JP2012248240A - Magnetic memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、磁気メモリに関する。 Embodiments described herein relate generally to a magnetic memory.
磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)は、磁化の方向により抵抗値が変化する磁気抵抗(magnetoresistive)効果を利用したMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として用いている。MTJ素子は、参照層と、記録層と、参照層及び記録層に挟まれ、トンネル障壁を作る絶縁層との3層構造を持つ。参照層の磁化は一方向に固着されており、書き込み動作を行っても反転しない。一方、記録層の磁化は書き込み動作によって外部から与えられるトルクによって磁化が反転する。 A magnetic random access memory (MRAM) uses an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element using a magnetoresistive effect in which a resistance value changes depending on the direction of magnetization as a memory element. The MTJ element has a three-layer structure of a reference layer, a recording layer, and an insulating layer that is sandwiched between the reference layer and the recording layer and forms a tunnel barrier. The magnetization of the reference layer is fixed in one direction and does not reverse even when a write operation is performed. On the other hand, the magnetization of the recording layer is reversed by a torque externally applied by the writing operation.
MTJ素子に直接に電流を流して書き込みを行うスピン注入書き込み方式を用いたMRAMが知られている。MTJ素子に書き込み電流を流した場合、MTJ素子の抵抗値は2つの磁性層の相対的な方向に依存して変化する。つまり、MTJ素子の抵抗値は、記録層と参照層との磁化の方向が平行の場合に低抵抗になり、反平行の場合に高抵抗になる。MTJ素子の低抵抗状態と高抵抗状態とを2値データに対応付けることで、MTJ素子を記憶素子として用いることができる。 There is known an MRAM using a spin injection writing method in which writing is performed by directly passing a current through an MTJ element. When a write current is passed through the MTJ element, the resistance value of the MTJ element changes depending on the relative directions of the two magnetic layers. That is, the resistance value of the MTJ element is low when the magnetization directions of the recording layer and the reference layer are parallel, and high when it is antiparallel. By associating the low resistance state and high resistance state of the MTJ element with binary data, the MTJ element can be used as a memory element.
スピン注入MRAMでは、書き込みの際にトンネル障壁を作る絶縁層に例えばMA/cm2オーダーの高い電流密度の書き込み電流を通電させる。このため、1つのMTJ素子に対してスピン注入書き込みを何度も繰り返すと、トンネル障壁が劣化し、トンネル抵抗の変動や、最終的には絶縁破壊が起こる場合があり、メモリとして十分なMTJ素子の信頼性が得られない。 In the spin injection MRAM, a write current having a high current density of, for example, MA / cm 2 order is applied to an insulating layer that forms a tunnel barrier at the time of writing. For this reason, if spin injection writing is repeated many times for one MTJ element, the tunnel barrier deteriorates, tunnel resistance may change, and eventually dielectric breakdown may occur. The reliability is not obtained.
実施形態は、磁気抵抗素子の寿命を改善することが可能な磁気メモリを提供する。 Embodiments provide a magnetic memory capable of improving the lifetime of a magnetoresistive element.
実施形態に係る磁気メモリは、磁化方向が可変である記録層と、磁化方向が不変である参照層と、前記記録層及び前記参照層に挟まれたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に第1及び第2のデータをそれぞれ書き込むための第1及び第2の書き込み電圧を用いて、前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路とを具備する。前記書き込み回路は、前記磁気抵抗素子に前記第1の書き込み電圧を印加する前に、前記第1の書き込み電圧と逆極性のダミー電圧を印加する。 The magnetic memory according to the embodiment includes a magnetoresistive element having a recording layer in which the magnetization direction is variable, a reference layer in which the magnetization direction is unchanged, and a tunnel barrier layer sandwiched between the recording layer and the reference layer, And a write circuit for writing data to the magnetoresistive element using first and second write voltages for writing first and second data to the magnetoresistive element, respectively. The write circuit applies a dummy voltage having a polarity opposite to that of the first write voltage before applying the first write voltage to the magnetoresistive element.
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. However, it should be noted that the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and ratios of the drawings are not necessarily the same as the actual ones. The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is specified by the shape, structure, arrangement, etc. of components. Is not to be done. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
[第1の実施形態]
[1.磁気メモリの構成]
図1は、第1の実施形態に係るMRAM(磁気メモリ)10の構成を示すブロック図である。メモリセルアレイ11は、MTJ素子(磁気抵抗素子)を含むメモリセルがマトリクス状に配列されて構成されている。メモリセルアレイ11には、それぞれが第1の方向に延在するm本のワード線WL1〜WLm、及びそれぞれが第1の方向と交差する第2の方向に延在するn本のビット線対BL1,/BL1〜BLn,/BLnが配設されている。m及びnはそれぞれ、1以上の整数である。
[First Embodiment]
[1. Configuration of magnetic memory]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an MRAM (magnetic memory) 10 according to the first embodiment. The
ワード線WL1〜WLmには、ロウデコーダ12が接続されている。ロウデコーダ12は、ロウアドレスに基づいて、m本のワード線WLのいずれか1本を選択する。
A
ビット線対BL1,/BL1〜BLn,/BLnには、カラム選択回路13を介して、読み出し回路(センスアンプ)15及び書き込み回路(ライトドライバ)16が接続されている。カラム選択回路13は、例えば、全ビット線に対応する数のNチャネルMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を備えており、カラムデコーダ14の指示に応じて、動作に必要なビット線対BL,/BLを選択する。カラムデコーダ14は、カラムアドレスをデコードし、このデコード信号をカラム選択回路13に送る。
A read circuit (sense amplifier) 15 and a write circuit (write driver) 16 are connected to the bit line pairs BL1, / BL1 to BLn, / BLn via a
読み出し回路15は、読み出し対象である選択メモリセルに読み出し電圧を印加する。そして、選択メモリセルに流れる読み出し電流に基づいて、選択メモリセルに記憶されたデータを検知する。読み出し回路15によって読み出されたデータは、入出力バッファ(I/Oバッファ)19を介して外部に出力される。
The
書き込み回路16は、I/Oバッファ19を介して、外部から書き込みデータを受ける。書き込み回路16は、書き込み対象である選択メモリセルに接続されたビット線対BL,/BLに書き込み電圧を印加する。そして、選択メモリセルに書き込み電流を流すことで、選択メモリセルにデータを書き込む。
The
アドレスバッファ17は、外部からアドレスを受ける。そして、アドレスバッファ17は、ロウアドレスをロウデコーダ12に送り、カラムアドレスをカラムデコーダ14に送る。制御信号バッファ18は、外部から制御信号を受け、この制御信号を読み出し回路15及び書き込み回路16に送る。
The
図2は、メモリセルアレイ11の回路図である。図2では、(2×2)個のメモリセルMCを一例として示している。メモリセルMCは、1個のMTJ素子21と、1個の選択トランジスタ22とを備えている。選択トランジスタ22としては、例えば、NチャネルMOSFETが用いられる。MTJ素子21の一端は、ビット線BLに接続され、MTJ素子21の他端は、選択トランジスタ22の電流経路の一端に接続されている。選択トランジスタ22の電流経路の他端は、ビット線/BLに接続されている。選択トランジスタ22のゲートは、ワード線WLに接続されている。
FIG. 2 is a circuit diagram of the
図3は、MTJ素子21の断面図である。MTJ素子21は、記録層(記憶層、自由層ともいう)21A、非磁性層(トンネルバリア層)21B、参照層(固定層ともいう)21Cが順に積層されて構成されている。なお、積層順序は逆転していても構わない。記録層21A及び参照層21Cはそれぞれ、強磁性材料からなる。トンネルバリア層21Bとしては、MgOなどの絶縁層が用いられる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
記録層21A及び参照層21Cはそれぞれ、膜面に垂直な方向の磁気異方性を有し、それらの容易磁化方向は膜面に対して垂直である。なお、記録層21A及び参照層21Cの磁化方向は、膜面に平行であってもよい。
Each of the
記録層21Aは、磁化(或いはスピン)方向が可変である(反転する)。参照層21Cは、磁化方向が不変である(固定されている)。参照層21Cは、記録層21Aよりも十分大きな垂直磁気異方性エネルギーを持つように設定する。磁気異方性の設定は、材料構成や膜厚を調整することで可能である。このようにして、記録層21Aの磁化反転電流を小さくし、参照層21Cの磁化反転電流を記録層21Aのそれよりも大きくする。これにより、所定の書き込み電流に対して、磁化方向が可変の記録層21Aと磁化方向が不変の参照層21Cとを備えたMTJ素子21を実現できる。
The
図4は、MTJ素子21の磁化状態を説明する模式図である。本実施形態では、MTJ素子21に直接に書き込み電流を流し、この書き込み電流によってMTJ素子21の磁化状態を制御するスピン注入書き込み方式を採用する。MTJ素子21は、記録層21Aと参照層21Cとの磁化の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態と高抵抗状態とのいずれかをとることができる。
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the magnetization state of the
図4(a)に示すように、MTJ素子21に対して、記録層21Aから参照層21Cへ向かう書き込み電流を流すと、記録層21Aと参照層21Cとの磁化の相対関係が平行になる。この平行状態の場合、MTJ素子21の抵抗値は最も低くなり、MTJ素子21は低抵抗状態に設定される。MTJ素子21の低抵抗状態を、例えばデータ“0”と規定する。このような動作を0書き込みと呼ぶ。
As shown in FIG. 4A, when a write current from the
一方、図4(b)に示すように、MTJ素子21に対して、参照層21Cから記録層21Aへ向かう書き込み電流を流すと、記録層21Aと参照層21Cとの磁化の相対関係が反平行になる。この反平行状態の場合、MTJ素子21の抵抗値は最も高くなり、MTJ素子21は高抵抗状態に設定される。MTJ素子21の高抵抗状態を、例えばデータ“1”と規定する。このような動作を1書き込みと呼ぶ。
On the other hand, as shown in FIG. 4B, when a write current from the
これにより、MTJ素子21を1ビットデータ(2値データ)を記憶可能な記憶素子として使用することができる。MTJ素子21の抵抗状態とデータとの割り当ては任意に設定可能である。
Thus, the
MTJ素子21からデータを読み出す場合、読み出し回路15は、MTJ素子21に読み出し電圧を印加し、この時にMTJ素子21に流れる読み出し電流に基づいてMTJ素子21の抵抗値を検知する。この読み出し電圧は、スピン注入によって磁化反転する閾値よりも十分小さい値に設定される。
When reading data from the
[2.書き込み方式]
図5は、MTJ素子に電圧パルスを印加した場合におけるMTJ素子(具体的には、トンネルバリア層)の絶縁破壊寿命を示すワイブル分布である。図5の横軸は、絶縁破壊寿命(s)、図5の縦軸は、ln(-ln(1-F(t)))を表している。“F(t)”は累積故障確率を表しており、“ln”は自然対数を表している。図5には、(1)片側の電圧パルス、例えば1書き込み用の電圧パルスを印加した場合の絶縁破壊寿命と、(2)両側の電圧パルス、すなわち1書き込み用の電圧パルスと0書き込み用の電圧パルスとを交互に印加した場合の絶縁破壊寿命とを比較して示している。図5の実験に使用したMTJ素子は、記録層にFe系のL10構造を有する垂直磁化膜、参照層にフェリ磁性体を含む垂直磁化膜、トンネルバリア層にMgOを用いている。電圧パルスのパルス幅は30ns程度、パルス周期は100ns程度で実験を行った。印加電圧は0.92V程度に設定した。なお、この実験で用いた電圧パルスは、加速試験用であり、実際の書き込み動作時に使用する電圧パルスよりも条件を厳しくしている。
[2. Writing method]
FIG. 5 is a Weibull distribution showing the dielectric breakdown lifetime of the MTJ element (specifically, the tunnel barrier layer) when a voltage pulse is applied to the MTJ element. The horizontal axis in FIG. 5 represents the dielectric breakdown lifetime (s), and the vertical axis in FIG. 5 represents ln (−ln (1-F (t))). “F (t)” represents the cumulative failure probability, and “ln” represents the natural logarithm. FIG. 5 shows (1) a dielectric breakdown life when a voltage pulse on one side, for example, a voltage pulse for 1 writing is applied, and (2) a voltage pulse on both sides, ie, a voltage pulse for 1 writing and a voltage pulse for 0 writing. The comparison shows the dielectric breakdown lifetime when voltage pulses are applied alternately. MTJ element used in the experiment of FIG. 5 is a vertical magnetization film having an L1 0 structure of Fe-based in the recording layer, a perpendicular magnetization film in the reference layer comprises a ferrimagnetic material, is used MgO tunnel barrier layer. The experiment was performed with the pulse width of the voltage pulse being about 30 ns and the pulse period being about 100 ns. The applied voltage was set to about 0.92V. The voltage pulse used in this experiment is for an acceleration test, and the conditions are made stricter than the voltage pulse used in the actual write operation.
図5において、1書き込み用の電圧パルスを連続して印加した場合の累積故障確率F(t)=63%に相当する時間(T63)は約10sであり、1書き込み用の電圧パルスと0書き込み用の電圧パルスとを交互に印加した場合のそれは約1000sである。この数値から、極性の異なる電圧パルスを交互にMTJ素子に印加する場合は、同じ極性の電圧パルスを連続して印加する場合に比べて、約100倍の寿命の改善が見込まれる。この結果から、同じ極性の電圧パルスを連続して印加させない書き込みアルゴリズムを構築することによって、MTJ素子の絶縁破壊寿命を改善することができる。 In FIG. 5, the time (T63) corresponding to the cumulative failure probability F (t) = 63% when the voltage pulse for one write is continuously applied is about 10 s, and the voltage pulse for one write and the zero write are written. When the voltage pulse for application is applied alternately, it is about 1000 s. From this numerical value, when voltage pulses having different polarities are alternately applied to the MTJ element, it is expected that the lifetime will be improved by about 100 times compared to the case where voltage pulses having the same polarity are continuously applied. From this result, the dielectric breakdown lifetime of the MTJ element can be improved by constructing a writing algorithm that does not continuously apply voltage pulses of the same polarity.
図6は、MTJ素子に印加される通常の書き込み電圧を説明する図である。図6(a)は0書き込み用の電圧パルスを説明する図、図6(b)は1書き込み用の電圧パルスを説明する図である。図6では、0書き込み用の電圧パルスV0を負の極性で表し、1書き込み用の電圧パルスV1を正の極性で表している。図6に示すように、通常の書き込み動作では、所定の大きさの電圧パルスを1パルスだけMTJ素子に印加する。なお、0書き込み用の電圧パルスV0及び1書き込み用の電圧パルスV1の絶対値及びパルス幅は同じである必要はなく、MTJ素子の特性に応じて0書き込み動作及び1書き込み動作がそれぞれ最適に行えるように適宜設定される。 FIG. 6 is a diagram for explaining a normal write voltage applied to the MTJ element. FIG. 6A is a diagram for explaining a voltage pulse for 0 writing, and FIG. 6B is a diagram for explaining a voltage pulse for 1 writing. In FIG. 6, the voltage pulse V0 for 0 writing is represented by a negative polarity, and the voltage pulse V1 for 1 writing is represented by a positive polarity. As shown in FIG. 6, in a normal write operation, a voltage pulse of a predetermined magnitude is applied to the MTJ element by one pulse. Note that the absolute value and pulse width of the voltage pulse V0 for 0 writing and the voltage pulse V1 for 1 writing need not be the same, and the 0 writing operation and the 1 writing operation can be optimally performed according to the characteristics of the MTJ element. Is set as appropriate.
図7は、MTJ素子に印加される本実施形態の書き込み電圧を説明する図である。図7(a)は0書き込み動作時の書き込み電圧を説明する図、図7(b)は1書き込み動作時の書き込み電圧を説明する図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the write voltage of this embodiment applied to the MTJ element. FIG. 7A is a diagram for explaining the write voltage during the zero write operation, and FIG. 7B is a diagram for explaining the write voltage during the one write operation.
図7(a)に示すように、0書き込み動作では、書き込み回路16は、0書き込み用の電圧パルスV0をMTJ素子に印加する前に、0書き込み用の電圧パルスV0とは逆極性のダミー電圧パルスDV1をMTJ素子に印加する。ダミー電圧パルスDV1は、MTJ素子に同じ極性の電圧パルスが連続して印加されるのを防ぐためのものであり、その大きさは、1書き込み用の電圧パルスV1の大きさと同じかそれよりも小さな電圧に設定する。具体的には、ダミー電圧パルスDV1の大きさは、1書き込み用の電圧パルスV1と同程度から半分程度の範囲で設定可能である。なお、ダミー電圧パルスDV1によってMTJ素子の磁化状態が変化する可能性があるが、最終的には0書き込み用の電圧パルスV0によってMTJ素子が低抵抗状態に設定されるので問題ない。
As shown in FIG. 7A, in the zero write operation, the
図7(b)に示すように、1書き込み動作では、書き込み回路16は、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加する前に、1書き込み用の電圧パルスV1とは逆極性のダミー電圧パルスDV0をMTJ素子に印加する。ダミー電圧パルスDV0は、MTJ素子に同じ極性の電圧パルスが連続して印加されるのを防ぐためのものであり、その大きさは、0書き込み用の電圧パルスV0の大きさと同じかそれよりも小さな電圧に設定する。具体的には、ダミー電圧パルスDV0の大きさは、0書き込み用の電圧パルスV0と同程度から半分程度の範囲で設定可能である。なお、ダミー電圧パルスDV0によってMTJ素子の磁化状態が変化する可能性があるが、最終的には1書き込み用の電圧パルスV1によってMTJ素子が高抵抗状態に設定されるので問題ない。
As shown in FIG. 7B, in one write operation, the
本実施形態による書き込みシーケンスは、以下のA〜Cの3通りが考えられる。
(A) 0書き込み動作は図7(a)で行い、1書き込み動作は図7(b)で行う
(B) 0書き込み動作は図7(a)で行い、1書き込み動作は図6(b)で行う
(C) 0書き込み動作は図6(a)で行い、1書き込み動作は図7(b)で行う
MTJ素子は、上側が参照層か記録層かの違いや、材料や成膜プロセス条件の違いによって、1書き込みによるトンネルバリア層の絶縁破壊寿命が短い場合と、0書き込みによるトンネルバリア層の絶縁破壊寿命が短い場合とがある。1書き込みによるトンネルバリア層の絶縁破壊寿命が0書き込みに比べて短い場合には、少なくとも1書き込み用の電圧パルスV1と同じ極性の電圧パルスが連続して印加されることを避ける書き込みシーケンスであることが好ましいので、(A)或いは(C)の書き込み条件を採用することが好ましい。一方、0書き込みによるトンネルバリア層の絶縁破壊寿命が1書き込みに比べて短い場合には、少なくとも0書き込み用の電圧パルスV0と同じ極性の電圧パルスが連続して印加されることを避ける書き込みシーケンスであることが好ましいので、(A)或いは(B)の書き込み条件を採用することが好ましい。
The following three write sequences A to C are conceivable as the write sequence according to the present embodiment.
(A) The 0 write operation is performed in FIG. 7A and the 1 write operation is performed in FIG. 7B. (B) The 0 write operation is performed in FIG. 7A and the 1 write operation is performed in FIG. (C) The 0 write operation is performed in FIG. 6A, and the 1 write operation is performed in FIG. 7B. For the MTJ element, whether the upper side is the reference layer or the recording layer, the material and the film formation process conditions Depending on the difference, there are a case where the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer by one write is short and a case where the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer by zero write is short. When the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer by one writing is shorter than that by zero writing, the writing sequence avoids the continuous application of voltage pulses having the same polarity as the voltage pulse V1 for at least one writing. Therefore, it is preferable to adopt the writing condition (A) or (C). On the other hand, when the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer by 0 writing is shorter than that by 1 writing, the write sequence avoids the continuous application of voltage pulses having at least the same polarity as the voltage pulse V0 for 0 writing. Since it is preferable, it is preferable to adopt the write condition (A) or (B).
スピン注入書き込みは一般的には1書き込みの方が0書き込みよりも大きな電流が必要になるため、1書き込みの方が0書き込みよりも大きな電流値が設定される。そのため、同じ電流値に対してトンネルバリア層の絶縁破壊寿命が1書き込みと0書き込みとの両方で同等であるならば、実際に使用した場合にトンネルバリア層の絶縁破壊寿命は1書き込みが0書き込みよりも短くなると考えられる。この場合、(C)の書き込み条件を採用することで、弱い側の1書き込みの絶縁破壊寿命を改善することができる。 Spin injection writing generally requires a larger current for one writing than for zero writing, so that a larger current value is set for one writing than for zero writing. Therefore, if the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer is the same for both 1 writing and 0 writing for the same current value, the dielectric breakdown lifetime of the tunnel barrier layer is 0 writing for 1 writing in actual use. It is considered to be shorter. In this case, by adopting the write condition (C), the dielectric breakdown life of one write on the weak side can be improved.
次に、データを連続してMTJ素子に書き込む動作について説明する。図8は、データ“000”をMTJ素子に書き込む動作における書き込み電圧を説明する図である。データ“000”、すなわちデータ“0”を3回連続してMTJ素子に書き込む場合、通常では図8(a)に示すように、0書き込み用の電圧パルスV0が連続して印加される。一方、本実施形態の0書き込み動作を採用した場合、図8(b)に示すように、ダミー電圧パルスDV1と0書き込み用の電圧パルスV0という極性の異なる電圧パルスが交互にMTJ素子に印加されることになり、0書き込み用の電圧パルスV0が連続してMTJ素子に印加されるのを防ぐことができる。 Next, an operation for continuously writing data to the MTJ element will be described. FIG. 8 is a diagram for explaining the write voltage in the operation of writing data “000” to the MTJ element. When data “000”, that is, data “0” is written in the MTJ element three times in succession, normally, as shown in FIG. 8A, a voltage pulse V0 for 0 writing is continuously applied. On the other hand, when the zero write operation of the present embodiment is adopted, as shown in FIG. 8B, voltage pulses having different polarities of the dummy voltage pulse DV1 and the zero write voltage pulse V0 are alternately applied to the MTJ element. Therefore, it is possible to prevent the voltage pulse V0 for 0 writing from being continuously applied to the MTJ element.
図9は、データ“111”をMTJ素子に書き込む動作における書き込み電圧を説明する図である。データ“111”、すなわちデータ“1”を3回連続してMTJ素子に書き込む場合、通常では図9(a)に示すように、1書き込み用の電圧パルスV1が連続して印加される。一方、本実施形態の1書き込み動作を採用した場合、図9(b)に示すように、ダミー電圧パルスDV0と1書き込み用の電圧パルスV1という極性の異なる電圧パルスが交互にMTJ素子に印加されることになり、1書き込み用の電圧パルスV1が連続してMTJ素子に印加されるのを防ぐことができる。 FIG. 9 is a diagram for explaining the write voltage in the operation of writing data “111” to the MTJ element. When data “111”, that is, data “1” is written in the MTJ element three times in succession, normally, one write voltage pulse V1 is continuously applied as shown in FIG. On the other hand, when the one write operation of the present embodiment is adopted, as shown in FIG. 9B, voltage pulses having different polarities such as a dummy voltage pulse DV0 and a voltage pulse V1 for one write are alternately applied to the MTJ element. Thus, it is possible to prevent the voltage pulse V1 for one writing from being continuously applied to the MTJ element.
図10は、データ“010”をMTJ素子に書き込む動作における書き込み電圧を説明する図である。データ“010”、すなわちデータ“0”とデータ“1”とを交互にMTJ素子に書き込む場合、通常では図10(a)に示すように、0書き込み用の電圧パルスV0と1書き込み用の電圧パルスV1とが交互にMTJ素子に印加される。一方、本実施形態の0書き込み動作及び1書き込み動作を採用した場合、図10(b)に示すように、同じ極性の電圧パルスがMTJ素子に2回ずつ印加される。 FIG. 10 is a diagram illustrating a write voltage in an operation of writing data “010” to the MTJ element. When data “010”, that is, data “0” and data “1” are alternately written to the MTJ element, normally, as shown in FIG. 10A, a voltage pulse V0 for writing 0 and a voltage for writing 1 Pulses V1 are alternately applied to the MTJ element. On the other hand, when the 0 write operation and the 1 write operation of this embodiment are adopted, as shown in FIG. 10B, voltage pulses having the same polarity are applied to the MTJ element twice.
図8〜図10から理解できるように、図7に示した本実施形態の書き込み動作を採用した場合、同じ極性の電圧パルスが連続してMTJ素子に印加される回数は最大2回であり、それ以上連続して同じ極性の電圧パルスがMTJ素子に印加されるのを防ぐことができる。 As can be understood from FIGS. 8 to 10, when the write operation of the present embodiment shown in FIG. 7 is adopted, the number of times that the voltage pulse of the same polarity is continuously applied to the MTJ element is two times, It is possible to prevent voltage pulses having the same polarity from being applied to the MTJ element continuously.
なお、本実施形態の書き込み動作は、図1に示した書き込み回路16によって制御される。0書き込み用の電圧パルスV0をMTJ素子に印加する場合は、ビット線BLに接地電圧VSSを印加した状態で、ビット線/BLに電圧パルスV0を印加する。また、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加する場合は、ビット線/BLに接地電圧VSSを印加した状態で、ビット線BLに電圧パルスV1を印加する。ダミー電圧パルスDV0及びDV1についても同様である。
Note that the write operation of this embodiment is controlled by the
[3.効果]
以上詳述したように第1の実施形態では、MRAM10は、MTJ素子にデータ“0”を書き込む0書き込み動作と、MTJ素子にデータ“1”を書き込む1書き込み動作とを実行する書き込み回路16を備えている。そして、0書き込み動作において、書き込み回路16は、0書き込み用の電圧パルスV0をMTJ素子に印加する前に、0書き込み用の電圧パルスV0とは逆極性のダミー電圧パルスDV1をMTJ素子に印加する。また、1書き込み動作において、書き込み回路16は、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加する前に、1書き込み用の電圧パルスV1とは逆極性のダミー電圧パルスDV0をMTJ素子に印加する。
[3. effect]
As described above in detail, in the first embodiment, the
従って第1の実施形態によれば、MTJ素子に同じ極性の書き込み電圧が何回も連続して印加されるのを防ぐことができる。これにより、トンネルバリア層が劣化するのを抑制できるので、MTJ素子の絶縁破壊寿命を改善することが可能となる。この結果、メモリとしての信頼性が高いMRAM10を実現することができる。
Therefore, according to the first embodiment, it is possible to prevent the write voltage having the same polarity from being applied to the MTJ element continuously several times. As a result, deterioration of the tunnel barrier layer can be suppressed, so that the dielectric breakdown lifetime of the MTJ element can be improved. As a result, the
なお、MTJ素子は、書き込み回数が増えるに伴い、その抵抗値(例えばデータ“0”を記憶している時の抵抗値)が変動する場合がある。具体的には、MTJ素子は、書き込み回数が増えるに伴い、その抵抗値が低下していく。MTJ素子に記憶されたデータは、読み出し回路15によってMTJ素子に書き込み電流よりも十分小さい読み出し電流を流し、この時のMTJ素子の抵抗値を検知することで読み出される。従って、MTJ素子の抵抗値が規定値よりも低下してしまうと、回路設計上、MTJ素子に記憶されたデータを正確に読み出すことができなくなる。このような読み出し動作の不具合を回避するため、MTJ素子の抵抗値が変動した際の下限値を規定し、MTJ素子の抵抗値が下限値を下回った時点をMTJ素子の抵抗変動寿命とする。MTJ素子の絶縁破壊寿命をMTJ素子の抵抗変動寿命に置き換えてもよい。すなわち、絶縁破壊寿命を抵抗変動寿命と読み替えても、本実施形態は、同様に成り立つ。
Note that the resistance value (for example, the resistance value when data “0” is stored) of the MTJ element may fluctuate as the number of times of writing increases. Specifically, the resistance value of the MTJ element decreases as the number of times of writing increases. The data stored in the MTJ element is read by causing the
[第2の実施形態]
第2の実施形態では、0書き込み動作において、0書き込み用の電圧パルスV0をMTJ素子に印加した後に、0書き込み用の電圧パルスV0とは逆極性のダミー電圧パルスDV1をMTJ素子に印加する。また、1書き込み動作において、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加した後に、1書き込み用の電圧パルスV1とは逆極性のダミー電圧パルスDV0をMTJ素子に印加する。これによって、MTJ素子に同じ極性の書き込み電圧が何回も連続して印加されるのを防ぐようにしている。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, in the zero write operation, after the zero write voltage pulse V0 is applied to the MTJ element, the dummy voltage pulse DV1 having the opposite polarity to the zero write voltage pulse V0 is applied to the MTJ element. In one write operation, after a voltage pulse V1 for one write is applied to the MTJ element, a dummy voltage pulse DV0 having a polarity opposite to that of the voltage pulse V1 for one write is applied to the MTJ element. This prevents the write voltage having the same polarity from being continuously applied to the MTJ element many times.
図11は、第2の実施形態に係るMTJ素子に印加される書き込み電圧を説明する図である。図11(a)は0書き込み用の書き込み電圧を説明する図、図11(b)は1書き込み用の書き込み電圧を説明する図である。 FIG. 11 is a diagram for explaining the write voltage applied to the MTJ element according to the second embodiment. FIG. 11A is a diagram for explaining a write voltage for 0 write, and FIG. 11B is a diagram for explaining a write voltage for 1 write.
図11(a)に示すように、0書き込み動作では、書き込み回路16は、0書き込み用の電圧パルスV0をMTJ素子に印加した後に、0書き込み用の電圧パルスV0とは逆極性のダミー電圧パルスDV1をMTJ素子に印加する。ダミー電圧パルスDV1の大きさは、1書き込み用の電圧パルスV1の大きさより小さく設定される。具体的には、ダミー電圧パルスDV1で記録層の磁化が反転してしまうことがないように、ダミー電圧パルスDV1の大きさは、MTJ素子の磁化配列が平行状態から反平行状態へ反転する確率が十分に小さくなるように設定される。例えば、1書き込み方向の読み出し電圧をMTJ素子に印加して読み出しを行う場合には、ダミー電圧パルスは、読み出し電圧程度に設定する。
As shown in FIG. 11A, in the zero write operation, the
図11(b)に示すように、1書き込み動作では、書き込み回路16は、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加した後に、1書き込み用の電圧パルスV1とは逆極性のダミー電圧パルスDV0をMTJ素子に印加する。ダミー電圧パルスDV0の大きさは、0書き込み用の電圧パルスV0の大きさより小さく設定される。具体的には、ダミー電圧パルスDV0で記録層の磁化が反転してしまうことがないように、ダミー電圧パルスDV0の大きさは、MTJ素子の磁化配列が反平行状態から平行状態へ反転する確率が十分に小さくなるように設定される。例えば、0書き込み方向の読み出し電圧をMTJ素子に印加して読み出しを行う場合には、ダミー電圧パルスは、読み出し電圧程度に設定する。
As shown in FIG. 11B, in one write operation, the
なお、本実施形態では、ダミー電圧パルスDV1の大きさは、1書き込み用の電圧パルスV1の大きさより小さく設定されるので、ダミー電圧パルスDV1によってMTJ素子に流れる電流は、1書き込み用の電圧パルスV1によってMTJ素子に流れる電流よりも小さくなる。よって、ダミー電圧パルスDV1のパルス幅は、1書き込み用の電圧パルスV1のパルス幅より大きいことが好ましい。これにより、ダミー電圧パルスDV1によってMTJ素子に流れる積算電流を1書き込み用の電圧パルスV1によってMTJ素子に流れる積算電流と同程度に設定することが可能となる。この結果、ダミー電圧パルスDV1をMTJ素子に印加した場合と、1書き込み用の電圧パルスV1をMTJ素子に印加した場合とで、MTJ素子にかかる負荷が同程度となるため、MTJ素子の絶縁破壊寿命又は抵抗変動寿命がより改善することが期待される。同様に、ダミー電圧パルスDV0のパルス幅は、0書き込み用の電圧パルスV0のパルス幅より大きいことが好ましい。このようなダミー電圧パルスのパルス幅の設定手法は、第1の実施形態に適用することも可能である。 In the present embodiment, since the magnitude of the dummy voltage pulse DV1 is set smaller than the magnitude of the voltage pulse V1 for one write, the current flowing through the MTJ element by the dummy voltage pulse DV1 is the voltage pulse for one write. It becomes smaller than the electric current which flows into an MTJ element by V1. Therefore, the pulse width of the dummy voltage pulse DV1 is preferably larger than the pulse width of the voltage pulse V1 for one writing. As a result, the integrated current flowing through the MTJ element by the dummy voltage pulse DV1 can be set to the same level as the integrated current flowing through the MTJ element by the voltage pulse V1 for 1 writing. As a result, when the dummy voltage pulse DV1 is applied to the MTJ element, the load applied to the MTJ element is almost the same when the one-write voltage pulse V1 is applied to the MTJ element. It is expected that the lifetime or resistance variation lifetime will be further improved. Similarly, the pulse width of the dummy voltage pulse DV0 is preferably larger than the pulse width of the voltage pulse V0 for 0 writing. Such a method for setting the pulse width of the dummy voltage pulse can also be applied to the first embodiment.
以上詳述したように第2の実施形態によれば、MTJ素子に同じ極性の書き込み電圧が何回も連続して印加されるのを防ぐことができる。これにより、トンネルバリア層が劣化するのを抑制できるので、MTJ素子の絶縁破壊寿命を改善することが可能となる。この結果、メモリとしての信頼性が高いMRAM10を実現することができる。
As described above in detail, according to the second embodiment, it is possible to prevent a write voltage having the same polarity from being continuously applied to the MTJ element many times. As a result, deterioration of the tunnel barrier layer can be suppressed, so that the dielectric breakdown lifetime of the MTJ element can be improved. As a result, the
なお、第1の実施形態と同様に、0書き込み動作及び1書き込み動作のうちMTJ素子の絶縁破壊寿命或いは抵抗変動寿命が短い書き込み動作にのみダミー電圧パルスを印加するようにしてもよい。 As in the first embodiment, the dummy voltage pulse may be applied only to the write operation in which the dielectric breakdown life or resistance variation life of the MTJ element is short among the 0 write operation and the 1 write operation.
以下に、交互書き込みによってMTJ素子の絶縁破壊寿命又は抵抗変動寿命が改善する理由について考察する。図12は、MTJ素子21に書き込み電圧を印加した場合のトンネルバリア層21Bの状態を説明する模式図である。
The reason why the dielectric breakdown life or resistance variation life of the MTJ element is improved by alternate writing will be considered below. FIG. 12 is a schematic diagram for explaining the state of the
図12(a)は、MTJ素子21の初期状態、すなわち書き込み動作が行われていない状態を示している。トンネルバリア層21Bのうち参照層21Cに近い側には、複数の格子欠陥(酸素欠損を含む)が形成されている。
FIG. 12A shows an initial state of the
図12(b)は、例えば参照層21Cを接地しかつ記録層21Aに正の書き込み電圧を印加する書き込み動作、すなわちMTJ素子21に片側書き込み動作を連続して行う場合の格子欠陥の様子を示している。トンネルバリア層21Bの格子欠陥は、それに印加される電界によって移動する。このため、片側書き込みでは、トンネルバリア層21Bに連続して一方向の電界が印加されるので、格子欠陥が記録層21A側に移動する。この時、トンネルバリア層21B内には、格子欠陥を通るリークパスが発生する確率が上がる。このリークパスが原因となって、MTJ素子21の絶縁破壊が進行したり、MTJ素子の抵抗変動が大きくなったりするものと考えられる。
FIG. 12B shows a state of lattice defects when, for example, a write operation in which the
図12(c)は、MTJ素子21に極性の異なる電圧パルスを交互に印加する書き込み動作、すなわちMTJ素子21に交互書き込み動作を連続して行う場合の格子欠陥の様子を示している。交互書き込みでは、格子欠陥の移動方向がパルス毎に変わるので、格子欠陥の状態が図12(a)の初期状態とあまり変化せず、リークパスが発生する確率が低下する。このため、MTJ素子21の絶縁破壊寿命又は抵抗変動寿命が改善するものと考えられる。
FIG. 12C shows a state of lattice defects when a write operation in which voltage pulses having different polarities are alternately applied to the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…MRAM、11…メモリセルアレイ、12…ロウデコーダ、13…カラム選択回路、14…カラムデコーダ、15…読み出し回路、16…書き込み回路、17…アドレスバッファ、18…制御信号バッファ、19…入出力バッファ、21…MTJ素子、21A…記録層、21B…トンネルバリア層、21C…参照層、22…選択トランジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記磁気抵抗素子に第1及び第2のデータをそれぞれ書き込むための第1及び第2の書き込み電圧を用いて、前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路と、
を具備し、
前記書き込み回路は、前記磁気抵抗素子に前記第1の書き込み電圧を印加する前に、前記第1の書き込み電圧と逆極性のダミー電圧を印加することを特徴とする磁気メモリ。 A magnetoresistive element having a recording layer in which the magnetization direction is variable, a reference layer in which the magnetization direction is unchanged, and a tunnel barrier layer sandwiched between the recording layer and the reference layer;
A write circuit for writing data to the magnetoresistive element using first and second write voltages for writing first and second data to the magnetoresistive element, respectively;
Comprising
2. The magnetic memory according to claim 1, wherein the write circuit applies a dummy voltage having a polarity opposite to that of the first write voltage before applying the first write voltage to the magnetoresistive element.
前記磁気抵抗素子に第1及び第2のデータをそれぞれ書き込むための第1及び第2の書き込み電圧を用いて、前記磁気抵抗素子にデータを書き込む書き込み回路と、
を具備し、
前記書き込み回路は、前記磁気抵抗素子に前記第1の書き込み電圧を印加した後に、前記第1の書き込み電圧と逆極性のダミー電圧を印加することを特徴とする磁気メモリ。 A magnetoresistive element having a recording layer in which the magnetization direction is variable, a reference layer in which the magnetization direction is unchanged, and a tunnel barrier layer sandwiched between the recording layer and the reference layer;
A write circuit for writing data to the magnetoresistive element using first and second write voltages for writing first and second data to the magnetoresistive element, respectively;
Comprising
The magnetic memory according to claim 1, wherein the write circuit applies a dummy voltage having a polarity opposite to the first write voltage after applying the first write voltage to the magnetoresistive element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018129109A (en) * | 2017-02-10 | 2018-08-16 | 東芝メモリ株式会社 | Magnetic memory device |
US10446739B2 (en) | 2017-03-24 | 2019-10-15 | Toshiba Memory Corporation | Semiconductor memory device |
-
2011
- 2011-05-25 JP JP2011117078A patent/JP2012248240A/en not_active Withdrawn
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