(57)【要約】ＭＲＡＭトグル方式メモリセルの読み出しは、まず初期状態を表す第１信号をセンスアンプ（１３００，１５００）に供給することにより行なわれる。セルの抵抗は、セルの磁化自由層の磁気分極の方向を変えることにより一時的に変化する。ＭＲＡＭセルの抵抗の変化に応じて生成される第２信号がセンスアンプ（１３００，１５００）に供給される。第１信号を第２信号と比較してＭＲＡＭセルの状態を判定する。
2006515946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１状態及び第２状態のうちの一つの状態であるメモリセルの初期状態を検出する方法であって、
前記メモリセルの状態を前記初期状態から前記第１状態と前記第２状態との間の中間の状態に変化させること、
前記変化させる工程を使用して前記メモリセルの前記初期状態を判定することを備える、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記メモリセルは磁界による磁気分極を起こすＭＲＡＭセルであり、前記第１状態では磁気分極の方向がゼロ度であり、前記第２状態における磁気分極の方向は前記第１状態から約１８０度回転しており、前記変化させる工程は、前記磁気分極の方向を前記初期状態から約１８０度未満の角度だけ回転させることを含む、方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、前記初期状態からの前記磁気分極の方向の前記回転は、前記初期状態を基準として４５度と約９０度との間の角度である、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記変化させる工程を使用する工程は、
前記初期状態を表す第１信号を供給すること、
前記変化させる工程に応答して第２信号を供給すること、
前記第２信号が前記第１信号よりも大きいかどうか、または前記第１信号が前記第２信号よりも大きいかどうかを示す出力を供給して前記初期状態を判定することを含む、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記出力を供給する工程は、
前記第１及び第２信号を増幅して増幅済みの第１及び第２信号を供給すること、
前記増幅済みの第１及び第２信号を比較することを含む、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記メモリセルの状態を変化させることは、
第１電流を第１電流ラインに第１方向に流すこと、
前記第１電流を流す工程の後に、第２電流を第２電流ラインに第２方向に流して、前記メモリセルの抵抗を変えること、
前記第１電流を前記第１電流ラインに流し続けながら、前記第２電流ラインに流れる電流を遮断すること、
前記第２電流ラインに流れる電流を遮断した後、前記第１電流ラインを流れる電流を遮断して前記メモリセルを前記初期状態に戻すことを備える、方法。
【請求項７】
第１状態及び第２状態のうちの一つの状態であるメモリセルの初期状態を検出する回路であって、
前記メモリセルの状態を前記初期状態から前記第１状態と前記第２状態との間の中間の状態に変化させる変化手段と、
前記変化手段が前記メモリセルを前記第１状態と前記第２状態との間の中間の状態に変化させるのに応答して前記メモリセルの前記初期状態を検出する検知手段とを備える回路。
【請求項８】
請求項７記載の回路において、前記メモリセルは磁界による磁気分極を起こすＭＲＡＭセルであり、前記第１状態では磁気分極の方向がゼロ度であり、前記第２状態における磁気分極の方向は前記第１状態から約１８０度回転しており、前記変化手段は、前記磁気分極の方向を前記初期状態から約１８０度未満の角度だけ回転させて前記第１状態と前記第２状態との間の中間の状態に至らしめる手段として特徴付けられる、回路。
【請求項９】
請求項８記載の回路において、前記変化手段は、前記磁気分極の方向を前記初期状態から回転させて、前記初期状態を基準として約４５度と約９０度の間の角度だけ回転した状態とする、回路。
【請求項１０】
請求項７記載の回路において、前記検知手段は、
前記メモリセルから得られ、かつ、前記セルの前記初期状態を表す第１信号を供給する手段と、
前記供給手段に接続され、ビットセルが前記第１状態に向かう方向か、または前記第２状態に向かう方向に変化したかどうかを検出し、前記ビットセルの初期状態が前記第１状態または前記第２状態にあるかどうかを示す信号出力を供給する手段とを含む、回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｉｅｓ：ＭＲＡＭｓ）に関し、特に、切り替え（tｏｇｇｌｉｎｇ）メモリセルを有するＭＲＡＭの読み出し動作に関する。
（関連出願）
本出願は、２００１年１０月１６日出願であり、本出願と同じ譲受人に譲渡された「縮小可能な磁気抵抗ランダムアクセスメモリ素子の書き込み方法」と題する米国出願番号６，５４５，９０６に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＬＡＳＨメモリのような不揮発性メモリデバイスは電子システムにおいて極めて重要な構成要素である。ＦＬＡＳＨは今日使用されている主要な不揮発性メモリデバイスである。ＦＬＡＳＨメモリの不具合として、高電圧が必要であることと、書き込み及び消去時間が長いことが挙げられる。またＦＬＡＳＨメモリはメモリ不良に至るまでの書き込み可能回数が１０4〜１０6サイクルと少ない。さらに、データを使用可能な程度に保持するためには、ゲート酸化膜の厚さを薄くしようとすると、電子がトンネル障壁をトンネリングする現象によって制約を受ける。従って、ＦＬＡＳＨメモリにおいては、このメモリをどこまで縮小できるかについての寸法には限界がある。
【０００３】
これらの不具合を解決するために、磁気メモリデバイスが検討されている。このようなデバイスの一つに磁気抵抗ＲＡＭ（以降、「ＭＲＡＭ」と記載する）がある。しかしながら、実用レベルになるためには、ＭＲＡＭは現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を有する必要があり、次世代メモリのために縮小可能で、低電圧で動作し、低消費電力でなければならず、現メモリ技術と競合し得る程度の読み出し／書き込み速度を示す必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＲＡＭデバイスの場合、不揮発性メモリ状態の安定性、読み出し／書き込みサイクルの繰り返し性、及びメモリ素子からメモリ素子に切り替えるためのスイッチング磁界の均一性の３つが、その構成性能の最も重要な側面である。ＭＲＡＭのメモリ状態は電力により維持されるのではなく、磁気モーメントベクトルの方向により維持される。データの記憶は、磁界を印加し、ＭＲＡＭデバイスの磁性材料を磁化して２つの可能なメモリ状態のうちのいずれかの状態を実現することにより行なわれる。メモリに記憶されるデータの読み出しは、２つの状態のＭＲＡＭセルのトンネル接合抵抗の差を検知することにより行なわれる。通常、メモリセルの記憶状態は、セル状態を基準セルの状態と比較することにより判定することができる。しかしながら、ＭＲＡＭセルが「切り替え（ｔｏｇｇｌｉｎｇ）」セルである場合に問題が生じる。すなわち、切り替えセルの書き込み動作では、ビットを特定の値または状態に設定しないで、値を２つの状態の間で切り替える。従って、セル状態は、書き込み動作が行なわれる前にまず判定される必要がある。しかしながら、基準セル状態もこのセルを使用する前に判定する必要がある。従って、ＭＲＡＭセルの状態を、基準を使用することなく判定する方法が必要となる。
【０００５】
本発明について今までに記載してきた特定の目的及び利点、更に多くの特定の目的及び利点は、この技術分野の当業者には本発明の好適な実施形態に関する次の詳細な説明から次の図を参照することにより容易に理解できるものと考える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
ＭＲＡＭセルでは、磁界を磁化自由層に印加して、その磁気分極の方向を回転させる。セルの上方及び下方に位置する２つの直交ラインによって高電流が流れ、この電流によって磁界が生じてビットを切り替える。特定の電流シーケンスを使用して、ビット状態を変える。この方法では、ハイ状態またはロー状態の書き込みが直接行なわれるのではなく、現状態を反対状態に切り替える（ｔｏｇｇｌｅ）。このスイッチング／書き込み方法では、部分書き込みも行なわれて、ビットを「小刻みに動かす（ｗｉｇｇｌｅ）」または抵抗を一時的に変化させる。適切な信号シーケンスによって書き込み動作を中断して、セルをその初期状態に戻す。
【０００７】
一般的に、本発明はセンスアンプ及びＭＲＡＭセルのセンス方法を提供するものであり、このセンス方法では読み出し動作中のセル状態を判定するために基準セルを使用しなくて済む。一実施形態では、セル状態は、読み出し対象のセルの現在の状態を、セルを反対状態に切り替えた後のセル状態と比較することにより判定される。次に、現在の状態を、切り替え後の状態と比較してセルの論理状態を判定する。例えば、切り替え動作中にセルが状態を変え、「切り替え後の」値が「切り替え前の」値よりも大きくなると、切り替え前の値は論理ローであり、切り替え後の値は論理ハイである。別の実施形態では、セルを切り替えて切り替え後の値を供給するのではなく、トグル信号を印加して、磁化自由層の磁気モーメントを、セル切り替えに必要な回転の一部に相当する分だけ動かし、次に、磁気モーメントをその初期状態に戻すことにより、セルを「小刻みに動かして（ｗｉｇｇｌｉｎｇ）」どちらの方向にセルが変化している、すなわち、セルが低抵抗値または高抵抗値のいずれを示すのかを判定する。セルに印加する電流であって、磁気モーメントを９０度以下だけ回転させる書き込み電流によって、セル抵抗が、セルを「切り替える」のに必要な１８０度回転を有する合計抵抗変化の１５〜５０パーセントの範囲の値で変化する。これらの書き込みシーケンスでは、分極の方向が変化せず、磁化自由層は、書き込み電流が遮断されると、その前の分極状態に戻る。次に「小刻みに動いた（ｗｉｇｇｌｅｄ）」値を「切り替え前の」値と比較してセル状態を判定する。センスアンプは、セル状態を変えることなく、抵抗変化をセンスする。
【０００８】
基準セルを設ける必要を無くすことにより高精度が実現する。その理由は、基準セルとメモリセルとの不一致によるノイズが無くなるからである。また、本発明は、基準セルを使用する切り替え（ｔｏｇｇｌｉｎｇ）メモリセルを有するＭＲＡＭに有用である。その理由は、メモリに対する読み出しを行なう前に基準セルの状態がまず判定される必要があるからである。
【０００９】
次に図１を参照すると、本発明の好適な実施形態によるＭＲＡＭアレイ３の簡易断面図が示されている。この図には、単一の磁気抵抗メモリデバイス１０が示されているが、ＭＲＡＭアレイ３は多くのＭＲＡＭデバイス１０から成り、本明細書では書き込み方法を簡単に説明するために、このようなデバイスを一つだけ示していることを理解されたい。
【００１０】
ＭＲＡＭデバイス１０は書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０を含む。書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０は導電材料を含むことにより電流がこれらのラインを流れるようになる。この図では、書き込みワードライン２０はＭＲＡＭデバイス１０の最上面の上に位置し、書き込みビットライン３０はＭＲＡＭデバイス１０の底面の上に位置し、かつワードライン２０に対して９０°の方向を向く（図２参照）。別の構成として、書き込みワードライン２０はＭＲＡＭデバイス１０の底面の上に位置し、書き込みビットライン３０はＭＲＡＭデバイス１０の最上面の上に位置するようにすることができる。
【００１１】
ＭＲＡＭデバイス１０はトンネル接合を含み、このトンネル接合は第１磁化領域１５、トンネル障壁１６、及び第２磁化領域１７を備え、この場合、トンネル障壁１６は第１磁化領域１５と第２磁化領域１７との間に挟まれる。好適な実施形態では、第１磁化領域１５は３層構造１８を含み、この３層構造は反強磁性結合スぺーサ層６５を２つの強磁性層４５と５５との間に有する。反強磁性結合スぺーサ層６５は厚さ８６を有し、強磁性層４５及び５５は厚さ４１及び５１をそれぞれ有する。また、磁化領域１７は３層構造１９を含み、この３層構造は反強磁性結合スぺーサ層６６を２つの強磁性層４６と５６との間に有する。反強磁性結合スぺーサ層６６は厚さ８７を有し、強磁性層４６及び５６は厚さ４２及び５２をそれぞれ有する。
【００１２】
一般的に反強磁性結合スペーサ層６５及び６６は、ルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ），レニウム（Ｒｅ），クロム（Ｃｒ），ロジウム（Ｒｈ），銅（Ｃｕ）の元素群のうちの少なくとも一つか、または、それらの組合せを含む。さらに、強磁性層４５，５５，４６及び５６は、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），マンガン（Ｍｎ），コバルト（Ｃｏ）の元素群のうちの少なくとも一つか、または、それらの組合せを含む。ここで、磁化領域１５及び１７が３層構造以外に複合反強磁性（ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＳＡＦ）層材料構造を含むことができ、本実施形態において３層構造を使用することが単に例示目的であることを理解されたい。
【００１３】
強磁性層４５及び５５はそれぞれ磁気モーメントベクトル５７及び５３を有し、これらのベクトルは通常、これらの強磁性層と反強磁性結合スペーサ層６５との結合により反平行に保持される。また磁化領域１５は結果として生じる磁気モーメントベクトル４０を有し、磁化領域１７は結果として生じる磁気モーメントベクトル５０を有する。結果として生じる磁気モーメントベクトル４０及び５０は、書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０から好適には４５°の角度の方向の異方性の磁化容易軸に沿って配向する（図２参照）。また、磁化領域１５は磁化自由領域であり、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が磁界が印加されている状態で自由に回転することを意味する。磁化領域１７は磁化固定領域であり、結果として生じる磁気モーメントベクトル５０が中程度の磁界が印加されている状態で自由に回転するということがなく、基準層として使用されるということを意味する。
【００１４】
これらの反強磁性結合層が各３層構造１８の２つの強磁性層の間に設けられる例を示しているが、これらの強磁性層は、静磁場または他の機構のような他の手段を通して反強磁性結合することができることを理解されたい。例えば、セルのアスペクト比を小さくして５以下にする場合、これらの強磁性層は磁区構造が閉じる静磁フラックスクロージャにより反平行結合する。
【００１５】
好適な実施形態では、ＭＲＡＭデバイス１０は３層構造１８を有し、この構造は非円形平面形状を有する場合に１〜５の範囲の長さ／幅比を有する。例えば、一実施形態では、非円形平面形状は約２のアスペクト比の構造とすることができる。しかしながら、本明細書では円形の平面形状の場合を例示している（図２参照）。ＭＲＡＭデバイス１０は円形であり、この形状によって形状異方性がスイッチング磁界に及ぼす影響を最小化することができ、またデバイスがこの形状であるのは、フォトリソグラフィ処理を使用してデバイスの横方向寸法を縮小することが一層容易になるからである。しかしながら、ＭＲＡＭデバイス１０は正方形、楕円形、矩形、または菱形のような他の形状とすることができるが、説明を簡単にするために円形の場合を示していることを理解されたい。
【００１６】
またＭＲＡＭアレイ３の形成過程において、各連続層（すなわち３０，５５，６５など）は連続して堆積するか、または形成し、各ＭＲＡＭデバイス１０は、この半導体分野の公知の技術のいずれかにおける選択成長、フォトリソグラフィ処理、エッチングなどにより形成することができる。少なくとも強磁性層４５及び５５の堆積中に、磁界を印加してこのペアに対して好適な磁化容易軸を設定する（誘起異方性）。この印加磁界によって、磁気モーメントベクトル５３及び５７にとっての好適な異方性軸が生成される。好適な軸は、書き込みワードライン２０と書き込みビットライン３０との間の４５°の角度になるように選択され、これについては以下に説明することとする。
【００１７】
次に図２を参照すると、この図は本発明によるＭＲＡＭアレイ３の簡易平面図を示している。ＭＲＡＭデバイス１０に関する説明を簡単にするために、全ての方向は図示のｘ及びｙ座標系１００と、時計回り回転方向９４及び反時計回り回転方向９６を基準とする。さらに説明を簡単にするために再度、Ｎが２に等しいとし、これによりＭＲＡＭデバイス１０が一つの３層構造を領域１５に含み、この領域１５が磁気モーメントベクトル５３及び５７と、これらに加えて結果として生じる磁気モーメントベクトル４０を有するようになるものとする。また、領域１５の磁気モーメントベクトルのみを示しているが、これは、これらのベクトルが切り替わるからである（領域１７の磁気モーメントベクトルは切り替わらない）。
【００１８】
どのようにして書き込み方法が作用するかについて示すために、磁気モーメントベクトル５３及び５７の好適な異方性軸が負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度に、正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度に向いていると仮定する。例として、図２は、磁気モーメントベクトル５３が負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度に向いていることを示している。磁気モーメントベクトル５７は磁気モーメントベクトル５３に対してほぼ反平行に配向しているので、磁気モーメントベクトル５７は正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度に向いている。この初期配向を使用して書き込み方法の例を示すこととし、これについて以下に説明する。
【００１９】
好適な実施形態では、書き込みワード電流６０が正のｘ方向に流れる場合に正であると定義され、書き込みビット電流７０が正のｙ方向に流れる場合に正であると定義される。書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０の目的は、ＭＲＡＭデバイス１０内に磁界を形成することである。正の書き込みワード電流６０は、周辺書き込みワード磁界ＨＷ８０を誘起し、正の書き込みビット電流７０は、周辺書き込みビット磁界ＨＢ９０を誘起する。この例では、書き込みワードライン２０が素子の平面内でＭＲＡＭデバイス１０の上方に位置するので、正の書き込みワード電流６０に対応してＨＷ８０はＭＲＡＭデバイス１０に対して正のｙ方向に印加される。同様に、書き込みビットライン３０が素子の平面内でＭＲＡＭデバイス１０の下方に位置するので、正の書き込みビット電流７０に対応してＨＢ９０はＭＲＡＭデバイス１０に対して正のｘ方向に印加される。ここで、正の電流の流れ及び負の電流の流れの定義は任意であり、本明細書では例示として定義していることを理解されたい。電流の流れを反転させるのは、ＭＲＡＭデバイス１０内に誘起される磁界の方向を変えるためである。電流によって誘起される磁界の作用はこの技術分野の当業者には公知であるので、ここではこれ以上説明しないこととする。
【００２０】
次に図３を参照すると、この図にはＳＡＦ３層構造のスイッチング動作をシミュレートしたものが示されている。シミュレーション構造は２つの単一磁区から成る層から構成され、これらの層は、固有の異方性を示すほぼ同じモーメント（ほぼバランスするＳＡＦ）を有し、反強磁性結合し、これらの層の磁化回転の動力学的な性質はランダウ−リフシッツ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ）方程式により表わされる。ｘ軸は書き込みワードライン磁界振幅をエルステッドで表わし、ｙ軸は書き込みビットライン磁界振幅をエルステッドで表す。磁界は図４に示すパルス列１００として印加され、このパルス列１００は書き込みワード電流６０及び書き込みビット電流７０を時間の関数として含む。
【００２１】
動作領域には図３に示す３つの動作領域がある。領域９２ではスイッチングは生じない。ＭＲＡＭが領域９５で動作する場合、直接書き込み方式が実施される。直接書き込み方式を使用すると、ＭＲＡＭデバイスの初期状態を判定する必要はない。その理由は、デバイスの状態は、書き込まれる状態が保存されている状態と異なるときにのみ切り換わるからである。書き込み状態をいずれにするかは書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０の両方における電流の方向により決定される。例えば、「１」を書き込みたい場合、両方のラインの電流の方向を正とする。「１」が既に素子に記憶されていて、「１」を書き込もうとする場合、ＭＲＡＭデバイスの最終状態は「１」を保持し続けることになる。また、「０」が記憶されていて、「１」を正の電流によって書き込もうとする場合、ＭＲＡＭデバイスの最終状態は「１」になることになる。同様な結果が「０」を書き込む場合に得られ、この書き込み動作は、書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０の両方に流れる負の電流を使用することにより行われる。従って、いずれの状態もその初期状態に関係無く、所望の「１」または「０」に適切な極性の電流パルスで書き込むことが出来る。本開示全体を通じて、領域９５における動作を「直接書き込みモード」と定義する。
【００２２】
ＭＲＡＭが領域９７で動作する場合、トグル書き込み方式（ｔｏｇｇｌｅ  ｗｒｉｔｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）が実施される。トグル書き込み方式を使用すると、書き込み前にＭＲＡＭデバイス１０の初期状態を判定する必要がある。その理由は、デバイスの状態は、同じ極性電流パルスが書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０の両方に対して選択される限り、電流の方向に関係なく、ＭＲＡＭデバイス１０に対する書き込みが行われる度に、切り替わるからである。例えば、「１」が最初に記憶されている場合、デバイスの状態は、一つの正の電流パルス列によって電流が書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０を流れた後に「０」に切り替わる。記憶されている「０」状態に対して正の電流パルス列を繰り返すことにより記憶状態を「１」に戻すことができる。従って、メモリ素子に対する書き込みを行なって素子を所望の状態にすることを可能にするために、ＭＲＡＭデバイス１０の初期状態をまず読み出し、書き込もうとする状態と比較する必要がある。読み出し及び比較には、情報を記憶するバッファ及びメモリ状態を比較する比較器を含む論理回路を追加する必要がある。次に、記憶状態及び書き込もうとする状態が異なる場合にのみＭＲＡＭデバイス１０に対して書き込みが行なわれる。この方式の利点の一つは、消費電力が低くなることである。その理由は、異なる状態のビットのみが切り替わるからである。トグル書き込み方式を使用する別の利点は、単極性の電圧のみが必要であり、その結果、小さなサイズのＮチャネルトランジスタを使用してＭＲＡＭデバイスを駆動できることである。本開示全体を通じて、領域９７における動作を「トグル書き込みモード」と定義する。
【００２３】
両方の書き込み方式において、書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０に電流を流して磁気モーメントベクトル５３及び５７が前に説明した２つの好適な方向のうちの一つの方向に配向するようにする。次に２つのスイッチングモードを完全に明らかにするために、磁気モーメントベクトル５３，５７及び４０の時間変化に関して説明した特定の例を挙げる。
【００２４】
次に図５を参照すると、「１」を「０」にパルス列１００を使用して書き込むトグル書き込みモードが示される。この図では、時間ｔ0で、磁気モーメントベクトル５３及び５７が図２に示す好適な方向に配向する。この配向状態を「１」と定義する。
【００２５】
時間ｔ1では、正の書き込みワード電流６０が流れ、これによりＨＷ８０が正のｙ方向に生じる。正のＨＷ８０が生じることにより、ほぼバランスする反平行に揃ったＭＲＡＭの３層が「フロップ（ＦＬＯＰ）し」、印加電界方向に対して約９０°の方向に配向する。強磁性層４５と５５との間の有限の反強磁性交換相互作用によって磁気モーメントベクトル５３及び５７が磁界方向に小さな角度だけ偏向し、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が磁気モーメントベクトル５３と５７との間の角度に向き、ＨＷ８０の向きに揃う。従って、磁気モーメントベクトル５３は時計方向９４に回転する。結果として生じる磁気モーメントベクトル４０は磁気モーメントベクトル５３及び５７のベクトル合計であるので、磁気モーメントベクトル５７も時計方向９４に回転する。
【００２６】
時間ｔ2では、正の書き込みビット電流７０が流れ、これにより正のＨＢ９０が生じる。この結果、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０は、ＨＷ８０によって正のｙ方向と、ＨＢ９０によって正のｘ方向に同時に向くことになり、この結果、実効磁気モーメントベクトル４０がさらに時計方向９４に回転し、この回転はベクトル４０が正のｘ方向と正のｙ方向との間のほぼ４５°の角度に配向するまで続く。この結果、磁気モーメントベクトル５３及び５７もさらに時計方向９４に回転することとなる。
【００２７】
時間ｔ3では、書き込みワード電流６０が遮断され、これによりＨＢ９０のみが結果として生じる磁気モーメントベクトル４０の向きを決めることになって、このベクトルが正のｘ方向に配向することになる。磁気モーメントベクトル５３及び５７の両方が、これらのベクトルの異方性の磁化困難軸の不安定ポイントを通過した角度の方向にほぼ向くようになる。
【００２８】
時間ｔ4では、書き込みビット電流７０が遮断され、これにより磁界力が結果として生じる磁気モーメントベクトル４０に作用しなくなる。この結果、磁気モーメントベクトル５３及び５７は、これらのベクトルの最も好ましい方向に配向して異方性エネルギーを最小化する。この場合、磁気モーメントベクトル５３の好適な方向は正のｙ方向及び正のｘ方向に対して４５°の角度になる。この好適な方向はまた、時間ｔ0での磁気モーメントベクトル５３の初期方向から１８０°回転したものであり、「０」と定義される。従って、ＭＲＡＭデバイス１０は「０」に切り替わったことになる。ここで、ＭＲＡＭデバイス１０は、磁気モーメントベクトル５３，５７及び４０を反時計方向９６に、書き込みワードライン２０及び書き込みビットライン３０の両方に流れる負の電流を使用して回転させることにより切り替えることもできるが、例示としてこの逆の場合を示していることを理解されたい。
【００２９】
次に図６を参照すると、パルス列１００を使用して「０」を「１」に書き込むトグル書き込みモードが示される。図示しているのは、磁気モーメントベクトル５３及び５７だけでなく、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０であり、これらのベクトルは前に記載した時間ｔ0，ｔ1，ｔ2，ｔ3及びｔ4の各時間におけるものであり、ＭＲＡＭデバイス１０の状態を「０」から「１」に同じ電流方向及び磁界方向を用いて切り替える機能を示している。従って、ＭＲＡＭデバイス１０の状態に対して、図３の領域９７に対応するトグル書き込みモードで書き込みが行なわれる。
【００３０】
直接書き込みモードの場合、磁気モーメントベクトル５３が磁気モーメントベクトル５７よりも絶対値が大きいと仮定するので、磁気モーメントベクトル４０が磁気モーメントベクトル５３と同じ方向を指すが、ゼロ磁界では絶対値が小さくなる。このようにモーメントがバランスしないことにより、合計モーメントを印加磁界の向きに揃えようとするエネルギーの双極子成分が、ほぼバランスしているＳＡＦの対称性を崩すように作用する。従って、スイッチングが所定極性の電流に対応して一つの方向にのみ生じる。
【００３１】
次に図７を参照すると、パルス列１００を使用する直接書き込みモードを使用して「１」を「０」に書き込む例が示される。ここでは再度、メモリ状態が最初は「１」であり、磁気モーメントベクトル５３が負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の方向を向き、磁気モーメントベクトル５７が正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の方向を向く。正の書き込みワード電流６０及び正の書き込みビット電流７０を用いる上述のパルス列に従って、書き込みが前に記載したトグル書き込みモードと同じ態様で行なわれる。ここで、これらのモーメントが再度、時間ｔ1で「フロップ」するが、結果として生じる角度は、バランスしないモーメントと異方性によって９０°から傾くことに注目されたい。時間ｔ4の後、ＭＲＡＭデバイス１０は「０」状態に切り替わり、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が所望通りに正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度に配向する。従って同様の結果が、「０」を「１」に負の書き込みワード電流６０及び負の書き込みビット電流７０のみで書き込む場合に得られる。
【００３２】
次に図８を参照すると、新規の状態が既に記憶されている状態と同じ場合に直接書き込みモードを使用して書き込みを行なう例が示される。この例では、「０」が既にＭＲＡＭデバイス１０に記憶されていて、次に電流パルス列１００を繰り返して「０」を記憶する。磁気モーメントベクトル５３及び５７は時間ｔ1で「フロップ」しようとするが、バランスしない磁気モーメントが印加磁界に逆らうように作用する必要があるので、回転が弱まる。従って、回転して反対の状態から脱するためのエネルギー障壁が追加される。時間ｔ2では、優勢モーメント５３はほぼ正のｘ軸を向き、その初期異方性方向から４５°未満の角度に向く。時間ｔ3では、磁界は正のｘ軸を向く。更に時計回りに回転するのではなく、系は次に、印加磁界に対称なＳＡＦモーメントを変えることによりそのエネルギーを低くする。劣勢モーメント５７はｘ軸を通り過ぎ、系は、優勢モーメント５３がほぼ初期方向に戻った状態で安定する。従って、磁界が無くなる時間ｔ4では、ＭＲＡＭデバイス１０に記憶された状態は「０」を維持することになる。このシーケンスは図３の領域９５として示される直接書き込みモードのメカニズムを示している。従って、この例では、「０」を書き込むには書き込みワードライン６０及び書き込みビットライン７０の両方に正の電流を流す必要があり、逆に、「１」を書き込むには書き込みワードライン６０及び書き込みビットライン７０の両方に負の電流を流す必要がある。
【００３３】
大きな磁界を印加すると、最終的には、フロップ及びシザー（ｓｃｉｓｓｏｒ）に関連するエネルギー低下は、切り替えを生じなくしている障壁であって、バランスしないモーメントのエネルギーの双極子成分により生じる追加エネルギー障壁を超える。本明細書の説明において、シザー（ｓｃｉｓｓｏｒ）とは３層の中の強磁性層の磁気モーメント方向の間の相対角度の減少を指すものとする。この時点で、切り替えが生じ、このスイッチングは領域９７によって表すことができる。
【００３４】
直接書き込みモードが適用される領域９５を拡大することができる、すなわちｔ3及びｔ4が等しいか、またはｔ3及びｔ4をできるだけ等しくなるようにする場合にトグルモード領域９７を高磁界側に移動させることができる。この場合、書き込みワード電流６０が流れると磁界方向はビット異方性軸に対して４５°の角度から始まり、書き込みビット電流７０が流れるとビット異方性軸に平行になるように移動する。この例は典型的な磁界印加シーケンスと同様である。しかしながら、次には、書き込みワード電流６０及び書き込みビット電流７０がほぼ同時に流れなくなるので、磁界方向はこれ以上回転しない。従って、印加磁界が十分に大きい必要があり、これにより、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が既にその磁化困難軸不安定ポイントを、書き込みワード電流６０及び書き込みビット電流７０の両方が流れている状態で通過しまう。この時点で、トグル書き込みモード現象が生じ難くなる。その理由は、磁界方向が前のように９０°ではなく４５°しか回転しないからである。磁界の立ち下がり時間ｔ3及びｔ4をほぼ一致させる利点は、磁界の立ち上がり時間ｔ1及びｔ2の順番に対する制約を追加しなくてよいことである。従って、複数の磁界をどのような順番でも発生させることができるか、またはほぼ一致する形で発生させることもできる。
【００３５】
前に記載した書き込み方式は高い選択性を示す。その理由は、書き込みワード電流６０及び書き込みビット電流７０の両方を時間ｔ2と時間ｔ3との間に流すＭＲＡＭデバイスのみが状態を切り替えることになるからである。この特徴を図９及び１０に示す。図９は、書き込みワード電流６０が流れず、かつ書き込みビット電流７０が流れる時のパルス列１００を示している。図１０は、ＭＲＡＭデバイス１０の状態の該当する動作を示している。時間ｔ0では、磁気モーメントベクトル５３及び５７だけでなく、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が図２に示すように配向する。パルス列１００では、書き込みビット電流７０が時間ｔ1で流れる。この時間の間、ＨＢ９０によって、結果として生じる磁気モーメントベクトル４０が正のｘ方向を向く。
【００３６】
書き込みワード電流６０は全然流れないので、結果として生じる磁気モーメントベクトル５３及び５７は、これらのベクトルの異方性の磁化困難軸不安定ポイントを通過する回転を行なうことは無い。その結果、磁気モーメントベクトル５３及び５７は、書き込みビット電流７０が時間ｔ3で流れなくなるとほぼ最も好適な方向、すなわちこの場合は時間ｔ0での初期方向に再配向する。従って、ＭＲＡＭデバイス１０の状態は切り替わらない。ここで、書き込みワード電流６０が上に記載した時間と同様な時間に流れ、かつ書き込みビット電流７０が流れない場合には、同じ結果が生じることを理解されたい。この特徴によって、アレイの中の一つのＭＲＡＭデバイスのみが切り替わり、同時に他のデバイスはその初期状態を維持することになる。この結果、不所望のスイッチングを防止することができ、かつビットエラー発生率を最小化することができる。
【００３７】
図１１に示すのはメモリ１１０であり、このメモリは、メモリアレイ１１２、書き込みワードデコーダ１１４、書き込みワードラインドライバ１１６、読み出しワードデコーダ１１８、読み出しワードラインドライバ１２０、一つ以上のセンスアンプ１２２、読み出しビットデコーダ１２４、書き込みビットデコーダ１２６、書き込みビットドライバ１２８、比較器１３０、及び出力ドライバ１３２を備える。これらの素子は複数のラインによって互いに接続される。例えば、読み出しビットデコーダ１２４は複数のアドレス信号から成る列アドレスを受信する。メモリアレイ１１２は、トグル動作によって切り替わるメモリセル群から成るアレイである。メモリアレイ１１２のメモリセル部は図１４に示すメモリアレイ２００であり、このメモリアレイ２００は、図１のメモリアレイ３に関して記載した方法、すなわち書き込みが４５°の角度の４ステップで１８０°に達するまで行なわれる方法で書き込みが行なわれるＭＲＡＭセルアレイである。この特定の好適なセルアレイでは、書き込み動作及び読み出し動作のために個別のワードライン群及びビットライン群が設けられる。
【００３８】
読み出しワードデコーダ１１８は行アドレスを受信し、読み出しワードラインドライバ１２０に接続され、このドライバが今度はメモリアレイ１１２に接続される。読み出しを行なう場合、読み出しワードデコーダ１１８はメモリアレイ１１２の一つの読み出しワードラインを行アドレスに基づいて選択する。選択済みのワードラインは読み出しラインドライバ１２０が駆動する。列アドレスを受信し、センスアンプ１２２とメモリアレイ１１２との間に接続される読み出しビットデコーダ１２４は、一つの読み出しビットラインをメモリアレイ１１２から列アドレスに基づいて選択し、このビットラインをセンスアンプ１２２に接続する。センスアンプ１２２は論理状態を検出し、この論理状態を出力ドライバ１３２及び比較器１３０に入力する。出力ドライバ１３２は読み出しの場合、データ出力信号ＤＯを供給する。書き込み動作の場合、比較器１３０は、センスアンプ１２２が供給する選択済みのセルの論理状態を、データ入力によって供給され、書き込もうとする所望の論理状態と比較する。
【００３９】
書き込みワードデコーダ１１４は行アドレスを受信し、書き込みワードラインドライバ１１６に接続され、このドライバが今度はメモリアレイ１１２に接続される。書き込みを行なう場合、書き込みワードデコーダ１１４はメモリアレイ１１２の一つの書き込みワードラインを行アドレスに基づいて選択し、書き込みワードラインドライバが今度はその選択済みの書き込みワードラインを駆動する。書き込みビットデコーダ１２６は列アドレスを受信し、書き込みビットドライバ１２８に接続され、このドライバはメモリアレイ１１２に接続される。書き込みビットデコーダ１２６は、一つの書き込みビットラインを列アドレスに基づいて選択し、書き込みビットドライバ１２８が今度は選択済みの書き込みビットラインを駆動して選択済みのセルの状態を切り替える。
【００４０】
メモリアレイ１１２はトグルメモリであるので、書き込みトグル動作は、セルの論理状態が反転して結果として生じる選択済みのセルの所望の論理状態を実現する必要がある場合にのみ完了する。従って、比較器１３０は選択済みのセルに対して行なわれる読み出し動作の出力をセンスアンプ１２２から受信し、選択済みのセルが既に所望の論理状態になっているかどうかを判定する。行アドレス及び列アドレスにより決まる選択済みのセルが所望の論理状態になっている場合、書き込み動作は終了する。選択済みのセルの論理状態が所望の状態とは異なる場合、比較器は書き込みビットドライバ１２８に、書き込みが継続する必要があることを通知し、選択済みの書き込みビットラインの書き込みビットドライバが選択済みの書き込みビットラインを駆動する。
【００４１】
図１２に示すのは図１１のメモリ１１０の一部であり、この部分は、書き込みワードラインＷＬに接続される書き込みワードラインドライバ１１６と、書き込みビットラインＢＬに接続される書き込みビットドライバ１２８と、書き込みビットラインＢＬ及び書き込みワードラインＷＬの交点で接続されるセル１３４，１３６，１３８及び１４０とを含む。書き込みを行なう場合、電流を選択済みの書き込みビットラインに流さずに電流を選択済みのワードラインＷＬに十分に長い時間供給してメモリセル群に第１の角度変化を選択済みの書き込みワードラインに沿って生じさせる。電流が選択済みの書き込みワードラインに流れ続けている間、電流が選択済みの書き込みビットラインに流れて第２の角度変化を選択済みのメモリセルに生じさせる。書き込みビットライン及び書き込みワードラインに位置する電流の交点でのみ、この第２の角度変化が生じる。電流が書き込みビットラインに流れ続けている間に、選択済みの書き込みワードラインを流れる電流が無くなって第３の角度変化が選択済みのメモリセルに生じる。選択済みの書き込みビットライン及び選択済みの書き込みワードラインの交点でのみ、この第３の角度変化が生じる。選択済みのメモリセルの第４の角度変化は、選択済みの書き込みビットラインを流れる電流が無くなるときに生じる。
【００４２】
メモリ１１０の書き込み動作について更に、図１３のタイミング図を参照しながら説明する。読み出し動作及び書き込みトグル動作は共に行アドレスまたは列アドレスの変化によって開始するが、これらの動作は、図１３に示すように書き込みワードラインＷＬＡを活性化することで示される。書き込みは、論理状態を反転させる必要があると判定されるまで行なうことができないが、それにも拘らず、書き込みサイクルは開始することができ、この様子は書き込みワードラインが、センスアンプがその出力を供給し、かつ比較器が論理状態を反転させる必要があるかどうかを判定する前に活性化されていてことから分かる。書き込みワードラインを活性化する（電流が流れるようにする）ことにより、選択済みのセルだけでなく、選択済みの書き込みワードラインに沿ったセルの全てに第１の角度変化が生じるが、この変化は、書き込みビットラインが活性化されることなく電流が流れなくなる場合には無くなる。
【００４３】
従って、選択済みの書き込みワードラインを比較器がその判定を行なう前に活性化することができる。その理由は、第１の角度変化は単に電流を流れなくすることにより無くすことができるからである。この動作は、選択済みの書き込みワードラインのセルの全てに第１の角度変化が生じ、一つを除く全てが選択されないことにより可能である。しかしながら、選択済みのセルのみに第２の角度変化が生じ、この変化は書き込みビットラインが活性化されるときに生じる。この状況は、比較器が論理状態の変化が望ましいと判定した後に生じるものとして示される。第１の角度変化は０°〜４５°の範囲の値として示され、第２の角度変化は４５°〜９０°の範囲の値として示される。第３の角度変化は書き込みワードラインが非活性化される（電流が流れなくなる）ときに生じるものとして示される。この角度変化は９０°〜１３５°の範囲の値として示される。最終の角度変化は第４の角度変化として示され、書き込みビットラインが非活性化されるときに生じる。この角度変化は１３５°〜１８０°の範囲の値として示される。
【００４４】
この第４の角度変化は、書き込みの最終段階が、別のサイクルを開始させる次のアドレス変化の後に継続することができることも示している。一つのサイクルの先頭は、そのサイクルが書き込みサイクルであっても必ず読み出しで始まる。アドレスＡがアドレスＢに変化し、読み出しワードラインＢが選択される。この動作は前に選択されたセルの書き込みに干渉しない。この様子は読み出しワードラインの変化によって示されるが、そのアドレスが、選択済みの読み出しワードラインが変化しないような列のみの変化であっても、電流が流れ続けることによって書き込みの完了が悪影響を受けることがない。また、ライト・イネーブルがサイクル開始時に有効になる必要はないことに注目されたい。この理由は、全てのサイクルはいずれにせよ読み出し動作から始まるからである。しかしながら、ライトイネーブル信号は書き込みビットラインを活性化するために十分に早期に有効になる必要がある。
【００４５】
説明を単一セルが選択される場合について行なってきたが、これは理解を容易にするためのものであった。実際、通常は多くのセルが選択され、この様子が図１１に複数信号ラインに位置する素子の間の信号接続によって示される。従って、例えばメモリ１１０が１６メモリである場合、比較器１３０は実際には１６の異なる比較を行なうことになり、一つの比較が各選択済みのセルに対応する。１６の比較の内、不一致を示した比較があったときにのみ、不一致に対応するこれらの選択済みのセルに対する書き込み動作が行なわれる。一致を示した選択済みのセルは反転させない。
【００４６】
図１４は図１１のトグルメモリのセンスアンプ１３００の模式図である。センスアンプ１３００は図１１のセンスアンプ１２２の一実施形態である。センスアンプ１３００はプリアンプ段１３０１、利得段１３０３、及び交差ラッチ１３０５を含む。プリアンプ段１３０１はＰチャネルトランジスタ１３０２、Ｎチャネルトランジスタ１３０４、伝送ゲート１３３２、及び容量１３３６を含む。利得段１３０３はＰチャネルトランジスタ１３０６，１３１２及び１３１４、Ｎチャネルトランジスタ１３０８，１３１０及び１３１６、及び伝送ゲート１３３７を含む。交差ラッチ１３０５はＰチャネルトランジスタ１３１８，１３２０及び１３２２、Ｎチャネルトランジスタ１３２４，１３２６及び１３２８を含む。プリアンプ段１３０１は電流−電圧変換器である。ここで、以下の説明では、信号ＳＣＢは信号ＳＣの相補論理であり、信号ＥＱＢは信号ＥＱの相補論理であり、信号ＬＥＢは信号ＬＥの相補論理であり、出力信号Ｖ１及びＶ２は互いの相補論理である。
【００４７】
図１５及び図１６はメモリセルを読み出すための２つの異なる方法を示している。図１５は、センスアンプ１３００を使用し、読み出し対象のメモリセルを「切り替える（ｔｏｇｇｌｉｎｇ）」ことにより行なわれる読み出し動作を理解する上で有用なタイミング図である。図１６は、センスアンプ１３００を使用し、読み出し対象のメモリセルを「小刻みに動かす（ｗｉｇｇｌｉｎｇ）」ことにより行なわれる読み出し動作を理解する上で有用なタイミング図である。センスアンプ１３００の動作について図１４〜図１６に関する説明と関連付けながら記載する。
【００４８】
メモリアレイ１１２の一つのメモリセルをトグル方式を使用して読み出すために、まず、メモリセルのメモリ状態または抵抗を測定する。次にメモリセルを他方の、反対のメモリ状態に切り替える。メモリセルの抵抗を再度測定する。次に切り替え前のセルの抵抗を切り替え後のセルの抵抗と比較する。「切り替え前の」抵抗が「切り替え後の」抵抗よりも大きいと、セルの初期状態がハイ状態であったことになる。逆に、セルの「切り替え前の」抵抗が「切り替え後の」抵抗よりも小さいと、セルの初期状態がロー状態であったことになる。
【００４９】
センスアンプはメモリ１１０（図１１参照）の「切り替え（ｔｏｇｇｌｉｎｇ）」読み出しサイクル（図１５参照）の間にメモリセルを次のように読み出す。図１４の抵抗体１３３０で表されるメモリセル抵抗をＮチャネルトランジスタ１３０４のソースに、デコード信号（図１４には示さず）によってゲートが制御されるトランジスタ群（図示せず）を通して接続してセルの値を読み出す。Ｎチャネルトランジスタ１３０４にゲートバイアス電圧Ｖcgが印加されると、ドレイン／ソース電流Ｉcgがトランジスタ１３０４を流れる。Ｐチャネルトランジスタ１３０２は伝送ゲート１３３２を通してダイオード接続され、初期読み出しサイクル（図１５のＳＣハイ）の間に活性化され、電流Ｉpを供給する。プリアンプは、電流Ｉcgが電流Ｉpに等しいときに、ノード１３３４を定常バイアス状態にする。伝送ゲート１３３２が活性化されると、ノード１３３３の電圧がノード１３３４の電圧に等しくなって、「切り替え前の」状態を容量１３３６に記憶する。「切り替え前の」状態を記憶した後、ＳＣ信号がローになって伝送ゲート１３３２を非活性化する。次にセルの値または状態を、信号ＷＲＩＴＥ  ＷＯＲＤ  ＬＩＮＥ  （Ｘ  ＰＵＬＳＥ）及び信号ＷＲＩＴＥ  ＢＩＴ  ＬＩＮＥ  （Ｙ  ＰＵＬＳＥ）を図１５に示すように立ち上げることにより切り替える。これにより、アクセスセルに記憶された値を一方の未知の状態から他方の未知の状態に切り替える。セルが切り替わると、抵抗体１３３０の抵抗値は、セル切り替え前の状態に依存する形で増加するか、または減少する。プリアンプは抵抗変化に対してノード１３３４に異なる電圧を生じさせることにより応答する。抵抗の増加／減少に伴ってこの電圧が増加／減少する。図１４を参照すると、ノード１３３４の電圧及びノード１３３３の記憶電圧は、Ｐチャネルトランジスタ１３１４のゲート及びトランジスタ１３０６及び１３１２のゲートにそれぞれ対応する利得段１３０３の入力に印加される。セルの切り替え後、平衡信号ＥＱ／ＥＱＢを立ち下げて伝送ゲート１３３７を非導通にし、利得段１３０１を活性化する。利得段は、ノード１３３３に現れる「切り替え前の」バイアス状態をノード１３３４に現れる「切り替え後の」バイアス状態と比較し、これらの電圧を増幅して図１５に示すように出力信号Ｖ１／Ｖ２を供給する。差電圧信号Ｖ１／Ｖ２が生成された後、信号ＬＥ／ＬＥＢを立ち上げて交差ラッチ１３０５を有効にし、出力信号Ｖ１／Ｖ２を記憶する。利得段１３０３によってセンスアンプ１３００はかなり小さな電圧変化もセンスすることができる。状態間の電圧変化がかなり大きい用途に用いるセンスアンプ１３００では、利得段１３０３を使用する必要は無い。ここで、タイミング信号の全てをタイミングブロック（図示せず）が供給し、このブロックが外部クロック信号（図示せず）を受信することに注目されたい。
【００５０】
上に説明したように、選択済みのセルの初期状態は、セルを「切り替える」のではなくセルを「小刻みに動かす」ことによって判定することもできる。図１６は、センスアンプ１３００を使用してセルを小刻みに動かすことにより読み出しを行なう一実施形態を示している。図１６に示すようにセンス信号を立ち上げる順番は図１５に示すものと同様であるが、ＷＲＩＴＥ  ＷＯＲＤ  ＬＩＮＥ信号及びＷＲＩＴＥ  ＢＩＴ  ＬＩＮＥ信号を異なる態様で立ち下げて、選択済みのセルを切り替えるのではなく、小刻みに動かすようになっている点は除く。まず、磁界を回転させる前にセルの値を読み出すか、または測定する。「切り替え前の」値を容量１３３６に記憶する。次にセルを反対の状態に向けて回転させるか、または「小刻みに動かす」。図１６に示すように、ＷＲＩＴＥ  ＷＯＲＤ  ＬＩＮＥ信号、次にＷＲＩＴＥ  ＢＩＴ  ＬＩＮＥ信号を立ち上げて磁気分極の方向を約９０度以下の角度だけ回転させてセルの抵抗を変化させる。次に、ＷＲＩＴＥ  ＷＯＲＤ  ＬＩＮＥ及びＷＲＩＴＥ  ＢＩＴ  ＬＩＮＥを所定期間だけ保持して出力信号Ｖ１／Ｖ２が小刻みに動いた値に対応して十分に離れ、これらの出力信号が十分に離れることにより交差ラッチ１３０５が出力信号を確実に保持できるようにする。所定期間経過後、ＷＲＩＴＥ  ＷＯＲＤ  ＬＩＮＥ信号を立ち下げる前に、ＷＲＩＴＥ  ＢＩＴ  ＬＩＮＥ信号を立ち下げて磁気分極の方向を初期配向に戻す。
【００５１】
「ウィグル」方式では、回路は効率的に比較を行なって、セル状態を変化させることなく差出力信号Ｖ１／Ｖ２を供給する。「小刻みに動かした（ｗｉｇｇｌｅｄ）」値が「切り替え前の」値よりも大きい場合、セルの現在の状態は「ロー」である。「小刻みに動かした」値が「切り替え前の」値よりも小さい場合、セルの現在の値は「ハイ」である。
【００５２】
一般的に、センスアンプは電流−電圧変換器、サンプルホールド回路、及びラッチを使用する。この回路は、図１４に示すように利得／比較器段も含むことができる。しかしながら、本明細書で説明するようなセンスアンプ機能を実行するために使用するタイプの回路は図１４及び図１７に開示する回路に限定されない。例えば、利得段１３０３には、差動増幅器、または必要な利得を実現するのに適する他のタイプの増幅器を用いることができる。
【００５３】
図１７は、本発明の別の実施形態による図１１のトグルメモリのセンスアンプ１５００の模式図である。センスアンプ１５００は図１１のセンスアンプ１２２の一実施形態であり、プリアンプ段１５０１、交差ラッチ１５０３、容量１５０８及び１５２４、及び伝送ゲート１５０６，１５１０，１５２２及び１５２６を含む。ここで、以下の説明においては、信号ＳＣＢは信号ＳＣの相補論理であり、信号ＳＣ２Ｂは信号ＳＣ２の相補論理であり、信号ＳＣＭＰＢは信号ＳＣＭＰの相補論理であり、信号ＥＱＢは信号ＥＱの相補論理であり、信号ＬＥＢは信号ＬＥの相補論理であり、出力信号Ｖ１及びＶ２は互いの相補論理である。
【００５４】
図１４のセンスアンプ１３００と同じように、センスアンプ１５００は自己基準増幅器（ｓｅｌｆ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）である、すなわちメモリアレイの読み出しを行なうときに基準セルを援用することなく使用することができるように設計される。しかしながら、センスアンプ１５００は、個別の容量群を使用して切り替え前後の状態を記憶する点がセンスアンプ１３００と異なる。「切り替え後の」状態は、図１４のセンスアンプ１３００の動作に関して上に説明したようにセルを切り替えるか、またはセルを小刻みに動かすことにより判定することができる。
【００５５】
図１８及び図１９はメモリセルを読み出すための２つの異なる方法を示している。図１８はセンスアンプ１５００を使用し、読み出し対象のメモリセルを「切り替える」ことにより行なわれる読み出し動作を理解するのに有用なタイミング図である。図１９はセンスアンプ１５００を使用し、読み出し対象のメモリセルを「小刻みに動かす」ことにより行なわれる読み出し動作を理解するのに有用なタイミング図である。センスアンプ１５００の動作について図１７〜１９に関する説明と関連付けながら記載する。
【００５６】
メモリアレイ１１２の一つのメモリセルをトグル方式を使用して読み出すために、メモリセルの抵抗によって決まる第１電圧を容量１５０８に保持する。次にメモリセルを他方の、反対のメモリ状態に切り替える。メモリセルの異なる抵抗によって決まる第２電圧を容量１５２４に保持する。次に、どちらの方向に交差ラッチ１５０３が落ち着くかを観察することにより、切り替え前のセルの抵抗を切り替え後のセルの抵抗と効率的に比較する。「切り替え前の」抵抗が「切り替え後の」抵抗よりも大きい場合、セルの初期状態がハイ状態であったことになる。逆に、セルの「切り替え前の」抵抗が「切り替え後の」抵抗よりも小さい場合、セルの初期状態がロー状態であったことになる。
【００５７】
トグル読み出し動作について図１７及び図１８を参照しながら説明する。メモリ１１０（図１１）の「トグル」読み出しサイクルの間、図１７の抵抗体１５３０により表されるメモリセル抵抗をＮチャネルトランジスタ１５０４のソースに、デコード信号（図１７には示さず）によってゲートが制御されるデコードトランジスタ群（図示せず）を通して接続して選択済みのセルの値を読み出す。Ｎチャネルトランジスタ１５０４にゲートバイアス電圧Ｖcgが印加されると、ドレイン／ソース電流Ｉcgがトランジスタ１５０４を流れる。Ｐチャネルトランジスタ１５０２はダイオード接続されて電流Ｉpを供給する。伝送ゲート１５０６が導通状態になると、読み出し電圧が伝送ゲート１５０６を通して容量１５０８に保持される。ノード１５３４の電圧が安定する所定期間が経過した後、信号ＳＣ／ＳＣＢを立ち下げて伝送ゲート１５０６を非導通にする。次にセルの値または状態を、書き込みワードライン信号（Ｘパルス）及び書き込みビットライン信号（Ｙパルス）を図１８に示すように立ち上げることにより切り替える。これにより、アクセスセルに記憶された値を一方の未知の状態から他方の未知の状態に切り替える。セルが切り替わると、抵抗体１５３０の抵抗値は、セル切り替え前の状態に依存する形で増加するか、または減少する。プリアンプ１５０１は抵抗変化に対してノード１５３４に異なる電圧を生じさせることにより応答する。抵抗の増加／減少に伴ってこの電圧が増加／減少する。次にノード１５３４に現れる新規の電圧は容量１５２４に伝送ゲート１５２６を通して保持され、この後、信号ＳＣ２／ＳＣ２Ｂを立下げる。「切り替え前の」電圧及び「切り替え後の」電圧を容量１５０８及び１５２４に保持した後、平衡信号ＥＱ／ＥＱＢを立ち下げて伝送ゲート１５２７を非導通にする。信号ＳＣＭＰ／ＳＣＭＰＢを立ち上げて伝送ゲート１５１０及び１５２２を導通させ、容量１５０８及び１５２４が保持する電圧を交差ラッチ１５０３に供給する。信号ＬＥ／ＬＥＢを立ち上げて交差ラッチ１５０３を有効にして選択済みのセルの初期状態に対応する一つの状態を記憶する。例えば、容量１５０８に保持される「切り替え前の」電圧が容量１５２４に保持される「切り替え後の」電圧よりも大きい場合、交差ラッチの出力信号Ｖ１／Ｖ２は選択済みのセルの初期状態が切り替え後の状態よりも大きいことを示す。
【００５８】
センスアンプ１３００の動作に関して上に説明したように、選択済みのセルの初期状態はセンスアンプ１５００を使用して、セルを「切り替える」のではなくセルを「小刻みに動かす」ことにより判定することもできる。図１９は、セルの磁気分極をセンスアンプ１５００を使用して小刻みに起こすことにより読み出しを行なう一実施形態を示している。図１９に示すようにセンス信号を立ち上げる順番は図１８に示すものと同様であるが、書き込みワードライン信号及び書き込みビットライン信号を異なる態様で立ち上げて選択済みのセルを切り替えるのではなく、セルを小刻みに動かすようになっている点は除く。まず、磁界を回転させる前にセルの値を読み出すか、または測定する。「切り替え前の」値を容量１５０８に記憶する。次にセルを反対の状態に向かって回転させ、「小刻みに動かした」セルの値を容量１５２４に記憶する。図１９に示すように、書き込みワードライン信号を立ち上げ、次に書き込みビットライン信号を立ち上げて磁界分極に対応する回転を初期配向から約９０度の角度だけ生じさせる。この部分的な回転によってセルの抵抗が変化し、抵抗の差を使用して上に説明したように初期状態を判定することができる。次に、書き込みワードライン及び書き込みビットライン信号を所定期間だけ保持して出力信号Ｖ１／Ｖ２が小刻みに動いた値に対応して十分に離れ、これらの出力信号が十分に離れることにより交差ラッチ１３０５が出力信号を確実に保持できるようにする。所定期間経過後、書き込みワードライン信号を立ち下げる前に、書き込みビットライン信号を立ち下げて磁気分極の方向を初期配向に戻す。
【００５９】
回路は効率的に比較を行なって結果を差出力信号Ｖ１／Ｖ２の形で供給する。「小刻みに動かした」値が「切り替え前の」値よりも大きい場合、セルの現在の状態は「ロー」である。「小刻みに動かした」値が「切り替え前の」値よりも小さい場合、セルの現在の値は「ハイ」である。
【００６０】
書き込み動作中にセルを切り替えるのではなくセルを小刻みに動かすと、読み出し動作性能が向上する。この理由は、ビットをその初期状態に戻すための第２の書き込みが不要になるからである。しかしながら、小刻みに動かすことによるセルの抵抗変化が切り替えによる抵抗変化よりも小さいので、センスされるハイ状態とセンスされるロー状態との間の信号差が小さい。ここで、図１６及び１９に示すような書き込みワードライン信号及び書き込みビットライン信号を使用してセルを「小刻みに動かす」ことは、セルを小刻みに動かす単なる一つの方法に過ぎない。本発明に従ってセルを小刻みに動かすことを可能にするためには信号の他の組合せを用いることもできる。例えば、セルに部分的な回転を生じさせ、従って部分的な抵抗変化を生じさせる状況は、書き込みラインのうちの一つのラインのみを立ち上げることにより実現することができる。すなわち、書き込みワードライン信号をローに保持しながら書き込みビットライン信号を立ち上げてもよい。また、例示した実施形態では、切り替え電流及び小刻みに動かす電流は単方向に流すとした。他の実施形態では、切り替え電流及び小刻みに動かす電流は双方向に流すことができる。
【００６１】
本明細書において例示目的で選択される実施形態に対する種々の変更及び変形は、この技術分野の当業者であれば容易に行なうことができるであろう。例えば、トランジスタの導電型、トランジスタのタイプなどの変更は容易に実施することができる。特定の論理回路について示してきたが、多くの論理回路の実施形態を使用して本明細書で説明した機能を実行することができる。このような変形及び変更が本発明の技術思想から逸脱しない範囲において、このような変形及び変更は、次の請求項を公正に解釈することによってのみ評価される本発明の技術範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの簡易断面図である。
【図２】ワードライン及びビットラインを備える磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの簡易平面図である。
【図３】磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスにおいて直接書き込みモードまたはトグル書き込みモードを生成する磁界振幅組合せをシミュレートする様子を示すグラフである。
【図４】ワード電流及びビット電流が共に流れるときのこれらの電流のタイミング図を示すグラフである。
【図５】「１」を「０」に書き込むときのトグル書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する磁気モーメントベクトルの回転を示す図である。
【図６】「０」を「１」に書き込むときのトグル書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する磁気モーメントベクトルの回転を示す図である。
【図７】「１」を「０」に書き込むときの直接書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する磁気モーメントベクトルの回転を示すグラフである。
【図８】「０」を既に「０」となっている状態に書き込むときの直接書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する磁気モーメントベクトルの回転を示すグラフである。
【図９】ビット電流のみが流れるときのワード電流及びビット電流のタイミング図を示すグラフである。
【図１０】ビット電流のみが流れるときの磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する磁気モーメントベクトルの回転を示すグラフである。
【図１１】トグルメモリのブロック図である。
【図１２】図１１のメモリの一部の詳細図である。
【図１３】図１１のメモリの動作を理解するために有用なタイミング図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、図１１のトグルメモリのセンスアンプの模式図である。
【図１５】図１４のセンスアンプを使用する第１の読み出し動作を理解するために有用なタイミング図である。
【図１６】図１４のセンスアンプを使用する第２の読み出し動作を理解するために有用なタイミング図である。
【図１７】本発明の別の実施形態による、図１１のトグルメモリのセンスアンプの模式図である。
【図１８】図１７のセンスアンプを使用する第１の読み出し動作を理解するために有用なタイミング図である。
【図１９】図１７のセンスアンプを使用する第２の読み出し動作を理解するために有用なタイミング図である。
【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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