JP4407828B2 - データの読み出し方法が改善された磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
MRAMのメモリセルは、磁性層(ピン層)と磁性層(フリー層)と絶縁層とを含む磁気抵抗素子(以下、Tunneling Magnetic Resistance:TMRと称す)を記憶素子として備えている。ただし、ピン層は、固定された自発磁化を有している。フリー層は、反転可能な自発磁化を有している。そして、その自発磁化の向きが、ピン層の自発磁化の向きと平行、又は、反平行に向くように形成されている。絶縁層は、上記2つの磁性層に挟まれている。
メモリセルは、ピン層の自発磁化の方向に対するフリー層の自発磁化の方向により、1ビットの情報を記憶する。例えば、フリー層の自発磁化とピン層の自発磁化の向きが同じである平行状態(第1状態)と、フリー層の自発磁化とピン層の自発磁化の向きが反対である反平行状態(第2状態)の2つの状態を取り得る。ここで、平行状態及び反平行状態のいずれか一方を“0”に、他方を“1”に対応付けることにより、1ビットの情報を記憶する。
フリー層及びピン層の自発磁化の方向は、メモリセルの抵抗に影響を及ぼす。ここで、フリー層とピン層の自発磁化が平行状態である場合のTMRの抵抗をR0とする。その場合、反平行状態である場合、TMRの抵抗は、R0+ΔRとなる。ただし、ΔR/R0(%)の値は、一般にMR比と呼ばれている。MR比の値は、通常10〜50%である。即ち、メモリセルに記憶されている情報は、フリー層及びピン層の自発磁化の方向に対応したTMRの抵抗値を検知することにより判別できる。TMRの抵抗値を検知するには、以下のような方法で行う。例えば、所定の電圧をTMRの両端に印加し、そのTMRに流れる電流(センス電流)を検出する。又は、所定の電流をTMRに流し、そのTMRの両端に現れる電圧(センス電圧)を検出する。
図1は、典型的なMRAMの構成を示す図である。
図1に示すように、メモリセル103は、TMR109とアクセス用のトランジスタ110が直列に接続されている。TMR109の一方の端子はビット線105aに、トランジスタ110のソース端子はグランド111に接続されている。このメモリセル103がマトリックス状に多数配置されている。同様に、参照用メモリセル104は、参照用TMR108とアクセス用のトランジスタ112が直列に接続されている。参照用TMR108の一方の端子は参照用ビット線105bに、トランジスタ112のソース端子はグランド113に接続されている。この参照用メモリセル104が参照用ビット線105bに沿って複数配置されている。そして、マトリックス状に配置されたメモリセル103と、参照用ビット線105bに沿って配置された参照用メモリセル104とで、メモリセルアレイ120を形成している。
ここで、選択されたメモリセル103のトランジスタ110は、ON状態となる。そして、Yセレクタ102により選択されたビット線105aは、読み出し回路101と接続される。一方、選択された参照用メモリセル104のトランジスタ112は、ON状態となる。そして、Yセレクタ102により選択された参照用ビット線105bは、読み出し回路101と接続される。読み出し回路101は、選択されたビット線105aからの信号と、選択された参照用ビット線105bからの信号とを比較して、読み出しを行う。
以下、メモリセルに記憶された情報を読み出す方法を、従来技術(米国特許第6,392,923号明細書)を用いて詳細に説明する。ここで、TMRが平行状態である場合を“0”(TMR抵抗値はR0)、反平行状態である場合を“1”(TMR抵抗値はR1=R0+ΔR)と定義する。
図2は、従来技術における参照用メモリセル及びその周辺の構成を示す図である。メモリセル103に記憶された情報を読み出すには、先に述べたセンス電流或いはセンス電圧を読み出し回路により検出することで行われる。それに加えて、上記センス電流或いはセンス電圧が“0”状態の場合か、“1”状態の場合かを判別する参照電流或いは参照電圧が必要となる。図2に示す参照用メモリセル104aでは、上記参照信号を生成するために、“0”を記憶した状態のTMRと“1”を記憶した状態のTMRをそれぞれ2つずつ直並列に接続している。この時、参照セルの抵抗値Rrefは、
Rref=(R0+R1)/2 (2)
となる。この参照用メモリセル104aは、その抵抗値が、理論的にはR0とR1との中間になる。すなわち、メモリセル103に記憶されている情報を判別するのに適した参照信号を生成することが可能である。
図3は、TMRの両端にかかる電圧(両端電圧)とMR比との関係を示すグラフである。縦軸はMR比(%)、横軸はTMR両端電圧(V)である。この図のようなTMR素子特有のバイアス依存性の影響により、TMRにおけるMR比は、TMR両端電圧の大きさに伴って変化する。
図3を考慮すると、特許文献1の方法では、実際の参照信号は“1”のセンス信号に近い値になってしまう。図3に示すように、TMR素子のMR比は、その両端電圧が大きくなるほど低下する性質を有している。米国特許第6,392,923号(図2)の参照用メモリセル104aにおける各TMRの両端に印加される電圧は、メモリセル103のTMRの両端に印加される電圧の約1/2である。従って、メモリセル103のTMRのMR比と比較して、参照用メモリセル104aのTMRのMR比が大きくなる。それいにより、参照信号は“0”と“1”のセンス信号の中間値よりも、“1”のセンス信号方向にずれてしまう。このずれは、TMR抵抗値にばらつきが存在する場合、読み出しの信頼性を大きく損ねる可能性がある。その場合、特許文献1による方法において、読み出しの信頼性を向上するには、メモリセル103と参照用メモリセル104aに用いられるTMRの両端に均等に電圧を分配するように制御する必要がある。
米国特許第6,392,923号による方法では、参照用メモリセル104aに4つのTMR素子が必要である。メモリセルアレイ120内に参照用メモリセルカラムを配置してTMRの抵抗ばらつきを補償する場合には、参照用メモリセル104aの面積の占める割合が大きくなる。また、製造時の欠陥等で生じるショートしたTMRが参照用メモリセル104aに含まれると、リードワード線107上のメモリセル103を読み出すことが不可能になるワード線不良を引き起こす。参照用メモリセル104aに4つのTMRを有することは、このワード線不良の確立を増加させる原因となる。さらに、TMR素子の抵抗値及びMR比は、温度上昇に伴って低下してしまう。
MRAMのメモリセルに記憶されている情報を高い信頼性で判別可能な技術が望まれている。チップ面積の増加を抑制しつつ、MRAMのメモリセルに記憶されている情報を高い信頼性で判別可能な読み出し回路の技術が望まれている。TMR素子の抵抗値及びMR比に依存することなく、MRAMのメモリセルに記憶されている情報を高い信頼性で判別可能な読み出し回路の技術が望まれている。MRAMのメモリセルにおける参照信号が、TMR素子の抵抗値及びMR比に依存することなく“0”と“1”のセンス信号の中間値となる技術が望まれている。
関連する技術として、特開2002−222589号公報に、半導体装置の技術が開示されている。この半導体装置は、複数の第1メモリセルと、複数の第1ダミーセルと、複数の第2ダミーセルとを具備する。複数の第1メモリセルは、複数のワード線と複数の第1データ線の交点に設けられ、第1情報又は第2情報の何れかを記憶する。複数の第1ダミーセルは、前記複数のワード線と第1ダミーデータ線の交点に設けられ、前記第1情報を記憶する。複数の第2ダミーセル前記複数のワード線と第2ダミーデータ線の交点に設けられ、前記第2情報を記憶する。更に、第1マルチプレクサと、第2マルチプレクサと、読み出し回路と、第1共通データ線と、第2共通データ線とを更に具備してもよい。ここで、第1マルチプレクサは、前記複数の第1データ線に接続される。第2マルチプレクサは、前記第1及び第2ダミーデータ線に接続される。読み出し回路は、前記第1及び第2マルチプレクサに接続される。第1共通データ線は、前記読み出し回路と前記第1マルチプレクサとを結合する。第2共通データ線は、前記読み出し回路と前記第2マルチプレクサとを結合する。前記読み出し回路は、第1カレントミラー回路と、第2カレントミラー回路と、第1センスデータ線と、第2センスデータ線と、センスアンプとを含む。ただし、第1カレントミラー回路は、前記第1共通データ線に接続される。第2カレントミラー回路は、前記第2共通データ線に接続される。第1センスデータ線は、前記第1カレントミラー回路に接続される。第2センスデータ線は、前記第2カレントミラー回路に接続される。センスアンプは、前記第1及び前記第2センスデータ線に接続される。
また、特表2002−541608号公報(国際出願番号PCT/DE00/00778)に、磁気抵抗メモリにおけるセル抵抗の評価装置の技術が開示されている。この磁気抵抗メモリにおけるセル抵抗の評価装置は、それぞれのセル抵抗(R)の第1の端子がスイッチ(US)を介してワード線電圧(VWL)に接続されている。また、それぞれのセル抵抗の第2の端子が別のスイッチ(S)を介して線路ノード(L)に接続されている。前記線路ノード(L)は参照抵抗(RREF)を介して参照電圧源(VREF)に接続されている。該参照電圧源は線路ノードから流れるそれぞれのセル電流(I)を平均電流(I−)だけ減少させる。増幅器(OP1、RG)が、それぞれのセル電流と平均電流の差異を、評価信号としての電圧(VOUT)に変換する。前記参照抵抗(RREF)は、異なる情報内容を有するセルのセル抵抗の相互接続から形成されていてもよい。前記参照抵抗は、異なる情報内容を有するセルの2つのセル抵抗の個々の直列接続か、またはそのような直列接続の並列接続を有していてもよい。
また、特表2002−533863号公報(国際出願番号PCT/US99/29310)に、参照メモリ・アレイを有する磁気ランダム・アクセス・メモリの技術が開示されている。この磁気ランダム・アクセス・メモリは、第1導電線と、磁気メモリ・セル、第2導電線と、参照磁気メモリ・セル、抵抗性要素から構成される。磁気メモリ・セルは、前記第1導電線と直列に結合されている。格納された磁気ベクトルの方向により最小磁気抵抗と最大磁気抵抗の間で切り替わる磁気抵抗を有する。前記参照磁気メモリ・セルは、前記第2導電線と直列に結合されている。予め決められた磁気抵抗を有する。前記抵抗性要素は、前記参照磁気メモリ・セルと直列に結合されている。前記参照磁気メモリ・セルと前記抵抗性要素との両端の全抵抗が、前記最小磁気抵抗と前記最大磁気抵抗との間で設定されている。前記全抵抗は、前記最小磁気抵抗と前記最大磁気抵抗との間の中間点抵抗であるように、前記抵抗性要素が設定されていても良い。
更に、特開2002−367364号公報に、磁気メモリ装置の技術が開示されている。この磁気メモリ装置は、メモリセルと、ワード線と、ビット線と、参照ビット線と、増幅器とを備える。メモリセルは、強磁性トンネル効果を示す1つの記憶素子と、前記記憶素子に接続される1つのトランジスタとからなる。ワード線は、前記トランジスタの制御端子に接続されている。ビット線は、前記トランジスタを介して前記記憶素子の一方端に接続されている。参照ビット線は、複数の前記ビット線に対して共通に設けられている。増幅器は、前記ビット線と前記参照ビット線とに接続されている。そして、データの読み出し時に、前記ビット線と前記参照ビット線との間に生じた電位差を前記増幅器を用いて読み出す。前記参照ビット線は、前記ワード線毎に設けられた参照メモリセルを含み、前記参照メモリセルは、1つの第1抵抗素子と前記第1抵抗素子に接続される1つのトランジスタとを含んでいても良い。前記参照メモリセルの第1抵抗素子は、前記記憶素子の磁化の向きが平行の時の抵抗値と反平行の時の抵抗値との中間の抵抗値を有していてもよい。
更に、特開2002−196575号公報に、磁気ランダムアクセスメモリの技術が開示されている。この磁気ランダムアクセスメモリは、クロスポイントセルアレイと、第1方向に延設されている複数のワード線と、その第1方向と異なる第2方向に延設されている複数のビット線と、その第2方向に延設されているダミービット線と、その複数のワード線のうちから選択ワード線を選択する第1セレクタと、その複数のビット線のうちから選択ビット線を選択する第2セレクタと、読み出し回路とを備える。複数のワード線は、第1方向に延設されている。複数のビット線は、その第1方向と異なる第2方向に延設されている。ダミービット線は、その第2方向に延設されている。第1セレクタは、その複数のワード線のうちから選択ワード線を選択する。第2セレクタは、その複数のビット線のうちから選択ビット線を選択する。そのクロスポイントセルアレイは、複数のセルを含んで構成されている。複数のセルは、反転可能な自発磁化を有し、且つその自発磁化の方向に応じて抵抗が異なる磁気抵抗素子を含む。その複数のセルは、その自発磁化の方向に応じてデータを記憶する複数のメモリセルと、複数のダミーセルとを備える。その複数のメモリセルのそれぞれは、その複数のワード線のうちの一のワード線と、その複数のビット線のうちの一のビット線との間に介設されている。そのダミーセルのそれぞれは,その複数のワード線のうちの一のワード線と、そのダミービット線との間に介設されている。その読み出し回路は、オフセット除去回路と、データ判別回路とを含む。オフセット除去回路は、その選択ワード線とその選択ビット線との間に電圧が印加されることによってその選択ビット線に流れる検知電流と、その選択ワード線とそのダミービット線との間に電圧が印加されることによってそのダミービット線に流れるオフセット成分電流との差に対応する電流差信号を生成する。データ判別回路は、その電流差信号に基づいて、その選択ワード線とその選択ビット線との間に介設された選択セルに記憶されている記憶データを判別する。
また、本発明の他の目的は、チップ面積の増加を抑制しつつ、MRAMのメモリセルに記憶されている情報を高い信頼性で判別する読み出しを行う磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、TMR素子の抵抗値及びMR比に依存することなく、MRAMのメモリセルに記憶されている情報を高い信頼性で判別する読み出しを行う磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
本発明の別の目的は、MRAMのメモリセルにおける参照信号が、TMR素子の抵抗値及びMR比に依存することなく“0”と“1”のセンス信号の中間値となる磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、参照セル及びその他の回路で用いられるTMR素子の両端に印加される電圧が、メモリセルに用いられるTMR素子の両端に印加される電圧と実質的に等しくし、TMR素子特有のバイアス依存性によって読み出しの信頼性が低下するのを防ぐことが可能な磁気ランダムアクセスメモリを提供することにある。
従って、上記課題を解決するために、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、複数のビット線と参照ビット線と複数のメモリセルと複数の参照セルと読み出し部とを具備する。
ただし、複数のビット線は、第1方向に延伸する。参照ビット線は、第1方向に延伸する。複数のメモリセルは、複数のビット線の各々に沿って設けられている。複数の参照セルは、参照ビット線に沿って設けられている。複数のメモリセルの各々は、第1磁気抵抗素子を備える。第1磁気抵抗素子は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時にビット線に接続されている。複数の参照セルの各々は、参照用磁気抵抗素子を備える。参照用磁気抵抗素子は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に参照ビット線に接続されている。読み出し部は、第1抵抗部と、第2抵抗部と、比較部とを備える。第1抵抗部は、読み出し動作時に選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する。第2抵抗部は、読み出し動作時に参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する。比較部は、第9端子の電位としてのセンス電位と、第11端子の電位としての参照電位とを比較する。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、選択セルに記憶されているデータの読み出しのとき、読み出し部は、まず、第1電源の電位を、選択セルの第1磁気抵抗素子と第1抵抗部とで分圧してセンス電位とする。一方、第1電源の電位を、選択参照セルの参照用磁気抵抗素子と第2抵抗部とで分圧して参照電位とする。そして、センス電位と参照電位との比較結果を出力する。ここで、選択セルは複数のメモリセルから選択され、選択参照セルは複数の参照セルから選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第1抵抗部は、磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、直列に接続された第2磁気抵抗素子及び第3磁気抵抗素子を備える。第2抵抗部は、磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、直列に接続された第4磁気抵抗素子及び第5磁気抵抗素子を備える。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、参照用磁気抵抗素子、第1磁気抵抗素子、第2磁気抵抗素子、第3磁気抵抗素子、第4磁気抵抗素子及び第5磁気抵抗素子は、実質的に同じ構造である。第2磁気抵抗素子と第3磁気抵抗素子とは、自発磁化の磁化方向が同じである。第4磁気抵抗素子と第5磁気抵抗素子とは、自発磁化の磁化方向が異なる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第9端子と複数のメモリセルとの間に接続され、複数のメモリセルに所定の基準電圧よりも大きい電圧がかからないようにする破壊電圧防止回路を更に具備する。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し部は、第1定電圧部と、第1電流部と、第2電流部とを更に備える。第1定電圧部は、第9端子と複数のメモリセルとの間、及び、第11端子と複数の参照セルとの間に第2電位を印加する。第1電流部は、第1定電圧部と第9端子との間に設けられ、選択ビット線と第1抵抗部とに同じ大きさの電流を供給する。第2電流部は、第1定電圧部と第11端子との間に設けられ、参照ビット線と第2抵抗部とに同じ大きさの電流を供給する。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、選択セルに記憶されているデータの読み出しのとき、読み出し部は、まず、第1定電圧部が、それぞれ選択ビット線及び参照ビット線に第2電位を印加する。一方、第1電流部が、選択ビット線と選択セル及び第1抵抗部へ同じ大きさのセンス電流を流す。同様に、第2電流部が、参照ビット線と選択参照セル及び第2抵抗部へ同じ大きさの参照電流を流す。そして、第1電流部と第1抵抗部との間の電位をセンス電位とする。また、第2電流部と第2抵抗部との間の電位を参照電位とする。そして、センス電位と参照電位との比較結果を出力する。ここで、選択ビット線は、複数のビット線から選択される。選択セルは、複数のメモリセルから選択される。選択参照セルは、複数の参照セルから選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第1定電圧部は、クランプ回路を含む。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第1電流部及び第2電流部のうちの少なくとも一方は、カレントミラー回路を含む。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し部は、第1補助部、及び、第2補助部のうちの少なくとも一方を更に備える。ここで、第1補助部は、第9端子に接続され、センス電圧を変更可能である。第2補助部は、第11端子に接続され、参照電圧を変更可能である。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第1補助部及び第2補助部のうちの少なくとも一方は、トリミング回路を含む。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、複数の参照セルは、参照磁気抵抗素子に直列に接続した第1スイッチを更に備える。参照ビット線に対して互いに並列に接続されている。そして、複数の参照セルのうちの一つが、読み出し動作に用いる選択参照セルとして、第1スイッチにより選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第1抵抗部は、複数ある。複数の第1抵抗部の各々は、第9端子及び第10端子に接続され、第9端子側及び第10端子側のいずれか一方に第2スイッチを備える。そして、複数の第1抵抗部のうちの一つが、読み出し動作に用いる第1抵抗部として、第2スイッチにより選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第2抵抗部は、複数ある。複数の第2抵抗部の各々は、第11端子及び第12端子に接続され、第11端子側及び第12端子側のいずれか一方に第3スイッチを備える。複数の第2抵抗部のうちの一つが、読み出し動作に用いる第2抵抗部として、第3スイッチにより選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、下記(1)式において、参照電圧をVref、第1状態でのセンス電圧をVs(1)、第2状態のセンス電圧をVs(2)としたとき、
Vref=Vs(1)+k・(Vs(2)+Vs(1)) (1)
変数kは、k≦0.49となる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリは、複数のワード線対と、第1セレクタと、第2セレクタと、第3セレクタと、第4セレクタとを更に具備する。複数のワード線対は、第1方向に実質的に垂直な第2方向に延伸する第1ワード線と第2ワード線との組である。第1セレクタは、読み出し動作時に、複数のビット線から選択ビット線を選択し、参照ビット線を選択する。第2セレクタは、書き込み動作時に、複数のビット線から選択ビット線を選択する。第3セレクタは、書き込み動作時に、複数の第1ワード線から選択第1ワード線を選択する。第4セレクタは、読み出し動作時に、複数の第2ワード線から選択第2ワード線を選択する。複数のメモリセルの各々は、第1トランジスタを更に備える。第1トランジスタは、第2ワード線に接続された第1ゲートと、第1ゲート以外の一方の端子としての第1端子と、接地に接続された他方の端子としての第2端子とを含む。複数のメモリセルの各々は、複数のビット線と複数のワード線対とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられる。第1磁気抵抗素子が、第1端子に接続された一方の端子としての第3端子と、ビット線に接続された他方の端子としての第4端子と含む。複数の参照セルの各々は、第2トランジスタを更に備える。第2トランジスタは、第2ワード線に接続された第2ゲートと、第2ゲート以外の一方の端子としての第5端子と、接地に接続された他方の端子としての第6端子とを含む。複数の参照セルの各々は、参照ビット線と複数のワード線対とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられる。参照磁気抵抗素子は、第5端子に接続された一方の端子としての第7端子と、参照ビット線に接続された他方の端子としての第8端子と含む。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、選択セルに記憶されているデータの読み出しのとき、まず、第4セレクタは、選択セルの第1トランジスタを導通状態にする電圧を選択第2ワード線に供給し、選択第2ワード線以外の非選択第2ワード線には非選択セルの第1トランジスタを非導通状態にする電圧を供給する。第1セレクタは、選択ビット線と参照ビット線とを読み出し部に接続する。一方、読み出し部は、第1電源の電位を、選択セルの第1磁気抵抗素子と第1抵抗部とで分圧してセンス電位とする。第1電源の電位を、選択参照セルの参照用磁気抵抗素子と第2抵抗部とで分圧して参照電位とする。そして、センス電位と参照電位との比較結果を出力する。ここで、選択セルは、選択第2ワード線と選択ビット線とで複数のメモリセルから選択される。非選択セルは、選択セル以外のメモリセルである。選択参照セルは、選択第2ワード線と参照ビット線とで複数の参照セルから選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリは、ワード線と、第1セレクタと、第2セレクタとを更に具備する。ワード線は、第1方向に実質的に垂直な第2方向に延伸する。第1セレクタは、複数のビット線から選択ビット線を選択し、読み出し動作時に、参照ビット線を選択する。第2セレクタは、複数のワード線から選択ワード線を選択する。複数のメモリセルの各々は、複数のビット線と複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。第1磁気抵抗素子が、ワード線に接続された一方の端子としての第1端子と、ビット線に接続された他方の端子としての第2端子と含む。複数の参照セルの各々は、参照ビット線と複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。参照用磁気抵抗素子が、ワード線に接続された一方の端子としての第3端子と、参照ビット線に接続された他方の端子としての第4端子と含む。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、選択セルに記憶されているデータの読み出しのとき、まず、第2セレクタは、選択ワード線に読み出し電位を印加し、複数のワード線の内の選択ワード線以外の非選択ワード線を開放する。第1セレクタは、選択ビット線と参照ビット線とを読み出し部に接続する。一方、読み出し部は、第1電源の電位を、選択セルの第1磁気抵抗素子と第1抵抗部とで分圧してセンス電位とする。第1電源の電位を、選択参照セルの参照用磁気抵抗素子と第2抵抗部とで分圧して参照電位とする。センス電位と参照電位との比較結果を出力する。ここで、選択セルは、選択ワード線と選択ビット線とで複数のメモリセルから選択され、選択参照セルは、選択ワード線と参照ビット線とで複数の参照セルから選択される。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、複数の第2ビット線と、複数のワード線と、第1セレクタと、第2セレクタと、第3セレクタとを更に具備する。複数の第2ビット線は、複数のビット線の各々と対をなし、第1方向に延伸する。複数のワード線は、第1方向に実質的に垂直な第2方向に延伸する。第1セレクタは、複数のビット線から選択ビット線を選択する。第2セレクタは、複数の第2ビット線から選択第2ビット線を選択する。第3セレクタは、複数のワード線から選択ワード線を選択する。 複数のメモリセルの各々は、第1トランジスタと、第2トランジスタとを更に備える。第1トランジスタは、ワード線に接続された第1ゲートと、ビット線に接続された第1ゲート以外の一方の端子としての第1端子と、他方の端子としての第2端子とを含む。第2トランジスタは、ワード線に接続された第2ゲートと、第2ビット線に接続された第2ゲート以外の一方の端子としての第5端子と、第2端子に接続された他方の端子としての第6端子とを含む。複数のメモリセルの各々は、複数のビット線及び複数の第2ビット線と複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。第1磁気抵抗素子が、一方の端子としての第3端子を接地に、他方の端子としての第4端子を第2端子に接続されている。複数の参照セルの各々は、第3トランジスタと、第4トランジスタとを更に備える。第3トランジスタは、ワード線に接続された第3ゲートと、ビット線に接続された第3ゲート以外の一方の端子としての第7端子と、他方の端子としての第8端子とを含む。第4トランジスタは、ワード線に接続された第4ゲートと、第2ビット線に接続された第4ゲート以外の一方の端子としての第11端子と、第8端子に接続された他方の端子としての第12端子とを含む。複数の参照セルの各々は、参照ビット線と複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。参照磁気抵抗素子が、一方の端子としての第9端子を接地に、他方の端子としての第10端子を第8端子に接続されている。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、選択セルに記憶されているデータの読み出しのとき、まず、第1セレクタは、選択ビット線を選択し、複数のビット線のうちの選択ビット線以外の非選択ビット線を開放する。第3セレクタは、選択セルの第1トランジスタ及び第2トランジスタを導通状態にする電圧を選択ワード線に供給し、選択ワード線以外の非選択ワード線には非選択セルの第1トランジスタ及び第2トランジスタを非導通状態にする電圧を供給する。一方、読み出し部は、第1電源の電位を、選択セルの第1磁気抵抗素子と第1抵抗部とで分圧してセンス電位とする。第1電源の電位を、選択参照セルの参照用磁気抵抗素子と第2抵抗部とで分圧して参照電位とする。そして、センス電位と参照電位との比較結果を出力する。ここで、選択セルは、選択ワード線と選択ビット線とで複数のメモリセルから選択される。非選択セルは、選択セル以外のメモリセルである。選択参照セルは、選択ワード線と参照ビット線とで複数の参照セルから選択される。
図2は、従来技術における参照用メモリセル及びその周辺の構成を示す図である。
図3は、TMRの両端にかかる電圧(両端電圧)とMR比との関係を示すグラフである。
図4は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第1の実施の形態の構成図である。
図5Aは、磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきを示すグラフである。
図5Bは、参照電圧と読み出し不良セルの確率の関係の計算結果を示すグラフである。
図6は、Vref(ideal)を示すグラフである。
図7は、センス電圧及び参照電圧のMR比依存性を示すグラフである。
図8は、センス電圧及び参照電圧の磁気抵抗素子の抵抗値依存性を示すグラフである。
図9は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第2の実施の形態の構成図である。
図10は、最も読み出し精度を高くするkとMR比との関係を示すグラフである。
図11は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第3の実施の形態の更に他の構成を示す図である。
図12は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第4の実施の形態の更に他の構成を示す図である。
図13は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第1の実施の形態の構成図である。
図14は、センス電圧及び参照電圧のMR比依存性を示すグラフである。
図15は、センス電圧及び参照電圧の磁気抵抗素子の抵抗値依存性を示すグラフである。
図16は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態の構成図である。
図17は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態の構成図である。
図18は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第8の実施の形態の更に他の構成を示す図である。
図19は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第9の実施の形態の更に他の構成を示す図である。
図20は、クロスポイントセルアレイを示す図である。
図21は、他のメモリセルアレイを示す図である。
(第1の実施の形態)
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第1の実施の形態の構成について説明する。
図4は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第1の実施の形態の構成図である。磁気ランダムアクセスメモリは、読み出し回路1とメモリセルアレイ2と破壊電圧防止回路18とを具備する。
メモリセルアレイ2は、磁化方向を自在に反転することが可能な自発磁化を有するメモリセル21により、データを不揮発な状態で格納する。メモリセルアレイ2は、複数のメモリセル21、複数の参照セル(参照用メモリセル)22、複数のビット線33、参照ビット線34、複数のワード線対50、読み出しYセレクタ23、書き込みYセレクタ24、書き込みXセレクタ28、読み出しXセレクタ29とを備える。
ビット線33は、第1方向としてのY方向に延伸する。一方を読み出しYセレクタ23に、他方を書き込みYセレクタ24に接続されている。複数のビット線33は、互いに平行にX方向に並んで配置される。参照ビット線34は、ビット線33と平行に、Y方向に延伸する。一方を読み出しYセレクタ23に、他方を書き込みYセレクタ24に接続されている。複数のワード線対50の各々は、第1ワード線としての書き込みワード線31と、第2ワード線としての読み出しワード線32との組である。複数のワード線対50は、第1方向に実質的に垂直な方向である第2方向としてのX方向に延伸する。書き込みワード線31は、一方を書き込みXセレクタ28に接続されている。読み出しワード線32は、一方を読み出しXセレクタ29に接続されている。複数のビット線対50は、互いに平行にY方向に並んで配置される。書き込みYセレクタ24及び書き込みXセレクタ28は、それぞれ図示しない書き込み用の電源に接続されている。
第1セレクタとしての読み出しYセレクタ23は、読み出し動作時に、複数のビット線33から選択ビット線33sを選択する。それと共に、参照ビット線34を選択する。そして、選択ビット線33sおよび参照ビット線34の電圧又は電流を、それぞれ配線35及び配線36を介して、読み出し回路1へ出力する。第2セレクタとしての書き込みYセレクタ24は、書き込み動作時に、複数のビット線33から選択ビット線33sを選択する。第3セレクタとしての書き込みXセレクタ28は、書き込み動作時に、複数の書き込みワード線31から選択書き込みワード線31sを選択する。第4セレクタとしての読み出しXセレクタ29は、読み出し動作時に、複数の読み出しワード線32から選択読み出しワード線32sを選択する。
メモリセル21は、複数のビット線33と複数のワード線対50とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられる。すなわち、複数のビット線33に沿って設けられている。メモリセル21は、磁気抵抗素子27と、MOSトランジスタ26とを備える。
第1磁気抵抗素子としての磁気抵抗素子27は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有する。ここでは、第1状態とは、例えば、TMRが反平行状態である場合であり、データ“1”に対応し、第2状態とは、TMRが平行状態である場合であり、データ“0”に対応する。平行そして、読み出し動作時に、対応するビット線33に接続されている。磁気抵抗素子27は、一方の端子としての第3端子と、ビット線33に接続された他方の端子としての第4端子とを含む。第1トランジスタとしてのMOSトランジスタ26は、読み出し動作時に、磁気抵抗素子27の一方の端子(第3端子)を接地に接続するために用いる。MOSトランジスタ26は、読み出しワード線32に接続された第1ゲートと、第1ゲート以外の一方の端子としての第1端子と、接地に接続された他方の端子としての第2端子とを含む。第1端子は、第3端子に接続される。
参照セル22は、参照ビット線34と複数のワード線対50とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられる。すなわち、参照ビット線34に沿って設けられている。このような参照セル22の列を参照セルカラムともいう。参照セル22は、参照磁気抵抗素子27rと、参照MOSトランジスタ26rとを備える。
参照用磁気抵抗素子27は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有する。ここでは、データ読み出し時の参照のために、定常的に、例えば、第2状態のTMRが平行状態であるデータ“0”を格納している。そして、読み出し動作時に、対応する参照ビット線34に接続されている。参照磁気抵抗素子27は、一方の端子としての第7端子と、参照ビット線34に接続された他方の端子としての第8端子とを含む。第2トランジスタとしての参照MOSトランジスタ26rは、読み出し動作時に、参照磁気抵抗素子27rの一方の端子(第7端子)を接地に接続するために用いる。参照MOSトランジスタ26rは、読み出しワード線32に接続された第2ゲートと、第2ゲート以外の一方の端子としての第5端子と、接地に接続された他方の端子としての第6端子とを含む。第5端子は、第7端子に接続される。
破壊電圧防止回路18は、メモリセルアレイ2の読み出しYセレクタ23から延びる、選択ビット線33sと接続される配線35の途中の接続点A1に接続されている。同様に、読み出しYセレクタ23から延びる、参照ビット線34sと接続される配線36の途中の点B1に接続されている。すなわち、読み出し回路1と複数のメモリセル21又は複数の参照セル22との間に接続されている。そして、複数のメモリセル21又は複数の参照セル22に所定の基準電圧よりも大きい電圧がかからないようにする。これにより、読み出し回路1側から基準電圧よりも大きい電圧がメモリセルアレイ側に印加される事態を防止することができる。
読み出し部としての読み出し回路1は、メモリセルアレイ2の選択セル21s及び選択参照セル22sからの電圧又は電流の出力に基づいて、選択セル21sのデータを出力する。ただし、選択セル21sは、選択読み出しワード線32sと選択ビット線33sとで特定されるメモリセル21である。選択参照セル22sは、選択読み出しワード線32sと参照ビット線34とで特定される参照セル22である。読み出し回路1は、負荷抵抗に用いるTMR列A11及びTMR列B12と、比較器13とを備える。
第1抵抗部としてのTMR列A11は、選択ビット線33sの負荷抵抗として用いる。磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、互いに直列に接続された(第2)磁気抵抗素子41及び(第3)磁気抵抗素子42を有する。そして、一方の端子としての第9端子(磁気抵抗素子42の一端)と、他方の端子としての第10端子(磁気抵抗素子41の一端)とを含む。第9端子は、配線35を介してメモリセルアレイ2に接続され、読み出し動作時に選択ビット線33sに接続されている。第10端子は、第1電源(Vp)に接続される。ここでは、磁気抵抗素子41及び磁気抵抗素子42は、いずれも定常的にTMRが反平行状態であるデータ“1”を格納している。磁気抵抗素子41と磁気抵抗素子42との直列抵抗値を第1抵抗値ともいう。
第2抵抗部としてのTMR列B12は、参照ビット線34の負荷抵抗として用いる。磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、互いに直列に接続された(第4)磁気抵抗素44子及び(第5)磁気抵抗素子45を有する。そして、一方の端子としての第11端子(磁気抵抗素子45の一端)と、他方の端子としての第12端子(磁気抵抗素子44の一端)とを含む。第11端子は、配線36を介してメモリセルアレイ2に接続され、読み出し動作時に参照ビット線34に接続されている。第12端子は、第1電源(Vp)に接続される。ここでは、磁気抵抗素子44及び磁気抵抗素子45のうち、いずれか一方は定常的にTMRが反平行状態であるデータ“1”を格納し、他方は定常的にTMRが平行状態であるデータ“0”を格納している。磁気抵抗素子44と磁気抵抗素子45との直列抵抗値を第2抵抗値ともいう。
比較部としての比較器13は、選択ビット線33sの電位と実質的に等しい配線35上の接続点Aの電位(=第9端子の電位)を、センス電位とVsして検出する。同時に、参照ビット線34の電位と実質的に等しい配線36上の接続点Bの電位(=第11端子の電位)を、参照電位Vrefとして検出する。そして、その大小を比較した結果を、読み出し結果として出力する。
ここで、参照用磁気抵抗素子27r、磁気抵抗素子27、磁気抵抗素子41、磁気抵抗素子42、磁気抵抗素子44及び磁気抵抗素子45は、実質的に同じ構造の磁気抵抗素子である。磁気抵抗素子は、TMR素子に例示される。実質的とは、製造上の誤差のような制御できない要因を除く意味である。本明細書中で同じとする。
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第1の実施の形態の動作について説明する。ここでは、磁気ランダムアクセスメモリの読み出し動作について説明する。
まず、読み出しXセレクタ29は、選択読み出しワード線32sに読み出し電位を印加し、複数の読み出しワード線32の内の選択読み出しワード線以外の非選択読み出しワード線32を開放する。これにより、MOSトランジスタ26及び参照MOSトランジスタ26rがONになる。
読み出しYセレクタ23は、選択ビット線33s及び参照ビット線34を、それぞれ配線35及び配線36を介して、それぞれ読み出し回路1のTMR列A11の第9端子及びTMR列B12の第11端子に接続する。
このとき、第1電源(Vp)−TMR列A11の磁気抵抗素子41−磁気抵抗素子42−配線35−選択ビット線33s−選択セル21sの磁気抵抗素子27−接地、の第1接続が形成される。同様に、第1電源(Vp)−TMR列B12の磁気抵抗素子44−磁気抵抗素子45−配線36−参照ビット線34−選択参照セル22sの参照磁気抵抗素子27r−接地、の第2接続が形成される。
第1電源(Vp)の電位は、上記第1接続における磁気抵抗素子27と、磁気抵抗素子41と、磁気抵抗素子42とで分圧される。読み出し回路1の比較器13は、分圧された電位のうち、接続点Aの電位(磁気抵抗素子27と磁気抵抗素子41との間の電位)をセンス電位Vsとする。同様に、第1電源(Vp)の電位は、上記第2接続における参照磁気抵抗素子27rと、磁気抵抗素子44と、磁気抵抗素子45とで分圧される。読み出し回路1の比較器13は、分圧された電位のうち、接続点Bの電位(参照磁気抵抗素子27rと磁気抵抗素子45との間の電位)を参照電位Vrefとする。そして、比較器13は、センス電位Vsと参照電位Vrefとの差に基づいて、読み出し結果を出力する。
以上の読み出し動作により、磁気ランダムアクセスメモリの選択セル21sのデータを読み出すことができる。
ここで、参照電圧Vrefの最適な値について考える。参照電圧Vrefは、概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとることが望ましい。それに基づいて、各磁気抵抗素子の抵抗値が読み出し回路1にて線形に電圧に変換されていると仮定し、参照電圧Vrefが以下の式で表されると仮定する。
Vref=Vs(0)+k・{Vs(1)−Vs(0)} (3)
一方、磁気抵抗素子の抵抗値は、製造上のばらつきがある。そのため、メモリセル内の全ての磁気抵抗素子が常に全く同じ値になるわけではない。
図5Aは、磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきを示すグラフである。縦軸はセルの数、横軸は磁気抵抗素子の抵抗値である。R0は、データ“0”の抵抗値の平均値を示す。R1は、データ“1”の抵抗値の平均値を示す。一般に、磁気抵抗素子の抵抗値の分布は、正規分布で与えられる。このとき、データ“1”を格納した磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきσR1は、データ“0”を格納した磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきσR0を(1+MR比)倍したものに等しい。そのため、必ずσR0<σR1が成立する。
図5Bは、参照電圧と読み出し不良セルの確率の関係の計算結果を示すグラフである。ただし、ここでは、MR比=20%とし、データ“0”を格納した磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきのσR0を、1.5%と仮定している。σR0<σR1が成立するので、読み出し不良セルの確率が最も小さくなる参照電圧Vref、即ち、最も読み出しの信頼性を高くする参照電圧Vref(ideal)は、式(3)におけるk=0.5であるVmidよりも若干小さい値となる。
TMR抵抗値ばらつきに伴うデータ“0”のセンス電圧Vs(0)のばらつきをσV0、データ“1”のセンス電圧Vs(1)のばらつきをσV1とすると、Vref(ideal)は、
Vref(ideal)≒{σV0・σV1・{Vs(1)−Vs(0)}+σV1 2・Vs(0)−σV0 2・Vs(1)}/(σV1 2−σV 0 2) (4)
となる。ただし、ここでは、σV0=σR0、σV1=σV0・(1+MR比)、である。
式(3)と式(4)より、Vref(ideal)となるkの値を計算した。
図6は、その結果を示すグラフである。縦軸は最も読み出し精度を高くするk、横軸はMR比である。ここでは、σR0=1、2、3%の各値について計算している。磁気抵抗素子の抵抗値のばらつきσR0は、1〜3%程度であると一般に知られているからである。
例えば、メガクラスビットのMRAMを実現するには10−6以下の読み出し精度が必要である。磁気抵抗素子の抵抗値ばらつきが1%と仮定した場合、MR比は最低でも10%以上必要である。従って、図6より、(3)式に示すkの値を0.49以下であるような参照電圧を生成することが望ましい。
本実施例では、メモリセル21、参照セル22、負荷抵抗(TMR列A11及びTMR列B12)に用いられている磁気抵抗素子は全て実質的に同一である。ここで、データ“1”を格納した磁気抵抗素子にかかる電圧をV(1)、データ“0”を格納した磁気抵抗素子にかかる電圧をV(0)、MR比をMRとした場合、選択ビット線の電圧、即ち、センス電圧Vsと、参照電圧Vrefは、以下の式で表される。
Vs(0)=Vp/(3+2・MR)、Vs(1)=Vp/3 (5)
Vref=Vp/(3+MR) (6)
このとき、本実施例をVp=1.0Vとして、シミュレーションを行った。その結果を図7及び図8に示す。
図7は、センス電圧及び参照電圧のMR比依存性を示すグラフである。縦軸はセンス電圧Vs及び参照電圧Vref、横軸はMR比である。式(5)及び(6)より、MR比の変化によらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとることがわかる。即ち、MR比によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
図8は、センス電圧及び参照電圧の磁気抵抗素子の抵抗値依存性を示すグラフである。磁気抵抗素子の抵抗値は、温度により上昇する。磁気抵抗素子の温度依存性に関わらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとることがわかる。即ち、磁気抵抗素子の温度変化によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
図10は、最も読み出し精度を高くするkとMR比との関係を示すグラフである。縦軸は最も読み出し精度を高くするk、横軸はMR比である。最適値の曲線(σR0=1、2、3%に関する)は、図6と同じである。曲線P1は、本実施の形態でのシミュレーション結果、及び式(3)、(5)、(6)より計算された結果である。この結果、10%以上のMR比において、kの値は先に述べた0.49以下の範囲内となる。即ち、読み出し不良を最小限にできる最適な参照電圧Vrefを維持することが可能である。
本発明により、センス電圧Vs(1)及びVs(0)と参照電圧Vrefとの関係を、磁気抵抗素子の抵抗値の変化(印加電圧による変化、温度による変化)に依存しないものにすることが出来る。従って、各磁気抵抗素子には、約Vp/3の電圧が均等に印加される。そのため、図2で説明されたようなTMR素子特有のバイアス依存性の影響をほとんど受けない。すなわち、より高い信頼性を有する読み出し動作が可能となる。
本発明により、参照セル22に必要な磁気抵抗素子が1つで良いことから、メモリアレイ2内の参照セル占有面積を最小限にでき、参照セル22の磁気抵抗素子27rのショートに伴うワード線不良も抑制することが出来る。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第2の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第2の実施の形態の構成について説明する。
図9は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第2の実施の形態の構成図である。本実施の形態では、第1の実施の形態(図4)と比較して、TMR列A11がTMR列C11aに変わっている点と、参照セル22に定常的にデータ“1”が格納されている点で図4と異なる。TMR列C11aは、磁気抵抗素子41及び磁気抵抗素子42に、いずれも定常的にTMRが平行状態であるデータ“0”を格納している。TMR列B12aはTMR列B12と同じであり、図9のその他の構成も、第1の実施の形態(図4)と同様であり、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第2の実施の形態の動作については、第1の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
この場合も、全ての磁気抵抗素子に約Vp/3の電圧が均等に印加される。そのため、バイアス依存性の影響をほとんど受けない。ここで、選択ビット線電圧、即ち、センス電圧Vsと、参照電圧Vrefは以下の式で表される。
Vs(0)=Vp/3、Vs(1)=(1+MR)・Vp/(3+MR) (5a)
Vref=(1+MR)・Vp/(3+2MR) (6a)
図4の場合と同様にして、式(3)、(5a)、(6a)より、10%以上のMR比においてkの値は0.49以下となる。そして、MR比の変化によらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとる。即ち、MR比によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。更に、磁気抵抗素子の温度依存性に関わらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとる。即ち、磁気抵抗素子の温度変化によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
また、図10の曲線P2(シミュレーション結果、及び式(3)、(5a)、(6a)により計算)に示すように、第2実施例におけるkの値は、最も読み出しの信頼性を高める理想的なkの値に非常に近くなる。即ち、読み出し不良を最小限にできる最適な参照電圧Vrefを維持することが可能である。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第3の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第3の実施の形態の構成について説明する。
図11は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第3の実施の形態の更に他の構成を示す図である。図4と比較して、読み出し回路1bにおいて以下の点で異なる。すなわち、TMR列A11−i(i=1〜n:自然数)とスイッチ14−i(i=1〜n:自然数)とが直列に接続された組が複数存在する。複数の組の各々は、互いに並列に接続される。そして、その一端を配線35に、他端を第1電源(Vp)に接続している。同様に、TMR列B12−j(j=1〜m:自然数)とスイッチ15−j(j=1〜m:自然数)とが直列に接続された組が複数存在する。複数の組の各々は、互いに並列に接続される。そして、その一端を配線36に、他端を第1電源(Vp)に接続している。
この場合の読み出し回路1bは、各TMR列内の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合に備えて、予備のTMR列を提供できるようになっている。すなわち、読み出し動作時、又は、事前にスイッチ14−iとスイッチ15−jとにより、使用するTMR列A11−i及びTMR列B12−jを決めて、それを用いることにする。
その他の構成については、第1の実施の形態(図4)と同様であり、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第3の実施の形態の動作については、第1の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
本発明により、図4の場合の効果のほか、TMR列内の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合でも、他のTMR列を用いることで、読み出し動作時の信頼性を向上させることが可能となる。
複数のTMR列を用いる本実施の形態は、本明細書中に述べられる他の実施の形態においても、適用することが出来る。そして、同様の効果を得ることが出来る。
(第4の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第4の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第4の実施の形態の構成について説明する。
図12は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第4の実施の形態の更に他の構成を示す図である。図4と比較して、メモリセルアレイ2aにおいて、以下の点で異なる。すなわち、参照ビット線34及びそれに沿って存在する参照セル22がない。従って、読み出しYセレクタ23は参照ビット線34を選択しない。それらに代わって、配線36a、複数の参照用磁気抵抗素子47、参照セルセレクタ8、トランジスタM10が設けられている。
トランジスタM10は、読み出し回路1のTMR列B12の第11端子に接続される配線36a(参照ビット線ともいう)に接続されている。そのゲートに入力される制御信号により、読み出し動作時に、読み出し回路1と参照用磁気抵抗素子47とを接続する。制御信号を入力されるゲートと、読み出し回路1へ接続されたゲート以外の一方の端子としての第1接続端子と、複数の参照用磁気抵抗素子47−kへ接続された他方の端子としての第2接続端子とを備える。
参照用磁気抵抗素子47−k(k=1〜p:自然数)は、その一方の端子を第2接続端子へ接続している。他方の端子を参照セルセレクタ8に接続している。複数の参照用磁気抵抗素子47は、第2接続端子に対して互いに並列に接続されている。参照用磁気抵抗素子47は、記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有する。ここでは、データ読み出し時の参照のために、定常的に、例えば、第2状態のTMRが平行状態であるデータ“0”を格納している。そして、読み出し動作時に、配線36aを介して読み出し回路1に接続されている。
参照セルセレクタ8は、複数の参照用磁気抵抗素子47−kの一つを選択する。
この場合の参照用磁気抵抗素子47−kは、参照用磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合に備えて、予備の参照用磁気抵抗素子を提供できるようになっている。すなわち、読み出し動作時、又は、事前に参照セルセレクタ8により、使用する参照用磁気抵抗素子47−kを決めて、それを用いることにする。
その他の構成については、第1の実施の形態(図4)と同様であり、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第4の実施の形態の動作については、参照セル22の代わりに参照磁気抵抗素子47を用いること、参照磁気抵抗素子47の選択は、トランジスタM10及び参照セルセレクタ8とで行うこと以外は、第1の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
本発明により、図4の場合の効果のほか、参照用の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合でも、他のT参照用の磁気抵抗素子を用いることで、読み出し動作時の信頼性を向上させることが可能となる。
複数の参照用磁気抵抗素子を用いる本実施の形態は、本明細書中に述べられる他の実施の形態においても、適用することが出来る。そして、同様の効果を得ることが出来る。
(第5の実施の形態)
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第5の実施の形態の構成について説明する。
図13は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第5の実施の形態の構成図である。磁気ランダムアクセスメモリは、読み出し回路1、メモリセルアレイ2、第1電流回路3、第2電流回路4及び定電圧回路5を具備する。
メモリセルアレイ2は、第1の実施の形態と同様である。ただし、読み出しYセレクタ23からの配線35の途中に、定電圧回路5及び第1電流回路3が接続され、読み出しYセレクタ23からの配線36の途中に、定電圧回路5及び第2電流回路4が接続されているほかは、第1の実施の形態と同じである。
ただし、配線35は、一端を読み出しYセレクタ23を介して選択ビット線33sに接続されている。配線36は、一端を読み出しYセレクタ23を介して参照ビット線34に接続されている。
読み出し部の一部としての読み出し回路1は、TMR列A11の第9端子が配線35ではなく、配線37に接続していること、及び、TMR列B12の第11端子が配線36ではなく、配線37に接続していることのほかは、第1の実施の形態と同じである。
ただし、配線37は、選択ビット線33sに流れる電流に等しい電流を流す第1電流回路3が接続されている。同様に、配線38は、参照ビット線34に流れる電流に等しい電流を流す第2電流回路4が接続されている。
読み出し部の一部である第1定電圧部としての定電圧回路5は、第1電流回路3及び第2電流回路4と接続されている。更に、配線35及び配線36と接続されている。本回路は、選択ビット線33s及び参照ビット線34に所定の電圧Vcを印加する。定電圧回路5は、差動増幅器D1とトランジスタM1とで構成されるクランプ回路に例示される。
読み出し部の一部である第1電流部としての第1電流回路3は、一方を配線35の途中であって、定電圧回路5と第2電源Vddとの間に接続され、他方を配線37の途中に接続されている。(配線35−選択ビット線33s−選択セル21s)と(配線37−TMR列A11)とに同じセンス電流Isを流す。第1電流回路3は、配線35に接続されたトランジスタM3と配線37に接続されたトランジスタM4とで構成されるカレントミラー回路に例示される。
読み出し部の一部である第2電流部としての第2電流回路4は、一方を配線36の途中であって、定電圧回路5と第2電源Vddとの間に接続され、他方を配線38の途中に接続されている。(配線365−参照ビット線34−参照セル22)と(配線38−TMR列B12)とに同じ参照電流Irefを流す。第2電流回路4は、配線36に接続されたトランジスタM5と配線38に接続されたトランジスタM6とで構成されるカレントミラー回路に例示される。
比較器13は、第1電流回路3のトランジスタM4及び第2電流回路4のトランジスタM6のそれぞれのドレイン端子に生成されるセンス電圧Is及び参照電圧Irefの大小を比較し、読み出し結果として出力する。
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第5の実施の形態の動作について説明する。ここでは、磁気ランダムアクセスメモリの読み出し動作について説明する。
まず、読み出しXセレクタ29は、選択読み出しワード線32sに読み出し電位を印加し、複数の読み出しワード線32の内の選択読み出しワード線以外の非選択読み出しワード線32を開放する。これにより、MOSトランジスタ26及び参照MOSトランジスタ26rがONになる。
読み出しYセレクタ23は、選択ビット線33s及び参照ビット線34を、それぞれ配線35及び配線36に接続する。これにより、選択ビット線33sは、及び3に接続される。同様に、参照ビット線34は、第1定電圧電源5及び第2電流回路4に接続される。第2電源Vddに接続するそれぞれ読み出し回路1のTMR列A11の第9端子及びTMR列B12の第11端子に接続する。
このとき、第2電源Vdd−第1電流回路3(トランジスタM3)−第1定電圧電源5(トランジスタM1)−選択ビット線33s−選択セル21s(磁気抵抗素子27)−接地、の第3接続が形成される。同様に、第2電源Vdd−第2電流回路4(トランジスタM5)−第1定電圧電源5(トランジスタM2)−参照ビット線34−選択参照セル22s(参照磁気抵抗素子27r)−接地、の第4接続が形成される。
第2電源Vddの電位により、上記第3接続に選択セル21sの磁気抵抗素子27に格納されたデータに対応したセンス電流Isが流れる。それに基づいて、第1電流回路3(カレントミラー回路)により、第2電源Vdd−第1電流回路3(トランジスタM4)−TMR列A11(磁気抵抗素子42、磁気抵抗素子41)−接地、の第5接続にも同じセンス電流Isが流れる。そのとき、接続点Aの電位をセンス電位Vsとする。
同様に、第2電源Vddの電位により、上記第4接続に選択参照セル22sの参照磁気抵抗素子27rに格納されたデータに対応した参照電流Irが流れる。それに基づいて、第2電流回路4(カレントミラー回路)により、第2電源Vdd−第2電流回路4(トランジスタM6)−TMR列B12(磁気抵抗素子45、磁気抵抗素子44)−接地、の第6接続にも同じ参照電流Irが流れる。そのとき、接続点Bの電位を参照電位Vrefとする。そして、比較器13は、センス電位Vsと参照電位Vrefとの差に基づいて、読み出し結果を出力する。
以上の読み出し動作により、磁気ランダムアクセスメモリの選択セル21sのデータを読み出すことができる。
本実施例では、メモリセル21、参照セル22、負荷抵抗(TMR列A11及びTMR列B12)に用いられている磁気抵抗素子は全て実質的に同一である。ここで、データ“1”を格納した磁気抵抗素子にかかる電圧をV(1)、データ“0”を格納した磁気抵抗素子にかかる電圧をV(0)、MR比をMRとした場合、選択ビット線の電圧、即ち、センス電圧Vsと、参照電圧Vrefは、以下の式で表される。
Vs(0)=2(1+MR)・Vc、Vs(1)=2・Vc (7)
Vref=2(1+0.5・MR)・Vc (8)
このとき、本実施例をVc=0.3Vとして、シミュレーションを行った。その結果を図14及び図15に示す。
図14は、センス電圧及び参照電圧のMR比依存性を示すグラフである。縦軸はセンス電圧Vs及び参照電圧Vref、横軸はMR比である。式(7)及び(8)より、MR比の変化によらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとることがわかる。即ち、MR比によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
図15は、センス電圧及び参照電圧の磁気抵抗素子の抵抗値依存性を示すグラフである。磁気抵抗素子の抵抗値は、温度により上昇する。磁気抵抗素子の温度依存性に関わらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとることがわかる。即ち、磁気抵抗素子の温度変化によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
このシミュレーション結果、及び式(3)、(7)、(8)より、MR比と磁気抵抗素子の抵抗値の両方に依存することなくk=0.5である。これは、先述した最も読み出しの信頼性を高めるk≦0.49ではないが、後述するトリミング回路を付加すればk≦0.49に調整することが可能である。また、参照セルに必要なTMRは1つで良いことから、メモリアレイ内の参照セル占有面積を最小限にでき、参照セルのTMRショートに伴うワード線不良も最小限に抑えることができる。
本発明により、センス電圧Vs(1)及びVs(0)と参照電圧Vrefとの関係を、磁気抵抗素子の抵抗値の変化(印加電圧による変化、温度による変化)に依存しないものにすることが出来る。従って、各磁気抵抗素子には、約Vp/3の電圧が均等に印加される。そのため、図2で説明されたようなTMR素子特有のバイアス依存性の影響をほとんど受けない。すなわち、高い信頼性を有する読み出し動作が可能となる。
本発明により、参照セル22に必要な磁気抵抗素子が1つで良いことから、メモリアレイ2内の参照セル占有面積を最小限にでき、参照セル22の磁気抵抗素子27rのショートに伴うワード線不良も抑制することが出来る。
(第6の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態の構成について説明する。
図16は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態の構成図である。本実施の形態では、第5の実施の形態(図13)と比較して、TMR列A11がTMR列C11aに変わっている点と、参照セル22に定常的にデータ“1”が格納されている点で図13と異なる。TMR列C11aは、磁気抵抗素子41及び磁気抵抗素子42に、いずれも定常的にTMRが平行状態であるデータ“0”を格納している。TMR列B12aはTMR列B12と同じであり、図16のその他の構成も、第5の実施の形態(図13)と同様であり、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第6の実施の形態の動作については、第5の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
この場合も、全ての磁気抵抗素子に約Vp/3の電圧が均等に印加される。そのため、バイアス依存性の影響をほとんど受けない。ここで、選択ビット線電圧、即ち、センス電圧Vsと、参照電圧Vrefは以下の式で表される。
Vs(0)=2・Vc、Vs(1)=2・Vc/(1+MR) (7a)
Vref=(2+MR)・Vc/(1+MR) (8a)
図8の場合と同様にして、シミュレーション結果及び式(7a)、(8a)より、MR比の変化によらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとる。即ち、MR比によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。更に、磁気抵抗素子の温度依存性に関わらず、Vrefは、常に概ねVs(1)とVs(0)との中間の値をとる。即ち、磁気抵抗素子の温度変化によらず、最適な参照電圧を維持することが可能となる。
ただし、シミュレーション結果、及び式(3)、(7a)、(8a)より、MR比と磁気抵抗素子の抵抗値の両方に依存することなくk=0.5である。これは、先述した最も読み出しの信頼性を高めるk≦0.49ではないが、後述するトリミング回路を付加すればk≦0.49に調整することが可能である。
(第7の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第7の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第7の実施の形態の構成について説明する。
図17は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第7の実施の形態の構成図である。本実施の形態では、第5の実施の形態(図16)と比較して、以下の点が異なる。比較器13の接続点Aに対して配線37と並列に配線39が設けられている。比較器13の接続点Bに対して配線38と並列に配線40が設けられている。
ただし、配線39は、一端を第2電源Vddに、他端を接続点Aに接続している。そして、その途中に、第1補助回路6を含む。配線40は、一端を第2電源Vddに、他端を接続点Bに接続している。そして、その途中に、第2補助回路7を含む、図17のその他の構成は、第5の実施の形態(図16)と同様であり、その説明を省略する。
読み出し部の一部である第1補助部としての第1補助回路6は、配線39の途中に設けられている。接続点A−配線37−TMR配列A11へ付加的に電流βを流す。第1補助回路6は、トリミング回路に例示され、トランジスタM8と、スイッチとを含む。トランジスタM8は、ゲート電極を第1電流回路3のトランジスタM3及びM4のゲート電極に接続され、ゲート電極以外の一方の電極を接続点Aに、他端をスイッチを介して第2電源Vddに接続している。
読み出し部の一部である第2補助部としての第2補助回路7は、配線40の途中に設けられている。接続点B−配線38−TMR配列B12へ付加的に電流αを流す。第2補助回路7は、トリミング回路に例示され、トランジスタM7と、スイッチとを含む。トランジスタM7は、ゲート電極を第2電流回路4のトランジスタM5及びM6のゲート電極に接続され、ゲート電極以外の一方の電極を接続点Bに、他端をスイッチを介して第2電源Vddに接続している。
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第7の実施の形態の動作については、以下のように読み出し回路1に流れる電流が微調整される点以外は、第5の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
すなわち、第2電源Vdd−第1電流回路3(トランジスタM3)−第1定電圧電源5(トランジスタM1)−選択ビット線33s−選択セル21s(磁気抵抗素子27)−接地にセンス電流Isが流れる際、第2電源Vdd−第1電流回路3(トランジスタM4)−接続点Aに、センス電流Isが流れると共に第2電源Vdd−第1補助回路6(トランジスタM8)−接続点Aに、微小な調整用の電流βが流れる。結果として、接続点A−TMR列A11(磁気抵抗素子42、磁気抵抗素子41)−接地に、センス電流Is+βの電流が流れる。
同様に、第2電源Vdd−第2電流回路4(トランジスタM5)−第1定電圧電源5(トランジスタM2)−参照ビット線34−選択参照セル22s(磁気抵抗素子27r)−接地に参照電流Irが流れる際、第2電源Vdd−第2電流回路4(トランジスタM6)−接続点Bに、参照電流Irが流れると共に第2電源Vdd−第2補助回路7(トランジスタM7)−接続点Bに、微小な調整用の電流αが流れる。結果として、接続点B−TMR列B12(磁気抵抗素子45、磁気抵抗素子44)−接地に、参照電流Ir+亜αの電流が流れる。
トランジスタM7及びトランジスタM8は、第5の実施の形態において、k≦0.49となるように参照電圧を微調整する目的で付加されており、そのゲート幅Wとゲート長Lの比(W/L)は十分小さい値が好ましい。
スイッチを制御して、トランジスタM7及びトランジスタM8のいずれか一方だけを用いてもよい。トランジスタM7及びトランジスタM8の少なくとも一方を複数設けることも可能であり、それらをスイッチを制御して、同時に複数選択しても良い。
本発明により、第5の実施の形態や第6の実施の形態においても、k≦0.49とすることが出来る。すなわち、磁気抵抗素子に印加される電圧や温度の影響を受けない最適な参照電圧を得ることが可能となる。
補助回路を用いる本実施の形態は、本明細書中に述べられる他の実施の形態においても、適用することが出来る。そして、同様の効果を得ることが出来る。
(第8の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第8の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第8の実施の形態の構成について説明する。
図18は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第8の実施の形態の更に他の構成を示す図である。図13と比較して、読み出し回路1bにおいて以下の点で異なる。すなわち、TMR列A11−i(i=1〜n:自然数)とスイッチ14−i(i=1〜n:自然数)とが直列に接続された組が複数存在する。複数の組の各々は、互いに並列に接続される。そして、その一端を配線37に、他端を接地に接続している。同様に、TMR列B12−j(j=1〜m:自然数)とスイッチ15−j(j=1〜m:自然数)とが直列に接続された組が複数存在する。複数の組の各々は、互いに並列に接続される。そして、その一端を配線38に、他端を接地に接続している。
この場合の読み出し回路1bは、各TMR列内の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合に備えて、予備のTMR列を提供できるようになっている。すなわち、読み出し動作時、又は、事前にスイッチ14−iとスイッチ15−jとにより、使用するTMR列A11−i及びTMR列B12−jを決めて、それを用いることにする。
その他の構成については、第5の実施の形態(図13)と同様であり、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第8の実施の形態の動作については、第5の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
本発明により、図13の場合の効果のほか、TMR列内の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合でも、他のTMR列を用いることで、読み出し動作時の信頼性を向上させることが可能となる。
複数のTMR列を用いる本実施の形態は、本明細書中に述べられる他の実施の形態においても、適用することが出来る。そして、同様の効果を得ることが出来る。
(第9の実施の形態)
次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第9の実施の形態について説明する。
まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第9の実施の形態の構成について説明する。
図19は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第9の実施の形態の更に他の構成を示す図である。図13と比較して、メモリセルアレイ2aにおいて、以下の点で異なる。すなわち、参照ビット線34及びそれに沿って存在する参照セル22がない。従って、読み出しYセレクタ23は参照ビット線34を選択しない。それらに代わって、複数の参照用磁気抵抗素子47、参照セルセレクタ8、トランジスタM10が設けられている。
トランジスタM10は、定電圧回路5に接続される配線36aに接続されている。そのゲートに入力される制御信号により、読み出し動作時に、定電圧回路5及び第2電流回路4と参照用磁気抵抗素子47とを接続する。制御信号を入力されるゲートと、配線36aへ接続されたゲート以外の一方の端子としての第1接続端子と、複数の参照用磁気抵抗素子47−kへ接続された他方の端子としての第2接続端子とを備える。
参照用磁気抵抗素子47−k(k=1〜p:自然数)及び参照セルセレクタ8は、第4の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
本発明の磁気ランダムアクセスメモリの第9の実施の形態の動作については、参照セル22の代わりに参照磁気抵抗素子47を用いること、参照磁気抵抗素子47の選択は、トランジスタM10及び参照セルセレクタ8とで行うこと以外は、第5の実施の形態同様であるのでその説明を省略する。
本発明により、図13の場合の効果のほか、参照用の磁気抵抗素子が破損している場合や適切な値を示さない場合、読み出し歩留まりをより向上させたい場合でも、他のT参照用の磁気抵抗素子を用いることで、読み出し動作時の信頼性を向上させることが可能となる。
複数の参照用磁気抵抗素子を用いる本実施の形態は、本明細書中に述べられる他の実施の形態においても、適用することが出来る。そして、同様の効果を得ることが出来る。
本発明において、メモリセルアレイは、上述のメモリセルアレイ2、2aに制限されることはない。例えば、第5から第9の実施の形態については、図20に示すクロスポイントセルを用いたMRAMに適用することが出来る。
図20は、クロスポイントセルアレイ2bを示す図である。クロスポイントセルアレイ2bは、複数のメモリセル72と、複数の参照セル72rと、ワード線73と、ビット線74と、Yセレクタ78と、Xセレクタ79とを具備する。ビット線74は、第1方向(Y方向)に延伸する。ワード線73は、第1方向(Y方向)に実質的に垂直な第2方向(X方向)に延伸する。Yセレクタ78は、複数のビット線74から選択ビット線74sを選択し、読み出し動作時に、参照ビット線74rを選択する。Xセレクタ79は、複数のビット線74から選択ビット線74sを選択する。複数のメモリセル72の各々は、複数のビット線74と複数のワード線73とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。第1磁気抵抗素子77が、ワード線73に接続された一方の端子としての第1端子と、ビット線74に接続された他方の端子としての第2端子と含む。複数の参照セル72rの各々は、参照ビット線74rと複数のワード線73とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。参照用磁気抵抗素子77rが、ワード線73に接続された一方の端子としての第3端子と、参照ビット線74rに接続された他方の端子としての第4端子と含む。
本発明において、メモリセルアレイは、上述のメモリセルアレイ2、2aに制限されることはない。例えば、第1から第9の実施の形態については、図21に示す2個のトランジスタと1個の磁気抵抗素子を用いたMRAMでもよい。
図21は、他のメモリセルアレイ2cを示す図である。
メモリセルアレイの2cは、複数のメモリセル52と、複数の参照セル52rと、複数の第1ビット線54と、複数の第2ビット線55と、複数のワード線53と、Yセレクタ62と、Y側電流終端回路61と、Xセレクタ58と、Y側電流源回路63を具備する。複数の第1ビット線54は、第1方向(Y方向)に延伸する。複数の第2ビット線55は、複数の第1ビット線54の各々と対をなし、第1方向(Y方向)に延伸する。複数のワード線53は、第1方向(Y方向)に実質的に垂直な第2方向(X方向)に延伸する。Yセレクタ62は、複数の第1ビット線54から選択ビット線54sを選択する。Y側電流終端回路61は、複数の第2ビット線55から選択第2ビット線55sを選択する。Xセレクタ58は、複数のワード線53から選択ワード線53sを選択する。Y側電流源回路63は書き込み動作時に第2ビット線55−磁気抵抗素子57−第1ビット線54の経路に電流を流す。
複数のメモリセル52の各々は、第1磁気抵抗素子57と、第1トランジスタ56と、第2トランジスタ66とを備える。第1トランジスタ56は、ワード線53に接続された第1ゲートと、第1ビット線54に接続された第1ゲート以外の一方の端子としての第1端子と、他方の端子としての第2端子とを含む。第2トランジスタ66は、第1ワード線54に接続された第2ゲートと、第2ビット線55に接続された第2ゲート以外の一方の端子としての第5端子と、第2端子に接続された他方の端子としての第6端子とを含む。複数のメモリセル52の各々は、複数の第1ビット線54及び複数の第2ビット線55と複数のワード線53とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。第1磁気抵抗素子57が、一方の端子としての第3端子を接地に、他方の端子としての第4端子を第2端子に接続されている。複数の参照セル52rの各々は、参照磁気抵抗素子57r、第3トランジスタ56rと、第4トランジスタ66rとを備える。第3トランジスタ56rは、ワード線53に接続された第3ゲートと、第1ビット線54に接続された第3ゲート以外の一方の端子としての第7端子と、他方の端子としての第8端子とを含む。第4トランジスタ66rは、ワード線53に接続された第4ゲートと、第2ビット線55に接続された第4ゲート以外の一方の端子としての第11端子と、第8端子に接続された他方の端子としての第12端子とを含む。複数の参照セル52rの各々は、参照第1ビット線54r及び参照第2ビット線55rと複数のワード線53とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。参照磁気抵抗素子57rが、一方の端子としての第9端子を接地に、他方の端子としての第10端子を第8端子に接続している。
本発明によれば、磁気抵抗素子を利用した半導体記憶装置(MRAM)において、メモリセルの記憶情報を判別するための参照電圧を自動的に最適な値にすることが出来る。それにより、読み出しの信頼性を高めることができる。
また、全ての磁気抵抗素子に均等に電圧が印加されるため、磁気抵抗素子特有のバイアス依存性によらず、参照電圧を最適な値にすることが可能である。
また、磁気抵抗素子(TMR素子)の抵抗値やMR比の大小に関わらず、参照電圧を最適な値にすることが可能である。従って、使用時の温度に依存することなく、上記参照電圧は最適な値を保持でき、読み出しの信頼性を損なうことはない。
また、参照セルはユーザエリアのメモリセルと同様の構成にすることができ、参照セルの占有面積が削減できる。さらに、磁気抵抗素子のショート等によるワード線不良の数を減少させることができる。また、負荷抵抗に磁気抵抗素子(TMR素子)を用いることで、読み出し回路の面積を小さくできる。
本発明により、磁気ランダムアクセスメモリにおけるメモリセルに記憶されているデータを高い信頼性で判別し、読み出すことが可能となる。
Claims (12)
- 第1方向に延伸する複数のビット線と、
前記第1方向に延伸する参照ビット線と、
前記複数のビット線の各々に沿って設けられた複数のメモリセルと、
前記参照ビット線に沿って設けられた複数の参照セルと、
読み出し部と
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記ビット線に接続されている第1磁気抵抗素
子を備え、
前記複数の参照セルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている参照用磁気抵抗素子を備え、
前記読み出し部は、
読み出し動作時に前記複数のビット線から選択された選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する第1抵抗部と、
読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、前記第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する第2抵抗部と、
前記第9端子の電位としてのセンス電位と、前記第11端子の電位としての参照電位とを比較する比較部と
を備え、
前記第1抵抗部は、
磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、直列に接続された第2磁気抵抗素子及び第3磁気抵抗素子を備え、
前記第2抵抗部は、
磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、直列に接続された第4磁気抵抗素子及び第5磁気抵抗素子を備える
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記参照用磁気抵抗素子、前記第1磁気抵抗素子、前記第2磁気抵抗素子、前記第3磁気抵抗素子、前記第4磁気抵抗素子及び前記第5磁気抵抗素子は、実質的に同じ構造であり、
前記第2磁気抵抗素子と前記第3磁気抵抗素子とは、自発磁化の磁化方向が同じであり、
前記第4磁気抵抗素子と前記第5磁気抵抗素子とは、自発磁化の磁化方向が異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 第1方向に延伸する複数のビット線と、
前記第1方向に延伸する参照ビット線と、
前記複数のビット線の各々に沿って設けられた複数のメモリセルと、
前記参照ビット線に沿って設けられた複数の参照セルと、
読み出し部と
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記ビット線に接続されている第1磁気抵抗素
子を備え、
前記複数の参照セルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている参照用磁気抵抗素子を備え、
前記読み出し部は、
読み出し動作時に前記複数のビット線から選択された選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する第1抵抗部と、
読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、前記第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する第2抵抗部と、
前記第9端子の電位としてのセンス電位と、前記第11端子の電位としての参照電位とを比較する比較部と
を備え、
前記読み出し部は、
前記第9端子と前記複数のメモリセルとの間、及び、前記第11端子と前記複数の参照セルとの間に第2電位を印加する第1定電圧部と、
前記第1定電圧部と前記第9端子との間に設けられ、前記選択ビット線と前記第1抵抗部とに同じ大きさの電流を供給する第1電流部と、
前記第1定電圧部と前記第11端子との間に設けられ、前記参照ビット線と前記第2抵抗部とに同じ大きさの電流を供給する第2電流部と
を更に備える
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
選択セルに記憶されている前記データの読み出しのとき、
前記読み出し部は、前記第1定電圧部が、それぞれ選択ビット線及び前記参照ビット線に前記第2電位を印加し、前記第1電流部が、前記選択ビット線と前記選択セル及び前記第1抵抗部へ同じ大きさのセンス電流を流し、前記第2電流部が、前記参照ビット線と選択参照セル及び前記第2抵抗部へ同じ大きさの参照電流を流し、前記第1電流部と前記第1抵抗部との間の電位を前記センス電位とし、前記第2電流部と前記第2抵抗部との間の電位を前記参照電位とし、前記センス電位と前記参照電位との比較結果を出力し、
ここで、前記選択ビット線は前記複数のビット線から選択され、前記選択セルは前記複数のメモリセルから選択され、前記選択参照セルは前記複数の参照セルから選択される
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第1定電圧部は、クランプ回路を含む
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第1電流部及び前記第2電流部のうちの少なくとも一方は、カレントミラー回路を含む
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項3に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記読み出し部は、第1補助部及び第2補助部のうちの少なくとも一方を更に備え、
ここで、前記第1補助部は、前記第9端子に接続され、前記センス電圧を変更可能であり、
前記第2補助部は、前記第11端子に接続され、前記参照電圧を変更可能である
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項7に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記第1補助部及び前記第2補助部のうちの少なくとも一方は、トリミング回路を含む
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 第1方向に延伸する複数のビット線と、
前記第1方向に延伸する参照ビット線と、
前記複数のビット線の各々に沿って設けられた複数のメモリセルと、
前記参照ビット線に沿って設けられた複数の参照セルと、
読み出し部と
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記ビット線に接続されている第1磁気抵抗素
子を備え、
前記複数の参照セルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている参照用磁気抵抗素子を備え、
前記読み出し部は、
読み出し動作時に前記複数のビット線から選択された選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する第1抵抗部と、
読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、前記第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する第2抵抗部と、
前記第9端子の電位としてのセンス電位と、前記第11端子の電位としての参照電位とを比較する比較部と
を備え、
前記第1抵抗部は、複数あり、
複数の前記第1抵抗部の各々は、前記第9端子及び前記第10端子に接続され、前記第9端子側及び前記第10端子側のいずれか一方に第2スイッチを備え、
前記複数の前記第1抵抗部のうちの一つが、読み出し動作に用いる第1抵抗部として、前記第2スイッチにより選択される
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 第1方向に延伸する複数のビット線と、
前記第1方向に延伸する参照ビット線と、
前記複数のビット線の各々に沿って設けられた複数のメモリセルと、
前記参照ビット線に沿って設けられた複数の参照セルと、
読み出し部と
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記ビット線に接続されている第1磁気抵抗素
子を備え、
前記複数の参照セルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている参照用磁気抵抗素子を備え、
前記読み出し部は、
読み出し動作時に前記複数のビット線から選択された選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する第1抵抗部と、
読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、前記第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する第2抵抗部と、
前記第9端子の電位としてのセンス電位と、前記第11端子の電位としての参照電位とを比較する比較部と
を備え、
前記第2抵抗部は、複数あり、
複数の前記第2抵抗部の各々は、前記第11端子及び前記第12端子に接続され、前記第11端子側及び前記第12端子側のいずれか一方に第3スイッチを備え、
前記複数の前記第2抵抗部のうちの一つが、読み出し動作に用いる第2抵抗部として、前記第3スイッチにより選択される
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 第1方向に延伸する複数のビット線と、
前記第1方向に延伸する参照ビット線と、
前記複数のビット線の各々に沿って設けられた複数のメモリセルと、
前記参照ビット線に沿って設けられた複数の参照セルと、
読み出し部と
を具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して第1状態又は第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記ビット線に接続されている第1磁気抵抗素
子を備え、
前記複数の参照セルの各々は、
記憶されるデータに応じて磁化方向が反転して前記第1状態又は前記第2状態となる自発磁化を有し、読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている参照用磁気抵抗素子を備え、
前記読み出し部は、
読み出し動作時に前記複数のビット線から選択された選択ビット線に接続されている一方の端子としての第9端子と、第1電源に接続された他方の端子としての第10端子とを含み、第1抵抗値を有する第1抵抗部と、
読み出し動作時に前記参照ビット線に接続されている一方の端子としての第11端子と、前記第1電源に接続された他方の端子としての第12端子とを含み、第1抵抗値と異なる第2抵抗値を有する第2抵抗部と、
前記第9端子の電位としてのセンス電位と、前記第11端子の電位としての参照電位とを比較する比較部と
を備え、
前記複数のビット線の各々と対をなし、前記第1方向に延伸する複数の第2ビット線と、
前記第1方向に実質的に垂直な第2方向に延伸する複数のワード線と、
前記複数のビット線から選択ビット線を選択する第1セレクタと、
前記複数の第2ビット線から選択第2ビット線を選択する第2セレクタと、
前記複数のワード線から選択ワード線を選択する第3セレクタと
を更に具備し、
前記複数のメモリセルの各々は、
前記ワード線に接続された第1ゲートと、前記ビット線に接続された前記第1ゲート以外の一方の端子としての第1端子と、他方の端子としての第2端子とを含む第1トランジスタと、
前記ワード線に接続された第2ゲートと、前記第2ビット線に接続された前記第2ゲート以外の一方の端子としての第5端子と、前記第2端子に接続された他方の端子としての第6端子とを含む第2トランジスタと、
を更に備え、
前記複数のビット線及び前記複数の第2ビット線と前記複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられ、
前記第1磁気抵抗素子が、一方の端子としての第3端子を接地に、他方の端子としての第4端子を前記第2端子に接続され、
前記複数の参照セルの各々は、
前記ワード線に接続された第3ゲートと、前記ビット線に接続された前記第3ゲート以外の一方の端子としての第7端子と、他方の端子としての第8端子とを含む第3トランジスタと、
前記ワード線に接続された第4ゲートと、前記第2ビット線に接続された前記第4ゲート以外の一方の端子としての第11端子と、前記第8端子に接続された他方の端子としての第12端子とを含む第4トランジスタと、
を更に備え、
前記参照ビット線と前記複数のワード線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられ、
前記参照磁気抵抗素子が、一方の端子としての第9端子を接地に、他方の端子としての第10端子を前記第8端子に接続されている
磁気ランダムアクセスメモリ。 - 請求項11に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
選択セルに記憶されている前記データの読み出しのとき、
前記第1セレクタは、前記選択ビット線を選択し、前記複数のビット線のうちの前記選択ビット線以外の非選択ビット線を開放し、
前記第3セレクタは、選択セルの第1トランジスタ及び第2トランジスタを導通状態にする電圧を前記選択ワード線に供給し、前記選択ワード線以外の非選択ワード線には非選択セルの第1トランジスタ及び第2トランジスタを非導通状態にする電圧を供給し、
前記読み出し部は、前記第1電源の電位を、前記選択セルの前記第1磁気抵抗素子と前記第1抵抗部とで分圧して前記センス電位とし、前記第1電源の電位を、選択参照セルの前記参照用磁気抵抗素子と前記第2抵抗部とで分圧して前記参照電位とし、前記センス電位と前記参照電位との比較結果を出力し、
ここで、前記選択セルは、前記選択第2ワード線と前記選択ビット線とで前記複数のメモリセルから選択され、前記非選択セルは、前記選択セル以外の前記メモリセルであり、前記選択参照セルは、前記選択第2ワード線と前記参照ビット線とで前記複数の参照セルから選択される
磁気ランダムアクセスメモリ。
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