WO2003052828A1 - Semiconductor device - Google Patents

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WO2003052828A1
WO2003052828A1 PCT/JP2001/010990 JP0110990W WO03052828A1 WO 2003052828 A1 WO2003052828 A1 WO 2003052828A1 JP 0110990 W JP0110990 W JP 0110990W WO 03052828 A1 WO03052828 A1 WO 03052828A1
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WO
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line
data line
write
semiconductor device
transistor
Prior art date
Application number
PCT/JP2001/010990
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Sakata
Hideyuki Matsuoka
Kiyoo Itoh
Original Assignee
Hitachi, Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to PCT/JP2001/010990 priority patent/WO2003052828A1/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1653Address circuits or decoders
    • G11C11/1657Word-line or row circuits
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0207Geometrical layout of the components, e.g. computer aided design; custom LSI, semi-custom LSI, standard cell technique
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a high-speed, highly-integrated, and highly-reliable memory using a memory cell that stores information using a change in magnetoresistance.
  • MRAM magnetic resistive 'random access memory'
  • SAM statistical random access memory
  • DRAM dynamic random access memory
  • FIG. 2 shows a basic configuration of a memory cell array used in Reference 2.
  • memory cells MC00, COL, MC02, MC0, MC10, MC11, MC12, MCL, ..., C20, MC21, C22, C23, MC30, MC.'H, MC2, i ⁇ 'IC, ..., ... are provided.
  • MTJ element consists of one MTJ element and one transistor M.
  • the MTJ element MTJ has a fixed layer of ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in normal operation, and the magnetization direction can be reversed by a write operation The resistance between the two terminals of this MTJ element varies depending on the direction of magnetization in the two ferromagnetic layers.
  • the read operation is performed as shown in Figure 3. That is, RO, WRl, WR2, WR3,...
  • the transistor MT is turned on in the transistor, and a voltage is applied to the terminals of the MT J element MT.J.
  • D is 0, DL1, DL2, DL3,...
  • the stored information is read out by detecting the current IDL flowing through the desired data line.
  • the write operation is performed as shown in FIG.
  • the current IWW of the write mode line selected among WW0, WW1, WW2, WW3,... Is defined as the write mode current IWS, and the data lines of DL0, DLL, DL2, DL3,.
  • the current is set to a positive write current IDi or a negative ID0 according to the write data to generate a magnetic field.
  • the magnetization resistance change MR which is the ratio of the increase in resistance in the high resistance state to the low resistance state of the MTJ element, exhibits hysteresis characteristics.
  • the magnetization reversal of the MTJ element is likely to occur, and the hysteresis characteristic is narrow with respect to the data line current IDL that generates the easy axis magnetic field.
  • the memory cell selected by the write word line WW can be magnetized and the storage information can be written.
  • This disturb problem is not related to a memory cell consisting of ⁇ MTJ elements MTJ and one transistor MT, but to a memory cell using an MTJ element (spin-to-tunnelling element). It is described in reference 3. There, the MTJ element and 0. 2 / m square, if the space between 0. 2 4 mu m, it is shown that would occur magnetization reversal in the adjacent MTJ element.
  • Reference 3 as a countermeasure, a flux that confines magnetization '' closure keeper It has been proposed to provide a process, but the number of processes will increase, and the compatibility between the material and the semiconductor process will be a problem.
  • Reference 4 discloses a method of reducing disturbance to adjacent cells at the time of writing in a MAM using a memory cell using a giant's magneto-resistance (GMR) element. Since the GMR element has a smaller MR ratio than the MTJ element, the readout signal is small and high-speed stable operation is difficult. To realize a highly integrated MRAM with sufficient performance, a memory cell composed of MTJ elements and transistors, as shown in Ref. 1 or Ref. 2, is promising. Reference 4 does not describe measures against disturb in the memory cell structure.
  • GMR giant's magneto-resistance
  • an object of the present invention is to provide a highly reliable and highly integrated MRAM with a large read signal, small disturbance to adjacent cells at the time of writing. Disclosure of the invention
  • a plurality of write Wado line Thus 0 flowing representative if Shimese a configuration selected c during writing as follows current of the semiconductor device according to, ⁇ and WW2, WW3, ... and, intersects the plurality of word lines
  • a large number of memory cells, including the MTJ element MTJ and the transistor ⁇ , are arranged in a checker pattern for a plurality of data lines DL0, DL1, DL2, DL3,... that are selected at the time of writing and carry current according to the write data.
  • c is desirable to have the placed MRAM Seruarei, the MTJ element is provided question between the write word line and the data line, one end of which is connected to the data line, the other end is connected to the drain of the Bok Rungis data You.
  • the gates of the above transistors are connected to a plurality of read mode lines WR0, WR1, WR2, WR3,... Provided corresponding to the plurality of write mode lines.
  • the source of the transistor is connected to a source line arranged in substantially the same direction as the data line.
  • a dimension in a direction perpendicular to the data line is larger than a dimension in a direction perpendicular to the word line.
  • the MTJ element and the transistor are arranged for every two write lead lines of the transistor.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a memory cell array according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a conventional MRAM memory cell array.
  • FIG. 3 is a diagram showing a read operation of the MRAM cell.
  • FIG. 4 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell.
  • FIG. 5 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a layout of the transistor of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ in FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 8 is a diagram showing the structure of a section taken along the line BB ′ of FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a memory.
  • FIG. 10 is a diagram showing the operation of the memory of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the memory cell array according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing a layout of the transistor of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 12 and 3.
  • FIG. 15 is a diagram showing a structure of a section taken along the line BB ′ of FIGS. 12 and 13.
  • FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the third embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the third embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing the layout of the transistor of the third embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 17 and 18.
  • FIG. 20 is a diagram showing a structure of a section taken along line BB ′ of FIGS. 17 and 18.
  • FIG. 21 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the fourth embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the fourth embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing a layout of the transistor of the fourth embodiment.
  • FIG. 24 is a diagram showing a structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 22 and 23.
  • FIG. 25 is a diagram showing a structure of a cross section taken along line BB ′ of FIGS. 22 and 23.
  • FIG. 26 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the fifth embodiment.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a read operation of the MRAM cell of the fifth embodiment.
  • FIG. 28 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell of the fifth embodiment.
  • FIG. 29 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the fifth embodiment.
  • FIG. 30 is a diagram showing a layout of the transistor according to the fifth embodiment.
  • FIG. 31 is a diagram showing a structure of a cross section taken along line BB ′ of FIGS. 29 and 30.
  • FIG. 32 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the sixth embodiment.
  • FIG. 33 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the sixth embodiment.
  • FIG. 34 is a diagram showing a layout of the transistor of the sixth embodiment.
  • FIG. 35 is a diagram showing the structure of a section taken along the line II-II of FIGS. 33 and 34.
  • FIG. 36 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIGS. 33 and 34.
  • FIG. 37 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the seventh embodiment.
  • FIG. 38 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the seventh embodiment.
  • FIG. 39 is a diagram showing a layout of the transistor according to the seventh embodiment.
  • FIG. 40 is a diagram showing the structure of the section taken along the line AA ′ in FIGS. 38 and 39.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIGS. 38 and 39.
  • FIG. 42 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the eighth embodiment.
  • FIG. 43 is a diagram showing a read operation of the MRAM cell of the eighth embodiment.
  • FIG. 44 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell of the eighth embodiment.
  • FIG. 45 is a diagram showing a layout of the MTJ element according to the eighth embodiment.
  • FIG. 46 is a diagram showing a layout of the transistor according to the eighth embodiment.
  • FIG. 47 is a diagram showing a structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 45 and 46.
  • FIG. 48 is a diagram showing a structure of a section taken along line BB ′ of FIGS. 45 and 46.
  • FIG. 49 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the ninth embodiment.
  • FIG. 50 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIG. 49.
  • FIGS. 51 and 52 are diagrams showing the write operation of the MRAM cell of the ninth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • circuit elements constituting each functional block of the embodiment are not particularly limited, but are known in the art.
  • CMOS Complementary MOS Transistor
  • the PMOS transistor is distinguished from the NMOS transistor by attaching an arrow symbol to the body.
  • the connection of the substrate potential of the MOS transistor is not particularly specified in the drawing, the connection method is not particularly limited as long as the MOS transistor is within the range ffl in which normal operation is possible. Also, unless otherwise specified, "The mouth of the f-symbol is set to '0', and the noirebenore is set to '.
  • FIG. L shows the memory cell array of the MRAM of the first embodiment.
  • memory cells MC00, C02, CU., MC13, C20, MC22, C31, MC33,... are provided in a checker pattern.
  • source lines SLOL, SL23,... are provided in the same direction as the read mode lines.
  • the read word lines WR0, WR1, WR2, WR3, ... are driven by the word line control circuit RCNL.
  • the write word lines WW0, WWL, WW2, WW3,... , And both ends of the source lines SL01, SL23,... are controlled by a word line control circuit RCN and a RCF1 including a drive circuit.
  • the source lines SL01, SL23,... May be applied with a fixed voltage such as the ground voltage VSS, or may be controlled to be floating at the time of writing as described in Reference 2.
  • Data lines DLO, DLl, DL2, DL3, ... are controlled at both ends by data line control circuits CCN1 and CCF1 including a sense circuit and a drive circuit.
  • Each memory cell includes one MTJ element MTJ and one transistor MT. One end of the MTJ element MTJ is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT. The gate of the transistor MT is connected to the read mode line, and the source is connected to the source line.
  • the operation of the memory cell array is performed in the same manner as the conventional MRAM cell array shown in FIG. However, since a memory cell is arranged at half of all the intersections of the word line and the data line, the lowest address is commonly used for selecting the data line and the word line when selecting the memory cell.
  • the read operation is performed by setting the read word line WR selected among WR0, WR1, WR2, WR3,... to a high level, according to the magnetic resistance of the MTJ element MT.J. , DL1, DL2, DL3,..., By detecting the current IDL flowing through the desired data line.
  • FIG. 3 shows the read word line WR selected among WR0, WR1, WR2, WR3,...
  • the write operation is performed by setting the current IWW of the write word line selected among the jobs, W1, WW2, W3,... As the write word line current IWS, and DL0, DLL, DL2, DL3, ... Write current ID1 or according to the write data to the data line selected in: or [Generates a magnetic field by flowing DO.
  • the four memory cells adjacent to the selected memory cell MC11 are MC00, C02, MC20, and MC22. These are adjacent to both the selected write mode line WW1 and the selected data line DL1, but since both are only affected by the leakage magnetic field, the combined magnetic field is sufficiently small. it can.
  • the memory cell adjacent on the selected write word line WWl is MCL3, and receives a magnetic field due to the current of the write word line WW1, but since the data line DL2 is located far from the selected data line DLi, the distance is large.
  • the leakage magnetic field due to the current of the data line DLi is small.
  • the memory cell adjacent to the selected data line DL1 is MC31 and receives a magnetic field due to the current of the data line DL1, but there is a write mode line WW2 between the selected write mode line WW1 and the distance is large. Therefore, the leakage magnetic field due to the current of the write lead line WWi is small.
  • the leakage magnetic field is reduced in any of the unselected cells, and the possibility of being affected by the magnetization state can be avoided.
  • Fig. 5 shows the layout of the MTJ element
  • Fig. 6 shows the layout of the transistor.
  • the write cell line and the read cell line are each shifted by one line from the memory cell shown in FIG.
  • a dotted rectangle MC is an area of one memory cell.
  • FL is an active area pattern.
  • FG is a transistor gate pattern corresponding to the read word lines WR1 to WR4.
  • the area where the active area pattern FL and the gate pattern FG overlap is the channel of the power transistor.
  • it has the shape of a parallelogram.
  • Ml is the first wiring layer pattern and is used for the source lines SL01, SL23, and SL45.
  • LCT is a contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and town is the MTJ element. It is an element pattern.
  • M2 is a second wiring layer pattern used for the write word lines WWl to WW4.
  • M3 is a third wiring layer pattern, corresponding to the data lines DL0 to [((3). MCNT is a memory contact pattern, and the first wiring layer and the second wiring layer are separated from the diffusion layer. This is the pattern of the connection hole to the lower electrode of the MTJ element through the well-known optical lithography.
  • FIG. 7 shows a cross section taken along the line AA ′ and FIG. 8 shows a cross section taken along the line BB ′ of the layout memory cells of FIGS. 5 and 6.
  • 100 is a p-type semiconductor substrate.
  • 101p is a p-type well formed in the memory cell array by ion implantation.
  • No. 02 is an element isolation oxide film, which is formed by, for example, etching a substrate and burying the oxide film in a region not surrounded by the pattern F.
  • Reference numeral 103 denotes an ⁇ -type diffusion layer serving as a source and a drain of the transistor.
  • the ⁇ -type diffusion layer is formed by ion implantation after forming a gate, and is formed in an active region without the element isolation oxide film 102 and the gate L04.
  • L04 is the gate of the transistor and is used as a read word line.
  • Reference numeral 105 denotes a plug of a contact between the diffusion layer and the first wiring layer, which is a contact pattern formed according to CT and MCNT.
  • 106 is a first wiring layer formed according to the pattern Ml.
  • Reference numeral 107 denotes a connection hole between the first wiring layer and the second wiring layer, which is formed according to the contact pattern MCNT.
  • L08 is no. This is the second wiring layer formed according to the turn M2, and the wiring that passes immediately below the MTJ element becomes the write data line.
  • L09 is a memory contact connecting the second wiring layer and the lower electrode of the MTJ element, and is formed according to the memory contact pattern MCNT.
  • 0 is the lower electrode of the MTJ element, which is processed according to the lower electrode pattern PL. It is desirable to use a material such as a noble metal suitable for forming a ferromagnetic material for this layer.
  • 1 L 1, 1 12, and L are the ferromagnetic fixed layer, tunnel insulating film, and ferromagnetic free layer that constitute the MTJ element, and are formed by etching with the MTJ element pattern MT after lamination.
  • LL 5 A third wiring layer formed according to the turn M3, which is in contact with the free layer L13 of the MTJ element and is used as a data line.
  • a through hole for connecting the second wiring layer 108 and the third wiring layer L15 is provided in the peripheral circuit region.
  • the write word lines, the read word lines, and the data lines are arranged in accordance with the circuit diagram of FIG.
  • the problem of disturbance to adjacent cells at the time of writing is avoided, so that the pitch of the write word line and data line can be reduced, and the memory cells can be highly integrated.
  • the shape of the MTJ element is made longer in the data line direction orthogonal to the word line and in the word line direction orthogonal to the data line.
  • the anisotropy of the ferromagnetic free layer 113 is increased, and the magnetic field due to the data line current is referred to as an easy axis, and the magnetic field due to a lead line current is referred to as a harness and a cis. Operation becomes possible.
  • the M TJ element pattern MJ has a hexagonal shape with the corners of a rectangle dropped, enabling stable magnetic pole reversal.
  • the MTJ elements having such a shape are arranged efficiently in a checker pattern.
  • the MTJ element is provided between a write word line and a data line in order to efficiently apply a magnetic field during writing. Therefore, it is necessary to provide a memory contact to the lower electrode of the MTJ element, avoiding the write source line.
  • the MTJ element has a larger area than the memory contact. Therefore, a memory contact is arranged for every two write word lines to eliminate a useless area.
  • FIG. 9 is a main block diagram of a configuration example of the synchronous memory.
  • Clock buffer CLKB, Command buffer CB, Command decoder CD, Address buffer AB, Column address counter YCT, Input buffer DIB, Output buffer A sector SCTO, SCT 1,... Including a memory array MAR is provided.
  • the configuration shown in FIG. 1 is used as the memory array MAR in FIG. However, depending on the memory capacity, a plurality of such configurations may be provided repeatedly to form the memory array MAR in FIG. Also, although sectors correspond to banks, multiple sectors per bank may be used.
  • the sector further includes a row predecoder XPD, a column predecoder YPD, a write buffer WB, and a main amplifier.
  • the clock buffer CLKB distributes the external clock CLK to the command decoder CD etc. as the internal clock CLKI.
  • the command decoder CD generates control signals for controlling the address buffer AB, the column address counter YCT, the input buffer DIB, the output buffer DOB, and the like in response to an external control signal CMD.
  • the address buffer AB takes in the external address ADR at a desired timing according to the external clock CLK and sends the low address I3X to the low address predecoder XPD.
  • the row address predecoder XPD pre-decodes the row address BX and outputs a row predecode address CX and a mat select signal MS to the memory array MAR.
  • the address buffer AB also sends the column address to the column address counter YCT.
  • the column address counter YCT uses the address as an initial value, generates a column address BY for performing a burst operation, predecodes the column address by a column address predecoder YPD, and outputs a ram predeco-address CY to the memory array MAR. Output.
  • the input buffer DI B takes in the data of the input / output data DQ with the external device at a desired timing and outputs the write data GI to the write buffer WB.
  • the write buffer WB outputs the write data GI to the main input / output line MI0.
  • the main amplifier MA amplifies the signal of the main input / output line MI0 and outputs the read data G0 to the output buffer D0B.
  • Output buffer D0B outputs read data G0 to input / output data DQ at desired timing.
  • a synchronous memory can be realized using the memory cell configuration according to the present invention.
  • Synchronous memory that fetches command addresses and inputs / outputs data in synchronization with external clock CLK enables operation at high frequencies and achieves high data rates it can.
  • MRAM by Akira Kizaki can apply various high-speed memory methods that have been questioned about SRAIV [and DRAM. It is needless to say that the present invention can be applied not only to a single MRAM but also to a general semiconductor device such as a system incorporating a MRAM and S1.
  • FIG. 10 shows an example of the timing of the read operation in the configuration example shown in FIG. The operation of the synchronous memory in FIG. 9 will be described according to the timing chart.
  • the command decoder CD determines the control signal CMD.
  • the row address and the column address are taken into the address file A1 from the end address ADR.
  • the address buffer AB outputs the address BX.
  • the row address predecoder XPD outputs the row predecode address CX, and in the memory MAR, the lead line WL shown in FIG. Selected.
  • the column address counter YCT operates every clock cycle with the column address fetched into the address buffer AB as the initial value, and the column address predecoder YPD outputs the column address BY corresponding to the burst operation.
  • the column address predecoder YPD outputs the column predecoder address CX in the sector SCT0 or SCTL, and selects the read data line DR shown in Figure] in the memory array MAR. .
  • a signal is read out to the main input / output line M I0, the main amplifier MA outputs read data GO, and the output buffer DOB outputs data at the timing according to the external clock CLK. Output.
  • the row address and the column address are simultaneously acquired by the read command R.
  • DRAM dynamic random access memory
  • MRAM can perform non-destructive readout and does not need to detect data in all memory cells on a word line, so this operation is possible. Power consumption can be reduced by detecting only the information of the selected data line.
  • FIG. 11 shows a memory cell array of the MRAM of the second embodiment.
  • the feature is that the order of the read-out read lines is changed with respect to the memory cell array of the first embodiment.
  • the write word lines are arranged in the order of WW1, WW2, W3,..., Whereas the read word lines are arranged in the order of WR0, WR2, WR1, WR3,. I have.
  • Source lines SL02, SL13,... Are arranged in the same direction as the read word lines.
  • memory cells MC00, MC02, MC11, MC13, C20, C22,..., MC31, MC33, ... Provided.
  • the read word lines WRO, WR1, WR2, WR3,. are controlled by word line control circuits RCN2 and RCF2, and both ends of data lines DL0, DL1, DL2, DL3,...
  • data line control circuits CCN2 and CCF2 including a sense circuit and a drive circuit.
  • Each memory cell consists of 1.
  • MTJ element iMTJ and: L transistor MT.
  • One end of each of the MTJ elements ⁇ and ⁇ is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor ⁇ .
  • the gate of transistor ⁇ is connected to the read word line, and the source is connected to the source line.
  • Such a memory cell configuration s is repeated for every four write word lines and every four read word lines. Note that in FIG. 1 ⁇ ⁇ ⁇ , the memory cell MCL (), the write word line WW2 force; and the memory cell MC21, C23, the write word line WWL pass through. This is independent of the memory cell configuration, as shown in the layout below.
  • FIG. 12 shows the layout of the MTJ element
  • Fig. L3 shows the layout of the transistor.
  • the write cell line and the read cell line are shifted by L lines from the memory cell shown in FIG.
  • the dotted rectangle MC is an area of ⁇ ⁇ ⁇ memory cells.
  • FIG. 12 has the same layout as that of FIG. 5, but in FIG. 3, the shape of the active region pattern FL is different from that of FIG. 6 and is rectangular.
  • FG is the gate pattern of the transistor and is used as a read word line arranged in the order of WR2, W1U, WR3, WR4.
  • Mi is the first wiring layer pattern
  • LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the second wiring layer.
  • M2 is a second wiring layer pattern, which is used for write word lines arranged in the order of WW, 2, WW3, WW4.
  • M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line.
  • MCNT is a memory contact pattern.
  • FIG. 14 shows a section taken along the line ⁇ - ⁇
  • FIG. 15 shows a section taken along the line BB ′.
  • 100 is a ⁇ -type semiconductor substrate
  • LO L p is a ⁇ -type well
  • L02 is an inter-element isolation oxide film
  • 103 is an n-type diffusion layer
  • 104 is a transistor transistor gate.
  • L05 is a plug of a contact between the diffusion layer and the first wiring layer
  • L06 is a first wiring layer
  • 107 is a connection hole between the first wiring layer and the second wiring layer
  • 108 is a second wiring layer
  • L09 is the memory contact
  • U0 is the lower electrode of the MTJ element
  • Lil, L12, and L13 constitute the MTJ element
  • 5 is the third wiring layer.
  • the memory cells connected to the same data line Every other lead wire is adjacent to the read lead line, but adjacent to the read lead line.
  • the problem of disturbing adjacent cells at the time of writing is not related to the read-out read line, and as in this embodiment, the MTJ element must be in a checker pattern for the data line and the write-out line.
  • the effect can be reduced by arranging the memory cells.
  • the memory cells connected to the adjacent read-out line are connected to the same data line, so that the channel shape of each transistor is made rectangular. As a result, the gate and the isolation oxide film do not intersect at an acute angle, and the performance improvement including the reliability of the transistor MT becomes easy.
  • FIG. 16 shows a memory cell array of the MRAM of the third embodiment.
  • the feature is that one read lead line is used for two write lead lines.
  • memory cells MC00, MC02, ..., MC11, MC13, MC20, MC22, MC31 , C33,... are provided.
  • read word lines WR0, WR1, WR2, WR3, are controlled by word line control circuits RCN3 and RCF3, and both ends of the data lines DL0, DL1, DL2, DL3,...
  • data line control circuits CCN3 and CCF3 including a sense circuit and a drive circuit.
  • Each memory cell includes one MTJ element MTJ and one transistor MT. The memory cell configuration is repeated for every two write word lines and every one read word line.
  • the address decoding method for selecting read lines differs between read and write.
  • the read mode line can be selected according to the addresses of two write word lines, so that the implementation is easy.
  • Fig. 17 shows the layout of the MTJ element
  • Fig. 18 shows the layout of the transistor.
  • the feature is that the source lines are wired by diffusion layers, and the CT used in FIG. 6 or FIG. 13 is eliminated by using the 1st-wiring layer pattern Ml and the contact pattern.
  • the area shifted from the memory cell shown in FIG. 16 by two write word lines in the data line direction, that is, by one read mode line, and by one data line in the read line direction. Is shown.
  • Dotted rectangle MC force 1. This is the area of one memory cell.
  • the force has the same layout as in Fig. 5 or Fig. 12; in Fig. 18, the shape of the active region pattern FL differs from that in Fig. 6 or Fig.
  • FG is a gate pattern of a transistor and is used as a read word line.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element
  • MI is the MTJ element pattern.
  • M2 is a second wiring layer pattern, which is used for a write lead line.
  • I is a third wiring layer pattern, which is used as a data line. .
  • MCNT for c Zu ⁇ 7 and Reiau Bok of the memory cell of FIG. 1 8 is a memory configuration Takt pattern from the diffusion layer to the MTJ element lower electrode through a second wiring layer
  • FIG. L9 shows a / ⁇ -/ ⁇ 'section
  • FIG. 20 shows a BB' section.
  • L00 is a p-type semiconductor substrate
  • l OL p is a p- type well
  • 102 is an element isolation oxide film
  • L03 is an n-type.
  • the diffusion layer, L04, is the transistor gate.
  • 105 is a contact plug between the diffusion layer and the second wiring layer because there is no first wiring layer.
  • Reference numeral 108 denotes a second wiring layer
  • L09 denotes a memory contact
  • 0 denotes a lower electrode of the MTJ element
  • 111, L12, and 3 form an MTJ element
  • L L5 denotes a third wiring layer.
  • the diffusion layer is used as a source line
  • the first wiring layer is omitted from the structures of the first and second embodiments.
  • the manufacturing process for the one-layer wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced.
  • the MTJ element layout for every two write lead lines, the interval between the memory contacts can be relatively large, so that the diffusion layer serving as the source line can be formed. The width can be secured to reduce the resistance. It should be noted that even in the case of the layout as in the first or second embodiment, it is possible to form a source line using a diffusion layer if the distance between gate patterns serving as read-out read lines is increased.
  • the active region since the active region has a layout orthogonal to the source lines as shown in FIG. 13, it is necessary to connect the diffusion layers in the read-out line direction to form the source lines.
  • the patterning of the active region is easy.
  • the number of read word lines is reduced to L for two write word lines, and the width of the diffusion layer serving as a source line is increased to reduce the resistance.
  • one read word line is used for two write word lines, so that the memory cells connected to the same data line are connected with respect to the read word line as in the second embodiment.
  • the MTJ element is a checker pattern for the data line and the write word line. Since the memory cells are arranged as described above, the effect can be reduced.
  • FIG. 21 shows a memory cell array of the MRAM of the fourth embodiment.
  • the memory cell is composed of two transistors MTL and MTR and MT MTJ elements MTJ.
  • Read word lines WR01 L, WR01 R, WR23 L, WR23R, ... are arranged corresponding to the write word lines WW0, Wi, WW2, WW3, ....
  • the source lines SLO, SL 12, SL34, ... are arranged.
  • the data lines DLO, DL1, DL2, DL3,... are controlled at both ends by the data line control circuits CCN4, CCF4 including the sense circuit and the drive circuit, controlled by the word line control circuits RCN4, RCF4 including the drive circuit.
  • the write mode lines WR01L and WROIR, WR23L and WR23R,... Are paired and connected to the gates of two transistors MTL and MTR in the memory cell.
  • a pair of two connected to the same memory cell performs the same control on the write line. That is, physically, there are two read word lines, but logically, there are two read word lines. Also, the transistors in the memory cell perform the same operation in parallel and are physically two transistors, but logically one transistor.
  • Each memory cell is composed of one MTJ element MTJ and one transistor MT. One end of the MTJ element MTJ is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT.
  • FIG. 22 shows the layout of the MTJ element
  • Figure 23 shows the layout of the transistor.
  • FIG. 22 has a layout similar to that of FIG. 5 and the like, but in FIG. 23, the shape of the active region pattern FL is different from that of FIG. FG is a transistor gate pattern and is used as a read word line.
  • Ml is the first wiring layer pattern
  • LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element
  • MJ is an MTJ element pattern.
  • M2 is a second wiring layer pattern used for a write word line.
  • M3 is a third wiring layer pattern, which is used as a data line.
  • MCNT is a memory contact pattern.
  • FIG. 24 shows an AA ′ section
  • FIG. 25 shows a BB ′ section.
  • 100 is a p-type semiconductor substrate
  • LO lp is a p-type well
  • 102 is an element isolation oxide film
  • ⁇ 03 is an n-type.
  • Diffusion layer, 104 gate of transistor
  • 105 plug for contact between diffusion layer and first wiring layer
  • L06 first wiring layer
  • 107 connection hole between first and second wiring layers
  • Reference numeral 108 denotes a second wiring layer
  • 109 denotes a memory contact
  • 110 denotes an MTJ element lower electrode
  • 1, 1 12, and 13 constitute an MTJ element
  • 115 denotes a third wiring layer.
  • two transistors in the memory cell are connected in parallel to reduce the on-state resistance.
  • the resistance change rate of the MTJ element is detected.
  • the rate of change in resistance of the MTJ element is at most about several tens of percent, and for detection thereof, the on-resistance of the transistor must be sufficiently lower than the resistance of the MTJ element. Since the resistance value of the MTJ element cannot be increased so much in terms of operating speed, it is desirable to reduce the on-resistance of the transistor.
  • Reference 1 discloses that two transistors are connected in parallel and used for a memory cell.
  • this method is realized with an efficient layout by arranging the MTJ elements in a checker pattern, taking advantage of the relatively large space between the memory contacts.
  • patterning the active region pattern FL in a linear band facilitates patterning, reduces its space, increases the channel width of the transistor, and reduces the transistor resistance. It is also possible to convert.
  • FIG. 26 shows a memory cell array of the MRAM of the fifth embodiment.
  • the recell consists of two transistors MTb and MTt and two MTJ elements MT.Tb and MTJt.
  • read word lines RO, WR1, WR2, WR3,... are arranged corresponding to the write word lines WWO, W1, ⁇ 2, W3,.
  • Source lines SL01, SL23,... are arranged in the same direction as the read word lines.
  • the data lines are paired, and DLOb and DL0t, DLlb and DLU,.
  • each of the MTJ elements MTJh and MTJt in each memory cell is connected to the data line pair, and the other end is connected to the drains of the transistors MTb and MTt.
  • the gates of the transistors MTh and MTt are connected to the read mode line, and the sources are connected to the source line.
  • the write word line, the read mode line, and the source line are controlled by the read line control circuits RCN5 and RCF5 including the drive circuit, and the data line pair is connected to the sense circuit and the drive circuit. Both ends are controlled by the data line control circuits CCN5 and CCF5 including the circuit.
  • the operation of the memory cell array is performed as follows, with complementary information stored in the MTJ element in the memory cell.
  • the read operation as shown in FIG. 27, by setting the read word line WR selected among WRO, WR1, WR2, WR3,... To a high level, the transistors in the memory cells connected to the word line are changed. Turn on MTb and MTt and apply voltage to the terminals of MTJ element MT.Tb and TJb. Current flowing through a desired data line pair in DLOb and DL0t, DLib and DLlt,... According to the magnetoresistance of MTJ elements MTJb and MTJb: [Read stored information by comparing DLb and IDLt. . On the other hand, as shown in FIG.
  • the write operation is performed by setting the current TWW of the write source line selected among WWO, WW1, WW2, WW3,... As the write source line current IWS, and the DLOb, DL0t, DLlb DLit,... Write to the selected data line pair according to the write data This is performed by generating a magnetic field by passing a current.
  • the currents IDLb and IDLt of the selected data line pair at this time are complementarily positive ID1 and negative: [DO.
  • This embodiment uses a memory cell composed of two transistors and two MTJ elements as in Reference 1.
  • This memory cell is called a twin cell because it uses two complementary memory cells consisting of one transistor and one MTJ element.
  • the cell area is larger than that of the memory cell of the first embodiment, stable operation is easy.
  • the read operation it is sufficient to compare the currents of the data line pairs, and it is not necessary to generate a reference signal.
  • control is easy because the current flows so that the current reciprocates in the data line pair.
  • disturb at the time of writing is reduced by arranging the memory cells in a checker pattern.
  • the leakage magnetic field due to the current in the data line is reduced by arranging the data line paired with the adjacent data line next to the data line and flowing the current in the opposite direction.
  • adjacent memory cells on the selected write word line have a data line pair between the selected data line pair and the distance is sufficiently large, so that the leakage magnetic field due to the current of the data line pair is small.
  • FIG. 29 shows the layout of the MTJ element
  • FIG. 30 shows the layout of the transistor.
  • FL is an active region pattern
  • FG is a gate pattern of a transistor, which is used as a read-out line.
  • Ml is the first wiring layer pattern
  • LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element
  • Machi is the MTJ element pattern.
  • M2 is a second wiring layer pattern, which is used for a write lead line.
  • M3 is the third wiring layer pattern, Used as data line.
  • the layout is changed in width depending on the presence or absence of the corresponding MTJ element.
  • MCNT is a memory contact pattern.
  • FIG. 31 shows a BB ′ cross section.
  • 100 is a p-type semiconductor substrate
  • 101p is a p-type well
  • 02 is an element isolation oxide film
  • L04 is a transistor gate
  • L08 is a second wiring layer
  • 109 is a memory contact
  • 110 is a MTJ element lower electrode.
  • L11, 112 and 1L3 constitute the MTJ element
  • L15 is the third wiring layer.
  • the ⁇ -type diffusion layer, the plug of the contact between the diffusion layer and the first wiring layer, the connection hole between the first wiring layer, and the first and second wiring layers are not provided.
  • the shape of the MTJ element is longer in the word line direction orthogonal to the data lines than in the data line direction orthogonal to the word lines.
  • FIG. 32 shows a memory cell array of the MRAM of the sixth embodiment.
  • the feature is that an adjacent write mode line is used as a source line.
  • Read word lines WR0, WR1, WR2, WR3, ... are arranged corresponding to the write word lines WW0, WW1, WW2, WW3, ....
  • Each memory cell is connected to an adjacent write word line, for example, the memory cells MC00 and MC02 are also connected to a write word line WW1, and the memory cells MC11 and MC13 are also connected to a write word line WW0.
  • the write word lines WW0, WW1, WW2, 3,... and the read word lines WRO, WR1, WR2, WR3,... are controlled by the word line control circuits RCN6 and RCF6 including the drive circuit and the data lines.
  • DLO, DL1, DL2, DL3, ... are controlled at both ends by the data line control circuits CCN6 and CCF6 including the sense circuit and the drive circuit.
  • Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT.
  • One end of the MTJ element MT.T is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT.
  • the gate of the transistor MT is connected to a read mode line, and the source is connected to an adjacent write mode line. That is, instead of being connected to the source line as in the first embodiment, it is connected to the adjacent write code line.
  • FIG. 33 shows the layout of the MTJ element
  • Figure 34 shows the layout of the transistor.
  • the first wiring layer pattern Ml used in the first embodiment and the like is deleted.
  • an area shifted from the memory cell shown in FIG. 16 by two write and read read lines in the data line direction and one data line in the pad line direction is shown.
  • FIGS. 33 and 34 Dotted rectangular MC force; area of one memory cell.
  • MCNT is a memory contact pattern from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the second wiring layer
  • WCT is a contact pattern from the diffusion layer to the second wiring layer. is there.
  • FIG. 33 has the same layout as in FIG. 17 etc., but in FIG. 34, the active area pattern FL is extended and sewn due to the layout of the contact to the second wiring layer. Thus, the gate pattern FG of the transistor that is the read word line is arranged.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element
  • MT is the MTJ element pattern.
  • M2 is The second wiring layer pattern is used for a write word line.
  • M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line.
  • FIG. 35 shows an AA ′ section
  • FIG. 36 shows a BB ′ section
  • L00 is a p-type semiconductor substrate
  • LO lp is a p-type well
  • L02 is an element isolation oxide film
  • L03 is an n-type diffusion layer
  • L04 is The gate of the transistor
  • K) 5 is the plug of the contact between the diffusion layer and the second wiring layer
  • L08 is the second wiring layer
  • L09 is the memory contact
  • 110 is the lower electrode of the MTJ element
  • UL, 112, ⁇ L: 3 constitute the MTJ element
  • U5 is the third wiring layer.
  • the contact plug 105 is formed according to the contact patterns MCNT and WCT.
  • the first wiring layer is omitted from the structure of the first or second embodiment by using the adjacent write word line as the source line.
  • the manufacturing process for one wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced.
  • the diffusion layer can be used as the source line as in the third embodiment, the influence of the wiring resistance can be reduced by using the write word line as the source line as in the present embodiment.
  • the write word line is connected to two adjacent memory cells, but one of them replaces the source line, and the influence of disturbance on the adjacent cells during writing can be reduced.
  • the transistor ON resistance may be added due to the drive circuit in the read line control circuits RCN6 and RCF6 for controlling the write word line. Is done. However, as shown in Fig. 4, it is only necessary to supply a current to the write line in one direction, so one of the write line control circuits RCN6 and RCF6 connects the write line to a fixed voltage. It is also possible to prevent the resistance from being added.
  • FIG. 37 shows a memory cell array of the MRAM of the seventh embodiment. ⁇
  • the feature is that the read line is alternately used as a write line and a read line in memory cells adjacent to each other in the line direction.
  • the memory cells MC00 for every two lines , MC02, MCll, MCI 3,..., C20, MC22, MC31, MC33, ⁇ .., MC40, MC42, .., C51, MC53,..., C60, MC62,...,
  • MC71, MC73, ..., ... are provided.
  • source lines SLO, SL12, SL34, SL56, SL78 ... are arranged for every two word lines.
  • Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT.
  • One end of the TJ element MT.J is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT.
  • the gate of the transistor MT is connected to the gate line.
  • the source is connected to the source line.
  • the role of the word line is alternated for each data line between a write word line that applies a magnetic field to the MTJ element and a read word line connected to the gate of the transistor.
  • the lead lines W0, W2, W4, and W6 work as write lead lines
  • the lead lines Wl, W3, W5 , W7 are connected as read word lines.
  • the read lines Wt, W, 5, W7 function as write word lines, and the word lines WO, W2, W4, W6 read out. It is connected as a lead line.
  • Fig. 38 shows the layout of the MTJ element
  • Fig. 39 shows the layout of the transistor.
  • M2 is a second wiring layer pattern
  • FG is a transistor gate pattern, both of which are used for word lines.
  • the FCT is a contact pattern from the gate to the second wiring layer via the wiring layer.
  • FL is the active region pattern
  • Ml is the first wiring layer pattern
  • LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element
  • MJ is the MTJ element pattern.
  • M3 is a third wiring layer pattern used as a data line.
  • MCNT is a memory contact pattern. If necessary, the contact pattern FCT from the gate via the first wiring layer to the second wiring layer can be thinned out.
  • FIG. 40 shows an AA ′ section
  • FIG. 41 shows a BB ′ section
  • 105f is a contact plug of the gate and the first wiring layer, and is formed according to the contact pattern FCT in FIG.
  • Other symbols are the same as those in FIGS. 7 and 8, such as 100 is a p-type semiconductor substrate, lOLp is a p-type transistor, 102 is an element isolation oxide film, 103 is an n-type diffusion layer, and 104 is a transistor.
  • connection hole 107 is formed in accordance with the contact pattern FCT in addition to the memory contact pattern MCNT shown in FIGS. 38 and 39. As described above, by connecting the gate 104 serving as a read lead line to the second wiring layer 108 serving as a write lead line, the read operation can be sped up.
  • the gate 104 is generally formed of polysilicon, polysilicon, or some metal, such as polymetal in which polysilicon and metal are laminated, and has a higher sheet resistance than a metal wiring layer. By connecting this to the second wiring layer, the influence of the sheet resistance of the gate 104 is reduced, and this is used for reading. -The rise and fall times of the gate line can be shortened.
  • Literature 2 discloses a configuration in which a read line and a write line are connected by the edge of a memory cell array.In this embodiment, however, the connection is made by a large number of connection holes in the memory array. The effect of shunting the gate with the metal wiring layer is great.
  • the read line is connected to two adjacent memory cells.On the other hand, the read line is a gate and the other is a second wiring layer which is a write word line. In addition, the influence of disturbance on adjacent cells during writing can be reduced.
  • FIG. 42 shows a memory cell array of the MRAM of the eighth embodiment.
  • the feature is that data lines are paired, and memory cells are connected so that read current flows between pairs of data lines.
  • the read word lines WR0, WR1, R2, WR3,... Are arranged corresponding to the write word lines WWO, WW, WW2, W3,.
  • memory cells MC00, C01, C02, MC03, MC10, MC11, MCL2, MC13 , MC20, MC21, C22, MC23, C30, MC31, C32, MC33, ..., ... are provided.
  • Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT.
  • One end of the MTJ element MTJ is connected to one of the data line pairs, and the other end is connected to the drain of the transistor MT.
  • the gate of the transistor MT is connected to the read mode line, and the source is connected to the other of the data line pair.
  • MTJ element MT.J is connected to data line DLOu
  • transistor MT is connected to data line DL01
  • MTJ element iMTJ is connected to data line DL01.
  • the transistor MT is connected to the data line DLOu.
  • the operation of the memory cell array is performed as follows.
  • the read line selected in Book 0, WR1, WR2, WR3, ... is set to the high level, so that the memory cells connected to the read line can be read.
  • the transistor MT is turned on, and a voltage is applied between the terminals of the MTJ element MT.T. Detects the current IDLu and IDL1 flowing through the desired data line pair among the DLOu and DL01, DLlu and DL11, DL2u and DL21, DL3u and DL31,... in accordance with the magnetic resistance of the MTJ element MT.I. By doing so, the stored information is read.
  • the read line selected in Book WR1, WR2, WR3, ... is set to the high level, so that the memory cells connected to the read line can be read.
  • the transistor MT is turned on, and a voltage is applied between the terminals of the MTJ element MT.T. Detects the current IDLu and IDL1 flowing through
  • the write operation is performed for WW0, WW1, WW2, WW3, ...
  • the current I of the selected write line is selected as the write line current IWS, and D and Ob and DL0t, DLlb and DLlt, are connected to the MTJ element MTJ on one of the data line pairs selected in....
  • a magnetic field is generated by applying a write current ID1 or ID0 according to the write data to the data line.
  • FIG. 44 shows a case where a memory cell to which the MTJ element MTJ is connected is selected and written to the data lines DL0u, DLlu, DL2u, DL3u,..., And the data line selected among them is shown. Is the write current IDt or ID0.
  • the current IDL1 is set as the write current ID1 or ID0.
  • Figure 45 shows the layout of the MTJ element
  • Figure 46 shows the layout of the transistor.
  • the first wiring layer pattern Ml used in the first embodiment and the like is deleted. Dotted rectangular MC is the area of L memory cells.
  • MCNT is the memory contact pattern from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the second wiring layer
  • DLCT is the third contact pattern from the diffusion layer via the second wiring layer. This is a contact pattern to the wiring layer.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and is the MTJ element pattern.
  • M2 is a second wiring layer pattern used for a write word line.
  • M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line.
  • the active region pattern FL is greatly inclined with respect to the data line due to the layout of the contact from the diffusion layer to the third wiring layer.
  • FG is a gate pattern and is used as a read mode line.
  • FIG. 47 shows a section taken along the line-′
  • FIG. 48 shows a section taken along the line BB ′.
  • 100 is a ⁇ -type semiconductor substrate
  • ⁇ 0Lp is a ⁇ -type semiconductor
  • L02 is an element isolation oxide film
  • L03 is n.
  • L04 is transistor
  • L05 is a plug of a contact between the diffusion layer and the second wiring layer
  • 108 is a second wiring layer
  • 109 is a memory contact
  • L10 is a lower electrode of the MTJ element
  • 111, 112, and 3 are An MTJ element is formed
  • LL5 is a third wiring layer.
  • the contact plug 105 is formed according to the contact patterns MCNT and DLCT.
  • U4 is a connection hole from the second wiring layer to the third wiring layer, and is formed according to the data line contact pattern DLCT.
  • the first wiring layer used as the source line in the first embodiment and the like is deleted by using the data lines as the pair lines.
  • the manufacturing process for one wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced.
  • the diffusion layer can be used as the source line as in the third embodiment, the effect of the wiring resistance can be reduced in the present embodiment using the metal wiring layer.
  • the signal current is read out to both data line pairs, the read current can be effectively doubled by taking the difference between the currents in the data line pairs. This makes it possible to increase the S / N and speed up the reading operation.
  • the data line is connected to two adjacent memory cells. However, since tV [every TJ element MT.J is connected to the adjacent memory cell, the data line is connected to the adjacent cell at the time of writing. The effect of the disturbance can be reduced.
  • FIG. 49 shows the layout of the MTJ element.
  • the layout of the transistor should be as shown in Figure 6. Similar to FIG. 5, the write and read read lines are shifted by i each from the memory cell shown in FIG. 1, and the rectangular MC indicated by the dotted line represents the area of ⁇ ⁇ ⁇ memory cells. is there.
  • PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, is the pattern of the MTJ element —
  • M2 is a second wiring layer pattern used for the write word lines WW1 to WW4.
  • M3 is a third wiring layer pattern, and corresponds to the data lines DL0 to DL3.
  • MCNT is a memory contact pattern, and the layout shown in Fig. 5, which is a pattern of connection holes from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the first and second wiring layers,
  • the longitudinal direction is alternately inclined for each writing lead line, whereas the hexagon is a hexagon and the lead line direction is the longitudinal direction.
  • FIG. 50 shows a B- ⁇ 'cross section.
  • 100 is a ⁇ -type semiconductor substrate
  • is a p-type well
  • 102 is an isolation oxide film
  • 104 is a transistor gate
  • 108 is a second wiring layer
  • 109 is a memory contact
  • 0 is an MTJ element lower electrode
  • 111, 112, and L13 constitute an MTJ element
  • 115 is a third wiring layer.
  • the n-type diffusion layer, the plug of the contact between the diffusion layer and the first wiring layer, the connection hole between the first wiring layer and the first and second wiring layers are not visible.
  • FIG. 51 and FIG. 52 show the write operation.
  • the feature is that the current of the write word line is controlled by the write operation, and the polarity is switched for each write word line.
  • the current flowing through the word line control circuit RCN1 from the word line control circuit RCF1 is assumed to be positive.
  • the current flowing from the data line control circuit CCNL to CCF1 is assumed to be positive.
  • the current IWWe of the selected write word line is The positive write word line current IWp is used, and when writing '0', the negative write word line current IWn is used.
  • the book to select If the write word line is one of the odd-numbered WW and WW3,..., as shown in Figure 52, the current IWWo of the selected write word line and the negative write ⁇ Assuming that the lead line current is IWn, when writing '0', a positive write word line! ; Flow IWp.
  • the current of the data line selected among DL0, DL1, DL2, DL3, ... is set to positive write current ID1 or negative ID0 according to the write data.
  • the combined magnetic field to the MTJ element of the selected memory cell due to the currents of the write select line and the data line changes according to the write data in a direction close to the longitudinal direction of the M: TJ element.
  • the writing can be easily performed by reversing the magnetization of the free layer.
  • Reference 5 A method of alternately arranging the magnetoresistive elements with respect to the lead wire in this manner is disclosed in Reference 5.
  • the magnetoresistive elements are arranged at all the intersections of the data line and the data line to which the magnetic field is applied by the electric current.
  • the intersection of the write code line and the data line has a checker pattern. Since the MTJ element is located in the area, the effect of reducing disturb is even greater. Further, since the corners in the longitudinal direction of adjacent MTJ elements do not approach each other, the layout is easy.
  • the fixed layer of the MTJ element desirably has the same direction in order to determine the direction at the time of manufacture.
  • the magnetization of the free layer is It is desirable that the direction is the write code line direction, and the angle at which the longitudinal direction of the MTJ element is inclined with respect to the write code line direction is in the range of -45 degrees to 45 degrees.
  • the present invention is suitable for a semiconductor device having a memory cell array that stores information by using a change in magnetoresistance.
  • a single MR AM or a system containing MR AM can be applied to SI.

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Abstract

There is provided a highly-reliable, highly-integrated MRAM which has a large read signal and a low disturbance of an adjoining cell in writing. An MRAM comprises a plurality of write word lines (WW0 to WW3) selected in writing and adapted for applying an electric current, a plurality of data lines (DL0 to DL3) perpendicular to the word lines, selected in writing, and adapted for applying an electric current corresponding to the write data, and a multiplicity of memory cells including an MTJ element (MTJ) and a transistor (MT) and arranged in a checker pattern. The MTJ element is connected at its one end with the data lines and at the other end with the drain of the transistor. The gate of the transistor is connected with a plurality of read word lines (WR0 to WR3) corresponding to the write word lines. In writing, therefore, the leakage magnetic field leaking to memory cells adjacent to the selected cell is reduced thereby to reduce the influence on the magnetized state.

Description

明 細 書 半導体装置 技術分野  Description Semiconductor device technical field
本発明は半導体装置に係わり、 特に、 磁気抵抗の変化を利用して情報 を記憶するメモリセルを用いた高速、 高集積、 高信頼なメモリを含む半 導体装置に関する。 背景技術  The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a high-speed, highly-integrated, and highly-reliable memory using a memory cell that stores information using a change in magnetoresistance. Background art
この明細書で参照される文献は以下の通りであり、 文献はその文献番 号によって参照することとする。 [文献: 1. ] :R. Scheuerlein, et al. , "A 10ns Read and Wri'te Non - Voia'ti le Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each cell, 2000 IEEE International Sol id-State し: Lrcuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 128-129, Feb. 2000. [文献 2 ] : P. K. Naji, et al. , "A 256kb 3.0V LTIMTJ Nonvolatile Magne'toresis.tive RAM, " -2001 IEEE ΐη terna tional Sol id-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. L22-L23, Feb. 2001. [文献 3 ] :Z. G. Wang, et al. , "Feasibility of Ultra-Dense Spin- Tunnel ing Random Access Memory, " IEEE Transaction on Magnetics, vol. 33, no. 6, pp. 4498- 45L2, Nov. L997. [文献 4] : 特開平 10-106255。 [文献 5 ] :USP6, 005, 800.  The documents referred to in this specification are as follows, and the documents are referred to by their document numbers. [Literature: 1.]: R. Scheuerlein, et al., "A 10ns Read and Wri'te Non-Voia'tile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each cell, 2000 IEEE International Sol id-State L: Lrcuits Conference Digest of Technical Papers, pp. 128-129, Feb. 2000. [Reference 2]: PK Naji, et al., "A 256kb 3.0V LTIMTJ Nonvolatile Magne'toresis.tive RAM," -2001 IEEE ΐη terna tional Sol id-State Circuits Conference Digest of Technical Papers, pp. L22-L23, Feb. 2001. [Reference 3]: ZG Wang, et al., "Feasibility of Ultra-Dense Spin-Tunneling Random Access Memory," IEEE Transaction on Magnetics, vol. 33, no. 6, pp. 4498-45L2, Nov. L997. [Reference 4]: Japanese Patent Laid-Open No. 10-106255 [Reference 5]: USP6, 005, 800.
不揮発性メモリでありながら、 読み書き回数に制限がないメモリ とし て、 マグネ 卜 レジスティブ ' ランダム · アクセス . メモリ ( M R A M) の開発がなされている。 MR AMは、 メモリセル中の強磁性体の磁化の 向きで素子の抵抗が異なる磁気抵抗効果を利用して情報を記憶する。 近 年、 従来の素子よりも、 マグネ 卜レジスタンス (MR) と呼ばれる磁気 抵抗変化率が大きな、 マグネティ ック · トンネル ■ ジャンク ショ ン T J ) 素子の開発と、 その MR AMへの応用が進められている。 スタテ イ ツク ' ランダム . アクセス ' メモリ ( S AM) 並みの高速読み書き 動作が可能で、 ダイナミ ック ' ランダム · アクセス . メモリ (D R AM) 並みの高集積度が実現できる可能性が、 例えば、 文献 : Lや文献 2で述べ ら Lてレ、る。 A magnetic resistive 'random access memory' (MRAM) has been developed as a non-volatile memory that does not limit the number of reads and writes. MRAM stores information using the magnetoresistive effect in which the resistance of the element differs depending on the direction of magnetization of the ferromagnetic material in the memory cell. In recent years, magnetic resistance called magnetic resistance (MR) has been Magnetic tunnel with large resistance change rate ■ Junction TJ) The development of elements and their application to MRAM are underway. It is possible to perform high-speed read / write operations at the same level as statistic “random access memory” (SAM) and achieve high integration at the same level as dynamic random access memory (DRAM). : L and Ref.
図 2は、 文献 2で用いられているメモリセルアレイの基本構成を示し ている。 書き込みワード線 WW0, WW1, WW2, WW3, …及び読み出しワード 線 WR0, WRl, WR2, WR3, …と、 データ線 DLO, DL1, DL2, DL , …の交点 に、 メモリセル MC00, COL, MC02, MC0 , MC10, MC11, MC12, MCL , …, C20, MC21, C22, C23, MC30, MC.'H, MC 2, i\'IC , …, …が 設けられる。 書き込みワード線 WW0, WW1, WW 2, WW3, …及び読み出しヮ 一ド線 WR0, WRL, WR2, WR3, …は、駆動回路を含むヮード線制御回路 RCN0, RCF0によ り制御される。 データ線 Dし 0, DLL, Dし 2, Dし 3, …は、 センス回 路及び駆動回路を含むデータ線制御回路(ΧΝ , CCF0により両端を制御さ れる。 各メモリセルは、 :1-個の M T J素子 MTJと 1個の トランジスタ M丁 からなる。 MT J素子 MTJは、 通常の動作において磁化の向きが固定さ れた強磁性体の固定層と、 書き込み動作により磁化の向きが反転可能な 強磁性体の自由層との間に、 卜ンネル絶縁膜が挟まれた構造である。 こ の MT J素子の 2端子間の抵抗は、 二つの強磁性体層における磁化の向 きによって変化し、 同じ向きの時は低抵抗状態、 互いに逆向きの時は高 抵抗状態となる。 読み出し動作は、 図 3に示すように行う。 すなわち、 RO, WRl, WR2, WR3, …中で選択した読み出しワード線 WRをハイ レベル にすることにより、 該ヮード線に接続されたメモリセル中で卜ランジス タ MTを導通させて MT J素子 MT.Jの端子問に電圧を印加し、 M丁 J素子 MTJの磁気抵抗に応じて、 Dし 0, DL1, DL2, DL3, …中の所望のデータ線 を介して流れる電流 IDLを検出することにより、 記憶情報を読み出す。 一方、書き込み動作は、図 4に示すように行う。すなわち、 WW0, WW1 , WW2, WW3, …中で選択された書き込みヮード線の電流 IWWを、 書き込みヮー ド 線電流 IWS と し、 DL0, DL L , DL2, DL3, …中で選択したデータ線の電流 を、 書き込みデータに応じて正の書き込み電流 IDiあるいは負の ID0 と することにより磁界を発生させて行う。 この時、 M T J素子の低抵抗状 態に対する高抵抗状態の抵抗増加分の比率である磁化抵抗変化 MRは、 ヒ ステリシス特性を示す。 書き込みヮード線電流 IWSで生じるハードアク シス磁界により、 M T J素子の磁化反転が起こりやすくなり、 イージー ァクシス磁界を生じさせるデータ線電流 IDLに対して狭いヒステリシス 特性となる。 これにより、 書き込みワード線 WWにより選択したメモリセ ルのみ磁化反転させて記憶情報を書き込むことができる。 FIG. 2 shows a basic configuration of a memory cell array used in Reference 2. At the intersection of the write word lines WW0, WW1, WW2, WW3,… and the read word lines WR0, WRl, WR2, WR3,… and the data lines DLO, DL1, DL2, DL,…, memory cells MC00, COL, MC02, MC0, MC10, MC11, MC12, MCL, ..., C20, MC21, C22, C23, MC30, MC.'H, MC2, i \ 'IC, ..., ... are provided. The write word lines WW0, WW1, WW2, WW3, ... and the read word lines WR0, WRL, WR2, WR3, ... are controlled by read line control circuits RCN0, RCF0 including a drive circuit. The data lines D, 0, DLL, D, 2, D3, ... are controlled at both ends by a data line control circuit (ΧΝ, CCF0) including a sense circuit and a drive circuit. MTJ element consists of one MTJ element and one transistor M. The MTJ element MTJ has a fixed layer of ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed in normal operation, and the magnetization direction can be reversed by a write operation The resistance between the two terminals of this MTJ element varies depending on the direction of magnetization in the two ferromagnetic layers. However, when they are in the same direction, they are in a low-resistance state, and when they are in opposite directions, they are in a high-resistance state.The read operation is performed as shown in Figure 3. That is, RO, WRl, WR2, WR3,… By setting the read word line WR to high level, the memory connected to the read line The transistor MT is turned on in the transistor, and a voltage is applied to the terminals of the MT J element MT.J. According to the magnetic resistance of the M element J element MTJ, D is 0, DL1, DL2, DL3,… The stored information is read out by detecting the current IDL flowing through the desired data line. On the other hand, the write operation is performed as shown in FIG. That is, the current IWW of the write mode line selected among WW0, WW1, WW2, WW3,... Is defined as the write mode current IWS, and the data lines of DL0, DLL, DL2, DL3,. The current is set to a positive write current IDi or a negative ID0 according to the write data to generate a magnetic field. At this time, the magnetization resistance change MR, which is the ratio of the increase in resistance in the high resistance state to the low resistance state of the MTJ element, exhibits hysteresis characteristics. Due to the hard axis magnetic field generated by the write line current IWS, the magnetization reversal of the MTJ element is likely to occur, and the hysteresis characteristic is narrow with respect to the data line current IDL that generates the easy axis magnetic field. As a result, only the memory cell selected by the write word line WW can be magnetized and the storage information can be written.
M R A Mを高集積化していく と、 この書きこみ動作での隣接セルへの ディスターブが問題となる。 例えば、 図 2中のメモリセル MC11 に書き込 むために、 書き込みヮード線 VW L とデータ線 DL 1に電流を流す場合を考 える。 隣接するメモリセル MC10及び MC12は、 書き込みワード線 'l 選択状態にあり、 その電流による磁界を受け、 さらに選択データ線 DLL に隣接しているメモリセルであるため、高集積化すると距離が近くなり、 その電流による漏れ磁界も受ける。 そのため、 磁化状態に影響を受ける 恐れがある。 また、 隣接するメモリセル MC0 1及び MC21 も、 データ線 DL 1 が選択状態にあり、 さらに選択書き込みヮード線 WW1に隣接しているた め、 磁化状態に影響を受ける恐れがある。 このようなディスターブの問 題については、 丄個の M T J素子 MTJと 1個の 卜ランジスタ MTからなる メモリセルについてではないが、 M T J素子 (スピン ' 卜ンネリ ング素 子) を用いたメモリセルに関して、文献 3で述べられている。そこでは、 M T J素子を 0. 2 / m角と し、 スペースを 0. 24 μ mとすると、 隣接する M T J素子にも磁化反転が起きてしまうことが示されている。文献 3では、 その対策として、 磁化を閉じ込めるフラックス ' クロージャ · キーパー を設けることが提案されているが、 工程が増えてしまう上、 その材料と 半導体プロセスとの相性が問題となる。 また、 文献 4では、 ジャイアン ト ' マグネ ト レジスタンス (G M R ) 素子によるメモリセルを用いた M A Mについて、 書き込み時の隣接セルへのディスターブを低減する手 法が開示されている。 G M R素子は、 M T J素子に比べ M R比が小さい ため、 読み出し信号が小さく、 高速な安定動作が困難である。 十分な性 能の高集積 M R A Mを実現するためには、 文献 1あるいは文献 2に示さ れているような、 M T J素子と トランジスタにより構成されたメモリセ ルが有望である。そのメモリセル構造でのディスターブ対策については、 文献 4では述べられていない。 As MRAM becomes more highly integrated, disturbing adjacent cells in this write operation becomes a problem. For example, consider a case in which a current flows through the write mode line VWL and the data line DL1 in order to write to the memory cell MC11 in FIG. The adjacent memory cells MC10 and MC12 are in the selected state of the write word line 'l, receive the magnetic field generated by the current, and are memory cells adjacent to the selected data line DLL. However, a leakage magnetic field due to the current is also received. Therefore, it may be affected by the magnetization state. Also, the adjacent memory cells MC01 and MC21 may be affected by the magnetization state because the data line DL1 is in the selected state and further adjacent to the selected write mode line WW1. This disturb problem is not related to a memory cell consisting of 丄 MTJ elements MTJ and one transistor MT, but to a memory cell using an MTJ element (spin-to-tunnelling element). It is described in reference 3. There, the MTJ element and 0. 2 / m square, if the space between 0. 2 4 mu m, it is shown that would occur magnetization reversal in the adjacent MTJ element. In Reference 3, as a countermeasure, a flux that confines magnetization '' closure keeper It has been proposed to provide a process, but the number of processes will increase, and the compatibility between the material and the semiconductor process will be a problem. Reference 4 discloses a method of reducing disturbance to adjacent cells at the time of writing in a MAM using a memory cell using a giant's magneto-resistance (GMR) element. Since the GMR element has a smaller MR ratio than the MTJ element, the readout signal is small and high-speed stable operation is difficult. To realize a highly integrated MRAM with sufficient performance, a memory cell composed of MTJ elements and transistors, as shown in Ref. 1 or Ref. 2, is promising. Reference 4 does not describe measures against disturb in the memory cell structure.
そこで本願発明の目的は、 読み出し信号が大きく、 書き込み時の隣接 セルへのディスターブが小さく、 高信頼で高集積な M R A Mを提供する ことにある。 発明の開示  Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable and highly integrated MRAM with a large read signal, small disturbance to adjacent cells at the time of writing. Disclosure of the invention
本願発明による半導体装置の代表的な構成を示せば以下の通りである c 書き込み時に選択され電流を流す複数の書き込みヮード線而 0, 丽し WW2, WW3, …と、 上記複数のワード線と交わって配置され、 書き込み時に選択 され書き込みデータに応じた電流を流す複数のデータ線 DL0, DL1, DL2, DL3, …とに対し、 M T J素子 MTJと トランジスタ ιΜΤを含む多数のメモ リセルをチェッカーパターン状に配置した M R A Mセルァレイを有する c 望ましくは、 上記 M T J素子は、 上記書き込みワード線と上記データ線 との問に設けられ、 一端はデータ線に接続され、 他端は上記卜ランジス タのドレインに接続される。 上記トランジスタのゲ一 卜は、 上記複数の 書き込みヮード線に対応して設けられた複数の読み出しヮード線 WR0, WR1 , WR2, WR3, …に接続される。 上記トランジスタのソースは、 上記デ —タ線と略同一方向に配置されたソース線に接続される。 さらに、 望ま しくは、 上記 M T J素子は、 データ線に直交する方向の寸法がワード線 に直交する方向の寸法より も大きい。 また、 上記 M T J素子と上記トラ ンジスタの上記書き込みヮード線 2本毎に配置される。 図面の簡単な説明 Present invention a plurality of write Wado line Thus 0 flowing representative if Shimese a configuration selected c during writing as follows current of the semiconductor device according to,丽and WW2, WW3, ... and, intersects the plurality of word lines A large number of memory cells, including the MTJ element MTJ and the transistor ιΜΤ, are arranged in a checker pattern for a plurality of data lines DL0, DL1, DL2, DL3,… that are selected at the time of writing and carry current according to the write data. c is desirable to have the placed MRAM Seruarei, the MTJ element is provided question between the write word line and the data line, one end of which is connected to the data line, the other end is connected to the drain of the Bok Rungis data You. The gates of the above transistors are connected to a plurality of read mode lines WR0, WR1, WR2, WR3,... Provided corresponding to the plurality of write mode lines. The source of the transistor is connected to a source line arranged in substantially the same direction as the data line. Furthermore, desired Alternatively, in the MTJ element, a dimension in a direction perpendicular to the data line is larger than a dimension in a direction perpendicular to the word line. The MTJ element and the transistor are arranged for every two write lead lines of the transistor. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 第 1の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 2は、従来の M R A Mのメモリセルァレイの構成例を示す図である。 図 3は、 M R A Mセルの読み出し動作を示す図である。  FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a memory cell array according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a conventional MRAM memory cell array. FIG. 3 is a diagram showing a read operation of the MRAM cell.
図 4は、 M R A Mセルの書き込み動作を示す図である。  FIG. 4 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell.
図 5は、 第 1の実施例の M T J素子のレイァゥ 卜を示す図である。 図 6は、 第 1の実施例の 卜ランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 7は、 図 5及び図 6の A- A'断面の構造を示す図である。  FIG. 5 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the first embodiment. FIG. 6 is a diagram showing a layout of the transistor of the first embodiment. FIG. 7 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ in FIGS. 5 and 6.
図 8は、 図 5及び図 6の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 8 is a diagram showing the structure of a section taken along the line BB ′ of FIGS. 5 and 6.
図 9は、 メモリの構成例を示す図である。  FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a memory.
図 1 0は、 図 9のメモリの動作を示す図である。  FIG. 10 is a diagram showing the operation of the memory of FIG.
図 1 1は、 第 2の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。 図 1 2は、 第 2の実施例の M T J素子のレイァゥ 卜を示す図である。 図 1 3は、第 2の実施例の 卜ランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 1 4は、 図 1 2及び図 ]. 3の A-A'断面の構造を示す図である。  FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of the memory cell array according to the second embodiment. FIG. 12 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the second embodiment. FIG. 13 is a diagram showing a layout of the transistor of the second embodiment. FIG. 14 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 12 and 3.
図 1 5は、 図 1 2及び図 1 3の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 15 is a diagram showing a structure of a section taken along the line BB ′ of FIGS. 12 and 13.
図 1 6は、 第 3の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 1 7は、 第 3の実施例の M T J素子のレイァゥ 卜を示す図である。 図 1 8は、第 3の実施例の 卜ランジスタのレイァゥ トを示す図である。 図 1 9は、 図 1 7及び図 1 8の A- A'断面の構造を示す図である。  FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the third embodiment. FIG. 17 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the third embodiment. FIG. 18 is a diagram showing the layout of the transistor of the third embodiment. FIG. 19 is a diagram showing the structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 17 and 18.
図 2 0は、 図 1 7及び図 1 8の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 20 is a diagram showing a structure of a section taken along line BB ′ of FIGS. 17 and 18.
図 2 1は、 第 4の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 2 2は、 第 4の実施例の M T J素子のレイアウ トを示す図である。 図 2 3は、第 4の実施例の トランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 2 4は、 図 2 2及び図 2 3の A-A'断面の構造を示す図である。 FIG. 21 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the fourth embodiment. FIG. 22 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the fourth embodiment. FIG. 23 is a diagram showing a layout of the transistor of the fourth embodiment. FIG. 24 is a diagram showing a structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 22 and 23.
図 2 5は、 図 2 2及び図 2 3の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 25 is a diagram showing a structure of a cross section taken along line BB ′ of FIGS. 22 and 23.
図 2 6は、 第 5の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。 図 2 7は、 第 5の実施例の M R A Mセルの読み出し動作を示す図であ る。  FIG. 26 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the fifth embodiment. FIG. 27 is a diagram illustrating a read operation of the MRAM cell of the fifth embodiment.
図 2 8は、 第 5の実施例の M R A Mセルの書き込み勁作を示す図であ る。  FIG. 28 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell of the fifth embodiment.
図 2 9は、 第 5の実施例の M T J素子のレイァゥ 卜を示す図である。 図 3 0は、第 5の実施例の トランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 3 1は、 図 2 9及び図 3 0の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 29 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the fifth embodiment. FIG. 30 is a diagram showing a layout of the transistor according to the fifth embodiment. FIG. 31 is a diagram showing a structure of a cross section taken along line BB ′ of FIGS. 29 and 30.
図 3 2は、 第 6の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 3 3は、 第 6の実施例の M T J素子のレイアウ トを示す図である。 図 3 4は、第 6の実施例の トランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 3 5は、 図 3 3及び図 3 4の A- Λ'断面の構造を示す図である。  FIG. 32 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the sixth embodiment. FIG. 33 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the sixth embodiment. FIG. 34 is a diagram showing a layout of the transistor of the sixth embodiment. FIG. 35 is a diagram showing the structure of a section taken along the line II-II of FIGS. 33 and 34.
図 3 6は、 図 3 3及び図 3 4の B- B'断面の構造を示す図である。  FIG. 36 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIGS. 33 and 34.
図 3 7は、 第 7の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 3 8は、 第 7の実施例の M T J素子のレイアウ トを示す図である。 図 3 9は、第 7の実施例のトランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 4 0は、 図 3 8及び図 3 9の A-A'断面の構造を示す図である。  FIG. 37 is a diagram showing the configuration of the memory cell array of the seventh embodiment. FIG. 38 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the seventh embodiment. FIG. 39 is a diagram showing a layout of the transistor according to the seventh embodiment. FIG. 40 is a diagram showing the structure of the section taken along the line AA ′ in FIGS. 38 and 39.
図 4 上は、 図 3 8及び図 3 9の B-B'断面の構造を示す図である。  The upper part of FIG. 4 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIGS. 38 and 39.
図 4 2は、 第 8の実施例のメモリセルァレイの構成を示す図である。 図 4 3は、 第 8の実施例の M R A Mセルの読み出し動作を示す図であ る。  FIG. 42 is a diagram showing the configuration of the memory cell array according to the eighth embodiment. FIG. 43 is a diagram showing a read operation of the MRAM cell of the eighth embodiment.
図 4 4は、 第 8の実施例の M R A Mセルの書き込み動作を示す図であ る。  FIG. 44 is a diagram showing a write operation of the MRAM cell of the eighth embodiment.
図 4 5は、 第 8の実施例の M T J素子のレイアウ トを示す図である。 図 4 6は、第 8の実施例の トランジスタのレイァゥ 卜を示す図である。 図 4 7は、 図 4 5及び図 4 6の A- A'断面の構造を示す図である。 FIG. 45 is a diagram showing a layout of the MTJ element according to the eighth embodiment. FIG. 46 is a diagram showing a layout of the transistor according to the eighth embodiment. FIG. 47 is a diagram showing a structure of a section taken along the line AA ′ of FIGS. 45 and 46.
図 4 8は、 図 4 5及び図 4 6の B- B'断面の構造を示す図である。  FIG. 48 is a diagram showing a structure of a section taken along line BB ′ of FIGS. 45 and 46.
図 4 9は、 第 9の実施例の MT J素子のレイァゥ 卜を示す図である。 図 5 0は、 図 4 9の B-B'断面の構造を示す図である。  FIG. 49 is a diagram showing a layout of the MTJ element of the ninth embodiment. FIG. 50 is a diagram showing the structure of the section taken along line BB ′ of FIG. 49.
図 5 1及び図 5 2は、 第 9の実施例の MR AMセルの書き込み動作を 示す図である。 発明を実施するための最良の形態  FIGS. 51 and 52 are diagrams showing the write operation of the MRAM cell of the ninth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。 実施例 の各機能ブロックを構成する回路素子は、 特に制限されないが、 公知の Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The circuit elements constituting each functional block of the embodiment are not particularly limited, but are known in the art.
CMO S (相補型 MO S トランジスタ) 等の集積回路技術によって、 単 結晶シリ コンのような半導体基板上に形成される。 図面で、 P MO S 卜 ランジスタにはボディに矢印の記号を付すことで、 NMO S 卜ランジス タと区別することとする。 図面には M0S トランジスタの基板電位の接続 は特に明記していないが、 MO S トランジスタが正常動作可能な範 fflで あれば、 その接続方法は特に限定しない。 また、 特に断りの無い場合、 "f言号の口ウレべノレを' 0', ノヽィレべノレを ' とする。 It is formed on a semiconductor substrate such as single crystal silicon by integrated circuit technology such as CMOS (Complementary MOS Transistor). In the drawings, the PMOS transistor is distinguished from the NMOS transistor by attaching an arrow symbol to the body. Although the connection of the substrate potential of the MOS transistor is not particularly specified in the drawing, the connection method is not particularly limited as long as the MOS transistor is within the range ffl in which normal operation is possible. Also, unless otherwise specified, "The mouth of the f-symbol is set to '0', and the noirebenore is set to '.
(第 :1.の実施例)  (No. 1: Embodiment 1)
図: Lに、 第 1の実施例の MR AMのメモリセルアレイを示す。 書き込 みヮ一ド線 WW0, WW1, WW2, WW3, …及び読み出しヮ一ド線 WR0, WRL, WR2, WR3, …と、 データ線 DLO, DLL, DL2, DL3, …との交点に、 市松模様状 あるレ、はチェッカーパターン状に、 メモリセル MC00, C02, CU., MC13, C20, MC22, C31, MC33, …, …が設けられる。 また、 読み出しヮード線と同一方向に、ソース線 SLOL, SL23, …が設けられる。 読み出しワード線 WR0, WR1, WR2, WR3, …は、 ワード線制御回路 RCNL により駆動される。 また、 書き込みワード線 WW0, WWL, WW2, WW3, …及 びソース線 SL01, SL23, …は、 駆動回路を含むワード線制御回路 RCNし RCF1により両端を制御される。 ソース線 SL01, SL23, …は、 例えば接地 電圧 VSSのような固定電圧を印加していても良いし、 文献 2で示されて いるように、 書き込み時にフローティングにする制御を行っても良い。 データ線 DLO, DLl, DL2, DL3, …は、 センス回路及び駆動回路を含むデ —タ線制御回路 CCN1, CCF1により両端を制御される。 各メモリセルは、 1個の MT J素子 MTJと 1個のトランジスタ MTからなる。 MT J素子 MTJの一端は、 データ線に接続され、 他端はトランジスタ MTの ドレイン に接続される。 トランジスタ MTのゲートは読み出しヮード線に接続され、 ソースはソース線に接続される。 Figure: L shows the memory cell array of the MRAM of the first embodiment. At the intersection of the write lead lines WW0, WW1, WW2, WW3,… and the read lead lines WR0, WRL, WR2, WR3,… and the data lines DLO, DLL, DL2, DL3,…, In a checker pattern, memory cells MC00, C02, CU., MC13, C20, MC22, C31, MC33,... Are provided in a checker pattern. Further, source lines SLOL, SL23,... Are provided in the same direction as the read mode lines. The read word lines WR0, WR1, WR2, WR3, ... are driven by the word line control circuit RCNL. The write word lines WW0, WWL, WW2, WW3,… , And both ends of the source lines SL01, SL23,... Are controlled by a word line control circuit RCN and a RCF1 including a drive circuit. The source lines SL01, SL23,... May be applied with a fixed voltage such as the ground voltage VSS, or may be controlled to be floating at the time of writing as described in Reference 2. Data lines DLO, DLl, DL2, DL3, ... are controlled at both ends by data line control circuits CCN1 and CCF1 including a sense circuit and a drive circuit. Each memory cell includes one MTJ element MTJ and one transistor MT. One end of the MTJ element MTJ is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT. The gate of the transistor MT is connected to the read mode line, and the source is connected to the source line.
メモリセルァレイの動作は、 図 2に示した従来の MR AMセルァレイ と同様に行う。 ただし、 ワード線とデータ線の全ての交点の半分にメモ リセルが配置されているため、 メモリセルの選択の際、 データ線とヮー ド線の選択に、 最下位ア ドレスは共通に用いる。 読み出し動作は、 図 3 に示すように、 WR0, WR1, WR2, WR3, …中で選択した読み出しワード線 WRをハイレベルにすることにより、 MT J素子 MT.Jの磁気抵抗に応じて、 DLO, DLl, DL2, DL3, …中の所望のデータ線を介して流れる電流 IDLを 検出することにより行う。 一方、 書き込み動作は、 図 4に示すように、 職, W 1, WW2, W 3, …中で選択された書き込みワード線の電流 IWWを、 書き込みワード線電流 IWS とし、 DL0, DLL, DL2, DL3, …中で選択した データ線に書き込みデータに応じた書き込み電流 ID1あるいは: [DOを流 すことにより磁界を発生させて行う。  The operation of the memory cell array is performed in the same manner as the conventional MRAM cell array shown in FIG. However, since a memory cell is arranged at half of all the intersections of the word line and the data line, the lowest address is commonly used for selecting the data line and the word line when selecting the memory cell. As shown in Fig. 3, the read operation is performed by setting the read word line WR selected among WR0, WR1, WR2, WR3,… to a high level, according to the magnetic resistance of the MTJ element MT.J. , DL1, DL2, DL3,..., By detecting the current IDL flowing through the desired data line. On the other hand, as shown in FIG. 4, the write operation is performed by setting the current IWW of the write word line selected among the jobs, W1, WW2, W3,... As the write word line current IWS, and DL0, DLL, DL2, DL3, ... Write current ID1 or according to the write data to the data line selected in: or [Generates a magnetic field by flowing DO.
例えば、 図 1中のメモリセル MC11に書き込むために、 書き込みヮード 線 WW1 とデータ線 DL1に電流を流す場合を考える。 選択メモリセル MC11 に隣接するメモリセルは、 MC00, C02, MC20, MC22の 4個である。 これ らは、 選択書き込みヮード線 WW1及び選択データ線 DL1の両方に隣接し ているが、 両方とも漏れ磁界の影響のみなので、 合成磁界は十分小さく できる。 選択書き込みワード線 WWl上で隣接するメモリセルは、 MC L3で あり、 書き込みワード線 WW1の電流による磁界を受けるが、 選択データ 線 DLi との間にデータ線 DL2があり距離が離れているため、データ線 DLi の電流による漏れ磁界は小さい。 また、 選択データ線 DL1上で隣接する メモリセルは、 MC31であり、データ線 DL1の電流による磁界を受けるが、 選択書き込みヮ一ド線 WW1 との間に書き込みヮード線 WW2があり距離が 離れているため、書き込みヮード線 WWiの電流による漏れ磁界は小さレ、。 以上のように、 メモリセルをチェッカーパターン状に配置したことによ り、 非選択セルのいずれでも、 漏れ磁界が小さくなり、 磁化状態に影響 を受ける恐れを避けられる。 For example, let us consider a case in which a current flows through the write line WW1 and the data line DL1 in order to write to the memory cell MC11 in FIG. The four memory cells adjacent to the selected memory cell MC11 are MC00, C02, MC20, and MC22. These are adjacent to both the selected write mode line WW1 and the selected data line DL1, but since both are only affected by the leakage magnetic field, the combined magnetic field is sufficiently small. it can. The memory cell adjacent on the selected write word line WWl is MCL3, and receives a magnetic field due to the current of the write word line WW1, but since the data line DL2 is located far from the selected data line DLi, the distance is large. The leakage magnetic field due to the current of the data line DLi is small. The memory cell adjacent to the selected data line DL1 is MC31 and receives a magnetic field due to the current of the data line DL1, but there is a write mode line WW2 between the selected write mode line WW1 and the distance is large. Therefore, the leakage magnetic field due to the current of the write lead line WWi is small. As described above, by arranging the memory cells in a checker pattern, the leakage magnetic field is reduced in any of the unselected cells, and the possibility of being affected by the magnetization state can be avoided.
なお、 構造上の工夫などで、 書き込みワード線の漏れ磁界の影響が小 さくできれば、 同じデータ線上で隣接するメモリセルを、 隣接する書き 込みワード線に接続する構成としても良い。 逆に、 データ線の漏れ磁界 の影響が小さくできれば、 同じ書き込みヮード線上で隣接するメモリセ ルを、 隣接するデータ線に接続する構成としても良い。  In addition, if the influence of the leakage magnetic field of the write word line can be reduced by a structure or the like, a configuration may be adopted in which adjacent memory cells on the same data line are connected to adjacent write word lines. Conversely, if the influence of the leakage magnetic field of the data line can be reduced, an adjacent memory cell on the same write mode line may be connected to the adjacent data line.
次に、 図 1に示したメモリセルァレイの具体的レイァゥ ト及び構造を 説明する。 図 5は M T J素子の、 図 6はトランジスタの、 レイアウ トを それぞれ示す。 ここでは、 繰り返し単位をわかりやすくするため、 図 1 で示しているメモリセルよりも、 書き込みヮード線及び読み出しヮード 線、 それぞれ 1本分ずらした領域を示している。 点線の長方形 MCが、 1 個のメモリセルの領域である。図 6で、 FLは、活性領域パターンである。 FGは、 トランジスタのゲー トパターンで、 読み出しワード線 WR1〜 4 に対応する。 活性領域パターン FLとゲー卜パターン FGの重なった領域 力 トランジスタのチャネルとなり、 ここでは平行四辺形の形状となつ ている。 また、 Mlは、 第 1配線層パターンで、 ソース線 SL01, SL23, SL45 に用いられている。 LCTは、 拡散層から第 1配線層へのコンタク トパタ —ンである。 図 5で、 PLは M T J素子の下部電極パターン、 町は M T J 素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みワー ド線 WW l〜WW4に用いられている。 また、 M3は、 第 3配線層パターンであり、 データ線 DL0〜[(し 3に対応する。 さらに、 MCNTはメモリ コンタク トパタ ーンであり、 拡散層から第 1配線層と第 2配線層を介して M T J素子の 下部電極への接続孔のパターンである。 以上のパターンのパターニング には、 周知の光リ ソグラフィを用いることができる。 Next, a specific layout and structure of the memory cell array shown in FIG. 1 will be described. Fig. 5 shows the layout of the MTJ element, and Fig. 6 shows the layout of the transistor. Here, in order to make the repetition unit easier to understand, the write cell line and the read cell line are each shifted by one line from the memory cell shown in FIG. A dotted rectangle MC is an area of one memory cell. In FIG. 6, FL is an active area pattern. FG is a transistor gate pattern corresponding to the read word lines WR1 to WR4. The area where the active area pattern FL and the gate pattern FG overlap is the channel of the power transistor. Here, it has the shape of a parallelogram. Ml is the first wiring layer pattern and is used for the source lines SL01, SL23, and SL45. LCT is a contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer. In Fig. 5, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and town is the MTJ element. It is an element pattern. M2 is a second wiring layer pattern used for the write word lines WWl to WW4. M3 is a third wiring layer pattern, corresponding to the data lines DL0 to [((3). MCNT is a memory contact pattern, and the first wiring layer and the second wiring layer are separated from the diffusion layer. This is the pattern of the connection hole to the lower electrode of the MTJ element through the well-known optical lithography.
図 5及び図 6のレイアウ トのメモリセルについて、 図 7は A-A'断面、 図 8は B-B'断面を示している。 これらの図で、 100は、 p型半導体基板 である。 101pは、 p型ゥエルで、 メモリセルアレイでは全面に、 イオン 打込みを行うことにより形成される。 ί02は、 素子問分離酸化膜で、 パ ターン Fしで囲まれていない領域に対して、例えば基板をエツチングし酸 化膜を埋め込むことにより形成される。 103は、 トランジスタのソース 及びドレインとなる η型拡散層で、ゲート形成後にイオン打込みを行い、 素子間分離酸化膜 102及びゲー卜 L04のない活性領域に形成される。 L04 は、 トランジスタのゲートで、 読み出しワード線として用いられる。 105 は、 拡散層と第 1配線層とのコンタク 卜のプラグで、 コンタク 卜パター ンし CT及び MCNTに応じて形成される。 106は、 パターン M l.に応じて形 成される第 1配線層である。 107は、 第 1配線層と第 2配線層との接続 孔であり、 コンタク トパターン MCNTに応じて形成される。 L08は、 ノ、。タ ーン M2に応じて形成される第 2配線層であり、 M T J素子の直下を通過 する配線が書き込みデータ線となる。 L 09は、 第 2配線層と M T J素子 下部電極を接続するメモリ コンタク 卜で、 メモリ コンタク 卜パターン MCNTに応じて形成される。 0は、 M T J素子下部電極で、 下部電極パ ターン PLに従い加工される。 この層には、 強磁性体の形成に適した貴金 属などの材料を用いることが望ましい。 1 L 1, 1 12, L は、 M T J素子 を構成する強磁性体固定層, トンネル絶縁膜, 強磁性体自由層で、 積層 後に M T J素子パターン M.Tでエッチングされて形成される。 L L 5は、 パ ターン M3に応じて形成される第 3配線層であり、 M T J素子の自由層 L 13に接し、 データ線として用いられる。 メモリセルアレイ中には設け られないが、 周辺回路領域では、 第 2配線層 108と第 3配線層 L 15を接 続するスルーホールが設けられる。 FIG. 7 shows a cross section taken along the line AA ′ and FIG. 8 shows a cross section taken along the line BB ′ of the layout memory cells of FIGS. 5 and 6. In these figures, 100 is a p-type semiconductor substrate. 101p is a p-type well formed in the memory cell array by ion implantation. No. 02 is an element isolation oxide film, which is formed by, for example, etching a substrate and burying the oxide film in a region not surrounded by the pattern F. Reference numeral 103 denotes an η-type diffusion layer serving as a source and a drain of the transistor. The η-type diffusion layer is formed by ion implantation after forming a gate, and is formed in an active region without the element isolation oxide film 102 and the gate L04. L04 is the gate of the transistor and is used as a read word line. Reference numeral 105 denotes a plug of a contact between the diffusion layer and the first wiring layer, which is a contact pattern formed according to CT and MCNT. 106 is a first wiring layer formed according to the pattern Ml. Reference numeral 107 denotes a connection hole between the first wiring layer and the second wiring layer, which is formed according to the contact pattern MCNT. L08 is no. This is the second wiring layer formed according to the turn M2, and the wiring that passes immediately below the MTJ element becomes the write data line. L09 is a memory contact connecting the second wiring layer and the lower electrode of the MTJ element, and is formed according to the memory contact pattern MCNT. 0 is the lower electrode of the MTJ element, which is processed according to the lower electrode pattern PL. It is desirable to use a material such as a noble metal suitable for forming a ferromagnetic material for this layer. 1 L 1, 1 12, and L are the ferromagnetic fixed layer, tunnel insulating film, and ferromagnetic free layer that constitute the MTJ element, and are formed by etching with the MTJ element pattern MT after lamination. LL 5 A third wiring layer formed according to the turn M3, which is in contact with the free layer L13 of the MTJ element and is used as a data line. Although not provided in the memory cell array, a through hole for connecting the second wiring layer 108 and the third wiring layer L15 is provided in the peripheral circuit region.
このように、 図 1の回路図に対応して、 書き込みワード線同士、 読み 出しワード線同士、 データ線同士を並べている。 前述のように本実施例 では、 書き込み時の隣接セルへのディスターブの問題を回避しているた め、 書き込みワード線及びデータ線のピッチを小さくでき、 メモリ セル を高集積化できる。  Thus, the write word lines, the read word lines, and the data lines are arranged in accordance with the circuit diagram of FIG. As described above, in the present embodiment, the problem of disturbance to adjacent cells at the time of writing is avoided, so that the pitch of the write word line and data line can be reduced, and the memory cells can be highly integrated.
ここで、 M T J素子の形状を、 ワー ド線に直交するデータ線方向に比 ベ、 データ線と直交するワード線方向を長く している。 このような形状 にすることにより、 強磁性体自由層 113の異方性が高まり、 データ線電 流による磁界をイージーァクシス, ヮ一ド線電流による磁界をハ一ドア, クシスと して、 安定な動作が可能になる。 さらに、 M T J素子パターン MJを長方形の角を落とした 6角形とすることにより、 安定な磁極の反転 を可能にしている。 本実施例では、 このような形状の M T J素子を、 チ ェッカーパターン状に並べることにより、 効率的に配置している。  Here, the shape of the MTJ element is made longer in the data line direction orthogonal to the word line and in the word line direction orthogonal to the data line. By adopting such a shape, the anisotropy of the ferromagnetic free layer 113 is increased, and the magnetic field due to the data line current is referred to as an easy axis, and the magnetic field due to a lead line current is referred to as a harness and a cis. Operation becomes possible. Furthermore, the M TJ element pattern MJ has a hexagonal shape with the corners of a rectangle dropped, enabling stable magnetic pole reversal. In the present embodiment, the MTJ elements having such a shape are arranged efficiently in a checker pattern.
また、 M T J素子は、 書き込み時に効率的に磁界を印加するため、 書 き込みワード線とデータ線との間に設けている。 そのため、 書き込みヮ —ド線を避けて、 M T J素子の下部電極へメモリ コンタク トを設けなけ ればならない。 前述の形状により、 M T J素子がメモリ コンタク 卜より も大きな面積となるので、 書き込みワード線 2本毎にメモリ コンタク 卜 を配置し、 無駄な領域を無く している。  The MTJ element is provided between a write word line and a data line in order to efficiently apply a magnetic field during writing. Therefore, it is necessary to provide a memory contact to the lower electrode of the MTJ element, avoiding the write source line. With the above-mentioned shape, the MTJ element has a larger area than the memory contact. Therefore, a memory contact is arranged for every two write word lines to eliminate a useless area.
次に、 このメモリセルァレイを用いたメモリの全体構成を説明する。 図 9は、 同期式メモリの構成例の要部ブロック図である。 クロックバッ ファ CLKB, コマン ドバッファ CB, コマン ドデコーダ CD, ア ドレスバッ ファ AB, カラムア ドレスカウンタ YCT, 入力バッファ DIB, 出力バッフ ァ DOBを有し、 さらにメモリ アレイ MARを含んだセクタ SCTO, SCT 1 , ... が設けられている。 図 1のような構成を、 図 9中のメモリ アレイ MARと して用いる。 ただし、 メモリ容量によっては、 このような構成を複数個 繰り返して設け、 図 1 7中のメモリ アレイ MARとすることもできる。 ま た、 セクタはバンクに対応しているが、 バンクあたり複数個のセクタと してもよレ、。 セクタはさらに、 ロウプリデコーダ XPD, カラムプリデコ ーダ YPD, ライ トバッファ WB, メインアンプ ΜΛなどを有する。 Next, the overall configuration of a memory using this memory cell array will be described. FIG. 9 is a main block diagram of a configuration example of the synchronous memory. Clock buffer CLKB, Command buffer CB, Command decoder CD, Address buffer AB, Column address counter YCT, Input buffer DIB, Output buffer A sector SCTO, SCT 1,... Including a memory array MAR is provided. The configuration shown in FIG. 1 is used as the memory array MAR in FIG. However, depending on the memory capacity, a plurality of such configurations may be provided repeatedly to form the memory array MAR in FIG. Also, although sectors correspond to banks, multiple sectors per bank may be used. The sector further includes a row predecoder XPD, a column predecoder YPD, a write buffer WB, and a main amplifier.
各回路プロックは、以下のような役割を果たす。クロックバッファ CLKB は、 外部クロック CLKを内部クロック CLKI と して、 コマンドデコ一ダ CDなどに分配する。 コマン ドデコーダ CDは、 外部からの制御信号 CMD に応じて、 ア ドレスバッファ AB、 カラムア ドレスカウンタ YCT、 入カバ ッファ DIB、 出力バッファ DOBなどを制御する制御信号を発生する。 ァ ドレスバッファ ABは、 外部クロック CLKに応じた所望のタイ ミ ングで、 外部からのァ ドレス ADRを取り込み、 ロウア ドレス I3Xをロウァ ドレスプ リデコーダ XPD へ送る。 ロウア ドレスプリデコーダ XPDは、 ロウア ドレ ス BXをプリデコードし、 ロウプリデコードア ドレス CXとマツ 卜選択信 号 MSを、 メモリ アレイ MARへ出力する。 ア ドレスバッファ ABはまた、 カラムァ ドレスをカラムァ ドレスカウンタ YCT へ送る。 カラムァ ドレス カウンタ YCTはそのァ ドレスを初期値と して、 バース ト動作を行うカラ ムア ドレス BYを発生し、カラムア ドレスプリデコーダ YPDによりプリデ コードして、力ラムプリデコ一ドア ドレス CYをメモリアレイ MAR へ出力 する。 入力バッファ DI Bは、 外部との入出力データ DQのデータを所望の タイミングで取り込んで、 ライ 卜データ G Iをライ 卜バッファ WB へ出力 する。 ライ トバッファ WBは、 ライ トデータ G Iをメイン入出力線 MI0 へ 出力する。 一方、 メインアンプ MAは、 メイン入出力線 MI0の信号を増幅 し、 リ ー ドデータ G0を出力バッファ D0B へ出力する。 出力バッファ D0B は、 入出力データ DQ へ所望のタイミングで、 リードデータ G0を出力す る。 Each circuit block plays the following role. The clock buffer CLKB distributes the external clock CLK to the command decoder CD etc. as the internal clock CLKI. The command decoder CD generates control signals for controlling the address buffer AB, the column address counter YCT, the input buffer DIB, the output buffer DOB, and the like in response to an external control signal CMD. The address buffer AB takes in the external address ADR at a desired timing according to the external clock CLK and sends the low address I3X to the low address predecoder XPD. The row address predecoder XPD pre-decodes the row address BX and outputs a row predecode address CX and a mat select signal MS to the memory array MAR. The address buffer AB also sends the column address to the column address counter YCT. The column address counter YCT uses the address as an initial value, generates a column address BY for performing a burst operation, predecodes the column address by a column address predecoder YPD, and outputs a ram predeco-address CY to the memory array MAR. Output. The input buffer DI B takes in the data of the input / output data DQ with the external device at a desired timing and outputs the write data GI to the write buffer WB. The write buffer WB outputs the write data GI to the main input / output line MI0. On the other hand, the main amplifier MA amplifies the signal of the main input / output line MI0 and outputs the read data G0 to the output buffer D0B. Output buffer D0B outputs read data G0 to input / output data DQ at desired timing. You.
このよ う に、 本発明によるメモリセル構成を用いて、 同期式メモ リ が 実現できる。 外部ク ロ ック CLKと同期してコマン ドゃァ ドレスの取り込 み及びデータの入出力を行う同期式メモリ とすることにより、 高い周波 数での動作が可能であり、 高データレートが実現できる。 木¾明による M R A Mは、 S R A IV [や D R A Mについて問発されている各種の高速メ モリ方式が応用できる。 なお、 本発明は、 単体の M R A Mだけでなく、 M R A Mを混載したシステムし S 1など半導体装置一般に適用できるこ とは言うまでもない。  Thus, a synchronous memory can be realized using the memory cell configuration according to the present invention. Synchronous memory that fetches command addresses and inputs / outputs data in synchronization with external clock CLK enables operation at high frequencies and achieves high data rates it can. MRAM by Akira Kizaki can apply various high-speed memory methods that have been questioned about SRAIV [and DRAM. It is needless to say that the present invention can be applied not only to a single MRAM but also to a general semiconductor device such as a system incorporating a MRAM and S1.
図 1 0は、 図 9に示した構成例について、 リ一ド動作のタイ ミングの 例を示している。 このタイ ミングチャートに従い、 図 9の同期式メモリ の動作を説明する。 外部ク ロ ック CLKの立ち上がり毎に、 コマン ドデコ 一ダ CDが制御信号 CMDを判断する。 リードコマンド Rが与えられること によ り、 了 ドレス ADRからロウァ ドレス及びカラムァ ドレスをァ ドレス ファ A1 に取り込む。 ア ドレスバッファ ABは、 ロウ レス BXを出 力する。 これを受けて、 セクタ SCT0あるいは SCn内で、 ロウア ドレス プリデコ一ダ XPDがロウプリデコードァ ドレス CXを出力し、メモ リ ァレ ィ MAR内で、 図 ].に示したヮ一ド線 WLが選択される。 また、 ァ ドレス ッファ ABに取り込んだカラムァ ドレスを初期値と して、カラムア ドレス カウンタ YCTがクロックサイクル毎に動作し、 カラムァ ドレスプリデコ —ダ YPDがバース 卜動作に対応したカラムァ ドレス BYを出力する。 これ を受けて、 セクタ SCT0あるいは SCT L内で、 カラムア ドレスプリデコ一 ダ YPDがカラムプリデコ一ドァ ドレス CXを出力し、 メモ リ アレイ MAR内 で、 図 ].に示した読み出しデータ線 DRの選択を行う。 それにより、 メイ ン入出力線 M I0へ信号が読み出され、 メイ ンアンプ MAがリードデータ GOを出力し、 さらに出力バッファ DOBが外部クロ ック CLKに応じたタイ ミングでデータを入出力データ DQ 出力する。 ここでは、 リードコマンド Rでロウァ ドレスとカラムァ ドレスを同時 に取り込んでいる。 これにより、 D R A Mでは一般に必要とされている ロウァ ドレス取り込みからカラムァ ドレス取り込みまでの遅延時間がな く、 選択されたデータ線の情報のみを検出できる。 D R A Mと異なり、 M R A Mは非破壊読み出しが可能であり、 ワード線上の全メモリセルの データを検出する必要はないため、 このような動作が可能である。 選択 されたデータ線の情報のみを検出することにより、 消費電力が低減でき る。 FIG. 10 shows an example of the timing of the read operation in the configuration example shown in FIG. The operation of the synchronous memory in FIG. 9 will be described according to the timing chart. Each time the external clock CLK rises, the command decoder CD determines the control signal CMD. When the read command R is given, the row address and the column address are taken into the address file A1 from the end address ADR. The address buffer AB outputs the address BX. In response to this, in the sector SCT0 or SCn, the row address predecoder XPD outputs the row predecode address CX, and in the memory MAR, the lead line WL shown in FIG. Selected. The column address counter YCT operates every clock cycle with the column address fetched into the address buffer AB as the initial value, and the column address predecoder YPD outputs the column address BY corresponding to the burst operation. In response, the column address predecoder YPD outputs the column predecoder address CX in the sector SCT0 or SCTL, and selects the read data line DR shown in Figure] in the memory array MAR. . As a result, a signal is read out to the main input / output line M I0, the main amplifier MA outputs read data GO, and the output buffer DOB outputs data at the timing according to the external clock CLK. Output. Here, the row address and the column address are simultaneously acquired by the read command R. As a result, in the DRAM, there is no delay time generally required between the capture of the row address and the capture of the column address, and only the information of the selected data line can be detected. Unlike DRAM, MRAM can perform non-destructive readout and does not need to detect data in all memory cells on a word line, so this operation is possible. Power consumption can be reduced by detecting only the information of the selected data line.
(第 2の実施例)  (Second embodiment)
図 1 1に、 第 2の実施例の M R A M.のメモリセルアレイを示す。 第 1 の実施例のメモリセルァレイに対し、 読み出しヮード線の順番を変えて いることが特長である。第 1の実施例と同様に、書き込みヮード線が職' WW1 , WW2, W 3, …の順に並んでいるのに対し、 読み出しワード線は WR0, WR2, WR 1, WR3, …の順に並んでいる。 読み出しワー ド線と同一方向に、 ソース線 SL02, SL 13, …が配置される。書き込みワード線とデータ線 DL0, DL 1 , DL2, DL3, …との交点に、 チェッカーパターン状に、 メモリセル MC00, MC02, MC11, MC13, C20, C22, …, MC31 , MC33, ... が設けられる。第 1の実施例と同様に、書き込みヮード線 0, WW1, WW2, WW3, …と読み出しワード線 WRO, WR1 , WR2, WR3, …及びソース線 SL02, Sし 13, …は、 駆動回路を含むワー ド線制御回路 RCN2, RCF2により制御さ れ、 データ線 DL0, DL 1 , DL2, DL3, …は、 センス回路及び駆動回路を含 むデータ線制御回路 CCN2, CCF2により両端を制御される。 また、 各メモ リセルは、 1.個の M T J素子 iMTJと :L個の 卜ランジスタ MTからなる。 M T J素子 ΜΤ,Ιの一端は、 データ線に接続され、 他端はトランジスタ ΜΤの ドレインに接続される。 トランジスタ ΜΤのゲー トは読み出しワード線に 接続され、 ソースはソース線に接続される。 このよ うなメモリセル構成 力 s、書き込みワード線 4本、読み出しワード線 4本ごとに繰り返される。 なお、 図 1 丄で、 メモリセル MC L(), 中を書き込みワード線 WW2力;、 メモリセル MC2 1, C23中を書き込みヮ一ド線 WW Lが通過しているが、 こ れは回路図の都合であり、 次に示すレイアウ トのように、 メモリセルの 構成とは無関係である。 FIG. 11 shows a memory cell array of the MRAM of the second embodiment. The feature is that the order of the read-out read lines is changed with respect to the memory cell array of the first embodiment. As in the first embodiment, the write word lines are arranged in the order of WW1, WW2, W3,..., Whereas the read word lines are arranged in the order of WR0, WR2, WR1, WR3,. I have. Source lines SL02, SL13,... Are arranged in the same direction as the read word lines. At the intersections between the write word lines and the data lines DL0, DL1, DL2, DL3,…, in the form of a checker pattern, memory cells MC00, MC02, MC11, MC13, C20, C22,…, MC31, MC33, ... Provided. Like the first embodiment, the write word lines 0, WW1, WW2, WW3,... And the read word lines WRO, WR1, WR2, WR3,. Are controlled by word line control circuits RCN2 and RCF2, and both ends of data lines DL0, DL1, DL2, DL3,... Are controlled by data line control circuits CCN2 and CCF2 including a sense circuit and a drive circuit. Each memory cell consists of 1. MTJ element iMTJ and: L transistor MT. One end of each of the MTJ elements ΜΤ and Ι is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor ΜΤ. The gate of transistor ΜΤ is connected to the read word line, and the source is connected to the source line. Such a memory cell configuration s is repeated for every four write word lines and every four read word lines. Note that in FIG. 1 メ モ リ, the memory cell MCL (), the write word line WW2 force; and the memory cell MC21, C23, the write word line WWL pass through. This is independent of the memory cell configuration, as shown in the layout below.
図 1 2は M T J素子の、 図: L 3はトランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。 ここでも、 繰り返し単位をわかりやすくするため、 図 1 1で 示しているメモリセルより も書き込みヮード線及び読み出しヮ一ド線、 それぞれ L本分ずらした領域を示している。 点線の長方形 MCが、 〖個の メモリセルの領域である。 図 1 2は、 図 5と同様なレイアウ トとなって いるが、 図丄 3では、 活性領域パターン FLの形状が、 図 6と異なり、 長 方形となっている。 FGは、 卜ランジス夕のゲートパターンで、 WR2, W1U, WR3, WR4の順に並んでいる読み出しワー ド線として用いられる。 M iは第 1配線層パターンであり、 LCTは拡散層から第丄配線層へのコンタク 卜 パターンである。 図 1 2で、 Pしは M T J素子の下部電極パターン、 M.Tは M T J素子パターンである。 M2は、第 2配線層パターンで、 WWし 而 2, WW3, WW4の順に並んでいる書き込みワード線に用いられている。 M3は、 第 3 配線層パターンで、 データ線と して用いられている。 図 1 2及び図丄 3 で、 MCNTはメモリ コンタク 卜パターンである。  Fig. 12 shows the layout of the MTJ element, and Fig. L3 shows the layout of the transistor. Again, in order to make the repetition unit easier to understand, the write cell line and the read cell line are shifted by L lines from the memory cell shown in FIG. The dotted rectangle MC is an area of メ モ リ memory cells. FIG. 12 has the same layout as that of FIG. 5, but in FIG. 3, the shape of the active region pattern FL is different from that of FIG. 6 and is rectangular. FG is the gate pattern of the transistor and is used as a read word line arranged in the order of WR2, W1U, WR3, WR4. Mi is the first wiring layer pattern, and LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the second wiring layer. In FIG. 12, P denotes the lower electrode pattern of the MTJ element, and M.T denotes the MTJ element pattern. M2 is a second wiring layer pattern, which is used for write word lines arranged in the order of WW, 2, WW3, WW4. M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line. In FIGS. 12 and 3, MCNT is a memory contact pattern.
図 1 2及び図 1 3のレイァゥ 卜のメモリセルについて、 図 1 4は Λ - Λ' 断面、 図 1 5は B-B'断面を示している。 図 7及び図 8と同様に、 これら の図で、 100は ρ型半導体基板、 LO L pは ρ型ゥエル、 L02は素子間分離 酸化膜、 103は n型拡散層、 104は卜ランジスタのゲー 卜、 L05は拡散層 と第 1配線層とのコンタク 卜のプラグ、 L 06は第 1配線層、 107は第 1配 線層と第 2配線層との接続孔、 108は第 2配線層、 L 09はメモリ コンタク 卜、 U0は M T J素子下部電極であり、 L i l, L 12, L 13は M T J素子を構 成し、 5は第 3配線層である。  With regard to the memory cells of the layouts of FIGS. 12 and 13, FIG. 14 shows a section taken along the line Λ-Λ, and FIG. 15 shows a section taken along the line BB ′. Similar to FIGS. 7 and 8, in these figures, 100 is a ρ-type semiconductor substrate, LO L p is a ρ-type well, L02 is an inter-element isolation oxide film, 103 is an n-type diffusion layer, and 104 is a transistor transistor gate. L05 is a plug of a contact between the diffusion layer and the first wiring layer, L06 is a first wiring layer, 107 is a connection hole between the first wiring layer and the second wiring layer, 108 is a second wiring layer, L09 is the memory contact, U0 is the lower electrode of the MTJ element, Lil, L12, and L13 constitute the MTJ element, and 5 is the third wiring layer.
この実施例では、 同一データ線に接続されたメモ リセル同士が、 書き 込みヮ一ド線に対しては 1本おきになっているが、 読み出し用ヮード線 に関しては隣接している。 書き込み時の隣接セルへのディスターブの問 題は、 読み出しヮード線とは無関係であり、 本実施例のように、 データ 線と書き込みヮ一ド線に対して MT J素子がチェッカーパターンとなる ようにメモリセルを配置すれば、 影響を低减できる。 本実施例では、 隣 接する読み出しヮード線に接続されるメモリセルを同一のデータ線に接 続することで、 トランジスタ おのチャネルの形状を長方形にしている。 それにより、ゲートと素子間分離酸化膜が鋭角に交わることがなくなり、 卜ランジスタ MTの信頼性を含めた性能向上が容易になる。 In this embodiment, the memory cells connected to the same data line Every other lead wire is adjacent to the read lead line, but adjacent to the read lead line. The problem of disturbing adjacent cells at the time of writing is not related to the read-out read line, and as in this embodiment, the MTJ element must be in a checker pattern for the data line and the write-out line. The effect can be reduced by arranging the memory cells. In this embodiment, the memory cells connected to the adjacent read-out line are connected to the same data line, so that the channel shape of each transistor is made rectangular. As a result, the gate and the isolation oxide film do not intersect at an acute angle, and the performance improvement including the reliability of the transistor MT becomes easy.
(第 3の実施例)  (Third embodiment)
図 1 6に、 第 3の実施例の MR AMのメモリセルアレイを示す。 書き 込みヮード線 2本に対し、 読み出しヮード線を 1本にしていることが特 長である。書き込みヮード線職, WW1に対応して読み出しヮード線 WR01 とソース線 SL01力 書き込みワード線が丽 2, WW3に対応して読み出し ワード線 WR23 とソース線 SL23が設けられている。 書き込みワード線、 読み出しワー ド線及びソース線と、 データ線 Dし 0, DL1, Dし 2, DL3, …と の交点に、 メモリセル MC00, MC02, …, MC11, MC13, MC20, MC22, MC31, C33, …が設けられる。 第 1あるいは第 2の実施例と同様に、 書き込みワード線 WW0, WWし WW2, WW3, …と読み出しワー ド線 WR0, WR1, WR2, WR3, …及びソース線 SL01, SL23, …は、 駆動回路を含むワード線 制御回路 RCN3, RCF3により制御され、 データ線 DL0, DL1, DL2, DL3, ... は、 センス回路及び駆動回路を含むデータ線制御回路 CCN3, CCF3により 両端を制御される。 また、 各メモリセルは、 1個の MT J素子 MTJと 1 個の トランジスタ MTからなる。 メモリセル構成は、 書き込みワード線 2 本、 読み出しワード線 1本ごとに繰り返される。  FIG. 16 shows a memory cell array of the MRAM of the third embodiment. The feature is that one read lead line is used for two write lead lines. Write word line, read word line WR01 and source line SL01 corresponding to WW1 There are two write word lines, read word line WR23 and source line SL23 corresponding to WW3. At the intersection of the write word line, read word line and source line and the data lines D and 0, DL1, D and 2, DL3, ..., memory cells MC00, MC02, ..., MC11, MC13, MC20, MC22, MC31 , C33,… are provided. As in the first or second embodiment, the write word lines WW0, WW, WW2, WW3,... And the read word lines WR0, WR1, WR2, WR3,. Are controlled by word line control circuits RCN3 and RCF3, and both ends of the data lines DL0, DL1, DL2, DL3,... Are controlled by data line control circuits CCN3 and CCF3 including a sense circuit and a drive circuit. Each memory cell includes one MTJ element MTJ and one transistor MT. The memory cell configuration is repeated for every two write word lines and every one read word line.
書き込みヮード線と読み出しヮ一ド線の本数が異なるため、 ヮード線 を選択するためのァドレスのデコード方法が読み出しと書き込みとで異 なるが、 書き込みワード線 2本分のア ドレスに対応して、 読み出しヮー ド線を選択すれば良いので、 実現は容易である。 Since the number of write read lines and the number of read read lines are different, the address decoding method for selecting read lines differs between read and write. However, the read mode line can be selected according to the addresses of two write word lines, so that the implementation is easy.
図 1 7は M T J素子の、 図 1 8は トランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。 ソース線を拡散層により配線し、 図 6あるいは図 1 3中で用 いている第 : 1-配線層パターン Ml及びコンタク 卜パターンし CTを削除して いることが特長である。 ここでは、 図 1 6で示しているメモリセルより も、 データ線方向には書き込みワード線 2本分、 すなわち読み出しヮー ド線 1本分、 ヮード線方向にはデータ線 1本分ずらした領域を示してい る。 点線の長方形 MC力 1.個のメモリセルの領域である。 図 1_ 7は、 図 5あるいは図 1 2と同様なレイアウ トとなっている力;、 図 1 8では、 活 性領域パターン FLの形状が、 図 6あるいは図 1 3と異なり、 櫛形となつ ている。 FGは、 トランジスタのゲー トパターンで、 読み出しワード線と して用いられる。 図 1 7で、 PLは M T J素子の下部電極パターン、 M.Iは M T J素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みヮ ー ド線に用いられている。 は、 第 3配線層パターンで、 データ線と し て用いられている。 。 図 1 7及び図 1 8で、 MCNTは、 拡散層から第 2配 線層を介して M T J素子下部電極へのメモリコンタク トパターンである c 図丄 7及び図 1 8のレイァゥ 卜のメモリセルについて、 図 L 9は /\ - /\' 断面、 図 2 0は B- B'断面を示している。 図 7及び図 8あるいは図丄 4及 び図 1 5と同様に、 これらの図で、 L00は p型半導体基板、 l O L pは P型 ゥエル、 102は素子間分離酸化膜、 L03は n型拡散層、 L04は卜ランジス タのゲートである。 第丄配線層がないため、 105は拡散層と第 2配線層 とのコンタク 卜のプラグである。 108は第 2配線層、 L09はメモリ コンタ ク 卜、 0は M T J素子下部電極であり、 1 1 1 , L 12, 3は M T J素子を 構成し、 L L5は第 3配線層である。 図 8あるいは図 1 5と異なり、 図 2 0では、 ソース線となる拡散層が連続的に形成されている断面となって いる。 この実施例では、 拡散層をソース線と し、 第 1及び第 2の実施例の構 造から、 第 1配線層を削除している。 それにより、 配線層 1-層分の製造 工程を削除でき、 低コス 卜化できる。 ここで、 M T J素子のレイァゥ 卜 を、 書き込みヮ一ド線 2本毎にメモリ コンタク トを配置していることに より、 メモリコンタク ト間の間隔が比較的大きくできるため、 ソース線 となる拡散層の幅を確保して、 抵抗を小さくできる。 なお、 第 1あるい は第 2の実施例のようなレイァゥ トでも、 読み出しヮード線となるゲー 卜パターンの間隔を大きくすれば、 拡散層により ソース線を形成するこ とは可能である。 特に、 第 2の実施例では、 図 1 3に示したように活性 領域がソース線と直交したレイアウ トであるので、 拡散層を読み出しヮ 一ド線方向に接続してソース線とするための、 活性領域のパターニング は容易である。 さらに、 本実施例では、 書き込みワード線 2本に対し L 本と、 読み出しワード線の数を低減することで、 ソース線となる拡散層 の幅を広げ低抵抗化をはかっている。 Fig. 17 shows the layout of the MTJ element, and Fig. 18 shows the layout of the transistor. The feature is that the source lines are wired by diffusion layers, and the CT used in FIG. 6 or FIG. 13 is eliminated by using the 1st-wiring layer pattern Ml and the contact pattern. Here, the area shifted from the memory cell shown in FIG. 16 by two write word lines in the data line direction, that is, by one read mode line, and by one data line in the read line direction. Is shown. Dotted rectangle MC force 1. This is the area of one memory cell. In Fig. 1_7, the force has the same layout as in Fig. 5 or Fig. 12; in Fig. 18, the shape of the active region pattern FL differs from that in Fig. 6 or Fig. I have. FG is a gate pattern of a transistor and is used as a read word line. In FIG. 17, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and MI is the MTJ element pattern. M2 is a second wiring layer pattern, which is used for a write lead line. Is a third wiring layer pattern, which is used as a data line. . In Figure 1 7 and 1 8, MCNT, for c Zu丄7 and Reiau Bok of the memory cell of FIG. 1 8 is a memory configuration Takt pattern from the diffusion layer to the MTJ element lower electrode through a second wiring layer , FIG. L9 shows a / \-/ \ 'section, and FIG. 20 shows a BB' section. As in FIGS. 7 and 8 or FIGS. 4 and 15, in these figures, L00 is a p-type semiconductor substrate, l OL p is a p- type well, 102 is an element isolation oxide film, and L03 is an n-type. The diffusion layer, L04, is the transistor gate. 105 is a contact plug between the diffusion layer and the second wiring layer because there is no first wiring layer. Reference numeral 108 denotes a second wiring layer, L09 denotes a memory contact, 0 denotes a lower electrode of the MTJ element, 111, L12, and 3 form an MTJ element, and L L5 denotes a third wiring layer. Unlike FIG. 8 or FIG. 15, FIG. 20 shows a cross section in which diffusion layers serving as source lines are continuously formed. In this embodiment, the diffusion layer is used as a source line, and the first wiring layer is omitted from the structures of the first and second embodiments. As a result, the manufacturing process for the one-layer wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced. Here, by arranging the MTJ element layout for every two write lead lines, the interval between the memory contacts can be relatively large, so that the diffusion layer serving as the source line can be formed. The width can be secured to reduce the resistance. It should be noted that even in the case of the layout as in the first or second embodiment, it is possible to form a source line using a diffusion layer if the distance between gate patterns serving as read-out read lines is increased. In particular, in the second embodiment, since the active region has a layout orthogonal to the source lines as shown in FIG. 13, it is necessary to connect the diffusion layers in the read-out line direction to form the source lines. The patterning of the active region is easy. Further, in the present embodiment, the number of read word lines is reduced to L for two write word lines, and the width of the diffusion layer serving as a source line is increased to reduce the resistance.
この実施例では、 書き込みワード線 2本に対し、 読み出しワード線を 1本にしているため、 第 2の実施例と同様に、 同一データ線に接続され たメモリセル同士が、 読み出し用ワード線に関しては隣接している。 前 述のように、 書き込み時の隣接セルへのディスターブの問題は、 読み出 しヮード線とは無関係であり、 本実施例でもデータ線と書き込みワード 線に対して M T J素子がチェッカ一パターンとなるようにメモリセルを 配置しているため、 影響を低減できる。  In this embodiment, one read word line is used for two write word lines, so that the memory cells connected to the same data line are connected with respect to the read word line as in the second embodiment. Are adjacent. As described above, the problem of disturbing adjacent cells at the time of writing is unrelated to the read line, and in this embodiment, the MTJ element is a checker pattern for the data line and the write word line. Since the memory cells are arranged as described above, the effect can be reduced.
(第 4の実施例)  (Fourth embodiment)
図 2 1に、 第 4の実施例の M R A Mのメモリセルアレイを示す。 メモ リセルを、 2個のトランジスタ MTL, MTRと 丄個の M T J素子 MTJで構成 していることが特長である。 書き込みワード線 WW0, Wi, WW2, WW3, ... に対応し、 読み出しワード線 WR01 L, WR01 R, WR23 L, WR23R, …が配置さ れる。 また、 読み出しワード線と同一方向に、 ソース線 SLO, SL 12, SL34, …が配置される。 書き込みワード線とデータ線 DL0, DL1, 1)し 2, DL3, ... との交点に、チェッカーパターン状に、メモリセノレ MCOO, MC02, MC11, MC13, …, MC20, C22, MC31, MC33, ..., …が設けられる。 第: 1—の 実施例などと同様に、 書き込みワード線 WWO, WW1, WW2, WW3, …と読み 出しワード線 WR01L, WROIR, WR23し, WR23R, …及びソース線 SL0, SL12, SL34, …は、 駆動回路を含むワード線制御回路 RCN4, RCF4により制御さ れ、 データ線 DLO, DL1, DL2, DL3, …は、 センス回路及び駆動回路を含 むデータ線制御回路 CCN4, CCF4により両端を制御される。 ここで、 書き 込みヮード線 WR01Lと WROIR, WR23Lと WR23R, …が、それぞれ対となり、 メモリセル中の 2個の トランジスタ MTL, MTRのゲートに接続される。 同 じメモリセルに接続された 2本ずつの 1対で、 書き込みヮード線は同じ 制御を行う。 すなわち、 物理的には 2本の読み出しワード線であるが、 論理的には丄本の読み出しワード線である。 また、 メモリセル中のトラ ンジスタは、 並列に同じ動作を行い、 物理的には 2個の トランジスタで あるが、論理的には 1個の トランジスタである。 また、各メモリセルは、 1個の MT J素子 MTJと 1個の トランジスタ MTからなる。 MT J素子 MTJの一端は、 データ線に接続され、 他端は卜ランジスタ MTの ドレイン に接続される。 FIG. 21 shows a memory cell array of the MRAM of the fourth embodiment. The feature is that the memory cell is composed of two transistors MTL and MTR and MT MTJ elements MTJ. Read word lines WR01 L, WR01 R, WR23 L, WR23R, ... are arranged corresponding to the write word lines WW0, Wi, WW2, WW3, .... In the same direction as the read word line, the source lines SLO, SL 12, SL34, ... are arranged. At the intersection of the write word line and the data line DL0, DL1, 1) and 2, DL3, ..., a memory pattern MCOO, MC02, MC11, MC13, ..., MC20, C22, MC31, MC33,. ..,… are provided. As in the first embodiment, the write word lines WWO, WW1, WW2, WW3,… and the read word lines WR01L, WROIR, WR23, WR23R,… and the source lines SL0, SL12, SL34,… The data lines DLO, DL1, DL2, DL3,… are controlled at both ends by the data line control circuits CCN4, CCF4 including the sense circuit and the drive circuit, controlled by the word line control circuits RCN4, RCF4 including the drive circuit. You. Here, the write mode lines WR01L and WROIR, WR23L and WR23R,... Are paired and connected to the gates of two transistors MTL and MTR in the memory cell. A pair of two connected to the same memory cell performs the same control on the write line. That is, physically, there are two read word lines, but logically, there are two read word lines. Also, the transistors in the memory cell perform the same operation in parallel and are physically two transistors, but logically one transistor. Each memory cell is composed of one MTJ element MTJ and one transistor MT. One end of the MTJ element MTJ is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT.
図 2 2は MT J素子の、 図 2 3は卜ランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。 ここでは、 図 2 1で示しているメモリセルより も、 データ線 方向には書き込みヮード線 2本分、 すなわち読み出しヮード線 1対分、 ヮード線方向にはデータ線 t本分ずらした領域を示している。図 2 2は、 図 5などと同様なレイアウ トとなっているが、 図 2 3では、 活性領域パ ターン FLの形状が、 図 6などと異なり、 帯状となっている。 FGは、 卜 ランジスタのゲートパターンで、 読み出しワード線として用いられる。 Mlは第 1配線層パターンであり、 LCTは拡散層から第 1配線層へのコン タク 卜パターンである。図 2 2で、 PLは MT J素子の下部電極パターン、 MJは M T J素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込 みワード線に用いられている。 M3は第 3配線層パターンで、 データ線と して用いられている。 MCNTはメモリコンタク 卜パターンである。 Figure 22 shows the layout of the MTJ element, and Figure 23 shows the layout of the transistor. Here, an area shifted from the memory cell shown in FIG. 21 by two write code lines in the data line direction, that is, one pair of read read lines, and shifted by t data lines in the read line direction is shown. ing. FIG. 22 has a layout similar to that of FIG. 5 and the like, but in FIG. 23, the shape of the active region pattern FL is different from that of FIG. FG is a transistor gate pattern and is used as a read word line. Ml is the first wiring layer pattern, and LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer. In Figure 22, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, MJ is an MTJ element pattern. M2 is a second wiring layer pattern used for a write word line. M3 is a third wiring layer pattern, which is used as a data line. MCNT is a memory contact pattern.
図 2 2及び図 2 3のレイァゥ 卜のメモリセルについて、 図 2 4は A- A' 断面、 図 2 5は B-B'断面を示している。 図 7及び図 8あるいは図 1 4及 び図 1 5と同様に、 これらの図で、 100は p型半導体基板、 LO l pは p型 ゥエル、 102は素子間分離酸化膜、 丄 03は n型拡散層、 104は卜ランジス タのゲー ト、 105は拡散層と第 1配線層とのコンタク 卜のプラグ、 L06は 第 1配線層、 107は第 1配線層と第 2配線層との接続孔、 108は第 2配線 層、109はメモリコンタク ト、 1 10は M T J素子下部電極であり、1 , 1 12, 丄 13は M T J素子を構成し、 1 1 5は第 3配線層である。  Regarding the memory cells of the layouts of FIGS. 22 and 23, FIG. 24 shows an AA ′ section, and FIG. 25 shows a BB ′ section. As in FIGS. 7 and 8 or FIGS. 14 and 15, in these figures, 100 is a p-type semiconductor substrate, LO lp is a p-type well, 102 is an element isolation oxide film, and 丄 03 is an n-type. Diffusion layer, 104: gate of transistor, 105: plug for contact between diffusion layer and first wiring layer, L06: first wiring layer, 107: connection hole between first and second wiring layers Reference numeral 108 denotes a second wiring layer, 109 denotes a memory contact, 110 denotes an MTJ element lower electrode, 1, 1 12, and 13 constitute an MTJ element, and 115 denotes a third wiring layer.
この実施例では、 メモリセル中のトランジスタを、 2個の並列接続と し、オン状態での抵抗を下げている。前述のように、読み出し動作では、 M T J素子の抵抗変化率を検出する。 M T J素子の抵抗変化率は、 高々 数十%程度であり、 その検出のためには、 トランジスタのオン抵抗が M T J素子の抵抗より も十分低くなければならない。 M T J素子の抵抗値 は、 動作速度の点からあまり高くできないため、 トランジスタのオン抵 抗を下げることが望まれる。 そのために、 トランジスタ 2個を並列接続 してメモリセルに用いることは、文献 1に示されている。本実施例では、 この手法を、 M T J素子をチェッカーパターン状に配置するために、 メ モリコンタク ト間の間隔が比較的大きくなることを活かし、 効率的なレ ィアウ トで実現している。 また、 場合によっては、 活性領域パターン FL を直線的な帯状にすることで、 パターエングが容易になり、 そのスぺー スを縮小して、 トランジスタのチャネル幅を拡大し、 さらに 卜ランジス タを低抵抗化することも可能である。  In this embodiment, two transistors in the memory cell are connected in parallel to reduce the on-state resistance. As described above, in the read operation, the resistance change rate of the MTJ element is detected. The rate of change in resistance of the MTJ element is at most about several tens of percent, and for detection thereof, the on-resistance of the transistor must be sufficiently lower than the resistance of the MTJ element. Since the resistance value of the MTJ element cannot be increased so much in terms of operating speed, it is desirable to reduce the on-resistance of the transistor. Reference 1 discloses that two transistors are connected in parallel and used for a memory cell. In the present embodiment, this method is realized with an efficient layout by arranging the MTJ elements in a checker pattern, taking advantage of the relatively large space between the memory contacts. In some cases, patterning the active region pattern FL in a linear band facilitates patterning, reduces its space, increases the channel width of the transistor, and reduces the transistor resistance. It is also possible to convert.
(第 5の実施例)  (Fifth embodiment)
図 2 6に、 第 5の実施例の M R A Mのメモリセルアレイを示す。 メモ リセルを、 2個の トランジスタ MTb, MTt と 2個の MT J素子 MT.Tb, MTJt で構成していることが特長である。図丄に示した第 1の実施例と同様に、 書き込みワード線 WWO, W 1, 丽 2, W 3, …に対応し、 読み出しワード線 RO, WR1, WR2, WR3, …が配置され、 また、 読み出しワード線と同一方 向に、 ソース線 SL01, SL23, …が配置される。 一方、 データ線は、 対線 でなり、 DLObと DL0t, DLlb と DLU, …がそれぞれデータ線対となって いる。書き込みヮ一ド線及び読み出しヮード線とデータ線対との交点に、 チェッカーパターン状に、メモリセル MC00, MCL1, .·., MC20, MC31, …, …が設けられる。 各メモリセル内の MT J素子 MTJh, MTJtの一端は、 それぞれデータ線対に接続され、 他端はトランジスタ MTb, MTtの ドレイ ンに接続される。 トランジスタ MTh, MTtのゲ一卜は読み出しヮー ド線に 接続され、ソースはソース線に接続される。第 1の実施例などと同様に、 書き込みワード線と読み出しヮー ド線及びソース線は、 駆動回路を含む ヮ一ド線制御回路 RCN5, RCF5により制御され、 データ線対は、 センス回 路及び駆動回路を含むデータ線制御回路 CCN5, CCF5により両端を制御さ れる。 FIG. 26 shows a memory cell array of the MRAM of the fifth embodiment. Note The feature is that the recell consists of two transistors MTb and MTt and two MTJ elements MT.Tb and MTJt. Similarly to the first embodiment shown in FIG. 5, read word lines RO, WR1, WR2, WR3,... Are arranged corresponding to the write word lines WWO, W1, 丽 2, W3,. , Source lines SL01, SL23,... Are arranged in the same direction as the read word lines. On the other hand, the data lines are paired, and DLOb and DL0t, DLlb and DLU,. Memory cells MC00, MCL1,..., MC20, MC31,...,... Are provided at checkpoint patterns at intersections of the write / read line and the data line pair. One end of each of the MTJ elements MTJh and MTJt in each memory cell is connected to the data line pair, and the other end is connected to the drains of the transistors MTb and MTt. The gates of the transistors MTh and MTt are connected to the read mode line, and the sources are connected to the source line. As in the first embodiment, the write word line, the read mode line, and the source line are controlled by the read line control circuits RCN5 and RCF5 including the drive circuit, and the data line pair is connected to the sense circuit and the drive circuit. Both ends are controlled by the data line control circuits CCN5 and CCF5 including the circuit.
メモリセルァレイの動作は、 メモリセル中の MT J素子に相補な情報 を記憶させて、 以下のように行う。 読み出し動作では、 図 2 7に示すよ うに、 WRO, WR1, WR2, WR3, …中で選択した読み出しワード線 WRをハイ レベルにすることにより、 該ワード線に接続されたメモリセル中でトラ ンジスタ MTb, MTtを導通させて MT J素子 MT.Tb, TJbの端子問に電圧 を印加する。 MT J素子 MTJb, MTJbの磁気抵抗に応じて、 DLObと DL0t, DLibと DLlt, …中の所望のデータ線対を介して流れる電流: [DLb, IDLt を比較することにより、 記憶情報を.読み出す。 一方、 書き込み動作は、 図 4に示すように、 WWO, WW1, WW2, WW3, …中で選択された書き込みヮ 一ド線の電流 TWWを、書き込みヮード線電流 IWSとし、 DLObと DL0t, DLlb と DLit, …中で選択したデータ線対に書き込みデータに応じた書き込み 電流を流すことにより磁界を発生させて行う。 この時の選択データ線対 の電流 IDLb, IDLtは、 相補に正の ID1 と負の: [DOとする。 The operation of the memory cell array is performed as follows, with complementary information stored in the MTJ element in the memory cell. In the read operation, as shown in FIG. 27, by setting the read word line WR selected among WRO, WR1, WR2, WR3,... To a high level, the transistors in the memory cells connected to the word line are changed. Turn on MTb and MTt and apply voltage to the terminals of MTJ element MT.Tb and TJb. Current flowing through a desired data line pair in DLOb and DL0t, DLib and DLlt,... According to the magnetoresistance of MTJ elements MTJb and MTJb: [Read stored information by comparing DLb and IDLt. . On the other hand, as shown in FIG. 4, the write operation is performed by setting the current TWW of the write source line selected among WWO, WW1, WW2, WW3,... As the write source line current IWS, and the DLOb, DL0t, DLlb DLit,… Write to the selected data line pair according to the write data This is performed by generating a magnetic field by passing a current. The currents IDLb and IDLt of the selected data line pair at this time are complementarily positive ID1 and negative: [DO.
この実施例は、 文献 1 と同様に、 2個の トランジスタと 2個の M T J 素子で構成されたメモリセルを用いている。 このメモリセルは、 1個の 卜ランジスタと 1個の M T J素子で構成されたメモリセルを相補に 2個 用いているので、 ツインセルと呼ばれている。 第 1の実施例などのメモ リセルに比べ、 セル面積が大きくなるが、 安定動作が容易である。 読み 出し動作では、 データ線対の電流を比較すれば良く、 参照信号の発生が 不要である。 書き込み動作では、 データ線対で電流が往復するように電 流を流すため、 制御が容易である。  This embodiment uses a memory cell composed of two transistors and two MTJ elements as in Reference 1. This memory cell is called a twin cell because it uses two complementary memory cells consisting of one transistor and one MTJ element. Although the cell area is larger than that of the memory cell of the first embodiment, stable operation is easy. In the read operation, it is sufficient to compare the currents of the data line pairs, and it is not necessary to generate a reference signal. In the write operation, control is easy because the current flows so that the current reciprocates in the data line pair.
本実施例では、 このメモリセルをチェッカーバターン状に配置するこ とにより、 書き込み時のディスターブを低減している。 特に、 データ線 の電流による漏れ磁界は、 隣接するデータ線と対をなすデータ線が、 そ の次に配置され、 逆向きに電流が流れることにより低減される。 また、 選択書き込みワード線上で隣接するメモリセルは、 選択データ線対との 間にデータ線対があり、 距離が十分離れているため、 データ線対の電流 による漏れ磁界は小さレ、。  In this embodiment, disturb at the time of writing is reduced by arranging the memory cells in a checker pattern. In particular, the leakage magnetic field due to the current in the data line is reduced by arranging the data line paired with the adjacent data line next to the data line and flowing the current in the opposite direction. Also, adjacent memory cells on the selected write word line have a data line pair between the selected data line pair and the distance is sufficiently large, so that the leakage magnetic field due to the current of the data line pair is small.
図 2 9は M T J素子の、 図 3 0はトランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。 ここでは、 図 2 6で示しているメモリセルよりも、 データ線 方向には書き込みヮード線及び読み出しヮード線 i本分、 ヮード線方向 にはデータ線 1本分ずらした領域を示している。 データ線対の間で、 線 対称なレイアウ トとなっている。 図 3 0で、 FLは活性領域パターン、 FG はトランジスタのゲ一トパターンで、 読み出しヮード線として用いられ る。 Mlは第 1配線層パターンであり、 LCTは拡散層から第 1配線層への コンタク 卜パターンである。 図 2 9で、 PLは M T J素子の下部電極パタ ーン、 町は M T J素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みヮード線に用いられている。 M3は第 3配線層パターンであり、 データ線として用いる。 図 5に示したレイァゥ 卜とは異なり、 対応する MT J素子の有無により、 幅を変えたレイアウ トと している。 図 2 9及 び図 3 0で、 MCNTはメモリ コンタク 卜パターンである。 FIG. 29 shows the layout of the MTJ element, and FIG. 30 shows the layout of the transistor. Here, an area shifted from the memory cell shown in FIG. 26 by i write and read read lines in the data line direction and by one data line in the read line direction is shown. The layout is line-symmetric between the data line pairs. In FIG. 30, FL is an active region pattern, and FG is a gate pattern of a transistor, which is used as a read-out line. Ml is the first wiring layer pattern, and LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer. In Fig. 29, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and Machi is the MTJ element pattern. M2 is a second wiring layer pattern, which is used for a write lead line. M3 is the third wiring layer pattern, Used as data line. Unlike the layout shown in FIG. 5, the layout is changed in width depending on the presence or absence of the corresponding MTJ element. In FIGS. 29 and 30, MCNT is a memory contact pattern.
図 2 9及び図 3 0のレイアウ トのメモリセルで、 A-A'断面は、 第 1の 実施例と同じく図 7に示したようになる。 図 3 1は B- B'断面を示してい る。 100は p型半導体基板、 101pは p型ゥエル、 〖02は素子間分離酸化 膜、 L04はトランジスタのゲート、 L08は第 2配線層、 109はメモリ コン タク ト、 110は MT J素子下部電極であり、 L11, 112, 1L3は MT J素子 を構成し、 L15は第 3配線層である。 なお、 この断面では、 η型拡散層、 拡散層と第 1配線層とのコンタク 卜のプラグ、 第 1配線層、 第 1配線層 と第 2配線層との接続孔は えていない。  In the memory cells having the layouts of FIGS. 29 and 30, the cross section taken along the line AA ′ is as shown in FIG. 7 as in the first embodiment. FIG. 31 shows a BB ′ cross section. 100 is a p-type semiconductor substrate, 101p is a p-type well, 02 is an element isolation oxide film, L04 is a transistor gate, L08 is a second wiring layer, 109 is a memory contact, and 110 is a MTJ element lower electrode. Yes, L11, 112 and 1L3 constitute the MTJ element, and L15 is the third wiring layer. In this cross section, the η-type diffusion layer, the plug of the contact between the diffusion layer and the first wiring layer, the connection hole between the first wiring layer, and the first and second wiring layers are not provided.
この実施例でも、 MT J素子の形状を、 ワード線に直交するデータ線 方向に比べ、 データ線と直交するワード線方向を長く している。 データ 線の線幅を MT J素子の有無により変えることで、 この形状を MT J素 子を効率的に配置している。  Also in this embodiment, the shape of the MTJ element is longer in the word line direction orthogonal to the data lines than in the data line direction orthogonal to the word lines. By changing the line width of the data line depending on the presence or absence of the MTJ element, the MTJ element is efficiently arranged in this shape.
(第 6の実施例)  (Sixth embodiment)
図 3 2に、 第 6の実施例の MR AMのメモリセルアレイを示す。 隣接 する書き込みヮード線をソース線として用いることが特長である。 書き 込みワード線 WW0, WW1, WW2, WW3, …に対応し、 読み出しワード線 WR0, WR1, WR2, WR3, …が配置される。 書き込みワード線及び読み出しワー ド 線とデータ線 Dし 0, DLL, DL2, DL3, …との交点に、 チヱッカーパターン 状に、 メモリセノレ MC00, MC02, …, MCLL, MCL3, …, MC20, MC22, …, MC:U, MC33, ···, …が設けられる。 各メモリセルは、 隣接する書き込みワー ド 線、 例えばメモリセル MC00, MC02は書き込みワー ド線 WW1、 メモリセル MC11, MC13は書き込みヮ一ド線 WW0にも接続する。書き込みヮード線 WW0, WW1, WW2, 3, …と読み出しワー ド線 WRO, WR1, WR2, WR3, …は、 ,駆 動回路を含むワード線制御回路 RCN6, RCF6により制御され、 データ線 DLO, DL 1, DL2, DL3, …は、 センス回路及び駆動回路を含むデータ線制 御回路 CCN6, CCF6により両端を制御される。 各メモリセルは、 M T J素 子 MTJと トランジスタ MTにより構成され、 M T J素子 MT.Tの一端はデー タ線に接続され、 他端はトランジスタ MTの ドレインに接続される。 トラ ンジスタ MTのゲー卜は読み出しヮード線に接続され、 ソースは隣接する 書き込みヮード線に接続される。すなわち、第 1の実施例などのように、 ソース線に接続する代わりに、 隣接する書き込みヮード線に接続されて いる。 FIG. 32 shows a memory cell array of the MRAM of the sixth embodiment. The feature is that an adjacent write mode line is used as a source line. Read word lines WR0, WR1, WR2, WR3, ... are arranged corresponding to the write word lines WW0, WW1, WW2, WW3, .... At the intersection of the write word line and read word line with the data line D, 0, DLL, DL2, DL3,…, in a checker pattern, memory cells MC00, MC02,…, MCLL, MCL3,…, MC20, MC22 ,…, MC: U, MC33,. Each memory cell is connected to an adjacent write word line, for example, the memory cells MC00 and MC02 are also connected to a write word line WW1, and the memory cells MC11 and MC13 are also connected to a write word line WW0. The write word lines WW0, WW1, WW2, 3,… and the read word lines WRO, WR1, WR2, WR3,… are controlled by the word line control circuits RCN6 and RCF6 including the drive circuit and the data lines. DLO, DL1, DL2, DL3, ... are controlled at both ends by the data line control circuits CCN6 and CCF6 including the sense circuit and the drive circuit. Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT. One end of the MTJ element MT.T is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT. The gate of the transistor MT is connected to a read mode line, and the source is connected to an adjacent write mode line. That is, instead of being connected to the source line as in the first embodiment, it is connected to the adjacent write code line.
図 4を用いて説明したように、 メモリセルの読み出し動作の際、 書き 込みヮード線は電流を流す必要は無く、所望の電圧を保つことができる。 また、 書き込み動作の際には、 メモリセル内の 卜ランジスタ MTがオフし ているため、 その書き込みワード線に電流を流しても、 トランジスタ MT を通じで電流が流れてしまう恐れはない。 したがって、 この実施例のよ うに、隣接する書き込みヮード線をソース線として用いることができる。 図 3 3は M T J素子の、 図 3 4は トランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。第 1.の実施例などで用いている第 1配線層パターン M l を削除 している。 ここでは、 図 1 6で示しているメモリセルより も、 データ線 方向には書き込みヮード線及び読み出しヮード線それぞれ 2本分、 ヮー ド線方向にはデータ線 1本分ずらした領域を示している。 点線の長方形 MC力;、 1個のメモリセルの領域である。 図 3 3及び図 3 4で、 MCNTは拡 散層から第 2配線層を介して M T J素子下部電極へのメモリ コンタク 卜 パターンであり、 WCTは拡散層から第 2配線層へのコンタク 卜パターン である。 図 3 3は、 図 1 7などと同様なレイアウ トとなっているが、 図 3 4では、 第 2配線層へのコンタク 卜のレイァゥ 卜の都合により、 活性 領域パターン FLを伸ばし、 それを縫うように、 読み出しワード線である トランジスタのゲー トパターン FGが配置されている。 図 3 3で、 PLは M T J素子の下部電極パターン、 M.Tは M T J素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みワード線に用いられている。 M3は、 第 3配線層パターンで、 データ線と して用いられている。 As described with reference to FIG. 4, at the time of the read operation of the memory cell, it is not necessary to supply a current to the write line, and a desired voltage can be maintained. In addition, during the write operation, the transistor MT in the memory cell is off, so that even if a current flows through the write word line, there is no danger that the current will flow through the transistor MT. Therefore, as in this embodiment, an adjacent write line can be used as a source line. Figure 33 shows the layout of the MTJ element, and Figure 34 shows the layout of the transistor. The first wiring layer pattern Ml used in the first embodiment and the like is deleted. Here, an area shifted from the memory cell shown in FIG. 16 by two write and read read lines in the data line direction and one data line in the pad line direction is shown. . Dotted rectangular MC force; area of one memory cell. In FIGS. 33 and 34, MCNT is a memory contact pattern from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the second wiring layer, and WCT is a contact pattern from the diffusion layer to the second wiring layer. is there. FIG. 33 has the same layout as in FIG. 17 etc., but in FIG. 34, the active area pattern FL is extended and sewn due to the layout of the contact to the second wiring layer. Thus, the gate pattern FG of the transistor that is the read word line is arranged. In FIG. 33, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and MT is the MTJ element pattern. M2 is The second wiring layer pattern is used for a write word line. M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line.
図 3 3及び図 3 4のレイアウ トのメモリセルについて、 図 3 5は A - A' 断面、 図 3 6は B- B'断面を示している。 図 1 9及び図 2 0と同様に、 こ れらの図で、 L00は p型半導体基板、 LO l pは p型ゥエル、 L02は素子間 分離酸化膜、 L 03は n型拡散層、 L04は トランジスタのゲ一 卜、 K)5は拡 散層と第 2配線層とのコンタク 卜のプラグ、 L 08は第 2配線層、 L 09はメ モリ コンタク ト、 1 10は M T J素子下部電極であり、 U L, 1 12, 〖L :3は M T J素子を構成し、 U 5は第 3配線層である。 コンタク 卜プラグ 105は、 コンタク 卜パターン MCNT及び WCTに応じて形成する。  Regarding the memory cells having the layouts shown in FIGS. 33 and 34, FIG. 35 shows an AA ′ section, and FIG. 36 shows a BB ′ section. As in FIGS. 19 and 20, in these figures, L00 is a p-type semiconductor substrate, LO lp is a p-type well, L02 is an element isolation oxide film, L03 is an n-type diffusion layer, and L04 is The gate of the transistor, K) 5 is the plug of the contact between the diffusion layer and the second wiring layer, L08 is the second wiring layer, L09 is the memory contact, and 110 is the lower electrode of the MTJ element. , UL, 112, 〖L: 3 constitute the MTJ element, and U5 is the third wiring layer. The contact plug 105 is formed according to the contact patterns MCNT and WCT.
この実施例では、 隣接する書き込みワード線をソース線と して用いる ことにより、 第 1あるいは第 2の実施例の構造から、 第 1.配線層を削除 している。 それにより、 配線層 1層分の製造工程を削除でき、 低コス ト 化できる。 第 3の実施例のように、 拡散層をソース線とすることもでき るが、 本実施例のように、 書き込みワード線をソース線と して用いる方 が、 配線抵抗の影響を小さくできる。 この実施例では、 書き込みワード 線を隣接する 2個のメモリセルに接続しているが、 一方はソース線に代 わるものであり、 書き込み時の隣接セルへのディスターブの影響を低減 できる。  In this embodiment, the first wiring layer is omitted from the structure of the first or second embodiment by using the adjacent write word line as the source line. As a result, the manufacturing process for one wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced. Although the diffusion layer can be used as the source line as in the third embodiment, the influence of the wiring resistance can be reduced by using the write word line as the source line as in the present embodiment. In this embodiment, the write word line is connected to two adjacent memory cells, but one of them replaces the source line, and the influence of disturbance on the adjacent cells during writing can be reduced.
書き込みワード線とソース線と して用いる際、 書き込みワード線と し ての制御のための、ヮード線制御回路 RCN6, RCF6内の駆動回路のために、 トランジスタのオン抵抗が付加されることが懸念される。 しカゝし、 図 4 に示したように書き込みヮード線は一方向に電流を流せば良いので、 ヮ 一ド線制御回路 RCN6, RCF6の一方では、 書き込みヮード線を固定電圧に 接続していても良く、 抵抗が付加されることを防止できる。  When used as the write word line and source line, there is a concern that the transistor ON resistance may be added due to the drive circuit in the read line control circuits RCN6 and RCF6 for controlling the write word line. Is done. However, as shown in Fig. 4, it is only necessary to supply a current to the write line in one direction, so one of the write line control circuits RCN6 and RCF6 connects the write line to a fixed voltage. It is also possible to prevent the resistance from being added.
(第 7の実施例)  (Seventh embodiment)
図 3 7に、 第 7の実施例の M R A Mのメモリセルアレイを示す。 ヮー ド線方向に隣接するメモリセルで交互に、 ヮード線を書き込みヮ一ド線 と読み出しヮ一ド線に使い分けることが特長である。ヮード線 WO, Wl, W2, W3, W4, W5, W6, W7, …とデータ線 DL0, DLL, 0し 2, Dし 3, …との交点に、 ヮード,線 2本毎にメモリセル MC00, MC02, MCll, MCI 3, …, C20, MC22, MC31, MC33, ■·., MC40, MC42, ..·, C51, MC53, …, C60, MC62, …,FIG. 37 shows a memory cell array of the MRAM of the seventh embodiment.ヮ The feature is that the read line is alternately used as a write line and a read line in memory cells adjacent to each other in the line direction. At the intersection of the code lines WO, Wl, W2, W3, W4, W5, W6, W7, ... and the data lines DL0, DLL, 0 to 2, D to 3, ..., the memory cells MC00 for every two lines , MC02, MCll, MCI 3,…, C20, MC22, MC31, MC33, ■ .., MC40, MC42, .., C51, MC53,…, C60, MC62,…,
MC71, MC73, …, …が設けられる。 また、 ワード線 2本毎に、 ソース線 SLO, SL12, SL34, SL56, SL78...が配置される。 ワード線 W0, Wl, W2, W3, W4, W5, W6, W7, …は、 駆動回路を含むワード線制御回路 RCN7, RCF7に より両端を制御され、 データ線 DLO, DL1, DL2, Dし 3, …は、 センス回路 及び駆動回路を含むデータ線制御回路 CCN7, CCF7により両端を制御され る。各メモリセルは、 MT J素子 MTJと トランジスタ MTにより構成され、 T J素子 MT.Jの一端はデータ線に接続され、他端は トランジスタ MTの ドレインに接続される。 卜ランジスタ MTのゲートはヮ一ド線に接続され. ソースはソース線に接続される。 ただし、 ワード線の役割が、 MT J素 子に磁界を与える書き込みワード線と トランジスタのゲー トに接続され た読み出しワード線とで、 データ線毎に交互になっている。 例えば、 デ ータ線 DL0に接続されたメモリセル MCOO, MC20, MC40, MC60では、 ヮ一 ド線 W0, W2, W4, W6が書き込みヮー ド線と して働き、 ヮード線 Wl, W3, W5, W7が読み出しワード線として接続されている。 一方、 データ線 DL1. に接続されたメモリセル MCll, MC 1, MC5L, では、 ヮード線 Wt, W , 5, W7が書き込みワード線として働き、 ワード線 WO, W2, W4, W6が読 み出しヮード線として接続されている。 MC71, MC73, ..., ... are provided. In addition, source lines SLO, SL12, SL34, SL56, SL78 ... are arranged for every two word lines. The word lines W0, Wl, W2, W3, W4, W5, W6, W7, ... are controlled at both ends by word line control circuits RCN7, RCF7 including the drive circuit, and the data lines DLO, DL1, DL2, D ,... Are controlled at both ends by data line control circuits CCN7 and CCF7 including a sense circuit and a drive circuit. Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT. One end of the TJ element MT.J is connected to the data line, and the other end is connected to the drain of the transistor MT. The gate of the transistor MT is connected to the gate line. The source is connected to the source line. However, the role of the word line is alternated for each data line between a write word line that applies a magnetic field to the MTJ element and a read word line connected to the gate of the transistor. For example, in the memory cells MCOO, MC20, MC40, and MC60 connected to the data line DL0, the lead lines W0, W2, W4, and W6 work as write lead lines, and the lead lines Wl, W3, W5 , W7 are connected as read word lines. On the other hand, in the memory cells MCll, MC1, MC5L, connected to the data line DL1, the read lines Wt, W, 5, W7 function as write word lines, and the word lines WO, W2, W4, W6 read out. It is connected as a lead line.
図 4を用いて説明したように、 メモリセルの読み出し動作の際には、 書き込みヮード線に電流と電圧のいずれも印加する必要は無く、 書き込 み動作の際には、 読み出しワード線には電流と電圧のいずれも印加する 必要は無い。 そのため、 このよ うに、 ワー ド線を書き込みワー ド線と読 み出しヮ一ド線に使い分けても、 正常動作が可能である。 図 3 8は M T J素子の、 図 3 9はトランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。 M2は第 2配線層パターン、 FGは卜ランジスタのゲ一卜パター ンで、 両方ともワード線に用いられている。 FCTは、 ゲー トから第 ].配 線層を介して第 2配線層へのコンタク 卜パターンである。 FLは活性領域 パターン、 Mlは第 1配線層パターン、 LCTは拡散層から第 1配線層への コンタク トパターン、 PLは M T J素子の下部電極パターン、 MJは M T J 素子パターンである。 M3は第 3配線層パターンで、 データ線として用い られている。 MCNTはメモリ コンタク 卜パターンである。 なお、 必要に応 じて、 ゲー 卜から第 1配線層を介して第 2配線層へのコンタク 卜パター ン FCTは、 間引く ことができる。 As described with reference to FIG. 4, during the read operation of the memory cell, it is not necessary to apply any of the current and the voltage to the write word line, and during the write operation, the read word line is not applied. There is no need to apply both current and voltage. Therefore, normal operation is possible even if the word line is used as a write word line or a read word line, as described above. Fig. 38 shows the layout of the MTJ element, and Fig. 39 shows the layout of the transistor. M2 is a second wiring layer pattern, and FG is a transistor gate pattern, both of which are used for word lines. The FCT is a contact pattern from the gate to the second wiring layer via the wiring layer. FL is the active region pattern, Ml is the first wiring layer pattern, LCT is the contact pattern from the diffusion layer to the first wiring layer, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and MJ is the MTJ element pattern. M3 is a third wiring layer pattern used as a data line. MCNT is a memory contact pattern. If necessary, the contact pattern FCT from the gate via the first wiring layer to the second wiring layer can be thinned out.
図 3 8及び図 3 9のレイァゥ 卜のメモリセルについて、 図 4 0は A-A' 断面、 図 4 1は B- B'断面を示している。 105f は、 ゲー卜と第 1配線層の コンタク 卜のプラグであり、 図 3 9中のコンタク トパターン FCTに応じ て形成される。 他の記号は、 図 7及び図 8などと同様に、 100は p型半 導体基板、 lO Lpは p型ゥ ル、 102は素子間分離酸化膜、 103は n型拡 散層、 104はトランジスタのゲー卜、 〖05は拡散層と第 1配線層とのコン タク 卜のプラグ、 106は第 1配線層、 107は第 1配線層と第 2配線層との 接続孔、 108は第 2配線層、 109はメモリ コンタク 卜、 L 10は M T J素子 下部電極であり、 1 11, 112, L 13は M T J素子を構成し、 115は第 3配線 層である。 ただし、 接続孔 107は、 図 3 8及び図 3 9のメモリ コンタク 卜パターン MCNTに加え、コンタク 卜バターン FCTにも応じて形成される。 このように、 読み出しヮード線となるゲー卜 104を、 書き込みヮ一ド 線となる第 2配線層 108と接続することにより、 読み出し動作を高速化 できる。 ゲー ト 104は、 一般に、 ポリシリ コンやポリサイ ド、 あるレ、は ポリシリコンとメタルを積層したポリメタルなどで形成され、 メタルの 配線層より もシー卜抵抗が高い。 これを第 2配線層と接続することによ り、 ゲート 104のシート抵抗の影響を軽減し、 読み出しに用いられるヮ ―ド線の立ち上がり及び立ち下がりの時間を短縮できる。 文献 2には、 メモリセルァレイのェッジで、 読み出しヮード線と書き込みヮード線を 接続した構成が示されているが、 本実施例では、 メモリアレイ内で多数 の接続孔により接続しているため、 ゲー トをメタル配線層でシャン 卜す る効果が大きい。 また、 文献 2では、 同じメモリセルに接続される読み 出しヮード線と書き込みヮード線を接続しているため、 書き込み時にそ れぞれ電流を流している書き込みワード線とデータ線との間で、 電流が 流れてしまう恐れがある。 書き込みワード線に電流を流す際、 読み出し ヮード線の電圧が変化して、 メモリセル内のトランジスタが導通する恐 れがあるためである。 本実施例では、 各メモリセルの読み出しワー ド線 と書き込みワード線は別になつているため、 この問題がない。 第 2配線 層に電流を流すために、 ゲー トの電圧が持ち上がってしまっても、 選択 メモリセルの トランジスタはオフ状態を保ち、 書き込みのために電流を 流す選択デ一タ線には干渉しない。 データ線が非選択となっている非選 択メモリセル中でトランジスタがオンになる恐れがあっても、 その際に 非選択データ線をフローティング状態にすれば不要な電流は流れない。 本実施例は、 このような構成を、 M T J素子をチェッカーパターン状に 配置することにより、 効率的にレイアウ トしている。 この実施例では、 ヮー ド線を隣接する 2個のメモリセルに接続しているが、 一方では読み 出しヮード線となるゲー トで、 他方では書き込みワード線となる第 2配 線層であるので、 書き込み時の隣接セルへのディスターブの影響を低減 できる。 Regarding the memory cells of the layouts of FIGS. 38 and 39, FIG. 40 shows an AA ′ section, and FIG. 41 shows a BB ′ section. 105f is a contact plug of the gate and the first wiring layer, and is formed according to the contact pattern FCT in FIG. Other symbols are the same as those in FIGS. 7 and 8, such as 100 is a p-type semiconductor substrate, lOLp is a p-type transistor, 102 is an element isolation oxide film, 103 is an n-type diffusion layer, and 104 is a transistor. , 05 is a plug for the contact between the diffusion layer and the first wiring layer, 106 is the first wiring layer, 107 is the connection hole between the first wiring layer and the second wiring layer, and 108 is the second wiring Layer 109 is a memory contact, L10 is a lower electrode of the MTJ element, 111, 112, and L13 constitute the MTJ element, and 115 is a third wiring layer. However, the connection hole 107 is formed in accordance with the contact pattern FCT in addition to the memory contact pattern MCNT shown in FIGS. 38 and 39. As described above, by connecting the gate 104 serving as a read lead line to the second wiring layer 108 serving as a write lead line, the read operation can be sped up. The gate 104 is generally formed of polysilicon, polysilicon, or some metal, such as polymetal in which polysilicon and metal are laminated, and has a higher sheet resistance than a metal wiring layer. By connecting this to the second wiring layer, the influence of the sheet resistance of the gate 104 is reduced, and this is used for reading. -The rise and fall times of the gate line can be shortened. Literature 2 discloses a configuration in which a read line and a write line are connected by the edge of a memory cell array.In this embodiment, however, the connection is made by a large number of connection holes in the memory array. The effect of shunting the gate with the metal wiring layer is great. In Reference 2, since the read and write read lines connected to the same memory cell are connected, the write word line and the data line, which carry current respectively at the time of writing, Current may flow. This is because, when a current flows through the write word line, the voltage of the read word line changes, and the transistor in the memory cell may be turned on. In this embodiment, this problem does not occur because the read word line and the write word line of each memory cell are provided separately. Even if the gate voltage rises to allow the current to flow through the second wiring layer, the transistor of the selected memory cell remains off, and does not interfere with the selected data line through which the current flows for writing. Even if a transistor may be turned on in a non-selected memory cell where the data line is not selected, unnecessary current does not flow if the non-selected data line is left floating at that time. In this embodiment, such a configuration is efficiently laid out by arranging the MTJ elements in a checker pattern. In this embodiment, the read line is connected to two adjacent memory cells.On the other hand, the read line is a gate and the other is a second wiring layer which is a write word line. In addition, the influence of disturbance on adjacent cells during writing can be reduced.
(第 8の実施例)  (Eighth embodiment)
図 4 2に、 第 8の実施例の M R A Mのメモリセルアレイを示す。 デー タ線を対線とし、 データ線対間に読み出し電流が流れるようにメモリセ ルを接続することが特長である。 書き込みワード線 WWO, WWし WW2 , W3, …に対応し、 読み出しワード線 WR0, WR 1 , R2 , WR 3 , …が配置される。 書き込みヮード線及び読み出しヮード線とデータ線対 DLOuと DL01, DLlu と DL11, DL2u と DL21, DL3u と DL31, …との交点に、 メモリセル MC00, C01, C02, MC03, MC10, MC11, MCL2, MC13, MC20, MC21, C22, MC23, C30, MC31, C32, MC33, …, …が設けられる。 書き込みヮ ード線 WW0, WW1, WW2, WW3, …と読み出しワード線 WR0, R1, WR2, WR3, …は、 駆動回路を含むヮード線制御回路 RCN8, RCF8により制御され、 デ 一タ線対 DLOuと DL01, DLluと DLll, DL2uと DL21, DL3u と DL31, …は、 センス回路及び駆動回路を含むデータ線制御回路 CCN8, CCF8により両端 を制御される。 各メモリセルは、 MT J素子 MTJと トランジスタ MTによ り構成され、 MT J素子 MTJの一端はデータ線対の一方に接続され、 他 端は 卜ランジスタ MTの ドレインに接続される。 卜ランジスタ MTのゲー トは読み出しヮード線に接続され、 ソースはデータ線対の他方に接続さ れる。 すなわち、 第 1の実施例などのように、 ソース線に接続する代わ りに、 データ線対の他方に接続されている。 ここで、 同じデータ線対に 接続され隣接するメモリセル同士は、 データ線対との接続が、 互いに反 対になっている。 例えば、 メモリセル MC00では、 MT J素子 MT.Jがデー タ線 DLOuに接続され、 トランジスタ MTがデータ線 DL01に接続されてい るのに対し、 メモリセル MC10では、 MT J素子 iMTJがデータ線 DL01に 接続され、 トランジスタ MTがデータ線 DLOuに接続されている。 FIG. 42 shows a memory cell array of the MRAM of the eighth embodiment. The feature is that data lines are paired, and memory cells are connected so that read current flows between pairs of data lines. The read word lines WR0, WR1, R2, WR3,... Are arranged corresponding to the write word lines WWO, WW, WW2, W3,. At the intersection of the write and read line and data line pair DLOu and DL01, DLlu and DL11, DL2u and DL21, DL3u and DL31, ..., memory cells MC00, C01, C02, MC03, MC10, MC11, MCL2, MC13 , MC20, MC21, C22, MC23, C30, MC31, C32, MC33, ..., ... are provided. The read word lines WW0, WW1, WW2, WW3, ... and the read word lines WR0, R1, WR2, WR3, ... are controlled by read line control circuits RCN8, RCF8 including a drive circuit, and the data line pair DLOu , DL01, DLlu, DLll, DL2u, DL21, DL3u, DL31, ... are controlled at both ends by data line control circuits CCN8, CCF8 including sense circuits and drive circuits. Each memory cell includes an MTJ element MTJ and a transistor MT. One end of the MTJ element MTJ is connected to one of the data line pairs, and the other end is connected to the drain of the transistor MT. The gate of the transistor MT is connected to the read mode line, and the source is connected to the other of the data line pair. That is, as in the first embodiment, instead of being connected to the source line, it is connected to the other of the data line pair. Here, adjacent memory cells connected to the same data line pair have opposite connections to the data line pair. For example, in memory cell MC00, MTJ element MT.J is connected to data line DLOu, and transistor MT is connected to data line DL01, whereas in memory cell MC10, MTJ element iMTJ is connected to data line DL01. And the transistor MT is connected to the data line DLOu.
メモリセルアレイの動作は、 以下のように行う。 読み出し動作では、 図 4 3に示すように、 冊 0, WR1, WR2, WR3, …中で選択した読み出しヮ ―ド線 WRをハイレベルにすることにより、該ヮード線に接続されたメモ リセル中で卜ランジスタ MTを導通させて MT J素子 MT.Tの端子間に電圧 を印加する。 MT J素子 MT.Iの磁気抵抗に応じて、 DLOuと DL01, DLlu と DL11, DL2u と DL21, DL3uと DL31, …中の所望のデータ線対を介して 流れる電流 IDLu, IDL1の電流を検出することにより、 記憶情報を読み出 す。 一方、 書き込み動作は、 図 4 4に示すように、 WW0, WW1, WW2, WW3, …中で選択された書き込みヮード線の電流 I を、 書き込みヮード線電 流 IWSとし、 Dし Obと DL0t, DLlbと DLlt, …中で選択したデータ線対の 一方で MT J素子 MTJが接続されたデータ線に、 書き込みデータに応じ た書き込み電流 ID1あるいは ID0を流すことにより磁界を発生させて行 う。 図 4 4では、 データ線 DL0u, DLlu, DL2u, DL3u, …に、 MT J素子 MTJが接続されたメモリセルを選択して書き込む場合を示しており、 そ れらの内で選択されたデータ線の電流 IDLuを書き込み電流 IDtあるいは ID0としている。 データ線 DL01, DLU, DL21, DL31, …に、 MT J素子 MTJが接続されたメモリセルを選択して書き込む場合には、 図 4 4とは 逆に、 それらの内で選択されたデータ線の電流 IDL1を書き込み電流 ID1 あるいは ID0とする。 The operation of the memory cell array is performed as follows. In the read operation, as shown in Fig. 43, the read line selected in Book 0, WR1, WR2, WR3, ... is set to the high level, so that the memory cells connected to the read line can be read. Then, the transistor MT is turned on, and a voltage is applied between the terminals of the MTJ element MT.T. Detects the current IDLu and IDL1 flowing through the desired data line pair among the DLOu and DL01, DLlu and DL11, DL2u and DL21, DL3u and DL31,… in accordance with the magnetic resistance of the MTJ element MT.I. By doing so, the stored information is read. On the other hand, as shown in Fig. 44, the write operation is performed for WW0, WW1, WW2, WW3, … The current I of the selected write line is selected as the write line current IWS, and D and Ob and DL0t, DLlb and DLlt, are connected to the MTJ element MTJ on one of the data line pairs selected in…. A magnetic field is generated by applying a write current ID1 or ID0 according to the write data to the data line. FIG. 44 shows a case where a memory cell to which the MTJ element MTJ is connected is selected and written to the data lines DL0u, DLlu, DL2u, DL3u,..., And the data line selected among them is shown. Is the write current IDt or ID0. When selecting and writing to the memory cells connected to the MTJ element MTJ on the data lines DL01, DLU, DL21, DL31,…, contrary to FIG. The current IDL1 is set as the write current ID1 or ID0.
図 4 5は MT J素子の、 図 4 6はトランジスタの、 レイアウ トをそれ ぞれ示す。第 1の実施例などで用いている第 1配線層パターン Ml を削除 している。 点線の長方形 MC力 L個のメモリセルの領域である。 図 4 5 及び図 4 6で、 MCNTは拡散層から第 2配線層を介して MT J素子下部電 極へのメモリ コンタク 卜パターンであり、 DLCTは拡散層から第 2配線層 を介して第 3配線層へのコンタク トパターンである。 図 4 5で、 PLは M T J素子の下部電極パターン、 は MT J素子パターンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みワー ド線に用いられている。 M3は、 第 3配線層パターンで、 データ線と して用いられている。 図 4 6では、 拡 散層から第 3配線層へのコンタク 卜のレイァゥ 卜の都合により、 活性領 域パターン FLを、 データ線に対して大きく傾けている。 FGは、 ゲー ト パターンで、 読み出しヮード線と して用いられる。  Figure 45 shows the layout of the MTJ element, and Figure 46 shows the layout of the transistor. The first wiring layer pattern Ml used in the first embodiment and the like is deleted. Dotted rectangular MC is the area of L memory cells. In FIGS. 45 and 46, MCNT is the memory contact pattern from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the second wiring layer, and DLCT is the third contact pattern from the diffusion layer via the second wiring layer. This is a contact pattern to the wiring layer. In FIG. 45, PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, and is the MTJ element pattern. M2 is a second wiring layer pattern used for a write word line. M3 is a third wiring layer pattern and is used as a data line. In FIG. 46, the active region pattern FL is greatly inclined with respect to the data line due to the layout of the contact from the diffusion layer to the third wiring layer. FG is a gate pattern and is used as a read mode line.
図 4 5及び図 4 6のレイァゥ 卜のメモリセルについて、 図 4 7は A - Λ' 断面、 図 4 8は B-B'断面を示している。 図 1 9及び図 2 0や図 3 3及び 図 3 4と同様に、 これらの図で、 100は ρ型半導体基板、 〖0Lpは ρ型ゥ エル、 L02は素子間分離酸化膜、 L03は n型拡散層、 L04はトランジスタ のゲー 卜、 L05は拡散層と第 2配線層とのコンタク 卜のプラグ、 108は第 2配線層、 109はメモリコンタク ト、 L 10は M T J素子下部電極であり、 11 1, 112, 3は M T J素子を構成し、 LL5は第 3配線層である。 コンタ ク 卜プラグ 105は、 コンタク 卜パターン MCNT及び DLCTに応じて形成す る。 また、 U4は、 第 2配線層から第 3配線層への接続孔であり、 デー タ線コンタク トパターン DLCTに応じて形成する。 With respect to the memory cells of the layouts of FIGS. 45 and 46, FIG. 47 shows a section taken along the line-′, and FIG. 48 shows a section taken along the line BB ′. As in FIGS. 19 and 20 and FIGS. 33 and 34, in these figures, 100 is a ρ-type semiconductor substrate, 〖0Lp is a ρ-type semiconductor, L02 is an element isolation oxide film, and L03 is n. Type diffusion layer, L04 is transistor L05 is a plug of a contact between the diffusion layer and the second wiring layer, 108 is a second wiring layer, 109 is a memory contact, L10 is a lower electrode of the MTJ element, and 111, 112, and 3 are An MTJ element is formed, and LL5 is a third wiring layer. The contact plug 105 is formed according to the contact patterns MCNT and DLCT. U4 is a connection hole from the second wiring layer to the third wiring layer, and is formed according to the data line contact pattern DLCT.
この実施例では、 データ線を対線で用いることにより、 第 1の実施例 などでソース線として用いている第 1配線層を削除している。 それによ り、 配線層 1層分の製造工程を削除でき、 低コス 卜化できる。 第 3の実 施例のように、 拡散層をソース線とすることもできるが、 メタル配線層 を用いる本実施例の方が、 配線抵抗の影響を小さくできる。 しかも、 複 数のメモリセルから同時に読み出す場合に、 ソース線に電流が集中する ことがないため、 配線抵抗の影響が小さい。 また、 データ線対の両方に 信号電流が読み出されるため、データ線対の電流の差をとることにより、 読み出し電流を実効的に倍にできる。 それにより、 高 S / N化して読み 出し動作を高速化できる。 なお、 この実施例では、 データ線を隣接する 2個のメモリセルに接続しているが、 tV[ T J素子 MT.Jについては ί個お きに接続しているため、 書き込み時の隣接セルへのディスターブの影響 を低减できる。  In this embodiment, the first wiring layer used as the source line in the first embodiment and the like is deleted by using the data lines as the pair lines. As a result, the manufacturing process for one wiring layer can be eliminated, and the cost can be reduced. Although the diffusion layer can be used as the source line as in the third embodiment, the effect of the wiring resistance can be reduced in the present embodiment using the metal wiring layer. In addition, when reading data from a plurality of memory cells at the same time, the current does not concentrate on the source line, so that the effect of wiring resistance is small. Also, since the signal current is read out to both data line pairs, the read current can be effectively doubled by taking the difference between the currents in the data line pairs. This makes it possible to increase the S / N and speed up the reading operation. In this embodiment, the data line is connected to two adjacent memory cells. However, since tV [every TJ element MT.J is connected to the adjacent memory cell, the data line is connected to the adjacent cell at the time of writing. The effect of the disturbance can be reduced.
(第 9の実施例)  (Ninth embodiment)
M T J素子の形状を工夫した第 9の実施例について、 次に説明する。 メモリセルアレイは、 第 1の実施例と同様に、 図 1に示した様に構成す る。 M T J素子のレイアウ トを、 図 4 9に示す。 卜ランジスタのレイ了 ゥ トは、 図 6に示した様にする。 図 5と同様に、 図 1で示しているメモ リセルより も、 書き込みヮード線及び読み出しヮード線、 それぞれ i本 分ずらした領域を示しており、 点線の長方形 MC力 〖個のメモリセルの 領域である。 PLは M T J素子の下部電極パターン、 は M T J素子パタ —ンである。 M2は、 第 2配線層パターンで、 書き込みワー ド線 WW1〜WW4 に用いられている。 また、 M3は、 第 3配線層パターンであり、 データ線 DL0〜DL3に対応する。さらに、 MCNTはメモリ コンタク 卜パターンであり、 拡散層から第 1配線層と第 2配線層を介して M T J素子の下部電極への 接続孔のパターンである図 5に示したレイアウ トでは、 M T J素子を 6 角形にしてヮード線方向を長手方向にしていたのに対して、 このレイァ ゥ トでは平行四辺形にして長手方向を書き込みヮード線毎に交互に傾け ている。 Next, a ninth embodiment in which the shape of the MTJ element is devised will be described. The memory cell array is configured as shown in FIG. 1, as in the first embodiment. Figure 49 shows the layout of the MTJ element. The layout of the transistor should be as shown in Figure 6. Similar to FIG. 5, the write and read read lines are shifted by i each from the memory cell shown in FIG. 1, and the rectangular MC indicated by the dotted line represents the area of メ モ リ memory cells. is there. PL is the lower electrode pattern of the MTJ element, is the pattern of the MTJ element — M2 is a second wiring layer pattern used for the write word lines WW1 to WW4. M3 is a third wiring layer pattern, and corresponds to the data lines DL0 to DL3. Furthermore, MCNT is a memory contact pattern, and the layout shown in Fig. 5, which is a pattern of connection holes from the diffusion layer to the lower electrode of the MTJ element via the first and second wiring layers, In this layout, the longitudinal direction is alternately inclined for each writing lead line, whereas the hexagon is a hexagon and the lead line direction is the longitudinal direction.
図 5 0のレイァゥ 卜のメモリセルでも、 A- A'断面は図 8に示した様に なる。 図 5 0は、 B- β'断面を示している。 図 7と同様に、 100は ρ型半 導体基板、 ΙΟ Ιρは p型ゥエル、 102は素子間分離酸化膜、 104は トラン ジスタのゲー ト、 108は第 2配線層、 109はメモリ コンタク 卜、 0は M T J素子下部電極であり、 111, 112, L 13は M T J素子を構成し、 115は 第 3配線層である。 なお、 この断面では、 n型拡散層、 拡散層と第 1配 線層とのコンタク トのプラグ、 第 1配線層、 第 1配線層と第 2配線層と の接続孔は見えていない。  Even in the memory cell having the layout shown in FIG. 50, the cross section taken along the line AA ′ is as shown in FIG. FIG. 50 shows a B-β 'cross section. As in FIG. 7, 100 is a ρ-type semiconductor substrate, Ιρ is a p-type well, 102 is an isolation oxide film, 104 is a transistor gate, 108 is a second wiring layer, 109 is a memory contact, 0 is an MTJ element lower electrode, 111, 112, and L13 constitute an MTJ element, and 115 is a third wiring layer. In this section, the n-type diffusion layer, the plug of the contact between the diffusion layer and the first wiring layer, the connection hole between the first wiring layer and the first and second wiring layers are not visible.
このメモリセルアレイの読み出し動作は、 第 1の実施例と同様に、 図 3に示した様に行う。図 5 1.及び図 5 2は、書き込み動作を示している。 書き込みヮード線の電流を、 書き込み動作により制御し、 しかも書き込 みワード線毎に、 正負を切り換えることが特長である。 図 1のメモリセ ルアレイ構成で、 書き込みワード線の電流については、 ワード線制御回 路 RCN1から RCF1へ流れる電流を正とする。 また、 データ線の電流につ いては、 データ線制御回路 CCN Lから CCF1へ流れる電流を正とする。 選 択する書き込みワード線が、 偶数番目の WW0, W 2, …のいずれかの場合 には、図 5 1に示すように、選択された書き込みワード線の電流 IWWeを、 ' を書き込む場合には正の書き込みヮ一ド線電流 IWpと し、 ' 0'を書き 込む場合には負の書き込みワード線電流 IWnとする。 一方、 選択する書 き込みワード線が、 奇数番目の WWし WW3, …のいずれかの場合には、 図 5 2に示すように、 選択された書き込みワード線の電流 IWWoを、 ' を 書き込む場合には負の書き込みヮ一ド線電流 IWnと し、 ' 0'を書き込む場 合には正の書き込みワード線!;流 IWp とする。 いずれの場合でも、 DL0, DL1, DL2, DL3, …中で選択したデータ線の電流を、 書き込みデータに応 じて正の書き込み電流 I D 1あるいは負の ID0とする。 The read operation of this memory cell array is performed as shown in FIG. 3, as in the first embodiment. FIG. 51 and FIG. 52 show the write operation. The feature is that the current of the write word line is controlled by the write operation, and the polarity is switched for each write word line. In the memory cell array configuration of FIG. 1, the current flowing through the word line control circuit RCN1 from the word line control circuit RCF1 is assumed to be positive. Regarding the current of the data line, the current flowing from the data line control circuit CCNL to CCF1 is assumed to be positive. If the selected write word line is any of the even-numbered WW0, W2,…, as shown in Figure 51, the current IWWe of the selected write word line is The positive write word line current IWp is used, and when writing '0', the negative write word line current IWn is used. On the other hand, the book to select If the write word line is one of the odd-numbered WW and WW3,…, as shown in Figure 52, the current IWWo of the selected write word line and the negative writeヮ Assuming that the lead line current is IWn, when writing '0', a positive write word line! ; Flow IWp. In either case, the current of the data line selected among DL0, DL1, DL2, DL3, ... is set to positive write current ID1 or negative ID0 according to the write data.
このように、 駆動することにより、 書き込みヮ一ド線とデータ線の電 流による選択メモリセルの M T J素子への合成磁界は、 M: T J素子の長 手方向に近い方向で、 書き込みデータに応じた向きとなり、 容易に自由 層の磁化反転による書き込みが行うことができる。 一方、 選択書き込み ヮ一ド線と選択データ線にそれぞれ隣接するメモリセル、 例えば図 1の メモリセル MCi iに書き込む際のメモリセル MC22の M T J素子には、 N T J素子の長手方向にほぼ直行する方向の漏れ磁界が加わる。 この方向 には、 形状異方性により、 自由層の磁化反転が起き難い。 したがって、 図 5のレイァゥ 卜を用いた第 .1.の実施例より も、 さらにディスターブの 影響が小さくなる。  In this way, by driving, the combined magnetic field to the MTJ element of the selected memory cell due to the currents of the write select line and the data line changes according to the write data in a direction close to the longitudinal direction of the M: TJ element. The writing can be easily performed by reversing the magnetization of the free layer. On the other hand, the MTJ element of the memory cell MC22 when writing to the memory cell MC22, which is adjacent to the selected write line and the selected data line, for example, the memory cell MC22 in FIG. Is applied. In this direction, the magnetization reversal of the free layer hardly occurs due to shape anisotropy. Therefore, the influence of the disturbance is smaller than in the first embodiment using the layout of FIG.
このように、 磁気抵抗素子を交互にヮード線に対して傾けて配置する 手法は、 文献 5に開示されている。 文献 5では、 電流により磁界を印加 するヮード線とデータ線との交点全てに磁気抵抗素子を配置しているの に対し、 本実施例では書き込みヮード線とデータ線との交点にチユッカ 一パターン上に M T J素子を配置しているため、 デイスタ一ブを低減す る効果がさらに大きい。 また、 隣接する M T J素子の長手方向の角同士 が近づくことがないため、 レイァゥ 卜が容易である。  A method of alternately arranging the magnetoresistive elements with respect to the lead wire in this manner is disclosed in Reference 5. In Reference 5, the magnetoresistive elements are arranged at all the intersections of the data line and the data line to which the magnetic field is applied by the electric current. In contrast, in this embodiment, the intersection of the write code line and the data line has a checker pattern. Since the MTJ element is located in the area, the effect of reducing disturb is even greater. Further, since the corners in the longitudinal direction of adjacent MTJ elements do not approach each other, the layout is easy.
なお、 M T J素子の固定層については、 製造時に向きを定めるため、 同じ向きであることが望ましい。 図 4 9のレイァゥ 卜では、 データ線と 直行する方向、すなわち書き込みヮード線方向で揃えることが望ましレ、。 そのような固定層に対して、 M R比が大きくなるよう、 自由層の磁化方 向が書き込みヮード線方向とすることが望ましく、 MT J素子の長手方 向を書き込みヮード線方向に対して傾ける角度は、 -45度から 45度の範 囲とするころが望ましい。 Note that the fixed layer of the MTJ element desirably has the same direction in order to determine the direction at the time of manufacture. In the layout shown in FIG. 49, it is desirable to align the data lines in a direction perpendicular to the data lines, that is, in a write line direction. For such a pinned layer, the magnetization of the free layer is It is desirable that the direction is the write code line direction, and the angle at which the longitudinal direction of the MTJ element is inclined with respect to the write code line direction is in the range of -45 degrees to 45 degrees.
ここでは、 第 1の実施例の構成を変形した例を示したが、 第 2の実施 例から第 8の実施例などの構成でも同様に、 MT J素子の長手方向を書 き込みヮード線毎に交互に傾ける手法を用いることができる。  Here, an example in which the configuration of the first embodiment is modified is shown. However, in the configurations of the second embodiment to the eighth embodiment, the longitudinal direction of the MTJ element is similarly written for each lead line. Can be used.
本発明によって得られる主な効果は以下の通りである。  The main effects obtained by the present invention are as follows.
MT J素子と トランジスタを有するメモリセルによ り構成された MR AMセルァレイを有する半導体装置において、 書き込み時に選択セルに 隣接するメモリセルへの漏れ磁界を小さく し、 磁化状態に影響を受ける 恐れを避けられる。 それにより、 高集積で高信頼な高速動作が可能な M RAMセルァレイを実現できる。 産業上の利用可能性  In a semiconductor device with an MR AM cell array composed of an MTJ element and a transistor with a transistor, the leakage magnetic field to the memory cell adjacent to the selected cell during writing is reduced to avoid the possibility of being affected by the magnetization state. Can be As a result, a highly integrated, highly reliable, high-speed MRAM cell array can be realized. Industrial applicability
本願発明は、 、 磁気抵抗の変化を利用して情報を記憶するメモリセル アレイを有する半導体装置一般に好適である。 例えば、 単品の MR AM や MR AMを含んだシステムし S Iに適用できる。  INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for a semiconductor device having a memory cell array that stores information by using a change in magnetoresistance. For example, a single MR AM or a system containing MR AM can be applied to SI.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
1 . 第 iの書き込みヮ一ド線と、  1. The i-th writing line and
前記第 1の書き込みヮード線に隣接する第 2の書き込みヮー ド線と、 前記第 2の書き込みヮード線にさらに隣接する第 3の書き込みヮー ド 線と、  A second write mode line adjacent to the first write mode line, a third write mode line further adjacent to the second write mode line,
前記第 1から第 3の書き込みヮード線と交差する第 1のデータ線と、 前記第 1の書き込みヮード線と前記第 1のデータ線との交点に配置さ れた第 1のメモリセルと、  A first data line intersecting the first to third write code lines, a first memory cell disposed at an intersection of the first write code line and the first data line,
前記第 3の書き込みヮード線と前記第 1のデータ線との交点に配置さ れた第 2のメモリセルとを有し、  A second memory cell disposed at an intersection of the third write code line and the first data line;
前記第 1のメモリセルは、 前記第 1のデータ線に接続された第 1の磁 気抵抗素子と、 前記第 1の磁気抵抗素子に接続された第 1の卜ランジス タとを含み、  The first memory cell includes a first magnetoresistive element connected to the first data line, and a first transistor connected to the first magnetoresistive element,
前記第 2のメモリセルは、 前記第 1のデータ線に接続された第 2の磁 気抵抗素子と、 前記第 2の磁気抵抗素子に接続された第 2の 卜ランジス タとを含み、  The second memory cell includes a second magnetoresistive element connected to the first data line, and a second transistor connected to the second magnetoresistive element,
前記第 2の磁気抵抗素子は、 前記第 1のデータ線に接続された磁気抵 抗素子の中で、 前記第 1の磁気抵抗素子に最も近く配置され、  The second magnetic resistance element is disposed closest to the first magnetic resistance element among the magnetic resistance elements connected to the first data line,
前記第 1の磁気抵抗素子と前記第 2の磁気抵抗素子の間を、 前記第 2 の書き込みヮード線が通過する半導体装置。  A semiconductor device in which the second write code line passes between the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element.
2 . 請求項 ].に記載の半導体装置は、  2. The semiconductor device according to claim].
前記第 1のデータ線に隣接する第 2のデータ線と、  A second data line adjacent to the first data line;
前記第 2の書き込みヮード線と前記第 2のデータ線との交点に配置さ れた第 3のメモリセルとをさらに有し、  A third memory cell disposed at an intersection of the second write code line and the second data line;
前記第 3のメモリセルは、 前記第 2のデータ線に接続された第 3の磁 気抵抗素子と、 前記第 3の磁気抵抗素子に接続された第 3の 卜ランジス タとを含む半導体装置。 The semiconductor device, wherein the third memory cell includes a third magnetoresistive element connected to the second data line, and a third transistor connected to the third magnetoresistive element.
3 . 請求項 2に記載の半導体装置は、 前記第 3の書き込みワー ド線にさ らに隣接する第 4の書き込みヮード線をさらに有し、 3. The semiconductor device according to claim 2, further comprising a fourth write code line further adjacent to the third write word line,
前記第 1のメモリセルは、 前記第 1の磁気抵抗素子と前記第 1の 卜ラ ンジスタとを接続する第 1の接続孔を有し、  The first memory cell has a first connection hole that connects the first magnetoresistive element and the first transistor,
Γ) 前記第 2のメモリセルは、 前記第 2の磁気抵抗素子と前記第 2の トラ ンジスタとを接続する第 2の接続孔を有し、 Γ) the second memory cell has a second connection hole connecting the second magnetoresistive element and the second transistor,
前記第 3のメモリセルは、 前記第 3の磁気抵抗素子と前記第 3の 卜ラ ンジスタとを接続する第 3の接続孔を有し、  The third memory cell has a third connection hole that connects the third magneto-resistance element and the third transistor,
前記第 1の接続孔及び前記第 3の接続孔は、 前記第丄の書き込みヮー0 ド線と前記第 2の書き込みヮード線との間に配置され、  The first connection hole and the third connection hole are disposed between the first write code line and the second write code line,
前記第 2の接続孔は、 前記第 3の書き込みヮード線と前記第 4の書き 込みワード線との間に配置される半導体装置。  The semiconductor device, wherein the second connection hole is arranged between the third write word line and the fourth write word line.
4 . 請求項 2に記載の半導体装置において、  4. The semiconductor device according to claim 2,
前記第 2の トランジスタのソースは、 前記第 2の書き込みヮード線に5 接続され、  A source of the second transistor is connected to the second write code line,
前記第 3の トランジスタのソースは、 前記第 3の書き込みヮード線に 接続される半導体装置。  The semiconductor device, wherein a source of the third transistor is connected to the third write line.
5 . 請求項 ].に記載の半導体装置は、  5. The semiconductor device according to claim].
前記第 1-のデータ線に隣接する第 2のデータ線と、 A second data line adjacent to the first data line;
0 前記第 2のデータ線にさらに隣接する第 3のデータ線と、 0 a third data line further adjacent to the second data line;
前記第 1の書き込みヮ一ド線と前記第 3のデータ線との交点に配置さ れた第 4のメモリセルとさらにを有し、  A fourth memory cell disposed at an intersection of the first write line and the third data line;
前記第 4のメモリセルは、 前記第 3のデータ線に接続された第 4の磁 気抵抗素子と、 前記第 4の磁気抵抗素子に接続された第 4の 卜ランジス5 タとを含み、  The fourth memory cell includes a fourth magnetoresistive element connected to the third data line, and a fourth transistor 5 connected to the fourth magnetoresistive element,
前記第 4の磁気抵抗素子は、 前記第 1書き込みヮード線により書き込 み時に選択される磁気抵抗素子の中で、 前記第 1の磁気抵抗素子に最も 近く配置され、 The fourth magnetoresistive element is the most magnetoresistive element among the magnetoresistive elements selected at the time of writing by the first write code line. Is located close to
前記第 1の磁気抵抗素子と前記第 4の磁気抵抗素子の間を、 前記第 2 のデータ線が通過する半導体装置。  A semiconductor device in which the second data line passes between the first and fourth magnetoresistive elements.
6 . 複数の書き込みワード線と、 6. Multiple write word lines,
前記複数の書き込みヮ一ド線と交差する複数のデータ線と、 前記複数の書き込みヮード線と前記複数のデータ線の所望の交点に、 チェッカーパターン状に配置された複数のメモリセルを有し、  A plurality of data lines intersecting with the plurality of write code lines, and a plurality of memory cells arranged in a checker pattern at desired intersections of the plurality of write code lines and the plurality of data lines,
前記複数のメモリセルの各々は、 該データ線に接続された磁気抵抗素 子と、 前記磁気抵抗素子にドレインが接続された トランジスタとを含む 半導体装置。  Each of the plurality of memory cells includes a magnetoresistive element connected to the data line, and a transistor having a drain connected to the magnetoresistive element.
7 . 請求項 6に記載の半導体装置において、  7. The semiconductor device according to claim 6,
前記複数のメモリセルの各々は、 ].個の前記磁気抵抗素子と、 1個の 前記トランジスタとにより構成されている半導体装置。  Each of the plurality of memory cells is a semiconductor device including:] magnetoresistive elements and one transistor.
8 . 請求項 6に記載の半導体装置において、  8. The semiconductor device according to claim 6,
前記トランジスタの活性領域は、 前記トランジスタのソースと ドレイ ンを結ぶ線が、 前記複数のデータ線の方向に対して、 斜めになるように 配置される半導体装置。  A semiconductor device in which an active region of the transistor is arranged such that a line connecting a source and a drain of the transistor is oblique to a direction of the plurality of data lines.
9 . 請求項 6に記載の半導体装置は、 前記複数の書き込みワード線と同 じ方向に配置された複数の読み出しヮード線をさらに有し、  9. The semiconductor device according to claim 6, further comprising: a plurality of read word lines arranged in the same direction as the plurality of write word lines;
前記トランジスタのゲートは、 該読み出しワード線に接続される半導 体装置。  A semiconductor device, wherein a gate of the transistor is connected to the read word line.
1 0 . 請求項 9に記載の半導体装置において、  10. The semiconductor device according to claim 9,
前記複数の書き込みヮ一ド線と前記複数の読み出しヮード線では、 ァ ドレス割付の順番が異なる半導体装置。  A semiconductor device in which the order of address assignment is different between the plurality of write source lines and the plurality of read source lines.
1 1 . 請求項 9に記載の半導体装置において、  11. The semiconductor device according to claim 9,
前記複数の読み出しヮード線の本数は、 前記複数の書き込みヮード線 の本数の半分であり、 前記読み出しヮード線と前記データ線との全ての交点に、 前記複数の メモリセルが配置される半導体装置。 The number of the plurality of read code lines is half of the number of the plurality of write code lines; A semiconductor device in which the plurality of memory cells are arranged at all intersections of the read mode line and the data line.
1 2 . 請求項 6に記載の半導体装置において、  12. The semiconductor device according to claim 6,
前記磁気抵抗素子は、 前記書き込みヮード線に垂直な方向の寸法が、 前記データに垂直な方向の寸法より も小さい半導体装置。  The semiconductor device, wherein the magnetoresistive element has a dimension in a direction perpendicular to the write code line smaller than a dimension in a direction perpendicular to the data.
1 3 . 請求項 6に記載の半導体装置において、  13. The semiconductor device according to claim 6,
前記磁気抵抗素子は、 チェッカーパターン状に交互に、 長手方向が前 記書き込みヮード線の方向に対して、 傾けて配置される半導体装置。 A semiconductor device in which the magnetoresistive elements are arranged alternately in a checker pattern, with the longitudinal direction being inclined with respect to the direction of the write lead line.
1 4 . 請求項丄 3に記載の半導体装置において、 14. The semiconductor device according to claim 3,
前記磁気抵抗素子の長手方向は、前記書き込みヮー ド線の方向に対し、 The longitudinal direction of the magnetoresistive element is different from the direction of the write lead line.
-45度から 45度の間の角度にある半導体装置。 Semiconductor device at an angle between -45 and 45 degrees.
1. 5 . 請求項 6に記載の半導体装置において、  1.5. The semiconductor device according to claim 6,
前記磁気抵抗素子は、 前記書き込みヮード線より も上層に形成され、 前記磁気抵抗素子上に、 前記データ線が形成される半導体装置。  The semiconductor device, wherein the magnetoresistive element is formed in a layer above the write code line, and the data line is formed on the magnetoresistive element.
1. 6 . 複数の書き込みワード線と、  1.6. Multiple write word lines,
前記複数の書き込みヮ一ド線と交差する複数のデータ線対と、 前記複数の書き込みワード線と前記複数のデータ線対の所望の交点 ίこ チェッカーバターン状に配置された複数のメモリセルを有し、  A plurality of data line pairs intersecting the plurality of write word lines; a desired intersection of the plurality of write word lines and the plurality of data line pairs; a plurality of memory cells arranged in a checker pattern; And
前記複数のメモリセルの各々は、 該データ線に接続された磁気抵抗素 子と、 前記磁気抵抗素子に ドレインが接続された トランジスタとを含む 半導体装置。  Each of the plurality of memory cells includes a magnetoresistive element connected to the data line, and a transistor having a drain connected to the magnetoresistive element.
1 7 . 請求項 1 6に記載の半導体装置において、  17. The semiconductor device according to claim 16,
前記複数のメモリセルの各々は、 該データ線対に各々接続された 2個 の前記磁気抵抗素子と、 前記 2個の磁気抵抗素子に各々 ドレインが接続 された 2個の前記トランジスタとにより構成されている半導体装置。 Each of the plurality of memory cells includes two magnetoresistive elements connected to the data line pair, and two transistors each having a drain connected to the two magnetoresistive elements. Semiconductor device.
1 8 . 請求項 1 6に記載の半導体装置において、 18. The semiconductor device according to claim 16,
前記複数のメモリセルの各々は、 該データ線対の一方に接続された 1 個の前記磁気抵抗素子と、 該磁気抵抗素子に ドレインが接続され、 該デ ータ線対の他方にソースが接続された 1個の前記トランジスタとにより 構成されている半導体装置。 Each of the plurality of memory cells is connected to one of the data line pairs. A semiconductor device comprising: a plurality of the magneto-resistive elements; and one transistor having a drain connected to the magneto-resistive element and a source connected to the other of the data line pair.
1 9 . I頃に隣り合って設けられた第 1、 第 2、 第 3、 及び第 4のヮ一 ド 線と、  19. First, second, third, and fourth ground lines provided adjacent to each other around I
前記第 1から第 4のヮ一ド線に交差する第 ].のデータ線と、 前記第丄から第 4のヮード線に交差し、 前記第 1のデータ線に隣接す る第 2のデータ線と、  A first data line intersecting the first to fourth code lines; and a second data line intersecting the first to fourth code lines and adjacent to the first data line. When,
前記第 1及び第 2のヮ一ド線と前記第 1のデータ線との交点に配置さ れた第 1のメモリセルと、  A first memory cell disposed at an intersection of the first and second pad lines and the first data line;
前記第丄及び第 2のヮード線と前記第 2のデータ線との交点に配置さ れた第 2のメモリセルと、  A second memory cell disposed at an intersection of the second and second code lines and the second data line;
前記第 3及び第 4のヮード線と前記第丄のデータ線との交点に配置さ れた第 3のメモリセルと、  A third memory cell disposed at an intersection of the third and fourth code lines and the third data line;
前記第 3及び第 4のワード線と前記第 2のデータ線との交点に配置さ れた第 4のメモリセルとを有し、  A fourth memory cell disposed at an intersection of the third and fourth word lines and the second data line,
前記第上のメモリセルは、 前記第 1 のデータ線に接続され前記第 1 の ヮード線の電流により磁界を印加される第 1の磁気抵抗素子と、 ドレイ ンが前記第 1の磁気抵抗素子に接続されゲートが前記第 2のヮード線に 接続される第 1の トランジスタとを有し、  The first memory cell includes a first magnetoresistive element connected to the first data line, to which a magnetic field is applied by a current of the first read line, and a drain connected to the first magnetoresistive element. A first transistor having a gate connected to the second wire and a gate connected to the second wire.
前記第 2のメモリセルは、 前記第 2のデータ線に接続され前記第 2の ヮード線の電流により磁界を印加される第 2の磁気抵抗素子と、 ドレイ ンが前記第 2の磁気抵抗素子に接続されゲー 卜が前記第: Lのヮード線に 接続される第 2の 卜ランジスタとを有し、  The second memory cell includes a second magnetoresistive element connected to the second data line and applied with a magnetic field by a current of the second read line, and a drain connected to the second magnetoresistive element. A second transistor connected to the first: L lead wire,
前記第 3のメモリセルは、 前記第 1のデータ線に接続され前記第 3の ヮード線の電流により磁界を印加される第 3の磁気抵抗素子と、 ドレイ ンが前記第 3の磁気抵抗素子に接続されゲー 卜が前記第 4のヮード線に 接続される第 3の トランジスタとを有し、 The third memory cell includes a third magnetoresistive element connected to the first data line, to which a magnetic field is applied by a current of the third read line, and a drain connected to the third magnetoresistive element. Connected and the gate is connected to the fourth lead. A third transistor to be connected,
前記第 4のメモリセルは、 前記第 2のデータ線に接続され前記第 4の ヮード線の電流により磁界を印加される第 4の磁気抵抗素子と、 ドレイ ンが前記第 4の磁気抵抗素子に接続されゲー卜が前記第 3のヮード線に 接続される第 4の トランジスタとを有する半導体装置。  The fourth memory cell includes a fourth magnetoresistive element connected to the second data line, to which a magnetic field is applied by a current of the fourth read line, and a drain connected to the fourth magnetoresistive element. A semiconductor device having a fourth transistor connected and a gate connected to the third lead line;
2 0 .請求項 1から請求項 1 9のいずれかに記載の半導体装置において、 前記磁気抵抗素子は、 強磁性体固定層と 卜ンネル絶縁膜と強磁性体自 由層とを含んだ磁気卜ンネル接合素子である半導体装置。  20. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 19, wherein the magnetoresistive element includes a magnetic layer including a ferromagnetic fixed layer, a tunnel insulating film, and a ferromagnetic free layer. A semiconductor device that is a tunnel junction element.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1826772A1 (en) * 2006-02-22 2007-08-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory device and method of writing data into magnetic memory device
JP2008192990A (en) * 2007-02-07 2008-08-21 Toshiba Corp Semiconductor memory
DE102004030174B4 (en) * 2003-12-24 2012-03-01 Hynix Semiconductor Inc. Magnetic Random Access Memory

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101325188B1 (en) 2012-04-09 2013-11-20 이화여자대학교 산학협력단 Magnetic ramdom access memory
KR102098244B1 (en) * 2014-02-04 2020-04-07 삼성전자 주식회사 Magnetic memory device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5894447A (en) * 1996-09-26 1999-04-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device including a particular memory cell block structure
US6005800A (en) * 1998-11-23 1999-12-21 International Business Machines Corporation Magnetic memory array with paired asymmetric memory cells for improved write margin
US6055178A (en) * 1998-12-18 2000-04-25 Motorola, Inc. Magnetic random access memory with a reference memory array
US6111781A (en) * 1998-08-03 2000-08-29 Motorola, Inc. Magnetic random access memory array divided into a plurality of memory banks
EP1109170A2 (en) * 1999-12-16 2001-06-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory device
JP2001217398A (en) * 2000-02-03 2001-08-10 Rohm Co Ltd Storage device using ferromagnetic tunnel junction element

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5894447A (en) * 1996-09-26 1999-04-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device including a particular memory cell block structure
US6111781A (en) * 1998-08-03 2000-08-29 Motorola, Inc. Magnetic random access memory array divided into a plurality of memory banks
US6005800A (en) * 1998-11-23 1999-12-21 International Business Machines Corporation Magnetic memory array with paired asymmetric memory cells for improved write margin
US6055178A (en) * 1998-12-18 2000-04-25 Motorola, Inc. Magnetic random access memory with a reference memory array
EP1109170A2 (en) * 1999-12-16 2001-06-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory device
JP2001217398A (en) * 2000-02-03 2001-08-10 Rohm Co Ltd Storage device using ferromagnetic tunnel junction element

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DURLAM M. ET AL.: "Nonvolatile RAM based on magnetic tunnel junction elements", IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, 2000, pages 130 - 131, XP002909386 *
NAJI P.K. ET AL.: "A 256kb 3.OV 1T1MTJ nonvolatile magnetoresisitive RAM", IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, 2001, pages 122 - 123, XP002909384 *
SCHEUERLEIN R. ET AL.: "A 10 ns read and write non-volatile memory array using a magnetic tunnel junction and FET switch in each cell", IEEE INTERNATIONAL SOLID-STATE CIRCUITS CONFERENCE DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, 2000, pages 128 - 129, XP002909385 *
WANG Z.G. ET AL.: "Feasibility of ultra-dense spin-tunneling random access memory", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 33, no. 6, 1997, pages 4498 - 4512, XP000831059 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004030174B4 (en) * 2003-12-24 2012-03-01 Hynix Semiconductor Inc. Magnetic Random Access Memory
EP1826772A1 (en) * 2006-02-22 2007-08-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory device and method of writing data into magnetic memory device
US7548449B2 (en) 2006-02-22 2009-06-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory device and methods thereof
JP2008192990A (en) * 2007-02-07 2008-08-21 Toshiba Corp Semiconductor memory

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