JP5744912B2 - スピントルク・ベースのメモリ装置、その動作方法、及び、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置に関し、より具体的には、スピントルク・ベースのメモリ装置のための読み出し方向に関する。

スピントルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置は、例えば、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック内に固定（pinned）層、トンネル障壁層及びフリー層を含む、スピントルク・ベースのメモリ要素を用いる。固定層の磁化は、電流がＭＴＪ要素を通って流れるときに、フリー層が固定層と平行又は逆平行（anti-parallel）になるような方向に固定される。ＭＴＪ要素の抵抗は、フリー層及び固定層の相対的配向によって決まる。フリー層が固定層と平行であるとき、ＭＴＪ要素は低抵抗状態（例えば、「０」のメモリ状態）となり、フリー層が逆平行であるとき、ＭＴＪ要素は高抵抗状態（例えば、「１」のメモリ状態）となる。

データの読み出しの際、小電流がＭＴＪ要素を通って流れ、その抵抗が予め書き込まれたＭＴＪセル（即ち、基準セル）と比較され、読み出されるＭＴＪ要素が高抵抗状態であるか又は低抵抗状態であるかを判断する。スピントルク・メモリ装置と関連した問題は、ＭＴＪ要素の読み出し動作がデータを妨害し得るということである。ＭＴＪ要素の抵抗を読み出すために、電流をＭＴＪ要素に流し、その両端の電圧を測定する。この電流が、誤ってＭＴＪ要素に書き込みをし、「読み出し」ディスターブ（"read" disturb）を引き起こすことがある。

読み出し動作中、読み出すために固定電圧を用い得るとしても、読み出し電圧が直列接続のＭＴＪ要素及びトランジスタの両端に印加されるので、読み出し動作中にＭＴＪ要素の両端の電圧は、ＭＴＪ要素によって異なる。ＭＴＪ要素の抵抗及び対向するトランジスタの抵抗の変動は、ＭＴＪ要素上の読み出し電圧の変動をもたらし得る。さらに、このＭＴＪ要素上の読み出し電圧は、読み出し動作中に、ＭＴＪ要素が高抵抗状態にあるか又は低抵抗状態にあるかによって決まる。

スピントルク・ベースの磁気ランダム・アクセス・メモリ装置、及びこれを動作させるためのコンピュータ実施の方法を提供する。

本発明の実施形態は、スピントルク・ベースのメモリ装置と、読み出し電流をメモリ装置の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素を通って特定の方向に駆動し、それにより読み出しディスターブの発生を防止することにより、スピントルク・ベースのメモリ装置内で読み出し動作を行うための方法を提供する。この方向は、ＭＴＪ要素を高抵抗状態へディスターブする電流の方向として定められる。

本発明の一実施形態によると、スピントルク・ベースのメモリ装置が提供される。このメモリ装置は、各々が少なくとも１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素を含む、アレイ状の複数の磁気ストレージ・セルと、複数の磁気ストレージ・セルに対応する少なくとも１つのビットライン及び少なくとも１つのビット補数ラインとを含む。それぞれのＭＴＪ要素は、書き込み電流を第１又は第２の方向に駆動し、それぞれのＭＴＪ要素を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることによって書き込まれ、かつ、読み出し電流をそれぞれのＭＴＪ要素を通って、それぞれのＭＴＪ要素を高抵抗状態へディスターブする傾向がある方向に駆動することによって読み出される。

本発明の別の実施形態によると、各々が少なくとも１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素を含んだ複数の磁気ストレージ・セル含むスピントルク・ベースのメモリ装置を動作させるコンピュータ実施の方法が提供される。このコンピュータ実施の方法は、書き込み電流を第１又は第２の方向に駆動することによって、それぞれのＭＴＪ要素を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることと、読み出し電流をそれぞれのＭＴＪ要素を通って、それぞれのＭＴＪ要素を高抵抗状態へディスターブする傾向がある方向に駆動することによって、それぞれのＭＴＪ要素を読み出すこととを含む。

本発明の別の実施形態によると、上述の方法を実行するコンピュータ・プログラム製品も提供される。

さらなる特徴及び利点が、本発明の技術を通して実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、ここに詳細に説明され、特許請求される本発明の一部と見なされる。利点及び特徴を有する本発明をより良く理解するために、説明及び図面を参照されたい。

本発明と考えられる主題は、本明細書の終わりの特許請求の範囲において具体的に示され、明確に特許請求されている。本発明の前述及び他の特徴及び利点は、添付図面と関連して用いられる以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態において実装することができるメモリ装置を示す図である。 本発明の実施形態において実装することができる、図１に示されるメモリ装置のＭＴＪ要素及び対応するスイッチング装置の分解図である。 本発明の実施形態において実装することができる、ＭＴＪ要素内の層の例を示す図である。 高抵抗状態のもの及び読み出しディスターブのものと比較した、低抵抗状態の読み出し電圧を示すグラフである。 本発明の実施形態において実装することができるスピントルク・ベースのメモリ装置を動作させるための方法を示すフローチャートである。

図１を参照すると、本発明の実施形態によるメモリ装置が提供される。このメモリ装置１００は、スピントルク・ベースの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置である。図１に示されるように、スピントルク・ベースのＭＲＡＭ装置１００は、アレイ状の複数の磁気ストレージ・セル１０１を含む。各々の磁気ストレージ・セル１０１は、少なくとも１つのＭＴＪ要素１０５を含む。さらに、この装置１００は、複数の磁気ストレージ・セル１０１に対応する複数のビットライン１１５及びビット補数ライン１２０を含む。

図１にさらに示されるように、各々のＭＴＪ要素１０５は、スイッチング装置（例えば、トランジスタ１１０）と直列に接続されている。複数のワードライン１２５も、メモリ装置１００内に提供される。ワードライン１２５は、ビットライン１１５に対して斜めに配向される。ビット補数ライン１２０は、一般的には、メモリ装置１００のためのアーキテクチャに応じて、ビットライン１１５に対して平行又は垂直である。本発明のこの実施形態に示されるように、各々のビット補数ライン１２０は、各々のビットライン１１５に対して平行である。各々のワードライン１２５は、複数の磁気ストレージ・セル１０１に対応し、かつ、電流が磁気ストレージ・セル１０１を通って流れるのを可能にする。さらに、それぞれのワードライン１２５は、トランジスタ１１０のゲートに結合される。ＭＴＪ要素１０５及びトランジスタ１１０は、ビットライン１１５とビット補数ライン１２０との間で互いに接続されている。ＭＴＪ要素１０５のプログラミング及び読み出しの詳細が、図２を参照して以下に説明される。

図２は、本発明の実施形態において実装することができる、図１に示されるメモリ装置のＭＴＪ要素及び対応するスイッチング装置の分解図である。本発明の実施形態によると、各々のＭＴＪ要素１０５は、図３に示されるような固定層１０６、トンネル障壁層１０７及びフリー磁性層１０８から形成することができるが、本発明は、それに制限されるものではなく、それに応じて変化し得る。

再び図２を参照すると、読み書き動作中、それぞれのトランジスタ１１０のスイッチが入れられて、電流がそれぞれのＭＴＪ要素１０５を通って流れることが可能になり、論理状態を読み書きできるようになる。つまり、トランジスタ１１０は、ＭＴＪ要素１０５の読み出しか又は書き込みかを選択する。

書き込み動作中、ＭＴＪ要素１０５は、スピン移動（spin transfer）を用いて書き込むように構成される。従って、スピン偏極した電子（spin-polarized electron）が、ＭＴＪ要素１０５のフリー磁性層にトルクをかけ、それによりフリー磁性層の極性が切り換わり得る。ビットライン１１５及びワードライン１２５がアクティブにされ、書き込み電流がビット補数ライン１２０とビットライン１１５との間に駆動される。書き込み電流は、ＭＴＪ要素１０５を通って第１又は第２の方向に駆動され、それぞれのＭＴＪ要素１０５を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングする。

読み出し動作中、ビットライン１１５及びワードライン１２５がアクティブにされる。次に、トランジスタ１１０がそれぞれのワードライン１２５によってアクティブにされ、電流がそれぞれのＭＴＪ要素１０５を通って流れるのを可能にする、本発明の実施形態によると、読み出し電流は、それぞれのＭＴＪ要素１０５を通って、それぞれのＭＴＪ要素を高抵抗状態へディスターブする傾向がある方向に駆動される。本発明の実施形態によると、読み出し電流は、第１又は第２の方向において、書き込み電流よりも少ない。さらに、実施形態によると、それぞれのＭＴＪ要素１０５の両端にかかる読み出し電圧は、約５０ミリボルト（ｍＶ）から約１００ｍＶまでの範囲に及ぶ。読み出し電流は、ビットライン１１５に与えられる。読み出し電流が、センス増幅器（図示せず）により、基準セル（図示せず）を通って流れる基準電流と比較される。センス増幅器の出力は、基準電流と実際にＭＴＪ要素１０５を通って流れる電流との間の差に比例する。センス増幅器の出力が、ＭＴＪ要素１０５の状態を決定する。

上述のように、従来のＭＴＪ要素の読み出し動作中に、読み出しディスターブが発生することがある。本発明は、読み出しディスターブの発生を防ぐ方法を提供する。ここで、読み出しディスターブの発生に関するさらなる詳細が、図４を参照して以下に説明される。

図４は、高抵抗状態のものと比較した低抵抗状態における読み出し電圧を含む、ＭＴＪ要素の両端の電圧の種々の分布を示すグラフである。図４はまた、読み出しディスターブの発生に必要である電圧の分布も示す。これらは、ＭＴＪ要素及びトランジスタの両方が抵抗分布を有することによる分布である。

図４に示されるように、ｘ軸は、ＭＴＪ要素の両端の電圧（Ｖ_ＴＪ）を表す。ビットの読み出し動作中、ＭＴＪ要素１０５の両端の電圧は、読み出し動作中にＭＴＪ要素１０５が「０」のメモリ状態にあるか又は「１」のメモリ状態にあるかによって決まる。ＭＴＪ要素１０５の抵抗は、約２倍だけ「１」メモリ状態においてより高く、「０」メモリ状態においてより低い。本発明の実施形態によると、トランジスタ１１０の抵抗は、低抵抗状態におけるＭＴＪ要素１０５の抵抗と等しくすることができる。例えば、トランジスタ１１０の抵抗は約１０００オームとすることができ、「０」メモリ状態におけるＭＴＪ要素１０５の抵抗は約１０００オームとすることができる、「１」メモリ状態におけるＭＴＪ要素１０５の抵抗は約２０００オームとすることができる。従って、ＭＴＪ要素１０５の両端の読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄは、「０」メモリ状態におけるものと「１」メモリ状態におけるものが異なり、「０」メモリ状態においてより、「１」メモリ状態において高くなる。例えば、高抵抗状態におけるＭＴＪ要素１０５の両端の読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄは、ＭＴＪ要素１０５及びトランジスタ１１０の両方の直列の組み合わせの両端に印加される回路電圧の約２／３となり、低抵抗状態においては、印加される回路電圧の約１／２となる。実線２００は、低抵抗状態における読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄを表し、点線３００は、高抵抗状態における読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄを表す。

ビットを読み出し、ＭＴＪ要素１０５を通って電流を流すとき、読み出しディスターブが発生する。読み出しディスターブが発生する、それぞれのＭＴＪ要素１０５の両端の読み出し電圧Ｖ_{Ｄｉｓｔｕｒｂ}が、曲線（参照番号４００）で表される。複数のＭＴＪ要素１０５の抵抗は異なることがあり、複数のトランジスタ１１０の抵抗も異なることがあるので、読み出し電圧Ｖ_Ｒｅａｄは、ＭＴＪ要素１０５ごとに変化し得る。実線２００又は点線３００で表される曲線が、４００で表される曲線と重なる場合、ビットは誤って書き込まれる。しかしながら、本発明の実施形態によると、ＭＴＪ要素１０５を通る読み出し電流の方向は、ＭＴＪ要素１０５を高抵抗状態へディスターブするようなものであるので、曲線３００が曲線４００と重なったとしても、曲線２００が曲線４００と重ならない限り、読み出しディスターブの発生を防止することができる。具体的には、このことは、読み出しのために使用する好ましい電流フロー方向は、電流が固定層からフリー磁性層に流れるためのもの、即ち、電子がフリー磁性層から固定層に流れるためのものである。

図５は、本発明の実施形態において実装することができるスピントルク・ベースのメモリ装置内で読み出し動作を行う方法を示すフローチャートである。図５に示されるように、動作５００において、書き込み電流を第１又は第２の方向に駆動することによって、それぞれのＭＴＪ要素１０５を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることができる。次に、動作５１０において、読み出し電流を、それぞれのＭＴＪ要素１０５を通って、それぞれのＭＴＪ要素１０５を高抵抗状態へディスターブする傾向がある方向に駆動することによって、それぞれのＭＴＪ要素１０５を読み出す。

本発明の実施形態によると、読み出し電流は、第１又は第２の方向における書き込み電流より少ない。さらに、それぞれのＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧は、約５０ミリボルト（ｍＶ）から約１００ｍＶまでの範囲に及ぶ。

本発明の実施形態は、読み出し電流を、ＭＴＪ要素を通って、ＭＴＪ要素１０５を高抵抗状態へディスターブする傾向がある方向に提供し、これにより、読み出しディスターブの発生が防止される。

本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明する目的のためのものにすぎず、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で用いられるとき、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」および「その（the）」は、文脈が明らかにそうでないことを示していない限り、複数形も含むことが意図されている。本明細書で用いられるとき、「含む（comprise）」及び／又は「含んでいる（comprising）」という用語は、提示された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントが存在することを特定するものであるが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではないことがさらに理解されるであろう。

以下の特許請求の範囲における全ての「手段又はステップと機能との組み合わせ（ミーンズ又はステップ・プラス・ファンクション）」要素の対応する構造、材料、行為及び均等物は、その機能を、明確に特許請求されているように他の特許請求された要素と組み合わせて実行するための、いかなる構造、材料又は行為をも含むことが意図される。本発明の説明は、例示及び説明の目的で提示されたものであるが、網羅的であることを意図するものではなく、本発明を開示された形態に限定することを意図するものでもない。本発明の範囲及び精神から逸脱することのない多くの変更及び変形が、当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の用途を最も良く説明するため、及び、当業者が本発明を種々の変更を有する種々の実施形態について企図される特定の使用に適したものとして理解することを可能にするために、選択及び記載された。

ここに示されるフロー図は、単なる例にすぎない。本発明の精神から逸脱することなく、ここに説明されるこれらの図又はステップ（或いは、動作）に対する多くの変形があり得る。例えば、ステップを異なる順序で実行することができ、或いはステップを付加し、削除し、又は変更することができる。これら変形の全てが、本発明の特許請求の範囲の一部と考えられる。

本発明に対する好ましい実施形態が説明されたが、当業者であれば、現在においても将来においても、以下の特許請求の範囲内に含まれる種々の改良及び向上を行ない得ることが理解されるであろう。これらの特許請求の範囲は、最初に説明された本発明に関する適切な保護を維持するように解釈すべきである。

１００：スピントルク・ベースの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）装置
１０１：磁気ストレージ・セル
１０５：磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素
１０６：固定層
１０７：トンネル障壁層
１０８：フリー磁性層
１１０：トランジスタ
１１５：ビットライン
１２０：ビット補数ライン
１２５：ワードライン

Claims (5)

1. 各々が、それぞれフリー磁性層、トンネル障壁層及び固定層を含む少なくとも１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素と、電流が前記少なくとも１つのＭＴＪ要素を通って流れるのを可能にするスイッチング装置とを含む、アレイ状の複数の磁気ストレージ・セルと、
   前記複数の磁気ストレージ・セルに対応する少なくとも１つのビットライン及び少なくとも１つのビット相補ラインと、
   を含み、
   それぞれのＭＴＪ要素は、書き込み電流を第１の方向又は前記第１の方向とは反対の第２の方向に駆動し、前記それぞれのＭＴＪ要素を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることによって書き込まれ、かつ、読み出し電流を、前記それぞれのＭＴＪ要素を通して、前記固定層から前記フリー磁性層に流れる前記第２の方向に駆動することによって読み出され、
   前記複数の磁気ストレージ・セルの前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の両方が抵抗分布を有することにより、読み出し動作中、前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の直列の組み合わせの両端に電圧が印加された場合に、前記高抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重なったとしても、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重ならないような前記低抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が与えられる、スピントルク・ベースのメモリ装置。
2. 前記ＭＴＪ要素の前記高抵抗状態の抵抗は、前記低抵抗状態の抵抗の２倍ある、請求項１に記載のスピントルク・ベースのメモリ装置。
3. 前記それぞれのＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧は、５０ミリボルト（ｍＶ）から１００ｍＶまでの範囲に及ぶ、請求項１または２に記載のスピントルク・ベースのメモリ装置。
4. 各々が少なくとも１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素と、電流が前記少なくとも１つのＭＴＪ要素を通って流れるのを可能にするスイッチング装置とを含んだ複数の磁気ストレージ・セルを含むスピントルク・ベースのメモリ装置を動作させるための方法であって、各々のＭＴＪ要素は、フリー磁性層、トンネル障壁層及び固定層を含み、
   書き込み電流を第１の方向又は前記第１の方向とは反対の第２の方向に駆動することによって、前記それぞれのＭＴＪ要素を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることと、
   読み出し電流を、前記それぞれのＭＴＪ要素を通して、前記固定層から前記フリー磁性層に流れる前記第２の方向に駆動することによって、前記それぞれのＭＴＪ要素を読み出すことと、
   を含み、
   前記複数の磁気ストレージ・セルの前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の両方が抵抗分布を有することにより読み出し動作中、前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の直列の組み合わせの両端に電圧が印加された場合に、前記高抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重なったとしても、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重ならないような前記低抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が与えられる、コンピュータ実施の方法。
5. 各々が少なくとも１つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）要素と、電流が前記少なくとも１つのＭＴＪ要素を通って流れるのを可能にするスイッチング装置とを含んだ複数の磁気ストレージ・セルを含むスピントルク・ベースのメモリ装置を動作させるためプログラムであって、各々のＭＴＪ要素は、フリー磁性層、トンネル障壁層及び固定層を含み、
   書き込み電流を第１の方向又は前記第１の方向とは反対の第２の方向に駆動することによって、それぞれのＭＴＪ要素を低抵抗状態又は高抵抗状態にプログラミングすることと、
   読み出し電流を、前記それぞれのＭＴＪ要素を通して、前記固定層から前記フリー磁性層に流れる前記第２の方向に駆動させることによって、それぞれのＭＴＪ要素を読み出すことと、
   をコンピュータに実行させ、
   前記複数の磁気ストレージ・セルの前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の両方が抵抗分布を有することにより、読み出し動作中、前記ＭＴＪ要素および前記スイッチング装置の直列の組み合わせの両端に電圧が印加された場合に、前記高抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重なったとしても、ディスターブを生じさせる前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布に重ならないような前記低抵抗状態の前記ＭＴＪ要素の両端の読み出し電圧の分布が与えられる、コンピュータ・プログラム。

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