JP2001217398A - Storage device using ferromagnetic tunnel junction element - Google Patents
Storage device using ferromagnetic tunnel junction elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、強磁性トンネル
接合素子を用いた記憶装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a storage device using a ferromagnetic tunnel junction device.
【0002】[0002]
【従来の技術】強磁性トンネル接合素子(MTJ:Magnetic
Tunnel Junction)は、一対の強磁性体層と、これらの
間に挟まれた数nm厚のトンネル絶縁層(アルミナ層な
ど)を有している。一対の強磁性体層間に電圧を印加す
ると、トンネル絶縁層にはトンネル電流が流れる。この
トンネル電流は、一対の強磁性体層の磁気モーメントが
平行のときに最大となり、一対の強磁性体層の磁気モー
メントが反平行のときに最小となる。より具体的には、
絶縁層を通過するトンネル電流は、両強磁性体層におけ
る伝導電子のアップスピンの状態密度の積と、伝導電子
のダウンスピンの状態密度の積との和に比例する。磁気
モーメントが平行な場合、一対の強誘電体層の伝導電子
の多数スピンが同じ向きになり、かつ、その状態密度
は、少数スピンよりも大きな値をとるから大きなトンネ
ル電流が流れる。これに対して、磁気モーメントが反平
行の場合には、多数スピンが逆向きになるので、多数ス
ピンの状態密度は、一対の強磁性体層の一方において大
きな値をとり、他方において小さな値をとる。ダウンス
ピンについても同様の状況となるので、結局、トンネル
電流は小さな値をとる。強磁性体層/絶縁層/強磁性体
層の人工格子構造で発現する上記の効果は、TMR(Tu
nnel MagnetoResistance)効果と呼ばれている。2. Description of the Related Art Ferromagnetic tunnel junction devices (MTJ: Magnetic
Tunnel Junction) has a pair of ferromagnetic layers and a tunnel insulating layer (such as an alumina layer) having a thickness of several nm sandwiched between them. When a voltage is applied between the pair of ferromagnetic layers, a tunnel current flows through the tunnel insulating layer. This tunnel current becomes maximum when the magnetic moments of the pair of ferromagnetic layers are parallel, and becomes minimum when the magnetic moments of the pair of ferromagnetic layers are antiparallel. More specifically,
The tunnel current passing through the insulating layer is proportional to the sum of the product of the state density of the up spin of the conduction electrons and the product of the state density of the down spin of the conduction electrons in both ferromagnetic layers. When the magnetic moments are parallel, a large number of spins of conduction electrons of the pair of ferroelectric layers are oriented in the same direction, and the state density thereof is larger than that of the few spins, so that a large tunnel current flows. On the other hand, when the magnetic moment is antiparallel, the majority spins are in opposite directions, so the state density of the majority spins takes a large value in one of the pair of ferromagnetic layers and a small value in the other. Take. Since the same situation occurs for down spin, the tunnel current eventually takes a small value. The above-mentioned effect manifested by the artificial lattice structure of the ferromagnetic material layer / insulating layer / ferromagnetic material layer is obtained by TMR (Tu
nnel MagnetoResistance) effect.
【0003】強磁性体層の磁気モーメントは、外部磁界
を与えることによって変化させることができるから、強
磁性トンネル接合素子を利用して、磁気メモリ(とくに
MRAM(Magnetic Random Access Memory))を実現で
きる。外部磁界を与えなければ、強磁性体層の磁気モー
メントは変化しないので、これを利用して情報の不揮発
記憶機能を実現できる。MRAMにおいては、通常のダ
イナミックRAMなどとは異なり、記憶内容を読み出す
ためのビットラインとメモリセルのアドレスを指定する
ためのワードラインのほかに、記憶内容を書き込むため
のコントロールラインが必要である。Since the magnetic moment of the ferromagnetic layer can be changed by applying an external magnetic field, a magnetic memory (in particular, an MRAM (Magnetic Random Access Memory)) can be realized using a ferromagnetic tunnel junction device. . If no external magnetic field is applied, the magnetic moment of the ferromagnetic layer does not change, and this can be used to realize a nonvolatile storage function of information. Unlike an ordinary dynamic RAM or the like, an MRAM requires a control line for writing storage contents in addition to a bit line for reading storage contents and a word line for specifying an address of a memory cell.
【0004】図9に、MRAMのメモリセルに備えられ
るメモリエレメントの構造を示す。メモリエレメントM
Eは、一対の強磁性体層11,12(たとえば、CoFeか
らなる。)間にたとえばアルミナからなるトンネル絶縁
層13を挟んだ強磁性トンネル接合素子10と、このト
ンネル接合素子10のうちの一方の強磁性体層12に隣
接して設けられた反強磁性体層14(たとえば、MnFeか
らなる。)と、この反強磁性体層14に接触して設けら
れた下部電極15(たはえば、Ti/Pdからなる。)と、
他方の強磁性体層11に接触して設けられた上部電極1
6(たとえば、Pd/Tiからなる。)とを有している。FIG. 9 shows the structure of a memory element provided in a memory cell of an MRAM. Memory element M
E denotes a ferromagnetic tunnel junction element 10 in which a tunnel insulating layer 13 made of, for example, alumina is sandwiched between a pair of ferromagnetic layers 11 and 12 (made of CoFe, for example), and one of the tunnel junction elements 10 An antiferromagnetic layer 14 (for example, made of MnFe) provided adjacent to the ferromagnetic layer 12 and a lower electrode 15 (for example, , Ti / Pd).
The upper electrode 1 provided in contact with the other ferromagnetic layer 11
6 (for example, composed of Pd / Ti).
【0005】上下の電極15,16間に電圧を印加した
ときにトンネル絶縁層13を介して流れるトンネル電流
は、一対の強磁性体層11,12の磁気モーメントが平
行か反平行かに応じて大小二種類の値をとる。反強磁性
体層14は外部磁界によらずに磁界の方向を保持する性
質を有しており、そのため、この反強磁性体層14に隣
接する強磁性体層12の磁気モーメントの方向は外部磁
界によらずに一方向に保持される。これに対して、もう
一方の強磁性体層11の磁気モーメントは、外部磁界の
印加によって変化しうる。磁気モーメントの方向が外部
磁界に応じて変化する強磁性体層11はフリー層と呼ば
れ、磁気モーメントの方向が外部磁界によらずに保持さ
れる強磁性体層12は、ピン層と呼ばれる。A tunnel current flowing through the tunnel insulating layer 13 when a voltage is applied between the upper and lower electrodes 15 and 16 depends on whether the magnetic moment of the pair of ferromagnetic layers 11 and 12 is parallel or antiparallel. It takes two values, large and small. The antiferromagnetic layer 14 has the property of maintaining the direction of the magnetic field regardless of the external magnetic field. Therefore, the direction of the magnetic moment of the ferromagnetic layer 12 adjacent to the antiferromagnetic layer 14 is It is held in one direction regardless of the magnetic field. On the other hand, the magnetic moment of the other ferromagnetic layer 11 can be changed by applying an external magnetic field. The ferromagnetic layer 11 in which the direction of the magnetic moment changes in accordance with the external magnetic field is called a free layer, and the ferromagnetic layer 12 in which the direction of the magnetic moment is maintained regardless of the external magnetic field is called a pinned layer.
【0006】図10は、図9のメモリエレメントMEを
用いた磁気メモリのセル構造を説明するための図解的な
断面図である。メモリセル選択用のMOSトランジスタ
TrのゲートはワードラインWLをなしている。このM
OSトランジスタTrのドレインには、ノード17など
を介してメモリエレメントMEの下部電極15が接続さ
れている。そして、メモリエレメントMEの上部電極1
6は、情報読出のためのビットラインBLに接続されて
いる。FIG. 10 is a schematic sectional view for explaining a cell structure of a magnetic memory using the memory element ME of FIG. The gate of the MOS transistor Tr for selecting a memory cell forms a word line WL. This M
The lower electrode 15 of the memory element ME is connected to the drain of the OS transistor Tr via the node 17 and the like. Then, the upper electrode 1 of the memory element ME
6 is connected to a bit line BL for reading information.
【0007】ビットラインBLとワードラインWLとは
互いに直交する方向に延びて形成されている。そして、
ワードラインWLと平行に、コントロールラインCLが
設けられている。このコントロールラインCLは、メモ
リエレメントMEに必要十分な磁界を印加できる位置に
形成されている。たとえば、メモリエレメントMEのピ
ン層12の磁気モーメントが反強磁性体層14によっ
て、図10の右向きに固定されていると仮定する。そし
て、フリー層11の磁気モーメントを図10の右向きか
ら左向きに反転させる場合を考える。図10において、
ビットラインBLに右向きの電流を印加し、コントロー
ルラインCLには、図10の紙面の裏側から表側に向か
う方向の電流を印加する。これにより、メモリエレメン
トMEのフリー層11付近には、ビットラインBLおよ
びコントロールラインCLに流れる電流により、アンペ
ールの法則により規定される磁界が生じる。より具体的
には、フリー層11の磁気モーメントは、ビットライン
BLからの磁界によって図10の紙面の裏向きの力を受
け、さらに、コントロールラインCLからの磁界によっ
て図10の左方向の力を受ける。これらの力により、フ
リー層11の磁気モーメントは、右向きの状態から、紙
面裏向きの状態に起こされ、この状態を経て、左向きに
反転する。The bit line BL and the word line WL are formed to extend in directions orthogonal to each other. And
A control line CL is provided in parallel with the word line WL. The control line CL is formed at a position where a necessary and sufficient magnetic field can be applied to the memory element ME. For example, it is assumed that the magnetic moment of the pinned layer 12 of the memory element ME is fixed to the right in FIG. Then, a case is considered where the magnetic moment of the free layer 11 is reversed from right to left in FIG. In FIG.
A rightward current is applied to the bit line BL, and a current is applied to the control line CL from the back side to the front side in FIG. Thus, a magnetic field defined by Ampere's law is generated near the free layer 11 of the memory element ME by the current flowing through the bit line BL and the control line CL. More specifically, the magnetic moment of the free layer 11 receives a downward force on the paper surface of FIG. 10 by a magnetic field from the bit line BL, and further, a leftward force of FIG. 10 by a magnetic field from the control line CL. receive. Due to these forces, the magnetic moment of the free layer 11 is caused to change from a rightward state to a rearward state on the paper, and after this state, it is reversed to the left.
【0008】磁気異方性によって、フリー層11の磁気
モーメントは、右向きか左向きかのいずれかに安定して
保持されるので、反転後のフリー層11の磁気モーメン
トは、外部磁界を取り除いた後も安定している。このよ
うにして、フリー層11とピン層12との磁気モーメン
トが反平行になり、トンネル電流が小さい状態(たとえ
ば、「0」の状態と定義される。)を書き込めたことに
なる。フリー層11の磁気モーメントを右向きにする場
合には、コントロールラインCLに印加する電流の向き
を上述の場合の逆向きにすればよい。Since the magnetic moment of the free layer 11 is stably held to the right or left due to the magnetic anisotropy, the magnetic moment of the free layer 11 after the reversal becomes the value after removing the external magnetic field. Is also stable. In this way, the magnetic moments of the free layer 11 and the pinned layer 12 become antiparallel, and a state in which the tunnel current is small (for example, a state of “0”) can be written. When the magnetic moment of the free layer 11 is set to the right, the direction of the current applied to the control line CL may be set to the reverse of the above case.
【0009】情報読出時には、ワードラインWLに電圧
を印加して、メモリエレメントMEに接続されたMOS
トランジスタTrを導通させる。この状態で、ビットラ
インBLに電圧を印加するとともに、メモリエレメント
MEに流れるトンネル電流の大小をセンスアンプ(図示
せず)で検知すれば、このメモリエレメントMEに書き
込まれている二値データ(「1」または「0」)を読み
出すことができる。つまり、トンネル電流が大きければ
「1」の状態(フリー層11およびピン層12の磁気モ
ーメントが平行な状態)を読み出したことになり、トン
ネル電流が小さければ「0」の状態を読み出したことに
なる。At the time of reading information, a voltage is applied to the word line WL, and a MOS connected to the memory element ME is applied.
The transistor Tr is turned on. In this state, when a voltage is applied to the bit line BL and the magnitude of the tunnel current flowing through the memory element ME is detected by a sense amplifier (not shown), the binary data ("" 1 "or" 0 "). That is, if the tunnel current is large, the state of "1" (the state where the magnetic moments of the free layer 11 and the pinned layer 12 are parallel) is read, and if the tunnel current is small, the state of "0" is read. Become.
【0010】このようにして、ビットラインBLおよび
コントロールラインCLに流れる電流の向きおよび大き
さによって、フリー層11の磁気モーメントの向きを制
御して、「0」または「1」の二値情報を記憶したり、
これを読み出したりすることができる。図11は、従来
のMRAMの電気的構成を説明するための電気回路図で
ある。複数個のメモリセルはマトリクス配列されてい
る。行方向に配列されたメモリセルC11,C12,;
C21,C22のトランジスタTrは、ワードラインW
L1,WL2をそれぞれ共有しており、列方向に配列さ
れたメモリセルC11,C21;C12,C22は、そ
れぞれビットラインBL1,BL2に共通接続されてい
る。In this manner, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 is controlled by the direction and magnitude of the current flowing through the bit line BL and the control line CL, and the binary information of “0” or “1” is obtained. To remember,
This can be read out. FIG. 11 is an electric circuit diagram for explaining an electric configuration of a conventional MRAM. The plurality of memory cells are arranged in a matrix. Memory cells C11, C12, arranged in the row direction;
The transistors Tr of C21 and C22 are connected to the word line W
L1 and WL2 are shared, and memory cells C11 and C21; C12 and C22 arranged in the column direction are commonly connected to bit lines BL1 and BL2, respectively.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】上述のようなMRAM
の構造では、メモリエレメントMEの上下に、互いに直
交するビットラインBLおよびコントロールラインCL
を配置する必要がある。そのため、メモリエレメントM
EとトランジスタTrとを接続するノード17と、コン
トロールラインCLとを同じ層の薄膜で形成する必要が
ある。このため、メモリセルの密度が配線のピッチによ
り規定されてしまう。したがって、高集積化のために
は、超微細加工が必要となり、さらなる技術開発やコス
トアップが必至である。したがって、現状では、MRA
Mの高集積化が困難であるという問題がある。An MRAM as described above
Has a bit line BL and a control line CL which are orthogonal to each other above and below the memory element ME.
Need to be placed. Therefore, the memory element M
It is necessary that the control line CL and the node 17 connecting the E and the transistor Tr be formed of the same thin film. For this reason, the density of the memory cells is determined by the pitch of the wiring. Therefore, ultra-fine processing is required for high integration, and further technical development and cost increase are inevitable. Therefore, at present, MRA
There is a problem that high integration of M is difficult.
【0012】また、フリー層11とピン層12とは、平
行または反平行の二状態を取りうるに過ぎないから、フ
ラッシュメモリのような多値メモリを実現できないとい
う問題があった。そこで、この発明の第1の目的は、上
述の技術的課題を解決し、高集積化に有利な構造の強磁
性トンネル接合素子を用いた記憶装置を提供することで
ある。また、この発明の第2の目的は、多値情報の記憶
が可能なメモリセル構造を強磁性トンネル接合素子を用
いて実現した記憶装置を提供することである。Further, since the free layer 11 and the pinned layer 12 can only take two states of parallel or anti-parallel, there is a problem that a multilevel memory such as a flash memory cannot be realized. Accordingly, a first object of the present invention is to solve the above-mentioned technical problem and to provide a storage device using a ferromagnetic tunnel junction element having a structure advantageous for high integration. A second object of the present invention is to provide a storage device in which a memory cell structure capable of storing multilevel information is realized by using a ferromagnetic tunnel junction device.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項1記載の発明は、基板
(1)上に積層されて形成され、強磁性トンネル接合素
子(10)をそれぞれ有する第1および第2のメモリエ
レメント(ME11,ME21;ME11a,ME11
b;ME1,ME2)と、上記第1および第2のメモリ
エレメントの間に配置され、これらの第1および第2の
メモリエレメントの情報書換えのために共有される第1
の電流印加ライン(BL1,BLa)と、上記第1のメ
モリエレメントに対して上記第2のメモリエレメントと
は反対側に配置され、上記第1のメモリエレメントの情
報書換えのために用いられる第2の電流印加ライン(C
L1,CL1a,CLa)と、上記第2のメモリエレメ
ントに対して上記第1のメモリエレメントとは反対側に
配置され、上記第2のメモリエレメントの情報書換えの
ために用いられる第3の電流印加ライン(CL2,CL
1b,CLb)とを含むことを特徴とする強磁性トンネ
ル接合素子を用いた記憶装置である。ただし、括弧内の
英数字は、後述の実施形態における対応構成要素を参考
のために記したものである。以下、この項において同
じ。According to the first aspect of the present invention, there is provided a ferromagnetic tunnel junction device (10) which is formed by being laminated on a substrate (1). First and second memory elements (ME11, ME21; ME11a, ME11)
b, ME1, ME2) and a first memory element arranged between the first and second memory elements and shared for information rewriting of the first and second memory elements.
And the second memory element disposed on the opposite side of the first memory element from the second memory element and used for rewriting information of the first memory element. Current application line (C
L1, CL1a, CLa) and a third current application disposed on the opposite side of the second memory element from the first memory element and used for rewriting information in the second memory element. Line (CL2, CL
1b, CLb), and a storage device using a ferromagnetic tunnel junction device. However, the alphanumeric characters in the parentheses indicate corresponding components in the embodiments described below for reference. Hereinafter, the same applies in this section.
【0014】上記強磁性トンネル接合素子は、一対の強
磁性体層間にトンネル絶縁体層を挟持した構造のもので
あってもよい。この場合に、メモリエレメントは、強磁
性トンネル接合素子の一方の強磁性体層側に反強磁性体
層を配置し、このようにしてできる強磁性体層/トンネ
ル絶縁体層/強磁性体層/反強磁性体層の積層構造を上
部電極および下部電極で挟んだ構成であってもよい。こ
のような構造の場合、反強磁性体層側の強磁性体層の磁
気モーメントは一方向に保持される。この強磁性体層は
ピン層とよばれる。これに対して、他方の強磁性体層の
磁気モーメントの方向は外部磁界の影響を受けて変化す
る。この強磁性体層はフリー層と呼ばれる。そこで、適
当な外部磁界をメモリエレメントに印加し、フリー層の
磁気モーメントをピン層の磁気モーメントと平行または
反平行な状態として、二値情報を書き込むことができ
る。フリー層の磁気モーメントの方向は、外部磁界を取
り除いた後も保持されるから、不揮発な記憶が達成され
る。そして、上下の電極間に適当な読出電圧を印加し
て、強磁性体層間のトンネル電流の大小を検出すること
により、記憶情報を読み出すことができる。The ferromagnetic tunnel junction device may have a structure in which a tunnel insulator layer is sandwiched between a pair of ferromagnetic layers. In this case, the memory element includes an antiferromagnetic layer disposed on one ferromagnetic layer side of the ferromagnetic tunnel junction element, and a ferromagnetic layer / tunnel insulating layer / ferromagnetic layer formed in this manner. A configuration may be adopted in which the laminated structure of the antiferromagnetic layer is sandwiched between the upper electrode and the lower electrode. In such a structure, the magnetic moment of the ferromagnetic layer on the antiferromagnetic layer side is held in one direction. This ferromagnetic layer is called a pinned layer. On the other hand, the direction of the magnetic moment of the other ferromagnetic layer changes under the influence of the external magnetic field. This ferromagnetic layer is called a free layer. Accordingly, binary information can be written by applying an appropriate external magnetic field to the memory element and setting the magnetic moment of the free layer to be parallel or anti-parallel to the magnetic moment of the pinned layer. Since the direction of the magnetic moment of the free layer is maintained even after the external magnetic field is removed, nonvolatile storage is achieved. Then, by applying an appropriate read voltage between the upper and lower electrodes and detecting the magnitude of the tunnel current between the ferromagnetic layers, the stored information can be read.
【0015】この発明では、基板(たとえば半導体基
板)上に、第1および第2のメモリエレメントが積層配
置され、これらの第1および第2のメモリエレメントの
間に第1の電流印加ラインが配置される。この第1の電
流印加ラインは、第1および第2のメモリエレメントの
記憶情報の書換えのために共通に用いることができる。
一方、第1のメモリエレメントに関連して、第2のメモ
リエレメントの反対側には、第2の電流印加ラインが配
置され、第2のメモリエレメントに関連して、第1のメ
モリエレメントの反対側には、第1の電流印加ラインが
配置される。According to the present invention, the first and second memory elements are stacked and arranged on a substrate (for example, a semiconductor substrate), and the first current application line is arranged between the first and second memory elements. Is done. This first current application line can be commonly used for rewriting information stored in the first and second memory elements.
On the other hand, on the opposite side of the second memory element with respect to the first memory element, a second current application line is arranged, and on the opposite side of the first memory element with respect to the second memory element. On the side, a first current application line is arranged.
【0016】第1〜第3の電流印加ラインに電流を印加
すると、アンペールの法則に従って、電流の大きさおよ
び電流経路からの距離に応じた磁界が形成される。そこ
で、第1および第2の電流印加ラインに適切な電流を供
給することにより、第1のメモリエレメントに対する情
報の書込を行える。このとき第2の電流印加ラインから
比較的遠い第2のメモリエレメントの記憶情報が書き換
えられることはない。同様に、第1および第3の電流印
加ラインに適切な電流を供給することにより、第2のメ
モリエレメントの記憶情報を、第1のメモリエレメント
の記憶情報に影響を与えることなく書き換えることがで
きる。When a current is applied to the first to third current application lines, a magnetic field corresponding to the magnitude of the current and the distance from the current path is formed according to Ampere's law. Therefore, information can be written to the first memory element by supplying an appropriate current to the first and second current application lines. At this time, the information stored in the second memory element relatively far from the second current application line is not rewritten. Similarly, by supplying an appropriate current to the first and third current application lines, the information stored in the second memory element can be rewritten without affecting the information stored in the first memory element. .
【0017】このようにして、基板上に積層された2つ
のメモリエレメントを含むメモリセルには、2ビットの
情報を記憶することができる。請求項2記載の発明は、
上記第1のメモリエレメントに接続され、この第1のメ
モリエレメントの記憶情報を読み出すための第1の読出
トランジスタ(Tr11)と、上記第2のメモリエレメ
ントに接続され、この第2のメモリエレメントの記憶情
報を読み出すための第2の読出トランジスタ(Tr2
1)とをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の記
憶装置である。In this manner, 2-bit information can be stored in a memory cell including two memory elements stacked on a substrate. The invention according to claim 2 is
A first read transistor (Tr11) connected to the first memory element for reading stored information of the first memory element; and a first read transistor (Tr11) connected to the second memory element and connected to the second memory element. A second read transistor (Tr2
The storage device according to claim 1, further comprising: (1).
【0018】この構成によれば、第1および第2のメモ
リエレメントの記憶情報が第1および第2の読出トラン
ジスタを介して独立に読み出される。これにより、1つ
分のメモリセルの占有面積内に各1ビットの情報を記憶
することができる2つのメモリセルを実質的に配置する
ことができるから、集積度を向上することができる。む
ろん、3個以上のメモリエレメントを同様にして基板上
に積層することもできるから、3つ以上のメモリセルを
1つ分のメモリセルの配置スペースに実質的に配置する
ことも可能である。このような構成もこの発明の範囲内
のものである。According to this configuration, the information stored in the first and second memory elements is independently read out via the first and second read transistors. Thus, two memory cells capable of storing 1-bit information can be substantially arranged within the occupied area of one memory cell, so that the degree of integration can be improved. Of course, three or more memory elements can be similarly stacked on the substrate, so that three or more memory cells can be substantially arranged in one memory cell arrangement space. Such a configuration is also within the scope of the present invention.
【0019】請求項3記載の発明は、上記第1および第
2のメモリエレメントに共通に接続され、これらの第1
および第2のメモリエレメントの記憶情報を共通に読み
出すための読出トランジスタ(Tr11,Tr)をさら
に含むことを特徴とする請求項1記載の記憶装置であ
る。この構成によれば、第1および第2のメモリエレメ
ントの記憶情報は共通の読出トランジスタを介して読み
出されるようになっているので、1つのメモリセルに2
ビットの多値情報を記憶できることになる。すなわち、
第1および第2のメモリエレメントにおいてピン層およ
びフリー層の磁気モーメントがそれぞれ平行または反平
行の状態をとりうるから、合計4つの状態を実現でき
る。そして、第1および第2のメモリエレメントを共通
に読出トランジスタに接続した構成により、上記4つの
状態に応じて異なる4種類のトンネル電流を検出でき
る。According to a third aspect of the present invention, the first and second memory elements are commonly connected to each other, and the first and second memory elements are connected to each other.
The storage device according to claim 1, further comprising a read transistor (Tr11, Tr) for commonly reading storage information of the second memory element. According to this configuration, the information stored in the first and second memory elements is read out via the common readout transistor.
Bit multivalued information can be stored. That is,
In the first and second memory elements, the magnetic moments of the pinned layer and the free layer can be in a parallel or anti-parallel state, respectively, so that a total of four states can be realized. With the configuration in which the first and second memory elements are commonly connected to the read transistor, four different types of tunnel currents can be detected according to the above four states.
【0020】ただし、第1および第2メモリエレメント
の構成が同様であれば、第1のメモリエレメントにおけ
る磁気モーメントの状態が平行で、かつ、第2のメモリ
エレメントにおける磁気モーメントの状態が反平行であ
る場合と、第1のメモリエレメントにおける磁気モーメ
ントの状態が反平行で、かつ、第2のメモリエレメント
における磁気モーメントの状態が平行である場合とで
は、検出される電流量が等しい。したがって、この場合
には、実質的に3値の記憶が可能であることになる。However, if the configurations of the first and second memory elements are the same, the state of the magnetic moment in the first memory element is parallel and the state of the magnetic moment in the second memory element is antiparallel. In some cases, the amount of detected current is equal between the case where the state of the magnetic moment in the first memory element is antiparallel and the state of the magnetic moment in the second memory element is parallel. Therefore, in this case, ternary storage is practically possible.
【0021】第1および第2のメモリエレメントの構成
を異ならせることによって(とくに、強磁性体層/トン
ネル絶縁体層/強磁性体層の構造の強磁性トンネル接合
素子の面積を異ならせることによって)、4値の記憶が
可能になる。請求項3の発明の構成を発展させて、3個
以上のメモリエレメントを基板上に積層してもよい。こ
の場合、3ビット以上の多値メモリが実現されることに
なる。このような構成も、請求項3の発明の範囲内のも
のである。By making the structures of the first and second memory elements different (especially, by making the area of the ferromagnetic tunnel junction device having the structure of ferromagnetic layer / tunnel insulator layer / ferromagnetic layer different) ) Four values can be stored. The configuration of the third aspect of the present invention may be developed to stack three or more memory elements on a substrate. In this case, a multi-valued memory of 3 bits or more is realized. Such a configuration is also within the scope of the third aspect of the present invention.
【0022】請求項4記載の発明は、上記第1の電流印
加ラインが、上記第1および第2のメモリエレメントの
記憶情報の読出のために共有されることを特徴とする請
求項1ないし3のいずれかに記載の記憶装置である。こ
の構成では、第1の電流印加ラインが、情報の書換えの
みならず、情報の読出時にも、第1および第2のメモリ
エレメント間で共有されるから、記憶装置の回路構成を
簡単にすることができる。According to a fourth aspect of the present invention, the first current application line is shared for reading information stored in the first and second memory elements. The storage device according to any one of the above. In this configuration, since the first current application line is shared between the first and second memory elements not only when information is rewritten but also when information is read, the circuit configuration of the storage device is simplified. Can be.
【0023】このような構成は、たとえば、第1および
第2のメモリエレメントの一方の電極(たとえば、フリ
ー層側の電極)を第1の電流印加ラインに接続するとと
もに、第1および第2のメモリエレメントの他方の電極
(たとえば、ピン層側の電極)を個別のまたは共通の読
出トランジスタに接続することによって実現される。こ
の場合、第2の電流印加ラインは、第1のメモリエレメ
ントの上記他方の電極の近傍に、当該電極とは絶縁され
た状態で配置すればよい。同様に、第3の電流印加ライ
ンは、第2のメモリエレメントの上記他方の電極の近傍
に、当該電極とは絶縁された状態で配置すればよい。With such a configuration, for example, one electrode (for example, an electrode on the free layer side) of each of the first and second memory elements is connected to the first current application line, and the first and second memory elements are connected. This is realized by connecting the other electrode of the memory element (for example, the electrode on the pin layer side) to an individual or common read transistor. In this case, the second current application line may be arranged near the other electrode of the first memory element while being insulated from the other electrode. Similarly, the third current application line may be disposed near the other electrode of the second memory element while being insulated from the electrode.
【0024】なお、第1の電流印加ラインが情報の読出
に兼用されない場合には、第2の電流印加ラインを第1
のメモリエレメントからの情報読出に用い、第3の電流
印加ラインを第2のメモリエレメントからの情報読出に
用いることもできる。この場合には、第1および第2の
メモリエレメントの一方の電極を第2および第3の電流
印加ラインにそれぞれ接続し、第1および第2のメモリ
エレメントの他方電極を個別のまたは共通の読出トラン
ジスタに接続する。そして、第1の電流印加ラインは、
第1および第2のメモリエレメントの間において上記他
方の電極と絶縁された状態で設ければよい。When the first current application line is not used for reading information, the second current application line is connected to the first current application line.
And the third current application line can be used for reading information from the second memory element. In this case, one electrode of the first and second memory elements is connected to the second and third current application lines, respectively, and the other electrodes of the first and second memory elements are individually or commonly read. Connect to transistor. And the first current application line is
It may be provided between the first and second memory elements while being insulated from the other electrode.
【0025】請求項5記載の発明は、複数個のメモリセ
ルを基板上にマトリクス配列して構成された記憶装置で
あって、各メモリセルは、強磁性トンネル接合素子をそ
れぞれ有する第1および第2のメモリエレメントを上記
基板上に積層して構成されており、上記記憶装置は、列
方向に整列した複数のメモリセルに備えられた上記第1
および第2のメモリエレメントの間を通って配置され、
上記第1および第2のメモリエレメントに対する記憶情
報の書換えのために共通に用いられる第1の電流印加ラ
インと、行方向に整列した複数のメモリセルにおいて上
記第1のメモリエレメントに対して上記第2のメモリエ
レメントとは反対側を通って配置され、上記第1のメモ
リエレメントの記憶情報を書き換えるための第2の電流
印加ラインと、行方向に整列した複数のメモリセルにお
いて上記第2のメモリエレメントに対して上記第1のメ
モリエレメントとは反対側を通って配置され、上記第2
のメモリエレメントの記憶情報を書き換えるための第3
の電流印加ラインとを含むことを特徴とする強磁性トン
ネル接合素子を用いた記憶装置である。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a storage device having a plurality of memory cells arranged in a matrix on a substrate, wherein each memory cell has a first and a second ferromagnetic tunnel junction element. Two memory elements are stacked on the substrate, and the storage device is provided with a plurality of memory cells arranged in a column direction.
And between the second memory element and
A first current application line commonly used for rewriting stored information in the first and second memory elements; and a plurality of memory cells arranged in a row direction, the first current application line being used for the first memory element. A second current application line for rewriting storage information of the first memory element, the second current application line being arranged on a side opposite to the second memory element, and a plurality of memory cells arranged in a row direction. The second memory element is disposed on a side opposite to the first memory element;
Of rewriting the storage information of the memory element of
And a current application line for the ferromagnetic tunnel junction device.
【0026】この発明によれば、メモリセルを、第1お
よび第2のメモリエレメントを基板に垂直な方向に積層
した構造とすることにより、強磁性トンネル接合素子を
用いた集積度の高い記憶装置を実現できる。請求項6記
載の発明は、各メモリセルは、上記第1および第2のメ
モリエレメントにそれぞれ接続され、上記第1および第
2のメモリエレメントの記憶情報を読み出すための第1
および第2の読出トランジスタをさらに備え、行方向に
整列した複数のメモリセルに備えられた上記第1の読出
トランジスタに共通に接続された第1のワードライン
(WL1)と、行方向に整列した複数のメモリセルに備
えられた上記第2の読出トランジスタに共通に接続され
た第2のワードライン(WL2)とをさらに含むことを
特徴とする請求項5記載の記憶装置である。According to the present invention, the memory cell has a structure in which the first and second memory elements are stacked in a direction perpendicular to the substrate, thereby providing a highly integrated storage device using a ferromagnetic tunnel junction device. Can be realized. According to a sixth aspect of the present invention, each memory cell is connected to the first and second memory elements, respectively, and the first and second memory elements are used to read information stored in the first and second memory elements.
And a second read transistor, which is arranged in the row direction with a first word line (WL1) commonly connected to the first read transistor provided in the plurality of memory cells arranged in the row direction. The storage device according to claim 5, further comprising a second word line (WL2) commonly connected to the second read transistor provided in a plurality of memory cells.
【0027】この構成により、各メモリセルの第1およ
び第2のメモリエレメントの記憶情報を独立に読み出す
ことができるので、1つのメモリセル分の面積に実質的
に2つのメモリセルを配置することができる。3個以上
のメモリエレメントを基板上に積層すれば、さらに、実
質的な集積度を向上できる。請求項7記載の発明は、上
記第1および第2の読出トランジスタは、上記行方向に
沿ってずらして上記基板上に形成されていることを特徴
とする請求項6記載の記憶装置である。According to this configuration, the stored information of the first and second memory elements of each memory cell can be read independently, so that substantially two memory cells are arranged in the area of one memory cell. Can be. By stacking three or more memory elements on a substrate, the degree of integration can be further improved. The invention according to claim 7 is the storage device according to claim 6, wherein the first and second read transistors are formed on the substrate so as to be shifted along the row direction.
【0028】この構成によれば、第1および第2の読出
トランジスタがワードラインに沿ってずれて配列されて
いるので、ワードラインの引き回しが容易になり、記憶
装置の設計が容易になる。請求項8記載の発明は、各メ
モリセルは、上記第1および第2のメモリエレメントに
共通に接続され、これらの第1および第2のメモリエレ
メントの記憶情報を共通に読み出すための読出トランジ
スタをさらに含み、行方向に整列した複数のメモリセル
に備えられた上記読出トランジスタのゲートに共通に接
続されたワードライン(WL1)をさらに含むことを特
徴とする請求項5記載の記憶装置である。According to this configuration, since the first and second read transistors are arranged offset from each other along the word line, the word lines can be easily routed and the storage device can be easily designed. In a preferred embodiment of the present invention, each memory cell is commonly connected to the first and second memory elements and includes a read transistor for commonly reading stored information of the first and second memory elements. The storage device according to claim 5, further comprising a word line (WL1) commonly connected to a gate of said read transistor provided in a plurality of memory cells arranged in a row direction.
【0029】この構成により、第1および第2のメモリ
エレメントを積層した構造により、集積度の高い2ビッ
トの多値メモリを実現できる。3ビット以上の多値メモ
リは、3個以上のメモリエレメントを第1および第2の
メモリエレメントとともに積層することによって実現で
きる。請求項9記載の発明は、上記第1の電流を印加ラ
インが、上記第1および第2のメモリエレメントの記憶
情報の読出のために共有されるビットラインであること
を特徴とする請求項5ないし8のいずれかに記載の記憶
装置である。With this configuration, a 2-bit multi-valued memory with a high degree of integration can be realized by a structure in which the first and second memory elements are stacked. A multi-valued memory of three bits or more can be realized by stacking three or more memory elements together with the first and second memory elements. According to a ninth aspect of the present invention, the first current application line is a bit line shared for reading information stored in the first and second memory elements. 9. The storage device according to any one of claims 1 to 8,
【0030】この構成により、請求項4の発明の場合と
同様な効果を達成できる。請求項10記載の発明は、上
記第2のメモリエレメント上に、上記第3の電流印加ラ
インを挟んで、さらに第3のメモリエレメント(ME
3)が積層されており、上記第3のメモリエレメントに
対して上記第2のメモリエレメントとは反対側に、この
第3のメモリエレメントの記憶情報を書き換えるための
第4の電流印加ライン(BLb)が設けられていること
を特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の記憶
装置である。According to this configuration, the same effect as that of the fourth aspect can be achieved. According to a tenth aspect of the present invention, the third memory element (ME) is provided on the second memory element with the third current application line interposed therebetween.
3) are stacked, and a fourth current application line (BLb) for rewriting the storage information of the third memory element is provided on the opposite side of the third memory element from the second memory element. The storage device according to any one of claims 1 to 9, further comprising:
【0031】この構成によれば、基板上に3個のメモリ
エレメントが積層されているので、1つのメモリセル分
のスペースで3ビットの情報を記憶することができる。
これにより、強磁性トンネル接合素子を用いた記憶装置
の集積度をさらに高めることができる。第3のメモリエ
レメントに対する情報の書込は、第2のメモリエレメン
トと共有することになる第3の電流印加ラインと、第4
の電流印加ラインとに、適切な書込電流を印加すること
によって達成できる。第4の電流印加ラインは、第1お
よび第2のメモリエレメントから十分に離隔して配置す
ることができるので、この第4の電流印加ラインに印加
された電流により形成される磁界が、第1または第2の
メモリエレメントの記憶内容を書き換えるおそれはな
い。According to this configuration, since three memory elements are stacked on the substrate, 3-bit information can be stored in the space of one memory cell.
Thereby, the integration degree of the storage device using the ferromagnetic tunnel junction device can be further increased. Writing information to the third memory element is performed by using a third current application line to be shared with the second memory element and a fourth current application line.
By applying an appropriate write current to the current application line. Since the fourth current application line can be arranged sufficiently away from the first and second memory elements, the magnetic field formed by the current applied to this fourth current application line is the first current application line. Alternatively, there is no possibility of rewriting the storage content of the second memory element.
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、この発
明の第1の実施形態に係るMRAM(磁気メモリ装置)
のメモリセルの構造を説明するための図解的な断面図で
あり、図2は、その平面レイアウトを示す図解的な平面
図である。図1および図2には、ビットラインBLを共
有する2個のメモリセルC11,C21が示されてい
る。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an MRAM (magnetic memory device) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an illustrative sectional view for describing the structure of the memory cell of FIG. 1, and FIG. 2 is an illustrative plan view showing a planar layout thereof. FIG. 1 and FIG. 2 show two memory cells C11 and C21 sharing the bit line BL.
【0033】具体的には、半導体基板1上には、メモリ
セルC11のためのMOSトランジスタTr11および
メモリセルC21のためのMOSトランジスタTr21
が近接した位置に形成されている。MOSトランジスタ
Tr11,Tr21のゲートは、図1の紙面に垂直な方
向に沿って互いに平行に延びたワードラインWL1,W
L2をなしている。半導体基板1の上方には、酸化シリ
コンなどからなる層間絶縁膜2を挟んで、第1のコント
ロールラインCL1が、ワードラインWL1,WL2と
平行に延びて形成されている。この第1のコントロール
ラインCL1の上方に、さらに層間絶縁膜3をはさん
で、メモリセルC11,C21のためのメモリエレメン
トME11,ME21が重ねて形成されている。そし
て、メモリエレメントME21の上方にさらに、層間絶
縁膜4を挟んで第2のコントロールラインCL2が、第
1コントロールラインCL1と平行に延びて形成されて
いる。More specifically, a MOS transistor Tr11 for the memory cell C11 and a MOS transistor Tr21 for the memory cell C21 are provided on the semiconductor substrate 1.
Are formed at close positions. The gates of the MOS transistors Tr11, Tr21 are connected to the word lines WL1, W1,
L2. Above the semiconductor substrate 1, a first control line CL1 is formed extending in parallel with the word lines WL1 and WL2 with an interlayer insulating film 2 made of silicon oxide or the like interposed therebetween. Above the first control line CL1, memory elements ME11 and ME21 for the memory cells C11 and C21 are further formed with the interlayer insulating film 3 interposed therebetween. Further, a second control line CL2 is formed above the memory element ME21 so as to extend in parallel with the first control line CL1 with the interlayer insulating film 4 interposed therebetween.
【0034】メモリエレメントME11,ME21は、
上述の図9に示されたメモリエレメントMEと同様の構
造を有している。ただし、上側に配置されるメモリエレ
メントME21は、図9の場合とは上下反転して形成さ
れている。なお、以下では、必要に応じて図9を参照す
る。メモリエレメントME11,ME21の各上部電極
16は、共通にビットラインBL1に接合されている。
ビットラインBL1は、図1の紙面の左右方向、すなわ
ち、ワードラインWL1,WL2と直交する方向に沿っ
て延びている。The memory elements ME11 and ME21 are
It has the same structure as the memory element ME shown in FIG. 9 described above. However, the memory element ME21 arranged on the upper side is formed upside down from the case of FIG. In the following, FIG. 9 is referred to as needed. The upper electrodes 16 of the memory elements ME11 and ME21 are commonly connected to the bit line BL1.
The bit line BL1 extends in the left-right direction on the paper surface of FIG. 1, that is, the direction orthogonal to the word lines WL1 and WL2.
【0035】一方、メモリエレメントME11の下部電
極15は、接続部5を介してMOSトランジスタTr1
1に接続されている。また、メモリエレメントME21
の下部電極15(図1においては上側に位置することに
なる。)は、接続部6を介して、MOSトランジスタT
r21に接続されている。接続部5は、コントロールラ
インCL1の形成時に、同じ導電膜を用いて形成された
ノード51と、このノード51とメモリエレメントME
11の下部電極15との間を接続するプラグ52と、ノ
ード51とトランジスタTr11のドレインとを接続す
るプラグ53とを含む。また、接続部6は、コントロー
ルラインCL2の形成時に同じ導電膜を用いて形成され
たノード61と、ビットラインBL1の形成時に同じ導
電膜を用いて形成されたノード62と、コントロールラ
インCL1およびノード51の形成時に同じ導電膜を用
いて形成されたノード63とを含む。そして、メモリエ
レメントME21の下部電極15とノード61との間が
プラグ64で接続されており、ノード61とノード62
との間がプラグ65で接続されており、ノード62とノ
ード63との間がプラグ66で接続されており、ノード
63とトランジスタTr21のドレインとの間がプラグ
67で接続されている。On the other hand, the lower electrode 15 of the memory element ME11 is connected to the MOS transistor Tr1
1 connected. Also, the memory element ME21
The lower electrode 15 (located on the upper side in FIG. 1) is connected to the MOS transistor T
r21. The connection portion 5 includes a node 51 formed using the same conductive film when the control line CL1 is formed, and a node 51 and the memory element ME.
11 includes a plug 52 connecting the lower electrode 15 and the plug 51 connecting the node 51 and the drain of the transistor Tr11. The connection portion 6 includes a node 61 formed by using the same conductive film when forming the control line CL2, a node 62 formed by using the same conductive film when forming the bit line BL1, a control line CL1 and a node. 51 and the node 63 formed using the same conductive film when forming 51. The lower electrode 15 of the memory element ME21 and the node 61 are connected by a plug 64, and the node 61 and the node 62
Are connected by a plug 65, the node 62 and the node 63 are connected by a plug 66, and the node 63 and the drain of the transistor Tr21 are connected by a plug 67.
【0036】図2に示されているように、MOSトラン
ジスタTr11,Tr21は、ビットラインBL1の延
在方向に沿って並設されている。ビットラインBL1と
の交差を避けるために、メモリエレメントME21の下
部電極15は、L字形に形成されている。そして、MO
SトランジスタTr21と下部電極15とを接続するた
めの接続部6は、ビットラインBL1を避けた位置にお
いて半導体基板1に対してほぼ垂直に形成されている。As shown in FIG. 2, the MOS transistors Tr11 and Tr21 are juxtaposed along the extending direction of the bit line BL1. In order to avoid intersection with the bit line BL1, the lower electrode 15 of the memory element ME21 is formed in an L shape. And MO
The connection portion 6 for connecting the S transistor Tr21 and the lower electrode 15 is formed substantially perpendicular to the semiconductor substrate 1 at a position avoiding the bit line BL1.
【0037】平面レイアウトは、必要に応じて変更可能
であるが、ワードラインWL1,WL2の引き回しの容
易性を考慮すると、図3に示す平面レイアウトの採用が
好ましい。この図3に示すレイアウトでは、メモリエレ
メントME21の下部電極15をL字形に形成してビッ
トラインBL1を回避した位置に引き出すとともに、ト
ランジスタTr11,Tr21をコントロールラインC
L1,CL2の延在方向(すなわち、ワードラインWL
1,WL2の延在方向)に沿ってずらして形成してあ
る。そして、L字形の下部電極15の引き出し部15a
を接続部6を介して、MOSトランジスタTr21に接
続している。The plane layout can be changed as required. However, in consideration of the ease of routing the word lines WL1 and WL2, the plane layout shown in FIG. 3 is preferably used. In the layout shown in FIG. 3, the lower electrode 15 of the memory element ME21 is formed in an L shape so as to be drawn out of the position avoiding the bit line BL1, and the transistors Tr11 and Tr21 are connected to the control line C2.
The extending direction of L1 and CL2 (that is, the word line WL
1, WL2). Then, the lead portion 15a of the L-shaped lower electrode 15
Is connected to the MOS transistor Tr21 via the connection section 6.
【0038】図4は、この実施形態のMRAMの電気的
構成を説明するための電気回路図である。半導体基板1
上には、マトリクス状に多数のメモリセルが配置される
のであるが、この図4には、4個のみが示されている。
行方向に整列した複数個のメモリセルC11,C12
は、ワードラインWL1およびコントロールラインCL
1を共有している。そして、メモリセルC11,C12
のメモリエレメントME11,ME12の上方には、図
1〜図3に示した構造によって、同じく行方向に整列し
た複数個のメモリセルC21,C22のメモリエレメン
トME21,ME22がそれぞれ積層されている。この
ような構造が、複数行設けられることによって、半導体
基板1上に多数個のメモリセルが配置されている。FIG. 4 is an electric circuit diagram for explaining the electric configuration of the MRAM of this embodiment. Semiconductor substrate 1
At the top, a large number of memory cells are arranged in a matrix, but FIG. 4 shows only four memory cells.
A plurality of memory cells C11 and C12 aligned in the row direction
Is a word line WL1 and a control line CL
Share one. Then, the memory cells C11 and C12
Above the memory elements ME11 and ME12, the memory elements ME21 and ME22 of a plurality of memory cells C21 and C22 also arranged in the row direction are stacked by the structure shown in FIGS. By providing such a structure in a plurality of rows, a large number of memory cells are arranged on the semiconductor substrate 1.
【0039】既に説明したとおり、メモリセルC11,
C21は、ビットラインBL1を共有していて、このビ
ットラインBL1に、メモリエレメントME11,ME
21が接続されている。メモリエレメントME11は、
ワードラインWL1からの信号により制御されるMOS
トランジスタTr11に接続されており、メモリエレメ
ントME21は、ワードラインWL2からの信号によっ
て制御されるMOSトランジスタTr21接続されてい
る。As described above, the memory cells C11,
C21 shares the bit line BL1, and the bit line BL1 has the memory elements ME11, ME
21 are connected. The memory element ME11 is
MOS controlled by a signal from word line WL1
The memory element ME21 is connected to the transistor Tr11, and is connected to the MOS transistor Tr21 controlled by a signal from the word line WL2.
【0040】同様に、メモリセルC12,C22は、ビ
ットラインBL2を共有していて、このビットラインB
L2に、メモリエレメントME12,ME22が、メモ
リエレメントME11,ME21の場合と同様に共通接
続されている。メモリエレメントME12は、ワードラ
インWL1からの信号により制御されるMOSトランジ
スタTr12に接続されており、メモリエレメントME
22は、ワードラインWL2からの信号によって制御さ
れるMOSトランジスタTr22に接続されている。Similarly, the memory cells C12 and C22 share the bit line BL2.
The memory elements ME12 and ME22 are commonly connected to L2 as in the case of the memory elements ME11 and ME21. The memory element ME12 is connected to a MOS transistor Tr12 controlled by a signal from the word line WL1.
Reference numeral 22 is connected to a MOS transistor Tr22 controlled by a signal from the word line WL2.
【0041】メモリセルC11に対する書込動作を説明
する。メモリセルC11のメモリエレメントME11に
おいて、ピン層12の磁気モーメントが図1において右
向きであると仮定する。そして、フリー層11の磁気モ
ーメントが、ピン層12の磁気モーメントと平行な状態
(すなわち、図1において右向き。「1」状態と定義す
る。)であって、この状態から、フリー層11の磁気モ
ーメントをピン層12の磁気モーメントと反平行な状態
(すなわち、図1において左向き。「0」状態と定義す
る。)に反転させる場合を考える。The write operation for the memory cell C11 will be described. In the memory element ME11 of the memory cell C11, it is assumed that the magnetic moment of the pinned layer 12 is rightward in FIG. The magnetic moment of the free layer 11 is in a state parallel to the magnetic moment of the pinned layer 12 (that is, rightward in FIG. 1; defined as “1” state). A case where the moment is reversed to a state antiparallel to the magnetic moment of the pinned layer 12 (that is, leftward in FIG. 1, defined as “0” state) will be considered.
【0042】まず、図1において、たとえば10mAの
電流をビットラインBL1の右向きに印加する。さら
に、コントロールラインCL1には、たとえば、30m
Aの電流を、図1の紙面の裏から表に向かう方向に印加
する。このとき、コントロールラインCL2には、電流
は流さない。メモリエレメントME11のフリー層11
付近にはビットラインBL1とコントロールラインCL
1とに流れる電流により、アンペールの法則に従った磁
界が生じる。すなわち、フリー層11の磁気モーメント
は、ビットラインBL1からの磁界により図1の紙面に
対して裏向きの力を受け、さらにコントロールラインC
Lからの磁界によって、図1中左向きの力を受ける。こ
れらの力によって、メモリエレメントME11のフリー
層11の磁気モーメントの方向は、右向き→紙面裏向き
→左向きと変化する。First, in FIG. 1, a current of, for example, 10 mA is applied to the bit line BL1 rightward. Further, for example, 30 m
The current A is applied in a direction from the back to the front in FIG. At this time, no current flows through the control line CL2. Free layer 11 of memory element ME11
Near the bit line BL1 and the control line CL
1 generates a magnetic field according to Ampere's law. That is, the magnetic moment of the free layer 11 receives a force facing down on the plane of FIG. 1 by the magnetic field from the bit line BL1, and
Due to the magnetic field from L, a leftward force in FIG. 1 is received. Due to these forces, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME11 changes from rightward to rearward to leftward.
【0043】磁気異方性によって、フリー層11の磁気
モーメントは図1の右向きまたは左向きのいずれかに安
定に保持されるから、メモリエレメントME11のフリ
ー層11の磁気モーメントは、反転された後、外部磁界
を取り除いても、左向きに持される。この結果、フリー
層11とピン層12との磁気モーメントが反平行にな
り、トンネル電流が小さい状態、つまり「0」の状態を
不揮発に書き込めたことになる。Because of the magnetic anisotropy, the magnetic moment of the free layer 11 is stably held in either the rightward or leftward direction in FIG. 1, so that the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME11 is inverted. Even if the external magnetic field is removed, it is held to the left. As a result, the magnetic moments of the free layer 11 and the pinned layer 12 become antiparallel, and a state where the tunnel current is small, that is, a state of “0” can be written in a nonvolatile manner.
【0044】メモリエレメントME21のフリー層11
には、ビットラインBL1からの磁界が図1の紙面表向
きに印加される。しかし、このフリー層11は、コント
ロールラインCL1から比較的遠くに位置しているの
で、コントロールラインCL1からの磁界は弱い。ま
た、コントロールラインCL1に流れる電流が形成する
磁界は、ピットラインBL1により遮蔽される。そのた
め、メモリエレメントME21のフリー層11の磁気モ
ーメントの方向が反転に至ることはない。すなわち、メ
モリエレメントME21のフリー層11の磁気モーメン
トの方向は、ビットラインBL1に対する電流印加停止
後に元の方向に戻る。したがって、メモリセルC21の
記憶情報は、変化することがない。Free layer 11 of memory element ME21
, A magnetic field from the bit line BL1 is applied in the direction of the paper surface of FIG. However, since the free layer 11 is located relatively far from the control line CL1, the magnetic field from the control line CL1 is weak. The magnetic field formed by the current flowing through the control line CL1 is shielded by the pit line BL1. Therefore, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME21 does not reverse. That is, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME21 returns to the original direction after the current application to the bit line BL1 is stopped. Therefore, the information stored in the memory cell C21 does not change.
【0045】また、このときビットラインBL2には情
報書込のための電流が印加されないので、メモリセルC
12,C22の記憶情報が変化することはない。メモリ
セルC11に書き込むべき情報が「1」である場合に
は、上述の場合のコントロールラインCL1の電流の向
きを逆にすればよい。次に、メモリセルC11の記憶情
報を読み出すための動作を説明する。この場合、ワード
ラインWL1には、MOSトランジスタTr11が導通
する電圧が印加される。また、ワードラインWL2は、
MOSトランジスタTr21を遮断状態とすることがで
きる電圧に設定される。この状態でビットラインBL1
に電圧を印加し、メモリセルC11のメモリエレメント
ME11に流れるトンネル電流の大小をビットラインB
L1に接続されたセンスアンプ(図示せず)によって検
出することにより、メモリセルC11の記憶情報が
「1」か「0」かを識別することができる。すなわち、
トンネル電流量が大きければ「1」の状態が読み出され
たことになり、トンネル電流量が小さければ「0」の状
態が読み出されたことになる。なお、ビットラインBL
2には情報読出のための電圧が印加されないので、メモ
リセルC12,C22からの情報の読出が起きることは
ない。At this time, no current for writing information is applied to the bit line BL2, so that the memory cell C
12, C22 does not change. When the information to be written to the memory cell C11 is “1”, the direction of the current of the control line CL1 in the above case may be reversed. Next, an operation for reading information stored in the memory cell C11 will be described. In this case, a voltage for turning on the MOS transistor Tr11 is applied to the word line WL1. The word line WL2 is
The voltage is set such that MOS transistor Tr21 can be turned off. In this state, the bit line BL1
Is applied to the bit line B to determine the magnitude of the tunnel current flowing through the memory element ME11 of the memory cell C11.
By detecting with a sense amplifier (not shown) connected to L1, it is possible to identify whether the storage information of the memory cell C11 is "1" or "0". That is,
If the amount of tunnel current is large, the state of "1" is read, and if the amount of tunnel current is small, the state of "0" is read. Note that the bit line BL
Since no voltage for reading information is applied to 2, no information is read from the memory cells C12 and C22.
【0046】情報の消去は、各メモリセルに初期値(た
とえば「0」)を書き込むことによって達成されるか
ら、特別の消去動作は必要ではない。このようにこの実
施形態のMRAMによれば、ビットラインBL1の上下
に一対のメモリエレメントME11,ME21を積層し
て配置することにより、一対のメモリエレメントME1
1,ME21によってビットラインBL1を共有するよ
うにしている。これにより、2セル分のメモリエレメン
トME11,ME21が実質的に1セル分の面積で形成
できる。これにより、小さな面積の半導体基板1上に多
数個のメモリセルを集積することができるから、集積度
の極めて高いMRAMを実現することができる。Since information erasing is achieved by writing an initial value (for example, "0") to each memory cell, no special erasing operation is required. As described above, according to the MRAM of this embodiment, the pair of memory elements ME11 and ME21 are stacked and arranged above and below the bit line BL1, thereby forming the pair of memory elements ME1.
1, the bit line BL1 is shared by ME21. Thereby, the memory elements ME11 and ME21 for two cells can be formed with an area of substantially one cell. Thereby, a large number of memory cells can be integrated on the semiconductor substrate 1 having a small area, so that an MRAM with a very high degree of integration can be realized.
【0047】図5は、この発明の第2の実施形態にかか
るMRAMのメモリセル構造を説明するための図解的な
断面図である。また、図6は、図5に示されたメモリセ
ル構造の平面レイアウトを説明するための平面図であ
る。これらの図5および図6において、上述の図1およ
び図2に示された各部に対応する部分には、図1および
図2の場合と同じ参照符号を付して示す。上述の第1の
実施形態の場合とは異なり、この第2の実施形態では、
一つのメモリセルC11に2つのメモリエレメントME
11a,ME11bが積層されて設けられている。これ
により、この第2の実施形態にかかるMRAMにおいて
は、1つのメモリセルに多値情報を記憶できるようにな
っている。メモリエレメントME11a,11bは、図
9のメモリエレメントMEと同様な構造を有している。FIG. 5 is an illustrative sectional view for explaining the memory cell structure of the MRAM according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a plan view for explaining a planar layout of the memory cell structure shown in FIG. 5 and FIG. 6, parts corresponding to the respective parts shown in FIG. 1 and FIG. 2 described above are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1 and FIG. Unlike the case of the first embodiment described above, in the second embodiment,
Two memory elements ME are stored in one memory cell C11.
11a and ME 11b are provided in a stacked manner. Thus, in the MRAM according to the second embodiment, multi-value information can be stored in one memory cell. The memory elements ME11a and 11b have the same structure as the memory element ME in FIG.
【0048】具体的な構成について説明すると、ビット
ラインBL1を共有するように上下に積層されるメモリ
エレメントME11a,ME11bの下部電極15は、
いずれも同じMOSトランジスタTr11に接続されて
いる。すなわち、メモリエレメントME11aの下部電
極15は、接続部5を介してMOSトランジスタTr1
1のドレインに接続されている。同様に、メモリエレメ
ントME11bの下部電極15は、別の接続部6を介し
てMOSトランジスタTr11のドレインに接続されて
いる。The specific configuration will be described. The lower electrodes 15 of the memory elements ME11a and ME11b which are vertically stacked so as to share the bit line BL1 are
Both are connected to the same MOS transistor Tr11. That is, the lower electrode 15 of the memory element ME11a is connected to the MOS transistor Tr1 via the connection portion 5.
1 drain. Similarly, the lower electrode 15 of the memory element ME11b is connected to the drain of the MOS transistor Tr11 via another connection 6.
【0049】図6に示されているように、上方側のメモ
リエレメントME11bの下部電極15は、L字形に形
成されていて、ビットラインBL1を回避した位置に引
き出された引き出し部15aを有している。この引き出
し部15aが、接続部6を介してMOSトランジスタT
r11のドレインに接続されている。メモリエレメント
ME11a,ME11bの各フリー層11の磁気モーメ
ントの方向は、メモリエレメントME11aの下方に層
間絶縁膜3を介して設けられた第1のコントロールライ
ンCL1aと、ビットラインBL1と、メモリエレメン
トME11bの上方に層間絶縁膜4を介して設けられた
第2のコントロールラインCL1bとに印加する電流を
個別に制御することによって、各他方のメモリエレメン
トのフリー層11から独立して制御することができる。As shown in FIG. 6, the lower electrode 15 of the upper memory element ME11b is formed in an L-shape and has a lead-out portion 15a drawn to a position avoiding the bit line BL1. ing. The lead portion 15a is connected to the MOS transistor T via the connection portion 6.
It is connected to the drain of r11. The direction of the magnetic moment of each free layer 11 of the memory elements ME11a and ME11b is determined by the direction of the first control line CL1a provided below the memory element ME11a via the interlayer insulating film 3, the bit line BL1, and the memory element ME11b. By individually controlling the current applied to the second control line CL1b provided above via the interlayer insulating film 4, the current can be controlled independently of the free layer 11 of each other memory element.
【0050】すなわち、第2のコントロールラインCL
1bに電流を印加していない状態で、ビットラインBL
1および第1のコントロールラインCL1aに適当な書
込電流を印加すれば、メモリエレメントME11aのフ
リー層11の磁気モーメントの方向を制御することがで
き、メモリエレメントME11aに「0」または「1」
の情報を書き込むことができる。同様に、第1のコント
ロールラインCL1aに電流を印加していない状態で、
ビットラインBL1および第2のコントロールラインC
L1bに適当な電流を印加すれば、メモリエレメントM
E11bのフリー層11の磁気モーメントの方向を制御
することができ、メモリエレメントME11bに対する
情報の書込を行える。That is, the second control line CL
1b with no current applied to the bit line BL
By applying an appropriate write current to the first control line CL1a and the first control line CL1a, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME11a can be controlled, and "0" or "1" is applied to the memory element ME11a.
Information can be written. Similarly, when no current is applied to the first control line CL1a,
Bit line BL1 and second control line C
When an appropriate current is applied to L1b, the memory element M
The direction of the magnetic moment of the free layer 11 of E11b can be controlled, and information can be written to the memory element ME11b.
【0051】したがって、メモリエレメントME11
a,ME11bの組には、(0,0),(1,0)
(0,1),(1,1)の4種類の情報を書き込むこと
ができる。ただし、メモリエレメントME11a,ME
11bは共通にMOSトランジスタTr11に接続され
ていて、情報読出時には、各メモリエレメントのトンネ
ル電流の総和が検出できるにすぎない。したがって、結
局、二進表記で「00」「01」「11」の3値を記憶
できることになる。Therefore, memory element ME11
a, ME11b includes (0, 0), (1, 0)
Four types of information (0, 1) and (1, 1) can be written. However, the memory elements ME11a, ME
11b is commonly connected to the MOS transistor Tr11, and can only detect the sum of the tunnel currents of the respective memory elements at the time of reading information. Therefore, after all, three values of “00”, “01”, and “11” can be stored in binary notation.
【0052】メモリエレメントME11a,ME11b
の強磁性トンネル接合素子10の面積を異ならせれば、
トンネル電流をメモリエレメントME11aとME11
bとで異ならせることができる。これにより、(0,
0),(1,0)(0,1),(1,1)の4種類の記
憶状態に応じて4種類の電流を検出できるようにしてお
けば、二進表記で「00」「01」「10」「11」の
4値の記憶が可能になる。Memory elements ME11a, ME11b
If the area of the ferromagnetic tunnel junction device 10 is changed,
The tunnel current is supplied to the memory elements ME11a and ME11.
b. This gives (0,
If four kinds of currents can be detected according to four kinds of storage states of (0), (1, 0), (0, 1), and (1, 1), "00" and "01" are represented in binary notation. "10" and "11" can be stored.
【0053】図7は、この実施形態に係るMRAMの電
気的構成を説明するための電気回路図である。この図7
には、4つのメモリセルに関する電気的構成が示されて
いるけれども、実際には、半導体基板1上には、さらに
多数のメモリセルがマトリクス状に配列されて形成され
ている。メモリセルC11,C12,C21,C22
は、それぞれ、各一対のメモリエレメントME11a,
ME11b;ME12a,ME12b;ME21a,M
E21b;ME22a,ME22bを有している。これ
らの各一対のメモリエレメントME11a,ME11
b;ME12a,ME12b;ME21a,ME21
b;ME22a,ME22bは、それぞれ共通にMOS
トランジスタTr11,Tr12,Tr21,Tr22
に接続されている。行方向に整列しているメモリセルC
11,C12のトランジスタTr11,Tr12のゲー
トは、共通にワードラインWL1に接続されており、同
様に行方向に整列しているメモリセルC21,C22の
MOSトランジスタTr21,Tr22のゲートは、共
通にワードラインWL2に接続されている。FIG. 7 is an electric circuit diagram for explaining an electric configuration of the MRAM according to this embodiment. This FIG.
Although FIG. 1 shows an electrical configuration related to four memory cells, actually, a larger number of memory cells are formed in a matrix on the semiconductor substrate 1. Memory cells C11, C12, C21, C22
Are respectively a pair of memory elements ME11a,
ME11b; ME12a, ME12b; ME21a, M
E21b has ME22a and ME22b. Each pair of these memory elements ME11a, ME11
b; ME12a, ME12b; ME21a, ME21
b; ME22a and ME22b are commonly MOS
Transistors Tr11, Tr12, Tr21, Tr22
It is connected to the. Memory cells C aligned in the row direction
The gates of the transistors Tr11 and Tr12 of the transistors C11 and C12 are commonly connected to the word line WL1, and the gates of the MOS transistors Tr21 and Tr22 of the memory cells C21 and C22 which are similarly arranged in the row direction are commonly connected to the word line WL1. It is connected to the line WL2.
【0054】行方向に整列しているメモリセルC11,
C21に関連して、第1のコントロールラインCL1a
および第2のCL1bがワードラインWL1と平行に形
成されている。そして、同じく行方向に整列しているメ
モリセルC21,C22に関連して、第1のコントロー
ルラインCL2aおよび第2のコントロールラインCL
2bが、第2のワードラインWL2に平行に形成されて
いる。メモリセルC11に対する情報の書込を行うとき
には、ビットラインBL1および第1および第2のコン
トロールラインCL1a,CL1bに対して適当な書込
電流を印加する。このとき、ビットラインBL2および
メモリセルC21,C22に対応した第1および第2の
コントロールラインCL2a,CL2bに対しては、書
込電流を印加しない。これにより、メモリセルC11に
おいてのみメモリエレメントME11a,ME11bの
フリー層11の磁気モーメントの方向が設定される。The memory cells C11,
In connection with C21, the first control line CL1a
And a second CL1b is formed in parallel with the word line WL1. The first control line CL2a and the second control line CL2 also relate to the memory cells C21 and C22 which are also aligned in the row direction.
2b are formed parallel to the second word line WL2. When writing information to the memory cell C11, an appropriate write current is applied to the bit line BL1 and the first and second control lines CL1a and CL1b. At this time, no write current is applied to the first and second control lines CL2a and CL2b corresponding to the bit line BL2 and the memory cells C21 and C22. Thus, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory elements ME11a and ME11b is set only in the memory cell C11.
【0055】メモリセルC11の記憶情報を読み出すと
きには、ワードラインWL1にメモリセルC11,C1
2のMOSトランジスタTr11,Tr12を導通させ
るための読出電圧が印加される。このとき、他のワード
ラインWL2には、読出電圧は印加されない。そして、
ビットラインBL2に電圧を印加せず、メモリセルC1
1に対応したビットラインBL1にのみ適当な読出電流
を印加する。これとともに、センスアンプ(図示せず)
によって、ビットラインBL1に流れる電流量を検出す
る。When reading the storage information of the memory cell C11, the memory cells C11 and C1 are connected to the word line WL1.
A read voltage for conducting the two MOS transistors Tr11 and Tr12 is applied. At this time, no read voltage is applied to the other word lines WL2. And
Without applying a voltage to the bit line BL2, the memory cell C1
An appropriate read current is applied only to the bit line BL1 corresponding to 1. Along with this, a sense amplifier (not shown)
Thus, the amount of current flowing through the bit line BL1 is detected.
【0056】このときに検出される電流量は、メモリエ
レメントME11a,ME11bにおける磁気モーメン
トの状態に応じて3種類(強磁性トンネル接合素子10
の面積を適切に異ならせてある場合には4種類)の値を
とる。なお、ワードラインWL2には読出電圧が印加さ
れないので、メモリセルC21,C22ではトランジス
タTr21,Tr22が遮断状態に保持される。そし
て、メモリセルC12に対応したビットラインBL2に
は読出のための電圧が印加されない。したがって、メモ
リセルC11の記憶情報の読出時に、他のメモリセルか
らの情報が読み出されることはない。The amount of current detected at this time is three types (the ferromagnetic tunnel junction device 10) according to the state of the magnetic moment in the memory elements ME11a and ME11b.
If the areas are appropriately different, four values are taken. Note that since no read voltage is applied to the word line WL2, the transistors Tr21 and Tr22 in the memory cells C21 and C22 are kept in the cutoff state. Then, a voltage for reading is not applied to the bit line BL2 corresponding to the memory cell C12. Therefore, when reading the storage information of the memory cell C11, information from another memory cell is not read.
【0057】情報の消去は、各メモリセルに初期値(た
とえば「0」)を書き込むことによって達成され、特別
の消去動作は必要ではない。図8は、この発明の第3の
実施形態に係るMRAMの構造を説明するための図解的
な断面図である。この図8には、図9のメモリエレメン
トMEと同様な構成の4つのメモリエレメントME1,
ME2,ME3,ME4を、半導体基板1に対して垂直
な方向に積層した構造が示されている。これらの4つの
メモリエレメントME1〜ME4は、半導体基板1上の
MOSトランジスタTrに共通に接続されている。Erasure of information is achieved by writing an initial value (for example, “0”) to each memory cell, and no special erase operation is required. FIG. 8 is an illustrative sectional view for explaining the structure of the MRAM according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 shows four memory elements ME1 and ME1 having the same configuration as memory element ME in FIG.
A structure in which ME2, ME3, and ME4 are stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate 1 is shown. These four memory elements ME1 to ME4 are commonly connected to a MOS transistor Tr on the semiconductor substrate 1.
【0058】4つのメモリエレメントME1〜ME4に
それぞれ「0」または「1」の情報を書き込むことがで
き、結果として、4ビットの情報をメモリセルCに記憶
することができる。具体的には、メモリエレメントME
1〜ME4の記憶値の組は、次の16種類の状態をとり
うる。 (0000) (0001) (0010) (0011) (0100) (0101) (0110) (0111) (1000) (1001) (1010) (1011) (1100) (1101) (1110) (1111) これにより、多値情報を1つのメモリセルCに記憶する
ことができるようになっている。このようなメモリセル
Cを半導体基板1上にマトリクス状に多数配列すること
によって、高度に集積化された多値MRAMを実現する
ことができる。Information "0" or "1" can be written in each of the four memory elements ME1 to ME4. As a result, 4-bit information can be stored in the memory cell C. Specifically, the memory element ME
The set of stored values of 1 to ME4 can take the following 16 types of states. (0000) (0001) (0010) (0011) (0100) (0101) (0110) (0111) (1000) (1001) (1010) (1011) (1100) (1101) (1110) (1111) , Multi-value information can be stored in one memory cell C. By arranging a large number of such memory cells C in a matrix on the semiconductor substrate 1, a highly integrated multi-level MRAM can be realized.
【0059】ただし、4つのメモリエレメントME1〜
ME4が同様な構造を有する場合には、MOSトランジ
スタTrを導通させて読出動作を行ったときに検出され
る電流値は、5種類の値をとる。したがって、1つのメ
モリセルに5値のデータを記憶できることになる。な
お、メモリエレメントME1〜ME4の強磁性トンネル
接合素子10の面積を異ならせれば、4つのメモリエレ
メントME1〜ME4の総トンネル電流を、最大で16
種類に変化させることができる。したがって、最大で1
6値までのデータを1つのメモリセルに記憶させること
ができる。However, the four memory elements ME1 to ME1
When the ME 4 has a similar structure, the current value detected when the read operation is performed by turning on the MOS transistor Tr takes five values. Therefore, quinary data can be stored in one memory cell. If the areas of the ferromagnetic tunnel junction elements 10 of the memory elements ME1 to ME4 are made different, the total tunnel current of the four memory elements ME1 to ME4 becomes 16 at the maximum.
Can be changed to the type. Therefore, at most 1
Data up to six values can be stored in one memory cell.
【0060】構成の詳細について説明すると、半導体基
板1上には、4つのメモリエレメントME1〜ME4に
よって共有される1つのMOSトランジスタTrが形成
されている。このMOSトランジスタTrのゲートは、
図8の紙面に垂直な方向に延びるワードラインWLを形
成している。このワードラインWLの上方に第1のコン
トロールラインCLaが層間絶縁膜2を介して形成され
ており、さらに、その上方に、層間絶縁膜3を介して第
1のメモリエレメントME1が形成されている。この第
1のメモリエレメントME1の上方には、第1のビット
ラインBLaを介して第2のメモリエレメントME2が
積層されている。さらに、第2のメモリエレメントME
2の上方には、層間絶縁膜4を介して第2のコントロー
ルラインCLbが設けられていて、その上方には、さら
に、層間絶縁膜9を介して第3のメモリエレメントME
3が積層されている。このメモリエレメントME3の上
方には、第2のビットラインBLbを介して第4のメモ
リエレメントME4が積層されている。そして、この第
4のメモリエレメントME4の上方に層間絶縁膜10を
介して第3のコントロールラインCLcが設けられてい
る。The structure will be described in detail. On the semiconductor substrate 1, one MOS transistor Tr shared by four memory elements ME1 to ME4 is formed. The gate of the MOS transistor Tr is
A word line WL extending in a direction perpendicular to the plane of FIG. 8 is formed. A first control line CLa is formed above the word line WL via an interlayer insulating film 2, and a first memory element ME1 is formed above the word line WL via an interlayer insulating film 3. . Above the first memory element ME1, a second memory element ME2 is stacked via a first bit line BLa. Further, the second memory element ME
A second control line CLb is provided above the second memory element ME via an interlayer insulating film 9 and an interlayer insulating film 4.
3 are stacked. Above the memory element ME3, a fourth memory element ME4 is stacked via the second bit line BLb. Further, a third control line CLc is provided above the fourth memory element ME4 via an interlayer insulating film 10.
【0061】第1ないし第3のコントロールラインCL
a〜CLcは、ワードラインWLに平行に形成されてい
る。一方、第1および第2のビットラインBLa,BL
bは、ワードラインWLと交差する方向に沿って形成さ
れている。第1のコントロールラインCLaは、メモリ
エレメントME1の情報書換えのために用いられ、第2
のコントロールラインCLbは、メモリエレメントME
2,ME3の記憶情報の書換えのために共通に用いら
れ、第3のコントロールラインCLcは、メモリエレメ
ントME4の記憶情報の書換えのために用いられる。ま
た、第1のビットラインBLaは、メモリエレメントM
E1,ME2の記憶情報の書換えおよびこれらのメモリ
エレメントからの記憶情報の読出のために共通に用いら
れ、第2のビットラインBLbは、メモリエレメントM
E3,ME4の記憶情報の書換えおよびこれらのメモリ
エレメントからの記憶情報の読出のために共通に用いら
れる。First to third control lines CL
a to CLc are formed parallel to the word line WL. On the other hand, the first and second bit lines BLa, BL
b is formed along a direction crossing the word line WL. The first control line CLa is used for rewriting information of the memory element ME1, and is used for the second control line CLa.
Of the memory element ME
2, the third control line CLc is commonly used for rewriting the storage information of ME3, and the third control line CLc is used for rewriting of the storage information of the memory element ME4. The first bit line BLa is connected to the memory element M
E1 and ME2 are commonly used for rewriting the stored information and reading the stored information from these memory elements, and the second bit line BLb is connected to the memory element M
It is commonly used for rewriting the storage information of E3 and ME4 and for reading the storage information from these memory elements.
【0062】メモリエレメントME1〜ME4の各下部
電極15は、それぞれ、接続部5,6,7,8を介し
て、トランジスタTrのドレインに共通に接続されてい
る。第1〜第3のコントロールラインCLa〜CLcに
は、独立に電圧を印加できるようになっている。また、
第1および第2のビットラインBLa,BLbも同様
に、独立して電圧を印加することができるようになって
いる。ただし、第1および第2のビットラインBLa,
BLbは、当該メモリセルCからの情報の読出時には、
共通に読出のための電圧が印加されて、これらの第1お
よび第2のビットラインBLa,BLbに導出された電
流が共通にセンスアンプによって検出されるようになっ
ている。Each of the lower electrodes 15 of the memory elements ME1 to ME4 is commonly connected to the drain of the transistor Tr through the connection portions 5, 6, 7, and 8, respectively. A voltage can be independently applied to the first to third control lines CLa to CLc. Also,
Similarly, the first and second bit lines BLa and BLb can be independently applied with a voltage. However, the first and second bit lines BLa, BLa,
BLb is used to read information from the memory cell C.
A voltage for reading is commonly applied, and the currents led to the first and second bit lines BLa and BLb are commonly detected by a sense amplifier.
【0063】メモリエレメントME1に対する情報の書
込は、第1のビットラインBLaおよび第1のコントロ
ールラインCLaにそれぞれ書込用の電流を印加するこ
とによって達成される。このとき、コントロールライン
CLbに書込電流を印加しなければ、メモリエレメント
ME2のフリー層11の磁気モーメントの方向が変化す
ることはない。メモリエレメントME2に対する情報の
書込は、第1のビットラインBLaおよびコントロール
ラインCLbに書込用の電流を印加することによって達
成される。このとき、第1のコントロールラインCLa
に書込用の電流を印加しなければメモリエレメントME
1に対する情報の書込が起きることはない。また、第2
のビットラインBLbに書込用の電流を印加しなけれ
ば、メモリエレメントME3に対する情報の書込が起こ
ることはない。Writing of information to memory element ME1 is achieved by applying a write current to each of first bit line BLa and first control line CLa. At this time, unless a write current is applied to the control line CLb, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME2 does not change. Writing of information to the memory element ME2 is achieved by applying a write current to the first bit line BLa and the control line CLb. At this time, the first control line CLa
If no write current is applied to memory element ME
Writing of information to 1 does not occur. Also, the second
Unless a current for writing is applied to the bit line BLb, writing of information to the memory element ME3 does not occur.
【0064】メモリエレメントME3に対する情報の書
込も、同様にして行える。すなわち、第2のコントロー
ルラインCLbおよび第2のビットラインBLbに情報
書込用の電流をそれぞれ印加すれば、メモリエレメント
ME3のフリー層11の磁気モーメントの方向を所望の
方向に設定できる。このとき、コントロールラインCL
cに書込電流を印加しなければ、メモリエレメントME
4に対する情報の書込は起こらない。また、第1のビッ
トラインBLaに書込用の電流を印加しなければ、メモ
リエレメントME2に対する情報の書込が起こることも
ない。Writing information to memory element ME3 can be performed in the same manner. That is, if a current for writing information is applied to the second control line CLb and the second bit line BLb, respectively, the direction of the magnetic moment of the free layer 11 of the memory element ME3 can be set to a desired direction. At this time, the control line CL
If no write current is applied to the memory element ME
No information writing to 4 occurs. Unless a current for writing is applied to the first bit line BLa, writing of information to the memory element ME2 does not occur.
【0065】さらに、メモリエレメントME4に対する
情報の書込は、第2のビットラインBLbおよび第3の
コントロールラインCLcに対して、それぞれ書込用の
電流を印加することによって達成される。このとき、第
2のコントロールラインCLbに書込用の電流を印加し
なければ、メモリエレメントME3に対する情報の書込
は起こらない。アンペールの法則によれば、電流経路か
ら十分に離れた位置では強い磁界が形成されず、また、
ビットラインBLa,BLbにより磁界が遮蔽されるこ
とから、たとえば、メモリエレメントME1およびME
4に対する情報の書込が並行して行われてもよい。すな
わち、第1および第3のコントロールラインCLa,C
Lc、ならびに第1および第2のビットラインBLa,
BLbにそれぞれ書込用の電流を印加する。そして、こ
のとき、コントロールラインCLbには書込用の電流を
印加しない。これにより、メモリエレメントME1,M
E4の各フリー層11における磁気モーメントの方向を
設定することができる。Further, writing of information to memory element ME4 is achieved by applying a write current to each of second bit line BLb and third control line CLc. At this time, unless a current for writing is applied to the second control line CLb, writing of information to the memory element ME3 does not occur. According to Ampere's law, a strong magnetic field is not formed at a position far enough from the current path,
Since the magnetic field is shielded by bit lines BLa and BLb, for example, memory elements ME1 and ME
4 may be written in parallel. That is, the first and third control lines CLa, C
Lc, and the first and second bit lines BLa,
A write current is applied to BLb. At this time, no write current is applied to the control line CLb. Thereby, the memory elements ME1, M
The direction of the magnetic moment in each free layer 11 of E4 can be set.
【0066】このようにこの実施形態の構成を採用する
と、1メモリセルに5値〜16値のデータ記憶が可能な
多値MRAMを実現できる。同様にして、多数のメモリ
エレメントを半導体基板1に垂直な方向に積層していけ
ば、さらに多くの値数の多値メモリも実現可能である。
そして、この実施形態の構成では、ビットラインおよび
コントロールラインを隣接する一対のメモリエレメント
間で共有するようにしているので、配線数を少なくする
ことができ、比較的簡単な構成で集積度の高いMRAM
を実現できるという効果を奏することができる。As described above, when the configuration of this embodiment is adopted, a multi-valued MRAM capable of storing 5- to 16-value data in one memory cell can be realized. Similarly, if a large number of memory elements are stacked in a direction perpendicular to the semiconductor substrate 1, a multi-valued memory having a larger number of values can be realized.
In the configuration of this embodiment, the bit line and the control line are shared between a pair of adjacent memory elements, so that the number of wirings can be reduced, the configuration is relatively simple, and the integration degree is high. MRAM
Can be achieved.
【0067】この発明の実施形態の説明は以上のとおり
であるが、この発明は、上述の実施形態に限定されるも
のではない。たとえば、上述の第1の実施形態において
は、半導体基板1に垂直な方向に積層された一対のメモ
リエレメントME11,ME21によってビットライン
BL1が共有されるようになっているが、一対のメモリ
エレメントME11,ME21の間に、コントロールラ
インを配置して、このコントロールラインをメモリエレ
メントME11,ME21によって共有するようにして
もよい。この場合には、メモリエレメントME11の下
端にビットラインを接続し、メモリエレメントME21
の上端に別のビットラインを接続すればよい。Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above-described first embodiment, the bit line BL1 is shared by the pair of memory elements ME11 and ME21 stacked in the direction perpendicular to the semiconductor substrate 1, but the pair of memory elements ME11 , ME21, a control line may be arranged, and this control line may be shared by the memory elements ME11, ME21. In this case, a bit line is connected to the lower end of the memory element ME11 and the memory element ME21 is connected.
Another bit line may be connected to the upper end of the bit line.
【0068】また、図1の構成において、コントロール
ラインCL2の上方にさらに別のメモリエレメントを配
置し、この別のメモリエレメントを半導体基板1上に設
けた読出用トランジスタに接続するようにしてもよい。
この場合、この第3層目のメモリエレメントの上方に、
メモリエレメントに接続されるビットラインを設ければ
よい。これにより、コントロールラインCL2をメモリ
エレメントME21および上記別のメモリエレメントに
対する情報書込のために共有することができる。そし
て、1つのメモリセルのスペース分に実質的に3つのメ
モリセルを配置することができる。同様にして、4つ以
上のメモリセルを1メモリセル分の面積に配置して、さ
らに高集積化されたMRAMを実現することができる。Further, in the configuration of FIG. 1, another memory element may be arranged above control line CL2, and this other memory element may be connected to a read transistor provided on semiconductor substrate 1. .
In this case, above the memory element of the third layer,
A bit line connected to the memory element may be provided. Thus, the control line CL2 can be shared for writing information to the memory element ME21 and another memory element. Then, substantially three memory cells can be arranged in the space of one memory cell. Similarly, by arranging four or more memory cells in an area corresponding to one memory cell, a highly integrated MRAM can be realized.
【0069】また、上述の実施形態では、図9に示され
た構成のメモリエレメントを用いることとしているけれ
ども、メモリエレメントには、別の構成を採用すること
もできる。たとえば、トンネル絶縁層13にはアルミナ
の代わりにGdO、Ta2O5、HfO2、NiO、Mg
Oを適用してもよく、また、強磁性体層11,12に
は、CoFeの代わりにCo、NiFe、LaSrMn
O3、CrO2を適用してもよい。In the above embodiment, the memory element having the configuration shown in FIG. 9 is used. However, another configuration can be adopted for the memory element. For example, instead of alumina, GdO, Ta 2 O 5 , HfO 2 , NiO, Mg
O may be applied, and Co, NiFe, LaSrMn may be used for the ferromagnetic layers 11 and 12 instead of CoFe.
O 3 and CrO 2 may be applied.
【0070】その他、特許請求の範囲に記載された技術
的事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能であ
る。In addition, various design changes can be made within the technical scope described in the claims.
【図1】この発明の第1の実施形態に係るMRAMのメ
モリセルの構造を説明するための図解的な断面図であ
る。FIG. 1 is an illustrative sectional view for explaining a structure of a memory cell of an MRAM according to a first embodiment of the present invention;
【図2】上記MRAMのレイアウトを示す図解的な平面
図である。FIG. 2 is an illustrative plan view showing a layout of the MRAM.
【図3】上記MRAMのレイアウトの別の例を示す図解
的な平面図である。FIG. 3 is an illustrative plan view showing another example of the layout of the MRAM.
【図4】上記第1の実施形態のMRAMの電気的構成を
説明するための電気回路図である。FIG. 4 is an electric circuit diagram for explaining an electric configuration of the MRAM according to the first embodiment.
【図5】この発明の第2の実施形態に係るMRAMのメ
モリセル構造を説明するための図解的な断面図である。FIG. 5 is an illustrative sectional view for explaining a memory cell structure of an MRAM according to a second embodiment of the present invention;
【図6】図5に示されたメモリセル構造のレイアウトを
説明するための平面図である。FIG. 6 is a plan view illustrating a layout of the memory cell structure shown in FIG. 5;
【図7】上記第2の実施形態に係るMRAMの電気的構
成を説明するための電気回路図である。FIG. 7 is an electric circuit diagram for explaining an electric configuration of the MRAM according to the second embodiment.
【図8】この発明の第3の実施形態に係るMRAMの構
造を説明するための図解的な断面図である。FIG. 8 is an illustrative sectional view for explaining the structure of an MRAM according to a third embodiment of the present invention.
【図9】MRAMのメモリエレメントの構成を説明する
ための断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view for describing a configuration of a memory element of the MRAM.
【図10】従来のMRAMのメモリセル構造を説明する
ための図解的な断面図である。FIG. 10 is an illustrative sectional view for explaining a memory cell structure of a conventional MRAM.
【図11】従来のMRAMの電気的構成を説明するため
の電気回路図である。FIG. 11 is an electric circuit diagram for explaining an electric configuration of a conventional MRAM.
1 半導体基板 5 接続部 6 接続部 10 強磁性トンネル接合素子 11 フリー層(強磁性体層) 12 ピン層(強磁性体層) 13 トンネル絶縁層 14 反強磁性体層 15 下部電極 16 上部電極 BL1 ビットライン BL2 ビットライン BLa ビットライン BLb ビットライン C11 メモリセル C12 メモリセル C21 メモリセル C22 メモリセル C メモリセル CL1 コントロールライン CL2 コントロールライン CL1a コントロールライン CL1b コントロールライン CL2a コントロールライン CL2b コントロールライン CLa コントロールライン CLb コントロールライン CLc コントロールライン ME11 メモリエレメント ME12 メモリエレメント ME21 メモリエレメント ME22 メモリエレメント ME11a メモリエレメント ME11b メモリエレメント ME1〜ME4 メモリエレメント Tr11 トランジスタ Tr12 トランジスタ Tr21 トランジスタ Tr22 トランジスタ Tr トランジスタ WL1 ワードライン WL2 ワードライン WL ワードライン Reference Signs List 1 semiconductor substrate 5 connection portion 6 connection portion 10 ferromagnetic tunnel junction element 11 free layer (ferromagnetic layer) 12 pin layer (ferromagnetic layer) 13 tunnel insulating layer 14 antiferromagnetic layer 15 lower electrode 16 upper electrode BL1 Bit line BL2 Bit line BLa Bit line BLb Bit line C11 memory cell C12 memory cell C21 memory cell C22 memory cell C memory cell CL1 control line CL2 control line CL1a control line CL1b control line CL2a control line CL2b control line CLa control line CLb control line CLc Control line ME11 Memory element ME12 Memory element ME21 Memory element ME22 Memory element Cement ME11a memory element ME11b memory element ME1~ME4 memory element Tr11 transistor Tr12 transistor Tr21 transistor Tr22 transistor Tr transistor WL1 word line WL2 word line WL word line
Claims (10)
ネル接合素子をそれぞれ有する第1および第2のメモリ
エレメントと、 上記第1および第2のメモリエレメントの間に配置さ
れ、これらの第1および第2のメモリエレメントの情報
書換えのために共有される第1の電流印加ラインと、 上記第1のメモリエレメントに対して上記第2のメモリ
エレメントとは反対側に配置され、上記第1のメモリエ
レメントの情報書換えのために用いられる第2の電流印
加ラインと、 上記第2のメモリエレメントに対して上記第1のメモリ
エレメントとは反対側に配置され、上記第2のメモリエ
レメントの情報書換えのために用いられる第3の電流印
加ラインとを含むことを特徴とする強磁性トンネル接合
素子を用いた記憶装置。A first memory element having a ferromagnetic tunnel junction element, the first memory element having a ferromagnetic tunnel junction element, and a first memory element having a ferromagnetic tunnel junction element. A first current application line shared for rewriting information of first and second memory elements; and a first current application line disposed on a side opposite to the second memory element with respect to the first memory element; A second current application line used for rewriting information of the memory element, and a second current applying line disposed on a side opposite to the first memory element with respect to the second memory element; And a third current application line used for rewriting. A memory device using a ferromagnetic tunnel junction device, comprising:
この第1のメモリエレメントの記憶情報を読み出すため
の第1の読出トランジスタと、 上記第2のメモリエレメントに接続され、この第2のメ
モリエレメントの記憶情報を読み出すための第2の読出
トランジスタとをさらに含むことを特徴とする請求項1
記載の記憶装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first memory element is connected to said first memory element.
A first read transistor for reading the storage information of the first memory element; and a second read transistor connected to the second memory element for reading the storage information of the second memory element. 2. The method of claim 1, further comprising:
A storage device as described.
共通に接続され、これらの第1および第2のメモリエレ
メントの記憶情報を共通に読み出すための読出トランジ
スタをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の記憶
装置。3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a read transistor commonly connected to said first and second memory elements, for reading out common information stored in said first and second memory elements. Item 2. The storage device according to Item 1.
よび第2のメモリエレメントの記憶情報の読出のために
共有されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれ
かに記載の記憶装置。4. The device according to claim 1, wherein said first current application line is shared for reading stored information of said first and second memory elements. Storage device.
配列して構成された記憶装置であって、 各メモリセルは、強磁性トンネル接合素子をそれぞれ有
する第1および第2のメモリエレメントを上記基板上に
積層して構成されており、 上記記憶装置は、 列方向に整列した複数のメモリセルに備えられた上記第
1および第2のメモリエレメントの間を通って配置さ
れ、上記第1および第2のメモリエレメントに対する記
憶情報の書換えのために共通に用いられる第1の電流印
加ラインと、 行方向に整列した複数のメモリセルにおいて上記第1の
メモリエレメントに対して上記第2のメモリエレメント
とは反対側を通って配置され、上記第1のメモリエレメ
ントの記憶情報を書き換えるための第2の電流印加ライ
ンと、 行方向に整列した複数のメモリセルにおいて上記第2の
メモリエレメントに対して上記第1のメモリエレメント
とは反対側を通って配置され、上記第2のメモリエレメ
ントの記憶情報を書き換えるための第3の電流印加ライ
ンとを含むことを特徴とする強磁性トンネル接合素子を
用いた記憶装置。5. A storage device comprising a plurality of memory cells arranged in a matrix on a substrate, wherein each memory cell includes first and second memory elements each having a ferromagnetic tunnel junction element. The storage device is stacked on a substrate, and the storage device is disposed between the first and second memory elements provided in a plurality of memory cells aligned in a column direction, and the first and second storage elements are arranged. A first current application line commonly used for rewriting storage information in a second memory element; and a second memory element with respect to the first memory element in a plurality of memory cells arranged in a row direction. And a second current application line for rewriting the storage information of the first memory element, and a plurality of lines arranged in the row direction. And a third current application line for rewriting storage information of the second memory element, the memory cell being disposed on the memory cell through a side opposite to the first memory element with respect to the second memory element. A storage device using a ferromagnetic tunnel junction device.
モリエレメントにそれぞれ接続され、上記第1および第
2のメモリエレメントの記憶情報を読み出すための第1
および第2の読出トランジスタをさらに備え、 行方向に整列した複数のメモリセルに備えられた上記第
1の読出トランジスタに共通に接続された第1のワード
ラインと、 行方向に整列した複数のメモリセルに備えられた上記第
2の読出トランジスタに共通に接続された第2のワード
ラインとをさらに含むことを特徴とする請求項5記載の
記憶装置。6. A memory cell connected to the first and second memory elements, respectively, and a first memory cell for reading information stored in the first and second memory elements.
A first word line commonly connected to the first read transistor provided in a plurality of memory cells aligned in the row direction; and a plurality of memories aligned in the row direction. The storage device according to claim 5, further comprising a second word line commonly connected to the second read transistor provided in the cell.
は、上記行方向に沿ってずらして上記基板上に形成され
ていることを特徴とする請求項6記載の記憶装置。7. The memory device according to claim 6, wherein said first and second read transistors are formed on said substrate so as to be shifted along said row direction.
モリエレメントに共通に接続され、これらの第1および
第2のメモリエレメントの記憶情報を共通に読み出すた
めの読出トランジスタをさらに含み、 行方向に整列した複数のメモリセルに備えられた上記読
出トランジスタのゲートに共通に接続されたワードライ
ンをさらに含むことを特徴とする請求項5記載の記憶装
置。8. Each of the memory cells further includes a read transistor commonly connected to the first and second memory elements, and commonly reading storage information of the first and second memory elements. 6. The storage device according to claim 5, further comprising a word line commonly connected to gates of said read transistors provided in a plurality of memory cells arranged in a row direction.
および第2のメモリエレメントの記憶情報の読出のため
に共有されるビットラインであることを特徴とする請求
項5ないし8のいずれかに記載の記憶装置。9. The system according to claim 1, wherein the first current application line is
9. The storage device according to claim 5, wherein the storage device is a bit line shared for reading storage information of the second memory element.
第3の電流印加ラインを挟んで、さらに第3のメモリエ
レメントが積層されており、 上記第3のメモリエレメントに対して上記第2のメモリ
エレメントとは反対側に、この第3のメモリエレメント
の記憶情報を書き換えるための第4の電流印加ラインが
設けられていることを特徴とする請求項1ないし9のい
ずれかに記載の記憶装置。10. A third memory element is further laminated on the second memory element with the third current application line interposed therebetween, wherein the third memory element is stacked on the second memory element. The storage device according to any one of claims 1 to 9, wherein a fourth current application line for rewriting information stored in the third memory element is provided on a side opposite to the memory element. .
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