DE10303702A1

DE10303702A1 - Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung mit einem von einer Mehrzahl von Zellen gemeinsam genutzten Zugriffselement

Info

Publication number: DE10303702A1
Application number: DE10303702A
Authority: DE
Inventors: Tsukasa Ooishi; Masatoshi Ishikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2003-12-11
Also published as: CN1459791A; KR100523494B1; JP4084084B2; TWI234769B; US6788571B2; US20030218901A1; JP2003346473A; CN100505085C; KR20030091027A

Abstract

Ein magnetoresistives Tunnelelement (TMR), das eine MTJ-Speicherzelle bildet, ist zwischen eine Bitleitung (BL) und eine Kontaktbrücke (SL) geschaltet. In jeder Speicherzellenspalte wird die Kontaktbrücke (SL) von der Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen (TMR) desselben Zeilenblocks gemeinsam genutzt. Der Zugriffstransistor (ATR) ist zwischen die Kontaktbrücke (SL) und die Massespannung (GND) geschaltet und wird als Reaktion auf eine entsprechende Wortleitung (WL) ein- bzw. ausgeschaltet. Der Speicherdatenwert wird aus der ausgewählten Speicherzelle ausgelesen auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen Ergebnissen des Datenlesens, das an einer mit derselben Kontaktbrücke verbundenen Gruppe von Speicherzellen vor und nach Anlegen eines vorbestimmten Magnetfelds an der ausgewählten Speicherzelle durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine magnetische Dünnfilm-Speichervorrichtung und insbesondere auf einen Direktzugriffspeicher (RAM) mit Speicherzellen mit einem magnetischen Tunnelübergang (magnetic tunnel junction MTJ).
Eine MRAM-Vorrichtung (Magnetic Random Access Memory = Magnetischer Direktzugriffspeicher) zieht als eine Speichervorrichtung, die in der Lage ist, mit geringem Leistungsverbrauch Daten auf nichtflüchtige Weise zu speichern, Aufmerksamkeit auf sich. Die MRAM-Vorrichtung ist eine Speichervorrichtung, bei der eine Mehrzahl von magnetischen Dünnfilmelementen zum nichtflüchtigen Speichern von Daten in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet sind, wobei auf jedes dieser magnetischen Dünnfilmelemente einen Direktzugriff möglich ist.
Insbesondere zeigen jüngere Ankündigungen, dass die Verwendung magnetischer Dünnfilmelemente mit einem magnetischen Tunnelübergang MTJ als Speicherzelle die Leistungsfähigkeit einer MRAM-Vorrichtung beträchtlich verbessern kann. Die MRAM- Vorrichtung, die Speicherzellen mit magnetischen Tunnelübergängen beinhaltet, ist in der technischen Literatur veröffentlicht wie z. B. in "A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in Each Cell", ISSCC Digest of Technical Papers, TA 7.2, Februar 2000, und "Nonvolatile RAM Based on Magnetic Tunnel Junction Elements", ISSCC Digest of Technical Papers, TA 7.3, Februar 2000.
Fig. 22 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Speicherzelle mit magnetischem Tunnelübergang (im folgenden gelegentlich einfach als "MTJ-Speicherzelle" bezeichnet).
Wie in Fig. 22 dargestellt beinhaltet eine MTJ-Speicherzelle ein magnetoresistives Tunnelelement TMR, dessen elektrischer Widerstand sich entsprechend einem magnetisch geschriebenen Speicherdatenpegel ändert, und einen Zugriffstransistor ATR. Der Zugriffstransistor ATR ist zwischen einer Bitleitung BL und einer Massespannungsleitung GL angeordnet und zu dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR in Reihe geschaltet. Typischerweise wird der Zugriffstransistor ATR aus einem Feldeffekttransistor gebildet.
Für die MTJ-Speicherzelle beinhaltet die Vorrichtung eine Bitleitung BL zum Führen eines Datenschreibstroms bzw. eines Datenlesestroms jeweils im Datenschreib- bzw. Datenlesebetrieb, eine Schreibziffernleitung WDL zum Führen eines Datenschreibstroms im Datenschreibbetrieb, eine Wortleitung WL zum Anweisen des Datenlesens und eine Massespannungsleitung GL zum Herunterziehen des magnetoresistiven Tunnelelements TMR auf eine Massespannung GND im Datenlesebetrieb.
Im Datenlesebetrieb ist das magnetoresistive Tunnelelement TMR entsprechend dem Einschalten des Zugriffstransistors ATR elektrisch zwischen die Massespannungsleitung GL, die auf Massespannung GND liegt, und die Bitleitung BL geschaltet.
Fig. 23 ist eine konzeptionelle Darstellung, die den Datenschreibbetrieb in die MTJ-Speicherzelle veranschaulicht.
Wie in Fig. 23 dargestellt enthält das magnetoresistive Tunnelelement TMR eine ferromagnetische Materialschicht FL mit einer festen Magnetisierungsrichtung (im folgenden gelegentlich einfach als "feste magnetische Schicht" bezeichnet) und eine ferromagnetische Materialschicht VL, die in eine Richtung magnetisiert ist, die einem Magnetfeld entspricht, das durch den Datenschreibstrom erzeugt wird (im folgenden gelegentlich einfach als "freie magnetische Schicht" bezeichnet). Zwischen der festen magnetischen Schicht FL und der freien magnetischen Schicht VL ist eine Tunnelbarriere TB aus einer Isolierschicht ausgebildet. Entsprechend dem Schreibdatenpegel ist die freie magnetische Schicht VL entweder in dieselbe Richtung magnetisiert wie die feste magnetische Schicht FL oder in die entgegengesetzte Richtung.
Der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR ändert sich entsprechend der Beziehung zwischen der jeweiligen Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL und der freien magnetischen Schicht VL. Genauer gesagt ist der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR in dem Fall, in dem die feste magnetische Schicht FL und die freie magnetische Schicht VL in dieselbe (parallele) Richtung magnetisiert sind, kleiner als in dem Fall, in dem sie in entgegengesetzte (antiparallele) Richtungen magnetisiert sind.
Im Datenschreibbetrieb ist die Wortleitung WL deaktiviert und der Zugrifftransistor ATR ausgeschaltet. In diesem Zustand wird der Bitleitung BL und der Schreibziffernleitung WDL jeweils der Datenschreibstrom zum Magnetisieren der freien magnetischen Schicht VL mit einer dem Schreibdatenpegel entsprechenden Richtung zugeführt. Somit hängt die Magnetisierungsrichtung der VL von den Richtungen der Datenschreibströme ab, die jeweils durch die Bitleitung BL und die Schreibziffernleitung WDL fließen.
Fig. 24 ist eine konzeptionelle Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einem Datenschreibstrom und der Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL veranschaulicht.
In Fig. 24 bezeichnet die Abszisse H(EA) ein Magnetfeld, das an die freie magnetischen Schicht VL des magnetoresistiven Tunnelelements TMR in Richtung einer leicht zu magnetisierenden Achse (EA) angelegt ist. Die Ordinate H(HA) bezeichnet ein Magnetfeld, das an die freie magnetische Schicht VL in Richtung einer schwer zu magnetisierenden Achse (HA) angelegt ist. Die Magnetfelder H(EA) und H(HA) entsprechen jeweils zwei Magnetfeldern, die durch die in der Bitleitung BL und der Schreibziffernleitung WDL fließenden Ströme erzeugt werden.
In der MTJ-Speicherzelle liegt die feste Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL parallel zu der leicht zu magnetisierenden Achse der freien magnetischen Schicht VL. Die freie magnetische Schicht VL ist entsprechend dem Speicherdatenpegel ("1" bzw. "0") in Richtung der leicht zu magnetisierenden Achse entweder in dieselbe (parallele) Richtung magnetisiert wie die feste magnetische Schicht FL oder in die entgegengesetzte (antiparallele) Richtung. Die MTJ-Speicherzelle ist somit in der Lage, entsprechend den zwei Magnetisierungsrichtungen der freien magnetischen Schicht VL einen Datenwert ("1" bzw. "0") zu speichern.
Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL kann nur dann neu geschrieben werden, wenn die Summe der angelegten Magnetfelder H(EA) und H(HA) in den Bereich außerhalb der in Fig. 24 dargestellten Asteroidenkennlinie fällt. Die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL ändert sich daher nicht, wenn die angelegten Datenschreibmagnetfelder eine Stärke haben, die dem Bereich innerhalb der Asteroidenkennlinie entsprechen.
Wie aus der Asteroidenkennlinie ersichtlich, ermöglicht das Anlegen eines Magnetfelds an die freie magnetische Schicht VL in Richtung der schwer zu magnetisierenden Achse eine Verringerung eines Magnetisierungsschwellwerts, der zum Ändern der Magnetisierungsrichtung entlang der leicht zu magnetisierenden Achse erforderlich ist.
Um den Speicherdatenwert der MTJ-Speicherzelle, d. h. die Magnetisierungsrichtung des magnetoresistiven Tunnelelements TMR zu überschreiben, müssen durch die Schreibziffernleitung WDL und die Bitleitung BL Datenschreibströme mit mindestens einem vorbestimmten Pegel geführt werden. Die freie magnetische Schicht VL in dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR wird somit entsprechend der Richtung des Datenschreibmagnetfelds entlang der leicht zu magnetisierenden Achse (EA) entweder in dieselbe (parallele) Richtung magnetisiert wie die feste magnetische Schicht FL oder in die entgegengesetzte (antiparallele) Richtung. Die einmal in das magnetoresistive Tunnelelement TMR geschriebene Magnetisierungsrichtung, d. h. der Speicherdatenwert der MTJ-Speicherzelle, wird auf nichtflüchtige Weise gehalten, bis ein weiterer Datenschreibvorgang durchgeführt wird.
Fig. 25 ist eine konzeptionelle Darstellung, die den Datenlesebetrieb aus der MTJ-Speicherzelle veranschaulicht.
Wie in Fig. 25 dargestellt, wird der Zugriffstransistor ATR im Datenlesebetrieb als Reaktion auf eine Aktivierung der Wortleitung WL eingeschaltet. Dadurch ist das magnetoresistive Tunnelelement TMR elektrisch mit der Lesebitleitung BL verbunden und wird auf die Massespannung GND heruntergezogen.
In diesem Zustand wird die Bitleitung BL auf eine vorbestimmte Spannung heraufgezogen, wodurch über einen Strompfad, der die Bitleitung BL und das magnetoresistive Tunnelelement TMR beinhaltet, ein Speicherzellenstrom Icell fließt, der dem elektrischen Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR, d. h. entsprechend dem Speicherdatenwert der MTJ-Speicherzelle, entspricht. Dieser Speicherzellenstrom Icell wird z. B. mit einem vorbestimmten Referenzstrom verglichen, wodurch der Speicherdatenwert aus der MTJ-Speicherzelle ausgelesen werden kann.
Wie oben beschrieben ändert sich der elektrische Widerstandswert des magnetoresistiven Tunnelelements TMR entsprechend der Magnetisierungsrichtung, die durch ein angelegtes Datenschreibmagnetfeld überschrieben werden kann. Dementsprechend kann durch Zuordnen der elektrischen Widerstandswerte Rmax und Rmin des magnetoresistiven Tunnelelements TMR zu den Speicherdatenpegeln ("0" bzw. "1") nichtflüchtiges Datenspeichern verwirklicht werden.
Im Datenlesebetrieb fließt durch den magnetischen Tunnelübergang MTJ ein Datenlesestrom Is. Der Datenlesestrom Is ist jedoch im allgemeinen so festgelegt, dass er eine oder zwei Größenordnungen kleiner ist als der bereits beschriebene Datenschreibstrom. Das verringert die Wahrscheinlichkeit, dass der Speicherdatenwert der MTJ-Speicherzelle im Datenlesebetrieb durch den Datenlesestrom Is irrtümlich überschrieben wird.
Fig. 26 zeigt einen Aufbau einer auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten MTJ-Speicherzelle.
Wie in Fig. 26 dargestellt, weist der auf einem Halbleitersubstrat SUB ausgebildete Zugriffstransistor ATR Source/Drain- Bereiche 310 und 320 auf, die auf n-dotierten Bereichen ausgebildet sind, sowie einen Gatebereich 330. Der Source/Drain- Bereich 310 ist über eine Metallschicht, die in einem Kontaktierungsloch 341 ausgebildet ist, elektrisch mit der Massespannungsleitung GL verbunden.
Die Schreibziffernleitung WDL ist in einer Metallverbindungslage ausgebildet, die in einer höheren Lage angeordnet ist als die Massespannungsleitung GL. Das magnetoresistive Tunnelelement TMR ist in einer höheren Lage angeordnet als die Schreibziffernleitung WDL. Das magnetoresistive Tunnelelement TMR ist über eine Kontaktbrücke SL und eine Metallschicht, die in einem Kontaktierungsloch 340 ausgebildet ist, mit dem Source/Drain- Bereich 320 des Zugriffstransistors ATR verbunden. Die Kontaktierungsbrücke SL ist bereitgestellt, um das magnetoresistive Tunnelelement TMR elektrisch mit dem Zugriffstransistor ATR zu verbinden, und sie ist aus einem elektrisch leitenden Material ausgebildet.
Die Bitleitung BL ist elektrisch mit dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR verbunden und in einer höheren Lage angeordnet als das magnetoresistive Tunnelelement TMR. Wie bereits beschrieben müssen die Datenschreibströme im Datenschreibbetrieb sowohl durch die Bitleitung BL als auch durch die Schreibziffernleitung WDL fließen. Im Datenlesebetrieb wird die Wortleitung WL z. B. auf einen hohen Spannungspegel aktiviert, so dass der Zugriffstransistor ATR eingeschaltet wird. Dadurch wird das magnetoresistive Tunnelelement TMR über den Zugriffstransistor ATR zu der Massespannung GND heruntergezogen, und es ist elektrisch mit der, Bitleitung BL verbunden.
Sowohl die Bitleitung BL, die den Datenschreibstrom und den Datenlesestrom führt, als auch die Schreibziffernleitung WDL, die den Datenschreibstrom führt, sind aus Metallverbindungsschichten ausgebildet. Die Wortleitung WL ist bereitgestellt, um die Gatespannung des Zugriffstransistors ATR zu steuern, und muss nicht aktiv einen Strom führen. Zum Erhöhen eines Integrierungsgrades bzw. einer Dichte wird daher im allgemeinen keine eigene der Wortleitung WL zugeordnete Metallverbindungsschicht verwendet, und die Wortleitung WL wird im allgemeinen unter Verwendung einer polykristallinen Siliziumschicht oder Polyzidschicht in der selben Verbindungsschicht gebildet wie das Gate 330.
Wie in Fig. 26 dargestellt, werden die Kontaktbrücke SL und das Kontaktierungsloch 340, die das magnetoresistive Tunnelelement TMR elektrisch mit dem Zugriffstransistor ATR verbinden, zum Lesen von Daten aus der MTJ-Speicherzelle verwendet, und diese Kontaktbrücke SL und dieses Kontaktierungsloch 340 müssen unter Vermeidung der Schreibwortleitung WDL angeordnet werden. Demzufolge kann die MRAM-Vorrichtung, für die die Mehrzahl von MTJ- Speicherzellen in integrierter Weise bereitgestellt sind, bedingt durch Layoutbeschränkungen nicht eine hinreichend Elementdichte haben, und ihre Feldfläche wird groß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, eine Fläche eines Speicherfeldes, in dem MTJ- Speicherzellen in einer integrierten Weise bereitgestellt sind, zu verringern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Zusammengefasst stellt die Erfindung eine magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung bereit, die eine Mehrzahl von Speicherzellen, eine Mehrzahl von ersten Signalleitungen und eine Mehrzahl von zweiten Signalleitungen beinhaltet. Die Mehrzahl von Speicherzellen sind in Zeilen und Spalten angeordnet und in eine Mehrzahl von Zeilenblöcken aufgeteilt, von denen sich jeder in eine Zeilenrichtung erstreckt. Jede Speicherzelle beinhaltet ein magnetoresistives Tunnelelement, dessen elektrischer Widerstandswert abhängig von dem magnetisch geschriebenen Speicherdatenwert veränderlich ist. Die Mehrzahl von ersten Signalleitungen sind in einer Spaltenrichtung angeordnet und entsprechen jeweils den Speicherzellenspalten. Die Mehrzahl von zweiten Signalleitungen sind jeweils entsprechend der Mehrzahl von Zeilenblöcken in jeder Speicherzellenspalte angeordnet. Das magnetoresistive Tunnelelement ist elektrisch zwischen eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von ersten Signalleitungen und eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen geschaltet.
Dementsprechend hat die Erfindung den Hauptvorteil, dass das Kontaktierungsloch, das herkömmlicherweise unter strengen Layoutbeschränkungen bereitgestellt ist zum elektrischen Verbinden der Speicherzelle mit einem anderen Element wie z. B. einem Zugriffstransistor, nur für jede der zweiten Signalleitungen angeordnet werden muss und nicht für jede Speicherzelle. Demzufolge kann eine Fläche eines Speicherfeldes verringert werden.
Vorzugsweise beinhaltet die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung eine Mehrzahl von Wortleitungen und eine Mehrzahl von Zugriffstransistoren. Die Mehrzahl von Wortleitungen sind in der Zeilenrichtung angeordnet, entsprechen jeweils der Mehrzahl von Zeilenblöcken und werden bei einem Datenlesevorgang entsprechend dem Ergebnis der Zeilenauswahl selektiv aktiviert. Die Mehrzahl von Zugriffstransistoren ist jeweils entsprechend der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen angeordnet. Jeder Zugriffstransistor ist elektrisch zwischen eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen und eine feste Spannung geschaltet und wird eingeschaltet, wenn die entsprechende Wortleitung aktiviert wird.
Da jeder Zugriffstransistor von der Mehrzahl von Speicherzellen gemeinsam genutzt wird, ist es möglich, die Anzahl erforderlicher Zugriffstransistoren zu verringern. Dementsprechend kann die Fläche des Speicherfelds weiter verringert werden.
Vorzugsweise enthält jeder der Zeilenblöcke eine Anzahl von L Speicherzellenzeilen (L: ganze Zahl größer als 1), und die zweite Signalleitung, die der ausgewählten Speicherzelle entspricht, die als ein Zugriffsziel ausgewählt ist, wird während zumindest einer während eines einzelnen Datenlesevorgangs bereitgestellten vorbestimmten Zeitspanne mit einer ersten Spannung verbunden. Die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung beinhaltet weiter eine Datenleitung, die während jeder der zumindest einen vorbestimmten Zeitspannen mit der der ausgewählten Speicherzelle entsprechenden ersten Signalleitung elektrisch verbunden ist, eine Lesestromzuführschaltung zum Verbinden der Datenleitung mit einer zweiten Spannung während jeder der zumindest einen vorbestimmten Zeitspannen und eine Datenleseschaltung zum Erzeugen des Lesedatenwerts, der dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entspricht. Die Datenleseschaltung beinhaltet einen ersten Spannungshalteabschnitt zum Halten der Spannung, die während der vorbestimmten Zeitspanne, die entsprechend einem ersten Zustand bereitgestellt ist, in dem die ausgewählte Speicherzelle eine Magnetisierungsrichtung beibehält, die im wesentlichen dieselbe ist wie vor dem einzelnen Lesevorgang, an der Datenleitung anliegt, an einem ersten internen Knoten und einen Spannungsvergleichabschnitt zum Erzeugen des Lesedatenwerts entsprechend einem Spannungsunterschied zwischen der Spannung an dem ersten internen Knoten und der Spannung, die während der vorbestimmten Zeitspanne, die entsprechend einem zweiten Zustand bereitgestellt ist, in dem die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle durch Anlegen eines vorbestimmten Magnetfelds gegenüber derjenigen in den ersten Zustand verändert wird, an der Datenleitung anliegt.
Dadurch kann der Speicherdatenwert aus der einen ausgewählten Speicherzelle unter der Anzahl von L Speicherzellen, die mit derselben zweiten Signalleitung verbunden sind, herausgezogen werden, indem auf die Anzahl von L Speicherzellen zugegriffen wird. Weiterhin kann das Datenlesen in einer selbstreferenzierenden Weise durchgeführt werden ohne Verwendung einer Referenzzelle, und es kann daher auf Grundlage eines Vergleichs zwischen Spannungen durchgeführt werden, die über denselben Datenpfad gewonnen werden, der dieselbe Speicherzellengruppe, Datenleitung usw. enthält. Dementsprechend ist es möglich, Einflüsse durch Offset und dergleichen zu vermeiden, die durch Schwankungen bei der Herstellung der jeweiligen den Datenlesepfad bildenden Schaltungen bewirkt werden, und der Datenlesebetrieb kann genau durchgeführt werden.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Gesamtaufbaus einer MRAM-Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltbild, das als Beispiel ein Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform im Detail zeigt;
Fig. 3 als Beispiel ein Layout von MTJ-Speicherzellen in dem Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine Veranschaulichung eines Effekts der Verringerung einer Fläche des Speicherfelds durch gemeinsames Nutzen eines Zugriffstransistors ATR;
Fig. 5 ein Schaltbild eines Aufbaus einer Schaltungsgruppe zum Durchführen eines Datenlesevorgangs und eines Datenschreibvorgangs in dem Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 6 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines ersten Datenlesevorgangs in dem Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 7 ein Schaltbild, das einen Betrieb einer Lese/Schreibsteuerschaltung in einem anfänglichen Datenlesevorgang zeigt;
Fig. 8 ein Schaltbild, das einen Betrieb der Lese/Schreibsteuerschaltung in einem vorbestimmten Schreibvorgang 1 zeigt;
Fig. 9 ein Schaltbild, das einen Betrieb der Lese/Schreibsteuerschaltung in einem vorbestimmten Lesevorgang 1 zeigt;
Fig. 10 ein Schaltbild, das einen Betrieb der Lese/Schreibsteuerschaltung in einem vorbestimmten Schreibvorgang 2 zeigt;
Fig. 11 ein Schaltbild, das einen Betrieb der Lese/Schreibsteuerschaltung in einem vorbestimmten Lesevorgang 2 zeigt;
Fig. 12 ein Schaltbild, das einen Betrieb der Lese/Schreibsteuerschaltung in einem Rückschreibvorgang zeigt;
Fig. 13 ein Betriebssignalverlaufsdiagramm zum Veranschaulichen eines Datenlesevorgangs in dem Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform;
Fig. 14 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Datenlesevorgangs nach einer Abwandlung der ersten Ausführungsform;
Fig. 15 eine konzeptionelle Darstellung der Prinzipien des Datenlesevorgangs nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 eine konzeptionelle Darstellung einer Magnetisierungsrichtung eines magnetoresistiven Tunnelelements in den jeweiligen in Fig. 15 dargestellten Zuständen;
Fig. 17 ein Schaltbild eines Aufbaus einer Lese/Schreibsteuerschaltung nach der zweiten Ausführungsform;
Fig. 18 ein Betriebssignalverlaufsdiagramm zum Veranschaulichen eines Datenlesevorgangs nach der zweiten Ausführungsform;
Fig. 19 ein Schaltbild eines Aufbaus einer Lese/Schreibsteuerschaltung nach einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
Fig. 20 ein Schaltbild, das insbesondere als Beispiel einen Aufbau eines Speicherfelds nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 21 ein Beispiel für ein Layout von MTJ-Speicherzellen in dem Speicherfeld nach der dritten Ausführungsform;
Fig. 22 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer MTJ- Speicherzelle;
Fig. 23 eine konzeptionelle Darstellung eines Datenschreibvorgangs in die MTJ-Speicherzelle;
Fig. 24 eine konzeptionelle Darstellung der Beziehung zwischen einem Datenschreibstrom und der Magnetisierung einer freien magnetischen Schicht VL;
Fig. 25 eine konzeptionelle Darstellung eines Datenlesevorgangs aus der MTJ-Speicherzelle;
Fig. 26 einen Aufbau einer auf einem Halbleitersubstrat ausgebildeten MTJ-Speicherzelle.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. In den Figuren bezeichnen dabei gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Abschnitte.
Mit Bezug auf Fig. 1 führt eine MRAM-Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechend einem Steuersignal CMD und einem Adresssignal ADD, die von außen zugeführt werden, einen wahlfreien Zugriff durch und schreibt Eingabedaten DIN bzw. liest Ausgabedaten DOUT.
Die MRAM-Vorrichtung 1 beinhaltet eine Steuerschaltung 5 zum Steuern eines Gesamtbetriebs der MRAM-Vorrichtung 1 entsprechend dem Steuersignal CMD und ein Speicherfeld 10 mit einer Mehrzahl von MTJ-Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Nach der ersten Ausführungsform wird ein Zugriffstransistor ATR, wie später beschrieben wird, von einer Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen TMR gemeinsam genutzt. Daher arbeitet in dem Speicherfeld 10 jedes aus der Mehrzahl von magnetoresistiven Speicherelementen TMR als MTJ-Speicherzelle. Dementsprechend können die Zeilen und Spalten der Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelemente TMR in dem Speicherfeld 10 jeweils als "Speicherzellenzeilen" bzw. "Speicherzellenspalten" bezeichnet werden.
Der Aufbau des magnetoresistiven Tunnelelementes TMR und das Prinzip der Datenspeicherung in ihm sind im wesentlichen dieselben wie bereits mit Bezug auf Fig. 22 bis 25 beschrieben und daher wird ihre Beschreibung nicht wiederholt. Jedes magnetoresistive Tunnelelement TMR speichert entweder den H-Pegel ("1") oder den L-Pegel ("0") als Speicherdatenwert, und sein elektrischer Widerstandswert ändert sich in Abhängigkeit von dem Speicherdatenpegel.
Fig. 1 zeigt stellvertretend eine MTJ-Speicherzelle MC (magnetoresistives Tunnelelement TMR) sowie eine Wortleitung WL, eine Schreibziffernleitung WDL und eine Bitleitung BL, die der MTJ- Speicherzelle MC entsprechen. Die Wortleitung WL und die Schreibziffernleitung WDL sind in einer Zeilenrichtung angeordnet. Die Bitleitung BL ist in einer Spaltenrichtung angeordnet.
Bei einem Datenschreibvorgang fließen die Datenschreibströme jeweils in der Zeilen- und Spaltenrichtung durch die Schreibziffernleitung WDL in der Speicherzellenzeile, die der ausgewählten Speicherzelle entspricht (d. h. in der ausgewählten Zeile) und durch die Bitleitung BL in der Speicherzellenspalte, die der ausgewählten Speicherzelle entspricht (d. h. in der ausgewählten Spalte). In dem Datenlesevorgang wird die der ausgewählten Speicherzelle entsprechende Wortleitung WL aktiviert, und ein Datenlesestrom fließt durch die ausgewählte Speicherzelle und die Bitleitung BL.
Die Anordnung der MTJ-Speicherzellen und der Gruppen der vorher genannten Signalleitungen in dem Speicherfeld 10 wird später beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung können binäre Zustände von Signalen, Signalleitungen, Daten usw., d. h. ein Zustand mit hoher Spannung (Versorgungsspannung Vcc) und ein Zustand mit niedriger Spannung (feste Spannung Vss oder Massespannung GND) jeweils als "H-Pegel" bzw. "L-Pegel" bezeichnet werden.
Die MRAM-Vorrichtung 1 beinhaltet weiter: eine Zeilenauswahlschaltung 20, die zum Auswählen der Zeile in dem Speicherfeld 10 eine durch das Adresssignal ADD dargestellte Zeilenadresse RA decodiert; eine Spaltenauswahlschaltung 25, die zum Auswählen der Spalte in dem Speicherfeld 10 eine durch das Adresssignal ADD dargestellte Spaltenadresse CA decodiert; sowie Lese/Schreibsteuerschaltungen 30 und 35.
Die Lese/Schreibsteuerschaltungen 30 und 35 vertreten kollektiv verschiedene Schaltungen oder dergleichen wie z. B. eine Schaltung zum Führen des Datenschreibstroms durch die Bitleitung BL im Datenschreibbetrieb, eine Schaltung zum Führen des Datenlesestroms durch die Bitleitung BL im Datenlesebetrieb und eine Schaltung zum Erzeugen der Ausgabedaten DOUT im Datenlesebetrieb. Jede Schreibziffernleitung WDL ist in einem von der Zeilenauswahlschaltung 20 entfernten liegenden Bereich, wobei das Speicherfeld 10 dazwischen liegt, mit der Massespannung GND verbunden.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Mehrzahl von MTJ- Speicherzellen MC (magnetoresistive Tunnelelemente TMR), die in dem Speicherfeld 10 Zeilen und Spalten bildet, in eine Mehrzahl von Zeilenblöcken RB(1) bis RB(M) in der Zeilenrichtung aufgeteilt, wobei M eine ganze Zahl größer als 1 ist. Jeder der Zeilenblöcke RB(1) bis RB(M) beinhaltet eine Anzahl von L- Speicherzellenzeilen (L: ganze Zahl größer als 1). Fig. 2 zeigt ein Beispiel, in dem L 4 ist. In der folgenden Beschreibung können die Zeilenblöcke RB(1) bis RB(M) kollektiv einfach als "Zeilenblöcke RB" bezeichnet werden.
In jeder Speicherzellenspalte sind Kontaktbrücken SL, von denen jede als eine Signalleitung in der Spaltenrichtung dient, jeweils entsprechend den Zeilenblöcken RB(1) bis RB(M) angeordnet. Weiterhin ist ein Zugriffstransistor ATR entsprechend jeder Kontaktbrücke SL angeordnet. Somit beinhaltet jede Speicherzellenspalte M Zugriffstransistoren ATR und M Kontaktbrücken SL, die jeweils den M Zeilengruppen entsprechen.
In jeder Speicherzellenspalte sind vier (L) magnetoresistive Tunnelelemente TMR, die zu demselben Zeilenblock gehören, mit derselben Kontaktbrücke SL verbunden. Somit wird jede Kontaktbrücke SL und jeder Zugriffstransistor ATR von L magnetoresistiven Tunnelelementen TMR gemeinsam genutzt, die dieselbe Speicherzellenspalte bilden und zu demselben Zeilenblock gehören.
Weiterhin ist eine Mehrzahl von Wortleitungen WL(1) bis WL(M) jeweils entsprechend den Zeilenblöcken RB(1) bis RB(M) angeordnet. Jedes der Gates der Mehrzahl von Zugriffstransistoren ATR, die demselben Zeilenblock entsprechen, ist mit der entsprechenden gemeinsamen Wortleitung verbunden. So ist z. B. jedes der Gates der Zugriffstransistoren ATR, die dem in Fig. 2 dargestellten Zeilenblock RB(1) entsprechen, mit der gemeinsamen Wortleitung WL(1) verbunden. Jeder Zugriffstransistor ATR ist elektrisch zwischen die entsprechende Kontaktbrücke SL und eine feste Spannung Vss (z. B. Massespannung GND) geschaltet. In der folgenden Beschreibung können die Wortleitungen WL(1) bis WL(M) kollektiv einfach als "Wortleitungen WL" bezeichnet sein.
Die Bitleitungen BL entsprechen jeweils den Speicherzellenspalten und erstrecken sich in der Spaltenrichtung. Die Schreibziffernleitungen WDL entsprechen jeweils den Speicherzellenzeilen und erstrecken sich in die Zeilenrichtung.
Im Datenlesebetrieb aktiviert die Zeilenauswahlschaltung 20 entsprechend dem Ergebnis der Zeilenauswahl selektiv eine der Wortleitungen WL(1) bis WL(M), die der ausgewählten Speicherzelle entspricht. Entsprechend der Aktivierung der Wortleitung WL wird die Kontaktbrücke, die mit der ausgewählten Speicherzelle verbunden ist (d. h. die Kontaktbrücke, die im folgenden als "ausgewählte Kontaktbrücke" bezeichnet werden kann) mit der festen Spannung Vss verbunden. Daher werden L magnetoresistive Tunnelelemente TMR, die die ausgewählte Speicherzelle beinhalten und mit der ausgewählten Kontaktbrücke verbunden sind (d. h. L magnetoresistive Tunnelelemente TMR einer Gruppe, die im folgenden als "ausgewählte Speicherzellengruppe" bezeichnet werden kann) zwischen die entsprechende Bitleitung BL und die feste Spannung Vss geschaltet.
Im Datenlesebetrieb führt die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte daher einen Datenlesestrom Is, der dem elektrischen Widerstandswert der gesamten ausgewählten Speicherzellengruppe entspricht. Wie später detailliert beschrieben wird, führt die MRAM-Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung Lesen von Daten durch, in dem eine fließender Strom (elektrischer Widerstandswert) einer ausgewählten Speicherzelle, die in der ausgewählten Speicherzellengruppe enthalten ist, erfasst wird, und sie führt daher ohne Verwendung einer Referenzzelle ein sogenanntes "selbstreferenziertes Lesen" durch auf der Grundlage des Datenlesestroms Is, der durch die ausgewählte Speicherzellengruppe fließt.
Im Datenschreibbetrieb ist die Zeilenauswahlschaltung 20 zum Aktivieren der entsprechend dem Ergebnis der Zeilenauswahl ausgewählten Schreibziffernleitung WDL mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden. Die so aktivierte Schreibziffernleitung WDL wird jeweils an entgegengesetzten Enden mit der Versorgungsspannung Vcc und der festen Spannung Vss verbunden. Demzufolge kann ein Datenschreibstrom Ip in der Zeilenrichtung durch die aktive Schreibziffernleitung WDL fließen. Der Datenschreibstrom Ip in der Zeilenrichtung fließt unabhängig von dem Schreibdatenpegel in einer gleichförmigen Richtung.
Die Zeilenauswahlschaltung 20 hält die nichtausgewählte Schreibziffernleitungen WDL jedoch auf der festen Spannung Vss. Daher fließt durch die nichtausgewählten Schreibziffernleitungen WDL in der Zeilenrichtung kein Datenschreibstrom Ip. Im Datenschreibbetrieb fließt durch die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte, wie später detailliert beschrieben wird, ein Datenschreibstrom +Iw oder -Iw in einer Richtung, die von dem Schreibdatenwert abhängt.
Demzufolge wird der Datenwert magnetisch in das magnetoresistive Tunnelelement TMR geschrieben, das der Schreibziffernleitung WDL und der Bitleitung BL entspricht, die beide Datenschreibströme führen.
Im folgenden wird ein Layout des Speicherfelds beschrieben.
Fig. 3 zeigt als Beispiel das Layout der MTJ-Speicherzelle in dem Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform. In einem zentralen Bereich, der eine Draufsicht darstellt, zeigt Fig. 3 vier Spalten von Speicherzellen in jedem der benachbarten zwei Zeilenblöcke.
Mit Bezug auf diese Draufsicht sind die Schreibziffernleitungen WDL, die den jeweiligen Speicherzellenzeilen entsprechen, in der Zeilenrichtung angeordnet, und die Bitleitungen BL, die den jeweiligen Speicherzellenspalten entsprechen, sind in der Spaltenrichtung angeordnet.
In Fig. 3 sind die Kreuzungen zwischen den Bitleitungen BL und den Schreibziffernleitungen WDL schraffiert, und magnetoresistive Tunnelelemente TMR, von denen jedes als eine MTJ- Speicherzelle dient, sind jeweils entsprechend den Kreuzungen angeordnet. In jeder Speicherzellenspalte wird die Kontaktbrücke SL von vier (L) magnetoresistiven Tunnelelementen TMR gemeinsam genutzt.
Fig. 3 zeigt außerdem Querschnitte eines Unterfeldes SA entlang der Linien P-Q und R-S in der Draufsicht.
Mit Bezug auf den Querschnitt entlang der Linie P-Q ist der Source/Drain-Bereich 310 des Zugriffstransistors ATR über ein (nicht dargestelltes) Kontaktierungsloch mit der festen Spannung Vss (Massespannung GND) verbunden. Der Source/Drain- Bereich 320 ist über das Kontaktierungsloch 340 elektrisch mit der entsprechenden Kontaktbrücke SL verbunden. In einem Gatebereich 330 des Zugriffstransistors ATR erstreckt sich die Wortleitung WL in der Zeilenrichtung. Die Schreibziffernleitung WDL, die sich in der Zeilenrichtung erstreckt, ist in einer Lage zwischen der Wortleitung WL und der Kontaktbrücke SL angeordnet.
In dem Querschnitt entlang der R-S zeigt Fig. 3 auch einen Schnittaufbau, der die Schreibziffernleitung WDL beinhaltet. In diesem Abschnitt R-S sind nur die Schreibziffernleitung WDL und höher als diese angeordnete Strukturen dargestellt.
Die Schreibziffernleitung WDL führt den Datenschreibstrom zum Schreiben des Datenwerts in das magnetoresistive Tunnelelement TMR und ist deswegen in einem Bereich angeordnet, der unmittelbar unter dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR liegt. Dementsprechend ist das magnetoresistive Tunnelelement TMR, das elektrisch mit der Kontaktbrücke SL und der Bitleitung BL verbunden ist, in einer Lage angeordnet, die höher liegt als die Schreibziffernleitung WDL. Wie bereits beschrieben ist die Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen TMR, die einander benachbart sind und zu derselben Zeilengruppe gehören, mit derselben Kontaktbrücke SL verbunden. Wie oben beschrieben wird die Kontaktbrücke SL durch die Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen TMR gemeinsam genutzt, und dieser Aufbau kann die Anzahl der erforderlichen Zugriffstransistoren ATR und damit die erforderliche Fläche des Layouts verringern.
Mit Bezug auf Fig. 4 bezeichnet F eine minimale Entwurfseinheit, die eine minimal erlaubte Verbindungsweite darstellt. In diesem Fall hat ein magnetoresistives Tunnelelement TMR gewöhnlich eine Fläche in einem Bereich von 4F² bis 8F². In Fig. 4 ist angenommen, dass ein magnetoresistives Tunnelelement TMR eine Fläche von 4F² hat.
Es wird angenommen, dass das Anordnen des Zugriffstransistors ATR die Fläche der Speicherzelle um αF² erhöht. Wenn in diesem Fall der Zugriffstransistor ATR wie in Fig. 22 dargestellt für jede Speicherzelle angeordnet und somit nur eine Speicherzelle mit derselben Kontaktbrücke verbunden ist, hat jede MTJ- Speicherzelle eine effektive Speichergröße, die durch (4 + α)F² dargestellt wird.
Im Gegensatz dazu kann der Speicherzellenaufbau nach der vorliegenden Ausführungsform die effektive Speichergröße jeder MTJ-Speicherzelle auf (4 + α/M)F² verringern, wobei M die Anzahl von Speicherzellen bezeichnet, die mit derselben Kontaktbrücke verbunden sind. Demzufolge kann der Anstieg der Fläche durch den Zugriffstransistor ATR verringert werden, und somit ist es möglich, die Fläche des Speicherfeldes, die mit MTJ- Speicherzellen in integrierter Weise versehen ist, zu verringern.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist weiterhin kein Aufbau erforderlich, in dem das Kontaktierungsloch 340 entsprechend jedem magnetoresistiven Tunnelelement angeordnet ist, um den Zugriffstransistor ATR und das magnetoresistive Tunnelelement TMR elektrisch miteinander zu verbinden. Demzufolge können die Anordnungsabstände der magnetoresistiven Tunnelelemente TMR in der Zeilen- und Spaltenrichtung kleiner sein als bei dem Aufbau, bei dem Zugriffstransistoren ATR bereitgestellt sind, von denen jeder einem anderen magnetoresistiven Tunnelelement TMR entspricht. Auch das kann die Speicherfläche des Speicherfelds verringern.
Im folgenden werden die Vorgänge detailliert beschrieben, mit denen nach der ersten Ausführungsform Daten in das Speicherfeld geschrieben und aus dem Speicherfeld gelesen werden.
Mit Bezug auf Fig. 5 weist ein magnetoresistives Tunnelelement TMR wie bereits beschrieben einen elektrischen Widerstandswert auf, der der Magnetisierungsrichtung entspricht. Vor dem Datenlesen wird das magnetoresistive Tunnelelement TMR in jeder MTJ- Speicherzelle in der vorbestimmten Richtung magnetisiert, um einen Datenwert auf H-Pegel ("1") oder L-Pegel ("0") zu speichern, so dass es einen elektrischen Widerstandswert Rmax oder Rmin aufweist. Jedes magnetoresistive Tunnelelement TMR ist zwischen die entsprechende Bitleitung BL und die Kontaktbrücke SL geschaltet.
Jede Kontaktbrücke SL ist über den entsprechenden Zugriffstransistor ATR mit der Spannungsleitung GL verbunden. Die Spannungsleitung GL überträgt die feste Spannung Vss (Massespannung GND). Dadurch wird jedes magnetoresistive Tunnelelement TMR in dem ausgewählten Zeilenblock, der der auf H-Pegel aktivierten Wortleitung WL entspricht, elektrisch zwischen die feste Spannung Vss und die entsprechende Bitleitung BL geschaltet.
Im folgenden wird der Schaltungsaufbau der Zeilenauswahlschaltung 20 zum Auswählen der Zeile in dem Speicherfeld beschrieben.
Die Zeilenauswahlschaltung 20 beinhaltet Transistorschalter 80 und 90, die entsprechend jeder Speicherzellenzeile bereitgestellt sind, und Transistorschalter 85 und 95, die entsprechend jeder Zeilengruppe bereitgestellt sind. Jeder der Transistorschalter 80, 85, 90 und 95 ist z. B. aus einem n-Kanal-MOS- Transistor gebildet. Die Transistorschalter 80 und 90 steuern die Aktivierung der entsprechenden Schreibziffernleitung WDL auf der Grundlage des Decodiersignals Rd, das die Ergebnisse der Decodierung der entsprechenden Speicherzellenzeile wiedergibt. Die Transistorschalter 85 und 95 steuern die Aktivierung der entsprechenden Wortleitung WL auf der Grundlage eines Decodiersignals Rd#, das das Ergebnis der Decodierung der entsprechenden Zeilengruppe wiedergibt.
Die Decodiersignale Rd und Rd# werden durch (nicht dargestellte) Decodierschaltungen gewonnen und auf H-Pegel (Versorgungsspannung Vcc) gesetzt, wenn die entsprechende Speicherzellenzeile bzw. Zeilengruppe die ausgewählte Speicherzelle beinhaltet. Somit werden die Decodiersignale Rd und Rd#, die der ausgewählten Speicherzelle entsprechen, auf H-Pegel (Versorgungsspannung Vcc) gelegt und die anderen Decodiersignale Rd und Rd# auf L-Pegel (feste Spannung Vss oder Massespannung GND). Die Decodiersignale Rd und Rd# werden jeweils an die Knoten Nd und Nd# übertragen. Jeder der Knoten Nd und Nd# hält den Pegel zumindest während eines Datenlesevorgangs und während eines Datenschreibvorgangs.
Der Transistorschalter 80 ist zwischen dem Knoten ND und einem Ende der Schreibziffernleitung WDL angeordnet und der Transistorschalter 90 zwischen dem anderen Ende der Schreibziffernleitung WDL und der festen Spannung Vss. Der Transistorschalter 80 empfängt an seinem Gate ein Steuersignal WE. Der Transistorschalter 90 empfängt an seinem Gate die Versorgungsspannung Vcc und ist daher immer in eingeschaltetem Zustand.
Dementsprechend führt die Schreibziffernleitung WDL, die dem Decodiersignal Rd entspricht, das als Reaktion auf die Aktivierung (H-Pegel) des Steuersignals WE auf H-Pegel gelegt wird, den Datenschreibstrom Ip in einer vorbestimmten Richtung von dem Transistorschalter 80 zu dem Transistorschalter 90. Die Schreibziffernleitung WDL, die dem auf L-Pegel gelegten Decodiersignal Rd entspricht, legt dagegen an ihren entgegengesetzten Enden an der festen Spannung Vss (Massespannung GND) und führt daher selbst dann keinen Datenschreibstrom, wenn das Steuersignal WE aktiv ist.
Der Transistorschalter 85 ist zwischen dem Knoten Nd# und einem Ende der Wortleitung WL angeordnet und der Transistorschalter 95 zwischen dem anderen Ende der Wortleitung WL und der festen Spannung Vss (Massespannung GND). Der Transistorschalter 85 empfängt an seinem Gate das Steuersignal RE, und der Transistorschalter 95 empfängt an seinem Gate ein invertiertes Signal /RE des Steuersignals RE.
Wenn der Transistor 95 als Antwort auf die Aktivierung (H- Pegel) des Steuersignals RE ausgeschaltet wird, ist dementsprechend die Wortleitung WL von der festen Spannung Vss (Massespannung GND) getrennt. Der Transistorschalter 85 wird als Reaktion auf das Steuersignal RE eingeschaltet und aktiviert entsprechend der Spannung an dem Knoten Nd, d. h. dem Decodiersignal Rd# des entsprechenden Zeilenblocks, die entsprechende Wortleitung WL auf H-Pegel.
Als Reaktion auf diese Aktivierung wird der dem ausgewählten Zeilenblock entsprechende Zugriffstransistor ATR eingeschaltet, so dass L magnetoresistive Tunnelelemente TMR (ausgewählte Speicherzellengruppe) über die Kontaktbrücke SL parallel zwischen die Bitleitung BL und die feste Spannung Vss geschaltet werden. In den Zeilenblöcken, die den Decodiersignalen Rd# entsprechen, die auf L-Pegel gelegt sind, sind die entsprechenden Wortleitungen WL deaktiviert und legen auf L-Pegel, so dass die Zugriffstransistoren ATR ausgeschaltet bleiben. Auf diese Weise wird in dem Speicherfeld 10 der Zeilenauswahlvorgang durchgeführt. Ähnliche Aufbauten wie oben beschrieben sind entsprechend jeder Wortleitung WL und jeder Schreibziffernleitung WDL bereitgestellt. Wie in Fig. 5 dargestellt, können die Transistorschalter 80, 85, 90 und 95 in jeder Speicherzellenzeile und in jedem Zellenblock in Hinblick auf die in der benachbarten Speicherzellenzeile und dem benachbarten Zellenblock gestaffelt angeordnet sein. Dadurch können die Zeilenauswahlschaltungen 20 effizient auf einer kleinen Fläche angeordnet werden.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 beinhaltet weiter eine Schreibtreibersteuerschaltung 150 und ein Schaltglied 160. Die Schreibtreibersteuerschaltung 150 reagiert auf eine von der Steuerschaltung 5 gesendete Arbeitsanweisung, in dem sie die Schreibsteuersignale WDTa und WDTb für jede Speicherzellenspalte entsprechend dem an einen Knoten N4 übertragenen Schreibdatenwert WD und dem von der Spaltenauswahlschaltung 25 gesendeten Ergebnis der Spaltenauswahl einstellt. Wie später detailliert beschrieben wird, schreibt die Schreibsteuerschaltung 150 zusätzlich zu dem Datenschreibbetrieb auch im Datenlesebetrieb mit einem vorbestimmten Zeitablauf einen Datenwert in die ausgewählte Speicherzelle.
Das Schaltglied 160 verbindet selektiv entweder einen Knoten Nr oder einen Knoten Nw mit dem Knoten N4. Im normalen Datenschreibbetrieb verbindet das Schaltglied 160 den Knoten Nw, der die Eingabedaten DIN von einem Eingangspuffer 175 empfängt, mit dem Knoten N4.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 beinhaltet weiter Schreibtreiber WDVb, die jeweils entsprechend den Speicherzellenspalten angeordnet sind. In ähnlicher Weise beinhaltet die Lese/Schreibsteuerschaltung 35 Schreibtreiber WDVa, die jeweils entsprechend den Speicherzellenspalten angeordnet sind. In jeder Speicherzellenspalte treibt der Schreibtreiber WDVa ein Ende einer entsprechenden Bitleitung BL in Übereinstimmung mit einem entsprechenden Schreibsteuersignal WDTa entweder auf die Versorgungsspannung Vcc oder auf die feste Spannung Vss (Massespannung GND). In ähnlicher Weise treibt der Schreibtreiber WDVb das andere Ende der entsprechenden Bitleitung BL in Übereinstimmung mit einem entsprechenden Schreibsteuersignal WDTb entweder auf die Versorgungsspannung Vcc oder auf die feste Spannung Vss (Massespannung GND).
Im Datenschreibbetrieb wird von den Schreibsteuersignalen WDTa und WDTb, die der ausgewählten Spalte entsprechen, entsprechend dem Pegel des Schreibdatenwerts WD das eine auf H-Pegel und das andere auf L-Pegel jeweils gelegt. Wenn zum Beispiel ein Datenwert mit H-Pegel ("1") geschrieben werden soll, wird das Schreibsteuersignal WDTa auf H-Pegel gelegt und das Schreibsteuersignal WDTb auf L-Pegel, um einen Datenschreibstrom +Iw in der Richtung von dem Schreibtreiber WDVa zu dem Schreibtreiber WDVb zu leiten. Wenn dagegen ein Datenwert mit L-Pegel ("0") geschrieben werden soll, wird das Schreibsteuersignal WDTb auf H-Pegel gelegt und das Schreibsteuersignal WDTa auf L-Pegel, um einen Datenschreibstrom -Iw in der Richtung von dem Schreibtreiber WDVb zu dem Schreibtreiber WDVa zu leiten. In der folgenden Beschreibung werden die Datenschreibströme +Iw und -Iw, die verschiedene Richtungen haben, gelegentlich allgemein als "Datenschreibstrom ±Iw" bezeichnet.
In der nichtausgewählten Spalte sind die Schreibsteuersignale WDTa und WDTb auf L-Pegel gelegt. Zu einer anderen Zeit als im Datenschreibbetrieb versetzen die Schreibtreiber WDVa und WDVb die entsprechende Bitleitung BL in einen schwebenden Zustand.
Wenn die Datenschreibströme Ip und ±Iw jeweils durch die Schreibziffernleitung WDL und die Bitleitung BL fließen, wird der Schreibdatenwert abhängig von der Richtung des Datenschreibstroms ±Iw magnetisch in das magnetoresistive Tunnelelement TMR geschrieben, dass diesen Leitungen entspricht.
Für die Bitleitung BL jeder Speicherzellenspalte ist ein ähnlicher Aufbau bereitgestellt. In dem in Fig. 5 dargestellten Aufbau können die Treiberspannungen der Schreibtreiber WDVa und WDVb auch anders sein als die feste Spannung Vss (Massespannung GND) und die Versorgungsspannung Vcc.
Im folgenden wird der Betrieb des Datenlesens aus dem Speicherfeld 10 beschrieben.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 beinhaltet weiter eine Datenleitung DIO zum Übertragen einer Spannung entsprechend dem elektrischen Widerstandswert der ausgewählten Speicherzelle sowie ein Leseauswahlgatter RSG, das zwischen der Datenleitung DIO und jeder Bitleitung BL angeordnet ist. Das Gate jedes Leseauswahlgatters ist mit einer Lesespaltenauswahlleitung RCSL verbunden, die einen Auswahlzustand der entsprechenden Speicherzellenspalte anzeigt. Jede Lesespaltenauswahlleitung RCSL wird auf H-Pegel aktiviert, wenn die entsprechende Speicherzellenspalte ausgewählt ist. Für jede Speicherzellenspalte ist ein ähnlicher Aufbau bereitgestellt wie oben beschrieben. Somit wird die Datenleitung DIO von der Mehrzahl von Bitleitungen des Speicherfelds 10 gemeinsam genutzt.
Entsprechend dem obigen Aufbau ist die Speicherzellengruppe über die Bitleitung BL der ausgewählten Spalte und das entsprechende Leseauswahlgatter RSG im Datenlesebetrieb elektrisch mit der Datenleitung DIO verbunden.
Die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 beinhaltet weiter eine Datenleseschaltung 100 und eine Datenlesestromzuführschaltung 105.
Die Datenlesestromzuführschaltung 105 beinhaltet einen Stromzuführtransistor 107 der elektrisch zwischen die Versorgungsspannung Vcc und die Datenleitung DIO geschaltet ist. Der Stromzuführtransistor 107 wird aus einem p-Kanal-MOS-Transistor gebildet, der ein Steuersignal /RE empfängt, das im Datenlesebetrieb auf L-Pegel aktiviert wird. Im Datenlesebetrieb verbindet der Stromzuführtransistor 107 die Datenleitung DIO mit der Versorgungsspannung Vcc, um einen Datenlesestrom Is zu erzeugen.
Der Datenlesestrom Is fließt über einen Pfad, der sich von der Datenleitung DIO über das Leseauswahlgatter RSG der ausgewählten Spalte, die Bitleitung BL der ausgewählten Spalte, die ausgewählte Speicherzellengruppe (magnetoresistive Tunnelelemente TMR) und den Zugriffstransistor ATR zu der Spannungsleitung GL (feste Spannung Vss) erstreckt. Durch diesen Stromfluss tritt auf der Datenleitung DIO eine Spannung auf, die dem elektrischen Widerstandswert der ausgewählten Speicherzellengruppe entspricht, die die ausgewählte Speicherzelle beinhaltet.
Die Datenleseschaltung 100 beinhaltet weiterhin ein Schaltglied 110, Spannungshaltekondensatoren 111 bis 113, Leseverstärker 120, 125 und 130 sowie eine Verriegelungsschaltung (Latch) 140.
Bei einem Datenlesevorgang verbindet das Schaltglied 110 einen Knoten, der nacheinander aus den Knoten N1 bis N3 ausgewählt wird, mit der Datenleitung DIO. Die Spannungshaltekondensatoren 111 bis 113 sind bereitgestellt, um jeweils die Spannungen an den Knoten N1 bis N3 zu halten.
Der Leseverstärker 120 verstärkt einen Spannungsunterschied zwischen den Knoten N1 und N2 und gibt ihn aus. Der Leseverstärker 125 verstärkt einen Spannungsunterschied zwischen den Knoten N1 und N3 und gibt ihn aus. Der Leseverstärker 130 verstärkt einen Spannungsunterschied zwischen den Ausgängen der Leseverstärker 120 und 125 und gibt ihn aus. Die Verriegelungsschaltung 140 verriegelt eine Ausgangsspannung des Leseverstärkers 130 entsprechend einem vorbestimmten Zeitablauf und gibt den Lesedatenwert Rd mit einem dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entsprechenden Pegel an den Knoten Nr aus.
Der an den Knoten Nr ausgegebene Lesedatenwert Rd wird über einen Ausgangspuffer 170 übertragen und über einen Datenausgabeanschluss 4a als Ausgabedatenwert DOUT ausgegeben. Der an einen Dateneingabeanschluss 4b übertragene Eingabedatenwert DIN wird über den Eingangspuffer 175 an den Knoten Nw übertragen.
Wie bereits beschrieben verbindet das Schaltglied 160 den Knoten Nw im normalen Datenschreibbetrieb mit dem Knoten N4. Im Datenlesebetrieb reagiert das Schaltglied 160 auf eine von der Steuerschaltung 5 gesendete Anweisung und verbindet den Knoten Nr elektrisch mit dem Knoten N4 zum Zurückschreiben des Lesedatenwerts Rd in die ausgewählte Speicherzelle.
Im folgenden wird der Datenlesebetrieb, der nach der ersten Ausführungsform durch die Lese/Schreibsteuerschaltung mit dem obigen Aufbau durchgeführt wird, im Detail beschrieben.
Wenn wie in Fig. 6 dargestellt der Aufbau nach der ersten Ausführungsform einen einzelnen Datenlesevorgang beginnt (S100), wird ein anfänglicher Datenlesevorgang in dem Zustand durchgeführt, in dem die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle dieselbe ist wie vor dem Datenlesevorgang, d. h. in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den auszulesenden-Speicherdatenwert enthält. Bei dem anfänglichen Datenlesevorgang wird die Spannung auf der Datenleitung DIO, die im folgenden einfach als "Datenleitungsspannung" bezeichnet werden kann, an den Knoten N1 übertragen und dort gehalten (Schritt S110).
Anschließend wird ein vorbestimmter Schreibvorgang 1 durchgeführt, bei dem ein Datenwert mit einem vorbestimmten Pegel (z. B. "1") in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben wird. Genauer gesagt empfängt die ausgewählte Speicherzelle ein Datenschreibmagnetfeld zum Schreiben des Datenwerts mit dem vorbestimmten Pegel (Schritt S120).
Weiterhin wird ein vorbestimmter Lesevorgang 1 ausgeführt, bei dem Daten aus der ausgewählten Speicherzellengruppe in dem Zustand gelesen werden, in dem der Datenwert mit dem vorbestimmten Pegel ("1") bereits in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben ist. Die Datenleitungsspannung bei diesem Vorgang wird an dem Knoten N2 gehalten (Schritt S130).
Anschließend wird ein vorbestimmter Schreibvorgang 2 durchgeführt, bei dem ein Datenwert mit einem Pegel (z. B. "0"), der anders ist als bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1, in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben wird. Dabei empfängt die ausgewählte Speicherzelle das Datenschreibmagnetfeld zum Schreiben des Datenwerts mit diesem anderen Pegel (Schritt S140).
Weiterhin wird in der ausgewählten Speicherzellengruppe ein vorbestimmter Lesevorgang 2 in dem Zustand durchgeführt, in dem der Datenwert "0" bereits in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben ist. Die Datenleitungsspannung bei diesem Vorgang wird an dem Knoten N3 gehalten (Schritt S150).
Bei den vorbestimmten Lesevorgängen 1 und 2 kann der Lesedatenpegel, der bei dem vorausgehenden bestimmten Schreibvorgang 1 bzw. 2 zwangsweise gesetzt wurde, mit dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle übereinstimmen. In diesem Fall ist die Datenleitungsspannung bei dem vorbestimmten Lesevorgang 1 bzw. 2 gleich wie bei dem anfänglichen Datenlesevorgang. Andererseits kann in dem vorausgegangenen vorbestimmten Schreibvorgang 1 bzw. 2 ein Datenwert mit einem von dem Speicherdatenwert verschiedenen Pegel in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben worden sein. In diesem Fall ist die Datenleitungsspannung in dem nachfolgenden vorbestimmten Lesevorgang 1 bzw. 2 höher oder niedriger als bei dem anfänglichen Datenlesevorgang.
Wenn der vorbestimmte Lesevorgang 2 nach den verschiedenen vorangegangenen Vorgängen abgeschlossen ist, halten die Knoten N1, N2 und N3 die Datenleitungsspannungen, die jeweils zu dem Zeitpunkt des anfänglichen Datenlesevorgangs, des vorbestimmten Lesevorgangs 1 und des vorbestimmten Lesevorgangs 2 aufgetreten sind. In diesem Zustand wird der Lesedatenwert RD, der den aus der ausgewählten Speicherzelle gelesenen Speicherdatenwert darstellt, auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen den Spannungen an den Knoten N1 bis N3 ermittelt (Schritt S160).
Die Datenleitungsspannung stellt den Pegel dar, der dem elektrischen Widerstandswert nicht nur der ausgewählten Speicherzelle, sondern der gesamten ausgewählten Speicherzellengruppe entspricht. Da jedoch der Vergleich zwischen den Datenleitungsspannungen der vorausgegangenen drei Lesevorgänge durchgeführt wird, kann der Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle herausgezogen und erfasst werden.
Weiterhin wird, nachdem der Lesedatenwert RD ermittelt worden ist, der Lesedatenwert RD in die ausgewählte Speicherzelle zurückgeschrieben (Schritt S170). Dadurch kann die ausgewählte Speicherzelle, die den vorbestimmten Datenschreibvorgängen in dem Datenleseablauf unterworfen war, ihren Speicherdatenwert wiederherstellen, so dass der Zustand vor dem Datenlesen wiederhergestellt werden kann.
Mit Bezug auf Fig. 7 werden das Decodiersignal Rd, das der ausgewählten Zeile entspricht, und das Decodiersignal Rd#, das dem ausgewählten Zeilenblock entspricht, während des einzelnen Datenlesevorgangs auf H-Pegel gehalten. Bei dem anfänglichen Datenlesevorgang wird das Steuersignal RE auf H-Pegel gelegt und das Steuersignal WE auf L-Pegel. Wenn die in der Zeichnung schraffiert dargestellte Speicherzelle als Zugriffsziel ausgewählt ist, werden die entsprechende Wortleitung WL und Lesespaltenauswahlleitung RCSL auf H-Pegel aktiviert. Dementsprechend werden das entsprechende Leseauswahlgatter RSG und der Zugriffstransistor ATR der ausgewählten Speicherzelle eingeschaltet, so dass der Lesestrom Is durch die Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen TMR fließt, die die ausgewählte Speicherzellengruppe bilden und parallel zwischen die entsprechende Bitleitung BL und die Kontaktbrücke SL geschaltet sind.
Dabei entspricht die Spannung auf der Datenleitung DIO den Speicherdaten der ausgewählten Speicherzellengruppe in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den ursprünglichen Datenwert hält. In dem anfänglichen Datenlesevorgang verbindet das Schaltglied 110 die Datenleitung DIO mit dem Knoten N1. Die Spannung an dem Knoten N1 wird von dem Spannungshaltekondensator 111 gehalten.
Mit Bezug auf Fig. 8 werden bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 die Steuersignale RE auf L-Pegel und WE auf H-Pegel gelegt. Weiterhin wird jede Spaltenauswahlleitung RCSL auf L- Pegel deaktiviert, und das Leseauswahlgatter RSG jeder Speicherzellenspalte wird ausgeschaltet. Dadurch wird jede Bitleitung BL von der Datenleitung DIO getrennt. Weiterhin verbindet das Schaltglied 110 die Datenleitung DIO mit keinem der Knoten N1 bis N3. Die Steuerschaltung 5 sendet der Schreibtreibersteuerschaltung 150 eine Arbeitsanweisung zum Schreiben des Datenwerts "1".
Somit wird die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile aktiv und führt den Datenschreibstrom Ip. Die Bitleitung in der ausgewählten Spalte führt den Datenschreibstrom +Iw in der Richtung von dem Schreibtreiber WDVa zu dem Schreibtreiber WDVb zum Schreiben des vorbestimmten Datenwerts ("1").
Die Schreibtreibersteuerschaltung 150 legt als Reaktion auf die von der Steuerschaltung 5 gesendete Schreibanweisung die Schreibsteuersignale der ausgewählten Spalte WDTa auf H-Pegel und WDTb auf L-Pegel. Die Schreibsteuersignale WDTa und WDTb für die anderen Spalten werden alle auf L-Pegel gelegt. Dadurch wird der Datenwert ("1") mit dem vorbestimmten Pegel zwangsweise in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben. Dagegen ändert sich der Speicherdatenwert der anderen Speicherzellen, die nicht die ausgewählte Speicherzelle sind, nicht.
Mit Bezug auf Fig. 9 sind bei dem vorbestimmten Lesevorgang 1 die Steuersignale RE auf H-Pegel und WE auf L-Pegel gelegt. Weiterhin sind die entsprechende Wortleitung WL und Lesespaltenauswahlleitung RCSL auf H-Pegel aktiviert, um erneut den Datenwert aus der ausgewählten Speicherzelle zu lesen. Das Schaltglied 110 verbindet die Datenleitung DIO mit dem Knoten N2. Die Spannung an dem Knoten N2 wird von dem Spannungshaltekondensator 112 gehalten.
In dem vorbestimmten Lesevorgang 1, der dem Schritt S130 in Fig. 6 entspricht, wird daher die Datenleitungsspannung in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den Datenwert "1" speichert, an den Knoten N2 übertragen und dort gehalten.
Mit Bezug auf Fig. 10 werden in dem vorbestimmten Schreibvorgang 2 die Steuersignale RE auf L-Pegel und WE auf H-Pegel gelegt, und jede Bitleitung wird ähnlich wie bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 von der Datenleitung DIO getrennt. Weiterhin verbindet das Schaltglied 110 die Datenleitung DIO mit keinem der Knoten N1 bis N3. Die Steuerschaltung 5 sendet der Schreibtreibersteuerschaltung 150 eine Arbeitsanweisung zum Schreiben des Datenwerts "0".
Die entsprechende Schreibziffernleitung WDL wird aktiviert und führt den Datenschreibstrom Ip. Die Bitleitung in der ausgewählten Spalte führt den Datenschreibstrom -Iw in einer Richtung von dem Schreibtreiber WDVb zu dem Schreibtreiber WDVa zum Schreiben des Datenwerts ("0").
Die Schreibtreibersteuerschaltung 150 legt als Reaktion auf die von der Steuerschaltung 5 gesendete Schreibanweisung die Schreibsteuersignale der ausgewählten Spalte WDTa auf L-Pegel und WDTb auf H-Pegel. Die Schreibsteuersignale WDTa und WDTb für die anderen Speicherzellenspalten werden alle auf L-Pegel gelegt. Dadurch wird der Datenwert ("0") mit einem anderen Pegel als bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 zwangsweise in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben. Die Speicherdaten der anderen Speicherzellen, die zu der ausgewählten Speicherzellengruppe gehören, ändern sich jedoch ähnlich wie bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 nicht.
Mit Bezug auf Fig. 11 werden bei dem vorbestimmten Lesevorgang 2 die Steuersignale RE auf H-Pegel und WE auf L-Pegel gelegt. Um den Datenwert aus der ausgewählten Speicherzelle wieder auszulesen, werden die entsprechende Wortleitung WL und die Lesespaltenauswahlleitung RCSL auf H-Pegel aktiviert. Weiterhin verbindet das Schaltglied 110 die Datenleitung DIO mit dem Knoten N3. Die Spannung an dem Knoten N3 wird von dem Spannungshaltekondensator 113 gehalten.
In dem vorbestimmten Lesevorgang 2, der dem Schritt S150 in Fig. 6 entspricht, wird die Datenleitungsspannung in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den Datenwert "0" speichert, an den Knoten N2 übertragen und dort gehalten.
Wenn der vorbestimmte Lesevorgang 2 beendet ist, halten die Knoten N1, N2 und N3 bedingt durch die Spannungshaltekondensatoren 111 bis 113 jeweils die Datenleitungsspannungen, die bei dem anfänglichen Datenlesevorgang und den vorbestimmten Lesevorgängen 1 und 2 erzeugt wurden.
Dementsprechend empfängt einer der Leseverstärker 120 und 125 an seinen Eingängen Spannungen mit jeweils dem selben Pegel, so dass seine Ausgangsspannung kaum verstärkt ist. In dem anderen Leseverstärker wird eine Ausgangsspannung in großem Maße verstärkt. Genauer gesagt: Wenn der Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle "1" ist, wird der Ausgang des Leseverstärkers 120 kaum verstärkt, aber der Ausgang des Leseverstärkers 125 wird auf die volle Amplitude verstärkt. Wenn dagegen der Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle "0" ist, wird der Ausgang des Leseverstärkers 125 kaum verstärkt, aber der Ausgang des Leseverstärkers 120 wird auf volle Amplitude verstärkt.
Der Leseverstärker 130 in der zweiten Stufe erzeugt entsprechend einem Vergleich zwischen den Ausgangsspannungen der Leseverstärker 120 und 125 der ersten Stufe eine Spannung, die dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entspricht. Die Ausgabe des Leseverstärkers 130 wird in Übereinstimmung mit einem dem Lesedatenermittlungsvorgang in Schritt S160 in Fig. 6 entsprechenden Zeitablauf von der Verriegelungsschaltung 140 gehalten. Die Verriegelungsschaltung 140 erzeugt an dem Knoten Nr den Lesedatenwert RD, der der gehaltenen Spannung entspricht.
Mit Bezug auf Fig. 12 wird der Lesedatenwert RD bei einem Datenrückschreibvorgang in die ausgewählte Speicherzelle zurückgeschrieben, die dem erzwungenen Datenschreiben unterlag. Das Schaltglied 160 verbindet die Knoten Nr und N4 miteinander. Die Steuerschaltung 5 gibt an die Schreibtreiberschaltung 150 eine Arbeitsanweisung zum Ausführen des Rückschreibvorgangs aus.
Dementsprechend legt die Schreibtreibersteuerschaltung 150 die entsprechenden Schreibsteuersignale WDTa und WDTb auf solche Pegel, dass durch die Bitleitung BL der ausgewählten Spalte ein Datenschreibstrom +Iw oder -Iw in der dem Pegel des Lesedatenwerts RD entsprechenden Richtung fließen kann. Außerdem wird das Steuersignal WE eingeschaltet, und der Datenschreibstrom Ip fließt durch die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile.
Dadurch wird der Lesedatenwert RD, der dem Datenwert entspricht, der in der ausgewählten Speicherzelle vor dem Datenlesevorgang gespeichert war, in die ausgewählte Speicherzelle zurückgeschrieben, so dass die ausgewählte Speicherzelle in den Zustand vor dem Datenlesevorgang zurückkehrt.
Fig. 13 ist ein Betriebssignalverlaufsdiagramm, das einen Datenlesevorgang für das Speicherfeld nach der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in Fig. 13 dargestellt, kann jeder der Vorgänge, die wie in Fig. 6 dargestellt einen einzelnen Datenlesevorgang bilden, z. B. synchronisiert mit einem Taktsignal CLK ausgeführt werden.
Genauer gesagt empfängt die Vorrichtung zu einem Zeitpunkt t0, der einer Aktivierungsflanke des Taktsignals CLK entspricht, ein Chipauswahlsignal CS und einen Lesebefehl RC. Dadurch wird der anfängliche Datenlesevorgang ausgeführt. In dem anfänglichen Datenlesevorgang wird die Wortleitung WL der ausgewählten Zeile aktiviert, und der Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte wird der Datenlesestrom Is zugeführt. Die von dem Datenlesestrom Is auf der Datenleitung DIO bewirkte Spannung, d. h. die Datenleitungsspannung in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den ursprünglichen Speicherdatenwert hält, wird an den Knoten N1 übertragen und dort gehalten.
Zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t1, der der Taktaktivierungsflanke entspricht, wird der vorbestimmte Schreibvorgang 1 ausgeführt. Dabei fließt der Datenschreibstrom Ip durch die Schreibziffernleitung WDL der ausgewählten Zeile, und der Datenschreibstrom +Iw fließt durch die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte, so dass der Datenwert ("1") mit dem vorbestimmten Pegel zwangsweise in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben wird.
Zu einem Zeitpunkt t2, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, wird der vorbestimmte Lesevorgang 1 ausgeführt. Dabei wird der Datenlesestrom Is der Bitleitung in der ausgewählten Spalte zugeführt, während die Wortleitung WL der ausgewählten Zeile aktiv ist. Die durch den Datenlesestrom Is auf der Datenleitung DIO bewirkte Spannung, d. h. die Datenleitungsspannung in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den Datenwert "1" hält, wird an den Knoten N2 übertragen und dort gehalten.
Zu einem Zeitpunkt t3, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, beginnt der vorbestimmte Schreibvorgang 2. Dabei führt die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile einen Datenschreibstrom Ip und die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte einen Datenschreibstrom -Iw, so dass der Datenwert ("0") mit einem anderen Pegel als bei dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 zwangsweise in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben wird.
Zu einem Zeitpunkt t4, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, beginnt der vorbestimmte Lesevorgang 2.. Dabei wird der Datenlesestrom Is der Bitleitung BL der ausgewählten Spalte zugeführt, während die Wortleitung WL in der ausgewählten Zeile aktiv ist. Die Datenleitungsspannung in dem Zustand, in dem die ausgewählte Speicherzelle den Datenwert "0" hält, wird an den Knoten N3 übertragen und dort gehalten.
Nach der Ausführung des vorbestimmten Lesevorgangs 2 halten die Knoten N1, N2 und N3 die Datenleitungsspannungen, die jeweils den Zuständen entsprechen, in denen die ausgewählte Speicherzelle den Speicherdatenwert, den Datenwert "1" und den Datenwert "0" enthält. Daher kann der Lesedatenwert RD auf der Grundlage der Spannungen an den Knoten N1 bis N3 erzeugt werden.
Zu einem Zeitpunkt t5, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, wird ein dem Lesedatenwert RD entsprechender Ausgabedatenwert DOUT über den Datenausgabeanschluss 4a ausgegeben. Parallel dazu wird das Rückschreiben des Datenwerts in die ausgewählte Speicherzelle durchgeführt. Genauer gesagt: Die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile führt den Datenschreibstrom Ip, und die Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte führt abhängig von dem Pegel des Lesedatenwertes RD den Datenschreibstrom +Iw oder -Iw. Dadurch wird ein Datenwert mit dem selben Pegel wie der Lesedatenwert RD in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben, so dass die ausgewählte Speicherzelle in einen ähnlichen Zustand zurückkehrt wie vor dem Datenlesevorgang.
Die MRAM-Vorrichtung kann aus einer Mehrzahl von Blöcken gebildet sein, von denen jeder durch den in Fig. 5 dargestellten Aufbau gebildet und zum Lesen und Schreiben von Daten mit einem Bit bereitgestellt ist. Fig. 13 veranschaulicht auch einen Datenlesevorgang einer Vorrichtung, die aus solchen Blöcken gebildet ist.
In der MRAM-Vorrichtung mit der Mehrzahl von Blöcken wird jeder Datenlesevorgang in den jeweiligen Blöcken in Übereinstimmung mit dem in Fig. 6 veranschaulichten Ablauf parallel durchgeführt. In den anderen Blöcken, die im wesentlichen denselben Aufbau haben, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, werden die Lesevorgänge ähnlich wie bei dem in Fig. 5 dargestellten Aufbau durchgeführt, und jeder Block erzeugt zu dem Zeitpunkt t4 einen Lesedatenwert RD aus der ausgewählten Speicherzelle.
Nach dem obigen Aufbau können die Lesedaten RD von den jeweiligen Blöcken zu dem Zeitpunkt t5, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, und danach in der Form eines Bursts als Ausgabedaten DOUT ausgegeben werden. In Fig. 13 wird zu dem Zeitpunkt t5 der Datenwert "0" als dem Lesedatenwert RD eines der Blöcke entsprechender Ausgabedatenwert DOUT ausgegeben. Zu einem Zeitpunkt t6, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, wird der Datenwert "1" als dem Lesedatenwert RD eines anderen Blocks entsprechender Ausgabedatenwert DOUT ausgegeben.
Fig. 13 zeigt die Betriebsweise, bei der die jeweiligen Vorgänge, die einen einzelnen Datenlesevorgang bilden, als Reaktion auf die Aktivierungsflanken des Taktsignals CLK ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Als Reaktion auf das Taktsignal CLK kann ein Zeitablaufssteuersignal intern erzeugt werden, und ein in Fig. 6 dargestellter einzelner Datenlesevorgang kann als Reaktion auf dieses Zeitablaufsteuersignal während eines Taktzyklus des Taktsignals CLK ausgeführt werden. Die Anzahl von Taktzyklen (Taktsignal CLK), die für den einzelnen Datenlesevorgang erforderlich sind, kann abhängig von einer Zeit, die für den einzelnen Datenlesevorgang erforderlich ist, und von einem Betriebstakt, d. h. einer Frequenz des Taktsignals CLK, geeignet festgelegt werden.
Da in dem Speicherfeld mit dem Aufbau nach der ersten Ausführungsform der Zugriffstransistor ATR gemeinsam genutzt wird, fließt der Datenlesestrom wie oben beschrieben parallel durch die Mehrzahl von magnetoresistiven Tunnelelementen TMR (ausgewählte Speicherzellengruppe). Die Datenlesevorgänge werden jedoch durchgeführt, bevor und nachdem der vorbestimmte Datenwert in die ausgewählte Speicherzelle geschrieben wurde, und zwischen den durch diese Datenlesevorgänge bewirkten Datenleitungsspannungen wird ein Vergleich durchgeführt. Dadurch kann der Speicherdatenwert einer ausgewählten Speicherzelle, die in der ausgewählten Speicherzellengruppe enthalten ist, herausgezogen und erfasst werden.
Weiterhin kann der Datenlesevorgang für die ausgewählte Speicherzelle durchgeführt werden, in dem ohne Verwendung einer Referenzzelle nur auf die ausgewählte Speicherzellengruppe zugegriffen wird. Somit wird das Datenlesen in selbstreferenzierender Weise durchgeführt auf der Grundlage des Vergleichs zwischen Spannungen auf demselben Datenlesepfad, der dieselbe Speicherzelle, dieselbe Bitleitung, dieselbe Datenleitung, denselben Leseverstärker usw. beinhaltet.
Demzufolge ist es möglich, Einflüsse von Offsets und dergleichen zu vermeiden, die durch Schwankungen bei der Herstellung der verschiedenen Schaltungen bewirkt werden können, die den Datenlesepfad bilden, und dadurch kann die Genauigkeit des Datenlesevorgangs verbessert werden. Somit kann das Datenlesen aus der ausgewählten Speicherzelle durchgeführt werden, ohne eine Vergleich durchzuführen im Hinblick auf eine andere Speicherzelle wie z. B. eine Referenzzelle oder im Hinblick auf ein Datenleseschaltungssystem, das eine solche Referenzzelle oder dergleichen beinhaltet, und das Datenlesen kann genau durchgeführt werden ohne Einflüsse durch Schwankungen bei der Herstellung. Da keine Referenzzelle erforderlich ist, können alle MTJ- Speicherzellen so konfiguriert sein, dass sie einen Datenwert speichern und als gültiges Bit verwendet werden können.
Fig. 14 ist ein Flussdiagramm, das einen einzelnen Datenlesevorgang nach einer Abwandlung der ersten Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in Fig. 14 dargestellt, unterscheidet sich der Datenlesevorgang nach der Abwandlung der ersten Ausführungsform von dem in dem Flussdiagramm in Fig. 6 dargestellten Datenlesevorgang darin, dass zwischen dem Schritt S160 der Lesedatenermittlung und dem Schritt S170 des Durchführens des Datenrückschreibvorgangs zusätzlich ein Schritt S165 durchgeführt wird, bei dem ermittelt wird, ob der Datenrückschreibvorgang erforderlich ist oder nicht.
In Schritt S165 wird ermittelt, ob der in Schritt S160 ermittelte Lesedatenwert RD denselben Wert hat wie der in dem vorbestimmten Schreibvorgang 2 geschriebene Datenwert ("0") oder nicht. Wenn die Datenwerte denselben Pegel haben, hat der in der ausgewählten Speicherzelle gespeicherte Datenwert, wenn der Datenrückschreibvorgang noch nicht durchgeführt wurde, bereits denselben Pegel wie der Datenwert (Lesedatenwert RD), der in dem nachfolgenden Schritt S170 zurückgeschrieben werden soll. Daher ist das Durchführen des Datenrückschreibvorgangs nicht erforderlich.
Wenn der in der ausgewählten Speicherzelle gespeicherte Datenwert wie oben beschrieben vor dem Datenrückschreibvorgang denselben Pegel aufweist wie der ermittelte Lesedatenwert RD, wird der Datenrückschreibvorgang in Schritt S170 übersprungen, und der einzelne Datenlesevorgang wird beendet (Schritt S180).
Wenn diese Datenwerte unterschiedliche Pegel haben, wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform in Schritt S170 der Datenrückschreibvorgang durchgeführt. Somit kann ein überflüssiger Rückschreibvorgang vermieden werden, und der Stromverbrauch im Datenlesebetrieb kann verringert werden.
In der ersten Ausführungsform und ihrer Abwandlung, die als Beispiel beschrieben wurden, werden in den vorbestimmten Schreibvorgängen 1 und 2 jeweils "1" bzw. "0" zwangsweise geschrieben. Die Datenpegel in diesen Vorgängen können jedoch auch umgekehrt sein, d. h. der Datenwert "0" kann in dem vorbestimmten Schreibvorgang 1 geschrieben werden und der Datenwert "1" in dem vorbestimmten Schreibvorgang 2.
In der ersten Ausführungsform und ihrer Abwandlung, die als Beispiel beschrieben worden sind, wird sowohl der vorbestimmte Schreibvorgang als auch der vorbestimmte Lesevorgang entsprechend den zwei Datenpegeln von "1" und "0" zweimal durchgeführt, und diese zwei vorbestimmten Schreibvorgänge und zwei vorbestimmten Lesevorgänge werden in dem einzelnen Datenlesevorgang durchgeführt. Die Vorrichtung kann jedoch auch so konfiguriert sein, dass sie in einem Datenlesevorgang nur einen vorbestimmten Schreibvorgang und nur einen vorbestimmten Lesevorgang durchführt, von denen jeder nur einem der Datenpegel entspricht.
In diesem Fall wird ein Aufbau verwendet, bei dem der Lesedatenwert RD erzeugt wird, je nachdem ob ein Spannungsunterschied mit mindestens einem vorbestimmten Pegel zwischen der Datenleitungsspannung bei dem anfänglichen Datenlesevorgang und der Datenleistungsspannung bei dem nach dem vorbestimmten Schreibvorgang durchgeführten vorbestimmten Datenlesevorgang vorhanden ist oder nicht. In der in Fig. 5 dargestellten Datenleseschaltung 100 werden z. B. der Spannungshaltekondensator 113 und der Leseverstärker 125 für den Knoten N3 weggelassen, und einem der Eingänge des Leseverstärkers 130 wird eine Referenzspannung mit einem mittleren Pegel zugeführt. Somit kann das oben beschriebene Datenlesen durchgeführt werden. Dadurch kann die Anzahl der Teile der Datenleseschaltung 100 verringert werden und somit die erforderliche Fläche und die Kosten.
Im folgenden wird eine zweite Ausführungsform beschrieben in Verbindung mit einem Aufbau zum Durchführen des Datenlesens in einer selbstreferenzierenden Weise mit einer Datenleseschaltung, deren Aufbau verglichen mit dem der Datenleseschaltung in dem Speicherfeldaufbau nach der ersten Ausführungsform weiter vereinfacht ist.
Fig. 15 veranschaulicht eine Beziehung (Hysteresekennlinie) zwischen dem der MTJ-Speicherzelle zugeführten Datenschreibstrom und dem elektrischen Widerstandswert der MTJ- Speicherzelle. In Fig. 15 bezeichnet die Abszisse einen Bitleitungsstrom I(BL), der durch die Bitleitung fließt, und die Ordinate einen elektrischen Widerstandswert Rcell der MTJ- Speicherzelle. Ein durch den Bitleitungsstrom I(BL) erzeugtes Magnetfeld wirkt in der freien magnetischen Schicht VL der MTJ- Speicherzelle entlang der leicht zu magnetisierenden Achse (EA). Das durch einen Ziffernleitungsstrom I(WDL), der durch die Schreibziffernleitung WDL fließt, erzeugte Magnetfeld wirkt in der freien magnetischen Schicht VL entlang der schwer zu magnetisierenden Achse (HA).
Wenn der Bitleitungsstrom I(BL) eine Schwelle zum Invertieren der Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL überschreitet, wird die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL umgekehrt, und der Speicherzellenwiderstandswert Rcell ändert sich. In Fig. 15 erreicht der Speicherzellenwiderstandswert Rcell seinen Maximalwert Rmax, wenn der Bitleitungsstrom I(BL) die Schwelle in der positiven (+) Richtung überschreitet. Wenn der Bitleitungsstrom I(BL) die Schwelle in der negativen (-) Richtung überschreitet, erreicht der Speicherzellenwiderstandswert Rcell seinen Minimalwert Rmin. Der Schwellenwert des Bitleitungsstroms I(BL) hängt von dem Strom I(WDL) ab, der durch die Schreibziffernleitung WDL fließt.
In Fig. 15 stellt die gestrichelte Linie die Hysteresekennlinie des Speicherzellenwiderstandswerts Rcell dar, die auftritt, wenn der Ziffernleitungsstrom I(WDL), der durch die Schreibziffernleitung WDL fließt, Null ist. In diesem Fall wird angenommen, dass die Schwellenwerte des Bitleitungsstroms I(BL) in der positiven und negativen Richtung jeweils +Ito bzw. -Ito betragen.
Wenn dagegen ein Strom durch die Schreibziffernleitung WDL fließt, verringert sich der Schwellenwert des Bitleitungsstroms I(BL). Wenn der Ziffernleitungsstrom I(WDL) gleich Ip ist, zeigt der Speicherzellenwiderstandswert Rcell die in Fig. 15 durch eine durchgehende Linie dargestellte Hysteresekennlinie. Durch den Einfluss des Magnetfelds, das durch den Ziffernleitungsstrom I(WDL) in Richtung der schwer zu magnetisierenden Achse bewirkt wird, ändern sich die Schwellenwerte der Bitleitungsströme I(BL) in der positiven bzw. negativen Richtung auf It1 kleiner als It0 und auf -It1 größer als It0. Diese Hysteresekennlinien stellen die Änderungen der Speicherzellenwiderstandswerts Rcell während des Datenschreibvorgangs dar. Dementsprechend werden der Bitleitungsstrom I(BL) im Datenschreibbetrieb und damit die Datenschreibströme +Iw und -Iw so eingestellt, dass sie die Beziehungen (It1 < +Iw < It0) und (-It0 < -Iw < -It1) erfüllen.
Im Datenlesebetrieb fließt der Bitleitungsstrom I(BL) und somit der Datenlesestrom Is als Ladestrom der Datenleitung DIO, mit der die ausgewählte Speicherzelle, parasitäre Kapazitäten und dergleichen als RC-Last verbunden sind. Daher haben dieser Bitleitungsstrom I(BL) und somit der Datenlesestrom Is im allgemeinen einen um zwei oder drei Größenordnungen kleineren Pegel als der Bitleitungsstrom I(BL) im Datenschreibbetrieb und somit die Datenschreibströme ±Iw. Dementsprechend kann in Fig. 15 angenommen werden, dass der Datenlesestrom Is annähernd gleich Null ist.
Vor dem Datenlesen wird die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht in dem magnetoresistiven Tunnelelement TMR auf den Zustand eingestellt, in dem die ausgewählte Speicherzelle wie in (a) bzw. (c) in Fig. 15 dargestellt den elektrischen Widerstandswert Rmin bzw. Rmax aufweist.
Fig. 16 zeigt konzeptionell die Magnetisierungsrichtungen des magnetoresistiven Tunnelelements in den jeweils in Fig. 15 dargestellten Zuständen.
In Fig. 16 zeigt (a) die Magnetisierungsrichtung in dem in Fig. 15 mit (a) gekennzeichneten Zustand. In diesem Zustand liegt die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL parallel zu der Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL, so dass der Speicherzellenwiderstandswert Rcell auf seinen Minimalwert Rmin eingestellt ist.
In Fig. 16 zeigt (c) die Magnetisierungsrichtung in dem in Fig. 15 mit (c) gekennzeichneten Zustand. In diesem Zustand liegt die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL entgegengesetzt parallel (antiparallel) zu der Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL, so dass der Speicherzellenwiderstandswert Rcell auf seinen Maximalwert Rmax eingestellt ist.
Wenn ein vorbestimmter Strom (z. B. Datenschreibstrom Ip) durch die Schreibziffernleitung WDL fließt, wird die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL in einem bestimmten Maße gedreht, auch wenn sie nicht voll umgekehrt wird. Daher ändert sich der elektrische Widerstandswert Rcell des magnetoresistiven Tunnelelements TMR.
Nachfolgend auf den Magnetisierungszustand (a) in Fig. 16 kann der Ziffernleitungsstrom I(WDL) weiter ein vorbestimmtes Vormagnetisierungsfeld in Richtung der schwer zu magnetisierenden Achse (HA) anlegen, wie in Fig. 6 unter (b) dargestellt. In diesem Fall dreht sich die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL in einem bestimmten Maße und bildet mit der Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL einen vorbestimmten Winkel. Dadurch steigt der Speicherzellenwiderstandswert Rcell in dem Magnetisierungszustand, der (b) in Fig. 16 entspricht, von seinem Minimalwert Rmin auf Rm0 an.
Wenn ein ähnliches vorbestimmtes Vormagnetisierungsfeld weiter in dem Magnetisierungszustand (c) in Fig. 16 angelegt wird, dreht sich die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht VL in einem bestimmten Maße und bildet mit der Magnetisierungsrichtung der festen magnetischen Schicht FL einen vorbestimmten Winkel. Dadurch sinkt der Speicherzellenwiderstandswert Rcell in dem Magnetisierungszustand, der (d) in Fig. 16 entspricht, von seinem Maximalwert Rmax auf Rm1 ab.
Wie oben beschrieben verringert das Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes entlang der schwer zu magnetisierenden Achse (HA) den Speicherzellenwiderstandswert Rcell der MTJ-Speicherzelle, die einen dem Maximalwert Rmax entsprechenden Datenwert speichert, und es erhöht den Speicherzellenwiderstandswert Rcell der MTJ-Speicherzelle, die einen dem Minimalwert Rmin entsprechenden Datenwert speichert.
Wie oben beschrieben kann durch Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes entlang der schwer zu magnetisierenden Achse an die MTJ- Speicherzelle, die einen bestimmten Speicherdatenwert hält, in dem Speicherzellenwiderstandswert Rcell eine Änderung des elektrischen Widerstandswerts bewirkt werden, die eine dem Speicherdatenwert entsprechende Polarität hat. Somit tritt die Änderung des Speicherzellenwiderstandswerts Rcell als Reaktion auf Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes auf, und diese Änderung tritt abhängig von dem Pegel des Speicherdatenwerts in verschiedenen Polaritäten auf. In der zweiten Ausführungsform wird das Datenlesen durchgeführt, in dem diese magnetischen Eigenschaften der MTJ-Speicherzellen verwendet werden.
Wie in Fig. 17 dargestellt, unterscheidet sich der Aufbau nach der zweiten Ausführungsform von dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau nach der ersten Ausführungsform darin, dass die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 anstelle der Datenleseschaltung 100 eine Datenleseschaltung 200 beinhaltet und das kein Schaltglied 160 verwendet wird. Der Aufbau des Speicherfelds 10 und dergleichen ist im wesentlichen derselbe wie bei der ersten Ausführungsform, und daher wird seine Beschreibung nicht wiederholt.
Die Datenleseschaltung 200 beinhaltet ein Schaltglied 210, das zwischen der Datenleitung DIO und den Knoten N1 und N2 angeordnet ist, Spannungshaltekondensatoren 211 und 212, die jeweils entsprechend den Knoten N1 und N2 angeordnet sind, Leseverstärker 220 und 230 und eine Verriegelungsschaltung (Latch) 240.
Das Schaltglied 210 verbindet in einem einzelnen Datenlesevorgang einen Knoten, der nacheinander aus den Knoten N1 und N2 ausgewählt wird, mit der Datenleitung DIO. Die Spannungshaltekondensatoren 211 und 212 sind bereitgestellt, um jeweils die Spannungen an den Knoten N1 und N2 zu halten.
Der Leseverstärker 220 verstärkt den Spannungsunterschied zwischen den Knoten N1 und N2. Der Leseverstärker 230 in der zweiten Stufe verstärkt die Ausgabe des Leseverstärkers 220 weiter und überträgt sie zu der Verriegelungsschaltung 240. Die Verriegelungsschaltung 240 verstärkt die Ausgabe, die von dem Leseverstärker 230 ausgegeben wird, in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Zeitablauf, um eine volle Amplitude zu erzielen, und versiegelt sie. Somit gibt die Verriegelungsschaltung 240 den Lesedatenwert RD mit dem dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entsprechenden Pegel an den Knoten Nr aus.
Der einzelne Datenlesevorgang nach der zweiten Ausführungsform wird gebildet aus einem ersten Lesevorgang, der dem anfänglichen Datenlesevorgang nach der ersten Ausführungsform entspricht, und einem zweiten Lesevorgang, der durchgeführt wird, während ein Vorstrom durch die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Spalte geführt wird. Insbesondere kann der Datenschreibstrom Ip, der während des Datenschreibens durch die Schreibziffernleitung WDL fließt, als ein solcher hindurchgeführter Vorstrom verwendet werden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, eine neue Schaltung zum Zuführen des Vorstroms während des Datenlesens anzuordnen, so dass der Schaltungsaufbau einfach sein kann.
In dem ersten Lesevorgang fließt kein Strom durch die Schreibziffernleitung WDL, die der ausgewählten Speicherzelle entspricht (I(WDL) = 0), und somit ist die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle ähnlich wie vor dem Datenlesevorgang. In diesem Zustand wird das Datenlesen des ersten Lesevorgangs an der ausgewählten Speicherzellengruppe durchgeführt, die mit der gemeinsamen Kontaktbrücke verbunden ist. Das Schaltglied 210 verbindet die Datenleitung DIO mit dem Knoten N1. Dadurch wird die Datenleitungsspannung bei dem ersten Lesevorgang von dem Spannungshaltekondensator 211 an dem Knoten N1 gehalten.
In dem zweiten Lesevorgang fließt der Vorstrom durch die Schreibziffernleitung WDL, die der ausgewählten Spalte entspricht (I(WDL) = Ip), und somit ist die ausgewählte Speicherzelle dem vorbestimmten Vormagnetisierungsfeld entlang der schwer zu magnetisierenden Achse ausgesetzt. In diesem Zustand wird das Datenlesen des zweiten Lesevorgangs an der ausgewählten Speicherzellengruppe durchgeführt.
In dem zweiten Datenlesevorgang verbindet das Schaltglied 210 die Datenleitung DIO mit dem Knoten N2. Daher wird die Datenleitungsspannung in dem zweiten Datenlesevorgang an den Knoten N2 übertragen und durch den Spannungshaltekondensator 212 gehalten.
Durch Anlegen des Vormagnetisierungsfeldes wie bereits beschrieben ändert sich der Speicherzellenwiderstandswert Rcell der ausgewählten Speicherzelle mit einer Polarität, der dem Speicherdatenpegel in dem ersten Lesevorgang entspricht, d. h. vor dem Datenlesevorgang. Dadurch steigt oder sinkt die Spannung auf der Datenleitung DIO in dem zweiten Lesevorgang verglichen mit der in dem ersten Lesevorgang in Übereinstimmung mit dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle.
Genauer gesagt: Wenn z. B. der Speicherdatenwert "1", der dem elektrischen Widerstandswert Rmax entspricht, in der ausgewählten Speicherzelle gespeichert ist, ist die Datenleitungsspannung in dem zweiten Lesevorgang größer als in dem ersten Lesevorgang. Das kommt daher, dass sich der durch die ausgewählte Speicherzellengruppe fließende Strom erhöht, wenn das durch den Ziffernleitungsstrom I(WDL) erzeugte Vormagnetisierungsfeld den Speicherzellenwiderstandswert Rcell der ausgewählten Speicherzelle verringert.
Wenn dagegen z. B. der dem elektrischen Widerstandswert Rmin entsprechende Speicherdatenwert "0" in der ausgewählten Speicherzelle gespeichert ist, ist die Datenleitungsspannung bei dem zweiten Lesevorgang geringer als bei dem ersten Lesevorgang. Das kommt daher, dass der durch die ausgewählte Speicherzellengruppe fließende Strom abnimmt, wenn das durch den Ziffernleitungsstrom T(WDL) bewirkte Vormagnetisierungsfeld den Speicherzellenwiderstandswert Rcell der ausgewählten Speicherzelle erhöht.
Der Leseverstärker 220 führt einen Vergleich zwischen den Spannungen durch, die jeweils an den Knoten N1 und N2 gehalten werden, und somit zwischen den Datenleitungsspannungen bei dem ersten und dem zweiten Lesevorgang. Nach Ausführen des zweiten Lesevorgangs verstärkt und verriegelt die Verriegelungsschaltung 240 die Ausgabe des Leseverstärkers 230, der die Ausgabe des Leseverstärkers 220 verstärkt, um den Lesedatenwert RD so zu erzeugen, dass der Lesedatenwert RD einen Pegel aufweist, der dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entspricht.
Wie oben beschrieben erfordert der Aufbau nach der zweiten Ausführungsform im Gegensatz zu dem Aufbau nach der ersten Ausführungsform keinen vorbestimmten Schreibvorgang zum zwangsweisen Schreiben eines Speicherdatenwerts mit einem vorbestimmten Pegel, und er erfordert natürlich auch keinen vorbestimmten Lesevorgang, der diesem folgt.
Das Magnetfeld, das durch den in der Schreibziffernleitung WDL fließenden Vorstrom (Datenschreibstrom Ip) an die ausgewählte Speicherzelle angelegt wird, kehrt die Magnetisierungsrichtung des magnetoresistiven Tunnelelements TMR nicht um. Demzufolge kehrt die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle in denselben Zustand wie vor dem Datenlesevorgang zurück, wenn das Vormagnetisierungsfeld verschwindet. Daher ist in dem einzelnen Datenlesevorgang kein Datenrückschreibvorgang wie bei der ersten Ausführungsform erforderlich.
Demzufolge arbeitet die Schreibtreibersteuerschaltung 150 als Reaktion auf die Anweisung von der Steuerschaltung 5 nur in Übereinstimmung mit der Schreibabfolge des Datenschreibbetriebs. Ein Schaltglied 160 zum Übertragen des Lesedatenwerts RD zu der Schreibtreibersteuerschaltung 150 ist nicht erforderlich, und die Schreibtreibersteuerschaltung 150 wird nur benötigt, um die Schreibsteuersignale WDTa und WDTb auf der Grundlage des über den Dateneingabeanschluss 4b gesendeten Eingabedatenwerts DIN zu erzeugen.
Fig. 18 ist ein Betriebssignalverlaufsdiagramm, das den Datenlesevorgang nach der zweiten Ausführungsform veranschaulicht.
Wie in Fig. 18 dargestellt, kann der einzelne Datenlesevorgang nach der zweiten Ausführungsform z. B. synchronisiert mit einem Taktsignal CLK durchgeführt werden.
Genauer gesagt: Wenn die Vorrichtung zu einem Zeitpunkt t0, der der Aktivierungsflanke des Taktsignals CLK entspricht, das Chipauswahlsignal CS und den Lesebefehl RC empfängt, führt sie den ersten Lesevorgang durch, der dem anfänglichen Datenlesevorgang entspricht. In dem ersten Lesevorgang wird die Wortleitung in dem ausgewählten Zeilenblock aktiviert, und der Datenlesestrom Is wird der Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte zugeführt. In dem Zustand, in dem die durch den Datenlesestrom Is auf der Datenleitung DIO bewirkte Spannung und somit die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle dieselbe ist wie vor dem Datenlesevorgang, wird die Datenleitungsspannung, die auftritt, wenn der Datenlesestrom Is durch die ausgewählte Speicherzellengruppe fließt, an den Knoten N1 übertragen und dort gehalten.
Zu einem Zeitpunkt t1, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, beginnt dann der zweite Lesevorgang. Somit wird in dem Zustand, in dem ein Vorstrom durch die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile fließt, der gleich groß ist wie der Datenschreibstrom Ip, die Wortleitung in der ausgewählten Zeile aktiviert, und der Bitleitung BL in der ausgewählten Spalte wird der Datenlesestrom Is zugeführt. Demzufolge empfängt und hält der Knoten N2 die Datenleitungsspannung, die auftritt, wenn der Datenlesestrom Is durch die ausgewählte Speicherzellengruppe fließt, während die ausgewählte Speicherzelle dem vorbestimmten Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt ist. Dementsprechend kann in und nach dem zweiten Lesevorgang der Lesedatenwert RD auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen den Spannungen an den Knoten N1 und N2 erzeugt werden.
Zu dem Zeitpunkt t2, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, und danach werden den Lesedaten RD entsprechende Ausgabedaten DOUT über den Datenausgabeanschluss 4a ausgegeben.
In dem Aufbau nach der zweiten Ausführungsform kann der Aufbau zum Lesen und Schreiben von Daten mit einem Bit, wie er in Fig. 17 dargestellt ist, einen Block bilden, und die MRAM- Vorrichtung kann aus einer Mehrzahl von Blöcken gebildet sein, von denen jeder denselben Aufbau wie in Fig. 17 hat, wie bereits mit Bezug auf Fig. 13 beschrieben. In diesem Fall können ähnliche Datenlesevorgänge parallel an den jeweiligen Blöcken durchgeführt werden. Demzufolge kann der zum Zeitpunkt t1 startende zweite Lesevorgang in jedem Block einen Lesedatenwert RD aus der ausgewählten Speicherzelle erzeugen. Daher können zu dem Zeitpunkt t2, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, und danach Lesedaten RD, die von der Mehrzahl von Blöcken gesendet werden, in Form eines Bursts als Ausgabedaten DOUT ausgegeben werden.
In einem in Fig. 18 dargestellten Betriebsbeispiel wird zum Zeitpunkt t2 der dem aus einem der Blöcke gelesenen Lesedatenwert RD entsprechende Datenwert "0" als Ausgabedatenwert DOUT ausgegeben, und zu einem Zeitpunkt t3, der der nächsten Taktaktivierungsflanke entspricht, wird der dem aus einem anderen Block gelesenen Lesedatenwert entsprechende Datenwert "1" als Ausgabedatenwert DOUT ausgegeben.
Fig. 18 veranschaulicht den Aufbau zum Ausführen der jeweiligen Vorgänge, die den einzelnen Datenlesevorgang bilden, als Reaktion auf die Aktivierungsflanken des Taktsignals CLK. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt. Insbesondere kann als Reaktion auf das Taktsignal CLK ein Zeitablaufssteuersignal intern erzeugt werden, und der einzelne Datenlesevorgang nach der zweiten Ausführungsform kann als Reaktion auf dieses Zeitablaufsteuersignal während eines Taktzyklus des Taktsignals CLK ausgeführt werden. Wie bereits beschrieben kann die Anzahl von Taktzyklen (Taktsignal CLK), die für den einzelnen Datenlesevorgang erforderlich sind, entsprechend einer Beziehung zwischen einer Zeit, die für den einzelnen Datenlesevorgang erforderlich ist, und einer Frequenz des Betriebstakts geeignet festgelegt werden.
Nach dem Aufbau der zweiten Ausführungsform wie oben beschrieben kann das Datenlesen in dem Speicherfeld wie bei der ersten Ausführungsform in selbstreferenzierender Weise durchgeführt werden. Weiterhin können die Anzahl der in der Datenleseschaltung angeordneten Leseverstärker und die Anzahl der zu vergleichenden Spannungen verringert werden. Durch die Verringerung der Anzahl der Teile der Datenleseschaltung kann können daher die Fläche und die Kosten verringert werden, und weiterhin kann ein Einfluss des Offsets bei dem Spannungsvergleichsvorgang verringert werden, so dass der Datenlesevorgang noch genauer durchgeführt werden kann.
Weiterhin erfordert der Datenlesevorgang kein Zurückschreiben des Datenwerts in die ausgewählte Speicherzelle, so dass die Betriebsgeschwindigkeit höher sein kann als bei dem Datenlesevorgang nach der ersten Ausführungsform.
Fig. 19 ist ein Schaltbild eines Aufbaus einer Lese/Schreibsteuerschaltung nach einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform.
Wie in Fig. 19 dargestellt, unterscheidet sich der Aufbau der Abwandlung der zweiten Ausführungsform von dem in Fig. 17 dargestellten Aufbau der zweiten Ausführungsform darin, dass die Lese/Schreibsteuerschaltung 30 anstelle der Datenleseschaltung 200 eine Datenleseschaltung 400 beinhaltet. Ansonsten sind Aufbau und Betrieb im wesentlichen die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt.
Die Datenleseschaltung 400 beinhaltet einen Leseverstärker 410 zum Verstärken eines Spannungsunterschieds zwischen der Datenleitung DIO und einem Knoten Nf, einen Gegenkopplungsschalter 420 zur Rückkopplung des Ausgangs des Leseverstärkers 410 auf den Knoten Nf, einen Spannungshaltekondensator 425 zum Halten der Spannung an dem Knoten Nf, einen Leseverstärker 430 zum Verstärken der Ausgabe des Leseverstärkers 410 und eine Verriegelungsschaltung (Latch) 440, die die Ausgabe des Leseverstärkers 430 in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Zeitablauf verstärkt und verriegelt, um den Lesedatenwert RD an dem Knoten Nr auszugeben.
In dem Datenlesevorgang nach der Abwandlung der zweiten Ausführungsform werden die Wortleitung WL und die Lesespaltenauswahlleitung RSCL, die der ausgewählten Speicherzelle entsprechen, auf Pf-Pegel aktiviert, während der Ziffernleitungsstrom I(WDL) Null ist und der Gegenkopplungsschalter 420 eingeschaltet ist. Dadurch wird an der ausgewählten Speicherzellengruppe, die die ausgewählte Speicherzelle beinhaltet, ein Datenlesen ähnlich wie bei dem ersten Datenlesevorgang nach der zweiten Ausführungsform durchgeführt.
In dem ersten Lesevorgang nähert sich die Spannung an dem Knoten Nf durch die Gegenkopplung des Leseverstärkers 410 der Spannung auf der Datenleitung DIO, d. h. der Spannung, die dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entspricht. Wenn die Spannung an dem Knoten Nf den stabilen Zustand erreicht, wird der Gegenkopplungsschalter 420 ausgeschaltet.
Nachdem der Gegenkopplungsschalter 420 ausgeschaltet wurde, werden die Wortleitung WL und die Lesespaltenauswahlleitung RCSL, die der ausgewählten Speicherzelle entsprechen, weiterhin aktiv gehalten. In diesem Zustand beginnt der Vorstrom durch die Schreibziffernleitung WDL in der ausgewählten Zeile zu fließen, und er steigt allmählich an. Dementsprechend kann an der ausgewählten Speicherzellengruppe ein Datenlesen ähnlich wie bei dem zweiten Lesevorgang nach der zweiten Ausführungsform durchgeführt werden, während das vorbestimmte Vormagnetisierungsfeld an die ausgewählte Speicherzelle angelegt ist. Demzufolge ändert sich der Speicherzellenwiderstandswert Rcell der ausgewählten Speicherzelle mit einer Polarität, die dem Speicherdatenpegel entspricht. Dadurch steigt die Spannung an der Datenleitung DIO in Übereinstimmung mit dem Speicherdatenpegel der ausgewählten Speicherzelle langsam an, oder sie fällt langsam ab.
Dementsprechend hat die Ausgabe des Leseverstärkers 410 eine Polarität, die sich in Abhängigkeit von dem Speicherdatenpegel der ausgewählten Speicherzelle ändert. Demzufolge kann ein Lesedatenwert RD mit einem Pegel, der dem Speicherdatenpegel der ausgewählten Speicherzelle entspricht, entsprechend der Ausgabe des Leseverstärkers 410 erzeugt werden, die in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Zeitablauf erzeugt wird, nachdem der Gegenkopplungsschalter 420 ausgeschaltet wurde und der Vorstrom Ip durch die Schreibziffernleitung WDL fließt. In dem Datenlesevorgang nach der Abwandlung der zweiten Ausführungsform werden der erste und der zweite Lesevorgang nach der zweiten Ausführungsform wie oben beschrieben fortlaufend durchgeführt.
Mit dem obigen Aufbau kann das Datenlesen ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform schnell mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Da der Aufbau nach der Abwandlung der zweiten Ausführungsform die Gegenkopplung des einzelnen Leseverstärkers 410 verwendet, um die dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entsprechende Datenleitungsspannung zu erhalten, kann der Offset des Leseverstärkers unterdrückt werden und das Datenlesen genauer durchgeführt werden.
Eine dritte Ausführungsform wird nun beschrieben in Verbindung mit einem Aufbau des Speicherfelds, in dem die MTJ- Speicherzellen effizienter angeordnet sind.
Fig. 20 ist ein Schaltbild, das insbesondere als Beispiel ein Speicherfeld nach der dritten Ausführungsform darstellt.
In dem in Fig. 20 dargestellten Speicherfeldaufbau weist jeder Zeilenblock RB acht Speicherzellenzeilen auf, und somit ist L gleich 8. Daher ist dieselbe Kurzschlussbrücke mit acht magnetoresistiven Tunnelelementen TMR verbunden. In dem Aufbau nach der dritten Ausführungsform sind die Zugriffstransistoren ATR, die zwei benachbarten Zeilenblöcken entsprechen, zueinander benachbart angeordnet.
Fig. 20 zeigt stellvertretend einen Aufbau eines Abschnitts, der den benachbarten Zeilenblöcken RB(1) und RB(2) entspricht. In dem der Bitleitung BL1 entsprechenden ersten Speicherzellenspalte sind Kontaktbrücken SL11, SL12 usw. sowie Zugriffstransistoren ATR11, ATR12 usw. entsprechend den Zeilenblöcken RB(1), RB(2) usw. angeordnet. Alle Gates der Zugriffstransistorgruppe, die dem Zeilenblock RB(1) entsprechen, sind mit der Wortleitung WL(1) verbunden und alle Gates der Zugriffstransistorgruppe, die dem Zeilenblock RB(2) entsprechen, mit der Wortleitung WL(2).
In jeder Speicherzellenspalte ist die Zugriffstransistorgruppe, die für den Zeilenblock RB(1) bereitgestellt ist und den Zugriffstransistor ATR11 und andere enthält, benachbart zu den Zugriffstransistoren angeordnet, die für den Zeilenblock RB(2) bereitgestellt sind und den Zugriffstransistor ATR12 und andere beinhalten. Auch wenn es nicht dargestellt ist, sind die Zugriffstransistorgruppen, die den nächsten zwei Zeilenblöcken RB(3) und RB(4) entsprechen, in einem Bereich zwischen diesen Zeilenblöcken zueinander benachbart angeordnet.
Fig. 21 zeigt stellvertretend einen Layoutaufbau eines Grenzbereichs zwischen den zwei Zeilenblöcken. In derselben Speicherzellenspalte entsprechen die Kontaktbrücken SLa und SLb jeweils den benachbarten zwei Zeilenblöcken, und die Zugriffstransistoren ATRa und ATRb, die den Kontaktbrücken SLa und SLb entsprechen, sind bezüglich der Grenzlinie zwischen diesen Zeilenblöcken symmetrisch, wie aus dem Querschnitt entlang der Linie P-Q ersichtlich. Somit sind die Source/Drainbereiche 310a und 320a sowie ein Gate 330a des Zugriffstransistors ATRa horizontal symmetrisch zu den Source/Drainbereichen 310b und 320b sowie dem Gate 330b.
Dadurch kann ein durch die Zugriffstransistoren ATR belegter Bereich kleiner sein als bei dem Feldaufbau nach der ersten Ausführungsform, und seine Fläche kann verringert werden. Weiterhin haben die benachbarten Kontaktbrücken SLa und SLb nicht ganz eine Rechtecksform, sondern ihre einander benachbarten Kanten sind abgeschrägt, so dass ein Anordnungsabstand dieser Kontaktbrücken SLa und SLb klein sein und die Fläche des Speicherfelds weiter verringert werden kann. Die Form der Kontaktbrücken kann für den obigen Zweck durch geeignetes Festlegen einer Form einer Maske gesteuert werden, die zum Herstellen der Kontaktbrücken verwendet wird.
Das Schreiben von Daten in das Speicherfeld und das Lesen von Daten aus ihm kann nach der dritten Ausführungsform ähnlich wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform und ihren Abwandlungen durchgeführt werden, und daher wird seine Beschreibung nicht wiederholt.

Claims

1. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung mit
einer Mehrzahl von Speicherzellen (MC), die in Zeilen und Spalten angeordnet und in einer Zeilenrichtung in eine Mehrzahl von Zeilenblöcken (RB(1)-RB(M)) aufgeteilt sind,
wobei jede dieser Speicherzellen ein magnetoresistives Tunnelelement (TMR) beinhaltet, dessen elektrischer Widerstandswert abhängig von dem magnetisch geschriebenen Speicherdatenwert veränderlich ist;
einer Mehrzahl von ersten Signalleitungen (BL), die in einer Spaltenrichtung angeordnet sind und jeweils den Speicherzellenspalten entsprechen und
einer Mehrzahl von zweiten Signalleitungen (SL), die jeweils entsprechend der Mehrzahl von Zeilenblöcken in jeder Speicherzellenspalte angeordnet sind;
wobei das magnetoresistive Tunnelelement elektrisch zwischen eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von ersten Signalleitungen und eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen geschaltet ist.

2. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 1 mit
einer Mehrzahl von Wortleitungen (WL), die jeweils entsprechend der Mehrzahl von Zeilenblöcken (RB(1)-RB(M)) in der Zeilenrichtung angeordnet sind und bei einem Datenlesevorgang entsprechend einem Ergebnis der Zeilenauswahl selektiv aktiviert werden;
einer Mehrzahl von Zugriffstransistoren (ATR), die jeweils entsprechend der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen (SL) angeordnet sind;
wobei jeder Zugriffstransistor elektrisch zwischen eine entsprechende Leitung aus der Mehrzahl von zweiten Signalleitungen und eine feste Spannung (Vss) geschaltet ist und eingeschaltet wird, wenn die entsprechende Wortleitung aktiviert wird.

3. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zwei Zugriffstransistoren (ATR), die jeweils zwei benachbarten Zeilenblöcken aus der Mehrzahl von Zeilenblöcken (RB(1)-RB(M)) entsprechen, einander in jeder Speicherzellenspalte benachbart sind.

4. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der
jeder der Zeilenblöcke (RB(1)-RB(M)) eine Anzahl von L Speicherzellenzeilen enthält (L: ganze Zahl größer als eins) und
die zweite Signalleitung (SL), die der ausgewählten Speicherzelle entspricht, die als ein Zugriffsziel ausgewählt ist, während einer oder mehrerer während eines einzelnen Datenlesevorgangs vorgesehenen vorbestimmten Zeitspannen mit einer ersten Spannung (Vss) verbunden wird;
wobei die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter beinhaltet:
eine Datenleitung (DIO), die während jeder der vorbestimmten Zeitspannen mit der der ausgewählten Speicherzelle entsprechenden ersten Signalleitung (BL) elektrisch verbunden ist,
einer Lesestromzuführschaltung (105), zum Verbinden der Datenleitung mit einer zweiten Spannung (Vcc) während jeder der vorbestimmten Zeitspannen und
einer Datenleseschaltung (100, 200, 400) zum Erzeugen des Lesedatenwerts (RD), der dem Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle entspricht;
wobei die Datenleseschaltung beinhaltet:
einen ersten Spannungshalteabschnitt (111) zum Halten der Spannung, die während der vorbestimmten Zeitspanne, die entsprechend einem ersten Zustand vorgesehenen ist, in dem die ausgewählte Speicherzelle eine Magnetisierungsrichtung beibehält, die im wesentlichen dieselbe ist wie vor dem einzelnen Datenlesevorgang, an der Datenleitung anliegt, an einem ersten internen Knoten (N1) und
einen Spannungsvergleichabschnitt (120, 125, 220) zum Erzeugen des Lesedatenwerts entsprechend einem Spannungsunterschied zwischen der Spannung an dem ersten internen Knoten und der Spannung, die während der vorbestimmten Zeitspanne, die entsprechend einem zweiten Zustand vorgesehenen ist, in dem die Magnetisierungsrichtung der ausgewählten Speicherzelle durch Anlegen eines vorbestimmten Magnetfelds gegenüber derjenigen in dem ersten Zustand verändert wird, an der Datenleitung anliegt.

5. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der aus der Mehrzahl von Speicherzellen (MC) jede als wirksames Bit zum Speichern eines Datenwerts arbeitet.

6. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 mit
einer Schreibsteuerschaltung (150) zum Anlegen eines Datenschreibmagnetfelds zum Schreiben des Speicherdatenwerts an eine aus der Mehrzahl von Speicherzellen (MC);
wobei die ausgewählte Speicherzelle in den zweiten Zustand gebracht wird, indem nach dem ersten Zustand in einem einzelnen Datenlesevorgang der Speicherdatenwert mit einem vorbestimmten Pegel von der Schreibsteuerschaltung geschrieben wird und
die Schreibsteuerschaltung in dem einzelnen Datenlesevorgang den Speicherdatenwert mit demselben Pegel wie der von der Datenleseschaltung (100) erzeugte Lesedatenwert (RD) in die ausgewählte Speicherzelle zurückschreibt.

7. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 6, bei der
die ausgewählte Speicherzelle in einen dritten Zustand gebracht wird, indem nach dem zweiten Zustand der Speicherdatenwert mit einem von dem vorbestimmten Pegel verschiedenen Pegel von der Schreibsteuerschaltung (150) geschrieben wird,
die Datenleseschaltung (100) weiter einen zweiten Spannungshalteabschnitt (112) aufweist zum Halten der Spannung, die während der entsprechend dem zweiten Zustand vorgesehenen vorbestimmten Zeitspanne an der Datenleitung (DIO) anliegt, an einem zweiten internen Knoten (N2) und
der Spannungsvergleichabschnitt (120, 125, 220) den Lesedatenwert (RD) erzeugt entsprechend den Spannungen an dem ersten und dem zweiten internen Knoten (N1, N2) und der Spannung, die während der entsprechend dem dritten Zustand vorgesehenen vorbestimmten Zeitspanne an der Datenleitung anliegt.

8. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Schreibsteuerschaltung (150) das Zurückschreiben unterlässt, wenn der Speicherdatenwert der ausgewählten Speicherzelle vor dem Ausführen des Zurückschreibens den selben Pegel hat wie der von der Datenleseschaltung (100) erzeugte Lesedatenwert (RD).

9. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der
das magnetoresistive Tunnelelement (TMR) entsprechend dem Speicherdatenwert in einer Richtung entlang einer leicht zu magnetisierenden Achse magnetisiert ist, Z
die magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung weiter einen Vormagnetisierungsfeldanlegeabschnitt (WDL, 20, 80) aufweist zum Anlegen eines vorbestimmten Vormagnetisierungsfelds an die ausgewählte Speicherzelle (MC) in einer Richtung entlang einer schwer zu magnetisierenden Achse und
die ausgewählte Speicherzelle von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand übergeht, wenn in dem einzelnen Datenlesevorgang das Vormagnetisierungsfeld angelegt wird.

10. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 9, bei der
der Vormagnetisierungsfeldanlegeabschnitt beinhaltet:
eine Mehrzahl von Schreibziffernleitungen (WDL), die jeweils entsprechend den Speicherzellenzeilen angeordnet sind, und
einen Zeilentreiber (20, 80) zum Aktivieren der Schreibziffernleitung, die entsprechend einem Ergebnis einer Zeilenauswahl der ausgewählten Zeile entspricht;
wobei die durch den Zeilentreiber bei einem Schreibvorgang aktivierte Schreibziffernleitung einen Strom führt zum Erzeugen eines vorbestimmten Magnetfelds in der Richtung entlang der schwer zu magnetisierenden Achse und
der Zeilentreiberabschnitt die der ausgewählten Zeile entsprechende Schreibziffernleitung in dem zweiten Zustand während des einzelnen Datenlesevorgangs in ähnlicher Weise aktiviert wie bei dem Datenschreibvorgang.

11. Magnetische Dünnfilmspeichervorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei der
der Spannungsvergleichabschnitt (400) beinhaltet:
einen Leseverstärker (410) zum Verstärken eines Spannungsunterschieds zwischen der Datenleitung (DIO), die elektrisch mit der ausgewählten Speicherzelle (MC) verbunden ist, und einem ersten internen Knoten (N1),
ein Schaltglied (420) zum Verbinden eines Ausgangsknotens des Leseverstärkers mit dem ersten internen Knoten in dem ersten Zustand und zum Trennen des Ausgangsknotens des Leseverstärkers von dem ersten internen Knoten in dem zweiten Zustand und
eine Lesedatenerzeugeschaltung (430, 440) zum Erzeugen des Lesedatenwerts (RD) entsprechend einer Spannung an dem Ausgangsknoten in dem zweiten Zustand.