WO2007111318A1

WO2007111318A1 - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法

Info

Publication number: WO2007111318A1
Application number: PCT/JP2007/056270
Authority: WO
Inventors: Tetsuhiro Suzuki
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2007-10-04
Also published as: JPWO2007111318A1

Abstract

磁気抵抗素子５０と、書き込み回路４３、４１と、読み出し回路４４、４２とを具備する磁気ランダムアクセスメモリを用いる。磁気抵抗素子５０は、固定強磁性層、非磁性層及び自由強磁性層が順次積層され、スピン注入により変更される自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能である。書き込み回路４３、４１は、読み出し動作時において、固定強磁性層と自由強磁性層との間に所定の向きに、自由強磁性層の磁化が反転する閾値電流よりも大きい第１読み出し電流を供給する。読み出し回路４４、４２は、読み出し電流の供給時における自由強磁性層での磁化の反転の有無に基づいて、磁気抵抗素子５０のデータの判定を行う。

Description

明細書

磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法

技術分野

[0001] 本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法に関し、特にスピン注入方式を用いた磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法に関する。

背景技術

[0002] 磁気抵抗素子を記憶素子として用いる磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「MRAM 」と記す）が不揮発メモリとして提案されている。磁気抵抗素子としては、主に TMR (T unnel MagnetoResistance)効果を持つ強磁性層/トンネルバリア層/強磁性層を有する TMR素子が用いられている。 TMR素子においては、 2つの強磁性層の磁化の向きの相対角が平行の場合に、低抵抗、反平行な場合に高抵抗になり、その抵抗変化率は数 10〜数 100%になることが知られている。

[0003] 図 1は、従来の TMR素子を用いた MRAMのセルの構成を示す断面図である。 T MR素子 (磁気抵抗素子） 150は、配線層 151と配線層 156との間に設けられ、反強磁性層 152、強磁性層である固定磁性層 153、バリア層 154、強磁性層である自由磁性層 155から構成されている。固定磁性層 153は、 P 接して設けられた反強磁性層 152により、その磁化の向きが実質的に固定されている。一方、自由磁性層 155は、その磁化が磁化容易軸方向を向き、その磁化の向きと固定磁性層 153の磁化の向きとの相対角度が平行、反平行のいずれ力、となる。データの読出しは、 TMR素子 15 0に垂直方向に電流を印加し、その抵抗を測定することにより行われる。一方、データの書き込みは、 TMR素子 150に隣接した書き込み配線に書き込み電流を印加し、その漏洩磁界により自由磁性層 155の磁化の向きを変化させることによりおこなわれる。このときの書き込み電流の方向は TMR素子 150の面に平行な方向であり、図 1 の配線層 155においては図面に垂直な方向となる。

[0004] この MRAMに対するデータの書き込み方法では、 TMR素子 150のサイズにほぼ反比例して、自由磁性層 155の磁化を反転させるために必要な反転磁界が大きくなる。つまり、メモリセルが微細化されるにつれて、書き込み電流が増加する傾向にある。そのため、メモリセルの微細化により、消費電力、電流密度、及び、電流を印加するためのドライバが大きくなるという問題点がある。

[0005] 微細化に伴う書き込み電流の増加を抑制可能な書き込み方式として、「スピン注入

(spin transfer)方式」が提案されている（例えば、 M. Hosomi, et al. , "A No vel Nonvolatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching： Spin— RAM", International Electron Devices Meeting, T echnical Digest, p473 (2005) )。このスピン注入方式では、データの書き込みは、読出しと同様に、 TMR素子の面に垂直方向に電流を印加することによりおこなわれる。

[0006] 図 2は、従来のスピン注入方式による書き込み方法の原理を示す断面図である。電流が自由磁性層 155から固定磁性層 153へ、すなわち、電子が固定磁性層 153から自由磁性層 155へ流れる場合を考える。固定磁性層 153を通過する電子は、固定磁性層 153の磁化との相互作用により固定磁性層 153の磁化と同じ方向にスピンを持つようになる。このスピン偏極した伝導電子は自由磁性層 155を通過する際、自由磁性層 155の磁化と相互作用し、自由磁性層の磁化にトルク 161が発生する。このトルク 161が十分に大きいと自由磁性層 155の磁化は反転し、反平行から平行への磁化の遷移がおこる。一方、逆に電子が自由磁性層 155から固定磁性層 153へ流れる流れる場合、固定磁性層 153の磁化の向きと反対向きのスピンを持つ電子が固定磁性層 153により反射される。そのため、その反対向きのスピンを持つ電子により、平行力反平行への磁化の遷移がおこる。なお、ノくリア層 54としての非磁性層は TMR素子 150で用いられる絶縁膜の他、金属膜でもよいことが知られている。

[0007] スピン注入方式での書き込み方法では、書き込み電流の閾値が電流密度に依存する。そのため、メモリセルサイズが縮小されるにつれ、書き込みに必要な電流が減少する。したがって、メモリセルの微細化、 MRAMの大容量化に有利であることが期待される。

[0008] し力、しながら、従来のスピン注入方式の MRAMには書き込み動作時と読み出し動作時の電流が同じ方向であることに起因した問題がある。すなわち、スピン注入方式の MRAMにおいては、読み出し動作時に誤って書き込みを行ってしまう可能性がある。例えば、自由磁性層 155の磁化が固定磁性層 153の磁化と反平行で、低抵抗状態にある場合を考える。データの読み出しのために、自由磁性層 155から、固定磁性層 153へ電流を印加する。この場合、電子が固定磁性層 153から自由磁性層 155 に流れるとき、その読み出し電流値が書き込み電流の閾値と比較して十分小さくない限り、自由磁性層 155の磁化を反転させてしまうリスクがある。このリスクを低減するためには、読み出し電流値を小さくする力あるいは、書き込み電流の閾値を大きくする必要がある。し力ながら、読出し電流値が小さいと、信号品質が劣化し、高速、かつ、正確な読出しを行うことが困難になってしまう。また、書き込み電流の閾値を大きくすることは、消費電力やトランジスタのサイズの観点から好ましくなレ、。

[0009] 磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し時の誤書き込みのリスクをより抑制し、かつ、より正確な読み出しを可能とする技術が望まれる。磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し時の誤書き込みのリスクをより抑制し、より正確な読み出しを可能としつつ、且つ、書き込み電流及び消費電力を小さくすることが可能な技術が求められる。

[0010] 関連する技休亍として特表 2005— 535125 (WO2004/013861)号公幸艮にスピントランスファーを利用する磁性素子及び磁性素子を使用する MRAMデバイスが開示されている。この磁性素子は、第 1ビンド層と、非磁性スぺーサ層と、自由層と、ノくリァ層と、第 2ビンド層とを備える。第 1ビンド層は、強磁性体であり、かつ第 1方向に固定される第 1磁化を有する。非磁性スぺーサ層は、導電体である。自由層は、第 1非磁性スぺーサ層が前記第 1ビンド層と前記自由層との間に位置するとともに、強磁性体であり、かつ第 2磁化を有する。バリア層は、絶縁体であり、かつトンネリングを可能にする厚さを有する。第 2ピンド層は、強磁性体であり、かつ第 2方向に固定される第 3磁化を有する。前記バリア層は、前記自由層と前記第 2ビンド層との間に位置する。前記自由層の前記第 2磁化の方向は、書き込み電流が磁性素子を流れるときにスピントランスファーによって変わる。

[0011] 特開 2005— 116888号公報に磁気メモリが開示されている。この磁気メモリは、第 1磁化固着層と、磁気記録層と、第 1非磁性層と、第 2磁化固着層と、第 2非磁性層とを備えたメモリセルを含む。第 1磁化固着層は、スピンの向きが固着されている。磁気記録層は、書き込み電流によりスピンの向きが可変である。第 1非磁性層は、前記第 1磁化固着層と前記磁気記録層との間に設けられている。第 2磁化固着層は、読み出し電流用の第 1配線に電気的に接続され、スピンの向きが固着されている。第 2非磁性層は、前記磁気記録層の前記第 1非磁性層と反対側の面の第 1領域と、前記第 2磁化固着層の前記第 1配線に電気的に接続された面と反対側の面との間に設けられている。前記磁気記録層の前記第 1非磁性層とは反対側の面の第 2領域に、前記書き込み電流用の第 2配線が電気的に接続されている。前記第 1磁化固着層の前記第 1非磁性層と反対側の面が前記書き込み電流および前記読み出し電流用の第 3 配線に電気的に接続されている。

[0012] 特開 2005— 116923号公報（対応米国特許： US7， 110, 284)にスピントルクを用いた不揮発性磁気メモリセルおよびこれを用いた磁気ランダムアクセスメモリが開示されている。この不揮発性磁気メモリセルは、自由層と絶縁障壁層と固定層とを備えるトンネル型磁気抵抗効果膜と、前記自由層の磁化情報の書き込みと読み出しを行うためのワード線とビット線とを備えた磁気メモリセルである。前記自由層の磁化方向をスピントルクにより回転させるためのスピントルク磁化反転層が前記トンネル型磁気抵抗効果膜に隣接して形成されてレ、る。前記トンネル型磁気抵抗効果膜は前記スピントルク磁化反転層を介して、ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極、 _n型半導体、および p型半導体から構成されている MOSFETのドレイン電極と電気的に接続している。

[0013] 特開 2003— 229544号公報に磁気記憶装置が開示されている。この磁気記憶装置は、磁化方向が固定された固着層と、スピン偏極した電子の注入によって磁化方向が変化する記録層と、前記固着層と前記記録層との間に配置されたトンネル絶縁層とを有するトンネル磁気抵抗効果素子の少なくとも 2つが、作動検出可能なように積層されている。

[0014] 特開 2003— 17782号公報にキヤリャスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜と該膜を用いた不揮発性メモリー素子及び該素子を用レ、たメモリー装置が開示されている。このキヤリャスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜は、固定磁化層の上に絶縁層を積層し、該絶縁層の上に、キヤリャ誘起磁性を備える。キヤリャスピンの注入により磁化の方向が反転する磁化反転層を積層し、誘導磁場に依らず磁化の方向が反転する。

発明の開示

[0015] 従って、本発明の目的は、読み出し時の誤書き込みのリスクをより抑制し、かつ、より正確な読み出しを可能とすることが可能な磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法を提供することにある。

[0016] 本発明の他の目的は、読み出し時の誤書き込みのリスクをより抑制し、より正確な読み出しを可能としつつ、且つ、書き込み電流及び消費電力を小さくすることが可能な磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法を提供することにある。

[0017] この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによつて容易に確認することができる。

[0018] 上記課題を解決するために、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、磁気抵抗素子と、書き込み回路と、読み出し回路とを具備する。磁気抵抗素子は、固定強磁性層、非磁性層及び自由強磁性層が順次積層され、スピン注入により変更される自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能である。書き込み回路は、読み出し動作時において、固定強磁性層と自由強磁性層との間に所定の向きに、自由強磁性層の磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 1読み出し電流を供給する。読み出し回路は、第 1読み出し電流の供給時における自由強磁性層での磁化の反転の有無に基づレ、て、磁気抵抗素子のデータの判定を行う。

本発明の磁気ランダムアクセスメモリでは、読み出し動作時に、書き込み動作時と同程度の大きさで所定の向きの第 1読み出し電流を印加する。これにより、この所定の向きの第 1読み出し電流により自由強磁性層の磁化の向きが反転する場合、磁化の向きの反転に伴い読み出し電圧が鋭く変化する。一方、反転しない場合、読み出し電圧の変化は小さい。したがって、保持されていた自由強磁性層の磁化の向きは、この読み出し電圧の変化の仕方に基づき決定することができる。すなわち、本発明においては、読み出し動作時に書き込みが行われるかどうかは、保持されていた自由強磁性層の磁化の向きに依存して、一意に決定されるので、誤書き込みが発生するリスクはない。

[0019] 上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み回路は、読み出し動作時において、自由強磁性層での磁化の反転が有ったとき、第 1読み出し電流とは逆方向の電流により、自由強磁性層での磁化を再反転させる。

本発明において、第 1読み出し電流の印加に伴い自由強磁性層の磁化の向きが反転した場合、逆方向の電流を印加することにより、書き戻しが行われる。それにより、読み出し動作前後におけるデータの変更は発生しない。

[0020] 上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し回路は、自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の微分信号に基づレ、て判定する。

[0021] 上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、読み出し回路は、自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の積分信号に基づレ、て判定する。

[0022] 上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み回路は、別の磁気抵抗素子に、別の磁気抵抗素子の自由強磁性層での磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 2読み出し電流を供給したときの信号に基づいて判定する。

[0023] 上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、第 2読み出し電流の向きは、別の磁気抵抗素子での磁化が反転しない向きである。

[0024] 上記の磁気ランダムアクセスメモリは、読み出し動作時において、書き込み回路は、所定の向きに、第 1読み出し電流を供給する。読み出し回路は、自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 1回目の判定を行う。書き込み回路は、所定の向きに、再び第 1読み出し電流を供給する。読み出し回路は、自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 2回目の判定を行う。読み出し回路は、 1回目の判定結果と 2回目の判定結果との比較に基づレ、て、磁気抵抗素子のデータの判定を行う。

[0025] 上記課題を解決するために、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法は、 ( a)固定強磁性層、非磁性層及び自由強磁性層が順次積層され、スピン注入により変更される自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能な磁気抵抗素子に対して、読み出し動作時において、固定強磁性層と自由強磁性層との間に所定の向きに、自由強磁性層の磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 1読み出し電流を供給するステップと；（b)第 1読み出し電流の供給時における自由強磁性層での磁化の反転の有無に基づいて、磁気抵抗素子のデータの判定を行うステップとを具備する。

[0026] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、（c)自由強磁性層での磁化の反転が有ったとき、第 1読み出し電流とは逆方向の電流により、自由強磁性層での磁化を再反転させるステップを更に具備する。

[0027] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、（b)ステップは、（bl)自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の微分信号に基づいて判定するステップを備える。

[0028] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、（b)ステップは、（b2)自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の積分信号に基づいて判定するステップを備える。

[0029] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、（b)ステップは、（b3)別の磁気抵抗素子に、別の磁気抵抗素子の自由強磁性層での磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 2読み出し電流を供給したときの信号に基づいて判定するステップを備える。

[0030] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、第 2読み出し電流の向きは、別の磁気抵抗素子での磁化が反転しない向きである。

[0031] 上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、（a)ステップは、（al)所定の向きに、第 1読み出し電流を供給するステップと； (a2)自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 1回目の判定を行うステップと；（a3)所定の向きに、再び第 1 読み出し電流を供給するステップと；（a4)自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 2回目の判定を行うステップとを備える。（b)ステップは、（b4) l回目の判定結果と 2回目の判定結果との比較に基づいて、磁気抵抗素子のデータの判定を行うステツプを備える。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1]図 1は、従来の TMR素子を用いた MRAMのセルの構成を示す断面図である [図 3]図 3は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の構成を示すブロック図である。

[図 4]図 4は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の単一メモリセルの構成を示す断面図である。

[図 5]図 5は、本発明で用いる磁気抵抗素子の抵抗と印加した電流との関係を示すグラフである。

[図 6]図 6は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の動作における、読み出し動作のアルゴリズムを示したフローチャートである。

[図 7]図 7は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる書き込み判定方法を説明するグラフである。

[図 8]図 8は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる書き込み判定方法を説明するグラフである。

[図 9]図 9は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる別の書き込み判定方法を説明するグラフである。

[図 10]図 10は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる別の書き込み判定方法を説明するグラフである。

[図 11]図 11は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の動作における、読み出し動作の別のアルゴリズムを示したフローチャートである。

[図 12]図 12は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの原理及び効果を説明するダラフである。

発明を実施するための最良の形態

[0033] 以下、本発明の磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

[0034] まず、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の構成について説明する。図 3は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の構成を示すブロック図である。磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM) lは、複数のメモリセル 10、書き込み線デコーダ 20、複数の第 1書き込み線 21a、複数の第 2書き込み線 21b、選択線デコーダ 30、複数の選択線 31、書き込み制御回路 41、読み出し制御回路 42、電流源回路 43、及び読み出し判定回路 44を具備する。

[0035] 複数のメモリセル 10は、 MRAM1内にマトリクス状に配置され、メモリセルアレイを形成している。メモリセル 10は、磁気抵抗効果を用いてデータを記憶する磁気抵抗素子 50と選択トランジスタ 9を備える。磁気抵抗素子 50は、後述される構成（図 4)を有し、上部電極（上部の配線層）と下部電極（下部の配線層）とに挟まれている。磁気抵抗素子 50の一端は、上部電極を介して第 1書き込み線 21aに接続され、その他端は下部電極を介して選択トランジスタ 9のソース Zドレインの一方に接続されている。選択トランジスタ 9のソース/ドレインの他方は、第 2書き込み線 21bに接続されている。選択トランジスタ 9のゲートは、選択線 31に接続されている。

[0036] 複数の第 1書き込み線 21a及び複数の第 1書き込み線 21bは、それぞれ一端を書き込み線デコーダ 20に接続され、 X方向（第 1方向）へ伸びている。第 1書き込み線 2 laと第 2書き込み線 21bとは、一組の書き込み線対 21を構成している。複数の選択線 31は、それぞれ一端を選択線デコーダ 30に接続され、 X方向（第 1方向）と略垂直な Y方向（第 2方向）へ伸びている。複数のメモリセル 10は、複数の書き込み線対 21 と複数の選択線 31との交点の各々に対応して設けられている。

[0037] 書き込み制御回路 41は、データの書き込みを制御する。すなわち、書き込み制御回路 41は、書き込み制御信号を電流源回路 43へ、選択線アドレス信号を選択線デコーダ (選択線ドライバ） 30へ、書き込み線アドレス信号及び電流方向信号を書き込み線デコーダ（書き込み線ドライバ） 20へそれぞれ出力する。書き込み制御信号は、書き込み電流 I を調整するための信号である。選択線アドレス信号は、複数の選択

W

線 31から書き込み対象のメモリセル 10 (以下、「対象メモリセル 10」と記す）に対応する選択線 31を選択するための信号である。書き込みアドレス信号は、複数の書き込み線対 21から対象メモリセル 10に対応する書き込み線対 21を選択するための信号である。電流方向信号は、書き込み電流 I の向きを示す信号である。書き込み電流 I

W

の向きは、対象メモリセル 10に書き込まれるデータに依存して決定される。

W

[0038] 電流源回路 43は、書き込み制御回路 41からの書き込み制御信号に応答して、書き込み線デコーダ 20及び選択された書き込み線対 21を介して、対象メモリセル 10に対して、書き込み電流 I の供給、変更及び停止を行う。 [0039] 選択線デコーダ 30は、選択線アドレス信号に応答して、対象メモリセル 10につながる 1本の選択線 31を選択する。これにより、対象メモリセル 10の選択トランジスタ 9が ONになる。書き込み線デコーダ 20は、書き込み線アドレス信号に応答して、対象メモリセル 10につながる第 1書き込み線 21a及び第 2書き込み線 21bを選択する。そして、書き込み線デコーダ 20は、書き込み制御回路 41からの電流方向信号に応答して、電流源回路 43から出力される書き込み電流 I を、電流方向信号が示す向きに

W

一致するように、対象メモリセル 10 (磁気抵抗素子 50)に流す。そのとき、第 1書き込み配線 21a及び第 2書き込み配線 21bのうちの一方を電流源回路 43に、他方を接地にそれぞれ接続する。

[0040] 読み出し制御回路 42は、データの読み出しを制御する。すなわち、読み出し制御回路 42は、読み出し制御信号を電流源回路 43へ、選択線アドレス信号を選択線デコーダ 30へ、書き込み線アドレス信号及び読み出し信号を書き込み線デコーダ 20 へそれぞれ出力する。読み出し制御信号は、読み出し電流 Iを調整するための信号

R

である。選択線アドレス信号は、複数の選択線 31から対象メモリセル 10に対応する選択線 31を選択するための信号である。書き込み線アドレス信号は、複数の書き込み線対 21から対象メモリセル 10に対応する書き込み線対 21を選択するための信号である。読み出し信号は、読み出し動作を示す信号である。読み出し電流 I の向きは

R

、第 1書き込み線 21aから第 2書き込み線 21bへ向力向き、または、第 2書き込み線 21bから第 1書き込み線 21aへ向力う向きのいずれか一方である。本発明においては、後述するように、読み出し電流は書き込み電流と同程度の大きさにする。

[0041] 電流源回路 43は、読み出し制御回路 42からの読み出し制御信号に応答して、書き込み線デコーダ 20及び選択された書き込み線対 21を介して、対象メモリセル 10に対して、読み出し電流 I の供給、変更及び停止を行う。

R

[0042] 選択線デコーダ 30、及び、書き込み線デコーダ 20はデータの書き込み時と同様に対象メモリセル 10の選択をおこなう。読み出し判定回路 44は、対象メモリセル 10の磁気抵抗素子 50からの信号を検出し、対象メモリセル 10に書き込まれているデータを判定し、その結果を読み出し制御回路 42へ出力する。読み出し判定回路 42の動作の詳細については後述する。 [0043] 図 4は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の単一メモリセルの構成を示す断面図である。トランジスタが形成された基板（図示されず）の上方に、配線層 51、反強磁性層 52、固定磁性層 53、トンネルバリア層 54、自由磁性層 55、配線層 56が順次形成される。配線層 51及び配線層 56のいずれか一方は、図 3における第 1書き込み配線層 21aに、他方は選択トランジスタ 9を介して第 2書き込み配線層 21b に、それぞれ直接又は間接に接続されている。反強磁性層 52、固定磁性層 53、トンネルバリア層 54及び自由磁性層 55は、磁気抵抗素子 (TMR素子） 50を形成している。強磁性層である固定磁性層 53の磁化の向きは反強磁性層 52との交換相互作用により固定されている。強磁性層である自由磁性層 55の磁化の向きはその磁化容易軸に沿って、固定磁性層 53の磁化と平行、反平行のいずれかに向く。自由磁性層 5 5の磁気異方性は材料に依存した結晶磁気異方性、歪誘導異方性、及び平面形状に依存した形状磁気異方性のうちのいずれ力、、又は、これらの組み合わせにより決定される。

[0044] 図 4においては、自由磁性層 55の磁気異方性の方向、及び固定磁性層 53の磁化の方向は各層内（各膜面内）としているが、各層（各膜面）に垂直な方向であってもよレ、。また、固定磁性層 53の磁化の固定方法は反強磁性層 52を用いずに、固定磁性層 53として保磁力の大きな材料を用いることで代替することも可能である。また、自由磁性層 55及び固定磁性層 53のいずれも、非磁性金属を介して強磁性的、あるいは、反強磁性的に結合した積層磁性膜を用いてもよい。さらに、各層の積層順序は反対にすることも可能である。各層に用いられる材料としては、典型的には、以下のものが用いられる。すなわち、配線層 51、 56としては Al、 Cuなどの金属膜力反強磁性層 52としては FeMn、あるいは IrMn、 PtMnなどの反強磁性膜が用いられる。自由磁性層 55、固定磁性層 53としては CoFe、 NiFe、 NiFeCo、 CoFeBなどの強磁性膜が用いられる。トンネルバリア層 54としてはアルミニウム酸化膜、 MgOなどの絶縁膜が用レ、られる。

[0045] 次に、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の動作について説明する自由磁性層 55と固定磁性層 53の磁化が平行で低抵抗である状態を" 0"、反平行で高抵抗である状態を" 1 "と定義する。図 4において、スピン注入法により、 "1"状態から" 0"状態に書き込むためには、書き込み電流 I を自由磁性層 55側から固定磁

W

性層 53側へ流せばよい。このとき、スピン偏極した電子が固定磁性層 53から自由磁性層 55へ流れる。スピントルク効果により、自由磁性層 55の磁化が反転し、 "0"状態となる。なお、初期状態力 S"0"である場合、自由磁性層 55の磁化は変化しなレ、。逆に、 "0"状態から" 1"状態に書き込むためには、書き込み電流 I を固定磁性層 53側か

W

ら自由磁性層 55側に流せばよい。

[0046] 図 5は、本発明で用いる磁気抵抗素子の抵抗と印加した電流との関係を示すグラフである。縦軸は磁気抵抗の大きさ（抵抗値）を示し、横軸は書き込み電流 I の大きさ（

W

電流値）を示す。抵抗値と電流値との間にはヒステリシスが存在し、電流値が閾値 I

01 又は I を超えると、自由磁性層 55の磁化が反転し、それに伴い抵抗値がジャンプし

02

、 "0"から" (図中（a)の場合）、あるいは、 "1 "から" 0" (図中（b)の場合）の遷移がおこる。なお、図 5において、電流値の絶対値が大きくなるにつれ抵抗値が下がるのは、トンネル抵抗のバイアス電圧依存性に起因したものである。

[0047] 図 6は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の動作における、読み出し動作のアルゴリズムを示したフローチャートである。本発明においては、読み出し動作時に書き込み電流 I と同様に、閾値（図 5における I 又は I )以上の読み出し

W 01 02

電流 Iを印加する。これは、従来のスピン注入法を用いた磁気ランダムアクセスにお

R

レ、て読み出し電流が閾値よりも十分小さな電流値に設定されることと対照的である。以下、説明の簡略化のため、読み出し電流 Iの方向は図 4における正の方向（固定

R

磁性層 53から自由磁性層 55へ向力方向）、すなわち、 "0"状態力 S"l "状態に変化する方向であると仮定する。

[0048] 読み出し制御回路 42は、電流源回路 43、選択線デコーダ 30及び書き込み線デコーダ 20を制御する。それにより、電流源回路 43は、閾値（図 5における I )以上の正

01 の方向の読み出し電流 Iを対象メモリセル 10へ印加する（ステップ soi)。この場合、

R

読み出し電流 Iの印加後は、データは必ず'

R τ'になる。なお、読み出し電流 Iが負の

R

方向であっても、本発明は同様に適用できる。

[0049] 本発明の読み出し判定回路 44は、読み出し電流 Iが印加されたとき、対象メモリセル 10に書き込みが行われたか否か、すなわち、自由磁性層 55の磁化反転が起きたか否かを判定することにより読み出しを行う（ステップ S02)。書き込みが行われたか否かの判定方法については後述する。

[0050] 書き込みが行われた場合 (ステップ S02：「書き込み」 )、初期の磁化状態は" 0"であり、対象メモリセル 10のデータとして" 0"を読み出す (ステップ S03)。その後、そのデータを読み出し制御回路 42へ送出する。読み出し制御回路 42は、データが" 0"の場合、電流源回路 43、選択線デコーダ 30及び書き込み線デコーダ 20を制御して、対象メモリセル 10に逆方向（この例の場合、負の方向）の閾値以上の電流を印加する。それにより対象メモリセル 10のデータを" 0"に書き戻す（ステップ S04)。

[0051] 書き込みが行われなかった場合 (ステップ S02：「書き込み無し」 )、初期の磁化状態は" 1 "であり、対象メモリセル 10のデータとしで' 1"を読み出す (ステップ S05)。その後、そのデータを読み出し制御回路 42へ送出する。以上のように、読み出し動作が実行される。

[0052] 次に、上記ステップ S02における書き込みが行われたか否かの判定方法について説明する。

図 7及び図 8は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる書き込み判定方法を説明するグラフである。図 7は、図 5に示した磁気抵抗素子の抵抗と電流との関係を示すグラフに、読み出し電流 Iの印加と、そのときの抵抗

R

値の変化の方向を示す矢印を追加したものである。縦軸は磁気抵抗の大きさ（抵抗値）を示し、横軸は読み出し電流 I の大きさ（電流値）を示す。図 8 (a)は、読み出し電

R

流 IRの時間変化を示すグラフである。縦軸は読み出し電流 I の電流値、横軸は時間

R

をそれぞれ示す。図 8 (b)は、対象メモリセル 10のデータ力 '0"であった場合の読み出し電圧の微分信号の時間変化を示すグラフである。縦軸は対象メモリセル 10の読み出し電圧の微分信号、横軸は時間をそれぞれ示す。図 8 (c)は、対象メモリセル 10 のデータが" 1 "であった場合の読み出し電圧の微分信号の時間依存を示すグラフである。縦軸は対象メモリセル 10の読み出し電圧の微分信号、横軸は時間をそれぞれ示す。

[0053] まず、対象メモリセル 10のデータ力 '0"の場合について説明する。時亥1 1 (図8 (£1)： tl)に読み出し電流 I の印加が開始されると（図 7 : (1)、実線矢印

R

)、読み出し電流 I印加中に書き込みがなされる。その場合、自由磁性層 53の磁化

R

が反転し、それに伴い抵抗値、すなわち、読み出し電圧（第 1書き込み線 21aと第 2 書き込み線 21bとの電圧差）がジャンプするので（図 7 : (2)、実線矢印）、その微分波形は鋭いピークを持つことになる（図 8 (b)： tl -t2) ₀このピークが有る場合、対象メモリセル 10に書き込みが行われたと判定することが出来る。読み出し電流 I の印加

R

は時刻 3 (図8 (&)： t3)に終了し、抵抗値はデータ" 1 "の安定状態に達する（図 7 : (3 )、実線矢印)。

[0054] 次に、対象メモリセル 10のデータが" 1"の場合について説明する。

時亥 1 (図8 ( ： tl)に読み出し電流 Iの印加が開始されると（図 7 : (4)、破線矢印

R

は反転せず、それに伴い抵抗値、すなわち、読み出し電圧もほとんど変化しないので（図 7 : (5)、破線矢印）、その微分波形はほとんど変化しないことになる（図 8 (c)： t l—t2)。このピークが無い場合、対象メモリセル 10に書き込みが行われていないと判定することが出来る。読み出し電流 I の印加は時刻 t3 (図 8 (a)： t3)に終了し、抵

R

抗値はデーダ T'の安定状態に戻る（図 7 : (6)、破線矢印）。

[0055] 以上のようにして、上記ステップ S02において、読み出し判定回路 44は、読み出し電圧の変化、すなわち、読み出し電圧の微分信号を検出することにより、自由磁性層 55の磁化反転の有無を判定することが可能となる。それにより、対象メモリセル 10への書き込みの有無を判定することが出来る。

[0056] 図 9及び図 10は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリにおける読み出し判定回路で用いる別の書き込み判定方法を説明するグラフである。図 9は、対象メモリセル 10 のデータが" 0"であった場合の読み出し電圧と読み出し電流との関係を示すグラフである。縦軸は対象メモリセル 10の読み出し電圧、横軸は読み出し電流をそれぞれ示す。図 10は、対象メモリセル 10のデータ力 ' 1 "であった場合の読み出し電圧と読み出し電流との関係を示すグラフである。縦軸は対象メモリセル 10の読み出し電圧、横軸は読み出し電流をそれぞれ示す。それぞれの場合の読み出し電圧は、磁化反転が生じるまでは異なった値を持っているため、読み出し電圧の積分値（図 9、図 10 の面積 (斜線部）に相当）を比較することにより、保持されていたデータを判定することができる。図 9及び図 10の場合、データが" 0"の場合のほうが、 "1 "の場合よりも積分値が小さくなる。

[0057] 以上のようにして、上記ステップ S02において、読み出し判定回路 44は、読み出し電流に対する読み出し電圧を検出し、その積分値を算出することにより、自由磁性層 55の磁化反転の有無を判定することが可能となる。それにより、対象メモリセル 10への書き込みの有無を判定することが出来る。

[0058] 上記いずれの判定方法においても、書き込み判定を行うためには参照電圧が必要である。参照電圧を生成する方法としては、メモリセル 10の一部をリファレンスセルとすることで、メモリセル 10と同様な構成を有するリファレンスセル (磁気抵抗素子 (TM R素子） 50 +選択トランジスタ 9)を用いることができる。また、一般の抵抗素子を用いることもできる。前者の場合、 TMR素子の特性の面内分布やウェハ間分布の影響を相殺できるという長所がある。この場合、リファレンスセルの TMR素子についても、メモリセル 10と同様に閾値電流よりも大きな電流を印加し、その出力電圧の微分信号、あるいは、積分値に基づいて参照電圧を作り出す。なお、リファレンスセルのデータは書き戻しの必要のない" 1 "状態としておくと、リファレンスセルに対する書き戻しの手続きをおこなう必要がなく好適である。メモリセル 10の信号電圧と参照電圧との比較は読み出し判定回路内の比較器によって実行される。

[0059] 本発明において、リファレンスセルや抵抗素子の参照電圧を用いず、参照電圧を自分自身で生成する方式、 V、わゆる自己リファレンス方式を適用することも可能である。図 11は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの実施の形態の動作における、読み出し動作の別のアルゴリズムを示したフローチャートである。図 11は、自己リファレンス方式の読み出しのアルゴリズムを示している。以下、説明の簡略化のため、読み出し電流 I の方向は図 4における正の方向（固定磁性層 53から自由磁性層 55へ向

R

力方向）、すなわち、 "0"状態力 s"i "状態に変化する方向であると仮定する。

[0060] 読み出し制御回路 42は、電流源回路 43、選択線デコーダ 30及び書き込み線デコーダ 20を制御する。それにより、電流源回路 43は、閾値（図 5における I )以上の正

01 の方向の読み出し電流 Iを対象メモリセル 10へ印加する (ステップ si i)。この場合、読み出し電流 Iの印加後は、データは必ず" 1 "になる。読み出し判定回路 44は、読

R

み出し電流 Iが印加されたとき、読み出し電圧の微分信号、又は、読み出し電流 I に

R R

対する読み出し電圧の積分値を検出し、判定信号 Aとして内部の記憶部（図示されず）に一時的に格納する（ステップ S 12)。

[0061] 次に、電流源回路 43は、閾値以上の正の方向の読み出し電流 Iを再び対象メモリ

R

セル 10へ印加する（ステップ S13)。この場合、ステップ Sl l、 S12より対象メモリセノレ 10のデータは "1"なので、読み出し電流 Iを印加してもデータの変化はなレ、。読み

R

出し判定回路 44は、読み出し電流 Iが印加されたとき、読み出し電圧の微分信号、

R

又は、読み出し電流 I に対する読み出し電圧の積分値を検出し、判定信号 Bとして

R

内部の記憶部（図示されず）に一時的に格納する（ステップ S 14)。

[0062] 読み出し判定回路 44は、判定信号 Aと判定信号 Bとを内部の比較器（図示されず）で比較する（ステップ S15)。その結果、両者が等しい場合 (ステップ S15 :「等しい」）、対象メモリセル 10のデータを' T'と判定し、読み出すことができる (ステップ S16)。その後、そのデータを読み出し制御回路 42へ送出する。

[0063] 一方、両者が等しくない場合 (ステップ S15 :「等しくなレ、」）、対象メモリセル 10のデータを" 0"と判定し、読み出すことができる（ステップ S17)。その後、そのデータを読み出し制御回路 42へ送出する。読み出し制御回路 42は、データが" 0"の場合、電流源回路 43、選択線デコーダ 30及び書き込み線デコーダ 20を制御して、対象メモリセル 10に逆方向（この例の場合、負の方向）の閾値以上の電流を印加する。それにより対象メモリセル 10のデータを" 0"に書き戻す (ステップ S18)。以上のように、読み出し動作が実行される。なお、読み出し電流 Iが負の方向であっても、本発明は同

R

様に適用できる。

[0064] 図 12は、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの原理及び効果を説明するグラフである。縦軸は、読み出し確率及び書き込み確率を示す。横軸は、書き込みが行われる電流の閾値で規格化された読み出し電流及び書き込み電流を示す。曲線 Aは、従来の読み出し電流と読み出し確率との関係を示す。曲線 Bは、書き込み電流と書き込み確率との関係を示す。

[0065] 曲線 Bを参照して、スピントルク効果により磁化状態が反転して書き込みが行われる確率は、閾値 (規格化電流 = 1)以上の電流を流すことにより 100%となる。しかし、閾値以下の電流の場合も熱擾乱の影響や個々の素子のばらつきの影響のため、小さい確率ではあるが反転する可能性がある。一方、曲線 Aを参照して、従来の読み出し方法では、読み出しが正確に行われる確率は信号量に比例するため、電流が大きくなるほど高くなる。そのため、高速に、かつ、正確に読み出しをおこなうためには、読み出し電流を大きく設定せざるを得なレ、（図中の la)。読み出し電流を laにした場合、曲線 Bを参照すれば、誤書き込みの確率が有限になってしまう。本発明においては、読み出し電流を閾値 (規格化電流 = 1)以上の電流（図中の lb)に設定する。そのため、書き込みが行われるかどうかは、初期の磁化状態に依存して一意に定まるため、誤書き込みの課題を解決することができる。

[0066] 本発明では、スピン注入方式の MRAMにおいて、従来のような閾値より小さい読み出し電流を用いず、常に閾値以上の電流を用いるので電流の制御が容易であり、読み出し動作時の誤書き込みのリスクを大幅に抑制することができる。それにより、非常に正確なデータの読み出しが可能となる。更に、スピン注入方式を用いているので書き込み電流及び消費電力を小さくすることが可能となる。

[0067] 本発明により、読み出し時の誤書き込みのリスクがより抑制され、より正確な読み出しが可能となる。更に、読み出し時の誤書き込みのリスクの抑制と正確な読み出しの実現に加えて、書き込み電流及び消費電力を小さくすることが可能となる。

[0068] 本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。

Claims

請求の範囲

[1] 固定強磁性層、非磁性層及び自由強磁性層が順次積層され、スピン注入により変更される前記自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能な磁気抵抗素子と、

読み出し動作時において、前記固定強磁性層と前記自由強磁性層との間に所定の向きに、前記自由強磁性層の磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 1読み出し電流を供給する書き込み回路と、

前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転の有無に基づいて、前記磁気抵抗素子のデータの判定を行う読み出し回路と

を具備する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[2] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおレ、て、

前記書き込み回路は、前記読み出し動作時において、前記自由強磁性層での磁化の反転が有ったとき、前記第 1読み出し電流とは逆方向の電流により、前記自由強磁性層での磁化を再反転させる

磁気ランダムアクセスメモリ。

[3] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおレ、て、

前記読み出し回路は、前記自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の微分信号に基づレ、て判定する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[4] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおレ、て、

前記読み出し回路は、前記自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の積分信号に基づいて判定する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[5] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおレ、て、

前記書き込み回路は、別の磁気抵抗素子に、前記別の磁気抵抗素子の自由強磁性層での磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 2読み出し電流を供給したときの信号に基づいて判定する磁気ランダムアクセスメモリ。

[6] 請求の範囲 5に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記第 2読み出し電流の向きは、前記別の磁気抵抗素子での磁化が反転しない向きである

磁気ランダムアクセスメモリ。

[7] 請求の範囲 1乃至 6のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて前記読み出し回路は、

前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転が有った場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と異なる情報が前記磁気抵抗素子に格納されてレ、ると判定し、

前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転が無かった場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と同じ情報が前記磁気抵抗素子に格納されてレ、ると判定する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[8] 請求の範囲 1に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおレヽて、

前記読み出し動作時において、

前記書き込み回路は、前記所定の向きに、前記第 1読み出し電流を供給し、前記読み出し回路は、前記自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 1回目の判定を行い、

前記書き込み回路は、前記所定の向きに、再び前記第 1読み出し電流を供給し、前記読み出し回路は、前記自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 2回目の判定を行い、

前記読み出し回路は、前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果との比較に基づいて、前記磁気抵抗素子のデータの判定を行う

磁気ランダムアクセスメモリ。

[9] 請求の範囲 8に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、

前記読み出し回路は、前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果とが異なる場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と異なる情報が前記磁気抵抗素子に格納されていると判定し、

前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果とが同じ場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と同じ情報が前記磁気抵抗素子に格納されていると判定する

磁気ランダムアクセスメモリ。

[10] (a)固定強磁性層、非磁性層及び自由強磁性層が順次積層され、スピン注入により変更される前記自由強磁性層の磁化の向きでデータを書き込み可能な磁気抵抗素子に対して、読み出し動作時において、前記固定強磁性層と前記自由強磁性層との間に所定の向きに、前記自由強磁性層の磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 1読み出し電流を供給するステップと、

(b)前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転の有無に基づいて、前記磁気抵抗素子のデータの判定を行うステップと

を具備する

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[11] 請求の範囲 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

(c)前記自由強磁性層での磁化の反転が有ったとき、前記第 1読み出し電流とは逆方向の電流により、前記自由強磁性層での磁化を再反転させるステップを更に具備する

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[12] 請求の範囲 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

前記 (b)ステップは、

(bl)前記自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の微分信号に基づレヽて判定するステップを備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[13] 請求の範囲 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

前記 (b)ステップは、 (b2)前記自由強磁性層での磁化の反転の有無を、再生電圧の積分信号に基づレ、て判定するステップを備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[14] 請求の範囲 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

前記 (b)ステップは、

(b3)別の磁気抵抗素子に、前記別の磁気抵抗素子の自由強磁性層での磁化が反転する閾値電流よりも大きい第 2読み出し電流を供給したときの信号に基づいて判定するステップを備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[15] 請求の範囲 14に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[16] 請求の範囲 10乃至 15のいずれか一項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

前記 (b)ステップは、

(b4)前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転が有った場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と異なる情報が前記磁気抵抗素子に格納されてレ、ると判定するステップと、

(b5)前記第 1読み出し電流の供給時における前記自由強磁性層での磁化の反転が無かった場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と同じ情報が前記磁気抵抗素子に格納されてレ、ると判定するステップと

を備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

[17] 請求の範囲 10に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、

前記（a)ステップは、

(al)前記所定の向きに、前記第 1読み出し電流を供給するステップと、

(a2)前記自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 1回目の判定を行うステップと、

(a3)前記所定の向きに、再び前記第 1読み出し電流を供給するステップと、 (a4)前記自由強磁性層での磁化の反転の有無について、 2回目の判定を行うステップと

を備え、

前記 (b)ステップは、

(b6)前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果との比較に基づいて、前記磁気抵抗素子のデータの判定を行うステップを備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。

請求の範囲 17に記載の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法において、前記（b6)ステップは、

(b61)前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果とが異なる場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と異なる情報が前記磁気抵抗素子に格納されていると判定するステップと、

(b62)前記 1回目の判定結果と前記 2回目の判定結果とが同じ場合、前記第 1読み出し電流で書き込まれる情報と同じ情報が前記磁気抵抗素子に格納されていると判定するステップと

を備える

磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。