JP4839894B2

JP4839894B2 - 磁気メモリの読み出し回路

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Publication number: JP4839894B2
Application number: JP2006061366A
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Inventors: 雅文栗栖
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Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-12-21
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Description

本発明は磁気メモリの読み出し回路に関する。

ＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）は、格子状に配線されたビット線とワード線の交点にＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を配置した構造を有する。通常のＴＭＲ素子は、２つの強磁性層間に非磁性層を有する強磁性層／非磁性絶縁層／強磁性層の三層構造からなる。強磁性層は、通常は厚さ１０ｎｍ以下の遷移金属磁性元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）又は遷移金属磁性元素の合金（ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅ等）からなり、非磁性絶縁層は、Ａｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等からなる。

ＴＭＲ素子を構成する一方の強磁性層（固定層）は、磁化の向きを固定しており、他方の強磁性層（感磁層又は自由層）は磁化の向きが外部磁界に応じて回転する。なお、固定層の構造としては、反強磁性層（ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等）を一方の強磁性層に付与した交換結合型が良く用いられる。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する２つの強磁性体の磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。これら２つの強磁性体の磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗の値が大きい。

したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の電圧値を測定することで行う。

「１」、「０」の情報の書き込みは、ＴＭＲ素子近傍に配置した配線に電流を流すことで形成される磁界の作用によって、ＴＭＲ素子の感磁層の磁化の向きを回転させることで行うことが、従来、提案されているが、近年、スピン注入による書き込み方法も知られるようになった。

下記特許文献１の磁気メモリの読み出し回路では、ビット線とワード線の交差点上に配置された複数の磁気メモリ・セルを有しており、目標セルの磁気抵抗と参照セルの磁気抵抗とを比較して、結果を出力することが可能となる旨が記載されている。

下記特許文献２の磁気メモリの読み出し回路は、１スイッチ（トランジスタやダイオード）と２つのトンネル接合を利用して差動方式を実現することができ、優れたＳ／Ｎ比を実現することができると記載されている。

下記特許文献３の磁気メモリの読み出し回路では、ワード線に与えられる電位を等電位に保持することで、意図しない経路からの電流の流入を防ぐことができると記載されている。

上述の従来技術においては、磁気抵抗効果素子からの検出値と基準値との大小を比較することによって、情報読み出し時の「０」，「１」を決定している。
特表２００２−５３３８６３号公報特開２００１−２６６５６７号公報特開２００１−３２５７９１号公報

しかしながら、磁気抵抗効果素子の特性は、素子毎に若干異なるため、正確な読み出しができない場合がある。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、情報の正確な読み出しが可能な磁気メモリの読み出し回路を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気メモリの読み出し回路は、スピン注入磁化反転が可能な感磁層を有する磁気抵抗効果素子を複数配列してなる磁気メモリの読み出し回路において、磁気抵抗効果素子に第１データを書き込むデータ書き込み手段と、データ書き込み手段による第１データの書き込み時における磁気抵抗効果素子の出力波形が、磁気抵抗効果素子に第１データが既に書き込まれていた場合に出力される第１波形であるか、磁気抵抗効果素子に第１データと異なる第２データが既に書き込まれていた場合に出力される第２波形であるかどうかを判定する判定手段とを備え、データ書き込み手段は、判定手段が、第２波形であると判定した場合には、感磁層においてスピン注入磁化反転を生じさせることで、第２データを磁気抵抗効果素子に書き込むことを特徴とする。

磁気抵抗効果素子の感磁層は、既に書き込まれている磁化の向きを反転させるためのスピンが注入された場合、これを反転させないためのスピンを注入した場合と比較して、大きな電圧変化を両端に生じる。すなわち、スピン注入磁化反転時には、磁化反転のために大きなエネルギーを消費する。

磁気抵抗効果素子の感磁層に予め記憶された値が、書き込みデータ（第１データ＝例えば「０」）であった場合には、第１データ書き込み時の出力変化は小さく、第１波形が出力される。第１波形であるという論理を「０」とする。磁気抵抗効果素子の感磁層に予め記憶された値が、書き込みデータと異なる第２データ（例えば「１」）であった場合には、第１データ書き込み時の出力変化は大きく、第２波形が出力される。第２波形であるという論理を「１」とする。

詳説すれば、データ書き込み手段によって、第１データ「０」を書き込んだ場合、感磁層の磁化の向きに応じて、磁気抵抗効果素子からの出力波形が異なる。書き込み時の磁気抵抗効果素子の出力波形が、磁気抵抗効果素子に第１データ「０」が既に書き込まれていた場合には、第１波形が出力されるが、磁気抵抗効果素子に第２データ「１」が既に書き込まれていた場合には、第２波形が出力される。判定手段は、入力された波形が、第１波形（＝０）であるか、第２波形（＝１）であるかを判定する。書き込み時に磁化反転を伴う場合、大きな電圧変化を有する第２波形（＝１）が出力されるので、判定手段は、閾値判定などを用いて、出力波形が第２波形である旨を判定する。

読み出されたデータが第１データ「０」である場合には、感磁層の磁化の向きは書き込み前後で変化しないため、格段の処理を必要としないが、読み出されたデータが第２データ「１」である場合には、感磁層の磁化の向きは書き込み前後において、「１」から「０」に変化しているため、読み出し当初の第２データ（＝１）に書き直す。すなわち、記憶されたデータが「１」であるにも拘わらず、データ書き込み手段が「０」を書き込んでしまったので、データ書き込み手段は、感磁層内のデータを元のデータ「１」を書き込み直す。

上述の読み出し回路によれば、磁気抵抗効果素子の特性が素子毎に若干異ったとしても、自己の記憶データの書き換え時の出力波形を基準として判定を行っているので、素子毎のデータ読み出しが正確となる。また、記憶されたデータを書き込みによって破壊しながら読み出すので、この読み出し時の書き込み電流（読み出し電流）を大きくして磁化反転が生じても、読み出されるデータの判定には影響が与ないため、この読み出し電流を大きさの制限を解除することができる。

また、判定手段は、磁気抵抗効果素子及び基準電位に２つの入力端子がそれぞれ接続された比較器を備えていることを特徴とする。すなわち、磁気抵抗効果素子からの出力が基準電位以下の場合には、比較器の出力はＬレベルとなり、例えば「０」が出力され、第１波形が出力されたことが判定できる。磁気抵抗効果素子からの出力が基準電位を超えた場合には、比較器の出力はＨレベルとなり、例えば「１」が出力され、第２波形が出力されたことが判定できる。

また、データ書き込み手段は、第１データを書き込む場合には、磁気抵抗効果素子に第１の方向に流れる書き込み電流を流し、第２データを書き込む場合には、第１の方向とは逆方向に流れる書き込み電流を流すことを特徴とする。

スピン注入磁化反転を利用したデータの書き込みにおいては、電流を流す向きを異ならせることにより、記憶されるデータの状態を変えることができる。例えば、第１の方向に書き込み電流を流せば、「０」が書き込まれ、逆方向に書き込み電流を流せば「１」が書き込まれる。

また、本発明に係る磁気メモリの読み出し回路は、判定手段の判定結果を、読み出し情報として論理レベルで外部に出力する入出力手段を更に備えることを特徴とする。

すなわち、判定手段の判定結果は、磁気抵抗効果素子に記憶されたデータに対応する。予め「０」が記憶されている場合には、判定結果を第１波形として、第１波形に対応する論理レベルを「Ｌ」（＝０）とすれば、「０」が読み出されたことになる。予め「１」が記憶されている場合には、判定結果を第２波形として、第２波形に対応する論理レベルを「Ｈ」（＝１）とすれば、「１」が読み出されたことになる。この論理レベルは、入出力手段によって外部に出力される。

本発明の磁気メモリの読み出し回路によれば、情報の正確な読み出しできる。

以下、実施の形態に係る磁気メモリの読み出し回路について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、読み出し回路を有する磁気メモリのブロック図である。磁気メモリの記憶部は、Ｘ列Ｙ行の複数の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）を配列してなり、各記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）は磁気抵抗効果素子ＭＲを備えている。

１つの磁気抵抗効果素子ＭＲは、スピン注入磁化反転が可能な感磁層を有し、注入された電流の向きと大きさに応じて磁化反転が行われ、抵抗値が変化するものである。

Ｘデコーダ３からＹ軸に沿って延びるビット線のそれぞれは、磁気抵抗効果素子ＭＲの一端に接続され、磁気抵抗効果素子ＭＲの他端は、スイッチ用のトランジスタＱを介して基準ラインＢＬ’に接続されている。それぞれのトランジスタＱのゲートは、Ｙデコーダ４からＸ軸に沿って延びるワード線ＷＬに接続されている。

書き込み制御回路（データ書き込み手段）１に、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）のアドレスと書き込みデータを示す書き込み情報が入力されると、書き込み制御回路１はタイミング制御回路２を駆動し、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）にデータが書き込まれるよう、以下のようにＸデコーダ３及びＹデコーダ４を制御する。

ビット線ＢＬの電位を基準ラインＢＬ’の電位よりも高く（＝Ｖ_Ｈ’とする）した状態で、ワード線ＷＬの電位を特定のレベルとしてスイッチ用のトランジスタＱをＯＮさせると、ビット線ＢＬから磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込み電流Ｉ_Ｗが流れ、特定の極性のスピンが感磁層内に注入され、例えば、「０」が書き込まれる。ビット線ＢＬの電位を基準電位よりも低く（＝Ｖ_Ｌ’とする）した状態で、ワード線ＷＬの電位を特定のレベルとしてスイッチ用のトランジスタＱをＯＮさせると、基準ラインＢＬ’から磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込み電流Ｉ_Ｗが流れ、上記とは逆極性のスピンが感磁層内に注入され、例えば「１」が書き込まれる。書き込み時には、基準ラインＢＬ’の電位を例えば任意の一定値Ｖ_Ｍに設定しておく。

このように、書き込み回路１は、第１データ（＝０）を書き込む場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１の方向に流れる書き込み電流Ｉ_Ｗを流し、第２データ（＝１）を書き込む場合には、第１の方向とは逆方向に流れる書き込み電流Ｉ_Ｗを流している。スピン注入磁化反転を利用したデータの書き込みにおいては、電流を流す向きを異ならせることにより、記憶されるデータの状態を変えることができる。本例では、第１の方向に書き込み電流Ｉ_Ｗを流して「０」を書き込み、逆方向に書き込み電流Ｉ_Ｗを流して「１」を書き込んでいる。

読み出し制御回路６に、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）のアドレスを示す読み出し指令が入力されると、読み出し制御回路６はタイミング制御回路２を駆動し、記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）のデータが読み出されるよう、以下のようにＸデコーダ３及びＹデコーダ４を制御する。

まず、スイッチＱ１を接続した状態で、ビット線ＢＬに接続されるデコーダ３の内部抵抗の電位を基準ラインＢＬ’の電位よりも高く（＝Ｖ_Ｈ’とする）し、ワード線ＷＬの電位を特定のレベルとしてスイッチ用のトランジスタＱをＯＮさせると、デコーダ３の内部抵抗を介してビット線ＢＬから磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込み電流（＝読み出し電流）Ｉ_Ｗが流れ、特定の極性のスピンが感磁層内に注入され、例えば、「０」が書き込まれる。なお、注入電子は電流と逆方向に流れる。書き込み制御回路１は、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１データ（＝０）を書き込む。このときのビット線ＢＬの電位Ｖ２が、判定回路５に入力され、電位Ｖ２が基準電位以下であるか（＝Ｌ）、基準電位を超えているかどうか（＝Ｈ）の閾値判定が行われる。

詳説すれば、判定回路５は、閾値判定により、書き込み制御回路１による第１データ（＝０）の書き込み時の磁気抵抗効果素子ＭＲの出力波形が、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１データ（＝０）が既に書き込まれていた場合に出力される第１波形（Ｌ＝０）であるか、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１データ（＝０）と異なる第２データ（＝１）が既に書き込まれていた場合に出力される第２波形（Ｈ＝１）であるかどうかを判定する。

磁気抵抗効果素子ＭＲの感磁層は、既に書き込まれている磁化の向きを反転させるためのスピンが注入された場合、これを反転させないためのスピンを注入した場合と比較して、大きな電圧変化を両端に生じる。すなわち、スピン注入磁化反転時には、磁化反転のために大きなエネルギーを消費する。

磁気抵抗効果素子ＭＲの感磁層に予め記憶された値が、書き込みデータ（第１データ＝例えば「０」）であった場合には、第１データ書き込み時の出力変化は小さく、第１波形が出力される。第１波形であるという論理をＬ＝「０」とする。磁気抵抗効果素子ＭＲの感磁層に予め記憶された値が、書き込みデータと異なる第２データ（例えば「１」）であった場合には、第１データ書き込み時の出力変化は大きく、第２波形が出力される。第２波形であるという論理をＨ＝「１」とする。

書き込み制御回路１によって、第１データ「０」を書き込んだ場合、感磁層の磁化の向きに応じて、磁気抵抗効果素子ＭＲからの出力波形が異なる。書き込み時の磁気抵抗効果素子ＭＲの出力波形が、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１データ「０」が既に書き込まれていた場合には、第１波形が出力されるが、磁気抵抗効果素子に第２データ「１」が既に書き込まれていた場合には、第２波形が出力される。

判定回路５は、入力された波形が、第１波形（＝０）であるか、第２波形（＝１）であるかを判定している。書き込み時に磁化反転を伴う場合、大きな電圧変化を有する第２波形（＝１）が出力されるので、判定回路５は、閾値判定などを用いて、出力波形が第２波形である旨を判定する。

読み出されたデータが第１データ「０」である場合には、感磁層の磁化の向きは書き込み前後で変化しないため、格段の処理を必要としないが、読み出されたデータが第２データ「１」である場合には、感磁層の磁化の向きは書き込み前後において、「１」から「０」に変化しているため、読み出し当初の第２データ（＝１）に書き直す。すなわち、記憶されたデータが「１」であるにも拘わらず、データ書き込み手段が「０」を書き込んでしまったので、データ書き込み手段は、感磁層内のデータを元のデータ「１」を書き込み直す。書き込み制御回路１は、判定回路５が、第２波形であると判定した場合には、感磁層においてスピン注入磁化反転を生じさせることで、第２データ「１」を磁気抵抗効果素子ＭＲに書き込む。

この読み出し回路は、判定回路５の判定結果を、読み出し情報として論理レベルで外部に出力する入出力回路（入出力手段）７を備えている。判定回路５の判定結果は、磁気抵抗効果素子ＭＲに記憶されたデータに対応する。予め「０」が記憶されている場合には、判定結果を第１波形として、第１波形に対応する論理レベルを「Ｌ」（＝０）としているので、「０」が読み出される。予め「１」が記憶されている場合には、判定結果を第２波形として、第２波形に対応する論理レベルを「Ｈ」（＝１）としているので、「１」が読み出される。

図２は、上述の読み出し回路の動作を説明するためのフローチャートである。

まず、書き込み制御回路１によって、意図的に磁気抵抗効果素子ＭＲに第１データ（＝０）を書き込んで（Ｓ１）、この書き込み時の電圧Ｖ２を判定回路５で測定する（Ｓ２）。次に、電圧Ｖ２が、波形が通常波形から変形したかどうか、換言すれば、基準電位Ｖｔｈよりも大きいかどうかを判定し（Ｓ３）、判定結果が「Ｎｏ」である場合、すなわち、予め記憶された値が、書き込みデータ（第１データ＝「０」）と一致しており、第１波形を示す場合には、判定回路５の判定結果は第１データ「０」となる。すなわち、記憶されていたデータは「０」であったことになる（Ｓ４）。

一方、電圧Ｖ２が、波形が通常波形から変形したかどうか、換言すれば、基準電位Ｖｔｈよりも大きいかどうかを判定し（Ｓ３）、判定結果が「Ｙｅｓ」である場合、すなわち、予め記憶された値が、書き込みデータ（第１データ＝「０」）と異なっており、第２波形を示す場合には、判定回路５の判定結果は第２データ「１」となる。すなわち、記憶されていたデータは「１」であったことになる（Ｓ５）。ここでは、書き込み制御回路１が「０」を書き込んでしまったので、書き込み制御回路１は、元のデータ「１」を、データ読み出し元の磁気抵抗効果素子ＭＲ書き込む（Ｓ６）。

上述の手法によれば、磁気抵抗効果素子ＭＲの特性が素子毎に若干異ったとしても、自己の記憶データの書き換え時の出力波形を基準として判定を行っているので、素子毎のデータ読み出しが正確となる。また、記憶されたデータを書き込みによって破壊しながら読み出すので、この読み出し時の書き込み電流（読み出し電流）を大きくして磁化反転が生じても、読み出されるデータの判定には影響が与ない。従来、読み出し用電流は書込み時の１／１０以下であることが必要と考えられていたが、上述の構成により、読み出し電流を大きさの制限を解除することができる。

このようなデータの書き込みは、スピン注入磁化反転によって行うことができる。

図３は、磁気抵抗効果素子ＭＲを含む記憶素子の縦断面図である。

個々の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）は、書き込み電流Ｉ_Ｗ（＝読み出し電流Ｉ_Ｒ）の供給用の第１配線Ｗ１（ビット線ＢＬ）と、共通配線ＷＣ（基準ラインＢＬ’）と、磁気抵抗効果素子ＭＲと、磁気抵抗効果素子ＭＲに設けられたスピンフィルタＳＦとを備えている。

磁気抵抗効果素子ＭＲは、感磁層Ｆと固定層ＦＸとの間に絶縁層Ｔを備えたＴＭＲ素子である。ＴＭＲ素子は、記憶された感磁層Ｆの磁化の向きと固定層ＦＸ（ＰＮ）の磁化の向きとの相違に応じて、情報の読み出し時に絶縁層Ｔをトンネルバリア層として通過する電子割合が異なる現象を利用した素子であり、高感度の記憶情報検出を行うことができる。固定層ＦＸ（ＰＮ）の磁化の向きは、これに交換結合した反強磁性層ＥＸによって固定されている。

スピンフィルタＳＦは、磁気抵抗効果素子ＭＲ上に設けられた非磁性導電層Ｎと、非磁性導電層Ｎに接触した強磁性体からなる第１固定層ＰＮ１とを有しており、特定の極性のスピンの電子を透過又は反射して、磁気抵抗効果素子ＭＲの感磁層Ｆ内にこの極性のスピンの電子を蓄積させる機能を有する。スピンの蓄積量が感磁層Ｆの磁化反転閾値を超えると、磁化反転が生じる。スピンフィルタＳＦと第１配線Ｗ１との間には第１電極層Ｅ１が介在しており、反強磁性層ＥＸと共通配線ＷＣとの間には共通電極層ＥＣが介在している。

第１配線Ｗ１は、ビット線ＢＬに接続されており、共通配線ＷＣは、スイッチ用のトランジスタＱを介して基準電位に接続されている。

メモリ情報の「１」、「０」は、ＴＭＲ素子を構成する強磁性層（固定層）ＰＮと感磁層Ｆの磁化の向きの状態に応じて、すなわち、磁化の方向が平行であるか、反平行であるかに依存して規定される。強磁性層ＰＮと感磁層Ｆの磁化の向きが反平行の時、磁化の向きが平行の時に比べて、厚み方向の電気抵抗Ｒの値が大きい。換言すれば、平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０以下であり、反平行時の抵抗Ｒは閾値Ｒ_０よりも大きくなる。したがって、「１」、「０」の情報の読出しは、ＴＭＲ素子の厚み方向に読み出し電流を流し、ＭＲ（磁気抵抗）効果によるＴＭＲ素子の抵抗値又は電流値を測定することで行う。例えば、低抵抗の平行状態を「０」、高抵抗の反平行状態を「１」とする。なお、上述の例では、抵抗値を電圧によって間接的に測定した。

なお、データ書き込み手段は、第１データを書き込む場合には、磁気抵抗効果素子ＭＲに第１の方向に流れる書き込み電流を流し、第２データを書き込む場合には、第１の方向とは逆方向に流れる書き込み電流を流す。スピン注入磁化反転を利用したデータの書き込みにおいては、電流を流す向きを異ならせることにより、記憶されるデータの状態を変えることができる。例えば、第１の方向に書き込み電流を流せば、「０」が書き込まれ、逆方向に書き込み電流を流せば「１」が書き込まれる。

上述の要素の構成材料は以下の通りである。

感磁層Ｆの材料としては、例えばＣｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢなどの強磁性材料を用いることができる。感磁層Ｆは第１配線Ｗ１を流れる電流及びその電流周りの磁界にアシストされて、磁化方向を変化させることができ、感磁層Ｆの面積が小さいほど磁化反転のために必要な電流（電流の閾値）を小さくすることができる。感磁層Ｆの磁化の向きは例えばＹ軸方向に平行である。

非磁性絶縁層Ｔの材料としては、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｇといった金属の酸化物または窒化物、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯが好適である。固定層ＦＸの構造としては、反強磁性層を強磁性層に付与した交換結合型を用いることができ、強磁性層ＰＮの磁化の向きは＋Ｙ方向に固定されている。強磁性層ＰＮの材料としては上述のものを用いることができる。また、反強磁性層ＥＸの材料としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｕＭｎ、ＮｉＯ、またはこれらのうち任意の組み合わせの材料を用いることができる。非磁性導電層Ｎや電極層Ｅ１，ＥＣの材料としては、ＣｕやＲｕを用いることができる。各種配線材料としては、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ｗ、Ａｌ等を用いることができる。固定層ＰＮ１の材料としては上述の強磁性材料を用いることができ、磁化の向きは−Ｙ方向に固定されている。

図４（ａ）は、判定回路５の一例を示す回路図、図４（ｂ）は、時間ｔに対する電圧Ｖ２のグラフである。

判定回路５は、磁気抵抗効果素子ＭＲ及び基準電位Ｖｔｈに２つの入力端子がそれぞれ接続された比較器１３を備えている。磁気抵抗効果素子ＭＲからの出力Ｖ２が基準電位Ｖｔｈ以下の場合には、比較器１３の出力はＬレベルとなり、例えば「０」が出力され、第１波形（波形Ａ）が出力されたことが判定できる（図４（ｂ）参照）。磁気抵抗効果素子ＭＲからの出力Ｖ２が基準電位Ｖｔｈを超えた場合には、比較器の出力はＨレベルとなり、例えば「１」が出力され、第２波形（波形Ｂ）が出力されたことが判定できる（図４（ｂ）参照）。

読み出し回路の詳細例について説明する。

図５は、読み出し回路を有する磁気メモリのブロック図である。

１つのビット線ＢＬ毎に制御回路８がそれぞれ接続されており、複数の制御回路８から主要回路部が構成されている。制御回路８は、読み出し制御回路６及び書き込み制御回路１を含んでいる。制御ブロック９はレジスタやグルーロジック等を含み、入出力回路７を介して入力された情報に基づいて、アドレス（Ｘ，Ｙ）の記憶領域Ｐ（Ｘ，Ｙ）のデータを読み出す指令や書き込み情報を作成する。

読み出し制御回路６は、上述の判定回路５を有している。書き込み制御回路１は、「０」と「１」の書き込み指令を、アドレス指定に同期し、且つ、判定回路５の出力に応じて出力する切替制御部１４と、各ビット線ＢＬに書き込み電流を供給する書き込み電流制御部１５とを備えている。書き込み制御回路１に入力される書き込み情報や各種設定情報はレジスタ１６に記憶することができる。

図６は、比較器１３の出力が入力される切替制御部１４と書き込み電流制御部１５の回路図である。

書き込み電流制御部１５は、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ３及びオペアンプＤ１，Ｄ２を図示の如く接続してなる。また抵抗Ｒ１１は任意の一定値Ｖ_Ｍに接続される。通常の書き込み制御においては、「０」、「１」の書き込み指令を受けた場合、アドレス指定に同期して、切替制御部１４は、スイッチＳＷを切り替えて、ビット線ＢＬを流れる書き込み電流Ｉ_Ｗの方向を制御する。スイッチＳＷは、一定電位Ｖ_Ｈ，Ｖ_Ｌを有する２端子（Ｓ０、Ｓ１）に接続されており、これらの端子の電位Ｖ_Ｈ，Ｖ_Ｌは、Ｖ_Ｈ＞Ｖ_Ｍ＞Ｖ_Ｌの関係を満たしている。すなわち、端子Ｓ０は高電位Ｖ_Ｈ、端子Ｓ１は低電位Ｖ_Ｌを有する。スイッチＳＷを端子Ｓ０に接続した場合、抵抗Ｒ１が高電位Ｖ_Ｈに接続され、抵抗Ｒ１１が中電位Ｖ_Ｍに接続され、第１の方向に電流が流れて、磁気抵抗効果素子ＭＲに「０」が書き込まれる。スイッチＳＷを端子Ｓ１に接続した場合、抵抗Ｒ１１が中電位Ｖ_Ｍに接続され、抵抗Ｒ１が低電位Ｖ_Ｌに接続され、第１の方向とは逆方向に電流が流れて、磁気抵抗効果素子ＭＲに「１」が書き込まれる。

判定回路５（比較器１３）の出力が切替制御部１４に入力された場合、判定結果が第２波形を示す場合、すなわち、「Ｈ」（＝１）の場合には、スイッチＳＷを端子Ｓ１に接続し、第１の方向とは逆方向に電流を流して、該当するアドレスの磁気抵抗効果素子ＭＲに「１」を書き込む。判定結果が第１波形を示す場合、すなわち、「Ｌ」（＝０）の場合には、スイッチＳＷを開放状態にして何もしないか、或いは、端子Ｓ０に接続して第１の方向に電流が流し、磁気抵抗効果素子ＭＲに「０」を書き込む。なお、この回路は、読み出し時の電流供給回路にも用いることができる。

以上のように、本発明の磁気メモリでは、書き込みと同時に素子の状態を識別する方式であり、別途読出し電流を必要とせず、また、自分自身の出力Ｖ２が判定されるため、素子間バラツキが低減される。また、既知データの書き込みと同時に読み込み動作を行っているので、読込みと同時に書込み・リセット等が可能となる。このように、本発明に係る磁気メモリの読み出し回路によれば、磁気抵抗効果素子ＭＲの特性が素子毎に若干異ったとしても、自己の記憶データを基準として判定を行っているので、素子毎のデータ読み出しが正確となる。また、参照セルを必要としないので、回路レイアウトの簡略化が図れ、集積度が向上させることができる。

本発明は磁気メモリの読み出し回路に利用できる。

読み出し回路を有する磁気メモリのブロック図である。上述の読み出し回路の動作を説明するためのフローチャートである。磁気抵抗効果素子ＭＲを含む記憶素子の縦断面図である。判定回路５の一例を示す回路図（ａ）、時間ｔに対する電圧Ｖ２のグラフ（ｂ）である。読み出し回路を有する磁気メモリのブロック図である。比較器１３の出力が入力される切替制御部１４と書き込み電流制御部１５の回路図である。

符号の説明

１・・・書き込み制御回路、２・・・タイミング制御回路、３・・・デコーダ、４・・・デコーダ、５・・・判定回路、６・・・読み出し制御回路、７・・・入出力回路、８・・・制御回路、９・・・制御ブロック、１３・・・比較器、１４・・・切替制御部、１５・・・電流制御部、１６・・・レジスタ、ＢＬ・・・ビット線、ＢＬ・・・基準ライン、Ｅ１，ＥＣ・・・電極層、ＥＸ・・・反強磁性層、Ｆ・・・感磁層、ＦＸ・・・固定層、ＭＲ・・・磁気抵抗効果素子、Ｎ・・・非磁性導電層、Ｐ・・・記憶領域、ＰＮ・・・強磁性層、ＰＮ１・・・固定層、Ｑ・・・トランジスタ、Ｑ１・・・スイッチ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ３・・・抵抗、ＳＦ・・・スピンフィルタ、ＳＷ・・・スイッチ、Ｔ・・・絶縁層。

Claims

スピン注入磁化反転が可能な感磁層を有する磁気抵抗効果素子を複数配列してなる磁気メモリの読み出し回路において、
前記磁気抵抗効果素子に第１データを書き込むデータ書き込み手段と、
前記データ書き込み手段による第１データの書き込み時における前記磁気抵抗効果素子の出力波形が、前記磁気抵抗効果素子に第１データが既に書き込まれていた場合に出力される第１波形であるか、前記磁気抵抗効果素子に第１データと異なる第２データが既に書き込まれていた場合に出力される第２波形であるかどうかを判定する判定手段と、
を備え、
前記データ書き込み手段は、前記判定手段が、前記第２波形であると判定した場合には、前記感磁層においてスピン注入磁化反転を生じさせることで、第２データを前記磁気抵抗効果素子に書き込むことを特徴とする磁気メモリの読み出し回路。
前記判定手段は、前記磁気抵抗効果素子及び基準電位に２つの入力端子がそれぞれ接続された比較器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリの読み出し回路。
前記データ書き込み手段は、
第１データを書き込む場合には、前記磁気抵抗効果素子に第１の方向に流れる書き込み電流を流し、第２データを書き込む場合には、第１の方向とは逆方向に流れる書き込み電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリの読み出し回路。
前記判定手段の判定結果を、読み出し情報として論理レベルで外部に出力する入出力手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリの読み出し回路。