JPWO2006059559A1 - Magnetic random access memory, its operation method and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

磁気ランダムアクセスメモリは、第1方向へ伸びる複数の第1配線と、第1方向とは異なる第2方向へ伸びる複数の第2配線と、複数の第1配線と複数の第2配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備えている。複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第1方向及び第2方向とは異なる。複数のメモリセルの1つとしての特定メモリセルに対して、予め決められた書込条件でデータが書込まれる。データが特定メモリセルに正しく書き込まれるまで、書込み条件を再設定しながら、データが特定メモリセルに繰り返し書き込まれる。The magnetic random access memory includes a plurality of first wirings extending in a first direction, a plurality of second wirings extending in a second direction different from the first direction, and intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. And a plurality of memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a free magnetic layer in which two or more magnetic layers antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer are stacked, and the direction of the easy axis of magnetization of the free magnetic layer is the first direction And different from the second direction. Data is written to a specific memory cell as one of the plurality of memory cells under a predetermined write condition. The data is repeatedly written into the specific memory cell while resetting the write condition until the data is correctly written into the specific memory cell.

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリに関し、特にトグル書込み又はダイレクト書込みを行う磁気ランダムアクセスメモリに関する。   The present invention relates to a magnetic random access memory, and more particularly to a magnetic random access memory that performs toggle writing or direct writing.

記憶素子としての磁気抵抗効果素子(MTJ:Magnetic Tunneling Junction)の磁化の向きを制御することで、データを記憶する磁気ランダムアクセスメモリ(以下、「MRAM」と記す)が知られている。磁化の向きの記録方法により、MRAMはいくつかの種類に分けられる。   2. Description of the Related Art A magnetic random access memory (hereinafter referred to as “MRAM”) that stores data by controlling the direction of magnetization of a magnetoresistive effect element (MTJ: Magnetic Tunneling Junction) as a storage element is known. There are several types of MRAM depending on the recording method of the magnetization direction.

米国特許6,545,906号公報(第1従来例)には、トグル書込み方式(toggle write mode)で書込み(以下「トグル書込み」という)が行われるトグル型磁気ランダムアクセスメモリ(以下、「トグル型MRAM」と記す)の技術が開示されている。このトグル型MRAMは、従来の典型的なMRAMと比べて、メモリセルの構造と書込み動作の原理が異なる。特に、書き込み動作時におけるメモリセルの選択性が優れているという点に特徴がある。以下、米国特許6,545,906号公報のトグル型MRAMについて詳細に説明する。   In US Pat. No. 6,545,906 (first conventional example), a toggle type magnetic random access memory (hereinafter referred to as “toggle write”) in which writing is performed by a toggle write mode (hereinafter referred to as “toggle write”) is disclosed. (Hereinafter referred to as “type MRAM”). This toggle type MRAM is different from the conventional typical MRAM in the structure of the memory cell and the principle of the write operation. In particular, the memory cell is highly selective during a write operation. The toggle type MRAM disclosed in US Pat. No. 6,545,906 will be described in detail below.

図1及び図2は、トグル型MRAMに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子125は、第1配線110と第2配線101との間に設けられている。第1配線110側から順に、反強磁性層109、ピン層112、バリア層105、フリー層111を備え、第2配線101へ接続されている。ピン層112は、磁性膜108、非磁性膜107、磁性膜106を備える。フリー層111は、磁性膜104、非磁性膜103、磁性膜102を備えている。
この磁気抵抗効果素子125は、膜厚が等しい磁性膜104及び磁性膜102が、非磁性膜103を介して反強磁性結合となるように積層されている点に特徴がある。磁性膜108と磁性膜106も、非磁性膜107を介して積層されている。磁性膜108及び磁性膜106の磁化方向は、製造時に強く固定されている。磁性膜104が持つ磁化の向きを第1フリー層磁化の向きとし、磁性膜102が持つ磁化の向きを第2フリー層磁化の向きとする。第1フリー層磁化の向き及び第2フリー層磁化の向きは、第1配線110及び第2配線101に流れる書き込み電流により生成される磁界により制御される。ここで、第1及び第2フリー層磁化の向きは互いに180°反転した反平行状態であり安定している。一方のフリー層磁化の方向が反転した場合、他方のフリー層磁化の向きも、その反平行状態を保つように反転される。
1 and 2 are cross-sectional views showing the structure of a typical magnetoresistive element used in a toggle type MRAM. The magnetoresistive effect element 125 is provided between the first wiring 110 and the second wiring 101. In order from the first wiring 110 side, an antiferromagnetic layer 109, a pinned layer 112, a barrier layer 105, and a free layer 111 are provided and connected to the second wiring 101. The pinned layer 112 includes a magnetic film 108, a nonmagnetic film 107, and a magnetic film 106. The free layer 111 includes a magnetic film 104, a nonmagnetic film 103, and a magnetic film 102.
The magnetoresistive effect element 125 is characterized in that the magnetic film 104 and the magnetic film 102 having the same film thickness are laminated so as to be antiferromagnetically coupled through the nonmagnetic film 103. The magnetic film 108 and the magnetic film 106 are also laminated via the nonmagnetic film 107. The magnetization directions of the magnetic film 108 and the magnetic film 106 are strongly fixed during manufacturing. The magnetization direction of the magnetic film 104 is defined as the first free layer magnetization direction, and the magnetization direction of the magnetic film 102 is defined as the second free layer magnetization direction. The direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization are controlled by a magnetic field generated by a write current flowing through the first wiring 110 and the second wiring 101. Here, the directions of the magnetizations of the first and second free layers are stable in an antiparallel state in which the directions are reversed by 180 °. When the direction of one free layer magnetization is reversed, the direction of the other free layer magnetization is also reversed to maintain the antiparallel state.

トグル型MRAMにおけるセンス動作原理は従来の典型的なMRAMのセンス動作原理と同様である。すなわち、磁性膜104と磁性膜106とに挟まれたバリア層105を貫通するトンネル電流が検出される。磁性膜106が持つ第2ピン層磁化の向きに対して第1フリー層磁化の向きが平行状態である場合は、反平行状態である場合よりも上記トンネル電流が増加する。すなわち磁気抵抗(MTJ抵抗)が低下する。この特徴を利用してメモリセルに格納された情報を読み出す。ここで、説明の便宜上、磁気抵抗が高抵抗値Rmax(トンネル電流min.)である場合を「1」(図1)、低抵抗値Rmin(トンネル電流max.)である場合を「0」(図2)と定義する。
トグル型MRAMにおけるメモリセルの平面レイアウトは、従来の典型的なMRAMのそれとは異なっている。図3は、トグル型MRAMの磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。トグル型MRAMにおいて、磁気抵抗効果素子125の磁化容易軸方向は、第1配線110(例示:ワード線)が延在するX方向及び第2配線101(例示:ビット線)が延在するY方向と異なる。つまり、両方向から見ておよそ45°方向になるように配置されることに特徴がある。この結果、後述するトグル動作が容易になる。
The sense operation principle in the toggle type MRAM is the same as the sense operation principle of the conventional typical MRAM. That is, a tunnel current passing through the barrier layer 105 sandwiched between the magnetic film 104 and the magnetic film 106 is detected. When the direction of the first free layer magnetization is parallel to the direction of the second pinned layer magnetization of the magnetic film 106, the tunnel current increases compared to the case of the antiparallel state. That is, the magnetic resistance (MTJ resistance) decreases. The information stored in the memory cell is read using this feature. Here, for convenience of explanation, the case where the magnetic resistance is a high resistance value Rmax (tunnel current min.) Is “1” (FIG. 1), and the case where the magnetic resistance is a low resistance value Rmin (tunnel current max.) Is “0” ( Fig. 2).
The planar layout of the memory cell in the toggle type MRAM is different from that of the conventional typical MRAM. FIG. 3 is a top view showing a planar layout of the magnetoresistive effect element of the toggle type MRAM. In the toggle type MRAM, the magnetization easy axis direction of the magnetoresistive effect element 125 is the X direction in which the first wiring 110 (example: word line) extends and the Y direction in which the second wiring 101 (example: bit line) extends. And different. That is, it is characterized in that it is arranged so as to be in the direction of about 45 ° when viewed from both directions. As a result, a toggle operation described later is facilitated.

次に、従来の典型的なMRAMとは異なるトグル型MRAMの書き込み動作の原理について説明する。トグル型MRAMの書き込み動作は、予め選択メモリセルの読み出しを実行しておき、その読み出された情報と書き込みをしようとする情報とが同じか否かで異なる。すなわち、読み出された情報(「0」又は「1」)と書き込みをしようとする情報(「0」又は「1」)とが等しい場合にはトグル動作は行われず、読み出された情報と書き込みをしようとする情報とが異なる場合にはトグル動作が行われる。トグル動作では、反平行の関係を保ちながら第1及び第2フリー層磁化の方向が変えられる。
図4〜図6は、トグル型MRAMにおけるトグル動作原理を示す図である。図4は、トグル動作における書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLのタイミングを示すタイミングチャートである。図5及び図6は、トグル動作における第1及び第2フリー層磁化の向きの変化を示す図である。細い矢印は第2フリー層磁化の向きを示し、太い矢印は第1フリー層磁化の向きを示す。図5は、データ「0」が格納された磁気抵抗効果素子にデータ「1」が書き込まれる場合を示している。図6は、データ「1」が格納された磁気抵抗効果素子にデータ「0」が書き込まれる場合を示している。
図4を参照して、トグル動作では、時刻t1で第1配線110(ワード線)に書き込み電流IWLが供給される。次いで、時刻t2で第2配線101(ビット線)に書き込み電流IBLが供給される。時刻t3で書き込み電流IWLの供給は停止され、時刻t4で書き込み電流IBLの供給が停止される。以上の一連の電流制御により、書き込み電流IWLが供給される第1配線110と書き込み電流IBLが供給される第2配線101の交点の選択セルには回転磁界が加わる。それにより、第1及び第2フリー層磁化の向きが回転(変更)させられる。こうして、データが書き込まれる。
図5及び図6を参照して、磁気抵抗効果素子において、時刻t1で、書き込み電流IWLにより磁界HWLが発生され、第1及び第2フリー層磁化の向きが回転し始める。時刻t2で、書き込み電流IBLにより界HBLが発生され、第1及び第2フリー層磁化のうちの一方の向きが磁化困難軸を超える。時刻t3で、磁界HWLが消滅し、第1及び第2フリー層磁化のうちの他方の向きも磁化困難軸を超える。時刻t4で、磁界HBLが消滅する。このように、第1及び第2フリー層磁化の向きは、回転磁界(HWL→HWL+HBL→HBL)により、それぞれスピンフロップした状態で1回転する。すなわち、初期状態が「0」の状態である場合は「1」の状態に、「1」の状態である場合は「0」の状態に書き換えられる(トグルされる)。したがって、書込み動作の度に、各フリー層磁化の向きは「1」の状態と「0」の状態との間でトグルスイッチ的に変化する。
Next, the principle of the write operation of a toggle type MRAM different from the conventional typical MRAM will be described. The write operation of the toggle type MRAM differs depending on whether or not the read information and the information to be written are the same when the selected memory cell is read in advance. That is, when the read information (“0” or “1”) and the information to be written (“0” or “1”) are equal, no toggle operation is performed, and the read information If the information to be written is different, a toggle operation is performed. In the toggle operation, the directions of the first and second free layer magnetizations are changed while maintaining the antiparallel relationship.
4 to 6 are diagrams showing a toggle operation principle in the toggle type MRAM. FIG. 4 is a timing chart showing timings of the write current I WL and the write current I BL in the toggle operation. 5 and 6 are diagrams showing changes in the directions of the first and second free layer magnetizations in the toggle operation. A thin arrow indicates the direction of the second free layer magnetization, and a thick arrow indicates the direction of the first free layer magnetization. FIG. 5 shows a case where data “1” is written to the magnetoresistive effect element storing data “0”. FIG. 6 shows a case where data “0” is written to the magnetoresistive effect element storing data “1”.
Referring to FIG. 4, in the toggle operation, the write current IWL is supplied to the first wiring 110 (word line) at time t1. Next, at time t2, the write current IBL is supplied to the second wiring 101 (bit line). The supply of the write current I WL at the time t3 is stopped, the supply of the write current I BL is stopped at time t4. By a series of current control described above, the rotating magnetic field is applied to the selected cell at the intersection of the second wiring 101 where the first wiring 110 and the write current I BL of the write current I WL is supplied is supplied. Thereby, the directions of the first and second free layer magnetizations are rotated (changed). Thus, data is written.
With reference to FIGS. 5 and 6, in the magnetoresistive effect element, at time t1, a magnetic field HWL is generated by the write current IWL , and the directions of the first and second free layer magnetizations start to rotate. At time t2, the more field H BL is generated in the write current I BL, one orientation of the first and second free layer magnetization is more than hard axis magnetization. At time t3, the magnetic field HWL disappears, and the other direction of the first and second free layer magnetizations also exceeds the hard axis. At time t4, the magnetic field HBL disappears. As described above, the directions of the magnetizations of the first and second free layers are rotated once by the rotating magnetic field (H WL → H WL + H BL → H BL ) in a spin-flop state. That is, when the initial state is “0”, it is rewritten (toggled) to “1”, and when it is “1”, it is rewritten to “0”. Therefore, the direction of each free layer magnetization changes between a “1” state and a “0” state in a toggle manner at each write operation.

図7は、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLとトグルされるメモリセル(磁気抵抗効果素子)との関係を示すグラフである。縦軸は書き込み電流IWL、横軸は書き込み電流IBLを示す。黒丸印は選択セルに、白丸印は半選択セル(書き込みワード線及びビット線のいずれか一方が選択セルと共通のセル)に、バツ印は非選択セルに対応する。「TOGGLE」と示された領域は、トグル動作が発生する領域を示す。「No Switching」と示された領域は、トグル動作が発生しない領域を示す。
トグル型MRAMでは、書き込み電流IWLが流れる第1配線110上及び書き込み電流IBLが流れる第2配線101上のいずれかに配置される半選択状態のメモリセル(図中、白丸印)には、一方向の磁界しか加わらないため誤書き込みする可能性は非常に低い。よって、書き込み電流値の厳密な制御は必要なく、書き込みマージンは従来の典型的なMRAMと比較して飛躍的に向上する。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the write current I WL and the write current I BL and the memory cell (magnetoresistance effect element) to be toggled. The vertical axis represents the write current I WL and the horizontal axis represents the write current I BL . Black circles correspond to selected cells, white circles correspond to half-selected cells (one of the write word line and bit line is the same as the selected cell), and crosses correspond to non-selected cells. An area indicated as “TOGGLE” indicates an area where a toggle operation occurs. The region indicated as “No Switching” indicates a region where no toggle operation occurs.
In toggle MRAM, (in the figure, open circle) of the half-selected memory cells arranged either on the second wiring 101 through the first interconnection 110 and on the write current I BL flowing the write current I WL is within the Since only a magnetic field in one direction is applied, the possibility of erroneous writing is very low. Therefore, it is not necessary to strictly control the write current value, and the write margin is dramatically improved as compared with the conventional typical MRAM.

米国特許6,545,906号公報には、更に、トグル型磁気MRAMと基本的に同様の図1〜図3に示すような構造を有し、ダイレクト書込み方式(direct write mode)で書込み(以下、「ダイレクト書込み」という)が行われるダイレクトモード書込み型MRAM(以下、「ダイレクトモード型MRAM」と記す)の技術も開示されている。ただし、ダイレクトモード型MRAMでは、例えば、フリー層111における二つの磁性膜102及び磁性膜104の厚さに若干差異を持たせることにより、第1フリー層磁化の大きさが第2フリー層磁化の大きさとは異なるようにされている。それにより、正の書込み磁界の場合、各フリー層磁化の状態はメモリセル「0」の状態から「1」の状態への遷移のみが起こり、負の書込み磁界の場合、「1」の状態から「0」の状態への遷移のみが起こるようにする。ここで、正の書込み磁界は、例えば、書き込み電流IWLがX軸正方向、書き込み電流IBLがY軸正方向の場合の磁界であり、負の書込み磁界は、書き込み電流IWLがX軸負方向、書き込み電流IBLがY軸負方向の場合の磁界である。このダイレクト書込みは、トグル書込みと異なり、書込み磁界の方向だけで記録状態の書き分けをすることができる。すなわち、トグル書込みのように事前に記録状態を読み込んでおく必要はない。US Pat. No. 6,545,906 further has a structure as shown in FIGS. 1 to 3 which is basically similar to a toggle type magnetic MRAM, and is written by a direct write mode (hereinafter referred to as a direct write mode). Also, a technique of a direct mode write MRAM (hereinafter referred to as “direct mode MRAM”) in which “direct write” is performed is also disclosed. However, in the direct mode type MRAM, the magnitude of the first free layer magnetization is set to the second free layer magnetization by giving a slight difference in the thicknesses of the two magnetic films 102 and 104 in the free layer 111, for example. It is made different from the size. Thereby, in the case of a positive write magnetic field, the state of each free layer magnetization only transitions from the state of the memory cell “0” to the state of “1”, and in the case of a negative write magnetic field, from the state of “1”. Only the transition to the “0” state occurs. Here, the positive write magnetic field is, for example, a magnetic field when the write current I WL is in the X axis positive direction and the write current I BL is in the Y axis positive direction, and the negative write magnetic field is the write current I WL is in the X axis. This is a magnetic field in the negative direction when the write current I BL is in the Y-axis negative direction. In direct writing, unlike the toggle writing, the recording state can be divided only by the direction of the writing magnetic field. That is, it is not necessary to read the recording state in advance like toggle writing.

しかし、トグル型MRAM、ダイレクトモード型MRAMには、以下に示すような課題がある。なお、以下の説明はトグル型MRAMを想定して記載しているが、ダイレクトモード型MRAMにおいても本質は同様である。   However, the toggle type MRAM and the direct mode type MRAM have the following problems. The following description is made assuming a toggle type MRAM, but the essence of the direct mode type MRAM is the same.

図8は、フリー層における磁化容易軸方向の外部磁界に対する磁化特性を示すグラフである。縦軸は磁化を、横軸は磁化容易軸方向の外部磁界を示している。図の曲線のそばに示される2つの矢印は、第1及び第2フリー層磁化の向きを概略的に示している。Hはフロップ磁界、Hは飽和磁界、Hはリターン磁界を示す。ただし、Hはフロップ状態から反平行状態に戻る磁界である。
印加される外部磁界Hが0からHまでの場合、第1フリー層と第2フリー層との間の反強磁性的な結合が保たれるので、磁化が誘起され難く、磁化Mは実質的に0になる。それに伴い、図の2つの矢印に示されるように、第1フリー層磁化の向きと第2フリー層磁化の向きとは反平行の状態を維持する。すなわち、書き込み電流磁界が磁化容易軸に沿った場合、その磁界がHよりも小さな場合は、トグル動作は起きない。
印加される外部磁界HがHになると、磁化Mは不連続に増大する。その後外部磁界HがHからHまで増加する場合、外部磁界に対して磁化Mは線形的に変化する。それに伴い、図の2つの矢印に示されるように、第1フリー層磁化の向きと第2フリー層磁化の向きとは、外部磁界の大きさと向きに応じて向きを変える。すなわち、前述のようにトグル動作が可能である。
外部磁界HがH以上の場合、磁化Mは飽和して一定となる。それに伴い、図の2つの矢印に示されるように、第1フリー層磁化の向きと第2フリー層磁化の向きとは、いずれも外部磁界の向きと同じ向きに揃う。そのため、その後外部磁界Hが0に戻り、第1フリー層磁化の向きと第2フリー層磁化の向きとが反平行になった場合、各フリー層磁化の向きがどちらを向いているか不明となる。よって、各フリー層磁化の向きが所望の向きになっているか否か不明となる。すなわち、安定的なトグル動作が不可能である。
FIG. 8 is a graph showing magnetization characteristics of the free layer with respect to an external magnetic field in the easy axis direction. The vertical axis represents the magnetization, and the horizontal axis represents the external magnetic field in the direction of the easy axis. Two arrows shown beside the curves in the figure schematically indicate the directions of the first and second free layer magnetizations. H f is the flop magnetic field, H s saturation magnetic field, H r represents the return magnetic field. Here, Hr is a magnetic field that returns from the flop state to the antiparallel state.
If the external magnetic field H applied is from 0 to H f, antiferromagnetic coupling between the first free layer and the second free layer is maintained, difficult magnetization is induced magnetization M is substantially Therefore, it becomes 0. Accordingly, as indicated by the two arrows in the figure, the direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization remain antiparallel. That is, when a write current magnetic field along the easy axis, the magnetic field if smaller than H f, toggle operation does not occur.
When the external magnetic field H becomes H f the applied, the magnetization M increases discontinuously. Thereafter, when the external magnetic field H increases from H f to H s , the magnetization M changes linearly with respect to the external magnetic field. Accordingly, as indicated by the two arrows in the figure, the direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization change according to the magnitude and direction of the external magnetic field. That is, the toggle operation is possible as described above.
When the external magnetic field H is equal to or higher than H s , the magnetization M is saturated and becomes constant. Accordingly, as indicated by two arrows in the figure, the direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization are both aligned with the direction of the external magnetic field. Therefore, after that, when the external magnetic field H returns to 0 and the direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization become antiparallel, it is unclear which direction each free layer magnetization is directed to. . Therefore, it is unclear whether or not each free layer magnetization is in a desired direction. That is, a stable toggle operation is impossible.

以上のように、トグル動作が行われる磁界の上限及び下限は、それぞれ飽和磁界H及びフロップ磁界Hにより規定される。このことを、図9を用いて更に説明する。図9は、図7の第1象限を磁界について表現したグラフである。縦軸は、ワード線を流れる書き込み電流IWLにより生成されるワード線垂直磁界を示す。横軸は、ビット線を流れる書き込み電流IBLにより生成されるビット線垂直磁界を示す。図8の横軸は、図9の破線で示す「磁化容易軸方向」に対応する。閉曲線Bで囲まれた領域は、図7の「TOGGLE」領域である。閉曲線Bは、フロップ磁界Hで定まる曲線B1及びB3と、飽和磁界Hで定まる曲線B2とからなる。トグル動作により、選択セルに印加される磁界の経路は、R→R→R→Rとなる。As described above, the upper limit and the lower limit of the magnetic field where the toggle operation is performed are defined by the saturation magnetic field H s and the flop magnetic field H f , respectively. This will be further described with reference to FIG. FIG. 9 is a graph expressing the first quadrant of FIG. 7 with respect to the magnetic field. The vertical axis represents the word line vertical magnetic field generated by the write current IWL flowing through the word line. The horizontal axis indicates the bit line vertical magnetic field generated by the write current IBL flowing through the bit line. The horizontal axis in FIG. 8 corresponds to the “magnetization easy axis direction” indicated by the broken line in FIG. 9. The region surrounded by the closed curve B is the “TOGGLE” region in FIG. Closed curve B is the determined curves B1 and B3 the flop field H f, curvilinear B2 Prefecture determined by the saturation magnetic field H s. By the toggle operation, the path of the magnetic field applied to the selected cell becomes R 1 → R 2 → R 3 → R 4 .

の点(図8)における飽和磁界H及びフロップ磁界Hは、フリー層111が2つの等価な磁性層102、104からなる場合、近似的に次式のように書ける。
≒(H×H)x0.5 (1)
≒H (2)
ただし、
:フリー層の異方性磁界
:第1フリー層と第2フリー層との間の反強磁性結合磁界であり、少なくともH>Hである。
The saturation magnetic field H s and the flop magnetic field H f at the point R 0 (FIG. 8) can be written approximately as follows when the free layer 111 is composed of two equivalent magnetic layers 102 and 104.
H f ≈ (H k × H i ) × 0.5 (1)
H s ≈ H i (2)
However,
H k : anisotropic magnetic field of free layer H i : antiferromagnetic coupling magnetic field between the first free layer and the second free layer, and at least H i > H k .

MRAMを低消費電力(低書き込み電流)で動作させるという観点からは、フロップ磁界が小さいことが望ましい。すなわち、曲線B1が縦軸に、曲線B3が横軸にそれぞれ近づくことが好ましい。また、MRAM中の複数のメモリセルを同じように動作させるための動作マージンの観点からは、飽和磁界とフロップ磁界の比が大きいことが望ましい。すなわち、閉曲線Bの領域が広がることが好ましい。これらの条件を満たすためには、上記式(1)及び(2)からHを小さくすることが好ましいことがわかる。
そのフリー層の異方性磁界Hは、熱擾乱耐性を確保するために、ある程度以上の大きさを確保する必要がある。例えば、情報を記録した後、10年間その記録状態を保持するためには、Hは下式を満たす必要がある。
ΔE/kT=H*M*Thickness*Area/kT>54 (3)
ただし、
ΔE:二つのフリー層の磁化が一方の反平行の状態から他方の反平行の状態に遷移するのに必要なエネルギーバリア
:フリー層飽和磁化
Thickness:フリー層膜厚
Area:フリー層面積
k:ボルツマン係数
T :絶対温度
したがって、Hの大きさには式(3)で示される下限がある。
From the viewpoint of operating the MRAM with low power consumption (low write current), it is desirable that the flop magnetic field is small. That is, it is preferable that the curve B1 approaches the vertical axis and the curve B3 approaches the horizontal axis. Further, from the viewpoint of an operation margin for operating a plurality of memory cells in the MRAM in the same manner, it is desirable that the ratio of the saturation magnetic field and the flop magnetic field is large. That is, it is preferable that the area of the closed curve B is widened. In order to satisfy these conditions, it can be seen from the above formulas (1) and (2) that it is preferable to reduce H k .
Anisotropic magnetic field H k of the free layer, in order to ensure the thermal agitation resistance, it is necessary to secure a certain size or more. For example, after recording information, H k needs to satisfy the following equation in order to maintain the recorded state for 10 years.
ΔE / kT = H k * M s * Thickness * Area / kT> 54 (3)
However,
ΔE: energy barrier required for the magnetization of two free layers to transition from one antiparallel state to the other antiparallel state M s : free layer saturation magnetization Thickness: free layer thickness Area: free layer area k : Boltzmann coefficient T: Absolute temperature Therefore, the magnitude of H k has a lower limit expressed by the equation (3).

さらに、トグル型MRAMに特有の課題として、記録動作(書き込み動作)中のエネルギーバリアの低下が発明者らにより見出された。図10は、エネルギーバリアと書き込み動作時に選択セルに印加される磁界との関係を示すグラフである。縦軸は、10年間データを保持するために必要なエネルギーバリアで規格化されたエネルギーバリアである。横軸は、Hで規格化した書き込み動作時に選択セルに印加される磁化容易軸方向の磁界Hである。実線は、二つのフリー層の磁化が一方の反平行の状態から他方の反平行の状態に遷移するのに必要なエネルギーバリアを示す。具体的には、図11Aに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が反転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。破線は、フリー層内の磁性層間の磁化の向きがトグル動作中に相対的な向きの関係を維持するためのエネルギーバリアを示す。具体的には、図11Bに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が同一の方向に回転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。点線は、フリー層内の磁性層間の磁化の向きがトグル動作中に相対的な向きの関係を維持するためのエネルギーバリアを示す。具体的には、図11Cに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が互いに反対の方向に回転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。
エネルギーバリアは、トグル動作時に印加されるフロップ磁界Hから飽和磁界Hまでの磁界の範囲で、凸型(破線+点線)の特性を示す。書込み磁界がフロップ磁界H(範囲A)付近、又は、飽和磁界H(範囲A)付近の場合、エネルギーバリアは、必要なエネルギーバリア(=1)を下回ることがわかる。範囲Aでのみエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを上回る。
Furthermore, the inventors have found that the energy barrier is lowered during the recording operation (writing operation) as a problem peculiar to the toggle type MRAM. FIG. 10 is a graph showing the relationship between the energy barrier and the magnetic field applied to the selected cell during the write operation. The vertical axis is an energy barrier standardized with an energy barrier necessary for retaining data for 10 years. The horizontal axis is the easy magnetization direction of the magnetic field H applied to the selected cell during a write operation normalized by H k. The solid line shows the energy barrier required for the magnetizations of the two free layers to transition from one antiparallel state to the other antiparallel state. Specifically, as shown in FIG. 11A, an energy barrier for changing the direction of each magnetization from the state shown on the lower side to the state shown on the upper side is shown. A broken line indicates an energy barrier for maintaining a relative orientation relationship between the magnetization directions of the magnetic layers in the free layer during the toggle operation. Specifically, as shown in FIG. 11B, an energy barrier is shown for changing the magnetization direction from the state shown at the lower side to the state shown at the upper side by rotating in the same direction. The dotted line indicates an energy barrier for maintaining the relative orientation relationship between the magnetization directions of the magnetic layers in the free layer during the toggle operation. Specifically, as shown in FIG. 11C, an energy barrier is shown for turning each magnetization direction in the opposite direction from the state shown on the lower side to the state shown on the upper side.
Energy barrier is in the range of the magnetic field from the flop field H f applied during toggle operation until the saturation magnetic field H s, shows the characteristics of the convex (dashed + dotted line). When the write magnetic field is near the flop magnetic field H f (range A 1 ) or the saturation magnetic field H s (range A 2 ), it can be seen that the energy barrier is lower than the necessary energy barrier (= 1). Energy barrier only in the range A 3 is greater than the energy barrier required.

範囲Aでは、書き込み動作に伴う磁場Hによりトグル動作が起こる。それにより、図11Bの下側に示される状態になる。このときエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを下回っている。そのため、トグル動作中に熱擾乱により、第1及び第2フリー層の磁化の向きがいずれも同じ方向に回転し、上側に示される状態になる可能性がある。この場合、第1及び第2フリー層の磁化の向きが逆になってしまう。
範囲Aでは、書き込み動作に伴う磁場Hによりトグル動作が起こる。それにより、図11Cの下側に示される状態になる。このときエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを下回っている。そのため、トグル動作中に熱擾乱により、第1及び第2フリー層の磁化の向きが互いに逆方向に回転し、上側に示される状態になる可能性がある。この場合も、第1及び第2フリー層の磁化の向きが逆になってしまう。
In the range A 1, toggling takes place by a magnetic field H caused by the write operation. Thereby, the state shown in the lower side of FIG. 11B is obtained. At this time, the energy barrier is below the required energy barrier. Therefore, there is a possibility that the magnetization directions of the first and second free layers rotate in the same direction due to thermal disturbance during the toggle operation, resulting in a state shown on the upper side. In this case, the magnetization directions of the first and second free layers are reversed.
In range A 2, toggling takes place by a magnetic field H caused by the write operation. Thereby, the state shown in the lower side of FIG. 11C is obtained. At this time, the energy barrier is below the required energy barrier. For this reason, there is a possibility that the magnetization directions of the first and second free layers rotate in opposite directions due to thermal disturbance during the toggle operation, resulting in a state shown on the upper side. Also in this case, the magnetization directions of the first and second free layers are reversed.

こうして、図10及び図11Aから11Cに示されるように、トグル動作中に書き込み動作の磁場Hの大きさが範囲A及びAになると、エネルギーバリアが必要なエネルギーバリアを下回り、メモリセルにおいて誤動作が起こって書き込みが正常に行われない確率が高くなる。すなわち、トグル型MRAMに特有の課題として、必要なエネルギーバリアが十分に大きいトグル型MRAMを用いても、書き込み動作時に偶発的にエラーが起こる可能性があることが判明した。Thus, as shown in FIG. 10 and FIGS. 11A to 11C, when the magnitude of the magnetic field H of the write operation is in the range A 1 and A 2 during the toggle operation, the energy barrier falls below the required energy barrier, and the memory cell There is a high probability that writing will not be performed normally due to a malfunction. That is, as a problem specific to the toggle type MRAM, it has been found that even if a toggle type MRAM having a sufficiently large energy barrier is used, an error may occur accidentally during a write operation.

このような書込み動作中の誤動作を防ぐための方法は、以下の方法が考えられる。
(a)異方性磁界Hkを大きくする。それにより、図10における凸型の曲線は高くなるので、範囲Aが広くなり、範囲A及びAが狭くなる。したがって、書込み中にエネルギーバリアが低下しても、エネルギーバリアは保持状態での値以上にしやすくなり、誤動作が起こる確率を小さくできる。
(b)飽和磁界とフロップ磁界との比を大きくする。すなわち、反強磁性結合磁界Hを大きくする。それにより、図10における凸型の曲線は横方向に広がるので、範囲Aが広くなる。したがって、動作マージンを広くでき、エネルギーバリアが低下しない領域において、書込み動作を行うことができる。
The following method can be considered as a method for preventing such a malfunction during the write operation.
(A) Increasing the anisotropic magnetic field Hk. Accordingly, since the convex curve in FIG. 10 becomes high, the range A 3 becomes wide and the ranges A 1 and A 2 become narrow. Therefore, even if the energy barrier is lowered during writing, the energy barrier is easily set to a value equal to or higher than that in the held state, and the probability of malfunction can be reduced.
(B) Increase the ratio of the saturation magnetic field to the flop magnetic field. That is, the antiferromagnetic coupling magnetic field H i is increased. Thereby, the curve of the convex in FIG. 10 because laterally extending, in the range A 3 becomes wider. Therefore, the operation margin can be widened, and the write operation can be performed in a region where the energy barrier is not lowered.

しかし、上記いずれの方法(a)、(b)を用いても、フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴ってしまう。すなわち、消費電力が増大してしまう。フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴わずに、書き込み動作中に第1フリー層磁化と第2フリー層磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制する技術が望まれている。消費電力の増大を伴わずに、書込み動作中の誤動作を防ぐ技術が求められる。   However, any of the above methods (a) and (b) is accompanied by an increase in the flop magnetic field and an increase in the write current. That is, power consumption increases. There is a demand for a technique that suppresses the possibility that the first free layer magnetization and the second free layer magnetization are switched by thermal disturbance during the write operation without increasing the flop magnetic field and the write current. There is a need for a technique that prevents malfunction during a write operation without increasing power consumption.

このような課題は、フリー層内の複数の磁性層間の反平行状態を概ね維持しながら書き込み動作を行うトグル型MRAMに特有である。トグル型MRAMと異なる従来の典型的なMRAMでは、書き込み動作時にフリー層内での磁化の向きを気にする必要がない。   Such a problem is peculiar to a toggle type MRAM that performs a write operation while generally maintaining an antiparallel state between a plurality of magnetic layers in a free layer. In a conventional typical MRAM different from a toggle type MRAM, there is no need to worry about the direction of magnetization in the free layer during a write operation.

関連する技術として特開2003−115577号公報に不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法が開示されている。この不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法は、基板と、該基板上に設けられた磁気抵抗効果素を有する複数のメモリセルと、トランジスタと、を有する不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法である。情報の記録を行なう前に、メモリセルに情報の試し書きが行なわれ、試し書きの記録確認を行った後、正規のデータが記録される。すなわち、情報を記録する前に試し書き用のメモリセルに試し書きが行われ、情報が記録できる電流値が確認された後に正規のデータ書込みが行われる。試し書きに失敗した場合、電流値を変化させて、再度試し書きが行われても良い。   As a related technique, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-115577 discloses a recording / reproducing method for a nonvolatile magnetic thin film memory device. The recording / reproducing method of this nonvolatile magnetic thin film memory device is a recording / reproducing method of a nonvolatile magnetic thin film memory device having a substrate, a plurality of memory cells having magnetoresistive elements provided on the substrate, and a transistor. . Before recording information, trial writing of information is performed in the memory cell, and after confirming recording of the trial writing, regular data is recorded. That is, trial writing is performed on the memory cell for trial writing before information is recorded, and normal data writing is performed after a current value at which information can be recorded is confirmed. If the test writing fails, the current value may be changed and the test writing may be performed again.

従って、本発明の目的は、フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴わずに、書き込み動作中に第1フリー層磁化の向きと第2フリー層磁化の向きとが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制することが可能なトグル型及びダイレクトモード書込み型のMRAM及びそのMRAMの動作方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、消費電力の増大を伴わずに、書込み動作中の誤動作を防ぐことが可能なトグル型及びダイレクトモード書込み型のMRAM及びそのMRAMの動作方法を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a possibility that the direction of the first free layer magnetization and the direction of the second free layer magnetization are switched by the thermal disturbance during the write operation without increasing the flop magnetic field and the write current. To provide a toggle type and direct mode write type MRAM that can be suppressed, and a method of operating the MRAM.
Another object of the present invention is to provide a toggle type and direct mode write type MRAM that can prevent malfunction during a write operation without increasing power consumption, and a method for operating the MRAM. is there.

本発明の観点では、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法は、メモリセルに対してデータの書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みを行うステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第1方向へ伸びる第1配線と、第1方向とは異なる第2方向へ伸びる第2配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第1方向及び第2方向とは異なる。本発明では、データが書き込まれたかを判定し、書込み失敗の場合に再書込みを行うので、トグル型及びダイレクト型のMRAMについて、書込み動作時の熱擾乱による誤動作を防ぐことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、書込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備える。本発明により、特にトグル型のMRAMにつき書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。また、上記書込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータを書込むステップとを備える。本発明により、特にダイレクト型のMRAMにつき書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法は、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを再度判定するステップ更に具備することが好ましい。本発明では、書込み失敗のとき行う再書込みの後で、データが書き込まれたかを再判定するので、トグル書込み動作時の誤動作を確実に把握することができる。メモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、再書込みするステップと判定するステップとを繰り返し実行するステップを更に具備することが好ましい。本発明では、データが書き込まれるまで書き込み動作を続けるので、より確実にトグル書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。熱擾乱による偶発的エラーの場合、デフォルト値の書込み電流で再書込みを行うことで書込みを行うことができ、偶発的エラーを排除できる可能性が高い。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流で、そのデータの書込みしてもよい。デフォルト値の書込み電流と異なる電流値で再書込みを行うことで、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。さらに、異なる電流値で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行なってもよい。この場合、デフォルト値の書込み電流より小さい電流値で再書込みを行うことで、飽和磁界の小さなメモリセルに対して、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。また、異なる電流値で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより大きい書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行なってもよい。デフォルト値の書込み電流より大きい電流値で再書込みを行うことで、飽和磁界の大きなメモリセルに対して、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、警報を示す信号を出力するステップを更に具備してもよい。これにより、トグル型及びダイレクトモード型のMRAM内にトグル書込みが出来ないメモリセルが存在することを把握することができる。
また、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、当該メモリセルを不良ビットとして登録するステップを更に具備してもよい。これにより、トグル書込みが出来ないメモリセルを除いて動作させることができる。
In an aspect of the present invention, an operation method of a magnetic random access memory according to the present invention includes a step of writing data to a memory cell, a step of determining whether or not the data is written to a memory cell, A step of rewriting the data in the memory cell when the data is not written. Here, the magnetic random access memory includes a memory cell including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer are stacked, a first wiring extending in a first direction, Second wiring extending in a second direction different from the first direction. The direction of the easy magnetization axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction. In the present invention, it is determined whether data has been written, and rewriting is performed in the case of writing failure. Therefore, malfunctions due to thermal disturbance during writing operations can be prevented for toggle type and direct type MRAMs.
In the operation method of the magnetic random access memory described above, the writing step includes executing a read operation on the memory cell and, based on a result of the read operation, the data of the data by a toggle write method with respect to the memory cell. Performing a write operation. According to the present invention, it is possible to prevent a malfunction during a write operation, particularly for a toggle type MRAM. The step of writing includes the step of writing the data to the memory cell by a direct write method. According to the present invention, it is possible to prevent a malfunction during a write operation, particularly for a direct type MRAM.
The operation method of the magnetic random access memory preferably further comprises a step of determining again whether or not the data has been written to the memory cell. In the present invention, after the rewriting performed when writing fails, it is re-determined whether the data has been written. Therefore, it is possible to reliably grasp the malfunction during the toggle writing operation. Preferably, the method further includes the step of repeatedly executing the step of rewriting and the step of determining until the data is written to the memory cell. In the present invention, the write operation is continued until data is written, so that it is possible to more reliably prevent a malfunction during the toggle write operation.
In the magnetic random access memory operation method described above, the step of rewriting preferably includes the step of performing the data write operation again with the same write current as when the data write operation was performed last time. In the case of an accidental error due to a thermal disturbance, writing can be performed by rewriting with the default write current, and there is a high possibility that the accidental error can be eliminated. In the rewriting step, the data may be written with a different write current from the previous data write operation. By performing rewriting with a current value different from the write current of the default value, the current value can be optimized and data can be written more reliably. Further, in the step of rewriting with a different current value, the data write operation may be performed again with a smaller write current than when the previous data write operation was performed. In this case, by rewriting with a current value smaller than the default write current, the current value can be optimized for a memory cell with a small saturation magnetic field, and data can be written more reliably. I can do it. Further, in the step of rewriting with a different current value, the data write operation may be performed again with a larger write current than when the data write operation was performed last time. By rewriting with a current value larger than the default write current, the current value can be optimized for a memory cell with a large saturation magnetic field, and data can be written more reliably.
The magnetic random access memory operation method may further include a step of outputting a signal indicating an alarm when the data is not written even if the write operation is repeated a predetermined number of times. As a result, it can be understood that there are memory cells that cannot be toggle-written in the toggle type and direct mode type MRAM.
Further, when the data is not written even after repeating the write operation a predetermined number of times, a step of registering the memory cell as a defective bit may be further included. As a result, it is possible to operate except memory cells that cannot be toggle-written.

本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、磁気ランダムアクセスメモリのチップ本体を製造するステップと、そのチップ本体において、予め設定された電流値の書込み電流で、メモリセルに対してデータの書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みするステップと、そのメモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、判定するステップと再書込みするステップを繰り返し実行するステップと、そのデータが書き込まれたときのその電流値を示す電流情報(n値)、及びそのデータが書き込まれたときのまでの書き込み動作の回数を示す回数情報(n値)の少なくとも一方を格納するステップと、検査対象の複数のメモリセルについて、上記全てのステップステップを実行するステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第1方向へ伸びる第1配線と、第1方向とは異なる第2方向へ伸びる第2配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第1方向及び第2方向とは異なる。書込みが行われた電流値を示す電流情報、又は、電流値に対応する書き込み動作の回数を示す回数情報を取得するので、製造段階のトグル型及びダイレクト型のMRAMにおける書込みに関する検査を適正に行うことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、書き込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えてもよい。再書込みするステップは、そのデータが正しく書き込まれていない場合、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を再度行うステップとを備える。本発明により、特にトグル型のMRAMにつき製造段階でのトグル書込みに関する検査を適正に行うことができる。
また、書き込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えてもよい。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのダイレクト書込み方式で前記データの書込み動作を再度行うステップとを備えてもよい。これにより、特にダイレクト型のMRAMにつき製造段階でのトグル書込みに関する検査を適正に行うことができる。
再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。異なる電流で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。
また、検査対象の複数のメモリセルの電流情報(n値)に基づいて、そのチップ本体における書き込み電流の電流値を再設定するステップを更に具備してもよい。書込みが行われた電流値に対応するように書き込み電流のデフォルト値を再設定するので、書き込み動作のより安定したトグル型MRAMを製造することができる。
また、検査対象の複数のメモリセルの回数情報(n値)に基づいて、そのチップ本体をクラス分けするステップを更に具備することが好ましい。書き込み動作の回数に対応してクラス分けをしているので、動作速度に対応したクラスに分けられたトグル型MRAMを製造することができる。
In another aspect of the present invention, a method for manufacturing a magnetic random access memory includes: a step of manufacturing a chip body of a magnetic random access memory; and a write current of a preset current value in the chip body with respect to a memory cell. Writing data, determining whether the data has been written to the memory cell, and rewriting the data to the memory cell if the data is not written, Until the data is written to the memory cell, the step of repeatedly executing the determining step and the rewriting step, current information (n value) indicating the current value when the data is written, and the At least one of the number of times information (n value) indicating the number of write operations until data is written And storing, for a plurality of memory cells to be tested, and a step of performing all of the steps step above. Here, the magnetic random access memory includes a memory cell including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer are stacked, a first wiring extending in a first direction, Second wiring extending in a second direction different from the first direction. The direction of the easy magnetization axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction. Since current information indicating the current value at which writing has been performed or frequency information indicating the number of write operations corresponding to the current value is acquired, inspection related to writing in toggle-type and direct-type MRAM at the manufacturing stage is appropriately performed. be able to.
In the method of manufacturing the magnetic random access memory, the writing step includes a step of executing a read operation on the memory cell, and a write of the data to the memory cell by a toggle write method based on a result of the read operation. Performing the operation. The step of rewriting comprises the step of rewriting the data to the memory cell by the toggle writing method when the data is not correctly written. According to the present invention, it is possible to properly perform the inspection relating to the toggle writing at the manufacturing stage, particularly for the toggle type MRAM.
The step of writing may include a step of performing a data write operation on the memory cell by a direct write method. The step of rewriting may include a step of rewriting the data to the memory cell by the direct writing method when the data is not written. As a result, it is possible to appropriately perform inspection relating to toggle writing at the manufacturing stage, particularly for the direct MRAM.
The step of rewriting may include the step of performing the data write operation again on the memory cell with the same write current as when the data write operation was performed last time. In addition, the step of rewriting may include a step of performing the data write operation on the memory cell again with a different write current from the previous data write operation. The step of rewriting with a different current may include the step of rewriting the data to the memory cell with a smaller write current than when the data was written last time.
Further, the method may further include a step of resetting the current value of the write current in the chip body based on the current information (n value) of the plurality of memory cells to be inspected. Since the default value of the write current is reset so as to correspond to the written current value, a toggle type MRAM with a more stable write operation can be manufactured.
Moreover, it is preferable to further comprise a step of classifying the chip body based on the number of times information (n value) of the plurality of memory cells to be inspected. Since classification is performed according to the number of write operations, toggle-type MRAMs classified into classes corresponding to operation speeds can be manufactured.

本発明の他のでは、磁気ランダムアクセスメモリの検査方法は、磁気ランダムアクセスメモリのチップ本体において、予め設定された電流値の書込み電流で、メモリセルに対してデータを書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みするステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、判定するステップと再書込みするステップを繰り返し実行するステップと、そのデータが書き込まれたときのその電流値を示す電流情報(n値)、及び、そのデータが書き込まれたときのまでの書き込み動作の回数を示す回数情報(n値)の少なくとも一方を格納するステップと、検査対象の複数のメモリセルについて、上記全てのステップを実行するステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第1方向へ伸びる第1配線と、第1方向とは異なる第2方向へ伸びる第2配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第1方向及び第2方向とは異なる。
ここで、書き込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータを書込むステップとを備える。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を再度行うステップとを備える。また、書き込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えていてもよい。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのダイレクト書込み方式で前記データの書込み動作を再度行うステップとを備えていてもよい。
また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの再書込みを行うステップを備えていてもよい。この場合、異なる書込み電流で再書込みを行うステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法は、その検査対象の複数のメモリセルの電流情報(n値)に基づいて、そのチップ本体における書き込み電流の電流値を再設定するステップを更に具備してもよい。また、その検査対象の複数のメモリセルの回数情報(n値)に基づいて、そのチップ本体をクラス分けするステップを更に具備することが好ましい。
In another aspect of the present invention, a method for testing a magnetic random access memory includes a step of writing data to a memory cell with a write current having a preset current value in a chip body of the magnetic random access memory; Determining whether the data has been written to the memory cell, rewriting the data to the memory cell if the data has not been written, and writing the data to the memory cell. The step of repeatedly executing the determining step and the rewriting step, the current information (n value) indicating the current value when the data is written, and the writing until the data is written Storing at least one of frequency information (n value) indicating the number of operations, and a plurality of memos to be inspected For cells, and a step of performing all of the steps above. Here, the magnetic random access memory includes a memory cell including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers antiferromagnetically coupled via a nonmagnetic layer are stacked, a first wiring extending in a first direction, Second wiring extending in a second direction different from the first direction. The direction of the easy magnetization axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction.
Here, the writing step includes a step of executing a read operation on the memory cell and a step of writing the data to the memory cell by a toggle write method based on the result of the read operation. The step of rewriting comprises the step of rewriting the data to the memory cell by the toggle writing method when the data is not written. The step of writing may include a step of performing a data write operation on the memory cell by a direct write method. The step of rewriting may include a step of rewriting the data to the memory cell by the direct writing method when the data is not written.
Further, it is preferable that the step of rewriting includes the step of performing the data write operation on the memory cell again with the same write current as when the data write operation was performed last time. In addition, the step of rewriting may include a step of rewriting the data to the memory cell with a different write current from the previous data write operation. In this case, it is preferable that the step of rewriting with a different write current includes the step of performing the data write operation on the memory cell again with a smaller write current than when the data write operation was performed last time.
The magnetic random access memory inspection method may further include a step of resetting the current value of the write current in the chip body based on the current information (n value) of the plurality of memory cells to be inspected. Good. Further, it is preferable that the method further includes a step of classifying the chip body based on the number of times information (n value) of the plurality of memory cells to be inspected.

本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、複数の第1配線と、複数の第2配線と、複数のメモリセルと、書き込み制御部とを具備する。複数の第1配線は、第1方向に延伸する。複数の第2配線は、第1方向と異なる第2方向に延伸する。複数のメモリセルは、複数の第1配線と複数の第2配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。書き込み制御部は、複数のメモリセルの書き込み動作を制御する。複数のメモリセルの各々は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、非磁性膜を介して2層以上の磁性膜を積層したフリー磁性層を含み、磁化容易軸方向が第1方向及び第2方向とは異なる。複数の第1配線から選択される選択第1配線と複数の第2配線から選択される選択第2配線とに対応するメモリセルとしての選択セルへデータを書き込むとき、書き込み制御部が、選択セルに対してそのデータを書き込む書き込み動作を実行する。選択セルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定する。そのデータが書き込まれていない場合、選択セルに対してその書き込み動作を再度行う。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、フリー磁性層における容易軸方向のうちの一方の向きの自発磁化の大きさは、他方の向きの自発磁化の大きさと異なることが好ましい。
その書き込み動作は、書き込み制御部が、選択第1配線に第1書き込み電流を供給する。次に、選択第2配線に第2書き込み電流を供給する。その後、第1書き込み電流を停止する。次に、第2書き込み電流を停止する動作である。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、その書込み動作を再度行った選択セルに対して、そのデータが書き込まれたか否かを再度判定することが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書込み制御部が、選択セルに対してそのデータが書き込まれるまで、選択セルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定することと、そのデータが書き込まれていない場合、選択セルに対してその書込み動作を再度行うこととを繰り返し実行することが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流に変更して、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときより小さい書き込み電流に変更して、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、その書込み動作を再度行うことが好ましい。それでもそのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流で、その書込み動作を再度行うことが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、警報を示す信号を出力することが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、当該選択セルを不良ビットとして登録する警報を示す信号を出力することが好ましい。
In another aspect of the present invention, a magnetic random access memory includes a plurality of first wirings, a plurality of second wirings, a plurality of memory cells, and a write control unit. The plurality of first wirings extend in the first direction. The plurality of second wirings extend in a second direction different from the first direction. The plurality of memory cells are provided corresponding to respective positions where the plurality of first wirings and the plurality of second wirings intersect. The write control unit controls the write operation of the plurality of memory cells. Each of the plurality of memory cells includes a magnetoresistive element. The magnetoresistive element includes a free magnetic layer in which two or more magnetic films are stacked via a nonmagnetic film, and the easy axis direction is different from the first direction and the second direction. When writing data to a selected cell as a memory cell corresponding to a selected first wiring selected from the plurality of first wirings and a selected second wiring selected from the plurality of second wirings, the write control unit selects the selected cell A write operation for writing the data is executed. It is determined whether or not the data has been written to the selected cell. If the data has not been written, the write operation is performed again on the selected cell. In the above magnetic random access memory, the magnitude of the spontaneous magnetization in one direction of the easy axis directions in the free magnetic layer is preferably different from the magnitude of the spontaneous magnetization in the other direction.
In the write operation, the write control unit supplies a first write current to the selected first wiring. Next, a second write current is supplied to the selected second wiring. Thereafter, the first write current is stopped. Next, the second write current is stopped. In the above magnetic random access memory, it is preferable that the write control unit again determines whether or not the data has been written to the selected cell that has performed the write operation again.
In the above magnetic random access memory, the write control unit determines whether or not the data is written to the selected cell until the data is written to the selected cell, and the data is written. If not, it is preferable to repeatedly execute the write operation on the selected cell again. In the magnetic random access memory, when the data is not written, the write control unit preferably performs the write operation again with the same write current as when the previous write operation was performed.
In the magnetic random access memory described above, when the data is not written, the write control unit preferably changes the write current to that different from the previous write operation and performs the write operation again. In the magnetic random access memory, when the data is not written, the write control unit preferably changes the write current to a smaller write current when the previous write operation was performed and performs the write operation again. In the magnetic random access memory, when the data is not written, the write control unit preferably performs the write operation again with the same write current as when the previous write operation was performed. If the data is still not written, it is preferable to perform the write operation again with a different write current from the previous write operation.
In the above magnetic random access memory, it is preferable that the write control unit outputs a signal indicating an alarm when the data is not written even if the write operation is repeated a predetermined number of times. In the magnetic random access memory, when the data is not written even if the write controller repeats the write operation a predetermined number of times, it is preferable to output a signal indicating an alarm for registering the selected cell as a defective bit.

図1は、トグル型MRAMに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a typical magnetoresistive element used in a toggle type MRAM. 図2は、トグル型MRAMに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a typical magnetoresistive effect element used in a toggle type MRAM. 図3は、トグル型MRAMの磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。FIG. 3 is a top view showing a planar layout of the magnetoresistive effect element of the toggle type MRAM. 図4は、トグル動作における書き込み電流のタイミングチャートである。FIG. 4 is a timing chart of the write current in the toggle operation. 図5は、トグル動作における第1及び第2フリー層磁化の向きの変化を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating changes in the directions of the first and second free layer magnetizations in the toggle operation. 図6は、トグル動作における第1及び第2フリー層磁化の向きの変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a change in the direction of the first and second free layer magnetization in the toggle operation. 図7は、書き込み電流とトグルされるメモリセルとの関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the write current and the toggled memory cell. 図8は、フリー層における磁化容易軸方向の外部磁界に対する磁化特性を示す。FIG. 8 shows the magnetization characteristics of the free layer with respect to the external magnetic field in the easy axis direction. 図9は、図7の第1象限を磁界について表現したグラフである。FIG. 9 is a graph expressing the first quadrant of FIG. 7 with respect to the magnetic field. 図10は、エネルギーバリアと書き込み動作時に選択セルに印加される磁界との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the energy barrier and the magnetic field applied to the selected cell during the write operation. 図11A〜11Cは、各範囲における第1及び第2フリー層磁化の向きの変化を示す図である。11A to 11C are diagrams illustrating changes in the directions of the first and second free layer magnetizations in the respective ranges. 図12は、本発明のトグル型MRAMの実施例の構成を示すブロック図である。FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a toggle type MRAM according to the present invention. 図13は、本発明におけるメモリセルの構成の一例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the memory cell in the present invention. 図14は、本発明のトグル型MRAMのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the magnetoresistive element in the memory cell of the toggle type MRAM of the present invention. 図15は、本発明のトグル型MRAMのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。FIG. 15 is a top view showing a planar layout of the magnetoresistive effect element in the memory cell of the toggle type MRAM of the present invention. 図16は、本発明のトグル型MRAMの動作方法を示すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing the operation method of the toggle type MRAM of the present invention. 図17は、本発明のトグル型MRAMの製造方法を示すフローチャートである。FIG. 17 is a flowchart showing a manufacturing method of the toggle type MRAM according to the present invention.

以下、本発明のMRAMの実施例について図面を参照して説明する。以下の説明においては、本発明を適用したトグル型MRAMについて説明するが、本発明をダイレクトモード型MRAMに適用することも可能である。   Embodiments of the MRAM according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, a toggle type MRAM to which the present invention is applied will be described, but the present invention can also be applied to a direct mode type MRAM.

以下、本発明のトグル型MRAMの実施例の構成について、添付図面を参照して説明する。
図12は、本発明のトグル型MRAMの実施例の構成を示すブロック図である。トグル型MRAMは、複数の書き込みワード線26、複数の読み出しワード線28、複数のビット線27、メモリセルアレイ30、Xデコーダ38、第1書込み電流源39、X終端回路40、Yデコーダ41、第2書き込み電流源42、Y終端回路44、センスアンプ45、参照電位発生回路46、読出し判定回路50、カウンタ51、書込みコントローラ52を具備する。
Hereinafter, the configuration of an embodiment of the toggle type MRAM of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a toggle type MRAM according to the present invention. The toggle type MRAM includes a plurality of write word lines 26, a plurality of read word lines 28, a plurality of bit lines 27, a memory cell array 30, an X decoder 38, a first write current source 39, an X termination circuit 40, a Y decoder 41, a first decoder. 2 includes a write current source 42, a Y termination circuit 44, a sense amplifier 45, a reference potential generation circuit 46, a read determination circuit 50, a counter 51, and a write controller 52.

書き込みワード線26は、第1の方向としてのX軸方向へ延伸するように設けられ、一端をXデコーダ38に、他端をX終端回路40にそれぞれ接続されている。読み出しワード線28は、X軸方向へ延伸するように設けられ、一端をXデコーダ38に、他端をX終端回路40にそれぞれ接続されている。ビット線27は、X軸方向に実質的に垂直な第2の方向としてのY軸方向へ延伸するように設けられ、一端をYデコーダ41に、他端をY終端回路44にそれぞれ接続されている。
メモリセルアレイ30は、行列状に配列された複数のメモリセル10を備える。複数のメモリセル10は、書き込みワード線26及び読み出しワード線28の複数の組と複数のビット線27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。
Xデコーダ38は、メモリセル10の読み出し動作時に、Xアドレスの入力に基づいて、複数の読み出しワード線28から一つの読み出しワード線28を選択読み出しワード線28sとして選択する。メモリセル10の書き込み動作時に、Xアドレスの入力に基づいて、複数の書き込みワード線26から一つの書き込みワード線26を選択書き込みワード線26sとして選択する。
第1書き込み電流源39は、メモリセル10の書き込み動作時に、選択書き込みワード線26sへ所定の書き込み電流IWLを供給する。X終端回路40は、メモリセル10の書き込み動作時に、選択書き込みワード線26sに流れる書き込み電流IWLを終端する。メモリセル10の読み出し動作時に、選択読み出しワード線28sへ読出し電流Iを供給する。
Yデコーダ41は、メモリセル10の読み出し動作時及び書き込み動作時に、Yアドレスの入力に基づいて、複数のビット線27から一つのビット線27を選択ビット線27sとして選択する。
第2書き込み電流源42は、メモリセル10の書き込み動作時に、選択ビット線27sへ所定の書き込み電流IBLを供給する。Y終端回路44は、メモリセル10の書き込み動作時に、選択ビット線27sに流れる書き込み電流IBLを終端する。メモリセル10の読み出し動作時に、選択ビット線27sへ流れ込むの読出し電流Iをセンスアンプ45へ導く。
参照電位発生回路46は、メモリセル10の読出し動作時に、参照用の電位(例示:参照セルの電位)をセンスアンプ45へ出力する。
センスアンプ45は、メモリセル10の読み出し動作時に、選択セル10s(選択読み出しワード線28sと選択ビット線27sとで選択されるメモリセル10)の電位(=選択ビット線27sの電位)と、参照電位発生回路46の出力電位とを比較することにより、選択セル10sの状態(データ、「0」又は「1」)を検出する。
読出し判定回路50は、書込みコントローラ52からの書き込むべきデータとセンスアンプ45からの読み出されたデータとを比較する。両データが同一の場合、書込みが成功したと判定する。そして、次のメモリセルのデータ書込みを実行させるために、書込みコントローラ52へ書込み信号を出力する。両データが異なる場合、書込みが失敗したと判定する。そして、同じメモリセルへのデータ書込みを再度実行させるために、書込みコントローラ52へ再書込み信号を出力する。
カウンタ51は、書込みコントローラ52の制御により、同じメモリセルへのデータ書込み回数nを格納する。
書込みコントローラ52は、アドレス信号と書き込むべきデータを含む制御信号に基づいて、Xデコーダ38、第1書込み電流源39、X終端回路40、Yデコーダ41、第2書き込み電流源42、Y終端回路44がトグル書込み動作を実行するように制御する。そして、読出し判定回路50の再書込み信号に基づいて、書込み電流の値を変動させて、同じメモリセルへの再度のトグル書込み動作を実行させる。読出し判定回路50が書き込み信号を出力した場合には、次のメモリセルへのデータのトグル書込み動作を制御する。内部の記憶部(図示せず)に、各メモリセルにおけるデータが書き込まれたときの電流値を示す電流情報、及び、データが書き込まれたときのまでのトグル書き込み動作の回数を示す回数情報の少なくとも一方を格納する。
The write word line 26 is provided so as to extend in the X-axis direction as the first direction, and has one end connected to the X decoder 38 and the other end connected to the X termination circuit 40. The read word line 28 is provided so as to extend in the X-axis direction, and one end is connected to the X decoder 38 and the other end is connected to the X termination circuit 40. The bit line 27 is provided so as to extend in the Y-axis direction as a second direction substantially perpendicular to the X-axis direction, and has one end connected to the Y decoder 41 and the other end connected to the Y termination circuit 44. Yes.
The memory cell array 30 includes a plurality of memory cells 10 arranged in a matrix. The plurality of memory cells 10 are provided corresponding to positions where a plurality of sets of write word lines 26 and read word lines 28 and a plurality of bit lines 27 intersect.
The X decoder 38 selects one read word line 28 from the plurality of read word lines 28 as the selected read word line 28s based on the input of the X address during the read operation of the memory cell 10. During the write operation of the memory cell 10, one write word line 26 is selected from the plurality of write word lines 26 as the selective write word line 26s based on the input of the X address.
First write current source 39, the write operation of the memory cell 10, and supplies the predetermined write current I WL to the selected write word line 26s. X termination circuit 40, the write operation of the memory cell 10, terminates the write current I WL flowing through the selected write word line 26s. During the read operation of the memory cell 10, and supplies the read current I R to the selected read word line 28s.
The Y decoder 41 selects one bit line 27 as a selected bit line 27 s from the plurality of bit lines 27 based on the input of the Y address during the read operation and the write operation of the memory cell 10.
A second write current source 42, the write operation of the memory cell 10, and supplies the predetermined write current I BL to the selected bit line 27s. Y termination circuit 44, the write operation of the memory cell 10, terminates the write current I BL flowing through the selected bit line 27s. During the read operation of the memory cell 10, direct the read current I R from flowing to the selected bit line 27s to the sense amplifier 45.
The reference potential generation circuit 46 outputs a reference potential (eg, the potential of the reference cell) to the sense amplifier 45 when the memory cell 10 is read.
The sense amplifier 45 refers to the potential (= potential of the selected bit line 27s) of the selected cell 10s (the memory cell 10 selected by the selected read word line 28s and the selected bit line 27s) during the read operation of the memory cell 10. The state (data, “0” or “1”) of the selected cell 10 s is detected by comparing the output potential of the potential generation circuit 46.
The read determination circuit 50 compares the data to be written from the write controller 52 with the data read from the sense amplifier 45. If both data are the same, it is determined that the writing is successful. Then, a write signal is output to the write controller 52 in order to execute data write of the next memory cell. When both data are different, it is determined that the writing has failed. Then, a rewrite signal is output to the write controller 52 in order to execute data write to the same memory cell again.
The counter 51 stores the number n of data writes to the same memory cell under the control of the write controller 52.
The write controller 52 includes an X decoder 38, a first write current source 39, an X termination circuit 40, a Y decoder 41, a second write current source 42, and a Y termination circuit 44 based on an address signal and a control signal including data to be written. Controls to perform a toggle write operation. Then, based on the rewrite signal of the read determination circuit 50, the value of the write current is changed to execute the toggle write operation again to the same memory cell. When the read determination circuit 50 outputs a write signal, the toggle write operation of data to the next memory cell is controlled. Current information indicating a current value when data in each memory cell is written in an internal storage unit (not shown), and count information indicating the number of toggle write operations until data is written. Store at least one of them.

図13は、本発明におけるメモリセルの構成の一例を示す断面図である。メモリセル10は、磁気抵抗効果素子25とMOSトランジスタ36とを含む。
MOSトランジスタ36は、ソース36a、ゲート36b及びドレイン36cを有し、p型の半導体基板20に埋め込まれている。ソース36aは、半導体基板20のN型拡散層として形成され、半導体基板20上に延びるコンタクト19−1及び第3金属層23を介して接地されている。ゲート36bは、半導体基板20に絶縁膜24を介して設けられ、読み出しワード線27に接続されている。ドレイン36cは、半導体基板20のN型拡散層として形成され、半導体基板20上に延びるコンタクト19−2〜4と第1及び第2金属層21及び22と下部電極18とを介して磁気抵抗効果素子25の一端に接続されている。磁気抵抗効果素子47の他端は、キャップ層5を介してビット線27に接続されている。磁気抵抗効果素子47の下側(半導体基板20側)の近傍(電気的に絶縁され、磁気的相互作用が可能な位置)に、書き込みワード線26が配置されている。
磁気抵抗効果素子25について更に説明する。図14は、本発明のトグル型MRAMのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す断面図である。磁気抵抗効果素子25は、ビット線27と書き込みワード線26との間に設けられている。フリー層1、バリア層2、ピン層3及び反強磁性層4を含む。フリー層1は、第1磁性膜11+第1非磁性膜12+第2磁性膜13+第2非磁性膜14+第3磁性膜15+第3非磁性膜16+第4磁性膜17+…+第N非磁性膜(N≧2、Nは自然数)のように、非磁性膜を介して2層以上の磁性膜が積層された構造を有する。各磁性膜は非磁性膜を介して反強磁性結合している。
フリー層をより多く(N≧3)することは、体積が増加することにより熱擾乱耐性が向上するという効果もある。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the memory cell in the present invention. Memory cell 10 includes a magnetoresistive effect element 25 and a MOS transistor 36.
The MOS transistor 36 has a source 36 a, a gate 36 b and a drain 36 c and is embedded in the p-type semiconductor substrate 20. The source 36 a is formed as an N-type diffusion layer of the semiconductor substrate 20 and is grounded via a contact 19-1 and a third metal layer 23 extending on the semiconductor substrate 20. The gate 36 b is provided on the semiconductor substrate 20 via the insulating film 24, and is connected to the read word line 27. The drain 36 c is formed as an N-type diffusion layer of the semiconductor substrate 20, and has a magnetoresistive effect via contacts 19-2 to 19-4 extending on the semiconductor substrate 20, the first and second metal layers 21 and 22, and the lower electrode 18. It is connected to one end of the element 25. The other end of the magnetoresistive effect element 47 is connected to the bit line 27 through the cap layer 5. A write word line 26 is disposed in the vicinity (a position where electrical interaction is possible and magnetic interaction is possible) near the lower side (semiconductor substrate 20 side) of the magnetoresistive effect element 47.
The magnetoresistive effect element 25 will be further described. FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of the magnetoresistive element in the memory cell of the toggle type MRAM of the present invention. The magnetoresistive element 25 is provided between the bit line 27 and the write word line 26. A free layer 1, a barrier layer 2, a pinned layer 3, and an antiferromagnetic layer 4 are included. The free layer 1 includes a first magnetic film 11 + first nonmagnetic film 12 + second magnetic film 13 + second nonmagnetic film 14 + third magnetic film 15 + third nonmagnetic film 16 + fourth magnetic film 17 + ... + Nth nonmagnetic film. (N ≧ 2, where N is a natural number) has a structure in which two or more magnetic films are stacked via a nonmagnetic film. Each magnetic film is antiferromagnetically coupled through a nonmagnetic film.
Increasing the number of free layers (N ≧ 3) also has the effect of improving thermal disturbance resistance due to an increase in volume.

図15は、本発明のトグル型MRAMのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。磁気抵抗効果素子25のフリー層1の磁化容易軸方向は、書き込みワード線26が延在するX方向及びビット線27が延在するY方向から見ておよそ45°方向になるように配置されている。   FIG. 15 is a top view showing a planar layout of the magnetoresistive effect element in the memory cell of the toggle type MRAM of the present invention. The magnetization easy axis direction of the free layer 1 of the magnetoresistive effect element 25 is arranged to be approximately 45 ° when viewed from the X direction in which the write word line 26 extends and the Y direction in which the bit line 27 extends. Yes.

次に、本発明のトグル型MRAMの動作方法について説明する。
図16は、本発明のトグル型MRAMの動作方法を示すフローチャートである。この動作は、通常使用の場合でのデータ書込み及び検査の場合でのデータ書込みで実行される。
Next, an operation method of the toggle type MRAM of the present invention will be described.
FIG. 16 is a flowchart showing the operation method of the toggle type MRAM of the present invention. This operation is executed by data writing in the case of normal use and data writing in the case of inspection.

(1)ステップS01
Xアドレス及びYアドレスの指定される選択セル10sへのデータ書き込む命令を示す制御信号が、書込みコントローラ52へ入力される。書込みコントローラ52は、カウンタ51をリセットして、n=0とする。
ただし、ダイレクトモード型MRAMの場合には、n=1とする。
(2)ステップS02
書込みコントローラ52は、カウンタ51の値nを読み出す。n>0の場合(S02:Yes)はステップS03へ、n=0の場合(S02:No)はステップS04へ進む。ただし、ダイレクトモード型MRAMの場合には、このステップを飛ばし、全ての場合でステップS03へ進む。
(3)ステップS03
書込みコントローラ52は、選択セル10sへトグル動作による書込みを行う。具体的には、XアドレスをXデコーダ38へ、YアドレスをYデコーダ41へ、制御信号を第1書込み電流源39、第2書込み電流源42、X終端回路40及びY終端回路44へそれぞれ出力する。Xデコーダ38が、選択書込みワード線26sに書き込み電流IWLを供給する。次に、Yデコーダ41が、選択ビット線27sに書き込み電流IBLを供給する。その後、Xデコーダ38が、書き込み電流IWLの供給を停止する。続いて、Yデコーダ41が、書き込み電流IBLの供給を停止する。ただし、ダイレクトモード型MRAMの場合には、選択セル10sへダイレクトモード書込みを行う。
(4)ステップS04
書込みコントローラ52は、選択セル10sに対して書き込んだデータの読出しを行う。具体的には、XアドレスをXデコーダ38へ、YアドレスをYデコーダ41へ、制御信号を第1書込み電流源39及びY終端回路44へそれぞれ出力する。Xデコーダ38が、選択読出しワード線28sに読出し電流Iを供給する。読出し電流Iは、選択セル10sを通過し、Yデコーダ41により選択された選択ビット線27sを介してY終端回路44へ流れ込む。そのとき、センスアンプ45は、選択ビット線27sの電位と参照電位発生回路46の電位とを比較して、読み出したデータを出力する。
(5)ステップS05
読出し判定回路50は、書込みコントローラ52から受信される書き込みデータとセンスアンプ45により読み出されたデータとが等しいか否かを判定する。等しい場合(S05:Yes)、次のデータの書込みを実行するための書込み信号を書込みコントローラ52へ出力する。書込みコントローラ52は、そのメモリセルに対して書込みの成功したときの回数値nを格納する。nは、トグル書込みの試行回数に相当する。nは書き込み電流値とも関連している(後述)ことから、電流値にも相当する。等しくない場合(S05:No)、再書込みを実行する必要があるので、そのための再書込み信号を書込みコントローラ52へ出力する。
(6)ステップS06
書込みコントローラ52は、カウンタ51をカウントアップし、n=n+1とする。
(7)ステップS07
書込みコントローラ52は、予め設定されたnの最大値nmaxをnが超える(n>nmax)か否かを判定する。n>nmaxの場合(S07:Yes)はステップS09へ、n≦nmaxの場合(S07:No)はステップS08へ進む。
(8)ステップS08
書込みコントローラ52は、データの書き込み条件を変更する。書き込み条件は、nの値に対応して、例えば以下のようにする。
n=1:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値
n=2:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値
n=3:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値×0.9
n=4:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値×0.8 n=5:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値×0.7
n=6:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値×1.1
n=7:書き込み電流IWL=書き込み電流IBL=デフォルト値×1.2
………
n=nmax:………
その後、ステップS02へ進む。ただし、このnと書込み電流との対応テーブルは、書込みコントローラ52の記憶部(図示されず)に格納されている。
(9)ステップS09
書込みコントローラ52は、この書込み動作が、出荷検査のような出荷する前の検査で行われている場合(S09:Yes)、ステップS10へ進む。そのような検査で行われていない場合(S09:No)、ステップS11へ進む。
(10)ステップS10
書込みコントローラ52は、読出し判定回路50を介して、このトグル型MRAMが不良品であることを外部へ出力し、不良登録を行う。
(11)ステップS11
書込みコントローラ52は、読出し判定回路50を介して、このトグル型MRAMに不良なメモリセルがあることを示す故障予兆アラームを外部へ出力する。このとき、nmaxは出荷検査時と変えても良い。
以上のようにして、本発明のトグル型MRAMの動作方法が実行される。
(1) Step S01
A control signal indicating an instruction to write data to the selected cell 10 s designated by the X address and the Y address is input to the write controller 52. The write controller 52 resets the counter 51 so that n = 0.
However, in the case of a direct mode type MRAM, n = 1.
(2) Step S02
The write controller 52 reads the value n of the counter 51. When n> 0 (S02: Yes), the process proceeds to step S03, and when n = 0 (S02: No), the process proceeds to step S04. However, in the case of a direct mode type MRAM, this step is skipped, and in all cases, the process proceeds to step S03.
(3) Step S03
The write controller 52 writes to the selected cell 10s by a toggle operation. Specifically, the X address is output to the X decoder 38, the Y address is output to the Y decoder 41, and the control signal is output to the first write current source 39, the second write current source 42, the X termination circuit 40, and the Y termination circuit 44, respectively. To do. X decoder 38 supplies the write current I WL to the selected write word line 26s. Then, Y decoder 41, and supplies a write current I BL to the selected bit line 27s. Thereafter, the X decoder 38 stops supplying the write current IWL . Subsequently, the Y decoder 41 stops supplying the write current IBL . However, in the case of the direct mode type MRAM, direct mode writing is performed to the selected cell 10s.
(4) Step S04
The write controller 52 reads data written to the selected cell 10s. Specifically, the X address is output to the X decoder 38, the Y address is output to the Y decoder 41, and the control signal is output to the first write current source 39 and the Y termination circuit 44, respectively. X decoder 38 supplies the read current I R to the selected read word line 28s. Read current I R is passed through the selected cell 10s, it flows through the selected bit line 27s selected by Y decoder 41 to the Y termination circuit 44. At that time, the sense amplifier 45 compares the potential of the selected bit line 27 s with the potential of the reference potential generation circuit 46 and outputs the read data.
(5) Step S05
The read determination circuit 50 determines whether the write data received from the write controller 52 and the data read by the sense amplifier 45 are equal. If equal (S05: Yes), a write signal for executing the next data write is output to the write controller 52. The write controller 52 stores a count value n when writing to the memory cell is successful. n corresponds to the number of toggle write attempts. Since n is also related to the write current value (described later), it corresponds to the current value. If they are not equal (S05: No), it is necessary to execute rewriting, and a rewriting signal for that purpose is output to the writing controller 52.
(6) Step S06
The write controller 52 counts up the counter 51 and sets n = n + 1.
(7) Step S07
The write controller 52 determines whether n exceeds a preset maximum value n max of n (n> n max ). When n> n max (S07: Yes), the process proceeds to step S09, and when n ≦ n max (S07: No), the process proceeds to step S08.
(8) Step S08
The write controller 52 changes the data write condition. The write condition is set as follows, for example, corresponding to the value of n.
n = 1: Write current I WL = Write current I BL = Default value n = 2: Write current I WL = Write current I BL = Default value n = 3: Write current I WL = Write current I BL = Default value × 0 .9
n = 4: write current IWL = write current I BL = default value × 0.8 n = 5: write current I WL = write current I BL = default value × 0.7
n = 6: write current I WL = write current I BL = default value × 1.1
n = 7: write current I WL = write current I BL = default value × 1.2
………
n = n max : .........
Thereafter, the process proceeds to step S02. However, the correspondence table between n and the write current is stored in a storage unit (not shown) of the write controller 52.
(9) Step S09
When the writing operation is performed in the inspection before shipping such as the shipping inspection (S09: Yes), the writing controller 52 proceeds to step S10. When it is not carried out by such inspection (S09: No), the process proceeds to step S11.
(10) Step S10
The write controller 52 outputs, via the read determination circuit 50, that the toggle type MRAM is defective, and registers the defect.
(11) Step S11
The write controller 52 outputs, through the read determination circuit 50, a failure sign alarm indicating that there is a defective memory cell in the toggle type MRAM. At this time, n max may be changed from that at the time of shipping inspection.
As described above, the operation method of the toggle type MRAM of the present invention is executed.

上記ステップS08において、n=2において、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLを同じにすることで、熱擾乱による偶発的エラーを排除できる。熱擾乱による偶発的エラーの場合、同一電流の再書込みで修正できる可能性が高いからである。したがって、まずは同一のデフォルト値の書込み電流で再書込みを行う。In step S08, an accidental error due to thermal disturbance can be eliminated by making the write current I WL and the write current I BL the same at n = 2. This is because an accidental error due to a thermal disturbance is likely to be corrected by rewriting the same current. Therefore, first, rewriting is performed with the same default write current.

上記ステップS08において、n=3〜5において、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLを下げるのは、メモリセルに印加する磁界を低下させることになる。すなわち、当初図10の範囲Aにあった磁界は、範囲Aへ近づくことになり、エネルギーバリアを高めることができる。したがって、書き込み電流を下げることは、飽和磁界Hの小さなメモリセル(印加される磁界が範囲Aに入りやすい)に対して好ましい。In step S08, when n = 3 to 5, the write current I WL and the write current I BL are lowered to reduce the magnetic field applied to the memory cell. That is, the magnetic field was in range A 2 of the original Figure 10, will be closer to the range A 3, it is possible to increase the energy barrier. Therefore, it is preferable for a small memory cell in the saturation magnetic field H s (easily enters the application range A 2 magnetic field to be) to reduce the write current.

上記ステップS08において、n=6〜7において、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLを上げることは、メモリセルに印加する磁界を高めることになる。すなわち、当初図10の範囲Aにあった磁界は、範囲Aへ近づくことになり、エネルギーバリアを高めることができる。したがって、書き込み電流を上げることは、フロップ磁界Hの大きなのメモリセル(印加される磁界が範囲Aに入りやすい)に対して好ましい。In step S08, increasing the write current I WL and the write current I BL at n = 6 to 7 increases the magnetic field applied to the memory cell. That is, the magnetic field was in the range A 1 of the original Figure 10, will be closer to the range A 3, it is possible to increase the energy barrier. Therefore, it is preferred for big memory cell (magnetic field applied is likely to be caused in the range A 1) of the flop field H f to increase the write current.

本発明のトグル型MRAMの動作方法におけるステップS08の書き込み電流の設定は、上記の例に限定されるものではない。例えば、書き込み電流IWLと書き込み電流IBLとを異なる値にしたり、一方を増加させ、他方を減少させるようにしても良い。それにより、より最適な磁界を設定でき、トグル書込み動作時に誤動作の発生量をより低減させることができる。このようにトグル型MRAMは、必要に応じて段階的に書き込み電流を変更することができる。それは、半選択セルに対して書き込み電流による磁場の影響を考慮しなくて済むからである。従来の典型的なMRAMでは、半選択セルに対して書き込み電流による磁場の影響があるため、一度設定した書き込み電流を必要に応じて段階的に変更することは行えない。The setting of the write current in step S08 in the operation method of the toggle type MRAM of the present invention is not limited to the above example. For example, the write current I WL and the write current I BL may be set to different values, or one may be increased and the other decreased. As a result, a more optimal magnetic field can be set, and the generation amount of malfunction during toggle write operation can be further reduced. As described above, the toggle-type MRAM can change the write current step by step as necessary. This is because it is not necessary to consider the influence of the magnetic field due to the write current on the half-selected cell. In the conventional typical MRAM, since the magnetic field due to the write current is affected by the half-selected cell, the write current once set cannot be changed stepwise as necessary.

上記の例では、各メモリセルに対して格納された回数値あるいは書込み電流値が、各メモリセルに対して管理されているが、1カラム分或いは1ロー分平均化あるいはその平均値に近似化されて管理されてもよい。あるいは、所定のブロックごとに平均化あるいは卑近値に近似化されて
管理されてもよい。
In the above example, the count value or write current value stored for each memory cell is managed for each memory cell, but it is averaged for one column or one row or approximated to the average value. May be managed. Alternatively, averaging may be performed for each predetermined block or approximated to a close value and managed.

本発明においては、異方性磁界、反強磁性結合磁界は、書込み中のエネルギーバリアの低下を考慮せずに、保持中の熱擾乱耐性のみで決定される。書込み中のエネルギーバリアの低下により、ある確率で誤動作が起きることを想定し、書込み動作毎に、正常に書き込めたかどうかの確認をおこなう。熱擾乱による誤動作の発生頻度は十分小さくすれば、多くとも数回の再書込みにより正常な書込みが行える。さらに、再書込み時の電流値を変化させることにより、正常書込みの確率をあげることができる。   In the present invention, the anisotropic magnetic field and the antiferromagnetic coupling magnetic field are determined only by the resistance to thermal disturbance during holding without considering the reduction of the energy barrier during writing. Assuming that a malfunction occurs with a certain probability due to the lowering of the energy barrier during writing, each writing operation is checked to see if it has been written normally. If the frequency of malfunctions due to thermal disturbance is sufficiently low, normal writing can be performed by rewriting several times at most. Furthermore, the probability of normal writing can be increased by changing the current value at the time of rewriting.

次に、本発明のトグル型MRAMの製造方法について説明する。
図17は、本発明のトグル型MRAMの製造方法を示すフローチャートである。
(1)ステップS21
トグル型MRAMのチップ本体(図示されず)を従来知られた半導体製造プロセスにより製造する。すなわち、図13を参照して、概略を説明すると、まず、半導体基板20上にMOSトランジスタ36を形成される。次に、層間絶縁膜が形成されながら、MOSトランジスタ36と下地電極18とを接続するためにコンタクト(ビア)19−1〜19−4、第1〜第3金属層21〜23が形成される。また、書込みワード線26が形成される。その後、下部電極18上に反強磁性層4、ピン層3、バリア層2、N(≧2)層の磁性膜からなるフリー層1を備えた磁気抵抗効果素子25、及び、キャップ層5が形成される。続いて、ビット線27が形成される。そして、再書込みのアルゴリズムを実行するための回路がセルアレイ周辺部に設けられる。
(2)ステップS22
トグル型MRAMのチップ本体の検査が検査装置により行われる。検査方法は、図16に示す本発明のトグル型MRAMの動作方法を実行する。そのとき、ステップS09はYesである。
(3)ステップS23
ステップS22のトグル型MRAMの動作方法を、チップ本体における検査対象のメモリセルの全てについて実行する。ただし、ステップS10で不良登録を行う場合には、その時点でステップS22を終了しステップS24へ進んでも良い。
(4)ステップS24
書込みコントローラ52に格納されたトグル型MRAMのnの値の分布により、必要に応じてそのトグル型MRAMの書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLのそれぞれの電流値が再設定される。そして、トグル型MRAMのクラスが決定される。
Next, a manufacturing method of the toggle type MRAM of the present invention will be described.
FIG. 17 is a flowchart showing a manufacturing method of the toggle type MRAM according to the present invention.
(1) Step S21
A toggle MRAM chip body (not shown) is manufactured by a conventionally known semiconductor manufacturing process. That is, the outline will be described with reference to FIG. 13. First, the MOS transistor 36 is formed on the semiconductor substrate 20. Next, contacts (vias) 19-1 to 19-4 and first to third metal layers 21 to 23 are formed to connect the MOS transistor 36 and the base electrode 18 while the interlayer insulating film is formed. . A write word line 26 is formed. Thereafter, the magnetoresistive element 25 having the antiferromagnetic layer 4, the pinned layer 3, the barrier layer 2, the free layer 1 made of an N (≧ 2) magnetic film, and the cap layer 5 are formed on the lower electrode 18. It is formed. Subsequently, the bit line 27 is formed. A circuit for executing the rewrite algorithm is provided in the periphery of the cell array.
(2) Step S22
The inspection of the toggle MRAM chip body is performed by the inspection device. The inspection method executes the operation method of the toggle type MRAM of the present invention shown in FIG. At that time, Step S09 is Yes.
(3) Step S23
The operation method of the toggle type MRAM in step S22 is executed for all the memory cells to be inspected in the chip body. However, when performing failure registration in step S10, step S22 may be terminated at that time and the process may proceed to step S24.
(4) Step S24
The distribution of values of n the stored toggle MRAM to the write controller 52, the respective current value of the write current toggle MRAM I WL and the write current I BL is reset as needed. Then, the toggle type MRAM class is determined.

ここで、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLのそれぞれの電流値の再設定は、例えば、以下のように行われる。ほとんどのメモリセルでn=4の場合、書き込み電流IWL及び書き込み電流IBLのそれぞれの電流値がデフォルト値×0.8に再設定される。このような再設定を行うことで、トグル型MRAMごとに書込み電流の値を最適な値にすることができる。それにより、書込み動作時に、書込みを再実行する回数を減少させることが可能となる。このような再設定用の値の決定及び再設定は、個々のトグル型MRAMごと行っても良いし、製造ロットごとに行っても良い。その場合、再設定時間を更に短縮することができる。Here, the resetting of the current values of the write current I WL and the write current I BL is performed as follows, for example. When n = 4 in most memory cells, the current values of the write current I WL and the write current I BL are reset to the default value × 0.8. By performing such resetting, the value of the write current can be optimized for each toggle type MRAM. Thereby, it is possible to reduce the number of times of re-execution of writing during the writing operation. Such determination and resetting of values for resetting may be performed for each toggle type MRAM or for each manufacturing lot. In that case, the resetting time can be further shortened.

トグル型MRAMのクラスは、例えば、nの値がばらついている場合、値が大きいnが多い場合などのとき、低い階層のクラスに分類する。nの値が概ね等しい場合、値の小さいnが多い場合などのとき、高い階層のクラスに分類する。この場合、高い階層のクラスは、書込み速度が速い。低い階層のクラスは、書込み速度が遅くなる。   The class of the toggle type MRAM is classified into a lower-level class when, for example, the value of n varies or when there are many n having a large value. When the values of n are substantially equal, or when there are many small values of n, the class is classified into a higher hierarchy class. In this case, a higher hierarchy class has a higher writing speed. A lower hierarchy class has a slower writing speed.

以上のようにして、本発明のトグル型MRAMの製造方法が実行される。   As described above, the toggle type MRAM manufacturing method of the present invention is executed.

以上の実施例においては、本発明を適用したトグル型MRAMを想定して記載したが、ダイレクトモード型MRAMについても同様に成り立ち、トグル型MRAMの場合と同様の効果を得ることができる。
本発明によれば、消費電力の増大を伴わずに、トグル書込み動作における熱擾乱による誤動を防ぐことが可能となる。
In the above embodiments, the toggle type MRAM to which the present invention is applied has been described. However, the direct mode type MRAM is similarly formed, and the same effect as that of the toggle type MRAM can be obtained.
According to the present invention, it is possible to prevent malfunction due to thermal disturbance in the toggle writing operation without increasing power consumption.

Claims (29)

磁気ランダムアクセスメモリを提供するステップと、
ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
第1方向へ伸びる複数の第1配線と、
前記第1方向とは異なる第2方向へ伸びる複数の第2配線と、
前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第1方向及び前記第2方向とは異なり、
前記複数のメモリセルの1つとしての特定メモリセルに対して、予め決められた書込条件でデータを書込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれないとき、前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれるまで、前記書込み条件を再設定しながら、前記データを前記特定メモリセルに繰り返し書き込むステップと
を具備する磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
Providing a magnetic random access memory;
Here, the magnetic random access memory is
A plurality of first wires extending in a first direction;
A plurality of second wirings extending in a second direction different from the first direction;
A plurality of memory cells formed at intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings, and each of the plurality of memory cells is antiferromagnetically coupled through a nonmagnetic layer. Including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers are laminated, and the direction of the easy axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction,
Writing data to a specific memory cell as one of the plurality of memory cells under a predetermined write condition;
Rewriting the data to the specific memory cell while resetting the write condition until the data is correctly written to the specific memory cell when the data is not correctly written to the specific memory cell. Method of operating magnetic random access memory.
請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記書き込むステップは、
前記特定メモリセルから格納データを読み出すステップと、
前記読み出されたデータに基づいて前記特定メモリセルに対してトグル書込み方式で前記データを書込むステップと
を備える磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 1,
The step of writing comprises:
Reading stored data from the specific memory cell;
A method of operating the magnetic random access memory, comprising: writing the data to the specific memory cell by a toggle writing method based on the read data.
請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記書き込むステップは、
前記特定メモリセルに対してダイレクト書込み方式で前記データを書込むステップ
を備え磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 1,
The step of writing comprises:
A method of operating a magnetic random access memory, comprising the step of writing the data to the specific memory cell by a direct write method.
請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、 前記繰り返し書き込むステップは、
前記特定メモリセルに対して前記データが正しく書込まれなかった回数をカウントするステップと、
前記カウントに基づいて定まる前記書込み条件を再設定するステップと
を備える磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 1, wherein the step of repeatedly writing comprises:
Counting the number of times the data has not been correctly written to the specific memory cell;
Resetting the write condition determined based on the count. A method of operating a magnetic random access memory.
請求項4に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記特定メモリは、前記複数の第1配線のうちの1つとしての第1特定配線と前記複数の第2配線のうちの1つとしての第2特定配線と関連し、前記書込み条件は、前記第1特定配線と前記第2特定配線とに流される書込み電流値である
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 4,
The specific memory is associated with a first specific wiring as one of the plurality of first wirings and a second specific wiring as one of the plurality of second wirings, and the write condition is: An operation method of a magnetic random access memory, which is a write current value flowing through a first specific wiring and the second specific wiring.
請求項5に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記再設定するステップは、
前記カウントが第1範囲にあるとき、前回前記データの書込み動作を行ったときと同じ前記書込み電流値を再設定するステップ
を備える磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 5,
The resetting step includes:
A method of operating a magnetic random access memory, comprising the step of resetting the same write current value as when the data write operation was performed last time when the count is in the first range.
請求項6に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記再設定するステップは、
前記カウントが、前記第1範囲より大きい第2範囲にあるとき、前回前記データの書込みを行ったときより小さい前記書き込み電流値を再設定するステップ
を備える磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 6,
The resetting step includes:
A method of operating a magnetic random access memory, comprising the step of resetting the write current value smaller than when the data was written last time when the count is in a second range larger than the first range.
請求項6に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記再設定するステップは、
前記カウントが、前記第1範囲より大きい第3範囲にあるとき、前回前記データの書込み動作を行ったときより大きい前記書き込み電流値を再設定するステップ
を備える磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to claim 6,
The resetting step includes:
A method of operating a magnetic random access memory, comprising the step of resetting the write current value that is larger than the previous data write operation when the count is in a third range that is greater than the first range.
請求項4乃至8のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記カウントが所定の値に達したとき、警報を示す信号を出力するステップ
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to any one of claims 4 to 8,
A method of operating a magnetic random access memory, further comprising the step of outputting a signal indicating an alarm when the count reaches a predetermined value.
請求項4乃至9のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、
前記データが正しく書き込まれたとき、前記特定メモリセルに関連して前記カウントを格納するステップ
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
The operation method of the magnetic random access memory according to any one of claims 4 to 9,
A method of operating a magnetic random access memory, further comprising storing the count in association with the specific memory cell when the data is correctly written.
第1方向へ伸びる複数の第1配線と、前記第1方向とは異なる第2方向へ伸びる複数の第2配線と、前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第1方向及び前記第2方向とは異なる磁気ランダムアクセスメモリの検査方法であって、
前記複数のメモリセルの1つとしての特定メモリセルに対して、予め決められた書込条件でデータを書込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれないとき、前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれるまで、前記書込み条件を再設定しながら、前記データを前記特定メモリセルに繰り返し書き込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれたとき、前記書込み条件と関連するデータを検査結果データとして前記メモリセルに対して格納するステップと
を具備する磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
Formed at intersections of a plurality of first wirings extending in a first direction, a plurality of second wirings extending in a second direction different from the first direction, and the plurality of first wirings and the plurality of second wirings. A plurality of memory cells, each of the plurality of memory cells including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers coupled antiferromagnetically through a nonmagnetic layer are stacked, and the free magnetic layer The direction of the easy axis of the magnetic random access memory is different from the first direction and the second direction,
Writing data to a specific memory cell as one of the plurality of memory cells under a predetermined write condition;
Repetitively writing the data to the specific memory cell while resetting the write condition until the data is correctly written to the specific memory cell when the data is not correctly written to the specific memory cell;
A method for testing a magnetic random access memory, comprising: storing data related to the write condition as test result data in the memory cell when the data is correctly written to the specific memory cell.
請求項11に記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記書き込むステップは、
前記特定メモリセルから格納データを読み出すステップと、
前記読み出されたデータに基づいて前記特定メモリセルに対してトグル書込み方式で前記データを書込むステップと
を備える磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The magnetic random access memory inspection method according to claim 11,
The step of writing comprises:
Reading stored data from the specific memory cell;
And a step of writing the data to the specific memory cell by a toggle write method based on the read data.
請求項12に記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、
前記書込むステップは、
前記特定メモリセルに対してダイレクト書込み方式で前記データの書込むステップ
を備える磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The method of manufacturing a magnetic random access memory according to claim 12,
The writing step includes:
An inspection method for a magnetic random access memory comprising a step of writing the data to the specific memory cell by a direct write method.
請求項11乃至13のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記繰り返し書き込むステップは、
前記特定メモリセルに対して前記データが正しく書込まれなかった回数をカウントするステップと、
前記カウントに基づいて定まる前記書込み条件を再設定するステップと
を備える磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
In the inspection method of the magnetic random access memory according to any one of claims 11 to 13,
The step of repeatedly writing includes:
Counting the number of times the data has not been correctly written to the specific memory cell;
And a step of resetting the write condition determined based on the count.
請求項14に記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記特定メモリは、前記複数の第1配線のうちの1つとしての第1特定配線と前記複数の第2配線のうちの1つとしての第2特定配線と関連し、前記書込み条件は、前記第1特定配線と前記第2特定配線とに流される書込み電流値である
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The inspection method of the magnetic random access memory according to claim 14,
The specific memory is associated with a first specific wiring as one of the plurality of first wirings and a second specific wiring as one of the plurality of second wirings, and the write condition is: A method for inspecting a magnetic random access memory, which is a write current value flowing through a first specific wiring and the second specific wiring.
請求項14又は15に記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記カウントが所定の値に達したとき、前記特定メモリセルを不良として登録するステップ
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The inspection method of the magnetic random access memory according to claim 14 or 15,
A method for inspecting a magnetic random access memory, further comprising the step of registering the specific memory cell as defective when the count reaches a predetermined value.
請求項14又は15に記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記複数のメモリセルの少なくとも一部についての前記検査結果データに基づいて、前記予め決められた書込み条件を再設定するステップ
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The inspection method of the magnetic random access memory according to claim 14 or 15,
An inspection method for a magnetic random access memory, further comprising the step of resetting the predetermined write condition based on the inspection result data for at least some of the plurality of memory cells.
請求項11乃至17のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記複数のメモリセルの前記検査結果データに基づいて、前記磁気ランダムアクセスメモリを複数のクラスのうちの1つにグループ化するステップ
を更に具備する磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
The method for inspecting a magnetic random access memory according to claim 11,
A test method for a magnetic random access memory, further comprising the step of grouping the magnetic random access memory into one of a plurality of classes based on the test result data of the plurality of memory cells.
第1方向へ伸びる複数の第1配線と、
前記第1方向とは異なる第2方向へ伸びる複数の第2配線と、
前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第1方向及び前記第2方向とは異なり、
前記複数のメモリセルへのデータの書込み動作を制御する書き込み制御部と
を具備し、
前記データの書込み動作時に、前記複数の第1配線から第1選択配線と前記複数の第2配線から第2選択配線とが選択され、前記複数のメモリセルのうち選択セルは第1選択配線と第2選択配線と関連付けられ、
前記書き込み制御部が、
予め決められた書込み条件で前記選択セルに対してデータを書込み、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書き込まれないとき、前記データが正しく書き込まれるまで、前記書込み条件を再設定しながら、前記選択セルに対して前記データを繰り返し書き込む
磁気ランダムアクセスメモリ。
A plurality of first wires extending in a first direction;
A plurality of second wirings extending in a second direction different from the first direction;
A plurality of memory cells formed at intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings, and each of the plurality of memory cells is antiferromagnetically coupled through a nonmagnetic layer. Including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers are laminated, and the direction of the easy axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction,
A write control unit for controlling a data write operation to the plurality of memory cells,
During the data write operation, a first selection wiring is selected from the plurality of first wirings and a second selection wiring is selected from the plurality of second wirings, and the selection cell of the plurality of memory cells is a first selection wiring. Associated with the second selected wiring,
The write control unit
Write data to the selected cell under predetermined write conditions,
A magnetic random access memory in which when the data is not correctly written to the specific memory cell, the data is repeatedly written to the selected cell while resetting the write condition until the data is correctly written.
請求項19に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記フリー磁性層における前記容易軸方向のうちの一方の向きの自発磁化の大きさは、他方の向きの自発磁化の大きさと異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 19,
A magnetic random access memory in which the magnitude of spontaneous magnetization in one direction of the easy axis direction in the free magnetic layer is different from the magnitude of spontaneous magnetization in the other direction.
請求項19又は20に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み動作は、
前記書き込み制御部が、前記第1選択配線に第1書き込み電流を供給し、次に、前記第2選択配線に第2書き込み電流を供給し、その後、前記第1書き込み電流を停止し、次に、前記第2書き込み電流を停止する動作である
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 19 or 20,
The write operation is
The write control unit supplies a first write current to the first selection wiring, then supplies a second write current to the second selection wiring, and then stops the first write current, A magnetic random access memory that is an operation of stopping the second write current.
請求項19乃至21のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部は、
前記データが正しく書き込まれなかった回数をカウントするカウンタと、
前記カウントと前記書込み条件との関係を規定するテーブルと
を具備し、
前記書き込み制御部は、
前記カウントに基づいて前記テーブルを参照して前記書込み条件を再設定し、再設定された書込み条件で前記データを前記選択メモリセルに書き込む
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to any one of claims 19 to 21,
The write control unit
A counter that counts the number of times the data has not been written correctly;
A table for defining a relationship between the count and the write condition;
The write control unit
A magnetic random access memory that resets the write condition with reference to the table based on the count and writes the data to the selected memory cell under the reset write condition.
請求項22に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み条件は、前記第1選択配線と前記第2選択配線とに流される書込み電流値である
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 22,
The magnetic random access memory, wherein the write condition is a write current value flowing through the first selection wiring and the second selection wiring.
請求項23に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部は、
前記カウントが第1範囲にあるとき、前回前記データの書込み動作を行ったときと同じ前記書込み電流値を再設定する
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 23,
The write control unit
A magnetic random access memory that resets the same write current value as when the previous data write operation was performed when the count is in the first range.
請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部は、
前記カウントが、前記第1範囲より大きい第2範囲にあるとき、前回前記データの書込みを行ったときより小さい前記書き込み電流値を再設定する
磁気ランダムアクセスメモリ。
25. The magnetic random access memory according to claim 24.
The write control unit
A magnetic random access memory that resets the write current value smaller than when the data was written last time when the count is in a second range that is larger than the first range.
請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部は、
前記カウントが、前記第1範囲より大きい第3範囲にあるとき、前回前記データの書込み動作を行ったときより大きい前記書き込み電流値を再設定する
磁気ランダムアクセスメモリ。
25. The magnetic random access memory according to claim 24.
The write control unit
A magnetic random access memory that resets the write current value that is larger than that of the previous data write operation when the count is in a third range that is greater than the first range.
請求項22に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部が、
所定の回数書込み動作を繰り返しても前記データが書き込まれない場合、警報を示す信号を出力する
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 22,
The write control unit
A magnetic random access memory that outputs a signal indicating an alarm when the data is not written even after a predetermined number of write operations.
請求項22に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書き込み制御部が、
所定の回数書込み動作を繰り返しても前記データが書き込まれない場合、当該選択セルを不良ビットとして登録する警報を示す信号を出力する
磁気ランダムアクセスメモリ。
The magnetic random access memory according to claim 22,
The write control unit
A magnetic random access memory that outputs a signal indicating an alarm for registering the selected cell as a defective bit when the data is not written even after a predetermined number of write operations.
磁気ランダムアクセスメモリを製造するステップと、
ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
第1方向へ伸びる複数の第1配線と、
前記第1方向とは異なる第2方向へ伸びる複数の第2配線と、
前記複数の第1配線と前記複数の第2配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した2層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第1方向及び前記第2方向とは異なり、
請求項11乃至18のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリを検査するステップと
を具備する磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
Manufacturing a magnetic random access memory;
Here, the magnetic random access memory is
A plurality of first wires extending in a first direction;
A plurality of second wirings extending in a second direction different from the first direction;
A plurality of memory cells formed at intersections of the plurality of first wirings and the plurality of second wirings, and each of the plurality of memory cells is antiferromagnetically coupled through a nonmagnetic layer. Including a free magnetic layer in which two or more magnetic layers are laminated, and the direction of the easy axis of the free magnetic layer is different from the first direction and the second direction,
A method for manufacturing a magnetic random access memory, comprising the step of inspecting the magnetic random access memory according to claim 11.
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