JP3926743B2 - 磁気抵抗メモリーおよびその読み出し方法 - Google Patents

磁気抵抗メモリーおよびその読み出し方法 Download PDF

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Description

本発明は、磁気抵抗メモリー、および、この磁気抵抗メモリーのメモリーセルの読み出し方法に関する。
【0001】
磁気抵抗メモリーは、従来のDRAMメモリーおよびSRAMメモリー、および、不揮発性メモリー(例えばフラッシュまたはEFPROM)に対する代案である。この磁気抵抗メモリーには、ビット線およびワード線が接続された(herangefuehrt)メモリーセルが配置されている。磁気抵抗メモリーの各メモリーセルは、磁気素子を2つ含んでおり、この磁気素子は、誘電体によって互いに隔てられている。磁気素子の1つは強磁性(hartmagnetisch)であるので、この磁気素子の磁場方向(Flussrichtung)は予め規定されている。もう1つの磁気素子は軟磁性(weichmagnetisch)であり、適切なスイッチング電流をビット線およびワード線に入力することによって、この磁場の方向を反転できる。両磁気素子の間に配置された誘電体は、例えば2nmの厚さを有するいわゆるトンネル誘電体である。このトンネル誘電体は、磁界に応じて変化する電気抵抗(トンネル誘電体は磁界によって取り囲まれている)を有していることを特徴としている。トンネル誘電体の両面に位置する両磁気素子が同じ方向を向いていると、誘電体の抵抗は、両磁気素子の磁力の流れの方向があたかも互いに反転しているかのように異なった値を示す。また、適切な電圧をビット線およびワード線に印加することによって、各トンネル誘電体の現在の抵抗値が決定されるので、抵抗値によって磁気素子の方向を推測できる。したがって、全体として、2値で作動する状態システム(Zustandssystem)が生じるので、この状態システムはデジタル情報の格納に適している。上記機能とは固有の抵抗に加えて、特定型式の磁気抵抗メモリーセルでは、ダイオード機能を含んでいる。
【0002】
このようなメモリーセルの構造には、例えば、実際のメモリーセルの上下に平行して延びるビット線および(beziehungsweise)ワード線がそれぞれ備えられている。逆に、このビット線およびワード線は、互いに直角となるように配置されている。メモリーセル構造の端部では、ビット線およびワード線を、さらに、読み書き用回路に接続(ueberfuehrt)できる。
【0003】
MRAM大容量メモリーのアレイは、これまでのところ、まだ製品化されておらず、通常は「面内電流(Current In-Plane)」の原理に基づいた、比較的小さな構造(アレイ)のみが用いられている。他方、大容量メモリー装置には、「平面に対して垂直な電流(Current Perpendicular to Plane)」という原理を用いることがより好ましい。また、磁気抵抗メモリーの本質的な利点は、簡単に製造でき、不揮発性データを保存し、小型化できるという点にある。磁気抵抗メモリーが大容量メモリーに適しているかどうかは、十分に大きなメモリーセルブロックを実現できるかどうかに因る場合がほとんどである。大容量メモリーの構造(アレイ)が競争力を有するには、以下の構造を同時に満たしている必要がある。
−アレイが、(数百)×(数百)サイズのメモリーセルである。
−読取り信号が、十分確実に評価できるように、規定の最小値を有している。
例えば半導体メモリーについては、
・DRAMには、約100−150mVが必要である。DRAMは、ピッチに位置する読取り増幅器を用いることによって、アレイのエッジでの電圧評価を行う。
・(内蔵された)フラッシュメモリーには、約10μAが必要である。フラッシュメモリーは、周辺の読取り増幅器によって電流評価を行う。
・SRAMは、約150μAの電流を供給する(On-Stroemen)ことによって駆動し、OFF電流を考慮しなくてよい(vernachlaessigbaren)。SRAMのアレイアクセス時間は、600ps〜1.2nsである。
MRAMの場合、正確な値を初めから示すことはできないので、個別的に、読取り信号が、妨害に対する感度の正確な評価を十分にしているかどうかを検査する必要がある。
【0004】
読取りの際のエネルギー消耗は、DRAMに匹敵するか、DRAMより少ない(1pJ−1nJ構造次第である)。これらの必要条件を、MRAMの大容量メモリーを使用する際にも設ける必要がある。
【0005】
磁気抵抗メモリーセル構造の形成については、従来技術によって、様々な提案がなされてきた。しかし、そこで提案された回路は、使用する際に、安定性に問題がある場合が多い。したがって、本発明の目的は、このようなメモリーセル(つまり、磁気抵抗メモリー)の配置に関して、磁気抵抗メモリーセルを確実に読み、書き、消去するための適切な構造を備えることにある。
【0006】
本発明によれば、この目的は、独立請求項1の磁気抵抗メモリーを備えることによって、および、独立請求項20のメモリーセルの読み出し方法によって、達成される。本発明の他の有効な形態、観点、および、詳細を、従属請求項、明細書本文、および、添付図面に示す。
【0007】
本発明の原理は、セルを介する電流に影響を与えずに、読み出されるメモリーセルの両電極(Polen)に固定電圧(festen Spannungen)を供給することにある。そのために、セルの電極の1つに固定電圧源を接続し、セルの他の電極に、セルの電流に影響を与えずにこの電極の電位を一定に保つ制御回路を接続する。したがって、電流は、電流またはそれに応じて変化する値を測定することによって決定できるセルの状態に応じて、変化する。
【0008】
したがって、本発明は、初めに、複数の行および/または複数の列に配置され、抵抗およびダイオード機能を有する磁気抵抗メモリーセル配列を備えた磁気抵抗メモリーに関するものであり、これらの磁気抵抗メモリーには、上記の列にあるメモリーセルの第1電極に接続されている各列用のビット線と、上記の行にあるメモリーセルの第2電極に接続されている各行用のワード線と、上記ワード線の各第1端部(Enden)にスイッチング素子(6a・6b・17)を介して接続可能な第1電圧を有する第1読取り電圧源とが備えられている。
【0009】
本発明のメモリーの特徴は、制御回路が、第1電極、第2電極、第3電極、第3電圧源、および、第4電圧源を備えているという点にある。第1電極は、スイッチング素子を用いて、読取り分配器(Leseverteiler)を介してビット線の第1端部にそれぞれ接続できる。第2電極は、電流を評価器に供給可能である、または、供給している。第3電極は、基準電圧源に接続されている。また、第3電圧源の電圧は、第1読取り電圧源の電圧とほぼ同じ電圧であり、第3電圧源は、スイッチング素子を介してビット線の各第2端部に接続可能である。また、第4電圧源は、スイッチング素子を介してワード線の各第2端部に接続可能である。さらに、本発明の特徴は、基準電圧源の電圧および制御回路が以下のように設定されている点にある。つまり、第4電圧源の電圧とほぼ同じ電圧を第1電極に印加し、制御回路の第2電極を介して流れる電流が、制御回路の第1電極を介して流れる電流とほぼ同じであり、この電流は、制御回路の第2電極に印加された電圧の影響を受けない、というように設定される。
【0010】
本発明において「ほぼ同じ」という言葉は、両電極の電流の差が最大でも、セルの状態についての確実な情報を与えることができる(このことを、1回または複数回測定することによって達成できる)評価器による電流の測定量だけであるということを意味する。1つの構造に組み込まれた複数のメモリーセルには、行および列がある。本発明を実行するために、読み出されるメモリーセルに接続されているワード線およびビット線に電圧を印加するので、少なくとも、提示された二次元(beiden Dimensionen)のうちの少なくとも1つ(つまり行または列)に、複数の配線を備える必要がある。したがって、本発明を合理的に使用できるメモリーセルの最小数は、2である。もちろん、それ以上の数のメモリーセルであることが望ましく、そのようなメモリーセルは、通常一般的に有用である。
【0011】
読み出されるセルを介して流れる電流は、基本的には以下の式を用いて表現できる。
I=U1−U*−UD/RZ
1は、第1読取り電圧源の電圧であり、U*は、制御電圧の第1電極の電圧であり、UDは、ダイオードの電圧降下であり、RZは、磁化に応じて変化するセル抵抗である。この電流は、制御回路の第2電極から評価器または評価線に流れる電流に相当する。この電流の流れは評価器によって決定されるので、評価されるセルの状態を推論することができる。
【0012】
この電流を、例えば、終端抵抗器(Abschlusswiderstandes)Rを用いて、評価される電圧に変換できる。つまり、
B=I*Rである。
Bは、評価線上の終端抵抗器Rの電圧である。
【0013】
この検討に関しては、使用された導体の内部抵抗を考慮しないことにする。
【0014】
したがって、評価器の1つの入力部は、評価器線を介して制御回路の第2電極に接続しているか、あるいは、接続可能である。この場合、第1線形終端抵抗器または非線形終端抵抗器は、評価器線から分岐している。
【0015】
この評価器は、電圧評価器であってもよい。また、電圧評価器によって評価された電圧は、例えば制御回路の第2電極を介して流れる電流に対して比例してもよい。
【0016】
したがって、本発明の有効な回路の評価器の一部を、この実施形態では、電流/電圧変換器と見なしてもよい。
【0017】
制御回路を実施するために、当業者に対して、上述した本発明のこの制御回路の動作を獲得できる様々な可能性を提供できる。つまり、演算増幅器およびトランジスタを用いた制御回路を設計できる。この場合、制御回路は、2つの入力部を有する演算増幅器を1つ備えていてもよい。この演算増幅器の非反転入力部は、制御回路の第3電極として基準電圧源に接続されており、演算増幅器の反転入力部は、制御回路の第1電極としてビット線の各第1端部に接続可能となっている。この演算増幅器は、出力部を1つ備えており、この出力部は、2つのソース/ドレイン領域を備えたトランジスタのゲート領域に接続されている。また、このソース/ドレイン領域のうちの1つは、演算増幅器の反転入力部に接続されており、他のソース/ドレイン領域は、制御回路の第2電極として評価器に電流を供給している。この場合、制御回路の第1電極に印加された電圧は、第3電極に印加された電圧と同じである。
【0018】
使用されるトランジスタのソース領域は、この場合、通常、制御回路の第1電極に接続されている。このような制御回路の演算増幅器は、その構造のゆえに、第1電極の電圧が常に第3電極の電圧に相当することを保証している。したがって、本発明の制御回路の基本条件を、演算増幅器を用いて適切に保証できる。
【0019】
さらに、本発明のメモリー回路を簡略化するために、第1電圧源を第3電圧源と同一にする、つまり1つにする(zuasmmenzufassen)ことが好ましい。同様に、演算増幅器を用いて制御回路を構成する場合、基準電圧源と第4電圧源とを1つにすることが好ましい。こうして、電圧の一致を特に十分に達成できる。
【0020】
この実施形態に代わるものとして、セルの電圧と評価器回路の電圧とを分離すること、および(bzw.)、セルの電圧を定常にすることが、バイポーラトランジスタを備えた制御回路を介したセル電流に依存せずに達成できる。このバイポーラトランジスタのベースは、制御回路の第3電極として基準電圧源に接続されており、バイポーラトランジスタのエミッタは、制御回路の第1電極としてビット線の第1端部に接続可能である。そして、バイポーラトランジスタのコレクタは、制御回路の第2電極として評価器線に接続されている。こうすることによってもまた、セルアレイ内の電圧を、基準電圧源によって規定される所定値に維持できる。しかし、この場合、エミッタの電圧は、ベースエミッタダイオード応答電圧(Basis-Emitter-Diodenansprechspannung)の大きさだけ基準電圧とは異なっている(versetzt)。つまり、制御回路が演算増幅器およびMOSトランジスタを備えている場合とは違って、ここでは、第4電圧源および基準電圧源の値を、近似的に同じに選択する必要はなく、基準電圧源の値を、第4電圧源の値がエミッタの値とほぼ同じであるように、整合する必要がある。
【0021】
また、終端抵抗器とは、評価される電流を電極の1つに供給し、もう一方の電極が他の基準電圧に接続されている抵抗器のことである。通常、この基準電圧はGNDであるが、他の電位(例えば読取り電圧源よりも高い電位)を用いることも可能である。この場合、回路を、当業者に周知の方法にて(als Massnahme)適切に整合する必要がある。
【0022】
本発明の意図において、ほぼ同じ電圧とは、電圧間(つまり、第1電圧と第3電圧との間、または、基準電圧と第4電圧との間)の偏差が、ダイオードの応答電圧よりも低くなければならないことを意味している。それは、望ましくない電流の流れを、読み出されないメモリーセルを介して防止するためである。さらに、このように電圧値を正確に一致させるという要求を、全メモリー領域に拡大する必要がある。なぜなら、全メモリー領域の個々のセルに、同様に、わずかな漏れ電流が生じて、この漏れ電流が全領域上で増加してしまうからである。ここから生じた、第1電圧と第3電圧との一致、および、第4電圧と基準電圧との一致に対する条件は、セルアレイの全サイズおよび配置によって異なるが、一般的に、上述の基準よりも厳しい。しかし、回路技術を適切に措置することによって、この基準を十分に満たすことができるのである。この措置とは、例えば、U1とU3と、または、U4とU5とを、(適切な実施形態である場合のみ意義のある、例えば演算増幅器によって)物理的に1つにする、つまり、切り離さずに実施することである。
【0023】
この場合、基準電圧は、第1電圧より低くてもよい。しかし、第1電圧も基準電圧よりも低くてもよいが、この場合、本発明の回路の残り部分に、適切な修正を施す必要がある。したがって、例えば、GNDに接続されている電極に動作電圧を印加し、さらに、トランジスタを反転し(つまり、pMOSトランジスタをnMOSトランジスタにする)、セルアレイのダイオードのバイアス方向を逆方向にしなければならない場合もある。
【0024】
また、第1電圧と制御回路の第1電極に印加された電圧との間の電圧差が十分にあるように、この電圧差を設定する必要がある。その結果、読み出されるメモリーセルの所定の抵抗用、および、ダイオード機能の応答電圧用に、十分な電流を、読み出されるメモリーセルを介して流すことができる。
【0025】
電圧を印加した場合に、読み出されるメモリーセルに電流が流れるように、磁気抵抗メモリーセルのダイオードを設定することが好ましい。つまり、電圧を選択することによって、ダイオードの設定を変えることができる場合もある。
【0026】
さらに、回路の時間応答(zeitliche Ansprechverhalten)を改善するために、読取り分配器がさらに事前充電源(第2電圧源、U2)に接続されているか、あるいは、接続できることが有効な場合がある。事前充電源の電圧は、制御回路の第1電極に印加された電圧、または、第4電圧源の電圧とほぼ同じであることが好ましい。この第4電圧源の電圧は、制御回路を介して、電圧U5の値に応じて設定される(つまり、OP回路ではU2=U5)。この実施形態は、以下に示す本発明の実施形態と組み合わせることが有効である。この実施形態では、セルアレイ内の容量(つまり、特に選択されたビット線の寄生的容量)を充電、または、交換する必要がある。この際、事前充電源および第4電圧源をも、ただ1つの電圧源に統合できる。
【0027】
原理的に、事前充電源U2を介した事前充電を必要としないことも考えられる。この場合、セルアレイ内部のビット線の容量の充電または交換を、セル抵抗器を介して行う必要がある。しかし、その所要時間はマイクロ秒の範囲であるので、様々な用途に用いるには時間がかかりすぎる。
【0028】
評価器線が2つの評価器パスを有するように、磁気抵抗メモリーを設計できることが好ましい。また、この評価器パスは、各スイッチング素子を介して制御回路の第2電極に接続可能である。また、評価器パスに、終端抵抗器がそれぞれ1つずつ分岐されている(abzweigt)。そして、両評価器パスのそれぞれは、スイッチング素子を介して、電圧評価器の入力部およびそれに並列しているキャパシタに接続可能である。
【0029】
このように有効な素子を配置することによって、上述の1つの評価器パスの代わりに2つの評価器パスが効果的に形成される。その結果、読み出されるメモリーセルに位置する抵抗器の2つの評価を、互いに影響を与えあわずに実施できる。
【0030】
この場合、両終端抵抗器の抵抗値は同じであっても、異なっていてもよい。また、両キャパシタは、測定の間、および、測定後に発生した電圧を格納できる。したがって、2つの入力部を有するこの電圧評価器では、両電圧の比較を実施できる。2つの評価器パスを互いに影響を与えあわずに配置することによって、例えば、メモリーセルの2倍評価、および、平均値の形成(Mittelwertbildung)も行うことができる。この平均値の形成から、抵抗値の精度を比較的高く、したがってメモリーセルの内容(Sinngehalt)を2値に算出できる。
【0031】
しかし、両評価の間を切り替える試験(Umschaltversuch)を行うこともできる。これによって、読み出されるメモリーセルの抵抗値を場合によっては変更することによって、メモリーセルの2値の状態を予め推論できる。このような切り替え試験を行うことができるように、本発明の磁気抵抗メモリーは、さらに、第1書き込み電流源と第2書き込み電流源とを備えていることが好ましい。この第1書き込み電流源は、各スイッチング素子を介してワード線の第1端部に接続可能である。第2書き込み電流源は、各スイッチング素子を介してビット線の第1端部に接続可能である。第3および第4電圧源によって供給された電圧を、読み出されるメモリーセルに印加すると共に、書き込み電流源を介して、選択された各ワード線およびビット線を通って供給された電流によって、このような切り替え試験を、規定された方向に実施できる。
【0032】
上述したように、電圧源および書き込み電流源を、用いた(verwendeten)各ワード線およびビット線の端部に接続するために、流入および流出する信号および電圧を異なるワード線およびビット線に供給する分配器が、備えられている。つまり、この分配器は分岐した導体経路システムである。このシステムの端部に、ワード線とビット線とを接続するためのスイッチング素子が配置されていることが有効である。したがって、ビット線と制御回路との接続を、各ビット線用のスイッチング素子を備えた読取り分配器を用いて行うことができる。同様に、ビット線と第2書き込み電流源との接続を、読取り分配器を用いて行うことができる。この場合、第2書き込み電流源および制御回路を、スイッチング素子を介して読取り分配器に接続できる。
【0033】
ビット線は、同様に、読取り分配器を介して事前充電源に接続される。また、事前充電源および制御回路は、スイッチング素子を介して読取り分配器に接続可能である。
【0034】
第2書き込み電流源、制御回路、および、事前充電源と、評価器分配器とを接続するためのスイッチング素子は、選択的に接触部を形成するために用いられる。なぜなら、例えば、制御回路と書き込み電流源との間を直接電気的に接続させることは、有効ではないからである。
【0035】
第3および第4電圧源は、各ビット線およびワード線用のスイッチング素子を備えた電圧分配器を介して、ビット線およびワード線に接続されている。
【0036】
さらに、読取り電圧源は、同じく、各ワード線用のスイッチング素子を備えた読取り電圧分配器を介して、ワード線に接続されている。
【0037】
最後に、第1書き込み電流源は、同様に、読取り電圧分配器を介してワード線に接続されていてもよい。また、第1書き込み電流源と第1読取り電圧源とは、第2書き込み電流源および制御回路と同様に、スイッチング素子を介して読取り電圧分配器に接続可能である。
【0038】
上述したスイッチング素子は、少なくとも部分的に、好ましくは全て、トランジスタとして形成されていることが好ましい。
【0039】
使用される磁気抵抗メモリーセルは、いわゆる垂直電流メモリーセル(平面に対して垂直な電流)であることが好ましい。このメモリーセルを用いて、メモリーセルの素子(つまりビット線、第1磁気素子、トンネル誘電体、第2磁気素子、および、ワード線)が、集積回路またはそのシリコン構造の表面に対して、上下方向に配置されている。したがって、評価する際、電流は上から下へ、または、下から上へ流れる。
【0040】
さらに、本発明は、1つの方法に関するものでもある。装置について上述した全てをこの方法に対して適用し、この内容全体を参照する。
【0041】
本発明は、複数の行および/または複数の列に配置された磁気抵抗メモリー配列(各列用のビット線、各行用のワード線、および、基準電圧を有する基準電圧源)を有する磁気抵抗メモリーのメモリーセルを読み出す方法に関するものである。このビット線は、列にあるメモリーセルの第1電極に接続されている。ワード線は、行にあるメモリーセルの第2電極に接続されている。基準電圧源は、制御回路の第3電極に接続されている。なお、この制御回路の第1電極は、読み出されるメモリーセルの第1電極に接続されている。制御回路は、第1電極に印加する電圧を生成する。この電圧は、規定された機能を用いて、制御回路(1)の第3電極にて基準電圧に影響を与える(steht)(この電圧は、例えば、基準電圧と同じ)。また、この方法は、次の工程を含んでいる。
A:第1電圧を有する第1読取り電圧源を、読み出されるメモリーセルの第2電極に接続する工程。
B:第1電圧とほぼ同じ電圧を有する第3電圧源を、読み出されるメモリーセルに接続されていないビット線に接続する工程。
C:制御回路の第1電極に印加された電圧とほぼ同じ電圧を有する第4電圧源を、読み出されるメモリーセルに接続されていないワード線に接続する工程。
D:制御回路の第2電極と読み出されるメモリーセル(3a)とを介して流れる電流を評価する工程、または、この電流から導き出された値を、制御回路(1)の第2電極から電流が供給される評価器によって評価する工程。
【0042】
導き出された値は、例えば、電圧であってもよい。したがって、導き出された値は、第1終端抵抗器を介して降下する電圧であってもよいし、第1終端抵抗器に対して並列な電圧評価器を用いて評価されてもよい。この電圧は、読み出されるメモリーセルを介して流れる電流に比例している。
【0043】
電流の流れを用いて読み出されるメモリーセルの抵抗値を推測するために、電圧評価器が印加された電圧の測定を行っている間、アドレス指定されていないワード線およびビット線に、メモリーセルのダイオードと接続して、望ましくない電流の発生を妨げる電圧を印加する。全体として、このような構造によって、読み出し抵抗器の安定性およびその精度は明らかに上昇し、全システムの損失率は著しく低減する。
【0044】
本発明の方法の工程の順を追った描写は、時間的連続を意味しているのではない。工程を順々に行う場合もあるが、他方、測定を正確に行う前に、初めに、工程A、B、Cによって設定される全ての条件を確実に行うことによって、電圧評価器を用いて正確に評価する必要がある。したがって、実行可能性と速度との両方の理由から、工程A〜Cをほぼ同時に実施することが有効である。工程Dも、ほぼ同時に、または、他の工程後にできるだけ早く実施できる。
【0045】
さらに、本発明の方法は、メモリーセルに接続された配線上での事前充電の実施を含んでいてもよい。なぜなら、この事前充電は、より大きな寄生的容量を有しているからである。こうすることで、メモリーの応答行動を改善でき、従って特にアクセス時間を低減でき、次の付加的な工程を特徴とすることができる。つまり、
工程D、C、または、Bの前に、
A2:事前充電源を、読み出されるメモリーセルの第1電極に接続されたビット線に接続する工程。この事前充電源の電圧は、制御回路の第1電極に印加された電圧とほぼ同じである。
工程A2の後、工程D、C、または、Bの前に、
A3:事前充電源を、読み出しメモリーセルの第1電極に接続されたビット線から切り離す工程。
【0046】
上述したように、本発明の方法をさらに改善することによって、読み出されるメモリーセルの値を規定する精度を改善できる。したがって、互いに影響を与え合わない2つの読取り工程を実施できる。これらの読取り工程では、発生した各電圧を、電圧評価器の入力部に並列接続された2つのキャパシタに一時的に格納する。こうして一時的に格納された電圧値を、最後に、電圧評価器を用いて同時に評価できる。しかし、この方法を改善することによって、2つの読取り工程を順に実施し、その間に切り替え試験を行うこともできる。この利点は、電圧の測定をそれほど正確に行う必要がないという点にある。なぜなら、切り替え試験の前後に生じた電圧に起こりうる差に、適合できるからである。したがって、この方法には第1読取り工程があり、この第1読取り工程に続いて、切り替え試験を行い、もう一度、電圧値の第2読取り工程を行う。この複数の工程を有する方法の好ましい実施形態には、以下の他の工程が含まれている。
E:第1終端抵抗器を介して降下した電圧を、電圧評価器に並列接続された第1キャパシタに格納する工程。
F:第1キャパシタを、第1終端抵抗器および制御回路の第2電極から切り離す工程。
G:第1読取り電圧源を、読み出されるメモリーセルから切り離す工程。
H:制御回路を、読み出されるメモリーセルから切り離す工程。
I:第4電圧源に印加された電圧を、全ワード線に印加する工程。
J:第3電圧源に印加された電圧を、全ビット線に印加する工程。
K:第1電流源を、読み出されるメモリーセルの第2電極に接続されたワード線に接続する工程。
L:第2電流源を、読み出されるメモリーセルの第2電極に接続されたビット線に接続する工程。
M:第1電流源を、読み出されるメモリーセルの第2電極に接続されたワード線から切り離す工程。
N:第2電流源を、読み出されるメモリーセルの第1電極に接続されたビット線から切り離す工程。
O:第1読取り電圧源を、読み出されるメモリーセルの第2電極に接続する工程。
P:制御回路の第1電極を、読み出されるメモリーセルに接続する工程。
Q:第3電圧源を、読み出されるメモリーセルに接続されていないビット線に印加する工程。
R:第4電圧源を、読み出されるメモリーセルに接続されていないワード線に接続する工程。
S:制御回路の第2電極を、第2終端抵抗器、第2終端抵抗器に対して並列している第2キャパシタ、および、それに対して並列している電圧評価器の第2入力部に接続する工程。
T:第2終端抵抗器を介して降下した電圧を、第2キャパシタに格納する工程。
U:第2キャパシタを、第2終端抵抗器および制御回路の第2電極から切り離す工程。
V:第1キャパシタおよび第2キャパシタに格納された電圧評価器の電圧を、比較する工程。
【0047】
ここで、本発明の方法の上記実施形態は、電圧評価器と、電流から導き出された値である電圧の検出との使用に関して、記載されてきたということに、注意すべきである。なぜなら、ここで2つの測定に必要な一時的格納を、簡単に行うことができるからである。さらに、工程Uは、格納と評価との間に、セルアレイまたは全回路において他の工程を実施できる場合にのみ必要である。なお、これらの他の工程は、第2キャパシタが空になった(Entleerung)場合に行われる。本発明の方法の上述した工程によって、評価の質は明瞭に改善される。ここでも、様々な工程が存在する(Aneinanderreihung)にもかかわらず、全ての工程を順々に行う必要はないということが、有効である。むしろ、様々な工程を、同時に、またはほぼ同時に実施できるのである。したがって、工程A〜DおよびEを,ほぼ同時に実施することが有効であり、同様に、工程F・GおよびHを、ほぼ同時に実施することが有効である。また、これを、書き込み試験(Schreibversuch)への切り替え用の工程として、第1読取り工程、したがって工程A〜Eの後に実施すべきである(sollten)。また、工程I〜Lをほぼ同時に実施することも、有効である。これらの工程を、切断工程F、GおよびHの後で行う。さらに、工程M・Nを、ほぼ同時に実施できる。これらの工程も、再度、工程A〜Lの後で行うべきである(sollte)。最後に、工程O〜Tを、ほぼ同時に実施することもできる。これらの工程には、下流の接続された第2読取り工程が含まれている。
【0048】
さらに、本発明の方法は、基準電圧が第1電圧よりも低いことを特徴とすることもできる。また、上述したように、本発明のメモリーの開示(Offenbarung)に関して、逆の状態をも検討できる。ここでも、読み出されるメモリーセルの所定の抵抗用、および、ダイオード機能の応答電圧用に、十分な電流を、読み出されるメモリーセルを介して流すのに十分な電圧差があることが有効であると言える(sollte)。
【0049】
次に、本発明を、以下に示す添付図面を引き合いに出しながら、実施例を用いて詳述する。図1は、本発明の実施の一形態における読取り工程の間の磁気抵抗メモリーを示す図である。図2は、本発明の磁気抵抗メモリーの他の実施形態を示す図である。この図では、複数の電圧源は統合されている。
【0050】
上述したように、入力部を有する簡単な評価器と、簡単な評価方法とを用いることで本発明を実施できる。以下に詳述する二重の読取り方法によって、セル抵抗の変更が予期した通り部分的に大きいにもかかわらず、正確な評価が行われる。これらの工程は以下に詳述するとおりである。
1.セル状態を読み出して、情報を格納し、
2.次に、規定された方向に切り替え試験を行い、
3.さらに、セル状態を読み出し、情報を格納し、
4.その結果と評価とを比較する。
【0051】
本発明の磁気抵抗メモリーの回路の実施形態を、図1に示す。mワード線5a、5bと、nビット線4a、4bとからなるマトリックスが備えられている。このマトリックスでは、第1読取り電圧源U1を用いて、読取り電圧分配器13とスイッチング素子6aとを介して、選択されたワード線5aに、所定の電位(例えば2ボルト)を供給する。読み出されるメモリーセル3aと接続したビット線4aを、電圧源U2を一時的に接続することによってスイッチング素子8a・21を用いて第2電圧に、例えば1ボルトで、導くことが好ましい。この実施例では演算増幅器1aおよびトランジスタ(例えばpMOS直列トランジスタ22)からなる制御回路1は、セル電流の影響を受けずに、読み出されるメモリーセル3aを、この電圧値に保つ。なぜなら、演算増幅器1aの他の入力部に、U2とできるだけ同じ電圧を供給する電圧源U5が、印加されているからである。トランジスタ22のソース領域がビット線電圧を、この場合は1ボルトという一定値に保つ一方で、ドレイン領域の電圧は、読み出されるメモリーセルの抵抗の影響を受けて変化する。なぜなら、このメモリーセルの電流は、磁化状態に応じて変化する、読み出されるメモリーセル3aの抵抗によって規定されているからである。この電流は、さらにトランジスタ22および抵抗器R1またはR2を介して評価器回路に供給される。したがって、この電流は、評価器回路の終端抵抗器R1・R2において、セル抵抗に応じて変化する電圧降下を引き起こす。ここで、この電圧は、トランジスタ22のドレイン電圧と同じである。
【0052】
この電圧は、電圧評価器2においてすぐに評価してもよく、または、図1に示したキャパシタC1・C2を用いて一時的に格納してもよい。この場合、数回の読取り工程では、初めに、キャパシタC1から導出される(zurueckgegriffen)ことが有効である。
【0053】
アドレス指定されていないワード線5bは、第4電圧源U4と電圧分配器16とを介してスイッチング素子7bを用いて、第2電圧にほぼ相当する電圧(例えば1ボルト)(第2電圧源U2によって供給された電圧と同様)に保たれる。アドレス指定されていないビット線4bは、第3電圧源U3を用いて第2電圧分配器15およびスイッチング素子9bを介して、ほぼ第1電圧の電圧レベル(たとえば2ボルト)に保たれる。つまり、上述したように、全てのビット線およびワード線のレベルは固定されている。したがって、この構想は簡単に設計されるので、機能性を提供する。
【0054】
本発明に基づいて評価工程のみを実行する場合には、電圧を一時的に格納するための第1キャパシタC1は必要ではない。この場合、電流、電圧、または、その他の導き出された値を、評価器2を用いてすぐに規定できる。この評価器2は、評価器線10に接続されているか、そうでなければ、第1キャパシタC1に並列して接続されている(つまり、両方の電位は同じである)。
【0055】
書き込み工程(例えば切り替え試験の際)を、初めに電圧源U3・U4を全てのワード線およびビット線に供給することによって行う。電流源I1・I2を介した電流の供給を、スイッチング素子18・20を用いて電流源を接続することによって行う。他方、この時点で、スイッチング素子19を用いた評価器複合体(Bewerterkomplex)と、スイッチング素子17を用いた読取り電圧源U1との両方、および、スイッチング素子21を用いた電圧源U2が、メモリーセル構造から切り離される。電流源I1・I2の電流強度は、それぞれ、例えば約1mAである。これらの電流は、書き込み電流源I1・I2から、ワード線5aおよびビット線4aに供給され、電圧源U3・U4から導き出される。
【0056】
図2に、本発明の他の実施形態を示す。この実施形態では、それぞれほぼ同じ電圧である電圧源U1・U3またはU2・U4を、1つの(gemeinsamen)電圧源U1・U2に統合する。さらに、図2に示した回路、および、その機能は、図1に示した様な上述の実施例に相当する。電圧源U5も、このように、統合できる。つまり、電圧源U5は、この実施例では、制御回路の第3電極が事前充電源U2に直列接続されている場合には不要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の一形態における読取り工程の間磁気抵抗メモリーを示す図である。
【図2】 本発明の磁気抵抗メモリーの他の実施形態を示す図である。この図では、電圧源は統合されている。
【符号の説明】
C1 第1キャパシタ
C2 第2キャパシタ
R1 第1終端抵抗器
R2 第2終端抵抗器
U1 第1読取り電圧源
U2 第2読取り電圧源
U3 第3電圧源
U4 第4電圧源
U5 第5電圧源
I1 第1書き込み電流源
I2 第2書き込み電流源
1 制御回路
1a 演算増幅器
2 電圧評価器
3a、3b、3c、3d 磁気抵抗メモリーセル
4a、4b ビット線
5a、5b ワード線
6a、6b ワード線と読取り電圧源・書き込み電圧源とを接続するためのスイッチング素子
7a、7b ワード線と第4電圧源とを接続するためのスイッチング素子
8a、8b ビット線と読取り電圧源・書き込み電圧源とを接続するためのスイッチング素子
9a、9b ビット線と第3電圧源とを接続するためのスイッチング素子
10 評価器線/端子線
11 第1評価器パス
12 第2評価器パス
13 読取り電圧分配器
14 読取り分配器
15、16 電圧分配器
17 読取り電圧源と読取り分配器とを接続するためのスイッチング素子
18 第1書き込み電流源と読取り分配器とを接続するためのスイッチング素子
19 評価器線と読取り分配器とを接続するためのスイッチング素子
20 第2書き込み電流源と評価器分配器とを接続するためのスイッチング素子
21 第2書読取り電圧源と評価器分配器とを接続するためのスイッチング素子
22 評価トランジスタ
23 第1評価器パスと端子線とを接続するためのスイッチング素子
24 第2評価器パスと端子線とを接続するためのスイッチング素子
25 第2評価器パスと電圧評価器および第2キャパシタとを接続するためのスイッチング素子
26 第1評価器パスと電圧評価器および第1キャパシタとを接続するためのスイッチング素子

Claims (27)

  1. 複数の行および/または複数の列に配置され、抵抗およびダイオード機能を有する磁気抵抗メモリーセル(3a・b・c・d)配列と、
    上記の列にあるメモリーセル(3a・b・c・d)の第1電極に接続されている各列用のビット線(4a・b)と、
    上記の行にあるメモリーセル(3a・b・c・d)の第2電極に接続されている各行用のワード線(5a・b)と、
    上記ワード線の各第1端部にスイッチング素子(6a・6b・17)を介して接続可能な第1電圧を有する第1読取り電圧源(U1)とを備えた磁気抵抗メモリーであって、
    制御回路(1)は、2つの入力部を有する1つの演算増幅器と、2つのソース/ドレイン領域を持った1つのトランジスタ(22)とを備え、
    演算増幅器は上記トランジスタ(22)のゲート領域に接続された出力部を有し、演算増幅器の反転入力部は、第1電極として、スイッチング素子(8a・8b)を用いて、読取り分配器(14)を介してビット線(4a・4b)の各第1端部に接続可能とし、上記トランジスタのソース/ドレイン領域のうちの1つは上記演算増幅器の反転入力部に接続され、上記トランジスタのソース/ドレイン領域のうちの他の1つは、第2電極として、評価器(2)に電流を供給し、上記演算増幅器の非反転入力部は、第3電極として、基準電圧源(U5)に接続され、
    第3の電圧源(U3)は、上記第1読取り電圧源(U1)の電圧と同じ電圧を有しており、スイッチング素子(9a・9b)を介して非選択ビット線(4a・4b)の各第2端部に接続可能とし、
    第4電圧源(U4)は、スイッチング素子(7a・7b)を介して、非選択ワード線(5a・5b)の各第2端部に接続可能としており、
    上記第4電圧源(U4)の電圧に相当する電圧を第1電極に印加し、制御回路(1)の第2電極を介して流れる電流が、制御回路(1)の第1電極を介して流れる電流と同じであり、第1電極を介して流れる上記電流は、制御回路(1)の第2電極に印加された電圧の影響を受けないように、基準電圧源(U5)の電圧および制御回路(1)が設定されていることを特徴とする、磁気抵抗メモリー。
  2. 上記評価器(2)の1つの入力部は、評価器線(10)を介して制御回路(1)の第2電極に接続しているか、あるいは、接続可能であり、この場合、第1線形または非線形終端抵抗器(R1)は、選択されたメモリーセルの抵抗に応じて変化する電圧降下を引き起こすために、評価器線(10)から分岐していることを特徴とする、請求項1に記載の磁気抵抗メモリー。
  3. 上記評価器(2)は電圧評価器であり、前記電圧評価器によって評価された電圧は、例えば制御回路(1)の第2電極を介して流れる電流に対して比例していることを特徴とする、請求項1または2に記載の磁気抵抗メモリー。
  4. 上記第1電極に印加された電圧は、上記第3電極に印加された電圧と同じであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  5. 上記基準電圧源(U5)は、同時に、第4電圧源(U4)であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  6. 上記制御回路(1)がバイポーラトランジスタを備えており、上記バイポーラトランジスタのベースは、制御回路(1)の第3電極として基準電圧源(U5)に接続されており、上記バイポーラトランジスタのエミッタは、制御回路(1)の第1電極としてビット線の第1端部に接続可能であり、上記バイポーラトランジスタのコレクタは、制御回路(1)の第2電極として評価器(2)に電流を供給することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  7. 上記第1電圧源(U1)が、同時に、第3電圧源(U3)であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  8. 上記基準電圧は、第1電圧より低いことを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  9. 上記第1の電圧と上記基準電圧との間の電圧差は、読み出されるメモリーセル(3a)の所定の抵抗用、および、ダイオード機能の応答電圧用に、十分な電流を、読み出されるメモリーセル(3a)を介して流すのに十分な電圧差であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  10. 上記第1電圧と基準電圧とを印加した場合に、読み出されるメモリーセル(3a)に電流が流れるように、磁気抵抗メモリーセル(3a・b・c・d)のダイオードを設定することを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  11. 事前充電源(U2)は、読取り分配器(14)に接続可能であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  12. 上記事前充電源(U2)の電圧は、制御回路の第1電極に印加された電圧と同じであることを特徴とする、請求項11に記載の磁気抵抗メモリー。
  13. 上記事前充電源(U2)は、同時に、第4電圧源(U4)であることを特徴とする、請求項11または12に記載の磁気抵抗メモリー。
  14. 上記評価器線(10)は2つの評価器パス(11・12)を有し、上記評価器パス(11・12)は、各スイッチング素子(20・21)を介して制御回路(1)の第2電極に接続可能であり、
    上記終端抵抗器(R1・R2)は、評価器パス(11・12)にそれぞれ1つずつ分岐されており、
    2つの上記評価器パス(11・12)のそれぞれは、スイッチング素子(24・25)を介して、電圧評価器(2)の1つの入力部、および、上記電圧評価器(2)に並列しているキャパシタ(C1・C2)に接続可能であることを特徴とする、請求項2〜13のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  15. 上記磁気抵抗メモリーは、さらに、
    各スイッチング素子(6a・6b・17)を介してワード線(5a・5b)の第1端部に接続可能な第1書き込み電流源(I1)と、
    各スイッチング素子(8a・8b・18)を介してビット線(4a・4b)の第1端部に接続可能な第2書き込み電流源(I2)とを備えていることを特徴とする、請求項1〜14のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  16. 上記ビット線(4a・4b)は、同様に、読取り分配器(14)を介して事前充電源(U2)に接続され、事前充電源(U2)および制御回路(1)は、スイッチング素子(19・21)を介して読取り分配器(14)に接続可能であることを特徴とする、請求項15に記載の磁気抵抗メモリー。
  17. 上記第3および第4電圧源(U3・U4)は、各ビット線およびワード線(4a・4b・5a・5b)用のスイッチング素子(7a・7b・9a・9b)を備えた電圧分配器(15・16)を介して、ビット線およびワード線(4a・4b・5a・5b)に接続されていることを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  18. 上記第1読取り電圧源(U1)は、各ワード線(5a・5b)用のスイッチング素子(6a・6b)を備えた読取り電圧分配器(13)を介して、ワード線(5a・5b)に接続されていることを特徴とする、請求項1〜17のいずれかに記載の磁気抵抗メモリー。
  19. 上記第1書き込み電流源(I1)は、同様に、読取り電圧分配器(13)を介してワード線(5a・5b)に接続され、第1書き込み電流源(I1)と第1読取り電圧源(U1)とが、スイッチング素子(16・17)を介して読取り電圧分配器(13)に接続可能であることを特徴とする、請求項18に記載の磁気抵抗メモリー。
  20. 請求項1〜19のいずれかに記載の磁気抵抗メモリーのメモリーセルの読み出し方法であって、
    上記方法は、
    A:上記基準電圧とは異なる第1電圧を有する第1読取り電圧源(U1)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第2電極に接続する工程と、
    B:上記第1電圧と同じ電圧を有する第3電圧源(U3)を、読み出されるメモリーセル(3a)に接続されていないビット線(4b)に接続する工程と、
    C:上記制御回路の第1電極に印加された電圧と同じ電圧を有する第4電圧源(U4)を、読み出されるメモリーセル(3a)に接続されていないワード線(5b)に接続する工程と、
    D:制御回路の第2電極と読み出されるメモリーセル(3a)とを介して流れる電流を評価する工程、または、上記電流から導き出された値を、制御回路(1)の第2電極から電流が供給される評価器によって評価する工程とを含んでいることを特徴とするメモリーセルの読み出し方法。
  21. 上記制御回路の第1電極に印加された電圧は、制御回路(1)の第3電極に印加された基準電圧と同じ電圧であることを特徴とする、請求項20に記載の方法。
  22. 上記の導き出された値は、第1終端抵抗器(R1)を介して降下する電圧であり、第1終端抵抗器(R1)に対して並列な電圧評価器(2)を用いて評価され、上記電圧は、読み出されるメモリーセル(3a)を介して流れる電流に比例していることを特徴とする、請求項20または21に記載の方法。
  23. 上記工程A〜Dを、ほぼ同時に実施することを特徴とする、請求項20〜22のいずれかに記載の方法。
  24. 上記方法が、工程D、C、または、Bの前に、
    A2:電圧が制御回路(1)の第1電極に印加された電圧とほぼ同じである事前充電源(U2)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第1電極に接続されたビット線(4a)に接続する工程と、
    工程A2の後、工程D、C、または、Bの前に、
    A3:上記事前充電源(U2)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第1電極に接続されたビット線(4a)から切り離す工程とを含むことを特徴とする、請求項20〜23のいずれかに記載の方法。
  25. 上記方法は、
    E:上記第1終端抵抗器(R1)を介して降下した電圧を、電圧評価器(2)に並列接続された第1キャパシタ(C1)に格納する工程と、
    F:上記第1キャパシタ(C1)を、第1終端抵抗器(R1)および制御回路(1)の第2電極から切り離す工程と、
    G:上記第1読取り電圧源(U1)を、読み出されるメモリーセル(3a)から切り離す工程と、
    H:上記制御回路(1)を、読み出されるメモリーセル(3a)から切り離す工程と、
    I:上記第4電圧源(U4)に印加された電圧を、全ワード線(5a・5b)に印加する工程と、
    J:上記第3電圧源(U3)に印加された電圧を、全ビット線(4a・4b)に印加する工程と、
    K:上記第1電流源(I1)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第2電極に接続されたワード線(5a)に接続する工程と、
    L:上記第2電流源(I2)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第2電極に接続されたビット線(4a)に接続する工程と、
    M:上記第1電流源(I1)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第2電極に接続されたワード線(5a)から切り離す工程と、
    N:上記第2電流源(I2)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第1電極に接続されたビット線(4a)から切り離す工程と、
    O:上記第1読取り電圧源(U1)を、読み出されるメモリーセル(3a)の第2電極に接続する工程と、
    P:上記制御回路の第1電極を、読み出されるメモリーセルに接続する工程と、
    Q:上記第3電圧源(U3)を、読み出されるメモリーセル(3a)に接続されていないビット線(4b)に接続する工程と、
    R:上記第4電圧源(U4)を、読み出されるメモリーセル(3a)に接続されていないワード線(5b)に接続する工程と、
    S:上記制御回路(1)の第2電極を、第2終端抵抗器(R2)、上記第2終端抵抗器に対して並列している第2キャパシタ(C2)、および、上記第2キャパシタ(C2)対して並列している電圧評価器(2)の第2入力部に接続する工程と、
    T:上記第2終端抵抗器(R2)を介して降下した電圧を、第2キャパシタ(C2)に格納する工程と、
    U:上記第2キャパシタ(C2)を、第2終端抵抗器(R2)および制御回路(1)の第2電極から切り離す工程と、
    V:上記第1キャパシタ(C1)および第2キャパシタ(C2)に格納された電圧評価器(2)の電圧を比較する工程とをさらに含んでいることを特徴とする、請求項21〜24のいずれかに記載の方法。
  26. 上記基準電圧が、第1電圧よりも低いことを特徴とする、請求項20〜25のいずれかに記載の方法。
  27. 上記第1の電圧と上記基準電圧との間の電圧差は、読み出されるメモリーセル(3a)の所定の抵抗用、および、ダイオード機能の応答電圧用に、十分な電流を、読み出されるメモリーセル(3a)を介して流すのに十分な電圧差であることを特徴とする、請求項20〜26のいずれかに記載の方法。
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