(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ランダムアクセスメモリを提供するステップと、
ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
第１方向へ伸びる複数の第１配線と、
前記第１方向とは異なる第２方向へ伸びる複数の第２配線と、
前記複数の第１配線と前記複数の第２配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、
前記複数のメモリセルの１つとしての特定メモリセルに対して、予め決められた書込み電流値でデータを書込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれないとき、前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれるまで、前記書込み電流値を再設定しながら、前記データを前記特定メモリセルに繰り返し書込むステップと
を備え、
前記繰り返し書込むステップは、
前記特定メモリセルに対して前記データが正しく書込まれなかった回数をカウントするステップと、
前記カウントが第１範囲にあるとき、前記予め決められた書込み電流値と同じ書込み電流値を再設定するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項２】
請求項１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、
前記書込むステップは、
前記特定メモリセルから格納データを読出すステップと、
前記読出されたデータに基づいて前記特定メモリセルに対してトグル書込み方式で前記データを書込むステップと
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項３】
請求項１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、
前記書込むステップは、
前記特定メモリセルに対してダイレクト書込み方式で前記データを書込むステップ
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか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、
前記特定メモリは、前記複数の第１配線のうちの１つとしての第１特定配線と前記複数の第２配線のうちの１つとしての第２特定配線と関連し、前記書込み電流値を有する書込み電流が、前記第１特定配線と前記第２特定配線とに流される
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか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、
前記再設定するステップは、
前記カウントが、第２範囲にあるとき、前記予め決められた書込み電流値より小さい書込み電流値を再設定するステップと、
再度正しく書き込まれないときには、前記カウントに応じて前記書込み電流値を更に小さく再設定するステップと
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか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、
前記再設定するステップは、
前記カウントが、第３範囲にあるとき、前記予め決められた書込み電流値より大きい書込み電流値を再設定するステップと、
再度正しく書き込まれないときには、前記カウントに応じて前記書込み電流値を更に大きく再設定するステップと
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの動作方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか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、
前記カウントが所定の値に達したとき、警報を示す信号を出力するステップ
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。
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれか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、
前記データが正しく書き込まれたとき、前記特定メモリセルに関連して前記カウントを格納するステップ
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。
【請求項９】
第１方向へ伸びる複数の第１配線と、前記第１方向とは異なる第２方向へ伸びる複数の第２配線と、前記複数の第１配線と前記複数の第２配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第１方向及び前記第２方向とは異なる磁気ランダムアクセスメモリの検査方法であって、
前記複数のメモリセルの１つとしての特定メモリセルに対して、予め決められた書込み電流値でデータを書込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれないとき、前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれるまで、前記書込み電流値を再設定しながら、前記データを前記特定メモリセルに繰り返し書込むステップと、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれたとき、前記書込み電流値と関連するデータを検査結果データとして前記メモリセルに対して格納するステップと
を備え、
前記繰り返し書き込むステップは、
前記特定メモリセルに対して前記データが正しく書込まれなかった回数をカウントするステップと、
前記カウントが第１範囲にあるとき、前記予め決められた書込み電流値と同じ書込み電流値を再設定するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記書込むステップは、
前記特定メモリセルから格納データを読出すステップと、
前記読出されたデータに基づいて前記特定メモリセルに対してトグル書込み方式で前記データを書込むステップと
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、
前記書込むステップは、
前記特定メモリセルに対してダイレクト書込み方式で前記データの書込むステップ
を備える
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記特定メモリは、前記複数の第１配線のうちの１つとしての第１特定配線と前記複数の第２配線のうちの１つとしての第２特定配線と関連し、前記書込み電流値を有する書込み電流が、前記第１特定配線と前記第２特定配線とに流される
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記カウントが所定の値に達したとき、前記特定メモリセルを不良として登録するステップ
を更に具備する
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１４】
請求項９乃至１１のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記複数のメモリセルの少なくとも一部についての前記検査結果データに基づいて、前記予め決められた書込み電流値を再設定するステップ
を更に具備する
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法において、
前記複数のメモリセルの前記検査結果データに基づいて、前記磁気ランダムアクセスメモリを複数のクラスのうちの１つにグループ化するステップ
を更に具備する
磁気ランダムアクセスメモリの検査方法。
【請求項１６】
第１方向へ伸びる複数の第１配線と、
前記第１方向とは異なる第２方向へ伸びる複数の第２配線と、
前記複数の第１配線と前記複数の第２配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、
前記複数のメモリセルへのデータの書込み動作を制御する書込み制御部と
を具備し、
前記データの書込み動作時に、前記複数の第１配線から第１選択配線と前記複数の第２配線から第２選択配線とが選択され、前記複数のメモリセルのうち選択セルは第１選択配線と第２選択配線と関連付けられ、
前記書込み制御部が、
予め決められた書込み電流値で前記選択セルに対してデータを書込み、
前記データが前記特定メモリセルに正しく書込まれないとき、前記データが正しく書込まれるまで、前記書込み電流値を再設定しながら、前記選択セルに対して前記データを繰り返し書込み、
前記書込み制御部は、
前記データが正しく書き込まれなかった回数をカウントするカウンタと、
前記カウントと前記書込み電流値との関係を規定するテーブルと
を具備し、
前記書込み制御部は、
前記カウントに基づいて前記テーブルを参照して、前記カウントが第１範囲にあるとき、前記予め決められた書込み電流値と同じ書込み電流値を再設定し、再設定された書込み電流値で前記データを前記選択メモリセルに書き込む
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記フリー磁性層における前記容易軸方向のうちの一方の向きの自発磁化の大きさは、他方の向きの自発磁化の大きさと異なる
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み動作は、
前記書込み制御部が、前記第１選択配線に第１書込み電流を供給し、次に、前記第２選択配線に第２書込み電流を供給し、その後、前記第１書込み電流を停止し、次に、前記第２書込み電流を停止する動作である
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み制御部は、
前記カウントが、第２範囲にあるとき、前記カウントに基づいて前記テーブルを参照して前記予め決められた書込み電流値より小さい書込み電流値を再設定する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２０】
請求項１６乃至１８のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み制御部は、
前記カウントが、第３範囲にあるとき、前記カウントに基づいて前記テーブルを参照して前記予め決められた書込み電流値より大きい書込み電流値を再設定する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２１】
請求項１６乃至１８のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み制御部が、
所定の回数書込み動作を繰り返しても前記データが書込まれない場合、警報を示す信号を出力する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２２】
請求項１６乃至１８のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記書込み制御部が、
所定の回数書込み動作を繰り返しても前記データが書込まれない場合、当該選択セルを不良ビットとして登録する警報を示す信号を出力する
磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項２３】
磁気ランダムアクセスメモリを製造するステップと、
ここで、前記磁気ランダムアクセスメモリは、
第１方向へ伸びる複数の第１配線と、
前記第１方向とは異なる第２方向へ伸びる複数の第２配線と、
前記複数の第１配線と前記複数の第２配線との交点に形成された複数のメモリセルとを備え、前記複数のメモリセルの各々は、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含み、前記フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、前記第１方向及び前記第２方向とは異なり、
請求項９乃至１５のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法に基づいて前記磁気ランダムアクセスメモリを検査するステップと
を具備する
磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリに関し、特にトグル書込み又はダイレクト書込みを行う磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
記憶素子としての磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）の磁化の向きを制御することで、データを記憶する磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「ＭＲＡＭ」と記す）が知られている。磁化の向きの記録方法により、ＭＲＡＭはいくつかの種類に分けられる。【０００３】
米国特許６，５４５，９０６号公報（第１従来例）には、トグル書込み方式（ｔｏｇｇｌｅ  ｗｒｉｔｅ  ｍｏｄｅ）で書込み（以下「トグル書込み」という）が行われるトグル型磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「トグル型ＭＲＡＭ」と記す）の技術が開示されている。このトグル型ＭＲＡＭは、従来の典型的なＭＲＡＭと比べて、メモリセルの構造と書込み動作の原理が異なる。特に、書き込み動作時におけるメモリセルの選択性が優れているという点に特徴がある。以下、米国特許６，５４５，９０６号公報のトグル型ＭＲＡＭについて詳細に説明する。【０００４】
図１及び図２は、トグル型ＭＲＡＭに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子１２５は、第１配線１１０と第２配線１０１との間に設けられている。第１配線１１０側から順に、反強磁性層１０９、ピン層１１２、バリア層１０５、フリー層１１１を備え、第２配線１０１へ接続されている。ピン層１１２は、磁性膜１０８、非磁性膜１０７、磁性膜１０６を備える。フリー層１１１は、磁性膜１０４、非磁性膜１０３、磁性膜１０２を備えている。
この磁気抵抗効果素子１２５は、膜厚が等しい磁性膜１０４及び磁性膜１０２が、非磁性膜１０３を介して反強磁性結合となるように積層されている点に特徴がある。磁性膜１０８と磁性膜１０６も、非磁性膜１０７を介して積層されている。磁性膜１０８及び磁性膜１０６の磁化方向は、製造時に強く固定されている。磁性膜１０４が持つ磁化の向きを第１フリー層磁化の向きとし、磁性膜１０２が持つ磁化の向きを第２フリー層磁化の向きとする。第１フリー層磁化の向き及び第２フリー層磁化の向きは、第１配線１１０及び第２配線１０１に流れる書き込み電流により生成される磁界により制御される。ここで、第１及び第２フリー層磁化の向きは互いに１８０°反転した反平行状態であり安定している。一方のフリー層磁化の方向が反転した場合、他方のフリー層磁化の向きも、その反平行状態を保つように反転される。【０００５】
トグル型ＭＲＡＭにおけるセンス動作原理は従来の典型的なＭＲＡＭのセンス動作原理と同様である。すなわち、磁性膜１０４と磁性膜１０６とに挟まれたバリア層１０５を貫通するトンネル電流が検出される。磁性膜１０６が持つ第２ピン層磁化の向きに対して第１フリー層磁化の向きが平行状態である場合は、反平行状態である場合よりも上記トンネル電流が増加する。すなわち磁気抵抗（ＭＴＪ抵抗）が低下する。この特徴を利用してメモリセルに格納された情報を読み出す。ここで、説明の便宜上、磁気抵抗が高抵抗値Ｒｍａｘ（トンネル電流ｍｉｎ．）である場合を「１」（図１）、低抵抗値Ｒｍｉｎ（トンネル電流ｍａｘ．）である場合を「０」（図２）と定義する。
トグル型ＭＲＡＭにおけるメモリセルの平面レイアウトは、従来の典型的なＭＲＡＭのそれとは異なっている。図３は、トグル型ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。トグル型ＭＲＡＭにおいて、磁気抵抗効果素子１２５の磁化容易軸方向は、第１配線１１０（例示：ワード線）が延在するＸ方向及び第２配線１０１（例示：ビット線）が延在するＹ方向と異なる。つまり、両方向から見ておよそ４５°方向になるように配置されることに特徴がある。この結果、後述するトグル動作が容易になる。【０００６】
次に、従来の典型的なＭＲＡＭとは異なるトグル型ＭＲＡＭの書き込み動作の原理について説明する。トグル型ＭＲＡＭの書き込み動作は、予め選択メモリセルの読み出しを実行しておき、その読み出された情報と書き込みをしようとする情報とが同じか否かで異なる。すなわち、読み出された情報（「０」又は「１」）と書き込みをしようとする情報（「０」又は「１」）とが等しい場合にはトグル動作は行われず、読み出された情報と書き込みをしようとする情報とが異なる場合にはトグル動作が行われる。トグル動作では、反平行の関係を保ちながら第１及び第２フリー層磁化の方向が変えられる。
図４〜図６は、トグル型ＭＲＡＭにおけるトグル動作原理を示す図である。図４は、トグル動作における書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬのタイミングを示すタイミングチャートである。図５及び図６は、トグル動作における第１及び第２フリー層磁化の向きの変化を示す図である。細い矢印は第２フリー層磁化の向きを示し、太い矢印は第１フリー層磁化の向きを示す。図５は、データ「０」が格納された磁気抵抗効果素子にデータ「１」が書き込まれる場合を示している。図６は、データ「１」が格納された磁気抵抗効果素子にデータ「０」が書き込まれる場合を示している。
図４を参照して、トグル動作では、時刻ｔ１で第１配線１１０（ワード線）に書き込み電流ＩＷＬが供給される。次いで、時刻ｔ２で第２配線１０１（ビット線）に書き込み電流ＩＢＬが供給される。時刻ｔ３で書き込み電流ＩＷＬの供給は停止され、時刻ｔ４で書き込み電流ＩＢＬの供給が停止される。以上の一連の電流制御により、書き込み電流ＩＷＬが供給される第１配線１１０と書き込み電流ＩＢＬが供給される第２配線１０１の交点の選択セルには回転磁界が加わる。それにより、第１及び第２フリー層磁化の向きが回転（変更）させられる。こうして、データが書き込まれる。
図５及び図６を参照して、磁気抵抗効果素子において、時刻ｔ１で、書き込み電流ＩＷＬにより磁界ＨＷＬが発生され、第１及び第２フリー層磁化の向きが回転し始める。時刻ｔ２で、書き込み電流ＩＢＬにより界ＨＢＬが発生され、第１及び第２フリー層磁化のうちの一方の向きが磁化困難軸を超える。時刻ｔ３で、磁界ＨＷＬが消滅し、第１及び第２フリー層磁化のうちの他方の向きも磁化困難軸を超える。時刻ｔ４で、磁界ＨＢＬが消滅する。このように、第１及び第２フリー層磁化の向きは、回転磁界（ＨＷＬ→ＨＷＬ＋ＨＢＬ→ＨＢＬ）により、それぞれスピンフロップした状態で１回転する。すなわち、初期状態が「０」の状態である場合は「１」の状態に、「１」の状態である場合は「０」の状態に書き換えられる（トグルされる）。したがって、書込み動作の度に、各フリー層磁化の向きは「１」の状態と「０」の状態との間でトグルスイッチ的に変化する。【０００７】
図７は、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬとトグルされるメモリセル（磁気抵抗効果素子）との関係を示すグラフである。縦軸は書き込み電流ＩＷＬ、横軸は書き込み電流ＩＢＬを示す。黒丸印は選択セルに、白丸印は半選択セル（書き込みワード線及びビット線のいずれか一方が選択セルと共通のセル）に、バツ印は非選択セルに対応する。「ＴＯＧＧＬＥ」と示された領域は、トグル動作が発生する領域を示す。「Ｎｏ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ」と示された領域は、トグル動作が発生しない領域を示す。
トグル型ＭＲＡＭでは、書き込み電流ＩＷＬが流れる第１配線１１０上及び書き込み電流ＩＢＬが流れる第２配線１０１上のいずれかに配置される半選択状態のメモリセル（図中、白丸印）には、一方向の磁界しか加わらないため誤書き込みする可能性は非常に低い。よって、書き込み電流値の厳密な制御は必要なく、書き込みマージンは従来の典型的なＭＲＡＭと比較して飛躍的に向上する。【０００８】
米国特許６，５４５，９０６号公報には、更に、トグル型磁気ＭＲＡＭと基本的に同様の図１〜図３に示すような構造を有し、ダイレクト書込み方式（ｄｉｒｅｃｔ  ｗｒｉｔｅ  ｍｏｄｅ）で書込み（以下、「ダイレクト書込み」という）が行われるダイレクトモード書込み型ＭＲＡＭ（以下、「ダイレクトモード型ＭＲＡＭ」と記す）の技術も開示されている。ただし、ダイレクトモード型ＭＲＡＭでは、例えば、フリー層１１１における二つの磁性膜１０２及び磁性膜１０４の厚さに若干差異を持たせることにより、第１フリー層磁化の大きさが第２フリー層磁化の大きさとは異なるようにされている。それにより、正の書込み磁界の場合、各フリー層磁化の状態はメモリセル「０」の状態から「１」の状態への遷移のみが起こり、負の書込み磁界の場合、「１」の状態から「０」の状態への遷移のみが起こるようにする。ここで、正の書込み磁界は、例えば、書き込み電流ＩＷＬがＸ軸正方向、書き込み電流ＩＢＬがＹ軸正方向の場合の磁界であり、負の書込み磁界は、書き込み電流ＩＷＬがＸ軸負方向、書き込み電流ＩＢＬがＹ軸負方向の場合の磁界である。このダイレクト書込みは、トグル書込みと異なり、書込み磁界の方向だけで記録状態の書き分けをすることができる。すなわち、トグル書込みのように事前に記録状態を読み込んでおく必要はない。【０００９】
しかし、トグル型ＭＲＡＭ、ダイレクトモード型ＭＲＡＭには、以下に示すような課題がある。なお、以下の説明はトグル型ＭＲＡＭを想定して記載しているが、ダイレクトモード型ＭＲＡＭにおいても本質は同様である。【００１０】
図８は、フリー層における磁化容易軸方向の外部磁界に対する磁化特性を示すグラフである。縦軸は磁化を、横軸は磁化容易軸方向の外部磁界を示している。図の曲線のそばに示される２つの矢印は、第１及び第２フリー層磁化の向きを概略的に示している。Ｈｆはフロップ磁界、Ｈｓは飽和磁界、Ｈｒはリターン磁界を示す。ただし、Ｈｒはフロップ状態から反平行状態に戻る磁界である。
印加される外部磁界Ｈが０からＨｆまでの場合、第１フリー層と第２フリー層との間の反強磁性的な結合が保たれるので、磁化が誘起され難く、磁化Ｍは実質的に０になる。それに伴い、図の２つの矢印に示されるように、第１フリー層磁化の向きと第２フリー層磁化の向きとは反平行の状態を維持する。すなわち、書き込み電流磁界が磁化容易軸に沿った場合、その磁界がＨｆよりも小さな場合は、トグル動作は起きない。
印加される外部磁界ＨがＨｆになると、磁化Ｍは不連続に増大する。その後外部磁界ＨがＨｆからＨｓまで増加する場合、外部磁界に対して磁化Ｍは線形的に変化する。それに伴い、図の２つの矢印に示されるように、第１フリー層磁化の向きと第２フリー層磁化の向きとは、外部磁界の大きさと向きに応じて向きを変える。すなわち、前述のようにトグル動作が可能である。
外部磁界ＨがＨｓ以上の場合、磁化Ｍは飽和して一定となる。それに伴い、図の２つの矢印に示されるように、第１フリー層磁化の向きと第２フリー層磁化の向きとは、いずれも外部磁界の向きと同じ向きに揃う。そのため、その後外部磁界Ｈが０に戻り、第１フリー層磁化の向きと第２フリー層磁化の向きとが反平行になった場合、各フリー層磁化の向きがどちらを向いているか不明となる。よって、各フリー層磁化の向きが所望の向きになっているか否か不明となる。すなわち、安定的なトグル動作が不可能である。【００１１】
以上のように、トグル動作が行われる磁界の上限及び下限は、それぞれ飽和磁界Ｈｓ及びフロップ磁界Ｈｆにより規定される。このことを、図９を用いて更に説明する。図９は、図７の第１象限を磁界について表現したグラフである。縦軸は、ワード線を流れる書き込み電流ＩＷＬにより生成されるワード線垂直磁界を示す。横軸は、ビット線を流れる書き込み電流ＩＢＬにより生成されるビット線垂直磁界を示す。図８の横軸は、図９の破線で示す「磁化容易軸方向」に対応する。閉曲線Ｂで囲まれた領域は、図７の「ＴＯＧＧＬＥ」領域である。閉曲線Ｂは、フロップ磁界Ｈｆで定まる曲線Ｂ１及びＢ３と、飽和磁界Ｈｓで定まる曲線Ｂ２とからなる。トグル動作により、選択セルに印加される磁界の経路は、Ｒ１→Ｒ２→Ｒ３→Ｒ４となる。【００１２】
Ｒ０の点（図８）における飽和磁界Ｈｓ及びフロップ磁界Ｈｆは、フリー層１１１が２つの等価な磁性層１０２、１０４からなる場合、近似的に次式のように書ける。
Ｈｆ≒（Ｈｋ×Ｈｉ）x０．５    （１）
Ｈｓ≒Ｈｉ                    （２）
ただし、
Ｈｋ：フリー層の異方性磁界
Ｈｉ：第１フリー層と第２フリー層との間の反強磁性結合磁界であり、少なくともＨｉ＞Ｈｋである。【００１３】
ＭＲＡＭを低消費電力（低書き込み電流）で動作させるという観点からは、フロップ磁界が小さいことが望ましい。すなわち、曲線Ｂ１が縦軸に、曲線Ｂ３が横軸にそれぞれ近づくことが好ましい。また、ＭＲＡＭ中の複数のメモリセルを同じように動作させるための動作マージンの観点からは、飽和磁界とフロップ磁界の比が大きいことが望ましい。すなわち、閉曲線Ｂの領域が広がることが好ましい。これらの条件を満たすためには、上記式（１）及び（２）からＨｋを小さくすることが好ましいことがわかる。
そのフリー層の異方性磁界Ｈｋは、熱擾乱耐性を確保するために、ある程度以上の大きさを確保する必要がある。例えば、情報を記録した後、１０年間その記録状態を保持するためには、Ｈｋは下式を満たす必要がある。
ΔＥ／ｋＴ＝Ｈｋ*Ｍｓ*Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ*Ａｒｅａ／ｋＴ＞５４    （３）
ただし、
ΔＥ：二つのフリー層の磁化が一方の反平行の状態から他方の反平行の状態に遷移するのに必要なエネルギーバリア
Ｍｓ：フリー層飽和磁化
Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ：フリー層膜厚
Ａｒｅａ：フリー層面積
ｋ：ボルツマン係数
Ｔ  ：絶対温度
したがって、Ｈｋの大きさには式（３）で示される下限がある。【００１４】
さらに、トグル型ＭＲＡＭに特有の課題として、記録動作（書き込み動作）中のエネルギーバリアの低下が発明者らにより見出された。図１０は、エネルギーバリアと書き込み動作時に選択セルに印加される磁界との関係を示すグラフである。縦軸は、１０年間データを保持するために必要なエネルギーバリアで規格化されたエネルギーバリアである。横軸は、Ｈｋで規格化した書き込み動作時に選択セルに印加される磁化容易軸方向の磁界Ｈである。実線は、二つのフリー層の磁化が一方の反平行の状態から他方の反平行の状態に遷移するのに必要なエネルギーバリアを示す。具体的には、図１１Ａに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が反転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。破線は、フリー層内の磁性層間の磁化の向きがトグル動作中に相対的な向きの関係を維持するためのエネルギーバリアを示す。具体的には、図１１Ｂに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が同一の方向に回転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。点線は、フリー層内の磁性層間の磁化の向きがトグル動作中に相対的な向きの関係を維持するためのエネルギーバリアを示す。具体的には、図１１Ｃに示されるように、下側に示される状態から、各磁化の方向が互いに反対の方向に回転して上側に示される状態になるためのエネルギーバリアを示す。
エネルギーバリアは、トグル動作時に印加されるフロップ磁界Ｈｆから飽和磁界Ｈｓまでの磁界の範囲で、凸型（破線＋点線）の特性を示す。書込み磁界がフロップ磁界Ｈｆ（範囲Ａ１）付近、又は、飽和磁界Ｈｓ（範囲Ａ２）付近の場合、エネルギーバリアは、必要なエネルギーバリア（＝１）を下回ることがわかる。範囲Ａ３でのみエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを上回る。【００１５】
範囲Ａ１では、書き込み動作に伴う磁場Ｈによりトグル動作が起こる。それにより、図１１Ｂの下側に示される状態になる。このときエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを下回っている。そのため、トグル動作中に熱擾乱により、第１及び第２フリー層の磁化の向きがいずれも同じ方向に回転し、上側に示される状態になる可能性がある。この場合、第１及び第２フリー層の磁化の向きが逆になってしまう。
範囲Ａ２では、書き込み動作に伴う磁場Ｈによりトグル動作が起こる。それにより、図１１Ｃの下側に示される状態になる。このときエネルギーバリアは必要なエネルギーバリアを下回っている。そのため、トグル動作中に熱擾乱により、第１及び第２フリー層の磁化の向きが互いに逆方向に回転し、上側に示される状態になる可能性がある。この場合も、第１及び第２フリー層の磁化の向きが逆になってしまう。【００１６】
こうして、図１０及び図１１Ａから１１Ｃに示されるように、トグル動作中に書き込み動作の磁場Ｈの大きさが範囲Ａ１及びＡ２になると、エネルギーバリアが必要なエネルギーバリアを下回り、メモリセルにおいて誤動作が起こって書き込みが正常に行われない確率が高くなる。すなわち、トグル型ＭＲＡＭに特有の課題として、必要なエネルギーバリアが十分に大きいトグル型ＭＲＡＭを用いても、書き込み動作時に偶発的にエラーが起こる可能性があることが判明した。【００１７】
このような書込み動作中の誤動作を防ぐための方法は、以下の方法が考えられる。
（ａ）異方性磁界Ｈｋを大きくする。それにより、図１０における凸型の曲線は高くなるので、範囲Ａ３が広くなり、範囲Ａ１及びＡ２が狭くなる。したがって、書込み中にエネルギーバリアが低下しても、エネルギーバリアは保持状態での値以上にしやすくなり、誤動作が起こる確率を小さくできる。
（ｂ）飽和磁界とフロップ磁界との比を大きくする。すなわち、反強磁性結合磁界Ｈｉを大きくする。それにより、図１０における凸型の曲線は横方向に広がるので、範囲Ａ３が広くなる。したがって、動作マージンを広くでき、エネルギーバリアが低下しない領域において、書込み動作を行うことができる。【００１８】
しかし、上記いずれの方法（ａ）、（ｂ）を用いても、フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴ってしまう。すなわち、消費電力が増大してしまう。フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴わずに、書き込み動作中に第１フリー層磁化と第２フリー層磁化とが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制する技術が望まれている。消費電力の増大を伴わずに、書込み動作中の誤動作を防ぐ技術が求められる。【００１９】
このような課題は、フリー層内の複数の磁性層間の反平行状態を概ね維持しながら書き込み動作を行うトグル型ＭＲＡＭに特有である。トグル型ＭＲＡＭと異なる従来の典型的なＭＲＡＭでは、書き込み動作時にフリー層内での磁化の向きを気にする必要がない。【００２０】
関連する技術として特開２００３−１１５５７７号公報に不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法が開示されている。この不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法は、基板と、該基板上に設けられた磁気抵抗効果素を有する複数のメモリセルと、トランジスタと、を有する不揮発磁気薄膜メモリ装置の記録再生方法である。情報の記録を行なう前に、メモリセルに情報の試し書きが行なわれ、試し書きの記録確認を行った後、正規のデータが記録される。すなわち、情報を記録する前に試し書き用のメモリセルに試し書きが行われ、情報が記録できる電流値が確認された後に正規のデータ書込みが行われる。試し書きに失敗した場合、電流値を変化させて、再度試し書きが行われても良い。
【発明の開示】
【００２１】
従って、本発明の目的は、フロップ磁界の増大や書込み電流の増加を伴わずに、書き込み動作中に第１フリー層磁化の向きと第２フリー層磁化の向きとが熱擾乱で入れ替わる可能性を抑制することが可能なトグル型及びダイレクトモード書込み型のＭＲＡＭ及びそのＭＲＡＭの動作方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、消費電力の増大を伴わずに、書込み動作中の誤動作を防ぐことが可能なトグル型及びダイレクトモード書込み型のＭＲＡＭ及びそのＭＲＡＭの動作方法を提供することである。
【００２２】
本発明の観点では、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法は、メモリセルに対してデータの書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みを行うステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第１方向へ伸びる第１配線と、第１方向とは異なる第２方向へ伸びる第２配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第１方向及び第２方向とは異なる。本発明では、データが書き込まれたかを判定し、書込み失敗の場合に再書込みを行うので、トグル型及びダイレクト型のＭＲＡＭについて、書込み動作時の熱擾乱による誤動作を防ぐことができる。
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、書込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備える。本発明により、特にトグル型のＭＲＡＭにつき書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。また、上記書込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータを書込むステップとを備える。本発明により、特にダイレクト型のＭＲＡＭにつき書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの動作方法は、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを再度判定するステップ更に具備することが好ましい。本発明では、書込み失敗のとき行う再書込みの後で、データが書き込まれたかを再判定するので、トグル書込み動作時の誤動作を確実に把握することができる。メモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、再書込みするステップと判定するステップとを繰り返し実行するステップを更に具備することが好ましい。本発明では、データが書き込まれるまで書き込み動作を続けるので、より確実にトグル書込み動作時の誤動作を防ぐことができる。
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、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。熱擾乱による偶発的エラーの場合、デフォルト値の書込み電流で再書込みを行うことで書込みを行うことができ、偶発的エラーを排除できる可能性が高い。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流で、そのデータの書込みしてもよい。デフォルト値の書込み電流と異なる電流値で再書込みを行うことで、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。さらに、異なる電流値で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行なってもよい。この場合、デフォルト値の書込み電流より小さい電流値で再書込みを行うことで、飽和磁界の小さなメモリセルに対して、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。また、異なる電流値で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより大きい書込み電流で、そのデータの書込み動作を再度行なってもよい。デフォルト値の書込み電流より大きい電流値で再書込みを行うことで、飽和磁界の大きなメモリセルに対して、電流値を最適な値にすることができ、より確実にデータを書き込むことが出来る。
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、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、警報を示す信号を出力するステップを更に具備してもよい。これにより、トグル型及びダイレクトモード型のＭＲＡＭ内にトグル書込みが出来ないメモリセルが存在することを把握することができる。
また、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、当該メモリセルを不良ビットとして登録するステップを更に具備してもよい。これにより、トグル書込みが出来ないメモリセルを除いて動作させることができる。
【００２３】
本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、磁気ランダムアクセスメモリのチップ本体を製造するステップと、そのチップ本体において、予め設定された電流値の書込み電流で、メモリセルに対してデータの書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みするステップと、そのメモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、判定するステップと再書込みするステップを繰り返し実行するステップと、そのデータが書き込まれたときのその電流値を示す電流情報（ｎ値）、及びそのデータが書き込まれたときのまでの書き込み動作の回数を示す回数情報（ｎ値）の少なくとも一方を格納するステップと、検査対象の複数のメモリセルについて、上記全てのステップステップを実行するステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第１方向へ伸びる第１配線と、第１方向とは異なる第２方向へ伸びる第２配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第１方向及び第２方向とは異なる。書込みが行われた電流値を示す電流情報、又は、電流値に対応する書き込み動作の回数を示す回数情報を取得するので、製造段階のトグル型及びダイレクト型のＭＲＡＭにおける書込みに関する検査を適正に行うことができる。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法において、書き込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えてもよい。再書込みするステップは、そのデータが正しく書き込まれていない場合、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を再度行うステップとを備える。本発明により、特にトグル型のＭＲＡＭにつき製造段階でのトグル書込みに関する検査を適正に行うことができる。
また、書き込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えてもよい。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのダイレクト書込み方式で前記データの書込み動作を再度行うステップとを備えてもよい。これにより、特にダイレクト型のＭＲＡＭにつき製造段階でのトグル書込みに関する検査を適正に行うことができる。
再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。異なる電流で再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えてもよい。
また、検査対象の複数のメモリセルの電流情報（ｎ値）に基づいて、そのチップ本体における書き込み電流の電流値を再設定するステップを更に具備してもよい。書込みが行われた電流値に対応するように書き込み電流のデフォルト値を再設定するので、書き込み動作のより安定したトグル型ＭＲＡＭを製造することができる。
また、検査対象の複数のメモリセルの回数情報（ｎ値）に基づいて、そのチップ本体をクラス分けするステップを更に具備することが好ましい。書き込み動作の回数に対応してクラス分けをしているので、動作速度に対応したクラスに分けられたトグル型ＭＲＡＭを製造することができる。
【００２４】
本発明の他のでは、磁気ランダムアクセスメモリの検査方法は、磁気ランダムアクセスメモリのチップ本体において、予め設定された電流値の書込み電流で、メモリセルに対してデータを書込むステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定するステップと、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのデータの再書込みするステップと、メモリセルに対してそのデータが書き込まれるまで、判定するステップと再書込みするステップを繰り返し実行するステップと、そのデータが書き込まれたときのその電流値を示す電流情報（ｎ値）、及び、そのデータが書き込まれたときのまでの書き込み動作の回数を示す回数情報（ｎ値）の少なくとも一方を格納するステップと、検査対象の複数のメモリセルについて、上記全てのステップを実行するステップとを具備する。ここで、磁気ランダムアクセスメモリは、非磁性層を介して反強磁性的に結合した２層以上の磁性層を積層したフリー磁性層を含むメモリセルと、第１方向へ伸びる第１配線と、第１方向とは異なる第２方向へ伸びる第２配線とを備える。フリー磁性層の磁化容易軸の方向が、第１方向及び第２方向とは異なる。
ここで、書き込むステップは、メモリセルに対して読出し動作を実行するステップと、その読出し動作の結果に基づいて、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータを書込むステップとを備える。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してトグル書込み方式でそのデータの書込み動作を再度行うステップとを備える。また、書き込むステップは、メモリセルに対してダイレクト書込み方式でそのデータの書込み動作を実行するステップとを備えていてもよい。再書込みするステップは、そのデータが書き込まれていない場合、メモリセルに対してそのダイレクト書込み方式で前記データの書込み動作を再度行うステップとを備えていてもよい。
また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。また、再書込みするステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときと異なる書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの再書込みを行うステップを備えていてもよい。この場合、異なる書込み電流で再書込みを行うステップは、前回そのデータの書込み動作を行ったときより小さい書込み電流で、メモリセルに対してそのデータの書込み動作を再度行うステップを備えることが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリの検査方法は、その検査対象の複数のメモリセルの電流情報（ｎ値）に基づいて、そのチップ本体における書き込み電流の電流値を再設定するステップを更に具備してもよい。また、その検査対象の複数のメモリセルの回数情報（ｎ値）に基づいて、そのチップ本体をクラス分けするステップを更に具備することが好ましい。
【００２５】
本発明の他の観点では、磁気ランダムアクセスメモリは、複数の第１配線と、複数の第２配線と、複数のメモリセルと、書き込み制御部とを具備する。複数の第１配線は、第１方向に延伸する。複数の第２配線は、第１方向と異なる第２方向に延伸する。複数のメモリセルは、複数の第１配線と複数の第２配線とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。書き込み制御部は、複数のメモリセルの書き込み動作を制御する。複数のメモリセルの各々は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、非磁性膜を介して２層以上の磁性膜を積層したフリー磁性層を含み、磁化容易軸方向が第１方向及び第２方向とは異なる。複数の第１配線から選択される選択第１配線と複数の第２配線から選択される選択第２配線とに対応するメモリセルとしての選択セルへデータを書き込むとき、書き込み制御部が、選択セルに対してそのデータを書き込む書き込み動作を実行する。選択セルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定する。そのデータが書き込まれていない場合、選択セルに対してその書き込み動作を再度行う。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、フリー磁性層における容易軸方向のうちの一方の向きの自発磁化の大きさは、他方の向きの自発磁化の大きさと異なることが好ましい。
その書き込み動作は、書き込み制御部が、選択第１配線に第１書き込み電流を供給する。次に、選択第２配線に第２書き込み電流を供給する。その後、第１書き込み電流を停止する。次に、第２書き込み電流を停止する動作である。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、その書込み動作を再度行った選択セルに対して、そのデータが書き込まれたか否かを再度判定することが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書込み制御部が、選択セルに対してそのデータが書き込まれるまで、選択セルに対してそのデータが書き込まれたか否かを判定することと、そのデータが書き込まれていない場合、選択セルに対してその書込み動作を再度行うこととを繰り返し実行することが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流に変更して、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときより小さい書き込み電流に変更して、その書き込み動作を再度行うことが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、そのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと同じ書込み電流で、その書込み動作を再度行うことが好ましい。それでもそのデータが書き込まれていない場合、前回書込み動作を行ったときと異なる書き込み電流で、その書込み動作を再度行うことが好ましい。
上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、警報を示す信号を出力することが好ましい。上記の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、書き込み制御部が、所定の回数書込み動作を繰り返してもそのデータが書き込まれない場合、当該選択セルを不良ビットとして登録する警報を示す信号を出力することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、トグル型ＭＲＡＭに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、トグル型ＭＲＡＭに用いられる典型的な磁気抵抗効果素子の構造を示す断面図である。
【図３】図３は、トグル型ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。
【図４】図４は、トグル動作における書き込み電流のタイミングチャートである。
【図５】図５は、トグル動作における第１及び第２フリー層磁化の向きの変化を示す図である。
【図６】図６は、トグル動作における第１及び第２フリー層磁化の向きの変化を示す図である。
【図７】図７は、書き込み電流とトグルされるメモリセルとの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、フリー層における磁化容易軸方向の外部磁界に対する磁化特性を示す。
【図９】図９は、図７の第１象限を磁界について表現したグラフである。
【図１０】図１０は、エネルギーバリアと書き込み動作時に選択セルに印加される磁界との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１Ａ〜１１Ｃは、各範囲における第１及び第２フリー層磁化の向きの変化を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの実施例の構成を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、本発明におけるメモリセルの構成の一例を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明のトグル型ＭＲＡＭのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、本発明のトグル型ＭＲＡＭのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。
【図１６】図１６は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明のＭＲＡＭの実施例について図面を参照して説明する。以下の説明においては、本発明を適用したトグル型ＭＲＡＭについて説明するが、本発明をダイレクトモード型ＭＲＡＭに適用することも可能である。【００２８】
以下、本発明のトグル型ＭＲＡＭの実施例の構成について、添付図面を参照して説明する。
図１２は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの実施例の構成を示すブロック図である。トグル型ＭＲＡＭは、複数の書き込みワード線２６、複数の読み出しワード線２８、複数のビット線２７、メモリセルアレイ３０、Ｘデコーダ３８、第１書込み電流源３９、Ｘ終端回路４０、Ｙデコーダ４１、第２書き込み電流源４２、Ｙ終端回路４４、センスアンプ４５、参照電位発生回路４６、読出し判定回路５０、カウンタ５１、書込みコントローラ５２を具備する。【００２９】
書き込みワード線２６は、第１の方向としてのＸ軸方向へ延伸するように設けられ、一端をＸデコーダ３８に、他端をＸ終端回路４０にそれぞれ接続されている。読み出しワード線２８は、Ｘ軸方向へ延伸するように設けられ、一端をＸデコーダ３８に、他端をＸ終端回路４０にそれぞれ接続されている。ビット線２７は、Ｘ軸方向に実質的に垂直な第２の方向としてのＹ軸方向へ延伸するように設けられ、一端をＹデコーダ４１に、他端をＹ終端回路４４にそれぞれ接続されている。
メモリセルアレイ３０は、行列状に配列された複数のメモリセル１０を備える。複数のメモリセル１０は、書き込みワード線２６及び読み出しワード線２８の複数の組と複数のビット線２７とが交差する位置のそれぞれに対応して設けられている。
Ｘデコーダ３８は、メモリセル１０の読み出し動作時に、Ｘアドレスの入力に基づいて、複数の読み出しワード線２８から一つの読み出しワード線２８を選択読み出しワード線２８ｓとして選択する。メモリセル１０の書き込み動作時に、Ｘアドレスの入力に基づいて、複数の書き込みワード線２６から一つの書き込みワード線２６を選択書き込みワード線２６ｓとして選択する。
第１書き込み電流源３９は、メモリセル１０の書き込み動作時に、選択書き込みワード線２６ｓへ所定の書き込み電流ＩＷＬを供給する。Ｘ終端回路４０は、メモリセル１０の書き込み動作時に、選択書き込みワード線２６ｓに流れる書き込み電流ＩＷＬを終端する。メモリセル１０の読み出し動作時に、選択読み出しワード線２８ｓへ読出し電流ＩＲを供給する。
Ｙデコーダ４１は、メモリセル１０の読み出し動作時及び書き込み動作時に、Ｙアドレスの入力に基づいて、複数のビット線２７から一つのビット線２７を選択ビット線２７ｓとして選択する。
第２書き込み電流源４２は、メモリセル１０の書き込み動作時に、選択ビット線２７ｓへ所定の書き込み電流ＩＢＬを供給する。Ｙ終端回路４４は、メモリセル１０の書き込み動作時に、選択ビット線２７ｓに流れる書き込み電流ＩＢＬを終端する。メモリセル１０の読み出し動作時に、選択ビット線２７ｓへ流れ込むの読出し電流ＩＲをセンスアンプ４５へ導く。
参照電位発生回路４６は、メモリセル１０の読出し動作時に、参照用の電位（例示：参照セルの電位）をセンスアンプ４５へ出力する。
センスアンプ４５は、メモリセル１０の読み出し動作時に、選択セル１０ｓ（選択読み出しワード線２８ｓと選択ビット線２７ｓとで選択されるメモリセル１０）の電位（＝選択ビット線２７ｓの電位）と、参照電位発生回路４６の出力電位とを比較することにより、選択セル１０ｓの状態（データ、「０」又は「１」）を検出する。
読出し判定回路５０は、書込みコントローラ５２からの書き込むべきデータとセンスアンプ４５からの読み出されたデータとを比較する。両データが同一の場合、書込みが成功したと判定する。そして、次のメモリセルのデータ書込みを実行させるために、書込みコントローラ５２へ書込み信号を出力する。両データが異なる場合、書込みが失敗したと判定する。そして、同じメモリセルへのデータ書込みを再度実行させるために、書込みコントローラ５２へ再書込み信号を出力する。
カウンタ５１は、書込みコントローラ５２の制御により、同じメモリセルへのデータ書込み回数ｎを格納する。
書込みコントローラ５２は、アドレス信号と書き込むべきデータを含む制御信号に基づいて、Ｘデコーダ３８、第１書込み電流源３９、Ｘ終端回路４０、Ｙデコーダ４１、第２書き込み電流源４２、Ｙ終端回路４４がトグル書込み動作を実行するように制御する。そして、読出し判定回路５０の再書込み信号に基づいて、書込み電流の値を変動させて、同じメモリセルへの再度のトグル書込み動作を実行させる。読出し判定回路５０が書き込み信号を出力した場合には、次のメモリセルへのデータのトグル書込み動作を制御する。内部の記憶部（図示せず）に、各メモリセルにおけるデータが書き込まれたときの電流値を示す電流情報、及び、データが書き込まれたときのまでのトグル書き込み動作の回数を示す回数情報の少なくとも一方を格納する。【００３０】
図１３は、本発明におけるメモリセルの構成の一例を示す断面図である。メモリセル１０は、磁気抵抗効果素子２５とＭＯＳトランジスタ３６とを含む。
ＭＯＳトランジスタ３６は、ソース３６ａ、ゲート３６ｂ及びドレイン３６ｃを有し、ｐ型の半導体基板２０に埋め込まれている。ソース３６ａは、半導体基板２０のＮ型拡散層として形成され、半導体基板２０上に延びるコンタクト１９−１及び第３金属層２３を介して接地されている。ゲート３６ｂは、半導体基板２０に絶縁膜２４を介して設けられ、読み出しワード線２７に接続されている。ドレイン３６ｃは、半導体基板２０のＮ型拡散層として形成され、半導体基板２０上に延びるコンタクト１９−２〜４と第１及び第２金属層２１及び２２と下部電極１８とを介して磁気抵抗効果素子２５の一端に接続されている。磁気抵抗効果素子４７の他端は、キャップ層５を介してビット線２７に接続されている。磁気抵抗効果素子４７の下側（半導体基板２０側）の近傍（電気的に絶縁され、磁気的相互作用が可能な位置）に、書き込みワード線２６が配置されている。
磁気抵抗効果素子２５について更に説明する。図１４は、本発明のトグル型ＭＲＡＭのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の構成の一例を示す断面図である。磁気抵抗効果素子２５は、ビット線２７と書き込みワード線２６との間に設けられている。フリー層１、バリア層２、ピン層３及び反強磁性層４を含む。フリー層１は、第１磁性膜１１＋第１非磁性膜１２＋第２磁性膜１３＋第２非磁性膜１４＋第３磁性膜１５＋第３非磁性膜１６＋第４磁性膜１７＋…＋第Ｎ非磁性膜（Ｎ≧２、Ｎは自然数）のように、非磁性膜を介して２層以上の磁性膜が積層された構造を有する。各磁性膜は非磁性膜を介して反強磁性結合している。
フリー層をより多く（Ｎ≧３）することは、体積が増加することにより熱擾乱耐性が向上するという効果もある。【００３１】
図１５は、本発明のトグル型ＭＲＡＭのメモリセルにおける磁気抵抗効果素子の平面レイアウトを示す上面図である。磁気抵抗効果素子２５のフリー層１の磁化容易軸方向は、書き込みワード線２６が延在するＸ方向及びビット線２７が延在するＹ方向から見ておよそ４５°方向になるように配置されている。【００３２】
次に、本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法について説明する。
図１６は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法を示すフローチャートである。この動作は、通常使用の場合でのデータ書込み及び検査の場合でのデータ書込みで実行される。【００３３】
（１）ステップＳ０１
Ｘアドレス及びＹアドレスの指定される選択セル１０ｓへのデータ書き込む命令を示す制御信号が、書込みコントローラ５２へ入力される。書込みコントローラ５２は、カウンタ５１をリセットして、ｎ＝０とする。
ただし、ダイレクトモード型ＭＲＡＭの場合には、ｎ＝１とする。
（２）ステップＳ０２
書込みコントローラ５２は、カウンタ５１の値ｎを読み出す。ｎ＞０の場合（Ｓ０２：Ｙｅｓ）はステップＳ０３へ、ｎ＝０の場合（Ｓ０２：Ｎｏ）はステップＳ０４へ進む。ただし、ダイレクトモード型ＭＲＡＭの場合には、このステップを飛ばし、全ての場合でステップＳ０３へ進む。
（３）ステップＳ０３
書込みコントローラ５２は、選択セル１０ｓへトグル動作による書込みを行う。具体的には、ＸアドレスをＸデコーダ３８へ、ＹアドレスをＹデコーダ４１へ、制御信号を第１書込み電流源３９、第２書込み電流源４２、Ｘ終端回路４０及びＹ終端回路４４へそれぞれ出力する。Ｘデコーダ３８が、選択書込みワード線２６ｓに書き込み電流ＩＷＬを供給する。次に、Ｙデコーダ４１が、選択ビット線２７ｓに書き込み電流ＩＢＬを供給する。その後、Ｘデコーダ３８が、書き込み電流ＩＷＬの供給を停止する。続いて、Ｙデコーダ４１が、書き込み電流ＩＢＬの供給を停止する。ただし、ダイレクトモード型ＭＲＡＭの場合には、選択セル１０ｓへダイレクトモード書込みを行う。
（４）ステップＳ０４
書込みコントローラ５２は、選択セル１０ｓに対して書き込んだデータの読出しを行う。具体的には、ＸアドレスをＸデコーダ３８へ、ＹアドレスをＹデコーダ４１へ、制御信号を第１書込み電流源３９及びＹ終端回路４４へそれぞれ出力する。Ｘデコーダ３８が、選択読出しワード線２８ｓに読出し電流ＩＲを供給する。読出し電流ＩＲは、選択セル１０ｓを通過し、Ｙデコーダ４１により選択された選択ビット線２７ｓを介してＹ終端回路４４へ流れ込む。そのとき、センスアンプ４５は、選択ビット線２７ｓの電位と参照電位発生回路４６の電位とを比較して、読み出したデータを出力する。
（５）ステップＳ０５
読出し判定回路５０は、書込みコントローラ５２から受信される書き込みデータとセンスアンプ４５により読み出されたデータとが等しいか否かを判定する。等しい場合（Ｓ０５：Ｙｅｓ）、次のデータの書込みを実行するための書込み信号を書込みコントローラ５２へ出力する。書込みコントローラ５２は、そのメモリセルに対して書込みの成功したときの回数値ｎを格納する。ｎは、トグル書込みの試行回数に相当する。ｎは書き込み電流値とも関連している（後述）ことから、電流値にも相当する。等しくない場合（Ｓ０５：Ｎｏ）、再書込みを実行する必要があるので、そのための再書込み信号を書込みコントローラ５２へ出力する。
（６）ステップＳ０６
書込みコントローラ５２は、カウンタ５１をカウントアップし、ｎ＝ｎ＋１とする。
（７）ステップＳ０７
書込みコントローラ５２は、予め設定されたｎの最大値ｎｍａｘをｎが超える（ｎ＞ｎｍａｘ）か否かを判定する。ｎ＞ｎｍａｘの場合（Ｓ０７：Ｙｅｓ）はステップＳ０９へ、ｎ≦ｎｍａｘの場合（Ｓ０７：Ｎｏ）はステップＳ０８へ進む。
（８）ステップＳ０８
書込みコントローラ５２は、データの書き込み条件を変更する。書き込み条件は、ｎの値に対応して、例えば以下のようにする。
ｎ＝１：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値
ｎ＝２：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値
ｎ＝３：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値×０．９
ｎ＝４：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値×０．８    ｎ＝５：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値×０．７
ｎ＝６：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値×１．１
ｎ＝７：書き込み電流ＩＷＬ＝書き込み電流ＩＢＬ＝デフォルト値×１．２
………
ｎ＝ｎｍａｘ：………
その後、ステップＳ０２へ進む。ただし、このｎと書込み電流との対応テーブルは、書込みコントローラ５２の記憶部（図示されず）に格納されている。
（９）ステップＳ０９
書込みコントローラ５２は、この書込み動作が、出荷検査のような出荷する前の検査で行われている場合（Ｓ０９：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０へ進む。そのような検査で行われていない場合（Ｓ０９：Ｎｏ）、ステップＳ１１へ進む。
（１０）ステップＳ１０
書込みコントローラ５２は、読出し判定回路５０を介して、このトグル型ＭＲＡＭが不良品であることを外部へ出力し、不良登録を行う。
（１１）ステップＳ１１
書込みコントローラ５２は、読出し判定回路５０を介して、このトグル型ＭＲＡＭに不良なメモリセルがあることを示す故障予兆アラームを外部へ出力する。このとき、ｎｍａｘは出荷検査時と変えても良い。
以上のようにして、本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法が実行される。【００３４】
上記ステップＳ０８において、ｎ＝２において、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬを同じにすることで、熱擾乱による偶発的エラーを排除できる。熱擾乱による偶発的エラーの場合、同一電流の再書込みで修正できる可能性が高いからである。したがって、まずは同一のデフォルト値の書込み電流で再書込みを行う。【００３５】
上記ステップＳ０８において、ｎ＝３〜５において、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬを下げるのは、メモリセルに印加する磁界を低下させることになる。すなわち、当初図１０の範囲Ａ２にあった磁界は、範囲Ａ３へ近づくことになり、エネルギーバリアを高めることができる。したがって、書き込み電流を下げることは、飽和磁界Ｈｓの小さなメモリセル（印加される磁界が範囲Ａ２に入りやすい）に対して好ましい。【００３６】
上記ステップＳ０８において、ｎ＝６〜７において、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬを上げることは、メモリセルに印加する磁界を高めることになる。すなわち、当初図１０の範囲Ａ１にあった磁界は、範囲Ａ３へ近づくことになり、エネルギーバリアを高めることができる。したがって、書き込み電流を上げることは、フロップ磁界Ｈｆの大きなのメモリセル（印加される磁界が範囲Ａ１に入りやすい）に対して好ましい。【００３７】
本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法におけるステップＳ０８の書き込み電流の設定は、上記の例に限定されるものではない。例えば、書き込み電流ＩＷＬと書き込み電流ＩＢＬとを異なる値にしたり、一方を増加させ、他方を減少させるようにしても良い。それにより、より最適な磁界を設定でき、トグル書込み動作時に誤動作の発生量をより低減させることができる。このようにトグル型ＭＲＡＭは、必要に応じて段階的に書き込み電流を変更することができる。それは、半選択セルに対して書き込み電流による磁場の影響を考慮しなくて済むからである。従来の典型的なＭＲＡＭでは、半選択セルに対して書き込み電流による磁場の影響があるため、一度設定した書き込み電流を必要に応じて段階的に変更することは行えない。【００３８】
上記の例では、各メモリセルに対して格納された回数値あるいは書込み電流値が、各メモリセルに対して管理されているが、１カラム分或いは１ロー分平均化あるいはその平均値に近似化されて管理されてもよい。あるいは、所定のブロックごとに平均化あるいは卑近値に近似化されて
管理されてもよい。【００３９】
本発明においては、異方性磁界、反強磁性結合磁界は、書込み中のエネルギーバリアの低下を考慮せずに、保持中の熱擾乱耐性のみで決定される。書込み中のエネルギーバリアの低下により、ある確率で誤動作が起きることを想定し、書込み動作毎に、正常に書き込めたかどうかの確認をおこなう。熱擾乱による誤動作の発生頻度は十分小さくすれば、多くとも数回の再書込みにより正常な書込みが行える。さらに、再書込み時の電流値を変化させることにより、正常書込みの確率をあげることができる。【００４０】
次に、本発明のトグル型ＭＲＡＭの製造方法について説明する。
図１７は、本発明のトグル型ＭＲＡＭの製造方法を示すフローチャートである。
（１）ステップＳ２１
トグル型ＭＲＡＭのチップ本体（図示されず）を従来知られた半導体製造プロセスにより製造する。すなわち、図１３を参照して、概略を説明すると、まず、半導体基板２０上にＭＯＳトランジスタ３６を形成される。次に、層間絶縁膜が形成されながら、ＭＯＳトランジスタ３６と下地電極１８とを接続するためにコンタクト（ビア）１９−１〜１９−４、第１〜第３金属層２１〜２３が形成される。また、書込みワード線２６が形成される。その後、下部電極１８上に反強磁性層４、ピン層３、バリア層２、Ｎ（≧２）層の磁性膜からなるフリー層１を備えた磁気抵抗効果素子２５、及び、キャップ層５が形成される。続いて、ビット線２７が形成される。そして、再書込みのアルゴリズムを実行するための回路がセルアレイ周辺部に設けられる。
（２）ステップＳ２２
トグル型ＭＲＡＭのチップ本体の検査が検査装置により行われる。検査方法は、図１６に示す本発明のトグル型ＭＲＡＭの動作方法を実行する。そのとき、ステップＳ０９はＹｅｓである。
（３）ステップＳ２３
ステップＳ２２のトグル型ＭＲＡＭの動作方法を、チップ本体における検査対象のメモリセルの全てについて実行する。ただし、ステップＳ１０で不良登録を行う場合には、その時点でステップＳ２２を終了しステップＳ２４へ進んでも良い。
（４）ステップＳ２４
書込みコントローラ５２に格納されたトグル型ＭＲＡＭのｎの値の分布により、必要に応じてそのトグル型ＭＲＡＭの書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬのそれぞれの電流値が再設定される。そして、トグル型ＭＲＡＭのクラスが決定される。【００４１】
ここで、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬのそれぞれの電流値の再設定は、例えば、以下のように行われる。ほとんどのメモリセルでｎ＝４の場合、書き込み電流ＩＷＬ及び書き込み電流ＩＢＬのそれぞれの電流値がデフォルト値×０．８に再設定される。このような再設定を行うことで、トグル型ＭＲＡＭごとに書込み電流の値を最適な値にすることができる。それにより、書込み動作時に、書込みを再実行する回数を減少させることが可能となる。このような再設定用の値の決定及び再設定は、個々のトグル型ＭＲＡＭごと行っても良いし、製造ロットごとに行っても良い。その場合、再設定時間を更に短縮することができる。【００４２】
トグル型ＭＲＡＭのクラスは、例えば、ｎの値がばらついている場合、値が大きいｎが多い場合などのとき、低い階層のクラスに分類する。ｎの値が概ね等しい場合、値の小さいｎが多い場合などのとき、高い階層のクラスに分類する。この場合、高い階層のクラスは、書込み速度が速い。低い階層のクラスは、書込み速度が遅くなる。【００４３】
以上のようにして、本発明のトグル型ＭＲＡＭの製造方法が実行される。【００４４】
以上の実施例においては、本発明を適用したトグル型ＭＲＡＭを想定して記載したが、ダイレクトモード型ＭＲＡＭについても同様に成り立ち、トグル型ＭＲＡＭの場合と同様の効果を得ることができる。
本発明によれば、消費電力の増大を伴わずに、トグル書込み動作における熱擾乱による誤動を防ぐことが可能となる。
【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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