JP2018129109A - 磁気メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
om Access Memory:MRAM)が注目されている。MRAMはトンネル
磁気抵抗効果を利用したMTJ(Magnetic Tunnel Junction)
素子をメモリセルとして備えている。
メモリ装置(MRAM)を提供する。
によって書き込みが行われる磁気抵抗素子を含むメモリセルと、前記メモリセルが接続さ
れた第1のビット線及び第1のワード線を有するメモリセルアレイと、前記磁気抵抗素子
に電気的に接続され、前記第1方向の書き込み回数をカウントするカウンタ回路と、前記
メモリセルアレイに接続され、前記第1方向の連続書き込み回数が閾値回数に達すると、
前記メモリセルに第2方向の書き込みを行う制御回路と、を具備する。
第1の実施形態に係る磁気メモリ装置について図1乃至図9を参照して説明する。なお
、以下の図面の記載において、同一な部分には同一の符号で表している。ただし、図面は
厚さと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なり、模式的なものである。
本実施形態の磁気メモリ装置のメモリセルアレイ1及びその近傍の回路構成の一例を示す
模式図である。
のワード線WLが設けられている。ビット線BL、bBLはカラム方向に延在し、ワード
線WLはロウ方向に延在する。2本のビット線BL、bBLは、1組のビット線対を形成
している。
リセルアレイ1内にアレイ状に配置される。メモリセルMCは、ビット線BL及びワード
線WLに接続されている。カラム方向に配列されている複数のメモリセルMCは、共通の
ビット線BLに接続されている。ロウ方向に配列されている複数のメモリセルMCは、共
通のワード線WLに接続されている。なお、メモリセルMCはカウンタ回路7を介してカ
ラム方向に共通のビット線bBLにも接続されている。
、1つの選択スイッチ2とを含む。ただし、メモリセルの構成はこれに限定されない。
ansistor)である。以降の説明では、選択スイッチ2としての電界効果トランジ
スタを、選択トランジスタ2とする。
ランジスタ2の電流経路の一端(ソース/ドレイン)に接続される。
ウントするカウンタ回路7を介してビット線bBLに接続される。つまり、選択トランジ
スタ2の電流経路の他端(ドレイン/ソース)は、カウンタ回路7を介してビット線bB
Lに接続される。選択トランジスタ2の制御端子(ゲート)は、ワード線WLに接続され
る。なお、カウンタ回路7の位置は特に限定されない。カウンタ回路7は1つのメモリセ
ルMCへの書き込み回数をカウントできればよく、メモリセルMCとビット線BLとの間
に設けても良いし、MTJ素子10と選択トランジスタ2との間に設けても良い。または
、カウンタ回路をメモリセルアレイ1内ではなく後述するコントローラに設け、MTJ素
子10と電気的に接続しても良い。
アドレス信号に基づいて、ワード線WLの活性化または非活性化を制御する。ビット線B
L、bBLの一端及び他端には、カラム制御回路3A、3Bが接続される。カラム制御回
路3A、3Bは、外部からのアドレス信号に基づいて、ビット線BL、bBLの活性化ま
たは非活性化を制御する。
Lの一端及び他端に接続される。書き込み回路5A、5Bは、書き込み電流を生成するた
めの電流源や電圧源などのソース回路、書き込み電流を吸収するためのシンク回路を、そ
れぞれ有する。
端及び他端に接続される。読み出し回路6Aは、読み出し電流を発生する電圧源又は電流
源や、読み出し信号の検知及び増幅を行うセンスアンプ、データを一時的に保持するラッ
チ回路等を含む。
2つの読み出し回路が、カラム方向の一端及び他端にそれぞれ設けられていてもよい。
及び読み出し回路以外の回路(以下、周辺回路と呼ぶ)が、設けられていても良い。さら
には、バッファ回路、ステートマシン(制御回路)、又は、ECC(Error Che
cking and Correcting)回路などが、周辺回路としてチップ内に設
けられていてもよい。
−A’線に沿った断面図である。図4は図2におけるB−B’に沿った断面図である。
ィブ領域AAは、半導体基板21の素子分離領域に埋め込まれた素子分離絶縁膜22によ
って、区画化されている。本実施形態では、素子分離絶縁膜22は、STI(Shall
ow Trench Isolation)構造を有する。
これらの間において半導体基板21内に形成されるゲート絶縁層24及びゲート電極(ワ
ード線:WL)25と、を有する。選択トランジスタ2は、例えば、ゲート電極(WL)
25が半導体基板21内に埋め込まれた、埋め込みゲート構造を有する。ただし、選択ト
ランジスタ2の構造は特に限定されない。
トプラグ27a、27bは層間絶縁膜26内に配置される。コンタクトプラグ27aはソ
ース/ドレイン拡散層23bに接続される。コンタクトプラグ27a、27bは例えば、
W,Ta,TaN及びTiNのいずれか1つを含む。
7cはMTJ素子10上に配置される。
線bBLは、例えば読み出し時に接地電位が印加されるソース線SLとしても機能する。
ば図3においてビット線BLとコンタクトプラグ27cの間に形成しても良いし、図4に
おいてビット線bBLとコンタクトプラグ27bの間に形成しても良い。または、チップ
面積を縮小させるために、メモリセルアレイ1の端部にカウンタ回路7を複数個まとめて
形成し、それぞれのカウンタ回路7とそれぞれのメモリセルMCとを電気的に接続しても
良い。
に示すように、MTJ素子10は、下部電極11と上部電極13との間に形成された下地
層12a、記憶層(自由層)12b、トンネルバリア層12c、及び参照層(固定層)1
2dで構成される。
る。なお、下地層12aは、形成されなくてもよいし、下部電極11と一体であってもよ
い。
磁性層であり、膜面(上面/下面)に対して垂直またはほぼ垂直となる垂直磁気異方性を
有する。ここで、磁化方向が可変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わるこ
とを示す。また、ほぼ垂直とは、残留磁化の方向が膜面に対して、45°<θ≦90°の
範囲内にあることを意味する。
成される。また、記憶層12bは、例えばニッケル(Ni)を含んでいてもよい。また、
飽和磁化、または結晶磁気異方性などを調整する目的で、強磁性体にボロン(B)が添加
される。
、非磁性層であり、例えば酸化マグネシウム(MgO)で構成される。
が不変の強磁性層であり、膜面に対して垂直またはほぼ垂直となる垂直磁気異方性を有す
る。ここで、磁化方向が不変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないこ
とを示す。すなわち、参照層12dは、記憶層12bよりも磁化方向の反転エネルギーバ
リアが大きい。
2dは、Niを含んでもよい。また、飽和磁化、または結晶磁気異方性などを調整する目
的で、強磁性体にBが添加される。
は、例えば円形である。このため、MTJ素子10は、ピラー状に形成される。しかし、
これに限らず、MTJ素子10の平面形状は、正方形、長方形、または楕円形などであっ
てもよい。
、参照層12dの平面における直径は、記憶層12bの直径より小さくてもよい。
電極11上に順に、参照層12d、トンネルバリア層12c、および記憶層12bが形成
されてもよい。
J素子10にデータを書き込む場合、またはMTJ素子10からデータを読み出す場合、
MTJ素子10は、膜面に垂直な方向において、双方向に電流が通電される。
おけるMTJ素子10の断面図を示す図である。図6(b)は、MTJ素子10の書き込
み動作を説明するための図であり、反平行状態におけるMTJ素子10の断面図を示す図
である。なお、以降のMTJ素子10の説明において、上部電極13、下部電極11及び
下地層12aは便宜上図示しない。
下、選択セル)に対して、書き込み電流を供給する。
書き込まれるデータに応じて、書き込み電流をメモリセルMC内のMTJ素子10に双方
向に流す。即ち、MTJ素子10に書き込むデータに応じて、ビット線BLからビット線
bBLに向かう書き込み電流、又は、ビット線bBLからビット線BLに向かう書き込み
電流が、書き込み回路5A、5Bから出力される。
ち、上部電極13側から電子(参照層12dから記憶層12bへ向かう電子)が供給され
る場合、参照層12dの磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記憶層12bに注
入される。この場合、記憶層12bの磁化方向は、参照層12dの磁化方向と同じ方向に
揃えられる。これにより、参照層12dの磁化方向と記憶層12bの磁化方向とが、平行
配列となる。この平行状態のとき、MTJ素子10の抵抗値は最も小さくなる。この場合
を例えばデータ“0”と規定する。この時、カウンタ回路7にも同様な電流が流れるため
、カウンタ回路7は電流の向きからデータ“0”の入力を感知する。なお、このデータ“
0”状態への書き込みを「“0”書き込み」とする。
すなわち、下部電極11側から電子(記憶層12bから参照層12dへ向かう電子)が供
給される場合、参照層12dにより反射されることで参照層12dの磁化方向と反対方向
にスピン偏極された電子とが記憶層12bに注入される。この場合、記憶層12bの磁化
方向は、参照層12dの磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、参照層12dの
磁化方向と記憶層12b磁化方向とが、反平行配列となる。この反平行状態のとき、MT
J素子10の抵抗値は最も大きくなる。この場合を例えばデータ“1”と規定する。この
時、カウンタ回路7にも同様な電流が流れるため、カウンタ回路7は電流の向きからデー
タ“1”の入力を感知する。なお、このデータ“1”状態への書き込みを「“1”書き込
み」とする。
場合図14(a)、(b)に示すように、制御回路はコントローラからの制御信号に基づ
いて、磁気メモリ装置の動作を制御する。14(a)はコントローラが磁気メモリ装置内
に設けられた場合、図14(b)はコントローラが磁気メモリ装置外に設けられた場合の
模式図を示す。この場合、コントローラは例えばホストCPUやメモリコントローラ等を
含む。データが磁気メモリ装置に書き込みされる際、コントローラは書き込みコマンドを
発行し、これを磁気メモリ装置に転送する。また、コントローラは書き込みアドレス及び
書き込みデータを磁気メモリ装置に転送する。磁気メモリ装置は、例えば書き込みコマン
ドを受け付けた後、書き込み完了の応答をコントローラに転送する。
、読み出し電流を供給する。読み出し電流の電流値は、読み出し電流によって記憶層12
bの磁化が反転しないように、書き込み電流の電流値(磁化反転しきい値)より小さい値
に設定される。
における電流値又は電位が異なる。この抵抗値の大きさに応じた変動量(読み出し信号、
読み出し出力)に基づいて、MTJ素子10が記憶するデータ“0”および“1”を判別
する。
図7は第1の実施形態の書き込み方法を説明するフローチャートである。
り返す。
への“0”書き込み及び“1”書き込みを感知し、それぞれの書き込み回数をカウントす
る(S1)。なお、“0”または“1”書き込みは、上述したように、カウンタ回路に流
れる電流の向きによって行われる。本実施形態において、書き込み回数のカウントとは同
一方向(第1方向)の書き込み回数のカウントである。つまり“0”書き込み又は“1”
書き込みのいずれかの回数をカウントする。例えば、“0”書き込みと比較して“1”書
き込みのほうが高電圧を必要とするため、“1”書き込みの回数をカウントすることが望
ましい。
して行われ任意の連続書き込み回数Nに達する(S2)と制御回路を介してメモリセルM
Cに一度“0”書き込みを行う(S3)。つまり、カウンタ回路7は“0”書き込みを感
知してから“1”書き込み連続してN回カウントする間に一度も“0”書き込みを感知し
ていないことになる。なお、任意の連続書き込み回数Nは適宜設定できる。この“0”書
き込みを一度行うことにより“1”書き込みを連続して続けることで発生する書き込み不
良を抑制することができる。
ー率との関係について説明する図である。図8に示すように、同一方向の連続した書き込
み(例えば“1“書き込み)が増え、ある連続書き込み回数Nを超えてさらに”1“書き
込みを行うと、書き込みエラー率が許容スペックを超えてしまう。よって、連続書き込み
回数N以降も連続して”1“書き込みを続けると書き込み不良が多発してしまう。
態を説明する模式図である。図9(a)〜(c)には不安定となった磁界の向きを黒矢印
、正常な磁界の向きを白矢印で示す。図9(a)に示すように連続してN回“1”書き込
みを続けたMTJ素子10は、参照層12d下部(つまりトンネルバリア層12c付近の
参照層12d)の一部の磁性層が影響を受け、磁界の向きが不安定になっている。そのた
め連続書き込み回数Nをこえて“1”書き込みを行うと磁界の向きが安定せず正常な“1
”書き込みができない虞がある。この状態のMTJ素子10に上述したように一度“0”
書き込みを行うと、図9(b)に示すようにトンネルバリア層12c付近の参照層12d
の磁性層が安定し、磁界の向きが正常にリセットされる。つまり、反対の磁化方向(第2
方向)に一度書き込みを行うことで、磁性層を安定化させ正常な磁界の向きにリセットさ
せることが可能になる。その後”1”書き込みを行っても図9(c)に示すように磁界の
向きが正常に保たれ、書き込み不良にならない。
リセットされる。よって、再び“1”書き込みのカウントを行い、連続した“1”書き込
みの回数が連続書き込み回数Nに再度達すると上述のように再び“0”書き込みが行われ
リセットされる。書き込みが完了するまでこの工程を繰り返す。
き込み回数をカウントし、同一方向への連続した書き込みが任意の連続書き込み回数に達
した場合に一度逆方向の書き込みを行う。これにより、同一方向の書き込みが続くことに
よる書き込み不良を低減できる。
が、適宜“0”書き込みの回数をカウントしても良いし、“0”及び“1”書き込みの両
方の書き込み回数をカウントしても良い。いずれの場合も、連続方向の書き込みが任意の
回数に達すると、逆方向の書き込みを行う。
次に、第2の実施形態に係る磁気メモリ装置について図10及び図11を用いて説明す
る。
線ごとに設けるという点で第1の実施形態と異なる。なお、第2の実施形態においては、
第1の実施形態と異なる部分のみを説明し、同様な部分は説明を省略する。
路構成を説明する図である。図10に示すように、カウンタ回路7はメモリセルMCごと
ではなく、ビット線BLごとに設けられる。つまり、共通のビット線BLに接続された全
てのメモリセルMCに対して1つのカウンタ回路が設けられる。カウンタ回路7は例えば
、カラム制御回路3Bとメモリセルアレイ1との間に位置する。なお、カウンタ回路7は
“0”書き込み又は“1”書き込みを感知できればよく、位置は特に限定されない。また
、ビット線bBL上にあっても構わない。
トである。
共通のビット線BLに接続された全てのメモリセルMC(以下、「共通セル」とする)の
同一方向の書き込み回数の合計をカウントする(S1)。本実施形態では、例えば“1”
書き込みの回数をカウントする。
、共通セルに対して一度“0”書き込みが行われる(S3)。その理由は第1の実施形態
同様である。
ルアクセスで行う。ただし、全ての共通セルに“0”書き込みを行えばよく、その方法は
特に限定されない。
果を有する。さらに、第1の実施形態と比較して、メモリセルMCごとではなくビット線
ごとにカウンタ回路を設けるため、回路面積を削減でき、より小型な磁気メモリ装置を提
供することが可能になる。
次に、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、第1及び第2の実施形態
と比較して、カウンタ回路ではなく、時間測定機構を設けるという点で異なる。なお、第
3の実施形態においては、第1及び第2の実施形態と異なる部分のみを説明し、同様な部
分は説明を省略する。
本実施形態の磁気メモリ装置は例えばカラム制御回路3Bに時間測定機構8を有する。時
間測定機構8は例えばタイマー等、時間を測定できれば良い。
法のフローチャートを示す。
る(S1)。書き込み時間とは、例えばMTJ素子10に電流が流れる時間を指す。同一
方向の書き込みとは例えば連続した“1”書き込みである。時間測定機構8によって同一
方向の連続書き込み時間が任意の書き込み時間Tに達すると(S2)制御回路が選択セル
に対して一度逆方向の書き込み(“0”書き込み)を行う。これにより、同一方向の書き
込みが連続することで参照層12d下部の磁界が不安定になり、書き込みエラーが多発す
るという虞を回避できる。
通セルに対して同一方向の書き込み時間の合計を測定しても良い。また、“0”書き込み
の書き込み時間を測定しても良いし、“1”および“0”書き込みの時間をそれぞれ測定
しても良い。
し、さらには第1及び第2の実施形態と比較してカウンタ回路を設ける必要がないため、
回路面積をさらに縮小でき、より小型な磁気メモリ装置を提供することが可能になる。
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
。
2 選択トランジスタ(選択スイッチ)
3 カラム制御回路
4 ロウ制御回路
5 書き込み回路
6 読み出し回路
7 カウンタ回路
8 時間測定機構
10 MTJ素子
11 下部電極
12a 下地層
12b 記憶層
12c トンネルバリア層
12d 参照層
13 上部電極
21 半導体基板
22 素子分離絶縁膜
23 ソース/ドレイン
24 ゲート絶縁層
25 ゲート電極
26 層間絶縁膜
27 コンタクトプラグ
Claims (6)
- 第1方向及び前記第1方向と反対方向の第2方向の電流によって書き込みが行われる磁
気抵抗素子を含むメモリセルと、前記メモリセルが接続された第1のビット線及び第1の
ワード線を有するメモリセルアレイと、
前記磁気抵抗素子に電気的に接続され、前記第1方向の書き込み回数をカウントするカ
ウンタ回路と、
前記メモリセルアレイに接続され、前記第1方向の連続書き込み回数が閾値回数に達す
ると、前記メモリセルに第2方向の書き込みを行う制御回路と、
を具備する磁気メモリ装置。 - 前記カウンタ回路は、前記メモリセルに対応して設けられることを特徴とする請求項1
に記載の磁気メモリ装置。 - 前記カウンタ回路は、前記第1のビット線に接続された複数の前記メモリセルに電気的
に接続されることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ装置。 - 第1方向及び前記第1方向と反対方向の第2方向の電流によって書き込みが行われる磁
気抵抗素子を含むメモリセルと、前記メモリセルが接続されたビット線及びワード線を有
するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイに接続され、前記磁気抵抗素子への前記第1方向への連続書き込
み時間が閾値時間に達すると、前記磁気抵抗素子に前記第2方向の書き込みを行う制御回
路と、
を具備する磁気メモリ装置。 - 前記磁気抵抗素子は、膜面に対して垂直方向の磁気異方性を有する記憶層と、前記記憶
層上に形成されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層上に形成され、膜面に対し
て垂直方向の磁気異方性を有する参照層と、を含むことを特徴とする請求項1乃至4のい
ずれか1項に記載の磁気メモリ装置。 - 前記制御回路に制御信号を送信するコントローラを更に備えることを特徴とする請求項
1乃至5のいずれか1項に記載の磁気メモリ装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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JP2017023205A JP2018129109A (ja) | 2017-02-10 | 2017-02-10 | 磁気メモリ装置 |
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