(57)【要約】本願発明の課題は、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ＭＲＡＭを提供することにある。本発明の代表的な解決手段は、以下の通りである。書き込み時に選択され電流を流す複数の書き込みワード線ＷＷ０〜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〜ＤＬ３とに対し、ＭＴＪ素子ＭＴＪとトランジスタＭＴ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て、ＭＲＡＭセルアレイを構成する。上記ＭＴＪ素子の一端はデータ線に接続され、他端は上記トランジスタのドレインに接続される。また、上記トランジスタのゲートは、上記複数の書き込みワード線に対応して設けられた複数の読み出しワード線ＷＲ０〜ＷＲ３に接続される。それにより、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、磁化状態への影響を小さくする。
2003052828.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の書き込みワード線と、
前記第１の書き込みワード線に隣接する第２の書き込みワード線と、
前記第２の書き込みワード線にさらに隣接する第３の書き込みワード線と、
前記第１から第３の書き込みワード線と交差する第１のデータ線と、
前記第１の書き込みワード線と前記第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、
前記第３の書き込みワード線と前記第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、
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のトランジスタとを含み、
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のトランジスタとを含み、
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、
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の書き込みワード線が通過する半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置は、
前記第１のデータ線に隣接する第２のデータ線と、
前記第２の書き込みワード線と前記第２のデータ線との交点に配置された第３のメモリセルとをさらに有し、
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のトランジスタとを含む半導体装置。
【請求項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の書き込みワード線をさらに有し、
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のトランジスタとを接続する第１の接続孔を有し、
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、
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のトランジスタとを接続する第３の接続孔を有し、
前記第１の接続孔及び前記第３の接続孔は、前記第１の書き込みワード線と前記第２の書き込みワード線との間に配置され、
前記第２の接続孔は、前記第３の書き込みワード線と前記第４の書き込みワード線との間に配置される半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置において、
前記第２のトランジスタのソースは、前記第２の書き込みワード線に接続され、
前記第３のトランジスタのソースは、前記第３の書き込みワード線に接続される半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置は、
前記第１のデータ線に隣接する第２のデータ線と、
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、
前記第１の書き込みワード線と前記第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、
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のトランジスタとを含み、
前記第４の磁気抵抗素子は、前記第１書き込みワ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、
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。
【請求項６】
複数の書き込みワード線と、
前記複数の書き込みワード線と交差する複数のデータ線と、
前記複数の書き込みワ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、
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。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記複数のメモリセルの各々は、１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。
【請求項８】
請求項６に記載の半導体装置において、
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。
【請求項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ワード線をさらに有し、
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。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記複数の書き込みワード線と前記複数の読み出しワード線では、アドレス割付の順番が異なる半導体装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の半導体装置において、
前記複数の読み出しワード線の本数は、前記複数の書き込みワード線の本数の半分であり、
前記読み出しワ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。
【請求項１２】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記磁気抵抗素子は、前記書き込みワ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。
【請求項１３】
請求項６に記載の半導体装置において、
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ワード線の方向に対して、傾けて配置される半導体装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体装置において、
前記磁気抵抗素子の長手方向は、前記書き込みワード線の方向に対し、−４５度から４５度の間の角度にある半導体装置。
【請求項１５】
請求項６に記載の半導体装置において、
前記磁気抵抗素子は、前記書き込みワ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。
【請求項１６】
複数の書き込みワード線と、
前記複数の書き込みワー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、
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。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体装置において、
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。
【請求項１８】
請求項１６に記載の半導体装置において、
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。
【請求項１９】
順に隣り合って設けられた第１、第２、第３、及び第４のワード線と、
前記第１から第４のワード線に交差する第１のデータ線と、
前記第１から第４のワード線に交差し、前記第１のデータ線に隣接する第２のデータ線と、
前記第１及び第２のワード線と前記第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、
前記第１及び第２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２のメモリセルと、
前記第３及び第４のワード線と前記第１のデータ線との交点に配置された第３のメモリセルと、
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、
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前記第１のワ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のワード線に接続される第１のトランジスタとを有し、
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のワ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トが前記第１のワード線に接続される第２のトランジスタとを有し、
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のワ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トが前記第４のワード線に接続される第３のトランジスタとを有し、
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のワ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トが前記第３のワ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。
【請求項２０】
請求項１から請求項１９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、強磁性体固定層とトンネル絶縁膜と強磁性体自由層とを含んだ磁気トンネル接合素子である半導体装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
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
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  Ｗｒｉｔｅ  Ｎｏｎ−Ｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｒｒａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ＦＥＴ  Ｓｗｉｔｃｈ  ｉｎ  ｅａｃｈ  ｃｅｌｌ，″２０００  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，ｐｐ．１２８−１２９，Ｆｅｂ．２０００．［文献２］：Ｐ．Ｋ．Ｎａｊｉ，ｅｔ  ａｌ．，″Ａ  ２５６ｋｂ  ３．０Ｖ  １Ｔ１ＭＴＪ  Ｎｏｎｖｏｌａｔｉｌｅ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ＲＡＭ，″２００１  ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ，ｐｐ．１２２−１２３，Ｆｅｂ．２００１．［文献３］：Ｚ．Ｇ．Ｗａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，″Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａ−Ｄｅｎｓｅ  Ｓｐｉｎ−Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ，″ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，ｖｏｌ．３３，ｎｏ．６，ｐｐ．４４９８−４５１２，Ｎｏｖ．１９９７．［文献４］：特開平１０−１０６２５５。［文献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、マグネトレジスティブ・ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）の開発がなされている。ＭＲＡＭ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、マグネトレジスタンス（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（ＭＴＪ）素子の開発と、そのＭＲＡＭへの応用が進められている。スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）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（ＤＲＡＭ）並みの高集積度が実現できる可能性が、例えば、文献１や文献２で述べられている。
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，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．と、データ線ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，．．．の交点に、メモリセルＭＣ００，ＭＣ０１，ＭＣ０２，ＭＣ０３，．．．，ＭＣ１０，ＭＣ１１，ＭＣ１２，ＭＣ１３，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２１，ＭＣ２２，ＭＣ２３，．．．，ＭＣ３０，ＭＣ３１，ＭＣ３２，ＭＣ３３，．．．，．．．が設けられる。書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．及び読み出しワード線ＷＲ０，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．は、駆動回路を含むワード線制御回路ＲＣＮ０，ＲＣＦ０により制御される。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ＣＣＮ０，ＣＣＦ０により両端を制御される。各メモリセルは、１個のＭＴＪ素子ＭＴＪと１個のトランジスタＭＴからなる。ＭＴＪ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、トンネル絶縁膜が挟まれた構造である。このＭＴＪ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、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、該ワード線に接続されたメモリセル中でトランジスタＭＴを導通させてＭＴＪ素子ＭＴＪの端子間に電圧を印加し、ＭＴＪ素子ＭＴＪの磁気抵抗に応じて、ＤＬ０，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ワード線の電流ＩＷＷを、書き込みワード線電流ＩＷＳとし、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ＩＤ１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、ＭＴＪ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。書き込みワード線電流ＩＷＳで生じるハードアクシス磁界により、ＭＴＪ素子の磁化反転が起こりやすくなり、イージーア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。
ＭＲＡＭ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、書き込みワード線ＷＷ１とデータ線ＤＬ１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ＷＷ１が選択状態にあり、その電流による磁界を受け、さらに選択データ線ＤＬ１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ＭＣ０１及びＭＣ２１も、データ線ＤＬ１が選択状態にあり、さらに選択書き込みワード線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、１個のＭＴＪ素子ＭＴＪと１個のトランジスタＭＴからなるメモリセルについてではないが、ＭＴＪ素子（スピン・トンネリング素子）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、ＭＴＪ素子を０．２μｍ角とし、スペースを０．２４μｍとすると、隣接するＭＴＪ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（ＧＭＲ）素子によるメモリセルを用いたＭＲＡＭ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。ＧＭＲ素子は、ＭＴＪ素子に比べＭＲ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ＭＲＡＭ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、ＭＴＪ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。
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ＭＲＡＭを提供することにある。
発明の開示
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。書き込み時に選択され電流を流す複数の書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，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、ＭＴＪ素子ＭＴＪとトランジスタＭＴ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ＭＲＡＭセルアレイを有する。望ましくは、上記ＭＴＪ素子は、上記書き込みワード線と上記データ線との間に設けられ、一端はデータ線に接続され、他端は上記ト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ートは、上記複数の書き込みワード線に対応して設けられた複数の読み出しワード線ＷＲ０，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．に接続される。上記トランジスタのソースは、上記デー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ＭＴＪ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ＭＴＪ素子と上記トランジスタの上記書き込みワード線２本毎に配置される。
発明を実施するための最良の形態
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ＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ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、ＰＭＯＳトランジスタにはボディに矢印の記号を付すことで、ＮＭＯＳトランジスタと区別することとする。図面にはＭＯＳ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、ＭＯＳトランジスタが正常動作可能な範囲であれば、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、信号のロウレベルを’０’，ハイレベルを’１’とする。
（第１の実施例）
図１に、第１の実施例のＭＲＡＭのメモリセルアレイを示す。書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．及び読み出しワード線ＷＲ０，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．と、データ線ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，．．．との交点に、市松模様状あるいはチェッカーパターン状に、メモリセルＭＣ００，ＭＣ０２，．．．，ＭＣ１１，ＭＣ１３，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，ＭＣ３１，ＭＣ３３，．．．，．．．が設けられる。また、読み出しワード線と同一方向に、ソース線ＳＬ０１，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ＲＣＮ１により駆動される。また、書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，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ＲＣＮ１，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ＣＣＮ１，ＣＣＦ１により両端を制御される。各メモリセルは、１個のＭＴＪ素子ＭＴＪと１個のトランジスタＭＴからなる。ＭＴＪ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ワード線に接続され、ソースはソース線に接続される。
メモリセルアレイの動作は、図２に示した従来のＭＲＡＭセルアレイと同様に行う。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、データ線とワード線の選択に、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、ＭＴＪ素子ＭＴＪの磁気抵抗に応じて、ＤＬ０，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行う。一方、書き込み動作は、図４に示すように、ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．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，ＤＬ１，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ＩＤ０を流すことにより磁界を発生させて行う。
例えば、図１中のメモリセルＭＣ１１に書き込むために、書き込みワード線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，ＭＣ０２，ＭＣ２０，ＭＣ２２の４個である。これらは、選択書き込みワード線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ＷＷ１上で隣接するメモリセルは、ＭＣ１３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ＤＬ１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ＤＬ１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、選択書き込みワード線ＷＷ１との間に書き込みワード線ＷＷ２があり距離が離れているため、書き込みワード線ＷＷ１の電流による漏れ磁界は小さい。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。
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、同じ書き込みワ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。
次に、図１に示したメモリセルアレイの具体的レイアウト及び構造を説明する。図５はＭＴＪ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、書き込みワード線及び読み出しワード線、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〜ＷＲ４に対応する。活性領域パターンＦＬとゲートパターンＦＧの重なった領域が、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っている。また、Ｍ１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ーンである。図５で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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ＭＴＪ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。
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型ウェルで、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。１０２は、素子間分離酸化膜で、パターンＦＬで囲まれていない領域に対して、例えば基板をエッ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ｎ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及びゲート１０４のない活性領域に形成される。１０４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トのプラグで、コンタクトパターンＬＣＴ及びＭＣＮＴに応じて形成される。１０６は、パターンＭ１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。１０８は、パターンＭ２に応じて形成される第２配線層であり、ＭＴＪ素子の直下を通過する配線が書き込みデータ線となる。１０９は、第２配線層とＭＴＪ素子下部電極を接続するメモリコンタクトで、メモリコンタクトパターンＭＣＮＴに応じて形成される。１１０は、ＭＴＪ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。１１１，１１２，１１３は、ＭＴＪ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ＭＴＪ素子パターンＭＪでエッチングされて形成される。１１５は、パターンＭ３に応じて形成される第３配線層であり、ＭＴＪ素子の自由層１１３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１１５を接続するスルーホールが設けられる。
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。
ここで、ＭＴＪ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。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アクシス，ワード線電流による磁界をハードアクシスとして、安定な動作が可能になる。さらに、ＭＴＪ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ＭＴＪ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。
また、ＭＴＪ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、書き込みワード線を避けて、ＭＴＪ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、ＭＴＪ素子がメモリコンタクト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トを配置し、無駄な領域を無くしている。
次に、このメモリセルア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ＳＣＴ０，ＳＣＴ１，．．．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１７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い。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ＭＡなどを有する。
各回路ブロックは、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、コマンドデコーダ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、入力バッファＤＩＢ、出力バッファＤＯＢなどを制御する制御信号を発生する。アドレスバッファＡＢは、外部クロックＣＬＫに応じた所望のタイミングで、外部からのアドレスＡＤＲを取り込み、ロウアドレスＢＸをロウア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とマット選択信号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、カラムアドレスをカラムアドレスカウンタＹＣＴへ送る。カラムアドレスカウンタＹＣＴはそのア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、カラムプリデコードアドレスＣＹをメモリアレイＭＡＲへ出力する。入力バッファＤＩＢ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、ライトデータＧＩをライトバッファＷＢへ出力する。ライトバッファＷＢは、ライトデータＧＩ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ＧＯを出力バッファＤＯＢへ出力する。出力バッファＤＯＢは、入出力データＤＱへ所望のタイミングで、リードデータＧＯを出力する。
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やア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。本発明によるＭＲＡＭは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭについて開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ＭＲＡＭだけでなく、ＭＲＡＭを混載したシステムＬＳＩ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。
図１０は、図９に示した構成例について、リー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、コマンドデコーダ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、アドレスＡＤＲからロウアドレス及びカラムアドレスをアドレスバッファＡＢに取り込む。アドレスバッファＡＢは、ロウアドレスＢＸを出力する。これを受けて、セクタＳＣＴ０あるいはＳＣＴ１内で、ロウアドレスプリデコーダＸＰＤがロウプリデコードアドレスＣＸを出力し、メモリアレイＭＡＲ内で、図１に示したワード線ＷＬが選択される。また、アドレスバッファＡＢに取り込んだカラムア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、カラムアドレスプリデコーダＹＰＤがバースト動作に対応したカラムアドレスＢＹを出力する。これを受けて、セクタＳＣＴ０あるいはＳＣＴ１内で、カラムアドレスプリデコーダＹＰＤがカラムプリデコードアドレスＣＸを出力し、メモリアレイＭＡＲ内で、図１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ＭＩ０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へ出力する。
ここでは、リードコマンドＲでロウアドレスとカラムアドレスを同時に取り込んでいる。これにより、ＤＲＡＭでは一般に必要とされているロウアドレス取り込みからカラムア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。ＤＲＡＭと異なり、ＭＲＡＭ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。
（第２の実施例）
図１１に、第２の実施例のＭＲＡＭのメモリセルアレイを示す。第１の実施例のメモリセルアレイに対し、読み出しワ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、書き込みワード線がＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．の順に並んでいるのに対し、読み出しワード線はＷＲ０，ＷＲ２，ＷＲ１，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，ＳＬ１３，．．．が配置される。書き込みワード線とデータ線ＤＬ０，ＤＬ１，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，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，ＭＣ３１，ＭＣ３３，．．．，．．．が設けられる。第１の実施例と同様に、書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．と読み出しワード線ＷＲ０，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．及びソース線ＳＬ０２，ＳＬ１３，．．．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，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ＭＴＪ素子ＭＴＪと１個のトランジスタＭＴからなる。ＭＴＪ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が、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１１で、メモリセルＭＣ１０，ＭＣ１２中を書き込みワード線ＷＷ２が、メモリセルＭＣ２１，ＭＣ２３中を書き込みワード線ＷＷ１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。
図１２はＭＴＪ素子の、図１３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１１で示しているメモリセルよりも書き込みワード線及び読み出しワード線、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１２は、図５と同様なレイアウトとなっているが、図１３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。ＥＧは、トランジスタのゲートパターンで、ＷＲ２，ＷＲ１，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。Ｍ１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トパターンである。図１２で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ素子パターンである。Ｍ２は、第２配線層パターンで、ＷＷ１，ＷＷ２，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１２及び図１３で、ＭＣＮＴはメモリコンタクトパターンである。
図１２及び図１３のレイアウトのメモリセルについて、図１４はＡ−Ａ’断面、図１５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ｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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ト、１０５は拡散層と第１配線層とのコンタクトのプラグ、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はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ素子を構成し、１１５は第３配線層である。
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、書き込みワード線に対しては１本おきになっているが、読み出し用ワ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、読み出しワ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ワード線に対してＭＴＪ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、影響を低減できる。本実施例では、隣接する読み出しワ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ＭＴ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、トランジスタＭＴの信頼性を含めた性能向上が容易になる。
（第３の実施例）
図１６に、第３の実施例のＭＲＡＭのメモリセルアレイを示す。書き込みワード線２本に対し、読み出しワード線を１本にしていることが特長である。書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１に対応して読み出しワード線ＷＲ０１とソース線ＳＬ０１が、書き込みワード線がＷＷ２，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ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，．．．との交点に、メモリセルＭＣ００，ＭＣ０２，．．．，ＭＣ１１，ＭＣ１３，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，ＭＣ３１，ＭＣ３３，．．．，．．．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，ＷＷ１，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ＭＴＪ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。
書き込みワード線と読み出しワード線の本数が異なるため、ワード線を選択するためのア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、読み出しワード線を選択すれば良いので、実現は容易である。
図１７はＭＴＪ素子の、図１８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１３中で用いている第１配線層パターンＭ１及びコンタクトパターンＬＣＴを削除していることが特長である。ここでは、図１６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、すなわち読み出しワード線１本分、ワ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が、１個のメモリセルの領域である。図１７は、図５あるいは図１２と同様なレイアウトとなっているが、図１８では、活性領域パターンＦＬの形状が、図６あるいは図１３と異なり、櫛形となっている。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１７で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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１７及び図１８で、ＭＣＮＴは、拡散層から第２配線層を介してＭＴＪ素子下部電極へのメモリコンタクトパターンである。
図１７及び図１８のレイアウトのメモリセルについて、図１９はＡ−Ａ’断面、図２０はＢ−Ｂ’断面を示している。図７及び図８あるいは図１４及び図１５と同様に、これらの図で、１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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トである。第１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トのプラグである。１０８は第２配線層、１０９はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ素子を構成し、１１５は第３配線層である。図８あるいは図１５と異なり、図２０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、低コスト化できる。ここで、ＭＴＪ素子のレイアウトを、書き込みワード線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アウトでも、読み出しワード線となるゲート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１３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、拡散層を読み出しワー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１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。
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、読み出しワ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ＭＴＪ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しているため、影響を低減できる。
（第４の実施例）
図２１に、第４の実施例のＭＲＡＭ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１個のＭＴＪ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，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．に対応し、読み出しワード線ＷＲ０１Ｌ，ＷＲ０１Ｒ，ＷＲ２３Ｌ，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ＳＬ０，ＳＬ１２，ＳＬ３４，．．．が配置される。書き込みワード線とデータ線ＤＬ０，ＤＬ１，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，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，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ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．と読み出しワード線ＷＲ０１Ｌ，ＷＲ０１Ｒ，ＷＲ２３Ｌ，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ＣＣＮ４，ＣＣＦ４により両端を制御される。ここで、書き込みワード線ＷＲ０１ＬとＷＲ０１Ｒ，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、書き込みワ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１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ＭＴＪ素子ＭＴＪと１個のトランジスタＭＴからなる。ＭＴＪ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。
図２２はＭＴＪ素子の、図２３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２１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、すなわち読み出しワード線１対分、ワ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。図２２は、図５などと同様なレイアウトとなっているが、図２３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、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。Ｍ１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トパターンである。図２２で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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はメモリコンタクトパターンである。
図２２及び図２３のレイアウトのメモリセルについて、図２４はＡ−Ａ’断面、図２５はＢ−Ｂ’断面を示している。図７及び図８あるいは図１４及び図１５と同様に、これらの図で、１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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ト、１０５は拡散層と第１配線層とのコンタクトのプラグ、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はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ素子を構成し、１１５は第３配線層である。
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、ＭＴＪ素子の抵抗変化率を検出する。ＭＴＪ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ＭＴＪ素子の抵抗よりも十分低くなければならない。ＭＴＪ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、ＭＴＪ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、効率的なレイ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、パターニングが容易になり、そのスペースを縮小して、トランジスタのチャネル幅を拡大し、さらにトランジスタを低抵抗化することも可能である。
（第５の実施例）
図２６に、第５の実施例のＭＲＡＭ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ＭＴＪ素子ＭＴＪｂ，ＭＴＪｔで構成していることが特長である。図１に示した第１の実施例と同様に、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、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、ＤＬ０ｂとＤＬ０ｔ，ＤＬ１ｂとＤＬ１ｔ，．．．がそれぞれデータ線対となっている。書き込みワード線及び読み出しワ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，．．．，ＭＣ１１，．．．，ＭＣ２０，．．．，ＭＣ３１，．．．，．．．が設けられる。各メモリセル内のＭＴＪ素子ＭＴＪｂ，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ＭＴｂ，ＭＴｔ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。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ワード線及びソース線は、駆動回路を含むワード線制御回路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。
メモリセルアレイの動作は、メモリセル中のＭＴＪ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２７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、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ＭＴＪ素子ＭＴＪｂ，ＭＴＪｂの端子間に電圧を印加する。ＭＴＪ素子ＭＴＪｂ，ＭＴＪｂの磁気抵抗に応じて、ＤＬ０ｂとＤＬ０ｔ，ＤＬ１ｂとＤＬ１ｔ，．．．中の所望のデータ線対を介して流れる電流ＩＤＬｂ，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、ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．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、ＤＬ０ｂとＤＬ０ｔ，ＤＬ１ｂとＤＬ１ｔ，．．．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ＩＤ０とする。
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ＭＴＪ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個のトランジスタと１個のＭＴＪ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。
本実施例では、このメモリセルをチェッカーパ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い。
図２９はＭＴＪ素子の、図３０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２６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及び読み出しワード線１本分、ワ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３０で、ＦＬは活性領域パターン、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。Ｍ１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トパターンである。図２９で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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配線層パターンであり、データ線として用いる。図５に示したレイアウトとは異なり、対応するＭＴＪ素子の有無により、幅を変えたレイアウトとしている。図２９及び図３０で、ＭＣＮＴはメモリコンタクトパターンである。
図２９及び図３０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３１はＢ−Ｂ’断面を示している。１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ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。
この実施例でも、ＭＴＪ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ＭＴＪ素子の有無により変えることで、この形状をＭＴＪ素子を効率的に配置している。
（第６の実施例）
図３２に、第６の実施例のＭＲＡＭのメモリセルアレイを示す。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ＤＬ０，ＤＬ１，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，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，ＭＣ３１，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は書き込みワード線ＷＷ０にも接続する。書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．と読み出しワード線ＷＲ０，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ＣＣＮ６，ＣＣＦ６により両端を制御される。各メモリセルは、ＭＴＪ素子ＭＴＪとトランジスタＭＴにより構成され、ＭＴＪ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ワード線に接続され、ソースは隣接する書き込みワ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、隣接する書き込みワード線に接続されている。
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、書き込みワ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、メモリセル内のトランジスタ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、隣接する書き込みワード線をソース線として用いることができる。
図３３はＭＴＪ素子の、図３４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Ｍ１を削除している。ここでは、図１６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及び読み出しワード線それぞれ２本分、ワ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が、１個のメモリセルの領域である。図３３及び図３４で、ＭＣＮＴは拡散層から第２配線層を介してＭＴＪ素子下部電極へのメモリコンタクトパターンであり、ＷＣＴは拡散層から第２配線層へのコンタクトパターンである。図３３は、図１７などと同様なレイアウトとなっているが、図３４では、第２配線層へのコンタクトのレイアウトの都合により、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３３で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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３３及び図３４のレイアウトのメモリセルについて、図３５はＡ−Ａ’断面、図３６はＢ−Ｂ’断面を示している。図１９及び図２０と同様に、これらの図で、１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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ト、１０５は拡散層と第２配線層とのコンタクトのプラグ、１０８は第２配線層、１０９はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ素子を構成し、１１５は第３配線層である。コンタクトプラグ１０５は、コンタクトパターンＭＣＮＴ及びＷＣＴに応じて形成する。
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。
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、ワード線制御回路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。しかし、図４に示したように書き込みワード線は一方向に電流を流せば良いので、ワード線制御回路ＲＣＮ６，ＲＣＦ６の一方では、書き込みワ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。
（第７の実施例）
図３７に、第７の実施例のＭＲＡＭのメモリセルアレイを示す。ワード線方向に隣接するメモリセルで交互に、ワード線を書き込みワード線と読み出しワード線に使い分けることが特長である。ワード線Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７，．．．とデータ線ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２，ＤＬ３，．．．との交点に、ワード線２本毎にメモリセルＭＣ００，ＭＣ０２，．．．，ＭＣ１１，ＭＣ１３，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２２，．．．，ＭＣ３１，ＭＣ３３，．．．，ＭＣ４０，ＭＣ４２，．．．，ＭＣ５１，ＭＣ５３，．．．，ＭＣ６０，ＭＣ６２，．．．，ＭＣ７１，ＭＣ７３，．．．，．．．が設けられる。また、ワード線２本毎に、ソース線ＳＬ０，ＳＬ１２，ＳＬ３４，ＳＬ５６，ＳＬ７８．．．が配置される。ワード線Ｗ０，Ｗ１，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ＣＣＮ７，ＣＣＦ７により両端を制御される。各メモリセルは、ＭＴＪ素子ＭＴＪとトランジスタＭＴにより構成され、ＭＴＪ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のゲートはワード線に接続され、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、ＭＴＪ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ＭＣ００，ＭＣ２０，ＭＣ４０，ＭＣ６０では、ワード線Ｗ０，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６が書き込みワード線として働き、ワード線Ｗ１，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ＭＣ１１，ＭＣ３１，ＭＣ５１，ＭＣ７１では、ワード線Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５，Ｗ７が書き込みワード線として働き、ワード線Ｗ０，Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６が読み出しワード線として接続されている。
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、書き込みワ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ワード線に使い分けても、正常動作が可能である。
図３８はＭＴＪ素子の、図３９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はトランジスタのゲートパターンで、両方ともワード線に用いられている。ＦＣＴは、ゲートから第１配線層を介して第２配線層へのコンタクトパターンである。ＦＬは活性領域パターン、Ｍ１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ＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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はメモリコンタクトパターンである。なお、必要に応じて、ゲートから第１配線層を介して第２配線層へのコンタクトパターンＦＣＴは、間引くことができる。
図３８及び図３９のレイアウトのメモリセルについて、図４０はＡ−Ａ’断面、図４１はＢ−Ｂ’断面を示している。１０５ｆは、ゲートと第１配線層のコンタクトのプラグであり、図３９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、１０１ｐはｐ型ウェル、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ト、１０５は拡散層と第１配線層とのコンタクトのプラグ、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はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ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３８及び図３９のメモリコンタクトパターンＭＣＮＴに加え、コンタクトパターンＦＣＴにも応じて形成される。
このように、読み出しワード線となるゲート１０４を、書き込みワード線となる第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、あるい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ト抵抗が高い。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ワー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、メモリセルアレイのエッジで、読み出しワード線と書き込みワ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トする効果が大きい。また、文献２では、同じメモリセルに接続される読み出しワード線と書き込みワ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、読み出しワ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っているため、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ー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、ＭＴＪ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、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、一方では読み出しワ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。
（第８の実施例）
図４２に、第８の実施例のＭＲＡＭ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対ＤＬ０ｕとＤＬ０ｌ，ＤＬ１ｕとＤＬ１ｌ，ＤＬ２ｕとＤＬ２ｌ，ＤＬ３ｕとＤＬ３ｌ，．．．との交点に、メモリセルＭＣ００，ＭＣ０１，ＭＣ０２，ＭＣ０３，．．．，ＭＣ１０，ＭＣ１１，ＭＣ１２，ＭＣ１３，．．．，ＭＣ２０，ＭＣ２１，ＭＣ２２，ＭＣ２３，．．．，ＭＣ３０，ＭＣ３１，ＭＣ３２，ＭＣ３３，．．．，．．．が設けられる。書き込みワード線ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．と読み出しワード線ＷＲ０，ＷＲ１，ＷＲ２，ＷＲ３，．．．は、駆動回路を含むワード線制御回路ＲＣＮ８，ＲＣＦ８により制御され、データ線対ＤＬ０ｕとＤＬ０ｌ，ＤＬ１ｕとＤＬ１ｌ，ＤＬ２ｕとＤＬ２ｌ，ＤＬ３ｕとＤＬ３ｌ，．．．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、ＭＴＪ素子ＭＴＪとトランジスタＭＴにより構成され、ＭＴＪ素子ＭＴＪの一端はデータ線対の一方に接続され、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ワード線に接続され、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、ＭＴＪ素子ＭＴＪがデータ線ＤＬ０ｕに接続され、トランジスタＭＴがデータ線ＤＬ０１接続されているのに対し、メモリセルＭＣ１０では、ＭＴＪ素子ＭＴＪがデータ線ＤＬ０１に接続され、トランジスタＭＴがデータ線ＤＬ０ｕに接続されている。
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４３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、該ワード線に接続されたメモリセル中でトランジスタＭＴを導通させてＭＴＪ素子ＭＴＪの端子間に電圧を印加する。ＭＴＪ素子ＭＴＪの磁気抵抗に応じて、ＤＬ０ｕとＤＬ０ｌ，ＤＬ１ｕとＤＬ１ｌ，ＤＬ２ｕとＤＬ２ｌ，ＤＬ３ｕとＤＬ３ｌ，．．．中の所望のデータ線対を介して流れる電流ＩＤＬｕ，ＩＤＬｌ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４４に示すように、ＷＷ０，ＷＷ１，ＷＷ２，ＷＷ３，．．．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、ＤＬ０ｂとＤＬ０ｔ，ＤＬ１ｂとＤＬ１ｔ，．．．中で選択したデータ線対の一方でＭＴＪ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４４では、データ線ＤＬ０ｕ，ＤＬ１ｕ，ＤＬ２ｕ，ＤＬ３ｕ，．．．に、ＭＴＪ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ＩＤ１あるいはＩＤ０としている。データ線ＤＬ０ｌ，ＤＬ１ｌ，ＤＬ２ｌ，ＤＬ３ｌ，．．．に、ＭＴＪ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４４とは逆に、それらの内で選択されたデータ線の電流ＩＤＬｌを書き込み電流ＩＤ１あるいはＩＤ０とする。
図４５はＭＴＪ素子の、図４６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Ｍ１を削除している。点線の長方形ＭＣが、１個のメモリセルの領域である。図４５及び図４６で、ＭＣＮＴは拡散層から第２配線層を介してＭＴＪ素子下部電極へのメモリコンタクトパターンであり、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４５で、ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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４６では、拡散層から第３配線層へのコンタクトのレイアウトの都合により、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、読み出しワード線として用いられる。
図４５及び図４６のレイアウトのメモリセルについて、図４７はＡ−Ａ’断面、図４８はＢ−Ｂ’断面を示している。図１９及び図２０や図３３及び図３４と同様に、これらの図で、１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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ト、１０５は拡散層と第２配線層とのコンタクトのプラグ、１０８は第２配線層、１０９はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ素子を構成し、１１５は第３配線層である。コンタクトプラグ１０５は、コンタクトパターンＭＣＮＴ及びＤＬＣＴに応じて形成する。また、１１４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。
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、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、ＭＴＪ素子ＭＴＪについては１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減できる。
（第９の実施例）
ＭＴＪ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。ＭＴＪ素子のレイアウトを、図４９に示す。トランジスタのレイアウトは、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、書き込みワード線及び読み出しワード線、それぞれ１本分ずらした領域を示しており、点線の長方形ＭＣが、１個のメモリセルの領域である。ＰＬはＭＴＪ素子の下部電極パターン、ＭＪはＭＴＪ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ＭＴＪ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、ＭＴＪ素子を６角形にしてワード線方向を長手方向にしていたのに対して、このレイアウトでは平行四辺形にして長手方向を書き込みワード線毎に交互に傾けている。
図５０のレイアウトのメモリセルでも、Ａ−Ａ’断面は図８に示した様になる。図５０は、Ｂ−Ｂ’断面を示している。図７と同様に、１００はｐ型半導体基板、１０１ｐはｐ型ウェル、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はメモリコンタクト、１１０はＭＴＪ素子下部電極であり、１１１，１１２，１１３はＭＴＪ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。
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５１及び図５２は、書き込み動作を示している。書き込みワード線の電流を、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ＣＣＮ１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，ＷＷ２，．．．のいずれかの場合には、図５１に示すように、選択された書き込みワード線の電流ＩＷＷｅを、’１’を書き込む場合には正の書き込みワード線電流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ＷＷ１，ＷＷ３，．．．のいずれかの場合には、図５２に示すように、選択された書き込みワード線の電流ＩＷＷｏを、’１’を書き込む場合には負の書き込みワード線電流ＩＷｎとし、’０’を書き込む場合には正の書き込みワード線電流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ＩＤ１あるいは負のＩＤ０とする。
このように、駆動することにより、書き込みワード線とデータ線の電流による選択メモリセルのＭＴＪ素子への合成磁界は、ＭＴＪ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、選択書き込みワー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ＭＣ１１に書き込む際のメモリセルＭＣ２２のＭＴＪ素子には、ＭＴＪ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のレイアウトを用いた第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。
このように、磁気抵抗素子を交互にワ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ワ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ワード線とデータ線との交点にチェッカーパターン上にＭＴＪ素子を配置しているため、ディスターブを低減する効果がさらに大きい。また、隣接するＭＴＪ素子の長手方向の角同士が近づくことがないため、レイアウトが容易である。
なお、ＭＴＪ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４９のレイアウトでは、データ線と直行する方向、すなわち書き込みワード線方向で揃えることが望ましい。そのような固定層に対して、ＭＲ比が大きくなるよう、自由層の磁化方向が書き込みワード線方向とすることが望ましく、ＭＴＪ素子の長手方向を書き込みワ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。
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、ＭＴＪ素子の長手方向を書き込みワード線毎に交互に傾ける手法を用いることができる。
本発明によって得られる主な効果は以下の通りである。
ＭＴＪ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ＭＲＡＭセルア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ＭＲＡＭセルアレイを実現できる。
産業上の利用可能性
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ＭＲＡＭやＭＲＡＭを含んだシステムＬＳＩに適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１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は、従来のＭＲＡＭのメモリセルアレイの構成例を示す図である。
図３は、ＭＲＡＭセルの読み出し動作を示す図である。
図４は、ＭＲＡＭセルの書き込み動作を示す図である。
図５は、第１の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図６は、第１の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図７は、図５及び図６のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図８は、図５及び図６のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図９は、メモリの構成例を示す図である。
図１０は、図９のメモリの動作を示す図である。
図１１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１２は、第２の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図１３は、第２の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図１４は、図１２及び図１３のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図１５は、図１２及び図１３のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図１６は、第３の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。
図１７は、第３の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図１８は、第３の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図１９は、図１７及び図１８のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図２０は、図１７及び図１８のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図２１は、第４の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。
図２２は、第４の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図２３は、第４の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図２４は、図２２及び図２３のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図２５は、図２２及び図２３のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図２６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２７は、第５の実施例のＭＲＡＭセルの読み出し動作を示す図である。
図２８は、第５の実施例のＭＲＡＭセルの書き込み動作を示す図である。
図２９は、第５の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図３０は、第５の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図３１は、図２９及び図３０のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図３２は、第６の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。
図３３は、第６の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図３４は、第６の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図３５は、図３３及び図３４のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図３６は、図３３及び図３４のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図３７は、第７の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。
図３８は、第７の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図３９は、第７の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図４０は、図３８及び図３９のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図４１は、図３８及び図３９のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図４２は、第８の実施例のメモリセルアレイの構成を示す図である。
図４３は、第８の実施例のＭＲＡＭセルの読み出し動作を示す図である。
図４４は、第８の実施例のＭＲＡＭセルの書き込み動作を示す図である。
図４５は、第８の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図４６は、第８の実施例のトランジスタのレイアウトを示す図である。
図４７は、図４５及び図４６のＡ−Ａ’断面の構造を示す図である。
図４８は、図４５及び図４６のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図４９は、第９の実施例のＭＴＪ素子のレイアウトを示す図である。
図５０は、図４９のＢ−Ｂ’断面の構造を示す図である。
図５１及び図５２は、第９の実施例のＭＲＡＭセルの書き込み動作を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【国際調査報告】
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