(57)【要約】本発明は、記憶された情報を読み出すために、ＴＭＲセル（ＴＭＲ１，ＴＭＲ２，・・・）において磁気を逆方向に変更し、それによって瞬間的に変更される電流をもとの読み出し信号と比較する、ＭＲＡＭ半導体記憶システムの駆動方法に関するものである。そのために、ＴＭＲメモリーセルにおける情報を消去しないにもかかわらず、ＴＭＲメモリーセル自体を基準として使用できる。つまり、再書き込みする必要はない。本発明は、複数のＴＭＲセル（ＴＭＲ１，・・・，ＴＭＲ４）が選択トランジスタ（ＴＲ１）に並列接続されており、かつ、メモリーセルに電気的に接続されていない書き込み線（ＷＬ１，ＷＬ２）が配置されている、ＭＲＡＭメモリーシステムに使用されることが好ましい。
2004530244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリーセル配列において、一方の端部がビット線（ＢＬ）に接続されており、他方の端部がワード線（ＷＬ）に連結されている、複数のＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）を備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法において、
情報を読み出す期間、ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）に、電流パルスを用いて瞬間的に逆方向に変換した磁気の影響を与え、その結果、変更された電流信号をもとの電流信号と比較することを特徴とする、駆動方法。
【請求項２】
上記ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の軟磁性層中に情報を記憶し、
上記読み出しの期間、読み出し線（ＢＬ）中の電流信号を、初めに、外部から印加される磁界なしに検出し、
次に、電気的に接続されていない書き込み線（ＷＬ１、ＷＬ２）を介した電流パルスによって、軟磁性層（１３）の磁化を、前記軟磁性層の磁化容易軸に対して可逆に回転し、
このようにして変更された読み出し線中の電流信号を、初めに検出された電流信号と比較し、
上記比較から、記憶された情報を確定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記軟磁性層の磁化が、電流パルスから影響を受けて、磁化容易軸に対して約４５°〜６０°回転することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の硬磁性層（１１）中に情報を記憶し、
上記電気的に接続されていない書き込み線（ＷＬ）を介した電流パルスによって、軟磁性層（１３）を、磁化容易軸に対して平行な規定方向にし、
次に、このようにして変更された読み出し線（ＢＬ）中の電流信号を測定し、
上記測定値を、厳密に反対方向の軟磁性層（１１）中の電流信号と比較し、
この比較から、ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の記憶された情報を確定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、メモリーセル配列において、一方の端部がビット線に接続されており、他方の端部がワード線に接続されている、複数のＴＭＲメモリーセルを備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法に関するものである。
【０００２】
ＴＭＲ効果を用いた強磁性記憶装置（ferromagnetischer Speicherung）（つまり、ワード線およびビット線の交差点に、軟磁性層、トンネル抵抗層、および、硬磁性層からなる積層体を備えたＴＭＲメモリーセルが位置している記憶装置）に基づいたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムが、知られている。通常、硬磁性層の磁化方向はあらかじめ設定されており、他方、軟磁性層の磁化方向は、ワード線およびビット線を介して特定方向に適切な電流を流すことによって、調整可能である。このような電流を用いて、軟磁性層を、硬磁性層に対して平行または反平行に磁化できる。軟磁性層を硬磁性層に対し平行に磁化した場合、積層体の抵抗値は、反平行に磁化した場合よりも低くなる。このことを、ロジック状態“０”および“１”、または、その逆として評価できる。代わりに、硬磁性層にも情報を記憶でき、軟磁性層を読み出しに用いることができる。しかしこの場合、硬磁性層の磁化を切り替えるために書き込み電流を増やさなければならない、という不都合が生じる。
【０００３】
ＭＲＡＭ半導体メモリーシステムに関して、従来、互いに異なる基本的な２つの構造が提案されてきた。つまり、以下に説明する構造である。
【０００４】
いわゆる「交点」構造では、ＴＭＲメモリーセルを、ビット線およびワード線からなる交差した配線間に直接配置している。この交点構造では、各メモリーセルに、半導体構成素子および特にトランジスタを備える必要がないので、複数のＴＭＲメモリーセル層を簡単に上下に積層できる。したがって、ＭＲＡＭの集積密度を著しく上げることができる。もちろん、このような「交点」構造では、必然的に、選択されなかったメモリーセルを介して寄生電流が流れる。それゆえ、大きいメモリーセル配列では、この寄生電流を低くおさえられるように、それぞれのＴＭＲメモリーセルは抵抗が著しく高くなっている必要がある。各ＴＭＲメモリーセルの抵抗が高いので、読み出し動作の速度は比較的遅くなる。
【０００５】
もう一方の構造では、上述した積層体を備えた各ＴＭＲメモリーセルには、さらに、スイッチングトランジスタまたは選択トランジスタが割り当てられている（このことについては、以下を参照：「磁気トンネル接合素子に基づいた不揮発性ＲＡＭ（Nonvolatile RAM based on Magnetic Tunnel Junction Elements）」）。
【０００６】
添付の図１に、選択トランジスタＴＲ１１，ＴＲ１２，ＴＲ２１，ＴＲ２２がそれぞれ１つずつ割り当てられている、４つのＴＭＲメモリーセルＴＭＲ１，ＴＭＲ２，ＴＭＲ５，ＴＭＲ６からなる部分を概略的・斜視的に示す。上述したように、各ＴＭＲメモリーセルは、硬磁化層１１，トンネル抵抗層１２，および，軟磁性層１３の積層体からなる。ビット線ＢＬ１・ＢＬ２は、軟磁性層１３の上に配置された配線であり、この層に直接接続されている。データ線またはディジット線（Digit-lines）ＤＬ１は、ビット線ＢＬ１・ＢＬ２と交差する方向に、硬磁性層１１の下に配置されており、この層に接続されている。各ＴＭＲメモリーセルには、選択トランジスタＴＲ１１，ＴＲ１２，ＴＲ２１，および、ＴＲ２２が連結されており、それらトランジスタのゲートはワード線ＷＬ１・ＷＬ２に接続されている。
【０００７】
これらのスイッチングトランジスタに接続されているＴＭＲメモリーセルを備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの特徴は、寄生電流がほぼ排除されていることにある。このことによって、大きなメモリーセル配列にも、ＴＭＲ素子の抵抗値の低いメモリーセルを備えることができる。さらに、読み出し方法も簡単になるので、「交点」構造を用いた場合よりも、高速なアクセスが可能である。もっとも、トランジスタＴＭＲメモリーセルを備えた構造には、寸法が交点構造と比べて著しく大きいという不都合がある。さらに、メモリーセル配列の各メモリーセル用に、トランジスタ、それゆえシリコン表面が必要なので、ＴＭＲセル平面（TMR-Zellenebenen）を直接積層できない。
【０００８】
また、本出願人による以前の特許出願では、「交点」構造の利点がトランジスタＴＭＲメモリーセルの利点とほぼ組み合わされている、ＭＲＡＭメモリーシステムが提示されている。
【０００９】
添付の図２に、トランジスタＴＭＲメモリーセル構造と交点構造とを組み合わせたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムを示す。この場合、それぞれ複数のＴＭＲメモリーセルからなるグループが形成されている。１グループであるＴＭＲメモリーセルＴＭＲ１，ＴＭＲ２，ＴＭＲ３，および、ＴＭＲ４は、それぞれ、それらの端部において１つのビット線ＢＬにともに連結されており、もう一方の端部において１つの選択トランジスタＴＲ１にともに連結されている。また、このトランジスタのゲートには、ワード線１が連結されている。同様に、他のＴＭＲメモリーセルグループには、複数の、例えば４つのＴＭＲメモリーセルＴＭＲ５，ＴＭＲ６，ＴＭＲ７，および，ＴＭＲ８が、それらの端部において、同じビット線ＢＬにともに接続されており、それらの他方の端部において、第２選択トランジスタＴＲ２にともに接続されている。また、このトランジスタのゲート端子には、第２ワード線ＷＬ２が連結されている。図２に示したＭＲＡＭ半導体メモリーシステムでは、それぞれ複数のＴＭＲメモリーセル（例えば４つのＴＭＲメモリーセル）に対して、ただ１つのスイッチングトランジスタまたは選択トランジスタＴＲ１・ＴＲ２を割り当てることによって、トランジスタＴＲ１・ＴＲ２に必要な所要面積を著しく縮小できる。この結果、このようなＭＲＡＭ半導体メモリーシステムのメモリーセル配列中の実装密度を上げることができる。
【００１０】
通常、ＭＲＡＭ半導体メモリーシステムでは、ＴＭＲメモリーセルの抵抗を再現性を正確に実現できない、あるいは、ＴＭＲメモリーセルの抵抗の分散（Verteilung）のバランスをとれないという問題がある。なぜなら、ＴＭＲメモリーセルの抵抗は、障壁の厚さ（つまり、トンネル層の厚さ）に応じて極度に敏感に（急激に）変化する。このことが、読み出し信号の評価のための適切な基準を実現することを妨げてしまう。この問題を解決するために、従来、主に２つの可能性が以下のように議論されてきた。
【００１１】
１つには、外部基準（基準セルまたは基準電流／電圧源）が挙げられる。このためには、ＴＭＲハブ（TMR-Hub）は、抵抗の変動よりも著しく大きくなければならない。上述したように、この方法は、１つのトランジスタにつき複数のＴＭＲメモリーセルを並列に備えたメモリーシステムでは不可能であろう。
【００１２】
もう１つには、破壊読み出しが挙げられる。すなわち、ＴＭＲメモリーセルを、読み出しの後に、特定の方向に書き換え、したがって、比較する。次に、再び書き込む必要がある。ここでは、メモリーセル自体が基準として用いられた結果、メモリーセルの抵抗変動が機能しなくなる。しかし、この方法は時間を要し、読み出し方法を１００％信頼できない場合にはデータを変更することになる。また、頻繁に書き込む必要があるので、信頼性の問題が発生してしまう。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、メモリーセル配列において、一方の端部でビット線に接続されており、他方の端部でワード線に接続されている、複数のＴＭＲメモリーセルを備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法を、メモリーセル自体を基準として使用し、かつ、メモリーセルの情報を破壊（消去）しない（つまり、再び書き込む必要がない）ように実施することにある。
【００１４】
この目的を特許請求の範囲に従って達成する。
【００１５】
本発明の方法では、ＴＭＲメモリーセルにおいて磁気を両方向に変更でき、これによって生じる電流信号を本来の電流信号と比較する。この結果、メモリーセルの情報を消去しないにもかかわらず、メモリーセル自体を基準として使用できる。つまり再び書き込む必要はない。
【００１６】
本発明の方法を、ＴＭＲメモリーセル型を用いる場合、メモリーセルに電気的に接続されていない書き込み配線（例えば、ＴＭＲメモリーセル＋トランジスタ）に使用できることが好ましい。しかし、この方法を、純粋な交点構造（つまり、トランジスタなしのＴＭＲメモリーセル）にも使用できる。
【００１７】
本発明の方法を、複数のＴＭＲメモリーセルが選択トランジスタに並列接続されている、上述したＭＲＡＭ半導体メモリーシステム（図２参照）に、特に有効に使用することができる。
【００１８】
次に、本発明の２つの実施例を、添付図面に基づいて詳述する。図１は、ＴＭＲセルに割り当てられた選択トランジスタをそれぞれ備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの上述した構造を示す概略斜視図である。図２は、選択トランジスタに並列接続された複数のＴＭＲセルを備えた、上述したＭＲＡＭ半導体メモリーシステムを示す概略等価回路図である。
【００１９】
本発明による方法の第１実施例では、軟磁性層１３（図１）に情報を記憶する。読み出し期間には、初めに、ＴＭＲメモリーセルに記憶された情報に相当する電流信号を、外部から印加された磁界なしに記録する。次に、接続されていない書き込み配線（例えばＷＬ２）中の電流パルスを用いて生成される電界によって、軟磁性層１３の磁化を、磁化軸（磁化容易軸）に対して約４５°〜６０°まで回転する。そうすることによって変更された電流信号を、以前に記録された電流信号と比較する。軟磁性層１３の磁化が硬磁性層１１の磁化に対して平行であった場合（例えばロジック“０”に相当する）、抵抗は高くなる。軟磁性層１３の磁化が高磁性層１１の磁化に対して反平行であった場合（ロジック“１”に相当する）、抵抗は低くなる。その後、磁化は、磁気異方性のゆえに、記憶された情報に相当する本来の方向に戻る。したがって、本発明による方法の実施例によって、セルに記憶された情報を、消去せずに読み出すことができる。このとき、セル自体は基準として用いられる。この方法の不都合な点は、破壊読み出しと比較して、読み出し信号が最大３分の１大きい点にある。
【００２０】
本発明による方法の第２実施例では、情報を、硬磁性層１１に記憶する。軟磁性層１３は、読み出しに用いられる。電気的に接続されていない書き込み配線（例えばＷＬ２）を介した電流パルスによって、軟磁性層を、“磁化容易”軸に対して平行な規定方向にし、測定値を、厳密に反対方向の軟磁性層中の測定値と比較する。ロジック“０”と“１”との間の信号差は、ここでは、最大で、ＴＭＲ振幅（TMR-Hub）の２倍に相当する。つまり、この信号差は、第１実施例のそれよりも６倍高い。この結果、硬磁性層１１に記憶された情報は変更されない。この方法の不都合な点は、硬磁性層の磁化を切り替えるためにより大きな書き込み電流が必要な点にある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＴＭＲセルに割り当てられた選択トランジスタをそれぞれ備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの上述した構造を示す概略斜視図である。
【図２】選択トランジスタに並列接続された複数のＴＭＲセルを備えた、上述したＭＲＡＭ半導体メモリーシステムを示す概略等価回路図である。
【符号の説明】
【００２２】
ＴＭＲ１，・・・，ＴＭＲ８  ＴＭＲメモリーセル
ＢＬ，ＢＬ１，ＢＬ２  ビット線
ＷＬ１，ＷＬ２  ワード線
ＤＬ１，ＤＬ２  データディジット線
ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ１１，ＴＲ１２，ＴＲ２１，ＴＲ２２  スイッチングトランジスタ
１１  硬磁性層
１２  トンネル抵抗層
１３  軟磁性層
【国際公開パンフレット】
2004530244.tif 000003
2004530244.tif 000004
2004530244.tif 000005
2004530244.tif 000006
2004530244.tif 000007
2004530244.tif 000008
2004530244.tif 000009
2004530244.tif 000010
2004530244.tif 000011
2004530244.tif 000012
2004530244.tif 000013
2004530244.tif 000014
2004530244.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004530244.tif 000016
2004530244.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月5日(2003.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリーセル配列において、一方の端部がビット線（ＢＬ）に接続されており、他方の端部がワード線（ＷＬ）に連結されている、複数のＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）を備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法において、
上記ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の軟磁性層中に情報を記憶し、
上記読み出しの間、読み出し線（ＢＬ）中の電流信号を、初めに、外部から印加される磁界なしに検出し、
次に、電気的に接続されていない書き込み線（ＷＬ１、ＷＬ２）を介した電流パルスによって、軟磁性層（１３）の磁化を、前記軟磁性層の磁化容易軸に対して可逆に回転し、
このようにして変更された読み出し線（ＢＬ）中の電流信号を、初めに検出された電流信号と比較し、
上記比較から、記憶された情報を確定することを特徴とする、駆動方法。
【請求項２】
上記軟磁性層の磁化が、電流パルスから影響を受けて、磁化容易軸に対して約４５°〜６０°回転することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
メモリーセル配列において、一方の端部がビット線（ＢＬ）に接続されており、他方の端部がワード線（ＷＬ）に連結されている、複数のＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）を備えたＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法において、
上記ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の硬磁性層（１１）中に情報を記憶し、
上記電気的に接続されていない書き込み線（ＷＬ）を介した電流パルスによって、軟磁性層（１３）を、磁化容易軸に対して平行な規定方向にし、
次に、このようにして変更された読み出し線（ＢＬ）中の電流信号を測定し、
上記測定値を、厳密に反対方向の軟磁性層（１１）中の電流信号と比較し、
この比較から、ＴＭＲメモリーセル（ＴＭＲ）の記憶された情報を確定することを特徴とする、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
もう１つには、破壊読み出しが挙げられる。：すなわち、ＴＭＲメモリーセルを、読み出しの後に、特定の方向に書き換え、したがって、比較する。；次に、再び書き込む必要がある。ここでは、メモリーセル自体が基準として用いられた結果、メモリーセルの抵抗変動が機能しなくなる。しかし、この方法は時間を要し、読み出し方法を１００％信頼できない場合にはデータを変更することになる。また、頻繁に書き込む必要があるので、信頼性の問題が発生してしまう。
Wang他「超高密度スピントンネルランダムアクセスメモリーの実行可能性（Feasibility of ultra-dense spin-tunneling random access memory）」（IEEE Transactions on Magnetics、３３巻、６号、１９９７年１１月、４４９８ページ〜４５１２ページ）には、一方の端部でビット線に接続されており、他方の端部でワード線に連結されている、複数のＴＭＲメモリーセルを備えた、ＭＲＡＭ半導体メモリーシステムの駆動方法が開示されている。この軟磁性層の磁化は、第１方向において、磁化容易軸に対して平行である。その後、電気的に接続されていない書き込み線を介した電流パルスを用いて、軟磁性層の磁化方向が、第１方向とは正反対の第２方向になる。メモリーセルを介して電流信号を変更することによって、磁化方向を変更する間に、記憶された情報を確定する。ＴＭＲメモリーセルに記憶された情報を読み出す間、この情報を消去することはないため、したがって、読み出した後に再び書き込む必要はない。
Wang他「４分の１巨大磁気抵抗ランダムアクセスメモリー（Quarternary giant magnetoresistance random access memory）」（Journal of Applied Physics, ７９巻、８号、パート２Ｂ、１９９６年４月１５日、６６３９ページ〜６６４１ページ）には、セルに記憶された情報を消去しない読み出し技術が記載されている。この場合、読み出し信号によって生成された磁界は、軟磁性層の飽和保磁力よりも低い。したがって、軟磁性層の磁化は、その磁気異方性のゆえに、もとの方向に戻る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
ひとつの主要な観点にしたがうと、本発明の方法は、以下のような特徴を有している。ＴＭＲメモリーセルの軟磁性層中に情報を記憶する。読み出しの期間には、読み出し線中の電流信号を、初めに、外部から印加された磁界なしに検出する。次に、電気的に接続されていない書き込み線を介した電流パルスを用いて、軟磁性層の磁化をその磁化容易軸に対して逆に回転する。その結果、変更された読み出し線中の電流信号を、初めに検出された電流信号と比較する。この比較から、記憶された情報を確定するというものである。
第２の観点にしたがうと、本発明の方法は、以下のような特徴を有している。ＴＭＲメモリーセルの硬磁性層中に情報を記憶し、電気的に接続されていない書き込み線を介した電流パルスによって、軟磁性層を、磁化容易軸に対して平行な規定方向にし、次に、このようにして変更された読み出し線中の電流信号を測定し、測定値を、厳密に反対方向の軟磁性層中の電流信号と比較し、この比較から、ＴＭＲメモリーセルの記憶された情報を確定するというものである。
したがって、メモリーセルにおける情報を消去しないにもかかわらず、メモリーセル自体を基準として使用できる。つまり、再び書き込む必要がないのである。
【国際調査報告】
2004530244.tif 000018
2004530244.tif 000019
2004530244.tif 000020
2004530244.tif 000021
2004530244.tif 000022
2004530244.tif 000023