antiferromagnetic layer 101 as a forward direction. Since the structure of other parts is similar to that of MTJ memory cell MCp according to the fifth embodiment, detailed description will not be repeated.

図40は、実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルMCrに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。   FIG. 40 is an operation waveform diagram illustrating data read and data write operations on MTJ memory cell MCr according to the second modification of the fifth embodiment.

図40を参照して、データ読出時においては、ワード線ドライバ30は、選択行に対応するリードワード線RWLを、LレベルからHレベル(電源電圧VCC)へ活性化する。また、読出/書込制御回路50および60は、ビット線/BLを接地電圧VSSと接続して、負方向のセンス電流(データ読出電流)−Isを供給する。これにより、選択行に対応するアクセスダイオードADrは、順バイアスされてオンする。   Referring to FIG. 40, at the time of data reading, word line driver 30 activates read word line RWL corresponding to the selected row from L level to H level (power supply voltage VCC). Read / write control circuits 50 and 60 connect bit line / BL to ground voltage VSS to supply a sense current (data read current) -Is in the negative direction. As a result, the access diode ADr corresponding to the selected row is forward biased and turned on.

一方、各ライトロウ選択線WRSLおよび各ライトワード線WWLの電圧はLレベル(接地電圧VSS)に維持されるので、アクセストランジスタATRwの各々はターンオフされる。また、読出/書込制御回路50および60は、ビット線BLを接地電圧VSSに設定する。   On the other hand, the voltages of each write row selection line WRSL and each write word line WWL are maintained at the L level (ground voltage VSS), so that each of access transistors ATRw is turned off. Read / write control circuits 50 and 60 set bit line BL to ground voltage VSS.

したがって、ターンオンしたアクセスダイオードADrによって、選択メモリセルのトンネル磁気抵抗素子100aにセンス電流を流すことができる。これにより、ビット線BLの電圧を検知することによって選択されたMTJメモリセルからのデータ読出が可能である。   Therefore, a sense current can be passed through tunnel magnetoresistive element 100a of the selected memory cell by access diode ADr that is turned on. Thus, data can be read from the selected MTJ memory cell by detecting the voltage of the bit line BL.

これに対して、非選択行に対応するリードワード線RWLは、Lレベル(接地電圧VSS)に維持されるので、対応するアクセスダイオードADrは、順バイアスされることなくオフ状態を維持する。   In contrast, read word line RWL corresponding to the non-selected row is maintained at the L level (ground voltage VSS), and thus corresponding access diode ADr is maintained in the OFF state without being forward biased.

データ書込時における動作波形は、図35に示したのと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。すなわち、実施の形態5の変形例2に従う構成においても、データ書込時において、選択メモリセルに対応する中間層に対してのみデータ書込電流が流される。したがって、実施の形態5およびその変形例1と同様に、非選択メモリセルにおけるデータ誤書込の発生を防止できる。さらに、アクセストランジスタに代えて、ダイオードをアクセス素子として用いているので、MTJメモリセルを小型化することが可能となる。   Since the operation waveform at the time of data writing is similar to that shown in FIG. 35, detailed description will not be repeated. That is, also in the configuration according to the second modification of the fifth embodiment, the data write current is supplied only to the intermediate layer corresponding to the selected memory cell at the time of data writing. Therefore, in the same manner as in the fifth embodiment and its modification example 1, it is possible to prevent erroneous data writing in unselected memory cells. Further, since the diode is used as the access element instead of the access transistor, the MTJ memory cell can be reduced in size.

[実施の形態5の変形例3]
図41は、実施の形態5の変形例3に従うメモリアレイの構成を示すブロック図である。
[Modification 3 of Embodiment 5]
FIG. 41 is a block diagram showing a configuration of a memory array according to the third modification of the fifth embodiment.

図41を参照して、実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルMCsは、メモリアレイ10全体においてn行×m列に行列状に配置される。MTJメモリセルMCsは、ビット線BLと結合されるトンネル磁気抵抗素子100aと、ビット線/BLとトンネル磁気抵抗素子100aとの間に電気的に結合されるアクセストランジスタATRwと、リードワード線RWLからトンネル磁気抵抗素子100aに向かう方向を順方向として両者の間にアクセス素子として結合されるアクセスダイオードADrとを含む。リードワード線RWL、ライトワード線WWL、ライトロウ選択線WRSLおよびビット線BL,/BLの配置は実施の形態6と同様であるので詳細な説明は繰返さない。   Referring to FIG. 41, MTJ memory cells MCs according to the third modification of the fifth embodiment are arranged in a matrix of n rows × m columns in the entire memory array 10. MTJ memory cell MCs includes a tunnel magnetoresistive element 100a coupled to bit line BL, an access transistor ATRw electrically coupled between bit line / BL and tunnel magnetoresistive element 100a, and read word line RWL. It includes an access diode ADr coupled as an access element between the two with the direction toward tunneling magneto-resistance element 100a as the forward direction. Since the arrangement of read word line RWL, write word line WWL, write row selection line WRSL, and bit lines BL, / BL is the same as in the sixth embodiment, detailed description will not be repeated.

図42は、実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルの構造を説明する概念図である。   FIG. 42 is a conceptual diagram illustrating the structure of an MTJ memory cell according to the third modification of the fifth embodiment.

図42を参照して、実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルMCsは、図39に示した実施の形態5に従うMTJメモリセルMCrと比較して、アクセストランジスタATRwが中間層107とビット線/BLとの間に設けられる点で異なる。中間層107は、ビット線BLと電気的に結合される。その他の部分の構成は、実施の形態5の変形例2に従うMTJメモリセルMCrと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。   Referring to FIG. 42, MTJ memory cell MCs according to the third modification of the fifth embodiment has access transistor ATRw formed of bit layer intermediate layer 107 and bit compared with MTJ memory cell MCr according to the fifth embodiment shown in FIG. It differs in that it is provided between the line / BL. Intermediate layer 107 is electrically coupled to bit line BL. Since the configuration of other parts is similar to that of MTJ memory cell MCr according to the second modification of the fifth embodiment, detailed description will not be repeated.

図43は、実施の形態5の変形例3に従うMTJメモリセルに対するデータ読出およびデータ書込動作を説明する動作波形図である。   FIG. 43 is an operation waveform diagram illustrating data reading and data writing operations for the MTJ memory cell according to the third modification of the fifth embodiment.

図43を参照して、実施の形態5の変形例3に従うデータ書込およびデータ読出動作においては、図40に示した実施の形態5の変形例2に従うデータ書込動作およびデータ読出動作の場合と比較して、ビット線BLおよび/BLの電圧設定が入れ換えられ点で異なる。その他の点については、実施の形態5の変形例2と同様であるので詳細な説明は繰返さない。   Referring to FIG. 43, in the data write operation and data read operation according to the third modification of the fifth embodiment, the data write operation and the data read operation according to the second modification of the fifth embodiment shown in FIG. Is different from the above in that the voltage settings of the bit lines BL and / BL are interchanged. Since the other points are the same as in the second modification of the fifth embodiment, detailed description will not be repeated.

このように、実施の形態5の変形例3に従う構成においても、実施の形態5の変形例2に従う構成と同様に、ダイオードをアクセス素子として用いているので、MTJメモリセルを小型化することが可能となる。   As described above, in the configuration according to the third modification of the fifth embodiment as well, the diode is used as an access element, similarly to the configuration according to the second modification of the fifth embodiment. Therefore, the MTJ memory cell can be reduced in size. It becomes possible.

[実施の形態6]
実施の形態6においては、書込まれる記憶データのレベルに依存することなく、各MTJメモリセルにおける磁化特性を対称とすることが可能な構成例について説明する。
[Embodiment 6]
In the sixth embodiment, a configuration example in which the magnetization characteristics in each MTJ memory cell can be made symmetric without depending on the level of stored data to be written will be described.

以下の説明で明らかとなるように、実施の形態6に従う構成は、実施の形態1から5で説明したトンネル磁気抵抗素子100a、100bおよび100cのいずれに対しても適用することができる。したがって、実施の形態6においては、これらのトンネル磁気抵抗素子を総称して、単にトンネル磁気抵抗素子100と表記することとする。また、それぞれのタイプのトンネル磁気抵抗素子中の自由磁化層についても、自由磁化層VLと総称する。   As will be apparent from the following description, the configuration according to the sixth embodiment can be applied to any of the tunnel magnetoresistive elements 100a, 100b and 100c described in the first to fifth embodiments. Therefore, in the sixth embodiment, these tunnel magnetoresistive elements are collectively referred to simply as tunnel magnetoresistive element 100. The free magnetic layers in each type of tunnel magnetoresistive element are also collectively referred to as free magnetic layer VL.

図44は、実施の形態6に従うデータ書込磁界の方向を示す概念図である。
図44を参照して、データ書込時においては、トンネル磁気抵抗素子100に対して、ビット線BLを流れるデータ書込電流±Iwによって生じるデータ書込磁界H(BL)と、ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流Ipによって生じるデータ書込磁界H(WWL)とが印加される。また、トンネル磁気抵抗素子100中の自由磁化層VLにおいては、静磁性結合に起因する固定磁化層との間の結合磁界ΔHpが、磁界容易軸(EA)に沿った方向に作用している。
FIG. 44 is a conceptual diagram showing the direction of the data write magnetic field according to the sixth embodiment.
Referring to FIG. 44, at the time of data writing, data write magnetic field H (BL) generated by data write current ± Iw flowing through bit line BL and write word line WWL are applied to tunneling magneto-resistance element 100. And a data write magnetic field H (WWL) generated by the data write current Ip flowing through is applied. In the free magnetic layer VL in the tunnel magnetoresistive element 100, the coupling magnetic field ΔHp between the fixed magnetic layer due to the magnetostatic coupling acts in the direction along the magnetic easy axis (EA).

データ書込磁界H(BL)は、自由磁化層VLの磁化容易軸(EA)方向に沿った成分を主に含み、データ書込磁界H(WWL)は、自由磁化層VLの磁化困難軸(HA)方向に沿った成分を主に含む。すなわち、データ書込磁界H(BL)は、自由磁化層VLを磁化容易軸(EA)方向に磁化するために印加され、データ書込磁界H(WWL)は、自由磁化層VLを磁化困難軸(HA)方向に磁化するために印加される。   The data write magnetic field H (BL) mainly includes a component along the easy axis (EA) direction of the free magnetic layer VL, and the data write magnetic field H (WWL) is a hard magnetization axis (free magnetization layer VL). HA) mainly contains components along the direction. That is, the data write magnetic field H (BL) is applied to magnetize the free magnetic layer VL in the easy axis (EA) direction, and the data write magnetic field H (WWL) applies the hard magnetic layer VL to the hard axis. Applied to magnetize in the (HA) direction.

実施の形態6に従う構成においては、データ書込磁界H(WWL)は、自由磁化層VLの磁化困難軸(HA)と完全に平行に印加されるのではではなく、磁化困難軸HAとの間に所定角度αを成すように印加される。これにより、データ書込磁界H(WWL)は、磁化容易軸方向の成分HWWL(e)と、磁化困難軸方向の成分HWWL(h)とに分解される。   In the configuration according to the sixth embodiment, the data write magnetic field H (WWL) is not applied completely parallel to the hard axis (HA) of the free magnetic layer VL, but between the hard axis HA. Is applied at a predetermined angle α. As a result, the data write magnetic field H (WWL) is decomposed into a component HWWL (e) in the easy axis direction and a component HWWL (h) in the hard axis direction.

ここで、それぞれの成分は下式(1),(2)のように示される。
HWWL(e)=H(WWL)・sinα…(1)
HWWL(h)=H(WWL)・cosα…(2)
さらに、所定角度αは、下式(3)を満たすように設定される。
Here, each component is shown as the following formulas (1) and (2).
HWWL (e) = H (WWL) · sin α (1)
HWWL (h) = H (WWL) · cos α (2)
Further, the predetermined angle α is set so as to satisfy the following expression (3).

H(WWL)・sinα+ΔHp=0…(3)
これにより、H(WWL)の磁化容易軸(EA)方向に沿った成分によって、一様な結合磁界ΔHpが相殺される。言い換えれば、データ書込磁界H(WWL)は、結合磁界ΔHpを打ち消す方向の成分を有している。
H (WWL) · sin α + ΔHp = 0 (3)
Thereby, the uniform coupling magnetic field ΔHp is canceled by the component along the easy axis (EA) direction of H (WWL). In other words, the data write magnetic field H (WWL) has a component in a direction that cancels the coupling magnetic field ΔHp.

一方、実施の形態6に従う構成においては、データ書込磁界H(BL)は、磁化容易軸(EA)に沿って、書込データのレベルに応じた方向に印加される。
この結果、データ書込磁界H(BL)のみが作用する形で、磁化容易軸方向に沿った磁化を行なうことができる。
On the other hand, in the configuration according to the sixth embodiment, data write magnetic field H (BL) is applied along the easy axis (EA) in a direction according to the level of write data.
As a result, magnetization along the easy magnetization axis direction can be performed with only the data write magnetic field H (BL) acting.

このような構成とすることにより、磁化容易軸(EA)に沿った方向の磁化特性を、書込データのレベル、すなわちデータ書込電流±Iwの方向に依存せず対称なものとすることができる。この結果、データ書込に必要なデータ書込電流±Iwを抑制することが可能となる。この結果、MRAMデバイスにおける消費電力の削減およびビット線BLの電流密度低下による動作信頼性の向上といった効果が得られる。   With this configuration, the magnetization characteristics in the direction along the easy axis (EA) can be made symmetric without depending on the level of the write data, that is, the direction of the data write current ± Iw. it can. As a result, it is possible to suppress the data write current ± Iw necessary for data writing. As a result, it is possible to obtain effects such as reduction in power consumption in the MRAM device and improvement in operation reliability due to reduction in the current density of the bit line BL.

なお、上述した所定角度αについては、さらに磁化困難軸HA方向に沿った磁化を行なうために、下式(4)を満足する必要がある。   In addition, about the predetermined angle (alpha) mentioned above, in order to perform magnetization along a hard magnetization axis | shaft HA direction, it is necessary to satisfy the following Formula (4).

H(WWL)・cosα>HSWh…(4)
ここでHSWhは、磁化困難軸HA方向に沿った磁化特性における磁化しきい値を示し、HSWhは、図51に示したアステロイド特性線の縦軸の値に相当する。
H (WWL) · cos α> HSWh (4)
Here, HSWh indicates the magnetization threshold value in the magnetization characteristic along the hard magnetization axis HA direction, and HSWh corresponds to the value on the vertical axis of the asteroid characteristic line shown in FIG.

図45は、実施の形態6に従うトンネル磁気抵抗素子の配置を示す概念図である。
図45を参照して、図44に示した各磁界の関係を実現するために、ビット線BLは、自由磁化層VLの磁化容易軸(EA)と直交する方向に延在して配置される。トンネル磁気抵抗素子100(自由磁化層VL)が長方形形状を有する場合には、磁化容易軸(EA)は、長辺方向に相当する。
FIG. 45 is a conceptual diagram showing the arrangement of tunneling magneto-resistance elements according to the sixth embodiment.
Referring to FIG. 45, in order to realize the relationship between the magnetic fields shown in FIG. 44, bit line BL is arranged to extend in a direction perpendicular to the easy axis (EA) of free magnetic layer VL. . When tunneling magneto-resistance element 100 (free magnetic layer VL) has a rectangular shape, the easy axis (EA) corresponds to the long side direction.

これに対して、ライトワード線WWLは、磁化容易軸(EA)と所定角度αを成す方向に延在して配置される。すなわち、ライトワード線WLLおよびビット線BLは互いに直交して設けられるのではなく、(90−α)度の角度を成すように配置される。   On the other hand, the write word line WWL extends in a direction that forms a predetermined angle α with the easy axis (EA). That is, the write word line WLL and the bit line BL are not provided orthogonal to each other, but are arranged at an angle of (90−α) degrees.

トンネル磁気抵抗素子100のうちの少なくとも自由磁化層VL、ならびに、ライトワード線WWLおよびビット線BLの金属配線層について、その形成パターンやCMP(化学的機械的研磨)等による研磨パターンを適切に設計することによって、図46に示した配置を実現できる。このような配置とすることにより、図45に示した実施の形態6に従うデータ書込磁界を、MTJメモリセルに印加することが可能である。   Appropriately design the formation pattern and polishing pattern by CMP (Chemical Mechanical Polishing) etc. for at least the free magnetic layer VL of the tunnel magnetoresistive element 100 and the metal wiring layers of the write word line WWL and the bit line BL. As a result, the arrangement shown in FIG. 46 can be realized. With such an arrangement, the data write magnetic field according to the sixth embodiment shown in FIG. 45 can be applied to the MTJ memory cell.

[実施の形態6の変形例]
実施の形態6の変形例においては、ビット線BLとライトワード線WWLとを互いに直交する方向に配置する構成の下で、実施の形態6と同様の効果を得ることが可能な構成について説明する。
[Modification of Embodiment 6]
In the modification of the sixth embodiment, a configuration capable of obtaining the same effect as that of the sixth embodiment under the configuration in which the bit line BL and the write word line WWL are arranged in directions orthogonal to each other will be described. .

図46は、実施の形態6の変形例に従うデータ書込磁界の方向を示す概念図である
図46を参照して、実施の形態6の変形例に従う構成においては、データ書込磁界H(BL)は、自由磁化層VLの磁化容易軸(EA)方向と所定角度αを成すように、トンネル磁気抵抗素子100は配置される。また、データ書込磁界H(WWL)と、H(BL)とは互いに直交する方向に印加される。すなわち、ビット線BLおよびライトワード線WWLは直交に配置されている。したがって、データ書込磁界H(WWL)は、実施の形態6に従う構成と同様に、自由磁化層VLの磁化困難軸(HA)との間で所定角度αを成している。同様に、データ書込磁界H(BL)は、書込データのレベルに応じて互いに反対方向に設定される。
FIG. 46 is a conceptual diagram showing the direction of the data write magnetic field according to the modification of the sixth embodiment. Referring to FIG. 46, in the configuration according to the modification of the sixth embodiment, data write magnetic field H (BL ) Is arranged such that the tunnel magnetoresistive element 100 forms a predetermined angle α with the easy axis (EA) direction of the free magnetic layer VL. Data write magnetic field H (WWL) and H (BL) are applied in directions orthogonal to each other. That is, the bit line BL and the write word line WWL are arranged orthogonally. Therefore, data write magnetic field H (WWL) forms a predetermined angle α with hard magnetization axis (HA) of free magnetic layer VL, similarly to the configuration according to the sixth embodiment. Similarly, data write magnetic field H (BL) is set in the opposite direction depending on the level of write data.

したがって、トンネル磁気抵抗素子100(自由磁化層)において磁化容易軸(EA)方向に印加される磁界H(e)は、下式(5)で示される。   Therefore, the magnetic field H (e) applied in the easy axis (EA) direction in the tunnel magnetoresistive element 100 (free magnetic layer) is expressed by the following equation (5).

H(e)=H(WWL)・sinα±H(BL)・cosα+ΔHp…(5)
さらに、実施の形態6に従う構成と同様に、(3)式を満たすように所定角度αを設定すれば、実施の形態6と同様の効果を得ることができる。
H (e) = H (WWL) · sin α ± H (BL) · cos α + ΔHp (5)
Further, similarly to the configuration according to the sixth embodiment, if the predetermined angle α is set so as to satisfy the expression (3), the same effect as the sixth embodiment can be obtained.

同様に、トンネル磁気抵抗素子100(自由磁化層)における磁化困難軸HA方向の磁界H(h)は、下式(6)で示される。   Similarly, the magnetic field H (h) in the hard axis HA direction in the tunnel magnetoresistive element 100 (free magnetic layer) is expressed by the following equation (6).

H(h)=H(WWL)・cosα±H(BL)・sinα…(6)
この際に、書込対象となるMTJメモリセル中の自由磁化層VLの磁化方向を更新するために、下式(7)および(8)を満足する必要がある。
H (h) = H (WWL) · cos α ± H (BL) · sin α (6)
At this time, in order to update the magnetization direction of the free magnetic layer VL in the MTJ memory cell to be written, it is necessary to satisfy the following expressions (7) and (8).

|±H(BL)・cosα|>HSWe…(7)
|H(WWL)・cosα±H(BL)・sinα|>HSWh…(8)
なお、HSWhおよびHSWeは、磁化困難軸および磁化容易軸方向にそれぞれ沿った磁化を行なうためのしきい値であり、図51に示したアステロイド特性線の縦軸および横軸の値にそれぞれ相当する。
| ± H (BL) · cosα |> HSWe (7)
| H (WWL) · cosα ± H (BL) · sinα |> HSWh (8)
HSWh and HSWe are threshold values for magnetization along the hard axis and easy axis, respectively, and correspond to the values on the vertical and horizontal axes of the asteroid characteristic line shown in FIG. To do.

このような関係式が満たされるように、所定角度αおよびデータ書込磁界H(WWL),H(BL)をそれぞれ設定すればよい。なお、実施の形態6の変形例に従う構成においては、(8)式から理解されるように、所定角度αが0度である通常の構成と比較して、磁化容易軸(EA)方向に沿った磁化特性を対称にするために、H(WWL)をより大きく設定する必要が生じる。すなわち、ライトワード線WWLを流れるデータ書込電流Ipを大きく設定する必要がある。   The predetermined angle α and the data write magnetic fields H (WWL) and H (BL) may be set so that such a relational expression is satisfied. In the configuration according to the modification of the sixth embodiment, as can be understood from the equation (8), compared with the normal configuration in which the predetermined angle α is 0 degree, the direction along the easy axis (EA) direction. In order to make the magnetization characteristics symmetrical, it is necessary to set H (WWL) larger. That is, it is necessary to set the data write current Ip flowing through the write word line WWL large.

したがって、このような構成は、選択メモリセルに対して記憶データを書込むために必要なデータ書込電流Ipおよび±Iwについて、Ip<|±Iw|となるケースに電流消費を抑制することができる。たとえば、1回のデータ書込動作時において、1つの選択行に対応して、複数のメモリセル列に対応してデータ書込を並列に実行する構成が、このようなケースに該当する。   Therefore, such a configuration suppresses current consumption in the case where Ip <| ± Iw | is satisfied for data write currents Ip and ± Iw necessary for writing stored data to the selected memory cell. it can. For example, a configuration in which data writing is executed in parallel corresponding to a plurality of memory cell columns corresponding to one selected row in one data writing operation corresponds to such a case.

代表的には、高速かつ低消費電力でデータを処理するために、プロセッサなどのロジックと同一の半導体チップに集積されたシステムLSI(大規模集積回路)に適用されて、他の回路との間で多ビットかつ並列にデータ授受を行なうことが要求されるMRAMデバイスに対して、上述した構成に従うデータ書込が効果的である。   Typically, in order to process data with high speed and low power consumption, it is applied to a system LSI (Large Scale Integrated Circuit) integrated on the same semiconductor chip as logic such as a processor, and between other circuits. Thus, data writing according to the above-described configuration is effective for MRAM devices that are required to exchange data in multiple bits in parallel.

図47は、実施の形態6の変形例に従うトンネル磁気抵抗素子の配置を示す概念図である。   FIG. 47 is a conceptual diagram showing an arrangement of tunneling magneto-resistance elements according to the modification of the sixth embodiment.

図47を参照して、図46に示した各磁界の関係を実現するために、ライトワード線WWLは、トンネル磁気抵抗素子100(自由磁化層)の磁化容易軸(EA)と所定角度αを成す方向に延在して配置される。トンネル磁気抵抗素子100が長方形形状を有する場合には、ライトワード線WWLは、トンネル磁気抵抗素子100の長辺方向と所定角度αを成すように配置される。さらに、ビット線BLおよびライトワード線WWLは、互いに直交する方向に延在して配置される。   Referring to FIG. 47, in order to realize the relationship between the magnetic fields shown in FIG. 46, write word line WWL has a predetermined angle α with easy axis (EA) of tunneling magneto-resistance element 100 (free magnetic layer). It is arranged extending in the forming direction. When tunneling magneto-resistance element 100 has a rectangular shape, write word line WWL is arranged to form a predetermined angle α with the long-side direction of tunneling magneto-resistance element 100. Further, the bit line BL and the write word line WWL are arranged extending in a direction orthogonal to each other.

このような配置についても、磁性体層や金属配線層の形成パターンや研磨パターンを適切に設計することによって実現できる。このような配置とすることにより、図46に示した実施の形態6の変形例に従うデータ書込磁界を、MTJメモリセルに印加することが可能である。   Such an arrangement can also be realized by appropriately designing the formation pattern and polishing pattern of the magnetic layer and the metal wiring layer. With such an arrangement, it is possible to apply the data write magnetic field according to the modification of the sixth embodiment shown in FIG. 46 to the MTJ memory cell.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10 メモリアレイ、20 行デコーダ、25 列デコーダ、30 ワード線ドライバ、40 ワード線電流制御回路、50,60 読出/書込制御回路、51W データ書込回路、51R データ読出回路、100a,100b,100c,100d トンネル磁気抵抗素子、101 反強磁性体層、102 固定磁化層、103,104 自由磁気層、105 トンネルバリア、107 中間層、108 バリアメタル、ADr アクセスダイオード、ATR,ATRw,ATRr アクセストランジスタ、BL,/BL ビット線、DB,/DB データバス、DMC ダミーメモリセル、EQT 短絡トランジスタ、Is センス電流、±Iw,Ip データ書込電流、MBa,MBb,MBc,MBd,MBe,MBf,MBg メモリブロック、MCa,MCb,MCd,MCe,MCf,MCg,MCp,MCq,MCr,MCs MTJメモリセル、MBL,/MBL メインビット線、MWD メインワードドライバ、MWWL メインライトワード線、RBL リードビット線、SBL,/SBL サブビット線、SRD サブリードドライバ、SRWL サブリードワード線、SWD サブワードドライバ、SWTa,SWTb,SWTc,SWTd,SWTe,SWTf 電流スイッチトランジスタ、SWWL サブライトワード線、WRSL ライトロウ選択線。   10 memory array, 20 row decoder, 25 column decoder, 30 word line driver, 40 word line current control circuit, 50, 60 read / write control circuit, 51W data write circuit, 51R data read circuit, 100a, 100b, 100c , 100d tunnel magnetoresistive element, 101 antiferromagnetic layer, 102 pinned magnetic layer, 103, 104 free magnetic layer, 105 tunnel barrier, 107 intermediate layer, 108 barrier metal, ADr access diode, ATR, ATRw, ATRr access transistor, BL, / BL bit line, DB, / DB data bus, DMC dummy memory cell, EQT short-circuit transistor, Is sense current, ± Iw, Ip data write current, MBa, MBb, MBc, MBd, MBe, MBf, MBg memory block, Ca, MCb, MCd, MCe, MCf, MCg, MCp, MCq, MCr, MCs MTJ memory cell, MBL, / MBL main bit line, MWD main word driver, MWWL main write word line, RBL read bit line, SBL, / SBL sub-bit line, SRD sub-read driver, SRWL sub-read word line, SWD sub-word driver, SWTa, SWTb, SWTc, SWTd, SWTe, SWTf Current switch transistor, SWWL sub-write word line, WRSL write row select line.

Claims (8)

各々がデータ記憶を実行する複数のメモリセルを備え、
各前記メモリセルは、
記憶データに応じて電気抵抗値が変化する磁気記憶部を含み、
前記磁気記憶部は、
固定された磁化方向を有する第1の磁性体層と、
記憶データのレベルに応じた方向に磁化される第2の磁性体層と、
前記第1および第2の磁性体層の間に形成される絶縁層とを有し、
前記複数のメモリセルのうちのデータ書込対象に選択された少なくとも1つの選択メモリセルに対して、前記第2の磁性体層を磁化するための第1のデータ書込磁界を発生させる第1のデータ書込電流線をさらに備え、
前記第1のデータ書込磁界は、前記記憶データのレベルにかかわらず、前記第2の磁性体層において前記第1の磁性体層から前記第2の磁性体層へ作用する結合磁界を打ち消す方向の成分を有する、薄膜磁性体記憶装置。
Comprising a plurality of memory cells each for performing data storage;
Each of the memory cells
Including a magnetic storage unit whose electrical resistance value changes in accordance with stored data,
The magnetic storage unit
A first magnetic layer having a fixed magnetization direction;
A second magnetic layer magnetized in a direction according to the level of stored data;
An insulating layer formed between the first and second magnetic layers,
A first data write magnetic field for magnetizing the second magnetic layer is generated for at least one selected memory cell selected as a data write target among the plurality of memory cells. The data write current line of
The first data write magnetic field cancels a coupling magnetic field that acts on the second magnetic layer from the first magnetic layer in the second magnetic layer regardless of the level of the stored data. A thin-film magnetic memory device having the following components:
前記選択メモリセルに対して、前記第2の磁性体層を磁化するための第2のデータ書込磁界を発生させる第2のデータ書込電流線をさらに備え、
前記第1のデータ書込磁界は、前記第2の磁性体層の磁化困難軸方向に沿った方向の成分を主に含み、
前記第2のデータ書込磁界は、前記第2の磁性体層の磁化容易軸方向に沿った方向の成分を主に含み、
前記第1のデータ書込電流線は、前記磁化容易軸方向と所定角度を成すように配置される、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置。
A second data write current line for generating a second data write magnetic field for magnetizing the second magnetic layer with respect to the selected memory cell;
The first data write magnetic field mainly includes a component in a direction along the hard axis of the second magnetic layer,
The second data write magnetic field mainly includes a component in a direction along the easy axis direction of the second magnetic layer,
2. The thin film magnetic memory device according to claim 1, wherein the first data write current line is disposed so as to form a predetermined angle with the easy axis direction.
各前記磁気記憶部は、長方形形状を有し、
前記第1のデータ書込電流線は、各前記磁気記憶部の長辺方向と前記所定角度を成すように配置される、請求項2記載の薄膜磁性体記憶装置。
Each of the magnetic storage units has a rectangular shape,
3. The thin film magnetic memory device according to claim 2, wherein the first data write current line is arranged so as to form the predetermined angle with a long side direction of each of the magnetic memory units.
前記第2のデータ書込電流線は、前記磁化容易軸方向と直交するように設けられ、
前記第2のデータ書込磁界は、前記記憶データのレベルに応じた方向を有する、請求項2記載の薄膜磁性体記憶装置。
The second data write current line is provided to be orthogonal to the easy axis direction of magnetization,
3. The thin film magnetic memory device according to claim 2, wherein the second data write magnetic field has a direction corresponding to a level of the stored data.
前記第1および第2のデータ書込電流線は、互いに直交する方向に設けられる、請求項2記載の薄膜磁性体記憶装置。   3. The thin film magnetic memory device according to claim 2, wherein the first and second data write current lines are provided in directions orthogonal to each other. 前記少なくとも1つの選択メモリセルに前記記憶データを書込むために前記第1のデータ書込電流線に流される電流の和は、前記第2のデータ書込電流線に流される電流の和よりも小さい、請求項5記載の薄膜磁性体記憶装置。   The sum of currents that flow through the first data write current line to write the stored data to the at least one selected memory cell is greater than the sum of currents that flow through the second data write current line. The thin film magnetic memory device according to claim 5, which is small. 前記第1のデータ書込磁界は、前記記憶データのレベルにかかわらず同一方向に印加され、
前記第2のデータ書込磁界は、前記記憶データのレベルに応じた方向に印加される、請求項2記載の薄膜磁性体記憶装置。
The first data write magnetic field is applied in the same direction regardless of the level of the stored data,
3. The thin film magnetic memory device according to claim 2, wherein the second data write magnetic field is applied in a direction corresponding to a level of the stored data.
前記磁気記憶部は、
前記絶縁層とは反対側に形成されて、前記第2の磁性体層と逆方向に磁化される第3の磁性体層と、
前記第2および第3の磁性体層の間に形成される非磁性体の中間層とをさらに有する、請求項1記載の薄膜磁性体記憶装置。
The magnetic storage unit
A third magnetic layer formed on the opposite side of the insulating layer and magnetized in the opposite direction to the second magnetic layer;
2. The thin film magnetic memory device according to claim 1, further comprising a non-magnetic intermediate layer formed between the second and third magnetic layers.
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